JP2005060589A

JP2005060589A - 廃棄物の炭化システム

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Publication number: JP2005060589A
Application number: JP2003294508A
Authority: JP
Inventors: Tsuruhiko Kiuchi; 鶴彦木内
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2003-08-18
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-18
Also published as: JP4102862B2

Abstract

【課題】熱量コントロールを広範囲で容易且つ正確に行う。
【解決手段】炭化システム１は、複数の小型の収斂装置３，３・・を配置してなるマルチミラー収斂装置２と、燃焼室１４と収容室１５とを有し、マルチミラー収斂装置２で収斂された太陽光によって廃棄物を加熱して炭化処理する炭化炉４とからなる。マルチミラー収斂装置２は、同型で同じ大きさの収斂装置３，３・・を、半径の異なる二重の同心円周上に等間隔で配列して形成され、各収斂装置３は、口径が略１ｍの放物面凹鏡である主鏡Ｍ１と、双曲面凸鏡である副鏡Ｍ２と、平面反射鏡Ｍ３，Ｍ４とを有する光学系と、この光学系を支持し、赤緯軸と極軸との２軸を中心に両軸部を回転させることで、主鏡Ｍ１を常に太陽に直面させる自動追尾機能を有するクーデ赤道儀とから形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、家庭や工場等から排出される一般廃棄物や産業廃棄物等を、太陽光収斂装置で収斂した収斂光束によって加熱して炭化処理する廃棄物の炭化システムに関する。

生ゴミなどの一般廃棄物や産業廃棄物（以下単に「廃棄物」という。）は、熱源を備えた処理装置で加熱して炭化処理する場合がある。例えば特許文献１には、ヘリオスタット鏡で収斂した太陽光でゴミを８５０℃以上の高温で焼却し、この焼却灰をベルトコンベヤでトラック上に排出するゴミ等の焼却システムの発明が開示されている。

また、出願人は、特願２００２−２３１６０６号において、太陽光をパラボラ凹面集光鏡を有する太陽光収斂装置で収斂し、その収斂光束を、複数の反射鏡で導いて密閉容器内の廃棄物に照射することで、廃棄物を瞬時に超高温で加熱して炭化処理する炭化装置とその方法との発明を提供している。これらの発明は、太陽光を効果的に利用した低コストな廃棄物処理を可能としたものである。

特開２００３−１０６６８０号公報

ところが、これらのシステムや装置においては、太陽光の収斂に単一の大きな装置を用いるため、熱量コントロールが難しい。後者の装置では反射鏡の一部の角度を変更して熱量の調整を可能とはしているものの、それでもコントロールできる熱量の範囲は小さい。また、巨大な収斂装置の製造にコストがかかる上、運搬や操作、メンテナンス等にも不便であった。さらに、個々の反射鏡の時点で反射する熱量が大きいため、装置の耐久性や操作上の安全性にも問題が残っていた。
加えて後者の装置では、廃棄物の密閉容器を真空状態とする真空処理装置や、炭化処理後に大気圧に戻す加圧装置、そしてこれらの装置の稼働に伴う各処理工程が必要となるため、やはりコストアップを招く上、処理時間も長くかかってしまう。

そこで、本発明は、太陽光の収斂装置を用いても、収斂光束の熱量コントロールが広範囲で容易に行えると共に、耐久性や使い勝手、メンテナンスに優れ、システム全体が簡略して製造コストも低減できる廃棄物の炭化システムを提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、太陽光を光学系で収斂して収斂光束を発生させる太陽光収斂装置を複数個配列し、各収斂光束を所定方向へ射出可能なマルチミラー収斂装置と、廃棄物を収容し、マルチミラー収斂装置からの収斂光束の照射によって廃棄物を直接或いは間接に加熱可能な炭化炉とからなる廃棄物の炭化システムとしたものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の目的に加えて、マルチミラー収斂装置により好適な太陽光収斂装置の配列を得るために、マルチミラー収斂装置を、太陽光収斂装置を１つの円周上または複数の同心円周上に配列した構成としたものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の目的に加えて、炭化時に発生したガスの処理のための余分な装置や処理工程を不要として、システム全体での一層の簡略化やコストダウンを達成するために、炭化炉を、収斂光束が照射される熱源体を有する燃焼室と、その燃焼室の上方で隣接し、廃棄物が投入される収容室とに分離されると共に、収容室で発生したガスを燃焼室内へ導入する誘導手段が備えられる構成としたものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３の目的に加えて、誘導手段を簡単に形成するために、誘導手段を、収容室の上方と燃焼室とを接続する案内管としたものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１または２の目的に加えて、炭化時に発生したガスの処理のための余分な装置や処理工程を不要として、システム全体での一層の簡略化やコストダウンを達成するために、炭化炉を、最下位置に廃棄物の燃焼室が設けられ、上方から収斂光束が照射される深底体で、燃焼室より上方位置にガスの排出口が設けられる構成としたものである。

請求項１に記載の発明によれば、太陽光を効果的に利用して廃棄物を短時間で炭化させることができる。特に、収斂装置を複数利用したマルチミラー収斂装置を採用しているから、小型の収斂装置を用いて大型の収斂装置と同等の総熱量が確保できる一方、収斂装置の数を増減することで熱量コントロールが広範囲で容易且つ正確に行える。また、個々の収斂装置で集光される熱量が比較的小さいため、装置の耐久性や操作上の安全性が高くなる上、総コストが安価で済み、運搬、操作、メンテナンスも容易となる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、マルチミラー収斂装置に効果的な太陽光収斂装置の配列を得ることができる。
請求項３及び５に記載の発明によれば、請求項１または２の効果に加えて、炭化時に発生したガスを炭化炉内で確実に完全燃焼させることができる。よって、真空処理装置等の余分な装置や処理工程が不要となり、システム全体での一層の簡略化やコストダウンが達成可能となる。
請求項４に記載の発明によれば、誘導手段を簡単に形成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
《形態１》
図１は、炭化システムの一例を示す全体図で、炭化システム１は、複数の小型の太陽光収斂装置（以下単に「収斂装置」という。）３，３・・を配置してなるマルチミラー収斂装置２と、このマルチミラー収斂装置２で収斂された太陽光によって廃棄物を加熱して炭化処理する炭化炉４とからなる。
まず、マルチミラー収斂装置２は、同型で同じ大きさの収斂装置３，３・・を、図１上側の平面説明図で示すように、半径の異なる二重の同心円周上に等間隔で１８基配列したものである。各収斂装置３は、図２に示す如く、口径が略１ｍの放物面凹鏡である主鏡Ｍ１と、双曲面凸鏡である副鏡Ｍ２と、平面反射鏡Ｍ３，Ｍ４とからなる光学系５と、この光学系５を支持し、赤緯軸Ｄと極軸Ｒとの２軸を中心に後述する両軸部を回転させ、主鏡Ｍ１を常に太陽に直面させる自動追尾機能を有するクーデ赤道儀６とから形成されている。

収斂装置３の光学系５は、主鏡Ｍ１によって反射させた太陽光を副鏡Ｍ２によって平行光束に収斂し、この平行光束を主鏡Ｍ１の中心に形成した貫通孔７を通して主鏡Ｍ１及び副鏡Ｍ２の軸線方向に反射させた後、平面反射鏡Ｍ３で反射して赤緯軸Ｄに沿って進行させ、さらに平面反射鏡Ｍ４で反射して極軸Ｒに沿って進行させることで、平行光束を極軸Ｒに沿ってクーデ赤道儀６の後方に射出可能としている。

また、クーデ赤道儀６は、架台８と、架台８の上端で極軸Ｒが地球の自転軸と平行となるように、且つ極軸Ｒを中心に回転可能に支持される極軸部９と、極軸Ｒと直交する赤緯軸Ｄに沿って極軸部９へ連結され、赤緯軸Ｄを中心に回転可能に設けられて主鏡Ｍ１及び副鏡Ｍ２を支持する赤緯軸部１０とからなる。極軸部９には、モータと減速機構とからなる第１駆動部１１が設けられ、架台８に内蔵した図示しない制御部による駆動制御により、極軸部９の回転角度を変更可能としている。同様に赤緯軸部１０にも、モータと減速機構とからなる第２駆動部１２が設けられて、制御部による駆動制御によって、赤緯軸部１０、すなわち主鏡Ｍ１及び副鏡Ｍ２の回転角度を任意に変更可能としている。１３，１３は、極軸部９及び赤緯軸部１０に夫々設けられるバランスウェイトである。

一方、炭化炉４は、下方の燃焼室１４と、その上方で隣接する廃棄物の収容室１５とに分離形成されている。燃焼室１４の入口側（図１の右側）には、鉄等の金属或いはセラミックからなる熱源体１６が設けられ、燃焼室１４の出口側（同図の左側）には、燃焼室１４よりも上方で開口する排気口１７が設けられている。また、収容室１５は、図示しない蓋体によって開閉可能な投入口１８と、熱源体１６の近傍を通って下方に向けて開口し、図示しない蓋体によって開閉可能な排出口１９とを有する。さらに、燃焼室１４と収容室１５とは、収容室１５の上方と燃焼室１４における熱源体１６の近傍とを接続する誘導手段としての案内管２０によって連通している。
そして、マルチミラー収斂装置２には、各収斂装置３ごとに凹面反射鏡２１，２１・・が配置されて、各収斂装置３の平面反射鏡Ｍ４から射出された平行光束を反射して、炭化炉４の熱源体１６に焦点を結ばせるようにしている。

以上の如く構成された炭化システム１においては、収容室１５の投入口１８から生ゴミ等の廃棄物Ｓ１を投入し、マルチミラー収斂装置２によって太陽光を集光する。すなわち、各収斂装置３において、主鏡Ｍ１で反射した太陽光を副鏡Ｍ２で平行光束とし、貫通孔７を通して平面反射鏡Ｍ３側へ射出し、平面反射鏡Ｍ３及びＭ４によって反射させて、極軸Ｒに沿って架台８に設けた図示しない透孔を通して後方へ射出するものである。この各収斂装置３によって得られる平行光束の総熱量は、口径４ｍの主鏡を用いた同型で単一の大型収斂装置と略同等の熱量となる。なお、クーデ赤道儀６の特徴により、太陽が移動しても、常に平行光束は極軸Ｒに沿った一定方向へ射出されるようになっている。

こうして各収斂装置３から射出された全ての平行光束は、凹面反射鏡２１，２１・・によって熱源体１６へ集光されるため、熱源体１６が発熱して燃焼室１４内が短時間で１０００℃〜２０００℃の高温となる。よって、収容室１５内の廃棄物Ｓ１は燃焼室１４の高温で加熱されて炭化し、高純度の炭化物Ｓ２となる。なお、この炭化物は、炭化処理後に一度にまとめて排出口１９から排出しても良いし、燃焼室１４内に設けたコンベヤやアーム等の搬送機構によって炭化処理を行いながら搬送して排出口１９から排出するようにしても良い。
一方、炭化の際に発生する水蒸気やガスは、矢印ａで示すように、収容室１４の上方から案内管２０を通って燃焼室１４へ誘導されるため、高温の燃焼室１４内で完全燃焼して分解され、無害なガスとして排気口１７から排気される。なお、排気口１７には、ガスの回収装置を接続しても良いし、そのまま大気へ開放させても良い。

このように上記形態１の炭化システム１によれば、太陽光を効果的に利用して廃棄物を短時間で炭化させることができる。特に、小型の収斂装置３を複数利用したマルチミラー収斂装置２を採用しているから、大型の収斂装置と同等の総熱量が確保できる一方、収斂装置３の数を増減することで熱量コントロールが広範囲で容易且つ正確に行える。また、個々の収斂装置３で集光される熱量が比較的小さいため、装置の耐久性や操作上の安全性が高くなる上、総コストが安価で済み、運搬、操作、メンテナンスも容易となる。
さらに、マルチミラー収斂装置２を、収斂装置３を複数の同心円周上に配列して形成しているから、マルチミラー収斂装置２により好適な収斂装置３の配列が得られる。

一方、炭化炉４を、収斂光束が照射される熱源体１６を有する燃焼室１４と、その燃焼室１４の上方で隣接し、廃棄物が投入される収容室１５とに分離すると共に、収容室１５で発生したガスを燃焼室１４内へ導入する誘導手段を備えたことで、炭化時に発生したガスを炭化炉４内で確実に完全燃焼させることができる。よって、真空処理装置等の余分な装置や処理工程が不要となり、システム全体での一層の簡略化やコストダウンが達成できる。
また、誘導手段を、収容室１５の上方と燃焼室１４とを接続する案内管２０としたことで、誘導手段を簡単に形成することができる。

《形態２》
次に、炭化システムの他の形態を説明する。なお、形態１と同じ構成部は同じ符号を付して重複する説明を省略する。
図３に示す炭化システム３０も、同様に複数の収斂装置３２からなるマルチミラー収斂装置３１と、炭化炉３３とを有する。ここでの炭化炉３３は、上記形態１のように収容室と燃焼室とを完全に分離した構造でなく、筒状の深底体で、内部に、最下位置の第１燃焼室３４から、その上方へ順に重なる第４燃焼室３７までの４つの燃焼室を区画形成したもので、各燃焼室の間の３つの仕切板３８，３８・・と、第４燃焼室３７の上側の天井板３９とには、同心の透孔４０，４０・・が形成されている。また、第４燃焼室３７の上方には、透孔４０の真上で開口する光束の導入室４１が形成され、その導入室４１の側方にＬ字状の煙道管４２が分岐接続されている。さらに、第３燃焼室３６の側面には、光束の導入口４３，４３が一対穿設されている。なお、導入室４１の開口は、耐熱性の透明ガラスで閉塞しても良い。
一方、第１燃焼室３４内には、廃棄物Ｓ１を収容した容器４４が載置される。この容器４４は、第１燃焼室３４の側面に設けた図示しない開閉扉から、コンベヤ等の送り機構によって自動的に出し入れされる。

そして、マルチミラー収斂装置３１は、先の形態１と同じ光学系５とクーデ赤道儀６とを有する収斂装置３２，３２・・が複数用いられるが、ここでは、全収斂装置３２を２つのグループに分けて、一方のＡ群の収斂装置３２，３２・・からの光束は、架台８に設けられた平面反射鏡４５と凹面反射鏡４６とによって導入室４１の真上から、第４燃焼室３７内で焦点を結ぶように射出されて、容器４４内の廃棄物Ｓ１を上方から加熱するようにしている。また、他方のＢ群の収斂装置３２，３２・・からの光束は、架台８に設けられた２つの平面反射鏡４７，４７と、架台８の外部に設けられた凹面反射鏡４８とによって、第３燃焼室３６の導入口４３，４３から横向きに射出されて、第３燃焼室３６内で焦点を結ぶようにしている。なお、収斂装置３２はＡ群の方がＢ群よりも多くなっている。

よって、この炭化炉３３においては、Ａ群の収斂装置３２，３２・・からの光束によって廃棄物が１０００℃以上の高温で加熱されて燃焼炭化することになるが、この炭化により発生したガスは、各透孔４０，４０・・を介して第２燃焼室３５、第３燃焼室３６、第４燃焼室３７と順に上昇し、導入室４１から煙道管４２を通って外部へ排出される。このとき、第３燃焼室３６ではＢ群の収斂装置３２からの光束の焦点が、第４燃焼室３７ではＡ群の収斂装置３２からの光束の焦点が位置することで、両燃焼室３６，３７が最も高温となっているため、上昇するガスは上へ行く程高温となる第３、第４燃焼室３６，３７内で完全燃焼し、不純物が完全に取り除かれた状態となって排出される。

このように上記形態２の炭化システム３０においても、太陽光を効果的に利用して廃棄物を短時間で炭化させることができ、マルチミラー収斂装置３１の採用による熱量のコントロールの容易性及び正確性、装置の耐久性や操作上の安全性、総コストの安価、運搬やメンテナンスの容易性、といった形態１と同様の効果が得られる。また、発生ガスを炭化炉内で完全燃焼させることによるシステム全体の簡略化やコストダウンも同様に達成できる。
特に、この形態２では、炭化時に発生するガスが炭化炉３３内を上昇しながら完全燃焼する合理的な構造となっているため、炭化炉の構造が形態１よりも簡単になるという利点がある。

なお、マルチミラー収斂装置に用いる個々の収斂装置としては、上記形態１，２のクーデ式に限らず、ナスミス式、ヘリオスタット式、シーロスタット式等の他の形式のものも採用可能である。図４はナスミス式の収斂装置５０を用いた炭化システムの説明図で、まず収斂装置５０は、図５にも示す如く、垂直軸を中心に水平回転可能な架台５１と、その架台５１に支持され、水平軸を中心に垂直方向へ回転可能な枠体５２とを備え、枠体５２で主鏡５３及び副鏡５４を支持させて、主鏡５３及び副鏡５４で集光した太陽光束を、４つの平面反射鏡５５，５５・・で垂直軸方向へ射出するものである。
そして、図４の炭化システムは、形態２の炭化炉３３と組み合わせたもので、水平方向で収斂装置５０，５０・・を碁盤目状に配置してマルチミラー収斂装置３１ａを形成し、Ａ群の収斂装置５０，５０・・からの光束は、架台５１の下方へ設けた平面反射鏡５６，５６・・と、炭化炉３３の上方に配置した凹面反射鏡５７，５７・・とによって炭化炉３３の導入室４１から第１燃焼室３４へ射出させ、Ｂ群の収斂装置５０（ここでは１つであるが、多くしても良い。）からの光束は、同じく架台５１の下方へ設けた平面反射鏡５５によって、導入口４３から第３燃焼室３６へ射出させている。

このように、クーデ式を始めとするこれらの形式の収斂装置は、太陽の位置に関わりなく一定方向へ光束を射出できるため、炭化炉との位置関係は変化させる必要がなく、形態１や形態２と同様の作用効果が得られる。クーデ式やナスミス式を含むこれらの収斂装置は、形態１の炭化炉と形態２の炭化炉との何れとの組み合わせも可能である。また、平面反射鏡や凹面反射鏡の利用によって任意に方向転換は可能であるので、マルチミラー収斂装置と炭化炉との位置関係も自由に設定できる。
さらに、マルチミラー収斂装置における収斂装置の配列形態も、上記形態１では３重以上の同心円周上に配置しても良いし、逆に一つの円周上に配置しても良い。勿論このような同心円周上に限らず、炭化炉の所定位置へ収斂光束を射出可能であれば、適宜形態の変更は可能で、複数種の形式の収斂装置を組み合わせてマルチミラー収斂装置を構成することもできる。

その他、炭化炉においても、例えば形態１では、ガスの完全燃焼用の第２燃焼室を燃焼室と別個に設けて、収容室と第２燃焼室とを案内管で接続するようにしたり、熱源体を有する燃焼室を複数設けて、収斂装置からの太陽光束を各燃焼室毎に分けて照射することで、炭化炉での熱量分布の調整を図ったりすることもできる。また、誘導手段としての案内管は、一つに限らず、複数本設けても良いし、案内管にファン等の送気手段を設けてガスの強制的な誘導を図っても良い。
一方、形態２では、燃焼室の数を増減したり、炭化炉を複数設けて収斂装置からの太陽光束を炭化炉ごとに分けて照射したりすることができる。また、炭化炉の側方からの太陽光束の導入をなくして、炭化炉の上方からのみの照射とすることも可能である。

形態１の炭化システムの全体図である。クーデ式の収斂装置の説明図である。形態２の炭化システムの全体図である。炭化システムの変更例を示す全体図である。ナスミス式の収斂装置の説明図である。

符号の説明

１，３０・・炭化システム、２，３１，３１ａ・・マルチミラー収斂装置、３，３２，５０・・太陽光収斂装置、４，３３・・炭化炉、５・・光学系、６・・クーデ赤道儀、１４・・燃焼室、１５・・収容室、１６・・熱源体、３４・・第１燃焼室、３５・・第２燃焼室、３６・・第３燃焼室、３７・・第４燃焼室、Ｍ１・・主鏡、Ｍ２・・副鏡。

Claims

太陽光を光学系で収斂して収斂光束を発生させる太陽光収斂装置を複数個配列し、前記各収斂光束を所定方向へ射出可能なマルチミラー収斂装置と、
廃棄物を収容し、前記マルチミラー収斂装置からの収斂光束の照射によって廃棄物を直接或いは間接に加熱可能な炭化炉とからなる廃棄物の炭化システム。
マルチミラー収斂装置が、太陽光収斂装置を１つの円周上または複数の同心円周上に配列したものである請求項１に記載の廃棄物の炭化システム。
炭化炉が、収斂光束が照射される熱源体を有する燃焼室と、その燃焼室の上方で隣接し、廃棄物が投入される収容室とに分離されると共に、前記収容室で発生したガスを前記燃焼室内へ導入する誘導手段が備えられる請求項１または２に記載の廃棄物の炭化システム。
誘導手段が、収容室の上方と燃焼室とを接続する案内管である請求項３に記載の廃棄物の炭化システム。
炭化炉が、最下位置に廃棄物の燃焼室が設けられ、上方から収斂光束が照射される深底体で、前記燃焼室より上方位置にガスの排出口が設けられる請求項１または２に記載の廃棄物の炭化システム。