JP6969088B2 - 流動層システム - Google Patents

Description

本開示は、流動媒体の流動層が形成される第１流動層室から第２流動層室へ流動媒体を移動させる流動層システムに関する。

粒子状の固形物が収容された流動層室の下方から上方に向けてガスを噴出させることで形成される流動層を用いた流動層システムは、固形物の乾燥、燃焼、ガス化、造粒等様々な分野で利用されている。このような流動層システムでは、流動層の条件（温度、雰囲気等）の変更、設置面積（設置体積）の制限、制御の容易性の確保等のために、複数の流動層室を備えているものもある。

複数の流動層室を備えた流動層システムにおいて、第１流動層室から第２流動層室へ固形物（流動媒体）を移動させる技術として、第１流動層室から流動媒体を取り出した後コンベアで第２流動層室に移動させる技術（例えば、特許文献１）が開発されている。

特開２００２−０９５９５２号公報

しかし、上記特許文献１に記載されたようなコンベアを用いた技術では、移動過程において流動媒体が空気に曝される。このため、流動媒体が、酸素や水等の空気中の物質と反応したり、空気中の物質を吸着したりする場合、移動過程で流動媒体の性状が変化してしまうという問題がある。

本開示は、このような課題に鑑み、流動媒体の性状変化を防止しつつ、流動媒体を移動させることが可能な流動層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流動層システムは、流動媒体が投入される第１投入口と、該流動媒体が排出される第１排出口とを有し、前記第１投入口、前記第１排出口、および、流動化ガスが導入される孔以外に、ガスおよび前記流動媒体が通過する孔が形成されていない第１流動層室と、一端が前記第１排出口に接続され、他端が該一端より上方に配され、前記一端から前記他端に亘って傾斜して配される連通管と、前記連通管の他端が接続された第２投入口と、前記流動媒体が排出される第２排出口とを有する第２流動層室と、を備え、前記連通管は、前記連通管内のガスの移動速度が、１０ｍ／ｓ以上３０ｍ／ｓ以下の範囲内となる管径である。

流動媒体の性状変化を防止しつつ、流動媒体を移動させることが可能となる。

流動層システム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。

（流動層システム１００）
図１は、流動層システム１００を説明する図である。本実施形態では、流動層システム１００が、流動媒体として褐炭を乾燥させる構成を例に挙げて説明する。図１中、ガスの流れを実線の矢印で示し、流動媒体の流れを一点鎖線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、流動層システム１００は、導入部１１０と、水分センサ１２０と、第１流動層部２１０と、第２流動層部２２０と、連通管２３０と、中央制御部２４０とを含んで構成される。

（導入部１１０、水分センサ１２０）
導入部１１０は、コンベア１１２と、ホッパ１１４と、導入管１１６と、密閉バルブ１１８とを含んで構成される。コンベア１１２は、褐炭の供給源からホッパ１１４に褐炭を搬送する。ホッパ１１４は、コンベア１１２によって搬送された褐炭を一時的に貯留する。導入管１１６は、ホッパ１１４と第１流動層部２１０（第１流動層室２１２の第１投入口２１２ａ）とを連通する配管である。密閉バルブ１１８は、導入管１１６に設けられ、導入管１１６の開度を調整する。

本実施形態において、コンベア１１２、および、密閉バルブ１１８は、例えば、ロータリーバルブで構成され、後述する導入制御部２４２による制御に応じて、第１流動層室２１２内において形成される流動層の平均層高が、後述する第１排出口２１２ｂの位置と実質的に等しくなり、かつ、第２流動層室２２２内において形成される流動層の最大層高が第２投入口２２２ａの位置より低くなるように、第１流動層室２１２内に褐炭を導入する。なお、脈動する流動層の高さ（層高）のうち、最小となる層高を最小層高と言い、最大となる層高を最大層高と言う。また、平均層高は、脈動する層高の時間的な平均値である。

水分センサ１２０は、導入部１１０によって第１流動層部２１０に導入される褐炭の水分量を測定する。なお、水分センサ１２０として、例えば、近赤外吸収方式、マイクロ波吸収方式等の水分センサを採用することができる。

（第１流動層部２１０）
第１流動層部２１０は、第１流動層室２１２と、第１流動化ガス供給部２１４と、第１伝熱部２１６とを含んで構成される。

第１流動層室２１２は、第１流動層室２１２を構成する側壁に第１投入口２１２ａ、および、第１排出口２１２ｂが設けられた、密閉された容器である。換言すれば、第１流動層室２１２は、第１投入口２１２ａ、第１排出口２１２ｂ、後述する分散板２１４ｄの孔以外に、ガスや褐炭が通過する孔が形成されていない容器である。また、第１流動層室２１２は、第１排出口２１２ｂ以外にガスや褐炭が排出される孔が形成されていない容器とも言える。

第１投入口２１２ａには、導入管１１６が接続されており、第１投入口２１２ａを通じて第１流動層室２１２に褐炭が導入される。そして、第１流動層室２１２は、導入された褐炭を収容する。

第１流動化ガス供給部２１４は、第１流動層室２１２の底面から第１流動化ガス（例えば、水蒸気）を供給する。具体的に説明すると、第１流動化ガス供給部２１４は、風箱２１４ａと、第１流動管２１４ｂと、第１ブロワ２１４ｃとを含んで構成される。風箱２１４ａは、第１流動層室２１２の下方に設けられ、風箱２１４ａの上部は、第１流動層室２１２の底面としても機能し、通気可能である分散板２１４ｄで形成されている。分散板２１４ｄ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、ノズルを設置した板で構成される。

第１流動管２１４ｂは、風箱２１４ａに接続される。また、第１流動管２１４ｂには、第１流動化ガスを送り込む第１ブロワ２１４ｃが設けられている。したがって、流動層システム１００を運転する際には、風箱２１４ａを通じて第１流動層室２１２の底面から当該第１流動層室２１２内に第１流動化ガスが供給されることとなる。なお、第１ブロワ２１４ｃが供給する第１流動化ガスの流量（Ｌ／ｓ）は、流動媒体（褐炭）の密度、粒径等によって決定される。

こうして、第１流動化ガス供給部２１４によって第１流動層室２１２内に第１流動化ガスが供給され、第１流動化ガスは、第１流動層室２１２内で褐炭を流動させて、褐炭の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、流動化による褐炭と第１伝熱部２１６との伝熱の促進によって、褐炭に含まれる水の一部を蒸発させる。

第１伝熱部２１６は、例えば、熱媒体が流通する配管で構成され、第１流動層室２１２内に配される。第１伝熱部２１６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。第１伝熱部２１６を備える構成により、第１流動層室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の乾燥がより促進されることとなる。

このように、第１流動層部２１０では、第１流動層室２１２内に未乾燥の褐炭が導入され、第１流動化ガス供給部２１４および第１伝熱部２１６によって褐炭が加熱され、褐炭から水の一部が蒸発されて除去される。一方、褐炭の流れについて説明すると、導入制御部２４２による制御に応じて、第１排出口２１２ｂおよび連通管２３０を通じ、第１流動層室２１２内から第２流動層室２２２内へ褐炭が移動することとなる。連通管２３０を通じた褐炭の移動については後に詳述する。

（第２流動層部２２０）
第２流動層部２２０は、第２流動層室２２２と、第２流動化ガス供給部２２４と、第２伝熱部２２６とを含んで構成される。

第２流動層室２２２は、第２流動層室２２２を構成する側壁に第２投入口２２２ａ、および、第２排出口２２２ｂが設けられた容器である。第２投入口２２２ａには、連通管２３０の他端が接続されており、第１排出口２１２ｂ、連通管２３０、第２投入口２２２ａを通じて、第１流動層室２１２から第２流動層室２２２に褐炭が導入される。そして、第２流動層室２２２は、導入された褐炭を収容する。また、第２流動層室２２２の天井には、第２流動層室２２２内のガスを外部に排出するガス排出管２２２ｃが接続される。

本実施形態において、第２投入口２２２ａは、第１流動層室２１２の第１排出口２１２ｂより上方に位置する。また、第２排出口２２２ｂは、第１排出口２１２ｂと実質的に等しい高さに位置する。

第２流動化ガス供給部２２４は、第２流動層室２２２の底面から第２流動化ガス（例えば、水蒸気）を供給する。具体的に説明すると、第２流動化ガス供給部２２４は、第１流動化ガス供給部２１４と同様に、風箱２２４ａと、第２流動管２２４ｂと、第２ブロワ２２４ｃとを含んで構成される。風箱２２４ａは、第２流動層室２２２の下方に設けられ、風箱２２４ａの上部は、第２流動層室２２２の底面としても機能し、通気可能である分散板２２４ｄで形成されている。分散板２２４ｄ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。

第２流動管２２４ｂは、風箱２２４ａに接続される。また、第２流動管２２４ｂには、第２流動化ガスを送り込む第２ブロワ２２４ｃが設けられている。したがって、流動層システム１００を運転する際には、風箱２２４ａを通じて第２流動層室２２２の底面から当該第２流動層室２２２内に第２流動化ガスが供給されることとなる。なお、第２ブロワ２２４ｃが供給する第２流動化ガスの流量（Ｌ／ｓ）は、流動媒体（褐炭）の密度、粒径と、第２流動層室２２２の容積と、第２投入口２２２ａの位置、第２排出口２２２ｂの位置とに基づいて、第２流動層室２２２内に形成される流動層の最大層高が第２投入口２２２ａ未満となり、平均層高が第２排出口２２２ｂの高さ（位置）となるように決定される。

こうして、第２流動化ガス供給部２２４によって第２流動層室２２２内に第２流動化ガスが供給され、第２流動化ガスは、第２流動層室２２２内で褐炭を流動させて、褐炭の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水の一部を蒸発させる。詳しくは後述するが、本実施形態では、第１流動層室２１２の平均層高と、第２流動層室２２２の平均層高とが実質的に等しくなるように運転される。

第２伝熱部２２６は、例えば、熱媒体が流通する配管で構成され、第２流動層室２２２内に配される。第２伝熱部２２６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。第２伝熱部２２６を備える構成により、第２流動層室２２２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がより促進されることとなる。

オーバーフロー部２２８は、第２排出口２２２ｂに接続されたオーバーフロー管２２８ａと、オーバーフロー管２２８ａに設けられたオーバーフローバルブ２２８ｂとを含んで構成される。オーバーフロー部２２８は、第２流動層室２２２の第２排出口２２２ｂからオーバーフローした褐炭を外部に送出する。具体的に説明すると、連通管２３０を通じて、第１流動層部２１０（第１流動層室２１２内）から第２流動層室２２２内に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、褐炭（流動層）が第２排出口２２２ｂからオーバーフローして、オーバーフロー管２２８ａを通じて外部に送出されることとなる。

（連通管２３０）
連通管２３０は、一端が第１流動層室２１２の第１排出口２１２ｂに接続され、他端が第２流動層室２２２の第２投入口２２２ａに接続された管である。つまり、連通管２３０は、第１排出口２１２ｂと第２投入口２２２ａとを連通する。上記したように、第１排出口２１２ｂは、第２投入口２２２ａより下方に位置する。したがって、連通管２３０は、一端（第１排出口２１２ｂ側）から他端（第２投入口２２２ａ側）に向かって鉛直上方に傾斜して配される。

連通管２３０が水平に配されたり、連通管２３０が一端から他端に向かって鉛直下方に傾斜して配されたりすると、第２流動層室２２２内の流動層が抵抗となり、連通管２３０が褐炭で閉塞してしまう（詰まってしまう）おそれがある。そこで、連通管２３０を一端から他端に向かって鉛直上方に傾斜させることにより、連通管２３０内が褐炭で閉塞されてしまう事態を回避することができる。

また、上記したように、導入部１１０は、第１流動層室２１２において形成される流動層の平均層高が第１排出口２１２ｂと等しくなるように、第１流動層室２１２に褐炭を導入する。また、第１流動層室２１２内に存在する褐炭およびガスが通過できる（第１流動層室２１２から排出できる）孔は第１排出口２１２ｂのみである。このため、第１流動層室２１２に導入された褐炭は、第１排出口２１２ｂから連通管２３０に押し出される。したがって、連通管２３０を通じて、第１流動層室２１２から第２流動層室２２２へ褐炭が移動する。

なお、本実施形態において、連通管２３０内のガスの移動速度が１０ｍ／ｓ〜３０ｍ／ｓの範囲内、好ましくは２０ｍ／ｓとなるように、連通管２３０の管径が設計される。連通管２３０内のガスの移動速度が１０ｍ／ｓ未満であると、褐炭を移動させることができない。また、３０ｍ／ｓを上回ると、褐炭（流動媒体）による連通管２３０の摩耗が顕著となってしまう。このため、第１流動化ガスの流量に基づいて、ガスの移動速度が１０ｍ／ｓ〜３０ｍ／ｓの範囲内となるように連通管２３０の管径が設計される。

（中央制御部２４０）
中央制御部２４０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、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、流動層システム１００全体を管理および制御する。本実施形態において中央制御部２４０は、コンベア１１２、密閉バルブ１１８を制御する導入制御部２４２として機能する。

具体的に説明すると、導入制御部２４２は、水分センサ１２０の測定値に基づいて、第２流動層室２２２のオーバーフロー部２２８から送出される褐炭が目標値まで乾燥されるように、第１流動層室２１２内および第２流動層室２２２内における褐炭の滞留時間を導出する。例えば、水分センサ１２０の測定値が相対的に大きい場合、すなわち、未乾燥の褐炭の含水率が高い場合には滞留時間は長くなり、水分センサ１２０の測定値が相対的に小さい場合、すなわち、未乾燥の褐炭の含水率が低い場合、滞留時間は短くなる。

そして、導入制御部２４２は、導出した滞留時間と、第１流動層室２１２内において形成される流動層の平均層高と、第２流動層室２２２内において形成される流動層の最大層高とに基づいて、コンベア１１２の搬送速度、密閉バルブ１１８、オーバーフローバルブ２２８ｂの開度を制御する。

上記したように、第１流動層室２１２は、第１排出口２１２ｂ以外に出口がなく、連通管２３０は、褐炭で満たされている。このため、導入部１１０が第１流動層室２１２に褐炭を導入すると、第１流動層室２１２から第２流動層室２２２へ自動的に褐炭を移動させることができる。また、導入制御部２４２を備える構成により、所望する移動速度で、第１流動層室２１２から第２流動層室２２２へ褐炭を移動させ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流動層システム１００によれば、第１流動層室２１２を密閉された容器とし、第１流動層室２１２および第２流動層室２２２を連通管２３０で接続するだけで、褐炭を移動させることができる。このため、コンベアを用いて流動層室間を移動させる従来技術と異なり、移動過程において褐炭が空気に曝されてしまう事態を回避することが可能となる。したがって、褐炭が、空気中の物質と反応したり、空気中の物質を吸着したりすることを防止することができる。つまり、流動層室間の移動過程での褐炭の性状の変化を回避することが可能となる。

また、乾燥された高温状態の褐炭は、空気中の酸素と反応して燃焼する懸念がある。このため、コンベアを用いて流動層室間を移動させる従来技術では、コンベアといった駆動部を備えた装置を密封構造にしたり、消火設備を備えたり等する必要があり、コストが高くなってしまうという問題があった。しかし、本実施形態の流動層システム１００では、外部から区画された連通管２３０内を褐炭が移動するという簡易な機構であるため、駆動部を備えた装置の密封構造や消火設備が不要となる。したがって、コストを低減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、流動媒体として褐炭を例に挙げて説明した。しかし、粒子状の固形物であれば、流動媒体の種類に限定はない。

また、第１流動層部２１０と、第２流動層部２２０とを同一の構成（モジュール化）としてもよい。これにより、第１流動層部２１０、第２流動層部２２０の製造コストを低減することができる。

また、第１伝熱部２１６、第２伝熱部２２６は、必須の構成ではない。

本開示は、流動媒体の流動層が形成される第１流動層室から第２流動層室へ流動媒体を移動させる流動層システムに利用することができる。

１００ 流動層システム
２１２ 第１流動層室
２１２ａ 第１投入口
２１２ｂ 第１排出口
２２２ 第２流動層室
２２２ａ 第２投入口
２２２ｂ 第２排出口
２３０ 連通管

Claims (1)

1. 流動媒体が投入される第１投入口と、該流動媒体が排出される第１排出口とを有し、前記第１投入口、前記第１排出口、および、流動化ガスが導入される孔以外に、ガスおよび前記流動媒体が通過する孔が形成されていない第１流動層室と、
   一端が前記第１排出口に接続され、他端が該一端より上方に配され、前記一端から前記他端に亘って傾斜して配される連通管と、
   前記連通管の他端が接続された第２投入口と、前記流動媒体が排出される第２排出口とを有する第２流動層室と、
   を備え、
   前記連通管は、前記連通管内のガスの移動速度が、１０ｍ／ｓ以上３０ｍ／ｓ以下の範囲内となる管径である流動層システム。

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