JP6111088B2 - 炭化材料の製造装置及び製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高分子系有機化合物を含む原料を熱分解して炭化材料を得るとともに、熱分解中に発生した熱分解ガス中から油分を分離回収する炭化材料の製造装置及び方法に関する。
高分子系有機化合物を含むタイヤなどの製品の廃棄物の処理については、近年の地球環境保全、廃棄物の減少、リサイクルの観点から関心が高まっている。このような状況を踏まえ、高分子系有機化合物を含む廃棄物を原料として、該原料を非酸化性雰囲気中で加熱して熱分解させて、カーボンブラックとなる炭化材料を製造するとともに、熱分解中に発生した熱分解ガス中から油分を分離回収する研究、開発が行われている。
高分子系有機化合物を含む廃棄物を原料とする従来の炭化材料の製造装置は、高分子系有機化合物を含む廃棄物を熱分解させる熱分解炉と、熱分解時に熱分解炉から発生する熱分解ガスを冷却して油分を分離し、回収する油分回収装置と、熱分解炉の炉内雰囲気を非酸化性にするための不活性ガス供給装置とを備える基本構成を有している。
油分回収装置と熱分解炉とに接続する管路の途中にガス加熱装置を設けた炭化材料の製造装置に関して、熱分解炉から生じた熱分解ガスを熱交換器に導いて、熱分解ガスの顕熱により残ガスを加熱するものがある（特許文献１）。
油分回収装置と熱分解炉とに接続する管路の途中にガス加熱装置を設けた炭化材料の製造装置において、加熱開始直後からの更なる炉内材料の均熱化や熱分解処理一回当たりの処理量の増大等のために、熱分解炉内での熱の移動量を増大させるためには、熱分解炉内に導入する、加熱されたガスの流量を増大させる必要がある。しかしながら、加熱されたガスの流量を増大させるには、増大させるガスの流量に応じた油分回収装置の冷却能力の増大と、ガス加熱装置の加熱能力の増大が共に必要となり、設備の大型化や消費エネルギーの増大を招く。
本発明は、上記問題を有利に解決するためになされたものであり、油分回収装置の冷却能力の増大やガス加熱装置の加熱能力の増大を招くことなく、熱分解炉内での熱の移動量を増大させることのできる炭化材料の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
本発明の炭化材料の製造装置は、タイヤを含む高分子系有機化合物の廃棄物を収容可能な内部空間を有する熱分解炉内に設けられた反応器の中で前記廃棄物を熱分解処理して、前記廃棄物が炭化した炭化材料を製造する装置であって、前記反応器が、ガスを導入する導入口とガスを排出する排出口とを有し前記熱分解炉に出し入れ可能であり、前記反応器の底面よりも下方の熱分解炉内に加熱装置が設けられ、前記熱分解炉内において前記反応器の導入口と排出口とを通じて熱分解におけるガスが前記熱分解炉の内部で循環し、前記ガスの流動通路上に位置させた前記加熱装置で加熱されることを特徴とする。
本発明の炭化材料の製造方法は、タイヤを含む高分子系有機化合物の廃棄物を収容可能な内部空間を有する熱分解炉内に設けられた反応器の中で前記廃棄物を熱分解処理して、前記廃棄物が炭化した炭化材料を製造する方法であって、前記熱分解炉内において、ガスを導入する導入口とガスを排出する排出口とを有し前記熱分解炉に出し入れ可能である前記反応器の該導入口と該排出口とを通じて熱分解におけるガスを、前記反応器の底面よりも下方の熱分解炉内に設けられ前記ガスの流動通路上に位置させた加熱装置で加熱し前記熱分解炉の内部で循環させることを特徴とする。
本発明によれば、熱分解炉内に反応器が設けられ、この反応器の導入口と排出口とを通じて熱分解におけるガスが前記熱分解炉の内部で循環することから、加熱された炉内ガスの流量を増大させることができる。このため、油分回収装置の冷却能力の増大やガス加熱装置の加熱能力の増大を招くことなく、熱分解炉内での熱の移動量を増大させることができる。
以下、本発明の炭化材料の製造装置及び製造方法の実施形態を、図面を用いてより具体的に説明する。
図１に模式図で示す本発明の一実施形態の炭化材料の製造装置１は、高分子系有機化合物を含む原料を熱分解して炭化材料を得る熱分解炉１０と、熱分解炉１０に不活性ガスを供給する供給源としての不活性ガス供給装置１１と、熱分解炉１０から発生する熱分解ガスを冷却して当該熱分解ガス中の油分を分離回収する油分回収装置としての凝縮器２０とを備えている。
不活性ガス供給装置１１は、熱分解炉１０にガス管１２を介して接続している。不活性ガス供給装置１１から供給する不活性ガスは、例えば窒素ガスであり、市販の窒素ガスを用いることができる。この他、アルゴンガス等を用いることもできる。熱分解炉１０で高分子系有機化合物を含む原料の熱分解を行う前に、不活性ガス供給装置１１から不活性ガスを熱分解炉１０内に供給することにより、熱分解炉１０内から空気を取り除き、炉内を、熱分解に適した非酸化性雰囲気にすることができる。また、熱分解炉１０内での原料の熱分解処理中に、不活性ガス供給装置１１から不活性ガスを熱分解炉１０内に供給することも可能である。熱分解処理中に不活性ガスを熱分解炉１０内に供給することにより、熱分解炉１０内でのガスの流量を増大させることができ、これにより熱分解を促進させることができる。もっとも、本実施形態では、後述するように熱分解炉１０内にファン１５を有し、このファン１５により熱分解炉１０内のガスを流動させていることにより、炉内のガスの流量を大きくしている、そのため、熱分解処理中に不活性ガスを熱分解炉１０内に供給することは、必ずしも必要でなく、熱分解処理中は不活性ガスの供給を止めてもよい。
熱分解炉１０の炉内空間１０ａには、図示した本実施形態では、高分子系有機化合物を含む原料が収容される反応器１３が設けられている。この反応器１３は、ガスを導入する導入口１３ａとガスを排出する排出口１３ｂとを有している。この反応器１３中で原料を熱分解させる。また、反応器１３が設けられていることにより、熱分解処理後に得られる炭化材料を熱分解炉１０から取り出すのが容易となる。反応器１３は、熱分解炉１０の上部又は側部に設けられる扉（図示されない）の開放により熱分解炉１０の炉内空間１０ａから出し入れ可能となっている。
熱分解炉１０の炉内空間１０ａに、炉内ガスを加熱する加熱手段としての加熱装置１４が設けられている。加熱装置１４は例えば電気ヒータであり、熱分解炉１０の外部に設けられた電源から所定の電力が供給されて熱を発する。加熱装置１４は、反応器１３の外方、図１に示した例では反応器１３の底面よりも下方に設けられている。
熱分解炉１０の炉内空間１０ａに、炉内でガスを流動させるための送風手段としてのファン１５が設けられている。図示したファン１５は、翼部１５ａと、この翼部１５ａを取り付けた回転軸１５ｂと、この回転軸１５ｂを駆動するモータ１５ｃとを備え、回転軸１５ｂが熱分解炉１０の側面を貫通して回動可能になり、翼部１５ａを回転させる。翼部１５ａは、熱分解炉１０の炉内の側壁近傍に、モータ１５ｃが熱分解炉１０の炉外に設けられている。
図示したファン１５は、モータ１５ｃにより翼部１５ａを回転させることにより、熱分解炉１０の炉内で炉内ガスの流動を生じさせる。ガスは、例えば、図中に矢印で示すように熱分解炉１０の炉内で側壁に沿い、炉底と反応器１３の底部との間に設けられた加熱装置１４の近傍を通過し、反応器１３の側壁に設けられた導入口１３ａから反応器１３内に入り、反応器１３内を通過して反応器１３の側壁に設けられた排出口１３ｂより反応器１３外に出てファン１５の翼部１５ａに戻るように、炉内を循環する。炉内ガスは、これの流れにより加熱装置１４により加熱され、加熱された炉内ガスにより反応器１３内の原料が熱分解される。
熱分解炉１０の上部には排気孔１０ｂが形成され、熱分解炉１０内で原料の熱分解により生じた熱分解ガス及び必要に応じて熱分解時に供給された不活性ガスが排気孔１０ｂから排出される。
また、排出孔１０ｂに、凝縮器２０と接続している排気管１６が接続され、熱分解炉１０から排出されたガスが凝縮器２０に導かれる。
また、排出孔１０ｂに、凝縮器２０と接続している排気管１６が接続され、熱分解炉１０から排出されたガスが凝縮器２０に導かれる。
凝縮器２０は、熱分解炉１０からのガスの入口２０ａ及びガス出口２０ｂを有すると共に、冷却水の入口２０ｃ及び出口２０ｄを有し、排気管１６を通して凝縮器２０に導入されたガスを冷却水により冷却する。これによりガス中から蒸気圧の低い油分を液化し、凝縮器２０の底部に溜めて回収する。凝縮器２０のガス出口２０ｂは、ガス管２１により集塵機２２と接続される。油分が回収された後のガスは、集塵機２２によりガス中のダストが分離された後、ガス処理装置としての例えば燃焼塔２３による燃焼処理がされる。したがって、本実施形態では、油分が回収された後のガスを熱分解炉１０に還流させることはしない。
本実施形態の炭化材料の製造装置は、反応器１３が、ガスを導入する導入口１３ａとガを排出する排出口１３ｂとを有し、前記熱分解炉１０内において前記反応器１３の導入口１３ａと排出口１３ｂを通じて熱分解におけるガスが前記熱分解炉１０の内部で循環する。そのため、加熱された炉内ガスの流量を増大させることができることから、熱の移動量を容易に増大させることができ、よって加熱開始直後からの更なる炉内材料の均熱化や熱分解処理一回当たりの処理量の増大等が可能となる。したがって、少ないエネルギーで炭化材料を迅速に製造することができる。また、本実施形態の炭化材料の製造装置は、凝縮器２０を通過したガスを還流させて熱分解炉１０に供給するものではないから、加熱された炉内ガスの流量を増大させるために、凝縮器２０の冷却能力やガス加熱装置の加熱能力を増大させる必要がないことから、設備投資とランニングコストの低減が可能となる。更に、ファン１５の翼部１５ａを熱分解炉の内部空間１０ａに設けたことから、このファン１５を作動させることにより、熱分解炉１０内で炉内ガスが循環するような流動をさせることができる。
原料を、迅速かつ均一に加熱するためには、炉内ガスを、ファン１５により反応器１３内に収容された原料の中心部近傍を通過させるようにすることが、より好ましい。そのために、図示した本実施形態では、反応器１３が、該反応器１３の導入口１３ａ及び排出口１３ｂとして側面に複数の孔を有するもの、例えば側面をメッシュ状にしている。これにより該孔を通して高温の炉内ガスが反応器１３内を通過でき、収容された原料の中心部近傍を通過できる。
ファン１５により流動させた炉内ガスは、図示した本実施形態では、熱分解炉１０の炉内に設けた加熱装置１４によって原料の熱分解に必要な高温に加熱される。このために、加熱装置１４は、熱分解炉１０内のガスの流動が加熱装置１４の近傍を通過するような位置に配設されることが好ましい。言い換えれば、加熱装置１４は、炉内に形成されたガス流動通路上に位置させることが好ましい。図示した本実施形態では、加熱装置１４が、熱分解炉１０内かつ前記反応器１３の外側に設けられ、より具体的には、熱分解炉１０内の底面近傍でかつ、反応器１３の底面より下方に設けられている。図示した本実施形態では、反応器１３の外壁が、熱分解炉１０内において炉内ガスの流動通路を形成する仕切りになり、よって熱分解炉１０内の底面と反応器１３の底面との間の空間が、炉内ガスの流動通路となっているので、この位置に加熱装置１４が配設されることにより、炉内ガスを確実かつ効率よく加熱することができる。また、温度制御の応答性も良い。また、図示した加熱装置１４に限られず、加熱するための装置は、熱分解炉１０に隣接していれば炉外であっても構わない。
図２に示す、本発明の炭化材料の製造装置の別の実施形態では、熱分解炉１０と不活性ガス供給装置１１と接続するガス管１２流路の途中に、不活性ガス加熱装置１７が設けられている。それ以外の構成は図１に示した実施形態と同じであるので、図２では、相違点が理解できるように熱分解炉１０とその周辺装置のみを記載した。なお、図２では、図１と同一の部材、装置については同一の符号を付しているので、以下の説明では重複した記述を避けるために説明を省略する。不活性ガス加熱装置１７により所定の温度、例えば４００〜６００℃に加熱された不活性ガスを熱分解炉１０内に供給することにより、一回当たりの熱分解処理の初期から速やかに炉内温度を高めることができる。
次に、本発明の炭化材料の製造方法の実施形態を説明する。本実施形態では、熱分解炉１０内に高分子系有機化合物を含む原料を収容し、加熱装置１４により該原料を加熱しつつ熱分解炉内１０に不活性ガス供給装置１１から不活性ガスを供給して、高分子系有機化合物を含む原料を熱分解させるとともに、熱分解炉１０内で発生する熱分解ガスを凝縮器２０に導いて、凝縮器２により熱分解ガス中の油分を分離回収する工程を含む。また、熱分解炉１０内にファン１５が設けられて、このファン１５により熱分解炉１０内でガスを流動させる。
熱分解炉１０内で熱分解させる高分子系有機化合物を含む原料は、例えばタイヤを含む高分子系有機化合物の廃棄物、具体的には使用済みタイヤを適当な大きさに裁断したものがある。タイヤは、カーボンブラックを添加した天然又は合成のゴムに、必要に応じてスチール又は有機繊維のコードで補強した部材よりなり、加硫させたものである。使用済みタイヤを原料として本発明に従い、炭化材料を製造することは、使用済タイヤを有効利用できることになるので好ましい。使用済みタイヤ以外にも、タイヤの製造工場で発生したスピュー、バフ粉のゴム廃棄物を原料に用いることができる。
熱分解炉内１０内で高分子系有機化合物を含む原料を熱分解させるときの炉内ガスは、酸素濃度が１ｖｏｌ％以下であることが好ましい。炉内ガスの酸素濃度が１ｖｏｌ％以下であることにより良好な品質の炭化材料を得ることができる。
ファン１５により炉内ガスを流動させるときの流動の程度は、熱分解炉１０の規模、熱分解炉１０に収容される原料の分量などにもよるが、一例として、図１の反応器１３近傍の流速が０．５〜５ｍ／ｓ、より具体的には１ｍ／ｓ程度となるような流動とすることができる。
本実施形態の製造装置及び製造方法により得られる炭化材料は、熱分解炉１０内で高分子系有機化合物を含む原料を熱分解した後の残渣物である。高分子系有機化合物を含む原料がタイヤ廃棄物である場合は、炭化材料中にスチールコードやスチールワイヤが混在している場合がある。この場合は、炭化材料に磁力選別を行って、炭化材料からスチールコードやスチールワイヤを分離することが好ましい。磁力選別後の炭化材料は、所望の粒径まで粉砕され、分級され、所定の粒径を有す炭素原料として、例えばタイヤ用のカーボンブラックと混合して、使用することができる。
図１に示した実施形態の炭化材料の製造装置を用いて、炭化材料の製造を行った。図３に、熱分解炉１０内にタイヤ廃棄物を収容した反応器１３内における熱分解時の温度の経時変化をグラフで示す。図３の温度は、加熱時の最高温度を１００、常温を０とする指数で示した。図３から分かるように、本実施形態の炭化材料の製造装置は、設定温度に到達するまでの時間が一時間強であって、これは、従来の装置、具体的には、凝縮器を経たガスを還流させて加熱し、熱分解炉に所定流量で供給する装置に比べて早かった。
また、本実施形態の炭化材料の製造装置は、従来の装置である、凝縮器を経たガスを還流させて加熱し、熱分解炉に所定流量で供給する装置に比べて、加える熱量は２７％程度も小さい。その理由は、従来の装置では、設備の増大に伴って凝縮器及びガス再加熱装置が大きくなっているため、その凝縮器及びガス再加熱装置を使用することにより必要な熱量が大きくなっているものと考えられる。
また、本実施形態の炭化材料の製造装置は、従来の装置である、凝縮器を経たガスを還流させて加熱し、熱分解炉に所定流量で供給する装置に比べて、加える熱量は２７％程度も小さい。その理由は、従来の装置では、設備の増大に伴って凝縮器及びガス再加熱装置が大きくなっているため、その凝縮器及びガス再加熱装置を使用することにより必要な熱量が大きくなっているものと考えられる。
１：炭化材料の製造装置
１０：熱分解炉
１１：不活性ガス供給装置（不活性ガス供給源）
１３：反応器
１４：加熱装置（加熱手段）
１５：ファン（送風手段）
２０：凝縮器
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Claims (6)
- タイヤを含む高分子系有機化合物の廃棄物を収容可能な内部空間を有する熱分解炉内に設けられた反応器の中で前記廃棄物を熱分解処理して、前記廃棄物が炭化した炭化材料を製造する装置であって、
前記反応器が、ガスを導入する導入口とガスを排出する排出口とを有し前記熱分解炉に出し入れ可能であり、前記反応器の底面よりも下方の熱分解炉内に加熱装置が設けられ、前記熱分解炉内において前記反応器の導入口と排出口とを通じて熱分解におけるガスが前記熱分解炉の内部で循環し、前記ガスの流動通路上に位置させた前記加熱装置で加熱されることを特徴とする炭化材料の製造装置。 - 前記熱分解炉に接続する不活性ガス供給源と、
該熱分解炉と接続し、熱分解炉から排出された熱分解ガス中の油分を分離し回収する油分回収装置と、
該熱分解炉内に設けられ同熱分解炉内のガスを流動させる送風手段とを備えた請求項１記載の炭化材料の製造装置。 - 前記送風手段が、ファンである請求項２記載の炭化材料の製造装置。
- 前記反応器の側面にガスが通過可能な複数の孔が配設されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化材料の製造装置。
- 前記熱分解炉と、該熱分解炉に接続する不活性ガス供給源とに接続するガス流路の途中に、不活性ガス加熱装置を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化材料の製造装置。
- タイヤを含む高分子系有機化合物の廃棄物を収容可能な内部空間を有する熱分解炉内に設けられた反応器の中で前記廃棄物を熱分解処理して、前記廃棄物が炭化した炭化材料を製造する方法であって、
前記熱分解炉内において、ガスを導入する導入口とガスを排出する排出口とを有し前記熱分解炉に出し入れ可能である前記反応器の該導入口と該排出口とを通じて熱分解におけるガスを、前記反応器の底面よりも下方の熱分解炉内に設けられ前記ガスの流動通路上に位置させた加熱装置で加熱し前記熱分解炉の内部で循環させることを特徴とする炭化材料の製造方法。
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