JP2017058036A - 乾燥システム - Google Patents

Abstract

【課題】含水固形物を効率よく乾燥させる。【解決手段】乾燥システム１００は、含水固形物（褐炭）を収容する収容部（第１収容部１１２）と、収容部において含水固形物が加熱されることで気化した第１水蒸気と、外部で生じた、第１水蒸気より高温の第２水蒸気とを混合して混合水蒸気を生成する混合水蒸気生成部２５０と、混合水蒸気生成部によって生成された混合水蒸気を収容部の底面から供給し、収容部内において含水固形物を流動させ流動層を形成する流動化ガス供給部（第１流動化ガス供給部１１４）と、収容部内に配され、混合水蒸気が流通するとともに、流通過程において、混合水蒸気が有する熱で含水固形物を加熱する伝熱部（第１伝熱部１１６）と、収容部内の流動層の温度を測定する温度センサ１１８と、測定された流動層の温度に応じて、混合水蒸気生成部が混合する第２水蒸気の流量を制御する流量制御部３１０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、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、含水固体燃料の流動層が形成される流動層室内に伝熱管を配しておき、含水固体燃料を加熱することで生じた水蒸気を圧縮機で圧縮し高温高圧の水蒸気として伝熱管に流通させることで、含水固体燃料に水蒸気の熱を伝達して含水固体燃料を乾燥させる技術が開発されている（例えば、特許文献１）。なお、この技術では、圧縮機が生成した高温高圧の水蒸気は、流動層室内にも供給され、含水固体燃料を流動層化する流動化ガスとしても機能する。

国際公開第２０１２／１４１２１７号

上記特許文献１の技術では、含水固体燃料から生じた水蒸気のみが、伝熱管および流動層室に供給されている。このため、流動層室への含水固体燃料の供給量が変動したり、流動層室へ供給される含水固体燃料の含水率が変動したりした場合に、伝熱管に供給する水蒸気と、流動層室に供給する水蒸気とのバランスが崩れ、乾燥が長期化してしまったり、流動層が形成されなくなるといった不具合が生じるおそれがある。

ここで、乾燥時間の長期化を回避するために、圧縮機の回転数を増加させて、伝熱管に供給される水蒸気の温度を上昇させることも考えられるが、圧縮機のランニングコスト（消費エネルギー）がかかるという問題がある。

したがって、含水固体燃料の供給量や含水固体燃料の含水率が変動した場合であっても、消費エネルギーを低減して、含水固体燃料を効率よく乾燥できる技術の開発が希求されている。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、含水固体燃料等の含水固形物の供給量や含水固形物の含水率が変動した場合であっても、含水固形物を効率よく乾燥させ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、本発明の乾燥システムは、含水固形物を収容する収容部と、収容部において含水固形物が加熱されることで気化した水蒸気である第１水蒸気と、外部で生じた、第１水蒸気より高温の水蒸気である第２水蒸気とを混合して混合水蒸気を生成する混合水蒸気生成部と、混合水蒸気生成部によって生成された混合水蒸気を収容部の底面から供給し、収容部内において含水固形物を流動させ流動層を形成する流動化ガス供給部と、収容部内に配され、混合水蒸気生成部によって生成された混合水蒸気が流通するとともに、流通過程において、混合水蒸気が有する熱で含水固形物を加熱する伝熱部と、収容部内の流動層の温度を測定する温度センサと、測定された流動層の温度に応じて、混合水蒸気生成部が混合する第２水蒸気の流量を制御する流量制御部と、を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の他の乾燥システムは、含水固形物を収容する収容部と、収容部において含水固形物が加熱されることで気化した水蒸気である第１水蒸気と、外部で生じた、第１水蒸気より高温の水蒸気である第２水蒸気とを混合して混合水蒸気を生成する混合水蒸気生成部と、混合水蒸気生成部によって生成された混合水蒸気を収容部の底面から供給し、収容部内において含水固形物を流動させ流動層を形成する流動化ガス供給部と、収容部内に配され、混合水蒸気生成部によって生成された混合水蒸気が流通するとともに、流通過程において、混合水蒸気が有する熱で含水固形物を加熱する伝熱部と、混合水蒸気生成部が生成した混合水蒸気の流量を測定する流量センサと、測定された混合水蒸気の流量に応じて、混合水蒸気生成部が混合する第２水蒸気の流量を制御する流量制御部と、を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の他の乾燥システムは、含水固形物を収容する収容部と、収容部において含水固形物が加熱されることで気化した水蒸気である第１水蒸気と、外部で生じた、第１水蒸気より高温の水蒸気である第２水蒸気とを熱交換して、第１水蒸気を加熱する熱交換部と、熱交換部によって加熱された第１水蒸気を収容部の底面から供給し、収容部内において含水固形物を流動させ流動層を形成する流動化ガス供給部と、収容部内の流動層の温度を測定する温度センサと、測定された流動層の温度に応じて、熱交換部に供給される第２水蒸気の流量を制御する流量制御部と、を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の他の乾燥システムは、含水固形物を収容する収容部と、収容部において含水固形物が加熱されることで気化した水蒸気である第１水蒸気と、外部で生じた、第１水蒸気より高温の水蒸気である第２水蒸気とを熱交換して、第１水蒸気を加熱する熱交換部と、熱交換部によって加熱された第１水蒸気を収容部の底面から供給し、収容部内において含水固形物を流動させ流動層を形成する流動化ガス供給部と、収容部内から排出される第１水蒸気の流量を測定する流量センサと、測定された第１水蒸気の流量に応じて、熱交換部に供給される第２水蒸気の流量を制御する流量制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、含水固形物は、含水固体燃料であり、乾燥された含水固体燃料を燃焼させて水を加熱し、水蒸気を生成するボイラと、ボイラによって生成された水蒸気によって発電するスチームタービンと、をさらに備え、第２水蒸気は、スチームタービンを通過した水蒸気であるとしてもよい。

本発明によれば、含水固体燃料等の含水固形物の供給量や含水固形物の含水率が変動した場合であっても、含水固形物を効率よく乾燥させ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。 第１の実施形態にかかる乾燥システムの概略図を示す図である。 第２の実施形態にかかる乾燥システムの概略図を示す図である。

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。

（第１の実施形態：乾燥システム１００）
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。上述したように、褐炭等の含水固体燃料は、自由水と結合水とを含んでいる。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。

図２は、第１の実施形態にかかる乾燥システム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、水蒸気および空気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。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１０２と、第１乾燥炉１１０と、発電ユニット２１０と、混合水蒸気生成部２５０と、流量制御部３１０と、第２乾燥炉４１０と、冷却部５１０と、気液分離ユニット６１０、６２０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１０２によって第１乾燥炉１１０に未乾燥の褐炭が導入され、第１乾燥炉１１０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、第２乾燥炉４１０において乾燥された褐炭を冷却部５１０で冷却する。

以下、第１乾燥炉１１０、発電ユニット２１０、混合水蒸気生成部２５０、流量制御部３１０、第２乾燥炉４１０、冷却部５１０、気液分離ユニット６１０、６２０の具体的な構成について説明する。

（第１乾燥炉１１０）
第１乾燥炉１１０は、第１収容部１１２（収容部）と、第１流動化ガス供給部１１４（流動化ガス供給部）と、第１伝熱部１１６（伝熱部）と、温度センサ１１８と、流量センサ１２０とを含んで構成される。

第１収容部１１２は、含水固形物導入部１０２によって導入された褐炭を収容する。第１流動化ガス供給部１１４は、風箱１１４ａと、風箱１１４ａに第１流動化ガスを送り込むブロワ１１４ｂとを含んで構成される。風箱１１４ａは、第１収容部１１２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１１４ａを通じて第１収容部１１２の底面から当該第１収容部１１２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１１４ａの上部は、第１収容部１１２の底面としても機能し、通気可能である分散板１１４ｃで形成されている。分散板１１４ｃ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。

ブロワ１１４ｂは、第１流動化ガスを風箱１１４ａに送り込む。本実施形態においてブロワ１１４ｂは、後述する混合水蒸気生成部２５０が生成した混合水蒸気を第１流動化ガスとして風箱１１４ａに送り込む。詳しくは後述するが、ここで、混合水蒸気は、第１収容部１１２において褐炭が加熱されて自由水が気化したことで生じる水蒸気である第１水蒸気（例えば、１０３℃。以下、「自由水由来の水蒸気」と称する。）、および、後述する発電ユニット２１０で生じた水蒸気である第２水蒸気（例えば、２００℃、９ａｔｍ）の混合物である。

こうして、第１流動化ガス供給部１１４によって第１収容部１１２に供給された混合水蒸気（第１流動化ガス）は、第１収容部１１２内で褐炭を流動させて、流動層を形成するとともに、混合水蒸気（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１１２に供給される混合水蒸気は、後述する流量制御部３１０によって、褐炭の流動層を効率よく形成するとともに、自由水を効率よく蒸発させる温度（例えば、１２０℃、２ａｔｍ）および流量に調整される。

第１伝熱部１１６は、例えば、熱媒体が流通する配管で構成され、第１収容部１１２内に配される。第１伝熱部１１６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１伝熱部１１６には、熱媒体として、ブロワ１１６ａによって、混合水蒸気生成部２５０が生成した混合水蒸気が供給される。なお、第１伝熱部１１６に供給される混合水蒸気（熱媒体）は、流量制御部３１０によって褐炭の自由水を効率よく蒸発させる温度（例えば、１２０℃、２ａｔｍ）および流量に調整される。

第１伝熱部１１６を備える構成により、第１収容部１１２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（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１１６（第１伝熱部１１６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１１６内で凝縮することとなる。そこで、気液分離ユニット６１０を設けておき、気液分離ユニット６１０によって、第１伝熱部１１６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１１０では、第１収容部１１２に未乾燥の褐炭が導入され、第１流動化ガス供給部１１４および第１伝熱部１１６によって褐炭が加熱され、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、第１収容部１１２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（流動層）が第１収容部１１２の出口からオーバーフローして、第１収容部１１２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に導入されることとなる。また、第１乾燥炉１１０において気化された自由水（１０３℃程度の水蒸気（第１水蒸気））は、ブロワ１１４ｂによって風箱１１４ａに再度送り込まれたり、ブロワ１１６ａによって第１伝熱部１１６に供給されたりすることとなる。

温度センサ１１８は、第１収容部１１２内の流動層（褐炭の流動層）の温度を測定する。流量センサ１２０は、混合水蒸気生成部２５０が生成した混合水蒸気の流量を測定する。

（発電ユニット２１０）
発電ユニット２１０は、ボイラ２１２と、スチームタービン２１４と、発電機２１６とを含んで構成され、ボイラ２１２によって生成された水蒸気でスチームタービン２１４を回転させることによって得られる回転エネルギーを電力に変換する。具体的に説明すると、ボイラ２１２は、燃料を燃焼させて水を加熱し、水蒸気を生成する。なお、本実施形態において、ボイラ２１２は、第１乾燥炉１１０、第２乾燥炉４１０で乾燥され、冷却部５１０で冷却された褐炭を燃料として燃焼させる。

スチームタービン２１４は、ボイラ２１２によって生成された水蒸気によって回転され、当該回転によって得られる回転エネルギーを、回転軸を通じて発電機２１６に伝達し、発電機２１６は、スチームタービン２１４から伝達された回転エネルギーを電力に変換する。

そして、スチームタービン２１４を通過した水蒸気である第２水蒸気（例えば、２００℃、９ａｔｍ）は、主流路２２０を通じて、混合水蒸気生成部２５０および第２伝熱部４１６に供給される。

（混合水蒸気生成部２５０）
混合水蒸気生成部２５０は、スチームタービン２１４に接続された主流路２２０から分岐された第１流路２５２と、第１収容部１１２から排出された水蒸気を第１流路２５２に送出する排出流路２５４とを含んで構成され、スチームタービン２１４を通過した水蒸気である第２水蒸気、および、自由水由来の水蒸気（第１水蒸気）を混合して混合水蒸気を生成する。

こうして生成された混合水蒸気は、第１流路２５２から分岐され風箱１１４ａに接続された流動化ガス流路２６０を通じて風箱１１４ａ（第１収容部１１２）に供給されたり、第１流路２５２から分岐され第１伝熱部１１６に接続された熱媒体流路２６２を通じて第１伝熱部１１６に供給されたりする。なお、ブロワ１１４ｂは、流動化ガス流路２６０に設けられ、ブロワ１１６ａは熱媒体流路２６２に設けられる。

また、主流路２２０から分岐され第２伝熱部４１６に接続された第２流路２７０が設けられている。なお、主流路２２０には、第１バルブ２２０ａが、第１流路２５２には、第２バルブ２５２ａが、第２流路２７０には、第３バルブ２７０ａが設けられている。

（流量制御部３１０）
流量制御部３１０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、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バルブ２２０ａ、第２バルブ２５２ａ、第３バルブ２７０ａを制御する。

流量制御部３１０は、流動層の温度および混合水蒸気の流量に対する２つの目標値に対し、温度センサ１１８が測定した流動層の温度、および、流量センサ１２０が測定した混合水蒸気の流量をフィードバックして、所定の伝達関数を通じて、混合水蒸気生成部２５０が混合する第２水蒸気の流量を導出する。ここでは、流動層の温度および混合水蒸気の流量に相関はあるものの、制御量が１つ（第２水蒸気の流量）であるため、流動層の温度および混合水蒸気の流量に対する２つの目標値をいずれも達成するのは難しく、流動層が正常に形成される所定の流動化ガス（混合水蒸気）の流量の範囲内で適切な値に制御されることとなる。

そして、導出した流量の第２水蒸気が、排出流路２５４から送出される自由水由来の水蒸気（第１水蒸気）に混合されるように、第１バルブ２２０ａおよび第２バルブ２５２ａの開度を調整する。なお、本実施形態では、混合水蒸気生成部２５０で生成された混合水蒸気が、第１収容部１１２に供給される量と、第１伝熱部１１６に供給される量との比が固定化されている。したがって、伝達関数は、第１収容部１１２に供給される混合水蒸気によって褐炭の流動層が安定化し、かつ、第１伝熱部１１６に供給される混合水蒸気によって効率よく褐炭の自由水を蒸発させるような、第２水蒸気の流量が導出されるように設計される。

かかる構成により、第１収容部１１２への褐炭の供給量が変動したり、第１収容部１１２に供給される褐炭の含水率が変動したりする場合であっても、第１伝熱部１１６に供給する水蒸気と、第１収容部１１２に供給する水蒸気とのバランスを保ち、褐炭の流動層を維持したまま、効率よく褐炭を乾燥させることができる。具体的に説明すると、第１収容部１１２への褐炭の供給量が定格より増加した場合や、想定より高い含水率の褐炭が第１収容部１１２へ供給された場合、流動層の温度が低下する。そうすると、温度センサ１１８がこれを検知し、流量制御部３１０は、混合水蒸気生成部２５０が混合する第２水蒸気の流量を増加させる。これにより、第１伝熱部１１６に供給される第２水蒸気の流量が増加されて、第１伝熱部１１６を流通する混合水蒸気の温度を上昇させることができる。したがって、褐炭を効率よく乾燥させることが可能となる。

また、第１収容部１１２への褐炭の供給量が定格より低下した場合や、想定より低い含水率の褐炭が第１収容部１１２へ供給された場合、褐炭から生じる（気化する）水蒸気量が低下する。そうすると、流量センサ１２０がこれを検知し、流量制御部３１０は、混合水蒸気生成部２５０が混合する第２水蒸気の流量を増加させる。これにより、第１収容部１１２に供給される第２水蒸気の流量が増加されて、褐炭の流動層の安定化を図ることができる。したがって、褐炭の流動層を維持したまま、褐炭を効率よく乾燥させることが可能となる。

また、流量制御部３１０は、温度センサ４１８が測定した流動層の温度に応じて、第１バルブ２２０ａ、第３バルブ２７０ａの開度を調整する。かかる制御については、後に詳述する。

（第２乾燥炉４１０）
第２乾燥炉４１０は、第２収容部４１２と、第２流動化ガス供給部４１４と、第２伝熱部４１６と、温度センサ４１８とを含んで構成される。

第２収容部４１２は、第１乾燥炉１１０によって自由水が除去された褐炭を収容する。第２流動化ガス供給部４１４は、第１乾燥炉１１０を構成する第１流動化ガス供給部１１４と同様に、風箱４１４ａと、風箱４１４ａに第２流動化ガスを送り込むブロワ４１４ｂとを含んで構成される。風箱４１４ａ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４１４ａ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４１４ａ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４１４ｃで形成されている。分散板４１４ｃ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。

ブロワ４１４ｂは、第２流動化ガスを風箱４１４ａに送り込む。本実施形態においてブロワ４１４ｂは、第２収容部４１２において褐炭が加熱されて結合水が気化したことで生じる水蒸気（例えば、１１５℃。以下、「結合水由来の水蒸気」と称する。）を、第２流動化ガスとして風箱４１４ａに送り込む。

こうして、第２流動化ガス供給部４１４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（例えば、１１５℃の水蒸気）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。

第２伝熱部４１６は、第１乾燥炉１１０を構成する第１伝熱部１１６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４１６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４１６には、熱媒体として、スチームタービン２１４を通過した水蒸気である第２水蒸気（例えば、２００℃、９ａｔｍ）が供給される。

第２伝熱部４１６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。

温度センサ４１８は、第２収容部４１２内の流動層（褐炭の流動層）の温度を測定する。そして、流量制御部３１０は、温度センサ４１８が測定した流動層の温度が所定の範囲内となるように、第２伝熱部４１６に供給する第２水蒸気の流量を導出する。そして、導出した第２水蒸気の流量となるように、第１バルブ２２０ａおよび第３バルブ２７０ａの開度を調整する。これにより、第２収容部４１２への褐炭の供給量が変動したり、第２収容部４１２に供給される褐炭の含水率が変動したりする場合であっても、効率よく褐炭を乾燥させることができる。

また、第２伝熱部４１６（第２伝熱部４１６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４１６内で凝縮することとなる。そこで、気液分離ユニット６２０を設けておき、気液分離ユニット６２０によって、第２伝熱部４１６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、発電ユニット２１０を構成するボイラ２１２に返送されることとなる。

このように、第２乾燥炉４１０では、第１乾燥炉１１０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流動化ガス供給部４１４および第２伝熱部４１６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１１０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４１４ｂによって、風箱４１４ａに再度送り込まれることとなる。

（冷却部５１０）
冷却部５１０は、第３収容部５１２と、冷却ガス供給部５１４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５１４は、第１流動化ガス供給部１１４、第２流動化ガス供給部４１４と同様に、風箱５１４ａと、風箱５１４ａに冷却ガス（例えば、空気）を送り込むブロワ５１４ｂとを含んで構成される。風箱５１４ａ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５１４ａ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５１４ａ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５１４ｃで形成されている。分散板５１４ｃ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（例えば、発電ユニット２１０のボイラ２１２）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、温度センサ１１８が測定した流動層の温度、および、流量センサ１２０が測定した混合水蒸気の流量に応じて、流量制御部３１０が、混合水蒸気生成部２５０が混合する第２水蒸気の流量を制御する構成により、第１収容部１１２への褐炭の供給量が変動したり、第１収容部１１２に供給される褐炭の含水率が変動したりする場合であっても、褐炭の流動層を維持するとともに、効率よく褐炭を乾燥させることが可能となる。

また、本実施形態の乾燥システム１００では、第１乾燥炉１１０の第１収容部１１２および第１伝熱部１１６、第２乾燥炉４１０の第２伝熱部４１６に、スチームタービン２１４を通過した水蒸気を第２水蒸気として流通させている。近年、スチームタービン２１４を通過した水蒸気が有する熱エネルギーの利用手段が開発されているものの、効率的な利用手段の開発には至っていない。そこで、スチームタービン２１４を通過した水蒸気（第２水蒸気）が有する熱エネルギーを、褐炭の乾燥に利用することにより、第２水蒸気が有する熱エネルギーを効率よく利用しつつ、褐炭を乾燥させることが可能となる。したがって、従来と比較して、高温高圧の熱媒体を生成するための圧縮機自体のコスト、および、圧縮機の消費エネルギーを削減することが可能となる。

さらに、気液分離ユニット６２０を備える構成により、第２伝熱部４１６において熱媒体として利用した第２水蒸気をスチームタービン２１４に返送することができるため、第２水蒸気を有効に利用することができる。

また、本実施形態にかかる乾燥システム１００では、第１乾燥炉１１０において自由水を除去し、第２乾燥炉４１０において結合水を除去する。すなわち、自由水と結合水を異なる乾燥炉で段階的に除去する。

従来の構成では、１の乾燥炉で自由水および結合水を一度に気化させるため、結合水の気化熱（熱エネルギー）を有する熱媒体を伝熱部に供給する必要がある。そうすると、結合水よりも気化熱が小さい自由水についても、過剰な熱エネルギーを有する熱媒体（結合水の気化熱を有する熱媒体）で気化させることとなり、オーバースペックな熱エネルギーを有する熱媒体を生成することとなっていた。

しかし、本実施形態にかかる乾燥システム１００では、少なくとも自由水を気化させることができる気化熱を有する熱媒体（水蒸気）を第１伝熱部１１６に供給すればよい。したがって、従来と比較して第１伝熱部１１６に流通させる熱媒体を生成するための装置自体のコスト、および、ランニングコストを低減することができる。

また、本実施形態の第１流動化ガス供給部１１４は、自由水由来の水蒸気を第１収容部１１２に供給しており、第１伝熱部１１６は、熱媒体として自由水由来の水蒸気を流通させているため、自由水由来の水蒸気の潜熱を有効に利用（回収）することができ、エネルギー効率を向上することが可能となる。同様に、第２流動化ガス供給部４１４は、結合水由来の水蒸気を第２収容部４１２に供給しているため、結合水由来の水蒸気の顕熱を有効に利用（回収）することができる。

（第２の実施形態：乾燥システム７００）
図３は、第２の実施形態にかかる乾燥システム７００の概略図を示す図である。なお、図３中、褐炭の流れを一点鎖線の矢印で、水蒸気および空気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。図３に示すように、乾燥システム７００は、含水固形物導入部１０２と、第１乾燥炉７１０と、発電ユニット２１０と、第２乾燥炉８１０と、冷却部５１０と、気液分離ユニット６１０、６２０と、流量制御部９１０とを含んで構成される。なお、上記乾燥システム１００の構成と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、第１乾燥炉７１０、第２乾燥炉８１０、流量制御部９１０について詳述する。

（第１乾燥炉７１０）
第１乾燥炉７１０は、第１収容部１１２（収容部）と、第１流動化ガス供給部７１４（流動化ガス供給部）と、第１伝熱部１１６と、温度センサ１１８と、流量センサ７２０と、第１熱交換部７３０（熱交換部）とを含んで構成される。

第１流動化ガス供給部７１４は、風箱１１４ａと、風箱１１４ａに第１流動化ガスを送り込むブロワ７１４ｂとを含んで構成される。本実施形態では、第１収容部１１２から排出された水蒸気が導かれる排出流路７１６と、排出流路７１６から分岐され第１伝熱部１１６に接続される熱媒体流路７１６ａと、排出流路７１６から分岐され風箱１１４ａに接続される流動化ガス流路７１６ｂとが設けられており、ブロワ７１４ｂは流動化ガス流路７１６ｂに設けられ、ブロワ１１６ａは、熱媒体流路７１６ａに設けられる。また、流動化ガス流路７１６ｂにおけるブロワ７１４ｂの下流側（風箱１１４ａ側）には、後述する第１熱交換部７３０が設けられる。

流量センサ７２０は、第１収容部１１２から排出された第１水蒸気の流量を測定する。具体的に説明すると、本実施形態において流量センサ７２０は、排出流路７１６を流通する第１水蒸気の流量を測定する。

第１熱交換部７３０は、流動化ガス流路７１６ｂを流通する自由水由来の水蒸気（第１水蒸気）と、発電ユニット２１０のスチームタービン２１４を通過した水蒸気である第２水蒸気とを熱交換して、第１水蒸気を加熱する。具体的に説明すると、本実施形態において、発電ユニット２１０のスチームタービン２１４に接続された主流路２２０は、第２流路２７０と、主熱交換流路９２０に分岐され、主熱交換流路９２０は第１熱交換流路９２２と、第２熱交換流路９２４に分岐されている。そして、第１熱交換流路９２２が第１熱交換部７３０に接続され、第２水蒸気は、主流路２２０、主熱交換流路９２０、第１熱交換流路９２２を通って第１熱交換部７３０に供給されることとなる。したがって、風箱１１４ａ（第１収容部１１２）には、第１熱交換部７３０によって加熱された、自由水由来の水蒸気（第１水蒸気）が供給されることとなる。なお、熱交換された後の第２水蒸気は、気液分離ユニット６２０に送出される。

（第２乾燥炉８１０）
第２乾燥炉８１０は、第２収容部４１２（収容部）と、第２流動化ガス供給部８１４（流動化ガス供給部）と、第２伝熱部４１６と、温度センサ４１８と、流量センサ８２０と、第２熱交換部８３０（熱交換部）とを含んで構成される。

第２流動化ガス供給部８１４は、風箱４１４ａと、風箱４１４ａに第２流動化ガスを送り込むブロワ８１４ｂとを含んで構成される。本実施形態では、第２収容部４１２から排出された第１水蒸気が導かれる排出流路８１６と、排出流路８１６から分岐され風箱４１４ａに接続される流動化ガス流路８１６ａとが設けられており、流動化ガス流路８１６ａにはブロワ８１４ｂが設けられる。また、流動化ガス流路８１６ｂにおけるブロワ８１４ｂの下流側（風箱４１４ａ側）には、後述する第２熱交換部８３０が設けられる。

流量センサ８２０は、第２収容部４１２から排出された第１水蒸気の流量を測定する。具体的に説明すると、本実施形態において流量センサ８２０は、排出流路８１６を流通する第１水蒸気の流量を測定する。

第２熱交換部８３０は、流動化ガス流路８１６ｂを流通する結合水由来の水蒸気（第１水蒸気）と、発電ユニット２１０のスチームタービン２１４を通過した水蒸気である第２水蒸気とを熱交換して、第１水蒸気を加熱する。具体的に説明すると、第２熱交換部８３０には、第２熱交換流路９２４が接続されており、第２水蒸気は、主流路２２０、主熱交換流路９２０、第２熱交換流路９２４を通って第２熱交換部８３０に供給されることとなる。したがって、風箱４１４ａ（第２収容部４１２）には、第２熱交換部８３０によって加熱された、結合水由来の水蒸気（第１水蒸気）が供給されることとなる。なお、熱交換された後の第２水蒸気は、気液分離ユニット６２０に送出される。

（流量制御部９１０）
流量制御部９１０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、第１バルブ２２０ａ、第３バルブ２７０ａ、主熱交換流路９２０に設けられた主熱交換バルブ９２０ａ、第２熱交換流路９２４に設けられた副熱交換バルブ９２４ａを制御する。

本実施形態において流量制御部９１０は、流動層の温度、および、排出される第１水蒸気（自由水由来の水蒸気）の流量に対する２つの目標値に対し、温度センサ１１８が測定した流動層の温度、および、流量センサ７２０が測定した第１水蒸気の流量をフィードバックして、所定の伝達関数を通じて、第１熱交換部７３０に供給する第２水蒸気の流量（第１熱交換部７３０における第１水蒸気の加熱量）を導出する。また、流量制御部９１０は、流動層の温度、および、排出される第１水蒸気（結合水由来の水蒸気）の流量に対する２つの目標値に対し、温度センサ４１８が測定した流動層の温度、および、流量センサ８２０が測定した第１水蒸気の流量をフィードバックして、所定の伝達関数を通じて、第２熱交換部８３０に供給する第２水蒸気の流量（第２熱交換部８３０における第１水蒸気の加熱量）を導出する。ここでは、流動層の温度、および、排出される第１水蒸気の流量に相関はあるものの、制御量が１つ（第２水蒸気の流量）であるため、流動層の温度、および、排出される第１水蒸気の流量に対する２つの目標値をいずれも達成するのは難しく、流動層が正常に形成される所定の流動化ガス（第１水蒸気）の流量の範囲内で適切な値に制御されることとなる。

そして、導出した流量の第２水蒸気が、第１熱交換部７３０、第２熱交換部８３０にそれぞれ供給されるように、第１バルブ２２０ａ、主熱交換バルブ９２０ａ、副熱交換バルブ９２４ａの開度を調整する。

かかる構成により、第１収容部１１２への褐炭の供給量が変動したり、第１収容部１１２に供給される褐炭の含水率が変動したりする場合であっても、第１収容部１１２、および、第２収容部４１２に供給される水蒸気（流動化ガス）の温度を上昇させることができ、効率よく褐炭を乾燥させることが可能となる。

また、本実施形態の乾燥システム７００では、スチームタービン２１４を通過した水蒸気を第２水蒸気として、第１熱交換部７３０および第２熱交換部８３０に供給している。したがって、スチームタービン２１４を通過した水蒸気（第２水蒸気）が有する熱エネルギーを、流動化ガスの加熱に利用することができ、第２水蒸気が有する熱エネルギーを効率よく利用しつつ、褐炭を乾燥させることが可能となる。これにより、従来と比較して、高温高圧の熱媒体を生成するための圧縮機自体のコスト、および、圧縮機の消費エネルギーを削減することが可能となる。

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。

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、７００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、上記第１の実施形態において、乾燥システム１００は、温度センサ１１８および流量センサ１２０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、乾燥システムは、温度センサおよび流量センサのいずれか一方のみを備えるとしてもよい。例えば、乾燥システムが流量センサを備えず温度センサのみを備える場合、流量制御部は、流動層の温度に対し、温度センサが測定した流動層の温度をフィードバックして、所定の伝達関数を通じて、混合水蒸気生成部が混合する第２水蒸気の流量を導出するとよい。また、例えば、乾燥システムが温度センサを備えず流量センサのみを備える場合、流量制御部は、混合水蒸気の流量に対し、流量センサが測定した混合水蒸気の流量をフィードバックして、所定の伝達関数を通じて、混合水蒸気生成部が混合する第２水蒸気の流量を導出するとよい。

また、上記第２の実施形態において、乾燥システム７００は、温度センサ１１８、４１８および流量センサ７２０、８２０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、乾燥システムは、温度センサおよび流量センサのいずれか一方のみを備えるとしてもよい。例えば、乾燥システムが流量センサを備えず温度センサのみを備える場合、流量制御部は、流動層の温度に対し、温度センサが測定した流動層の温度をフィードバックして、所定の伝達関数を通じて、熱交換部に供給する第２水蒸気の流量を導出するとよい。また、例えば、乾燥システムが温度センサを備えず流量センサのみを備える場合、流量制御部は、第２水蒸気の流量に対し、流量センサが測定した第１水蒸気の流量をフィードバックして、所定の伝達関数を通じて、熱交換部に供給する第２水蒸気の流量を導出するとよい。

また、上記第１の実施形態において、温度センサ１１８は、第１収容部１１２内の流動層の温度を測定する構成を例に挙げて説明したが、排出流路２５４内等の他の箇所の温度を測定してもよい。また、上記第１の実施形態において、流量センサ１２０は、第１流路２５２を流通する混合水蒸気の流量を測定する構成を例に挙げて説明したが、流動化ガス流路２６０や、熱媒体流路２６２を流通する混合水蒸気、排出流路２５４を流通する水蒸気等の他の箇所の流量を測定してもよい。

また、上記第２の実施形態において、温度センサ１１８は、第１収容部１１２内の流動層の温度を測定し、温度センサ４１８は、第２収容部４１２内の流動層の温度を測定する構成を例に挙げて説明した。しかし、温度センサ１１８は、排出流路７１６内等の他の箇所の温度を測定してもよいし、温度センサ４１８は、排出流路８１６内等の他の箇所の温度を測定してもよい。また、上記第２の実施形態において、流量センサ７２０は、排出流路７１６を流通する第１水蒸気の流量を測定する構成を例に挙げて説明したが、熱媒体流路７１６ａや、流動化ガス流路７１６ｂを流通する水蒸気等の他の箇所の流量を測定してもよい。さらに、上記第２の実施形態において、流量センサ８２０は、排出流路８１６を流通する第１水蒸気の流量を測定する構成を例に挙げて説明したが、流動化ガス流路８１６ａを流通する水蒸気等の他の箇所の流量を測定してもよい。

また、上記第１の実施形態において、流量制御部３１０が温度センサ１１８および流量センサ１２０の値をフィードバックし、所定の伝達関数を通じて第２水蒸気の流量を制御する構成を例に挙げて説明した。しかし、その制御方式は、かかる場合に限らず、様々な制御方式を採用できる。例えば、ＯＮ／ＯＦＦ制御を採用した場合、流動層が正常に形成される所定の流動化ガス（混合水蒸気）の流量の範囲内で、流動層の温度および混合水蒸気の流量それぞれに対し上限値および下限値を設定し、下限値以下になると、所定量の第２水蒸気を加え、上限値以上となると第２水蒸気を切ることで流動層を維持するとしてもよい。

また、上記第２の実施形態において、流量制御部９１０が温度センサ１１８および流量センサ７２０の値をフィードバックし、所定の伝達関数を通じて第１熱交換部７３０に供給する第２水蒸気の流量を制御するとともに、温度センサ４１８および流量センサ８２０の値をフィードバックし、所定の伝達関数を通じて第２熱交換部８３０に供給する第２水蒸気の流量を制御する構成を例に挙げて説明した。しかし、その制御方式は、かかる場合に限らず、様々な制御方式を採用できる。例えば、ＯＮ／ＯＦＦ制御を採用した場合、流動層が正常に形成される所定の流動化ガス（第１水蒸気）の流量の範囲内で、流動層の温度および排出される第１水蒸気の流量それぞれに対し上限値および下限値を設定し、下限値以下になると、所定量の第２水蒸気を供給し、上限値以上となると第２水蒸気を切ることで流動層を維持するとしてもよい。

また、上記実施形態において、スチームタービン２１４を通過した第２水蒸気が、第１収容部１１２、第１伝熱部１１６、第２伝熱部４１６に供給される構成を例に挙げて説明した。しかし、第１収容部１１２、第１伝熱部１１６、第２伝熱部４１６に供給される第２水蒸気は、乾燥システム１００、７００の外部で生成されれば、供給源に限定はない。

また、第１乾燥炉１１０、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。

本発明は、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
１１２ 第１収容部（収容部）
１１４ 第１流動化ガス供給部（流動化ガス供給部）
１１６ 第１伝熱部（伝熱部）
１１８ 温度センサ
１２０ 流量センサ
２１２ ボイラ
２１４ スチームタービン
３１０ 流量制御部
４１２ 第２収容部（収容部）
４１８ 温度センサ
７００ 乾燥システム
７１４ 第１流動化ガス供給部（流動化ガス供給部）
７２０ 流量センサ
７３０ 第１熱交換部（熱交換部）
８１４ 第２流動化ガス供給部（流動化ガス供給部）
８３０ 第２熱交換部（熱交換部）
９１０ 流量制御部

Claims (5)

1. 含水固形物を収容する収容部と、
   前記収容部において前記含水固形物が加熱されることで気化した水蒸気である第１水蒸気と、外部で生じた、該第１水蒸気より高温の水蒸気である第２水蒸気とを混合して混合水蒸気を生成する混合水蒸気生成部と、
   前記混合水蒸気生成部によって生成された混合水蒸気を前記収容部の底面から供給し、該収容部内において前記含水固形物を流動させ流動層を形成する流動化ガス供給部と、
   前記収容部内に配され、前記混合水蒸気生成部によって生成された混合水蒸気が流通するとともに、流通過程において、該混合水蒸気が有する熱で該含水固形物を加熱する伝熱部と、
   前記収容部内の流動層の温度を測定する温度センサと、
   測定された前記流動層の温度に応じて、前記混合水蒸気生成部が混合する前記第２水蒸気の流量を制御する流量制御部と、
   を備えたことを特徴とする乾燥システム。
2. 含水固形物を収容する収容部と、
   前記収容部において前記含水固形物が加熱されることで気化した水蒸気である第１水蒸気と、外部で生じた、該第１水蒸気より高温の水蒸気である第２水蒸気とを混合して混合水蒸気を生成する混合水蒸気生成部と、
   前記混合水蒸気生成部によって生成された混合水蒸気を前記収容部の底面から供給し、該収容部内において前記含水固形物を流動させ流動層を形成する流動化ガス供給部と、
   前記収容部内に配され、前記混合水蒸気生成部によって生成された混合水蒸気が流通するとともに、流通過程において、該混合水蒸気が有する熱で該含水固形物を加熱する伝熱部と、
   前記混合水蒸気生成部が生成した混合水蒸気の流量を測定する流量センサと、
   測定された前記混合水蒸気の流量に応じて、前記混合水蒸気生成部が混合する前記第２水蒸気の流量を制御する流量制御部と、
   を備えたことを特徴とする乾燥システム。
3. 含水固形物を収容する収容部と、
   前記収容部において前記含水固形物が加熱されることで気化した水蒸気である第１水蒸気と、外部で生じた、該第１水蒸気より高温の水蒸気である第２水蒸気とを熱交換して、該第１水蒸気を加熱する熱交換部と、
   前記熱交換部によって加熱された前記第１水蒸気を前記収容部の底面から供給し、該収容部内において前記含水固形物を流動させ流動層を形成する流動化ガス供給部と、
   前記収容部内の流動層の温度を測定する温度センサと、
   測定された前記流動層の温度に応じて、前記熱交換部に供給される前記第２水蒸気の流量を制御する流量制御部と、
   を備えたことを特徴とする乾燥システム。
4. 含水固形物を収容する収容部と、
   前記収容部において前記含水固形物が加熱されることで気化した水蒸気である第１水蒸気と、外部で生じた、該第１水蒸気より高温の水蒸気である第２水蒸気とを熱交換して、該第１水蒸気を加熱する熱交換部と、
   前記熱交換部によって加熱された前記第１水蒸気を前記収容部の底面から供給し、該収容部内において前記含水固形物を流動させ流動層を形成する流動化ガス供給部と、
   前記収容部内から排出される前記第１水蒸気の流量を測定する流量センサと、
   測定された前記第１水蒸気の流量に応じて、前記熱交換部に供給される前記第２水蒸気の流量を制御する流量制御部と、
   を備えたことを特徴とする乾燥システム。
5. 前記含水固形物は、含水固体燃料であり、
   乾燥された前記含水固体燃料を燃焼させて水を加熱し、水蒸気を生成するボイラと、
   前記ボイラによって生成された水蒸気によって発電するスチームタービンと、
   をさらに備え、
   前記第２水蒸気は、前記スチームタービンを通過した水蒸気であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の乾燥システム。

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