(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭の酸化による石炭層内の温度上昇の程度を、石炭の銘柄ごとに評価する方法であって、
（イ）ガス導入チューブ(9) およびガス排出チューブ(10)を付設した断熱容器(14)を収容してある加熱機(15)を予熱して、試験装置系内の温度を試験開始温度Ｔに見合う温度Ｔ1 に保持しておくこと、ここで前記のガス導入チューブ(9) は、ガス供給共通チューブ(5) を介して不活性ガス用切替バルブ(1) および酸化性ガス用切替バルブ(2) に接続しておくこと、
（ロ）一方、所定の粒度以下に粉砕した石炭試料を、開放容器(16)に装填した状態で、真空手段と加熱手段とを備えた真空乾燥機(19)を用いて真空下に温度Ｔ' で乾燥することにより、その石炭試料の表面水分および包蔵水分を除去し、ついでその開放容器(16)内の石炭試料を前記の試験開始温度Ｔに見合う温度Ｔ2 にまで温度調節しておくこと、ここで前記の温度Ｔ' が、真空下において石炭試料の全水分を 0.5％以下にまで低減することができる温度であること、
（ハ）水分が除去されかつ温度調節された前記の石炭試料を、前記加熱機(15)内の断熱容器(14)に移し替え、その断熱容器(14)内の雰囲気を不活性ガスに置換すると共に、試験開始温度Ｔに温度調節してから、その断熱容器(14)内に酸化性ガスを供給し、断熱容器(14)内の石炭試料の温度または温度変化を温度データ収集装置(12)により追跡すること、ここで前記の試験開始温度Ｔが、５０〜７０℃の範囲内の所定の温度であること、
を特徴とする石炭の発熱性の試験方法。
【請求項２】
前記の温度Ｔ1 および温度Ｔ2 が実質的に前記の試験開始温度Ｔであり、前記の温度Ｔ' が１００〜１０７℃である請求項１記載の試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭の酸化による石炭層内の温度上昇の程度を、銘柄ごとに短時間で評価する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
〈石炭層の蓄熱と自然発火〉
コークス製造現場においては、ヤード（貯炭場）に各種銘柄の石炭を野積みしておき、コークス製造に際しては、所定の配合処方に従って必要な銘柄を選択し、コークス炉に装入して乾留を行う。野積みされた石炭は、使用に供されるまでに長期間貯蔵されることになるが、採掘後の石炭は貯炭中に空気中の酸素により酸化されて発熱し、場合によっては発火に至ることもあるので、防災上の観点から、銘柄間の発熱性の差を管理把握しておくことが必要となる。ヤードに野積みされた石炭に限らず、空気と接触する石炭層は、蓄熱、発火のおそれがある。
【０００３】
「日本鉱業会誌／８５  ９６９（’６９−１）」（１９６９年）の１５〜２０頁には、「石炭の自然発火初期現象と空気中の酸素濃度との関係」と題する論文が掲載されており、(a) 酸素濃度と自然発火性との関係、(b) 酸素消費量、ＣＯ2 、ＣＯ発生量、ＣＯ／Ｏ2 、ＣＯ2 ／Ｏ2 と酸素濃度との関係、(c) 自然発火所要日数と酸素濃度との関係などを調べている。
【０００４】
「技ダイ、昭和５７年１２月号」の１３〜２２頁には、「貯炭の酸化昇温−石炭の自然発火に関する研究（その１）−」と題する論文が掲載されており、酸化と蓄熱に関する現象としては、堆積圧密作用、酸化発熱作用、熱伝導作用、通風作用、水分の蒸発と凝縮作用、大気環境、石炭の性質（石炭化度、微細組織構造等）が関係すること、酸化反応熱測定装置についての実験（試料をマホービンに装入して、酸素ガスを通気したときの上昇温度の測定などにつき、基礎的な研究が示されている。
【０００５】
「四国総合研究所研究期報  第５４号」（１９８９年）の４８〜６５頁には、「サイロ内に貯蔵した石炭の昇温特性の評価」と題する論文が掲載されており、石炭自然発火装置を用いる実験的手法や、コンピュータを活用して数値計算を行うシミュレーション手法により、石炭の昇温特性を評価している。
【０００６】
「日本エネルギー学会誌、第７５巻第１１号（１９９６）」の９６３〜９６９頁には、「石炭の貯蔵およびハンドリング技術」と題する総説が掲載されており、その９６４〜９６５頁の「自然発熱」の項の図３および図４には、自然発熱性測定装置と結果についての例が示されている。
【０００７】
〈自然発火性の評価〉
特開平１１−３４４４５６号公報には、微粉炭を充填する空間を有するケースと、該ケースの下端側に装着された加熱装置と、これらを収納する密閉容器と、該密閉容器内の雰囲気を加熱するヒータとを具備した微粉炭の自然発火性評価装置が示されている。
【０００８】
市販の自然発火評価装置（たとえば、株式会社島津製作所製の「島津自然発火試験装置ＳＩＴ−２」）を用いて、発火性を測定することも可能である。
【０００９】
「日立造船技報、第４３巻第１号」（昭和５７年３月）」の１３〜１９頁には、市販の自然発火試験装置（株式会社島津製作所製の「島津自然発火試験装置ＳＩＴ−１」）を用い、４１種の石炭を対象に２０〜２００℃の温度域での昇温特性について実験検討した結果についての報告があり、酸素濃度の影響、石炭の粒径の影響、炭種の影響、石炭の物性（Ｏ／Ｃ比、揮発分）との関係などが示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
石炭の酸化による石炭層内の温度上昇の程度を銘柄ごとに短時間で評価する方法としては、
・石炭を５mm以下に粉砕して石炭と酸素との反応表面を増加させることにより、温度上昇を速くする方法、
・加速条件で温度上昇の程度を評価するために、石炭試料を所定の温度にまで予熱しておく方法
が実際的であると考えられる。
【００１１】
しかしながら、石炭の銘柄によっては、石炭の表面および付着水分のみならず、石炭に包蔵された水分を有するものもあり、乾燥機で乾燥させる程度の条件では、そのような石炭に包蔵された水分を取り除くことは困難である。従って、石炭の発熱性の試験を行う場合、この包蔵された水分が残ったままで評価すれば、温度を上昇させるためのエネルギーが水分を温度上昇させる熱エネルギーにも使用されることで、温度上昇速度の程度を短時間で評価する妨げとなる。
【００１２】
〈発明の目的〉
本発明は、このような背景下において、各銘柄の石炭層内温度上昇の程度を短時間で評価することのできる石炭の発熱性の試験方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の石炭の発熱性の試験方法は、
石炭の酸化による石炭層内の温度上昇の程度を、石炭の銘柄ごとに評価する方法であって、
（イ）ガス導入チューブ(9) およびガス排出チューブ(10)を付設した断熱容器(14)を収容してある加熱機(15)を予熱して、試験装置系内の温度を試験開始温度Ｔに見合う温度Ｔ1 に保持しておくこと、ここで前記のガス導入チューブ(9) は、ガス供給共通チューブ(5) を介して不活性ガス用切替バルブ(1) および酸化性ガス用切替バルブ(2) に接続しておくこと、
（ロ）一方、所定の粒度以下に粉砕した石炭試料を、開放容器(16)に装填した状態で、真空手段と加熱手段とを備えた真空乾燥機(19)を用いて真空下に温度Ｔ' で乾燥することにより、その石炭試料の表面水分および包蔵水分を除去し、ついでその開放容器(16)内の石炭試料を前記の試験開始温度Ｔに見合う温度Ｔ2 にまで温度調節しておくこと、ここで前記の温度Ｔ' が、真空下において石炭試料の全水分を 0.5％以下にまで低減することができる温度であること、
（ハ）水分が除去されかつ温度調節された前記の石炭試料を、前記加熱機(15)内の断熱容器(14)に移し替え、その断熱容器(14)内の雰囲気を不活性ガスに置換すると共に、試験開始温度Ｔに温度調節してから、その断熱容器(14)内に酸化性ガスを供給し、断熱容器(14)内の石炭試料の温度または温度変化を温度データ収集装置(12)により追跡すること、ここで前記の試験開始温度Ｔが、５０〜７０℃の範囲内の所定の温度であること、
を特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明する。
【００１５】
本発明の試験方法にあっては、石炭の酸化による石炭層内の温度上昇の程度を、石炭の銘柄ごとに評価する。後述の実施例のように、貯炭中の石炭の蓄熱性は銘柄によって大きく相違するので、各種銘柄につき評価を行っておくことは、ヤードにおける野積み石炭（銘柄ごとに山にしてある）の管理上有益である。
【００１６】
〈要件（イ）〉
本発明においては、ガス導入チューブ(9) およびガス排出チューブ(10)を付設した断熱容器(14)を収容してある加熱機(15)を予熱して、試験装置系内の温度を試験開始温度Ｔに見合う温度Ｔ1 に保持しておく。
【００１７】
ここでガス導入チューブ(9) は、ガス供給共通チューブ(5) を介して不活性ガス用切替バルブ(1) および酸化性ガス用切替バルブ(2) に接続しておく。すなわち、ガス導入チューブ(9) は、窒素のような不活性ガス、空気のような酸化性ガスを導入するためのものであるが、不活性ガス（窒素）用切替バルブ(1) 、酸化性ガス（空気）用切替バルブ(2) からの配管を合して、ガス供給共通チューブ(5) とし、そのガス供給共通チューブ(5) に加熱用ヒーター(3) を付設すると共に、それを断熱容器(14)内に導くように配管しておく。
【００１８】
ガス排出チューブ(10)は、断熱容器(14)内に供給した不活性ガスや酸化性ガスを系外に排出するための配管である。
【００１９】
加熱機(15)としては、加熱手段とファンとを備えた通常の乾燥機を用いることができる。他のタイプの加熱機を用いることも可能である。
【００２０】
断熱容器(14)としては、断熱瓶のような断熱性を有する容器が用いられる。その断熱容器(14)には、たとえば、ガス導入チューブ(9) 、ガス排出チューブ(10)、石炭層内温度測定用手段(11)を挿通した密栓(13)を装着できるようにしておく。石炭層内温度測定用手段(11)としては、たとえば熱電対を用いることができる。
【００２１】
そして、これらのガス導入チューブ(9) 、ガス排出チューブ(10)、石炭層内温度測定用手段(11)、密栓(13)、断熱容器(14)を含めて、加熱機(15)を予熱して、試験装置系内の温度を試験開始温度Ｔに見合う温度Ｔ1 に保持する。
【００２２】
〈要件（ロ）〉
一方、本発明においては、所定の粒度以下に粉砕した石炭試料を、開放容器(16)に装填した状態で、真空手段と加熱手段とを備えた真空乾燥機(19)を用いて真空下に温度Ｔ' で乾燥することにより、その石炭試料の表面水分および包蔵水分を除去し、ついでその開放容器(16)内の石炭試料を前記の試験開始温度Ｔに見合う温度Ｔ2 にまで温度調節しておく。
【００２３】
石炭試料としては、石炭を銘柄ごとに所定の粒度以下に粉砕したものを用いる。所定の粒度とは、石炭と酸化性ガスとの反応表面を増加させるために、たとえば１０mm篩下、殊に５mm篩下のものが適当である。なお、試料中の微粉部分をカットする必要はないが、微粉がガス導入チューブ(9) に詰まってガスの流れに支障を来たすおそれがあるときは、試料粒子の最小径がそのガス導入チューブ(9) の内径よりも小さくならないようにするなどして、試料粒子がガス導入チューブ(9) に詰まらないような工夫を講じることができる（たとえば、ガス導入チューブ(9) の内径が３mmであれば、試料粒子を３mm篩上とするというように）。
【００２４】
開放容器(16)としては、たとえば硬質ガラス製パイプのようなものが用いられる。容器を開放容器とするのは、石炭試料の表面水分および包蔵水分の除去路を確保するためである。
【００２５】
真空乾燥機(19)は、真空手段と加熱手段とを備えた乾燥機である。加熱だけでは石炭試料の表面水分は除去できても包蔵水分を除去することが難しいため、真空手段を併用することが必要である。
【００２６】
真空乾燥機(19)による真空度は、たとえば系内が−７００mmHg以下、殊に−７５０mmHg以下となるように設定する（なお、１mmHgは国際単位で表わせば 1.3×102 Paである）。そして本発明においては、真空下での乾燥温度Ｔ' を、真空下において石炭試料の全水分を 0.5％以下、好ましくは 0.1％以下にまで低減することができる温度、たとえば１００〜１０７℃程度、殊に１００〜１０２℃程度に設定する。
【００２７】
石炭試料の表面水分および包蔵水分を除去した後は、開放容器(16)内の石炭試料を、先に述べた試験開始温度Ｔに見合う温度Ｔ2 にまで温度調節しておく。
【００２８】
〈要件（ハ）〉
上記で準備が整ったので、さらに本発明においては、水分が除去されかつ温度調節された前記の石炭試料を、前記加熱機(15)内の断熱容器(14)に移し替える。そして、その断熱容器(14)内の雰囲気を不活性ガスに置換すると共に、試験開始温度Ｔに温度調節してから、その断熱容器(14)内に酸化性ガスを供給し、断熱容器(14)内の石炭試料の温度または温度変化を温度データ収集装置(12)により追跡する。
【００２９】
不活性ガスとしてはたとえば窒素ガスが用いられ、酸化性ガスとしてはたとえば空気が用いられる。不活性ガス、酸化性ガスは、加熱機(15)内の断熱容器(14)に供給する前に、加熱用ヒーター(3) で試験開始温度Ｔに見合う温度にまで加熱しておくことが好ましい。
【００３０】
温度データ収集装置(12)においては、石炭試料の温度を測定するか、石炭試料の試験開始温度Ｔからの温度差を測定する。
【００３１】
そして本発明においては、上述の試験開始温度Ｔを、５０〜７０℃の範囲内の所定の温度（たとえば６０℃）に設定する。温度Ｔ1 および温度Ｔ2 は、実質的に試験開始温度Ｔと同一にすることが望ましい。
【００３２】
〈その他〉
開放容器(16)と断熱容器(14)とは、各１セットによるシングルタイプとしてもよいが、それらを複数セット設けることによってマルチシステムとすることにより、試験を実施することもできる。
【００３３】
【実施例】
次に実施例をあげて本発明をさらに説明する。
【００３４】
〈試験装置〉
図１は、本発明の石炭の発熱性の試験方法を実施するために用いる装置の一例を示した説明図である。
【００３５】
(1) は不活性ガス（窒素）用切替バルブ、(2) は酸化性ガス（空気）用切替バルブ、(3) は加熱用ヒーター、(4) は制御信号線、(5) はガス供給共通チューブ、(6) はチューブジョイント、(7) は制御ユニットである。これらは、加熱機の外部に配置してある。
【００３６】
(8) は供給ガスの温度制御手段（制御用熱電対）、(9) はガス導入チューブ、(10)はガス排出チューブ、(11)は石炭層内温度測定用手段（熱電対）、(13)は密栓、(14)は断熱容器（断熱瓶）である。これらは、加熱機(15)内に装備してある（ただし、(8), (9), (10), (11)は、系外にも一部が出ている）。(12)は温度データ収集装置である。
【００３７】
(16)は開放容器（硬質ガラス製パイプ）、(17)は水トラップ装置、(18)は真空ポンプ、(19)は真空乾燥機である。開放容器(16)は、真空乾燥機(19)内に収容してある。
【００３８】
〈測定手順〉
測定手順は次の通りである。
１．５mm未満（５mm篩下）で３mm以上（３mm篩上）の大きさに粉砕した各銘柄の石炭試料の約３４０ｇ（乾燥基準重量）を、内径４０mmの開放容器（硬質ガラス製パイプ）(16)に均一に装填する。
２．真空ポンプ(18)により、真空乾燥機(19)内の圧力を１０mmHg（−７５０mmHg）まで負圧としながら、真空乾燥機(19)内の温度をＴ' （１００℃）まで上昇させる。
３．石炭試料の表面水分および包蔵水分を気化させ、水トラップ装置(17)でその水分を捕獲、除去する。
４．上記操作を水トラップ装置(17)で捕獲する水分がなくなるまで（石炭試料の全水分が 0.1％以下になるまで）継続し、その後、真空乾燥機(19)を試験開始温度Ｔ（６０℃）に設定し、試料温度Ｔ2 をＴに調節する。
５．上記４の真空乾燥機(19)を試験開始温度Ｔ（６０℃）に設定するタイミングと並行して、供給ガスの温度制御手段（制御用熱電対）(8) 、ガス導入チューブ(9) 、ガス排出チューブ(10)、石炭層内温度測定用手段（熱電対）(11)、密栓(13)および断熱容器（断熱瓶）(14)を、加熱機(15)を用いて予熱し、試験装置系内の温度Ｔ1 を試験開始温度Ｔ（６０℃）に保持する。
６．試料温度が試験開始温度Ｔに到達したところで、上記４で準備した開放容器（硬質ガラス製パイプ）(16)を真空乾燥機(19)から取り出して、その内部の試料を、加熱機(15)から取り出した断熱容器（断熱瓶）(14)内に素早く装填し、その断熱容器（断熱瓶）(14)に、供給ガスの温度制御手段（制御用熱電対）(8) 、ガス導入チューブ(9) 、ガス排出チューブ(10)および石炭層内温度測定用手段（熱電対）(11)が挿通された密栓(13)をする。
７．供給ガスの温度制御手段（制御用熱電対）(8) を制御ユニット(7) に、石炭層内温度測定用手段（熱電対）(11)を温度データ収集装置(12)に、ガス導入チューブ（ガス供給共通チューブ）(9) をチューブジョイント(6) に、それぞれつなぎ込む。
８．不活性ガス（窒素）用切替バルブ(1) を開き、窒素を供給する。このとき、供給ガス温度が供給ガスの温度制御手段（制御用熱電対）(8) で６０℃になるように制御ユニット(7) で調整する。
９．石炭層内温度測定用手段（熱電対）(11)の表示が試験開始温度Ｔの６０℃になった時点で不活性ガス（窒素）用切替バルブ(1) を閉じ、酸化性ガス（空気）用切替バルブ(2) を開いて酸化用の空気を１０〜１００ml/minの範囲の速度（この実施例では２５ml/min）で供給する。なお、供給ガス温度が供給ガスの温度制御手段（制御用熱電対）(8) で６０℃になるように制御ユニット(7) で調整する。
１０．石炭を酸化させ始めた後は、加熱機(15)および供給ガス温度は、一定の値（６０℃）に保持する。
１１．酸化用の空気を供給している間、石炭層内の温度上昇の程度（温度または温度変化）を温度データ収集装置(12)を用いて記録する。
１２．約３時間酸化用の空気を導入すれば、温度上昇の程度が確認できるので、その後、試験を完了する。
【００３９】
〈測定結果〉
上述の測定手順に従い、産地や全水分の異なる４銘柄の石炭について評価試験を行った。結果を図２に示す。図２において、横軸は「酸化性ガス（空気）用切替バルブ(2) を開き酸化用の空気を供給開始してからの経過時間」、縦軸は「温度データ収集装置(12)で１秒間隔で収集した石炭層内の温度（熱電対(11)）」である。また、図２からの所定時間（２００分、４００分、６００分、６６０分）経過後の石炭層温度の読み取り値を表１に示す。
【００４０】
【表１】

石炭の    全水分                    石炭層温度（℃）                
銘柄      (%)     初期設定   200分後   400分後   600分後   660分後
Coal A     24.6        60        73        87        95        98
Coal B      9.0        60        65        66        66        66
Coal C      9.0        60        61        62        62        62
Coal D 8.0   60   61   62   62   62  
【００４１】
図２から、試験に供した４銘柄の中では、Coal Aが一定温度状態（この場合６０℃）に保った系からの温度上昇が著しく、発熱性の評価としては、「Coal A＜＜Coal C＜Coal B≦Coal D」の順に発熱しやすいという結果となる。従って、Coal Aの銘柄の石炭を貯蔵するときは、その銘柄が発熱しやすいということに留意して、貯炭管理を行うべきであることがわかる。また、図２から、最初の３時間弱で、各銘柄についての発熱性の大小の傾向を知ることができることがわかる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の試験方法によれば、各銘柄の石炭の温度上昇の程度を短時間で評価することができる。従って、石炭をヤード等に野積みしたときに自然発火を起こす度合いを知ることができ、安全な貯炭管理が可能になる。
【００４３】
また、試験中に石炭層内の急激な温度上昇によって、石炭が発火した場合でも、酸化性ガス（空気）用切替バルブ(2) を閉じ、不活性ガス（窒素）用切替バルブ(1) を開くことで、窒息消火できるので、すみやかな対応を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の石炭の発熱性の試験方法を実施するために用いる装置の一例を示した説明図である。
【図２】  実施例における４銘柄の石炭について評価試験を行ったときの結果を示したグラフである。
【符号の説明】
(1) …不活性ガス（窒素）用切替バルブ、
(2) …酸化性ガス（空気）用切替バルブ、
(3) …加熱用ヒーター、
(4) …制御信号線、
(5) …ガス供給共通チューブ、
(6) …チューブジョイント、
(7) …制御ユニット、
(8) …供給ガスの温度制御手段（制御用熱電対）、
(9) …ガス導入チューブ、
(10)…ガス排出チューブ、
(11)…石炭層内温度測定用手段（熱電対）、
(12)…温度データ収集装置、
(13)…密栓、
(14)…断熱容器（断熱瓶）、
(15)…加熱機、
(16)…開放容器（硬質ガラス製パイプ）、
(17)…水トラップ装置、
(18)…真空ポンプ、
(19)…真空乾燥機
【図１】
0003939989.tif 000002
【図２】
0003939989.tif 000003