JP6557581B2 - 石炭分析装置 - Google Patents
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- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Description
本発明は、石炭分析装置に関するものである。
近年、日本国内の発電用の石炭として、以前から使用されている高品位炭の価格が急騰していることを受け、瀝青炭や亜瀝青炭等の低品位炭を導入する動きが活発化している。 一般に、石炭は、野積みされる貯炭施設或いはサイロを用いた貯炭施設に貯蔵されるが、いずれの貯炭施設においても貯炭期間が長くなると、自然発火が発生する。
従来、自然発火を回避するための石炭の貯炭期間は経験値から決められているのが一般的であるが、前記低品位炭は自然発火しやすいため、前記高品位炭の場合以上に貯炭施設の自然発火発生防止対策を強化する必要がある。
前記貯炭施設の自然発火発生防止対策としては、例えば、自然発火を感知できるようにガス検知器を設置したり、或いは昇温防止剤を使用したりすることが行われ、更に、貯蔵された石炭に予め散水して冷却するといった措置も講じられており、多くの研究がなされている。
そして、石炭の自然発火を防止する上で、石炭の物性を調べることは不可欠であり、非常に重要となっている。
前記石炭の物性を調べる際、従来の場合、例えば、自然発火試験装置（SIT：Spontaneous-ignition Temperature）が用いられている。
前記自然発火試験装置によって実際に試験を行う際には、先ず、粒径が０．２５ｍｍとなるよう粉砕した石炭の試料を約１ｇ採取して石英製の試料セルに充填し、断熱状態に保った自然発火試験装置にセットする。続いて、前記試料を窒素１００％の不活性ガス気流中で１１０℃まで昇温させ、装置及び試料の温度が安定した後、ガスを窒素から酸素１００％（流量は２ｍｌ／ｍｉｎ程度）に切り替える。そして、断熱状態で温度が２００℃に達するまでの時間（誘導時間）を測定する。これにより、前記誘導時間の長さに応じて、Ａ：「発熱しにくい」、Ｂ：「普通」、Ｃ：「要注意」、Ｄ：「自然発熱の虞あり」、Ｅ：「短時間で発熱する」といったランク付けを行う。
尚、低品位炭の自然発火と関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
しかしながら、前記自然発火試験装置においては、試験条件となる発熱開始設定温度に関して特に規定があるわけではなく、該発熱開始設定温度によって前記誘導時間が変化してしまい、幅広いデータの定量的な比較ができないという欠点を有していた。この理由は、前記誘導時間が長い場合、発熱開始設定温度を上げることにより誘導時間を調節して、その一群の試料のデータの中では比較できるようにすることが行われているが、このように発熱開始設定温度を変えてしまった試料の間では、データの比較が困難となるためである。
又、本発明者等は、石炭の物性及び貯炭施設の情報に基づき石炭昇温シミュレーション装置によって数値解析を行って石炭の昇温特性を求める石炭昇温予測管理システムを開発しているが、前記自然発火試験装置では活性化エネルギー項しか求めることができず、該活性化エネルギー項だけでは前記数値解析に耐えるデータとはなり得なかった。
尚、前記石炭昇温シミュレーション装置に入力すべき石炭の物性としては、活性化エネルギー項と定数項等を求めることが必要であるが、従来の場合、例えば、加熱反応器、ガスクロマトグラフィー、電気炉等の複数の装置を利用して石炭の物性（低温酸化反応速度、比熱、含水率、熱伝導率）を調べざるを得ないのが現状であった。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、石炭の物性として、低温酸化反応速度、比熱、含水率、熱伝導率を一つの装置で効率良く求めることができる石炭分析装置を提供しようとするものである。
本発明は、貯蔵される石炭を分級して試料とした粉状炭が供給されて該粉状炭から低温酸化反応速度を計測する第一分析ユニットと、
貯蔵される石炭を塊状に加工して試料とした塊状炭が供給されて該塊状炭から比熱、含水率を計測する第二分析ユニットと、
貯蔵される石炭を塊状に加工して試料とした塊状炭が供給されて該塊状炭から熱伝導率を計測する第三分析ユニットと
を備えたことを特徴とする石炭分析装置にかかるものである。
貯蔵される石炭を塊状に加工して試料とした塊状炭が供給されて該塊状炭から比熱、含水率を計測する第二分析ユニットと、
貯蔵される石炭を塊状に加工して試料とした塊状炭が供給されて該塊状炭から熱伝導率を計測する第三分析ユニットと
を備えたことを特徴とする石炭分析装置にかかるものである。
前記石炭分析装置において、前記第一分析ユニットは、ヒータが内蔵されて断熱材で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第一加熱炉と、粉状炭が充填され且つ前記第一加熱炉の内部にセットされる筒状の反応容器と、該反応容器の内部に充填された粉状炭に対して空気を流通させる空気流通装置と、該空気流通装置によって前記粉状炭に対し流通させた空気中の酸素濃度を計測する酸素センサとを備えても良い。
前記第二分析ユニットは、ヒータが内蔵されて断熱材で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第二加熱炉と、該第二加熱炉のヒータに電源から供給される電力量を計測する電力量計と、前記第二加熱炉の内部にセットされる塊状炭の温度を計測する塊状炭温度計と、前記塊状炭の重量を計測する重量計とを備えても良い。
前記第三分析ユニットは、加熱板が内蔵されて断熱材で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第三加熱炉と、該第三加熱炉の加熱板に電源から供給される電力量を計測する電力量計と、前記第三加熱炉の内部に前記加熱板と反対の面側を外部に露出させてセットされる塊状炭の前記加熱板に面する側の高温部温度を計測する高温部温度計と、前記第三加熱炉の内部にセットされる塊状炭の外部に露出する側の低温部温度を計測する低温部温度計とを備えても良い。
本発明の石炭分析装置によれば、石炭の物性として、低温酸化反応速度、比熱、含水率、熱伝導率を一つの装置で効率良く求めることができるという優れた効果を奏し得る。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１〜図４は本発明の石炭分析装置の実施例である。
本実施例の場合、図１に示す如く、石炭分析装置１は、貯炭施設に貯蔵される石炭の物性を計測するものであって、第一分析ユニット１０と、第二分析ユニット２０と、第三分析ユニット３０とを備えている。
前記第一分析ユニット１０は、ヒータ１１が内蔵されて断熱材１２で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第一加熱炉１３と、粉状炭が充填され且つ前記第一加熱炉１３の内部にセットされる筒状の反応容器１４と、該反応容器１４の内部に充填された粉状炭に対して空気を流通させる空気流通装置１５と、該空気流通装置１５によって前記粉状炭に対し流通させた空気中の酸素濃度を計測する酸素センサ１６とを備えている。前記第一分析ユニット１０においては、内部に粉状炭が充填された反応容器１４を第一加熱炉１３にセットし、空気流通装置１５から反応容器１４の内部に充填された粉状炭に対して空気を流通させつつ、ヒータ１１により一定な昇温速度で反応容器１４の温度を上昇させ、粉状炭を通過した空気中の酸素濃度を酸素センサ１６で計測することにより、低温酸化反応速度を求めるようになっている。因みに、温度と酸素消費量との関係は、例えば、図２に示すようになり、この関係から活性化エネルギー項と定数項等を求めることができる。尚、前記粉状炭は、貯炭施設に貯蔵される石炭を分級して試料としたものである。
前記第二分析ユニット２０は、ヒータ２１が内蔵されて断熱材２２で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第二加熱炉２３と、該第二加熱炉２３のヒータ２１に電源２４から供給される電力量を計測する電力量計２５と、前記第二加熱炉２３の内部にセットされる塊状炭の温度を計測する塊状炭温度計２６と、前記塊状炭の重量を計測する重量計２７とを備えている。前記重量計２７としては、ロードセルや天秤等を用いることができる。前記第二分析ユニット２０においては、塊状炭を第二加熱炉２３にセットし、ヒータ２１により塊状炭に熱を与えて温度を上昇させ、電力量計２５で計測した電力量に基づき塊状炭に与えた熱量Ｑを求めるようになっている。更に、この時の塊状炭の重量を重量計２７で計測して質量ｍを求めると共に、塊状炭の温度変化Δｔを塊状炭温度計２６で計測し、比熱Ｃを
Ｃ＝Ｑ／（ｍ×Δｔ） …（１）
但し、Ｑ：熱量［Ｊ］
ｍ：質量［ｇ］（重量から換算）
Δｔ：温度変化［Ｋ］
より求めるようになっている。ここで、温度と熱量は、例えば、図３（ａ）に示す如く、線形関係を有する。前記比熱Ｃの測定後、塊状炭の温度を１００℃以上に昇温させると水分が蒸発し、例えば、図３（ｂ）に示す如く、時間の経過と共に試料としての塊状炭の温度が上昇するのに対して、該塊状炭の重量は減少していくため、昇温後の塊状炭の重量変化から、含水率を求めるようになっている。尚、前記塊状炭は、貯炭施設に貯蔵される石炭を塊状に加工して試料としたものであって、塊状炭の大きさは、およそ３０〜５０ｍｍ程度としてある。
Ｃ＝Ｑ／（ｍ×Δｔ） …（１）
但し、Ｑ：熱量［Ｊ］
ｍ：質量［ｇ］（重量から換算）
Δｔ：温度変化［Ｋ］
より求めるようになっている。ここで、温度と熱量は、例えば、図３（ａ）に示す如く、線形関係を有する。前記比熱Ｃの測定後、塊状炭の温度を１００℃以上に昇温させると水分が蒸発し、例えば、図３（ｂ）に示す如く、時間の経過と共に試料としての塊状炭の温度が上昇するのに対して、該塊状炭の重量は減少していくため、昇温後の塊状炭の重量変化から、含水率を求めるようになっている。尚、前記塊状炭は、貯炭施設に貯蔵される石炭を塊状に加工して試料としたものであって、塊状炭の大きさは、およそ３０〜５０ｍｍ程度としてある。
前記第三分析ユニット３０は、加熱板３１が内蔵されて断熱材３２で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第三加熱炉３３を備えている。更に、前記第三加熱炉３３の加熱板３１に電源３４から供給される電力量を計測する電力量計３５と、前記第三加熱炉３３の内部に上面側（前記加熱板３１と反対の面側）を外部に露出させてセットされる塊状炭の底面側（前記加熱板３１に面する側）の高温部温度ＴＨを計測する高温部温度計３６と、前記第三加熱炉３３の内部にセットされる塊状炭の上面側（外部に露出する側）の低温部温度ＴＣを計測する低温部温度計３７とを備えている。前記第三分析ユニット３０においては、断面積Ｓが一定になり且つ長さ（高さ）がＬとなるように加工した塊状炭を第三加熱炉３３の内部に上面側を外部に露出させてセットし、加熱板３１により塊状炭の底面側を加熱し、上面側は開放し、図４に示す如く、塊状炭の底面側の高温部温度ＴＨが所定温度に到達した後に一定となるよう電力量を調節し、電力量計３５で計測した電力量に基づき塊状炭に与えた熱流量ｑを求めるようになっている。更に、この時の塊状炭の温度差ΔＴ（＝ＴＨ−ＴＣ）を高温部温度計３６及び低温部温度計３７で計測し、定常状態の熱伝導率λを
λ＝（ｑ／Ｓ）／（ΔＴ／Ｌ） …（２）
但し、ｑ：熱流量［Ｗ］
Ｓ：断面積［ｍ２］
ΔＴ：温度差［Ｋ］
Ｌ：長さ［ｍ］
より求めるようになっている。
λ＝（ｑ／Ｓ）／（ΔＴ／Ｌ） …（２）
但し、ｑ：熱流量［Ｗ］
Ｓ：断面積［ｍ２］
ΔＴ：温度差［Ｋ］
Ｌ：長さ［ｍ］
より求めるようになっている。
次に、上記実施例の作用を説明する。
前記石炭分析装置１の第一分析ユニット１０の反応容器１４には、貯炭施設に貯蔵される石炭を分級して試料とした粉状炭が充填され、該粉状炭が充填された反応容器１４が第一加熱炉１３の内部にセットされる。前記第一分析ユニット１０においては、内部に粉状炭が充填された反応容器１４が第一加熱炉１３にセットされた後、空気流通装置１５から反応容器１４の内部に充填された粉状炭に対して空気が流通される。空気が流通された状態で、ヒータ１１により反応容器１４が加熱され、一定な昇温速度で反応容器１４の温度が上昇し、粉状炭を通過した空気中の酸素濃度が酸素センサ１６で計測される。この時、温度と酸素消費量との関係は、例えば、図２に示すようになり、この関係から低温酸化反応速度が求められる。
前記石炭分析装置１の第二分析ユニット２０の第二加熱炉２３には、貯炭施設に貯蔵される石炭を塊状に加工して試料とした塊状炭がセットされる。前記第二分析ユニット２０においては、ヒータ２１により塊状炭が加熱されて温度上昇し、電力量計２５で計測した電力量に基づき塊状炭に与えた熱量Ｑが求められる。この時の塊状炭の重量が重量計２７で計測されて質量ｍが求められると共に、塊状炭の温度変化Δｔが塊状炭温度計２６で計測される。ここで、温度と熱量は、例えば、図３（ａ）に示す如く、線形関係を有しており、塊状炭の比熱Ｃが前記数式（１）（Ｃ＝Ｑ／（ｍ×Δｔ））より求められる。更に、前記比熱Ｃの測定後、塊状炭の温度を１００℃以上に昇温させると水分が蒸発し、例えば、図３（ｂ）に示す如く、時間の経過と共に試料としての塊状炭の温度が上昇するのに対して、該塊状炭の重量は減少していくため、昇温後の塊状炭の重量変化から、含水率が求められる。
前記石炭分析装置１の第三分析ユニット３０の第三加熱炉３３には、断面積Ｓが一定になり且つ長さ（高さ）がＬとなるように加工した塊状炭を第三加熱炉３３の内部に上面側を外部に露出させてセットする。前記第三分析ユニット３０においては、加熱板３１により塊状炭の底面側が加熱され、上面側は開放されており、図４に示す如く、塊状炭の底面側の温度（高温部温度ＴＨ）が所定温度に到達した後に一定となるよう電力量が調節され、電力量計３５で計測した電力量に基づき塊状炭に与えた熱流量ｑが求められる。この時の塊状炭の温度差ΔＴ（＝ＴＨ−ＴＣ）が高温部温度計３６及び低温部温度計３７で計測され、定常状態の熱伝導率λが前記数式（２）（λ＝（ｑ／Ｓ）／（ΔＴ／Ｌ））より求められる。
前記石炭分析装置１から、前記低温酸化反応速度と、前記比熱と、前記含水率と、前記熱伝導率とが石炭の物性として出力される。
本実施例の場合、試験条件によって誘導時間が変化してしまう従来の自然発火試験装置とは異なり、石炭の物性として出力される前記低温酸化反応速度と、前記比熱と、前記含水率と、前記熱伝導率のデータを、石炭の銘柄毎に幅広く比較することが可能となる。
又、本発明者等が開発している石炭昇温予測管理システムにおける石炭昇温シミュレーション装置に対しても、石炭の物性として出力される前記低温酸化反応速度と、前記比熱と、前記含水率と、前記熱伝導率のデータは、活性化エネルギー項と定数項等として用いることが可能となる。
こうして、石炭の物性として、低温酸化反応速度、比熱、含水率、熱伝導率を一つの装置で効率良く求めることができる。
そして、前記第一分析ユニット１０は、ヒータ１１が内蔵されて断熱材１２で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第一加熱炉１３と、粉状炭が充填され且つ前記第一加熱炉１３の内部にセットされる筒状の反応容器１４と、該反応容器１４の内部に充填された粉状炭に対して空気を流通させる空気流通装置１５と、該空気流通装置１５によって前記粉状炭に対し流通させた空気中の酸素濃度を計測する酸素センサ１６とを備えている。これにより、一定な昇温速度で上昇させた前記反応容器１４内の粉状炭の温度と、前記酸素センサ１６で計測される酸素濃度に基づく酸素消費量との関係から低温酸化反応速度を求めることができる。
又、前記第二分析ユニット２０は、ヒータ２１が内蔵されて断熱材２２で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第二加熱炉２３と、該第二加熱炉２３のヒータ２１に電源から供給される電力量を計測する電力量計２５と、前記第二加熱炉２３の内部にセットされる塊状炭の温度を計測する塊状炭温度計２６と、前記塊状炭の重量を計測する重量計２７とを備えている。これにより、前記ヒータ２１による塊状炭の加熱時に、前記電力量計２５で計測した電力量に基づいて求められる塊状炭に与えた熱量Ｑと、前記重量計２７で計測された塊状炭の重量に基づく質量ｍと、前記塊状炭温度計２６で計測される塊状炭の温度変化Δｔとから、塊状炭の比熱Ｃを前記数式（１）（Ｃ＝Ｑ／（ｍ×Δｔ））より求めることができる。更に、前記比熱Ｃの測定後の塊状炭の水分蒸発に伴う、該塊状炭の重量変化から、含水率を求めることができる。
更に又、前記第三分析ユニット３０は、加熱板３１が内蔵されて断熱材３２で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第三加熱炉３３と、該第三加熱炉３３の加熱板に電源から供給される電力量を計測する電力量計３５と、前記第三加熱炉３３の内部に前記加熱板３１と反対の面側を外部に露出させてセットされる塊状炭の前記加熱板３１に面する側の高温部温度ＴＨを計測する高温部温度計と、前記第三加熱炉３３の内部にセットされる塊状炭の外部に露出する側の低温部温度ＴＣを計測する低温部温度計３７とを備えている。これにより、前記電力量計３５で計測した電力量に基づいて求められる塊状炭に与えた熱流量ｑと、前記塊状炭の断面積Ｓと、前記高温部温度計３６及び低温部温度計３７で計測される塊状炭の温度差ΔＴ（＝ＴＨ−ＴＣ）と、前記塊状炭の長さＬとから、定常状態の熱伝導率λを前記数式（２）（λ＝（ｑ／Ｓ）／（ΔＴ／Ｌ））より求めることができる。
尚、本発明の石炭分析装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
１ 石炭分析装置
１０ 第一分析ユニット
１１ ヒータ
１２ 断熱材
１３ 第一加熱炉
１４ 反応容器
１５ 空気流通装置
１６ 酸素センサ
２０ 第二分析ユニット
２１ ヒータ
２２ 断熱材
２３ 第二加熱炉
２４ 電源
２５ 電力量計
２６ 塊状炭温度計
２７ 重量計
３０ 第三分析ユニット
３１ 加熱板
３２ 断熱材
３３ 第三加熱炉
３４ 電源
３５ 電力量計
３６ 高温部温度計
３７ 低温部温度計
１０ 第一分析ユニット
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２１ ヒータ
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２６ 塊状炭温度計
２７ 重量計
３０ 第三分析ユニット
３１ 加熱板
３２ 断熱材
３３ 第三加熱炉
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３６ 高温部温度計
３７ 低温部温度計
Claims (4)
- 貯蔵される石炭を分級して試料とした粉状炭が供給されて該粉状炭から低温酸化反応速度を計測する第一分析ユニットと、
貯蔵される石炭を塊状に加工して試料とした塊状炭が供給されて該塊状炭から比熱、含水率を計測する第二分析ユニットと、
貯蔵される石炭を塊状に加工して試料とした塊状炭が供給されて該塊状炭から熱伝導率を計測する第三分析ユニットと
を備えたことを特徴とする石炭分析装置。 - 前記第一分析ユニットは、ヒータが内蔵されて断熱材で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第一加熱炉と、粉状炭が充填され且つ前記第一加熱炉の内部にセットされる筒状の反応容器と、該反応容器の内部に充填された粉状炭に対して空気を流通させる空気流通装置と、該空気流通装置によって前記粉状炭に対し流通させた空気中の酸素濃度を計測する酸素センサとを備えた請求項１記載の石炭分析装置。
- 前記第二分析ユニットは、ヒータが内蔵されて断熱材で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第二加熱炉と、該第二加熱炉のヒータに電源から供給される電力量を計測する電力量計と、前記第二加熱炉の内部にセットされる塊状炭の温度を計測する塊状炭温度計と、前記塊状炭の重量を計測する重量計とを備えた請求項１又は２記載の石炭分析装置。
- 前記第三分析ユニットは、加熱板が内蔵されて断熱材で囲まれ且つ昇温速度を制御自在な第三加熱炉と、該第三加熱炉の加熱板に電源から供給される電力量を計測する電力量計と、前記第三加熱炉の内部に前記加熱板と反対の面側を外部に露出させてセットされる塊状炭の前記加熱板に面する側の高温部温度を計測する高温部温度計と、前記第三加熱炉の内部にセットされる塊状炭の外部に露出する側の低温部温度を計測する低温部温度計とを備えた請求項１〜３の何れか一項に記載の石炭分析装置。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP2015221726A JP6557581B2 (ja) | 2015-11-12 | 2015-11-12 | 石炭分析装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017090287A JP2017090287A (ja) | 2017-05-25 |
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ID=58768023
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2015
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