公開版
平成２８年度石炭現場ニーズ等に対する技術支援事業「インドネシアにおけるコプロダクション型
褐炭改質技術の可能性の検討」
に関する共同スタディ

報告書

２０１７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

目次
共同スタディ概要 .................................................................................................. 1

山元情報 ................................................................................................................ 7

検討対象とする褐炭改質プロセスの概要 .............................................................. 9
IER

Cat-HTR 運転試験 .................................................................................... 10

鄭州中能Coal Plus 運転試験 ........................................................................... 14

各プロセスからのプロダクトの評価（生成炭） ................................................. 16実機規模での連続ブリケット製造試験 ............................................................... 33

合成油の商品設計及び水素化難易度に及ぼす石炭の影響 ........................................ 41

商業化規模のプロセスと EPC コストの検討 ............................................................... 50

簡易経済性の検討 ............................................................................................................ 58

本共同スタディの纏めと課題 ........................................................................................ 60

図目次
図 1-1

プロダクトの商品設計イメージ ..............................................................................2

図 1-2

共同スタディの実施内容...........................................................................................3

図 1-3

検討する事業モデルのイメージ ..............................................................................5

図 1-4

本共同スタディの実施体制 ......................................................................................6

図 3-1

検討する褐炭改質プロセス ......................................................................................9

図 4-1

SPP プロセス概略フロー図 .....................................................................................10

図 4-2

パラメータ M と合成油収率 ...................................................................................13

図 5-1

小型熱分解基礎試験機の概略フロー ....................................................................14図 5-2

小型熱分解基礎試験機の外観 ................................................................................14図 6-1

石炭および改質炭、セミコークの気乾ベースの発熱量 ....................................16図 6-2

石炭および改質炭、セミコークの無水無灰ベースの発熱量 ............................17

図 6-3

A 炭改質炭の粒径分布 .............................................................................................18

図 6-4

B 炭改質炭の粒径分布 .............................................................................................18

図 6-5

セミコークの粒径分布.............................................................................................19

図 6-6

自然発熱性試験装置（SIT）と手順 ......................................................................21

図 6-7

原炭、改質炭およびセミコークの自然発熱性の評価 ........................................22

図 6-8

熱重量分析計（TGA） ............................................................................................23図 6-9

石炭、改質炭およびセミコーク等のバーニングプロファイル ........................24

図 6-10竪型管状炉（DTF）装置 .......................................................................................25

図 6-11B 炭の燃焼プロファイル .......................................................................................26

図 6-12

B 炭改質炭の燃焼プロファイル ...........................................................................27

図 6-13B 炭セミコークの燃焼プロファイル ...................................................................28

図 6-14

乱流燃焼炉の概要と諸元.......................................................................................29

図 6-15

炉内温度測定結果 ...................................................................................................30

図 6-16

低 NOx 燃焼性評価 .................................................................................................31

図 7-1

大型ブリケット製造機の外観 ................................................................................34

図 7-2

落下試験の様子（JIS 法） ......................................................................................35

図 7-3

圧壊強度試験機 .........................................................................................................35

図 7-4

CMC 添加率と製造歩留まり ...................................................................................36

図 7-5

CMC 添加率と圧壊強度 ...........................................................................................36

図 7-6

検討するブリケットの製造プロセス ....................................................................37

図 7-7

乾留に用いた竪型加熱炉とその炉心部 ................................................................38

図 7-8

乾留前後のブリケットの外観 ................................................................................39

図 8-1

C 炭由来の合成油の沸点性状 .................................................................................42

図 8-2

固定床式ベンチ装置全体.........................................................................................43

図 8-3

固定床式ベンチ装置の反応器 ................................................................................44

図 8-4スイング式オートクレーブ（本体） ....................................................................44

図 8-5

スイング式オートクレーブ（反応管） ................................................................45

図 8-6

スイング式オートクレーブ（内筒管） ................................................................45

図 8-7

合成油の水素化処理前（左）と後（右） ............................................................46

図 8-8

Bio Oil に含まれる含酸素化合物とその水素化反応性との関係性 ...................47

図 8-9

各合成油の水素化脱酸素率 ....................................................................................48

図 8-10

パラメータ C と水素化脱酸素率の関係 ..............................................................48

図 9-1

Cat-HTR パイロットプラントのプロセスフロー ................................................51

図 9-2

Cat-HTR プロセスのスケールアップ計画 ............................................................52

図 9-3

各留分における合成油（左）と原油（右）の含有元素の比較 ........................53

図 9-4

標準的な水素化処理設備プロセス例 ....................................................................55

図 9-5

標準的な水素化分解プロセスフロー例 ................................................................55

表目次
表 1-1

改質プロセスからのプロダクトの呼称 ..................................................................1

表 1-2

使用するプロダクトサンプル ..................................................................................4

表 2-1

PT.B 社の石炭鉱山......................................................................................................7

表 2-2

A 炭の生産実績 ...........................................................................................................7

表 2-3

B 炭の生産実績 ...........................................................................................................8

表 2-4

A 炭および B 炭の工業分析値等 ............................................................................8

表 4-1

試験炭の性状 ............................................................................................................. 11

表 4-2

SPP の試験条件 ......................................................................................................... 11

表 5-1

試験炭の粒度分布 .....................................................................................................15

表 5-2

試験炭の工業分析値 .................................................................................................15

表 6-1

A 炭とその改質炭およびセミコークの密度 ........................................................20

表 6-2

B 炭とその改質炭およびセミコークの密度 .........................................................20

表 6-3

B 炭とその改質炭およびセミコークの比表面積（CO2-BET 法） ....................20

表 6-4

C 炭とその改質炭およびセミコークの比表面積（CO2-BET 法） ....................20

表 6-5

石炭、改質炭およびセミコークの燃え切り温度等の解析 ................................24

表 7-1

ブリケット製造試験機の諸元 ................................................................................33

表 7-2

オイリーコールブリケット乾留による合成油収率 ............................................39

表 7-3

乾留後のブリケットの強度試験結果 ....................................................................40

表 8-1

評価対象の石炭名 .....................................................................................................41

表 8-2

C 炭由来の合成油の元素組成 .................................................................................42

表 9-1

各ケースのメリット・デメリット ........................................................................57

共同スタディ概要
目的(1) 共同スタディの目的
インドネシアに豊富に賦存する褐炭は、高水分、低発熱量、自然発熱性のため、安価な生産コストであっても輸出ができず、地場火力での小規模利用に留まっている。
褐炭を経済的に輸出可能なエネルギーに転換する技術は、日尼双方から熱望されているが、未だ商業化に至っていない。
石炭の液化やガス化は、巨額の設備投資の割にはリターン率が低く、脱水、ブリケット、低温熱処理等の一般炭狙いのプロセスでは、設備投資は小さいものの、経済性が石炭市況に直接左右され、実現に至らないのが実情である。
豪州 Ignite Energy Resources 社（以降 IER）のコプロダクション型熱水触媒反応プロセス（以降 Cat-HTR）は、1t の乾燥褐炭から約 600kg の PCI グレ－ド炭と約 1bbl の合成油の製造が見込
まれ、優れた経済性が期待できる。
本共同スタディに際し、コンベンショナルなコプロダクション技術である竪型低温乾留プロ
セス（以降 Coal Plus）と比較し、この Cat-HTR 技術のインドネシア褐炭への適合性に係る優位性（運転性、産物収率、産物の特徴等）を明らかにしていきたい。

2015 年度結果の概要
2015 年度はインドネシア国有石炭会社 PT. Bukit Asam Tbk.（以降 PTBA）の C 炭を用い、Cat-HTR および Coal Plus プロセスで得られたプロダクトの評価を行い、Cat-HTR プロセスはPTBA 保有の褐炭改質に有望なプロセスとなり得ることが解った。本報告書における各々の改質プロセスからの固体プロダクト（生成炭）および液体プロダクト（生成油）の呼称を表 1-1
に示した。
表 1-1

改質プロセス

改質プロセスからのプロダクトの呼称

固体プロダクト（生成炭） 液体プロダクト（生成油）

Cat-HTR プロセス

改質炭

合成油

Coal Plus プロセス

セミコーク

タール油

(1) プロダクトの収率
生成炭の収率はプロセスを問わず約 6 割であったが、生成油の収率はプロセスや石炭により異なる事が解った。
① 生成油収率は Cat-HTR プロセスが高かった。（Cat-HTR24.5%>>Coal Plus6.5%）② Cat-HTR の合成油収率は C 炭が豪州褐炭を上回った。
（C 炭 24.5%>豪州褐炭 18.5%；豪州褐炭の合成油収率は出光興産資料より）
豪州炭に対してインドネシア炭はリプチナイト*が多い傾向があり、合成油収率が増加したと推察した。
*石炭の組織成分の一つ：根源植物の樹脂や葉が石炭化したもの。水素に富む。
1

生成炭の商品設計① 生成炭は共に高カロリー（約 7,500kcal/kg）、低水分（3％以下）まで改質できた。
② Cat-HTR 改質炭は燃焼性に優れる為、PCI や高カロリー一般炭として有望である。
③ Coal Plus セミコークは燃焼性に劣る為、炭素材や焼結用無煙炭代替としての利用が期待される。
(2) 生成油の商品設計①

生成油の沸点範囲は共に灯油～減圧軽油並であるが、原油に比べ O、 N、有機塩素等のヘテロ元素が多く、単味で原油や船舶油等の重油代替とはなりにくい。

②

これらヘテロ元素は 1 次水素化により容易に除去することができた。

③

さらに、2 次水素化により付加価値の高い白油（軽油、ガソリン、ナフサ）への転換が可能であった。

④

合成油の収率や水素化のし易さは、石炭性状の影響を受けるとの仮説をたてた。

⑤

合成油の構造解析からは石炭由来油に特徴的な含酸素化合物（フェノール類）を含み、1～4 環芳香族主体の単位構造であることが解り、燃料油代替のみでなく化学品等への他の利用の可能性もある。
図 1-1 にプロダクトの商品設計イメージを示す。

図 1-1

プロダクトの商品設計イメージ2

2016 年度の共同スタディ内容
図 1-2 は本共同スタディの全体の実施内容を示したものである。
2016 年度は、プレ FS と 2015 年度に製造した C 炭の残余サンプルおよび 2016 年度に製造する新規炭（A 炭、B 炭）の少量サンプルを用いた商品設計の深耕を行う。新規炭に係る大量サンプルについては、製造試験を実施する。
2017 年度は、2016 年度製造した大量サンプルを用いた、商品設計の最終仕上げと、プレ FS
を発展させた 2 次 FS を計画し、事業性評価の精度を向上させ、本共同スタディを完結させる。

図 1-2

共同スタディの実施内容(1) 2016 年度の共同スタディの概要
ア）プロダクトの商品設計の深耕①

プロダクトの実用性評価の深耕…PCI 代替、自動車燃料としての実用性評価②

プロダクトの用途拡大の検討…鉄鋼用炭素材・バインダー、ケミカル用途検討③

石炭の影響把握（生成油性状等）…生成油収率、水素化難易度への影響把握④

実用ブリケット製造試験…大型機種による実用製造試験の実施

3

表 1-2

項使用するプロダクトサンプル

目2016 年度

2017 年度（1）プロダクトの実用性評価の深耕

C炭

A 炭少量サンプル

A 炭大量サンプル（2）プロダクトの用途拡大検討

大量

B 炭少量サンプル

B 炭大量サンプル（3）石炭の影響把握 （生成油性状等） サンプル（4）実用ブリケット製造試験

A 炭または B 炭大量サ

（オイリーコール）ンプル*少量サンプルは SPP（Small Pilot Plant）で、大量サンプルは LPP（Large Pilot Plant）で製造
イ）インドネシアでの事業性検討（プレ FS）
2016 年度はインドネシアでの現地調査をベースに、事業可能性について下記①～⑥に示す
内容の 1 次 FS を行う。これを基に、最適ケースを絞り込み、建設・運転費の精度を向上させ新たにファイナンス、環境影響評価、想定パートナー、オフテーカーも加味した事業実現性に対する 2 次 FS を次年度に計画する。
①

競争力のある有望炭鉱の 1 次調査・選定②

立地検討場所のエネルギー及び交通インフラの調査③

合成油のマーケット調査（PCI は日本のマーケット調査）④

製油所/化学工場調査（水素供給余力、製品および中間品のオフテーカー）⑤

プロセスコスト、EPC コスト、Opex、Capex の調査・吟味⑥

事業モデルの構築とモデル毎の 1 次 FS

(2) 成果の利用や波及などに関する具体的なイメージ
インドネシア褐炭への適用技術の開発及び経済性評価を行い、有望な結果が得られれば、山元と共同で褐炭改質事業の会社設立を企画する。例えば、褐炭から製造される合成油はインド
ネシア国内で精製・販売し、PCI グレードの改質炭は我が国鉄鋼メーカーに向けに輸出し、日尼双方のエネルギーセキュリティーに貢献していく。
別途 JOGMEC 石炭現場ニーズ事業で検討しているブレンドによる褐炭の安定化や山元発電を盛り込んだ褐炭鉱山開発に寄与する事業モデルのイメージを図 1-3 に示した。

4

図 1-3

検討する事業モデルのイメージ

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、検討項目に応じて適切な相手先へ外注（請負契約）して得た成果を取り纏める。石炭供給とその山元情報の提供を A 炭、B 炭を保有する PT.B 社に外注する。PTBA には昨年に引き続き事業情報等の提供を外注する。改質試験は、引き続きプロセスを有する IER および鄭州中能冶金技術有限公司（以下鄭州中能）の両社に外注する。
ブリケットの連続成型試験は新東工業株式会社（以下新東工業）に外注する。合成油および改質
炭の商品設計はそれぞれ出光興産株式会社先進技術研究所（以下出光先進技術研究所）と出光興産
株式会社石炭・環境研究所（以下出光石炭・環境研究所）に、生成油改質プロセスの検討を含めたトータルの最適プロセス検討を出光興産株式会社生産技術センター（以下出光生産技術センター）に社内外注する。プロセス建設コストの積算やエンジニアリング資料作成を出光エンジニアリング
株式会社（以下出光エンジニアリング）に外注する。
また、競争力ある山元や工場立地調査をインドネシア情報に詳しい一般財団法人石炭エネルギーセンター（以下 JCOAL）に外注する。インドネシアでの燃料油市場調査等をみずほ情報総研株式会社（以下みずほ情報総研）に外注し、これらを取り纏めた事業性評価を出光石炭・環境研究所が実施するとともに、最終的な取り纏めを JOGMEC および出光興産が実施する。
図 1-4 に本共同スタディの実施体制図を示す。

5

図 1-4

本共同スタディの実施体制

6

山元情報
PT.B 社の事業概要
PT.B 社は石炭生産・販売会社であり、東および南カリマンタンに稼働中の 2 鉱山（A 炭、B炭）を有しており、インドや東南アジアを中心に販売を行っている。

共同スタディ対象鉱山
共同スタディ対象鉱山：PT.B 社所有の石炭鉱山（インドネシアに大量に賦存する褐炭田）① A 炭鉱山：南カリマンタン Banjarmasin 近郊② B 炭鉱山：東カリマンタン Samarinda 近郊(1) 鉱山選定理由
2015 年は PTBA が有する南部スマトラ Tanjung Enim 地区の C 炭を改質し、豪州褐炭に比べ合成油収率が高い等の好結果を得た。併せて自動車燃料への転換のし易さ（水素化難易度）には石炭依存性があることも示唆された。これら合成油の特徴はプロジェクトの経済性を左右する為、2016 年度は C 炭と性状が異なるカリマンタンの PT.B 社の 2 鉱山を選定し、石炭の影響を検討する。また、この結果を用い、石炭鉱山毎に経済性のプレ FS を実施する。
(2) 立地A 炭鉱山は南カリマンタン州都 Banjarmasin から約 100km 北東に位置し、1999 年から稼働中である（2015 年生産実績 673 万 t）。B 炭鉱山は東カリマンタン州都 Samarinda から南西約 25kmに位置し、2011 年度から稼働中である（2015 年生産実績 102 万 t）。
(3) 鉱山権利・権益の関係
表 2-1

PT.B 社の石炭鉱山

鉱山名

地域

鉱業権

取得時期

エリア ha

操業状況

A炭

南カリマンタン

PKP2B

1994.822,4331999~

B炭

東カリマンタン

IUP

2010.４

2,459

2011~

出典：PT.B 社資料(4) 生産実績
表 2-2

A 炭の生産実績

年度（FY）

2013

2014

2015

生産量（万 t）

409

470

673

出典：PT.B 社資料7表 2-3B 炭の生産実績

年度（FY）

2013

2014

2015

生産量（万 t）

0

15

102

出典：PT.B 社資料(5) A 炭および B 炭の工業分析等
表 2-4 に本共同スタディに使用した A 炭および B 炭の工業分析値等を示す。
表 2-4

A 炭および B 炭の工業分析値等

項目

A 炭*

B 炭*

全水分

（% gar）

33.0

37.3

水分

（% adb）

15.0

15.6

灰分

（% adb）

3.8

4.9

揮発分

（% adb）

42.0

41.1

固定炭素

（% adb）

38.9

38.4

全硫黄

（% adb）

0.14

0.35

発熱量

（kcal/kg adb）

5,545

5,120

発熱量

（kcal/kg gar）

4,370

3,800

＊分析値は使用した採掘ブロックでの平均組成を示す
出典：PT.B 社資料

8検討対象とする褐炭改質プロセスの概要
図 3-1 に選定した 2 つのコプロダクション型プロセス（ガス体、液体、固体を製造）の概要を示す。Cat-HTR 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。一方、比較対象技術として、実用段階にほぼ到達している熱分解技術の Coal
Plus を選定した。この技術は竪型コークス炉をバッチ式から連続式に改造した従来型の技術である。
Cat-HTR はコプロダクション型プロセスの中では、液体プロダクトの収率が高い事が特長であり、Coal Plus は固体プロダクトの炭素の質が高い事が特長である。

対象プロセス
触媒
褐炭水スラリー
褐炭
水

水熱処理
350℃
240 気圧Cat-HTR（豪州 IER）
16%
ガスは全量プロセス加熱
ガス
16～25%
分離

液収率高
合成油

PCI 用

Coal Plus（中国鄭州中能）

比較プロセス

ガス収率高

褐炭

化学原料

60%
改質炭

褐炭塊炭

燃料油

24%

ガスの 4 割はプロセス加熱

ガス
中温乾留
600～750℃
常圧

図 3-1

6~8%

燃料油
タール油

分離
60%

セミコーク

検討する褐炭改質プロセス

9

H2/SNG

化学原料
PCI・他用IER Cat-HTR 運転試験
試験装置
図 4-1 に IER の有する少量石炭で運転可能な Cat-HTR の SPP（Small Pilot Plant）プロセスの概略フローを示す。

出典：IER 資料
図 4-1

SPP プロセス概略フロー図

試験目的
本共同スタディでは少量の石炭（A 炭、B 炭各 150kg）を用い、SPP で製造された合成油の石炭による影響因子の基礎検討を行う。大量の石炭を用いた LPP 試験については 2016 年度は製造試験までとし、サンプルの評価は次年度に行う。

試験炭の性状試験に使用した A 炭および B 炭の性状を表 4-1 に示す。

10

表 4-1
ラン

石炭

No.

水分

試験炭の性状工業分析 （%, db）（%,ar）

元素分析 （%, db）

灰分 固定炭素

揮発分

C

H

N

S

O

SPP 1

B炭

20.8

4.5

47.4

48.1

65.4

4.49

4.46

---

25.65

SPP 2

A炭

28.8

5.3

45.0

49.7

66.3

4.76

1.1

---

27.84

試験炭は共同スタディ前に情報を得ていた性状より、B 炭では水素含有量が低く、A 炭では
酸素含有量が高かった。

試験条件
試験条件を表 4-2 に示す。前年度と同等の条件で行った。
表 4-2

SPP の試験条件
スラリー濃度ラン No

圧力（bar）

温度 （°C）

SPP 1

220-290350-360

20

SPP 2

220-290350-360

19（%,db）

試験結果およびプロダクトの性状
前処理（乾燥、粉砕、スラリー化）および SPP 試験は、支障なく終了した。
A 炭および B 炭からの改質炭ともに水分が 0.1%以下であり、揮発分が 21%程度、固定炭素
が 71~73%となった。また、A 炭および B 炭からの合成油の発熱量は 9,400～9,500kcal/kg であり、A 炭からの生成ガスは 9 割程度が二酸化炭素であり、水素およびメタンが各々2~3%含まれていた（B 炭では分析計不調の為、ガス組成分析が出来なかった）。

11

物質収支
A 炭からは乾燥炭基準で約 59％の改質炭、約 29％の合成油、約 6％のガスが生成した。B 炭
からは乾燥炭基準で約 55％の改質炭、約 23％の合成油、約 14％のガスが生成した。
前回の C 炭の試験と同様、両炭とも豪州褐炭の合成油収率の約 20％を上回った。この高収率はインドネシア炭の特徴と言えよう。また、改質炭の収率は A 炭と B 炭では多少異なるものの、これまでの結果から約 6 割が改質炭の収率と見込める。
一方、残りの約 4 割弱を占める石炭中の低分子から転換されたと思われる合成油とガスの収率の間には、トレードオフの関係がある。本試験条件では B 炭は比較的ガスが生成し易く、A
炭は比較的液に成り易い性質を有していると考えられる。
但し、今回は少量のサンプル試験によるものなので、大量サンプルを用いた LPP の試験にてこの様な傾向がみられるのか、今後確認していく。
また、現時点での石炭の影響については 4.7 で考察する。

合成油の収率に関する考察
これまでの褐炭クラスの 6 石炭（共同スタディしたインドネシア炭：A、B、C 炭および自主調査した豪州褐炭ほか 2 炭種）を用いた結果からは、製造される合成油の収率は 20%～30%程度であり、石炭によって収率が異なる事が解っている。
前項で述べたように、改質炭の収率は 55～59％程度であるから、残り 41%~45%を合成油とガス他が占める。合成油収率とガス収率は当然トレードオフの関係となるが、合成油の収率が高い傾向を示すのはインドネシア褐炭の様に比較的水素含有量が多い石炭であり、ガス収率が高い傾向を示すのは豪州褐炭の様に酸素含有量が高い石炭であった。
インドネシア炭の特徴である水素に富むリプチナイト（樹脂や葉が石炭化した石炭組織成分）の様な組織が、Cat-HTR のプロセスで合成油に転換され易いものと仮定したが、リプチナイトの含有量のみでは良い相関が得られなかった。
そこで、種々の指標を検討した結果、パラメータ M（石炭物性より算定した指標）と合成油の収率には、ある程度の相関が認められた。
図 4-2 にパラメータ M と合成油収率の関係を示す。

12

32.0

合成油収率（％）

30.0
28.0
26.0

R² = 0.6308

24.0
22.0
20.0
18.0

豪州炭（他はインドネシア炭）
16.0

パラメータM
図 4-2

パラメータ M と合成油収率以上の様に、合成油収率と石炭物性には、ある程度の相関がみられた。
明らかに豪州炭とインドネシア炭には合成油収率に差があり、インドネシア炭の間でも合成
油収率の差がある事は明らかである為、次年度の LPP 試験結果および以前の試験の結果（特に運転条件やオイリーコールの回収率）を再検討し、石炭物性と合成油収率の関係を更にクリアにしていきたい。

Cat-HTR SPP 試験結果の纏め(1) A 炭および B 炭からの物資収支
A 炭および B 炭からは約 6 割の改質炭が生成され、A 炭からは合成油が 29%、B 炭からは合成油が 22.9%生成された。合成油とガスの生成はトレードオフの関係にある。
(2) 石炭と合成油収率について① 石炭により合成油収率は、20%～29%まで変化する。インドネシア褐炭は合成油収率高い。
② 原炭のリプチナイト含有量と合成油収率との相関は低かった。
③ パラメータ M は、他の指標に比べ合成油収率との相関が良かった。

13

鄭州中能 Coal Plus 運転試験
試験装置の概要
図 5-1 に鄭州中能の有する少量サンプル用の熱分解基礎試験機（石炭 2kg バッチ式）の概略
フロー図を、図 5-2 にその外観を示す。

1.管状炉

2.ガス冷却器

3.液回収タンク

4.水封

5.ガスサンプル

出典：鄭州中能資料
図 5-1

小型熱分解基礎試験機の概略フロー

出典：鄭州中能資料
図 5-2

小型熱分解基礎試験機の外観

14

試験目的
少量の石炭サンプル（B 炭、A 炭各 50kg）を用い、セミコークの揮発分が 5%および 20%程度となる反応条件（乾留温度、保持時間等）を探索し、セミコーク利用拡大の可能性を検討する。基礎試験機からのタール油の回収量は少ない為、今年度はタール油の評価は行わず、次年度大量石炭を用いたベンチプラント（10kg/h）試験から得られるタール油を評価する。

試験炭の性状B 炭および A 炭は稼働中の鉱山であり、昨年の試掘井から採取した C 炭の様に大塊が含まれない為、予備粉砕の必要はなかった。B 炭および A 炭の粒度分布を表 5-1 に示す。
表 5-1

試験炭の粒度分布
B炭

粒径範囲 （mm）＜0.5

0.5-5.0

5-10

10-20

20-40

40-60

計

重量 （%）

3.3

33.4

24.2

23.3

10.0

5.8

100

積算重量 （%）

3.3

36.7

60.9

84.2

94.2

100

A炭
粒径範囲 （mm）＜0.5

0.5-5.0

5-10

10-20

20-40

40-60

計

重量 （%）

8.4

31.6

27.5

30.0

2.5

0

100

積算重量 （%）

8.4

40.0

67.5

97.5

100

また、鄭州中能による試験炭の工業分析値を表 5-2 に示す。
表 5-2

試験炭の工業分析値

全水分（%） 灰分 （%）

揮発分（%）

No.

固定炭素 （%） るつぼ試験

（ar）

（db）

（db） （daf）

（db）

膨張性

B炭

39.11

5.02

50.10

52.75

44.89

無

A炭

34.35

5.17

49.03

51.55

46.11

無

Coal Plus 小型熱分解基礎試験結果の纏め(1) 熱分解条件とセミコークの揮発分
A 炭および B 炭の両炭とも熱分解条件の調整により、セミコークの揮発分を調整できる。熱分解温度とセミコークの揮発分は概ね下記の通り。
500℃：VM～20%、700℃：VM～6%、800℃：VM～3%
熱分解温度が高くなるとセミコーク中の揮発分が減少する。
(2) A 炭および B 炭熱分解の物質収支
セミコーク収率は、両炭とも 55~65%の範囲であり、タール油収率は A 炭で最大 4%、B 炭では最大 6%程度である。
15

各プロセスからのプロダクトの評価（生成炭）
原炭および改質炭、セミコークの一般性状
A 炭および B 炭は、昨年度試験した C 炭と比較すると、両炭ともに燃料比が低く、酸素含有量が高い事から、昨年度の C 炭より石炭化度が低い石炭である。
また、両炭とも全硫黄が約 0.1％～0.2％である事は優位点であるが、灰含有量が多く（プロダクトの発熱量低下）、灰の融点が低い（燃焼時の灰付着）点は不利となる可能性がある。
図 6-1 に原炭および改質炭、セミコークの気乾ベースの発熱量を、図 6-2 に同無水無灰ベースの発熱量を示す。
発熱量に寄与しない灰含有量が石炭によって異なる為、A 炭や B 炭より灰含有量の少ない C
炭が気乾ベースの発熱量は高く、灰が濃縮される改質炭やセミコークの発熱量についても優位であるが、無水無灰ベースでは改質炭やセミコークの発熱量に石炭間（石炭化度）に有意差は見られない。但し、石炭によらず改質炭とセミコークでは改質温度が高いセミコークの発熱量が高い。

気乾ベース（GAD）発熱量
8,000

発熱量（kcal/kg）

7,500

A炭

B炭

C炭

7,000
6,500
6,000
5,500
5,000
4,500
4,000

原炭
図 6-1

改質炭

セミコーク

石炭および改質炭、セミコークの気乾ベースの発熱量16

8,500

無水無灰ベース（GDAF）の発熱量
A炭
B炭
C炭

発熱量（kcal/kg）

8,000
7,500
7,000
6,500
6,000

5,500
5,000
4,500
4,000

原炭
図 6-2

改質炭

セミコーク

石炭および改質炭、セミコークの無水無灰ベースの発熱量

17改質炭およびセミコークの物理性状
改質炭およびセミコークの粉体特性（粒径分布、嵩密度、真比重）は、プロセスにおけるハ
ンドリング性や搬送性に影響する為、その物性を測定した。
(1) 粒径分布
Cat-HTR 改質炭の粒径分布をそれぞれ図 6-3 および図 6-4 に示す。改質炭はそのプロセスにおいてロッドミルで粉砕されて水スラリーとして反応させる為、製品の改質炭は微粉である。
50％重量平均径は、A 炭改質炭では約 50μm、B 炭改質炭では約 70μm であった。

頻度(%)
累計(%)

1

10

100

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1000

累計%

頻度％

A炭改質炭の粒径分布
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

粒径 μｍ
図 6-3

A 炭改質炭の粒径分布

頻度(%)
累計(%)

1

10

100
粒径

図 6-4

μｍ

B 炭改質炭の粒径分布
18

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1000

累計%

頻度％

B炭改質炭の粒径分布
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

改質炭はハンドリング性改善の為、ブリケット化が必要となる。
図 6-5 にセミコークの粒径分布を示す。Coal Plus は塊炭のまま乾留するので、せミコークの粒径は投入粒径にも依存するが、乾留中に熱衝撃で細粒化するので、投入粒径より細かい顆粒状となっている。A 炭および B 炭由来のセミコークは両者とも平均粒径が 1～2mm である。2mm
以下の重量が 20％を超せばプロセスでのハンドリング性を悪化させる可能性があると言われるが、両セミコークの 2mm 以下重量は 50%を超すので、今後、大量サンプルを入手後、ハンドリング性試験を行う必要がある。

A炭

B炭
図 6-5

セミコークの粒径分布

19(2) 嵩密度、真密度
表 6-1 に A 炭とその改質炭、セミコークの炭嵩密度および真密度（JIS 法による）を示す。
表 6-2 に B 炭とその改質炭、セミコークの炭嵩密度および真密度（JIS 法による）を示す
両炭とも改質により、嵩密度、真密度が大きくなっている。改質炭とセミコークの嵩密度、真密度の明確な違いはなく、概ね同程度とみなせる。
表 6-1

A 炭とその改質炭およびセミコークの密度

項目

A炭

改質炭

セミコーク（20%揮発分）

嵩密度（g/cm3）

0.529

0.626

0.705

真密度（g/cm3）

1.445

1.700

1.641

表 6-2

B 炭とその改質炭およびセミコークの密度

項目

B炭

改質炭

セミコーク（20%揮発分）

嵩密度（g/cm3）

0.450

0.661

0.591

真密度（g/cm3）

1.459

1.645

1.643

(3) 比表面積
表 6-3 に B 炭とその改質炭およびセミコークの CO2-BET 法による比表面積を示す。表 6-4 には参考として昨年度の C 炭とその改質炭およびセミコークの比表面積を示す。
比表面積は B 炭が 126 m2/g、改質炭は 205 m2/g およびセミコークは 202m2/g となり、改質により比表面積が 1.6 倍程度増加している。
表 6-4 の様に、昨年度の結果でも石炭は異なるが、比表面積が増加した。昨年のセミコークの比表面積の増加割合が大きい理由は、昨年度の熱処理温度が今年度より 100℃程度高かった
為、炭化（活性炭化）がより進行しているものと推察する。
表 6-3

B 炭とその改質炭およびセミコークの比表面積（CO2-BET 法）

項目

B炭

改質炭

セミコーク（20%揮発分）

比表面積（m2/g）

126

205

202

表 6-4

C 炭とその改質炭およびセミコークの比表面積（CO2-BET 法）

項目

C炭

改質炭

セミコーク（3%揮発分）

比表面積（m2/g）

114

186

252

20

改質炭およびセミコークの実用性能試験(1) 自然発熱性評価

図 6-6

自然発熱性試験装置（SIT）と手順

自然発熱性試験は㈱島津製作所 SIT-2 装置（Spontaneous Ignition Tester-2）を用いた。外観および構造と測定手順を図 6-6 に示す。本法では、110℃から 180℃に至るまでの時間が短いほど自然発熱がしやすい石炭と評価される。
図 6-7 に自然発熱性の測定結果を示す。A 炭、B 炭は極めて自然発熱し易いランクである。
改質されると自然発熱性は多少改善されるものの、改質炭では未だ危険性があるレベルであり、セミコークは注意を要するレベルである為、今後ブリケット化等により、自然発熱性改善の検討が必要と思われる。

21

200
190
180

温度（ ℃）

170
160
150

B炭

140

A炭

130

B炭改質炭

120

A炭改質炭
B炭セミコーク（VM20%）110

A炭セミコーク（VM20%）

100
0

20

40

60
経過時間（分）

80

100

120

ランク

E

D

C

B

A

T180

<50

50～70

70～85

85～115>115

評価

短期間で発熱

危険性有り

要注意

普通

発熱し難い

図 6-7

原炭、改質炭およびセミコークの自然発熱性の評価

22

(2) 燃焼基礎特性（TGA によるバーニングプロファイル）
熱重量分析計（Thermo-gravimetric Analysis、以下 TGA）は、少量試料を電気ヒーターで加熱し、重量減少変化のパターン（バーニングプロファイル）を測定し、石炭の燃焼基礎特性（着火温度、燃え切り温度）の定性評価が簡便にできる.。図 6-8 に熱重量分析計（TGA）を示す。

試験条件
昇温速度

15℃/min

資料重量

10mg

雰囲気

50mL/min 空

気

図 6-8

熱重量分析計（TGA）

石炭、改質炭およびセミコーク等のバーニングプロファイルを図 6-9 に、バーニングプロフ
ァイルから解析した燃え切り温度等を表 6-5 に示す。A 炭、B 炭は昨年の C 炭より、更に着火性、燃え切り性に優れている。
これらの石炭から製造されたそれぞれの A 炭改質炭および B 炭改質炭もインドネシア亜瀝青炭と同等の燃え切り性を示した。また、今年度は揮発分 20%のセミコークを製造した。A 炭セミコーク（VM20%）および B 炭セミコーク（VM20%）共に、改質炭と同様にインドシア亜瀝
青炭と同等の燃え切り性を示した。両炭からのセミコークは約 550℃で燃え切っている。
また、揮発分 30％程度の豪州瀝青炭に比べ、着火性、燃え切り性ともに優れている。参考に昨年度製造した C 炭セミコーク（VM3%）の燃え切り温度が 680℃であった。
すなわち、原炭の着火性、燃え切り性が優れていれば、セミコークであっても、20%程度の揮発分を保持させれば、燃焼性が悪化しないと想定され、セミコークの弱点であった燃焼性の改善が期待できる。このセミコ－ク大量サンプルを用いた、乱流炉ベンチプラントテストは次年度計画したい。

23

石炭および改質炭のバーニングプロファイル
110
A炭

100

A炭改質炭
A炭セミコーク（VM20%）

90

B炭

重量（％）

80

B炭改質炭
B炭セミコーク（VM20%）

70

C炭

60

C炭改質炭
C炭セミコーク（VM3%）

50

インドネシア褐炭40

インドネシア亜瀝青炭
豪州瀝青炭

30
20

10
0
0

100

200

300

400

500

600

700

800

900 1000

温度（℃）
図 6-9

石炭、改質炭およびセミコーク等のバーニングプロファイル

表 6-5

石炭、改質炭およびセミコークの燃え切り温度等の解析
（単位℃）

A炭
A炭改質炭
A炭セミコーク（VM20%)
B炭
B炭改質炭
B炭セミコーク（VM20%）
C炭
C炭改質炭
C炭セミコーク（VM3%）
インドネシア褐炭
インドネシア亜瀝青炭
豪州瀝青炭

揮発分放出温度 ピーク温度(着火）
260
325
260
320
290
320
260
320
260
330
260
330
280
380
300
440
500
570
240
390
240
420
300
500

24

燃え切り温度
550
550
550
550
550
550
560
560
680
500
550
640

(3) 竪型管状炉（DTF）によるチャーの燃え切り特性
図 6-10 に竪型管状炉（以下 DTF）を示す。DTF は微粉炭燃焼場での燃焼速度基礎特性を把握の為、出来る限り粒子間の相互作用を排除すべく少量の供給量（5g/hr）を実現させ、理想的な温度、空気雰囲気の下に、試料固有の燃焼速度パラメーター（活性化エネルギー、頻度因子）を算定する為の装置である。

図 6-10竪型管状炉（DTF）装置

DTF は電気加熱式であり、最高 1,500℃までの温度調節を上下 2 分割で行うことが可能である。炉体の高さは 1,300mm であるが、有効長（シリコニット加熱部の長さ）は 1,150mm である。電気炉の中には、内径 42mm の SiC 製炉心管が鉛直に設置されており、炉心管をある一定温度に保った状態で石炭を燃焼する。湿式分級で粒径を調整した石炭は、最大 5g/hr で、常温、1.5NL/min の搬送空気と伴に、内径 10mm の水冷バーナを通して、炉心管内に投入される。
一方、700℃に予熱した燃焼空気は、10.5NL/min で、ハニカムで整流した後に炉心管と水冷バーナの間を通して炉内に導入した。燃焼途中の石炭粒子は、炉下部から挿入された内径 10mmの可動式水冷サンプリングプローブで吸引捕集される。
石炭粒子の反応時間は、サンプリングプローブを上下させバーナとの距離を変えることで調節した。本実験では、揮発分の放出後の P5 から P9 の 5 ポイントで粒子をサンプリングし、主にチャー燃焼領域（比較的燃焼後期）の未燃炭素率変化を計測した。それぞれの位置で捕集さ25

れた未燃チャーは工業分析および元素分析を行い、未燃炭素率はアッシュバランス法を用いて計算で求めた。本実験では、基本的にこの 5 ポイントのサンプリングを 1 セットの測定として、
温度条件（800～1,400℃の内 3 条件を選定）、酸素濃度条件 7％、および初期粒径条件 62μm（湿式篩調製粒度 200#~300#）の未燃炭素率変化を詳細に測定した。
① 燃焼プロファイル
評価試験期間の不足により、B 炭および B 炭改質炭およびセミコーク（VM20％）の 3 試料のみの試験を行った。
図 6-11 に B 炭の燃焼プロファイル（滞留時間に対する未燃率）を、図 6-12 に B 炭改
質炭の燃焼プロファイルを、図 6-13 に B 炭セミコークの燃焼プロファイルをそれぞれ示す。
TGA の結果と同様に、B 炭の燃え切り性は非常に良く、800℃の温度でも充分燃え切っている。また、燃焼性が良い B 炭から製造された改質炭およびセミコーク（VM20%）も 900℃から
良好な燃え切り性を示している。

100.00

未燃率（%）

10.00
1.00
0.10
0.01
0.00
0.0

0.5

1.0

滞留時間（sec）

800℃
図 6-11900℃

1,000℃

B 炭の燃焼プロファイル

26

1.5

100.00

未燃率（%）

10.00

1.00
0.10
0.01
0.00
0.0

0.5

1.0

滞留時間（sec）

900℃
図 6-12

1,000℃

1,100℃

B 炭改質炭の燃焼プロファイル

27

1.5

100.00

未燃率（%）

10.00
1.00
0.10
0.01

0.00
0.0

0.5

1.0

1.5

滞留時間（sec）

900℃
図 6-131,000℃

1,100℃

B 炭セミコークの燃焼プロファイル

28

(4) ベンチスケ-ル乱流燃焼炉による低 NOx 燃焼性評価

図 6-14

乱流燃焼炉の概要と諸元

図 6-14 に乱流燃焼炉の概要を示す。乱流炉の内径はφ30cm、炉長は 2.8m である。この実験
炉は、低 NOx 燃焼法として実機で一般的に採用されている二段燃焼法を用いており実機における様々な運転条件に対応できるよう二段燃焼空気の吹き込み位置や空気量を自由に変えられる特長を持っている。
強旋回バーナーを装備することで 6～7kg/h の比較的少量の石炭供給量にも拘わらず、実機並
みのバーナー負荷と自燃の燃焼火炎を実現し、微粉炭燃焼の低 NOX 燃焼性評価が可能である。
炉長方向に約 15cm 間隔で配置された 17 のサンプリングノズルを用い、燃焼過程のガス温度、
炉内ガス、未燃粒子のサンプリングが可能であり、また灰付着ノズルを挿入すれば灰の付着性評価も可能である。近年は、炉内脱硫の為のカルシウム吹き込みやバイオマスの炉内混焼に使用するなど、燃焼に関する多目的な評価が可能である。本共同スタディでは大量サンプルの入手ができた A 炭および B 炭の燃焼性評価として下記の測定を行った。
① 温度測定二段燃焼を行わない条件（全旋回条件）にて温度測定孔からハイアルミナ保護管を被せた白
金-白金ロジウム熱電対にて炉内中心部の温度を測定した。

29

② 排ガス測定
排ガスを煙道入口のガスサンプリング孔から、保温サンプリングラインにより連続分析計に導入して NOx、SO2、CO2、CO、O2 の濃度を連続測定した。
③ 未燃分の分析
各条件にて、ボトムおよびサイクロンにて採取したボトムアッシュおよびフライアッシュ合計の灰中未燃分からアッシュトレーサー法にて未燃炭素率を算出した。
④ 灰付着試験
炉内温度 1,100℃および 1,300℃雰囲気にセラミックプローブ（ハイアルミナ磁性管）を挿入し、炉内に 2 時間暴露させ、付着した灰の付着重量を測定した。
図 6-15 には二段燃焼しない条件（全旋回）での炉内中心部の温度分布を示した。A 炭およびB 炭はバーナから 90cm 付近で最大値 1,330℃程度に達し、炉尻では 1,000℃前後となる通常の
温度パターンである。これは、昨年試験した C 炭の炉内温度の最大値 1,380℃より低い温度となった。この程度の温度の違いに有意差はないが、入熱カロリー等価で石炭供給量を調整しても、揮発分が多く着火が早い石炭は、一般に火炎が広がり、中心部の温度が低い傾向にある為、上記の結果になったと考える。

1,400
A炭
B炭
C炭

1,350

炉内温度 （℃）

1,300
1,250
1,200
1,150
1,100
1,050
1,000
950
900
0

50

100

150

200

バーナからの距離 （cm）
図 6-15

炉内温度測定結果

30

250

300

500

A炭
B炭
C炭
C炭セミコーク（VM3％）
C炭改質炭
インドネシア亜瀝青炭（AD)豪州瀝青炭（NL)
豪州瀝青炭（BA)豪州瀝青炭（MB)NOx （ppm）

400

300

200

100

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

未燃炭素率（%）
図 6-16

低 NOx 燃焼性評価

図 6-16 に低 NOX 燃焼性の評価を示す。二段燃焼各条件による NOx 濃度と未燃炭素率の関係を表したものである。
A 炭も B 炭もバーニングプロファイルで予想された様に極めて良好な低 NOX 燃焼性を示し、インドネシア亜瀝青炭と同等以上であり、また、豪州瀝青炭に比べ、未燃炭素率が極めて低かった。

31

改質炭およびセミコークの実用性の纏め① A 炭、B 炭および C 炭の改質炭は石炭によらず中ボラ PCI グレードに改質され、燃焼性は極めて良好であるので（インドネシア亜瀝青炭並）PCI として利用できる。
② セミコークは製造条件により、低・中ボラ PCI および無煙炭代替グレードまで改質され A
炭および B 炭のセミコーク（VM6~20%）は燃焼性が良好であり、PCI としての利用が可能である。C 炭からのセミコーク（VM3%）は無煙炭代替としての利用が期待できる。

32

実機規模での連続ブリケット製造試験
改質炭は微粉の為、海上輸送や貯炭の為には、ブリケット化してハンドリング性を改善する必要がある。昨年度は、新東工業にて、小型機を用いたブリケット製造試験を行った。ブリケット製造においては試料に応じて運転条件を最適化し、水分調整や有機、無機の添加剤を混練して、成型性や成型強度を高めるのが一般的である。しかし、改質炭は平均粒径が 30μm と大変細かく、嵩比重が小さく、且つポーラスである為、製造ノウハウを有する該社をしても、調湿や添加剤ではスプリングバック現象を抑える事が出来ず、ブリケットが製造できなかった。
また油分分離する前のオイリーコール単味は水分を 40％程度含有し、成型はできるものの製造機のポケットに付着し、連続成型が困難であった。両者を半々程度にブレンドするか、オイリーコールの水分を 20%程度に調湿すれば、添加剤 CMC（Carboxyl Methyl Cellulose Sodium Salt）
を用いて、ブリケット製造が可能な見通しがついた為、今年度は、同じく新東工業にて、C 炭からのオイリーコールを用いてより実機に近いスケールの大型機を用いた連続成型性の確認と添加剤の低減を目的として、ブリケット製造試験を行った。

製造装置の概要
今年度は実機スケールでの製造規模を目指し、大型機を用いてブリケット製造能力 800～
1,600kg/h の条件で試験を行った。今年度の製造機の諸元を昨年度と対比し表 7-1 に示す。
また、製造機の外観を図 7-1 に示す。
表 7-1

ブリケット製造試験機の諸元
小型機（2015 年度）

大型機（2016 年度）

卓上混練機

MSG05

混練機
混練方式
混練容量

バッチ式
L

ブリケット製造機

3.0

90

BGS-OL

BMSⅡ

ロール径

mm

115

520

ポケット列数

列

1 列

4 列

ポケットサイズmm

25×13.5×3

28×25×6.5

ブリケット体積

CC

1.6

6～7

原料供給方式

スクリュー方式33

図 7-1

大型ブリケット製造機の外観強度試験の方法
図 7-2 に示す落下試験は JIS 法に準拠しブリケット 30 個を 2m の高さから鋼板上に 1~3 回落下させ、9.2mm オーバーの残率を測定する。
図 7-3 に圧壊強度試験を示す。装置は木屋式硬度計を使用し、図の様にブリケットを台上に乗せ、ポケット合わせ面より垂直方向から先端φ5mm の棒を平面部に押し当て下降させ、ブリケットが破損した荷重値を圧壊強度とする。

34

図 7-2

図 7-3

落下試験の様子（JIS 法）

圧壊強度試験機

試験結果
本試験では添加剤は CMC のみとし、実機の製造能力 800～1,600kg/h に相当するロール回転数 9～18rpm を設定し、この条件で最適ロール圧力の調整、並びに添加剤低減の可能性を検討した。落下強度試験には JIS 法ではないが、実際のプロセスを想定し 1m 高さからのゴム板への落下試験結果をオプションで追加した。
ロール回転数 9～18rpm、ロール圧力 120kN および 160kN における CMC 添加率と製造歩留
まり、圧壊強度試験結果に関するグラフを図 7-4 および図 7-5 に示す。
ロール回転数を 9rpm、ロール圧力を 160kN に最適化する事により、CMC 添加量 0.5%でも同
添加量 1%と同等の歩留まりや強度が得られることが解った。

35

製造歩留まり（>12㎜） ％CMC % vs 製造歩留まり
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

CMC 添加 ％ロール回転数18rpm, ロール圧力120kN
ロール回転数 9rpm, ロール圧力120kN
ロール回転数 9rpm, ロール圧力160kN
図 7-4

CMC 添加率と製造歩留まり

圧壊強度 kg

CMC% vs 圧壊強度
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

CMC 添加 ％ロール回転数18rpm, ロール圧力120kN
ロール回転数 9rpm, ロール圧力120kN
ロール回転数 9rpm, ロール圧力160kN
図 7-5

CMC 添加率と圧壊強度

昨年度の試験結果から、図 7-6 の①に示す様に、改質炭からはブリケット製造が難しい為、
36オイリーコールからブリケットを製造する場合は、同図②の様に、オイリーコールブリケットから油分を蒸留し、合成油を分離する必要がある。今般試作したオイリーコールブリケットはプロセス中の半製品であり、最終製品ではない。最終製品である蒸留後の改質炭ブリケットも形状が不揃いでかつ欠損があっても、改質炭粉の様に粉塵飛散やハンドリングに支障が無ければ、問題ない。必ずしも家庭用の豆炭の様な綺麗なブリケットを追い求める必要はないと思われる。
従って、オイリーコールブリケットの段階では、蒸留工程に移送するまでに、ある程度の形状をとどめておけば良く、実プロセスを想定した 1m 高さからゴム板上への落下試験では、CMC
添加率 0.5％でもブリケット形状が 90％維持され、更なる添加率の低減が目指せるのではないかと想定する。

図 7-6

検討するブリケットの製造プロセス

37

ブリケット乾留試験
図 7-6 の様に、オイリーコールからブリケットを製造する場合は、オイリーコールブリケッ
トから油分を蒸留し、合成油を分離する必要がある。この蒸留加熱の際、一旦ブリケットに成型した為に、油分の一部がブリケット内に残存する可能性がある為、ブリケットの乾留試験を行い、確認する事とした。
(1) 乾留装置
Cat-HTR の LPP では蒸留条件を常圧、450℃で行っており、オイリーコールブリケットを同一条件で乾留し、乾留前後の重量減少分を合成油重量とする。
乾留装置は、竪型加熱炉（トウェント炉）を用い、窒素気流下、昇温速度 150℃/10 分、450℃
保持時間 30 分の条件で乾留試験を行った。装置の外観を図 7-7 に示す。

図 7-7

乾留に用いた竪型加熱炉とその炉心部(2) 乾留結果
図 7-8 にオイリーコールブリケットの乾留前後の外観を示す。乾留後は光沢が無くなり、機械的強度が増加する（次項）。また、乾留後のブリケットは撥水性を有しており、3 ヶ月の浸水試験後でも初期の形状を保ち、充分な耐水性を有している。

38

乾留前
図 7-8

乾留後
乾留前後のブリケットの外観

表 7-2 にオイリーコールブリケットの乾留による合成油の収率を算定した。オイリーコール
ブリケットからは乾留後、平均で 22.9％の重量減少があり、一方、オイリーコール粉からは23.8％の重量減少が認められた。従って、オイリーコール比で約 0.9％或いは油分ベース 3.8％
（0.9％/23.8％）の油分がブリケット内に残存し、バインダーとしてブリケット強度を向上させているものと推察する。
表 7-2

オイリーコールブリケット乾留による合成油収率

450℃

乾留前

乾留後

合成油収率

g dry

g dry

%

25.40

5.63

22.2%

25.03

5.91

23.6%

49.58

11.60

23.4%

55.52

12.38

22.3%

常圧乾留

オイリーコール
ブリケット

平均
オイリ－コール粉

23.32

22.9%
5.56

23.8%

合成油として燃料油商材となるべき油分の一部がブリケットに取り込まれる事になり、商品価値の高い合成油収率はダウンするが、その分ブリケットの熱量と収率を向上させる。プロダ
クトの商品価値とトータルの経済性の観点から、ブリケット製造プロセスをどの様に仕上げる
か、今後の検討課題である。
(3) 乾留後のブリケットの強度試験
表 7-3 に乾留後のブリケットの強度試験結果を示す。圧壊強度は乾留前の約 5 倍と、落下強度も大幅に向上しており、製品としての充分な強度を有している。

39

表 7-3

乾留後のブリケットの強度試験結果

テストNO.
N=1

kg

3.38

N=2

kg

6.52

N=3

kg

3.80

N=4

kg

7.64

N=5

kg

6.21

N=6

kg

3.96

N=7

kg

4.71

N=8

kg

5.01

N=9

kg

6.36

N=10

kg

3.11

平均

kg

5.07

>9.5mm残率（1回落下）>9.5mm残率（2回落下）

%
%

90.2
77.4

>9.5mm残率（3回落下）>9.5mm残率（1回落下）>9.5mm残率（2回落下）

%
%
%

71.3
100.0
99.6

>9.5mm残率（3回落下）

%

99.4

見掛密度

g/mL

0.95

圧壊強度

落下強度
2ｍ鋼板
落下強度
1ｍｺﾞﾑ

乾留後ブリケット

見掛密度

ブリケット製造試験の纏め(1) 大型機でのブリケット製造について
ロール圧およびロール回転速度等のブリケット製造条件の最適化により、大型機での連続運転および添加剤低減が可能であった。（添加剤 1.0%→0.5％）
但し、ロール回転数を低減すると一機の製造能力が低下するので、添加剤費用と設備コストとの最適化の検討が必要である。
(2) オイリーコールブリケットの乾留について
オイリーコールブリケットを乾留すればブリケットから合成油の分離が可能であった。その際、油分の 1％程度がブリケットに残留する。
乾留後のブリケットは、ブリケットとしての充分な機械強度および耐水性を有している。

40

合成油の商品設計及び水素化難易度に及ぼす石炭の影響
本共同スタディでは、平成２７年度石炭現場ニーズ等に対する技術支援事業「インドネシア
におけるコプロダクション型褐炭改質技術の可能性の検討」（以下昨年度の共同スタディ）の結果及び明らかになった課題に取り組んでいる。昨年度の共同スタディで明らかにした結果と課題の概要を下記する。
褐炭改質により得られる合成油（Cat-HTR プロセスから褐炭改質時に得られる生成油を合成油と呼ぶ）は石油系留分と異なる特性を持ち、特に含有ヘテロ元素や酸価において石油製品の代替として使用するには品質上の懸念がある事。



水素化処理を行う事で懸念となっていた項目の品質改善が進む事。



合成油毎により水素化難易度が異なり、その差が石炭に依存する可能性がある事。

以上の結果を踏まえて、本共同スタディでは取り組んだ内容をは次の通りである。
含有ヘテロ元素及び酸価以外の主要性状が水素化処理によって受ける影響の確認（「8.1
生成油の実用性評価と商品価値の検討」に記述）。



新たな石炭から得られた合成油との特性差の確認と、合成油により水素化難易度が異なる原因を考察（「8.2 石炭による生成油の特性差と水素化難易度差の把握」に記述）。

尚、本共同スタディでは複数の石炭から得られた合成油を取り扱うことから石炭名を表 8-1
に示す。
表 8-1

評価対象の石炭名

石炭名

産出国

備考

A炭

インドネシア

今年度入手品B炭

インドネシア

今年度入手品C炭

インドネシア

昨年度入手品

生成油の実用性評価と商品価値の検討(1) 生成油実用性評価の目的詳細
昨年度の共同スタディでは、合成油は一次水素化処理を行う事で主要な品質上の懸念点である、ヘテロ元素（主に塩素）及び酸価が改善する事を報告した。そこで、本共同スタディでは水素化処理のスケールを昨年度の共同スタディよりも拡大し、ヘテロ元素、酸価以外の項目も範囲を拡大することで、実用性評価を行った。本節では、既存石油製品の規格の主な性状項目において評価をおこなった結果を報告する。

41

① 水素化処理に用いた合成油
本検討では一次水素化処理の原料として昨年度の共同スタディで入手した C 炭由来の合成油を用いた。C 炭由来の合成油をガスクロマトグラフ蒸留法（GC 蒸留）で分析し得られた沸点
性状を図 8-1、元素分析から得られたヘテロ元素の組成を表 8-2 に示す。

700
600

温度（℃）

500
400
300
200
100
0
0

20

40

60

80

留出量（wt%）
図 8-1

C 炭由来の合成油の沸点性状

表 8-2

C 炭由来の合成油の元素組成
単位

合成油

硫黄

wt%

0.3

窒素

wt%

0.73

酸素

wt%

8.4

塩素

ppm

22

42

100

② 水素化処理装置の準備
本共同スタディで用いた固定床式ベンチ装置の例を図 8-2 と図 8-3 に、昨年度の共同スタデ
ィで用いたバッチ式の水素化処理装置（スイング式オートクレーブ）の例を図 8-4～図 8-6 に示す。
バッチ式のスイング式オートクレーブは少量を迅速に評価する事に向いた装置あるため、本共同スタディでは水素化処理量を拡大するにあたり石油精製でも広く利用されている形式の固定床式ベンチ装置を選定した。
固定床型ベンチ装置は、反応器に触媒を充填し原料油及び水素を流通させることで反応を行うシステムである。原料を連続的に流通させることから、スイング式オートクレーブに比べてサンプルを効率よく処理できる事に加えて、触媒の活性変化を継時的に確認できることが特徴
である。

図 8-2

固定床式ベンチ装置全体

43

図 8-3固定床式ベンチ装置の反応器

図 8-4

スイング式オートクレーブ（本体）44図 8-5スイング式オートクレーブ（反応管）

図 8-6

スイング式オートクレーブ（内筒管）

45

③ 水素化処理反応
一次水素化処理触媒には、昨年度の共同スタディで高活性を示した触媒 A を選定した。
④ 水素化油の性状評価
水素化処理前の合成油と固定床式ベンチ装置から得られた水素化処理後の合成油の外観写真を図 8-7 に示す。また、実用性に関わる性状面では、昨年度の共同スタディと同様に船舶用重油規格の項目で一次水素化処理前後の差を比較した。

図 8-7

合成油の水素化処理前（左）と後（右）水素化処理後の合成油の室温における外観は昨年度と同様に水素化処理前と比べて若干淡色化した。また、沸点面では軽質化が確認され、酸価の大幅改善が見られた点も昨年度同様である。それ以外の性状面では水素化処理後の合成油は船舶用重油規格の主要な項目で改善傾向が確認できたことから、全般的な品質改善が進む事が分かった。商品設計の次のポイントは、更に高付加価値な白油製品相当にまでアップグレーディングを行うことが可能かを見極める事、経済的に優位な商品ターゲットを絞り込む事に加えて、水素化処理後の合成油の燃焼試験等、実用性評価を計画していく事であると考える。

46

石炭による生成油の特性差と水素化難易度差の把握(1) 本検討の目的
合成油の水素化難易度の違いは水素化処理装置の建設費に関わるため、事業の採算性に影響する。昨年度の共同スタディにおいて、褐炭改質プロセスに用いる石炭により、得られた合成
油の水素化難易度が異なることが判明した事は上述の通りである。このため、合成油の水素化
難易度が石炭に依存する可能性を検証し、更に水素化難易度の差が生じる要因を抽出することは重要である。この知見を得ることにより、水素化処理が容易な石炭との視点で石炭を選定する事が出来れば、褐炭改質事業時の経済性を高める事が可能となる。そこで、本共同スタディ
では新たな石炭から得られた合成油の水素化難易度を中心とする特性差の把握を行った。
酸素化合物の構造と水素化処理における反応性との間には関係性があることが知られている。
例えば、バイオマス系の熱分解油である Bio Oil では様々な検討が行われており、含有化合物の詳細な分析とそれぞれの反応性に関する検討が実施されている。Bio Oil に含まれる含酸素化合
物とその水素化反応性との関係性を図 8-8 に示す。2 重結合の水素化反応は容易に起こる反応
であり、脱酸素反応よりも低温で進行する。脱酸素反応においては、一般に酸素原子とそれに結合している炭素原子との結合が強いほど反応性が劣ることが知られている。つまり、酸素化合物の芳香族性が高いほど、反応性は劣ることになる。このため、フェノール骨格やジベンゾ
フラン骨格を有する化合物は反応性が悪く、これらを多く含む合成油もまた水素化反応性に劣ることが考えらえる。

出典：Energy & fuel 2007, 21, 1792-1815 より加工
図 8-8

Bio Oil に含まれる含酸素化合物とその水素化反応性との関係性
47

本項では、改質プロセスに用いた石炭と得られる合成油の性状との関係性、および合成油の水素化難易度との関係性について報告する。なお、反応評価は昨年度の共同スタディで課題となった一次水素化処理の評価を行った。

脱酸素率におよぼす石炭性状の影響について
図 8-9 に各石炭からの合成油の一次水素化処理における脱酸素率を示す。A 炭、B 炭に比べC 炭が低い脱酸素率を示した。更に、自主入手した豪州炭および他のインドネシア炭 3 種を加脱酸素率（％）

えた結果でも、C 炭の脱酸素率が一番低い事が解った。

A炭

B炭

図 8-9

C炭

各合成油の水素化脱酸素率

図 8-10 には石炭性状から算定したパラメータ C と合成油の脱酸素率の関係を示す。

10095

脱酸素率（％）

90
85
80
75
70
65
60
55
50
0.5

0.7
図 8-100.9
パラメータC

1.1

パラメータ C と水素化脱酸素率の関係

48

1.3

合成油の水素化難易度の大部分を占める脱酸素率とパラメータ C にはある程度の相関がみられ、今後最適石炭の選定に寄与するものと思われる。

本共同スタディにおける生成油評価のまとめ
本共同スタディでは、商品の燃料油としての評価及び石炭による生成油の特性差とその要因解析を行った。商品の実用性評価においては、本共同スタディのスコープでもある酸価以外の性状も水素化処理による改善が確認できた。
水素化難易度の違いはあるが、どの石炭からの合成油も水素化精製により、合成油中の酸価の低下、有機塩素の低下、粘性の低下等により、既存重油への転換可能性は高い。
二次水素化等による軽油スペック達成等を確認するなどの、更なる高付加価値化を狙う可能性については検討余地が残っている。また、実用性において性状面だけでく、実使用環境に近い条件での測定等を一部取り込んだ計画を作成していく事も課題である。
石炭による生成油の特性差においては、水素化処理を行っていない各合成油の間では類似の特徴を持っており、大きな差は確認できなかった。一方で、水素化反応性については C 炭由来とそれ以外の合成油において難易度差が確認された。今回は、相関するパラメータも抽出できたことからパラメータの深化に加え、褐炭改質プロセスの原料に用いた石炭と得られた生成油の関係性も考察し、石炭選定において、合成油の特徴も織り込んで全体の事業性向上に繋げていくことが今後の課題となる。

49

商業化規模のプロセスと EPC コストの検討
目的
Cat-HTR プロセスは開発段階にあり、現時点でパイロットプラントの処理能力は最大で 8t/
日（乾燥炭ベース、以下同じ）である。本章では、このパイロットプラントの実績等を基に、300 万 t/年規模の商業プラントを想定し、プロセス構成および概略のコストを検討するものとする。
検討は、開発段階の褐炭改質プロセスと、そのプロダクトである合成油から高付加価値の燃料油を製造するためのアップグレーディングプロセスの双方に関して行うものとする。

褐炭改質のプロセスフロー、設備構成の検討(1) 検討の前提条件
前述のように、現時点で Cat-HTR プロセスのパイロットプラントにおける処理量は最大で 8t/
日、すなわち年間稼働日数を 300 日として 2,400t/年である。一方、本章で検討する商業プラン
トの処理能力は 300 万 t/年と、パイロットプラントに対して 1,000 倍以上のスケールアップが必要となる。一般に、化工プロセスの開発においては、規模の拡大に伴い、ベンチプラントやパイロットプラントなど比較的小規模な設備では容易に実施できた工程が、単純な機器のサイズアップでは対応できず、新たな工夫や異なる手法が求められることも少なくない。例えば、リアクター内での均一な流れの確保は適切な反応の維持に重要だが、リアクター径が大きくなるほど偏流が生じやすくなり、均一性の確保は難しくなる。商業規模の固定床リアクターにおいては、分散性の確保のため、内部にディストリビュータを設置するなどの方策が採られるが、本プロセスのようにスラリー状の流体では内部構造物のエロージョンに注意が必要であり、内部構造の開発や、リアクター形態そのものの再考が求められる可能性もある。従って、商業規模のプラントの機器構成や機器の仕様は今後の開発成果に基づいて決定されるものであって、現時点でその具体的な詳細を見通すことは困難である。
一方で、Cat-HTR プロセスの開発元である IER は処理能力 5 万 t/年の実証プラントのスタデ
ィを実施しており、この設計を基に、将来的には 10 倍のスケールアップによって 50 万 t/年の商業プラントを建設することを計画している。この規模のプラントを 6 トレイン並列に設置す
れば、300 万 t/年の褐炭処理は可能である。該社は基本的な機器構成は不変のまま、5 万/年の実証プラントの建設および更なるスケールアップが可能と考えていることから、本検討もこの考え方に準じ、8t/日パイロットプラントの実績および 5 万 t/年実証プラントのスタディ結果をベースに、50 万 t/年の商業プラントを検討し、全体で 300 万 t/年の処理能力を有する工場を想定することとした。

50

(2) パイロットプラントのプロセスフロー
本項では、検討のベースとなるパイロットプラントのプロセスフロー、機器構成・仕様等について述べる。
① プロセスフロー
パイロットプラントのプロセスフローを図 9-1 に沿って上流から述べる。
原料の褐炭は粗砕後、ロッドミルで微粉砕され、微粒子の状態で水と混合される。スラリー状の原料は一旦タンクにストックされた後、スラリーポンプで昇圧されて反応塔に送られる。
ポンプと反応塔と間には熱交換器が設けられており、ここで加熱されたスラリーは 350～450℃、24MPa で反応塔に導かれる。この温度圧力は水の臨界点（374℃、22.1MPa）前後の亜臨界～超臨界条件であり、加水分解反応によって褐炭の改質が進む。
反応後、スラリーは空冷クーラーで冷却され、レットダウンバルブで減圧される。改質過程で生じた CO2・H2 等のガスと、減圧に伴って発生した水蒸気は、レットダウンバルブ下流のフラッシュタンクでスラリーと分離され、可燃ガスはフレアスタックで処理される。一方、スラリーには改質炭のほか、多量の水分および合成油が含まれているため、まず回転式真空フィル
ターで水分を取り除き、合成油を含んだ石炭分（オイリーコール）を分離する。その後、このオイリーコールを常圧蒸留ドラムで加熱し、油分を気化させることで、最終的なプロダクトである改質炭を得る。蒸留で気化・分離された油分はコンデンサで冷却・液化し、ドラムで回収
する。

図 9-1

Cat-HTR パイロットプラントのプロセスフロー

51

(3) 商業プラントの想定
IER は Cat-HTR プロセスの商業化を 2020 年代の初頭と位置づけ、まず、年間処理能力 5 万 t（乾燥炭ベース）の実証試験プラントを建設し、運転研究を行う予定である。その後、実証プ
ラントの十倍規模の商業機単機（乾燥炭 50 万 t/年）までのスケ－ルアップを行い、これを 6 機
並べて乾燥炭 300 万 t/年規模での商業化を目指している。
IER は、今後の開発を通じて、廃熱回収による省エネルギー化や、腐食・エロージョン対応
等の設備改良を進める予定だが、基本的なフローや装置構成の見直しは計画されていない。従って、本共同スタディでは、基本的に前項で述べたパイロットプラントがスケールアップされる前提で検討を進めることとする。

出典：IER 資料を加工
図 9-2

Cat-HTR プロセスのスケールアップ計画

52

合成油アップグレーディングのプロセスフロー、設備構成の検討
ここでは、Cat-HTR プロセスで、改質炭とともに副生する合成油の活用について考察する。
(1) これまでの検討結果
昨年度の検討では、合成油の性状分析を通じ、通常の原油と下記の点が異なることを明らかにした。
・原油に比べて、密度が高い。
・原油に比べて、流動点が高い。
・原油に比べて、硫黄量が低く、窒素量が高い。
・原油にはほとんど含まれない酸素が含まれる。
・原油にはほとんど含まれない有機塩素が含まれる。
・原油に比べて、酸価がきわめて高い。

9

5

0.5

4.5

0.45

350

8

300
250
S

w 4
t 3
%
2

N

200

O

150

Cl

C
L

p
p
100 m
50

1
0

0
KERO

LGO

4

0.4

3.5

0.35

3

0.3

2.5

0.25

S wt%

7
S
N 6
O 5

2

0.2

1.5

0.15

1

0.1

0.5

0.05

0

0
Naph

VGO

KERO

LGO

VGO

VR

出典：加部利明（2000）
水素化精製-Science & Technology-, アイピーシー

図 9-3

各留分における合成油（左）と原油（右）の含有元素の比較

特に酸価については船舶用重油規格（IFO RMG380）の上限値を大きく超えており、また腐食への影響が大きい塩素も含まれている。原油の場合、塩素は水洗浄で取り除くのが一般的だ
が、合成油は熱水で洗浄しても抽出されにくかった。
合成油の燃料利用に際して課題となるこれらの性状を改善するため、昨年度は劣質な油の高品質化に広く用いられる水素化処理技術の適用を試みた。具体的には、石油精製・石油化学の水素化処理で汎用される触媒を用い、同様の条件で反応させた結果、酸価・塩素濃度とも低減可能であることを確認した。このように高酸価の原料油を水素化処理により品質改善する試み
はバイオマス由来の燃料でも行われており、酸価を低減した事例が報告されている （1）。そうした類似例からも、既に普及している石油精製プロセスを応用して合成油を水素化処理すること
は、現実的な品質改善手段と考えられる。
更に、昨年度の検討では、水素化処理で得られた改質油分に二次水素化処理を施すことで、より付加価値の高い軽質留分が増加することも明らかにした。この二次水素化処理も石油精製
53

N wt%

・原油に比べて、金属（V、Ni）が少ない。

で広く用いられる技術である。一次水素化処理の主眼がヘテロ化合物などの除去による品質改善であるのに対して、二次処理は原料油を分解・軽質化し、ガソリン・石油化学原料等に転換することを目的としており、一般に前者は水素化精製、後者は水素化分解と呼ばれている。
上記を踏まえると、Cat-HTR プロセスで副生する合成油は、そのままでは自動車や船舶等の燃料に利用するのは難しいものの、石油精製の一次・二次水素処理技術を応用すれば、軽油やガソリンなどの高付加価値油に転換することも可能と想定される。
(2) 合成油処理の選択肢
前述の通り、合成油は水素化処理によって品質の改善が可能だが、事業化に際しては、以下のように複数の選択肢が存在する。
ケース 1）合成油としてそのまま出荷
ケース 2）簡易水素化して代替原油として出荷
ケース 3）水素化処理をして酸価等の特性改善を行い重油として出荷
ケース 4）水素化分解を行って通常の揮発油と同じ性状までアップグレードして出荷
ケース 5）水素化分解で得られたナフサ留分から化学品（BTX 等）製造して出荷
合成油をそのまま出荷するケース 1）は最もシンプルである。プロセスに追加は無く、出荷
設備、用役設備、環境設備程度を付加すれば良い。ただし、合成油は市場に流通する原油に比較して一部の規格が大幅に逸脱しており、大幅あるいは多少ディスカウントしても実際に購入する製油所があるか否かは不明である。
ケース 2）は原油規格程度までの簡易水素化により、代替原油とするものであり、ケース 3）
は、一次水素化処理を施せば、酸価等の規格から大きく外れる特性が改善されるとともに、流動性も未処理油に対して向上する。標準的な水素化処理設備のフロー、設備構成を図 9-4 に示す（2）。改質後の合成油は重質であり、かつ原油の段階から硫黄分は少ないため、LSC 重油相当の商品となるものと想定される。
C 重油の商品価値が相対的に低いことを鑑みて、ケース 4）の水素化分解まで実施すれば、より付加価値の高い軽油とガソリンを製造することができる。具体的な適用技術としては一般的な固定床触媒による改質のほか、循環流動層を用いた接触熱分解（FCC）も考えられる。固定床リアクターによる標準的な水素化分解プロセスフロー例を図 9-5 に示す（2）。
更なる高付加価値化を目指すのであれば、ケース 5）のようにナフサ留分（ガソリン留分）
を化成品化するケースも想定される。この場合、基礎化学品である BTX を異性化反応で生成する改質反応工程と BTX の各成分を分離する為の蒸留設備を設置することになる。
このように、後のケースになるほど製品の付加価値は上がり、販売による収入が増えるが、設備投資額も増加する。従って、初期投資も含めた全体の収支を比較しながら、最適なケースを検討する必要がある。

54

55

図 9-5

標準的な水素化処理設備プロセス例

標準的な水素化分解プロセスフロー例

図 9-4

商業プラントの概略フローと物質収支
商業プラントの建設費算出に際しては、褐炭改質プロセスそのものだけでなく、そこから副生する合成油の処理設備、排ガスや排水を処理するためのオフサイト設備、製品の出荷設備など、付帯する様々な設備のコストを考慮しなければならない。従って、積算に先立ち、どのよ
うな設備をどの程度の規模で設置すべきかを、付帯設備を含め決める必要がある。
9.2 および 9.3 の考察に基づき、積算の前提となる商業プラントのプロセスフローを設定するとともに、概略の物質収支を検討した。この物質収支をベースとして、次項の 9.5 で各設備の規模（処理能力）を設定の上、概略の設備コストを算出した。

設備コストの検討(1) 前提条件① ロケーション条件
設備コストを検討する上で、ロケーションの想定は重要なファクターである。プラントをどのような場所に設置するかによって必要な設備や敷地面積などは変化する。褐炭改質および合成油アップグレーディングプラントでは概ね下記のケースが想定される。
ケース A. 褐炭改質から合成油のアップグレーディングまで、全て炭鉱の山元で行い、製造した改質炭及び燃料は陸上出荷する。
ケース B. 褐炭改質・合成油のアップグレーディングとも既存製油所の敷地内で行う。
褐炭は陸上/海上ルートで製油所まで搬送する。
ケース C. 褐炭改質は炭鉱の山元で行い、改質炭を陸上出荷する一方で、合成油は既存の製油所まで搬送し、そこに設置したプラントでアップグレーディングする。
それぞれのケースの主なメリット・デメリットを纏めると表 9-1 のようになる。

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表 9-1
ケース
ケース A.
山元一括設置ケース B.
製油所一括設置

ケース C.
山元・製油所で設備分割

各ケースのメリット・デメリット

メリット
・褐炭の長距離輸送が不要。
・敷地の確保が比較的容易。

デメリット
・付帯設備も含め、プラント一式を新設する必要がある。
・工業用水・電力など、工業地域であれば利用できる工業イ
ンフラを自前で整備する必要がある。
・製油所に余力があれば、水素 ・十分な空地が無い場合、土地製造装置や排水処理設備、タンの確保・造成が必要。
クなど、既存の付帯設備を活用 ・褐炭の長距離輸送が発生する。
できる。
褐炭には 50wt%程度の水分が・工業用水・電力などの既存イ含まれているため、改質炭の 2
ンフラを利用できる。
倍の重量を輸送する必要があ・臨海部で海上出荷設備が整っり、コスト高となる。
ている場合が多く、製品輸送が容易。
・褐炭の長距離輸送が不要。
・製油所に十分な空地が無い場
・製油所に余力があれば、水素合、土地の確保・造成が必要
製造装置や製品タンクなど、既 ・排ガス処理設備、制御室など、存の付帯設備を活用できる。
一部設備は両サイトに新設が・製油所に海上出荷設備が整っ必要な場合がある。
ている場合が多く、燃料製品の ・廃熱・副生燃料ガスなどのカ輸送が容易。
スケード利用がしにくい。

上表の比較はあくまでも一般論であり、いずれのケースが最も合理的であるかは、実際の鉱山・製油所を特定し、そのサイトの条件を踏まえた上で判断する必要がある。
本検討では、ケース A.を前提に設備投資額の概略積算を行う。ケース A.を選択する理由は以下の通りである。
◇ケース B.、C.は製油所の設備構成や余裕、空地の有無などの個別条件によって結果が左右され、現時点の検討にそぐわない。
◇ケース A.の場合、全ての設備が積算対象となるため、具体的な検討の際に必要な設備の金額を取捨選択することで、検討結果を柔軟に活用することが出来る。

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簡易経済性の検討
検討する事業モデル
300 万 t/年（石炭乾燥基準処理量ベース）の処理能力の褐炭改質設備を山元に建設する事を想定し、今年度に改質実験を行った A 炭、B 炭の 2 種に 2015 年度の共同スタディで改質実験を行った C 炭を加えた 3 種の石炭で事業モデルを検討した。
A 炭は鉱山から 100km 先の港に改質炭を輸送し、液体製品は 600km 先の製油所に輸送するとした。B 炭は鉱山から 25km 先の港に改質炭を輸送し、液体製品は 25km 先の製油所に輸送するとした。C 炭は鉱山から 200km 先の港に改質炭を輸送し、液体製品は 300km 先の製油所に輸送する事を想定した。
改質炭は港から輸出すると考えてシンガポール FOB 価格とし、液体製品は Pertamina との引き取りを想定した為、取引価格にはシンガポール FOB にシンガポール－インドネシア間の輸送費＝1.5US$/t を加えた価格を設定した。
液体製品としては褐炭改質プロセスから直接得られる合成油、合成油を水素化して得られる重油、装置コスト低減のために合成油の水素化条件を下げて製造される代替原油、重油を水素化分解して得られる軽油とナフサ、ナフサを脱水素して得られる化学品（BTX）を検討した。
重油、軽油、ナフサ、化学品は市況商品であるが、合成油と代替原油は市場に流通しない相対売買の商品である。合成油や代替原油といった低品位の液体燃料を製油所の設備を使用して製品の付加価値を上げて販売するケースも考えられるが、その付加価値アップは製油所側に帰属すると考え、本検討は製油所に納入するまでを対象とした。

経済性検討の纏め(1) 事業想定
石炭鉱山は A 炭、B 炭および C 炭を想定し、褐炭改質および合成油の精製工場を山元に立地
し、改質炭はブリケットにして近隣積出港 FOB 渡し、合成油は、未加工または水素化精製して近隣の Pertamina 製油所に持ち届ける。
(2) 主要ベース条件
改質事業規模 300 万 t/年（乾燥炭ベース）、原油価格：80US$/bbl、A 炭石炭価格 30US$/t、B
炭石炭価格 35US$/t、C 炭石炭価格 35US$/t を想定。
(3) 試算結果の概要①

PJ-IRR は合成油収率が高いほど高く、A 炭使用ケースが最も高かった。

②

どの石炭を用いても、合成油を水素化精製し、軽油/ナフサもしくは軽油/化学品（BTX）
を製造するケースの経済性が良く A 炭使用ケースでは PJ-IRR は約 23%となった。
B 炭使用ケースでは同約 17%、C 炭使用ケースでは同約 14%にとどまった。
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(4) 主要影響因子の感度分析
石炭および製造する製品によって必ずしも同じではないが、主要影響因子の IRR への影響は大略以下の通りとなった。
① 原油価格が 10US$/bbl 変動すると IRR は概ね 5 ポイント変動する。
② 石炭価格が 5US$/t 変動すると IRR は概ね 2 ポイント変動する。
③ Cat-HTR 設備建設コストが 10%変動すると IRR は概ね 1.7 ポイント変動する。
仮にハードルレートを PJ-IRR 15%と想定し、A 炭使用して合成油を水素化精製し、軽油/ナ
フサもしくは軽油/化学品（BTX）製造するケースで IRR が 15%を上回る条件は、以下の様になり、事業成立には比較的クリアしやすい条件と思われる。
・原油価格

67US$/bbl 以上

・原炭価格

50US$/t 以下

・設備費

Cat-HTR 設備費+30%増額以下

A 炭を使用し、重油を製造するケースでは、同 15%を上回る条件は次の様になり、事業成立には原油価格 100US$/bbl 以上と原炭価格の低下が欠かせない事がわかった。
・原油価格

100US$/bbl 以上

・原炭価格

25US$/t 以下

・設備費

Cat-HTR の設備費-20%以上の減額が必要(5) その他の因子の検討
この様に、最も影響のある因子は原油価格であり、これが高い状況ではいずれの石炭の場合でも経済性が非常に良くなるが、これは外的要因でありコントロールができない。
我々が経済性にとって重要かつ、我々の制御できる因子を以下の 2 つがある。
①

製品を搬出する港湾に近い鉱山を選ぶ事②

褐炭改質工程において、合成油収率が高い石炭を選ぶ事
前者は輸送費を下げるためであり、量の多い改質炭を運ぶコストが収支に与える影響が大きい。後者は付加価値の高い液体製品を多く得るために重要である。また、今後の検討のレベルアップに応じて設備費の精度を上げる必要がある事、（市場にない合成油や代替原油を製品化する場合は）取引先と価格交渉が重要である事、が挙げられる。
物質収支、エネルギー収支、建設費試算などの今回のエンジニアリング的検討でわかった事として以下が挙げられる。
③

水溶性有機物や分解ガスなど、排水や排ガスとして排出される有機物の量が無視できない
大きさである。

④

排水や排ガス中の有機物をエネルギー源や水素源として有効に回収すれば建設費の面でも変動費の面でも有利になる。特に山元にプラントを建設する場合は、環境設備と用役設備の相互を考慮して全体プロセスを設計する事が建設費低下、すなわち投資額低下につながる。

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本共同スタディの纏めと課題
本共同スタディの纏め(1) 2016 年度共同スタディ成果の概要
2016 年度共同スタディ成果の概要を下記に示す。
①

PJ の経済性を高める最適炭の性状を明らかにした。
本褐炭改質 PJ の経済性を高めるには、合成油の収率が高く、かつ水素化精製がし易い石炭が望まれる。選定指標として提案したパラメータ M およびパラメータ C を同時満足す
る性状範囲の石炭が最適炭となる事を示唆した。

②

プレ FS により最適事業モデルを明らかにした。
ベース条件（山元立地、乾燥炭処理規模 300 万 t/年、原油 80US$/bbl 想定）で経済性試算を行い、合成油を精製して、軽油・ナフサを製造するケースの投資効率が最も高い事を明らかにした。最適炭を使用した場合、PCI 炭約 180 万 t/年、軽油・ナフサ約 68 万 t/年が製造できる。設備投資額は約 1,300 億円、PJ-IRR は約 22％となる。

③

PJ の経済性に影響を与える原油価格を算定した。
原油価格が 10US$/bbl 上昇すると IRR は概ね 5 ポイント上昇する。仮に PJ のハードルレ
ートを IRR=15%と設定すると、原油価格 67US$/bbl 以上あれば、ハードルレートを上回り、事業として成立可能である事がわかった。

(2) 計画業務内容の実施状況
本年度の共同スタディにおいて、インドネシアの試験炭を改質先（豪州および中国）へ移送するのに時間を要したが、本共同スタディの主目的である「石炭の影響把握」と「事業性プレFS」等は予定通り終了し、以下に個別内容に対する実施結果を示す。
(3) プロダクトの商品設計の深耕について①

プロダクトの実用性評価の深耕･ 改質炭/セミコークの PCI 代替評価および実油性評価
A 炭および B 炭から改質炭は石炭によらず揮発分 20%、発熱量 7,000kcal/kg（GAD）程度、セミコークは乾留条件により揮発分約 6～20％、発熱量 6,900～7,300kcal/kg（GAD）
が製造された。これらプロダクトの小型燃焼装置での燃焼性はインドネシア亜瀝青炭並みであり、改質炭/セミコークともに PCI 代替として有望である。また、大量サンプルによる実用性評価は今後検討する。
・合成油の自動車燃料としての評価および実油性評価
A 炭および B 炭から合成油は水素化脱ヘテロを経て重油留分に、水素化分解を経て軽油留分となるが、水素化脱ヘテロ油はほぼ市場の重油にミートしたスペック性状に転換できる可能性を得た。一方、軽油留分としは、オクタン価など現時点では全てのスペック性状をクリアしていないが、ポテンシャルは充分ある事がわかった。大量サンプルによる実用性評価は今後検討する。
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②プロダクトの用途拡大の検討
・鉄鋼用炭素材・バインダーおよびケミカル用途等の検討
セミコークは揮発分が 3～6％と低く、鉄鋼用の無煙炭代替としての可能性はある。また、合成油の構造解析からは含酸素官能基（フェノール等）が確認されたが、ケミカル素材として利用可能な分離・抽出処理等が可能か今後検討していく。

③

石炭の影響把握（合成油性状等）
・石炭と合成油収率の相関
合成油収率は石炭により 20％～29％であり、インドネシア炭の合成油収率は豪州炭に比べ高かった。これは 1t の乾燥炭から 1.2～1.7bbl の合成油が得られる事に相当し、この収率の差は事業の経済性に大きなインパクトを与える。当初この理由は、インドネシア炭に多いリプチナイト含有量が合成油収率と相関があるのではないかと仮説を立てたが、これだけでは良い相関が得られなかった。
種々の相関指数を検討した結果、石炭物性から算定したパラメータ M と合成油収率の相関が高かった。
・石炭と水素化難易度について
合成油には、高濃度の酸素（原油の 10～20 倍）、窒素、硫黄、有機塩素（原油にはない）などのヘテロ元素や重質成分が含まれるので、合成油を燃料油にする為には、一段目の水素化処理（水素化脱ヘテロ）とこれに続く二段目の水素化分解による軽質化が必要である。
しかし、一段目の水素化脱ヘテロは、石炭により水素化難易度（脱ヘテロ率）に違いがあることがわかった。C 炭からの合成油は脱ヘテロ率が低く、A 炭および B 炭からの合成
油は他炭と同様に脱ヘテロ率が高かった。
脱ヘテロ率が低い場合は、水素化条件が厳しくなり、設備費用が高くなる為、経済的に不利となる。本共同スタディでは、水素化脱ヘテロの難易度に影響する石炭の性状（パラメータ C）を提案した。.

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④

大型機でのブリケット製造試験
実機スケールの大型機を用いオイリーコールからブリケットの製造は可能であった。製造条

件を最適化すれば添加剤の減量が可能だが、製造能力の低下を伴う。経済的な観点から添加剤
量と製造能力の最適化の検討が必要となろう。
また、このオイリーコールブリケットを乾留すれば、合成油と高強度のブリケットが得られるが、熱処理によりブリケット中に 1%程度の合成油が取り込まれることが解った。
(4) インドネシアでの事業性検討（プレＦＳ）について① モデルケース毎の経済性評価
A 炭、B 炭、C 炭のいずれの石炭でも、ケース 4（改質炭/軽油/ナフサ）が他のケースよりも高い PJ-IRR となった。
② 石炭毎の経済性評価
3 石炭の内、A 炭の PJ-IRR が最も高かった（高合成油収率、低廉な石炭価格に起因）。
ケース 4 の場合の PJ-IRR 序列は A 炭 23.1%＞B 炭 17.2%＞C 炭 14.4%となり、石炭間で格差はあるものの原油 80US$/bbl のベース条件では、概ね事業性は見込めるのではないかと思われる。
③ 主要因子の感度分析
・原油価格が 10US$/bbl 変動すると IRR は概ね 5 ポイント変動する。
・石炭価格が 5US$/t 変動すると IRR は概ね 2 ポイント変動する。
・仮にハードルレートを IRR 15%と想定し、A 炭でケース 4 の IRR が 15%を上回る条件は、
原炭価格 30US$/t を維持できれば原油価格 67US$/bbl 以上、原油価格 80US$/bbl になれば原炭価格 50US$/t 以下であり、事業成立には比較的クリアしやすい条件と考えられる。

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今後の検討課題
2016 年度の結果を踏まえ、今後は、大量サンプルによるプロダクトの実用性評価とともに最適プロセスの評価選定と設計、EPC コストの削減、最適立地および最適炭の選定等を主体とした 2 次 FS を行い、事業性評価の確度を高めていきたい。
以下に検討する課題を列挙する。
①

商品設計の観点
・PCI 代替や、燃料油としての大量サンプルによる実用性能評価の実施
・改質炭およびセミコークの PCI 以外の高付加価値利用用途の見極め（無煙炭代替等）
・合成油の燃料用途以外の高付加価値化転換技術の見極め（化学品素材、バインダー等）②

最適プロセス設計の観点
・最適水素化精製プロセス（高酸素合成油に適用可能）の選定とその設備費用の精査
・ブリケット製造技術の最適化とブリケットプロセスの概念設計
大型機試験（最適製造条件、添加剤低減、安価な添加剤検討）および実プロセス概念設計
・全設備コストの精査とコスト低減法の検討③

最適炭および最適立地地点選定の観点
・最適炭の選定
提案したパラメータを基に性状を絞り、安価かつ資源量のある石炭の選定
・最適立地地点の選定
候補炭山元および近郊で有利なインフラ（交通/エネルギー）を有する具体的地点の選定④

2 次 FS の実施①～③の検討を基に、プレ FS に比べ確度の高い FS を実施する。
・EPC コスト（Capex）、製造コスト（Opex）の精査
・最適立地地点における今年度明らかにした事業モデルの検証と経済性試算の実施
・具体的な事業パートナーやオフテーカー等の検討
一方、ALDP*（Advanced Lignite Demonstration Program）補助事業としての Cat-HTR プロセスの石炭での実証試験が取りやめになり、早期スケールアップの機会を逸したが、これに替わり、石炭以外の原料（バイオマス、廃プラスチック）を用い合成油製造を主体とした実証機や商業機へのスケールアップ計画がある。技術的な見地からはその進捗動向および建設コストなどを注視しておきたい。
また、インドネシアの石油会社は自国の褐炭から、燃料油が製造できる Cat-HTR の技術と本事業化共同スタディに興味を持っており、合成油精製燃料の商流に重要な位置を占めるので、今後もコンタクトを継続する。
以上*ビクトリア褐炭を用いた新しい褐炭改質プロセスの開発を目指し、豪州政府およびビクトリア州政府が事業費の一部を補助する実証事業。Cat-HTR プロセスは ALDP に選定され 2016 年度から 3 年間実証試
験を行う予定であったが、環境アセスの長期化により手続きが進まず、IER は昨年秋 ALDP 辞退を表明。

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引用文献一覧（1）壱岐英, 井口靖敏（2012）水素化バイオ軽油（Bio hydro‐fined diesel:BHD）技術の開発－パーム油の水素化脱酸素反応と BHD の自動車燃料適合性－,J Jpn Pet Inst.,Vol.55,NO.6（2）（社）石油学会（2003）石油精製プロセス,講談社（3）日本機械輸出組合 PCI/LF 委員会（2016）2016 年 PCI/LF 報告書, 日本機械輸出組合（4）大原宏光（2016）プラント概算見積の基本と実際,日本コスト学会第 15 回コストエンジニア
リングセミナー64