1

高剪断力による含有水分の脱水技術高剪断力による含有水分の脱水技術とと

予熱噴霧技術の組合せによる予熱噴霧技術の組合せによる褐炭の高効率利用褐炭の高効率利用

株式会社　株式会社　 KEMKEM

2

何故今褐炭の有効利用が必要なのか何故今褐炭の有効利用が必要なのか

１．褐炭の可採埋蔵量は、利用可能石炭量の４１．褐炭の可採埋蔵量は、利用可能石炭量の４７％７％

２．地表近くに賦存するために採掘が容易で安価２．地表近くに賦存するために採掘が容易で安価

メリッメリットト

デメリッデメリットト１．水分を多く含んでいる（３０～７０％）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２．乾燥すると自然発火する（輸送・貯蔵が困難）難）

３．３０～７０％の含有水分のために低い熱効率３．３０～７０％の含有水分のために低い熱効率

3

褐炭の脱水方法（従来技術）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１．高温燃焼排ガスによる乾燥（微粉炭及び粗粒炭）炭）

　　ドイツ、豪州、　　ドイツ、豪州、 USAUSAで実用化で実用化

２．２． 200℃200℃以上の加熱下での加圧脱水以上の加熱下での加圧脱水

　　豪州で開発段階のプロセス　　豪州で開発段階のプロセス

３．３． 300℃300℃の高温熱水による水分抽出（短い装置寿の高温熱水による水分抽出（短い装置寿命）命）

　　１．～３．の技術では、褐炭中の水分残存量は、　　１．～３．の技術では、褐炭中の水分残存量は、

　　依然として　　依然として 3030％。（電発・日揮が開発）％。（電発・日揮が開発）

４．高温の鉱油による煮沸脱水（４．高温の鉱油による煮沸脱水（ 100100％に近い脱％に近い脱水）水）

　　　　 UBCUBC法と呼ばれている（神戸製鋼が開発）法と呼ばれている（神戸製鋼が開発）

4

• 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。 )

褐炭の新しい脱水技術（褐炭の新しい脱水技術（ KEMKEM法）法）

5

褐炭の有効利用プロセススキーム（褐炭の有効利用プロセススキーム（ KEMKEM 法）法）

6

褐炭からの褐炭からの CWMCWM 製造製造

従来法従来法

　○　褐炭を粉砕し水を混ぜてスラリーを作る。　○　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　　　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。化効率が著しく低下。

ＫＥＭ法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、　○　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。ラリーが得られる。

7

褐炭からの褐炭からの CWMCWM 製造試験製造試験

ー原料インドネシア褐炭の性ー原料インドネシア褐炭の性状ー状ー

wt.% (as wt.% (as received)received) wt.% (dry basis)wt.% (dry basis)

MoisMoist.t.

AshAsh CC HH OO NN SS

Indonesian Indonesian (ID) Coal(ID) Coal 22.222.2 4.934.93 66.0366.03 5.195.19 20.5920.59 1.371.37 0.390.39

Loy Yang Loy Yang (LY) Coal(LY) Coal 59.059.0 0.370.37 67.2867.28 4.974.97 25.3425.34 0.600.60 0.280.28

8

インドネシアの褐炭からのインドネシアの褐炭からの CWMCWM製造製造

(( 原料褐炭の概観原料褐炭の概観 ))

20-150mm 0.5 mm

9

原料褐炭から原料褐炭から CWMCWM 製造経過製造経過インドネシア褐炭の粉末インドネシア褐炭の粉末 (Φ(Φ のの 0.5mm0.5mm の下の下 ))

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

始めの状態始めの状態

（微粉炭＋（微粉炭＋ 1010 ％の水）％の水）終わりの状態終わりの状態

（４８．６％水（４８．６％水分）分）

10

熱と剪断応力処理の後の外観熱と剪断応力処理の後の外観

（インドネシア褐炭）（インドネシア褐炭）

(( 反応状態反応状態 : 170℃: 170℃ 、、 55 時間、剪断力時間、剪断力 : <0.1MPa: <0.1MPa 、圧力、圧力 10kg/cm10kg/cm22))

粘度 : 680mPa ・ s

11

インドネシア褐炭のインドネシア褐炭の CWMCWM

(48.6%(48.6% の水分の水分 ))

12

Loy Yong Loy Yong 褐炭から褐炭から CWMCWM 製造製造

(( 原料原料 ))

13

スタート時の原料褐炭の外観スタート時の原料褐炭の外観Loy YongLoy Yong 褐炭の粉末褐炭の粉末 (Φ(Φ のの 0.5mm0.5mm の下の下 ))

14

熱と剪断応力処理の後の外観

(( 反応条件反応条件 : : 温度 温度 170℃170℃ 、、 55 時間、剪断力 時間、剪断力 0.1 Mpa0.1 Mpa 、圧力、圧力 10k10kg/cm2)g/cm2)

空気を含んだエマルジョン脱泡後の粘度 : 360 mPa ・ s

15写真　高剪断力・高温・高圧ニーダー

（内容積２０リットル：５．５ KWモーター）

写真　高剪断力・常温・常圧ニーダー

（内容積２００リットル：１５ KWモーター）

高剪断力粉砕・脱水・スラリー化装置

16

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％水分５６％ ,, 　粘度　１３５ 　粘度　１３５ mmPaPa ・ｓ・ｓ

空気を含んだエマルジョン脱泡後の粘度 : 135 mPa ・ s

17

Loy Yong : 170℃, 10kg/ cm（ 褐炭 処理温度 2）

1

10

100

1000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 (MPa)剪断力

(

)処

理時

間分

剪断応力と処理時間との関係剪断応力と処理時間との関係

(Loy Yong (Loy Yong 褐炭 褐炭 : : 処理温度 処理温度 170℃170℃ ））

圧力 圧力 10kg/cm10kg/cm22

18

CWMCWM 予熱噴霧装置の必要性予熱噴霧装置の必要性

従来法（予熱器無し）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　○　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１するのでガス化　　　　効率が低下する（水１ kgkg当り約当り約 550kcal550kcal ）。）。

ＫＥＭ法（予熱器有り）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、　○　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、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　　　て働くた高温領域では水蒸気が反応物質とし　　　て働くためである。めである。

19

CWMCWM 予熱噴霧の効果（１）予熱噴霧の効果（１）

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

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　 φ ６ｍｍ）

20

CWMCWM のガス化（予熱噴霧なし）のガス化（予熱噴霧なし）

水分５０％の水分５０％の CWMCWM

ノズル　ノズル　 φ2mφ2mmm

21

Relation of cool gas efficiency and heat loss

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Heat loss, %

Co

ol g

as e

ffic

ien

cy,

% CWM; 270℃ preheating case

CWM; no preheating case

Ethylene Glycol + Water; preheating case

Ethylene Glycol + Water; no preheating case

lines; simulated

plots; experimental values

pressure; 0.05~1 MPa

CWMCWM 予熱噴霧の効果（２）予熱噴霧の効果（２）

冷ガ

ス効

率冷

ガス

効率

ヒートロスヒートロス

22

Relation of Oxygen Consumption and Heat Loss

80

90

100

110

120

130

140

150

0 5 10 15 20 25

Heat loss, %

Oxy

gen

Co

nsu

mp

tio

n,

%

preheating (270℃)

Ethylene Glycol + Water

no preheating

ReactionTemperature; 1300℃

CWMCWM 予熱噴霧の効果（３）予熱噴霧の効果（３）

酸素消費

量酸素消費

量

ヒートロスヒートロス

23

CWMCWM 予熱噴霧装置概要図予熱噴霧装置概要図４ｔ／４ｔ／ dayday 　　 CWMCWM 噴霧噴霧

第第 22 加熱器最初の加熱器最初の

加熱管内径＝　加熱管内径＝　 2mm2mm

蒸発部位の流速蒸発部位の流速

　第二，第三加熱器内　第二，第三加熱器内

　　　　 MaxMax ．＝　．＝　 3030 　　 mm/sec/sec

　　　　 MinMin ．＝　．＝　 1010 　　 m/m/secsec

24

CWMCWM 予熱噴霧装置の写真予熱噴霧装置の写真

25

Loy Yong Loy Yong 褐炭褐炭 CWMCWM の予熱噴霧状況の予熱噴霧状況

26

インドネシア褐炭のガス化インドネシア褐炭のガス化 ((計算値）計算値）CWMCWM 水分含有量と酸素供給量の関係水分含有量と酸素供給量の関係

スラリー水量と必要酸素量

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

38% 40% 42% 44% 46% 48% 50% 52%スラリー水量（ｗｔ．％）

O2/

coal

)必

要酸素

量（

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）

高剪断力ニーダー法によるスラリー製造 （乾炭ベース＋水）

(通常のスラリー製造法 （原炭 含有水）＋水）

27

インドネシアの褐炭のガス化インドネシアの褐炭のガス化CWMCWM の水分含有量と冷ガス効率の関係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

55

60

65

70

75

80

85

90

38% 40% 42% 44% 46% 48% 50% 52%スラリー水量（％）

冷ガ

ス効

率（％

）

(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）

高剪断力ニーダーによるスラリー製造法 （乾炭ベース＋水）

従来のスラリー製造法 （原炭＋水）

28

褐炭スラリー利用石炭ガス化にお褐炭スラリー利用石炭ガス化における経済性比較ける経済性比較（褐炭スラリー化と予熱（褐炭スラリー化と予熱

噴霧）噴霧）

29

まとめまとめ

○○ 　（株）　（株） KEMKEM の高温・高圧・高剪断力ニーダーにの高温・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、瀝青炭の青炭の CWMCWM と対等の水分の含有量のスラリーを作る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。ことができます。

○○ 　（株）　（株） KEMKEM所有のスラリー予熱噴霧装置を褐炭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。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･　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、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、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。瀝青炭並みに削減できます。

30

　参考資料　参考資料　　含水率９０％の製紙スラリーの予熱噴霧燃焼の　　含水率９０％の製紙スラリーの予熱噴霧燃焼の

状況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　１３ｍ Pa ・ s 、固形分含有量　約 10 ％）

31

ＣＷＭ利用石炭ガス化における開発項目ＣＷＭ利用石炭ガス化における開発項目

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↓ ＣＷＭ の固液を気固に変換

窒素分 離 にエネ ルギー を大量消費 ( )蒸発潜熱 の 化炉外供給↓

メ タノー ルコス ト 上昇

ＣＷＭ中の 水 分 の蒸発潜熱↓

ガ ス 化 反 応温度 の 低 下↓

炭素転換率 の悪化↓

酸素吹込み量 の ア ッ プ↓

冷ガ ス 効 率 の 低 下↓

メ タノー ルコス ト 上昇

既存 技 術名

石炭ガス化設備の開発項目

乾 式酸素吹き石 炭 ガ ス 化 法

ＣＷＭ 予 熱 式酸素吹き石 炭 ガ ス 化 法

①予 熱ＣＷＭ を模すエチレングリコー ル 水系で の 実 験 を行い シミュレー タ ー計算で 予測さ れ た 予 熱 効果確認を行い、予熱により水を蒸発させた後に、ガス化炉に吹き込

,む事が できれば 冷ガ ス 効 率 が10％以上 上昇し 、酸素消費量 が10％以上減少す る こ と が シミュレー タ ー 及 び 実 験 で確か め た 。②ＣＷＭ予熱フラッシュ蒸留後再

,加 熱 し ド ラ イ 状 態 で ガ ス 化炉に吹き込む技 術 を確立し た 。③石 炭 ガ ス 化 時 に 水生ガ ス 反 応 を平行し て起こ す事が できれば酸素消費量 の削減が証明さ れ た 。④ＣＷＭ 予 熱 噴 霧装置が完成し 、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 めら れ た 。

②水生反 応 が生じる ガ ス化炉の開発 （ 反 応 時 間／温度の適正化 ）

湿式酸素吹き石 炭 ガ ス 化 法

（ ガ ス 化炉全 体 と し て冷ガ ス効 率 の 乾 式酸素吹きガ ス 化 法並以上 、且つ合成ガ ス中の窒素含 有 量 及 び消費酸素量最少の ガ ス 化 方 式 の確立）

32

従来技術でのＣＷＭ予熱噴霧概念図（実用化にな従来技術でのＣＷＭ予熱噴霧概念図（実用化にならず）らず）

CWMCWM 製造製造

フラッシュ蒸発器フラッシュ蒸発器