JP4153143B2 - マイクロ波乾燥装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環境衛生上の対策から水処理プロセスで活性炭を用い濾過する工程において、有機物を吸着した使用済の活性炭を抜き出して加熱再生するリサイクルに関し、特に上下水道プロセスに使用する活性炭のマイクロ波乾燥装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
河川等の取水源より取水し、濾過して浄水を供給する上水道施設、或いは有機物を処理して河川へ放流する下水道施設において２４時間運転が為されている。
【０００３】
これら各々の施設のプロセス内には活性炭処理池があり、不純物の除去を行っている。その活性炭は粒径１ｍｍ程度で、内部の比表面積は１、０００ｍ²／ｇと吸着面積が大きいのが特徴である。故に使用中に内部に有機物等の不純物を吸着し、吸着能力が低下し比表面積が５００ｍ²／ｇ程度となると、老廃炭と称し再生処理して再利用している。
【０００４】
その再生設備とは日本水道協会編「活性炭処理施設」（Ｓ６３−３月発行）にも述べられているように、大容量の再生設備はヘルショフ炉（多段式落下焼成法）で、中容量の再生設備は回転キルン炉（乾燥キルン炉と焼成キルン炉）で行っていた。ヘルショフ炉は都市ガスによる外部再生設備で設備面積が大きく、特に排ガス処理の付帯設備が大きい。また回転キルン炉も都市ガスを用いており、乾燥キルン炉では老廃炭の粒子の内部における水分を除去する為に内部加熱キルン炉を通し、次に外部加熱キルン炉により再生温度にして再生炭を製造している。排ガス処理の付帯設備もヘルショフ炉と同様に大きくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の再生設備は付帯設備も含めて据付面積が大きく小型化ができなかった。その理由は、
（１）都市ガスは安価であるがＮＯｘ、ＳＯｘ等の排ガス処理が必要となる。
【０００６】
（２）キルン炉などに老廃炭を投入したり、再生炭を収納する設備が大きい。
【０００７】
また再生設備を小型化するタイプとして特開昭５１−４３３９４号公報及び特開昭５１−４３３９５号公報にはマイクロ波を乾燥に利用する例が提案されている。この公報には縦型の反応容器とこの内部に活性炭を収納する再生容器を配置し、反応容器の外周側に導波管を配置し、導波管の一端にマイクロ波発振器を接続し、マイクロ波発振器からのマイクロ波が導波管を伝搬し活性炭に照射して、活性炭を乾燥し、活性炭を再生している。
【０００８】
しかしながら、この公報には活性炭を再生するのみに止め、マイクロ波の照射効率をよくしてマイクロ波乾燥装置を小型化できると云う配慮がなされていない。
【０００９】
本発明の目的は、マイクロ波の照射効率をよくして小型化したマイクロ波乾燥装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題を解決するために、本発明のマイクロ波乾燥装置は、内部に被乾燥物を収納する石英管の外周側に配置した断熱部と、この断熱部の外部に配置したマイクロ波を発生する複数個のマイクロ波発振器と、前記マイクロ波発振器と断熱部とを接続すると共に、マイクロ波を伝搬させ被乾燥物にマイクロ波を照射する導波管とを備え、この導波管はその内部に矩形形状の空間部が形成され、この空間部の長手方向が上記石英管の軸方向になるよう導波管を上記断熱部の外周側に配置することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１ないし図７を適用してなるマイクロ波乾燥装置１により説明する。
【００１２】
リアクタータンク２は中間タンク２ｂと下部タンク２ｃとに分割され、下部タンク２ｃ上に中間タンク２ｂを積み重ねている。中間タンク２ｂには上部カバー９を配置している。下部タンク２ｃが支持台２ｚに支持されている。これらのリアクタータンク２の両端にフランジ３を形成し、フランジ間を固定手段４例えばボルト、ナットで締め付けて各タンク２ｂ，２ｃ及び上部カバー９を固定している。下部タンク２ｃと支持台２ｚの間に断熱材より成る支持板５を固定手段４により固定している。下部タンク２ｃと中間タンク２ｂ及び上部カバー９には断熱材より成る断熱部６を配置している。断熱部６ついては下部タンク２ｃに対応する突起断熱部６aは中間タンク２ｂに対応する断熱部６より厚く構成されている。断熱部６の内側に石英管７を配置し、断熱部６と石英管７の間に空隙部８を形成している。
【００１３】
空隙部８は石英管７と断熱部６との間に真空ポンプにより１００Ｔｏｒｒ程度真空状態とすることで、石英管内の熱が外部に放散することを防止してもよい。またリアクタータンク２及び断熱部６を周方向に複数個に分割することで、石英管７の劣化寿命で石英管７を交換時に側面側より分割した断熱部６を取り外し、石英管７を取り付けることが容易になり、リアクタータンク内面の断熱部６の固定作業も容易となり、製作費を安くできる利点がある。断熱部６の材質はマイクロ波の透過性が高いＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂等を用いることで、断熱部６におけるマイクロ波のエネルギー損失を少なくできる。
【００１４】
上部カバー９の内側には断熱材より成る断熱部６を配置している。上部カバー９の頂上より石英管内に連通する通路１１を形成している。通路１１の上部カバー９の頂上には駆動部１２例えばモータにより直進運動をするロッド１２ａを設け、ロッド１２ａの先端に設けた栓１２ｂを通路１１に挿入している。駆動部１２を駆動して栓１２ｂを通路内に移動出来るようにしている。通路１１の途中に排ガス通路１３Ｚ及び活性炭供給路１４を形成している。排ガス通路１３Ｚは排ガス１３ａを処理する排ガス処理装置１３に接続している。
【００１５】
排ガス処理装置１３は排ガス１３ａを処理するための熱交換器１３ｂ、逆止弁１３ｃ、触媒燃焼反応器１３ｄ、排気ファン１３ｅが接続されている。石英管７の排気側から排気された水蒸気及び排ガス１３ａを熱交換器１３ｂで冷却して水蒸気を除去し、排ガス１３ａを触媒燃焼反応器１３ｄで排ガス１３ａの不純物を除去し、無害ガスとして排気する。活性炭供給路１４は活性炭入口弁１４ａを介してホッパー１４ｂに連通している。ホッパー１４ｂは活性炭１５を収納する。駆動部１２を駆動して、活性炭供給路１４を塞いでいる栓１２ｂを移動し、活性炭供給路１４を開放すると、活性炭１５が活性炭供給路１４を流れ石英管内に落下する。
【００１６】
図２，図３に示すように石英管７の下端部はガス吐出板１６により支持され、ガス吐出板１６は断熱部６の突起断熱部６aに支持されている。石英管７の上端は開口部７ａを形成し、開口端には円形形状の中央側の内部支持板１７と外周側の外部支持板１８との間を複数の連絡板１９で固定している。複数の連絡板の外側は開口部７ａ及び石英管７に連通している。反射管２１を内部支持板１７の貫通穴１７Ａに挿入し、反射管２１に設けたフランジを内部支持板１７で支持し、反射管２１を石英管内に吊るしている。導波管例えばＰ１Ａより反射されたマイクロ波Ｍは活性炭１５を照射する。反射管２１は石英管７及び活性炭１５を透過したマイクロ波Ｍを反射管２１により反射し、マイクロ波Ｍを再び活性炭１５に照射する働きをする。反射管２１の反射部材としてステンレス部材を使用した。また反射管２１は石英管の開口部端間を支持板で連絡し、支持板に形成した貫通穴に反射管２１を挿入し、反射管２１の端部を支持板に支持し、支持板より石英管内に反射部を吊してもよい。いずれの場合も反射管２１の端部を蓋として使用し、反射管内に温度センサ２６ａを配置できるようにしている。
【００１７】
即ち、マイクロ波Ｍにより活性炭１５が昇温されるが、その温度を一定値に制御部２６で制御している。いま、反射管２１内にリード線２６Ｚに接続した温度センサ２６ａを複数個取り付けている。温度センサ２６ａは反射管２１の外周側で活性炭１５の温度を計る。この測定温度値はリード線２６Ｚを介して外部に引き出されて変換器２６ｂで測定温度値を電圧信号に変換し、測定温度値を温度設定変換器２６ｃの設定温度値とを比較器２６ｄで比較し、測定温度値が設定温度値より低い時には、マイクロ波発振器２５の出力を上昇し、マイクロ波Ｍの出力を増す。また温度設定変換器２６ｃの設定温度値より測定温度値が高い時には、マイクロ波発振器２５の出力を下げて、マイクロ波Ｍの出力を下げる。
【００１８】
これらの制御プログラムはＭＰＵ２６ｅにあるが、マイクロ波Ｍの出力の増減の他に、弁類の開閉制御も行っている。特に重要な機能は活性炭１５が昇温と共に、賦活用供給ガス３０の流量制御がある。即ち、初期の立ち上げ時にＮ₂ガス部３０ａより乾燥した窒素ガス３１が弁Ｍ₃を開いて供給され、ガス吐出板１６より活性炭内に入って、排気ガス処理装置１３で排気されながら、石英管内に残留する空気を除去する。次に、マイクロ波Ｍにより活性炭１５を温度上昇させて約５００℃以上で水蒸気３０ｂが弁Ｍ₄を開いて供給され、８００℃で水蒸気反応を促進し、賦活工程を行う制御プログラムである。
【００１９】
ガス吐出板１６は外端を断熱部６の突起断熱部６aに支持されており、また石英管７の下端はガス吐出板１６に支持されている。ガス吐出板１６はこの外端側から中央に向かって傾斜面１６ａを形成している。傾斜面１６ａにはガス貫通孔１６ｂを形成していると共に、傾斜面１６ａの中央から下側に円筒部１６ｃが伸びている。円筒部１６ｃは支持板５に支持された排出管２２内に挿入されている。円筒部１６ｃと排出管２２とは連通していると共に、排出管２２に設けた排出弁２２ａを介して、冷却スクリュー２３に連通している。排出弁２２ａを閉じている時には活性炭１５が石英管内に貯留され、排出弁２２ａを開くと石英管内の活性炭１５を冷却スクリュー２３に排出することができる。冷却スクリュー２３の駆動部２３ａを駆動して、石英管内の賦活処理された活性炭１５は冷却スクリュー内を移動して、排出水槽２４に活性炭１５を排出する（排出）。
【００２０】
断熱部６の外周側には図４，図５，図６，図７のように周方向に沿って３個の導波管Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ１Ｃを１２０°間隔で接続している。各導波管Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ１Ｃにはマイクロ波発振器２５が接続されている。マイクロ波発振器２５からのマイクロ波Ｍは導波管内を伝搬する。導波管例えばＰ１Ａの内部にマイクロ波Ｍを伝搬する矩形形状の導波管空間部２５ａを形成している。この導波管空間部２５ａの長手方向の導波管一方面ａとこの直角方向の導波管他方面ｂを断熱部６の長手方向Ｈと周方向Ｓとに配置する。
【００２１】
断熱部６の長手方向Ｈに４段の導波管Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を配置している。このうち１段目及び３段目の導波管Ｐ１，Ｐ３を奇数段目の導波管と称する。２段目及び４段目の導波管Ｐ２，Ｐ４を偶数段目の導波管と称する。例えば１段目の導波管Ｐ１は周方向Ｓに導波管Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ１Ｃを１２０°間隔で３個配置している。２段目の導波管Ｐ２は周方向Ｓに導波管Ｐ２Ａ，Ｐ２Ｂ，Ｐ２Ｃを１２０°間隔で３個配置している。尚、２段目の導波管Ｐ２と３段目の導波管Ｐ３との関係、及び３段目の導波管Ｐ３と４段目の導波管Ｐ４との関係は上述と同じように配置されるので、説明を省略する。
【００２２】
以上の実施例によれば、次のような効果が得られる。
【００２３】
（１）導波管例えばＰ１Ａの内部に形成した導波管空間部２５ａの長手方向の導波管一方面ａとこの直角方向の導波管他方面ｂを断熱部６の長手方向Ｈと周方向Ｓに配置した。この結果、図６に示すように導波管一方面ａを断熱部６の長手方向Ｈに配置する場合と、断熱部６の導波管他方面ｂを長手方向Ｈに配置する場合とを比べれば、導波管一方面ａの場合は空間部内面を伝搬するマイクロ波Ｍを石英管７の長手方向Ｈへの拡がりが、導波管他方面ｂに比べて広いので、マイクロ波Ｍを有効に利用できる。このことは導波管一方面ａを断熱部６の長手方向Ｈに配置すれば、マイクロ波Ｍの効率が良くなったぶんだけ断熱部６及び石英管７の長手方向Ｈを有効に利用することができる。この場合、マイクロ波Ｍの端面拡がり角度θは約３０°である。
【００２４】
また図７に示すように導波管空間部２５ａの導波管他方面ｂを断熱部６の周方向Ｓに配置した場合と、断熱部６の導波管一方面ａを周方向Ｓに配置した場合とを比べれば、導波管一方面ａの場合にはマイクロ波Ｍを石英管外に照射し、マイクロ波Ｍを有効に利用できない。これに対して、導波管他方面ｂの場合は空間部内面を伝搬するマイクロ波Ｍを石英管内に照射できるので、マイクロ波Ｍを有効に利用できる。このことは導波管他方面ｂを断熱部６の周方向Ｓに配置すれば、マイクロ波Ｍの効率が良くなったぶんだけ断熱部６及び石英管７の周方向Ｓを縮小することができる。
【００２５】
このように導波管内の導波管空間部２５ａの導波管一方面ａと導波管他方面ｂを断熱部６の長手方向Ｈと周方向Ｓに配置し、マイクロ波Ｍを活性炭１５に照射する照射効率を良くし、乾燥時間を速めると共に、マイクロ波Ｍの効率が良くなった分だけ長手方向Ｈと周方向Ｓを縮小したマイクロ波乾燥装置１を実現することができる。
【００２６】
（２）断熱部６の長手方向に配置した複数段の導波管は、奇数段の導波管Ｐ１，Ｐ３及び偶数段の導波管Ｐ２，Ｐ４とよりなる。この奇数段の導波管Ｐ１，Ｐ３と偶数段の導波管Ｐ２，Ｐ４との関係は奇数段の導波管Ｐ１Ａと偶数段の導波管Ｐ２Ａとが隣接して周方向に配置されている。即ち、１段目の導波管Ｐ１と２段目の導波管Ｐ２とが対応する周方向Ｓの石英管内のマイクロ波Ｍを照射する照射面には、導波管Ｐ１Ａ，Ｐ２Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ２Ｂ，Ｐ１Ｃ，Ｐ２Ｃを周方向Ｓに沿って６０°間隔で６個配置したことになる。このため石英管内にマイクロ波Ｍを均一に照射できるので、活性炭１５を均一に乾燥できる。
【００２７】
（３）支持板に支持された反射管２１は、中央の貫通穴１７Ａに挿入し、導波管例えばＰ１Ａから照射してきたマイクロ波Ｍは活性炭１５を透過し、反射管２１に当たり、反射管２１で反射されたマイクロ波Ｍは再び活性炭１５を透過することにより、マイクロ波Ｍを有効に利用し、石英管内の活性炭１５を乾燥する乾燥時間を速くすることができるので、活性炭１５の乾燥作業を短縮できる。また反射管２１の外径寸法を変えるとこにより、反射管２１と導波管Ｐ１Ａのマイクロ波照射口との距離を調整し、マイクロ波の電力値は活性炭１５を均一に乾燥できるように調整し、活性炭１５の乾燥むらを防止する。
【００２８】
次に本発明のマイクロ波乾燥装置１を適用して活性炭内の老廃物質を処理する一運転例を説明する。
【００２９】
排出弁２２ａを閉じた後、駆動部１２を駆動して、活性炭供給路１４を塞いでいる栓１２ｂを移動し、活性炭供給路１４を開放すると共に、ホッパー１４ｂ内から無数の孔に有機物つまり老廃物質を有する活性炭１５を石英管内に落下し、石英管内に活性炭１５を充填する（活性炭充填）。
【００３０】
活性炭１５の充填が完了すると、活性炭入口弁１４ａを閉じ真空ポンプ（図示せず）を運転し、石英管７と断熱部６間の空隙部８を真空状態とする。また活性炭投入ロッド１２ａを下げ、パージガス及び排ガス１３ａが活性炭入口弁１４ａの方へ流出しないようにする。活性炭投入ロッド１２ａを下げた後、排ガス処理を行えるようにする。
【００３１】
Ｎ₂ガス部３０ａを運転し、傾斜面１６ａのガス貫通孔１６ｂを経て石英管７内に窒素ガス３１を供給しながら、マイクロ波発振器２５を運転し、活性炭１５を加熱する（加温−炭化工程）。活性炭１５を昇温する過程においてはＮ₂ガス部３０ａから傾斜面１６ａのガス貫通孔１６ｂを経て窒素ガス３１を供給する。窒素ガス３１の供給により活性炭１５の温度上昇に伴う酸化反応も防止できる。また活性炭１５の細孔内に吸着した老廃物質が炭化して生じる排出ガス１３ａを窒素ガス３１により、強制的に排出することで、マイクロ波Ｍによる排出ガス１３ａのイオン化を防止できるので、石英管７の寿命を長くすることができる。
【００３２】
また下部から窒素ガス３１を供給するため下部の熱を上部へ伝達できるため、上段例えば４段目の導波管Ｐ４のマイクロ波発振器２５の出力を小さくすることができるため、昇温に伴うマイクロ波電力を節約することがきる。
【００３３】
活性炭１５の温度が約８００℃に達するとマイクロ波発振器２５の出力を調整することで温度を維持しながら、弁Ｍ４を開き、水蒸気供給装置３０ｂから活性炭１５内に水蒸気を供給し、水蒸気で炭化した老廃物質を水蒸気で酸化させガス化し離脱させる水蒸気賦活反応を進める（水蒸気賦活）。水蒸気賦活反応を所定時間行った後、マイクロ波発振器２５、Ｎ₂ガス部３０ａ、水蒸気供給装置３０ｂを停止し、排出弁２２ａを開くと共に、冷却スクリュー２３の駆動部２３ａを駆動して、石英管内の賦活された活性炭１５は冷却スクリュー内を移動して、排出水槽２４に活性炭１５を排出する（排出）。上記活性炭の充填、（加温−炭化工程）、蒸気賦活、排出を１サイクルとして運転を行う。
【００３４】
この実施例によれば、次の効果を得ることができる。
【００３５】
（４）断熱部６の長手方向に沿って複数段にマイクロ波発振器２５を配置し、石英管７の供給側から排気側に排ガス１３ａを流す。排ガス１３ａの温度は供給側に比べて排気側の方が高いから、排気側に配置された例えば４段目の導波管Ｐ４に接続したマイクロ波発振器２５は供給側に配置された例えば１段目の導波管Ｐ１に接続したマイクロ波発振器に比べて、出力を小さくしたマイクロ波発振器を配置することができるので、昇温に伴うマイクロ波電力を節約できる。また４段目のマイクロ波発振器２５は１段目のマイクロ波発振器より重量が軽くなり、耐震性を向上することが出来る。特に石英管７及び断熱部６を縦型に配置した場合に効果が大きい。
【００３６】
（５）石英管内の活性炭１５は１００℃〜１２０℃で含有水分が放出され、５００℃程度で付着老廃物質が炭化してガス放出するが、活性炭１５の上側の空間ではマイクロ波Ｍにより排出ガス１３ａがイオン化し、時々放電現象を生ずる。その放電衝撃で石英管７を劣化させないように内部支持板１７がアース接地されているので、石英管７の寿命が長くり交換時期が長くなる。
【００３７】
（６）反射管内に配置した温度センサ２６ａで石英管内の活性炭１５の温度を測定し、活性炭１５の温度が設定温度範囲の時に水蒸気供給装置３０ｂから水蒸気を供給する。即ち、温度センサ２６ａで測定した温度は制御部２６に入力され、制御部２６からの制御値がマイクロ波発振器２５と水蒸気供給装置３０ｂとに入力され、この制御値によりマイクロ波発振器２５及び水蒸気供給装置３０ｂからは設定どうりのマイクロ波Ｍ及び水蒸気が出力されるので、水蒸気及びマイクロ波電力を経済的に使用できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のような本発明によれば、活性炭へのマイクロ波の照射効率を良くして、マイクロ波乾燥装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるマイクロ波乾燥装置を示す概略断面図。
【図２】図１の石英管の開口部付近の断面図。
【図３】図１の中間断熱部及び下部断熱部付近の部分断面図。
【図４】図１の断熱部とマイクロ波発振器とに導波管を配置した断面図。
【図５】図４の導波管の断面図。
【図６】図１のマイクロ波の伝搬経路を示す部分側面図。
【図７】図１のマイクロ波の伝搬経路を示す部分断面図。
【符号の説明】
１…マイクロ波乾燥装置、２…リアクタータンク、２ｂ…中間タンク、２ｃ…下部タンク、２ｚ…支持台、６…断熱部、７…石英管、７ａ…開口端、９…上部カバー、１１…通路、１３…排ガス処理装置、１４…活性炭供給路、１４ｂ…ホッパー、１５…活性炭、１６…ガス吐出板、１７Ａ…貫通孔、２１…反射管、２３…冷却スクリュー、２４…排出水槽、２５…マイクロ波発振器、２５ａ…導波管空間部、２６…制御部、２６ａ…温度センサ、３０…賦活用活性ガス、３１…窒素ガス、ａ…導波管一方面、ｂ…導波管他方面、Ｈ…長手方向、Ｍ…マイクロ波、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…導波管、Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ１Ｃ，Ｐ２Ａ，Ｐ２Ｂ，Ｐ２Ｃ…導波管、Ｓ…周方向、θ…角度。

Claims (1)

1. 断熱部を内面に配置したリアクタータンクと、前記断熱部と空隙部を介して前記リアクタータンク内に配置され内部に被乾燥物を収納する石英管と、この石英管の内側に配置した反射管と、前記リアクタータンクの外部に配置したマイクロ波を発生する複数個のマイクロ波発振器と、これらマイクロ波発振器からのマイクロ波を伝播させ被乾燥物を収納した前記石英管に照射する導波管とを備えたマイクロ波乾燥装置において、上記導波管を上記石英管の軸方向に沿って複数段配置すると共に、各段の導波管を周方向に複数等間隔で配置し、これら複数段の導波管のうち奇数段目の複数の導波管を偶数段目の複数の導波管の周方向間隔の中間近傍に配置させ、かつ、前記断熱部の外周側に位置する前記導波管の断面形状を矩形断面形状に形成し、この矩形断面形状の長い方向を前記石英管の長手方向に沿って配置し、また前記導波管の矩形断面形状の短い方向を前記石英管の周方向に沿って配置してマイクロ波を前記石英管の内側に照射するようにしたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置。

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