(57)【要約】【課題】炉壁凹凸の形状や存在位置の違いにより、押出し負荷にどのような影響が及ぼされるかを定量的に明確にして、押出し負荷をより明確に推定できるようにする押出し負荷の評価方法を提供すること。【解決手段】多数の単位粒子よりなる擬似コークス塊を組み合わせてモデルとなる擬似コークスケーキを作成し、任意の炉壁凹凸形状を境界条件として、粒子要素法によるシミュレーションで、擬似コークスケーキを炭化室から押出す際の押出し負荷に対する炉壁凹凸の影響を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の単位粒子よりなる擬似コークス塊を組み合わせてモデルとなる擬似コークスケーキを作成し、任意の炉壁凹凸形状を境界条件として、粒子要素法によるシミュレーションで、擬似コークスケーキを炭化室から押出す際の押出し負荷に対する炉壁凹凸の影響を推定することを特徴とするコークス押出し負荷の評価方法。
【請求項２】
擬似コークスケーキ押出し側と反対側からの作用力を変化させて、押出し負荷に対する炉長方向の炉壁凹凸位置の影響を推定することを特徴とする請求項１に記載のコークス押出し負荷の評価方法。
【請求項３】
擬似コークスケーキ上部からの作用力を変化させて、押出し負荷に対する炉高方向の炉壁凹凸位置の影響を推定することを特徴とする請求項１または２に記載のコークス押出し負荷の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水平室炉式コークス炉のコークス押出時において、押出し負荷に対する炉壁凹凸の形状や存在位置の影響を定量的に評価することができるコークス押出し負荷の評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コークス炉を安定に操業することは、生産量の確保、製造コストの低減、そして、炉体保護の観点から重要なことである。しかし、実際には、様々なことが原因でトラブルが発生し、操業の安定が維持できないことが多い。
図７に、コークス炉１０の炭化室からコークスケーキ１１を押出す際の状態を模式的に示すが、例えば、コークス炉の炭化室からコークスを押出す際に、押出し機のラム１２の負荷が異常に上昇し、コークスの排出ができなくなるというトラブルがある。
また、コークスを押出す際には、ラム１２による押力の一部が側圧として炉壁１３にかかる。この時の荷重は、コークスの押出しに必要な力が大きいほど大きくなり、炉壁を損壊するなどのトラブルを発生させる。
【０００３】
コークスが押出し機のラム１２によって押される際に、炭化室の状態が正常であり、かつコークスの破壊が発生しない場合には、ラムに異常な押出し負荷が加わることはない。しかし、コークス炉の炭化室では、その炉壁１３に炉壁カーボンが付着して凸部１４が形成されたり、炉壁が損傷して凹部１５が形成されたりしている場合も多く、そのような場合には凹凸部がコークスの押出しの抵抗となりラムによる押出し負荷が増加する。
【０００４】
押出し負荷の低減のためには、炉壁凹凸についてその形状や存在位置の違いが押出し負荷にどのように影響するかを定量的に評価し、炉壁のどのような損傷状況が押出し負荷の増加につながるのかを解析する必要がある。
また、炉壁の実際のプロフィール情報に基づいて、コークスを押出す際の炉壁にかかる荷重をあらかじめ計算することができれば、計算した荷重が炉壁の耐圧限界を超えないように操業条件を管理することなどができる。
【０００５】
このような問題に対し、特許文献１には、炉体プロフィール情報を基にしてコークス押出し時の負荷波形を粒子要素法を用いた計算によって求めるとともに、上記計算で求めた負荷波形と、コークスを実際に押出す際に計測して生成した負荷波形とを比較してコークス炉の操業条件を解析することが提案されている。
また、特許文献２には、水平室炉式コークス炉において、製造されたコークスを押出し機により炭化室から押出す際に、炭化室の少なくとも一方側の炉壁全体にかかる荷重または圧力、および、炭化室炉壁の局部にかかる荷重または圧力を、離散要素法（粒子要素法）を用いた計算により推算することが提案されている。
【０００６】
しかし、特許文献１、２に提案されている粒子要素法を用いた計算では、炉体プロフィールやコークスの微小な凹凸が、押出し負荷に及ぼす影響については考慮できるとされているが、炉壁の凹凸形状や炉壁に複数点在する凹凸が、押出し負荷にどのような影響を及ぼすかについては明確に考慮されておらず、押出し負荷を低減し、上記のようなトラブルの発生を防止するためには、炉壁凹凸についてのさらなる検討が必要である。
【特許文献１】特開２００３−２７７７５９号公報
【特許文献２】特開２０００−１４４１３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、炉壁凹凸の形状や存在位置の違いにより、押出し負荷にどのような影響が及ぼされるのかを定量的に明確にして、押出し負荷をより明確に推定できるようにする押出し負荷の評価方法を確立することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の要旨は、次のとおりである。
（１）多数の単位粒子よりなる擬似コークス塊を組み合わせてモデルとなる擬似コークスケーキを作成し、任意の炉壁凹凸形状を境界条件として、粒子要素法によるシミュレーションで、擬似コークスケーキを炭化室から押出す際の押出し負荷に対する炉壁凹凸の影響を推定することを特徴とするコークス押出し負荷の評価方法。
（２）擬似コークスケーキ押出し側と反対側からの作用力を変化させて、押出し負荷に対する炉長方向の炉壁凹凸位置の影響を推定することを特徴とする上記（１）に記載のコークス押出し負荷の評価方法。
（３）擬似コークスケーキ上部からの作用力を変化させて、押出し負荷に対する炉高方向の炉壁凹凸位置の影響を推定することを特徴とする上記（１）または（２）に記載のコークス押出し負荷の評価方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、押出し負荷における炉壁凹凸の形状や存在位置の違いの影響が定量的に明確にされるので、押出し負荷の増大につながる炉壁凹凸についての情報が得られるとともに、炉壁のプロフィール情報から押出し負荷をより明確に推定できるようになり、コークス押出し時におけるトラブルの発生を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
本発明では、炉壁凹凸の形状や存在位置の違いが押出し負荷にどのような影響を及ぼすかを定量的に評価するために、特許文献１、２と同様に粒子要素法を用いてシミュレーションする。
そのため、まず、１個の擬似コークス塊を、外形が実際のコークス塊の形状とほぼ同一になるように多数の単位粒子を組み合わせて表現し、この擬似コークス塊を組み合わせてモデルとなる擬似コークスケーキを作成する。また、炉壁の凹凸形状を境界条件として数式で表記し、擬似コークスケーキを押出し機のラムにより炭化室から押出す際に、粒子要素法を用いた計算により個々の擬似コークス塊の動きをシミュレーションし、擬似コークス塊が炭化室炉壁に作用した場合の押力の増大量を解析する。
【００１１】
図１に、モデルとして使用する擬似コークスケーキの構成例を示す。
図の例では、疑似コークス塊を構成する単位粒子１を直径１０ｍｍの大きさの球とし、それを５６個凝集させておおよそ幅３０ｍｍ、長さ８０ｍｍの集合体とし、それにより擬似コークス塊２を表現する。そして、その擬似コークス塊２を、炉幅方向中央部空隙３をはさんで、コークス炉の炭化室４に２列に積層充填して、コークスケーキのモデルとなる擬似コークスケーキ５を構成した。
【００１２】
炭化室の炉壁レンガの一部がえぐれている（凹部がある）場合やカーボン付着がある（凸部がある）場合を想定して、炭化室の炉壁レンガの凹部あるいは凸部を形成し、擬似コークスケーキに、それにはまる凹部６あるいは凸部７を形成する。図２、３の（ａ）に炉壁に凹部がある場合を、同じく（ｂ）に凸部がある場合をそれぞれ示す。この例では、炉壁凹凸部は、炉高方向全体に形成されているものとし、図３に示すように、炉壁の凹部に位置する疑似コークス塊２の炉幅方向の長さは、炉壁の平滑部に位置する疑似コークス塊２の炉幅方向の長さに比べて長くなるように、疑似コークス塊２を構成する単位粒子１の個数を多くしている。逆に、炉壁の凸部に位置する疑似コークス塊２の炉幅方向の長さは、炉壁の平滑部に位置する疑似コークス塊２の炉幅方向の長さに比べて短くなるように、疑似コークス塊２を構成する単位粒子１の個数を少なくしている。
【００１３】
そのように構成した擬似コークスケーキ５に所定の押力Ｆを加えて、擬似コークスケーキを所定の速度で押出し、粒子要素法を用いた計算により個々の擬似コークス塊の動きをシミュレーションし、押力の変化を計算する。
その際に、炉幅方向中央部の間隙３の値ｄ、擬似コークスケーキと炉壁との隔隙ｓ、炉壁レンガの凹部あるいは凸部の形状を種々に変更する。
【００１４】
粒子要素法を用いた計算では、あらかじめ炉壁の形状を境界条件として設定しておき、炭化室の炉壁の凹部あるいは凸部を、擬似コークスケーキに形成した凹部あるいは凸部が通過する時の個々の擬似コークス塊の動きを推定し、擬似コーク塊最外面の単位粒子が炉壁に接触するかどうかを判定し、接触している場合には擬似コークス塊が炉壁に及ぼす作用力を計算し、その作用力から、押力の変化を計算する。
【００１５】
次に、炭化室の炉壁レンガに凹部がある場合を例として、擬似コーク塊最外面の半径Rを有する単位粒子１と炉壁との接触を判定する手順について説明する。
コークス押出し方向をＸ軸とし、凹部を複数のゾーンに分割し、各ゾーンの境界のＸ座標値χを決める。本実施の形態では図４に示すように７ゾーンに分割した例を示す。
そして、凹部の範囲内に存在する着目した単位粒子について、図５に示すように次のステップ１〜４で炉壁との接触を判定する。
【００１６】
（ステップ１）着目する単位粒子がゾーン１〜ゾーン７のどのゾーンにあるかを順次判定する（Ｓ１〜Ｓ７）。なお、ゾーン１〜ゾーン７のどのゾーンにあるかは、単位粒子（球）の中心点が当該ソーンにある場合に当該ゾーンにあると判定する。
（ステップ２）どれかのゾーンにあれば、粒子とそのゾーンの境界（炉壁）が接触しているかどうかを判定する（Ｓ１２〜Ｓ７２）。
（ステップ３）接触していると判定されれば、そのゾーンにおけるその粒子による作用力を計算し、次に着目する単位粒子の接触判定に移る（Ｓ１３〜Ｓ７３）。
（ステップ４）、接触していないと判定された場合は、次に着目する単位粒子の接触判定に移る（Ｓ１４〜Ｓ７４）。
【００１７】
本実施の形態では、凹部の角部を図４のようにＰ１〜Ｐ４とするとき、各ゾーンのＸ座標値χの範囲は次のように設定する。
（ゾーン１）凹部手前の原点からＰ１のＸ座標まで。
（ゾーン２）ゾーン１の終点のＸ座標から、Ｐ１とＰ２を通る直線からＲだけ離れた直線とＰ１を中心とする半径Ｒなる円の交点のＸ座標まで。
（ゾーン３）ゾーン２の終点のＸ座標から、Ｐ１とＰ２を通る直線とＰ２とＰ３を通る直線の両方に接触状態にある円の中心のＸ座標まで。
（ゾーン４）ゾーン３の終点のＸ座標から、Ｐ２とＰ３を通る直線とＰ３とＰ４を通る直線の両方に接触状態にある円の中心のＸ座標まで。
（ゾーン５）ゾーン４の終点のＸ座標から、Ｐ３とＰ４を通る直線からＲだけ離れた直線とＰ４を中心とする半径Ｒなる円の交点のＸ座標まで。
（ゾーン６）ゾーン５の終点のＸ座標からＰ４のＸ座標まで。
（ゾーン７）ゾーン６の終点のＸ座標から計算で想定した凹部を越えた終点までの範囲。
【００１８】
そして、上記のように設定された各ゾーンのＸ座標値χの範囲について、着目する単位粒子がゾーン１〜ゾーン７のどのゾーンにあるかを順次判定する（Ｓ１〜Ｓ６）。どれかのゾーンにあれば、炉壁によって構成されるそのゾーンの境界に単位粒子が接触しているかどうかを判定する（Ｓ１２〜Ｓ７２）。
【００１９】
その際、粒子が各ゾーンの境界に接触しているかどうかの判定は次のように行う。
まず、図４に示されるように、炉壁プロフィールに垂直に球の半径Ｒだけ離れた点を結んだ線を触判定ラインに設定する。各ゾーンの線は次のように構成される。
（ゾーン１）炉壁に並行で、球の半径Ｒだけ離れた直線。
（ゾーン２）Ｐ１を中心とする半径Ｒの円の一部。
（ゾーン３〜５）炉壁に並行で、球の半径Ｒだけ離れた直線。
（ゾーン６）P４を中心とする半径Ｒの円の一部。
（ゾーン７）炉壁に並行で、球の半径Ｒだけ離れた直線。
【００２０】
次に、着目した単位粒子の中心が接触判定ライン上にあるか、又は、それよりも炉壁プロフィールに近い場合（単位粒子のｙ座標が接触判定ラインのｙ座標に等しいかそれ以上の場合）は、単位粒子と境界（炉壁）は接触していると判定し、それ以外の場合は、接触していないと判定する。
【００２１】
このような単位粒子と炉壁との接触判定を、炉壁凹部に対応する範囲にある擬似コークス塊の単位粒子について順次行い、接触している場合についてぞれぞれの炉壁に対する作用力を計算する。
その際、擬似コークスケーキを所定の速度で移動させ、１つの擬似コークス塊が凹部を通過する際の炉壁に対する作用力を所定の時間ピッチで順次計算し、押力の増大量を求める。
【００２２】
以上のような手順を、擬似コークスケーキの炉幅方向中央部の間隙３の値ｄ、擬似コークスケーキと炉壁との間隙の値ｓ、炉壁レンガの凹部あるいは凸部の形状を種々に変更して実施することにより、さまざまな擬似コークスケーキの状態の下で、炉壁凹凸の形状が押出し負荷に与える影響を定量的に明確にすることができる。
【００２３】
また、実際のコークス炉では、コークスケーキの炉長方向及び炉高方向に自荷重の分布が存在し、凹部の位置によって押出し負荷が変動するので、擬似コークスケーキに作用力を付与して、自荷重の違いを擬似的に再現する。例えば、擬似コークスケーキ押出し側と反対側から作用力を与えることにより、凹部の炉長方向の位置を擬似的に変化させることができる。また、擬似コークスケーキ上方から作用力を与えることにより、凹部の炉高方向の位置を擬似的に変化させることができる。
【００２４】
したがって、単位粒子が炉壁に接触している場合についてぞれぞれの炉壁に対する作用力を計算する際、擬似コークスケーキ押出し側と反対側からの作用力や擬似コークスケーキ上方から作用力を種々変化させることにより、炉長方向及び炉高方向の凹凸位置の違いによる押出し負荷への影響の程度を推定することができる。
【００２５】
このため、本発明の評価方法を用いることにより、炉壁凹凸の形状や分布を仮定して、押出し負荷を求める場合、炉壁凹凸の炉長方向及び炉高方向位置に応じて、その炉壁凹凸が押し出負荷に与える影響の程度を重み付けするための基準を与えることができる。
その結果、本発明によれば、押出し負荷における炉壁凹凸の形状や存在位置の違いの影響が定量的に明確にされるので、押出し負荷の増大につながる炉壁凹凸についての情報が得られるとともに、炉壁のプロフィール情報から押出し負荷をより明確に推定できるようになり、コークス押出し時におけるトラブルの発生を低減することができる。
【００２６】
なお、以上の説明では、主に炉壁に凹部がある場合を例としたが、図２、３の（ｂ）に示すように凸部がある場合でも同様に評価できることはもちろんである。
【００２７】
以下に、以上のような方法によって計算した押力の変化の一例について説明する。
前述のとおり、疑似コークス塊を構成する単位粒子を、直径１０ｍｍの球とし、それを５６個凝集させておおよそ幅３０ｍｍ、長さ８０ｍｍの集合体とし、それにより擬似コークス塊を表現した。そして、その擬似コークス塊を２列に横３３個、縦８段積層して、粒子総数約３万個よりなる擬似コークスケーキを構成した。
この擬似コークスケーキの炉幅方向中央部の間隙の値ｄは３ｍｍ、４．５ｍｍ、９ｍｍの３種類とし、深さ（あるいは高さ）が１０ｍｍで斜面の傾斜角が１８度の凹部あるいは凸部を形成した。また、擬似コークスケーキと炉壁との間隔を１ｍｍに設定した。
【００２８】
そして、２ｃｍ／ｓの速度で擬似コークスケーキを移動させた時の押力の変化を計算した。計算結果の一例を図６に示す。
図６において、矢印位置での押力（P-Force）（Ｎ）は、凹部の場合で、左から１２５、１６４、１７９、凸部の場合で、１２５、１５３、１６４であり、炉幅方向中央部の間隙の値ｄの増加につれて押力は減少しており、実機での傾向との一致が見られた。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明でモデルとして使用する擬似コークスケーキの構成を説明する図である。
【図２】擬似コークスケーキと炉壁との設定条件を説明する図である。
【図３】炉壁の凹凸部及びその近傍の擬似コークス塊の配置を説明する図である。
【図４】粒子要素法により単位粒子と炉壁との接触を判定する方法を説明する図である。
【図５】単位粒子と炉壁との接触を判定して炉壁の作用力を求めるための手順を説明する図である。
【図６】本発明で計算された結果の１例を示す図である。
【図７】コークス炉の炭化室からコークスを押し出す際の状態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    単位粒子
２    擬似コークス塊
３    擬似コークスケーキの炉幅方向中央部の間隙
４    炭化室
５    擬似コークスケーキ
６    炉壁の凹部
７    炉壁の凸部
８    擬似コークスケーキと炉壁との間隙
１０    コークス炉
１１    コークスケーキ
１２    押出し機のラム
１３    炉壁
１４    炉壁の凸部
１５    炉壁の凹部
Ｆ    押力
ｄ    擬似コークスケーキの炉幅方向中央部の間隙の値
ｓ    擬似コークスケーキと炉壁との間隙の値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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