JP4516091B2 - ナノカーボン生成装置 - Google Patents

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、量産化を実現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、前記液化物に含まれる不純物を取り除き、その液化物を気化して得られた炭化水素を投入する還元雰囲気の回転炉と、この回転炉内に収容される、ステンレス，鉄，ニッケル，クロムの少なくともいずれかからなる金属ボールとを備え、前記炭化水素を前記回転炉に投入し、回転炉内で炭化水素を炭素と水素に分解して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可能にして、量産化を実現しえる。

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、熱分解装置と、回収手段と、還元雰囲気の回転炉と、ステンレス，鉄，ニッケル，クロムの少なくともいずれかからなる金属ボールとを備え、炭化水素を回転炉に投入し、回転炉内で炭化水素を炭素と水素に分解して気相成長法によるナノカーボン生成を行う。また、本発明のナノカーボン生成装置は、熱分解装置と、還元雰囲気の回転炉と、ステンレス，鉄，ニッケル，クロムの少なくともいずれかからなる金属ボールとを備えて、ナノカーボン生成を行う。後者のナノカーボン生成装置は、熱分解装置で急速熱分解によって得られた材料に不純物が全くあるいはほとんどなく、得られた熱分解ガスとしての炭化水素を直接回転炉に投入する場合に有効である。

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。更に、回転炉内を還元雰囲気にするので、金属ボール表面に不働態皮膜（酸化皮膜）が形成されるのを回避することができる。なお、本発明において、「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、回転炉内には、前記金属ボールの他、この金属ボールと混合するように超硬質ボールを収容することが好ましい。この場合、超硬質ボールが金属ボールの表面を常に削ることになるので、金属ボールの表面が活性化し、金属ボールに生成したカーボンを剥がすことになる。また、超硬質ボールの表面にヤスリをかけたり、あるいは回転炉の内壁面にヤスリをかけてもよい。これにより、金属ボールに生成したカーボンを剥がす効果が一層向上する。
更に、金属ボールは中空状にし、前記超硬質ボールと嵩密度が等しくなるようにして、回転炉内の金属ボールと超硬質ボールが均質に混合するようにすることが好ましい。

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、図２を参照する。ここで、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２は、図１のナノカーボン生成装置の一構成である回転炉及びその周辺を拡大して示す図である。前記プロセスフロー図は、原料の熱分解装置への投入から液化物の回収，精製してバイオガスを得るまでのブロックＡと、ブロックＡで得られたオフガスの燃焼，排気までのブロックＢと、バイオオイルの加熱気化からナノカーボンの精製までのブロックＣとからなる。

図中の符番１は、有機性処理物としての木質バイオマス資源を破砕してチップ化した原料及び触媒を、約５００℃で急速熱分解する熱分解装置を示す。この熱分解装置１は矢印Ｘのように回転するドラム１ａを有し、このドラム１ａ内には多数の掻き取りボール（図示せず）が配置されている。前記熱分解装置１には、ホッパー２より原料及び触媒（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３が取り出されて炭化物ホッパーに送られ、上部からは不純物を含んだ熱分解ガスが配管４から排出される。

配管４の途中には冷却器５が配置され、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６はポンプ７によりフィルター８に送油され、ここで濾過されてバイオオイルが収容槽９に貯留される。一方、熱分解ガスの冷却の際に生じたオフガス（Ｈ_２，ＣＯ等）は、燃焼炉１０に送られて排気塔１１で排気される。燃焼炉１０で燃焼された時に生じた熱は、熱分解装置１で利用される。ここで、冷却器５、配管４、ポンプ７、フィルター８及び収容槽９により、回収手段が構成されている。なお、ブロックＡにおける収容槽９と、ブロックＣにおける収容槽９’とは同じではなく、一方の収容槽９は循環過程で一時的にバイオオイルを収容する収容槽を示している。

収容槽９からのバイオガスは、ポンプ１２により配管１３に装着された熱交換器１４に送られて、加熱気化されて炭化水素ガスが生成される。炭化水素ガスは、配管１３に装着されたバルブ１５を経て空気を遮断した高温還元雰囲気の回転炉１６に送られる。前記配管１３には、バルブ１７を装着した配管１８が接続され、この配管１８より水素を配管１３に供給できるようになっている。回転炉１６の一端は、図２に示すように配管１３とロータリージョイント１９で接続され、回転するようになっている。

回転炉１６内には、ＳＵＳ製の金属ボール２０が収容されている。回転炉１６は流路２１ａ,２１ｂを有した筐体２１で囲まれ、この筐体２１の外周部には電気ヒータ等による加熱部２２が配置され、炉内温度が水素還元時には５５０℃に加熱され、カーボン生成時には７５０℃に加熱される。回転炉１６の他端の上部，下部側部には夫々多数の穴２３ａ，２３ｂが開けられており、穴２３ａからはオフガスが流路２１ａを経て例えば燃料電池（ＦＣ）２４に送られ、穴２３ｂからはススが流路２１ｂを経て落下するようになっている。

前記筐体２１の流路２１ｂは、仕切り用のボール弁２５を介してスクリューコンベア２６に接続されている。このスクリューコンベア２６は図中右上がりに傾斜して配置され、その外周部には冷却ジャケット２７が取り付けられている。回転炉１６で生成されたナノカーボン２８は、ボール弁２５を経てスクリューコンベア２６に送られる。ここで、ナノカーボン２８は、スクリューコンベア２６の左下側から右上側に搬送され、冷却ジャケット２７で冷却された後、二重構造の仕切り用のボール弁２９ａ，２９ｂを経て回収容器３０に回収される。ここで、ボール弁２９ａ，２９ｂは交互に開閉される。なお、図中の符番３１は、燃料電池２４の下流側の配管からのオフガスを燃焼して回転炉１６に導入するための燃焼器である。但し、燃焼器３１は必ずしも必要なものではない。

前記回転炉１６内では炭化水素を炭素と水素に分解するようになっているが、この手順は次の通りである。
ステップ１：回転炉１６の内部温度を５５０℃に加熱する。
ステップ２：バルブ１７を開けて水素を回転炉１６内に流し、内部を活性化する。
ステップ３：バルブ１７を閉めて水素供給を停止する。
ステップ４：バルブ１５を開けて窒素を回転炉１６内に供給しつつ、回転炉１６の内部温度を７５０℃に昇温する。
ステップ５：窒素の代わりに炭化水素を回転炉１６内に供給し、ナノカーボンを生成する。
ステップ６：バルブ１５を閉めて炭化水素の供給を停止し、窒素を流しつつ生成したナノカーボン２８を回収容器３０に回収する。

第１の実施形態に係るナノカーボン生成装置によれば、以下に述べる効果を有する。
（１）空気を遮断して回転する回転炉１６内に水素を導入して回転炉１６内を高温還元雰囲気に保持しているので、回転炉１６内に収容したＳＵＳ製の金属ボール２０表面に不働態皮膜（酸化皮膜）が形成するのを回避できる。従って、炭化水素ガスを金属ボール２０の表面と効率より接触させることができる。

（２）回転炉１６の下部側に配置したスクリューコンベア２６や冷却ジャケット２７等により、ナノカーボン２８の取り出しを従来と比べ短時間で、ナノカーボン２８が燃えることなく完全に行うことができる。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２８を連続して取り出すことができる。
（３）燃料電池２４の下流側の配管からのオフガスを、燃焼器３１を介して回転炉１６内に導入しえる構成になっているので、回転炉１６の内部温度を短時間で上げることができる。

なお、第１の実施形態は、熱分解装置で得られた熱分解ガスに不純物が含まれている場合のナノカーボン生成装置のケースを説明している。しかし、熱分解ガスに不純物が全くあるいはほとんど含まれていない場合は、上記回収手段は必要ではなく、図１の矢印Ｙ（点線）のように熱分解ガスとしての炭化水素を直接回転炉１６に導入することができる。この場合、回収手段を構成する冷却器やフィルターや収容槽等を省くことができるので、装置構成を簡素化できる。

（第２の実施形態）
図３を参照する。図３は、第２の実施形態に係るナノカーボン生成装置の回転炉及びその周辺のみを示している。但し、図１及び図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。
本実施形態は、回転炉１６内に、ＳＵＳ製の金属ボール２０の他に、これらの金属ボール２０と混合するように多数の超硬質ボール４１を収容したことを特徴とする。
第２の実施形態によれば、超硬質ボール４１が金属ボール２０の表面を常に削ることにより、金属ボール２０の表面が活性化し、金属ボール２０に生成したカーボンを剥がすことができる。なお、超硬質ボール４１により回転炉１６の内壁面も削り取られるので、回転炉１６の内壁面を効果する必要がある。

なお、超硬質ボール４１を単に回転炉内に入れるのみならず、超硬質ボール４１の表面あるいは回転炉１６の内壁面の少なくともいずれか一方にヤスリをかければ、更に削り効果が増大する。

（第３の実施形態）
本実施形態は、図示しないが、回転炉内に上記金属ボールと表面にヤスリをかけた超硬質ボールを配置するとともに、金属ボールを中空状にして超硬質ボールとの嵩密度を等しくしたことを特徴とする。
第３の実施形態によれば、金属ボールと超硬質ボールとの嵩密度が等しいので、回転炉内の金属ボールと超硬質ボールが均質に混合させることができる。

（第４の実施形態）
図４を参照する。図４は、第４の実施形態に係るナノカーボン生成装置のフロー図で、図１のブロックＣに対応する部分のみを示している。但し、図１及び図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。
本実施形態は、図４に示すように、回転炉１６と燃料電池２４を結ぶ配管４２と前記配管１８間を接続するように配管４３を設け、回転炉１６で生じたオフガス中の水素を回転炉１６内に還流して炉内還元雰囲気を保つことを特徴とする。この場合、炉内の酸素濃度を０〜３％に制御した。これは次の理由による。即ち、炉内還元が強すぎると、水素生成反応は当然抑制される。従って、炉内の還元の程度は触媒酸化防止の観点からは強い方が良く、水素生成の観点からは弱い方が好ましいので、適切な範囲に制御することが必要である。こうした観点から炉内の酸素濃度を上記のように設定した。なお、酸素濃度の好ましい範囲は０〜１％である。
第４の実施形態によれば、触媒酸化防止及び水素生成の両観点から酸素濃度を０〜３％に調節して、炉内の水素を還流して炉内還元用の水素とし有効利用することができる。

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。具体的には、上記実施形態では金属ボールの材質としてＳＵＳ製の材質を用いてが、これに限定されず、鉄，ニッケル，クロム等でもよく、これらから複数種の材質の金属ボールを適宜組み合せてもちいてもよい。

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、図１のナノカーボン生成装置の一構成である回転炉及びその周辺を拡大して示す説明図である。 図３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一構成である回転炉及びその周辺の説明図である。 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一構成である回転炉及びその周辺の説明図である。

符号の説明

１…熱分解装置、３…炭化物、４，１３，１８，４２，４３…配管、５…冷却器、６…液化物、９，９’…収容槽、１０…燃焼炉、１４…熱交換器、１６…回転炉、２０…超硬質ボール、２６…スクリューコンベア、２７…冷却ジャケット、２８…生成ナノカーボン、３０…回収容器。

Claims (7)

1. 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装置と、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、前記液化物に含まれる不純物を取り除き、その液化物を気化して得られた炭化水素を投入する還元雰囲気の回転炉と、この回転炉内に収容される、ステンレス，鉄，ニッケル，クロムの少なくともいずれかからなる金属ボールとを備え、前記炭化水素を前記回転炉に投入し、回転炉内で炭化水素を炭素と水素に分解して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。
2. 前記回転炉内に、前記金属ボールの他、この金属ボールと混合するようにＳＵＳ，鉄，ニッケル，クロムのいずれかからなる超硬質ボールを収容したことを特徴とする請求項１記載のナノカーボン生成装置。
3. 前記超硬質ボールの表面にヤスリがかけられていることを特徴とする請求項２記載のナノカーボン生成装置。
4. 前記回転炉の内壁面にヤスリがかけられていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載のナノカーボン生成装置。
5. 前記金属ボールは中空状で、かつ前記超硬質ボールと嵩密度が等しいことを特徴とする請求項２記載のナノカーボン生成装置。
6. 前記回転炉内の酸素濃度は０〜３％に制御されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載のナノカーボン生成装置。
7. 前記回転炉で生成したオフガス中の水素を回転炉内に還流して回転炉内の還元雰囲気の維持に使用することを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載のナノカーボン生成装置。

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