JP5032165B2 - 炭化システム - Google Patents

Description

本発明は、造粒された有機性の原料を、原料供給装置により低酸素雰囲気を維持した炭化炉内に投入し、加熱することにより炭化物と乾留ガスを回収する炭化システムに関する。

近年、農業集落排水処理施設、下水処理場、有機排水処理施設等から排出される汚泥に代表される有機性廃棄物を乾燥炭化し、廃棄物から有価値物である炭化物と乾留ガスなどのエネルギ源とを製造する乾燥炭化システムが広く用いられるようになった。この炭化システムでは、大気の流入を極力抑え低酸素雰囲気を維持した炭化炉内に原料（有機性廃棄物）を投入し、間接もしくは直接的に加熱することにより廃棄物から有価値物である炭化物と可燃性の乾留ガスを回収するものである。

この炭化システムでは、一酸化炭素等を含む有害な乾留ガスが大気へ漏洩することを防止する目的で炭化炉内部を負圧に保つ必要がある。しかし、炭化炉内の圧力が低くなりすぎると、炭化炉内部への大気流入量が増大することになり、種々の弊害が発生する。例えば炭化炉内部での汚泥の燃焼割合の増加による炭化収率の低下や、炭化炉内温度維持のために燃料消費量が増加等の問題が発生する。

このためでは、炭化炉内の圧力が大気圧より若干低い値（０〜８０Ｐａ）となるように微差圧制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。この制御を安定的に実行するためには、外気の流入を遮断しつつ原料の投入量の変動を少なくすると共に、炭化炉内での原料の炭化状態を均一にして（炭化ムラをなくす）発生ガス量を安定させることが重要となる。

原料の供給に関しては、底部にスクリューを備えたホッパに原料を堆積させ、その原料の堆積高さで外気に対する“蓋”をすることにより、外気の炭化炉への流入を遮断しつつスクリューで原料を定量供給することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、ホッパ下に設けたロータリバルブで定量供給と外気流入の遮断の両方を達成させたりする方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

炭化状態の均一化に関しては、炭化炉内部に原料を攪拌する板状の羽根を設け、常に均一に原料を加熱する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

さらに、微差圧制御が不能となり炭化炉が正圧になった場合でも、有害な乾留ガスが大気へ漏洩するのを防止する方法として、炭化炉の軸方向および半径方向の熱伸びを支持ローラにより吸収可能なシール構造を採用することにより炭化炉の機密性を高める提案がなされている（例えば、特許文献５参照）。
特開２００５−２３０７８９号公報 特開平９−４７７９５号公報 特開平１０−１７３１１号公報 特開２００５−３７０４２号公報 特開２００５−６９５０４号公報

しかし、原料の供給に関して、上述のホッパによる堆積方法では、原料に粘着性がある場合、高く堆積させることによりホッパ内部でブリッジを引き起こし、搬送不能になる恐れがある。また、ロータリバルブ方式では、定量供給するためにロータリバルブ内に原料を充満させる必要があるため、ここに原料が圧密されて付着し、搬送不能となる恐れがある。また、炭化炉内に設けた板状の羽根による攪拌では、原料の一部がスルーパスして炭化に必要な滞留時間を経ずに炭化炉外に排出されるため、炭化ムラが発生し、発生ガス量が安定しない恐れがある。さらに、上述のようなシールでは構造が複雑になりイニシャルコストがかかる。

本発明の目的は、炭化状態を均一にして発生ガス量を安定させることができる低コストの炭化システムを提供することにある。

本発明による炭化システムは、造粒された有機性の原料を、原料供給装置により低酸素雰囲気を維持した炭化炉内に投入し、加熱することにより炭化物と乾留ガスを回収する炭化システムであって、前記原料供給装置は、底部に定量供給スクリューを備えたホッパと、このホッパの定量供給スクリューの出口側に連設され、この定量スクリューから供給される原料を受け入れて、外気の流入を遮断した状態で送出する遮断機構と、この遮断機構の原料送出側に一端側が連設され、他端は前記炭化炉内に位置し、前記遮断機構から送出される原料を前記炭化炉内に投入する投入スクリューとを備え、前記底部に定量供給スクリューを備えたホッパ内に、前記定量供給スクリュー出口近くにおける原料の堆積高さほぼ一定となるように、前記定量供給スクリューの軸方向に間隔を保って複数の堰を設けている。

また、本発明では、投入スクリューは、原料が閉塞しない任意の一定回転数で運転され、炭化炉に対する原料の供給量は、定量供給スクリューの回転数を変化させることで調整する。

また、本発明では、炭化炉は、一端を入り口とし他端側を出口とした円筒状を成し、その軸芯は出口に向って下向きに傾斜し、この軸芯を中心に回転駆動される構成のもので、円筒状を成す内周面には前記軸芯に沿う方向の横板と軸芯に交差する方向の立板とから成るＬ字形の攪拌羽根を複数設けるとよい。

また、本発明では、複数の攪拌羽根は、炭化炉内壁に千鳥状に配置するとよい。

また、本発明では、回転体である炭化炉と、この炭化炉に接する固定体との間に設けられたシール部に対し、その外側を囲み、外気とも通じるカバーを設けると共に、そのカバーと、炭化炉を加熱する燃焼炉とを配管により連結し、この配管に設置されたブロワにより、カバー側から前記燃焼炉内へ空気を供給できるように構成するとよい。

さらに、本発明では、ブロワは常時運転し燃焼炉のバーナに燃焼用空気を供給するとよい。

本発明によれば、外気の流入を遮断しつつ原料の投入を行う際、投入量の変動を少なくすると共に、炭化炉内での原料の炭化状態を均一にして炭化ムラをなくすことができ、安定した炭化状態を得ることができ、炭化システムとしての性能を大幅に向上させることができる。

以下、本発明による炭化システムの一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

始に、図２を用いてこの実施の形態による炭化システムの基本構成を説明する。図２において、造粒装置１には配管５１により原料（有機性廃棄物）が供給され、ここでほぼ均一な形状に造粒される。造粒装置１で造粒された造粒原料は配管５２により原料供給装置２に送られ、この原料供給装置２により炭化炉３に定量供給される。炭化炉３は定量供給された原料を、低酸素雰囲気を維持した状態で加熱して炭化し、乾留ガスと固形残渣とに分離する。

乾留ガスは、配管５３により燃焼炉４に送られ、配管５４から供給される燃焼ガスと共に燃焼され高温ガスを生成する。この燃焼による高温排ガスは配管５７により、炭化炉３を間接加熱する加熱炉５に送られる。燃焼炉４の燃料には、炭化炉３で発生し、配管５３で供給される乾留ガスの他に、装置の立ち上げ時等で乾留ガスのみでは十分な燃焼熱が得られない場合に使用する補助燃料（ＬＰＧ等）が配管５５により供給され、配管５６から供給される燃焼用空気と共に燃焼する。

加熱炉５は、排ガス用の配管５８，５９により排ガス処理装置６とブロワ７と連結されており、燃焼炉４で燃焼され、加熱炉５で炭化炉３を加熱した排ガスを処理して大気に放出する。

図１は、上述した原料供給装置２、炭化炉３、燃焼炉４、加熱炉５の構成と、それらの相互関係を示している。

原料供給装置２は、原料用のホッパ１０１、遮断機構１０３、投入スクリュー１０４を有する。

ホッパ１０１は底部に定量供給スクリュー１０２を備えており、図示しない造粒装置により所定の形状に造粒された原料（有機性廃棄物）Ａをその出口側（図示右側）に向って定量供給する。このホッパ１０１には図３及び図４で示すように、底部に設けた定量供給スクリュー１０２の軸方向に間隔を保って複数の堰１０５，１０６，１０７を設け、定量供給スクリュー１０２の出口近くにおける原料の堆積高さがほぼ一定となるように構成している。ここで、堰１０６と堰１０７は、図４で示すように、定量供給スクリュー１０２の羽根外形より若干大きい切欠き１０８を有し、定量供給スクリュー１０２周りに造粒原料Ａが均一に堆積するように均す働きをする。また、造粒原料Ａの堆積状況によっては、堆積する造粒原料Ａの高さを下げるために堰１０６の上流に、この堰１０６より大きい切欠きを持つ堰１０５を設ける。定量供給スクリュー１０２の送り方向に沿って段階的に造粒原料Ａの高さを下げるためには、その上流に行くに従って切欠きが大きな堰１０５を複数設置する。

遮断機構１０３は、ホッパ１０１に設けられた定量供給スクリュー１０２の出口側に連設され、この定量供給スクリュー１０２から供給される原料を受け入れて、外気の流入を遮断した状態で送出する。この遮断機構１０３として、図ではロータリバルブ方式のものを例示したが、これに限られるものではなく、例えば、ダブルダンバ式の遮断機構でもかまわない。

投入スクリュー１０４は、遮断機構１０３の原料送出側に一端側（図示左端側）が連設され、他端は炭化炉３内に位置し、遮断機構１０３から送出される原料を炭化炉３内に投入する。この投入スクリュー１０４は、原料が閉塞しない任意の一定回転数で運転される。炭化炉３に対する原料の供給量は、上流側に位置する定量供給スクリュー１０２の回転数を変化させることで調整する。

炭化炉３は、燃焼炉４で燃焼された高温の燃焼排気により加熱炉５によって間接加熱されるロータリキルン式のもので、一端（図示左端）を入り口とし、他端（図示右端）側を出口とした円筒状を成しており、その軸芯は出口に向って下向きに数度傾斜している。そして、この軸芯を中心に、図示しない駆動機構により回転駆動される。

また、円筒状を成す炉体の内周面には複数の攪拌羽根１１が設けられている。この攪拌羽根１１は、図６で示すように、炭化炉３の軸芯に沿う方向（造粒原料の移動方向でもある）の横板１１１と、この軸芯に交差する方向の立板１１２とから成るＬ字形を成す。そして、この複数のＬ字形の攪拌羽根１１は、図１で示すように、炭化炉３の内壁に千鳥状に配置するとよい。

この炭化炉３内に、投入スクリュー１０４を通って投入された造粒原料Ａは、炭化炉３の回転により複数の攪拌羽根１１により掻き揚げられて攪拌され、均一に熱が伝えられながら、出口に向って移動する。そして、乾留ガスＢと固形残渣Ｃとに分解され、図示右側の出口部分からそれぞれ排出される。

このうち乾留ガスＢは、配管５３を通って燃焼炉４に送られ、バーナ１６で配管５４から供給される燃焼用空気と共に燃焼される。この燃焼炉４には、配管５５から供給される補助燃料Ｄ用のバーナ１４も設けられており、配管５６から供給される燃焼用空気と共に補助燃料Ｄを燃焼させる。また、上記配管５４，５６はブロワ１２と連結しており、このブロワ１２から燃焼用空気の供給を受ける。一方、固形残渣Ｃは搬送装置１３により系外に排出される。

また、炭化炉３はロータリキルン式であるため、回転体である炭化炉３と、この炭化炉３に接する固定体との間にはシール部１７，１８，１９，２０が設けられている。これらのうち、シール部１７，１９，２０に対しては、その外側を囲み、外気とも通じるカバー２２，２３を設ける。このカバー２２，２３は、配管２４，２５によりブロワ１２の吸気側と連結している。すなわち、カバー２２，２３は、炭化炉３に対する熱源となる燃焼炉４内と、配管２４，２５及び５４，５６を介して連通し、これら配管中に設置されたブロワ１２により、カバー２２，２３側から燃焼炉４内へ空気を供給できるように構成している。このブロワ１２は常時運転し、燃焼炉４のバーナに燃焼用空気を供給するものである。

上記構成において、造粒原料Ａは図３で示すように原料ホッパ１０１に投入され、定量供給スクリュー１０２、遮断機構１０３、投入スクリュー１０４を通って図１で示した炭化炉３内部に投入される。炭化炉３内部には、造粒原料Ａを攪拌するための攪拌羽根１１が複数配置されており、炭化炉３の回転により造粒原料５２が掻き揚げられ攪拌されるため、均一に熱が伝えられ、安定した炭化が行われる。

回転する炭化炉３と固定部の間の摺動部は、シール部１７、シール部１８、シール部１９、シール部２０により、大気が炭化炉３内や加熱炉５内に流入しないようにシールされている。炭化炉３は出口側に向かって数度傾斜している構造のため、炭化炉３の回転に従って造粒原料Ａは出口側に徐々に搬送される。

ここで、原料供給装置２は、図３で示したように、底部に定量供給スクリュー１０２を設けた原料ホッパ１０１の後段に遮断機構１０３を有し、さらに後段に投入スクリューを有する。また、原料ホッパ１０１には複数の堰１０５〜１０７を備える。このため、堰１０６と堰１０７により造粒原料Ａの、定量供給スクリュー１０２出口側における堆積高さがほぼ一定となり、定量供給スクリュー１０２の回転数と遮断機構１０３への投入量は比例関係が成り立つ。従って、定量供給スクリュー１０２の回転数を調整することにより投入量を安定的に制御することができる。

また、遮断機構１０３に、外気が炭化炉３内に流入するのを防止する機能を持たせているため、ホッパ１０１内で造粒原料Ａを高く堆積する必要がなく、造粒原料Ａが圧密により塊状になったり、原料ホッパ１０１でブリッジが発生したりすることがない。また、遮断機構１０３に定量供給性を持たせる必要がないため、例えば、遮断機構１０３にロータリバルブを使った場合でも、ロータリバルブ内に造粒原料Ａを充満させる必要がなく、造粒原料Ａの付着による閉塞等の恐れはなくなる。

この結果、造粒原料Ａの付着やブリッジ等による供給不安定が解消され、炭化炉３への造粒原料Ａの投入量が常に一定となる。このため、発生ガス量の変動は少なくなり圧力制御が安定する。

また、攪拌羽根１１は図６のように横板１１１と立板１１２で構成されたＬ字形を成し、炭化炉３の内壁面に複数枚、千鳥状に配置されている。炭化炉３は水平面に対して出口方向に向かって数度下方に傾斜しているので、粒原料Ａは炭化炉３内で、炭化炉３の回転により攪拌羽根１１の横板１１１に持上げられ（図５のａ→ｂ→ｃ）、ある高さに達したところで落下し（図５のｄ）、別の攪拌羽根１１でまた持上げられる（図５のａ）。この繰返しの過程で、炭化炉３の傾斜の影響で徐々に出口側に運ばれていく。このため、造粒原料Ａが炭化炉３内部で転がって出口側に移動しようとしても、攪拌羽根１１の立板１１２に阻まれてスルーパスすることが出来ない。この造粒原料Ａが阻まれる度合いは、千鳥状に配置される攪拌羽根１１の設置枚数を調節することにより変化するため、滞留時間の調節が可能となる。

このように、炭化炉３内において、スルーパスする造粒原料Ａがなくなるため造粒原料Ａの炭化状態が安定する。したがって、発生ガス量の変動は少なくなり圧力制御が安定する。

また、前述のように回転する炭化炉３と固定部との間は、シール部１７、シール部１８、シール部１９、シール部２０により、大気が炭化炉３内や加熱炉５内に流入しないようにシールされている。このうち、炭化炉３の入口側シール部１７の周りを入口側シール部カバー２２で覆い、出口側シール部１９、２０の周りを出口側シール部カバー２３で覆っている。但し、これらのカバー２２，２３は気密にはせず、空気が多少漏れる構造とする。すなわち、前述したように外気とも通じている。これらカバー２２、２３とバーナ燃焼用空気ブロワ１２の吸気側とは配管２４，２５で連結されている。すなわち、バーナ燃焼用空気ブロワ１２の空気取り込み口を入口側シール部１７近辺、もしくは出口側シール部１９、２０の近辺とする。

このような構成において、万が一炭化炉３が正圧になり有害な乾留ガスＢが大気へ漏洩した場合でも、このガスはバーナ燃焼用空気ブロワ１２により燃焼用空気として燃焼炉４に投入され燃焼される。このように、シール部１７，１９，２０から万一乾留ガスが漏洩しても、これをブロワ１２により吸引して燃焼炉４内に供給し、燃焼させてしまうので、有害ガスの大気漏洩が防止できる。すなわち、従来例のように、イニシャルコストの掛かるシール機構を用いる必要はなくなる。

本発明による炭化システムの一実施の形態を示す構成図である。 同上一実施の形態の基本構成を説明するための概念ブロック図である。 同上一実施の形態における原料供給装置の構成を説明する断面図である。 図３で示したホッパと、その内部に設けられた堰の形状を説明する側面図である。 同上一実施の形態における炭化炉内における攪拌羽根の動作を説明する炭化炉の横断面図である。 図５で説明した攪拌羽根の形状と炭化炉内壁への取り付け状態を示す斜視図である。

符号の説明

２… 原料供給装置
３… 炭化炉
４… 燃焼炉
５… 加熱炉
１１… 攪拌羽根
１２… バーナ燃焼用空気ブロワ
１４… 補助燃料バーナ
１６… 乾留ガスバーナ
１７，１８，１９，２０… シール部
２２、２３… シール部のカバー
Ａ… 造粒原料
Ｂ… 乾留ガス
１０１… ホッパ
１０２… 定量供給スクリュー
１０３… 遮断機構
１０４… 投入スクリュー
１０５，１０６，１０７… 堰
１１１… 横板
１１２… 立板

Claims (6)

1. 造粒された有機性の原料を、原料供給装置により低酸素雰囲気を維持した炭化炉内に投入し、加熱することにより炭化物と乾留ガスを回収する炭化システムであって、
   前記原料供給装置は、底部に定量供給スクリューを備えたホッパと、
   このホッパの定量供給スクリューの出口側に連設され、この定量スクリューから供給される原料を受け入れて、外気の流入を遮断した状態で送出する遮断機構と、
   この遮断機構の原料送出側に一端側が連設され、他端は前記炭化炉内に位置し、前記遮断機構から送出される原料を前記炭化炉内に投入する投入スクリューとを備え、
   前記底部に定量供給スクリューを備えたホッパ内に、前記定量供給スクリュー出口近くにおける原料の堆積高さほぼ一定となるように、前記定量供給スクリューの軸方向に間隔を保って複数の堰を設けた
   ことを特徴とする炭化システム。
2. 投入スクリューは、原料が閉塞しない任意の一定回転数で運転され、炭化炉に対する原料の供給量は、定量供給スクリューの回転数を変化させることで調整することを特徴とする請求項１に記載の炭化システム。
3. 炭化炉は、一端を入り口とし他端側を出口とした円筒状を成し、その軸芯は出口に向って下向きに傾斜し、この軸芯を中心に回転駆動される構成のもので、円筒状を成す内周面には前記軸芯に沿う方向の横板と軸芯に交差する方向の立板とから成るＬ字形の攪拌羽根を複数設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭化システム。
4. 複数の攪拌羽根は、炭化炉内壁に千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の炭化システム。
5. 回転体である炭化炉と、この炭化炉に接する固定体との間に設けられたシール部に対し、その外側を囲み、外気とも通じるカバーを設けると共に、そのカバーと、炭化炉を加熱する燃焼炉とを配管により連結し、この配管に設置されたブロワにより、カバー側から前記燃焼炉内へ空気を供給できることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の炭化システム。
6. ブロワは常時運転し燃焼炉のバーナに燃焼用空気を供給することを特徴とする請求項５に記載の炭化システム。