JP6234901B2

JP6234901B2 - 無灰炭の製造方法、および無灰炭の製造装置

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Publication number: JP6234901B2
Application number: JP2014176068A
Authority: JP
Inventors: 繁木下; 憲幸奥山; 吉田　拓也; 拓也吉田; 康爾堺
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP2016050253A

Description

本発明は、無灰炭の製造方法、および無灰炭の製造装置に関する。

特許文献１には、従来の無灰炭の製造方法が記載されている。特許文献の請求項１には次の記載がある。「石炭原料と溶剤とを混合してスラリーを調製するスラリー調製工程；前記スラリー調製工程で得られたスラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する抽出工程；前記抽出工程で得られたスラリーから・・・溶剤に可溶な石炭成分を含む溶液部と、溶剤に不溶な石炭成分を含む非溶液部とを分離する分離工程；および前記分離工程で分離された溶液部から溶剤を分離して無灰炭を得る無灰炭取得工程；」。

特開２００９−２２７７１８号公報

特許文献１に記載の無灰炭の製造方法ではスラリーが加熱される。なお、同文献には記載されていないが、溶剤が加熱される場合もある。スラリーまたは溶剤の加熱用の燃料として、天然ガス、プロパンガス、重油などが用いられることが考えられる。しかし、これらの燃料は高価であるため、燃料コストが高くなるという問題がある。

また、スラリーまたは溶剤を加熱するための装置（加熱装置）を、安定して操業できるようにすることが望まれる。

そこで本発明は、スラリーまたは溶剤を加熱するための燃料コストを抑制でき、さらに、スラリーまたは溶剤を加熱する加熱装置を安定して操業できる、無灰炭の製造方法および無灰炭の製造装置を提供することを目的とする。

第１の発明の無灰炭の製造方法は、分離工程と、無灰炭取得工程と、副生炭取得工程と、を備える。前記分離工程は、石炭と溶剤とを混合して得られるスラリーを加熱して前記溶剤に可溶な石炭成分を抽出し固液、前記溶剤に可溶な前記石炭成分が溶解した溶液と、前記溶剤に不溶な前記石炭成分が濃縮した固形分濃縮液とに分離する工程である。前記無灰炭取得工程は、前記分離工程で分離された溶液から前記溶剤を蒸発分離することで無灰炭を得る工程である。前記副生炭取得工程は、前記分離工程で分離された固形分濃縮液から前記溶剤を蒸発分離することで副生炭を得る工程である。さらに、無灰炭の製造方法は、前記副生炭取得工程で得られた前記副生炭をガス化することでプロセスガスを得るガス化工程と、前記ガス化工程で得られた前記プロセスガスを燃料として、前記スラリーまたは前記溶剤を加熱する加熱工程と、を備える。

第２の発明の無灰炭の製造装置は、抽出槽と、分離装置と、第１溶剤分離装置と、第２溶剤分離装置と、を備える。前記抽出槽は、石炭と溶剤とを混合して得られるスラリーを加熱して前記溶剤に可溶な石炭成分を抽出する。前記分離装置は、前記抽出槽で得られた前記スラリーを、前記溶剤に可溶な前記石炭成分が溶解した溶液と、前記溶剤に不溶な前記石炭成分が濃縮した固形分濃縮液とに分離する。前記第１溶剤分離装置は、前記分離装置で分離された溶液から前記溶剤を蒸発分離することで無灰炭を得るための装置である。前記第２溶剤分離装置は、前記分離装置で分離された固形分濃縮液から前記溶剤を蒸発分離することで副生炭を得るための装置である。さらに、無灰炭の製造装置は、前記第２溶剤分離装置で得られた前記副生炭をガス化することでプロセスガスを得るガス化炉と、前記ガス化炉で得られた前記プロセスガスを燃料として、前記スラリーまたは前記溶剤を加熱する加熱装置と、を備える。

第１の発明および第２の発明それぞれでは、スラリーまたは溶剤を加熱するための燃料コストを抑制でき、さらに、スラリーまたは溶剤を加熱する加熱装置を安定して操業できる。

第１実施形態の無灰炭製造装置１の模式図である。図１に示す副生炭転換機器５０の模式図である。第２実施形態の無灰炭製造装置１０１を示す図１相当図である。比較例１の図１相当図である。比較例２の図１相当図である。

（第１実施形態）
図１〜図２を参照して第１実施形態の無灰炭製造方法（無灰炭の製造方法）、および、図１に示す無灰炭製造装置１（無灰炭の製造装置）について説明する。

無灰炭製造装置１は、無灰炭製造方法に用いられる。無灰炭製造方法は、原料の石炭から灰分を除去することで無灰炭（ＨＰＣ；Hyper-coal）を製造する方法である。無灰炭製造装置１は、ＨＰＣ製造プラントである。以下では、原料の石炭を単に「石炭」ともいう（後述するガス化炉５１に関する説明を除く）。無灰炭製造装置１は、石炭・スラリー処理機器１０と、循環路４１と、熱交換器４２（加熱装置）と、副生炭転換機器５０と、を備える。

石炭・スラリー処理機器１０は、石炭・スラリー処理工程を行う機器である。石炭・スラリー処理工程は、石炭およびスラリー（後述）を処理する工程である。石炭・スラリー処理機器１０は、溶剤タンク１１と、石炭ホッパー１２と、を備える。石炭・スラリー処理機器１０は、上流側（無灰炭製造方法における上流側）から順に、スラリー調製槽２１（加熱装置）と、移送ポンプ２２と、予熱器２３（加熱装置）と、抽出槽２４（加熱装置）と、分離装置２５と、溶剤分離装置３０と、を備える。

溶剤タンク１１には、溶剤が貯留される（溶剤貯留工程）。

石炭ホッパー１２は、石炭を貯留および供給する（石炭貯留供給工程）。

スラリー調製槽２１（加熱装置）は、スラリー調製工程を行う槽である。スラリー調製工程は、石炭と溶剤とを混合することでスラリーを調製する工程である。スラリー調製槽２１には、例えば循環路４１から溶剤が供給され、例えば循環路４１以外から溶剤が供給されてもよい。スラリー調製槽２１には、溶剤タンク１１に貯留された溶剤が供給される。この溶剤は、石炭を溶解させるものである。この溶剤は、例えば石炭誘導体である。この溶剤は、主に石炭の乾留生成物から精製されたものである。この溶剤は、例えば芳香族化合物を含む溶剤（芳香族溶剤）などである。スラリー調製槽２１には、石炭ホッパー１２から石炭が供給される。この石炭は、例えば瀝青炭または低品位炭（褐炭、亜瀝青炭）である。瀝青炭は、抽出率（溶剤に抽出される石炭の可溶成分の割合）が低品位炭よりも高い。低品位炭は、瀝青炭よりも安価である。スラリー調製槽２１での、溶剤に対する石炭の混合比率は、乾燥炭基準で、例えば０．５〜４．０であり、好ましくは０．７５〜２．０である。スラリー調製槽２１は、スラリーを加熱してもよい。なお、溶剤およびスラリーの少なくともいずれかの加熱（以下「スラリーなどの加熱」ともいう）の詳細については後述する。

移送ポンプ２２は、移送工程を行う装置である。移送工程は、スラリー調製槽２１で調製されたスラリーを、移送ポンプ２２の下流側に移送する工程である。移送ポンプ２２は、予熱器２３にスラリーを移送する。移送ポンプ２２は、予熱器２３を介して抽出槽２４にスラリーを移送する。

予熱器２３（加熱装置）は、予熱工程（加熱工程）を行う装置である。予熱工程は、スラリー調製槽２１で調製されたスラリーを加熱する工程であって、抽出槽２４にスラリーが供給される前に（後述する抽出工程が行われる前に）、予めスラリーを加熱する工程である。予熱器２３は、ガス燃料（後述）を燃焼させることで生じる熱により、炉内の加熱を行う、ガス焚き加熱炉（後述）である。予熱器２３の燃料には、後述するプロセスガスＧ１が含まれる。予熱器２３の燃料は、例えばプロセスガスＧ１のみである。なお、予熱器２３から排気ガスＥが排出される。

抽出槽２４（加熱装置）は、抽出工程（下記の分離工程の一部）を行う槽である。抽出工程は、スラリー（石炭と溶剤とを混合して得られるスラリー）を加熱して、溶剤に可溶な石炭成分（溶剤可溶成分）を抽出する工程である。抽出槽２４には、スラリー調製槽２１からスラリーが供給される。抽出槽２４には、予熱器２３からスラリーが供給される。抽出槽２４は、石炭中の有機成分を抽出する。この抽出の詳細は次の通りである。抽出槽２４に供給されたスラリーは、抽出槽２４に設けられた攪拌機で攪拌されながら、所定温度（後述）に加熱保持される。これにより、スラリーから溶剤可溶成分が抽出される。ただし、抽出物には、溶剤可溶成分だけでなく、溶剤に不溶な成分（溶剤不溶成分）（例えば灰分など）も含まれる。抽出槽２４でのスラリーの加熱温度は、溶剤可溶成分が溶剤に溶解できるような温度に設定される。具体的には、スラリーの加熱温度は、例えば３００℃以上、好ましくは３６０℃以上である。スラリーの加熱温度は、例えば４２０℃以下、好ましくは４００℃以下である。

この抽出槽２４では、抽出の際に抽出槽生成ガスＧ２（図３参照）が発生する。抽出槽生成ガスＧ２には、例えばＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀、Ｈ₂、ＣＯなどが含まれる。抽出槽生成ガスＧ２の発熱量は、スラリーなどの加熱用の燃料として用いることができる程度に高カロリーであり、具体的には例えば約８０００ｋｃａｌ／ｋｇなどである。

分離装置２５は、分離工程（抽出工程を除く）を行う装置である。分離工程は、抽出槽２４および分離装置２５により行われる。分離工程は、抽出槽２４で得られたスラリーを、分離装置２５により、溶剤可溶成分が溶解した溶液（溶液部、上澄み液、オーバーフロー）と、溶剤不溶成分が濃縮した固形分濃縮液（アンダーフロー）とに分離する工程である。この分離の方法には、例えば、重力沈降法、ろ過法、および遠心分離法などがある。重力沈降法は、分離装置２５の槽内にスラリーを保持し、重力を利用して溶剤不溶成分を沈降させることで、溶液と固形分濃縮液とに分離する方式である。

溶剤分離装置３０（溶剤回収設備）は、溶剤分離工程を行う装置である。溶剤分離工程は、分離装置２５で分離された溶液から溶剤を蒸発分離する工程である。溶剤分離装置３０は、分離装置２５で分離された溶液から、無灰炭（ＨＰＣ）や後述する副生炭（ＲＣ；Residue coal）を得るための装置である。溶剤分離装置３０は、第１溶剤分離装置３１と、第２溶剤分離装置３２と、を備える。

第１溶剤分離装置３１は、無灰炭取得工程を行う装置である。無灰炭取得工程は、分離装置２５で分離された溶液から溶剤を蒸発分離することで無灰炭を得る工程である。この蒸発分離の方法には、例えば蒸留法や蒸発法などがある。この無灰炭の詳細は次の通りである。無灰炭は、水分が皆無であり、灰分をほとんど含まない炭である。無灰炭に含まれる灰分は、５重量％以下であり、好ましくは３重量％以下である。無灰炭は、原料の石炭よりも発熱量が高く、着火性や燃え切り性が良い。無灰炭は、例えばボイラなどの燃料として用いられる。無灰炭は、原料の石炭よりも流動性（軟化溶融性）が高い。無灰炭は、例えば製鉄用コークスの原料または原料の一部（配合炭）として用いられる。

第２溶剤分離装置３２は、副生炭取得工程を行う装置である。副生炭取得工程は、分離装置２５で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離することで副生炭（残渣炭ともいう）を得る工程である。この副生炭の詳細は次の通りである。副生炭は、溶剤不溶成分（灰分など）が濃縮された炭である。副生炭は、原料の石炭や無灰炭に比べて、灰分濃度が高く、燃料としての市場価値が低く見積もられる場合がある。副生炭の発熱量は、無灰炭と比べると劣る。しかし、副生炭の発熱量は、スラリーなどの加熱用の燃料として用いることができる程度に高カロリーであり、具体的には例えば６０００ｋｃａｌ／ｋｇ以上である。副生炭は、原料の石炭よりも高い着火性および燃え切り性能を示す。第２溶剤分離装置３２で得られる副生炭（後述するドライヤ３２ｂを経た副生炭）は、例えば微粉状であり、具体的には例えば粒径１ｍｍ未満である。第２溶剤分離装置３２は、溶剤分離器３２ａと、ドライヤ３２ｂと、を備える。

溶剤分離器３２ａは、副生炭混合物取得工程を行う装置である。副生炭混合物取得工程は、分離装置２５で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離することで副生炭混合物を得る工程である。この副生炭混合物には、副生炭と、溶剤分離器３２ａで分離されずに残存した溶剤と、が含まれる。副生炭混合物中の溶剤は、例えば５〜１０重量％などである。第２溶剤分離装置３２での溶剤の蒸発分離の方法には、第１溶剤分離装置３１での溶剤の蒸発分離の方法と同様に、蒸留法や蒸発法などがある。この蒸発分離は、窒素などの不活性ガスの存在下で行われることが好ましい（ドライヤ３２ｂについても同様）。

ドライヤ３２ｂは、副生炭混合物乾燥工程を行う装置である。副生炭混合物乾燥工程は、溶剤分離器３２ａで得られた副生炭混合物から溶剤（残存する溶剤）を蒸発分離する工程である。副生炭混合物乾燥工程は、副生炭混合物に含まれる溶剤を乾燥させることにより、溶剤を含まない（またはほとんど含まない）副生炭を得る工程である。ドライヤ３２ｂは、例えばスチームチューブドライヤである。ドライヤ３２ｂは、例えば、キャリアガスとしての窒素ガスをドライヤ３２ｂ内部に流通させながら、副生炭混合物を加熱・滞留・攪拌する。

循環路４１は、循環工程を行うための流路（通路、配管）である。循環工程は、溶剤分離装置３０で蒸発分離された溶剤を循環させる工程である。循環路４１は、溶剤が流れる流路である。循環路４１は、溶剤分離装置３０で蒸発分離された溶剤を、例えば溶剤タンク１１を介して（溶剤タンク１１を介さなくてもよい）、スラリー調製槽２１に供給する。循環路４１により、無灰炭製造装置１内で溶剤を繰り返し使うことができる。

熱交換器４２（加熱装置）は、循環路昇温工程（加熱工程）を行う装置である。循環路昇温工程は、循環路４１を流れる溶剤を昇温させる工程である。熱交換器４２は、循環路４１に配置される。熱交換器４２は、溶剤分離装置３０と溶剤タンク１１との間の循環路４１に配置される。熱交換器４２は、溶剤タンク１１とスラリー調製槽２１との間の循環路４１に配置されてもよい（図示なし）。図１では、熱交換器４２を１つのみ示したが、熱交換器４２は２つ以上設けられてもよい。

副生炭転換機器５０は、副生炭転換工程を行う機器である。副生炭転換工程は、第２溶剤分離装置３２で得られた副生炭のガス化などを行う工程である。図２に示すように、副生炭転換機器５０は、ガス化炉５１と、改質炉５２と、熱回収装置５５と、プロセスガス精製設備６１と、ガスホルダ６２と、を備える。なお、図１では、副生炭転換機器５０の一部のみを示した。

ガス化炉５１は、ガス化工程を行う炉である。ガス化工程は、図１に示す第２溶剤分離装置３２で得られた副生炭をガス化することでプロセスガスＧ１（副生炭生成ガス）を得る工程である。プロセスガスＧ１は、無灰炭の製造過程（プロセス）で発生する副生炭から生成されるガスである。ガス化炉５１は、ドライヤ３２ｂで得られた副生炭をガス化する。ガス化炉５１は、溶剤分離器３２ａで得られた副生炭混合物中の副生炭をガス化してもよい。ガス化炉５１は、石炭ガス化炉である。石炭ガス化炉は、石炭（本実施形態では副生炭）を高温高圧下で酸化剤と反応させ、高温により石炭の熱分解を行うことで、石炭ガス（本実施形態ではプロセスガスＧ１）を発生させるものである。本実施形態では、ガス化炉５１がガス化させるものは副生炭であるが、一般的には、石炭ガス化炉がガス化させるものは石炭である。そこで、以下では、ガス化炉５１でガス化（石炭ガス化）させるものを「石炭」という。

（石炭ガス化の基本反応）
ガス化炉５１では、石炭が熱分解される。そして、酸素および水蒸気と、炭素と、が反応する。その結果、可燃ガス（例えばＣＯおよびＨ₂）が発生する。さらに詳しくは、ガス化炉５１では次の反応が生じる。
石炭（副生炭）の熱分解 → Ｃ、Ｈなど
Ｃ＋Ｏ₂ → ＣＯ₂ ＋９７ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ｃ＋１／２Ｏ₂ → ２ＣＯ＋２９．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ｃ＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ − ３８．２ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋Ｈ₂ − ３１．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ − １８．２ｋｃａｌ／ｍｏｌ
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ ＋１０．０ｋｃａｌ／ｍｏｌ

（石炭ガス化の方式）
ガス化炉５１の形式は、例えば固定床ガス化炉であり、例えば流動床ガス化炉であり、例えば噴流床ガス化炉である。ガス化炉５１の形式により、使用される石炭の粒子径、ガス化温度、および、炭素転換率（ガス化炉５１に投入した石炭中の炭素量に対する、生成ガス中の炭素量の割合）が異なる。

固定床ガス化炉では、炉内に投入された石炭（塊炭）がほぼ静止した状態で、石炭がガス化される。固定床ガス化炉の詳細は次の通りである。ガス化に用いられる石炭は塊炭であり、具体的にはガス化に用いられる石炭の平均粒子径は３〜５０ｍｍである。石炭は、ロックホッパ（図示なし）を通して炉内に供給される。炉内の石炭は、ガス化剤（例えば酸素および水蒸気）の上昇流に逆らうように、上から下へ炉を通して移動する。石炭は、この移動の間に、まず乾燥され、次に乾留され、最後にガス化される。ガス化温度は、８００〜１０００℃である。灰（石炭灰）は、プロセスのタイプに応じて固体または溶融状態で、炉から取り出される。このガス化と同時に、メタネーションが起こり、生成ガス中のＣＨ₄が増える。ＣＨ₄が増えることにより、プロセスガスＧ１中の化学的エネルギーの割合が大きくなる。その結果、プロセスガスＧ１の冷ガス効率が高くなる（利用できるエネルギーが高くなる）。固定床ガス化炉では、流動床式ガス化炉や噴流床式ガス化炉に比べ、タールなどの重質油成分（以下「タールなど」）が発生しやすい。さらに詳しくは、固定床ガス化炉のガス化温度は、他の方式に比べて低い。ガス化温度が低いと、タールなどが低分子の生成物に変換されず、タールなどが冷却時に凝縮する。そのため、他の方式に比べて固定床ガス化炉では、タールなどが発生しやすい。

流動床式ガス化炉では、炉内に投入された石炭（粉炭）が液体のような流動状態の層を形成した状態で、石炭がガス化される。流動床式ガス化炉の詳細は次の通りである。ガス化に用いられる石炭は粉炭であり、具体的にはガス化に用いられる石炭の平均粒子径は１〜６ｍｍである。粉炭が用いられるので、石炭の粉砕動力を少なくできる（微粉炭が用いられる噴流床式ガス化炉と比べた場合）、または、粉砕動力をなくすことができる。炉内の石炭は、ガス化剤（例えば酸素、空気、および水蒸気）により流動化し、流動状態の層を形成する。石炭は、この層内でガス化される。ガス化温度は、粒子の集塊現象によって層の流動状態が乱されることがないように、灰の軟化温度よりも低く設定される。具体的には、ガス化温度は、８００〜１１００℃に保たれる必要がある。灰の融点（灰融点）が高いほど、ガス化温度を高くできるので、タールなどの発生を抑制できる。そのため、流動床式ガス化炉は、高灰融点炭のガス化に適している。このガス化温度は、噴流床式ガス化炉のガス化温度よりも低い。そのため、噴流床式ガス化炉に比べ、炉内での石炭粒子の滞留時間が長いにもかかわらず、炭素転換率が低い。炭素転換率を高くするためには、高反応性の石炭を使用する必要がある。

噴流床式ガス化炉では、炉内に投入された石炭（微粉炭）が噴流状態でガス化される。噴流床式ガス化炉の詳細は次の通りである。ガス化に用いられる石炭は微粉炭であり、具体的にはガス化に用いられる石炭の平均粒子径約は０．１ｍｍである。微粉炭が用いられるので、石炭（副生炭）を微粉砕する必要がある（例えば微粉炭火力発電などで行われるのと同様）。炉内の石炭は、ガス化剤の流れに伴って噴流状態になる。ガス化剤は、酸素または空気である。ガス化剤には、目的によっては少量（酸素や空気に対して少量）の水蒸気が含まれる。ガス化温度は、灰融点以上の１５００〜１８００℃程度である（高温雰囲気下で石炭がガス化される）。灰は、水で急冷され、非結晶質のガラス化されたスラグとして（スラグ状態で）炉外に取り出される。炉内では、ガス化されずに残るチャーが生じる。チャーは、主に固定炭素と灰分とを含む。チャーは、ガス化炉５１の出口に設置された集塵装置（図示しないサイクロンや電気集塵機など）により回収された後、ガス化炉５１へ再投入される。固定床式ガス化炉および流動床式ガス化炉（以下「他の方式」）と比べたときの、噴流床式ガス化炉のメリットは次の通りである。噴流床式ガス化炉のガス化温度は、他の方式よりも高温であり、タールなどが生成されないほど高温である。このガス化温度は他の方式に比べて高いので、他の方式に比べて排出灰中の未燃炭素分が少ない。ガス化温度が灰融点以上なので（ガス化温度の上限が灰融点によって制限されることがないので）、様々な灰融点の石炭に噴流床式ガス化炉を適用できる（炭種の適用幅が広い）。一般的に噴流床式ガス化炉は、他の方式に比べ、ガス化炉５１容積あたりの石炭処理量が大きく、また、大容量化が容易である。

このガス化炉５１としては、固定床ガス化炉よりも、流動床式ガス化炉または噴流床式ガス化炉が好ましい。なぜなら、第２溶剤分離装置３２から得られる副生炭は、粉状または微粉状（例えば平均粒径が約１ｍｍ未満）だからである。また、固定床ガス化炉に比べ、流動床式ガス化炉および噴流床式ガス化炉に用いられる石炭は、比表面積が大きいことによりガス化反応性が良好だからである。

改質炉５２（図２参照）は、改質工程を行う。改質工程は、図２に示すガス化炉５１での生成物（上記のタールなど）を改質してガス化させる工程である。ガス化炉５１が噴流床式ガス化炉の場合、タールなどが生成されないので、改質炉５２は不要である。

熱回収装置５５は、熱回収工程を行う。熱回収工程は、ガス化炉５１で発生した熱エネルギーを回収する工程である。熱回収装置５５は、ガス化炉５１で得られたプロセスガスＧ１の顕熱回収を行う。熱回収装置５５は、蒸気や電気（電力）として、熱エネルギーを回収する。熱回収装置５５により回収された熱エネルギーは、例えば無灰炭製造装置１（図１参照）の構成要素に供給され、例えば無灰炭製造装置１の外部に供給されてもよい。熱回収装置５５は、例えば、廃熱ボイラ５６と、蒸気タービン５７と、を備える。

廃熱ボイラ５６は、ガス化炉５１で発生した熱エネルギーを用いて、蒸気を発生させる（蒸気発生工程）。

蒸気タービン５７は、廃熱ボイラ５６で発生した蒸気を用いて電気を発生させる（電気発生工程）。

プロセスガス精製設備６１は、ガス化炉５１で生成されたプロセスガスＧ１を精製する（プロセスガス精製工程）。

ガスホルダ６２は、プロセスガス精製設備６１で精製されたプロセスガスＧ１を貯留する（プロセスガス貯留工程）。

（加熱工程）
このプロセスガスＧ１は、加熱工程に用いられる。加熱工程は、ガス化炉５１で得られたプロセスガスＧ１を燃料（エネルギー源）として、スラリーなど（スラリーおよび溶剤の少なくともいずれか）が加熱される工程である。加熱工程に用いられる装置（加熱装置）は、例えば予熱器２３である。予熱器２３は、プロセスガスＧ１を燃焼させることで生じる熱により、炉内のスラリーを加熱する。なお、加熱工程の他の具体例は後述する。

（ランニングコストの比較）
図１に示す本実施形態の無灰炭製造装置１と、図４に示す比較例１の無灰炭製造装置２０１（後述）とのランニングコストを比較した。

（本実施形態のランニングコスト）
図１に示す無灰炭製造装置１では、予熱器２３でのスラリーの加熱（以下「スラリー加熱」）の燃料は、副生炭から生成されたプロセスガスＧ１である。そのため、プロセスガスＧ１を生成するのに必要な副生炭は販売できなくなる。そこで、副生炭を販売できなくなることにより生じる損失（外販機会損失）を算出した。算出の一例は次の通りである。スラリー調製槽２１が、原料の石炭５００ｋｇ／ｈ（水分１０重量％）と溶剤１８００ｋｇ／ｈとを混合することでスラリーを調製するとする。このとき、予熱器２３によるスラリー加熱に必要なエネルギーは約０．０３７×１０⁶ｋｃａｌ／ｈである（後述する比較例１についても同様）。プロセスガスＧ１の低位発熱量基準（ＬＨＶ；Lower Heating Value）を１１００ｋｃａｌ／Ｎｍ³と想定する。すると、スラリー加熱に必要なプロセスガスＧ１は、約３３．６Ｎｍ³／ｈである。副生炭１ｋｇに対して得られるプロセスガスＧ１を約２．９Ｎｍ³／ｈと想定すると、スラリー加熱に必要なプロセスガスＧ１を生成するのに必要な副生炭は、約１１．６ｋｇ／ｈである。副生炭価格を（一般炭価格より安価な）７０００円／ｔｏｎとすると、副生炭の外販機会損失は、８０．５円／ｈ（年間６４．４万円）となる。

（比較例１のランニングコスト）
図４に、比較例１の無灰炭製造装置２０１を示す。無灰炭製造装置１（図１参照）に対する無灰炭製造装置２０１の相違点は、予熱器２３の燃料が、天然ガス（ＮＧ；Natural Gas）のみ、またはＬＰガス（ＬＰＧ；Liquefied Petroleum Gas）のみである点である。この比較例１の無灰炭製造装置２０１のランニングコスト（燃料コスト）を算出した。

（燃料が天然ガスのみの場合）予熱器２３の燃料が天然ガスのみの場合、スラリー加熱に必要な天然ガスは、約４．３３１Ｎｍ³／ｈである。天然ガスの価格を約６０円／Ｎｍ³とすると、スラリー加熱に必要な天然ガスの燃料コストは、２６０円／ｈ（年間２０８万円）である。よって、天然ガスのみを予熱器２３の燃料とする場合に対し、本実施形態の無灰炭製造装置１（図１参照）は、約１８０円／ｈ（年間１４４万円）のランニングコストの削減となる。

（燃料がＬＰガスのみの場合）予熱器２３の燃料がＬＰガスのみの場合、スラリー加熱に必要なＬＰガスは、約３．７ｋｇ／ｈである。ＬＰガスの価格を約９０円／ｋｇとすると、スラリー加熱に必要なＬＰガスの燃料コストは、３３３円／ｈ（年間２６６．４万円）である。よって、ＬＰガスのみを予熱器２３の燃料とする場合に対し、本実施形態の無灰炭製造装置１（図１参照）は、約２５０円／ｈ（年間２００万円）のランニングコストの削減となる。

（固形燃料とガス燃料との比較）
加熱工程で燃料として用いられるプロセスガスＧ１は、ガス燃料である。固形燃料に対するガス燃料のメリットを説明する。

（固形燃料）
図５に、比較例２の無灰炭製造装置３０１を示す。比較例２の無灰炭製造装置３０１は、スラリーなどの加熱用の燃料が固形燃料である場合の一例である。無灰炭製造装置１（図１参照）に対する比較例２の無灰炭製造装置３０１の相違点は次の［相違ａ］および［相違ｂ］である。［相違ａ］予熱器２３の燃料は、ガス化していない副生炭（ＲＣ）であり、固形燃料である。［相違ｂ］副生炭の水分を調整する加湿器３７０を備える。加湿器３７０は、副生炭のハンドリング性を向上させる（例えば風による飛散を抑制する）ために設けられる。

（ガス燃料）
図１に示すように、本実施形態の無灰炭製造装置１では、予熱器２３の燃料（加熱工程に用いられる燃料）は、ガス燃料であるプロセスガスＧ１である。よって、加熱工程に用いられる燃料が固形燃料の場合に比べ、次の［メリットａ］〜［メリットｅ］がある。［メリットａ］燃料のハンドリング（燃料の移動や貯留など）が容易である。例えば、比較例２の無灰炭製造装置３０１（図５参照）では、固形燃料のハンドリング性向上のために加湿器３７０（図５参照）が設けられるが、ガス燃料が用いられる無灰炭製造装置１では、加湿器３７０は不要である。［メリットｂ］予熱器２３への燃料供給を安定して行うことができる。［メリットｃ］燃料の性状（例えば乾燥の度合いなど）が安定している。［メリットｄ］燃料の燃焼性能が良い。

さらに、ガス化炉５１として噴流床式ガス化炉が用いられる場合は、比較例２の無灰炭製造装置３０１（図５参照）に対して次の［メリットｅ］が得られる。［メリットｅ］灰の排出容積を小さくできる。さらに詳しくは、比較例２の無灰炭製造装置３０１（図５参照）では、固形燃料としての副生炭を燃焼させると灰（「灰α」とする）が生じる。一方、上記のように、無灰炭製造装置１では、ガス化工程（ガス化炉５１）でスラグ状態の灰が生じる。このスラグ状態の灰は、上記「灰α」よりも容積が小さい。

（流体の加熱手段の比較）
加熱工程に用いられる予熱器２３は、ガス焚き加熱炉である。ガス焚き加熱炉の特徴（性質）を説明する。流体の加熱手段としては、例えば、電気ヒータ、熱媒加熱ヒータ、誘導伝熱式加熱炉、ガス焚き加熱炉、およびオイル焚き加熱炉などが一般的に知られている。また、流体の加熱手段として、一般的には広まっていない石炭焚き加熱炉がある。各加熱手段の性質の概略（イメージ）を表１に示す。

各加熱手段のデメリットは次の通りである。電気ヒータや熱媒ヒータは、無灰炭製造方法に用いられるほどの大容量加熱には適していない。誘導伝熱式加熱炉は、他の加熱手段に比べ設備コストが高く、大容量加熱に適用し難い。ガス焚き加熱炉やオイル焚き加熱炉（以下「ガス焚き加熱炉など」）の燃料は、一般的には、例えば天然ガス、プロパンガス、または重油などである。これらの燃料は安価とは言い難い（上記「（比較例１のランニングコスト）」参照）。燃料コストが高い結果、無灰炭の製造に要するランニングコストが高くなる。石炭焚き加熱炉は、一般的には広まっていないので、開発要素（リスク）が大きい。石炭焚き加熱炉の開発要素には、例えば、灰付着による伝熱性能への影響、スラッギングおよびファウリング対策、局部加熱による加熱管のコーキングや腐食対策などがある。また、石炭焚き加熱炉では固形燃料が用いられるので、上記のように、ガス燃料が用いられる場合に比べ、燃料のハンドリング性などの面で劣る。

ガス焚き加熱炉など、および石炭焚き加熱炉のメリットは次の通りである。ガス焚き加熱炉などは、様々なプロセス流体の大容量加熱に使用されており、無灰炭製造方法（無灰炭製造装置１）にも適用可能である。さらに、ガス焚き加熱炉などは、排ガス処理設備や燃焼後残渣処理設備（例えば、灰処理設備）を必要としない。また、石炭焚き加熱炉の燃料として副生炭が用いられる場合は、燃料が天然ガスなどである場合に比べ、燃料コストを低減できる。

そこで、本実施形態の無灰炭製造方法（無灰炭製造装置１）の加熱工程では、副生炭をガス化したプロセスガスＧ１を燃料として、スラリーなどが加熱される。よって、ガス焚き加熱炉のデメリット（燃料コスト高）、および、石炭焚き加熱炉のデメリット（固形燃料、開発要素）を解消できる。さらに、ガス焚き加熱炉のメリット（大容量加熱に適用可能、ガス燃料の使用など）、および、石炭焚き加熱炉のメリット（燃料コスト低減）が得られる。

（効果）
図１に示す無灰炭製造装置１および無灰炭製造方法による効果を説明する。以下では、各工程を行うために用いられる機器（各工程に対応する機器）を、工程の名称の後に括弧を付して示す。

（効果１）（発明１、３）
無灰炭製造方法（無灰炭製造装置１）は、分離工程（抽出槽２４および分離装置２５）と、無灰炭取得工程（第１溶剤分離装置３１）と、副生炭取得工程（第２溶剤分離装置３２）と、を備える。また、無灰炭製造方法（無灰炭製造装置１）は、ガス化工程（ガス化炉５１）と、加熱工程（予熱器２３）と、を備える。分離工程（の抽出工程（抽出槽２４））は、石炭と溶剤とを混合して得られるスラリーを加熱して、溶剤に可溶な石炭成分を抽出する工程である。分離工程（分離装置２５）は、スラリー（抽出工程（抽出槽２４）で得られたスラリー）を、溶剤に可溶な石炭成分（溶剤可溶成分）が溶解した溶液と、溶剤に不溶な石炭成分（溶剤不溶成分）が濃縮した固形分濃縮液と、に分離する工程である。無灰炭取得工程（第１溶剤分離装置３１）は、分離工程（分離装置２５）で分離された溶液から溶剤を蒸発分離することで無灰炭（ＨＰＣ）を得る工程である。副生炭取得工程（第２溶剤分離装置３２）は、分離工程（分離装置２５）で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離することで副生炭（ＲＣ）を得る工程である。
［構成１−１］ガス化工程（ガス化炉５１）は、副生炭取得工程（第２溶剤分離装置３２）で得られた副生炭をガス化することでプロセスガスＧ１を得る工程である。
［構成１−２］加熱工程（予熱器２３）は、ガス化工程（ガス化炉５１）で得られたプロセスガスＧ１を燃料として、スラリーまたは溶剤を加熱する工程である（溶剤の加熱については後述）。

上記［構成１−１］および［構成１−２］では、加熱工程（予熱器２３）に用いられる燃料の原料は、副生炭取得工程（第２溶剤分離装置３２）で得られた副生炭である。よって、副生炭取得工程（第２溶剤分離装置３２）で得られた副生炭以外の燃料のみが加熱工程（予熱器２３）に用いられる場合に比べ、加熱工程（予熱器２３）に用いられる燃料の燃料コストを抑制できる。よって、スラリーまたは溶剤（スラリーおよび溶剤の少なくともいずれか）を加熱するための燃料コストを抑制できる。その結果、無灰炭の製造に要するランニングコストを抑制できる。その結果、無灰炭を安価に製造できる。

上記［構成１−２］では、加熱工程（予熱器２３）に用いられる燃料は、プロセスガスＧ１であり、ガス燃料である。よって、副生炭取得工程（第２溶剤分離装置３２）で得られた副生炭が、ガス化されることなく固形燃料として加熱工程（予熱器２３）に用いられる場合に比べ、燃料のハンドリングを容易に行える。よって、加熱装置（予熱器２３）に容易に（確実に、安定して）燃料を供給できる。よって、スラリーまたは溶剤を加熱する加熱装置（予熱器２３）を安定して操業できる。

（第２実施形態）
図３を参照して、第２実施形態の無灰炭製造装置１０１について、第１実施形態との相違点を説明する。なお、無灰炭製造装置１０１のうち、第１実施形態との共通点については、第１実施形態と同一の符号（図１参照）を付し、説明を省略した。無灰炭製造装置１０１では、加熱工程（予熱器２３）に用いられる燃料は、プロセスガスＧ１と、抽出槽生成ガスＧ２と、が混合された混合ガスＧ３である。抽出槽生成ガスＧ２は、加熱工程（予熱器２３）の補助燃料として利用される。加熱工程（予熱器２３）に用いられる燃料は、例えば混合ガスＧ３のみである。

（効果２）（発明２）
［構成２］加熱工程（予熱器２３）の燃料は、スラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する抽出工程（抽出槽２４）で発生した抽出槽生成ガスＧ２と、プロセスガスＧ１と、が混合された混合ガスＧ３である。

上記［構成２］により、加熱工程（予熱器２３）に抽出槽生成ガスＧ２が用いられない場合に比べ、加熱工程（予熱器２３）に用いられる燃料の燃料コストをより低減できる。

（加熱工程の変形例）
加熱工程は様々に変形できる。加熱工程の加熱の態様は、例えば下記の［直接的加熱］であり、また例えば下記の［間接的加熱］でもよく、［直接的加熱］および［間接的加熱］両方が行われてもよい。
［直接的加熱］プロセスガスＧ１を燃焼させることで生じる熱により、スラリーなどが直接加熱される。例えば、上記のように、予熱器２３が、プロセスガスＧ１を燃焼させることで生じる熱により、炉内のスラリーを加熱する。
［間接的加熱］プロセスガスＧ１を燃焼させることで生じる熱により、熱交換媒体（例えば液体や気体）が加熱され、この熱交換媒体とスラリーなどとで熱交換が行われることにより、スラリーなどが加熱されてもよい。熱交換媒体の加熱は、図示しないガス焚き炉により行われる。熱交換媒体とスラリーなどとの熱交換は、例えば、熱交換器４２、スラリー調製槽２１、または抽出槽２４などにより行われる。

加熱工程での加熱対象は、スラリーおよび溶剤の少なくともいずれかである。加熱工程での加熱対象は、例えば次の［加熱対象ａ］であり、［加熱対象ｂ］〜［加熱対象ｄ］などでもよい。加熱工程での加熱対象は、下記の各加熱対象のうち、１つでもよく、複数でもよい。
［加熱対象ａ］加熱工程での加熱対象は、スラリー調製槽２１で調製され、抽出槽２４に供給される前のスラリーである。この場合、加熱工程を行う加熱装置は、予熱工程を行う予熱器２３である。
［加熱対象ｂ］加熱工程での加熱対象は、スラリー調製槽２１内のスラリーでもよい。この場合、加熱工程を行う加熱装置は、スラリー調製槽２１である（加熱装置とスラリー調製槽２１とが兼用される）。
［加熱対象ｃ］加熱工程での加熱対象は、抽出槽２４内のスラリーでもよい。この場合、加熱工程を行う加熱装置は、抽出槽２４である（加熱装置と抽出槽２４とが兼用される）。
［加熱対象ｄ］加熱工程での加熱対象は、スラリー調製槽２１に供給される前の溶剤でもよい。例えば、加熱工程での加熱対象は、次の［加熱対象ｄ−１］や［加熱対象ｄ−２］である。
［加熱対象ｄ−１］加熱工程での加熱対象は、循環路４１を通る溶剤でもよい。この場合、加熱工程を行う加熱装置は、循環路昇温工程を行う熱交換器４２である。
［加熱対象ｄ−２］加熱工程での加熱対象は、循環路４１を通らない溶剤であって、スラリー調製槽２１に供給される溶剤でもよい。

加熱工程（例えば予熱器２３）に用いられる燃料は、第１実施形態では例えばプロセスガスＧ１（図１参照）のみであり、第２実施形態では例えば混合ガスＧ３（図３参照）のみであった。しかし、加熱工程（例えば予熱器２３）に用いられる燃料は、少なくともプロセスガスＧ１が含まれていればよい。例えば、加熱工程に用いられる燃料に、天然ガス、ＬＰガス、または重油などが含まれてもよい。

上記実施形態の構成要素の一部がなくてもよい。例えば、循環路４１はなくてもよい。また例えば、加熱工程に用いられる加熱装置（予熱器２３、熱交換器４２など）は、少なくとも１つあればよい。

１無灰炭製造装置（無灰炭の製造装置）
２１スラリー調製槽（加熱装置）
２３予熱器（加熱装置）
２４抽出槽（加熱装置）
２５分離装置
３１第１溶剤分離装置
３２第２溶剤分離装置
４２熱交換器（加熱装置）
５１ガス化炉
Ｇ１プロセスガス
Ｇ２抽出槽生成ガス
Ｇ３混合ガス

Claims

石炭と溶剤とを混合して得られるスラリーを加熱して前記溶剤に可溶な石炭成分を抽出し、前記溶剤に可溶な前記石炭成分が溶解した溶液と、前記溶剤に不溶な前記石炭成分が濃縮した固形分濃縮液とに分離する分離工程と、
前記分離工程で分離された溶液から前記溶剤を蒸発分離することで無灰炭を得る無灰炭取得工程と、
前記分離工程で分離された固形分濃縮液から前記溶剤を蒸発分離することで副生炭を得る副生炭取得工程と、
前記副生炭取得工程で得られた前記副生炭をガス化することでプロセスガスを得るガス化工程と、
前記ガス化工程で得られた前記プロセスガスを燃料として、前記スラリーまたは前記溶剤を加熱する加熱工程と、
を備える、無灰炭の製造方法。
前記加熱工程の前記燃料は、前記スラリーを加熱して前記溶剤に可溶な前記石炭成分を抽出する抽出工程で発生したガスと前記プロセスガスとが混合された混合ガスである、
請求項１に記載の無灰炭の製造方法。
石炭と溶剤とを混合して得られるスラリーを加熱して前記溶剤に可溶な石炭成分を抽出する抽出槽と、
前記抽出槽で得られた前記スラリーを、前記溶剤に可溶な前記石炭成分が溶解した溶液と、前記溶剤に不溶な前記石炭成分が濃縮した固形分濃縮液とに分離する分離装置と、
前記分離装置で分離された溶液から前記溶剤を蒸発分離することで無灰炭を得る第１溶剤分離装置と、
前記分離装置で分離された固形分濃縮液から前記溶剤を蒸発分離することで副生炭を得る第２溶剤分離装置と、
前記第２溶剤分離装置で得られた前記副生炭をガス化することでプロセスガスを得るガス化炉と、
前記ガス化炉で得られた前記プロセスガスを燃料として、前記スラリーまたは前記溶剤を加熱する加熱装置と、
を備える、無灰炭の製造装置。