JP4226066B1 - 炭化炉 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化効率および炭化物収率に優れた炭化炉を提供する。
【解決手段】略円筒形の本体１０と前記本体１０に収容された円筒体２０を含む、有機廃棄物の炭化炉１であって、前記本体１０の側壁と前記円筒体２０とにより形成され、有機廃棄物を炭化させる炭化部５０と、前記炭化部５０の下方に位置し、前記本体１０の側壁と前記円筒体２０とにより形成され、炭化された前記有機廃棄物を消火する不燃部６０を備え、前記円筒体２０は、内壁と空気供給口２３を備えた外壁を有する二重壁構造であり、前記外壁と内壁の間に形成された予備加熱室を介して前記空気供給口２３から空気を前記炭化部５０に供給する、炭化炉１。
【選択図】図１

Description

本発明は炭化炉、より詳しくは有機廃棄物を炭化するための炭化炉に関する。

近年、家庭や産業分野から排出される有機物（「有機廃棄物」ともいう）を処理して、炭として再利用する方法が検討されている。例えば特許文献１には、略円筒形の本体を備え、本体の内部の上部空間を、有機廃棄物から発生する可燃性ガスを主として燃焼させる燃焼ゾーンとなし、燃焼ゾーンの下方に、本体の内径よりも小さな円筒体を配置し、円筒体の上部分と本体の側壁とによって構成される空間を、有機廃棄物を燃焼させ、その燃焼熱により炭化させる精錬ゾーンとなし、円筒体の前記上部分以外の部分と本体の側壁とによって構成される空間を、不燃状態を作り出して炭化物を消火させる不燃ゾーンとなし、かつ、円筒体から燃焼ゾーンに空気を供給することを特徴とする炭化炉が開示されている。この炭化炉は円筒体から空気を供給することにより燃焼温度を均一にでき、精錬時間を短縮させるとともに炭品質を向上させることができるとされている。

しかしながら、当該文献に記載の炭化炉は、時間当たりの炭化物収量で表される炭化効率や炭化物収率がいまだ十分ではなく、さらなる向上が求められていた。
特開２０００−１７２６９号公報

発明者らは、特許文献１に記載の炭化炉に関し、炭化効率や炭化物収率を向上させるための検討を行った。その結果、円筒体から吹き込まれる空気により、有機廃棄物を炭化する雰囲気の温度が低下してしまうと、炭化効率および炭化物収率が低下することを見出した。
かかる事情に鑑み、本発明は、炭化効率および炭化物収率に優れた炭化炉を提供することを目的とする。

［１］略円筒形の本体と前記本体に収容された円筒体を含む、有機廃棄物の炭化炉であって、
前記本体の側壁と前記円筒体とにより形成され、有機廃棄物を炭化させる炭化部と、
前記炭化部の下方に位置し、前記本体の側壁と前記円筒体とにより形成され、炭化された前記有機廃棄物を消火する不燃部を備え、
前記円筒体は、内壁と、空気供給口を備えた外壁を有する二重壁構造であり、前記外壁と内壁の間に形成された予備加熱室を介して前記空気供給口から空気を前記炭化部に供給する、炭化炉。
［２］前記円筒体の内壁は、前記外壁に設けられた空気供給口と対向する領域外に、予備加熱室への空気導入口を有する、［１］に記載の炭化炉。
［３］前記円筒体の予備加熱室を形成する外壁と内壁に挟まれた空間の幅は、１００〜２００ｍｍである、［１］または［２］に記載の炭化炉。
［４］前記円筒体は、上部が円錐台形であり、前記円錐台の側面は前記空気供給口を備える、［１］〜［３］のいずれかに記載の炭化炉。
［５］前記炭化部に位置する前記本体の壁は、空気供給口を備える、［１］〜［４］のいずれかに記載の炭化炉。
［６］前記円筒体は、前記本体の底部より取り外し可能である、［１］〜［５］のいずれかに記載の炭化炉。
［７］前記本体の側壁と前記円筒体の間に形成される空間の幅は、４００〜６００ｍｍである、［１］〜［６］のいずれかに記載の炭化炉。

本発明により、炭化効率および炭化物収率に優れた炭化炉が提供できる。

１．炭化炉
本発明の炭化炉は、有機廃棄物の炭化炉であって、略円筒形の本体と前記本体に収容された円筒体を含む。本発明の炭化炉は、前記本体の側壁と前記円筒体とにより形成され、有機廃棄物を炭化させる炭化部と、前記炭化部の下方に位置し、前記本体の側壁と前記円筒体とにより形成され、炭化された前記有機廃棄物を消火する不燃部を備える。前記円筒体は、内壁と空気供給口を備えた外壁を有する二重壁構造であり、前記外壁と内壁の間に形成された予備加熱室を介して前記空気供給口から空気を前記炭化部に供給することを特徴とする。

有機廃棄物とは、炭素を含む廃棄物である。その例には、食品廃棄物、建設廃材、シュレッダーダスト、畜産廃棄物、間伐材、剪定枝、製材のくず、竹、刈り草のような樹木製の廃材、汚泥、イナワラのようなソフトバイオマス、家庭から排出される一般廃棄物が含まれる。この中でも、有機廃棄物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。

有機廃棄物はあらかじめ乾燥機などで乾燥し、その含水率が適正に調整されていることが好ましい。炭化効率や炭化物収率を高くできるからである。含水率は１０〜３０％であることが好ましい。本発明において記号「〜」は、その両端の数値を含む。

図１は、本発明の炭化炉の一例を示す断面図である。図１に示すとおり、炭化炉１は、主として本体１０と本体１０に収納された円筒体２０（円筒体２０は正面図で示してある）より構成される。
本体１０は、有機廃棄物の投入口１１、排気口１２、着火バーナー１３、空気供給口１４、取出口１５を有する。円筒体２０は、その上部が円錐台形であり、円錐台形の側面（「頂壁」２１ともいう）と側壁２２に空気供給口２３を有する。以下に各材について図１〜３を参照しながら説明する。

（１）本体
本体１０は略円筒形である。略円筒形とは、円筒またはこれに類似する形状をいう。本体１０は有機廃棄物の投入口１１を有する。ここから廃棄物が炭化炉１内へ導入される。本体１０は、導入された有機廃棄物を燃焼させるための、着火バーナー１３と空気供給口１４を有することが好ましい。着火バーナー１３は、有機廃棄物に着火できればどの位置に設けられていてもよいが、投入口１１よりやや下方に設けられていることが好ましい。有機廃棄物は、ここで燃焼させられ、炭化物を多く含む固形分と分解ガスを生成する。

空気供給口１４は、本体１０側壁の投入口１１よりも下の位置に設けられることが好ましく、本体１０側壁の「円筒体２０の空気供給口２３が設けられた領域に対向する位置」に設けられることがより好ましい。さらに空気供給口１４は、本体１０の全周に亘って設けられることが好ましい。空気供給口１４は円形の孔であることが好ましく、その直径は１０〜３０ｍｍ程度であることが好ましい。
有機物は燃焼させられ炭化物を多く含む固形分を生成する。この炭化物を多く含む固形分は、本体１０側壁と円筒体２０とにより形成された領域に到達する。この領域において炭化物を多く含む固形分はさらに炭化される。この領域は炭化部５０と呼ばれる。炭化部５０における炭化とは、空気を供給しつつ高温を維持して炭化を進行させることを意味する。この炭化は「精錬」や「あらし」とも呼ばれる。

この炭化部５０のさらに下方の本体１０側壁と円筒体２０で挟まれた領域には、不燃部６０が形成される。不燃部６０には炭化部５０で精錬された炭化物が移送される。不燃部６０に到達した直後の炭化物はまだ燃焼しているため、不燃部６０にて空気を遮断して消火する。

本体１０の上部には、有機廃棄物が燃焼した際に生じる分解ガスを燃焼させるための空間が形成されていることが好ましい。この空間は二次燃焼部７０とも呼ばれる。

本体１０の底部には、不燃部６０で消火された炭化物を取出すための取出口１５が設けられることが好ましい。

本体１０の大きさは、処理する有機廃棄物の量や、製造する炭化物の量により適宜選択してよいが、直径は０．５〜３ｍであることが好ましい。本体１０の高さは１〜４ｍであることが好ましい。また、本体１０を構成する材料は、公知の材料であればよく、公知の材料の例には、ステンレスが含まれる。

（２）円筒体
本発明の炭化炉１は、本体１０に収納された円筒体２０を有する。円筒体とは、円柱状の部材であり、本発明の炭化炉１においていわゆる「焼き玉」のような役割を果たす。すなわち、円筒体２０は炭化部５０を加熱して炭化を促進させる。円筒体２０は、加熱装置を備えていてもよいが、円筒体２０は、有機廃棄物を燃焼させる際の熱等により加熱されることが好ましい。

円筒体２０は、図１に示すように上部が円錐台形であることが好ましい。この構造により、炭化部５０の上部を広くすることができ、有機廃棄物を燃焼させて得た炭化物を多く含む固形分を炭化部５０に導入しやすくなる。

円筒体２０は、図２に示すように、内壁２６と外壁２４を有する二重壁構造であり、前記外壁２４と内壁２６の間に形成された予備加熱室２５を有する。図２は円筒体２０の概要を示す断面図である。外壁２４には空気供給口２３が、内壁２６には空気導入口２８が設けられている。内壁２６の内部に形成された空間２７は、軸３５の内部に設けられた空気送気口２９に連通している。

空気送気口２９から導入された空気は、空気導入口２８から予備加熱室２５に導入される。有機廃棄物が燃焼される等により発生した熱が外壁２４から予備加熱室２５に伝わり、予備加熱室２５に導入された空気が加熱される。予備加熱室２５は、内壁２６で空間２７と遮断されているため熱が空間２７へ伝わりにくく、効率よく空気を加熱できる。予備加熱室２５で加熱された空気は、空気供給口２３を介して、炭化部５０（図１）へ供給される。このように炭化部５０には予め加熱された空気が送り込まれるため、雰囲気温度を低下させることがない。このため炭化部５０では効率よく炭化が行える。

外壁２４と内壁２６に挟まれた空間の幅ｔ（「予備加熱室２５の幅ｔ」ともいう）は、１５０〜３００ｍｍ程度であることが好ましい。空気を効率よく加熱できるからである。
内壁２６に設けられた空気導入口２８は、外壁２４に設けられた空気供給口２３と対向する領域外に設けられることが好ましい。例えば、図２においては、空気供給口２３と外壁２４における空気導入口２８は水平線上に並ばないように設けられる。このように空気の流路を複雑にすると、空気が予備加熱室２５に滞留する時間を長くでき、空気を十分に加熱することができる。空気導入口２８の形状は、本体１０に設けられた空気供給口１４と同じにすることが好ましい。

図１に示すように、空気供給口２３は、円筒体２０の上部に設けられ、円筒体２０の下部には設けられないことが好ましい。これにより、円筒体２０の下部と、その対向する本体１０の側壁で囲まれた部分に、空気が遮断された不燃部６０が形成される。円筒体２０の上部とは、頂壁２１または側壁２２の上部をいう。空気供給口２３は、頂壁２１または側壁２２の全周に亘って設けられることが好ましい。頂壁２１とは、円筒体２０の円錐台部分の側面をいう。特に頂壁２１に空気供給口２３が設けられると、投入口１１から投入された直後に有機廃棄物を燃焼させやすくなるとともに、炭化部５０での炭化も進行しやすくなるので好ましい。

側壁２２における、「空気供給口２３が設けられる部分の高さ」と「空気供給口２３が設けられない部分の高さ」の割合は、前者１に対して後者が０．５以上であることが好ましい。炭化物の消火を確実に行えるからである。
空気供給口２３の形状は、本体１０に設けられた空気供給口１４と同じにすることが好ましい。
円筒体２０の天面は、本体１０に設けられた空気供給口１４よりも１００〜２００ｍｍ、好ましくは１５０ｍｍ程度上部に位置することが望ましい。

円筒体２０は、円筒体２０の底面および天井面の中心を通る垂直を軸として回転可能であることが好ましい。円筒体２０がこのように回転可能であると炭化部５０に空気をより均一に送り込むことができ、炭化効率を向上させられ、かつ炭化物の純度を向上できる。円筒体２０を回転させる手段は限定されないが、軸３５に円筒体２０を連結し、軸３５を公知の駆動手段で回転させることが好ましい。

図１に示すように、円筒体２０の底部は、テーブル３０を備えることが好ましい。テーブル３０は、円錐台形であることが好ましく、かつ昇降が可能であり、本体１０との間隔が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からである。テーブル３０は回転可能であることが好ましい。テーブル３０は円筒体２０と連動して回転してもよいが、円筒体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。

円筒体２０は、本体１０の底部より取り外し可能であることが好ましい。炭化炉１内部には、主として溶融したシリカが冷却されてなるクリンカーが存在することがある。クリンカーは炭化炉１の性能を損なうおそれがあるため、定期的に除去される必要がある。本発明の炭化炉１は、後述のとおり炭化部５０と不燃部６０の幅ｗを広くし、炭化物の収量を向上させられるため、生成するクリンカーの量も増加する場合がある。このとき円筒体２０が本体１０の底部より取り外し可能であると、クリンカーの除去作業が容易となる。円筒体２０を本体１０の底部より取り外すための構造は限定されないが、図３に示すような構造が好ましい。図３は、本発明の炭化炉１の底部付近の断面図（ただし、円筒体２０とテーブル３０は正面図）である。テーブル３０は、本体１０の底部１８に接している。この底部１８は、本体１０側壁の下の部分に設けられた切離部１９で切離し可能になっている。すなわち、切離部１９は、通常は連結装置（図示せず）で連結されているが、補修等の際には、連結装置を解除することにより、本体１０から底部１８を切り離せる。底部１８が切り離された本体１０の底から、テーブル３０と円筒体２０を取り出せる。

円筒体２０の大きさは限定されないが、直径ｄは４００〜８００ｍｍ程度であることが好ましい。円筒体２０の高さｈは、８００ｍ〜１５００ｍｍ程度であることが好ましい。
また、本体１０側壁と円筒体２０の間に形成される空間（炭化部５０や不燃部６０に該当する）の幅ｗは任意でよいが、４００〜６００ｍｍが好ましく、４５０〜６００ｍｍがより好ましく、５００〜５５０ｍｍがさらに好ましい。従来の炭化炉における前記幅は、３５０〜４００ｍｍのものが多かった。これよりも前記幅が大きいと、有機廃棄物に十分空気を供給することができないため炭化効率が低下し、これよりも前記幅が小さいと、炭化物の収量が低下するからである。しかし、本発明の炭化炉は、十分に予備加熱された空気を炭化部５０に供給できるため、前記幅を従来のものより大きくしても炭化効率が低下しにくい。よって、炭化効率と炭化物収率の双方を向上させうる。
円筒体２０を構成する材料には公知の材料を用いてよい。公知の材料の例にはステンレスが含まれる。

２．製造方法
本発明の炭化炉を用いた炭化物の製造方法は、（１）有機廃棄物を炭化炉に投入する工程、（２）有機廃棄物を燃焼・炭化させる工程、（３）炭化された有機廃棄物を消火する工程、（４）炭化物を取出す工程を含むことが好ましい。以下に、図１を用いて、本発明の炭化炉を用いた炭化物の製造方法を具体的に説明する。

（１）投入工程
本工程では、有機廃棄物を投入口１１から炭化炉１内へ投入する。有機廃棄物としては既に述べたものを使用することが好ましい。有機廃棄物は乾燥されていてもよい。有機廃棄物を投入する手段は限定されないが、例えば、スクリューフィーダーやテーブルフィーダー等を用いて定量的、定期的に投入することが好ましい。

（２）燃焼・炭化工程
本工程では、投入された有機廃棄物を燃焼させる。具体的には着火バーナー１３で有機廃棄物に着火するとともに、炭化炉１内に円筒体２０の空気供給口２３から空気を供給して有機廃棄物を燃焼させることが好ましい。また、炭化炉１内にヒーターを設置して、有機廃棄物を発火点まで加熱して燃焼させてもよい。

この工程では、有機廃棄物を燃焼させて、「炭化物を多く含む固形分」と「熱分解ガス」を得る。熱分解ガスとは一酸化炭素、水素、炭化水素、硫黄酸化物、窒素酸化物等を含む混合ガスである。炭化物を多く含む固形分は炭化部５０へ移動し、熱分解ガスは炭化炉１の上方の二次燃焼部７０へと移動し燃焼される。この燃焼で得られた熱は、円筒体２０の加熱や、さらに新たに投入された有機廃棄物の燃焼・炭化にも利用できる。

一方、「炭化物を多く含む固形分」には熱分解ガスが含まれているため、このまま消火されると炭化物に含まれる不純物が多くなり、炭化物収量が低下するおそれがある。そこで本発明では、炭化部５０において、円筒体２０の空気供給口２３から予備加熱された空気を供給して、炭化物を多く含む固形分中に含まれる熱分解ガスを燃焼させるとともに、固形分の炭化をより進行させる。すなわち前述の「精錬」を効率よく行うことができる。よって、本発明においては、一般に除去しにくいとされる「固形物に内包された熱分解ガス」を除去でき、純度の高い炭化物が収率よく得られる。この際、円筒体２０を回転させると、精錬より均一に進行させることができるので好ましい。

本工程は、投入口１１付近および二次燃焼部７０の温度を８００〜１０００℃、炭化部５０の温度を６００〜８００℃程度とすることが好ましい。また、二次燃焼部７０での熱分解ガスの滞留時間を２秒以上とすると、ダイオキシンの発生を低減できるので好ましい。各部位の温度は、炭化炉１内に供給される空気の量により調整できる。

（３）消火工程
炭化部５０で前記固形物を十分に炭化させて得られた炭化物は、続いて不燃部６０に到達する。到達したばかりの炭化物はまだ燃焼している。本工程では、この炭化物への空気の供給を遮断して炭化物を消火する。しかし、本工程において空気を完全に遮断することは困難である。従って、炭化物の温度がその着火温度以上である場合は、炭化物が燃焼し続け、炭化物収率が低下するおそれがある。よって本工程は着火温度未満で行われることが好ましい。不燃部６０を炭化物の着火温度未満とするために、前述のとおり、側壁２２における「空気供給口２３が設けられる部分の高さ」と「空気供給口２３が設けられない部分の高さ」の割合は、前者１に対して後者が０．５以上であることが好ましい。

（４）取出工程
本工程では不燃部６０に存在する炭化物を取出口１５から取り出す。炭化物は凝集し塊となっている場合が多い。そこで、テーブル３０と本体１０との隙間間隔を適正な値に調整し、かつ、テーブル３０を回転させると、凝集した炭化物を粉砕して所望の大きさとすることができる。

図１に示す炭化炉１を試作した。炭化炉１の本体１０は直径が１ｍ、高さ２．５ｍの円筒形とした。本体１０に収納された円筒体２０は、直径が６００ｍｍの円筒とし、上部は円錐台形とした。円筒体２０の高さは８００ｍｍとした。
含水率２０質量％の廃木材を炭化炉に投入して、既に述べた方法で炭化させたところ、２５〜２７％の収率で純度の高い炭化物が得られることを確認した。含水率２０質量％の木材の理論炭化物収率は２９．６％であることから、本発明により、高い収率で炭化物が得られることが明らかである。また、本例における炭化効率の尺度となる廃木材の処理効率は、１時間当たり１ｔ程度であった。

本発明の炭化炉は、炭化効率、炭化物収率に優れるため、有機廃棄物の炭化炉として有用である。

本発明の炭化炉の概要を示す断面図 円筒体の概要を示す断面図 本発明の炭化炉の底部付近を示す断面図

符号の説明

１ 炭化炉
１０ 本体
１１ 投入口
１２ 排気口
１３ 着火バーナー
１４ 空気供給口
１５ 取出口
１８ 底部
１９ 切離部
２０ 円筒体
２１ 頂壁
２２ 側壁
２３ 空気供給口
２４ 外壁
２５ 予備加熱室
２６ 内壁
２７ 空間
２８ 空気導入口
２９ 空気送気口
３０ テーブル
３５ 軸
５０ 炭化部
６０ 不燃部
７０ 二次燃焼部
ｄ 円筒体２０の直径
ｔ 予備加熱室２５の幅
ｗ 本体１０の側壁と円筒体２０の間に形成される空間の幅

Claims (7)

1. 略円筒形の本体と前記本体に収容された円筒体を含む、有機廃棄物の炭化炉であって、
   前記本体の側壁と前記円筒体とにより形成され、有機廃棄物を炭化させる炭化部と、
   前記炭化部の下方に位置し、前記本体の側壁と前記円筒体とにより形成され、炭化された前記有機廃棄物を消火する不燃部を備え、
   前記円筒体は、空気供給口を備えた外壁と、前記外壁と対向するように設けられた内壁を有する二重壁構造であり、前記外壁と内壁の間に形成された予備加熱室を介して前記空気供給口から空気を前記炭化部に供給する、炭化炉。
2. 前記円筒体の内壁は、前記外壁に設けられた空気供給口と対向する領域外に、予備加熱室への空気導入口を有する、請求項１に記載の炭化炉。
3. 前記円筒体の予備加熱室を形成する外壁と内壁に挟まれた空間の幅は、１００〜２００ｍｍである、請求項１に記載の炭化炉。
4. 前記円筒体は、上部が円錐台形であり、前記円錐台の側面は前記空気供給口を備える、請求項１に記載の炭化炉。
5. 前記炭化部に位置する前記本体の壁は、空気供給口を備える、請求項１に記載の炭化炉。
6. 前記円筒体は、前記本体の底部より取り外し可能である、請求項１に記載の炭化炉。
7. 前記本体の側壁と前記円筒体の間に形成される空間の幅は、４００〜６００ｍｍである、請求項１に記載の炭化炉。

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