JP2015087027A - ボイラ装置、及び炭化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラ装置の熱効率を高めて効率的に過熱蒸気を生成する。
【解決手段】過熱蒸気を生成するボイラ装置１０４であって、燃料として燃料炭Ｃ１０が投入されるチャンバ１３０と、チャンバ内に投入された燃料炭を燃焼させる酸素を少なくとも含むガスを供給する酸素供給部１４４と、チャンバの底部側に設けられ、投入された燃料炭を載置するロストル１３１と、水を主成分とする流体が流れ、ロストルに載置された燃料炭と直接接する構成として流体と熱交換をしながら過熱蒸気を生成する熱交換部１３２、１３４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、間伐材や建築廃材等の有機性廃棄物を黒炭等の燃料炭に再資源化する炭化システム等で使用されるボイラ装置、及び炭化システムに関する。

従来から有機系の廃棄物に高温に加熱した水蒸気を噴射することで、当該廃棄物を炭化させる炭化処理が行われている。この炭化処理では、廃棄物を無酸素雰囲気下で燃焼させることなく炭化させることができるため、二酸化炭素等の発生を避けることができると共に、廃棄物から燃料炭、さらには附活化処理をすることで活性炭を得ることができる利点がある。そして、この得られる活性炭には、燃料資源としての再資源化や脱臭作用等が可能であることから、その有用性が着目されている。

過熱蒸気を利用した有機系廃棄物を炭化して再資源化するシステムとして、特許文献１には、有機性廃棄物を乾燥し、熱分解し、熱分解ガスを燃焼させた高温燃焼排ガスを蒸気生成用の熱源として利用する廃棄物処理システムが開示されている。当該システムでは、バイオマス系の有機性廃棄物を炭化処理しながら、ダイオキシン類や温室効果ガス等の環境負荷の高い物質の生成を効果的に抑制している。

特開２０１２−６３０９５号公報

過熱蒸気で有機性廃棄物を炭化する際に、ボイラ装置で熱交換して発生させた過熱蒸気を炭化炉に投入する。その際に、より効率的に有機性廃棄物を炭化させるためには、ボイラ装置の熱交換率を高めて過熱蒸気を効率的に生成して炭化炉に投入することが有効と考えられる。特許文献１に開示された廃棄物処理システムは、高温燃焼ガスを蒸気生成用の熱源として利用して、伝熱管の内部を流通する冷媒となる水との間で熱交換が行なわれている。このため、高温燃焼ガスと伝熱管との接触で熱交換する際に、高温側の熱媒体が熱伝導率の低い気体に支配され、高温燃焼ガスに含まれる多量の熱が大気中に無駄に排出される。すなわち、ボイラ装置の熱交換の熱源として高温燃焼ガスを使用することは、熱交換率に関して課題を残すものとなっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、過熱蒸気を発生させるボイラ装置の熱交換率を高めて、より効率的に有機性廃棄物を炭化させることの可能な、新規かつ改良されたボイラ装置及び炭化システムを提供することを目的とする。

また、本発明の一態様は、過熱蒸気を生成するボイラ装置であって、燃料として燃料炭が投入されるチャンバと、前記チャンバ内に投入された前記燃料炭を燃焼させる酸素を少なくとも含むガスを供給する酸素供給部と、前記チャンバの底部側に設けられ、投入された前記燃料炭を載置するロストルと、水を主成分とする流体が流れ、前記ロストルに載置された前記燃料炭と直接接する構成として前記流体と熱交換をしながら前記過熱蒸気を生成する熱交換部と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、燃焼する燃料炭に熱交換部が直接接することによって、熱交換部内に流れる水や水蒸気をより直接的に加熱するので、固体からの熱吸収であることから気体と比較して熱伝導度が大きく、また、最も高温となるコークスベットからの熱吸収であることから温度差も大きいため、熱交換率が向上する。

このとき、本発明の一態様では、前記熱交換部は、前記ロストルより前記チャンバの頂部側に設けられ、給水された水と前記ロストルに載置された前記燃料炭との熱交換によって水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記水蒸気生成部より前記チャンバの頂部側に設けられ、前記水蒸気と前記ロストルに載置された前記燃料炭との熱交換によって前記過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成部と、を備え、前記水蒸気生成部と前記過熱蒸気生成部との間には、該水蒸気生成部で生成された前記水蒸気を滞留させる水蒸気滞留部が設けられていることとしてもよい。

このようにすれば、燃焼する燃料炭に水蒸気生成部が直接接することによって、水蒸気生成部内に流れる水をより直接的に加熱して熱効率よく水蒸気を生成し、燃焼する燃料炭に過熱蒸気生成部が直接接することによって、過熱蒸気生成部内に流れる水蒸気をより直接的に加熱して熱効率よく過熱蒸気を生成することができる。

また、本発明の一態様では、前記過熱蒸気生成部では、少なくとも１０００度以上の過熱蒸気が生成され、前記過熱蒸気生成部は、耐熱性を有する合金を主成分として形成される略直線形状の管状部材から構成されることとしてもよい。

このように、過熱蒸気生成部が耐熱性を有する材質からなる略直線形状の管状部材で構成されれば、より高温環境下での使用に耐えられるようになり、また、過熱蒸気生成部の交換が容易に行える。

また、本発明の一態様では、前記過熱蒸気生成部を構成する前記管状部材は、析出硬化型のニッケル基合金を主成分として形成されることとしてもよい。

このようにすれば、１０００度以上の過熱蒸気を生成するための耐熱性を得られる。

このとき、本発明の一態様では、前記酸素供給部は、前記チャンバの底面側及び側面側に設けられた複数のノズルを介して、前記燃料炭に前記酸素を少なくとも含む前記ガスを供給することとしてもよい。

このようにすれば、よりチャンバ内の燃料炭を効率的に燃焼させて、熱交換部内の水や水蒸気を効率的に昇温できる。

また、本発明の一態様では、前記チャンバの頂部側には、前記熱交換部に給水する前記水を予熱する水予熱部と、前記酸素供給部から供給する前記酸素を少なくとも含む前記ガスを予熱する酸素予熱部が設けられることとしてもよい。

このようにすれば、熱交換部に給水する水と燃料炭を燃焼させる酸素を事前に温めることによって、より効率的に過熱蒸気を生成できる。

本発明の他の態様は、有機性廃棄物を過熱蒸気で加熱処理して燃料炭に再資源化する炭化システムであって、前記有機性廃棄物を加熱処理して前記燃料炭を生成する炭化炉と、水を主成分とする流体が流れる熱交換部での熱交換によって前記炭化炉内の前記有機性廃棄物に供給する前記過熱蒸気を生成するボイラ装置と、前記炭化炉の排ガスを水との熱交換により液体に凝縮させるコンデンサと、前記コンデンサの排ガスを洗浄するスクラバ装置と、前記コンデンサで凝縮された凝縮液と前記スクラバ装置からの廃液を回収して沈殿分離する沈殿分離器と、少なくとも前記ボイラ装置から前記炭化炉に供給される前記過熱蒸気の温度を調整する制御部と、を備え、前記ボイラ装置は、前記炭化炉で生成された前記燃料炭の一部を燃料とし、前記熱交換部が前記燃料となる前記燃料炭と直接接する構成として前記流体と熱交換をしながら前記過熱蒸気を生成し、前記制御部は、前記過熱蒸気の温度が少なくとも６００度以上となるように調整することを特徴とする。

本発明の他の態様によれば、燃焼する燃料炭に熱交換部が直接接することによって、熱交換部内に流れる水や水蒸気をより直接的に加熱するので、過熱蒸気を発生させるボイラ装置の熱交換率をより高めて、有機性廃棄物を効率的に炭化できる。

また、本発明の他の態様では、前記コンデンサと前記ボイラ装置との間には、前記コンデンサでの前記水と前記排ガスとの熱交換で生成された温水を前記水蒸気生成部に送水するための管路が設けられていることとしてもよい。

このようにすれば、コンデンサでの熱交換で生成された温水をボイラ装置の水蒸気生成部に送水することによって、より効率的に水蒸気を生成できる。

また、本発明の他の態様では、前記制御部は、前記過熱蒸気が少なくとも１０００度以上となるように温度を調整することとしてもよい。

このようにすれば、１０００度以上の過熱蒸気によって有機性廃棄物に含有している放射性セシウムを除去できるので、炭化させる有機性廃棄物に放射性セシウムが含有されていても、当該放射性セシウムが除去された良質な燃料炭を生成できる。

また、本発明の他の態様では、前記制御部は、前記炭化炉の内圧が外気の圧力より大きくなるように、前記過熱蒸気の圧力を調整することとしてもよい。

このようにすれば、炭化炉の内圧が常に外気より高い状態となるので、過熱蒸気の逆流を防止できる。

以上説明したように本発明によれば、ボイラ装置の燃料として固形燃料の燃料炭を使用して、かつ当該燃料炭に熱交換部を直接接する構成としたので、過熱蒸気を発生させるボイラ装置の熱交換率を高めることができる。このため、より短時間で有機性廃棄物を炭化させる過熱蒸気を生成できるので、効率的に有機性廃棄物を燃料炭等に再資源化することができる。

本発明の一実施形態に係るボイラ装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るボイラ装置を備える炭化システムの概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

まず、本発明の一実施形態に係るボイラ装置の構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るボイラ装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態のボイラ装置１０４は、ボイラ燃料として固形燃料である燃料炭Ｃ１０を使用して、当該燃料炭Ｃ１０に熱交換部１３２、１３４が直接接する構成とすることによって、熱交換率を向上させて、例えば１０００〜１５００度の過熱蒸気を効率的に生成可能としたことを特徴とする。

本実施形態では、ボイラ装置１０４は、図１に示すように、チャンバ１３０と、水蒸気生成部１３２と、過熱蒸気生成部１３４と、燃料炭供給装置１３８と、水予熱部１４０と、酸素予熱部１４２と、酸素供給部１４４とを備える。これら構成要素のうち、水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４は、チャンバ１３０の底部側に設けられ、水予熱部１４０と酸素予熱部１４２は、チャンバ１３０の頂部側に設けられる。また、ボイラ装置１０４のチャンバ１３０の頂部側には、燃焼排ガスを排出するための排出口１４７が設けられ、チャンバ１３０の底部側には、燃焼後の燃料炭Ｃ１０の残渣となる燃え殻を排出するための排出口１４８が設けられる。

チャンバ１３０は、炭素鋼、モリブテン鋼等からなるボイラ鋼板やＳＵＳ等の耐熱性を有する金属で生成され、燃料としてブロック状の固形燃料の燃料炭が投入され、当該燃料炭が焼却される焼却炉となる略円筒形状の焼却空間である。本実施形態では、前述したように、炭化炉１０２で生成された燃料炭の一部（例えば、１０％程度）を燃料に利用する。燃料炭Ｃ１０は、投入口１３９からベルトコンベア等からなる燃料炭供給装置１３８によって、チャンバ１３０の内部に定量的に供給される。なお、チャンバ１３０は、材料コストの面からボイラ鋼板で生成されることが好ましい。

チャンバ１３０の底部側には、ボイラ鋼板から形成される水冷パイプや耐熱鋳鋼により構成される格子状のロストル１３１が設けられ、投入された燃料炭が当該ロストル１３１に載置される。チャンバ１３０内に投入された燃料炭Ｃ１０は、ロストル１３１上に積層され、酸素供給部１４４から吹き込まれた酸素で燃焼してロストル１３１上にコークスベットを形成し、その燃焼熱で熱交換部１３２、１３４での水や水蒸気等の流体との熱交換が行われる。本実施形態では、各熱交換部１３２、１３４が燃焼する燃料炭Ｃ１０と直接接するようにするために、燃料炭Ｃ１０が少なくとも過熱蒸気生成部１３４に到達する位置まで投入される。

酸素供給部１４４は、チャンバ１３０内に投入された燃料炭Ｃ１０を燃焼させる酸素を少なくとも含むガスを供給する。本実施形態では、図１に示すように、酸素供給部１４４として、ロストル１３１の下側には、複数の給気ノズル１４４ａ１を備えた酸素給気管１４４ａが設けられ、チャンバ１３０の側壁側には、複数の給気ノズル１４４ｂ１を備えた酸素ヘッダー１４４ｂが設けられている。

このように、酸素供給部１４４は、チャンバ１３０の底面側及び側面側に設けられた複数のノズルである給気ノズル１４４ａ１、１４４ｂ１を介して、酸素を少なくとも含むガスを燃料炭Ｃ１０に供給する。このため、よりチャンバ１３０内の燃料炭Ｃ１０を効率的に燃焼させて、熱交換部１３２、１３４内の水や水蒸気を効率的に昇温するので、短時間で効率的に過熱蒸気を生成できる。なお、酸素供給部１４４から供給される酸素ガスは、チャンバ１３０の頂部側に設けられた酸素予熱部１４２で予熱されてから、チャンバ１３０内に供給される。なお、本実施形態では、排ガス量を抑えて燃料炭Ｃ１０の燃焼温度を上げるために、空気から分離させて酸素濃度を高めたガスをチャンバ１３０内の燃料炭Ｃ１０に供給しているが、燃料炭Ｃ１０を燃焼させるためには、少なくとも酸素を含んでいればよいので、酸素供給部１４４は、空気を燃料炭Ｃ１０に供給してもよい。

水蒸気生成部１３２は、図１に示すように、ロストル１３１よりチャンバ１３０の頂部側に設けられ、温水タンク１４６から給水された水（温水）とロストル１３１に載置された燃料炭Ｃ１０との熱交換によって水蒸気を生成する熱交換部として機能する。本実施形態では、水蒸気生成部１３２は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１０等の耐熱性及び伝熱性を有する金属等からなる鉛直円筒管である伝熱管となるパイプを所定の間隔で複数本、略平行に設けることにより形成される平行パネル１３２ａが複数並設することにより構成される。水蒸気生成部１３２は、それぞれの平行パネル１３２ａ内に温水タンク１４６から供給される温水が流れる構成となっている。

そして、これら平行パネル１３２ａの間に適度のサイズのブロック状の燃料炭Ｃ１０を落下させて、酸素供給部１４４からの酸素ガスの供給量や供給速度の調整によって、燃料炭Ｃ１０の燃焼温度を変えて、燃料炭Ｃ１０と平行パネル１３２ａを流れる温水との熱交換が行われる。このように、投入した燃料炭Ｃ１０が所定間隔で設けられた平行パネル１３２ａ間に落下することによって、燃料炭Ｃ１０が各平行パネル１３２ａのぞれぞれと接触し易くなるので、燃料炭Ｃ１０の燃焼熱がこれら平行パネル１３２ａに伝導し易くなり、水蒸気生成部１３２の熱交換率が向上する。

なお、水蒸気生成部１３２は、ＳＵＳ等の耐熱性及び伝熱性を有する金属等から形成され、内部に水や温水、水蒸気等の流体を流せるものであれば、鉛直円筒管である伝熱管となるパイプを所定の間隔で複数本、略平行に設けることにより形成される平行パネル１３２ａに限定されない。すなわち、耐熱性及び伝熱性を有する金属等から形成され、内部に水や温水、水蒸気等の流体を流せるものであれば、四角柱形状のパイプから形成されるものや、管状部材のユニットでなくパネル形状等の他の態様のものを使用してもよい。

本実施形態では、ボイラ装置１０４の燃料として固形燃料の燃料炭Ｃ１０を使用し、燃料炭供給装置１３８から供給された燃料炭Ｃ１０がロストル１３１上に積層されて、当該燃料炭Ｃ１０が固体のまま燃焼してコークスベットを形成している。そして、水蒸気生成部１３２を構成する各平行パネルがコークスベットを形成する燃料炭Ｃ１０を貫通するように構成され、当該各平行パネルが当該コークスベットと接触する構成となっている。

このため、ロストル１３１上に固体のまま燃焼している燃料炭Ｃ１０が細かく灰となって、ロストル１３１の格子口から排出口１４８に落下するまでの間、当該燃料炭Ｃ１０が水蒸気生成部１３２と常に接触する状態となっている。すなわち、水蒸気生成部１３２が燃料炭Ｃ１０と接触している間は、燃料炭Ｃ１０から発生する燃焼熱を水蒸気生成部１３２に直接伝導することになる。

従って、従来のボイラで使用されている気体燃焼ガスでの熱交換と比べて、本実施形態のボイラ装置１０４の水蒸気生成部１３２は、滞留時間が長い固体燃料の燃焼熱を取り出して、加熱対象となる温水が流れる平行パネルに直接伝導するので、より高い熱伝導率が確保される。また、水蒸気生成部１３２内の温水に当該燃焼熱を伝達するので、より短時間で効率的に水蒸気を生成できる。さらに、ボイラ装置１０４の燃料となる燃料炭Ｃ１０は、燃焼後の残渣となる燃え殻がわずかな灰のみとなるので、その処理も容易となる。

過熱蒸気生成部１３４は、水蒸気生成部１３２で生成された水蒸気が流れて、チャンバ１３０内のロストル１３１に積層された燃料炭Ｃ１０との熱交換によって、例えば１５００度と高温な過熱蒸気を生成する熱交換部として機能する。過熱蒸気生成部１３４は、図１に示すように、水蒸気生成部１３２よりチャンバ１３０の頂部側に設けられた略直線形状の管状部材であり、当該管状部材内に水蒸気生成部１３２で生成された水蒸気が流れる構成となっている。

本実施形態では、加熱蒸気生成部１３４は、少なくとも１０００度以上の過熱蒸気を生成する高温環境下での使用に耐える態様とするために、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１０等の耐熱性を有する合金を主成分として形成される。特に、耐熱性能面及びコスト面から、過熱蒸気生成部１３４は、ハステロイ（登録商標）等の析出硬化型のニッケル基合金を主成分として形成されることが好ましい。

また、水蒸気滞留部１３５から加熱蒸気生成部１３４に供給される飽和水蒸気は、温水タンク１４６から水蒸気生成部１３２に供給される温水よりも格段に温度が高い。すなわち、水蒸気生成部１３２は、温水タンク１４６から供給される温水がせいぜい１００度前後であり、その温度上昇の上限がそれ程高くならないことから、いわゆる片面加熱の状態となり、その配管が熱で溶解するリスクが少ない。これに対して、加熱蒸気生成部１３４は、１０００度以上の超高温の過熱蒸気を通すことから、水蒸気生成部１３２と同じ材質で生成すると、その構成する配管が熱で溶解することが懸念される。このため、本実施形態では、加熱蒸気生成部１３４は、水蒸気生成部１３２よりも耐熱性が優れた材質で生成する必要があることからも、ハステロイ（登録商標）等の析出硬化型のニッケル基合金を主成分として形成するようにしている。

また、過熱蒸気生成部１３４は、上述したように１０００度以上の超高温の過熱蒸気を生成する高温環境下で使用されることから摩耗し易い部位なので、例えば、３〜４か月に１回程度の定期的な交換が必要となる。このため、過熱蒸気生成部１３４は、取り付け・取り外しの交換を容易にするために、シンプルな略直線形状の管状部材から構成される。

管状部材から構成される過熱蒸気発生部１３４は、図１に示すように、チャンバ１３０の幅方向Ｘに延出して、コークスベットを形成する燃料炭Ｃ１０を貫通するように設けられている。このため、ロストル１３１上に固体のまま燃焼している燃料炭Ｃ１０から発生する燃焼熱が過熱蒸気生成部１３４に直接伝導することになるので、より短時間で効率的に過熱蒸気を生成できる。

水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４との間には、図１に示すように、水蒸気生成部１３２で生成された水蒸気を滞留させる水蒸気滞留部１３５が設けられている。水蒸気滞留部１３５では、水蒸気生成部１３２で生成された水蒸気が送られて、一旦、滞留される。そして、水蒸気滞留部１３５で滞留された水蒸気が飽和蒸気となって、過熱蒸気生成部１３４に供給される。

水予熱部１４０は、供給源となる軟水器１５１（後述の図２参照）を経て供給される水をボイラ装置１０４で発生した高温の燃焼排ガスとの熱交換によって温水にする機能を有する。本実施形態では、水予熱部１４０は、チャンバ１３０の頂部側に設けられ、軟水器１５１から水が給水される水予熱室１４０ａに、チャンバ１３０内の燃焼排ガスを通過させる排ガス流路１４０ｂが設けられる構成となっている。水予熱部１４０をこのような構成とすることによって、燃焼排ガスが排ガス流路１４０ｂを通過する際に、水予熱室１４０ａ内の水を当該燃焼排ガスの熱エネルギーを伝達して熱交換が行われる。

このように、水予熱部１４０で水蒸気生成部１３２に給水する水を燃焼排ガスで事前に温めることによって、当該燃焼排ガスに含まれる熱エネルギーを有効活用しながら、過熱蒸気の元となる水蒸気をより効率的に生成できるようになる。水予熱部１４０で生成された温水は、図１に示すように、ウォータージャケット１３３に供給される。

酸素予熱部１４２は、酸素分離装置１２２から供給された酸素ガスをボイラ装置１０４で発生した高温の燃焼排ガスとの熱交換によって予熱する機能を有する。本実施形態では、酸素予熱部１４２は、チャンバ１３０の頂部側の水予熱部１４０の下側に設けられ、酸素分離装置１２２（後述の図２参照）から酸素ガスが給水される酸素予熱室１４２ａに、チャンバ１３０内の燃焼排ガスを通過させる排ガス流路１４２ｂが設けられる構成となっている。

酸素予熱部１４２をこのような構成とすることによって、燃焼排ガスが排ガス流路１４２ｂを通過する際に、酸素予熱室１４２ａ内の酸素ガスを当該燃焼排ガスの熱エネルギーを伝達して熱交換が行われる。そして、酸素予熱部１４２で予熱された酸素ガスは、酸素供給部１４４からロストル１３１に載置された燃料炭に供給される。

このように、酸素予熱部１４２で水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４に供給する酸素ガスを燃焼排ガスで事前に温めることによって燃料炭をより燃焼し易くするので、当該燃焼排ガスに含まれる熱エネルギーを有効活用しながら、過熱蒸気をより効率的に生成できるようになる。なお、本実施形態では、水予熱部１４０の排ガス流路１４０ｂと酸素予熱部１４２の排ガス流路１４２ｂは、連結されて共通の流路となっている。

水予熱部１４０と酸素予熱部１４２が設けられている頂部側を除くチャンバ１３０の外周面側には、チャンバ１３０の内壁を燃料炭Ｃ１０の燃焼熱から保護するために、冷却機能を有するウォータージャケット１３３が設けられている。ウォータージャケット１３３は、チャンバ１３０の外周面に沿って二重構造の空間となっており、当該空間に水予熱室１４０で生成された温水が供給される。また、本実施形態では、図１に示すように、温水タンク１４６や水蒸気滞留部１３５等のボイラ装置１０４のチャンバ１３０の外側に有する各構成要素は、グラスウール等の保温材１３７に覆われており、ボイラ装置１０４内の各構成要素の熱エネルギーが放熱されて損失することを抑制している。

なお、本実施形態では、チャンバ１３０の外壁等から放射するエネルギーより、チャンバ１３０内での燃料炭Ｃ１０の燃焼により発生する排ガスから排出されるエネルギーの方が遥かに大きいので、当該排ガスは、水予熱部１４０で軟水器１５１（後述の図２参照）から供給される常温の水で冷却する。これに対して、チャンバ１３０の外壁は、当該外壁等からの放射熱が排ガスから排出される燃焼熱より遥かに小さいので、水予熱部１４０で生成された温水を使用しても、当該放射熱を抑制する効果を十分に得られる。すなわち、水予熱部１４０での熱交換で発生した温水も有効活用して、より少ない損失で水蒸気に熱エネルギーを供給することができる。

このように、本実施形態では、ボイラ装置１０４は、水や水蒸気等の水を主成分とする流体を流す熱交換部１３２、１３４がロストル１３１に載置された燃料炭を貫通して、燃焼する燃料炭と直接接する構成となっている。このため、燃焼する燃料炭Ｃ１０に水蒸気生成部１３２が直接接することによって、水蒸気生成部１３２内に流れる水を直接加熱して熱効率よく水蒸気を生成する。

そして、燃焼する燃料炭Ｃ１０に過熱蒸気生成部１３４が直接接することによって、過熱蒸気生成部１３４内に流れる水蒸気を直接加熱して熱効率よく過熱蒸気を生成できるようになる。すなわち、本実施形態のボイラ装置１０４は、水蒸気の生成と過熱蒸気の生成を水蒸気生成部１３２による水蒸気の生成と、過熱蒸気生成部１３４による過熱蒸気の生成の２段階に分けて、水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４のそれぞれを直接燃料炭Ｃ１０と接触させることによって効率的に水蒸気及び過熱蒸気を生成可能としている。

従来のボイラ装置では、固体燃料を使用した場合も含めて、燃料を加熱して燃焼した際に発生する燃焼排ガスと水との熱交換による水蒸気生成が行われていた。燃焼用酸素を酸素濃度２０重量％の空気に依存する限り、燃料と空気の供給量を増やしても、排気量が増すだけで、燃焼排ガスの温度は上がらない。また、気体と金属製の伝熱管の接触で熱を伝える従来の熱交換器では、気体の低い熱伝導率に支配され、多量の熱が大気中に無駄に排出されるので、熱交換率を高めるのに限界があった。

これに対して本実施形態では、ボイラ装置１０４の燃料として固形燃料の燃料炭Ｃ１０を使用し、水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４が燃焼する燃料炭Ｃ１０から形成されるコークスベットを貫通するように構成されている。このため、燃料炭Ｃ１０の燃焼により発生した燃焼熱をそのまま直に水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４の加熱に利用するので、当該燃焼熱のロスを最小限に抑えて、より短時間で効率的に水蒸気と過熱蒸気を生成できる。

また、本実施形態では、ボイラ装置１０４は、少なくとも１０００度以上の過熱蒸気を生成するために、１０００度以上に高温加熱して、熱交換部となる水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４で熱交換している。物体間の熱移動は、物体間の温度差（差は摂氏でも絶対温度でも同じ）に比例する伝導と、絶対温度（摂氏温度＋２７３度）の４乗に比例する放射伝達があり、放射伝達は、各物体の放射量の差が作用する。また、同じ温度でも物体によって放射強度が変わる。一般に質量の大きい物体ほど、熱電導率、放射率ともに大きい。このため、低温では伝導が効くが、２７３絶対温度を大きく超える状態では、放射が伝導をしのぐようになる。従って、１０００度以上の高温に加熱された燃料炭Ｃ１０の燃焼熱が水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４に伝導し易くなる。また、固体間の放射は、一方が高温の気体や液体の場合よりも、放熱、受熱共に大きくなるので、本実施形態の熱交換部となる水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４は、より高い熱交換率を確保できるようになる。

さらに、本実施形態のボイラ装置１０４は、短時間で効率的に例えば１５００度と高温な過熱蒸気を生成できるので、後述する有機性廃棄物を加熱処理して再資源化する炭化システム１００の炭化炉１０２に供給する過熱蒸気の生成ボイラとして適用できる。特に、本実施形態のボイラ装置１０４は、少なくとも１０００度以上の過熱蒸気を生成できるので、再資源化する有機性廃棄物に放射性セシウムが含有している場合に、過熱蒸気で加熱処理する過程で当該放射性セシウムを当該有機性廃棄物から除去することができる。なお、本実施形態のボイラ装置１０４は、炭化システム１００の炭化炉１０２に供給する過熱蒸気の生成用ボイラ以外にも、他の目的・用途で使用する過熱蒸気を生成するボイラとして適用可能である。

次に、本発明の一実施形態に係る炭化システムの概略構成について、図面を使用しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るに係るボイラ装置を備える炭化システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図２では、炭化システム１００の各構成要素間に設けられる水や水蒸気、酸素ガス、窒素ガス等の流体を流すための管路Ｌ１〜Ｌ２０に備わるポンプやバルブの表示を省略している。

本実施形態に係る炭化システム１００は、炭化炉１０２内の酸素を絶って、高温に熱した水蒸気によって間伐材や建築廃材等の有機性廃棄物を燃焼させずに炭化する原理を利用して、当該有機性廃棄物を木炭や黒炭等の燃料炭Ｃ１０（図１参照）に再資源化するシステムである。本実施形態の炭化システム１００は、過熱蒸気を発生させるボイラ装置１０４の熱交換率を高めて、より効率的に有機性廃棄物を炭化させるために、炭化システム１００で再資源化された燃料炭の一部をボイラ装置１０４の燃料とすることと、燃焼している当該燃料炭でボイラ装置１０４の熱交換部１３２、１３４を直接温めて熱交換することを特徴とする。

炭化システム１００は、図２に示すように、炭化炉１０２と、ボイラ装置１０４と、コンデンサ１０６と、スクラバ装置１０８と、沈殿分離器１１０と、制御部１１２と、発電機１５０とを備える。当該炭化システム１００は、有機性廃棄物から燃料炭Ｃ１０に再資源化する過程において発生する排ガスや排水に含まれる熱を再利用して、資源やエネルギーのゼロエミッション化を図れるように構成されている。以下、炭化システム１０に備わる各構成要素の構成、機能、及び動作等の詳細について説明する。

炭化炉１０２は、ホッパー部１１４から投入される間伐材や建築廃材等の有機性廃棄物を過熱蒸気で加熱処理して黒炭等の燃料炭Ｃ１０を生成する。炭化炉１０２は、例えば１０ｍ^３程度の容積を有する炉本体１０３内に設けられたステンレス等の耐熱性金属で形成された籠体１１６に有機性廃棄物を充填し、ボイラ装置１０４で生成された過熱蒸気をボイラ装置１０４と炭化炉１０２の間に備わる電磁加熱器１２４でその温度を微調整しながら、例えば１５００度と少なくとも１０００度以上に加熱したものを供給して、当該有機性廃棄物を加熱処理する。

電磁加熱器１２４による過熱蒸気の温度微調整は、炭化炉１０２の温度調整で飽和蒸気を生成する水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４の温度調整から調整しきれない過熱蒸気の炭化炉側オーダーが発生した場合に必要となる。電磁加熱器１２４は、瞬間対応に優れていることから、瞬時に水蒸気温度を変えられるので、例えば、水蒸気の温度調整の１０％くらいを微調整するために使用される。電磁加熱器１２４では、少なくとも１０００度以上の加熱が可能であり、２０００度くらいまでの加熱が可能である。なお、過熱蒸気は、電磁加熱器１２４以外の他の加熱手段で加熱するようにしてもよい。

炭化炉１０２に投入された有機性廃棄物を過熱蒸気で加熱処理することによって、当該有機性廃棄物に含まれる炭化水素ガス分を除去して、残りの残留分に含まれる固形炭素分が燃料炭Ｃ１０となる。すなわち、炭化炉１０２は、ボイラ装置１０４から供給された過熱蒸気が籠体１１６に充填された有機性廃棄物の間隙を通過して、３時間程度の加熱処理で均質な木炭や黒炭等の燃料炭Ｃ１０を生成する。

このように、本実施形態では、炭化炉１０２への熱流媒体に高温に加熱した水蒸気を使用して、かかる高温蒸気を透過させて加熱対象を蒸す透過蒸篭方式で高速かつ均質に加熱する。水蒸気は、他の気体に比べ、重量や温度の単位（ｇ、℃）当たりの熱輸送量が多く、熱伝導率が大きいので、当該透過蒸篭方式による高速・均質加熱に適している。

また、本実施形態では、炭化炉１０２で加熱処理の開始時に炭化処理対象となる有機性廃棄物への着火防止のために、炭化炉１０２内の空気を窒素ガスに置換する。具体的には、酸素分離装置１２２がボイラ装置１０４で燃料炭の燃焼の際に使用する酸素を空気から分離して生成した際に、窒素を主成分とする残りガスを炭化炉１０２に供給する。

そして、有機性廃棄物を短時間で高温加熱した後に、炉本体１０３の頂部側に有する流体ノズル１１８から微水滴を加熱処理により生成された燃料炭Ｃ１０に向けて噴入して、当該微水滴の蒸発によって、生成された高温の燃料炭Ｃ１０を強制冷却する。なお、炭化炉１０２に供給される微水滴は、貯水タンク１２１から供給される水が酸素分離装置１２２で生成された窒素ガスの一部を移動媒体にして、消火用水として噴射される。

炭化炉１０２で有機性廃棄物を炭化処理した際に排出される炭化水素ガス分のうち、気体の部分となる排ガスは、コンデンサ１０６に誘導されて、水との熱交換により液体に凝縮させる。また、炭化炉１０２で有機性廃棄物を炭化処理した際に排出される炭化水素ガス分の液体の部分を含む排液は、沈殿分離器１１０に誘導される。なお、コンデンサ１０６と沈殿分離器１１０に関しては、後述する。

このようにして本実施形態では、無酸素環境下で１０００度以上の高温に加熱した水蒸気である過熱蒸気を供給することによって、短時間で効率的に有機性廃棄物を燃料炭Ｃ１０に再資源化できる。なお、本実施形態では、炭化炉１０２で生成された燃料炭Ｃ１０は、ストックヤード１２６に保管され、当該燃料炭の一部がボイラ装置１０４の燃料として利用される。

また、本実施形態では、炭化炉１０２では、無酸素環境下で１０００度以上の高温に加熱した過熱蒸気を有機性廃棄物に供給するので、有機性廃棄物に放射性セシウムが含有されている場合に、当該放射性セシウムを除去することができる。放射性物質に汚染された廃木やバーク材等の有機性廃棄物に含まれる酸化セシウムが１０００度以上の過熱蒸気に接すると、酸化セシウムが水酸化セシウムに反応する。当該水酸化セシウムは、沸点が９９０度と高く、水に可溶性の物質のため、１０００度以上の高温に加熱された水蒸気に溶けて、過熱蒸気に取り込まれるようになる。すなわち、過熱蒸気で炭化処理される有機性廃棄物から生成される燃料炭Ｃ１０は、放射性セシウムが除去された良質なものとなる。

このため、放射性セシウムに汚染された建築廃材や、廃木、バーク材を加熱処理して生成した燃料炭Ｃ１０が放射性セシウムを完全に除去した良質な燃料炭Ｃ１０となっているので、ユーザが本実施形態の炭化システム１００により生成された燃料炭Ｃ１０を燃料として安心して利用できる。また、放射性セシウムを取り込んだ過熱蒸気は、図２に示すように、後続のコンデンサ１０６において水との熱交換によって液化され、その廃液が沈殿分離器１１０に送られる。

そして、過熱蒸気に取り込まれた放射性セシウムは、廃液中のタール側に含まれるようになり、当該タール液が濃縮器１６２で更に濃縮されて、タール塊となって排出されるようになる。すなわち、放射性セシウムに汚染された建築廃材や、廃木、バーク材を１０００度以上の過熱蒸気で加熱処理して燃料炭Ｃ１０に再資源化する過程において、付随的に当該放射性セシウムを確実に除去して、効率的に回収することができる。

このようにして、本実施形態では、有機性廃棄物に含まれる酸化セシウムを過熱蒸気により水酸化セシウムにして、当該水酸化セシウムを気化させることで、再資源化の対象物となる有機性廃棄物から除去する。そして、除去された水酸化セシウムは、後述するように、コンデンサ１０６により液体に戻り、酢液またはタールに含有され、濃縮器１６２で低温濃縮することで、小さな体積のタール固形分として濃縮することができる。

従来では、放射性セシウムを濃縮した形で取り除くためには、ゼオライトやプルーシャンブルー等の吸着剤を使用していたが、当該吸着剤で放射性セシウムを除去するには、除去するセシウム量よりも何倍もの多量のゼオライト等の吸着剤を必要とされていた。このため、吸着剤自体の体積や重量も多くなるので、セシウム吸着後の処分が課題となり、また、材料コストも高くなることが課題となっていた。

これに対して、本実施形態では、炭化システム１００による有機性廃棄物を加熱処理して再資源化する過程で、燃料炭Ｃ１０を生成しながら放射性セシウムを除去することができる。すなわち、有機性廃棄物を加熱処理して燃料炭Ｃ１０に再資源化する過程において、付随的に放射性セシウムを除去できるので、セシウム除去に向けて余分なランニングコストをかけることなく、有機性廃棄物に含まれるセシウムの除去を行える。

また、今まで炭化対象外となっていた放射性セシウムが付着した廃材も発電機１５０によるバイオマス発電に利用しながら、セシウムが除去された良質な燃料炭Ｃ１０に再資源化することができる。さらに、除去するセシウムを過熱蒸気に吸着させてから除去するので、セシウムを吸着させる物質の体積自体もゼオライト等の吸着剤を利用する場合より小さくできる。

ボイラ装置１０４は、炭化炉１０２内に投入された炭化処理対象となる有機性廃棄物に供給する過熱蒸気を生成する。本実施形態では、ボイラ装置１０４は、図２に示すように、チャンバ１３０と、水蒸気生成部１３２と、過熱蒸気生成部１３４と、燃料炭供給装置１３８と、水予熱部１４０と、酸素予熱部１４２と、酸素供給部１４４とを備える。

チャンバ１３０は、炭化炉１０２で生成された燃料炭Ｃ１０の一部がボイラ装置１０４の燃料として投入され、当該燃料炭Ｃ１０が焼却される焼却炉となる略円筒形状の焼却空間である。すなわち、本実施形態のボイラ装置１０４は、炭化炉１０２で生成された燃料炭Ｃ１０の一部（例えば、１０％程度）を燃料に利用する。

炭化炉１０２で生成された燃料炭Ｃ１０は、ストックヤード１２６で保管され、その一部がホッパー部１３６を介してベルトコンベア等の燃料炭供給装置１３８に供給される。そして、当該燃料炭供給装置１３８によって、チャンバ１３０の内部に定量的に供給される。チャンバ１３０の底部側には、格子状のロストル１３１が設けられ、投入された燃料炭Ｃ１０が当該ロストル１３１に載置される。

図２に示すように、ロストル１３１の下側には、酸素供給部１４４が設けられ、ロストル１３１に載置された燃料炭Ｃ１０を燃焼させる酸素が供給される。本実施形態では、ボイラ装置１０４の燃料となる燃料炭Ｃ１０を燃焼させる際に、燃料炭Ｃ１０の燃焼熱を上げるために、酸素分離装置１２２で空気から分離させて生成した酸素ガスを供給する。

一般的に、固体の燃焼温度は、通過するガス量に反比例するので、本実施形態では、排ガス量を抑えて燃料炭Ｃ１０の燃焼温度を上げるために、空気から分離させて濃度を高めた酸素を直接チャンバ１３０内の燃料炭に供給する。その際に、酸素分離装置１２２から供給された酸素は、チャンバ１３０の頂部側に設けられた酸素予熱部１４２で予熱された酸素ガスが酸素供給部１４４から供給される。

水蒸気生成部１３２は、図２に示すように、ロストル１３１よりチャンバ１３０の頂部側に設けられ、給水された水とロストル１３１に載置された燃料炭との熱交換によって水蒸気を生成する熱交換部として機能する。水蒸気生成部１３２で生成された水蒸気は、水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４との間に設けられる水蒸気滞留部１３５に滞留される。過熱蒸気生成部１３４は、水蒸気生成部１３２よりチャンバ１３０の頂部側に設けられ、当該水蒸気生成部１３２で生成された水蒸気とロストル１３１に載置された燃料炭との熱交換によって過熱蒸気を生成する熱交換部として機能する。

なお、水蒸気滞留部１３５での水蒸気の滞留によって生成された水は、復水タービン１５６に送られて復水タービン発電機１５８に利用されてから復水タンク１６０に送られる。そして、再び温水タンク１４６に供給され、過熱蒸気の生成に再利用される。復水タービン発電機１５８により生成された電力は、本実施形態の炭化システム１００に備わる各構成要素の制御や動作等に利用される。

本実施形態では、ボイラ装置１０４は、前述したように、水や水蒸気等の水を主成分とする流体を流す熱交換部１３２、１３４がロストル１３１に載置された燃料炭Ｃ１０を貫通して、燃焼する燃料炭Ｃ１０と直接接する構成となっており、当該流体と熱交換をしながら過熱蒸気を生成することを特徴とする。すなわち、熱交換させる高熱側媒体を燃焼する燃料炭Ｃ１０にして、当該燃料炭Ｃ１０と熱交換部１３２、１３４の固体間の高熱伝導率と高放射率を生かして、燃料炭Ｃ１０の燃焼によって発生した燃焼熱を熱交換部１３２、１３４に伝導させて過熱水蒸気を発生させる。

また、チャンバ１３０の頂部側には、図２に示すように、熱交換部となる水蒸気生成部１３２に給水する水を予熱する水予熱部１４０と、酸素供給部１４４から供給する酸素を予熱する酸素予熱部１４２が設けられる。

水予熱部１４０は、水源１２０、貯水タンク１２１、軟水器１５１を経て供給される水をボイラ装置１０４で発生した高温の燃焼排ガスとの熱交換によって温水にする。すなわち、熱交換部となる水蒸気生成部１３２に給水する水を燃焼排ガスで事前に温めることによって、当該燃焼排ガスに含まれる熱エネルギーを有効活用しながら、過熱蒸気の元となる水蒸気をより効率的に生成できるようになる。そして、水予熱部１４０で生成された温水は、温水タンク１４６に送られて貯留されて、当該温水タンク１４６から水蒸気生成部１３２に供給される。

酸素予熱部１４２は、酸素分離装置１２２から供給された酸素ガスをボイラ装置１０４で発生した高温の燃焼排ガスとの熱交換によって予熱する。そして、酸素予熱部１４２で予熱された酸素ガスは、酸素供給部１４４からロストル１３１に載置された燃料炭に供給される。すなわち、熱交換部となる水蒸気生成部１３２と過熱蒸気生成部１３４に供給する酸素ガスを燃焼排ガスで事前に温めることによって燃料炭をより燃焼し易くするので、当該燃焼排ガスに含まれる熱エネルギーを有効活用しながら、過熱蒸気をより効率的に生成できるようになる。

ボイラ装置１０４の頂部側に有する排気口１４７側には、ボイラ装置１０４で発生した燃焼排ガスに含まれるＣＯガスを燃料ガスとして電力を発生させる発電機１５０が設けられる。発電機１５０は、ボイラ装置１０４を通過したＣＯガスを含む排ガスに酸素を追加供給して、略完全燃焼させた高温気体でディーゼルエンジンやガスタービンを駆動させることによる発電や、熱交換器１５２による別経路の水蒸気を使った発電により電力を発生させる。

発電機１５０により生成された電力は、本実施形態の炭化システム１００に備わる各構成要素の制御や動作等に利用される。例えば、当該電力の一部が電磁加熱器１２４による加熱水蒸気の温度調整や、炭化炉１０２の内外の温度や圧力の監視測定とそのデータによる各構成要素の自動調整、製炭終了後の余力を冷却水滴スプレーとなる流体ノズル１１８のための酸素分離装置１２２による窒素ガスの製造等に利用される。なお、発電機１５０や熱交換器１５２から排出される二酸化炭素は、排気筒１５４を介して大気に放出される。

コンデンサ１０６は、炭化炉１０２で有機性廃棄物を炭化処理した際に排出される炭化水素ガス分のうち、気体の部分となる排ガスを軟水器１５１から供給される水との熱交換により液体に凝縮させる機能を有する。また、コンデンサ１０６は、当該熱交換により炭化炉１０２を通過した水蒸気を含む排ガスからタールや木酢を凝縮させると共に、当該排ガスとの熱交換で得られた温水をボイラ装置１０４に戻す。

本実施形態では、より効率的にボイラ装置１０４の水蒸気生成部１３２で水蒸気を生成するために、コンデンサ１０６とボイラ装置１０４との間には、図２に示すように、コンデンサ１０６での水と排ガスとの熱交換で生成された温水を水蒸気生成部１３２に送水するための管路Ｌ１３が設けられている。このようにして、本実施形態では、コンデンサ１０６での熱交換で得られた熱エネルギーも、炭化炉１０２で使用する過熱蒸気を生成するのに有効活用している。

スクラバ装置１０８は、コンデンサ１０６からの排ガスを貯水タンク１２１から供給される水で洗浄する機能を有する。また、スクラバ装置１０８は、コンデンサ１０６からの排ガスを洗浄することによって、炭化炉１０２からの排ガスで熱交換するコンデンサ１０６内のガス抜きをして、炭化炉１０２内の温度を維持する役目も果たす。コンデンサ１０６からの排ガスには、タールや木酢等の炭化水素を始めとする有機性不純物の他に金属酸化物等の無機性不純物も含まれる。

スクラバ装置１０８は、コンデンサ１０６からの排ガスに含まれるこれら不純物を取り除くために、当該排ガスに水を噴射して洗浄する。スクラバ装置１０８で取り除かれた不純物のうち、無機性不純物は、セラミック汚染除去装置１６６に送られてから、誘引ファン１６７を経て排気される。一方、スクラバ装置１０８で取り除かれた不純物のうち、有機性不純物は、沈殿分離器１１０に送られる。

沈殿分離器１１０は、コンデンサ１０６で凝縮された凝縮液とスクラバ装置１０８からの廃液を回収して沈殿分離する機能を有する。沈殿分離器１１０は、コンデンサ１０６で凝縮された凝縮液とスクラバ装置１０８からの廃液を回収して、これらの混合液から比重分離によってタールと酢液を抽出する。比重の大きいタールは、濃縮器１６２で水分を除去してタール塊にしてから適宜処理される。

一方、タールより比重の小さい酢液は、沈殿分離器１１０で比重分離された時点では、水を含む希釈酢液となっているので、濃縮器１６４で水分を除去して酢液を生成し、当該酢液を工業材料等に適宜利用する。なお、沈殿分離器１１０で比重分離した後に濃縮器１６２、１６４で除去した水分は、図２に示すように、復水タンク１６０に送られてから温水タンク１４６に供給され、過熱蒸気の生成に再利用される。

制御部１１２は、ＣＰＵ等で構成されており、不図示の記憶部に記憶された各種プログラムを実行することにより、炭化システム１００に備わる炭化炉１０２やボイラ装置１０４を始めとする各構成要素の動作制御等を行う。また、制御部１１２は、炭化システム１００の各構成要素間に設けられる水や水蒸気、酸素ガス、窒素ガス等の流体を流すための管路Ｌ１〜Ｌ２０に備わる不図示のポンプやバルブの動作制御等を行って、当該流体の流量や流速等を調整する。

すなわち、制御部１１２が本実施形態の炭化システム１００に係る制御プログラムを実行することによって、燃料炭Ｃ１０の需要に応じて、その出力を自動調整できるようになる。また、制御部１１２は、過熱蒸気の逆流を防ぐために、炭化炉１０２の内圧を外気の圧力より常に高くする必要があるので、炭化処理対象となる有機性廃棄物の炭化の進行状態に応じて、ボイラ装置１０４と炭化炉１０２との間に有する管路Ｌ１に備わる不図示のポンプやバルブの動作制御等を行って、過熱蒸気の圧力を調整する。

さらに、過熱蒸気の圧力を調整する際に、当該圧力を上げることによって過熱蒸気の体積当たりの重量となる密度が増えるので、過熱蒸気の体積当たりの運ぶエネルギーが大きくなる。このとき、蒸発潜熱も温度と共に大きくはなるが、それ程変わらないので、過熱蒸気の圧力を調整して上げることは、エネルギー効率的に温度の上限・エネルギー量の両方の面で有利となる。

また、本実施形態では、制御部１１２は、ボイラ装置１０４から炭化炉１０２に供給する過熱蒸気の温度を調整する。その際に、制御部１１２は、炭化炉１０２における有機性廃棄物の加熱処理によって燃料炭Ｃ１０を生成するために、過熱蒸気が少なくとも１０００度以上となるように温度を調整する。なお、有機性廃棄物を過熱蒸気で炭化処理して燃料炭Ｃ１０を生成するためには、過熱蒸気の温度は、少なくとも６００度以上あればよいが、本実施形態では、放射性セシウムが除去された良質な燃料炭Ｃ１０を生成するために、過熱蒸気の温度を少なくとも１０００度以上に加熱する。

具体的には、制御部１１２は、ボイラ装置１０４と炭化炉１０２の間に備わる管路Ｌ１に設けられる電磁加熱器１２４による設定温度の調整や、酸素分離装置１２２への空気供給量の調整によるボイラ装置１０４の燃料炭の燃焼温度を変えることによって、過熱蒸気の温度を所望の温度に調整する。例えば、過熱蒸気生成部１３４の出口に温度差を測定する熱電対という不図示の温度センサを設けて、設定温度に対していわゆる温度調節計である不図示のポジショナを用いて、空気（酸素）量を調整すべく不図示のコントロールバルブを自動制御し、積分値の大きさ次第で電磁加熱器１２４を作動させる。本実施形態では、放射性セシウムが含有されるような有機性廃棄物からでも、放射性セシウムが除去された良質な燃料炭Ｃ１０を生成するために、過熱蒸気を例えば１５００度と少なくとも１０００度以上になるように温度を調整する。

このとき、電磁加熱器１２４は、炭化炉１０２内の温度分布のモニターに従って、温度を一様にするため自動作動させるようになっている。また、電磁加熱器１２４は、瞬時に水蒸気温度を変えられる利点があるが、その分、電力コストが余分にかかる。このため、本実施形態では、炭化処理する過程で大半の加熱処理は、ボイラ装置１０４での過熱蒸気の生成に依存するが、温度が均質化された過熱蒸気に余裕があるため、過熱蒸気の加熱の１０％くらいは、電磁加熱器１２４で微調整することにしている。このようにして、本実施形態では、電磁加熱器１２４で少なくとも１０００度以上の温度に加熱して、２０００度くらいまでの加熱を可能としている。

このように、本実施形態の炭化システム１００は、炭化炉１０２で生成した燃料炭の一部を炭化炉１０２に供給する過熱蒸気を生成するボイラ装置１０４の燃料として利用している。そして、ボイラ装置１０４の熱交換部１３２、１３４がチャンバ１３０内で燃焼している固体燃料である燃料炭Ｃ１０と直接接する構成となっているので、燃料炭の燃焼による熱エネルギーの損失を最小限に抑制して熱交換がされるようになっている。このため、ボイラ装置１０４の熱交換部１３２、１３４の熱効率をより向上させられるので、短時間で効率的に過熱蒸気を生成して、当該過熱蒸気による加熱処理によって有機性廃棄物の再資源化の効率が良くなる。

また、当該炭化システム１００は、有機性廃棄物を過熱蒸気によって燃料炭に再資源化する過程で発生する排ガスの熱エネルギーも利用して、ボイラ装置１０４の熱交換率を高めることによって、燃料炭Ｃ１０の生産効率を向上させている。すなわち、炭化システム１００で有機性廃棄物を再資源化する過程において、排出される排ガスに含まれる熱エネルギーを有効活用して、良質な燃料炭Ｃ１０を効率的に生成可能としている。このため、炭化システム１００で再資源化された燃料炭Ｃ１０を燃料として利用することも含めて、ボイラ装置１０４の燃料コストも抑制できる。

さらに、本実施形態の炭化システム１００は、炭化炉１０２の炉本体１０３の容積が１０ｍ^３程度の比較的中小規模のプラントとなるので、炭化システム１００の各構成要素を別個に分けて移動させてから、その移動先に簡易に設置することも可能である。このため、間伐材や建築廃材等の有機性廃棄物が多く排出される山間部等の地域に、本実施形態の炭化システム１００を設置することにより、当該有機性廃棄物となる原木集積の経費と時間を省いて、効率的に燃料炭Ｃ１０に再資源化できるようになる。そして、燃料炭Ｃ１０に再資源化する原料となる周辺の原木や建築廃材等の有機性廃棄物が尽きれば、他地域に移動して、当該他地域で有機性廃棄物を再資源化できる。このため、有機性廃棄物を燃料炭Ｃ１０に再資源化する炭化システム１００をニーズに応じて設置可能となるので、生成された有機性廃棄物を削減しながら燃料炭Ｃ１０として有効活用できるようになる。

なお、上記のように本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、ボイラ装置及び炭化システムの構成、動作も本発明の一実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１００ 炭化システム、１０２ 炭化炉、１０３ 炉本体、１０４ ボイラ装置、１０６ コンデンサ、１０８ スクラバ装置、１１０ 沈殿分離器、１１２ 制御部、１１４ ホッパー部、１１６ 籠体、１１８ 流体ノズル、１２０ 水源、１２１ 貯水タンク、１２２ 酸素分離装置、１２４ 電磁加熱器、１２６ ストックヤード、１３０ チャンバ、１３１ ロストル、１３２ 水蒸気生成部（熱交換部）、１３２ａ 平行パネル、１３３ ウォータージャケット、１３４ 過熱蒸気生成部（熱交換部）、１３５ 水蒸気滞留部、１３６ ホッパー部、１３７ 保温材、１３８ 燃料炭供給装置、１３９ 投入口、１４０ 水予熱部、１４０ａ 水予熱室、１４０ｂ 排ガス流路、１４２ 酸素予熱部、１４２ａ 酸素予熱室、１４２ｂ 排ガス流路、１４４ 酸素供給部、１４４ａ 酸素給気管、１４４ｂ 酸素ヘッダー、１４４ａ１、１４４ｂ１ 給気ノズル、１４６ 温水タンク、１４７ （燃焼排ガスの）排出口、１４８ （燃え殻の）排出口、１５０ 発電機、１５１ 軟水器、１５２ 排熱交換器、１５４ 排気塔、１５６ 復水タービン、１５８ 復水タービン用発電機、１６０ 復水タンク、１６２ （タール用）濃縮器、１６４ （酢液用）濃縮器、Ｃ１０ 燃料炭、Ｌ１〜Ｌ２０ 管路

Claims (10)

1. 過熱蒸気を生成するボイラ装置であって、
   燃料として燃料炭が投入されるチャンバと、
   前記チャンバ内に投入された前記燃料炭を燃焼させる酸素を少なくとも含むガスを供給する酸素供給部と、
   前記チャンバの底部側に設けられ、投入された前記燃料炭を載置するロストルと、
   水を主成分とする流体が流れ、前記ロストルに載置された前記燃料炭と直接接する構成として前記流体と熱交換をしながら前記過熱蒸気を生成する熱交換部と、を備えることを特徴とするボイラ装置。
2. 前記熱交換部は、
   前記ロストルより前記チャンバの頂部側に設けられ、給水された水と前記ロストルに載置された前記燃料炭との熱交換によって水蒸気を生成する水蒸気生成部と、
   前記水蒸気生成部より前記チャンバの頂部側に設けられ、前記水蒸気と前記ロストルに載置された前記燃料炭との熱交換によって前記過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成部と、を備え、
   前記水蒸気生成部と前記過熱蒸気生成部との間には、該水蒸気生成部で生成された前記水蒸気を滞留させる水蒸気滞留部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のボイラ装置。
3. 前記過熱蒸気生成部では、少なくとも１０００度以上の過熱蒸気が生成され、
   前記過熱蒸気生成部は、耐熱性を有する合金を主成分として形成される略直線形状の管状部材から構成されることを特徴とする請求項２に記載のボイラ装置。
4. 前記過熱蒸気生成部を構成する前記管状部材は、析出硬化型のニッケル基合金を主成分として形成されることを特徴とする請求項３に記載のボイラ装置。
5. 前記酸素供給部は、前記チャンバの底面側及び側面側に設けられた複数のノズルを介して、前記燃料炭に前記酸素を少なくとも含む前記ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のボイラ装置。
6. 前記チャンバの頂部側には、前記熱交換部に給水する前記水を予熱する水予熱部と、前記酸素供給部から供給する前記酸素を少なくとも含む前記ガスを予熱する酸素予熱部が設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のボイラ装置。
7. 有機性廃棄物を過熱蒸気で加熱処理して燃料炭に再資源化する炭化システムであって、
   前記有機性廃棄物を加熱処理して前記燃料炭を生成する炭化炉と、
   水を主成分とする流体が流れる熱交換部での熱交換によって前記炭化炉内の前記有機性廃棄物に供給する前記過熱蒸気を生成するボイラ装置と、
   前記炭化炉の排ガスを水との熱交換により液体に凝縮させるコンデンサと、
   前記コンデンサの排ガスを洗浄するスクラバ装置と、
   前記コンデンサで凝縮された凝縮液と前記スクラバ装置からの廃液を回収して沈殿分離する沈殿分離器と、
   少なくとも前記ボイラ装置から前記炭化炉に供給される前記過熱蒸気の温度を調整する制御部と、を備え、
   前記ボイラ装置は、前記炭化炉で生成された前記燃料炭の一部を燃料とし、前記熱交換部が前記燃料となる前記燃料炭と直接接する構成として前記流体と熱交換をしながら前記過熱蒸気を生成し、
   前記制御部は、前記過熱蒸気の温度が少なくとも６００度以上となるように調整することを特徴とする炭化システム。
8. 前記コンデンサと前記ボイラ装置との間には、前記コンデンサでの前記水と前記排ガスとの熱交換で生成された温水を前記水蒸気生成部に送水するための管路が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の炭化システム。
9. 前記制御部は、前記過熱蒸気が少なくとも１０００度以上となるように温度を調整することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の炭化システム。
10. 前記制御部は、前記炭化炉の内圧が外気の圧力より大きくなるように、前記過熱蒸気の圧力を調整することを特徴とする請求項７乃至請求項９の何れか１項に記載の炭化システム。

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