JP2011225815A - 揺動式炭化炉 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化炉本体の揺動方向切換え時の慣性力を減少し、耐久性を向上することが可能な揺動式炭化炉を提供する。
【解決手段】円錐台状の炭化炉本体１の軸方向に離間した複数箇所の夫々に、当該炭化炉本体２の外周面の下側面に沿う取付角度範囲２００°以下の補強体１４、１６を固定し、これら複数の補強体１４、１６を介して炭化炉本体１の軸が水平となるように支持ローラ１７、２０で支持することにより、リング体を補強体として炭化炉本体の軸方向に離間した複数箇所の夫々に固定する場合に比して補強体１４、１６を含む炭化炉本体１の重量が減少し、炭化炉本体１の揺動方向切換え時の慣性力が低減すると共に、補強体１４、１６とは個別の揺動装置によって炭化炉本体１を揺動することにより、補強体１４、１６と揺動装置との間に滑りが生じることもなく、耐久性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸が水平な円錐台状の炉体の炭化炉を水平軸周りに揺動して、炉内の装入原料を小径の原料投入口から大径の炭化物排出口側に移動させながら炭化処理を行う揺動式炭化炉に関するものである。

廃木材、生活ゴミ、下水汚泥などの可燃性物質を炭化し、炭化物を製造する炭化炉としては、ロータリーキルン式炭化炉や揺動式炭化炉が挙げられる。ロータリーキルン式炭化炉は、円筒状ドラムに炭化物とする原料を装入し、このドラムを回転させることにより、所謂ロータリーキルン内において排出方向に向かって原料を移動させながら炭化を行うものであるが、原料と空気との接触が悪く、乾留温度のコントロールが極めて難しい。

一方、例えば下記特許文献１に記載されるような揺動式炭化炉は、炭化炉に、原料投入口及び着火口、原料を炭化するための乾留用空気吹込口を有することから、炉の揺動運動によって、原料投入口から炭化物排出口に向かって装入物が移動する間に、確実に炭化物とすることが可能であるため、連続生産に適している。
また、下記特許文献２では、既存の炭化炉では、円錐台状の炭化炉の軸方向両端部で揺動回転を支持しているが、この支持部位が損耗しやすく、改善が必要であったとして、炭化炉本体の軸方向に離間した複数箇所の夫々に、当該炭化炉本体の外周面に沿う同外径のリング体を固定し、これらリング体を介して炭化炉本体を揺動支持することで支持部位の損耗を低減すると共に、少なくとも１つのリング体に揺動機構を備え、そのリング体を介して炭化炉本体に揺動を与えることが提案されている。

特開平７−３２６６号公報 特許第４００５５１５号公報

しかしながら、前記特許文献２に記載される揺動式炭化炉は、炭化炉本体の軸方向に離間した複数箇所の夫々に、当該炭化炉本体の外周面に沿う同外径のリング体を固定したことにより、リング体を含む炭化炉本体の重量が増加するため、炭化炉本体の揺動方向切換え時の慣性力が増大することに加えて、リング体を介して炭化炉本体を揺動するため、リング体と揺動機構との間に滑りが生じ、耐久性が低下するという問題がある。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、炭化炉本体の揺動方向切換え時の慣性力を減少し、耐久性を向上することが可能な揺動式炭化炉を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の揺動式炭化炉は、円錐台状の炭化炉本体と、前記炭化炉本体の小径端側に設けた原料投入口及び着火口と、前記炭化炉本体の周面下部に設けられた複数の乾留用空気吹込口と、前記炭化炉本体の軸方向に離間した複数箇所の夫々に固定され且つ当該炭化炉本体の外周面の下側面に沿う取付角度範囲２００°以下の補強体と、前記複数の補強体を介して前記炭化炉本体の軸が水平となるように支持する支持体と、前記補強体とは個別に前記炭化炉本体を揺動する揺動装置とを備えたことを特徴とす
るものである。

また、前記炭化炉本体の内部を、少なくとも表面乾留領域及び内部乾留領域の２つの領域に分割し、前記乾留用空気吹込口に供給する空気量を、前記各領域毎に独立して制御可能としたことを特徴とするものである。
また、前記表面乾留領域及び内部乾留領域に加え、前記炭化炉本体の内部を、高温調整・賦活化領域に分割し、当該高温調整・賦活化領域に供給する空気量を、他の領域とは独立して制御可能としたことを特徴とするものである。

また、前記表面乾留領域の入側に原料受入乾燥領域を分割し、当該原料受入乾燥領域に供給する空気量を、他の領域とは独立して制御可能としたことを特徴とするものである。
また、前記乾留用空気吹込口に空気を供給する乾留用空気供給ファンを領域毎に設置したことを特徴とするものである。
また、前記乾留用空気供給ファンを炭化炉本体に搭載したことを特徴とするものである。

また、前記乾留用空気吹込口は、炭化炉本体の同一周線上の離間した少なくとも２カ所に吹込口を有することを特徴とするものである。
また、前記炭化炉本体の大径端側に炭化物排出口を形成し、前記炭化炉本体は、水平面に対する下部の傾斜角が第１所定傾斜角の原料投入口側の第１円錐台部と、水平面に対する下部の傾斜角が前記第１所定傾斜角より小さい第２所定傾斜角の炭化物排出口側の第２円錐台部と、炉内炉壁の周方向に沿って設けられ且つ装入原料の堆積を一定に保つ２以上の円周堰と、炉内炉壁の長手方向に沿って設けられ且つ装入原料を撹拌する長手堰とを備えたことを特徴とするものである。

また、前記第１円錐台部を炭化炉本体炉長の少なくとも１／４以上、１／３以下としたことを特徴とするものである。
また、前記第１所定傾斜角を７．５〜１５°、前記第２所定傾斜角を５〜７．５°としたことを特徴とするものである。
また、少なくとも前記第２円錐台部には、炉内に突出し且つ装入原料中に空気を拡散させる空気吹込みノズルを設けたことを特徴とするものである。
また、前記炭化物排出口側端部に、炭化炉本体とは別体の排出口側端部部材を取付け、その排出口側端部部材を炭化炉本体に締結具で締結したことを特徴とするものである。

而して、本発明の揺動式炭化炉によれば、円錐台状の炭化炉本体の軸方向に離間した複数箇所の夫々に、当該炭化炉本体の外周面の下側面に沿う取付角度範囲２００°以下の補強体を固定し、これら複数の補強体を介して炭化炉本体の軸が水平となるように支持体で支持する構成としたため、リング体を補強体として炭化炉本体の軸方向に離間した複数箇所の夫々に固定する場合に比して補強体を含む炭化炉本体の重量が減少し、炭化炉本体の揺動方向切換え時の慣性力が低減すると共に、補強体とは個別の揺動装置によって炭化炉本体を揺動する構成としたため、補強体と揺動装置との間に滑りが生じることもなく、耐久性が向上する。

また、炭化炉本体の内部を、少なくとも表面乾留領域及び内部乾留領域の２つの領域に分割し、乾留用空気吹込口に供給する空気量を、各領域毎に独立して制御可能としたことにより、例えば表面乾留領域の温度が４５０〜６００℃になるように乾留用空気吹込口に供給する空気量を制御し、内部乾留領域の温度が６００〜７００℃になるように乾留用空気吹込口に供給する空気量を制御すれば、内部乾留領域の段階で、装入原料を燃料に変換する程度の乾留を終了することができる。また、例えば表面乾留領域の温度が４５０〜７
００℃になるように乾留用空気吹込口に供給する空気量を制御し、内部乾留領域の温度が７００〜８００℃になるように乾留用空気吹込口に供給する空気量を制御すれば、内部乾留領域の最終段階で、装入原料を炭化物に変換する乾留を終了することができる。

また、表面乾留領域及び内部乾留領域に加え、炭化炉本体の内部を、高温調整・賦活化領域に分割し、当該高温調整・賦活化領域に供給する空気量を、他の領域とは独立して制御可能としたことにより、高温調整・賦活化領域の温度が７００〜８５０℃になるように乾留用空気吹込口に供給する空気量を制御すれば、装入原料を賦活化して多孔体の高級炭化物を製造することができる。

また、表面乾留領域の入側に原料受入乾燥領域を分割し、当該原料受入乾燥領域に供給する空気量を、他の領域とは独立して制御可能としたことにより、表面乾留の前に原料を乾燥することができる。
また、乾留用空気吹込口に空気を供給する乾留用空気供給ファンを領域毎に設置したことにより、各領域毎の供給空気量を制御しやすい。

また、乾留用空気供給ファンを炭化炉本体に搭載したことにより、配管の取り回しなど、装置構成が容易になる。
また、乾留用空気吹込口は、炭化炉本体の同一周線上の離間した少なくとも２カ所に吹込口を有することとしたため、炭化炉本体の下側で揺動する原料に効率よく空気を供給することができる。

また、炭化炉本体の原料投入口側の第１円錐台部の下部の水平面に対する第１所定傾斜角が大きいので、砂状或いは泥状の装入原料でも炉内を移動しやすく、反面、炭化物排出口側の第２円錐台部の下部の水平面に対する第２所定傾斜角が小さいので、砂状或いは泥状の装入原料の移動速度を小さくすることができ、この第２円錐台部内に、装入原料の堆積を一定に保つ２以上の円周堰を円周に沿って設けることで、堆積中の装入原料に拡散するように乾留用空気を吹込むことで十分な炭化処理を可能とし、合わせて、堆積中の装入原料を撹拌する長手堰を、炉内炉壁の長手方向に沿って設けることで、炭化処理を均一化することができ、これらにより下水汚泥などの砂状或いは泥状原料を連続的に効率よく炭化処理することが可能となる。

また、第１円錐台部を炭化炉本体の炉長の少なくとも１／４以上、１／３以下とすることで、下水汚泥などの砂状或いは泥状原料でも連続的に効率よく炭化処理することができる。
また、第１所定傾斜角を７．５〜１５°、第２所定傾斜角を５〜７．５°とすることで、下水汚泥などの砂状或いは泥状原料でも連続的に効率よく炭化処理することができる。

また、第２円錐台部に、炉内に突出し且つ装入原料中に空気を拡散させる空気吹込みノズルを設けたことにより、十分な炭化処理を行うことができる。
また、炭化物排出口側端部に炭化炉本体とは別体の排出口側端部部材を取付け、その排出口側端部部材を炭化炉本体に締結具で締結したことにより、炭化物排出口の外側のシール機能が破損して大気侵入が生じるような場合に、排出口側端部だけを部分交換可能として、安価で容易な保守が可能となる。

本発明の揺動式炭化炉の一実施形態の説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断面図である。 図１の揺動装置の説明図である。 図１の炭化炉本体及び補強体の説明図である。 補強体取付範囲の説明図である。 本発明の揺動式炭化炉の他の実施形態の説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断面図である。 炭化炉本体の構成を説明する正面図である。 図６の炭化炉本体の縦断面図である。 拡散式空気吹込みノズルの詳細図である。

次に、本発明の揺動式炭化炉の一実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態では、河川、ダムなどの流木、家の解体などで発生する廃木材を破砕機にかけ、チップ状にして炭化物の原料とし、生活ゴミはＲＤＦ化して、或いは下水汚泥は予備乾燥して炭化物原料として用いる。
図１ａは、本実施形態の揺動式炭化炉の正面図、図１ｂは、後述する原料受入乾燥領域における揺動式炭化炉の縦断面図である。炭化炉本体１は、図１ａの左方が小径で、右方が大径のほぼ円錐台状であり、この円錐台状の炭化炉本体１を軸が水平になるように配設することにより、炉壁下部が、小径側から大径側下がりに傾斜しているのが特徴である。この炭化炉本体１の小径側には、後述する原料投入口及び着火口が設けられており、大径側には炭化物排出口が設けられている。従って、円錐台状の炭化炉本体１の小径側の原料投入口に装入した原料が、炭化炉本体１の揺動により、転がりながら、比較的ゆっくりと大径側、即ち炭化物排出口側に移動するのが理想である。

前述した原料を原料受入ホッパ２に供給し、スクリューフィーダなどの供給装置３により炭化炉本体１の小径端側から炉内に供給する。従って、炭化炉本体１の供給装置３との接続部が原料投入口になる。炭化炉本体１の小径端側には電気ヒータ４が設けられており、この電気ヒータ４で原料に着火し、その部分燃焼熱で、炉内を４００℃から４５０℃まで昇温する。従って、炭化炉本体１の電気ヒータ４との接続部が着火口になる。電気ヒータで着火した以降は、乾留用空気吹込口５〜９からの空気供給によって炉内温度を制御する。また、着火操作以降に連続供給される原料については、炭化炉本体１の小径端側に存在する着火済原料を火種として連続着火処理が可能となる。また、電気ヒータ４に代え、火種を炭化炉本体１内の小径端側から炉内に投入してもよい。

本実施形態では、炭化炉本体１内を、小径端側から、原料受入乾燥領域、表面乾留領域、内部乾留領域、高温調整・賦活化領域に４分割されており、夫々、炭化炉本体１の下部に、原料受入乾燥領域乾留用空気吹込口５、表面乾留領域乾留用空気吹込口６、内部乾留領域乾留用空気吹込口７、高温調整・賦活化領域乾留用空気吹込口８が設けられており、夫々、炭化炉本体１の上部に設けられている原料受入乾燥領域乾留用空気供給ファン（送風機）１０、表面乾留領域乾留用空気供給ファン１１、内部乾留領域乾留用空気供給ファン１２、高温調整・賦活化領域乾留用空気供給ファン１３から個別に空気が供給される。また、高温調整賦活化領域には、更に高温調整・賦活化領域乾留用空気及び蒸気吹込口９が設けられている。この高温調整・賦活化領域乾留用空気及び蒸気吹込口９には、前記高温調整・賦活化領域乾留用空気供給ファン１３からの空気と、個別の蒸気（水蒸気）が供給される。即ち、全ての領域の供給空気量は、該当する領域に設けられた乾留用空気供給ファン１０〜１３によって個別に制御可能である。

なお、蒸気は、例えば炭化炉本体後端側に接続された乾留工程で発生する乾留ガスの燃焼装置の排熱回収装置から供給される。また、図中の符号５ａは、原料受入乾燥領域乾留用空気供給ファン１０と原料受入乾燥領域乾留用空気吹込口５とを結ぶ原料受入乾燥領域乾留用空気供給ライン、図中の符号６ａは、表面乾留領域乾留用空気供給ファン１１と表面乾留領域乾留用空気吹込口６とを結ぶ表面乾留領域乾留用空気供給ライン、図中の符号７ａは、内部乾留領域乾留用空気供給ファン１２と内部乾留領域乾留用空気吹込口７とを
結ぶ内部乾留領域乾留用空気供給ライン、図中の符号８ａは、高温調整・賦活化領域乾留用空気供給ファン１３と高温調整・賦活化領域乾留用空気吹込口８とを結ぶ高温調整・賦活化領域乾留用空気供給ラインを示す。

各乾留用空気吹込口５〜８は、例えば図１ｂの原料受入乾燥領域乾留用空気吹込口５に代表されるように、炭化炉本体１の下部のうち、炭化炉本体１の同一周線上の離間した２カ所に設けられている。これらの乾留用空気吹込口５〜８は、炭化炉本体１の炉壁に多数の細孔を設けて形成されており、それらの細孔から原料に空気を供給する。本実施形態のように、炭化炉本体１の下部のうち、炭化炉本体１の同一周線上の離間した２カ所に乾留用空気吹込口５〜８を設けることにより、後述するように炭化炉本体１の下側で揺動する原料に効率よく空気を供給することができる。

原料投入口から炭化炉本体１内に原料が投入された直後の原料受入乾燥領域では、前述のように原料着火後、原料受入乾燥領域乾留空気吹込口５に供給する空気量を制御して、炉内温度を４００〜４５０℃とすることにより、原料の乾燥が行われ、炭化炉本体１の揺動に伴って次の表面乾燥領域に移動して、ここから乾留が行われる。表面乾留領域では、表面乾留領域乾留用空気吹込口６に供給する空気量を制御して、炉内温度を４５０〜６００℃とし、内部乾留領域では、内部乾留領域乾留用空気吹込口７に供給する空気量を制御して、炉内温度を６００〜７００℃とする。装入原料を燃料に変換する程度の乾留であれば、この段階で乾留を終了することができる。

続く高温調整・賦活化領域では、賦活化処理の前に、特に高温調整・賦活化領域乾留用空気吹込口８に供給する空気量を制御して、炉内温度を７００〜８５０℃の高温に設定し、然る後、高温調整・賦活化領域乾留用空気及び蒸気吹込口９から空気及び蒸気を同時に供給して原料を賦活化する。高温の原料は蒸気に接触することで炭化物が賦活化して多孔体となる。例えば土壌改良材や活性炭に近い性能を持つ炭化物などの、所謂高級炭化物を製造する場合には、炭化物原料を７００℃以上の高温に保持し、その温度状態で蒸気と接触することによって賦活化、即ち多孔体化が行われる。なお、賦活化処理は、下記１式に示す吸熱反応であるから、水蒸気と空気を同時に供給することにより、下記２式に示す発熱反応を同時に行って熱補償を行う。

本実施形態では、炭化炉本体１の揺動範囲を片側６０°、両側で１２０°まで可変とした。この場合、装置的には原料変化を見越して片側７０°、両側で１４０°の揺動運動を可能とすれば十分である。そこで、炭化炉本体１を揺動可能に支持するために、炭化炉本体１の軸方向に離間した複数箇所の夫々に、当該炭化炉本体の外周面の下側面に沿う取付角度範囲２００°以下の補強体１４、１６を固定した。本実施形態では、円錐台状の炭化炉本体１に対し、小径端側補強体１４及び大径端側補強体１６の２カ所に補強体を固定し、その夫々を、夫々、２個の小径端側支持ローラ（支持体）１７及び大径端側支持ローラ（支持体）２０で支持する。補強体１４、１６は、略半円弧のレール状、つまり略半円周であり、この略半円周レール状の補強体１４、１６の夫々を、夫々、両フランジ付きの２個の支持ローラ１７、２０で支持する。各支持ローラ１７、２０は回転自在とした。なお、補強体及び支持ローラ（支持体）からなる支持装置の配設数は前記に限定されるもので
はないが、揺動式炭化炉の軸方向長さから鑑みて、凡そ２〜４カ所が適切である。

そして、小径端側補強体１４と大径端側補強体１６の中央の炭化炉本体１の外周面にラック状の大径ギヤ１５を溶接固定し、図２ａに明示するように、この大径ギヤ１５に噛合する小径ギヤ１８を揺動用モータ１９で正逆方向に回転駆動することで、炭化炉本体１を揺動する。即ち、この大径ギヤ１５及び小径ギヤ１８及び揺動用モータ１９が本発明の揺動装置を構成する。従って、本発明の揺動装置は、前記補強体とは個別である。図２ｂには、揺動装置の異なる例を示す。この例では、炭化炉本体１の外周面にリング状の大径スプロケット２１を溶接固定し、この大径スプロケット２１と揺動用モータ１９に接続された小径スプロケット２２とにチェーン２３を巻回し、揺動用モータ１９を正逆方向に回転駆動することで炭化炉本体１を揺動する。なお、図中の符号２４は、チェーン２３の弛みを吸収するためのテンショナースプロケットである。

図３ａには前記小径端側補強体１４における炭化炉本体１の縦断面図を、図３ｂには前記大径端側補強体１６における炭化炉本体１の縦断面図を示す。この例は、小径端側支持ローラ（支持体）１７と大径端側支持ローラ２０に同じ径のものを用い、且つ小径端側支持ローラ１７と大径端側支持ローラ２０の高さを同じにした場合のものである。小径端側支持ローラ１７と大径端側支持ローラ２０の高さを同じにすると、小径端側支持ローラ１７から炭化炉本体１の外周面までの距離の方が、大径端側支持ローラ２０から炭化炉本体１の外周面までの距離より大きくなる。そのため、図３ａでは、大径端側補強体１６よりも小径端側補強体１４の厚みを厚くして対応している。もし、小径端側支持ローラ１７の高さを高くすれば、図３ｃに示すように、小径端側補強体１４の厚さを薄くすることができる。

これらの図から明らかなように、装置的に片側７０°、両側で１４０°しか揺動しない本実施形態の炭化炉本体１の場合、炭化炉本体１の全周３６０°のうち、支持ローラ１７、２０に接触する部分だけ、つまり本実施形態では炭化炉本体１の略下側半円周分だけ、補強体１４、１６を配設すればよいので、特に補強体を含む炭化炉本体１の上部の重みを軽減することができ、前記特許文献２のように炭化炉本体１の外周面全周を覆うリング体からなる補強体を用いる場合に比して、補強体１４、１６を含む炭化炉本体１の重量を大幅に低減することができ、炭化炉本体１の揺動方向切換え時の慣性力を減少することが可能となる。しかも、本実施形態の場合、炭化炉本体１を揺動するための揺動装置を補強体１４、１６と個別としたため、前記特許文献２のように、リング体からなる補強体と揺動装置との間に滑りが生じることがないから、前述の炭化炉本体１の揺動方向切換え時の慣性力の低減と合わせて、装置の耐久性を向上することが可能となる。

なお、図３に示す符号１ａは、炭化炉本体１の外周面を構成する鉄皮の内周面に設けられる耐火物である。一般には、図３ａ〜図３ｃに示すように、炭化炉本体１の内周面に設けられる耐火物１ａの厚さは一定であるが、高温の原料が接触するのは、炭化炉本体１の内周面の下部だけであるから、例えば図３ｄに示すように、炭化炉本体１の内周面のうち、下部の耐火物１ａは十分な厚さとし、上部の耐火物１ａの厚さを薄くすれば、炭化炉本体１の上部の重量を小さくすることができ、結果的に炭化炉本体１の重心を下げ、揺動方向切替えを含む揺動を容易化することができる。

また、前記実施形態では、補強体１４、１６を支持ローラ１７、２０で支持する構成としたが、補強体を支持する支持体は、これに限定されるものではなく、例えば滑り軸受などによって面接触支持するなどしてもよく、また、そのようにすれば補強体から支持体が外れることがないので、補強体の円周方向長さを短くすることが可能となる。
また、前記実施形態では、補強体１４、１６を炭化炉本体１の下側に相当する略半円周分としたが、後述するように、原料戻り角や支持ローラ１７、２０による支持状態によっ
ては、半円周より短くすることも可能となる。そして、補強体１４、１６の円周方向長さを炭化炉本体１の下側半円周より短くすることができれば、補強体１４、１６を含む炭化炉本体１の重量をより一層低減することができ、前述した炭化炉本体１の揺動方向切換え時の慣性力をより一層減少することが可能となる。

ここで、補強体１４、１６の取付角度範囲について図４を用いて説明する。ここでは、小径端側補強体１４に代表して、その取付角度範囲を説明する。始めに、支持ローラ１７の中心と炭化炉本体１の中心を結ぶ線と鉛直線とのなす角度、支持ローラ角度について説明する。支持ローラ１７は、炭化炉本体１を図４ａの左右方向に揺動したとき、補強体１４に当接して、補強体１４及び炭化炉本体１を支持する必要があるから、支持ローラ角度は狭すぎても広すぎても問題が生じる。本実施形態では、この支持ローラ角度を２０°〜３５°の範囲とした。支持ローラ角度が２０°未満の場合、炭化炉本体１が揺動時不安定となり、補強体１４が支持ローラ１７から外れる恐れがある。また、支持ローラ角度が３５°を超える場合、支持ローラ１７の支持部分が座屈を起こしやすくなる。そのため、本実施形態では、支持ローラ角度を２０°〜３５°とした。

補強体１４は、勿論、炭化炉本体１の揺動時、前記支持ローラ１７に当接する角度範囲に取付けなければならないが、揺動式炭化炉としては、揺動時の原料戻り角を確保することが重要であり、この原料戻り角を確保した揺動範囲で且つ前記支持ローラ１７に当接するように取付ける必要がある。前述した炭化炉本体１の揺動角を、図４ａの時計回り方向及び反時計回り方向の両側への揺動範囲角度とすると、炭化炉本体１は、鉛直線に対し、揺動角の半分の角度分ずつ時計回り方向及び反時計回り方向に揺動されることになる。

例えば図４ａに示すように、補強体１４の中央部が炭化炉本体１の中心の直下（この場合はまっすぐ下を意味する）にあるとき、炭化炉本体１内の原料が水平になると仮定して、この原料が存在している範囲を炭化炉本体１の中心からの角度範囲で表し、その角度を原料占積角とする。このとき、原料占積角の半分の角度の位置（角度を示す線）は鉛直線に一致する。この原料占積角の半分の角度の位置（角度を示す線）を原料中心位置と定義する。

炭化炉本体１を揺動した直後は、例えば摩擦力や慣性力によって原料は、その直前の状態に維持されると仮定する。例えば図４ａの状態から炭化炉本体１を図の時計回り方向に揺動角の半分、揺動すると、図４ｂに示すように、原料中心位置を示す線と鉛直線とのなす角度が揺動角の半分に相当する。この炭化炉本体１の状態が維持されると仮定し、且つ揺動角の半分の角度が原料の安息角より大きいと、図４ｃに示すように、原料は下方に滑り落ちる。安息角は、一般に、軟弱な、或いは粒状の固体物質が滑らずに安定している最大傾斜を、水平面からの角度で表したものであるが、図４ｃのように原料が滑り落ちて安定したときの原料中心位置を示す線と鉛直線とのなす角度は安息角に一致する。この場合は、揺動角の半分の角度から安息角を減じた角度が原料戻り角になる。この原料が安息角に滑り落ちるときに、原料の撹拌混合が行われ、均一処理がなされるので、揺動式炭化炉としては、原料戻り角を確保することが重要なのである。但し、このときの原料戻り角は、後述する連続揺動時の原料戻り角よりも小さい。

このあと、炭化炉本体１は、揺動角の半分、図の反時計回り方向に揺動して図４ａの位置に復帰し、続いて図の反時計回り方向に揺動角の半分、揺動して図４ｄの状態となる。炭化炉本体１内の原料は、炭化炉本体１に対し、図４ｃの状態を維持するので、図４ｄでは、図４ｃの安息角を表す線と図４ｄの原料中心位置を表す線とのなす角度が揺動角となる。この炭化炉本体１の状態が維持されると仮定すると、図４ｅに示すように、原料は下方に滑り落ちて原料中心位置を示す線が鉛直線から振った安息角の位置に一致する。このときの原料戻り角は、図４ｄの原料中心位置を示す線と図４ｅの安息角を示す線とのなす
角度となるので、連続揺動時の原料戻り角は、前記図４ｃの揺動開始時の原料戻り角よりも大きい。

補強体１４は、炭化炉本体１内で揺動する原料を外側から支持し且つ支持ローラ１７から外れない角度範囲に取付ける必要があることから、前述した原料の揺動範囲及び支持ローラ１７の位置から補強体１４の取付角度範囲を設定することができる。本実施形態では、炭化炉本体１の揺動角を可変としたので、例えば揺動角を１２０°、即ち片側６０°ずつとし、支持ローラ角度を３５°とすると、例えば原料の安息角が３０°、原料占積角が１２０°のとき、連続揺動時の原料戻り角は６０°（揺動開始時の原料戻り角は３０°）となり、十分な撹拌混合が行われる。この場合、補強体１４の取付範囲を表す角度は、図４ａの状態で、鉛直線の両側９５°、即ち両側で１９０°となり、これに余裕を見込んでも、炭化炉本体１の下側半分となる２００°の補強体１４の取付角度範囲とすればよい。支持ローラ角度や原料占積角が、これより小さい場合には、補強体１４の取付角度範囲は、より狭い範囲でもよくなる。例えば、支持ローラ角度２０°、原料の安息角２０°では、揺動角は７６°となり、補強体１４の取付角度範囲は炭化炉本体１の下側１１６°の角度範囲となる。

このように本実施形態の揺動式炭化炉では、円錐台状の炭化炉本体１の軸方向に離間した複数箇所の夫々に、当該炭化炉本体２の外周面の下側面に沿う取付角度範囲２００°以下の補強体１４、１６を固定し、これら複数の補強体１４、１６を介して炭化炉本体１の軸が水平となるように支持ローラ（支持体）１７、２０で支持することとしたため、リング体を補強体として炭化炉本体の軸方向に離間した複数箇所の夫々に固定する場合に比して補強体１４、１６を含む炭化炉本体１の重量が減少し、炭化炉本体１の揺動方向切換え時の慣性力が低減すると共に、補強体１４、１６とは個別の揺動装置によって炭化炉本体１を揺動することとしたため、補強体１４、１６と揺動装置との間に滑りが生じることもなく、耐久性が向上する。

また、図５の実施形態で示すように、炭化炉本体１の内部を、少なくとも表面乾留領域及び内部乾留領域の２つの領域に分割し、該当する領域の表面乾留領域乾留用空気吹込口２７、内部乾留領域乾留用空気吹込口２８に供給する空気量を、表面乾留領域乾留用空気供給ファン２５、内部乾留領域乾留用空気供給ファン２６で各領域毎に独立して制御可能としたことにより、例えば表面乾留領域の温度が４５０〜６００℃になるように表面乾留領域乾留用空気吹込口２７に供給する空気量を制御し、内部乾留領域の温度が６００〜７００℃になるように内部乾留領域乾留用空気吹込口２８に供給する空気量を制御すれば、内部乾留領域の段階で、装入原料を燃料に変換する程度の乾留を終了することができる。また、前記温度を、例えば表面乾留領域の温度が４５０〜７００℃になるように表面乾留領域乾留用空気吹込口２７に供給する空気量を制御し、内部乾留領域の温度が７００〜８００℃になるように内部乾留領域乾留用空気吹込口２８に供給する空気量を制御すれば、内部乾留領域の最終段階で、装入原料を炭化物に変換する乾留を終了することができる。

また、表面乾留領域及び内部乾留領域に加え、炭化炉本体１の内部を、高温調整・賦活化領域に分割し、当該高温調整・賦活化領域に供給する空気量を、他の領域とは独立して制御可能としたことにより、高温調整・賦活化領域の温度が７００〜８５０℃になるように高温調整・賦活化領域乾留用空気吹込口８に供給する空気量を制御すれば、装入原料を賦活化して多孔体の高級炭化物を製造することができる。

また、表面乾留領域の入側に原料受入乾燥領域を分割し、当該原料受入乾燥領域に供給する空気量を、他の領域とは独立して制御可能としたことにより、表面乾留の前に原料を乾燥することができる。
また、図１に示すように乾留用空気吹込口５〜８に空気を供給する乾留用空気供給ファ
ン１０〜１３を領域毎に設置したことにより、或いは図４に示すように乾留用空気吹込口２７、２８に空気を供給する乾留用空気供給ファン２５、２６を領域毎に設置したことにより、各領域毎の供給空気量を制御しやすい。

また、乾留用空気供給ファン１０〜１３、２５、２６を炭化炉本体１に搭載したことにより、配管の取り回しなど、装置構成が容易になる。
また、乾留用空気吹込口５〜８又は２７、２８は、炭化炉本体１の同一周線上の離間した少なくとも２カ所に吹込口を有することとしたため、炭化炉本体１の下側で揺動する原料に効率よく空気を供給することができる。

次に、前述した炭化炉本体１の構成について説明する。図６は、炭化炉本体１の正面図である。なお、原料投入口近傍の設備については図示を省略している。
本実施形態の炭化炉本体１の外形的な特徴は、炉壁に段があり、全体的に円錐台をなす炭化炉本体１の小径側の原料投入口側の第１円錐台部１０６と、大径側の炭化物排出口側の第２円錐台部１０７とが連設されている点にある。図から明らかなように、第１円錐台部１０６は炭化炉本体１の炉長の少なくとも１／４以上、１／３以下であり、第２円錐台部１０７は炭化炉本体１の炉長の２／３〜３／４程度である。そして、何れも炭化物排出口側が大径の円錐台部であるが、第１円錐台部１０６の下部の水平面に対する傾斜角は７．５〜１５°の第１所定傾斜角であり、第２円錐台部１０７の下部の水平面に対する傾斜角は５〜７．５°の第２所定傾斜角であり、第１所定傾斜角よりも第２所定傾斜角の方が小さい。

図中の符号１ｂは、炭化炉本体１の外壁を構成する鉄皮、符号１ａは、鉄皮１ｂの内側に設けられた耐火物である。炭化炉本体１の炉内では、炭化炉本体１の揺動により、理想的には炉内で転がりながら、装入原料が次第に炭化物排出口側に移動する。下水汚泥などの装入原料は有機物であるから、炉内で着火され、前述したように乾留用空気が吹き込まれると炭化が促進する。但し、下水汚泥は砂状であり、炭化が進んでいない装入直後は、嵩比重が大きく、さらに砂状の装入原料は炉壁を構成する耐火物１ａと馴染みやすいこともあって、移動しにくい。そこで、本実施形態では、原料投入口側の第１円錐台部１０６の下部の水平面に対する傾斜角を７．５〜１５°の大きな第１所定傾斜角とすることにより、装入直後の下水汚泥などの装入原料の移動をスムーズにしている。数値の臨界的意義は、下水汚泥などの砂状の装入原料を装入直後からスムーズに移動するために、第１円錐台部１０６の下部の水平面に対する傾斜角は７．５°以上必要であり、炉内での装入原料の移動を考慮すると、第１円錐台部１０６の下部の水平面に対する傾斜角は１５°で十分である。また、この第１円錐台部１０６は、装入直後の砂状の原料がスムーズに移動するだけであるから、その長さを炭化炉本体１の炉長の少なくとも１／４以上とするが、１／３以下として、第２円錐台部１０７での原料滞留時間を確保できる範囲としている。

一方、炭化が始まっている第２円錐台部１０７の下部の水平面に対する傾斜角を大きくしたのでは、装入原料の滞留時間を稼ぐことができない。そこで、本実施形態では、炭化物排出口側の第２円錐台部１０７の下部の水平面に対する傾斜角を５〜７．５°の小さな第２所定傾斜角とした。数値の臨界的意義は、第２円錐台部７の下部の水平面に対する傾斜角が５°未満では、揺動による装入原料の内部推進力が不足し、７．５°を超えると、逆に内部推進力が強くなりすぎて滞留時間を稼ぐことができない。同様に、原料の滞留時間を長くするため、第２円錐台部１０７の長さを炭化炉本体１の炉長の２／３〜３／４とした。

また、本実施形態の炭化炉本体１では、特に炭化の促進する第２円錐台部１１７の耐火物１ａ内に、円周に沿って設けられた２つの円周堰１１０を、軸先方向に少し離して配設した。炭化が促進すると、装入原料層が薄くなり、炭化反応より燃焼反応に移行し易く、
灰化を招く恐れがある。そこで、本実施形態では、第２円錐台部１０７の耐火物１ａ内に、軸方向に少し離れた２つの円周堰１１０を炉内円周に沿って設けた。これにより、装入原料Ａは、円周堰１１０の原料投入口側に堆積し、その堆積状態で炭化が促進される。ちなみに、円周堰１１０を炉内の円周に沿って配設することで、炭化炉本体１の強度向上にもつながる。なお、円周堰１１０を３つ以上設けても差し支えない。

また、本実施形態の炭化炉本体１では、図７に示すように、炉内耐火物１ａの最下部に、長手な長手堰１１１を１つ設けている。下水汚泥などの砂状装入原料は、例えば炉壁を構成する耐火物１ａに馴染みやすく、嵩比重も大きいために、炭化炉本体１を揺動しても滑動するだけで転がりにくく、炭化が不均一となりやすい。そこで、炉内耐火物１ａの長手方向に沿って長手堰１１１を設けることで、下水汚泥などの砂状装入原料が撹拌され、炭化が均一化する。なお、長手堰１１１の高さは、装入原料を撹拌するという意味で、前記装入原料を堆積する円周堰１１０より高い方がよい。また、長手堰１１１は、図に示すように炭化炉１の揺動中心の下部に設ける他、複数設けても構わない。

炭化を促進する第２円錐台部１０７の炉内には、前述したように炭化炉本体１の上部に設けられた乾留用空気供給ファンから乾留用空気が吹き込まれ、装入原料から発生する燃焼ガスを燃焼させて乾留炭化が促進される。本実施形態では、図６の右方の円周堰１１０に堆積している領域を例えば前記原料受入乾燥領域や表面乾留領域に相当する第１炭化領域、図６の左方の円周堰１１０に堆積している領域を例えば前記内部乾留領域や高温調整・賦活化領域に相当する第２炭化領域としたとき、第１炭化領域には、耐火物１ａ内に鉄製パイプを埋設しただけの第１エアノズル（空気吹込みノズル）１１２が設けられ、第２炭化領域には、乾留用空気を装入原料堆積層に拡散する第２エアノズル（空気吹込みノズル）１１３が設けられている。

図８には、第２エアノズル１１３の詳細を示す。図８ｂは、図８ａのＢ−Ｂ断面図である。第２エアノズル１１３は、図８に示すように、耐火物８内に埋設される鉄製パイプからなる基部１１４と、基部１１４の鉄製パイプ内上端部に緊密に嵌入される円柱状のセラミックス製ヘッド１１５とからなり、セラミックス製ヘッド１１５の中央部にはエア通路１１６が開設され、セラミックス製ヘッド１１５の上端部には、エア通路１１６に交差して乾留用空気を図８の側方に噴射するエア噴出孔１１７が開設されている。ちなみに、エア通路１１６の上端部はプラグ１１８で閉塞されている。

この第２エアノズル１１３の基部１１４を耐火物１ａ内に埋設すると、上端部のセラミックス製ヘッド１１５が装入原料堆積層内に突き出しているから、エア噴出孔１１７から乾留用空気が吹出されると、その乾留用空気は装入原料堆積層を吹抜けることなく、当該装入原料堆積層内に拡散する。これにより、第１エアノズル１１２のように、単に炉内に乾留用空気を吹出す場合に比して、炭化領域が広がり、炭化が均質となって炭化物を効率的に生産することができる。また、高温に晒される第２エアノズル１１３のヘッド１１５をセラミックス製としたことで耐熱性に優れ、下水汚泥が腐食環境にあっても耐食性に優れる。

なお、第１炭化領域、第２反化領域とも、乾留・炭化において、過剰な空気の供給は燃焼を促進した灰化を招くことになる。そのため、炭化炉本体１の炉内の酸素雰囲気は１ｖｏｌ％以下とすることが望ましく、第１エアノズル１１２、第２エアノズル１１３からの乾留用空気の吹き込み量を制御して酸素雰囲気を制御することが推奨される。また、エア噴射孔１１７からの乾留用空気の吹き出しは２カ所だけでなく、３カ所以上としてもよい。

また、本実施形態の炭化炉本体１の炭化物排出口には、図示しない排ガス集塵機に接続
される出側固定フード１１９が配設される。この出側固定フード１１９は固定式であるのに対し、炭化炉本体１は揺動するため、両者の間にはラビリンスシール１２０を介装する。従来も、炭化炉本体１の炭化物排出口側端部外周と出側固定フード１１９の間にはシール装置が介装されているのであるが、炭化物排出口側の端部が炭化炉本体１と一体であると、炭化炉本体１自体が大きい上に、炭化物排出口も大径であるため、炭化炉本体１の炭化物排出口側端部外周と出側固定フード１１９との間の隙間の寸法精度が得にくく、シール装置が有効に機能しないという問題がある。また、操業中に炭化炉本体１の炭化物排出口側端部に熱変形が生じるなどして、シール機能が破損すると大気が侵入し、良好な炭化物の生成を阻害する。即ち、炭化処理過程で酸素過剰となり、一部が燃焼して灰化する。そこで、本実施形態では、炭化炉本体１の排出口側端部に別体の排出口側端部部材１２１を取付け、両者をフランジ１２２で突き合わせて、図示しないボルト・ナットなどの締結具で締結するようにした。炭化炉本体１とは別体の排出口側端部部材１２１では外周の加工精度が得やすいので、これが取付けられた炭化炉本体１の排出口側端部の外周の寸法精度が向上し、もって出側固定フード１１９との間の隙間を確保してラビリンスシール１２０によるシール機能が十分に発揮されるようになった。また、操業に伴って、炭化炉本体１の排出口側端部部材１２１に熱変形が生じるなどしてシール機能が破損しても、排出口側端部部材１２１だけを部分交換して対応できるようになった。

下水汚泥は、下水処理場において下水を微生物処理する最終工程で発生する汚泥であり、脱水処理された脱水ケーキの状態で下水処理場から排出される。この下水汚泥は、天日乾燥或いは乾燥装置によって４０％以下の含水率に乾燥された後、本実施形態の揺動式炭化炉で炭化処理される。乾燥工程を経た汚泥は、炭化炉本体１の原料投入口から炉内に装入され、揺動運動と長手堰１１１の作用によって撹拌されながら炭化物排出口側に移動する。その際、エアノズル１１２、１１３から乾留用空気（酸素）が供給され、汚泥が含有する有機質から熱分解によって発生する可燃性ガスの燃焼が維持されることによって炭化が促進し、汚泥炭化物が生成される。

最初の揺動式炭化炉の運転では、初期の着火のために火種を投入して着火操作を行い、運転を開始すれば、この着火操作以降に連続供給される原料については、炭化炉本体１の第１円錐台部１０６内の着火済装入原料を火種として、連続着火処理が可能となる。また、着火操作以降は、下水汚泥が含有する有機質から熱分解によって発生する可燃性ガスによる連続運転が可能である。なお、天日乾燥或いは乾燥装置による乾燥で下水汚泥の含水率が４０％を超える場合であっても、別途燃料を加えることによって運転は可能であり、生成された汚泥炭化物を燃料として加えて運転を行うこともできる。

このように本実施形態の揺動式炭化炉では、炭化炉本体１の原料投入口側の第１円錐台部１０６の下部の水平面に対する第１所定傾斜角が大きいので、下水汚泥などの砂状の装入原料でも炉内を移動しやすく、反面、炭化物排出口側の第２円錐台部１０７の下部の水平面に対する第２所定傾斜角が小さいので、砂状の装入原料の移動速度を小さくすることができ、この第２円錐台部１０７内に、装入原料の堆積を一定に保つ２以上の円周堰１１０を円周に沿って設けることで、堆積中の装入原料に拡散するように乾留用空気を吹き込むことで十分な炭化処理を可能とし、合わせて、堆積中の装入原料を撹拌する長手堰１１１を、炉内炉壁の長手方向に沿って設けることで、炭化処理を均一化することができ、これらにより下水汚泥などの砂状原料を連続的に効率よく炭化処理することが可能となる。

また、第１円錐台部１０６を炭化炉本体１の炉長の１／４〜１／３、第２円錐台部１０７を炭化炉本体１の炉長の２／３〜３／４とすることで、下水汚泥などの砂状原料でも連続的に効率よく炭化処理することができる。
また、第１所定傾斜角を７．５〜１５°、第２所定傾斜角を５〜７．５°とすることで、下水汚泥などの砂状原料でも連続的に効率よく炭化処理することができる。

また、第２円錐台部１０７に、炉内に突出し且つ装入原料中に空気を拡散させる第２エアノズル１３を設けたことにより、十分な炭化処理を行うことができる。
また、炭化炉本体１の炭化物排出口側端部に別体の排出口側端部部材１２１を取付け、その排出口側端部部材１２１を炭化炉本体１に締結具で締結したことにより、排出口側端部部材１２１の外側のシール機能が破損して大気侵入が生じるような場合に、排出口側端部部材１２１だけを部分交換可能として、安価で容易な保守が可能となる。

なお、前記実施形態では、互いに連接する原料投入口側の第１円錐台部１０６と炭化物排出口側の第２円錐台部１０７とで炭化炉本体１を構成したが、二つの円錐台部の間に、その他の円錐台部を介装してもよい。
また、本発明の揺動式炭化炉は、下水汚泥などの砂状原料だけでなく、泥状の有機系廃棄物の炭化にも同様に有効に利用することができる。

１は炭化炉本体、２は原料受入ホッパ、３は供給装置、４は電気ヒータ、５は原料受入乾燥領域乾留用空気吹込口、６は表面乾留領域乾留用空気吹込口、７は内部乾留領域乾留用空気吹込口、８は高温調整・賦活化領域乾留用空気吹込口、９は高温調整・賦活化領域乾留用空気及び蒸気吹込口、１０は原料受入乾燥領域乾留用空気供給ファン、１１は表面乾留領域乾留用空気供給ファン、１２は内部乾留領域乾留用空気供給ファン、１３は高温調整・賦活化領域乾留用空気供給ファン、１４は小径端側補強体、１５は大径ギヤ、１６は大径端側補強体、１７は小径端側支持ローラ（支持体）、１８は小径ギヤ、１９は揺動用モータ、２０は大径端側支持ローラ（支持体）、２１は大径スプロケット、２２は小径スプロケット、２３はチェーン、２４はテンショナースプロケット、２５は表面乾留領域乾留用空気供給ファン、２６は内部乾留領域乾留用空気供給ファン、２７は表面乾留領域乾留用空気吹込口、２８は内部乾留領域乾留用空気吹込口、１０６は第１円錐台部、１０７は第２円錐台部、１１０は円周堰、１１１は長手堰、１１２は第１エアノズル、１１３は第２エアノズル、１１４は基部、１１５はセラミックス製ヘッド、１１６はエア通路、１１７はエア噴射孔、１１８はプラグ、１１９は出側固定フード、１２０はラビリンスシール、１２１は排出口側端部、１２２はフランジ

Claims (12)

1. 円錐台状の炭化炉本体と、前記炭化炉本体の小径端側に設けた原料投入口及び着火口と、前記炭化炉本体の周面下部に設けられた複数の乾留用空気吹込口と、前記炭化炉本体の軸方向に離間した複数箇所の夫々に固定され且つ当該炭化炉本体の外周面の下側面に沿う取付角度範囲２００°以下の補強体と、前記複数の補強体を介して前記炭化炉本体の軸が水平となるように支持する支持体と、前記補強体とは個別に前記炭化炉本体を揺動する揺動装置とを備えたことを特徴とする揺動式炭化炉。
2. 前記炭化炉本体の内部を、少なくとも表面乾留領域及び内部乾留領域の２つの領域に分割し、前記乾留用空気吹込口に供給する空気量を、前記各領域毎に独立して制御可能としたことを特徴とする請求項１に記載の揺動式炭化炉。
3. 前記表面乾留領域及び内部乾留領域に加え、前記炭化炉本体の内部を、高温調整・賦活化領域に分割し、当該高温調整・賦活化領域に供給する空気量を、他の領域とは独立して制御可能としたことを特徴とする請求項２に記載の揺動式炭化炉。
4. 前記表面乾留領域の入側に原料受入乾燥領域を分割し、当該原料受入乾燥領域に供給する空気量を、他の領域とは独立して制御可能としたことを特徴とする請求項３に記載の揺動式炭化炉。
5. 前記乾留用空気吹込口に空気を供給する乾留用空気供給ファンを領域毎に設置したことを特徴とする請求項２乃至４の何れか一項に記載の揺動式炭化炉。
6. 前記乾留用空気供給ファンを炭化炉本体に搭載したことを特徴とする請求項５に記載の揺動式炭化炉。
7. 前記乾留用空気吹込口は、炭化炉本体の同一周線上の離間した少なくとも２カ所に吹込口を有することを特徴とする請求項１に記載の揺動式炭化炉。
8. 前記炭化炉本体の大径端側に炭化物排出口を形成し、前記炭化炉本体は、水平面に対する下部の傾斜角が第１所定傾斜角の原料投入口側の第１円錐台部と、水平面に対する下部の傾斜角が前記第１所定傾斜角より小さい第２所定傾斜角の炭化物排出口側の第２円錐台部と、炉内炉壁の周方向に沿って設けられ且つ装入原料の堆積を一定に保つ２以上の円周堰と、炉内炉壁の長手方向に沿って設けられ且つ装入原料を撹拌する長手堰とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の揺動式炭化炉。
9. 前記第１円錐台部を炭化炉本体炉長の少なくとも１／４以上、１／３以下としたことを特徴とする請求項８に記載の揺動式炭化炉。
10. 前記第１所定傾斜角を７．５〜１５°、前記第２所定傾斜角を５〜７．５°としたことを特徴とする請求項８に記載の揺動式炭化炉。
11. 少なくとも前記第２円錐台部には、炉内に突出し且つ装入原料中に空気を拡散させる空気吹込みノズルを設けたことを特徴とする請求項８に記載の揺動式炭化炉。
12. 前記炭化物排出口側端部に、炭化炉本体とは別体の排出口側端部部材を取付け、その排出口側端部部材を炭化炉本体に締結具で締結したことを特徴とする請求項８に記載の揺動式炭化炉。

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