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1 石炭の基礎 2013 年 1 月 22 日 出光興産 ( 株 ) 1

2 石炭とは 石炭は黒色あるいは黒褐色の可燃性堆積岩であり 多少の水及び無機物 ( 鉱物等 ; 燃焼後に灰となる ) を含む常温で固体の有機物 (C,H,,N,S 主体 ) である 主に炭素含有量の差によって 物理的 化学的構造が大きく変化する 石炭の外観 無機鉱物 瀝青炭の化学構造モデル ( 産業技術総合研究所 ) 有機物 水分 2

3 石炭の成因 (1) 木材の堆積 地熱 地圧 時地圧 炭層の生成間による石炭化 水中での熟成 沼沢地 海浜などで繁茂した植物が枯死して水中に浸漬し さらに新たに生育した植物が枯死して沈積する現象を繰り返すことで厚さが増加 空気が遮断された状態で微生物の分解作用で腐食物に変化し 泥炭となる ( 泥炭化 ) 水面の上下により 砂や泥が堆積物の上に沈積し これを被覆 泥炭はさらに地熱 地圧によ地圧により 脱水 脱炭酸 脱メタン化作用により石炭へ変化 ( 石炭化 ) 色が褐色から黒色 さらには光沢を帯びるようになる さらの木材の集積 泥炭化 石炭化を繰り返すことで 炭層が生成 1m の瀝青炭の炭層を形成するためにはその約 20 倍 20m 程度の厚さの木材堆積物が必要と言われている 褐炭亜瀝青炭瀝青炭無煙炭 石炭化の進行によるによる色調の変化と名称 3

4 石炭の成因 (2) 反応線脱水脱炭酸脱メタン 木材 (C x H y z ) CH 3 H CH 2 C H 2 CH HCH C H CH HC CH 2 褐炭 CH 2 CC H H H H CH 3 CH 亜瀝青炭 2 H/C 原子数比 瀝青炭亜瀝青炭 無煙炭 褐炭 泥炭 イント ネシアロシア豪州中国米国木材亜炭 /C 原子数比 データ出所 ; 出光 CDB Krevelen のコールバンド 無煙炭 瀝青炭 木材の構成元素である炭素 水素 酸素に着 目し その変化過程を /C,H/C で見ると 1 酸素 + 水素 水 ( 脱水反応 ) 2 酸素 + 炭素 炭酸ガス ( 脱炭酸反応 ) 3 炭素 + 水素 メタン ( 脱メタン反応 ) で石炭化が進行する 炭素含有率の上昇 一方 炭素の骨格から見ると 石炭化反応の進 行に従って 芳香族分子の重縮合が進む 4

5 石炭化度が石炭の諸物性に及ぼす影響 (1) 400 内部表面積 m 2 /g 日本炭海外炭 % 孔隙率 C % 石炭化度と内部表面積の関係 C % 石炭化度と孔隙率の関係 出典 石炭化学と工業 5

6 石炭化度が石炭の諸物性に及ぼす影響 (2) f) 発熱量 (M MJ/kg,mmmf 褐炭 亜瀝青炭 瀝青炭 無煙炭 15.0 豪州イント ネシア 10.0 中国米国 5.0 ロシアその他 炭素含有量 (%,daf) 出典 出光 CDB (wt%,ad) 水分 褐炭 亜瀝青炭 瀝青炭 無煙炭 豪州イント ネシア中国米国ロシアその他 炭素含有量 (wt%,daf) 出典 出光 CDB 炭素含有量が上昇するにつれ 水分含有量が低下 合わせて酸素含有量が低下 ( 先述 ) することで 発熱量 (mmmfベース) は増加する 一方 無煙炭領域に入ると 水素の脱離が支配的になるため ( 先述 ) 発熱量は低下する 6

7 石炭化度が石炭の諸物性に及ぼす影響 (3) 硫黄含有有量 (wt%,db) 褐炭 亜瀝青炭 瀝青炭 無煙炭 豪州イント ネシア中国米国 ロシア その他 2.00 窒素含有有量 (wt%,daf) 褐炭 豪州イント ネシア中国米国ロシアその他 亜瀝青炭 瀝青炭 無煙炭 炭素含有量 (wt%,daf) 出典 出光 CDB 炭素含有量 (wt%,daf) 出典 出光 CDB 硫黄 窒素含有量は石炭化度に依存しない これは 両元素が元々根源植物及び堆積環境に由来するものであり その後の石炭化過程に支配されないことを意味している 7

8 石炭の分類 項目石炭化度用途石炭生成 Coking Property Caking Property 組織粒度各国規格 分類 泥炭 (Peat) 褐炭 (Lignite) 亜瀝青炭 (Sibbituminous) 瀝青炭 (Bituminous) 無煙炭 (Anthracite) 一般炭 (Thermal coal) 原料炭 (Coking coal) 陸植炭 (Humic coal) 残留炭(Liptobioliths) 腐泥炭(Sapropelic coal) 炭質頁岩 (Coaly shale) 弱粘結炭 準強粘結炭 強粘結炭 非粘結炭 微粘結炭 粘結炭 輝炭 暗炭 炭母 微粉炭 (3mm 以下 ) 粉炭(3-13mm) 小塊炭(13-25mm) 中塊炭 (25-37mm) 塊炭 (38-50mm) 切込炭 (RM) GST( ロシア ) の方式 SS 炭 J 炭 KJ 炭 K 炭 S 炭 T 炭 ASTM( 米国 ) の方式瀝青炭 A,B,C, など ISの方式 JIS( 日本 ) の方式 AS( 豪州 ) の方式 8

9 石炭の生成 - 世界の主要炭田と地質時代 - 石炭紀 Carboniferous 古生代中生代新生代 ペルム紀 Permian 三畳紀 Triassic ジュラ紀 Jurassic 白亜紀 Cretaceous 第三紀 Tertiary 百万年 豪州ロシア中国米国南アカナダネシア アハ ラチア 内陸 ボーエン シドニー ドネツ クズネツ 華北 華南 ナターレ トランハ ール州 モアトン スラット 南ヤクート カンスクアチンスク 東北内蒙古 西部 ( 山地 山麓 ) 西部 ヒ クトリア スマトラ カリマンタン 主要植物 シダ類 ( 鱗木 封印木 蘆木 )) 初期裸子植物 ( コルダ 木 ) 菌類 藻類 コケ 初期松柏類 ( 松 もみ ) シダ類コルダ木 シダ類 裸子植物 裸子植物 裸子植物 コルダ木 ( コルダ木 イチョウ ( コルダ木 イチョ ( 杉 セコイア ) 松柏類 目 松柏類 ) ウ目 松柏類 ) 被子植物 褐炭 日本の石炭は新生代 石炭の成長には植物の堆積時期 ( 生まれ ) と堆積環境 ( 育ち ) が影響 9

10 石炭の賦存地域と埋蔵量 確認可採埋蔵量 ;8,609 億トン ( 無煙炭 + 瀝青炭 ; 4,048 亜瀝青炭 2,608 褐炭,1,954) その他 (7.3%) セルヒ ア (1.6%) 南ア (3.5%) カサ フスタン (3.9%) ウクライナ (3.9%) ト イツトイツ (4.7%) 中東 (0.1%) アフリカ (3.7%) 米国 (27.6%) 北米 (28.5%) 欧州 (30.8%) 南米 (1.5%) イント (7.0%) ロシア (18.2%) アシ ア オセアニア豪州 (8.9%) 中国 (13.3%) 3%) (35.5%) 5%) 国別確認可採埋蔵量の分布地域別確認可採埋蔵量の分布出典 ; WEC

11 可採年数 ( 埋蔵量 / 生産量 ) の変化 Production(B Billion TE) il Coal Coal Ntural gas il 1.00 Ntural gas Prov ved reserves s(billion TE E) R/P( -) R/P; Reserve/ Production ratio Coal Ntural gas il '00 '02 '04 '06 '08 Year '00 '02 '04 '06 '08 Year 出典 ; 九州大学石炭等化石資源中核人材育成事業資料 R/Pは確認可採埋蔵量を現在の生産量で割った値であり 可採年数を示す指標である 近年 天然ガス 石油 石炭は共に生産量が伸びている 天然ガス 石油の残存可採埋蔵量は新規発見があり 可採年数は維持されているが 石炭については 新規炭鉱の開発遅れや生産量の急増により急激に減少しているため ここ数年急激に減少している 供給安定性の確保のためには 新たな鉱山開発が急務となっている 11

12 エネルギー供給における石炭の位置づけ 100% % 4% 11% 12.0 構成比 (%) 一次エネルルギー種別消費 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 27% 56% 70% 23% 13% 37% 18% 19% 52% 30% 15% 24% 17% 23% 30% 25% 27% 9% 24% 5% 29% 17% 8% 4% 46% 40% 41% 36% 33% 34% 34% 一次エネルギー種種別消費量 (10 億トン / 石油換算 ) % 48.9% 12.9% 0% 年度 石油石炭ガス原子力水力その他 石油石炭ガス原子力水力その他 12

13 コールチェーン 原炭採掘品質調整貯炭 粉砕露天堀選炭 積込み 内陸輸送 鉄道 バージ需要家 トラック 坑内堀 加工 改質 港湾貯炭 鉱山 CWM パイプライン輸送 積込み 内航輸送 需要家 外航輸送 トラック輸送 バルクターミナル

14 石炭の採掘 (1) 露天堀主作業は炭層を覆っている表土を除去 ( 剥土 ) することにあり 剥土方式が即ち採掘方式である ドラッグライン 穿孔機 ブルドーザー 穿孔機 スクレーパー ハイウォール 炭層 リクラメーション ローウォール ペイローダ ダンプトラック パワーショベル ドラッグライン 14

15 石炭の採掘 (2) 坑内堀技術的 経済的に露天堀では採炭できない場合には坑内堀が用いられる 坑内堀には炭層の賦存状態 ( 炭層厚 褶曲の有無等 ) により柱房式 ( 中小規模 ) と長壁式 ( 大規模 ) が採用されている 柱房式採炭法 長壁採炭法 コンティニュアス マイナーシャトルカードラムカッター自走枠 15

16 石炭の採掘 (3) 露天堀は坑内堀に比べて低コストで採掘でき 実収率が高く 安全性も高いため 条件が満たされれば 露天堀が採用される 露天堀か坑内堀かを決定する要素は採掘コスト 石炭生産量 剥土処理量で決まる 露天堀の経済的限界を示す指標として剥土比が一般的に用いられる 剥土比 = 剥土量 (m3)/ 原炭 (t) 通常一般炭で剥土比が7~10 原料炭で12~15 程度と言われ それを上回る場合は坑内堀が採用されるが 剥土コスト ( 機器の性能 ) やリクラメーションコストションコスト 精炭価格によっては 大きく変化する 露天掘りの利点 露天堀の欠点 出炭量が大で採炭費が安い 地表が荒れる ( リクラメーションコストが大 ) 出炭の調整が可能 初期投資費用が大 採炭実収率が大 経済的には深さに制限 ( 剥土比 ) 支柱 充填 昼間照明が不要 作業が気候に左右されやすい ( 風雨 積雪等 ) 坑内より安全で衛生的 坑内ほどの熟練者を必要としない 16

17 石炭の品質調整 目的 原炭 (RM) を品質の安定した発熱量の高い商品に仕上げたり 需要家のニーズに合ったスペック ( 粒度 灰分量等 ) に納めるべく加工処理を行う 1. 粒度調整 2. 選炭 ( 脱灰 ) 粉砕 篩い分けにより所定粒度 ( 通常 50mm 以下 ) に調整 石炭 ( 比重約 1.4) と鉱物 ( 比重約 2.5) の比重差や界面化学特性の差を利用して石炭と鉱物を選別分離 鉱物除去による発熱量の増加 灰分量の低減 異物 ( 鉄片等金属類 不発雷管等 ) の除去 粘土除去によるハンドリング性の改善 硫黄分の低減 17

18 バタックジ湿式サスパイ浮選選炭 粉砕分級選別 振動フルイ 重液バス mm) 適応粒径 ( 100 重10 ス液ババ再粉砕 1 ロラジグ 0.1 重液サイクロンウムジグル浮選 イクングブラッドフォードブレーカ 0.01 精炭 廃石 選炭機 選炭プロセス例 粒径別適応可能選炭機 出典 ; 九州大学石炭等化石資源中核人材育成事業資料 粉砕により石炭と鉱物の単体分離を促進する 選炭機に適応可能な粒径に分級する に分級する 石炭と鉱物の比重差 界面化学的特性の差により分離選別する

19 重液選別 原理 0.9 水 ( 比重 1) 重液 ( 比重 27) 2.7) 3.0 重液バス重液 : 一般に高比重の粉末を水に懸濁し調整重液材 : フェロシリコン (FeSi) 磁鉄鉱(Fe34) など 出典 ; 九州大学石炭等化石資源中核人材育成事業資料

20 ジグ選別 原理 v t g( p 18 f ) D 2 p v s : 終端速度 [m/s] D p : 粒子径 [m] ρ p : 粒子の密度 [kg/m 3 ] ρ f : 流体の密度 [kg/m 3 ] g : 重力加速度 [m/s 2 ] η : 流体の粘度 [Pa s] 石炭の密度を 1.4 鉱物の密度を 2.5 と仮定すると鉱物の沈降速度は石炭の約 4 倍となる ジグ選別機 出典 ; 九州大学石炭等化石資源中核人材育成事業資料 20

21 浮選 石炭は 疎水性であり水にぬれにくく 油にぬれやすい ほとんどの鉱物質は親水性であり水にぬれやすく 油にぬれにくい この固体 液体間または固体 気体間のぬれ性質の差を利用し 0.5mm 以下の微粉に適用されるコールクリーニング法が 浮選 (flotation) である 気泡 80 接触角大 = 疎水性大 60 接触角 40 出典 ; 九州大学石炭等化石資源中核人材育成事業資料 C(%) 親水性が高い低石炭化度炭 ( 褐炭 亜瀝青炭等 ) には適応不可 21

22 世界の石炭生産量 8,000 7,000 石炭生産量 ( 百万トン ) 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 '00 '02 '04 '06 '08 '10e Year 中国 米国 インド 豪州 インドネシア ロシア 南アフリカ その他 出展 ;IEA Coal Information(2011) 10 年間で世界の石炭生産量は1.6 倍に増えた 特にインドネシア (4.4 倍 ) 中国 (2.4 倍 ) インド (1.7 倍 ) の生産が大きく上昇した 22

23 石炭の物流 鉱山 内陸輸送 外航輸送 内航輸送 輸送手段 輸出基地 船型 中継基地 輸送手段 貨車 港湾出荷 ケープ 内航船 バージ 沖積 パナマックス トラック トラック ハンディー ベルトコンベア 国内石炭需要家 ベルトコンベア スモール ニューキャッス積出港ケープサイズ出光バルク内航船 ; ターミナル 5400DWT 鉄道 インドネシア沖積 パナマックスサイズ 内航船 ; 900DWT バージ ベルトコンベア 15t ダンプトレーラ トラック 23

24 石炭貿易量 Amount of ex xported coal (M Mt) t of imported co oal (Mt) Amount '00 '02 '04 '06 '08e year Australia Indonesia Russia Columbia USA South Africa China thers 国別石炭輸出量推移 '00 '02 '04 '06 '08e year Japan Korea Taiwan India Germany China UK thers 国別石炭輸入量推移 Major trade movement of coal (Million tonnes) Russia Canada Poland Europe 7.8 Kazakhstan Japan N. America China ther USA 32.0 Asia Africa & 7.8 M. East Colombia Indonesia S. & N South Africa America Australia Exporter Importer 出典 ; IEA Coal Information 年度における石炭生産量 52 億トンの内 貿易に供されたものは 約 9.4 億トン (16%) であった 輸出量の内 豪州とインドネシアで 億万トンと 48% を占める 特に 近年インドネシアの輸出量が急激に伸びている 輸入量の内 日本 韓国 台湾 インドのアジア 4 カ国で 4.1 億万トンと 44% を占める 特に 中国 インドの輸入量が急速に伸びている 日本は最大の輸入国であるが 全輸入量に占める割合は徐々に低下してきており 資源確保競争の激化も懸念される 24

25 国別石炭輸入推移 120, ,000 輸入量 ( 千 t) 80, ,000 40, , 年度 米国 豪州 カナダ 中国 南アフリカ イント ネシア ロシア 国別原料炭輸入推移 年度 米国 豪州 カナダ 中国 南アフリカ イント ネシア ロシア 国別一般炭輸入推移 出典 ; エネルキ ー 経済統計要覧 08 一般炭の供給国は豪州 中国 インドネシア ロシア 4 カ国で 95% 以上を占める 中国炭は 2003 年まで急速に伸びたが 以降は中国政府の国内重視もあって 減少している 25

26 石炭用途石炭用途発電用ボイラ発電用ボイラ一般炭直接利用産業用ボイラ産業用ボイラ発電用ボイラ発電用ボイラ高炉吹込 (PCI) 高炉吹込 (PCI) 高炉吹込 (PCI) 高炉吹込 (PCI) セメントキルンセメントキルン発電ボ発電ボ CWM CCS 加工発電用ボイラ発電用ボイラ産業用ボイラ産業用ボイラガス化転換化学原料化学原料複合発電複合発電液化コークス転換液体燃料液体燃料鉄鉱石還元剤鉄鉱石還元剤原料炭クタールガス乾留化学原料化学原料ガス燃料ガス燃料ガス

27 石炭の用途別消費実態 キルン 5.6% 原料炭 コークス原料 31.3% PCI 8.2% 国内石炭総消費量 1 億 8 千万トン (2008 年 ) 事業用ホ イラ 44.7% 一般炭 産業用ホ イラ 20.6% 一般炭消費量 1 億 8 百万トン (2008 年 ) 事業用ホ イラ 73.8% キルン 3.4% 産業用ホ イラ 12.4% 出典 ; 石油等消費動態統計調査等 石炭年間総消費量 1 億 8 千万トンの内 一般炭がおよそ60% 原料炭( 含む PCI 用 ) が40% を占める 一般炭消費量の内 75% は発電事業用ボイラ用途であり 一般産業用ボイララ用途 20% を合計した94% がボイラ燃料用となっている 27

28 石炭の品質 (1) 石炭の品質は様々な過程において機器に影響を与える 同じ銘柄であってもロットが異なれば 影響度合いも変化する 使用前に迅速且つ的確な評価が必要 28

29 輸入炭品質の変遷 SubB(0.2%) SubA(2.0%) hvcb(17.2%) lvb(3.7%) mvb(1.0%) SubB(1.2%) SubA(14.0%) lvb(2.9%) mvb(2.9%) 一般炭契約量 6.7 千万トン (2000 年 ) hvab(44.6%) hvcb(23.1%) 一般炭契約量 1 億 1 千万トン (2008 年 ) hvab(35.8%) hvbb(31.2%) hvbb(23.1%) 分類は ASTM に準拠 出典 ;CAL MARKET SURVEY 出光 CDB より作成 Lvb( 低揮発分瀝青炭 ); 発熱量 32.56MJ/kg 以上 (mmmf)&vm14-22%((dmmf) Mvb( 中揮発分瀝青炭 ); 発熱量 32.56MJ/kg 以上 (mmmf)&vm22-31%((dmmf) hvab( 高揮発分瀝青炭 A); 発熱量 32.56MJ/kg 以上 (mmmf)&31%( 以上 (dmmf) hvbb( 高揮発分瀝青炭 B); 発熱量 MJ/kg hvcb( 高揮発分瀝青炭 C); 発熱量 MJ/kg suba( 亜瀝青炭 A); MJ/kg(mmmf) SubB( 亜瀝青炭 B); MJ/kg(mmmf) 近年 輸入国の多様化に伴い 輸入炭品質は大きく変化した 特に 高水分低発熱量で 自然発熱し易く ボイラ効率の低下に繋がる高揮 高揮発分瀝青炭 Cあるいは亜瀝青炭の輸入比率が上昇している ( インドネシア炭の急増による効果が大きい ) 29

30 石炭の品質 (2) 項目 単位 基準 青炭 A 青炭 B 青炭 A 青炭 A 全水分 Wt% AR 発熱量 高位 kcal/kg AD 7,150 6,830 7,150 5,900 固有水分 wt% AD 工業分 灰分 wt% AD 析 揮発分 wt% AD 固定炭素 wt% AD 全硫黄 wt% AD 炭素 wt% DAF 水素 wt% DAF 元素分窒素 wt% DAF 析硫黄 wt% DAF 酸素 wt% DAF HGI 灰融点 FT , ,350 Si2 wt% Al23 wt% Ti2 wt% Fe23 wt% Ca wt% 灰組成 Mg wt% Na2 wt% K2 wt% P25 wt% Mn wt% S3 wt% 豪州瀝豪州瀝中国瀝ネシア亜瀝 発熱量 石炭供給量に影響 全水分 ハンドリング性 乾燥能力 熱効率に影響 固有水分 酸素含有量と同じく石炭化度の指標の一つで 自然発熱性に影響 灰分 灰中未燃分 灰処理に影響 揮発分 燃焼性と効率 ( 着火, 炎の形状 燃え切り 灰中未燃分 ) に影響する 全硫黄 Sx 発生量に影響 パイライト硫黄は自然発熱性にも影響 窒素分 含有量と形態がNx 発生量に影響 HGI 粉砕性に影響 ( 燃焼性 ) 灰組成 スラッギング ファウリング等に影響 30

31 石炭品質の問題点 - ロット別品質の変動 - 平均値からの偏偏差 (%) 発熱量 (ad) Coal A HGI Coal A 灰分 (ad) Coal A Coal B Coal B Coal B 年 2009 年 2000 年 2009 年 2000 年 2009 年 平均値かからの偏差 (% %) 硫黄分 (d) Coal A Coal B 窒素分 (daf) Coal A Coal B 燃料比 Coal A Coal B 年 2009 年 2000 年 2009 年 2000 年 2009 年 出典 出光 CDB 31

32 石炭の品質がハンドリング性に及ぼす影響 搬送時のトラブル 石炭をハンドリングする際にもっとも頻繁に発生するトラブルとして ホッパーからの排出不良やベルトコンベアへの固着がある 石炭の排出性と固着性には 物理的 化学的要因が複雑に影響しており 石炭性状から予測評価することは困難である しかしながら 的確な評価試験を行うことにより排出性と固着性を評価することが出来る バケットエレベータ (1) バケットへの付着 (2) 回転軸への付着 (3) ケーシングへの付着 (4) 底部への堆積 貯槽 (1) 付着 (2) 閉塞 (3) ラトホル (4) 偏流 (4) 底部への堆積 (3) ラットホール ベルトコンベア (1) ベルトへの付着 (2) ローラーへの付着 (3) 蛇行 (4) 落炭 (5) ベルトの損傷 投入口 (1) グリズリへの付着 (2) グリズリの閉塞 (3) バンカーへの付着 シュート (1) 付着 (2) 閉塞 (3) 摩耗 振動スクリーン (1) 網目への付着 (2) 網目の閉塞 (3) 壁面への付着 フライトコンベア (1) ケーシングへの付着 (2) ケーシングの摩耗 (3) チェーンの浮き上がり (4) チェーンの摩耗 32

33 石炭の品質がハンドリング性に及ぼす影響 ハンドリングトラブル要因 < 石炭面の要因 > 石炭に起因するトラブル要因としては以下の項目があげられる 1 水による凝集 2 粒径分布 ( 微粒子による凝結 ) 3 微粒子の偏在 4 粘土質の存在 石炭表面に付着した水分はハンドリング性に大きく影響し 必要以上に水分が多い場合には石炭同士の凝集や設備壁面への付着が起こりやすくなる 特に降雨により全水分が上昇した際には注意が必要である また粒径分布が広く微粉を含んでいるほどホッパ内での密充填されやすいため 排出不良が起こる危険性が高い 粘土質 ( モンモリロナイト ) を多く含む炭種も 水分を含んで膨潤し 粘り気を生じるため 石炭が固着しやすくなる < 設備面の要因 > 設備面に起因するトラブル要因を図示する 1 貯槽の形状 1 シュートの形状 水分増加 微粒子 水分増加 粘土質 ( モンモリロナイト ) 2 貯槽内面の材質 3 傾斜角 4 払出口の寸法 2シュート内面の材質 3 傾斜角 4 払出口の寸法 5 払出方法 ( フィータ ー ) の選定 5 バイブレーターの選定 6 バイブレーターの選定 6 エアーブラスター シュート壁 シュート壁 7 エアーブラスター 7 エアーノッカー 水分 水分 8 エアーノッカー 水膜付着により 石炭同士や壁への付着が発生 水分を含んだ粘土がバインダーとなって固着しやすくなる 33

34 石炭の品質がハンドリング性に及ぼす影響 デュラム試験 付着凝集力試験 貯槽等からの排出性を評価する試験で 傾斜角 45 のステンレス製ホッパーに水分をあらかじめ調整した石炭を12kg 投入した後 10 秒間予備振動させホッパー下部にあるシャッターを開き 石炭全量が完全に落下するまでの時間を測定 付着凝集力試験は主としてベルトコンベア乗り継ぎ部のシュートにおける石炭同士の固着性を評価する試験である 付着凝集力が大きい石炭は シュート壁にあたった際に強固な固着物を形成する可能性が高い 34

35 石炭の品質が自然発熱性に及ぼす影響 炭質の影響 (2) 湿潤熱 気象条件の影響 (1) 酸化熱 雨 (3) 硫酸イオン生成熱 1 季節 ( 外気温度 ) 2 風速 酸素 (1) 酸化熱 ( 主原因 ) 石炭 +2 C+H2+2500cal/g-coal (2) 湿潤熱石炭 /Air 石炭 /H2+5cal/g-coal (3) 硫酸イオン生成熱 ( パイライトの分解 ) 貯炭状態の影響 1 空隙率 2 積み付け高さ 石炭パイルが低い場合放熱 > 発生熱 熱 石炭パイルが高い場合発生熱 > 放熱 石炭 (FeS2)+H2+2 Fe 2+ +S cal/g-coal coal RDF 木チップでは発酵も考慮する必要あり 熱 35

36 石炭の品質が自然発熱性に及ぼす影響 亜瀝青炭の炭素構造炭素構造無煙炭の炭素構造 酸素が吸着するサイトが多いため 酸化しやすい 2 酸素が吸着するサイトが少ないため 酸化熱しにくい 10A H H H H N=2 C,C 2 N=3 S S H H H H H H S N N V= N N S H H 36

37 石炭の品質が自然発熱性に及ぼす影響 100 温度, 自然発熱対応積極的に自然発熱対策を行う 状態 1 状態 2 状態 貯炭期間, 日 自然発火への対応自然発熱対策を行うと共に直ちに消費するなどの対策を実施 発熱の監視炭層の温度測定回数を増やし 可能であれば 発熱対策を実施 通常管理 ; 炭層の温度測定を行う 状態 1 石炭の温度上昇速度の方が 石炭層の冷える温度よりも大きく 温度が上昇し始めている 状態 2 水分の蒸発により 温度上昇が一時的に抑えられている 石炭中の水分量により 温度上昇が抑えられる期間が決まる 状態 3 温度上昇により 煙突効果 ( 熱された空気が 周囲の空気を吸い込み 新しい空気を供給する ) が生じて 急激な温度上昇から 自然発火に至る 37

38 石炭の品質が自然発熱性に及ぼす影響 自然発熱性評価試験装置 測定方法 石炭 (-0.25mm)1g N2 110 で N2 2 へ切替 2 断熱 断熱 酸素に切り替えて 温度上昇を記録 38

39 石炭の品質が Nx 発生性に及ぼす影響 試験炉における N 分と Nx 濃度の関係 実機における N 分と Nx 濃度の関係 Nx 濃度 [p ppm, 2 6% 換算 ] RUN 1 RUN 2 RUN 3 RUN 4 RUN 5 Nx 濃度 [ppm, 2 6% 換算 ] T/H 110 T/H 70 T/H 270 T/H Fuel N [wt%, d.a.f] Fuel N [%, d.a.f] 従来の評価方法 : 窒素分が多いほど Nx 濃度は高い 39

40 石炭の品質が Nx 発生性に及ぼす影響 基本的な Nx 生成の考え方 Thermal Nx( 空気中 2 と N 2 の反応 ) <10% Prompt Nx(CH ラジカルと空気中 N 2 の反応 ) <5% Fuel Nx( 石炭中窒素と空気中 2 の反応 )>85% ボイラ壁 Nx Nx N2 N 2 火炉出口 Nx 石炭が燃焼する時 石炭中の窒素分石炭中の窒素分はすべて反応してNxに転換するわけではない 微粉炭バーナー N? 石炭中窒素分の8~12% 程度しか Nx に転換しない 問題は 窒素分量ではなく 窒素の窒素の何割がNxに転換するか 40

41 石炭の品質が Nx 発生性に及ぼす影響 Nx 生成のメカニズム 原炭 燃焼初期 燃焼中期 炉出口 NH N N 2 3 +NH HCN N HCN N + 2 N Char-N + 2

42 石炭の品質が Nx 発生性に及ぼす影響 Inte ensity [coun nt/sec] X 線光電子分光分析による窒素結合形態の分析 5000 Bituminous coal AA 各窒素形態含有割合 [%] (N=1.9%, daf) N 石炭銘柄窒素含有量アミン型ピロール型ピリジン型 wt% d.a.f % % % 4000 ピロール型窒素 AA AE AC ピリジン型窒素 BW NH HV アミン型窒素 QS EG N AD BA R UB YL Binding energy [ev] NH 3 HCN チャー N 生成のメカニズム アミン型 Nは NH 3 に転換する ピリジン型 Nは HCNに転換する ピロール型 Nは チャー Nとなる 還元 Nx 実測転換率 評価インデックスの開発 42

43 石炭の品質が Nx 発生性に及ぼす影響 (%) 15 (%) 15 x 転換率 N10 x 転換率 N 石炭中の窒素分量 (wt%, DAF) Nx INDEX 43

44 石炭の転換技術 (1) 天然ガス 石炭 H 2 2 合成ガス 部分酸化 自己熱改質 水蒸気改質 ガス化 部分酸化 H 2 C H2 C 合成フィッシャー合成 H 2 /C=2 シ メチルエーテル H 2 /C=2 メタノール H 2 /C=2~3 水素化分解 改質 蒸留 ガソリンナフサ灯油軽油 DME メタノール C 2 H 2 直接液化 蒸留 芳香族炭化水素 乾留 冶金用コークス 原油 低温ガス化 ( 熱分解 ) 流れ ガス液固体 精製蒸留分解改質脱硫その他 固体燃料 LPG ガソリンナフサ灯油軽油重油アスファルト石油コークスその他 出典 ; 九州大学石炭等化石資源中核人材育成事業資料 44

45 石炭の転換技術 (2)- 石油供給コスト曲線 140 Prod uction cost (dollars ) Deepwater And ultra deepwater C2-ER ER Arctic Heavy oil And bitumen il shale GTL CTL 20 ther Conventional Produced MENA oil Resource (billion barrels) 出典 ; IEA s WE

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