WO2023145219A1

WO2023145219A1 - コークス炉放散ガスの燃焼装置、コークス炉放散ガスの燃焼方法およびコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法

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Publication number: WO2023145219A1
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Abstract

コークス炉放散ガスの燃焼技術を提供する。ブリーダー管の内側にコークス炉放散ガスを通し、ブリーダー管の端部の軸線と同軸に配置され、一端部が大気側に開放されるとともに、他端部がブリーダー管の端部を内包するフードの内壁と、ブリーダー管の外壁との間に挿入された吹込み管から燃焼促進ガスを吹き込むにあたり、下記式を満足するように、燃焼促進ガスのガス流量Ｍ_Ｊ［ｋｇ／ｓ］、ガス流速ｖ_Ｊ［ｍ／ｓ］およびガス圧力Ｐ_Ｊ［Ｐａ］から選ばれるいずれか一つを、または、二つ以上を組み合わせて調整する。｛Ｍ_Ｊ／（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）｝×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝≧３７００００×ｌｎ（ｄ）＋２３０００００（式中、Ｍ_Ｇはブリーダー管内の放散ガス流量［ｋｇ／ｓ］、Ｍ_Ｄは放散ガスの燃焼に必要な理論空気流量［ｋｇ／ｓ］、γは比熱比、ρ_Ｊは燃焼促進ガスの密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｄは吹込み管の内径［ｍ］）

Description

コークス炉放散ガスの燃焼装置、コークス炉放散ガスの燃焼方法およびコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法

　本発明は、コークス炉放散ガスの完全燃焼を促進し、未燃状態のコークス炉放散ガスの排出量を削減することのできるコークス炉放散ガスの燃焼装置、コークス炉放散ガスの燃焼方法およびコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法に関する。

　製鉄所では、コークス製造プロセスにおいて発生するコークス炉ガス（Ｃガス）の回収を行っている。しかし停電等のトラブルによりコークス炉ガス回収ブロワが停止した際にコークス炉から発生し続けるコークス炉ガスを排出する必要がある。この時、無害化のためにコークス炉ガスを燃焼させて排出を行う。この燃焼排出時に不完全燃焼が起こると、黒煙を発生させることがあるほか、人体に有害な影響を与える。よって、コークス炉ガスを大気中へ排出する際には、完全燃焼させてから排出することが望まれる。

　コークス炉ガスの排出時に用いられる装置として、放散ブリーダーが広く知られている。図１０のように、放散ブリーダー１は、図面上部の開口部において大気に通ずるフード２と、フード２の開口部とは反対側の端部に内包され、コークス炉ガスの発生源に通ずるブリーダー管３と、からなる二重管構造を備える。従来の一般的な放散ブリーダー１では、ブリーダー管３に可燃性ガス１１Ｇを圧送し、これにより生じた負圧でフード２とブリーダー管３との間の間隙５から酸素を含んだガス（例えば、空気）がフード２の内側に取り込まれ、これらのガスが混合し、点火装置６によって点火されることで可燃性ガス１１Ｇの完全燃焼が行われる。しかし、上述のような負圧による空気の取り込み方法では、コークス炉ガス１１Ｇの圧力が十分でないため、間隙５から酸素を含んだガス（空気）のフード２の内側への取り込みが十分でなく、コークス炉ガス１１Ｇを完全に燃焼させることが難しい。そのため、多量の未燃状態のコークス炉ガス１１Ｇが大気中へと放出されるという問題がある。

　このような放散ブリーダーに関する技術を開示した文献として、特許文献１が挙げられる。特許文献１では、フードに設けられた空気通路のサイズ、数および間隔等を調節することで、フードから取り込まれる空気量を調節し、燃焼効率を向上させている。　

　放散ブリーダーに関する技術を開示した他の文献として、特許文献２が挙げられる。特許文献２では、ブリーダー管に空気を通し、ブリーダー管とフードとの間隙から可燃性ガスを取り込ませることで、燃焼効率を向上させることが開示されている。

　特許文献３には、ベンチュリ管と駆動流体供給管から構成され、燃焼部位の空気の量を増大させる（大気中での可燃性ガスの燃焼を促進する）ためのガスバーナー式装置が開示されている。その装置は、燃焼用ガス供給管を介して、可燃性ガスが供給される燃焼部を含み、供給管の末端はその周りに配置された複数の装置で取り囲まれている。そして、複数の装置が、燃焼部位の上部に位置するベンチュリ管へ駆動流体を噴射している。

　特許文献４には、煙を発生することなく廃ガスを燃焼させるフレヤーガスバーナーが開示されている。このフレヤーガスバーナーは、偏向装置の内側と排出管の外側の間に形成された通路へ、高圧作動流体をマニホールドから排出する装置を持っている。

　特許文献５には、高圧空気が、スタック出口の下に所定の距離をもち、フレアスタックを取り囲むリングマニフォールドに取り付けられたノズルから高速噴射という形で放出され、フレアスタックの上部は上部に内部誘導ベーンを有し、底部に穴があけられた空気流路５２を有する外部のシールドによって取り囲まれている燃焼向上装置が開示されている。

　特許文献６には、未精製のコークス炉ガスを燃焼させて放散する燃焼放散管が開示されている。その燃焼放散管は、ブリーダー管とフードとの間隙およびブリーダー管内から蒸気を噴射する吹込み管を有している。

特開２０１０－２３６８５６号公報特開２０１０－２８６２３０号公報特表２００２－５３４６５３号公報米国特許第０４６４３６６９号明細書特表２００４－５３７７０２号公報特開２０２０－１１７６２３号公報

　しかしながら、前記従来の技術には、未だ解決すべき以下のような問題があった。
　特許文献１に開示された技術では、フードからの空気取り込み量を制御するための部品やシステム等を新たに設ける必要があり、装置の構成や運転方法が複雑になってしまうという問題がある。特に放散ブリーダーのフードについて大幅な改造を施す必要がある。

　また、特許文献２に開示された技術を従来の一般的な放散ブリーダーに適用するためには、ブリーダー管に可燃性ガスを通してフードに空気を取り込ませるという、従来のガスの流れとは異なる流れにしなければならず、設備全体の改造を余儀なくされるという問題がある。

　特許文献３～６に記載の技術は、強制的に可燃性ガスに他のガス流体を吹き込むものであるが、効率的な吹込み条件や装置設計については規定されていない。特に特許文献６に記載の技術では、ブリーダー管の中央からガスを噴射しているが、発明者らの検討によると改造コストがかさむうえ、十分な燃焼効率が得られない問題があった。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、従来用いられている放散ブリーダーの改造コストを抑えながら、可燃性ガスの燃焼効率を向上させることのできるコークス炉放散ガスの燃焼装置、コークス炉放散ガスの燃焼方法およびコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法を提供することにある。

　発明者らはこれらの問題に鑑み、放散ブリーダーに吹き込む燃焼促進ガスの条件を鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。

　上記課題を有利に解決する本発明にかかるコークス炉放散ガスの燃焼装置は、一端部がコークス炉放散ガスの発生部と連通し、内側にコークス炉放散ガスを通すブリーダー管と、前記ブリーダー管の他端部の軸線と同軸に配置され、一端部が大気側に開放されるとともに、他端部が前記ブリーダー管の他端部を内包する、少なくとも一の円筒からなるフードと、前記ブリーダー管の外壁と前記フードの内壁との隙間に下方より挿入されたガス吹込み管と、前記ガス吹込み管から吹き込む燃焼促進ガスの吹込み条件を調整する制御手段と、を備え、前記制御手段は、下記（１）式を満足するように、前記吹込み管から吹き込む前記燃焼促進ガスのガス流量Ｍ_Ｊ［ｋｇ／ｓ］、ガス流速ｖ_Ｊ［ｍ／ｓ］およびガス圧力Ｐ_Ｊ［Ｐａ］から選ばれるいずれか一つを、または、二つ以上を組み合わせて調整するものである。
｛Ｍ_Ｊ／（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）｝×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝
≧３７００００×ｌｎ（ｄ）＋２３０００００　　　　　　（１）
ここで、Ｍ_Ｇは前記ブリーダー管内の放散ガス流量［ｋｇ／ｓ］、
　　　　Ｍ_Ｄは放散ガスの燃焼に必要な理論空気流量［ｋｇ／ｓ］、
　　　　γは比熱比、
　　　　ρ_Ｊは燃焼促進ガスの密度［ｋｇ／ｍ^３］、
　　　　ｄは吹込み管の内径［ｍ］
を表す。

　また、本発明にかかるコークス炉放散ガスの燃焼装置は、
（ａ）前記ブリーダー管の内径をＤ［ｍ］とし、前記ブリーダー管の他端部先端から前記フードの一端部の先端までの距離をＬ［ｍ］とした時に、その比Ｌ／Ｄが０．５以上２．５以下の範囲であること、
（ｂ）前記ブリーダー管の外壁と前記フードの内壁との隙間をＷ［ｍ］とし、前記吹込み管の内径をｄ［ｍ］とし、前記ブリーダー管の軸方向と前記吹込み管の軸方向のなす角度をθ［°］とし、角度θが０°以上３０°以下であって、Ｗ／（ｄ・ｃｏｓθ）の値が０．８５～１．６の範囲にあること、
などが、より好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

　上記課題を有利に解決する本発明にかかるコークス炉放散ガスの燃焼方法は、一端部がコークス炉放散ガスの発生部と連通するブリーダー管の内側にコークス炉放散ガスを通し、前記ブリーダー管の他端部の軸線と同軸に配置され、一端部が大気側に開放されるとともに、他端部が前記ブリーダー管の他端部を内包する、少なくとも一の円筒からなるフードの内壁と前記ブリーダー管の外壁との間に挿入された吹込み管から燃焼促進ガスを吹き込むにあたり、上記（１）式を満足するように、前記吹込み管から吹き込む前記燃焼促進ガスのガス流量Ｍ_Ｊ［ｋｇ／ｓ］、ガス流速ｖ_Ｊ［ｍ／ｓ］およびガス圧力Ｐ_Ｊ［Ｐａ］から選ばれるいずれか一つを、または、二つ以上を組み合わせて調整するものである。

　上記課題を有利に解決する本発明にかかるコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法は、一端部がコークス炉放散ガスの発生部と連通し、内側にコークス炉放散ガスを通すブリーダー管と、前記ブリーダー管の他端部の軸線と同軸に配置され、一端部が大気側に開放されるとともに、他端部が前記ブリーダー管の他端部を内包する、少なくとも一の円筒からなるフードと、前記ブリーダー管の外壁と前記フードの内壁との隙間に下方より挿入されたガス吹込み管と、前記ガス吹込み管から吹き込む燃焼促進ガスの吹込み条件を調整する制御手段と、を備えるコークス炉放散ガスの燃焼装置を設計するにあたり、上記（１）式を満足するように、吹込み管の内径ｄ［ｍ］を設計するものである。

　また、本発明にかかるコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法は、
（ｃ）前記ブリーダー管の内径をＤ［ｍ］とし、前記ブリーダー管の他端部先端から前記フードの一端部の先端までの距離をＬ［ｍ］とした時に、その比Ｌ／Ｄを０．５以上２．５以下の範囲とすること、
（ｄ）前記ブリーダー管の外壁と前記フードの内壁との隙間をＷ［ｍ］とし、前記吹込み管の内径をｄ［ｍ］とし、前記ブリーダー管の軸方向と前記吹込み管の軸方向のなす角度をθ［°］とし、角度θを０°以上３０°以下とし、Ｗ／（ｄ・ｃｏｓθ）の値を０．８５～１．６の範囲とすること、
などが、より好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

　本発明によれば、放散ブリーダーに過大な改造を加えることなく、コークス炉放散ガスの完全燃焼を促進し、未燃状態のコークス炉放散ガスの排出量を削減することができる。

本発明の実施形態にかかるコークス炉放散ガスの燃焼装置を示す概略図であって、（ａ）はフードが一個の円筒状の場合を表し、（ｂ）はフードが二重円筒状の場合を表し、（ｃ）は、吹込み管の拡大図を表す。上記実施形態にかかる燃焼装置を設けたコークス炉の説明図である。上記実施形態にかかる燃焼装置を用いたコークス炉放散ガスの燃焼状態を表す縦断面模式図であって、（ａ）は流速の分布を表し、（ｂ）は流速ベクトルと温度分布を表す。上記実施形態にかかる燃焼装置を用いたコークス炉放散ガスの燃焼状態を表す縦断面模式図であって、（ａ）はブリーダー管の内径Ｄとブリーダー管先端からフードの開放端までの距離Ｌの比Ｌ／Ｄが０．９２のときの圧力分布を表し、（ｂ）は同じくＬ／Ｄが０．２５のときの圧力分布を表す。上記実施形態にかかる燃焼装置を用いたコークス炉放散ガスの燃焼状態を表す縦断面模式図であって、（ａ）はブリーダー管の内径Ｄとブリーダー管先端からフードの開放端までの距離Ｌの比Ｌ／Ｄが０．９２のときのガス流れを表し、（ｂ）は同じくＬ／Ｄが０．２５のときのガス流れを表す。上記実施形態にかかる燃焼装置を用いたコークス炉放散ガスの燃焼実験における（１）式左辺の値と煤発生量の比との関係に与える吹込み管の内径ｄの影響を表すグラフである。上記実施形態にかかる燃焼装置を用いたコークス炉放散ガスの燃焼実験におけるブリーダー管の内径Ｄとブリーダー管先端からフードの開放端までの距離Ｌの比Ｌ／Ｄと煤発生量の比との関係を表すグラフである。上記実施形態にかかる燃焼装置について、ブリーダー管の外壁と前記フードの内壁との隙間と吹込み管の傾斜角を説明する縦断面模式図である。上記実施形態にかかる燃焼装置を用いたコークス炉放散ガスの燃焼実験におけるブリーダー管の外壁とフードの内壁との隙間および吹込み管の傾斜角度が煤発生量の比に与える影響を示すグラフである。従来の放散ブリーダーを説明する概略図である。吹込み管の位置とガス流れの関係を示す模式図であって、（ａ１）および（ａ２）は、従来の放散ブリーダーの例を表し、（ｂ１）および（ｂ２）は、ブリーダー管の外壁とフードの内壁との隙間に吹き込んだ例を表し、（ｃ１）および（ｃ２）はブリーダー管の中央から吹き込んだ例を表す。

　以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

　図２を用いてコークス炉の概要について説明する。コークス炉１１では、炭化室１２と燃焼室１３とが、交互に配置される。燃焼室１３では、燃焼ガスの燃焼によって熱が発生する。炭化室１２では、隣接する燃焼室１３で発生した熱により、石炭が乾留される。石炭の乾留の過程では、可燃性ガスの一種であるＣＯＧガス（以下Ｃガス）と呼ばれる可燃性ガスが発生する。Ｃガスの主な成分としては、Ｈ_２、ＣＯ、およびその他の各種炭化水素ガスが挙げられる。尚、図２では炭化室１２と燃焼室１３とを２つずつのみ示しているが、実際にはこれら炭化室１２と燃焼室１３との組み合わせは図の奥へと向かって多数設けられている。

　それぞれの炭化室１２の上部には、上昇してきたＣガスを集める上昇管１４と、複数の炭化室１２から上昇管１４を介して吸い上げられたＣガスを集約するドライメーン１５とが設けられる。放散ブリーダー１は、ドライメーン１５に接続される。複数の炭化室１２で産生されたＣガスは、上昇管１４およびドライメーン１５を通って、放散ブリーダー１にて大気中へと放出される。

　工場の通常操業時には、炭化室から産生されるＣガスは、ガス吸引設備（図示せず）によって吸引・回収され、各種設備の操業用ガスとして再利用している。一方で、工場の停電等のトラブル時には、炭化室で発生するＣガスを十分に回収、再利用することができない。そこで、放散ブリーダー１を介してＣガスを、コークス炉放散ガスとして、大気中へと放出する必要がある。

　図１に示すように、本実施形態にかかるコークス炉ガスの燃焼装置は放散ブリーダー１と燃焼促進ガスの制御手段７とを含む。放散ブリーダー１は、フード２とブリーダー管３と吹込み管４とを備える。図１（ａ）の例ではフード２を１個の円筒状部材とし、図２（ｂ）の例では、フードを２重円筒状部材としているが、これらに限定されない。ブリーダー管３は、図示されていない一端部（図の下方の端面３Ｂ）でＣガス１１Ｇの発生部であるコークス炉１１のドライメーン１５と連通し、Ｃガス１１Ｇをフード２に向かって通す。図１（ａ）や（ｂ）において、Ｃガス１１Ｇは下部から上部へと流れる。フード２は、ブリーダー管３から送気されてきたＣガス１１Ｇを、大気中に開放された一端部２Ａ（上端）から大気中へと放出する。また、ブリーダー管３の他端部３Ａは、フード２の内側に内包される。より具体的には、フード２の他端部２Ｂ（下端面）は、ブリーダー管３の他端部３Ａ（上端面）よりも下側に位置することで、フード２の内側にブリーダー管３が内包される領域が形成される。このフード２の内側にブリーダー管３が内包される領域では、フード２の内壁とブリーダー管３の外壁との間に間隙５が形成される。尚、フード２の内壁には、コークス炉放散ガスであるＣガス１１Ｇを最初に点火させる点火装置６が設けられる。

　本実施形態では、ブリーダー管３とフード２とによって形成される間隙５からフード２の内側へと、ガス（以下、「燃焼促進ガス」と称する。）を注入することのできる吹込み管４が設けられる。吹込み管４は、燃焼促進ガスを圧送することができるように、例えば図示されていないポンプ等に接続されていればよい。吹込み管４から燃焼促進ガスを吹き込む際、燃焼促進ガスだけでなく、ガスの粘性の効果により、燃焼促進ガスの周囲から巻き込まれて間隙５へと流入する空気等のガス（以下、「随伴ガス」と称する。）の流れが発生する。間隙５に注入された燃焼促進ガスおよび随伴ガスは、ブリーダー管３の外壁に沿って上昇し、やがてブリーダー管３の内側から送られてくるコークス炉放散ガス（Ｃガス１１Ｇ）と、フード２の内側において混ざりあい、攪拌・混合される。攪拌・混合されたのち、前記点火装置６によって点火される。フード２上端から排出されたガスは外部空気と混合し燃焼することで、ブリーダー管３の上端面から上方向へと向かって火炎（図示せず）が形成される。本実施形態では、図３（ａ）に濃淡の速度分布で示すように吹込み管４からの燃焼促進ガスとＣガスおよび燃焼ガスの混合ガスは高速噴流のままフード２上端から排出される。図３（ａ）中では、黒が濃いほど速度が大きいことを表す。図３（ｂ）に矢印で速度ベクトルを示し、濃淡で温度分布を示すように、この高速噴流に大気が巻き込まれることでコークス炉放散ガス（Ｃガス）と燃焼促進ガスおよび随伴ガスとの攪拌が十分に起こり、Ｃガスの完全燃焼が促進される。本実施形態では、吹込み管４に吹き込む燃焼促進ガスの流量、流速または圧力を調整するための制御手段７を設ける。制御手段７はＣガス組成や流量の情報をもとに、コークス炉放散ガスの完全燃焼を促進するように、燃焼促進ガスの吹込み条件を調整する。

　吹込み管４は、間隙５に燃焼促進ガスを注入できる位置に設ければよく、例えばブリーダー管３の上端面よりも吹込み管４の上端面が下に位置するように設ければよい。吹込み管４は、１組のブリーダー管３とフード２との組み合わせに対して１つ以上設けられていればよく、１つのブリーダー管３の周方向に沿って複数の吹込み管４を設けることもできる。本実施形態では、前記ブリーダー内の放散ガス流量をＭ_Ｇ［ｋｇ／ｓ］、放散ガスの燃焼に必要な理論空気流量をＭ_Ｄ［ｋｇ／ｓ］、前記吹込み管より吹込む燃焼促進ガス流量をＭ_Ｊ［ｋｇ／ｓ］、そのガス流速をｖ_Ｊ［ｍ／ｓ］、比熱比をγ、吹込み圧力をＰ_Ｊ［Ｐａ］、ガス密度をρ_Ｊ［ｋｇ／ｍ^３］、吹込み管の内径をｄ［ｍ］（図１（ｃ）の拡大図参照）とした時に、
｛Ｍ_Ｊ／（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）｝×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝
≧３７００００×ｌｎ（ｄ）＋２３０００００　　　　　　（１）
であることを満たすようにすれば、十分な大気巻込みにより、コークス炉放散ガスであるＣガスの完全燃焼を促進することができる。複数の吹込み管が設置されている場合には、上記（１）式左辺をΣ［Ｍ_Ｊ×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝］／（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）とすればよい。Σは、吹込み管４の総和を表す。これは、燃焼促進ガスの流体エネルギー［Ｍ_Ｊ×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝］が周囲の大気を巻込みながら、放散ガスと放散ガス量を完全燃焼するために必要な空気の混合気（理論空気量）の噴流となる時点においても混合気がある一定のエネルギー｛（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）×Ｅ_ＭＬ｝［Ｊ］以上であればＣガスの完全燃焼が促進され、黒煙（煤の発生）が低減されるという考えに基づいている。Ｅ_ＭＬは単位質量当たりのエネルギー［Ｊ／ｋｇ］である。燃焼促進ガスの流体エネルギーがＣガスの完全燃焼に必要なエネルギーに比例すると仮定し、［Ｍ_Ｊ×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝］∝｛（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）×Ｅ_ＭＬ｝と置いた。（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）は事前に算出可能であることから、それを［Ｍ_Ｊ×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝］で除した数値と煤の発生量とを比較評価したところ、上記指標で整理できることがわかった。粘性による圧力損失および噴流内の流速分布があるためＥ_ＭＬを理論的に決めることができるわけではないが，前記の考えに基づくＥ_ＭＬは後述の実施例の通り３７００００×ｌｎ（ｄ）＋２３０００００と表現できることを見出した。

　燃焼促進ガスは、気体であれば特に制限されないが、フード２内における爆発や不完全燃焼を防ぐために、非可燃性のガスであることが好ましい。非可燃性ガスの中でも、特に、空気、窒素ガスおよび水蒸気のいずれか１種または２種以上の混合ガスが特に好ましい。燃焼促進ガスとして、酸素を有さない窒素ガスを採用する場合でも、前述したように高速噴流が十分な量の大気（随伴ガス）を巻込み，巻込み大気中に含まれる酸素とＣガスとが反応するので、Ｃガスの完全燃焼は促進される。

　本実施形態のコークス炉放散ガスの燃焼装置をコークス炉１１に適用することで、停電等のトラブル時においても、炭化室１２において発生し放散するＣガスの完全燃焼を促し、ＣＯ_２やＨ_２Ｏ等の害の少ない物質として大気中へ放出することができる。また、コークス炉１１に適用する際に、吹込み管４から注入するガスとしては、空気を用いることが好ましい。工場内で、他のガスに比較し、空気を燃焼促進ガスとして用いることにより、非常時であっても迅速かつ簡便に放散ブリーダー１に燃焼促進ガスを供給することができる。

　さらに、前記ブリーダー管３の内径をＤ［ｍ］、前記ブリーダー管の先端（上端面３Ａ）から前記フードの先端（上端面２Ａ）までの距離をＬ［ｍ］としたときに、その比Ｌ／Ｄ［－］が０．５以上２．５以下の範囲とすることがこのましい。図４（ａ）に圧力分布で示すように、上記範囲内にあるＬ／Ｄ＝０．９２の場合、吹込み管４からフード２に燃焼促進ガスによる高速噴流が吹き込まれると、高速噴流によってフード２内のブリーダー管３の上端面３Ａより上部からにおいて十分な負圧領域が発生する。この負圧によりフード２の上端面２Ａより大気側で急激に大気（空気）が引き込まれ、大気とコークス炉放散ガスが攪拌・混合され、火炎内側に酸素が供給されることになる。それによって、コークス炉放散ガスであるＣガスの燃焼を促進することができる。

　一方、図４（ｂ）に圧力分布で示すように、比Ｌ／Ｄ＝０．２５＜０．５の場合には、フード２内に十分な負圧領域が形成されないために燃焼促進ガスの吹込み効果が減少する。つまり、比Ｌ／Ｄは０．５以上であることが好ましい。また、比Ｌ／Ｄが大きくなると粘性による流体間の摩擦や流体と壁面との摩擦によりエネルギーを損失してしまう。したがって、比Ｌ／Ｄは２．５以下となるようにすることが好ましい。

　本実施形態にかかる燃焼装置において、煤の発生が低減するメカニズムを、図５を例に説明する。吹込み管４によって吹き込まれた噴流ＦＪは、ＣガスＦＵの流速より速い。そのため、まずフード２内でＣガスＦＵを巻き込む。ＣガスＦＵを十分に巻き込んだ噴流ＦＪはフード２外に出ると多量の大気ＦＡを巻き込む。それにより、Ｃガスと空気との混合が促進され、Ｃガスの完全燃焼が期待できる。加えて、多量の空気によって燃焼温度が低下し煤の発生が抑制される。このとき、図５（ａ）に示すように、フード２の高さが十分に確保される必要がある。図５（ｂ）に示すようにフード２の高さが不十分であると、噴流ＦＪがＣガスを十分に巻き込む前にフード外の大気を巻き込んでしまい、Ｃガスと空気の混合が十分にできなくなる。

　本実施形態にかかるコークス炉放散ガスの燃焼装置は、事前に把握したＣガスの組成および発生量の情報、ブリーダー管３内に設置した流量計の情報、または、ブリーダー管３内のＣガスの分析から得られた情報に基づき、上記（１）式を満足するように吹込み管４から吹き込む燃焼促進ガスのガス流量Ｍ_Ｊ、ガス流速ｖ_Ｊおよびガス圧力Ｐ_Ｊから選ばれるいずれか一つを、または、二つ以上を組み合わせて調整する制御手段を有する。制御手段はコンピュータなどから構成することができる。

　本実施形態にかかるコークス炉放散ガスの燃焼装置を用いた、コークス炉放散ガスの燃焼方法は、Ｃガスの組成および発生量に基づき、燃焼促進ガスのガス流量Ｍ_Ｊ、ガス流速ｖ_Ｊおよびガス圧力Ｐ_Ｊから選ばれるいずれか一つを、または、二つ以上を組み合わせて調整するものである。

　本実施形態にかかるコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法は、事前に把握したコークス炉放散ガスの組成の範囲および発生量の推移など、および、制御可能な燃焼促進ガスのガス流量範囲、圧力範囲および物性値などから上記（１）式を満足するように吹込み管内径ｄ［ｍ］を設計するものである。なお、複数の吹込み管４を用いる場合には、燃焼促進ガスの流体エネルギーの総和を用いて、（１）式を補正し、吹込み管内径ｄ［ｍ］を設計することが好ましい。なお、フード２の内壁とブリーダー管の外壁との隙間５は、少なくとも吹込み管４が挿入可能な範囲に設計する。

（実施例１）
　本実施例では，黒煙の主成分である煤の発生量をシミュレーションにより定量的に評価することを試みた。具体的にはシミュレーションソフトウェアとしてＮｕＦＤ／ＦｒｏｎｔＦｌｏｗＲｅｄを用い、放散ブリーダーによるコークス炉ガスの燃焼を再現し、火炎の状況（火炎温度）および、吹込み管なし（従来例）と吹込み管あり（発明例）で煤の発生量を発生量比（従来例を１．０とした。）として検討した。煤の発生量はシミュレーションの水平方向の各断面における煤の総和が最大となる断面の煤の総和量を煤の発生量として定義した。図６の縦軸に、従来例の煤最大量を基準として各吹込み条件の煤最大量の最大値の比φを示している。横軸は（１）式の左辺とした。これは燃焼促進ガスのもつエネルギーをコークス炉ガスの質量流量とコークス炉ガスの完全燃焼に必要な空気の質量流量の和で除したものである。図６によれば、吹込み管４の異なる内径ｄ毎に煤の発生量の比φは（１）式左辺がある一定値以上となると急激に低減することが分かる。煤の発生量の比φを、シグモイド関数を用いて近似曲線を併記した。φ＝１－｛１／（１＋ｅ^{－α（ｘ－β）}）｝とおいて、α＝０．００００５、β＝３７００００×ｌｎ（ｄ）＋２３０００００すると各々のプロットをおおよそ曲線で近似表現できることが分かった。ここで、βは、関数の変曲点あり、かつ、φが０．５になる点つまり煤発生量が従来例に対して０．５となる点である。以上より上記（１）式を満足することでＣガスの完全燃焼が促進され，黒煙（煤の発生）が低減されるということを示している．

　次にｄ＝０．０１［ｍ］、｛Ｍ_Ｊ／（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）｝×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝＝７．７５×１０^５［Ｊ／ｋｇ］に固定し、上記比Ｌ／Ｄを様々に変化させて煤の発生量をシミュレーションにより調査した結果を図７に示す。図７によれば、煤の発生量の比φは比Ｌ／Ｄがほぼ１の時に最小値となる。比Ｌ／Ｄが１よりも小さい値では急激に煤の発生量が増加する。一方でＬ／Ｄが１よりも大きい場合もゆるやかに煤の発生量は増加する。吹込み管４からフード２に燃焼促進ガスによる高速噴流が吹き込まれると、高速噴流の巻込みによりブリーダー管先端３Ａより上部のフード２内において負圧が生じる。この負圧によりフード２の上端２Ａより大気側で急激に大気(空気)が引き込まれ、大気とコークス炉放散ガスが攪拌・混合され、火炎内側に酸素が供給され、コークス炉放散ガスであるＣガスの燃焼を促進することができる。図４（ｂ）に示すように、０．５＞Ｌ／Ｄの条件ではフード２内に十分な負圧が形成されないために燃焼促進ガスの吹込み効果が減少する。一方で、Ｌ／Ｄが大きすぎる場合にはフード２内で流体同士の粘性、流体と壁との粘性により徐々に流体エネルギーが消失される。その結果フード上端で大気を随伴する効果が減少する。以上より、比Ｌ／Ｄは０．５以上２．５以下の範囲が好ましいことを図７は示している．

（実施例２）
　実施例１と同様に、シミュレーションソフトウェアを用いて、ブリーダー管３の外壁とフード２の内壁との隙間Ｗ［ｍ］と吹込み管の軸方向のなす角度θ［°］とが煤の発生に与える影響を検討した。吹込み管の内径をｄ［ｍ］として、図９に煤発生量の結果を示す。図９の横軸はＷ／（ｄ・ｃｏｓθ）と置いた。縦軸は実施例１と同様煤発生量の比を示す。加えて、角度θが大きすぎる場合、上向きの運動成分が小さくなり横向きの運動成分が増加する。そのため噴流がブリーダー管に衝突する際に、噴流が広範囲に広がってしまい、噴流吹きこみによる煤低減効果が十分に得られない。したがって、角度θは０°以上３０°以下の範囲が好ましい。

　この結果から、角度θが０°以上３０°以下であって、Ｗ／（ｄ・ｃｏｓθ）の値が０．８５～１．６の範囲にあるときに、噴流が大気を十分に巻き込み、コークス炉放散ガスであるＣガスの完全燃焼を促進することができることがわかった。

　隙間Ｗが小さすぎる場合、吹込み管４からの噴流がフード内に十分に入り込めず、大気側に流れてしまう。そのため、噴流の吹込み効果が減少する。隙間Ｗに対して、ｄ・ｃｏｓθは、吹込み管の断面をフードとブリーダー管の隙間に投影した面積である。Ｗ／（ｄ・ｃｏｓθ）が１未満であっても好適範囲となるのは、噴流と壁面のコアンダ効果により噴流が壁面側に引き付けられるように流れるからである。図９から、Ｗ／（ｄ・ｃｏｓθ）が０．８５以上であれば噴流は全てフード内に流れ込み煤発生を抑制する効果を効率的に得られることが分かった。一方、隙間Ｗが大きすぎる場合、隙間から大気を吸いやすくなりフード上部の負圧領域の範囲及び周囲との圧力差が小さくなる。図９から、Ｗ／（ｄ・ｃｏｓθ）が１．６以下で効率的に煤発生を抑制する効果が得られることが分かった。

（実施例３）
　従来例として、ガス吹き込みのない放散ブリーダーの縦断面を図１１（ａ１）に示す。発明例として、上記実施形態にかかる吹き込み管４の配置を図１１（ｂ１）に示す。比較例として、ブリーダー管３の中央に吹き込み管４Ａを配置して図１１（ｃ１）に示す。流体シミュレーション結果を、従来例、発明例および比較例についてそれぞれ図１１（ａ２）、（ｂ２）および（ｃ２）に示す。発明例は、フードの上方で周辺大気と噴流が混合していることを示している。一方、従来例および比較例は、発明例と比べて、周辺大気を引き込む力が弱いことがわかる。

　以上より、発明例では、コークス炉放散ガスの燃焼効率が改善することを、シミュレーションにより検証できた。

　本発明にかかるコークス炉放散ガスの燃焼装置、コークス炉放散ガスの燃焼方法およびコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法は、大気中に可燃性ガスを放散するにあたり完全燃焼を必要とする場合に適用できる。

１　放散ブリーダー
２　フード
２Ａ　フードの上端面
２Ｂ　フードの下端面
３　ブリーダー管
３Ａ　ブリーダー管の上端面
３Ｂ　ブリーダー管のコークス炉側端部
４　吹込み管
４Ａ　（ブリーダー管中央の）吹込み管
５　間隙（ブリーダー管外壁とフード内壁との間隙）
６　点火装置
７　制御手段
１１　コークス炉
１１Ｇ　コークス炉ガス（Ｃガス、可燃性ガス）
１２　炭化室
１３　燃焼室
１４　上昇管
１５　ドライメーン
ｄ　吹込み管内径
Ｄ　ブリーダー管上端径
Ｌ　ブリーダー管上端からフード開放端までの距離
Ｗ　ブリーダー管外壁とフード内壁との隙間の距離
ＦＪ　噴流
ＦＡ　大気（空気）
ＦＵ　可燃性ガス（Ｃガス）

Claims

一端部がコークス炉放散ガスの発生部と連通し、内側にコークス炉放散ガスを通すブリーダー管と、
前記ブリーダー管の他端部の軸線と同軸に配置され、一端部が大気側に開放されるとともに、他端部が前記ブリーダー管の他端部を内包する、少なくとも一の円筒からなるフードと、
前記ブリーダー管の外壁と前記フードの内壁との隙間に下方より挿入されたガス吹込み管と、
前記ガス吹込み管から吹き込む燃焼促進ガスの吹込み条件を調整する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、下記（１）式を満足するように、前記吹込み管から吹き込む前記燃焼促進ガスのガス流量Ｍ_Ｊ［ｋｇ／ｓ］、ガス流速ｖ_Ｊ［ｍ／ｓ］およびガス圧力Ｐ_Ｊ［Ｐａ］から選ばれるいずれか一つを、または、二つ以上を組み合わせて調整するように構成される、コークス炉放散ガスの燃焼装置。
｛Ｍ_Ｊ／（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）｝×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝
≧３７００００×ｌｎ（ｄ）＋２３０００００　　　　　　（１）
ここで、Ｍ_Ｇは前記ブリーダー管内の放散ガス流量［ｋｇ／ｓ］、
　　　　Ｍ_Ｄは放散ガスの燃焼に必要な理論空気流量［ｋｇ／ｓ］、
　　　　γは比熱比、
　　　　ρ_Ｊは燃焼促進ガスの密度［ｋｇ／ｍ^３］、
　　　　ｄは吹込み管の内径［ｍ］
を表す。
前記ブリーダー管の内径をＤ［ｍ］とし、前記ブリーダー管の他端部先端から前記フードの一端部の先端までの距離をＬ［ｍ］とした時に、その比Ｌ／Ｄが０．５以上２．５以下の範囲である、請求項１に記載のコークス炉放散ガスの燃焼装置。
前記ブリーダー管の外壁と前記フードの内壁との隙間をＷ［ｍ］とし、前記吹込み管の内径をｄ［ｍ］とし、前記ブリーダー管の軸方向と前記吹込み管の軸方向のなす角度をθ［°］とし、角度θが０°以上３０°以下であって、Ｗ／（ｄ・ｃｏｓθ）の値が０．８５～１．６の範囲にある、請求項１または２に記載のコークス炉放散ガスの燃焼装置。
一端部がコークス炉放散ガスの発生部と連通するブリーダー管の内側にコークス炉放散ガスを通し、
前記ブリーダー管の他端部の軸線と同軸に配置され、一端部が大気側に開放されるとともに、他端部が前記ブリーダー管の他端部を内包する、少なくとも一の円筒からなるフードの内壁と前記ブリーダー管の外壁との間に挿入された吹込み管から燃焼促進ガスを吹き込むにあたり、
下記（１）式を満足するように、前記吹込み管から吹き込む前記燃焼促進ガスのガス流量Ｍ_Ｊ［ｋｇ／ｓ］、ガス流速ｖ_Ｊ［ｍ／ｓ］およびガス圧力Ｐ_Ｊ［Ｐａ］から選ばれるいずれか一つを、または、二つ以上を組み合わせて調整する、コークス炉放散ガスの燃焼方法。
｛Ｍ_Ｊ／（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）｝×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝
≧３７００００×ｌｎ（ｄ）＋２３０００００　　　　　　（１）
ここで、Ｍ_Ｇは前記ブリーダー管内の放散ガス流量［ｋｇ／ｓ］、
　　　　Ｍ_Ｄは放散ガスの燃焼に必要な理論空気流量［ｋｇ／ｓ］、
　　　　γは比熱比、
　　　　ρ_Ｊは燃焼促進ガスの密度［ｋｇ／ｍ^３］、
　　　　ｄは吹込み管の内径［ｍ］
を表す。
一端部がコークス炉放散ガスの発生部と連通し、内側にコークス炉放散ガスを通すブリーダー管と、
前記ブリーダー管の他端部の軸線と同軸に配置され、一端部が大気側に開放されるとともに、他端部が前記ブリーダー管の他端部を内包する、少なくとも一の円筒からなるフードと、
前記ブリーダー管の外壁と前記フードの内壁との隙間に下方より挿入されたガス吹込み管と、
前記ガス吹込み管から吹き込む燃焼促進ガスの吹込み条件を調整する制御手段と、
を備えるコークス炉放散ガスの燃焼装置を設計するにあたり、
下記（１）式を満足するように、吹込み管の内径ｄ［ｍ］を設計する、コークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法。
｛Ｍ_Ｊ／（Ｍ_Ｇ＋Ｍ_Ｄ）｝×｛０．５×ｖ_Ｊ ^２＋γ／（γ－１）×Ｐ_Ｊ／ρ_Ｊ｝
≧３７００００×ｌｎ（ｄ）＋２３０００００　　　　　　（１）
ここで、Ｍ_Ｊは前記吹込み管から吹き込む前記燃焼促進ガスのガス流量［ｋｇ／ｓ］、
　　　　Ｍ_Ｇは前記ブリーダー管内の放散ガス流量［ｋｇ／ｓ］、
　　　　Ｍ_Ｄは放散ガスの燃焼に必要な理論空気流量［ｋｇ／ｓ］、
　　　　ｖ_Ｊは前記吹込み管から吹き込む前記燃焼促進ガスのガス流速［ｍ／ｓ］、
　　　　γは比熱比、
　　　　Ｐ_Ｊは前記吹込み管から吹き込む前記燃焼促進ガスのガス圧力［Ｐａ］、
　　　　ρ_Ｊは燃焼促進ガスの密度［ｋｇ／ｍ^３］
を表す。
前記ブリーダー管の内径をＤ［ｍ］とし、前記ブリーダー管の他端部先端から前記フードの一端部の先端までの距離をＬ［ｍ］とした時に、その比Ｌ／Ｄを０．５以上２．５以下の範囲とする、請求項５に記載のコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法。
前記ブリーダー管の外壁と前記フードの内壁との隙間をＷ［ｍ］とし、前記吹込み管の内径をｄ［ｍ］とし、前記ブリーダー管の軸方向と前記吹込み管の軸方向のなす角度をθ［°］とし、角度θを０°以上３０°以下とし、Ｗ／（ｄ・ｃｏｓθ）の値を０．８５～１．６の範囲とする、請求項５または６に記載のコークス炉放散ガスの燃焼装置の設計方法。