JP2002506469A - 熱により選鉱された炭素質材料の安定化 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱により選鉱された炭素質材料を安定化させる方法が開示されている。この方法は充填量の炭素質材料を高温で処理容器に供給して充填床を形成する工程および炭素質材料を間接的熱交換により目標温度に冷却する工程から含む。この方法は、炭素質材料が目標温度に達する前に、充填床に酸素含有ガスを供給して炭素質材料を安定化させるのに必要な程度まで部分的に酸化させることを特徴とする。この方法はまた熱の暴走を避けるために酸化の間に炭素質材料の温度を制御するために炭素質材料の酸化により生じる熱を充填床から除去することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 熱により選鉱された炭素質材料の安定化 本発明は例えば石炭などの熱で選鉱（beneficiated）された炭素質材料の安定 化に関するものである。 本発明は特に石炭から水分を除去することにより石炭のＢＴＵ値を増加させる ために高温および高圧を含む条件下で熱により選鉱された例えば低い等級の石炭 などの石炭を安定化させることに関するものであるが、決してそれだけに限定さ れるものではない。 多くの石炭は山積みにして貯蔵した場合に自然発火することが知られている。 自然発火は、（ｉ）石炭の酸化により高温箇所を生じ、それが石炭床に熱い空気 の対流を引き起こすことによりおよび（ｉｉ）逆に熱い空気の対流がさらに酸化 のための酸素を提供することにより引き起こされる。 床の透過性を減少させるために貯蔵炭をぎっしり詰め込み、酸素に対する接触 を最低限に抑えるために貯蔵炭を閉じ込めることが石炭に酸素を与えないと同時 にそれによって自然発火を防げる２つの手段である。しかし、石炭をぎっしり詰 め込んだり、閉じ込めたりすることは実施できる解決法または完全な解決法では ない場合が多い。 また、熱により選鉱された石炭は自然発火し易いことが知られている。特に、 自然発火の可能性は、石炭を山積みに貯蔵する前に、熱により選鉱する方法で得 られた高温の脱水石炭を冷却することに関連して重要な問題である。 熱により選鉱された石炭を安定化するために多数の公知の提案がなされており 、例えば、オーストラリア特許出願５６１０３／９５に記載されているウエスタ ーン・シンコール・カンパニの提案およびそのシンコール社のオーストラリア特 許出願の５‐８頁に言及された先行技術の特許の提案などが挙げられる。 本発明の目的は上記段落で言及された先行技術に匹敵する熱により選鉱された 石炭を安定化させるための改良された方法および装置を提供することである。 本発明により提供される、熱により選鉱された炭素質材料を安定化させる方法 は下記の工程から成る： （ａ）炭素質材料の充填量を、ここに記載されるように、高温で処理容器に供給 し、充填床を形成する工程； （ｂ）間接的熱交換により充填床の炭素質材料を高温から目標の温度まで冷却す る工程； （ｃ）炭素質材料が目標温度に達する前に、酸素含有ガスを充填床に供給し、炭 素質材料を安定化させるために必要な程度まで炭素質材料を部分的に酸化させる 工程；および （ｄ）炭素質材料の酸化により発生する充填床からの熱を除去し、酸化中の炭素 質材料の温度を制御して熱の暴走を避ける工程。 “熱の暴走”という用語は、一般的な言葉でいうと、炭素質材料の酸化により 熱が発生し、その熱が炭素質材料の酸化速度を高め、工程の制御を失わせる結果 を導くことにより温度が急に制御できないほど上昇することと理解される。 本出願人は酸化速度に関する実験研究において、またその実験データに基づく 貯蔵炭のコンピュータによる流体動力学モデル構成を使って、一定の粒度分布の 熱により選鉱された石炭について、 （ｉ）石炭の酸化の程度； （ｉｉ）石炭の山積み温度； は、固い圧縮または閉じ込めを受けなかった山積みの石炭の自然発火に最も有意 な衝撃を与える２つの変数であることを発見した。 説明すると、添付図面の図１は熱により選鉱された石炭を山積みにするための 安定な条件を指示する出願により作成された温度と酸化（添加された酸素重量％ により表されている）に関する実験により誘導されたグラフの１例である。 図１の一定の型の図から分かるように、非常に高レベルの酸化が使用されない 場合、石炭の山積みの安定性を提供するのに酸化だけでは充分でない。もし冷却 が行われないなら、必要とされる高いレベルの酸化は商業上はその製品を魅力的 なものとしないので、実際には選択の自由もない。 図１は、安全に山積みできる商業上魅力的な製品を製造するという観点から、 熱により選鉱された石炭を相対的に低い山積み温度、すなわち目標温度まで冷却 する必要があることを示している。 本発明の方法に関して、炭素質材料が石炭である場合には、酸化の量は充填床 の石炭の合計重量に対する百分率で充填床に供給された酸素の重量として測定さ れ、０．２‐５重量％の範囲内であり、目標温度は５０℃未満であるのが好まし い。 酸化の量が０．５‐３重量％の範囲であり、目標温度が３５℃未満であるのが 特に好ましい。 出願人は、また実験／設計／モデル構成研究において、充填床を循環する作業 流体と充填床に熱伝達表面を有する冷却剤回路との組合せは、炭素質材料の酸化 により得られた充填床からの熱を除去する効果的な手段であることを発見した。 このような熱の除去は熱の暴走を避けるために炭素質材料の温度を制御するた めに重要な考察である。熱を除去するメカニズムは、炭素質材料から作業流体へ 熱を伝達し、次に作業流体から内部の熱伝達表面へ熱を伝達することによる。 出願人は、実験／設計／モデル構成の研究において、特に適当な内部熱伝達表 面は出願人の国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９８／００００５、ＰＣＴ／ＡＵ９８／００ １４２、およびＰＣＴ／ＡＵ９８／００３２４に開示されている熱交換板である ことを発見し、これらの国際出願の全開示内容はここに相互参照により取り入れ られる。 上記の循環する作業流体と内部熱伝達表面を備えた冷却剤回路との組合せは重 要であり、充填床の寸法を実質的に増大できると同時に公知の先行技術の提案、 例えばシンコール社のオーストラリア特許出願に開示されたものなどと比較した 場合に高い生産性を維持し、それによって資本および操作費用を、著しく減少さ せる。 作業流体は気体であることが好ましい。 作業気体として使用される気体類としては、窒素、水蒸気、ＳＯ₂、ＣＯ₂、炭 化水素、希ガス、冷却剤、およびその混合物が挙げられる。 作業流体は充填床と反応しないのが好ましい。 本発明の方法は、充填床に酸素含有ガスを供給せずに炭素質材料を高温から炭 素質材料の好ましい酸化温度まで冷却する工程、および好ましい酸化温度が達成 された場合、酸素含有ガスを充填床に供給し、その炭素質材料を部分的に酸化す る工程を含むことが好ましい。 “炭素質材料の好ましい酸化温度”という用語により説明される温度は充填床 における粒子の質量荷重平均温度を意味する、と理解される。 炭素質材料の好ましい酸化温度は、その炭素質材料が酸素含有ガス中で一定の 酸素部分圧で安定な生成物を産出するが、熱伝達条件は放出された熱が熱の暴走 を引き起こさないような熱伝達条件で素早く酸化できる温度であるのが好ましい 。 循環する作業流体と内部熱伝達表面を有する冷却剤回路との組合せが炭素質材 料の酸化により充填床から発生する熱を除去する手段として使用される場合には 、その方法は好ましい酸化温度に比べて熱転写表面の温度を制御して床上の勾配 を小さく維持すると同時に熱の伝達速度を高く維持することから成るのが好まし い。好ましくは、温度差は４０℃未満であり、さらに好ましくは３０℃未満であ る。 循環する作業流体と内部熱伝達表面を有する冷却剤回路が炭素質材料の酸化に より充填床から発生する熱を除去する手段として使用される場合に、本発明の方 法は、作業流体の温度が内部熱伝達表面の壁温度より高くなり、炭素質材料の粒 子の温度より低くなるように制御することにより粒子の冷却が維持されることか ら成ることが好ましい。なお、冷却はまた圧力の操作でも改良される。 炭素質材料が熱により選鉱された石炭である場合、好ましい酸化温度は８０‐ １５０℃の範囲内であることが好ましい。 好ましい酸化温度は１００‐１５０℃の範囲内であることが特に好ましい。 好ましい酸化温度は１００‐１２０℃の範囲であることがさらに特に好ましい 。 本発明の方法は、酸素含有ガスを充填床に供給する工程の間に炭素質材料の温 度を好ましい酸化温度または好ましい酸化温度を含む温度範囲内に維持する工程 を包含することが特に好ましい。 本発明の方法は、酸化工程が完了した後で、炭素質材料を目標温度に冷却する 工程を包含することが好ましい。 目標温度が５０℃未満であることが好ましい。 本発明の方法がさらに炭素質材料の冷却および酸化の前またはその間に充填床 に圧力を加えることを包含することが好ましい。 本発明の方法が充填床に外部から供給されたガスで２０バール未満および典型 的には１０バール未満の圧力に加圧する工程を包含することが特に好ましい。 炭素質材料の粒径は、形成された充填床が十分な透過性を有し、作業流体が適 度の圧力降下で移動できるように選択されることが好ましい。 本発明によると、前述のように本発明の方法に従って熱で選鉱された炭素質材 料を安定化させる装置が提供される。 本発明は本発明の方法および装置の好ましい実施態様を示す略図である図２を 参照して実施例によりさらに説明される。 下記の説明は熱により選鉱された石炭を安定化させることに関するものである 。なお、本発明はこの出願に限定されず、適当な熱により選鉱された炭素質材料 のどんなものでも安定化させることにその範囲を拡げる。 図２を参照すると、その装置は圧力容器３を備えており、これは熱選鉱処理容 器（図に示されていない）から高温で、典型的には４００℃で圧力容器３に放出 および供給された熱選鉱石炭の充填床を安定化させるように調節される。 この圧力容器３は熱交換板５の内部組立体を含む適当な外形をしていてよい。 適当な圧力容器の一例は出願人の国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９８／００００５、ＰＣ Ｔ／ＡＵ９８／００１４２、およびＰＣＴ／ＡＵ９８／００３２４に開示されて いる圧力容器であり、これには逆円錐形入口、円筒形本体、円錐形出口、および 本体に垂直に配置された平行な熱伝達板と円錐形出口との組立体を備えている。 熱交換板５は冷却剤回路の一部を形成し、その冷却剤回路は閉じられた回路に おいて板５の中を‐２０℃から１４０℃までの操作に適した少量の冷却剤を循環 させる。 冷却剤回路はまた熱交換装置の管の列９を備えた冷却塔７、熱交換装置管列９ を通過する上向空気流を含む変速ファン１１、および熱交換装置管列９上に水を 噴霧するためのノズル２３と、塔の底部の貯水器からノズル２３まで水をくみ上 げるポンプ１５を含む蒸発システムを備えている。なお、寒い季節には蒸発シス テムは必要とされない。 冷却剤回路はまた熱交換装置１３において熱交換することにより冷却塔９から の冷却剤をさらに冷却するために冷蔵室６１を備えている。 冷却剤回路はまた冷却剤回路における圧力の変動に適応するために膨張室２１ を備えている。 その装置は、さらに一般に番号１７が付けられていて、板５の中を流れる冷却 剤と充填床の石炭との間に圧力を加えそして熱交換を増大させるために、作業流 体、典型的には窒素などのガスを処理容器３の充填床に供給してからその後で循 環させるためのシステムを備えている。作業流体システム１７は処理容器３の底 部に作業流体の入口１９、処理容器３の上部壁に出口２５、入口／出口１９／２ ５を連結する配管２９および作業流体を充填床と配管２９に作業流体を循環させ るファン２７を備えている。作業流体システム１７は出願人の国際出願ＰＣＴ/ ＡＵ９８／００１４２に詳細に記載されている。 本発明の装置はさらに酸素含有ガスを充填床３に供給して熱選鉱石炭を酸化す る手段を備えている。図２に示される実施態様では、酸素含有ガスは作業流体入 口１９に供給される。 図２に示される装置を使用する場合に、高温の熱選鉱石炭の充填（典型的には 、３００℃以上の温度）が処理容器３に供給されて充填床を形成し、次に固体入 口出口弁（図示せず）が閉鎖され、作業流体は入口１９を経て供給され充填床を 満たし、作業流体ファン２７は回転され、作業流体を充填床に循環させる。 本発明方法の好ましい実施態様において、冷却剤回路ポンプは連続的に稼働す るが、この作業の最初の段階では、冷却塔ファン１１と水汲み上げポンプ１５は スイッチが切られている。 これらの状況下で、冷却剤の圧力と温度は上昇し、冷却剤回路の膨張と圧力は 膨張室２１により制御される。 冷却剤温度が１２０℃に達すると、それは充填床の石炭の質量荷重平均温度が 約１４０℃であることを示し、冷却塔送風ファン１１はスイッチを入れられ、そ の速度は冷却剤温度を１２０℃に維持するように変えられる。 その後で、酸素含有ガスが充填床に供給され、そのシステムは十分な酸素が充 填床に加えられて必要なレベルの石炭酸化が完了するまで一定の温度に保持され る。 上記に示されるように、この酸化工程の間に、熱の暴走を避けるためには、充 填床から石炭の酸化により生じた熱を除去することが重要であり、出願人は閉じ られた回路において熱交換板５の中を循環する冷却剤と共に作動する該板５と充 填床の循環作業流体の組合せがこの目的を達成するために充填床に必要な温度制 御を提供する効果的な手段であることを発見した。 また、出願人は熱交換板５の壁の温度が充填床の温度の勾配を小さく維持する ためにその充填床の温度に近い温度に維持されることが重要であることを発見し た。小さな温度勾配は冷却の局部的変動を減少させ、従って充填床の酸化を減少 させるために望ましい。 酸化含有ガスの添加の完了時に、冷却塔ファンは最高速度に変わり、水吸い上 げポンプ１５が起動され、石炭を含めて充填床の温度を目標温度、典型的には５ ０℃未満にする。 必要なら、冷蔵回路６１を作動させ、冷却剤温度を低下させて、さらに低温の 生成物を短時間に生成する。 充填床が目標の温度に達すると、充填床は通気口６２から排気され、冷却され 、安定化され、熱により選鉱された石炭が処理容器３から排出されて、貯積みさ れる。 図２に関して上記説明された本発明の方法および装置の好ましい実施態様に対 して本発明の精神および範囲を逸脱することなく多くの変更がなされる。 実例を挙げると、好ましい実施態様は処理容器３の底部にある作業流体入口１ ９を経て酸素含有ガスを充填床に供給する工程を包含するが、本発明はこの配置 に限定されないことは容易に理解できることであり、酸素含有ガスを充填床の適 当な位置で導入することは本発明の範囲内である。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）炭素質材料の充填量を高温で処理容器に供給し、充填床を形成する工 程と； （ｂ）間接的熱交換により充填床の炭素質材料を高温から目標の温度まで冷 却する工程と； （ｃ）炭素質材料が目標温度に達する前に、酸素含有ガスを充填床に供給し 、炭素質材料を安定化させるために必要な程度まで炭素質材料を部分的に酸化 させる工程と； （ｄ）炭素質材料の酸化により発生する充填床からの熱を除去し、酸化中の 炭素質材料の温度を制御して熱の暴走を避ける工程 とを備えた熱により選鉱される炭素質材料を安定化させる方法。 ２．前記工程（ｃ）における酸化の必要程度は充填床に供給された酸素の重量と して測定され、充填床の石炭の全重量の百分率として０．２‐５重量％の範囲 内である請求項１記載の方法。 ３．前記目標温度が５０℃未満である請求項２記載の方法。 ４．前記酸化の必要程度が０．５‐３重量％である請求項２記載の方法。 ５．前記目標温度が３５℃未満である請求項４記載の方法。 ６．前記充填床および充填床に熱伝達表面を有する冷却剤回路に作業流体を循環 させることにより工程（ｄ）において充填床から熱を除去する工程を有する前 記請求項のいずれか１に記載の方法。 ７．作業流体がガスである請求項６記載の方法。 ８．前記工程（ｂ）が、充填床に酸素含有ガスを供給することなく炭素質材料を 高温から炭素質材料の好ましい酸化温度に冷却する最初の工程を有する請求項 ７記載の方法。 ９．工程（ｃ）が酸素含有ガスを充填床に供給し、炭素質材料が好ましい酸化温 度に達すると部分的に炭素質材料を酸化することを包含する工程を有する請求 項８記載の方法。 １０．前記部分酸化工程（ｃ）が完了した後で、工程（ｂ）が炭素質材料を目標 温度まで冷却する第二段階を有する請求項９記載の方法。 １１．床の温度勾配を小さく維持するための好ましい酸化温度に比例して熱伝達 表面の温度を制御する工程を有する請求項６記載の方法。 １２．温度差が４０℃未満である請求項１１記載の方法。 １３．作業流体の温度を内部熱伝達表面の壁温度より高く、炭素質材料の温度よ り低くなるように制御する工程を有する請求項６、１１および１２のいずれか １項に記載の方法。 １４．好ましい酸化温度が８０‐１５０℃の範囲である請求項８記載の方法。 １５．好ましい酸化温度が１００‐１５０℃の範囲である請求項１４記載の方法 。 １６．好ましい酸化温度が１００‐１２０℃の範囲である請求項１４記載の方法 。 １７．充填床に外部供給ガスを使って２０バール未満の圧力に加圧する工程をさ らに有する請求項のいずれか１に記載の方法。