專利名稱：含水煤的脫水方法
技術領域：
本發明涉及含水煤的脫水方法，經脫水的含水煤的水漿料的制造方法，以及制造微粉煤和成形煤的方法。
背景技術：
含水煤，例如褐煤具有高的含水率、且其組織內部具有大量比較大的孔。即便實施利用該含水煤所應該進行的粉碎、干燥，該孔的大小和數量也幾乎沒有變化。因此，干燥該含水煤所得到的煤，在儲煤或者運輸中氧侵入至該孔中發生緩慢的氧化反應，有產生所謂的自燃的危險。因此，這種含水煤只限于在煤田附近的地域使用，此為現狀。
人們嘗試了對含水煤、例如褐煤，在4～17.2MPa的壓力下以250～350℃的溫度下進行水熱處理進行脫水的方法(參照非專利文獻1～4)。據報道，如果在這種壓力下實施水熱處理，則褐煤經脫水的同時，煤中的孔體積減少(參照非專利文獻1)。
但是，孔體積的減小不充分，還沒有完全解決上述問題。用上述方法進行脫水的煤和水的混合物(水漿料)，適于運輸，在制成與以往的瀝青煤和水的混合物同等程度的粘度時，需要2～4倍的水含量，沒有經濟性。另外，脫水和伴隨脫水的排水處理的成本高，因此未達到實用化。
非專利文獻1L.Racovalis等著、“Effect of processingconditions on organics in wastewater from hydrothermal dewateringof low-rank coal”、Fuel、第81卷、第1369～1378頁、2002年非專利文獻2George Favas等著、“Hydrothermal dewatering oflower rank coals.1.Effects of process conditions on theproperties of dried product”、Fuel、第82卷、第53～57頁、2003年非專利文獻3George Favas等著、“Hydrothermal dewateringof lower rank coals.2.Effects of coal characteristic for a rangeof Australian and international coals”、Fuel、第82卷、第59～69頁、2003年非專利文獻4George Favas等著、“Hydrothermal dewateringof lower rank coals.3.High-concentration slurries fromhydrothermally treated lower rank coals”、Fuel、第82卷、第71～79頁、2003年發明內容發明所要解決的課題本發明提供能夠得到脫水后水的再吸收被抑制、且在脫水后氧的吸收被抑制的脫水煤的新型脫水方法。因此，通過該方法，可以便宜地制造含有從含水煤中除去的水和除去水的煤、具有適宜粘度和含水量的混合物(水漿料)，脫水后的自燃被抑制的脫水的煤，以及由含有該煤和瀝青的混合物形成的成形煤。
含水煤，例如褐煤含有大量水分。該水大致由存在于該煤組織的孔內的水以及以范德華力與該煤結合而存在的水構成。本發明者們為了將這些水從含水煤中高效地除去，得到適合于運輸的制品、例如水漿料，含水量降至瀝青煤程度的微粉煤和成形煤，進行了研究。結果發現，如果在密閉容器中在規定壓力、規定溫度下加熱含水煤，且賦予含水煤規定的剪切力，則不僅可以從含水煤中高效地除去水，還能夠使脫水后水的再吸收及氧的吸收被抑制，便宜地制造適于上述運輸的制品。
即，本發明為(1)在密閉容器中、在加熱溫度下的飽和水蒸氣壓力以上的壓力下在100～350℃下加熱含水煤，且賦予含水煤0.01～20MPa的剪切力，由此從含水煤中進行脫水的方法。
通過本發明，認為從含水煤中除去進入到含水煤組織孔中的水以及以范德華力結合的水，同時破壞含水煤具有的孔組織。因此，含水煤的孔體積(空隙率)大幅度降低，脫水后的水的再吸收和氧的吸收被抑制。
作為優選方式，可以舉出(2)如上述(1)所述的方法，其中由密閉容器內具備的攪拌葉賦賦予剪切力，
(3)如上述(1)或(2)所述的方法，其中加熱溫度為150～300℃，(4)如上述(1)～(3)任一項所述的方法，其中加熱時的壓力為加熱溫度下的飽和水蒸氣壓力+0.5MPa以下(但最大為17.8MPa)，(5)如上述(1)～(4)任一項所述的方法，其中剪切力為0.1～10MPa，(6)如上述(1)～(5)任一項所述的方法，其中加熱進行3分鐘～5小時，(7)如上述(1)～(6)任一項所述的方法，其中含水煤是以含水煤為基準含水為25～85重量％的褐煤。
另外，本發明為(8)通過上述(1)～(7)任一項所述的方法，在密閉容器中得到含有從含水煤中除去的水和水被除去的煤的混合物，接著，從該密閉容器中存在的混合物中除去水、或者向該混合物中添加水，將該混合物中的水調整至以該混合物為基準為30～50重量％的方法。
作為優選方式，可以舉出(9)如上述(8)所述的方法，其中除去水或者添加水所得到的混合物中的水含量，以該混合物為基準為40～50重量％。
另外，本發明為(10)通過上述(1)～(7)任一項所述的方法，在密閉容器中得到含有從含水煤中除去的水和水被除去的煤的混合物，接著，將水從該混合物中除去，得到水被除去的煤的方法。
作為優選方式，可以舉出(11)如上述(10)所述的方法，其中從該混合物中將水除去，得到相對于煤和水的合計量含水15重量％以下的煤，(12)如上述(11)所述的方法，其中從該混合物中將水除去，得到基本上不含水的煤。
另外，本發明為(13)在通過上述(10)～(12)任一項所述方法得到的除去水的煤中，添加以干燥煤為基準為1～25重量％的瀝青的方法。
作為優選方式，可以舉出(14)如上述(13)所述的方法，其中瀝青的量以干燥煤為基準為5～20重量％，(15)如上述(13)或(14)所述的方法，其中瀝青為天然瀝青、石油瀝青或者煤焦油。
發明的效果本發明提供能夠得到脫水后的水的再吸收被抑制，且脫水后的氧的吸收被抑制的脫水煤的新型脫水方法。因此，通過該方法，能夠便宜地制造含有從含水煤中除去的水和水被除去的煤、具有適宜粘度和水含量的混合物(水漿料)，脫水后的自燃被抑制的經脫水的煤，以及由含有該煤和瀝青的混合物構成的成形煤。并且可謀求由于埋藏量多但含水率高、一旦干燥會自燃的僅能在煤田附近利用的褐煤等低品位煤的有效利用。
圖1為顯示圖2所示捏合機中扭矩與剪切力的關系的圖。
圖2為實施例中使用的電加熱式2軸螺旋型捏合機。
具體實施例方式
本發明中對于用于進行脫水的含水煤沒有特別限定。例如可以舉出褐煤、暗色褐煤、亞瀝青煤等低品位的含水煤。該含水煤的水含量，以含水煤為基準，上限優選為85重量％、更優選為70重量％，下限優選為25重量％、更優選為30重量％、進一步優選為40重量％。特別優選使用水含量以含水煤為基準為40～70重量％的褐煤。當水含量超過上述上限時，優選在下述的粉碎前或粉碎后，如通過液壓機等加壓，事先將水除去，達到上述范圍。
優選將含水煤粉碎至規定粒度后進行使用。該粒度，上限優選為200篩目、更優選為150篩目、進一步優選為100篩目，下限優選為3篩目、更優選為30篩目、進一步優選為50篩目。含水煤的粒度不足上述下限時，則在制成水漿料時煤易沉淀；超過上述上限時，則水漿料的粘度上升，且粉碎時消耗了多余的動力。
在本發明中，接著將該含水煤放入至密閉容器中進行脫水。該密閉容器必須能夠在加壓下加熱含水煤、且賦予含水煤剪切力。例如，可以使用具有一軸或二軸、優選為二軸的螺旋型攪拌葉的捏合機，或者具備在制作肉餡或魚碎肉的所謂的螺旋送料機中使用的螺旋槳的捏合機。該密閉容器可以是間歇式或者連續式的任一種。連續式的密閉容器只要是能夠一邊維持本發明的規定條件，一邊可連續實施含水煤的裝入及水被除去的煤的取出、以及氣體狀或者液體狀的水的取出的裝置即可。
加熱溫度，上限為350℃、優選為300℃、更優選為250℃，下限為100℃、優選為150℃、更優選為200℃。溫度超過上述上限，則裝置成本顯著增加；不足上述下限，則不能得到脫水帶來的本發明的效果。加熱時間，上限優選為5小時、更優選為3小時、進一步優選為1小時、特別優選為30分鐘，下限優選為3分鐘、更優選為5分鐘、進一步優選為10分鐘。通過該加熱，優選相對于每1kg含水煤中含有的水賦予最大2,300kJ的熱。
加熱中的壓力的下限為加熱溫度下的飽和水蒸氣壓力以上的壓力，優選為加熱溫度下的飽和水蒸氣壓力+0.1MPa以上的壓力，更優選為加熱溫度下的飽和水蒸氣壓力+0.2MPa以上的壓力。通過保持該壓力，能夠將從含水煤中除去的水保持在液體狀態，因此不必在脫水中賦予不需要的蒸發潛熱。該壓力的上限，優選為加熱溫度下的飽和水蒸氣壓力+1.0MPa，更優選為加熱溫度下的飽和水蒸氣壓力+0.5MPa，更優選為加熱溫度下的飽和水蒸氣壓力+0.3MPa。但是，加熱中的最大壓力優選為加熱溫度的最大值350℃的飽和水蒸氣壓+1.0MPa(＝17.8MPa)。即便超過上述上限，效果也不會有大的改變、裝置成本一味地變高，因此為不優選。加熱中的壓力，除了可使用通過加熱從含水煤中產生的水蒸氣進行調節之外，還優選使用惰性氣體、如氮氣、氦氣等進行調節。
本發明中，在上述加熱中賦予含水煤剪切力。剪切力的上限為20MPa、優選為10MPa、更優選為5MPa，下限為0.01MPa、優選為0.1MPa、更優選為1.0MPa。超過上述上限，則發動機動力負荷變大；不足上述下限，則脫水不充分，同時得不到脫水帶來的本發明的效果。該剪切力由密閉容器內具備的攪拌葉賦予。本發明中的剪切力可以如下得到。將粘度(20℃)已知的標準物質、如日本グリ-ス株式會社制的粘度校正用標準液(JIS Z8809)JS100粘度86mPa·s、JS14000粘度12Pa·s以及JS160000粘度140Pa·s分別放在規定的密閉容器中，例如如圖2所示的密閉容器(2軸螺旋型捏合機，容器內有效容積8升，容器內長度600mm，容器長徑160mm，容器短徑100mm，攪拌葉直徑96mm，攪拌葉每軸合計13根，其節距距離煤供給口最近處為70mm、向下游側依次減少4mm、距離制品取出口最近處為22mm)，在溫度20℃下，使具備的攪拌葉以60轉/分進行旋轉、測定施加于旋轉軸的扭矩。對于粘度(20℃)超過140Pa·s的值，使用在瀝青中混合燈油調制而成的混合液(例如，使用東機產業株式會社制的BS型粘度劑測定的粘度(20℃)為6400Pa·s的混合液)，與上述相同，測定扭矩。這里，加入上述測定液直到密閉容器內的攪拌葉全體完全浸入在該液之中。另外，測定在密閉容器中未放入測定液的空的狀態下的扭矩(將此時的剪切力作為0)。這樣，讀取粘度已知的各測定液的扭矩，由下述式(數1)剪切力(Pa)＝[粘度(Pa·s)×剪切速度(s-1)]/扭矩的讀取值求出剪切力，得到如圖1所示的扭矩與剪切力的關系。上述式中，剪切速度用下述式表示。下述式中sin3.5°為圖2所示裝置固有的值。該值根據攪拌葉的形狀求得，根據攪拌葉的形狀有所不同。
(數2)剪切速度(s-1)2×3.14×(每秒的轉數)÷sin3.5°這樣由上述關系，通過測定施加于旋轉軸的扭矩可求出剪切力。例如，對于圖2所示的密閉容器，可通過圖1所示的關系求出剪切力。具備攪拌葉的密閉容器的軸扭矩為裝置所特有，因此如果裝置改變扭矩也改變。因此，在每個使用的裝置上，必須在與上述同一條件下得到圖1那樣的扭矩與剪切力的關系。由此，在所有裝置中，都可通過測定施加于旋轉軸的扭矩，求得剪切力。
通過上述的本發明的方法，在脫水后在密閉容器中，得到含有從含水煤中被除去的水和水被除去的煤的混合物(水漿料)。該混合物的水含量取決于使用的含水煤的水含量。該混合物可運輸至遠處或者不運輸在煤田的附近、以水漿料的形式供于發電用或煤氣化用。根據利用的方式，可增加或者減少該混合物的水含量。該混合物的水含量，以該混合物為基準優選為30～50重量％，更優選為40～50重量％。通過控制為該濃度，可使得該混合物的粘度(20℃)優選成為2,000～4,000厘泊(cP＝mPa·s)、更優選成為約1,000厘泊(cP＝mPa·s)。由此，能夠制成適于運輸等處理的水漿料。將該混合物的濃度調整至上述范圍的方法沒有特別限定。優選為，通過從脫水后在密閉容器中得到的該混合物中除去水或者向該混合物中添加水進行實施。水可作為來自于密閉容器中的該混合物的水蒸氣排出。這樣，可以在密閉容器中的一階段內，使用含水煤中含有的水制造所需濃度的水漿料，可以謀求裝置的簡略化。另外，在從含水煤中得到的水中含有來自于所用含水煤的少量的有機物。由于這些物質作為表面活性劑發揮作用，因此可以省略向上述水漿料中的表面活性劑的添加。
從密閉容器中存在的混合物中除去從含水煤中被除去的水，可優選得到基本上完全將該水除去后的煤。這里，水含量，相對于煤和水的合計量，優選為0～15重量％、更優選為5～10重量％。由此，可將含水煤制成為具有瀝青碳程度的水含量的煤。通過本發明的脫水方法被脫水的煤，在運輸或者儲煤中的自燃被抑制。通過每1kg含水煤中含有的水賦予合計優選為最大5,100kJ的熱，能夠得到水基本上完全被除去的煤。
本發明中，在如上述得到的水被除去的煤中，以干燥煤為基準，可優選添加1～25重量％、更優選添加5～20重量％的瀝青。添加有瀝青的該煤，可優選用于成形煤的制造。作為瀝青可優選使用天然瀝青、石油瀝青或者煤焦油。
以下，通過實施例詳細說明本發明，但本發明并不限定于這些實施例。
實施例中使用的含水煤為褐煤，具有下述表1的性狀。
表1褐煤
上述表1的水分、灰分、揮發分及固定碳是以工業分析法(JIS M8812)為基準進行測定的。孔體積是使用在107℃下干燥1小時的煤(水分0％)通過BET法測定的。
當扭矩超過140kg·cm時，扭矩的測定使用山崎P-100R式旋轉扭矩測定儀；但在上述扭矩值以下時，則使用山崎SS-50R式旋轉扭矩測定儀。
實施例1作為密閉容器，使用圖2所示的2軸螺旋型捏合機。該容器的有效內容積為8升。圖2中，1為煤供給口、2為螺旋槳、3為閥門、4為排蒸汽閥門、5為瀝青注入用閥門、6為制品取出用閥門。將具有上述性狀的褐煤預先粉碎至30～100篩目。將10g粉碎過的褐煤裝入至該容器中。接著，利用氮氣將容器內的壓力調為0.7MPa后，一邊轉動螺旋槳一邊開始加熱，將溫度調整至170℃。達到該溫度后，立即將容器內的壓力調節至1MPa，且測定施加于攪拌軸的扭矩，使用圖1所示的扭矩與剪切力的關系，將剪切力調節至0.1MPa。一邊將容器內的壓力、溫度以及剪切力保持在上述值一邊處理1小時，將水從褐煤中除去。接著，冷卻至環境溫度取出漿料。將加熱時間變換為3小時和5小時，實施同一實驗。得到的水漿料的粘度(20℃)以及水含量示于下述表2。
表2
表2中，漿料粘度是使用東機產業株式會社制的BS型粘度劑進行測定的。水含量為顯示相對于水漿料重量的、作為漿料介質的水的重量。由于不能進行作為漿料介質的水重量的測定，因此假定該水含量與具有同一粘度(20℃)的瀝青煤水漿料的作為漿料介質的水含量相同，進而求出。
實施例2除了在2MPa的壓力下在200℃下加熱1小時以及在4MPa的壓力下在250℃下加熱1小時之外，其余與實施例1同樣操作。所得水漿料的粘度(20℃)示于下述表3。
表3
由實施例1的結果可知，延長處理時間則可得到更加低粘度的水漿料。由實施例2的結果可知，處理溫度越高則可得到更加低粘度的水漿料。另外可知，作為水漿料中介質的水的量增加后，伴隨著水漿料的粘度降低進一步進行從褐煤的脫水。
比較例1除了使剪切力為0.001MPa、且在4MPa的壓力下在250℃下加熱1小時之外，其余與實施例1同樣操作。在外觀上雖然從褐煤發生脫水，但將該混合物放置片刻則曾經從褐煤中去除的水又再次浸入至褐煤中，漿料成為不具有適當性狀的物質。
實施例3使用特開2000-169274號公報中記載的具有攪拌葉的1軸加壓·加熱型混合裝置。將表1所示的褐煤粉碎至30～100篩目。將15kg粉碎后的褐煤裝入至該裝置的槽內。接著，用氮氣將槽內的壓力調整為0.7MPa之后，一邊旋轉螺旋槳一邊開始加熱，將溫度調節至170℃。達到該溫度后，立即將容器內的壓力調節至1MPa，且測定施加于攪拌軸的扭矩，使用預先制作的扭矩與剪切力的關系，將剪切力調節至1MPa。一邊將容器內的壓力、溫度以及剪切力保持在上述值一邊處理1小時，將水從褐煤中除去。接著，冷卻至環境溫度取出水漿料。得到的水漿料的粘度(20℃)為900厘泊(cP＝mPa·s)。水含量與實施例1同樣，從作為具有與所得水漿料同等粘度(20℃)的瀝青煤水漿料的漿料介質的水含量進行推算，為44重量％。
實施例4與實施例3同樣，將粉碎了的褐煤裝入至上述裝置的槽內。接著，用氮氣將槽內的壓力調整為0.79MPa之后，一邊旋轉螺旋槳賦予1MPa的剪切力，一邊加熱1小時將溫度調節至170℃。該加熱中，槽內的壓力通過打開在槽上部帶有的排蒸汽閥門進行調節，達到0.79MPa(170℃下的飽和蒸汽壓)。溫度達到170℃后，一邊保持上述溫度和壓力，一邊連續地打開排蒸汽閥門將水蒸汽除去。從上述操作開始的1小時后，一邊將溫度維持在170℃一邊將排蒸汽閥門全部打開將容器內殘存的水全部蒸發掉。水被除去后的褐煤的性狀示于表4。
表4
通過上述處理，能夠顯著降低褐煤中的水分。并且，孔體積也可顯著降低。由此，可抑制自燃，且從褐煤中除去的水不會再度浸入褐煤的孔內，得到良好干燥的煤。
實施例5與實施例4同樣實施，將水從褐煤中除去且將該水蒸發。接著，在將溫度保持在170℃的狀態下，介由在槽下游側設置的瀝青注入閥門，向容器中注入以干燥煤為基準的10重量％的石油系瀝青。接著，旋轉螺旋槳15分鐘進行混合，之后從制品取出用閥門將水被除去的褐煤與石油系瀝青的混合物取出。然后將該混合物送至壓縮成形機制造成形煤。該成形煤的硬度為旋轉強度60重量％以上(JIS K2151的6.2)，具有與從瀝青煤制造的成形煤幾乎相同的硬度。
產業實用性通過本發明，可以便宜地制造含有從含水煤中除去的水和水被除去的煤、具有適宜粘度和水含量的混合物(水漿料)、脫水后的自燃被抑制的脫水煤、以及由含有該煤和瀝青的混合物構成的成形煤。
權利要求
1.一種方法，其在密閉容器中、在加熱溫度下的飽和水蒸汽壓力以上的壓力下、在100～350℃的溫度下加熱含水煤，且賦予含水煤0.01～20MPa的剪切力，由此由含水煤脫水。
2.如權利要求1所述的方法，其中由在密閉容器中具備的攪拌葉賦予剪切力。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中加熱溫度為150～300℃。
4.如權利要求1～3任一項所述的方法，其中加熱時的壓力為加熱溫度下的飽和水蒸汽壓力+0.5MPa以下(但，最大為17.8MPa)。
5.如權利要求1～4任一項所述的方法，其中剪切力為0.1～10MPa。
6.如權利要求1～5任一項所述的方法，其中加熱進行3分鐘～5小時。
7.如權利要求1～6任一項所述的方法，其中含水煤是以含水煤為基準含有水25～85重量％的褐煤。
8.一種方法，其通過如權利要求1～7任一項所述的方法，在密閉容器中得到含有從含水煤中除去的水和水被除去的煤的混合物，接著，從該密閉容器中存在的混合物中除去水或者向該混合物中添加水，將該混合物中的水調整至以該混合物為基準為30～50重量％。
9.如權利要求8所述的方法，其中除去水或者添加水所得到的混合物中的水含量，以該混合物為基準，為40～50重量％。
10.一種方法，其通過如權利要求1～7任一項所述的方法，在密閉容器中得到含有從含水煤中除去的水和水被除去的煤的混合物，接著，將該水從該混合物中除去，得到水被除去的煤。
11.如權利要求10所述的方法，其中將水從該混合物中除去，得到相對于煤和水的合計量、含有15重量％以下的水的煤。
12.如權利要求10所述的方法，其中將水從該混合物中除去，得到基本上不含水的煤。
13.一種方法，其在通過權利要求10～12任一項所述的方法得到的水被除去的煤中，添加以干燥煤為基準為1～25重量％的瀝青。
14.如權利要求13所述的方法，其中瀝青的量以干燥煤為基準為5～20重量％。
15.如權利要求13或14所述的方法，其中瀝青為天然瀝青、石油瀝青或煤焦油。
全文摘要
本發明為在密閉容器中、在加熱溫度下的飽和水蒸汽壓力以上的壓力下、在100～350℃的溫度下加熱含水煤，且賦予含水煤0.01～20MPa的剪切力的從含水煤中進行脫水的方法。本發明提供能夠得到在脫水后水的再吸收被抑制、且脫水后氧的吸收被抑制的脫水煤的新型的脫水方法。
文檔編號C10L5/16GK1826399SQ200480020739
公開日2006年8月30日 申請日期2004年7月16日 優先權日2003年7月18日
發明者片山優久雄 申請人:株式會社K·E·M, 片山優久雄