JP6017371B2 - Ashless coal manufacturing method and carbon material manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、石炭から灰分を除去した無灰炭を得るための無灰炭の製造方法、および、無灰炭から炭素材料を得るための炭素材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing ashless coal for obtaining ashless coal from which ash has been removed from coal, and a method for producing a carbon material for obtaining carbon material from ashless coal.

非鉄金属還元用コークスの主原料としては、一般に石油精製プロセスの残渣から製造される石油コークスが使用される。しかし、石油コークスには、ガソリン等の輸送用燃料と併産されるために、原料供給量に制約があることや、原油に含まれる硫黄等の不純物がアルミニウム純度に悪影響を及ぼすことがある等の問題点がある。   As the main raw material for nonferrous metal reducing coke, petroleum coke produced from the residue of a petroleum refining process is generally used. However, because petroleum coke is co-produced with transportation fuels such as gasoline, there are restrictions on the supply of raw materials, and impurities such as sulfur contained in crude oil may adversely affect aluminum purity. There are problems.

一方、高炉法製鉄に使われる石炭コークスは、炭素としては石油コークスに近い性質を有しており、非鉄金属還元用コークスの主原料としては十分すぎるほどの量が市場に出回っている。しかし、石炭由来の灰分を10質量%程度含むことから、品質面で問題があるため、この用途には使用されていない。   On the other hand, coal coke used for blast furnace ironmaking has properties close to petroleum coke as carbon, and an amount sufficient for use as a main raw material for nonferrous metal reducing coke is on the market. However, since it contains about 10% by mass of coal-derived ash, there is a problem in quality, so it is not used in this application.

そこで、低灰分の炭素材料の原料として、実質的に灰分を含まない無灰炭(ハイパーコール)を挙げることができる。   Thus, as a raw material for the carbon material having a low ash content, ashless coal (hyper coal) substantially free of ash content can be cited.

特許文献1には、無灰炭の製造方法が開示されている。この製造方法では、一般炭に粘結炭を混合した石炭原料と溶剤とを混合してスラリーを調製し、得られたスラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出し、石炭成分を抽出したスラリーから、重力沈降法により、溶剤に可溶な石炭成分を含む溶液と、溶剤に不溶な石炭成分を含む固形分濃縮液とを分離し、分離された溶液から溶剤を分離して無灰炭を得ている。   Patent Document 1 discloses a method for producing ashless coal. In this manufacturing method, a coal raw material in which caking coal is mixed with general coal and a solvent are mixed to prepare a slurry, the obtained slurry is heated to extract a coal component soluble in the solvent, and the coal component is extracted. From the extracted slurry, a solution containing coal components soluble in the solvent and a solid concentrate containing coal components insoluble in the solvent are separated from each other by gravity precipitation, and the solvent is separated from the separated solution. I have ash charcoal.

無灰炭には、灰分を含まない、軟化溶融性がある、という特長がある。よって、無灰炭は、製鉄用コークスを製造するときの粘結性補填材として好適である。また、灰分を含まないことは、非鉄金属還元用コークスの主原料として好ましい性質である。しかし、無灰炭には、炭素化時に発泡する、という性質があり、非鉄金属還元用コークスを製造する上で問題となる。すなわち、製造したままの無灰炭を炭素化すると、炭素化時に生成する低分子化合物ガス(水蒸気、CO、CO、炭化水素など)による気孔がそのまま残るため、緻密なコークスは生成しない。また、無灰炭は炭素化時に膨張するため、大容量の炉が必要となる。 Ashless charcoal has the characteristics that it does not contain ash and has soft melting properties. Therefore, ashless coal is suitable as a caking additive when producing coke for iron making. Moreover, it is a property preferable as a main raw material of the nonferrous metal reduction coke not to contain ash. However, ashless coal has a property of foaming during carbonization, which is a problem in producing non-ferrous metal reducing coke. That is, when the as-produced ashless coal is carbonized, pores due to low molecular compound gases (water vapor, CO, CO 2 , hydrocarbons, etc.) generated during carbonization remain as they are, so that dense coke is not generated. Also, since ashless coal expands during carbonization, a large capacity furnace is required.

そこで、特許文献2には、無灰炭を用いた炭素材料の製造方法が開示されている。この製造方法では、無灰炭を製造し、この無灰炭を加熱処理し、次に、無灰炭を炭素化処理して炭素材料を得ている。そして、加熱処理後の無灰炭の水素と炭素の原子数比(H/C)を0.6〜0.67とすることで、炭素化処理の際に無灰炭が発泡するのを抑制している。   Therefore, Patent Document 2 discloses a method for producing a carbon material using ashless coal. In this production method, ashless coal is produced, the ashless coal is heat-treated, and then the ashless coal is carbonized to obtain a carbon material. And it suppresses that ashless coal foams in the case of carbonization processing by making atomic ratio (H / C) of hydrogen and carbon of ashless coal after heat processing into 0.6-0.67. doing.

特開2009−227718号公報JP 2009-227718 A 特開2011−1240号公報JP 2011-1240 A

しかしながら、特許文献2の炭素材料の製造方法においては、無灰炭の膨張性を抑制するために、無灰炭を溶剤と混合してスラリー状にして、不活性ガス中で400℃以上の高温で加熱処理している。そのため、加熱処理に溶剤と高圧容器とを必要とし、且つ、多大な加熱エネルギーを消費するために、コストが増大するという問題がある。   However, in the method for producing a carbon material of Patent Document 2, in order to suppress the expansibility of ashless coal, ashless coal is mixed with a solvent to form a slurry, and a high temperature of 400 ° C. or higher in an inert gas. Heat treatment. Therefore, there is a problem that the cost increases because a solvent and a high-pressure vessel are required for the heat treatment, and a large amount of heating energy is consumed.

本発明の目的は、無灰炭の膨張性を安価に抑制することが可能な無灰炭の製造方法および炭素材料の製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for producing ashless coal and a method for producing a carbon material that can suppress the expansibility of ashless coal at low cost.

本発明における無灰炭の製造方法は、石炭と溶剤とを混合してスラリーを得るスラリー調製工程と、前記スラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する抽出工程と、前記抽出工程で得られたスラリーを、溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液と、溶剤に不溶な石炭成分が濃縮した固形分濃縮液とに分離する分離工程と、前記分離工程で分離された溶液から溶剤を蒸発分離して無灰炭を得る無灰炭取得工程と、前記無灰炭取得工程で得られた無灰炭を加熱処理する無灰炭加熱工程と、を備え、前記無灰炭加熱工程において、酸素を含むガス中で無灰炭を150〜200℃で3〜15時間以上加熱処理して、酸素と炭素の原子数比(O/C)を加熱処理前の値から所定値以上増加させることを特徴とする。 The method for producing ashless coal in the present invention includes a slurry preparation step of obtaining a slurry by mixing coal and a solvent, an extraction step of extracting the coal component soluble in the solvent by heating the slurry, and the extraction step From the solution separated in the separation step, the separation step of separating the slurry obtained in step 1 into a solution in which the coal component soluble in the solvent is dissolved and the solid content concentrate in which the coal component insoluble in the solvent is concentrated Ashless coal acquisition step of obtaining ashless coal by evaporating the solvent, and ashless coal heating step of heat-treating the ashless coal obtained in the ashless coal acquisition step, the ashless coal heating In the process, ashless coal is heat-treated at 150 to 200 ° C. for 3 to 15 hours or more in a gas containing oxygen, and the atomic ratio (O / C) of oxygen and carbon is a predetermined value or more from the value before the heat treatment. It is characterized by increasing.

また、本発明における炭素材料の製造方法は、上記の無灰炭の製造方法で製造された無灰炭を炭素化処理して炭素材料とすることを特徴とする。   Moreover, the manufacturing method of the carbon material in this invention is characterized by carbonizing the ashless coal manufactured with said manufacturing method of ashless coal, and making it a carbon material.

本発明の無灰炭の製造方法および炭素材料の製造方法によると、無灰炭の膨張性を安価に抑制することができる。   According to the method for producing ashless coal and the method for producing a carbon material of the present invention, the expansibility of ashless coal can be suppressed at a low cost.

無灰炭製造設備の模式図である。It is a schematic diagram of an ashless coal manufacturing facility.

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(無灰炭の製造方法)
本実施形態による無灰炭の製造方法に用いられる無灰炭製造設備100は、図1に示すように、無灰炭(HPC)製造工程の上流側から順に、石炭ホッパ1・溶剤タンク2、スラリー調製槽3、移送ポンプ4、予熱器5、抽出槽6、重力沈降槽7、フィルターユニット8、溶剤分離器9・10、および、乾燥機11を備えている。
(Method for producing ashless coal)
As shown in FIG. 1, the ashless coal production facility 100 used in the method for producing ashless coal according to the present embodiment includes, in order from the upstream side of the ashless coal (HPC) production process, a coal hopper 1, a solvent tank 2, A slurry preparation tank 3, a transfer pump 4, a preheater 5, an extraction tank 6, a gravity settling tank 7, a filter unit 8, solvent separators 9 and 10, and a dryer 11 are provided.

無灰炭の製造方法は、スラリー調製工程、抽出工程、分離工程、無灰炭取得工程、副生炭取得工程、および、無灰炭加熱工程を有する。以下、各工程について説明する。なお、本製造方法において原料とする石炭に、特に制限はなく、抽出率の高い瀝青炭を用いてもよいし、より安価な劣質炭(亜瀝青炭、褐炭)を用いてもよい。また、無灰炭とは、灰分が5重量%以下、好ましくは3重量%以下のもののことをいう。   The manufacturing method of ashless coal has a slurry preparation process, an extraction process, a separation process, an ashless coal acquisition process, a by-product coal acquisition process, and an ashless coal heating process. Hereinafter, each step will be described. In addition, there is no restriction | limiting in particular in the coal used as a raw material in this manufacturing method, A bituminous coal with a high extraction rate may be used, and cheaper inferior quality coal (subbituminous coal, lignite) may be used. The ashless coal means ash content of 5% by weight or less, preferably 3% by weight or less.

(スラリー調製工程)
スラリー調製工程は、石炭と溶剤とを混合してスラリーを調製する工程である。このスラリー調製工程は、図1中、スラリー調製槽3で実施される。原料である石炭が石炭ホッパ1からスラリー調製槽3に投入されるとともに、溶剤タンク2からスラリー調製槽3に溶剤が投入される。スラリー調製槽3に投入された石炭および溶剤は、攪拌機3aで混合されて石炭と溶剤とからなるスラリーとなる。
(Slurry preparation process)
The slurry preparation step is a step of preparing a slurry by mixing coal and a solvent. This slurry preparation process is implemented in the slurry preparation tank 3 in FIG. Coal as a raw material is charged into the slurry preparation tank 3 from the coal hopper 1, and a solvent is charged into the slurry preparation tank 3 from the solvent tank 2. The coal and solvent charged into the slurry preparation tank 3 are mixed by the stirrer 3a to become a slurry composed of coal and solvent.

溶剤に対する石炭の混合比率は、例えば、乾燥炭基準で10〜50重量%であり、より好ましくは、20〜35重量%である。   The mixing ratio of coal with respect to the solvent is, for example, 10 to 50% by weight on the basis of dry coal, and more preferably 20 to 35% by weight.

(抽出工程)
抽出工程は、スラリー調製工程で得られたスラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する(溶剤に溶解させる)工程である。この抽出工程は、図1中、予熱器5および抽出槽6で実施される。スラリー調製槽3にて調製されたスラリーは、移送ポンプ4によって、予熱器5に供給されて所定温度まで加熱された後、抽出槽6に供給され、攪拌機6aで攪拌されながら所定温度で保持されて抽出が行われる。
(Extraction process)
The extraction step is a step of heating the slurry obtained in the slurry preparation step to extract a coal component soluble in the solvent (dissolve in the solvent). This extraction step is performed in the preheater 5 and the extraction tank 6 in FIG. The slurry prepared in the slurry preparation tank 3 is supplied to the preheater 5 by the transfer pump 4 and heated to a predetermined temperature, then supplied to the extraction tank 6, and held at the predetermined temperature while being stirred by the stirrer 6a. Extraction is performed.

石炭と溶剤とを混合して得られるスラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出するにあたっては、石炭に対して大きな溶解力を持つ溶媒、多くの場合、芳香族溶剤(水素供与性あるいは非水素供与性の溶剤)と石炭とを混合して、それを加熱し、石炭中の有機成分を抽出することになる。   When extracting coal components that are soluble in the solvent by heating the slurry obtained by mixing coal and solvent, a solvent with a large dissolving power for coal, often an aromatic solvent (hydrogen donating property) Or a non-hydrogen-donating solvent) and coal are mixed and heated to extract organic components in the coal.

非水素供与性溶剤は、主に石炭の乾留生成物から精製した、2環芳香族を主とする溶剤である石炭誘導体である。この非水素供与性溶剤は、加熱状態でも安定であり、石炭との親和性に優れているため、溶剤に抽出される可溶成分(ここでは石炭成分)の割合(以下、抽出率ともいう)が高く、また、蒸留等の方法で容易に回収可能な溶剤である。非水素供与性溶剤の主な成分としては、2環芳香族であるナフタレン、メチルナフタレン、ジメチルナフタレン、トリメチルナフタレン等が挙げられ、その他の非水素供与性溶剤の成分として、脂肪族側鎖を有するナフタレン類、アントラセン類、フルオレン類、また、これらにビフェニルや長鎖脂肪族側鎖を有するアルキルベンゼンが含まれる。   The non-hydrogen donating solvent is a coal derivative which is a solvent mainly composed of a bicyclic aromatic and purified mainly from a coal carbonization product. This non-hydrogen-donating solvent is stable even in a heated state and has excellent affinity with coal. Therefore, the proportion of soluble components (herein, coal components) extracted into the solvent (hereinafter also referred to as extraction rate) In addition, it is a solvent that can be easily recovered by a method such as distillation. Main components of the non-hydrogen donating solvent include bicyclic aromatic naphthalene, methyl naphthalene, dimethyl naphthalene, trimethyl naphthalene and the like, and other non-hydrogen donating solvent components have aliphatic side chains. Naphthalenes, anthracenes, fluorenes, and these include biphenyl and alkylbenzenes having long aliphatic side chains.

なお、上記の説明では非水素供与性化合物を溶剤として用いる場合について述べたが、テトラリンを代表とする水素供与性の化合物(石炭液化油を含む)を溶剤として用いてもよいことは勿論である。水素供与性溶剤を用いた場合、無灰炭の収率が向上する。   In the above description, the case where a non-hydrogen-donating compound is used as a solvent has been described, but it is needless to say that a hydrogen-donating compound (including coal liquefied oil) typified by tetralin may be used as a solvent. . When a hydrogen donating solvent is used, the yield of ashless coal is improved.

また、溶剤の沸点は特に制限されるものではない。抽出工程および分離工程での圧力低減、抽出工程での抽出率、無灰炭取得工程などでの溶剤回収率などの観点から、例えば、180〜300℃、特に240〜280℃の沸点の溶剤が好ましく使用される。   Further, the boiling point of the solvent is not particularly limited. From the viewpoints of pressure reduction in the extraction step and separation step, extraction rate in the extraction step, solvent recovery rate in the ashless coal acquisition step, etc., for example, a solvent having a boiling point of 180 to 300 ° C., particularly 240 to 280 ° C. Preferably used.

抽出工程でのスラリーの加熱温度は、溶剤可溶成分が溶解され得る限り特に制限されず、溶剤可溶成分の十分な溶解と抽出率の向上の観点から、例えば、300〜420℃であり、より好ましくは、360〜400℃である。   The heating temperature of the slurry in the extraction step is not particularly limited as long as the solvent-soluble component can be dissolved, and is, for example, 300 to 420 ° C. from the viewpoint of sufficient dissolution of the solvent-soluble component and improvement of the extraction rate. More preferably, it is 360-400 degreeC.

また、加熱時間(抽出時間)もまた特に制限されるものではないが、十分な溶解と抽出率の向上の観点から、例えば、10〜60分間である。加熱時間は、図1中、予熱器5および抽出槽6での加熱時間を合計したものである。   Also, the heating time (extraction time) is not particularly limited, but is, for example, 10 to 60 minutes from the viewpoint of sufficient dissolution and improvement of the extraction rate. The heating time is the total heating time in the preheater 5 and the extraction tank 6 in FIG.

なお、抽出工程は、窒素などの不活性ガスの存在下で行う。抽出槽6内の圧力は、抽出の際の温度や用いる溶剤の蒸気圧にもよるが、1.0〜2.0MPaが好ましい。抽出槽6内の圧力が溶剤の蒸気圧より低い場合には、溶剤が揮発して液相に閉じ込められず、抽出できない。溶剤を液相に閉じ込めるには、溶剤の蒸気圧より高い圧力が必要となる。一方、圧力が高すぎると、機器のコスト、運転コストが高くなり、経済的ではない。   The extraction process is performed in the presence of an inert gas such as nitrogen. The pressure in the extraction tank 6 is preferably 1.0 to 2.0 MPa, although it depends on the temperature at the time of extraction and the vapor pressure of the solvent used. When the pressure in the extraction tank 6 is lower than the vapor pressure of the solvent, the solvent volatilizes and is not confined in the liquid phase, so that extraction cannot be performed. In order to confine the solvent in the liquid phase, a pressure higher than the vapor pressure of the solvent is required. On the other hand, if the pressure is too high, the cost of the equipment and the operating cost increase, which is not economical.

(分離工程)
分離工程は、抽出工程で得られたスラリーを、重力沈降法により、溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液と、溶剤に不溶な石炭成分(溶剤不溶成分、例えば灰分)が濃縮した固形分濃縮液(溶剤不溶成分濃縮液)とに分離する工程である。この分離工程は、図1中、重力沈降槽7で実施される。抽出工程で得られたスラリーは、重力沈降槽7内で、重力にて、溶液としての上澄み液と、固形分濃縮液とに分離される。重力沈降槽7の上部の上澄み液は、必要に応じてフィルターユニット8を経て、溶剤分離器9へ排出されるとともに、重力沈降槽7の下部に沈降した固形分濃縮液は溶剤分離器10へ排出される。
(Separation process)
In the separation step, the slurry obtained in the extraction step is subjected to a gravity sedimentation method, a solution in which a coal component soluble in a solvent is dissolved, and a solid content in which a coal component insoluble in a solvent (a solvent insoluble component such as ash) is concentrated. This is a step of separating into a concentrated liquid (solvent insoluble component concentrated liquid). This separation step is performed in the gravity settling tank 7 in FIG. The slurry obtained in the extraction step is separated into a supernatant liquid as a solution and a solid content concentrated liquid by gravity in the gravity settling tank 7. The supernatant liquid in the upper part of the gravity settling tank 7 is discharged to the solvent separator 9 through the filter unit 8 as necessary, and the solid concentrate settled in the lower part of the gravity settling tank 7 is sent to the solvent separator 10. Discharged.

重力沈降法は、スラリーを槽内に保持することにより、重力を利用して溶剤不溶成分を沈降・分離させる方法である。溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液よりも比重が大きい、溶剤不溶成分(例えば灰分)は重力沈降槽7の下部に重力により沈降する。スラリーを槽内に連続的に供給しながら、上澄み液を上部から、固形分濃縮液を下部から連続的に排出することにより、連続的な分離処理が可能である。   The gravitational sedimentation method is a method in which a slurry is retained in a tank to settle and separate solvent-insoluble components using gravity. A solvent-insoluble component (for example, ash) having a specific gravity greater than that of a solution in which a coal component soluble in a solvent is dissolved is settled by gravity in the lower portion of the gravity settling tank 7. A continuous separation process is possible by continuously discharging the supernatant from the top and the solid concentrate from the bottom while continuously supplying the slurry into the tank.

重力沈降槽7内は、石炭から溶出した溶剤可溶成分の再析出を防止するため、保温(または加熱)したり、加圧したりしておくことが好ましい。保温(加熱)温度は、例えば、300〜380℃であり、槽内圧力は、例えば、1.0〜3.0MPaとされる。   The gravity sedimentation tank 7 is preferably kept warm (or heated) or pressurized in order to prevent reprecipitation of solvent-soluble components eluted from coal. The heat retention (heating) temperature is, for example, 300 to 380 ° C., and the tank internal pressure is, for example, 1.0 to 3.0 MPa.

なお、抽出工程で得られたスラリーから、溶剤に溶解している石炭成分を含む溶液を分離する方法として、重力沈降法以外に、濾過法、遠心分離法などがある。   As a method for separating the solution containing the coal component dissolved in the solvent from the slurry obtained in the extraction step, there are a filtration method, a centrifugal separation method, and the like in addition to the gravity sedimentation method.

(無灰炭取得工程)
無灰炭取得工程は、分離工程で分離された溶液(上澄み液)から溶剤を蒸発分離して無灰炭(HPC)を得る工程である。この無灰炭取得工程は、図1中、溶剤分離器9で実施される。重力沈降槽7で分離された溶液は、フィルターユニット8で濾過された後、溶剤分離器9に供給され、溶剤分離器9内で上澄み液から溶剤が蒸発分離される。ここで、溶液からの溶剤の蒸発分離は、窒素などの不活性ガスの存在下で行うことが好ましい。本実施形態においては、溶剤分離器9内に導入した窒素ガス中で溶液から溶剤を蒸発分離している。
(Ashless coal acquisition process)
The ashless coal acquisition step is a step of obtaining ashless coal (HPC) by evaporating and separating the solvent from the solution (supernatant liquid) separated in the separation step. This ashless charcoal acquisition process is performed by the solvent separator 9 in FIG. The solution separated in the gravity settling tank 7 is filtered by the filter unit 8 and then supplied to the solvent separator 9, and the solvent is evaporated and separated from the supernatant in the solvent separator 9. Here, it is preferable that the solvent is separated from the solution in the presence of an inert gas such as nitrogen. In this embodiment, the solvent is evaporated and separated from the solution in nitrogen gas introduced into the solvent separator 9.

溶液(上澄み液)から溶剤を分離する方法は、一般的な蒸留法、蒸発法などを用いることができる。溶剤分離器9にて分離された溶剤は、溶剤タンク2に戻されて、循環して繰り返し使用される。なお、溶剤を循環使用することは好ましいが必須ではない(後述する副生炭取得工程においても同様)。上澄み液から溶剤を分離することで、実質的に灰分を含まない無灰炭(HPC)を得ることができる。   As a method for separating the solvent from the solution (supernatant liquid), a general distillation method, evaporation method or the like can be used. The solvent separated by the solvent separator 9 is returned to the solvent tank 2 and circulated and used repeatedly. In addition, although it is preferable to circulate and use a solvent, it is not indispensable (the same is true in the by-product charcoal acquisition step described later). By separating the solvent from the supernatant, ashless charcoal (HPC) substantially free of ash can be obtained.

無灰炭は、灰分をほとんど含まず、水分は皆無であり、原料石炭よりも高い発熱量を示す。さらに、製鉄用コークスの原料として特に重要な品質である軟化溶融性(流動性)が大幅に改善され、原料石炭が軟化溶融性を有しなくとも、得られた無灰炭(HPC)は良好な軟化溶融性を有する。したがって、無灰炭は、例えばコークス原料の配合炭として使用することができる。また、灰分をほとんど含まない無灰炭は、燃焼効率が高く且つ石炭灰の発生を低減できるので、ガスタービン燃焼による高効率複合発電システムのガスタービン直噴燃料としての用途も注目されている。   Ashless coal contains almost no ash, has no moisture, and exhibits a higher calorific value than raw coal. Furthermore, softening meltability (fluidity), which is a particularly important quality as a raw material for coke for iron making, has been greatly improved, and the obtained ashless coal (HPC) is good even if the raw coal does not have softening meltability Soft meltability. Therefore, ashless coal can be used, for example, as a blended coal for coke raw materials. In addition, ashless coal containing almost no ash content has high combustion efficiency and can reduce the generation of coal ash. Therefore, the use of ashless coal as a gas turbine direct injection fuel in a high-efficiency combined power generation system based on gas turbine combustion has attracted attention.

(副生炭取得工程)
副生炭取得工程は、分離工程で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離して副生炭を得る工程である。この副生炭取得工程は、図1中、溶剤分離器10で実施される。なお、副生炭取得工程は、必須の工程ではない。重力沈降槽7で分離された固形分濃縮液は溶剤分離器10に供給され、溶剤分離器10内で固形分濃縮液から溶剤が蒸発分離される。ここで、固形分濃縮液からの溶剤の蒸発分離は、窒素などの不活性ガスの存在下で行うことが好ましい。本実施形態においては、溶剤分離器10内に導入した窒素ガス中で固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離している。
(By-product coal acquisition process)
The byproduct charcoal acquisition step is a step of obtaining byproduct charcoal by evaporating and separating the solvent from the solid concentrate separated in the separation step. This byproduct charcoal acquisition step is performed by the solvent separator 10 in FIG. In addition, a byproduct charcoal acquisition process is not an essential process. The solid content concentrate separated in the gravity sedimentation tank 7 is supplied to the solvent separator 10, and the solvent is evaporated and separated from the solid content concentrate in the solvent separator 10. Here, it is preferable to carry out the evaporation and separation of the solvent from the solid concentrate in the presence of an inert gas such as nitrogen. In the present embodiment, the solvent is evaporated and separated from the solid concentrate in the nitrogen gas introduced into the solvent separator 10.

固形分濃縮液から溶剤を分離する方法は、前記した無灰炭取得工程と同様に、一般的な蒸留法、蒸発法を用いることができる。溶剤分離器10にて分離された溶剤は、溶剤タンク2に戻されて、循環して繰り返し使用される。溶剤の分離により、固形分濃縮液からは灰分などを含む溶剤不溶成分が濃縮された副生炭(RC、残渣炭ともいう)を得ることができる。   As a method for separating the solvent from the solid concentrate, a general distillation method or evaporation method can be used as in the above-described ashless coal acquisition step. The solvent separated by the solvent separator 10 is returned to the solvent tank 2 and circulated and used repeatedly. By separating the solvent, by-product charcoal (also referred to as RC or residual charcoal) in which solvent-insoluble components including ash and the like are concentrated can be obtained from the solid concentrate.

副生炭は、灰分が含まれるものの水分が皆無であり、発熱量も十分に有している。副生炭は軟化溶融性を示さないが、含酸素官能基が脱離されているため、配合炭として用いた場合に、この配合炭に含まれる他の石炭の軟化溶融性を阻害するようなものではない。したがって、この副生炭は、通常の非微粘結炭と同様に、コークス原料の配合炭の一部として使用することができ、また、コークス原料炭とせずに、各種の燃料用として使用することも可能である。   By-product charcoal contains ash, but has no water and has a sufficient calorific value. By-product coal does not exhibit softening and melting properties, but the oxygen-containing functional groups are eliminated, so that when used as a blended coal, it inhibits the softening and melting properties of other coals contained in this blended coal. It is not a thing. Therefore, this by-product coal can be used as a part of the blended coal of the coke raw material, as in the case of ordinary non-slightly caking coal, and is used for various fuels without using the coke raw coal. It is also possible.

(無灰炭加熱工程)
無灰炭加熱工程は、無灰炭取得工程で得られた無灰炭を加熱処理する工程である。この無灰炭加熱工程は、図1中、乾燥機11で実施される。一般に、無灰炭は、製造されたままの状態では膨張性が激しいので、炭素化時に発泡しないように、膨張性を抑制する必要がある。
(Ashless coal heating process)
The ashless coal heating step is a step of heat-treating the ashless coal obtained in the ashless coal acquisition step. This ashless charcoal heating process is implemented by the dryer 11 in FIG. In general, ashless coal is highly expansible in the as-manufactured state, so it is necessary to suppress expansibility so as not to foam during carbonization.

無灰炭の加熱処理は、酸素を含むガス中、好ましくは空気中や希薄空気(酸素が薄い空気)中で行う。即ち、本実施形態の加熱処理は、無灰炭を酸化させる酸化処理である。酸素雰囲気下における加熱方法は、特に限定されるものではなく、バッチ式加熱、流動層反応機など公知の方法を用いて行うことができる。   The heat treatment of ashless charcoal is performed in a gas containing oxygen, preferably in air or lean air (air in which oxygen is thin). That is, the heat treatment of the present embodiment is an oxidation treatment that oxidizes ashless coal. The heating method in an oxygen atmosphere is not particularly limited, and can be performed using a known method such as batch heating or a fluidized bed reactor.

また、本実施形態においては、加熱処理後の無灰炭の酸素と炭素の原子数比(O/C)が加熱処理前の値から所定値以上増加するように加熱処理する。例えば、加熱処理前のO/C原子数比が0.06であれば、O/C原子数比が加熱処理前の値から0.019以上増加するように加熱処理する。酸素を含むガス中で無灰炭を加熱処理することで、無灰炭の酸化反応が進行し、無灰炭の表面に酸素原子が付着していく。これにより、無灰炭のO/C原子数比は徐々に増加していく。加熱条件は、無灰炭の原料石炭種や製造条件に依存するが、加熱温度を150℃以上350℃以下、加熱時間を30分〜6時間の範囲に適宜調整することで、O/C原子数比を加熱処理前の値から所定値以上増加させることができる。   Moreover, in this embodiment, it heat-processes so that the atomic number ratio (O / C) of oxygen and carbon of ashless coal after heat processing may increase more than predetermined value from the value before heat processing. For example, if the O / C atomic ratio before the heat treatment is 0.06, the heat treatment is performed so that the O / C atomic ratio is increased by 0.019 or more from the value before the heat treatment. By heat-treating ashless coal in a gas containing oxygen, the oxidation reaction of ashless coal proceeds and oxygen atoms adhere to the surface of ashless coal. Thereby, the O / C atomic ratio of ashless coal gradually increases. The heating conditions depend on the raw coal type and production conditions of ashless coal, but by adjusting the heating temperature to 150 ° C. or higher and 350 ° C. or lower and the heating time in the range of 30 minutes to 6 hours, O / C atoms The number ratio can be increased by a predetermined value or more from the value before the heat treatment.

ここで、石炭が、分子量が数百〜数千あるいはそれ以上のマクロ分子から構成されているのに対して、無灰炭は、縮合芳香環が2ないし3個の比較的低分子量の成分から、5、6環程度の高分子量成分まで広い分子量分布を有している。このような無灰炭を酸化させると、無灰炭の表面に付着した酸素原子が分子同士をつなぐ役割を果たし、無灰炭の膨張性が低下する。   Here, coal is composed of macromolecules having a molecular weight of several hundred to several thousand or more, whereas ashless coal is composed of relatively low molecular weight components having 2 to 3 condensed aromatic rings. It has a broad molecular weight distribution up to about 5 or 6 high molecular weight components. When such ashless coal is oxidized, oxygen atoms attached to the surface of the ashless coal play a role of connecting molecules to each other, and the expansibility of the ashless coal is reduced.

酸化処理しない、製造されたままの状態の無灰炭のO/C原子数比は、原料炭種や、無灰炭の製造条件によって異なるが、概ね0.02〜0.08の範囲であり、膨張率(倍)は12倍以上である。しかし、この無灰炭を加熱処理により酸化させて、O/C原子数比を加熱処理前の値から所定値以上増加させると、膨張率(倍)は2倍程度まで低下する。ここで、膨張率(倍)は、炭素化処理前の無灰炭の体積に対する炭素化処理後の炭素材料の体積の割合である。   The O / C atomic ratio of as-produced ashless coal that is not oxidized is different depending on the raw coal type and the production conditions of ashless coal, but is generally in the range of 0.02 to 0.08. The expansion rate (times) is 12 times or more. However, when the ashless coal is oxidized by heat treatment and the O / C atomic ratio is increased by a predetermined value or more from the value before the heat treatment, the expansion rate (times) decreases to about twice. Here, the expansion rate (times) is a ratio of the volume of the carbon material after the carbonization treatment to the volume of the ashless coal before the carbonization treatment.

そこで、無灰炭を酸化させて、無灰炭の表面に酸素原子を付着させることで、無灰炭に元々含まれている酸素原子とは別に、分子同士をつなぐ酸素原子を増やす。そして、無灰炭に含まれる酸素原子の量を増加させて、酸素と炭素の原子数比(O/C)を加熱処理前の値から所定値以上増加させると、無灰炭を炭素材料としたときの膨張率が2倍程度になる。これにより、無灰炭の膨張性を抑制することができる。しかも、無灰炭を酸化させる加熱処理に溶剤や高圧容器は不要であり、特許文献2に開示されているような溶剤を用いた加熱処理よりも低温・短時間で膨張性を抑制することができるので、消費エネルギーを抑えることができる。   Therefore, by oxidizing the ashless coal and attaching oxygen atoms to the surface of the ashless coal, the oxygen atoms that connect the molecules are increased separately from the oxygen atoms originally contained in the ashless coal. And when the amount of oxygen atoms contained in the ashless coal is increased and the atomic ratio of oxygen to carbon (O / C) is increased by a predetermined value or more from the value before the heat treatment, the ashless coal is converted into the carbon material. The expansion rate is about double. Thereby, the expansibility of ashless coal can be suppressed. In addition, no solvent or high-pressure vessel is required for the heat treatment for oxidizing the ashless coal, and the expandability can be suppressed at a lower temperature and in a shorter time than the heat treatment using the solvent as disclosed in Patent Document 2. Because it can, energy consumption can be reduced.

加熱処理した無灰炭は、そのまま乾留してコークスにしたり、固めて炭素材にしたり、鉄鉱石などと混ぜて別の製品にしたりすることができる。   The heat-treated ashless coal can be dry-distilled into coke, solidified into a carbon material, or mixed with iron ore into another product.

(炭素材料の製造方法)
本実施形態による炭素材料の製造方法は、上記の無灰炭の製造方法で製造された無灰炭を炭素化処理して炭素材料とするものである。
(Method for producing carbon material)
The carbon material manufacturing method according to this embodiment is a carbon material obtained by carbonizing ashless coal manufactured by the above ashless coal manufacturing method.

炭素化処理の方法や条件は、特に限定されるものではなく、公知の技術を用いて行うことができる。典型的には、窒素やアルゴン等の不活性雰囲気中で、1000℃程度で蒸し焼きにして加熱処理し、炭素に変える。また、昇温速度は、0.1〜5℃/分程度とすればよい。この炭素化処理は熱間静水圧プレス装置等を用いて、加圧下で行ってもよい。また、必要により、アスファルトピッチやタール等のバインダー成分を添加してもよい。さらに、加熱処理した無灰炭を適当に成形してから、炭素化処理に供してもよい。炭素化に用いる熱処理炉の形式にも特に制約はなく、公知のものを用いることができる。例えば、ポット炉、リードハンマー炉、キルン、ロータリーキルン、シャフト炉、あるいは室炉等を挙げることができる。しかし、これらに限定されるものではなく、この他のものを用いてもよい。   The method and conditions for the carbonization treatment are not particularly limited, and can be performed using a known technique. Typically, it is steamed and heated at about 1000 ° C. in an inert atmosphere such as nitrogen or argon to change to carbon. Moreover, what is necessary is just to let a temperature increase rate be about 0.1-5 degreeC / min. This carbonization treatment may be performed under pressure using a hot isostatic pressing apparatus or the like. If necessary, a binder component such as asphalt pitch or tar may be added. Further, the heat-treated ashless coal may be appropriately formed and then subjected to carbonization treatment. There is no restriction | limiting in particular also in the form of the heat processing furnace used for carbonization, A well-known thing can be used. For example, a pot furnace, a lead hammer furnace, a kiln, a rotary kiln, a shaft furnace, or a chamber furnace can be used. However, it is not limited to these, and other things may be used.

ここで、先の無灰炭加熱工程により無灰炭の膨張性が抑制されているので、炭素化処理の際に無灰炭が発泡するのが抑制される。これにより、高純度(無灰)の炭素材料を好適に製造することができる。   Here, since the expansibility of ashless coal is suppressed by the previous ashless coal heating step, foaming of ashless coal during the carbonization treatment is suppressed. Thereby, a high purity (ashless) carbon material can be manufactured suitably.

得られた炭素材料は、非鉄金属還元用コークスの主原料として、好適に使用することができる。また、非鉄金属還元剤、構造用炭素材、または、電気材料用炭素材として用いることもでき、あるいは、非鉄金属還元剤、構造用炭素材、または、電気材料用炭素材の原料として用いることもできる。ここで、非鉄金属還元剤とは、シリコンやチタン等の非鉄金属の還元に用いる還元剤をいい、構造用炭素材とは、例えば、炭素製断熱材や、るつぼ等の炭素製の構造材の原料として用いる炭材をいい、電気材料用炭素材とは、アルミニウム電解製造用アノードや、炭素製電極等の炭素製の電気材料の原料として用いる炭材をいう。なお、これらの原料として用いるとしたのは、例えば、炭素材料に、熱処理等の二次的な処理を施すことが必要な場合があるためである。   The obtained carbon material can be suitably used as a main raw material for coke for nonferrous metal reduction. It can also be used as a non-ferrous metal reducing agent, a structural carbon material, or a carbon material for electrical materials, or can be used as a raw material for a non-ferrous metal reducing agent, a structural carbon material, or a carbon material for electrical materials. it can. Here, the non-ferrous metal reducing agent refers to a reducing agent used for the reduction of non-ferrous metals such as silicon and titanium, and the structural carbon material is, for example, a carbon heat insulating material or a carbon structural material such as a crucible. The carbon material used as a raw material refers to a carbon material used as a raw material for an electric material made of carbon such as an anode for aluminum electrolytic production or a carbon electrode. Note that these materials are used because, for example, it may be necessary to subject the carbon material to a secondary treatment such as heat treatment.

(膨張率評価)
次に、無灰炭を加熱処理により酸化させて膨張率を評価した。具体的には、瀝青炭を原料炭として無灰炭を製造し、この無灰炭を粒子径分布が0.25〜1mmとなるように粒度調整した後に、乾燥機内で空気雰囲気下で加熱処理して酸化させた。その際、加熱温度および加熱時間を異ならせた。評価結果を表1に示す。ここで、膨張率(倍)は、炭素化処理前の無灰炭の体積に対する炭素化処理後の炭素材料の体積の割合である。また、VM(%)は揮発分(質量%)である。
(Expansion rate evaluation)
Next, the ashless coal was oxidized by heat treatment to evaluate the expansion rate. Specifically, ashless coal is produced using bituminous coal as raw coal, the particle size of this ashless coal is adjusted so that the particle size distribution is 0.25 to 1 mm, and then heat-treated in an air atmosphere in a dryer. And oxidized. At that time, the heating temperature and the heating time were varied. The evaluation results are shown in Table 1. Here, the expansion rate (times) is a ratio of the volume of the carbon material after the carbonization treatment to the volume of the ashless coal before the carbonization treatment. Moreover, VM (%) is a volatile matter (mass%).

表1の6つのサンプルのうち、サンプルNo.1(以下、No.1)は加熱処理していないものであり、O/C原子数比は0.06である。200℃で1時間加熱したサンプルNo.2は、O/C原子数比がNo.1に対して0.015増加したが、膨張率は低下しなかった。一方、200℃で3時間加熱したサンプルNo.3は、O/C原子数比がNo.1に対して0.019増加し、膨張率は2倍程度に低下した。また、サンプルNo.4〜6は、O/C原子数比がNo.1に対して0.019以上増加し、膨張率は2倍程度に低下した。また、サンプルNo.3〜6では、炭化収率の上昇も認められた。   Of the six samples in Table 1, sample No. No. 1 (hereinafter, No. 1) is not heat-treated, and the O / C atomic ratio is 0.06. Sample No. heated at 200 ° C. for 1 hour 2 has an O / C atomic ratio of No. 2. Although it increased by 0.015 with respect to 1, the expansion rate did not decrease. On the other hand, Sample No. 3 heated at 200 ° C. for 3 hours. 3 has an O / C atomic ratio of No. 3. It increased by 0.019 with respect to 1, and the expansion rate decreased to about 2 times. Sample No. Nos. 4 to 6 have an O / C atomic ratio of No. 4. It increased by 0.019 or more with respect to 1, and the expansion rate decreased to about 2 times. Sample No. In 3-6, the raise of the carbonization yield was also recognized.

このことから、加熱処理前のO/C原子数比の値が0.06のときに、200℃前後の比較的低温で加熱処理して、O/C原子数比を加熱処理前の値から0.019以上増加させると、無灰炭の膨張性を抑制することができることがわかる。   From this, when the value of the O / C atom number ratio before the heat treatment is 0.06, the heat treatment is performed at a relatively low temperature of about 200 ° C., and the O / C atom number ratio is changed from the value before the heat treatment. It can be seen that when the amount is increased by 0.019 or more, the expansibility of ashless coal can be suppressed.

(効果)
以上に述べたように、本実施形態に係る無灰炭の製造方法によると、酸素を含むガス中で無灰炭を加熱処理することで、無灰炭を酸化させて、酸素と炭素の原子数比(O/C)を加熱処理前の値から所定値以上増加させる。石炭が、分子量が数百〜数千あるいはそれ以上のマクロ分子から構成されているのに対して、無灰炭は、縮合芳香環が2ないし3個の比較的低分子量の成分から、5、6環程度の高分子量成分まで広い分子量分布を有している。このような無灰炭を酸化させると、無灰炭の表面に付着した酸素原子が分子同士をつなぐ役割を果たし、無灰炭の膨張性が低下する。そこで、無灰炭を酸化させて、無灰炭の表面に酸素原子を付着させることで、無灰炭に元々含まれている酸素原子とは別に、分子同士をつなぐ酸素原子を増やす。そして、無灰炭に含まれる酸素原子の量を増加させて、酸素と炭素の原子数比(O/C)を加熱処理前の値から所定値以上増加させると、無灰炭を炭素材料としたときの膨張率が2倍程度になる。これにより、無灰炭の膨張性を抑制することができる。しかも、無灰炭を酸化させる加熱処理に溶剤や高圧容器は不要であり、溶剤を用いた加熱処理よりも低温・短時間で膨張性を抑制することができるので、消費エネルギーを抑えることができる。これにより、無灰炭の膨張性を安価に抑制することができる。
(effect)
As described above, according to the method for producing ashless coal according to the present embodiment, the ashless coal is oxidized by heat-treating the ashless coal in a gas containing oxygen, so that oxygen and carbon atoms The number ratio (O / C) is increased by a predetermined value or more from the value before the heat treatment. Coal is composed of macromolecules having a molecular weight of several hundred to several thousand or more, whereas ashless coal is composed of relatively low molecular weight components having 2 to 3 fused aromatic rings, It has a broad molecular weight distribution up to high molecular weight components of about 6 rings. When such ashless coal is oxidized, oxygen atoms attached to the surface of the ashless coal play a role of connecting molecules to each other, and the expansibility of the ashless coal is reduced. Therefore, by oxidizing the ashless coal and attaching oxygen atoms to the surface of the ashless coal, the oxygen atoms that connect the molecules are increased separately from the oxygen atoms originally contained in the ashless coal. And when the amount of oxygen atoms contained in the ashless coal is increased and the atomic ratio of oxygen to carbon (O / C) is increased by a predetermined value or more from the value before the heat treatment, the ashless coal is converted into the carbon material. The expansion rate is about double. Thereby, the expansibility of ashless coal can be suppressed. Moreover, no solvent or high-pressure vessel is required for the heat treatment for oxidizing ashless coal, and the expansibility can be suppressed at a lower temperature and in a shorter time than the heat treatment using a solvent, so that energy consumption can be suppressed. . Thereby, the expansibility of ashless coal can be suppressed cheaply.

また、無灰炭を150℃以上350℃以下で30分〜6時間加熱処理することで、酸素と炭素の原子数比(O/C)を加熱処理前の値から所定値以上増加させることができる。これにより、無灰炭の膨張性を好適に抑制することができる。   In addition, the heat treatment of ashless coal at 150 ° C. or higher and 350 ° C. or lower for 30 minutes to 6 hours can increase the atomic ratio of oxygen and carbon (O / C) by a predetermined value or more from the value before the heat treatment. it can. Thereby, the expansibility of ashless coal can be controlled suitably.

また、本実施形態に係る炭素材料の製造方法によると、加熱処理された無灰炭を炭素化処理して炭素材料とする際に、無灰炭の膨張性が抑制されているので、無灰炭の発泡が抑制される。これにより、高純度(無灰)の炭素材料を好適に製造することができる。   Moreover, according to the method for producing a carbon material according to the present embodiment, when the heat-treated ashless coal is carbonized to obtain a carbon material, the expansion of the ashless coal is suppressed. Charcoal foaming is suppressed. Thereby, a high purity (ashless) carbon material can be manufactured suitably.

(本実施形態の変形例)
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
(Modification of this embodiment)
The embodiment of the present invention has been described above, but only specific examples are illustrated, and the present invention is not particularly limited, and the specific configuration and the like can be appropriately changed in design. Further, the actions and effects described in the embodiments of the invention only list the most preferable actions and effects resulting from the present invention, and the actions and effects according to the present invention are described in the embodiments of the present invention. It is not limited to what was done.

1 石炭ホッパ
2 溶剤タンク
3 スラリー調製槽
3a 攪拌機
4 移送ポンプ
5 予熱器
6 抽出槽
6a 攪拌機
7 重力沈降槽
8 フィルターユニット
9,10 溶剤分離器
11 乾燥機
100 無灰炭製造設備
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coal hopper 2 Solvent tank 3 Slurry preparation tank 3a Stirrer 4 Transfer pump 5 Preheater 6 Extraction tank 6a Stirrer 7 Gravity settling tank 8 Filter unit 9,10 Solvent separator 11 Dryer 100 Ashless coal production equipment

Claims (3)

石炭と溶剤とを混合してスラリーを得るスラリー調製工程と、
前記スラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する抽出工程と、
前記抽出工程で得られたスラリーを、溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液と、溶剤に不溶な石炭成分が濃縮した固形分濃縮液とに分離する分離工程と、
前記分離工程で分離された溶液から溶剤を蒸発分離して無灰炭を得る無灰炭取得工程と、
前記無灰炭取得工程で得られた無灰炭を加熱処理する無灰炭加熱工程と、
を備え、
前記無灰炭加熱工程において、酸素を含むガス中で無灰炭を150〜200℃で3〜15時間以上加熱処理して、酸素と炭素の原子数比(O/C)を加熱処理前の値から所定値以上増加させることを特徴とする無灰炭の製造方法。
A slurry preparation step of obtaining a slurry by mixing coal and a solvent;
Extracting the coal component soluble in the solvent by heating the slurry; and
A separation step of separating the slurry obtained in the extraction step into a solution in which a coal component soluble in a solvent is dissolved and a solid content concentrate in which a coal component insoluble in a solvent is concentrated;
Ashless coal acquisition step of obtaining ashless coal by evaporating and separating the solvent from the solution separated in the separation step;
Ashless coal heating step of heat-treating the ashless coal obtained in the ashless coal acquisition step,
With
In the ashless coal heating step, the ashless coal is heat-treated at 150 to 200 ° C. for 3 to 15 hours or more in a gas containing oxygen, and the atomic ratio (O / C) of oxygen and carbon is determined before the heat treatment. A method for producing ashless coal, wherein the value is increased by a predetermined value or more from the value.
前記無灰炭加熱工程において、酸素と炭素の原子数比(O/C)を加熱処理前の値から0.019以上増加させることを特徴とする請求項1に記載の無灰炭の製造方法。 2. The method for producing ashless coal according to claim 1, wherein, in the ashless coal heating step, the atomic ratio (O / C) of oxygen and carbon is increased by 0.019 or more from a value before the heat treatment. . 請求項1又は2に記載の無灰炭の製造方法で製造された無灰炭を炭素化処理して炭素材料とすることを特徴とする炭素材料の製造方法。   A method for producing a carbon material, wherein the ashless coal produced by the method for producing ashless coal according to claim 1 or 2 is carbonized to obtain a carbon material.
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