JP5819607B2 - 減圧熱分解処理装置及び連続油化炭化設備 - Google Patents

Description

本発明は減圧熱分解処理装置および該減圧熱分解処理装置を使用した連続油化炭化設備に関する。

特に、有機質原料を連続熱分解処理して連続油化炭化処理するのに好適な発明に係る。ここで有機質原料としては、一般都市ごみ、廃プラスチック、廃タイヤ等の有機質廃棄物が好適である。原料費が不要、場合によっては、廃棄物処分費用の請求ができるためである。

なお、本発明の減圧熱分解処理装置及び連続油化炭化設備は、汚染土壌中の有害無機化合物を熱分解処理する等の無機質原料の熱分解処理にも適用できる。

ここでは、有機質原料を連続油化炭化する場合を例に採り説明する。

従来の油化炭化装置は、バッチ運転炉が多く、エネルギー効率が非常に悪く、装置が複雑でトラブルも多く、炭化物や油化物も良い物を得がたかった。

炭化機（乾留装置）には、一部原料を燃やして蒸し焼きにする方法もあるが、これは灰が多く出ることになり、良質な炭化物が得られていないのである。また、この装置も効率の良い連続油化炭化設備は、本発明者らは、寡聞にして知らない。

油化炭化装置（油化炭化設備）としては、本発明者の一人が先に提案した特許文献１〜４等に記載されたものがある。

しかし、それらは何れもバッチ処理を前提としており、連続的に油化炭化することを予定するものではない。

特開２００４−６６２１６号公報 特開２００４−２４３２８１号公報 特開２００５−２３８１２０号公報 特開２０１０−６５１０４号公報

本発明は、都市ごみ等においても分別を必要とせず、プラスチックや合成ゴム等が混ざった有機質廃棄物でも、油化と炭化の連続的処理が可能で、高品質の油化品・炭化品が得られる熱分解処理装置及び該熱分解処理装置を用いた連続油化炭化設備を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意開発に努力をした結果、下記構成の減圧熱分解処理装置および連続油化炭化設備に想到した。

本発明の減圧熱分解処理装置は、廃棄物等を減圧下で連続的に熱分解処理するための熱分解処理装置であって、
減圧熱分解室と、該減圧熱分解室を加熱する外部加熱手段とを備え、
前記減圧熱分解室が、横置き管で形成され、該横置き管の内部に回転攪拌機が配されて該回転攪拌機の回転により投入原料を前進・後退可能とされた攪拌機内蔵型であり、
前記減圧熱分解室には、それぞれ、原料供給手段と製品排出手段とが気密維持手段を有して接続され、また、
前記減圧熱分解室の熱分解生成ガス出口が減圧手段と接続される、
ことを特徴とする。

また、本発明の連続油化炭化設備は、上記構成の減圧熱分解処理装置を用いて、有機質の被処理物を連続熱分解処理して連続油化炭化処理する設備であって、
前記減圧熱分解処理装置の製品排出手段から炭化物を回収可能とされ、更に、
減圧熱分解室で生成した乾留ガスを導入する熱交換凝縮器と、
熱交換凝縮器で凝縮された凝縮液を油水分離して油化物を回収する油水分離器と、を備え、
減圧手段が、前記熱交換凝縮器で凝縮されない非凝縮性ガス（排ガス）を吸引可能に配されている、ことを特徴とする。

本発明の連続油化炭化設備の一実施形態を示す流れ図である。 図１のII−II線概略断面図である。 図２の多軸攪拌機における概略平面図である。

以下、本発明の減圧熱分解処理装置を、連続油化炭化設備に適用する場合を例に採り説明する。

本発明の連続油化炭化設備の主要構成機器は、減圧熱分解処理装置１、乾留ガス改質器１６、熱交換凝縮器３１、油水分離槽３９、および排ガス熱分解炉４６、からなる。更に、付帯機器として、破砕機３および冷却塔３４を備えている。

各機器について、以下に詳細に説明する。

１）減圧熱分解処理装置１は、気密構造の減圧熱分解室９と、該減圧熱分解室９を加熱する外部加熱手段（熱風炉）５１を備えている。

減圧熱分解室（乾留室）９は、１の単管部からなる単管型横置き管の内部に１本の回転攪拌機を配した単軸攪拌機内蔵型もよいが、本実施形態では、単管部が融合並列された多管型横置き管２５で形成され、各単管部に回転攪拌機１９Ａ、１９Ｂが配された多軸攪拌機内蔵型である。該回転攪拌機１９Ａ、１９Ｂの回転により投入原料を繰り返し前進・後退可能とされている。

多軸攪拌機内蔵型とすることにより、熱分解処理に際しての滞留時間を確保し、且つ、原料移動断面積も大きくでき、大量処理が円滑に行える。さらに、下記構成とすることにより、回転攪拌機１９Ａ、１９Ｂと横置き管２５との間における原料流れ不良（詰まり）を発生させることが無い。

すなわち、多管型横置き管２５内に、右巻きの回転羽根２０Ａを有する回転攪拌機１９Ａと左巻きの回転羽根２０Ｂを有する回転攪拌機１９Ｂを、それらの回転羽根２０Ａ、２０Ｂの径より短い回転軸２１、２１間隔で交互に配する。当然、それぞれの回転羽根２０Ａ、２０Ｂのフライトピッチ（隣り合う羽根間距離）をずらして、隣接回転軸の回転羽根２０Ａ、２０Ｂ相互が干渉せずに、逆回転可能とする。

右巻き羽根２０Ａは、被処理物（原料）を右回転７０で前進２３、左回転７１で後退２４させる。左巻き羽根２０Ｂは、被処理物（原料）を左回転７１で前進２３、右回転７０で後退２４させる。

また、横置き管２５の傾斜角度は、水平でもよいが、出口側に向かって若干傾斜させることが望ましい。原料（被処理物）乃至製品（炭化物）が乾留ガス出口２７側に堆積せず、乾留ガス２６の乾留ガス出口２７からの排出が容易となるためである。

即ち、横置き管２５の傾斜角度は、回転攪拌機１９Ａ、１９Ｂによる被処理物（原料）乃至炭化物の前進・後退を阻害せず、且つ、熱分解ガス（乾留ガス）の排出を阻害しないものとする。通常、３０°以下、望ましくは１０〜２０°とする。

回転攪拌機１９Ａ、１９Ｂの羽根形態は、被処理物（砕製原料）を前進後退可能であれば、特に限定されない。図例の標準型のスクリュー式に限られず、他のリボン型、二重羽根型等のスクリュー式でもよく、更には、パドル式であってもよく任意である。

そして、外部加熱手段は、乾留可能な温度に加熱できれば特に限定されない。図例では、バーナ１３で加熱する燃焼式の熱風炉５１であるが、電気炉（抵抗炉、アーク炉、誘導炉等)であってもよい。

なお、熱風炉５１でバーナ加熱した熱気（熱風）は、横置き管２５を外周から全体加熱しながら、ガス改質器１６の加熱ジャケット１７へ進入し、加熱ジャケット１７の排気口１８から排気される。

減圧熱分解室（乾留室）９には、原料供給手段と製品（炭化物）排出手段とが気密維持手段を有して接続されている。

原料供給手段は、原料ホッパ５と原料供給コンベヤ７とからなる。減圧熱分解室９の原料供給口１０に、気密維持手段である上・下二段バルブ１１、１２を介して（有して）接続されている。破砕原料を、気密維持をしながら連続的に供給するためである。

原料ホッパ５は水平回転するパドル翼を備えた水平回転攪拌機６を備え、原料ホッパ５に投入された塊状原料を解砕しながら原料供給コンベヤ７に原料を供給可能となっている。

なお、必然的ではないが、図例の如く、一次原料が原料供給コンベヤ７で搬送可能な大きさでない場合にも対応可能なように、破砕機３および破砕機用コンベヤ４からなる原料前処理手段を配してもよい。

ここで、製品排出手段は、本実施形態では、減圧熱分解室９の排出口５６に、バルブ５７を介して供給口５９が接続された冷却排出コンベヤ５８で形成されている。高温の乾留物を冷却しながら連続排出するためである。

冷却排出コンベヤ５８の搬送はスクリュー５９で行ない、冷却はジャケット６１で行う。ジャケット６１には、冷却塔３４のポンプ３５を備えた冷却媒体（冷却水）送出管３６と冷却媒体（冷却水）戻り管３７とが接続されている。

冷却排出コンベヤ５８の製品排出口５８ａからの製品（炭化物）は、炭化物コンテナ６４で回収可能となっている。

そして、冷却排出コンベヤ５８の排出口は、気密維持手段である上・下二段バルブ６２、６３を有して形成されている。前記熱分解室９および冷却排出コンベヤ５８内を気密にするためである。

２）乾留ガス改質器１６は、乾留ガスを改質して熱交換凝縮器３１に導入するものである。改質器１６は、必然的ではないが、回収油成分の品質を向上させる。

図例では、複数段の改質充填層からなる改質処理室１６ａを加熱ジャケット１７で加温する構造である。

乾留ガス改質器１６は、図例のものに限られず、各種汎用のものを使用可能である。例えば、本願発明者の一人が、先に特開2000-189695号で提案している下記構成のものも好適に使用できる。

「被処理油入口および処理済油出口を有し、該被処理油入口及び処理済油出口の間に改質処理ゾーンを備えた油改質容器と、該改質容器内の温度を設定温度に維持する加熱手段とを備え、
前記改質処理ゾーンは、前記被処理油入口から処理済油出口に向かって、ろ過／遠赤外線ゾーン、触媒ゾーン及び磁界ゾーンを備え、
前記触媒ゾーンは、芳香族成分乃至重質成分の分解触媒で構成されている。」

３）熱交換凝縮器３１は、改質ガスを凝縮して油成分を含む凝縮液を回収するものである。
入口管３２がガス改質器１６のガス出口２９と配管３０で接続され、ジャケット３３で冷却されるものである。ジャケット３３には、前記冷却排出コンベヤ５８のジャケット６１と同様、冷却塔３４のポンプ３５を備えた冷却媒体（冷却水）送出管３６と冷却媒体（冷却水）戻り管３７とが接続されている。

４）油水分離槽３９は、熱交換凝縮器３１からの凝縮液を油水分離するものである。

凝縮液出口管３８は先端を水没させる。凝縮室内を気密にするためである。そして、油水分離槽３９は、浮上した油成分（油化物）を、溢流管４２を介して油タンク４１に流出させる。４３は水排出バルブである。

５）排ガス熱分解炉４６は、上記熱交換凝縮器３１で凝縮されなかった非凝縮性ガスを導入して熱分解処理するものである。

図例では、熱分解炉４６の天井側にエゼクタ（減圧手段）４８と熱分解バーナ４９とを備えている。エゼクタ４８の吸引室入口４８ａは、熱交換凝縮器３１からの非凝縮性ガス出口４４と非凝縮性ガス配管４５を介して接続されている。更に、底部側のガス排出口４６ａ側には排気ダンパ５３を備えた排気筒５２を備えている。

なお、必然的ではないが、排ガス熱分解炉４６のガス排出口は加熱炉（熱風炉）５１と連通管５０を介して接続されている。排熱の有効利用ができる。

次に、上記実施形態の連続油化炭化設備の使用態様について説明する。

原料（被処理物）は、原料供給コンベヤ７で搬送できない場合、破砕機（又は粉砕機）３にて前処理（破砕）し、破砕機用コンベヤ４にて原料ホッパ５へ投入する。

ホッパ５に投入された原料は、パドル（櫂）型の水平回転攪拌機６の回転により、下部に付設されている原料供給コンベヤ７へ破砕済の原料を円滑に供給し、原料供給コンベヤ７の出口８から減圧熱分解処理装置１の減圧熱分解室（乾留室）９の原料供給口１０までの配管内に設置された上・下二段バルブ１１、１２にて、原料を、乾留室（減圧熱分解室）９へ気密維持（空気の流入を防いで）をしながら供給する。

即ち、下段バルブ１２を閉、上段バルブ１１を開にした状態で、原料供給コンベヤ７を運転して、バルブ間に原料が満たされた時点で原料供給コンベヤ７を停止する。そして、上段バルブ１１を閉にして、下段バルブ１２を開にして、減圧熱分解室９へ原料を供給する。この運転を繰り返すことにより、原料を気密維持をしながら連続的に供給可能となる。

減圧熱分解室９の元部の上部に設けられた原料供給口１０より原料は投入され、各攪拌機１９Ａ、１９Ｂの回転羽根（スクリュー羽根）２０Ａ、２０Ｂにて混合攪拌される。即ち、回転羽根２０Ａ、２０Ｂが正転、逆転を繰り返すことにより、前進・後退して攪拌され、徐々に前進していく。こうして、減圧熱分解室９内における充分な滞留時間を容易に確保できる。

減圧熱分解処理装置１において、乾留室（減圧熱分解室）９が多軸攪拌機内蔵型とする場合の長所を、単軸攪拌機内蔵型とする場合と比較しながら説明する。

例えば、単軸回転攪拌機内蔵型の場合、回転羽根と原料、原料と単管部１個のみの横置き管（トラフ）は常に摩擦運動をしながら、原料が混合攪拌されると同時に移動する。ところが付着性の高い油泥が高分子にて凝集された汚泥、食品残渣の練状物等の原料は、一旦、回転羽根の隣り合う羽根間（フライト間）に付着すれば、どんどんその付着量は大きくなり、回転羽根のフライト間は埋め尽くされてしまい、回転攪拌機は、一本の丸棒と同じ状態になり、混合攪拌・移動機能を失う。

これに対して本実施形態の多軸攪拌機内蔵型の場合、並列する互いの回転羽根により相手の回転羽根２０Ａ、２０Ｂのフライト間に付着したものを、お互いが逆回転して常時削ぎ落しながら、混合攪拌移動させる。また、前進と後退を繰り返すスイッチバック方式の運転をして、投入原料を滞留させながら繰り返し前進・後退させることにより、滞留時間も長くなり、より混合攪拌が促進され、横置き管（トラフ）２５からの熱伝導が非常に効率よく行われて、処理能力が増大する。

こうして、加熱バーナ１３からの熱気（熱風）１４にて減圧熱分解室９の外周壁からの伝熱により熱せられた原料は減圧（無酸素）下で蒸し焼きされ、乾留される。原料の熱分解により生成した乾留ガス（熱分解生成ガス）２６は、乾留ガス出口２７より一次乾留ガス配管２８から乾留ガス改質器１６に導入されて、乾留ガスは改質される。

改質された乾留ガス２６はガス改質器出口２９より二次乾留ガス配管３０を通り、熱交換凝縮器３１の凝縮室３２に入口管３２ａを経て導入され、乾留ガスは凝縮される。

ここで、乾留ガス中の水蒸気は水に、油性ガスは油にそれぞれ凝縮されて油水混合の凝縮液となる。

この凝縮液は、凝縮液出口管３８より油水分離槽３９へ気密維持をしながら流入する。

油水分離槽３９で凝縮液中の油成分は浮上油となり、油タンク４１へ溢流管４２を経て流入し油化物として回収される。なお、油水分離槽３９の底部に貯まる水は水排出バルブ４３にて排出する。

熱交換凝縮器３１にて凝縮されなかった非凝縮性ガス（排ガス：オフガス）は、非凝縮性ガス出口管４４より非凝縮性ガス配管４５を経て、排ガス熱分解炉４６に設置されたエゼクタ（減圧吸引機）４７の吸引室を経て排ガス熱分解炉４６に導入される。そして、排ガスはバーナによる直接加熱で熱分解される。

バーナで発生した排熱は連通管５０を通り、加熱炉（熱風炉）５１へ導入され、有効利用する。排熱利用をする必要がない場合は、排ガス熱分解炉４６の排気筒５２の排気ダンパ５３を開にして排気する。

減圧熱分解室９内では、間接加熱により減圧下で熱分解されて乾留された原料は炭化物（固形製品）となる。減圧熱分解室９の排出側下部の排出口５６より排出され、途中に設けられた調節バルブ５７にて流量が調節されながら、冷却排出コンベヤ５８の供給口５８ａに送られる。

冷却排出コンベヤ５８に流入した炭化物５５は、冷却排出コンベヤ５８の攪拌機５９にて攪拌移送され、回収排出口５８ｂへ送られる。

回収排出口５８ｂでは、上段バルブ６２と下段バルブ６３との間で、交互に開閉作動させることによって、気密維持をしながら炭化物５５を、炭化物コンテナ６４に排出できる。なお、気密維持手段は、二段バルブ方式に変えて、ロータリーバルブ方式でもよい。

図符号Ｍは、それぞれモータ（電動機）を示す。

また、減圧熱分解室９を形成する多管型横置き管２５（単管型横置き管を含む。）の単管部口径は、小型機１００〜１０００mmのものが好適である。長さは１〜６ｍで、多連管は２〜６本くらいが好適で、処理能力に応じた機種が選定できる。材質は、耐熱ステンレス鋼が好適である。

乾留室９によって効率よく熱分解された原料は、乾留ガスが発生する。該乾留ガスは、ガス改質器１６にて、濾過、遠赤外線処理、触媒処理、磁界処理等を経て改質され、熱交換凝縮器３１にて凝縮され、油水分離槽３９にて油水分離され、良質な油化物が得られる。

減圧熱分解室９内には、乾留（減圧熱分解）処理後の残渣物が徐々に炭化されて炭化物（炭）が得られる。そして、減圧熱分解室９内は、投入口や取り出し口からの空気流入もなく、なおかつ減圧しているため、より空気は薄くなる。このため、炭化物は、灰分の少ない非常に良質な炭が得られるのである。この炭化物（製品）は、土壌改良材や融雪剤、燃料として利用でき、更に、超微細化すればナノカーボンにも成り得る。

従って、連続運転によって熱効率が非常に良く、減圧されているために爆発の危険はなく、詰まることもなく、良質な油と炭が得られる。さらに、構造も簡単で非常に安価に製造することができる。

次に上記実施形態において、下記仕様とした連続油化炭化設備を用い、廃プラスチックを原料として、減圧熱分解処理により油化炭化を行った実施例について説明する。

１）乾留ガス装置１：
幅６００mm×長さ２,０００mm×高さ１,０００mm
２）減圧熱分解室９：
各軸シリンダ径Φ１１４×長さ２,０００mm×２軸
スクリュー 外径１００mmΦ×長さ２０００mm×０．１kW×回転数１rpm×２基
スクリュー羽根（フライト間）ピッチ １００mm
スクリュー軸間ピッチ ７０mm
３）乾留ガス改質器１６
径１５０mmΦ×長さ１,２００mm×３筒式
４）熱交換凝縮器３１
径６００mmΦ×長さ１,２００×１塔
５）油水分離槽３９
幅６００mm×長さ８００mm×高さ４００mm
６）排ガス熱分解炉４６
幅６００mm×長さ１０００mm×高さ１５００mm
７）冷却排出コンベヤ５８
径１００mmΦ×長さ１,５００mm×出力０.２kW
８）外部加熱バーナ１３
８Ｌ/ｈ×７０,０００kcal/ｈ
９）熱分解バーナ４９
５Ｌ/ｈ×４０,０００kcal/ｈ
また、廃プラスチック原料は、ビールケース（材質PE）、折りたたみコンテナ（材質PP）、買い物カゴ（材質PP）等を３０mmアンダー程度に破砕したものを用いた。

時間当たりの処理量は１０kg／ｈ程度で、減圧熱分解室９内の減圧度：-２kpa×温度：２５０℃、バーナ加熱室温度：６００℃の条件で行った。その結果、油化物７Ｌ／ｈ、炭化物２Ｌ／ｈが得られた。

１・・・連続油化炭化設備（減圧熱分解処理装置）
９・・・乾留室（熱分解処理室）
１９Ａ、１９Ｂ・・・回転攪拌機
２０Ａ、２０Ｂ・・・回転羽根（スクリュー羽根）
２５・・・横置き管
３１・・・熱交換凝縮器
３９・・・油水分離槽
４６・・・排ガス熱分解炉
５１・・・バーナ加熱炉（外部加熱手段）

Claims (9)

1. 廃棄物等を減圧下で連続的に熱分解（乾留）して炭化物を得るための熱分解処理装置であって、
   減圧熱分解室と、該減圧熱分解室を加熱する外部加熱手段とを備え、
   前記減圧熱分解室が、横置き管で形成され、該横置き管の内部に回転攪拌機が配されて該回転攪拌機の回転により投入原料を前進・後退可能とされた攪拌機内蔵型であり、
   前記減圧熱分解室には、それぞれ、原料供給手段と製品排出手段とが気密維持手段を有して接続され、また、
   前記減圧熱分解室の熱分解生成ガス出口が減圧手段と接続され、更に、
   前記減圧熱分解室が、
   単管部が融合並列された多管型の横置き管で形成され、前記各単管部にスクリュー式の回転攪拌機が配された多軸攪拌機内蔵型であるとともに、
   前記減圧熱分解室の前記製品排出手段との接続側にバルブが介されて、前記回転攪拌機をスイッチバック方式の運転をすることにより、前記投入原料を前記減圧分解室内で滞留させながら繰り返し前進・後退させる、
   ことを特徴とする減圧熱分解処理装置。
2. 前記多軸攪拌機が、右巻きの回転羽根を有する回転攪拌機と左巻きの回転羽根を有する回転攪拌機が前記回転羽根の外径より短い回転軸間隔で配され、かつ、隣接回転軸の回転羽根相互が干渉せずに逆回転可能とされていることを特徴とする請求項１記載の減圧熱分解処理装置。
3. 前記横置き管が出口側に向かって上向きに傾斜していることを特徴とする請求項１又は２記載の減圧熱分解処理装置。
4. 前記横置き管の傾斜角度が３０°以下であることを特徴とする請求項３記載の減圧熱分解処理装置。
5. 前記原料供給手段と前記製品排出手段における前記気密維持手段が、二段バルブ式であることを特徴とする請求項１〜４いずれか一記載の減圧熱分解処理装置。
6. 前記減圧手段がエゼクタ式であることを特徴とする請求項１〜５いずれか一記載の減圧熱分解処理装置。
7. 請求項１〜６いずれか一記載の減圧熱分解処理装置を用いて、有機質廃棄物を連続熱分解処理して連続油化炭化をする設備であって、
   前記減圧熱分解処理装置の製品排出手段から炭化物を回収可能とされ、更に、
   前記減圧熱分解室で生成した乾留ガスを導入する熱交換凝縮器と、
   該熱交換凝縮器で凝縮された凝縮液を油水分離して油化物を回収する油水分離器と、を備え、
   前記減圧手段が、前記熱交換凝縮器で凝縮されない非凝縮性ガス（排ガス）を吸引可能に配されている、
   ことを特徴とする連続油化炭化設備。
8. 前記減圧熱分解処理装置の熱分解生成ガス（乾留ガス）出口と前記熱交換凝縮器との接続配管の途中に、更に、乾留ガス改質器が配されていることを特徴とする請求項７記載の連続油化炭化設備。
9. 前記減圧熱分解処理装置の外部加熱手段がバーナ燃焼方式とされるとともに、前記非凝縮性ガスの全部又は一部を前記外部加熱手段に、熱分解処理乃至加熱処理を経て又は経ないで、導入可能に連結管で連結されていることを特徴とする請求項７又は８記載の連続油化炭化設備。

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