特許 6130114 発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6130114

(24)【登録日】2017年4月21日

(45)【発行日】2017年5月17日

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   F23K 5/00 20060101AFI20170508BHJP

   C10B 57/10 20060101ALI20170508BHJP

   F01K 17/02 20060101ALI20170508BHJP

   C10B 47/20 20060101ALI20170508BHJP

【ＦＩ】

   F23K5/00 303

   C10B57/10

   F01K17/02

   C10B47/20

【請求項の数】7

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2012-203637(P2012-203637)

(22)【出願日】2012年9月14日

(65)【公開番号】特開2014-59085(P2014-59085A)

(43)【公開日】2014年4月3日

【審査請求日】2015年9月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000164438

【氏名又は名称】九州電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095603

【弁理士】

【氏名又は名称】榎本 一郎

(72)【発明者】

【氏名】原田 達朗

(72)【発明者】

【氏名】松田 誠一郎

(72)【発明者】

【氏名】持田 勲

(72)【発明者】

【氏名】林 潤一郎

(72)【発明者】

【氏名】松下 洋介

(72)【発明者】

【氏名】山本 剛

【審査官】 青木 良憲

(56)【参考文献】

【文献】 特許第４９３９６６２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開昭６２−０６２８９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０９７９９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−０５９３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２６４５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１４０４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−０６１２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１７１７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−０３８８９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｋ ５／００

Ｃ１０Ｂ ４７／２０

Ｃ１０Ｂ ５７／１０

Ｆ０１Ｋ １７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

低石炭化度炭の原料炭を３０℃〜４０℃に加熱して乾燥させる乾燥工程と、前記乾燥工程で得られた乾燥炭を乾留工程の温度より低く前記乾燥工程よりも高い温度に加熱する乾留の前処理工程と、前記前処理工程で加熱された前記原料炭を乾留する前記乾留工程と、前記乾留工程で得られた固定炭素を冷却する冷却工程と、前記乾留工程で得られる炭化水素ガスを主燃料とする燃焼工程と、前記燃焼工程で発生する主蒸気によって蒸気タービンを動かす発電機と復水器を備える発電工程と、を備えたことを特徴とする発電システム。

【請求項2】

前記乾留工程の温度が３５０℃〜５００℃であることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

【請求項3】

前記乾留工程と前記冷却工程を含む固定炭素製造装置が前記冷却工程の冷却槽に立設された乾留工程の乾留炉と、前記乾留炉内の水平方向断面上を隔壁によって矩形又は多角形に鉛直方向に上部から下部まで区切られた乾留ユニットと、前記乾留ユニット内に水平方向断面上を仕切り板によって矩形又は多角形に鉛直方向に上部から下部まで区切られたミニ乾留炉と、前記乾留ユニットの隔壁と前記ミニ乾留炉のしきりに配設された加熱の為のパイプ状の加熱手段と、前記原料炭を上部から投入してそれぞれの前記ミニ乾留炉内で前記パイプ状の加熱手段によって乾留され冷却槽に製造された固定炭素を捕集する捕集路と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。

【請求項4】

前記乾留工程で乾留される乾燥炭が前記乾燥工程で前記原料炭の含水率２０質量％以下まで乾燥されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の発電システム。

【請求項5】

前記乾燥工程で乾燥される前記原料炭の粒子径が０．１μｍ〜５ｍｍに調整されていることを特徴とする請求項１，３，４の内いずれか１項に記載の発電システム。

【請求項6】

前記発電工程の復水器からの排熱を前記乾燥工程で乾燥に用いる不活性ガスの加熱に用いる熱供給部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

【請求項7】

前記燃焼工程で発生する排熱を蒸気又は燃焼排ガス又は前記燃焼工程で加熱された熱媒体を利用して前記乾留工程へ供給する熱供給部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、低石炭化度炭を乾留炉内で流下させながら、流動層燃焼炉の燃焼熱を利用した間接加熱や排ガス等を利用した直接加熱で乾留を行い、炭化水素ガスと固定炭素を得るとともに、炭化水素ガスを主燃料として流動層燃焼炉から水蒸気で熱回収をして発電を行う。さらに、乾留炉で得られた固定炭素は適宜発電燃料、製鉄用熱源、海外輸送可能な固体燃料として利用できる。省エネルギー性に優れた発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

含水量が約２０質量％を超える亜瀝青炭や褐炭など石炭化度の低い石炭は、高水分含量であるが故にカロリーが低く、燃焼発熱量が少ない上に、乾燥すると自然発火性が高まり、吸湿性も高く、輸送コストが割高になる等の理由により産炭地での利用に限られている。
しかし、低石炭化度炭には、高品位とされる瀝青炭等にはない利点がある。例えば、オーストラリアやインドネシアの褐炭は低硫黄でかつ低灰分であり、これを燃料として使用すれば、亜硫酸ガスなどによる大気汚染を抑制することができる上に、捨灰の有害性を低減できる。
そこで、これまでにも、これら低石炭化度炭を脱水改質や熱改質で炭化することによって有効利用すべく、その欠点を補うための技術が提案されてきた。例えば、特許文献１や特許文献２には、油分と低石炭化度炭を混合して原料スラリーを得て、当該スラリーを加熱して油中脱水し、更に加熱することによって、原料炭中のカルボキシル基や水酸基等を脱炭酸反応や脱水反応により分解若しくは脱離し、原料炭を改質する技術、または低石炭化度炭の細孔内に重質油分等を侵入せしめることにより自然発火を防止する技術が開示されている。
また、特許文献３には、水分の含有率が比較的高い低石炭化度炭のガス化を行うガス化部と、ガス化部から供給されたガスを用いて発電を行うガス発電部と、ガス発電部から排出された排気ガスの熱を用いて発電を行う蒸気発電部と、蒸気発電部から排出された排熱を用いて石炭の乾燥を行い、ガス化部に乾燥された石炭を供給する石炭乾燥部と、を備えた石炭ガス化複合発電設備が、開示されている。特許文献４には、褐炭を不活性ガス雰囲気下もしくは水蒸気雰囲気下で熱分解して改質炭とタールに分離し、前記タールを水蒸気雰囲気下、かつ鉄系触媒存在下で接触分解して炭化水素油を得る改質炭と炭化水素油の製造法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７−２３３３８４号公報

【特許文献2】特許第２７７６２７８号公報

【特許文献3】特開２００９−１３３２６８号公報

【特許文献4】特開２０１０−１４４０９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来の技術においては以下の課題を有していた。
（１）特許文献１，２は油分を使用するために、油と石炭を同一容器で分離するための種々の設備を要し、装置が大型化するとともに省エネルギー性に欠ける。
（２）石炭の改質に際して油分という副資材が必要となるので、大きなコストが必要で、かつ、環境負荷率が高い。
（３）油分を介した方法なので、褐炭に与えるエネルギーに関して熱交換損失が生じ、エネルギーロスが大きい。
（４）さらに乾燥後の石炭に副資材として利用する油分が混入し、油分のロスが多く、省資源性に欠ける。
（５）特許文献３は、低石炭化度炭を乾燥し、次いでガス化炉でガス化させてボイラーで熱源として燃焼させるので高カロリーを得ることができるが、発生ガスが高温となり、設備を構成する材料に大きな制約があり、省資源性に欠ける。
（６）特許文献４は、褐炭を５００〜８００℃で熱分解し改質炭とタールを得て、次いでタールを４００〜６００℃で接触分解することにより、改質炭と化合物を得るが、一般に低石炭化度炭は５００℃を超えて加熱すると亀裂が増え微粉が発生し未燃炭が増加する。また、熱分解ガスは、酸素濃度が高いと易燃焼成分の着火や、微粉炭の爆発の危険があるので、酸素濃度の制御やスチームの添加等装置の運転制御が困難で安全性や運転性に欠ける。

【0005】

本発明は上記従来の課題を解決するもので、
（１）炭化水素ガスの燃焼熱を発電用の蒸気の加熱とともに低石炭化度炭の乾燥、熱分解、炭化水素ガス化、固定炭素製造に利用する。
（２）ボイラーを酸素流動層燃焼採用でコンパクト化できる。
（３）酸素燃焼を採用することで、炭酸ガスを分離・回収する場合、窒素ガスが著しく少ないので炭酸ガス濃度が高く、炭酸ガスの分離エネルギーを小さくすることができる。
（４）ボイラーの排熱を有効利用し、乾留によって、固定炭素を製造するので省資源性に優れ、油分等の副資材を加えない為、固定炭素の重量が軽く、運搬性に優れ、生産地以外で利用が困難な含水量が高い亜瀝青炭や褐炭などを産炭地以外で利用することができる。
（５）乾留炉として、移動層乾留炉を採用することで、製品ガス温度が低く抑えられ、ガス配管などの材質の制約条件が少なくメンテナンス性に優れる。
（６）熱分解反応時間を長く取れるので、製品ガス温度が低く、タール成分による障害（固着やコーキングなど）問題を解決し、かつ比較的長鎖の炭化水素成分を多く得ることができる。
という発電システム提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

低石炭化度炭の原料炭を３０℃〜４０℃に加熱して乾燥させる乾燥工程と、前記乾燥工程で得られた乾燥炭を乾留工程の温度より低く前記乾燥工程よりも高い温度に加熱する乾留の前処理工程と、前記前処理工程で加熱された前記原料炭を乾留する前記乾留工程と、前記乾留工程で得られた固定炭素を冷却する冷却工程と、前記乾留工程で得られる炭化水素ガスを主燃料とする燃焼工程と、前記燃焼工程で発生する主蒸気によって蒸気タービンを動かす発電機と復水器を備える発電工程と、を備えたことを特徴とする発電システム。
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）高含水率の低石炭化度炭を乾燥する乾燥工程を備えた場合は、乾留するので投入熱量を少なくすることができ、エネルギー効率に優れる。
（２）乾燥された乾燥炭を乾留する場合は、乾燥することで比重が軽くなり、水分を蒸発する熱量も含め、乾留炉をコンパクトに設計できるため、省資源性に優れる。また、乾留炉の乾留ガス回収設備などをコンパクトにすることができるので省資源性に優れる。
（３）乾留工程を有し、乾留で生成される炭化水素ガスを燃焼工程の主燃料とすることで固定炭素を製造するので、発電システムと共に海外輸送可能な固体燃料として利用できる。
（４）乾留工程で得られた固定炭素を冷却する冷却工程を有しているので、乾留後の冷却により表面に浮き出ているタール成分を固定炭素内で定着させることでタール成分による障害問題を解決することができ、安定的な操業性に優れる。
（５）炭化水素ガスを主燃料とする燃焼工程と、燃焼工程で発生する主蒸気によって蒸気タービンを動かす発電機と復水器を備える発電工程とを有しているので、燃焼工程と復水器の間を移動する熱媒体によって排熱を有効利用することが出来る。また、乾留炉により、炭化水素ガス及び固定炭素を製造するので省資源性に優れ、油分等の副資材を加えない為、重量が軽く、運搬に掛る費用が安く、生産地以外で利用が困難な含水量が高い亜瀝青炭や褐炭などを産炭地以外で利用できる。
（６）乾留炉で発生する炭化水素ガスを主燃料として発電を行う複合システムなので、炭化水素ガス（揮発分）の燃焼熱を発電用の蒸気の加熱とともに低石炭化度炭の乾燥や乾留をすることで、固定炭素製造に利用することができる。
また、炭酸ガスを分離・回収する場合、窒素ガスが著しく少ないので炭酸ガス濃度が高く、炭酸ガスの分離エネルギーを小さくすることができ、省エネルギー性に優れる。
（７）高含水率の低石炭化度炭を乾燥する乾燥工程を備えているので、乾留工程の投入熱量を少なくすることができ、エネルギー効率に優れる。
（８）乾燥工程で乾燥された乾燥炭を乾留する乾留工程を有しているので、乾燥することで比重が軽くなり、水分を蒸発する熱量も含め、乾留炉をコンパクトに設計できるため、省資源性に優れる。また、乾留炉の乾留ガス回収設備などをコンパクトにすることができるので省資源性に優れる。
（９）前記乾燥工程の乾燥温度が３０℃〜５０℃である構成を有しているので、温度を上げる投入熱量に対する乾燥時間の減少割合が大きく、エネルギー効率に優れる。
（１０）また、３０℃〜５０℃である構成を有し、エネルギー効率に優れるので設備容量をコンパクトにすることが可能でコスト面に優れる。

【0007】

ここで、（a）乾燥工程としては、直接的又は間接的な熱の適用により粒状物質の水分量を減少させるのに有用な任意の装置を意味し、制限するものではないが例えば、流動床ドライヤー、振動流動床ドライヤー、固定床ドライヤー、走行床ドライヤー、カスケード形旋回床ドライヤー、長尺スロットドライヤー、ホッパードライヤー、キルンなどが含まれる。これらドライヤーは、単一又は多重容器からなるもの、単一又は多重段階からなるもの、積重ねたもの若しくは積重ねられていないもの、内部又は外部熱交換器を有するものなどが含まれる。
(b)乾燥工程で乾燥する高含水率の低石炭化度炭としては、含水量が約２０％を越えるものであれば亜瀝青炭、亜炭、褐炭などその名称、産地は特に問わない。また、燃料として使用する石炭が全て低石炭化度炭である必要はなく、含水量が約２０質量％未満の高石炭化度炭を添加しても良い。（以後、乾燥工程を経て乾燥された低石炭化度炭を乾燥炭という）
(c)乾燥工程は、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気で乾燥される。低石炭化度炭の目標水分は２０質量％以下とすることができる。実験では１６質量％まで下げることができた。これにより、低石炭化度炭の含水量を１／３以下にすることができ、輸送効率を大幅に改善できる。更に、乾留を行い固定炭素とすることにより自然発火を防ぎ安全性を向上できる。
(d)不活性ガスとしては、窒素ガスが好適に用いられる。窒素ガスは、酸素分離器で分離された窒素ガスが用いられる。窒素ガスは復水器の熱水で加熱された空気予熱器で加熱されるようにしてもよい。この場合、酸素濃度が低いので、自然酸化し昇温し易く発火し易い低石炭化度炭の発火を防ぎ、より高い温度で乾燥することができる。また、酸素分離器で分離された窒素ガスは相対湿度が低いので、乾燥効率を大きくすることができる。更に、廃熱を利用し、別途熱エネルギーを要しないので、環境に優しく省エネルギー性に優れる。また、乾燥部から排出される高湿度排ガスから清浄水を回収でき水の有効利用が図れる。
(e)低石炭化度炭としては、乾燥される前に前処理として粉砕することが好ましい。粉砕することにより、乾燥工程を簡略化し、乾燥時間を短縮化できる。低石炭化度炭の加熱は、乾燥工程の乾燥室を燃焼炉でスーパーヒートされた蒸気で発電する蒸気タービンの復水器の冷却排水配管を用いて加熱して行う。また、伝熱媒体として、酸素含有量の少ない空気、ＣＯ₂あるいはＮ₂ガスを該加熱された冷却排水で熱交換して加温して乾燥工程へ低石炭化度炭の流れと向流して流し乾燥させる。
(f)乾燥工程で乾燥する温度は、３０℃〜４０℃が好適に用いられる。特に４０℃前後の温度範囲での乾燥は、３０℃での乾燥に比べ、原料の石炭の水分を６０％から５０％に乾燥する時間が１／３程度と効果が高く、熱効率に優れる。高含水率の低石炭化度炭は、常温においても乾燥雰囲気では含水率は減少するが、非常に時間がかかる為、好ましくない。乾燥温度が３０℃を下回るにつれて乾燥時間が長くなる傾向にあり好ましくなく、温度を５０℃以上に上げるほど乾燥時間は短くなるが、その効果に対する投入熱量から得られる便益が小さくなり、好ましくない。また、復水器からの排熱を乾燥に用いる場合、５０℃以下の乾燥であれば適用可能なため、排熱を効果的に利用することができ、好ましい。
(g)乾留工程の前に乾燥工程を設置しても良い。低石炭化度炭を乾燥して乾燥炭とすることで乾留炉での負荷が減り、乾留炉の大きさも小型にすることが出来るので、装置をコンパクトにすることができ、省資源性に優れる。

【0008】

乾留工程の乾留炉としては、移動層を用いた乾留炉が好適に用いられる。乾留は、乾燥炭を乾留炉の炉頂から装入され乾燥炭の粒子群が膨張した後収縮し重力によって順次流下する間に、粒子と向流あるいは並流する高温の水蒸気や窒素ガスあるいは炭酸ガスと連続的に接触し乾留が行われ固定炭素を得ることができる。また、乾留には必ずしもガスを導入する必要はなく、炉内に投入されるガスは広い範囲の流速が利用出来る。
乾留工程の乾留温度としては、３００℃〜９００℃、好ましくは３５０℃〜５００℃が好適に用いられる。これにより炉材の材料が高温に耐える特殊材料の使用を減らすことができる。
乾留炉の払い出し口としては、底部の角度が安息角以上であるものが好適に用いられる。安息角以下になるにつれて払い出し口に固定炭素のブリッジが発生し易く、スムーズに固定炭素が流下しなくなる傾向にあり好ましくない。

【0009】

冷却工程の冷却槽としては、乾留工程で乾留された固定炭素を冷却し捕集出来る構造であれば良く、底部の形状としては、底部の角度が安息角以上であるものが好適に用いられる。安息角以下になるにつれて冷却槽内に固定炭素のブリッジが発生し易く、下部の固定炭素取り出し口においてスムーズに固定炭素が取り出せなくなる傾向にあり好ましくない。また、冷却槽には冷却の為に配管を用いて冷却水等の熱媒体によって冷却することが好ましい。そうすることで冷却槽をコンパクトに作成できる。配管等によって間接的に冷却することで冷却槽は不活性ガスを充填する場合は、発火等の事故を防止することができる。

【0010】

固定炭素としては、褐炭等を乾留工程で乾留して得られる。また、炭化水素ガス（揮発分）が抜けることで高品位の石炭へ転化し略４００℃において高品質なニューランズの燃料比２を越えることから現在市場に流通する高品位炭レベルの固定炭素を製造することが出来る。乾留温度は、最終品質を考慮して適宜選択できる。固定炭素とすることで、低石炭化度炭である生産地以外で利用が困難な含水量が高い亜瀝青炭や褐炭などを産炭地以外で利用できる。

【0011】

燃焼工程としては、流動層燃焼炉や炭化水素ガス・固定炭素燃焼ボイラーが好適に用いられる。
流動層燃焼炉としては、流動媒体として石灰石、ドロマイト等が用いられる。助燃剤としては、酸素と酸素濃度を調節（希釈）する炭酸ガスの混合ガスが好ましい。燃料は、乾留で得られた炭化水素ガスや乾燥部で乾燥された低石炭化度炭の乾燥炭や改質器で改質された低石炭化度炭の改質後石炭やチャーが用いられる。
炭化水素ガスや、乾燥部で乾燥された低石炭化度炭を主燃料とした場合、固定炭素を製造し、産炭地以外で固体燃料として使用することが出来る。また、固定炭素の一部を燃焼炉で用いた場合、炭化水素ガスの余剰分を回収し有用な化学原料として利用出来るのでケミカルコンプレックスを構築することが出来る。
また、流動層燃焼炉の燃焼温度は８００〜９００℃に調節される。これにより炉材の材料が高温に耐える特殊材料の使用を減らすことができ、さらに流動層内での灰熔解などの障害を防ぐことができる。
乾留炉の下流に触媒改質装置を設けてもよい。この場合、触媒改質装置により、低石炭化度炭から得られた揮発成分や炉ガス（燃焼排ガス）のＣＯ₂やＣＯ，Ｈ₂Ｏと触媒を接触させ改質を行うもので、ＦＴ合成ガスやメタノール合成ガス，アンモニア合成ガス，水素ガス，合成天然ガス等を得ることができる。

【0012】

発電工程としては、燃焼工程の燃焼炉を熱源として発生した主蒸気によってタービンを回し発電を行うものであれば特に、指定はしない。主蒸気によってタービンを回した後の排熱を利用しエネルギー効率に優れる発電システムを構築できるからである。

【0013】

乾燥工程と乾留工程の間には、乾燥工程で得られた乾燥した低石炭化度炭を加熱する前処理工程を設けても良い。前処理工程の温度としては、乾留工程と同様の温度より低く乾燥工程よりも高い温度が好適に用いられる。そうすることで、乾留工程において、より安定して高品位の固定炭素を収率良く得ることが出来る。また、乾留工程の乾留炉を小さくできるので省資源性に優れる。また、乾燥工程で得られた乾燥炭の一部を燃焼工程で用いても良い。使用する石炭の発熱量を改善することで発電システム全体の高効率化に貢献することが出来る。更に乾留工程後の固定炭素を一部使用することも出来る。乾燥炭や、固定炭素を用いることで、より乾燥した石炭は、発電プラントにおいて、石炭取扱いシステム、搬送に対する負荷を軽減させる。より乾燥した石炭は運搬性が高く、大掛かりな設備が不要になるのでメンテナンスコストを軽減させ、利用可能性を増大させる。

【0021】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発電システムであって、前記乾留工程の温度が３５０℃〜５００℃である構成を有している。
この構成により、請求項１で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）３５０℃〜５００℃で乾留を行うので、炭化水素ガス（揮発分）が揮発し易く、高品位の石炭へ転換を進めることができ、燃料比２以上の高品位炭を得ることが出来る。
（２）３５０℃〜５００℃の低温で、乾留を行うことが出来るので、装置自体のコスト及び、投入熱量において省コスト性に優れる。
（３）重質油を保持したまま乾留が出来るのでリアクターの閉塞等の問題が起こらない。

【0022】

ここで、乾留工程の温度としては、３５０℃〜５００℃が好適に用いられる。好ましくは３５０℃〜４５０℃が好適に用いられる。温度が３５０℃を下回ると燃料比が２を下回り効率的な乾留処理を行うことができないので好ましくなく、４５０℃を超えると、投入熱量に対する便益が小さくなる傾向にあり５００℃を超えると、その傾向が著しくなり好ましくない。また、温度が高くなるにつれ乾留により抜ける炭化水素ガス（揮発分）が多くなるが、それに伴い、重質油分が多くなる、これにより、リアクターの閉塞等の問題が多くなる傾向にあり同様に好ましくない。さらに、一般に低石炭化度炭は５００℃を超えて加熱すると亀裂が増え微粉が発生し未燃炭が増加する。そして、熱分解ガスは、酸素濃度が高いと易燃焼成分の着火や、微粉炭の爆発の危険があるので、酸素濃度の制御やスチームの添加等装置の運転制御が困難で安全性や運転性に欠ける。加えて、処理温度の上昇につれて、乾留工程の乾留炉の材質は耐熱性向上、追加投入熱量の増加等、省資源性に欠ける。よって３５０℃〜５００℃、より好ましくは３５０℃〜４５０℃の範囲で温度管理を行うことで、固定炭素内に重質油を保持したまま乾留を行うことが出来るのでリアクターの閉塞等の問題が起こらず、安定操業に大きく寄与する。

【0023】

また、炭化水素ガス（揮発分）が揮発分離することで高品位の石炭へ転化が進むが、１００℃〜３００℃の範囲でもガス成分が揮発することが分かっており、略４００℃において高品質なニューランズ炭の燃料比２を越えることから現在市場に流通する高品位炭レベルの固定炭素を製造することが出来ることがわかる。
更に、従来一般的な高温での乾留に比べ、３５０℃〜５００℃という遥かに低温なので、省エネルギー性に優れる。

【0024】

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発電システムであって、前記乾留工程と前記冷却工程を含む固定炭素製造装置が前記冷却工程の冷却槽に立設された乾留工程の乾留炉と、前記乾留炉内の水平方向断面上を隔壁によって矩形又は多角形に鉛直方向に上部から下部まで区切られた乾留ユニットと、前記乾留ユニット内に水平方向断面上を仕切り板によって矩形又は多角形に鉛直方向に上部から下部まで区切られたミニ乾留炉と、前記乾留ユニットの隔壁と前記ミニ乾留炉のしきりに配設された加熱の為のパイプ状の加熱手段と、原料炭を上部から投入してそれぞれの前記ミニ乾留炉内で前記パイプ状の加熱手段によって乾留され冷却槽に製造された固定炭素を捕集する捕集路と、を備えた構成を有している。
この構成により、請求項１又は２で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）ミニ乾留炉がパイプ状の加熱手段をそれぞれ備えているので、高温熱媒体による間接加熱が可能で、乾留炉内を均一の温度にすることが容易で、固定炭素の収率に優れる。
また、大量生産の為に、炉内の内容積を単純に大きくした場合、炉内の温度を均一にすることは困難で、部分的に乾留が進み易い場所が出来るなど、高品質な固定炭素の収率が悪いが、ミニ乾留炉を多列に備える乾留ユニット、乾留ユニットを多列に備える乾留炉を備えているので、大量生産性に優れる。
（２）ミニ乾留炉を多列に形成する乾留ユニットやそれを多列に形成する乾留炉を有しているので、剛性が高く、乾留炉内で揮発成分の発生や、乾留炉内での原料炭の膨張によって炉内に圧がかかる時でも変形することがなく、操業安定性に優れる。
（３）パイプ状の加熱手段を形成しているので、蒸気等の高温熱媒体によって安定的に加熱を行うことが出来る為、操業の安定性に優れる。
（４）固定炭素を捕集する冷却槽を乾留炉の下部に有しているので、製品固定炭素を捕集安定的に捕集することが出来る。
（５）パイプ状の加熱手段を有しているので、乾留炉の熱交換媒体として、燃焼炉の排ガスを供給する直接加熱とは異なり、間接加熱を用いることで発生する揮発分の単位体積当たりの熱量を最大限活用することができ、省エネルギー性に優れる。

【0025】

ここで、乾留炉の例としては、縦方向略４５００ｍｍ×横方向略４５００ｍｍで高さが略５０００ｍｍのサイズのもの等が好適に用いられる。この中にひとつの乾留ユニットが縦方向略１５００ｍｍ×横方向略１５００ｍｍで高さが略５０００ｍｍになる様に隔壁を設け、乾留炉内に乾留ユニットが３列×３列出来るようにし、更に、この乾留ユニット内に断面積が縦方向略５００ｍｍ×横方向略５００ｍｍで高さが略５０００ｍｍになる様に仕切り板を設け、乾留ユニット内にミニ乾留炉が３列×３列出来るようにしたもの等が好適に用いられる。
この様に安定した高収率の乾留炉を組み合わせることで、大量の固定炭素を製造する場合にも構造上の強度と生産の安定性を図ることが出来る。断面形状は、矩形に限らず、三角形や、五角形、六角形等の多角形も適宜使用可能である。また、ミニ乾留炉を１つの乾留炉としてテストを行うことが可能で、実験設備から実施設備まで状況に応じて応用性と拡張性に優れる。

【0026】

パイプ状の加熱手段としては、水蒸気等の熱媒体を用いて間接加熱を行うが、隔壁や仕切りに対して平行になるように取り付けることも出来るし、仕切り板や隔壁を貫くように直交して取り付けることが出来る、直交して取り付けた場合はそれ自体が邪魔板の役目を果たし、乾燥炭を自然に流下するとともに乾留する際に適度にトラップすることができ、乾留の際の品質向上に繋がるため好ましい。

【0027】

固定炭素を捕集する冷却槽としては、常温以下の温度で冷却することが好ましい。これにより、固定炭素の酸化を防止することが出来る。また、冷却槽の構造としては、固定炭素を閉鎖状態で受け入れる構造が好ましい。この中に不活性ガスを充填することで、乾留炭の酸化を防止すると共に、容器内に設置された水冷伝熱管により間接的に乾留炭を常温まで冷却することで固定炭素を得る。閉鎖状態で受け入れる構造としては、乾留炉からの受け入れ側、固定炭素の取出し口側共にロータリーバルブのように乾留炉、冷却槽、共にシールするような構造の弁を設けることが好ましい。この様に、間接加熱で冷却槽を閉鎖状態にすることができ、不活性ガス雰囲気にすることができるので、発火等の事故を防止することができ好ましい。

【0028】

乾留炉に投入される乾燥炭としては、褐炭を乾燥したものが好適に用いられる。褐炭の他には亜炭、亜瀝青炭当も同様にして用いることが出来る。また、褐炭には、ビクトリア炭、ノースダコタ炭、ベルガ炭等が存在するが同様にして用いることが出来る。これらの石炭は、低灰分、低硫黄という好ましい性質があるが、多孔質なので高含水率になる傾向があり、水分が多く含まれているので、カロリーが低くなり、低品位炭として取り扱われている。これら多孔質で高い含水量を有するものを同様にして用いることが出来る。

【0029】

隔壁、仕切り板としては、各乾留ユニット、各ミニ乾留炉を上部から下部まで仕切るようにして配設され、区切られた内部の温度を制御する為の加熱手段を備えた構造のものを好適に用いる。また、加熱手段は上部から順に複数段階に分けるように仕切り板に配設することもできる。乾留工程で乾留速度を急激にしたり、緩やかにする、などの加温パターンを制御し、高品位炭を高効率で得るための条件設定が容易になり、生産性に優れる。

【0030】

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の発電システムであって、前記乾留炉で用いる乾燥炭が前記乾燥工程で低石炭化度炭を含水率２０質量％以下まで乾燥されている構成を有している。
この構成により、請求項１乃至３の内いずれか１項で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）高含水率の低石炭化度炭を乾燥する乾燥工程を備えているので、安定した品質の乾燥炭が乾留路に投入されるので、乾留炉で、高品位の固定炭素（製品乾留チャー）が得られ、品質性能に優れる。

【0031】

ここで、乾燥工程で乾燥する高含水率の低石炭化度炭としては、含水量が約２０％を越えるものであれば亜瀝青炭、亜炭、褐炭などその名称、産地は特に問わない。また、燃料として使用する石炭が全て低石炭化度炭である必要はなく、含水量が約２０質量％未満の高石炭化度炭を添加しても良い。

【0032】

乾燥工程の乾燥器は、低温（３０℃〜８０℃）で低湿度（ＲＨ７０〜０%）のＮ₂ガス等の不活性ガス雰囲気で乾燥される。乾燥部の内部は石炭を温める温水（６０〜９０℃程度）配管と不活性ガスの乾燥ガスを注入するガス配管で構成されている。また、低石炭化度炭の目標水分は２０質量％以下とすることができる。実験では１６質量％まで下げることができた。これにより、低石炭化度炭の含水量を１／３以下にすることができ、輸送効率を大幅に改善できる。更に、乾留を行い固定炭素とすることにより自然発火を防ぎ安全性を向上できる。

【0033】

Ｎ₂ガスは、Ｏ₂分離器で分離されたＮ₂ガスが用いられる。Ｎ₂ガスは復水器の熱水で加熱された空気予熱器で加熱されるようにしてもよい。この場合、Ｏ₂濃度が低いので、自然酸化し昇温し易く発火し易い低石炭化度炭の発火を防ぎ、より高い温度で乾燥することができる。また、Ｏ₂分離器で分離されたＮ₂ガスは相対湿度が低いので、乾燥効率を大きくすることができる。更に、廃熱を利用し、別途熱エネルギーを要しないので、環境に優しく省エネルギー性に優れる。また、乾燥部から排出される高湿度排ガスから清浄水を回収でき水の有効利用が図れる。

【0034】

請求項５に記載の発明は、請求項１，３，４の内いずれか１項に記載の発電システムであって、前記乾燥工程で用いる原料炭の粒子径が０．１μｍ〜５ｍｍに調整されている構成を有している。
この構成により、請求項１、３，４の内いずれか１で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）０．１μｍ〜５ｍｍの粒径に調整されているので、乾燥工程を簡略化し、乾燥時間を短縮化でき、省エネルギー性に優れる。

【0035】

ここで、低石炭化度炭を０．１μｍ〜５ｍｍの粒径に調整する方法としては、乾燥前に前処理として粗粉砕して粒径が０．１μｍ〜５ｍｍに調整される。粉砕することにより、乾燥工程を簡略化し、乾燥時間を短縮化できる。低石炭化度炭の加熱は、乾燥工程の乾燥室を流動層燃焼炉でスーパーヒートされた蒸気で発電する蒸気タービンの復水器の冷却排水（６０〜９０℃程度）配管を用いて加熱して行う。また、伝熱媒体として、酸素含有量の少ない空気、ＣＯ₂あるいはＮ₂ガスを該加熱された冷却排水で熱交換して加温（温度：６０〜９０℃，ＲＨ：０〜７０％）して乾燥工程へ低石炭化度炭の流れと向流して流し乾燥させる。

【0036】

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発電システムであって、前記発電工程の復水器からの排熱を乾燥工程で乾燥に用いる不活性ガスの加熱に用いる熱供給部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項１で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）排熱を有効利用することで、省エネルギー性に優れる。

【0037】

請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発電システムであって、前記燃焼工程で発生する排熱を蒸気又は燃焼排ガス又は前記燃焼工程で加熱された熱媒体を利用して乾留工程へ供給する熱供給部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項１で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）排熱を有効利用することで、省エネルギー性に優れる。
（２）発電機における復水器排熱を利用した間接加熱を用いることで、乾留工程における潜熱損失を軽減することが可能で設備をよりコンパクトに製作できる。
（３）復水器排熱を利用した間接加熱を用いる構成を有しているので、圧力が高く、熱容量が高い熱媒体を用いることができ、装置がコンパクトに製作できコスト面に優れる。

【0038】

ここで、燃焼工程で発生する熱を、乾留工程に供給する熱供給方法としては、燃焼工程で発生する排ガスを乾留炉に直接供給してもよいし、燃焼工程が発電機のタービンを回す蒸気を発生している場合、タービンを回した後の蒸気を燃焼工程において再加熱したものを乾留炉熱交換部に供給し間接的に加熱することもできる。
また、産炭地以外では含水率が大きくて用いられていない低石炭化度炭を燃焼工程で燃料として用いることも出来るので産炭地においてこの発電システムを用いた場合、安価な低石炭化度炭を有効に活用し電力を発電しながら、固体燃料（固定炭素）を製造でき、発電の排熱を有効に利用したシステムなので省エネルギー性に優れ、燃料比の高い固体燃料を効率的に生産出来る固体燃料製造設備を一体とした発電システムを構築できる。

【発明の効果】

【0039】

以上のように、本発明の発電システムによれば、以下の有利な効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、
（１）温度を上げる投入熱量に対する乾燥時間の減少割合が大きく、エネルギー効率に優れた発電システムを提供することができる。
（２）エネルギー効率に優れるので設備容量をコンパクトにすることが可能でコスト面に優れた発電システムを提供することができる。
（３）投入熱量を少なくすることができるエネルギー効率に優れた発電システムを提供することができる。
（４）乾燥することで比重が軽くなり、水分を蒸発する熱量も含め、乾留炉をコンパクトに設計できる省資源性に優れた発電システムを提供することができる。
また、乾留炉の乾留ガス回収設備などをコンパクトにできる省資源性に優れた発電システムを提供することができる。
（５）乾留で生成される炭化水素ガスを燃焼工程の主燃料とすることで固定炭素を製造する優れた発電システムを提供することができる。
（６）乾留後の冷却により表面に浮き出ているタール成分を固定炭素内で定着させることでタール成分による障害問題を解決することができる安定的な操業性に優れた発電システムを提供することができる。
（７）炭化水素ガスを主燃料とする燃焼工程と、燃焼工程で発生する主蒸気によって蒸気タービンを動かす発電機と復水器を備える発電工程とを有しているので、燃焼工程と復水器の間を移動する熱媒体によって排熱を有効利用することが出来る。また、乾留炉により、炭化水素ガス及び固定炭素を製造するので省資源性に優れ、油分等の副資材を加えない為、重量が軽く、運搬に掛る費用が安く、生産地以外で利用が困難な含水量が高い亜瀝青炭や褐炭などを産炭地以外で利用できる運用面で優れた発電システムを提供することができる。
（８）炭化水素ガス（揮発分）の燃焼熱を発電用の蒸気の加熱とともに低石炭化度炭の乾燥、乾留する固定炭素製造に利用することができる省資源性に優れた発電システムを提供することができる。
また、炭酸ガスを分離・回収する場合、Ｎ₂ガスが著しく少ないので炭酸ガス濃度が高く、炭酸ガスの分離エネルギーを小さくすることができ、更に省資源性に優れた発電システムを提供することができる。

【0042】

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）炭化水素ガス（揮発分）が抜け、高品位の石炭へ転換を進めることができ、燃料比２以上の高品位炭を得ることが出来る品質に優れた発電システムを提供することができる。また、３５０℃〜５００℃の低温で、乾留を行うことが出来るので、装置自体のコスト及び、投入熱量において省コスト性に優れた発電システムを提供することができる。更に、重質油を保持したまま乾留が出来るのでリアクターの閉塞等の問題が起こらない操業安定性の優れた発電システムを提供することができる。

【0043】

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）高温熱媒体による間接加熱が可能で、乾留炉内を均一の温度にすることが容易で、固定炭素の収率に優れた発電システムを提供することができる。また、このミニ乾留炉を多列に備える乾留ユニット、乾留ユニットを多列に備える乾留炉を備えた大量生産性に優れた発電システムを提供することができる。
また、大量生産の為に、炉内の内容積を単純に大きくした場合、炉内の温度を均一にすることは困難で、部分的に乾留が進み易い場所が出来るなど、高品質な固定炭素の収率が悪い。
（２）剛性が高く、乾留炉内で揮発成分の発生や、乾留炉内での原料炭の膨張によって炉内に矩形に区切っていない場合、圧がかかる時でも変形することがない操業安定性に優れた発電システムを提供することができる。
（３）蒸気等の高温熱媒体によって安定的に加熱を行うことが出来る操業の安定性に優れた発電システムを提供することができる。
（４）製品固定炭素を捕集安定的に捕集することが出来る生産性に優れた発電システムを提供することができる。
（５）乾留炉の熱交換媒体として、燃焼炉の排ガスを供給する直接加熱とは異なり、間接加熱を用いることで発生する揮発分の単位体積当たりの熱量を最大限活用することができる省エネルギー性に優れた固定炭素製造装置を提供することができる。

【0044】

請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）安定した品質の乾燥炭が乾留路に投入されるので、乾留炉で、高品位の固定炭素（製品乾留チャー）が得られる品質性能に優れた発電システムを提供することができる。

【0045】

請求項５に記載の発明によれば、請求項１、３，４の内いずれか１項に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）乾燥工程を簡略化し、乾燥時間を短縮化できる省エネルギー性に優れた発電システムを提供することができる。

【0046】

請求項６に記載の発明によれば、請求項１に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）排熱を有効利用することで、省エネルギー性に優れた発電システムを提供することができる。

【0047】

請求項７に記載の発明によれば、請求項１に記載の効果に加えて以下のような有利な効果が得られる。
（１）排熱を有効利用する省エネルギー性に優れた発電システムを提供することができる。
（２）発電機における復水器排熱を利用した間接加熱を用いる乾留工程における潜熱損失を軽減することが可能で設備をよりコンパクトに製作できる省資源性に優れた発電システムを提供することができる。
（３）圧力が高く、熱容量が高い熱媒体を用いることができ、装置がコンパクトに製作できるコスト面に優れた発電システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0048】

【図1】実施の形態における発電システムの概要図

【図2】実施の形態における固定炭素製造装置の模式図

【図3】模擬移動層間接加熱乾留炉の概要図

【図4】乾留温度に応じた乾留炭分析結果を示すグラフ

【図5】乾留温度に応じた乾留炭熱重量分析結果を示すグラフ

【図6】乾留炉内褐炭の温度変化を示すグラフ

【図7】褐炭乾留処理温度による固定炭素各種燃焼関連成分変化を示すグラフ

【図8】低温乾燥による温度と時間による含水量を示すグラフ

【図9】実施の形態におけるヒートバランスとマテリアルバランス図

【発明を実施するための形態】

【0049】

以下、本発明を実施するための形態について、図面を用いながら説明する。
（実施の形態）
図１は実施の形態における発電システムの概要図である。
図中、１は発電システム、２は低石炭化度炭を採掘・運炭する採掘・運炭設備、３は後述する不活性ガス予熱器３０によって温められたＮ₂ガス雰囲気下で粒径が１μｍ〜５ｍｍの塊炭状で含水率が略６０質量％の採掘・運炭設備２から搬送された褐炭等の低石炭化度炭を略３０〜５０℃で含水率が２０質量％になるまで乾燥する乾燥工程の乾燥器、４は後述する復水器３３に接続された６０〜９０℃の温水を用いて乾燥器を温める乾燥器熱交換部、５は排気を集塵する集塵機、６は乾燥器３で得られた乾燥炭を乾留前処理として２００〜３５０℃に温める前処理装置、７は後述する流動層燃焼炉１３で得られた５００〜６００℃の再熱蒸気を後述する再熱蒸気前処理供給部４５によって供給され２００〜３５０℃に加熱する前処理装置熱交換部、８は前処理装置６で前処理として温めた乾燥炭を乾留炉に投入する乾燥炭バンカ、９は乾燥炭バンカ８から搬送された乾燥炭を揮発分やタール分等を蒸発脱離させ固定炭素と炭化水素ガスに乾留する乾留炉、１０は後述する流動層燃焼炉１３で加熱された５００〜６００℃の再熱蒸気を後述する再熱蒸気乾留炉供給部４４によって供給され３５０〜５００℃に加熱する乾留炉熱交換部、１１は乾留炉９で得られた固定炭素を冷却し取出す冷却槽、１２は後述する給水部３８から冷却槽８の冷却の為に常温以下に冷却する冷却槽熱交換部、１３は乾留炉９の乾留によって製造される炭化水素ガスが主燃料として供給され後述する蒸気タービン３２用の主蒸気の為の熱を発生する流動層燃焼炉、１４は流動層燃焼炉１３の熱によって後述する蒸気タービン３２用の主蒸気を発生させる燃焼炉主蒸気熱交換部、１５は流動層燃焼炉１３の熱によって後述する蒸気タービン３２を回したあとの蒸気を再び加熱し再熱蒸気とする再熱蒸気熱交換部、１６は流動層燃焼炉９の排ガスから固形成分を遠心力によって分離するサイクロン、１７はサイクロン１６によって分離された灰分を処理する灰処理装置、１８はサイクロン１６から配管によって供給される排ガスを後述するＯ₂分離器２５から得られたＯ₂を温めることに利用するため熱交換を行う燃焼用空気予熱器、１９は燃焼用空気予熱器１８の燃焼用空気予熱器熱交換部、２０は燃焼用空気予熱器１８で熱回収された排ガスからＣＯ₂を分離するＣＯ₂分離装置、ＣＯ₂分離装置２０でＣＯ₂を分離した後の排ガス中から粉塵等の除去は集塵機５で行う。２１は集塵機５によって粉塵等を除去した排ガスを排出する煙突、２２はＣＯ₂分離装置２０で分離したＣＯ₂を冷却槽１１や後述する予熱Ｏ₂供給部２７に供給するＣＯ₂供給部、２３は冷却槽１１を通過したＣＯ₂を回収・利用するＣＣＳ、２４は大気中から後述するＯ₂分離器に空気を送り込む押込ファン、２５は押込ファン２４によって押込まれた大気中の空気からＯ₂ガスとＮ₂ガスを分離し燃焼用空気予熱器１８に送り込むＯ₂分離器、２６はＯ₂分離器２５によって分離されたＯ₂を燃焼用空気予熱器１８に供給するＯ₂供給部、２７は燃焼用空気予熱器１８によって温められたＯ₂とＣＯ₂供給部２２からのＣＯ₂を混合して流動層燃焼炉に供給する予熱Ｏ₂供給部、Ｏ₂分離器２５から得られたＯ₂ガスは、Ｏ₂供給部２６を通り燃焼用空気予熱器１８で予熱され流動層燃焼炉１３の助燃剤として使用される。また、同時に得られたＮ₂ガスは、後述する不活性ガス予熱器３０で加熱されて低石炭化度炭の乾燥に用いられる。２８はＯ₂分離機２５によって大気から分離したＮ₂ガスを後述する不活性ガス予熱器３０に供給するＮ₂ガス供給部、２９はＮ₂ガス供給部２８のＮ₂ガスを主成分とする不活性ガスを後述する不活性ガス予熱器３０に押込む乾燥空気用押込ファン、３０は不活性ガスを予熱する不活性ガス予熱器、不活性ガス予熱器３０は前処理装置熱交換部７または乾留炉熱交換部４で熱交換した後の排熱を用いる。３１は不活性ガス予熱器３０で温められたＮ₂を乾燥器熱交換部４に供給する予熱Ｎ₂供給部、３２は流動層燃焼炉１３の主蒸気で発電機を回転させる蒸気タービン、３３は復水器、３４は発電機、３５はクーリングタワー、３６は復水器の排熱を乾燥器３の乾燥器熱交換部４に供給する復水器排熱供給部、３７は蒸気駆動式給水ポンプ、３８は復水器の水を冷却槽１１の冷却槽熱交換部１２や後述する給水加熱器３９に送り込む給水部、３９は前処理装置熱交換部７と乾留炉熱交換部１０と冷却槽熱交換部１２と不活性ガス予熱器３０と給水部３８からの水を燃焼炉主蒸気熱交換部１４とタービンからの蒸気（抽気）により予熱する給水加熱器、４０は給水加熱器３９から燃焼炉主蒸気熱交換部１４に加熱水を供給する加熱水供給部、４１は燃焼炉主蒸気熱交換部１４から主蒸気をタービンに供給する主蒸気供給部、４２はタービンを回した後の蒸気を再加熱するために再熱蒸気熱交換部へ供給する再熱蒸気用供給部、４３は再熱蒸気の一部を再びタービンに戻す再熱蒸気戻り部、４４は再熱蒸気を乾留炉熱交換部１０に供給する再熱蒸気乾留炉供給部、４５は再熱蒸気を前処理装置熱交換部７に供給する再熱蒸気前処理装置供給部である。５５は製造されたチャー等の固定炭素である。
詳しく説明すると本実施例では流動層燃焼炉１３の燃焼炉主蒸気熱交換部１４で加熱水供給部４０から供給された加熱水を主蒸気にする。この主蒸気を主蒸気供給部４１を用いて蒸気タービン３２に供給している。蒸気タービン３２を回した後の蒸気を再熱蒸気用供給部４２を用いて再熱蒸気熱交換部１５に供給し、再熱蒸気熱交換部１５で再加熱し再熱蒸気にする。この再熱蒸気の一部は再熱蒸気戻り部４３を用いて再び蒸気タービン３２に供給される。再熱蒸気は主に再熱蒸気乾留炉供給部４４と再熱蒸気前処理装置供給部４５によって、乾留炉熱交換部１０と前処理装置熱交換部７に供給される。また、乾留炉熱交換部１０と前処理装置熱交換部７で用いられた再熱蒸気は不活性ガス予熱器３０で一部用いられた後に、もしくはそのまま給水加熱器３９に供給される。また給水部３８の冷水の一部は冷却槽熱交換部１２で固定炭素を冷却する為に用いられ温められたものを給水加熱部３９に供給している。このように水、蒸気等の熱媒体間で排熱利用を行っているので流動層燃焼炉１３、クーリングタワー３５、給水加熱器３９の負荷を減らすことができ省資源性に優れている。
また燃焼炉の燃料として固定炭素５５の一部を用いることもできる。この場合、乾燥器３、乾留炉９に必要な入熱分として固定炭素５５を流動層燃焼炉１３に投入する場合は、それ自体を生成するのに必要なエネルギー分を損失することになるが、乾燥器３や乾留炉９の熱源の確保の手段として利用することもでき、燃料の選択性に優れる。

【0050】

以上のように構成された発電システムについて、以下、各単位操作について説明する。
（１）低石炭化度炭はあらかじめボールミルなどで粗粉砕し、気流による分離、搬送を行い、発電システムの乾燥器３に供給する。
（２）乾燥器３では、粒径を０．１μｍ〜５ｍｍに調整した低石炭化度炭の含水率を２０質量％以下まで下げるため、相対湿度が０〜７０％の乾燥ガスで乾燥器内の温度が３０〜５０℃で乾燥する。乾燥ガスは復水器３３からの排熱、蒸気タービン、燃焼炉流動媒体、固定炭素から回収された排熱が利用される。
（３）乾留炉９としては、３５０℃〜５００℃の間接加熱による移動床方式を採用するのが好ましい。これにより、タール成分を保持したまま固定炭素を得ることができ、タール成分のコーキングなどの障害を防止することができる。また、軽質油成分の炭化水素ガスを取り出すことが可能で燃焼炉の取り扱いを容易化することができる。
（４）流動層燃焼炉１３は、大気から酸素を分離するＯ₂分離器２５で分離された酸素を、ＣＯ₂分離装置２０から副生あるいは分離した炭酸ガスで希釈した助燃剤を用いている。
（５）ＣＯ₂分離装置２０は、鉄あるいはアルカリ成分などの固体改質触媒が用いられる。具体的にはペロブスカイト担持アルカリ土類触媒を用いた固定床等が利用できる。これにより、タール分等の重質成分を軽質成分に分解できる。
（６）高含水率の低石炭化度炭を３０℃〜５０℃で乾燥する乾燥工程を備える構成を有しているので、投入熱量を少なくすることができ、エネルギー効率に優れる。
（７）０．１μｍ〜５ｍｍの粒径に調整された低石炭化度炭を乾燥工程で含水率２０質量％以下まで乾燥した乾燥炭を乾留する乾留工程を有しているので、乾燥することで比重が軽くなり、水分を蒸発する熱量も含め、乾留炉をコンパクトに設計できる利点がある。このため、乾留炉にかかる負荷が少なく設備を小さくすることが出来るので、省資源性に優れる。
（８）乾留炉で得られた固定炭素を冷却する冷却槽を有しているので、乾留後の冷却により表面に浮き出ているタール成分を固定炭素内で定着させることでタール成分による障害問題を解決することができ、安定的な操業性に優れる。
（９）炭化水素ガスを主燃料とする流動層燃焼炉と、流動層燃焼炉で発生する主蒸気によって蒸気タービンを動かす発電機と復水器を備える発電工程とを有しているので、流動層燃焼炉と復水器の間を移動する熱媒体によって排熱を有効利用することが出来る。また、乾留炉により、炭化水素ガス及び固定炭素を製造するので省資源性に優れ、油分等の副資材を加えない為、重量が軽く、運搬性に優れ、生産地以外で利用が困難な含水量が高い亜瀝青炭や褐炭などを産炭地以外で利用できる。
（１０）乾留炉で発生する炭化水素ガスを主燃料として発電を行う複合システムなので、炭化水素ガス（揮発分）の燃焼熱を発電用の蒸気の加熱とともに低石炭化度炭の乾燥、乾留することで、固定炭素製造に利用することができる。
また、炭酸ガスを分離・回収する場合、Ｎ₂ガスが著しく少ないので炭酸ガス濃度が高く、炭酸ガスの分離エネルギーを小さくすることができ、省エネルギー性に優れる。
（１１）３５０℃〜５００℃で乾留を行うので、投入熱量が少なくエネルギー効率に優れた発電システムを提供することができる。また、乾燥することで比重が軽くなり、水分を蒸発する熱量も含め、乾留炉をコンパクトに設計でき、省資源性に優れる。さらに、乾留炉の乾留ガス回収設備などをコンパクトにすることができるので省資源性に優れる。
（１２）炭化水素ガスを主燃料とする流動層燃焼炉と、流動層燃焼炉で発生する主蒸気によって蒸気タービンを動かす発電機と復水器を備える発電工程とを有しているので、流動層燃焼炉と復水器の間を移動する熱媒体によって排熱を有効利用することが出来る。また、乾留炉により、炭化水素ガス及び固定炭素を製造するので省資源性に優れ、油分等の副資材を加えない為、重量が軽く、運搬に掛る費用が安く、生産地以外で利用が困難な含水量が高い亜瀝青炭や褐炭などを産炭地以外で利用できる運用面で優れる。
また、これらの固定炭素は３５０℃〜５００℃で乾留を行うことで、炭化水素ガス（揮発分）が抜け、高品位の石炭への転換が進むことができ、燃料比２以上の高品位炭を得ることが可能で、装置自体の製造コストを下げ省資源性及び、投入熱量が少なく省エネルギー性に優れる。
（１３）炭化水素ガス（揮発分）の燃焼熱を発電用の蒸気の加熱とともに低石炭化度炭の乾燥、乾留する固定炭素製造に利用することができる省資源性に優れる。
また、炭酸ガスを分離・回収する場合、窒素ガスが著しく少ないので炭酸ガス濃度が高く、炭酸ガスの分離エネルギーを小さくすることができ、更に省資源性に優れる。
（１４）前記乾燥工程の乾燥温度が３０℃〜５０℃である構成を有しているので、温度を上げる投入熱量に対する乾燥時間の減少割合が大きく、エネルギー効率に優れる。
また、乾燥温度が３０℃〜５０℃である構成を有し、エネルギー効率に優れるので設備容量をコンパクトにすることが可能でコスト面に優れる。
更に、３０℃〜５０℃である構成を有しているため、復水器からの排熱によって乾燥温度まで加熱できるのでエネルギー効率に優れる。
（１５）ミニ乾留炉がパイプ状の加熱手段をそれぞれ備えているので、高温熱媒体による間接加熱が可能で、乾留炉内を均一の温度にすることが容易で、固定炭素の収率に優れる。また、このミニ乾留炉を多列に備える乾留ユニット、乾留ユニットを多列に備える乾留炉を備えているので、大量生産性に優れる。
また、大量生産の為に、炉内の内容積を単純に大きくした場合、炉内の温度を均一にすることは困難で、部分的に乾留が進み易い場所が出来るなど、高品質な固定炭素の収率が悪い。
（１６）ミニ乾留炉を多列に形成する乾留ユニットやそれを多列に形成する乾留炉を有しているので、剛性が高く、乾留炉内で揮発成分の発生や、乾留炉内での原料炭の膨張によって炉内に矩形に区切っていない場合圧がかかる時でも変形することがなく、操業安定性に優れる。
（１７）パイプ状の加熱手段を形成しているので、蒸気等の高温熱媒体によって安定的に加熱を行うことが出来る為、操業の安定性に優れる。
（１８）固定炭素を捕集する冷却槽を乾留炉の下部に有しているので、製品固定炭素を安定的に捕集することが出来る。
（１９）排熱を有効利用することで、省エネルギー性に優れる。
（２０）発電機における復水器排熱を利用した間接加熱を用いることで、乾留工程における潜熱損失を軽減することが可能で設備をよりコンパクトに製作できる。
（２１）復水器排熱を利用した間接加熱を用いる構成を有しているので、圧力が高く、熱容量が高い熱媒体なので、装置がコンパクトに製作できコスト面に優れる。

【0051】

図２は実施の形態における固定炭素製造装置の模式図である。
図２中、９Ａは冷却槽の上部に立設された後述する隔壁部に区切られた乾留ユニットと、乾留ユニット内に後述する仕切り板によって区切られたミニ乾留炉を持ち乾留炉内面及び隔壁及び仕切り板に５００℃〜６００℃に加熱された蒸気配管や高温廃ガス配管を備え投入された乾燥褐炭を３５０℃〜５００℃で乾留する乾留炉、９ａは乾留炉９Ａを矩形状の乾留ユニットに分割するため鉛直方向に乾留炉の上部から下部まで配設された隔壁、９ｂは隔壁９ａで区切られた各乾留ユニットを矩形状のミニ乾留炉に分割するため鉛直方向に乾留炉の上部から下部まで配設された仕切り板、１１Ａは固定炭素（製品乾留チャー）を冷却し受け入れる冷却槽、４６は乾留炉と冷却槽からなる固定炭素製造装置、４７は上部または下部に設けられた乾留によって製造された乾留ガスを回収するための乾留ガス配管、４８は低石炭化度炭の含水率２０質量％以下まで乾燥させた乾燥褐炭を乾留炉に投入する乾燥褐炭投入装置、４９は固定炭素（製品乾留チャー）の取出口である。

【0052】

以上のように実施の形態における発電システムの固定炭素製造装置は構成されているので、以下のような作用が得られる。
（１）ミニ乾留炉がパイプ状の加熱手段をそれぞれ備えているので、高温熱媒体による間接加熱が可能で、乾留炉内を均一に加熱することが容易で、加熱斑を防ぐことができる。また、このミニ乾留炉を多列に備える乾留ユニットと、その乾留ユニットを多列に備える乾留炉を備えているので、剛性に優れ耐久性に優れる。
（２）ミニ乾留炉を多列に形成する乾留ユニットやそれを多列に形成した乾留炉を有しているので、剛性が高く、乾留炉内で揮発成分の発生や、乾留炉内での原料炭の膨張によって炉内に矩形に区切っていない場合圧がかかる時でも変形することがなく、操業安定性に優れる。
（３）パイプ状の加熱手段を乾留炉の隔壁や仕切り板に形成しているので、蒸気等の高温熱媒体によって安定的に加熱を行うことが出来る為、操業の安定性に優れる。
（４）固定炭素を捕集する冷却槽を乾留炉の下部に有しているので、乾留炉で改質された固定炭素を冷却し固定炭素（製品乾留チャー）を安定的に捕集することが出来る。
（５）３５０℃〜６００℃で乾留を行うので、炭化水素ガス（揮発分）が抜け、高品位の 石炭への転換が進むことができ、燃料比２以上の高品位炭を得ることが出来る。
（６）３５０℃〜６００℃の低温で、乾留を行うことが出来るので、装置自体のコスト及 び、投入熱量において省コスト性に優れる。
（７）重質油を保持したまま乾留が出来るのでリアクターの閉塞等の問題が起こらない。

【0053】

（実験例１）・・・乾留試験
実験例１では移動層間接加熱乾留炉の乾留温度について検討した。
図３は、本実施例の試験データを取る為に用いた模擬移動層間接加熱乾留炉の概要図で ある。
図３中、５０は模擬移動層間接加熱乾留炉、５１は褐炭試料(Ｌｏｙ Ｙａｎｇ褐炭（生炭）を室温、大気中で予備加熱乾燥して水分含有率を２０質量％前後に低下させ、ついで粉砕・分級によって粒子径を０．３から０．５ｍｍに揃え、１１０℃の不活性ガス雰囲気で乾燥し、水分を除去したもの)を充填させＳＵＳメッシュで長さ方向と垂直（水平面方向）仕切ったコンテナ炉、５１ａはコンテナ炉５１を不活性ガス雰囲気にするためにＮ₂ガス２００ｍｌ／ｍｉｎで流す不活性ガス投入口、５１ｂは不活性ガス投入口５１ａから入れられた不活性ガス出口、５２は温度分布を形成する為に多段で配置した電気炉、５３はコンテナ炉５１を電気炉５２の間を炭素が炉内を流下するデータを疑似的に作成させるため一定速度で移動させるモーター、５４はコンテナ炉の移動方向である。
不活性ガスは図３中の不活性ガス投入口５１ａから不活性ガス出口５１ｂ（図３中上側 から下側）に流れる。
模擬移動層間接加熱乾留炉５０は、乾留における褐炭転換特性をおよびガス化特性を模擬する装置である。ＳＵＳ製の円筒型反応器のコンテナ炉５１を多段直列に１５段固定し、これを縦型の電気炉５２を多段に並べた下部から上部に向けて移動方向５４の方向にモーター５３によって上昇させることで、コンテナ炉５１に充填した褐炭が、移動層の上部から下部へ流下する時の試験データを得た。コンテナ炉５１は図３中の上側から順番に１番、２番、・・・１５番とした。電気炉５２は９段あり、図３中の下側から順番に１段目から４段目が１６５℃、５段目が３００℃、６段目が４００℃、７段目が５００℃、８段目が６００℃、９段目が７００℃、の温度にそれぞれなるように設定した。尚、コンテナ炉５１は電気炉５２内を６．９ｍｍ／ｍｉｎの速度で上昇させた。また、この時のコンテナ炉５１の温度上昇速度は略１０℃／ｍｉｎであった。１５個のコンテナ炉５１のうち、炉の最上部を通過したコンテナ炉５１は、コンテナ炉５１の内１番から６番までである。

【0054】

図４及び（表１）は乾留温度に応じた乾留炭分析結果を示すグラフである。詳しくは、図３の模擬移動層間接加熱乾留炉５０を用いて実験終了後に残存した固体の質量に基づいて求めた各コンテナの固体収率を示したものが図４である。
このときコンテナ炉５１の１番から６番までが炉を通過済みで、７番から１１番までが熱分解帯の２００℃から５９５℃、１２番から１５番までが１６５℃によって加熱される部分で略１４０℃程度である。
コンテナ炉５１の１番における炭化物収率は５６質量％で、コンテナ炉５１の２番から６番にかけてより下段にいくほど炭化物収率が増加し、コンテナ炉５１の６番では５８．７質量％に達した。これは上段のコンテナから生成する重質油を含む揮発成分が下段の褐炭炭化、半炭化物と接触し、重質油の収着、重質油・褐炭共炭化により炭化物の収率が増加した結果によるものである。また、コンテナ炉５１の１２番以降では、主として重質油の収着に由来すると考えられる自重の１０〜２０％の重量増加が認められる。また、反応器下流（コンテナ炉５１の１２番〜１５番）において生成ガス及び凝縮成分を回収し、これらの生成物回収率は９９％以上であった。回収した凝縮成分を分析した結果、炉内に低温部が存在することで高沸点重質油の凝縮、さらにここに存在する褐炭粒子による重質油補足により、軽質油成分の選択的製造が可能で、図４及び（表１）に示すように２００℃〜５９５℃温度域において移動層間接加熱乾留炉で乾留が急速に進み、固定炭素内に重質油成分を留めることが可能であることがわかる。

【0055】

【表1】

【0056】

（実験例２）・・・熱重量分析による評価試験
実験例２では、熱重量分析を用いて乾留温度について検討した。
図５及び（表２）、（表３）は乾留温度に応じた乾留炭熱重量分析結果を示すグラフである。詳しくは、褐炭の熱分解による乾留温度を確認する為、Ｌｏｙ Ｙａｎｇ褐炭（生炭）を室温、大気中で予備加熱乾燥して水分含有率を２０質量％前後に低下させ、ついで粉砕・分級によって粒子径を０．３から０．５ｍｍに揃え、１１０℃の不活性ガス雰囲気で乾燥し、水分を除去したものを熱重量分析装置（ＳＩＩ ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製：ＥＸＳＴＡＲ ＴＧ／ＤＴＡ６０００）を用いて測定した結果である。
図５及び（表２）、（表３）に示すように３５０℃前後から褐炭重量が減少し始めており、この温度から乾留が顕著になることが確認できる。また、固定層乾留炉において同様の試料を窒素気流中で、昇温速度１０℃／ｍｉｎ、ピーク温度における保持時間を０秒とし、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃で乾留した。この時の、固定炭素収率と温度の関係を図５中にプロットした。これを確認すると、熱重量分析の結果が乾留炉での温度定義と良好な相関関係にあることが分かる。（表２）に図５の乾留炭熱重量分析の結果を、（表３）に図５中の固定炭素収率と温度の関係を示したプロットを示す。

【0057】

【表2】

【0058】

【表3】

【0059】

（実験例３）・・・高品位転化温度実証試験
実験例３では、低石炭化度炭の高品位転化に必要な温度について検討した。
図６及び（表４）は、乾留炉内褐炭の温度変化を示すグラフである。詳しくは、Ｌｏｙ Ｙａｎｇ褐炭（生炭）を、横置きの管状炉にＮ₂ガスを流通させた状態で炉内温度を各測定温度まで上昇させ、その時の温度変化時間と各温度を測定した。
図６に示すように、１００℃付近で水分が蒸発した後も、緩やかに温度は上昇し、設定温度が３００℃であっても潜熱成分があり、高品位炭への転換が起こっていることがわかる。

【0060】

【表4】

【0061】

（実験例４）・・・乾留温度効果試験
実験例４では、乾留温度と得られる固定炭素の性能について検討した。
図７及び（表５）は、褐炭乾留処理温度による固定炭素各種燃焼関連成分変化を示すグラフである。詳しくは、Ｌｏｙ Ｙａｎｇ褐炭（生炭）を室温、大気中で予備加熱乾燥して水分含有率を略２０質量％に低下させたものを、横置きの管状炉にＮ₂ガスを流通させた状態で炉内温度を４００℃、６００℃、７００℃、８００℃まで上昇させ、その時の固有水分、揮発分、灰分、固定炭素収率（％）、燃料比を測定した。
図７及び（表５）に示すように、４００℃で処理したものは、燃料比２．５であり、ニューランズ炭のような瀝青炭並みの燃料比を実現していることがわかる。

【0062】

【表5】

【0063】

（実験例５）・・・乾燥温度効果試験
実験例５では、乾燥温度について検討した。
図８及び（表６）は、低温乾燥による温度と時間による含水量を示すグラフである。
試料として、Ｌｏｙ Ｙａｎｇ褐炭（生炭）を、恒温恒湿器（ヤマト科学製：ＩＷ２２２）内の温度を各測定条件に、湿度を４０％に設定したときの、時間と各試料の重量を測定した。
図８及び（表６）に示すように、３０℃での乾燥と４０℃での乾燥にかかる時間が大きく減少していることがわかる。温度を高くすれば乾燥時間は短くなるが、温度常温より少し高い３０℃近辺の時のほうが常温に比べると乾燥時間の短縮の割合は大きくなる。このため乾燥温度が高い場合、温度を上げるために消費する熱量と比べ、その便益が小さくなる。（乾燥時間の短くなる度合いが小さくなる。）このため、略４０℃で乾燥することで最も投入熱量が小さく高効率に乾燥処理を行うことができる。また、このことから、３０℃〜５０℃の時の温度範囲が最も好ましいことがわかる。３０℃より低くなると、乾燥時間が長くなりすぎる為、処理装置が大きくなり好ましくなく、５０℃以上になると、復水器からの排熱（６０℃〜９０℃）を用いるには温度差が少なく、乾燥器を温める為に設備が大きくなる、温度を上げる為にヒートポンプ等の副設備を加える必要があるなど、省資源性に乏しく好ましくない。

【0064】

【表6】

【0065】

次に、本実施の形態の発電システムについて、コンピュータシミュレーションで熱収支と物質収支を求めた。条件として、低炭素化度炭として未加工のヴィクトリア産のブラウンコールを用いた。ブラウンコールの初期水分は６０ｍａｓｓ％、乾燥部３での乾燥によるドライブラウンコールの水分は２０ｍａｓｓ％、燃料比は１．２、発電効率は３０％で行った。
図９はその結果で、実施の形態のおけるヒートバランスとマテリアルバランス図である。
図９に示すように、原料褐炭の熱量は２４００ｋｃａｌ／ｋｇであり、固定炭素の熱量は７０００ｋｃａｌ／ｋｇであるから、乾燥と乾留を行うことで、重量あたりの熱量が略２．９倍に増大するので高熱量性に優れる。略２．９倍の熱量の固体燃料である固定炭素を製造することができる上、水分を蒸発させ乾留することで重量は、原料炭３８５０万トンを、２６％の１００３万トンまで重量を減らすことができるので、搬送性に優れ、産炭地以外に搬送し固体燃料として有効利用を図ることができる。
また、褐炭等の低石炭化度炭の有効利用を図るべく我々が鋭意研究し、低石炭化度炭から、チャーと原料ガスを高効率に製造する複合システムを完成したので、国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０５６７０６を行っている。この複合システムでは、主燃料として固定炭素を用いる。この場合、乾燥や乾留に必要な入熱分として固定炭素を投入するので、それ自体を生成するのに必要なエネルギー分を損失することになる。
本発明では、更に鋭意研究を進め、炭化水素ガスを主燃料として発電し、固定炭素を製造するので、固定炭素を高効率に製造することができ省エネルギー性に優れる。製造された固定炭素は、ニューランズ炭の様な高品位炭と同じく発電を行うことが出来る。また、その際の重量も原料炭と比較すると略１/４（２６％）まで重量が削減できるので、同様の手段で略４倍近くの固定炭素が運搬できるので省エネルギー性や運搬性に優れ、産炭地以外、電力消費地に近い発電設備等でも利用することができるのでエネルギー運用性に優れる。
また、図９から、生成するタール分や副生ガスのうち発電工程や、発電工程の復水器の排熱を利用して乾燥工程への熱利用が図られ、乾燥工程や、乾留工程を合わせて熱量ベースで２６．５％、発電工程に熱量ベースで４．５％もの排熱利用が図られており、高効率な発電システムを構築していることがわかる。

【産業上の利用可能性】

【0066】

本発明は、乾燥工程で低石炭化度炭を乾燥させ乾留工程で乾留炉を移動させながら燃焼工程の燃焼熱で乾留を行い、乾留で得られた炭化水素ガスを主燃料として発電を行うと共に、乾留で得られた固定炭素を回収することで海外輸送可能な固体燃料として利用できる。また、燃焼工程の排熱を乾燥工程、乾留工程に供給して温度のコントロールに利用しＣＯ₂ガスの循環又は回収と発電を行う。これにより、発電と固体燃料の製造が融合しＣＯ₂と電気と固体燃料の高度利用を図ることのできる発電システムを提供する。

【符号の説明】

【0067】

１ 発電システム
２ 採掘・運炭設備
３ 乾燥器
４ 乾燥器熱交換部
５ 集塵機
６ 前処理装置
７ 前処理装置熱交換部
８ 乾燥炭バンカ
９，９Ａ 乾留炉
９ａ 隔壁
９ｂ 仕切り板
１０ 乾留炉熱交換部
１１，１１Ａ 冷却槽
１２ 冷却槽熱交換部
１３ 流動層燃焼炉
１４ 燃焼炉主蒸気熱交換部
１５ 再熱蒸気熱交換部
１６ サイクロン
１７ 灰処理装置
１８ 燃焼用空気予熱器
１９ 燃焼用空気予熱器熱交換部
２０ ＣＯ₂分離装置
２１ 煙突
２２ ＣＯ₂供給部
２３ ＣＣＳ
２４ 押込ファン
２５ Ｏ₂分離器
２６ Ｏ₂供給部
２７ 予熱Ｏ₂供給部
２８ Ｎ₂供給部
２９ 乾燥空気用押込ファン
３０ 不活性ガス予熱器
３１ 予熱Ｎ₂供給部
３２ 蒸気タービン
３３ 復水器
３４ 発電機
３５ クーリングタワー
３６ 復水器排熱供給部
３７ 蒸気駆動式給水ポンプ
３８ 給水部
３９ 給水加熱器
４０ 加熱水供給部
４１ 主蒸気供給部
４２ 再熱蒸気用供給部
４３ 再熱蒸気戻り部
４４ 再熱蒸気乾留炉供給部
４５ 再熱蒸気前処理装置供給部
４６ 固定炭素製造装置
４７ 乾留ガス配管
４８ 乾燥褐炭投入装置
４９ 固定炭素の取出口
５０ 模擬移動層間接加熱乾留炉
５１ コンテナ炉
５１ａ 不活性ガス投入口
５１ｂ 不活性ガス出口
５２ 電気炉
５３ モーター
５４ コンテナ炉の移動方向
５５ 固定炭素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】