(57)【要約】【課題】消火後の含水量を所定値以下にするための散水流量及び散水時間を安定して求めることが可能な赤熱コークスの湿式消火方法を提供する。【解決手段】単一粒子の赤熱コークスを散水冷却したときの散水時間と散水停止後及び放置時間経過後の含水率との関係を、コークス表面が１００℃以下に到達する到達時間に基づきモデル化すると共に、所定層深さ位置のコークスでの上記到達時間の遅れを散水流水密度で補正することで、各層位置のコークスについての、散水時間及び散水流量密度と散水停止後及び放置時間経過後の含水率との関係をモデル化し、そのモデルに基づき目標とする含水率となる散水時間及び散水流量密度を求める。【選択図】        図２
2005105063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された赤熱コークスの上層に所定の散水時間だけ散水した後に所定の放置時間だけ放置することで、当該赤熱コークスを消火する湿式消火方法において、
単一粒子の赤熱コークスを散水冷却した場合における、散水時間と散水停止後の含水率との間の関係について、上記単一粒子表面が１００℃以下まで冷却される到達時間に基づき単一粒子の吸水過程予測モデルとして構築し、
さらに、その単一粒子の吸水過程予測モデルについて、積層された赤熱コークスの上層に散水した場合における、上面から所定深さ位置のコークスが１００℃以下に到達するまでの上記到達時間に対する遅れ時間を散水流量密度に基づき補正して、各深さ位置のコークスについての、散水時間及び散水流量密度と散水停止後の含水率との間の関係についての吸水過程予測モデルを構築しておき、
上記吸水過程予測モデルを使用して、放置時間経過後の含水率が目標の含水率となる散水時間及び散水流量密度を求めることを特徴とする赤熱コークスの湿式消火方法。
【請求項２】
積層された赤熱コークスの上層に所定の散水時間だけ散水した後に所定の放置時間だけ放置することで、当該赤熱コークスを消火する湿式消火方法において、
単一粒子からなる赤熱コークスに散散水却した場合に散水中にコークス表面が１００℃以下に到達する到達時間と、上記赤熱コークスのコークス初期温度及びコークス粒子径との関係、
当該単一粒子からなる赤熱コークスを散水冷却した場合における、散水時間から上記到達時間を引いた水吸収時間と、水冷停止直後の上記コークスへの含水率との関係、
及び、積層された赤熱コークスの上層に散水した場合における上面から所定深さ位置のコークス表面が１００℃以下に到達するまでの上記到達時間に対する遅れ時間と散水流量密度との間の関係を予め求め、
これらの３つの関係から、積層された赤熱コークスの上層に所定の散水時間だけ散水した場合における、上面から所定深さ位置のコークスでの、散水時間及び散水流量密度と散水停止直後の含水率との第１の関係を求め、
また、単一粒子からなる赤熱コークスを散水冷却し、散水停止直後の含水率と放置時間経過後の含水率との間の第２の関係を、散水停止後の復熱による蒸発及び抜熱に基づき求めておき、
上記第１の関係及び第２の関係に基づき、積層された赤熱コークスを消火した場合における、放置時間経過後の含水率が目標とする含水率となる上記散水時間及び散水流量密度を求めることを特徴とする赤熱コークスの湿式消火方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コークス炉から排出された赤熱コークスの湿式消火方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭をコークス炉で乾留することでコークスが製造される。このとき、赤熱コークスを高炉などへ輸送の際にベルトコンベヤなどの輸送設備が焼損することを防止するために、コークス炉から払い出された赤熱コークスに多量の水を散水して輸送可能な温度、例えば２５０℃以下の温度まで冷却している。この散水による消火を湿式消火と呼んでいる。
従来では、例えば特許文献１に記載されているように、コークス炉から消火車に払い出された所定の層高さの赤熱コークスに対して、所定の散水速度で散水消火することが開示されている。
【特許文献１】特開昭５８−２１３０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、高炉操業においては、コークス含有水分は低いほど燃費は向上し、また、熱変動による減風が無くなるなどのメリットがあるため、消火後のコークスに含有する水分は、低いことが好ましい。そして、乾式消火コークスは消火後の含水率はほぼ０％であるが、湿式消火コークスでは含水率は通常５〜８％程度であり、湿式消火コークスにおいても、安定して消火後の含水率を所定値以下例えば３％以下とすることが望ましい。
しかしながら、上記従来例にあっては、特定の赤熱コークス条件における散水流量のみが開示されているだけであり、赤熱コークスの条件（例えば払い出される量）が変更された場合にどのように散水流量を変更して良いか何ら開示されていない。
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、消火後の含水量を所定値以下にするための散水流量及び散水時間を安定して求めることが可能な赤熱コークスの湿式消火方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、積層された赤熱コークスの上層に所定の散水時間だけ散水した後に所定の放置時間だけ放置することで、当該赤熱コークスを消火する湿式消火方法において、
単一粒子の赤熱コークスを散水冷却した場合における、散水時間と散水停止後の含水率との間の関係について、上記単一粒子表面が１００℃以下まで冷却される到達時間に基づき単一粒子の吸水過程予測モデルとして構築し、
さらに、その単一粒子の吸水過程予測モデルについて、積層された赤熱コークスの上層に散水した場合における、上面から所定深さ位置のコークスが１００℃以下に到達するまでの上記到達時間に対する遅れ時間を散水流量密度に基づき補正して、各深さ位置のコークスについての、散水時間及び散水流量密度と散水停止後の含水率との間の関係についての吸水過程予測モデルを構築しておき、
上記吸水過程予測モデルを使用して、放置時間経過後の含水率が目標の含水率となる散水時間及び散水流量密度を求めることを特徴とする赤熱コークスの湿式消火方法を提供するものである。
【０００５】
ここで、放置時間経過後の目標とする含水率から、散水停止後の含水率を求めることは、例えば、放置時間経過後の目標とする含水率、放置時間経過後のコークス温度、及び放置時間に基づき伝熱計算で求めればよい。
次に、請求項２に記載した発明は、積層された赤熱コークスの上層に所定の散水時間だけ散水した後に所定の放置時間だけ放置することで、当該赤熱コークスを消火する湿式消火方法において、
単一粒子からなる赤熱コークスに散散水却した場合に散水中にコークス表面が１００℃以下に到達する到達時間と、上記赤熱コークスのコークス初期温度及びコークス粒子径との関係、
当該単一粒子からなる赤熱コークスを散水冷却した場合における、散水時間から上記到達時間を引いた水吸収時間と、水冷停止直後の上記コークスへの含水率との関係、
及び、積層された赤熱コークスの上層に散水した場合における上面から所定深さ位置のコークス表面が１００℃以下に到達するまでの上記到達時間に対する遅れ時間と散水流量密度との間の関係を予め求め、
これらの３つの関係から、積層された赤熱コークスの上層に所定の散水時間だけ散水した場合における、上面から所定深さ位置のコークスでの、散水時間及び散水流量密度と散水停止直後の含水率との第１の関係を求め、
また、単一粒子からなる赤熱コークスを散水冷却し、散水停止直後の含水率と放置時間経過後の含水率との間の第２の関係を、散水停止後の復熱による蒸発及び抜熱に基づき求めておき、
上記第１の関係及び第２の関係に基づき、積層された赤熱コークスを消火した場合における、放置時間経過後の含水率が目標とする含水率となる上記散水時間及び散水流量密度を求めることを特徴とする赤熱コークスの湿式消火方法を提供するものである。
【０００６】
本発明によれば、高温つまり赤熱の単一粒子コークスを散水冷却した場合における散水時間と、散水停止直後及び放置時間経過後の含有率との関係を求め、さらに、実際の積層状態の赤熱コークスにおける所定深さ位置での上記１００℃以下となる到達時間の時間遅れを散水流量密度に基づき求めて上記到達時間を補正することで、所定深さ位置のコークスにおける、散水時間及び散水流量密度と放置時間経過後の含水率との関係を求めているので、消火後における含水率を、目的とする含水率とするための散水時間及び散水流量密度を安定して求めることが可能となる。
【０００７】
ここで、含水率は、層深さ位置によって異なるが、例えば積層の中央部の深さのコークスの含水率に代表させる場合には、その深さ位置のコークスの含水率が目的の含水率となるように、上記第１及び第２の関係から散水時間及び散水流量密度を求めれば良い。  
また、各層位置での含有率の平均値を目的の含水率となるようにする場合には、第２の関係に基づき、目的の含水率に対する散水停止時における含水率を求め、その含水率が平均値となるように各深さ位置（代表点な数カ所の深さ位置）での含水率を推定し、その推定した含水率以下となるそれぞれの散水時間及び散水流量密度を求めて、実際の散水時間及び散水流量密度を求めれば良い。
【０００８】
次に、上記関係、つまり上記のような層状高温コークスでの吸水蒸発過程予測モデルについて説明する。
高温の単一粒子コークスを水冷した時の水分を吸収放散する過程は、図１に示すような概念図で表されると考えられる。すなわち、消火水に接触した高温コークス粒子は、時間が経過するにつれて粒子表面から冷却が進行し、水分の吸収が進む。そして散水終了後、コークス粒子内の熱により再度復熱する。この復熱で、吸収した水分を放散しながら徐々に温度均衡状態に向かうと予想される。
【０００９】
本発明においては、この単一粒子コークスの吸水蒸発過程を、図２に示されるようなモデルに仮定する。
すなわち、散水中において、粒子表面温度Ｔｃｏが水分を蒸発し得る１００℃以下に降下するまでは、粒子表面で盛んに蒸発が起こり、粒子内に水分は吸収しないが、表面温度が１００℃を下回ると水分を吸収し始め、散水終了時点で含水率が最大になると仮定する。ここで、コークス表面温度Ｔｃｏが≦１００℃に到達するまでの到達時間ｔｌは、粒度Ｄｃおよび粒子表面の熱伝達率αｌの影響を受ける。故に、最大含水率ｗｍａｘは粒子表面温度Ｔｃｏが１００℃以下に到達し、更に水と接触し続ける水吸収時間ｔ２の関数として表現できる。
【００１０】
次に、散水停止後の蒸発過程においては、散水終了時に粒子内部に残った熱により粒子表面温度Ｔｃｏが復熱する。この熱移動による粒子表面の熱放散と何らかの影響因子との相関で、蒸発量Δｗｓが算出される。従って、放置時間ｔ３後の最終的な含水量ｗは、最大含水量から経過時間毎の蒸発量Δｗｓを逐次差し引くことで導くことができる。
ここで、上記単一粒子コークスの吸水蒸発過程のモデルにおいては、後述のように、散水時間には影響するが、散水流量密度はほとんど影響がないので、散水流量密度は無視してモデル化ができる。
【００１１】
一方、層状コークスでの吸水蒸発過程のモデル化における、コークス層内の冷却過程のモデルを図３のように仮定する。
すなわち、上方より散水流量密度Ｗｏで散水した水は、コークス粒子間で蒸発を伴いながら降下する。消火初期には上層で蒸発が盛んに起こるため、下層に向かうに従い到達する水量Ｗｎは減少傾向となる。そして、上層コークスの冷却が進むに従い、この各層毎の水量密度Ｗｎは上層より順に散水流量密度Ｗｏに漸近し最終的には均一化すると予想される。従って、先に述べたコークス粒子が水分吸収を開始すると仮定した、粒子表面温度Ｔｃｏ≦１００℃に到達する到達時間ｔ１は、層深さが増すほど時間遅れを生じる。そして、この各層の時間遅れを、散水時間ｔｏから差し引けば、先にのべた水吸収時間ｔ２が導きだせる。そして、この各層の水吸収時間ｔ２Ｈｎを使えば、単一粒子の水分吸収過程予測モデルにより、各層毎の含水量を導き出すモデル式が構築できる。
【００１２】
すなわち、層深さ位置での上記時間遅れ分だけ補正した上記単一粒子の水分吸収過程予測モデルを使用することで、所定のコークス処理温度（炉から払い出されたときの温度）及び平均粒度での、散水時間及び散水流量密度に対する、それぞれの層深さ位置のコークスでの散水停止時の含水率を推定することが可能となる。そして、例えば、全層厚Ｈを代表する含水量を、この各層の含水率の総平均値で代表させる。
【００１３】
そして、後述のように、上記時間遅れは、散水流量密度と相関を有するので、上記単一粒子コークスでの到達時間に対する遅れ時間分を含んだ各層での到達時間を散水流量密度に基づき算出することができる。
また、散水停止後の復熱による蒸発に粒子の伝熱状態が関わるので、単一球の非定常伝熱計算モデルを用いて蒸発過程を予測することで、散水停止後の含水率と、放置時間後の含水率との関係をモデル化することが可能である。
したがって、上記２つの第１及び第２の関係（若しくはその関係を表すモデル式）を使用すれば、放置時間経過後の含水率を所定の値にする散水時間及び散水流量密度を求めることが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明してきたように、本発明を採用すれば、消火後の含水量を所定値以下にするための散水流量及び散水時間を安定して求めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明に基づく実施形態を説明する。
コークス炉から払い出された赤熱コークスは消火車に払い出される。消火車は消火塔に移動して、上方のノズル等から所定の散水時間、所定の散水流量密度で、赤熱コークスの上層に向けて水の散水冷却が行われる。散水時間が停止すると、所定の放置時間だけ放置されて水切りが行われた後に、ワーフに排出され、順次高炉などに搬送される。
本実施形態では、次のようなことによって、消火車に払い出される赤熱コークスに応じて上記散水時間及び散水流量密度で散水するように設定する。
すなわち、図２で表される吸水蒸発モデル、及び下記実施例の計算モデルの構築、実験結果から、高温単一粒子コークスについて、下記のような計算式を求めておく。
【００１６】
【数１】
2005105063.tif 000003
【００１７】
なお、１００℃以下に到達してからの水吸収時間ｔ２とＷｍａｘとは、図４に示す関係にある。
また、図３で表される層状コークス冷却予測モデル、及び下記実施例の計算モデルの構築、実験結果から、散水流量密度による時間遅れ分を加味して上記到達時間の関数を下記式に置き換える。
【００１８】
【数２】
2005105063.tif 000004
【００１９】
そして、消火車に払い出されるコークス量からコークスの層高さを求めると共に、操業条件から払い出されるコークス初期温度を設定し、また、実験からもとめたコークスの平均粒度に基づき、所定深さ単位の散水完了時の含水率の総平均値を求め、さらに、その総平均値及び式（１）〜式（４）に基づき、計算して放置時間経過後の含有率を求める。
このような計算を、散水時間及び散水流量密度を変数として実施して、図５に示すような、消火後の各含水率についての散水時間と散水流量密度とのマップを得る。
また、別途求められる、散水時間及び散水流量密度と消火後のコークス温度のマップを得る（図５に併記する）。
そして、目的の消火温度以下で且つ最終の含水率が目的の含水率以下となる散水時間及び散水流量密度の条件範囲を求め、その条件範囲となるような散水条件で散水を制御して赤熱コークスを消火する。
【００２０】
なお、上記処理は、コンピュータで自動計算させて、自動的に目的の消火温度以下で且つ最終の含水率が目的の含水率以下となる散水時間及び散水流量密度の条件範囲を求め、その条件範囲となるように散水条件で散水するようにしても良い。
また、上記のような図５のようなマップを予め用意して、払い出される赤熱コークスの条件に応じて適切な散水時間及び散水流量密度を求めて、手動で散水条件の設定を行っても良い。
このようにすることで、払い出されるコークスの条件が変化しても安定して消火後の含水量を目的の含水量以下にするための適切な散水時間及び散水流量密度を求めることができる。
【実施例】
【００２１】
上述の考え方に基づき層状コークスの吸水蒸発過程を予測可能な計算モデルの構築を、図６に示す手順で考える。
（１）コークス物性値及び操業条件調査
コークス吸水蒸発過程予測モデルの構築に当たり、実験および理論計算の水準の決定に必要な物性値および操業条件の調査を行った。コークスの伝熱に関する物性値は、表１のようにまとめられる。
【００２２】
【表１】
2005105063.tif 000005
【００２３】
ここで、粒子の密度は気孔も含めた密度である見掛け密度とし、比熱、熱伝導率については温度依存性があるため実操業の消火過程の上下限温度値での各値の平均値を用いている。
表２は、参考として他の物質と物性値を比較したものであるが、コークスの密度、比熱はそれぞれ水、煉瓦に近いもので、温度伝導度を炭素鋼と比較すると約５倍近く温度伝導が悪い物体であることが判る。すなわち、単一粒子での冷却蒸発モデルを構築する際には散水流量密度は無視できることが分かる。
【００２４】
【表２】
2005105063.tif 000006
【００２５】
表３は、消火車上のコークス粒度分布を測定した結果である。粒度は微粉から１００ｍｍ以上の間でばらつくので、本実施例では、重量比率の大きい２５〜５０ｍｍ、５０〜７５ｍｍ、７５〜１００ｍｍの３水準で評価する。
【００２６】
【表３】
2005105063.tif 000007
【００２７】
また、本実施例で想定する操業条件を表４に示す。ここに示す散水条件、コークス層厚、散水後の放置時間を基準に実験及び評価を行うものとする。
【００２８】
【表４】
2005105063.tif 000008
【００２９】
（２）単一球非定常伝熱計算モデルの構築について
単一粒子コークスの吸水蒸発モデル（吸水過程予測モデル及び蒸発過程予測モデル）を構築する上で、コークス粒子の伝熱性を関連付け評価する必要がある。散水消火中および放置後の経時的な、温度変化および経過時間毎のコークス粒子の温度分布を評価するには、非定常の熱伝導計算が必要不可欠である。そこで、伝熱モデルとしてコークス粒子を単一球に想定した、非定常伝熱計算モデルを構築する。
【００３０】
一般に、非定常伝熱計算を行う場合、Ｈｅｉｓｌｅｒ等が構築した線図により簡易的に時間経過後の物体温度を求めることができる。しかし、これらの計算は時間毎の温度変化を手計算で求める必要が有るうえ境界条件が時間的に変化することが予測される今回のようなケースでは適当でなく、計算機による数値計算を行った。
数値計算の基礎式としては、解の安定性がよく計算ステップ時間の自由度が大きい、後退差分法を用いた。なお、後退差分法に限定されるものではない。
後退差分法における一つの内部節点でのエネルギーバランス式は（５）式で表せる。図７に同式の概念図を示す。
【００３１】
【数３】
2005105063.tif 000009
【００３２】
ただし、ｑｍ、Ｔｍp 、Ｔｍp+1 、Ｔｎp 、Ｒｍｎ、Ｃｍ、△τはそれぞれ、ｍ番目節点内部発熱量、ｍ番目接点温度、（ｐ＋１）時間でのｍ番目温度、ｍ番目節点隣接ｎ節点（ｐ＋１）時間温度、（ｍ，ｎ）節点間熱抵抗、ｍ番目節点熱容量、計算時間ステップである。なお、節点での内部発熱量はないのでｑｉの項は除外して計算を行う。
また、球体の場合の各項の計算式を次の式（６）〜（８）に表す。ただし、ｒｍ、Ａｍ、△ｒ、ｋ、Ｖｍ、ｃ、ρはそれぞれ、ｍ番目節点半径、ｍ番目節点半径での球表面積、節点間隔長さ、熱伝導率、ｍ番目節点と隣接節点間の体積、比熱、密度である。
【００３３】
【数４】
2005105063.tif 000010
【００３４】
そして、式（５）に式（６）〜（８）を代入すると、球内部のｍ番目接点まわりのバランス式は式（９）のように表される。
【００３５】
【数５】
2005105063.tif 000011
【００３６】
次に境界部となる、球表面節点及び球中心部節点の境界条件を求める。
先ず、球中心部の境界条件は図８に示す考えから、節点間熱抵抗及び熱容量は次のような式（１０）、式（１１）で表される。
【００３７】
【数６】
2005105063.tif 000012
【００３８】
式（５）に式（９）（１０）を代入して球中心部の境界条件を求めると式（１２）式で表される。
【００３９】
【数７】
2005105063.tif 000013
【００４０】
また、球表面の境界条件は図９に示す考えから、節点間熱抵抗及び熱容量は、次の（１３）〜（１５）式で表される。ただし、ｈは熱伝達率を表す。
【００４１】
【数８】
2005105063.tif 000014
【００４２】
式（５）に式（９）、（１０）を代入して球表面部の境界条件を求めると式（１６）式で表される。
【００４３】
【数９】
2005105063.tif 000015
【００４４】
そして、上記球の内部節点バランス式（５）、境界条件式（１０）（１１）の連立方程式をたて、行列演算して計算を行うことで、時間ステップ毎の各節点温度解が求めることが可能となる。
図１０は、球を半径長さを３分割した場合の連立方程式の例を示したものである。
この単一球の非定常伝熱計算モデルの信憑性については、Ｈｅｉｓｌｅｒの球形粒子非定常温度線図で同一条件で計算を行い、非常に良く一致することを確認している。
数値解法による、単一球の非定常伝熱計算モデルを用いコークス塊の伝熱計算を行う。
先ず、想定する消火条件（流量、散水時間）から、コークス塊表面での熱伝達係数を想定し平均粒度である６０ｍｍ粒径でどのような、温度履歴をとるか計算を行った。なお、熱伝達係数の計算には、強制対流場におかれた球の熱伝達率の計算式である、式（１７）で表されるＲａｎｚの式を用い、コークス物性値ついては表５の値を用いた。
【００４５】
【表５】
2005105063.tif 000016
【００４６】
計算結果を、図１１に示す。
【００４７】
【数１０】
2005105063.tif 000017
【００４８】
伝熱の状態を観察すると、コークス表面温度は散水を開始した直後瞬時に冷却され冷却水温度に漸近する。それに比べ、コークス中心部分の温度は熱伝導率に依存した曲線で緩やかに冷却が進む。散水完了時には粒子の半径方向に向かい温度勾配が残り、粒子内で温度が平衡状態に向かうので、急冷されたコークス表面は内部からの熱伝導で復熱していく様子が伺える。
【００４９】
（３）冷却影響因子の影響度評価
上記非定常伝熱計算モデルを用い、コークス粒子の冷却性に影響を与える各因子について影響度を確認してみる。
評価の方法は、図１１の計算結果を基準として、散水終了時以降のコークス表面復熱最大温度の大きさで冷却性を評価した。図１２に、その結果を整理する。  ここで、熱伝達率を変化させた場合の影響度をみると、熱伝達率を大きくとってもあまり冷却性は向上しない。このことから冷却水の温度や流量を多少変化させても、単一粒子のコークスに与える影響度が小さいといえる。これは、コークスが温度伝導の悪い物体であるため抜熱され難いことを示唆していると考える。また、粒度の大きさは粒径の３乗で、含熱量が大きくなるので当然影響を大きく受ける。
【００５０】
（４）単一粒子コークス吸水蒸発特性評価実験
散水時間の違いによる、単一粒子の吸水蒸発特性を把握するため、ラボ実験を行った。
実験方法を図１３に示す。微小な蒸発量変化を測定するため実験重量を８ｋｇ一定とし、吸水過程および蒸発過程での粒子表面温度の変化を確認するため同時に温度測定を実施した。
実験水準を表６に示す。
【００５１】
【表６】
2005105063.tif 000018
【００５２】
流量一定のもと、散水時間を３水準とし、粒度の影響を考慮するため、実際の消火車上で重量比率の高い３水準で実験を行った。なお、散水終了時点の最大含水量を求めるため、水分分析を行い蒸発総重量と足し合わせて推定を行った。
図１４に、散水時間６０ｓｅｃの時の実験結果を一例として示す。
コークスの含水率は、水分分析の結果に経過時間毎の蒸発水分量を足し合わせ求めたものである。散水完了直後に激しい蒸発により、含水率は大きく減少しある時間になると緩やかに減少していく様子が観察される。また、粒度の大きいものは散水終了直後の含水率は小さい傾向が出ており、熱容量の影響が伺える。
【００５３】
一方、コークスの温度変化であるが、散水開始直後コークスの表面温度は急激に降下し、約１００℃の温度域で一定状態になる。散水後放置過程になると粒度の大きい順に温度は緩やかに降下する。粒度の大きい、７５〜１００ｍｍの粒度では、ある時間になると復熱が起こりまた緩やかな勾配で温度が降下する。
この実験結果から、粒度の違いによる冷却性の差が伝熱モデル計算で予想と同様の傾向で確認できる。
図１５は、各粒度及び各散水時間の含水率変化を重ね合わせた結果である。
【００５４】
先ず、散水終了時の最大含水率の違いであるが、モデル化の考えで予想した通り、散水時間が長くなる程散水終了時の含水率は大きくなることが判る。また、先に述べた様にこの散水終了時含水率は、粒度別にみた場合粒度の大きい方が小さい傾向にある。次に、含水率の減少勾配を比較した場合、長時間散水した１２０ｓｅｃの含水率の減少率は緩やかで有り、過剰な冷却で蒸発能力が小さい状態が伺える。
【００５５】
なお、散水時間が短い程、粒度別の最終的な含水率のばらつきが非常に小さく、つまり散水時間を短くすると、散水終了時の最大含水率の値も小さくなり相乗して粒度のばらつきの影響も小さくする効果があると言える。
図１６は、モデル化の考え方で解説した散水完了時の含水量ｗｍａｘを支配すると考えられるＴｃｏ≦１００℃到達から散水終了までの時間ｔ２との相関をみたものである。予想した通り、この時間が長い程散水完了時の含水量は大きくなる傾向にあることが判る。
【００５６】
また、ｔ２＝０〜５０秒の領域では１０〜１５％の間でほぼ横ばいの状態に近いが、ｔ２＝９０秒では、加速度的に含水率が大きくなり、３０％を越えるケースもある。この事から、ある時間を過ぎると加速度的に含水率は上昇すると考えられる。
また、最終の含水率との相関をみた場合、水吸収時間ｔ２との相関は更に顕著である。
今回行った実験結果から、散水終了時の含水量ｗｍａｘと水吸収時間ｔ２との相関を確認することができる。よって、散水終了時の含水量ｗｍａｘは、この相関を用い算出することができることが分かる。
【００５７】
（５）単一粒子コークス吸水蒸発過程予測モデルの構築
コークス水分吸収特性評価実験の結果より、モデルの考え方で述べた、Ｔｃｏ≦１００℃到達から散水停止時までの時間と散水終了時含水率との相関を確認することができた。この相関を利用すれば、散水停止時の含水率は大よそ推定できる。
次に、散水完了後のコークス表面復熱による蒸発過程をいかに予測するかについて説明する。
実験で消火したコークスの断面を観察すると、一般に、吸収された水は粒子表層部にとどまることを確認した。よって、コークスの表層に含水層が形成されているとして、以下では、蒸発はコークス表層における現象と考える。
蒸発に粒子の伝熱状態が関わることは明らかなので、上述の非定常伝熱モデルを使って表すと、本モデルで粒子表面からの熱伝達については、式（１８）で表現される対流熱伝達と蒸発抜熱項が考えられる。
【００５８】
【数１１】
2005105063.tif 000019
【００５９】
ただし、対流項は、本ケースの熱伝達が数Ｗ／ｍ2 Ｋ程度と見られることや、粒子表層が濡れている限り表面温度は１００℃以下で表面−雰囲気間の温度差は数１０℃と考えられることから、熱流速は１０2 Ｗ／ｍ2 のオーダと見積もられる。これに対し水分量減少の測定結果から求めた蒸発潜熱は、図１７中の■のプロットで示すように、１０3 〜１０4 Ｗ／ｍ2 のオーダである。そこで、散水完了後の、蒸発過程の粒子表面の熱伝達は蒸発抜熱分が支配的と判断し、以降では吸収水分の蒸発抜熱を考慮してモデル化を進める。式（１９）に蒸発過程におけるコークス表面の伝熱状態を表す式を示す。
【００６０】
【数１２】
2005105063.tif 000020
【００６１】
但し、含水層より内側において、下記式が成立するように熱伝導計算する。
【００６２】
【数１３】
2005105063.tif 000021
【００６３】
このモデルでは、粒子を球で代表し蒸発による抜熱を見掛の熱伝達係数α’で表現することで、前出の非定常熱伝達計算の計算手順に適用可能にする。したがって、見掛の熱伝達係数α’は粒子表面の状態（温度や含水度）の影響を受け、蒸発過程で時々刻々変化すると考えられる。
図１７中の□は、試みに散水完了時の粒子の含熱量を実験にあわせておいて、その後の総蒸発抜熱量を実験値に等しくなる様に一定のα’を与えて（ここではα’＝２３Ｗ／ｍ2 Ｋ）計算した結果の例である。実測値（■）と比較してモデル計算値（□）は直線的に熱流束が減少して若干一致しない。両者の差を観察すると、１００〜２００ｓｅｃ付近ではα’に２３Ｗ／ｍ2 Ｋより大きな値を、３００〜４００ｓｅｃ以降はより小さなα’を与えるべきと推察される。
前出の蒸発抜熱の式を変形した（２１）（２２）式に、実験などから定まった値を代入して、蒸発過程中の見掛け熱伝達率を見積もる。なお、［表面温度］及び［単位面積当り含水量］と［見掛け熱伝達率α’］との関係で、データを整理している。
【００６４】
【数１４】
2005105063.tif 000022
【００６５】
この［見掛け熱伝達率α’］との関係に基づいて、図１８に示した計算手順に従い、蒸発過程においてα’を見直しながら蒸発過程を計算した。モデル計算結果と実験で得られた水分蒸発データの例を図１９に示す。本図に示すように、モデル計算と実験での水分吸収過程が５％程度の誤差でよく一致することを確認した。
（６）層状コークス冷却特性評価実験
層状高温コークスの層厚み方向の冷却特性を評価する。
図２０に実験装置および方法を示す。
実際の消火車上の層厚を設定し、層厚み方向３点の温度変化を計測し、あわせて温度測定点廻りのコークス含水率についても測定を行った。なお、使用したコークスは実際の消火車を想定し全粒度を混合した粒度である。
表７に実験水準を示す。散水流量密度の違いによる冷却速度の変化を見るため、総散水量一定のもと２水準の散水流量密度で実験を行った。
【００６６】
【表７】
2005105063.tif 000023
【００６７】
図２１に各散水流量量密度の実験結果を示す。
各ケース共に、散水開始直後から温度降下が始まり、１００℃に達するとこの温度を保持する様子が分かる。また、層別には上層、中層、下層の順に、時間遅れをもって１００℃域まで冷却が進む。この１００℃域で温度が維持されるのはコークス表面温度が１００℃以下となりコークス粒子廻りの蒸気温度を代表していると考えられる。また、散水中に１００℃域に達する速度が遅い程、散水完了以降の復熱温度が高くなる傾向が出ている。
【００６８】
これらの結果は、実験前に予想した、層厚の影響による水の浸透遅れの様子をよく表している。
次に、散水流量密度の違いによる冷却性と含水率の比較をしてみると、散水開始から１００℃域まで到達する冷却速度は散水流量密度が大きい程各層いずれも早くなる。この結果は、流量を大きくすると冷却がより均一化に向かう傾向をよく現していると言える。散水完了後に下層部がいずれも復熱現象が起きるが、散水流量密度が大きく短時間で散水を完了した方が復熱温度の最大値が大きくなる結果を得た。また、各層の含水率であるが、いずれの流量においても上層から順に含水率は小さくなるが、中・下層が比較的近い値を示すのに対して上層は大きく値が外れる。流量の違いによる平均含水率は流量の大きい方が、低い結果となった。
【００６９】
（７）層状コークス吸水蒸発過程予測モデルの構築
層状コークスの冷却特性評価実験の結果を基に、散水流量密度の違いによる層状コークスの層厚毎の冷却水の浸透遅れを評価する。
図２２は、散水流量密度の違いによる温度勾配及び各層の熱伝速率の時間変化を示したものである。なお、熱伝達率の推定は、熱電対の温度値を再現可能な熱伝達率を伝熱計算モデルで１０秒ステップ毎に実温度勾配に一致するよう計算で求めた値である。
この図から分かるように、散水開始から各層共に非常に空冷に近い熱伝達率でしばらく推移する。そして、コークス温度表面が１００℃に到達する直前に急激に各層共に熱伝達が約３５００Ｗ／ｍ2 Ｋという水冷状態の熱伝達率に達する。つまり、この熱伝達率の急激な変化点に達するまでは、極少量の水しか到達せず、ある瞬間にコークス粒子表面を覆う水量が到達すると考えられる。つまり、この急激な変化点に達する時間遅れが、層状コークスの水の浸透遅れを表しているといって良い。また、散水流量に１．５倍の差があるにも関わらず、最大の熱伝達率は、ほぼ同一の値を示す。つまり多少の水量の増減では、伝熱性には影響が小さいことが判る。
【００７０】
次に、先ほど述べた最大の熱伝達率の急激な変化点に到達する時間を、水の浸透遅れ時間と定義して、流量密度の変化でどれだけの変化があるか比較した結果を図２３に示す。
流量密度の大きい程、水の浸透遅れが小さくなり、均一化の方向に向かう。
また、層厚高さ方向での冷却遅れを見た場合ほぼ直線に近似的な時間遅れの傾向にあることが判る。このことから、熱電対で測定した以外の層厚部分の水の浸透遅れはこの直線上近辺にあると考えられる。
【００７１】
そして、この層厚高さ方向の浸透遅れの特性を利用し、層状コークスの吸水過程を予測するモデルを構築する。
実験結果の各層別の熱伝達率の変化状態の説明で述べた様に、層状コークスの散水中の冷却特性は、浸透遅れ時間の間はほぼ空冷に近い熱伝達率で推移し、急激に約３５００Ｗ／ｍ2 Ｋというほぼ同一の熱伝達率で、コークス表面を１００℃以下に冷却する。この特性を考慮し各層厚の伝熱状態のモデル化すると図２４のようになる。
【００７２】
すなわち、各層の水の浸透遅れ到達時間ｔ１’Ｈｎを散水流量Ｗｏから求まる特性グラフより導き出す。伝熱計算モデルにおいて、この遅れ時間中の熱伝達率を空冷条件程度の値をおいて計算させる。そして浸透遅れ時間ｔｌ’Ｈｎ後から、水冷の熱伝達率として３５００Ｗ／ｍ2 Ｋ一定条件で、散水時間ｔｏまで計算させる。
この手順で各層を計算させれば、既に構築した単一粒子のコークス吸水蒸発過程予測モデルとの結び付けに必要な、コークス表面温度Ｔｃｏが１００℃到達時間から散水停止までの時間ｔ２が導かれ各層毎の含水率が計算可能となる。
【００７３】
図２５は、層状コークスの吸水蒸発過程計算モデルの計算ステップを示したものである。
この計算を用い、各層別に計算を行い、各層の含水率の平均値をとれば、設定層厚を代表する含水率が導かれることになる。
この計算ステップを用いて、今回の実験値の含水率との検定計算を行った。その結果を図２６に示す。
両実験を再現したモデル計算の結果は共に水分値は層厚が厚くなるほど低くなる傾向が出ていることが確認され、散水流量が大きいほど水分値が小さくなる傾向が再現されている。絶対値のずれは、コークス採取時のサンプリング精度や今回のモデル計算の相関を導いた実験データの数が少ないことなどが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】単一粒子コークスの吸水蒸発過程の概念図である。
【図２】単一粒子吸水蒸発過程のモデルを説明する図である。
【図３】層状コークスの冷却過程予測モデルを説明する図である。
【図４】水吸収時間と含水率との関係を示す図である。
【図５】モデル計算による、消火後の含水率及びコークス温度に対する、散水時間と散水流量密度との間のマップを示す図である。
【図６】層状コークス水分吸収過程予測モデルの検討手順を説明する図である。
【図７】後退差分法での各接点温度の解法を説明する図である。
【図８】球中心境界条件を説明する図である。
【図９】球表面境界条件を説明する図である。
【図１０】３分割４節点球状温度解を説明する図である。
【図１１】単一粒子コークス数値計算例を示す図である。
【図１２】水冷影響因子の影響度評価を示す図である。
【図１３】単一粒子吸水蒸発特性評価実験装置及び方法を説明する図である。
【図１４】粒度別含水率変化及び温度変化を示す図である。
【図１５】散水時間毎の含水率変化を示す図である。
【図１６】水吸収時間と散水停止時含水量との相関関係を示す図である。
【図１７】熱伝達率一定条件での表層熱流束と蒸発による熱流束を比較する図である。
【図１８】単一粒子の蒸発過程の計算手順を示す図である。
【図１９】モデル計算と実験結果との比較を示す図である。
【図２０】層状コークス冷却特性評価実験装置とその方法を示す図である。
【図２１】層状コークスの各層冷却特性と含水率との関係を示す図である。
【図２２】散水流量密度別冷却遅れ及び熱伝達率の変化を示す図である。
【図２３】散水流量密度の違いによる浸透遅れ時間を示す図である。
【図２４】層厚コークス各層冷却条件のモデルを説明する図である。
【図２５】層状コークス吸水蒸発過程計算モデルの計算手順を示す図である。
【図２６】層状コークス吸水蒸発過程の計算の妥当性を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
ｔ０  散水時間
ｔ１  到達時間
ｔ２  水吸収時間
ｔ３  放置時間
Ｗｍａｘ  散水停止時の含有率
ｗ    放置時間経過後の含有率
【図１】
2005105063.tif 000024
【図２】
2005105063.tif 000025
【図３】
2005105063.tif 000026
【図４】
2005105063.tif 000027
【図５】
2005105063.tif 000028
【図６】
2005105063.tif 000029
【図７】
2005105063.tif 000030
【図８】
2005105063.tif 000031
【図９】
2005105063.tif 000032
【図１０】
2005105063.tif 000033
【図１１】
2005105063.tif 000034
【図１２】
2005105063.tif 000035
【図１３】
2005105063.tif 000036
【図１４】
2005105063.tif 000037
【図１５】
2005105063.tif 000038
【図１６】
2005105063.tif 000039
【図１７】
2005105063.tif 000040
【図１８】
2005105063.tif 000041
【図１９】
2005105063.tif 000042
【図２０】
2005105063.tif 000043
【図２１】
2005105063.tif 000044
【図２２】
2005105063.tif 000045
【図２３】
2005105063.tif 000046
【図２４】
2005105063.tif 000047
【図２５】
2005105063.tif 000048
【図２６】
2005105063.tif 000049