JPS625478B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は石炭・水スラリーの製造方法に関す
る。 石炭・水スラリーは粉粒状の石炭の輸送、直接
燃焼原料などとして注目を集めている。 このような途に供するために、所望の濃度と粘
度のスラリーが製造でき、特に高濃度低粘性のス
ラリーを製造できる方法が期待されている。 従来石炭スラリーの製造方法として種々のもの
が提案されているが、この期待に応えたものは未
だ提案されていない。例えば特開昭54−16511号
公報には石炭粒子を60〜80重量％含有するスラリ
ーの製造方法が開示されているが、この方法では
低粘性のものは得られない。 本発明の目的はこのような従来技術の問題点を
解消し、所望の濃度と粘度のスラリーが製造で
き、特に高濃度低粘性のスラリーも製造できる石
炭・水スラリーの製造方法を提供するにある。 発明者らは各種の石炭・水スラリーの濃度と粘
度について鋭意研究を重ねたところ、濃度と粘性
に一定の相関関係が成立し、この相関関係は次に
述べる液膜モデルによつて説明されること、従つ
てこの液膜モデルを用いてスラリーの濃度及び粘
度を所望のものとすることができ、高濃度、低粘
性のスラリーも製造できることが見出された。 本発明はこのような知見に基づいてなされたも
のであり、粉粒状の石炭と水とを混合撹拌して石
炭・水スラリーを製造するに際し、あらかじめ実
験的に求めた。スラリーの粘性ηと下記の(1)式で
算出される液膜水量ｖとの関係から、目的とする
粘度η_０に対応した液膜水量v₀を求め、目的とす
る濃度に応じて液膜水量がv₀となるように石炭粘
度を調整することを特徴とする目標値通りの粘度
及び濃度を有する石炭・水スラリーの製造方法に
よつて前述の目的を達成するものである。 ｖ＝（Ｖ_Ｔ／Ｖ_Ｃ−ρ_C・ν）（１−ε）−ε …(1) ただし Ｖ_T：水添加量（cm³） Ｖ_C：石炭粒子体積（cm³） ρ_C：石炭粒子のかさ密度（ｇ/cm³） ν：単位重量の石炭が水中で吸収する
水の体積（cm³/ｇ） ε：空気中における石炭粒子間の空隙
部分の体積割合 先ずスラリー粘度に影響を及ぼす液膜水の概念
を液膜モデルを用いて説明する。液膜モデルを第
１図に示す。先ず石炭粒子１０は空気中で第１図
ａのように互いに接触して充填されている。この
石炭粒子をスラリー化するために水Ｖ_T（cm³）を
加えると水分は石炭粒子１０どおしの間に入り込
み、第１図ｂのように石炭粘子が互いに離れた状
態となる。このとき、スラリー化するために加え
られた全水分Ｖ_Tを次の３つに分けて考える。即
ち、石炭粒子の内部に吸収される“吸収水分
20Vab（cm³）”、石炭粒子の周りを覆う“液膜水
30Vf（cm³）”そして液膜水の間に存在する“間隙
水40Vp（cm³）”である。そしてこの中でスラリー
粘性に影響及ぼすのは液膜水であると考える。こ
こにおける液膜水は次の定義によるものである。
液膜水は、第１図ａに示した空気中における石炭
粒子と、第１図ｂに示したスラリー中における石
炭粒子とその周りの液膜水とを合わせたものとを
比較して、それらの形状及び大きさが互いに相似
になるように考えたものである。このように考え
ると、第１図ａとｂを較べて明らかなように、空
気中における石炭粒子どおしの間の空隙の部分の
体積割合（空隙率）εは、スラリー中における間
隙水の、スラリー全体積、即ち間隙水Vpと液膜
水Vf及び石炭粒子体積Vcを合わせたものに対す
る体積割合に等しいことになる。従つて(2)式が得
られる。 ε＝Ｖｐ／Ｖｐ＋Ｖｆ＋Ｖｃ …(2) 一方、スラリー中の全水分Ｖ_Tは、液膜水Vfと
間隙水Vpと吸収水分Vabに等しいので、(3)式が
得られる。 Ｖ_T＝Vf＋Vp＋Vab …(3) また石炭粒子のかさ密度をρ_C（ｇ/cm³）、単位
重量の石炭が水スラリー中で吸収する水の体積を
γ（cm³/ｇ）とすると吸収水分Vabは(4)式で表さ
れる。 Ｖａｂ／Ｖｃ＝ρ_Cγ …(4) (2)〜(4)式より石炭の単位体積あたりの液膜水量
ｖを求めると(5)式となる。 ｖ＝Ｖｆ／Ｖｃ＝（Ｖ_Ｔ／Ｖ_Ｃ−ρ_Cγ）（１−ε）
−ε…(5) 液膜モデルでは、液膜水量が多ければ第１図ｂ
のおける液膜厚みが大きくなり、従つて石炭粒子
間距離が離れ、そのためスラリー粘度は低下する
ものと考える。この考え方の妥当性を実証するた
めに実際に石炭の種類や粒径分布の異なる石炭粒
子についてスラリー粘度を測定し、スラリー粘度
と石炭の単位体積あたりの液膜水量との相関性を
調べた。その結果を第２図に示す。用いた石炭
は、オーストラリア産ブレアソール炭及びワーク
ワース炭そして国内炭の三池炭である。スラリー
粘度と石炭の単位体積あたりの液膜体積との間に
は第２図のようによい相関性があり、石炭の単位
体積あたりの液膜体積が増加するにつれてスラリ
ー粘度は低下することが認められ、液膜モデルの
妥当性が示されている。 また第２図より、粘度ηと液膜水量との間には
次の実験式が成立することが認められる。 従つてスラリーの目的とする粘度と濃度が設定
された後、まず(6)式のηに目標粘度の値を代入し
て液膜水量の所要値を求める。次にこの液膜水量
の所要値を(5)式に代入し、さらに水添加量Ｖ_T
（目標濃度値から算出される）、吸水量γ（あらか
じめ測定された、単位重量の石炭の吸水量）、ρ_C
（あらかじめ測定された石炭粒子のかさ密度）、及
び石炭粒子体積Ｖ_C（スラリー濃度とかさ密度ρ_C
とから算出される）を代入すると、空隙率εが計
算される。この算出されたεとなるように石炭粉
末の粒度分布を調整することによつて、目的とす
る粘度、濃度を有する石炭・水スラリーを製造す
ることが可能となる。 以下実施例について説明する。 実施例 １ 目的とする粘度2Pa・Ｓ以下、石炭濃度60〜80
重量％のスラリーを本発明の方法に従つて製造す
る。 まず液膜水量を求め、次にこの液膜水量から空
隙率εを求める。 粘度が2Pa・Ｓ以下であることから第(7)式よ
り、 η＝８×10^-3・（Ｖｆ／Ｖｃ）^-2≦２ …(8) 従つて、 Ｖｆ／Ｖｃ≧0.06 …(9) となる。 また石炭濃度が60〜80％であることから 0.25≦Ｖ_Ｔρ_Ｗ／Ｖ_Ｃρ_Ｃ≦0.67 …(10) が成立する。（Ｖ_Tρ_wはスラリー中の水の重量、
Ｖ_Cρ_Cはスラリー中の石炭重量であり、石炭濃度
60％の場合この比は40／60＝0.67、80％の場合は
20／80＝0.25となるからである。） ここで(6)式を変形すると Ｖ_Ｔ／Ｖ_Ｃ＝１／１−εＶｆ／Ｖｃ＋ε／１−ε＋ρ
_Cν…(11) となる。この(11)式を(10)式に代入すると、 （0.25ρ_ｃ／ρ_ｗ−ρ_Cγ）（１−ε）−ε≦Ｖｆ／Ｖ
ｃ ≦（0.67ρ_ｃ／ρ_ｗ−ρ_Cγ）（１−ε）−ε …(12) となる。 また(9)式より Ｖｆ／Ｖｃ≧0.06 …(9) であるから、この(9)式と(12)式より 0.06≦Ｖｆ／Ｖｃ≦（0.67ρ_ｃ／ρ_ｗ−ρ_Cγ）（１−
ε）−ε…(1 3) 従つて （0.67ρ_ｃ／ρ_ｗ−ρ_Cγ）（１−ε）−ε≧0.06…(14
) εについて整理すると、 ここでρ_C及びγは石炭固有の値であるので、
これらより空気中の石炭粒子の空隙率が(14)式に
よつて求められる最適値を満すように石炭粒子を
粒径調整すれば、所望の石炭種について目的とす
る低粘度（η≦2Pa・Ｓ）かつ高濃度（石炭含有
率60〜80重量％）のスラリーが製造される。 次に様々の炭種について空隙率の最適値を求め
る方法について説明する。 供試石炭は燃料として用いられる瀝青炭の中で
最も吸収水分の多い石炭の１つであるオーストラ
リア産ブレアソール、吸収水分の最も少い石炭の
１つである国内三池炭及びこれら２つの石炭の吸
収水分の値の中間の値をもつオーストラリア産ワ
ークワース炭である。 これら３炭種の嵩密度ρ_C及び石炭の単位体積
あたりの吸収水分ρ_Cγの測定値と石炭重量濃度
が60〜80％でガラスラリー粘性が2Pa・Ｓ以下の
高濃度水スラリーを製造するための、空気中にお
ける石炭粒子の最適空隙率をまとめて第１表に示
す。

【表】 第１表より吸収水分の多い石炭ほど空隙率の最
適値が低くなつている。吸収水分が多い石炭は、
スラリー化するために加えられた水分を粒子内に
多量に吸収するため、石炭粒子の外側に位置する
媒体としての水が減少してスラリー粘度が高くな
る。液膜モデルを用いて説明すれば(7)式の中で吸
収水分ρ_Cγが大きくなるため、液膜水Vf量／Vc
が少くなりスラリー粘度は高くなる。従つてスラ
リー粘度を抑制するためには(7)式中の空隙率εを
低くすればよいことになる。従つて吸収水分の多
い石炭ほど空隙率の最適値は低くなるのである。 表１のブレアソール炭は瀝青炭の中でも最も吸
収水分の多い石炭であるので空隙率の最適値は最
も低いはずである。従つてこのブレアソール炭の
空隙率の最適値ε≦0.324をとるような粒径分布
に各石炭を粒径調整すれば、ほとんどの瀝青炭に
ついて高濃度水スラリーを製造できることにな
る。 そこで次にε≦0.324となるような粒径分布の
調整法について述べる。第３図に粉砕条件を変え
て製造した粒径範囲の異なる石炭について累積重
量割合CPFTと空隙率を測定した結果を示す。第
３図より粒径範囲が広いものほど空隙率は低くな
つていることがわかつた。第３図ではＡ，Ｂ，Ｃ
がε≦0.324を満たすが、εは低ければ低いほど
高濃度でかつ低粘性のスラリーを製造できるので
さらにεを低下させる粒径調整法を説明する。空
隙率を下げるためには粗粒子の間に微粒子を充填
すればよい。つまり粒径範囲をより広くすればよ
いのである。そこで石炭粒子を20hr湿式粉砕して
６μ以下の微粒子をつくり、これを第３図のＡの
石炭に混合してその空隙率を測定した。その結果
が第４図に示す。６μ以下の粒子の重量配合比
が、０〜10％のとき空隙率が低下している。この
ときの粒径分布を第５図に示す。６μ以下の粒子
を０〜10％混合した場合、６μ以下の累積重量割
合CPFT（％）は０〜11.3％となつている。 以上のように空隙率εを低くするためには、乾
式粉砕によつて製造した粗粒径の粒子を含む石炭
に、数μのコロイドサイズの粒子を重量で０〜10
％混合して、粒径範囲を広くすればよい。従つて
より細かい微粒子を混ぜて粒径範囲をさらに広く
すれば、空隙率がもつと低下し、より高濃度で低
粘性のスラリーをつくることができる。しかし工
業的に数μのコロイドサイズの粒子を大量に製造
するためには、多数の湿式粉砕機を長時間連続運
転することになるので、湿式粉砕の媒体としての
水の使用量が多く、また粉砕機の運転費用がかな
り嵩むという問題がある。従つてコロイドサイズ
の、より細かな粒子を製造して、粒径調整によつ
て空隙率をさらに低くすることができたとして
も、製造した高濃度水スラリーはコストが高く、
燃料としてはCOMやCMMと同等あるいはそれ以
上の高価なものとなり、高濃度水スラリーの特徴
がなくなつてしまうことになる。従つてコストと
の兼合いより、コロイドサイズの粒子の大きさに
は制限が生じ、またこれより空隙率も下限が生ず
るようになる。 次にブレアソール炭を原料とし、上述の計算結
果に基づいて粘度2Pa・Ｓ以下、石炭濃度60〜80
％のスラリーを製造した。 第６図はその工程図である。 原炭１は乾式粉砕機２により少くとも１mm以下
に粉砕したあと、この１mm以下の石炭粒子の一部
を湿式粉砕機５へ送り約６μ以下のコロイドサイ
ズの粒子に粉砕したあと乾燥機６へ送る。次にこ
の６μ以下の微粉炭を１mm以下の粉砕炭に重量で
５％混合して、６μ以下のCPFTが０〜11.3％の
範囲になるように粒径調整した。粒径調整した石
炭を混合機３で充分混合したあとこれに、水槽７
より水を供給して撹拌槽４においてスラリー化す
る。スラリー中の石炭重量濃度を60％〜80％とし
て、その粘性を測定した。その結果を第７図に示
す。粘性測定は２重円筒型の測定器を用い剪断速
度を変化させて測定したところ第７図に示す結果
が得られた。第７図より、各スラリーの粘度はい
ずれも2Pa・Ｓ以下であることが認められる。 また同様にして、第８図Ｉ〜Ｋに示す粒度分布
を有する、いずれも６μｍ以下のCPFTが10％以
下の石炭粉末を製造し、石炭濃度が65％となるよ
うに水を添加した後撹拌した。また比較のために
６μｍ以下のCPFTが20％のもの（第８図Ｈ）、
及び細粒分を含まないもの（第８図Ｌ）をも製造
し、同様のスラリーとした。 これらの粉末の空隙率は測定の結果第９図に示
すものであり、Ｉ，Ｊ，Ｋについてはε≦0.324
であるが、Ｈ，Ｌについては0.35よりも大きくな
つている。 これらのスラリーの粘度を測定したところ第１
０図に示す結果が得られた。 第１０図よりε≦0.324であるＩ，Ｊ，Ｋのも
のはη≦2Pa・Ｓであるが、ε＞0.324であるＨ，
Ｌはη＞2Pa・Ｓであることが認められる。 以上の実施例はη≦2Pa・Ｓ、石炭濃度60〜80
重量％のものであるが、本発明はその他の粘度、
濃度のものについても同様に液膜水量を制御し製
造することができる。 本発明の方法によつて製造されたスラリーを微
粉粒炭燃焼ボイラの燃料として用いる場合は石炭
粒子の最大粒径を100〜1000μｍとするのが好ま
しい。これは粗大粒子は燃焼速度が小さく燃焼困
難であるからである。 また本発明の方法によつて低粘度のスラリーを
製造するには石炭の粒度分布は可能な限り最密充
填系に近いものが好ましい。これは空気中におけ
る石炭粒子の空隙率が低くなるからである。例え
ば最大粒径が100〜1000μｍの粒度を有するスラ
リーにおいては粒径６μｍ以下の微粉を10重量％
以下含有するのが好ましい。この範囲においては
空隙率は小さくなり、粘度も低くなる。６μｍ以
下の微粉の量が10重量％を超えると次第に空隙率
が増加しスラリー粘度も大きくなる。 以上の通り本発明は液膜モデルに基づく液膜水
量を調整することによつて目的とする粘度及び濃
度を有するスラリーを製造するものであり、目的
値通りの濃度・粘性を有するスラリーを製造する
ことができ、特に高濃度低粘性のスラリーをも製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは、液膜モデル、第２図はスラリ
ー粘度と液膜水量の相関図、第３図は空隙率と
CPFTの相関図、第４図は６μ以下の粒子の配合
比と空隙率の相関図、第５図は６μ以下の粒子の
配合比を変化させたときのCPFTと空隙率の相関
図、第６図は、本発明の一実施例のプロセス図、
第７図は本発明により調製した水スラリーについ
てスラリー中石炭濃度とスラリー粘度の相関図、
第８図は石炭粉末の粒度分布を示すグラフ、第９
図は石炭粉末の空隙率を示すグラフ、第１０図は
石炭スラリーの粘度を示すグラフである。 １…原料石炭、２…乾式粉砕機、３…混合機、
４…撹拌槽、５…湿式粉砕機、６…乾燥機、７…
水槽。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 粉粒状の石炭と水とを混合撹拌して石炭・水
   スラリーを製造するに際し、あらかじめ実験的に
   求めた、スラリーの粘性ηと下記の(1)式で算出さ
   れる液膜水量ｖとの関係から、目的とする粘度η
   _０に対応した液膜水量v₀を求め、目的とする濃度
   に応じて液膜水量がv₀となるように石炭粒度を調
   整することを特徴とする目標値通りの粘度及び濃
   度を有する石炭・水スラリーの製造方法。 ｖ＝（Ｖ_Ｔ／Ｖ_Ｃ−ρ_C・ν）（１−ε）−ε …(1) ただし Ｖ_T：水添加量（cm³） Ｖ_C：石炭粒子体積（cm³） ρ_C：石炭粒子のかさ密度（ｇ/cm³） ν：単位重量の石炭が水中で吸収する
   水の体積（cm³/ｇ） ε：空気中における石炭粒子間の空隙
   部分の体積割合 ２ 目標とする粘性η_０が2Pa・Ｓ以下であり、
   かつスラリー中の水分が40重量％以下である特許
   請求の範囲第１項記載の石炭・水スラリーの製造
   方法。 ３ 粉末石炭は、最大粒径が100〜1000μｍであ
   り、かつ６μｍ以下の微粒子の含有率が10重量％
   以下である特許請求の範囲第２項記載の石炭・水
   スラリーの製造方法。