JP3833778B2 - スラリ抜き出し装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭の液化プロセスにおけるスラリの抜き出し、石炭の改質プロセスにおけるスラリの抜き出し、重質油の懸濁反応装置からの触媒を含んだ油の抜き出し、セメントや汚泥などのスラリの抜き出し、晶析スラリ等の結晶成分が沈降する系の抜き出し等において、高圧スラリ容器から低圧スラリ容器へスラリを抜き出す装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料として石炭が注目を集めているが、石炭はそのままでは輸送、貯蔵、燃焼等における取扱いに問題があるため、石炭を添加剤と水の存在下で懸濁させて石炭−水スラリとして流体化する研究が進められている。この石炭−水スラリは、一般にＣＷＭ（Ｃｏａｌ Ｗａｔｅｒ Ｍｉｘｔｕｒｅ）と略称されており、石炭と水を例えば７対３の割合で混合し、これに添加剤を例えば１重量％未満の割合で加えて流体化した燃料である。
【０００３】
一方最近では環境汚染問題から燃焼時におけるＣＯ₂ やＳＯ₂ 及び灰の排出の少ない石炭が望まれており、この点で褐炭、亜瀝青炭、亜炭等のいわゆる低品位炭は、硫黄分や灰分が少なくて揮発分が多いという石炭燃料としての長所を有しているものが多い。しかしかかる低品位炭は水分が多いために輸送上の経済性がなく、また自然発火しやすいため危険性が高いなどの理由から山元近辺における小規模利用に止まっている場合が多い。
【０００４】
そこで低品位炭について、揮発分をできるだけ残しながら不可逆的脱水処理及び表面含酸素化合物の分解を行うために、低品位炭を高圧水により加熱して改質し、次いで改質物を常温まで冷却する技術が提案されている（特公昭５３−２６４１号公報）。またかかる技術を応用化したものとして、石炭−水スラリの状態で改質反応器内を高温高圧下で通過させて石炭を改質し、次いで高温の改質物を熱交換器内を通過させながら冷媒で冷却するいわゆる流通方式の改質方法がある。以下これらの改質方法を熱水乾燥（ＨＷＤ（Ｈｏｔ Ｗａｔｅｒ Ｄｒｙｉｎｇ））処理と称する。
【０００５】
続いて熱水乾燥処理について説明すると、この処理はスラリ供給槽に貯留されている石炭−水スラリをスラリポンプにより昇圧した後、加熱器等により加熱して改質反応器において石炭粒子を改質する。次いで冷却器において石炭−水スラリの改質物を冷媒により冷却し、冷却された改質物をスラリ抜き出し弁から抜き出して改質スラリ受槽に貯留するというものである。
【０００６】
従って上述の方法では高圧の改質物スラリを大気圧の低圧スラリ受槽まで落圧しながら抜き出す必要があるが、ここで例えば図６に示すように、高圧スラリ受槽１１と低圧スラリ受槽１２とを開閉バルブ１３を介して接続するシステムによりスラリの抜き出しを行うことが考えられる。このシステムでは、高圧スラリ受槽１１の液面が所定のレベルになったら開閉バルブ１３を開け、所定時間経過後に開閉弁１３を閉じることにより、高圧スラリ受槽１１から低圧スラリ受槽１２に所定量のスラリを移送する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の抜き出しシステムでは、高圧スラリ受槽１１の圧力が例えば１３５ｋｇ／ｃｍ² Ｇ程度であり、低圧スラリ受槽１２は大気圧であるため、開閉バルブ１３で生じる圧損が大きい。このように圧損が大きいと、石炭−水スラリが開閉弁１３を通過する際の流速が速いため、開閉バルブ１３のエロ−ジョンによる磨耗が発生する。落圧の際に、気化が起こる場合には、エロージョンはより激しく起こる。
【０００８】
ところで開閉バルブ１３は、ある程度磨耗するとバルブの磨耗した部分を交換しなければならないが、この開閉バルブ１３は大型（レイティングが高い）であり、交換部分は高価であるのでコスト的な負担も大きい。また交換作業を含むバルブのメンテナンスに非常に時間がかかってしまう。
【０００９】
そこで他の方法として、例えば図７に示すように、高圧スラリ受槽１１と低圧スラリ受槽１２との間に中間スラリ受槽１４を設けて２段階で落圧させるシステムも検討されている。図７において、高圧スラリ受槽１１の下流側には第１の高圧容器１５を介して中間スラリ受槽１４が設けられており、中間スラリ受槽１４の下流側には第２の高圧容器１６を介して低圧スラリ受槽１２が設けられている。また第１及び第２の高圧容器１５、１６の前後には、第１の開閉バルブＶａと第２の開閉バルブＶｂが夫々設けられている。
【００１０】
このようなシステムでは、高圧スラリ受槽１１に石炭−水スラリが貯留すると、液面レベルを検知して第１の開閉バルブＶａが開き、石炭−水スラリを第１の高圧容器１５に移送する。この後開閉バルブＶａが閉じ、第２の開閉バルブＶｂが開いて石炭−水スラリを中圧スラリ受槽１４に移送する。そして同様に第１及び第２の開閉バルブＶａ，Ｖｂの作用により、中圧スラリ受槽１４から低圧スラリ受槽１２に石炭−水スラリを移送する。
【００１１】
このシステムでは高圧の石炭−水スラリを高圧スラリ受槽１１から中圧スラリ受槽１４へ、中圧スラリ受槽１４から低圧スラリ受槽１２に順次移送して段階的に落圧しているので、１段における移送の圧力差を小さくすることができる。しかしバルブの数が多い上、高圧容器や中圧スラリ槽も必要であるため、機器数が多くなり、これにより工程数が多くなってバルブの制御が複雑になるという問題も起こりうる。
【００１２】
本発明はこのような事情の下に、種々検討し、反応成績は改質圧力に依存しないため、改質圧力は改質温度における飽和蒸気圧よりも高ければよく、これにより落圧時の圧力変動が許容されることと、落圧時の圧力差は反応成績に影響を及ぼさず、改質炭の微粒化、ＣＷＭ濃度の著しい低下は起こらないことを見出した結果なされたものであり、その目的は高圧スラリ容器から高圧スラリを落圧して低圧スラリ容器へ抜き出すにあたって、簡易な装置でスラリの抜き出しを行うことができ、また開閉弁のエロ−ジョンを抑えることができるスラリ抜き出し装置を提供することにある。
【００１３】
【発明を解決するための手段】
本発明は、高圧スラリ容器から高圧スラリを低圧スラリ容器へ落圧して抜き出す装置において、前記高圧スラリ容器と低圧スラリ容器との間に設けられた開閉弁と、この開閉弁の下流側に設けられ、管路が一旦搾まって再び拡がる絞り部と、を備え、前記高圧スラリを液相状態で前記絞り部の入口まで移送し、前記絞り部による圧力損失により落圧させることを特徴とする。
【００１４】
この際、高圧スラリ容器と開閉弁との間に緊急遮断弁を設けて緊急時の吹き抜けを防止するようにしてもよい。また開閉弁の開閉は、高圧スラリ容器内のスラリの液面を検出し、液面が第１のレベルになったときに開閉弁に開指令を発信し、所定時間経過後又は液面が前記第１のレベルよりも低い第２のレベルになったときに開閉弁に閉指令を発信することにより行うようにしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施の形態を熱水乾燥処理によって石炭−水スラリを構成する粒子を改質する場合に適用した例について説明する。図１中２は石炭−水スラリの改質装置の一例の概略図であり、２１は石炭−水スラリを貯留するためのスラリ供給槽である。この下流側にはスラリポンプ２２、加熱器２３を介して改質反応器２４が設けられている。改質反応器２４はステンレス製チュ−ブにより構成されており、この改質反応器２４の下流側には、例えばステンレス製チュ−ブの周囲に冷媒が供給されるように構成された冷却器２５が設けられている。
【００１６】
このような改質装置２の下流側には本発明のスラリ抜き出し装置が設けられている。図１中３は改質された高温高圧状態のスラリ、例えば圧力が８０〜１５０ｋｇ／ｃｍ² Ｇ、温度が５０〜２３０℃、濃度が１０〜４０重量％のスラリを貯留するための、例えば気液分離器よりなる高圧スラリ容器である。この高圧スラリ容器３は圧力制御部ＰＣの検出値に基づいて加圧された窒素、空気等の不活性ガスが圧力調節弁Ｖ３１を介して系外から一定量供給され、また保圧弁Ｖ３２により高圧スラリ容器３の気相から不活性ガスを抜き出して、高圧スラリ容器３内における高圧のスラリの圧力を制御するように構成されている。
【００１７】
高圧スラリ容器３の下部にはスラリを移送するための例えばカ−ボンスチ−ル製の配管３１が設けられており、この配管３１には緊急遮断弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２が下流側に向かってこの順に設けられている。開閉弁Ｖ２は例えばボ−ル弁からなり、高圧スラリ容器３に設けられた差圧式液面計ＬＳにより弁の開閉が制御されるようになっている。
【００１８】
前記緊急遮断弁Ｖ１は常時開いていて、開閉弁Ｖ２が不良になって開いたままになってしまったとき等の緊急時に閉じてスラリの流路を遮断し、改質装置２からのスラリがコントロ−ルされずに低圧スラリ容器６に流れ込むのを防止するものである。この緊急遮断弁Ｖ１は例えば高圧スラリ容器３の液面や圧力等により制御されており、例えば高圧スラリ容器３の液面の急激な低下を検出したときに閉じられる。
【００１９】
ここでスラリが配管３１を介して開閉弁Ｖ２の下流側に移送されるまでに生じる圧力損失（以下「圧損」という）は、配管３１で生じる圧損と開閉弁Ｖ２で生じる圧損の和であるが、この圧損の和が例えば５ｋｇ／ｃｍ² 以下程度とスラリが気化しない程度に小さくするように、配管３１の内径や長さ、開閉弁Ｖ２の形状が設定される。
【００２０】
前記開閉弁Ｖ２の下流側の配管には絞り部４が着脱自在に設けられている。この絞り部４は例えば図２に示すように、前後両端部にフランジ部４１ａ，４１ｂを有しており、これらフランジ部４１ａ，４１ｂにより、絞り部４の上流側の配管３１ａ及び下流側の配管３１ｂのフランジ部と夫々接合するように設けられている。
【００２１】
この絞り部４は、上流側（入口側）の端部４２ａの内径Ｄ１は配管３１ａの内径と同じであるが、ここから下流側の位置で管路が搾まって内径Ｄ２、長さＬ１の狭搾部４３となり、狭搾部４３の下流側で管路が内径Ｄ１に拡がって、そのままの内径で下流側（出口側）の端部４２ｂとなるように構成されている。この際絞り部４の圧損が実質的に高圧スラリ容器３と後述する低圧スラリ容器６の差圧となるように、狭搾部４３の内径Ｄ２や長さＬ１が設定される。
【００２２】
このような絞り部４の実施例の一例を図３に示す。絞り部４は、例えばフランジ４１ａ、４１ｂが溶接されたカ−ボンスチ−ル製の単管５１の内部に、狭搾部４３をなすセラミック製の狭搾部材（絞り）５２を固定することにより構成される。具体的には前記単管５１内の下流側の端部４２ｂの近傍には、内径Ｄ３のリング状のストッパ−５３が設けられており、このストッパ−５３は外周面が単管５１の内周面に溶接されることにより単管５１に固定されている。
【００２３】
ストッパ−５３の上流側には、内径が狭搾部材５２の外径よりも大きく、狭搾部材５２よりも長い円筒状の筒状部材５４が単管５１の内面に沿って設けられており、この筒状部材５４の下流側端面はストッパ−５３の上流側端面に溶接されている。筒状部材５４の内側には、内径Ｄ２、長さＬ１の円筒状の狭搾部材５２が設けられると共に、狭搾部材５２の両側には例えばテフロン等により構成された内径Ｄ４のリング体５５が設けられている。また筒状部材５４の上流側には、内径Ｄ４の円筒状のネジ部５６が、筒状部材５４の上流側内面と螺合するように設けられている。
【００２４】
ここで前記ストッパ−５３、筒状部材５４、ネジ部５６は例えばカ−ボンスチ−ルにより構成されている。またストッパ−５３の内径Ｄ３と、リング体５５及びネジ部５６の内径Ｄ４とは、狭搾部材５２の内径Ｄ２よりも大きく設定されており、ストッパ−５３の内径Ｄ３は、狭搾部材５２の外径よりは小さく設定されている。こうして狭搾部材５２は、ネジ部５６を筒状部材５４に捩じ込むことにより、その下流側端面がリング体５５を介してストッパ−５３の上流側端面に押し付けられるような状態で単管５１の内部に固定される。なおリング体５５とネジ部の内径は狭搾部材５２の内径よりも大きければ同じでなくてもよい。
【００２５】
このような絞り部４の前後の配管の内径は、例えば落圧後に気化が起こる場合には、図４の配管の模式図で示すように、下流側配管３１ｂの途中にレデュ−サ−３２を設けて当該配管３１ｂの内径を途中から大きくすることが望ましい。この理由は、スラリが気化すると、泡を含む状態となってボリュ−ムが増えるが、配管径が同じだとスラリの流速が大きくなり、配管のエロ−ジョンを起こしやすくなるので、これを防止するためである。配管径の一例を挙げると、上流側配管３１ａの内径Ｄ５が４インチであり、レデュ−サ−３２の下流側の配管３１ｂの内径Ｄ６が６インチである。またレデュ−サ−３２は同心型でも偏心型でもよいし、設置位置は絞り部４の上流側でも下流側でもよい。
【００２６】
前記絞り部４の下流側には、大気圧のスラリを貯留するための低圧スラリ容器６が設けられている。この低圧スラリ容器６の上部には気相中のガスを排気するための排気路６１が設けられており、下部にはスラリを次工程に移送するための配管６２が設けられていて、例えば後の工程で脱水器が設けられている場合等の必要な場合にはスラリを冷却するための冷却器６３が設けられる。また場合によっては前記高圧スラリ容器３の上部は配管３２を介してクッションドラム７と接続されており、この配管３２の例えば最上位置には例えばボ−ル弁からなる開閉弁Ｖ３が設けられる。
【００２７】
続いて上述のスラリ抜き出し装置を備えた改質装置の作用について説明する。先ずスラリ供給槽２１に貯留された１０〜４０重量％の石炭−水スラリは、スラリポンプ２２により例えば８０〜１５０ｋｇ／ｃｍ² Ｇに昇圧された後、加熱器２３に搬送されて例えば２７０〜３３０℃に加熱され、改質反応器２４の高圧水中で石炭粒子が改質される。そして改質された石炭−水スラリは、冷却器２５において冷媒により冷却された後、高圧スラリ容器３に搬送される。
【００２８】
高圧スラリ容器３では、例えば８０〜１５０ｋｇ／ｃｍ² Ｇ、５０〜２３０℃のスラリが貯留されており、差圧式液面計ＬＳで高圧スラリ容器３内のスラリの液面を検出し、液面が第１のレベルになったときに、開閉弁Ｖ２に開指令が発信され、所定時間経過後に又は液面が第１のレベルよりも低い第２のレベルになったときに閉指令が発信される。但し開閉弁Ｖ２は、気体が配管３１中に入り込むのを防ぐために、高圧スラリ容器３に必ずスラリが存在するように弁の開閉が制御される。
【００２９】
このようにして所定量のスラリが緊急遮断弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２を通過して絞り部４に移送される。この際開閉弁Ｖ３を開いて、高圧スラリ容器３の気相中のガスをクッションドラム７に通気させ、高圧スラリ容器３の気相の圧力変動を小さく抑えるようにしてもよい。
【００３０】
ここで高圧スラリ容器３から配管３１を介して開閉弁Ｖ２の下流側に至るまでに生じる圧損は上述のように小さいため、スラリは液相状態で開閉弁Ｖ２の下流側まで移送される。つまりスラリは開閉弁Ｖ２の下流側に移送されることによって圧損が生じるものの、その圧損は小さいので、スラリが気化することはなく、これによりスラリは液相のまま開閉弁Ｖ２を通過することができる。
【００３１】
絞り部４に搬送されたスラリは管路に沿って移送されるが、管路は既述のように、入口から搾まって狭搾部４３となり、次いで拡がって出口に至るように形成されているため、狭搾部４３から出口に至るまでに生じる圧損が大きい。例えば絞り部４の入口では１３５ｋｇ／ｃｍ² Ｇ程度の圧力であるが、出口では２ｋｇ／ｃｍ² Ｇ程度の圧力となる。
【００３２】
このように絞り部４を通過したスラリは低圧スラリ容器６へ移送され、低圧スラリ容器６では気相中のガスが排気路６１を介して排気されて、スラリは大気圧に落圧される。そしてスラリは大気圧の状態で低圧スラリ容器６へ貯留され、例えば後の工程でスラリの脱水器が設けられている等で冷却する必要がある場合には、冷却器６３で例えば８０℃程度まで冷却されて配管６２を介して次工程に移送される。
【００３３】
このように本発明では、絞り部４により圧損を稼いで、配管３１と開閉弁Ｖ２で生じる圧損を小さくしたので、スラリを液相状態で開閉弁Ｖ２の下流側まで移送して、絞り部４で大きく落圧させることができる。このためスラリは開閉弁Ｖ２をエロ−ジョンが発生しにくい流速範囲で通過するので、エロ−ジョンを抑えることができ、これにより開閉弁Ｖ２の使用寿命を長くすることができる。さらに開閉弁Ｖ２で生じる圧損は小さくてよいことから、開閉弁Ｖ２はボ−ル弁等の簡単な構造のものを選定することができる。
【００３４】
一方絞り部４では圧損が大きく、絞り部４を通るスラリーの流速は速い。これによりスラリの擦過力が大きくなって、エロ−ジョンによる磨耗を生じさせてしまう。この場合絞り部４を交換することが必要となるが、この絞り部４は着脱自在に設けられているので交換が容易であり、また開閉弁Ｖ２のように面倒な分解作業も必要がない。さらに絞り部４は開閉弁Ｖ２に比べて簡易な構造であることから安価である。従って絞り部４を交換することになっても、開閉弁Ｖ２の交換と比べると、作業が容易であり、コストも低減できる。
【００３５】
さらに本発明のスラリ抜き出し装置では、高圧スラリ容器３と低圧スラリ容器６との間に、緊急遮断弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２と絞り部４を設けるだけでよいため、装置構成が簡易なものとなり、また機器数や開閉弁の数も少ないので制御を容易に行うことができる。
【００３６】
以上において本発明では、絞り部として図５に示すような構成のものを用いるようにしてもよい。この図に示す絞り部８は、管路が入り口側の端部８１ａから徐々に搾まって狭搾部８２となり、この後出口側の端部８１ｂに向けて次第に拡がるように形成されている。このような構成の絞り部８では、上述の絞り部４と同様に大きな圧損が得られ、また管路の変化が緩やかであるため、スラリの擦過力を小さくすることできる。なお絞り部４、８前後の配管径は同じ大きさに設定してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、高圧スラリ容器から高圧スラリを落圧して低圧スラリ容器へ抜き出すにあたって、簡易な装置でスラリの抜き出しを行うことができ、また開閉弁のエロ−ジョンを抑えることができる。一方、落圧の際に気化が起こる場合、気体の膨脹によって流速が速くなりエロージョンは激しくなるが、本落圧装置は、絞り部入口までの圧損が小さいため、気化が起こる場でも、開閉弁のエロージョンを低く抑える事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のスラリ抜き出し装置を示す構成図である。
【図２】スラリ抜き出し装置の絞り部を示す断面図である。
【図３】スラリ抜き出し装置の絞り部の実施例の一例を示す断面図である。
【図４】絞り部の前後の配管の例を示す模式図である。
【図５】スラリ抜き出し装置の絞り部の他の例を示す構成図である。
【図６】従来のスラリ抜き出し装置を示す構成図である。
【図７】従来のスラリ抜き出し装置を示す構成図である。
【符号の説明】
３ 高圧スラリ容器
４、８ 絞り部
６ 低圧スラリ容器
Ｖ１ 緊急遮断弁
Ｖ２ 開閉弁

Claims (3)

1. 高圧スラリ容器から高圧スラリを低圧スラリ容器へ落圧して抜き出す装置において、
   前記高圧スラリ容器と低圧スラリ容器との間に設けられた開閉弁と、
   この開閉弁の下流側に設けられ、管路が一旦搾まって再び拡がる絞り部と、を備え、
   前記高圧スラリを液相状態で前記絞り部の入口まで移送し、前記絞り部による圧力損失により落圧させることを特徴とするスラリ抜き出し装置。
2. 高圧スラリ容器内のスラリの液面を検出し、液面が第１のレベルになったときに開閉弁に開指令を発信し、所定時間経過後又は液面が前記第１のレベルよりも低い第２のレベルになったときに開閉弁に閉指令を発信することを特徴とする請求項１記載のスラリ抜き出し装置。
3. 高圧スラリ容器と開閉弁との間に緊急遮断弁を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のスラリ抜き出し装置。

Images