JP6825609B2 - コークス炉閉塞箇所特定方法およびコークス炉 - Google Patents
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Description
本発明は、コークス炉内の気体流路の閉塞箇所を特定するコークス炉閉塞箇所特定方法に関し、とくに、燃焼ガスとして貧ガスを用いる場合であっても、高い精度で閉塞箇所を特定することができるコークス炉閉塞箇所特定方法に関する。また本発明は、前記特定方法を実施することができるコークス炉に関する。
製鉄所等で用いられるコークスは、一般的に、室炉式コークス炉で石炭を乾留することによって製造される。室炉式コークス炉（以下、単に「コークス炉」という）は、使用する燃料ガスの種類によって、単式炉と複式炉に大別することができる。単式炉とは、「富ガス」と称される高カロリーのガスを燃料ガスとして用いる炉であり、前記富ガスとしては、一般的に、コークス炉ガス（Ｃガス）またはコークス炉ガスを主体としたガスが使用される。一方、複式炉とは、前述した富ガスと、「貧ガス」と称される低カロリーのガスのいずれをも、燃料ガスとして使用することができる炉である。前記貧ガスとしては、コークス炉ガスと高炉ガスの混合ガス（Ｍガス）が通常使用される。
ここで、カールスチル式の複式炉を例として、コークス炉の構造を説明する。
図１は、カールスチル式コークス炉の構造を模式的に示す断面斜視図である。コークス炉１の炉体は耐火煉瓦を積み上げて構成されており、その上部には複数の炭化室１０と燃焼室２０が設けられている。炭化室１０と燃焼室２０とは、矢印Ｗで示した炉幅方向に交互に配置されている。炭化室１０の上部には複数の石炭装入口１１が設けられており、石炭装入口１１から原料となる石炭が炭化室１０内へ装入される。また、燃焼室２０の上部には、点検孔２１が設けられている。なお、図１では、矢印Ｌで示した炉長方向に平行な面の燃焼室２０の断面を示している。
炭化室１０と燃焼室２０とは耐火物煉瓦で作られた炉壁で隔てられており、燃焼室２０内で燃料ガスを燃焼させることにより、炉壁を介して炭化室１０が加熱される。その状態で、炭化室１０内の石炭は数十時間程度乾留され、コークスとなる。
コークス炉１の炉長方向の一方には図示されない押出機が設置されており、炉長方向の他方には 消火車やコークス乾式消火設備（ＣＤＱ）などが設置されている。押出機が設置されている側はプッシャサイド（ＰＳ）またはマシンサイド（ＭＳ）、消火設備が設置されている側（取り出し側）はコークサイド（ＣＳ）と、それぞれ称される。出来上がったコークスは、押出機によって炭化室１０からコークサイドへ押し出される。
コークス炉１の下部には、炉長方向に伸びる蓄熱室３０が設けられている。蓄熱室３０は、燃焼廃熱を利用するためのものであり、複数の蓄熱室３０が炉幅方向に並べて設置されている。蓄熱室３０内には、蓄熱のために、鉛直方向に多数の流路を設けた煉瓦が設置されている。
図２は、上記コークス炉を構成する１対の炭化室１０および燃焼室２０と、炭化室１０および燃焼室２０に接続された蓄熱室の構造を示す模式図である。燃焼室２０は、炉長方向に間隔を空けて設けられた仕切壁２２によって、複数の垂直煙道２３に分割されている。仕切壁２２は、耐火煉瓦でできており、その内部には、空気や貧ガスが流れる流路が形成されている。
また、カールスチル式コークス炉では、燃焼室２０および蓄熱室３０は、通常は、図１に示すように、炉長方向に２つに分割された構造となっており、燃料ガスはそのうち一方の燃焼室２０へ供給される。燃焼室２０のうち、燃料ガスが供給される側（図１では左側）を「燃焼側」、反対側を「排気側」という。燃焼側の燃焼室へ供給された燃料ガスは垂直煙道２３で燃焼され、その排ガスは上部水平煙道２４を通って排気側の燃焼室へ送られる。次いで、前記排ガスは蓄熱室３０へ排出され、熱回収される。その後、前記排ガスは、小煙道６０、大煙道６１を経由して、煙突６２から放出される。通常、前記処理は燃焼室の燃焼側と排気側を交互に切替えながら行われる。
燃料ガスとして富ガスを用いる場合には、富ガス配管４０から、炉長方向に伸びる水平富ガス配管４１を通って、垂直煙道２３の下部に設けられた開口から燃焼室２０内へ富ガスが供給される。そして、全ての蓄熱室３０から各燃焼室２０へ空気が供給される。その際、空気は仕切壁２２の内部を通って、仕切壁２２の側面に設けられた開口より燃焼室２０内へ供給される。
燃焼ガスとして貧ガスを用いる場合には、貧ガス配管５０から、一旦、一方の側（図１、２に示した例ではコークサイド）の蓄熱室３０へ貧ガスが供給される。供給された貧ガスは、蓄熱室３０内で予熱された後、その上方にある燃焼室２０へ送られる（図１の実線）。同様に、空気も蓄熱室３０へ供給され、蓄熱室３０内で予熱された後、その上方にある燃焼室２０へ送られる（図１の破線）。ここで、図２に示したように、炉幅方向に並んで設置されている複数の蓄熱室３０には、交互に貧ガスと空気が供給される。例えば、複数の蓄熱室のうち、炉幅方向に数えて奇数番目の蓄熱室（たとえば、図２の３０ａ）に貧ガスを供給する場合、偶数番目の蓄熱室（たとえば、図２の３０ｂ）には空気が供給される。また、燃焼室２０内への貧ガスと空気の供給は、共に、仕切壁２２の側面に設けられた開口より行われる。燃焼室２０内に間隔を空けて設置されている複数の仕切壁２２は、交互に、貧ガスの供給と空気の供給に使用される。例えば、複数の仕切壁のうち、炉長方向に数えて奇数番目の仕切壁に貧ガスを供給する場合、偶数番目の仕切壁には空気が供給される。
上記のように燃焼室内で富ガスまたは貧ガスを燃焼させることにより、炉壁を介して燃焼室の両側に配された炭化室が加熱され、炭化室内の原料炭を乾留することができる。
しかし、コークス炉では、貧ガス、富ガス、空気が流れる気体流路部分（以下、単に流路とも称する。）に、煉瓦や補修材、灰分などが堆積し、流れが阻害されることがある。各流路が堆積物により閉塞した場合に、燃焼室へのガスの供給量が減少し、燃焼室や炭化室の温度が低下し、乾留熱量が不足する。また、石炭が十分加熱されずに、火落ち不良部分が発生すると、コークスの押し詰まりが発生したり、コークスをコークス炉から排出する際に黒煙が発生したりするといった問題もある。そのため、コークス炉内の流路の閉塞を迅速に見つけ出す必要がある。ここで、流路の閉塞が発生しうるコークス炉の部位は、蓄熱室３０内、蓄熱室３０と燃焼室２０とを接続する配管類、仕切壁２２内の流路が例として挙げられる。
そこで、特許文献１では、垂直煙道内のガスをサンプリングして酸素濃度を測定することにより、富ガス流路の閉塞個所を特定する方法が提案されている。
特許文献１で提案されている方法によれば、富ガス流路の閉塞箇所を特定することができる。しかし、前記方法を、燃料ガスとして貧ガスを使用する場合の流路閉塞箇所の特定に用いることは困難であった。その理由は次のとおりである。
燃料ガスとして富ガスを使用する場合、富ガスは蓄熱室を経由せずに各垂直煙道の底部に設けられた開口へ直接供給される。したがって、垂直煙道と富ガス供給部とは基本的に１対１で対応しており、垂直煙道の酸素濃度と閉塞箇所との関係が明確である。
これに対して、燃料ガスとして貧ガスを使用する場合には、貧ガスが蓄熱室と仕切壁とを経由して供給される。１つの蓄熱室で予熱された貧ガスは、図２に示すように、該蓄熱室の上方にある２つの燃焼室２０へ供給される。したがって、燃焼室と蓄熱室とが１対１で対応していない。さらに、実際のコークス炉では、冗長性確保のため、あるいは設計上の理由などから、１つの貧ガス供給部から２つの仕切壁内へ貧ガスを供給することや、複数の貧ガス供給部の間を連結することなどが行われている（後述する図５も参照）。そのため、垂直煙道と貧ガス供給部とは１対１で対応しない。空気の流路についても同様である。
このように、貧ガスおよび空気の流路が複雑な構造を有している結果、特許文献１に記載された方法のように酸素濃度を測定するのみでは、流路の閉塞箇所を十分な精度で特定することは困難であった。
また、従来、各垂直煙道の温度を測定し、測定された温度から判定者が経験をもとに流路の閉塞部を推定することも行われている。しかしながら、このような方法で推定された部位をみても、実際に流路の閉塞が確認されないことも多かった。
そのため、燃焼ガスとして貧ガスを用いる場合であっても、高い精度で流路の閉塞箇所を特定することができるコークス炉閉塞箇所特定方法の開発が求められる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、燃焼ガスとして貧ガスを用いる場合であっても、高い精度で流路の閉塞箇所を特定することができるコークス炉閉塞箇所特定方法およびコークス炉を提供することを目的とする。
本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．コークス炉内の気体流路の閉塞箇所を特定するコークス炉閉塞箇所特定方法であって、
前記コークス炉の燃焼室内の特性値を測定し、前記特性値の実際の分布を求める実測工程と、
前記コークス炉のモデルを用いた数値解析によって前記特性値の分布を算出する数値解析工程と、
前記数値解析工程での解析結果に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定する閉塞箇所特定工程とを有し、
前記数値解析工程では、圧力損失係数を変数として、前記実測工程で測定された特性値の分布と前記数値解析で求められた特性値の分布との差を最小化する最適化を行う、コークス炉閉塞箇所特定方法。
前記コークス炉の燃焼室内の特性値を測定し、前記特性値の実際の分布を求める実測工程と、
前記コークス炉のモデルを用いた数値解析によって前記特性値の分布を算出する数値解析工程と、
前記数値解析工程での解析結果に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定する閉塞箇所特定工程とを有し、
前記数値解析工程では、圧力損失係数を変数として、前記実測工程で測定された特性値の分布と前記数値解析で求められた特性値の分布との差を最小化する最適化を行う、コークス炉閉塞箇所特定方法。
２．前記特性値が温度である、上記１に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
３．前記閉塞箇所が蓄熱室内である、上記１または２に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
４．コークス炉内の特性値の実際の分布を測定する測定手段と、
上記１〜３のいずれか一項に記載の数値解析工程を行う演算手段と、を備えるコークス炉。
上記１〜３のいずれか一項に記載の数値解析工程を行う演算手段と、を備えるコークス炉。
５．前記測定手段が、温度測定手段である、上記４に記載のコークス炉。
６． 前記実測工程の後、前記実測工程で測定された特性値の分布と予め用意されたデータベースとを比較する比較工程をさらに有し、
前記データベースは、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録しており、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記数値解析工程をスキップして前記閉塞箇所特定工程を実行し、前記閉塞箇所特定工程では、前記数値解析工程での解析結果に代えて、前記比較工程において一致すると判断されたデータセットの圧力損失係数に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定する、上記１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
前記データベースは、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録しており、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記数値解析工程をスキップして前記閉塞箇所特定工程を実行し、前記閉塞箇所特定工程では、前記数値解析工程での解析結果に代えて、前記比較工程において一致すると判断されたデータセットの圧力損失係数に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定する、上記１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
７．前記実測工程の後、前記実測工程で測定された特性値の分布と予め用意されたデータベースとを比較する比較工程をさらに有し、
前記データベースは、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録しており、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記比較工程において近似すると判断されたデータセットにおける圧力損失係数を前記数値解析工程における初期条件として使用する、上記１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
前記データベースは、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録しており、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記比較工程において近似すると判断されたデータセットにおける圧力損失係数を前記数値解析工程における初期条件として使用する、上記１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
８．前記実測工程の後、前記実測工程で測定された特性値の分布と予め用意されたデータベースとを比較する比較工程をさらに有し、
前記データベースは、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録しており、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記数値解析工程をスキップして前記閉塞箇所特定工程を実行し、前記閉塞箇所特定工程では、前記数値解析工程での解析結果に代えて、前記比較工程において一致すると判断されたデータセットの圧力損失係数に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定し、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断されなかった場合で、かつ前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記比較工程において近似すると判断されたデータセットにおける圧力損失係数を前記数値解析工程における初期条件として使用する、上記１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
前記データベースは、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録しており、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記数値解析工程をスキップして前記閉塞箇所特定工程を実行し、前記閉塞箇所特定工程では、前記数値解析工程での解析結果に代えて、前記比較工程において一致すると判断されたデータセットの圧力損失係数に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定し、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断されなかった場合で、かつ前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記比較工程において近似すると判断されたデータセットにおける圧力損失係数を前記数値解析工程における初期条件として使用する、上記１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
本発明によれば、燃焼ガスとして貧ガスを用いる場合であっても、高い精度で、かつ簡単に閉塞箇所を特定することができる。
次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明では、カールスチル式のコークス炉で、貧ガスを燃料ガスとして使用する場合を例として挙げるが、他の形式のコークス炉を使用する場合や他のガスを用いる場合にも本発明は適用可能である。
図３は、本発明の第１の実施形態による処理の流れを示すフロー図である。本実施形態のコークス炉閉塞箇所特定方法は、次の３つの工程を必須の工程として有する。以下、各工程について具体的に説明する。
（１）実測工程
（２）数値解析工程
（３）閉塞箇所特定工程
（１）実測工程
（２）数値解析工程
（３）閉塞箇所特定工程
［実測工程］
まず初めに、コークス炉の燃焼室内の特性値を実測して、実際の特性値の分布を求める（実測工程）。前記特性値としては、特に限定されることなく、実測することができ、かつ後述する数値解析工程で解析可能なパラメータであれば任意のものを用いることができる。前記特性値としては、例えば、温度、圧力、ガス（雰囲気）組成、特定ガスの濃度などが挙げられる。測定の容易さや装置コストの面からは、前記特性値として温度を用いることが好ましい。特性値として温度を用いる場合、実測工程ではコークス炉の燃焼室内の温度分布を求める。
まず初めに、コークス炉の燃焼室内の特性値を実測して、実際の特性値の分布を求める（実測工程）。前記特性値としては、特に限定されることなく、実測することができ、かつ後述する数値解析工程で解析可能なパラメータであれば任意のものを用いることができる。前記特性値としては、例えば、温度、圧力、ガス（雰囲気）組成、特定ガスの濃度などが挙げられる。測定の容易さや装置コストの面からは、前記特性値として温度を用いることが好ましい。特性値として温度を用いる場合、実測工程ではコークス炉の燃焼室内の温度分布を求める。
特性値分布を求める範囲や位置は、流路の閉塞箇所を特定することが求められるコークス炉内の範囲、求められる精度、数値解析の負荷などを考慮して決定すればよい。例えば、１つの燃焼室を対象としてもよく、複数の燃焼室を対象としてもよい。１つの燃焼室を対象とする場合には、その１つの燃焼室内の特性値分布を求めればよい。また、前記したように、仕切壁内の流路を対象としてもよい。
特性値の測定位置や測定点数についても、特に限定されず、任意に設定することができる。しかし、解析精度の観点からは、燃焼室に含まれる複数の垂直煙道のそれぞれにおいて、少なくとも１カ所ずつ特性値を測定することが好ましい。例えば、各垂直煙道の底部における温度を測定すればよい。仕切壁２２内の閉塞を特定するためには垂直煙道の底部付近及び上部付近の２か所以上を測定することが望ましい。
［数値解析工程］
次に、前記コークス炉のモデルを用いた数値解析によって前記特性値の分布を算出する（数値解析工程）。数値解析工程では、流路の閉塞箇所を特定しようとするコークス炉の各部（たとえば閉塞箇所を特定する範囲内のすべての燃焼室等）の圧力損失係数を変数として、前記実測工程で測定された特性値分布と前記数値解析で求められた特性値分布との差を最小化する最適化を行う。これにより、実際の特性値分布を最もよく再現することができる各部の圧力損失係数を得ることができる。ここで、圧力損失係数は、気体流路部分の気体の流れやすさを表す係数である。
次に、前記コークス炉のモデルを用いた数値解析によって前記特性値の分布を算出する（数値解析工程）。数値解析工程では、流路の閉塞箇所を特定しようとするコークス炉の各部（たとえば閉塞箇所を特定する範囲内のすべての燃焼室等）の圧力損失係数を変数として、前記実測工程で測定された特性値分布と前記数値解析で求められた特性値分布との差を最小化する最適化を行う。これにより、実際の特性値分布を最もよく再現することができる各部の圧力損失係数を得ることができる。ここで、圧力損失係数は、気体流路部分の気体の流れやすさを表す係数である。
前記数値解析に使用するモデルは、前記特性値と圧力損失係数との関係を取り扱うことができるものであれば、任意のモデルを用いることができる。前記モデルには、例えば、質量保存則、運動量保存則、エンタルピーの保存則、燃焼計算などを含むことができる。また、解析次元は、コークス炉の燃焼室内における特性値分布を求められるならば１次元、２次元、３次元のいずれの次元を用いてもよい。
実際の数値解析工程では、図３に示したように、ある初期条件での特性値分布を数値解析によって算出したのち、その結果と実測工程で測定された特性値分布とから評価関数（適応度）を算出し、これが所定の収束条件を満たす場合には、数値解析工程を終了する。一方、収束条件を満足しない場合には、数値解析に用いた条件を変更し、変更後の条件を用いて再度特性値分布を算出する。この処理を繰り返すことにより、数値解析で求められた特性値分布と実測された特性値分布との差が最小となるように最適化を行う。前記最適化で変化させる条件としては、通常、コークス炉の各部の圧力損失係数を用いればよい。
前記最適化に用いるアルゴリズムは特に限定されることなく、任意のものを用いることができる。好適に用いることができる最適化アルゴリズムの一例としては、遺伝的アルゴリズムが挙げられる。その他には、勾配法なども例示できる。
［閉塞箇所特定工程］
上記数値解析工程による最適化の結果、実測された特性値分布を最もよく再現することができる圧力損失係数の分布が得られる。したがって、閉塞箇所特定工程では、得られた圧力損失係数に基づいて流路閉塞箇所を特定すればよい。例えば、得られた圧力損失係数の分布をモニターに表示するか、プリントアウトし、その結果に基づいて、閉塞している箇所を特定すればよい。
上記数値解析工程による最適化の結果、実測された特性値分布を最もよく再現することができる圧力損失係数の分布が得られる。したがって、閉塞箇所特定工程では、得られた圧力損失係数に基づいて流路閉塞箇所を特定すればよい。例えば、得られた圧力損失係数の分布をモニターに表示するか、プリントアウトし、その結果に基づいて、閉塞している箇所を特定すればよい。
上記実施形態に加えて、流路が閉塞した場合の特性値の分布および対応する数値解析結果をあらかじめデータベースとして記録しておき、実測して求められた特性値の分布を、データベースに記録された特性値の分布と比較し、類似する特性値の分布に対応する数値解析結果をもとに、流路の閉塞箇所を特定するようにしてもよい。
先に述べたように、一般に、貧ガス配管、富ガス配管、空気配管は、複数の燃焼室につながっているので、配管に閉塞が発生すると、複数の燃焼室に影響がある。したがって、燃焼室ごとに解析を行い、求められた複数の解析結果を総合して閉塞箇所を推定すれば、より精度が向上することは言うまでもない。また、閉塞箇所の特定は、連続的に行うこともできるし、所定の時間間隔をおいて実施することでもよい。連続的に行う場合には、例えば、コークス炉の壁面に熱電対を壁面に埋め込み、前記熱電対で測定される温度データを用いて、閉塞箇所の特定を継続的に実施することができる。
［比較工程］
さらに、本発明のコークス炉閉塞箇所特定方法は、前記実測工程の後、前記実測工程で測定された特性値の分布と予め用意されたデータベースとを比較する比較工程をさらに有することができる。前記比較工程を設けることにより、数値解析工程を省略するか、数値解析工程における計算量を低減することができ、その結果、一層効率的に閉塞箇所を特定することが可能となる。
さらに、本発明のコークス炉閉塞箇所特定方法は、前記実測工程の後、前記実測工程で測定された特性値の分布と予め用意されたデータベースとを比較する比較工程をさらに有することができる。前記比較工程を設けることにより、数値解析工程を省略するか、数値解析工程における計算量を低減することができ、その結果、一層効率的に閉塞箇所を特定することが可能となる。
前記データベースとしては、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録したものを用いることができる。前記データベースは、本発明のコークス炉閉塞箇所特定方法の実施に先立って、予め作成しておく。前記データベースの作成は、特に限定されることなく任意の方法で行うことができる。例えば、数値計算を行って、ある圧力損失係数における特性値分布を求め、前記圧力損失係数と特性値分布を組として、データベースに収録すればよい。前記数値計算では、本発明の数値解析工程で使用するモデルと同様のモデルを用いることが好ましい。
前記データベースに収録するデータセットの数は特に限定されず、１または２以上であればよい。しかし、データベースを用いることによる効果を高めるという観点からは、データセットの数を１００以上とすることが好ましく、５００以上とすることがより好ましい。また、後述するように、本発明のコークス炉閉塞箇所特定方法を実施する過程において、前記データベースにデータセットを随時追加することもできる。
前記比較工程においては、実測工程で測定された特性値の分布（以下、「実測値」という）と、データベースに収録されている特性値分布（以下、「比較対象値」という）とを比較すればよい。前記比較工程において好適に行うことができる処理の内容について、以下、説明する。
（一致判定）
一実施形態においては、前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在するか否かの判断（以下、「一致判定」という）を行うことができる。
一実施形態においては、前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在するか否かの判断（以下、「一致判定」という）を行うことができる。
前記一致判定において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記数値解析工程をスキップして前記閉塞箇所特定工程を実行する。そして、前記閉塞箇所特定工程では、前記数値解析工程での解析結果に代えて、前記比較工程において一致すると判断されたデータセットの圧力損失係数に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定する。
すなわち、予め用意されたデータベースに、実測の特性値分布と一致するデータセットがある場合には、改めて数値解析を行わずとも、当該データセットの圧力損失係数から閉塞箇所を特定することができる。この場合、数値解析工程を省略できるため、極めて効率的に閉塞箇所を特定できる。
前記一致判定における一致の判断は、特に限定されず任意の方法で行うことができる。例えば、実測値と比較対象値とが、実際に数値として完全に一致する場合のみ、両者が一致したと判断することができる。ただし、実測値と比較対象値とを連続値として扱っている場合などでは、実測値と比較対象値とが実際に数値として完全に一致する確率は低く、比較工程による効率化の効果が十分に得られない場合がある。そのため、実測値と比較対象値とを、離散的な値として扱うことが好ましい。例えば、特性値として温度を用いる場合、１℃きざみ、５℃きざみ、１０℃きざみなど、予め定めたステップで実測値と比較対象値を離散化して取り扱うことができる。これにより、実測値と比較対象値とが一致する確率が上がり、効率がさらに向上する。同様の理由から、前記一致判定においては、実測値と比較対象値との差が、予め定めた範囲内であれば両者が一致したと判断してもよい。
（近似判定）
また、他の実施形態においては、前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在するか否かの判断（以下、「近似判定」という）を行うことができる。
また、他の実施形態においては、前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在するか否かの判断（以下、「近似判定」という）を行うことができる。
前記近似判定において、前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記比較工程において近似すると判断されたデータセットにおける圧力損失係数を、次の数値解析工程における初期条件として使用する。なお、近似するデータセットが見つからなかった場合には、数値解析工程における初期条件は、例えば、予め定めた初期条件とするなど、通常の方法で決定すればよい。
これにより、数値解析工程における数値計算の初期条件を、実際の条件に近いものとすることができる。そしてその結果、数値解析工程において収束までに要する時間を低減し、さらに効率的に閉塞箇所を特定できる。
前記近似判定における近似の判断は、特に限定されず任意の方法で行うことができる。例えば、実測値と比較対象値との差が予め定めた範囲内であれば両者が近似すると判断すればよい。また、実測値と最も近い比較対象値、すなわち、実測値との差が最も小さい比較対象値を探索し、当該比較対象値を備えるデータセットを近似するデータセットと見なすこともできる。この場合、かならず近似するデータセットが存在することになる。なお、特性値の値は、実際には１つの値ではなく複数の測定点における値の集合である。そのため、実測値と比較対象値との比較には、例えば、各点における特性値の差の二乗和を用いることができる。
比較工程では、上記一致判定および近似判定の一方または両方を行うことが好ましい。
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態の処理の流れを示すフロー図である。本実施形態のコークス炉閉塞箇所特定方法は、第１の実施形態として説明した方法における実測工程の後に、さらに比較工程を有する。以下、前記比較工程とその後の工程における具体的な処理の流れについて説明する。なお、特に言及しない部分については、上記第１の実施形態と同様とすることができる。
図７は、本発明の第２の実施形態の処理の流れを示すフロー図である。本実施形態のコークス炉閉塞箇所特定方法は、第１の実施形態として説明した方法における実測工程の後に、さらに比較工程を有する。以下、前記比較工程とその後の工程における具体的な処理の流れについて説明する。なお、特に言及しない部分については、上記第１の実施形態と同様とすることができる。
本実施形態では、実測工程の後、該実測工程で測定された特性値の分布と予め用意されたデータベースとの比較を行う。前記比較においては、まず、一致判定を行う。具体的には、データベースを探索した結果、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記数値解析工程をスキップして前記閉塞箇所特定工程に進む。
前記一致判定において実測値と一致する特性値の分布を有するデータセットが見つからなかった場合には、次の近似判定を行う。具体的には、データベースを探索した結果、前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、近似すると判断されたデータセットにおける圧力損失係数（近似条件）を前記数値解析工程における初期条件として採用する。
前記近似判定において実測値と近似するデータセットが見つからなかった場合には、通常通り初期条件を設定して数値解析を行えばよい。
なお、図７では便宜的に、データベースの探索を行った後に一致判定と近似判定を順次行う流れとしているが、データベースの探索は、一致判定および比較判定の任意のタイミングで行えばよい。
さらに、一致判定で一致するデータセットが見つからなかった場合には、数値解析が行われるが、その場合、計算が収束した時点における圧力損失係数と特性値の計算結果を、あらたなデータセットとしてデータベースへ蓄積する。これにより、データベースをさらに充実させることができ、次回以降の処理において、実測値と一致または近似するデータセットが存在する確率を高めることができる。
［コークス炉］
本発明の一実施形態のコークス炉は、上記コークス炉閉塞箇所特定方法を実施するための手段を備えることができる。具体的には、次の（１）および（２）を備える。また、前記コークス炉は、さらに任意に次の（３）および（４）を備えることもできる。
（１）測定手段
（２）演算手段
（３）記録手段
（４）初期条件演算手段
本発明の一実施形態のコークス炉は、上記コークス炉閉塞箇所特定方法を実施するための手段を備えることができる。具体的には、次の（１）および（２）を備える。また、前記コークス炉は、さらに任意に次の（３）および（４）を備えることもできる。
（１）測定手段
（２）演算手段
（３）記録手段
（４）初期条件演算手段
［測定手段］
本発明の一実施形態におけるコークス炉は、コークス炉内における特性値を測定し、実際の特性値の分布を求める測定手段を備える。前記測定手段としては、使用する特性値を測定できるものであれば任意のものを使用できる。例えば、前記特性値として温度を用いる場合には、前記測定手段として温度測定手段を使用する。温度測定手段としては、例えば、放射温度計、熱電対などが挙げられる。また、ガスの組成を測定する手段としては、各種のガス分析計が挙げられる。圧力測定手段としては、ピトー管などが挙げられる。
本発明の一実施形態におけるコークス炉は、コークス炉内における特性値を測定し、実際の特性値の分布を求める測定手段を備える。前記測定手段としては、使用する特性値を測定できるものであれば任意のものを使用できる。例えば、前記特性値として温度を用いる場合には、前記測定手段として温度測定手段を使用する。温度測定手段としては、例えば、放射温度計、熱電対などが挙げられる。また、ガスの組成を測定する手段としては、各種のガス分析計が挙げられる。圧力測定手段としては、ピトー管などが挙げられる。
前記測定手段の数は特に限定されない。測定位置ごとに測定手段を設置することもできるが、１つの測定手段で複数箇所の測定を行うこともできる。
［演算手段］
前記コークス炉は、さらに、上述した数値解析工程を行う演算手段を備える。前記演算手段としては、例えば、前記数値解析工程を行うためのソフトウェアを収録した記録媒体を備えるコンピュータなどを用いることができる。また、前記演算手段は、上述した比較工程を行うことができるものとすることが好ましい。
前記コークス炉は、さらに、上述した数値解析工程を行う演算手段を備える。前記演算手段としては、例えば、前記数値解析工程を行うためのソフトウェアを収録した記録媒体を備えるコンピュータなどを用いることができる。また、前記演算手段は、上述した比較工程を行うことができるものとすることが好ましい。
［記録手段、初期条件演算手段］
前記記録手段および初期条件演算手段としては、例えば、上述したデータベースを収録した記録媒体（記録手段）を備えるコンピュータ（初期条件演算手段）を用いることができる。前記初期条件演算手段は、上記数値解析工程のための演算手段が兼ねることもできる。
前記記録手段および初期条件演算手段としては、例えば、上述したデータベースを収録した記録媒体（記録手段）を備えるコンピュータ（初期条件演算手段）を用いることができる。前記初期条件演算手段は、上記数値解析工程のための演算手段が兼ねることもできる。
（実施例１）
図３に示した流れで、燃焼室１つの内部の温度分布に基づいて、閉塞箇所の特定を行った。具体的な手順を以下に説明する。
図３に示した流れで、燃焼室１つの内部の温度分布に基づいて、閉塞箇所の特定を行った。具体的な手順を以下に説明する。
まず、対象とする１つの燃焼室の内部の温度を測定して、温度分布を求めた。その結果を図４に示す。本実施例では、３２個の垂直煙道を備える燃焼室内の温度分布を、各垂直煙道につき１点測定した。測定には放射温度計を使用し、炉頂部分から炉底部の煉瓦の温度を測定した。
次に、１次元モデルに基づいて作成した燃焼室モデルを使用し、実測された温度分布に一致するように最適化計算を行って、圧力損失係数分布を求めた。前記一次元モデルにおける流路は、ノードとダクトで構成した。また、構成方程式としては、下記数式で表されるノードの質量保存則［数１］、ノードのエンタルピー保存則［数２］、気体の状態方程式［数３］、およびダクトの運動量保存則［数４］を用いた。
ここで、各記号の定義は次のとおりである。
ρj：密度 [kg/m3]
ｕj：ダクト速度[m/s]
Ａ：ダクト断面積 [m2]
ｈ：エンタルピー [j / m3]
Ｌ：ダクトの長さ [m]
Ｋ：圧力損失係数 [-]
ｐ：気体の圧力 [Pa]
Ｒ：気体定数 [J / (K・mol)]
Ｒk：熱伝導における熱抵抗 [K/W]
Ｒc：熱伝達における熱抵抗 [K/W]
Ｒr：輻射における熱抵抗 [K/W]
Δｚ：計算点の高さの差 [m]
ρj：密度 [kg/m3]
ｕj：ダクト速度[m/s]
Ａ：ダクト断面積 [m2]
ｈ：エンタルピー [j / m3]
Ｌ：ダクトの長さ [m]
Ｋ：圧力損失係数 [-]
ｐ：気体の圧力 [Pa]
Ｒ：気体定数 [J / (K・mol)]
Ｒk：熱伝導における熱抵抗 [K/W]
Ｒc：熱伝達における熱抵抗 [K/W]
Ｒr：輻射における熱抵抗 [K/W]
Δｚ：計算点の高さの差 [m]
また、伝熱計算では、下記数式で表される固体の熱伝導［数５、６］、固体と流体の熱伝達［数７、８］、および輻射［数９、１０］を考慮した。
ここで、下記［数１１］〜［数１３］の記号は、それぞれ熱伝導における熱の移動度［数１１］、熱伝達における熱の移動度［数１２］、および輻射による熱の移動度［数１３］を表す。
また、他の記号の定義は次のとおりである。
Ｔ1−Ｔ2：熱の移動を考慮する２点間の温度差 [K]
Ｋk：固体の熱伝導率 [W / (m・K)]
Ａh：熱の授受に関する面の表面積 [m2]
ｈc：熱伝達率 [W/K]
ｈr：輻射相当の熱伝達率 [W/K]
Ｔ1−Ｔ2：熱の移動を考慮する２点間の温度差 [K]
Ｋk：固体の熱伝導率 [W / (m・K)]
Ａh：熱の授受に関する面の表面積 [m2]
ｈc：熱伝達率 [W/K]
ｈr：輻射相当の熱伝達率 [W/K]
燃焼計算では、各ノードで混合ガスは平衡状態に達していると仮定した。また、数値解析では、実際のコークス炉内の流路に合わせて作成したノードおよびダクト（図５）を用いた。
数値解析で得られた温度分布が、図４に示した実際の垂直焔道底部の煉瓦の温度分布に一致するように、蓄熱室の圧力損失係数を変数として最適化を行った。最適化手法としては遺伝的アルゴリズムを使用した。
上記最適化の結果得られた圧力損失係数分布を確認したところ、図５中に示したダクト１００部分の圧力損失係数が大きいことが判明した。したがって、実際のコークス炉でも、蓄熱室のダクト１００に相当する部分が閉塞していると特定することができる。
そこで、前記部分に相当する蓄熱室を実際に解体したところ、図６に示すように、蓄熱室内の流路が閉塞していた。以上の結果より、本発明のコークス炉閉塞箇所特定方法を用いることにより、コークス炉、特に蓄熱室の閉塞部位を高い精度で、迅速に特定できることが分かる。
（実施例２）
図７に示した流れとした点以外は実施例１と同様の条件で、コークス炉の閉塞箇所の特定を行った。なお、コークス炉内各部の圧力損失係数と、該圧力損失係数を用いた数値解析によって得た温度分布とからなるデータセットを２０００組備えるデータベースを予め作成し、比較工程で使用した。なお、圧力損失係数は、０．１からはじまる０．５きざみの離散値（０．１、０．６、１．１、１．６、・・・）として取り扱った。同様に、温度は、５℃きざみの整数である離散値（９００、９０５、９１０、・・・）として取り扱った。
図７に示した流れとした点以外は実施例１と同様の条件で、コークス炉の閉塞箇所の特定を行った。なお、コークス炉内各部の圧力損失係数と、該圧力損失係数を用いた数値解析によって得た温度分布とからなるデータセットを２０００組備えるデータベースを予め作成し、比較工程で使用した。なお、圧力損失係数は、０．１からはじまる０．５きざみの離散値（０．１、０．６、１．１、１．６、・・・）として取り扱った。同様に、温度は、５℃きざみの整数である離散値（９００、９０５、９１０、・・・）として取り扱った。
比較工程では、図７に示すようにまず一致判定を行い、一致しなかったため、次いで近似判定を行った。前記近似判定では、最小自乗法により、図４に示した温度分布と最も近いデータを求め、そのデータにおける圧力損失係数を、数値解析工程における初期条件とした。
上記のように比較工程を実施した場合（実施例２）、数値解析の実行回数が比較工程を行わない場合（実施例１）の１０%程度となり、収束までの時間は１５％程度となった。このように、比較工程においてデータベースとの比較を行い、その結果に基づいて初期条件を設定することで、数値解析工程に要する時間を大幅に短縮することができる。
１ コークス炉
１０ 炭化室
１１ 石炭装入口
２０ 燃焼室
２１ 点検孔
２２ 仕切壁
２３ 垂直煙道
２４ 水平煙道
３０ 蓄熱室
４０ 富ガス配管（Ｃガス配管）
５０ 貧ガス配管（Ｍガス配管）
６０ 小煙道
６１ 大煙道
６２ 煙突
ＣＳ コークサイド
ＰＳ プッシャサイド（マシンサイド）
１０ 炭化室
１１ 石炭装入口
２０ 燃焼室
２１ 点検孔
２２ 仕切壁
２３ 垂直煙道
２４ 水平煙道
３０ 蓄熱室
４０ 富ガス配管（Ｃガス配管）
５０ 貧ガス配管（Ｍガス配管）
６０ 小煙道
６１ 大煙道
６２ 煙突
ＣＳ コークサイド
ＰＳ プッシャサイド（マシンサイド）
Claims (8)
- コークス炉内の気体流路の閉塞箇所を特定するコークス炉閉塞箇所特定方法であって、
前記コークス炉の燃焼室内の特性値を測定し、前記特性値の実際の分布を求める実測工程と、
前記コークス炉のモデルを用いた数値解析によって前記特性値の分布を算出する数値解析工程と、
前記数値解析工程での解析結果に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定する閉塞箇所特定工程とを有し、
前記数値解析工程では、圧力損失係数を変数として、前記実測工程で測定された特性値の分布と前記数値解析で求められた特性値の分布との差を最小化する最適化を行う、コークス炉閉塞箇所特定方法。 - 前記特性値が温度である、請求項１に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
- 前記閉塞箇所が蓄熱室内である、請求項１または２に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
- 請求項１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法を実施することができるコークス炉であって、
前記実測工程を行ってコークス炉内の特性値の実際の分布を測定する測定手段と、
前記数値解析工程を行う演算手段と、を備えるコークス炉。 - 前記測定手段が、温度測定手段である、請求項４に記載のコークス炉。
- 前記実測工程の後、前記実測工程で測定された特性値の分布と予め用意されたデータベースとを比較する比較工程をさらに有し、
前記データベースは、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録しており、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記数値解析工程をスキップして前記閉塞箇所特定工程を実行し、前記閉塞箇所特定工程では、前記数値解析工程での解析結果に代えて、前記比較工程において一致すると判断されたデータセットの圧力損失係数に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。 - 前記実測工程の後、前記実測工程で測定された特性値の分布と予め用意されたデータベースとを比較する比較工程をさらに有し、
前記データベースは、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録しており、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記比較工程において近似すると判断されたデータセットにおける圧力損失係数を前記数値解析工程における初期条件として使用する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。 - 前記実測工程の後、前記実測工程で測定された特性値の分布と予め用意されたデータベースとを比較する比較工程をさらに有し、
前記データベースは、圧力損失係数と前記圧力損失係数における前記特性値の分布とのデータセットを１または２以上収録しており、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記数値解析工程をスキップして前記閉塞箇所特定工程を実行し、前記閉塞箇所特定工程では、前記数値解析工程での解析結果に代えて、前記比較工程において一致すると判断されたデータセットの圧力損失係数に基づいて前記コークス炉の閉塞箇所を特定し、
前記比較工程において、前記実測工程で測定された特性値の分布と一致する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断されなかった場合で、かつ前記実測工程で測定された特性値の分布と近似する特性値の分布を有するデータセットが前記データベースに存在すると判断された場合、前記比較工程において近似すると判断されたデータセットにおける圧力損失係数を前記数値解析工程における初期条件として使用する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉閉塞箇所特定方法。
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