JP2005207817A - 微粉炭の搬送性評価方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 NMR法を利用し、高炉などの冶金炉やボイラーなどの燃焼炉に吹き込む微粉炭の搬送性を適正に評価する方法を提供する。
【解決手段】 石炭中に存在する27Alまたは29Siの核磁気共鳴スペクトルを測定し、該測定スペクトルに基づいて、上記石炭中に存在するAlとSiを主成分とする無機鉱物の化学形態を分類し、該分類に基づいて上記石炭の搬送性を評価することを特徴とする微粉炭の搬送性評価方法。
【選択図】 図2

Description

本発明は、微粉炭の搬送性を評価する方法に関する。詳しくは、核磁気共鳴(以下「NMR」ということがある。)スペクトル測定法を利用して、高炉などの冶金炉やボイラーなどの燃焼炉に吹き込む微粉炭として使用する石炭の搬送性を評価する方法に関する。
製鉄プロセスにおける冶金炉、例えば高炉の操業においては、一般に、鉄鉱石などの鉄含有原料とコークスなどの還元剤を炉頂から交互に装入するが、近年、炉頂から装入するコークスの一部を安価な微粉炭に代替し、微粉炭を熱風とともに高炉の羽口から吹き込むことが盛んに行われている。
このような高炉の微粉炭吹き込み操業は、安価な微粉炭を多量に吹き込むことによりコークス装入量を低減し、高炉燃料比を小さくすることを狙ったものである。
また、発電プロセスにおけるボイラー等の燃焼炉の運転においても、重油の代替燃料として石炭が見直されている。その石炭の使用形態としては、CWM(石炭−水スラリー)、COM(石炭重油混合燃料)、微粉炭等の吹き込みが挙げられるが、中でも、水や油等を必要としない微粉炭の吹き込みが、特に注目されている。
このような吹き込み用の微粉炭は、一般に、原炭を粉砕、乾燥・分級し、一旦、ホッパーに貯蔵される。その後、微粉炭は、ホッパーから所定量切出され、高炉またはボイラーの吹き込み口まで配管を用いて気体輸送され、該吹き込み口から炉内に吹き込まれる。
この際、微粉炭の石炭銘柄、粒度、水分量などの違いによって、気体輸送する微粉炭の搬送性が大きく変化する。その結果、気体輸送中に微粉炭が配管に付着する、さらに、配管が閉塞するなどの問題を引き起こす。
配管が閉塞または閉塞に近い状態になれば、配管内における圧力損失が増大し、微粉炭を高炉またはボイラー内へ安定して連続的に吹き込むことが困難となるので、このような微粉炭搬送性の問題点を解決するため、従来から種々の方法が開示されている。
例えば、特許文献1には、微粉炭中に搬送性が良好なチャー(石炭熱分解物)を所定量添加、混合する方法、特許文献2には、微粉炭に界面活性剤等を添着する方法、特許文献3には、粘結炭の粒度調整や2種以上の微粉炭を混合することにより微粉炭と輸送配管との摩擦係数を所定範囲に調整する方法、特許文献4には、微粉炭の流動性指数(安息角、圧縮度、スパチュラ角、凝集度の測定指数の総和)を基準値以上とするように調整する方法が開示されている。
しかし、特許文献1及び2の開示技術は、微粉炭に搬送性を高める作用をもつ添加剤を添加または添着する新たな工程が必要であり、特に、界面活性剤を使用する場合は、コスト増加の原因となる。また、特許文献3及び4の開示技術は、粘結炭の粒度調整のための粉砕や、粘結炭の性状の管理をする必要がある。
また、特許文献5には、微粉炭として粘結炭を使用する際に、粘結炭中のイナート量(JIS M8816−1979で規定される、ミクリニット、セミフジニットの2/3、フジニット、鉱物質およびビトリニット反射率2.4以上の熱可塑性を有しない成分)を所定量以上にして微粉砕する方法が開示されている。
しかし、この方法は、粘結炭を多量に使用することを前提とするもので、粘結炭中に含有する搬送性が良好なイナート量を所定量以上に管理することが必要となる。
特開平4−26804号公報 特開平8−100206号公報 特開平5−214417号公報 特開平4−224610号公報 特開平5−9518号公報
上記特許文献1〜5で開示された従来技術は、事前処理や添加剤を必要とするので生産性、経済性の点で不利であり、また、搬送性を阻害する石炭中の原因物質の解明または特定がなされていない。それ故、上記従来技術においては、微粉炭中に配合する石炭銘柄およびその配合比を変更した場合に、搬送性が大きく低下することがあった。
また、150kg/t(銑鉄)以上の微粉炭を吹き込む高炉操業において、微粉炭が気送配管内に付着し、さらに、該配管が閉塞すると、該配管内における圧力損失が増大し、微粉炭吹き込み量が大きく低減する。この吹き込み量の低減は、高炉の燃料比の増加、または、生産性の低下の原因となる。
本発明は、このような従来技術の現状に鑑み、従来のような特殊な事前処理や添加剤を用いずとも、微粉炭の搬送性を安定して向上させることを課題とし、その解決方法として、NMR法を利用し、高炉などの冶金炉やボイラーなどの燃焼炉に吹き込む微粉炭の搬送性を適正に評価する方法を提供するものである。
本発明者は、鋭意研究の結果、高炉などの冶金炉やボイラーなどの燃焼炉に吹き込む微粉炭中に存在し、配管付着や配管閉塞を引き起こす原因となる無機鉱物の化学形態を、NMR法を利用して特定するとともに、該無機鉱物の存在比を定量し、この特定・定量に基づいて、各種石炭の搬送性を評価できることを知見した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところは、以下の通りである。
(1)石炭中に存在する27Alまたは29Siの核磁気共鳴スペクトルを測定し、該測定スペクトルに基づいて、上記石炭中に存在するAlとSiを主成分とする無機鉱物の化学形態を分類し、該分類に基づいて上記石炭の搬送性を評価することを特徴とする微粉炭の搬送性評価方法。
(2)前記無機鉱物が粘土鉱物および酸化物であることを特徴とする上記(1)に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
(3)前記石炭中に存在する27Alの核磁気共鳴スペクトルを測定し、該測定スペクトルのピーク位置と、カオリン鉱物、スメクタイト、雲母粘土鉱物またはAl23に相当するピーク位置とを照合し、無機鉱物の化学形態を分類することを特徴とする上記(2)に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
(4)前記石炭中に存在する27Alの核磁気共鳴スペクトルを、27Al−マジック角回転(MAS)法、または、27Al−多量子マジック角回転(MQMAS)法を用いて測定することを特徴とする上記(2)または(3)に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
(5)前記石炭中に存在する29Siの核磁気共鳴スペクトルを測定し、該測定スペクトルのピーク位置と、カオリン鉱物、スメクタイト、雲母粘土鉱物またはSiO2に相当するピーク位置とを照合し、無機鉱物の化学形態を分類することを特徴とする上記(2)に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
(6)前記石炭の29Siの核磁気共鳴スペクトルを、29Si−マジック角回転(MAS)法を用いて測定することを特徴とする上記(2)または(5)に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
本発明によれば、高炉などの冶金炉やボイラーなどの燃焼炉に吹き込む微粉炭中に存在し、配管付着や配管閉塞を引き起こす原因となる無機鉱物の化学形態を特定するとともに、該無機鉱物の存在比を定量し、この特定・定量に基づいて、各種石炭の搬送性を適正に評価することができるので、従来のような特殊な事前処理や添加剤を用いずとも、吹き込み用の微粉炭として使用する石炭の銘柄および配合比を適宜調節して、微粉炭の搬送性を安定して向上せしめ維持することができる。
本発明の実施形態について、以下に説明する。
本発明は、高炉などの冶金炉やボイラーなどの燃焼炉に吹き込む微粉炭中に存在し、配管付着や配管閉塞を引き起こす原因となる無機鉱物の化学形態を特定するとともに、この特定・定量に基づいて、各種石炭の搬送性を適正に評価することを基本的な技術思想とする。
そして、本発明においては、従来の成分化学分析法では不可能であった無機鉱物の化学形態を特定するための手段、および、該無機鉱物の存在比を定量する手段として、NMR法を利用する。この点が本発明の特徴である。
表1に、高炉の微粉炭吹き込み操業で使用した微粉炭(A〜Dの4種類の混合微粉炭)と、微粉炭吹き込み配管の内から採取した配管固着物に含まれるAl量、Si量および全金属量を成分化学分析により測定した結果を質量%で示す。
Figure 2005207817
表1に示すように、配管固着物中のAl量およびSi量は、A〜Dの何れの微粉炭中のAl量およびSi量よりも多い、つまり、微粉炭中のAlおよびSiが配管固着物の中に濃化している。
本発明者は、このことから、微粉炭の気体輸送の際において、配管付着または配管閉塞を引き起こす原因物質は、石炭中に存在する“AlとSiを主成分とする無機鉱物”(以下「Al・Si無機鉱物」ということがある。)であると予測し、その化学形態を解明ないし特定することについて鋭意検討した。
図1に、本発明において測定対象とする石炭中のAl・Si無機鉱物の代表例である、カオリン鉱物(図中(a))、スメクタイト(図中(b))、および、雲母粘土鉱物(図中(c))の化学形態を示す。
石炭中には、それぞれ化学構造の異なるAl・Si無機鉱物として、図1に示すような、カオリン鉱物(Al2Si25(OH)4)、スメクタイト(X(=Na,1/2Ca)0.33(Al1.67Mg0.33)Si410(OH)2・nH2O)、雲母粘土鉱物(K0.75(Al1.75R(=2価金属)0.25.)(Si3.50Al0.50)O10(OH)2・nH2O)等のアルミノケイ酸塩の粘土鉱物、さらに、酸化物として、アルミナ(Al23)、シリカ(SiO2)等が含有されている。
カオリン鉱物の化学構造は、Al3+イオンを中心とした8面体(6配位型Al)構造とSi4+イオンを中心とした4面体(6配位型Si)構造とが1:1で層を形成した構造である(図1中(a)参照)。
スメクタイトの化学構造は、Si4+イオンを中心とした4面体(4配位型Si)構造がAl3+イオンを中心とした8面体(6配位型Al)構造を上下から挟み込んだような、2:1の層構造である。上記化学構造は、4配位型Si4+イオンの一部をAl3+イオンで置換した構造をとっているから、該構造中には4配位型Alも存在する(図1中(b)参照)。
雲母粘土鉱物の化学構造も、スメクタイトと同様に、SiO4の4面体構造とAlO6の8面体構造構造が2:1で層を形成した構造で、SiO4のSi4+イオンの一部がAl3+イオンで置き換わっている(図1中(c)参照)。上記化学構造は、該構造中の4配位型Alの量がスメクタイトにおける4配位型Alの量よりも多いのが特徴である。
アルミナ中のAlは6配位型構造をとり、シリカは4配位型Siで、Q4(SiO4ユニット中の酸素が全て隣接するSiO4ユニットと共有されている)の構造をとっている。
本発明は、石炭中に存在する27Alまたは29Siの核磁気共鳴スペクトルを測定し、該測定スペクトルに基づいて、上記石炭中に存在するAl・Si無機鉱物の化学形態を分類し、該分類に基づいて、上記石炭の搬送性を評価することを特徴とする。
そして、上記測定、分類および評価は、具体的には、以下のように行うことができる。
まず、上述した石炭中に存在するAl・Si無機鉱物の標準試料を用いて、各々のAl・Si無機鉱物中の27Alまたは29SiのNMRスペクトルを測定し、各々のAl・Si無機鉱物について、ピークの位置を特定する。
続いて、高炉の微粉炭吹き込み操業において配管に付着した固着物または配管を閉塞した固着物(以下、併せて「配管固着物」ということがある。)から採取した試料について、該試料中の27Alまたは29SiのNMRスペクトルを測定し、観測されるピーク位置と、上記の既に測定した各々のAl・Si無機鉱物の27Alまたは29SiのNMRスペクトルピーク位置とを照合し、その結果から、配管固着物中に存在するAl・Si無機鉱物の化学形態を特定する。
さらに、配管固着物中に存在する27Alまたは29SiのNMRスペクトルに基づいて、27Alまたは29Siの全ピークに係る積分値(全ピーク積分値)と、上記照合で特定されたAl・Si無機鉱物別に、該無機鉱物に該当する全てのピークに係る積分値(特定無機鉱物ピーク積分値)を求め、全ピーク積分値に対する特定無機化合物ピーク積分値の比率から、配管固着物中に含まれるAl・Si無機鉱物の存在比を定量する。
次に、混合微粉炭を構成する各種銘柄の石炭のそれぞれについて、27Alまたは29SiのNMRスペクトルを測定し、観測されるピーク位置を、上記の既に測定した各々のAl・Si無機鉱物の27Alまたは29SiのNMRスペクトルピーク位置と照合し、その結果から、混合微粉炭を構成する各種銘柄の石炭中に存在するAl・Si無機鉱物の化学形態を特定する。
さらに、混合微粉炭を構成する各種銘柄の石炭中に存在する27Alまたは29SiのNMRスペクトルに基づいて、27Alまたは29Siの全ピークに係る積分値(全ピーク積分値)と、上記照合で特定されたAl・Si無機鉱物別に、該無機鉱物に該当する全てのピークに係る積分値(特定無機鉱物ピーク積分値)を求め、全ピーク積分値に対する特定無機化合物ピーク積分値の比率から、混合微粉炭を構成する各種銘柄の石炭中に含まれるAl・Si無機鉱物の存在比を銘柄毎に定量する。
最後に、以上の特定・定量結果に基づいて、混合微粉炭を構成する各種銘柄の石炭中に存在するAl・Si無機鉱物の存在比と、配管固着物中に存在するAl・Si無機鉱物の存在比を対比して、両存在比の類似関係から、混合微粉炭を構成する各種銘柄の石炭の搬送性を評価する。
さらに、この石炭の搬送性評価結果に基づいて、配管付着または配管閉塞の原因物質となっている微粉炭中の石炭銘柄、つまり、搬送性の低い石炭銘柄を特定し、その使用量を制限するか、または、搬送性の良好な石炭銘柄に変更して、微粉炭の搬送性を安定して高めることができる。
本発明によれば、配管内から採取した配管固着物中に存在するAl・Si無機鉱物の化学形態の特定とその存在比の定量に基づいて、微粉炭として使用する各種石炭の搬送性を評価できるので、原料炭の需給事情や操業変更により微粉炭を構成する各石炭銘柄を変更する時にも、その配合比を、適宜、適正に調整して、微粉炭の搬送性を安定して良好に維持することができる。
本発明において、石炭中に存在するAl・Si無機鉱物の化学構造の特定は、その骨格の中心を担う27Alまたは29SiのNMRスペクトルを測定する(以下、それぞれを「27Al−NMR測定」、「29Si−NMR測定」という。)ことより行うことができる。
27Al−NMR測定では、アルミノケイ酸塩やアルミナ等、アルミニウムを含む化合物の化学形態を特定することができる。
27Al核は、核スピンが2/5で核四極子相互作用を有するので、27Al−NMR測定では、27Al−マジック角回転(Magic Angle Spinning、以下「MAS」と略称する。)法に比べてより核四極子相互作用を平均化できる27Al−多量子マジック角回転(Multiple Quantum Magic Angle Spinning、以下「MQMAS」と略称する。)法が、測定精度の点で好ましい。
MQMAS法により得られるスペクトル(MQMASスペクトル)は、MAS法により得られるスペクトル(MASスペクトル)の線形を示すF2軸と核四極子相互作用が平均化された線形を示すF1軸の両軸から成る2次元スペクトルとして表されるので、F2軸上での見かけの化学シフト値(以下「MASシフト値」と表記する。)が同じ化合物でも、四極子結合定数(核四極子相互作用の大きさを表すパラメータ)が異なれば、F1軸上で異なるシフト値(以下「Isotropicシフト値」と表記する。)を表示する。
それ故、MQMASスペクトルによれば、2次元スペクトル上で化合物をより明確に区別することが可能となる。
一方、29Si−NMR測定においてMAS法を用いると、アルミノケイ酸塩やシリカ等のケイ素を含む化合物の化学形態を特定することができる。
29Si−NMR測定では、一般的に、化学シフトの異方性が強いので、スペクトルの線幅が広幅化し易く、石炭中に化学構造が類似する複数種のAl・Si無機鉱物が存在すると、それらを判別することが困難となる場合がある。
また、29Si−NMR測定では、29Si核のスピン−格子緩和時間(以下「T1」と略称する。)が一般に長く、そのため長時間の測定時間を要する。
本発明においては、27Al−NMR測定および29Si−NMR測定のいずれを用いても、石炭の搬送性評価において、従来手法に比べ、前記の優れた効果を得ることができるが、測定精度および測定時間などの実用面で、27Al−NMR測定法の方が好ましい。
本発明の実施形態の一例として、27Al−MQMAS法を用いて、石炭中に存在する27AlのNMRスペクトルを測定してAl・Si無機鉱物を特定し、かつ、該Al・Si無機鉱物の存在比を定量する方法について、図2および図3を用いて説明する。
図2に、27Al−MQMAS法を用いて、Al・Si無機鉱物(カオリン鉱物、スメクタイト、雲母粘土鉱物またはアルミナ)の標準試料のNMRスペクトルを測定した結果を示す。なお、図2は、各々のAl・Si無機鉱物の2次元スペクトルを便宜上1つにまとめたものである。
図2に示す2次元スペクトルから、例えば、スメクタイトの6配位型Alに相当するピークは、F2=3.4ppm、F1=7.6ppm、雲母粘土鉱物の6配位型Alに相当するピークは、F2=4.2ppm、F1=9.0ppm、カオリン鉱物の6配位型Alに相当するピークは、F2=5.7ppm、F1=9.3ppm、アルミナの6配位型Alに相当するピークは、F2=12.5ppm、F1=15.7ppm、とそれぞれ特定される。
また、図2に示す2次元スペクトルには、Al・Si無機鉱物の6配位型Alに相当するピークの他に、スメクタイトおよび雲母粘土鉱物の4配位型Alに相当するピークも存在する。
しかし、上記ピークは重なっていて判別し難いので、後述する石炭中に存在するAl・Si無機鉱物の特定・定量には、標準無機鉱物のピークとして、各々のAl・Si無機鉱物のピークが判別し易い6配位型Alに相当するピークを用いるのが好ましい。
なお、ppmは“part per million”の略称であり、各ピークに対して、(ピークの観測周波数/共鳴周波数×106)×106で定義され、NMRスペクトル測定に用いる装置の静磁場強度の大きさに依存しない無次元の単位である。
また、図3に、27Al−MQMAS法を用いて、表2に示す微粉炭Aの石炭の27Al−NMRスペクトルを測定した結果(2次元スペクトル)を示す。
図3に示す微粉炭Aの石炭の2次元スペクトルにおけるピーク位置と、図2に示す各々のAl・Si無機鉱物のピーク位置を照合すると、微粉炭Aの石炭において観測されるピークは、F1=15.7ppm、F2=12.1ppmの位置、および、F1=8.5ppm、F2=3.9ppmの位置にピークトップがある。
前者の位置はアルミナのピーク位置に相当するから、この照合から、石炭中に存在するAl・Si無機鉱物の一つとしてアルミナを特定することができる。また、後者の位置は、スメクタイトのピークと雲母粘土鉱物のピークの間にあるから、石炭中に存在するAl・Si無機鉱物として、スメクタイトと雲母粘土鉱物の両方、または、両者の混合層鉱物を特定することができる。
また、微粉炭Aの石炭中に存在するスメクタイト、雲母粘土鉱物、および、アルミナそれぞれの存在比は、各々の無機鉱物のスペクトルについて、F2軸方向への積分値を求め、その後、27Al−NMRスペクトルの全ピークの積分値に対するに上記積分値の比率を求めることによって定量できる。
図3に示す微粉炭Aの石炭のスペクトルについて、F2軸方向への積分をとったスペクトルを図4に示す。
各々のAl・Si無機鉱物の存在比を求めるには、まず、図2に示す、各々のAl・Si無機鉱物の2次元スペクトルのピークについて、F2軸方向への積分をとったスペクトルを得る必要がある。これにより、各々のAl・Si無機鉱物が示すスペクトルピークに関して、ピークトップの位置および半値幅を定義できる。
このピークトップの位置および半値幅の値を、図4に示すスペクトルの波形分離に適用し、実測したピークに対して最小二乗近似を行うことにより、表2に示すように、各々のAl・Si無機鉱物の定量を行うことが可能となる。
続いて、実際に、配管に付着または配管を閉塞している配管固着物を採取し、上記方法で、配管固着物中のAl・Si無機鉱物の特定および定量を行い、複数の微粉炭の中から、Al・Si無機鉱物の存在比が配管固着物中のAl・Si無機鉱物の存在比と最も近い微粉炭を選出することにより、配管付着または配管閉塞の原因となっている微粉炭を特定することができる。
そして、微粉炭の配合に際し、配管付着または配管閉塞の原因となっている微粉炭の使用量を低減するか、または、該微粉炭を他の微粉炭に変更することにより、微粉炭の搬送性を向上させ、微粉炭の配管付着または微粉炭による配管閉塞を防止することが可能となる。
以下に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
高炉吹き込み用の微粉炭として銘柄の異なる4種類(微粉炭A、B、C、D)の微粉炭の各々を、直径4mmのNMR固体用試料管に均一になるように充填し、700MHz固体専用NMR装置(測定磁場強度16.4T)にセットした後、外部磁場に対してマジック角(54.7°)で、18kHzの高速で回転させた。
このときの27Al共鳴周波数は182.4MHzであった。27Al−NMRの化学シフト基準として、1mol/lAlCl3水溶液を、−0.1ppmとした。
上記条件下で、微粉炭A、B、C、Dのそれぞれについて、27Al-MQMASスペクトル(27Al−MQMAS法によるNMRスペクトル)を測定した(図3及び図5〜7、参照)。
本発明法を用いて測定した微粉炭A、B、C、DのMQMASスペクトルのピーク位置と、予め標準試料を用いて測定したカオリン鉱物、スメクタイト、雲母粘土鉱物およびアルミナ(Al23)の27Al−MQMASスペクトル(図2、参照)のピークト位置とを照合して、微粉炭A、B、C、D中に存在するAl・Si無機鉱物を特定した。
また、微粉炭A、B、C、Dの27Al−MQMASスペクトルに基づいて、該MQMASスペクトルの全ピークの積分値に対する各々のAl・Si無機鉱物に相当するピークの積分値の比率を求め、該比率から、各々のAl・Si無機鉱物の存在比を定量した。その結果を表2に示す。
Figure 2005207817
なお、図7に示すとおり、微粉炭Dの27Al−MQMASスペクトルにおいては、標準試料の無機鉱物(カオリン鉱物[6配位型Al]、スメクタイト[4配位型Al、6配位型Al]、雲母粘土鉱物[4配位型Al、6配位型Al]、アルミナ[6配位型Al])に相当するピーク以外のピークとして、石炭中に存在する6配位型Alおよび5配位型Alに相当するピークが観測されている。
表2に示すAl・Si無機鉱物の存在比(mol%)は、次のように算出した。まず、最小二乗近似により、各々の無機鉱物に相当するピークの積分値を求めた。
この積分値の比(積分比)は、各々のAl・Si無機鉱物中のAl原子のmol比に相当するので、得られた積分比を、各々のAl・Si無機鉱物1mol中に含まれるAl原子のmol数(カオリン鉱物:2mol、スメクタイト:1.81mol、雲母粘土鉱物:2.25mol、アルミナ:2mol)で除することによって、各々のAl・Si無機鉱物のモル比として算出した。
なお、表2においては、カオリン鉱物、スメクタイトおよびアルミナ以外の6配位型Alおよび5配位型Alのピークに起因する無機鉱物1mol中には、カオリン鉱物同様、2molのAlイオンが存在していると仮定して、存在比(mo1%)を算出してある。
続いて、微粉炭A、B、C、Dを表3に示す配合割合で混合した微粉炭(表中、対策前の微粉炭)を、吹込量45T/Hで高炉に吹き込み、高炉操業を行った。
Figure 2005207817
高炉の吹き込み口に至る配管内に固着していた配管固着物を採取し、図8に示すように、27Al−MQMASスペクトルを測定し、該測定スペクトルに基づいて、配管固着物中に存在するAl・Si無機鉱物を特定するとともにそれらの存在比を定量した。その特定・定量結果を表3に示す。
表3に示す結果において、配管固着物中のAl・Si無機鉱物の存在比パターンと、微粉炭A〜DのそれぞれにおけるAl・Si無機鉱物の存在比パターンとを照合・評価することにより、配管付着や配管閉塞の原因となる微粉炭が微粉炭Bであると解明できる。
この特定結果を踏まえ、表3に示すように、高炉の微粉炭吹き込み操業において、微粉炭Bの比率を50%から20%に低減した。その結果、微粉炭の配管内への付着または微粉炭による配管閉塞が抑制され、配管内の圧力損失が小さくなって、微粉炭の吹込量が、対策前の45T/Hから55T/Hに増加した。
以上の結果から、本発明が、石炭の搬送性の評価・向上の点で顕著な効果を奏することが解かる。
実施例1で用いた吹き込み用の微粉炭と同じ微粉炭A、B、C、Dのそれぞれを、直径7.5mmのNMR固体用試料管に均一になるように充填し、300MHz固体専用NMR装置(測定磁場強度7.0T)にセットした後、外部磁場に対してマジック角(54.7°)で5kHzの速度で回転させた。
このときの29Si共鳴周波数は59.7MHzであった。29Si−NMRの化学シフト基準として、ポリジメチルシランの粉末を−34ppmとした。
上記条件下で、微粉炭A、B、C、Dのそれぞれにおける29Si−MASスペクトル(29Si−マジック角回転(MAS)法によるNMRスペクトル)を測定した。
本発明を用いて測定した微粉炭A、B、C、Dそれぞれの29Si−MASスペクトルのピーク位置と、予め標準試料を用いて測定したカオリン鉱物、スメクタイト、雲母粘土鉱物およびシリカ(SiO2)の29Si−MASスペクトルのピーク位置とを照合して、微粉炭A、B、C、Dのそれぞれの中に存在するAl・Si無機鉱物を特定した。
また、微粉炭A、B、C、Dの29Si−MASスペクトルに基づいて、該MASスペクトルの全ピークの積分値に対する各々のAl・Si無機鉱物に相当するピークの積分値の比率を求め、該比率から、各々のAl・Si無機鉱物の存在比を定量した。その結果を表4に示す。
次に、実施例1で配管内から採取した配管固着物と同様のものを用いて、その29Si−MASスペクトルを測定し、該測定スペクトルに基づいて、配管固着物中に存在するAl・Si無機鉱物を特定するとともにそれらの存在比を定量した。その特定・定量結果を表4に示す。
Figure 2005207817
表4に示す特定・定量結果において、配管固着物中のAl・Si無機鉱物の存在比パターンと、微粉炭A〜D中の存在比パターンとを照合・評価して、配管内に配管固着物を形成するかまたは配管を閉塞する原因炭が微粉炭Bであることを解明できた。
以上のとおり、29Si−MASスペクトルを用いて微粉炭中に含まれるSiの化学構造を特定することにより、27Al−MQMASスペクトルを用いて得た結果(実施例1)と同様に、配管付着や配管閉塞の原因となる微粉炭が微粉炭Bであることを解明できた。
本発明によれば、前述したように、高炉などの冶金炉やボイラーなどの燃焼炉に吹き込む微粉炭に存在し、配管付着や配管閉塞を引き起こす原因となる無機鉱物の化学形態を特定するとともに、該無機鉱物の存在比を定量し、この特定・定量に基づいて、各種石炭の搬送性を適正に評価することができるので、従来のような特殊な事前処理や添加剤を用いずとも、吹き込み用の微粉炭として使用する石炭の銘柄及び配合比を適宜調節して、微粉炭の搬送性を安定して向上せしめ維持することができる。
したがって、本発明は、発電産業および製鉄産業などを代表とする石炭をエネルギー源として使用する産業において、利用価値が極めて高いものである。
層状アルミノケイ酸塩の粘土鉱物の結晶構造を示す図である。 無機鉱物の標準試料の27Al−MQMASスペクトルにおけるピーク位置を示す図である。 微粉炭Aの27Al−MQMASスペクトルを示す図である。 27Al−MQMASスペクトルに基づいて、微粉炭A中の無機鉱物を定量する方法を示す図である。 微粉炭Bの27Al−MQMASスペクトルを示す図である。 微粉炭Cの27Al−MQMASスペクトルを示す図である。 微粉炭Dの27Al−MQMASスペクトルを示す図である。 高炉の微粉炭吹き込み口に至る配管内から採取した配管固着物の27Al−MQMASスペクトルを示す図である。

Claims (6)

  1. 石炭中に存在する27Alまたは29Siの核磁気共鳴スペクトルを測定し、該測定スペクトルに基づいて、上記石炭中に存在するAlとSiを主成分とする無機鉱物の化学形態を分類し、該分類に基づいて上記石炭の搬送性を評価することを特徴とする微粉炭の搬送性評価方法。
  2. 前記無機鉱物が粘土鉱物および酸化物であることを特徴とする請求項1に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
  3. 前記石炭中に存在する27Alの核磁気共鳴スペクトルを測定し、該測定スペクトルのピーク位置と、カオリン鉱物、スメクタイト、雲母粘土鉱物またはAl23に相当するピーク位置とを照合し、無機鉱物の化学形態を分類することを特徴とする請求項2に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
  4. 前記石炭中に存在する27Alの核磁気共鳴スペクトルを、27Al−マジック角回転(MAS)法、または、27Al−多量子マジック角回転(MQMAS)法を用いて測定することを特徴とする請求項2または3に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
  5. 前記石炭中に存在する29Siの核磁気共鳴スペクトルを測定し、該測定スペクトルのピーク位置と、カオリン鉱物、スメクタイト、雲母粘土鉱物またはSiO2に相当するピーク位置とを照合し、無機鉱物の化学形態を分類することを特徴とする請求項2に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
  6. 前記石炭の29Siの核磁気共鳴スペクトルを、29Si−マジック角回転(MAS)法を用いて測定することを特徴とする請求項2または5に記載の微粉炭の搬送性評価方法。
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