Transcript PPT

高剪断力による含有水分の脱水技術と
予熱噴霧技術の組合せによる
褐炭の高効率利用
株式会社 KEM
1
何故今褐炭の有効利用が必要なのか
メリット
１．褐炭の可採埋蔵量は、利用可能石炭量の４７％
２．地表近くに賦存するために採掘が容易で安価
デメリット
１．水分を多く含んでいる（３０～７０％）
２．乾燥すると自然発火する（輸送・貯蔵が困難）
３．３０～７０％の含有水分のために低い熱効率
2
褐炭の脱水方法（従来技術）
１．高温燃焼排ガスによる乾燥（微粉炭及び粗粒
炭）
ドイツ、豪州、USAで実用化
２．200℃以上の加熱下での加圧脱水
豪州で開発段階のプロセス
３．300℃の高温熱水による水分抽出（短い装置寿
命）
１．～３．の技術では、褐炭中の水分残存量は、
依然として30％。（電発・日揮が開発）
４．高温の鉱油による煮沸脱水（100％に近い脱水）
3
褐炭の新しい脱水技術（KEM
法）
• 石炭構造に吸着した結晶水の解離
(加熱及び石炭構造に対する強い剪断力に
よって水と石炭組織間のファンデェアワールス
結合の解離。)
• 石炭の細孔とひび割れ内にある浸透水
の排出
(強い剪断力による石炭の細孔とひび割
れの破壊。)
4
褐炭の有効利用プロセススキーム（KEM法）
5
褐炭からのCWM製造
従来法
○ 褐炭を粉砕し水を混ぜてスラリーを作る。
この方法では、スラリー製造のために添加される水分に石炭
に含めれている水が上乗せされるために、水分濃度が全体の
５０％を超えるので、燃焼効率やガス化効率が著しく低下。
ＫＥＭ法
○ 褐炭に含有されている水分を石炭組織外に排出させ、得ら
れた水分をスラリー用水として利用するために瀝青炭から作
られるスラリーと同等の水分濃度のスラリーが得られる。
6
褐炭からのCWM製造試験
ー原料インドネシア褐炭の性状ー
wt.% (as
received)
Mois
t.
Ash
wt.% (dry basis)
C
H
O
N
S
Indonesian
(ID) Coal
22.2
4.93
66.03
5.19
20.59
1.37
0.39
Loy Yang
(LY) Coal
59.0
0.37
67.28
4.97
25.34
0.60
0.28
7
インドネシアの褐炭からのCWM製造
(原料褐炭の概観)
20-150mm
0.5 mm
8
原料褐炭からCWM製造経過
インドネシア褐炭の粉末(Φの0.5mmの下)
ゼオライト製造試験用ニーダーを用いての製造実験
始めの状態
終わりの状態
（微粉炭＋10％の水）
（４８．６％水分）
9
熱と剪断応力処理の後の外観
（インドネシア褐炭）
(反応状態: 170℃、5時間、剪断力: <0.1MPa、圧力10kg/cm2)
粘度:
680mPa・ s
10
インドネシア褐炭のCWM
(48.6%の水分)
11
Loy Yong 褐炭からCWM製造
(原料)
12
スタート時の原料褐炭の外観
Loy Yong褐炭の粉末(Φの0.5mmの下)
13
熱と剪断応力処理の後の外観
(反応条件: 温度 170℃、5時間、剪断力 0.1 Mpa、圧力10kg/cm2)
空気を含んだエマルジョン
脱泡後の粘度: 360 mPa・ s
14
高剪断力粉砕・脱水・スラリー化装置
（内容積２００リットル：１５KWモーター）
（内容積２０リットル：５．５KWモーター）
写真 高剪断力・常温・常圧ニーダー
写真 高剪断力・高温・高圧ニーダー
15
高剪断力・常温・常圧ニーダーでのLoy Yong褐炭のスラリー化
― 処理時間 ４時間 ー
水分５６％, 粘度 １３５ mPa・ｓ
空気を含んだエマルジョン
脱泡後の粘度: 135 mPa・ s
16
剪断応力と処理時間との関係
(Loy Yong 褐炭 : 処理温度 170℃）
（Loy Yong 褐炭　: 処理温度 170℃, 10kg/cm 2 ）
処理時間　(分)
1000
100
10
圧力 10kg/cm2
1
0
0.2
0.4
0.6
剪断力　(MPa)
0.8
1
17
CWM予熱噴霧装置の必要性
従来法（予熱器無し）
○ ガス化炉内部においてスラリーの水分が蒸発する
ために蒸発潜熱が必要で、ガス化炉内部からこの
熱を取るためにガス化温度が低下するのでガス化
効率が低下する（水１kg当り約550kcal）。
ＫＥＭ法（予熱器有り）
○ ガス化炉の外でスラリーの水分を蒸発させ、微粉
炭と蒸気の気固系でガス化炉に吹き込むために水
の蒸発によるガス化温度の低下が無く、乾式ガス化
（微粉炭を窒素ガスでガス化炉に供給する方法）と
同等かそれ以上のガス化効率が期待できる。
その理由は、高温領域では水蒸気が反応物質とし
18
て働くためである。
CWM予熱噴霧の効果（１）
予熱による含水分の蒸発効果の差による火炎の差異
（ノズル φ６ｍｍ）
エチレングリコール水系の
直接噴霧
エチレングリコール水系の
270℃予熱噴霧
19
CWMのガス化（予熱噴霧なし）
水分５０％のCWM
ノズル φ2mm
20
CWM予熱噴霧の効果（２）
Cool gas efficiency,　%
冷ガス効率
100
90
lines;　simulated
plots;　experimental　values
pressure; 0.05~1 MPa
CWM; 270℃ preheating case
80
Ethylene Glycol + Water; preheating case
70
60
50
CWM; no preheating case
40
Ethylene Glycol + Water; no preheating case
30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Heat　loss,　%
ヒートロス
Relation of cool gas efficiency and heat loss
21
CWM予熱噴霧の効果（３）
酸素消費量
Oxygen Consumption, %
150
Ethylene Glycol + Water
140
ReactionTemperature;　1300℃
130
no preheating
120
110
100
preheating (270℃)
90
80
0
5
10
15
20
25
Heat loss, %
ヒートロス
Relation of Oxygen Consumption and Heat Loss
22
CWM予熱噴霧装置概要図
４ｔ／day CWM噴霧
第2加熱器最初の
加熱管内径＝ 2mm
蒸発部位の流速
第二，第三加熱器内
Max．＝ 30 m/sec
Min．＝ 10 m/sec
23
CWM予熱噴霧装置の写真
24
Loy Yong 褐炭CWMの予熱噴霧状況
25
インドネシア褐炭のガス化(計算値）
CWM水分含有量と酸素供給量の関係
必要酸素量（O2/coa l)
スラリー水量と必要酸素量
1.1
1
通常のスラリー製造法 （原炭(含有水）＋水）
0.9
高剪断力ニーダー法によるスラリー製造　（乾炭ベース＋水）
0.8
0.7
高剪断力ニーダースラリー化法とスラリー予熱噴霧の組合せ
（乾炭ベース＋水）
0.6
0.5
38%
40%
42%
44%
46%
48%
スラリー水量（ｗｔ．％）
50%
52%
26
インドネシアの褐炭のガス化
CWMの水分含有量と冷ガス効率の関係
スラリー水量と冷ガス効率の関係
90
冷ガス効率（％）
85
高剪断力ニーダー法とスラリー予熱噴霧の組合せ (乾炭ベース＋水）
80
75
高剪断力ニーダーによるスラリー製造法　（乾炭ベース＋水）
70
65
従来のスラリー製造法　（原炭＋水）
60
55
38%
40%
42%
44%
46%
スラリー水量（％）
48%
50%
52%
27
褐炭スラリー利用石炭ガス化におけ
る経済性比較（褐炭スラリー化と予熱噴霧）
28
まとめ
○ （株）KEMの高温・高圧・高剪断力ニーダーによって、
褐炭に含まれている水を使用できるので、瀝青炭のCWM
と対等の水分の含有量のスラリーを作ることができます。
○ （株）KEM所有のスラリー予熱噴霧装置を褐炭スラリー
のガス化や燃焼に使用すると、熱効率は大いに向上します。
○ 高温･高圧・高剪断応力ニーダーによるスラリー化と、ス
ラリー予熱噴霧装置を利用することによって、今まで利用が
制限されていた安価な褐炭を瀝青炭並みに使用することが
でき、且つ二酸化炭素の排出量を、瀝青炭並みに削減でき
ます。
29
参考資料
含水率９０％の製紙スラリーの予熱噴霧燃焼の状況
製紙スラリー噴霧燃焼状態写真（120kg／時運転）
（スラリー粘度 １３ｍPa・s、固形分含有量 約10％）
30
ＣＷＭ利用石炭ガス化における開発項目
既存技術名
本システム構成上の問題点
提案技術名
技術開発項目
問題解決の方法
微粉炭気流輸送にＮ２を使用
①ガス化炉入り口前までに ①予熱ＣＷＭを模すエチレングリ
↓
ＣＷＭの固液を気固に変換 コール水系での実験を行いシミュ
(蒸発潜熱のｶﾞｽ化炉外供給) レーター計算で予測された予熱効
乾式酸素吹き 窒素分離にエネルギーを大量消費
果確認を行い、予熱により水を蒸
↓
石炭ガス化法
石
メタノールコスト上昇
②水生ｶﾞｽ反応が生じるガス 発させた後に、ガス化炉に吹き込
炭
化炉の開発（反応時間／温度 む事ができれば,冷ガス効率が
ガ
10％以上上昇し、酸素消費量が
の適正化）
ＣＷＭ中の水分の蒸発潜熱
ス
10％以上減少することがシミュ
（ガス化炉全体として冷ガス
↓
化
レーター及び実験で確かめた。
効率の乾式酸素吹きガス化法
ガス化反応温度の低下
設
ＣＷＭ予熱式酸素
②ＣＷＭ予熱フラッシュ蒸留後再
並以上、且つ合成ガス中の窒
↓
備
吹き石炭ガス化法
加熱し,ドライ状態でガス化炉に
素含有量及び消費酸素量最少
の
炭素転換率の悪化
吹き込む技術を確立した。
のガス化方式の確立）
開 湿式酸素吹き
↓
③石炭ガス化時に水生ガス反応を
発 石炭ガス化法
平行して起こす事ができれば酸素
酸素吹込み量のアップ
項
消費量の削減が証明された。
↓
目
④ＣＷＭ予熱噴霧装置が完成し、
冷ガス効率の低下
ＣＷＭを蒸気と微粉炭の状態でガ
↓
ス化炉に噴霧できることが確かめ
メタノールコスト上昇
られた。
31
従来技術でのＣＷＭ予熱噴霧概念図（実用化になら
ず）
フラッシュ蒸発器
CWM製造
32