JP2019077592A

JP2019077592A - 賦活炉および活性炭の製造装置

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Publication number: JP2019077592A
Application number: JP2017206575A
Authority: JP
Inventors: 美洋佐竹; Yoshihiro Satake; 佑季高橋; Yuki Takahashi
Original assignee: Enecycle Co Ltd
Current assignee: Enecycle Co Ltd
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: JP6418584B1

Abstract

【課題】比表面積が大きい活性炭を高効率で得ることができる賦活炉を提供する。【解決手段】高温高圧で炭化物を賦活し、活性炭を得る賦活炉であって、内部空間と、炭化物を内部空間に投入可能な投入部と、少なくとも活性炭を外部に排出可能な排出部と、を有する本体部と、内部空間に収容され、本体部の長尺方向に延在して配置された筒状の回転体と、回転体の外周面に設けられた複数の羽根と、内部空間を加熱する加熱部と、を有し、回転体の内部は、水蒸気が流通する蒸気流路を構成し、外周面には、蒸気流路と回転体の外部とを連通する複数の孔が形成されている賦活炉。【選択図】図３

Description

本発明は、賦活炉および活性炭の製造装置に関するものである。

近年、家庭や産業分野から排出される有機物（「バイオマス」ともいう）を処理して、
活性炭として再利用する方法が検討されている（特許文献１）。

特開２０００−１５４０１２号公報

しかし、バイオマスから活性炭を得る従来の製造装置においては、市場要求に応じて、活性炭のさらなる比表面積の向上と、製造効率の改善が求められていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、比表面積が大きい活性炭を高効率で得ることができる賦活炉および活性炭の製造装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、高温高圧で炭化物を賦活し、活性炭を得る賦活炉であって、内部空間と、炭化物を内部空間に投入可能な投入部と、少なくとも活性炭を外部に排出可能な排出部と、を有する本体部と、内部空間に収容され、本体部の長尺方向に延在して配置された筒状の回転体と、回転体の外周面に設けられた複数の羽根と、内部空間を加熱する加熱部と、を有し、回転体の内部は、水蒸気が流通する蒸気流路を構成し、外周面には、蒸気流路と回転体の外部とを連通する複数の孔が形成されている賦活炉を提供する。

本発明の一態様においては、複数の羽根は、回転体の回転軸方向に沿ってらせん状に配置されている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、投入部は、本体部の長尺方向における一端側の上部に設けられ、排出部は、本体部の長尺方向における他端側の下部に設けられている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、回転体の回転軸方向に沿う単位長さ当たりの開口量は、回転体の一方の端部から回転体の他方の端部に向かって漸増している構成としてもよい。

本発明の一態様においては、投入部の開口量は、排出部の開口量よりも小さい構成としてもよい。

本発明の一態様においては、投入部にはロータリーバルブが１段設けられ、前記排出部にはロータリーバルブが２段設けられている構成としてもよい。

本発明の一態様は、バイオマスを炭化させ、炭化物を得る炭化炉と、上記の賦活炉と、炭化炉から賦活炉に炭化物を搬送する搬送手段と、炭化炉で発生した排ガスを排気するガス流路と、ガス流路の途中に設けられ、水蒸気を発生させる蒸気発生手段と、を備え、ガス流路の一部は、加熱部に接続されている活性炭の製造装置を提供する。

本発明の一態様によれば、比表面積が大きい活性炭を高効率で得ることができる賦活炉および活性炭の製造装置が提供される。

図１は、実施形態の活性炭の製造装置１０００を示すブロック図である。図２は、実施形態の炭化炉１を模式的に示す断面図である。図３は、実施形態の賦活炉１００を模式的に示す平面図である。

＜活性炭の製造装置＞
以下、図面を参照しながら、本実施形態の活性炭の製造装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態の活性炭の製造装置１０００を示すブロック図である。図１に示す矢印は、各工程での物質の流れを表している。図１に示すように、本実施形態の活性炭の製造装置１０００は、炭化炉１と、賦活炉１００と、搬送手段１３０と、ガス流路１４０と、蒸気発生手段１５０と、２つのホッパー１６０と、を備える。

［ホッパー］
図１に示す２つのホッパー１６０のうち一方のホッパー１６０Ａは、炭化炉１の前段に設けられている。ホッパー１６０Ａは、炭化炉１に導入する前のバイオマスを貯蔵する。一方、２つのホッパー１６０のうち他方のホッパー１６０Ｂは、搬送手段１３０の途中に設けられている。ホッパー１６０Ｂは、炭化炉１から払い出された炭化物Ｃを貯蔵する。

［炭化炉］
本実施形態の炭化炉１は、バイオマスを炭化させ、炭化物Ｃを得る。本実施形態の活性炭の製造装置においては、通常知られた炭化炉を適用できる。以下では、本実施形態の活性炭の製造装置に適用できる炭化炉の一例について説明する。炭化させるバイオマスとしては、炭素を含むものが挙げられ、例えば食品廃棄物、建設廃材、シュレッダーダスト、畜産廃棄物、汚泥またはイナワラなどのソフトバイオマス、家庭から排出される一般廃棄物が挙げられる。

この中でも、炭化させるバイオマスとしては樹木製の廃材（「木質バイオマス」ともいう）が好ましい。木質バイオマスとしては、例えば間伐材、剪定枝、製材のくずなどが挙げられる。木質バイオマスの大きさは、特に制限されないが、例えば約５ｃｍ角である。

炭化させるバイオマスはあらかじめホッパー１６０Ａなどで乾燥しておくことが好ましい。これにより、炭化効率や炭化物Ｃの収率を高くすることができる。

図２は、本実施形態の炭化炉１を模式的に示す断面図である。図２に示すように、本実施形態の炭化炉１は、炭化炉本体１０と、蓄熱体２０と、テーブル３０と、を備える。

（炭化炉本体）
図２に示す炭化炉本体１０は、円筒状の筐体である。本実施形態の炭化炉本体１０の大きさは、処理するバイオマスの量や、製造する炭化物の量により適宜選択される。

本実施形態の炭化炉本体１０は、導入口１１と、排気口１２と、バーナー１３と、空気導入部１４と、取出口１５と、を有する。

本実施形態の導入口１１および取出口１５は、炭化炉本体１０の外部と内部とを連通する。バイオマスは、導入口１１を介して炭化炉１の内部に導入される。一方、生成した炭化物は、炭化炉本体１０の底部に設けられた取出口１５を介して、炭化炉本体１０の外部に取りだされる。このとき、炭化物は自由落下により炭化炉本体１０の下方に払い出される。

本実施形態の排気口１２は、バイオマスの炭化の際に生じた高温排ガスを炭化炉本体１０の外部に排気する。なお、本明細書において、「高温排ガス」とは、最終的に活性炭の製造装置１０００の外部に放出される排ガスと比べて高温であることを意味する。

本実施形態のバーナー１３は、炭化炉本体１０に導入されたバイオマスに着火する。

本実施形態の空気導入部１４は、炭化炉本体１０の外部の空気を炭化炉本体１０の内部に導入する。

本実施形態の取出口１５は、炭化炉本体１０の内部の炭化物を炭化炉本体１０の外部に取り出す。

（蓄熱体）
本実施形態の蓄熱体２０は、円柱状の部材である。蓄熱体２０は、炭化炉本体１０の内部に設けられている。本実施形態の蓄熱体２０は、本実施形態の炭化炉１においていわゆる「焼き玉」のような役割を果たす。蓄熱体２０は、加熱装置を備えていてもよいが、蓄熱体２０は、バイオマスから炭化物を得る際の熱等により加熱されることが好ましい。

蓄熱体２０は、蓄熱体２０の底面および天井面の中心を通る垂線を軸（回転軸３５）として回転可能である。蓄熱体２０がこのように回転可能であると炭化効率および炭化物の純度を向上できる。

蓄熱体２０を回転させる手段は限定されないが、回転軸３５に蓄熱体２０を連結し、回転軸３５を公知の駆動手段で回転させることが好ましい。

（テーブル）
本実施形態のテーブル３０は、円盤状の部材である。テーブル３０は、炭化炉本体１０の内部に配置され、蓄熱体２０の底部に設けられている。このとき、蓄熱体２０の中心とテーブル３０の中心とが重なるように、テーブル３０が配置されている。

また、テーブル３０は、昇降が可能であり、炭化炉本体１０との間隔を適宜調節できることが好ましい。このような構造にすると、テーブル３０と炭化炉本体１０の間で炭化物を粉砕することができ、炭化物の大きさを適宜調整できる。

また、テーブル３０は回転軸３５を中心に回転可能であることが好ましい。テーブル３０は蓄熱体２０と連動して回転してもよいが、蓄熱体２０とは独立して回転可能であってもよい。

テーブル３０の昇降手段や回転手段には公知の手段が用いられる。

本実施形態の炭化炉１で得られる炭化物の比表面積は、例えば５００ｍ^２程度である。本実施形態の炭化炉１から排出される炭化物の量は、例えば３５０〜５００ｋｇ／時間である。

［搬送手段］
図１に戻り、本実施形態の炭化炉１で得られた炭化物Ｃは、本実施形態の搬送手段１３０により後述の賦活炉１００に搬送される。搬送手段１３０で用いる装置は、炭化物Ｃを搬送できる限り特に制限されないが、スクリューおよびバケットコンベアを有する装置が好ましい。

［ガス流路］
炭化炉１で発生した高温排ガスＧ_Ｈは、本実施形態のガス流路１４０を通じて排気される。本実施形態のガス流路１４０の一端は、炭化炉１の排気口１２と連通している。また、本実施形態のガス流路１４０の他端は、活性炭の製造装置１０００の外部に開放されている。

図１に示すガス流路１４０は分岐しており、分岐したガス流路１４０Ａは、賦活炉１００に接続している。

［賦活炉］
本実施形態の搬送手段１３０により搬送された炭化物Ｃは、本実施形態の賦活炉１００において、高温高圧で賦活され、活性炭が得られる。賦活炉１００では、炭化炉１で発生した高温排ガスＧ_Ｈの熱を与えながら、炭化物Ｃに高温水蒸気Ｖ_Ｈを接触させることで、炭化物Ｃを賦活すると共に、水素を含むガスが生成する。高温水蒸気Ｖ_Ｈの生成については後述する。

賦活させる炭化物Ｃは、炭化炉１から賦活炉１００までの間において、あらかじめホッパー１６０Ｂなどで乾燥しておくことが好ましい。これにより、賦活効率や活性炭収率を高くすることができる。

図３は、本実施形態の賦活炉１００を模式的に示す断面図である。図３に示すように、本実施形態の賦活炉１００は、本体部１１０と、２つの回転体１２０と、複数の羽根１２３と、加熱部１４５と、を有する。

（本体部）
図３に示す本体部１１０は、長尺の筐体である。本実施形態の本体部１１０の長尺方向の長さは、炭化物の滞留時間に基づいて定められる。このとき、炭化物の滞留時間は、得られる活性炭の比表面積との対応関係に基づいて定められる。具体的に、活性炭の比表面積を大きくするために炭化物の滞留時間を長くする場合には、本体部１１０の長尺方向の長さを長くすればよい。

本実施形態の本体部１１０は、内部空間１１５と、投入部１１１と、排出部１１２と、を有する。

本実施形態の内部空間１１５は、後述する回転体１２０を収容し、さらに炭化物の賦活に必要な容積を十分有する。

本実施形態の投入部１１１は、本体部１１０の長尺方向における一端側の上部に設けられている。投入部１１１は、炭化物が内部空間１１５を流動している間も、炭化物を内部空間１１５に投入可能に構成されている。

本実施形態の排出部１１２は、本体部１１０の長尺方向における他端側の下部に設けられている。排出部１１２は、炭化物が内部空間１１５を流動している間も活性炭および水素を含むガスを外部に排出可能に構成されている。

本実施形態の投入部１１１の開口量は、排出部１１２の開口量よりも小さい。これにより、活性炭が賦活炉１００の内部空間１１５に滞留しにくい。そのため、賦活炉１００の内部空間１１５において、炭化物が均一に存在しやすく、かつ、炭化物の賦活時間が一定となりやすい。その結果、賦活炉１００に投入した炭化物を均一に賦活でき、得られる活性炭の品質が安定する。

本実施形態の賦活炉１００には、高温高圧で炭化物を賦活させるため、投入部１１１および排出部１１２にロータリーバルブ１１３が設けられている。本実施形態の賦活炉１００においては、投入部１１１にロータリーバルブ１１３Ａを１つ設け、排出部１１２にロータリーバルブ１１３Ｂを直列に２つ設けることが好ましい。ロータリーバルブ１１３Ａおよびロータリーバルブ１１３Ｂを設けることで、炭化物の投入時および活性炭の排出時に内部空間１１５の圧力が低下しにくい。また、開口量が相対的に大きい排出部１１２にロータリーバルブ１１３Ｂを直列に２つ設けることで、内部空間１１５の圧力がより低下しにくい。これにより、本実施形態の賦活炉１００内部の圧力を維持できる。その結果、目的とする比表面積が大きい活性炭を得られる傾向がある。

（回転体）
本実施形態の２つの回転体１２０は、それぞれ内部空間１１５に収容され、本体部１１０の長尺方向に延在して配置されている。本実施形態の回転体１２０は、筒状の部材である。また、回転体１２０の外形形状は、長尺の角柱状である。本体部１１０の全長にわたって回転体１２０が配置されている。

本実施形態の２つの回転体１２０は、それぞれ回転体１２０の長尺方向に延在する軸を回転軸１２５として回転可能である。具体的には、２つの回転体１２０のうち一方の回転体１２０Ａが動力源２００に接続されており、回転する。これに対し、他方の回転体１２０Ｂは、一方の回転体１２０Ａの回転がベルト、ギアなどを介して伝わり、一方の回転体１２０Ａの回転方向とは反対方向に回転する。

本実施形態の回転体１２０の内部は、賦活に必要な水蒸気が流通する蒸気流路を構成している。

本実施形態の回転体１２０は、複数の孔１２２を有する。

本実施形態の複数の孔１２２は、回転体１２０の外周面に形成されている。複数の孔１２２は、蒸気流路１２１と回転体１２０の外部とを連通する。

賦活処理時における賦活炉１００の内部空間１１５の圧力は、０．５ｋＰａ以上５．０ｋＰａ以下が好ましく、１．０ｋＰａ以上３．０ｋＰａ以下がより好ましく、１．５ｋＰａ以上２．０ｋＰａ以下がさらに好ましい。この圧力は、蒸気流路１２１を流通する水蒸気量と、複数の孔１２２の開口量と、賦活炉１００の温度と、によって調整できる。回転体１２０の回転軸方向に沿う単位長さ当たりの開口量は、一方の端部１２０ａから他方の端部１２０ｂに向かって漸増している。これにより、内部空間１１５に投入された炭化物に水蒸気を均一に接触させることができる。その結果、賦活炉１００に投入した炭化物を均一に賦活でき、得られる活性炭の品質が安定する。上述した単位長さ当たりの開口量は、孔１２２の数と孔１２２の開口面積とから算出できる。

（複数の羽根）
本実施形態の複数の羽根１２３は、炭化物を撹拌するとともに、炭化物を投入部１１１から排出部１１２の方向に搬送する。複数の羽根１２３は、回転体１２０の外周面に設けられている。複数の羽根１２３は、回転体１２０の回転軸方向に沿ってらせん状に配置されている。

各羽根１２３は、板状のパドル１２３Ａと、パドル１２３Ａを支持する支持部１２３Ｂと、を有する。パドル１２３Ａは、回転体１２０を回転させる際に炭化物を搬送方向に押し出すことができるように、回転軸１２５と支持部１２３Ｂの中心軸とを含む面に対して傾斜していることが好ましい。複数の羽根１２３が有する各パドル１２３Ａは、角度が互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。各パドル１２３Ａの角度は、目的の賦活時間（炭化物の滞留時間）に応じて調整するとよい。賦活時間は、５分間以上６０分間以下が好ましく、１０分間以上３０分間以下がより好ましく、１５分間以上２０分間以下がさらに好ましい。

（加熱部）
本実施形態の加熱部１４５は、分岐したガス流路１４０Ａと接続されている。また、加熱部１４５は本体部１１０の周囲に設けられている。加熱部１４５は、炭化炉１からの高温排ガスＧ_Ｈの熱を利用して賦活に必要な温度以上に内部空間１１５を加熱する。加熱部１４５を通過した後の排ガスＧ_Ｌは、後述の蒸気発生手段１５０に送られ、水蒸気の生成に利用される。

本実施形態の賦活炉１００では、炭化物から活性炭を連続的に製造することができる。そのため、本実施形態の活性炭の製造装置１０００は、製造効率が高い。また、本実施形態の賦活炉１００で得られる活性炭は、比表面積が１０００ｍ^２程度と高く、品質が高いと言える。なお、得られた活性炭の比表面積が目標値を下回る場合には、賦活時の温度を高くする、賦活時の圧力を大きくする、または賦活時間を長くするなどの方法を採用するとよい。

［蒸気発生手段］
図１に戻り、本実施形態の蒸気発生手段１５０は、ガス流路１４０の途中に設けられ、高温排ガスＧ_Ｈの熱を利用して水から高温水蒸気Ｖ_Ｈを発生させる。本明細書において、「高温水蒸気」とは、最終的に活性炭の賦活に用いられる水蒸気を意味し、後述の熱交換器１５０Ｂで生成する水蒸気と比べて高温であることを意味する。蒸気発生手段１５０で用いる装置は、公知の熱交換器が挙げられる。図１に示す活性炭の製造装置１０００では、２つの熱交換器が備えられている。

図１に示す２つの熱交換器のうち一方の熱交換器（蒸気発生手段）１５０Ａには、炭化炉１からガス流路１４０を通じて高温排ガスＧ_Ｈが流入する。また、一方の熱交換器１５０Ａには、水蒸気Ｖ_Ｌが流入する。一方の熱交換器１５０Ａにおいて、高温排ガスＧ_Ｈは、水蒸気Ｖ_Ｌと熱交換することにより冷却される。一方、水蒸気Ｖ_Ｌは、高温排ガスＧ_Ｈと熱交換することにより加熱され、高温水蒸気Ｖ_Ｈとなる。生成した高温水蒸気Ｖ_Ｈは、上述した蒸気流路１２１に送られる。

これに対し、他方の熱交換器１５０Ｂには、熱交換器１５０Ａから冷却された排ガスＧ_Ｌが流入し、賦活炉１００から排ガスＧ_Ｌが流入する。また、他方の熱交換器１５０Ｂには、水が流入する。他方の熱交換器１５０Ｂにおいて、合流した排ガスＧ_Ｌは水と熱交換することにより、さらに冷却される。一方、水は排ガスＧ_Ｌと熱交換することにより加熱されて上述の水蒸気Ｖ_Ｌとなる。冷却された排ガスＧは、ガス流路１４０を通じて活性炭の製造装置１０００の外部に放出される。

＜活性炭の製造方法＞
図１に戻り、上述の活性炭の製造装置１０００を用いて活性炭を製造する方法について説明する。

まず、炭化炉１でバイオマスを炭化させ、炭化物Ｃを得る。得られた炭化物Ｃを、搬送手段１３０により炭化炉１から賦活炉１００に搬送する。一方、炭化炉１での炭化の際に発生した高温排ガスＧ_Ｈを、ガス流路１４０を通じて蒸気発生手段１５０へと移送する。移送した高温排気ガスＧ_Ｈの熱を利用して水から高温水蒸気Ｖ_Ｈを生成させる。また、これとは別に、高温排ガスＧ_Ｈを加熱部１４５に移送する。次に、賦活炉１００で、蒸気発生手段１５０で生成した高温水蒸気Ｖ_Ｈと加熱部１４５に移送した高温排ガスＧ_Ｈの熱とを用いて炭化物Ｃを賦活させ、活性炭を得る。得られた活性炭は、貯蔵または別の設備へ移送する。一方、賦活炉１００での賦活の際に発生した水素を含むガスは、不図示の発電設備に移送され発電に利用される。一方、加熱部１４５および蒸気発生手段１５０を通過した排ガスＧは、活性炭の製造装置１０００の外部に放出される。

本実施形態の活性炭の製造装置１０００によれば、比表面積が大きい活性炭を高効率で得ることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…炭化炉、３５，１２５…回転軸、１００…賦活炉、１１０…本体部、１１１…投入部、１１２…排出部、１１５…内部空間、１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ…回転体、１２０ａ，１２０ｂ…端部、１２１…蒸気流路、１２２…孔、１２３…羽根、１３０…搬送手段、１４０，１４０Ａ…ガス流路、１４５…加熱部、１５０…蒸気発生手段、１５０Ａ…熱交換器（蒸気発生手段）、１０００…製造装置

Claims

高温高圧で炭化物を賦活し、活性炭を得る賦活炉であって、
内部空間と、前記炭化物を前記内部空間に投入可能な投入部と、少なくとも前記活性炭を外部に排出可能な排出部と、を有する本体部と、
前記内部空間に収容され、前記本体部の長尺方向に延在して配置された筒状の回転体と、
前記回転体の外周面に設けられた複数の羽根と、
前記内部空間を加熱する加熱部と、を有し、
前記回転体の内部は、水蒸気が流通する蒸気流路を構成し、
前記外周面には、前記蒸気流路と前記回転体の外部とを連通する複数の孔が形成されている賦活炉。
前記複数の羽根は、前記回転体の回転軸方向に沿ってらせん状に配置されている請求項１に記載の賦活炉。
前記投入部は、前記本体部の長尺方向における一端側の上部に設けられ、
前記排出部は、前記本体部の長尺方向における他端側の下部に設けられている請求項１または２に記載の賦活炉。
前記回転体の回転軸方向に沿う単位長さ当たりの開口量は、前記回転体の一方の端部から前記回転体の他方の端部に向かって漸増している請求項３に記載の賦活炉。
前記投入部の開口量は、前記排出部の開口量よりも小さい請求項１〜４のいずれか１項に記載の賦活炉。
前記投入部にはロータリーバルブが１段設けられ、前記排出部にはロータリーバルブが２段設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の賦活炉。
バイオマスを炭化させ、前記炭化物を得る炭化炉と、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の賦活炉と、
前記炭化炉から前記賦活炉に前記炭化物を搬送する搬送手段と、
前記炭化炉で発生した排ガスを排気するガス流路と、
前記ガス流路の途中に設けられ、前記水蒸気を発生させる蒸気発生手段と、を備え、
前記ガス流路の一部は、前記加熱部に接続されている活性炭の製造装置。