JP2020007439A - コークス乾式消火設備 - Google Patents

Abstract

【課題】スローピングフリューの排出ガスを増加させるとともにボイラー側に飛散搬送されるコークス粒径を制御し、安定したコークス品質向上とエネルギー回収を行う、コークス乾式消火設備の提供。【解決手段】スローピングフリュー内からのコークス安息面を排除するとともに、安息面の排出ガス噴き出しの偏流を格段に抑制するため、仕切壁５と安息面６の間に空間を設け、リング状の安息面をスローピングフリュー入口７下のクーリングチャンバー内壁沿いに形成させる。かつリング状の安息面の面積を、ボイラー側に飛散搬送されるコークス粉の最大粒径に基づいて設定する。【選択図】図５

Description

本発明は、コークス冷却を行うコークス乾式消火設備に関する。

図１に設備全体を示す。コークス乾式消火設備は製鉄所などに設置され、コークス炉で乾留された赤熱コークスを循環ガスで徐冷、消火しコークスの品質向上と発電などのエネルギー回収を行う設備である。

コークスが充填される耐火物製煉瓦積みの円筒形容器であり、上部に赤熱コークスの予備槽となるプレチャンバー１、下部にコークスを徐冷するクーリングチャンバー２、その間に円周方向に放射状に配列されたスローピングフリュー３を備えている。赤熱コークスは、プレチャンバー１上部から投入されクーリングチャンバー２下部から排出される。

排出ガスはスローピングフリュー３を通過しボイラー側に搬送される。排出ガスはクーリングチャンバー２経由の冷却ガスが主体であるが、プレチャンバー１内のコークスから発生した燃焼ガスも含まれている。排出ガスはコークス粉を含むために除塵設備９を通り、ボイラー設備１０でエネルギー回収された後に再びクーリングチャンバー２下部へ循環される。

スローピングフリュー３は、排出ガスをボイラー側に搬送するために、クーリングチャンバー２上部から放射状にリングダクト８まで配置されている。スローピングフリュー３の側面は、プレチャンバー内筒４を支える仕切壁５で構成されている。

図２はスローピングフリューの断面である。プレチャンバー１に投入された高温のコークスは漸次下降し、一部がスローピングフリュー３内に堆積する。その後、クーリングチャンバー２内に戻り下降する。スローピングフリュー３内は、コークス層が漸次入れ替わりながら安息角を保ち斜面（以降、安息面６という）を形成している。スローピングフリュー入口７は安息面６以下の高さにある。

冷却ガスは、クーリングチャンバー２下部に吹き込まれた後、クーリングチャンバー２内のコークス層の空隙を上昇し、さらにスローピングフリュー３内のコークス層の空隙を通過したのち、安息面６から噴き出す。これに加えて、プレチャンバー１内のコークスから発生した燃焼ガスも冷却ガスとともに安息面６から噴き出す。クーリングチャンバー２経由の冷却ガスにプレチャンバー１経由の燃焼ガスが混合されたものがスローピングフリュー３を通過する排出ガスであり、冷却ガス量と燃焼ガス量の合計が排出ガス量である。また、排出ガス量は安息面６の噴き出し量でもある。

さらに最近の技術動向として、プレチャンバー２に燃焼空気または外部燃焼物を導入し、コークスの乾留促進または回収エネルギーの増加を図る傾向にあるため、スローピングフリュー３を通過する排出ガス量は増加する傾向にある。

安息面６からは比較的小さな粒径のコークスが排ガスによってボイラー側に飛散搬送される。排出ガスの安息面の噴き出し流速はボイラー側に飛散搬送されるコークスの粒径に大きく影響する。

安息面６の噴き出し流速は、次の式で表す。
安息面の噴き出し流速＝(排出ガス流量)/(安息面積)

図３から、安息面６の噴き出し流速を鉛直方向に分解した速度成分が、コークス粒の終末速度に等しいとき、コークス粉は安息面から離脱しボイラー側に飛散搬送されると考えられる。式で表すと、
安息面の噴き出し流速＊cos安息角＝境界粒径の終末速度
のときに境界粒径以下のコークスがボイラー側に飛散搬送される。

安息面６から噴き出す排出ガスは、仕切壁５に挟まれた楔型のコークス層によってクーリングチャンバー２の半径方向で偏流している。安息面６は炉芯から外側になるほど排出ガス流量は小さくなる。排出ガス量を増加し続ければ、あるレベルでスローピングフリュー３がコークスで閉塞してしまう。

スローピングフリュー３がコークスで閉塞する過程は概ね図４のように変化する。
（１）冷却ガス流速が大きい安息面６の炉芯側から吹き上げられた微粉が流速の小さい炉外側へ堆積する。
（２）炉外側で安息面６を超える高さにコークスが堆積され偏流が増大する。
（３）コークス堆積と偏流の悪循環によりスローピングフリュー３が閉塞する。

上記（１）〜（３）の過程では、ボイラー側に飛散搬送されるコークス粒径も変動する。スローピングフリュー３がコークスで閉塞されれば復旧のために設備停止が必要になる。大粒径のコークスが飛散搬送されればボイラーチューブや除塵設備その他の付帯設備も損傷するため、建設コスト、保全コストは過剰にならざるを得ない。また設備稼働中に上記（１）〜（３）を起こさせないためには、あらかじめコークスが安息面６を超えて堆積しない排出ガス量に抑制せざるを得ない。

ところで、安息面長さW（図２）を大きくすれば安息面の噴き出し流速の平均値は低減できるが、流速の少ない炉外方向の面積が増えることになり増風効果は小さく偏流は増大する。また安息面長さWを大きくすることは仕切壁５の大型化になり、プレチャンバー内筒４を支える煉瓦積み構造体であるゆえに脆弱さを増し保全負荷が増大する。例えば、設備の停止時間の増加によるコークス品質と回収エネルギー量の低下、あるいは設備停止毎の仕切壁煉瓦の積み替え作業負荷と補修コストの増大である。

このように、排出ガス量を増大させたうえでボイラー側に飛散搬送されるコークス粒径を制御することはコークス乾式消火設備の稼働当初からの課題であった。しかしながら従来のスローピングフリュー３の構造では、
（１）スローピングフリューでコークス閉塞を起こさないための風速制限があり、
（２）安息面６で排ガスの偏流があり、飛散搬送されるコークスの粒径が変動しやすい。
（３）安息面積を増大すると仕切壁を大型化し脆弱さを増し、建設コスト、保全コストが増大する。
という因果関係があるために困難であった。

これに対し、従来からスローピングフリュー３の排出ガス量の増加対策がなされてきた。
例えば（特公平01-026396）では、プレチャンバー内筒４下端部の内側をリブ化することで安息面長さWを大きくし、また安息面６上部を部分的に連結させ、スローピングフリュー３内のコークス層を減ずる発明が開示されている。

また（特公平03-120536）には、スローピングフリュー３を上下複数段に分割することにより安息するコークス層を減少させる構造が記されている。

さらに（PCT/JP2008/068582）では、スローピングフリュー３の入り口下端部を炉芯側に配置することによりスローピングフリュー内のコークスが排出され充填されるスペースを作り出す発明が開示されている。

特公平01-026396 特公平03-120536 PCT/JP2008/068582

これらの発明は、ガス排出量の増加には実用的で効果を発揮している。しかしながら、スローピングフリュー３内から安息面４が排除されていないために、排出ガス量の一定幅の増加はできるものの、スローピングフリュー３のコークス閉塞を防止するための排出ガス流速制限は解消されない。また、安息面６からの排出ガス噴き出しの偏流も一定の改善にとどまるために、集塵設備とボイラー設備の耐摩耗コストの低減までは期待できない。さらに、チャンバー内の構造を複雑にすることは、設備停止時間や保全コストを増大させる要因でもある。

本発明はこのような背景に基づいたものであり、その第一の目的は、仕切壁の建設コスト、保全コストを増大させることなく、スローピングフリューの排出ガス流速制限を解消し、ガス排出量を増加させコークス冷却能力とエネルギー回収能力を増強することにある。

第二の目的は、排出ガス流量を安定的に確保しつつ、飛散搬送されるコークスの粒径を制御し、ボイラー側の耐摩耗コストを抑制することにある。

本発明の課題は、第一に冷却ガス流速の制約となっているスローピングフリューから安息面を排除することにある。スローピングフリューの流速制限を解消しコークス閉塞を防止できれば、排出ガス量の増加が可能となる。

第二の課題として、ボイラー側に飛散搬送されるコークスの分級点となる安息面の偏流を抑制することにある。偏流を抑制できれば、排出ガスを増加させてもボイラー側に飛散搬送されるコークス粒径を安定して制御でき、ボイラー設備と除塵設備の耐摩耗コストを低減でき、建設コストと保全コストの低減が可能になる。

本発明の構造の断面を図５に示す。プレチャンバー内筒下部の安息面上端２１からクーリングチャンバー内側面の安息面下端２２までを安息面長さWとし、安息面をリング状に形成することが望ましい。仕切壁と安息面との間に空間を設け、スローピングフリュー入口を安息面上端２１から安息面下端２２までの高さに位置させ、それぞれのスローピングフリュー入口を、安息面と仕切壁との間の空間で連通することが望ましい。

排出ガスは、プレチャンバー内またはクーリングチャンバー内のコークス層の空隙を通過した後、偏流が格段に抑制されたリング状の安息面から噴き出した後、スローピングフリューからコークス層の通気抵抗を受けることなくボイラー側に排出される。

コークスはプレチャンバーから漸次降下し、スローピングフリュー内に入り込むことなく、リング状の安息面を形成した後、クーリングチャンバーを降下する。

さらに、本発明の安息面積は、ボイラー側に飛散搬送されるコークスの最大粒径に基づいた安息面の噴き出し流速と、排出ガス流量から求めることが望ましい。安息面積は、ボイラー側に飛散搬送されるコークスの最大粒径の終末速度を超えないための大きさを確保することが望ましい。

図６に本発明のリング状の安息面の平面イメージを示す。上記で必要な面積を確保する一方で、仕切壁の強度や耐久性を確保することが望ましい。そこで、仕切壁による分断がないことと、安息面の偏流が格段に抑制されることから、安息面長さWを、従来に比べ大幅に短縮することが望ましい。安息面の長さWは、ボイラー側に飛散搬送されるコークスの最大粒径の終末速度を超えない安息面積を確保した上で、短くすることが望ましい。

本発明の効果は、プレチャンバーとクーリングチャンバーを有するコークス乾式消火設備において、スローピングフリューの風速制限が解消され、安息面上の排出ガスの偏流を格段に抑制できることにある。その結果、排出ガス量を増加することができ、コークス冷却能力とエネルギー回収能力が向上する。

さらには、偏流が格段に抑制された安息面で、安息面積をコークス粉の終末速度に基づき設定することにより、精度よく最大粒径以下のコークス粉を選択的にボイラー側に飛散搬送することが可能になる。その結果、ボイラー設備と除塵設備の安定した稼働と建設コストと保全コストの低減も可能になる。

さらには、安息面長さWの短縮は、スローピングフリュー迫り出し長さLの短縮にもなり、プレチャンバー容積の拡大、さらには設備全体の高さの低減が期待できる。

コークス乾式消火設備の概略である。 従来のスローピングフリューの鉛直断面と、炉芯側から見たスローピングフリュー入口である。 安息面上の排ガス流速を説明している。 従来のスローピングフリューのコークス閉塞までの過程である。 本発明のスローピングフリューの鉛直断面と、炉芯側から見たスローピングフリュー入口である。 安息面を上から見たイメージである。左側が本発明、右側が従来である。 本発明の実施形態の例を示す。

次に、本発明を適用する具体例を示す。

コークスの安息面でのボイラー側に飛散搬送されるコークスの最大粒径ｄの終末速度ｕtは以下の式で表せる。
ｕt＝ｄ^2(ρs−ρf)＊重力加速度/(18μf) (Re＜2)
ｕt＝{(4/225)＊(ρs−ρf)^2＊重力加速度^2/(ρf＊μf)}^(1/3)＊ｄ (2＜Re＜500)
ｕt＝{(4/3/0.44)＊(ρs−ρf)＊重力加速度＊ｄ/ρf}^(1/2) (500＜Re＜10^5)
ここで、Re＝(ｄ＊ｕt＊ρf)/ μf ρf：排出ガス密度 ρs：コークス密度 μf：排ガス粘度

スローピングフリューにおける排出ガスは通常500＜Re＜10＾5であるため終末速度ｕtは上記第３式で表される。そこで、排出ガス密度ρf、コークス密度ρs、は固定値で定められるから、最大粒径ｄを定めれば終末速度ｕtは求まる。

安息面の噴き出し流速が、最大粒径ｄから求められた終末速度ｕtを超えないように、安息面積を確保することが望ましい。

一方で、スローピングフリュー迫り出し長さLが過大にならないために、例えば寸法Lが４００ｍｍを超えない範囲に収めるために必要なクーリングチャンバー内径を確保することが望ましい。あるいは、クーリングチャンバー内径を拡大せずに安息面積を確保するために、安息面を上下複数段に配置しても良い。

プレチャンバー内筒下部にぶら下がり部分を作らないために、スローピングフリュー入口の高さは、安息面上端高さを限度とすることが望ましい。また、スローピングフリュー内にコークス層を堆積させないために、スローピングフリュー入口下端を、安息面下端高さを限度とすることが望ましい。

クーリングチャンバー煉瓦厚さの鉛直方向真上にプレチャンバー内筒厚さの一部または全部を重ねても良い。これはプレチャンバー容積の拡大または設備全体の高さ低減が期待できる。

プレチャンバー内筒を支えるために、仕切壁の複数を従来のように、安息面よりも下方に延長し、リング状の安息面を複数に分割しても良い。

仕切壁の上下面を面取りし、スローピングフリューの入出開口部をベルマウス状にし、排出ガス流の圧力損失を低減させても良い。

安息面とスローピングフリュー入口は、安息面上の排出ガスの水平方向の風圧によるコークス粉の巻き上げが無視できる範囲内で、クーリングチャンバー入口の円周方向の配置を変化させても良い。安息面とスローピングフリュー入口は、クーリングチャンバー全周に均等に配置されなくても良い。

以上、本発明はコークス乾式消火設備への適応であるが、一般に塔内の粉体充填層の任意の高さから、粉体の空隙を通過してきた流体を安息面から系外へ排出する場合に適用できる。例えば成型コークス製造機のシャフト炉中段高さから、境界粒径以下の成型炭粉の飛散搬送を伴う発生ガスの採取等にも利用できる。

本発明は、粉体充填層の側面から流体を排出する場合において、流体により飛散搬送される粉体の最大粒径を設定する場合に応用できる。

１ プレチャンバー
２ クーリングチャンバー
３ スローピングフリュー
４ プレチャンバー内筒
５ 仕切壁
６ 安息面
７ スローピングフリュー入口
８ リングダクト
９ 集塵設備
１０ ボイラー設備
２１ 安息面上端
２２ 安息面下端

W 安息面長さ
L スローピングフリューの迫り出し長さ

Claims (1)

1. コークスが充填された煉瓦積み構造体であり、上部にプレチャンバー、下部にクーリングチャンバー、その間の、クーリングチャンバー上部に放射状に設けられたスローピングフリューを備え、プレチャンバー上部から赤熱コークスを投入し、クーリングチャンバー下部から冷却したコークスを排出し、スローピングフリューから排出ガスをボイラー側に搬送するコークス乾式消火設備であって、
   プレチャンバー内筒下部の安息面上端からクーリングチャンバー内側面の安息面下端までを安息面長さとしたリング状の安息面を特徴とし、
   スローピングフリュー入口を安息面上端から安息面下端までの高さ内に設け、かつスローピングフリュー入口が安息面と仕切壁との間の空間で連通していることを特徴とし、
   さらに、リング状の安息面の面積を、ボイラー側に飛散搬送されるコークスの粒径に基づいて設定することを特徴とする。