コールドライ：低品位炭乾燥技術による高発熱量BCEペレット製造

コールドライ技術は、Environmental Clean Technologies（ECT）Limited、オーストラリアによって開発されています。この技術は、最大70%の水分を含む幅広い低品位炭（褐炭と亜瀝青炭）から水を追い出し、水分含有量約10%の高発熱量（CV）ブラックコール相当（BCE）ペレットに変換します。BCEとは、コールドライペレットの正味エネルギー値が多くの瀝青炭と同様の範囲にあることを意味します。

コールドライ技術は、「褐炭密度化」（BCD）と呼ばれるプロセスによって、低品位炭の天然の多孔質形態を乾燥して密度の高いペレットに変える特許プロセスです。この技術は、1980年代初頭にCRAとメルボルン大学によって最初に行われた研究に基づいています。この技術は、バッカスマーシュ・コールドライプラントでパイロットプラント規模で実証されています。このプラントは2004年に稼働し、2007年に水回収システムで強化され、2011年に年間20,000トンのコールドライBCEペレットを生産できるようにアップグレードされました。このプロセスは幅広い低品位炭でテストされ、成功していることが証明されています。

プロセスの原理

コールドライプロセスは、2つの独自の側面を組み合わせています。(i) 褐炭密度化、および (ii) 廃熱利用。このプロセスは石炭内の天然化学反応を刺激します。この反応は石炭化合物の活性部位を重合させ、化学的に結合した水を追い出します。活性部位の重合により石炭の孔構造が崩壊し、物理的に閉じ込められた水が追い出されます。排出された水は石炭ペレットの表面に移動します。表面水は、隣接する発電所（PP）からの廃熱利用によって蒸発させられます。

BCDは、石炭の物理構造が湿った、柔らかい、脆い原料から密度が高く、乾燥した、硬い材料に変化する自然現象です。BCDを引き起こすために、時間をかけてせん断応力を加える非常に特定のタイプの処理が必要です。一次処理設備の設計と運転パラメータは、原料炭の特性に合わせて調整されます。

原料炭に適切な量の機械的せん断を加えることで、柔らかく可塑性のある石炭「ペースト」が生成され、これが低圧押出によってペレット形成を可能にします。ここでの基本は、物理的に閉じ込められた水分が動員され、この水分がペレット表面に移動して蒸発すると、ペレットの多孔質構造が崩壊し密度化することです。

予測可能な時間枠内での乾燥速度の制御は、コールドライプロセスの重要な側面です。さらに、従来の方法による熱生成は比較的高コストであるため、コールドライプロセスは廃エネルギー資源を活用し、熱をペレットの低温乾燥に導きます。BCDは理想的に40〜70℃の範囲で進行します。

コールドライ技術の化学は図1に示されています。

図1 コールドライ技術の化学

コールドライ技術プロセスには以下の3つの明確なプロセス段階があります。

• 機械的せん断 - 石炭の多孔質構造の破壊によって物理的に閉じ込められた水分の放出を達成します。この機械的せん断プロセスの結果、押出に適した粘度の石炭スラリーが生成されます。
• 押出 - 石炭スラリーを押出し、その後の乾燥に最適な寸法のペレットを生産します。
• 乾燥 - ペレット内の動員された水分を蒸発させ、水分含有量15%未満の完成品を提供します。乾燥には隣接PPからの廃エネルギーが利用されます。他のソースからの低品位廃エネルギーもペレット乾燥に使用できます。

石炭乾燥プロセス

コールドライプロセスには以下の6つのステップがあります。プロセスフローシートは図2に示されています。

• スクリーニングと供給制御 - 水分含有量30〜70%の低品位原料炭を8mm未満に粉砕します。軟らかく脆い粉砕炭をサージビンに供給し、スクリーニングします。サージビンは自動可変速度フィーダーを備えた貯蔵ホッパーです。粉砕炭のスクリーニングにより、少量の水添加前にオーバーサイズと異物（外来物）を除去します。粉砕炭のスクリーニングにより、次のプロセスステップへの均一な供給を確保します。添加可能な水量は受入時の石炭水分に依存し、最大5%まで可能です。
• アトリションと押出 - 水添加後の石炭を「アトリショナー」に供給します。アトリショナーで石炭の面が擦られせん断され、石炭ペーストが形成されます。石炭面の擦り合わせ時の集中的な混合により、石炭内で天然の発熱化学反応が開始され、石炭孔構造内の化学的に閉じ込められた水と物理的に吸着された水の両方を排出する天然プロセスが生成されます。この反応は、この可塑化混合物が低圧で押出されるときに加速されます。押出された石炭はコンベアベルトを通じて「調整ユニット」に送られます。
• 調整 - 調整ベルトで、押出された石炭ペーストペレットが40℃の温風で約1時間加熱されます。押出石炭の調整は、石炭の表面乾燥を行い、次のステップの「充填層乾燥機」（PBD）への移行に耐える十分なグリーン強度を与えます。押出石炭の強靭さは、乾燥表面レベルの上昇と堅さで説明されます。さらに、硬化により製品は収縮し、ペレットに分離します。調整時および充填層乾燥時の表面水蒸発に必要な温風は、隣接PPからの廃熱との熱交換によって生成されます。
• 充填層乾燥 - 調整ユニットからの湿った石炭ペレットが垂直PBDで最終水分レベルまでさらに乾燥されます。隣接PPからの温風が乾燥機を循環し、ペレットから水分を除去します。架橋反応が乾燥機内で完了し、バルク取扱いと輸送に耐える十分なレベルまで強度が増加します。乾燥ペレットの最終水分は通常10〜14%の範囲です。最終水分含有量に影響する要因は、(i) ラン・オブ・マイン炭の水分含有量、(ii) 供給炭の特性、(iii) 熱交換ユニットから供給される温度、(iv) 乾燥時間です。
• 水回収 - PBDから排出される温風は約30℃で高度に飽和しています。この飽和温風の水分含有量は冷却されると凝縮します。この回収水は集められ、汚染物質がないため隣接PPや他の場所で使用できます。
• 製品コールドライペレット - 低品位炭が構造的・物理的に閉じ込められた水の永久除去によりBCE製品に変換されました。プロセスのBCE製品はコールドライペレットとして知られています。高エネルギー含有量、安定性があり、再水和しません。輸送して使用できます。コールドライペレットの典型的な特性は、(i) 直径16mm、(ii) 長さ45mm、(iii) 見掛け密度 約700〜750kg/m³、(iv) 水分含有量 約12%、(v) 高発熱量 5,550kcal/kg です。

図2 コールドライプロセスのフローシート

商業規模設計と発電所との統合

コールドライパイロットプラントに基づき、商業規模コールドライプラントの設計が準備されています。コールドライ商業プラントはモジュラー設計で、拡張可能です。モジュラーアプローチとは、プラントのすべてのセクションをオフサイトで製造し、コンテナで輸送し、組み立てることを意味します。

コールドライプラントのモジュールは、以下を生産するように設計されています。(i) 水分60%炭から年間34万トンのコールドライペレット、(ii) 水分50%炭から年間44万トン、(iii) 水分40%炭から年間60万トン。

コールドライプロセスは発電所（PP）と統合できます。PPの粉砕機がコールドライペレットをPPの粉砕石炭燃焼ボイラーへの注入に適した石炭粉末に粉砕します。PPの凝縮器からの高温冷却水がコールドライプロセスの熱交換用にポンプで送られます。コールドライ熱交換器からの還水はより低温ですが、さらなる冷却が必要です。コールドライプロセスからのこの回収水をPPの冷却回路に供給することで、他の水源からの取水需要を削減できます。コールドライプロセスとPPの統合は図3に示されています。

図3 コールドライプロセスと発電所の統合

コールドライプロセスの利点

コールドライプロセスにはいくつかの利点があります。以下に説明します。

プロセス利点

コールドライプロセスのプロセス利点は、(i) 主エネルギー源として低品位廃エネルギーを活用するため、プロセスが経済的でCO₂フットプリントを削減、(ii) 隣接PPでの蒸発水損失を削減（プロセスで1トンの水回収は、PPの冷却塔を通じた1トンの蒸発水損失に相当）、(iii) 原料炭乾燥で排出される水の最大95%を回収可能、(iv) プロセスがシンプルかつ機械的で高信頼性と容易なメンテナンスを提供、(v) 低温・低圧でプロセスが進行し、エネルギー消費削減と設備寿命延長、(vi) モジュラーでプレファブリケート部品で構成され、設置が容易、(vii) 高品質な水を副産物として生産し、高価な処理なしで即座に工業用途可能、軽微な濾過で飲用可能、です。

製品利点

コールドライペレットの利点は、(i) ペレットの発熱量が向上、(ii) ペレットが大気中の水を再吸収しない、(iii) ペレットの自然発火リスクが低く、輸送に適する、(iv) ペレットが原料炭の高価値揮発分を保持し、ガス化、石炭液化、その他の石炭派生化学品などの下流プロセスの理想的原料、(v) 原料炭由来の低灰分（同様に硫黄も）です。