JP5983009B2 - 固体燃料乾燥装置および固体燃料乾燥方法 - Google Patents

Description

本発明は、褐炭等の水を多く含む含水固体燃料から水を除去する固体燃料乾燥装置および固体燃料乾燥方法に関する。

近年、石油に代えて、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ガス化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ガス化ガスは、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。ガス化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。

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が高い。したがって、無煙炭等と比較して、含水固体燃料は、単位重量あたりの発熱量が低いため、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。

そこで、メタノール等の溶媒に含水固体燃料を浸漬し、含水固体燃料中の水をメタノールに溶解させることで、含水固体燃料から水を除去して含水固体燃料を乾燥させる技術（浸漬法）が開発されている（例えば、特許文献１）。

米国特許第４０１４１０４号

しかし、上述した特許文献１の技術では、乾燥させる含水固体燃料に対して多量のメタノールが必要となっていた。また、特許文献１の技術では、含水固体燃料の乾燥に限界があった。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、少量の溶媒で効率よく含水固体燃料から水を除去することが可能な固体燃料乾燥装置および固体燃料乾燥方法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、本発明の固体燃料乾燥装置は、水より沸点が低い水溶性溶媒の蒸気を生成する蒸気生成部と、一端が他端よりも下方となるように配される本体と、該本体の一端側に設けられた含水固体燃料の導入口と、該本体の他端側に設けられた該含水固体燃料の排出口とを有し、該本体内において該一端から該他端に向けて該含水固体燃料を移動させながら前記蒸気と該含水固体燃料とを接触させることで該含水固体燃料から水を除去する接触部と、を備え、前記蒸気生成部によって生成された蒸気は、前記他端側から前記本体内に供給され、前記本体内において前記蒸気と前記含水固体燃料とを接触させることで得られた前記水溶性溶媒と水との混合液は、前記本体の一端側から排出されることを特徴とする。

また、前記蒸気生成部は、前記本体の一端側から排出された混合液を分留して前記水溶性溶媒の蒸気を生成するとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の固体燃料乾燥方法は、一端が他端よりも下方となるように配される本体と、該本体の一端側に設けられた含水固体燃料の導入口と、該本体の他端側に設けられた該含水固体燃料の排出口とを有する接触部を用いて該含水固体燃料を乾燥させる固体燃料乾燥方法であって、水より沸点が低い水溶性溶媒の蒸気を生成する工程と、前記本体内において前記一端から前記他端に向けて前記含水固体燃料を移動させるとともに、生成した前記蒸気を該他端側から本体内に供給することで、該蒸気と該含水固体燃料とを接触させて該含水固体燃料から水を除去する工程と、前記本体内において前記蒸気と前記含水固体燃料とが接触することで得られた前記水溶性溶媒と水との混合液を、該本体の一端側から排出する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、少量の溶媒で効率よく含水固体燃料から水を除去することが可能となる。

固体燃料乾燥装置の構成を説明するための図である。 固体燃料乾燥方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。 変形例１の固体燃料乾燥装置の構成を説明するための図である。 変形例２の固体燃料乾燥装置の構成を説明するための図である。 実施例と比較例の含水固体燃料中の含水率の時間変化を示すグラフである。

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、本明細書及び図面において、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。

（固体燃料乾燥装置１００）
図１は、本実施形態にかかる固体燃料乾燥装置１００の構成を説明するための図である。図１に示すように、固体燃料乾燥装置１００は、蒸気生成部１１０と、蒸気供給管１２０と、排出管１２２と、接触部１３０と、固液分離部１４０と、返送管１５０とを含んで構成される。なお、図１中、液体の流れを実線の矢印で示し、気体（蒸気）の流れを破線の矢印で示す。

蒸気生成部１１０は、水より沸点が低い水溶性溶媒の蒸気を生成する。本実施形態において、水より沸点が低い水溶性溶媒として、メタノールを例に挙げて説明するが、アセトン、エタノール等であってもよい。

本実施形態において蒸気生成部１１０は、例えば、蒸留塔で構成され、本体１１２と、リボイラ１１４と、還流部１１６とを含んで構成される。なお、蒸気生成部１１０は、水より沸点が低い水溶性溶媒の蒸気を生成できればよく、図１に示す構成に限らず、本体１１２内が多段構造の蒸留塔であっても、本体１１２に充填材が充填されている蒸留塔であってもよい。蒸気生成部１１０を構成する各機能部を、固体燃料乾燥装置１００の運転開始時と、運転中とに分けて説明する。

固体燃料乾燥装置１００の運転開始時において、本体１１２は、液体のメタノールを貯留する。リボイラ１１４は、本体１１２に貯留された液体のメタノールを外部に取り出し加熱し、メタノールの蒸気を生成して、本体１１２に返送する。還流部１１６は、運転開始時には稼働させない。

固体燃料乾燥装置１００の運転中において、本体１１２は、後述する混合液（メタノールと水の混合液）を貯留する。リボイラ１１４は、本体１１２に貯留された混合液を外部に取り出し加熱し、メタノールの蒸気と水蒸気との混合蒸気を生成して、本体１１２に返送する。還流部１１６は、混合蒸気を凝縮して、本体１１２に返送する。還流部１１６を備える構成により、本体１１２内において、凝縮した混合液と混合蒸気とを向流接触させることができ、メタノールと水の沸点の違いから、凝縮した混合液と接触した水蒸気が液化して鉛直下方に落下し、混合蒸気中のメタノールの純度を向上させる。こうして、蒸気生成部１１０において、混合液がメタノールの蒸気と水に分離（分留）されて、分留されたメタノールの蒸気は後述する蒸気供給管１２０へ送出され、水は排出管１２２から外部へ排出されることとなる。

蒸気供給管１２０は、蒸気生成部１１０の上部と、接触部１３０の本体１３２とを接続する管であり、蒸気生成部１１０において生成されたメタノールの蒸気（以下、単に蒸気と称する）は蒸気供給管１２０を通過して本体１３２に供給される。

接触部１３０は、蒸気と含水固体燃料とを接触させることで、当該含水固体燃料から水を除去する。具体的に説明すると、接触部１３０は、本体１３２と、本体１３２内に設けられた搬送部１３４とを含んで構成される。

本体１３２は、円筒形状に形成され、その両端に導入口１３２ａと、排出口１３２ｂが設けられている。搬送部１３４は、駆動部１３４ａが、らせん型のスクリュー１３４ｂを回転し、回転軸の方向に含水固体燃料（または固体燃料）を送り出すスクリューフィーダであり、導入口１３２ａから導入された含水固体燃料（図１中、白丸で示す）を排出口１３２ｂまで搬送する。なお、導入口１３２ａから導入される含水固体燃料は、室温（例えば、２５℃）程度の温度である。

また、上述したように、本体１３２には、蒸気供給管１２０が接続されており、蒸気供給管１２０を介して、蒸気が本体１３２内に導入される。なお、本体１３２における蒸気供給管１２０の接続位置は、排出口１３２ｂよりも導入口１３２ａ近傍がよい。

このように、本体１３２に蒸気が供給されると、搬送部１３４によって、導入口１３２ａから排出口１３２ｂへ搬送される間に、含水固体燃料は、蒸気と接触する（蒸気に曝される）ことになる。

そうすると、下記（１）、（２）の理由から含水固体燃料から水が除去される。（１）蒸気は、含水固体燃料と比較して高温であるため、含水固体燃料に接触すると、凝縮してメタノール（液体）となる。そして、凝縮したメタノールに含水固体燃料中の水が溶解することで、含水固体燃料から水が除去される（含水固体燃料を脱水する）こととなる。

（２）メタノールが凝縮する際に、潜熱が含水固体燃料へ付与されることとなる。そうすると含水固体燃料中の水の温度が上昇し、水が蒸発する。これにより、含水固体燃料中の水が除去されることとなる。

このようにして、接触部１３０において、導入口１３２ａから排出口１３２ｂに搬送されるにしたがって、含水固体燃料から水が除去され固体燃料となる（図１中、グレーの丸から黒い丸で示す）。

また、接触部１３０が搬送部１３４を含むことで、蒸気を接触させながら、含水固体燃料を移動させることができるため、含水固体燃料の脱水を連続的に行うことが可能となる。

固液分離部１４０は、網、フィルター等で構成され、接触部１３０において蒸気を含水固体燃料に接触させることで得られたメタノールと水との混合液を、固体燃料（水が除去された含水固体燃料）から分離する。

そして、固液分離部１４０において分離された混合液は、返送管１５０を通じて、蒸気生成部１１０の本体１１２に返送されることとなる。

（固体燃料乾燥方法）
続いて、固体燃料乾燥装置１００を用いた固体燃料乾燥方法について説明する。図２は、固体燃料乾燥方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。

図２に示すように、蒸気生成部１１０は、蒸気を生成し（Ｓ２００）、接触部１３０は、蒸気生成工程Ｓ２００において生成された蒸気と含水固体燃料とを接触させて、含水固体燃料から水を除去し（Ｓ２１０）、固液分離部１４０は、固体燃料と混合液とを分離し（Ｓ２２０）、分離工程Ｓ２２０において分離された混合液を蒸気生成部１１０の本体１１２に返送する（Ｓ２３０）。

以上説明したように、本実施形態にかかる固体燃料乾燥装置１００およびこれを用いた固体燃料乾燥方法によれば、褐炭等の含水固体燃料に蒸気を接触させるだけといった簡易な構成で、含水固体燃料から水を除去することができる。つまり含水固体燃料を脱水（乾燥）することができる。

また、液体よりも蒸気の方が、拡散性が高いため、従来の液体のメタノールに含水固体燃料を浸漬して乾燥させる技術と比較して、含水固体燃料の表面に効率よくメタノール（蒸気）を接触させることができる。したがって、少量の溶媒で効率よく含水固体燃料から水を除去することが可能となる。これにより、メタノール（水溶性溶媒）に要するコストを低減することができる。

また、従来の液体のメタノールに含水固体燃料を浸漬して乾燥させる技術でも、浸漬後の水とメタノールの混合液を蒸留してメタノールを分留しているが、この場合、メタノールの蒸気を液体に凝縮しなければならないため、冷却器が必要であった。さらに、従来の液体のメタノールに含水固体燃料を浸漬して乾燥させる技術では、液体のメタノールを一時的に貯留するための貯留槽が必要であった。

しかし、本実施形態にかかる固体燃料乾燥装置１００は、蒸気生成部１１０においてメタノールを分留した後、凝縮せずに蒸気としてそのまま接触部１３０に送出するため、冷却器や貯留槽が不要となり、省スペース化を図ることが可能となる。

（変形例１）
図３は、変形例１の固体燃料乾燥装置３００の構成を説明するための図である。図３に示すように、固体燃料乾燥装置３００は、蒸気生成部１１０と、蒸気供給管１２０と、排出管１２２と、接触部３３０と、固液分離部１４０と、返送管１５０とを含んで構成される。なお、上述した固体燃料乾燥装置１００における、蒸気生成部１１０、蒸気供給管１２０、排出管１２２、固液分離部１４０、返送管１５０については、実質的に機能が等しいので、同一の符号を付して重複説明を省略し、構成の異なる接触部３３０について詳述する。また、図３中、液体の流れを実線の矢印で示し、気体（蒸気）の流れを破線の矢印で示す。

接触部３３０は、円筒形状に形成された本体３３２と本体３３２を回転駆動する不図示の駆動部とを含んで構成される。本体３３２の両端には、本体部３３２に対して回動自在に設置された導入部３３２ａと、本体部３３２に対して回動自在に設置された排出部３３２ｂとが設けられるとともに、本体３３２は、長軸が水平から予め定められた角度分傾いて設置される。そして、導入部３３２ａ、排出部３３２ｂが固定された状態で、駆動部が、本体３３２の長軸を回転軸として本体３３２を回転させる。

これにより、本体３３２に蒸気が供給されると、導入部３３２ａから排出部３３２ｂへ移動する間に、含水固体燃料は、蒸気と接触することになる。換言すれば、含水固体燃料は、蒸気と接触しながら移動することとなる。

つまり、固体燃料乾燥装置３００においても、接触部３３０が、蒸気を接触させながら、含水固体燃料を移動させることができるため、含水固体燃料の脱水を連続的に行うことが可能となる。

（変形例２）
上述した固体燃料乾燥装置１００は、接触部１３０において、含水固体燃料の搬送方向と、蒸気の流れの方向とが、実質的に同じ方向である構成について説明したが、接触部において含水固体燃料の搬送方向と、蒸気の流れの方向とが対向していてもよい。

図４は、変形例２の固体燃料乾燥装置４００の構成を説明するための図である。図４に示すように、固体燃料乾燥装置４００は、蒸気生成部１１０と、蒸気供給管４２０と、排出管１２２と、接触部１３０と、固体収容部４４０と、返送管４５０とを含んで構成される。なお、上述した固体燃料乾燥装置１００における、蒸気生成部１１０、排出管１２２、接触部１３０については、実質的に機能が等しいので、同一の符号を付して重複説明を省略し、構成の異なる蒸気供給管４２０、固体収容部４４０、返送管４５０について詳述する。また、図４中、液体の流れを実線の矢印で示し、気体（蒸気）の流れを破線の矢印で示す。

蒸気供給管４２０は、蒸気生成部１１０の上部と、接触部１３０の本体１３２とを接続する管であり、蒸気生成部１１０において生成された蒸気は蒸気供給管１２０を通過して本体１３２に供給される。変形例２において、蒸気供給管４２０は、接触部１３０における搬送方向下流側（排出口１３２ｂ側）に蒸気を供給する。

固体収容部４４０は、接触部１３０の排出口１３２ｂから排出された固体燃料（水が除去された含水固体燃料）を収容する。ここで、後述するように、接触部１３０において蒸気を含水固体燃料に接触させることで得られたメタノールと水との混合液は、接触部１３０における搬送方向上流側から排出されるので、排出口１３２ｂから排出された固体燃料には、混合液がほとんど付着していない。

返送管４５０は、接触部１３０に搬送方向上流側（導入口１３２ａ側）と蒸気生成部１１０の本体１１２とを接続する管であり、接触部１３０において蒸気を含水固体燃料に接触させることで得られたメタノールと水との混合液を本体１１２に返送する。

つまり、固体燃料乾燥装置４００では、接触部１３０において、含水固体燃料の搬送方向と、蒸気の流れの方向とが対向することとなる。

以上説明したように、変形例２の固体燃料乾燥装置４００においても、褐炭等の含水固体燃料に蒸気を接触させるだけといった簡易な構成で、含水固体燃料から水を除去することができる。つまり含水固体燃料を脱水（乾燥）することができる。

（実施例）
実施例として、７０℃〜８０℃のメタノールの蒸気を０．７５ｍｌ／分（液体換算）で１２０ｇの含水固体燃料に接触させた。つまり、２００分間で１５０ｍｌ（液体換算）のメタノールの蒸気を含水固体燃料に接触させた。また、比較例として、室温（２５℃程度）のメタノール１５０ｍｌに１２０ｇの含水固体燃料を浸漬した。含水固体燃料として含水率が４０％の褐炭を用いた。

図５は、実施例と比較例の含水固体燃料中の含水率の時間変化を示すグラフである。図５中、実施例を白丸および実線で示し、比較例を黒四角および破線で示す。図５に示すように、比較例では、浸漬してから３０分間で、含水率が４０％から２０％へ低下するものの、３０分を経過してからは含水率の低下がほとんどみられず、１００分以上浸漬しても含水率を１８％程度までしか低下しなかった。

液体浸漬による脱水（比較例）は、含水固体燃料中の水が液体の溶媒に拡散することによって為される。つまり、含水固体燃料における液体中の水の濃度と、液体の溶媒に溶解した水との濃度が実質的に等しくなると、含水固体燃料から液体の溶媒への水の拡散が停止してしまう。図５を参照すると、比較例において、メタノールに浸漬してから３０分間は、含水固体燃料の水がメタノールに拡散（溶解）するが、３０分以上経過してからは含水率の低下がほとんど認められない。これは、メタノールに浸漬してから３０分で、含水固体燃料における液体中の水の濃度と、メタノールに溶解した水との濃度が実質的に等しくなり（平衡に達し）、これ以上脱水が進行しないからであると考えられる。つまり、比較例における限界脱水率は、２２％（４０％−１８％）ということになる。

これに対し、実施例は、蒸気との接触を開始してから、急速に含水率を低下させることはできないものの、接触時間を長くすればするほど、含水率を低下させることができ、２００分（１５０ｍｌ）接触させれば、含水率を８％程度まで減らすことができることが分かった。また、含水固体燃料の温度は、５０℃〜６０℃程度に維持されていた。

なお、本実施例では、メタノールの蒸気の流量が０．７５ｍｌ／分程度と小さいため、比較例と同様の脱水率を得るためには、比較例よりも長時間を要していた。しかし、メタノールの蒸気の流量を大きくすれば、比較例よりも短時間で比較例と同様の脱水率を得ることができる。

以上の結果より、本実施形態にかかる含水固体燃料と蒸気とを接触させる技術（実施例）は、含水固体燃料を液体のメタノールに浸漬する従来の技術（比較例）と比較して、少量のメタノールで同程度の脱水を行うことができることが分かった。具体的に説明すると、図５における実施例を示す実線と比較例を示す破線との交点（含水率約１８％、約１１０分経過時）において、比較例では１５０ｍｌのメタノールを必要とするのに対し、実施例では８２．５ｍｌ（０．７５ｍｌ×１１０分）のメタノールしか必要としない。

また、実施例では、蒸気と含水固体燃料との接触時間を長くすればするほど、含水率を低下させることができる、つまり、含水率を１８％以下（ここでは、８％）にすることができる。これは、比較例では、含水固体燃料を浸漬する液体の溶媒を交換しないが、実施例では、常に新しい（水を含まない）蒸気が含水固体燃料に接触することになるためである。つまり、実施例では、比較例よりも限界脱水率を３２％（４０％−８％）と向上することが可能となる。

さらに、実施例において、含水固体燃料の温度が５０℃〜６０℃程度に維持されていることから、蒸気の潜熱が含水固体燃料に付与されたことが分かった。これにより、蒸気に付与された潜熱も含水率の低下に寄与していると考えられる。

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、上述した実施形態において、固体燃料乾燥装置１００、３００、４００の運転開始時には還流部１１６を稼働させない構成を例に挙げて説明したが、固体燃料乾燥装置１００、３００の運転中と同様に運転開始時に還流部１１６を稼働してもよい。

また、上述した実施形態では、蒸気を接触させながら、含水固体燃料を移動させることができる接触部１３０、３３０について説明したが、接触部は、蒸気と含水固体燃料とを接触できれば、必ずしも含水固体燃料を移動させる必要はない。

なお、本明細書の固体燃料乾燥方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、褐炭等の水を多く含む含水固体燃料から水を除去する固体燃料乾燥装置および固体燃料乾燥方法に利用することができる。

１００、３００、４００ …固体燃料乾燥装置
１１０ …蒸気生成部
１３０、３３０ …接触部
１４０ …固液分離部

Claims (3)

1. 水より沸点が低い水溶性溶媒の蒸気を生成する蒸気生成部と、
   一端が他端よりも下方となるように配される本体と、該本体の一端側に設けられた含水固体燃料の導入口と、該本体の他端側に設けられた該含水固体燃料の排出口とを有し、該本体内において該一端から該他端に向けて該含水固体燃料を移動させながら前記蒸気と該含水固体燃料とを接触させることで該含水固体燃料から水を除去する接触部と、
   を備え、
   前記蒸気生成部によって生成された蒸気は、前記他端側から前記本体内に供給され、
   前記本体内において前記蒸気と前記含水固体燃料とを接触させることで得られた前記水溶性溶媒と水との混合液は、前記本体の一端側から排出されることを特徴とする固体燃料乾燥装置。
2. 前記蒸気生成部は、前記本体の一端側から排出された混合液を分留して前記水溶性溶媒の蒸気を生成することを特徴とする請求項１に記載の固体燃料乾燥装置。
3. 一端が他端よりも下方となるように配される本体と、該本体の一端側に設けられた含水固体燃料の導入口と、該本体の他端側に設けられた該含水固体燃料の排出口とを有する接触部を用いて該含水固体燃料を乾燥させる固体燃料乾燥方法であって、
   水より沸点が低い水溶性溶媒の蒸気を生成する工程と、
   前記本体内において前記一端から前記他端に向けて前記含水固体燃料を移動させるとともに、生成した前記蒸気を該他端側から本体内に供給することで、該蒸気と該含水固体燃料とを接触させて該含水固体燃料から水を除去する工程と、
   前記本体内において前記蒸気と前記含水固体燃料とが接触することで得られた前記水溶性溶媒と水との混合液を、該本体の一端側から排出する工程と、
   を含むことを特徴とする固体燃料乾燥方法。