JP6333478B2 - 炉装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１６年２月２４日に米国特許商標庁に提出された米国出願第１５／０５２，２２７号「炉装置」に優先権を主張する。上記の参照された特許出願の明細書は、その全文を引用により本願に組み込む。

本発明は、炉装置に関する。

固形廃棄物の廃棄は、生ゴミ処理のための埋立て問題を解決する必要がある多くの国々、特に米国で大きな問題となっている。従来、固形廃棄物の大半は焼却されて、土壌下に廃棄されていた。しかし、最終的には、雨量などの気候変化や地下水面の水位の変化などにより、こうした慣例が避けられるようになった。その結果、固形廃棄物を処理するため、よりコンパクトで戦略的な方法が必要とされた。したがって、世界中の安全および汚染基準を遵守した処理可能な形状での固形廃棄物の燃焼および処理に特化した焼却炉が発明された。

焼却工程は、ゴミ処理のための投棄の主な代替策であり、世界中で実行されており、固形廃棄物の量を大幅に低減し、たとえば電気または蒸気としてエネルギーを獲得する。焼却工程の重大な欠点の１つは、ポリ塩化ジベンゾダイオキシンまたは「ダイオキシン」およびポリ塩化ジベンゾフランを含む多数の安定した毒性化合物が形成され、燃焼を通じて形成される飛散灰と煙突内の排出物との両方において百万分の一（ｐｐｍ）の濃度で存在することである。さらに、従来の焼却は二次チャンバを必要とするため、機械のサイズを増大させるとともに、機械の効率を低下させる。また、焼却は、温度に達するためのエネルギー源を必要とするため、エネルギーを消費する。

大都市では何百万トンものゴミが焼却されており、焼却される何百万もの廃棄物毎に大量の飛散灰が生成され、生成された飛散灰は静電的に沈殿し、埋立地に投棄される。残りの飛散灰は、水蒸気、二酸化炭素、空気、その他の有機化合物などの気体副産物と共に、焼却炉の煙突から排出される。煙突からのガス排出物は、大気中にダイオキシンを散布し、飛散灰の埋立処理は土壌内へダイオキシンを散布し、そこからダイオキシンが土壌下の水路へ漏れ出す。人間にとってのダイオキシンの最大の脅威はガンであるが、ダイオキシンはより大きな影響を環境に及ぼし、好ましくないと考えられる。

したがって、焼却システム内のダイオキシン含有量を低下させると同時に、水分に応じてごく短時間でゴミの量を低減することによって埋立問題を解決する自己持続可能な炉装置が必要とされる。

本明細書に開示する炉装置は、固形廃棄物を焼却するように構成され、略正方形断面のチャンバ、固形廃棄物供給入口、複数の吸気管、および複数の排気管を備える。チャンバは、上側熱分解部と下側燃焼部とを備え、固形廃棄物供給入口が、チャンバの上部に配置され、固形廃棄物を下側燃焼部に供給するように構成される。吸気管は、チャンバの下部に固定して接続され、下側燃焼部内の固形廃棄物の燃焼用に空気を受け入れる。排気管は、チャンバの下部に固定して接続され、吸気管に対向して配置され、下側燃焼部から燃焼空気を排出し、複数の磁石が吸気管および排気管に動作可能に装着される。受け入れた空気内に存在する常磁性酸素は、磁石を介して濃縮され、濃縮された酸素は、下側燃焼部内に生成されるプラズマに導入されて、燃焼工程を加速させ、固形廃棄物に存在する毒性物質を酸化させる。

一実施形態では、固形廃棄物供給入口が略直方体形状の供給シュートとして画定され、供給シュートを開放して固形廃棄物を受け入れるように構成される上側被覆板と、下側燃焼部内での燃焼工程中、閉鎖位置で上側被覆板を厳密に閉鎖するように構成されるトグルクランプと、を備える。一実施形態では、炉装置は、固形廃棄物供給入口の下方に配置される上側エアロックをさらに備え、上側エアロックは、排気が下側燃焼部内から固形廃棄物供給入口へ流れるのを防止するように構成される。一実施形態では、炉装置は、下側燃焼部に隣接して配置される点火チャンバをさらに備え、点火誘発材が点火チャンバに装填され、着火させて、固形廃棄物の燃焼のために下側燃焼部に導入される。一実施形態では、炉装置は、下側燃焼部の下方に配置される滴受けチャンバをさらに備え、滴受けチャンバは、下側燃焼部から滴り落ちる燃焼廃棄物を回収するように構成される。

一実施形態では、炉装置は、下側燃焼部の下部に配置される下側攪拌装置をさらに備え、下側攪拌装置は、燃焼工程中に固形廃棄物を攪拌するように構成される。一実施形態では、炉装置は、下側燃焼部の下方に配置される下側エアロックをさらに備え、下側エアロックは、下側燃焼部の下部を通る燃焼空気の放出を防止するように構成される。一実施形態では、炉装置は、上側熱分解部および前記下側燃焼部内に配置されるコイル部をさらに備え、コイル部は、伝導によって熱を伝え、固形廃棄物の燃焼を助け、チャンバの壁の過熱を防止するように構成される。一実施形態では、炉装置は、チャンバに隣接して配置される通路をさらに備え、通路は、ユーザがチャンバの上方に登り、固形廃棄物供給入口の上側被覆板を開放して、前記固形廃棄物を供給できるように構成される。

一実施形態では、炉装置は、煙突と、送風機と、スクラバーと、を備える燃焼空気排出アセンブリをさらに備える。煙突は、排気管から上方に延在し、下側燃焼部と流体連通する。送風機は、煙突内の所定位置に配置され、下側燃焼部から燃焼ガスを吸引し排出する誘因通風を提供するように構成され、スクラバーは、送風機の上方に所定距離をおいて配置され、粒子状物質と排出される燃焼空気とを分離するように構成される。

図１Ａは、炉装置の例示的な前面透視図である。

図１Ｂは、図１ＡでＡと表記される部分の例示的な拡大図であり、磁石が吸気管の表面に配置された透視図でもある。

図１Ｃは、図１ＡでＡと表記される部分の例示的な拡大図であり、磁石が排気管および吸気管の一方の表面に配置された透視図でもある。

図１Ｄは、図１ＡでＡと表記される部分の例示的な拡大図であり、６個の磁石が排気管および吸気管の一方の表面に配置された実施形態の透視図でもある。

図２は、炉装置の固形廃棄物供給入口の例示的な側面透視図である。

図３は、炉装置の上側エアロックの例示的な側面透視図である。

図４は、炉装置の下側エアロックの例示的な側面透視図である。

図５は、炉装置のチャンバの例示的な側面透視図である。

図６は、炉装置の燃焼空気排出アセンブリの例示的な側面透視図である。

図１Ａは、炉装置１００の例示的な前面透視図である。図１Ｂは、図１ＡでＡと表記される部分の例示的な拡大図であり、磁石１１５が吸気管１０５の表面に配置された透視図でもある。図１Ｃは、図１ＡでＡと表記される部分の例示的な拡大図であり、磁石１１５が排気管１０６および吸気管１０５の一方の表面に配置された透視図でもある。図１Ｄは、図１ＡでＡと表記される部分の例示的な拡大図であり、６個の磁石１１５が排気管１０６および吸気管１０５の一方の表面に配置された実施形態の透視図でもある。「磁石」という用語は、以下、「ネオジウム鉄ボロンブロック」と称する。本明細書に開示する炉装置１００は、固形廃棄物を焼却するように構成され、チャンバ１０１、固形廃棄物供給入口１０４、複数の吸気管１０５、および複数の排気管１０６を備える。

チャンバ１０１は、略正方形の断面を有し、上側熱分解部１０２と下側燃焼部１０３とを備え、固形廃棄物供給入口１０４は、チャンバ１０１の上部１０１ａに配置されて、固形廃棄物を下側燃焼部１０３に供給するように構成される。吸気管１０５は、チャンバ１０１の下部１０１ｂに固定して接続され、下側燃焼部１０３内の固形廃棄物の燃焼用に空気を受け入れる。図１Ｂに示すように、空気は、吸気管１０５の遠位に配置される吸気バルブ１０５ａを介して、制御下で受け入れられる。排気管１０６は、チャンバ１０１の下部１０１ｂに固定して接続され、吸気管１０５に対向して配置され、下側燃焼部１０３から燃焼空気を排出し、複数のネオジウム鉄ボロンブロック１１５が吸気管１０５および排気管１０６に動作可能に装着される。一実施形態では、排気管１０６および吸気管１０５には、図１Ｃに示すように、対向側に少なくとも一対のネオジウム鉄ボロンブロック１１５が装着される、あるいは、図１Ｄに示すように、対向側に６個のネオジウム鉄ボロンブロック１１５が装着される。受け入れた空気内に存在する常磁性酸素は、ネオジウム鉄ボロンブロック１１５を介して濃縮され、濃縮された酸素は、下側燃焼部１０３内に生成されるプラズマに導入されて、燃焼工程を加速させ、固形廃棄物に存在する毒性物質を酸化させる。

一実施形態では、炉装置１００は、下側燃焼チャンバ１０３に隣接して配置される点火チャンバ１０７をさらに備え、点火誘発材が点火チャンバ１０７に装填され、着火させて、固形廃棄物の燃焼のために下側燃焼チャンバ１０３に導入される。点火誘発材は、たとえば、クスノキ材および乾燥材である。一実施形態では、炉装置１００は、下側燃焼チャンバ１０３の下方に配置される滴受けチャンバ１０８をさらに備え、滴受けチャンバ１０８は、下側燃焼チャンバ１０３から滴り落ちる燃焼廃棄物を回収するように構成される。

一実施形態では、炉装置１００は、下側燃焼チャンバ１０３の下部１０１ｂに配置される下側攪拌装置１０９をさらに備え、下側攪拌装置１０９は、燃焼工程中に固形廃棄物を攪拌するように構成される。一実施形態では、炉装置１００は、上側熱分解部１０２と下側燃焼部１０３内に配置されるコイル部１１０をさらに備え、コイル部１１０は伝導によって熱を伝え、固形廃棄物の燃焼を助け、チャンバ１０１の壁の過熱を防止するように構成される。一実施形態では、炉装置１００は、チャンバ１０１に隣接して配置される通路１１１をさらに備え、通路１１１は、ユーザがチャンバ１０１の上方に登り、図２に示すように、固形廃棄物供給入口１０４の上側被覆板１１７を開放して、固形廃棄物を供給できるように構成される。上側エアロック１１２と、下側エアロック１１３と、燃焼空気排出アセンブリ１１４と、を備える炉装置１００のその他のコンポーネントは、図２〜図８に開示する。

本文書で使用するとき、「プラズマ」という用語は、イオン化ガスを指し、ガス内ではいくつかの電子が原子および分子から取り除かれ、約３００〜４００℃の高温で永久ネオジウム鉄ボロンブロック１１５によって生成される。少量の酸素がプラズマに吸収されると、反応性が高く負に帯電した酸素イオン（すなわち、電子を失った原子および分子は正に帯電した陽イオンであり、取り除かれた電子は負に帯電した陰イオンである）が生成される。この陰イオンを伴う酸素は、高い酸化性を有しているため、酸化によってダイオキシンおよびその他の有害化合物を分解する。

さらに、図１Ｃは、図１ＡでＡと表記される部分の拡大図であり、ネオジウム鉄ボロンブロック１１５が排気管１０６および吸気管１０５の表面に配置された透視図でもある。排気管１０６または吸気管１０５は、図１Ｃに示すように所定部分で開放されて、ネオジウム鉄ボロンブロック１１５が開放部１１６に配置され、チャンバ１０１の下部１０１ｂに接続されて下側燃焼チャンバ１０３と連通する。ネオジウム鉄ボロンブロック１１５は、吸気管１０５を介して下側燃焼チャンバ１０３内に収容される空気中のガスの常磁性および反磁性のために使用され、常磁性を有する酸素が引きつけられて、燃焼のために収容された空気中で濃縮されて燃焼速度を速める一方、反磁性窒素ガスが磁気作用により排斥される。

図２は、炉装置１００の固形廃棄物供給入口１０４の例示的な側面透視図である。一実施形態では、固形廃棄物供給入口１０４は、略直方体形状の供給シュートとして画定され、供給シュートを開放して固形廃棄物を受け入れるように構成される上側被覆板１１７と、下側燃焼チャンバ１０３内での燃焼行程中、閉位置で上側被覆板１１７を厳密に閉じるように構成されるトグルクランプ１１８と、を備える。さらに、炉装置１００は、上側被覆板１１７を厳密に適所に調節するように構成されたゴム台１２０を有するストッパ板１１９を備える。

図３は、炉装置１００の上側エアロック１１２の例示的な側面透視図である。一実施形態では、炉装置１００は、固形廃棄物供給入口１０４の下方に配置される上側エアロック１１２をさらに備え、上側エアロック１１２は、排気が下側燃焼チャンバ１０３内から固形廃棄物供給入口１０４へ流れるのを防止するように構成される。上側エアロック１１２は、上側エアロック１１２への動力を受け入れるエアロックシャフト１２１と、上側エアロック１１２の前側を覆う被覆板１２２と、エアロックシャフト１２１の荷重を受ける支持部材１２３と、上側エアロック１１２を手動で作動する円形板１２４と、を備える。

図４は、炉装置１００の下側エアロック１１３の例示的な側面透視図である。一実施形態では、炉装置１００は、下側燃焼チャンバ１０３の下方に配置される下側エアロック１１３をさらに備え、下側エアロック１１３は、下側燃焼チャンバ１０３の下部分を通じて燃焼空気の放出を防ぐように構成される。下側エアロック１１３は、被覆板１２５、下側エアロックシャフト１２６、下側エアロックシャフト１２６の荷重を受ける支持部材１２７、および攪拌装置ストリップ１２８をさらに備える。

図５は、炉装置１００のチャンバ１０１の例示的な側面透視図である。チャンバ１０１は、炉装置１００のサブコンポーネントを収容するために使用される。チャンバ１０１は、外側鋼板１２９、吸気管１０５を配置する入口部１３０、チャンバ１０１の上方に配置され、煙を排出する移行コーン１３１、チャンバ１０１の熱分解部１０２に近接する口板１３２を備える。

図６は、炉装置１００の燃焼空気排出アセンブリ１１４の例示的な側面透視図である、一実施形態では、炉装置１００は、煙突１３３と、送風機１３４と、スクラバー１３５と、を備える燃焼空気排出アセンブリ１１４をさらに備える。煙突１１４は、排気管１０６から上方に延在し、下側燃焼チャンバ１０３と流体連通する。送風機１３４は、煙突１３３内の所定位置に配置され、下側燃焼チャンバ１０３から燃焼ガスを吸引し排出する誘因通風を提供するように構成され、スクラバー１３５は、送風機１３４の上方に所定距離をおいて配置され、粒子状物質と排出される燃焼空気とを分離するように構成される。磁石１１５が制御された酸素流を誘導して、ダイオキシンの形成を防ぐため、有毒排気ガスは生じないが、さらに、スクラバー１３５により、炉装置１００から有害な排気ガスを約１００％排除することができる。

一例では、炉装置１００の動作原理は、「酸素不足」状態でのプラズマおよびイオン化技術による、閉チャンバでの廃棄物の排除に依存する。固形廃棄物の分解温度は、約３５０〜４５０℃であり、固形廃棄物の投入量に左右される。炉装置１００は、分解用の有機物質のために電気、他の動力、または燃料を必要としない。工程廃棄物は、一定間隔で炉装置１００の下側燃焼部１０３に供給しなければならない。第１段はクスノキまたは乾燥材を用いた着火を要し、その後の排除は分子を原子に分割することによって緩やかに開始される。これらの原子は、電子、陽子、中性子としてさらにイオン化され、この状態は「プラズマ状態」と称され、分離された電子は強いエネルギーで「加速電子」に変化する。一方、少量の大気が磁性的吸気管１０５を介して強い磁界を通過し、酸素不足の下側燃焼部１０３内へ導入される。

動作中、酸素分子は、陰電荷で酸素元素に分割される。この酸素原子は、有機面を完全に酸化させ、有機物質を変化させて有機酸化物を分離する。したがって、放熱現象による反応が誘導されて、最初の分解によって達成することができる反応を加速するには約２００℃の熱条件が必要である。最初の燃焼による２００℃から、プラズマによる炉装置１００での３５０〜６５０℃までの間、イオン化および熱振動が発生する。廃棄物の分解は床上で行われるため、発生する熱エネルギーは連続的にはなり得ない。下側燃焼部１０３または分解チャンバの下側において、管状放熱器は、堆積した灰の下側層近傍に埋め込まれ、灰が分離される。廃棄物の熱は、燃焼チャンバ１０１の炉床中心部の堆積灰の上側層近傍に配置される管状ヒートシンクと炉床周囲を通って回収され、構造全体が良好な伝熱性を有する。温度に達するためにエネルギー源を必要とする従来の焼却炉と対照的に、本明細書に開示する炉装置１００は、いかなるエネルギー源も必要としない。

廃棄物の熱は回収されて、湿った廃棄物に提供されて、水分が著しく減少する。下側燃焼部１０３からの燃料ガス排出物は、自然通風で放出される。廃棄物は、ダイオキシンやフラン、重金属、酸化窒素などの有毒成分を含有する場合がある。有毒成分は、外側の乾式スクラバー１３５および水分捕獲装置を用いて分解される。乾式スクラバー１３５は、水分捕獲装置を通じて接続され、そこで煙中の水分が凝縮され、残りが臭気を確認する活性炭粒子を含んだウォッシャブルのメッシュ型プレフィルタと称される３段のフィルタを通過する。補強プリーツ式媒体を備えた第２段は、可変気流速度下でコンパクトな一体化構造を保つのに役立つ。フィルタの第３段は、微細フィルタと称され、これらの「ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｉｇｉｄ ｃｅｌｌ（拡張面剛体セル）」フィルタは、様々な用途で複数の汚染物質を効率よく除去する。フィルタは、６０％活性度の粒状活性炭を含有するカーボンウェブフィルタ媒体を使用して、臭気とダイオキシンやフランなどの危険な汚染物質およびその他の汚染物質を含むガスとを除去し、５％過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ_４）を含浸させた活性アルミナを使用して臭気と灯用ガスを除去する。こうすることによって、この煙はフィルタによって観察され、さらに、小型ファンが煙を取り除き、そこでは煙が見えなくなり、ダイオキシンとフランの再形成が防止されて、清浄なガスが大気中に分散される。不燃性廃棄物と灰は別々に回収され、安全な埋立地への処理のため、明確に画定された領域に保管される。生成される灰の量は約１／３００の割合になるはずである。

上記の例は単に説明のために提供したものであり、本明細書に開示する概念を限定すると解釈すべきではない。各種実施形態を参照して概念を説明したが、本明細書で使用する文言は限定ではなく説明および例示のための文言であると理解される。さらに、特定の手段、材料、実施形態を参照して本明細書で概念を説明したが、その概念は本明細書に開示する細部に限定されることを目的とせず、機能上等価なすべての構造、方法、用途にも拡張され、添付の請求項の範囲に含まれる。当業者は本明細書の教示の恩恵を得て、多数の変更に影響を及ぼすことができ、概念の範囲と精神から逸脱せずにその側面において変更を行うことができる。

Claims (10)

1. 固形廃棄物を焼却するように構成される炉装置であって、
   上側熱分解部と下側燃焼部とを備えるチャンバと、
   前記チャンバの上部に配置され、固形廃棄物を前記下側燃焼部に供給するように構成される固形廃棄物供給入口と、
   前記チャンバの下部に固定して接続され、前記下側燃焼部内の前記固形廃棄物の燃焼用に空気を受け入れる複数の吸気管と、
   前記チャンバの下部に固定して接続され、前記吸気管に対向して配置され、前記下側燃焼部から燃焼空気を排出する複数の排気管と、を備え、
   複数の磁石が前記吸気管および前記排気管に動作可能に装着され、前記受け入れた空気内に存在する常磁性酸素が前記磁石を介して濃縮され、前記濃縮された酸素が前記下側燃焼部内に生成されるプラズマに導入されて、前記燃焼工程を加速させ、前記固形廃棄物に存在する毒性物質を酸化させる、炉装置。
2. 前記固形廃棄物供給入口は、略直方体形状の供給シュートとして画定され、前記供給シュートを開放して前記固形廃棄物を受け入れるように構成される上側被覆板と、前記下側燃焼部内での前記燃焼工程中、閉位置で前記上側被覆板を厳密に閉じるように構成されるトグルクランプと、を備える、請求項１に記載の炉装置。
3. 前記固形廃棄物供給入口の下方に配置される上側エアロックをさらに備え、前記上側エアロックが、排気が前記下側燃焼部内から前記固形廃棄物供給入口へ流れるのを防止するように構成される、請求項１に記載の炉装置。
4. 前記下側燃焼部に隣接して配置される点火チャンバをさらに備え、点火誘発材が前記点火チャンバに装填され、着火させて、前記固形廃棄物の燃焼のために前記下側燃焼部に導入される、請求項１に記載の炉装置。
5. 前記下側燃焼部の下方に配置される滴受けチャンバをさらに備え、前記滴受けチャンバが、前記下側燃焼部から滴り落ちる燃焼廃棄物を回収するように構成される、請求項１に記載の炉装置。
6. 前記下側燃焼部の下部に配置される下側攪拌装置をさらに備え、前記下側攪拌装置が、前記燃焼工程中に前記固形廃棄物を攪拌するように構成される、請求項１に記載の炉装置。
7. 前記下側燃焼部の下方に配置される下側エアロックをさらに備え、前記下側エアロックが、前記下側燃焼部の下部を通る燃焼空気の放出を防止するように構成される、請求項１に記載の炉装置。
8. 前記上側熱分解部および前記下側燃焼部内に配置されるコイル部をさらに備え、前記コイル部が、伝導によって熱を伝え、前記固形廃棄物の燃焼を助け、前記チャンバの壁の過熱を防止するように構成される、請求項１に記載の炉装置。
9. 前記チャンバに隣接して配置される通路をさらに備え、前記通路が、ユーザがチャンバの上方に登り、前記固形廃棄物供給入口の前記上側被覆板を開放して、前記固形廃棄物を供給できるように構成される、請求項１に記載の炉装置。
10. 燃焼空気排出アセンブリをさらに備え、
    前記燃焼空気排出アセンブリが、
    前記排気管から上方に延在し、前記下側燃焼部と流体連通する煙突と、
    前記煙突内の所定位置に配置され、前記下側燃焼部から燃焼ガスを吸引し排出する誘因通風を提供するように構成される送風機と、
    前記送風機の上方に所定距離をおいて配置され、粒子状物質と前記排出される燃焼空気とを分離するように構成されるスクラバーと、を備える、請求項１に記載の炉装置。