JP5857340B2 - 石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システム - Google Patents

Description

本発明は、乾燥させた低石炭化度炭を移動床改質器内で移動させながら改質、流動層燃焼炉（ＦＢＣ）の燃焼熱・排ガスで熱分解・ガス化を行い、炭化水素ガスとチャーを得るとともに、チャーや乾燥低石炭化度炭の流動層燃焼炉から水蒸気で熱回収をして発電を行う。さらに、改質後のチャーは発電燃料、製鉄用熱源として利用もできる。又、炭化水素ガスは化学原料として利用する。これにより、発電と石炭化学が融合し熱と電気と化学原料としての高度利用を図ることのできる石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムに関する。

含水量が約２０質量％を超える亜瀝青炭や褐炭など石炭化度の低い石炭は、高水分含量であるが故にカロリーが低く、燃焼発熱量が少ない上に、乾燥すると自然発火性が高まり、吸湿性も高く、輸送コストが割高になる等の理由により産炭地での利用に限られている。

しかし、低石炭化度炭には、高品位とされる瀝青炭等にはない利点がある。例えば、オーストラリアやインドネシアの褐炭は低硫黄でかつ低灰分であり、これを燃料として使用すれば、亜硫酸ガスなどによる大気汚染を抑制することができる上に、捨灰の有害性を低減できる。

そこで、これまでにも、これら低石炭化度炭を脱水改質や熱改質で炭化することによって、その欠点を補うための技術が提案されてきた。例えば、特許文献１や特許文献２には、油分と低石炭化度炭を混合して原料スラリーを得、当該スラリーを加熱して油中脱水し、更に加熱することによって、原料炭中のカルボキシル基や水酸基等を脱炭酸反応や脱水反応により分解若しくは脱離し、原料炭を改質する技術、または低石炭化度炭の細孔内に重質油分等を侵入せしめることにより自然発火を防止する技術が開示されている。
また、特許文献３には、水分の含有率が比較的高い低石炭化度炭のガス化を行うガス化部と、ガス化部から供給されたガスを用いて発電を行うガス発電部と、ガス発電部から排出された排気ガスの熱を用いて発電を行う蒸気発電部と、蒸気発電部から排出された排熱を用いて石炭の乾燥を行い、ガス化部に乾燥された石炭を供給する石炭乾燥部と、を備えた石炭ガス化複合発電設備が、開示されている。特許文献４には、褐炭を不活性ガス雰囲気下もしくは水蒸気雰囲気下で熱分解して改質炭とタールに分離し、前記タールを水蒸気雰囲気下、かつ鉄系触媒存在下で接触分解して炭化水素油を得る改質炭と炭化水素油の製造法が開示されている。

特開平７−２３３３８４号公報 特許第２７７６２７８号公報 特開２００９−１３３２６８号公報 特開２０１０−１４４０９４号公報

しかしながら、上記従来の技術においては以下の課題を有していた。
（１）特許文献１，２は油分を使用するために、油と石炭を同一容器で分離するための種々の設備を要し、装置が大型化するとともに省エネルギー性に欠ける。
（２）石炭の改質に際して油分という副資材が必要となるので、大きなコストが必要で、かつ、環境負荷率が高い。
（３）油分を介した方法なので、褐炭に与えるエネルギーに関して熱交換損失が生じ、エネルギーロスが大きい。
（４）さらに乾燥後の石炭に副資材として利用する油分が混入し、油分のロスが多く、省資源性に欠ける。
（５）特許文献３は、低石炭化度炭を乾燥し、次いでガス化炉でガス化させてボイラーで熱源として燃焼させるので高カロリーを得ることができるが、低石炭化度炭に含まれる有用な化学原料の有効利用が図れず、省資源性に欠ける。
（６）特許文献３は石炭の高温ガス化を基盤としており、ガス化後のガス成分は低分子の化合物が支配的であり、その後の化学製品合成には不利である。
（７）特許文献３では発生ガスが高温となり、設備を構成する材料に大きな制約がある。
（８）特許文献４は、褐炭を５００〜８００℃で熱分解し改質炭とタールを得、次いでタールを４００〜６００℃で接触分解することにより、改質炭と化合物を得るが、一般に低石炭化度炭は５００℃を超えて加熱すると亀裂が増え微粉が発生し未燃炭が増加する。また、熱分解ガスは、酸素濃度が高いと易燃焼成分の着火や、微粉炭の爆発の危険があるので、酸素濃度の制御やスチームの添加等装置の運転制御が困難で安全性や運転性に欠ける。
（９）特許文献４は改質炭として利用する場合、あるいは微粉炭燃焼を後段で行う場合も冷却が必要となるので、省エネルギー性に欠ける。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、
（１）石炭固定炭素の燃焼熱を発電用の蒸気の加熱とともに低石炭化度炭の熱分解、ガス化、チャー製造に利用する。
（２）ボイラーを酸素流動層燃焼採用でコンパクト化できる。
（３）酸素燃焼を採用することで、炭酸ガスを分離・回収する場合、窒素ガスが著しく少ないので炭酸ガス濃度が高く、炭酸ガスの分離エネルギーを小さくすることができる。
（４）ボイラーの排熱を有効利用し、熱分解、ガス化ガス（揮発分）を化学原料として用いるケミカルコンプレックスを構築することができる。
（５）改質器として、移動床反応器を採用することで、製品ガス温度が低く抑えられ、ガス配管などの材質の制約条件が少なくメンテナンス性に優れる。
（６）熱分解反応時間を長く取れるので、製品ガス温度が低く、タール成分による障害（固着やコーキングなど）問題を解決し、かつ比較的長鎖の炭化水素成分を多く得ることができるので、燃焼、化学合成に有利なガスを発生させることができる。
（７）揮発成分を除去した固定炭素を冷却することなく、酸素流動燃焼装置に投入するので、着火性が高く、省エネルギー性に優れる。
（８）揮発成分を除去した高温の固定炭素（チャー）を燃焼排ガスと向流で酸素濃度の低い個所から酸素流動層燃焼炉に投入することで、高酸素濃度の燃焼炉内でも投入直後の異常燃焼や急激な燃焼を抑えることができるので、酸素燃焼が可能となる。
という石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するため、本発明の石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムは、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載の石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムは、高含水率の低石炭化度炭を乾燥する乾燥部と、前記乾燥部で乾燥された前記低石炭化度炭を改質する改質器と、前記改質器で得られた改質後石炭を燃料とする流動層燃焼炉と、前記流動層燃焼炉の燃焼排ガスを熱分解、ガス化剤として前記改質器へ供給する炉ガス供給管と、前記改質器で改質され前記低石炭化度炭から得られた揮発成分や前記燃焼排ガスを改質する触媒改質装置と、を備えた構成からなるシステムである。

この構成により、以下の作用が得られる。
（１）低石炭化度炭は、改質器へ供給される前に乾燥部により乾燥されるため、低石炭化度炭を流動層燃焼炉の燃料として用いても、含有水分の蒸発や、水蒸気の流出による熱の持ち去り等による熱エネルギーの損失を抑制することができる。
（２）低石炭化度炭の乾燥に流動層燃焼炉から排出された排ガスを用いるため、熱エネルギーの利用効率を向上させることができる。一方、低石炭化度炭を乾燥させるために別途熱を発生する発熱部を設けた場合と比較して、新たな燃料やエネルギーを投入する必要がなく、省エネルギー性に優れる。
（３）改質器が流動層燃焼炉の排ガスで加熱され低石炭化度炭を改質するので、省エネルギー性に優れる。
（４）低石炭化度炭は、揮発成分の含有量が多いが、その揮発成分を改質器で放出させ、一部ガス化したガスとともに、ガス改質部で燃焼ガスのＣＯやＣＯ2，Ｈ2Ｏと反応させることにより有用な化学原料として利用できる。
（５）改質部の高温部（入口部）で生成されるチャーは流動層燃料の他、製鉄用原料炭、海外輸送可能な固体燃料として利用できる。
（６）流動層燃焼炉の炉ガス（燃焼排ガス）の温度を利用してガス改質を行うので熱効率に優れ省エネルギー性に優れる。
（７）改質器として、移動床反応器を採用することで、製品ガス温度が１５０℃以下と低く抑えられ、タールの凝縮を防ぎ、また、低温なので、ガス配管などの材質の制約条件が少なく、装置の建設コストやメンテナンスコストを低く抑えることができる。また、低速加熱することで原料炭の紛化を抑制できる。
（８）改質器として、移動床反応器を採用した場合、製品ガス温度が低く、熱分解反応時間を長く取れるので、タール成分による固着やコーキング等によるタール成分の発生による障害が生じず、かつ比較的長鎖の炭化水素成分を多く得ることができるので、化学原料に有利なガスを発生させることができる。
（９）改質器で揮発成分を除去した固定炭素を冷却することなく、酸素流動層燃焼炉に投入するので、着火性が高く、エネルギー的にもロスを生じない。
（１０）流動層燃焼炉内では粒子層の体積力に抗して流過する流動層燃焼炉の排ガスと粒子の間で効率よく熱交換ができる。
（１１）揮発成分を除去した高温の固定炭素（チャー）を酸素濃度の低い個所から流動層燃焼炉に投入するので、投入直後の異常燃焼や急激な燃焼を抑えることができ、酸素燃焼が可能となる。
（１２）排ガスは空気に比べ酸素濃度が低いので、自然酸化し発火し易い低石炭化度炭をより高い温度で改質することができる。

ここで、（ａ）低石炭化度炭としては、含水量が約２０質量％を超えるものであれば亜瀝青炭、亜炭，褐炭などその名称は特に問わない。また、燃料として使用する石炭が全て低石炭化度炭である必要はなく、含水量が約２０質量％未満の高石炭化度炭を添加してもよい。
（ｂ）乾燥部は、低温（６０〜９０℃）で低湿度（ＲＨ７０〜０%）の窒素ガス等の不活性ガス雰囲気で乾燥される。乾燥部の内部は石炭を温める温水（６０〜９０℃程度）配管と不活性ガスの乾燥ガスを注入するガス配管で構成されている。また、低石炭化度炭の目標水分は２０ｍａｓｓ％以下とすることができる。実験では１６ｍａｓｓ％まで下げることができた。これにより、低石炭化度炭の含水量を１／３以下にすることができ、輸送効率を大幅に改善できる。更に、チャーとすることにより自然発火を防ぎ安全性を向上できる。
窒素ガスは、酵素分離器で分離された窒素ガスが用いられる。窒素ガスはコンデンサの熱水で加熱された空気予熱器で加熱されるようしてもよい。この場合、酸素濃度が低いので、自然酸化し昇温し易く発火し易い低石炭化度炭の発火を防ぎ、より高い温度で乾燥することができる。また、酸素分離器で分離された窒素ガスは相対湿度が低いので、乾燥効率を大きくすることができる。更に、廃熱を利用し、別途熱エネルギーを要しないので、環境に優しく省エネルギー性に優れる。
（ｃ）乾燥部から排出される高湿度排ガスから清浄水を回収でき水の有効利用が図れる。
（ｄ）低石炭化度炭は、乾燥される前に前処理として粗粉砕して粒径が０．１μｍ〜５ｍｍに調整される。０．１μｍ〜５ｍｍの粒径に粉砕することにより、乾燥工程を簡略化し、乾燥時間を短縮化できる。低石炭化度炭の加熱は、乾燥部の乾燥室を流動層燃焼炉でスーパーヒートされた蒸気で発電する蒸気タービンの復水器の冷却排水（６０〜９０℃程度）配管を用いて加熱して行う。また、伝熱媒体として、酸素含有量の少ない空気、CO2あるいはＮ2ガスを該加熱された冷却排水で熱交換して加温（温度：６０〜８０℃，ＲＨ：０〜７０％）して乾燥部へ低石炭化度炭の流れと向流して流し乾燥させる。
（ｅ）改質器としては、低石炭化度炭をダウンフローさせながら流動層燃焼炉の高温の排ガスをアップフローさせて、低石炭化度炭を熱分解ガス化させる移動床方式が好ましい。移動床方式とすることにより、移動床で反応時間を大きく取れる。また、カウンターフローとすることにより、低石炭化度炭と熱交換させながら改質されたガスの冷却をおこなうことができる。これにより、熱分解ガス，ガス化ガスからなる化学原料が得られるとともに、高カロリーの改質後石炭（チャー＋灰分）が得られる。
（ｆ）流動層燃焼炉としては、流動媒体として石灰石、ドロマイト等が用いられる。助燃剤としては、酸素と酸素濃度を調節（希釈）する炭酸ガスの混合ガスが好ましい。燃料は乾燥部で乾燥された低石炭化度炭の乾燥炭や改質器で改質された低石炭化度炭の改質後石炭やチャーが用いられる。
（ｇ）流動層燃焼炉の燃焼温度は８００〜９００℃に調節される。これにより炉材の材料が高温に耐える特殊材料の使用を減らすことができ、さらに流動層内での灰熔解などの障害を防ぐことができる。
（ｈ）触媒改質装置は、低石炭化度炭から得られた揮発成分や炉ガス（燃焼排ガス）のＣＯ2やＣＯ，Ｈ2Ｏと触媒を接触させ改質を行うもので、ＦＴ合成ガスやメタノール合成ガス，アンモニア合成ガス，水素ガス，合成天然ガス等を得ることができる。
更に、生成タール成分を改質して低分子の炭化水素、一酸化炭素、水素を連続して得ることができる。

本発明の請求項２に記載の石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムは、請求項１の発明において、前記改質器が乾燥部から供給される低石炭化度炭を移動させながら流動層燃焼炉の燃焼排ガスの上昇流により３００°〜６００℃の熱分解温度で低石炭化度炭を分解する熱分解部と、前記熱分解部で生成された低石炭化度炭チャーを６００〜８００℃で固定炭素をＣＯとＨ2に一部分解するガス化部から構成される。
この構成により、請求項１の作用に加え、以下の作用が得られる。
（１）乾燥褐炭を流動層燃焼炉から供給される排ガスにより揮発分＋チャーへ熱分解し、さらにチャーをガス化することができる。
（２）未転換化チャー及び灰分は流動層燃焼炉へ供給されるが、チャーを燃焼するので高カロリーを得ることができ熱効率に優れる。
（３）チャーには一切水がないので、燃焼効率が高く、熱損失を著しく少なくすることができる。
（４）通常チャーのみでは着火が難しいが、乾燥褐炭を混合して、着火揮発分を発生させたり、あるいは高濃度酸素燃焼と８００℃程度に予熱しているので、スムーズな着火、燃焼が達成できる。
（５）熱分解部とガス化部の２段で分解するので、精度よく製鉄用チャー、輸送可能な燃料としてのチャー、化学原料の炭化水素ガスを分離回収できる。
（６）移動床方式を採用することで、反応時間が長く取れるので、タールによる固着などの障害を減らすことができる。
（７）改質器内に温度分布を生じさせることによって、あるいは、ガスを取り出すポイントを選択することによって抜き出すガスの成分を選ぶことができる。
（８）移動床方式なので、製品ガス温度を下げることができ、石炭ガス冷却など、後段の設備が不要もしくは簡易で設備がコンパクトになる。
（９）炭酸ガス雰囲気下でのガス化なので安全性が高い。
（１０）生成ガスに窒素ガスが含まれないので、石炭ガスの分離を容易に行うことができる。
（１１）層内温度が均一化され、ガス化および熱分解ガスの温度が層内温度と等しくならざるを得ない流動層の場合とは異なり、移動床では、移動床初期部において８００℃程度の燃焼排ガスとチャーを接触させてガス化を進行させることができるとともに、これによる吸熱とガス温度低下により、移動床中部では過熱を防ぎつつ３００℃〜６００℃で熱分解を行うことができる。
（１２）移動床では、粒子層高によって最上部の温度１００〜３００℃に調節できる。最上部温度を低くすることによって、比較的沸点の高い重質油分を粒子層上部において凝縮させ、その留出を防ぐとともに、その重質油分を再度熱分解してガス，軽質油分，チャーに転換できる。重質油分を取得する場合には、最上部温度を高くして重質油分の凝縮を抑制すればよい。

ここで、移動床の移動速度は流動層燃焼炉へのチャー供給速度に合わせて調節できる。粒子が完全混合され、その結果チャー粒子形状に大きな分布が生じる流動層の場合とは異なり、移動床から排出されるチャーは、形状が均一であるため、流動層燃焼を安定化させやすい。改質器は２段あるいは一体構造で、５００〜８００℃の流動層燃焼炉の燃焼排ガスが下部から供給される。

本発明の請求項３に記載の石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムは、請求項１又２の発明において、前記流動層燃焼炉の助燃剤の酸素の希釈剤として供給される炭酸ガスが、前記触媒改質装置から排出され、分離された炭酸ガスである構成を有している。
これにより、請求項１又は２で得られる作用に加え、以下の作用が得られる。
（１）流動層燃焼炉や改質器で排出される炭酸ガスをリサイクルするので環境負荷低減効果を向上できる。

以上のように、本発明の石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムによれば、以下の有利な効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、
（１）低石炭化度炭は、改質器へ供給される前に乾燥部により乾燥されるため、水分の含有量が多い低石炭化度炭が包蔵する含有水分の蒸発や、水蒸気の流出による熱の持ち去り等による熱エネルギーの損失を抑制することができる。
（２）低石炭化度炭の乾燥に流動層燃焼炉から排出された排熱や発電サイクルで生じる廃熱を用いるため、熱エネルギーの利用効率を向上させることができる。一方、低石炭化度炭を乾燥させるために別途熱を発生する発熱部を設けた場合と比較して、新たな燃料やエネルギーを投入する必要がなく、省エネルギー性に優れる。
（３）改質器が流動層燃焼炉の排ガスで加熱され改質、ガス化されるので、熱効率に優れる。
（４）低石炭化度炭は、揮発成分の含有量が多いが、その揮発成分とガス化ガスをガス改質部で燃焼ガスのＣＯやＣＯ2，Ｈ2Ｏと反応させることにより有用な化学原料として転換、利用できる。
（５）流動層燃焼炉の排ガスの温度を利用してガス改質を行うので熱効率に優れ省エネルギー性に優れる。
（６）熱分解、ガス化装置として、移動床反応器を採用することで、生成する製品ガス温度が低く抑えられ、ガス配管などの材質の制約条件が少ない。
（７）同時に、移動床を採用することで熱分解反応時間を長く取れるので、（固着やコーキングなどの）タール成分による障害が生じず、かつ比較的長鎖の炭化水素成分を多く得ることができるので、化学製品合成に有利なガスを発生させることができる。
（８）揮発成分を除去した固定炭素を冷却することなく、酸素流動燃焼装置に投入するので、着火性が高く、エネルギー的にもロスを生じない。
（９）揮発成分を除去した高温の固定炭素（チャー）を酸素流動燃焼炉に排ガスと向流方向に供給することで、酸素濃度の低い個所から酸素流動燃焼装置に投入できるので、投入直後の異常燃焼や急激な燃焼を抑えることができ、酸素燃焼が可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）乾燥褐炭を流動層燃焼炉から供給される燃焼ガスにより揮発分とチャーへ熱分解し、さらにチャーをガス化する。
（２）未転換化チャー及び灰分は流動層燃焼炉へ供給されるが、チャーを燃焼するので高カロリーを得ることができ熱効率が高い。
（３）チャーには一切水がないので、燃焼効率が高く、熱損失がない。
（４）通常チャーのみでは着火が難しいが、高濃度酸素燃焼と800℃程度に予熱されているので、スムーズな着火、燃焼が達成できる。
（５）移動床方式を採用することで、反応時間が長く取れるので、タールによる固着などの障害を減らすことができる。
（６）温度分布をつけることで、ガスを取り出すポイントでガス成分を選ぶことができる。
（７）熱分解、ガス化部が移動床方式なので、製品ガス温度を下げることができ、石炭ガス冷却など、後段の設備が不要で省エネルギー性に優れると共に設備がコンパクトになる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）流動層燃焼炉や改質器で排出される炭酸ガスをリサイクルするので環境負荷低減効果を向上できる。
（２）乾燥には不活性ガスを利用することで、爆発などの危険性が少ない。
（３）ＣＯ2は比熱が大きいので、熱の移動を容易（冷却効率が高い）に行うことができる。

実施の形態における石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムの概要図 実施の形態におけるヒートバランス図 実施の形態におけるマテリアルバランス図

以下、本発明を実施するための形態について、図面を用いながら説明する。
図１は実施の形態における石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムの概要図である。
図中、１は石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システム、２は粒径が１μｍ〜５ｍｍの塊炭状で含水率が略６０質量％の褐炭等の低石炭化度炭を６０〜８０℃、相対湿度が０〜７０％に調節した酸素含有率の少ない空気や窒素等の不活性ガスのガス流で含水率が２０質量％になるまで乾燥する乾燥部である。乾燥部２の乾燥室は本実施例では石炭を温めるため後述するコンデンサに接続された６０〜９０℃の温水配管と後述する酸素分離器で分離されたN₂ガスを後述する空気予熱器で加熱されたN₂ガスを乾燥器に注入するガス配管を備えている。乾燥部２の排気中の水分は補給水処理で回収されコンデンサに供給される。２ａは乾燥部２の排気から粉塵等を除去する集塵装置である。３は乾燥部２で乾燥され搬送材で搬送された低石炭化度炭を熱分解、部分ガス化の２段反応で改質し揮発分やタール分等を蒸発脱離させ低石炭化度炭をチャーと灰分および石炭ガスに改質する改質器である。改質器３は、熱分解、部分ガス化と改質を２段反応とすることで、製品チャーの物性を利用要求に適合させることができる。４は改質器３で改質されたチャーと灰分（以下、改質後石炭という）が供給され蒸気タービン用の主蒸気を発生する流動層燃焼炉、５は流動層燃焼炉４の排ガスから灰分を除去するサイクロン、６はサイクロン５で分離された排ガスと後述のＯ2分離器で分離された酸素を熱交換し酸素ガスを予熱する酸素予熱器、７は大気から酸素ガスと窒素ガスを分離する酸素分離器である。酸素分離器７から得られた酸素ガスは、酸素予熱器６で予熱され流動層燃焼炉４の助燃剤として使用される。また、同時に得られた窒素ガスは、加熱されて低石炭化度炭の乾燥に用いられる。８は改質器３で低石炭化度炭を改質する際に流動層燃焼炉の排ガスからなるガス化剤でガス化された揮発成分やタール分を含むガス化ガスから灰分等を分離するサイクロン、９はサイクロン８で灰分が分離されたガス化ガスをゼオライトや、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ等の触媒と接触させて、ＦＴ合成ガスやメタノール合成ガス，アンモニア合成ガス，水素ガス，合成天然ガス等の化学原料を精製する触媒改質装置、１０は燃焼排ガスや触媒改質装置９で副生された炭酸ガスをＣＣＳとして炭酸ガス貯留装置や流動層燃焼炉４の酸素ガス濃度の希釈剤として供給する炭酸ガス管、１１は流動灰燃焼炉４の主蒸気で発電機を回転させる蒸気タービン、１２はコンデンサ、１３は発電機、１４は酸素分離器７で分離された窒素ガスをコンデンサ１２の熱水で加熱する乾燥ガス予熱器である。乾燥ガス予熱器１４で予熱された窒素ガスは乾燥部２に送られ低石炭化度炭を脱水・乾燥する。１５はコンデンサ１２の復水を燃焼炉伝熱水管に供給する為の給水を昇圧する給水ポンプ、１６は給水ポンプ１５からの復水をタービンからの蒸気（抽気）により予熱する給水加熱器、１７はクーリングタワーである。

以上のように構成された石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムについて、以下、各単位操作について説明する。
（１）低石炭化度炭はあらかじめボールミルなどで粗粉砕し、気流による分離、搬送を行い、石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムの乾燥部２に供給する。
（２）乾燥部２では、粒径を０．１μｍ〜５ｍｍに調整した低石炭化度炭の含水率を２０質量％以下まで下げるため、相対湿度が０〜７０％で温度が６５〜１１０℃の乾燥ガスが用いられる。乾燥ガスは蒸気タービン、燃焼炉流動媒体、改質炭製品から回収された廃熱が利用される。
（３）改質器３としては、スラッギング対策を考慮して高温部を制御した燃焼排ガスを熱分解部分ガス化改質剤とする移動床方式を採用するのが好ましい。これにより、反応時間を長くすることができ、タール成分のコーキングなどの障害を防止することができる。また、長炭素鎖を有する成分のクラッキングを促進するとともに、製品石炭ガスの冷却も兼ねることで、生成した石炭ガスの取り扱いを容易化することができる。
改質器としては２段のロータリーキルンを利用することができる。これによって燃焼ガスによる直接加熱、改質と間接加熱が選択できる。改質炭については燃焼ガスにより、６００〜５００℃、入口乾燥炭投入温度を３００〜４００℃に設定できる。
（４）流動層燃焼炉４は、大気から酸素を分離する酸素分離器７で分離された酸素を、触媒改質装置９から副生あるいは分離した炭酸ガスで希釈した助燃剤を用いている。
（５）触媒改質装置９は、鉄あるいはアルカリ成分などの固体改質触媒が用いられる。具体的にはペロブスカイト担持アルカリ土類触媒を用いた固定床等が利用できる。これにより、タール分等の重質成分を軽質成分に分解できる。

低石炭化度炭としては亜瀝青炭，低水分褐炭（リグナイト），高水分褐炭（ブラウンコール）が用いられる。これらの含水量，発熱量を（表１）に示す。

低石炭化度炭の水分には、表面付着水と内部水分（平衡水分という）があり、表面付着水は１００℃以下の乾燥でも除去することができる。
石炭の水分は８０〜１５０℃で乾燥（通常乾燥ともいう）することにより、平衡水分の半分程度まで低下させることができる。しかしながら、１５０℃以下の加熱乾燥では、低石炭化度炭の改質は起こり難い。そこで、乾燥部２は温度が６０〜８０℃で相対湿度が０〜７０％のＮ₂ガスを用いた。
次に、１８０〜３００℃程度で加熱処理すると、フェノール基やカルボキシル基などの親水性の含酸素基が熱分解を起こし易い。加熱によって石炭中の内部水分が除去されるとともに、フェノール基やカルボキシル基などの親水性の含酸素基が分解により、Ｈ2０、ＣＯ2が発生し、疎水性となり、石炭の吸湿性が低下してくる。また石炭中の酸素含有量の低減により、不活性化し、自然発火がある程度抑制される。
更に、３００℃以上に加熱すると、平衡水分が低下し始め、３５０℃以上では著しく減少し、通常乾燥による平衡水分の１／２以下になる。この時には、石炭中のタール分が液状化して石炭の細孔を通して表面ににじみ出してくる。これは、表面の走査型電子顕微鏡写真及び比表面積の測定により石炭の比表面積が著しく減少することからもわかる。例えば、原料炭で比表面積が１．７ｍ2／ｇであったものが４３０℃で加熱処理し、これを急冷したものでは０．１ｍ2／ｇ程度に低下する。
細孔内及び石炭表面の一部に広がったタール分が固化することにより、石炭の比表面積を下げて不活性化し、吸湿性も低下させると共に、自然発火性を低下させると考えられる。更に、４５０℃を超え、５００℃付近に加熱すると、平衡水分は更に低下するが、走査型電子顕微鏡写真及び比表面積の測定から、石炭の表面に多くの亀裂が入り、比表面積も２．４ｍ2／ｇ程度に急増する。
また、５００℃を超えて加熱すると、石炭は亀裂が増え、もろくなり微粉の発生が増加する傾向がある。そこで、改質器３は移動床にすると、移動床の低速加熱により粉化を抑制できる。

一方、含水量６５質量％の高水分褐炭は、乾燥炭１ｋｇ当たり１×６５／（１００−６５）≒１．８６ｋｇの水分を有している。従って、高水分褐炭の場合は煙突から１．８６ｋｇの湿分ロスがあり、湿分ロスは水１ｋｇ当たり６５０ｋｃａｌであるので、乾燥炭１ｋｇ当たり６５０×１．８６＝１２０９ｋｃａｌの湿分ロスとなる。よって、蒸気に転換できる熱量は、乾燥炭１ｋｇ当たり５７２０−１２０９＝４５１１ｋｃａｌとなる。瀝青炭（蒸気に転換できる熱量は５７２０ｋｃａｌ）に対する高水分褐炭の有効利用できる熱量についての比は、４５１１／５７２０≒７９％となる。

表１によれば、高水分褐炭の発電効率は２８％であり、瀝青炭（含水量：５質量％）の３４．５％に比して、２８．０／３４．５≒８１％となり、前述の熱量比とほぼ等しい。即ち、両石炭の熱量比は、湿分ロスの差に等しいことになる。そこで、低石炭化度炭を燃料として発電するに際して、脱水改質により低石炭化度炭の熱量を上げる場合には、熱量の改善を湿分ロス以上に高める、即ち、水分１ｋｇの処理に要する蒸気消費量は、従来の脱水改質方法では、１ｋｇ以上の蒸気消費量を要していた。

そこで、本発明者は、低石炭化度炭の水分を少ない熱エネルギーで蒸発させるとともに、高揮発成分を燃焼ガスのエネルギーで脱離させ燃料ではなく化学製品原料として利用するとともに、高カロリーで高発電効率の石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムを鋭意検討し発明として完成した。

また、そのシステムの運転方法は、低石炭化度炭を粉砕し０．１μｍ〜５ｍｍ程度の粒径に調整する粒径調整工程と、粒径が調整された低石炭化度炭を含水率が２０ｍａｓｓ％以下まで乾燥する乾燥工程と、前記乾燥工程で乾燥された乾燥炭を流動層燃焼炉の排ガスで改質する改質工程と、前記改質工程が改質されたガス化ガスを化学原料へ改質する触媒改質工程と、前記改質工程で改質された改質後石炭（チャーと灰分）を流動層燃焼炉で燃焼し蒸気を発生させる燃焼工程と、前記蒸気で発電する発電工程と、備えている。また、前記改質工程が乾燥炭を熱分解する熱分解工程と、熱分解された乾燥炭をガス化するガス化工程と、を備えることにより達成される。余剰に生産できるチャーは製鉄原料炭素材および輸送可能な固体燃料とすることができる。

次に、本実施の形態の石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムについて、コンピュータシミュレーションで熱収支と物質収支を求めた。
条件として、低炭素化度炭として未加工のヴィクトリア産のブラウンコールを用いた。ブラウンコールの初期水分は６０ｍａｓｓ％、乾燥部２での乾燥によるドライブラウンコールの水分は２０ｍａｓｓ％、燃料比は１．２、発電効率は３０％で行った。
その結果を図２、図３に示す。
図２は実施の形態のおけるヒートバランス図であり、図３は実施の形態におけるマテリアルバランス図である。
この図２、図３から、燃料ブラウンコールの水分を小さくすると発電に利用できる熱エネルギーが大きくなるので、すなわち発電量が大きくなる。さらに、この乾燥エネルギーを発電プロセスで発生する排熱を用いることで効率が大きくなることが分かる。また、ブラウンコール水分を小さくすることで、生成する乾留ガスエンタルピーも大きくなるので、より効率的な乾留操作も実現できる。さらに、CO2循環を採用することで、CO2貯留を指向する場合にも、CO2回収操作が容易である。

本発明は、乾燥させた低石炭化度炭を移動床等の改質器内で移動させながら改質褐炭の流動層燃焼炉（ＦＢＣ）の燃焼熱で熱分解・ガス化を行い、炭化水素ガス、チャーなどを回収すると共に、改質後のチャーを酸素流動層燃焼炉に供給し発電用蒸気を製造することで、熱分解・ガス化に供給する温度をコントロールしたＣＯ2ガスと発電を行う。これにより、発電と石炭化学が融合し熱と電気と化学製品の高度利用を図ることのできる石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システムを提供する。

１ 石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システム
２ 乾燥部
３ 改質器
４ 流動層燃焼炉
５ サイクロン
６ 酸素予熱器
７ 酸素分離器
８ サイクロン
９ 触媒改質装置
１０ 炭酸ガス管
１１ 蒸気タービン
１２ コンデンサ
１３ 発電機
１４ 乾燥ガス予熱器
１５ 給水ポンプ
１６ 給水加熱器
１７ クーリングタワー

Claims (3)

1. 高含水率の低石炭化度炭を乾燥する乾燥部と、前記乾燥部で乾燥された前記低石炭化度炭を改質する改質器と、前記改質器で得られた改質後石炭を燃料とする流動層燃焼炉と、前記流動層燃焼炉の燃焼排ガスを熱分解、ガス化剤として前記改質器へ供給する炉ガス供給管と、前記改質器で改質され前記低石炭化度炭から得られた揮発成分や前記燃焼排ガスを改質する触媒改質装置と、を備えたことを特徴とする石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システム。
2. 前記改質器が乾燥部から供給される低石炭化度炭を移動させながら流動層燃焼炉の燃焼排ガスの上昇流により３００°〜６００℃の熱分解温度で低石炭化度炭を分解する熱分解部と、前記熱分解部で生成した低石炭化度炭チャーを６００〜８００℃で固定炭素をＣＯとＨ2に一部分解するガス化部と、を有することを特徴とする請求項1に記載の石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システム。
3. 前記流動層燃焼炉の助燃剤の酸素の希釈剤として供給される炭酸ガスが、前記触媒改質装置から排出され、分離された炭酸ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の石炭をチャー・原料ガス製造と発電に利用する複合システム。
   

Images