公開版
平成３０年度石炭現場ニーズ等に対する技術支援事業「褐炭改質技術による高付加価値炭素材
製造可能性の検討」
に関する共同スタディ

報告書

２０１９年３月
独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構
出光興産株式会社

i

目次

i

ii

図目次
図 1-1 共同スタディの全体計画.............................................................................................2
図 1-2 共同スタディのスクリーニング項目 ........................................................................4
図 1-3 本共同スタディの実施体制.........................................................................................5
図 2-1 本共同スタディで用いた石炭鉱山 ............................................................................6
図 3-1 検討する褐炭改質プロセス....................................................................................... 11
図 5-1 原料の褐炭合成油 .......................................................................................................16
図 5-2 ソックスレー抽出機 ...................................................................................................18
図 5-3 オートクレーブ ...........................................................................................................19
図 5-4 ピッチ調整用エバポレーター ..................................................................................20
図 5-5 炭化装置 .......................................................................................................................21
図 5-6 試験の流れと試験方法の概要 ..................................................................................22
図 5-7 A1-P 炭化物の偏光顕微鏡写真 ..................................................................................30
図 6-1 試料の粒径分布 ...........................................................................................................32
図 6-2 小型パンぺレタイザー試験機 ..................................................................................32
図 6-3 転動造粒による粒子の形成過程 ..............................................................................33
図 6-4 パンペレタイザーで製造されたペレット（MR/改質炭/セメント=80/20/0） ...33
図 6-5 非焼成ペレットの圧壊強度.......................................................................................34
図 6-6 セメント添加ペレットの圧壊強度の変化（セメント 10%添加） ......................34
図 6-7 焼成用炭化炉及びペレット籠 ..................................................................................35
図 6-8 セメント添加による圧壊強度の変化 ......................................................................36
図 6-9 50kg 乾留炉模式図 .......................................................................................................37
図 6-10 乾留後コークスの外観.............................................................................................38
図 6-11 OC 配合率とドラム強度 ...........................................................................................39
図 6-12 OC 配合率と反応率 ...................................................................................................40
図 6-13 OC 配合率と反応後強度 ...........................................................................................40
図 6-14 C 炭/OC 混炭へのピッチ添加による炭化物の外観 ..............................................41
図 6-15 BB 炭へのピッチ添加による炭化物外観 ...............................................................41
図 7-1 京府煤化の設備フロー概要.......................................................................................44
図 7-2 マグネシウム製造工程 ...............................................................................................45
図 7-3 フェロシリコンの製造工程.......................................................................................45
図 7-4 浙江大学流動層熱分解ベンチプラント（200kg/時） ...........................................47
図 7-5 流動層熱分解プロセスの概要 ..................................................................................48
図 7-6 中央制御室内の機器 ...................................................................................................49

iii

表目次
表 2-1 PTBA の保有鉱山 ..........................................................................................................7
表 2-2 PTBA の概要 ..................................................................................................................7
表 2-3 C 炭鉱の生産計画 ..........................................................................................................7
表 2-4 PTBA の全石炭の生産実績 ..........................................................................................8
表 2-5 PTBA 炭の日本への輸出実績 ......................................................................................8
表 2-6 PT.B の保有鉱山.............................................................................................................9
表 2-7 PT.B の概要 .....................................................................................................................9
表 2-8 A 炭の生産実績 ..............................................................................................................9
表 2-9 B 炭の生産実績 ..............................................................................................................9
表 2-10 A 炭の日本への輸出実績* ........................................................................................10
表 4-1 試験炭の一般性状 .......................................................................................................13
表 4-2 合成油の元素分析値 ...................................................................................................14
表 5-1 合成油原料の溶剤分別結果（THF 溶剤分別） ......................................................16
表 5-2 合成油原料の溶剤分別結果（ヘキサン溶剤分別） ..............................................16
表 5-3 ピッチ化反応条件等 ...................................................................................................22
表 5-4 分析法 ...........................................................................................................................24
表 5-5 熱重量分析条件 ...........................................................................................................24
表 5-6 13C-NMR 測定条件 .......................................................................................................25
表 5-7 SEM 観察条件 ..............................................................................................................26
表 5-8 EDS 分析条件 ...............................................................................................................26
表 5-9 Brown-Ladner による構造パラメーター計算式一覧表 ...........................................27
表 5-10 製造ピッチのピッチ収率と炭化物収率 ................................................................28
表 5-11 炭化物の偏光顕微鏡観察結果 .................................................................................29
表 5-12

ピッチの性状目標と結果.......................................................................................30

表 6-1 試料の性状 ...................................................................................................................31
表 7-1 楡林型竪型炉（YLS 型炉）の諸元 ..........................................................................46
表 7-2 中国の主要熱分解プロセスの概要 ..........................................................................51
表 7-3 中国褐炭使用改質プロセス（計画）とその設備費 ..............................................53
表 8-1 本共同スタディ結果の概要.......................................................................................55

iv

共同スタディ概要
共同スタディの目的
我が国にとって石炭は、発電や鉄鋼用に約 1.9 億 t を輸入している重要な資源であるが、今後、高品位瀝青炭の供給余力は限定的であり、資源保証の観点から、褐炭等の未利用低品
位炭の利用技術開発が望まれている。
褐炭は安価であるが、高水分、低発熱量、自然発熱性等の特性から、地場での発電等の利用に留まり、一部マーケットを除き市場は形成されていない。また従来から、種々の改質技術が検討されてきたが、中国等の国策で推進された事業を除けば、経済性の面から商業化には至っていない。
一方、世界的に地球温暖化への対応が求められている中、利用時の CO2 排出量が多い石炭に関しては、CCS（Carbon dioxide Capture and Storage） 等の革新的対策を打たない限り、エネルギーとしての利用に疑問が呈されている。
そこで、本共同スタディでは褐炭から競争力を有する新規改質技術で製造された産品を、
高付加価値かつ環境負荷が小さいピッチ等の炭素材として利用する可能性を検討する。
石炭ピッチは、現状はニッチな市場（世界 1,200 万 t、日本 20 万 t）であるが（１）、各種炭素製品の原料の一翼を担っている。
今後、大きな成長が見込まれる高機能炭素材料の分野で、安価で未利用の褐炭から、これらノーブルユースへの活用の道が開ければ、当該分野で世界をリードする我が国の更なる国際競争力強化に繋がり、本共同スタディの意義は大きいと言える。
本共同スタディを通して石炭改質ビジネスの実現性を検証していく。

1

共同スタディの全体計画

図 1-1 共同スタディの全体計画
本共同スタディは、インドネシア等に大量に賦存する未利用で安価な褐炭を改質し、得られた合成油及び改質炭の高付加価値炭素材への転換可能性について、改質・製造技術、品質、市場性、経済性の面から総合的に事業性を検討するものとし、以下のように段階的なスタデ
ィを計画する。
1 年目は、褐炭改質産品の炭素材への利用性について前広に調査検討し、可能性についての 1 次スクリーニングを行うとともに、炭素材製造にフォーカスした競争力のあるプロセスの調査及び検討を行う。
2 年目は、1 次スクリーニングで絞り込んだターゲット炭素材の製造技術の確立と商品の実用性評価も含めた商品設計の深耕及び全体プロセスの検討や炭素材市場動向も加味して、事業性の 1 次 FS を行い、事業成立のための要件を明らかにする。
3 年目は、本共同スタディの纏めとして、商品設計の最終仕上げを行い、最適な事業モデルの構築と最適プロセスとその EPC コストを精査して、これらをベースに 2 次 FS を実施
し、事業性の見極めを行う。

2

共同スタディ内容
褐炭合成油からのピッチ製造とその利用検討
今後、ハイテク製品（半導体や航空機）、CFRP（炭素繊維強化プラスチック）、黒鉛電極
等の高性能炭素材料の利用増の見込みに伴い、ピッチ系炭素の需要増も見込まれており、褐
炭合成油から付加価値の高いピッチ原料等の転換技術を検討する。
褐炭改質炭の新規製鉄用炭素材への利用検討
改質炭の優れたカーボンソリューションロス反応の特長を活かし、粉鉱石と供に塊成化することにより、資源対応ならびに CO2 削減に資する炭素材としての可能性を検討する。
コークス用ブレンド炭代替としての利用検討
新製鉄法の開発・実用化検討が進んでいるものの、コークスを使用する高炉法は、製鉄法の主流であるため、褐炭改質炭等から競争力のある原料炭・非微粘炭代替の可能性を検討する。
炭素材製造にフォーカスした競争力のあるプロセスの検討
合成油収率の高い Cat-HTR（Catalytic Hydrothermal Reaction）プロセスと、プロセスがシンプルな熱分解乾留炉等を比較し、トータルで経済性が高く、競争力のあるプロセスを選定する。
本共同スタディにおける褐炭改質プロダクトとその利用検討項目を図 1-2 に示す。

3

図 1-2 共同スタディのスクリーニング項目

成果の利用や波及などに関する具体的なイメージ
褐炭合成油からピッチに転換が可能であれば、今後の原料炭の品位低下や高炉における低コークス比操業に伴うコールタール不足の補完に寄与できる。
さらに、良質なピッチや炭素材原料へ転換が可能であれば、今後世界的に大きな需要増が見込まれている高機能炭素製品市場での我が国の国際競争力強化に貢献できる。
また、褐炭改質炭から製鉄用炭素材に転換が可能であれば、原料炭の需給緩和に貢献できる。仮に乾燥褐炭 850 万 t 改質すると、改質炭約 500 万 t※が得られる。
※我が国の原料炭輸入量の約 1 割に相当

4

実施体制
本共同スタディの実施者は独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構（以下、
JOGMEC）と出光興産株式会社（以下、出光興産）であり、検討項目に応じて専門知識・知見を有する
下記外注先に発注して成果を取り纏める。
炭素材の商品設計､スタディの取り纏め及び炭素材製造にフォーカスした競争力のあるプ
ロセスの検討他については、出光興産㈱石炭・環境研究所（以下、出光石炭・環境研）が実施する。褐炭合成油からのピッチ製造と評価については、株式会社 KRI（以下 KRI）、褐炭
改質炭の新規製鉄用炭素材とコークス用ブレンド炭代替としての利用検討については、株
式会社コベルコ科研（以下コベルコ科研）にそれぞれ外注する。
図 1-3 に本共同スタディの実施体制図を示す。

図 1-3 本共同スタディの実施体制

5

山元情報 検討対象鉱区情報
支援対象石炭鉱山と炭種① PT Bukit Asam Tbk.（以下、PTBA）の褐炭
C炭：南スマトラ Tanjung Enim地区② PT.B の褐炭
A 炭：南カリマンタン Banjarmasin 近郊
B 炭：東カリマンタン Samarinda 近郊
実施場所
C 炭鉱山は南スマトラ Palembang から西南 200km の Tanjung Enim 地区に位置する開発計
画中の未稼働鉱山である。
A 炭鉱山は南カリマンタン州都 Banjarmasin から約 100km 北西の Tatakan 地区に位置し、1999 年から稼働中である。
B 炭鉱山は東カリマンタン州都 Samarinda から南西約 25km の Loa Janan 地区に位置し、2011 年度から稼働中である。
これらの石炭鉱山から入手した石炭を用いて改質を行い、必要な試験研究及び商品設計等を実施した。

Samarinda

B 炭鉱山
Balikpapan
BSSR 鉱Pertamina
Plaju/Musi 製油所

Pertamina
Balikpapan 製油所

A 炭鉱山

Palembang

Banjarmasin

C 炭鉱山
Tarahan
Jakarta

石炭鉱山

図 2-1 本共同スタディで用いた石炭鉱山

6海外パートナー会社情報Ⅰ（PTBA）
権利・権益の関係
鉱業権等の種類、取得時期、所有者、現地鉱業法規上の制約等
PTBA の有する保有鉱山を表 2-1 に示す。
表 2-1 PTBA の保有鉱山
石炭鉱区

地域

鉱業権

取得時期

エリア ha状況

Muara Tiga

Tanjung Enimu

IUP

2010.43,300

操業

Air Laya〃〃2010.107,621〃West Banko〃〃2010.4

4,500

〃

C 炭鉱

〃

〃

〃

4,500

開発計画中

〃

〃

〃

〃

2,423

開発計画中

Subam Jeriji

〃

〃

〃

22,937

開発計画中

OｍbilinWest Sumatra

〃

---

2,950

操業

Peranap

Riau

〃

---

18,230

開発計画中

IPC

East Kalimantan

〃

---

3,238

操業

PTBA の概要
表 2-2 に PTBA の概要を示す。
表 2-2 PTBA の概要
企業の名称
国

籍

資本金
所有権
主な事業内容業

績PT Bukit Asam Tbk
インドネシアIDR 115,207 million （11.9 US$ million;9,652 IDR=1US$ at2018.3/30）
PT Indonesia Asahan Aluminium（Persero）65.0%、
インドネシア国内投資家 16.9%、海外投資家 9.6%、 自己株式 8.5%
石炭開発・販売事業、鉄道輸送、港湾、発電事業、ガス事業
2017 年度実績：石炭販売量 2,360 万 t、総売上 IDR19.47 trilllion（2,017 US$ million）、純利益 IDR 4.47 trillion（463 US$ million）*2017 年 11 月 PT.Bukit Aasm （Persero）,Tbk から現社名に変更

生産実績
表 2-3 に C 炭鉱の生産計画を示す。
表 2-3 C 炭鉱の生産計画
年度 （FY）

Year 1

Year 2

Year 3*生産量 （万 t）

250

400

500

* 生産計画検討中につき確定ではない。

7

表 2-4 に PTBA 全石炭の生産実績を示す。
表 2-4 PTBA の全石炭の生産実績
年度 （FY）

2015

2016

2017

生産量 （万 t）

1,930

1,960

2,420

原炭又は精炭の我が国（本邦法人等）への供給実績
表 2-5 に PTBA 炭の日本への輸出実績を示す。
表 2-5 PTBA 炭の日本への輸出実績
年度 （FY）

2015

2016

2017

輸出量 （万 t）

150

120

0

8

海外パートナー会社情報Ⅱ（PT.B）
権利・権益の関係
鉱業権等の種類、取得時期、所有者、現地鉱業法規上の制約等
表 2-6 に PT.B の保有鉱山を示す。
表 2-6 PT.B の保有鉱山
鉱山名

地域

A 炭鉱山
B 炭鉱山

南カリマンタンTatakan
東カリマンタンLoa Janan

鉱業権

取得時期

エリア ha操業

PKP2B

1994.822,433

1999~

IUP

2010.4

2,459

2011~

PT.B の概要
表 2-7 に PT.B の概要を示す。
表 2-7 PT.B の概要
企業の名称
国

籍

資本金

所有権

主な事業内容業

績PT. B
インドネシア76,899,902 US$ （2016 年 12 月 31 日）
PT Wahana Sentosa Cemerlang

50.0%

Tata Power International Pte. Limited.

26.0%

GS Energy Corporation

9.74%

PT GS Global Resources

5.0%

その他一般投資家（含む出光興産㈱3%）9.26%

石炭生産・販売2017 年度実績：石炭生産量 901 万 t、石炭販売量 939 万 t
売上高 392.6 US$ million、営業利益 21 US$ million

生産実績
表 2-8 に A 炭の生産実績を、表 2-9 に B 炭の生産実績示す。
表 2-8 A 炭の生産実績
年度 （FY）

2015

2016

2017

生産量 （万 t）

673

649

752

表 2-9 B 炭の生産実績
年度 （FY）

2014

2015

2016

生産量 （万 t）

102

146

149

9

原炭又は精炭の我が国（本邦法人等）への供給実績
表 2-10 に A 炭の日本への輸出実績を示す。なお、B 炭の日本への輸出実績はない。
表 2-10 A 炭の日本への輸出実績*
年度 （FY）

2015

2016

2017

輸出量 （万 t）

0

0.6

1.6

* A 炭は 2016,2017 年度トライアル用途で輸出。

10

検討対象とする褐炭改質プロセスの概要
Cat-HTR プロセス
図 3-1 に豪州 IER が開発したコプロダクション型プロセス（ガス体、液体、固体を製造）である Cat-HTR プロセスの概要を示す。このプロセスは現在開発中の亜臨界熱水触媒反応技術であり、マイルドな液化に近い先進的な技術である。Cat-HTR はコプロダクション型プ
ロセスの中で、液体プロダクトの収率が最も高い事が特長である。
本技術はガス化や液化に比べ小規模投資で実施可能で、褐炭から約 6 割の改質炭と約 3 割の合成油が製造出来るため、優れた経済性が期待できる。この技術をベースにインドネシア
褐炭への適用技術を開発する。
本共同スタディにおいては、このプロセスから生成される固体プロダクトを「改質炭」、
液体プロダクトを「合成油」、これらを蒸留分離前の油分を含んだ改質炭を「オイリーコー
ル」と呼ぶ。

対象プロセス

Cat-HTR（豪州 IER）
触媒

褐炭水スラリー
褐炭
水

水熱処理
350℃
240 気圧

ガス~15%（ガスの 95%は CO2）25~30% 液収率高

脱圧

ｵｲﾘｰｺｰﾙ
蒸留分離

合成油

改質炭
60%
図 3-1 検討する褐炭改質プロセス
本プロセスは、褐炭改質に以外に、バイオマスや廃プラスチックの液化にも適用可能であり、カナダや英国で進行中のデモンストレーションステージのプロジェクトを下記に紹介する。
① バイオマスプロジェクト
カナダのパルプ大手 Canfo 社と共同で開発中であり、パルプ工場の黒液、廃バイオマスを利用したバイオマス燃料として発電に使う。褐炭に比べ合成油収率は高く、約 6 割強に達する。カナダのブリティッシュコロンビア州のプリンスジョージにて実証プラント（プラント規模約 5 万 t/年-原料）を建設中であり、2021 年に運開予定である。
② 廃プラスチックプロジェクト
欧州企業（英 Armstrong 社）と開発中の廃プラスチック液化プロジェクトは、パイロッ
トプラントを改良して運転研究を行った。褐炭に比べ、液化物の収率は約 85%と高いの11

が特徴であり、英国で実証プラントの設計段階に入っている（プラント規模は約 3 万 t/
年-原料）
。また、そのほかにも豪州の補助金により豪州国内でも 4 つのプロジェクトが進行中となっている。

12

原炭及びプロダクトの一般性状
原炭及び改質炭の一般性状
試験炭の A 炭、B 炭、C 炭とその改質炭の一般性状を表 4-1 に示す。
表 4-1 試験炭の一般性状
A炭

項目

全水分
発熱量
HGI
Moisture
Ash
V.M.
F.C.
燃料比
全硫黄
C
H
元
N
素
S
分
O
析
工
業
分
析

灰
融
点

灰
組
成

IDT
HT
FT
SiO2
Al2 O3TiO2
Fe2 O3
CaO
MgO
Na2 O
K2 O
P2 O5
MnO
V2 O5
SO3
Total

塩素
フッ素

wt%（AR）
kcal/kg（GAD）
kcal/kg（GAR）
kcal/kg（GDAF）
wt%（AD）
wt%（DB）

wt%（DAF）

H/C
O/C℃（酸化雰囲気）wt%

PPM (DB)PPM (DB)

原炭
33.4
5,780
4,104
6,698
53
6.2
7.5
43.5
42.8
0.98
0.12
70.41
5.10
1.27
0.00
23.22
0.87
0.25
1,360
1,400
1,435
44.03
27.49
1.13
11.63
7.37
1.89
0.15
1.46
0.06
0.19
0.33
3.76
99.49
29
39

B炭
改質炭
3.5
6,970
6,999
7,770
3.9
6.4
19.4
70.3
3.62
0.11
85.63
2.83
1.60
0.00
9.94
0.40
0.09
1,230
1,240
1,355
32.65
12.14
0.72
26.96
16.71
4.06
0.09
0.64
0.03
0.40
0.02
3.97
98.39
15
6

原炭
41.8
5,570
3,543
6,454
47
8.5
5.2
42.9
43.4
1.01
0.21
68.26
4.69
1.59
0.00
25.46
0.82
0.28
1,220
1,235
1,410
24.30
7.64
0.22
29.84
12.71
9.64
0.18
0.61
0.00
0.65
2.16
10.56
98.51
39
26

C炭
改質炭
1.8
7,090
7,193
7,800
3.2
5.9
20.3
70.6
3.48
0.17
84.96
2.99
2.20
0.00
9.85
0.42
0.09
1,435
>1,500>1,500
12.11
6.02
0.14
39.68
15.77
14.67
0.18
0.32
0.01
0.91
0.01
8.38
98.20
22
15

原炭
36.1
6,360
4,360
6,898
59
6.8
1.0
42.7
49.5
1.16
0.51
71.93
4.81
1.49
0.51
21.26
0.80
0.22
>1,500>1,500>1,500
35.18
41.09
1.01
14.73
3.40
0.57
0.40
0.69
0.13
0.08
1.28
1.38
99.94
35
6

AR；到着ベース，AD；気乾ベース，DB；無水ベース，DAF；無水無灰ベース
NAR；真発熱量（到着ベース），GAR；総発熱量（到着ベース）
GAD；総発熱量（気乾ベース），GDAF；総発熱量（無水無灰ベース）

13

改質炭
1.7
7,350
7,490
7,869
35
3.4
3.2
18.2
75.3
4.14
0.37
85.42
2.99
1.90
0.36
9.33
0.42
0.08
1,450
1,500
>1,500
57.78
26.74
0.43
9.73
1.78
0.71
0.32
0.09
0.05
0.10
0.02
1.24
98.99
-

合成油の一般性状
表 4-2 に原油及び合成油の元素分析値を示す。
表 4-2 合成油の元素分析値
項目

単位

原油*

A 炭合成油B 炭合成油C 炭合成油酸素 （O）

wt%

<0.1

8.7

8.0

8.4

窒素 （N）

ppm

800

5,500

5,200

7,300

硫黄 （S）

ppm

17,000

810

870

3,000

塩素 （Cl）

ppm

6

110

86

22

無機塩素

ppm

6

<1

1

6

炭素 （C）

wt%

85

82.2

82.4

81.9

水素 （H）

wt%

12

9.1

9.3

8.2

H/C 比

mol / mol

1.69

1.32

1.34

1.19

O/C 比

mol / mol

0.0008

0.079

0.073

0.077

*出典：原油データ 石油連盟広報部、1990 及び JXTG 石油便覧他
合成油は、原油に比べ酸素含有量が高く、水素含有量が少なく、有機塩素が多いという特
徴がある。

14

褐炭合成油からのピッチ製造
検討課題、目的及び数値目標等
褐炭合成油は軽質であり、そのままではピッチ収率及びピッチ炭化物（コーク）収率が低い。本試験では、触媒等を用いて合成油等を改質し、上記収率を向上させ、有用なピッチへの転換可能性の検討を行った。
【ピッチ性状の数値目標】① 芳香族性指数fa > 0.75 （現合成油 fa=0.4～0.5）② 平均芳香族環数 Raus > 4.0③ コーク性状 等方性構造（できれば微細モザイク）【ピッチ製造方法と評価方法】
ピッチ製造方法においては、出発原料として合成油、合成油由来成分（合成油のヘキサン
不溶分等）とし、脱水素環化及び環化重縮合促進機能を有する触媒を用いて検討を行った。
試作ピッチについては、ピッチ性状目標値との比較、炭化試験による炭化収率と炭素構造の評価、市販ピッチとの比較等により評価を行った。

原料、触媒（添加剤）及び試験方法
原料
本試験では、以下に示す褐炭合成油及び褐炭合成油由来の原料を炭素材料試作用の候補原料とした。
原料①：褐炭合成油（以下、合成油）
原料②：合成油のヘキサン可溶分（以下、合成油 HS）
原料③：合成油のヘキサン不溶分（以下、合成油 HI）
上記 3 種類の原料の中で、まず原料①（合成油、芳香族炭素の割合 50%未満）をそのまま
触媒ピッチ化原料として重点的に検討した上で、比較検討として合成油を溶剤分別により
原料②（合成油 HS）と原料③（合成油 HI）に分けてそれぞれの試験評価に供した。
出発原料である合成油は、図 5-1 に示すように黒褐色で、室温で半流動性と粘性を有する。

15

図 5-1 原料の褐炭合成油
ピッチ化反応試験に先立って、ソックスレー法により合成油の基本組成を調べた結果を
表 5-1 および表 5-2 に示す。抽出溶剤にはテトラヒドロフラン（THF）、ヘキサン（H）を用いた。
表 5-1 より、合成油は 100%THF 可溶分（THFS）であった。表 5-2 より、ヘキサン可溶分（HS）が 66.6%であり同不溶分（HI）は 33.4%であった。
表 5-1 合成油原料の溶剤分別結果（THF 溶剤分別）
溶剤分別成分（上段：g、下段：wt%）

合成油原料

THFS

THFI

3.22

3.22

0.00

100

100.0

0.0
*小型ソックスレー抽出器使用

表 5-2 合成油原料の溶剤分別結果（ヘキサン溶剤分別）
合成油原料

溶剤分別成分（上段：g、下段：wt%）
合成油 HS

合成油 HI

104.06

69.33

34.73

100

66.6

33.4
*超大型ソックスレー抽出器使用

16

触媒
ピッチ化触媒については、芳香族割合が 40～50%程度の低 fa 合成油に対し、その芳香族化と環化重合を促進させるということに重点を置き、2 種類の市販品触媒（触媒 A、触媒 B）を選定した。

17

試験装置
本試験における原料油等の溶剤分別、ピッチ化反応（芳香族化、環化重合）、ピッチ調
整（低沸点成分除去）、炭化処理に使用した試験装置についての概略は以下のとおり。
溶剤分別装置原料油及びピッチ調整品の溶剤分別には、ソックスレー抽出器（図 5-2）を使用した。
左の 2 台は小型ソックスレー抽出器で、右の 1 台が超大型ソックスレー抽出器である。

図 5-2 ソックスレー抽出機ピッチ化反応装置：
ピッチ化反応装置として、オートクレーブ（図 5-3）を使用した。本オートクレーブの主な仕様は、次のとおりである。
反応器内容積： 120cc
反応器材質 ： SUS316

18

最高使用圧力： 20MPa
最高撹拌速度： 1,080rpm

図 5-3 オートクレーブ

19ピッチ調整装置：
ピッチ化反応で得られた反応生成物からピッチを得るためには、減圧蒸留による低沸点
成分の留去が有効であることから、本試験では図 5-4 に示すエバポレーターを使用した。

図 5-4 ピッチ調整用エバポレーター

20

炭化装置
ピッチ化反応より得られた各種ピッチの炭化処理には、図 5-5 に示す炭化装置を使用した。この炭化装置は、3 段温度制御方式横型炭化炉、同温度制御装置、石英反応管（内径 40×
長さ 800mm）、窒素流量計、タールトラップ、排ガスラインからなっている。

図 5-5 炭化装置

21

ピッチ化処理試験方法
試験の流れと試験方法の概要
試験の全体的な流れを図 5-6 に示す。

褐炭合成油

ピッチ化反応

反応生成物

ピッチ

回収・分離

調整・分離

ピッチの炭化

図 5-6 試験の流れと試験方法の概要

ピッチ化反応の試験条件
本試験における各試験の原料、触媒及びピッチ化反応条件は、表 5-3 のとおりである。
表 5-3 ピッチ化反応条件等
試料投入

試験

反応条件

No.

合成油

合成油 HI

触媒 A

触媒 B

一段目（1st）

二段目（2nd）

A1

〇

-

〇

-

〇

-

A2

〇

-

〇

-

〇

-

A3

〇

-

〇

-

〇

-

A4

〇

-

〇

-

〇

-

A5

〇

-

〇

-

〇

〇

O1

〇

-

-

-

〇

〇

P1

〇

-

-

〇

〇

-

P2

〇

-

-

〇

〇

〇

P3

-

〇

〇

〇

〇

なお、一段目、二段目の反応条件は次のとおりである。


一段目反応は加圧下で処理温度は概ね 250℃～400℃程度とした。



二段目反応は、一段目反応終了後、一旦室温まで冷却し窒素置換を行なった上で、一段目反応温度以下の温度で処理した。

炭化処理試験方法① 炭化試験条件
製造したピッチ試料は、炭化装置（図 5-5）を用い、下記条件で炭化処理を行なった。
・ピッチ量： 1～4g
・昇温速度： 1.5℃/分（一部の試料については 2.5℃/分で比較）
・炭化温度： 600℃

22・保持時間： 2 時間
・雰囲気ガス：窒素 300ml/分
ピッチ収率および炭化物収率の求め方① ピッチ収率の求め方
無灰ベースのピッチ収率（Yp）は、次式により算出した。

YP（wt%）= {W2*（100-AP）/100}/{W1*（100-A0）/100} （計算式 1）
ここで、W1：原料油（合成油又は合成油 HI）投入量（g）
W2：ピッチ調整品収量（g）
A0：原料油の灰分（wt%）
AP：ピッチ調整品の灰分（wt%）② 炭化物収率の求め方
無灰ベースの対ピッチ炭化物収率（Y1）は、次式により算出した。

Y1（wt%）= {Wc*（100-Ac）/100}/{WP*（100-AP）/100}（計算式 2）

ここで、WP：炭化前のピッチ試料重量（g）
Wc：炭化後の炭化物重量（g）
AP：ピッチ試料の灰分（wt%）
Ac：炭化物の灰分（wt%）
なお、無灰ベースの対原料油炭化物収率（Y2）は、前記計算式 1 と計算式 2 の結果から、次式により算出した。

Y2（wt%）= YP* Y1/100（計算式 3）

ここで、YP：無灰ベースのピッチ収率（wt%）（計算式 1 より）
Y1：無灰ベースの対ピッチ炭化物収率（wt%）（計算式 2 より）

23

分析方法
原料及びピッチ分析方法① CHNOS 分析方法
CHNOS 分析は、表 5-4 に示す分析法による有機元素分析を実施した。
表 5-4 分析法
検出法

装置

CHN 分析

熱伝導度法

エレメンタール製 VARIO EL Ⅲ

O 分析

赤外吸収法

エレメンタール製 VARIO EL

S 分析

燃焼-

燃焼装置：三菱アナリテック製 AQF-100

イオンクロマトグラフ法

IC 装置：Thermo Fisher SCIENTIFIC 製 ICS2000② 灰分量分析方法
原料油、ピッチ試料及び炭化物試料に含まれる灰分量は、表 5-5 に示す熱重量分析により測定した。
乾燥重量基準の灰分量[wt%]＝Wash/Wdry×100
Wdry：120℃乾燥重量 [g]Wash：燃焼灰重量 [g]表 5-5 熱重量分析条件装置

示差熱天秤 TG-DTA（マックサイエンス製）

雰囲気

O2/N2 雰囲気 200ml/分

温度条件

室温→120℃、10℃/分昇温
120℃-20 分保持【120℃乾燥重量 Wdry の測定】
120℃→950℃、10℃/分昇温【燃焼灰重量 Wash の測定】

③ NMR 測定方法
原料油及びピッチの NMR 分析は 1H-NMR と 13C-NMR の両方を実施した。
1H-NMR からは試料中の Ha（芳香族水素）、Hα（脂肪族 α 水素）、Hβ（脂肪族 β 水素）、

Hγ（脂肪族 γ 水素）の値を求めた。
13C-NMR からは主に試料中の芳香族炭素の割合（即ち芳香族炭素指数 fa）、ナフテン炭素と芳香族炭素の比率（N/A）を求めた。原料油、ピッチ試料の 13C-NMR 測定条件を表 56 に示す。

24

表 5-6 13C-NMR 測定条件
装置

日本電子製

溶媒

合成油：なし400MHz FT-NMR（ECX-400）

ピッチ：キノリン

測定核、測定方法

13

C ゲート付きプロトンデカップリング法

待ち時間

15 秒

積算回数

5,000 回

測定温度

170℃（試料を溶融状態にして測定）

25

炭化物分析方法
① 偏光顕微鏡観察
炭化物試料を樹脂に包埋後、機械研磨を実施した。さらに平面イオンミリングにより機械研磨痕を除去した炭化物断面試料に対して偏光顕微鏡による組織観察を実施した。
② 電子顕微鏡観察
上記①において作成した炭化物断面試料に対して、走査型電子顕微鏡（SEM）観察を実施した。SEM 観察条件を表 5-7 に整理した。
表 5-7 SEM 観察条件
装置

電解放射走査電子顕微鏡 JSM-6700F、日本電子製

加速電圧

5kV

作動距離

15mm

検出器

下方 2 次電子検出器③ 元素分析方法
上記①において作成した炭化物断面試料に対して、SEM による視野の選定後、エネルギ
ー分散型蛍光 X 線分析（EDX 分析）により炭化物に存在する元素種の定性分析を実施した。
EDS 分析条件を表 5-8 に示した。
表 5-8 EDS 分析条件装置

電解放射走査電子顕微鏡 JSM-6700
エネルギー分散型蛍光 X 線分析装置 EX-23000BU
日本電子製

加速電圧

15kV

作動距離

15mm

積算回数

20 回（面分析）

26

Brown-Ladner 法による平均構造解析
ピッチ成分について、前記元素分析による元素組成、13C-NMR 分析による fa（芳香族炭素指数）などの情報以外に、炭素材料の骨格形成に重要な役割を果たす芳香族環数の情報も必要となるため、本検討では Brown-Ladner 法（3）による平均構造解析も行なった。ここで、芳香族環数はピッチの元素分析値と 1H-NMR 測定値をもとに、表 5-9 に示す Brown-Ladnerによる構造パラメーター計算式を用いて、構造単位体当りの芳香族環数を求めた。
表 5-9 Brown-Ladner による構造パラメーター計算式一覧表

27

ピッチ化及び炭化処理試験結果
表 5-11 に製造ピッチのピッチ収率とそのピッチの炭化物収率を示した。合成油の炭化物
収率は 9.6%であったが、合成油を触媒 A や触媒 B でピッチを改質すると、炭化物収率が34.5%（P2-P）まで増加した。更に、合成油 HI を原料として改質すると炭化物収率は 62.1%まで増加した。
表 5-10 製造ピッチのピッチ収率と炭化物収率
触媒
試料名

炭化物収率

ピッチ

原料油
A

B

収率*1

ピッチ基準*2

原料油基準*1

合成油

合成油

－

－

－

－

9.6

A1-BS-P

〃

〇

－

45.9

23.8

10.9

A2-P

〃

〇

－

73.2

35.8

26.2

A3-P

〃

〇

－

67.0

38.8

26.0

A4-P

〃

〇

－

56.7

45.6

25.9

A5-P

〃

〇

－

60.7

47.1

28.6

O1-P

〃

－

－

55.5

27.7

15.4

P1-P

〃

－

〇

48.3

47.6

23.0

P2-P

〃

－

〇

57.8

59.7

34.5

P3-P

合成油 HI

－

〇

77.0

80.7

62.1

*1 対原料油無灰基準

28*2 対ピッチ無灰基準

炭化物の性状
偏光顕微鏡観察結果
ピッチの炭化物について偏光顕微鏡観察を行なった結果を表 5-11 に示す。
表 5-11 炭化物の偏光顕微鏡観察結果
区分

試料 No.

炭化物の偏光顕微鏡観察

A1

A1-BS-P

等方性組織

A2

A2-P

〃

A3

A3-P

〃

A4

A4-P

〃

A5

A5-P

〃

O1

O1-P

〃

29

A1-P～A5-P 炭化物は等方性構造であり、その一例として A1-P 炭化物の偏光顕微鏡写真を図5-7 に示す。

図 5-7 A1-P 炭化物の偏光顕微鏡写真

製造ピッチの評価
ピッチ性状値目標と結果
表 5-12 にピッチの目標性状と結果を示す。製造したピッチは、今回設定した目標値をほぼクリアした。
表 5-12

ピッチの性状目標と結果

項目

合成油性状

目標性状

製造したピッチの性状

芳香族指数fa>0.48fa>0.75

fa=0.82

P2-P

平均芳香族環数

Raus>0.60

Raus>4.0

Raus>4.1

P2-P

炭化物収率

9.6%

30～40%

34.5%、62.1%

P2-P、P3-P

炭化物の光学組成

等方性

等方性（微細モザイク）

等方性

A1-P~A5-P

30製鉄用炭素材への利用検討
スタディ検討の概要
改質炭の優れたカーボンソリューションロス反応の特長を活かし、粉鉱石とブレンドして造粒することにより鉄鋼用ペレット（非焼成及び焼成ペレット）を製造し、資源対応ならびに CO2 削減に資する製鉄用炭素材としての可能性を検討する。
また新製鉄法の開発・実用化検討が進んでいるものの、コークスを使用する高炉法は、今後共製鉄法の主流であり、褐炭改質炭から競争力のある原料炭・非微粘炭代替として利用の可能性を検討する。
さらに合成油から製造したピッチの既存の鉄鋼コークス用のバインダーとしての利用可能性も追求する。
① 改質炭の新規製鉄用還元材（鉄鋼用ペレット）への利用検討② オイリーコールのコークス用ブレンド炭代替としての利用検討③ 製造ピッチの鉄鋼コークスバインダーとしての利用検討

改質炭の新規製鉄用還元剤への利用検討
ペレットの製造①

試料の組成
表 6-1 試料の性状
T-Fe

FeO

Fe2O3

CaO

Al2O3

SiO2

MgO

SO3

C

FC

LOI

合計

粉鉱石

66.95

0.16

95.54

0.03

0.25

3.88

0

0

0.02

0

0.24

100.1

改質炭

0

0

1.73

1.07

0.78

2.09

0.26

0.25

0

70.3

23.30

99.8

褐炭

0

0

1.55

0.66

0.40

1.26

0.50

0.55

0

43.4

51.40

99.7

2.03

0

2.90

66.57

4.97

20.56

1.32

2.94

0.23

0

1.56

101.1

セメント

鉄鉱石はブラジル産のヘマタイト系の粉鉱石（以下 MR）を使用した。改質炭は A 炭改質炭を用い粉鉱石に最大 25%添加した。さらに強度付与のために市販の早強ポルトランドセメント（以下、セメント）を最大 10%添加した。
② 試料の粒径分布
試料の粒径分布を図 6-1 に示す。早強ポルトランドは造粒に有効な 10μm 以下の粒子割合が粉鉱石より多い。改質炭も同様に 10μm 以下の粒子割合が多いものの、疎水性があり、次項で説明するように、二次凝集粒子の形成には必ずしも有利とはいえない。

31

7
ブラジル産粉鉱石

6

改質炭

頻度（%）

5

早強ポルトランドセメント

4
3
2
1
0

0

1

10
粒度（μm）

100

1,000

図 6-1 試料の粒径分布③ ペレット造粒方法
ペレットの造粒には、パンペレタイザー（直径：50cm）を用いて傾動角 45°、回転数 30rpm
にて粒径 11.2～13.2mm を目安に、噴霧器で加水しながらペレットを造粒した。図 6-2 に使用したパンペレタイザー試験機を示す。

図 6-2 小型パンぺレタイザー試験機
32

パンペレタイザーのような転動による造粒法では、図 6-3 に示すように、粒子そのものの粒
径分布（細かい方が良い）と水分による二次凝集粒子の形成が重要である。

図 6-3 転動造粒による粒子の形成過程1
水分を調湿し（8%~16%程度）、パンペレタイザーで造粒したペレットを図 6-4 に示す。

図 6-4 パンペレタイザーで製造されたペレット（MR/改質炭/セメント=80/20/0）

1「肥料加工学」湿式造粒（転動造粒法 BSI 生物科学研究所）より抜粋
33

非焼成ペレットとしての利用検討
ペレットの圧壊強度
非焼成ペレットを高炉に挿入して使用するために、ペレットの圧壊強度の目標を 100kg とした。製造した改質炭ペレットの圧壊強度を図 6-5 に示すが、ペレットの圧壊強度は極めて低い結果となり、かつ改質炭の添加割合が増加すると、圧壊強度は低下した。

圧潰強度（kg）

0.6
0.5

0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

5

10
15
20
改質炭配合率（%）

2530

図 6-5 非焼成ペレットの圧壊強度
圧壊強度の改善策
図 6-6 に塩基性セメントを 10%添加した時のペレットの強度変化を示した。セメント混合時
は、霧吹きで微妙に水分を調整しながら、パンペレタイザーで造粒する。造粒後養生すると、強度が向上する。7 日目以降ではペレットの水分が約 2%まで下げ止まり、その後は、ほぼ一定となる。水分の低下にとともに圧壊強度は増加する。
最大値は粉鉱石単体ペレットの場合で 55kg、改質炭添加 15%及び 20%では約 20kg、同 25%で約 5kg となり、目標値には届かなかったが、ペレット運搬時崩壊強度 2.6kg は上回った。セ
メント混合比には制約があり、高炉全体の灰バランスより 10%程度が最大値相当と見込まれる。

圧潰強度（kg）

60
50

粉鉱石(MR)単体
改質炭20%
改質炭15%

40
30
20
10
0
0

5

保持時間（日）1015

図 6-6 セメント添加ペレットの圧壊強度の変化（セメント 10%添加）

34

焼成ペレットとしての利用検討
ペレットを焼成することで、圧壊強度の向上の可能性があるため、竪型の電気炉（図 6-7）を用いて、Ｎ2 雰囲気（3 l/分）にて電気炉温度 1,050℃、1,150℃、1,250℃の 3 条件で焼成試験を実施した。焼成方法は、籠に入れたペレットを降下時間 10 分間で均熱帯に装入・予熱し、10 分
間保持によって焼成を行い、その後、10 分間で炉外に搬出し、炉上端部にて 100℃以下に冷却後、炉外に搬出した。

図 6-7 焼成用炭化炉及びペレット籠35焼成試験後のペレットの圧壊強度
焼成による圧壊強度測定結果を図 6-8 に纏めた。ペレットを窒素気流中で焼成しても、圧壊強度は増加しなかったが（図中▲）、塩基性セメントを 10%添加して焼成すると、圧壊強度は300kg を超えた（図中▲）。

350
300

圧潰強度（kg）

250
200

改質炭添加15%＋セメント10%
鉱石単体
改質炭添加15%

150
100
50
0
1,000

1,050

1,100

1,150

1,200

1,250

1,300

焼成温度（℃）
図 6-8 セメント添加による圧壊強度の変化
しかし、焼成後のペレットには改質炭が消失しており、当初の目論見である改質炭の高炉用還元剤としての利用は難しい。

36

オイリーコールのコークス用ブレンド炭代替としての利用検討
褐炭は、粘結性を有さず多孔質であり、また酸素分を多く含むことから、製鉄用コークスの原料として用いると強度低下や高温反応性の上昇をきたすために使用が困難な石炭である。
一方、褐炭改質から製造される油分を含んだオイリーコール（以下 OC）は、改質によって酸素分が低減され、抽出されたオイル分も含有していることから、褐炭の欠点が改善されており、コークス用ブレンド炭としての利用が期待できる。
本共同スタディでは、実際に製鉄コークス用原料に用いられているカナダの準強粘結炭（以下 CH 炭）に OC を配合し、コークス性状（主に冷間強度と熱間反応後強度）への影響を把握して、コークス用原料炭代替原料としての使用可能性を検討する。
試験項目① コークス性状への影響把握
50kg 乾留炉を使用して、CH 炭への OC 添加によるコークス性状への影響を把握すると共に、原料褐炭との比較を行う。
② コークス性状への影響要因把握
OC とその原料である褐炭の顕微鏡観察から、50kg 乾留炉での結果に対する考察を行う。
試験方法① 使用石炭
原料炭としては CH 炭を単味で用いた。褐炭は、OC と同程度の粒度に微粉砕して用いた。
CH 炭、OC、褐炭及び配合炭の性状は JIS 法に準じて測定した。
② 50kg 乾留炉試験
乾留レトルト（W390mm、D420mm、H500mm）に、水分 7.6%、充填密度 750g/L で充填し、炉幅方向から 2 方向加熱方式の電気加熱炉にて 1,070℃で加熱し、石炭の中心温度が 1,030℃に到達するまで乾留した後に、レトルトを電気炉から抜き出し冷却した。50kg 乾留炉の模式図を
図 6-9 に示す。
乾留後のコークスは、JIS K2151 8 の落下強度試験で 2 回落下させた後に、JIS K2151 9.2 のドラム試験機で 30 回転したもの（実炉でのハンドリングに相当する負荷を想定した処理）の 25mm ふるい上について、150 回転のドラム試験を行い、ドラム強度（冷間強度）を測定した。
また、19~21mm に整粒したコークスを 1,100℃で 2 時間 CO2と反応させ、重量減少率を反応率とし、その試料をＩ型ドラ
ムで 600 回転した後に 9.5mm の篩で篩分け、篩上重量の反応
前重量との比率で反応後強度を算出した。
OC は、CH 炭に 1%～5%配合してコークス性状への影響を検討した。また、褐炭を 1.65%配合し OC との比較を行った。
37

図 6-9 50kg 乾留炉模式図

図 6-10 に乾留後コークスの外観写真を示す。CH 炭単味に比べ、数%の OC や褐炭添加によりコークスの亀裂幅や亀裂の数が大きくなっている印象を受ける。

図 6-10 乾留後コークスの外観

38

① 冷間強度試験
冷間でのドラム強度試験結果を図 6-11 に示す。
ドラム強度指数については、CH 炭は通常の高炉装入コークスと同等の 84.2 であった。OC を配合すると配合量の増加に伴い、ほぼ直線的にドラム強度指数が低下した（1%配合で DI が 1低下）。褐炭配合では強度低下は更に大きく、OC に比べてドラム強度指数が 1.5 倍程度の低下となった。

図 6-11 OC 配合率とドラム強度② 熱間反応後強度試験
熱間反応後強度に関し、図 6-12 に OC 配合割合と反応率を図 6-13 に OC 配合割合と熱間反応後強度を示す。
OC の配合により熱間反応後強度が大幅に低下した。これは反応率が高くなっており、そのためにコークスが脆弱になり強度低下を起こしているものと考えられる。なお、褐炭配合では、反応率，熱間反応後強度共に OC より大きく悪化していることが確認された。
以上より、OC の配合でドラム強度と熱間反応後強度の大幅な低下となった。

39

図 6-12 OC 配合率と反応率

図 6-13 OC 配合率と反応後強度40

製造ピッチの鉄鋼コークスバインダーとしての利用検討
製造したピッチの内、A シリーズ（触媒 A にて改質）ピッチとして A5-P を、P シリーズ
（触媒 B にて改質）ピッチとして P2-P を用いて、石炭と共炭化してコークスバインダーとしての効果を検討した。炭化装置は前項と同様にギーセラープラストメーターのレトルトを活用し、ミキシングモードで行った。
図 6-14 に CH 炭/OC=50/50 混炭系での A5-P 及び P2-P 添加による炭化物の外観を示した。
図 6-15 に豪州微粘炭 BB 炭に P2-P を添加した炭化物の外観を示す。

図 6-14 C 炭/OC 混炭へのピッチ添加による炭化物の外観

図 6-15 BB 炭へのピッチ添加による炭化物外観
各炭化物の特徴を列挙する。
① CH 炭/OC=50/50
CH 炭は顆粒状に凝結。OC は粉状のままで、全く凝集融着していない。
② CH 炭/OC/A5-P=50/40/10
全体的に円筒状に凝集（シンタリング）し形状維持しているが、充分な強度がないため、顆粒状。粉状粒子の割合は約 50%存在。
③ CH 炭/OC/P2-P=50/40/10
全体的に円筒状に凝集しているが、脆く触ると崩れる。顆粒状、粉状粒子割合は 50%以上。
④ BB 炭単味
固結した円筒状の外観を示し、触っても崩れない。上部に亀裂が多少みられる。

41

⑤ BB 炭/P2-P＝90/10
固結した円筒状の外観を示し、かなりしっかり焼き固まっている。
OC は準強粘結炭 CH 炭との共炭化でも全く凝集融着を示さなかったが、ピッチを添加する
事により、一部に粒子の凝集が生じ、弱いながらも塊を形成する。微粘炭の BB 炭に添加した
場合、炭化物の強度向上が認められる。
従って、定性的な結果ではあるが、製造ピッチのコークスバインダーとしての効果はある程度あるものと考えられる。

製鉄用炭素材利用の纏め褐炭プロダクトの製鉄用炭素材利用への 1 次スクリーニング結果を下記に纏める。
改質炭の高炉用還元剤としての利用① 非焼成ペレットは、目標の圧壊強度に到達せず、高炉用還元剤としての利用は難しいと思われる。
② 非焼成ペレットを窒素気流中で乾留した焼成ペレットは、塩基性セメントを添加すれば、充分な圧壊強度が得られたが、焼成により改質炭が消失し、高炉用還元剤としての利用は難しい。
オイリーコールのコークスブレンド炭代替としての利用
高炉で実使用されているカナダ準強粘結炭との共炭化試験の結果、オイリーコールは準強
粘結炭の粘結性や溶融性を阻害し、コークス性状（冷間強度及び熱間強度）の低下をもたらす
ため、ブレンド炭代替とはならない。
製造ピッチのコークスバインダーとしての利用製造したピッチとコークスブレンド用として実使用されている豪州微粘炭との共炭化試験の結果、炭化物の強度が高まっており、バインダーとしての利用可能性はあると思われる。

42

競争力のあるプロセスの選定
中国熱分解プロセス調査
本共同スタディでは、褐炭から付加価値の高いピッチや炭素材への転換可能性を検討しており、実ビジネスへの展開を目指して競争力のある熱分解プロセスを調査している。
大規模な熱分解プロセスは、中国でしか稼働しておらず、今般、鄭州中能冶金技術公司（以下鄭州中能）の紹介で、陝西省省府谷（フグ）市にある府谷京府煤化有限責任公司（以下京府
煤化）の熱分解コークス製造プラントを訪問し、稼働情報等を入手した。また、浙江大学と情報交換を行い、当該大学が流動層熱分解プロセスを有しているとの情報を得たので、併せて調査を行った。
京府煤化
陝西省府谷には、豊富に産する長炎炭（亜瀝青炭）を用いた従来型の熱分解工場が 4 か所ある。全体で 320 万 t/年規模のセミコークスを製造しており、これを利用してフェロシリコンに加工し、マグネシウムの精錬や冶金用の添加剤として利用している。マグネシウムはドロ
マイトをフェロシリコンとともに特殊な炉で還元して得られ、軽くて強固なことから、近年車のボディ－の合金用等に需要が急増している。その中で京府煤化はセミコークス 120 万 t/
年を生産する府谷の中核の会社である。セミコークスからフェロシリコンを経て 30,000t/年の金属マグネシウムを生産している。発生ガスから 3 万 kw の自家発電を行っており、石炭自家発電（2.5 万 kw）とともに、余剰電力は市場に売電している。また同じく副産物の熱分解タール（12 万 t/年）はタンクにストックされ、近隣の精製会社に販売している。
①

京府煤化の産品諸元等
セミコークス：120 万 t/年
3 万 t/年

金属マグネシウム：
フェロシリコン：発電所：

5 万 t/年（消費電力 2×33MVA）

ガス燃焼：

発電設備容量 2×15MW、石炭燃焼：同 25MW、廃熱ボイラー：同 1×6MW
選炭工場：120 万 t/年②

主要設備
石炭設備、選炭設備、熱分解設備、発電設備、フェロシリコン製造設備、マグネシウム
還元設備・マグネシウム精錬設備
熱分解は竪型内熱式熱分解設備であり、竪型外熱式熱分解設備 Coal Plus の旧型である。

別途、鄭州中能の Coal Plus 実証機 3 万 t/年（2009~2014 稼働。現在はモニュメント化し稼
働不可）。
③

設備フロー図
図 7-1 に該社プラントの設備フロー概要を示す。

43

原炭
セミコークス販売
精炭
セミコーク
洗炭（選炭）

乾留

フェロシリコン
ガス

余剰ガス

ガス精製

乾燥熱源
タール
2号炭(ズリ)

ガス発電（2基、30MW)

買電

金属Mg

販売

販売

石炭発電 （25MW）

販売
図 7-1 京府煤化の設備フロー概要

④

技術情報等


使用炭価格：楡林長煙炭：480 元/t



製品収率：セミコークス 1t 当たり：1.4t 原炭消費
タール 1t 当たり：セミコークスの 9%（原炭粒径 30-80mm）
或いはセミコークスの 10.8%（原炭粒径 10－30mm）



セミコークス販売価格：830-840 元/t（8-20mm）



運転コスト：原炭価格+加工費（40 元/t（セミコークス）減価償却と管理費含まない）



熱分解条件：最高温度 800-850℃、運転圧力負圧、滞留時間 18 時間



保全：年 2 回実施。4、5 月と 11 月
該社にある鄭州中能の実証機は稼働再開できないため、新たなセミコークス試作はでき
ない。



レンガ

京府煤化の商業設備からのセミコークスは上記販売価格で調達可能。

44

【参考 1】マグネシウムの製造方法
熱還元法

一般社団法人日本マグネシウム協会 HP より

図 7-2 にマグネシウム製造工程を示す。

ドロマイトを原料とし、酸化マグネシウムに還元剤を添加して減圧下で高温に加熱し製錬する方法。世界一のマグネシウム生産国である中国はこの方法で製錬が行なわれている。約 20 年前までは、日本でも熱還元法によるマグネシウム製錬が行なわれていた。 この他に海水を原料とした電解法がある。

図 7-2 マグネシウム製造工程【参考 2】フェロシリコン

丸紅テツゲン株式会社 HP より

図 7-3 にフェロシリコン製造工程を示す。
フェロシリコンは、硅石・還元材・鉄源から作られるケイ素と鉄の化合物のこと。
酸素との強力親和力を利用して主に製鋼用脱酸剤として使用される。その他にも鋼の強度を上げるためのシリコン添加剤や鋳物用接種剤としても用いられる。
国内の生産コスト上昇等の理由から、現在日本ではフェロシリコンは生産されておらず中国・ロシア・ブラジル等からの輸入が主体となっている。

図 7-3 フェロシリコンの製造工程

45

浙江大学
浙江省の省都である杭州市の西湖区に位置する中国で最も早く創立された四大学府の一つで、主要な研究機関ある。かつて「東洋のケンブリッジ」として知られていたが、1952 年の教育改
革で、いくつかの単科大学に分かれた。1998 年、国家評議会の承認を経て、浙江農業大学、浙江医科大学、杭州大学を吸収合併した。清華大学、北京大学に次ぎ、トップ大学とされる。
キャンパスは、玉泉、西溪、之江、紫金港など 5 つあり、あわせて 5,330,000 平方メートルの
敷地面積及び、2,008,000 平方メートルのフロア面積を持つ。学生数は約 43,000 名である。
訪問した熱能工程研究所は玉泉キャンパスにあり、このキャンパスの学生数は約 5,000 人。
① 中国のセミコークス生産事情陝西楡林、新疆、内蒙、甘粛、山西、寧夏地区がセミコークス生産拠点。

2016 年度は中国全土で 5,270 万 t、その内、楡林地区で約 2,900 万 t（約 55%）。



熱分解炉は簡便、低投資、簡易操作の理由から内熱式竪型炉が多数採用されてきた。
近年、新技術としてロータリーハース式、流動層式、噴流層式、ロータリーキルン式、
移動層式の熱分解炉が考案されているが、プロセスの長期連続運転性や安全性についての実証段階である。



いずれにしても、今後は環境汚染対策の進んだプロセスが要求される。

② 内熱式竪型炉に対するの新技術動向の紹介
近年、塊炭が減少し、石炭の粒径分布が細かいほうにシフトしている。粒径分布の 70%を占める小粒径（30mm 以下）の利用が望まれている。また、水質汚染防止策と効率向上策も課題となる。（日本では当然なされている、改善が遅れていると感じる）


小粒径（30mm 以下）石炭の処理技術



コークスの水噴霧冷却による汚染水の低減



コークスの水噴霧冷却による蒸気での熱回収
この様な観点から、楡林煤化は楡林混煤内熱式直立炉（YLS 型炉）を設計（表 7-1）。
表 7-1 楡林型竪型炉（YLS 型炉）の諸元

原炭粒径
単炉容量
原炭乾燥
コークス冷却方式
コークス熱回収自動制御

YLS炉<30mm 混炭可能15～20万t/年
有
水霧、水蒸気産出
有DCS制御

従来の内熱式竪型炉
30～80mm塊炭
10万t/年
無水冷却
無マニュアル運転

① 浙江大学の流動層熱分解プロセスについて
浙江大学が開発したで固体熱媒体（チャー＋灰）を循環させて石炭を乾留する内熱式流動層熱分解プロセス。浙江大学は石炭処理量 200kg/時のベンチプラントを有し、基礎試験を行っている。木質バイオマスも同機で乾留試験を行っている。
46

図 7-4 に流動層熱分解プラントの外観を、図 7-5 にプロセスの概要を示し、下記にその特徴を列挙する。


流動層熱分解装置、熱分解燃焼炉（固体熱媒体発生：チャー＋灰）、タール回収及び排熱回収装置、電気集塵機からなる 6 階建てのプラント。別途石炭粉砕機も有す。大学
設備としては出色の中央制御室を有し、国家重点実験室として国費約 1 千万元で建設。



竪型炉で使用が難しい、微粉（0-15mm）の処理が可能である。



乾留温度 500~900℃による急速熱分解によりタールの収率約 10%（竪型炉より 2~3%高い）。



熱効率が高く、スケールアップも容易（最大単機ユニット 100 万 t/年可能という）。



中央制御室（図 7-6）で 2 名の運転スペシャリスト（外注）が運転を行い、学生 2 名がデータを採取する。



運転準備 6 時間（昇温定常待ち）、試験運転 3 時間/1 条件、通常 4～5 条件/ラン（石炭使用量 3～4t/ラン）、後処理 2 時間。早朝から立ち上げて、約 20 時間で 1 ラン終了となる。



商業機の実績はない。100 万 t/年のプラントを設計中。新疆自治区に、2019～2020 年末までに建設し、2021 年から運転開始する計画、総額 10 億元。



図 7-4 浙江大学流動層熱分解ベンチプラント（200kg/時）

47

図 7-5 流動層熱分解プロセスの概要

48

中央制御室

パソコン上の運転制御モニター
図 7-6 中央制御室内の機器
49中国の主要プロセス情報
中国では、リーマンショック以降の景気対策として 4 兆元が市場に投入された。石油・天然ガス輸入の削減を目指した自国石炭資源の有効活用事業にも相当の資金が投入され、これを機に、石炭液化、石炭ガス化及び石炭改質などの新規石炭化学分野において、欧米の模倣技術をアレンジした中国独自のプロセス開発が行われた（4）。
同時に、石炭産地にはこれら技術を使った多くの大型プロジェクトが立ち上げられた。世界初の石炭直接液化、石炭ガス化オレフィン製造よび石炭ガス化合成ガス製造等々の 1 件当り 2,000~3,000 億円級のプロジェクトが建設・運転され、当初は経済的に厳しかったものの、現在も成功裏に事業を継続している。この規模の大型のプロジェクトは、中国以外では、南アの石炭液化、米国の石炭ガス化 SNG 製造プロジェクト以外に存在せず、中国は上記プロセスの運転･操業管理を通じて技術ノウハウを身に付け、現代石炭化学工業の分野では世界一になったと言っても過言ではないだろう。
褐炭をベースとした改質プロジェクトも少し遅れて立ち上がり、同じように先進技術の模倣から、独自の技術開発が行われ、2013~2015 年にかけて多数のプロジェクトが計画されていたが、一方で石炭化学産業の特性として、製品の 10 倍程度の工業用水を必要とし、開発中軽視されてきた石炭化学廃水の水質・土壌汚染が問題視され、PM2.5 の大気汚染とも相まって、政府の開発認可が厳しくなり、褐炭改質プロジェクトは現状ほとんど進捗していない。
以上の経緯を踏まえ、中国の有する主要な熱分解プロセスを表 7-2 に示した（5）。
連続運転を行うためのプロセスは、大略①自然落下直立式竪型炉、②機械的移動式、③循環流動層式に分けられる。①は従来からの技術で、シンプルで運転が容易なため、商業化が進んでいる。しかし通気性や詰まり防止のために塊炭が必要である。良質な塊炭が減少し､細粒炭や粉炭の利用、熱効率の向上、生産効率の向上を目指し、②、③のプロセス開発が行われた。
一般的には、②、③のプロセスほど複雑化する傾向といえる。
コークス室炉型直立炉は、コークス炉の乾留室型を用い、連続式給炭設備を塔頂に配置し、炉底からセミコークス、炉上部からガスとタールを連続的に抜き出す。加熱法は燃焼排ガスを石炭と接触させる内熱式と炭化室の両端に設けた煙道に排ガスを通し輻射加熱する外熱式がある。外熱式では、残存酸素を含む燃焼排ガスが直接石炭と接しない為、安全性の面から、内熱式より高温運転ができる。発生する熱分解ガスについては、外熱式では窒素を含まない
中カロリーガス（4,000kcal/m3 以上）となり、内熱式では、窒素を含む 低カロリーガス（500kcal/m3 程度）となる。更に、外熱式ではガス燃焼ボイラーにリジェネバーナーを用いて、熱回収を行い、熱効率を向上させることができる。鄭州中能の Coal Plus プロセスが該当する。
シャフト炉式直立炉は、ルルギ炉と類似の形式であり、内熱式の国富炉、外熱式の LiMaxがあり、これらは褐炭で実績がある数少ないプロセスのひとつである。
塊炭を必要としない直立式炉以外では、焼結炉タイプのベルト式炉があり、準商業機が製造された模様である。石炭乾燥で実績のあるロータリーキルン式の回転炉タイプや、ロータ
リーハース式での商業機の実績は未だない。

50

表 7-2 中国の主要熱分解プロセスの概要

51

一方、粉炭を用いる循環移動層タイプの大連工科大学の DG プロセスでは、熱媒体にセミコークスを用い、乾燥と熱分解を 2 段で行う。タール収率や生成ガスの熱量が高く（窒素含まず）、最近化学品製造の商業機が建設されたとの情報がある、
また、同じく粉炭が使用できる循環流動層タイプの浙江大学の DZL プロセスは流動層燃焼機と流動層熱分解炉を有し、ここから排出される高温灰が循環し熱媒体となるため、最も高温（900℃程度）で熱分解させることができる。昇温速度が大きいため、タールの収率が高く（10%）、かつ生成ガス中のメタン含有量が高いのでガスの熱量が高いといわれている。
セミコークスはプロセスで発電に用いることもでき、電力も含めたマルチプロダクトシス
テムとして期待されているがまだ商業機はなく、現在新疆地区で実証機の計画がある。

52

コスト情報調査した設備コスト情報を表 7-3 にまとめる。
表 7-3 中国褐炭使用改質プロセス（計画）とその設備費
1$＝105円、1元＝17.5円

企業

規模
万t/年

1

国能能源

2,000

2

中電投

1,500

3

中煤
2,000
エネルギー

4

国邦清能

400

5

ホロン
バイル
東能化学

500

6

広東
益権投資

1,000

7

河南中鴻

60

北京国際
8 エネルギー 1,000
開発
9

中電投

1,200

10

甘肃宏汇
能源化工

150

場所

技術

GF炉 直立式竪型炉
シリン 国富炉（GF炉技術）
ホト

製品概要
内熱式 一般炭＋セミコーク800万t
タール60万t

150万t×10
高温予熱
シリン 低温振動乾燥
改質炭 熱量4,500kk
ホト
褐炭改質プロセス
二期にわけ建設
LCC技術 直立式竪型炉 内熱式1,000万t×2
ホロン
Low Rank Coal Conversion
低温石炭タールバイル
ナフサ 軽油LCP
直立式竪型炉 外熱式 3,485kk→5,008kk
シリン(LiMax Coal Process)
セミコーク260万t
ゴル

投資
億元

100万t/
年補正億元

100万t/
年補正
億円

15

1.8

32.2

14

2.1

36.8

18

2.2

38.7

6.5

2.5

43.1

3.0

52.5

3.5

60.8

3.7

65.1

4.6

80.3

4.9

86.1

10.6

8.0

139.7

56.5

9.9

173.6

10

10.0

175.0

31

10.0

175.8

10.5

183.9

13.6

238.2

大連理工大 固体流動・移動層 セミコーク200万t
ホロン
石炭個体熱キャリア
タール30万t、 石炭ガス5.5億m3 9.26
バイル
粗ベンゼン1.25万t
熱分解米CoalTech褐炭電磁波脱水
オルド
熱分解技術
四期に分け
17.4
ス
30→300→500→1,000万t
Coal Plus 直立式竪型炉 外熱式セミコーク40万t
鄭州市 鄭州中能
熱分解油4万t
2.6
熱分解ガス1億m3
43M$
不明
生産物不明
シリン
一期5億元 200万t
23
ホト
二期18億元 800万t
改質炭1,010万t 熱量4,800kk
精華大学
流動層
シリン
30万ｋW発電
高温ガス流化乾留
28
ホト

12

未定

100

セミコーク98万t
熱分解油20万t
熱分解ガス2.25万t
大連理工大 固体流動・移動層改質炭438万t、 軽油35t
シリンｶﾞｿﾘﾝ9.6万t、LNG25万t
石炭個体熱キャリア
ゴル
ﾍﾞﾝｾﾞﾝ3万t、液安880万t
熱分解
流動層
固体熱キャリアー セミコーク60万t
熱分解油10万t
新疆 浙江大学

13

大唐国際

500

LCC技術 直立式竪型炉 内熱式セミコーク240万t
シリン
Low Rank Coal Conversion 低温石炭タール24万t
ホト

14

興安盟新
湖煤化学

1,100

自主技術
烏羊特
低温熱分解
区

15

華電集団

1,200 バイル 不明

16

神華集団

1,000 バイル 北京低炭素研

80.7

16.1

281.8

17

京能集団

1,000

89.5

17.9

312.5

18

シリンゴル
石炭化学

400

48

18.2

318.3

19

東烏
資源開発

1,000

タール、ポリーフェノール
軽・重質油、アスファルト
LCC技術 直立式竪型炉 内熱式PMC 530万t
錫盟東Low Rank Coal Conversion
軽油18万t、ナフサ18.65万t
烏LPG1.5万t
改質褐炭76万t
褐炭液化乾留技術
シリン
軽油40万t
自主技術
ホト
硫黄1万t
1,000万t褐炭処理
東烏 不明
石炭タール50万ｔ

96.2

19.2

335.9

20

神霧集団

100

ロータリーハース式
オルド
回転層熱分解
ス

---

---

---

国電
11 内モンゴル 1,200
電力不明

ロータリーキルン式
西安三瑞实

ホロン

ホロン

改質褐炭500万t
軽油37万t56.3
ガソリン10.3万t
ブリケット600万t、軽油10万t
77.5
ナフサ2.2万t、LNG12万m3
アスファルト7.3万t

米Encoal法（振動円盤熱分解）1,000万t 改質

タール収率高い。熱効率高い
石炭ガスのカロリー高い
100万t級の計画

53

表 7-3 は計画中の褐炭を使用する改質案件で、収集したコスト情報とともに示した。表中のプロジェクトで既に商業運転を開始したのは、1 の国能能源の国富炉（直立式竪型炉 内熱式）と 4 の国邦清能の Limax （直立式竪型炉内熱式）である。また 5 の大連工科大の DG 炉は

表中のプロジェクトそのものではないが陝西省楡林で最近商業機を稼働したとの情報もある。
また 7 の河南中鴻の Coal Plus （直立竪型炉外熱式）は瀝青炭仕様で建設・試運転まで実施

したが、オーナーの都合で商業運転は行われていない。
規模や最終製品（セミコークス、タール、粗ガス等の 1 次品、燃料油や SNG 等への 2 次加工品）も様々であり、一概にプロジェクトの設備費の比較はできないが、大略の傾向把握のため、0.7 乗則2で 100 万 t/年規模に補正して比較してみた。
2 次加工せずセミコークス製品とタール油製品を生産する場合は、流動層式や移動式、あるいはロータリーキルン式に比べ、直立式竪型炉が競争力を有する。これは、一般に、直立式竪型炉は中国で長年にわたる運転実績を有する一般的なプロセスに対し、他の方法はまだ十分な運転実績がないことからプロセス設備費が高めに設定されていると思われる｡但し､5 の DG
炉は新技術の流動床タイプでありながら、比較的コストパフォーマンスが良い点は、今後確認も含め検討を要する。

0.7 乗則；一般によく用いられるスケールアップ則。設備費比が規模比の 0.7 乗として算定する方法。例えば、規模比 10 倍の場合、設備費比は約 5 倍となる。
254

本共同スタディの纏め
本共同スタディの纏め
表 8-1 に本共同スタディの結果を要約する。
表 8-1 本共同スタディ結果の概要（1） 褐炭合成油を市販品触媒（触媒 A、触媒 B）で重縮合させ、目標
１．褐炭合成油かとしたピッチ性状の芳香族指数 fa>0.75、芳香環数～4.0 を達成できらのピッチ製造た。これにより、炭化物収率が 9.6%から最大 62%を超え、利用可能とその利用検討性のあるピッチが製造できた。
（2） 触媒で改質したピッチからの炭化物は等方性構造であり、等方性炭素材への利用可能性がある。
（1） パンペレタイザーを用いれば、粉鉱石と改質炭の混合物を容易に造粒できた。

２．褐炭改質炭等（2） しかし、造粒した非焼成ペレットは圧壊強度が小さく、セメントの新規製鉄用炭を添加しても目標の 100kg 重/P には至らず、高炉への挿入は難しい。

素材への利用検（3） 一方、窒素気流中で乾留した焼成ペレットは、圧壊強度は小さか討ったが、塩基性セメントを添加して焼成すれば、充分な圧壊強度を有したが（300kg 重/P）
、改質炭が消失し還元材とはならない事が解った。

３．コークス用ブ(1) 高炉で実使用されているカナダ準強粘結炭との共炭化試験の結果、

レンド炭代替とオイリーコールは準強粘結炭の溶融性や固結性を阻害するため、非しての利用検討

微粘炭代替とはならない。
(2) ピッチをコークスバインダーとして利用できる可能性がある｡

４．炭素材製造に

熱分解プロセスが世界で唯一実用化されている中国では、主流設備

フォーカスしたは Coal Plus タイプの直立式竪型炉であるが、褐炭使用の商業設備

競争力のあるプは 2～3 基しかない。流動層やロータリーハースタイプは実証段

ロセスの検討階。
その中で、直立式竪型炉のコスト競争力が高い事を確認した。

55

参考文献
（1）Coal Pitch Market Research Report 2018（2）持田勲、中村宗弘、光来要三炭素 / 炭素材料学会 編（1991）

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AsiaChem

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