革新的WTA技術がリグニット乾燥効率を大幅向上

リグニット乾燥のためのWTA技術

ドイツのRWE Power AG社によって開発されたWTA（Wirbelschicht Trocknung Anlage）技術は、内部廃熱利用型流動層乾燥のドイツ語略称です。RWE Power AG社はこの技術に関する多数の特許を保有しています。

実証プラントでの実績

最初の蒸気流動層乾燥機は、ドイツ・ケルン近郊のフレッヒェンにあるWTA-1実証プラントとしてRWEによって開発されました。処理能力は粒度0〜6mmの原料リグニットで毎時53トン、蒸発能力は毎時25トンです。1993年から1999年にかけての20,000時間の試験運転において、世界で初めてリグニット用途に採用された蒸気圧縮システムを乾燥機加熱に用いたWTA-1実証プラントは、極めて良好かつ信頼性高く稼働することが実証されました。

更なる最適化への道筋

WTA-1プラントの試験運転評価と理論的検討により、技術的・経済的なプロセス最適化の更なる可能性が明らかになりました。複数の開発案が検討された結果、粒度の縮小が最も改善ポテンシャルが高いことが判明しました。

1999年、RWEはWTA-1プラントに隣接して微粒子対応WTAプロセスの試験プラント「WTA-2」を建設しました。このプラントは複数の最適化ステップを経て、当初の原料リグニット処理量毎時16.4トン・蒸発能力毎時8トンから、2011年までの累計8,200時間運転で原料炭処理量毎時28.7トン・水分蒸発能力毎時13.1トンまで能力向上を達成しました。

商用プロトタイププラントの建設

WTA-2プラントでのラインラント褐炭地区産リグニット各種での豊富な運転経験に基づき、RWEは2005年にニーダーアウゼム石炭イノベーションセンターで商用規模のWTAプロトタイププラント建設を決定しました。設計能力は原料リグニット処理量毎時210トン、乾燥リグニット毎時110トン、蒸発能力毎時100トンで、WTA-2から8倍以上のスケールアップを実現。産業用プロセス制御システムと安全機能を備えた生産プラントとして設計され、2006〜2008年に建設、2008年12月に初の原料リグニット乾燥を実施しました。ニーダーアウゼムの設計に代えて、メイン石炭フローの全コンポーネントを鉄骨構造内で垂直配置することも可能です。

現在、この技術は1000MW級のニーダーアウゼム発電所で稼働しています。毎時210トンの原料炭処理能力、毎時100トンの水分蒸発能力を持ち、世界最大のリグニット乾燥プラントとして毎時110トンの乾燥リグニットを生産しています。

リグニット乾燥の意義とWTA技術の役割

リグニットはガス化・液化製品製造のために高品質固形燃料へ転換されますが、この処理には水分含有率を10〜20%まで低減する必要があります。基礎的プロセス技術としての乾燥はリグニット品質を向上させ、エネルギー効率の良い乾燥法はプロセス全体のエネルギー収支を改善します。現代的なリグニット処理・乾燥手法としてWTA技術が採用・適応されており、リグニットエネルギー利用プロセス全体の最適化と排出削減に不可欠な貢献を果たしています。乾燥エネルギー投入量は水分含有量増大に伴い増加するため、WTA技術による効率改善効果は一定値ではありません。除去する水分量が多いほど、効率改善ポテンシャルは大きくなります。

発電に伴う排ガス排出量は燃料投入量と発電所効率に比例します。WTA技術による効率向上は、この排出量削減に直結します。

従来乾燥法との比較

従来のリグニット乾燥では、蒸気発生ボイラー炉から900〜1,000℃で引き出した高温排ガスを粉砕機に導き、粉砕と同時に乾燥を行っていました。この結合プロセスを乾燥と粉砕に分離すれば、低温でよりエネルギー効率良く乾燥できます。リグニットの予備乾燥により発熱量（CV）を向上させれば、補助燃料なしで従来型蒸気ボイラーでの燃焼が可能になります。

蒸気乾燥法の特徴

石炭の蒸気乾燥は、数年前までニッチな存在でしたが、1979年にPotterらが実験室試験で、わずかに過熱した蒸気を用いた定常流動層でのリグニット乾燥可能性を示しました。

蒸気乾燥が注目される理由は二つあります。第一に、原料リグニットから大量の水分（原料1トンあたり約0.5トン）を除去する必要があること。第二に、リグニットは吸湿性を持ち、水分含有率が周囲大気と平衡状態になり、特定のリグニットでは水蒸気圧と温度のみの関数となることです。

定圧（大気圧など）下で純粋な蒸気中で乾燥させる場合、平衡水分は温度のみの関数となります。この関係を記述する曲線を脱着等圧線と呼びます。これはプロセス制御の観点から極めて重要で、リグニットが蒸気雰囲気と平衡に達するまで十分乾燥されていれば、乾燥リグニットの水分は乾燥時間に依存しません。また、平衡到達後は乾燥機内にどれだけ長く留めても水分含有率は変化しないため、「過乾燥」が起こりません。脱着等圧線はリグニット品質に依存し、系圧力約1.1気圧での2種類のリグニットにおける依存性が図1に示されています。タイプ1では約110℃で平衡水分約12%、タイプ2では約107℃で同水分に達します。

図1 リグニットの典型的等圧線

蒸気乾燥の利点

• 不活性雰囲気での乾燥により、乾燥リグニットの爆発性リスクに対する高い固有の安全性を確保
• 定圧下で乾燥リグニット水分が温度のみの関数となり、制御が容易
• 乾燥温度が比較的低い
• 乾燥蒸気のほぼ100%が水蒸気で等温凝縮するため、顕熱として有効活用可能
• 蒸気凝縮により大量の蒸気・粉塵排出を回避
• 回収凝縮水をプラント用水として利用可能

WTAプロセスと流動層乾燥機

原料リグニットは直列接続された2台の粉砕機で2mm未満に粉砕後、流動層乾燥機に供給されます。流動化媒体は乾燥工程で発生する蒸気です。乾燥機内部の熱交換器（蒸気加熱）により、微小過圧下で110℃にて水分蒸発が行われます。乾燥室内でのリグニット滞留時間は60〜90分です。

乾燥済み石炭は定常層から排出後、まずサイクロン、次に電気集塵機で蒸気と分離されます。サイクロン出口の蒸気は層流動化用、電気集塵機出口の蒸気は大気放出されます。また、層底部からの粗粒子抽出分は中間冷却器を経て、サイクロン・電気集塵機分離分と混合されます。

乾燥に必要な熱は外部蒸気（通常はタービン抽気）により、層内配管束での熱伝達で供給されます。流動層内での乾燥により粒度がさらに減少し、乾燥済み石炭の典型的粒度は1mm未満（1mm超は約9%）。水分含有率は約12%です。流動層温度制御により、目標水分値での調整・維持が可能です。WTAプロセスはリグニット火力発電におけるCO2排出削減の重要技術です。

WTAプロセスの原理

WTA技術は、微小過圧下での低膨張定常流動層の原理に基づきます。固体粒子層が上向き流体（通常は空気）流により「浮遊・流動」状態に変化する現象を利用します。乾燥エネルギーは流動層乾燥機内設置の熱交換器（蒸気加熱）経由で供給され、流動化媒体によるエネルギー供給はわずかです。したがって、流動化流量と乾燥機エネルギー要件を独立制御できます。

熱交換器と流動層間の伝熱性能が高く、小温度差でも高熱流束が得られるため、コンパクト設計ながら高蒸発能力を実現。また、粉砕後の原料リグニットは凝集性のため一括流動化が困難なため、一般に乾燥リグニットを担体媒体とした混合層設計とし、新規粉砕原料を添加する方式を採用します。

乾燥はほぼ100%純粋なわずかに過熱した水蒸気雰囲気で行われ、定圧下で蒸気温度とリグニット残留水分間の平衡に達します。

蒸気雰囲気乾燥の利点は、石炭蒸発水分が等温凝縮（一定温度）するため、エネルギー効率良く利用できる点です。工業規模で開発された蒸気利用概念は二つあります。(i) 機械的蒸気再圧縮によるオープンヒートポンププロセス（乾燥機熱交換器加熱用、原料リグニット予熱統合あり/なし、図3b）、(ii) 蒸気凝縮によるボイラー給水予熱など発電所プロセスへの熱利用（ニーダーアウゼムで実装、図3a）。

図3a 蒸気凝縮型WTA技術

両方式はWTAプロセスに統合可能で、乾燥プロセスのエネルギー効率向上と排出削減に寄与します。生成蒸気凝縮水は工業用水として利用可能。採用システム選定は乾燥要件と全体プロセスへの統合性に依存します。

原料リグニットの粒度

WTA乾燥プロセスは二つの投入粒度に対応して開発されました。(i) 粗粒度（0〜6mm）、(ii) 微粒度（0〜2mm）。粗粒度は、高温ウィンクラーガス化やリグニットコークス化など、最小粒度要件がある下流プロセス向け。それ以外では微粒度が技術的・経済的に優位です。特に従来火力発電所の予備乾燥段階として微粒度WTAプロセスが有利で、最大粒度1mmの乾燥リグニットはボイラー燃料として直接使用可能です。

坑口炭（約80mm以下）から目標値（2mm未満）への直接微粉砕には、RWEが直列2段粉砕の特殊プロセスを開発。図3bは上流微粉砕と機械的蒸気圧縮による蒸気エネルギー乾燥利用を統合した微粒子WTAプロセス全体を示します。

蒸発石炭水分（蒸気）は電気集塵機で清浄化後、圧縮機で約4気圧に再圧縮し、乾燥機内熱交換器加熱用として利用（図3b）。蒸気凝縮水の顕熱で原料リグニットを約65〜70℃まで予熱。蒸気エネルギーで乾燥機エネルギー需要を賄います。

図3b 予熱器・蒸気圧縮統合型WTA技術

清浄蒸気の一部は乾燥機へ循環し、原料リグニット流動化用として使用。乾燥リグニットは必要に応じ冷却後、WTAプラント統合粉砕機で1mm未満に再粉砕し、発電所ボイラー燃焼用として直接使用可能にします。

乾燥機からの蒸気は発電所水蒸気サイクルのボイラー給水予熱にも利用可能。また、水蒸気を利用しない低コスト代替案（図3c）もあり、高水分・高灰分リグニットの発熱量改善に適用できます。

図3c WTA技術の低コスト代替案

WTAプロセスは高比容量・低加熱蒸気圧力が特徴で、乾燥機ユニットあたり極めて高い乾燥出力を実現。省スペース設計と原料/乾燥リグニット統合微粉砕システムにより、プラント全体もコンパクトです。

WTA技術によるリグニット乾燥の利点

• 低温乾燥と蒸発石炭水分のエネルギー利用（蒸気凝縮または機械的蒸気圧縮）による高エネルギー効率
• 不活性雰囲気乾燥による高安全性（石炭粉塵・空気爆発性混合物の回避）
• 乾燥機ユニットの高乾燥能力
• 原料リグニット微粉砕システム統合（必要時は二次乾燥リグニット粉砕も）によるコンパクト設計
• エネルギー蒸気利用による大幅な蒸気・粉塵排出削減、蒸気凝縮水の水資源活用
• 乾燥要件に応じた柔軟なプラントエンジニアリング
• 乾燥方式と原料リグニット水分含有率に依存し、発電所効率を4〜6%向上