JPH05320665A - 石炭液化プロセスに於ける石炭スラリーの安定的な調製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は石炭液化プロセスに於いて、石炭ス
ラリーの物性の変化がスラリー調製工程で行われる循環
攪拌混合操作によってどの様に変化するかを調査すると
共に、そのさいに発生するスラリーの粘度上昇や石炭粒
子の沈降を防止するためのスラリー調製方法を提供す
る。 【構成】 石炭液化プロセスに於いて、スラリー調製時
の温度範囲を５０〜１００℃の範囲とし、この温度で得
られるスラリーの粘度がスラリー循環ポンプの設備仕様
の粘度の範囲以内になるように、スラリーの循環攪拌混
合時間を調節することあるいは、スラリー調製槽、槽内
のスラリーを攪拌混合する撹拌機、スラリー循環ポンプ
から成る循環ラインによって構成されたスラリー調製装
置の、循環ラインでの循環速度を調整可能な流量制限オ
リフィスをスラリー循環ライン内に設置して、スラリー
を調製することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、高温、高圧の
水素の存在下で石炭の液化反応を進行させる石炭液化プ
ロセスに於いて、石炭、触媒、溶剤の混合物からなる石
炭スラリーを液化反応塔に供給する前工程であるスラリ
ー調整工程に於いて、石炭と溶剤の循環攪拌混合を行っ
たさいの石炭粒子の膨潤によるスラリー粘度の上昇やス
ラリー中の石炭粒子の沈降速度等スラリーの物性に起因
してスラリー循環ラインでのフィードトラブルを防止す
るためのスラリー調製方法に関するものであり、石炭液
化以外のプロセスの工業分野に於いてもスラリー中に石
炭の様な固体粒子を含み、そのスラリーを循環攪拌混合
し、スラリーポンプで次工程へ供給することを必要とす
るプロセスに幅広く適用可能である。

【０００２】以下、石炭液化プロセスの場合を代表例と
して説明する。

【０００３】

【従来の技術】石炭液化プロセスに於ける石炭の液化方
法は、石炭、触媒、および溶剤を混合して調整したスラ
リーの高温、高圧で触媒の存在下、水素添加により水素
化分解し、得られた液状物質を減圧した後、軽質油、中
質油、重質油等の液化油に分離精製するものである。

【０００４】こうして得られた液化油の内、重質油に対
しては溶剤水素化反応塔で水素添加による溶剤の水素化
反応を行い、減圧した後、軽質油、中質油、重質油等の
液化油に分離精製するものである。

【０００５】こうして得られた液化油の内、重質油に対
しては溶剤水素化反応塔で水素添加による溶剤の水素化
反応を行い、減圧した後、得られた溶剤を循環溶剤とし
て液化反応工程に戻し、これを石炭スラリー調製用とし
て使用する。

【０００６】液化反応に使用される石炭は、液化反応工
程で水素化分解反応を行わせるために石炭中に含まれる
約１５％の水分を通常１〜２％まで乾燥した後、１５０
μｍ以下の粒度の石炭粒子の収率が８０％以上となるよ
うに粉砕する。

【０００７】石炭の粉砕はロッドミル、ボールミル、振
動ミル、ディスクミル等の粉砕機を使用して行われる。

【０００８】一方、スラリーの調整はスラリー供給槽内
に溶剤と粉砕石炭と触媒を装入し、攪拌機で攪拌混合し
たのち、スラリー循環ポンプで循環し、その一部を高圧
スラリーポンプで石炭スラリー加熱器を経由して液化反
応塔へ送液している。

【０００９】石炭液化に使用される石炭は瀝青炭から褐
炭までの幅広い石炭が対象となるため、石炭の構造や比
重、溶剤へのぬれ性等の諸物性の相違によってある石炭
種によっては、溶剤と一緒に循環攪拌混合を行ったさい
に混合時間が長くなると石炭粒子中に溶剤が入り込んで
膨潤し、その石炭粒子が凝集することによるスラリー粘
度の上昇が生じたり、溶剤と石炭粒子の比重差が大きい
場合は石炭粒子の沈降が生じたりし、その結果としてス
ラリー循環ラインに石炭粒子が閉塞することによるスラ
リーフィードトラブルが発生する。

【００１０】その結果、ある石炭種と溶剤を組み合わせ
たスラリーで液化プラントの運転を行った場合にはしば
しばスラリーフィードトラブルによるプラントの運転停
止を行うに到っていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らはこの様
な、石炭と溶剤の循環攪拌混合過程に於いて発生する石
炭スラリー中の石炭粒子の膨潤によるスラリー粘度の上
昇や石炭スラリー中の石炭粒子の沈降に起因すると考え
られるスラリーフィードトラブルの発生メカニズムにつ
いて究明すると共に、石炭種に対応したスラリーフィー
ドトラブルの発生抑制対策を検討した。

【００１２】すなわち、本発明は石炭スラリーの物性の
変化がスラリー調製工程で行われる循環攪拌混合操作に
よってどの様に変化するかを調査すると共に、そのさい
に発生するスラリーの粘度上昇や石炭粒子の沈降を防止
するためのスラリー調製方法を提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは石炭スラリ
ーの物性に起因するスラリーのフィードトラブル発生の
メカニズムを究明するため、スラリーの諸物性を幅広く
調査検討した結果、スラリーのフィードトラブル発生に
は主として次の２つのメカニズムが起因することを究明
した。

【００１４】スラリーの循環攪拌混合を長時間にわた
って継続するとある石炭種によっては石炭粒子中に溶剤
が入りこんで膨らむ膨潤現象が発生し、その結果、石炭
粒子の体積分率が増加し、見かけのスラリー濃度が上昇
するため、スラリーの粘度が上昇する。

【００１５】スラリー中の石炭粒子の沈降速度は石炭
粒子の密度と粒径によってきまり、粉砕した石炭の密
度、粒径が大きい石炭種や膨潤度の高い石炭種において
は沈降速度が速くなり、スラリー循環ライン中に石炭粒
子が沈降する可能性がある。

【００１６】本発明者らは上記の知見に基づいてスラリ
ーの粘度上昇およびスラリー中の石炭粒子の沈降を抑制
する対策について幅広く検討した結果、いかなるスラリ
ー濃度に於いても石炭粒子の膨潤によるスラリーの粘度
上昇を抑制する手段としてスラリー調製時の温度範囲を
５０〜１００℃とし、スラリーの循環攪拌混合時間を調
整し、最終的に得られたスラリーの粘度をスラリー循環
ポンプの設備仕様の粘度の範囲以内とすること、および
スラリー中の石炭粒子の沈降を抑制するためスラリー循
環ライン中に流量制限オリィフィスを設置して石炭種の
沈降速度に対応してオリィフィスの径を変更してスラリ
ー循環攪拌混合時の流速を変化させるスラリー調製方法
を考案し、スラリーの粘度の上昇や、スラリー中の石炭
粒子の沈降に起因してスラリーフィードトラブルが発生
しやすい石炭種に於いても安定した石炭液化プラントの
運転が可能な石炭スラリーの調製方法を確立するに至っ
た。

【００１７】すなわち、本発明が要旨とするところは、
石炭の膨潤性が大きくスラリーの粘度が上昇しやすい石
炭種に対していかなる濃度の石炭スラリー濃度に於いて
もスラリー調製の温度範囲を適性範囲にし、スラリーの
循環混合攪拌時間を調整してスラリーの粘度をスラリー
の循環ポンプの設備仕様の粘度の範囲内とするスラリー
調製方法と流量制限オリィフィスによるスラリー循環攪
拌混合速度制御によるスラリー調製方法を基本としてい
る。

【００１８】詳しくは、石炭、石炭液化用溶剤、および
石炭液化用触媒を混合してスラリー化し、その石炭スラ
リーを水素の存在下で加圧、加熱して水素化分解し、得
られた液化油を溶剤と残渣に分離する石炭液化工程と石
炭液化工程で得られた溶剤の一部を溶剤水素化用触媒の
存在下で加圧、加熱して水素添加した後、減圧し、石炭
液化用溶剤として循環使用する溶剤水素化工程を有する
石炭液化プロセスに於いて、スラリー調製時の温度範囲
を５０〜１００℃の範囲とし、この温度で得られるスラ
リーの粘度がスラリー循環ポンプの設備仕様の粘度の範
囲以内になるように、スラリーの循環攪拌混合時間を調
節することあるいは、スラリー調整槽、槽内のスラリー
を攪拌混合する攪拌機、スラリー循環ポンプから成る循
環ラインによって構成されたスラリー調整装置の、循環
ラインでの循環速度を調整可能な流量制限オリフィスを
スラリー循環ライン内に設置して、スラリーを調整する
ことを特徴とする石炭液化プロセスに於ける石炭スラリ
ーの安定的な調整方法である。

【００１９】

【作用】以下、本発明を成すに至った石炭液化プロセス
を説明し、作用とともに本発明の内容を詳細に述べる。

【００２０】図１は石炭液化プロセスのフローを示すも
のである。

【００２１】原料となる石炭は、石炭スラリー性状ある
いは石炭液化反応時の反応性等を考慮して、粉砕機１に
より、通常、１５０μｍ以下の収率が８０％以上になる
様に粉砕する。

【００２２】粉砕された石炭は、スラリー調製槽２で溶
剤水素化反応塔１１から送られてきた石炭液化用の循環
溶剤と混合してスラリー化する。

【００２３】このさい、スラリーの調製は調製槽２の中
に設置された攪拌機３およびスラリー循環ポンプ４を用
いて循環攪拌混合して行う。スラリー濃度は通常（溶剤
／石炭）の比が１．０〜３．０程度の範囲で調製する。

【００２４】また液化油収率を上げるため、鉄系の使い
捨て触媒（合成硫化鉄触媒、天然鉄鉱石触媒）を同時に
混合使用し、その添加量は、無水、無灰ベースの原料石
炭に対して１〜５％程度である。

【００２５】こうして得られた石炭スラリーは、高圧ス
ラリーポンプ５で１５０〜１９０ｋｇ／ｃｍ²に昇圧さ
れた後、スラリー加熱器６で加熱後、高温、高圧下に保
持された液化反応塔７で所定時間水素ガスと反応させて
水素化分解させる。

【００２６】水素化分解は、温度が４３０〜４７０℃、
圧力が前述の１５０〜１９０ｋｇ／ｃｍ²で行われ、か
かる分解反応によって原料石炭の液化反応が進行する。

【００２７】反応後の生成物は、分離器８によってガ
ス、水、油（液化油）に分離される。

【００２８】分離された油の内、軽質油および中質油は
蒸留設備９において分離され、それぞれ所定の製品油と
して回収される。

【００２９】残りの重質油は減圧蒸留塔１０で真空蒸留
され、５３８℃以上の沸点留分のものは液化残渣として
系外に排出される。

【００３０】一方、５３８℃未満の沸点留分である重質
油については、高温、高圧下に保持され触媒を充填した
固定床の溶剤水素化反応塔１１で所定時間、水素ガスと
反応させて溶剤水素化反応を行うことにより水素供与性
を高め、循環溶剤としてスラリー調製槽２へ循環使用す
る。

【００３１】これらの循環系の内、ある石炭種のスラリ
ーを使用した石炭の液化プラントの運転においては、ス
ラリー循環攪拌混合ライン２〜３〜４おいてしばしば石
炭スラリー中の石炭粒子の沈降による閉塞トラブルが発
生し、その結果プラントの運転を停止して油による洗浄
を行うに至っていた。

【００３２】図２は石炭スラリーの循環攪拌混合ライン
および高圧スラリー供給ポンプを経て、スラリー加熱器
から液化反応塔へスラリーを供給するラインの詳細を示
す。

【００３３】スラリー調製槽１２で攪拌機１３によって
攪拌混合された石炭スラリーはスラリー循環ポンプ１４
によってラインＡおよびラインＢにて所定時間循環攪拌
混合されたのち高圧スラリー供給ポンプ１５によってス
ラリー加熱器１６を経て液化反応塔１７へ輸送される。

【００３４】高圧スラリーポンプ１５はプランジャータ
イプのスラリーポンプであり、プランジャーによってス
ラリーが吸引および圧縮されてピストンフローとしてス
ラリーが加熱器１６へ供給される。

【００３５】スラリー循環ラインＡおよびＢのスラリー
の循環量の比率は通常２：１であり、スラリー循環ライ
ンＡに大半のスラリーが循環され、循環ラインＢへは高
圧スラリーポンプ１５へスラリーが吸引されずに圧縮さ
れている状態の時に主として流れる。

【００３６】本発明者らは当該の石炭液化プラントにお
いては幅広い石炭種について運転研究を行っているが、
ある石炭種のスラリーに於いては図２のスラリー循環ラ
インＢにおいてスラリー中の石炭粒子が凝縮沈降するこ
とによって閉塞がおこり、その結果、スラリーのフィー
ドトラブルが発生してプラントの運転継続が不可能とな
りプラントを休止してラインを油洗浄することがしばし
ば発生するに至っていた。

【００３７】本発明者らはこの様な石炭と溶剤の組合せ
に起因して発生するスラリーの供給トラブル発生のメカ
ニズムを究明するとともに、このようなスラリー供給ト
ラブルの発生を抑制する方法について検討するため、ス
ラリーの性状の経時変化について多方面から幅広く調査
検討した結果、主として次の２つのスラリーの性状変化
に起因してスラリー供給トラブルが発生することを究明
した。

【００３８】図３はスラリー調製温度６０℃の一定条件
下に於いて３種類の石炭種と各々の石炭種の液化によっ
て得られた循環溶剤と触媒を循環攪拌混合して得られた
スラリーの粘度の経時変化を示すものである。

【００３９】石炭種Ｉのスラリーは石炭液化に於ける標
準的な石炭化度の石炭を石炭種Ｉの石炭液化反応によっ
て得られた循環溶剤と触媒を混合して得られたスラリー
である。

【００４０】石炭種ＩＩのスラリーは石炭液化に使用さ
れる石炭の中では比較的石炭化度の高い石炭のスラリー
であり石炭種ＩＩの石炭液化反応によって得られた循環
溶剤と触媒を混合して得られたスラリーである。

【００４１】石炭種ＩＩＩのスラリーは比較的石炭化度
の低い石炭のスラリーであり、石炭種ＩＩＩの石炭液化
反応によって得られた循環溶剤と触媒を混合して得られ
たスラリーである。

【００４２】石炭種ＩＩＩのスラリーは他の石炭種Ｉ、
ＩＩに比べてスラリーの循環攪拌混合時間が長くなるに
つれて急激に粘度が上昇する傾向があり、従来、実施し
ていた石炭種Ｉ、ＩＩのスラリーの循環攪拌混合時間で
ある２２Ｈｒではスラリー粘度が石炭種Ｉ、ＩＩの粘度
のほぼ３倍である１５０ｃｐにまで上昇し、スラリー循
環ポンプの設備仕様の粘度の上限値である１２０ｃｐを
超え、これがスラリー循環ポンプの負荷を増加させ、そ
の結果、図２のスラリー循環ラインＢの様な比較的流量
の少ない配管内で流量が不足しスラリーフィードトラブ
ルの発生につながったものと考えられる。

【００４３】そこで第１段階としてスラリーの粘度上昇
を抑制する手段について検討した。

【００４４】図４はスラリー調製時の温度とスラリー粘
度の関係を示す図である。

【００４５】スラリー調製時の温度を低下させることに
より、スラリーの粘度が上昇し、５０℃以下にすると粘
度は急激に上昇する。

【００４６】一方、スラリー調製時の温度を上昇させる
ことにより、粘度は低下するが、スラリー中の溶剤が蒸
発し、温度が１００℃を超えると蒸発した溶剤が蒸気と
なり、スラリー循環ポンプのキャビテーションが発生
し、その結果、ポンプの循環能力が低下する。

【００４７】本発明者らは上記の知見に基づいてスラリ
ー調製時の適切な温度範囲を５０〜１００℃とすること
にした。

【００４８】また、前述の図３に示す様に、ある石炭種
についてはスラリーの循環攪拌混合時間が長くなると石
炭粒子が膨潤して粘度が上昇することが明らかになった
ため、スラリー調製時の循環攪拌混合時間を短縮してス
ラリー粘度の上昇を抑制する対策を実施しスラリー粘度
を８０ｃｐ以下となるように調製した。

【００４９】具体的には、図２のスラリー調製槽１２で
作成するスラリーの量を約半分とし、スラリーの循環攪
拌混合時間を従来２２Ｈｒから１１Ｈｒに短縮した。

【００５０】その結果、石炭種ＩＩＩのスラリーによる
石炭液化プラントの運転におけるスラリー循環ラインの
スラリーフィードトラブルの発生回数を約４０％低減す
ることができたが、トラブルの発生回数を完全にゼロと
することは不可能であった。

【００５１】そこで本発明者らはさらに検討を進めた結
果、石炭種Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩのスラリーの沈降速度もス
ラリーフィードトラブルを引き起こす原因の一因である
ことを見い出した。

【００５２】図５はスラリーの沈降速度の実験結果であ
り、石炭種ＩＩＩのスラリーの沈降速度は石炭種Ｉ、Ｉ
Ｉの沈降速度の約１．５倍であり、この沈降速度の差に
より、石炭種ＩＩＩのスラリー運転の時には従来の石炭
種Ｉ、ＩＩのスラリーの場合に比べてスラリー中の石炭
粒子が沈降しやすくなり、その結果、循環ラインでのフ
ィードトラブル発生につながったものと考えられる。

【００５３】そこで第２段階の改善として、前出の図２
の循環ラインのフロー図の内、スラリーフィードトラブ
ルが多発したラインＢに於けるスラリー中の石炭粒子の
沈降を防止する対策を検討した。

【００５４】図６は改善後のスラリーの循環攪拌混合系
統を示す図である。

【００５５】スラリーの閉塞トラブルが多発したスラリ
ー循環ラインＢでの石炭粒子の沈降を抑制するには、石
炭粒子の粒径を小さくして沈降速度を遅くするかスラリ
ーの循環速度を上昇させて沈降速度を遅くさせるかいず
れかの対策が必要である。

【００５６】この内、石炭の粉砕強化による粒度調整対
策については、石炭の強度や水分等によって粒度分布が
異なるため、沈降の原因となる粗粒子（粒径２５０μｍ
以上）を完全に粉砕することは不可能である。

【００５７】また、石炭スラリーの循環速度を上げる対
策としてはスラリー循環ポンプ２０の循環能力を上昇さ
せるか循環ラインＢの配管径を小さくすることが必要で
ある。

【００５８】しかし、この方法では石炭種や循環溶剤の
種類が変更されるごとにスラリー循環ポンプの能力や循
環ラインの配管径を変更しなければならず得策では無
い。

【００５９】そこで、本発明者らは安価でかつ石炭種や
循環溶剤の変更に伴うスラリーの循環速度の変更に容易
に対応できる対策として図６に示す様に、循環ラインＡ
に流量制限オリィフィス２１を設置する対策を考案、実
行し、流量制限オリィフィス２１の径を適切な値に選択
することによって循環ラインＢの流速を従来使用した石
炭種Ｉ、ＩＩのスラリーの場合の１．５倍に調整し、ラ
インＢの沈降速度が従来の石炭種Ｉ、ＩＩの１．５倍で
あることに対する対策とした。

【００６０】その結果、スラリー循環ラインＢでの石炭
粒子の沈降によるスラリーフィードトラブルをゼロとす
ることができることを見いだした。

【００６１】

【実施例】次に実施例により、本発明をさらに具体的に
説明する。

【００６２】図２に示す石炭スラリーの循環攪拌混合ラ
インを使用し、第１段階の改善であるスラリー調製時の
温度条件を６０℃とし、スラリー循環攪拌混合時間を２
２Ｈｒから１１Ｈｒとし、スラリーの粘度を７０ｃｐに
した。

【００６３】さらに第２段階の改善として図５に示す如
く、流量制限オリィフィス２１によってスラリー循環ラ
インＢの流速を従来の１．５倍とする対策を実施した。

【００６４】その結果、図６に示す様にスラリー循環ラ
インのフィードトラブルは順次減少し、第２段階の改造
を行うことによってスラリーフィードトラブルを皆無と
することができた。

【００６５】

【発明の効果】上述の実施例の様に、本発明に基づく石
炭スラリー調製時に調製温度を５０〜１００℃以内の適
性範囲し、スラリーの循環攪拌混合時間調整によるスラ
リー粘度の低下対策、および流量制限オリィフィスによ
ってスラリー循環ラインの流速を増加させる対策によっ
て溶剤に対する膨潤性が高くスラリー粘度が上昇しやす
くまたスラリー中の石炭粒子沈降速度が速い石炭種を用
いた場合のスラリーフィードトラブルの発生を皆無とす
ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である石炭液化プロセスの全体
フロー図である。

【図２】スラリー循環攪拌混合ラインのフロー図であ
る。

【図３】スラリー循環攪拌混合時間とスラリー粘度の関
係図である。

【図４】スラリー循環攪拌混合時の温度とスラリー粘度
の関係図である。

【図５】スラリーの沈降速度調査結果の図である。

【図６】改善後のスラリー循環攪拌混合ラインのフロー
図である。

【図７】本発明に基づくスラリー循環時間の短縮および
流量制限オリィフィスによる流速の増加によるスラリー
循環攪拌混合ラインでのスラリーフィードトラブルの発
生状況変化を示す図である。

【符号の説明】

１ 粉砕機 ２ スラリー調製槽 ３ 攪拌機 ４ スラリー循環ポンプ ５ 高圧スラリーポンプ ６ スラリー加熱器 ７ 液化反応塔 ８ 分離器 ９ 蒸留設備 １０ 減圧蒸留塔 １１ 溶剤水素化反応塔 １２ スラリー調製槽 １３ 攪拌機 １４ スラリー循環ポンプ １５ 高圧スラリー供給ポンプ １６ スラリー加熱器 １７ 液化反応塔 １８ スラリー調製槽 １９ 攪拌機 ２０ スラリー循環ホンプ ２１ 流量制限オリィフィス ２２ 高圧スラリー供給ポンプ ２３ スラリー加熱器 ２４ 液化反応塔 Ａ スラリー循環ライン Ｂ スラリー循環ライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川端 睦麿 君津市君津１番地 新日本製鐵株式会社君 津製鐵所内 (72)発明者 山本 久敬 埼玉県川口市戸塚東１―６―６ (72)発明者 井口 憲二 千葉県幕張本郷７―26―１ (72)発明者 山浦 純治 埼玉県越谷市大沢４―15―１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石炭、石炭液化用溶剤、および石炭液化
   用触媒を混合してスラリー化し、その石炭スラリーを水
   素の存在下で加圧、加熱して水素化分解し、得られた液
   化油を溶剤と残渣に分離する石炭液化工程と石炭液化工
   程で得られた溶剤の一部を溶剤水素化用触媒の存在下で
   加圧、加熱して水素添加した後、減圧し、石炭液化用溶
   剤として循環使用する溶剤水素化工程を有する石炭液化
   プロセスに於いて、スラリー調製時の温度範囲を５０〜
   １００℃の範囲とし、この温度で得られるスラリーの粘
   度がスラリー循環ポンプの設備仕様の粘度の範囲以内に
   なるように、スラリーの循環攪拌混合時間を調節するこ
   とを特徴とする石炭液化プロセスに於ける石炭スラリー
   の安定的な調製方法。
2. 【請求項２】 石炭、石炭液化用溶剤、および石炭液化
   用触媒を混合してスラリー化し、その石炭スラリーを水
   素の存在下で加圧、加熱して水素化分解し、得られた液
   化油を溶剤と残渣に分離する石炭液化工程と石炭液化工
   程で得られた溶剤の一部を溶剤水素化用触媒の存在下で
   加圧、加熱して水素添加した後、減圧し、石炭液化用溶
   剤として循環使用する溶剤水素化工程を有する石炭液化
   プロセスに於いて、スラリー調整槽、槽内のスラリーを
   攪拌混合する攪拌機、スラリー循環ポンプから成る循環
   ラインによって構成されたスラリー調整装置の、循環ラ
   インでの循環速度を調整可能な流量制限オリフィスをス
   ラリー循環ライン内に設置して、スラリーを調整するこ
   とを特徴とする石炭液化プロセスに於ける石炭スラリー
   の安定的な調整方法。