JP2019502785A - 炭材の改質方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、揮発分を除去して、熱効率が高い炭材を製造することができる炭材の改質方法及びその装置を提供する。本発明の炭材の改質方法は、炭材を用意する過程と、炭材を反応炉に投入する過程と、反応炉に熱風を供給して炭材を流動させながら、炭材に含有される揮発分を除去する過程と、揮発分が除去された改質炭を回収する過程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
Description
本発明は、炭材の改質方法及びその装置に係り、より詳しくは、炭材内に含有される揮発分を除去することができる炭材の改質方法及びその装置に関する。
一般的に、石炭は、泥炭（ｐｅａｔ）、褐炭（ｂｒｏｗｎ ｃｏａｌ）、亜炭（ｌｉｇｎｉｔｅ）、亜瀝青炭（ｓｕｂ−ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ ｃｏａｌ）、瀝青炭（ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ ｃｏａｌ）、無煙炭（ａｎｔｈｒａｃｉｔｅ）などの等級に分けられる。瀝青炭は、さらに、低揮発分、中揮発分、高揮発分瀝青炭に分けられ、そして無煙炭は、半無煙炭、無煙炭、メタ（Ｍｅｔａ）無煙炭、黒鉛系の無煙炭などに分けられる。この中で低級石炭（Ｌｏｗ Ｒａｎｋ Ｃｏａｌ：ＬＲＣ）は、褐炭、亜炭、亜瀝青炭などを含む。瀝青炭、無煙炭は、高級石炭（Ｈｉｇｈ Ｒａｎｋ Ｃｏａｌ：ＨＲＣ）に分類される。ここで、石炭に関して言及される「低級」と「高級」は、石炭の品質を意味するものではなく、石炭における炭化程度の差を言うものである。
通常、高水分高灰分の石炭は、低級石炭であり、これを脱水、乾燥及び安定化などの工程を通じて、高級（ＨＲＣ：Ｈｉｇｈ Ｒａｎｋ Ｃｏａｌ）石炭である瀝青炭級石炭にまで等級を上昇させる技術を改質または高品位化方法と定義する。ここで、灰分は、石炭を燃焼させた後に、灰として残留する成分を指すものであり、鉱物として二酸化ケイ素など、いわゆるシリカ鉱物が大半を占める。揮発分とはタールなどの成分をいう。
通常、高水分高灰分の石炭は、低級石炭であり、これを脱水、乾燥及び安定化などの工程を通じて、高級（ＨＲＣ：Ｈｉｇｈ Ｒａｎｋ Ｃｏａｌ）石炭である瀝青炭級石炭にまで等級を上昇させる技術を改質または高品位化方法と定義する。ここで、灰分は、石炭を燃焼させた後に、灰として残留する成分を指すものであり、鉱物として二酸化ケイ素など、いわゆるシリカ鉱物が大半を占める。揮発分とはタールなどの成分をいう。
現在、エネルギー源としては、石炭、石油などのような化石燃料が大部分を占めていて、これを代替するために、太陽熱、バイオエネルギーなどのような新再生エネルギーについての研究が活発になされているが、まだ産業的利用のためには経済性な限界がある。これらの新再生エネルギーに対する開発の遅延から、最近では、石炭に対する需要が再び増加しているが、発電または製鉄用の高品位炭の供給は限定的であるため、価格はトン当たり１００ドル以上で取引されている実情である。
このような高品位の炭を代替するために、オーストラリア、中国、インドネシアなどの国から低級炭を輸入して産業に適用する試みがなされているが、このような低級炭は、多くの灰分及び水分を含有していて、直接の利用には限界が存在する。
このような高品位の炭を代替するために、オーストラリア、中国、インドネシアなどの国から低級炭を輸入して産業に適用する試みがなされているが、このような低級炭は、多くの灰分及び水分を含有していて、直接の利用には限界が存在する。
すなわち、低級炭の場合、水分の含有量が高くて、重さと体積が大きくなるため、物流が容易でない。亜炭などのような低級石炭は、気孔が多く、揮発分を大量に含でいるので、水分の吸脱着による吸着熱の蓄積による温度の上昇及び揮発分中の相当量を占めている酸素機能性グループの存在のために、自然発火の可能性が高く、使用が制限されてきた。さらに、低級炭を直接発電や製鉄工程に用いた場合には工程効率が悪く、環境汚染を誘発する問題がある。
したがって、火災の危険性がなく、安定性が保障され、環境にやさしい経済的な方法で、優れた高級石炭を得ることができれば、関連分野において有効に使用することができると期待されている。
したがって、火災の危険性がなく、安定性が保障され、環境にやさしい経済的な方法で、優れた高級石炭を得ることができれば、関連分野において有効に使用することができると期待されている。
本発明の目的とするところは、揮発分を除去して、熱効率が高い炭材を製造することができる炭材の改質方法及びその装置を提供することにある。
本発明のまた他の目的とするところは、環境汚染を低減させることができる炭材の改質方法及びその装置を提供することにある。
本発明のまた他の目的とするところは、環境汚染を低減させることができる炭材の改質方法及びその装置を提供することにある。
本発明の炭材の改質方法は、炭材を用意する過程と、炭材を反応炉に装入する過程と、反応炉に熱風を供給して炭材を流動させながら、炭材に含有される揮発分を除去する過程と、揮発分が除去された改質炭を回収する過程と、を含むことを特徴とする。
炭材を装入する過程と、改質炭を回収する過程は、連続的に遂行することができる。
炭材を装入する過程で、炭材を反応炉に毎分５０ないし８０ｇの速度で装入することがよい。
揮発分を除去する過程は、５５０ないし８００℃で遂行することが好ましい。
炭材を装入する過程で、炭材を反応炉に毎分５０ないし８０ｇの速度で装入することがよい。
揮発分を除去する過程は、５５０ないし８００℃で遂行することが好ましい。
改質炭を回収する過程で、揮発分を除去するときに発生する排ガスを回収することが好ましい。
排ガスから微粉炭材を回収する過程を含むことができる。
排ガスを冷却させて排ガスに含有される副産物を分離する過程を含むことがよい。
排ガスから微粉炭材を回収する過程を含むことができる。
排ガスを冷却させて排ガスに含有される副産物を分離する過程を含むことがよい。
副産物が除去された排ガスを、熱風を製造するための熱源として使用することができる。
熱風は、不活性ガスを含むことがよい。
不活性ガスは、窒素ガスであり、反応炉に０．３５ないし０．６ｍ／秒の流速で供給されることが好ましい。
熱風は、不活性ガスを含むことがよい。
不活性ガスは、窒素ガスであり、反応炉に０．３５ないし０．６ｍ／秒の流速で供給されることが好ましい。
本発明の炭材の改質装置は、内部に炭材が処理される処理空間が形成された反応炉と、反応炉に炭材を供給する炭材供給部と、反応炉に熱風を供給する熱風供給部と、反応炉で揮発分が除去された改質炭を回収する回収部と、を備えることを特徴とする。
反応炉は、内部に炭材を処理するための反応管と、反応管を加熱する加熱手段と、を備えることが好ましい。
反応炉の下部には、熱風を分散させるための噴射体が備えられることがよい。
反応炉には、排ガスを排出する排気管が連結され、排気管には、排ガスから微粉炭材を回収する濾過器が設置されることが好ましい。
反応炉の下部には、熱風を分散させるための噴射体が備えられることがよい。
反応炉には、排ガスを排出する排気管が連結され、排気管には、排ガスから微粉炭材を回収する濾過器が設置されることが好ましい。
排気管には、排気管に沿って移動する排ガスを冷却するための冷却手段が具備され、排気管の端部には、排気ガスに含有する副産物を貯蔵する副産物貯蔵器が連結されることが好ましい。
副産物貯蔵器に連結された排ガス貯蔵器を備えることがよい。
排ガス貯蔵器と熱風供給部とを接続する循環配管を備えることができる。
熱風供給部は、不活性ガスを貯蔵する不活性ガス貯蔵器と、循環配管に設置された点火器と、を備えることが好ましい。
副産物貯蔵器に連結された排ガス貯蔵器を備えることがよい。
排ガス貯蔵器と熱風供給部とを接続する循環配管を備えることができる。
熱風供給部は、不活性ガスを貯蔵する不活性ガス貯蔵器と、循環配管に設置された点火器と、を備えることが好ましい。
本発明の実施の形態によれば、低等級炭材に含有される揮発分を容易に除去することができる。揮発分が除去された改質炭は、高い熱量を発生させることができて、発電用や製銑燃料として使用可能なので、コスト節減に役立つ効果がある。
また、炭材に含有される揮発分を除去する過程でタール、粗軽油などの副産物を回収することができ、これらの副産物は、燃料及びエネルギー源として活用することができる。
さらに、排ガスを反応炉に供給される熱風を製造するための熱源として再使用することができ、その上、排ガスによる環境汚染を低減させることができる。
また、炭材に含有される揮発分を除去する過程でタール、粗軽油などの副産物を回収することができ、これらの副産物は、燃料及びエネルギー源として活用することができる。
さらに、排ガスを反応炉に供給される熱風を製造するための熱源として再使用することができ、その上、排ガスによる環境汚染を低減させることができる。
以下、添付した図面を基にして、本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下に開示する実施例に限定されるものではなく、お互いに異なる多様な形態で具現化できるものであり、本実施例は、単に本発明の開示を完全なものにし、通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に理解させるために提供されたものである。図面は複数の要素を明確に表現するために大きさを誇張したり、拡大して表現することがある。図面上で同一符号は、同一の要素を示す。
図１は、本発明の実施例に係る炭材の改質装置を示す図である。
図１に示したとおり、本発明の実施例に係る炭材の改質装置は、内部に炭材が処理される処理空間が形成された反応炉２００と、反応炉に炭材を供給する炭材供給部１００と、反応炉２００に熱風を供給する熱風供給部４００と、反応炉２００から揮発分が除去された改質炭を回収する回収部３００と、を備える。
反応炉２００は、内部に炭材を改質する空間が形成された中空形に形成される。例えば、反応炉２００は、中空の円筒形に形成されることができる。炭材は、反応炉２００内で加熱されて、炭材に含有される揮発分が除去されるので、反応炉２００は、内部の熱を維持するように形成されることがよい。反応炉２００は、内部に反応空間を形成するための反応管２１０と、反応管２１０を加熱するための加熱手段２２０とが具備される。反応管は、反応炉２００の内部に反応炉２００の長さ方向に配置され、上下部が開放されて下部に熱風が流入する構成で、上部には炭材の改質後に発生する排ガスを排出することができる。反応炉２００の下部には、反応炉２００の内部に供給される熱風を、反応炉２００内に均一に供給するために噴射体２３０が設置される。
図１に示したとおり、本発明の実施例に係る炭材の改質装置は、内部に炭材が処理される処理空間が形成された反応炉２００と、反応炉に炭材を供給する炭材供給部１００と、反応炉２００に熱風を供給する熱風供給部４００と、反応炉２００から揮発分が除去された改質炭を回収する回収部３００と、を備える。
反応炉２００は、内部に炭材を改質する空間が形成された中空形に形成される。例えば、反応炉２００は、中空の円筒形に形成されることができる。炭材は、反応炉２００内で加熱されて、炭材に含有される揮発分が除去されるので、反応炉２００は、内部の熱を維持するように形成されることがよい。反応炉２００は、内部に反応空間を形成するための反応管２１０と、反応管２１０を加熱するための加熱手段２２０とが具備される。反応管は、反応炉２００の内部に反応炉２００の長さ方向に配置され、上下部が開放されて下部に熱風が流入する構成で、上部には炭材の改質後に発生する排ガスを排出することができる。反応炉２００の下部には、反応炉２００の内部に供給される熱風を、反応炉２００内に均一に供給するために噴射体２３０が設置される。
そして、反応炉２００には、炭材を供給するための炭材供給部１００が連結され、反応炉２００内で改質された炭材、すなわち、改質炭を取り出すための回収部３００が連結される。
炭材供給部１００は、炭材を貯蔵する炭材貯蔵器１１０、炭材貯蔵器１１０内で炭材を一定量ずつ切出させる切出機１２０及び切出された炭材が反応炉２００の内部に投入される経路として使用される第１配管１３０が備えられる。このとき、第１配管１３０は、反応炉２００内の反応管２１０の内部に連結される。
回収部３００は、反応炉２００内から導出される改質炭を導出する経路として使用される第２配管３２０と、第２配管３２０を通じて導出された改質炭が収容される改質炭貯蔵器３１０と、を備える。また、回収部３００は、反応炉２００から導出されなかった改質炭を強制排出させるドレイン３３０を備える。ドレイン３３０は、比較的粒径が大きくて、第２配管３２０に導出されなかった改質炭を除去するためのものとして、反応炉２００の下部側に設置される。また、ドレイン３３０は、改質炭貯蔵器３１０と連結されて強制排出された改質炭を改質炭貯蔵器３１０に移送することができる。
炭材供給部１００は、炭材を貯蔵する炭材貯蔵器１１０、炭材貯蔵器１１０内で炭材を一定量ずつ切出させる切出機１２０及び切出された炭材が反応炉２００の内部に投入される経路として使用される第１配管１３０が備えられる。このとき、第１配管１３０は、反応炉２００内の反応管２１０の内部に連結される。
回収部３００は、反応炉２００内から導出される改質炭を導出する経路として使用される第２配管３２０と、第２配管３２０を通じて導出された改質炭が収容される改質炭貯蔵器３１０と、を備える。また、回収部３００は、反応炉２００から導出されなかった改質炭を強制排出させるドレイン３３０を備える。ドレイン３３０は、比較的粒径が大きくて、第２配管３２０に導出されなかった改質炭を除去するためのものとして、反応炉２００の下部側に設置される。また、ドレイン３３０は、改質炭貯蔵器３１０と連結されて強制排出された改質炭を改質炭貯蔵器３１０に移送することができる。
このとき、第１配管１３０と第２配管３２０は、反応炉２００で同じ高さに設置されることができ、または、お互いに異なる高さに設置されることもできる。例えば、第１配管１３０は、第２配管３２０よりも高い位置に設置されて、炭材が反応炉２００内で移動する距離を増加させて、反応炉２００で熱風と接触する時間を長くすることによって、揮発分が円滑に除去されるようにすることができる。
反応炉２００には、例えば、反応管２１０の内部に熱風を供給するための熱風供給部４００を連結することができる。熱風供給部４００は、反応炉２００の下部に連結され、反応炉２００の内部を不活性雰囲気に制御するための不活性ガスを貯蔵するガス貯蔵器４１０と、ガス貯蔵器４１０から供給される不活性ガスと、反応炉２００の内部に供給される熱風を製造する点火器４２０とを備えることが好ましい。ここで、ガス貯蔵器４１０は、窒素ガスを貯蔵する。そして、点火器４２０は、反応炉２００で発生した排ガスに点火して熱風を発生させるためのものとして、後述する排ガスの移動経路に設置される。
また、反応炉２００には、反応炉２００内で発生する排ガスを排出させるための排気口（未図示）を形成することができ、排気口には、排ガスを排出させるための排気管５１０が連結される。
反応炉２００には、例えば、反応管２１０の内部に熱風を供給するための熱風供給部４００を連結することができる。熱風供給部４００は、反応炉２００の下部に連結され、反応炉２００の内部を不活性雰囲気に制御するための不活性ガスを貯蔵するガス貯蔵器４１０と、ガス貯蔵器４１０から供給される不活性ガスと、反応炉２００の内部に供給される熱風を製造する点火器４２０とを備えることが好ましい。ここで、ガス貯蔵器４１０は、窒素ガスを貯蔵する。そして、点火器４２０は、反応炉２００で発生した排ガスに点火して熱風を発生させるためのものとして、後述する排ガスの移動経路に設置される。
また、反応炉２００には、反応炉２００内で発生する排ガスを排出させるための排気口（未図示）を形成することができ、排気口には、排ガスを排出させるための排気管５１０が連結される。
排気管５１０には、排ガス中の微粉炭材を回収するための濾過器５２０が設置される。すなわち、反応炉２００で炭材の揮発分を除去する際に熱風を利用して、炭材を流動させるため、排ガス中の粒子サイズが非常に小さい微粉炭材が含まれる。このため、排気管５１０に濾過器５２０を設置して排ガスに含まれる微粉炭材を回収することができる。
そして、排気管５１０には、排ガスを冷却させるための冷却手段６１０、６２０が具備される。冷却手段６１０、６２０は、排ガスの移動方向に対して濾過器５２０の前方に設置され、排ガスを冷却させて、排ガス中に含まれる副産物、すなわち、揮発分より発生するタール、粗軽油などの副産物を回収する。冷却手段６１０、６２０は、排気管５１０の少なくとも一部を包み込む冷却ジャケット６１０と、冷却ジャケット６１０に冷却水を供給する冷却水供給配管６２０と、を備える。
排気管５１０の端部には、副産物を貯蔵するための副産物貯蔵器１１００が設置される。副産物貯蔵器１１００は、排気管５１０の端部と気密に連結されて、外部と遮断されて形成される。この回収されたタール、粗軽油などの副産物は、副産物貯蔵器１１００に貯蔵し、残りの排ガスが外部に漏出することを防止することができる。
そして、排気管５１０には、排ガスを冷却させるための冷却手段６１０、６２０が具備される。冷却手段６１０、６２０は、排ガスの移動方向に対して濾過器５２０の前方に設置され、排ガスを冷却させて、排ガス中に含まれる副産物、すなわち、揮発分より発生するタール、粗軽油などの副産物を回収する。冷却手段６１０、６２０は、排気管５１０の少なくとも一部を包み込む冷却ジャケット６１０と、冷却ジャケット６１０に冷却水を供給する冷却水供給配管６２０と、を備える。
排気管５１０の端部には、副産物を貯蔵するための副産物貯蔵器１１００が設置される。副産物貯蔵器１１００は、排気管５１０の端部と気密に連結されて、外部と遮断されて形成される。この回収されたタール、粗軽油などの副産物は、副産物貯蔵器１１００に貯蔵し、残りの排ガスが外部に漏出することを防止することができる。
副産物貯蔵器１１００は、排ガス貯蔵器８００と連結される。副産物貯蔵器１１００と排ガス貯蔵器８００は、連結管５３０を通じて内部が連通するように連結される。これにより、副産物貯蔵器１１００に流入した排ガスは、連結管５３０を通じて排ガス貯蔵器８００に回収される。このとき、連結管５３０には、排ガスの流量を測定するためのセンサー５４０が設置され、排ガスの流量測定を通じて反応炉２００に供給される熱風の流速や流量を予測することができる。排ガス貯蔵器８００の内部には、水が注入されており、排ガス貯蔵器８００に流入する排ガスの量に応じて水の高さが変化するため、排ガス貯蔵器８００内の排ガスの流量を測定することができる。
排ガス貯蔵器８００には、排ガスを熱風供給部４００に循環させるための循環配管８１０が連結される。循環配管８１０は、不活性ガスの移動経路に連結され、熱風供給部４００の点火器４２０が設置される。これにより、循環配管８１０に沿って移動する排ガスに点火して熱風を発生させ、不活性ガスは、熱風と混合されて反応炉２００に供給される。
排ガス貯蔵器８００には、排ガスを熱風供給部４００に循環させるための循環配管８１０が連結される。循環配管８１０は、不活性ガスの移動経路に連結され、熱風供給部４００の点火器４２０が設置される。これにより、循環配管８１０に沿って移動する排ガスに点火して熱風を発生させ、不活性ガスは、熱風と混合されて反応炉２００に供給される。
以下では、本発明の実施例に係わる炭材の改質方法について説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る炭材の改質方法を順次示すフローチャートである。
図２に示したとおり、本発明の実施形態に係る炭材の改質方法は、炭材を用意する過程Ｓ１００と、反応炉に炭材を供給する過程Ｓ１１０と、反応炉に熱風を供給して炭材から揮発分を除去して改質炭を製造する過程Ｓ１２０と、反応炉から改質炭を回収する過程Ｓ１３０と、を備える。
図２は、本発明の実施形態に係る炭材の改質方法を順次示すフローチャートである。
図２に示したとおり、本発明の実施形態に係る炭材の改質方法は、炭材を用意する過程Ｓ１００と、反応炉に炭材を供給する過程Ｓ１１０と、反応炉に熱風を供給して炭材から揮発分を除去して改質炭を製造する過程Ｓ１２０と、反応炉から改質炭を回収する過程Ｓ１３０と、を備える。
炭材を用意する過程では、揮発分が４０重量％以上含有される亜炭や亜瀝青炭などの低等級炭材を用意して炭材貯蔵器１１０に貯蔵する。このとき、炭材は、３ｍｍ以下の粒度を持つことがよく、炭材の粒度がこれより大きい場合には、あらかじめ破砕しておくことができる。
炭材が用意されれば、反応炉２００の加熱手段２２０を用いて、反応炉２００の内部の温度を昇温させる。反応炉２００の内部の温度は、炭材内の揮発分が容易に除去されるように５５０ないし８００℃程度に昇温させることが好ましい。工程の初期には、加熱手段２２０を用いて、反応炉２００の内部の温度を昇温させるが、工程が進行して、排ガスが発生すると、排ガスを燃焼させて発生する熱風を反応炉２００に供給することができる。もちろん、反応炉２００に熱風を供給する場合にも、加熱手段２２０を動作させて、反応炉２００の内部の温度を効率的に制御することができる。これと共に、ガス貯蔵器４１０に貯蔵された不活性ガスを反応炉２００に供給することができる。不活性ガス、例えば、窒素ガスは、０．３５ないし０．６ｍ／秒の流速で６０ないし８０Ｌ／分程度の流量で供給することができる。不活性ガスは、炭材改質時、炭材から削除される揮発分が酸素と接触すると発火することがあるため、反応炉２００内の酸素濃度を低減させるために供給される。
炭材が用意されれば、反応炉２００の加熱手段２２０を用いて、反応炉２００の内部の温度を昇温させる。反応炉２００の内部の温度は、炭材内の揮発分が容易に除去されるように５５０ないし８００℃程度に昇温させることが好ましい。工程の初期には、加熱手段２２０を用いて、反応炉２００の内部の温度を昇温させるが、工程が進行して、排ガスが発生すると、排ガスを燃焼させて発生する熱風を反応炉２００に供給することができる。もちろん、反応炉２００に熱風を供給する場合にも、加熱手段２２０を動作させて、反応炉２００の内部の温度を効率的に制御することができる。これと共に、ガス貯蔵器４１０に貯蔵された不活性ガスを反応炉２００に供給することができる。不活性ガス、例えば、窒素ガスは、０．３５ないし０．６ｍ／秒の流速で６０ないし８０Ｌ／分程度の流量で供給することができる。不活性ガスは、炭材改質時、炭材から削除される揮発分が酸素と接触すると発火することがあるため、反応炉２００内の酸素濃度を低減させるために供給される。
以後、切出機１２０を用いて、炭材貯蔵器１１０に貯蔵された炭材を一定量ずつ切出して、第１配管１３０を通じて反応炉２００に投入する。このとき、炭材は、時間あたり３ないし５ｋｇ程度ずつ、すなわち、毎分５０ないし８０ｇ程度ずつ反応炉２００に投入することが好ましい。炭材は、反応炉２００の内部で熱風によって流動し、改質されるので、一度に多くの量が投入されると、流動空間が狭くなって揮発分を円滑に除去することができない。したがって、提示された範囲内で適切に調節して投入することがよい。
反応炉２００に炭材が投入されると、反応炉２００で、内部に供給される熱風によって反応炉２００、すなわち、反応管２１０内で炭材が流動するようになる。炭材は３ｍｍ以下の微粉炭として、熱風によって浮上と下降を繰り返しながら流動する。炭材は反応炉２００内で上述したように流動しながら、高温の熱風と接触するようになり、熱風によって炭材に含有される揮発分が除去される。炭材は、反応炉２００内で流動しながら、熱風によって急激に加熱されたり、相互衝突して分割される。これに、炭材は、反応炉２００内で更に活発に流動し、揮発分が除去される。炭材内の揮発分が除去される時間は、反応炉２００内の温度によって、約５分ないし４５分程度である。
反応炉２００に炭材が投入されると、反応炉２００で、内部に供給される熱風によって反応炉２００、すなわち、反応管２１０内で炭材が流動するようになる。炭材は３ｍｍ以下の微粉炭として、熱風によって浮上と下降を繰り返しながら流動する。炭材は反応炉２００内で上述したように流動しながら、高温の熱風と接触するようになり、熱風によって炭材に含有される揮発分が除去される。炭材は、反応炉２００内で流動しながら、熱風によって急激に加熱されたり、相互衝突して分割される。これに、炭材は、反応炉２００内で更に活発に流動し、揮発分が除去される。炭材内の揮発分が除去される時間は、反応炉２００内の温度によって、約５分ないし４５分程度である。
炭材内の揮発分が除去されると、揮発分が除去された炭材、すなわち、改質炭は、容易に浮上するようになり、反応炉２００の導出口に連結される第２配管３２０を通じて改質炭貯蔵器３１０に導出される。
そして、反応炉２００内で改質が行われたが、粒子サイズが大きくて、第２配管３２０に導出されなかった改質炭は、ドレイン３３０を通じて強制排出され、改質炭貯蔵器３１０に移送される。
このように炭材の投入と回収は連続的に遂行される。
そして、反応炉２００で発生する排ガスは、反応炉２００上部の排気口を通じて排気管５１０に排出される。排ガスは、排気管５１０に沿って移動しながら濾過器５２０を通過する。このとき、排ガスに含まれる微粉炭材（改質炭）が濾過器５２０によって回収される。以後、排ガスは、排気管５１０に設置された冷却手段６１０、６２０によって冷却され、排ガスに含まれたタール及び粗軽油などの副産物は、温度の低下により凝縮されて排気管５１０の端部に連結された副産物貯蔵器１１００に流入して貯蔵される。このとき、排ガスは、冷却手段６１０、６２０によって、８０ないし１００℃程度にまで冷却することができる。
そして、反応炉２００内で改質が行われたが、粒子サイズが大きくて、第２配管３２０に導出されなかった改質炭は、ドレイン３３０を通じて強制排出され、改質炭貯蔵器３１０に移送される。
このように炭材の投入と回収は連続的に遂行される。
そして、反応炉２００で発生する排ガスは、反応炉２００上部の排気口を通じて排気管５１０に排出される。排ガスは、排気管５１０に沿って移動しながら濾過器５２０を通過する。このとき、排ガスに含まれる微粉炭材（改質炭）が濾過器５２０によって回収される。以後、排ガスは、排気管５１０に設置された冷却手段６１０、６２０によって冷却され、排ガスに含まれたタール及び粗軽油などの副産物は、温度の低下により凝縮されて排気管５１０の端部に連結された副産物貯蔵器１１００に流入して貯蔵される。このとき、排ガスは、冷却手段６１０、６２０によって、８０ないし１００℃程度にまで冷却することができる。
副産物が除去された排ガスは、副産物貯蔵器１１００から連結管５３０を通じて排ガス貯蔵器８００に移動し、排ガス貯蔵器８００に連結された循環配管８１０を通じて熱風供給部４００に移動する。
排ガスは、循環配管８１０に設置される点火器４２０によって点火されて燃焼し、排ガスが燃焼して発生する燃焼ガスは、不活性ガスとともに反応炉２００に熱風として供給される。
以下では、本発明に係る炭材の改質方法で製造された改質炭の物質としての特性を調べるための実験例について説明する。
排ガスは、循環配管８１０に設置される点火器４２０によって点火されて燃焼し、排ガスが燃焼して発生する燃焼ガスは、不活性ガスとともに反応炉２００に熱風として供給される。
以下では、本発明に係る炭材の改質方法で製造された改質炭の物質としての特性を調べるための実験例について説明する。
図３は、炭材の加熱温度に係る炭材の質量変化を示すグラフであり、図４は、炭材の加熱温度に係る炭材の粒度分布累積量を示すグラフである。
実験は、実施形態とは異なり、炭材を流動させない状態で遂行された。
反応器内に不活性ガスが均一に分散されるようにアルミナボールを装入し、その上部に炭材が流れないように２００ｍｅｓｈのステンレススチール材質のスクリーンを設置した。そして、スクリーンの上部に微粉状の炭材を装入した。このとき、炭材は、揮発分が４６重量％である石炭を使用した。
以後、反応器を加熱炉に装入し、熱を加えた。そして、反応器内に不活性雰囲気を造成するために５Ｌ／分の流量で窒素ガスを供給した。そして、加熱炉の温度を５５０℃、６５０℃、７５０℃に昇温させながら実験を繰り返して遂行した。
一定時間後、反応器を加熱炉から取り出し、熱処理された炭材、すなわち、改質炭を取り出して、質量を測定した。
実験は、実施形態とは異なり、炭材を流動させない状態で遂行された。
反応器内に不活性ガスが均一に分散されるようにアルミナボールを装入し、その上部に炭材が流れないように２００ｍｅｓｈのステンレススチール材質のスクリーンを設置した。そして、スクリーンの上部に微粉状の炭材を装入した。このとき、炭材は、揮発分が４６重量％である石炭を使用した。
以後、反応器を加熱炉に装入し、熱を加えた。そして、反応器内に不活性雰囲気を造成するために５Ｌ／分の流量で窒素ガスを供給した。そして、加熱炉の温度を５５０℃、６５０℃、７５０℃に昇温させながら実験を繰り返して遂行した。
一定時間後、反応器を加熱炉から取り出し、熱処理された炭材、すなわち、改質炭を取り出して、質量を測定した。
図３に改質炭の質量変化を測定した結果を示した。
加熱炉の温度が５５０℃であるとき、加熱後２０分経過した場合、改質炭の質量が初期質量より２３％変化したことが観察された。これは、初期炭材に含有された揮発分（４６％）の約５０％程度が除去されたものである。そして、加熱後４３分程度経過した場合には、初期炭材に含有された揮発分の約７３％程度が除去され、その以後には質量変化がほとんど発生しなかった。
一方、加熱温度が６５０℃であるとき、加熱後１１分経過した場合、改質炭の質量が初期質量より２３％変化したことが測定された。これは、初期炭材に含有された揮発分（４６％）の約５０％程度が除去されたものである。そして、加熱後２２分程度経過した場合には、初期炭材に含有された揮発分の約７５％程度が除去され、その以後には質量変化がほとんど発生しなかった。
さらに、加熱温度が７５０℃であるとき、加熱後７分経過した場合、改質炭の質量が初期質量より２３％変化したものと測定された。これは、初期炭材に含有された揮発分（４６％）の約５０％程度が除去されたものである。そして、加熱後１５分程度経過した場合には、初期炭材に含有された揮発分の約７５％程度が除去され、その以後には質量変化がほとんど発生しなかった。
加熱炉の温度が５５０℃であるとき、加熱後２０分経過した場合、改質炭の質量が初期質量より２３％変化したことが観察された。これは、初期炭材に含有された揮発分（４６％）の約５０％程度が除去されたものである。そして、加熱後４３分程度経過した場合には、初期炭材に含有された揮発分の約７３％程度が除去され、その以後には質量変化がほとんど発生しなかった。
一方、加熱温度が６５０℃であるとき、加熱後１１分経過した場合、改質炭の質量が初期質量より２３％変化したことが測定された。これは、初期炭材に含有された揮発分（４６％）の約５０％程度が除去されたものである。そして、加熱後２２分程度経過した場合には、初期炭材に含有された揮発分の約７５％程度が除去され、その以後には質量変化がほとんど発生しなかった。
さらに、加熱温度が７５０℃であるとき、加熱後７分経過した場合、改質炭の質量が初期質量より２３％変化したものと測定された。これは、初期炭材に含有された揮発分（４６％）の約５０％程度が除去されたものである。そして、加熱後１５分程度経過した場合には、初期炭材に含有された揮発分の約７５％程度が除去され、その以後には質量変化がほとんど発生しなかった。
この実験を通じて、炭材内の揮発分は、反応炉内の内温度と密接に関連しており、反応炉内の温度が高いほど揮発分が速く除去されることが分かる。また、炭材改質時、反応温度に応じて一定量、例えば７５％程度の揮発分を除去することができるが、揮発分を完全に除去することは困難であることが分かる。
そして、この試験で得られた改質炭の粒度変化を調べた。ここで、改質炭の粒度分布を累積的に比較した。石炭粒度は２．８〜２．１ｍｍ、２．０〜１．１ｍｍ、１．０〜０．６ｍｍ、０．５〜０．４ｍｍ、０．３〜０．１６ｍｍ、０．１５ｍｍ以下にそれぞれ分類した。回収された改質炭を篩（ｓｉｅｖｅ）に入れ、１分間振動を与えて粒度を分類し、各粒度別回収量及び回収率を累積的に分析した。そして、改質前の炭材１００ｇを改質炭と同じ方法で、粒度を分類して、各粒度別回収量と回収率を累積的に分析して、基準データとして使用した。
そして、この試験で得られた改質炭の粒度変化を調べた。ここで、改質炭の粒度分布を累積的に比較した。石炭粒度は２．８〜２．１ｍｍ、２．０〜１．１ｍｍ、１．０〜０．６ｍｍ、０．５〜０．４ｍｍ、０．３〜０．１６ｍｍ、０．１５ｍｍ以下にそれぞれ分類した。回収された改質炭を篩（ｓｉｅｖｅ）に入れ、１分間振動を与えて粒度を分類し、各粒度別回収量及び回収率を累積的に分析した。そして、改質前の炭材１００ｇを改質炭と同じ方法で、粒度を分類して、各粒度別回収量と回収率を累積的に分析して、基準データとして使用した。
図４に示したとおり、反応温度が高いほど改質炭の収率が減少した。これは、炭材内の揮発分が除去されたためである。実際操業では、排ガス中に含有される微粉炭材が濾過器で完全に回収されないため、収率がより減少することになる。そして、加熱温度が高いほど、比較的粒度が大きい２．０ｍｍ以上の分率が減少した。これは、急速な温度変化によって炭材が分割されたことに起因するものと判断された。また、実際の操業では、炭材が流動しながら衝突及び破砕されるので、２．０ｍｍ以上の粒度を持つ改質炭の粉率はさらに減少すると予測される。
本発明の技術的思想は、実施例に基づいて具体的に記述されたが、実施例は、その説明のためのものであり、その制限のためのものではないことを周知しなければならない。また、本発明の技術分野で当業者は、本発明の技術思想の範囲内で多様な実施例が可能であることを理解すべきである。
本発明に係る炭材の改質方法及びその装置は、炭材に含有される揮発分を除去する過程でタール、粗軽油などの副産物を回収して、燃料及びエネルギー源として活用することができる。また、排ガスを反応炉に供給される熱風を製造するための熱源として再利用することができるため、排ガスによる環境汚染を低減させることができる。
１００：炭材供給部
１１０：炭材貯蔵器
１２０：切出機
１３０：第１配管
２００：反応炉
２１０：反応管
２２０：加熱手段
２３０：噴射体
３００：回収部
３１０：改質炭貯蔵器
３２０：第２配管
３３０：ドレイン
４００：熱風供給部
４１０：ガス貯蔵器
４２０：点火器
５１０：排気管
５２０：濾過器
５３０：連結管
５４０：センサー
６１０：冷却ジャケット、冷却手段
６２０：冷却水供給配管、冷却手段
８００：排ガス貯蔵器
８１０：循環配管
１１００：副産物貯蔵器
１１０：炭材貯蔵器
１２０：切出機
１３０：第１配管
２００：反応炉
２１０：反応管
２２０：加熱手段
２３０：噴射体
３００：回収部
３１０：改質炭貯蔵器
３２０：第２配管
３３０：ドレイン
４００：熱風供給部
４１０：ガス貯蔵器
４２０：点火器
５１０：排気管
５２０：濾過器
５３０：連結管
５４０：センサー
６１０：冷却ジャケット、冷却手段
６２０：冷却水供給配管、冷却手段
８００：排ガス貯蔵器
８１０：循環配管
１１００：副産物貯蔵器
Claims (18)
- 炭材を用意する過程と、
前記炭材を反応炉に投入する過程と、
前記反応炉に熱風を供給して前記炭材を流動させながら、前記炭材に含有される揮発分を除去する過程と、
前記揮発分が除去された改質炭を回収する過程と、
を含むことを特徴とする炭材の改質方法。 - 前記炭材を投入する過程と、前記改質炭を回収する過程は、連続的に遂行することを特徴とする請求項１に記載の炭材の改質方法。
- 前記炭材を投入する過程で、前記炭材を前記反応炉に毎分５０ないし８０ｇの速度で投入することを特徴とする請求項２に記載の炭材の改質方法。
- 前記揮発分を除去する過程は、５５０ないし８００℃で遂行することを特徴とする請求項１に記載の炭材の改質方法。
- 前記改質炭を回収する過程で、前記揮発分を除去するときに発生する排ガスを回収することを特徴とする請求項２に記載の炭材の改質方法。
- 前記排ガスから微粉炭材を回収する過程を含むことを特徴とする請求項５に記載の炭材の改質方法。
- 前記排ガスを冷却させて前記排ガスに含有される副産物を分離する過程を含むことを特徴とする請求項６に記載の炭材の改質方法。
- 前記副産物が除去された排ガスを、前記熱風を製造するための熱源として使用することを特徴とする請求項７に記載の炭材の改質方法。
- 前記熱風は、不活性ガスを含むことを特徴とする請求項８に記載の炭材の改質方法。
- 前記不活性ガスは、窒素ガスであり、前記反応炉に０．３５ないし０．６ｍ／秒の流速で供給されることを特徴とする請求項９に記載の炭材の改質方法。
- 内部に炭材が処理される処理空間が形成された反応炉と、
前記反応炉に炭材を供給する炭材供給部と、
前記反応炉に熱風を供給する熱風供給部と、
前記反応炉で揮発分が除去された改質炭を回収する回収部と、
を備えることを特徴とする炭材の改質装置。 - 前記反応炉は、内部に前記炭材を処理するための反応管と、前記反応管を加熱する加熱手段と、を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の炭材の改質装置。
- 前記反応炉の下部には、前記熱風を分散させるための噴射体が備えられたことを特徴とする請求項１２に記載の炭材の改質装置。
- 前記反応炉には、排ガスを排出する排気管が連結され、前記排気管には、前記排ガスから微粉炭材を回収する濾過器が設置されたことを特徴とする請求項１１に記載の炭材の改質装置。
- 前記排気管には、前記排気管に沿って移動する排ガスを冷却するための冷却手段が具備され、
前記排気管の端部には、前記排気ガスに含まれていた副産物を貯蔵する副産物貯蔵器が連結されたことを特徴とする請求項１４に記載の炭材の改質装置。 - 前記副産物貯蔵器に連結された排ガス貯蔵器を備えたことを特徴とする請求項１５に記載の炭材の改質装置。
- 前記排ガス貯蔵器と前記熱風供給部とを接続する循環配管を備えたことを特徴とする請求項１６に記載の炭材の改質装置。
- 前記熱風供給部は、不活性ガスを貯蔵する不活性ガス貯蔵器と、前記循環配管に設置された点火器と、を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の炭材の改質装置。
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