JPH07233384A - 熱改質炭、その製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多孔質炭を低コストで且つ廃水処理負荷の少
ない方法で脱水及び熱改質する。 【構成】 含水率が１０％以下であり、細孔内には油分
を含有し、且つ脱炭酸・脱水反応により多孔質性が低減
し熱改質炭が提供される。その製造に際しては、多孔質
炭と油分を混合してスラリーを作り、このスラリーを加
熱してまず油中脱水を行いつつ多孔質炭の細孔内に油分
を吸着させる。次いでこれを加熱して熱改質し、最後に
固液分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は酸素含有率の高い多孔質
炭を熱改質する技術に関し、詳細には、水分量が多いと
いう理由によって経済価値が低いとされている低品位多
孔質炭を、効率良く脱水すると共に細孔内に油分を吸着
させて自然発火の危険をなくし、且つ原料炭中のカルボ
キシル基や水酸基等を構成する酸素含有基を分解、脱離
する様な脱炭酸、脱水反応も行なって多孔質性を低減さ
せる様に熱改質する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多孔質炭はその多孔質性によって多くの
水分、例えば３０〜７０重量％もの水分を含有する傾向
がある。この様な高い含水量を有する多孔質炭は、例え
ばこれを工業地帯に輸送して利用しようとしても、水分
を輸送しているに等しいという面もあって輸送コストが
割高となり、山元近くで利用する他ないというのが実情
である。この様な高水分含有多孔質炭の代表例としては
褐炭が挙げられる。

【０００３】褐炭には低灰分・低硫黄という好ましい性
質を有しているものもあるが、その多孔質性の故に含水
量が高くなる傾向にあり、例えば水分量が３０重量％を
超えるものになると輸送コストが非常に割高となり、そ
の上含水量が多く且つ乾燥状態における酸素含有率が高
い分だけカロリーが低くなるので、上記好適性質にもか
かわらず低品位炭との評価が下されている。また褐炭の
他に亜炭や亜瀝青炭等も同様の問題があり、以下褐炭の
場合を代表例として説明するが本発明の適用対象は亜炭
や亜瀝青炭等の全多孔質炭に及ぶものである。また褐炭
としては、ビクトリア炭、ノースダコタ炭、ベルガ炭等
が存在するが、多孔質で高い含水量を有するものであれ
ば、産地を問わずいずれも本発明の対象となる。

【０００４】ところでエネルギー資源の枯渇化という背
景の下で褐炭の有効利用技術が探索されており、そのひ
とつとして褐炭の熱改質技術が知られている。この技術
は脱炭酸反応・脱水反応の進行により細孔を収縮させて
脱水するものである為、自然発火性をなくすことができ
るという利点はあるが、多量の水分を含む生褐炭を対象
とする加熱処理であるため高圧操作が必要である。また
熱分解を伴う脱水によって排出されてくる廃水中には多
くの有機成分が含まれ、廃水処理負荷が増大するという
欠点がある。そのため多孔質炭を熱改質して利用するこ
とについては、現在のところ実用化技術として未熟と言
わなければならない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の様な事
情に着目してなされたものであって、主たる目的は、脱
水及び熱改質を夫々効率的に行なうことができる様な工
夫を加えることによって、エネルギー消費、装置負荷、
廃水処理負荷等を夫々少なく抑えると共に、低圧熱改質
によって優れた熱改質炭を製造することのできる発明を
提供しようとするものである。またその他の目的として
は、熱効率、脱水効果、設備面等において従来技術で述
べた様な欠点を伴わずに熱改質炭を製造することのでき
る方法および装置を提供することが挙げられる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によって提供され
る熱改質炭とは、含水率が１０％以下であると共に細孔
内に油分を含浸吸着したものであり、且つ脱炭酸、脱水
反応により、カルボキシル基や水酸基等を分解し、酸素
含有量を低下させたものである。本発明においては前記
細孔内に、油分が吸着含有される結果、自然発火性のお
さえられた熱改質炭が提供される。しかも脱炭酸・脱水
反応の進行によって細孔容積を著しく減少させているの
で油分の吸着量は不必要に過大となることがなく、経済
性においても十分満足できるものである。該熱改質炭の
含有する油分量は対無水炭重量比で０．５〜３０％、好
ましくは２〜１５％であることが望まれ、且つその油分
はできるだけ重質油分の比率の高いもので構成されたも
のであることが望ましい。上記の様な熱改質炭を製造す
る方法としては、油分と多孔質炭を混合して原料スラリ
ーを得、この原料スラリーを加熱して該多孔質炭の油中
脱水を進めると共に、該多孔質炭の細孔内に油分を含有
せしめた後、ここに得られた処理済みスラリーを更に昇
熱して熱改質し、次いで固液分離により熱改質炭を分離
することを要旨とするものである。固液分離は、沈降、
遠心分離、濾過、圧搾の少なくとも１つ以上からなる方
法で構成される。そして処理済みスラリーを固液分離し
た後の油分を、原料スラリー形成の為の媒体として循環
使用することも本発明に含まれ、また原料スラリーの加
熱により発生した水蒸気を回収し、昇圧し原料スラリー
の加熱源に用いることも本発明に含まれる。尚原料スラ
リー形成用の油として、無水炭重量に対して０．５〜２
０％の重質油分を含み且つ沸点が１００℃以上の石油系
油を用いる方法、更には油分と多孔質炭を、油分／無水
炭重量比が１〜２０となる様に混合してスラリーを作
り、該スラリーを１００〜２５０℃で加熱脱水し、更に
昇熱して２００〜３５０℃に加熱して熱改質する方法は
最も好ましい方法として推奨される。

【０００７】上記の様な熱改質炭を製造する装置として
は、油分と多孔質炭を混合して原料スラリーを作る混合
槽と、該原料スラリーを予熱する予熱器と、該予熱され
た原料スラリーを加熱して水蒸気を除去する蒸発器と、
該水蒸気の除去された処理済みスラリーを加熱する熱改
質器と、熱改質された多孔質炭を油分から分離する固液
分離器を含む製造装置が提供される。固液分離器として
は、沈降槽、遠心分離機、濾過機、圧搾機のうち少なく
とも１つ以上を組合せて構成すれば良い。該装置は、更
に固液分離された後の熱改質炭を乾燥する乾燥器を備え
たものであっても良い。

【０００８】

【作用】本発明は、脱水と熱改質を分けて行なう様にし
た点に第１の特徴がある。まず脱水を油中で行なうこと
により、脱水と共に細孔内へ油分を効率良く含浸吸着さ
せることが可能となり、次にこの脱水炭を対象として熱
改質を行うものであるから、過剰の水分の存在の為に熱
改質操作中の操作系の圧力を異常に高めるという問題が
なくなり、全体として低圧での熱改質が可能である。こ
の熱改質によって多孔質炭中に存在する例えばカルボキ
シル基や水酸基等が脱炭酸、脱水反応により除去され
る。これにより細孔容積を著しく減少させることができ
るから、油中脱水によって含浸吸着されていた油分を回
収することができると共にその後の固液分離性が向上す
る。従って吸着油分量の増大によるコスト高が抑制され
る。本発明で用いる油分は、油中での脱炭酸に不都合を
来さない限り如何なるものでも使用可能であるが、前述
の如く熱改質に先だって油中脱水することが有利であ
り、この油中脱水によって多孔質炭の細孔内に油分を含
浸・吸着させて多孔質炭の自然発火性を失わせることに
鑑み、以下述べる様な油分を使用することを推奨する。 （イ）沸点が水より高い油 （ロ）沸点が水より高く、重質油分を含む油、あるいは
重質油分を加えた油

【０００９】ここで重質油分としては、多孔質炭の細孔
内に選択的吸着によって多孔質炭中に残り、多孔質炭を
安定炭とするものであり、具体的には、石油アスファル
ト、天然アスファルト、石炭系重質油またはこれらを多
く含む油が挙げられる。前記（ロ）における重質油分を
含む油としては、石油系の重油、精製未済で重質油
分を含む石油系の軽油留分、灯油留分、潤滑油成分、
コールタール、溶剤あるいは洗浄剤として用いたた
め、重質油分の不純物を含んでしまった軽油や灯油、
繰り返し使用したことによって劣化した留分を含んでし
まった熱媒油等が挙げられる。同じく前記（ロ）におけ
る重質油分を加えた油としては、石油系の軽油、灯
油、潤滑油に、石油アスファルト、天然アスファルト、
石炭系重質油、石油系若しくは石炭系の蒸留残渣、また
はそれらを多く含む油を添加したものが挙げられる。尚
油分としては、石油系、石炭系を問わないが、石油系油
は、下記の理由 親水性油分を含まないので油中脱水後の分離廃水中の
油分が少なく、従って廃水処理が容易である点、及び 多孔質炭に対する親和性が少なく従って油中脱水後の
固液分離が容易である点等から、特に有利である。

【００１０】ところで多孔質炭の自然発火性は、乾燥に
よって多孔質炭の細孔内に存在していた水分が除去され
たときに、該細孔内表層部が外気に触れて、空気中の酸
素ガスが細孔内に侵入して吸着され、酸化反応が起こっ
て昇温発火に至ることによるものと考えられる。従って
本発明で採用される油中脱水の如く、前記油分と多孔質
炭を混合してスラリー状態とし、これを例えば１００〜
２５０℃に加熱するという条件の下では、該加熱によっ
て細孔内水分が気化蒸発した後の空席部に前記油分が入
れ替わる様に順次着席付着され、また若干の水蒸気が残
存してもこれが冷却過程で凝縮するときに負圧が形成さ
れて油分が細孔内に吸引されていくので、細孔内表層部
は油分によって次々被覆され、遂には細孔開口部のほぼ
全域が油分によって充満しつくされ、結局細孔内表層部
が外気から遮断されることによって自然発火性を失わせ
ることが可能となる。尚その後に行われる熱改質ステッ
プによってカルボキシル基等が除去されると、これによ
って細孔が収縮し、細孔容積が著しく減少するため自然
発火性が一層少なくなると共に、前記吸着あるいは吸収
油分の一部がスラリー中に回収され、且つ固液分離性が
良くなって油分の回収量が増大するから、新規で優れた
熱改質炭が安価に提供されることとなったのである。

【００１１】この様に本発明で得られる熱改質炭は、熱
改質に先だって行われた油中脱水によって、自然発火の
起点となる細孔が油分によって封印され、且つ脱炭酸・
脱水反応によって多孔質性は大幅に低減している。

【００１２】本発明の油中脱水及び熱改質を行うに当た
って、油分と多孔質炭の好適な混合比率は、形成された
スラリーのポンプ輸送性及び熱交換に不都合の無い流動
性を保持するという観点から下限が定まる。また上限は
スラリー総量の増加による経済性の低下の許容限度によ
って定まり、具体的には、油分／無水炭重量比で１〜２
０の範囲の中から設定すれば良い。油中脱水工程におけ
る目標の脱水率は、次の熱改質工程における操作圧力の
増大を避けるという主旨からできるかぎり高く設定する
ことが望まれ、例えば９０％以上の脱水率を達成するこ
とが望まれる。そして油中脱水工程の操作温度は、前記
の様な油中脱水率を達成するという観点から、１００℃
以上で多孔質炭の熱安定温度以下であることが推奨さ
れ、具体的には１００〜２５０℃、好ましくは１２０〜
２００℃が望まれる。

【００１３】油中脱水が終了した後の処理済みスラリー
は後記実施例に示す様にそのまま下流の熱改質プロセス
に移送しても良いが、必要であれば適当な手段によって
固液分離を行い、分離された油分を原料スラリー形成工
程に循環させ、一方脱水炭のみを熱改質プロセスに移送
し、熱改質専用の循環油に混合して熱改質プロセス用の
独自のスラリーを形成しても良い。後者の様な方式を採
ると、プロセスの複雑さは増すが、油中脱水系の循環油
中の親水性成分が少なくなって廃水処理の負担が軽くな
るという利点が発揮される。

【００１４】熱改質プロセスは、前述のごとく脱水され
た処理済みスラリーのまま、あるいは一旦固液分離した
後専用循環油と混合してスラリー化した後加熱して行
う。熱改質温度は一般に油中脱水の為の操作温度より高
めで、多孔質炭の熱分解温度より低めの温度が良く、具
体的には２００〜３５０℃が推奨される。熱改質工程で
は水分が少なくなっているので操作圧は低くても良く、
１〜１０気圧が勧められる。こうして熱改質を行うこと
により、多孔質炭の化学構造からカルボキシル基や水酸
基等の除去が起こると共に、細孔の収縮が起こり多孔質
性が低減する。その結果油との分離性が向上し、また単
位重量当りの発熱量が上がり、他方では自然発火性も弱
くなって、取扱い性や輸送性の優れた熱改質炭が得られ
る。

【００１５】図１は本発明に係る熱改質炭の製造プロセ
スを、物質収支の一例と共に示す概念図であって、原料
炭２８０部（無水炭１００部と水分１８０部、故に含水
率６４重量％）と、油分３００部（循環油２９０部と新
規油分１０部の合計）が、図示しない混合部及び予熱部
を経由してスラリー脱水部Ａに供給される。ここで１４
０℃、４気圧の条件下に油中脱水処理が行なわれ、低有
機質汚染廃水１７０部が蒸発分離される。一方処理済み
スラリー（無水炭１００部、水分１０部及び油分３００
部）が油中熱改質部Ｂに供給され、２５０℃、３気圧の
条件下に熱改質が行なわれる。熱改質の終わったスラリ
ーは固液分離部Ｃに供給され、循環油（２９０部）、廃
ガス（炭酸ガス３．５部、有機質汚染廃水蒸気１０部）
が分離され、熱改質炭（無水炭９１．５部、水分５部、
油分１０部）が製品として回収される。

【００１６】

【実施例】次に本発明の熱改質炭の製造装置の概要を図
面に基づいて説明する。図２においてＡはスラリー脱水
部、Ｂは熱改質部、Ｃは固液分離部であり、必要であれ
ばその下流に最終乾燥部を設けることもできる。以下
Ａ，Ｂ，Ｃの各部を順次説明する。

【００１７】まずＡ部（スラリー脱水設備）は混合槽
１，蒸発器７を主装置とし、原料となる粉砕多孔質炭Ｒ
Ｃと原料油ＲＯが混合槽１に装入されて撹拌を受けスラ
リーが形成される。尚図では、固液分離部Ｃで分離され
た油分が循環油として使用できる様になっているので、
本設備の運転開始時は相当多量の原料油ＲＯを装入する
必要があるが、連続運転が行なわれる様になれば、原料
油ＲＯの装入量は製品改質炭ＰＣによる持出し量を補給
するだけで十分である。またスラリー形成用混合油（Ｒ
Ｏ＋ＲＹＯ）中の重質油分は、選択的に多孔質炭ＲＣの
細孔内に吸着し、製品炭ＰＣと共に持ち出される為、原
料油ＲＯは循環油（ＲＹＯ）より重質の油でよい。

【００１８】混合槽１で十分な撹拌混合を受けて形成さ
れた原料スラリーは、ポンプ２，予熱器３，４を経て蒸
発器７に入り、ここで１００〜２５０℃に加熱されて油
中脱水が行なわれると共に、油分が多孔質炭の細孔内に
侵入吸着される。例えば含水率６５重量％の生褐炭を用
い且つ対無水褐炭重量にして３倍量の重質油分含有油を
用いて行なった実施例によれば、上記油中脱水によって
含水率を６．５重量％以下まで低下させることができ
た。

【００１９】こうして油分を吸着した脱水多孔質炭スラ
リーは、気液分離器５に移送され水蒸気を分離した後、
気液分離器５の底部からポンプ６によって抜き出され、
移送ラインの途中から一部分岐させ、蒸発器７を通して
昇温された後、気液分離器５に返送する。一方蒸発器７
で発生し気液分離器５で分離した水蒸気は、圧縮器８に
通して昇圧した後、その高カロリー熱エネルギーによっ
て蒸発器７にてスラリーを加熱し油中脱水を行なう。こ
の高圧気相分は引続き予熱器３に移送して原料スラリー
の予熱源として利用した後、油水分離器９にて油水分離
した水は廃棄される。この油水分離にて回収した油はそ
れほどの多量ではないが、混合槽１に戻して再利用され
る。

【００２０】ポンプ６によって抜き出されたスラリーの
大部分は、熱改質部Ｂの熱改質器１０方向に送られる。
ここで脱炭酸・脱水反応により熱改質されたスラリーは
気液分離器１１に送られ、脱炭酸・脱水反応によって生
成した炭酸ガス等の廃ガスを放出した後、固液分離部Ｃ
に移送される。ここでは、まず遠心分離器１３による濃
縮、更にスクリュープレス１４による圧搾が行なわれる
が、スラリー中の多孔質炭は熱改質によって多孔質性が
減少しているので、固液分離性が非常に良いという利点
があり、特別の場合以外はそれ以上の最終乾燥工程に付
さなくとも、付着性の少ない熱改質炭として回収され
る。固液分離によって得られた油分は循環油としてＡ部
に返送される。

【００２１】

【発明の効果】本発明は上記の様に構成されているの
で、設備コスト及びエネルギー消費量の負担増を低く抑
えつつ効果的な油中脱水と熱改質が行なわれる。その結
果油中脱水によって油分が細孔へ十分に浸透吸着され、
且つ脱炭酸・脱水反応によって多孔質性が減少した熱改
質炭が得られる。本発明では油中脱水を済ませてから熱
改質が行われるので、熱改質工程の操作圧を低く抑える
ことができ、しかも熱改質工程で大量の高濃度有機汚染
水を出すことも無い。また多孔質性が減少していること
により固液分離性は非常に良くなっており、油の回収も
容易になり、低コスト化に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例を示すプロセスフローと物質収支
を示す図。

【図２】本発明実施例における製造装置の概要を示す
図。

【符号の説明】

Ａ スラリー脱水部 Ｂ 熱改質部 Ｃ 固液分離部 １ 混合槽 ２ ポンプ ３ 予熱器 ４ 予熱器 ５ 気液分離器 ６ ポンプ ７ 蒸発器 ８ 圧縮機 ９ 油水分離器 １０ 熱改質器 １１ 気液分離器 １２ ポンプ １３ 遠心分離器 １４ スクリュープレス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大隈 修 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 含水率が１０％以下であると共に細孔内
   に油分を含浸吸着し且つ原料炭中の酸素を脱炭酸、脱水
   反応により分解、脱離したものであることを特徴とする
   熱改質炭。
2. 【請求項２】 油分の含有量が対無水炭重量比で０．５
   〜３０％である請求項１に記載の熱改質炭。
3. 【請求項３】 油分が重質油分と溶媒油分を含む混合油
   で構成されたものである請求項１または２に記載の熱改
   質炭。
4. 【請求項４】 油分と多孔質炭を混合して原料スラリー
   を得、この原料スラリーを加熱して該多孔質炭中の水分
   を除去すると共に、該多孔質炭の細孔内に油分を含有せ
   しめた後、該処理済みスラリーを更に加熱して熱改質
   し、次いで固液分離により熱改質炭を分離することを特
   徴とする熱改質炭の製造方法。
5. 【請求項５】 沈降、遠心分離、濾過、圧搾のうち少な
   くとも１つ以上からなる方法で固液分離する請求項４に
   記載の熱改質炭の製造方法。
6. 【請求項６】 固液分離した後の油分を、原料スラリー
   形成の為の媒体として循環使用する請求項４または５に
   記載の熱改質炭の製造方法。
7. 【請求項７】 原料スラリーの加熱により発生した水蒸
   気を回収し、昇圧し原料スラリーの加熱源に用いる請求
   項４〜６のいずれかに記載の熱改質炭の製造方法。
8. 【請求項８】 原料スラリー形成用の油として、無水炭
   重量に対して０．５〜２０％の重質油分を含み且つ沸点
   が１００℃以上の石油系油を用いる請求項４〜７のいず
   れかに記載の熱改質炭の製造方法。
9. 【請求項９】 油分と多孔質炭を、油分／無水炭重量比
   が１〜２０となる様に混合して原料スラリーを作り、該
   原料スラリーを１００〜２５０℃で加熱脱水し、更に昇
   熱して２００〜３５０℃に加熱することにより熱改質す
   る請求項４〜８のいずれかに記載の熱改質炭の製造方
   法。
10. 【請求項１０】 油分と多孔質炭を混合して原料スラリ
    ーを作る混合槽と、該原料スラリーを予熱する予熱器
    と、該予熱された原料スラリーを加熱して水蒸気を除去
    する蒸発器と、該水蒸気の除去された処理済みスラリー
    を加熱する熱改質器と、熱改質炭を油分から分離する固
    液分離器を含むことを特徴とする熱改質炭の製造装置。
11. 【請求項１１】 固液分離器が、沈降槽、遠心分離機、
    濾過機、圧搾機のうち少なくとも１つ以上から構成され
    ているものである請求項１０に記載の製造装置。
12. 【請求項１２】 固液分離された後の熱改質炭を乾燥す
    る乾燥器を備えたものである請求項１０または１１に記
    載の製造装置。