JP4357517B2

JP4357517B2 - ナノカーボン生成装置

Info

Publication number: JP4357517B2
Application number: JP2006281864A
Authority: JP
Inventors: 英一杉山; 和高小城; 正今井; 毅野間
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2026-10-16
Also published as: JP2008094694A; US20080241018A1; BRPI0704002A

Description

本発明は、バイオマスや廃棄物等の熱分解可能な有機性処理物を急速に熱分解した後、急冷して液化を行うナノカーボン生成装置に関する。

近年、環境問題やエネルギー問題、あるいは物質資源問題の観点から産業廃棄物等の各種の廃棄物を適切に処理して、環境汚染物質を排出せずにエネルギーや物質を取り出して有効利用するための技術が開発されている。廃棄物処理技術としては、従来、例えば特許文献１や特許文献２が知られている。

特許文献１には、熱分解槽の内部でプラスチックを溶解し、溶融状態のプラスチックを活性炭からなる一次触媒層に液相接触させて熱分解を発生させ、熱分解ガスを熱分解槽の内部上方に連通状態に配した二次触媒塔の二次触媒層に気相接触させて、軟質化した状態の分子量の小さな炭化水素ガスを精製する技術が開示されている。
特開平１１−６１１５８号公報

しかし、従来の有機性処理物の処理技術では、高温炉でのバッチ処理のため、触媒を投入して反応後に炉内を冷却してカーボンを取り出すまでに非常に時間がかかる。また、高温のままでカーボンを取り出すと、燃える危険性がある。更に、反応が還元雰囲気で行われるため、プロセスの大型化の際は還元雰囲気の保持が困難になるとともに、触媒の投入、生成カーボンの連続取り出しが困難であるといった課題を有する。

本発明は、こうした事情を考慮してなされたもので、生成カーボンの取り出しを従来と比べ短時間で且つ安全に行なえるとともに、プロセスが大型化しても触媒の投入及び生成カーボンの連続取り出しを可能にしえるナノカーボン生成装置を提供することを目的とする。

本発明のナノカーボン生成装置は、有機性処理物を急速に熱分解した後、急冷して液化を行うナノカーボン生成装置において、有機性処理物を急速に熱分解する熱分解手段と、熱分解した有機性処理物を急冷して液化することにより液化物を回収する回収手段とを備え、前記液化物に含まれる不純物を取り除き、その液化物を還元雰囲気の高温炉に投入することにより気相成長法によるナノカーボン生成を行うことを特徴とする。
また、本発明のナノカーボン生成装置は、有機性処理物を急速に熱分解した後、ナノカーボンを生成するナノカーボン生成装置において、有機性処理物を急速に熱分解する熱分解手段を備え、前記有機性処理物を熱分解した後、熱分解ガスをそのまま還元雰囲気の高温炉に投入することにより気相成長法によるナノカーボン生成を行うことを特徴とする。

本発明によれば、カーボンの取り出しを従来と比べ短時間で且つ安全に行なうことができる。また、プロセスが大型化しても、触媒の投入及び生成カーボンの連続取り出しを実現できる。

以下、本発明に係るナノカーボン生成装置について更に詳しく説明する。
(1) 上述したように、本発明のナノカーボン生成装置は、有機性処理物を急速に熱分解する熱分解手段と、熱分解した有機性処理物を急冷して液化することにより液化物を回収する手段とを備え、前記液化物に含まれる不純物を取り除き、その液化物を還元雰囲気の高温炉に投入することにより気相成長法によるナノカーボン生成を行うことを特徴とする。

こうした構成によれば、ナノカーボンの取り出しを従来と比べ短時間で且つ安全に行なうことができる。また、プロセスが大型化しても、触媒の投入及び生成カーボンの連続取り出しを実現できる。なお、上記(1)において、「急速」とは約５〜６秒以内を意味し、通常の熱分解とは熱分解速度が異なる。急速な熱分解は、液化物を大量に回収する場合に有効であり、生成物（生成ガスと生成液化物の合計）に対する生成液化物の比率を縦軸に、反応時間を横軸にしてグラフを描いた場合、前記比率が反応時間の経過とともに比例的に低下することがわかっている。従って、生成物の回収比率を上げるには熱分解は急速に行うほど効果的である。

(2) 上記(1)の発明において、前記高温炉としては、有機性処理物を熱分解した後、熱分解ガスがそのまま投入される高温炉が挙げられる。こうした構成の高温炉内に触媒を設置すれば、熱分解ガスと接触してナノカーボンを生成することができる。

(3) 上記(1)又は(2)の発明において、前記高温炉としては、有機性処理物を熱分解する外熱式キルンであり、この外熱式キルン内部に、触媒を焼成して得られる掻き取りボールが配置されている構成のものが挙げられる。これにより、触媒を高温炉内に投入することなく、高付加価値のカーボンが得られる。但し、キルン内部に掻き取りボールと触媒を別々に配置してもよい。

(4) 上記(1)又は(2)の発明において、前記高温炉としては、触媒の投入、及び生成ナノカーボンと触媒の取り出しを行う機能を備えている構成のものが挙げられる。こうした構成にすることにより触媒の投入や生成したナノカーボンや触媒の取り出しを連続して行うことができる。

(5) 上記(1)〜(4)の発明において、前記高温炉の下流側に冷却機構を備えている場合が挙げられる。これにより、急速熱分解プロセスにより得られた熱分解ガスを冷却して液化物を回収することができる。

次に、本発明に係るナノカーボン生成装置の具体的な実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態におけるナノカーボン生成装置のプロセスフロー図である。
図中の符番１は、有機性処理物を４００〜７００℃で急速熱分解する熱分解装置（熱分解手段）を示す。この熱分解装置１内には、多数の掻き取りボール２が配置されている。前記熱分解装置１には、ホッパー３より有機処理物及び触媒（例えば、Ｍｏ／Ｎｉ／ＭｇＯ触媒粒子）が投入される。急速熱分解の結果、熱分解装置１の底部からは炭化物４が取り出され、上部からは熱分解ガスが配管５から排出される。

配管５の途中には冷却部１５が配置され、ここで急速熱分解プロセスにより得られた熱分解ガスが冷却され凝縮し液化される。その結果、液化した液化物８はポンプ９を経由して送油され、フィルター１６で濾過され、不純物を濾過された濾過液は還元雰囲気の高温炉６に送られる。このように、回収された液化物８はフィルター１６等により不純物が除去され、濾過液として回収され高温炉６に送られる
高温炉６の底部には、生成ナノカーボン１４を図中の右側壁側に送り出すナノカーボン排出スクリュー７が配置されている。また、高温炉６の内部には図示しないヒータが配置され、このヒータにより約１１００℃に加熱されて、気相成長法によりナノカーボン１４が生成される。なお、熱分解ガスの一部は、高温炉６の上部の加熱室１７を加熱するバーナ用燃料として高温炉６の上部の加熱室１７のバーナに送られる。

高温炉６の底部からナノカーボン排出スクリュー７にて排出されたナノカーボン１４は、高温炉６の下部側に傾斜して配置されたナノカーボン冷却器１２に送られる。ナノカーボン冷却器１２内部にはカーボン搬送用スクリュー（図示せず）が内蔵されており、冷却された生成ナノカーボン１４が図中左側から右側に送られる。生成ナノカーボン１４は、ナノカーボン回収容器１３に回収される。また、高温炉６内のガスは、ガス冷却器１０により冷却され吸引ブロア１１を経て排出される。

第１の実施形態によれば、高温炉６の底部に配置したナノカーボン排出スクリュー７やナノカーボン冷却器１２により、ナノカーボン１４の取り出しを従来と比べ短時間で、且つナノカーボン１４が燃えることなく安全に行なうことができる。また、プロセスが大型化しても、触媒の投入及び生成したナノカーボン１４を連続して取り出すことができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態におけるナノカーボン生成装置のプロセスフロー図である。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。
第２の実施形態は、熱分解装置１の熱分解プロセスにより得られた熱分解ガスを直接高温炉６に投入する構成としている。
処理する有機性処理物中に不純物が含まれない場合には、この形態でナノカーボンを回収することが可能であり、第１の実施形態と同様な効果が得られる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態におけるナノカーボン生成装置の熱分解装置とＣＶＤ装置の構成説明図である。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。

図中の符番２１は、外熱式キルンタイプの熱分解装置を示す。この熱分解装置２１の処理材料を保持する内筒は、矢印Ａのように回転可能で、内筒内部には多数の掻き取りボール２が配置されている。熱分解装置２１の内筒内は、４００〜５００℃に加熱される。熱分解装置２１には、有機性処理物が投入されて熱分解され、熱分解装置底部から炭化物が回収される。前記熱分解装置２１は、内筒内部が７００〜１０００℃に加熱され、熱分解装置２１と同じく矢印Ａのように回転する外熱式キルンタイプのＣＶＤ装置２２が接続されている。このＣＶＤ装置２２の底部には掻き取りを兼ねる触媒ボール２３が配置されている。ＣＶＤ装置２２の上部からは排ガスが排出され、底部からは生成した高付加価値カーボンが排出される。なお、図中の符番２４は、触媒ボール２３から削れた触媒を示す。

第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる。また、掻き取りを兼ねる触媒ボール２３がＣＶＤ装置２２の底部に配置されているので、触媒を熱分解装置２１内に投入することなく、高付加価値カーボンが得られる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態におけるナノカーボン生成装置の熱分解、ＣＶＤ一体化装置の構成説明図である。
図中の符番２５は、ＣＶＤ法によるナノカーボン生成機能を備えた熱分解、ＣＶＤ一体化装置を示す。この熱分解、ＣＶＤ一体化装置２５の上流側（図中の左側）には、触媒機能を備えた多数の掻き取りボール２３ａが配置され、加熱部２６により内筒内部が４００〜５００℃に加熱される。熱分解、ＣＶＤ一体化装置２５の下流側（図中の右側）には、触媒機能を備えた多数の触媒ボール２３ｂが配置され、加熱部２７により内筒内部が７００〜１０００℃に加熱される。熱分解、ＣＶＤ一体化装置２５は矢印Ａのように回転可能である。熱分解、ＣＶＤ一体化装置２５には、有機性処理物が投入され、熱分解、ＣＶＤ一体化装置２５内で熱分解され、上部からは熱分解ガスが排出される。また、熱分解、ＣＶＤ一体化装置２５の底部からは、高付加価値カーボン及び触媒が同時に排出され、触媒除去装置を経て高付加価値カーボンのみが排出される。

第４の実施形態によれば、第１の実施形態よりもシンプルな装置を実現できる。なお、図４では、有機性処理物とともに触媒を熱分解、ＣＶＤ一体化装置２５に投入するようにしているが、触媒機能を兼ねたミルボール２３ａ，２３ｂが存在するので、触媒は必ずしも投入しなくてもよい。

（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態におけるナノカーボン生成装置の縦型ＣＶＤ装置の構造説明図である。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。
図中の符番３１は、内部を還元雰囲気の状態にしえる縦型ＣＶＤ装置を示す。縦型ＣＶＤ装置３１内には、複数の触媒入れ容器３２が配置され、支持棒３３により触媒入れ容器３２が反転できるように支持されている。縦型ＣＶＤ装置３１の上部には、内部を約１１００℃に加熱しえるヒータ３４が配置されている。縦型ＣＶＤ装置３１の底部には、生成したナノカーボン１４を図中の左側から右側に搬送させるカーボン排出スクリュー３５が配置されている。縦型ＣＶＤ装置３１の側壁には、前記触媒入れ容器３２に触媒を投入する複数のノズル３６が設けられている。

縦型ＣＶＤ装置３１の底部側には、該装置内に導入される熱分解ガス（炭化水素ガス）が触媒と効率的に接触するように整流板３８が配置されている。縦型ＣＶＤ装置３１内の熱分解プロセスにより生成したナノカーボン１４は、縦型ＣＶＤ装置３１の下部側に傾斜して配置されたカーボン冷却器１２に送られる。カーボン冷却器１２はカーボン送りスクリュー（図示せず）を内蔵し、冷却されたナノカーボン１４は左側から右側に送られる。ナノカーボン１４は、ナノカーボン回収容器１３に回収される。

こうした構成の縦型ＣＶＤ装置３１では、熱分解ガス（炭化水素ガス）を還元雰囲気の縦型ＣＶＤ装置３１に投入すると、該装置内に設置された触媒と熱分解ガスが接触してナノカーボンが生成される。生成されたナノカーボン１４は、縦型ＣＶＤ装置３１の底部からカーボン排出スクリュー３５により装置外に搬送され、カーボン冷却器１２によって冷却された後に回収される。触媒入れ容器３２にはノズル３６から触媒を入れて一定時間が経過した後、触媒入れ容器３２をひっくり返して触媒と生成カーボンを装置底部に落とす。これらの動作を、還元雰囲気を保ったまま高温を維持しつつ行う。
第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる。また、触媒の投入や生成したナノカーボンや触媒の取り出しを連続して行うことができる。

（第６の実施形態）
図６は、本発明の第６の実施形態におけるナノカーボン生成装置の縦型ＣＶＤ装置の構造説明図である。但し、図１、図５と同部材は同符番を付して説明を省略する。
第６の実施形態は、図５の変形例を示し、炭化水素ガスを縦型ＣＶＤ装置炉３１の上部から導入し、整流板３８を炉内の上部側に配置した場合を示す。第６の実施形態によれば、第５の実施形態と同様な効果を有する。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るナノカーボン生成装置のプロセスフロー図である。図２は、本発明の第２の実施形態に係るナノカーボン生成装置のプロセスフロー図である。図３は、本発明の第３の実施形態に係るナノカーボン生成装置の熱分解装置とＣＶＤ装置の構成説明図である。図４は、本発明の第４の実施形態に係るナノカーボン生成装置の熱分解、ＣＶＤ一体化装置の構成説明図である。図５は、本発明の第５の実施形態に係るナノカーボン生成装置の縦型ＣＶＤ装置の構造説明図である。図６は、図５の縦型ＣＶＤ装置の構造の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１…熱分解装置、２，２３ａ，２３ｂ…掻き取りボール、６，２２…外熱式キルンタイプのＣＶＤ装置、７，３５…ナノカーボン排出スクリュー、１２…カーボン冷却機、１４…生成ナノカーボン、３４…ヒータ、３１…縦型ＣＶＤ装置、３８…整流板。

Claims

有機性処理物を急速に熱分解した後、急冷して液化を行うナノカーボン生成装置において、
有機性処理物を急速に熱分解する熱分解手段と、熱分解した有機性処理物を急冷して液化することにより液化物を回収する回収手段とを備え、前記液化物に含まれる不純物を取り除き、その液化物を還元雰囲気の高温炉に投入することにより気相成長法によるナノカーボン生成を行うことを特徴とするナノカーボン生成装置。
有機性処理物を急速に熱分解した後、ナノカーボンを生成するナノカーボン生成装置において、
有機性処理物を急速に熱分解する熱分解手段を備え、前記有機性処理物を熱分解した後、熱分解ガスをそのまま還元雰囲気の高温炉に投入することにより気相成長法によるナノカーボン生成を行うことを特徴とするナノカーボン生成装置。
前記高温炉は有機性処理物を熱分解する外熱式キルンであり、この外熱式キルン内部に、触媒を焼成して得られる掻き取りボールが配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２いずれか記載のナノカーボン生成装置。
前記高温炉は、触媒の投入、及び生成ナノカーボンと触媒の取り出しを行う機能を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２いずれか記載のナノカーボン生成装置。
前記高温炉の下流側に冷却機構を備えていることを特徴とする請求項1乃至４いずれか記載のナノカーボン生成装置。