JP4399582B2 - Gas heating device - Google Patents
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Description
本発明は、新規なガス加熱装置に関するものであり、更に詳しくは、セラミック材料から成るマイクロ波吸収発熱体とマイクロ波加熱手段を組み合わせて、高温の過熱水蒸気を長時間、安定して供給することを可能とする高温過熱水蒸気製造装置に関するものである。 The present invention relates to a novel gas heating apparatus. More specifically, the present invention relates to a microwave absorption heating element made of a ceramic material and microwave heating means, and stably supplies high-temperature superheated steam for a long time. The present invention relates to an apparatus for producing high-temperature superheated steam that makes it possible.
本発明は、従来装置では困難と考えられていた、８００℃以上の高温の過熱水蒸気を長時間、安定して発生できるとともに、高温過熱水蒸気による有機性廃棄物の分解処理や有害化学物質の分解除去、及びバイオマスを含めた未利用資源からの水素の製造等に好適に利用することが可能であり、しかも、長期間使用しても劣化のない高耐腐食性能を有する新しい加熱方式による新しいガス加熱装置を提供するものである。 The present invention is capable of stably generating high-temperature superheated steam at 800 ° C. or higher for a long period of time, which has been considered difficult with conventional devices, and also decomposes organic waste or decomposes hazardous chemicals with high-temperature superheated steam. New gas with a new heating method that can be suitably used for removal, production of hydrogen from unused resources including biomass, etc., and has high corrosion resistance without deterioration even after long-term use A heating device is provided.
蒸気発生器（スチーマー）をはじめとするガス加熱装置は、その発熱手段として、抵抗式ヒータのほか、電磁誘導加熱を利用したヒータ等も提案されている。水蒸気の発生装置を例に挙げると、水をパイプの中に流通させている間にそのパイプを電気ヒータ等により加熱して水蒸気に変えるとともに、その水蒸気を前記加熱手段で更に加熱して過熱水蒸気を発生させる外熱式のガス加熱方法が最も一般的な方法として知られている（例えば、特許文献１）。 Gas heaters including steam generators (steamers) have been proposed as heaters using electromagnetic induction heating in addition to resistance heaters as heat generating means. As an example of a steam generator, while water is being circulated in the pipe, the pipe is heated by an electric heater or the like to be converted into steam, and the steam is further heated by the heating means. An externally heated gas heating method that generates heat is known as the most general method (for example, Patent Document 1).
しかし、このような外熱方式でガスを加熱した場合、熱交換の効率が悪く、急速かつ高温にガスを加熱できないという問題があった。そこで、最近では、以下のように、誘導加熱により加熱された発熱手段に、直接、被加熱ガスを流通させ、効果的にガスの加熱を行う手法が開発されている。 However, when the gas is heated by such an external heating method, there is a problem that the efficiency of heat exchange is poor and the gas cannot be heated rapidly and at a high temperature. Therefore, recently, a method has been developed in which the gas to be heated is circulated directly to the heat generating means heated by induction heating to effectively heat the gas as follows.
例えば、垂直方向に立てられた中空内部の下端側を滞水ゾーンとする導電性の筒体、又は中空内部のほぼ全長に亘って導電性の資材が配備された非導電性の筒体と、前記滞水ゾーンに水を供給する給水部と、前記滞水ゾーンの水位を調整する水位調整機構と、前記筒体の外周囲に前記滞水ゾーン並びにその上方に残された空間ゾーンに亘って巻かれた誘導コイルとを備えて成る過熱水蒸気発生装置が提案されている（特許文献２）。 For example, a conductive cylinder with the lower end side of the hollow interior standing in the vertical direction as a water-stagnation zone, or a nonconductive cylinder in which a conductive material is disposed over almost the entire length of the hollow interior, A water supply unit for supplying water to the water-stagnation zone, a water level adjustment mechanism for adjusting the water level of the water-spill zone, and the water-spill zone and the space zone left above the outer periphery of the cylinder A superheated steam generator comprising a wound induction coil has been proposed (Patent Document 2).
また、例えば、低周波から高周波まで切替え通電可能な誘導コイルが巻き回された円筒状絶縁セラミック体と、該円筒状絶縁セラミックス体内に積層配置される複数の流路用貫通穴が形成された円盤状誘導発熱体と、該円盤状誘導発熱体間に介装されるリング状絶縁スペーサーとを備えて成り、前記円筒状セラミック体の低板部に絶縁体内に流体を供給する流体供給口を設けるとともに、前記円筒状絶縁セラミック体の天板部に絶縁体内部で誘導加熱により熱交換されて高温となった蒸気の取出し口を設けてなることを特徴とする高温蒸気発生装置が提案されている（特許文献３）。 In addition, for example, a cylindrical insulating ceramic body around which an induction coil capable of switching energization from low frequency to high frequency is wound, and a disk in which a plurality of flow passage through holes arranged in the cylindrical insulating ceramic body are formed. And a ring-shaped insulating spacer interposed between the disk-shaped induction heating elements, and a fluid supply port for supplying fluid into the insulator is provided in the lower plate portion of the cylindrical ceramic body. In addition, a high-temperature steam generating device is proposed, in which a top of the cylindrical insulating ceramic body is provided with a steam extraction port that is heated by induction heating inside the insulator and heated to a high temperature. (Patent Document 3).
誘導加熱を用いた先行文献の装置では、加熱を目的としたガスと発熱手段が直接的に接触するので、熱交換が容易であり、高い効率でガスの加熱を行うことが可能である。しかし、高温加熱を目的とした場合、その加熱原理から、いくつかの問題点を有していた。 In the apparatus of the prior art using induction heating, since the gas intended for heating and the heat generating means are in direct contact, heat exchange is easy and the gas can be heated with high efficiency. However, when the purpose is high temperature heating, there are some problems due to the heating principle.
誘導加熱においては、誘導加熱コイルと発熱手段を至近距離で設置させる必要がある。誘導加熱コイルとしては、銅製の水冷コイルが最も一般的に用いられている。このため、発熱手段が高温に加熱された場合、コイルの融損を防ぐために冷却水量を増大させる必要があり、結果として、水冷コイルからの熱損失が極めて大きくなるという問題点があった。 In the induction heating, it is necessary to install the induction heating coil and the heating means at a close distance. As the induction heating coil, a water cooling coil made of copper is most commonly used. For this reason, when the heating means is heated to a high temperature, it is necessary to increase the amount of cooling water in order to prevent melting of the coil, and as a result, there is a problem that the heat loss from the water cooling coil becomes extremely large.
また、誘導加熱において、発熱手段は、導電体の必要があり、このための導電性材料としては、金属、金属間化合物あるいはカーボンが最も汎用的に用いられている。しかし、いずれの材料も、高温の水蒸気中での耐食性に乏しく、８００℃を超える過熱水蒸気を長期にわたり安定して発生させることは困難であるという問題点があった。 In induction heating, the heat generating means needs to be a conductor, and as a conductive material for this purpose, metal, an intermetallic compound or carbon is most widely used. However, each material has a problem of poor corrosion resistance in high-temperature steam, and it is difficult to stably generate superheated steam exceeding 800 ° C. over a long period of time.
このように、誘導加熱により、ガス流路に設置した発熱手段を直接的に加熱する手法は、ガスの加熱温度がさほど高くない場合においては高い効率を有するものの、例えば、ガスを８００℃以上の高温に加熱する場合は、効率が低下すること、また、過熱水蒸気など腐食性の強いガスを高温に加熱することは非常に困難であること、等の問題点を有していた。 As described above, the method of directly heating the heating means installed in the gas flow path by induction heating has high efficiency when the gas heating temperature is not so high. In the case of heating to a high temperature, there are problems such as a decrease in efficiency, and it is very difficult to heat a highly corrosive gas such as superheated steam to a high temperature.
特に、過熱水蒸気の利用分野は、例えば、乾燥、殺菌、及び食品加工などにとどまらず、最近では、例えば、有機性廃棄物や有害物質の分解除去あるいはバイオマス等の高度資源化へ用いられるようになってきた。後者の利用においては、より高温で多量の過熱水蒸気の供給が求められ、誘導加熱による前記構造の装置では、この要望に十分応えられないという問題があった。 In particular, the field of utilization of superheated steam is not limited to, for example, drying, sterilization, and food processing, and recently, for example, it is used for decomposition and removal of organic wastes and harmful substances, or advanced resources such as biomass. It has become. In the latter use, supply of a large amount of superheated steam at a higher temperature is required, and there is a problem that the apparatus having the above structure by induction heating cannot sufficiently meet this demand.
一方、マイクロ波加熱による過熱水蒸気の製造方法について、先行文献には、例えば、マイクロ波透過性を持ち、かつ通気性と吸水性を有する多孔体を加熱することにより短時間で過熱水蒸気を発生させることを目的とした装置が提案されている（特許文献５）。しかし、本装置は、調理用の過熱水蒸気（〜３００℃程度）の発生を目的にマイクロ波透過性多孔体に保持された水をマイクロ波で直接加熱するものであり、コンセプト、及び過熱水蒸気の温度域ともに本発明と大きく相違している。 On the other hand, with respect to a method for producing superheated steam by microwave heating, the prior art documents, for example, generate superheated steam in a short time by heating a porous body having microwave permeability and air permeability and water absorption. An apparatus for this purpose has been proposed (Patent Document 5). However, this apparatus directly heats the water held in the microwave permeable porous body for the purpose of generating superheated steam (about 300 ° C) for cooking. The temperature range is greatly different from the present invention.
また、他の文献には、半導体製造用の高純度水蒸気を製造するために、マイクロ波で直接純水を加熱する装置が提案されている（特許文献４）。しかし、この装置では、生成する水蒸気は低温飽和水蒸気であり、半導体プロセス用に更に加熱管で再加熱することを前提にしている。このように、従来、誘導加熱やマイクロ波加熱による過熱水蒸気の製造が種々試みられてきたが、８００℃以上の過熱水蒸気を長時間、安定して供給することは困難とされており、当技術分野では、高温で多量の過熱水蒸気を供給することが可能な新しい技術を開発することが強く要請されていた。 Another document proposes an apparatus for directly heating pure water with a microwave in order to produce high-purity water vapor for semiconductor production (Patent Document 4). However, in this apparatus, the generated water vapor is low-temperature saturated water vapor, and it is premised on further reheating with a heating tube for a semiconductor process. As described above, various attempts have been made to produce superheated steam by induction heating or microwave heating. However, it has been difficult to stably supply superheated steam at 800 ° C. or higher for a long time. There has been a strong demand in the field to develop a new technology capable of supplying a large amount of superheated steam at a high temperature.
このような状況下において、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、高温で多量の過熱水蒸気を供給することが可能な新しいガス加熱装置を開発することを目標として鋭意研究を重ねる中で、ガス流路に設置した発熱体を直接加熱することによりガスを加熱する手法において、誘導加熱に代替し得る加熱手段を検討した結果、マイクロ波吸収発熱体とマイクロ波加熱手段を組み合わせることにより所期の目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の目的は、水蒸気などの腐食性の強いガスを高い効率でかつ８００℃以上の高温に加熱して長時間、安定して供給することができる装置を提供することにある。 Under such circumstances, in view of the above prior art, the present inventors are intensively researching with the goal of developing a new gas heating apparatus capable of supplying a large amount of superheated steam at a high temperature. As a result of investigating heating means that can replace induction heating in the method of heating a gas by directly heating a heating element installed in a gas flow path, a combination of a microwave absorption heating element and a microwave heating means The inventors have found that the purpose of the period can be achieved and have completed the present invention. That is, an object of the present invention is to provide an apparatus capable of supplying a highly corrosive gas such as water vapor with high efficiency to a high temperature of 800 ° C. or higher and stably supplying it for a long time.
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）マイクロ波発生装置を導波管を経て接続したチャンバの内部に、水蒸気ガス流入口と過熱水蒸気ガス流出口を有するセラミック容器を設置し、該容器の内部にマイクロ波吸収発熱体を設置し、該容器に被加熱流体を導入するガス送入管と加熱流体を送出するガス送出管を接続したガス加熱装置であって、
上記チャンバは、マイクロ波を外部に漏洩させないための電気良導体である金属で構成され、かつ直接バイオマスを投入することができ、かつそれにより、マイクロ波による有機物の脱水処理が同時に生ずる構造を有し、
上記セラミックス容器は筒状の容器で構成され、加熱された６００℃以上の高温過熱水蒸気の流路となり、また、加熱されたマイクロ波吸収発熱体の保持の役割を果たし、かつ該セラミックス容器の内部及び／又は外側に、上記マイクロ波吸収発熱体を充填した該容器の少なくとも発熱体充填部分を断熱できるように断熱材を設置した構造を有することを特徴とするガス加熱装置。
（２）発熱体が、マイクロ波照射による自己発熱により少なくとも８００℃に発熱することが可能なセラミック材料から構成される前記（１）に記載のガス加熱装置。
（３） 容器が、少なくとも８００℃の耐熱性を有するセラミック材料から構成される前記（１）に記載のガス加熱装置。
（４）セラミックス材料が、炭化ケイ素である前記（２）に記載のガス加熱装置。
（５）容器が、石英、アルミナ、窒化ケイ素、又はムライトから構成される前記（１）に記載のガス加熱装置。
（６）前記（１）から（５）のいずれかに記載のガス加熱装置のガス流入口に水蒸気あるいは水蒸気を含む混合ガスを導入し、容器内部に設置された発熱体に該ガスを接触させることにより過熱水蒸気又は水素含有ガスを製造することを特徴とする高温ガス製造方法。
（７）高温ガスが、８００℃以上の過熱水蒸気である前記（６）に記載の高温ガス製造方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) a microwave generator into the chamber connected via a waveguide, established a ceramic vessel having a steam gas inlet superheated steam gas outlet, installing a microwave absorbing heat generating element in the interior of the container and, a gas heating device which is connected to the gas delivery tube for delivering gas inlet tube and a heating fluid introducing heated fluid to the vessel,
The chamber is made of a metal that is a good electrical conductor for preventing microwaves from leaking to the outside, and has a structure in which biomass can be directly input, thereby simultaneously causing dehydration of organic matter by microwaves. ,
The ceramic container is formed of a cylindrical container, serves as a flow path for heated high-temperature superheated steam at 600 ° C. or more, serves to hold a heated microwave absorption heating element, and is disposed inside the ceramic container. And / or a gas heating device having a structure in which a heat insulating material is provided on the outside so as to insulate at least a portion of the container filled with the microwave absorbing heat generator .
(2) The gas heating device according to (1), wherein the heating element is made of a ceramic material capable of generating heat to at least 800 ° C. by self-heating by microwave irradiation.
(3) The gas heating device according to (1), wherein the container is made of a ceramic material having heat resistance of at least 800 ° C.
(4) The gas heating device according to ( 2 ), wherein the ceramic material is silicon carbide .
(5) The gas heating device according to (1 ), wherein the container is made of quartz, alumina, silicon nitride, or mullite .
( 6 ) Water vapor or a mixed gas containing water vapor is introduced into the gas inlet of the gas heating device according to any one of (1) to ( 5 ), and the gas is brought into contact with a heating element installed inside the container. A high-temperature gas production method characterized by producing superheated steam or a hydrogen-containing gas.
( 7 ) The high-temperature gas production method according to ( 6 ), wherein the high-temperature gas is superheated steam at 800 ° C or higher.
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、被加熱流体を発熱体に接触させることにより加熱流体を製造する装置において、容器内部に設置されたマイクロ波吸収性に優れた発熱体（マイクロ波吸収発熱体）と、該容器外に設置された前記発熱体を加熱するマイクロ波加熱手段とを組み合わせたこと、そして、前記発熱体を、マイクロ波照射による自己発熱により８００℃以上に発熱することが可能なセラミックス材料で構成したこと、少なくとも水蒸気を含む被加熱流体を前記発熱体と接触させることによって６００℃以上の高温過熱水蒸気を発生させること、を特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention relates to an apparatus for producing a heating fluid by bringing a fluid to be heated into contact with a heating element, a heating element (microwave absorption heating element) having excellent microwave absorption installed inside the container, and an outside of the container. Combined with a microwave heating means for heating the heating element installed on the heating element, and the heating element is made of a ceramic material capable of generating heat to 800 ° C. or more by self-heating by microwave irradiation. Further, high-temperature superheated steam at 600 ° C. or higher is generated by bringing a heated fluid containing at least steam into contact with the heating element.
本発明において、前記被加熱流体として、例えば、水又は水蒸気を使用することが可能であり、該被加熱流体を発熱体と接触させることによって、過熱水蒸気を発生させることが可能である。また、本発明では、水を水蒸気（ガス）として容器に導入して過熱水蒸気を製造する際に、ガスにメタンなどの炭化水素ガスを混入する、あるいは炭素や有機物を混在させることにより、水素含有ガスを発生させることが可能である。 In the present invention, for example, water or water vapor can be used as the fluid to be heated, and superheated water vapor can be generated by bringing the fluid to be heated into contact with a heating element. Further, in the present invention, when water is introduced into a vessel as water vapor (gas) to produce superheated water vapor, hydrogen gas is contained by mixing hydrocarbon gas such as methane into the gas or mixing carbon or organic matter. It is possible to generate gas.
本発明は、上述のマイクロ波吸収発熱体と、マイクロ波加熱手段を組み合わせて、被加熱流体をマイクロ波を吸収して高温に加熱された発熱体と直接的に接触させて８００℃以上の高温過熱水蒸気を連続的に製造することを特徴とするものであり、これらの基本構成のほかは、適宜の手段を任意に付加することが可能である。また、本発明のガス加熱装置の具体的な構成についても、その使用目的等に応じて任意に設計することが可能である。 The present invention combines the above-described microwave absorption heating element and microwave heating means to directly contact the fluid to be heated with the heating element that has been heated to a high temperature by absorbing the microwave, and the temperature is 800 ° C. or higher. Superheated steam is produced continuously, and besides these basic configurations, appropriate means can be arbitrarily added. Also, the specific configuration of the gas heating device of the present invention can be arbitrarily designed according to the purpose of use.
本発明では、マイクロ波発生装置を導波管を経て接続したチャンバの内部に、ガス流入口とガス流出口を有するセラミック容器を設置し、該容器の内部にマイクロ波吸収発熱体を設置し、該容器に被加熱流体を導入するガス送入管と加熱流体を送出するガス送出管を接続したことを特徴とするガス加熱装置が好適なものとして例示される。そして、本発明では、被加熱流体をマイクロ波吸収発熱体と接触させることにより８００℃以上の高温加熱流体とすることができるものであれば、装置の形状及び構造、材質等は特に制限されるものではない。 In the present invention, a ceramic container having a gas inlet and a gas outlet is installed in a chamber where a microwave generator is connected via a waveguide, and a microwave absorption heating element is installed in the container. A gas heating apparatus characterized by connecting a gas inlet pipe for introducing a fluid to be heated to the container and a gas outlet pipe for sending a heated fluid is exemplified as a preferable one. In the present invention, the shape, structure, material, and the like of the device are particularly limited as long as the fluid to be heated can be made into a high-temperature heating fluid of 800 ° C. or higher by contacting with the microwave absorption heating element. It is not a thing.
以下、本発明について、図面を参照しながら、好ましい実施の形態について説明する。本発明の装置は、その基本構成として、図１に示されるように、マイクロ波発生装置１１を導波管１２を経て接続したチャンバ１３の内部に、ガス流入口１４ａとガス流出口１４ｂを有するセラミック容器１４を設置し、更に、該セラミック容器１４の内部にマイクロ波吸収発熱体１５を設置し、該セラミック容器１４にガス送入管２１とガス送出管２２を接続して構成される。更に、該ガス送入管２１は、ガス供給手段２０に接続される。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the apparatus of the present invention has a gas inlet 14a and a gas outlet 14b inside a chamber 13 to which a microwave generator 11 is connected via a waveguide 12, as shown in FIG. A ceramic container 14 is installed, a microwave absorption heating element 15 is installed inside the ceramic container 14, and a gas inlet pipe 21 and a gas outlet pipe 22 are connected to the ceramic container 14. Further, the gas inlet pipe 21 is connected to the gas supply means 20.
本発明の装置では、保温のために、容器１４の内部又は外側に多孔質アルミナ製等の断熱材を設置することが好ましい。マイクロ波発生装置１１から導波管１２を経てチャンバ１３の内部にマイクロ波を供給すると、マイクロ波吸収発熱体１５は、マイクロ波を吸収して高温に加熱され、ガス流入口１４ａからセラミック容器１４に送入されたガスは、マイクロ波吸収発熱体１５に接触して高温に加熱され、ガス送出管２２から外部へ運ばれる。 In the apparatus of the present invention, it is preferable to install a heat insulating material made of porous alumina or the like inside or outside the container 14 for heat insulation. When the microwave is supplied from the microwave generator 11 to the inside of the chamber 13 through the waveguide 12, the microwave absorption heating element 15 absorbs the microwave and is heated to a high temperature, and is heated from the gas inlet 14a to the ceramic container 14. The gas fed into the gas is brought into contact with the microwave absorption heating element 15 and heated to a high temperature, and is carried to the outside from the gas delivery pipe 22.
本発明では、マイクロ波の周波数は１〜１００ＧＨｚが好ましく、特に、２．４５ＧＨｚが好ましい。１ＧＨｚ以下の周波数では加熱効率が低くなり、一方、１００ＧＨｚ以上ではマイクロ波発振器が高価になり好ましくない。周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波発振器は最も普及しており、該発振器を使用することで、マイクロ波発生装置１１を小型かつ安価なものとすることができる。 In the present invention, the microwave frequency is preferably 1 to 100 GHz, and particularly preferably 2.45 GHz. When the frequency is 1 GHz or less, the heating efficiency is low. On the other hand, when the frequency is 100 GHz or more, the microwave oscillator becomes expensive. A microwave oscillator having a frequency of 2.45 GHz is most popular. By using the oscillator, the microwave generator 11 can be made small and inexpensive.
前記チャンバ１３は、マイクロ波を外部に漏洩させないために、電気良導体である金属で構成される。また、文献（例えば、特開２００３−２７７１５７号公報）で知られているように、チャンバ１３内のマイクロ波の分布を均一にするために、金属製のプロペラ１６をチャンバ１３内に回転可能に設置することが好ましい。 The chamber 13 is made of a metal that is a good electrical conductor so as not to leak microwaves to the outside. Further, as known in the literature (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-277157), the metal propeller 16 can be rotated into the chamber 13 in order to make the distribution of microwaves in the chamber 13 uniform. It is preferable to install.
前記マイクロ波吸収発熱体１５は、マイクロ波を吸収して自己発熱により発熱し、更に、直接的にガスを加熱する役割を果たすために、マイクロ波吸収特性に優れた材料から構成され、更には、ガスを効率的に加熱するために、マイクロ波加熱により容易に８００℃以上に加熱できる材料であることが望ましい。このような材料として、好適には、例えば、炭化ケイ素や、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化クロム、酸化チタン等の酸化物、更に、これらの物質を含む複合材料等が挙げられる。しかし、これらに制限されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。 The microwave absorption heating element 15 absorbs microwaves and generates heat by self-heating, and further comprises a material excellent in microwave absorption characteristics in order to directly heat the gas. In order to efficiently heat the gas, a material that can be easily heated to 800 ° C. or higher by microwave heating is desirable. Suitable examples of such materials include silicon carbide, oxides such as magnesium oxide, iron oxide, chromium oxide, and titanium oxide, and composite materials containing these substances. However, it is not limited to these, and can be used in the same manner as long as they have the same effect.
マイクロ波吸収発熱体１５は、例えば、ボール状、柱状、チューブ状等の任意の形状を持つ緻密体あるいは多孔体として、その複数個をセラミック容器１４に充填、あるいは三次元的に繋がった空隙を持つ多孔体の塊としてセラミック容器１４に設置する。セラミック容器１４の保温のために、セラミック容器１４とマイクロ波吸収発熱体１５の間、あるいはセラミック容器１４の外部に多孔質アルミ等の断熱材を設置することも適宜可能である。 The microwave absorption heating element 15 is, for example, a dense body or a porous body having an arbitrary shape such as a ball shape, a column shape, a tube shape, etc. It installs in the ceramic container 14 as a lump of porous bodies. In order to keep the ceramic container 14 warm, it is also possible to appropriately install a heat insulating material such as porous aluminum between the ceramic container 14 and the microwave absorption heating element 15 or outside the ceramic container 14.
前記セラミック容器１４は、加熱された高温ガスの流路となり、また、高温に加熱されたマイクロ波吸収発熱体１５の保持の役割を果たす。従って、セラミック容器１４は、８００℃以上の耐熱性を有する緻密質セラミック材料で構成されることが望ましい。また、セラミック容器１４の内部に設置されたマイクロ波吸収発熱体１５をマイクロ波により効率的に加熱するために、セラミック容器１４は、マイクロ波吸収発熱体１５に比べてマイクロ波を吸収し難い材料で構成される。このような要件を満たすセラミック容器１４の材料としては、好適には、例えば、石英、アルミナ、窒化ケイ素、ムライトなどが挙げられるが、これらに制限されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。 The ceramic container 14 serves as a flow path for the heated high-temperature gas and plays a role of holding the microwave absorption heating element 15 heated to a high temperature. Therefore, it is desirable that the ceramic container 14 is made of a dense ceramic material having a heat resistance of 800 ° C. or higher. In addition, in order to efficiently heat the microwave absorption heating element 15 installed inside the ceramic container 14 by the microwave, the ceramic container 14 is a material that hardly absorbs the microwave compared to the microwave absorption heating element 15. Consists of. Suitable materials for the ceramic container 14 that satisfy such requirements include, for example, quartz, alumina, silicon nitride, mullite, etc., but are not limited thereto, and have the same effect as these. Can be used as well if present.
また、上記に述べたことと同じ理由により、セラミック容器１４を断熱するための断熱材は、マイクロ波吸収発熱体１５よりもマイクロ波を吸収し難い材料で構成される。特に、マイクロ波吸収発熱体として、炭化ケイ素などのセラミック材料を使用した場合、該材料は、高温過熱水蒸気中でも劣化が少ない。例えば、本発明において、マイクロ波吸収発熱体として好適に用いられる炭化ケイ素は、過熱水蒸気中では１２００℃まではほとんど酸化劣化がないことが知られている（E. J. Opila, “Variation of the Oxidation Rate of Silicon Carbide with Water-Vapor Pressure,” Journal of the American Ceramic Society, 82 [3] 625-36 (1999)）。 For the same reason as described above, the heat insulating material for insulating the ceramic container 14 is made of a material that is less likely to absorb microwaves than the microwave absorption heating element 15. In particular, when a ceramic material such as silicon carbide is used as the microwave absorption heating element, the material is less deteriorated even in high-temperature superheated steam. For example, in the present invention, silicon carbide suitably used as a microwave absorption heating element is known to have almost no oxidative degradation in superheated steam up to 1200 ° C. (EJ Opila, “Variation of the Oxidation Rate of Silicon Carbide with Water-Vapor Pressure, ”Journal of the American Ceramic Society, 82 [3] 625-36 (1999)).
また、セラミック容器１４も、耐熱性と耐水蒸気腐食性に優れている石英、アルミナ、窒化ケイ素、ムライト等のセラミック材料で構成することが可能であるため、本発明の装置は、高温過熱水蒸気の発生装置として好適に使用できるものである。また、本発明の装置では、水蒸気をガスとして送入する場合、加熱用ヒーターの間隙に炭素や有機物を混在させることにより、あるいはガスにメタンなどの炭化水素ガスを混入させることにより、水素含有ガスを効率的に製造することも可能である。すなわち、本発明の装置は、過熱水蒸気の発生装置の他、水素含有ガス製造装置としても好適に用いることができる。 Further, since the ceramic container 14 can also be made of a ceramic material such as quartz, alumina, silicon nitride, mullite, etc., which is excellent in heat resistance and steam corrosion resistance, the apparatus of the present invention can be used for high-temperature superheated steam. It can be suitably used as a generator. In the apparatus of the present invention, when water vapor is fed as a gas, a hydrogen-containing gas is obtained by mixing carbon or an organic substance in the gap of the heater for heating, or by mixing a hydrocarbon gas such as methane into the gas. Can also be produced efficiently. That is, the apparatus of the present invention can be suitably used as a hydrogen-containing gas production apparatus in addition to a superheated steam generator.
従来の誘導加熱方式によるガス加熱装置においては、例えば、金属ヒータやカーボンヒータがヒータとして用いられているが、これらのヒータを過熱水蒸気中で使用した場合、６００℃以上で劣化し、電気ヒータとしての安定性が損なわれるだけでなく、加熱できなくなる場合もある。一方、セラミック容器とマイクロ波吸収発熱体で構成される本発明の装置では、８００℃以上の過熱水蒸気中でも劣化がほとんどなく、長時間、安定して使用できる等の優位性がある。 In a conventional gas heating apparatus using an induction heating method, for example, a metal heater or a carbon heater is used as a heater. Not only is the stability of the glass deteriorated, but heating may not be possible. On the other hand, the apparatus of the present invention comprising a ceramic container and a microwave absorption heating element has the advantage that it can be used stably for a long time with little deterioration even in superheated steam at 800 ° C. or higher.
また、従来、マイクロ波加熱により過熱水蒸気を製造することは提案されているが、従来装置は、水をマイクロ波で直接加熱する方式のものであり、８００℃以上の高温の過熱水蒸気を発生させることは困難であった。これに対して、本発明の装置では、マイクロ波照射による自己発熱により８００℃以上に発熱することが可能なセラミックス材料から成るマイクロ波吸収発熱体と該発熱体を加熱するマイクロ波加熱手段を組み合わせたことにより、従来装置では困難とされていた、８００℃以上の高温過熱水蒸気を長時間、安定して供給することを可能とするとともに、高温過熱水蒸気による劣化のない高耐食性の装置を提供することを可能とするものである。本発明は、マイクロ波を吸収して高温に加熱されたマイクロ波吸収発熱体に気体又は液体を接触させて効率良く高温に加熱されたガスを製造するものであり、それにより、８００℃以上の高温過熱水蒸気を長時間、安定供給することを実現するものである。 Conventionally, it has been proposed to produce superheated steam by microwave heating, but the conventional apparatus is a system in which water is directly heated by microwave and generates superheated steam having a high temperature of 800 ° C. or higher. It was difficult. On the other hand, in the apparatus of the present invention, a microwave absorption heating element made of a ceramic material capable of generating heat to 800 ° C. or more by self-heating by microwave irradiation and a microwave heating means for heating the heating element are combined. As a result, it is possible to stably supply high-temperature superheated steam at 800 ° C. or higher for a long time, which has been difficult with conventional apparatuses, and to provide a highly corrosion-resistant apparatus free from deterioration due to high-temperature superheated steam. It is possible to do that. The present invention is to efficiently produce a gas heated to a high temperature by bringing a gas or liquid into contact with a microwave absorption heating element heated to a high temperature by absorbing the microwave, and thereby a temperature of 800 ° C. or higher. This achieves stable supply of high-temperature superheated steam for a long time.
本発明により、次のような効果が奏される。
（１）本発明の装置は、８００℃を超える過熱水蒸気を長期にわたり、安定して発生させることができる。
（２）本発明の装置は、高温過熱水蒸気中でも劣化がほとんどなく、長期間、安定して使用できる。
（３）本発明の装置は、高温過熱水蒸気の発生装置、及び水素含有ガス製造装置として使用することが可能である。
（４）セラミックス材料から成る発熱体とマイクロ波加熱手段で構成される８００℃以上の高温過熱水蒸気の発生に好適な新しい過熱水蒸気発生装置を提供することができる。
（５）本発明の装置は、８００℃以上の高温過熱水蒸気を容易に製造することができ、高温過熱水蒸気による有機性廃棄物の分解処理や有害化学物質の分解除去に利用することができる。
（６）本装置により製造された高温過熱水蒸気を用いることにより、バイオマスを含めた未利用資源から高効率に水素を製造することができる。
（７）また、上記のバイオマスの高度資源化においては、本装置のチャンバ内に直接バイオマスを投入することにより、マイクロ波による有機物の脱水処理が同時に生ずるため従来のシステムに比べて極めて高い効率で水素を製造することができる。
The present invention has the following effects.
(1) The apparatus of the present invention can stably generate superheated steam exceeding 800 ° C. over a long period of time.
(2) The apparatus of the present invention hardly deteriorates even in high-temperature superheated steam and can be used stably for a long period of time.
(3) The apparatus of the present invention can be used as a high-temperature superheated steam generator and a hydrogen-containing gas production apparatus.
(4) A new superheated steam generator suitable for generating high-temperature superheated steam having a temperature of 800 ° C. or higher composed of a heating element made of a ceramic material and microwave heating means can be provided.
(5) The apparatus of the present invention can easily produce high-temperature superheated steam at 800 ° C. or higher, and can be used for decomposition treatment of organic waste and high-temperature superheated steam by decomposition and removal of harmful chemical substances.
(6) By using the high-temperature superheated steam produced by this apparatus, hydrogen can be produced with high efficiency from unused resources including biomass.
(7) In the high recycling the biomass by direct biomass charged into the Chan bar of the device, dehydration of organics by microwaves is extremely high as compared with the conventional system for causing simultaneous efficiency Can produce hydrogen.
次に、実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は、実施例の範囲に限定されるものではない。 Examples Next, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to the scope of the examples.
本実施例では、本発明の実施の形態１として、図２に示す装置を作製し、該装置を用いて過熱水蒸気を製造した。マイクロ波吸収発熱体１５を収容する筒状の容器１４、ガス送入管２３ａ並びにガス送出管２３ｂは、石英ガラス製とした。容器１４の上部と底部には、ガス流入口と流出口が設けられており、それぞれ摺り合せ構造によりガス送入管２３ａとガス送出管２３ｂに接続される。保温のために、容器１４の内部には、厚み１０ｍｍの多孔質アルミナ製断熱材１７ａを設置し、更にその内部に、直径１０ｍｍの緻密質炭化ケイ素ボールから成る発熱体１５を約１５０ｍｍの高さに充填した。 In this example, as Embodiment 1 of the present invention, the apparatus shown in FIG. 2 was produced, and superheated steam was produced using the apparatus. The cylindrical container 14, the gas inlet pipe 23a, and the gas outlet pipe 23b that accommodate the microwave absorption heating element 15 are made of quartz glass. A gas inlet and an outlet are provided at the top and bottom of the container 14, and are connected to the gas inlet pipe 23a and the gas outlet pipe 23b, respectively, by a sliding structure. In order to keep warm, a porous alumina heat insulating material 17a having a thickness of 10 mm is installed inside the container 14, and a heating element 15 made of a dense silicon carbide ball having a diameter of 10 mm is further provided at a height of about 150 mm. Filled.
ステンレス製のチャンバ１３には、４本の導波管１２ａ〜１２ｄが接続され、それぞれの導波管は、発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロン式マイクロ波発振器１１ａ〜１１ｄに接続された。また、チャンバ１３内のマイクロ波の分布を均一にするために、チャンバ１３内に金属製のプロペラ１６ａを回転可能に設置した。 Four waveguides 12a to 12d are connected to the stainless steel chamber 13, and the respective waveguides are connected to magnetron type microwave oscillators 11a to 11d having an oscillation frequency of 2.45 GHz. Further, in order to make the distribution of the microwaves in the chamber 13 uniform, a metal propeller 16 a is rotatably installed in the chamber 13.
マイクロ波発振器１１ａ〜１１ｄから発振されたマイクロ波は、導波管１２ａ〜１２ｄを通ってチャンバ１３内に入射され、発熱体（炭化ケイ素ボール）１５が発熱した。その後、ガス送入管２３ａから１００℃の水蒸気を送入した。合計４台のマイクロ波発振器１１ａ〜１１ｄを用い、総出力４ｋＷでマイクロ波を発振させたところ、８００℃の過熱水蒸気ガスが発生して、ガス送出管２３ｂから放出された。 Microwaves oscillated from the microwave oscillators 11a to 11d are incident on the chamber 13 through the waveguides 12a to 12d, and the heating element (silicon carbide ball) 15 generates heat. Then, 100 degreeC water vapor | steam was sent in from the gas inflow tube 23a. When a total of 4 microwave oscillators 11a to 11d were used to oscillate microwaves with a total output of 4 kW, superheated steam gas at 800 ° C. was generated and released from the gas delivery pipe 23b.
本実施例では、実施の形態２として、実施例１と同じ装置を用いて過熱水蒸気を製造した。本装置では、容器１４内部に充填した炭化ケイ素ボールの隙間にカーボン粉末を分散させた。マイクロ波照射により炭化ケイ素ボールを発熱させた後、ガス送入管２３ａから１００℃の水蒸気を送入した。合計４台のマイクロ波発振器１１ａ〜１１ｄを用い、総出力５ｋＷでマイクロ波を発振させたところ、水素を１０ｖｏｌ％以上含む８００℃の過熱水蒸気ガスが発生して、ガス送出管２３ｂから放出された。 In this example, as Embodiment 2, superheated steam was produced using the same apparatus as in Example 1. In this apparatus, carbon powder was dispersed in the gaps between the silicon carbide balls filled in the container 14. After heating the silicon carbide balls by microwave irradiation, water vapor at 100 ° C. was fed from the gas feed tube 23a. When microwaves were oscillated with a total output of 5 kW using a total of four microwave oscillators 11a to 11d, 800 ° C. superheated steam gas containing 10 vol% or more of hydrogen was generated and released from the gas delivery pipe 23b. .
本実施例では、本発明の実施の形態３として、図３に示す装置を作製し、該装置を用いて過熱水蒸気を製造した。発熱体を収容する筒状の容器１４、ガス送入管２３ａ並びにガス送出管２３ｂは、窒化ケイ素で作製した。容器１４の上部と底部にはガス流入口と流出口が設けられており、耐熱セメントを用いてそれぞれガス送入管２３ａとガス送出管２３ｂに接合した。容器１４の内部には、直径１０ｍｍの緻密質炭化ケイ素ボールから成る発熱体１５を約１５０ｍｍの高さに充填し、更に、保温のために、容器１４の外側には、厚み約１５ｍｍの多孔質アルミナ製断熱材１７ａを設置した。 In this example, as Embodiment 3 of the present invention, the apparatus shown in FIG. 3 was produced, and superheated steam was produced using the apparatus. The cylindrical container 14, the gas inlet pipe 23a, and the gas outlet pipe 23b that house the heating element were made of silicon nitride. Gas inlets and outlets are provided at the top and bottom of the container 14 and joined to the gas inlet pipe 23a and the gas outlet pipe 23b, respectively, using heat-resistant cement. Inside the container 14, a heating element 15 made of dense silicon carbide balls having a diameter of 10 mm is filled to a height of about 150 mm. Further, for heat insulation, a porous body having a thickness of about 15 mm is provided outside the container 14. An alumina heat insulating material 17a was installed.
ステンレス製のチャンバ１３には、４本の導波管１２ａ〜１２ｄが接続され、それぞれの導波管は、発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロン式マイクロ波発振器１１ａ〜１１ｄに接続された。また、チャンバ１３内のマイクロ波の分布を均一にするために、チャンバ１３内に金属製のプロペラ１６ａ、１６ｂを回転可能に設置した。 Four waveguides 12a to 12d are connected to the stainless steel chamber 13, and the respective waveguides are connected to magnetron type microwave oscillators 11a to 11d having an oscillation frequency of 2.45 GHz. Further, in order to make the distribution of microwaves in the chamber 13 uniform, metal propellers 16 a and 16 b are rotatably installed in the chamber 13.
マイクロ波発振器から発振されたマイクロ波を、導波管を通ってチャンバ１３内に入射し、発熱体（炭化ケイ素ボール）１５を発熱させた。その後、ガス送入管２３ａから１００℃の水蒸気を送入した。合計４台のマイクロ波発振器１１ａ〜１１ｄを用い、総出力５ｋＷでマイクロ波を発振させたところ、１０００℃の過熱水蒸気ガスが発生して、ガス送出管２３ｂから放出された。 The microwave oscillated from the microwave oscillator was incident on the chamber 13 through the waveguide, and the heating element (silicon carbide ball) 15 was caused to generate heat. Then, 100 degreeC water vapor | steam was sent in from the gas inflow tube 23a. When microwaves were oscillated with a total output of 5 kW using a total of four microwave oscillators 11a to 11d, 1000 ° C. superheated steam gas was generated and released from the gas delivery pipe 23b.
以上詳述したように、本発明は、マイクロ波加熱による過熱水蒸気の製造装置に係るものであり、本発明は、８００℃以上の高温過熱水蒸気を長時間、安定して供給することが可能な高効率のガス加熱装置を提供することを可能とするものである。本発明は、水蒸気等のガスを急速かつ高温に加熱することができるとともに、高い耐久性を有する新しいガス加熱装置を提供するものである。本発明は、特に、高温で多量の過熱水蒸気の供給が必要とされる、食品加工の分野や、有機性廃棄物や有害物質の分解除去あるいはバイオマス等の高度資源化の分野において、簡便な手段で、高温の過熱水蒸気を、長時間、安定して供給することを可能とするものとして有用である。 As described above in detail, the present invention relates to an apparatus for producing superheated steam by microwave heating, and the present invention can stably supply high-temperature superheated steam at 800 ° C. or higher for a long time. It is possible to provide a highly efficient gas heating device. The present invention provides a new gas heating apparatus that can rapidly heat a gas such as water vapor to a high temperature and has high durability. The present invention is a simple means particularly in the field of food processing, decomposition of organic wastes and harmful substances, or the use of advanced resources such as biomass, which requires the supply of a large amount of superheated steam at a high temperature. Thus, it is useful as one that enables high-temperature superheated steam to be stably supplied for a long time.
（図１の符号）
１１ マイクロ波発生装置
１２ 導波管
１３ チャンバ
１４ セラミック容器
１４ａ ガス流入口
１４ｂ ガス流出口
１５ マイクロ波吸収発熱体
１６ プロペラ
２０ ガス供給手段
２１ ガス送入管
２２ ガス送出管
（図２、図３の符号）
１１ ａ〜１１ｄ マイクロ波発振器
１２ ａ〜１２ｄ 導波管
１３ チャンバ
１４ 容器
１５ マイクロ波吸収発熱体
１６ａ、１６ｂ プロペラ
１７ａ、１７ｂ 断熱材
２３ａ ガス送入管
２３ｂ ガス送出管
(Reference in FIG. 1)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Microwave generator 12 Waveguide 13 Chamber 14 Ceramic container 14a Gas inlet 14b Gas outlet 15 Microwave absorption heating element 16 Propeller 20 Gas supply means 21 Gas inlet pipe 22 Gas outlet pipe
(Reference numerals in FIGS. 2 and 3)
11 a to 11 d Microwave oscillator 12 a to 12 d Waveguide 13 Chamber 14 Container 15 Microwave absorption heating element 16a, 16b Propeller 17a, 17b Heat insulating material 23a Gas inlet pipe 23b Gas outlet pipe
Claims (7)
上記チャンバは、マイクロ波を外部に漏洩させないための電気良導体である金属で構成され、かつ直接バイオマスを投入することができ、かつそれにより、マイクロ波による有機物の脱水処理が同時に生ずる構造を有し、
上記セラミックス容器は筒状の容器で構成され、加熱された６００℃以上の高温過熱水蒸気の流路となり、また、加熱されたマイクロ波吸収発熱体の保持の役割を果たし、かつ該セラミックス容器の内部及び／又は外側に、上記マイクロ波吸収発熱体を充填した該容器の少なくとも発熱体充填部分を断熱できるように断熱材を設置した構造を有することを特徴とするガス加熱装置。 The microwave generator into the chamber connected via a waveguide, established a ceramic vessel having a steam gas inlet superheated steam gas outlet, was placed a microwave absorbing heating element inside the vessel, the a gas heating apparatus connected to a gas delivery tube for delivering gas inlet tube and a heating fluid introducing heated fluid into the vessel,
The chamber is made of a metal that is a good electrical conductor for preventing microwaves from leaking to the outside, and has a structure in which biomass can be directly input, thereby simultaneously causing dehydration of organic matter by microwaves. ,
The ceramic container is formed of a cylindrical container, serves as a flow path for heated high-temperature superheated steam at 600 ° C. or more, serves to hold a heated microwave absorption heating element, and is disposed inside the ceramic container. And / or a gas heating device having a structure in which a heat insulating material is provided on the outside so as to insulate at least a portion of the container filled with the microwave absorbing heat generator .
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