JP2013531777A - 多段焼却炉において少なくとも１種の炭素含有材料流を乾燥・焙焼するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも一種の炭素含有材料流をより効率的に乾燥・焙焼するための装置および方法を提供すること。
【解決手段】本発明による装置は、多段焼却炉において少なくとも１種の炭素含有材料流を乾燥・焙焼するための装置であって、乾燥ゾーンと、乾燥ゾーンにおいて乾燥した材料流のガス抜きを行うための焙焼ゾーンと、乾燥用ガス流を加熱するための熱交換器と、燃焼アセンブリと、を備え、焙焼ゾーンの放出地点を介して放出された焙焼ガス流が燃焼アセンブリにおいて燃焼され、その結果発生した排気ガスが熱交換器において乾燥用ガス流の加熱に用いられた後、焙焼ゾーンに送られるように構成されており、乾燥ゾーンと前記焙焼ゾーンとが２つの別個のガス循環系から成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、多段焼却炉において少なくとも１種の炭素含有材料流を乾燥・焙焼するための装置および方法に係る。

焙焼とは、バイオマスを空気の無い状態で熱分解により２５０〜３００℃という比較的低温で熱処理することを言う。

下掲の特許文献１は、その上段に乾燥ゾーンを配した多段焼却炉において活性炭を活性化する方法を開示している。この方法では、ガス流を多段焼却炉から分流して再燃焼装置に送り、燃焼させる。発生する排気ガスは、直接接触式または間接接触式の熱交換器として動作する乾燥器に送られる。

特許文献２にも別の焙焼装置が開示されている。この特許文献によると、焙焼段階で回収されたガスを乾燥器に送るか、あるいは高温ガスとして焙焼ゾーンに循環される。

バイオマスを分解し、燃料ガスを製造する装置については、特許文献３からも公知となっている。この特許文献によると、バイオマスを乾燥ゾーンにおいて乾燥して、焙焼ゾーンにおいて脱ガスを行う。最後に、この処理済み材料を粉砕してから熱分解段階に送る。水蒸気を含む乾燥ガスの一部を乾燥器から取り出し、熱交換器において加熱した後、少なくとも部分的に再び乾燥器へと送る。

特許文献４は、不活性雰囲気におけるセルロース系材料の焙焼方法とそのための装置について記載している。非処理材料は複数のトレーから成る処理室に送入され、処理後は焙焼済み材料として取り出される。蒸気を含んだ排気ガスが処理室から排出された後、部分的に凝縮器を介して燃焼器に送入され、その高温排気ガスを用いて残りの蒸気を含んだ排気ガスを加熱して後に、この残りの蒸気を含んだ排気ガスを加熱したものが処理室へと循環される。

米国特許第４，３４７，１５６号 ＷＯ ２００５／０５６７２３ Ａ１ ＥＰ ２ ０１７ ３２５ Ａ２） ＵＳ ２０１０／００８３５３０ Ａ１

本発明は、少なくとも一種の炭素含有材料流をより効率的に乾燥・焙焼するための装置および方法を提供することを課題とする。

本発明によると、この課題は請求項１および７に記載の特長によって解決される。

本発明による装置は、多段焼却炉において少なくとも１種の炭素含有材料流を乾燥・焙焼するための装置であって、炭素含有材料流を供給する供給装置と、水蒸気を含む乾燥用ガス流を放出する放出地点と、前記乾燥用ガス流の少なくとも一部を再循環する送入地点とを備える乾燥ゾーンと、前記乾燥ゾーンにおいて乾燥した材料流のガス抜きを行うための焙焼ゾーンであって、焙焼済み材料流を放出する放出地点と、排気ガス用の少なくとも１つの送入地点と、焙焼ガス流用の放出地点とを備える焙焼ゾーンと、前記乾燥用ガス流を加熱するための熱交換器であって、前記乾燥ゾーンの放出地点が前記熱交換器を介して乾燥ゾーンの送入地点に接続されている熱交換器と、燃焼アセンブリであって、前記焙焼ゾーンの放出地点が前記燃焼アセンブリおよび前記熱交換器を介して焙焼ゾーンの送入地点に接続されている燃焼アセンブリと、から実質的に構成され、前記焙焼ゾーンの放出地点を介して放出された焙焼ガス流が前記燃焼アセンブリにおいて燃焼され、その結果発生した排気ガスが前記熱交換器において前記乾燥用ガス流の加熱に用いられた後、前記焙焼ゾーンに送入され、前記焙焼ゾーンから送出された焙焼ガスが前記燃焼アセンブリにおいて燃焼・加熱され、結果的に発生した排気ガスは熱交換器において焙焼温度まで冷却した後、焙焼ゾーンに送られるように構成されており、前記乾燥ゾーンと前記焙焼ゾーンとがそれぞれ２つの別個のガス循環系から成る装置である。

本発明による多段焼却炉において少なくとも１種の炭素含有材料流を乾燥・焙焼する方法では、乾燥ゾーンにおいて乾燥用ガス流を用いてバイオマスを乾燥した後、焙焼ゾーンにおいて焙焼する。この工程において、水蒸気を含む乾燥用ガス流の一部が乾燥ゾーンから取り出されて熱交換器において過熱された後、少なくとも一部が乾燥ゾーンに戻される。さらに、焙焼ゾーンにおいて発生する焙焼ガス流の一部が焙焼ゾーンから取り出され、燃焼アセンブリに送られて燃焼される。結果的に出る排気ガスを熱交換器において乾燥用ガス流の加熱に使用した後、焙焼ゾーンに導入する。この工程では、焙焼ゾーンから送出されて燃焼アセンブリにおいて燃焼された焙焼ガス流を加熱し、その結果発生する排気ガスを熱交換器において所要の焙焼温度まで冷却して焙焼ゾーンに送入する。さらに、乾燥ゾーンと焙焼ゾーンは２つ別個のガス循環系で動作する。

従来公知の方法と異なり、焙焼ゾーンに導入されるのは焙焼ガスではなく燃焼アセンブリにおいて焙焼ガスの燃焼中に発生する排気ガスである。よって、排気ガスの組成は完全に異なるものであり、揮発性成分や凝縮性成分を含まず、焙焼中の物質移動を促進する。焙焼中に発生する揮発性物質を燃焼させることにより、焙焼ゾーンへと導入される前の排気ガスにＣＯ２とＨ２Ｏの蒸気が混入される。ＣＯ２とＨ２Ｏの蒸気は放射性ガス成分であり、焙焼ゾーンにおける熱伝達を促進し、焙焼効率を高める。

２つのガス循環系を分離することにより、焙焼ガス流の再燃焼から生じるエネルギー面での利点、また結果的に得られる熱を使用して乾燥用ガス流を加熱することができるという利点が得られる。さらに、乾燥用ガス流を焙焼ゾーンおよび再燃焼の排気ガスと混合しないことで、乾燥が特に効率的に行われるようになる。水蒸気を含む乾燥用ガス流を熱交換器において過熱することでさらなる改良を達成することができる。

さらに、乾燥ゾーンと焙焼ゾーンに導入される２つのガス流に対して熱交換器を１つしか必要としない。また、熱交換器を流れるどちらのガス流もその後多段式焼却炉において利用される。これによって炭素含有材料流を特に効率的に乾燥および焙焼することが可能になる。

本発明のさらなる実施形態については従属請求項に記載の通りである。

本発明の好適な実施形態によると、乾燥ゾーンおよび／または焙焼ゾーンの各々が上下に配設された複数の炉床で構成される。例えば撹拌棒として知られているようなものを輸送手段として使用する。さらに、乾燥された炭素含有材料流を転送するための機械的転送装置を乾燥ゾーンと焙焼ゾーンとの間に配設しても良い。この転送装置は２つのガス循環系が混合しないように気密構造とするのが望ましい。

さらに、乾燥ゾーンは並流的（ｃｏｃｕｒｒｅｎｔｌｙ）に、焙焼ゾーンは向流的（ｃｏｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔｌｙ）に（材料流／ガス流）動作させると特に効率的であることが分かっている。

焙焼ゾーンへ転送する際の炭素含有材料流の温度は１５０℃未満とするのが適切である。

本発明に至る取り組みの中で、乾燥循環系において再利用される蒸気の量を、酸素含有量１０％未満、好ましくは８％未満の不活性雰囲気を作る程度に大きくすると有利であることが明らかになっている。さらに、焙焼循環系において再利用される排気ガスの量は、酸素含有量１０％未満、好ましくは８％未満の不活性雰囲気を作る程度に大きくすると良い。

さらに、焙焼ゾーンにおける再生排気ガスの温度を３００℃より高くし、再生乾燥用ガス流の温度を１５０〜３００℃の範囲、好ましくは２００〜３００℃の範囲内とするのが有利である。

両ゾーンにおける材料の滞留時間は、乾燥ゾーンおよび／または焙焼ゾーンおける温度、および／またはガス流、および／またはガス量、および／または圧力を測定することで制御することができる。

乾燥ゾーンおよび焙焼ゾーンにおける滞留時間の調節は、炉床数の変更、炉床面積の増減、搬送装置（撹拌棒、撹拌歯等）の構造や数の変更、搬送装置（撹拌棒等）の回転速度の変更、などによって行うことができる。

本発明のさらなる利点および実施形態について、添付図面を用いて詳細に説明する。

本発明に係る、多段焼却炉において少なくとも１種の炭素含有材料流を乾燥・焙焼するための装置を示すブロック図である。

少なくとも１種の炭素含有材料流（ｃａｒｂｏｎ−ｃａｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｌｏｗ）を乾燥・焙焼するための装置は、実質的に、乾燥ゾーン２と焙焼ゾーン３とを有する多段焼却炉１と、熱交換器４と、具体的には燃焼器また内燃機関によって形成される燃焼アセンブリ５とを備える。

乾燥ゾーン２には複数の炉床６，７、焙焼ゾーン３には複数の炉床８，９が設けられている。非処理材料、具体的には炭素含有材料流１０が供給装置１１を介して上方から乾燥ゾーン２へと送入される。炉床への材料の輸送は、例えば回転式撹拌棒のような従来の輸送装置によって行われ、この装置によって、材料が一段下の炉床へ落下する開口部の内部または外部まで輸送される。乾燥ゾーン２での材料流１０の乾燥は、図では点線の矢印で示す乾燥用ガス流１３によって行われる。熱交換器は、第１入口４ａとそれに接続された第１出口４ｂ、並びに第２入口４ｃとそれに接続された第２出口４ｄを備え、第１入口４ａを乾燥ゾーン２の放出地点１４に接続し、第１出口４ｂを乾燥ゾーン２の送入地点１５に接続することにより、水蒸気を含む乾燥用ガス流１３は放出地点１４を介して放出されて、熱交換器４で加熱され、送入地点１５を介して再び乾燥ゾーン２に送入される。

乾燥用ガス流（ｄｒｙｉｎｇ ｇａｓ ｆｌｏｗ）に含まれる水蒸気が熱交換器４内で適宜過熱されることにより、乾燥ゾーン２における乾燥を特に効率的に行うことが可能になる。材料流は木材、木片、わら、もみ殻、木の実の殻、エネルギー牧草と言った農産物類、あるいは食品産業（醸造、酒造、砂糖の製造）から出る廃棄物等の流れであるが、このような材料の流れによっては、放出地点１４と熱交換器４との間にフィルタ１６を設け、乾燥用ガス流に含まれる塵埃を分離するのが良く、そうすることで熱交換器４の効率を上げることができる。

焙焼ゾーン３において発生する焙焼ガス流（ｔｏｒｒｅｆａｃｔｉｏｎ ｇａｓ ｆｌｏｗ）１７（破線矢印）は放出地点１８から放出されて、燃焼アセンブリ５に送入されて燃焼される。放出地点１８と燃焼アセンブリ５との間に凝縮器（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）２８を挿入しても良い。この場合は、燃焼アセンブリ５に送入する前に、焙焼ゾーン３から放出された焙焼ガス流１７を一旦凝縮器２８に導入し、凝縮性成分を少なくとも部分的に沈殿させると共に非凝縮性成分は燃焼アセンブリに送入して燃焼させる。

燃焼アセンブリ５にさらなる燃料および／または燃焼用空気を供給して良いのはもちろんである。燃焼アセンブリが内燃機関の形態をとる場合、焙焼ガス流１７のエネルギーを燃焼によって部分的に機械的エネルギーに変換しても良い。燃焼アセンブリ５で発生する排気ガス、すなわち破線矢印で示すガスは、熱交換器４の第２入口４ｃに送られて乾燥用ガス流１３を間接的に加熱し、第２出口４ｄから放出されて、送入地点１９および／または２０を介して焙焼ゾーン３に送入される。これら２つのガスの循環系はファン２１および２２によって維持される。任意に、排気ガスが焙焼ゾーン３に入る前に熱蒸気２９を含ませることで、焙焼を強化すると共に、熱と材料の交換を改良するようにしても良い。

装置を緊急に停止する場合、フレアースタックを設けて焙焼ガス流１７を燃焼させると良い。そうしないと、余分な乾燥用ガス流１３と焙焼ガス流１７のそれぞれが管２３と２４、フィルタ２５、煙突２６から排出される。

焙焼ゾーン３で焙焼された材料流１０’は放出地点２７から取り出された後、粉砕、圧縮成形等の処理が行われる。

乾燥ゾーン２と焙焼ゾーン３との間に、乾燥された炭素含有材料流を乾燥ゾーン２から焙焼ゾーン３へと移すための転送装置１２が設けられる。この転送装置は、乾燥用ガス流１３と焙焼ガス流１７が混合しないように気密構造となっている。

焙焼ゾーン３へ再循環される焙焼ガス流１７の温度は３００℃より高くするのが好ましいが、再循環される乾燥用ガス流１３の温度は１５０℃から３００℃の範囲、好ましくは２００℃から３００℃の範囲に調整される。

焙焼が焙焼ゾーンでのみ行われるように、焙焼ゾーン３へと移送する際の炭素含有材料流１０の温度は１５０℃より低くするべきである。

乾燥ゾーン２および／または焙焼ゾーン３において適切なセンサを選択的に用いることにより、温度、および／またはガス流、および／またはガス量、および／または圧力を測定し、その結果を用いて両ゾーンにおける炭素含有材料流１０の滞留時間を調整することができる。乾燥・焙焼ゾーン２，３における滞留時間は、炉床の数の変更、有効炉床面積の増減、または搬送装置の回転速度の変更によって調節することができる。

多段焼却炉は、駆動軸によって駆動されて材料流１０を搬送する搬送装置を備える。駆動軸は乾燥ゾーン２と焙焼ゾーン３に分割され、それぞれに別個の駆動装置を備えることにより、炭素含有材料流１０の両ゾーンにおける滞留時間をそれぞれの回転速度により相互に独立して変更できるようにするのが有利である。

２つのガス循環系に分離することにより、乾燥ゾーンにおける材料流の乾燥を過熱蒸気を用いて効率的に行うことが可能となる。熱交換器４からの焙焼ガス流１７を焙焼ゾーン３に再循環させることも、エネルギー面で非常に有利である。全体として、多段焼却炉において少なくとも１種の炭素含有材料流を乾燥・焙焼する非常に効率的な方法が提供される。

Claims (22)

1. 多段焼却炉（１）において少なくとも１種の炭素含有材料流（１０）を乾燥・焙焼するための装置であって、
   ａ）炭素含有材料流（１０）を供給する供給装置（１１）と、水蒸気を含む乾燥用ガス流（１３）を放出する放出地点（１４）と、前記乾燥用ガス流の少なくとも一部を再循環する送入地点（１５）とを備える乾燥ゾーン（２）と、
   ｂ）前記乾燥ゾーン（２）において乾燥した材料流のガス抜きを行うための焙焼ゾーン（３）であって、焙焼済み材料流（１０’）を放出する放出地点（２７）と、排気ガス用の少なくとも１つの送入地点（１９，２０）と、焙焼ガス流（１７）用の放出地点（１８）とを備える焙焼ゾーン（３）と、
   ｃ）前記乾燥用ガス流（１３）を加熱するための熱交換器（４）であって、前記乾燥ゾーンの放出地点（１４）が前記熱交換器を介して乾燥ゾーンの送入地点（１５）に接続される熱交換器（４）と、
   ｄ）燃焼アセンブリ（５）であって、前記焙焼ゾーン（３）の放出地点（１８）が前記燃焼アセンブリ（５）および前記熱交換器（４）を介して焙焼ゾーン（３）の送入地点（１９，２０）に接続されている燃焼アセンブリ（５）と、を備え、
   ｅ）前記焙焼ゾーン（３）の放出地点（１８）を介して放出された焙焼ガス流（１７）が前記燃焼アセンブリ（５）において燃焼され、その結果発生した排気ガスが前記熱交換器（４）において前記乾燥用ガス流（１３）の加熱に用いられた後、前記焙焼ゾーン（３）に送出されるように構成されており、
   前記乾燥ゾーン（２）と前記焙焼ゾーン（３）とがそれぞれ２つの別個のガス循環系から成る装置。
2. 前記熱交換器が、第１入口（４ａ）およびそれに接続された第１出口（４ｂ）と、第２入口（４ｃ）およびそれに接続された第２出口（４ｄ）とを備え、
   前記第１入口（４ａ）は、前記乾燥ゾーン（２）の放出地点（１４）に接続され、
   前記第１出口（４ｂ）は、前記乾燥ゾーン（２）の送入地点（１５）に接続され、
   さらに、前記第２入口（４ｃ）は、前記焙焼ゾーン（３）の放出地点（１８）に前記燃焼アセンブリ（５）を介して接続され、
   前記第２出口（４ｂ）は、前記焙焼ゾーン（３）の送入地点（１９，２０）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記乾燥ゾーン（２）および／または前記焙焼ゾーン（３）の各々が、上下に配列された複数の炉床（６，７，８，９）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 乾燥された炭素含有材料流を転送するための機械的な転送装置が前記乾燥ゾーン（２）と前記焙焼ゾーン（３）との間に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記乾燥ゾーン（２）と前記焙焼ゾーン（３）との間の前記転送装置（１２）を気密構造として２つのガス循環系の混合を防止していることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記多段焼却炉が、駆動軸を介して駆動されて材料流（１０）を搬送するための搬送装置を備え、
   前記駆動軸は、乾燥ゾーン（２）と焙焼ゾーン（３）とに分割され、ゾーン毎に別個の駆動装置を設けられることで、それぞれの回転速度より両ゾーンにおける炭素含有材料流（１０）の滞留時間を独立して変更できるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 前記焙焼ゾーン（３）の放出地点（１８）と前記燃焼アセンブリ（５）との間に、凝縮器（２８）が挿入されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
8. 前記燃焼アセンブリ（５）が、燃焼器または内燃機関によって構成されていることを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項またはそれ以上に記載の装置。
9. 多段焼却炉（１）において少なくとも１種の炭素含有材料流（１０）を乾燥・焙焼するための方法であって、
   ａ）乾燥ゾーン（２）において乾燥用ガス流（１３）によりバイオマスを乾燥させた後、焙焼ゾーン（３）において焙焼し、
   ｂ）水蒸気を含む乾燥用ガス流の一部を乾燥ゾーンから取り出して熱交換器（４）において加熱した後、少なくとも部分的に乾燥ゾーン（２）に再循環し、
   ｃ）前記焙焼ゾーン（３）において発生する焙焼ガス流（１７）の一部を焙焼ゾーン（３）から取り出して燃焼アセンブリ（５）に送入して燃焼させ、その結果発生する排気ガスを用いて熱交換器（４）において乾燥用ガス流を加熱した後、焙焼ゾーン（３）に導入し、
   ｄ）前記乾燥ゾーン（２）と前記焙焼ゾーン（３）を２つの別個のガス循環系で動作させることを特徴とする方法。
10. 前記乾燥ゾーン（２）を並流的に動作させることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記焙焼ゾーン（３）を向流的に動作させることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. 前記焙焼ゾーン（３）への移送中の炭素含有材料流（１０）の温度を１５０℃より低くすることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
13. 前記ガス循環系の乾燥用ガス流（１３）を濾過することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
14. 前記水蒸気を含む乾燥用ガス流（１３）を前記熱交換器（４）において過熱することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
15. 前記乾燥器の循環系において再循環される蒸気の量を、酸素含有量１０％未満、好ましくは８％未満の不活性雰囲気を作る程度に大きくすることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 焙焼ゾーン（３）に導入される排気ガスの量を、酸素含有量１０％未満の不活性雰囲気を作る程度に大きくすることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
17. 前記焙焼ゾーンに導入される排気ガスの温度を３００℃より高くし、再循環される乾燥用ガス流の温度を１５０℃から３００℃の範囲内とすることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
18. 排気ガスが焙焼ゾーン（３）に入る前に、前記排気ガスに熱蒸気（２９）を混入させることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
19. 前記燃焼アセンブリに送入する前に、焙焼ゾーン（３）から放出された焙焼ガス流（１７）を凝縮器（２８）に導入し、前記凝縮器（２８）において凝縮性成分を少なくとも部分的に沈殿させ、非凝縮性成分を前記燃焼アセンブリ（５）において燃焼することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
20. 前記焙焼ゾーン（３）から放出された焙焼ガス流（１７）を燃焼アセンブリにおいて燃焼させ、部分的に機械的エネルギーに変換することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
21. 前記乾燥ゾーン（２）および／または焙焼ゾーン（３）において、温度、および／またはガス流、および／またはガス量、および／または圧力を測定し、両ゾーンにおける材料の滞留時間の制御に使用することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
22. 前記乾燥ゾーン（２）と焙焼ゾーン（３）における滞留時間を、炉床の数の変更、炉床面積の増減、搬送装置の構成および数の変更、または搬送装置の回転速度の変更によって調節することを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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