JP2000035215A - 燃焼方法 - Google Patents

燃焼方法

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JP2000035215A
JP2000035215A JP10201404A JP20140498A JP2000035215A JP 2000035215 A JP2000035215 A JP 2000035215A JP 10201404 A JP10201404 A JP 10201404A JP 20140498 A JP20140498 A JP 20140498A JP 2000035215 A JP2000035215 A JP 2000035215A
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singlet
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Tadao Kurata
忠男 倉田
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2202/00Combustion
    • F23G2202/70Combustion with application of specific energy
    • F23G2202/701Electrical fields
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2204/00Supplementary heating arrangements
    • F23G2204/20Supplementary heating arrangements using electric energy
    • F23G2204/203Microwave

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼対象物、特に一般廃棄物や産業廃棄物
を、有害物質を生成することなく完全燃焼させて焼却す
る燃焼方法を提供する。 【解決手段】 燃焼に関与する三重項酸素の一部または
そのほとんどを一重項酸素とし、一重項酸素の存在下に
て燃焼対象物を燃焼させる。三重項酸素を一重項酸素へ
と励起させるには、マイクロ波放電又は光増感反応を用
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、物質の燃焼方法に
関し、特に、一般廃棄物及び産業廃棄物の焼却に好適な
燃焼方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、物質の燃焼は高温下で空気中の
酸素による酸化反応により行われる。したがって、燃焼
にはまず酸素を含む空気の存在が不可欠である。この地
球上の空気は地球の創生期以来の永い進化の過程で形成
されたものと考えられているが、その組成、中でも酸素
の存在比率が現在の大気組成にほぼ等しくなったのがい
つ頃かは、あまり明確ではない。しかし、少なくとも人
類がこの地球上に出現した当時の大気組成は現在のもの
とそれほど大きく変わらなかったものと推測され、その
ため、原始人類も現在の山火事などにみられるような自
然発火など、一種の自然現象として燃焼というものを認
めていたはずである。このように燃焼そのものは、太古
の昔からよく知られていた自然現象である。そして、有
史以前に遡ると思われるが、古代人が火の制御技術を体
得して以来、それを燃焼法として自分たちの生存、生活
に積極的に利用してきた訳である。
【0003】この燃焼過程で、多くの物質は完全に燃焼
して安定な酸化物となるが、一部のものは不完全燃焼
し、各種の揮発性、難揮発性、不揮発性生成物を生じ
る。例えば、通常の有機化合物などの有機物質の場合に
は、完全に燃焼すると主として水や炭酸ガスなどを生じ
る。具体例を挙げると、紙などの主要成分であるセルロ
ースや大豆油などを燃やすと、完全燃焼により水と炭酸
ガスになる。一方、不完全燃焼させると、多種多様な生
成物、例えば、一酸化炭素、アルデヒド、煤等の未燃焼
部分が排出されたり、セルロ一スからはピレンなどの多
核芳香族化合物等が生成したりすることが知られてい
る。また、タバコの煙、車などの排気ガスにも不完全燃
焼による多種多様な生成物が含まれていることが知られ
ている。
【0004】不完全燃焼生成物の中には、地球環境や人
間の健康に好ましくないものも含まれている。特に、最
近は環境ホルモンの別名でも知られ、内分泌攪乱物質と
しての作用を示す毒性物質、ダイオキシンなどが、焼却
温度の不十分な焼却炉中で生成する結果、深刻な環境汚
染をもたらすことが世界的に大きな社会問題として取り
あげられ、我が国をはじめ世界各国でそれに対する対策
が急務とされている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上の現状に鑑み本発
明は、燃焼対象物、特に一般廃棄物や産業廃棄物を、有
害物質を生成することなく完全燃焼させて焼却する燃焼
方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】通常の燃焼に関与する空
気中に含まれている酸素は、安定な基底状態の多電子系
を有する酸素である。酸素分子の基底状態が、スピン量
子数1したがってスピン縮重度3の多重項状態であるこ
とは、よく知られている。この三重項状態の酸素分子
(以下、「三重項酸素」と称する)は安定で、生物の呼吸
等にも利用され、人間をはじめ地球上の生物の生命維持
に不可欠である。この呼吸により人間は食物成分である
糖、脂質、タンパク質等を酸化してエネルギーを獲得し
ているが、この生体エネルギー生産にかかわる酸化過程
もまた非常に緩やかに進行する燃焼過程とみなすことも
可能であろう。
【0007】一方、励起状態である一重項状態の酸素分
子(以下、「一重項酸素」と称する)は、非常に反応性に
富み、化学的寿命も短いことから通常の空気中にはほと
んど含まれていない。実験室レベルで三重項酸素を一重
項酸素に変換する場合には、適当な色素を利用した光増
感反応を用いることが多い。また、一重項酸素の関与す
る各種反応の様相も三重項酸素の場合とはかなり異な
り、したがって両者による酸化生成物もそれぞれかなり
異なっている。
【0008】そこで本発明は、上記課題を解決するため
に、燃焼に関与する三重項酸素の一部またはそのほとん
どを一重項酸素とし、一重項酸素の存在下にて燃焼対象
物を燃焼させる燃焼方法を提供する。
【0009】三重項酸素を一重項酸素へと励起させるに
は、マイクロ波放電又は光増感反応を用いる。
【0010】
【作用】一重項酸素は、基底状態の三重項酸素よりも2
2.5kcal/molだけ高いエネルギー準位を有し、不安定
であるが非常に反応性が高い。反応性に富む一重項酸素
の存在下で燃焼対象物を燃焼させると、三重項酸素の存
在下での燃焼よりも低温において完全燃焼させることが
できる。また、一重項酸素による燃焼対象物の燃焼は、
同条件において三重項酸素による燃焼よりも燃焼効率が
よく、燃焼時間も短くなる。
【0011】
【発明の実施の形態】一重項酸素を、例えば、産業廃棄
物等の焼却における燃焼反応に利用する場合、短時間で
大量に一重項酸素を発生し、燃焼炉へ供給し続けること
が必要となる。燃焼反応に適用する一重項酸素を三重項
酸素から得る方法としては、マイクロ波放電を利用する
ことが好適である。マイクロ波放電による一重項酸素の
発生方法は、例えば、三重項酸素を希ガス等と共に空洞
共振器内に導入し、数百MHz〜数十GHzの電界を印加する
ことにより行われる。実験的には、真空中における一重
項酸素は、励起状態を約45分維持するとされている。
従って、ある程度の希薄気体とすることにより、一重項
酸素の寿命を比較的長く維持でき、燃焼炉まで導入する
ための十分な時間を確保できる。マイクロ波放電は、電
気エネルギーを用いた物理的方法であり、気相系のみで
一重項酸素を得られるので実用的である。このようにし
て発生した一重項酸素を速やかに燃焼炉に導入し、燃焼
反応に関与させることで本発明を実施できる。実施する
際には、燃焼対象物や燃焼炉の条件によって、一重項酸
素と三重項酸素を適宜の割合で混合して用いてもよく、
また、燃焼経過によって双方の割合を変化させながら燃
焼させてもよい。
【0012】ジラジカル(・O−O・)の構造をもつ基底
状態の三重項酸素による燃焼反応では、炎の中で種々の
原子やラジカルを生成しつつ、特に炭化水素の燃焼では
水素引き抜き等の諸反応を通して連鎖的に反応が進行す
る。これに対し、励起状態である一重項酸素による燃焼
反応では、ラジカル連鎖反応への積極的関与は見られな
い。しかしながら、一重項酸素は本来、求電子試薬であ
り、電子供与性の大きい物質とより反応しやすい。した
がって、三重項酸素がラジカル反応しやすいのに対し、
一重項酸素ではむしろ2電子反応が起こりやすく、例え
ば2重結合への直接的な付加、ジオキセタンの生成等、
三重項酸素では起きにくい反応を積極的に行うことがで
きる。このように、本発明の一重項酸素による燃焼方法
では、一重項酸素のみによる燃焼を行わせることも一態
様として有り得るが、むしろ、一重項酸素と三重項酸素
を最適に組み合わせ、双方の混在下においてそれぞれの
特徴的な燃焼反応を相補的に行わせることにより、理想
的な燃焼条件を達成することが好ましいといえる。
【0013】現在のところ、一重項酸素は光増感反応で
よく知られているが、工業的にはごく僅かしか利用され
ておらず、燃焼反応で利用された例は未だない。光増感
反応では、基底状態である三重項酸素が、励起状態の色
素からエネルギーを得て一重項酸素となり、各種酸化反
応をもたらす。具体的には、ローズベンガル等の色素
(光増感剤)を適当な水又はアルコール等の溶媒に溶解
した溶液に、三重項酸素ガスを通気しつつ可視光線を照
射することにより、一重項酸素が得られる。その他の方
法としては、過酸化水素と次亜塩素酸塩との反応によっ
ても一重項酸素が得られる。もちろん、これらの液相系
での化学的方法を利用して得られた一重項酸素を回収し
て燃焼炉へ導入し、燃焼反応に用いてもよい。
【0014】一重項酸素の場合の燃焼手順、燃焼装置等
は、基本的には三重項酸素の場合と大差はない。通常の
燃焼装置への空気(すなわち三重項酸素)供給系へ一重
項酸素を適当量導入することで実施可能である。但し、
一重項酸素による燃焼反応は、三重項酸素による燃焼反
応とは全く異なるため、三重項酸素のみで燃焼させる場
合とは発熱量、燃焼効率等が異なってくることを設計上
考慮する必要はある。加えて、非常に反応性が高いとい
う一重項酸素の特性上、燃焼装置の耐久性や一重項酸素
の漏れ防止等に十分な安全策を考慮することも必要であ
る。その他、燃焼対象物の化学的性質によっても種々の
条件が異なってくることはいうまでもない。
【0015】また、一重項酸素の利用効率を良好に保つ
ためには、一重項酸素発生装置と燃焼装置とを物理的に
十分接近させることが好適である。発生した一重項酸素
を速やかに燃焼に適用するためには、高速の送気手段が
有効である。また、一重項酸素発生装置を燃焼装置の一
部として組み込んだ一体型の装置とすれば更に望まし
い。
【0016】
【発明の効果】本発明は、各種燃焼装置で使用されてい
る通常の三重項酸素や空気を一重項酸素に置き換えて、
あるいは一重項酸素と組み合わせて燃焼対象物を燃焼さ
せることにより、従来よりも高性能な燃焼方法を実現し
た。例えば、ダイオキシンは、800℃以下の低温焼却
による不完全燃焼によって発生するといわれるが、一重
項酸素を利用することにより低温焼却であっても完全燃
焼させることが可能となり、有害物質を排出しない。ま
た、反応性が高いことから燃焼反応が速やかに進行し、
燃焼効率の向上及び燃焼時間の短縮が図れ、燃料を節減
することができる。さらに、燃焼効率の良さから再利用
できる発生熱も多くなり、また燃焼後の固体残留物の量
が大きく低減されると期待される。さらに、燃焼工程に
伴う作業の作業性も向上し、人的費用も節減できるであ
ろう。
【0017】本発明の実施には、一重項酸素を発生する
ためのエネルギー及び設備が必要であるが、上記の通り
効率的な燃焼が実現できることから十分エネルギー的に
相殺できる。何よりも、有害物質を生成しない燃焼方法
は、環境保護の観点から極めて大きな社会的意義をもつ
ものである。
【手続補正書】
【提出日】平成11年5月14日(1999.5.1
4)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項】 三重項状態の酸素を一重項状態の酸素へ
と励起させ、励起した一重項状態と三重項状態の酸素の
混在下にて燃焼対象物を燃焼させることを特徴とする燃
焼方法。
【請求項】 前記三重項状態の酸素を一重項状態の酸
素へと励起させる際にマイクロ波放電を用いることを特
徴とする請求項1に記載の燃焼方法。
【請求項】 前記三重項状態の酸素を一重項状態の酸
素へと励起させる際に光増感反応を用いることを特徴と
する請求項1に記載の燃焼方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0008
【補正方法】変更
【補正内容】
【0008】そこで本発明は、上記課題を解決するため
に、燃焼に関与する三重項酸素の一部を一重項酸素と
し、一重項酸素および三重項酸素の混在下にて燃焼対象
物を燃焼させる燃焼方法を提供する。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0016
【補正方法】変更
【補正内容】
【0016】
【発明の効果】本発明は、各種燃焼装置で使用されてい
る通常の三重項酸素や空気を一重項酸素と組合せて燃焼
対象物を燃焼させることにより、従来よりも高性能な燃
焼方法を実現した。例えば、ダイオキシンは、800℃
以下の低温焼却による不完全燃焼によって発生するとい
われるが、一重項酸素を利用することにより低温焼却で
あっても完全燃焼させることが可能となり、有害物質を
排出しない。また、反応性が高いことから燃焼反応が速
やかに進行し、燃焼効率の向上及び燃焼時間の短縮が図
れ、燃料を節約することができる。さらに、燃焼効率の
良さから再利用できる発生熱も多くなり、また燃焼後の
固体残留物の量が大きく低減されると期待される。さら
に、燃焼工程に伴う作業の作業性も向上し、人的費用も
節減できるであろう。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 三重項状態の酸素を一重項状態の酸素へ
    と励起させ、励起した一重項状態の酸素の存在下にて燃
    焼対象物を燃焼させることを特徴とする燃焼方法。
  2. 【請求項2】 三重項状態の酸素を一重項状態の酸素へ
    と励起させ、励起した一重項状態の酸素と三重項状態の
    酸素の混在下にて燃焼対象物を燃焼させることを特徴と
    する燃焼方法。
  3. 【請求項3】 前記三重項状態の酸素を前記一重項状態
    の酸素へと励起させる際にマイクロ波放電を用いること
    を特徴とする請求項1又は2に記載の燃焼方法。
  4. 【請求項4】 前記三重項状態の酸素を前記一重項状態
    の酸素へと励起させる際に光増感反応を用いることを特
    徴とする請求項1又は2に記載の燃焼方法。
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