JPS59124990A - 石炭の水添熱分解法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は石炭の水添熱分解法に関し、さらに詳しくいえ
ば、水素の存在下で石炭を急速熱分解し、高収率でガソ
リン留分や燃料油を得るための新規近年、将来の石油資
源の枯渇化に対処する手段の一つとして、化石燃料資源
の中で最も豊富に存在１〜、しかも世界各地に広く分布
する石炭が石油に代わる工不ルキー源として再評価され
るようになってきた。しかし、石炭は極めて複雑な篩分
子化合物であり、主要構成要素である炭素、水素のほか
、かなりの量の酸素、窒素、硫黄などのへテロ原イ、そ
れに灰分を含むため、そのま捷燃焼させると多量の大気
力染物質を発生する上に、石油に比べて発熱量も低く、
輸送や貯蔵にも問題があるなど、多くの解決すべき事項
が残されている。

このような石炭の有する本質的諸問題を解決する手段と
して、石炭を液化し、ペテロ原子や灰分を除去するとと
もにクリーンな燃料油や燃料カス、その他附加価値の高
い化学原料を取得する多くの方法が提案された。これら
の方法の甲で代表的なものとしては、例えば、石炭を溶
媒で抽出する方法、水素又は水素供力体の存在下で石炭
を液化する方法、水素存在下で石炭を液化、ガス化する
方法、不活性ガス中で石炭を液化、ガス化する方法など
を挙げることができる。そのほか、石炭を加熱して軽質
油やガスを直接取得する方法として、微粉砕した石炭を
高温、高圧の水素気流中に噴出することによって、数十
ミリ秒ないし数分間程度の短時間で、石炭を高速水添熱
分解する方法も知られている。この方法は、例えば粉砕
した石炭を、圧力５０　＝　２５０　ｆ　／　ｃＡ　（
ゲージ圧）、温度６００〜１２００℃の水素気流中に噴
出することにより、石炭を１０３℃／秒以上の速度で急
熱し、水添熱分解することにより行われ、反応生成物と
してメタン・エタン、二酸化炭素、−酸化炭素、硫化水
素、アンモニア、炭素数３〜５の炭化水素、水、ガソリ
ン留分、燃料油（炭素数１０以上の芳香族化合物及び高
沸点タール）及びチャーと称する灰分を含む固体生成物
などが得られる。

従来、このような石炭の高速水添熱分解法において、メ
タンの生成を抑制し、附加価値の高いガソリン留分など
の軽質油への転化率を高める研究が多くなされてきたが
、まだ満足すべき実用的な、方法は知られていない。

本発明者らは、このような事情に鑑み、従来の高速水添
熱分解法におけるカッリン留分への転化率を向上させる
ために鋭意研究を重ねた結果、ガソリン留分は、石炭か
ら直接生成する以外に、中間生成物である液体生成物が
さらに水添分解し、軽質化されて生成すること、及び全
体的には後者の力が支配的であること、したがってカッ
１ノン留分への転化率を向上させるには、該液体生成物
の絶対量を増大させることが必要であることを見出し、
この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、石炭を水素の存在下に熱処理して
液化及びカス化するに当り、（イ）石炭微粉末を力ロ熱
水素カス気流中に噴出して急速に加熱し反応させる工程
、（ロ）前記反応によって得られた反Ｋｌ’、−を生成
物を気相と固相とに分離する工程、（ハ）（ロ）工程で
分離した固相を加熱水素ガスと接触反応させる工程、に
）（ロ）工程で分離した気相及び０９工程で得られたガ
ス状生成物をさらに水素添加反応はせる上程５．及び（
旬　に）工程で得らｉた反応生成物を急冷する工程を、
連続して行うことを特徴とする石炭の水深熱分解法を提
供するものである。

本発明方法に従えば、石炭からカッリン留分が高収率で
得られるとともに、副次的に生成するエタンなどの低級
炭化水素の高次分解によるメタンガスの発生が抑制され
、かつ燃料油の生成量が増大し、それにともない反応生
成炭化水素量に対する水添用水素量を太幅に節約するこ
とができる。

ところで、本発明において石炭からカッリン留分へ転化
する反応としては、主として２種の反応が考えられる。

その一つは、石炭の単なる熱分解により結合解離工坏ル
ギーの小さい共有結合が開裂し、生成したフリーラジカ
ルによって水素引抜さ、脱水素、丙結合、環化などの分
解と重縮合の競合反応か進行して、熱分解液体炭化水素
生成物（以下＼液体生成物という。）知安定化され、ガ
ス状態で気相に拡散する固相反応であり、他の一つは、
同相反応で生成した液体生成物を水添分解して、さらに
低分子化する気相反応である。

前者の同相反応における熱分解速度は比較的速いものと
考えられるが、固体生成物がさらに水添熱分解される反
応速度はかなＱ遅いし、また、ガス及び液体生成物が固
相から気相に拡散する速度は熱分解速度より遅く、その
上固体生成物内に吸着されて液体生成物も存在するため
、反応域における固体生成物の滞留時間は長ければ長い
ほと、液体生成物の量が増力りする。

一方、気相反応は、固相反応より生成、拡散してきた液
体生成物の水添分解反応によりガソリン留分を生成する
反応であって、目的生成物であるガソリン留分や副次的
に生成するエタンなどの低級炭化水素のメタンへの高次
水添分解反応を一抑制するために、脱アルキル反応温度
と同程度の温度で、かつ固相反応よシも短い滞留時間で
行う必要がある。

したがって、石炭からガソリン留分への転化率を上ける
ためには、捷ず、固相反応においてガソリン留分になり
うる液体生成物が多量に生成するような反応条件と、気
相反応において液体生成物の水添分解速度がカッリン留
分の水添分解速度より速くなるような反応条件を選ぶこ
とによって、理想的な反応過程が実現できることになる
。

本発明方法において用いる石炭は、できるだけ微粉状化
することが好ましく、実用的には１００メツシュ通過、
好ましくは２００メツシュ通過以下の粒度に調製される
ことが望ましい。

また、（イ）工程における水素ガス気流は、実質的−に
水素ガスから成る雰囲気で形成されることが好ましいが
、例えば約３０容量％−ｉでの不活性ガス、その細氷蒸
気、炭酸ガス、−Ｖ化炭素、メタンなどのカスで希釈さ
れていてもよい。（イ）工程においては、このような水
素ガス気流を反応容器内に加熱状態で通常２５〜２５０
Ｋｑ／ｃｒＡのゲージ圧に圧入したのち、この反応容器
内に微粉末石炭を噴射して５５０〜９００°Ｃの温度１
で急速に加熱することによって反応が行われる。この際
の石炭のカｎ熱速度は、液体生成物を増大するため速け
れば速いほどよいので、通常１０００℃／秒以上、好ま
しくは５０００℃／秒以上の加熱速度が用いられる。

また、本発明方法においてｌｌ−ｉ（イ）〜に）工程の
反応温度は５５０〜９００℃の範囲に選ぶのが好ましい
。

この反応温度が９００℃を超えると、気相反応において
、固相反応で生成した液体生成物の水添分解反応により
得られたガソリン留分や炭素数２〜５の炭化水素の高次
水添分解反応によりメタンガスの生成量が増加するため
、ガソリン留分への選択率が低下し、その上水素ガスの
消費量が多くなる。

一方５５０℃未満では、固相反応における石炭の熱分解
速度が遅く、かつ熱分解が十分でないはかシでなく、気
相反応における液体生成物の水添分解速度が遅く、しか
も水添分解が十分でない。特に好ましい反応温度は５７
０〜８７０℃の範囲である。

なお、（イ）〜に）の各工程における反応温度は必ずし
も同一である必要はなく、また各工程内において温度勾
配を設けて行うこともできる。

次に、（イ）〜に）工程における反応時間について説明
すると、前記の反応温度範囲内では反応生成物中の液体
生成物はガス状態となっていて、（イ）〜に）工程では
実質的に気、固相状態で反応が進行しておシ、（イ）、
（ロ）、（ハ）の順序で進行する同相の全滞留時間が３
０秒間よシ短いと、固相反応域よシ気相反応域への拡散
及びチャーの水添熱分解反応が十分で彦いため、気相反
応への液体生成物の増大が不十分となる。また固相の全
滞留時間が１時間よ）長くなると、その効果は小さくな
る上に固相の保持量が多くなって、反応器の寸法を太キ
クシなければならず不経済となるため、（イ）、（ロ）
、（ハ）工程の固相の全滞留時間は３０秒〜１時間の範
囲が望ましい。

一方、（イ）、（ロ）、に）の順序で進行する気相又は
（ハ）、に）の順序で進行する副気相の全滞留時間が短
いと、ガソリン留分への転化率の改善効果はあ″！、シ
期待できなくなるし、また逆に滞留時間が長いとガソリ
ン留分の分解が進みすぎるため、両気相の滞留時間は固
相の全滞留時間より短く、１−１２０秒の範囲で選ぶの
が望ましい。しかしながら、各工程における固相、気相
の滞留時間は、石炭の種類によって装置の形状が異なる
ため、一義的に決まるものではない。

本発明方法においては、（イ）〜（ホ）工程における圧
力は水添分解反応である関係上、高くするとガソリン留
分への転化率が増加するが、ある程度以上高圧にすると
、その効果は小ζくな９、また設備面において経済的に
不利になるため、２５〜２５０Ｋｇ／　ｃｎｉ　−Ｇが
々子ましく、さらに３５〜２００　Ｋり／　ｃＡ−Ｇの
範囲が好適である・ 本発明の（イ））工程においては、に）工程の反応を停
止するために、反応生成物を急冷する必要がる勺、この
場合４５０℃ＪＪ、下の温度に急冷することが好ましい
。

本発明方法においては、微粉状石炭供給量（無水、無灰
基準）と反応水素ガス供給量との割合は、石炭の種類や
所要の反応生成物の組成によって異なる。一般に、供給
石炭（無水、無灰基準）に対する水素の重量比は０．０
３〜０．０８あればよいが、石炭からの液体生成物の拡
散や水素の石炭細孔への拡散を良くし、石炭からガソリ
ン留分への転化率を高め、コーキングを防止するために
も、過剰の水素を供給することが望ましい。しかしなが
ら、この過剰の水素は、石炭からの生成物と分離して反
応装置に戻し循環使用するため、過剰の水素が多くなる
と、分離・循環及び加熱に要するエネルギーや設備も犬
きくなって経済的に不利になる。

したがって、（イ）工程における石炭供給量（無水、無
灰基準）と（イ）工程及び（ハ）工程における合計反応
水素ガス供給量との割合が、重量比で１０：１ないし２
．３の範囲にあるのが適轟であや、特に１０　：　１．
２ないし１．１の範囲が好ましい。

甘だ、本発明方法においては、（イ）工程における反応
水素カス供給量とＣつ工程における反応水素ガス供給量
との割合は、（イ）工程と（−→工程におけろ水添に要
する水素ガス量とコーキングを防止するだめの過剰の水
素ガス量及び（ハ）工程における固相反応からの反応生
成物をストリッピングするのに必要な水素カス量より決
定されるが、好ましいのはモル比で２゛１ない１，２０
：１の範囲である。

本発明の石炭の水添熱分解法によると、附加価値の高い
ガソリン留分が高収率で得られる上に、メタンガスの発
生が抑制され、かつ燃量前の生成が増大することによっ
て、反応生成炭化水素量に対する水添用水素量を大幅に
減少することができる。

なお・本発明方法において石炭とは、無煙炭、歴青炭・
亜歴青炭、かつ炭、亜炭、泥炭、草炭などをいう。

寸だ、石炭からの各反応生成物への転化率は、次式によ
って定義される。

以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが
、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例Ｉ 豪州褐炭を自由粉砕機で微粉砕し、１５０メツシユ以下
を８３ｑｂ以上としたのち、真空乾燥機で一７２０咽Ｈ
ｇ、１．００℃の条件で２４時間乾燥し、石炭１００重
量部に対し、水分量を３．３重量部程度に調整した。該
石炭の元素分析値は無水基準で第１表のとおりであった
。

第１表 圧カフ０Ｋｔｑ／ｃｎｌ（ｌの常温水素ガス（水素純度
９９％以上）　８０　Ｎ　ｍ”　／　Ｈを外部加熱式水
素ガス予熱管にて７５０℃に予熱する。また圧カフ２に
９／ＣａＧの常温酸素ガス１．９Ｎｍ／Ｈを該予熱水素
ガスと混合して、反応当量の予熱水素ガスの一部を燃焼
して、１１００℃の加熱水素ガスとする。一方、２３．
３Ｋｇ／Ｈの常温該微粉砕乾燥石炭を圧カフ１に９　／
　ｃｔｌ　Ｇ下で、３　、２　Ｎ　ｔｎ”／　Ｈの常温
水素ガスを用いて、石炭ホッパーよシ配管で搬送し、該
加熱水素ガス気流中に噴出混合して、該石炭を常温から
７５０℃まで急速に昇温する。このときの石炭の加熱速
度は約５　Ｘ　１０４℃／秒と推定される。さらに内径
２０ｍｍφの反応管に、該石炭と水素ガス混合物を７５
０℃で流通させ、（イ）工程の反応を行わせる。

しかるのち、サイクロン分離器にて気相と固相の分離を
行い、固相は流動層反応器に供給する。次に、圧カフ５
Ｋｇ／ｃｉＧの常温水素ガス１２　Ｎ　ｙｎ’／Ｈを外
部加熱式水素ガス予熱管にて８００℃に刃口熱し、該流
動層反応器に供給して、（ハ）工程の反応を７５０℃で
行わせる。該流動層反応器より固体粒子（チャー）を適
ぎ抜き出し、該流動層反応器でのチャーの蓄積を抑制し
た。該流動層反応器で生成した反応ガスは該サイクロン
分離器で分離した（イ）工程の生成反応ガスと混合して
、内径６０職φ反応管に流通せしめ、温度７５０℃にて
、に）工程の気相水添反応を行わせる。該に）工程の反
応管からの反応生成物は二重管式急冷器で３８０℃に急
冷し、チャートラップで飛まつ同伴してきたチャーを分
離したのち、間接水冷却器で液体生成物を凝縮させガス
と分離し、それぞれ分析した。

各反応域の反応温度を一定にするため、電気ヒーターを
反応器の周囲に設置し、さらに、水素燃焼室・（イ）、
（ロ）、Ｈ，に）の各工程の要素と該電気ヒーターを、
内径５００闘φの耐圧容器に納めることによって、反応
器などの耐圧を不要とした。

また、反応圧力はに）工程反応管出口で７０に９／ｃＡ
Ｇであや、反応に供する全水素量の無水、無灰基準での
供給石炭量に対する重量比は０．４１である。（イ）工
程と（ハ）工程の反応水素ガス供給量割合はモル比で６
．８：１である。さらに、（イ）工程の微粉砕炭と加熱
水素の混合点から、（ロ）工程を経て、に）工程反応管
出口までの主気相滞留時間は６秒であυ、該混合点から
（Ｏ）工程を経て、ｒ）工程の流動層反応器より固体抜
き出しまでの同相平均滞留時間は６分であり、該流動層
反応器への加熱水素ガスの供給点から、（ロ）工程を経
てに）工程反応管出口までの副気相滞留時間は２５秒で
あった。

反応生成物の分析結果、炭素基準における石炭からの反
応生成物の転化率は第２表のとおシであつた。

第２表 注記 ×１）　エチレンは、エタンの約５係で必見エタンとエ
チレンの合計値をエタンと称する。

×２）　分析結果の物質収支は９６ｉ！量係から１０２
重量係であったが、物質収支の合わない量は、ガソリン
留分を除く液体炭化水素生成物とした。

実施例２〜４ 実施例１で用いた乾燥微粉炭（豪州褐炭）と同一試料を
実施例１に記載した装置を使用して反応実験を行った。

各実施例の反応条件として、反応域での温度、気相の滞
留時間、固相の滞留時間などを変えて実施した結果を第
３表に示す。

なお、反応時間を変えるため、石炭の供給量や加熱水素
ガスの供給量及び反応管径を適当に変え実施例 第　　　　３　　　　表 注記　Σ、３）　（イ）工程及び（ハ）工程の反応に供
する加熱水素と無水・無灰基準の供給石炭との重量割合 ＝＝４）（イ）工程の反応水素ガス供給量と０９工程の
反応水素ガス供給量とのモル比 比較例１ 実施例１の力０熱水素ガスの生成力法と同様にして、圧
カフ　２　ｘ９／Ｃ＝ｏ　、温度７５０℃の予熱水素ガ
ス８０　Ｎ　ｍ３／　Ｈと常温酸素ガス１．　、９　Ｎ
　ｍ３／　Ｈを燃焼室において混合し、予熱水素ガスの
一部を燃焼して、１１００℃の加熱水素ガスを生成する
。一方、実施例１と同一の微粉砕炭（豪州褐炭）２４Ｉ
Ｑ／Ｈを加圧水素カス３．２　Ｎｍ３／　Ｈを用いて、
ホッパーより配管て搬送し、該加熱水素ガス気流中に噴
出混合し、石炭を常温から７５０℃壕で急速に昇温する
。このときの石炭の加熱速度は実施例１と同程度と推定
さ几る。さらに内径６０聴φの反応管に、該水素ガスと
石炭の混合物を７５０℃で流通反応を行わせる。該反応
管からの反応生成物は二重管式急冷器で３８０℃に急冷
し、チャートランプでチャーを分離したのち、実施例１
と同様の分析を行った。

反応域での温度の保持のだめの電気ヒーターの設備べ〕
反応管などの耐圧を不要にするだめの耐圧容器をイ」加
する点は実施例１と同様である。

ま／ヒ、反応圧力は該反応管出口部で７０　Ｋｑ／ｃｒ
ｕｘ　Ｇであり、反応に供する全水素量と無水、無灰基
準の石炭供給量の比率は帆３４重量比である。石炭と加
熱水素ガスとの混合点から該反応管出口までの気相滞留
時間は６秒であり、同反応域での固相滞留１晴間は約３
秒であった。

反応生成物の分析結果によると炭素基準における石炭か
らの反応生成物の転化率は第４表の比較例ｊのとおりで
あった。

比較例２，３ 比較例１と同様にして、反応温度、気相と固相の滞留時
間を変えて実験した結果を第４表に示す。

第　　　　４　　　　表 − 曙 ノ 注記　※３）　前記と同じ意味である。

以上の結果から、従来技術に比較して本発明の有利な点
を要約すると次のとおっである。

（１）石炭からガンリン留分への転１ヒ率が約３０係増
大する。

（２）石炭からエタンへの転化率が約１５％増大する。

（３）石炭からの総転化率が従来技術よシ約２０％増大
するが、と、１１．は燃料油、ガソリン留分の増大が主
で、メタンへの転化率がさほど増加しないため、生成炭
化水素化合物に対する反応用水素消費量が少なく、水素
製造費用が低減できる。

特許出願人　旭化成工業株式会社 代理人　阿　形　　明

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　石炭を水素の存在下に熱処理して液化及びガス化す
   るに当シ、（イ）石炭微粉末を加熱水素ガス気流中に噴
   出して急速に加熱し反応させる工程、（ロ）前記反応に
   よって得られた反応生成物を気相と固相とに分離する工
   程、Ｃ→　（１コ）工程で分離した固相を刃口熱水素ガ
   スと接触反応させる工程、に）（ロ）工程で分離した気
   相及びｅ−＞工程で得られたガス状生成物をざらに水素
   添加反応させる工程、及び（ホ）に）工程で得られた反
   応生成物を急冷する工程を、連続して行うことを特徴と
   する石炭の水添熱分解法。 ２　（イ）、（ロ）、（ハ）及びに）工程における反応
   温度を５５０〜９００℃とする特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 Ｋ９　／　ｃａ　（ゲージ圧）とする特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 ４　（イ）工程における石炭の加熱速度が１０００℃／
   秒以上である特許請求の範囲第１項記載の方法０ ５　（イ）工程における石炭供給量（無水、無灰基準）
   と（イ）工程及び（ハ）工程における合計反応水素ガス
   供給量との割合が、重量比で１０：１ないし２：３の範
   囲である特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６　（イ）工程における反応水素ガス供給量とｅつ工程
   における反応水素ガス供給量との割合が、モル比で２１
   ないし２０゛１の範囲でるる特許請求の範囲第１項記載
   の方法。