JP6728517B2 - 焼却残渣の製造装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、植物性バイオマスを原料とする焼却残渣の製造装置およびその製造方法に関する。

籾殻、稲わら、竹、間伐材等の植物性バイオマスは、毎年大量に発生するため、従来からその有効な活用法が種々検討されてきた。近年は、バイオマス発電所向けに燃料として大量に使用する動きが活発化している。籾殻等の植物性バイオマスは、二酸化ケイ素を比較的多く含有することから、その二酸化ケイ素を利用する新たな活用法も検討されている。

例えば、特許文献１には、籾殻を焼成炉で燃焼させて、多孔質の活性ケイ酸質灰を得て、ケイ酸質肥料を製造する方法が開示されている。

特許第４８９４０５７号公報

籾殻等の植物性バイオマスを高温で長時間燃焼させると、有機系可燃物はほぼすべて焼却されて、残渣が残る。本発明者らは、この焼却残渣の有効利用方法に着目した。

従来から、加熱装置の発熱源としては、ニクロム線等を用いた電気ヒーター、赤外線ランプ、可燃性ガスや可燃性オイルを用いたバーナー等が用いられてきた。上記以外の発熱源を用いた加熱装置として、電子レンジ等のマイクロ波を利用した加熱装置が知られている。

本発明者らは、植物性バイオマスの焼却残渣にマイクロ波を照射したところ、驚くべきことに、急速に数百℃にまで発熱することを見出した。さらに、当該発熱現象はマイクロ波の照射を何度も繰り返す度に繰り返し起こることを見出した。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、植物性バイオマスの焼却残渣であって、マイクロ波を照射することによって発熱する焼却残渣を、効率的に連続生産することが可能な製造装置および製造方法を提供することを課題としている。

本発明者らは、他に化石燃料を使用しなくとも、植物性バイオマスを空気中で持続的に自己燃焼させることが可能であること、自己燃焼のみで１０００℃以上に加熱されること、植物性バイオマスを空気で搬送させつつ自己燃焼させることによって焼却残渣を連続的に製造できること、マイクロ波を照射することによって発熱する焼却残渣とするためには特定の燃焼温度とすることが必要であることを見出した。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明は以下のような構成を有している。

（１）植物性バイオマスを空気中で自己燃焼させて、焼却残渣を連続的に製造する焼却残渣の製造装置であって、前記焼却残渣は、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素を含有し、マイクロ波を照射することによって発熱するものであって、前記植物性バイオマスを貯蔵する貯蔵タンクと、前記植物性バイオマスを空気によって搬送するための搬送用配管と、前記搬送用配管内に空気を送り込むためのブロアと、前記植物性バイオマスを自己燃焼させるための燃焼炉と、前記焼却残渣を集積するための集積タンクと、燃焼後の排ガス中に存在する前記焼却残渣を集積するための集塵機と、燃焼後の排ガスを排出するための排出装置とを備えることを特徴とする焼却残渣の製造装置。

（２）前記燃焼炉内の温度を１０００〜２０００℃とすることが可能であることを特徴とする前記（１）に記載の焼却残渣の製造装置。

（３）燃焼炉内に植物性バイオマスと空気を連続して供給して、前記植物性バイオマスを空気中で自己燃焼させて、焼却残渣を連続的に製造する焼却残渣の製造方法であって、前記焼却残渣が、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素を含有し、マイクロ波を照射することによって発熱するものであって、前記植物性バイオマスを燃焼させるときの温度が１０００〜２０００℃であることを特徴とする焼却残渣の製造方法。

（４）燃焼時の前記植物性バイオマスと空気との混合比率が、体積比で１：１．５×１０^５〜１：５．５×１０^５であることを特徴とする前記（３）に記載の焼却残渣の製造方法。

本発明の焼却残渣の製造装置および製造方法は、植物性バイオマスの焼却残渣であって、マイクロ波を照射することによって発熱する焼却残渣を、効率的に連続生産することができる。

本実施形態の焼却残渣の製造装置の模式的断面図である。

以下、本発明を具体的に説明する。以下に示す実施形態は一例であり、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。

本実施形態の焼却残渣は、植物性バイオマスを空気中で自己燃焼させて得られるものであり、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素を含有し、マイクロ波を照射することによって発熱するものである。以下、本実施形態の詳細について説明する。

（植物性バイオマス）
本実施形態の植物性バイオマスは、ケイ素を含有するものである。具体的には、籾殻、稲わら、麦わら、木材、樹皮、竹、バガス、ヤシ殻等が挙げられる。これらの中でも、取扱いや入手のし易さ等の観点から籾殻が好ましい。以下では、代表的な植物性バイオマスである籾殻を例にとって説明を進める。

籾殻は、その約７０〜９０質量％がセルロースを主体とする有機成分であり、残りの約１０〜３０質量％は無機成分である。その無機成分は主として二酸化ケイ素（シリカ）であり、微量のミネラル成分を含有している。

（焼却残渣の製造装置）
図１は、本実施形態の焼却残渣の製造装置の模式的断面図である。焼却残渣の製造装置は、植物性バイオマスを貯蔵する貯蔵タンク１と、植物性バイオマスを空気によって搬送するための搬送用配管４と、搬送用配管内に空気を送り込むためのブロア３と、植物性バイオマスを自己燃焼させるための燃焼炉６と、焼却残渣を集積するための集積タンク１６と、燃焼後の排ガス中に存在する焼却残渣を集積するための集塵機１９と、燃焼後の排ガスを排出するための排出装置とを備えている。

原料となる植物性バイオマスは、貯蔵タンク１に投入される。貯蔵タンク１としては通常いわゆるホッパーが使用される。貯蔵タンク１の下部には、排出用配管と開閉弁２を備えている。貯蔵タンク１は、貯蔵タンク１の下部から必要量の植物性バイオマスを連続して、搬送用配管４内へ供給することができる。

搬送用配管４には、搬送用配管４内に空気を送り込むためのブロア３が設置されている。ブロア３によって供給される空気は、植物性バイオマスを空気流によって搬送用配管４内を搬送する役割を担っている。また、ブロア３によって供給される空気は、植物性バイオマスを燃焼させるための酸素を供給する役割も担っている。

燃焼時の植物性バイオマスと空気との混合比率は、貯蔵タンク１から投入される植物性バイオマスの量と、ブロア３によって供給される空気の量によって決定される。

内部で発生する熱の保温と安全面から、燃焼炉６の器壁７の内側は耐熱性セラミックスタイル（不図示）で被覆されている。耐熱性セラミックスタイルの保温性能によって内部を１０００℃以上の高温に保持することが可能となるため、耐熱性セラミックスタイルの種類、形状、使用量には十分留意することが好ましい。燃焼炉６は、炉内の温度を１０００〜２０００℃とすることが可能である。

燃焼炉６は、鋼鉄製の箱型であり、内部は入口（図の左側）から出口（図の右側）に向けて斜めに下っていく傾斜断面を有している。また、燃焼炉６は、複数の仕切り板８によって複数の部屋に仕切られている。本実施形態では部屋の数は４であるが、部屋の数は３〜５が好ましい。燃焼炉６の底部には、複数の部屋毎に階段状に下っていくように、台形の断面を有した複数の床板９が設置されている。

植物性バイオマスと空気は、搬送用配管４を通って、投入口５から燃焼炉６内に投入される。植物性バイオマスと空気は、まず主燃焼室１０に投入される。複数の仕切り板８によって仕切られた複数の部屋のうち、主燃焼室１０が最も容積が大きく、天井も高くなっている。

まず、主燃焼室１０で植物性バイオマスの燃焼反応が開始される。その後燃焼物は、燃焼を継続しつつ、燃焼炉６の底部の階段状の床板９の傾きによって、自重で次の第１副燃焼室１１へ移動する。同様にして、燃焼物は、燃焼を継続しつつ、自重で次の第２副燃焼室１２、第３副燃焼室１３へと移動していく。

第３燃焼室１３において、ほぼ燃焼の終了した焼却残渣は、自重で排出口１４から燃焼炉６の外部へ排出される。排出口１４の下には排出扉１５が設置されており、排出扉１５が開くと、焼却残渣はその下の集積タンク１６内に集積される。

燃焼炉６の第３副燃焼室１３の天井部には、排ガスを排出する排出口１７が設置されている。燃焼後の排ガスは、排出口１７から排出され、排ガス配管１８を通って、集塵機１９内に入る。焼却残渣の一部は排ガスとともに飛散して排出される。そのため、集塵機１９は、排ガス中に存在する焼却残渣を集積する。集積された焼却残渣は、第２集積タンク２０内に集積される。集塵機１９としては、サイクロン等の公知の集塵機を適宜選択して用いることができる。

集塵機１９を通った後の排ガスは、排ガスを排出するための排出装置である排気ダクト２１から屋外へ排出される。必要に応じて、さらに排ガスのフィルターや洗浄装置等を設置してもよい。

（焼却残渣の製造方法）
本実施形態の焼却残渣の製造方法は、燃焼炉内に植物性バイオマスと空気を連続して供給して、植物性バイオマスを空気中で自己燃焼させて、焼却残渣を連続的に製造する製造方法である。本実施形態の焼却残渣の製造方法は、上記の焼却残渣の製造装置を用いることによって、実施することができる。

植物性バイオマスは、空気中で燃焼する。燃焼を開始するときに、着火源を外部から供給する必要がある。しかし、植物性バイオマスは、いったん燃焼を開始すると、燃焼炉内に植物性バイオマスと空気を連続して供給し、発生する熱が放散しないように保持させることによって、自己燃焼のみで燃焼を継続させることができる。すなわち、植物性バイオマスの焼却残渣を連続的に製造することができる。

植物性バイオマスを燃焼させるときの圧力は、大気圧下あるいは大気圧に近い圧力下でよい。植物性バイオマスを燃焼させるときの温度は、植物性バイオマスと空気の時間当たりの供給量、植物性バイオマスと空気の供給比率、燃焼炉の内部構造、燃焼炉の保温性等によって、調整することができる。

種々の燃焼条件を一定の条件に固定することにより、燃焼反応が定常的に継続され、特定の燃焼温度を維持して、一定の燃焼条件の焼却残渣を継続して製造することができる。

ここで、焼却残渣が、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素を含有し、マイクロ波を照射することによって発熱するものとするためには、植物性バイオマスを燃焼させるときの温度が１０００〜２０００℃であることが必要である。また、植物性バイオマスを燃焼させるときの温度は、１０００〜１９００℃であることが好ましく、１２００〜１９００℃であることがより好ましい。

植物性バイオマスを燃焼させるときの温度が１０００〜２０００℃となるようにするためには、燃焼時の植物性バイオマスと空気との混合比率が、体積比で１：１．５×１０^５〜１：５．５×１０^５であることが好ましく、１：２×１０^５〜１：５×１０^５であることがより好ましい。

植物性バイオマスを燃焼させるときの燃焼時間は、５〜１５時間あることが好ましく、８〜１２時間あることがより好ましい。ここで、燃焼時間とは、植物性バイオマスが燃焼炉６内に滞留している時間を意味する。

（焼却残渣）
本実施形態の焼却残渣は、二酸化ケイ素を主成分とし、少量成分として炭素元素を含有している。ここで、二酸化ケイ素を主成分とするとは、焼却残渣に対する二酸化ケイ素の含有量が５０質量％を超えることを意味する。

本実施形態の焼却残渣は、マイクロ波の照射によって発熱するものである。焼却残渣は、例えば、マイクロ波の照射によって１０分以内の短時間に３００℃以上の高温に急速加熱することが可能である。また、数時間持続可能であり、繰り返し加熱が可能である。

焼却残渣にマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生手段としては、マグネトロン、クライストロン、ジャイロトロン、進行波管などのマイクロ波発振機がある。これらの中ではマグネトロンが一般的である。マイクロ波の周波数は、０．３〜３０ＧＨｚの範囲であるが、通常は、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が使用される。マイクロ波発振機の発振出力（Ｗ）を変えることによって発熱エネルギーが変動し、焼却残渣の発熱温度を制御することができる。

焼却残渣がこのような特異な発熱現象を示すのは、焼却残渣が含有する炭素元素や金属元素等の少量成分がマイクロ波の照射によって誘導加熱や誘電加熱等を引き起こすためと推定される。また、炭素元素や金属元素が二酸化ケイ素を主成分とする構造体中に適度に微分散されて存在しているためと推定される。また、炭素元素の一部はケイ素元素と結合して炭化ケイ素を形成していると推定される。

本実施形態の焼却残渣は、二酸化ケイ素を主成分とし、二酸化ケイ素の含有量は、６０〜９６質量％であることが好ましい。また、二酸化ケイ素の含有量は、発熱性能の観点から、６０〜８５質量％がより好ましく、７０〜８５質量％がさらに好ましい。

焼却残渣は、炭素元素を含有することが必要である。焼却残渣中の炭素元素の含有量は、２８質量％以下が好ましく、３〜２８質量％がより好ましく、５〜２５質量％がさらに好ましく、５〜２０質量％が特に好ましい。

焼却残渣は、金属元素を含有することが好ましい。焼却残渣中の金属元素の含有量は合計で、１０質量％以下が好ましく、１〜７質量％がより好ましく、２〜７質量％がさらに好ましく、３〜７質量％が特に好ましい。ここで、金属元素の含有量とは、焼却残渣が含有する各金属元素をそれぞれ安定な酸化物に置き換えたときの金属酸化物の合計含有量として計算した数値である。金属元素としては、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、アルミニウム、ナトリウム、マンガン、亜鉛、クロム、チタン、ニッケル等が挙げられる。これらの金属の焼却残渣中の存在形態は、金属単体であってもよいし、合金、金属酸化物、複合酸化物であってもよい。

焼却残渣は通常微粒子であり、微粒子の平均粒径は１０〜３００μｍ程度である。微粒子の形状は特に限定されない。また、二酸化ケイ素は非晶質であっても結晶質であってもよく、限定されない。

（発熱体）
焼却残渣をその特性を利用した発熱体として利用するためには、焼却残渣の微粒子を取り扱い性に優れた形態にすることが好ましい。具体的には、焼却残渣の微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体としたり、焼却残渣の微粒子をセラミックスで包み込んだ成形体を形成することができる。

本実施形態の焼却残渣を用いた発熱体は、加熱、乾燥、温調、反応等の目的で各種用途に利用することができる。また、本実施形態の焼却残渣を用いた発熱体は、食品、化学、ゴム、木材、鋳物、窯業、紙、印刷、塗装、繊維、医療等の種々の技術分野の各種工業用途に用いることができる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。

図１に記載した製造装置を用いて、燃焼温度約１８００℃、燃焼時間約１０時間で、籾殻を空気中で自己燃焼させて、籾殻の焼却残渣を連続的に製造した。燃焼時の植物性バイオマスと空気との混合比率は、体積比で１：３．５×１０^５であった。籾殻としては、埼玉県産の籾殻を用いた。得られた焼却残渣の量は、原料の籾殻に対して約２０質量％であった。当該焼却残渣は、黒色の粉末であった。当該焼却残渣を分析したところ、二酸化ケイ素７７質量％、炭素元素８．５質量％であった。また、金属元素は、金属酸化物に置き換えたときの合計含有量として、６．２質量％であった。金属元素としては、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、アルミニウム、ナトリウム、マンガン、亜鉛等が含まれていた。尚、金属元素類の分析装置として、波長分散型蛍光Ｘ線分析装置を用いた。

燃焼温度を約１０００℃にした以外は実施例１と同様にして、籾殻の焼却残渣を連続的に製造した。得られた焼却残渣の量は、原料の籾殻に対して約２１質量％であった。当該焼却残渣は、黒色の粉末であった。当該焼却残渣を分析したところ、二酸化ケイ素６３質量％、炭素元素２７質量％であった。また、金属元素は、金属酸化物に置き換えたときの合計含有量として、４．２質量％であった。

得られた各焼却残渣約１０ｇをソーダ石灰ガラスの微粒子で作成した直径１５ｃｍの球状の焼結体の中に封入し、さらにそれを厚さ２ｍｍの陶器製の球状の容器内に封入して、発熱体とした。

７００Ｗのマグネトロンを用いて、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を約２５分間照射した。照射後の実施例１の発熱体の表面温度は約４００℃であった。同様に、実施例２の発熱体の表面温度は約３６０℃であった。各温度は熱電対を用いて測定した。

１ 貯蔵タンク
３ ブロア
４ 搬送用配管
６ 燃焼炉
８ 仕切り板
９ 床板
１０ 主燃焼室
１１、１２、１３ 副燃焼室
１６ 集積タンク
１９ 集塵機
２０ 第２集積タンク
２１ 排気ダクト

Claims (4)

1. 植物性バイオマスを空気中で自己燃焼させて、焼却残渣を連続的に製造する焼却残渣の製造装置であって、
   前記焼却残渣は、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素と金属元素を含有し、マイクロ波を照射することによって発熱するものであって、
   前記焼却残渣は、炭素元素３〜２８質量％と金属元素１〜７質量％とを含有し、
   前記植物性バイオマスを貯蔵する貯蔵タンクと
   前記植物性バイオマスを空気によって搬送するための搬送用配管と、
   前記搬送用配管内に空気を送り込むためのブロアと、
   前記植物性バイオマスを自己燃焼させるための燃焼炉と、
   前記焼却残渣を集積するための集積タンクと
   燃焼後の排ガス中に存在する前記焼却残渣を集積するための集塵機と、
   燃焼後の排ガスを排出するための排出装置とを備えることを特徴とする焼却残渣の製造装置。
2. 前記燃焼炉内の温度を１０００〜２０００℃とすることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の焼却残渣の製造装置。
3. 燃焼炉内に植物性バイオマスと空気を連続して供給して、前記植物性バイオマスを空気中で自己燃焼させて、焼却残渣を連続的に製造する焼却残渣の製造方法であって、
   前記焼却残渣が、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素と金属元素を含有し、マイクロ波を照射することによって発熱するものであって、
   前記焼却残渣は、炭素元素３〜２８質量％と金属元素１〜７質量％とを含有し、
   前記植物性バイオマスを燃焼させるときの温度が１０００〜２０００℃であることを特徴とする焼却残渣の製造方法。
4. 燃焼時の前記植物性バイオマスと空気との混合比率が、体積比で１：１．５×１０^５〜１：５．５×１０^５であることを特徴とする請求項３に記載の焼却残渣の製造方法。

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