JP2006212529A - 水酸素ガス廃材処理装置、及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水を電気分解して得られる水素と酸素の燃焼熱を利用して、ゴミ等の加熱処理を行える水酸素ガス廃材処理装置、及びその方法を提供する。
【解決手段】 水酸素ガス廃材処理装置１０は、水を電気分解して水酸素ガスを発生する水酸素ガス発生手段１と、水酸素ガスを燃焼させる燃焼炉２と、廃材３が投入される反応炉４とを備える。水酸素ガス発生手段１は水を電気分解して水酸素ガスを発生する。この水酸素ガスを燃焼炉２で燃焼させることで得られる排熱が、反応炉４へ供給される一方、反応炉４に投入された廃材３は、水酸素ガスの燃焼に伴う排熱によって加熱処理される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水を電気分解して生成される水素と酸素の燃焼反応を利用した水酸素ガス廃材処理装置、及びその方法に関する。

下記の特許文献には、家屋解体廃材、流木、又は生ゴミと称される食品残渣のような廃材を処理する技術が周知である。また、廃材を乾留して得られる炭化物を再生資源として生産する技術が周知である。以下に記す「廃材」とは、木材、食品残渣、排泄物のような有機物、又はこれらが豊富に含まれる廃棄物を総称する。下記の特許文献は、廃材の処理に係る技術を開示している。
特開２００２−３３８２２３号公報 特開２００２−２４８４５３号公報

しかしながら、廃材の加熱処理は専ら酸化反応によるものであり、この結果として二酸化炭素を大量に生成する。また、廃材の加熱に供する熱エネルギーを得るには多大な化石燃料を燃焼させなければならず、廃材の加熱処理が実施できる一方で、環境負荷の増大が問題視されている。

本発明の目的は、二酸化炭素を排出することなく廃材の加熱処理を行える水酸素ガス廃材処理装置、及びその方法を提供することにある。

本発明に係る水酸素ガス廃材処理装置は、水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生する水酸素ガス発生手段と、前記混合気を燃焼させる燃焼炉と、廃材が投入される反応炉とを備え、前記混合気の燃焼に伴う排熱を前記反応炉へ供給することにより、前記廃材を加熱処理することを特徴とする。

更に、本発明に係る水酸素ガス廃材処理装置は、前記燃焼炉が、前記混合気を導入する上流端と、前記混合気の燃焼により発生する過熱蒸気を排出する下流端とを備え、前記反応炉が、前記下流端から排出される前記過熱蒸気を導入する反応室と、該反応室から前記過熱蒸気を排気させる排気口とを備え、前記反応室に前記廃材を投入し、前記過熱蒸気が前記反応室を通り前記排気口から排気される過程で、前記廃材に前記過熱蒸気を接触させることを特徴とする。

本発明に係る水酸素ガス廃材処理方法は、廃材を蓄積する工程と、水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生する工程と、前記混合気を燃焼させる工程と、前記混合気の燃焼に伴う排熱により前記廃材を加熱処理する工程とを含むことを特徴とする。

更に、本発明に係る水酸素ガス廃材処理方法は、前記廃材を加熱処理する工程が、前記廃材を乾燥、炭化、又は溶融することを特徴とする。

更に、本発明に係る水酸素ガス廃材処理方法は、前記廃材を含水率の多少により乾き廃材及び湿り廃材に分別する工程と、前記湿り廃材を乾燥する工程と、前記湿り廃材を乾燥した後に前記乾き廃材と共に炭化又は溶融する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、水酸素ガス発生手段が水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生し、この混合気を燃焼炉で燃焼させることで得られる排熱を、反応炉へ供給することができる。一方、反応炉に投入される廃材は、混合気の燃焼に伴う排熱によって以下のように加熱処理されることになる。

即ち、燃焼炉が、その上流端から導入した混合気を燃焼させると、燃焼炉で高温の酸化反応が起こるが、この燃焼は、大気中の酸素を消費することなく進行し、また燃焼により発生するのは高温の過熱蒸気に限られる。そして、水酸素ガス発生手段で発生される混合気を連続して燃焼炉で燃焼させれば、過熱蒸気は燃焼炉の下流端から噴流となって排出し、反応炉の反応室へ導入される。反応室には過熱蒸気を排気させるための排気口を設けているので、新たに反応室へ導入される過熱蒸気によって既に反応室に導入された過熱蒸気が押出されて、反応室が換気され続けることになる。

このため、過熱蒸気は反応室に殆ど滞留することがなく、反応室を通り抜けることができる。また、反応室の内部の温度又は圧力は、燃焼させる混合気の所定時間当りの量、言い換えると、水酸素ガス発生手段が所定時間当りに電気分解する水量を増減させることにより調整できる。或いは、排気口の開口面積を増減することにより、過熱蒸気が反応室を通過するのに要する時間を短縮又は遅延させることにより行える。

一方、反応室に廃材を投入し、上記のように過熱蒸気が反応室を通り抜ける過程で、過熱蒸気を廃材に接触させることにより、廃材を加熱することができる。例えば、廃材を過熱蒸気の蓄熱によって乾燥できることに加え、廃材を加熱する時間を延長すれば、廃材を良好に炭化することもできる。これは、過熱蒸気が反応室を通る過程で反応室に空気が侵入する余地が無く、また過熱蒸気は酸素を含まないので、廃材を反応室の外部の空気から遮断し、廃材を無酸素の雰囲気で加熱し乾留させられるからである。しかも、廃材の炭化に伴う乾留ガスが発生しても、これを過熱蒸気によって人畜無害な化学成分に分解してから排気することができる。また、炭化物は、脱臭剤、固形燃料、又は土壌改良材として再利用することができる。

更に、過熱蒸気の温度を上昇させれば、廃材は熱溶融するに至る。そして、一旦溶融した廃材を冷却すると、廃材は固化して収縮することになる。この様態で廃材は不要に嵩張ることが無いので、その取扱いが容易になり搬送するのにも便利である。また、固化した廃材を粉砕すれば、これを土壌に還すことも容易である。

以上のように、水酸素ガス溶射装置によれば、燃焼炎として消費されるガス類を例えば高圧タンクに蓄えて貯蔵する必要がないので、これらを危険物として管理する手間を省くことができる。また、大量の水素と酸素を燃焼させる必要が有る場合でも、既に例示した高圧タンクを準備する必要が全くないので、このような高圧タンクの搬送や配管等の大掛かりな段取りを省くこともできる。しかも、以上のように水酸素ガスを燃焼させて熱エネルギーを発生する構成であるので、理論的には水（蒸気）以外の副産物が生成する余地が無く、また空気中の酸素を消費することもない。このため、自然環境や人体に悪影響を及ぼす有害ガスを排出する恐れはない。

更に、本発明によれば、廃材が水分を多く含み、又は過度の湿気を帯びたものである場合に、上記のように廃材を乾燥させて、廃材の含水率を所望に下げることができる。これにより、廃材を炭化又は溶融する前に適度に乾燥させ、廃材の炭化又は溶融に要する時間を短縮することができる。また、廃材の中に、水分を多く含み又は過度の湿気を帯びたものと、比較的乾燥したものとが混在する場合、廃材を含水率の多少により乾き廃材、及び湿り廃材に分別し、湿り廃材を乾燥した後に、これを乾き廃材と共に炭化又は溶融すれば、廃材の炭化又は溶融に要する時間を短縮することができる。

以下に、本発明に係る実施形態として、水を電気分解して生成されるモル比が２対１の水素と酸素の混合気（以下で「水酸素ガス」と略す。）を利用した廃材処理に係る技術を説明する。図１に示すように、水酸素ガス廃材処理装置１０は、水を電気分解して水酸素ガスを発生する水酸素ガス発生手段１と、水酸素ガスを燃焼させる燃焼炉２と、廃材３が投入される反応炉４とを備え、水酸素ガスの燃焼に伴う排熱を反応炉４へ供給することにより、廃材３を加熱処理するものである。詳しくは以下の実施例で述べる。

燃焼炉２は、水酸素ガスを導入する上流端５と、水酸素ガスの燃焼により発生する過熱蒸気を排出する下流端６とを備える。この他、燃焼炉２に付帯する点火装置、又は逆火防止具等については、図示を省略している。反応炉４は、燃焼炉２の下流端６から排出される過熱蒸気を導入する反応室７と、反応室７から過熱蒸気を排気させる排気口８とを備える。符号４０は廃材３を反応炉４の外側から内部へ案内するシュートを表している。符号７０は、反応室７を底上げして空隙７１を確保するための金網を表している。

水酸素ガス発生手段１は、図２に示すように、陽電極９及び陰電極１１を内装して密閉された電解槽１２と、陽電極９及び陰電極１１に電位差を付与する電解用電源１３とを備え、電解槽１２に導入した水を電気分解して水酸素ガスを発生するものである。電解槽１２は、この内部に発生した水酸素ガスを燃焼炉２の上流端５へ送出するガス供給路１４と、ガス供給路１４を経て電解槽１２から送出される水酸素ガスの送出量を検出する流量検出手段１５とを備えている。

陽電極９及び陰電極１１は、それぞれ１極ずつ図示しているが、これらの個数を適宜増減することにより、電解槽１２の内部にて所定時間当りに発生可能な水酸素ガスの容積を増減することができる。電解用電源１３は、電解槽１２に導入した水に所望の電流を通すために必要となる電圧を、それぞれ正負の電荷として陽電極９及び陰電極１１に印加する直流電源である。

水酸素ガス廃材処理装置１０によれば、水酸素ガス発生手段１が水を電気分解して水酸素ガスを発生し、この水酸素ガスを燃焼炉２で燃焼させることで得られる排熱を、反応炉４へ供給することができる。一方、反応炉４に投入される廃材３は、水酸素ガスの燃焼に伴う排熱によって加熱処理される。このような廃材３の処理方法を以下に詳述する。また、以下の文頭に付した英文字は工程を区分する指標である。

Ａ：廃材３を反応炉４の反応室７に投入する。反応室７に所定量の廃材３が蓄積するまで、この工程を継続する。

Ｂ：電解槽１２の内部に水を導入する。図示を省略しているが電解槽１２の側面には水を摂氏約６０度まで加熱する電熱器が設けられている。更に、電解槽１２の底部の適所には水を導入する給水口と水を排水する排水口が形成され、これら給水口及び排水口を経て電解槽１２の外部に設けた熱交換機との間で水を循環することができる。この状態で、ガス供給路１４の適所に設けた図に表れない電磁開閉弁を閉じることにより、電解槽１２の内部を外部から遮断して、電解槽１２の内部を密封した空間とする。

Ｃ：電解用電源１３によって陽電極９及び陰電極１１に電位差を付与することにより、水を電気分解する。これにより水酸素ガスが発生し電解槽１２の内部に蓄積する。この電気分解に伴って水は徐々に加熱されるので、その分、上記の熱交換機により冷却して、電解槽１２の内部の水温を約６０度に保つようにする。

Ｄ：上記の電磁開閉弁を閉じたまま、電気分解を継続することにより、水酸素ガスを更に発生させ、電解槽１２の内部の圧力を上昇させる。水酸素ガスを電解槽１２から燃焼炉２へ噴出させるのに必要となる圧力は、大気圧以上であれば足りるが、水酸素ガスを燃焼炉２の上流端５から下流端６へ向けて勢い良く噴射するには、大気圧の１．５倍程度まで加圧するのが望ましい。

Ｅ：電解槽１２の内部が所望の圧力に達した時点で、上記の電磁開閉弁を開放することにより、電解槽１２の内部に蓄積した水酸素ガスをガス供給路１４を経て燃焼炉２の上流端５へ導入する。同時に、燃焼炉２の内部で水酸素ガスに点火して燃焼させる。これにより、燃焼炉２の内部における上流端５から下流端６の付近へ達する燃焼炎１６を形成することができる。上記の点火には、別途準備した種火を用いることもできるが、スパークを放つ電極等を燃焼炉２に予め内装しておいても良い。

また、燃焼炎１６は、摂氏５００〜１，５００度以上の高温に達し、強い酸化反応を引き起こすが、大気中の酸素を消費することはなく、また燃焼により発生するのは、高温の過熱蒸気に限られる。そして、水酸素ガス発生手段１で発生される水酸素ガスを連続して燃焼炉２で燃焼させれば、過熱蒸気は燃焼炉２の下流端６から噴流となって排出し、反応炉４の反応室７へ達する。反応室７には過熱蒸気を排気させるための排気口８を設けているので、新たに反応室７へ導入される過熱蒸気によって既に反応室７に導入された過熱蒸気が押出される。このため、過熱蒸気は、反応室７に殆ど滞留することがなく、反応室７を通り抜けることができる。

反応室７の内部の温度又は圧力は、燃焼させる水酸素ガスの所定時間当りの量、言い換えると、水酸素ガス発生手段１が所定時間当りに電気分解する水量を制御することにより調整できる。具体的には、上記Ｅの工程において、流量検出手段１５は、水酸素ガスが電解槽１２から所定時間当り送出される送出量（流量）を計測する。この計測した値に基づき、電解用電源１３が、上記の送出量に等しい容積の水酸素ガスを発生させるのに必要な電位差を陽電極９及び陰電極１１に付与する。従って、水酸素ガス発生手段１は、一定量の水酸素ガスを電解槽１２から燃焼炉２の上流端５へ噴出し続けることができる。

また、反応室７の内部の温度又は圧力を上昇させるには、電解槽１２の内部で所定時間当りに発生する水酸素ガスの容積を増大させて、燃焼炎１６として所定時間当りに消費される水酸素ガスの容積を増大させる。反対に、反応室７の内部の温度又は圧力を低下させるには、電解槽１２の内部で所定時間当りに発生する水酸素ガスの容積を減少させて、燃焼炎１６として所定時間当りに消費される水酸素ガスの容積を減少させる。

或いは、排気口８の開口面積を増減することで、過熱蒸気が反応室７を通過するのに要する時間を遅延、又は短縮させ、これにより反応室７の内部の温度又は圧力を上下させても良い。

Ｆ：過熱蒸気が反応室７を通り抜ける過程で、過熱蒸気を廃材３に接触させると、水酸素ガスの燃焼によって得られる排熱、つまり過熱蒸気の蓄熱によって廃材３を瞬時に加熱することができる。従って、廃材３を乾燥できることに加え、廃材３を加熱する時間を延長すれば、廃材３を良好に炭化することもできる。これは、過熱蒸気が反応室７を通る過程で反応室７に空気が侵入する余地が無く、また過熱蒸気は酸素を含まないので、廃材３を反応室７の外部の空気から遮断し、廃材３を無酸素の雰囲気で加熱し乾留させられるからである。しかも、廃材３の炭化に伴う乾留ガスが発生しても、これを過熱蒸気によって人畜無害な化学成分に分解してから、排気口８を経て排気することができる。また、炭化物は燃料等として再利用することができる。

Ｇ：過熱蒸気の温度を、既述の要領で摂氏２，０００〜３，０００度まで上昇させれば、廃材３は熱溶融することになる。この場合、図３に示すように、溶融した廃材３を反応炉４から排出できるように、反応炉４の底部にドレン４１を設けても良い。また、同図に示すように、燃焼炉２の下流端６から過熱蒸気が反応室７へ噴射される方向と、反応室７の内部の過熱蒸気が排気口８へ向って流出する方向とを、互い違いに設定することにより、反応炉４の内部で過熱蒸気が攪拌するようにしても良い。これにより、過熱蒸気と、反応炉４の内部で溶融しつつある廃材３の表面との間の熱交換を促進することができる。

更に、溶融した廃材３をドレン４１から排出させると、その後、廃材３は大気中で冷却されるので、廃材３は徐々に固化して収縮することになる。この様態で廃材３は不要に嵩張ることが無いので、その取扱いが容易になり搬送するのにも便利である。また、固化した廃材３を粉砕すれば、これを土壌に還すことも容易である。

以上のように、燃焼炎１６として消費されるガス類を例えば高圧タンクに蓄えて貯蔵する必要がないので、これらを危険物として管理する手間を省くことができる。また、大量の水素と酸素を燃焼させる場合でも、高圧タンクを準備する必要が全くないので、このような高圧タンクの搬送や配管等の大掛かりな段取りを省くこともできる。しかも、以上のように水酸素ガスを燃焼させて熱エネルギーを発生する構成であるので、理論的には水（蒸気）以外の副産物が生成する余地が無く、また空気中の酸素を消費することもない。このため、自然環境や人体に悪影響を及ぼす有害ガスを排出する恐れはない。

更に、廃材３が水分を多く含み、又は過度の湿気を帯びたものである場合でも、上記Ｆの工程で、廃材３を乾燥させれば、廃材３の含水率を所望に下げることができる。これにより、廃材３を炭化又は溶融する前に適度に乾燥させ、廃材３の炭化又は溶融に要する時間を短縮することができる。或いは、廃材３から堆肥等を生産する場合には、廃材３の含水率を適度に調整し、廃材３の腐敗を抑制することもできる。

また、廃材３の中に、水分を多く含み又は過度の湿気を帯びたものと、比較的乾燥したものとが混在する場合、廃材３を含水率の多少により乾き廃材３、及び湿り廃材３に分別し、湿り廃材３を乾燥した後に、これを乾き廃材３と共に炭化又は溶融すれば、廃材３の炭化又は溶融に要する時間を短縮することができる。しかも、加熱処理によって得られる炭化物の品質を一定にすることができる。

尚、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、又は変形を加えた態様で実施できるものである。例えば、排気口８に消臭材、又は集塵機を取付けても良い。また、水酸素ガス発生手段１、燃焼炉２、又は反応炉４は、それぞれ１基ずつ図示しているが、これらは、加熱処理する廃材３の量の多少に応じて、適宜増減することができる。

本発明は、化石燃料の消費量を節約し、大気中への二酸化炭素の放出量を低減するのに有益な技術である。また加熱処理に伴う悪臭、又は化学物質を、水酸素ガスの燃焼に伴わせて分解することができる。

本発明の実施例１に係る水酸素ガス廃材処理装置の概略図。 本発明の実施例１に係る水酸素ガス廃材処理装置に適用した水酸素ガス発生手段の概略図。 本発明の実施例１に係る水酸素ガス廃材処理装置の変形例の概略図。

符号の説明

１：水酸素ガス発生手段
２：燃焼炉
３：廃材
４：反応炉
５：上流端
６：下流端
７：反応室
８：排気口
１０：水酸素ガス廃材処理装置

Claims (5)

1. 水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生する水酸素ガス発生手段と、前記混合気を燃焼させる燃焼炉と、廃材が投入される反応炉とを備え、前記混合気の燃焼に伴う排熱を前記反応炉へ供給することにより、前記廃材を加熱処理することを特徴とする水酸素ガス廃材処理装置。
2. 前記燃焼炉が、前記混合気を導入する上流端と、前記混合気の燃焼により発生する過熱蒸気を排出する下流端とを備え、
   前記反応炉が、前記下流端から排出される前記過熱蒸気を導入する反応室と、該反応室から前記過熱蒸気を排気させる排気口とを備え、
   前記反応室に前記廃材を投入し、前記過熱蒸気が前記反応室を通り前記排気口から排気される過程で、前記廃材に前記過熱蒸気を接触させることを特徴とする請求項１に記載の水酸素ガス廃材処理装置。
3. 廃材を蓄積する工程と、水を電気分解して水素と酸素の混合気を発生する工程と、前記混合気を燃焼させる工程と、前記混合気の燃焼に伴う排熱により前記廃材を加熱処理する工程とを含むことを特徴とする水酸素ガス廃材処理方法。
4. 前記廃材を加熱処理する工程が、前記廃材を乾燥、炭化、又は溶融することを特徴とする請求項３に記載の水酸素ガス廃材処理方法。
5. 前記廃材を含水率の多少により乾き廃材及び湿り廃材に分別する工程と、前記湿り廃材を乾燥する工程と、前記湿り廃材を乾燥した後に前記乾き廃材と共に炭化又は溶融する工程とを含むことを特徴とする請求項４に記載の水酸素ガス廃材処理方法。

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