(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径０．０２ｍｍ以下の石炭粒子が全石炭量の１０〜２０重量％、粒径１ｍｍ以上が全石炭量の５０〜７０重量％、粒径０．０２〜１ｍｍが全石炭量の１０〜４０重量％の粒度構成となるように石炭と水を混合・撹拌して得られる石炭・水混合流動層燃焼炉用燃料。
【請求項２】
重量平均径が１．０〜２．０ｍｍの範囲にある石炭の粗粒子群に、重量平均径が０．０３〜０．０７ｍｍの範囲にある石炭の微粒子群と水を混合・撹拌して得られる請求項１記載の石炭・水混合流動層燃焼炉用燃料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は石炭・水混合物に関し、特に加圧した流動層で石炭などの固体燃料を燃焼し、発生したスチームによって蒸気タービンを駆動し、さらに、高圧、高温の燃焼ガスでガスタービンを駆動して高効率で電力を得る加圧流動層ボイラ複合発電プラントの燃焼炉に供給する石炭と水の混合物とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加圧流動層ボイラは発生するスチームおよび高圧の燃焼ガスからエネルギーを得ることができるので高効率の発電が可能である。ただし、固体である石炭粒子を加圧状態の燃焼炉内に連続的に安定して供給することが課題の一つである。従来、流動層燃焼炉への石炭の供給方法として、石炭粒子と水を混合してペースト状の流体（以下、Ｃｏａｌ−Ｗａｔｅｒ  Ｐａｓｔｅ；以下ＣＷＰと略す）とし該ＣＷＰをポンプで昇圧および圧送して噴霧ノズルから供給する湿式供給方式（例えば特開昭６２−１５５４３３号）がある。該ＣＷＰ供給方式は、乾式供給方式、例えばロックホッパ昇圧した後に空気輸送する方式に比べ、乾燥などの前処理が不要で低コストである。
【０００３】
しかしながら、湿式供給方式では発電効率を高レベルに維持する上で石炭に添加する水の量をできるだけ少なくすることが必要である。しかも製造コスト低減のために石炭粒子を分散させる薬剤を添加しない。このため重油の代替燃料として開発された高濃度石炭・水スラリに比べてＣＷＰは粘度が高く流動性が極めて乏しい。
【０００４】
一般に、前記高濃度石炭・水スラリの低水分化には混合物を構成する石炭粒子の粒度構成が重要となることが知られている。例えば、特開昭５６−５０１５６８号公報には低水分化に最適な粒度構成が開示されている。また、最適な粒度構成に調整する方法として例えば特開昭６２−３０１９０号公報記載の方法がある。しかしながら、高濃度石炭・水スラリの製造では石炭粒子を分散させる薬剤が添加され、石炭粒子が十分に分散した状態にある。
なお、高濃度石炭・水スラリは最大径が０．６ｍｍで重量平均径が０．０２ｍｍであるのに対し、加圧流動層燃焼炉に用いられるＣＷＰは最大径が６ｍｍで重量平均径は１〜２ｍｍと粒度が粗く構成され、石炭粒子の粒度範囲も高濃度石炭・水スラリとは大きく異なる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来技術では薬剤が石炭表面を水に濡れ易い性質に変えるため、石炭粒子の凝集がほとんどない分散状態で粒度分布の調整がなされる。これに対して、加圧流動層燃焼炉に供給するＣＷＰは薬剤を添加せず高粘度の状態で製造されるため、水に濡れにくい性質（疎水性）を有する石炭粒子は必然的に著しい凝集状態にある。このため、従来技術の高濃度石炭・水スラリに最適とされる粒度構成をＣＷＰの製造に適用しても、石炭粒子同士が凝集して見かけ上、粗大粒子として挙動する。したがって、前記高濃度石炭・水スラリの粒度構成では水分量を最小にすることができなかった。本発明の目的は、低水分のＣＷＰを低い撹拌動力で製造し燃焼炉に安定して供給できる低コストな石炭・水混合流動層燃焼炉用燃料とその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは石炭・水混合流動層燃焼炉用燃料として用いるＣＷＰの製造方法について鋭意研究を重ねた結果、次の構成を採用することで上記本発明の目的を達成できた。すなわち、粒径０．０２ｍｍ以下の石炭粒子が全石炭量の１０〜２０重量％、粒径１ｍｍ以上が全石炭量の５０〜７０重量％、粒径０．０２〜１ｍｍが全石炭量の１０〜４０重量％の粒度構成となるように石炭と水を混合・撹拌して得られる石炭・水混合流動層燃焼炉用燃料である。ここで、石炭と水を混合した石炭・水混合物は、重量平均径が１．０〜２．０ｍｍの範囲にある石炭の粗粒子群に、重量平均径が０．０３〜０．０７ｍｍの範囲にある石炭の微粒子群を水とともに混合・撹拌して得ることができる。
【０００７】
本発明の石炭・水混合流動層燃焼炉用燃料は加圧流動層燃焼炉用の燃料等として用いることができるが、これに限定されることなく、一般の常圧流動層燃焼炉用燃料としても用いることができる。
【０００８】
燃焼炉用の燃料としてＣＷＰを使用するには、ＣＷＰが低水分量であることと同時に石炭粒子が沈降分離しにくいことが必要要件である。石炭粒子の粒度構成はこの２つの要件と密接に関係する。すなわち、ＣＷＰとして最適な粒度構成は、水分量を最小にし、沈降分離を起こしにくい粒度条件によって決めることができる。
【０００９】
石炭の粒径０．０２ｍｍ以下の粒子の重量割合が１０〜２０重量％の範囲では、ＣＷＰの水分量が最小となり、かつ分離もしにくい。石炭の粒径０．０２ｍｍ以下の微粒子が１０重量％より少ない場合、ＣＷＰは沈降分離を起こしやすく、安定にポンプ輸送ができない。また、０．０２ｍｍ以下の微粒子が２０重量％より多い場合、粘度が上昇して流動性を保つために水分量を多くする必要がある。
【００１０】
また、粒径１ｍｍ以上の粒子の重量割合が５０〜７０重量％の範囲ではＣＷＰ中の水分量が最小となり、かつ分離もしにくい。粒径１ｍｍ以上の粗粒子が５０重量％より少ない場合にはＣＷＰは沈降分離を起こしやすく、粒径１ｍｍ以上の粗粒子が７０重量％より多い場合には水分量が多くなる。
さらに、石炭粒子の重量平均径が小さい場合には、粘度を一定にするために水分量が増加する。低水分化に効果のある重量平均径は１〜２ｍｍである。また、重量平均径が０．０３ｍｍ以下となるように微粉砕する場合には粉砕動力が急激に増大し、重量平均径が０．０７ｍｍ以上の粗めの微粒子群を使用するとＣＷＰが分離しやすくなる。
【００１１】
【作用】
一般に、固液混合物中の固体の濃度を増加させるには、すなわち液体量を減少させるには、固体粒子が最密充填するように粒度構成を調整する。前述のように、ＣＷＰの製造では石炭粒子を分散する薬剤の添加がなく、かつ高粘性のため粒子の凝集が著しい。そのため、粒子の最密充填に関与するのは単一粒子よりむしろ凝集した粒子群である。本発明によれば凝集した粒子群として最密充填が実現するので、低水分のＣＷＰを製造することができる。
【００１２】
また、通常の粉砕操作によって得られる粉砕物の粒度はほぼ一定の範囲に抑えることができるので、本発明のように石炭の粗粒子群と微粒子群を混合すれば所望の粒度構成の調整を精度よく行うことができる。
一方、ＣＷＰは水分の極めて少ない状態で混合・撹拌して製造されるので、微粒子は特に凝集しやすく、微粒子の塊状物が生成し、均質に混合するに必要な動力が大きくなる。そこで、微粒子群を予め水と混ぜると微粒子の塊状物ができず、低動力で均質なＣＷＰが得られる。
【００１３】
【実施例】
本発明の実施例を図面とともに説明する。
図１は石炭粒子の分散状態（図１（ａ））および凝集状態（図１（ｂ））を示した図である。
ＣＷＰの製造では石炭粒子を分散する薬剤の添加がなく、かつ高粘性のため粒子の凝集が著しい。その結果、見かけ上、粒度構成が変わったように挙動するので、ＣＷＰに特有な粒度構成に調整する必要がある。
【００１４】
図２は、ＣＷＰ中の石炭粒度に対するふるい下重量割合を示したいわゆる粒度分布曲線図である。
Ａ炭（恒湿水分＝３％、燃料比＝１．８）のＣＷＰの粒度分布を、Ａ炭を用いて製造した高濃度石炭・水スラリの粒度分布と比較して示した。Ａ炭のＣＷＰでは、粒径０．０２ｍｍ以下が１２重量％で、１ｍｍ以上は４０重量％である。図に示されるように高濃度石炭・水スラリの重量平均径Ｄ５０が０．０１５ｍｍであるのに対し、ＣＷＰの場合１．５ｍｍで粒度は非常に粗い。Ａ炭ＣＷＰは、Ｄ５０＝１．５ｍｍの粗粒子群とＤ５０＝０．０３ｍｍの微粒子群を重量比で８：２の割合で混合撹拌して製造した。
発電効率を高レベルに維持するためＣＷＰ中の水分量は２２重量％とするので粘度は１０Ｐａ・ｓとなり従来の高濃度石炭・水スラリの１０倍と非常に高い。
【００１５】
加圧流動層燃焼炉用の燃料としてＣＷＰを使用するには、ＣＷＰが低水分量であることと同時に石炭粒子が沈降分離しにくいことが必要要件である。石炭粒子の粒度構成はこの２つの要件と密接に関係する。すなわち、ＣＷＰとして最適な粒度構成は、水分量を最小にし、沈降分離を起こしにくい粒度条件によって決めることができる。
【００１６】
図３はＡ炭、Ｂ炭（恒湿水分＝７％、燃料比＝１．０）、Ｃ炭（恒湿水分＝１．５％、燃料比＝２．８）の３炭種について粒径０．０２ｍｍ以下の粒子の重量割合を変えた場合のＣＷＰ中の水分量および棒貫入深さの変化を示した図である。ただし、１ｍｍ以上の粒子の重量割合を一定とした。図中の曲線Ａ、Ｂ、ＣはそれぞれＡ炭、Ｂ炭、Ｃ炭の水分量を示し、曲線Ｄ、Ｅ、ＦはそれぞれＡ炭、Ｂ炭、Ｃ炭の棒貫入深さを示す。
棒貫入深さが大きいことは沈降分離をしにくい性状であることを示し、棒貫入深さが小さいのはＣＷＰから石炭が分離してハードパック量が増加していることを示す。
【００１７】
これらの３炭種について検討すると、図３の横軸に示す粒径０．０２ｍｍ以下の粒子の重量割合が１０〜２０重量％の範囲では、図３の曲線Ａ、Ｂ、Ｃで示すように水分量が最小となり、かつ図３の曲線Ｄ、Ｅ、Ｆで示すように分離もしにくい範囲にあることが分かる。粒径０．０２ｍｍ以下の微粒子が１０重量％より少ない場合、ＣＷＰは沈降分離を起こしやすく、安定にポンプ輸送ができない。また、０．０２ｍｍ以下の微粒子が２０重量％より多い場合、粘度が上昇して流動性を保つために水分量が多くなる。
【００１８】
図４は上記の３炭種について、粒径０．０２ｍｍ以下の粒子の重量割合を一定にした条件で粒径１ｍｍ以上の粒子の重量割合を変化させた場合のＣＷＰ中の水分量および棒貫入深さの変化を示した図である。図中の曲線Ｇ、Ｈ、ＩはそれぞれＡ炭、Ｂ炭、Ｃ炭の水分量、曲線Ｊ、Ｋ、ＬはＡ炭、Ｂ炭、Ｃ炭の棒貫入深さを示す。
図４の横軸に示す粒径１ｍｍ以上の粒子の重量割合が５０〜７０重量％の範囲では図４の曲線Ｇ、Ｈ、Ｉで示すように水分量が最小となり、かつ図４の曲線Ｊ、Ｋ、Ｌで示すように分離もしにくい範囲にあることが分かる。粒径１ｍｍ以上の粗粒子が５０重量％より少ない場合にはＣＷＰは沈降分離を起こしやすく、粒径１ｍｍ以上の粗粒子が７０重量％より多い場合には水分量が多くなる。
【００１９】
図５は、粘度１０Ｐａ・ｓで一定とした条件でＡ炭ＣＷＰの水分と重量平均径Ｄ５０の関係を示した図である。重量平均径Ｄ５０が小さい場合には、粘度を一定にするために水分量が増加する。できる限り低水分化するためのＤ５０の条件はＤ５０＝１〜２ｍｍであることが分かる。
粘度が同じ条件では粒度が細かいほど水分量が多くなることは容易に分かる。しかし、必要以上に粒度を粗くしても低水分化の効果はなく、粗大粒子が多くなりすぎて配管内での閉塞などの問題を生ずる。重量平均径Ｄ５０が１．０〜２．０ｍｍの範囲にある場合、上記の要件が満たされる。
【００２０】
図６にＡ炭について粗粒子群に混ぜる微粒子群の重量平均径Ｄ５０を変えた場合の棒貫入深さと粉砕動力の変化を示した図である。図中の曲線Ｍは棒貫入深さとの関係を、曲線Ｎは粉砕動力との関係を示したものである。
図６の横軸で示したＤ５０が０．０３ｍｍ以下となるように微粉砕する場合には曲線Ｎで示した粉砕動力が急激に増大する。また、重量平均径Ｄ５０が０．０７ｍｍ以上の粗めの微粒子群を使用するとＣＷＰが分離しやすくなる。
【００２１】
次に本発明の粒度構成を調整する具体的な方法の一実施例を詳細に説明する。
図７は本実施例を示す図であり、加圧流動層燃焼炉１０１は圧力容器１０４内に収納されており、その底部に空気分散板１０５が設けられ、その上に流動媒体粒子１０２が充填されている。加圧空気１０６は圧力容器１０４内に供給された後燃焼用空気１０７として、空気分散板１０５を通って加圧流動層燃焼炉１０１内に供給され流動媒体粒子１０２を流動化して流動層１０９を形成する。加圧流動層燃焼炉１０１はＣＷＰ供給導管１６を通してポンプ１５からＣＷＰ１４が圧送され、ＣＷＰ噴霧ノズル１７から流動層１０９内に供給されて燃焼される。燃焼ガスは炉上部から排出されサイクロン１０３でダストを除去した後、導管１０８を通ってガスタービン（図示を省略）に導入される。
【００２２】
一方、バンカ１内の原炭は粉砕機２に供給され、粉砕機２で所定の粒度まで粉砕された後、粗大粒子はふるい３で除去される。粗大粒子除去後の粗粒子群は分配器５に供給され、該粗粒子群の一部が導管６を経てＣＷＰ調整タンク９へ連続的に投入され、残りが導管７から粉砕機８へ供給され、所定の粒度まで粉砕され微粒子群となる。ＣＷＰ調整タンク９内には導管６からの粗粒子群、粉砕機８からの微粒子群の他に脱硫剤として石灰石１２と、ＣＷＰを製造するに必要な水１３が添加され、電動機１１によって回転される撹拌機翼１０によって混合、撹拌され流動性のあるＣＷＰ１４となる。
【００２３】
粉砕機２は最大径が約５０ｍｍの原炭を粒径６ｍｍ以下の粒度まで粉砕できるように条件設定される。原炭の粉砕は、所定の粒度まで粉砕できる粉砕機であればどのような種類のものでも良い。ふるい３の目開きについては、ＣＷＰの石炭粒子の最大径が６ｍｍとなるように決定した。分配器５は粉砕炭を所定の割合で分配する機能を有するもので、石炭性状に応じて設定されている。
上記の装置において、脱硫剤としては最大径３ｍｍ程度のドロマイトあるいは石灰石粒子が用いられる。ＣＷＰ調製タンク９および撹拌機翼１０については模式的に示したもので本発明を限定したものではない。
【００２４】
一般の粉砕機で原炭を粉砕する場合、粉砕物の粒度構成は原炭性状、粉砕機種および粉砕の諸条件によって種々変化する。しかしながら、原炭の一段粉砕では微粒分が不足し、上記の最適粒度構成が得られない。そこで微粒子群を別系統にて製造し粗粒子群と混ぜる方法により粒度調整が可能となる。粗粒子群は粒度構成の基軸となるため、低水分化、安定輸送を達成できる重量平均径Ｄ５０が１．０〜２．０ｍｍの範囲が望ましい。
一方、微粒子群は必要以上に細かく粉砕すると多大な粉砕動力が必要となる。微粒子群の重量平均径Ｄ５０が０．０３〜０．０７ｍｍの範囲であれば粉砕動力を低く抑えられ、かつ粗粒子群と混合することによって最適な粒度構成を得ることができる。
【００２５】
微粒子群を混合する際、そのまま水に混ぜると微粒子同士が凝集し、均質に混合するに必要な撹拌動力が大きくなる。図８はこの点を考慮したＣＷＰ製造のためのフローの一例である。
バンカ１内の原炭は粉砕機２に供給され、粉砕機２で所定の粒度まで粉砕された後、粗大粒子はふるい３で除去される。粗大粒子除去後の粗粒子群は分配器５に供給され、該粗粒子群の一部が導管６を経てＣＷＰ調製タンク９へ連続的に投入される。また、粗粒子群の残りが導管７から粉砕機８へ供給され、所定の粒度まで粉砕され微粒子群となる。該微粒子群をＣＷＰ調製タンク２３内に連続的に投入し、電動機１８によって回転する撹拌翼１９により水２０と混合・撹拌され微粒スラリを形成させる。ＣＷＰ調製タンク９内へ供給する微粒子がスラリ状であるのでポンプ２１により安定に定量供給できる。
予め水に馴染ませると微粒子同士の凝集は緩和されるので微粒子群の混合比率を低減できる特徴がある。
【００２６】
ＣＷＰ調整タンク９内では粗粒子群と微粒子群の他に脱硫剤として石灰石１２と、水１３が添加され、電動機１１によって回転される撹拌機翼１０によって混合、撹拌され流動性のあるＣＷＰ１４が製造され、図７のフローと同様に加圧流動層燃焼炉１０１に供給される。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したごとく本発明によればＣＷＰをより少ない水分量で安定して供給でき、製造動力がかからないでＣＷＰが製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の石炭粒子の分散、凝集状態を示す図である。
【図２】本発明の実施例のＣＷＰ中の石炭粒径に対するふるい下重量割合を示す図である。
【図３】本発明の実施例の０．０２ｍｍ以下の粒子の重量割合に対するＣＷＰ中の水分量と棒貫入深さを示す図である。
【図４】本発明の実施例の１ｍｍ以上の粒子の重量割合に対するＣＷＰ中の水分量と棒貫入深さを示す図である。
【図５】本発明の実施例のＣＷＰの水分と重量平均径Ｄ５０の関係を示した図である。
【図６】本発明の実施例の粗粒子群に混ぜる微粒子群の重量平均径Ｄ５０を変えた場合の棒貫入深さと粉砕動力の変化を示した図である。
【図７】本発明の実施例を示す系統図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…バンカ、２、８…粉砕機、３…ふるい、９…ＣＷＰ調整タンク、
１０１…加圧流動層燃焼炉、１０４…圧力容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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