JP7485937B2 - コークス炉乾燥バーナー - Google Patents
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Description
ここで、コークス炉の炉材には、一般に珪石煉瓦が使用されており、築炉後の乾燥・昇温時には、相転移に伴う体積変化によって亀裂が生じるおそれがある。これを回避するためには、昇温速度を遅くする必要があり、特に乾燥初期の250℃以下の温度範囲において昇温速度を極度に遅くし、その後、徐々に昇温速度を上げながら煉瓦温度が800℃になるまで昇温している。
そこで、バーナーの燃焼フレームによる炭化室内の温度偏差を抑制するためには、バーナーの燃焼フレームによって直接炭化室の炉壁を加熱することがないように、バーナーの燃焼フレームを短炎化して、燃焼排ガスの顕熱によって炭化室を加熱することが考えられる。
また、内管は、その先端面が閉止されるとともに先端側の側壁に複数のガス穴が設けられているので、バーナーの短炎化を図ることができる。
また、バーナーの短炎化が図られているので、バーナーによって直接炭化室の炉壁を加熱することを抑制して、バーナーの燃焼排ガスの顕熱によって炭化室の炉壁を加熱乾燥することができ、炭化室の奥行き方向における温度偏差の発生を抑制することができる。これにより、昇温速度の管理を炭化室全体の適正な温度に応じて行うことができ、火入れ時の炉体乾燥の乾燥期間の短縮を図ることができる。また、局所的に高温になる部分が存在しないため、炭化室の炉壁を構成する耐火煉瓦の亀裂の発生を抑制することができる。
これにより、各空気取入口から外管内に吸引される空気吸引量のばらつきを低減することができる。したがって、乾燥工程における多数のバーナーの空気比をばらつきを低減するように制御することができる。また、この場合には、開閉筒を外筒に沿って管軸方向にスライドさせる簡単な構成となる。
そして、図2に示すように、並列する炭化室10及び燃焼室20の下方側に、蓄熱室30が配設されている。
また、炭化室10は、並列する炭化室10の間に設けられた燃焼室20からの熱を効率的に石炭へと伝達するために、炭化室10の一対の炉壁(燃焼室20側に位置する炉壁)の距離が比較的短くされている。すなわち、炭化室10の炉幅が狭くされているのである。
蓄熱室30は、燃焼室20に対して燃焼ガス及びエアを導入するとともに、燃焼室20内の排ガスが排出される構成とされており、図2に示すように、燃焼ガス及びエアの供給管5及び煙道7に接続されている。
コークス炉1の炉体設備の乾燥は、図3に示すように、炭化室10の炉蓋からバーナー40を挿入し、このバーナー40の燃焼排ガスを炭化室10から燃焼室20及び蓄熱室30を含む炉体設備全体に導入することで実施される。
バーナー40は、燃料Eが供給される内管41と、1次空気A1が自然供給される外管42と、を備えた二重管構造とされている。本実施形態では、外管42とバーナータイル48の間に、2次空気A2が導入される2次空気流路49が形成されている。
ここで、内管41及び外管42において、管軸O方向で先端側を前方とし、その反対側を後方として以下説明する。
なお、本実施形態では、図5に示すように、ノズル先端部41a寄りの1列目のガス穴43Aと2列目のガス穴43Bが周方向に千鳥配置により設けられている。これらのガス穴43A、43Bが形成される領域は、内管41のノズル先端部41aから後方に100mm以上300mm以下の範囲内とされている。
また、内管41における1列目のガス穴43Aのガス穴径をd1とし、2列目以降のガス穴43Bのガス穴径をd2としたときに(2)を満たすように設定されている。
この場合には、ガス穴43が形成される内管41にSUS304を用いることで、内管41周辺の温度が800℃を超えるような場合であっても、高温酸化によりノズル内面に酸化鉄が生成しガス穴43の近傍に付着することによる閉塞を防止することができる。
また、案内ガイド46には、管軸O方向に目盛が表示された目盛板46B(位置決め手段)が設けられている。これにより開閉筒45を目盛板46Bの目盛りに合せて空気導入筒部42Bに対して任意の位置に位置決めすることができる。
このとき、乾燥時の温度管理は、珪石煉瓦の相転移に伴う体積変化に起因する亀裂の発生を抑制するために、炭化室10の炉壁のうち最も高温となる領域の温度を監視することになる。
本実施形態のバーナー40では、図4及び図5に示すように、ノズル先端部41a側から1列目のガス穴43の穴中心Cまでの距離Yが上述した(1)式を満たすように設けられているので、内管41のノズル先端部41aの前方領域にガスが滞留するガス溜まりを発生させることができ、外管42内を流れる空気の流速が抑えられた低速領域が拡大され、保炎効果を向上させることができる。
これにより、燃料Eの供給量が少ない低流量時の場合でも、ガス穴43から噴出された燃料Eによる炎が消えることを抑制することができる。
また、内管41は、その先端面が閉止されるとともに先端側の側壁に複数のガス穴43が設けられているので、バーナー40の短炎化を図ることができる。
また、本実施形態では、バーナー40の短炎化が図られているので、バーナー40によって直接炭化室10の炉壁を加熱することを抑制して、バーナー40の燃焼排ガスの顕熱によって炭化室10の炉壁を加熱乾燥することができ、炭化室10の奥行き方向における温度偏差の発生を抑制することができる。これにより、昇温速度の管理を炭化室10全体の適正な温度に応じて行うことができ、火入れ時の炉体乾燥の乾燥期間の短縮を図ることができる。また、局所的に高温になる部分が存在しないため、炭化室10の炉壁を構成する耐火煉瓦の亀裂の発生を抑制することができる。
これにより、各空気取入口44から外管42内に吸引される第1空気A1の空気吸引量のばらつきを低減することができる。したがって、乾燥工程における多数のバーナー40の空気比をばらつきを低減するように制御することができる。また、この場合には、開閉筒45を外管42に沿って管軸O方向にスライドさせる簡単な構成となる。
第1実施例は、内管41に設けられるガス穴43の管軸方向の位置を変えたときの保炎効果を確認するために、FEMモデルを作成して数値シミュレーション解析を行い、その効果を確認したものである。
図7(a)に示す実施ケースは、内管41の先端部にガス穴径3mmのガス穴43を周方向に間隔をあけて8個配置したものである。図7(b)に示す比較ケースは、内管41の先端部より後方の位置にガス穴径3mmのガス穴43を周方向に間隔をあけて8個配置したものである。図7(a)、(b)に示す符号S1、S2の領域は、それぞれガスの流速が低速になっている滞留領域(低速領域)を示している。
また、ガス穴43の位置はノズル先端部41aに近いほど保炎効果が向上されることも確認された。
第2実施例は、上述した第1実施例で使用したFEMモデルにおいて、2列のガス穴における列毎に異なるガス穴径とした実施ケースと、同じ穴径とした比較ケースについて数値シミュレーション解析を行い、保炎効果を確認したものである。
シミュレーション解析では、失火しやすいCOG量の低流量条件として1列目のガス穴における0.6Nm3/h周辺において一次エア口(空気取込口)の吸引圧(-mmAq)を変化させて失火条件を確認した。
第3実施例は、上述した第1実施例で使用したFEMモデルにおいて、2列のガス穴における列毎に異なるガス穴径とした実施ケースと、列毎に同じ穴径とした比較ケース1、2について数値シミュレーション解析を行い、ターンダウン比の向上を確認したものである。
ここで、比較ケース2では、穴径8mmのノズルが背圧限界の1300Paに達した時点で穴径14mmのノズルに交換し、次に背圧限界に達した時点で穴径25mmのノズルに交換した。
このように1列目のガス穴を大径にすることによって圧損を低減できるので、従来実施していたガス量に応じたノズルチップの交換を不要とすることが可能となり、工期の短縮を図れる効果をもたせることができる。
次に、第4実施例について説明する。
第4実施例では、外管に形成される複数の空気取入口から取り入れられるエアの状態を確認するために、FEMモデルを作成して数値シミュレーション解析を行い、その効果を確認した。
図11(a)に示す符号44Aは第1開閉筒451によって開度が調整された空気取入口を示し、図11(b)に示す符号44Bは第2開閉筒452によって開度が調整された空気取入口を示している。
この結果、図11(a)に示す実施ケースの前後スライドの第1開閉筒451におけるガス穴近傍(図の符号K1)の温度が、図11(b)に示す比較ケースの回転スライドの第2開閉筒452におけるガス穴近傍(図の符号K2)の温度よりも高温になっていることが確認された。一方、ノズル先端部41aよりも前方の領域(符号K3、K4)の温度は、第2開閉筒452の方が第1開閉筒451よりも高温になっていることが確認された。
図12(a)、(b)において、上側の分布図V1はバーナーとその前方領域を示した図であり、下側の分布図V2は上記分布図V1のバーナー部分(図の枠内)を拡大した図である。
この結果、実施ケースの前後スライドの第1開閉筒451の方が比較ケースの回転スライドの第2開閉筒452よりも空気取入口44からガス穴43に向かう空気量が多いことが確認された。
次に、第5実施例について説明する。第5実施例では、内管の材質に一般構造用圧延鋼材SS400を使用した比較ケースと、ステンレス鋼SUS304を使用した実施ケースと、を使用して腐食性能を評価した。
腐食試験は、実施ケースと比較ケースの試験体において、ガスノズル(内管)周辺の最高温度となる略800℃程度の条件で10日間、実機バーナーに適用して酸化物の付着状況を目視により確認した。
10 炭化室
11 炉壁
20 燃焼室
30 蓄熱室
40 バーナー(コークス炉乾燥バーナー)
41 内管
41a ノズル先端部
41b 外周面
42 外管
42a 内周面
42B 空気導入筒部
42C 1次空気流路
43 ガス穴
43A 1列目のガス穴
43B 2列目のガス穴
44 空気取入口
45 開閉筒
46 案内ガイド
46B 目盛板(位置決め手段)
A1 1次空気
A2 2次空気
E 燃料
O 管軸
Claims (7)
- 前記内管のノズル先端部の外周縁部の曲率半径Rは5mm以上であることを特徴とする請求項1に記載のコークス炉乾燥バーナー。
- 前記1列目のガス穴径d1と、前記2列目以降のガス穴径d2との穴径比d1:d2は、5:3~7:3とされていることを特徴とする請求項3に記載のコークス炉乾燥バーナー。
- 前記外管には、周方向に間隔をあけて複数の空気取入口が形成され、
前記空気取入口は、前記外管の管軸方向に沿って延びる長孔に形成され、
前記外管には、該外管に同軸に設けられ、前記管軸方向にスライド可能に設けられた開閉筒が設けられ、
前記開閉筒は、前記空気取入口に対して全閉位置と、全開位置との間の任意の位置で位置決めされることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のコークス炉乾燥バーナー。 - 前記開閉筒を位置決めする位置決め手段が設けられていることを特徴とする請求項5に記載のコークス炉乾燥バーナー。
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