JP2014522890A - 高灰分炭から低灰分精炭を製造するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

システムにおいて石炭を処理して灰分を低下させるための工業的方法が提供される。システムは、第１の貯水タンク（１）、第２の貯水タンク（２）、ディーゼル貯蔵タンク（３）、熱流体加熱器（４）、熱流体貯蔵タンク（５）、熱流体ポンプ（６）、熱交換器（７）、熱流体膨張タンク（８）、Ｎ_２ガスボンベ（９）、反応器（１０）、送水ポンプ（１１）及び還流冷却器（１２）を備える。方法は、（ｉ）エチレンジアミン（ＥＤＡ）を含むＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）中で石炭微粉のスラリーを形成するステップであって、ＮＭＰ対ＥＤＡ比が溶液中５：１〜２５：１で変化し、前記スラリーは、石炭１ｇ当たり約６〜１８ｍｌの溶液を含有するステップと、（ｉｉ）１５０℃〜２２０℃の温度範囲、及び１〜４ゲージ（ｋｇ／ｃｍ）の圧力範囲の反応器内で、約１〜３時間前記スラリーを維持するステップと、（ｉｉｉ）ろ布（処理しようとする粒径及び最終生成物に応じて分離限界粒径は可変である）における粗ろ過によってスラリーのサンプルを分離して、ろ液又は抽出物と残留物とを得るステップと、（ｉｖ）濃縮抽出物を添加することによって水中に石炭を沈殿させるステップと、（ｖｉ）前記灰分が低減された石炭をろ過によって分離するステップとを含む。

Description

本発明は一般に、有機物中に細かに分散する鉱物質を有する石炭の清浄に関する。より詳細には、本発明は、高灰分炭から低灰分精炭を製造するためのシステム及び方法に関する。

石炭は有機成分と無機成分との異種混合物であるため、石炭の加溶媒分解(solvolysis)は、その成分、熟成及び構造特性に伴って変化する。インド産石炭中の鉱物質（不燃性）は、有機物中に非常に細かに分散しているため、この鉱物質を従来の物理的石炭洗浄技法によって取り除くことは実際非常に困難である。石炭中に比重の近い材料(near gravity material)が高い割合で存在すると、重力法の範囲が限定されてしまう。化学的選鉱(chemical benefication)の概念は、物理的選鉱法(physical benefication processes)の限界に由来する。概して、石炭中に存在する鉱物質を化学的に取り除くこと（chemical leaching）によって、又は様々な有機溶媒に石炭の有機物を溶解させることによって、化学的選鉱が可能となる。これは、化学的処理が物理的選鉱方法の限界を克服するための正しい手法であることを示している。浸食性の高い化学物質（主に酸及びアルカリ）を使用する化学的選鉱技法について、多くの文献が入手可能である。これら化学物質の回収又は再生が、この技術を実行可能とするためには非常に重要である。灰分低減に向けた並行的に行われる手法は、溶媒精製による石炭からの高品質有機物の回収であるかもしれない。文献から、様々なハイテク最終用途向けに灰分が０．２％未満のウルトラクリーンコール又はスーパークリーンコールを製造する目的で、この主題に関する研究活動大半が行われたことが明らかである。特に、低収率に制限されるという代償を払ってまでそのようなウルトラクリーンコールが望まれるとは限らない場合には、主に回収率が低くこれがプロセスを不経済にするといった理由から、この従来の溶媒精製法は鉄鋼産業の低灰分炭要件の目的にかなわない。

参考文献として、インド特許出願第１２９２／ＫＯＬ／０６号、第１０８８／ＫＯＬ／０７号、第１３３６／ＫＯＬ／２００７８号、第９５０／ＫＯＬ／０９号、第１１９５／ＫＯＬ／０９号、第６１１／ＫＯＬ／０９号及び第１５８１／ＫＯＬ／０８号が、類似の技術分野に関連するとして本明細書中に援用される。

この方法の主な利点は、ｉ）主なプロセスストリームにおける溶媒回収の容易さ、ｉｉ）未使用溶媒と同様の回収溶媒の加溶媒分解効率、ｉｉｉ）９５％〜９８％の溶媒回収、ｉｖ）精炭のコークス化特性の向上及びｖ）工業用有機溶媒の利用可能性である。しかしながら、この方法の作業コストは、プロセスにおける溶媒及びエネルギー必要量のコストが高いため高い。本発明らは、灰分を８％未満とし収率を５０％〜６０％まで向上させることによって（これには溶媒回収のコスト削減を含む）、最初は実験室規模の方法を通してこの方法を技術経済的にすべく努力した。

実験室で確立された方法によれば、石炭、溶媒（Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ＮＭＰ）及び共溶媒（エチレンジアミン、ＥＤＡ）を十分に混合して石炭スラリーを生成する。石炭−溶媒混合物を含むこの石炭スラリーを、公知の方式で抽出する。分離装置で混合物を分離して、粗粒分画及び細粒分画を生成する。細粒分画を蒸発装置に供給することにより、７０％〜８０％の溶媒回収が可能となる。その後、高温で濃縮した石炭−溶媒混合物を沈殿タンクに流して石炭を沈殿させる。この場合、逆溶媒(anti-solvent)として水を使用する。水により石炭から溶媒が分離され、水−溶媒混合物が得られ、この混合物を蒸留装置に供給して溶媒と逆溶媒とを分離する。沈殿した石炭はろ過器で分離される。この方法において、石炭、溶媒及び共溶媒は所定の比率で利用される。石炭対溶媒比は、１：６〜１：１７（ｗｔ／ｖｏｌ、ｇ／ｍＬ、石炭対溶媒比率がｗｔ．ｖｏｌ、溶媒対共溶媒比がｖｏｌ／ｖｏｌ）で変わる。石炭対共溶媒並びに共溶媒の比は１：１（ｇ／ｍＬ）に維持される。

したがって、この発明の目的は、高灰分炭から低灰分精炭を製造するための工業的方法を提案することである。

この発明の別の目的は、高灰分炭から低灰分精炭を製造するための単一反応器ベースのシステムを提案することである。

この発明のさらなる目的は、実験室規模の装置からの生産量と比較して、高灰分炭から低灰分精炭を製造するための本発明のシステム及び方法の効率を確立するために、検証方法を提案することである。

本発明によれば、単一反応器を有する工業プラント用プロセスフローダイアグラムが提案される。本発明のシステムを構成する重要な機器は、熱流体加熱器、反応器、熱交換器、熱流体ポンプ、及び不活性ガス（Ｎ_２）ボンベである。いくつかの関連する機器又は容器には、貯水タンク、ディーゼル貯蔵タンク、熱流体貯蔵タンク及び膨張タンクが含まれる。

還流冷却器（１２）を使用して、特定条件で圧力を維持する。このシステムはまた、約１８個のゲート弁及びボール弁と、２つの圧力計と、少なくとも１つの温度計と、４つの温度伝送機とで構成される。

反応器上部の開口部を利用することで、反応器（１０）に溶媒及び石炭を投入する。必要な場合に、サンプルを採取するために、反応器（１０）の底部にサンプリングシステムが設けられている。

本発明によれば、システムにおいて石炭を処理して灰分を低下させるための工業的方法が提供される。システムは、第１の貯水タンク、第２の貯水タンク、ディーゼル貯蔵タンク、熱流体加熱器、熱流体貯蔵タンク、熱流体ポンプ、熱交換器、熱流体膨張タンク、Ｎ_２ガスボンベ、反応器、送水ポンプ及び還流冷却器を備える。方法は、（ｉ）エチレンジアミン（ＥＤＡ）を含むＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）中で石炭微粉のスラリーを形成するステップであって、ＮＭＰ対ＥＤＡ比が溶液中５：１〜２５：１で変化し、前記スラリーは、石炭１ｇ当たり約６〜１８ｍｌの溶液を含有するステップと、（ｉｉ）１５０℃〜２２０℃の温度範囲、及び１〜４ゲージ（ｋｇ／ｃｍ^２）の圧力範囲の反応器内で、約１〜３時間前記スラリーを維持するステップと、（ｉｉｉ）ろ布（取り扱う粒径及び最終生成物に応じて分離カットサイズは変わり得る）における粗ろ過によってスラリーのサンプルを分離して、ろ液又は抽出物と残留物とを得るステップと、（ｉｖ）濃縮抽出物を添加することによって水中で石炭を沈殿させるステップと、（ｖｉ）灰分が低減された石炭をろ過によって分離するステップとを含む。

高灰分炭から低灰分精炭を製造するためのシステムのブロックダイアグラムを示す。

図１に示すように、本発明のシステムは、第１の貯水タンク（１）、第２の貯水タンク（２）、ディーゼル貯蔵タンク（３）、熱流体加熱器（４）、熱流体貯蔵タンク（５）、熱流体ポンプ（６）、熱交換器（７）、熱流体膨張タンク（８）、Ｎ_２ガスボンベ（９）、反応器（１０）、送水ポンプ（１１）及び還流冷却器（１２）を備える。

反応器（１０）には、所定比率の石炭及び溶媒を投入する。不活性環境を維持するために、Ｎ_２ガスボンベ（９）から窒素を供給する。ディーゼル貯蔵タンク（３）からバーナーへとディーゼルを供給する。熱流体貯蔵タンク（５）からシステムに熱流体を供給する。熱流体加熱器（４）で熱流体を加熱する。加熱すると、熱流体の体積が増大する。したがって、膨張タンク（８）を使用して余分な熱流体を保存する。反応器（１０）を、熱流体ポンプ（６）によって送り出される高温熱流体によって加熱する。抽出時は、バルブ（Ｖ９、Ｖ１０）を利用することでサンプルポートを通してサンプルを抽出する。抽出ステップが完了次第、バーナーのスイッチを切る。熱流体加熱器（４）を冷却するために、熱流体を熱交換器（７）に通す。第１及び第２の貯水タンクの一方（１又は２）から送水ポンプ（１１）により熱交換器（７）へと水を送り込む。還流冷却器（１２）により、所望のレベルで圧力及び温度が維持される。

反応器（１０）は、所望の寸法及び容量、たとえば、直径６３０ｍｍ、高さ８５０ｍｍ、円錐高さ１７５、容量約４２５リットルで構成されている。バルブＶ７により、反応器（１０）へ石炭及び溶媒を所定の比率で投入する。石炭対溶媒比は、１：６〜１：１８（ｗｔ／ｖｏｌ、ｇ／ｍＬ、言及されている箇所がどこであっても石炭対溶媒比はｗｔ／ｖｏｌ、溶媒：共溶媒はｖｏｌ／ｖｏｌである）で変わる。共溶媒対溶媒比率は１：２５〜１：５で変わる。不活性環境を維持するために、システムに窒素を充填する。熱流体貯蔵タンク（５）からはシステムに熱流体を送り込む。熱流体は、ディーゼル燃焼バーナーによって熱流体加熱器（４）で加熱される。反応器（１０）は、リンペットコイルを通した高温熱流体によって加熱される。反応器圧は、１〜４ゲージ（ｋｇ／ｃｍ^２）で変わる。反応器温度は、１５０℃〜２２０℃で変わる。抽出は、この反応器で１〜３時間行われている。

所定の時間間隔で、サンプルポートを通して反応器（１０）からサンプルを取り出す。このサンプルを、メッシュによりろ過する。ろ過ステップにより、還流混合物が２部、（ｉ）残留物及び（ｉｉ）ろ液（溶媒を伴う抽出物）に分離される。残留物からの溶媒除去のため、逆溶媒（水）で残留物を徹底的に洗浄する。乾燥及び計量後、これら残留物の灰分析を行う。ろ液は、実際には超低灰分炭を含む抽出物である。沈殿のために、逆溶媒（水）を容器に入れる。その後、水に濃縮抽出物を添加する。これらの溶媒は水に可溶であるので、溶媒が水相へと移動する。その結果、固体石炭粒子が沈殿する。したがって、沈殿した石炭はその後、ろ過により溶媒−水溶液から分離される。このステップは、標準メッシュを有する三角フラスコ−漏斗配置において行う。このろ過の残留物は低灰分精炭で、ろ液は水及び溶媒で構成される。乾燥及び計量後、精炭の化学分析及び石炭組織分析(petro graphical analysis)を行う。

実験結果を表１に示す。

実験結果の一部を表１に示す。供給石炭は、灰分約２６％の粗鉱（ＲＯＭ）炭である。供給粒径は０．５ｍｍ以下で、圧力２．５及び１ｋｇ／ｃｍ^２で抽出を行う。２つの異なる石炭対溶媒比、１：６及び１：１０における結果を示す。精炭灰分は、圧力が２．５ｋｇ／ｃｍ^２の場合約７％で、圧力が１ｋｇ／ｃｍ^２の場合約４％である。精炭収率は、石炭対溶媒比１：１０及び１：６でそれぞれ約４８％及び約５０％である。本発明のステップでは、灰分８％未満の精炭を製造することが可能である。精密なろ過を利用することで、灰分１％未満の精炭を得ることさえできる。これにより、システムで得られる結果が実験室規模で得られる結果と類似していることがわかる。

Claims (10)

1. システムにおいて石炭を処理して灰分を低下させるための工業的方法であって、
   該システムが、第１の貯水タンク（１）、第２の貯水タンク（２）、ディーゼル貯蔵タンク（３）、熱流体加熱器（４）、熱流体貯蔵タンク（５）、熱流体ポンプ（６）、熱交換器（７）、熱流体膨張タンク（８）、Ｎ_２ガスボンベ（９）、反応器（１０）、送水ポンプ（１１）及び還流冷却器（１２）を備え、
   （ｉ）エチレンジアミン（ＥＤＡ）を含むＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）中で石炭微粉のスラリーを形成するステップであって、ＮＭＰ対ＥＤＡ比が溶液中５：１〜２５：１で変化し、該スラリーは、石炭１ｇ当たり約６〜１８ｍｌの溶液を含有するステップと、
   （ｉｉ）１５０℃〜２２℃の温度範囲、及び１〜４ゲージ（ｋｇ／ｃｍ^２）の圧力範囲の反応器内で、約１〜３時間該スラリーを維持するステップと、
   （ｉｉｉ）ろ布（処理しようとする粒径及び最終生成物に応じて分離カットサイズは変わる）での粗ろ過によって該スラリーのサンプルを分離して、ろ液又は抽出物と残留物とを得るステップと、
   （ｉｖ）濃縮抽出物を添加することによって水中で該石炭を沈殿させるステップと、
   （ｖｉ）灰分が低減された該石炭をろ過によって分離するステップとを含む、工業的方法。
2. 前記石炭が粗鉱炭(run of mine coal)を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記粒径は、好ましくは０．５ｍｍ以下であり、最終用途に応じて任意の細径である、請求項２に記載の方法。
4. 灰分が＜１％である前記超低灰分精炭又は超清浄炭が、前記抽出溶液の精密なろ過によって製造される、請求項１に記載の方法。
5. 灰分が＜１％である前記超低灰分精炭又は超清浄炭を使用して、黒鉛、液体燃料、芳香族高分子、特殊化学製品、カーボンナノチューブなどの炭素材料を製造することができる、請求項４に記載の方法。
6. 灰分が＜８％である精炭が、前記抽出溶液の粗ろ過によって製造される、請求項１に記載の方法。
7. 前記灰分が＜８％である精炭が、コークス製造、鉄鋼産業における高炉注入、及び発電所の１つに使用することができる、請求項６に記載の方法。
8. 灰分が＜８％である前記精炭が、精炭約５０％の歩留まりで前記システムにおいて製造される、請求項１に記載の方法。
9. 灰分が＜８％である前記精炭が、１：６〜１：１８の変動する石炭対溶媒比で前記システムにおいて製造される、請求項１に記載の方法。
10. 灰分が＜８％である前記精炭が、実験装置の歩留まりに相当する歩留まりで前記システムにおいて製造される、請求項１に記載の方法。