JPS5829883A - コ−クス炉の操業管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、乾留過程にあるコークスの品質と温度とを
同時に予測しながらコークス炉の操業管理を精度よく行
う方法に関する。

近年のコークス製造業界にとって、コークス製造コスト
の低減、とりわけ乾留熱量の低減とコークス品質の安定
化とを同時に実現できるコークス炉操業技術を確立する
ことが重要な課題となっている。こうしたことから、コ
ークス製造業界ではコークスの品質管理技術、炉の燃焼
管理技術の改善に大きな努力を払っているが、問題は、
装入炭の性状、装入条件、乾留条件、炉体条件といった
個々の要素と、コークス品質との総合的な関係が解明さ
れていないため、技術改善検討が試行錯誤に頼らざるを
得ないことである。言いかえれば、装入炭の性状、装入
条件、乾留条ｆ’ｌ＝、炉体条件といった個々の要素と
、コークス品質との総合的な関係が明確であれば、適当
な技術改善の指針が得られることはもとより、コークス
炉操業の管理が適切で迅速なものとなり、乾留熱量の低
減をはかりながら、コークス品質を安定に保持すること
が可能となる。

ちなみに、今までは、コークス品質を主として装入炭の
性状から予測しているに過ぎず、コークス炉の燃焼状況
についても、乾留過程のコークス化状況を無視した伝熱
計算に基づいて予測されているに過ない。

つまり、現在のコークス炉の操業管理は、コークスの品
質管理と炉の温度管理とがそれぞれ別個に行なわれてお
り、合理的な方法と言えないばかりか、炉の温度調整や
装入炭の配合調整の必要をしばしば生じ、そのときは、
コークス炉より排出された後のコークスの焼成状況や品
質結果をみて調整を行うだめ、異常茜の応答が極めて遅
く、１日以上遅れることもまれではない。

このように合理的とは言えず、かつ応答の悪いコークス
炉の操業管列を改善するには、乾留中のコークスの品質
と温度とが正確に予測できればよ、　い。これは、前述
したように、装入炭の性状、装入条件、乾留条件、炉体
条件といった個々の要素と、コークスの品質との総合的
な関係が明確であれば可能である。そして、乾留中のコ
ークスの品質と温度とが予測できれば、コークス品質改
善のだめの燃焼管理はもとより、乾留熱量の低゛減も同
時に達成される。

本発明の目的は、従来の経験的な操業管理方法に代わる
新規で合理的な方法を提供することにあり、その特徴と
するところは、コークス炉内の乾留機構を明らかＫする
ことにより、装入炭の性状、装入条件、乾留条件、炉体
条件といった個々の要素と、コークスの品質との総合的
な関係を明らかにし、これに基づいてコークスの品質モ
デルと伝熱モデルとを結びつけ、乾留途中のコークスの
品質と温度とを正確に同時予測し、この結果からコーク
スの品質管理と炉の燃焼管理とを同時に精度よく行なお
うとする点にある。

従来よシ室炉式コークス炉で製造されるコークスは、炉
巾方向に大きな品質偏差のあることが認められている。

たとえば、壁側コークスは緻密で強度も高く、反応性が
低いのに対し、炭中コークスは気孔が多く、強度も低く
反応性が高い等、両者の間には客種性状面で大きなへだ
たりがある。

にもかかわらず、実際の操業では、両者はマクロ的には
均質なものとして取りｙわれているのが現状である。

本発明者らは、以上のことからコークス炉内の乾留機構
を明らかにするためには、炉巾方向のコークス品質偏差
発現機構を解明する。ことが先決であると考え、そのた
めに壁側から炭中に至る炉巾方向の石炭層またはコーク
ス層の乾留中の昇温状況を詳細に調査するとともに、得
られたコークスを炉巾方向に１０区分して、それらの性
状を詳しく調べた。

その結果、乾留進行に伴い、石炭層が溶融温度域に達し
た時に、原料石炭の溶融性、たとえば膨張率に応して溶
融成分が壁側コークス層に流出し、壁側コークス層の見
掛密度を向上させるとともに、炭中側石炭層の圧密にも
作用することがわかった。

まだ、乾留進行に伴い発生するガス成分が、壁側コーク
ス層を通過する際に一部コークス化し、壁側コークス層
の見掛密度を向上させることもわが１つだ。そして、こ
れらの乾留中における炉巾方向′の見掛密度変化は、壁
側から炭中方向への熱流にも影響し、炉巾方向の各部位
における昇温状況を左右することが明らかとなった。

そこで本発明者らは、これら炉巾方向の乾留機構につい
ての基本的な現象を有機的に結合し、これよシコークス
の品質と温度とを数学的に精度よく同時予測すると左に
成功した。

本発明は、上記に基づきなされたもので、下記の４つの
要素を用いて乾留中の石炭層またはコークス層の見掛密
度変化を炉巾方向に計算し、該見掛密度変化を炉巾方向
の伝熱計算に組み入れるとと、もに、該伝熱計算から算
出される加熱速度を前記見掛密度変化の計算に反映させ
、以上の操作を乾留開始から乾留完了まで繰り返し行う
ことにより、乾留中のコークスの品質と温度とを同時に
予測しながら投入熱量、乾留温度等の操業条件を調整す
るコークス炉の操業管理方法を要旨とする。

ω　装入炭の水分、揮発分、膨張率等の性状ｙ比熱、熱
伝導率等の熱物性値 ■　装入条件としての装入炭嵩密度 ■　乾留条件としての燃焼室温度 ■　炉体条件としての炉巾および伝熱壁レンガの厚みと
熱物性値 以下、本発明の方法を具体的に説明する。

室炉式コークス炉に装入された石炭は、炉壁から熱の供
給を受けて壁側よシ炭中に向って逐次コークス化してい
き、最終的に炭中部分が約１０００°Ｃに加熱された時
点をもって乾留完了とし、炉外へ排出される。この間の
炉巾方向のコークス品質および温度予測を行うために、
炭化室の壁から炭中までの石炭層またはコークス層を＄
１図に示す如く複数に分割したモデルを考え、各分割部
分において乾留中に起る前述の諸現象を数学的に以下の
ように取り扱うこととする。

まず、コークス品質のなかで重要なコーク、ス強度は、
本発明者らが開発した気孔率とマイクロストレンゲ値と
を用いて次式の如く表わすことができる。

ＤＩ　、５＝１００ｅｘｐ［−ｋ［（ａＭＩ＋ｂ’）ｅ
Ｘｐ（−ＣＰ）戸〕（１）ここで、Ｐ：気孔率 ＭＩ：マイクロストレングス値 ａｚ　ｂＩＩＣｌｌｋｚ　ｎ　：定数 従ッて、気孔率［Ｆ］とマイクロストレングス値ＭＩ）
とを操業要因から予測することができれば、コークスの
強度（ＤＩ３０）は必然的に求まるＯ５ ここで、マイクロストレンゲ値（ＭＩ　＞は、原料性状
中の炭化度と乾留条件としての乾留温度が与えられれば
容易に求ｉる。一方、気孔率（Ｄは、コークスの真比重
と見掛密度とから算出されるが、乾留温度に依存する真
比重は直ちに与えられるものの、見掛密度を与えること
は、従来の乾留概念からは不可能である。何故なら、従
来の乾留概念では、コークスの見掛密度は、原料石炭の
揮発分や乾留中の収縮により決定されるどの考えであり
、しかも炉巾方向の見掛密度変化については、全く考慮
されていないからである。

そこで本発明では、既述の実験的確認から、前記した任
意の分割部分（ｉ）について％２図に示すような溶融成
分やガス成分の移動に伴うコークス化量の変化を、見掛
密専の計算に導入した。

すなわち、本発明における見掛密度（ｐＢ）の求め方は
、次式に示すとおりである。

ここで、Ｗｃ：任意の分割部分（ｉ）に装入された石炭
がコークス化する量（ｔ） Ｗｏ：装入炭が膨張し、分割部分（ｉ）より流出する溶
融成分のコー クス化量（ｆ） ＷＩ：分割部分（ｉ）に流入するガス成分や溶融成分の
コークス化量 （ｒ） Ｖｉ：分割部分（ｉ）の体積（−） Ｃ：コークスの体積収縮割合 このようにして分割部分（ｉ）における見掛密度（ｐｎ
）が求まると、前記気孔率（Ｄが求まり、これと前記マ
イクロストレングス値（ＭＩ　）とから、（１）式を、
用いてコークス品質としてのコークス強度（Ｄ　Ｉ　：
：）が求まる。

そして、この一連の計算を乾留開始から・乾留完了まで
炉巾方向の各分割部分について繰り返し行うことにより
、コークス品質が高精度に予測される０ 他方、乾留中の炉巾方向における各分割部分（ｉ）の温
度予測については、従来より多くの伝熱モデルが提案さ
れ、コークス炉の熱設計に供されていす工、これらモデ
ルの全てがコークスの乾留機構と無関係に作成されてい
ると考えてよい。

一般に、固体内の熱伝導方程式は、次式で与えられる。

ここで、θ：湿温 度Ｐ：比熱 ρ：密度 χ：熱伝導率 ｔ：時間 χ：分割距離 ｑ：水の蒸発熱を含む反応熱 従来の伝熱モデルでは、上記（３）式において、コーク
スの乾留機構が無視されているため、密度ｐについては
、装入時の嵩密度を用いるとか、乾留中の脱揮発分量を
尊慮して嵩密度を下げ″るといつた方法をとっているが
、いずれにしても本質的には、炉巾方向の各分割部分の
見掛密度を一定とするか、もしくは温度に依存して一定
に変化するよう取り扱っており、本発明者らが指摘する
炉巾方向の見掛密度変化は考慮されていない。

従って、従来の伝熱モデルによるコークスの温度予測に
おいては、比熱や熱伝導率のような熱物性値を補正する
ことにより、実際に測定されるコークスの温度に予測温
度を近似させる方法が一般にとられるが、当然のことな
がら、操業条件が変った場合のコークスの温度予測は、
極めて精度の悪いものであった。

そこで本発明では、上記（３）式（２′おける密度＜９
）として、本発明者らが開発した前記（２）式で算出さ
れる見掛密度（ＰＢ）を用い、これによって熱物性値を
全く補正することなく、乾留中のコークス温度を精度よ
く予測するのである。

更に、本発明では、上記伝熱計算から算出される加熱速
度の値を、前記した見掛密度（ｐｎ）の計算に逐次反映
させ、これによって見掛密度（ＰＢ）の予測精度を向上
させることにより、コークス品質の予測精度を一層高め
、ひいてはコークス温度の予測精度をも一層高めるので
ある。

更にまた、この場合、伝熱計算から得られるコークスの
温度からコークスの真比重を算定し、前記見掛密度（ｐ
Ｂ）の値と合せて気孔率（財）を計算すれば、気孔率（
Ｄの予測精度、すなわちコークス品質の予測精度を一層
高めることが可能であり、伝熱計算から得られるコーク
スの温度を、コークスの基質強度であるマイクロストレ
ンゲ値（ＭＩ）の温度補正に活用することも、コークス
品質の予測精度、ひいてはコークス温度の予測精度を高
める上で有効である。

このようにして、コークスの品質と温度とが高精度に同
時予測されると、これらを考慮しながら投入熱量、乾留
温度等の操業条件を調整し、これによって例えば乾゛留
熱量の低減を図りながら、コークスの品質を確保する等
の操業管理が可能となる０ 〔実施例　１〕 第１表に示す性状の配合炭Ａを、電気加熱方式の大型試
験コークス炉（炭化室寸法：４５０ＷＸ１０００Ｌｘ１
０００Ｈ，炭化室レンガ：１００■の珪石レンガ）に、
嵩密度６８０に９／ｍ”の条件にて装入し、炭化室レン
ガ外壁を１１４０℃の温度に保持した状態で２４時間乾
留することによシコークス化した。

この間、炉巾方向に壁側から炭中まで等間隔に取付けた
１０本の熱伝対にて、各箇所の温度を測定するとともに
、炉巾方向に壁側から炭中までも１０分割したモデルを
考え、各分割部分のコークスの品質と温度とを前記（１
）〜（３）式を用いて予測した。

コークス品質の予測計算に際して使用する（１）式の定
数ａ１ｂ％Ｃ１に％　ｎは、本発明者らによる多くの実
験結果から次のように定めた。

ａ＝１１．４　　　、　　ｋ＝０．８１ｂ＝１１４．Ｏ
ｎ＝−０，６０ ｃ＝４．２ 第２表に、炉巾方向のコークス品質および最終乾留温度
の、予測値と実測値との比較結果を示すが、気孔率につ
いては、実測値に対し予測値は１〜２％内で良く一致し
、計算で得られる炉巾方向のコークス強度（ＤＩ　　）
分布を、炉巾方向のコークス化量に応じて加重平均する
ことにより得た平均強度声、実測値に非常に近い値を示
した。なお、炉巾方向の実測コークス強度は、各分割部
分毎の値を得ることが物理的に不可能なため、平均値の
みを示した。

また、クー４クス温度についても、２４時間乾留後の炉
巾方向の予測温度は、実測値の±１０以内に収まると推
定され、実用上全く支障のない優れた結果が得られた上
、−例として第３図に示す炉巾表向の乾留中の温度パタ
ーンについても、実測値゛と予測値とが非常によく一致
した優秀な結果を得ることができた。

１ｆＩ１表 第　　　　　　２　　　　　　表 〔実施例　２〕 第１表に示す性状を有する配合炭Ｂを、実施例１のとき
と同様の大型試験コークス炉に嵩密度７２０に〆ｍ′の
条件にて装入し、炭化室寿壁温度１１８０°Ｃの条件で
２０時間乾留してコークス化した。この実験で得られた
結果を、第３表（第２表に相当）に示す。

第３表から明らかなように、装入炭の性状、乾留条件が
変っても本発明による予測値は、実施例１のときと同様
、実測値に極めて近い値を示した。

第３表 以上の説明から明らかなように、本発明は、装入炭の性
状や比熱、熱伝導率等の熱物性値７ばかりでなく、装入
条件、乾留条件および炉体条件を導入することにより、
乾留中のコークスの品質と温度とが精度よ〈同時に予測
することができるから、コークス品質改善のだめの燃焼
管理はもとより、装入炭の性状や装入条件の調５整も迅
速に行え、これによって乾留熱量の低減を図りながらコ
ークス品質の安定を確保する高効率なコークス炉操業管
理を可能ならしめる効果がある。

更にまた、コークス炉の基本設計に関しても、従来の伝
熱モデルでは到底不可能な、コークス品質を予測した炉
設針を本発明は可能ならしめ、その技術的効果、経済的
効果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図°は本発明の計算モデルの補足説明
図、第３図は本発明の実施効果を例示するタイムチャー
トである。 出　願　人　住友金属工業株式会社 第１図 第２図 第３図 欝前 自発手続補正書 昭和５７年８月９日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示 昭和５６年　特許顕部１２８８９８号 ２、発明の名称 マークス炉の操業管理方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　　大阪市東区北浜５丁目１５番地名　称（２１１
）住友金属工業株式会社代表者　　熊　　谷　　典　　
文 ４代理人 ６、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 ７、補正の内容 （１）　　明細書第１Ｏ頁末行［・・・分量を４慮して
・・・］とあるを、「・・・分量を考慮して・・・」シ
て改めます。 （２）明細書第１３頁８行「・・・１０本の熱気対・・
・」とあるを「・・・１０本の熱電対・・・」に改めま
す、。 （３）明細書第１４頁２行「・・・（Ｄｒ”　）・・・
」　とりるを［・・・ＣＤＩ”）・・・」に、同９行Ｆ
・・±１０以内」とあるを「・・・±１０°Ｃ以内」に
それぞれ改めます。 （４）　　明細書第１５頁第２表の気孔率、ＩＺｉｉｉ
１１呟瀾の分割部分９欄「６４．Ｊとあるを「６４．４
Ｊに改めます。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　ｈ人災の性状ｃ熱物性値、装入条件、乾留条
   件、炉体条件の４つの要素を用いて乾留中の石炭層また
   はコークス層の見掛密度変化を炉巾方向に計算し、該見
   掛密度変化を炉巾方向の伝熱計算に組み入れるとともに
   、該伝熱計算から算出される加熱速度を前記見掛密度変
   化の計算に加味させる操作を乾留開始から乾留完了まで
   繰り返し行うことにより、乾留中のコークスの品質と温
   度とを同時に予測しながら投入熱量、乾留温度等の操業
   条件を調整することを特徴とするコークス炉の操業管理
   方法。