リグニット乾燥技術の最適化：効果的な水分除去手法

リグニット乾燥技術

石炭は一般に無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、リグニットの順でランク分けされ、無煙炭が最も古く、リグニットが最も若い（地質学的に新しい）とされます。石炭は経年変化とともに水分含有量が減少し、発熱量が増加します。リグニットは「褐炭」とも呼ばれ、最低ランク、最低炭素含有量、最高水分含有量が特徴で、水分含有率は60%以上に達することもあります。

リグニットは浅い地層に埋蔵されていることが多く、露天掘りが容易です。高水分のほか、高揮発分、低発熱量（CV）、自然発火しやすい性質を持ちます。高水分含有量がリグニット利用の主な制約となっています。

石炭の水分は処理、貯蔵、輸送、粉砕、燃焼の各段階で多くの困難をもたらします。高水分は発熱量と燃焼効率を大幅に低下させ、排ガス熱損失を増大させます。

リグニット燃焼では、石炭内水分の蒸発に多くのエネルギーが消費されます。高水分石炭燃焼は、水分蒸発のための追加エネルギー消費、不完全燃焼、排ガス増加などの問題を引き起こします。

リグニット水分の分類

リグニット水分は以下の3タイプに分類されます。

• 表面水分（外部水分）：石炭微粒子表面や大型毛細管空隙に付着する水分。常温（約25℃）空気乾燥で除去可能。鉱床水分条件に依存。
• 固有水分（吸湿水分）：鉱床に天然に結合した部分。空気乾燥状態での水分。化学結合水（構成水・分子間水）とも呼ばれる。吸湿水分含有量はランク上昇とともに減少。
• 結晶水分（分解水分）：石炭中鉱物質と化学結合した水分。熱分解時に生成される水分。

リグニットの乾燥・脱水は高水分起因問題を軽減し、石炭搬送システム・コンベア・破砕機への負担を低減。乾燥石炭は搬送容易で、メンテナンスコスト削減と石炭搬送システム可用性向上に寄与します。

リグニット水分除去は発熱量向上により汚染物質削減、粉砕機エネルギー消費削減、排ガス熱損失低減、輸送コスト削減、燃焼効率向上、安全性向上、排ガス量削減をもたらします。

各国で多数のリグニット乾燥プロセスが開発されていますが、多くは高品位熱を用いるか、潜熱回収のため複雑・高価な設備を必要とし、熱乾燥コストを大幅に増大させています。

リグニット乾燥曲線を図1に示します。

図1 リグニット乾燥曲線

リグニット乾燥は、リグニット利用プロセス・技術の多くで最初の必須ステップですが、単一の万能乾燥法は存在しません。世界中で膨大な石炭乾燥機・乾燥プロセス特許がありますが、真に実用的なのはごく少数。非現実的な提案も含まれます。

リグニット乾燥法は大別して二群に分けられます。第一群は蒸発乾燥で、石炭微粒子から水分を除去するため熱を供給します。乾燥媒体は空気、排ガス、過熱蒸気。熱伝達と物質移動の両機構が働きます。加熱は直接接触・間接接触のいずれか。固定層・流動層・飛翔層を利用。第二群は非蒸発乾燥で、熱脱水、熱機械脱水、溶媒抽出脱水などのプロセスが用いられます。主な乾燥プロセスを以下に説明します。

高温ガス乾燥

高温排ガスによるリグニット乾燥は長年実施されてきた成熟プロセスで、設備が簡素です。リグニットと高温排ガスが直接接触し、水分が排ガス熱を吸収して蒸発。乾燥媒体である高温排ガスは発電所で炉や後部排ガス通路から容易に入手可能。排ガス中低酸素濃度がリグニット乾燥時の着火・爆発リスクを低減。石炭粉砕機内乾燥はこの方式に属し、現在発電所で最も適用されている手法の一つ。欠点は高エネルギー消費と着火・爆発リスクの残存。

フライスナープロセス

1927年、オーストリアのハンス・フライスナー教授が開発した低ランク石炭乾燥の古典的プロセス。石炭の不均一収縮とそれに伴う崩壊を、水分の制御除去で防止する原理です。飽和蒸気雰囲気で塊が加熱されるまで蒸発を抑制し、その後蒸気圧を漸減させて水分放出を制御。高圧蒸気をリグニット塊に作用させる熱乾燥プロセスで、温度上昇・圧力上昇に伴いコロイド水分が液体として放出され、塊が収縮・細胞崩壊し、減圧時に顕熱による蒸発で更なる水分除去、真空減圧で追加水分蒸発・冷却。多くの乾燥法がこのプロセスを基盤としています。

回転管乾燥

回転管熱交換器内で実施し、蒸気とリグニットは非直接接触。プロセス中に空気侵入がなければ、最終的には水蒸気のみとなるため、蒸発潜熱回収が可能。大型装置で乾燥能力は低い。

過熱蒸気乾燥

リグニット蒸気乾燥は比較的新しいプロセス。リグニットと過熱蒸気が直接接触。過熱蒸気の不活性により着火・爆発リスクを回避。リグニット内水分と過熱蒸気間に物質移動抵抗がなく、高乾燥率を実現。リグニット焚きボイラー発電所ではタービン蒸気を乾燥媒体として利用可能。排ガス中蒸発潜熱を完全回収できれば、熱風乾燥の約20%エネルギーで乾燥可能で、省エネポテンシャル大。

混合層乾燥

蒸発乾燥の一種。循環流動層で熱床材が乾燥熱を供給。乾燥排ガスは水蒸気で回収・利用容易。乾燥排ガスを乾燥室内熱伝達で循環利用し、リグニットを乾燥。

コールドライプロセス

1980年代初頭、メルボルン大学有機化学部門とCRA先端技術開発部門の共同研究によりオーストラリアで開発、Environmental Clean Technologies Limitedが特許取得。リグニット・亜瀝青炭（褐炭）の天然高水分と特定汚染物質を除去する石炭品質向上技術。

炭素粒子同士の摩擦による発熱反応を誘発し、石炭から水分を放出させる原理。結果、耐久性があり貯蔵・輸送容易な成形ペレット状濃縮製品が得られ、元の褐炭比でCO2排出を大幅削減しながら、一般的な無煙炭並みのエネルギー価値を実現。プロセスは6段階：(i) 選別・供給制御、(ii) 摩擦・押出、(iii) 熟成、(iv) 充填層乾燥、(v) 水回収、(vi) コールドライペレット製造。

第一段階でリグニット供給を破砕・篩分けし8mm径未満に。炭素粒子と水分混合物を「アトリッショナー」に供給し、石炭面同士を摩擦。発熱化学反応を誘発し、石炭から水分を自然放出。可塑化混合物を低圧押出し熟成ユニットへ。ここで押出片を約40℃で約1時間加熱。硬化・乾燥製品をペレット形で分離し乾燥機へ。最終水分含有率は10〜14%（原料水分・原料特性・プロセスパラメータ特に熱交換ユニット温度・乾燥時間に依存）。

製品ペレットは典型的に直径16mm・長さ45mm、見かけ密度700〜750kg/m³、水分約12%、高発熱量約5,520kcal/kg。

コールドライプロセスの主な利点

• リグニット発熱量を200〜250%向上
• 石炭から大量水分を遊離・回収、高価な処理なしで即座に工業用水として利用可能
• 回収水を発電所冷却系へ供給可能
• 灰分含有量低減
• CO2排出削減
• 灰蓄積削減
• 低温プロセス（約40℃の廃熱で実施可能）
• 併設発電所から熱交換で低温熱源確保
• 低圧プロセスで低エネルギー
• 既存発電ボイラー使用可能

熱脱水

高温高圧下での石炭生成プロセスを模擬し、水分含有量を低減。リグニットを瀝青炭類似石炭へ品質向上。プロセスパラメータ：温度280〜350℃、圧力10〜130気圧。非蒸発乾燥法で、リグニット水分を液体形で抽出。乾燥に加え、吸湿性低減と発熱量向上、無機・有機物質除去も同時進行。技術的要求が高く、大規模プラント実現は困難。

熱機械脱水プロセス

温度と機械力の複合作用でリグニット水分を液体形で抽出。ドイツ、オーストラリア、中国で研究実施中。

水分除去率60%以上の良好な乾燥結果。自然発火傾向と吸湿性低減。技術的要求：温度200℃未満、圧力2気圧未満で実現容易。一部無機物も水分とともに除去。

機械熱圧縮表現（MTE）プロセス

機械圧縮と熱脱水の組み合わせ。穏やかな加熱と機械圧縮を使用。MTEプロセスで実質的効果を得るには、リグニットを水通常沸点以上に加熱必要。しかし、生成水への有機物大量放出を防ぐため処理温度は十分低く抑制。機械圧縮段階で初期水分の約10〜60%除去。圧縮圧力が除去水分量の主要因子。

機械脱水は逆圧下で実施し蒸発防止、水分除去を機械力のみで実施。処理済みリグニットを大気露出させフラッシュ蒸発で更なる水分低減。

MTEプロセスで元水分含有量の最大約75%除去可能。課題：(i) 事前粉砕必要、(ii) 清浄水生成必要、(iii) 時間要する、(iv) 高投資・運転コスト。

電磁ミル

電磁ミルでのリグニット乾燥は褐炭熱機械乾燥法に分類。150〜200℃、5〜16気圧蒸気で加熱後、油圧プレスで圧縮し水分絞り出し。

電磁ミルは超低重量強磁性研削媒体を使用し、消費電力極小。研削媒体が磁場変化に追従し高運動エネルギー獲得。多段構造（並列/直列）導入で生産性向上・製品微粒子化可能。

利点

• 乾燥時間極短（約30秒）
• 低エネルギー消費
• 元水分含有量の約75%水分除去

流動層乾燥

リグニット流動層乾燥では、石炭と乾燥媒体が直接接触し、石炭微粒子が浮遊状態を維持。流動化媒体は一般に熱風、高温排ガス、過熱蒸気。内蔵熱交換器で更なる熱供給可能。

リグニット流動層乾燥の特徴

• 高乾燥率
• コンパクト構造
• 大規模運転容易
• 内蔵熱交換器で大部分熱供給可能、流動化媒体流量削減、乾燥機小型化、ファン消費電力削減
• 水蒸気媒体使用でリグニット自然発火回避、高物質移動効率達成
• 流動化媒体と内蔵熱交換器熱媒をボイラー・タービンから抽出可能、発電システムと容易統合

WTA（Wirbelschicht Trocknung Anlage）技術

ドイツRWE Power AG社開発。内部廃熱利用型流動層乾燥技術。図2にプロセス概略を示す。

図2 WTAリグニット微粒乾燥プロセス概略

原料炭を直列2台のハンマークラッシャーで2mm未満に粉砕後、流動層へ供給。流動化媒体は乾燥発生蒸気。蒸気加熱内蔵熱交換器により微小過圧下110℃で水分蒸発。乾燥室滞留時間60〜90分。

乾燥済み石炭は定常層から排出後、サイクロン→電気集塵機で蒸気分離。サイクロン出口蒸気は層流動化用、電気集塵機出口蒸気は大気放出。層底部粗粒子抽出分は中間冷却器経由でサイクロン・電気集塵機分離分と混合。

乾燥熱は外部蒸気（通常タービン抽気）で、層内伝熱管束で伝達。流動層内乾燥で粒度さらに減少、乾燥済み石炭典型粒度1mm未満（1mm超約9%）。水分含有率約12%。流動層温度制御で目標水分値調整・維持可能。WTA技術はリグニット火力発電CO2削減の重要要素。

現在、1000MW級ニーダーアウゼム発電所で稼働中。毎時210トン原料炭処理、毎時100トン水分蒸発、世界最大リグニット乾燥プラント。毎時110トン乾燥リグニット生産。

WTA技術の主な利点

• 低温乾燥と蒸発石炭水分エネルギー利用（蒸気凝縮または機械的蒸気圧縮）による高エネルギー効率
• 不活性雰囲気乾燥による高安全性（石炭粉塵・空気爆発性混合物回避）
• 原料リグニット微粉砕システム統合（必要時二次乾燥リグニット粉砕も）によるコンパクト設計
• エネルギー蒸気利用で大幅蒸気・粉塵排出削減、蒸気凝縮水を水資源活用

粉砕・乾燥複合プロセス

リグニットは利用前通常粉砕され、粉砕発熱で水分大幅低減と粒度縮小が同時に進行。商用複合装置としてKDS（運動分解システム）マイクロネックス粉砕/乾燥機がある。大容量粉砕機で粉砕・乾燥を単一工程で実施、外部熱入力不要。乾燥機構は熱的・機械的脱水の複合。KDS技術は従来粉砕・乾燥複合比で総エネルギー70%削減。

溶媒抽出脱水プロセス

非極性溶媒中水溶解度変化原理利用。一般溶媒：ジメチルエーテル（DME）、超臨界CO2、トルエン、アニソール等。自然発火傾向低減。DME等一部溶媒は技術要求・エネルギー消費低。有機溶媒使用で水分抽出コスト増。乾燥速度低。大規模設備実現困難。

プリスティン-Mプロセス

Clean Coal Technologies, Inc.（CCTI）開発。原料炭をよりクリーン・高効率燃料へ転換。水分含有率30〜60%石炭の脱水対象。「気相堆積」独自概念を採用。

CCTIプロセスは3課題解決：(i) 再吸湿しない製品、(ii) 低脆性で安全輸送・自然発火リスク最小化、(iii) 安価・経済的プロセス。原料炭粉砕不要。原料炭劣化最小限で、ブリケッティング/ペレタイジング不要。

プリスティン-Mは連続プロセスで3コンポーネント構成。脱揮発装置でプロセス熱用ガス生成と乾燥石炭安定化。原料炭わずか（典型7%未満）のみ脱揮発。プロセスパラメータ最適化で必要最小限揮発ガス生成。液体副産物非生成。過剰脱揮発炭は乾燥安定化炭と末端で混合、損失なし。

第二コンポーネント：キャリア設計乾燥機。約120℃で乾燥、固有水分除去（15%、10%、5%等除去度は滞留時間・層深・温度依存）。石炭タイプにより乾燥度合いで微粒化傾向あり、その場合水分除去抑制または乾燥炭ブリケッティング必要。各段階で微粒除去・燃焼用（プロセス熱）供給可能。第三段階進入微粒は乾燥安定化炭表面で凝集硬化。

第三段階：安定化/気相堆積段階。水分除去で形成された石炭細孔へ揮発分吸着。原料炭化学プロファイルベースで安定化パラメータ設定。

プリスティン-Mプロセスで石炭を非浸透性化。構造保持しながら発熱量を単純水分除去以上に向上。製品炭ハードグローブ粉砕指数（HGI）は原料炭と同等維持。

モジュラー設計。商用モジュール（供給スループット30トン/時、水分50%リグニット処理）で年間約16万トン乾燥炭生産。プリスティン-Mベース年間100万トンプラントは6モジュール構成。連続運転、滞留時間推定約15分（水分除去度・固有水分依存）。1気圧運転。