JP6772812B2 - 冷却装置 - Google Patents

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、加熱により乾燥された含水石炭が落下する移動層室と、前記移動層室の内壁から立設した本体部を有し、基端から先端に向かって下方に傾斜した第１の傾斜板と、前記移動層室の内壁における前記第１の傾斜板の基端より下方から立設した本体部を有し、基端から先端に向かって下方に傾斜した第２の傾斜板と、前記第１の傾斜板および前記第２の傾斜板を冷却する冷却部と、を備え、前記第１の傾斜板の先端の鉛直下方に、前記第２の傾斜板の本体部が位置する。

また、前記移動層室、前記第１の傾斜板、および、前記第２の傾斜板のうち、少なくともいずれかを振動させる振動部を備えてもよい。

また、前記第１の傾斜板、および、前記第２の傾斜板のうち、少なくともいずれか一方の傾斜板の本体部の上面に形成され、傾斜方向に延在したフィンを備えてもよい。

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、加熱により乾燥された含水石炭が落下する移動層室と、前記移動層室内において、鉛直方向と交差する方向に延在し、内部を冷媒が通過する複数の第１の伝熱管と、前記第１の伝熱管と交差する方向に延在し、内部を冷媒が通過する複数の第２の伝熱管と、を備える。

また、前記移動層室、前記第１の伝熱管、および、前記第２の伝熱管のうち、少なくともいずれかを振動させる振動部を備えてもよい。

また、前記第１の伝熱管、および、前記第２の伝熱管のうち、少なくともいずれか一方の外周面から立設し、放射状に延在したフィンを備えてもよい。

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。 第１の実施形態にかかる冷却装置の鉛直断面図である。 冷却部を説明する図である。 第１の変形例にかかる傾斜板を説明する図である。 第２の実施形態にかかる冷却装置の鉛直断面図である。 （ａ）は、図５のＶＩａ−ＶＩａ線断面図であり、（ｂ）は、図５のＶＩｂ−ＶＩｂ線断面図である。 第２の変形例にかかる伝熱管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）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、第１の実施形態にかかる冷却装置１２０の鉛直断面図である。図２に示すように、冷却装置１２０は、移動層室２１０と、複数の傾斜板２２０と、冷却部２３０と、振動部２４０とを含んで構成される。なお、図２中、移動層室２１０外の乾燥炭ＤＣの流れを白抜きの矢印で示し、移動層室２１０内の乾燥炭ＤＣを黒丸で示し、冷媒の流れを実線の矢印で示す。また、図２中、理解を容易にするために、冷媒の流路を省略する。

移動層室２１０は、上部２１２と、中央部２１４と、下部２１６とを含んで構成される。上部２１２は、角錐形状であり、頂部が鉛直上方に配される。上部２１２は、頂部に配管２１２ａが接続される。乾燥装置１１０で乾燥された褐炭ＢＣ（乾燥炭ＤＣ、例えば、８０℃〜１５０℃程度）は、配管２１２ａを通じて移動層室２１０（上部２１２）に導入される。

また、上部２１２の内部空間には、分散器２１２ｂが設けられている。分散器２１２ｂは、配管２１２ａを通じて導入された乾燥炭ＤＣを分散させる。本実施形態において分散器２１２ｂは、複数の円錐形状の部材２１２ｃａ、２１２ｃｂで構成される。最も鉛直上方に配される部材２１２ｃａは、頂部が配管２１２ａの開口に臨むように、上部２１２の内部空間に配される。部材２１２ｃａの下方には、部材２１２ｃｂが配される。部材２１２ｃｂは、頂部が部材２１２ｃａの下端に臨むように配される。

したがって、配管２１２ａを通じて上部２１２に導入された乾燥炭ＤＣは、落下搬送されて部材２１２ｃａの頂部に衝突し、部材２１２ｃａの径方向外方に分散される。分散された乾燥炭ＤＣは、部材２１２ｃａの外壁面を流下し、下端から落下搬送される。そして、部材２１２ｃａから落下搬送された乾燥炭ＤＣは、部材２１２ｃｂの頂部に衝突し、部材２１２ｃｂの径方向外方に分散される。分散された乾燥炭ＤＣは、部材２１２ｃｂの外壁面を流下し、下端から中央部２１４に落下搬送される。

中央部２１４は、上部２１２の下端に連続した、角筒形状の管であり、中心軸が鉛直方向に沿うように設置される。下部２１６は、角錐形状であり、中央部２１４の下端に連続しており、頂部が鉛直下方に配される。下部２１６の頂部には、配管２１６ａが接続される。

傾斜板２２０は、中央部２１４（移動層室２１０）の内壁から、移動層室２１０の中心に向かって立設した本体部２２２を有し、基端２２２ａから先端２２２ｂに向かって下方に傾斜した板である。傾斜板２２０は、移動層室２１０内に複数（ここでは、８個）設けられる。傾斜板２２０は、例えば、金属製である。

複数の傾斜板２２０は、基端２２２ａの鉛直方向の位置が異となるように移動層室２１０内に設けられる。また、１の傾斜板２２０（第１の傾斜板２２０）の先端２２２ｂの下方に、当該傾斜板２２０の下方に配される傾斜板２２０（第２の傾斜板２２０）の本体部２２２が位置するように設けられる。

したがって、配管２１２ａを通じて上部２１２に導入された乾燥炭ＤＣは、最も鉛直上方に配された傾斜板２２０（１段目の傾斜板２２０）、または、２段目の傾斜板２２０の本体部２２２に落下する。そして、傾斜板２２０に落下した乾燥炭ＤＣは、落下による衝撃（本体部２２２との衝突）によって分散され、他の乾燥炭ＤＣと混合される。混合された乾燥炭ＤＣは、傾斜板２２０の傾斜方向に沿って本体部２２２を流下する。そして、乾燥炭ＤＣが先端２２２ｂに到達すると、先端２２２ｂから次段の傾斜板２２０の本体部２２２に落下する。このようにして、最も鉛直下方に配された傾斜板２２０（最下段の傾斜板２２０）の本体部２２２に落下した乾燥炭ＤＣは、配管２１６ａを通じて、貯留部１３０に送出される。つまり、乾燥装置１１０から移動層室２１０に導入された乾燥炭ＤＣは、傾斜板２２０を流下しながら落下し、貯留部１３０に送出される。

冷却部２３０は、例えば、冷媒（例えば、水、空気）を冷却するクーラーと、ポンプとを含んで構成され、移動層室２１０および傾斜板２２０を冷却する。

図３は、冷却部２３０を説明する図であり、移動層室２１０と、傾斜板２２０との鉛直断面の部分拡大図である。なお、図３中、冷媒の流れを実線の矢印で示す。また、図３中、理解を容易にするために、振動部２４０を省略する。

図３に示すように、移動層室２１０を構成する壁部２１０ａ内には、流路ＲＡが形成されている。また、傾斜板２２０の内部には、流路ＲＡと連通する流路ＲＢが形成されている。流路ＲＢは、壁部２１０ａの外壁から延在した仕切板２２４で上流路ＲＢａと下流路ＲＢｂに分割されている。

冷却部２３０は、移動層室２１０の下部に設けられた、流路ＲＡと連通する冷媒導入口から冷媒を導入する。また、冷却部２３０は、移動層室２１０の上部に設けられた、流路ＲＡと連通する冷媒排出口から冷媒を排出する。

そうすると、冷媒導入口から導入された冷媒は、流路ＲＡを上昇する。そして、冷媒は、仕切板２２４に衝突すると、下流路ＲＢｂに流れ込む。下流路ＲＢｂを流れた冷媒は、仕切板２２４の先端と、本体部２２２の先端２２２ｂとの間を通り、上流路ＲＢａに流れ込む。そして、上流路ＲＢａを流れた冷媒は、再び流路ＲＡに戻り、冷媒排出口に向けて上昇する。

冷却部２３０を備える構成により、移動層室２１０および傾斜板２２０を冷却することができる。

したがって、乾燥炭ＤＣは、傾斜板２２０の本体部２２２を流下する過程において、本体部２２２と接触して熱交換される。これにより、乾燥炭ＤＣの熱が本体部２２２を通じて冷媒に移動し、乾燥炭ＤＣが冷却される。

また、上記したように、乾燥炭ＤＣが落下して本体部２２２に衝突すると落下による衝撃で分散されて、乾燥炭ＤＣが他の乾燥炭ＤＣと混合される。したがって、移動層室２１０に導入されたほとんどすべての乾燥炭ＤＣが満遍なく本体部２２２に接触する。これにより、乾燥炭ＤＣを偏りなく冷却することができる。

図２に戻って説明すると、振動部２４０は、本体部２２２（傾斜板２２０）の下方、および、移動層室２１０に設置され、傾斜板２２０および移動層室２１０を振動させる。振動部２４０は、例えば、偏心モータで構成される。

振動部２４０を備える構成により、乾燥炭ＤＣが滞留してしまう事態を回避することができる。また、乾燥炭ＤＣと本体部２２２との接触時間を延長することができる。これにより、乾燥炭ＤＣをさらに冷却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、不活性ガスよりも熱容量の大きい傾斜板２２０内の冷媒で乾燥炭ＤＣを冷却することができる。不活性ガスのみで冷却する従来技術では、不活性ガスと乾燥炭とを直接接触させるため、不活性ガスが汚染されてしまい、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、本実施形態にかかる冷却装置１２０では、冷媒と乾燥炭ＤＣとが移動層室２１０、傾斜板２２０を介して接触する。すなわち、冷媒と乾燥炭ＤＣとが直接接触することはないため、従来技術と比較して、冷媒を回収し、循環させるためのコストが低い。したがって、乾燥炭ＤＣを低コストで冷却することが可能となる。

（第１の変形例）
上記第１の実施形態では、傾斜板２２０が平板で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、傾斜板２２０にフィンが設けられていてもよい。

図４は、第１の変形例にかかる傾斜板３２０を説明する図である。図４に示すように、傾斜板３２０は、本体部２２２と、フィン３２２とを備える。

フィン３２２は、本体部２２２の上面から鉛直上方に立設した複数の板部材３２４で構成される。板部材３２４は、傾斜板３２０の傾斜方向に延在している。

したがって、本体部２２２に落下した乾燥炭ＤＣは、隣り合う板部材３２４の間に形成された間隙を流下することとなる。したがって、乾燥炭ＤＣは、本体部２２２のみならず、板部材３２４（フィン３２２）とも接触する。したがって、乾燥炭ＤＣの冷却を促進させることができる。

（第２の実施形態：冷却装置４２０）
図５は、第２の実施形態にかかる冷却装置４２０の鉛直断面図である。図６（ａ）は、図５のＶＩａ−ＶＩａ線断面図であり、図６（ｂ）は、図５のＶＩｂ−ＶＩｂ線断面図である。図５に示すように、冷却装置４２０は、移動層室２１０と、伝熱管ユニット４３０、４４０と、冷却部２３０と、振動部２４０とを含んで構成される。なお、上記第１の実施形態で説明した冷却装置１２０と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

また、図５中、乾燥炭ＤＣの流れを白抜きの矢印で示し、冷媒の流れを実線の矢印で示す。さらに、本実施形態の図５、図６では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義する。

図５に示すように、伝熱管ユニット４３０、４４０は、移動層室２１０内を貫通する複数の伝熱管４３２、４４２で構成される。伝熱管４３２、４４２は、金属製であり、伝熱管４３２、４４２の内部は、冷却部２３０から供給された冷媒（例えば、水）が通過する。本実施形態において、４つの伝熱管ユニット４３０と、４つの伝熱管ユニット４４０が移動層室２１０に設けられ、伝熱管ユニット４３０と、伝熱管ユニット４４０とが鉛直方向に交互に配される。

図５、図６（ａ）に示すように、伝熱管ユニット４３０を構成する伝熱管４３２（第１の伝熱管）は、鉛直方向と交差する方向（本実施形態では、水平方向（図５、図６（ａ）中、Ｘ軸方向））に延在して設けられる。

また、図５、図６（ｂ）に示すように、伝熱管ユニット４４０を構成する伝熱管４４２（第２の伝熱管）は、伝熱管４３２と交差する方向（本実施形態では、水平方向（図５、図６（ｂ）中、Ｙ軸方向））に延在して設けられる。

複数の伝熱管４３２、４４２には、移動層室２１０を構成する壁部２１０ａ内に形成された流路ＲＡが連通されている。したがって、伝熱管４３２、４４２には、冷媒が流れ込むこととなる。

したがって、移動層室２１０に導入された乾燥炭ＤＣは、移動層室２１０を落下する過程において、伝熱管４３２、４４２と接触して熱交換される。これにより、乾燥炭ＤＣの熱が伝熱管４３２、４４２を通じて冷媒に移動し、乾燥炭ＤＣが冷却される。

なお、伝熱管４４２が伝熱管４３２と交差する方向に延在して設けられることにより、乾燥炭ＤＣが、伝熱管４３２、伝熱管４４２の少なくともいずれかに接触する確率を向上させることができる。

また、乾燥炭ＤＣは、伝熱管４３２、４４２に衝突すると落下による衝撃で分散されて、乾燥炭ＤＣが他の乾燥炭ＤＣと混合される。したがって、移動層室２１０に導入されたほとんどすべての乾燥炭ＤＣが満遍なく伝熱管４３２、４４２に接触する。これにより、乾燥炭ＤＣを偏りなく冷却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４２０によれば、不活性ガスよりも熱容量の大きい伝熱管４３２、４４２内の冷媒で乾燥炭ＤＣを冷却することができる。不活性ガスのみで冷却する従来技術では、不活性ガスと乾燥炭とを直接接触させるため、不活性ガスが汚染されてしまい、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、本実施形態にかかる冷却装置４２０では、冷媒と乾燥炭ＤＣとが移動層室２１０、伝熱管ユニット４３０、４４０を介して接触する。すなわち、冷媒と乾燥炭ＤＣとが直接接触することはないため、従来技術と比較して、冷媒を回収し、循環させるためのコストが低い。したがって、乾燥炭ＤＣを低コストで冷却することが可能となる。

（第２の変形例）
図７は、第２の変形例にかかる伝熱管４３２を説明する図である。図７に示すように、伝熱管４３２の外周面から放射状に立設した金属製のフィン４５０を備えてもよい。また、伝熱管４４２がフィン４５０を備えてもよい。フィン４５０は、鉛直上方に延在して設けられる。

フィン４５０を備える構成により、落下した乾燥炭ＤＣが、冷媒で冷却された固体と接触する面積を拡大することができる。したがって、乾燥炭ＤＣの冷却を促進させることができる。

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、冷却部２３０として、冷媒を循環させる装置を例に挙げて説明した。しかし、冷却部２３０は、移動層室２１０、傾斜板２２０、伝熱管４３２、４４２を冷却できれば、構成に限定はない。例えば、冷却部２３０をペルチェ素子で構成してもよい。

また、上記第１の実施形態において、傾斜板２２０が平板で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、傾斜板２２０は、基端２２２ａから先端２２２ｂに向かって下方に傾斜していれば、形状に限定はない。例えば、傾斜板２２０は、湾曲した板で構成されてもよい。

また、上記第２の実施形態において、伝熱管４３２、４４２が水平方向に延在する構成を例に挙げて説明した。しかし、伝熱管４３２は、鉛直方向（乾燥炭ＤＣの移動方向）と交差する方向に延在していればよい。したがって、伝熱管４３２は、水平方向に対して傾斜していてもよい。また、伝熱管４４２は、伝熱管４３２と交差する方向に延在していればよい。例えば、伝熱管４４２は、水平方向に対して傾斜していてもよいし、鉛直方向に延在していてもよい。

また、上記第２の実施形態において、伝熱管４３２、４４２が円筒形状である場合を例に挙げて説明した。しかし、伝熱管４３２、４４２の形状に限定はない。例えば、伝熱管４３２、４４２を角筒形状としてもよいし、三角筒形状としてもよい。

また、上記第２の実施形態において、伝熱管ユニット４３０、４４０を４組備える構成を例に挙げて説明した。しかし、伝熱管４３２と伝熱管４４２とが少なくとも１組設けられていればよい。

また、上記第１の実施形態において、振動部２４０が移動層室２１０および傾斜板２２０を振動させる構成を例に挙げて説明した。しかし、振動部２４０は、移動層室２１０、第１の傾斜板、および、第２の傾斜板の少なくともいずれかを振動させることができればよい。また、上記第２の実施形態において、振動部２４０が移動層室２１０を振動させる構成を例に挙げて説明した。しかし、振動部２４０は、移動層室２１０、伝熱管４３２、および、伝熱管４４２の少なくともいずれかを振動させることができればよい。

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 移動層室
２２０ 傾斜板（第１の傾斜板、第２の傾斜板）
２２２ 本体部
２２２ａ 基端
２２２ｂ 先端
２３０ 冷却部
２４０ 振動部
３２０ 傾斜板
３２２ フィン
４２０ 冷却装置
４３２ 伝熱管（第１の伝熱管）
４４２ 伝熱管（第２の伝熱管）
４５０ フィン

Claims (6)

1. 加熱により乾燥された含水石炭が落下する移動層室と、
   前記移動層室の内壁から立設した本体部を有し、基端から先端に向かって下方に傾斜した第１の傾斜板と、
   前記移動層室の内壁における前記第１の傾斜板の基端より下方から立設した本体部を有し、基端から先端に向かって下方に傾斜した第２の傾斜板と、
   前記第１の傾斜板および前記第２の傾斜板を冷却する冷却部と、
   を備え、
   前記第１の傾斜板の先端の鉛直下方に、前記第２の傾斜板の本体部が位置する冷却装置。
2. 前記移動層室、前記第１の傾斜板、および、前記第２の傾斜板のうち、少なくともいずれかを振動させる振動部を備えた請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記第１の傾斜板、および、前記第２の傾斜板のうち、少なくともいずれか一方の傾斜板の本体部の上面に形成され、傾斜方向に延在したフィンを備えた請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 加熱により乾燥された含水石炭が落下する移動層室と、
   前記移動層室内において、鉛直方向と交差する方向に延在し、内部を冷媒が通過する複数の第１の伝熱管と、
   前記第１の伝熱管と交差する方向に延在し、内部を冷媒が通過する複数の第２の伝熱管と、
   を備えた冷却装置。
5. 前記移動層室、前記第１の伝熱管、および、前記第２の伝熱管のうち、少なくともいずれかを振動させる振動部を備えた請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記第１の伝熱管、および、前記第２の伝熱管のうち、少なくともいずれか一方の外周面から立設し、放射状に延在したフィンを備えた請求項４または５に記載の冷却装置。

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