JP2017129324A - 乾燥システム - Google Patents

Abstract

【課題】含水固体燃料等の含水固形物の粒子の流動性の低下を抑制する。【解決手段】含水固形物を乾燥させる乾燥システム１００は、含水固形物（例えば、褐炭）の粒子群を収容する第１収容部２１２と、ガスの流速を、第１の流速と、第１の流速より大きい第２の流速とで周期的に交互に切り換えて、第１収容部２１２の底面（分散板２２２ａ）からガス（例えば、水蒸気）を供給する第１ガス供給部２２０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、含水固体燃料等の含水固形物を乾燥させる乾燥システムに関する。

石炭は、可採年数が１５０年程度と、石油の可採年数の３倍以上であり、また、石油と比較して埋蔵地が偏在していないため、長期に亘り安定供給が可能な天然資源として期待されている。石炭は、炭素含有量の低い順に、泥炭、亜炭、褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭、半無煙炭、無煙炭に分類され、泥炭、亜炭、褐炭、亜瀝青炭（以下、含水固体燃料と称する）は、瀝青炭、半無煙炭、無煙炭（以下、無煙炭等と称する）と比較して水の含有率（含水率）が高い。

含水固体燃料のうち、褐炭は、世界の石炭埋蔵量の半分を占めると言われているため、褐炭の有効利用が検討されている。しかし、上述したように、褐炭等の含水固体燃料は、無煙炭等と比較して含水率が高いため、単位重量あたりの発熱量が低く、輸送コストに対する燃料としてのエネルギー効率が低い。

そこで、含水固体燃料を破砕して流動層室に投入し、流動層室において含水固体燃料の粒子の流動層を形成させて乾燥させる技術が開発されている（例えば、特許文献１）。しかし、含水固体燃料は、相対的に軟らかいため、破砕の過程で粒径を均一化することが難しく、破砕後の粒子の粒径分布の幅が広くなってしまう。このため、破砕した含水固体燃料を流動層室に投入する場合、相対的に大きい粒子に流動化ガスの速度を合わせて流動層を形成させると、相対的に小さい粒子が飛散してしまう。一方、相対的に小さい粒子に流動化ガスの速度を合わせて流動層を形成させると、相対的に大きい粒子が流動化せず、滞留してしまう。

そこで、流動層室を２つに分割し、破砕した含水固体燃料（含水固体燃料の粒子）を第１室に投入するとともに、第１室の流動化ガスの速度を第２室より大きくする技術が開発されている（例えば、特許文献２）。特許文献２の技術では、第１室で粗粒子の流動層を形成させて乾燥させるとともに、第１室から第２室へ微細粒子をオーバーフローさせ、第２室で微細粒子の流動層を形成させて乾燥させている。

国際公開第２０１２／１４１２１７号 特開２０１１−２１４８１７号公報

しかし、含水固体燃料は、水によって粒子同士が架橋（以下、「水架橋」と称する）されているため、上記特許文献２の技術では、第１室において、粗粒子の流動層が形成されるまでに長時間を要してしまう。また、含水率によっては、水架橋のため、複数の粗粒子が凝集して、粒子の流動性が損なわれ、流動化できなくなるという課題がある。

本発明は、このような課題に鑑み、含水固体燃料等の含水固形物の粒子の流動性の低下を抑制することが可能な乾燥システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の乾燥システムは、含水固形物を乾燥させる乾燥システムであって、含水固形物の粒子群を収容する第１収容部と、ガスの流速を、第１の流速と、第１の流速より大きい第２の流速とで周期的に交互に切り換えて、第１収容部の底面からガスを供給する第１ガス供給部と、を備えたことを特徴とする。

また、第１の流速は、平均粒径の含水固形物の粒子の最小流動化速度以上であるとしてもよい。

また、第１ガス供給部は、含水固形物の含水率、含水固形物の粒子の質量密度、含水固形物の粒径、パルス状にガスを供給することで生成される気泡の直径、ガスの質量密度、および、ガスの動粘度に基づいて決定された周波数でガスを供給するとしてもよい。

また、第１ガス供給部は、１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の予め定められた周波数でガスの流速を切り換えるとしてもよい。

また、第１収容部の内部下部に偏析された含水固形物の粒子を抜き出す抜出部と、抜出部によって抜き出された含水固形物の粒子を破砕する破砕部と、を備え、第１収容部には、破砕部によって破砕された含水固形物の粒子が導入されるとしてもよい。

また、第１収容部への含水固形物の粒子の導入によって、第１収容部の内部上部から外部へ含水固形物の粒子が排出され、排出された含水固形物の粒子を収容する第２収容部と、第２収容部の底面からパルス状にガスを供給する第２ガス供給部と、を備え、第２ガス供給部は、第１ガス供給部がガスの流速を切り換える周波数よりも大きい周波数でガスの流速を切り換えるとしてもよい。

本発明によれば、含水固体燃料等の含水固形物の粒子の流動性の低下を抑制することが可能となる。

自由水および結合水を説明するための図である。 乾燥システムの概略図を示す図である。 調整弁の開閉タイミング、およびパルス流と定常流とを説明する図である。 周波数を設定する際の気泡および粒子のモデルを示す図である。 周波数と流動化率との関係を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

褐炭等の含水固形物は、自由水と結合水とを含んでいる。自由水は、含水固形物の表面、含水固形物内部のマクロな空隙に存在する水であり、バルク水と同じ熱物性を示す。結合水は、含水固形物の毛細管に凝縮した水、含水固形物の表面で多層または単層となっている吸着水、含水固形物の表面の水素に結合した結合水である。結合水は、自由水より蒸発し難い水であるため、結合水を蒸発させるためには、自由水より大きな熱エネルギーを必要とする。

図１は、自由水および結合水を説明するための図である。なお、図１中、褐炭に含まれている水の割合（褐炭の含水率）を横軸に示し、褐炭に接触させる水蒸気の温度（℃）を縦軸に示す。図１に示すように、常圧で１００℃の水蒸気を褐炭に接触させて加熱した場合、褐炭の含水率が３０％程度まで低下する。このように、褐炭に含まれる水のうち、１００℃程度で気化する水が自由水である。

一方、１００℃を上回り２００℃未満の水蒸気を褐炭に接触させて加熱した場合、褐炭の含水率が３％程度まで低下する。このように、褐炭に含まれる水のうち、１００℃を上回り２００℃未満で気化する水が結合水である。

つまり、自由水は、結合水よりも、気化に要する熱エネルギー（気化熱、蒸発熱）が小さい。そこで、本実施形態の乾燥システム１００では、まず、含水固形物から自由水を気化させて除去し、続いて、自由水が除去された含水固形物から結合水を気化させて除去する。ここで熱エネルギーは、含水固形物に含まれる水を気化させるために必要なエネルギー（ｋＪ／ｍｏｌ）である。

（乾燥システム１００）
図２は、乾燥システム１００の概略図を示す図である。なお、図２中、褐炭の流れを一点鎖線の矢印で、水蒸気および排気ガス等のガスの流れを実線の矢印で、信号の流れを破線の矢印で示す。また、理解を容易にするために、図２中、相対的に大きい粒子を実際より大きい黒丸で示す。本実施形態では、含水固形物として褐炭を乾燥させる場合を例に挙げて説明する。

図２に示すように、乾燥システム１００は、含水固形物導入部１１０と、第１乾燥炉２１０と、第２乾燥炉３１０と、冷却部４１０と、流速設定部５１０とを含んで構成される。

本実施形態の乾燥システム１００では、含水固形物導入部１１０によって第１乾燥炉２１０に未乾燥の褐炭が導入され、第１乾燥炉２１０において、褐炭に含まれる自由水を気化させて除去し、第２乾燥炉３１０において、自由水が除去された褐炭に含まれる結合水を気化させて除去し、冷却部４１０において、第２乾燥炉３１０において乾燥された褐炭を冷却する。

以下、含水固形物導入部１１０、第１乾燥炉２１０、第２乾燥炉３１０、冷却部４１０、流速設定部５１０の具体的な構成について説明する。

（含水固形物導入部１１０）
含水固形物導入部１１０は、主連通管１１２と、破砕部１１４と、搬送部１１６と、返送配管１１８とを含んで構成される。

主連通管１１２は、褐炭の供給源と、第１乾燥炉２１０を構成する後述の第１収容部２１２とを連通する配管である。破砕部１１４は、主連通管１１２に設けられ、供給源または後述する返送配管１１８から導かれた褐炭を破砕する。搬送部１１６は、例えば、スクリューフィーダで構成され、主連通管１１２における破砕部１１４の下流側に設けられ（破砕部１１４と第１収容部２１２との間）、破砕部１１４によって破砕された褐炭を第１乾燥炉２１０に搬送する。

返送配管１１８は、第１収容部２１２の内部下部（側壁の下部に開口された排出口）と、主連通管１１２における破砕部１１４の上流側とを接続する配管である。詳しくは後述するが、搬送部１１６によって破砕された褐炭が第１収容部２１２に搬送されると、第１収容部２１２の内部下部に偏析された褐炭（大粒子）が、返送配管１１８を通じて破砕部１１４に押し出されることとなる。

（第１乾燥炉２１０）
第１乾燥炉２１０は、第１収容部２１２と、第１ガス供給部２２０と、第１伝熱部２３０と、気液分離部２４０とを含んで構成される。第１収容部２１２は、含水固形物導入部１１０によって導入された褐炭の粒子群を収容する。

第１ガス供給部２２０は、風箱２２２と、風箱２２２に第１流動化ガスを送り込むブロワ２２４、２２６と、ブロワ２２６によって供給される第１流動化ガスの流速を調整する調整弁２２８とを含んで構成され、第１収容部２１２の底面からパルス状にガスを供給する。

風箱２２２は、第１収容部２１２の下方に設けられ、乾燥システム１００を運転する際には、風箱２２２を通じて第１収容部２１２の底面から当該第１収容部２１２内に第１流動化ガスが供給されることとなる。具体的に説明すると、風箱２２２の上部は、第１収容部２１２の底面としても機能し、通気可能である分散板２２２ａで形成されている。分散板２２２ａは、例えば、褐炭（褐炭の粒子のうち最小の粒径の粒子）の粒径よりも小さい径の開孔が複数設けられた板や、褐炭の粒径よりも小さい径の開孔が設けられたノズルを設置した板で構成される。

ブロワ２２４は、予め定められた第１の流速で第１流動化ガス（例えば、水蒸気）を風箱２２２に送り込む。ここで、第１の流速は、褐炭の平均粒径の粒子の最小流動化速度以上であり、本実施形態では、褐炭の平均粒径の粒子の最小流動化速度に設定される。

ブロワ２２６は、第１収容部２１２（風箱２２２）を通過する第１流動化ガスの流速が第１の流速から第２の流速に切り換わるように、第３の流速の第１流動化ガスを風箱２２２に送り込む。具体的に説明すると、ブロワ２２６によって第３の流速の第１流動化ガスが風箱２２２に送り込まれると、ブロワ２２４による第１の流速の第１流動化ガスと混合されて、第２の流速の第１流動化ガスとなる。ここで、第２の流速は、第１の流速と、第１収容部２１２に導入される褐炭のうち、最も大きい粒子の最小流動化速度とに基づいて設定され、例えば、第１の流速と第２の流速との平均流速が、最も大きい粒子の最小流動化速度となるように、第２の流速が設定される。

調整弁２２８は、例えば、開閉弁で構成され、ブロワ２２６と風箱２２２との間に設けられる。調整弁２２８が、開状態と閉状態とを周期的に交互に切り換えることで、ブロワ２２６から風箱２２２に送り込まれる第１流動化ガスの流速がゼロ（０）と、第３の流速とで周期的に交互に切り換わる。なお、本実施形態において、調整弁２２８が開状態となる時間と、閉状態となる時間の比率（デューティー比）は、１：１である。また、調整弁２２８が第１流動化ガスの流速を切り換える周波数（調整弁２２８による第１流動化ガスの切り換え頻度）は、流速設定部５１０によって設定される。流速設定部５１０による周波数の設定については、後に詳述する。

したがって、第１収容部２１２（風箱２２２）には、ブロワ２２４から第１の流速で第１流動化ガスが常時供給されるとともに、ブロワ２２６から間欠的に第３の流速で第１流動化ガスが供給されることとなる。つまり、第１ガス供給部２２０は、第１流動化ガスの流速を、第１の流速と第２の流速とで周期的に交互に切り換えて、第１流動化ガス（以下、流速が周期的に交互に切り換わるガスの流れを「パルス流」と称する）を供給することとなる。

第１ガス供給部２２０がパルス流で第１流動化ガスを供給する構成により、第１流動化ガスを定常流で供給する場合と比較して、褐炭のうち、相対的に粒径が大きい、もしくは、質量が大きい粒子（以下、「大粒子」と称する）の流動層の形成時間を短縮することができる。

図３は、調整弁２２８の開閉タイミング、および、パルス流と定常流とを説明する図である。なお、図３中、調整弁２２８の開閉タイミングを太線で示し、パルス流を実線で示し、定常流を一点鎖線で示す。上記したように、褐炭は、粒子同士が水で架橋されている。定常流では、大粒子の流動化に適した流速（例えば、第２の流速）で第１流動化ガスを供給すれば、供給された第１流動化ガスの気泡によって水架橋を切断することができ、大粒子の流動層を形成することができるが、相対的に粒径が小さい、もしくは、質量が小さい粒子（以下、「小粒子」と称する）が飛散してしまうという問題がある。そこで、従来、定常流の流速を、褐炭の平均粒径の粒子の最小流動化速度（第１の流速）と第２の流速の中間に設定し、小粒子の飛散を防止していた。このため、従来の定常流では、大粒子の流動層が形成されるまで長時間を要してしまうという問題がある。また、小粒子の飛散を防止する流速に設定されているため、大粒子の流動性が低くなり、褐炭の含水率によっては、水架橋のため、大粒子が凝集して、大粒子の流動性が損なわれ、流動化できなくなってしまうこともある。

しかし、図３に示すように、調整弁２２８の開閉をパルス状に切り換え、第１の流速と第２の流速とが周期的に交互に切り換わるパルス流で第１流動化ガスを供給すると、第２の流速で第１流動化ガスが供給されている期間が間欠的となる。つまり、連続的に第２の流速で第１流動化ガスが供給されるわけではないので、小粒子の飛散を防止しつつ、大粒子の流動層を効率よく形成することができる。例えば、パルス流の平均流速が、定常流の流速と等しいとすると、パルス流で第１流動化ガスを供給する場合、定常流で第１流動化ガスを供給する場合よりも、大粒子の流動層の形成時間を１／２程度まで短縮することが可能となる。なお、図３に示すように、調整弁２２８の開閉をパルス状に切り換えても、遅延が生じるため、パルス流の流速は、パルス状にはならない。

また、パルス流は、褐炭（大粒子）の流動性を向上させることができ、褐炭が凝集してしまう事態を回避することが可能となる。

さらに、定常流では、大粒子を流動化させる応答速度と、小粒子を流動化させる応答速度とに殆ど差はないが、パルス流では、小粒子を流動化させる応答速度が大粒子を流動化させる応答速度より大きい。このため、パルス流では、定常流と比較して小粒子の上方への移動を速くすることができ、大粒子と小粒子との分離（偏析）を短時間で行うことが可能となる。

このように、第１ガス供給部２２０がパルス流で第１流動化ガスを供給することにより、定常流よりも短時間で、第１収容部２１２の内部下部に、大粒子の流動層を形成させる（偏析させる）とともに、第１収容部２１２の内部上部（大粒子の上方）に小粒子の流動層を形成させる（偏析させる）ことができる。

したがって、定常流を供給する場合と比較して、流動層の形成時間および偏析に要する時間を短縮することができるため、第１収容部２１２をコンパクトにすることが可能となる。

こうして、第１ガス供給部２２０によって第１収容部２１２に供給された第１流動化ガスは、第１収容部２１２内で褐炭を流動させて、流動層を形成するとともに、第１流動化ガスを褐炭と接触させることで褐炭に含まれる自由水の一部を気化させる。なお、第１収容部２１２に供給される第１流動化ガスは、自由水を効率よく蒸発させる温度（例えば、１２０℃）に調整される。

図２に戻って説明すると、第１伝熱部２３０は、例えば、熱媒体が流通する配管で構成され、第１収容部２１２の内部上部（小粒子の流動層が形成される領域）に配される。第１伝熱部２３０は、熱媒体の流通過程において、熱媒体が有する熱で褐炭（小粒子）を加熱する。本実施形態において、第１伝熱部２３０には、熱媒体として、ブロワ２３２によって、水蒸気が供給される。なお、ブロワ２３２によって第１伝熱部２３０に供給される水蒸気（熱媒体）は、褐炭の自由水を効率よく蒸発させる温度（例えば、１２０℃）および流量に調整される。

第１伝熱部２３０を備える構成により、第１収容部２１２内において、熱媒体と、第１流動化ガスとの間で熱交換が行われ、上方に移動する第１流動化ガスをさらに加熱することができる。したがって、第１流動化ガスによる褐炭（小粒子）の乾燥（自由水の気化）がより促進されることとなる。

また、第１伝熱部２３０（第１伝熱部２３０を構成する管の外面）において、熱媒体と第１流動化ガスとで熱交換がなされると、熱媒体の一部が第１伝熱部２３０内で凝縮することとなる。そこで、気液分離部２４０を設けておき、気液分離部２４０によって、第１伝熱部２３０から送出された熱媒体を気液分離する。こうして、分離された、凝縮した熱媒体（液体の水）は、外部に送出されることとなる。

このように、第１乾燥炉２１０では、第１収容部２１２に未乾燥の褐炭が導入され、第１ガス供給部２２０および第１伝熱部２３０によって褐炭（小粒子）が加熱され、褐炭から自由水が気化されて除去される。一方、褐炭の流れについて説明すると、搬送部１１６によって、第１収容部２１２に未乾燥の褐炭が導入されると、導入された褐炭の体積分、流動層の体積が増加する。そうすると、自由水が除去された褐炭（小粒子）が第１収容部２１２の出口からオーバーフローして（排出されて）、第１収容部２１２と第２乾燥炉３１０の第２収容部３１２とを連通する配管を通じて第２収容部３１２に導入されるとともに、第１収容部２１２の内部下部に偏析された褐炭（大粒子）が、返送配管１１８を通じて破砕部１１４に押し出されることとなる。

つまり、搬送部１１６は、第１収容部２１２の内部下部に偏析された、大粒子を抜き出す抜出部として機能する。そして、抜き出された大粒子は、破砕部１１４で破砕されて第１収容部２１２に再度導入され、乾燥されることとなる。したがって、第１収容部２１２において流動化してはいるものの、乾燥されない大粒子を抜き出して再度破砕して第１収容部２１２に導入することにより、大粒子を乾燥することができる。

また、第１乾燥炉２１０において気化された自由水（１０３℃程度の水蒸気）は、ブロワ２２４、２２６によって風箱２２２に再度送り込まれたり、ブロワ２３２によって第１伝熱部２３０に供給されたりすることとなる。

（第２乾燥炉３１０）
第２乾燥炉３１０は、第２収容部３１２と、第２ガス供給部３２０と、第２伝熱部３３０と、気液分離部３４０とを含んで構成される。第２収容部３１２は、第１乾燥炉２１０によって自由水が除去された褐炭を収容する。

第２ガス供給部３２０は、第１乾燥炉２１０を構成する第１ガス供給部２２０と同様に、風箱３２２と、風箱３２２に第２流動化ガスを送り込むブロワ３２４、３２６と、ブロワ３２６によって供給される第２流動化ガスの流速を調整する調整弁３２８とを含んで構成され、第２収容部３１２の底面からパルス状にガスを供給する。

風箱３２２は、第２収容部３１２の下方に設けられ、乾燥システム１００を運転する際には、風箱３２２を通じて第２収容部３１２の底面から当該第２収容部３１２内に第２流動化ガスが供給されることとなる。具体的に説明すると、風箱３２２の上部は、第２収容部３１２の底面としても機能し、通気可能である分散板３２２ａで形成されている。分散板３２２ａは、例えば、褐炭（褐炭の粒子のうち最小の粒径の粒子）の粒径よりも小さい径の開孔が複数設けられた板や、褐炭の粒径よりも小さい径の開孔が設けられたノズルを設置した板で構成される。

ブロワ３２４は、予め定められた第４の流速で第２流動化ガス（例えば、水蒸気）を風箱３２２に送り込む。ここで、第４の流速は、第２収容部３１２に導入される褐炭の平均粒径の粒子の最小流動化速度以上であり、本実施形態では、第２収容部３１２に導入される褐炭の平均粒径の粒子の最小流動化速度に設定される。

ブロワ３２６は、第２収容部３１２（風箱３２２）を通過する第２流動化ガスの流速が第４の流速から第５の流速に切り換わるように、第６の流速の第２流動化ガスを風箱３２２に送り込む。具体的に説明すると、ブロワ３２６によって第６の流速の第２流動化ガスが風箱３２２に送り込まれると、ブロワ３２４による第４の流速の第２流動化ガスと混合されて、第５の流速の第２流動化ガスとなる。ここで、第５の流速は、第４の流速と、第２収容部３１２に導入される褐炭のうち、最も大きい粒子の最小流動化速度とに基づいて設定され、例えば、第４の流速と第５の流速との平均流速が、最も大きい粒子の最小流動化速度となるように、第５の流速が設定される。

調整弁３２８は、例えば、開閉弁で構成され、ブロワ３２６と風箱３２２との間に設けられる。調整弁３２８が、開状態と閉状態とを周期的に交互に切り換えることで、ブロワ３２６から風箱３２２に送り込まれる第２流動化ガスの流速がゼロ（０）と、第６の流速とで周期的に交互に切り換わる。なお、本実施形態において、調整弁３２８が開状態となる時間と、閉状態となる時間の比率（デューティー比）は、１：１である。また、調整弁３２８が第２流動化ガスの流速を切り換える周波数は、調整弁２２８が第１流動化ガスの流速を切り換える周波数より大きく、流速設定部５１０によって設定される。流速設定部５１０による周波数の設定については、後に詳述する。

したがって、第２収容部３１２（風箱３２２）には、ブロワ３２４から第４の流速で第２流動化ガスが常時供給されるとともに、ブロワ３２６から間欠的に第６の流速で第２流動化ガスが供給されることとなる。つまり、第２ガス供給部３２０は、第２流動化ガスの流速を、第４の流速と第５の流速とで周期的に交互に切り換えて、第２流動化ガスを供給することとなる。

第２ガス供給部３２０がパルス流で第２流動化ガスを供給する構成により、第２流動化ガスを定常流で供給する場合と比較して、褐炭の流動層の形成時間を短縮することが可能となる。

こうして、第２ガス供給部３２０によって第２収容部３１２に供給された第２流動化ガスは、第２収容部３１２内で褐炭を流動させて、流動層を形成するとともに、第２流動化ガスを褐炭と接触させることで褐炭に含まれる結合水の一部を気化させる。なお、第２収容部３１２に供給される第２流動化ガスは、結合水を効率よく蒸発させる温度（例えば、１１５℃）に調整される。

第２伝熱部３３０は、第１乾燥炉２１０を構成する第１伝熱部２３０と同様に、例えば、熱媒体が流通する配管で構成され、第２収容部３１２内に配される。第２伝熱部３３０は、熱媒体の流通過程において、熱媒体が有する熱で褐炭を加熱する。本実施形態において、第２伝熱部３３０には、熱媒体として、水蒸気（例えば、２００℃）が供給される。

第２伝熱部３３０を備える構成により、第２収容部３１２内において、熱媒体と、第２流動化ガスとの間で熱交換が行われ、上方に移動する第２流動化ガスをさらに加熱することができる。したがって、第２流動化ガスによる褐炭の乾燥（結合水の気化）がより促進されることとなる。

また、第２伝熱部３３０（第２伝熱部３３０を構成する管の外面）において、熱媒体と第２流動化ガスとで熱交換がなされると、熱媒体の一部が第２伝熱部３３０内で凝縮することとなる。そこで、気液分離部３４０を設けておき、気液分離部３４０によって、第２伝熱部３３０から送出された熱媒体を気液分離する。こうして、分離された、凝縮した熱媒体（液体の水）は、外部に送出されることとなる。

このように、第２乾燥炉３１０では、第１乾燥炉２１０において自由水が除去された褐炭が第２収容部３１２に導入され、第２ガス供給部３２０および第２伝熱部３３０によって褐炭が加熱され、褐炭から結合水が気化されて除去される。一方、褐炭の流れについて説明すると、第１乾燥炉２１０から第２収容部３１２に自由水が除去された褐炭が導入されると、導入された褐炭の体積分、流動層の体積が増加する。そうすると、結合水が除去された褐炭（流動層）が第２収容部３１２の出口からオーバーフローして、第２収容部３１２と冷却部４１０の第３収容部４１２とを連通する配管を通じて第３収容部４１２に導入されることとなる。また、第２乾燥炉３１０において気化された結合水（１１５℃程度の水蒸気）は、ブロワ３２４、３２６によって、風箱３２２に再度送り込まれたり、ブロワ３３２によって第２伝熱部３３０に供給されたりすることとなる。

（冷却部４１０）
冷却部４１０は、第３収容部４１２と、冷却ガス供給部４２０とを含んで構成される。第３収容部４１２は、第２乾燥炉３１０によって結合水が除去された褐炭を収容する。冷却ガス供給部４２０は、第１ガス供給部２２０、第２ガス供給部３２０と同様に、風箱４２２と、風箱４２２に冷却ガス（例えば、空気）を送り込むブロワ４２４とを含んで構成される。風箱４２２は、第３収容部４１２の下方に設けられ、乾燥システム１００を運転する際には、風箱４２２を通じて第３収容部４１２の底面から当該第３収容部４１２内に冷却ガスが供給されることとなる。

具体的に説明すると、風箱４２２の上部は、第３収容部４１２の底面としても機能し、通気可能である分散板４２２ａで形成されている。分散板４２２ａは、例えば、褐炭の粒径よりも小さい径の開孔が複数設けられた板や、褐炭の粒径よりも小さい径の開孔が設けられたノズルを設置した板で構成される。

冷却部４１０を備える構成により、自由水および結合水が除去された褐炭を冷却（例えば、５０℃程度まで）することができる。こうして冷却された褐炭は、後段の褐炭利用設備に送出されることとなる。

（流速設定部５１０）
流速設定部５１０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、調整弁２２８、３２８の開閉頻度（流速の周波数）を設定する。以下、流速設定部５１０による、調整弁２２８が流速を切り換える周波数および調整弁３２８が流速を切り換える周波数の設定ついて詳述する。

（周波数の設定）
図４は、周波数を設定する際の気泡および粒子のモデルを示す図である。図４に示すように、ガスを供給すると、流動層内において気泡が形成される。そして、気泡の周囲に褐炭の粒子が複数配されると仮定して、効率よく流動層を形成できる周波数の範囲を導出した。

上記したように、褐炭は、粒子同士が水によって架橋されている。したがって、まず、褐炭の粒子間の水架橋の力Ｆ_ｌを導出する。２つの粒子間の水架橋の力Ｆ_ｌは、下記式（１）から導出される。

…式（１）
ここで、Ｒは水架橋の長さであり、最大で粒子の半径と同一である。また、ｒは水の表面張力（例えば、３０℃の空気と接触している場合には、０．０７１２Ｎ／ｍ）である。なお、褐炭は、含水率が高いほど水架橋を作りやすく、粒子間の水架橋の力Ｆ_ｌが大きくなる。

こうして導出された水架橋の力Ｆ_ｌを上回る浮力を粒子が受ければ、粒子間の水架橋を切断することができ、効率よく流動層を形成することが可能となる。粒子の浮力Ｆ_ｐは、下記式（２）から導出される。

…式（２）
ここで、Ｆ_ｂは流動層内に形成される気泡（パルス流によって形成される気泡）の浮力であり、ｎは１の気泡の周囲に配される粒子の粒子数である。

気泡の浮力Ｆ_ｂは、下記式（３）から導出される。

…式（３）
ここで、ε_ｍｆは平均粒径の粒子の最小流動化速度時の層内空隙率、ρ_ｐは粒子の質量密度、ｇは重力加速度、Ｖ_ｂは気泡の体積を示す。

また、粒子数ｎは、下記式（４）から導出される。

…式（４）
ここで、Ｄ_ｂは気泡の直径、ｄ_ｐは粒子の直径である。

したがって、式（３）、（４）を式（２）に代入すると、粒子の浮力Ｆ_ｐは下記式（５）で表すことができる。

…式（５）
したがって、下記式（６）の関係となる直径Ｄ_ｂの気泡を生成すれば、水架橋を切断できる浮力Ｆ_ｐを粒子に与えることができ、効率よく流動層を形成することが可能となる。

…式（６）
そこで、下記式（７）、式（８）、式（９）を用いて、上記式（６）の関係となる直径Ｄ_ｂの気泡が生成できる周波数Ｆを導出する。

…式（７）
ここで、Ｕ_ｍｆは平均粒径の粒子の最小流動化速度（第１の流速）であり、Ｕ_ｐは第２の流速の際の流動化ガスの空塔速度であり、ｈは層高である。

…式（８）
ここで、μ_ｇはガスの動粘度であり、Ａｒはアルキメデス数であり、ρ_ｇは流動化ガスの質量密度であり、Ｍは粒子の平均含水率である。

…式（９）
ここで、αは流動化ガスの平均総流量に対するパルス流の流量の比であり、Ｕ_０は流動化ガスの空塔速度であり、Ｆqは流速を切り換える周波数（調整弁２２８、３２８の開閉周波数）であり、ｔは気泡が直径Ｄ_ｂに成長するまでの時間であり、βは１周期における調整弁２２８、３２８の開放割合である。

上記式（７）から式（９）に基づいて、周波数を導出すると、高含水率（例えば、２５ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲の所定の値以上）の粒子の水架橋を効率よく切断できる（効率よく流動層を形成できる）周波数Ｆは、１Ｈｚ〜３Ｈｚであり、低含水率（例えば、２５ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲の所定の値未満）の粒子の水架橋を効率よく切断できる周波数Ｆは、３Ｈｚ〜１０Ｈｚであることが分かった。

図５は、周波数と流動化率との関係を説明する図である。なお、図５中、高含水率の粒子を実線で示し、低含水率の粒子を破線で示し、含水率０％の粒子を一点鎖線で示す。図５に示すように、高含水率の粒子では、２Ｈｚまでは、周波数が大きくなると流動化率が向上し、２Ｈｚで最も流動化率が高くなる。そして、２Ｈｚを超えると周波数が大きくなるに従って流動化率が低下し、３Ｈｚを超えると流動化率が一定となる。なお、高含水率では、３Ｈｚを超えると、定常流でガスを供給した場合と同一の、殆ど流動化しない流動化率となる。

低含水率の粒子では、３Ｈｚまでは、周波数が大きくなると流動化率が向上し、３Ｈｚで最も流動化率が高くなる。そして、３Ｈｚを超えると周波数が大きくなるに従って流動化率が低下し、４Ｈｚを超えると流動化率が一定となる。なお、低含水率では、４Ｈｚを超えると、定常流でガスを供給した場合と同一の流動化率となる。

一方、含水率０％の粒子では、６Ｈｚまでは、周波数が大きくなると流動化率が向上し、６Ｈｚを超えると流動化率が一定となり、定常流でガスを供給した場合と同一の流動化率となる。

つまり、含水率０％の粒子では、水架橋が存在しないため、パルス流よりも定常流の方が流動化率が高い。これに対し、褐炭等の含水固形物は、水架橋が存在するため、定常流よりもパルス流の方が流動化率が高いことが分かる。

このように、流速設定部５１０は、導入される褐炭の含水率に基づいて導出された周波数範囲と、大粒子と小粒子とを効率よく分離できる（大粒子を効率よく偏析できる）周波数範囲とに基づいて、調整弁２２８および調整弁３２８の周波数を設定する。

なお、大粒子を効率よく偏析できる周波数範囲は、１Ｈｚ〜１０Ｈｚが好ましい。具体的に説明すると、下記式（１０）に示すように、パルス流を利用した場合、パルス流の流速が等しいとすると、粒子の粒径ｄが小さいほど、加速度（ｄｖ_ｐ／ｄｔ）は大きくなる。このため、単位時間において、小粒子が移動する距離は、大粒子が移動する距離より長い。

…式（１０）
また、パルス流の周波数が高いと、ガスの瞬間速度ｖ_ｇが増加して加速度も増加するため、大粒子の偏析（大粒子と小粒子との分離）時間を短縮することができる。一方、パルス流の周波数が低いと、パルス流が流動層内に導入される時間が長くなるため、褐炭の粒子の挙動は定常流における挙動に近くなってしまう。同様に、パルス流のパルス周期が高いと、パルス流が流動層内に導入される時間が短くなるため、褐炭の粒子の挙動は定常流における挙動に近くなってしまう。このため、これらを勘案すると、周波数範囲が、１Ｈｚ〜１０Ｈｚである場合に、大粒子を効率よく偏析できると言える。

ここで、上記したように、第２収容部３１２には、第１収容部２１２において自由水が除去された褐炭が導入される。つまり、第２収容部３１２の褐炭は、第１収容部２１２の褐炭より含水率が低い。したがって、流速設定部５１０は、第２収容部３１２へ第２流動化ガスを供給する調整弁３２８の周波数を、第１収容部２１２へ第１流動化ガスを供給する調整弁２２８の周波数より大きく設定する。例えば、流速設定部５１０は、調整弁２２８の周波数を２Ｈｚに設定し、調整弁３２８の周波数を３Ｈｚに設定する。

かかる構成により、第１収容部２１２においても、第２収容部３１２においても効率よく流動層を形成することができ、乾燥に要する時間を短縮することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態にかかる乾燥システム１００では、パルス流で第１流動化ガスを供給する構成により、定常流で供給する場合と比較して、褐炭の粒子の流動性を向上させることができ、大粒子の流動層の形成時間を短縮することが可能となる。したがって、第１収容部２１２において、効率的に褐炭の乾燥を行うことができる。また、大粒子と小粒子との分離時間（大粒子の偏析時間）を短縮することが可能となる。

また、パルス流で、第２流動化ガスを供給する構成により、定常流で供給する場合と比較して、褐炭の粒子の流動性を向上させることができ、効率よく小粒子の流動層を形成させることができ、第２収容部３１２において効率的に褐炭の乾燥を行うことが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、含水固形物として褐炭を例に挙げて説明した。しかし、乾燥システム１００は、水を含んで構成されるものであれば、泥炭、亜炭、亜瀝青炭等の含水固体燃料や、他の含水固形物を乾燥させることができる。

また、上記実施形態において、第１の流速を、平均粒径の褐炭の粒子の最小流動化速度に設定する構成を例に挙げて説明した。しかし、第１の流速は、平均粒径の褐炭の粒子の最小流動化速度以上であればよい。

また、上記実施形態において、第２乾燥炉３１０においてもパルス流が供給される構成を例に挙げて説明したが、第２乾燥炉では、定常流が供給されてもよい。

また、上記実施形態において、調整弁２２８、３２８が開状態となる時間と、閉状態となる時間の比率は、１：１である構成を例に挙げて説明した。しかし、開状態となる時間と、閉状態となる時間の比率は、１：１に限らず、適宜設定される。例えば、式（９）におけるαを小さくすると瞬間流速を大きくすることができ、一方、αを大きくすると第１乾燥炉２１０の運転の状態変化を低く抑えることが可能となる。

また、上記実施形態において、乾燥システム１００が２つの乾燥炉（第１乾燥炉２１０、第２乾燥炉３１０）を備える場合を例に挙げて説明した。しかし、乾燥システムは、乾燥炉を１つのみ備えるとしてもよい。

また、第１乾燥炉２１０、第２乾燥炉３１０、冷却部４１０は、それぞれ１つの収容部で構成されてもよいし、複数の収容部を含んで構成されてもよい。

本発明は、含水固体燃料等の含水固形物を乾燥させる乾燥システムに利用することができる。

１００ 乾燥システム
１１４ 破砕部
１１６ 搬送部（抜出部）
２１２ 第１収容部
２２０ 第１ガス供給部
３１２ 第２収容部
３２０ 第２ガス供給部

Claims (6)

1. 含水固形物を乾燥させる乾燥システムであって、
   前記含水固形物の粒子群を収容する第１収容部と、
   ガスの流速を、第１の流速と、該第１の流速より大きい第２の流速とで周期的に交互に切り換えて、前記第１収容部の底面からガスを供給する第１ガス供給部と、
   を備えたことを特徴とする乾燥システム。
2. 前記第１の流速は、平均粒径の前記含水固形物の粒子の最小流動化速度以上であることを特徴とする請求項１に記載の乾燥システム。
3. 前記第１ガス供給部は、前記含水固形物の含水率、該含水固形物の粒子の質量密度、該含水固形物の粒径、パルス状にガスを供給することで生成される気泡の直径、該ガスの質量密度、および、該ガスの動粘度に基づいて決定された周波数でガスを供給することを特徴とする請求項１または２に記載の乾燥システム。
4. 前記第１ガス供給部は、１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の予め定められた周波数でガスの流速を切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の乾燥システム。
5. 前記第１収容部の内部下部に偏析された前記含水固形物の粒子を抜き出す抜出部と、
   前記抜出部によって抜き出された含水固形物の粒子を破砕する破砕部と、
   を備え、
   前記第１収容部には、前記破砕部によって破砕された含水固形物の粒子が導入されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の乾燥システム。
6. 前記第１収容部への前記含水固形物の粒子の導入によって、該第１収容部の内部上部から外部へ該含水固形物の粒子が排出され、
   排出された前記含水固形物の粒子を収容する第２収容部と、
   前記第２収容部の底面からパルス状にガスを供給する第２ガス供給部と、
   を備え、
   前記第２ガス供給部は、前記第１ガス供給部がガスの流速を切り換える周波数よりも大きい周波数でガスの流速を切り換えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の乾燥システム。

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