JP3970048B2

JP3970048B2 - 炭化物の品質管理方法

Info

Publication number: JP3970048B2
Application number: JP2002047966A
Authority: JP
Inventors: 猛甘利; 範明仙波; 裕姫本多; 泰道青木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-02-25
Also published as: JP2003246987A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、炭化物の品質管理方法に関する。さらには、本発明は有機性廃棄物が廃棄物処理装置で処理されてできた炭化物をオンサイトで品質管理し、有効に再利用するために分類する炭化物の品質管理方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
家庭や工場等から排出されるごみ、汚泥等の有機性廃棄物は廃棄物処理施設に運ばれ、一定の方法で処理される。このような廃棄物処理方法の一つとして、炭化炉を用いる方法が知られている。かかる方法においては、有機性廃棄物を低酸素、具体的には酸素濃度が５％程度の条件下で加熱処理することにより炭化物を生成する。
【０００３】
炭化物は、このように低酸素条件下で有機性廃棄物を燃焼し、急冷することにより生ずる粒状の固体であり、通常、炭素を主成分として５〜８０％程度含むものであるため、炭素製品にリサイクルすることができる。リサイクルされる炭素製品は、その炭化物の炭素含有量が利用用途の選定や、更なる精製の必要性の重要な指標である。ここで、利用用途としては燃料や、脱臭剤、排ガスもしくは水質浄化剤等の吸着剤等が挙げられる。
【０００４】
従って、リサイクルにあたっては、その用途に合わせて一定の炭素含有量を有する炭化物が必要とされる。しかし、かかる炭化物の原料となる有機性廃棄物の性状の変動が避けられないため、一定の性状の炭化物を得ることは原理上困難である。このため、廃棄物処理装置から得られた炭化物の性状分析を行い、その結果に応じて一定の炭素含有量を有する炭化物ごとに分類してリサイクルする必要がある。
【０００５】
従来、炭化物の性状分析方法としては、廃棄物処理装置から得られた炭化物をサンプラー等により定期的にサンプリングし、サンプル試料をＸ線分析器、化学分析器等の成分分析器まで輸送装置等により輸送した後、あるいは手動によりサンプリングをした後に、これらの成分分析器により炭化物の炭素含有量等の分析を行っていた。
【０００６】
しかし、かかる分析方法は、炭化物から試料を採取してから分析器により分析結果が得られるまでにかなりの時間（１０〜１２０分）を必要とするため、リアルタイムで炭化物の性状を得ることは不可能であった。従って、この分析結果に基づいて炭化物の分類をオンラインで行うことは困難であるため、従来は、得られた炭化物は分類がされていない炭素含有量の含有率幅が広いものであり、リサイクル用途を制限する原因となっていた。
【０００７】
また、このようなサンプリングを伴う分析による品質管理の自動化を実現しようとする場合には採取されたサンプルの輸送装置等が必要となり、装置全体が高価となるという課題を有していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
炭化物の性状をオンサイトかつリアルタイムで分析し、炭化物を有効にリサイクルすべくその性状にあわせて品質管理する方法およびこれを実現する炭化物の品質管理システムが必要とされる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、有機性廃棄物を炭化炉にて処理して炭化物を得る工程と、レーザ誘起ブレークダウン法により、該炭化物の炭素含有量をオンサイトで分析する工程と、該分析工程における炭素含有量に応じて該炭化物を分類する工程とを含んでなる炭化物の品質管理方法を提供する。
ここでレーザ誘起ブレークダウン法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy：以下、ＬＩＢＳ法とする）とは、固体表面にレーザを照射し、プラズマ発光をさせてそのスペクトルを検出することにより、固体表面の元素分析及び成分分析を可能にする方法である。ＬＩＢＳ法は、短時間で測定可能であり、サンプリングを必要としない分析ができるため、本発明において、炭化物中の炭素含有量を分析するのに有効に用いられる。
また、このようなサンプリング及び測定試料の調製を必要とせず、被分析物をそのままの状態で分析する方法をオンサイト分析といい、本発明においては、ほぼリアルタイムで分析結果を得ることができることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、前記炭化物を得る工程と分析工程との間に、前記炭化物を粉砕する工程をさらに含む炭化物の品質管理方法を提供する。また、前記炭化物を得る工程と分析工程との間に、前記炭化物を冷却する工程をさらに含む炭化物の品質管理方法を提供する。
【００１１】
さらに本発明は、前記分析工程が、レーザ誘起ブレークダウン法による測定を１５〜６０秒に１回行うものである炭化物の品質管理方法を提供する。
【００１２】
また、前記分類工程において、高炭素含有量の炭化物と、低炭素含有量の炭化物とに分類する炭化物の品質管理方法を提供する。このとき、高炭素含有量の炭化物とは、所定の基準値以上の炭素含量を有する炭化物をいい、低炭素含有量の炭化物とは、所定の基準値以下の炭素含有量を有する炭化物をいう。基準値は、３０％〜８０％であり、好ましくは３５％〜６５％であり、さらに好ましくは４０％である。
【００１３】
さらに、本発明は、炭化物を生成する炭化炉と、レーザ誘起ブレークダウン法を用いた該炭化物中の炭素含有量の分析手段と、該炭素含有量に応じて該炭化物を分類する手段とを含む炭化物の品質管理システムを提供する
【００１４】
このように、本発明によれば、炭化炉で得られた炭化物の炭素含有量をオンサイトで分析し、分析工程においてほぼリアルタイムで得られる炭素含有量に応じて後続の工程で炭化物の分類を行うことが可能であるため、炭素含有量の揃った炭化物を得ることができる炭化物の品質管理システムを実現することができる。また、このようなシステムはコスト的にも有利であり、有機性廃棄物のリサイクルに有用である。
【００１５】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を、図面を参照して詳細に説明する。以下の実施の形態は本発明を限定するものではない。
図1に本発明に係る炭化物の品質管理システム１全体の図を示す。本発明の実施の形態においては、廃棄物処理装置１０の炭化炉２２で炭化物２を生成する工程と、得られた炭化物２を運搬しながら、ＬＩＢＳ法によりオンサイトで分析する工程と、かかる分析工程により得られる炭化物２の炭素含有量に応じて炭化物２を分類する工程を経て、高炭素分６の炭化物と低炭素分７の炭化物にまで分類するものである。以下にそれぞれの工程につき、さらに詳しく述べる。
【００１６】
本発明にかかる炭化物２の品質管理方法において、品質管理の対象となるのは、廃棄物処理装置１０の炭化炉２２で生成され、排出された炭化物２である。このような炭化物２の炭素含有量は、５〜８０重量％程度であり、リサイクルすることができるからである。このような炭化物２が有機性廃棄物から生成される工程につき、廃棄物処理装置全体の図を示して以下に説明する。
【００１７】
図２は、炭化物２を生成する炭化炉２２の一形態である外熱式キルンを含む廃棄物処理装置１０を示す図である。図２に示す廃棄物処理装置１０において、貯留された有機性廃棄物１１は破砕機及びスクリューフィーダにより構成された供給手段２１により、破砕された後、炭化炉である外熱式キルン２２中に連続的に供給される。ここで、外熱式キルン２２の加熱ジャケット２３中に、廃棄物処理装置１０の後段で、熱分解ガス１２に含まれる飛散粒子等を燃焼する高温燃焼炉２７で発生する高温排ガス１３を流通して内部を加熱する。昇温途上の十分低温の間に、キルン２２内部は窒素若しくは水蒸気でフラッシュして、内部の空気の一部を置換し、酸素濃度を５％以下に抑える。外熱式キルン２２の内温は３００〜８００℃に制御する。このようなキルン２２において炭化物が生成される。
【００１８】
さらには、キルン２２で生成された炭化物２を分離抜き出し手段２４の下部に導き、熱分解ガス１２を上部から取り出す。分離抜き出し手段２４の下部からは、有機性廃棄物１１の供給量とバランスしてキルン内容量が定常状態になるよう、炭化物２を抜き出す。分離抜き出し手段２４の下部には急冷手段として熱交換器２５を備え、抜き出し時に急冷することができ、ある程度冷却された状態の炭化物２が排出される。
【００１９】
一方、キルン２２で生成される成分のうち、抜き出された炭化物以外の成分である熱分解ガス１２は飛散粒子を含んでいる。従って、バグフィルタ２６で除塵した後、高温燃焼炉２７で燃焼させ、ボイラ３０で熱交換してボイラからの排ガスとなり、バグフィルタ２９でさらに除塵した後、煙突２８から排出される。
【００２０】
このような廃棄物処理装置１０は、有毒な有機ハロゲン化合物の生成を抑制して処理し、資源として有効利用の出来る炭化物を取得することができる。従って、炭化物２を得る工程は、このような廃棄物処理装置１０を用いて実施することが好ましい。しかし、炭化物を生成する装置または設備であれば、特定の物には限定されない。
【００２１】
このようにして廃棄物処理装置１０の炭化炉２２から排出された炭化物２は、通常、温度が常温〜１００℃、直径が約０．５ｍｍ〜１００ｍｍ前後の固体粒子状であって、通常炭素を５〜８０重量％の割合で含む他、シリカ、アルミニウム、カルシウム、鉄等を主な成分として含むものである。
【００２２】
次に、このようにして得られた炭化物２の炭素含有量を、ＬＩＢＳ法によりオンサイトで分析する工程につき説明する。廃棄物処理装置１０で得られた炭化物２は分析工程を実施するための分析場５に一定量で連続的に導かれる。このとき、炭化物２は、廃棄物処理装置１０から排出されて、いったん貯留された後、分析工程を実施するための分析場５まで運搬されてもよい。あるいは排出された炭化物２が、分析工程にまで運搬するための手段に載置されるように、廃棄物処理装置１０における炭化物の分離抜き出し手段２４と炭化物を運搬する手段３とを設け、連続的に分析場５まで運搬されるようにすることもできる。このような炭化物を運搬するための手段３に導入する工程については、排出される炭化物の量や、本発明にかかる炭化物の品質管理システム１で処理可能な量および処理速度等に応じて適宜決定されることが好ましく、特定の方法によるものではない。当業者には既知の適当な方法及び手段を用いることにより、炭化物を運搬する手段３に導入することができる。
【００２３】
このような運搬手段３には、一定量の炭化物を一定速度で運搬することが必要とされる。従って、運搬手段３としてはベルトコンベアのような装置を用いることが好ましい。その他の運搬手段３としては、例えば、空気輸送等を用いることもできる。しかし、炭化物２が分析場５を連続的に一定量で通過することができるようにする手段であれば、特定の手段には限定されない。
【００２４】
また、炭化物２を運搬手段３に導入する前に、あるいは運搬する間であって炭化物の分析工程の前に、炭化物を粉砕する工程を設けてもよい。これは、本発明における分析工程でＬＩＢＳ法により炭素含有量の分析を行うための前処理として炭化物を微粒子化しておくことにより、より精度の高い測定が可能となるためである。かかる炭化物の粉砕にあたっては、高速回転体による衝撃式粉砕機や媒体を用いる振動ミル、チューブミル等の装置を用いることができるが、これらには限定されない。また、粉砕工程においては、炭化物を直径が１０〜１０００μｍ程度の粒子にまで粉砕することが好ましい。
【００２５】
さらに、同様に炭化物２を運搬手段３に導入する前に、あるいは運搬する間であって炭化物の分析工程の前に、炭化物を冷却する工程を設けてもよい。上述のように、炭化物２は通常１００℃程度で廃棄物処理装置１０から排出されるが、その炭化条件や成分によって温度のばらつきが生じていると考えられる。このような温度差は、分析工程で検出される炭化物の炭素含有量の誤差を生じる可能性がある。従って、一定の温度まで冷却することで、より精度の高い測定を可能とするためである。かかる炭化物の冷却工程には、例えば、送風機、管路の径を拡大してその外部を囲緯した冷却ジャケットや、経路に挿入した多管式熱交換器、若しくはフィン付きチューブ等の装置を用いることができるが、これらには限定されない。炭化物２が排出される場所と分析場５との間に運搬手段３を比較的長い距離に渡って設け、分析工程に達するまでの間に自然冷却することも可能である。
【００２６】
また、かかる粉砕工程と冷却工程を両方設ける場合には、粉砕工程を経た後の炭化物を冷却工程に供することが好ましい。粉砕により熱を生ずる可能性があるからである。
【００２７】
分析場５は、炭化物２が運搬される過程のいずれかの個所に設ける。炭素含有量の分析は、被分析物である炭化物２が運搬される過程で、非接触かつサンプリングの必要のない方法、具体的には、ＬＩＢＳ法により行う。
【００２８】
ＬＩＢＳ法の計測空間はレーザによる集光空間で決定され、通常数ｍｍ〜数十ｍｍであり、一方、測定時間はレーザの照射時間で決定され、通常一回の照射時間は数ｎｓ〜数十ｎｓである。このため、炭化物性状を代表する測定値を得る為に、廃棄物処理装置１０で得られた炭化物２は分析工程を実施するための分析場５を連続的に移動させ、これにある周期で繰り返しレーザを発信させることにより、より多くのサンプルから得られた信号を平均化して分析値を得ることが望ましい。
【００２９】
従って、運搬手段３のいずれかの場所において、運搬される炭化物に直接レーザ照射可能であるように分析装置４を設置することで分析場５を設けることができる。分析場５としては特別な設備等を備える必要はなく、分析装置４からのレーザが照射される位置が分析場５となる。
【００３０】
具体的には、図１に示すように傾斜をもってベルトコンベアが上昇するように設けられている場合には、その最上部付近に分析場５を設けることが好ましい。従って、ベルトコンベアの最上部付近であって、ベルトコンベア上に載置された炭化物にレーザを照射することが可能な位置に分析装置４を設置し、分析場５を設けることができる。
【００３１】
ここで、ＬＩＢＳ法による炭化物の分析につき、詳細に説明する。レーザは、被計測物である炭化物にレーザ光を集光し、炭化物中の成分をプラズマ化させて、そのプラズマ光を異なった波長分解能の複数のグレーティングを有する分光器に入射する。それぞれのグレーティングにより分光された複数のスペクトル光は、高速ゲートが可能なＣＣＤカメラにより撮影され、ＣＣＤカメラが出力した映像はコンピュータに転送され、コンピュータはこの映像より分析場に存在する炭化物中の炭素含有量を計測する。
【００３２】
このような分析を実施するために用いられるＬＩＢＳ法による分析装置４を図３に示す。かかる分析装置４は、レーザ光を放射する励起用パルスレーザ４１、同レーザ４１が放射したレーザ光を入射しパージ付計測窓４３を介して分析場５に集光するレンズ４２、同レンズ４２が集光したレーザ光を分析場５に存在する固体粒子状の炭化物２が受光して発生したプラズマ光をミラー４４を介して入射するレンズ４５、同レンズ４５が集光したプラズマ光を入射する分光器４６、同分光器４６により分光された光を撮影するＣＣＤカメラ４７、同ＣＣＤカメラ４７に接続されたコンピュータ４８および上記励起用パルスレーザ４１とＣＣＤカメラ４７の間に設けられた同期ライン４９を備えている。
【００３３】
上記において、励起用パルスレーザ４１が放射したレーザ光は、レンズ４２がパージ付計測窓４３を介して分析場５に集光し、分析場５に存在する炭化物２をプラズマ化させ、この炭化物２はプラズマ光を発する。
【００３４】
このプラズマ光は、ミラー４４を介してレンズ４５により集光され、異なった波長分解能の複数（２個以上）のグレーティングを有する分光器４６に入射し、それぞれのグレーティングから分光された光が放射され、それぞれの光は高速ゲートが可能なＣＣＤカメラ４７により撮影される。ＣＣＤカメラ４７が出力する映像は、コンピュータ４８に転送され、コンピュータ４８は各成分からの発光強度情報より分析場５に存在する炭化物２の成分を計測する。なお、ＣＣＤカメラ４７による撮影は、励起用パルスレーザ４１の発振と同期ラインにより同期させている。
【００３５】
このようなＬＩＢＳ分析装置４を用いれば、運搬手段３上に設けられた分析場５にある炭化物２の組成およびその含有量を計測することができ、ほぼリアルタイムで炭化物２の炭素含有量を得ることができる。一回あたりの測定に要する時間が、約０.１秒と非常に短いため、ベルトコンベア等の運搬手段３により運ばれていく炭化物２をその運搬手段３に載せたままオンサイトで分析することが可能である。従って、本発明においてＬＩＢＳ法による分析装置４は炭化物２の炭素含有量を分析するために有利に用いられる。
【００３６】
非接触、短時間、かつ運搬される炭化物２をオンサイトで分析することが必要とされるため、上述のような装置が好ましいが、同様に測定することが可能であれば、装置は特定の種類に限定されるものではない。特に、得られた分光学的なシグナルの解析方法等については、上述の装置で実施される方法には限定されない。
【００３７】
本発明においては、かかるＬＩＢＳ法を用いた分析装置４により炭化物中の炭素含有量を分析する。一般には、得られたスペクトルの強度から、計算により炭素含有量を重量％で算出することができる。
【００３８】
例えば、測定は０．１秒に一回、レーザを炭化物に照射し、１００回の測定ごとに炭素含有量の平均値を計測して炭化物中の炭素含有量とすることができる。具体的には、照射開始から１回目から１００回目の炭素含有量の平均値を第１回の炭素含有量とし、次に１０１回目から２００回目の炭素含有量の平均値を第２回の炭素含有量とするように測定することができる。このとき、データ転送、処理に５秒要するとすれば、１５秒に１回の分析結果が得られることになる。
【００３９】
測定間隔等の測定時の条件は、必要とされる分類の精度によって異なる。つまり、炭化物をある一定の炭素含有量を基準値として、その基準値からほとんど誤差がないように分類する必要がある場合には、測定間隔を狭くし、測定の精度を上げることが好ましい。そのためには、レーザ照射する部分を複数有する分析装置を使用し、複数の分析場５を設けることができるようにオンサイト分析することも可能であるが、測定の精度を上げるための方法これには限定されない。かかる測定の精度は、当業者には既知の様々な方法によって達成することが可能である。
【００４０】
さらには、本発明において用いられるＬＩＢＳ法による分析装置４は、多元素を同時に検出しその強度を得ることが可能である。従って、炭化物のリサイクル用途によっては一定の有害な金属元素の有無やその含有量を計算する工程をさらに含み、分類工程に反映させることもできる。
【００４１】
このようにして得られた分析結果はコンピュータ４８のモニタ画面上で、あるいはコンピュータ４８と連結されて別途設けられたモニタ画面等により常に監視することが可能である。また、かかるコンピュータ４８による分析結果は、その後の分類工程に反映されるため、コンピュータ４８の分析結果と連動させて、分類工程を実施する装置の制御を行うように設計することができる。
【００４２】
分析工程を経た炭化物２は、次に分類工程へ導入される。分類工程は、分析工程で得られた炭素含有量の値に応じて、目的の異なる複数の用途に炭化物を分類する。
【００４３】
本発明の一つの実施形態によれば、一定の炭素含有量を基準値として、炭化物を高炭素含有量の炭化物と、低炭素含有量の炭化物との二つに分類することができる。このように二つに分類するときの基準となる値は、３０％〜８０％であり、好ましくは３５％〜６５％であり、さらに好ましくは４０％である。以下にかかる分類工程につき説明する。
【００４４】
例えば基準となる炭素含有量を４０％としたときは、炭素含有量が４０％以上の炭化物を高炭素含有量の炭化物とし、炭素含有量が４０％以下の炭化物を低炭素含有量の炭化物として、炭化物を二つに分類することができる。炭素含有量が４０重量％以上である比較的高炭素分の炭化物は、石炭並みの発熱量を持つであるため、固体燃料としてリサイクルするのに有用である。また、炭素含有量が、４０重量％以下である比較的低炭素分の炭化物は、そのままでは発熱量が低く燃料としてはリサイクルが困難なので、吸着剤としてリサイクルするかもしくは、灰分を除去する灰分分離工程に供して、炭素含有量を高めて再利用することが可能である。
【００４５】
このとき、分析装置４により、炭化物２の炭素含有量をモニタリングしながら、４０重量％以上であれば高炭素分６の分類へ、４０％以下であれば低炭素分７の分類へ、運搬されてきた炭化物２を分類するように分類手段を制御する。
【００４６】
分類手段の制御は、ＬＩＢＳ法による分析装置４で得られた炭素含有量と連動するように行うことができる。これには、例えば、運搬手段３の終点に移動可能なコンテナ等を設けて、運ばれてきた炭化物をその炭素含有量に応じたコンテナに収容するように分類する方法がある。このとき、高炭素分６のコンテナと低炭素分７のコンテナとが設けられる。分析工程により得られた炭素含有量が例えば、４０重量％以上であれば高炭素分６のコンテナに、４０重量％以下であれば低炭素分７のコンテナに、運搬されてくる炭化物２が収容されるように、コンテナを移動させることができる。
【００４７】
あるいは、別の例としては、運搬手段３の終点近くに分岐を設け、分析工程により得られた炭素含有量に応じて進む経路を変えるように制御して、その先に高炭素分６と低炭素分７のコンテナを設置して、分岐点で分類された炭化物２を収容するようにすることもできる。しかし、このような分類の制御は一例に過ぎず、炭素含有量に応じて分類できるあらゆる装置及び方法を用いることができる。
【００４８】
このように炭化物２を分類する工程は、分析工程で得られる炭化物の炭素含有量に応じて制御され、その結果炭素含有量の揃った炭化物に分類されて、有効にリサイクルを行うことができる。ここでは、高炭素分６と低炭素分７との二つに分類する工程につき説明したが、本発明は分類される数を限定するものではない。例えば、炭素含有量により５種類以上に分類することもできる。
【発明の効果】
本発明にかかる炭化物の品質管理システムによれば、有機性廃棄物処理装置から排出される炭化物を運搬しながら、その炭素含有量をオンサイトかつ短時間で分析することができ、その分析工程で得られた炭素含有量に応じて炭化物を分類し、有効にリサイクルすることができる。
本発明の方法は、簡単でかつ低コストで実現できるため、有機性廃棄物処理施設等において有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭化物の品質管理システム全体を示す図である。
【図２】廃棄物処理装置全体を示す図である。
【図３】ＬＩＢＳ法による分析装置を示す図である。
【符号の説明】
１炭化物の品質管理システム
２炭化物
３運搬手段
４ＬＩＢＳ分析装置
４１レーザ
４２レンズ
４３パージ付き計測窓
４４ミラー
４５レンズ
４６分光器
４７ＣＣＤカメラ
４８コンピュータ
４９同期ライン
５分析場
６高炭素分
７低炭素分
１０廃棄物処理装置
１１有機性廃棄物
１２熱分解ガス
１３高温排ガス
２１供給手段
２２炭化炉（外熱式キルン）
２３加熱ジャケット
２４分離抜き出し手段
２５急冷手段（熱交換器）
２６バグフィルタ
２７高温燃焼炉
２８煙突
２９バグフィルタ
３０ボイラ

Claims

有機性廃棄物を炭化炉にて処理して炭化物を得る工程と、
レーザ誘起ブレークダウン法により、該炭化物の炭素含有量をオンサイトで分析する工程と、
該分析工程における炭素含有量に応じて該炭化物を分類する工程と
を含んでなる炭化物の品質管理方法。
前記炭化物を得る工程と分析工程との間に、前記炭化物を粉砕する工程をさらに含む請求項１に記載の炭化物の品質管理方法。
前記炭化物を得る工程と分析工程との間に、前記炭化物を冷却する工程をさらに含む請求項１または２に記載の炭化物の品質管理方法。
前記分析工程が、レーザ誘起ブレークダウン法による測定を１５〜６０秒に１回行うものである請求項１〜３のいずれかに記載の炭化物の品質管理方法。
前記分類工程において、高炭素含有量の炭化物と、低炭素含有量の炭化物とに分類する請求項１〜４のいずれかに記載の炭化物の品質管理方法。
炭化物を生成する炭化炉と、
レーザ誘起ブレークダウン法を用いた該炭化物中の炭素含有量の分析手段と、
該炭素含有量に応じて該炭化物を分類する手段と
を含む炭化物の品質管理システム。