JP6129663B2 - 流動層乾燥システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば石炭をガス化するガス化システムに適用され流動層乾燥システムに係り、特に、水分の多い褐炭等の低品位炭を蒸気流動層方式により乾燥させる流動層乾燥システムに関する。

従来の石炭火力発電と比較して、高効率化や高環境性を達成できる石炭ガス化複合発電（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ；ＩＧＣＣ）システムが知られている。この石炭ガス化複合発電システムは、石炭をガス化し、ガスタービン及び蒸気タービンからなるコンバインドサイクル発電と組み合わせたものである。

このような石炭ガス化発電システムは、適用炭種の拡大が図られており、例えば褐炭や亜瀝青炭等のように水分量の多い低品位炭を使用する場合、水分による発電効率の低下を防止または抑制することが必要となる。このため、たとえば下記の特許文献１に開示されているように、水分の多い低品位炭を過熱蒸気の潜熱で間接的に乾燥させる蒸気流動層方式の流動層乾燥装置を備えた流動層乾燥システムが知られている。

この流動層乾燥システムは、例えば図３に示すように構成されている。
図示の流動層乾燥システム１は褐炭（低品位炭）を乾燥させるものであり、流動層乾燥装置１０の蒸気流動層１１内には、過熱蒸気を流す伝熱管１２が多数の往復を繰り返すように密に配置されている。
蒸気流動層１１内に投入された褐炭は、伝熱管１２内を流れる過熱蒸気との熱交換により加熱されて乾燥する。なお、流動層乾燥装置１０の蒸気流動層１１内には、流動層を形成するための流動化蒸気が底部から投入されている。

一方、流動層乾燥システム１では、褐炭が乾燥する際に蒸発する蒸気を蒸気圧縮機２０に導入して再圧縮し、高温高圧の過熱蒸気に再生してから流動層乾燥装置１０の伝熱管１２へ通気している。
なお、伝熱管１２内を流れた過熱蒸気は、熱交換により蒸気クオリティが低下して流動層乾燥装置１０の外部へ流出するので、廃蒸気として処理される。

特開２０１１−２１４８０９号公報

上述したように、従来の流動層乾燥システム１では、褐炭等の低品位炭が乾燥する際に蒸発する蒸気を蒸気圧縮機２０にて再圧縮し、高温高圧の過熱蒸気にして流動層乾燥装置１０の伝熱管１２へ通気している。
すなわち、低品位炭の乾燥により蒸発した低温の乾燥蒸気（例えば０．１Ｍｐ−Ａ，１００℃程度）を蒸気圧縮機２０にて再圧縮し、高温高圧の過熱蒸気（例えば０．４Ｍｐ−Ａ、１４０℃程度）にして伝熱管１２へ通気している。

一方、蒸気圧縮機２０は、高速で回転しているため、ドレンの混入がエロージョン発生の原因となる。このため、流動層乾燥装置１０と蒸気圧縮機２０との間を接続する乾燥蒸気配管２１には、保温用の蒸気（以下、「保温蒸気」と呼ぶ）を通気する図示しない蒸気トレースが施工されている。この保温蒸気には、例えば隣接するボイラ等の蒸気供給源から供給される高圧の駆動蒸気が使用されている。なお、蒸気圧縮機２０と伝熱管１２との間は、過熱蒸気配管２２により接続されている。

上述した従来の流動層乾燥装置１０において、伝熱管１２内の過熱蒸気は、例えば低品位炭との熱交換により蒸気クオリティが０．１程度まで低下した後に排出される。この廃蒸気は、現状の流動層乾燥システム１では再利用されておらず、最終的に凝縮水として廃棄されている。しかし、流動層乾燥装置１０の廃蒸気は、蒸気純度は低いものの利用できる熱エネルギーが残っており、従って、この廃蒸気を有効に再利用することが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、流動層乾燥装置の廃蒸気を有効利用してシステム効率の向上を実現できる流動層乾燥システムを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る流動層乾燥システムは、過熱蒸気の潜熱で間接的に低品位炭を乾燥させる蒸気流動層方式の流動層乾燥装置を備え、前記流動層乾燥装置内で乾燥される前記低品位炭から発生する乾燥蒸気を蒸気圧縮機に導入し、該蒸気圧縮機で前記乾燥蒸気を圧縮して前記過熱蒸気を得る流動層乾燥システムにおいて、前記流動層乾燥装置と前記蒸気圧縮機との間を接続する乾燥蒸気配管に保温蒸気を通気する蒸気トレースを設け、前記保温蒸気が、保温用蒸気供給源から供給される駆動蒸気に、前記流動層乾燥装置内で前記低品位炭を乾燥後に排出される前記過熱蒸気の廃蒸気を減圧後に混合して使用されることを特徴とするものである。

このような流動層乾燥システムによれば、流動層乾燥装置と蒸気圧縮機との間を接続する乾燥蒸気配管に保温蒸気を通気する蒸気トレースを設け、保温蒸気が、保温用蒸気供給源から供給される駆動蒸気に、流動層乾燥装置内で低品位炭を乾燥後に排出される過熱蒸気の廃蒸気を減圧後に混合して使用されるので、廃蒸気の有効利用によって駆動蒸気の使用量を低減することが可能になる。

上記の発明において、前記保温蒸気は、前記駆動蒸気の流れに前記廃蒸気を吸引するエゼクタにより混合されることが好ましく、これにより、専用の動力を用いることなく駆動蒸気に廃蒸気を混合させることができる。

上記の発明においては、前記エゼクタに対して前記廃蒸気が供給される側の上流側に気水分離器を備え、該気水分離器の気体空間部分が飽和温度以上の状態で前記エゼクタから前記廃蒸気の吸引を開始することが好ましい。

上述した本発明によれば、従来システムでは廃棄していた廃蒸気を有効利用し、駆動蒸気に廃蒸気を混合して蒸気トレースの保温蒸気とするので、廃蒸気の保有熱エネルギーを有効利用した乾燥蒸気配管の保温が可能になる。この結果、流動層乾燥システムは、駆動蒸気使用量の低減によりシステム効率が向上するという顕著な効果を奏する。

本発明に係る流動層乾燥システムの一実施形態を示す構成図（系統図）である。 図１に示したエゼクタの概要を示す説明図である。 流動層乾燥システムの従来例を示す構成図（系統図）である。

以下、本発明に係る流動層乾燥システムの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の流動層乾燥システム１Ａは、低品位炭の一例として褐炭を乾燥させるものとして説明するが、例えば亜瀝青炭等のように、水分の多い他の炭種にも適用可能なことは言うまでもない。
流動層乾燥システム１Ａは、過熱蒸気の潜熱で間接的に褐炭を乾燥させる蒸気流動層方式の流動層乾燥装置１０を備えている。この流動層乾燥装置１０は、蒸気流動層１１を形成する容器底部より、蒸気流動層１１内に流動化蒸気の供給を受けている。この結果、蒸気流動層１１内では、乾燥対象の褐炭を浮遊状態にして流動させながら加熱することができる。

流動層乾燥装置１０の蒸気流動層１１内には、褐炭と熱交換して加熱するため、高温高圧の過熱蒸気を流す伝熱管１２が配置されている。この伝熱管１２は、蒸気流動層１１を形成する容器内の空間において、多数の往復を繰り返すなどして密に配置された構成となっている。
伝熱管１２に通気される過熱蒸気は、過熱蒸気配管２２を介して蒸気圧縮機２０から供給される。この蒸気圧縮機２０は、流動層乾燥装置１０の蒸気流動層１１内で乾燥される褐炭から発生する蒸気（以下、「乾燥蒸気」と呼ぶ）を集め、乾燥蒸気配管２１を介して導入する。この乾燥蒸気は、例えば０．１Ｍｐ−Ａ，１００℃程度の蒸気である。

蒸気圧縮機２０は、導入した乾燥蒸気を圧縮することにより、例えば０．４Ｍｐ−Ａ、１４０℃程度の過熱蒸気にして伝熱管１２へ供給する。この過熱蒸気は、伝熱管１２の周囲を流動している褐炭との熱交換により、褐炭を加熱して乾燥させる熱源となる。
従って、流動層乾燥システム１は、過熱蒸気の潜熱で流動中の褐炭を間接的に乾燥させる流動層乾燥装置１０を備え、この流動層乾燥装置１０内で乾燥される褐炭から発生する乾燥蒸気を集めて蒸気圧縮機２０に導入するとともに、この蒸気圧縮機２０で乾燥蒸気を圧縮して過熱蒸気を得るように構成されている。

そして、本実施形態の流動層乾燥システム１Ａでは、流動層乾燥装置１０と蒸気圧縮機２０との間を接続する乾燥蒸気配管２１に対して、保温蒸気を通気する蒸気トレース３０を設けてある。この蒸気トレース３０は、乾燥蒸気配管２１内を流れる乾燥蒸気が凝縮するのを防止するため、乾燥蒸気配管２１の外周部を保温蒸気により加熱して乾燥蒸気を保温するための装置である。すなわち、蒸気トレース３０は、乾燥蒸気とともに凝縮したドレンが高速回転する蒸気圧縮機２０に混入しないようにすることで、エロージョンの発生を防止するものである。

さて、本実施形態の流動層乾燥システム１Ａでは、蒸気トレース３０で使用する保温蒸気として、隣接するボイラ（不図示）等の保温蒸気供給源から供給される駆動蒸気に加えて、流動層乾燥装置１０内で褐炭を乾燥させた後に排出される過熱蒸気の廃蒸気を利用する。すなわち、過熱蒸気は、流動層乾燥装置１０内で褐炭を乾燥させた後、蒸気クオリティが０．１程度まで低下した状態の廃蒸気として排出されるが、この廃蒸気は熱エネルギーを保有しているので、減圧後の廃蒸気を駆動蒸気に混合して保温蒸気に使用する。

廃蒸気は、伝熱管１２と接続される廃蒸気配管２３を通って流動層乾燥装置１０の外部へ排出される。この廃蒸気は、廃蒸気配管２３に設けた減圧弁２４により所定圧力まで減圧された後、蒸気（気体）と水（液体）とに分離させる気水分離器４０へ導かれる。
気水分離器４０には、廃蒸気配管２３に加えて、エゼクタ５０と接続された廃蒸気供給配管４１が設けられている。

エゼクタ５０には、駆動蒸気を供給する保温蒸気供給源（不図示）に接続された駆動蒸気配管５１と、廃蒸気（吸込蒸気）を供給する廃蒸気供給配管４１と、駆動蒸気に廃蒸気が混合された混合蒸気を蒸気トレース３０へ供給する保温蒸気配管３１とが接続されている。このエゼクタ５０においては、図２に示すように、駆動蒸気が相対的に廃蒸気より高圧（例えば１Ｍｐａ程度）の状態で流れており、従って、低圧側（例えば０．１ＭＰａ程度）の廃蒸気は、駆動蒸気の流れに吸引されるようにして混合される。

この結果、エゼクタ５０から流出する混合蒸気は、高圧の混合蒸気と低圧の廃蒸気とが混合されたことにより、混合蒸気と廃蒸気との中間圧力（例えば０．３ＭＰａ程度）に低下した中圧を有する保温蒸気（以下では、「保温用混合蒸気」とも呼ぶ）となる。すなわち、この保温用混合蒸気は、駆動蒸気より低圧で、かつ、廃蒸気より高圧となる。
なお、廃蒸気を減圧弁２４で減圧するのは、例えば０．４Ｍｐ−Ａ、１４０℃程度で供給された過熱蒸気が、所望の設定圧力まで確実に圧力低下した状態の廃蒸気として気水分離器４０へ供給するためである。

このような構成の流動層乾燥システム１Ａは、流動層乾燥装置１０と蒸気圧縮機２０との間を接続する乾燥蒸気配管２１に保温用混合蒸気を通気する蒸気トレース３０を設け、保温用混合蒸気として、駆動蒸気に減圧後の廃蒸気を混合して使用するので、従来は凝縮水として廃棄されていた廃蒸気が保有する熱エネルギーを有効利用し、その分だけ駆動蒸気の使用量を低減できる。このような駆動蒸気の使用量低減は、保温蒸気供給源のボイラ負荷を低減できるなど、流動層乾燥システム１Ａのシステム効率向上に有効となる。
また、エゼクタ５０を用いた駆動蒸気及び廃蒸気の混合は、混合用として電動機等の専用動力が不要であり、これによってもシステム効率の向上に貢献している。

ところで、上述した廃蒸気は、流動層乾燥システム１Ａを起動しても、システム全体が所定の運転温度またはその近傍温度となるまで入手することはできない。
このため、起動時から所定の運転状態になるまでの間は、上述した保温用混合蒸気を蒸気トレース３０の熱源として使用することができず、従って、例えば図示しない開閉弁の閉弁操作等により、廃蒸気配管２３からエゼクタ５０への廃蒸気供給を実施しない。この結果、起動時から所定の運転状態に到達するまでの間は、例えば駆動蒸気を単独で使用する保温を行うこととなる。

しかし、例えば気水分離器４０の気体空間部分が、すなわち廃蒸気の存在空間が飽和温度以上になると、廃蒸気の保有熱を利用可能と判断できる。
そこで、上述した開閉弁の弁操作等により、廃蒸気配管２３からエゼクタ５０への廃蒸気供給が可能な状態に切り換える。この結果、エゼクタ５０に対して上述した熱エネルギーを保有する廃蒸気の供給が可能になるので、上述した実施形態のように、蒸気トレース３０に対して保温用混合蒸気を供給して保温する運転に移行すればよい。

このように、上述した本実施形態の流動層乾燥システム１Ａによれば、廃棄されていた廃蒸気を有効利用し、保温用の蒸気として駆動蒸気に廃蒸気を混合した保温用混合蒸気を蒸気トレース３０で使用可能となるので、廃蒸気の保有熱エネルギーを有効利用した乾燥蒸気配管２１の保温が可能になる。この結果、流動層乾燥システム１Ａは、駆動蒸気使用量の低減により、システム全体としての効率が向上する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、例えば水分を保有する低品位炭以外の固形物を乾燥させるシステムにも適用可能であるなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１，１Ａ 流動層乾燥システム
１０ 流動層乾燥装置
１１ 蒸気流動層
１２ 伝熱管
２０ 蒸気圧縮機
２１ 乾燥蒸気配管
２４ 減圧弁
３０ 蒸気トレース
４０ 気水分離器
５０ エゼクタ

Claims (3)

1. 過熱蒸気の潜熱で間接的に低品位炭を乾燥させる蒸気流動層方式の流動層乾燥装置を備え、前記流動層乾燥装置内で乾燥される前記低品位炭から発生する乾燥蒸気を蒸気圧縮機に導入し、該蒸気圧縮機で前記乾燥蒸気を圧縮して前記過熱蒸気を得る流動層乾燥システムにおいて、
   前記流動層乾燥装置と前記蒸気圧縮機との間を接続する乾燥蒸気配管に保温蒸気を通気する蒸気トレースを設け、
   前記保温蒸気が、保温用蒸気供給源から供給される駆動蒸気に、前記流動層乾燥装置内で前記低品位炭を乾燥後に排出される前記過熱蒸気の廃蒸気を減圧後に混合して使用されることを特徴とする流動層乾燥システム。
2. 前記保温蒸気は、前記駆動蒸気の流れに前記廃蒸気を吸引するエゼクタにより混合されることを特徴とする請求項１に記載の流動層乾燥システム。
3. 前記エゼクタに対して前記廃蒸気が供給される側の上流側に気水分離器を備え、該気水分離器の気体空間部分が飽和温度以上の状態で前記エゼクタから前記廃蒸気の吸引を開始することを特徴とする請求項２に記載の流動層乾燥システム。

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