JP2006169327A - 炭化装置、およびカーボンヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱効率に優れた炭化装置、およびカーボンヒータを提供することにある。
【解決手段】 熱源であるカーボンヒータ２０の炭素系発熱体を、グラファイト層２７と、このグラファイト層２７を構成するグラファイト粒子よりも粒径の大きな備長炭破砕物により形成される備長炭層２６との２層構造としている。そして、発熱量の大きなグラファイト層２７を上側（焼却室１６側）、すなわち被処理物である廃棄物と近接する側の面に設けている。これにより、焼却室１６内を速やかに昇温して加熱処理を効率よく行うことができる。また、備長炭層２６を、粒径の大きな備長炭破砕物からなる２層の大径備長炭層２６Ｂの間に粒径の小さな備長炭破砕物からなる小径備長炭層２６Ａを挟み込んだ構造としている。これにより、備長炭層２６の灰化を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化装置に関する。

産業廃棄物を処理するための炭化装置として、特許文献１に記載のものがある。このものは、廃棄物を投入する加熱炉の内部を無酸素状態とし、炉外に設けた熱源からの輻射熱によって廃棄物を加熱・炭化させるものである。このような炭化装置の熱源としては、バーナや電気ヒータの他、カーボンヒータが用いられている（特許文献２参照）。このような炭化装置は、無酸素状態で８００℃以上の高温で処理を行うものであるため、排ガスの発生や処理後に残る灰の量を少なくできる等の利点がある。
特開平６−２８１１２４号公報 特開２００３−１３８２６９公報

しかし、例えば医療廃棄物のように、特殊な分野での廃棄物を処理する場合には、さらなる高温が要求される場合がある。また、炭化装置の稼動時に炉内を所定の温度に昇温するまでにはある程度の時間がかかるため、できるだけ速やかに昇温を行って稼動効率を向上させたい、という要望がある。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱効率に優れた炭化装置、およびカーボンヒータを提供することにある。

本発明者らは、加熱効率に優れた炭化装置を開発すべく鋭意研究してきたところ、カーボンヒータの発熱体を、グラファイト層と、このグラファイト層を構成するグラファイト粒子よりも粗い備長炭破砕物により形成される備長炭層との２層構造とし、かつ、グラファイト層を被処理物に近接する側の面に設けることによって、加熱炉内を速やかに昇温して加熱処理を効率よく行うことができることを見出した。

炭素系発熱体をグラファイト層と備長炭層との２層構造とすることにより加熱効率が向上する理由は必ずしも明らかではないが、以下のように考えられる。

粒径が小さなグラファイト粒子からなるグラファイト層と粒径が大きな備長炭粒子からなる備長炭層とでは、グラファイト層の方が電気抵抗が小さい。したがって、両者を並列に接続して通電すれば、グラファイト層に流れる電流の方が大きくなり、このグラファイト層が集中的に発熱すると考えられる。例えば、グラファイト層の抵抗が１０Ω、備長炭層の抵抗が１００Ωであるとすると、２００Ｖの電圧を印加した場合、下記式（１）より、グラファイト層の熱量は４ｋＷ、備長炭層の熱量は０．４ｋＷと算出される。
Ｗ＝Ｖ^２／Ｒ …（１）
（但し、Ｗ…熱量、Ｖ…電圧、Ｒ…抵抗）
このため、このグラファイト層を被処理物に近接する側の面に設けることによって被処理物を効率的に加熱できるものと考えられる。

さらに、比較的粗い粒子により形成されている備長炭層は空気を含みやすく、加熱により灰化しやすいという性質を有するが、表面に緻密なグラファイト層を積層することにより、備長炭層への空気の進入が抑制され、灰化が抑制されるものと考えられる。加えて、炭化装置の稼動中に炭素系発熱体が設定温度に達すると、炭化装置は電源のオンオフを制御することにより発熱体の温度を一定温度に維持しようとするが、グラファイト層は熱しやすく冷めやすいという性質を有するため、通電を止めると急激に温度が下がってしまい、温度を一定に保つことが困難である。このため、比較的保温性の良い備長炭層を積層することにより、通電を止めている間の温度低下を緩やかなものとし、温度コントロールを容易に行うことができると考えられる。これらの機序も、加熱効率の向上に寄与しているものと考えられる。

本発明は、かかる新規な知見に基づいてなされたものであり、被処理物を焼却するための加熱炉と、正負一対の電極とこの一対の電極間に設けられた炭素系発熱体を備えるとともに前記加熱炉に設けられて前記被処理物を加熱するカーボンヒータとを備える炭化装置であって、前記炭素系発熱体が、前記被処理物に近接する側の面に設けられたグラファイト層と、このグラファイト層の前記被処理物に近接する側とは逆側の面に設けられるとともに前記グラファイト層を構成するグラファイト粒子よりも粒径の大きな備長炭破砕物により形成される備長炭層とを備えるものであることを特徴とする。

また、本発明のカーボンヒータは、正負一対の電極とこの一対の電極間に設けられた炭素系発熱体を備えるとともに被処理物を焼却するための加熱炉に設けられて前記被処理物を加熱するカーボンヒータであって、前記炭素系発熱体が、前記被処理物に近接する側の面に設けられたグラファイト層と、このグラファイト層の前記被処理物に近接する側とは逆側の面に設けられるとともに前記グラファイト層を構成するグラファイト粒子よりも粒径の大きな備長炭破砕物により形成される備長炭層とを備えるものであることを特徴とする。

本発明において、グラファイト粒子の平均粒径は１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。粒径１ｍｍ以下ではグラファイト層が急激に加熱され、燃えてしまうおそれがあり、また粒径３ｍｍ以上では空気がグラファイト層を通過して備長炭層に進入し、備長炭層の灰化の原因となるおそれがある。また、備長炭破砕物の平均粒径は３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、備長炭層を、一の備長炭層の両面にこの一の備長炭層を構成する備長炭破砕物よりも粒径の大きな備長炭破砕物により形成された他の備長炭層をそれぞれ積層した備長炭積層体とすることが好ましい。また、粒径の大きな備長炭破砕物により形成された層の厚さを５ｃｍ以下とすることが好ましい。ここで、粒径の粗い備長炭は多孔質であり、空気を含みやすいため、保温性が良い一方、あまり厚みを大きくすると灰化しやすくなる。そこで、中間に比較的粒子の細かな備長炭層を設けることにより、灰化を防止することができる。

本発明によれば、炭化装置の熱源であるカーボンヒータの発熱体を、グラファイト層と、このグラファイト層を構成するグラファイト粒子よりも粒径の大きな備長炭破砕物により形成される備長炭層との２層構造とし、かつ、グラファイト層を被処理物に近接する側の面に設けることによって、加熱炉内を速やかに昇温して加熱処理を効率よく行うことができる。

以下、本発明を具体化した実施形態について、図１および図２を参照しつつ詳細に説明する。

図１には、本発明を具体化した炭化装置１の概略断面図を示す。この炭化装置１は、産業廃棄物等を加熱処理するためのものであって、廃棄物を加熱処理するための加熱炉１０と、この加熱炉１０の底部に設けられたカーボンヒータ２０とを備えている。

加熱炉１０には、例えばステンレスにより有底容器状に形成された本体部１１が備えられている。この本体部１１の内部は上下２室に区切られており、下側が一次加熱室１２、上側が二次加熱室１３とされている。一次加熱室１２および二次加熱室１３の内壁面はそれぞれ全面にわたって断熱材１４（例えばロックウール）に覆われている。

下側の一次加熱室１２はさらにステンレス製の中間壁１５（本発明の底壁部に該当する）によって上下２室に区切られており、上側が焼却室１６、下側が熱源収容室１７とされている。焼却室１６の側壁部には図示しない投入口が設けられ、ここから焼却室１６の内部へ廃棄物を投入できるようになっている。また、中間壁１５にはその周縁部を除くほぼ全面にわたって山折り部と谷折り部とを交互に繰り返した構造をなす蛇腹部１５Ａが設けられており、これにより、中間壁１５の撓みが抑制されている。すなわち、炭化装置１の稼動時には加熱炉１０の内部温度が上昇することによりステンレス製の中間壁１５が膨張し、撓みを生じるおそれがある。しかし、本実施形態では中間壁１５に蛇腹部１５Ａが設けられているから、この蛇腹部１５Ａが伸縮することによって熱膨張が吸収され、撓みが抑制されるのである。なお、この中間壁１５の周縁部は、一次加熱室１２の側壁面に溶接により固着されている。

この中間壁１５の下方、すなわち熱源収容室１７にはカーボンヒータ２０が設置されている。このカーボンヒータ２０は、正負一対の電極２８Ａ、２８Ｂと、この一対の電極２８Ａ、２８Ｂ間に設けられた炭素系発熱体２５と、これらを収容するケース２１とを備えている。

カーボンヒータ２０のケース２１は、例えばステンレスにより上面が開放された箱状に形成された外箱２２の内部に断熱材２３（例えばロックウール）が敷設され、この断熱材２３の内側にさらに耐火セラミック板２４が敷き詰められたものである。このケース２１内には、対向する一対の内側面に沿って板状に形成された正負一対の電極２８Ａ、２８Ｂが設けられており、この一対の電極２８Ａ、２８Ｂ間に炭素系発熱体２５が設けられている。

炭素系発熱体２５は、備長炭層２６とその上面側（焼却室１６側）に積層されたグラファイト層２７とからなる。備長炭層２６は、平均粒径約３〜４ｍｍの備長炭破砕物からなる薄板状の小径備長炭層２６Ａ（本発明の一の備長炭層に該当する）の両面に、平均粒径約１０ｍｍの備長炭破砕物からなる薄板状の大径備長炭層２６Ｂ（本発明の他の備長炭層に該当する）を積層したものである。一方、グラファイト層２７は、平均粒径約１〜３ｍｍのグラファイト粒子により薄板状に形成されている。グラファイト層２７、小径備長炭層２６Ａおよび大径備長炭層２６Ｂの厚さはそれぞれ約２０ｍｍ、約１０ｍｍ、約５０ｍｍとされている。

電極２８Ａ、２８Ｂにはそれぞれ電線２９Ａ、２９Ｂが接続されている。この電線２９Ａ、２９Ｂは加熱炉１０の外部に延出されており、詳細には図示しないが、サイリスタ等を使用した温度制御装置を介して交流電源に接続されている。

一次加熱室１２の天井壁１２Ａには、幅広の角筒状に形成されるとともに焼却室１６に連通する煙筒１８が設けられている。この煙筒１８は、一次加熱室１２の天井壁１２Ａから上方に向かって延設された後、二次加熱室１３の天井付近で水平方向に曲げられ、二次加熱室１３の側壁を貫通して外部へ導出されている。また、二次加熱室１３の内部においてこの煙筒１８の下方には、一次加熱室１２の熱源収容室１７に設けられたカーボンヒータ２０と同様の構成の二次側カーボンヒータ３０が設けられている。この煙筒１８において二次側カーボンヒータ３０と対向する面は、中間壁１５と同様に蛇腹状とされている。煙筒１８の排出口１８Ａ付近には、フィルタ１９が設けられており、このフィルタ１９によって一次加熱室１２から上がってきたガスが煙筒１８の内部である程度滞留するようになっている。

次に、上記のように構成された本実施形態の作用および効果について説明する。

本実施形態の炭化装置１により廃棄物を処理する際には、まず、一次加熱室１２の焼却室１６に廃棄物を投入する。そして、交流電源のスイッチを入れ、カーボンヒータ２０の炭素系発熱体２５を所定の温度まで昇温する。すると、焼却室１６内部の廃棄物は炭素系発熱体２５からの輻射熱によって加熱される。このとき、焼却室１６を密閉した状態で加熱を行うので、廃棄物は酸素を断たれた状態で加熱され、熱分解する。廃棄物の熱分解により発生した可燃性ガスは、上昇気流によって一次加熱室１２の上部に設けられた煙筒１８に導かれる。そして、煙筒１８を通過する間にさらに二次側カーボンヒータ３０からの輻射熱によって熱分解された後、自然排気される。このとき煙筒１８の出口付近にはフィルタ１９が設けられているから、このフィルタ１９により堰き止められることで可燃性ガスが煙筒１８内である程度滞留し、二次側カーボンヒータ３０による加熱を充分に受けられるようになっている。

ここで、熱源であるカーボンヒータ２０の炭素系発熱体を、グラファイト層２７と、このグラファイト層２７を構成するグラファイト粒子よりも粒径の大きな備長炭破砕物により形成される備長炭層２６との２層構造としている。そして、発熱量の大きなグラファイト層２７を上側（焼却室１６側）、すなわち被処理物である廃棄物と近接する側の面に設けている。これにより、焼却室１６内を速やかに昇温して加熱処理を効率よく行うことができる。

また、備長炭層２６を、粒径の大きな備長炭破砕物からなる２層の大径備長炭層２６Ｂの間に粒径の小さな備長炭破砕物からなる小径備長炭層２６Ａを挟み込んだ構造としている。これにより、備長炭層２６の灰化を防止することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。

＜実施例＞
１．熱源
平均粒径約３ｍｍの備長炭破砕物からなる５００ｍｍ×８００ｍｍ×１０ｍｍの薄板状の小径備長炭層の両面全面に、平均粒径約７ｍｍの備長炭破砕物からなる厚さ５０ｍｍの大径備長炭層を積層して備長炭層を形成した。この備長炭層の上面に、全面にわたって平均粒径約１ｍｍのグラファイト粒子からなる厚さ２０ｍｍのグラファイト層を積層して炭素系発熱体を得た。この炭素系発熱体の両側面に一対の電極を貼り付け、熱源とした。
２．試験方法
熱源の電極を交流電源に接続し、２００Ｖ、３５Ａで通電した。グラファイト層の上面中心位置に熱電対を設置し、１分毎に温度を測定した。

＜比較例＞
平均粒径３ｍｍの備長炭を使用して５００ｍｍ×８００ｍｍ×７０ｍｍの発熱体を形成した。この発熱体を使用して実施例と同様に試験を行った。

［結果］
実施例および比較例における、炭素系発熱体上面の温度の変化を示すグラフを図２に示した。図３より、比較例の炭素系発熱体は、加熱初期の昇温速度が遅く、加熱開始後２０分で炭素系発熱体上面が１１２℃までしか昇温していなかった。その後、昇温速度がやや大きくなり、加熱開始後４０分で４７０℃に達した。一方、実施例の炭素系発熱体は、加熱初期から昇温速度が大きく、加熱開始後２０分で炭素系発熱体上面の温度が４２０℃に達した。そして、その後も順調に昇温を続け、加熱開始後４０分で６３０℃に達した。

また、詳細にデータは示さないが、グラファイトのみにより形成した発熱体を使用した場合には、実施例と同程度まで昇温するまでに長時間・大電力量を要した。

このように、グラファイト層と備長炭層とを積層した炭素系発熱体を使用することにより、効率的な加熱が可能となることがわかった。

本発明の技術的範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の技術的範囲に含まれる。その他、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。
（１）上記実施形態では、一次加熱室１２、二次加熱室１３の熱源としてカーボンヒータ２０、および二次側カーボンヒータ３０を用いたが、いずれか一方のカーボンヒータに代えてバーナ、電気ヒータ等の他の熱源を用いても構わない。
（２）上記実施形態では、中間壁１５のほぼ全面にわたって蛇腹部１５Ａを設けたが、中間壁１５の一部、例えば中央部分のみに蛇腹状を設けても良い。

本実施形態の炭化装置の概略断面図 カーボンヒータの部分拡大断面図 実施例および比較例における、通電時間と炭素系発熱体上面の温度との関係を示すグラフ

符号の説明

１…炭化装置
１０…加熱炉
２０、３０…カーボンヒータ
２５…炭素系発熱体
２６…備長炭層
２６Ａ…小径備長炭層（一の備長炭層）
２６Ｂ…大径備長炭層（他の備長炭層）
２７…グラファイト層
２８Ａ、２８Ｂ…電極

Claims (5)

1. 被処理物を焼却するための加熱炉と、正負一対の電極とこの一対の電極間に設けられた炭素系発熱体を備えるとともに前記加熱炉に設けられて前記被処理物を加熱するカーボンヒータとを備える炭化装置であって、
   前記炭素系発熱体が、前記被処理物に近接する側の面に設けられたグラファイト層と、このグラファイト層の前記被処理物に近接する側とは逆側の面に設けられるとともに前記グラファイト層を構成するグラファイト粒子よりも粒径の大きな備長炭破砕物により形成される備長炭層とを備えるものであることを特徴とする炭化装置。
2. 前記グラファイト粒子が平均粒径１ｍｍ以上３ｍｍ以下であるとともに、前記備長炭破砕物が平均粒径３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の炭化装置。
3. 前記備長炭層が、一の備長炭層の両面にこの一の備長炭層を構成する備長炭破砕物よりも粒径の大きな備長炭破砕物により形成された他の備長炭層をそれぞれ積層した備長炭積層体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭化装置。
4. 前記他の備長炭層の厚さがそれぞれ５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の炭化装置。
5. 正負一対の電極とこの一対の電極間に設けられた炭素系発熱体を備えるとともに被処理物を焼却するための加熱炉に設けられて前記被処理物を加熱するカーボンヒータであって、
   前記炭素系発熱体が、前記被処理物に近接する側の面に設けられたグラファイト層と、このグラファイト層の前記被処理物に近接する側とは逆側の面に設けられるとともに前記グラファイト層を構成するグラファイト粒子よりも粒径の大きな備長炭破砕物により形成される備長炭層とを備えるものであることを特徴とするカーボンヒータ。

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