JP6183173B2

JP6183173B2 - 含水固形物乾燥装置

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Publication number: JP6183173B2
Application number: JP2013241452A
Authority: JP
Inventors: 知哉村本; 裕一西山; 真也奥野; 俊一朗上野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: JP2015102254A

Description

この発明は、含水固形物乾燥装置に関する。

従来、泥炭、褐炭、バイオマス等の含水固形物を加熱して乾燥し、乾燥物として提供する含水固形物乾燥装置が提供されている。

例えば、下記特許文献１、２には、含水固形物を１次乾燥用熱交換器にて所定温度まで加熱した後、乾燥機にて流動層に形成した含水固形物を伝熱管により加熱して水分を蒸発させ、放熱熱交換器にて冷却して乾燥固体物として提供する乾燥装置が開示されている。

この乾燥装置において、前記伝熱管には、乾燥機において流動層を形成した空気などの流動化ガスに含水固形物から蒸発した蒸気が加わった混合ガス流体が昇温されて供給されている。伝熱管において、混合ガス流体中の水蒸気は潜熱を放出して凝縮し、混合ガスは流動化ガスと水との混合流体になる。

この混合流体は、前記１次乾燥用熱交換器に熱媒として供されている。一方、乾燥機において乾燥された含水固形物は、放熱熱交換器に送られ、乾燥機に供給される混合ガスに対して放熱し、冷却されて提供される。

特開２０１２−１５４６０５号公報特開２０１０−２７６２５９号公報

含水固形物乾燥装置においては、含水固形物を乾燥する際の熱効率を高め、エネルギー消費を低減することが求められている。また、含水固形物乾燥装置をさらに小型化することが求められている。

この出願は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、熱効率を高め、エネルギー消費を低減した含水固形物乾燥装置を提供することを目的とする。また、さらに小型化を可能にする含水固形物乾燥装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、この発明に係る含水固形物乾燥装置は、含水固形物、温水及び気体媒体が供給され、前記温水及び前記気体媒体を熱源として前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる水が蒸発を始めるまで予熱する予熱熱交換器と、前記予熱熱交換器にて予熱された前記含水固形物、水蒸気及び圧縮後水蒸気が供給され、前記水蒸気にて前記含水固形物の流動層の流動化状態を形成するとともに前記圧縮後水蒸気を熱源として前記流動層にある前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる水を蒸発させて水蒸気とし、前記含水固形物から水を分離して乾燥した固形物とする流動層乾燥機と、前記流動層乾燥機にて乾燥された前記固形物、及び気体媒体が供給され、前記気体媒体を冷熱源として前記固形物を冷却し、前記固形物から前記気体媒体に熱を回収する熱回収熱交換器と、前記熱回収熱交換器にて熱を回収した前記気体媒体を圧縮により昇温するガス圧縮機と、を含み、前記流動層乾燥機からは水蒸気が回収され、その一部が水蒸気として、その残りが圧縮により昇温された圧縮後水蒸気として、ともに前記流動層乾燥機に供給され、前記流動層乾燥機に供給された前記圧縮後水蒸気の少なくとも一部は凝縮して温水となり、前記ガス圧縮機にて昇温された前記気体媒体とともに前記予熱熱交換器に供給されるものである。

前記流動層乾燥機から回収された水蒸気の前記一部の水蒸気を前記流動層乾燥機に供給するブロワをさらに含むようにしてもよい。前記流動層乾燥機から回収された水蒸気の前記残りを圧縮により昇温した圧縮後水蒸気を前記流動層乾燥機に供給する蒸気圧縮機をさらに含むようにしてもよい。前記流動層乾燥機は伝熱管をさらに含み、前記圧縮後水蒸気は前記伝熱管に供給され、前記伝熱管を介して放熱し、凝縮して温水になるようにしてもよい。

前記予熱熱交換器にて前記含水固形物を予熱した前記気体媒体が供給され、前記気体媒体の圧力によって駆動される圧力回収タービンをさらに含むようにしてもよい。前記圧力回収タービンにて回収された動力を前記ガス圧縮機に供給する動力回収機構をさらに含むようにしてもよい。前記動力回収機構は、前記ガス圧縮機及び前記圧力回収タービンを同軸上で連結するようにしてもよい。

また、この発明に係る含水固形物乾燥装置は、含水固形物、温水及び気体媒体が供給され、前記温水及び前記気体媒体を熱源として前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる水が蒸発を始めるまで予熱する予熱熱交換器と、前記予熱熱交換器にて予熱された前記含水固形物、水蒸気及び圧縮後水蒸気が供給され、前記水蒸気にて前記含水固形物の流動層の流動化状態を形成するとともに前記圧縮後水蒸気を熱源として前記流動層にある前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる自由水を蒸発させて水蒸気とし、前記含水固形物から自由水を分離する自由水乾燥流動層乾燥機と、前記自由水乾燥流動層乾燥機にて自由水が分離された前記含水固形物、水蒸気及び圧縮後水蒸気が供給され、前記水蒸気にて前記含水固形物の流動層の流動化状態を形成するとともに前記圧縮後水蒸気を熱源として前記流動層にある前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる結合水を蒸発させて水蒸気とし、自由水及び結合水を分離して乾燥した固形物とする結合水乾燥流動層乾燥機と、前記自由水乾燥流動層乾燥機及び前記結合水乾燥流動層乾燥機にて乾燥された前記固形物、及び気体媒体が供給され、前記気体媒体を冷熱源として前記固形物を冷却し、前記固形物から前記気体媒体に熱を回収する熱回収熱交換器と、前記熱回収熱交換器にて熱を回収した前記気体媒体を圧縮により昇温するガス圧縮機と、を含み、前記自由水乾燥流動層乾燥機及び前記結合水乾燥流動層乾燥機からはそれぞれ水蒸気が回収され、その一部が水蒸気として、その残りが圧縮により昇温された圧縮後水蒸気として、ともに各流動層乾燥機にそれぞれ供給され、各流動層乾燥機に供給された前記圧縮後水蒸気の少なくとも一部はそれぞれ凝縮して温水となり、前記ガス圧縮機にて昇温された前記気体媒体とともに前記予熱熱交換器に供給されるものである。前記結合水乾燥流動層乾燥機に供給される水蒸気は、前記自由水乾燥流動層乾燥機に供給される水蒸気より圧力が高くなるようにしてもよい。

前記結合水乾燥流動層乾燥機は、複数段の流動層乾燥機を含み、各段の流動層乾燥機には前段からの前記含水固形物がそれぞれ供給され、各段の流動層乾燥機からはそれぞれ水蒸気が回収され、その一部が水蒸気として、その残りが圧縮により昇温された圧縮後水蒸気として、ともに各段の流動層乾燥機にそれぞれ供給され、各段の流動層乾燥機に供給された前記圧縮後水蒸気の少なくとも一部はそれぞれ凝縮して温水となり、各段の流動層乾燥機にて前記含水固形物から順次に結合水を分離するようにしてもよい。各段の流動層乾燥機は、後段になるほど供給される水蒸気の圧力が高くなるようにしてもよい。

この発明によると、流動層乾燥機には熱源として圧縮後水蒸気を供給しているので、含水固形物との熱交換の効率を高め、ひいてはエネルギー消費を低減することができる。また、熱回収熱交換器にて乾燥した固形物から熱を回収して予熱熱交換器における予熱に再利用しているので、さらにエネルギー消費を低減することができる。さらに、この発明は、含水固形物を乾燥させる乾燥機に流動層乾燥機を採用しているので、装置の小型化を図ることができる。

乾燥装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。乾燥装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。乾燥装置の比較例１を示すブロック図である。乾燥装置の比較例２を示すブロック図である。乾燥装置の比較例３を示すブロック図である。乾燥装置の比較例４を示すブロック図である。乾燥装置の比較例５を示すブロック図である。本実施の形態の乾燥装置と比較例の乾燥装置のエネルギー消費量を示す図である。

以下、この発明に係る含水固形物乾燥装置の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

この明細書においては、特に言及する場合を除いて、被乾燥体の含水固形物に含まれ、加熱して乾燥する対象になる水は、含水固形物において組織と結合をしていない自由水を指すものとする。含水固形物において組織と結合をしている結合水を乾燥する場合には、別途その旨を記載する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の乾燥装置の構成を示す図である。第１の実施の形態の乾燥装置は、含水固形物を乾燥物にするものであって、その過程において含水固形物に供給した潜熱と顕熱をともに回収して再利用することにより、エネルギー消費を低減するものである。

この乾燥装置で処理する含水固形物には、汚泥、褐炭、バイオマスが含まれ、バイオマスには麦、ゴマ、米が含まれるが、これらに限定されない。また、以下の乾燥装置の説明において、構成要素等に関連して温度を例示するが、これらの温度は一例を示すものであって、これらに限定されない。

この乾燥装置は、原料の被乾燥体として供給される含水固形物を予熱する予熱熱交換器１１、予熱熱交換器１１にて予熱された含水固形物に含まれる水を蒸発させて乾燥体の固形物とする流動層乾燥機１２、流動層乾燥機１２から供給された固形物から熱を回収する熱回収熱交換器１５を有している。

また、この乾燥装置は、流動層乾燥機１２から回収された水蒸気の一部を流動層乾燥機１２に供給して流動層の流動化状態を確保するブロワ１４、回収された水蒸気の残りを断熱圧縮により圧縮後水蒸気として流動層乾燥機１２に供給する蒸気圧縮機１３を有している。

さらに、この乾燥装置は、熱回収熱交換器１５にて熱を回収した気体媒体を断熱圧縮により加熱して予熱熱交換器１１に供給するガス圧縮機１６、予熱熱交換器１１から供給された気体媒体の圧力にて駆動される圧力回収タービン１７、圧力回収タービン１７にて回収された動力をガス圧縮機１６に供給する動力回収機構１８を有している。

予熱熱交換器１１には、室温の３０℃の含水固形物が供給される。予熱熱交換器１１において、３０℃の含水固形物は、流動層乾燥機１２から供給された１１０℃の温水、ガス圧縮機１６から供給された１１０℃の気体熱媒を熱源として吸熱し、この含水固形物に含まれる水が蒸発を始める１００℃まで昇温される。

この予熱熱交換器１１に供給された１１０℃の温水は放熱して４５℃まで降温して排水として排出され、同じく供給された１１０℃の気体媒体も放熱して４５℃まで降温されて圧力回収タービン１７に送られる。

この予熱熱交換器１１には、胴体内において含水固形物を回転するスクリューフィーダーで搬送しつつ、スクリュー回転軸や胴体に配された伝熱管等を通じて熱交換させる熱交換器を使用することができる。この場合、熱交換器の胴体内を搬送される含水固形物は、伝熱管を流れる温水と胴体内を流れる気体媒体を熱源として熱交換することができる。

この予熱熱交換器１１はこのような熱交換器に限定されず、他の熱交換器を使用することができる。例えば、予熱熱交換器１１に流動層熱交換器を使用する場合、容器に格納された含水固形物は、供給された気体媒体により流動化状態を形成され、流動化状態にある含水固形物はこの気体媒体と容器に配された伝熱管を流れる温水を熱源として熱交換することができる。

予熱熱交換器１１にて１００℃まで昇温された含水固形物は、流動層乾燥機１２に供給される。流動層乾燥機１２には、この流動層乾燥機１２から回収された１００℃の水蒸気の一部が、ブロワ１４によりこの流動層乾燥機１２において含水固形物の流動層の流動化状態を形成するために供給されている。回収された水蒸気の残りは、蒸気圧縮機１３により断熱圧縮された１５０℃の圧縮後水蒸気としてこの流動層乾燥機１２に配された伝熱管に供給されている。

流動層乾燥機１２において、予熱熱交換器１１から供給された１００℃の含水固形物は、ブロワ１４から供給された１００℃の水蒸気によって流動層に形成され、流動化状態にある含水固形物は伝熱管を介して１５０℃の圧縮後水蒸気を熱源として加熱される。そして、この含水固形物に含まれる水が蒸発して水蒸気として分離され、含水固形物は１００℃の乾燥体の固形物とされる。

流動層乾燥機１２にブロワ１４から供給された１００℃の水蒸気は、この流動層乾燥機１２において含水固形物から蒸発した１００℃の水蒸気とともに回収されて蒸気圧縮機１３とブロワ１４に送られる。流動層乾燥機１２の伝熱管に蒸気圧縮機１３から供給された１５０℃の水蒸気は、伝熱管において放熱し、凝縮して１１０℃の温水となり予熱熱交換器１１に送られる。

流動層乾燥機１２にて乾燥された１００℃の固形物は、熱回収熱交換器１５に供給される。熱回収熱交換器１５において、１００℃の固形物は、室温の３０℃の空気などの気体媒体を冷熱源として冷却されて放熱し、室温近くの４０℃まで降温される。そして、最終的な乾燥体の固形物としてこの乾燥装置から提供される。

この熱回収熱交換器１５には、予熱熱交換器１１と同様に、スクリューフィーダー、流動層熱交換器など種々の熱交換器を使用することができる。流動層熱交換器を使用する場合、容器に格納された固形物は、供給された気体媒体により流動化状態を形成され、流動化状態にある含水固形物はこの気体媒体を冷熱源として熱交換することができる。

この熱回収熱交換器１５に供給された３０℃の気体媒体は、吸熱して９０℃まで昇温され、ガス圧縮機１６に送られる。ガス圧縮機１６において、熱回収熱交換器１５から供給された９０℃の気体媒体は、断熱圧縮されて１１０℃まで昇温され、予熱熱交換器１１に送られる。

予熱熱交換器１１に送られた１１０℃の気体媒体は、放熱して４５℃まで降温され、圧力回収タービン１７に送られる。圧力回収タービン１７において、気体媒体は断熱膨張によりこの圧力回収タービン１７を駆動し、３５℃まで降温された排気として排出される。

圧力回収タービン１７は、動力回収機構１８によってガス圧縮機１６に連結されている。ガス圧縮機１６は、この動力回収機構１８を通じて、圧力回収タービン１７にて回収された動力によって駆動されている。動力回収機構１８は、圧力回収タービン１７とガス圧縮機１６の両者を同軸上に連結するものであってもよいが、これに限られない。動力回収機構１８は、圧力回収タービン１７で得られた回収された動力によって圧力回収タービン１７を駆動することができる適当な機構であればよい。

この乾燥装置においては、流動層乾燥機１２を採用し、被乾燥体である含水固形物を流動層の流動化状態として熱交換を行うことにより、熱源の圧縮後水蒸気と含水固形物との間において高い熱交換の効率を確保している。したがって、流動層乾燥機１２の小型化が可能であり、ひいては乾燥機全体の小型化を図ることができる。また、予熱熱交換器１１と熱回収熱交換器１５の少なくとも一方にも流動層乾燥機を採用することにより、乾燥装置のさらなる小型化を図ることができる。

この乾燥装置においては、流動層乾燥機１２から排出された水蒸気を断熱圧縮した圧縮後水蒸気を流動層乾燥機１２に熱源として供給することにより、この流動層乾燥機１２において含水固形物に含まれる水が蒸発する際に吸収した潜熱を含水固形物の水分を蒸発させるために供給する潜熱に再利用している。流動層乾燥機１２に熱源として供給する圧縮後水蒸気は空気などのガスと比べると熱容量が大きく、熱交換の効率を高め、ひいてはエネルギー消費を低減することができる。

また、この乾燥装置においては、熱回収熱交換器１５にて熱を回収した気体媒体を断熱圧縮して予熱熱交換器１１の熱源として供給することにより、熱回収熱交換器１５にて回収した含水固形物の顕熱を予熱熱交換器１１にて含水固形物を予熱するために供給する顕熱に再利用している。さらに、予熱熱交換器１１の熱源として流動層乾燥機１２から供給された温水を使用し、予熱熱交換器１１から供給された気体媒体を圧力回収タービン１７にて動力として回収することによって熱の再利用を図っている。

このように、この乾燥装置においては、蒸気再圧縮、温水熱回収、乾燥体熱回収及び気体媒体圧縮の各工程により熱を回収して再利用している。したがって、この乾燥装置においては、熱効率の向上とともに消費エネルギーの低減が達成されている。

（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態の含水固形物乾燥装置の概略的な構成を示すブロック図である。第２の実施の形態の乾燥装置は、単一の流動層乾燥機１２を有する第１の実施の形態とは異なり、自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２を備え、含水固形物に含まれる自由水のみならず結合水も乾燥させるものである。この第２の実施の形態の乾燥装置は、これら自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２、及びこれらの流動層乾燥機に付随する蒸気圧縮機とブロワを除くと、前述した第１の実施の形態の含水固形物乾燥装置と同様の構成を有している。

この乾燥装置は、原料の被乾燥体として供給される含水固形物を予熱する予熱熱交換器２１、予熱熱交換器２１にて予熱された含水固形物に含まれる自由水を蒸発させる自由水乾燥流動層乾燥機２２、自由水乾燥流動層乾燥機２２から供給された含水固形物に含まれる結合水を蒸発させる結合水乾燥流動層乾燥機３２、結合水乾燥流動層乾燥機３２から供給された固形物から熱を回収する熱回収熱交換器１５を有している。

また、この乾燥装置は、自由水乾燥流動層乾燥機２２から回収された水蒸気の一部を自由水乾燥流動層乾燥機２２に供給して流動層の流動化状態を確保する第１のブロワ２４、回収された水蒸気の残りを断熱圧縮により圧縮後水蒸気として自由水乾燥流動層乾燥機２２に供給する第１の蒸気圧縮機２３を有している。

同様に、この乾燥装置は、結合水乾燥流動層乾燥機３２から回収された水蒸気の一部を結合水乾燥流動層乾燥機３２に供給して流動層の流動化状態を確保する第２のブロワ３４、回収された水蒸気の残りを断熱圧縮により圧縮後水蒸気として結合水乾燥流動層乾燥機３２に供給する第２の蒸気圧縮機３３を有している。

さらに、この乾燥装置は、熱回収熱交換器１５にて熱を回収した気体媒体を断熱圧縮により加熱して予熱熱交換器２１に供給するガス圧縮機１６、予熱熱交換器２１から供給された気体媒体の圧力にて駆動される圧力回収タービン１７、圧力回収タービン１７にて回収された動力をガス圧縮機１６に供給する動力回収機構１８を有している。

予熱熱交換器２１には、室温の３０℃の含水固形物が供給される。予熱熱交換器２１において、３０℃の含水固形物は、自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２から供給された１１０℃の温水、ガス圧縮機１６から供給された１１０℃の気体媒体を熱源として吸熱し、この含水固形物に含まれる水が蒸発を始める１００℃まで昇温される。

この予熱熱交換器２１に供給された１１０℃の温水は放熱して４５℃まで降温して排水として排出され、同じく供給された１１０℃の気体媒体も放熱して４０℃まで降温されて圧力回収タービン１７に送られる。

この予熱熱交換器２１には、スクリューフィーダー、流動層熱交換器など種々の熱交換器を使用することができる。流動層熱交換器を使用する場合、容器に格納された含水固形物は、供給された気体媒体により流動化状態を形成され、流動化状態にある含水固形物はこの気体媒体と伝熱管を流れる温水を熱源として熱交換することができる。

予熱熱交換器２１にて１００℃まで昇温された含水固形物は、自由水乾燥流動層乾燥機２２に供給される。自由水乾燥流動層乾燥機２２には、この自由水乾燥流動層乾燥機２２から回収された１００℃の水蒸気の一部が、第１のブロワ２４によりこの自由水乾燥流動層乾燥機２２において含水固形物の流動層の流動化状態を形成するために供給されている。回収された水蒸気の残りは、第１の蒸気圧縮機２３により断熱圧縮された１５０℃の圧縮後水蒸気としてこの自由水乾燥流動層乾燥機２２に配された伝熱管に供給されている。

自由水乾燥流動層乾燥機２２において、予熱熱交換器２１から供給された１００℃の含水固形物は、第１のブロワ２４から供給された１００℃の水蒸気によって流動層に形成され、流動化状態にある含水固形物は伝熱管を介して１５０℃の圧縮後水蒸気を熱源として加熱される。そして、この含水固形物に含まれる自由水が蒸発して水蒸気として分離され、１００℃の含水固形物とされる。

自由水乾燥流動層乾燥機２２に第１のブロワ２４から供給された１００℃の水蒸気は、この自由水乾燥流動層乾燥機２２において含水固形物から蒸発した１００℃の水蒸気とともに回収されて第１の蒸気圧縮機２３と第１のブロワ２４に送られる。自由水乾燥流動層乾燥機２２の伝熱管に第１の蒸気圧縮機２３から供給された１５０℃の水蒸気は、伝熱管において放熱し、凝縮して１１０℃の温水となり予熱熱交換器２１に送られる。

自由水乾燥流動層乾燥機２２にて自由水が分離された１００℃の含水固形物は、結合水乾燥流動層乾燥機３２に供給される。結合水乾燥流動層乾燥機３２には、この結合水乾燥流動層乾燥機３２から回収された１００℃の水蒸気の一部が、第２のブロワ３４によりこの結合水乾燥流動層乾燥機３２において含水固形物の流動層の流動化状態を形成するために供給されている。回収された水蒸気の残りは、第２の蒸気圧縮機３３により断熱圧縮された１５０℃の圧縮後水蒸気としてこの結合水乾燥流動層乾燥機３２に配された伝熱管に供給されている。

この結合水乾燥流動層乾燥機３２においては、含水固形物における結合水を蒸発させるため、第２のブロワ３４から供給される水蒸気によって流動層における水蒸気の圧力を自由水乾燥流動層乾燥機２２より高くしている。このように含水固形物の流動層を高圧の水蒸気に暴露することにより、含水固形物の組織と結合した結合水を水蒸気として分離することができる。

結合水乾燥流動層乾燥機３２において、自由水乾燥流動層乾燥機２２から供給された１００℃の含水固形物は、第２のブロワ３４から供給された１００℃の水蒸気によって流動層に形成され、流動化状態にある含水固形物は伝熱管を介して１５０℃の圧縮後水蒸気を熱源として加熱される。そして、この含水固形物に含まれる結合水が蒸発して水蒸気として分離され、１００℃の含水固形物とされる。

結合水乾燥流動層乾燥機３２に第２のブロワ３４から供給された１００℃の水蒸気は、この結合水乾燥流動層乾燥機３２において含水固形物から蒸発した１００℃の水蒸気とともに回収されて第２の蒸気圧縮機３３と第２のブロワ３４に送られる。結合水乾燥流動層乾燥機３２の伝熱管に第２の蒸気圧縮機３３から供給された１５０℃の水蒸気は、伝熱管において放熱し、凝縮して１１０℃の温水となり予熱熱交換器２１に送られる。

含水固形物は、自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２で自由水と結合水が取り除かれ乾燥体の固形物となり、１００℃の固形物として熱回収熱交換器１５に供給される。熱回収熱交換器１５において、１００℃の固形物は、室温の３０℃の空気などの気体媒体を冷熱源として冷却されて放熱し、室温近くの４０℃まで降温される。そして、最終的な乾燥体の固形物としてこの乾燥装置から提供される。

この熱回収熱交換器１５には、予熱熱交換器２１と同様に、スクリューフィーダー、流動層熱交換器など種々の熱交換器を使用することができる。流動層熱交換器を使用する場合、容器に格納された固形物は、供給された気体媒体により流動化状態を形成され、流動化状態にある含水固形物はこの気体媒体を冷熱源として熱交換することができる。

この熱回収熱交換器１５に供給された３０℃の気体媒体は、吸熱して９０℃まで昇温され、ガス圧縮機１６に送られる。ガス圧縮機１６において、熱回収熱交換器１５から供給された９０℃の気体媒体は、断熱圧縮されて１１０℃まで昇温され、予熱熱交換器２１に送られる。

予熱熱交換器２１に送られた１１０℃の気体媒体は、放熱して４５℃まで降温され、圧力回収タービン１７に送られる。圧力回収タービン１７において、気体媒体は断熱膨張によりこの圧力回収タービン１７を駆動し、３５℃まで降温された排気として排出される。

圧力回収タービン１７は動力回収機構１８によってガス圧縮機１６に連結されている。ガス圧縮機１６は、この動力回収機構１８を通じて、圧力回収タービン１７にて回収された動力によって駆動されている。動力回収機構１８は、圧力回収タービン１７とガス圧縮機１６の両者を同軸上に連結するものであってもよいが、これに限られない。動力回収機構１８は、圧力回収タービン１７で得られた回収された動力によって圧力回収タービン１７を駆動することができる適当な機構であればよい。

第２の実施の形態の乾燥装置においては、自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２という二段の流動層乾燥機を採用することにより、含水固形物から自由水のみならず結合水を分離することを実現している。したがって、この乾燥装置は、自由水のみならず結合水を除いた乾燥体の固形物を必要とする用途にも供することができる。

結合水が含水固形物の組織に強く結合しており、結合水の分離が難しい場合には、結合水乾燥流動層乾燥機３２の流動層における水蒸気の圧力や温度を高めることができる。また、結合水乾燥流動層乾燥機３２を複数段の流動層乾燥機にて構成し、各段の流動層乾燥機にて結合水を段階的に蒸発させて分離することもできる。このように複数段で構成した結合水乾燥流動層乾燥機３２は、含水固形物の組織に強く結合している結合水に実効がある。

この乾燥装置においても、第１の実施の形態の乾燥装置と同様に、自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２を採用し、被乾燥体である含水固形物を流動層の流動化状態として熱交換を行うことにより、熱源の圧縮後水蒸気と含水固形物と間において高い熱交換の効率を確保している。したがって、自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２の小型化が可能であり、ひいては乾燥機全体の小型化を図ることができる。また、予熱熱交換器２１と熱回収熱交換器１５の少なくとも一方にも流動層乾燥機を採用することにより、乾燥装置のさらなる小型化を図ることができる。

この乾燥装置においては、自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２から排出された水蒸気を断熱圧縮した圧縮後水蒸気を自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２に熱源としてそれぞれ供給することにより、この自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２において含水固形物に含まれる自由水と結合水が蒸発する際に吸収した潜熱を含水固形物の自由水と結合水を蒸発させるために供給する潜熱にそれぞれ再利用している。自由水乾燥流動層乾燥機２２と結合水乾燥流動層乾燥機３２に熱源として供給する圧縮後水蒸気は空気などのガスと比べると熱容量が大きく、熱交換の効率を高め、ひいてはエネルギー消費を低減することができる。

また、この乾燥装置においては、熱回収熱交換器１５にて熱を回収した気体媒体を断熱圧縮して予熱熱交換器２１の熱源として供給することにより、熱回収熱交換器１５にて回収した含水固形物の顕熱を予熱熱交換器２１にて含水固形物を予熱するために供給する顕熱に再利用している。さらに、予熱熱交換器２１の熱源として自由水乾燥流動層乾燥機２２及び結合水乾燥流動層乾燥機３２から供給された温水を使用し、予熱熱交換器２１から供給された気体媒体を圧力回収タービン１７にて動力として回収することによって熱の再利用を図っている。

（比較例１）
図３は、比較例１を示すブロック図である。この比較例１の乾燥装置は、流動層乾燥機１０２のみを含んでいる。流動層乾燥機１０２には、被乾燥体の含水固形物が供給されるとともに、含水固形物の流動層の流動化状態を形成し、含水固形物を加熱して乾燥させる水蒸気が熱源から供給されている。含水固形物は、加熱されてこの含水固形物に含まれる水が水蒸気として分離され、乾燥体の固形物として提供される。含水固形物を加熱した水蒸気は、含水固形物から発生した水蒸気とともに、流動層乾燥機１０２から排ガスとして排出される。

この比較例１は、含水固形物を加熱することによって乾燥した固形物とするものである。換言すると、比較例１は、加熱のみを行うものである。含水固形物の加熱に用いた熱の回収は行っていない。

（比較例２）
図４は、比較例２を示すブロック図である。この比較例２の乾燥装置は、熱交換器１０１及び流動層乾燥機１０２を含んでいる。熱交換器１０１には、被乾燥体の含水固形物が供給されるとともに、含水固形物を加熱する熱源となる水蒸気が供給されている。熱交換器１０１において、含水固形物は、この含水固形物に含まれる水が蒸発を始めるまで予熱され、流動層乾燥機１０２に送られる。含水固形物を加熱した水蒸気はその一部が凝縮し、排水と排ガスとして排出される。

流動層乾燥機１０２には、含水固形物が供給されるとともに、含水固形物の流動層の流動化状態を形成し、含水固形物を加熱して乾燥させる水蒸気が熱源から供給されている。含水固形物は、加熱されてこの含水固形物に含まれる水が水蒸気として分離され、乾燥体の固形物として提供される。含水固形物を加熱した気体媒体は、含水固形物から発生した蒸気とともに流動層乾燥機１０２から回収され、熱交換器１０１に送られる。

この比較例２は、含水固形物を加熱して含まれる水が蒸発する際に吸収した潜熱を温水により回収し、熱交換器１０１にて含水固形物を予熱する際の顕熱に供給することにより再利用している。換言すると、比較例２は、加熱及び温水熱回収を行うものである。したがって、この比較例２は、比較例１よりも熱効率が向上し、消費エネルギーが低減されている。

（比較例３）
図５は、比較例３を示すブロック図である。この比較例３の乾燥装置は、熱交換器１０１、流動層乾燥機１１２、蒸気圧縮機１１３、及びブロワ１１４を含んでいる。

熱交換器１０１には、被乾燥体の含水固形物が供給されるとともに、含水固形物を加熱する水蒸気などの熱媒が熱源から供給されている。熱交換器１０１において、含水固形物は、熱媒によってこの含水固形物に含まれる水が蒸発を始めるまで予熱され、流動層乾燥機１１２に送られる。含水固形物を予熱した熱媒は、廃熱として排出される。

流動層乾燥機１１２には、含水固形物が供給されるとともに、断熱圧縮により水蒸気を昇温する蒸気圧縮機１１３から圧縮後水蒸気が熱源として伝熱管に供給され、ブロワ１１４から含水固形物の流動層の流動化状態を形成する水蒸気が供給されている。含水固形物は、伝熱管を通じて圧縮後水蒸気により加熱され、この含水固形物に含まれる水が水蒸気として分離されて乾燥体の固形物として提供される。伝熱管を通じて含水固形物を加熱した水蒸気は凝縮して排水として排出される。流動層乾燥機１１２から排出された水蒸気は回収されて蒸気圧縮機１１３とブロワ１１４に送られる。

この比較例３は、流動層乾燥機１１２にて含水固形物に含まれる水が蒸発する際に吸収した潜熱を回収し、蒸気圧縮機１１３による蒸気再圧縮にて昇温した圧縮後水蒸気により含水固形物に含まれる水が蒸発させるために供給する潜熱に再利用している。換言すると、比較例３は、蒸気再圧縮を行うものである。したがって、この比較例３は、熱向上の向上と消費エネルギーの低減が図られている。

（比較例４）
図６は、比較例４を示すブロック図である。この比較例４の乾燥装置は、熱交換器１１１、流動層乾燥機１１２、蒸気圧縮機１１３、及びブロワ１１４を含んでいる。

熱交換器１１１には、被乾燥体の含水固形物が供給されるとともに、熱源から水蒸気などの熱媒、流動層乾燥機１１２から温水が供給されている。熱交換器１１１において、含水固形物は、熱媒と温水によってこの含水固形物に含まれる水が蒸発を始めるまで予熱され、流動層乾燥機１１２に送られる。含水固形物を予熱した熱媒は廃熱として排出され、温水は排水として排出される。

流動層乾燥機１１２には、含水固形物が供給されるとともに、断熱圧縮により水蒸気を昇温する蒸気圧縮機１１３から圧縮後水蒸気が熱源として伝熱管に供給され、ブロワ１１４から含水固形物の流動層の流動化状態を形成する水蒸気が供給されている。含水固形物は、伝熱管を通じて圧縮後水蒸気により加熱され、この含水固形物に含まれる水が水蒸気として分離されて乾燥体の固形物として提供される。伝熱管を通じて含水固形物を加熱した水蒸気は凝縮して温水となり熱交換器１０１に送られ、流動層乾燥機１０２から排出された水蒸気は回収されて蒸気圧縮機１１３とブロワ１１４に送られる。

この比較例４は、流動層乾燥機１１２にて含水固形物に含まれる水が蒸発する際に吸収した潜熱を回収し、蒸気圧縮機１１３による蒸気再圧縮にて昇温した圧縮後水蒸気により含水固形物に含まれる水が蒸発させるために供給する潜熱に再利用している。また、蒸気圧縮機１１３を駆動したエネルギーを温水として熱回収し、熱交換器１１１にて含水固形物を予熱する際の顕熱に供給することにより再利用している。換言すると、比較例４は、蒸気再圧縮、温水熱回収及び乾燥体熱回収を行うものである。したがって、この比較例４は、比較例３よりも熱効率が向上し、消費エネルギーが低減されている。

（比較例５）
図７は、比較例５を示すブロック図である。この比較例５の乾燥装置は、第１の熱交換器１２１、流動層乾燥機１１２、蒸気圧縮機１１３、ブロワ１１４、及び第２の熱交換器１１５を含んでいる。

第１の熱交換器１２１には、被乾燥体の含水固形物が供給されるとともに、熱源から水蒸気などの熱媒、流動層乾燥機１１２から温水、第２の熱交換器１１５から気体熱媒が供給されている。第１の熱交換器１２１において、含水固形物は、熱媒、温水及び気体媒体によってこの含水固形物に含まれる水が蒸発を始めるまで予熱され、流動層乾燥機１１２に送られる。含水固形物を加熱した熱媒は廃熱として、温水は排水として、気体媒体は排気として排出される。

流動層乾燥機１１２には、含水固形物が供給されるとともに、断熱圧縮により水蒸気を昇温する蒸気圧縮機１１３から圧縮後水蒸気が熱源として伝熱管に供給され、ブロワ１１４から含水固形物の流動層の流動化状態を形成する水蒸気が供給されている。含水固形物は、伝熱管を通じて圧縮後水蒸気により加熱され、この含水固形物に含まれる水が水蒸気として分離されて乾燥体の固形物となり、第２の熱交換器１１５に送られる。伝熱管を通じて含水固形物を加熱した水蒸気は凝縮して温水となり第１の熱交換器１２１に送られ、流動層乾燥機１１２から排出された水蒸気は回収されて蒸気圧縮機１１３とブロワ１１４に送られる。

第２の熱交換器１１５には、乾燥体の固形物が供給されるとともに、冷熱源として空気などの気体熱媒が供給されている。含水固形物は、気体媒体により熱を回収され冷却されて提供される。気体媒体は、固形物から熱を回収して第１の熱交換器１２１に送られる。

この比較例５は、流動層乾燥機１１２にて含水固形物に含まれる水が蒸発する際に吸収した潜熱を回収し、蒸気圧縮機１１３による蒸気再圧縮にて昇温した圧縮後水蒸気により含水固形物に含まれる水が蒸発させるために供給する潜熱に再利用している。また、蒸気圧縮機１１３を駆動したエネルギーを温水として熱回収し、第１の熱交換器１２１にて含水固形物を予熱する際の顕熱に供給することにより再利用している。さらに、第２の熱交換器１１５にて固形物が冷却される際に回収した顕熱を第１の熱交換器１２１にて含水固形物を予熱する際の顕熱に供給することにより再利用している。換言すると、比較例５は、蒸気再圧縮、温水熱回収及び乾燥体熱回収を行うものです。したがって、この比較例５は、比較例４よりも熱効率が向上し、消費エネルギーが低減されている。

（実施の形態と比較例の対比）
図８は、第１の実施の形態、比較例１〜５の消費エネルギーを対比する図である。図中の（ａ）〜（ｅ）は比較例１〜５を示し、（ｆ）は第１の実施の形態を示している。

この図から明らかなように、（ａ）の加熱のみの比較例１、（ｂ）の加熱及び温水熱回収を行う比較例２、（ｃ）の蒸気再圧縮の比較例３、（ｄ）の蒸気再圧縮及び温水熱回収を行う比較例４、（ｅ）の蒸気再圧縮、温水熱回収及び乾燥体熱回収を行う比較例５の順序で、熱回収の工程が増えるにしたがい消費エネルギーが低下している。

ここで、蒸気再圧縮の工程を含む（ｃ）〜（ｅ）に相当する比較例３〜５においては、蒸気再圧縮による圧縮後水蒸気を利用して含水固形物の潜熱の回収と再利用が達成されている。大きな熱容量を有する圧縮後水蒸気により熱交換の効率が向上し、消費エネルギーに顕著な低減が見られる。

これに対して、第１の実施の形態においては、蒸気再圧縮、温水熱回収、乾燥体熱回収及び気体乾燥圧縮の工程を含んでいる。詳しくは、第１の実施の形態は、蒸気再圧縮、温水熱回収及び乾燥体熱回収を行っている（ｅ）の比較例５に加えて、更に気体熱媒圧縮を含み、含水固形物から顕熱と潜熱の両方を回収して再利用している。したがって、（ｆ）に相当する第１の実施の形態においては、エネルギー消費が（ａ）〜（ｅ）に相当する比較例１〜４よりも低く、（ａ）に相当する加熱のみを行う比較例１と対比した消費エネルギー相対値は６％となり、顕著な低減が実現されている。

第１の実施の形態においては、さらに圧力回収タービン１７により気体熱媒圧縮の駆動エネルギーを回収し、気体熱媒圧縮の動力として再利用している。この圧力回収の工程を追加すると、この第１の実施の形態の消費エネルギー相対値は（ｆ）の６％よりもさらに低減される。換言すると、この第１の実施の形態によると、（ａ）〜（ｅ）に相当する比較例１〜４よりも例えば５０〜９５％ものエネルギー消費の低減が可能になる。

なお、ここでは第１の実施の形態と比較例１〜５の消費エネルギーを対比したが、第２の実施の形態の乾燥機についても第１の実施の形態の乾燥機と同様に蒸気再圧縮、温水熱回収、乾燥体熱回収及び気体乾燥圧縮の工程を含んでいる。したがって、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の低い消費エネルギーを実現することができる。

１１予熱熱交換器
１２流動層乾燥機
１３蒸気圧縮機
１４ブロワ
１５熱回収熱交換器
１６ガス圧縮機
１７圧力回収タービン
１８動力回収機構

Claims

含水固形物、温水及び気体媒体が供給され、前記温水及び前記気体媒体を熱源として前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる水が蒸発を始めるまで予熱する予熱熱交換器と、
前記予熱熱交換器にて予熱された前記含水固形物、水蒸気及び圧縮後水蒸気が供給され、前記水蒸気にて前記含水固形物の流動層の流動化状態を形成するとともに前記圧縮後水蒸気を熱源として前記流動層にある前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる水を蒸発させて水蒸気とし、前記含水固形物から水を分離して乾燥した固形物とする流動層乾燥機と、
前記流動層乾燥機にて乾燥された前記固形物、及び気体媒体が供給され、前記気体媒体を冷熱源として前記固形物を冷却し、前記固形物から前記気体媒体に熱を回収する熱回収熱交換器と、
前記熱回収熱交換器にて熱を回収した前記気体媒体を圧縮により昇温するガス圧縮機と、
を含み、前記流動層乾燥機からは水蒸気が回収され、その一部が水蒸気として、その残りが圧縮により昇温された圧縮後水蒸気として、ともに前記流動層乾燥機に供給され、前記流動層乾燥機に供給された前記圧縮後水蒸気の少なくとも一部は凝縮して温水となり、前記ガス圧縮機にて昇温された前記気体媒体とともに前記予熱熱交換器に供給される含水固形物乾燥装置。
前記流動層乾燥機から回収された水蒸気の前記一部の水蒸気を前記流動層乾燥機に供給するブロワをさらに含む請求項１に記載の含水固形物乾燥装置。
前記流動層乾燥機から回収された水蒸気の前記残りを圧縮により昇温した圧縮後水蒸気を前記流動層乾燥機に供給する蒸気圧縮機をさらに含む請求項１または２に記載の含水固形物乾燥装置。
前記流動層乾燥機は伝熱管をさらに含み、前記圧縮後水蒸気は前記伝熱管に供給され、前記伝熱管を介して放熱し、凝縮して温水になる請求項１〜３のいずれか一項に記載の含水固形物乾燥装置。
前記予熱熱交換器にて前記含水固形物を予熱した前記気体媒体が供給され、前記気体媒体の圧力によって駆動される圧力回収タービンをさらに含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の含水固形物乾燥装置。
前記圧力回収タービンにて回収された動力を前記ガス圧縮機に供給する動力回収機構をさらに含む請求項５に記載の含水固形物乾燥装置。
前記動力回収機構は、前記ガス圧縮機及び前記圧力回収タービンを同軸上で連結する請求項６に記載の含水固形物乾燥装置。
含水固形物、温水及び気体媒体が供給され、前記温水及び前記気体媒体を熱源として前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる水が蒸発を始めるまで予熱する予熱熱交換器と、
前記予熱熱交換器にて予熱された前記含水固形物、水蒸気及び圧縮後水蒸気が供給され、前記水蒸気にて前記含水固形物の流動層の流動化状態を形成するとともに前記圧縮後水蒸気を熱源として前記流動層にある前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる自由水を蒸発させて水蒸気とし、前記含水固形物から自由水を分離する自由水乾燥流動層乾燥機と、
前記自由水乾燥流動層乾燥機にて自由水が分離された前記含水固形物、水蒸気及び圧縮後水蒸気が供給され、前記水蒸気にて前記含水固形物の流動層の流動化状態を形成するとともに前記圧縮後水蒸気を熱源として前記流動層にある前記含水固形物を加熱し、前記含水固形物に含まれる結合水を蒸発させて水蒸気とし、自由水及び結合水を分離して乾燥した固形物とする結合水乾燥流動層乾燥機と、
前記自由水乾燥流動層乾燥機及び前記結合水乾燥流動層乾燥機にて乾燥された前記固形物、及び気体媒体が供給され、前記気体媒体を冷熱源として前記固形物を冷却し、前記固形物から前記気体媒体に熱を回収する熱回収熱交換器と、
前記熱回収熱交換器にて熱を回収した前記気体媒体を圧縮により昇温するガス圧縮機と、
を含み、前記自由水乾燥流動層乾燥機及び前記結合水乾燥流動層乾燥機からはそれぞれ水蒸気が回収され、その一部が水蒸気として、その残りが圧縮により昇温された圧縮後水蒸気として、ともに各流動層乾燥機にそれぞれ供給され、各流動層乾燥機に供給された前記圧縮後水蒸気の少なくとも一部はそれぞれ凝縮して温水となり、前記ガス圧縮機にて昇温された前記気体媒体とともに前記予熱熱交換器に供給される含水固形物乾燥装置。
前記結合水乾燥流動層乾燥機に供給される水蒸気は、前記自由水乾燥流動層乾燥機に供給される水蒸気より圧力が高い請求項８に記載の含水固形物乾燥装置。
前記結合水乾燥流動層乾燥機は、複数段の流動層乾燥機を含み、各段の流動層乾燥機には前段からの前記含水固形物がそれぞれ供給され、各段の流動層乾燥機からはそれぞれ水蒸気が回収され、その一部が水蒸気として、その残りが圧縮により昇温された圧縮後水蒸気として、ともに各段の流動層乾燥機にそれぞれ供給され、各段の流動層乾燥機に供給された前記圧縮後水蒸気の少なくとも一部はそれぞれ凝縮して温水となり、各段の流動層乾燥機にて前記含水固形物から順次に結合水を分離する請求項８または９に記載の含水固形物乾燥装置。
各段の流動層乾燥機は、後段になるほど供給される水蒸気の圧力が高い請求項１０に記載の含水固形物乾燥装置。