(57)【要約】【課題】コークスの収縮量を高精度に推定すること。【解決手段】コークス収縮量の推定装置１は、石炭が充填された炭化室およびこの炭化室と隣接する炉壁レンガの垂直断面を所定サイズの要素領域に分割する領域分割処理部１７と、少なくとも燃焼室の高さ方向における温度分布をもとに、乾留中の炭化室内の石炭層に発生する膨張力と収縮力との釣り合い式を用いて石炭がコークス化するまでの石炭層の変形量を垂直断面の要素領域毎に算出する変形量算出部１９と、を備える。【選択図】図１
2013216813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と炭化室とが連接されたコークス炉で製造されるコークスの収縮量を推定するコークス収縮量の推定方法であって、
前記コークス炉は、前記炭化室内に充填された石炭を前記燃焼室からの熱によって乾留することで前記コークスを製造するものであり、
前記石炭が充填された前記炭化室および該炭化室と隣接する炉壁レンガの垂直断面を所定サイズの要素領域に分割する領域分割ステップと、
少なくとも前記燃焼室の高さ方向における温度分布をもとに、前記乾留中の前記炭化室内の石炭層に発生する膨張力と収縮力との釣り合い式を用いて前記石炭がコークス化するまでの前記石炭層の変形量を前記垂直断面の要素領域毎に算出する変形量算出ステップと、
を含むことを特徴とするコークス収縮量の推定方法。
【請求項２】
前記変形量算出ステップは、
少なくとも前記燃焼室の高さ方向における温度分布をもとに、前記炉壁レンガを介した前記燃焼室から前記炭化室への伝熱解析を行って前記石炭層の温度分布を前記垂直断面の要素領域毎に算出する温度分布算出ステップと、
少なくとも前記石炭層の温度分布をもとに、前記乾留中に前記石炭層に発生する熱分解ガスの発生速度に従って前記石炭層のガス圧分布を前記垂直断面の要素領域毎に算出するガス圧分布算出ステップと、
前記石炭層の温度分布および前記石炭層のガス圧分布を用いて前記膨張力および前記収縮力を前記垂直断面の要素領域毎に算出する膨張力／収縮力算出ステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のコークス収縮量の推定方法。
【請求項３】
前記変形量算出ステップは、前記炭化室の高さ方向における前記石炭の嵩密度分布を加味して前記石炭層の変形量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載のコークス収縮量の推定方法。
【請求項４】
前記領域分割ステップは、前記炭化室および該炭化室と隣接する前記炉壁レンガの水平断面を前記所定サイズの要素領域に分割し、
前記変形量算出ステップは、少なくとも前記燃焼室の奥行き方向における温度分布をもとに、前記釣り合い式を用いて前記石炭層の変形量を前記水平断面の要素領域毎に算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のコークス収縮量の推定方法。
【請求項５】
前記変形量算出ステップは、前記炭化室の奥行き方向における前記石炭の嵩密度分布を加味して前記石炭層の変形量を算出することを特徴とする請求項４に記載のコークス収縮量の推定方法。
【請求項６】
燃焼室と炭化室とが連接されたコークス炉で製造されるコークスの収縮量を推定するコークス収縮量の推定装置であって、
前記コークス炉は、前記炭化室内に充填された石炭を前記燃焼室からの熱によって乾留することで前記コークスを製造するものであり、
石炭が充填された前記炭化室および該炭化室と隣接する炉壁レンガの垂直断面を所定サイズの要素領域に分割する領域分割手段と、
少なくとも前記燃焼室の高さ方向における温度分布をもとに、前記乾留中の前記炭化室内の石炭層に発生する膨張力と収縮力との釣り合い式を用いて前記石炭がコークス化するまでの前記石炭層の変形量を前記垂直断面の要素領域毎に算出する変形量算出手段と、
を備えることを特徴とするコークス収縮量の推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室と炭化室とが連接されたコークス炉で製造されるコークスの収縮量を推定するコークス収縮量の推定方法およびコークス収縮量の推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室と炭化室とが交互に連接されて構成される室炉式コークス炉（以下、単に「コークス炉」という。）では、炭化室内に装入・充填した石炭（装入炭）を隣接する燃焼室内に供給される燃焼ガスによって加熱して乾留することでコークス（以下、「コークスケーキ」ともいう。）を製造している。装入炭は、通常、１５時間〜２４時間加熱されることで約１０００℃のコークスケーキとなる。得られたコークスケーキは、押出機によって各炭化室から押出されて炉外に排出され、冷却されて製品となる。
【０００３】
このようなコークス炉の操業では、炭化室からのコークスケーキの排出が困難となって炉内に閉塞する、いわゆる押詰りという現象が発生することがある。このような炭化室からコークスケーキを押出す際に発生する押詰りは、炉壁の損傷拡大の要因となる他、生産スケジュールの変更要因となり、これに伴う製造量低下等への影響が懸念される。したがって、コークスケーキの押出し性の改善は、コークス炉を操業するに当たり極めて重要である。
【０００４】
押詰りの原因には、炉壁レンガの張り出し等の炉壁の損傷によるものの他、乾留後のコークスケーキの収縮不足によってコークスケーキと炉壁との間の摩擦抵抗が増大することによるものが挙げられる。
【０００５】
ここで、一般に、乾留後のコークスケーキは、乾留中に石炭内部の揮発分が脱離することによって収縮することが知られている。この収縮によって、乾留後の炭化室内には炉壁レンガの内壁面とコークスケーキの表面との間に隙間（以下、「クリアランス」という。）が生じ、このクリアランスによって押出しの際のコークスケーキと炉壁レンガとの間の摩擦力が軽減されることで円滑なコークスケーキの押出しが可能になる。このように、コークスケーキの収縮量は、コークスケーキの押出し性を支配する主要な要因となっており、従来から、コークスケーキの収縮量を制御し、クリアランスを確保するための種々な技術が提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、複数種の単味炭を所定の配合率で配合した配合炭を原料として製造する場合を対象とし、各単味炭のビトリニットの平均反射率と、配合率から求められる配合炭の平均反射率とを用いてコークスの収縮率を推定することで、コークスケーキの押出し性を評価する手法が提案されている。また、特許文献２には、押詰まりの防止のために、試験コークス炉において実コークス炉装入用の配合炭を乾留した後の焼き減り量を測定し、炭化室中心温度が再固化温度に到達した後あるいは膨張圧が０となった後の垂直方向焼き減り率が２％以上、または水平方向の焼き減り率が２％以上であることを確認してから配合炭を実コークス炉に装入する手法が提案されている。また、特許文献３には、乾留後のコークス収縮量を試験コークス炉を用いて測定する手法として、コークス炉の炉壁内面から乾留後のコークス表面までの水平距離をレーザ変位計を用いて測定することでコークスケーキの収縮量を求める手法が提案されている。
【０００７】
また、非特許文献１では、実コークス炉の炉幅方向を対象としてクリアランスを推定する１次元の数学モデルを構築し、原料石炭の配合条件や乾留条件がクリアランスに及ぼす影響を解析している。このような数学モデルによるクリアランスの推定では、配合条件等を比較的容易に取り扱うことができ、原料石炭の性状（石炭性状）を加味した解析が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２４９１７４号公報
【特許文献２】特開平５−３３９５８０号公報
【特許文献３】特開２００３−９６４６６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】鉄と鋼／主代晃一他，Vol.81，1995，p.625-630
【非特許文献２】CAMP-ISIJ／花岡浩二他，Vol.5，1992，p.50-53
【非特許文献３】Journal of the Institute of Fuel／A.M.Wandless，Vol.44，1971，p.531-540
【非特許文献４】鉄と鋼／西岡邦彦他，Vol.3，1984，p.358-365
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したように、非特許文献１では、実コークス炉の炉幅方向を対象とした１次元モデルによりクリアランスを推定している。ところで、実コークス炉の炭化室は、４００ｍｍ×６０００ｍｍ×１５０００ｍｍ程度の寸法を有しており、実コークス炉では、炉幅方向だけでなく、炉高方向（高さ方向）や炉長方向（奥行き方向）においても、例えば燃焼室内の温度分布や炭化室内の装入炭の嵩密度分布といった種々の分布を有している。したがって、これらの分布に起因し、乾留後のコークスケーキの収縮量（クリアランス）についても、炉幅方向に加えて炉高方向や炉長方向に分布が形成され、コークスケーキの押出し性に影響を与えていると想定される。例えば、燃焼室の炉高方向における温度分布を例に挙げれば、燃焼室の炉高方向には、適正値と比較して局所的に低温あるいは高温となる箇所が存在する。このため、燃焼室内の燃焼ガスから炉壁レンガ、炉壁レンガから炭化室内の石炭層への伝熱挙動に１次元性は成立せず、非特許文献１の１次元モデルでは、炉内の分布が及ぼすクリアランスへの影響を考慮することは困難であった。
【００１１】
なお、特許文献１〜３の技術では、コークスケーキの収縮量を求めるにあたって前述のような分布に基づく実コークス炉内の状況を考慮していない。加えて、特許文献２，３の技術では、試験コークス炉における乾留試験を伴うため、配合条件や操業条件を変更するたびに乾留試験を行う必要があり、条件の変更に対して迅速に対応するのは難しい。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コークスの収縮量を高精度に推定することができるコークス収縮量の推定方法およびコークス収縮量の推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるコークス収縮量の推定方法は、燃焼室と炭化室とが連接されたコークス炉で製造されるコークスの収縮量を推定するコークス収縮量の推定方法であって、前記コークス炉は、前記炭化室内に充填された石炭を前記燃焼室からの熱によって乾留することで前記コークスを製造するものであり、前記石炭が充填された前記炭化室および該炭化室と隣接する炉壁レンガの垂直断面を所定サイズの要素領域に分割する領域分割ステップと、少なくとも前記燃焼室の高さ方向における温度分布をもとに、前記乾留中の前記炭化室内の石炭層に発生する膨張力と収縮力との釣り合い式を用いて前記石炭がコークス化するまでの前記石炭層の変形量を前記垂直断面の要素領域毎に算出する変形量算出ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかるコークス収縮量の推定装置は、燃焼室と炭化室とが連接されたコークス炉で製造されるコークスの収縮量を推定するコークス収縮量の推定装置であって、前記コークス炉は、前記炭化室内に充填された石炭を前記燃焼室からの熱によって乾留することで前記コークスを製造するものであり、石炭が充填された前記炭化室および該炭化室と隣接する炉壁レンガの垂直断面を所定サイズの要素領域に分割する領域分割手段と、少なくとも前記燃焼室の高さ方向における温度分布をもとに、前記乾留中の前記炭化室内の石炭層に発生する膨張力と収縮力との釣り合い式を用いて前記石炭がコークス化するまでの前記石炭層の変形量を前記垂直断面の要素領域毎に算出する変形量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかるコークス収縮量の推定方法およびコークス収縮量の推定装置によれば、少なくとも燃焼室の高さ方向における温度分布を用いて石炭がコークス化するまでの石炭層の変形量を算出することができる。したがって、燃焼室の高さ方向における温度分布に基づく実コークス炉内の状況を考慮してコークスの収縮量を推定することができるので、コークスの収縮量を高精度に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、コークス収縮量の推定装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、コークス収縮量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、推定対象断面を説明する説明図である。
【図４】図４は、有限要素法による石炭層の変形量の算出原理を説明する説明図である。
【図５】図５は、クリアランスの推定値と実測値との関係を示す図である。
【図６−１】図６−１は、コークスケーキのＸ線ＣＴ画像を示す図である。
【図６−２】図６−２は、計算により求めたコークスケーキの形状を示す図である。
【図７】図７は、炭化室の炉高方向における装入炭の嵩密度分布の一例を示す図である。
【図８】図８は、図７の嵩密度分布を用いたクリアランスの推定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明のコークス収縮量の推定方法およびコークス収縮量の推定装置を実施するための形態について説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
【００１８】
（実施の形態）
図１は、本実施の形態におけるコークス収縮量の推定装置（以下、単に「推定装置」という。）１の構成例を示すブロック図である。この推定装置１は、例えばワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータを用いて実現され、コークス炉で製造されるコークスケーキの収縮量（コークス収縮量）を推定するための処理を行う。ここで、コークス炉は、燃焼室と炭化室とが交互に連接配置されて構成され、石炭を各炭化室に装入・充填するとともに各燃焼室に燃料ガスを供給し、各炭化室を両側の燃焼室が発する熱によって加熱することで、各炭化室内に装入・充填された石炭（装入炭）を乾留してコークスを製造する。
【００１９】
図１に示すように、推定装置１は、主な機能部として、入力部１１と、出力部１２と、記憶部１３と、各部を制御する制御部１５とを含む。
【００２０】
入力部１１は、例えばキーボードやマウス、タッチパネル、各種スイッチ等の各種入力装置によって実現されるものであり、操作入力に応じた入力信号を制御部１５に出力する。出力部１２は、各種画面を表示するＬＣＤやＥＬディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ等の表示装置によって実現されるものであり、制御部１５から入力される表示信号をもとに各種画面を表示する。なお、出力部１２は、適宜プリンタやスピーカ等の出力装置を含む構成としてよい。
【００２１】
記憶部１３は、更新記憶可能なフラッシュメモリ等のＲＯＭやＲＡＭといった各種ＩＣメモリ、内蔵あるいはデータ通信端子で接続されたハードディスク、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の情報記憶媒体およびその読取装置等によって実現されるものである。この記憶部１３には、推定装置１を動作させ、この推定装置１が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、このプログラムの実行中に使用されるデータ等が予め保存され、あるいは処理の都度一時的に保存される。
【００２２】
制御部１５は、ＣＰＵ等で実現され、入力部１１から入力される入力信号、記憶部１３に保存されるプログラムやデータ等をもとに、推定装置１を構成する各部への指示やデータの転送等を行って推定装置１の動作を制御する。この制御部１５は、領域分割手段としての領域分割処理部１７と、変形量算出手段としての変形量算出部１９とを備え、変形量算出部１９は、温度分布算出部１９１と、ガス圧分布算出部１９３と、膨張力／収縮力算出部１９５とを含む。
【００２３】
図２は、推定装置１が行うコークス収縮量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。推定装置１は、図２の処理手順に従って処理を行うことでコークス収縮量の推定方法を実施する。なお、ここで説明する処理は、コークス収縮量推定処理を実現するためのプログラムを記憶部１３に保存しておき、制御部１５がこのプログラムを読み出して実行することで実現できる。
【００２４】
コークス収縮量推定処理では、図２に示すように、制御部１５は先ず、後段の処理で必要なデータとして、コークス炉の寸法、燃焼室内の温度分布、炭化室内の装入炭の嵩密度分布等の操業条件を入力し（ステップｓ１）、装入炭の炭化度、流動度、水分、粒度等の石炭性状を入力し（ステップｓ３）、時間刻み幅、計算格子サイズ等の計算条件を入力する（ステップｓ５）。ここで、燃焼室内の温度分布としては、少なくとも燃焼室の炉高方向における温度分布が与えられる。また、炭化室内の装入炭の嵩密度分布についても、炭化室の炉高方向における嵩密度分布が与えられる。ここでの処理は、入力部１１を介してオペレータによる入力操作を受け付けることで行ってもよいし、事前に保存しておいた各データを記憶部１３から読み込むことで入力する構成としてもよい。
【００２５】
続いて、領域分割処理部１７が、コークス炉の垂直断面（２次元）内の所定の推定対象断面を複数の要素領域に分割し、計算格子を設定する（ステップｓ７；領域分割ステップ）。
【００２６】
図３は、推定対象断面を説明する説明図であり、コークス炉を構成する１つの炭化室２内のコークスケーキ２１およびこの炭化室２を隣接する燃焼室と区画する炉壁レンガ３１，３３の垂直断面を示している。また、図３では、この垂直断面内の推定対象断面Ａ１に設定される計算格子Ａ１１の座標系を併せて示しており、炉幅方向（コークス炉を構成する炭化室および燃焼室の連接方向に沿った炭化室２の幅方向）をｘ軸方向、炉高方向（炭化室２の高さ方向）をｙ方向として示している。コークス収縮量推定処理では、乾留後のコークスケーキ２１の収縮量、すなわち図３中に示すクリアランスＣ１を推定する。
【００２７】
図３に示すように、本実施の形態では、１つの炭化室２およびこの炭化室２と隣接する炉壁レンガ３１，３３の垂直断面を炉高方向（ｙ方向）に沿って２等分した領域の一方（図３では、図３中に向かって右側の破線で囲ってハッチングを付した範囲）を推定対象断面Ａ１とする。そして、図２のステップｓ７では、領域分割処理部１７は、推定対象断面Ａ１をステップｓ５で入力した計算格子サイズの要素領域に分割し、各要素領域を計算格子Ａ１１とする。なお、計算格子サイズは特に限定されるものではないが、計算格子サイズが小さいほど推定精度が向上する一方で処理時間は増大するため、要求される推定精度や処理時間等に応じて適宜決めればよい。また、図３では、炭化室２内において乾留後のコークスケーキ２１を図示しているが、初期状態の炭化室２内では、装入炭が装入・充填された状態、すなわち、粉状の装入炭が炉壁レンガ３１，３３と概ね接触した状態がモデル化される。
【００２８】
続いて、図２に示すように、変形量算出部１９が、時間ｔを初期値に初期化する（ステップｓ９）。その後、変形量算出部１９は、変形量算出ステップとしてステップｓ１１〜ステップｓ２３の処理を繰り返し行い、順次ステップｓ５で入力した時間刻み幅で時間ｔを進めながら各時間ｔでの石炭層の変形量を算出することで、乾留後のコークス収縮量（以下、適宜「クリアランス」ともいう。）を推定する。本実施の形態では、変形量算出部１９は、石炭がコークス化する乾留過程で発生する膨張力（膨張圧）および収縮力を計算格子毎に算出し、これら膨張力および収縮力の釣り合いによって乾留過程における石炭の変形挙動を非定常的に算出する。より詳細には、乾留中、石炭は、粉炭層から軟化溶融層、セミコークス層、コークス層（これら各層を包括して「石炭層」という。）へと化学的、物理的に変化する。このような石炭の乾留中の挙動をふまえ、変形量算出部１９は、熱分解ガスの発生に起因する軟化溶融層の膨張力と、軟化溶融層の再固化過程におけるセミコークス層の収縮力との釣り合い式を用いて石炭層の変形量を算出する。この変形量の算出を繰り返すことで実現されるクリアランスの推定は、石炭層の伝熱解析、圧力解析および変形解析を経て行われる。
【００２９】
すなわち先ず、温度分布算出部１９１が、ステップｓ１で入力した燃焼室内の温度分布および炭化室内の装入炭の嵩密度分布をもとに、時間ｔにおける推定対象断面内の温度分布を計算格子毎に求めることで炭化室内の石炭層および炉壁レンガ内の温度分布を算出する（ステップｓ１１；温度分布算出ステップ）。
【００３０】
このステップｓ１１で行う石炭層の伝熱解析では、４つの過程、具体的には、燃焼室内の燃焼ガスから炉壁レンガへのふく射および対流による伝熱と、炉壁レンガ内の伝導による伝熱と、炉壁レンガから石炭層への接触およびふく射による伝達と、炭化室内の伝導による伝熱とを考慮する。なお、燃焼室内の温度分布は、隣接する燃焼室内の燃焼ガスの温度分布に相当し、炉幅方向については一定値とした分布が与えられるものとする。具体的には、石炭層および炉壁レンガ内の伝熱を表す基礎式として、次式（１）に示すデカルト座標系における２次元の非定常熱伝導方程式を用いる。次式（１）において、ρは嵩密度、ＣPは比熱、Ｔは温度、λは熱伝導率、ｘ，ｙは計算格子の座標、ｃは石炭層、ｗは炉壁レンガをそれぞれ表す。
【数１】
2013216813.tif 000003
【００３１】
続いて、ガス圧分布算出部１９３が、ステップｓ１１で算出した炭化室内の石炭層の温度分布をもとに、ステップｓ１で入力した炭化室内の装入炭の嵩密度分布を用いて時間ｔにおける推定対象断面内の熱分解ガス発生速度を計算格子毎に求めることで、炭化室内の石炭層の熱分解ガス発生速度を算出する（ステップｓ１３）。ここでは、非特許文献１に記載の手法を用い、装入炭の石炭性状を考慮して次式（２），（３）に従って熱分解ガス発生速度を算出した。装入炭の石炭性状を考慮するのは、原料石炭によって熱分解ガスの発生速度が異なるためである。次式（２），（３）において、Ｗは、計算格子内の石炭層の重量を表し、計算格子内の石炭層の体積にその計算格子内における装入炭の嵩密度を乗じた値である。Ｔは、石炭層の温度を表す。ｆg（Ｔ）は各種ガスの発生速度を表し、その化学種ｉ毎の値は次式（４）〜（１１）を用いることで求まる。
【数２】
2013216813.tif 000004
【００３２】
その後、ガス圧分布算出部１９３は、ステップｓ１３で算出した炭化室内の石炭層の熱分解ガス発生速度をもとに、ステップｓ１で入力した炭化室内の装入炭の嵩密度分布を用いて時間ｔにおける推定対象断面内のガス圧分布を計算格子毎に求めることで、炭化室内の石炭層のガス圧分布を算出する（ステップｓ１５；ガス圧分布算出ステップ）。
【００３３】
このステップｓ１５で行う石炭層の圧力解析では、石炭層内のガスの流れを次式（１２）に示すD'arcy則で仮定し、非圧縮性流体の質量保存則の基礎式に適用した次式（１３）を用いる。次式（１２），（１３）において、ｕは速度、Ｋは透過係数、ηはガス粘度、Ｐは圧力、Ｇは熱分解ガス発生速度を表す。石炭層内のガスの透過係数Ｋの値は、非特許文献２に記載の値を用い、この透過係数Ｋの変数として炭化室内の装入炭の嵩密度分布を導入することでその依存性を考慮した。
【数３】
2013216813.tif 000005
【００３４】
続いて、膨張力／収縮力算出部１９５が、ステップｓ１７，ｓ１９の処理を行って石炭層の変形解析を行う。すなわち先ず、膨張力／収縮力算出部１９５は、ステップｓ１５で算出した炭化室内の石炭層のガス圧分布をもとに時間ｔにおける推定対象断面内の膨張力を計算格子毎に求めることで、乾留中の熱分解ガスの発生による石炭層の膨張力を算出するとともに、ステップｓ１１で算出した炭化室内の石炭層の温度分布をもとに時間ｔにおける推定対象断面内の収縮力を計算格子毎に求めることで、軟化溶融以降の再固化過程における石炭層の収縮力を算出する（ステップｓ１７；膨張力／収縮力算出ステップ）。この膨張力および収縮力の算出は、公知の手法を用いて実現できる。収縮力を算出する際に必要な線収縮係数の値としては、例えば、非特許文献３に記載の値を用いる。
【００３５】
そして、膨張力／収縮力算出部１９５は、ステップｓ１７で算出した石炭層の膨張力と収縮力との釣り合い式を用い、時間ｔにおける推定対象断面内の変形量を計算格子毎に求めることで、炭化室内において石炭がコークス化するまでの石炭層の変形量を算出する（ステップｓ１９）。この石炭層の変形量は、例えば、石炭層に２次元弾性体の平面ひずみ状態を仮定し、有限要素法により算出する。
【００３６】
図４は、有限要素法による石炭層の変形量の算出原理を説明する説明図であり、推定対象断面Ａ１内の石炭部分（炭化室内の部分）に設定された計算格子の一部を拡大して示している。変形量の算出では、図４（ａ）に示すように、乾留中の石炭層内に生じる力として、上記した乾留中の熱分解ガスの発生による石炭層の膨張力と、軟化溶融以降の再固化過程における石炭層の収縮力とを考慮する。なお、石炭層には、これら膨張力および収縮力に加えて石炭層の自重が作用するが、説明の簡略化のため図４中では図示していない。
【００３７】
前段の処理では、該当する時間ｔにおける炭化室内の石炭層の温度分布やガス圧分布をもとに、膨張力と収縮力とを計算格子毎に算出している。変形量の算出では、例えば、図４（ａ）中の計算格子Ａ２１に着目すると、先ず、この計算格子Ａ２１について算出した少なくとも膨張力および収縮力を含む乾留中の石炭層内に生じる力を計算格子Ａ２１の４隅の節点Ｐ２１〜Ｐ２４に振り分ける。次いで、各節点Ｐ２１〜Ｐ２４に振り分けた膨張力および収縮力を含む全ての力を節点Ｐ２１〜Ｐ２４毎に加算することで各節点Ｐ２１〜Ｐ２４を変位させる。この結果、図４（ｂ）に示すように、変位前の位置（図４（ａ）での位置）Ｐ２１´〜Ｐ２４´からの変位後の各節点Ｐ２１〜Ｐ２４への変位量、すなわち、計算格子Ａ２１についての石炭層の変形量が求まる。なお、ここでは、計算格子Ａ２１のみに着目して算出原理を説明したが、実際には、各計算格子は、隣接する計算格子との間で節点を共有している。このため、各節点の変位量は、隣接する計算格子間で相互作用する各々の膨張力および収縮力の影響を反映した値として得られる。
【００３８】
実際の処理では、膨張力および収縮力に加え、計算格子毎に求めた石炭層の自重をもとに、これらの力の釣り合い式である次式（１４），（１５）の平衡方程式に従って石炭層の変形量を算出する。次式（１４），（１５）において、σは垂直応力、τはせん断応力、Ｆは体積力を表す。
【数４】
2013216813.tif 000006
【００３９】
以上の処理により、時間ｔにおける炭化室内の石炭層の形状、すなわち、時間ｔにおける石炭層の表面位置が決定される。その後は、変形量算出部１９は、図２に示すように、時間ｔが予め定められる乾留所要時間ｔendを超えない間は（ステップｓ２１：Ｎｏ）、時間ｔに時間刻み幅Δｔを加算して時間ｔを更新しながら（ステップｓ２３）、ステップｓ１１に戻って上記した処理を繰り返す。この結果、乾留後のコークスケーキの形状が決定され、クリアランスが求まる。具体的には、クリアランスは、炉壁レンガの内壁面位置からコークスケーキの表面位置、すなわち、最終的に得られた石炭層の変形量を減算することで求めることができる。求めたクリアランス（コークスケーキの収縮量）は、出力部１２に出力され（ステップｓ２５）、例えば画面表示してオペレータに提示される。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態では、石炭がコークス化する乾留過程で石炭層に発生する膨張力と収縮力との釣り合いによって最終的なクリアランスが決定されるものと仮定した上で、燃焼室から炭化室への伝熱現象を解析し、乾留過程における石炭層からの熱分解ガスの発生現象を解析し、これら伝熱現象および熱分解ガスの発生現象をもとに石炭層の変形量を算出してコークス収縮量を推定することとした。そして、このコークス収縮量の推定に際し、実コークス炉が有する分布の一例として、燃焼室の炉高方向における温度分布と、炭化室の炉高方向における装入炭の嵩密度分布を用いた。これによれば、実コークス炉が有する燃焼室内の温度分布や炭化室内の装入炭の嵩密度分布等の分布に基づく実コークス炉内の状況がクリアランスに及ぼす影響を考慮して、コークスの収縮量を推定することができる。したがって、コークス収縮量、すなわちクリアランスを高精度に推定することができる。
【００４１】
ここで、炭化室内の装入炭の嵩密度分布を用いたのは、嵩密度の増加に伴ってクリアランスの発生時期が遅くなると想定されるためである。これは、嵩密度が増加すると熱分解ガスの発生量が増大し、さらに石炭層内のガスの透過係数Ｋ（上記式（１２），（１３）を参照）が低下するため、炉壁レンガ側の石炭層の表面が炉壁レンガと接触したままの期間が長くなるためと推察される。したがって、この嵩密度分布を考慮することによって、より高精度にコークス収縮量（クリアランス）を推定することができる。ただし、嵩密度については、場合によっては分布を考慮せずに一定値として推定を行うこととしてもよい。
【００４２】
以上のようにして推定したコークス収縮量（クリアランス）の推定結果は、コークスの収縮量を制御してコークスケーキの押出し性を確保するため等に用いられ、コークス炉の安定操業や炉体の延命に貢献できる。また、操業条件や石炭性状が変更された場合であっても、変更後の値を入力して再度コークス収縮量推定処理を行えばよい。したがって、操業条件や原料石炭の配合条件の変更に対して迅速かつ柔軟に対応することが可能となり、人的負担や時間的負担を増大させることなくかつ簡便に、クリアランスの定量的な推定が実現できる。
【００４３】
なお、上記した実施の形態では、コークス炉を構成する１つの炭化室およびこの炭化室を隣接する燃焼室と区画する炉壁レンガの垂直断面内に推定対象断面を設定し、この推定対象断面を領域分割した要素領域（計算格子）毎に石炭層の変形量を算出する場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、１つの炭化室およびこの炭化室を隣接する燃焼室と区画する炉壁レンガの水平断面内に推定対象断面を設定し、この推定対象断面を領域分割した要素領域（計算格子）毎に石炭層の変形量を算出することでコークス収縮量を推定するようにしてもよい。この場合のコークス収縮量の推定に際しては、燃焼室の炉長方向（奥行き方向）における温度分布や、炭化室の炉長方向における装入炭の嵩密度分布を用いる。また、炭化室および燃焼室の垂直断面内および水平断面内の両方に推定対象断面を設定して石炭層の変形量を算出するようにすれば、より一層高精度にコークス収縮量を推定することが可能となる。
【００４４】
（実施例１）
原料石炭の銘柄が違えば、その石炭性状も変わる。したがって、例えば、乾留中の線収縮率、熱分解ガス発生速度等のコークス収縮量の推定に用いる値は銘柄によって異なる。このため、乾留後のコークスケーキの収縮量（クリアランス）についても、銘柄によってばらつくことが予想される。そこで、実施例１として、石炭性状が推定結果に与える影響について検討した。ここでは、２１種類の銘柄を用意し、各銘柄の石炭性状として、表１に示す試験条件下での値を用いた。また、比較のため、乾留後のコークスケーキの現実の収縮量（クリアランス）として、小型乾留炉（試験炉）で乾留した際のクリアランスをレーザー変位計を用いて測定した。そして、前述の試験炉での乾留条件と同等の状態を想定し、図２に示したコークス収縮量推定処理を行ってクリアランスを推定した。
【表１】
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【００４５】
図５は、試験炉で乾留した際のクリアランスの実測値（実験値）と、試験炉での乾留条件と同等の状態を想定したコークス収縮量推定処理の処理結果であるクリアランスの推定値（計算値）との関係を示す図である。また、図６−１は、ある銘柄の石炭について試験炉で乾留した乾留後のコークスケーキをＸ線ＣＴ装置で撮影したＸ線ＣＴ画像を示す図であり、図６−２は、同じ銘柄について試験炉での乾留条件と同等の状態を想定したコークス収縮量推定処理の過程で求めた乾留後のコークスケーキの形状を示す図である。図５に示すように、どの銘柄の原料石炭についても、実測値と推定値とが良く一致しており、コークス収縮量推定処理によって、銘柄に関わらずクリアランス（コークスケーキの収縮量）を高精度に推定できることがわかった。さらに、図６−１，２からも明らかなように、現実のコークスケーキの形状と、コークス収縮量推定処理を実行することで計算により求めたコークスケーキの形状とは良く一致しており、クリアランス（コークスケーキの収縮量）を高精度に推定できることが確認できた。
【００４６】
（実施例２）
実施例２として、炉幅が４３５ｍｍ、炭化室の天井高さが６８００ｍｍのコークス炉を想定し、図２に示したコークス収縮量推定処理を行って乾留後のコークスケーキの収縮量（クリアランス）を推定した。ここでは、実コークス炉内（炭化室）が有する炉高方向における嵩密度分布、すなわち実コークス炉への装入直後の石炭（装入炭）の炉高方向における嵩密度分布として、非特許文献４に記載の値を用いた。
【００４７】
図７は、採用した炭化室の炉高方向における装入炭の嵩密度分布の一例を示す図であり、横軸を嵩密度とし、縦軸を炉高方向距離として、装入口（装炭孔）直下における嵩密度の値を炉高方向に沿って示している。また、図８は、図７の嵩密度分布を用いてコークス収縮量推定処理を行って得たクリアランスの推定結果を示す図である。図７に示すように、炭化室の炉高方向における装入炭の嵩密度分布は放物線に近い分布を示し、炉高２．５ｍ付近で極大値を示している。一方、これに対応して、図８に示すように、推定したクリアランスも同様に放物線に近い分布を示しており、同じ炉高２．５ｍ付近で最小値を示した。この推定結果から、炉高２．５ｍ付近におけるクリアランスがコークスを押出す際の抵抗要因の１つとなることが想定される。そこで、本発明の発明者等は、老朽化等に伴いコークス炉の炉内の損傷箇所等を補修する際、炉高２．５ｍ付近において炉壁レンガの補修を優先的に行った。この結果、通常の方法で補修した場合と比較して、その後の操業時におけるコークス炉の押出し電流値に顕著な低下がみられ、その効果が確認できた。
【符号の説明】
【００４８】
１      推定装置
１１      入力部
１２      出力部
１３      記憶部
１５      制御部
１７      領域分割処理部
１９      変形量算出部
１９１      温度分布算出部
１９３      ガス圧分布算出部
１９５      膨張力／収縮力算出部
【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６−２】
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【図７】
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【図８】
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【図５】
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【図６−１】
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