(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平室炉式コークス炉においてコークスを炭化室から排出するためのラムを装備したコークス押出し機において、
炭化室内のコークスに接触する押出しラム先端部分の水平断面形状を、ラム中央部分に長方形断面の窪みが形成されたものとし、ラム幅をａ、一方のラム先端の幅をｂ、ラム中央部の窪みの幅をｃ、他方のラム先端の幅をｄ、前記窪みの深さをｅとしたとき、ｂ／ａが０．１４、ｃ／ａを０．７２、ｄ／ａを０．１４とし、かつ、ｅ／ａを０．０７〜０．２の範囲内とすることを特徴とするコークス押出し機。
【請求項２】
水平室炉式コークス炉においてコークスを炭化室から排出するコークス押出し方法において、
炭化室内のコークスに接触する押出しラム先端部分の水平断面形状をラム中央部が窪んだ形状としたラムを使用し、ラム幅をａ、一方のラム先端の幅をｂ、ラム中央部の窪みの幅をｃ、他方のラム先端の幅をｄ、前記窪みの深さをｅとしたとき、ｂ／ａが０．１４、ｃ／ａを０．７２、ｄ／ａを０．１４とし、かつ、ｅ／ａを０．０７〜０．２の範囲内とすることを特徴とするコークス押出し方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水平室炉式コークス炉において石炭類を乾留してコークスを製造するに際し、コークスの炉からの排出を容易ならしめるための押出し機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水平室炉式コークス炉において、石炭類を乾留してコークスを製造する際には、概略次のような工程をとる。まず、適当な性状の石炭類を粒度調整し、場合により部分的に乾燥あるいは成型を行なった後、コークス炉の炭化室と称される例えば幅約０．３〜０．６ｍ、高さ約４〜８ｍ、長さ約１０〜２０ｍの密閉された空間にこれらを装入する。コークス炉はこの炭化室と、燃焼室と称される例えば幅約０．５〜１ｍ、高さ及び長さが炭化室と概略同じレンガ構造体が交互に連続して１０〜５０組程度設置された構成となっていて、燃焼室にはガスを燃焼させることができるバーナー構造などが設置され、炭化室に装入された石炭は燃焼室からの熱で加熱乾留される。約１５〜２４時間加熱することにより炭化室の石炭は約１０００℃のコークスとなる。その後、炭化室の長さ方向両端に設置された炉蓋を取り除いて、片側から赤熱コークスを押出し、冷却して製品のコークスが得られる。この際、コークスを押出すための装置を押出し機と呼び、炭化室内のコークスの端面に荷重を与え、コークスを移動、排出させることができる押出しラムと呼ばれる可動部材が設置されている。
【０００３】
コークス炉の構造体はレンガで構成されており、稼動開始時に一旦昇温すると、通常冷却されることなく約３０〜５０年間加熱され続ける。従って、万一レンガに破損が発生した場合でも、その補修は炉体を冷却することなしに行なうのが原則であるため、一般にコークス炉構造体レンガの補修は容易ではない。このような理由から、レンガの損傷を防止することはコークス炉の順調な稼動のために極めて重要なことと認識されている。コークス炉構造体レンガに損傷をもたらす原因としては種々のものが挙げられるが、コークスを押出す際に、押出しラムから与えられた荷重がコークスを介して炭化室の炉壁に伝わり、炉壁損傷を発生させる例があることが知られている。また、この炉壁にかかる荷重によって引き起こされるコークスと炉壁間の摩擦は、コークスの移動を妨げる抵抗となるため、摩擦が過大である場合にはコークスが炭化室から排出できなくなる、いわゆる押詰まりと呼ばれる現象が発生することも知られている。この押詰まりは操業の遅滞を招くだけでなく、押詰まり発生時には、ラムからの荷重が過大となりやすく、炉壁損傷発生の危険性が増すことから、押詰まりを防止することはコークス炉操業上、重要な課題と認識されている。
【０００４】
上記のような押詰まりの防止およびコークス押出しに伴う炉壁損傷防止を目的としたいくつかの技術が公知である。
【０００５】
まず挙げられるのが、押出しやすいコークスケーキを製造することによってトラブルを防止しようとするものである。その例としては、特開平０７−２７８５６２号公報に開示された、装入石炭の性状を制御することで押出し性を改善する技術、特開平０８−２８３７３１号公報に開示された、炭化室内のコークス性状と押出し性の関係に基づいて押出し性を制御する技術、特開平０９−１４３４７３号公報および特開２０００−１４４１３９号公報に開示された、実験もしくはシミュレーションによってコークスの押出し性を予測し、その結果に基づき操業を行なう技術などが公知である。これに対し、押出し方法を制御してトラブルを防止しようとする技術がある。例えば、特開平０８−２８３７２９号公報には押出しラムの速度を制御することによって押出し不良を防止する技術が開示されている。また、押出性を改善するための押出しラム制御方法として、特開平０８−２９５８８８号公報、特開平１１−３４９９５４号公報、特開２０００−２７３４５６号公報、特開２０００−２９０６５７号公報に開示された技術がある。
【０００６】
押出しラムのコークスケーキに接触する面の形状を変更することにより押出性を改善しようとする技術としては、実開平０３−１０６３３６号公報および、特開平０６−２７１８５７号公報に記載の技術が公知である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
乾留終了後の炭化室内のコークスの状態を仔細に観察すると、コークス塊はランダムに充填されているのではなく、塊が積み重なった状態で全体としてひとかたまりの直方体形状のいわゆるコークスケーキとして自立していることが知見される。コークスは加熱によって収縮する性質を持つことから、このコークスケーキ表面と炉壁の間には、コークスケーキ全体が収縮することによって発生した間隙が存在する。コークスを炭化室から押出すために、このコークスケーキの端面に荷重を与えると、コークスケーキが荷重に対して横方向（すなわち炉壁の方向）に広がり、コークスケーキと炉壁の間隙が減少する。さらに広がりが続けば、コークスケーキの一部が炉壁と接触して炉壁に荷重が発生することとなり、この荷重が過大であれば、押詰まりや炉壁損傷を招くことが指摘されている。このような押出し時におけるコークスケーキの挙動に関する知見に基づけば、コークス塊の炉壁方向への動きを抑制することによって、コークスの押出し性を改善し、炉壁損傷を防止することができるものと推定される。
【０００８】
公知の技術において、押出しラムの先端形状を変更することによってコークス塊の動きの制御を行なおうとした試みとして実開平０３−１０６３３６号公報および、特開平０６−２７１８５７号公報に記載の技術がある。これらの技術においては、押出しラム先端の水平断面形状を凹状として、コークス塊に炭化室中央側への分力あるいは回転モーメントを発生させ、押出し抵抗を低下させることが意図されている。ところが、これらの技術においては、凹状の窪みの深さをどの程度にすべきかの明示がなく、実機適用を図るには最適な技術として完成された技術とは言えないものである。
【０００９】
このような現状に鑑み、ラム形状を最適化することにより、押出し時における炭化室内でのコークス塊の炉壁方向への動きをよりよく制御することで、押詰まりの防止およびコークス押出しに伴う炉壁損傷防止を図ることを検討した。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
まず、発明者らはコークス押出し時におけるコークス塊の挙動を精細に検討した。その上で、炉壁に作用する荷重を低減できるような最適なラム形状について検討を行なった結果、凹状の窪みの深さには最適範囲があることを見出し、本発明の完成に至った。
【００１１】
本発明は以上の知見に基づいて完成されものであって、水平室炉式コークス炉においてコークスを炭化室から排出するためのラムを装備したコークス押出し機において、炭化室内のコークスに接触する押出しラム先端部分の水平断面形状を、ラム中央部分に長方形断面の窪みが形成されたものとし、ラム幅をａ、一方のラム先端の幅をｂ、ラム中央部の窪みの幅をｃ、他方のラム先端の幅をｄ、前記窪みの深さをｅとしたとき、ｂ／ａが０．１４、ｃ／ａを０．７２、ｄ／ａを０．１４とし、かつ、ｅ／ａを０．０７〜０．２の範囲内とすることを特徴とするコークス押出し機を提供するものである。
【００１２】
コークス押出しラムの水平断面形状をラム中央部が窪んだ形状とし、さらに、その形状を上記のように具体的に限定すれば、ラムとコークスケーキが接触した部分において、コークス塊に対し炭化室中心方向への力を作用させることができる。その結果、コークス塊は押出し方向に移動するとともに、炭化室中心方向、すなわち炉壁から離れる方向に移動することとなる。この作用によって炉壁に発生する荷重を軽減し、損傷防止、押詰まり防止の効果を得るのが実用新案公開平０３−１０６３３６号公報、特開平０６−２７１８５７号公報に記載の技術ならびに本発明の原理であるが、コークス塊の移動による炉壁荷重減少の効果を定量化することによって、当初予想していなかった凹部の深さに最適値があることを見出し、本発明の完成に至ったものである。
【００１４】
さらに本発明は、水平室炉式コークス炉においてコークスを炭化室から排出するコークス押出し方法において、炭化室内のコークスに接触する押出しラム先端部分の水平断面形状をラム中央部が窪んだ形状としたラムを使用し、ラム幅をａ、一方のラム先端の幅をｂ、ラム中央部の窪みの幅をｃ、他方のラム先端の幅をｄ、前記窪みの深さをｅとしたとき、ｂ／ａが０．１４、ｃ／ａを０．７２、ｄ／ａを０．１４とし、かつ、ｅ／ａを０．０７〜０．２の範囲内とすることを特徴とするコークス押出し方法としても構成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。発明者らは、コークスケーキの圧縮試験を行なうことによって、ラムの先端形状を変更した場合に得られる効果の定量化が可能であることを知見した。この試験に用いた装置は特開平１０−３３２５０１号公報に開示された技術に基づくものであり、長さ約１ｍ、幅約０．４ｍ、高さ約０．８ｍ程度のコークスケーキをコークス押出し方向に圧縮した場合に側壁に発生する荷重を測定可能なものである。この装置の圧縮ラム先端の形状を種々変更し、圧縮試験を行なった。用いたラムの先端形状を図１に、圧縮試験の結果を表１に示す。図１に示すように、コークスに接触するラム先端部分の水平断面形状をラム中央部が窪んだ形状としている。図１のNo.1ではラム中央部分に長方形断面の溝を形成し、図１のNo.2ではラム中央部分に先端に向かって幅が広がる台形断面の溝を形成し、図１のNo.3ではラム中央部分に円弧断面の溝を形成し、図１のNo.4ではラム中央部分に底面幅が所定幅ｃであると共に溝幅が先端に向かって序々に大きくなるように側面を円弧にした溝を形成し、図１のNo.5ではラム中央部分に長方形断面の溝を形成し、ラムの左右端部且つ先端部分に長方形の切り欠きを形成している。それぞれのラム寸法を表１に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
ラムによる圧縮圧力が大きくなると、側壁に発生する荷重もほぼ比例して大きくなるため、結果は指数β＝（側壁に発生した圧力）／（ラムによる圧縮圧力）により評価した。また、圧縮時に側壁に観測された最大局所荷重値および、βから公知の方法（例えばJ. Tucker and G. Everitt, 1989 Ironmaking Conference Proceedings, p.599）により推定される押出力の相対値（ラム先端形状が平面の場合を100とした値）も示してある。
【００１８】
この結果より、押出しラム先端部分の水平断面形状をラム中央部が窪んだ形状とすれば、個々の形状の違いによりその効果は若干異なるものの、側壁に発生する荷重が低下し、推定押出し力が低下することが明らかとなった。
【００１９】
次に、先端形状を図１のNo.1、b/a、c/a、d/aを表１の試験番号１および２の例と同じとして、e/aすなわち、窪みの深さを変更した場合に計測されたβ値とe/aの関係を図２に示す。e/aを0から増大させていくと、まずβは低下するが、e/a ＝0.07〜0.2程度で最低となった後、さらにe/aが大きくなるとβが増大する傾向が認められた。e/a＝0.35を超えるとβ値はラムが平面状である場合（e/a＝0）のβ値より大きくなってしまい、ラム先端形状を凹状にした効果がなくなってしまうことが明らかとなった。このようなe/a値の変化によるβ値の変化は、従来の知見では予想することができなかった発見であり、この発見に基づき、ラム先端の最適な窪み深さを決定して発明を完成することができた。
【００２０】
e/aによるβ値の変化は次のような理由に基づくものと推定される。すなわち、e/aがおよそ0.2以下の場合、e/aの増大とともに、コークス押出し時に塊が炉壁と離れる方向に動こうとするためβ値が低下する。ところが、e/aがさらに大きくなると、突出部と溝部の段差のため、ラムに接触したコークスに割れが発生し、ラム突出部に接触したコークス塊に対し、炉壁から離れる方向へ移動せしめるような力をうまく与えられなくなってしまうものと推定される。実際、図２に示したe/a＝0.37のラムでコークスケーキを圧縮した場合、圧縮前には炭化室幅の約1/2程度の長さを持つコークス塊に割れが発生し、細粒化している例が多く見られた。コークス塊の細粒化については、コークス塊の大きさが影響を与えると考えられ、塊の大きさによって最適なe/aが変化する可能性があるが、広く用いられているラムの幅が350mm程度であることを考慮すると、e/a＝0.2の場合、eすなわち凹部の深さは70mm程度となり、通常のコークスの平均粒径（約50-60mm程度）より著しく大きな凹部深さの場合に塊の破壊が起こりやすくなっていると推定される。
【００２１】
上記の試験は実炉のコークスケーキに比較して長さが小さい（約1/10から1/20程度）コークスケーキを用いたものであるが、実炉においても押出しラム近傍において起こる現象はこの試験と同様と考えられる。特に炉壁損傷をもたらすような大きな炉壁荷重はラム近傍で発生する可能性が高いことから、このような試験であってもその有効性は十分に期待できるものである。
【００２２】
実炉において発生する側壁荷重を測定することは困難であるため、特開２０００−１４４１３９号公報に開示された方法により計算シミュレーションによって実炉における側壁圧力を推定した。表１の試験番号２の形状のラムを用いた場合および比較例として平面形状のラムを用いた場合の側壁圧力（平面形状ラムを用いた場合におけるラムからの距離＝０での側壁圧力を１００とした相対値）の炉長方向における分布を図３に示す。この結果より、ラム先端形状を凹状にすることにより、ラム近傍のみならず、ラムから離れた位置においても側壁圧力を軽減できることが推定された。
【００２３】
以上のように、ラム先端水平断面形状を概略凹状にし、その深さを好適な値にすることによる炉壁荷重低減効果は明らかである。なお、このような水平断面形状は、ラムの高さ方向の位置によって同じである必要はない。例えば、炉壁のある部位に凹凸がある等の理由で押出しに対する抵抗が大きいことが予測される場合などに、その部位の高さ方向位置に相当するラムの部分のみ水平断面形状を望ましい形状にすることでその位置における炉壁荷重発生を軽減することもできる。また、ラム先端形状を可変として、必要な場合に炉壁水平断面形状を制御することも可能である。さらに、ラム先端水平断面形状は概略凹状であれば上記図１に示す形状に限られず、例えば、ラム中央部分に三角形、多角形等の溝が形成されたような形状に変更することも可能である。
【００２４】
なお、ラムの先端形状を決定するにあたっては、その強度を考慮することも重要である。例えば、窪んだ部分の幅を大きくとりすぎると、突出した部分の幅が小さくなり、変形しやすくなることが予想される。万一、ラムの一部が外側に変形するとラムと炉壁が接触して炉壁に損傷を与える可能性があるため、このような変形が起こらないよう、十分な強度を持った構造とすることが必要である。特にラム先端は赤熱コークスと接触している状態では約１０００℃にまで加熱される可能性があり、熱膨張や熱衝撃を考慮して変形や破壊が発生しないよう十分に検討する必要がある。なお、このような強度の推定は、公知の構造計算や有限要素法による変形解析などで可能であり、その結果にしかるべき安全係数を見て構造を決定すればよい。
【００２５】
【実施例】
コークス圧縮試験結果および強度計算結果を参考に、実炉における押出ラムの先端水平断面形状をラムの上下方向全体にわたり図１のＮｏ．1（詳細寸法は表１の試験番号２）のように加工した。このラムを用いて、実炉（炉幅０．４３ｍ、炉長１５．４３ｍ、炉高６．５ｍ）において１日間操業を継続した場合の平均押出し力は５５ｔｆ、平均押出し電流（押出しラムの駆動電流の最大値の平均）は１７５Ａであり、押詰まりは発生しなかった。この時、全押出し本数に占める押出力８０ｔｆ以上の窯の割合は１２％であった。
【００２６】
【比較例】
押出しラムの先端形状を平面とした他は、実施例の場合と同じ炉、同じ押出し機を用い、同じ操業条件（原料配合炭、乾留時間、乾留温度など）で１日間操業を行なったところ、平均押出し力は６４ｔｆ、平均押出し電流は２３０Aであった。また、この日の全押出し本数に占める押出力８０ｔｆ以上の窯の割合は１８％であり、全押出し本数のうち約３％の押出し窯において押詰まりが発生した。
【００２７】
以上の結果より、本発明の方法によれば、実コークス炉において押出し性を改善できることが明らかである。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、水平室炉式コークス炉におけるコークス押出し時の所用荷重を低減できる。その結果、押出し時のトラブルによる減産などの機会損失の抑制、押出し時に発生する炉壁荷重の低減による炉壁損傷の防止、およびその結果として補修費の低減、炉寿命の延長などの効果を有する。また、好適な押出性を達成するために必要とされる操業条件（炉温や乾留時間、原料炭水分制約など）の緩和ができ、操業効率が向上する。また、高膨張圧を示したり、コークス化時の収縮が小さく押出しに問題が発生しやすい原料石炭もその使用量を増加させることができ、原料制約の緩和が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明押出しラム先端水平断面形状の例
【図２】本発明押出しラム先端凹部の深さと炉壁に発生する荷重の大きさを示す指数βの関係を示すグラフ
【図３】シミュレーション計算による炭化室側壁に発生する圧力分布の例
【図１】
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【図２】
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【図３】
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