トロイダルベッド乾燥機を使用して、ポーランド、ギリシャ、ルーマニア、オーストラリアなど、さまざまな産地の褐炭について実験研究が行われました。一定の乾燥条件下での時間の経過に伴う水分含有量の損失など、温度が乾燥効率に与える影響が調査の対象でした。主な目的は、ボイラーの排気ガスなどの低品質の熱源を利用できる乾燥システムのベースとしてトロイダルベッドを使用できるかどうかを確認し、そのようなシステムの最適なパラメータを決定することでした。実施された研究により、トロイダルベッドで褐炭を乾燥するための低温熱源の使用が実現可能であることが決定的に証明されました。トロイダルベッドを使用すると、十分に短い滞留時間 (約 30 分) と 60 °C という低い空気温度で、テストした褐炭のほとんどで 20% の水分含有量を達成できました。さらに、粒度分布の変化は、湿った細かい粒子の巻き込みにより、最終的な水分含有量にある程度影響しました。この研究では、粒子の層内摩耗が微粒子生成に部分的に関与していることも判明しました。
キーワード:
褐炭は固体化石燃料で、主に発電に使用されます。近年、再生可能エネルギー源の設置が増加しているにもかかわらず、褐炭の使用は世界中で依然として重要です。2015年の褐炭の全世界での採掘量は約8億1,100万トンに達しました[1]、EU全体で採掘された3億9900万トンを含む[2]; オーストラリア、ブルガリア、チェコ、ドイツ、ギリシャ、ポーランド、ルーマニア、セルビアなどのいくつかの国では、褐炭由来の電力生産の割合が20％を超えています[2]。亜炭は低級の固形燃料である[3]は、水分含有量が高いのが特徴です。利用前に褐炭の水分含有量を減らすと、発熱量が増加し、長距離輸送コストが削減され、利用による温室効果ガスの排出が削減されます。乾燥は、土壌改良剤など、褐炭から高付加価値製品を生産することを目指す技術の典型的な前提条件でもあります[4したがって、褐炭の使用を合理化し、同時に、そうでなければ無駄になっていたであろう低品位の熱を利用することを目的とした調査は、十分に正当化されると思われる。
最近、褐炭乾燥の基本的な側面について多くの研究が行われています。パークらは、乾燥時間、温度、乾燥剤の速度がインドネシア産褐炭の乾燥効率に与える影響を調査し、滞留時間と乾燥条件に応じて水分含有量を予測できる数学モデルを開発しました。[5]。Siらは、Shengli塊状褐炭の3段階マイクロ波支援流動床乾燥を調査し、乾燥した褐炭の多孔度はマイクロ波の電力の増加とともに減少することを明らかにした[6宋らは、内モンゴル東部産の褐炭の水分含有量は、マイクロ波出力が高いほど急速に減少することを明らかにした[7]。プサットとヘルデムは、トルコのコンヤ・イルギン褐炭の固定床乾燥機での乾燥特性を測定した[8]。この研究では、ベッドの高さが増加すると必要な乾燥時間が増加し、ベッドの高さが増加すると温度が乾燥速度に与える影響が増加することが判明しました[8ヤンらは、固定床で乾燥した後の褐炭による水分の再吸収を実験的にテストし、メソ細孔の相対体積比が高いため、100℃で乾燥した褐炭の再吸収水分収率が最も高くなることを明らかにした[9] Fengらは、機械的熱発現が褐炭の構造に与える影響を調査し、生の褐炭と、それぞれ10 MPaと30 MPaの圧力下で120 °Cと150 °Cの乾燥温度で乾燥した褐炭の間の細孔容積の変化を測定した[10ウェンらは、生の褐炭と再湿潤した褐炭の乾燥速度を調査し、前者の乾燥速度は後者に比べて遅いことを明らかにした[11さらに、この研究では、湿潤褐炭の有効拡散係数は未処理褐炭の対応する値よりも高いことがわかった[11]。
Pawlak-Kruczekらは、低温乾燥剤（空気、最大50℃）を使用した流動床での褐炭乾燥の実験的調査と数値シミュレーションの両方を含む研究を行った[12]。この研究は、低温熱源の利用という概念の全体的な実現可能性を証明しました。さらに、この研究では、褐炭の構造特性や乾燥中の収縮などの要因の重要性を明らかにしました[12]。Agraniotisらは、CFDシミュレーションと1MWthの粉砕燃料燃焼施設の実験結果を比較した[13]。結果はシミュレーションと実験結果がよく一致していることを示した。炉の軸に沿って測定された温度、特に炉の底部の温度は、蒸気とキャリアガスが炉内に再循環されていない乾燥褐炭の燃焼の場合に最も高かった[13] これは、中国とインドネシアの褐炭粒子の水分含有量と着火の関係を調査したタマセビらによる別の研究の結果とよく一致しているようです[14この研究では、試験した褐炭の水分含有量の増加が着火を著しく遅らせることが判明した[14ドロサトスらが行った数値シミュレーションでは、予め乾燥させた褐炭を使用することでボイラーの柔軟性が向上し、公称負荷の35%に相当する極めて低い負荷でも運転できることが実証された[15小松らは、110℃から170℃までの過熱蒸気を用いて褐炭の粗粒子を乾燥させる実験を行った[16]。この研究では、乾燥速度一定期間中の乾燥速度の値は褐炭の温度と粒子サイズのみに依存するのに対し、乾燥速度減少期間中の関係は乾燥した粒子の表面に形成され始めた亀裂のためにはるかに複雑であると結論付けました[16Pusatらは、乾燥空気の温度を70℃から130℃、速度を0.4から1.1m/sにして、固定床でトルコ産褐炭の乾燥を調査した[17] 褐炭の粒子サイズは20〜50mmの間で変化し、このような粗い粒子では、実施した実験中に一定の乾燥速度期間は観察されなかった[17]。Sciazkoらは、過熱蒸気乾燥におけるトゥロスゾフ褐炭の乾燥特性に対する岩石学的特性の影響について実験的調査を行った[18]。調査は、5 mmと10 mmの球状粒子を使用して、110 °Cから170 °Cの温度範囲で実施されました[18] 乾燥時間、乾燥速度、温度勾配、ひび割れ、収縮挙動は試験した褐炭の岩石タイプに依存すると結論付けた[18]。
オーストラリア産褐炭を固定床と流動床で130℃の温度で乾燥させる際の破損と摩耗は、Stokieらによる大規模な研究の対象であった。[19]。この研究では、破損の主な原因はバルク水と非凍結水の間の遷移であると結論付けられました[19] d50 直径で示される、小型固定床と小型流動床 (サンプル 10 g) 間の粒子サイズの変化は、有意ではありませんでした。それにもかかわらず、粒子サイズの変化に有意な差が見られ、床のスケールの影響が大きく影響していることを示しています。
トロイダル流動床反応器は、反応器の底部に位置する角度付きブレードからなるガス分配システムを備えた特殊なタイプの流動床反応器である[20この配置により、ベッドのパフォーマンスが強化されます[21、22]、すなわち熱と物質の移動の強化[20、21] およびミキシングの改善 [21、23、24これは渦流パターンによるもので、すべての渦流リアクターに共通する特徴である[24、25、26、27]。反応器の性能の観点からは、滞留時間を短縮しながらスループット（生産性の向上）を向上させることができます[28]。これまでに発表されたこのようなベッドに関する研究のほとんどは、さまざまな種類の熱処理を伴う[29、30]、焼成工程[31] または炭素捕捉のための吸着の強化 [32]。このようなトロイダルフローパターンを持つ流動床での乾燥に関する情報はほとんどない[33この研究は、この知識のギャップを解消することを目的としています。
図に示すようにセクション1.1褐炭の乾燥は複雑なプロセスであり、多くのパラメータ（温度、滞留時間、乾燥剤、乾燥方法、褐炭の特性）に依存します。高度に乱流のトロイダルベッドでの乾燥の速度論とエネルギー消費に関しては、知識のギャップがあります。さらに、これは、低品質の廃熱を使用するこのような乾燥機を褐炭発電所に統合することを目指すあらゆる研究の前提条件です。これにより、新しいソリューションの使用による潜在的な節約と、高温の乾燥剤を使用する既存の褐炭乾燥ソリューションですでに実証されているエネルギー節約を比較することができます。[34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46]。
この研究は、空気を乾燥剤として使用して、トロイダルベッドでさまざまな起源の褐炭を乾燥する研究によって、そのギャップを埋めることを目指しています。このような構成により、質量と熱の移動が強化され、比較的低温で乾燥剤を使用できるようになると予想されました。トロイダルベッド乾燥機を使用した実験研究は、ポーランド、ギリシャ、ルーマニア、オーストラリアなど、さまざまな起源の褐炭を対象に実施されました。一定の乾燥条件での時間の経過に伴う水分含有量の損失など、温度が乾燥効率に与える影響が調査の対象でした。さまざまな平均温度での乾燥中の乾燥速度とエネルギー消費が決定され、比較されました。この研究の目的は、乾燥速度とエネルギー消費を考慮して、温度と滞留時間などの乾燥プロセスパラメータの最適値を特定することでした。ただし、乾燥剤の相対湿度や原料の固有の特性などの他の要因も、乾燥プロセスに大きな影響を与えました。この研究で使用された方法論は、一般的な乾燥プロセスに普遍的に適用できます。その点で、実行された一連の実験は、テスト方法の幅広い適用性を証明するケーススタディとして扱うことができます。
実施された研究の主な目的は、ボイラーの排ガスなどの低品質熱源を利用できる乾燥システムのベースとして、トロイダルベッドを使用できるかどうかを確認することでした。このようなタイプの流動床乾燥機は、低品質熱を利用できる可能性とともに、実施された研究の新規性を強調しています。さらに、実施された研究は、最も効果的な乾燥機パラメータ、つまり、表面と褐炭粒子の細孔に含まれる 1 kg の H2O を除去するために最小限のエネルギー消費を達成できるパラメータを見つけることを目指していました。
ポーランド産褐炭のサンプルはシエニアワ露天掘り鉱山から採取された。シエニアワ産の褐炭は主にキシロデトリティック岩石型とデトロキシリティック岩石型から構成されている[47ギリシャ産褐炭は、公共電力公社が運営するアギオス・ディミトリオス発電所に燃料を供給するサウスフィールド鉱山から入手しました。ルーマニア産褐炭のサンプルは、オルテニア・エネルギー・コンプレックスのロビナリ発電所に燃料を供給するペステアナ鉱山から採取しました。オーストラリア産褐炭は、エナジー・オーストラリアのヤルーン発電所に燃料を供給するラトローブ渓谷のヤルーン鉱山から入手しました。実施されたテストの前に、すべての褐炭は公称最大サイズ 8 mm に事前に粉砕されていました。
この研究に使用された褐炭の基本的な特性評価は、固体燃料の特性評価の典型的な方法である近似分析と極限分析によって行われた。褐炭の近似分析（表1) は、Perkin Elmer Diamond TGA (331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, USA) を使用して実行されました。これらのテストでは、次のプログラムが適用されました。
表1.検査された褐炭の近似分析および元素分析。
（１）初期段階
∘
105 °C まで加熱、10 °C/分で昇温
∘
10分間保持
（２ａ）灰分含有量を得るために空気を使用した。
∘
815 °C まで加熱、50 °C/分で昇温
∘
15分保持
（２ｂ）揮発性物質含有量を得るためにアルゴンを使用した。
∘
850 °C まで加熱、50 °C/分で昇温
∘
15分保持
高位発熱量は、ISO 1928規格に準拠して、IKA C2000基本ボンベ熱量計（KA®-Werke GmbH & Co. KG、Janke & Kunkel-Str. 10、79219 Staufen、ドイツ）を使用して測定されました。等周法が使用されました。低位発熱量は、水分と水素含有量を使用して計算されました。最終分析（表1）は、ポーランド規格PKN-ISO/TS 12902:2007に従って、Perkin Elmer 2400分析装置（331 Treble Cove Rd.、Billerica、MA 01862、USA）を使用して実施されました。粒度分布は、ISO 3310-1に準拠した校正済みふるいセットを使用して決定されました。
この研究で説明した一連の実験では、乾燥を行うためにトロイダル流動床装置が使用されました。装置の図は図1試験装置はバッチモードで動作しました。約2.5kgの亜炭のバッチが、供給ホッパー（E4インチ）を介して手動で供給されました。図1）を各試験中に測定した。乾燥空気の温度は、温度制御システムを備えた2つのヒーター（それぞれ公称電力3kW（E20とE17））を使用して維持された。図1乾燥空気は送風機（E3 in図1）の熱風流量を約130 m3/hに設定し、各試験で同じ速度が得られるようにした。流量はバルブ（E7）を使用して制御した。図1）。
図1.トルベッドの取り付け図。
トロイダルベッド乾燥機（図参照）図1は、上部が逆円錐台で閉じられた垂直の円筒形のカラムで、空気と乾燥材料の間の熱交換が直接行われます。流動化チャンバーの底部には、乾燥チャンバー内に渦流を生成するための渦流羽根が取り付けられています。
一連の実験では、温度、相対湿度、空気流量、各装置による電力消費などのパラメータが測定された。温度および湿度センサーは、乾燥機への熱風入口に設置された（T4およびRh1）。図1）および設備の出口（T2およびRh2）図1）。温度は、EN 60751 で定義されたクラス A の要件に準拠した仕様の標準 Pt1000 センサーを使用して測定されました。相対湿度 (RH) は、特定の温度と圧力で空気中の水蒸気量を最大水蒸気量で割ったもので、動作範囲が 0 ～ 100% RH、温度範囲が -40 ～ 80 °C、応答時間 < 15 秒、精度が 2.4% (信頼区間 95%) に達する HC1000-400 センサーと EE31 トランスミッターを使用して測定されました。乾燥空気の流量は、読み取り値の ±2% の精度で FCI ST-50 質量流量計で測定されました。送風機の電気負荷は、測定範囲 (1.65 kW) の ±1% の精度で、Lumel 製の ND20 ネットワーク メーターを使用したワット メーターで測定されました。すべての値は 1 秒のサンプリング間隔で記録されました。
この研究で使用した乾燥機のゼロ次元モデルの図は、図2このモデルは、外部乾燥剤ヒーターを追加した単段乾燥機を記述します。このモデルは、いくつかのサブコンポーネントで構成されています。このモデルは、実験全体にわたって乾燥機で消費されるエネルギーの計算、および乾燥機出口の空気の相対湿度に基づいて除去された水の質量の計算に使用されました。エネルギー保存の法則によると、乾燥機に入るエンタルピーの合計は、乾燥機から出るエンタルピーの合計と等しくなければなりません。乾燥機の各モデルの方程式は次のとおりです。
��1+��2=��3+��4+��5��1+��2=��3+��4+��5
（１）
どこ：
図2.追加の外部乾燥剤ヒーターを備えた単段乾燥機の図。
��1�1は熱交換器の出口における乾燥空気のエンタルピーである。
��2�2 は乾燥機に入る湿った褐炭のエンタルピーであり、これは物質内の水のエンタルピーと乾燥物質のエンタルピーに分離できます。
��3�3 は乾燥機から出る湿った空気のエンタルピーです。
��4�4 は乾燥機から出てくる乾燥した褐炭のエンタルピーです。
��5�5 は、乾燥機の筐体による周囲へのエンタルピー損失を表します。
EN ISO 13788:2001規格に従って飽和蒸気圧を計算しました。
��������=610 ·��17,269 ·��237,5+����������≥0 °������=610 ·��17,269 ·��237,5 +����≥0°�
（２）
どこ：
p座った—飽和蒸気圧、Pa;
T—温度、°C。
測定された相対湿度を考慮した空気中の絶対水分含有量:
��=0.622��・��������100・��−��・����������=0.622�・����100・��−��・����
（３）
どこ：
バツ—空気中の絶対水分含有量、kg·m−3（乾燥空気）
φ—空気相対湿度、%;
p—湿潤（周囲）気圧、Pa;
p座った—飽和蒸気圧、Pa。
空気中の水分含有量の増加は褐炭中の水分含有量の減少に対応します。
Δ��=0.622(��2・��������2100・��−��2・��������2−��0・��������0100 ·��−��0 ·��������0)Δ��=0.622(��2 ·����2100 ·��−��2 ·����2−��0 ·���� 0100・�−�0・����0）
（4）
どこ：
Δバツ—乾燥剤（空気）の絶対水分の増加、kg·m−3;
一定の時間間隔で褐炭から除去される水分量は、乾燥機の入口と出口の空気に含まれる水分量の差に対応する。褐炭による水分損失の瞬間値（2つの瞬間の間）は、t1とt2) は次の式から決定されます。
����������=Δ������������������������������(��2−��1)� ����=Δ������・����・����(��2−��1)
（５）
どこ：
ま蒸発する—石炭中の水分損失、kg
Δバツ—乾燥剤（空気）の絶対水分の増加、kg·m−3;
������������—湿り空気の密度、kg·m−3;
������������—乾燥空気の密度、kg·m−3;
五濡れた—乾燥機入口の空気流量、m3·h−1。
乾燥試験は、図1130 m3·h−1の熱風を35 °C、50 °C、60 °C、70 °C、80 °Cの温度で吹き付けた。乾燥機の入口と出口の間の乾燥空気の湿度の変化が重要でないと判断されるまでテストを実施した（図3) この点に達すると、褐炭は流入する乾燥空気と平衡状態に達しているため、それ以上の乾燥は不可能です。乾燥機がこの状態に達することを最終水分含有量の到達と呼び、この値に達するまでの時間を乾燥時間と呼びます。乾燥剤の温度が上昇すると、比較的短い乾燥時間でより低い最終水分含有量に達するのが一般的です。図3ポーランド産褐炭を 50 °C の温度で乾燥テスト中に測定および記録された値を示します。グラフには、乾燥速度を計算し、乾燥プロセスのエネルギー消費量を決定するために使用されるパラメータ (乾燥機の入口と出口の空気の流れ、温度、湿度) のみが表示されます。
図3.ポーランド産褐炭を 50 °C の温度で乾燥するテストの例。
ポーランド、ギリシャ、ルーマニア、オーストラリア産の褐炭を使用して、トルベッド乾燥機の乾燥試験を実施した。近似分析および元素分析の結果は、表1。図4全温度範囲内で実行されたすべてのテストの平均である粒子サイズ分布を示します。
図4.トルベッド設備での乾燥前と乾燥後のさまざまな起源の褐炭の粒度分布。
図5湿潤および乾燥褐炭の平均粒子サイズを比較し、この研究で得られた結果を流動床乾燥に関する別の研究で発表された結果と比較します。実施された乾燥による各褐炭の平均粒子サイズ (d50) のそれぞれの変化を示しています。ポーランドの褐炭とこの研究で使用された他の褐炭の違いを示しています。また、平均粒子サイズの変化は褐炭間で異なることも示しています。d50 直径の変化は、異なる褐炭間で異なりました (図5）であり、相対的な変化はオーストラリア産褐炭で最も高く、ルーマニア産褐炭で最も低かった。
図5.湿潤および乾燥褐炭の平均粒子サイズ（d50）（* Stokie et al. の結果）[19] と比較してください。
トロイダルベッド乾燥機の動作原理を考慮すると、乾燥後の粒度分布の変化に影響を与える要因の 1 つとして粒子の摩耗も考えられると考えられます。トロイダルベッドで乾燥された粒子の弱体化してひび割れた構造の証拠は、図 8 に示す SEM 画像に示されています。
図6そして図7異なるサイズの粒子間の水分含有量の異なる分布の例を示します。これら 2 つの図は、微粒子がトロイダル ベッドから早期に取り込まれたことを明確に示しています。この結果、乾燥機の出口で、取り込まれた微粒子の水分含有量が高くなりました。図8マッフル炉で 100 °C で乾燥させた褐炭粒子と、トロイダルベッドで 50 °C で乾燥させた褐炭粒子の 2 つの表面の違いを示します。
図6.湿った褐炭と乾燥した褐炭の異なるサイズの粒子の水分含有量の違い。乾燥プロセスのさまざまな温度におけるギリシャの褐炭の例。
図7.湿潤褐炭と乾燥褐炭の異なる粒子サイズの水分含有量の違い（乾燥プロセスのさまざまな温度におけるオーストラリア褐炭の例）。トルベッド設備におけるシエニアワ褐炭の乾燥速度と除去された水1kgあたりの総エネルギー消費量は、図に示されています。図9そして図10、 それぞれ。図9シエニアワ鉱山の褐炭の水分損失を表す曲線を示します。最終水分含有量が 15% を下回ると、乾燥剤の温度に関係なく、乾燥速度が大幅に低下します。この値は臨界水分含有量と呼ばれ、褐炭の構造と化学的性質に大きく依存します。これは、毛細管力によって褐炭の構造内に物理的に保持される水の割合と、たとえば OH 官能基との弱い水素結合によって化学的に結合した水の量を特定できる便利な指標です。パラメーター自体は明確なカットオフ ポイントを与えず、乾燥条件にわずかに依存します。
図8.実験室のマッフル炉で100℃で乾燥させたオーストラリア産褐炭のSEM写真（あ、Ｃ、え）およびトルベッドドライヤーで50℃（B、だ、ふ)—倍率 ×300 (あ、B）、×750（Ｃ、だ) および ×1500 (え、ふ）；サンプルは0.4mmの開口部を持つスクリーンでふるいにかけられました。
図9.ポーランド産褐炭のトルベッド設備における乾燥速度。
図10.トルベッド設備でポーランドの褐炭を乾燥する際に除去される水 1 kg あたりの総エネルギー消費量。
同様に、ギリシャ産褐炭の乾燥速度論、トルベッド装置における乾燥速度論、および除去された水1kgあたりの総エネルギー消費量は、図11そして図12ギリシャ産褐炭はポーランド産褐炭に比べて、同じ水分含有量に達するのに非常に長い滞留時間を必要とした。図12は、ポーランド産褐炭で記録されたレベルと類似していました。しかし、ギリシャ産褐炭では、比エネルギー消費量の急激な増加がはるかに早く始まりました。ポーランド産とギリシャ産の褐炭の初期水分含有量がほぼ同じであることを考慮すると、後者の方が臨界水分含有量が高く、つまり乾燥がより困難であると結論付けるのが最も妥当と思われます。
図11.ギリシャの褐炭を乾燥するためのトルベッド設備における乾燥速度。
図12.トルベッド設備でギリシャの褐炭を乾燥する際に除去される水 1 kg あたりの総エネルギー消費量。
図13そして図14それぞれ、トルベッド設備における乾燥速度と、除去された水1kgあたりの総エネルギー消費量を示す。乾燥速度の観点から、ルーマニア産褐炭（図13) は、ギリシャ産褐炭に比べて乾燥が速く、ポーランド産褐炭に比べて乾燥が遅い中間型とみなすことができます。ルーマニア産褐炭のサンプルは、テストしたすべてのサンプルの中で最も低い初期水分含有量を示しました。特定のエネルギー消費量に関しては、ルーマニア産褐炭は、急激な増加が始まった時期に関してギリシャ産褐炭と同様の挙動を示しました (図14）。オーストラリア産褐炭のトルベッド乾燥機での乾燥速度と除去された水1kgあたりの総エネルギー消費量は、図15そして図16。
図13.ルーマニア産褐炭のトルベッド設備における乾燥速度。
図14.トルベッド設備でルーマニア産褐炭を乾燥する際に除去される水 1 kg あたりのエネルギー消費量。
図15.オーストラリア産褐炭のトルベッド設備における乾燥速度。
図16.トルベッド設備でオーストラリア産褐炭を乾燥する際に除去される水 1kg あたりのエネルギー消費量。
提示されたデータ図17オーストラリア産褐炭を除き、水分含有量 20% を達成するために必要な滞留時間を示します。オーストラリア産褐炭の場合は、最終的な水分含有量 35% を達成するために必要な乾燥時間が表示されます。オーストラリア産褐炭は通常、他のサンプルと比較して大幅に長い滞留時間を必要とします。
図17.トルベッド設備でテストされたさまざまな起源の褐炭の最終水分含有量を達成するために必要な乾燥時間。
図18試験した褐炭の種類をトルベッド設備で20%の水分含有量を達成するために必要な平均エネルギー消費量をまとめたものです（オーストラリア産褐炭は例外で、水分含有量を35%まで乾燥させるためのエネルギーが示されています）。図18トロイダルベッド設計に基づく褐炭乾燥機の乾燥プロセスの最適化に役立つ洞察が少し得られます。乾燥プロセス中に除去される水1kgあたりの平均総エネルギー消費量を示しています。プロセス全体でのエネルギー消費量は実用的な観点から興味深いため、平均値が採用されています。オーストラリア産褐炭は、テストされた他の褐炭とは異なり、初期の水分含有量が65%近く、灰分含有量が非常に低く、2%をわずかに下回っています（表1この褐炭は乾燥するのが最も困難であることが判明した（図15) であり、他の褐炭で達成されるものと同等の最終水分含有量に達するまでに最も長い時間がかかりました。全体的に、各乾燥温度での最終水分含有量 (乾燥空気の温度での平衡水分の値に相当) は、オーストラリア産褐炭の場合に最も高くなりました。
図18.トルベッド設備でテストされた褐炭の種類に対して 20% の水分含有量を達成するために必要な平均エネルギー消費量 (* オーストラリア産褐炭のエネルギー消費量は、初期の水分含有量が比較的高いため、最終水分含有量が 35% の場合に示されています)。
トロイダルベッド乾燥機で褐炭を乾燥させると、個々の粒子のサイズが小さくなり、サイズ分布が大きく変化します。図4乾燥プロセス中に一定量のより細かい粒子が生成されていることが示唆されている。Stokieらによる同じ種類の褐炭に対する結果は若干異なり、摩耗ははるかに低い（図5）。流動床では、Stokie らによれば、[19]、スケールの影響は顕著であり、10 gのサンプルでの実験では摩耗は見られなかったが、3 kgのサンプルでの実験では湿った褐炭サンプルと乾燥した褐炭サンプルのd50に若干の違いが見られた（図5）。この研究に使用されたサンプルサイズは同様（2.5 kg）であったため、トロイダルベッドでの乾燥中の摩耗の影響は、一般的な流動床と比較してはるかに大きいと言えます。これは、トロイダルベッドで発生する乱流の程度が高いことの確認として使用できます。
ギリシャとオーストラリアの褐炭の乾燥効果の例を見ると（図6そして図7、それぞれ）から、一般的に微粒子はトロイダルベッドで乾燥した後、比較的高い水分含有量を示すことが比較的容易に観察できる。これは、乾燥により粒子の密度が低下し、特定の粒子の終端速度が低下するときに、トロイダルベッドから微粒子が引き出されるためであると想定するのが妥当と思われる。最も大きな差は、他の種類の褐炭と比較して灰分含有量がはるかに低いオーストラリア産褐炭で得られた。低い灰分含有量は、粒子の真密度が低いことに対応すると想定するのが妥当と思われる。観察された引き込みにより、粒子の滞留時間が短縮され、微粒子の乾燥が妨げられた。明らかに、トロイダルベッド内の乾燥剤の温度が蒸発によって低下すると、その速度が十分に低下し、湿った微粒子の損失を最小限に抑えることができ、これは、図で明確に実証されている。図7。
いくつかのケースでは（図7) また、オーストラリア産褐炭の粒子は、直径が比較的トップサイズに近いため、サンプル全体の平均を上回る水分含有量を示しました。これは、褐炭の初期水分含有量が著しく高かったために乾燥時間が不十分だったためと考えられます。粗い粒子の場合、平均サイズの粒子と同様の水分含有量を達成するには、より長い滞留時間が必要になります。
乾燥サンプルの粒度分布の変化に重要な役割を果たすもう一つの要因は、乾燥プロセス中の粒子の収縮である。これはすでに図に描かれている。図4この動作により、より大きな粒子が収縮し、累積サイズ分布を考慮すると、微粒子の総割合が増加する可能性があります。一方、粒子の体積が減少することで、同じ乾燥質量の粒子の密度が増加するため、粒子の収縮が、前述の微粒子の早期巻き込みの影響を相殺すると予想するのは合理的です。
構造の亀裂は、高倍率（×1500）のSEM写真ではっきりと見えます。これらの亀裂は、同じサンプルを実験室のマッフル炉（トレイ上）で乾燥させたときには現れませんでした。したがって、亀裂は水自体の蒸発ではなく、ベッドの動作原理によって発生したという結論を導くのが妥当と思われます。したがって、粒子の摩耗と崩壊は、乾燥した褐炭の粒度分布の変化に影響を与える要因の1つであると考えられます。前述のように乾燥粒子の構造が弱くなるため、乾燥した褐炭の粉砕性は、対応する湿った原料と比較して確実に増加すると合理的に予想できます。さらに、異なる起源の褐炭間の変化の程度は、同じ乾燥条件でかなり異なっていました（図4) であり、これは本研究の範囲内のすべての異なるタイプの褐炭の間に何らかの構造上の違いがあることを意味している。しかし、追加量の微粒子の生成により乾燥剤と乾燥した褐炭の混合物が爆発濃度限界内に達する可能性があり、これが高摩擦と相まって静電気放電と爆発を引き起こす可能性があるため、悪影響を見逃してはなりません。したがって、設計者は、乾燥剤によって運ばれた物質の層と接触する乾燥機とダクト内の部品の接地に多くの注意を向けるべきである。さらに、特定の原料の爆発下限 (LEL) を下回る微粒子濃度を達成するために、固体負荷 (体積空気流量と原料の質量流量の比率) を慎重に考慮する必要がある。
1キログラムの水を除去するのに消費される特定のエネルギー。図10は、乾燥剤（空気）を室温から乾燥温度まで加熱するために必要な熱と、送風機で消費される電力から構成されます。後者は、徐々に乾燥することで質量が減少するため、トロイダルベッドを通る圧力降下が減少するため、わずかに変化します。しかし、比乾燥エネルギーの大きな変化は、同じ量の空気の熱エネルギー入力が、材料から除去される水分のより少ない量によって消費されるという事実によって引き起こされます。つまり、水分除去による質量損失が徐々に小さくなる（dm/dtが小さくなる）のです。同様の情報は、図3乾燥機の出口における乾燥剤の相対湿度は明確な最大値を示し、その点を超えると減少し始めます。
乾燥の総比エネルギーは、出口空気からの熱回収の場合、特に空気入力温度が高い場合は大幅に低くなる可能性があります。観察結果は、テストされたすべての褐炭サンプルで類似しています。それでも、共通のパターンを共有しているにもかかわらず、結果自体は異なります。これらの違いは、異なる起源の褐炭間の構造の違いを示唆しています。
興味深い現象の1つは、ルーマニア産褐炭を35℃と50℃で乾燥する場合のエネルギー消費量が高いことです。これは、他の褐炭と比較して層の抵抗が比較的高いことで説明できます。さらに、ルーマニア産褐炭の湿潤状態と乾燥状態の間の粒度分布の変化は、すべての褐炭の中で最も低いものの一つです（図4これは、50℃以上の温度で乾燥させた後にのみ、摩耗がより顕著になることを示唆している可能性があります。これをギリシャの褐炭の乾燥にかかるエネルギー消費量と比較すると（図12）ルーマニア産褐炭の場合、摩耗閾値はより高いと結論付けるのが良いだろう（図4) 。ギリシャ産褐炭の場合のみ、35 °C で実施した試験で、同じ褐炭を高温で乾燥させた場合と比較して、エネルギー消費量が多くなりました。両方の種類の褐炭の場合、構造上の違いが、この挙動の唯一のもっともらしい説明のようです。さらに、このような挙動は、ポーランド産褐炭で実施した試験では観察されませんでした。構造上の類似性の共通指標は、灰分含有量である可能性があります。ギリシャ産およびルーマニア産の褐炭は灰分含有量が類似しており (約 40%)、ポーランド産の褐炭は灰分含有量が異なっていました (灰分含有量は両方とも約 20%)。
褐炭の種類ごとに、その構造によって決まる固有の特性のため、最適な乾燥パラメータを適切に選択する必要があります。さらに、乾燥パラメータの最初の推定は、乾燥褐炭の必要な水分含有量によって定義される、容量と製品の品質に関して必要な期待を満たす乾燥機の適切なサイズ設定という点でも非常に重要です。データの要約は、図17そして図18得られた結果は、乾燥温度が 60 °C を超えると、必要な滞留時間の変化が有意性を失うことを明確に示しており、これは、乾燥温度を高くしても、乾燥装置の小型化に関して大きな利点が得られないことを意味します。 同様のテスト手順が特定の褐炭に適用されるという前提で、データは既存のユニットの最適化に使用することもできます。 提示されたデータは、各褐炭で実際に達成できる水分含有量に関する期待を管理するのにも役立ちます。 実行された一連のテストにより、ほとんどの褐炭について、乾燥後に達成できる実現可能な水分含有量は 20% であると判断できました。 唯一の例外はオーストラリア産の褐炭で、乾燥後の実現可能な水分含有量は 35% と評価されました。 シェニアワ産の褐炭は、ポーランドの褐炭の全体的な代表サンプルとして選択されました。
オーストラリア産褐炭の初期の水分含有量が高く、物理的構造が粗大であるため、床材の塊が壁にくっついて摩耗により床に落ち、比エネルギー消費量の測定が歪むという実用上の問題があった（図16）。乾燥機の壁に付着した塊は、おそらくトロイダルベッドによる摩耗が原因で、ある時点で落下しました。それでも、オーストラリア産褐炭の乾燥に要した特定のエネルギー消費量は、最終水分が 10% 程度の場合、他のすべてのタイプの褐炭よりもはるかに高かったと言えます。
全体的に、オーストラリア産を除くすべての褐炭は、必要な滞留時間が似通っているため、これらのケースでは必要な乾燥機のサイズに大きな違いはないことがわかります。ポーランド産褐炭を 35 °C で乾燥させる場合、必要な時間もルーマニア産やギリシャ産の褐炭と比べて大きく異なります。ポーランド産褐炭の場合、35 °C での褐炭の乾燥時間は 73 分で、最終水分含有量は 12.9% でした。70 °C と 80 °C での乾燥では、乾燥時間が大幅に短縮され (約 28 分)、最終水分含有量が 8% 未満という、より高い乾燥度を達成できました。
見て図18オーストラリア産褐炭を除くすべての褐炭について、エネルギー最適化の観点から、エネルギー消費を最小限に抑えることができるため、乾燥温度 60 °C が最も有益であることが明らかです。オーストラリア産褐炭の最適な乾燥温度は明らかに 50 °C です。ルーマニア産褐炭の特定のエネルギー消費量は、乾燥温度が 60 °C を超えるとわずかに減少することに留意することが重要です。ただし、その影響はごくわずかであるため、その場合は可能な限り低い乾燥温度が推奨されます。その理由は、乾燥機自体に直接関係しているのではなく、熱源に関係しています。乾燥が褐炭の発生源で行われ、発電所もそこに位置していると仮定すると、加熱空気の熱源として考えられるものの 1 つは、空気予熱器の後の排気ガスです。したがって、乾燥空気の温度が低いほど、Δ が高くなります。t乾燥空気を予熱する熱交換器用です。これにより、必要な熱交換面が小さくなり、このような装置のコストが低くなります。さらに、排気ガスの露点以下の温度を達成できれば、凝縮熱交換器によって排気ガスから追加の熱を回収できます。
最も重要なパラメータの 1 つは、材料から除去される水分 1 kg あたりのエネルギー消費量です。エネルギー消費量は、乾燥プロセスの経済性という点で非常に重要です。その値は、乾燥用の熱の利用可能性と廃熱の利用可能性によって決まります。滞留時間も重要です。滞留時間によって装置のサイズが決まり、乾燥機の総コストに大きな影響を与えます。
どのようなタイプの褐炭でも、どのタイプの乾燥機が最適であるかという経験則はないようです。最も適切なタイプの乾燥機を選択し、それに続いて最適なプロセスパラメータを選択するには、複数の要因を考慮する必要があります。トロイダルベッドでの乾燥に関して、最適なプロセスパラメータを決定する要因の 1 つは、原料の粒度分布です。パフォーマンスと健康および安全の両方の観点から懸念事項があります。重要な側面の 1 つは、乾燥剤の流量と乾燥剤と乾燥固形物の量との比率です。乾燥剤の体積流量が低すぎると、比較的長い滞留時間が必要になり、乾燥機が大きくなるため、設備投資額が高くなる可能性があります。一方、乾燥剤の体積流量が高すぎると、ベッドから微粒子が早期に巻き込まれるため、乾燥が不均一になる可能性があります。さらに、トロイダルベッドの性質上、摩擦が増加すると微粒子の生成が増加し、プロセスが増幅される可能性があります。それに加えて、爆発性雰囲気を得るのに十分な量の微粒子が生成された場合、特に静電気放電（発火源）を引き起こす可能性のある摩擦を考慮すると、追加の微粒子生成が潜在的に安全上の問題を引き起こす可能性があります。幸いなことに、この場合、乾燥空気によって運ばれる水蒸気が天然の抑制剤です。ただし、乾燥中の微粒子生成に関しては、褐炭の種類によって異なる挙動を示すため、この点は各ケースごとに個別に考慮する必要があります。静電気放電に対する予防措置として、いずれの場合もデバイスを適切に接地する必要があります。さらに、処理された原料のより好ましいサイズ分布をもたらす粉砕機械を適切に選択することで、安全性をさらに向上させることができます。温度は、乾燥プロセスへの影響と乾燥剤の流量への影響の両方で重要なパラメーターです。温度によって乾燥剤の密度が変わり、ベッド自体の水圧抵抗にもある程度影響します。温度が低すぎると滞留時間が長くなり、高すぎると異なるサイズの粒子の乾燥がさらに不均一になる可能性があります。
一方、乾燥空気の温度が高く流量が多いと粒子のクラッキングが促進され、乾燥した褐炭の粉砕性という点で有利となる可能性がある。エネルギー効率の観点からは、乾燥機の出口と入口での乾燥剤の相対湿度の差を最大化することが有利と思われる。これにより、前述の安全性に関連する利点がさらに得られる可能性がある（水蒸気には不活性特性がある）。さらに、乾燥機に続く熱交換器で潜熱を少なくとも部分的に回収する場合、相対湿度を可能な限り高くすることが有利と思われる。設計された乾燥機を発電所内に設置する場合、乾燥温度を可能な限り低くすると、低品質の熱を利用できるため、排気ガスからの潜熱回収も促進される。コンデンサーの冷却水からの熱回収についても同様である。ただし、この場合、乾燥剤の温度は、周囲から取り込まれた乾燥剤とコンデンサーから排出される冷却水との間で熱交換が行える程度に低くなければならない。どちらの場合も、トレードオフとなるのは、熱交換器のサイズ、乾燥機自体のサイズ、および送風機などの補助装置の電力消費量です。
特に、原料の観点からは、異なる種類の褐炭の特性の違いと乾燥試験の異なる結果が、試験された種間の構造的な違いを示唆していることに留意することが重要と思われます。さらに、灰分含有量は、2 つの異なる種類の褐炭の類似性と乾燥中の挙
