JP2005291590A - 超高温炎生成方法及び超高温燃焼炉並びに生ごみ等焼却装置とその排気冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、超高温炎の生成、超高温燃焼炉及びごみ等焼却装置並びに分離装置を得ることを目的としたものである。
【解決手段】 この発明は、コークスに酸素と水分とを供給しつつプラズマ放電させて高温炎を生成し、この高温炎により、前記水分を水素と酸素に分解して、これを燃焼させ、超高温炎を生成することを特徴とした超高温炎生成方法と、耐火壁で囲まれた炉内の中央部に、ロストルを設置し、該ロストル上へのコークス供給部を設けると共に、放電用の電極を配置し、ロストルの中央部に酸素と水分の供給口を設け、ロストル蓋上部への焼却処理物供給部を設けたことを特徴とする超高温燃焼炉により目的を達成した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、プラズマ放電、コークス燃焼及び水の分解による水素の燃焼により超高温炎を生成する燃焼炉と、これを利用する生ごみ等焼却装置を得ることを目的とした超高温炎生成方法及び超高温燃焼炉並びに生ごみ等焼却装置とその排気冷却装置に関する。

従来プラズマ放電、アーク放電、各種気体又は液体を燃料とする高温炉が知られており、金属溶融炉又は産業廃棄物の高温焼却炉等に使用されている。

前記技術の利用としては、金属電解炉、溶鉱炉、産業廃棄物の焼却炉などとして使用されている。
特開２００３−６５５１５ 特開２００１−１１６２２４ 特開平１０−６６９４８

特に生ごみ（生活廃棄物）又は産業廃棄物（以下、焼却処理物という）が膨大となって、投棄場所の関係上その投棄が困難になり、夫々焼却に望をつないだが、焼却温度が低下（例えば８００℃以下）すると、ダイオキシンその他の有害物質の分解が不十分の為に環境破壊のおそれがあり、かつ焼却に際しＣＯ_２の排出量が増大するなどの幾多の問題点があった。

そこで大型焼却炉を導入すると共に、連続焼却によって８００℃以下の低温焼却を皆無にしようとする対策がとられていたが、ＣＯ_２の排出量を減少させることはできないという問題点があった。

またアーク炉又はプラズマ炉は、熱源が電気放電であるから、必要なエネルギーは総て電気の消費量となる問題点があった。次に、生ごみ焼却炉などにおける廃熱利用については、いまだ不十分であって、熱効率の向上に直結していないという問題点があった。

然るにこの発明は、酸素供給下（空気も同じ）において、コークスをプラズマ放電によって高温燃焼（例えば２０００℃以上）させ、この高温により生ごみ等を急速高温焼却することにより、燃焼部分に供給した水分及び生ごみ等から分離し、浄化した水分を瞬時に水素と酸素に分解し、その混合ガスを生ごみ等の燃焼に用いて超高温（３０００℃以上）を生成し、これにより生ごみ等を焼却処理することに成功したのである。

即ち方法の発明は、コークスに酸素（空気）と水分とを供給しつつプラズマ放電させて高温炎を生成し、この高温炎により、前記水分を水素と酸素に分解して、これを燃焼させ、超高温炎を生成することを特徴とした超高温炎生成方法であり、酸素は、加圧酸素又は加熱・加圧空気とするものであり、水分は、雰霧状又は水蒸気として供給するものである。

炉内中心部には、水分を分解した水素が供給されるが、その周囲にはロストル下部より送風ブロワーで空気を供給し、コークスを燃焼させている。送風は風量調整を可能にする機能を備え、炉内の温度調整にも関係する。

また燃焼炉の発明は、耐火壁で囲まれた炉内の中央部にロストルを設置し、該ロストル上へのコークス供給部を設けると共に、放電用の電極を配置し、ロストルの中央部に酸素と水分の供給口を設け、ロストル蓋の上部への焼却処理物の供給部を設けたことを特徴とする超高温燃焼炉である。

次に焼却装置の発明は、前記記載の超高温燃焼炉へ、燃料供給装置及び焼却処理物供給装置を設けると共に、排気処理装置及び排熱回収装置を付設したことを特徴とする生ごみ等焼却装置であり、焼却処理物は、生ごみ又は産業廃棄物としたものであり、燃料供給装置は、コークス供給装置と、酸素（空気）及び水分供給装置としたものである。また、排気処理装置は、触媒装置、冷却装置及び熱交換器並びに分離装置としたものであり、排熱回収装置は、熱交換器、蒸気タービン及び発電機としたものである。

また、両端部を塞いだ円筒の内側壁に多数の電極を並列設置して、前記円筒を横架すると共に、一側に排煙などの処理気体の供給パイプを連結し、他側に排気パイプと排水パイプを設け、下部へ冷却水の供給パイプを連設したことを特徴とする生ごみ等焼却装置の排気冷却装置であり、冷却水は、水酸化ナトリウム液又は水としたものである。

前記において、プラズマ放電と、コークスの燃焼は超高温炎（２０００℃以上）の生成により、水分を瞬時に水素と酸素に分解し、これを燃焼させることを目的としており、生ごみ等の焼却に要する熱量の６０％〜７０％は、水分の分解により生成された水素と酸素を使用する。従って、生ごみ等の焼却処理に拘らず、発生するＣＯ_２を著しく少なくして多量の廃棄物を処理することができる。

前記焼却により生じた高熱排気は、熱交換器によって過熱蒸気として取り出し、タービンを回転させて発電させると共に、タービンからの排気は更に熱交換して乾燥用に使用し、更に焼却炉への空気又は酸素を加熱するのに使用することになる。例えば常温の酸素又は空気を３００℃以上の酸素又は空気に加熱するので、熱効率を著しく向上させることができる。

前記タービンにより生じた電気は、焼却装置の放電電源、各種動力への電源及び制御機器の電源として使用する。また余分の電力は工場外の給電又は売電することもできる。

前記燃焼炉中には、コークスの燃焼にプラズマ放電が加えられるので、電極間に磁場ができて、磁力線を形成し、化学反応に伴い原子核の回りの電子を遊離して電離層を形成するものと考えられる。従って、原子核と電子とは夫々エネルギーを得て空間を飛び回り、混沌状態となり、液体でも気体でもない状態のプラズマとなる。

この発明によれば、プラズマ放電によって酸素（空気）供給下でコークスの燃焼速度を速めさせるので（例えば速度が１０倍位になる）、超高温炎を生じ、これにより供給した水分、生ごみ等から分離した水分を浄化した後、分解して水素と酸素としてこれを燃焼させるので、超高温燃焼となって、生ごみ等を完全燃焼させることができる効果がある。

前記排気は、熱交換して、このエネルギーを電気に変え、前記放電の電源その他に使用し得ると共に、酸素（空気）を加温し、乾燥又は加熱の熱源として使用し、余剰電気は売ることができるなど、エネルギーの自給と、収入源の一部とすることができるなどの効果がある。また発生（使用）エネルギーの量に比し、ＣＯ_２の発生量が少ないなどの効果があり、排気処理によりＣＯ_２の排出を０にすることもできる。

前記で生じた灰は、超高温によってガラス質の結晶体となり、他の目的（例えば建材など）に使用することができる。前記燃焼炉を、不完全燃焼の灰の処理に使用すれば、全部硝子質の灰として処理することができる。

また、燃焼は十分な空気が供給される為に、急速燃焼と超高温である為にダイオキシンの生成は不可能なほどの燃焼スピードであり、従ってダイオキシンの生成は不可能である。

この発明は、コークスに酸素（空気）と水分を供給すると共に、プラズマ放電させ、これにより容易に超高温炎を生成できる。また、炉内温の立ち上がりを急速にすることが可能である（２０００℃以上になる）。

そこで前記超高温炎（例えば２０００℃以上）を生ごみ等より得た水分にぶつけてこれを分解することにより、水素と酸素を生じるので、これを燃焼させることにより超高温（例えば３０００℃以上）で生ごみ等を焼却することができる。

従って、完全燃焼で廃棄物（砂など）が少なくなると共に、ＣＯ_２の発生量を激減させ、かつダイオキシンその他の有害ガスは総て分解することができる。

また排気を熱交換し、発電その他に再生利用することができると共に、再生により余分の電気エネルギーを生じた際は、蓄積し、販売し、自給自足することができるので、一旦運転後は、コークスと、生ごみ等を供給するほかは、何等の供給物も不必要になり、余分の電気エネルギーに関しては充電も可能であって、半自立型の生ごみ等焼却装置とすることができる。

この発明を図１の実施例について説明すると、ロストル上へ例えばコークス１０ｋｇを供給し、これに２００Ｖ×５０Ａでプラズマ放電を発生させると共に、３００℃の酸素（又は空気）１時間当り１０ｋｇ給送すると、高温炎の中心温度２５００℃となる。また、生ごみから分離した水分を加温し（３００℃以上）、前記コークスの下部から１時間当り３００リットルを給送する。前記において、水分は２５００℃以上の高温にあって瞬時に水素と酸素に分解し、これを燃焼させることにより３０００℃以上の超高温炎を生成することができるので、生ごみは急速に完全燃焼し、無機質（灰）となる。

前記生ごみの燃焼により生じた排気ガスは、第１の触媒層（パラジューム、又は白金など）によりＮＯＸ、ＳＯＸを分解処理した後、第２の触媒層（例えばシリカ、アルミナなど）によりＣＯ_２を吸着処理し、ついで第１の熱交換器で１５００℃程度の排気を１０００℃以下とし、更に第３の触媒筒により、金属固形物の分離と、前記で処理できなかったＣＯ_２を処理し、排気は濾過して微粒固形物を除去した後外界へ排出する。よってＣＯ_２は殆んど０になる。

前記触媒筒により冷却排出した水は、タンクへ戻し、再使用に備える。前記熱交換した高温排気（１０００℃〜１５００℃）は、タービンに供給し、その羽根を回転させて発電機を回転させ、電気を発生させる。

タービンの排気は、更に熱交換して生ごみなど、供給する可燃物を加熱すると共に、生ごみから出た水を加熱し、蒸気としてコークスの下部へ給送する。また第２の熱交換器を経た排気は、煉瓦などの乾燥空気として使用し、液化した後、再び第１の熱交換器へ戻し、高熱排気と熱交換させ、循環利用する。

この発明の生ごみ等焼却装置の実施例について説明すると、炉６の中央部へロストル１を設置し、ロストル１上へコークス３を入れて、ロストル１へ放電用電極４、４を設置する。前記ロストル蓋２上へ、生ごみ７を投入し、その上部へＮＯＸ、ＳＯＸの触媒層８と、ＣＯ_２の触媒層９を設けて、燃焼炉１０を構成する（図２、３）。

前記燃焼炉１０の排気路１１に第１の熱交換器１２、冷却装置１３を連設し、冷却装置１３の排気は、活性炭層１４、シリカゲル層１５を経て、外界へ放出される。

前記第１の熱交換器１２を経た高温空気（１０００℃〜１５００℃）は、タービン１６の羽根を回転し、発電機１７を回転させて発電し、その排気は、第２の熱交換器１８を経て、３００℃〜４００℃の加熱空気となり、煉瓦工場１９の乾燥室へ送られ、水にし、前記第１の熱交換器１２へ返される。

また第２の熱交換器１８で得た加熱空気は、生ごみのホッパー２０の下部と、前記燃焼炉１０を結ぶロータリーキルン２１内の生ごみの加熱に使用し、かつ生ごみから生じた水分を３００℃程度に加熱し、蒸気としてロストル１へパイプ２２で給送する。

従ってパイプ２２からは、加熱加圧蒸気となって、加熱加圧空気と共に、コークス３内へ供給される。またブロワー５５から加圧空気を送り、酸素を供給する。パイプ２２ａの先端は、パイプ２２と共用にしてもよい。酸素が十分送られていれば空気は送らないこともある。

前記冷却装置１３は、図５に示すように円筒２３の内周壁に電極２４、２４を並列設置し、一端に排気給送パイプ２５を設けると共に、下部に水酸化ナトリウム液の加圧流入パイプ５を接線状に設けて冷却水とし、他側に排気パイプ２６と排水パイプ２７を設置する。前記排気パイプ２６からの排気は、銀塗抹・活性炭層１４で有害ガスを分解し、ついでシリカゲル層１５で有害ガスを吸着した濾過部を経て外界へ放出される（図２、５）。

一方排水パイプ２７は、気水分離器３０、第１水タンク３１とポンプＰ_１を経て第２水タンク３２を順次連結し、第２水タンク３２の給水パイプ３３は、ポンプＰ_２とトルマリン入りの処理層３４を経て冷却装置１３に給水する（図２）。

前記分離器３０は、有頂有底の円筒３５の内側壁に電極３６、３６を等間隔に埋設し、上部に冷却装置の排水パイプ２７を連結すると共に、排気パイプ３７を連結し、下部に第１タンク３２と結ぶ排水パイプ３８を連結し、側壁下部へ接線状に給気パイプ２８が連結してある。前記電極は異金属として、相互間にも微弱電流が通電するようにしてある。

図中３９は、生ごみ７を投入する炉側のホッパー４１上へ上昇する排気収集用のホッパーであって、その排気パイプ４２は前記冷却装置の排気パイプ２６と連結してある。また２９は生ごみ積載車、４３は灰積載車、４４はホッパー、４５はベルトコンベアであって、可燃物を含む灰の場合には、この燃焼炉１０を利用して再加熱し、ガラス化することができる。図１０中５６はシュートである（図２中ホッパー４４、ベルトコンベア４５は灰の焼却の際にのみ使用する）。

次に４６、４６ａは炭ホッパー及びコークスホッパー、４７、４７ａはベルトコンベア、４８は灰取出口である。図中５１は水酸化ナトリウム槽、５２は定量フィーダー、５３は水槽である。前記炭は、触媒層８に詰め込み、ＣＯ_２の処理を行う為である。

また生ゴミをジスポーザー４９にかけ、水と共にバイオタンク５０に入れて発酵させ、これにより生じたアルコール分をアルコール槽５４に入れ、これを燃焼炉中へ供給することもできる。前記実施例において、コークスをプラズマ放電により高温炎化すると共に、水分の分解により生じた水素と酸素によって超高温化し、これにより生ごみを超高温焼却することができる。

図１１により、廃棄物からメタン又は水素を生産するものについて説明すると、廃棄物をジスポーザーに入れて破砕し、このセルローズを酵素により分解してグルコースとし、グルコースに酵母を作用させてアルコールを生産する。このアルコールからメチルを経てガソリンを生産し、又は微生物を利用してメタンガス又は水素ガスを発生させて、これを焼却炉に吹き込み、燃焼させることもできる。

このような超高温焼却により、完全燃焼すると共に、有害ガスを分解して無害状態で放出する。また超高温排気は、熱交換により膨大なエネルギー源となるので、発電及び加熱気体による加熱、乾燥その他に有効利用することができる。

次にこの発明の電極における入力関係を図７に基づいて説明すると、一次側入力６０（ＡＣ２００Ｖ単相）を電流調整器６１（４〜２０ｍｍＡ又は０〜５Ｖ）に接続し、ついでリアクトルトランス６２と、炉内の電極４、４に接続する。前記電流調整器６１は、自動切換えになっている。

またこの発明のロストル部分を模式図（図８）に基づいて説明すると、ロストル１の中央部に酸素パイプ（加熱空気パイプ）２２と電極４、４が設けてある。

前記ロストル１の下部には脚杆５７が設けてあって、ロストル１を所定間隔で支持している。前記パイプ２２は、水分と酸素の供給パイプ２２、２２ａとするか、兼用することもできる（図８）。

この発明の燃焼炉１０は、内槽６３と外壁６４の間に間隙６５を設け、矢示６６のように吹き上げられた灰が、内槽６３と、外壁６４の間隙６５を矢示６７のように通過し、下方へ落下して灰室６８へ溜まるようにしてある。灰室６８の底板６９は金属製であって、灰は比較的急速に冷却される（図１０）。

またロストル１に突出部１ａを設け、突出部１ａ内に電極４、４を貫通設置してあるので、電極４、４はコークスなどから保護されている。また突出部１ａは、図９（ｂ）のように菱形をなしており、矢示７０の方向から供給されるコークス３がスムースに送入されるようになっている。

この発明の実施例のブロック図。 同じく流れ図。 同じくロストル上にコークスを入れた状態の一部拡大図。 同じく装置の実施例の一部を省略した斜視図。 （ａ）同じく冷却装置の実施例の一部を切断した拡大正面図、（ｂ）同じく一部を切断した拡大側面図。 同じく気水分離器の実施例の一部切断拡大斜視図。 同じく電気入力のブロック図。 同じくロストルの模式図で、（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）正面図。 （ａ）同じくロストルと電極の側面拡大図、（ｂ）同じく平面拡大図。 同じく燃焼炉の一部を省略した説明図。 同じく生ごみからアルコールを生成するブロック図。

符号の説明

１ ロストル
２ ロストル蓋
３ コークス
４ 電極
６ 炉体
７ 生ごみ
８、９ 触媒層
１０ 燃焼炉
１１ 排気路
１２ 第１の熱交換器
１３ 冷却装置
１４ 活性炭層
１５ シリカゲル層
１６ タービン
１７ 煉瓦工場
１８ 第２の熱交換器
２０ 生ごみホッパー
２１ ロータリーキルン
３０ 分離器

Claims (11)

1. コークスに酸素と水分とを供給しつつプラズマ放電させて高温炎を生成し、この高温炎により、前記水分を水素と酸素に分解して、これを燃焼させ、超高温炎を生成することを特徴とした超高温炎生成方法。
2. 酸素は、加圧酸素又は加熱・加圧空気とすることを特徴とした請求項１記載の超高温炎生成方法。
3. 水分は、雰霧状又は水蒸気として供給することを特徴とした請求項１記載の超高温炎生成方法。
4. 耐火壁で囲まれた炉内の中央部にロストルを設置し、該ロストル上へのコークス供給部を設けると共に、放電用の電極を配置し、ロストルの中央部に酸素と水分の供給口を設け、ロストル蓋の上部への焼却処理物の供給部を設けたことを特徴とする超高温燃焼炉。
5. 請求項４記載の超高温燃焼炉へ、燃料供給装置及び焼却処理物供給装置を設けると共に、排気処理装置及び排熱回収装置を付設したことを特徴とする生ごみ等焼却装置。
6. 焼却処理物は、生ごみ又は産業廃棄物としたことを特徴とする請求項５記載の生ごみ等焼却装置。
7. 燃料供給装置は、コークス供給装置と、酸素及び水分供給装置としたことを特徴とする請求項５記載の生ごみ等焼却装置。
8. 排気処理装置は、触媒装置、冷却装置及び熱交換器並びに分離装置としたことを特徴とする請求項５記載の生ごみ等焼却装置。
9. 排熱回収装置は、熱交換器、蒸気タービン及び発電機としたことを特徴とする請求項５記載の生ごみ等焼却装置。
10. 両端部を塞いだ円筒の内側壁に多数の電極を並列設置して、前記円筒を横架すると共に、一側に排煙などの処理気体の供給パイプを連結し、他側に排気パイプと排水パイプを設け、下部へ冷却水の供給パイプを連設したことを特徴とする生ごみ等焼却装置の排気冷却装置。
11. 冷却水は、水酸化ナトリウム液又は水としたことを特徴とする請求項１０記載の生ごみ等焼却装置の排気冷却装置。

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