JP6000887B2

JP6000887B2 - 無灰炭の製造方法

Info

Publication number: JP6000887B2
Application number: JP2013069124A
Authority: JP
Inventors: 繁木下; 憲幸奥山; 吉田　拓也; 拓也吉田; 康爾堺
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: AU2014246307B2; US20160010011A1; AU2014246307A1; CN105073959B; WO2014156789A1; CA2901998A1; JP2014189759A; CN105073959A; US9714394B2; KR20150120494A; CA2901998C

Description

本発明は、石炭から灰分を除去した無灰炭を得るための無灰炭の製造方法に関する。

特許文献１には、無灰炭の製造方法が開示されている。この製造方法では、一般炭に粘結炭を混合した石炭原料と溶剤とを混合してスラリーを調製し、得られたスラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出し、石炭成分を抽出したスラリーから、重力沈降法により、溶剤に可溶な石炭成分を含む溶液と、溶剤に不溶な石炭成分を含む固形分濃縮液とを分離し、分離された溶液から溶剤を分離して無灰炭を得ている。

特開２００９−２２７７１８号公報

ところで、無灰炭の製造プロセスでは、最終製品である無灰炭の他に、副生物として副生炭が製造される。この副生炭は、無灰炭や原料炭に比べて灰分濃度が高いために、燃料としての市場価値は無灰炭に劣る。

また、無灰炭の製造プロセスでは、スラリーを加熱する手段が必要となる。一般的な流体の加熱手段としては、電気ヒータ、熱媒ヒータ、誘導伝熱式加熱炉、ガス焚き加熱炉、オイル焚き加熱炉などが知られている。

しかしながら、電気ヒータや熱媒ヒータは、無灰炭の製造プロセスや大容量加熱に適していない。また、誘導伝熱式加熱炉は、設備コストが高く、大容量加熱に適用し難い。その点、ガス焚き加熱炉やオイル焚き加熱炉は、無灰炭の製造プロセスや大容量加熱に適しているが、燃料コストが高くなるという問題がある。

本発明の目的は、無灰炭の製造に要するランニングコストを抑えることが可能な無灰炭の製造方法を提供することである。

本発明における無灰炭の製造方法は、石炭と溶剤とを混合してスラリーを得るスラリー調製工程と、前記スラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する抽出工程と、前記抽出工程で得られたスラリーを、溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液と、溶剤に不溶な石炭成分が濃縮した固形分濃縮液とに分離する分離工程と、前記分離工程で分離された溶液から溶剤を蒸発分離して無灰炭を得る無灰炭取得工程と、前記分離工程で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離して副生炭を得る副生炭取得工程と、を備え、前記スラリー調製工程で得られた前記スラリーの加熱用の燃料として前記副生炭を用いるとともに、前記抽出工程において溶剤に可溶な石炭成分を抽出する際に発生するガスを、前記副生炭とともに前記燃料として用いることを特徴とする。

本発明の無灰炭の製造方法によると、無灰炭の製造に要するランニングコストを抑えることができる。

無灰炭製造設備の模式図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（無灰炭の製造方法）
本実施形態による無灰炭の製造方法に用いられる無灰炭製造設備１００は、図１に示すように、無灰炭（ＨＰＣ）製造工程の上流側から順に、石炭ホッパ１・溶剤タンク２、スラリー調製槽３、移送ポンプ４、予熱器５、抽出槽６、重力沈降槽７、フィルターユニット８、溶剤分離器９・１０、ドライヤ１１、および、加湿器１２を備えている。

無灰炭の製造方法は、スラリー調製工程、抽出工程、分離工程、無灰炭取得工程、および、副生炭取得工程を有する。以下、各工程について説明する。なお、本製造方法において原料とする石炭に、特に制限はなく、抽出率の高い瀝青炭を用いてもよいし、より安価な劣質炭（亜瀝青炭、褐炭）を用いてもよい。また、無灰炭とは、灰分が５重量％以下、好ましくは３重量％以下のもののことをいう。

（スラリー調製工程）
スラリー調製工程は、石炭と溶剤とを混合してスラリーを調製する工程である。このスラリー調製工程は、図１中、スラリー調製槽３で実施される。原料である石炭が石炭ホッパ１からスラリー調製槽３に投入されるとともに、溶剤タンク２からスラリー調製槽３に溶剤が投入される。スラリー調製槽３に投入された石炭および溶剤は、攪拌機３ａで混合されて石炭と溶剤とからなるスラリーとなる。

溶剤に対する石炭の混合比率は、例えば、乾燥炭基準で１０〜５０重量％であり、より好ましくは、２０〜３５重量％である。

（抽出工程）
抽出工程は、スラリー調製工程で得られたスラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する（溶剤に溶解させる）工程である。この抽出工程は、図１中、予熱器５および抽出槽６で実施される。この抽出工程は、予熱器５によりスラリーを加熱する予熱段階を含む。スラリー調製槽３にて調製されたスラリーは、移送ポンプ４によって、予熱器５に供給されて所定温度まで加熱された後、抽出槽６に供給され、攪拌機６ａで攪拌されながら所定温度で保持されて抽出が行われる。ここで、抽出槽６においては、溶剤に可溶な石炭成分を抽出する際にガスが発生する。このガスは、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０、Ｈ_２、ＣＯ等からなり、８０００ｋｃａｌ／ｋｇ程度と高カロリーである。そこで、このガスは、後述する副生炭の補助燃料として、予熱器５の燃料に使用される。

石炭と溶剤とを混合して得られるスラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出するにあたっては、石炭に対して大きな溶解力を持つ溶媒、多くの場合、芳香族溶剤（水素供与性あるいは非水素供与性の溶剤）と石炭とを混合して、それを加熱し、石炭中の有機成分を抽出することになる。

非水素供与性溶剤は、主に石炭の乾留生成物から精製した、２環芳香族を主とする溶剤である石炭誘導体である。この非水素供与性溶剤は、加熱状態でも安定であり、石炭との親和性に優れているため、溶剤に抽出される可溶成分（ここでは石炭成分）の割合（以下、抽出率ともいう）が高く、また、蒸留等の方法で容易に回収可能な溶剤である。非水素供与性溶剤の主な成分としては、２環芳香族であるナフタレン、メチルナフタレン、ジメチルナフタレン、トリメチルナフタレン等が挙げられ、その他の非水素供与性溶剤の成分として、脂肪族側鎖を有するナフタレン類、アントラセン類、フルオレン類、また、これらにビフェニルや長鎖脂肪族側鎖を有するアルキルベンゼンが含まれる。

なお、上記の説明では非水素供与性化合物を溶剤として用いる場合について述べたが、テトラリンを代表とする水素供与性の化合物（石炭液化油を含む）を溶剤として用いてもよいことは勿論である。水素供与性溶剤を用いた場合、無灰炭の収率が向上する。

また、溶剤の沸点は特に制限されるものではない。抽出工程および分離工程での圧力低減、抽出工程での抽出率、無灰炭取得工程などでの溶剤回収率などの観点から、例えば、１８０〜３００℃、特に２４０〜２８０℃の沸点の溶剤が好ましく使用される。

抽出工程でのスラリーの加熱温度は、溶剤可溶成分が溶解され得る限り特に制限されず、溶剤可溶成分の十分な溶解と抽出率の向上の観点から、例えば、３００〜４２０℃であり、より好ましくは、３６０〜４００℃である。

また、加熱時間（抽出時間）もまた特に制限されるものではないが、十分な溶解と抽出率の向上の観点から、例えば、１０〜６０分間である。加熱時間は、図１中、予熱器５および抽出槽６での加熱時間を合計したものである。

なお、抽出工程は、窒素などの不活性ガスの存在下で行う。抽出槽６内の圧力は、抽出の際の温度や用いる溶剤の蒸気圧にもよるが、１．０〜２．０ＭＰａが好ましい。抽出槽６内の圧力が溶剤の蒸気圧より低い場合には、溶剤が揮発して液相に閉じ込められず、抽出できない。溶剤を液相に閉じ込めるには、溶剤の蒸気圧より高い圧力が必要となる。一方、圧力が高すぎると、機器のコスト、運転コストが高くなり、経済的ではない。

（分離工程）
分離工程は、抽出工程で得られたスラリーを、重力沈降法により、溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液と、溶剤に不溶な石炭成分（溶剤不溶成分、例えば灰分）が濃縮した固形分濃縮液（溶剤不溶成分濃縮液）とに分離する工程である。この分離工程は、図１中、重力沈降槽７で実施される。抽出工程で得られたスラリーは、重力沈降槽７内で、重力にて、溶液としての上澄み液と、固形分濃縮液とに分離される。重力沈降槽７の上部の上澄み液は、必要に応じてフィルターユニット８を経て、溶剤分離器９へ排出されるとともに、重力沈降槽７の下部に沈降した固形分濃縮液は溶剤分離器１０へ排出される。

重力沈降法は、スラリーを槽内に保持することにより、重力を利用して溶剤不溶成分を沈降・分離させる方法である。溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液よりも比重が大きい、溶剤不溶成分（例えば灰分）は重力沈降槽７の下部に重力により沈降する。スラリーを槽内に連続的に供給しながら、上澄み液を上部から、固形分濃縮液を下部から連続的に排出することにより、連続的な分離処理が可能である。

重力沈降槽７内は、石炭から溶出した溶剤可溶成分の再析出を防止するため、保温（または加熱）したり、加圧したりしておくことが好ましい。保温（加熱）温度は、例えば、３００〜３８０℃であり、槽内圧力は、例えば、１．０〜３．０ＭＰａとされる。

なお、抽出工程で得られたスラリーから、溶剤に溶解している石炭成分を含む溶液を分離する方法として、重力沈降法以外に、濾過法、遠心分離法などがある。

（無灰炭取得工程）
無灰炭取得工程は、分離工程で分離された溶液（上澄み液）から溶剤を蒸発分離して無灰炭（ＨＰＣ）を得る工程である。この無灰炭取得工程は、図１中、溶剤分離器９で実施される。重力沈降槽７で分離された溶液は、フィルターユニット８で濾過された後、溶剤分離器９に供給され、溶剤分離器９内で上澄み液から溶剤が蒸発分離される。ここで、溶液からの溶剤の蒸発分離は、窒素などの不活性ガスの存在下で行うことが好ましい。本実施形態においては、溶剤分離器９内に導入した窒素ガス中で溶液から溶剤を蒸発分離している。

溶液（上澄み液）から溶剤を分離する方法は、一般的な蒸留法、蒸発法などを用いることができる。溶剤分離器９にて分離された溶剤は、溶剤タンク２に戻されて、循環して繰り返し使用される。なお、溶剤を循環使用することは好ましいが必須ではない（後述する副生炭取得工程においても同様）。上澄み液から溶剤を分離することで、実質的に灰分を含まない無灰炭（ＨＰＣ）を得ることができる。

無灰炭は、灰分をほとんど含まず、水分は皆無であり、原料石炭よりも高い発熱量を示す。さらに、製鉄用コークスの原料として特に重要な品質である軟化溶融性（流動性）が大幅に改善され、原料石炭が軟化溶融性を有しなくとも、得られた無灰炭（ＨＰＣ）は良好な軟化溶融性を有する。したがって、無灰炭は、例えばコークス原料の配合炭として使用することができる。また、灰分をほとんど含まない無灰炭は、燃焼効率が高く且つ石炭灰の発生を低減できるので、ガスタービン燃焼による高効率複合発電システムのガスタービン直噴燃料としての用途も注目されている。

（副生炭取得工程）
副生炭取得工程は、分離工程で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離して副生炭を得る工程である。この副生炭取得工程は、副生炭混合物取得工程と、副生炭乾燥工程とを有している。

＜副生炭混合物取得工程＞
副生炭混合物取得工程は、分離工程で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離することで、副生炭に溶剤が残存してなる副生炭混合物を得る工程である。この副生炭混合物取得工程は、図１中、溶剤分離器１０で実施される。重力沈降槽７で分離された固形分濃縮液は溶剤分離器１０に供給され、溶剤分離器１０内で固形分濃縮液から溶剤が蒸発分離される。ここで、固形分濃縮液からの溶剤の蒸発分離は、窒素などの不活性ガスの存在下で行うことが好ましい。本実施形態においては、溶剤分離器１０内に導入した窒素ガス中で固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離している。

固形分濃縮液から溶剤を分離する方法は、前記した無灰炭取得工程と同様に、一般的な蒸留法、蒸発法を用いることができる。溶剤分離器１０にて分離された溶剤は、溶剤タンク２に戻されて、循環して繰り返し使用される。固形分濃縮液から溶剤を分離することで、副生炭に溶剤が５〜１０重量％の割合で残存してなる副生炭混合物を得ることができる。

＜副生炭乾燥工程＞
副生炭乾燥工程は、副生炭混合物から残存する溶剤を蒸発分離して副生炭を得る工程である。この副生炭乾燥工程は、図１中、ドライヤ１１で実施される。溶剤分離器１０で得られた副生炭混合物は、ドライヤ１１に供給され、ドライヤ１１内で副生炭混合物から残存する溶剤が蒸発分離される。副生炭混合物からの溶剤の蒸発分離は、窒素などの不活性ガスの存在下で行うことが好ましい。本実施形態において、ドライヤ１１は、キャリアガスとしての窒素ガスを内部に流通させながら副生炭混合物を加熱・滞留・攪拌するスチームチューブドライヤである。副生炭混合物から残存する溶剤を分離することで、灰分などを含む溶剤不溶成分が濃縮された副生炭（ＲＣ、残渣炭ともいう）を得ることができる。

副生炭は、灰分が含まれるものの水分が皆無であり、発熱量も十分に有している。副生炭は軟化溶融性を示さないが、含酸素官能基が脱離されているため、配合炭として用いた場合に、この配合炭に含まれる他の石炭の軟化溶融性を阻害するようなものではない。したがって、この副生炭は、通常の非微粘結炭と同様に、コークス原料の配合炭の一部として使用することができ、また、コークス原料炭とせずに、各種の燃料用として使用することも可能である。

ここで、副生炭は、粉状であり、粒径（最大長さ）は０．２〜１．０ｍｍ程度である。ただし、副生炭の中には、粒径（一次粒径）が０．００１〜０．０５ｍｍ程度の粒子が凝集した二次粒子も合わせて存在する。この二次粒子の粒径（二次粒径）は、副生炭の回収条件にもよるが、例えば、０．２〜５．０ｍｍ程度である。また、副生炭の灰分濃度は、炭種に依存するが、１０〜２０質量％程度であり、副生炭の水分量は、０．００〜０．２０質量％程度である。

本実施形態において、ドライヤ１１で得られた副生炭は、加湿器１２で加湿された後、予熱器５の燃料に使用される。具体的には、副生炭を、１０００℃〜１４００℃程度で燃焼させることで、予熱器５の燃料として使用する。副生炭は、無灰炭には劣るものの、６０００ｋｃａｌ／ｋｇ以上と高カロリーであり、原料炭よりも高い着火性・燃え切り性能を示す。

通常、無灰炭の製造プロセスで得られる副生炭は、蒸留法や蒸発法等により溶剤を除去しているために、例えば、温度が２００℃程度であり、水分量が０．００〜０．２０質量％程度の乾燥状態にある。そのため、風で飛散するなど、ハンドリング性が悪い。そこで、加湿器１２で副生炭の水分を調整する。具体的には、加湿器１２において、副生炭に水を噴きつけて加湿しながらミキサーで攪拌する。より具体的には、副生炭をミキサーに投入し、スプレーにより副生炭に水をかけて所定温度に冷却するとともに、水分・湿度調整を行う。このようにして水分調整された副生炭は、飛散し難くなり、燃料としてのハンドリング性が向上する。本実施形態においては、副生炭の含水率を０．１〜１５重量％に水分調整している。なお、ミキサーでの攪拌により、副生炭の粒子が粉砕されるため、粒径調整も行うことができる。

このようにして水分調整された副生炭を予熱器５に供給して、スラリーを加熱する燃料に使用する。副生炭は、無灰炭や原料炭に比べて灰分濃度が高く、燃料としての市場価値が無灰炭に劣っている。そこで、無灰炭の製造プロセスで製造され、無灰炭よりも安価な副生炭を、スラリーを加熱する燃料に使用することで、燃料コストを抑えることができる。これにより、無灰炭の製造に要するランニングコストを抑えることができる。なお、副生炭に石炭を混ぜたものをスラリーを加熱する燃料に使用してもよい。

また、上述したように、抽出槽６で発生するガスを、副生炭の補助燃料として、予熱器５の燃料に使用することができる。このガスは、単体ではスラリーを加熱する燃料として不十分ではあるが、高カロリーであり、連続的あるいは間欠的に予熱器５に供給することで、副生炭の補助燃料として好適に使用できる。また、副生炭は、ドライヤ１１による乾燥具合などの性状変化によりカロリーが変動するが、このガスを副生炭と一緒に燃やすことで、副生炭を安定して燃焼させることができる。

なお、溶剤分離器１０で得られる副生炭混合物を予熱器５の燃料に使用してもよい。副生炭混合物は、副生炭に溶剤が５〜１０重量％の割合で残存してなるものであるので、予熱器５の燃料として好適に使用できる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る無灰炭の製造方法によると、スラリー調製工程で得られたスラリーの加熱用の燃料として副生炭を用いる。より具体的には、抽出工程におけるスラリーの予熱用の燃料として、予熱器５において副生炭を用いる。副生炭は、無灰炭には劣るものの、高カロリーであり、原料炭よりも高い着火性・燃え切り性能を示す。しかし、副生炭は、無灰炭や原料炭に比べて灰分濃度が高く、燃料としての市場価値が無灰炭に劣っている。そこで、無灰炭の製造プロセスで製造され、無灰炭よりも安価な副生炭を、スラリーを加熱する燃料に用いることで、燃料コストを抑えることができる。これにより、無灰炭の製造に要するランニングコストを抑えることができる。

また、抽出槽６において溶剤に可溶な石炭成分を抽出する際に発生するガスを、副生炭とともに燃料として用いる。このガスは、単体ではスラリーを加熱する燃料として不十分ではあるが、高カロリーであり、副生炭の補助燃料として好適に使用できる。また、副生炭は性状変化によりカロリーが変動するが、このガスを副生炭と一緒に燃やすことで、副生炭を安定して燃焼させることができる。

また、燃料として用いる副生炭は、水分調整されたものである。通常、無灰炭の製造プロセスで得られる副生炭は粉状で乾燥しており、風で飛散するなど、ハンドリング性が悪い。そこで、副生炭を加湿するなどして、含水率が０．１〜１５重量％となるように副生炭の水分を調整することで、副生炭を飛散し難くする。これにより、副生炭を燃料として使用する際のハンドリング性を向上させることができる。

（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１石炭ホッパ
２溶剤タンク
３スラリー調製槽
３ａ攪拌機
４移送ポンプ
５予熱器
６抽出槽
６ａ攪拌機
７重力沈降槽
８フィルターユニット
９，１０溶剤分離器
１１ドライヤ
１２加湿器
１００無灰炭製造設備

Claims

石炭と溶剤とを混合してスラリーを得るスラリー調製工程と、
前記スラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する抽出工程と、
前記抽出工程で得られたスラリーを、溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液と、溶剤に不溶な石炭成分が濃縮した固形分濃縮液とに分離する分離工程と、
前記分離工程で分離された溶液から溶剤を蒸発分離して無灰炭を得る無灰炭取得工程と、
前記分離工程で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離して副生炭を得る副生炭取得工程と、
を備え、
前記スラリー調製工程で得られた前記スラリーの加熱用の燃料として前記副生炭を用いるとともに、前記抽出工程において溶剤に可溶な石炭成分を抽出する際に発生するガスを、前記副生炭とともに前記燃料として用いることを特徴とする無灰炭の製造方法。
石炭と溶剤とを混合してスラリーを得るスラリー調製工程と、
前記スラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する抽出工程と、
前記抽出工程で得られたスラリーを、溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液と、溶剤に不溶な石炭成分が濃縮した固形分濃縮液とに分離する分離工程と、
前記分離工程で分離された溶液から溶剤を蒸発分離して無灰炭を得る無灰炭取得工程と、
前記分離工程で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離して副生炭を得る副生炭取得工程と、
を備え、
前記スラリー調製工程で得られた前記スラリーの加熱用の燃料として前記副生炭を用い、
前記燃料として用いる副生炭は、水分調整されたものであることを特徴とする無灰炭の製造方法。
前記副生炭の含水率を０．１〜１５重量％に水分調整することを特徴とする請求項２に記載の無灰炭の製造方法。