JP6131641B2

JP6131641B2 - コークス炉ガスの回収方法

Info

Publication number: JP6131641B2
Application number: JP2013046698A
Authority: JP
Inventors: 貴史小川; 和喜町田; 麻美原▲崎▼
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: JP2014172997A

Description

本発明は、コークス炉におけるコークス炉ガスの回収方法に関するものである。

コークス炉では、炭化室に石炭を装入し、炭化室に隣接する燃焼室内でのガスの燃焼熱によって石炭を乾留する過程で、主として石炭中の揮発成分及び熱分解ガスからなるコークス炉ガスが発生する。

コークス炉ガスは、コークス炉の各炭化室上部に設置されている上昇管からドライメーン（コークス炉ガス回収主管）に回収される。ドライメーン上部から安水をスプレーしコークス炉ガスを約９０℃に冷却し、ガス、コールタール及び安水のガス液とする。このガス液は、ドライメーンに接続されているオフテークメーン（接続用配管）からサクションメーン（吸引用主配管）を経由し、精製装置（例えば、粉塵を除去する電気集塵機やガス精製装置）でガス液の中に含まれている石炭粉や乾留中のスラッジを精製し、ガス液から分離したタール及び軽油は副産物処理設備へ送られる。

コークス炉のドライメーン構造は、外形内形ともほぼ同一断面形状でバックステー上部等に水平に取り付けられている。そのため、ドライメーン内の底部に徐々にスラッジ等が堆積し、そして固着する。固着すると堆積物が更に増加し安水の流れを阻害したり、ガス流動断面が少なくなり偏流が起きたり、やがて閉塞しコークス炉ガスの回収が滞るなどの欠点があった。これまで、堆積物の除去方法としては、通常、ドライメーン末端から安水を流入して溶解させたり、点検口から垂直に蒸気噴射して融解させたりする方法が取られている。

スラッジ類の除去技術としては、例えば、原油タンク内のスラッジを処理するものとして、炭化水素油を含む溶解液を供給してスラッジを溶解させる方法が提案されている。（特許文献１参照）

また、コークス炉のドライメーンにおけるスラッジ等の堆積物に対処する方法として、予めドライメーンの底部に傾斜板を設けることでガス液やスラッジを流れやすくする方法が提案されている。（特許文献２参照）

特開２００５−３４９２４０号公報特開２００９−２４９４３８号公報

コークス炉のドライメーンにおけるスラッジ対策として、上記特許文献１に記載のように、炭化水素系あるいはそれに準ずる溶解液、薬剤等を投与した場合、確かにスラッジの除去はできるかもしれないが、後工程で回収する軽油やタール等の成分に影響を及ぼす可能性も考えられる。また、既存の設備に適用する場合には、薬剤投与装置を新たに建設する必要が発生し、非常にコストがかかるものと思われる。

また、特許文献２に記載のように、ドライメーン内に傾斜板を設ける方法は、新規にドライメーンを更新する際には有効かもしれないが、既に堆積が起こってしまっているドライメーンには傾斜板の設置は不可能である。

本発明は上記実情に鑑み、既存設備のコークス炉であっても大幅な更新を要することなく、ドライメーン内に堆積したスラッジの除去を可能にするコークス炉ガス回収方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ドライメーンの底部にスラッジ等の堆積物が堆積する原因について検討した所、ドライメーン中央に位置するオフテークメーンから遠ざかるほど詰まりやすい実態があった。そこで、設備や操業等の観点から総合的に評価を行った結果、ドライメーン末端（オフテークメーンから一番遠いところ）ほど発生ガス量が少なくガスの流速が遅いため、発生ガス中の浮遊粉塵が沈降して、ドライメーンの詰まりが発生するという結論に至った。そこで本発明では、ドライメーン末端のガス流速を詰まりの無いオフテークメーン近傍の流速まで高速化することで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

本発明の要旨は以下の通りである。
（１）石炭の乾留中に発生するコークス炉ガスを回収するコークス炉において、コークス炉からの吸引ガス量を増やすか、またはドライメーンに蒸気を導入することにより、ドライメーン末端におけるガスの流速を1m/sec以上とすることを特徴とするコークス炉ガスの回収方法。
（２）ドライメーンに導入する蒸気の温度が100℃〜180℃であることを特徴とする上記（１）に記載したコークス炉ガスの回収方法。
（３）ドライメーン内のスラッジ直上50mm〜200mmの位置で蒸気を噴射することを特徴とする上記（１）または（２）に記載したコークス炉ガスの回収方法。
（４）蒸気ノズルの径をドライメーン内径の1/120〜1/30とすることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載したコークス炉ガスの回収方法。

本発明によれば、ガス流速の高速化によって浮遊粉塵の重力沈降がなくなり、ドライメーンのスラッジ詰まりが解消されるので、詰まった場合の人力による清掃作業が発生しなくなる。またドライメーン詰まりによるガス回収量の低下も無くなり、安定的な操業が可能となる。

コークス炉とコークス炉ガスを回収するガス回収設備の模式平面図である。ドライメーン周辺設備を説明する模式図である。

以下、本発明に係わる実施形態について、図を参酌して説明する。
図１を参照すると、コークス炉１は半炉団50窯程度の多数の炭化室を備えていて、炭化室で石炭を乾留し、乾留中に発生したコークス炉ガスは上昇管２からベンド管３を経てドライメーン４にて回収される。ベンド管３の上部には安水ノズル７（図２）が設置されていて、高圧安水または低圧安水をコークス炉ガスにスプレーすることにより、コークス炉ガスは約９０℃に冷却される。そして、コークス炉ガスは、ガス、コールタール及び安水のガス液となる。

ドライメーン４の中央下部には、オフテークメーン５が接続されていて、ドライメーン４に回収されたガス、コールタール及び安水のガス液は、ドライメーン４の中央部へ流れてオフテークメーン５からサクションメーン６を経由して副産物処理設備へ送られるようになっている。コークス炉ガスの発生量は処理時間や炭化室の容積にもよるが、１窯当たり200Nm³/h〜400Nm³/h程度である。コークス炉ガスは副産物処理設備に設置されたポンプ（図示せず）により−1000Pa程度の圧力で吸引されており、オフテークメーン５に設置されたダンパー（図示せず）により上流のドライメーン内部は＋100Pa程度の正圧に保たれている。ドライメーン４の直径は工場にもよるが概ね2000mm程度の規模となる。

このような場合のコークス炉ガスのドライメーンにおけるガス流速を算出すると、例えば、ガス量300Nm³/hでガス温度90℃、ドライメーン４の直径が1800mmの場合、ガスの流速は0.06m/secであり、大部分の浮遊粉塵は重力沈降しドライメーン底部に堆積する。そして、オフテークメーン５に近づくにつれて、ガス量が増えていくため次第にガス流速も速くなっていく。そのため、ドライメーン末端からドライメーン中央部にかけては、一定の傾斜でほぼ直線的にスラッジが堆積する。

このとき、副産物処理設備の吸引圧力を調整したり、オフテークメーン５に設置されたダンパー開度を調整したりして、ガスの吸引量を増やしドライメーン内部のガス流速を速くして浮遊粉塵の重力沈降を抑えることで、スラッジの堆積を抑制することができる。ガスの流速はドライメーン末端において1m/sec以上が必要である。

しかし、ガス流速を速くしてドライメーン内部の圧力を下げ過ぎると、ドライメーン内に空気が侵入し、副産物であるコークス炉ガスの発熱量が低下し、操業に悪影響を与える場合がある。そのため、本発明ではガス流速の上限は特に定めないものの、本発明を適用する場合の実際のガス流速はこのことを勘案して決定するのがよい。

ドライメーン内部の圧力を下げずにガス流速を上げる方法として、外部から流体を導入する方法もある。この場合使用する流体は蒸気が望ましい。温水や安水でも可能であるが、蒸気は100℃以下で凝縮して液体となるため、吸引ガス量の増加を抑えることができる。また、空気や窒素はガスの熱量を下げるため、使用は好ましくない。

蒸気ノズルの挿入本数は任意であるが、ドライメーン末端におけるガスの流速を1m/sec以上とするため、少なくともドライメーン末端又はその近傍に１本は挿入するのが好ましい。蒸気は、オフテークメーンに向かって流れるにつれ凝縮して液体になってしまうため、オフテークメーンに向かう途中の箇所にも蒸気ノズルを挿入して蒸気を補給するのも好ましい。一般には、3窯〜5窯刻みで１本ずつ挿入すれば良い。例えば半炉団50窯程度の規模でかつ、その中央部25窯目に対応する位置にオフテークメーン５を有するコークス炉１であれば、1窯目、6窯目、11窯目、16窯目、21窯目に対応する位置に合計5本挿入するとより効果的である。しかしながら使用できる蒸気の量が限られている場合には、1窯目、6窯目、11窯目に対応する位置の3本でも効果が期待できる。また、末端のスラッジ堆積リスクが大きい領域に集中したい場合は、1窯目、4窯目、7窯目に対応する位置に設置しても良い。

ドライメーン末端からドライメーン中央部にかけて、一定の傾斜でほぼ直線的にスラッジが堆積していた場合、末端のスラッジを集中的に処理した時、安水で溶解されたスラッジは徐々に下流へ流れる。しかし、実際はドライメーン内でスラッジは若干の凹凸を持っており、凹凸の部分に滞留したり堰止められたりしてしまう。そのような時は下流側に蒸気を集中させることで下流側の堆積がなくなり、安水の流れがスムーズになる。

使用する蒸気の温度は100℃〜180℃が望ましい。ドライメーン内部温度は凡そ80℃〜90℃であり、高温の蒸気を使用すると凝縮せず気体のままオフテークメーン５まで流れてしまうため、ガスボリュームが増加しコークス炉ガスの吸引を阻害する。発明者等の調査の結果、ドライメーン内部温度90℃の環境下において、蒸気の温度180℃がドライメーン内で凝縮する限界温度であることがわかった。蒸気温度は、１００℃〜１５０℃が好ましく、１００℃〜１２０℃がより好ましい。このように蒸気の温度管理は重要であるが、ドライメーン内部のコークス炉ガスについても、90℃を超えないようにガスの温度管理即ち安水スプレーの管理が重要となる。

ドライメーン内部における蒸気の噴射位置は、ドライメーン底部からドライメーン内径の1/2〜1/10の範囲から噴射すると良い。1/2の位置より上部で蒸気を噴射すると、ベンド管３を経て上昇管２の方へ逆流を起こすため、ガス回収に悪影響を及ぼす。一方、1/10の位置より低部で蒸気を噴射すると、ドライメーン底部を流れる安水に干渉するため、蒸気の効果が低減する。蒸気の噴射位置は、ドライメーン底部からドライメーン内径の1/4〜1/10の範囲であるのが好ましく、1/7〜1/10の範囲であるのがより好ましい。

なお、既にスラッジが堆積したドライメーンにおいて本発明を実施する場合は、スラッジ直上50mm〜200mmの位置で噴射すると良い。スラッジはマクロ的に見れば直線的な傾斜を持って堆積するが、場所によって凹凸を持っており、凹の領域から凸の部分に蒸気を噴射すると、スラッジに衝突して渦を生じる。スラッジ直上から蒸気ノズルまでの距離が200mmより遠いとその渦の影響で逆流し蒸気の効果が低下する。
また、蒸気の噴射位置をスラッジ直上とすることで、蒸気の噴射エネルギーが浮遊粉塵のみならず、既に堆積したスラッジを流す役割をする安水を助ける役目をする。

蒸気を噴射するノズルの径は、ドライメーン内径の1/120〜1/30が良い。1/120より小さな径にすると、圧損が大きくなり、また蒸気の広がり範囲が狭まってしまうため、蒸気のガス流速増加効果が薄れてしまう。また、1/30より大きくすると噴射の流速を確保するために大量の蒸気が必要になること、上流において蒸気のエジェクター効果により負圧が発生し、ドライメーン内部の圧力が小さくなるため、空気の侵入等の弊害が起きるためである。蒸気噴射ノズルの径はドライメーン内径の1/120〜1/60が好ましく、1/120〜1/70であるのがより好ましい。

蒸気を噴射するノズルの向きは、オフテークメーン５の方向を下流、炉の末端を上流とすると、下流に向ける方が良い。好ましくは、ノズルの角度は浮遊粉塵を下流に運ぶためドライメーン４と平行にすると良い。また堆積スラッジを流すことを重点的に置く場合は、若干下向きに向けても良い。

蒸気の圧力はできるだけ高い方がいいが、50kPa〜70kPa程度確保できればよい。しかしオフテークメーンに近い領域で蒸気を噴射する場合、例えばオフテークメーン５から5窯相当の距離以内の位置で使用する場合は、25kPa程度まで低減させる方が良い。オフテークメーン近傍で高圧の蒸気を噴射すると、オフテークメーン５を挟んで対面のドライメーン４の方まで蒸気の影響が現れるため、対面のドライメーン４のガス回収を妨げるためである。

蒸気ノズルの材質としては通常の炭素鋼でも良いが、ドライメーン内部は微量ながら硫化水素や安水中のアンモニアが存在しているため、耐食性ステンレス鋼等の腐食に強い材質を用いるとよい。

本発明の効果を確認するため、既存コークス炉（半炉団50窯）の実際のドライメーン（内径1800mm）内部の流速が1m/secとなるようにオフテークメーン5に設置されたダンパーの開度を調整した。大気の混入が懸念されたため、堆積の多い末端ではなく、15窯目のドライメーン内部流速が1m/sec以上となるようにした。実施期間は3月上旬から4月上旬にかけての半月間行った。

その結果、ドライメーンの空間レベル（スラッジ表面より上方の空間の高さに相当）は、1020mm（測定開始前から1100mm（測定終了後）へと堆積スラッジの顕著な減少が見られた。

次にドライメーン内部に蒸気を流入させ、堆積スラッジのレベル変化を測定した。ドライメーン端部のスラッジ堆積が多かったことから、ドライメーン末端から2窯目、5窯目、8窯目の3つのベント管に対応する位置に蒸気ノズル（内径16mm）をドライメーンと平行にオフテークメーンの方向に向けて設置し、圧力70kPa、温度120℃の蒸気を各ノズルから160kg/hの流量で噴射した。この条件でもって、最上流のドライメーン末端から2窯目に対応する位置近傍でガス流速を1.0m/secとした。噴射位置は、各位置のスラッジ直上50mmとした。設置期間は4月の下旬から6月の上旬まで、1ヶ月半とした。

その結果、ドライメーンの空間レベル（スラッジ表面より上方の空間の高さに相当）は、2窯目対応位置のノズル部分で460mm（測定開始前）から470mm（測定終了後）へと大きな変化がなかったのに対し、5窯目、8窯目対応位置のノズル部分ではそれぞれ960mm（測定開始前）から1240mm（測定終了後）、400mm（測定開始前）から540mm（測定終了後）へと、堆積スラッジの顕著な減少が見られた。

１コークス炉
２上昇管
３ベンド管
４ドライメーン
５オフテークメーン
６サクションメーン
７安水ノズル

Claims

石炭の乾留中に発生するコークス炉ガスを回収するコークス炉において、コークス炉からの吸引ガス量を増やすか、またはドライメーンに蒸気を導入することにより、ドライメーン末端におけるガスの流速を1m/sec以上とすることを特徴とするコークス炉ガスの回収方法。
ドライメーンに導入する蒸気の温度が100℃〜180℃であることを特徴とする請求項１に記載したコークス炉ガスの回収方法。
ドライメーン内のスラッジ直上50mm〜200mmの位置で蒸気を噴射することを特徴とする請求項１または２に記載したコークス炉ガスの回収方法。
蒸気ノズルの径をドライメーン内径の1/120〜1/30とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載したコークス炉ガスの回収方法。