JP2018165290A - 改質炭集合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで強度を確保し、粉化が抑制された石炭成型燃料を提供する。【解決手段】 小粒改質炭と、大粒改質炭との混合物であって、前記小粒改質炭と前記大粒改質炭の粒径比は４以上１０以下であって、前記大粒改質炭の質量比率が０ｗｔ％超過９０ｗｔ％以下である改質炭集合体とする。【選択図】図６

Description

本発明は、石炭を粉砕後成型した改質炭の集合体に関する。

従来、特許文献１にあっては、石炭を破砕した後に乾燥、粉砕して石炭粒子を得るとともに、この石炭粒子を成型して得られた成型体としての石炭成型燃料であって、石炭粒子の平均粒子径、全水分、および石炭成型燃料の見掛密度を規定することで強度を確保する技術が開示されている。

ＷＯ２０１５／０９８９３５

一般に発電所等のボイラでは所定以上のカロリー密度が要求されるため、改質炭、とりわけ褐炭の改質炭においては、主に発電所で利用されている石炭のうち最も低品位な石炭である亜瀝青炭と同等以上のカロリー密度を有することが求められる。またハンドリング性確保のために、自然発熱性の低さについても亜瀝青炭と同等以上のものが要求される。しかしながら上記特許文献１にあっては、カロリー密度の向上及び自然発熱性低減のための対策には言及されていない。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、カロリー密度の向上及び自然発熱性の低減を達成した石炭成型燃料を提供することにある。

本発明では、小粒改質炭と、大粒改質炭との混合物であって、前記小粒改質炭と前記大粒改質炭の粒径比は４以上１０以下であって、前記大粒改質炭の質量比率が０ｗｔ％超過９０ｗｔ％以下である改質炭集合体とするものである。

本発明によれば、カロリー密度の向上及び自然発熱性の低減を達成した石炭成型燃料を提供できる。

実施形態におけるプロセスフローである。 第１成型工程および第２成型工程におけるポケット形状の一例である。 第３成型工程におけるポケット形状の一例である。 自然発熱性を評価する装置の一例である。 かさ密度測定方法を示す図である。 改質炭混合体における大粒改質炭の質量比率とカロリー密度との関係である。 改質炭混合体における大粒改質炭の質量比率と自然発熱性との関係である。

［実施形態］
図１は実施形態におけるプロセスフローである。実施形態における製造工程は、石炭（褐炭）１を第１破砕工程１０にて破砕し、破砕された石炭２を乾燥工程２０にて乾燥した後、乾燥された石炭３を粉砕工程３０で粉砕する。粉砕された石炭粒子４を第１成型工程４０において成型し、得られた第１成型体５を第２破砕工程５０にて再度破砕し、破砕物６を得る。

第２破砕工程５０の下流側には並列の第２成型工程６０及び第３成型工程６１が設けられている。この第２成型工程６０と第３成型工程６１はそれぞれ異なるサイズのブリケットを成型するものであり、第２成型工程６０は小粒ブリケット７を成型し、第３成型工程６１は大粒ブリケット７’を成型する。なお小粒ブリケット７はブリケットのバリ部分が連結された板状成型体を含んでいる。

小粒ブリケット７は第３破砕工程７０において板状成型体がブリケット単体に破砕される。その後研磨工程８０にて研磨された後大粒ブリケット７’と混合され、更に篩工程９０（若干の研磨が発生するため小粒径化作用がある）を経て改質炭混合体３００となる。図１に示すとおり、発火及び発熱対策のため散水工程９１を設けてもよい。

なお、以下では散水工程９１を経た改質炭混合体３００のうち小粒ブリケット７由来のものを小粒改質炭１００、大粒ブリケット７’由来のものを大粒改質炭２００とする。また後述の粒径比が所望の範囲内であれば、第３破砕工程７０及び研磨工程８０、ならびに篩工程９０を省略し、小粒、大粒の各ブリケット７，７’をそのまま小粒改質炭１００、大粒改質炭２００としてもよい。

改質炭混合体３００における小粒改質炭１００と大粒改質炭２００の質量比率は、大粒改質炭２００の割合が０ｗｔ％超過９０ｗｔ％以下、好ましくは２０ｗｔ％以上８５ｗｔ％以下となるよう調整される。質量比率の調整は第２成型工程６０及び第３成型工程６１への供給量を制御してもよいし、第２成型工程６０及び第３成型工程６１における成型機の成型能力に拠ってもよい。また第２成型工程６０及び第３成型工程６１の後段に混合手段（不図示）を設け、小粒改質炭１００と大粒改質炭２００の質量比率を適宜調整してもよい。

小粒改質炭１００と大粒改質炭２００の粒径比は４以上１０以下、好ましくは４以上８以下である。粒径比の調整は第２成型工程６０及び第３成型工程６１における成型機の仕様、及び小粒ブリケット７に対する第３破砕工程７０及び研磨工程８０での研磨度合いにより調整される。

ここで、小粒改質炭１００は粒径の異なる２種の改質炭（中小粒改質炭１１０、極小粒改質炭１２０）からなるものとしてもよい。第２成型工程６０においては例えばロール表面にポケットを設けたブリケットマシンが用いられ、その際大きさの異なる２種類のポケットをロール表面に設け、中小粒ブリケット７１及び極小粒ブリケット７２を成型する。なお中小粒ブリケット７１及び極小粒ブリケット７２いずれもバリ部分が連結された板状成型体を一部含んでいる。

その後破砕工程７０及び研磨工程８０においてこれらの中小粒ブリケット７１及び極小粒ブリケット７２が破砕・研磨され、篩工程９０及び散水工程９１を経て小粒改質炭１００となる。ロール表面に中小粒ブリケット７１用のポケットのみを設けるよりも、ロール表面の一部に極小粒改質炭１２０を成型するポケットを混在させたほうがロール１回転当たりの成型量を稼ぐことが可能である。

なお上記では小粒改質炭１００と大粒改質炭２００の粒径比は４以上１０以下、好ましくは４以上８以下であるが、この関係は中小粒改質炭１１０、極小粒改質炭１２０にも適用される。したがって中小粒改質炭１１０と大粒改質炭２００、極小粒改質炭１２０と大粒改質炭２００の粒径比はいずれも４以上１０以下、好ましくは４以上８以下である。以下では中小粒改質炭１１０、極小粒改質炭１２０をまとめて小粒改質炭１００と表記する。
また、石炭粒子４の性状は平均粒子径が１０μｍ以上６０μｍ以下、全水分が５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であって、小粒、大粒の各ブリケット７、７‘の見掛密度は１．２ｇ/ ｃｍ^３以上１．４ｇ/ ｃｍ^３以下である。

［実施例］
インドネシア産褐炭であるＢ炭を原料として第１の実施形態にて製造した。第１破砕工程１０のハンマクラッシャで平均粒径１０ｍｍ以下に破砕した。乾燥工程２０ではスチームチューブドライヤを用い全水分１５％に乾燥した。粉砕工程３０ではローラーミルを用い、平均粒子径２５μmに粉砕した。

原料であるインドネシア産のＢ炭（褐炭）の性状を表１に示す。表１中、ＡＲは到着ベース、ＡＤは気乾ベース、ＤＢは無水ベースを示す（ＪＩＳ Ｍ８８１０）。また、表１には、工業分析値（気乾ベース）に基づき算出された燃料比、高位発熱量および元素分析の結果をそれぞれ示す。なお表１における工業分析値、元素分析値はＪＩＳ Ｍ８８１２、８８１３、８８１４に基づく。表１中、ＧＡＲ、ＧＡＤ、ＤＡＦは、それぞれ到着ベース高位発熱量、気乾ベース高位発熱量、無水無灰ベース高位発熱量を示す（ＪＩＳ Ｍ８８１０）。ＨＧＩ（ハードグローブ指数）はＪＩＳ Ｍ ８８０１の「７．粉砕性試験方法（ハードグローブ法」に基づき測定した。

第１成型工程４０は垂直供給方式のブリケットマシンを用いた。ブリケットマシンのロール径は520ｍｍ、ロール巾は236ｍｍである。２つのロールのうち片方は平面であり、もう片方にポケットが彫られている。ポケットのサイズは横6mm×縦9mm×深さ1.57ｍｍの形状A（中小粒ブリケット７１用）と横2.5mm×縦8mm×深さ0.6mmの形状B（極小粒ブリケット７２用）の2種があり、ロール1個当り形状Aが5244個、形状Bが184個配列されている。なお第１成型工程４０において形状Aと形状Bの２種類のポケット設けた理由は単に成型量を稼ぐためのものである。中小粒及び極小粒ブリケット７１，７２の成型は後述の第２成型工程６０にて行われる。ポケットA、Bの一例を図２に示す。

形状Aの１個あたりの容積は0.035ｃｍ^３であり、形状Bの1個当たりの容積は0.0048ｃｍ^３である。ブリケットマシンのロール間の隙間は設計下限である１mmとした。ロール線圧を0.5t/cmに維持するよう、ロールおよびスクリュの回転数を調整した。得られた第１成型体５は片面にロール形状由来の凸部を含む板状であった。

第２破砕工程５０では、得られた第１成型体５をハンマクラッシャで平均粒子径0.1mmに破砕した。この第２破砕工程５０の下流側において小粒ブリケット７を成型する第２成型工程６０と、大粒ブリケット７’を成型する第３成型工程６１に分岐する。

第２成型工程６０では、得られた破砕物６をブリケットマシンで成型した。第２成型工程６０では第１成型工程４０と同じ仕様の垂直供給方式のブリケットマシンを用い、ロール線圧を7t/cmに変えたことを除き、第１成型工程４０と同じ条件で製造した。この第２成型工程６０において小粒ブリケット７（中小粒及び極小粒ブリケット７１，７２）が得られる。

第３破砕工程７０では、得られた小粒ブリケット７の板状成型体をロールクラッシャで３０mm以下に破砕した。ロールクラッシャはロール表面に15mmの突起を有するものを使用し、過度な破砕が起きないようロール間の隙間を５ｍｍとした。

研磨工程８０において、破砕された小粒ブリケット７を研磨機で研磨した。用いた研磨機は回転する外筒の内部に外筒とは逆方向に回転する内筒を配置しかつ内筒は外筒の中心軸からずれた位置に配置され、内筒および外筒の内面は複数の突起物を配備している。内筒が外筒の中心軸からずれて配置されているため、板状成型物に含まれる低強度（低密度）の成型体を比較的選択的に削り落とすことができる。また、内筒と外筒の回転が相反しているため、処理時間が短くなる。

第３成型工程６１ではブリケットマシンを用いて大粒ブリケット７’を成型した。第３成型工程６１のブリケットマシンは垂直供給方式であり、ロール径が520mm、巾は120ｍｍである。第３成型工程６１では、２つのロールのうち片方は平面であり、片方にポケットが彫られている。ポケットサイズは横38mm×縦38mm×深さ10mmの形状であり、ロール１個当たり80個配列されている。第３成型工程６１におけるポケットの一例を図３に示す。ポケット1個当たりの容積は8.08ｃｍ^３である。

篩工程９０では小粒ブリケット７（破砕・研磨済み）と大粒ブリケット７’の混合物を目開き3.35ｍｍの篩にかけた。第３破砕工程７０で破砕され研磨工程８０で研磨された小粒ブリケット７は不定形の粒状物（板状成型体が分断されたもの）と研磨で生じた粉の混合物であり、この粉を除去するものである。また篩にかけることで大粒ブリケット７’の研磨も行われる。

散水工程９１では篩工程９０の篩上として得られた小粒ブリケット７及び大粒ブリケット７’の混合物に対し散水を行なった。散水工程９１ではベルトコンベア上に散水装置を設置し、小粒ブリケット７及び大粒ブリケット７’の混合物の全水分が２０％になるように搬送量および全水分に合わせて散水量を調整するものである。この散水工程９１により小粒ブリケット７は小粒改質炭１００となり、大粒ブリケット７’は大粒改質炭２００となる。

得られた小粒改質炭１００（比較例１）、大粒改質炭２００（比較例２）、及びインドネシア産亜瀝青炭（比較例３）の性状を表２に示す。
小粒改質炭１００は全量が篩目10ｍｍの篩を通過しかつ3.35mmの篩上に残った。また大粒改質炭２００は全量が篩目35mmの篩を通過し、全量が26.5ｍｍの篩上に残った。見掛密度は散水工程９１として小粒及び大粒改質炭１００，２００の全水分を２０％に調整した後に測定した。

小粒改質炭１００は、全量が篩目１０ｍｍの篩を通過しかつ全量が篩目３．３５ｍｍの篩上に残ったため、小粒改質炭１００の粒径は、両篩目の平均値である６．７ｍｍ（＝（１０＋３．３５）÷２）とした。
大粒改質炭２００は、全量が篩目３５ｍｍの篩を通過しかつ全量が篩目２６．５ｍｍの篩上に残ったため、大粒改質炭２００の粒径は、両篩目の平均値である３０．８ｍｍ（＝（３５＋２６．５）÷２）とした。

［自然発熱性］
ハンドリング性を評価するため、小粒改質炭１００、大粒改質炭２００、改質炭混合体３００及びインドネシア産亜瀝青炭を試料として自然発熱性評価を行った。なお、小粒改質炭１００、大粒改質炭２００、及び改質炭混合体３００については、いずれも散水工程９１で水分を調整し、全水分２０％としたものを評価した。インドネシア産亜瀝青炭については、国内港で荷揚げした際の全水分（すなわ流通している水分）である２８．３％のまま評価した。

その後、図４に示す構成を有する試験装置の恒温層内部にある反応器に全水分調整後の試料約１ｋｇを投入した。試験装置は、恒温槽と、恒温槽内に配置された反応器とを備える。反応器の内径は１０８ｍｍ×高さ２２５ｍｍである。反応器には、窒素ボンベおよび空気ボンベが接続されたガス供給管が連結されて、試料下方よりガスが供給される。ガス供給管を介して供給されるガスは三方コックにより切り替えることができる。また、ガス供給管には流量計が設けられ、ガス供給管を流れるガスの流量を制御する。また、反応器入口には供給ガスを予熱する加熱管を有し、反応器内には温度計が設置されている。さらに、反応器出口には、ガス濃度計が設置されたガスサンプリング管が連結されている。

反応器内へ試料を投入した後、窒素ガスにて反応器内の試料を８０℃に昇温した。８０℃に昇温した後、ガスを空気（５０ｍＬ／ｍｉｎ）に切り替え、所定時間（３００分）反応後のガス濃度（Ｏ_２濃度、ＣＯ_２濃度、ＣＯ濃度）を測定し、下記式（１）により単位時間、単位試料重量当たりの酸素吸着・酸化反応により発生する熱量相当の自然発熱性指数ＳＣＩ（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ）を算出した。式（１）中の［ＣＯ_２］、［ＣＯ］は出口濃度から算出する単位時間、単位試料重量当たりのＣＯ_２、ＣＯ生成量（単位：ｍＬ／（ｋｇ・ｍｉｎ））、［Ｏ_２］は入口Ｏ_２流量、及び出口ガスのＯ_２、ＣＯ_２、ＣＯ濃度の収支から求められる単位時間、単位試料重量当たりのＯ_２吸着量（単位：ｍＬ／（ｋｇ・ｍｉｎ））を示す。また［Ｈ］、［Ｃ］は試料の元素分析値（絶乾基準、単位：％−Ｄｒｙ Ｂａｓｉｓ）である。

ＳＣＩ＝Ｏ_２吸着熱＋ＣＯ_２生成熱＋ＣＯ生成熱 式（１）
＝［Ｏ_２］×（−２．５３）＋
［ＣＯ_２］×（３．９４＋２．８６×（［Ｈ］／（［Ｃ］／１２））／２）＋
［ＣＯ］×（１．１１＋２．８６×（［Ｈ］／（［Ｃ］／１２））／２）

ＳＣＩの許容値（判断基準）は、通常取り扱っている一般炭の中で、特に自然発熱リスクが高いインドネシア産亜瀝青炭のＳＣＩ測定値（１２.０）を超えないものを問題ないと判断した。

［カロリー密度］
また、輸送効率を評価するため小粒改質炭１００、大粒改質炭２００、改質炭混合体３００及びインドネシア産亜瀝青炭を試料としてカロリー密度を測定した。カロリー密度は式２により求めた。かさ密度は実測値であるが、試料発熱量は式３を用い、原炭（原料となるＢ炭）の発熱量、全水分および試料の全水分から求めた計算値である。改質炭の製造プロセスでは化学的な処理はなく、発熱量の変動要因は全水分のみであるため、試料の発熱量は原炭の発熱量の水分補正で計算できると考える。
（式２）カロリー密度 ＝ 試料かさ密度 × 試料発熱量
（式３）試料発熱量 ＝ 原炭のGAR発熱量 × （１００−試料の全水分）÷（１００−原炭の全水分）

なお式２の試料かさ密度は、下記の方法により測定した（図５参照）。
質量が既知である2リットルのビーカー（外径135mm、高さ203mm）に、ビーカーの7〜8分目程度に相当する質量既知である試料Ｍを衝撃を加えないように投入する（図５（a））。
試料の最上面が下がらなくなるまでビーカー全体をタッピング（上下に振動）する。その後、試料表面が平らになるようにならし、試料の最上面の位置をビーカー外周にマーキングし、標線Ｍ_１とする（図５（b））。
ビーカーから試料を取り出し、ビーカーを水洗したのち、Ｍ_１の位置まで水を投入し（図５（c））、ビーカーの質量を計測する。ビーカーの風袋を差し引き、投入した水の質量を計量し、水の密度が１kg/リットルとして質量から体積を求め、これを標線Ｍ_１における試料Ｍの体積Ｖとする。
（式４）を用いて、かさ密度を計算した。
試料かさ密度＝ 試料Ｍの質量 ÷ Ｖ

小粒改質炭１００と大粒改質炭２００の質量比率を変更しながら実施例１〜６の改質炭混合体３００を作成した。また、実施例１〜６の改質炭混合体３００につき測定された自然発熱性指数、カロリー密度及びその他の性質を下記表３に示す。表３の全水分及びＧＡＲ発熱量（表３における各例の全水分ベースの高位発熱量）はＢ炭と同様にＪＩＳ Ｍ８８１２、８８１３、８８１４に基づく。また表３では小粒改質炭１００（比較例１）、大粒改質炭２００（比較例２）、及びインドネシア産亜瀝青炭（比較例３、表２のものと同じ）についても併せて示す。

褐炭の改質炭を既存の石炭インフラで特別の改良をすることなく利用するためには、亜瀝青炭と同等または優れたカロリー密度と自然発熱性を有することが求められる。一般に発電所等のボイラでは所定値以上のカロリー密度が要求されるとともに、ハンドリング性確保のため所定値以下の自然発熱性が要求されるからである
比較例１（小粒改質炭１００）は、比較例３（インドネシア産亜瀝青炭）と比べ自然発熱性指数が低く輸送時の発熱の可能性も低いが、カロリー密度が比較例３よりも低いため、同一カロリーを得るための量が比較例３よりも多くなり、輸送コストが高くなる。またカロリー密度が低いため、石炭火力発電所において利用する際に熱負荷低下（ボイラ所定の熱量が得られない）のおそれがある。

比較例２（大粒改質炭２００）は比較例３（インドネシア産亜瀝青炭）と比べ自然発熱性指数が高く輸送時の発熱のおそれが大きい。またカロリー密度が比較例３よりも低いため、同一カロリーを得るための量が比較例３よりも多くなり、輸送コストが高くなる。同様に石炭火力発電所において利用する際に熱負荷低下のおそれがある。以上より、比較例１および比較例２は、既存の石炭インフラで利用するために必要な特性（比較例３のインドネシア産亜瀝青炭相当の自然発熱性とカロリー密度）を満たしていない。

［カロリー密度］
実施例１〜６について、大粒改質炭２００の質量比率とカロリー密度との関係を図６に示す。大粒改質炭２００の質量比率が50wt％以上80wt%以下の範囲において、比較例３のインドネシア産亜瀝青炭（破線）と同等以上のカロリー密度となる。
［自然発熱性指数］
また実施例１〜６について、大粒改質炭２００の質量比率と自然発熱性指数との関係を図７に示す。大粒改質炭２００の質量比率が0wt%超過87wt％以下の範囲において、比較例３のインドネシア産亜瀝青炭（一点鎖線）と同等以下の自然発熱性指数となるため、この範囲内では輸送時における発熱リスクが、比較例３のインドネシア産亜瀝青炭と同等か比較例３のインドネシア産亜瀝青炭よりも小さくなる。

上記2つの指標（カロリー密度、自然発熱性指数）をいずれも満たす大粒改質炭２００の質量比率は０ｗｔ％超過９０ｗｔ％以下、好ましくは50wt％以上80wt%以下であり、この範囲になるように改質炭混合体３００を製造することで、亜瀝青炭と同等の輸送効率（カロリー密度）とハンドリング性（自然発熱性）を得ることができ、既存の石炭インフラで特別な改造を要さずとも亜瀝青炭と同等に取り扱うことができる。

１ 石炭粒子
５ 第１成型体
６ 破砕物
７ 小粒ブリケット
７’ 大粒ブリケット
１０ 第１破砕工程
２０ 乾燥工程
３０ 粉砕工程
４０ 第１成型工程
５０ 第２破砕工程
６０ 第２成型工程
６１ 第３成型工程
７０ 第３破砕工程
８０ 研磨工程
９０ 篩工程
９１ 散水工程
１００ 小粒改質炭
２００ 大粒改質炭
３００ 改質炭集合体

Claims (2)

1. 小粒改質炭と、大粒改質炭との混合物であって、
   前記小粒改質炭と前記大粒改質炭の粒径比は４以上１０以下であって、
   前記大粒改質炭の質量比率が０ｗｔ％超過９０ｗｔ％以下である改質炭集合体。
2. 石炭を破砕する第１破砕工程と、
   前記第１破砕工程で破砕された石炭を乾燥する乾燥工程と、
   前記乾燥工程で乾燥された石炭を粉砕し、石炭粒子を得る粉砕工程と、
   前記石炭粒子を成型し、第１成型体を得る第１成型工程と、
   前記第１成型体を破砕し、塊状物を生成する第２破砕工程と、
   前記塊状物を再度成型して、小粒改質炭および／または大粒改質炭を得る第２成型工程と
   を有し、
   前記小粒改質炭と前記大粒改質炭との粒径比は４以上１０以下であって、
   前記大粒の改質炭の質量比率が０ｗｔ％超過９０ｗｔ％以下である、改質炭集合体の製造方法。