JP3579552B2

JP3579552B2 - 高濃度石炭・水混合燃料とその製造方法

Info

Publication number: JP3579552B2
Application number: JP29706996A
Authority: JP
Inventors: 哲夫小野
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1996-03-11
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2016-10-21
Also published as: JPH09302364A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭と水とを混合して成る石炭・水混合燃料とその製造方法に関する。更に詳述すると、本発明は、高濃度にしても流動性が良い高濃度石炭・水混合燃料とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、石炭の利用法の一つとして、石炭を微粉化しこれに少量の水を混ぜて高濃度スラリー化またはペースト化し、パイプラインによる輸送等を可能とすることが提案されている。これは、高濃度石炭・水スラリー（以下、ＣＷＭと略称する）または高濃度石炭・水ペースト（以下、ＣＷＰと略称する）と呼ばれている。
【０００３】
ＣＷＭの場合、石炭の粒径分布を調整して濃度を６５〜７０ｗｔ％に高めて流動性を持たせたものであり、脱水せずにそのまま通常のボイラで燃焼させる。一方、ＣＷＰの場合、石炭の粒径をＣＷＭの粒径よりも若干大きい６ｍｍ以下の分布となるように調整し、脱硫剤と共に水と混練して濃度７０〜８０ｗｔ％で流動性を持たせている。そして、加圧されている流動床ボイラ内にパイプラインからポンプによりＣＷＰを押し出して、そのまま燃焼させる。これらのため、ＣＷＭやＣＷＰでは、水分濃度を３０〜３５ｗｔ％と低くした上に更に十分な流動性が要求される。
【０００４】
これらＣＷＭやＣＷＰの製造は、既に湿式粉砕による湿式製造法において商業化されているが、湿式粉砕の際に粉砕動力を多く要して製造コストを押し上げていることから、粉砕動力の小さな乾式粉砕による乾式製造法の開発が望まれている。また、乾式製造法では、微粉炭が粉砕時に乾燥されることから強い撥水性を示し、スラリー化が困難な状況にある。そこで、従来のＣＷＭやＣＷＰの製造においては、撥水性の強い微粉炭をスラリー化してパイプラインでの流動を容易とするために、高濃度例えば６５〜７０％濃度のＣＷＭを得ようとする場合、界面活性剤の性能にもよるが一般的な界面活性剤を主成分とする分散剤の場合で０．１〜１ｗｔ％程度添加することが必要である。これにより、微粉炭の濡れ性を向上させ、水中での微粉炭の凝集を防止している。勿論、湿式製造法においても、微粉炭の濡れ性を向上させて微粉炭の凝集を防止するため、多量の界面活性剤を添加することが必要であることは同様である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したＣＷＭやＣＷＰでは、分散剤の単位量当たりのコストが比較的高いため、０．１〜１ｗｔ％程度の分散剤のコストがＣＷＭやＣＷＰのコストの約２〜４割を占めてしまう。
【０００６】
この分散剤コストを低減するために、種々の分散剤が提案されている。例えば、高性能で添加量を減らせる分散剤が開発されているが、この分散剤では単価が高くなってしまう。また、単価の安い分散剤も開発されているが、この分散剤では添加量を多くする必要がある。このため、分散剤コストの削減は困難であるので、ＣＷＭやＣＷＰのコストを低減することができない。
【０００７】
尚、本明細書では、ＣＷＭとＣＷＰとを総称して高濃度石炭・水混合燃料と呼び、特に断りがない限り高濃度石炭・水混合燃料には高濃度石炭・水スラリーの他に高濃度石炭・水ペーストを含んでいる。
【０００８】
そこで、本発明は濃度を高めても流動性の良い高濃度石炭・水混合燃料を得ることを目的とする。より具体的には、本発明は、分散剤コストを削減することができる高濃度石炭・水混合燃料とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため種々研究した結果、本発明者は、高濃度石炭・水混合燃料が、水の中に石炭粒子を分散させたものであり、１μｍ以下の粒子が数多く占めているので、コロイド分散系あるいは粗大分散系からコロイド分散系への変遷領域であることに着目した。そこで、コロイドを安定に保つには、分散粒子同士が結合できないようにすれば良く、その方法の１つとして、本発明者は分散媒と分散質との親和性を利用し、疎水コロイド粒子たる石炭粒子の表面に親水コロイドを吸着させてあたかも親水コロイドであるかのような性質を示して安定性を増すいわゆるコロイドの保護作用を利用することを考えた。しかし、微粉炭と水と親水コロイドとが混合されることによって生成される微粉炭のスラリーは、粘性が増大して流動性が悪化したものとなる。ところが、このスラリーに通常添加される分散剤よりも少量の分散剤を混合することにより、粘性が減少して流動性が良好なスラリーとなることを知見した。この現象は、以下のような理由により発生すると考えられる。
【００１０】
（１）保護コロイドによるゲル化及びゾル化によるもの
疎水コロイド粒子である微粉炭粒子の表面に親水コロイドが吸着し、微粉炭粒子表面を親水コロイドで包み込んで親水化する。これにより、親水コロイドは、微粉炭に対して保護コロイドとして保護作用を行う。そして、保護コロイドを吸着した微粉炭の粒子同士が、微粉炭粒子から溶出した金属イオン等の多価イオンを介してイオン結合等によって二次結合されて、可逆的な微粉炭ゲルが生成される。これにより、スラリーの粘性が増して流動性が悪化すると推定される。
【００１１】
そして、このスラリーに分散剤が混合されることにより、微粉炭同士の二次結合が破壊されて微粉炭ゲルがゾルに戻される。このため、微粉炭粒子は、保護コロイドの保護作用により親水化した状態で凝集することなく安定する。これにより、十分な流動性を備えた高濃度石炭・水混合燃料を得ることができると推定される。
【００１２】
この場合、分散剤は微粉炭粒子の二次結合を破壊するだけの添加量で足りるので、親水コロイドを添加せずに分散剤のみで微粉炭粒子の凝集を防止する場合に比べて分散剤の添加量を低減できる。
【００１３】
（２）電解質による微粒子の凝集とイオンの拮抗作用からの分散によるもの
微粉炭は微粒子であり電荷を持っているので、その周囲に反対符号のイオン（対イオン）が引き寄せられ、電気二重層と呼ばれる二重構造となり、通常は対イオン同士の電気的反発によってコロイド状に分散する。しかし、親水コロイドの添加などによって電解質が加えられると、対イオンは粒子表面に押しやられ、微電気二重層の厚さが減少する。そして、粒子間距離が小さくなることにより、各微粉炭粒子が互いの粒子間引力の圏内に入り込み凝集すると推定できる。
【００１４】
そして、このスラリーに分散剤が混合されることにより、上述した電荷質とは異なる種類の電解質が加えられる。このため、微粉炭粒子には２種類以上の電解質が加えられることになり、イオンの拮抗作用により微粉炭粒子の凝集力が抑制される。これにより、十分な流動性を備えた高濃度石炭・水混合燃料を得ることができると推定される。
【００１５】
この場合、分散剤は微粉炭粒子にイオンの拮抗作用を起こさせるだけの添加量で足りるので、親水コロイドを添加せずに分散剤のみで微粉炭粒子の凝集を防止する場合に比べて分散剤の添加量を低減できる。
【００１６】
（３）高分子物質による微粒子の凝集と分散剤の二分子層吸着からの分散によるもの
親水コロイドは水溶性高分子物質であり水素結合基を多数有しているので、電気やイオンに関係なく水素結合基により微粉炭粒子に吸着する。そして、少量の高分子が微粉炭粒子に吸着する場合は、粒子表面の全体に吸着せず疎らに吸着する。このため、粒子表面の空いた部分に他の粒子に吸着している高分子の一部が吸着して、１つの高分子が２つ以上の粒子に接合する。これにより、微粉炭粒子が凝集されると推定できる。これは「橋かけ凝集」と呼ばれる現象である。
【００１７】
そして、このスラリーに分散剤が混合されることにより、粒子表面の空いた部分に分散剤のイオンが二分子層吸着をする。このため、微粉炭粒子は全体として電荷を持つことになり、分散される。これにより、十分な流動性を備えた高濃度石炭・水混合燃料を得ることができると推定される。
【００１８】
また、橋かけ凝集を起こした微粉炭粒子に分散剤が混合されることにより、一個の微粉炭粒子に接合される高分子が同一粒子の表面の空いた部分にも接合される。そして、各粒子の周囲には多数の高分子が複雑に絡み合って糸まり状高分子となり、微粉炭粒子の全面を覆うようになる。このため、粒子同士を接合する高分子が減少し、各粒子同士が反発するようになる。これにより、十分な流動性を備えた高濃度石炭・水混合燃料を得ることができると推定される。
【００１９】
この場合、分散剤は分散剤自体または糸まり状高分子により微粉炭粒子の空いた部分を埋めるだけの添加量で足りるので、親水コロイドを添加せずに分散剤のみで微粉炭粒子の凝集を防止する場合に比べて分散剤の添加量を低減できる。
【００２０】
なお、上述した各現象はいずれか１つが起こる場合だけではなく、各現象が同時にしかも互いに関連しながら生ずることも、更にはそれ以外の理由によって分散剤の添加を著しく低減しても流動性が得られていることもあると考えられる。
【００２１】
本発明は、かかる知見に基づいて為されたものであって、請求項１の高濃度石炭・水混合燃料は、石炭を所定の粒径分布に粉砕した微粉炭と水と分散剤とを混合して成る高濃度石炭・水混合燃料において、微粉炭に対して保護効果を生ずる親水コロイドを、高濃度石炭・水混合燃料の水分の１ｐｐｍ以下１０ ^-4 ｐｐｔ以上の量（すなわち、ｐｐｍオーダーから１０ ^-4 ｐｐｔオーダーの量）含むようにしている。ここで、親水コロイドの添加量は、疎水コロイド粒子たる石炭微粒子に吸着しその表面を親水化する保護作用を発揮するに十分な量でかつできるだけ少量となる量であることが好ましく、最も好ましくは高濃度石炭・水混合燃料の水分の１ｐｐｂ以下１ｐｐｔ以上の量（すなわち、ｐｐｔオーダーからｐｐｂオーダーの量）とすることである。
親水コロイドの添加量を多くすると、強いゲル化により微粉炭同士の結合が強固になるので、この結合を破壊するために分散剤の添加量を増加しなければならなくなり、分散剤の低減効果が薄れる。反面、少な過ぎれば疎水コロイドが逆に不安定となる増感作用を起こす。具体的には、図１３の実測データから明らかなように、７０％濃度のＣＷＭを得る場合には、水に対するコロイドの添加量を１０ｐｐｍを超える量にすると流動性が悪化し始める。親水コロイドの添加量を１０ ^-4 ｐｐｔ未満と少な過ぎても流動性が悪くなる。
【００２２】
ここで、親水コロイドの添加量は、微粉炭に対し保護効果を示す親水コロイドと界面活性剤を同時に添加したものでは、界面活性剤の添加量を若干減少させることができたが、上記ほどの効果はなかった。また、界面活性剤を先にして保護コロイドを添加した場合には界面活性剤の使用量の減少には繋がらなかった。
【００２３】
そこで、本発明の高濃度石炭・水混合燃料の製造方法では、微粉炭と水との混合物に親水コロイドを添加し、その後、分散剤を添加するようにしている。したがって、微粉炭と水との混合物に親水コロイドを添加して混合することにより、ゲル状の微粉炭スラリーが生成される。このスラリーに分散剤が添加・混合されることにより、微粉炭スラリーがゾル状になる。この現象の起きる理由は上述した通りである。これにより、分散剤の添加量をより削減した高濃度石炭・水混合燃料が製造される。例えば、図１４の実測データより明らかなように、親水コロイドを添加せずに例えば０．４ｗｔ％の分散剤を添加した従来の高濃度石炭・水混合燃料と同等の流動性の高濃度石炭・水混合燃料を得るには、１ｐｐｍの親水コロイドを分散剤に先立って添加することにより、分散剤の添加量を従来の添加量の１／２〜１／４に削減することができる。
【００２６】
さらに、請求項７の高濃度石炭・水混合燃料の製造方法では、微粉炭は、乾式粉砕によって得られたものを更に当該微粉炭同士が押し合い揉み合うように摩砕させることによって微粉炭の角が削られて球状化されると共に超微粒子が生成されたものとしている。これにより、さらに流動性及び濃度が高い高濃度石炭・水燃料を製造するようにしている。
【００２７】
石炭をミルによって粉砕して得られた微粉炭は、所定粒径以下でほとんどが１００μｍ以下という微細な粒子であるが、その形状は、図５（Ａ）及び図６に示すように、不定形からなる角張ったほぼ多面体で、高濃度石炭・水混合燃料用としては比較的大きい粒子となる。また、粒径分布（質量基準）は、図１２の○印に示すように、１００μｍ以下が約９３％、１０μｍ以下が約１５％、１μｍ以下が１％未満であり、ＣＷＭを得るためには１０μｍ以下の微粒子成分が不足している。
【００２８】
しかし、微粉炭は揉み合い押し合いされ、微粉炭同士が擦り合わされることによって互いに摩砕され、図５（Ｂ）及び図７に示すように、微粉炭の角がとれて球状化されて表面積が小さくなる。また、削られた角が１μｍ以下の超微粒子になる。このため、粒径分布（質量基準）は、図１２の●印に示すように、１００μｍ以下が約１００％、１０μｍ以下が約４５％、１μｍ以下が約１７％であり、ＣＷＭとして要求される値を満たす。そして、球状化された微粉炭同士の隙間が超微粒子で充填された状態のＣＷＭを得ることができる。また、本発明の微粉炭の球状化はＣＯＭ製造に適用することもできる。
【００２９】
すなわち、微粉炭の角がとれて球状化されて表面積が小さくなることにより、微粉炭同士の隙間の充填のために必要な超微粒子の量が少なくなる。しかも、削られ易い所が削り取られることとなって、本体粒子は球状化されるものの初めの粒径から極端に小さくなることはなく、超微粒子を発生し得る。一方、削られた角は超微粒子となり、球状化された微粉炭同士の隙間に充填される。したがって、微粉炭同士の隙間に十分な量の超微粒子が充填される。これによって、高濃度石炭・水混合燃料が流動性を得るために必要な広い粒径分布、即ち球状化した比較的大きな粒子から極細かな粒子までを微粉炭の角取り球状化によって容易に生成し、高濃度石炭、水混合燃料に適した粒径分布に調整できる。そして、微粉炭同士の隙間から水分が追い出されて高濃度のＣＷＭまたはＣＷＰを得ることができる。また、微粉炭の表面を超微粒子が被覆するように付着して潤滑効果を生ずるので、流動性の高いＣＷＭまたはＣＷＰを得ることができる。図１５の実測データに示すように、球状化を行ったＣＷＭ（▲印）の方が行わないＣＷＭ（△印）よりも流動性が高いことは明らかである。しかも、大量の超微粒子を用意して混入する必要がなくなるので、ＣＷＭまたはＣＷＰの製造が簡易になって製造費を低減させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００３１】
図１に、本発明の高濃度石炭・水混合燃料をＣＷＭとした場合の一例を示す。このＣＷＭを製造する乾式製造システムは、石炭１を粉砕して微粉炭２にするミル３と、微粉炭２に水分を与えて湿り微粉炭４にする混気水ジェットポンプ５と、湿り微粉炭４を親水コロイド７と混合して微粉炭ゲル８を生成する球状化装置６と、微粉炭ゲル８を分散剤９と混合してＣＷＭ１０を生成する攪拌機１１とを備えている。すなわち、本発明は、石炭１を所定の粒径分布に粉砕した微粉炭２と水と分散剤９とを混合して成るＣＷＭ等の高濃度石炭・水混合燃料に、微粉炭２に対して保護効果を生ずる親水コロイド７を添加している。
【００３２】
ミル３は、通常、乾式堅型ミルと呼ばれるもので石炭火力発電所等の石炭ボイラ用微粉炭を製造するのに一般的に使用されている。このミル３による粉砕によって微粉炭２が得られる。混気水ジェットポンプ５は高圧水及び空気をオリフィス２１を介してノズル２２内に供給し、強力なジェット水による激しい攪拌によって、微粉炭２を吸引して湿り微粉炭４とするものである。
【００３３】
この湿り微粉炭４は、水及び親水コロイド７と共に球状化装置６内に連続的にスムーズに送り込まれる。球状化装置６は、図４に示すように、円板形状でモータ等の駆動源により回転する第１部材としての回転円盤２４と、該回転円盤２４とほぼ等しい大きさ・形状で回転しない第２部材としての固定円盤２５と、該固定円盤２５の中央部に取り付けた漏斗２６とを備えている。回転円盤２４と固定円盤２５との各対向面は、僅かな間隔をおいて平行に向き合わされている。そして、固定円盤２５の中央部には、透孔が形成されている。透孔の開口部には、漏斗２６の小径部が取り付けられている。
【００３４】
そして、回転円盤２４を回転させた状態で、湿り微粉炭４を水及び親水コロイド７と共に漏斗２６に流し込む。これにより、湿り微粉炭４が固定円盤２５の透孔を通過して回転円盤２４と固定円盤２５との対向面同士の間に挟まれて、回転により揉み合い押し合い擦り合わされながら遠心力で外周側に移動される。この時、湿り微粉炭４の粒子同士が接触して擦り合うので、図５（Ｂ）に示すように粒子の角が削られて球状化されると共に超微粒子が生成される。そして、同時に加えられた水により超微粒子が大きな粒子の隙間に入り込み、ＣＷＭが生成される。ここで、ＣＷＭは、図７に示すように、角が削られて球状化された粒子を有すると共に、十分な量の超微粒子を有している。また、本実施形態では、球状化装置６において水を加えているが、加えなくても構わない。
【００３５】
なお、本実施形態では各対向面を平坦な形状としているが、例えば溝や突起等の凹凸部が形成された形状であっても構わない。この構造によれば、湿り微粉炭４の揉み合い押し合いが複雑に行われ、球状化と超微粒子の生成がより確実に行われる。
【００３６】
また、球状化装置６では親水コロイド７が湿り微粉炭４の粒子と混合され、これにより微粉炭４の粒子同士の二次結合や、微粉炭４の粒子間引力による凝集や、高分子の橋かけ凝集が起こる。このため、湿り微粉炭４がゲル化するので、ゼリー状の微粉炭ゲル８が生成される。
【００３７】
ここで、親水コロイド７の添加量はゲル化作用を起こすのに十分な量であれば良いが、多過ぎてもゲル化が進んでしまいゾル化するのに多くの分散剤９を必要としてしまう。これでは、分散剤９の使用を減らしてＣＷＭ１０等のコストダウンを図ることが達成できなくなる。例えば、図１３に示すように、濃度７０．６％のＣＷＭにおいて分散剤たる界面活性剤の量を従来の１／２の０．２ｗｔ％にしたときには、親水コロイドの添加量をＣＷＭの１０ｐｐｍを超える量にすると流動性が悪くなり、分散剤９を多く添加する必要が生じ、従来の添加量と変わらなくなってくる。また、親水コロイド７の添加量の下限は微粉炭との相互凝結を生ずる量より多い量である。これよりも親水コロイドの添加量が少ないと、増感作用を起こす。例えば、図１３に示すように、濃度７０．６％のＣＷＭにおいて１０^−４ｐｐｔ未満の量とすると流動性が悪くなるので、１０^−３ｐｐｔオーダーを超える量であることが好ましい。そこで、親水コロイド７の添加量は、例えば７０％濃度のＣＷＭを得る場合には、好ましくはＣＷＭに加えられる水に対して１ｗｔ％未満でかつ微粉炭を相互凝結を生ずる量よりも多い量、より好ましくはｐｐｍオーダーからｐｐｔオーダー例えば１ｐｐｍ〜１０^−３ｐｐｔ、最も好ましくはｐｐｔオーダーからｐｐｂオーダー例えば１ｐｐｔから１ｐｐｂである。この場合、従来よりも界面活性剤の使用量を減らせ、特に１ｐｐｔ〜１ｐｐｂの範囲で添加するときには、従来の約１／３の界面活性剤で足りる。尚、親水コロイド７の好適な添加量は、ＣＷＭの濃度によっても若干異なるが、上述のｐｐｔオーダーからｐｐｂオーダーに設定しておけば、ＣＷＭの濃度にほとんど左右されることなく、分散剤の使用量を従来の少なくとも１／２〜１／４程度にはできる。
【００３８】
また、分散剤９として極めて安価な界面活性効果の低いイオン中和剤を用いる場合には、親水コロイド７を１ｗｔ％程度添加しても多量のイオン中和剤で安価にゾル化できる。しかし、分散剤９として従来から一般的に使用される高価な界面活性効果の高い界面活性剤を使用する場合には、親水コロイド７の添加量を１００ｐｐｍ以下とする。これにより、界面活性剤の使用量を従来の１／２〜１／４に削減できる上に、親水コロイド７自体も１００ｐｐｍ以下なので、極めて添加量を少なくできる。
【００３９】
親水コロイド７としては、表１、表２および表３に例示するようなものが使用可能である。そして、代表的にはゼラチン・アラビアゴム・カゼイン・にかわ・トラガント・アルブミン・デキストリン・デンプン、ヒドロキシエチルセルロース・ポリビニルアルコール・メチルセルロース等の使用が好ましい。但しこれらに限らず、疎水コロイド粒子である湿り微粉炭４に対して保護作用を示すものであれば、他の種類の親水コロイド７でも構わない。さらに、添加する親水コロイド７は単一の種類に限らず、複数の種類の親水コロイド７を同時にまたは別々に添加しても構わない。
【００４０】
【表１】

【００４１】
【表２】

【００４２】
【表３】

【００４３】
さらに、微粉炭ゲル８は、攪拌機１１に連続的にスムーズに送り込まれる。攪拌機１１には分散剤９が投入され、微粉炭ゲル８と十分に攪拌されて混合される。そして、微粉炭ゲル８の粒子同士の二次結合が破壊されたり、微粉炭粒子にイオンの拮抗作用が起きたり、分散剤９自体若しくは糸まり状高分子が微粉炭粒子の空いた部分を埋めたりすることにより、微粉炭がゾル化される。そして、微粉炭粒子は、ゾル化した状態で凝集することなく安定する。これにより、パイプラインで輸送するのに適した流動性を備えたＣＷＭ１０を得ることができる。
【００４４】
分散剤９としては界面活性剤が一般的であるが、これに限らず微粉炭粒子から溶出する主に金属イオンから成る多価イオンを取り込むキレート化剤や前述の多価イオンを中和させて保護コロイドとイオン結合するのを阻止するイオン中和剤等のように、一旦可逆的なゲル状となった微粉炭粒子を再びゾルに戻すいわゆるゾル化作用を示すもの（ゾル化剤）であれば他の分散安定化物質でも構わない。キレート化剤としては、例えばエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）等を用いることができる。また、分散剤９として、微粉炭粒子同士のイオン結合を防止する遮蔽剤を用いても構わない。
【００４５】
以上のように構成されたＣＷＭ製造システムによると、最初にミル３による粉砕によって微粉炭２を得る。次に、この微粉炭２に混気水ジェットポンプ５により水分を与え、短時間に湿り微粉炭４を得る。そして、この湿り微粉炭４に親水コロイド７及び水を加えて球状化装置６で擦り合わせ、微粉炭粒子の二次結合・凝集を図ると共にその球状化を行って微粉炭ゲル８を得る。この微粉炭ゲル８に分散剤９を加えて攪拌機１１で混合し、微粉炭粒子の二次結合・凝集を破壊してＣＷＭ１０を得る。なお、混気水ジェットポンプ５や球状化装置６で加えられる水の量を調整することにより、ＣＷＭ１０の濃度調整を行うことができる。
【００４６】
本実施形態によれば、湿り微粉炭４に親水コロイド７を加えてから分散剤９と混合しているので、分散剤９の混合量を親水コロイド７を加えない場合に比べて大幅に減少することができる。具体的には、図１４のＣＷＭ濃度７０．６ｗｔ％の（プロット○●）に示すように、親水コロイド７を加えずに分散剤９のみを０．４％程度添加していた場合と同等の粘度が上述の製造システムで親水コロイド７を１ｐｐｍ程度加えることにより得られ、尚かつそのときの分散剤９の添加量を１／２〜１／４に削減することができた。したがって、分散剤９の使用量を減らしてコストを削減することにより、ＣＷＭ１０のコストを低減することができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、球状化装置６により微粉炭粒子を球状化しているので、微粉炭の粒子の間に水が入り込み易くなる。このため、親水コロイド７や分散剤９が微粉炭粒子の周囲に効率よく分散されるので、保護コロイドの形成及び二次結合・凝集による微粉炭のゲル化とそのゾル化の作用が促進され、親水コロイド７及び分散剤９の添加量をより削減することができる。これと共に、微粉炭粒子の球状化により微粉炭の表面を超微粒子が被覆するように付着して潤滑効果を生ずるので、ＣＷＭの流動性を向上させることができる。具体的には、図１５の▲△印に示すように、球状化を行ったＣＷＭ（▲印）の方が行わないＣＷＭ（△印）よりも流動性が高い。
【００４８】
さらに、本実施形態によれば、乾式製造法によりＣＷＭを製造しているので、湿式製造法による場合に比べて製造時間を１／２〜１／５に短縮すると共に駆動動力を１／３程度に低減することができる。しかも、図１５の▲□印に示すように、乾式製造法によるＣＷＭであっても球状化を行っていれば、湿式製造法によるＣＷＭと同等の流動性を有することができる。
【００４９】
ところで、本実施形態では、微粉炭２に水を加えて湿り微粉炭４とし、さらに球状化装置６で水を加えてＣＷＭとしている。これは、最終的に所定の濃度のＣＷＭが得られれば良いので、水を１回のみ加えることとしたり、２回に分けて加えることとしても構わない。また、ミル３により得られた微粉炭２を、球状化装置６に水と共に流し込むこともできる。この場合は、混気ジェットポンプ５は不要となり、設備の縮小を図ることができる。
【００５０】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００５１】
例えば、本実施形態では、乾式ＣＷＭ製造に適用した場合について主に説明しているが、親水コロイドの添加による高濃度石炭・水混合燃料の流動化を良くする技術については、湿式製造法に対しても適用できる。また、微粉炭の球状化による微粉炭のスラリーの流動性の改善は、ＣＯＭに対しても適用可能である。
【００５２】
また、球状化装置６の漏斗２６を取り付けた方の円盤を固定円盤２５としているが、これを回転円盤にして他方の円盤を固定円盤にしても構わない。また、両方の円盤をそれぞれ回転させる構造としても構わない。両方の円盤を互いに反対方向に回転させれば、片方の円盤のみを回転させる場合よりも円盤同士の間の相対速度が大きくなるので、球状化をより確実に行うことができる。さらに、回転円盤を偏心させながら回転させたり、回転させずに摺動させる構造であっても構わない。
【００５３】
また、図８に示すように、球状化装置６の回転円盤２４’と固定円盤２５’との対向面がほぼ鉛直になるように設置して、固定円盤２５’の透孔にスクリューフィーダ２７を取り付けたものとすることができる。そして、スクリューフィーダ２７のスクリューを回転させることにより、湿り微粉炭４を回転円盤２４’と固定円盤２５’との間に送り込む。また、回転円盤２４’と固定円盤２５’との間には給水管２８が設置されている。給水管２８の給水口は対向面の中央部に位置されている。これにより、回転円盤２４’と固定円盤２５’とに挟まれた湿り微粉炭４に水が供給されて混合される。
【００５４】
また、図９に示すように、球状化装置６を、互いに僅かな間隔をおいて対向する第１部材及び第２部材としての２枚の平板３１，３２を備えた構造としても構わない。この構造では、一方の平板３１を固定して他方の平板３２を対向面と平行な方向に摺動させたり、各平板３１，３２を互いに摺動する方向に移動させる。そして、球状化装置６の上方から湿り微粉炭４を供給し、各平板３１，３２の間に挟持させる。次いで、平板３１，３２同士を相対摺動させることにより、球状化及び超微粒子の生成を行うことができる。
【００５５】
さらに、図１０に示すように、球状化装置６を、第１部材としての円筒部材３４と、該円筒部材３４に隙間嵌めにより貫通される第２部材としての軸３５とを備えた形状としても構わない。この構造では、円筒部材３４と軸３５の一方または両方を互いに回転したり軸方向に摺動するよう移動させる。そして、円筒部材３４と軸３５との間に湿り微粉炭４を挟持させて相対移動させることにより、球状化及び超微粒子の生成を行うことができる。なお、円筒部材３４の内周面と軸３５の外周面とに軸方向または周方向に沿った凹部や凸部を形成したり、螺旋状の凹部や凸部を形成することもできる。また、湿り微粉炭４を円筒部材３４の内部で流動させる際は、一方の隙間から強制的に流入させたり、円筒部材３４及び軸３５の一方の径を他方の径より大きくしてテーパを設けることにより、より容易に行うことができる。
【００５６】
また、図１１に示すように、第１部材としての円柱部材３６と、該円柱部材３６の外周面が僅かな間隔を有して収容される凹部３７ａを有する第２部材としての部材３７とを備えた形状としても構わない。この構造では、円柱部材３６と凹部３７ａを有する部材３７の一方または両方を互いに回転したり軸方向に摺動するよう移動させる。そして、凹部３７ａと円柱部材３６との間に湿り微粉炭４を挟持させて相対移動させることにより、球状化及び超微粒子の生成を行うことができる。
【００５７】
なお、図９と図１０と図１１とに示す構造では、各対向面を平滑としているが、例えば溝や突起等の凹凸部が形成された形状としても構わない。また、所定間隔をおいて直線上に点在する突起部が平行に複数配列された形状としても構わない。これらの形状によれば、湿り微粉炭４の擦り合わせが複雑に行われ、球状化と超微粒子の生成がより確実に行われる。
【００５８】
また、本実施形態では、対向面同士の間隔は一定とされているが、この間隔を変更可能な構造としても構わない。この場合、間隔が僅かに小さくなることにより、湿り微粉炭４を押圧することができる。
【００５９】
他方、本実施形態ではＣＷＭを乾式で製造しているが、例えば湿式粉砕による場合、図２に示すように、回転式の湿式粉砕機１２に石炭１と水と親水コロイド７とを添加して粉砕し、微粉炭ゲル８を製造する。そして、この微粉炭ゲル８に分散剤９を加えて攪拌機１１で混合する。この製造方法によっても、微粉炭に親水コロイド７を添加して微粉炭ゲル８を製造し、この微粉炭ゲル８を分散剤９によりゾル化してＣＷＭ１０を得ているので、分散剤９の添加量を削減することができる。
【００６０】
また、上述した各実施形態ではＣＷＭを製造しているが、これに限らずＣＷＰを製造することもできる。この場合の製造システムは、図３に示すように、石炭１を粉砕する粗粉砕機１３と、所定の粒径以下の微粉炭１４を選別するふるい１５と、微粉炭１４と水と脱硫剤と親水コロイド７とを混練してＣＷＰ１６を製造する混練機１７と、ＣＷＰ１６を貯蔵するタンク１８と、ＣＷＰ１６を吐出するＣＷＰポンプ１９とを備えている。この製造システムでは、混練機１７の途中に分散剤９を添加する。すなわち、微粉炭１４と水と脱硫剤と親水コロイド７とを混練機１７に投入して混練し、混練機１７の上流部で微粉炭ゲルを生成する。そして、微粉炭ゲルを分散剤９と混合してゾル化し、ＣＷＰ１６を製造する。この製造システムによっても、微粉炭１４に親水コロイド７を添加して微粉炭ゲルを製造し、この微粉炭ゲルを分散剤９によりゾル化してＣＷＰ１６を得ているので、分散剤９の添加量を削減することができる。更に、微粉炭の球状化技術はＣＯＭの製造に対しても適用することができる。
【００６１】
（実施例１）
図１に示すミル３と混気水ジェットポンプ５と球状化装置６とを用いて微粉炭の角取り球状化による超微粒子の生成と粒径分布を確認する実験を行った。
【００６２】
乾式の堅型ミル３によって、微粉炭２を得た。次に、この微粉炭２を混気水ジェットポンプ５により水を混ぜ、湿り微粉炭４を得た。この時の湿り微粉炭４の粒子の形状を図６のＳＥＭ写真に示す。同図に示すように、粒子は不定形からなる角張ったほぼ多面体で比較的大きかった。また、その粒径分布は、図１２の○印の状態であった。
【００６３】
この湿り微粉炭４を親水コロイドを添加して球状化装置６で擦り合わせて微粉炭ゲルとし、これに分散剤を混ぜてＣＷＭを得た。このＣＷＭの粒子の形状を図７のＳＥＭ写真に示す。同図に示すように、微粉炭２の角が削れて球状化されて表面積が小さくなった。また、その粒径分布（質量基準）は、図１２の●印の状態であった。即ち、同図から明らかなように、１００μｍ以下が約１００％、１０μｍ以下が約４５％、１μｍ以下が約１７％であり、ＣＷＭとして要求される粒径分布を満たしていた。
【００６４】
（実施例２）
図１に示すミル３と混気水ジェットポンプ５と球状化装置６とを用いて保護コロイド利用によるＣＷＭ製造実験を行った。
【００６５】
まず、保護コロイドの効果を調べるために、普通の微粉炭に少量の親水コロイド７を添加した水を約３０％、親水コロイドを添加しないものと比較して微粉炭の濡れ性を確認した。これによると、添加しないものでは初め微粉炭が水をはじくような感じとなり、混練してもなかなか水となじまない。しかし、親水コロイドを添加したものでは初めの水をはじく感じが弱く、比較的簡単に混練状態となった。このように、親水コロイドによって微粉炭の濡れ性が改善されることを確認した上で、保護コロイド利用によるＣＷＭ製造実験を行った。
【００６６】
図１３に示すように、７０％濃度のＣＷＭを製造する際に、親水コロイド７としてヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、トラガント、カゼイン、ゼラチンを使用し、球状化装置６で供給する水に添加した。その添加量は、水に対して％オーダーからｐｐｍ及びｐｐｔオーダーへと減少させ、保護コロイドの効果を確認すると共に適量を見出した。親水コロイド７の具体的添加量は、水に対して１ｗｔ％、１０ｐｐｍ、１ｐｐｍ、１ｐｐｂ、１ｐｐｔ、１０^−３ｐｐｔ、１０^−６ｐｐｔ、１０^−９ｐｐｔとした。なお、石炭はハンターバレー（オーストラリア産）を使用し、分散剤９は界面活性剤とし、その添加量はＣＷＭに対して０．２ｗｔ％とし、ＣＷＭ濃度は７０ｗｔ％とした。そして、製造されたＣＷＭについて粘度を温度２５℃で測定し、親水コロイドの添加濃度との関係を調べた。粘度計としては、回転粘度計レオマット１１５（スイス・コントラバス社製）を用い、回転数をプログラムにより上昇させて一定保持した後、下降させて自動測定した。その結果を図１３に示す。また、石炭を他の種類に変更しても同様の結果が得られた。
【００６７】
この結果、同図に示すように、親水コロイドの添加量が水に対して１０^−４ｐｐｔ〜１０ｐｐｍの範囲で流動性が良好であり、特に１ｐｐｔ〜１ｐｐｂの範囲で流動性が最良だった。また、１０^−４ｐｐｔ未満や１０ｐｐｍを超える範囲では、流動性が悪くなり粘度の測定結果が不安定になった。尚、親水コロイドの添加量は、ＣＷＭの水に対して表しているが、添加効果はｐｐｍオーダー、ｐｐｔオーダーで発揮されるので、ＣＷＭ全体に対して同量添加しても効果に差はない。
【００６８】
（実施例３）
図１に示すミル３と混気水ジェットポンプ５と球状化装置６とを用いてＣＷＭを製造する際に、親水コロイド７を添加した場合としない場合とでの分散剤添加量が粘度に与える変化についてＣＷＭの濃度毎に実験した。
【００６９】
実験は、石炭としてハンターバレー（オーストラリア産）、親水コロイド７としてＨＥＣを１ｐｐｍ添加し、２５℃で粘度測定した。そして、製造されたＣＷＭについて粘度と、分散剤９の添加量との関係を調べた。その結果を図１４に示す。なお、ＣＷＭ濃度６９．３ｗｔ％の場合は親水コロイド７を添加した場合のみを実施したので、参考として図示した。また、図中、分散剤９添加量の単位は、ＣＷＭに対するｗｔ％である。
【００７０】
同図から明らかなように、ＣＷＭ濃度７０．６％において微粉炭に対して保護効果を示す親水コロイド７を用いない場合でかつ現行の添加量０．４％では粘度１２００ｍＰａ・ｓを示し、添加量を０．３％および０．２％に減じると、粘度はそれぞれ１６００および約４５００ｍＰａ・ｓを示す。これに対して保護コロイドを用いたものは、界面活性剤の添加量を０．４から０．３、０．２および０．１６％と削減しても、粘度は１２００ｍＰａ・ｓでほぼ一定値となっている。また、ＣＷＭ濃度６７．１％では親水コロイドを添加しないものは、界面活性剤の添加量０．４％で粘度４５０ｍＰａ・ｓ、同様に０．２％で６００ｍＰａ・ｓ、０．１％で約２８００ｍＰａ・ｓとなる。これに対し、親水コロイドを添加したものは、添加量０．１３％まで削減しても粘度は４００ｍＰａ・ｓのほぼ一定値となり、かつＣＷＭ粘度の基準値である９００ｍＰａ・ｓ（±３００ｍＰａ・ｓ）となる添加量は０．１％を下回っている。
【００７１】
この様に、微粉炭に対し保護効果を生ずる親水コロイドを用いることによって界面活性剤を削減することは可能である。その削減比は、用いない場合の粘度を得るのにおおよそ１／２．５であり、ＣＷＭ濃度７０．０％以下の場合に基準粘度値をクリアーすれば良いとしたときには、１／３以下にすることも可能である。
【００７２】
（実施例４）
図１に示すミル３により得られた微粉炭を使用してＣＷＭを製造する際に、球状化装置６のみを使用する場合と、図１に示す混気水ジェットポンプ５のみを使用する場合と、湿式製造法を使用する場合とで微粉炭の球状化が流動性・粘度に与える影響を実験した。
【００７３】
この実験では、ハンターバレー炭（オーストラリア産）を用い、球状化装置６を使用して球状化処理をしてから、分散剤９としてポリスチレンスルホン酸ソーダ系の界面活性剤をＣＷＭの０．４ｗｔ％添加して製造したものと、その半分の０．２ｗｔ％添加したものとを製造した。そして、分散剤９の添加量を０．２ｗｔ％とした場合は予め親水コロイド７を１ｐｐｍ添加した。また、混気水ジェットポンプ５のみを使用して球状化装置６を使用しない場合と湿式製造法を使用する場合とは、分散剤９の添加量を現行の０．４ｗｔ％としてＣＷＭを製造した。これらのときの石炭は、ワークワース（オーストラリア産）を使用した。そして、製造されたＣＷＭについて粘度を測定し、石炭濃度との関係を調べた。その結果を図１５に示す。なお、測定温度は２５℃とした。
【００７４】
同図に示すように、球状化装置６のみを使用した場合では、分散剤９の添加量を１／２にしたＣＷＭ（●印）であっても親水コロイド７を１ｐｐｍ添加することにより現行の分散剤添加量のＣＷＭ（▲印）と同等の流動性を得た。また、現行の分散剤添加量のＣＷＭ同士を比較すると、球状化装置６で球状化されたＣＷＭ（▲印）は混気水ジェットポンプ５のみを使用して球状化されないＣＷＭ（△印）よりも流動性が高かった。しかも、球状化装置６のみを使用したＣＷＭ（▲印）は、湿式製造法によるＣＷＭ（□印）と同等の流動性となった。これらのことから、微粉炭の球状化によって流動性の良いＣＷＭの製造が可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１の高濃度石炭・水混合燃料によると、分散剤の添加量を少なくできる。分散剤の添加量は、微粉炭同士の二次結合を破壊するだけの量、または微粉炭粒子にイオンの拮抗作用を起こさせるだけの量、または分散剤自体若しくは糸まり状高分子により微粉炭粒子の空いた部分を埋めるだけの量で足りるので、従来のように分散剤のみで微粉炭粒子の凝集を防止する場合に比べて分散剤の添加量を大幅に削減することができる。例えば、７０％濃度のＣＷＭを製造する場合には、図１４に示す実測データからも明らかなように、界面活性剤の使用量を従来の約１／３程度にしてもＣＷＭの流動性は損なわれなかった。また、図１５の実測データより明らかなように、親水コロイドを添加することにより分散剤の添加量を１／２に削減しても、石炭濃度と粘度との関係がほぼ同等のＣＷＭを製造することができた。更には請求項２記載の発明のように、７０％濃度のＣＷＭを得る場合には、水に対するコロイドの添加量をｐｐｔオーダーからｐｐｂオーダーの量にすることにより最も流動性の高い高濃度石炭・水混合燃料を得ることができる。
【００７６】
したがって、ＣＷＭの流動性を同等に維持しながら分散剤の添加量を減少させて分散剤コストを削減することにより、高濃度石炭・水混合燃料のコストを低減することができる。
【００７７】
また、親水コロイドを添加するだけなので、高濃度石炭・水混合燃料の既存の製造設備をそのまま利用することができ、設備の増設はほとんど必要ない。
【００７８】
そして、本発明の高濃度石炭・水混合燃料の製造方法によると、微粉炭と水との混合物に親水コロイドを添加し、その後、分散剤を添加するようにしているので、微粉炭と水との混合物に親水コロイドを添加して混合することにより、ゲル状の微粉炭スラリーが生成される。このスラリーに分散剤が添加・混合されることにより、微粉炭スラリーがゾル状になる。これにより、分散剤の添加量をより削減した高濃度石炭・水混合燃料を製造することができる。例えば、図１４の実測データより明らかなように、親水コロイドを添加せずに例えば０．４ｗｔ％の分散剤を添加した従来の高濃度石炭・水混合燃料と同等の流動性の高濃度石炭・水混合燃料を得るには、１ｐｐｍの親水コロイドを分散剤に先立って添加することにより、分散剤の添加量を従来の添加量の１／２〜１／４に削減することができる。
【００８０】
さらに、請求項４の高濃度石炭・水混合燃料の製造方法では、微粉炭は、乾式粉砕によって得られたものを更に当該微粉炭同士が押し合い揉み合うように摩砕させることによって微粉炭の角が削られて球状化されると共に超微粒子が生成されたものとしているので、さらに流動性及び濃度が高い高濃度石炭・水燃料を製造することができる。
【００８１】
すなわち、微粉炭の角がとれて球状化されて表面積が小さくなることにより、微粉炭同士の隙間の充填のために必要な超微粒子の量が少なくなる。しかも、削られ易い所が削り取られることとなって、本体粒子は球状化されるものの初めの粒径から極端に小さくなることはなく、超微粒子を発生し得る。一方、削られた角は超微粒子となり、球状化された微粉炭同士の隙間に充填される。したがって、微粉炭同士の隙間に十分な量の超微粒子が充填される。これによって、高濃度石炭・水混合燃料が流動性を得るために必要な広い粒径分布、即ち球状化した比較的大きな粒子から極細かな粒子までを微粉炭の角取り球状化によって容易に生成し、高濃度石炭、水混合燃料に適した粒径分布に調整できる。そして、微粉炭同士の隙間から水分が追い出されて高濃度のＣＷＭまたはＣＷＰを得ることができる。また、微粉炭の表面を超微粒子が被覆するように付着して潤滑効果を生ずるので、流動性の高いＣＷＭまたはＣＷＰを得ることができる。
【００８２】
図１５の実測データに示すように、球状化を行ったＣＷＭ（▲印）の方が行わないＣＷＭ（△印）よりも流動性が高いことは明らかである。しかも、大量の超微粒子を混入する必要がなくなるので、ＣＷＭまたはＣＷＰの製造が簡易になって製造費を低減させることができる。また、本発明によると、粉砕動力をより小さくするため、既存の製造設備をそのまま利用することができ、設備の増設はほとんど必要ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＣＷＭを製造するシステムの一例を示す原理図である。
【図２】本発明のＣＷＭを製造する他のシステムの一例を示す原理図である。
【図３】本発明のＣＷＰを製造するシステムの一例を示す原理図である。
【図４】球状化装置の一実施形態を示す概略の斜視図である。
【図５】微粉炭の球状化の様子を示す模式図で、（Ａ）は球状化前、（Ｂ）は球状化後を示す。
【図６】球状化前の微粉炭の粒子構造を示す顕微鏡写真である。
【図７】球状化装置により球状化した微粉炭の粒子構造を示す顕微鏡写真である。
【図８】球状化装置の一実施形態の変形例を示す概略の斜視図である。
【図９】球状化装置の他の実施形態を示す概略の斜視図である。
【図１０】球状化装置の別の実施形態を示す概略の斜視図である。
【図１１】球状化装置の更に他の実施形態を示す概略の斜視図である。
【図１２】本発明の製造方法における湿り微粉炭とＣＷＭの粒径分布図（質量基準）である。
【図１３】親水コロイドの添加濃度とＣＷＭの粘度との関係を示すグラフである。
【図１４】分散剤の添加量とＣＷＭの粘度との関係を示すグラフである。
【図１５】ＣＷＭの石炭濃度と粘度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１石炭
２微粉炭
７親水コロイド
９分散剤
１０ＣＷＭ（高濃度石炭・水混合燃料）

Claims

石炭を所定の粒径分布に粉砕した微粉炭と水と分散剤とを混合して成る高濃度石炭・水混合燃料において、前記微粉炭に対して保護効果を生ずる親水コロイドを、高濃度石炭・水混合燃料の水分の１ｐｐｍ以下１０ ^-4 ｐｐｔ以上含んでいることを特徴とする高濃度石炭・水混合燃料。
前記親水コロイドは高濃度石炭・水混合燃料の水分の１ｐｐｂ以下１ｐｐｔ以上であることを特徴とする請求項１記載の高濃度石炭・水混合燃料。
石炭を所定の粒径分布に粉砕した微粉炭と水と分散剤とを混合して高濃度石炭・水混合燃料を製造する方法において、前記微粉炭と前記水との混合物に前記親水コロイドを添加し、その後、前記分散剤を添加することを特徴とする高濃度石炭・水混合燃料の製造方法。
前記微粉炭は、乾式粉砕によって得られたものを更に当該微粉炭同士が押し合い揉み合うように摩砕させることによって微粉炭の角が削られて球状化されると共に超微粒子が生成されたものであることを特徴とする請求項３記載の高濃度石炭・水混合燃料の製造方法。
前記親水コロイドは高濃度石炭・水混合燃料の水分の１ｐｐｍ以下１０^-4ｐｐｔ以上であることを特徴とする請求項３記載の高濃度石炭・水混合燃料の製造方法。
前記親水コロイドは高濃度石炭・水混合燃料の水分の１ｐｐｂ以下１ｐｐｔ以上であることを特徴とする請求項３記載の高濃度石炭・水混合燃料の製造方法。