JP7190726B2 - 自燃炭化熱処理装置及び炭化熱処理システム、並びにこれを使用した炭化物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化用材料を酸素不足状態で自発燃焼して炭化する自燃炭化熱処理装置、及びこれを備えた炭化熱処理システムに関する。

木材片や竹材片など炭化用材料を酸素不足状態で自発燃焼（以下「自燃」と略記する）させて炭化する装置については、従来、様々な構造、機能を有するものが開発されているが、本発明に関連するものとして、例えば、特許文献１に記載された炭化装置がある。この炭化装置は、内底部に複数の空気導入孔を有する略密閉式の炉本体と、炉本体の上部に設けられた材料出入口を開閉する蓋板と、炉本体内に立設されて上端が炉本体天井部近傍に達する加熱排気筒と、空気導入孔への空気を供給する空気取入れ口と、空気取入れ口に対する空気供給量調整手段と、を有する炭化炉を備える。この炭化炉において特徴的な構成は加熱排気筒であり、当該加熱排気筒は、下部に炉内空間に連通する排気導入孔を備えて上部が閉塞した外筒と、この外筒内に同心状に配置した内筒とからなる二重筒をなし、内筒は、下端が炉外への排気路に連通していると共に、上端が外筒内の頂部近傍で開口していることを特徴としている。

一方、特許文献１に記載された炭化装置は、木材片や竹材片など比較的大きいサイズ（例えば、長さ１００ｍｍ～１５０ｍｍ程度、最大外径５０ｍｍ～１００ｍｍ程度）の炭化用材料を炭化する場合には好適に使用することができるのであるが、籾殻、竹材チップ、木材チップあるいはナッツ類の殻などの比較的小さいサイズ（例えば、外径や粒径などが１ｍｍ～３ｍｍ程度）の炭化用材料を炭化することが困難であるという問題がある。
この問題に対し、特許文献２において、特許文献１に記載された炭化装置を改良し、自燃炭化熱処理装置が開発されている。

図８に示すように、特許文献２に記載された自燃炭化熱処理装置１００Ａは、本体部１０、底板１１、蓋体１２、隔壁板２０、給気室３０、給気経路３１、加熱排気筒（排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０）、給気用筒体６０、流量調整手段７０、流体循環経路８０、着火用経路９０及び排気経路９５などで構成される。そして、この自燃炭化熱処理装置は、周壁に複数の通気孔が開設された円筒状の部材である給気用筒体６０が、排気用外筒体（外筒）の周囲に前記本体部の軸心の周りを少なくとも１周するように立設していることを特徴とし、給気用筒体の周壁の複数の通気孔から空気を供給することにより、比較的小さいサイズの炭化用材料であっても自燃を促進することができるという利点がある。

特許文献１に記載された炭化装置や、これを改良した特許文献２に記載された自燃炭化熱処理装置は、二重筒構造の加熱排気筒（排気用外筒体及び排気用内筒体）を有している。当該加熱排気筒は、下部に炉内空間に連通する排気導入孔を備えて上部が閉塞した外筒（排気用外筒体）と、この外筒内に同心状に配置した内筒（排気用内筒体）とからなる二重筒構造をなし、内筒（排気用内筒体）は、下端が炉外への排気路に連通していると共に、上端が外筒（排気用内筒体）内の頂部近傍で開口している。このような構成により、加熱排気筒に吸い込まれた高温の燃焼は、環状空間を上昇して当該加熱排気筒内の頂部で滞留することなく内筒内に流入し、この内筒内を下降して排気管へ流出する。その結果、燃焼排ガスの熱気と蓄熱によって外筒の赤熱加熱排気筒の外筒と内筒との間の環状空間部分が次第に上方へ拡大してゆくと共に、内筒も赤熱し始め、遂には加熱排気筒全体が赤熱状態になる。これにより、炉内空間内の炭化用材料は、下方から上昇してくる熱気と、赤熱した加熱排気筒から周囲へ放射される熱気とで加熱され、堆積層の下部側と中央側の両方から熱分解し始め、更に自燃温度に達して自発燃焼する。そして、この自発燃焼・熱分解の領域が拡がるに伴い、加熱排気筒は流入する燃焼排ガスの増加によって外筒及び内筒共に更に高温化して周囲への熱放射を増し、その相乗効果で炭化用材料の熱分解反応の進行と自発燃焼領域の拡大が速められ、やがて炉内空間全体が高温状態になり、装填した炭化用材料の全てが熱分解して炭化する。

加熱排気筒（排気用外筒体及び排気用内筒体）の特徴のひとつは、内筒（排気用内筒体）の上端が外筒（排気用外筒体）内の頂部近傍で開口している構造としていることにより、加熱排気筒の外筒と内筒との間の環状空間を上昇してきた高温の燃焼排ガスが滞留することなくスムーズに排出されることにある。このように構成することにより、炉内で炭化水素を含む燃焼排ガスが大量発生した場合でも加熱排気筒内での熱分解反応による炭素析出等の副反応を最小限に抑制でき、メンテナンスコストを低減できるという利点がある。

特開２００４－３３９３２７号公報 特許第６２８５５８８号公報

特許文献１に記載された装置は木材片や竹材片など大きいサイズの炭化用材料、特許文献２に記載された装置は、籾殻、竹材チップ、木材チップあるいはナッツ類の殻などの小さいサイズの炭化用材料の炭化処理に適した装置であるが、いずれの装置も炭化用材料として含水率の高い原料（例えば、ヤシの実等）を使用すると、十分な炭化を行うことができないという課題があった。

また、上述の通り、特許文献２に記載された自燃炭化熱処理装置は、籾殻等の比較的小さいサイズの炭化用材料であっても自燃を促進することができる。その一方で、空気の供給量等運転条件のコントロールが難しく、燃焼が進みすぎて炭化用材料が灰になり、得られる炭化物の歩留まりが悪くなる場合があった。また、自燃炭化熱処理装置を、含水率の高い廃棄物の熱処理に使用した場合、運転初期等の温度が安定しない条件において、有害な排気ガスが生じうる場合があった。

かかる状況下、本発明の目的は、含水率が高い炭化用材料であっても容易に炭化処理することができると共に、歩留まりよく炭化物を製造できる自燃炭化熱処理装置、及びこれを用いた炭化熱処理システムを提供することにある。

本発明者は、含水率が高い炭化用材料を使用する場合、発生する水分と、発生する炭化水素ガスとの副反応が炉内温度の低減している可能性を考慮し、自燃炭化熱処理装置における加熱排気筒の構成を変更することによって、上記課題を解決できることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明の自燃炭化熱処理装置は、下方部が底板で閉塞された筒状の本体部と、前記本体部の上方開口部を開閉可能に閉止する蓋体と、前記本体部内の前記底板から離れた位置に前記本体部の軸心を横断するように配置された通気孔付きの隔壁板と、前記本体部内の前記底板と前記隔壁板との間に形成された給気室に空気を導入する給気経路と、前記本体部内の前記底板の上面から前記隔壁板を貫通し前記本体部の軸心方向に立設され、前記隔壁板より上方の領域に通気孔を有するとともに上方開口部が閉塞された排気用外筒体と、上方開口部が前記排気用外筒体内に位置するとともに下方開口部が前記底板の外部に開口した状態で前記排気用外筒体内に配置された排気用内筒体と、前記隔壁板の通気孔と連通した状態で前記隔壁板上に着脱可能に立設された通気孔付きの複数の給気用筒体と、を備え、前記排気用外筒体の内部において、前記排気用内筒体の上方開口部の上部に、ガス滞留空間を有することを特徴とする。
このように、ガス滞留空間を有することにより、排気用外筒体に導入された流入する燃焼排ガスが、ガス滞留空間で滞留するため、ガス滞留空間を有さない場合と比較して、排気用内筒体を介して排出されるまでの時間が長くなり、燃焼排ガスが有する熱量をより効率的に利用することができる。

また、隔壁板の通気孔と連通した状態で隔壁板上に立設された通気孔付きの給気用筒体を介して、炭化用材料の不完全燃焼で発生する高温の燃焼排ガスによる加熱作用、及び、炭化反応に適した酸素不足状態を維持するのに必要な空気が本体部の内部全体に均等に行き渡るので、炭化反応が本体部内の広い範囲で均等かつ速やかに進行する。

前記排気用内筒体の長さが、前記排気用外筒体の長さの２/３以下であれば、ガス滞留空間の容積を十分に確保することができ、ガスが確実にガス滞留空間で滞留するため好ましい。排気用内筒体の長さの下限は排気を阻害しない限り制限はないが、好適には前記排気用外筒体の長さの１／６以上である。

また、前記複数の前記給気用筒体は、前記本体部の軸心の周りを少なくとも１周するように立設されていることが好ましい。このような構成とすることによって、空気を本体部の内部全体に均等に行き渡らせることが可能となるので炭化反応の促進に有効である。

本発明の炭化熱処理システムは、自燃炭化熱処理装置の後段に、自燃炭化熱処理装置から排出される燃焼排ガスを燃焼処理する二次燃焼炉を有することを特徴とする。このような構成とすることによって、含水率が高い炭化用材料やプラスチック等の廃棄物を使用して熱処理を行って有害な排ガスが生じても、燃料処理されて外部に有害ガスが排気されることを確実に回避できる。

また、本発明の炭化物の製造方法は、本発明の自燃炭化熱処理装置を構成する本体部内に炭化用材料を収容して炭化処理し、前記炭化用材料に由来する炭化物を製造することを特徴とする。

本発明により、含水率が高い炭化用材料の処理に適した炭化熱処理システムが提供される。

本発明の実施形態である自燃炭化熱処理装置を示す一部省略垂直断面図である。 図１に示す自燃炭化熱処理装置の一部省略水平断面図である。 図１に示す自燃炭化熱処理装置を構成する隔壁板の中央寄り付近の一部省略拡大図である。 図２中のＡ－Ａ線における一部省略断面図である。 図１に示す自燃炭化熱処理装置を構成する給気用筒体の正面図である。 図１に示す自燃炭化熱処理装置を構成する流体循環経路の正面図である。 図６に示す流体循環経路の平面図である。 従来の自燃炭化熱処理装置を示す一部省略垂直断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１，図２に示すように、本発明の実施形態である自燃炭化熱処理装置１００は、本体部１０、底板１１、蓋体１２、隔壁板２０、給気室３０、給気経路３１、排気用外筒体４０、排気用内筒体５０、給気用筒体６０、流量調整手段７０、流体循環経路８０、着火用経路９０及び排気経路９５などで構成されている。本体部１０の外周面には、本体部１０を起倒可能に軸支するための軸体１４が、本体部１０の軸心１０ｃと直交する方向に取り付けられている。

本体部１０の外周部分は鋼板製の円筒部材１６で形成され、その下方部１０ｂは底板１１で閉塞され、本体部１０の上方開口部１０ａを開閉可能に閉止する蓋体１２を備えている。本体部１０内の底板１１から離れた位置に本体部１０の軸心１０ｃを横断するように隔壁板２０が配置されている。隔壁板２０は中心に円形の貫通孔２０ｃを有する円板状の部材であり、その全面に亘って複数の通気孔２０ａが開設されている。

図２に示すように、複数の通気孔２０ａは、本体部１０の軸心１０ｃを中心とする半径の異なる３つの仮想円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に沿って開設されている。最も内側の仮想円Ｃ１に沿って８個の通気孔２０ａが等間隔に開設され、その外側の仮想円Ｃ２に沿って１２個の通気孔２０ａが等間隔に開設され、最も外側の仮想円Ｃ３に沿って９個の通気孔２０ａが等間隔に開設されている。図３に示すように、全ての通気孔２０ａの上方を覆うような状態で、屋根形のカバー２０ｂが隔壁板２０の上面に固着されている。
後述するように、仮想円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に沿って開設された通気孔２０ａに連通するように複数の給気用筒体６０が少なくとも１周するように立設される。
なお、本実施形態では、複数の通気孔２０ａは、３つの仮想円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に沿って開設されているが、この態様に限定されず、適宜設計変更可能である。例えば、本実施形態より本体部が小さい場合等には複数の通気孔２０ａを設ける仮想円は１つとしてもよい。また、本実施形態より本体部が大きい場合等には３つ以上の仮想円を設けてもよい。

また、図４に示すように、隔壁板２０の下面の通気孔２０ａの周囲の一部に、通気孔２０ａ内への空気流入を促進する平板状の誘導部材２０ｅ（所謂、邪魔板）が垂下状に取り付けられている。誘導部材２０ｅは、隔壁板２０の下面において、それぞれの通気孔２０ａの周囲の下流側、即ち、隔壁板２０の下面部分を流動する空気流の下流側に配置されている。

図３に示すように、隔壁板２０は、排気用外筒体４０の下端部付近の周りに上下に重ねて嵌装された二つの片側フランジ管Ｆ１，Ｆ２と、底板１１の上面に立設された複数の支柱２１及びその延長部材２２と、により、底板１１から所定距離だけ離れた位置に水平保持されている。片側フランジ管Ｆ２は片側フランジ管Ｆ１上に着脱可能に載置され、片側フランジ管Ｆ１，Ｆ２のフランジ部ｆ１，ｆ２はそれぞれ底板１１の下面を保持可能である。支柱２１、延長部材２２はそれぞれの上端側に縮径部２１ａ，２２ａを有し、延長部材２２は支柱２１の上端側の同軸上に着脱可能に接続されている。隔壁板２０に開設された貫通孔２０ｄに対し、それぞれの縮径部２１ａ，２２ａが着脱可能に嵌入される。

図３に示すように、二つの片側フランジ管Ｆ１，Ｆ２は積み重ねられ、支柱２１の上端部に延長部材２２が接続されているが、片側フランジ管Ｆ２、延長部材２２をそれぞれ片側フランジ管Ｆ１、支柱２１に着脱することにより、底板１１と隔壁板２０との距離を変更することができる。

底板１１から所定距離だけ離れた位置に隔壁板２０を保持することにより、本体部１０内の底板１１と隔壁板２０との間に給気室３０が形成されている。給気室３０内に空気を導入するための給気経路３１が本体部１０の下端部寄りの部分から外部へ突出した状態に設けられている。図２に示すように、給気経路３１は、本体部１０の軸心１０ｃを中心とする仮想円（図示せず）の接線方向と平行をなすように配置されている。給気経路３１の上流側端部には、給気経路３１内に流入する空気量を増減するための流量調整手段７０が配置されている。流量調整手段７０は、モータ７０ａの駆動によりボールバルブ７０ｂを開閉する機能を有する電動式ボールバルブであるが、これに限定するものではない。

図１に示すように、流量調整手段７０の上流側には、流量調整手段７０及び給気経路３１を経由して給気室３０内へ空気を送給する送風手段である電動送風機１５が配置されている。電動送風機１５を稼働させると、流量調整手段７０及び給気経路３１を経由して給気室３０内へ空気を送給することができる。

図１，図３に示すように、排気用外筒体４０は、本体部１０内の底板１１の上面から隔壁板２０の貫通孔２０ｃを貫通して本体部１０の軸心１０ｃと同軸上に立設されている。排気用外筒体４０は、複数の通気孔４０ａを有する下部筒体４１と、下部筒体４１の上端に接続された上部筒体４２とで形成されている。下部筒体４１の長さは上部筒体４２の半分程度であり、下部筒体４１の周壁の厚さは上部筒体４２の２倍程度である。

下部筒体４１において、隔壁板２０より上方の領域に複数の通気孔４０ａが開設されている。複数の通気孔４０ａが開設されている領域の軸心１０ｃ方向の長さは、隔壁板２０の上面から排気用外筒体４０の上方部４０ｂまでの長さの１／４程度である。排気用外筒体４０の内部は、複数の通気孔４０ａを経由して、本体部１０内の隔壁板２０より上方の空間（燃焼室１３）と連通しているが、排気用外筒体４０の内部と給気室３０の内部とは連通していない。排気用外筒体４０の上方部４０ｂは開閉可能な蓋体４３によって閉止されている。

図１，図３に示すように、排気用外筒体４０の内部には、排気用内筒体５０が軸心１０ｃと同軸上に配置されている。排気用内筒体５０の上方開口部５０ａは排気用外筒体４０内の蓋体４３から十分に距離をとって離れた位置にあり、これによって、排気用外筒体４０の内部において、排気用内筒体５０の上方開口部５０ａの上部に、ガス滞留空間４６が形成されている。

排気用内筒体４０の長さは、前記排気用外筒体５０の長さの２/３以下となるように設計されており、これにより導入されるガスが十分な滞留時間を担保できるガス滞留空間４６が形成されている。

また、排気用内筒体５０の下方開口部５０ｂは底板１１の外部に開口した状態となっている。下方開口部５０ｂにはチーズ管５１が接続され、チーズ管５１の一方の開口部５１ａは排気経路９５に接続されている。チーズ管５１の他方の開口部５１ｂ側は開閉可能な蓋体５２で閉塞されている。

自燃炭化熱処理装置１００において、加熱排気筒（排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０）にガス滞留空間４６が形成されていることが特徴的な構成である。
これに対し、上述した特許文献１の炭化装置や特許文献２の自燃炭化熱処理装置１００Ａは、二重構造の加熱排気筒（排気用外筒体及び排気用内筒体）を有しているが、図８に示すように排気用内筒体４０（内筒）は、上端が排気用内筒体５０内の頂部近傍で開口することを構成要件としており、本発明に係る自燃炭化熱処理装置１００のようにガス滞留空間４６を有さない。

図１～図３に示すように、仮想円Ｃ２に沿って隔壁板２０に開設された１２個の通気孔２０ａのうちの半数の通気孔２０ａとそれぞれ連通した状態で６本の給気用筒体６０が隔壁板２０上に立設されている。給気用筒体６０は、仮想円Ｃ２に沿って、通気孔２０ａの一つ置きの位置に立設されている。

図２～図４に示すように、仮想円Ｃ２に沿って、通気孔２０ａの一つ置きの位置の隔壁板２０の上面に、給気用筒体６０より短い円筒体６１が通気孔２０ａと連通した状態で垂直に固着されている。円筒体６１の外径は給気用筒体６０の内径より小さく、円筒体６１の長さは給気用筒体６０の長さの１／１０程度である。６本の給気用筒体６０は、それぞれの下端部６０ｂの開口内に円筒体６１が差し込まれた状態で隔壁板２０の上面に起立姿勢で保持されている。給気用筒体６０は円筒体６１に対して着脱可能である。

図５に示すように、給気用筒体６０は、下端部６０ｂ及び上端部６０ｃが開口し、周壁に複数の通気孔６０ａが開設された円筒状の部材である。複数の通気孔６０ａは、給気用筒体６０の下端部６０ｂ寄りの部分を除く、給気用筒体６０の長さ方向の略全ての領域に均等に分散するように開設されている。給気用筒体６０の長さは、図１に示す隔壁板２０の上面から本体部１０の上方開口部１０ａまでの距離の９５％程度であるが、これに限定するものではないので、例えば、本体部１０の燃焼室１３内に収容する炭化用材料の収容量（収容高さ）などに応じて、給気用筒体６０の長さを減少すること（例えば、前記距離の３０％～５０％程度とすること）もできる。
なお、本実施形態では、仮想円Ｃ２に６本の給気用筒体６０が立設されている態様であるが、炭化用材料や被熱処理材料の種類や量等の諸条件を考慮して、適宜変更することは可能である。例えば、仮想円Ｃ２に立設させる給気用筒体６０の本数を増減させたり、他の仮想円Ｃ１，Ｃ３に給気用筒体６０を立設してもよい。

図１，図２に示すように、本体部１０の内周面に沿って流体循環経路８０が配設されている。図２，図６，図７に示すように、流体循環経路８０は、本体部１０の外部に流入口８１及び流出口８２を有する円管状の部材であり、本体部１０を構成する円筒部材１６の下半分程度の内周面に沿って螺旋を描くように配設されている。

詳しくは、図１に示すように、円筒部材１６の内周面に沿って１５００℃耐熱性を有する断熱材８４（例えば、石膏を含む断熱材）が円筒状に付設され、この断熱材８４の内周面に沿って円筒状に形成された耐火キャスタブル８３（例えば、シラスバルーンが混入された耐熱コンクリート）内に流体循環経路８０が螺旋状に埋設されている。

本体部１０内の耐火キャスタブル８３より上方の領域においては、円筒部材１６の内周面に沿ってセラミックス製の綿状材８６が複数層の円筒体を形成するように配設され、最内周に位置する綿状材８６の内周面に沿って鋼板８５が円筒状に配設されている。鋼板８５は、帯板状鋼板を円筒状に湾曲させて配設したものであり、帯板状鋼板の長手方向の両端部分は互いに固着されることなく、開放されているので、後述する炭化物製造工程における燃焼室１３内の比較的大きな温度変化に対し、円筒状の鋼板８５は円周方向に伸縮して対応可能である。

図１に示すように、本体部１０の底板１１の下面にはエルボ管状の着火用経路９０が設けられている。着火用経路９０は、底板１１の外部から給気室３０に連通しており、その開口部９１には開閉蓋９２が設けられている。

次に、自燃炭化熱処理装置１００を使用して炭化用材料Ｍ（例えば、ヤシの実、籾殻、竹材チップ、木材チップなど）を炭化させて炭化用材料Ｍに由来する炭化物を製造する方法について説明する。図１に示すように、本体部１０の隔壁板２０より上方の燃焼室１３内に炭化用材料Ｍを投入し、上方開口部１０ａを蓋体１２で閉止し、クランプ金具（図示せず）などを用いて締め付ける。この後、着火用経路９０の開閉蓋９２を開き、ガスバーナー（図示せず）などの着火熱源を開口部９１から着火用経路９０内へ差し込んで加熱する。このとき、図１中に示す電動送風機１５を稼働させると、流量調整手段７０及び給気経路３１を経由して給気室３０内へ空気が送給される。

前述したように、給気経路３１は、本体部１０の軸心１０ｃを中心とする仮想円（図示せず）の接線方向と平行をなすように配置されているので、給気経路３１を経由して給気室３０内へ流入した空気は、給気室３０内において、軸心１０ｃの周りを一定方向（図２において反時計方向）に回転流動する。

また、前述した図４に示したように、隔壁板２０の下面の通気孔２０ａの周囲の一部に平板状の誘導部材２０ｅが垂下状に取り付けられている。誘導部材２０ｅは通気孔２０ａの周囲において、給気経路３１から給気室３０内へ流入して給気室３０内を回転流動する空気流の下流側に配置されているので、給気室３０内を流動する空気流は誘導部材２０ｅに当接して流動方向が上方へ変わり、通気孔２０ａ内を経由して、速やかに本体部１０の燃焼室１３内へ流れ込むこととなる。

着火熱源の加熱及び電動送風機１５からの送風により、着火熱源の燃焼ガスと加熱された空気とが混合した状態で給気室３０内に充満するとともに、誘導部材２０ｅの誘導作用により、隔壁板２０の通気孔２０ａを通過して燃焼室１３内へスムーズに流れ込むので、燃焼室１３内の最下部に位置する炭化用材料Ｍに着火し、その自燃による熱分解が開始する。炭化用材料Ｍの自燃が開始したら、着火熱源を着火用経路９０から取り出し、開口部９１を開閉蓋９２で閉止する。

自燃が開始すると、自燃によって発生する高温の燃焼排ガスが炭化用材料Ｍの隙間を通って上昇していくので、これに伴って熱気が燃焼室１３内の上方へ伝わっていき、炭化用材料Ｍの下方から上方に向かって自燃が進行する。

炭化用材料Ｍの自燃によって発生する燃焼排ガスの一部は、排気用外筒体４０の複数の通気孔４０ａを通過して排気用外筒体４０と排気用内筒体５０との間の外流路４４内に吸い込まれ、この外流路４４内を上昇していき、ガス滞留空間４６に供給される。燃焼排ガスはガス滞留空間４６で滞留した後に、上方開口部５０ａから排気用内筒体５０内へ流入し、この排気用内筒体５０内の内流路４５を下降していきチーズ管５１及び排気経路９５を経由して、自燃炭化熱処理装置１００の外部へ流出する。

このような過程において、排気用外筒体４０内を通過する燃焼排ガスの熱気と、周囲の炭化用材料Ｍの自発燃焼による熱気と、により排気用外筒体４０の下方部分が、その内外両面から加熱され赤熱状態となる。燃焼室１３内での自燃領域が拡がっていくにつれて、増加する燃焼排ガスの熱気と蓄熱によって排気用内筒体５０の赤熱部分が次第に上方へ拡大していくので、排気用外筒体４０内の排気用内筒体５０も赤熱し始め、やがて排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０全体が赤熱状態となる。

これにより、燃焼室１３内の炭化用材料Ｍは、隔壁板２０側から上昇してくる熱気と、赤熱した排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０から周囲へ放射される熱気とによって加熱されるので、炭化用材料Ｍの下方部分と中央部分の両方部分から熱分解が開始し、自燃温度に達した部分から自燃が開始する。

熱分解及び自燃領域が拡がっていくにつれて、排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０は流入する燃焼排ガスの増加によりさらに高温化して周囲への熱放射を増し、その相乗効果で炭化用材料Ｍの熱分解反応の進行と自発燃焼領域の拡大が促進されるので、やがて燃焼室１３内全体が均一な高温状態になり、収容された炭化用材料Ｍの全てが熱分解・自燃して炭化する。

前述した炭化処理工程においては、排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０からの燃焼排ガスの排出に伴い、給気経路３１から給気室３０へ吸い込まれた空気は複数の通気孔２０ａを通過して燃焼室１３内に空気が吸入される。また、複数の通気孔２０ａのうち、給気用筒体６０と連通する通気孔２０ａを通過した空気はそれぞれ複数の給気用筒体６０内へ流入し、その内部を上昇していき、複数の通気孔６０ａ及び上方開口部６０ｃから燃焼室１３内へ供給される。

また、給気経路３１から給気室３０内へ吸い込まれる空気量は、給気経路３１の上流側に配置された流量調整手段７０で制御することにより、燃焼室１３内を適切な酸素不足状態に維持することができる。従って、燃焼室１３内の炭化用材料Ｍは、不完全燃焼によって炭素成分が殆ど燃焼しない状態で熱分解反応が継続し、最終的に完全に炭化することになる。

自燃炭化熱処理装置１００においては、隔壁板２０の通気孔２０ａだけでなく、複数の給気用筒体６０内を上昇する空気がそれぞれ複数の通気孔６０ａや上方開口部６０ｃから炭化用材料Ｍに供給され、これに伴って、炭化用材料Ｍの不完全燃焼で生じる高温の燃焼排ガスが給気用筒体６０内容を上昇して炭化用材料Ｍの加熱に供されるので、籾殻などの様に燃焼室１３内に隙間なく充填される粒状の炭化用材料であっても、燃焼室１３全体に適切な酸素不足状態を維持することができる。

なお、前述した炭化物製造工程のスタート段階においては、着火熱源を開口部９１から着火用経路９０内へ差し込んで加熱することにより炭化用材料Ｍに着火したが、自燃炭化熱処理装置１００の場合、着火方法は限定されないので、炭化用材料Ｍを燃焼室１３内へ収容して蓋体１２を閉止する前に、炭化用材料Ｍの上面部分を加熱、着火させて蓋体１２を閉止することによって炭化処理を開始することもできる。また、着火用経路９０からの加熱による着火と、炭化用材料Ｍの上面部分の加熱による着火とを併用して炭化処理を開始することもできる。

一方、燃焼室１３内の温度は、給気経路３１から給気室３０内へ供給される空気量の多少によっても昇降するので、流量調整手段７０のモータ７０ａを作動させてボールバルブ７０ｂの開度を変更することにより、燃焼室１３内の温度を調整することができる。

流量調整手段７０による開度調整は、実験によって得られたデータに基づいて、燃焼室１３内に充填する炭化用材料Ｍの種類、粒径、含水率及び充填量などに適した処理温度データを予め作成しておき、これを温度センサーによる計測温度と炉内温度に関連付けた制御データとして制御装置（図示せず）に入力し、制御装置からの指令信号によって自動的に行うように設定することができる。

炭化用材料Ｍの熱分解（炭化）が終わると、燃焼排ガスの温度が急速に低下するので、これを温度センサー（図示せず）にて検出することによって炭化終了が判明する。炭化終了後、生成した炭化物の温度が危険性のない程度まで低下したら、クランプ具（図示せず）を外して蓋体１２を上方開口部１０ａから離脱させ、操作ハンドル（図示せず）を回転させ、本体部１０を軸体１４中心に９０度程度（軸心１０ｃが略水平となる程度まで）傾倒させると、燃焼室１３内の炭化物を上方開口部１０ａから取り出すことができる。

自燃炭化熱処理装置１００においては、炭化用材料Ｍの自燃によって発生する高温の燃焼排ガスは、排気用外筒体４０下部の複数の貫通孔４０ａから排気用外筒体４０内に流入してその内部を上昇し、ガス滞留空間４６に供給される。燃焼排ガスはガス滞留空間４６で滞留した後に、上方開口部５０ａから排気用内筒体５０内へ流入してその内部を下降していき、本体部１０の底板１１から外部へ流出する。

このように自燃炭化熱処理装置１００においては、ガス滞留空間４６にて高温の燃焼排ガスを時間をかけて滞留させることにより、燃焼排ガスの有する熱量をより有効に炉内に放出させることができるので、燃焼排ガスから排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０への熱伝導が多くなるとともに、燃焼排ガスによって外部へ散逸する熱量が減少し、高い熱効率が得られる。

また、燃焼排ガスが排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０の内部で昇降移動することにより、排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０の赤熱化が進行し、この排気用外筒体４０及び排気用内筒体５０からの熱放射によって燃焼室１３内の温度が上昇し、炭化用材料Ｍの熱分解及び自燃の進行が促進されるので、炭化終了までに要する時間を短縮することができる。

さらに、図１，図２に示すように、本体部１０の内周面に沿って流体循環経路８０が配設され、この流体循環経路８０は、本体部１０の外部に流入口８１及び流出口８２を有しているので、例えば、流体循環経路８０内に水を流動させれば、炭化処理中に燃焼室１３内で発生する熱を利用して湯を生成することができる。また、流体循環経路８０内に空気を流動させれば、炭化処理中に燃焼室１３内で発生する熱を利用して高温空気を生成することができる。

本実施形態の自燃炭化熱処理装置１００は、籾殻、竹材チップ、木材チップあるいはナッツ類の殻などの粒状の炭化用材料Ｍを炭化処理するのに好適であるが、用途を限定するものではないので、ヤシの実などの含水率の高い炭化用材料であっても容易に炭化処理することができる。

本実施形態の自燃炭化熱処理装置１００の後段には、二次燃焼炉（図示せず）が設置され、排気経路９５から排出される燃焼排ガスを熱処理により分解して最終的に無毒化、無臭化されて、外部へ排出される。
二次燃焼炉は、燃焼排ガス中に微量の有機物を熱的に無害化できるものであれば任意のものを採用できる。

また、自燃炭化熱処理装置１００においては、排気経路９５を木酢液抽出器（図示せず）に接続することにより、木酢液や竹酢液を抽出、回収できるようにすることもできる。

なお、本発明の装置は、これら付属設備を備えない構成でもよいし、排ガス熱を利用する温水器や乾燥器等の様々な他の付属設備を有する構成としてもよい。

以上、図１～図７に基づいて説明した自燃炭化熱処理装置１００及びこれを使用した炭化物の製造方法は本発明に係る自燃炭化熱処理装置及び炭化物の製造方法を例示するものであり、本発明に係る自燃炭化熱処理装置及び炭化物の製造方法は前述した自燃炭化熱処理装置や炭化物の製造方法に限定されない。

本発明の自燃炭化熱処理装置及び炭化熱処理システムは、様々な炭化用材料を有効利用できる技術として、様々な産業分野において広く利用することができる。

１０ 本体部
１０ａ 上方開口部
１０ｂ 下方部
１０ｃ 軸心
１１ 底板
１２，４１ 蓋体
１３ 燃焼室
１４ 軸体
１５ 電動送風機
１６ 円筒部材
２０ 隔壁板
２０ａ，２０ｃ，４０ａ 通気孔
２０ｂ カバー
２０ｅ 誘導部材
２１ 支柱
２１ａ，２２ａ 縮径部
２２ 延長部材
３０ 給気室
３１ 給気経路
４０ 排気用外筒体
４０ｂ 上方部
４１ 下部筒体
４２ 上部筒体
４３，５２，３０３ 蓋体
４４ 外流路
４５ 内流路
４６ ガス滞留空間
５０ 排気用内筒体
５０ａ 上方開口部
５１ チーズ管
５１ａ，５１ｂ，９１ 開口部
６０ 給気用筒体
６０ｂ 下端部
６０ｃ 上端部
６１ 円筒体
７０ 流量調整手段
７０ａ モータ
７０ｂ ボールバルブ
８０ 流体循環経路
８１ 流入口
８２ 流出口
８３ 耐火キャスタブル
８４ 断熱材
８５ 鋼板
８６ 綿状材
９０ 着火用経路
９２ 開閉蓋
９５ 排気経路
１００，１００Ａ 自然炭化熱処理装置
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ 仮想円
Ｆ１，Ｆ２ 片側フランジ管
ｆ１，ｆ２ フランジ部

Claims (4)

1. 下方部が底板で閉塞された筒状の本体部と、前記本体部の上方開口部を開閉可能に閉止する蓋体と、前記本体部内の前記底板から離れた位置に前記本体部の軸心を横断するように配置された通気孔付きの隔壁板と、前記本体部内の前記底板と前記隔壁板との間に形成された給気室に空気を導入する給気経路と、前記本体部内の前記底板の上面から前記隔壁板を貫通し前記本体部の軸心方向に立設され、前記隔壁板より上方の領域に通気孔を有するとともに上方開口部が閉塞された排気用外筒体と、上方開口部が前記排気用外筒体内に位置するとともに下方開口部が前記底板の外部に開口した状態で前記排気用外筒体内に配置された排気用内筒体と、前記隔壁板の通気孔と連通した状態で前記隔壁板上に着脱可能に立設された通気孔付きの複数の給気用筒体と、を備え、
   前記排気用内筒体の長さが前記排気用外筒体の長さの１／６以上２／３以下であり、前記排気用外筒体の内部において、前記排気用内筒体の上方開口部の上部に、ガス滞留空間を有することを特徴とする自燃炭化熱処理装置。
2. 前記複数の前記給気用筒体は、前記本体部の軸心の周りを少なくとも１周するように立設されてなる請求項１に記載の自燃炭化熱処理装置。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の自燃炭化熱処理装置の後段に、自燃炭化熱処理装置から排出される燃焼排ガスを燃焼処理する二次燃焼炉を有することを特徴とする炭化熱処理システム。
4. 請求項１又は２のいずれかに記載の自燃炭化熱処理装置を構成する本体部内に炭化用材料を収容して炭化処理し、前記炭化用材料に由来する炭化物を製造することを特徴とする炭化物の製造方法。

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