JP6954526B2 - 炭化装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭化装置に関する。

家畜排泄物の処理では、農地における循環利用を目的とした堆肥化処理が一般的であるが、需要量および時期の制限、並びに、需給地域の地理的な制限があり、全量が有効に活用されているとは言い難い。近年、家畜排泄物等の有機性廃棄物の有効利用が望まれており、特許文献１および２では、有機性廃棄物を炭化物に変換することで、リン肥料原料とする方法や、リン化合物を集積および回収する方法が提案されている。

一方、有機性廃棄物の炭化システムとしては、原料性状や炭化物の用途に応じて、バッチ式で設置面積が少ない固定床式や、連続式で処理時間が短い移動床式、あるいは、原料の燃焼を伴う内燃式や、原料を間接的に加熱する外燃式等の方法が知られている。その中で連続的に安定した加熱条件で原料を炭化し、かつ、可溶性の高いリン肥料原料として炭化物を製造するには、外燃式移動床炉が適している。さらに、高含水率で不定形の有機性廃棄物を炭化するには、外燃式ロータリーキルン炉が最も適している。

従来、様々なロータリーキルンが、実用化または提案されている。例えば、特許文献３では、キルン本体の軸線方向に複数のリフタが設けられたロータリーキルンが開示されている。当該ロータリーキルンでは、軸線方向の位置に応じてリフタの傾斜角度が異なることにより、被処理物の移動速度を変えることができ、各位置毎に所望の層厚に調整することが可能となる。また、特許文献４の外熱式ロータリーキルンでは、内筒と外筒との間に、熱風が通過する加熱ゾーンが形成される。そして、当該内筒の外周面にスパイラルリフタを配設することにより、加熱ゾーンに堆積するダストが排出口に向けて掻き集められる。

特開２０１０−２４０９１号公報 特開２０１０−１９４５０２号公報 特開２００８−１２２０４３号公報 特開２００６−２９９０１０号公報

ところで、ロータリーキルンでは、攪拌羽根（リフタ）により被処理物を持ち上げ、その後、落下させることにより被処理物が攪拌される。また、被処理物が落下する際の衝撃により、被処理物が微細化する。被処理物の炭化において、ロータリーキルンの排出口の近傍で被処理物が微細化されると、小粒径となった被処理物のダストが飛散して、未炭化の状態で当該排出口から排出される可能性がある。この場合、生成される炭化物の品質が低下してしまう。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、被処理物のダストが未炭化の状態で排出口から排出されることを抑制することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、被処理物から炭化物を生成する炭化装置であって、中心軸を中心とする筒状であり、前記中心軸に平行な軸方向における一方側の端部に被処理物が投入される投入口が設けられ、他方側の端部に処理済みの被処理物が排出される排出口が設けられ、前記中心軸を中心として回転する炉本体と、前記炉本体内の被処理物を加熱する加熱部と、前記炉本体の内側面において、前記軸方向に関して前記排出口から離れた攪拌領域に設けられ、複数の攪拌羽根により前記炉本体の回転に伴って被処理物を攪拌する攪拌部と、前記内側面において、前記軸方向に関して前記攪拌領域と前記排出口との間の排出送り領域に設けられ、前記内側面と接する部位における前記軸方向に対する傾斜角が前記複数の攪拌羽根よりも大きい少なくとも１つの送り羽根により、前記炉本体の回転に伴って被処理物を前記排出口へと送る排出送り部とを備え、前記少なくとも１つの送り羽根が、前記中心軸を中心とする周方向の全周に亘って連続的または断続的に螺旋状に設けられ、前記排出送り部が、前記軸方向に互いに隣接する前記少なくとも１つの送り羽根の部位間に設けられ、被処理物が前記内側面に接した状態を保ちつつ、前記部位間に存在する被処理物を攪拌するピン状の補助攪拌部を備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の炭化装置であって、前記複数の攪拌羽根において、前記内側面と接する部位における前記軸方向に対する傾斜角、および、前記軸方向における被処理物の送り速度が、前記軸方向の位置が前記投入口から離れるに従って漸次小さくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の炭化装置であって、前記加熱部が、前記炉本体内の被処理物から発生する熱分解ガスを燃焼させる燃焼炉と、前記炉本体の周囲を囲む筒状であり、前記炉本体の外側面との間に筒状空間を形成する外熱炉とを備え、前記外熱炉が、前記軸方向に関して前記排出口側に設けられ、前記燃焼炉から排出される燃焼ガスを前記筒状空間に流入させる流入口と、前記投入口側に設けられ、前記筒状空間内の燃焼ガスを外部に流出させる流出口とを備える。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の炭化装置であって、前記炉本体の外側面において螺旋状に設けられる外面案内羽根を有し、前記筒状空間に流入する燃焼ガスの旋回流を形成するとともに、前記炉本体の回転に伴って前記筒状空間内に堆積するダストを前記軸方向に送る外面案内部をさらに備える。
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の炭化装置であって、前記少なくとも１つの送り羽根の前記傾斜角が、４５度よりも大きく、９０度未満であり、前記投入口近傍に配置される攪拌羽根の傾斜角が、２０度以上かつ４５度以下である。

本発明によれば、被処理物のダストが未炭化の状態で排出口から排出されることを抑制することができる。

炭化装置の構成を示す図である。 炉本体の内側面を示す展開図である。 炉本体の断面の一部を示す図である。 炉本体の外側面を示す展開図である。 炉本体の外観を示す図である。 攪拌部の他の例を示す図である。 排出送り部の他の例を示す図である。 排出送り部の他の例を示す図である。

図１は、炭化装置１の構成を示す図である。図１では、後述の中心軸Ｊ１，Ｊ２を含む面における断面を示している。炭化装置１は、家畜排泄物等の高含水率の有機性廃棄物を被処理物として、被処理物から炭化物を生成する装置である。好気性発酵により予め含水率が低減された有機性廃棄物が、被処理物とされてもよい。被処理物は、家畜排泄物以外に、食品廃棄物、排水汚泥、一般廃棄物等であってもよく、被処理物として、様々なものが利用可能である。また、炭化装置１により生成される炭化物は、様々な用途に利用されてよい。

炭化装置１は、外熱式ロータリーキルンであり、炭化炉２と、燃焼炉６と、外熱炉７とを備える。炭化炉２は、被処理物を乾燥した後に、還元加熱により被処理物を炭化物と熱分解ガスとに分解する。燃焼炉６は、燃焼用の空気の供給により、可燃性ガスを含む熱分解ガスを燃焼させ、高温の燃焼ガス（燃焼済みガス）を発生させる。外熱炉７は、燃焼ガスを熱源として炭化炉２を外側から加温する。

炭化炉２は、炉本体３と、回転機構２１と、攪拌部４１と、排出送り部４２、外面案内部５１とを備える。炉本体３は、第１中心軸Ｊ１を中心とする筒状であり、例えば金属材料（合金を含む。以下同様。）により形成される。典型的には、第１中心軸Ｊ１に垂直な炉本体３の断面形状は、円形である。当該断面形状は、ほぼ円形と捉えられる場合には、多角形等であってもよい。炉本体３は、回転機構２１により第１中心軸Ｊ１を中心として回転する。炉本体３において、第１中心軸Ｊ１に平行な軸方向における一方側の端部には、投入口３１が設けられ、他方側の端部には、排出口３２が設けられる。被処理物は、投入口３１から炉本体３内に投入される。炉本体３内の処理済みの被処理物（すなわち、炭化物）および熱分解ガスは、排出口３２から炉本体３外に排出される。炉本体３では、投入口３１および排出口３２を除き、外部の空気を遮断するシール構造が設けられる。図１の例では、第１中心軸Ｊ１および軸方向は水平または略水平である。炭化装置１の設計によっては、第１中心軸Ｊ１が水平方向に対して傾斜してもよい。

図２は、炉本体３の内側面３３を示す展開図である。図２では、炉本体３の回転方向を符号Ｄ１を付す矢印にて示している（後述の図４、並びに、図６ないし図８において同様）。以下の説明では、図２の下側を回転方向前側と呼び、上側を回転方向後側と呼ぶ。

攪拌部４１および排出送り部４２は、例えば金属材料により形成され、炉本体３の内側面３３に設けられる。詳細には、内側面３３において、軸方向に関して投入口３１側の領域、すなわち、排出口３２から離れた領域３３１（以下、「攪拌領域３３１」という。）に、攪拌部４１が設けられる。排出送り部４２は、軸方向に関して排出口３２側の領域、すなわち、攪拌領域３３１と排出口３２との間の領域３３２（以下、「排出送り領域３３２」という。）に設けられる。図２では、軸方向における攪拌領域３３１および排出送り領域３３２の範囲を、同じ符号を付す矢印にて示している。攪拌領域３３１および排出送り領域３３２は、軸方向に連続する。後述するように、炉本体３内の被処理物は、投入口３１から排出口３２に向かって送られる。図２では、被処理物の送り方向を符号Ｄ２を付す矢印にて示している（後述の図４、並びに、図６ないし図８において同様）。以下の説明では、図２の右側を送り方向前側と呼び、左側を送り方向後側と呼ぶ。

攪拌部４１は、複数の攪拌羽根４１１を備える。複数の攪拌羽根４１１は、軸方向（送り方向Ｄ２）、および、第１中心軸Ｊ１を中心とする周方向（回転方向Ｄ１）に沿って配列される。各攪拌羽根４１１は、例えば矩形の平板であり、炉本体３の内側面３３に対して垂直または略垂直に固定される。内側面３３に垂直な攪拌羽根４１１の高さは、例えば炉本体３の半径の０．２倍以上、かつ、０．４倍以下である。また、攪拌羽根４１１において内側面３３と接する部位の長手方向（すなわち、平板の側面の長手方向）が、軸方向に対して傾斜する。以下の説明では、当該部位における軸方向に対する角度を、単に「傾斜角」という。図２では、一の攪拌羽根４１１の傾斜角を符号θ１を付して示している。

各攪拌羽根４１１では、送り方向後側の部位が、送り方向前側の部位よりも、回転方向前側に位置する。したがって、炉本体３の回転に伴って、攪拌羽根４１１により、炉本体３内の被処理物が送り方向前側へと送られる。このとき、攪拌羽根４１１による被処理物の送り速度は、当該攪拌羽根４１１の傾斜角に依存し、傾斜角は、送り角度と捉えることもできる。図２の例では、軸方向の同じ位置に配置される攪拌羽根４１１は、同じ傾斜角を有する。また、軸方向の異なる位置に配置される攪拌羽根４１１では、互いに傾斜角が相違する。好ましい攪拌部４１では、複数の攪拌羽根４１１において、傾斜角、および、軸方向における被処理物の送り速度が、軸方向の位置が投入口３１から離れるに従って漸次小さくなる。なお、軸方向に関して攪拌領域３３１が複数の区間に分割され、同一区間に含まれるとともに軸方向の位置が異なる攪拌羽根４１１の傾斜角が同じであってもよい。すなわち、軸方向の位置が投入口３１から離れるに従って、傾斜角および送り速度が漸次小さくなる複数の攪拌羽根４１１には、軸方向に互いに隣接するとともに傾斜角が同じである２個以上の攪拌羽根４１１が含まれてもよい。

排出送り部４２は、スクリュー羽根４２１と、複数の補助攪拌部４２２とを備える。スクリュー羽根４２１は、螺旋状に設けられる一繋がりの羽根である。第１中心軸Ｊ１を中心とする周方向に着目すると、スクリュー羽根４２１は、周方向の全周に亘って連続的に設けられる。また、軸方向に着目すると、スクリュー羽根４２１は、排出送り領域３３２の全体に亘って設けられる。スクリュー羽根４２１も、攪拌羽根４１１と同様に、炉本体３の内側面３３に対して垂直または略垂直に固定される。スクリュー羽根４２１において、炉本体３の内側面３３と接する部位における軸方向に対する傾斜角は、全体に亘って一定である。図２では、スクリュー羽根４２１の傾斜角を符号θ２を付して示している。後述するように、スクリュー羽根４２１は、周方向の全周に亘って断続的に設けられてもよい。

スクリュー羽根４２１の各部分に着目すると、送り方向後側の部位が、送り方向前側の部位よりも、回転方向前側に位置する。したがって、炉本体３の回転に伴って、スクリュー羽根４２１により、炉本体３内の被処理物が送り方向前側へと送られる。このように、スクリュー羽根４２１は、送り羽根である。実際には、軸方向に互いに隣接するスクリュー羽根４２１の部位間の隙間が、搬送経路として螺旋状に連続しており、被処理物は、当該搬送経路を搬送される。スクリュー羽根４２１の傾斜角は、複数の攪拌羽根４１１のいずれの傾斜角よりも大きい。スクリュー羽根４２１の傾斜角は、例えば４５度よりも大きく、好ましくは、６０度よりも大きい。スクリュー羽根４２１の傾斜角は、９０度未満である。

図３は、第１中心軸Ｊ１に垂直な炉本体３の断面の一部を示す図である。内側面３３に垂直なスクリュー羽根４２１の高さＨ１は、例えば炉本体３の半径の０．１倍以上、かつ、０．３倍以下である。スクリュー羽根４２１の高さＨ１は、図３中に平行斜線を付して示す被処理物の層９の厚さ（炉本体３の最下部での厚さ）よりも大きいことが好ましく、例えば当該層９の厚さの２倍以下である。

各補助攪拌部４２２は、例えば矩形の平板であり、軸方向に互いに隣接するスクリュー羽根４２１の部位間、すなわち、既述の搬送経路上に設けられる。図３に示すように、補助攪拌部４２２は、炉本体３の内側面３３に対して垂直または略垂直に固定される。内側面３３に垂直な補助攪拌部４２２の高さＨ２は、スクリュー羽根４２１の高さＨ１よりも低い。例えば、補助攪拌部４２２の高さＨ２は、スクリュー羽根４２１の高さＨ１の０．２５倍以上、かつ、０．５倍以下である。

図２では、補助攪拌部４２２において内側面３３と接する部位の傾斜角は、ほぼ０度である。また、周方向における一の位置において、軸方向に延びる直線上に補助攪拌部４２２が配列される。好ましくは、当該直線と交わるスクリュー羽根４２１の全ての部位間の隙間に、補助攪拌部４２２が配置される。換言すると、スクリュー羽根４２１と同じピッチにて、補助攪拌部４２２が一列に配列される。図２の例では、軸方向に並ぶ補助攪拌部４２２の集合を補助攪拌部群として、複数の補助攪拌部群が周方向に一定の間隔で配置される。補助攪拌部群の個数は、例えば２〜４個であり、１個であってもよい。

図４は、炉本体３の外側面３４を示す展開図であり、図５は、炉本体３の外観を示す図である。図４では、上側が回転方向前側となり、下側が回転方向後側となる。後述するように、炉本体３の外側面３４は、軸方向における両端部を除き、外熱炉７により覆われる。図４では、軸方向における外熱炉７の両端を二点鎖線にて示している。

外面案内部５１は、外面案内羽根５１１を備える。外面案内羽根５１１は、炉本体３の外側面３４において螺旋状に設けられる一繋がりの羽根である。外面案内羽根５１１は、例えば金属材料により形成される。第１中心軸Ｊ１を中心とする周方向に着目すると、外面案内羽根５１１は、周方向の全周に亘って連続的に設けられる。外面案内羽根５１１は、周方向の全周に亘って断続的に設けられてもよい。外側面３４において外熱炉７により覆われる領域３４１を「被覆領域３４１」と呼ぶと、外面案内羽根５１１は、軸方向に関して被覆領域３４１の略全体に亘って設けられる。外面案内羽根５１１の全体は、外熱炉７により覆われる。外面案内羽根５１１は、被覆領域３４１の外部には設けられない。

外面案内羽根５１１は、外側面３４に対して垂直または略垂直に固定される。外面案内羽根５１１において、外側面３４と接する部位における軸方向に対する傾斜角は、一定である。外面案内羽根５１１の傾斜角は、任意に決定されてよい。外面案内羽根５１１の各部分に着目すると、送り方向後側の部位が、送り方向前側の部位よりも、回転方向前側に位置する。したがって、炉本体３の回転に伴って、後述する外熱炉７内のダストが、外面案内羽根５１１により送り方向前側へと送られる。外面案内羽根５１１は、外熱炉７内のダストを軸方向に搬送すればよく、送り方向後側の部位が、送り方向前側の部位よりも、回転方向後側に位置するように、外面案内羽根５１１が設けられてもよい。

図１に示すように、燃焼炉６（の本体）は、鉛直方向または略鉛直方向に延びる第２中心軸Ｊ２を中心とする筒状である。典型的には、第２中心軸Ｊ２に垂直な燃焼炉６の断面形状は、円形である。燃焼炉６には、炉本体３の排出口３２側の端部が接続される。燃焼炉６および炭化炉２は、一体型構造であることが好ましい。具体的には、炭化炉２の炉本体３と燃焼炉６とが直接的に接続され、炉本体３の排出口３２が燃焼炉６内で開口する。炉本体３において排出口３２から排出される炭化物および熱分解ガスは、燃焼炉６内に直接的に供給される。燃焼炉６の下端には、炭化物回収口６１が設けられる。排出口３２から落下した炭化物は、炭化物回収口６１を介して炭化装置１の外部に排出される。

燃焼炉６には、供給ノズル６２が設けられる。供給ノズル６２は、排出口３２よりも上側に配置され、燃焼炉６内に燃焼用空気を噴出する。当該燃焼用空気は、炭化炉２から供給される熱分解ガスを完全燃焼させるとともに有害成分を分解し、高温の燃焼ガスを生成する。燃焼炉６の上部には、熱風ダクト７９の一端が取り付けられており、燃焼ガスは熱風ダクト７９を介して燃焼炉６から排出される。

好ましい供給ノズル６２は、第２中心軸Ｊ２を中心とする周方向に沿って、燃焼用空気を燃焼炉６内に導入し、燃焼用空気の旋回流を形成する。これにより、炭化炉２から供給される熱分解ガスと、燃焼用空気とが均一に攪拌および混合される。その結果、局所的な高温燃焼が防止され、有害成分である窒素酸化物の発生が抑制される。燃焼炉６内における燃焼温度は、例えば８５０℃以上である。

燃焼炉６では、周方向に沿って複数の供給ノズル６２が設けられてもよい。これにより、燃焼用空気と熱分解ガスとをより均一に混合することができる。また、第２中心軸Ｊ２に沿って複数の供給ノズル６２が配置されてもよい。このように、供給ノズル６２を第２中心軸Ｊ２の方向に複数段に設ける場合、熱分解ガスを段階的に燃焼させる（例えば、二段燃焼させる）ことが可能となる。その結果、高温燃焼により窒素酸化物が発生しやすくなる問題に対処することができる。

外熱炉７（の本体）は、第１中心軸Ｊ１を中心とする筒状であり、炭化炉２の炉本体３の周囲を囲む。外熱炉７は、炉本体３の外側面３４との間に筒状空間７０を形成する。第１中心軸Ｊ１を中心とする径方向において、外側面３４と外熱炉７との間の幅、すなわち筒状空間７０の幅は、外面案内羽根５１１の高さよりも僅かに大きい。例えば、筒状空間７０の幅は、外面案内羽根５１１の高さの１．６倍以下である。外熱炉７において、軸方向に関する排出口３２側の端部には流入口７１が設けられ、投入口３１側の端部には流出口７２が設けられる。流入口７１には、熱風ダクト７９が接続され、燃焼炉６から排出される燃焼ガスが流入口７１を介して筒状空間７０に流入する。流出口７２は、筒状空間７０内の燃焼ガスを外部に排ガスとして流出させる。外熱炉７では、炉本体３内における被処理物の送り方向とは反対の方向に燃焼ガスが流れ、向流式の熱交換が行われる。筒状空間７０における温度分布は、流入口７１から流出口７２に向かって漸次低くなる。

流入口７１の近傍には、図示省略の温度計が設けられる。熱風ダクト７９では、希釈用の空気が供給可能であり、当該温度計により取得される燃焼ガスの温度が、予め設定された温度となるように、希釈用の空気の供給流量が調整される。流入口７１では、第１中心軸Ｊ１を中心とする周方向に沿って、燃焼ガスが筒状空間７０内に導入される。既述のように、炉本体３の外側面３４には、螺旋状の外面案内羽根５１１が設けられる。これにより、筒状空間７０内において、外面案内羽根５１１に沿う燃焼ガスの旋回流が形成され、炉本体３が均一に、かつ、効率よく加熱される。炉本体３の加熱温度は、例えば４００〜５００℃である。

図１の炭化装置１における炭化物の生成では、投入口３１から炉本体３内に被処理物が投入される。このとき、被処理物の含水率が高く、表面が湿った状態である場合、投入口３１近傍では、被処理物が炉本体３の内側面３３に付着しやすくなる。仮に、被処理物が内側面３３に付着すると、伝熱効率が低下してしまう。したがって、好ましい炭化装置１では、図２に示すように、最も送り方向後側に配置される攪拌羽根４１１の傾斜角を大きくして、投入口３１近傍における被処理物の送り速度が高くされる。これにより、被処理物の内側面３３への付着が抑制される。投入口３１近傍に配置される攪拌羽根４１１の傾斜角は、例えば２０度以上かつ４５度以下である。

攪拌領域３３１では、筒状空間７０を通過する高温の燃焼ガスにより炉本体３に付与される熱は、炉本体３の内側面３３のみならず、攪拌羽根４１１の表面を介して被処理物に供給される。このように、攪拌羽根４１１により伝熱面積が増加することにより、被処理物を効率よく乾燥させることが可能となる。攪拌領域３３１は、被処理物を乾燥させる乾燥領域と捉えることができる。

また、攪拌領域３３１では、攪拌羽根４１１に対して傾斜角を設けることにより、被処理物を所望の速度で送りつつ、被処理物の攪拌および乾燥が行われる。よって、被処理物が送り方向前側に搬送されるに従って被処理物の乾燥が進む。軸方向における攪拌領域３３１の中央から送り方向前側では、被処理物の塊における内部の乾燥が促進されることが好ましい。この場合、例えば５度以上かつ２０度以下の範囲にて、攪拌羽根４１１の傾斜角が送り方向前側に向かって段階的に小さくされる。送り方向前側に配置される、これらの攪拌羽根４１１では、炉本体３の回転に伴って被処理物を積極的に持ち上げ、その後、落下させることにより、被処理物の攪拌が行われる。したがって、これらの攪拌羽根４１１による被処理物の攪拌性能は、投入口３１近傍に配置される攪拌羽根４１１よりも高くなる。一方、送り方向前側の攪拌羽根４１１による被処理物の送り速度は、投入口３１近傍の攪拌羽根４１１よりも低くなる。このように、攪拌領域３３１における送り方向前側の領域にて、ある程度の滞留時間を確保することにより、攪拌領域３３１において被処理物が十分に乾燥する。

排出送り領域３３２においても、燃焼ガスの熱が、炉本体３の内側面３３のみならず、スクリュー羽根４２１の表面を介して被処理物に供給される。スクリュー羽根４２１により伝熱面積が増加することにより、被処理物を効率よく加熱することが可能となる。また、傾斜角が大きいスクリュー羽根４２１により、被処理物が送り方向前側へと緩やかな送り速度にて送られる。このように、スクリュー羽根４２１では、被処理物の送り速度が規制されるため、排出送り領域３３２において適切な滞留時間を確保することができる。その結果、被処理物を十分に加熱して、被処理物を熱分解させる、すなわち、炭化させることが可能となる。排出送り領域３３２は、被処理物を炭化させる炭化領域と捉えることができる。

ここで、炉本体３の内側面３３において、炭化領域である排出送り領域３３２にも攪拌羽根４１１が設けられる比較例の炭化装置を想定する。比較例の炭化装置では、排出送り領域３３２において、攪拌領域３３１と同様に、攪拌羽根４１１により持ち上げられた被処理物が、炉本体３の底部に落下する。このとき、落下の衝撃により、被処理物が微細化する。その結果、小粒径となった被処理物のダストが、炉本体３内を通気するガスに同伴されて排出口３２まで飛散する、いわゆるショートパスが発生する。この場合、被処理物のダストが未炭化の状態で排出口３２から排出される。また、被処理物の粒径や形状の差により、排出口３２へと向かう送り速度が相違する場合もある。その結果、生成される炭化物の質がばらついてしまう。

これに対し、炭化装置１では、排出口３２近傍の排出送り領域３３２において、傾斜角が大きいスクリュー羽根４２１により、炉本体３の回転に伴って被処理物が排出口３２へと送られる。このように、排出口３２の近傍において、被処理物を積極的に持ち上げることなく、被処理物を搬送することにより、被処理物の微細化、ダストの飛散、および、ショートパスを抑制することができる。これにより、被処理物のダストが未炭化の状態で排出口３２から排出されることを抑制することができる。また、被処理物の粒径や形状に依存することなく、排出送り領域３３２における被処理物の滞留時間をおよそ一定とすることができる。その結果、高品質かつ均質な炭化物を生成することが実現される。

なお、炭化装置１では、回転機構２１による炉本体３の回転速度を変更することにより、被処理物の加熱特性に応じて被処理物の滞留時間を調整することも可能である。また、本実施の形態における炉本体３では、スクリュー羽根４２１の高さＨ１は一定であるが、炭化領域における炭化の進行、すなわち被処理物の減容に応じてスクリュー羽根４２１の高さＨ１が、送り方向前側に向かって段階的または連続的に低くされてもよい。

排出送り領域３３２では、被処理物の攪拌が、主として被処理物と、炉本体３の内側面３３およびスクリュー羽根４２１との間の摩擦により生じる。ここで、図３に示すように、第１中心軸Ｊ１に垂直な炉本体３の断面に着目する。図３中の被処理物の層９の厚さが比較的大きい場合、当該層９における内側面３３近傍の被処理物が、太い破線の矢印Ｂ１にて示すように、炉本体３の回転に伴って内側面３３との間の摩擦により回転方向Ｄ１の前側へと移動する。また、当該層９において回転方向Ｄ１の前側に溜まる被処理物は、太い破線の矢印Ｂ２にて示すように、当該層９の上面を滑って回転方向Ｄ１の後側へと戻される。排出送り領域３３２では、被処理物が炉本体３の最下部において内側面３３におよそ接した状態を保ちつつ、スクリュー羽根４２１に沿って（既述の搬送経路に沿って）送り方向前側に搬送される。

このとき、図３中に破線で囲んで示す当該層９の中心部９１では、被処理物の攪拌はあまり生じず、外熱式の炉本体３では、当該中心部９１の被処理物の受熱量が少なくなる。このように、スクリュー羽根４２１における被処理物の攪拌性能は、攪拌羽根４１１よりも低くなる。そこで、好ましい炭化装置１では、スクリュー羽根４２１の攪拌性能を補助するために、既述の補助攪拌部４２２が設けられる。補助攪拌部４２２が、炉本体３の回転により炉本体３の最下部を通過する際に、当該層９の下部の被処理物が取り除かれ、中心部９１の被処理物が入れ替わる。これにより、被処理物の層９内の受熱量の均一化を図ることができ、中心部９１の被処理物が入れ替わらない場合に生じる被処理物の加熱ムラを抑制することが可能である。その結果、より均質な炭化物を生成することが実現される。

炉本体３において、被処理物から発生する炭化物および熱分解ガスは、排出口３２から燃焼炉６内に直接的に供給される。炭化物は、炭化物回収口６１を介して回収される。また、燃焼炉６内における熱分解ガスの燃焼により燃焼ガスが生成される。ここで、仮に、炭化炉２と燃焼炉６とが離間して配置される場合、両者間に配置されるダクト内において熱分解ガスが冷却され、放熱ロスが生じる。また、熱分解ガスに含まれるタールがダクトの壁面に凝縮し、熱分解ガスの発熱量が低下するとともに、ダクトの閉塞が生じる可能性もある。これに対し、燃焼炉６および炭化炉２が一体型構造である場合、熱分解ガスの発熱量の低下、および、ダクトの閉塞等を防止することが可能である。また、炭化装置１の小型化も図ることができる。

なお、炭化装置１では、炉本体３内への被処理物の投入を開始する前に、炉本体３を所定温度まで昇温させる立上運転が行われる。当該立上運転では、所定の補助燃料が用いられるが、立上運転後の通常運転（被処理物の投入開始後）では、被処理物から発生する熱分解ガスを、炉本体３を加熱するための熱源の全部または一部として利用することが可能である。このように、炭化反応により生成した熱分解ガスの燃焼エネルギーを用いて効率的に加熱処理を行うことにより、原料（被処理物）が保有する熱量を有効に利用することができる。その結果、補助燃料を不要とする、または、補助燃料の使用量を削減することができる。含水率が高い有機性廃棄物を被処理物とする場合には、廃棄物中の水分の乾燥に多くの熱量が必要である。したがって、被処理物の熱量を有効に利用することが可能な図１の炭化装置１は、含水率が高い有機性廃棄物から炭化物を生成する場合に特に適しているといえ、これにより、有機性廃棄物の処理に必要なコストを削減することができる。

燃焼ガスは、熱風ダクト７９を介して流入口７１に供給される。既述のように、流入口７１では、第１中心軸Ｊ１を中心とする周方向に沿って、燃焼ガスが筒状空間７０内に導入される。これにより、筒状空間７０において燃焼ガスの旋回流が形成される。また、炉本体３の外側面３４に設けられる螺旋状の外面案内羽根５１１が、燃焼ガスの旋回流を規整し、燃焼ガスを強制的に外側面３４に沿って旋回させる。これにより、筒状空間７０において、燃焼ガスが流入口７１から流出口７２に向かって、およそ最短経路を流れる（すなわち、ショートカットする）ことを防止するとともに、炉本体３への伝熱効率を高めることができる。その結果、燃焼ガスが保有するエネルギーを有効利用することが可能となる。

燃焼ガスには、炭化炉２から飛散した被処理物のダスト、および、熱分解ガスの燃焼に由来するダストが混入しており、一部のダストが外熱炉７内に堆積する。炉本体３および外面案内羽根５１１の回転により、外熱炉７内のダストが送り方向前側へと送られる。外熱炉７の送り方向前側の端部における底部には、ダスト回収部７３が設けられる。外面案内羽根５１１により送られたダストは、ダスト回収部７３において回収される。ダスト回収部７３内のダストは、適宜外部に排出される。これにより、炭化装置１の長期的な運転において、筒状空間７０にダストが堆積し、燃焼ガスの偏流による伝熱効率の低下や、筒状空間７０の閉塞が生じることが防止される。また、筒状空間７０内の清掃等のメンテナンス作業の頻度を少なくして、炭化装置１のメンテナンスに必要なコストを削減することができる。

上記炭化装置１では様々な変形が可能である。

図６に示すように、攪拌部４１において、軸方向における攪拌領域３３１のおよそ全体に亘って連続する攪拌羽根４１１が設けられてもよい。この場合、複数の攪拌羽根４１１が周方向に配列される。また、各攪拌羽根４１１の傾斜角は、軸方向に段階的に変化する。具体的には、送り方向前側に向かって攪拌羽根４１１の傾斜角が漸次小さくなる。攪拌羽根４１１の傾斜角は、軸方向に連続的に変化してもよい。

同様に、排出送り部４２において、スクリュー羽根４２１の傾斜角が軸方向に沿って漸次変化してもよい。また、図７に示すように、スクリュー羽根４２１が、周方向の全周に亘って断続的に設けられてもよい。図７では、互いに離間しつつ螺旋状に配列された複数の送り羽根４２３の集合が、１つのスクリュー羽根４２１として捉えられる。また、図８に示すように、傾斜角が複数の攪拌羽根４１１よりも大きい複数の送り羽根４２３が、軸方向および周方向に沿って配列されてもよい。この場合も、被処理物の微細化、ダストの飛散、および、ショートパスを抑制して、被処理物のダストが未炭化の状態で排出口３２から排出されることを抑制することができる。

以上のように、排出送り部４２では、傾斜角が複数の攪拌羽根４１１よりも大きい少なくとも１つの送り羽根により、炉本体３の回転に伴って被処理物が排出口３２へと送られるのであるならば、様々な構造が採用可能である。伝熱面積を増加して被処理物を効率よく加熱するという観点では、当該少なくとも１つの送り羽根が、第１中心軸Ｊ１を中心とする周方向の全周に亘って連続的または断続的に設けられることが好ましい。また、排出送り領域３３２において被処理物の送り速度をより確実に調整するには、当該少なくとも１つの送り羽根が、螺旋状に設けられることが好ましい。図２のように、螺旋状の送り羽根（スクリュー羽根４２１）が設けられる場合には、炉本体３の第１中心軸Ｊ１が水平方向に対してある程度傾斜する場合であっても、排出送り領域３３２における被処理物の送り速度を調整可能である。

補助攪拌部４２２は、平板以外の形状であってもよい。例えば、図７に示すように、軸方向に互いに隣接する送り羽根４２３の部位間に、ピン状の補助攪拌部４２２ａが設けられてもよい。この場合も、被処理物が炉本体３の内側面３３に接した状態を保ちつつ、当該部位間に存在する被処理物が補助攪拌部４２２ａにより攪拌される。これにより、排出送り領域３３２において、被処理物の加熱ムラが生じることを抑制することができる。なお、ピン状の補助攪拌部４２２ａの高さは、スクリュー羽根４２１の高さＨ１より高くてもよい。

図１の炭化装置１では、炉本体３内の被処理物を加熱する加熱部が、燃焼炉６および外熱炉７により実現されるが、例えば、炉本体３内に火炎を噴射するバーナーが加熱部として設けられ、内熱式のロータリーキルンが構成されてもよい。また、炭化装置１の設計によっては、被処理物から発生する熱分解ガスを利用することなく、炉本体３内の被処理物の加熱が行われてもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１ 炭化装置
３ 炉本体
６ 燃焼炉
７ 外熱炉
３１ 投入口
３２ 排出口
３３ （炉本体の）内側面
３４ （炉本体の）外側面
４１ 攪拌部
４２ 排出送り部
５１ 外面案内部
７０ 筒状空間
７１ 流入口
７２ 流出口
３３１ 攪拌領域
３３２ 排出送り領域
４１１ 攪拌羽根
４２１ スクリュー羽根
４２２，４２２ａ 補助攪拌部
４２３ 送り羽根
５１１ 外面案内羽根
Ｊ１ （炉本体の）中心軸
θ１，θ２ 傾斜角

Claims (5)

1. 被処理物から炭化物を生成する炭化装置であって、
   中心軸を中心とする筒状であり、前記中心軸に平行な軸方向における一方側の端部に被処理物が投入される投入口が設けられ、他方側の端部に処理済みの被処理物が排出される排出口が設けられ、前記中心軸を中心として回転する炉本体と、
   前記炉本体内の被処理物を加熱する加熱部と、
   前記炉本体の内側面において、前記軸方向に関して前記排出口から離れた攪拌領域に設けられ、複数の攪拌羽根により前記炉本体の回転に伴って被処理物を攪拌する攪拌部と、
   前記内側面において、前記軸方向に関して前記攪拌領域と前記排出口との間の排出送り領域に設けられ、前記内側面と接する部位における前記軸方向に対する傾斜角が前記複数の攪拌羽根よりも大きい少なくとも１つの送り羽根により、前記炉本体の回転に伴って被処理物を前記排出口へと送る排出送り部と、
   を備え、
   前記少なくとも１つの送り羽根が、前記中心軸を中心とする周方向の全周に亘って連続的または断続的に螺旋状に設けられ、
   前記排出送り部が、前記軸方向に互いに隣接する前記少なくとも１つの送り羽根の部位間に設けられ、被処理物が前記内側面に接した状態を保ちつつ、前記部位間に存在する被処理物を攪拌するピン状の補助攪拌部を備えることを特徴とする炭化装置。
2. 請求項１に記載の炭化装置であって、
   前記複数の攪拌羽根において、前記内側面と接する部位における前記軸方向に対する傾斜角、および、前記軸方向における被処理物の送り速度が、前記軸方向の位置が前記投入口から離れるに従って漸次小さくなることを特徴とする炭化装置。
3. 請求項１または２に記載の炭化装置であって、
   前記加熱部が、
   前記炉本体内の被処理物から発生する熱分解ガスを燃焼させる燃焼炉と、
   前記炉本体の周囲を囲む筒状であり、前記炉本体の外側面との間に筒状空間を形成する外熱炉と、
   を備え、
   前記外熱炉が、
   前記軸方向に関して前記排出口側に設けられ、前記燃焼炉から排出される燃焼ガスを前記筒状空間に流入させる流入口と、
   前記投入口側に設けられ、前記筒状空間内の燃焼ガスを外部に流出させる流出口と、
   を備えることを特徴とする炭化装置。
4. 請求項３に記載の炭化装置であって、
   前記炉本体の外側面において螺旋状に設けられる外面案内羽根を有し、前記筒状空間に流入する燃焼ガスの旋回流を形成するとともに、前記炉本体の回転に伴って前記筒状空間内に堆積するダストを前記軸方向に送る外面案内部をさらに備えることを特徴とする炭化装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の炭化装置であって、
   前記少なくとも１つの送り羽根の前記傾斜角が、４５度よりも大きく、９０度未満であり、
   前記投入口近傍に配置される攪拌羽根の傾斜角が、２０度以上かつ４５度以下であることを特徴とする炭化装置。

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