(57)【要約】【課題】加圧ガス化炉によるガス化に適した、高スラリー濃度、かつ、低粘度の低品位炭スラリーの簡易な製造方法及び製造装置、並びにそのような製造装置を備えるガス化システムを提供すること。【解決手段】本発明の低品位炭スラリーの製造方法は、  粗粉砕された低品位炭を加熱乾燥すると共に、低品位炭から放出された水蒸気を凝縮水として回収する第一工程と、  加熱乾燥処理された低品位炭に、第一工程で得られた凝縮水及び分散剤を添加し、湿式粉砕法によってスラリー化する第二工程とを有する。  また、本発明の低品位炭スラリーの製造装置は、  粗粉砕された低品位炭を加熱乾燥する乾燥装置と、  加熱乾燥によって低品位炭から放出された水蒸気を凝縮水として回収する凝縮水回収装置と、  加熱乾燥された低品位炭に、凝縮水と分散剤とを添加してスラリー化する湿式粉砕装置とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粗粉砕された低品位炭を加熱乾燥すると共に、低品位炭から放出された水蒸気を凝縮水として回収する第一工程と、
加熱乾燥処理された低品位炭に、第一工程で得られた凝縮水と分散剤とを添加し、湿式粉砕によって低品位炭をスラリー化する第二工程と、
を有する低品位炭スラリーの製造方法。
【請求項２】
前記第一工程の加熱乾燥が100℃以上200℃以下の間接加熱処理によって行われる、請求項１に記載の低品位炭スラリーの製造方法。
【請求項３】
前記第一工程後の低品位炭の水分含有率が15重量％以下である、請求項１又は２に記載の低品位炭スラリーの製造方法。
【請求項４】
前記第二工程におけるスラリー濃度が40重量％以上65重量％以下である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の低品位炭スラリーの製造方法。
【請求項５】
前記分散剤がポリスチレン系分散剤、ナフタレンスルホン酸系分散剤、メタアクリル酸系分散剤又はリグニンスルホン酸系分散剤であり、
スラリーへの添加量が低品位炭の乾燥重量に対して0.2重量％以上2重量％以下である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の低品位炭スラリーの製造方法。
【請求項６】
前記第二工程後、得られたスラリーを高速攪拌処理する第三工程を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の低品位炭スラリーの製造方法。
【請求項７】
粗粉砕された低品位炭を加熱乾燥する乾燥装置と、
加熱乾燥によって低品位炭から放出された水蒸気を凝縮水として回収する凝縮水回収装置と、
加熱乾燥された低品位炭に、凝縮水と分散剤とを添加し、低品位炭をスラリー化する湿式粉砕装置と、
を有する低品位炭スラリーの製造装置。
【請求項８】
前記乾燥装置が間接加熱型乾燥装置である、請求項７に記載の低品位炭スラリーの製造装置。
【請求項９】
低品位炭を粗粉砕する乾式粉砕装置をさらに備える、請求項７又は８に記載の低品位炭スラリーの製造装置。
【請求項１０】
前記湿式粉砕装置によって得られたスラリーを、さらに高速攪拌処理する攪拌装置を有する、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の低品位炭スラリーの製造装置。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の低品位炭スラリーの製造装置と、
前記湿式粉砕装置又は前記攪拌装置から得られたスラリーを移送する移送配管と、
移送配管によって移送されたスラリーをガス化する加圧ガス化炉と、
を有する、低品位炭のガス化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、褐炭のような低品位炭から、加圧ガス化炉用の燃料に適したスラリーを製造するための方法及び装置に関する。また、本発明は、そのようなスラリーを燃料とする加圧ガス化炉を備える低品位炭のガス化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的にエネルギー資源の消費拡大が急速に進んでおり、主要なエネルギー源である石油、石炭又は天然ガス等の価格が上昇している。このため、これらエネルギー源をいかに有効活用するかが重要な課題となっている。
【０００３】
通常燃料として利用される石炭としては、発電効率及びコストの他、輸送又は貯蔵のような物流上の安全面の観点から、高発熱量の高い瀝青炭が使用されている。しかし、新興国における経済成長に伴い、瀝青炭の需給が世界的にタイトになってきている。
【０００４】
一方、褐炭、亜炭又は亜瀝青炭をはじめとする低品位炭の埋蔵量は、瀝青炭のような高品位炭の埋蔵量を凌ぐ6000億トン以上の規模と推定されている。しかし、低品位炭は水分含有率が高いために発電用ボイラ等の燃料として利用した場合、熱効率が低く、発電コストを押し上げてしまう。また、褐炭は反応性が高く、乾燥させると自然発火の危険性が高くなることから、輸送及び貯蔵が難しく、ほとんど利用されていないのが現状である。
【０００５】
また、石炭火力発電による二酸化炭素（CO2）排出量が世界的に急増傾向にあり、地球温暖化を引き起こす深刻な要因になっていると考えられている。単位発熱量当たりのCO2排出量が石油又は天然ガスに比べて多いため、CO2排出量削減の要求の高まりとともに、日本をはじめとする先進国では石炭の利用が抑制されている。
【０００６】
褐炭のような低品位炭は、価格が非常に安く、埋蔵量も多い有望な燃料資源であるが、上述したような問題のために、有効利用されていないのが実情である。そこで、炭鉱近辺で褐炭をガス化し、得られた合成ガスを利用する方法について技術開発が進められている。「合成ガス」とは石炭又は天然ガスのような炭化水素を原料として製造される水素（H2）及び一酸化炭素（CO）と、二酸化炭素（CO2）又はメタン等とを含有する粗ガスであり、アンモニア合成、メタノール合成又は水素製造等に用いられる原料ガスの総称である。
【０００７】
特に炭鉱近辺において褐炭のような低品位炭をガス化し、生成した合成ガスからCO2を分離回収した後、CO2フリーの合成ガスとして利用することが注目されている。例えば、褐炭をガス化し、得られた合成ガスから水素を分離精製し、これを液化して液体水素として輸送し、ガスタービン又はガスエンジンの燃料として利用する方法は、将来の水素社会で実現されるものと予想されている。
【０００８】
石炭ガス化炉を用いて瀝青炭をガス化する技術については、瀝青炭を湿式粉砕して水スラリー化し、高温高圧下で運転されるガス化炉に酸素とともに供給する湿式酸素吹きガス化炉がすでに商用プラントとして稼動している。また、瀝青炭を微粉砕し、微粉炭を気流で搬送してガス化炉に供給する方法も商用プラントとして稼動している。
【０００９】
加圧ガス化炉を用いて瀝青炭をガス化する場合、粉砕した瀝青炭に水と分散剤のような添加剤を加えてスラリーとすれば、取り扱い及び移送が容易となる。また、重油などに比べて単位熱量当りの価格が低いため、石油に代わる燃料として注目されている。
【００１０】
石炭をスラリーとして加圧ガス化炉に供給する場合、低粘度である方が取り扱い及び移送が容易となるが、スラリー濃度（石炭濃度）が低くなるとエネルギー効率が低下する。特に、褐炭のような低品位炭の場合、瀝青炭よりも水分含有率が高いため、スラリー濃度を低くするとエネルギー効率が著しく低下することになる。このため、高濃度、かつ、低粘度の低品位炭スラリーの製造方法が求められている。
【００１１】
ここで、特許文献１は、原料炭として低品位炭を用いて1000cP程度の好ましいみかけ粘度で、できるだけ石炭の含有率が高い（70重量％程度）のスラリーを得ることを目的として、脱水ケーキと水と分散剤とを混練する際に混練を二段階に分け、第一段階においては分散剤を添加しないか又は流動しない程度に少量添加してケーキ及び水で混練を行い、混練物がペースト状になった時点で分散剤を加えてさらに混練を行う方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−３３５６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
褐炭は、水分含有率が30〜70％にも達するため、さらに水を加えて水スラリー化すると、スラリー中の全水分（褐炭中内部に含有されている水分と、スラリーの分散媒である褐炭外部の水分との合計）が極めて高くなり、加圧ガス化炉において大量の熱が水分蒸発のために消費され、エネルギー効率が極めて低くなる。このため、水分含有率が高い褐炭のような低品位炭を水スラリー化し、加圧ガス化炉に供給してガス化する方法は、これまでほとんど検討されなかった。
【００１４】
図２は、特許文献１に開示されているスラリーの製造方法の概略工程図である。特許文献１に開示されているスラリー製造方法は、高吸湿性で水分含有率が高く（30〜70重量％）、かつ、表面が親水性である褐炭又は亜瀝青炭であっても、高濃度スラリーを製造することが可能とされている。
【００１５】
特許文献１（請求項３）に開示されているスラリー製造方法では、第１工程（粉砕工程）で、褐炭又は亜瀝青炭に水を添加し、湿式粗粉砕によって低濃度スラリー（10〜40重量％）を調製する。しかし、炭鉱近辺には水インフラが整っていないことが多く、大量の水の確保は困難が予想される。
【００１６】
次に、第２工程（改質工程）で熱水処理（圧力12〜15MPa、温度250〜330℃）によって改質処理したスラリーを、第３工程（脱水工程）で脱水して脱水ケーキとする。しかし、脱水ケーキには流動性がないため、その取り扱い及び移送は困難である。続く第４工程（第１混練工程）で脱水ケーキを混練して再度スラリー化するが、流動性のないペーストとなるために、その取り扱い及び移送は困難となる。また、混練では、褐炭等を微粉砕することは期待し得ない。
【００１７】
さらに、第５工程（第２混練工程）で分散剤を添加しつつ水スラリーを調製するが、混練では分散剤を均一には分散させることが困難である。
【００１８】
本発明は、加圧ガス化炉によるガス化に適した、高スラリー濃度、かつ、低粘度の低品位炭スラリーの簡易な製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者は、低品位炭スラリーを製造する上記従来技術の課題を解決するべく鋭意検討した。その結果、粉砕した低品位炭に外部から加水してスラリー化するのではなく、低品位炭を加熱乾燥して蒸発脱水する際に発生する水蒸気を凝縮水として回収して利用すれば、低品位炭の内部に含有されている水分を減少させつつ、分散媒である低品位炭外部の水分を増加させることが可能となることを見出した。また、そうすることにより、低品位炭を原料炭とした場合であっても、スラリー中の全水分は従来技術と同程度でありながら、低粘度で取り扱い及び移送が容易なスラリーとし得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２０】
具体的に、本発明は、
粗粉砕された低品位炭を加熱乾燥すると共に、低品位炭から放出された水蒸気を凝縮水として回収する第一工程と、
加熱乾燥処理された低品位炭に、第一工程で得られた凝縮水と分散剤とを添加し、湿式粉砕によって低品位炭をスラリー化する第二工程と、
を有する低品位炭スラリーの製造方法に関する。
【００２１】
第一工程において、粗粉砕された低品位炭内部に含有されていた水が水蒸気として放出され、低品位炭が乾燥される。また、加熱によってタール成分が低品位炭表面の微細構造を塞いだり、表面親水性官能基が疎水性官能基に変化したりするため、放出された水が低品位炭に再吸収されることも期待し得る。
【００２２】
ここで、低品位炭は、褐炭、亜瀝青炭、亜炭、又はこれらの混合炭を意味するが、本発明は、特に褐炭に適用することが好ましい。
【００２３】
第二工程において、改質処理された低品位炭を湿式粉砕してスラリー化するが、第一工程で低品位炭から放出された水蒸気（自己放出水）を冷却し、凝縮水として回収して利用することにより、水資源の少ない炭鉱近辺においても、低品位炭スラリーの調製が可能となる。
【００２４】
前記第一工程の加熱乾燥は、100℃以上200℃以下の間接加熱処理によって行われることが好ましい。
【００２５】
前記第一工程後の低品位炭の水分含有率は、15重量％以下とすることが好ましい。ここでいう低品位炭の水分含有率とは、低品位炭内部に含有されている水分重量が、低品位炭全体の重量に占める百分率を意味する。
【００２６】
前記第二工程におけるスラリー濃度は、40重量％以上65重量％以下とすることが好ましい。ここでいうスラリー濃度とは、スラリー中に含有される低品位炭の乾炭基準（水分含量を0重量％として換算された重量、すなわちドライベース）での重量百分率である。
【００２７】
前記第二工程後、得られたスラリーをさらに高速攪拌処理する第三工程を有することが好ましい。高速攪拌処理することにより、スラリーの安定性が増し、スラリーを加圧ガス化炉へ供給する前に貯蔵することも可能となる。
【００２８】
前記分散剤は、ポリスチレン系分散剤、ナフタレンスルホン酸系分散剤、メタアクリル酸系分散剤又はリグニンスルホン酸系分散剤であり、
スラリーへの添加量は、低品位炭の乾燥重量に対して0.2重量％以上2重量％以下であることが好ましい。
【００２９】
また、本発明は、
粗粉砕された低品位炭を加熱乾燥する乾燥装置と、
加熱乾燥によって低品位炭から放出された水蒸気を凝縮水として回収する凝縮水回収装置と、
加熱乾燥された低品位炭に、凝縮水と分散剤とを添加し、低品位炭をスラリー化する湿式粉砕装置と、
を有する低品位炭スラリーの製造装置に関する。
【００３０】
前記乾燥装置は、装置の大型化が容易な間接加熱型乾燥装置であることが好ましい。
【００３１】
本発明の低品位炭スラリーの製造装置は、低品位炭を粗粉砕する乾式粉砕装置をさらに備えることが好ましい。
【００３２】
本発明の低品位炭スラリーの製造装置は、前記湿式粉砕装置によって得られたスラリーを、さらに高速攪拌処理する攪拌装置を有することが好ましい。
【００３３】
また、本発明は、
前記請求項７乃至９のいずれか１項に記載の低品位炭スラリーの製造装置と、
前記湿式粉砕装置又は前記攪拌装置から得られたスラリーを移送する移送配管と、
移送配管によって移送されたスラリーをガス化する加圧ガス化炉と、
を有する、低品位炭のガス化システムに関する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、加圧ガス化炉によるガス化に適した、高スラリー濃度、かつ、低粘度の低品位炭スラリーを、簡易に製造することが可能となる。また、従来ほとんど有効利用されていなかった褐炭のような低品位炭を、加圧ガス化炉を用いて効率よくガス化することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の低品位炭スラリーの製造方法を実施するための装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】特許文献１に開示されている低品位炭スラリーの製造方法の概略工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明について、詳細に説明する、なお、本発明は、以下の記載に限定されない。
【００３７】
図１は、本発明の低品位炭スラリーの製造方法を実施するための装置の一例を示す概略構成図である。まず、低品位炭は乾式粉砕装置１によって粗粉砕される。このとき、低品位炭は、粒度3mm以下の粒子（網目サイズ3mmの篩を通過する粒子）が70重量％以上、好ましくは粒度3mm以下の粒子が90重量％以上に粗粉砕されることが好ましい。
【００３８】
次に、粗粉砕された低品位炭は、間接加熱型乾燥装置２へと供給され、乾燥される。間接加熱型乾燥装置２としては、例えば、スチームチューブドライア、一軸間接加熱型乾燥機、又は二軸間接加熱型乾燥機を使用し得る。加熱乾燥条件は、温度100℃以上200℃以下とすることが好ましい。このような温度条件で乾燥されることにより、粒度はほとんど変わらないが、低品位炭内部に含有されていた水分が水蒸気として外部に放出される（蒸発脱水）。
【００３９】
低品位炭は、間接加熱型乾燥装置２によって、水分含量15重量％以下、好ましくは10重量％以下に乾燥されることが好ましい。また、加熱乾燥条件によっては、タール成分が低品位炭表面の微細構造を塞ぐため、放出された水分が低品位炭に再吸収されにくくなり、低品位炭表面の疎水性も増すことも期待し得る。間接加熱型乾燥装置２で乾燥された低品位炭は、コンベア４を経て、湿式粉砕装置５へと供給される。
【００４０】
一方、間接加熱型乾燥装置２内で粗粉砕された低品位炭から放出された水蒸気は、凝縮水回収装置３へと供給され、冷却され、凝集水として回収される。回収された凝縮水の全部又は一部と分散剤も、湿式粉砕装置５へと供給される。そして、湿式粉砕装置５によって、低品位炭が微粉砕され、低品位炭スラリーが調製される。
【００４１】
凝縮回収装置３としては、例えば、空冷凝縮器又は水冷凝縮器を使用し得る。湿式粉砕装置５としては、例えば、湿式ボールミル又は媒体攪拌型粉砕機を使用し得る。なお、余剰の凝縮水は、廃棄されてもよいし、任意の他の用途に利用されてもよい。
【００４２】
湿式粉砕装置５へと供給する水分量は、低品位炭スラリー濃度が乾炭基準（ドライベース）で40〜65重量％の範囲の濃度となるよう調整されることが好ましいが、回収された凝縮水だけでは水分量が不足する場合には、別途、必要量の水が添加される。また、低品位炭スラリーは、粒径74μm以下の低品位炭粒子（200meshを通過する低品位炭粒子）が、低品位炭粒子全体の30〜90％となるように微粉砕されることが好ましい。
【００４３】
分散剤としては、ポリスチレン系分散剤、ナフタレンスルホン酸系分散剤、メタアクリル酸系分散剤又はリグニンスルホン酸系分散剤を使用し得る。分散剤は、低品位炭スラリー中の濃度が、低品位炭スラリーに含有される低品位炭の乾燥重量に対して、0.2重量％以上2重量％以下となるように添加されることが好ましい。
【００４４】
分散剤以外に、カルボキシメチルセルロースのような安定化剤、及び／又はキサンタンガムのような増粘剤を低品位炭スラリーに添加することによって、スラリーの安定性をさらに向上させることも可能である。安定化剤又は増粘剤は、低品位炭スラリー中の濃度が0.001〜0.05重量％となるように調整することが好ましい。
【００４５】
本発明によって得られる低品位炭スラリーは、全水分が従来の低品位炭スラリーと同程度であっても、低品位炭内部に含有される水分は少なく、分散媒である水の量が多い。このため、従来の低品位炭スラリーよりも、高濃度、かつ、低粘度であり、加圧ガス化炉によるガス化に適した物性を有する。
【００４６】
本発明では、水と粗粉砕された低品位炭とを混合してスラリー化する際に、同時に分散剤も添加するために、特許文献１に開示されている方法と異なり、分散剤をスラリー中に均等に分散させることができる。
【００４７】
特許文献１のように、低濃度スラリーを湿式粉砕する場合、微粒子の少ない粒度分布となる。これに対し、本発明では、濃度が非常に高い低品位炭−水混合物を湿式粉砕するため、湿式粉砕後の低品位炭は、微粒子の多い理想的な粒度分布となる。
【００４８】
湿式粉砕装置５によって得られた低品位炭スラリーは、スラリータンク６に貯蔵される。スラリータンク６内の低品位炭スラリーは、攪拌機７（低速攪拌機）によって攪拌しておくことが好ましい。その後、移送用ポンプ８を備えた移送配管９によって、スラリータンク６から攪拌装置１０へと供給される。攪拌装置１０（高速攪拌機）を用いて低品位炭スラリーを高速攪拌処理することによって、低品位炭スラリーの安定性が増し、低品位炭が分離することを防止し得る。
【００４９】
攪拌装置１０としては、ラインミキサー又は高速攪拌機付き混合槽を使用し得る。ラインミキサーを使用する場合には、回転数は500〜5000rpmとし、低品位炭スラリーの滞留時間は10秒〜2分間とすることが好ましい。高速攪拌処理された低品位炭スラリー（製品スラリー）は、移送用ポンプ１２を備えた移送配管１３によって、加圧ガス化炉へと供給される。
【００５０】
なお、攪拌装置１０は、任意の構成であり、スラリータンク６内の低品位炭スラリーを、すぐに加圧ガス化炉へと供給するような場合には、設置しなくてもよい。この場合、低品位炭スラリーは、スラリータンク６から移送配管９によって、加圧ガス化炉へと供給される。
【００５１】
加圧ガス化炉（湿式給炭方式の石炭加圧ガス化炉）へと供給された低品位炭スラリーは、そこでガス化され、合成ガスへと変換される。得られた合成ガスは、必要に応じてCO又はCO2のような不純物が分離され、水素ガスへと精製される。分離されたCO2は固定化することが好ましい。また、分離されたCOはCO2に酸化した後、固定化することが好ましい。このようにして、原料となる低品位炭を加圧ガス化炉でガス化するシステムが構成される。
【００５２】
［実施例］
（第一工程）
表１に示す性状の褐炭（豪州産ロイヤング炭）を、粒径3mm以下の粒子が90重量％以上（網目サイズ3mmの篩を通過する粒子が、褐炭全体の90重量％以上）となるようにハンマークラッシャーを用いて粗粉砕した。粗粉砕された褐炭を間接加熱型乾燥機（川崎重工製小型スチームチューブドライア）に投入し、0.1MPa、180℃で１時間乾燥させ、全水分10重量％の乾燥褐炭を得た。間接加熱型乾燥機から放出された水蒸気は、水冷凝縮器によって冷却し、凝縮水として回収した。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
（第二工程）
乾燥褐炭３kgに、凝縮水及びポリスチレン系分散剤を加えた後、湿式ボールミル（φ300mmｘL300mm、容積約21L）に投入した。凝集水は、褐炭（乾炭基準）、凝縮水及びポリエチレンの合計重量に対して49重量％となるように添加量を調整した。また、ポリスチレン系分散剤は、乾燥褐炭に対して0.7重量％を添加した。
【００５５】
湿式ボールミル内に投入された凝縮水及びポリスチレン系分散剤をバッチ式粉砕し、200meshを通過する褐炭が、褐炭全体の85%である褐炭スラリーを得た。この褐炭スラリーの濃度は、乾炭基準で50重量％であり、みかけ粘度は、せん断速度100sec-1、温度25℃の条件で1.8Pa・s（1800cP）であった。また、この褐炭スラリーを内容積500mLのポリ容器内で7日間、室温下に静置（室温）したところ、褐炭沈降量は約10容量％であった。
【００５６】
（第三工程）
上記第二工程で得られた50重量％の褐炭スラリーを、さらに高速攪拌機（プライミクス株式会社製、T.Kホモミクサー  MARK II  2.5型）を用いて1000rpmで１分間高速攪拌処理した。高速攪拌
処理後の褐炭スラリーのみかけ粘度は、せん断速度100sec-1、温度25℃の条件で1.2Pa・s（1200cP）であった。高速攪拌処理後の褐炭スラリーを内容積500mLのポリ容器内で7日間、室温下に静置（室温）したところ、褐炭沈降量は約7容量％であった。このように、第二工程で得られた褐炭スラリーは、さらに高速攪拌処理されることにより、安定性が増すことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の低品位炭スラリーの製造方法、低品位炭スラリーの製造装置、及び低品位炭のガス化システムは、燃料又はエネルギー分野において有用である。
【符号の説明】
【００５８】
１：乾式粉砕装置
２：間接加熱型乾燥装置
３：凝縮水回収装置（凝縮器）
４：コンベア
５：湿式粉砕装置
６：スラリータンク
７：攪拌機（低速攪拌機）
８，１２：移送用ポンプ
９，１３：移送配管 
１０：攪拌装置（高速攪拌機）
１１：モーター
【図１】
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【図２】
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