JP7399376B2 - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、炭化用材料を酸素不足状態で自発燃焼させて炭化処理したり、被熱処理材料を熱処理する熱処理装置及び熱処理方法に関する。

木材チップや廃タイヤ等の炭化用材料を酸素不足状態で自発燃焼させることのできる小型の炭化処理装置は、少量の炭化用材料を効率よく炭化処理することができ、炭化処理により得られる炭の有効利用の点でメリットにより、よく使用されている。これら小型の炭化処理装置としては、特許文献１に記載された炭化装置や、特許文献２に記載された自燃炭化加熱処理装置がある。
特許文献１の炭化装置は、内底部に複数の空気導入孔を有する炉本体と、炉本体上部の材料出入口を開閉する蓋板と、炉本体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、空気取入れ口及び流量調整弁とを有する炭化炉を備え、底部側を着火部として、炉本体内に装填された炭化用材料を酸素不足状態で自発燃焼させて炭化する炭化装置である。そして前記炭化装置において、加熱排気筒の下部に炉内空間に連通する排気導入孔を備え、上部が閉塞した外筒と上端が外筒内の頂部近傍で開口し、下端が炉外への排気路に連通した内筒との二重筒構造とすることにより 燃焼排ガスから加熱排気筒への熱伝播量が多くなって高い熱効率が得られ 炭化用材料の熱分解及び自発燃焼が促進され、完全炭化に要する時間が短縮されて高い炭化処理効率を達成できるようにしている
特許文献２の自燃炭化加熱処理装置は 炭化用材料や電線廃材等の産業廃棄物を熱処理することができる熱処理装置であり 特許文献１と同様の構造を有する炭化装置の排気用内筒体の上方開口部を排気用外筒体内の蓋体から十分に距離をとることにより、排気用外筒体の内部にガス滞留空間を形成し、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ようにしている。

特開２ 特開２０２０‐７４６２

発明が解決しようとする課題

特許文献１の炭化装置及び特許文献２の自燃炭化加熱処理装置は、いずれも二重筒構造の加熱排気筒や外筒体及び内筒体を組み合わせたものを設けており、さらに特許文献２の自燃炭化加熱処理装置は、排気用外筒体の内部にガス滞留空間を形成して燃焼排ガスからの排熱利用を促進している。しかし、双方ともに二重筒構造の環状部の下部に流入する燃焼排ガスの温度が最も高いので、二重筒構造の下部では環状部の下部に流入する高温の燃焼排ガスが加熱炉から排出される燃焼排ガスを加熱してしまい、装置全体としての熱効率がそれほど高くならない。
本発明は、上記炭化装置や自燃炭化加熱処理装置の現状に鑑み、これらの装置の熱効率を向上せしめようとするものである。

上記課題を解決するための本発明は、
上方部に中央に貫通孔を有する蓋体を備え、底部は底板により閉塞された略円筒状の熱処理装置であって、
前記熱処理装置の内部は、下方部に配設された仕切板によって隔てられることにより、前記仕切板の下部には空気室が形成され、上部には燃焼室が形成され、
前記仕切板には、前記空気室から燃焼室に空気を供給するための複数の空気孔が配設され、
前記仕切板の中央には、外筒と内筒からなる二重円筒体が、前記蓋体の貫通孔を貫通して立設され、
前記二重円筒体を構成する前記内筒は、上端には空気を吸い込むための吸気ノズルを備えると共に、下端は前記空気室に開放され、
前記二重円筒体を構成する前記外筒は、下部外周に前記外筒と内筒の間に形成される環状流路に前記燃焼室からの燃焼ガスを流入させる排気孔が形成されると共に、上端には前記燃焼ガスを流出させる排気ノズルを備えることを特徴とする熱処理装置である
また、本発明の他の局面は、
前記空気室は補助吸気ノズルを備え、前記補助吸気ノズルには補助空気流量制御弁が配設されていることを特徴とする熱処理装置である。
また、本発明の他の局面は、
前記蓋体は内周部につば部を備え、前記つば部は前記二重円筒体を構成する外筒の外側面と接していることを特徴とする熱処理装置である
また、本発明は、
前記熱処理装置による被熱処理材料の熱処理方法であって、
前記吸気ノズルから空気を吸い込んで前記空気室に導入する工程と、
前記空気室に導入された前記空気を前記仕切板の空気孔から前記燃焼室に供給する工程と、
前記空気により前記被熱処理材料を自発燃焼させる工程と、
前記自発燃焼により発生した燃焼ガスと前記吸気ノズルから吸い込まれた空気を二重円筒体により熱交換させる工程とを含むことを特徴とする熱処理方法である
また、本発明の他の局面は、
前記補助空気流量制御弁により、前記補助吸気ノズルより吸い込む空気の流量を制御する工程を含むことを特徴とする熱処理方法である。

本発明に係る熱処理装置によれば、二重円筒体の内筒を流れる空気と環状流路を流れる燃焼ガスとを逆方向に対向させて流して熱交換させることにより 空気と燃焼ガスの熱交換効率を高くすることができるので、熱処理装置の熱効率を高くすることができる。また、本発明に係る熱処理方法によれば、被熱処理材料を高い熱効率で熱処理することができる。

本発明の実施形態に係る熱処理装置を示す縦断面模式図である。 図１の矢視Ａ‐Ａからの横断面模式図である。 熱処理装置を含む熱処理システムのフロー図である。 蓋体を示す斜視模式図である。 熱処理装置内の二重円筒の環状流路を流れる燃焼ガス及び内筒内部を流れる空気の温度分布を示す図である。

以下に、本発明に係る熱処理装置の実施形態について説明する。図１は熱処理装置１の縦断面模式図であり、図２は図１における矢視Ａ‐Ａからの横断面模式図、図 は熱処理装置１を含む熱処理システムのフロー図である。なお、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
図 及び図２に示すように熱処理装置１は略円筒形状であり 胴部１０の上部に図 に示す蓋体１１を備える。蓋体１１は 熱処理装置１内部の燃焼室５０に被熱処理材料Ｆを投入し、熱処理終了後の固形分Ｃを熱処理装置１から取り出す際に開閉され 熱処理を行う際には蓋体１１を閉じることにより熱処理装置 を密閉状態にする 胴部１ には熱処理装置 から外部への熱放出を防ぐために、全周に渡って断熱材１ が配設され、図示しない金属ネットにより支えられている。熱処理完了後の固形分Ｃを取り出すために、熱処理装置１の両側に図示しない支持柱を設置し、支持柱に対して図示しない支持軸を熱処理装置１の外側面から支持柱に対して垂直になるように回動自在に配設し、熱処理装置１を傾斜することができるようにしている
蓋体１１は、図 に示すように半割構造となっており、２つの部分蓋体１１１及び１１２を組み合わせて蓋体１１とし、熱処理装置 内部を密閉状態にする。部分蓋体１１１及び１１２の各々の蓋部１１ａは扇形形状の板であり、内周部分にはつば部１１ｃを有し、２つの部分蓋体１１１及び１１２を組み合わせると中央部に貫通孔１１ｂを有する蓋体１ となる。これにより２つの蓋部１１ａは円環を形成し、２つのつば部１１ｃは円筒を形成することにより、後述する二重円筒体６０を備える熱処理装置１の内部を密閉することができる。部分蓋体１１１及び１１２は適宜な締結方法で固定され、これにより形成される蓋体１１は 熱処理装置１に対してクランプ機構やボルト及びナット等の適宜な締結方法により固定される。なお、ここで蓋体１１は２つの部分蓋体１１１と１１２に分割されているが、３分割以上されていても良い
熱処理装置１の底部では、底板 の上方に胴部１０の内周の複数個所に支持板１３が配設され、支持板１３の上に仕切板 が非固定状態に載置されていて、熱処理開始後の仕切板３０の温度上昇による熱膨張の影響を受けないようにしている 底板 と仕切板 により形成される空間が空気室 であり、仕切板 の上部空間は被熱処理材料Ｆを自発燃焼させて熱処理するための燃焼室 である。燃焼室５０内部には図示しない複数の温度センサーＳが設置され、燃焼室５０の所定位置での温度を測定できるようになっている。
仕切板３０には 複数の空気孔３１が同心円状に設けられており、空気室 から空気孔３１を通過して空気Ａが燃焼室５０に供給される。空気孔３１の上側には 空気孔カバー３２が溶接等適宜な方法で配設され、被熱処理材料Ｆや熱処理後の固形分Ｃにより空気孔３１が閉塞されないようにしている。空気室４０には、補助吸気ノズル４１及び着火熱源用ノズル４２が設けられており、補助吸気ノズル４１には補助空気流量制御弁４ が配設され、着火熱源用ノズル４２の端部には 閉塞板４４が図示しないクランプ機構等により開閉可能に取り付けられている。
仕切板３０の中央部には二重円筒体６０が立設され、二重円筒体 の上端は蓋体 の貫通孔１１ｂを突き抜けている 二重円筒体６０は外筒６１及び内筒６２から構成され、外筒６１と内筒６２の間には環状流路６３が形成されている。内筒６２の上端の吸気ノズル６２ａには吸気管６４が接続され、吸気管６４から吸い込んだ空気Ａは内筒６２内を上方から下方に向かって流れる。一方、環状流路６３には 被熱処理材料Ｆの自発燃焼に伴い発生する燃焼ガスＧが、後述する外筒６１の下部の外周に配設された排気孔６１ａから流入し、環状流路６３内を下方から上方に向かって流れる
吸気管６４から吸気ノズル６２ａを経て吸い込まれた空気Ａは 内筒６２を上方から下方へ流れる際に、環状流路６３を下方から上方に向けて流れる燃焼ガスＧとの熱交換により加熱されながら空気室４０に到達する。外筒６１と内筒６２により形成される環状流路６３の下端は 仕切板３０により閉じられていて空気室４０には開放されていないが、外筒６１の下部の外周には複数の排気孔６１ａが全周に渡って設けられ、燃焼室５０で発生した燃焼ガスＧは排気孔６１ａを通過して環状流路６３に流入する。環状流路６３に流入した燃焼ガスＧは 環状流路６３を下方から上方へ上昇する際に空気Ａと熱交換をしながら環状流路６３の上部に到達し、排気ノズル６１ｃ及び排気管 を通過して処理設備Ｔに送られる。
二重円筒体６０を構成する外筒６１及び内筒６２の熱膨張により発生する応力によって熱処理装置１が破損するのを防止するために、蓋体１１のつば部１１ｃと外筒６１との間には図示しない適宜なシール部材を配して、熱処理装置１内部を密閉状態に維持するようにしている。また、外筒６１と内筒６２が接する外筒６１の対応部分にもつば部６１ｂを設け、内筒６２とつば部６１ｂの間には図示しない適宜な充填物を配して 熱処理装置１内部を密閉状態に維持するようにしている。なお、排気ノズル６１ｃ出口の配管の一部をフレキシブル管として、外筒６１及び内筒６２の熱膨張により発生する応力を吸収しても良い
次に、以上の構成の熱処理装置 により被熱処理材料Ｆを処理する手順について説明する。まず熱処理装置１の蓋体 を開放して 所定量の被熱処理材料Ｆを燃焼室５０内に充填した後に 蓋体 を閉じて熱処理装置 を密閉状態にする。蓋体１１の開閉は、部分蓋体１１１及び１１２の分解又は組立により行う。続いて、着火熱源用ノズル４ の端部に配されている閉塞板４ を開放し、ガスバーナー等の着火熱源を着火熱源用ノズル４ から挿入して、被熱処理材料Ｆに着火して燃焼を開始させる。被熱処理材料Ｆが着火したのを確認したら 処理装置Ｔ内のブロワーＢを稼働させて 吸気管６４から吸気ノズル６２ａを経て空気Ａを吸い込み、二重円筒体６０の内筒 を経由して空気室４０に空気Ａを供給し、着火熱源用ノズル４ の端部の閉塞板４ を閉鎖する
被熱処理材料Ｆが自発燃焼を開始すれば、被熱処理材料Ｆから発生する燃焼熱 及び空気室４０内の空気Ａが仕切板３０に設けられた空気孔３１から燃焼室５０内に供給されることにより、さらに被熱処理材料Ｆの自発燃焼が促進される。自発燃焼により発生した高温の燃焼ガスＧは、二重円筒体６０を構成する外筒６１の下部外周に設けられた複数の排気孔６１ａから二重円筒体６０内部の環状流路６３に流入し、環状流路６３内部を下方から上方に上昇して排気管６ を経て、処理設備Ｔに到達する
なお、被熱処理材料Ｆとして炭化用材料を使用して炭を得ることを目的とする場合には、自発燃焼の進行中は燃焼室５０内部を酸素不足状態に維持し、炭化用材料中の炭素分が燃焼しないようにする。
被熱処理材料Ｆの自発燃焼が進行するにつれて、外筒６１側では燃焼ガスＧが有する熱と被熱処理材料Ｆの自発燃焼による発熱により外筒６１の外側下部が高温に達する。一方、二重円筒体６０内部の環状流路６３に流入した燃焼ガスＧにより、外筒６１の内側の下部も高温に達する。このように外筒６１の下部は外側及び内側から加熱されるため、次第に高温領域が上部に広がり、やがて外筒６１全体が高温に達する これにより燃焼室５０内の被熱処理材料Ｆは、外筒６１からの伝熱、下方で自発燃焼している被熱処理材料Ｆから発生する燃焼ガスＧによる伝熱 及び被熱処理材料Ｆ同士の伝熱により、自発燃焼領域が被熱処理材料Ｆの充填層の全体に拡大し、最終的に全ての被熱処理材料Ｆが熱分解して熱処理が完了する
二重円筒体６０では、外筒６１と内筒６２により形成される環状流路６３内部を燃焼ガスＧが下方から上方へ流れ、内筒６２内部では空気Ａが上方から下方に流れる。そして空気Ａは 二重円筒体６０の環状流路６３を流れる燃焼ガスＧと内筒６２を通じて熱交換して加熱されることにより、高温の空気Ａとなって空気室４０に到達し、仕切板３０に設けられた複数の空気孔３１から燃焼室５０内に供給される。この際に二重円筒体６０における熱交換は、環状流路６３を下方から上方に向けて流れる燃焼ガスＧと、内筒６２を上方から下方に向けて流れる空気Ａが対向流の関係にあり、図 に示すように上方及び下方での燃焼ガスＧと空気Ａの温度差が大きいので、熱交換量が大きく効率的である。
被熱処理材料Ｆの熱分解が完了すれば 被熱処理材料Ｆの充填層の温度が低下し、又は燃焼ガスＧの温度が低下するので、燃焼室５０に配した温度センサーＳや排気管６５に温度センサーを配して検出することにより 被熱処理材料Ｆの熱処理の完了を検知することができる。熱処理完了後は蓋体１１を開放し、熱処理装置１を傾斜させて燃焼室５０から固形分Ｃを取り出す。
処理設備Ｔに送られた燃焼ガスＧは、熱交換器７１により冷却された後に気液分離槽７２に送られて有用な炭化水素等を分離された後に、ブロワーＢから焼却炉７３に送られ焼却された後に外部に排出される。
熱処理中の燃焼室５０内の被熱処理材料Ｆの充填層の温度は、燃焼室５０内に供給される空気の流量及び温度により調整可能である。そのため、空気室４０の補助吸気ノズル １に設置した補助空気流量制御弁４３により、補助空気Ａ１の流量を制御して被熱処理材料Ｆの充填層の温度を調整することが可能である。この場合、補助空気流量制御弁４３を開いて補助吸気ノズル４１から低温の補助空気Ａ１を吸い込むことにより、空気室４０から空気孔３１を経て燃焼室５０に供給される空気の温度が低下するので、被熱処理材料Ｆの充填層の温度が低下する。一方、温度が下がり過ぎた場合には、補助空気流量制御弁４３の開度を小さくすることにより、補助吸気ノズル４１から吸い込む低温の補助空気Ａ１の流量を小さくすれば良い。補助空気流量制御弁４３は手動弁として手動で開度を調整しても良いし、自動制御弁として図示しない制御回路から被熱処理材料Ｆの充填層の温度を制御パラメータとして調整しても良い。
上記とは異なり、ブロワーＢの図示しないモーターの回転数によって燃焼室 に供給される空気流量を制御して、燃焼室５０内の温度を調整することができる。また、吸気管６４の上流又は下流に手動又は自動の空気流量制御弁を設置して、当該空気流量制御弁の開度により燃焼室５０に供給される空気流量を制御しても良いし 当該空気流量制御弁の開度とブロワーＢのモーターの回転数とを組み合わせて制御しても良く、さらにこれらと補助空気流量制御弁４３とを組み合わせて制御しても良い。

以上に開示された実施形態は例示であって、本発明の範囲は以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての修正や変形を含むものである。

熱処理装置
胴部
蓋体
部分蓋体
１１ａ 蓋部
１１ｂ 貫通孔
１１ｃ （蓋体の）つば部
断熱材
支持板
底板
仕切板
空気孔
空気孔カバー
空気室
補助吸気ノズル
着火熱源用ノズル
補助空気流量制御弁
閉塞板
燃焼室
二重円筒体
外筒
６１ａ 排気孔
６１ｂ （外筒の）つば部
６１ｃ 排気ノズル
内筒
６２ａ 吸気ノズル
環状流路
吸気管
排気管
熱交換器
気液分離槽
焼却炉
Ａ 空気
Ａ１ 補助空気
Ｂ ブロワー
Ｃ 固形分
Ｆ 被熱処理材料
Ｇ 燃焼ガス
Ｓ 温度センサー
Ｔ 処理設備

Claims (5)

1. 上方部に中央に貫通孔を有する蓋体を備え、底部は底板により閉塞された略円筒状の熱処理装置であって、
   前記熱処理装置の内部は、下方部に配設された仕切板によって隔てられることにより、前記仕切板の下部には空気室が形成され、上部には燃焼室が形成され
   前記仕切板には、前記空気室から燃焼室に空気を供給するための複数の空気孔が配設され
   前記仕切板の中央には、外筒と内筒からなる二重円筒体が、前記蓋体の貫通孔を貫通して立設され、
   前記二重円筒体を構成する前記内筒は、上端には空気を吸い込むための吸気ノズルを備えると共に、下端は前記空気室に開放され、
   前記二重円筒体を構成する前記外筒は、下部外周に前記外筒と内筒の間に形成される環状流路に前記燃焼室からの燃焼ガスを流入させる排気孔が形成されると共に、上端には前記燃焼ガスを流出させる排気ノズルを備えることを特徴とする熱処理装置
2. 請求項１に記載の熱処理装置において、
   前記空気室は補助吸気ノズルを備え、前記補助吸気ノズルには補助空気流量制御弁が配設されていることを特徴とする熱処理装置
3. 請求項１又は２に記載の熱処理装置において、
   前記蓋体は内周部につば部を備え、前記つば部は前記二重円筒体を構成する外筒の外側面と接していることを特徴とする熱処理装置
4. 請求項１ に記載の熱処理装置による被熱処理材料の熱処理方法であって、
   前記吸気ノズルから空気を吸い込んで前記空気室に導入する工程と、
   前記空気室に導入された前記空気を前記仕切板の空気孔から前記燃焼室に供給する工程と、
   前記空気により前記被熱処理材料を自発燃焼させる工程と、
   前記自発燃焼により発生した燃焼ガスと前記吸気ノズルから吸い込まれた空気を二重円筒体により熱交換させる工程とを含むことを特徴とする熱処理方法
5. 請求項４に記載の熱処理方法において
   前記空気室は補助吸気ノズルを備え、前記補助吸気ノズルには補助空気流量制御弁が配設され、
   前記補助空気流量制御弁により、前記補助吸気ノズルより吸い込む空気の流量を制御する工程を含むことを特徴とする熱処理方法。

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