JPH1150055A

JPH1150055A - コークス炉の空燃比制御方法

Info

Publication number: JPH1150055A
Application number: JP22063797A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Kiyoshi; 英典木吉; Yasutaka Shihara; 康孝紫原; Yuuji Ishiharaguchi; 裕二石原口; Keihachiro Tanaka; 啓八郎田中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1999-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料ガスの供給流量に応じた供給量の空気を
燃焼室に供給することにより、炉団を形成する各燃焼室
で燃料ガスを最適状態で燃焼させることができるコーク
ス炉の空燃比制御方法を提供する。【解決手段】石炭を乾留する炭化室１１と炭化室１１を
加熱する燃焼室１２とを炉幅方向に複数配列して炉団を
形成し、燃焼室１２に空気と燃料ガスとを供給して燃焼
させるコークス炉の空燃比制御方法において、炉団の全
体に供給される空気と燃料ガスの流量比である空燃比を
調整して燃焼室１２のそれぞれに接続する集合煙道１４
から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度を燃料ガスが最
適燃焼する目標酸素濃度に保持し、空燃比の過去所定時
間内の時間変動を平滑化して炉団の設定空燃比を定め、
設定空燃比及び燃焼室１２のそれぞれに供給される燃料
ガスの流量に基づいて燃焼室１２にそれぞれ供給する空
気の流量を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はコークス炉の燃焼室
に供給する空気と燃料ガスとの流量比である空燃比を調
整して、生成する燃焼排ガス中の酸素濃度を制御するコ
ークス炉の空燃比制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コークス炉は一般に、燃料ガスを空気で
燃焼させる燃焼室と、該燃焼室からの燃焼熱によって石
炭の乾留を行う炭化室とを有するユニットを炉幅方向に
５０〜１００個配列して構成されている。燃焼室は炉壁
（レンガ壁）を介して炭化室と隣接し、燃焼室の底部は
供給される燃料ガス又は排出される燃焼排ガス（以後、
単に排ガスと称す）等と熱交換を行うための蓄熱室に通
じている。各々の燃焼室には、高温の蓄熱室で予熱され
た燃料ガスと空気が供給され、これらの燃焼熱によって
燃焼室を加熱して、その両側にある炭化室内の石炭の乾
留が行われる。各燃焼室で生成された高温の排ガスは、
前記燃料ガスと空気の供給により冷却された蓄熱室に引
き落とされ、該蓄熱室を再加熱して熱回収され、最終的
に煙突から大気中に排出される。そして予熱用となる蓄
熱室を「立ち側」、熱回収用となる蓄熱室を「引き側」
と称し、立ち側と引き側は約３０分の周期で交互に切り
替えられて用いられる。

【０００３】ところで、コークス炉では多数の炭化室を
用いて大量の石炭を乾留するので、乾留時間は炭化室間
でほぼ同一時間になることが望まれる。このために隣接
する燃焼室あるいはその周辺の燃焼室間で燃料ガス流量
の調整が行われる。そして、燃料ガスを最適状態で燃焼
させるため、燃料ガスの流量や熱量の変動に伴う排ガス
の酸素濃度の変動を抑制するように空気流量の調整が行
われている。そして、各ユニット毎における石炭の装
入、乾留、排出の一連のサイクルを系統的に行って、コ
ークス炉を効率的に稼働させるために、所定数のユニッ
トからなる炉団を設定して、これを制御対象としたコー
クス炉の操業が行われる。このようなコークス炉では、
炉団に供給する燃料ガスや空気の流量を制御するのが一
般的であり、炉団に供給する空気の流量を制御する方法
として、例えば製鉄研究３２５号（１９８７、新日本製
鐵）には、燃料ガス流量の変動に伴う排ガスの酸素濃度
の変動に対して、供給する空気の流量を排ガスの酸素濃
度制御系を用いて制御する方法が公表されている。一
方、個々の燃焼室に供給する空気流量の制御は、従来よ
り熟練作業者が各々の燃焼室での燃料ガスの燃焼状態を
目視判定し、経験に基づいて試行錯誤的に幾度も空気コ
ックの開度調整を繰り返して適正な燃焼状態を得んとし
ているのが実情である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法では作業者が空気流量、燃料ガス流量を各燃焼室毎
に調整しているので、隣接する炭化室における石炭の乾
留状態、互いに隣接する燃焼室におけるガス燃焼状態に
よって、相互間の熱移動効率等が複雑に変化して、この
ような状態が炉団全体で適正範囲に維持されていない場
合には、操業が不安定になったり、生産性を悪化させる
要因となっていた。また、個別の制御には熟練作業者が
必要であり、各々の燃焼室に供給する燃料ガス流量の変
動や燃料ガスの熱量が変化する度に手間のかかる調整を
幾度も繰り返さなければならず、しかもいくつものユニ
ットが互いに干渉しあう炉団全体を効率的に管理するこ
とが困難であるという問題があった。本発明はこのよう
な事情に鑑みてなされたもので、多数の燃焼室から構成
される炉団の燃焼状態を適正状態に維持して、生産性を
向上させることができるコークス炉の空燃比制御方法を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１
記載のコークス炉の空燃比制御方法は、装入される石炭
を乾留してコークスを製造する炭化室と該炭化室を加熱
する燃焼室とを炉幅方向に複数配列して炉団を形成し、
該燃焼室に空気と燃料ガスとを供給して燃焼させるコー
クス炉の空燃比制御方法において、前記炉団の全体に供
給される空気と燃料ガスの流量比である空燃比を調整し
て前記燃焼室のそれぞれに接続する集合煙道から排出さ
れる燃焼排ガス中の酸素濃度を前記燃料ガスが最適燃焼
する目標酸素濃度に保持し、前記空燃比の過去所定時間
内の時間変動を平滑化して前記炉団の設定空燃比を定
め、該設定空燃比及び前記燃焼室のそれぞれに供給され
る燃料ガスの流量に基づいて前記燃焼室にそれぞれ供給
する空気の流量を調整する。請求項２記載のコークス炉
の空燃比制御方法は、請求項１記載のコークス炉の空燃
比制御方法において、前記設定空燃比が、前記空燃比の
所定時間内の時間変動に過去に溯る程小さくなる重み付
け係数をそれぞれ乗じてこれを平均化して得られる。請
求項３記載のコークス炉の空燃比制御方法は、請求項１
又は２記載のコークス炉の空燃比制御方法において、前
記燃焼室に供給される空気流量及び燃料ガス流量が、該
燃焼室のそれぞれに設けられた空気コック、燃料ガスコ
ックの開度により調整される。空燃比とは、燃焼室に供
給される燃焼用空気の流量に対する燃料ガスの流量との
流量比をいう。なお、燃焼後の排ガス中の酸素ガス、一
酸化炭素ガス等の成分、及び燃料ガスの組成のデータを
基にして、空燃比を計算によって推定することもでき
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。図１は本発明の一実施の形態に係る
コークス炉の空燃比制御方法を適用するコークス炉の斜
視図、図２はコークス炉の流路主要部の構成図、図３は
空燃比制御系の動作を示すフロー図である。図１におい
てはコークス炉１０の内部構造がわかるように部分的に
断面が示されており、コークス炉１０は石炭の装入され
る炭化室１１と、燃料ガスを空気で燃焼させ、その燃焼
熱によりその両側に隣接して配置された炭化室１１を加
熱するための燃焼室１２と、該燃焼室１２から排出され
る排ガスや、空気と燃料ガスの混合ガスと熱交換させる
ための蓄熱室１３と、排ガスを外部に排出するための水
平煙道２４（図２参照）とを有するユニットが炉幅方向
に多数配列されて構成されている。そして、コークス炉
１０は、このような１０〜５０個のユニットで構成され
る炉団毎に制御されるようになっている。石炭が上部か
ら装入される炭化室１１とこの炭化室１１を両側から加
熱するための燃焼室１２とは図に示すＺ軸方向に互いに
交互に配置されている。図２に示すように、それぞれの
炭化室１１の下方には蓄熱室１３が設けられており、そ
れぞれの蓄熱室１３では切り替えコック１７、２１を操
作することによって、燃料ガスと空気を予熱して燃焼室
１２に導く予熱モードと、燃料ガスと空気との燃焼によ
って生成した排ガスの熱回収を行って最終的に集合煙道
１４に排出する熱回収モードとが切り替わるようになっ
ている。このように、熱回収モードでは高温の排ガスに
よって蓄熱室１３が加熱され、予熱モードでは蓄熱室１
３内で温められて燃焼し易くなった燃料ガスと空気が燃
焼室１２に供給される。なお本実施の形態では、予熱モ
ードと熱回収モードとを約３０分の制御周期で交互に切
り替えられるようにしている。コークスの原料となる石
炭は、炭化室１１の上部から装入され、石炭の乾留が行
われて所要の時間高温状態に保持され、石炭を乾留した
コークスが製造される。そして、炭化室１１内のコーク
スが、図示しない押し出し機によって炉蓋１５側（Ｐ
Ｓ）から押されて、その反対側（ＣＳ）の炉外に押し出
されるようになっている。

【０００７】コークス炉１０の流路の主要部の構成を示
す図２を参照してさらに詳細に説明する。空気（ＡＩ
Ｒ）は各々の空気コック１６によって流量調整され、切
り替えコック１７、水平管１８及びアンダージェットパ
イプ１９を通って蓄熱室１３から燃焼室１２に供給され
る。また、互いに発熱量の異なるコークスガス（ＣＯ
Ｇ）と高炉ガス（ＢＦＧ）とを混合して調整した燃料ガ
ス（ＭＧ）は、各々の燃料ガスコック２０によって流量
調整され、切り替えコック２１、水平管１８ａ及びアン
ダージェットパイプ１９ａを通って蓄熱室１３から燃焼
室１２に供給される。炉団の各燃焼室１２に供給される
全体の空気流量や燃料ガス流量は、それぞれ流量調整器
２２、２３によって流量調整される。これらの流量調整
器２２、２３は、図示しないプロセスコンピュータによ
って、設定流量（目標流量）が制御されるようになって
いる。燃焼室１２で生成した排ガスは、水平煙道（ソー
ルフリュー部）２４を通り、炉蓋側（ＰＳ）とその反対
側（ＣＳ）に設けられたウェストダンパー２５、２６の
いずれかを通って集合煙道１４に導かれる。

【０００８】集合煙道１４には炉団の排ガスの平均的な
酸素濃度を検出するための図示しないガス分析装置が設
けてあり、炉団に供給する燃料ガス流量や燃料ガス発熱
量の変動に伴う排ガスの酸素濃度等の変動に対応して、
炉団に供給する空気流量を調整するための図示しない排
ガスの酸素濃度制御系が用意されている。なお、必要に
応じて、各燃焼室１２からの排ガス中のガス成分を分析
するためのガス分析装置を各燃焼室１２のそれぞれに設
けることができ、これによって燃焼室１２毎における排
ガス中の酸素濃度等をそれぞれ取得することもできる。
空気コック１６や燃料ガスコック２０にはそれぞれアク
チュエータが接続されており、各々の開度を調整可能に
構成している。これらのアクチュエータは、図示しない
プロセスコンピュータによってこれらの設定開度（目標
開度）が制御され、それぞれのコック開度を調整するこ
とができる。

【０００９】以下、本発明の一実施の形態に係るコーク
ス炉の空燃比制御方法を図３に示す空燃比制御系のフロ
ー図を参照して詳細に説明する。前記プロセスコンピュ
ータには図３に示すような空燃比制御系が構築されてお
り、プロセスコンピュータは、次に説明する処理手順に
よって各々の燃料ガスの流量に応じた空気流量を求めて
空気コック１６の開度を決定し、コック開度を修正制御
する。なお、図３には破線枠で従来における排ガスの酸
素濃度制御系も示してあり、各ブロックの左上に示す○
内の数字は、以下に説明する手順１〜７に対応するもの
である。

【００１０】手順１：時刻ｋにおいて、炉団を構成する
各燃焼室１２から排出される排ガスを集約して、その排
ガス中の酸素濃度Ｏ_kを集合煙道１４に配置された図示
しないガス分析装置を用いて測定する。時刻ｋは所定の
基準時刻をｋ＝０として、所定の時間間隔、例えば１０
秒間隔で設定されるｋ番目の時刻に対応する。手順２：前記酸素濃度Ｏ_kと予め定めてある燃料ガスが
最適燃焼する目標酸素濃度Ｏ_pとの偏差を制御偏差とし
て、例えば公知のＰＩ制御法（比例積分制御法）を適用
して、各時刻ｋに対応する炉団全体の空燃比ｍ_kを調整
する。なお、空気及び燃料ガスのガス組成、燃料ガス熱
量（燃料ガスカロリー）が既知の場合には、空燃比が決
まれば燃焼後の排ガス中の酸素濃度、発生熱量は計算で
きるので、逆に排ガス中の酸素濃度Ｏ_kの測定値を用い
て空燃比（空気比）を推定することもできる。従って、
このように計算される空燃比を用いて、以後の計算を行
ってもよい。手順３：手順２で調整した時間毎の空燃比ｍ_k（ｍ₁、
ｍ₂・・・・・・）に基づいて、予め設定される炉団に
供給する設定燃料ガス流量Ｆ_pに応じた設定空気流量Ａ
_pを決定する。

【００１１】本発明においては、前記手順１〜３に示す
ような従来例の方法に加えて、以下に示す手順４〜７を
追加して行うことにより、各燃焼室１２で燃料ガスが最
適状態で燃焼し、しかも、燃焼室１２毎に排出される排
ガス中の酸素濃度のばらつきを小さくして、炉団全体に
おける無駄な燃料消費を減らすことができると共に、操
業の安定性を向上させることができる。以下本発明の主
要部をなす手順４〜７について説明する。手順４：時間ｋの経過と共に例えば指数関数状に変化す
る、定数ωを含む積算重みＤ（ｋ）を設定して、このよ
うなＤ（ｋ）の逆数を重み付け係数として用いる重み付
き平均値計算手法を用いて、手順２で調整した空燃比ｍ
の過去に遡る時間変動（ｍ₁、ｍ₂・・・ｍ_k・・）を
平滑化し、設定空燃比ＡＧＲＭＥを求める。

【００１２】ここで、時刻（ｋ＋１）に対応する設定空
燃比ＡＧＲＭＥ（ｋ＋１）は、例えば以下に示すように
設定空燃比ＡＧＲＭＥ（ｋ）、前記空燃比ｍ_k+1である
空燃比ＡＧＲ（ｋ＋１）及び積算重みＤ（ｋ＋１）を用
いる下式により算出することができる。ＡＧＲＭＥ（ｋ＋１）＝ＡＧＲＭＥ（ｋ）−（ＡＧＲＭ
Ｅ（ｋ）−ＡＧＲ（ｋ＋１））／Ｄ（ｋ＋１）但し、時刻ｋに対応する積算重みＤ（ｋ）は漸化式Ｄ
（ｋ＋１）＝ω×Ｄ（ｋ）＋１によって定義され、ωは
（１＞ω＞０）の範囲に設定される重み付けのための定
数である。従って、初期値Ｄ（０）が０の場合には、Ｄ
（ｋ）＝ω^k＋ω^k-1＋・・・・＋ω＋１となる。即
ち、Ｄ（ｋ）は時刻（０）に近づく程１に漸近して設定
され、逆に時刻（ｋ）に近づく程、値が大きくなるよう
になっており、この逆数を重み付けの係数として用いる
ことにより平滑化の計算を行うことができる。時刻ｋ＝
０に対応する初期値ＡＧＲＭＥ（０）、ＡＧＲ（０）は
それぞれ０に設定される。

【００１３】なお、前記設定空燃比ＡＧＲＭＥを求める
ための平滑化処理の別法として、各時刻毎、例えば１０
秒毎に測定される空燃比（ｍ₁、ｍ₂・・・ｍ_k）の平
均値（＝（ｍ₁＋ｍ₂＋・・・＋ｍ_k）／ｋ）を所定の
時間毎に計算して、これを設定空燃比ＡＧＲＭＥとして
用いることも可能である。さらに、前記設定空燃比ＡＧ
ＲＭＥとして、例えば１０秒毎に測定される空燃比（ｍ
₁、ｍ₂・・・ｍ_k）の重み付き平均値（＝（ｍ₁・ｗ
₁＋ｍ₂・ｗ₂・・・＋ｍ_k・ｗ_k）／ｋ）を採用する
こともできる。但し、重み付け係数ｗ_kは過去に溯る程
小さくなるように設定される重みであり、例えば前記定
数ω（１＞ω＞０）を用いてｗ_k＝１／（ω^k＋ω^k-1
＋・・・＋ω＋１）によって定めることが可能である。
また、所定時刻の炉団の各燃焼室１２における各空燃比
を、その酸素濃度からそれぞれ計算して、これら空燃比
の平均値を前記設定空燃比ＡＧＲＭＥとすることもでき
る。

【００１４】手順５：設定空燃比ＡＧＲＭＥ及び各燃焼
室の設定燃料ガスコック流量に基づいて各燃焼室１２に
おける設定空気コック流量を下式を用いて計算する。Ａ（ｋ＋１）＝ＡＧＲＭＥ（ｋ＋１）×Ｆ（ｋ＋１）ここで、Ｆ（ｋ＋１）、Ａ（ｋ＋１）はそれぞれ燃焼室
１２毎の設定燃料ガスコック流量、設定空気コック流量
の数値を要素とするベクトルの形式で表した設定燃料ガ
スコック流量、設定空気コック流量である。手順６：空気コック１６の開度流量特性等により所定の
計算を行って、空気コックそれぞれの設定開度を求め
る。手順７：手順３で示した炉団に供給する設定空気流量
を、流量調整器２２で調節し、また、手順６で求めた空
気コックの設定開度を各々の空気コック１６の開度を修
正するアクチュエータに出力し、空気コック１６の開度
を修正して各燃焼室に供給する空気の流量を調整する。以上のような制御によって各々の燃料ガスコック流量に
応じた空気コック流量を各々の燃焼室に供給して、燃料
ガスを最適燃焼させることができる。このようにして、
炉団を形成する各燃焼室と炭化室とにおける相互の熱交
換が常時、適正状態に維持されるので、無駄な燃料ガス
等の消費が削減され生産性の高い操業を行うことができ
る。

【００１５】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
本発明はこのような実施の形態に限定されるものではな
く、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用
範囲である。例えば、本発明の説明においては空燃比の
変動を平滑化するのに重み付き平均値計算手法を用いて
説明したが、指数平滑化法又は１次遅れフィルターを用
いて空燃比を平滑化してもよい。また、炉団に供給する
空気流量や空気コック１６の開度をプロセスコンピュー
タを用いる自動制御によって修正する場合を説明した
が、炉団に供給する設定空気流量や空気コックの設定開
度を作業者に指示して、プロセスコンピュータを介する
ことなく作業者がそれらの調整を行うこともできる。

【００１６】

【発明の効果】請求項１〜３記載のコークス炉の空燃比
制御方法においては、炉団の全体に供給される空気と燃
料ガスの流量比である空燃比を調整して燃焼室のそれぞ
れに接続する集合煙道から排出される燃焼排ガス中の酸
素濃度を燃料ガスが最適燃焼する目標酸素濃度に保持
し、空燃比の過去所定時間内の時間変動を平滑化して炉
団の設定空燃比を定め、設定空燃比及び燃焼室のそれぞ
れに供給される燃料ガスの流量に基づいて燃焼室にそれ
ぞれ供給する空気の流量を調整するので、各燃焼室で燃
料ガスを最適状態で燃焼させ、炉団を構成する各燃焼室
のそれぞれから排出される排ガスの酸素濃度を均一化し
て無駄な燃料消費を減らすことができると共に、操業の
安定性及び生産性を向上させることができる。特に、請
求項２記載のコークス炉の空燃比制御方法においては、
設定空燃比が、空燃比の所定時間内の時間変動に過去に
溯る程小さくなる重み付け係数をそれぞれ乗じてこれを
平均化して得られるので、設定空燃比を簡単かつ適正に
決定でき、操業の安定性をさらに向上できる。また、請
求項３記載のコークス炉の空燃比制御方法においては、
燃焼室に供給される空気流量及び燃料ガス流量が、燃焼
室のそれぞれに設けられた空気コック、燃料ガスコック
の開度によりそれぞれ調整されるので、それぞれの燃焼
室毎に空気と燃料ガスとの燃焼状態をきめ細かく制御す
ることができ、炉団における空燃比の調整をさらに効果
的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るコークス炉の空燃
比制御方法を適用するコークス炉の斜視図である。

【図２】コークス炉の流路主要部の構成図である。

【図３】空燃比制御系の動作を示すフロー図である。

【符号の説明】

１０コークス炉１１炭化室１２燃焼室１３蓄熱室１４集合煙道１５炉蓋１６空気コック１７切り替え
コック１８水平管１８ａ水平管１９アンダージェットパイプ１９ａアンダ
ージェットパイプ２０燃料ガスコック２１切り替え
コック２２流量調整器２３流量調整
器２４水平煙道２５ウェスト
ダンパー２６ウェストダンパー

フロントページの続き (72)発明者田中啓八郎東京都中央区日本橋本町１丁目９番４号株式会社日鉄エレックス内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】装入される石炭を乾留してコークスを製
造する炭化室と該炭化室を加熱する燃焼室とを炉幅方向
に複数配列して炉団を形成し、該燃焼室に空気と燃料ガ
スとを供給して燃焼させるコークス炉の空燃比制御方法
において、前記炉団の全体に供給される空気と燃料ガスの流量比で
ある空燃比を調整して前記燃焼室のそれぞれに接続する
集合煙道から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度を前記
燃料ガスが最適燃焼する目標酸素濃度に保持し、前記空燃比の過去所定時間内の時間変動を平滑化して前
記炉団の設定空燃比を定め、該設定空燃比及び前記燃焼
室のそれぞれに供給される燃料ガスの流量に基づいて前
記燃焼室のそれぞれに供給する空気の流量を調整するこ
とを特徴とするコークス炉の空燃比制御方法。
【請求項２】前記設定空燃比が、前記空燃比の所定時
間内の時間変動に過去に溯る程小さくなる重み付け係数
をそれぞれ乗じてこれを平均化して得られることを特徴
とする請求項１記載のコークス炉の空燃比制御方法。
【請求項３】前記燃焼室に供給される空気流量及び燃
料ガス流量が、該燃焼室のそれぞれに設けられた空気コ
ック、燃料ガスコックの開度により調整されることを特
徴とする請求項１又は２記載のコークス炉の空燃比制御
方法。