(57)【要約】【課題】乾燥炉の形状を工夫することで、粒径分布が広い含水物質を適切に流動および乾燥させる。【解決手段】  本発明の流動層乾燥装置１００は、上部１１２ａの横断面の面積が所定の数式を満たし、下部１１２ｂの横断面の面積が所定の数式を満たし、上方に推移するに連れ横断面の面積が漸増する収容部１１２と、収容部内に含水物質を収容し、流動化ガスにより含水物質を流動させることで流動層を形成するとともに含水物質を乾燥させる流動層乾燥炉１１０と、流動層乾燥炉の底部から流動化ガスを供給する風箱１２０と、流動層乾燥炉に含水物質を導入する導入部１１４と、流動層乾燥炉から含水物質を導出する導出部１１６とを備える。【選択図】図１
2015064149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部の横断面の面積が下記数式（１）を満たし、下部の横断面の面積が下記数式（２）を満たし、上方に推移するに連れ横断面の面積が漸増する収容部を備え、該収容部内に含水物質を収容し、流動化ガスにより該含水物質を流動させることで流動層を形成するとともに、該含水物質を乾燥させる流動層乾燥炉と、
前記流動層乾燥炉の底部から前記流動化ガスを供給する風箱と、
前記流動層乾燥炉に前記含水物質を導入する導入部と、
前記流動層乾燥炉から前記含水物質を導出する導出部と、
を備えることを特徴とする流動層乾燥装置。
【数１】
2015064149.tif 000007
・・・数式（１）
【数２】
2015064149.tif 000008
・・・数式（２）
ただし、
Ｑ：流動化ガスの体積流量（ｍ３／ｓ）
Ｑｇ：乾燥により生成された蒸気の体積流量（ｍ３／ｓ）
Ａｕ：収容部の上部の横断面の面積（ｍ２）
Ａｌ：収容部の下部の横断面の面積（ｍ２）
Ｕｔ：含水物質のうち、相対的に軽い粒子における予め定められた粒子終末速度（ｍ／ｓ）
Ｕｍｆ：含水物質のうち、相対的に重い粒子における予め定められた最小流動化速度（ｍ／ｓ）
【請求項２】
前記流動層乾燥炉の底部において、前記導入部側の底部が、前記導出部側の底部より鉛直下方に位置し、該導入部側の底部側から該導出部側の底部側へ傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の流動層乾燥装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含水物質を流動させながら乾燥させる流動層乾燥装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガスの代替物として、石炭やバイオマス、タイヤチップ等のガス化原料をガス化して合成ガスを生成する技術が開発されている。このようにして生成された合成ガスは、発電システムや、水素の製造、合成燃料（合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。合成ガスの原料となるガス化原料のうち、特に石炭は、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。
【０００３】
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が高い。したがって、無煙炭等と比較して、含水石炭は、資源量が豊富であるものの単位重量あたりの発熱量が低くなるため、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。
【０００４】
例えば、含水石炭である褐炭は含水率が高く燃えにくいため、火力発電等に使用されていなかった。しかしながら褐炭は埋蔵地の分布が広く、安価であり、また乾燥させると燃えやすく単位重量当たりの発熱量が高いため、近年では褐炭を乾燥させることで火力発電等に使用されている。
【０００５】
そこで、従来、褐炭等の含水物質を乾燥させるため、含水物質を流動させながら乾燥させる流動層乾燥装置が用いられている。また、流動層乾燥装置として、含水物質を収容する収容部と、収容部下部に位置し、上部に複数の開孔を有する通気可能な分散板である風箱とを含んで構成される流動層乾燥炉を備えた流動層乾燥装置が知られている（例えば、特許文献１）。この流動層乾燥装置では、風箱から収容部内に分散板の開孔を介して加熱蒸気等の流動化ガスを供給することで、乾燥炉に収容された含水物質を流動させながら乾燥させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２１４８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、通常、褐炭等の含水物質は、粉砕処理後、分級せずに乾燥される。粉砕処理により形成された粒子は大きさが一定ではなく、粒径分布が広い。このため、流動化ガスの空塔速度が低いと、粒径や密度が小さく相対的に重い粒子（以下、「重粒子」と称する。）は流動せず、乾燥炉下部に沈んでしまう。また、流動化ガスの空塔速度が高いと、重粒子は流動し乾燥されるが、粒径や密度が小さく相対的に軽い粒子（以下、「軽粒子」と称する。）は乾燥炉上部に浮き、飛散する。このため、飛散した軽粒子の多くが乾燥しきれない状態となってしまう。
【０００８】
さらに、含水物質が乾燥されることで蒸気が生じるので、流動化ガスの空塔速度は乾燥炉の上方に向かうにしたがって高くなる。したがって、乾燥炉の上部に浮いた軽粒子はより飛散しやすくなってしまう。
【０００９】
粒径分布を狭めるため、例えば流動層乾燥装置の前段に分級装置を設け、分級装置により含水物質を予め分級し、分級した含水物質ごとに流動層乾燥装置で乾燥させることが考えられる。しかし、流動層乾燥装置に新たに専用の分級装置を設けるとコストがかかってしまうという課題があった。
【００１０】
そこで、本発明はこのような課題に鑑み、乾燥炉の形状を工夫することで、粒径分布が広い含水物質を適切に流動および乾燥させることができる流動層乾燥装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の流動層乾燥装置は、上部の横断面の面積が下記数式（１）を満たし、下部の横断面の面積が下記数式（２）を満たし、上方に推移するに連れ横断面の面積が漸増する収容部と、収容部内に含水物質を収容し、流動化ガスにより含水物質を流動させることで流動層を形成するとともに含水物質を乾燥させる流動層乾燥炉と、流動層乾燥炉の底部から流動化ガスを供給する風箱と、流動層乾燥炉に含水物質を導入する導入部と、流動層乾燥炉から含水物質を導出する導出部と、を備えることを特徴とする。
【数１】
2015064149.tif 000003
・・・数式（１）
【数２】
2015064149.tif 000004
・・・数式（２）
ただし、
Ｑ：流動化ガスの体積流量（ｍ３／ｓ）
Ｑｇ：乾燥により生成された蒸気の体積流量（ｍ３／ｓ）
Ａｕ：収容部の上部の横断面の面積（ｍ２）
Ａｌ：収容部の下部の横断面の面積（ｍ２）
Ｕｔ：含水物質のうち、相対的に軽い粒子における予め定められた粒子終末速度（ｍ／ｓ）
Ｕｍｆ：含水物質のうち、相対的に重い粒子における予め定められた最小流動化速度（ｍ／ｓ）
【００１２】
また、流動層乾燥炉の底部において、導入部側の底部が、導出部側の底部より鉛直下方に位置し、導入部側の底部側から導出部側の底部側へ傾斜してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、乾燥炉の形状を工夫することで、粒径分布が広い含水物質を適切に流動および乾燥させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態にかかる流動層乾燥装置を説明するための図である。
【図２】従来の流動層乾燥装置と本実施形態の流動層乾燥装置とを比較するための比較図である。
【図３】変形例にかかる流動層乾燥装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な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、発明の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、本発明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、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態にかかる流動層乾燥装置１００を説明するための図である。流動層乾燥装置１００は流動層乾燥炉１１０と風箱１２０とを含んで構成される。図１中、固体の流れを黒矢印で示し、気体の流れを白抜き矢印で示す。
【００１７】
流動層乾燥炉１１０は、収容部１１２と、導入部１１４と、導出部１１６とを含んで構成される。収容部１１２は、褐炭等の含水物質を収容する容器であり、収容部１１２の横断面（水平断面）の面積は、収容部１１２上方に推移するに連れて漸増する漏斗形状（円錐形状）である。収容部１１２の形状については後述する。含水物質は、収容部１１２の上部１１２ａ側に設けられた導入部１１４から導入され、収容部１１２内を流動することで流動層を形成するとともに乾燥され、導出部１１６（１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ）から導出される。導出部１１６ｂ、１１６ｃには、バルブ１１６ｄが設けられ、バルブ１１６ｄを閉じることで含水物質を収容部１１２に貯留し、バルブ１１６ｄを開くことで収容部１１２から導出部１１６ｂ、１１６ｃを介して含水物質が導出される。また、バルブ１１６ｄの開閉度合を変えることで導出部１１６ｂ、１１６ｃから含水物質が導出される速度を制御することができる。
【００１８】
風箱１２０は、収容部１１２の下方に設けられている。風箱１２０の上部は、収容部１１２内部と連通し通気可能である分散板１２２で形成される。風箱１２０は分散板１２２の開孔を介して蒸気（流動化ガス）を収容部１１２内部に流入させる。流動化ガスは収容部１１２内で含水物質を流動させて、流動層を形成するとともに含水物質を乾燥させる。なお、分散板１２２は、例えば、導入される含水物質の粒径よりも小さい径の開孔が複数設けられた板や、開孔が設けられたノズルを設けた板が使用される。
【００１９】
粒径や密度が異なる含水物質の粒子は、それぞれ流動特性が異なっている。このため、含水物質は、収容部１１２内で流動することにより、粒子の粒径や密度の差に応じて含水物質の粒子が自然に分級（偏析）される。したがって、例えば、粒径や密度が相対的に大きく重い粒子（以下、「重粒子」と称する。）が収容部１１２の下部１１２ｂ側に、粒径や密度が相対的に小さく軽い粒子（以下、「軽粒子」と称する。）が収容部１１２の上部１１２ａ側に、粒径や密度が粒径分布の中間に位置する粒子（以下、「中粒子」と称する。）は重粒子と軽粒子の中間に位置することとなる。
【００２０】
かかる流動特性に応じて、収容部１１２の上部１１２ａ側に設けられた導出部１１６ａからは軽粒子が導出され、収容部１１２の下部１１２ｂ側に設けられた導出部１１６ｃからは重粒子が導出され、導出部１１６ａと導出部１１６ｃとの間に設けられた導出部１１６ｂからは中粒子が導出される。このため、目的に応じた粒径および密度の粒子を分離することができる。
【００２１】
褐炭等の粒径分布が広い含水物質を乾燥させる場合、流動化ガスの空塔速度（断面積に対する蒸気の流量）が低いと重粒子は流動し難くなって沈んでしまい、流動化ガスの空塔速度が高いと、軽粒子は収容部１１２の上部１１２ａに浮き、飛散するため、乾燥しきれない状態となってしまう。
【００２２】
また、従来の流動層乾燥装置では、収容部において、収容部の上部の空塔速度の方が収容部の下部の空塔速度より高くなり、収容部の上部の軽粒子は、より飛散しやすくなってしまう。ここで、従来の流動層乾燥装置における収容部内部の空塔速度と、本実施形態の流動層乾燥装置１００における収容部１１２内部の空塔速度について説明する。
【００２３】
図２は、従来の流動層乾燥装置１０と本実施形態の流動層乾燥装置１００とを比較するための比較図である。図２（ａ）は、従来の流動層乾燥装置１０を示す概略図であり、図２（ｂ）は本実施形態の流動層乾燥装置１００を示す概略図である。図中、流動化ガスの流れを白抜き矢印で、乾燥により生じた蒸気の流れを黒矢印で示す。図２（ａ）に示すように、従来の流動層乾燥装置１０は、収容部１３を含む流動層乾燥炉１１と、風箱１２とを含んで構成される。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、従来の流動層乾燥装置１０の収容部１３では、収容部１３の上部１３ａの断面積と、収容部１３の下部１３ｂの断面積とが等しい。収容部１３には、風箱１２から流動化ガスが流入し、流動化ガスは、収容部１３の上部１３ａ（鉛直上方）へ向かって移動しながら、含水物質を流動させるとともに乾燥させる。その結果、含水物質に含まれていた水分が蒸発することで、収容部１３内部で新たに蒸気が生じる。かかる流動化ガスおよび蒸気は収容部１３の上部１３ａへ向かって移動する。このため、収容部１３では、上部１３ａに向かうにしたがって、同一断面積を通過するガス（流動化ガスおよび蒸気）の流量が増加し、収容部１３の上部１３ａにおける空塔速度の方が収容部１３の下部１３ｂにおける空塔速度より高くなる。
【００２５】
そこで、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、収容部１１２の上部１１２ａの断面積が、収容部１１２の下部１１２ｂの断面積と比較して大きい漏斗形状（円錐形状）の収容部１１２とする。すると、収容部１１２の上部１１２ａの同一断面積を通過するガスの流量が増加しても、収容部１１２の上部１１２ａにおける断面積の方が収容部１１２の下部１１２ｂの断面積より大きいため、流量の増加分が断面積の増加分で相殺され、ガスの空塔速度が高くなることを抑制できる。また、収容部１１２の下部１１２ｂの断面積は、収容部１１２の上部１１２ａの断面積と比較して小さい。このため、収容部１１２の下部１１２ｂにおける流動化ガスの空塔速度を高くすることができ、重粒子が流動せず沈むことが抑制できる。
【００２６】
収容部１１２の上部１１２ａには軽粒子が位置することとなるため、収容部１１２の上部１１２ａでのガスの空塔速度（収容部１１２の上部１１２ａの断面積に対する流動化ガスおよび乾燥により生じた蒸気の流量）は、軽粒子が流動するが飛散しない空塔速度（軽粒子の粒子終末速度）より低いことが好ましい。したがって、収容部１１２の上部１１２ａの断面積は、軽粒子が流動するが飛散しない下記の数式（１）により求められる。
【数３】
2015064149.tif 000005
・・・数式（１）
ここで、Ｑは流動化ガスの体積流量（ｍ３／ｓ）、Ｑｇは乾燥により生成された蒸気の体積流量（ｍ３／ｓ）、Ａｕは収容部１１２の上部１１２ａの横断面の面積（ｍ２）、Ｕｔは軽粒子における予め定められた粒子終末速度（ｍ／ｓ）を示す。
【００２７】
また、収容部１１２の下部１１２ｂには重粒子が位置することとなるため、収容部１１２の下部１１２ｂでのガスの空塔速度（収容部１１２の下部１１２ｂの断面積に対する流動化ガスの流量）は、重粒子が流動可能となる空塔速度（重粒子の最小流動化速度）より高いことが好ましい。したがって、収容部１１２の下部１１２ｂの断面積は、重粒子が流動可能となる下記の数式（２）により求められる。
【数４】
2015064149.tif 000006
・・・数式（２）
ここで、Ｑは流動化ガスの体積流量（ｍ３／ｓ）、Ａｌは収容部１１２の下部１１２ｂの横断面の面積（ｍ２）、Ｕｍｆ：重粒子の最小流動化速度（ｍ／ｓ）を示す。
【００２８】
以上の構成により、本実施形態の流動層乾燥装置１００は、収容部１１２の上部１１２ａで軽粒子が飛散することを抑制し、また収容部１１２の下部１１２ｂで重粒子が流動せず沈むことを抑制することができるため、別途の分級装置を設けることなく、粒径分布が広い褐炭等の含水物質を適切に流動および乾燥させることが可能となる。
【００２９】
ところで、重粒子は軽粒子と比較して含水量が多いため、乾燥に時間がかかる場合がある。そこで、本実施形態では、収容部１１２の底部１１８（分散板１２２）に傾斜を設けることで、重粒子の滞留時間を長くする。
【００３０】
収容部１１２の底部１１８は、図１に示すように、導入部１１４側が導出部１１６側より鉛直下方に位置し、導入部１１４側から導出部１１６側へ傾斜している。底部１１８が傾斜することで、重粒子が導出部１１６側から導入部１１４側へ移動する際、重力に反する方向の力成分が必要となるので、底部１１８が水平である場合と比較して、導出部１１６から導出されにくくなり、重粒子の滞留時間が長くなる。
【００３１】
以上の構成により、収容部１１２の下部１１２ｂにおいて、流動化ガスの空塔速度を高くするとともに、重粒子の滞留時間を長くすることが可能となり、重粒子が乾燥しきれない状態で導出されることが抑制できる。
【００３２】
なお、重粒子の滞留時間を短くする場合は、収容部１１２の底部１１８において、導入部１１４側が導出部１１６側より鉛直上方に位置し、導入部１１４側から導出部１１６側へ傾斜させる。
【００３３】
図３は、変形例にかかる流動層乾燥装置１００を説明するための図である。図３（ａ）は、変形例１にかかる流動層乾燥装置１００を説明するための図であり、図３（ｂ）は、変形例２にかかる流動層乾燥装置１００を説明するための図である。
【００３４】
（変形例１）
図３（ａ）に示すように、収容部１１２内には伝熱管１１２ｃが設けられている。伝熱管１１２ｃには、不図示の供給源より蒸気が供給され、蒸気の熱により伝熱管１１２ｃと収容部１１２内の含水物質との間で熱交換を行い、含水物質の乾燥を促進することができる。したがって、伝熱管１１２ｃを備える構成により、変形例にかかる流動層乾燥装置１００では、含水物質の乾燥をさらに促進することが可能となる。
【００３５】
（変形例２）
図３（ｂ）に示すように、変形例２において、流動層乾燥装置１００の収容部２００の側壁は階段状となっている。かかる構成においても、収容部２００の上部１１２ａの断面積は収容部１１２の下部１１２ｂの断面積と比較して大きいため、粒径分布が広い含水物質を適切に流動および乾燥させることができる。
【００３６】
本実施形態では、収容部２００の上部１１２ａの断面積が収容部２００の下部１１２ｂの断面積と比較して大きい収容部２００を用いて、粒径分布が広い含水物質を適切に流動および乾燥させることを目的としている。このため、収容部２００の側壁の形状に拘わらず実施することができる。
【００３７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明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本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３８】
例えば、本実施形態では、収容部１１２、２００を漏斗形状としたが、例えば、上部の断面積が下部の断面積よりも大きい多角形の角錐形状としてもよい。いずれにしても、上部の断面積が下部の断面積よりも大きい形状であればよい。
【００３９】
また、本実施形態では、含水物質として褐炭を用いて説明したが、亜瀝青炭等の含水石炭を用いることができる。
【００４０】
また、流動層乾燥装置１００において、収容部１１２、２００に３個の導出部１１６を設ける構成としたが、導出部１１６の数と位置はかかる構成に限られず、乾燥させる含水物質が偏析する態様に合わせて１または複数の導出部１１６を設ければよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、含水物質を流動させながら乾燥させる流動層乾燥装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１００  流動層乾燥装置
１１０  流動層乾燥炉
１１２、２００  収容部
１１２ａ  上部
１１２ｂ  下部
１１４  導入部
１１６、１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ  導出部
１１８  底部
１２０  風箱
【図１】
2015064149.tif 000009
【図２】
2015064149.tif 000010
【図３】
2015064149.tif 000011