JP6880781B2 - 乾燥システム - Google Patents

Description

本開示は、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、相対的に脆いため、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２０１３／０２１４６９号 国際公開第２０１２／１４１２１７号

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、流動化不良が生じる（流動化できなくなる）という課題がある。

本開示は、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化不良を解消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、本開示の一態様に係る乾燥システムは、含水固形物の粒子群を収容する収容部と、第１流速と前記第１流速より大きい第２流速とを所定の周波数で交互に切り換えて前記収容部にガスを供給するパルス流モード、および、第３流速で前記収容部にガスを供給する定常流モードを少なくとも含む複数のモードのうち、いずれかを設定するモード設定部と、前記モード設定部によって設定されたモードで前記収容部にガスを供給するガス供給部と、前記収容部内において形成される前記粒子群の流動層が流動化不良状態であるか否かを判定する判定部と、前記判定部によって流動化不良状態であると判定されると、前記モード設定部が設定する前記モードを前記パルス流モードに決定するモード決定部と、を備える。

また、前記パルス流モードには、前記第１流速と前記第２流速とを第１周波数で切り換える第１パルス流モード、および、前記第１流速と前記第２流速とを、前記第１周波数より高い第２周波数で切り換える第２パルス流モードが含まれ、前記判定部は、前記流動層の流動化不良状態が前記第１流動化不良状態であるか否か、および、前記第１流動化不良状態より深刻ではない第２流動化不良状態であるか否かを判定し、前記モード決定部は、前記判定部によって前記第１流動化不良状態であると判定されると、前記モード設定部が設定する前記モードを前記第１パルス流モードに決定し、前記判定部によって前記第２流動化不良状態であると判定されると、前記モード設定部が設定する前記モードを前記第２パルス流モードに決定してもよい。

また、前記判定部は、前記流動層の上部と下部との圧力差、および、前記流動層の上部と下部との温度差のいずれか一方または両方に基づいて、前記流動化不良状態を判定してもよい。

また、前記ガス供給部は、前記収容部の底面、または、前記収容部の底面および側面からガスを供給してもよい。

含水固体燃料等の含水固形物の粒子の流動化不良を解消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。 圧力差と第１流動化ガスの流速との関係を説明する図である。 開閉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。 変形例にかかる第１乾燥炉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。

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、制御部３１０と、第２乾燥炉４１０と、冷却部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４１０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５１０において、第２乾燥炉４１０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、制御部３１０、第２乾燥炉４１０、冷却部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（収容部）と、第１ガス供給部２２０（ガス供給部）と、第１伝熱部２３０と、気液分離部２４０と、圧力差測定部２５０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、ブロワ２２４、２２６と、開閉弁２２８とを含んで構成され、第１収容部２１２の底面から第１流動化ガスを供給する。

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、第１流動化ガス（例えば、水蒸気）を風箱２２２に送り込む。本実施形態において、ブロワ２２４は、第１収容部２１２を通過する第１流動化ガスの流速が、予め定められた第１流速または第３流速となるように第１流動化ガスを風箱２２２に送り込む。ここで、第１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。第３流速については、後に詳述する。

ブロワ２２６は、第１流動化ガスを風箱２２２に送り込む。本実施形態において、ブロワ２２６は、第１収容部２１２を通過する第１流動化ガスの流速が第２流速になるように、第４流速で第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流動化ガスと混合された後、第１収容部２１２に供給される。このため、第２流速は、第１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流速と第２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流速が設定される。

開閉弁２２８は、ブロワ２２６と風箱２２２との間に設けられる。開閉弁２２８は、後述するモード設定部３１６によって開閉制御される。モード設定部３１６による開閉弁２２８の制御は、後に詳述する。

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。

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４１０の第２収容部４１２とを連通する配管を通じて第２収容部４１２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。

圧力差測定部２５０は、第１収容部２１２の内部上部（粒子の流動層が形成される領域の上部）と、内部下部（粒子の流動層が形成される領域の下部）との圧力差ΔＰを測定する。

（制御部３１０）
制御部３１０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３１０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、第１乾燥炉２１０全体を制御する。本実施形態において、制御部３１０は、判定部３１２、モード決定部３１４、モード設定部３１６として機能する。

判定部３１２は、圧力差測定部２５０が測定した圧力差ΔＰを取得する。そして、判定部３１２は、圧力差ΔＰに基づいて、第１収容部２１２内において形成される褐炭の粒子群の流動層が流動化不良を起こしている状態（以下、「流動化不良状態」と称する）であるか否かを判定する。流動化不良状態は、第１収容部２１２内に収容された全粒子のうち流動層を形成する粒子の割合が所定値未満である場合をいう。

図３は、圧力差ΔＰと第１流動化ガスの流速との関係を説明する図である。なお、図３中、縦軸に圧力差ΔＰを示し、横軸に第１流動化ガスの流速を示す。また、図３中、正常に流動層が形成される場合を実線で示し、流動化不良状態である場合を破線で示す。

図３に示すように、正常に流動層が形成される、すなわち、第１収容部２１２内の粒子すべてが流動化している場合には、流速が上昇するにしたがって、圧力差ΔＰ（圧力損失）が大きくなる。そして、第１流速以上になると、圧力差ΔＰがＰＡとなり、以降、流速を上昇させても圧力差ΔＰは一定（ＰＡ）となる。なお、ＰＡは、第１収容部２１２の層内面積（流動層の水平断面積）と、流動化したすべての粒子とに基づいて決定される。

一方、流動化不良状態、すなわち、流動層が全く形成されない（チャネリング）、もしくは、流動層が一部しか形成されない状態では、流速が上昇すると圧力差ΔＰが一旦ＰＡより大きくなる。しかし、さらに、流速が上昇すると、圧力差ΔＰは低下し、第１流速に到達してもＰＡを下回ることとなる。これは、流動化不良状態となると、分散板２２２ａから供給された第１流動化ガスが粒子を流動化（浮上）させることなく、そのまま上方にショートカットして流出してしまうためである。

そこで、判定部３１２は、連続運転中に、圧力差ΔＰがＰＡ以上であるか否かを判定し、ＰＡ以上であると判定すると、流動化不良状態ではないと判定する。一方、判定部３１２は、圧力差ΔＰがＰＡ未満であると判定すると、流動化不良状態であると判定する。

なお、本実施形態において、判定部３１２は、圧力差ΔＰがＰＡ未満であり、かつ、ＰＡ未満のＰＢ未満である場合に、第１流動化不良状態であると判定する。また、判定部３１２は、圧力差ΔＰがＰＡ未満であり、かつ、ＰＢ以上である場合、第２流動化不良状態であると判定する。なお、流動化不良状態が深刻であるほど、つまり、第１収容部２１２内に収容された全粒子のうち流動層を形成する粒子の割合が低いほど、ショートカットする第１流動化ガスの量が多くなるため、圧力差ΔＰは小さくなる。このため、第１流動化不良状態は、第２流動化不良状態より、流動化不良が深刻な状態であると言える。

モード決定部３１４は、モード設定部３１６が設定するモードを決定する。本実施形態において、モード決定部３１４は、定常流モード、第１パルス流モード、および、第２パルス流モードの複数のモードのうち、いずれかを決定する。ここで、定常流モードは、第３流速で第１収容部２１２に第１流動化ガスを供給するモードである。また、第１パルス流モードは、第１流速と第２流速とを第１周波数で交互に切り換えて第１収容部２１２に第１流動化ガスを供給するモードである。第２パルス流モードは、第１流速と第２流速とを、第１周波数より高い第２周波数で交互に切り換えて第１収容部２１２に第１流動化ガスを供給するモードである。

具体的に説明すると、連続運転中において、基本的には定常流モードで第１流動化ガスが供給されるが、含水固形物導入部１１０によって供給された褐炭の性状によって、第１流動化不良状態または第２流動化不良状態になり得る。そこで、モード決定部３１４は、判定部３１２によって流動化不良状態ではないと判定されると、定常流モードに決定する。また、モード決定部３１４は、判定部３１２によって第１流動化不良状態であると判定されると、第１パルス流モードに決定する。さらに、モード決定部３１４は、判定部３１２によって第２流動化不良状態であると判定されると、第２パルス流モードに決定する。なお、第１流動化不良状態になった場合には、第２流動化不良状態を経由して、流動化不良状態ではない状態（正常状態）に推移する。

モード設定部３１６は、モード決定部３１４によって決定されたモードに設定し、第１ガス供給部２２０は、モード設定部３１６によって設定されたモードで第１収容部２１２に第１流動化ガスを供給する。

具体的に説明すると、モード設定部３１６は、定常流モードに設定する場合、第１収容部２１２を通過する第１流動化ガスの流速が第３流速となるように、ブロワ２２４が供給する第１流動化ガスの流速を設定する。また、モード設定部３１６は、開閉弁２２８を閉状態とする。これにより、第１ガス供給部２２０は、第３流速で第１流動化ガスを第１収容部２１２に常時供給することになる。

一方、モード設定部３１６は、第１パルス流モードまたは第２パルス流モードに設定する場合、第１収容部２１２を通過する第１流動化ガスの流速が第１流速となるように、ブロワ２２４が供給する第１流動化ガスの流速を設定する。また、モード設定部３１６は、開閉弁２２８を、開状態と閉状態とに周期的に交互に切り換える。これにより、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４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、開閉弁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。

このように、第１パルス流モードまたは第２パルス流モードに設定されると、第１収容部２１２には、ブロワ２２４から第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４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流速と第２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、定常流モード（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４は、開閉弁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４中、開閉弁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。定常流モードでは、大粒子の流動化に適した流速（例えば、第２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。しかし、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、定常流モードにおいて、第１流動化ガスの流速を、褐炭の平均粒径の粒子の最小流動化速度（第１流速）と第２流速の中間である第３流速に設定し、小粒子の飛散を防止する。このように、定常流モードでは、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。

一方、図４に示すように、開閉弁２２８の開閉をパルス状に切り換え、第１流速と第２流速とが周期的に交互に切り換わる、第１パルス流モードまたは第２パルス流モードでは、第２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。これにより、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。したがって、第１収容部２１２における粒子（褐炭）の流動化不良を解消することが可能となる。

また、第１パルス流モードに設定する場合、開閉弁２２８が第１流動化ガスの流速を切り換える周波数（開閉弁２２８による第１流動化ガスの切り換え頻度）は、第１周波数に設定される。また、第２パルス流モードに設定する場合、開閉弁２２８が第１流動化ガスの流速を切り換える周波数は、第１周波数より高い第２周波数に設定される。

以下、開閉弁２２８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５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５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。なお、この周波数の範囲は、例えば、Y. Liu, et al., Pulsation-assisted fluidized bed for the fluidization of easily agglomerated particles with wide size distributions, Powder Technol. (2016)を参照して導出することができる。

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流速）であり、Ｕ_ｐは第２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（開閉弁２２８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周期における開閉弁２２８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６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６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６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。

上記したように、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。したがって、高含水率の粒子の流動層は、流動化不良状態が深刻である。このため、制御部３１０は、流動化不良状態が相対的に深刻な第１流動化不良状態の場合に決定される第１パルス流モードでは、第１周波数として、高含水率に適した周波数、例えば、１Ｈｚ以上３Ｈｚ未満を設定する。一方、制御部３１０は、流動化不良状態が相対的に深刻ではない第２流動化不良状態の場合に決定される第２パルス流モードでは、第２周波数として、低含水率に適した周波数、例えば、３Ｈｚ以上１０Ｈｚ未満を設定する。かかる構成により、流動化不良状態に応じて、効率よく流動化不良を解消することが可能となる。

（第２乾燥炉４１０）
図２に戻って説明すると、第２乾燥炉４１０は、第２収容部４１２と、第２ガス供給部４２０と、第２伝熱部４３０と、気液分離部４４０とを含んで構成される。第２収容部４１２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４２０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４２２と、風箱４２２に第２流動化ガスを送り込むブロワ４２４とを含んで構成され、第２収容部４１２の底面からガスを供給する。

風箱４２２は、第２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２収容部４１２の底面から当該第２収容部４１２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４２２の上部は、第２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（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４２４は、第２流動化ガス（例えば、水蒸気）を風箱４２２に送り込む。本実施形態において、ブロワ４２４は、第２収容部４１２を通過する第２流動化ガスの流速が、予め定められた第５流速となるように第２流動化ガスを風箱２２２に送り込む。ここで、第５流速は、第２収容部４１２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る。

こうして、第２ガス供給部４２０によって第２収容部４１２に供給された第２流動化ガスは、第２収容部４１２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４１２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４３０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４１２内に配される。第２伝熱部４３０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４３０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４３０を備える構成により、第２収容部４１２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４３０（第２伝熱部４３０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４３０内で凝縮することとなる。そこで、気液分離部４４０を設けておき、気液分離部４４０によって、第２伝熱部４３０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４１０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４１２に導入され、第２ガス供給部４２０および第２伝熱部４３０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４１２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４１２の出口からオーバーフローして、第２収容部４１２と冷却部５１０の第３収容部５１２とを連通する配管を通じて第３収容部５１２に導入されることとなる。また、第２乾燥炉４１０において気化された結合水（１１５℃程度の水蒸気）は、ブロワ４２４によって、風箱４２２に再度送り込まれたり、ブロワ４３２によって第２伝熱部４３０に供給されたりすることとなる。

（冷却部５１０）
冷却部５１０は、第３収容部５１２と、冷却ガス供給部５２０とを含んで構成される。第３収容部５１２は、第２乾燥炉４１０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５２０は、第１ガス供給部２２０、第２ガス供給部４２０と同様に、風箱５２２と、風箱５２２に冷却ガス（例えば、空気）を送り込むブロワ５２４とを含んで構成される。風箱５２２は、第３収容部５１２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５２２を通じて第３収容部５１２の底面から当該第３収容部５１２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５２２の上部は、第３収容部５１２の底面としても機能し、通気可能である分散板５２２ａで形成されている。分散板５２２ａ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５１０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。

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、褐炭の粒子の流動性を向上させることができ、流動化不良状態を解消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、粒子の流動層を形成させることができ、効率的に褐炭の乾燥を行うことが可能となる。

（変形例）
上記実施形態において、第１ガス供給部２２０は、第１収容部２１２の底面のみからガスを供給する構成を例に挙げて説明した。しかし、第１ガス供給部は、第１収容部２１２の底面および側面から第１流動化ガスを供給してもよい。

図７は、変形例にかかる第１乾燥炉６１０を説明する図である。なお、図７中、理解を容易にするために、第１伝熱部２３０、気液分離部２４０、圧力差測定部２５０を省略する。また、上記第１乾燥炉２１０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重複説明を省略する。

第１乾燥炉６１０は、第１収容部２１２と、第１ガス供給部６２０（供給部）と、第１伝熱部２３０と、気液分離部２４０と、圧力差測定部２５０とを含んで構成される。

図７（ａ）に示すように、第１ガス供給部６２０は、風箱２２２と、ブロワ２２４と、ノズル６２２と、ブロワ６２４と、開閉弁６２６とを含んで構成される。

ノズル６２２は、図７（ｂ）に示すように、第１収容部２１２の側面２１２ａに設けられる。具体的に説明すると、ノズル６２２は、第１収容部２１２における、粒子の移動方向上流側に配される側面２１２ａに設けられる。換言すれば、ノズル６２２は、主連通管１１２に最も近い側面２１２ａに設けられる。また、ノズル６２２の鉛直方向の位置は、第１収容部２１２における流動層の上部に対応する位置である。さらに、ノズル６２２は、先端が、第１収容部２１２内に突出して設けられる。

ブロワ６２４は、第１収容部２１２を通過する第１流動化ガスの流速が第２流速になるように、第６流速の第１流動化ガスをノズル６２２に送り込む。開閉弁６２６は、ブロワ６２４とノズル６２２との間に設けられる。開閉弁６２６は、上記開閉弁２２８と同様に、モード設定部３１６によって開閉制御される。

以上説明したように、第１収容部２１２の底面のみならず、側面２１２ａから第１流動化ガスを供給することによっても、粒子同士の水架橋を切断することが可能となる。これにより、褐炭の粒子の流動性を向上させることができ、流動化不良状態を解消することが可能となる。

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、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、モード決定部３１４が、定常流モード、第１パルス流モード、第２パルス流モードのうち、いずれか１のモードに決定する構成を例に挙げて説明した。しかし、モード決定部３１４は、定常流モード、または、パルス流モードのうち、いずれかに決定してもよい。この場合、判定部３１２が、圧力差ΔＰがＰＡ未満である（流動化不良状態である）と判定した場合に、モード決定部３１４は、パルス流モードに決定する。なお、パルス流モードは、第１流速と第２流速とを所定の周波数（例えば、１Ｈｚ以上１０Ｈｚ未満の所定の周波数）で交互に切り換えて第１収容部２１２に第１流動化ガスを供給するモードである。

また、上記実施形態において、第２乾燥炉４１０において定常流のみが供給される構成を例に挙げて説明したが、第２乾燥炉でも、定常流およびパルス流が供給されてもよい。

また、上記実施形態において、開閉弁２２８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、判定部３１２は、圧力差ΔＰに基づいて、第１収容部２１２内において形成される褐炭の粒子群の流動層が流動化不良状態であるか否かを判定する構成を例に挙げて説明した。しかし、判定部は他の情報に基づいて、流動化不良状態か否かを判定してもよい。

例えば、第１収容部２１２の内部上部と、内部下部との温度差ΔＴに基づいて、流動化不良状態を判定してもよい。この場合、温度差ΔＴを測定する温度差測定部を備え、判定部３１２は、温度差測定部が測定した温度差ΔＴを取得する。そして、判定部３１２は、温度差ΔＴに基づいて、第１収容部２１２内において形成される褐炭の粒子群の流動層が流動化不良状態であるか否かを判定する。具体的に説明すると、正常に流動層が形成される場合には、第１流動化ガスによって満遍なく粒子が混合されるため、流動層の温度が平均化される。したがって、温度差ΔＴは、相対的に小さい。一方、流動化不良状態では、上記したように、第１流動化ガスがショートカットしてしまうため、粒子が混合されず、流動層の上部は、下部と比較して低温となる。したがって、温度差ΔＴは相対的に大きくなる。したがって、判定部３１２は、温度差ΔＴが所定の温度閾値以上である場合に、流動化不良状態であると判定する。

また、判定部は、圧力差ΔＰおよび温度差ΔＴの両方に基づいて、流動化不良状態であるか否かを判定してもよい。これにより、高精度に流動化不良状態であるか否かを判定することができる。

また、判定部は、第１収容部２１２内の画像に基づいて、流動化不良状態を判定してもよい。この場合、第１収容部２１２内に、赤外線、紫外線、Ｘ線等を照射して第１収容部２１２内の画像を取得するとよい。

また、上記変形例において、ノズル６２２が、主連通管１１２に最も近い側面２１２ａに設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、ノズル６２２は、側面２１２ａ以外の側面に設けられてもよい。

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４１０）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、第１乾燥炉２１０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４１０、冷却部５１０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。

本開示は、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
２１２ 第１収容部（収容部）
２２０ 第１ガス供給部（供給部）
３１２ 判定部
３１４ モード決定部
３１６ モード設定部
６２０ 第１ガス供給（供給部）

Claims (4)

1. 含水固形物の粒子群を収容する収容部と、
   第１流速と前記第１流速より大きい第２流速とを所定の周波数で交互に切り換えて前記収容部にガスを供給するパルス流モード、および、第３流速で前記収容部にガスを供給する定常流モードを少なくとも含む複数のモードのうち、いずれかを設定するモード設定部と、
   前記モード設定部によって設定されたモードで前記収容部にガスを供給するガス供給部と、
   前記収容部内において形成される前記粒子群の流動層が流動化不良状態であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部によって流動化不良状態であると判定されると、前記モード設定部が設定する前記モードを前記パルス流モードに決定するモード決定部と、
   を備える乾燥システム。
2. 前記パルス流モードには、前記第１流速と前記第２流速とを第１周波数で切り換える第１パルス流モード、および、前記第１流速と前記第２流速とを、前記第１周波数より高い第２周波数で切り換える第２パルス流モードが含まれ、
   前記判定部は、前記流動層の流動化不良状態が前記第１流動化不良状態であるか否か、および、前記第１流動化不良状態より深刻ではない第２流動化不良状態であるか否かを判定し、
   前記モード決定部は、前記判定部によって前記第１流動化不良状態であると判定されると、前記モード設定部が設定する前記モードを前記第１パルス流モードに決定し、前記判定部によって前記第２流動化不良状態であると判定されると、前記モード設定部が設定する前記モードを前記第２パルス流モードに決定する請求項１に記載の乾燥システム。
3. 前記判定部は、前記流動層の上部と下部との圧力差、および、前記流動層の上部と下部との温度差のいずれか一方または両方に基づいて、前記流動化不良状態を判定する請求項１または２に記載の乾燥システム。
4. 前記ガス供給部は、前記収容部の底面、または、前記収容部の底面および側面からガスを供給する請求項１から３のいずれか１項に記載の乾燥システム。

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