JP2019172713A

JP2019172713A - 炭化燃料製造装置及び炭化燃料製造方法

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Publication number: JP2019172713A
Application number: JP2016203769A
Authority: JP
Inventors: ジェームス・コワルチェック; James Kowalczyk; エル．ジョーンズフレッド; L Jones Fred; 敬通松下; Takamichi Matsushita
Original assignee: Eco Bio Plastics Midland Inc; J&g Tech LLC; J&g Technologies LLC; KANKYO KEIEI SOGO KENKYUSHO KK; Eco Research Institute Ltd
Current assignee: Eco Bio Plastics Midland Inc; J&g Tech LLC; J&g Technologies LLC; KANKYO KEIEI SOGO KENKYUSHO KK; Eco Research Institute Ltd
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2019-10-10
Also published as: EP3527647A4; JPWO2018074189A1; WO2018074189A1; EP3527647A1; KR102201024B1; TW201819606A; JP6621546B2; EP3527647B1; TWI641680B; CA3032929C; CA3032929A1; KR20190034666A

Abstract

【課題】合成樹脂や生ゴミ等を含む原料を二軸押出機で炭化することにより良質な炭化燃料を得ることができる燃料製造装置及び燃料製造方法を提供する。【解決手段】燃料製造システム１００は、燃料製造装置１と、セパレータ２と、シュレッダ３と、ボイラ４とを備えている。燃料製造装置１は、二軸押出機２０のスクリュ２１の形状を工夫し、第１排気口２４から水蒸気Ｓを噴出させ、第２排気口２５から可燃性ガスＧ１を噴出させ、第３排気口２６から可燃性ガスＧ２を噴出させると共に、導出口２７から炭化された燃料Ｆが得られる。【選択図】図２

Description

本発明は、合成樹脂を含む燃焼カロリーの高い資源、及びバイオマス等を含む資源を良質の燃料にするための装置及び方法に関する。

現代の生活においては、合成樹脂は欠かすことのできない素材となっており、種々の製品や容器を含む包装材料、或いは構造材等に広く用いられている。また、合成樹脂については、現在リサイクル化を進めるため、一般家庭や事業所からリサイクル用の合成樹脂を回収することが行われている。

例えば、合成樹脂製ボトル（いわゆるＰＥＴボトル等）については、広く回収が行われており、これを裁断して溶融させ、繊維製品等に再利用することが行われている。しかしながら、この合成樹脂製ボトルの再利用は、最終製品である繊維製品の品質を保つために良質なボトルを回収する必要があり、質の低いボトルは再利用されていないのが現状である。

また、合成樹脂製ボトルは、様々な成分の合成樹脂が混合されて形成されている。また、ボトルの表面にガスバリア性能を持たせるため等の理由によりに種々のコーティング剤が用いられている。このため、このような合成樹脂製ボトルが含まれるリサイクル原料は、その成分やコーティング剤の種類によっては、繊維製品の材料にできない場合がある。また、樹脂の射出成形品の製造のために当該原料を使用することも考えられるが、コーティング剤等の種類によっては、他の材料と混合しにくい等の不都合により、現状ではあまり利用されていない。

このように、現代社会においては、多くの合成樹脂製品が使用されているが、その再利用は思ったように進んでいない。例えば、製造業や運輸業等の企業で使用されている合成樹脂製のパレット等は、本来は複数回使用可能であるが、管理の手間がかかる等の理由から１回のみしか使われておらず、その後は廃棄されることが多い。また、建材等にも合成樹脂が多く使われているが、合成樹脂以外の廃棄物の混入が多い等の理由で、廃棄された後の再利用は進んでいない。

上記のようなリサイクル材料は、使用用途がなければ焼却するか埋め立てる等の処分をする必要が生じる。また、一般廃棄物や産業廃棄物は、プラスチック製の包装材や発泡スチロール等の発泡体、又は生ゴミや紙等を含むものが多い。通常は、これらの廃棄物も焼却処分や埋め立て処分がなされる。

ところが、使用できないリサイクル材料や廃棄物の処分には高いコストを必要とし、環境に悪影響を及ぼす。例えば、環境省が発表した「一般廃棄物処理事業実態調査の結果（平成26年度）について」には、一般廃棄物の焼却処理施設が１１６２箇所あり、コストとしては年間で２兆円を超える額になることが記載されている。

一方で、上記のように再利用がしにくい合成樹脂や、合成樹脂を含む廃棄物は、それ自身で多くの熱量を有していることから、これを燃料に転換する技術も種々検討されている。例えば、本願発明者等が開発した燃料製造装置が知られている（特許文献１）。当該特許文献１に開示された装置は、二軸押出機を基本構成とし、当該二軸押出機に原料となる廃棄物等を投入し、装置内で原料に剪断力を与えると共に原料を圧縮して発熱させ、外部から熱を加えることなく廃棄物を炭化するものである。

特許第２９２７８４９号公報

特許文献１に開示された装置は、プラスチックや生ゴミ等を含む廃棄物を二軸押出機で炭化することにより良質な炭化燃料を得ることができるが、近年では、さらに効率よく廃棄物を炭化燃料にする技術が求められている。

そこで、本発明は、合成樹脂を含む原料を炭化させて燃料とする装置及び炭化燃料の製造方法の改良を目的とし、従来の設備に比べてさらに効率のよい装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料製造装置は、上記目的を達成するために、少なくとも合成樹脂が含まれる有機原料を圧縮混練することにより炭化させ、連続的に炭化燃料を製造する燃料製造装置であって、駆動手段により同一の方向に同一の回転速度で駆動される二軸のスクリュと、前記スクリュが収納されるケーシングとを備えた二軸押出機と、前記駆動手段の制御を行う制御手段とを備え、前記スクリュは、回転軸と、前記回転軸の表面に設けられる羽根部材とを有し、前記ケーシングには、原料が投入される投入口と、加工された物質が導出される導出口と、前記投入口と前記導出口との間に設けられた複数の排気口を有し、前記排気口は、前記ケーシングの上流側から第１排気口、第２排気口及び第３排気口の順で少なくとも３箇所に設けられ、前記二軸押出機は、前記投入口から前記第１排気口の上流までの導入領域と、前記第１排気口の上流から下流までの第１排気領域と、前記第２排気口の上流から下流までの第２排気領域と、前記第３排気口の上流から下流までの第３排気領域と、前記導入領域と前記第１排気領域との間に設けられた第１混練領域と、前記第１排気領域と前記第２排気領域との間に設けられた第２混練領域と、前記第２排気領域と前記第３排気領域との間に設けられた第３混練領域と、前記導出口の上流から前記導出口の位置までを含む導出領域とを有する。

また、本発明の燃料製造装置において、前記スクリュの羽根部材は、前記スクリュの側面視において前記回転軸に対する角度について、前記回転軸に対して９０°となる角度を最大とし、前記スクリュが回転したときに投入された原料が下流側に搬送される方向を順方向の傾き、上流側に搬送される方向を逆方向の傾きとしたときに、前記導入領域は順方向の傾きを有し、前記第１混練領域は順方向の傾きで前記導入領域よりも傾きが大きい部分を有し、前記第１排気領域は順方向の傾きを有し、前記第２混練領域は順方向の傾きで前記第１排気領域よりも傾きが大きい部分を有し、前記第２排気領域は順方向の傾きを有し、前記第３混練領域は順方向の傾きで前記第２排気領域よりも傾きが大きい部分を有し、前記第３排気領域は順方向の傾きを有し、前記導出領域は順方向の傾きで前記第３排気領域よりも傾きが大きい部分を有しており、前記制御手段が、前記第１混練領域における下流側の温度が１００℃〜１５０℃、前記第２混練領域における下流側の温度が１８０℃〜２８０℃、前記第３混練領域における下流側の温度が２６０℃〜３２０℃となるように前記駆動手段を駆動させることを特徴とする。

本発明の燃料製造装置によれば、第１混練領域が導入領域と第１排気領域との間に設けられているため、第１排気領域における排気の導入領域への逆流が防止される。また、第１混練領域では、導入領域に比べてスクリュの羽根部材の角度が大きいため、原料の搬送速度が遅くなり、導入領域から搬送される原料が圧縮され、且つ混練される。同様に、第２混練領域及び第３混練領域においても、原料が圧縮され、且つ混練される。

また、制御手段は、前記第１混練領域における下流側の温度が１００℃〜１５０℃、前記第２混練領域における下流側の温度が１８０℃〜２８０℃、前記第３混練領域における下流側の温度が２６０℃〜３２０℃で前記第２混練領域よりも高くなるように前記駆動手段を駆動させる。

当該制御手段により、第１排気領域では、原料に含まれる合成樹脂は揮発せず、原料に含まれる水分が蒸発して水蒸気となって排気される。これにより、原料中の水分量が減少するので、後の第２混練領域及び第３混練領域での混練、圧縮による原料の加熱が容易となる。

また、第２混練領域から第３混練領域にかけて、徐々に原料の温度を上げていくことにより、最終的に第３混練領域において、原料を効率よく炭化することができる。

また、本発明の燃料製造装置において、前記第１混練領域は前記第２混練領域に比べて軸方向に短く設定され、前記第２混練領域は前記第３混練領域に比べて軸方向に短く設定されていることが好ましい。このような構成とすることにより、第１混練領域から第３混練領域にかけて徐々に原料の圧縮及び混練を行うことができ、原料の段階的な加熱が行われるので、第３混練領域において原料を効率よく炭化させることができる。

また、本発明の燃料製造装置においては、前記第１混練領域が、前記導入領域から連続する上流側第１混練領域と、前記上流側第１混練領域と前記第１排気領域との間に設けられた下流側第１混練領域とを有し、前記上流側第１混練領域の前記スクリュの羽根部材の傾きが前記導入領域よりも大きく、前記下流側第１混練領域の前記スクリュの羽根部材が軸方向視で楕円状の板部材を回転方向に角度を変えて複数枚軸方向に積層され前記板部材の傾きが９０°であることが好ましい。

当該構成によれば、第１混練領域が上流側と下流側に分かれており、上流側第１混練領域のスクリュの羽根部材の傾きが導入領域よりも大きいため、この上流側第１混練領域で原料を圧縮混練することができる。また、下流側第１混練領域では、スクリュの羽根部材が軸方向に対して９０°とされた複数の板部材により形成されているので、この下流側第１混練領域を通過する原料にさらに大きな圧縮力と剪断力を与えることができる。これにより、原料自身が有する熱量により発熱させることができる。ここで、下流側第１混練領域における羽根部材の角度は、実質的に９０°であればよく、前後５パーセント程度の範囲が含まれる。

また、本発明の燃料製造装置においては、前記第２混練領域が、前記第１排気領域から連続する上流側第２混練領域と、前記上流側第２混練領域と前記第２排気領域との間に設けられた下流側第２混練領域とを有し、前記上流側第２混練領域の前記スクリュの羽根部材の傾きが、前記第１排気領域よりも大きく、前記下流側第２混練領域の前記スクリュの羽根部材が軸方向視で楕円状の板部材を回転方向に角度を変えて複数枚軸方向に積層され前記板部材の傾きが９０°であることが好ましい。

当該構成によれば、第２混練領域が上流側と下流側に分かれており、上流側第２混練領域のスクリュの羽根部材の傾きが第１排気領域よりも大きいため、この上流側第２混練領域で原料を圧縮混練することができる。また、下流側第２混練領域では、スクリュの羽根部材が軸方向に対して９０°とされた複数の板部材により形成されているので、この下流側第２混練領域を通過する原料にさらに大きな圧縮力と剪断力を与えることができる。これにより、原料自身が有する熱量により発熱させることができる。また、原料は第１混練領域で加熱されているため、この第２混練領域でさらに加熱して原料を熱分解させることができる。なお、ここでの９０°の角度についても前後５パーセント程度の範囲が含まれる。

また、本発明の燃料製造装置においては、前記第３混練領域が、前記第２排気領域から連続する上流側第３混練領域と、前記第３排気領域に連続する下流側第３混練領域と、前記上流側第３混練領域と前記下流側第３混練領域との間に設けられた中間第３混練領域とを有し、前記上流側第３混練領域の前記スクリュの羽根部材の傾きが、前記第２排気領域よりも大きく、前記中間第３混練領域の前記スクリュの羽根部材が軸方向視で楕円状の板部材を回転方向に角度を変えて複数枚軸方向に積層すると共に前記板部材の傾きを９０°とし、前記下流側第３混練領域の前記スクリュの羽根部材が、上流側の順方向領域と下流側の逆方向領域に分割されていることが好ましい。

当該構成によれば、第３混練領域が上流側と下流側に分かれており、上流側第３混練領域のスクリュの羽根部材の傾きが第２排気領域よりも大きいため、この上流側第３混練領域で原料を圧縮混練することができる。また、中間第３混練領域では、スクリュの羽根部材が軸方向に対して９０°とされた複数の板部材により形成されているので、この中間第３混練領域を通過する原料にさらに大きな圧縮力と剪断力を与えることができる。

さらに、下流側第３混練領域が、上流側の順方向領域と下流側の逆方向領域に分割されているため、逆方向領域で原料に搬送方向とは逆方向の搬送力が加えられる。これにより、原料と逆方向領域の羽根部材との間に摩擦力及び剪断力が発生し、原料をより高温に熱することができる。従って、当該構成によれば、第２混練領域で熱分解された原料を、この第３混練領域でさらに加熱して熱分解させ、炭化させることができる。

この下流側第３混練領域の逆方向領域は、原料を第３混練領域に十分に滞留させるために設けられているが、原料を徐々に下流側に搬送させるためには、原料が逆流する力よりも原料を搬送する力を大きくする必要がある。そこで、本発明の燃料製造装置においては、前記下流側第３混練領域の前記逆方向領域は、前記順方向領域よりも軸方向に短く設定されていることが好ましい。

また、本発明の燃料製造装置においては、前記導出領域は、前記第３排気領域から連続する上流側導出領域と、前記上流側導出領域から連続する導出開口領域とを有し、前記上流側導出領域の前記スクリュの羽根部材の傾きが、前記導出開口領域よりも小さく設定されていることが好ましい。

当該構成によれば、導出領域が上流側と下流側（導出開口領域）に分かれており、上流側導出領域のスクリュの羽根部材の傾きを導出開口領域よりも小さくすることにより、導出開口領域に炭化された原料である炭化燃料を徐々に圧縮しながら搬送し、導出口から円滑に炭化燃料を導出することができる。

また、本発明の燃料製造装置においては、前記導出領域は、前記導出開口領域の下流側に前記スクリュの羽根部材の傾きが逆方向である逆方向終端領域をさらに有することが好ましい。当該構成によれば、導出開口領域に搬送されてきた炭化燃料が導出口から導出されなかった場合でも、逆方向終端領域によって炭化燃料が導出開口領域に戻されるので、炭化燃料を導出口から円滑に導出させることができる。

次に、本発明の燃料製造方法は、少なくとも合成樹脂が含まれる有機原料を二軸押出機によって圧縮混練することにより炭化させ、連続的に炭化燃料を製造する燃料製造方法であって、以下の特徴を有している。

本発明の燃料製造方法に用いられる燃料製造装置は、駆動手段により同一の方向に同一の回転速度で駆動される二軸のスクリュと、前記スクリュが収納されるケーシングとを備えた二軸押出機と、前記駆動手段の制御を行う制御手段とを備え、前記スクリュは、回転軸と、前記回転軸の表面に設けられる羽根部材とを有し、前記ケーシングには、原料が投入される投入口と、加工された物質が導出される導出口と、前記投入口と前記導出口との間に設けられた複数の排気口を有し、前記排気口は、前記ケーシングの上流側から第１排気口、第２排気口及び第３排気口の順で少なくとも３箇所に設けられ、前記二軸押出機は、前記投入口から前記第１排気口の上流までの導入領域と、前記第１排気口の上流から下流までの第１排気領域と、前記第２排気口の上流から下流までの第２排気領域と、前記第３排気口の上流から下流までの第３排気領域と、前記導入領域と前記第１排気領域との間に設けられた第１混練領域と、前記第１排気領域と前記第２排気領域との間に設けられた第２混練領域と、前記第２排気領域と前記第３排気領域との間に設けられた第３混練領域と、前記導出口の上流から前記導出口の位置までを含む導出領域とを有している。

本発明の燃料製造方法では、前記二軸押出機を前記駆動手段によって駆動した状態で、前記投入口に原料を投入し、投入された前記原料を前記導入領域において下流側に搬送し、前記第１混練領域で前記原料の搬送速度を前記導入領域よりも遅くして圧縮しながら混練し、前記第１排気領域において前記原料の搬送速度を前記第１混練領域よりも速くして前記原料の圧縮状態を緩和して前記第１排気口から前記原料に含まれるガスを排出させ、前記第２混練領域において前記原料の搬送速度を前記第１排気領域よりも遅くして前記原料を圧縮しながら混練し、前記第２排気領域において前記原料の搬送速度を前記第２混練領域よりも速くして前記原料の圧縮状態を緩和して前記第２排気口から前記原料に含まれるガスを排出させ、前記第３混練領域において前記原料の搬送速度を前記第２排気領域よりも遅くして前記原料を圧縮しながら混練し、前記第３排気領域において前記原料の搬送速度を前記第３混練領域よりも速くして前記原料の圧縮状態を緩和して前記第３排気口から前記原料に含まれるガスを排出させ、前記導出領域において前記第３排気領域を通過した原料を前記二軸押出機から導出するものであり、前記制御手段が、前記第１混練領域における温度が１００℃〜１５０℃、前記第２混練領域における温度が１８０℃〜２８０℃、前記第３混練領域における温度が２６０℃〜３２０℃で前記第２混練領域よりも高くなるように前記駆動手段を駆動することを特徴とする。

本発明の燃料製造方法では、第１混練領域において原料の温度が１００℃〜１５０℃に制御され、第１排気領域において原料中の水分が蒸気となって排気される。また、第２混練領域において原料の温度が１８０℃〜２８０℃に制御され、原料中の溶解温度が低い合成樹脂等が熱分解されて可燃性ガスが発生し、第２排気領域において外部に排気される。さらに、第３混練領域において原料の温度が２６０℃〜３２０℃に制御され、原料中の溶解温度が高い合成樹脂等が熱分解されて可燃性ガスが発生し、第３排気領域において外部に排気される。当該制御により、原料を効率よく炭化燃料とすることができる。

本発明の燃料製造方法においては、前記第３混練領域の下流側において、前記スクリュの回転によって原料に逆方向の搬送力を付与することが好ましい。このように、第３混練領域において原料に逆方向の搬送力を付与することにより、原料に強い圧縮力と剪断力を与えて原料自身の熱量で発熱させることができる。

以上の本発明の燃料製造装置及び燃料製造方法によれば、合成樹脂性資源や、合成樹脂を含む廃棄物を原料として、３２０℃以下の低温で固形燃料を製造することができる。よって、本発明によれば、焼却処理施設等を必要とすることなく原料を燃料化することができる。

また、本発明の燃料製造装置及び燃料製造方法によれば、固形燃料の製造時に発生する水蒸気や可燃性ガスは回収することができる。よって、燃料製造装置による燃料の製造の際に、ＣＯ_２やＣＨ_４、或いはＮＯ_Ｘ等のガスを排出することなく燃料を製造することができる。

また、当該製造された燃料は、発電施設等で用いることができる優良な燃料であり、本来廃棄されるべきものを燃料とすることができるので、通常の石炭等の燃料を用いる場合に比べて、コストや環境負荷を低減することができる。

本発明の燃料製造装置を含む、燃料製造システムの概要を示す説明図。本発明の燃料製造装置の概要を示す説明図。本発明の燃料製造装置における二軸押出機のスクリュを示す説明図。図３のスクリュの導入領域におけるスクリュの羽根部材の形状を示す説明図。図３のスクリュの第１混練領域におけるスクリュの羽根部材の形状を示す説明図。図５のＶＩ−ＶＩ線断面の参考図。図３のスクリュの第１排気領域におけるスクリュの羽根部材の形状を示す説明図。図３のスクリュの第２混練領域におけるスクリュの羽根部材の形状を示す説明図。図３のスクリュの第２排気領域及び第３排気領域におけるスクリュの羽根部材の形状を示す説明図。図３のスクリュの第３混練領域におけるスクリュの羽根部材の形状を示す説明図。図３のスクリュの導出領域におけるスクリュの羽根部材の形状を示す説明図。

次に、本発明の実施形態である燃料製造装置及び燃料製造方法について、図１乃至図１１を参照して説明する。

図１は、本実施形態の燃料製造装置１を含む燃料製造システム１００を示している。この燃料製造システム１００は、燃料製造装置１の他に、セパレータ２と、シュレッダ３と、ボイラ４とを備えている。

燃料製造装置１は、図２に示すように、駆動装置（駆動手段）１０と、二軸押出機２０と、制御装置（制御手段）１６と、冷却器１７を備えている。駆動装置１０は、モータ１１と、動力伝達ギヤ１２とを有する。二軸押出機２０は、スクリュ２１と、ケーシング２２と、原料投入口２３と、第１排気口２４と、第２排気口２５と、第３排気口２６と、導出口２７とを備えている。

ケーシング２２は、内部に軸方向視８の字状の通路が形成された部材であり（図６参照）、内部にスクリュ２１が収納される。また、ケーシング２２には、上記原料投入口２３と、第１排気口２４と、第２排気口２５と、第３排気口２６と、導出口２７が設けられる。また、ケーシング２２の外周には、図示しないウォータージャケットが設けられ、以下に説明する各領域ごとに温度制御が可能に形成されている。

二軸押出機２０は、原料投入口２３が設けられている領域が導入領域３１であり、原料投入口２３と第１排気口２４との間が第１混練領域３２であり、第１排気口２４の近傍の領域が第１排気領域３３となっている。また、第１排気口２４との第２排気口２５との間が第２混練領域３４であり、第２排気口２５の近傍の領域が第２排気領域３５となっている。また、第２排気口２５と第３排気口２６との間が第３混練領域３６であり、第３排気口２６の近傍の領域が第３排気領域３７となっている。また、第３排気口２６と導出口２７との間が導出領域３８となっている。

また、ケーシング２２には、導入領域３１等の各領域について、その下流側の温度を検出する温度センサがそれぞれ設けられている。具体的には、導入領域３１には導入領域温度センサ３１ｔ、第１混練領域３２には第１混練領域温度センサ３２ｔ、第２混練領域３４には第２混練領域温度センサ３４ｔ、第３混練領域３６には第３混練領域温度センサ３６ｔ、冷却器１７には冷却器温度センサ１７ｔである。

また、ケーシング２２には、各排気領域において、排気ガスの温度を検出する温度センサが設けられている。具体的には、第１排気領域３３には第１排気領域温度センサ３３ｔ、第２排気領域３５には第２排気領域温度センサ３５ｔ、第３排気領域３７には第３排気領域温度センサ３７ｔである。さらに、導出領域３８の導出口２７には、生成された炭化燃料の温度を検出する導出温度センサ２７ｔが設けられている。

次に、図３〜図１１を参照して、上記各領域の詳細な構成について説明する。図３は、本実施形態の燃料製造装置１のケーシング２２内に内蔵されているスクリュ２１の平面図である。スクリュ２１は、同一の形状のものが２本並列に設けられており、動力伝達ギヤ１２を介してモータ１１により駆動される。各スクリュ２１の回転方向は同一であり、回転速度も同一となっている。スクリュ２１は、回転軸２１ａと羽根部材２１０（２１１〜２２５）とから構成される。

まず、導入領域３１は、図４に示すように、スクリュ２１の羽根部材２１１が１条のらせん状に形成されている。羽根部材２１１の回転軸２１ａに対する角度は約６０°に形成され、ピッチは約１．５Ｄ（Ｄはスクリュの直径）となっている。導入領域３１の羽根部材２１１の形状は、上流側の面２１１ａが回転軸２１ａの表面に対して約９０°に形成されており、下流側の面２１１ｂが回転軸２１ａの表面に対して約５０°に形成されている。

第１混練領域３２は、図５に示すように、上流側第１混練領域３２ａと、下流側第１混練領域３２ｂとに分かれている。上流側第１混練領域３２ａは、スクリュ２１の羽根部材２１２が２条のらせん状に形成されている。羽根部材２１２の回転軸２１ａに対する角度は約７０°に形成され、ピッチは約１．０Ｄとなっている。

一方、下流側第１混練領域３２ｂは、羽根部材２１３の形状が、図６に示す楕円状（ラグビーボール状）を呈しており、この羽根部材２１３が回転軸２１ａの軸方向に４枚設けられている。この４枚の羽根部材２１３は、回転軸２１ａの回転方向に角度を変えて固定されている。その配列は、隣り合う羽根部材２１３ごとに順次同一の角度をつけて積層してもよく、角度を均一にせずに積層してもよい。

第１排気領域３３は、図７に示すように、スクリュ２１の羽根部材２１４の形状が２条の螺旋形状に形成されている。羽根部材２１４の回転軸２１ａに対する角度は約７０°に形成され、ピッチは約１．０Ｄとなっている。

第２混練領域３４は、図８に示すように、上流側第２混練領域３４ａと下流側第２混練領域３４ｂとに分かれている。上流側第２混練領域３４ａは、スクリュ２１の羽根部材２１５が１条のらせん状に形成されている。羽根部材２１５の回転軸２１ａに対する角度は約８５°に形成され、ピッチは約０．２５Ｄとなっている。

下流側第２混練領域３４ｂは、スクリュ２１の羽根部材２１６の基本構成が下流側第１混練領域３２ｂと同様になっているが、下流側第２混練領域３４ｂの羽根部材２１６は、下流側第１混練領域３２ｂの羽根部材に比べて厚さが薄くなっている。一方で、下流側第２混練領域３４ｂでは、下流側第１混練領域３２ｂに比べて羽根部材２１６の数を多くしている。これにより、下流側第２混練領域３４ｂの軸方向の長さは、下流側第１混練領域３２ｂの約３倍となっている。

第２排気領域３５は、図９に示すように、スクリュ２１の羽根部材２１７が１条のらせん状に形成されている。羽根部材２１７の回転軸２１ａに対する角度は約６０°に形成され、ピッチは約２．０Ｄとなっている。第２排気領域３５の羽根部材２１７の形状は、断面が板状（長方形状）となっている。

第３混練領域３６は、図１０に示すように、上流側第３混練領域３６ａと、中間第３混練領域３６ｂと、下流側第３混練領域３６ｃとに分かれている。上流側第３混練領域３６ａは、スクリュ２１の羽根部材２１８が、上流側から２条の広いピッチである広ピッチ部３６ｄと、１条の狭いピッチの狭ピッチ部３６ｅとに分かれている。

広ピッチ部３６ｄは、スクリュ２１の羽根部材２１８ａが２条の広いピッチとなっており、ピッチは約１．０Ｄとなっている。狭ピッチ部３６ｅは、スクリュ２１の羽根部材２１８ｂの基本構成が上流側第２混練領域３４ａと同様であるが、軸方向の長さは上流側第２混練領域３４ａの約２倍の長さとなっている。中間第３混練領域３６ｂは、スクリュ２１の羽根部材２１９が下流側第２混練領域３４ｂと同様であり、軸方向の長さも同一となっている。

下流側第３混練領域３６ｃは、順方向領域３６ｆと逆方向領域３６ｇに分かれている。順方向領域３６ｆのスクリュ２１の羽根部材２２０は、上流側第３混練領域３６ａの狭ピッチ部３６ｅと同一の構成であり、逆方向領域３６ｇは順方向領域３６ｆとは回転軸２１ａに対する角度が逆になっている。逆方向領域３６ｇのスクリュ２１の羽根部材２２１は、順方向領域３６ｆとピッチは同一であるが、軸方向の長さは順方向領域３６ｆの１／２となっている。

第３排気領域３７は、図９に示す第２排気領域３５と同一の構造となっている。具体的には、スクリュ２１の羽根部材２２２が１条のらせん状に形成されている。羽根部材２２２の回転軸２１ａに対する角度は約６０°に形成され、ピッチは約２．０Ｄ（Ｄはスクリュの直径）となっている。また、この羽根部材２２２の形状は、断面が板状（長方形状）となっている。

導出領域３８は、図１１に示すように、上流側導出領域３８ａと、導出開口領域３８ｂとに分かれており、導出開口領域３８ｂの下流側には、スクリュ２１の羽根部材の傾きが逆方向の逆方向終端領域３８ｃが設けられている。

上流側導出領域３８ａは、スクリュ２１の羽根部材２２３の形状が上流側第３混練領域３６ａの広ピッチ部３６ｄと基本構成が共通しているが、軸方向の長さが広ピッチ部３６ｄよりも短くなっている。導出開口領域３８ｂは、導出口２７に開口している領域であり、スクリュ２１の羽根部材２２４の形状が上流側第３混練領域３６ａの狭ピッチ部３６ｅと基本構成が共通しているが、軸方向の長さは狭ピッチ部３６ｅよりも長くなっている。逆方向終端領域３８ｃは、スクリュ２１の羽根部材２２５の形状が、下流側第３混練領域３６ｃの逆方向領域３６ｇと同一の構成となっている。

次に、本実施形態の燃料製造装置１を用いた燃料製造方法について、廃棄物を原料とする場合について説明する。図１に示すように、原料となる廃棄物Ｗは、セパレータ２に投入され、無機物（ガラス）等の異物Ｃが除去される。異物Ｃが除去された後の廃棄物は、シュレッダ３に投入され、５ｍｍ程度の大きさに粉砕される。

この原料となる廃棄物Ｗは、内容物が種々雑多であるが、本実施形態の燃料製造装置１に投入される廃棄物として、合成樹脂を含む有機廃棄物を主成分とするものが選ばれる。例えば、プラスチック製の容器や発泡スチロールのような発泡体等が含まれている廃棄物がこれに当たる。合成樹脂を含む有機廃棄物の含有量が少ない瓦礫等は本実施形態の燃料製造装置１で処理するには適さない。

また、廃棄物Ｗの水分含有量は、２０％〜６０％に調整されることが好ましい。水分含有量が２０％未満であると、燃料製造装置１内に投入しても圧縮、混練が困難となる。また、同様に、水分含有量が６０％を超えると、燃料製造装置１内に投入しても十分に廃棄物Ｗを発熱させることが困難となる。

シュレッダ３で粉砕された原料Ｍは、燃料製造装置１まで図示しないコンベアで搬送され、原料投入口２３から二軸押出機２０内に投入される。二軸押出機２０内に投入された原料Ｍは、まずは導入領域３１内に導入される。導入領域３１では、図４に示すように、スクリュ２１の羽根部材２１１が１条のらせん状に形成されており、ピッチが１．５Ｄと比較的広いピッチとなっている。このため、投入された原料Ｍは、比較的速い速度で次の第１混練領域３２に搬送される。

第１混練領域３２では、比較的速い速度で搬送されてきた原料Ｍを、図５に示すスクリュ２１によって混練及び圧縮を行う。上流側第１混練領域３２ａでは、２条のらせん状の羽根部材２１２により原料が混練される。導入領域３１では、羽根部材２１１が１条でピッチ１．５Ｄであるため、この上流側第１混練領域３２ａにおいて原料Ｍが圧縮され、混練される。

次に、上流側第１混練領域３２ａによって圧縮、混練されながら搬送された原料Ｍは、下流側第１混練領域３２ｂにおいて、さらに圧縮、混練される。下流側第１混練領域３２ｂでは、図６に示す軸方向視で楕円状の羽根部材２１３によって混練される。

下流側第１混練領域３２ｂでは、羽根部材２１３によっては下流側への搬送力は発生しないので、上流側第１混練領域３２ａから搬送される原料Ｍによって下流側第１混練領域３２ｂ内の原料が押し出されながら混練される。一方で、この第１混練領域３２は、軸方向の長さが他の第２混練領域３４や第３混練領域３６よりも短いため、この第１混練領域３２での原料Ｍの圧縮、混練によって生じる熱は少ない。この下流側第１混練領域３２ｂにおける原料Ｍの温度は、第１混練領域温度センサ３２ｔによって検出され、制御装置１６によってその値が１００℃〜１５０℃となるように調整される。

次に、原料Ｍは、第１排気領域３３に搬送される。この第１排気領域３３では、図７に示すように、スクリュ２１の羽根部材２１４の形状が１条の螺旋形状であり、羽根部材２１４の回転軸２１ａに対する角度は約７０°に形成され、ピッチは約１．０Ｄとなっている。ここで、圧縮された原料Ｍの圧縮状態が緩和される。

原料Ｍは、第１混練領域３２で圧縮、混練されて発熱しているため、この第１排気領域３３に搬送されて圧縮状態が緩和されると、原料Ｍ内の水分が蒸発して水蒸気Ｓとなり、第１排気口２４から外部に排出される。一方で、第１混練領域３２によって生じる熱は少ないため、原料Ｍに含まれる合成樹脂の成分は揮発していないため、第１排気口２４からは合成樹脂の揮発成分は排出されない。

また、第１排気領域３３の上流側は第１混練領域３２であり、下流側は後述する第２混練領域３４であるため、共に原料Ｍが圧縮された状態となっている。よって、第１排気領域３３で発生する水蒸気Ｓを含むガスが導入領域３１に逆流することがなく、第２混練領域３４に進行することがない。

次に、原料Ｍは、第２混練領域３４に搬送される。この第２混練領域３４では、まず上流側第２混練領域３４ａに搬送される。上流側第２混練領域３４ａは、スクリュ２１の羽根部材２１５が１条のらせん状であり、羽根部材２１５の回転軸２１ａに対する角度は約８５°に形成され、ピッチは約０．２５Ｄとなっている。このため、この上流側第２混練領域３４ａでは、第１排気領域３３から搬送されてきた原料Ｍの搬送速度が減少され、原料Ｍが圧縮される。また、羽根部材２１５の角度が９０°に近くなっており、ピッチが狭いため、原料Ｍに強い搬送力が生じる。

次に、原料Ｍは、下流側第２混練領域３４ｂに搬送される。この下流側第２混練領域３４ｂでは、軸方向視で楕円状の羽根部材２１６が複数軸方向に積層されており、羽根部材２１６によっては下流側への搬送力は発生しないので、上流側第２混練領域３４ａから搬送される原料Ｍによって下流側第２混練領域３４ｂ内の原料が押し出されながら混練される。また、この下流側第２混練領域３４ｂは、軸方向の長さが下流側第１混練領域３２ｂよりも長いため、この下流側第２混練領域３４ｂでの原料Ｍの圧縮、混練によって、原料Ｍに多くの剪断力や圧縮力が加えられ、原料Ｍ自身から多くの熱が発生する。このときの原料Ｍの温度は、第２混練領域温度センサ３４ｔによって検出され、制御装置１６によってその値が１８０℃〜２８０℃となるように調整される。

次に、原料は、第２排気領域３５に搬送される。この第２排気領域３５では、図９に示すように、スクリュ２１の羽根部材２１７の形状が１条の螺旋形状であり、羽根部材２１７の回転軸２１ａに対する角度は約６０°に形成され、ピッチは約２．０Ｄとなっている。ここで、第２混練領域３４により圧縮されて加熱された原料Ｍの圧縮状態が緩和される。

原料Ｍは、第２混練領域３４で圧縮、混練されて１８０℃〜２８０℃の温度に加熱されているため、圧縮状態が緩和されると原料Ｍから熱分解して発生した可燃性ガスＧ１がこの第２排気領域３５内に噴出する。このときの可燃性ガスＧ１の成分は、原料Ｍの内容物の成分にもよるが、炭化水素が主成分となる。

また、第２排気領域３５の上流側は第２混練領域３４であり、下流側は第３混練領域３６であるため、共に原料Ｍが圧縮された状態となっている。よって、第２排気領域３５で発生する可燃性ガスＧ１が第２混練領域３４に逆流することがなく、第３混練領域３６に進行することがない。

次に、原料Ｍは、第３混練領域３６に搬送される。第３混練領域３６は、図１０に示すように、上流側第３混練領域３６ａと、中間第３混練領域３６ｂと、下流側第３混練領域３６ｃとに分かれている。

上流側第３混練領域３６ａでは、まず広ピッチ部３６ｄに原料Ｍが搬送される。上流側の第２排気領域３５では原料Ｍの圧縮状態が緩和されているが、この広ピッチ部３６ｄはスクリュ２１の羽根部材２１８ａが２条であり、そのピッチが約０．９Ｄとなっているため、この広ピッチ部３６ｄを通過する原料Ｍは徐々に圧縮される。このように、広ピッチ部３６ｄによってある程度圧縮された原料Ｍは、羽根部材２１８ｂのピッチが約０．２５Ｄとなっている狭ピッチ部３６ｅによってさらに圧縮される。

中間第３混練領域３６ｂでは、スクリュ２１の羽根部材２１９が下流側第２混練領域３４ｂと同様となっている。従って、上流側第３混練領域３６ａの狭ピッチ部３６ｅによって圧縮されて強い搬送力が加わった原料Ｍが、この中間第３混練領域３６ｂを通過することにより、原料Ｍに多くの剪断力や圧縮力が加えられ、原料Ｍ自身から多くの熱が発生する。この中間第３混練領域３６ｂにおける原料Ｍの温度は、第３混練領域温度センサ３６ｔによって検出され、制御装置１６によってその値が２６０℃〜３２０℃となるように調整される。

下流側第３混練領域３６ｃでは、上流側第３混練領域３６ａの狭ピッチ部３６ｅと同様の狭いピッチを有する順方向領域３６ｆによって、原料Ｍに強い搬送力が加えられる。そして、逆方向領域３６ｇに原料Ｍが搬送されると、逆方向領域３６ｇでは原料Ｍに搬送方向とは逆方向の搬送力が加えられる。ここで、搬送力としては、順方向領域３６ｆの軸方向の長さが逆方向領域３６ｇの長さの２倍となっているため、原料Ｍに加えられる搬送力は順方向の方が大きい。

よって、逆方向領域３６ｇでは、原料Ｍに逆方向の搬送力が加えられながら、原料Ｍは順方向に搬送されるので、原料Ｍには羽根部材２２１との強い摩擦力及び剪断力が加えられるので、原料Ｍの温度が２６０℃〜３２０℃に加熱される。

次に、原料Ｍは、第３排気領域３７に搬送される。この第３排気領域３７においては、スクリュ２１の羽根部材２２２の形状が第２排気領域３５と同一であるため、この第３排気領域３７においても原料Ｍから発生した可燃性ガスＧ２が噴出する。この第３排気領域３７において回収される可燃性ガスの主成分は、第２排気領域よりもガス全体に占める炭化水素成分の割合が高くなっている。これは、第３混練領域３６において、第２混練領域３４よりも高い熱を発生させたことが要因と考えられる。

次に、原料Ｍは、導出領域３８に搬送される。導出領域３８では、原料Ｍはまず上流側導出領域３８ａに搬送される。上流側導出領域３８ａは、スクリュ２１の羽根部材２２３が２条であり、ピッチは約０．９Ｄとなっている。上流側の第３排気領域３７で圧縮力が緩和された原料Ｍは、この上流側導出領域３８ａによって再度圧縮されながら導出開口領域３８ｂに搬送される。

導出開口領域３８ｂでは、羽根部材２２４のピッチが約０．２５Ｄとなっているので、原料Ｍがさらに圧縮されながら下流側に搬送される。また、導出開口領域３８ｂでは、下方に導出口２７が開口しているため、搬送されてきた原料Ｍはこの導出口２７から二軸押出機２０の外部に導出される。

ここで、導出開口領域３８ｂにおいて、スクリュ２１の羽根部材２２４に付着する等の理由により導出口２７から外部に導出されなかった原料Ｍがあった場合、当該原料Ｍは、導出開口領域３８ｂの下流側に設けられている逆方向終端領域３８ｃの羽根部材２２５によって導出開口領域３８ｂに戻される。これにより、原料投入口２３から投入された原料Ｍは、各領域によって処理されて導出口２７から外部に導出される。

導出口２７から導出された原料Ｍは、図１及び図２に示すように、冷却器１７によって冷却され、燃料Ｆとして搬出される。冷却器１７では、２６０℃〜３１０℃の温度で加工された原料Ｍを、約２００℃以下に冷却する。その際、冷却器１７の外周に図示しないウォータージャケットが設けられており、このウォータージャケット内で加熱された水は、ボイラ４の蒸気発生用の水として用いられる。ボイラ４では、可燃性ガスＧ１及びＧ２を燃料として水蒸気ＢＳを発生させ、この水蒸気ＢＳを発電機（図示せず）や空調機等に供給する。

１…燃料製造装置、１０…駆動装置、１６…制御装置（制御手段）、２０…二軸押出機、２１…スクリュ、２２…ケーシング、２３…原料投入口、２４…第１排気口、２５…第２排気口、２６…第３排気口、２７…導出口、３２…第１混練領域、３３…第１排気領域、３４…第２混練領域、３５…第２排気領域、３６…第３混練領域、３７…第３排気領域、３８…導出領域。

Claims

少なくとも合成樹脂が含まれる有機原料を圧縮混練することにより炭化させ、連続的に炭化燃料を製造する燃料製造装置であって、
駆動手段により同一の方向に同一の回転速度で駆動される二軸のスクリュと、前記スクリュが収納されるケーシングとを備えた二軸押出機と、前記駆動手段の制御を行う制御手段とを備え、
前記スクリュは、回転軸と、前記回転軸の表面に設けられる羽根部材とを有し、
前記ケーシングには、原料が投入される投入口と、加工された物質が導出される導出口と、前記投入口と前記導出口との間に設けられた複数の排気口を有し、
前記排気口は、前記ケーシングの上流側から第１排気口、第２排気口及び第３排気口の順で少なくとも３箇所に設けられ、
前記二軸押出機は、前記投入口から前記第１排気口の上流までの導入領域と、前記第１排気口の上流から下流までの第１排気領域と、前記第２排気口の上流から下流までの第２排気領域と、前記第３排気口の上流から下流までの第３排気領域と、前記導入領域と前記第１排気領域との間に設けられた第１混練領域と、前記第１排気領域と前記第２排気領域との間に設けられた第２混練領域と、前記第２排気領域と前記第３排気領域との間に設けられた第３混練領域と、前記導出口の上流から前記導出口の位置までを含む導出領域とを有し、
前記スクリュの羽根部材は、前記スクリュの側面視において前記回転軸に対する角度について、前記回転軸に対して９０°となる角度を最大とし、前記スクリュが回転したときに投入された原料が下流側に搬送される方向を順方向の傾き、上流側に搬送される方向を逆方向の傾きとしたときに、
前記導入領域は順方向の傾きを有し、前記第１混練領域は順方向の傾きで前記導入領域よりも傾きが大きい部分を有し、
前記第１排気領域は順方向の傾きを有し、前記第２混練領域は順方向の傾きで前記第１排気領域よりも傾きが大きい部分を有し、
前記第２排気領域は順方向の傾きを有し、前記第３混練領域は順方向の傾きで前記第２排気領域よりも傾きが大きい部分を有し、
前記第３排気領域は順方向の傾きを有し、前記導出領域は順方向の傾きで前記第３排気領域よりも傾きが大きい部分を有しており、
前記制御手段が、前記第１混練領域における下流側の温度が１００℃〜１５０℃、前記第２混練領域における下流側の温度が１８０℃〜２８０℃、前記第３混練領域における下流側の温度が２６０℃〜３２０℃で前記第２混練領域よりも高くなるように前記駆動手段を駆動させることを特徴とする燃料製造装置。
請求項１に記載の燃料製造装置であって、
前記第１混練領域は前記第２混練領域に比べて軸方向に短く設定され、前記第２混練領域は前記第３混練領域に比べて軸方向に短く設定されていることを特徴とする燃料製造装置。
請求項１又は２に記載の燃料製造装置であって、
前記第１混練領域が、前記導入領域から連続する上流側第１混練領域と、前記上流側第１混練領域と前記第１排気領域との間に設けられた下流側第１混練領域とを有し、
前記上流側第１混練領域の前記スクリュの羽根部材の傾きが、前記導入領域よりも大きく、
前記下流側第１混練領域の前記スクリュの羽根部材が軸方向視で楕円状の板部材を回転方向に角度を変えて複数枚軸方向に積層され前記板部材の傾きが９０°であることを特徴とする燃料製造装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料製造装置であって、
前記第２混練領域が、前記第１排気領域から連続する上流側第２混練領域と、前記上流側第２混練領域と前記第２排気領域との間に設けられた下流側第２混練領域とを有し、
前記上流側第２混練領域の前記スクリュの羽根部材の傾きが、前記第１排気領域よりも大きく、
前記下流側第２混練領域の前記スクリュの羽根部材が軸方向視で楕円状の板部材を回転方向に角度を変えて複数枚軸方向に積層され前記板部材の傾きが９０°であることを特徴とする燃料製造装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料製造装置であって、
前記第３混練領域が、前記第２排気領域から連続する上流側第３混練領域と、前記第３排気領域に連続する下流側第３混練領域と、前記上流側第３混練領域と前記下流側第３混練領域との間に設けられた中間第３混練領域とを有し、
前記上流側第３混練領域の前記スクリュの羽根部材の傾きが、前記第２排気領域よりも大きく、
前記中間第３混練領域の前記スクリュの羽根部材が軸方向視で楕円状の板部材を回転方向に角度を変えて複数枚軸方向に積層すると共に前記板部材の傾きを９０°とし、
前記下流側第３混練領域の前記スクリュの羽根部材が、上流側の順方向領域と下流側の逆方向領域に分割されていることを特徴とする燃料製造装置。
請求項５に記載の燃料製造装置であって、
前記下流側第３混練領域の前記逆方向領域は、前記順方向領域よりも軸方向に短く設定されていることを特徴とする燃料製造装置。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料製造装置であって、
前記導出領域は、前記第３排気領域から連続する上流側導出領域と、前記上流側導出領域から連続する導出開口領域とを有し、
前記上流側導出領域の前記スクリュの羽根部材の傾きが、前記導出開口領域よりも小さく設定されていることを特徴とする燃料製造装置。
請求項７に記載の燃料製造装置であって、
前記導出領域は、前記導出開口領域の下流側に前記スクリュの羽根部材の傾きが逆方向である逆方向終端領域をさらに有することを特徴とする燃料製造装置。
少なくとも合成樹脂が含まれる有機原料を燃料製造装置によって圧縮混練することにより炭化させ、連続的に炭化燃料を製造する燃料製造方法であって、
前記燃料製造装置は、駆動手段により同一の方向に同一の回転速度で駆動される二軸のスクリュと、前記スクリュが収納されるケーシングとを備えた二軸押出機と、前記駆動手段の制御を行う制御手段とを備え、
前記スクリュは、回転軸と、前記回転軸の表面に設けられる羽根部材とを有し、
前記ケーシングには、原料が投入される投入口と、加工された物質が導出される導出口と、前記投入口と前記導出口との間に設けられた複数の排気口を有し、
前記排気口は、前記ケーシングの上流側から第１排気口、第２排気口及び第３排気口の順で少なくとも３箇所に設けられ、
前記二軸押出機は、前記投入口から前記第１排気口の上流までの導入領域と、前記第１排気口の上流から下流までの第１排気領域と、前記第２排気口の上流から下流までの第２排気領域と、前記第３排気口の上流から下流までの第３排気領域と、前記導入領域と前記第１排気領域との間に設けられた第１混練領域と、前記第１排気領域と前記第２排気領域との間に設けられた第２混練領域と、前記第２排気領域と前記第３排気領域との間に設けられた第３混練領域と、前記導出口の上流から前記導出口の位置までを含む導出領域とを有しており、
前記二軸押出機を前記駆動手段によって駆動した状態で、前記投入口に原料を投入し、
投入された前記原料を前記導入領域において下流側に搬送し、
前記第１混練領域で前記原料の搬送速度を前記導入領域よりも遅くして圧縮しながら混練し、
前記第１排気領域において前記原料の搬送速度を前記第１混練領域よりも速くして前記原料の圧縮状態を緩和して前記第１排気口から前記原料に含まれるガスを排出させ、
前記第２混練領域において前記原料の搬送速度を前記第１排気領域よりも遅くして前記原料を圧縮しながら混練し、
前記第２排気領域において前記原料の搬送速度を前記第２混練領域よりも速くして前記原料の圧縮状態を緩和して前記第２排気口から前記原料に含まれるガスを排出させ、
前記第３混練領域において前記原料の搬送速度を前記第２排気領域よりも遅くして前記原料を圧縮しながら混練し、
前記第３排気領域において前記原料の搬送速度を前記第３混練領域よりも速くして前記原料の圧縮状態を緩和して前記第３排気口から前記原料に含まれるガスを排出させ、
前記導出領域において前記第３排気領域を通過した原料を前記二軸押出機から導出するものであり、
前記制御手段が、前記第１混練領域における温度が１００℃〜１５０℃、前記第２混練領域における温度が１８０℃〜２８０℃、前記第３混練領域における温度が２６０℃〜３２０℃で前記第２混練領域よりも高くなるように前記駆動手段を駆動することを特徴とする炭化燃料を製造する燃料製造方法。
請求項９に記載の燃料製造方法であって、
前記第３混練領域の下流側において、前記スクリュの回転によって原料に逆方向の搬送力を付与することを特徴とする燃料製造方法。