JP4239753B2 - コークスケーキ押し出し性の推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークスケーキの押し出し性の推定方法に関する。

通常の室炉式コークス炉において、コークス炉炭化室内の石炭層は、炉壁レンガを加熱面として加熱されるため、炉壁面に近い部分の石炭から順次乾留されてコークスケーキを形成する。そして、乾留終了後には、コークスケーキ自体が炉幅方向（水平方向）に収縮しているため、炉壁とコークスケーキの間、およびコークスケーキ中心部に隙間が生じる。この隙間の存在により、生成したコークスを押出し機によりコークス炉から容易に排出することができる。

ここで、コークスケーキの収縮量が不十分な場合には、コークスケーキが炉内で閉塞し炉外へ押し出せなくなるなどのコークスの押出し不良を生じることになる。コークスの押し出し不良が発生した場合、炉外へコークスを排出するために時間がかかるため生産性が低下することに加え、押出し機のプッシャーロッドからコークスケーキを介して炉壁に大きな横圧がかかり、場合によってはコークス炉の炉壁を損傷するという重大トラブルに発展する。

従来、コークスケーキの炉幅方向での収縮量は、実炉での測定が困難であるため、小型の試験コークス炉（２〜５００ｋｇ）を用いて測定されている。
この試験コークス炉を用いたコークスケーキ収縮量の測定方法は、熱間（コークス温度および炉壁温度：１０００℃以上）の状態においては、炉壁に閉口した窓孔からロッドを挿入してコークス面に直接押し当て、そのロッドの変位を読み取る方法が一般的な方法である。

一方、試験コークス炉にて乾留を行い、コークスケーキとなったサンプルを冷却して室温の状態でコ−クスの収縮量を測定する場合には、例えば特許文献１に開示されているように、脱着式の炉壁を備えた容器内で石炭を乾留し、レーザー式の距離計により炉壁を取り外す前後での平均距離の差からコークスの収縮量を求める方法がある。
特開２００３−９６４６６号公報

上述した従来の技術では、コークスの平均的な収縮量を求めることでコークスケーキの押し出し性をある程度評価することができる。しかしながら、従来の方法は、コークスケーキの強度を無視しているため、収縮性は十分にあってもコークスケーキの強度が弱いときには、炉内でのコークス閉塞を起こす場合があり、実炉のコークスケーキの押し出し性を推定するという点では問題があつた。このような背景のもと、試験コークス炉におけるコークスケーキの押し出し性を正確に把握することが必要であり、このことがコークス炉の操業安定化および炉体長寿命化を実現する上で必須であると考えられる。
そこで、この発明の目的は、従来の技術が抱えている上述した問題点を解消し、コークスケーキの押し出し性を正確に推定することでコークス炉の操業安定化及び炉体長寿命化を実現する方法について提案することにある。

発明者等は、上記目的を実現するために鋭意研究したところ、実炉のコークスケーキは、乾留中に生成した亀裂により容易に多くの細かいコークス塊へと分断されていくため、コークスケーキは完全な剛体としての挙動を示さない。したがって、試験コークス炉でコークスケーキの炉幅方向の収縮量のみを測定するだけでは、コークスケーキの押し出し性を正確に評価することができず、コークスケーキの内部に発生する亀裂量を測定することでコークスケーキの強度を判断できるという知見を得、この発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、乾留後のコークスケーキの押し出し性を試験コークス炉を用いて推定する方法であって、試験コークス炉で乾留したコークスケーキの炉幅方向の収縮量と、前記試験コークス炉の炉幅方向の透過放射線像を撮影して、該コークスケーキ内部に存在する亀裂の本数、単位面積当たりの亀裂の面積、或いは亀裂の幅を算出することで前記コークスケーキ内部の亀裂量を求め、これら収縮量及び亀裂量に基づいて前記コークスケーキの押し出し性を推定することを特徴とする方法である。
この発明によると、コークスケーキの炉幅方向の収縮量を求めることによるコークスケーキの収縮性と、コークスケーキ内部の亀裂量を求めることによるコークスケーキの強度とを正確に評価することが可能となり、コークスケーキの押し出し性が正確に推定されるので、実際のコークス炉の操業安定性及び炉体長寿命化が図られる。

ここで、前記試験コークス炉の炉幅方向の透過放射線像を撮影し、この透過放射線像の炉幅方向の両端部を収縮の解析領域とし、これら収縮の解析領域の間の領域を亀裂の解析領域とし、前記収縮の解析領域では、前記試験コークス炉の炉壁内面から前記コークスケーキの側面との間に生じた空隙の面積から該空隙の炉幅方向の平均距離を算出することで前記コークスケーキの収縮量を求め、前記亀裂の解析領域では、亀裂の本数、単位面積当りの亀裂の面積、或いは亀裂の幅を算出することで前記コークスケーキの亀裂量を求めることが好ましい。

このようにすると、コークスケーキの炉幅方向の収縮量及び亀裂量を効率良く、迅速に測定することが可能となる。
また、先に撮影した前記透過放射線像に対して平行となるように、前記コークスケーキの厚み方向に複数の透過放射線像を撮影し、これら複数の透過放射線像のそれぞれに対して収縮量及び亀裂量を求め、求めた収縮量の平均値及び亀裂量の平均値に基づいて前記コークスケーキの押し出し性を推定することが好ましい。
このようにすると、コークスケーキの炉幅方向の収縮量及び亀裂量の測定精度を高めることが可能となる。

本発明のコークスケーキ押し出し性の推定方法によれば、コークスケーキの炉幅方向の収縮量を求めることによるコークスケーキの収縮性と、コークスケーキ内部の亀裂量を求めることによるコークスケーキの強度とを正確に評価することができるので、コークスケーキの押し出し性が正確に推定され、実際のコークス炉の操業安定性及び炉体長寿命化を図ることができる。

本発明に係るコークスケーキ押し出し性の推定方法の１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
先ず、図１は、第１実施形態としてのコークス押し出し性の推定方法の概要を示す図である。
本実施形態では、透過放射線像を用いてコークスケーキの収縮量及びコークスケーキ内部の亀裂量を求めるようにしたものである。
まず、石炭の乾留を行うコークス炉としては、測定の容易な小規模の試験コークス炉２を用いることが好ましい。この試験コークス炉２は、一般のコークス炉の炉壁に相当する互いに対向配置した一対の加熱板２ａ，２ｂが存在し、コークス炉の炉幅に相当する方向、すなわち加熱板２ａ，２ｂと直交する方向に加熱される。このように加熱すると、乾留後には、炉壁に相当する一対の加熱板２ａ，２ｂとコークスケーキ４との間にそれぞれ空隙６が生じるとともに、コークスケーキ４内部には、亀裂（図１では図示せず）が生じる。

そして、加熱板２ａ，２ｂと直交する方向のコークスケーキ４の断面を、透過放射線装置により透過放射線像として撮影する。ここで、加熱板２ａ，２ｂと直交する方向は、コークス炉の炉幅方向に相当する方向、すなわち石炭の乾留が進行する方向であり、以下、炉幅方向と称する。
前述した透過放射線装置は、加熱板２ａ，２ｂの外側に対向配置したＸ線管８及び検出器１０と、制御変換部１２とで構成されている。Ｘ線管８及び検出器１０は、互いに対向した状態を保持したまま、図１の破線で示す炉幅方向に延在した円軌道上を同期して移動可能に設けてある。制御演算部１２は、Ｘ線管８及び検出器１０の移動を制御するとともに、検出器１０から測定したＸ線の強度から各部位の透過率を算出し、コークスケーキ４の炉幅方向の断層を２次元の透過放射線像データとして演算する装置である。

そして、制御演算部１２で演算した２次元の透過放射線像データは、画像解析装置１４で２次元の透過放射線像として表示され、さらに、収縮及び亀裂の２つの解析領域に別けて、２次元の透過放射線像の２値化処理を行っている。
すなわち、図２は、画像解析装置１４で表示されたコークスケーキ４の炉幅方向の２次元の透過放射線像であり、放射線の透過度に対応した濃淡で表示されている。

コークスケーキ４は、通常、炉幅方向での収縮率が３０％未満であり、また高さ方向での収縮率が２０％未満である。そのため、収縮の解析領域は、加熱板２ａ，２ｂから炉幅の１５％であって、且つ高さ方向が底部から石炭装入高さの８０％に設定されている。また、亀裂の解析領域は、加熱板２ａ，２ｂから炉幅の１５％を除いた領域であって、且つ高さ方向が底部から石炭装入高さの８０％に設定されている。

図３は、図２の透過放射線像に基づき、所定の閾値を用いて２値化処理を行った収縮の解析領域の像であり、白部分がコークスケーキ４であり、黒部分が空隙６であるので、コークスケーキ４の外側、すなわち加熱板２ａ，２ｂとの間に生成した空隙６を容易に確認することができる。
この図３を利用して収縮の解析領域における空隙４の面積を求め、この面積を解析領域の高さで割ることによって、容易にコークスケーキ４と加熱板２ａ，２ｂ（炉壁）との間にできた空隙４の炉幅方向距離の平均値ｔを求めることができる。この平均値ｔが、コークスケーキ４の収縮量である。

また、図４は、図２の透過放射線像に基づき、所定の閾値を用いて２値化処理を行った亀裂の解析領域の像であり、白部分がコークスケーキ４であり、黒部分が亀裂１６ａ，１６ｂ…である。
この図４を利用して亀裂の解析領域における亀裂１６ａ，１６ｂ…の本数、亀裂面積、１本当りの亀裂幅等を測定し、コークスケーキ４の亀裂量とする。
このようにして求めた炉幅方向でのコークスケーキ４の収縮量およびコークスケーキ４中の亀裂量を変数として試験コークス炉２での押し出し性評価の関数を作成することで、炉幅方向の収縮量だけでは測定できなかったコークスケーキ４の強度を含めたコークスケーキの押し出し性評価が可能となる。
また、コークスケーキ４の収縮量及び亀裂量を、コークスケーキ４の炉幅方向の透過放射線像を撮影し、この透過放射線像を所定の閾値を用いて２値化処理を行うことにより測定しているので、効率良く、迅速に測定することができる。

ここで、上記実施形態では、コークスケーキ４の炉幅方向の一断面を撮影する（１枚の透過放射線像を表示する）ことででコークスケーキ４と加熱板２ａ，２ｂとの間の収縮量と、コークスケーキ４の亀裂量を求める手法を示したが、図１で示したＸ線管８および検出器１０をコークスケーキ４の厚み方向（図１の表裏方向）に移動し、先に撮影した一断面と平行する複数の断面について上記の操作を繰り返すことによって、コークスケーキ４の厚み方向にも平均化を進めれば、収縮量と亀裂量の測定精度をより向上することが可能である。

また、上記実施形態では、透過放射線像を用いてコークスケーキ４の炉幅方向の収縮性とコークスケーキ４中の亀裂量を同時に測定する方法を示したが、収縮量の測定と亀裂量の測定は、別々の測定装置で行ってもよい。収縮量の測定方法としては、透過放射線像によるもの以外に、レーザー距離測定装置による方法や収縮体積をビーズ等により測定する方法でも良い。また、亀裂量の測定方法では、透過放射線像によるもの以外に、一定体積のコークスケーキ４をコークス塊の状態に分断してコークス塊の個数やコークス塊の平均粒度からコークスケーキ中の亀裂を推定してもよい。

上記実施形態で示したコークスケーキ押し出し性の推定方法の具体例な実施例について、以下に詳細に説明する。なお、図１で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付して説明を省略する。
本実施例では、図５に示すコークスケーキ４の平均収縮量および亀裂量測定用の小型模擬レトルト（Ｌ×Ｗ×Ｈ：ｌｌ４mmＸ１９０mm×１２０mm：試験コークス炉２）を用いて、４０ｋｇ規模の乾留炉において、表１に示す乾留条件の下で乾留を行った。なお、試験コークス炉２は、れんが製の加熱板２ａ，２ｂ、底板１８及び天板２０としている。

乾留後、この試験コークス炉２を透過Ｘ線像の撮影装置（Ｘ線間８、検出器８）の所定の位置にセットして透過Ｘ線像を撮影した。なお、透過Ｘ線像は、コークスケーキ４の炉奥行き方向１１４mmの中心部分、すなわち端面から７２mmの断面で撮影を行った。
透過Ｘ線像は、制御演算部１２を介して画像解析装置１４に入力される。この画像解析装置１４では、図２に示したように、放射線の透過度に対応した濃淡で表わされた２次元画像を表示する。

ここで使用している１９０mm幅の試験コークス炉２は、通常コークスケーキの収縮量が４０mm以下であることから、コークスケーキ４の収縮解析領域は、炉幅が加熱板２ａ，２ｂ（炉壁）から２０mmとし、高さ方向を底板１８（炉底）から１００mmの範囲とした２つの領域に対して解析を行った。収縮解析領域を炉壁から２０mmと限定することで、コークスケーキ４の収縮量評価に対する亀裂の影響を少なくしている。この２つの解析範囲で、図３に示したように、コークスケーキ４と空隙６を２値化処理により区別し、空隙６とみなした面積を解析領域の高さｌ００mmで除したのちそれぞれ足し合わせたものを、水平方向の平均クリアランスとして求めた。また、この平均クリアランスの値を、初期の幅１９０mmで除したものを収縮率とした。

一方、コークスケーキ４中の亀裂量の評価は、コークスケーキ４の上述の収縮解析領域を除いた幅×高さ：１５０mm×ｌ００mmの画像（亀裂解析領域）に対して解析を行った。この亀裂量の評価は、図４に示したように、コークス（カーボン）の部分と亀裂（空隙）の部分を区別できるようにした。この画像を用いて亀裂１６ａ，１６ｂ…の本数およびコークスケーキ４中の亀裂が占有する面積を求めた。

コークスケーキ４の収縮により生じる加熱板２ａ，２ｂ（炉壁）側の空隙６、コークスケーキ４中の亀裂１６ａ，１６ｂ…のいずれも、コークス（カーボン）のない領域を定量化したことに相当する。しかし、コークスケーキ４の押し出し性に及ぼす影響としては、炉壁側の空隙６は増加した方がコークスケーキ４と炉壁が接触しにくくなり、コークスケーキ４を押し出しやすくなる。一方、コークスケーキ４内の亀裂１６ａ，１６ｂ…が増加するとコークスケーキ４が崩壊し、コークスケーキ４が剛体よりも粉体に近い挙動を示すようになるため、コークスケーキ４を試験コークス炉２へ排出することが困難になる。特に、図４で示す亀裂１６ａのように、コークスケーキ４の高さ方向に延在している亀裂が存在すると、コークスケーキ４が分断されやすい。

つまり、亀裂１６ａ，１６ｂ…は空隙６と同一のものであるが、コークスケーキ４の押し出し性に及ぼす影響としてはまったく逆の影響を及ぼすものであり、これらを区別することでコークスケーキ４の押し出し性が評価できる。 次に、石炭の配合条件を変えた複数のコークスケーキ４（Ｎｏ１〜９）の押し出し性を評価した結果を表２に示す。

すなわち、表２では、性状が異なった９種類のコークスケーキ４について、上述した透過Ｘ線測定方法により収縮量として収縮率、亀裂量として亀裂本数を定量化した。そして、同一の石炭配合で３日間操業し、試験コークス炉２の多くの窯のうち炉壁の損傷などがなくカーボンの付着も少ない窯を、事前に１０窯選定しておき、基準配合での押し出しアンペアを１００とした時を相対値として、９種類のコークスケーキ４の実験期間中の押し出し性指数を求めた。なお、実験期間中は石炭水分を６．５％で一定とし、一窯当たりの装入炭量も一定とした。コークス炉の稼動率は１２０％で一定とし全消費時間も一定で操業した。
ここで、前記押し出し性指数は、コークス押し出し時の押し出し機の負荷の大きさを示す度合いであり、押し出し性指数が大きいと、コークスが押し出しにくくなる。

表２の結果に基づいて、９種類のコークスケーキ４の押し出し性指数と収縮率との関係を図６に示すと、収縮率が少ないコークスケーキ４は、押し出し性指数が大きくなる傾向、すなわち、コークス押し出し時に押し出しにくくなるということがわかる。また、収縮率が同一のコークスケーキ４では、コークスケーキ４中の亀裂本数が多くなるほど押し出し性指数が大きくなる（押し出しにくくなる）ということがわかる。
ここで、コークスケーキ４の収縮率と亀裂本数の測定に基づいた押し出し性の推定値は、下記（１）式で求められる。
（押し出し性の推定値）＝ａ１×（収縮率）＋ａ２×（亀裂本数）＋ｂ ……（１）
なお、ａ１，ａ２，ｂは定数であり、コークス炉等の条件により異なるがいくつかのケースで実験を行えば求めることができる。ここでは、ａ１＝−１３．１３，ａ２＝１６３．９，ｂ＝１３２．２とした。

図７は、上記（１）式に基づいて算出した押し出し性の推定値と、押し出し性指数との関係を示しているが、この図７から、両者が良好に一致していることがわかる。そして、表３は、本発明に係る収縮率と亀裂本数を測定した方法と、従来の収縮量のみを測定した方法及び亀裂本数のみを測定した方法の押し出し性指数との相関を比較したものであるが、本発明に係る収縮率と亀裂本数を測定した方法が、他の従来の方法と比較して相関係数が高くコークスケーキ４の押し出し性に大きな影響を及ぼすので、コークスケーキ４の押し出し性の推定に大変効果的な方法であることがわかる。

本発明は、コークス炉でのコークスケーキの押し出し性を効率良く、正確に推定するコークスケーキ押し出し性の推定方法に適用可能である。

本発明に係るコークスケーキの収縮量及び亀裂量を測定する方法の概要を示す図である。 撮影した透過放射線像を示す図である。 撮影した透過放射線像のうち収縮解析領域を示す図である。 撮影した透過放射線像のうち亀裂解析領域を示す図である。 コークスケーキの収縮量及び亀裂量の測定に用いた試験コークス炉を示す図である。 炉幅方向のコークスケーキの収縮率と押し出し性指数の関係を示す図である。 コークスケーキの収縮率と亀裂本数から求めた押し出し性推定値と、押し出し性指数との関係を示す図である。

符号の説明

２ 試験コークス炉
２ａ，２ｂ 加熱板（炉壁）
４ コークスケーキ
６ 空隙
８ Ｘ線管
１０ 検出器
１２ 制御演算部
１４ 画像解析装置
１６ａ，１６ｂ… 亀裂

Claims (3)

1. 乾留後のコークスケーキの押し出し性を試験コークス炉を用いて推定する方法であって、
   試験コークス炉で乾留したコークスケーキの炉幅方向の収縮量と、前記試験コークス炉の炉幅方向の透過放射線像を撮影して、該コークスケーキ内部に存在する亀裂の本数、単位面積当たりの亀裂の面積、或いは亀裂の幅を算出することで前記コークスケーキ内部の亀裂量を求め、これら収縮量及び亀裂量に基づいて前記コークスケーキの押し出し性を推定することを特徴とするコークスケーキ押し出し性の推定方法。
2. 前記試験コークス炉の炉幅方向の透過放射線像を撮影し、この透過放射線像の炉幅方向の両端部を収縮の解析領域とし、これら収縮の解析領域の間の領域を亀裂の解析領域とし、
   前記収縮の解析領域では、前記試験コークス炉の炉壁内面から前記コークスケーキの側面との間に生じた空隙の面積から該空隙の炉幅方向の平均距離を算出することで前記コークスケーキの収縮量を求め、
   前記亀裂の解析領域では、亀裂の本数、単位面積当りの亀裂の面積、或いは亀裂の幅を算出することで前記コークスケーキの亀裂量を求めることを特徴とする請求項１記載のコークスケーキ押し出し性の推定方法。
3. 先に撮影した前記透過放射線像に対して平行となるように、前記コークスケーキの厚み方向に複数の透過放射線像を撮影し、これら複数の透過放射線像のそれぞれに対して収縮量及び亀裂量を求め、求めた収縮量の平均値及び亀裂量の平均値に基づいて前記コークスケーキの押し出し性を推定することを特徴とする請求項２記載のコークスケーキ押し出し性の推定方法。