JP2018071942A

JP2018071942A - 冷却装置

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Publication number: JP2018071942A
Application number: JP2016215853A
Authority: JP
Inventors: 志宏劉; Shiko Ryu
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2018-05-10
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: JP6878840B2

Abstract

【課題】高温の乾燥炭を低コストで冷却する。【解決手段】冷却装置１２０は、乾燥装置１１０において加熱されることにより乾燥された乾燥炭ＤＣ（被冷却物）と、乾燥炭ＤＣより低温の強磁性体粒子ＳＰとを混合する混合部２１０と、混合部２１０によって生成された、乾燥炭ＤＣと強磁性体粒子ＳＰとの混合物ＭＸを、乾燥炭ＤＣと、強磁性体粒子ＳＰとに分離する、磁石を含んで構成された分離部２２０と、を備える。強磁性体粒子ＳＰは固体であるため、ガスと比較して、熱容量が大きい。したがって、不活性ガスで冷却する従来技術と比較して、極めて少量の強磁性体粒子ＳＰで乾燥炭ＤＣを冷却することができる。これにより、乾燥炭ＤＣを効率よく低コストで冷却することが可能となる。【選択図】図２

Description

本開示は、加熱により乾燥された含水石炭を冷却する冷却装置に関する。

石炭は、可採年数が石油の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。このため、石炭は、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、無煙炭に分類される。泥炭、亜炭、褐炭、亜瀝青炭（以下、含水石炭と称する）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。

含水石炭のうち、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、褐炭等の含水石炭は、無煙炭等と比較して含水率が高い。したがって、含水石炭は、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、含水石炭に過熱蒸気を供給することで、含水石炭を流動させながら加熱乾燥させる技術が開発されている（例えば、特許文献１）。加熱により乾燥された含水石炭（以下、乾燥された含水石炭を「乾燥炭」と称する）は、高温の状態（例えば、８０℃〜１５０℃程度）で大気に接触すると発火するおそれがある。このため、特許文献１の技術では、高温の乾燥炭を収容した収容槽の底面から低温の不活性ガスを供給することで、乾燥炭を冷却している。

特開２０１３−１７３０８６号公報

上述した特許文献１の技術では、乾燥炭の冷却に、大量の不活性ガスを使用する必要がある。このため、不活性ガスに要するコストがかかるという問題がある。

本開示は、このような課題に鑑み、乾燥炭を低コストで冷却することが可能な冷却装置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、本開示の一態様に係る冷却装置は、含水石炭を加熱して乾燥することにより得られた被冷却物と、該被冷却物より低温の強磁性体粒子とを混合して熱交換させる混合部と、前記混合部によって生成された、前記被冷却物と前記強磁性体粒子との混合物を、該被冷却物と該強磁性体粒子とに分離する、磁石を含んで構成された分離部と、を備える。

また、前記分離部によって分離された前記強磁性体粒子を冷却する冷却部を備え、前記混合部は、前記冷却部によって冷却された前記強磁性体粒子と、前記被冷却物とを混合してもよい。

また、前記分離部によって分離された前記被冷却物が、予め定められた温度未満になるように、前記混合部に導入する前記強磁性体粒子の量を制御する制御部を備えてもよい。

また、前記強磁性体粒子は、少なくとも鉄を含んで構成されてもよい。

乾燥炭を低コストで冷却することが可能となる。

乾燥システムを説明する図である。冷却装置を説明する図である。分離部の一例を説明する図である。駆動部による本体部の回転と、電磁石への電力の供給制御について説明する図である。分離部の他の例を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の一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、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、本開示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、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

（乾燥システム１００）
図１は、乾燥システム１００を説明する図である。図１に示すように、乾燥システム１００は、乾燥装置１１０と、冷却装置１２０と、貯留部１３０とを含んで構成され、含水石炭を乾燥する。なお、ここでは、含水石炭として褐炭を例に挙げて説明する。

乾燥装置１１０は、褐炭ＢＣを加熱することで、褐炭ＢＣを乾燥させる。乾燥装置１１０は、例えば、流動層乾燥炉であり、収容槽と、流動化ガス供給部と、伝熱管とを含んで構成される。収容槽は、褐炭ＢＣを収容する。流動化ガス供給部は、流動層（収容槽）の下部から流動化ガス（例えば、水蒸気）を供給する。伝熱管は、流動層（収容槽）内に配され、褐炭ＢＣより高温の熱媒体が通過する。なお、褐炭ＢＣを乾燥させる技術については、様々な既存の技術を適用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。

冷却装置１２０は、乾燥装置１１０によって乾燥された褐炭ＢＣ（乾燥炭ＤＣ（被冷却物））を冷却する。冷却装置１２０の具体的な構成については、後に詳述する。

貯留部１３０は、冷却装置１２０によって冷却された乾燥炭ＤＣを貯留する。貯留部１３０に貯留された乾燥炭ＤＣは、ボイラ等の乾燥炭利用設備に供給される。

以下、本実施形態にかかる冷却装置１２０について詳述する。

（冷却装置１２０）
図２は、冷却装置１２０を説明する図である。図２に示すように、冷却装置１２０は、混合部２１０と、搬送装置２１２と、分離部２２０と、冷却部２３０と、返送装置２３２と、温度測定部２４０と、制御部２５０とを含んで構成される。図２中、乾燥炭ＤＣ、強磁性体粒子ＳＰ、混合物ＭＸの流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線で示す。

混合部２１０には、乾燥装置１１０から乾燥炭ＤＣが導入される。また、混合部２１０には、後述する返送装置２３２によって強磁性体粒子ＳＰが導入される。混合部２１０は、乾燥炭ＤＣと、乾燥炭ＤＣより低温（例えば、常温（２５℃）程度）の強磁性体粒子ＳＰとを、所定時間混合する。ここで、所定時間（接触時間）は、乾燥炭ＤＣと強磁性体粒子ＳＰとが接触することにより、両者の温度が実質的に等しくなる程度の時間である。本実施形態において、強磁性体粒子ＳＰは、鉄（Ｆｅ）で構成される。つまり、強磁性体粒子ＳＰは、鉄粒子である。

混合部２１０は、例えば、筐体と、シャフトと、回転羽根と、モータとを含んで構成される。筐体には、乾燥炭ＤＣと強磁性体粒子ＳＰとが導入される。シャフトは、長手方向が水平方向に沿うように筐体内に設けられる。回転羽根は、平板形状であり、シャフトに固定される。回転羽根は、シャフトの外周面から放射状に立設される。モータは、シャフトを回転させる。なお、乾燥炭ＤＣと強磁性体粒子ＳＰといった２種類の固体を混合する技術については、様々な既存の技術を適用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。

混合部２１０を備える構成により、乾燥炭ＤＣ（８０℃〜１５０℃程度）と、低温の強磁性体粒子ＳＰとが、所定時間接触し、乾燥炭ＤＣと強磁性体粒子ＳＰとで熱交換が為されることとなる。つまり、乾燥炭ＤＣから強磁性体粒子ＳＰに熱が移動し、これにより、乾燥炭ＤＣが冷却されることとなる。

強磁性体粒子ＳＰは固体であるため、ガスと比較して、熱容量が大きい。したがって、不活性ガスで冷却する従来技術と比較して、極めて少量の強磁性体粒子ＳＰで乾燥炭ＤＣを冷却することができる。また、不活性ガスのみで冷却する従来技術では、不活性ガスを回収し、循環させるためのコストが高い。一方、本実施形態の冷却装置１２０は、不活性ガスより少量の強磁性体粒子ＳＰを回収したり、循環させたりするため、回収や循環に要するコストも低減することができる。したがって、乾燥炭ＤＣを効率よく低コストで冷却することが可能となる。

このように、混合部２１０によって生成された乾燥炭ＤＣと、冷却された強磁性体粒子ＳＰとの混合物ＭＸ（例えば、５０℃程度）は、搬送装置２１２（例えば、コンベヤ）によって分離部２２０に搬送される。

分離部２２０は、混合部２１０によって生成された混合物ＭＸを、乾燥炭ＤＣと、強磁性体粒子ＳＰとに分離する。本実施形態において、分離部２２０は、磁石を含んで構成される。

図３は、分離部２２０の一例を説明する図であり、分離部２２０の上面視図である。なお、図３中、本体部３１０の回転方向を実線の矢印で示し、混合物ＭＸ、乾燥炭ＤＣの流れを白抜きの矢印で示す。

図３に示すように、分離部２２０は、本体部３１０と、駆動部３２０とを含んで構成される。本体部３１０は、円板形状であり、面内方向が水平方向となるように搬送装置２１２の上方に設置される。また、本体部３１０における、周方向に３分割された各領域３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃには、１または複数の電磁石が設けられている。なお、本実施形態において、本体部３１０は、中心が、搬送装置２１２の外方に位置するように配され、搬送装置２１２の鉛直上方に、本体部３１０の一部（少なくとも１つの領域）が位置し、本体部３１０の他部が冷却部２３０の鉛直上方に位置するように配される。

駆動部３２０は、本体部３１０の中心が回転軸３１２となるように、また、回転軸３１２が鉛直方向に沿うように、本体部３１０を回転させる。また、駆動部３２０は、電磁石への電力の供給を制御する。

図４は、駆動部３２０による本体部３１０の回転と、電磁石への電力の供給制御について説明する図である。なお、図４中、本体部３１０の回転方向を実線の矢印で示し、混合物ＭＸ、乾燥炭ＤＣの流れを白抜きの矢印で示し、電磁石への通電状態を黒い塗りつぶしで示し、電磁石への非通電状態を白い塗りつぶしで示す。また、理解を容易にするために、図４中、駆動部３２０の記載を省略する。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、駆動部３２０は、搬送装置２１２の鉛直上方に位置する領域３１４Ｂに配された電磁石を通電状態とする。そうすると、搬送装置２１２によって搬送された混合物ＭＸ中の強磁性体粒子ＳＰは、領域３１４Ｂの鉛直下方を通過する過程で、電磁石によって引き寄せられ（電磁石に吸着し）、混合物ＭＸから分離されることとなる。そして、混合物ＭＸから強磁性体粒子ＳＰが分離された結果得られる乾燥炭ＤＣは、搬送装置２１２によって後段の貯留部１３０に搬送される。

そして、領域３１４Ｂの電磁石が強磁性体粒子ＳＰを吸着できる許容量に近づくと（時刻ｔ２）、図４（ｂ）に示すように、駆動部３２０は、領域３１４Ａの電磁石を非通電状態から通電状態に切り換え、本体部３１０を１２０度（ここでは、反時計回りに）回転させる。また、駆動部３２０は、領域３１４Ｂの電磁石を通電状態から非通電状態に切り換える。つまり、駆動部３２０は、搬送装置２１２の鉛直上方に位置する電磁石を通電状態とし、搬送装置２１２から退避した電磁石を非通電状態とする。そうすると、搬送装置２１２によって搬送された混合物ＭＸ中の強磁性体粒子ＳＰは、領域３１４Ａの鉛直下方を通過する過程で、電磁石によって引き寄せられ、混合物ＭＸから分離されることとなる。

また、時刻ｔ２において、領域３１４Ｂの電磁石は、駆動部３２０によって通電状態から非通電状態に切り換えられるため、時刻ｔ１において、領域３１４Ｂの電磁石に吸着された強磁性体粒子ＳＰは、冷却部２３０に落下し、冷却部２３０において一時的に貯留される。つまり、領域３１４Ｂの電磁石から強磁性体粒子ＳＰが除去（吸着が解除）されることとなる。

同様に、領域３１４Ａの電磁石が強磁性体粒子ＳＰを吸着できる許容量に近づくと（時刻ｔ３）、図４（ｃ）に示すように、駆動部３２０は、領域３１４Ｃの電磁石を非通電状態から通電状態に切り換え、本体部３１０を１２０度回転させる。また、駆動部３２０は、領域３１４Ａの電磁石を通電状態から非通電状態に切り換える。

このように、駆動部３２０が、搬送装置２１２の鉛直上方に位置する電磁石を通電状態とすることで、搬送装置２１２によって搬送される混合物ＭＸから強磁性体粒子ＳＰを分離することができる。また、駆動部３２０が、搬送装置２１２から退避した電磁石を非通電状態とすることで、電磁石から強磁性体粒子ＳＰを取り除く（電磁石を再生する）ことが可能となる。

また、駆動部３２０が、本体部３１０を回転させ、搬送装置２１２の鉛直上方に位置する電磁石を通電状態とし、搬送装置２１２から退避した電磁石を非通電状態とすることで、強磁性体粒子ＳＰの分離と、電磁石の再生とを並行して連続的に行うことが可能となる。

こうして、分離部２２０によって分離された乾燥炭ＤＣは、搬送装置２１２によって貯留部１３０に導入され、貯留部１３０において貯留される。一方、分離部２２０（電磁石）によって分離され、冷却部２３０に貯留された強磁性体粒子ＳＰは、冷却部２３０において冷却される。

冷却部２３０は、例えば、空冷装置で構成され、分離部２２０によって分離された強磁性体粒子ＳＰを冷却する。返送装置２３２は、例えば、コンベヤで構成され、後述する制御部２５０による制御指令に基づいて、冷却された強磁性体粒子ＳＰを混合部２１０に導入する。

冷却部２３０、返送装置２３２を備える構成により、強磁性体粒子ＳＰを再利用することができる。したがって、さらに、低コストで乾燥炭ＤＣを冷却することが可能となる。

温度測定部２４０は、混合部２１０に導入される乾燥炭ＤＣの温度、すなわち、乾燥装置１１０から排出された乾燥炭ＤＣの温度を測定する。また、温度測定部２４０は、分離部２２０によって分離された乾燥炭ＤＣの温度を測定する。

制御部２５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。制御部２５０は、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冷却装置１２０全体を管理および制御する。

本実施形態において、制御部２５０は、温度測定部２４０が測定した乾燥炭ＤＣの温度に基づいて、返送装置２３２を制御する。具体的に説明すると、制御部２５０は、混合部２１０に導入される乾燥炭ＤＣの温度、混合部２１０に導入される乾燥炭ＤＣの量、混合部２１０における乾燥炭ＤＣの滞留時間（接触時間）、混合部２１０に導入される強磁性体粒子ＳＰの温度（冷却部２３０によって冷却された強磁性体粒子ＳＰの温度）に基づいて、分離部２２０によって分離された乾燥炭ＤＣが、予め定められた温度（例えば、発火温度）未満になるように、混合部２１０に導入する強磁性体粒子ＳＰの量を導出する。そして、制御部２５０は、導出した量の強磁性体粒子ＳＰが混合部２１０に導入されるように、返送装置２３２を制御する。

制御部２５０を備える構成により、分離部２２０によって分離された乾燥炭ＤＣを、ユーザが所望する温度未満に維持することができる。例えば、分離部２２０によって分離された乾燥炭ＤＣが発火温度未満になるように、制御部２５０が、混合部２１０に導入する強磁性体粒子ＳＰの量を導出するとする。この場合、分離部２２０で分離された乾燥炭ＤＣ（搬送装置２１２で搬送される乾燥炭ＤＣ、貯留部１３０に貯留される乾燥炭ＤＣ）が発火してしまう事態を回避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冷却装置１２０によれば、乾燥炭ＤＣより低温の強磁性体粒子ＳＰと、乾燥炭ＤＣとを混合するだけといった簡易な構成で、乾燥炭ＤＣを低コストで冷却することが可能となる。また、乾燥炭ＤＣを冷却する冷却媒体を強磁性体（強磁性体粒子ＳＰ）で構成することにより、磁石で容易に分離することができる。さらに、強磁性体粒子ＳＰを鉄で構成することにより、冷却媒体自体のコストを低減することが可能となる。また、強磁性体粒子ＳＰを循環利用することができるため、さらにコストを低減することができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示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、強磁性体粒子ＳＰが、鉄粒子である場合を例に挙げて説明した。これにより、強磁性体粒子ＳＰ自体を低コストで製作することができる。しかし、強磁性体粒子ＳＰは、少なくとも鉄を含んで構成されればよい（例えば、鉄合金等）。また、強磁性体粒子ＳＰは、鉄に限らず、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の強磁性体を含んで構成されてもよい。また、強磁性体粒子ＳＰを強磁性体と銅（Ｃｕ）とで構成してもよい。例えば、強磁性体を銅でコーティングした強磁性体粒子ＳＰであってもよい。これにより、分離部２２０を磁石で構成できるため、分離が容易になる。また、熱伝導率が相対的に大きい銅でコーティングすることにより、乾燥炭ＤＣをさらに効率よく冷却することが可能となる。

また、上記実施形態において、分離部２２０が、電磁石を含んで構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、分離部２２０は、永久磁石を含んで構成されてもよい。なお、磁石を用いて、強磁性体粒子ＳＰを分離する技術については、様々な既存の技術を適用できる。

図５は、分離部４２０の他の例を説明する図であり、分離部４２０の上面視図である。なお、図５中、本体部５１０の移動方向を実線の矢印で示し、混合物ＭＸ、乾燥炭ＤＣの流れを白抜きの矢印で示し、電磁石への通電状態を黒い塗りつぶしで示し、電磁石への非通電状態を白い塗りつぶしで示す。

図５に示すように、分離部４２０は、本体部５１０と、駆動部５２０とを含んで構成される。本体部５１０は、矩形形状であり、面内方向が水平方向となるように搬送装置２１２の上方に設置される。本体部５１０は、短手方向の一端側に駆動部５２０が接続されている。

本体部５１０における、長手方向に２分割された各領域５１４Ａ、５１４Ｂには、１または複数の電磁石が設けられている。なお、本体部５１０は、長手方向が、搬送装置２１２の搬送方向と交差するように配され、搬送装置２１２の鉛直上方に、本体部５１０の一部（少なくとも１つの領域）が位置し、本体部５１０の他部が、冷却部２３０ａ、または、冷却部２３０ｂの鉛直上方に位置するように配される。冷却部２３０ａ、２３０ｂは、搬送装置２１２の両側に配される。

駆動部５２０は、本体部５１０を長手方向に移動させる。また、駆動部５２０は、電磁石への電力の供給を制御する。

図５に示すように、時刻ｔ４において、駆動部５２０は、搬送装置２１２の鉛直上方に位置する領域５１４Ａに配された電磁石を通電状態とする。そうすると、搬送装置２１２によって搬送された混合物ＭＸ中の強磁性体粒子ＳＰは、領域５１４Ａの鉛直下方を通過する過程で、電磁石によって引き寄せられ、混合物ＭＸから分離されることとなる。そして、混合物ＭＸから強磁性体粒子ＳＰが分離された結果得られる乾燥炭ＤＣは、搬送装置２１２によって後段の貯留部１３０に搬送される。

そして、領域５１４Ａの電磁石が強磁性体粒子ＳＰを吸着できる許容量に近づくと（時刻ｔ５）、駆動部５２０は、領域５１４Ｂを非通電状態から通電状態に切り換えた後、本体部５１０を移動させ、領域５１４Ｂを搬送装置２１２の鉛直上方に位置させる。その後、駆動部５２０は、領域５１４Ａを通電状態から非通電状態に切り換える。そうすると、搬送装置２１２によって搬送された混合物ＭＸ中の強磁性体粒子ＳＰは、領域５１４Ｂの鉛直下方を通過する過程で、電磁石によって引き寄せられ、混合物ＭＸから分離されることとなる。

また、時刻ｔ５において、領域５１４Ａの電磁石は、駆動部５２０によって通電状態から非通電状態に切り換えられるため、時刻ｔ４において、領域５１４Ａの電磁石に吸着された強磁性体粒子ＳＰは、冷却部２３０ｂに落下し、冷却部２３０ｂにおいて一時的に貯留される。つまり、領域５１４Ａの電磁石から強磁性体粒子ＳＰが除去されることとなる。

同様に、領域５１４Ｂの電磁石が強磁性体粒子ＳＰを吸着できる許容量に近づくと（時刻ｔ６）、駆動部５２０は、領域５１４Ａを非通電状態から通電状態に切り換えた後、本体部５１０を移動させ、領域５１４Ａを搬送装置２１２の鉛直上方に位置させる。その後、駆動部５２０は、領域５１４Ｂを通電状態から非通電状態に切り換える。

また、上記実施形態において、冷却部２３０として、空冷装置を例に挙げて説明した。しかし、冷却部２３０は、強磁性体粒子ＳＰを冷却できれば、構成に限定はない。例えば、冷却部２３０を、水冷装置や他の冷媒で冷却する装置、ペルチェ素子で構成してもよい。

また、含水石炭として褐炭を例に挙げて説明した。しかし、含水石炭は、泥炭、亜炭、亜瀝青炭であってもよいし、泥炭、亜炭、褐炭、亜瀝青炭のうち、いずれか２以上の混合物であってもよい。

本開示は、加熱により乾燥された含水石炭を冷却する冷却装置に利用することができる。

１２０冷却装置
２１０混合部
２２０分離部
２３０冷却部
２５０制御部

Claims

含水石炭を加熱して乾燥することにより得られた被冷却物と、該被冷却物より低温の強磁性体粒子とを混合して熱交換させる混合部と、
前記混合部によって生成された、前記被冷却物と前記強磁性体粒子との混合物を、該被冷却物と該強磁性体粒子とに分離する、磁石を含んで構成された分離部と、
を備えた冷却装置。
前記分離部によって分離された前記強磁性体粒子を冷却する冷却部を備え、
前記混合部は、前記冷却部によって冷却された前記強磁性体粒子と、前記被冷却物とを混合する請求項１に記載の冷却装置。
前記分離部によって分離された前記被冷却物が、予め定められた温度未満になるように、前記混合部に導入する前記強磁性体粒子の量を制御する制御部を備えた請求項１または２に記載の冷却装置。
前記強磁性体粒子は、少なくとも鉄を含んで構成される請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却装置。