JP7091740B2 - 炭化炉 - Google Patents

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Description

この発明は、回転ドラムからなる乾留容器としてのレトルトを有し、レトルトの内部に供給された被処理材を乾留処理により炭化させる炭化炉に関し、特に高温での炭化処理を好適に行うことが可能な炭化炉に関する。
家庭等から排出される有機物含有の排水は、一般に下水処理施設で排水処理され、この排水処理に伴って有機物を含有した下水汚泥が発生する。下水汚泥を処分するに際し、その下水汚泥には多量の水が含有されていてそのままでは処分できず、そこで減量化のために濃縮及び脱水処理したり、或いは更に焼却したり、溶融したりするなど様々な処理が現在施されている。
しかしながら、下水汚泥を焼却する場合、無害・減容化するが、汚泥に含まれるエネルギーや有効成分を活かした再資源化が難しい。そこで生成物の多様な有効利用が期待できる下水汚泥の処理方法の1つとして、炭化処理が行われている。
この炭化処理は、下水汚泥が基質中に炭素分を45質量%程度含んでいることから、焼却、溶融処理のように汚泥中の炭素分を消費してしまうのではなく、汚泥を無酸素或いは低酸素状態で熱分解(炭化)することにより炭素分を残留させ、新しい組成を持つ炭化物(炭化製品)として生成させるものである。
このような炭化物は、具体的には下記特許文献1等で示すような炭化処理設備を用いて、例えば数mm程度の大きさに造粒された炭化物として製造される。このようにして得られた炭化物は、物性的には木炭に近い性状を有するものであり、現在、燃料、肥料(土壌改良剤)、セメントの骨材といった用途に用いられている。
特開2008-238129号公報
ところで、炭化物を土壌改良剤としての用途で用いる場合には、炭化物に含有されている塩化物が問題となる場合がある。塩分を含んだ汚泥から生成される炭化物において塩化物を取り除くためには炭化処理温度を1000~1200℃にまで高めることが必要となる。しかしながら、炭化炉の乾留容器として用いられている円筒形状の回転ドラム(レトルト)には、従来、耐熱鋼が用いられていたため、使用可能な温度の上限は約900℃であり、塩化物を取り除くことが可能な温度にまで高めることが困難であった。
1000~1200℃の高温での処理を可能にするためには、耐熱鋼に代えてセラミックスを用いたレトルトが必要となる。しかしながら、セラミックス製の管部材は大型になるほど製造が難しく、従来のレトルトと同等もしくはこれより大きなサイズ(例えば口径1mで長さ10m)のセラミックス製のレトルトの製造は困難である。またセラミックス製のレトルトは金属のような靭性を有しておらず熱衝撃特性に劣るため、低温の汚泥が供給された場合にその温度差に耐えられず破損するといった問題がある。
本発明は以上のような事情を背景とし、乾留容器としてのレトルトにセラミックス材料を用いた場合に生じる製造性および熱衝撃性の問題を回避して、1000℃超の温度での炭化処理を可能とした炭化炉を提供することを目的としてなされたものである。
而して本発明の炭化炉は、炉体の内部に回転ドラムからなる乾留容器としてのレトルトを有し、該レトルトの軸方向一端側の入口から内部に供給された被処理材を、該レトルトを回転させながら軸方向に移動させて、その移動の過程で該被処理材を乾留処理により炭化させ、炭化物を前記レトルトの出口から排出するようになした炭化炉において、
前記炉体の内部が第1の温度制御領域と、該第1の温度制御領域よりも高温で温度制御される第2の温度制御領域とに区画され、前記第1の温度制御領域には第1のレトルトが設けられるとともに、前記第2の温度制御領域にはセラミックス製の第2のレトルトが設けられ、
前記第1の温度制御領域で所定温度にまで加熱された前記被処理材を、前記第2のレトルトの内部に供給するように構成されて、前記第1のレトルトにおける前記第1の温度制御領域での乾留処理と、前記第2のレトルトにおける前記第2の温度制御領域での乾留処理の両方が行われ
前記第1の温度制御領域は前記被処理材が700~900℃に加熱される領域で、前記第2の温度制御領域は前記被処理材が1000~1200℃に加熱される領域であることを特徴とする。

本発明の炭化炉は、第1の温度制御領域に第1のレトルトを、第1の温度制御領域よりも高温で温度制御される第2の温度制御領域に第2のレトルトを設けたもので、それぞれのレトルトを処理温度に対応可能な材料で作製することができる。
第2のレトルトは、第2の温度制御領域にのみ配置される大きさであればよく、1本のレトルトのみで炭化処理を完了させる場合に比べ、第2のレトルトの小型化を図ることができる。このためセラミックス材料を含んで構成された第2のレトルトの製造性を向上させることができる。ここでセラミックス材料としては、例えば酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素などを用いることができる。
また本発明の炭化炉では、第2のレトルトに供給される被処理材が、予め所定の温度に加熱されたものであるため、高温の第2のレトルトと、その内部に供給される被処理材との温度差を小さくすることができ、温度差による熱衝撃が緩和される。このためセラミックス材料を含んで構成された第2のレトルトの破損を防止することができる。
そして、このように構成された本発明の炭化炉では、汚泥に含まれる塩化物を取り除くことが可能な温度にまで高めることが可能である。したがって、例えば、塩化物を多く含む汚泥であっても好適に炭化処理を行うことができる。塩化物を多く含む汚泥とは、例えば、固形分に占める塩素の割合が0.5~3%の汚泥である。
また本発明では、前記第2のレトルトを、前記第1のレトルトの下方に配置するとともに、前記第2のレトルトの内部に供給された前記被処理材が、前記第1のレトルトの内部における前記被処理材の移動方向とは逆の方向に移動するように構成することができる。このように2つのレトルトを上下に配置して、被処理材の移動経路を略コ字状とすることで、炭化炉の長さを短くすることができる。また、炭化炉の設置スペースを小さくすることができる。
ここで本発明では、前記第1のレトルトの一方の端部を囲んで前記第1のレトルトの出口を内部に収容するとともに、下端に形成された下向きの開口を前記第2のレトルトの入口側の開口に接続させた連結容器を備えておくことができる。
このような連結容器を備えておくことで、第1のレトルトから排出された被処理材が外気に触れることで温度低下するのを防止しつつ、被処理材を第2のレトルトの入口側の開口に案内することができる。
また本発明では、前記第1の温度制御領域を、前記被処理材から発生した可燃ガスの流通方向の上流側に配置し、前記第2の温度制御領域を、該流通方向の下流側に配置することができる。このようにすれば、第1の温度制御領域にて所定の温度にまで加熱された高温の可燃ガスが第2の温度制御領域に導入されるため、第2の温度制御領域の雰囲気温度を容易に高めることができる。
また本発明では、前記第2の温度制御領域に並列して設けられた複数の第2のレトルトと、これら複数の第2のレトルトのそれぞれに、前記第1のレトルトから排出された前記被処理材を振り分けて供給する振分手段と、を備えておくことができる。このようにすれば、炭化炉全体の処理能力を維持しつつ、高温処理に用いる第2のレトルトの小型化が図られ、セラミックス材料を含んで構成された第2のレトルトの製造性をより良好なものとすることができる。
以上のような本発明によれば、乾留容器としてのレトルトにセラミックス材料を用いた場合に生じる製造性および熱衝撃性の問題を回避して、1000℃超の温度での炭化処理を可能とした炭化炉を提供することができる。
本発明の一実施形態の炭化炉を含む炭化処理設備の全体構成を示した図である。 図1における乾燥機の構成を示した図である。 図1における炭化炉の構成を示した図である。 図3における炭化炉の第1の温度制御領域を含む上半部を示した図である。 図3における炭化炉の第2の温度制御領域を含む下半部を示した図である。 本発明の他の実施形態の要部を示した図である。
次に本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図1は、本発明の一実施形態である炭化炉を含む炭化処理設備1の全体構成を示したものである。図中10は受入ホッパ(脱水汚泥貯留槽)であり、有機物を含有した下水汚泥を含水率70~85%程度(通常は80%程度)まで脱水した脱水汚泥が、この受入ホッパ10に先ず受け入れられる。
ここに受け入れられた脱水汚泥は、中間貯留槽12を経て定量供給装置14,搬送装置15により乾燥機16へと送られ、そこで含水率35~45%程度(通常は40%程度)まで乾燥処理される。
乾燥機16は、図2に示しているように回転ドラム18の内部に撹拌軸20を有している。ここで撹拌軸20は回転ドラム18の中心から偏心した位置に設けられており、この撹拌軸20からは複数の撹拌羽根22が放射状に延び出している。
一方、回転ドラム18の内周面には周方向に所定間隔で複数の板状のリフター24が、回転ドラム18と一体回転する状態で設けられている。その結果として、回転ドラム18内部の汚泥(脱水汚泥)は、回転ドラム18の回転に伴ってリフター24により底部から上方に持ち上げられ、そしてその頂部近くで自重により落下する。落下した汚泥は、その下側に位置する撹拌羽根22の高速回転により細かく粉砕され、回転ドラム18の底部側へと落下する。
回転ドラム18内部の汚泥はこのような撹拌作用を受けながら、その内部に導かれた乾燥用熱風にさらされて乾燥処理され、次第に水分が減少していく。
尚、この乾燥機16においては、回転ドラム18の傾斜勾配により、更には撹拌羽根22による粉砕及びその際の飛散作用によって、汚泥が回転ドラム18内部を軸方向に漸次送られて行く。
このようにして乾燥機16で乾燥処理された後の乾燥汚泥は、続いて搬送装置26により炭化炉28へと搬送され、そこで乾留処理により汚泥の炭化が行われる。
この炭化炉28は、乾燥汚泥を無酸素若しくは低酸素雰囲気下で脱水及び熱分解する炉で、後に詳述するように、炉体30の内部に乾留容器としての円筒形状のレトルト32および34が設けられており、第1のレトルト32の内部に投入された汚泥は、第1のレトルト32に続いて第2のレトルト34の内部を漸次移動し、最終的に乾留残渣(炭化製品)が第2のレトルト34の図中左端の排出口36、つまり炭化炉28から排出される。このような炭化操作によって、乾燥汚泥は炭素が約30~50%、無機物が残りを占める成分の細孔を持つ炭化製品に変わる。
図1において、40は熱風発生炉で、ここで発生した熱風が乾燥機16へと供給される。
乾燥機16に供給された熱風は、これを通過して集塵機42を通り、更に循環ファン44にて炭化炉排ガス熱交換器46,熱風炉排ガス熱交換器47を経て熱風発生炉40へと循環させられる。
この循環系では、熱風発生炉40にて発生した熱風の一部が、熱風発生炉40から延び出した分岐路48を通じて抜き取られ、熱風炉排ガス熱交換器47を経て熱風炉排ガスファン49により煙突50から外部に放出される。
他方、炭化炉28の炉体30の側方には排ガス処理室31が設けられており、炭化炉28からの排ガスはここに導かれ、排ガス中の未燃ガスが2次燃焼される。排ガス処理室31からは排ガス路52が延び出しており、炭化炉28からの排ガスは、排ガス路52を通じて炭化炉排ガスファン54により炭化炉排ガス熱交換器46を経て煙突50から外部に放出される。
次に本実施形態の炭化炉28について詳しく説明する。
図3に示すように、炭化炉28は外熱式ロータリーキルン方式のもので、乾留容器としての第1のレトルト32および第2のレトルト34が設けられている。炉体30の内部は、第1の温度制御領域56と、第1の温度制御領域56よりも高温で温度制御される第2の温度制御領域57とが形成され、これら温度制御領域56および57は、連通口58を介して連通している。
第1の温度制御領域56は、乾燥汚泥を700~900℃に加熱する領域で、第1の温度制御領域56を貫通して設けられた第1のレトルト32は耐熱鋼で構成されている。
第1のレトルト32に使用できる耐熱鋼としては、オーステナイト系ステンレス鋼や合金鋼等が挙げられる。
第1のレトルト32は、一端部と他端部の外周に設けられたリング体60と61がそれぞれ図示を省略するローラに支持され、また一端側の外周に設けられたスプロケット63に駆動チェーンが懸架されて回転させられている。
第1のレトルト32の一端側(図中左側)には、スクリューコンベア64aおよびホッパ64bを備えた供給装置64が取り付けられており、ホッパ64b内に投入された乾燥汚泥は、スクリューコンベア64aにて第1のレトルト32の内部に投入される。
第1のレトルト32は図中右向きに向かって下向きに若干傾斜しており、乾燥機16側から送られてきた乾燥汚泥は、第1のレトルト32の回転を伴って右向きに送られて行き、図中右端部に形成された出口66を通じて連結容器80内に排出される。
図4は、炭化炉28の第1の温度制御領域56を含む上半部を示した図である。68は第1の温度制御領域56に設けられた助燃バーナである。助燃バーナ68には燃料が燃焼空気とともに供給され、第1の温度制御領域56の雰囲気が加熱される。第1の温度制御領域56の雰囲気が加熱されると、乾燥汚泥中に含まれていた可燃ガスがレトルト32に設けられた噴出しパイプ33を通じて外熱室、詳しくは第1の温度制御領域56に抜け出し、そしてこの可燃ガスが着火して、以後はその可燃ガスの燃焼により第1のレトルト32内部の汚泥の加熱が行われる。
また、第1の温度制御領域56を囲む炉体30には、炉体30の内部且つ第1のレトルト32外部の外熱室、即ち第1の温度制御領域56に燃焼用空気を導入するための空気導入口70が形成されており、第1の温度制御領域56の温度が予め設定された目標温度と一致するように、空気導入口70を通じて導入される空気量と助燃バーナ68の燃焼が適宜調整される。なお、図4において、76は熱電対、75は制御部、77は空気供給路72上に設けられた調節弁、74は空気供給ファンである。
この結果、第1のレトルト32の内部に供給された汚泥は、レトルト内の上流側にて水分が効率的に蒸発させられ、レトルト内の下流側に移行した後は第1の温度制御領域56の雰囲気に近い温度に保たれて乾留処理される。
図3に示すように、第1のレトルト32の図中右側には、第1のレトルト32の端部を囲むように連結容器80が設けられている。連結容器80は円筒状の縦型の容器で、周壁80aの上部に形成された横向きの開口81を通じて第1のレトルト32の出口66を含む図中右側の端部がその内部に収容されている。一方、連結容器80の下端には下向きの開口82が形成されており、第1のレトルト32の出口66より連結容器80の内部に排出された汚泥は、周壁80aの内面にて案内されつつ自重により落下し、下端に形成された開口82より下方に排出される。
連結容器80は、第1のレトルト32の回転を妨げることがないよう開口81の縁部を耐熱性のシール布を介してレトルト32の外面に摺接させるとともに、下向きの開口82を、ロータリバルブ83を介して、第2のレトルト34側に設けられた開口88cに接続させている。このように構成された連結容器80では、内部への外気の侵入が抑制され、連結容器80内の汚泥が外気に触れることで温度低下するのを防止している。
第2の温度制御領域57は、乾燥汚泥を1000~1200℃の温度に加熱する領域で、第1の温度制御領域56の下方に設けられている。第2の温度制御領域57を貫通して設けられた第2のレトルト34は、セラミックス材料(本例では炭化ケイ素)で構成されている。
第2のレトルト34は、一端部と他端部の外周に設けられたリング体85と86がそれぞれ図示を省略するローラに支持され、また他端側(図中左側)の外周に設けられたスプロケット87に駆動チェーンが懸架されて回転させられている。第2のレトルト34の一端側(図中右側)には、第1のレトルト32を通過して所定の温度にまで加熱された汚泥を第2のレトルト34に供給するための供給装置88が設けられている。
供給装置88は、スクリューコンベア88aおよびホッパ88bを備えている。上述のようにホッパ88bの上向きの開口88cは、ロータリバルブ83を介して連結容器80の開口82と接続されている。スクリューコンベア88aの排出側の端部は、第2のレトルト34の内部に挿入されており、ホッパ88b内に一旦収容された汚泥は、スクリューコンベア88aにてレトルト34の内部に投入される。
第2のレトルト34は、図中左向きに向かって下向きに若干傾斜しており、第1のレトルト32側から送られてきた汚泥はレトルト34の回転を伴って図中左向きに送られて行き、図中左側の端部に形成された排出口36から外部に排出される。
図5は、炭化炉28の第2の温度制御領域57を含む下半部示した図である。第1の温度制御領域56と同様に、助燃バーナ90が設けられ、助燃バーナ90には燃料が燃焼空気とともに供給されている。
第2の温度制御領域57を囲む炉体30には、炉体30の内部且つ第2のレトルト34外部の外熱室、即ち第2の温度制御領域57に燃焼用空気を導入するための空気導入口92が形成されており、第2の温度制御領域57の温度が予め設定された目標温度と一致するように、空気導入口92を通じて導入される空気量と助燃バーナ90の燃焼が適宜調整される。なお、図5において、96は熱電対、95は制御部、97は空気供給路93上に設けられた調節弁である。
また図5に示すように、第2の温度制御領域57を囲む炉体30の、第2のレトルト34の出口側近傍位置には、燃焼させた可燃ガスを排ガス処理室31に向けて排出するガス排出口99が形成され、炉体30の内部の可燃ガスは排ガスファン54(図1参照)の吸引作用によって順次排ガス処理室31に送られるように構成されている。
このため本例では、第1の温度制御領域56が可燃ガス流通方向の上流側、第2の温度制御領域57が可燃ガス流通方向の下流側となり、第2の温度制御領域57には、連通口58を通じて第1の温度制御領域56にて燃焼させた高温のガスが導入される。第2の温度制御領域57では、第1の温度制御領域56から流入した高温のガス(未燃ガス成分が含まれている)および噴出しパイプ35を通じて第2の温度制御領域57に抜け出した可燃ガスを燃焼させることで第2の温度制御領域57の温度を更に高くしている。
この結果、第2のレトルト34の内部に供給された汚泥は、第2の温度制御領域57の雰囲気に近い温度、即ち1000~1200℃に保たれ、汚泥中に含まれている塩化物や重金属は熱分解され乾留ガスとして排ガス系に移行する。このようにして生成された炭化物からは塩化物や重金属が良好に取り除かれる。また、このような1000℃超の高温での処理は、炭化物の細孔面積を大きくするための賦活処理にも良好に適用することができる。
以上のように本実施形態の炭化炉28は、第1の温度制御領域56に第1のレトルト32を設け、第1の温度制御領域56よりも高温で温度制御される第2の温度制御領域57に第2のレトルト34を設けたもので、それぞれのレトルトを処理温度に対応可能な材料で作製することができる。
第2のレトルト34は、第2の温度制御領域57にのみ配置される大きさであればよく、1本のレトルトのみで炭化処理を完了させる場合に比べ、第2のレトルト34の小型化を図ることができ、セラミックス材料で構成された第2のレトルト34の製造性を向上させることができる。
また炭化炉28では、第2のレトルト34に供給される汚泥が、予め700~900℃に加熱されたものであるため、1000~1200℃に加熱された第2のレトルト34との温度差を小さくすることができ、温度差による熱衝撃が緩和される。このためセラミックス材料で構成された第2のレトルト34の熱衝撃による破損を防止することができる。
また炭化炉28では、第2のレトルト34を、第1のレトルト32の下方に配置するとともに、第2のレトルト34の内部に供給された汚泥が、第1のレトルト32の内部における汚泥の移動方向とは逆の方向に移動するように構成されている。このように2つのレトルト32,34を上下に配置して、汚泥の移動経路を略コ字状とすることで、炭化炉28の長さを短くすることができる。また、炭化炉28の設置スペースを小さくすることができる。
また炭化炉28では、第1のレトルト32の一方の端部を囲んで第1のレトルト32の出口66を内部に収容するとともに、下端に形成された下向きの開口82を第2のレトルト34の入口側の開口88cに接続させた連結容器80を備えており、第1のレトルト32から排出された汚泥が外気に触れて温度低下するのを防止しつつ、汚泥を第2のレトルト34の入口側の開口88cに案内することができる。
また炭化炉28では、第1の温度制御領域56が、汚泥から発生した可燃ガスの流通方向の上流側に配置され、第2の温度制御領域57が、可燃ガス流通方向の下流側に配置されており、第1の温度制御領域56にて700~900℃にまで加熱された高温の可燃ガスが第2の温度制御領域57に導入される。このため、第2の温度制御領域57の温度を容易に高めることができる。
図6は、本発明の他の実施形態の要部を示した図である。
同図の炭化炉28Bでは、第2の温度制御領域57に2本のレトルト34A、34Bが並列に配置されている。これら2本の第2のレトルト34A、34Bは、上方に位置する第1のレトルト32の上下方向に延びる中心線に対し対称となる位置に配置され、それぞれのレトルトの入口側の開口100A,100Bが上向きに形成されている。
これに対応して、第1のレトルト32の出口66を内部に収容する連結容器80Bの下端には、2つの下向きの開口82A,82Bが形成されており、開口82A,82Bはそれぞれ、ロータリバルブ83を介して、第2のレトルト34A、34B側に設けられた上向きの開口100A,100Bに接続されている。
また連結容器80Bの内部には、支点102を中心に揺動可能に構成されたガイド板104が設けられている。ガイド板104は、図示を省略する駆動モータの駆動力に基づいて、図6にて実線で示す第1の状態と、2点鎖線で示す第2の状態と、に切り替わるように構成されている。このようにすることで本例では、第1のレトルト32から排出された汚泥を、第2のレトルト34A、34Bのそれぞれに振り分けて供給することができる。即ち、ガイド板104が本発明の振分手段を構成する。
このように構成された炭化炉28Bでは、炭化炉全体の処理能力を維持しつつ、高温処理に用いる第2のレトルト34A、34Bの小型化が図られ、セラミックス材料を含んで構成された第2のレトルト34A、34Bの製造性をより良好なものとすることができる。
以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。例えば上記実施形態では被処理材として下水汚泥を用いているが、炭素を含有する他の廃棄物、バイオマス等を被処理材として用いることも可能である。またセラミックス材料を含んで構成された第2のレトルトは、全体を一体成形したものの他、複数の分割体を作成して組み合わせたものを用いることも可能である。また、第2のレトルトの一部を耐熱合金等で構成することも可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
28,28B 炭化炉
30 炉体
32 第1のレトルト
34,34A,34B 第2のレトルト
56 第1の温度制御領域
57 第2の温度制御領域
66 出口
80,80B 連結容器
104 ガイド板(振分手段)

Claims (5)

  1. 炉体の内部に回転ドラムからなる乾留容器としてのレトルトを有し、
    該レトルトの軸方向一端側の入口から内部に供給された被処理材を、該レトルトを回転させながら軸方向に移動させて、その移動の過程で該被処理材を乾留処理により炭化させ、炭化物を前記レトルトの出口から排出するようになした炭化炉において、
    前記炉体の内部が第1の温度制御領域と、該第1の温度制御領域よりも高温で温度制御される第2の温度制御領域とに区画され、前記第1の温度制御領域には第1のレトルトが設けられるとともに、前記第2の温度制御領域にはセラミックス製の第2のレトルトが設けられ、
    前記第1の温度制御領域で所定温度にまで加熱された前記被処理材を、前記第2のレトルトの内部に供給するように構成されて、前記第1のレトルトにおける前記第1の温度制御領域での乾留処理と、前記第2のレトルトにおける前記第2の温度制御領域での乾留処理の両方が行われ
    前記第1の温度制御領域は前記被処理材が700~900℃に加熱される領域で、前記第2の温度制御領域は前記被処理材が1000~1200℃に加熱される領域であることを特徴とする炭化炉。
  2. 前記第2のレトルトは、前記第1のレトルトの下方に配置されるとともに、前記第2のレトルトの内部に供給された前記被処理材が、前記第1のレトルの内部における前記被処理材の移動方向とは逆の方向に移動するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の炭化炉。
  3. 前記第1のレトルトの一方の端部を囲んで前記第1のレトルトの出口を内部に収容するとともに、下端に形成された下向きの開口を前記第2のレトルトの入口側の開口に接続させた連結容器を備えていることを特徴とする請求項2に記載の炭化炉。
  4. 前記第1の温度制御領域が、前記被処理材から発生した可燃ガスの流通方向の上流側に配置され、前記第2の温度制御領域が、該流通方向の下流側に配置されていることを特徴とする請求項1~3の何れかに記載の炭化炉。
  5. 前記第2の温度制御領域に並列して設けられた複数の第2のレトルトと、
    これら複数の第2のレトルトのそれぞれに、前記第1のレトルトから排出された前記被処理材を振り分けて供給する振分手段と、を備えていることを特徴とする請求項1~4の何れかに記載の炭化炉。
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