JP2015224795A - 有機物の燃料ガス化発生装置とその熱利用 - Google Patents

Abstract

【課題】炉内への適正な磁化空気の流入で炉内の熱分解を継続させて自己燃焼濃度ガスを生成する熱分解炉と、該熱分解炉と連結した燃焼器を備えたヒートポンプを提供する。【解決手段】ヒートポンプ１は、第一の熱源２１と給気口１１３とを備え、有機性廃棄物Ｉを収容し該有機性廃棄物Ｉを熱分解して灰化する灰化炉１１と、第二の熱源２２と給気口１２３を備え、該灰化炉１１において有機性廃棄物Ｉが熱分解して生成される排ガスＧを該第二の熱源２２により自己燃焼させ、該第二の熱源２２を遮断した後も自己燃焼を維持する燃焼器１２と、該灰化炉１１の給気口１１３及び該燃焼器の給気口１２３に空気Ａを適正に給気する送風機１３と、該送風機１３と該灰化炉１１の給気口１１３との間に配置され、該送風機１３からの空気Ａを磁化する磁化装置とを備えることを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、炉内への適正な磁化空気の流入で炉内の熱分解を継続させて自己燃焼濃度ガスを生成する熱分解炉と、該熱分解炉と連結した燃焼器と、その熱利用に関する。

近年、環境問題への関心から、いわゆる産廃ゴミは再生利用され、リサイクル率は向上しているものの、有機物を含んだ廃棄物の処理は分別の煩雑さだけでなく焼却処分による減容処理の際のダイオキシン生成など問題点も多く、廃棄物の再資源化と減容処理には多大な労力とエネルギーが投入されているのが実状である。

わが国において、廃棄物処理法における廃棄物の焼却処理システムは、収集された廃棄物を安定化（有機物を無機化する等）・無害化（有害物質や病原性生物などを分解、除去、死滅させる）し、減量・減容化を図り、その焼却灰等を有効利用又は衛生的に処分するとともに、余熱を有効利用するものと定義している。この焼却処理システムの基本的構成について、その処理の原理で整理すると、産業廃棄物中の有機物を直接燃やすシステム（「基本システムＩ」とする。）と産業廃棄物中の有機物を熱分解によりガス化させた後、別の空間でその発生ガスを燃やすシステム（「基本システムＩＩ」とする。）の二つに大別される。基本システムＩは、産業廃棄物中の有機物を供給酸素と直接反応させるシステムである。他方、 基本システムＩＩは、産業廃棄物中の有機物を無（低）酸素雰囲気で熱分解によりガス化させた後、別の空間でその発生ガスを供給酸素と反応させるシステムである。発生ガスの一部を供給酸素による部分燃焼により改質（燃焼を伴うクラッキング）させて、燃料等の改質ガスを回収するシステムもこれに該当する。

最近、有機物を比較的低温で熱分解させる処理技術が開発され、有機物系の廃棄物をダイオキシン等の有害物質を発生させることなく廃棄処理することができるようになってきている。この処理技術は、有機物を外気を遮断した処理槽に投入し、有機物を加熱するとともに処理槽に磁化された空気（磁化空気）を抑制的に供給するものである。磁化空気は、磁力によって酸素が活性化されるものであることから、有機物の炭素分子と激しく熱分解反応を起こさせるという特性がある。この結果、有機物は、水，灰化物、ガスに酸化分解されることになる。特許文献１には、小規模処理焼却炉などで、外部から空気取り入れ口に磁石を配置し磁気化した空気を焼却炉内に自然に取り入れ、焼却あるいは熱分解処理するという方法が開示されている。

また、特許文献２に係る有機物処理装置には、投入された有機物を加熱するとともに磁化空気を抑制的に供給して熱分解する処理槽に接続され有機物から分解され発生したガスを燃焼処理するオイルバーナを有した燃焼処理機構を備えた有機物処理装置が記載されている。そして、該有機物処理装置によれば、有機物から分解され発生したガスを燃焼処理機構のオイルバーナの火炎による燃焼処理で無害化，無臭化するものとしている。

特許第４００８１８１号 特開２０１０−５５８１号公報

しかし、特許文献１に係る熱分解処理方法によれば、空気の自然給排気方法でかつ極端に空気調整弁でしぼられた空気なので、炉内の処理発生ガスと共に発生する水蒸気が自然排出では適切に排出されず、炉内壁面に水蒸気が結露し、結露した水分が焼却炉内底部に壁面からたれ落ち焼却床面を炉内壁から濡らしていき、時間の経過とともに焼却面積を縮小させ、処理能力が落ちていく問題を有している。また、外部空気取り入れ口から焼却炉内に直接空気を自然に取り入れ、空気量を調整弁で減少されているため、取り入れ口付近のみの、わずかな空気量となり焼却炉全体に行き渡らない事と、外気温の低い空気が取り入れ口付近の焼却炉内の有機物の温度を低くし、焼却炉の処理能力が落ち安定した処理を得られないという問題を有している。特許文献２に係る有機物処理装置では、燃焼処理機構のオイルバーナの燃料コストが掛かるため、運転コストが高くなってしまうという問題点がある。

さらに、一般的なバイオマスボイラーにおいては、第一にクリンカーと称する炭化物の塊が大きいこと、第二に、直接燃焼熱での炉の劣化によるメンテナンス費用が大きいこと、第三に熱分解炉において分解に時間がかかるとともに分解時に発生する有害な排ガスを効率よく処理できないという問題があった。第四の問題として、排ガスを処理する方法として、バーナーで二次燃焼させるが化石燃料を使用しないという特徴がなくなるため、焼却炉扱いとなって消防法の届け出が必要になる。また、他の排ガス処理装置においてはコスト面から費用対効果が問題となる。

すなわち、産業廃棄物やそのリサイクル燃料を直接燃焼させるバイオマスボイラーや、炉内の対流を利用した磁化空気の流入で炉内の熱分解を継続させる熱分解炉は普及していないのが現状である。さらに、有機物を熱分解で自己燃焼濃度ガスに変換し、そのガスの熱エネルギーを利用する目的で開発された熱分解炉は存在していない。

そこで本発明の目的は、上記課題を解決するため、炉内への適正な磁化空気の流入で炉内の熱分解を継続させて自己燃焼濃度ガスを生成する熱分解炉と、該熱分解炉と連結した燃焼器の提供とその熱利用であって、上述した焼却処理システムの基本システムＩにも基本システムＩＩにも該当しない熱分解炉を備えたヒートポンプを提供することを目的とする。

本願発明者は上記課題について鋭意検討した結果、炉内に臨界点以上に磁化された空気を適正に供給することで自己燃焼濃度ガスが生成されることがわかり、本発明にいたった。すなわち、熱分解速度が速くなることで炉内のガスの発生量が多くなることを発見したのである。ここでいう「適正」とは、炉内で発炎に至らない空気量を指す。よって、空気は、燃焼物が発炎しない範囲で最大供給することが好ましい。

本発明に係るヒートポンプは、第一の熱源と給気口とを備える灰化炉であって、有機性廃棄物を収容し該有機性廃棄物を熱分解して灰化する灰化炉と、第二の熱源と給気口とを備える燃焼器であって、該灰化炉において該有機性廃棄物が熱分解して生成される排ガスを該第二の熱源により自己燃焼させ、該第二の熱源を遮断した後も自己燃焼を維持する燃焼器と、該灰化炉の給気口及び該燃焼器の給気口に空気を適正に給気する送風機と、該送風機と該灰化炉の給気口との間に配置され、該送風機からの空気を磁化する磁化装置とを備えることを特徴とする。なお、上述の第一の熱源は、点火後、雰囲気温度が稼働温度に達するまで利用し、稼働温度に達した後は電源を遮断する。好ましくは、第一の熱源は、点火後、近傍にある有機性廃棄物の一部が熱分解を開始するまで利用し、その後は電源を遮断するとよい。また、第二の熱源は、点火後、排ガスが自己燃焼濃度に達するまで利用し、自己燃焼濃度に達した後は電源を遮断する。

灰化炉は、その頂部に備える有機性廃棄物投入口及びこれを施蓋する開閉蓋と、その内側を水平に連通し有機性廃棄物を乾燥させるための廃棄物蓄積空間を形成する乾燥棚と、さらに廃棄物蓄積空間下方で、第一の熱源により有機性廃棄物を熱分解してガスを生成するガス生成空間と、該ガス生成空間の任意の底面に灰取出し口を備えるように構成するとよい。

有機性廃棄物として、ＲＰＦ又は木質のチップもしくはペレットを直接に使用可能である。

また、磁化空気は永久磁石を使用して発生させるとよい。

本発明のヒートポンプによれば、燃料としてはいかなる有機物をも使用することができる。例えば、ＲＰＦや木質廃棄物を使用する場合は、ペレットのみならずチップのままであっても使用可能であるし、タイヤ、プラスチック、塩化ビニール等あらゆる有機物を投入することができる。このような有機性廃棄物を利用することで燃料代を半減することができる。

本発明のヒートポンプによれば、引火後はヒーターをオフにするので、稼働時の電力消費は空気供給用ファンのみとなり、低コストでの稼働が実現し、ランニングコストを低減することができる。また。自己燃焼するガスの排熱を利用することからボイラーではないので、事業者にとっては、ボイラー取扱資格が不要で、消防法や大気汚染法等の規制がないため行政庁への届出が不要というメリットがある。

本発明のヒートポンプによれば、熱分解により有機物をセラミック灰まで減容し、有機性廃棄物の残さを減少させるメリットがある。

また、本発明のヒートポンプによれば、１０００℃以上の燃焼でダイオキシンが発生せず、無公害というメリットがある。さらに、化石燃料を使用しないため、二酸化炭素削減にもつながるというメリットもある。

また、本発明のヒートポンプによれば、有機物の直接燃焼ではなくガス化であるため、バイオマスボイラーにみられるようなクリンカーを生成しないというメリットがある。さらに、灰化炉内の温度が低く、炉の寿命が長いため、メンテナンス料の低減にもつながる。

最後に、本発明のヒートポンプによれば、灰化炉において、水蒸気から水素や一酸化炭素の可燃性ガスを生成するので、直接燃焼に比べ高エネルギーに変換できるというメリットがある。

本発明のヒートポンプの基本構成を示す概念図である。 有機物を燃料ガス化するまでのフローを示す図である。 有機物を燃料ガス化するまでのフローを示す図である。 有機物ＩをガスＧにした上で自己燃焼させ、熱Ｘとして排出するまでのフローを示す図である。 本発明のヒートポンプを熱交換器に連結した図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。各図において、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。また、図面は、本発明を理解するために誇張して表現している場合もあり、必ずしも縮尺どおり精緻に表したものではないことに留意されたい。なお、本発明は下記に示される実施例に限られるものではない。

実施例１を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明のヒートポンプ１の基本構成を示す概念図である。

まず、本発明のヒートポンプ１の基本構成を説明する。図１を参照すると、本発明のヒートポンプ１は、灰化炉１１と燃焼器１２と送風機１３と磁化装置１４とから主に構成される。

灰化炉１１は、その頂部に有機性廃棄物を投入する有機性廃棄物投入口１１４及びこれを施蓋する開閉蓋１１５と、その内側を水平に連通し有機性廃棄物を乾燥させるための乾燥空間１１０ａを形成する乾燥棚１１６と、さらに乾燥棚１１６の下方には、有機性廃棄物を熱分解してガスを生成するガス生成空間１１０ｂと、該ガス生成空間１１０ｂの任意の底面に灰取出し口１１７及びこれを開閉する扉１１８とを備えている。なお、熱処理空間１１０ｂには、有機性廃棄物を熱分解するための第一の熱源２１が設けられるとともに、後述する送風機１３から給気される磁化空気Ａの給気口１１３を設けている。また、灰化炉１１は、乾燥空間１１０ａの任意の側面に、有機性廃棄物が乾燥空間１１０ａにおいて乾燥してゆく過程で発生する水蒸気及び臭気を排出する第一の排気口１１１を備えるとともに、ガス生成空間１１０ｂの上部側面には、有機性廃棄物を熱分解する過程で発生するガスＧを排出する第二の排気口１１２を備えている。

燃焼器１２は、内部に第二の熱源２２を備え、灰化炉１１の第一の排出口１１からの水蒸気Ｖ及び臭気を配管４１を介して受け入れる第一の流入口１２１と、灰化炉１１の第二の排出口１１２からのガスＧを配管４２を介して受け入れる第二の流入口１２２を備え、これらを自己燃焼させる。自己燃焼して生成された熱Ｘは排出口１２４を通って排出される。

送風機１３は、給気パイプ５１、５２を介して、灰化炉１１と燃焼器１２とに送風する。二台の送風機１３が灰化炉１１と燃焼器１２とにそれぞれ送風するように構成してもよいし、一台で灰化炉１１と燃焼器１２とに送風するように構成してもよい。磁化装置１４は、送風機１３から送られる空気を磁化する装置である。磁化空気は、磁力によって酸素が活性化されて、有機物の炭素分子と激しく熱分解反応を起こさせるという特性がある。この結果、有機物は、水，灰化物、ガスに酸化分解されることになる。

図２ないし４は、有機物ＩをガスＧにした上で自己燃焼させ、熱Ｘとして排出するまでのフローを示す図である。図２ないし４を参照しながら、当該フローを詳細に説明する。まず、図２（ａ）に示すとおり、処理する有機物Ｉを、灰化炉１１の開閉蓋１１５を開いて、有機性廃棄物投入口１１４から内部に投入する。そうすると、図２（ｂ）に示すとおり、投入された有機物Ｉは乾燥棚１１６の上に保持される。後述する第一の熱源２１が点火されると、乾燥棚１１６の上方の乾燥空間１１０ａで有機物Ｉが保有する余分な水分を熱処理空間１１０ｂに投入する前に予め飛ばすことができ、熱処理空間１１０ｂに投入時に有機物の熱分解処理効率を向上させることができる。余分な水分は臭気とともに水蒸気Ｖとして、第一の排気口１１１から配管４１を介して、燃焼器１２に搬送される。なお、後述する図４（ａ）に示すように、乾燥棚１１６すなわち乾燥空間１１０ａを設けることによって有機物Ｉの熱分解処理中でも連続投入又は間歇投入が可能となる。

図３（ａ）と（ｂ）を参照する。乾燥棚１１６は、乾燥した有機物Ｉをガス生成空間１１０ｂに投入するため、灰化炉１１内において摺動自在、伸縮自在又は開閉自在に据置すると好適である。次に、ガス生成空間１１０ｂにおいて、第一の熱源２１が点火され、灰化炉１１内の雰囲気温度が稼働温度に達すると第一の熱源２１の熱源をオフする。好ましくは、第一の熱源２１は、点火後、その近傍にある有機性廃棄物Ｉの一部が熱分解を開始するまで利用し、その後は熱源を遮断するとよい。すなわち、有機物Ｉの一部を最初に点火させるだけで後は熱源を遮断し、第一の熱源２１から熱供給を一切加えることなく順次有機物Ｉを順次熱分解させ、熱分解時において有機物Ｉが常時炎を生起しない状態で熱分解処理がされるように、送風機１３から給気口１１３を介して磁化空気Ａを適正に供給する。ここでいう「適正」とは、炉内で発炎に至らない空気量を指す。よって、空気は、ガス生成空間１１０ｂにおいて、燃焼物が発炎しない範囲で、万遍なく最大供給することが好ましい。この熱分解処理により、有機物Ｉは炭（符号：Ｃ１）化し、灰（符号：Ｃ２）化し、最終的にはセラミック灰化（符号：Ｃｅ）する。すなわち、有機物Ｉがセラミック灰Ｃｅまで分解されるので、一般的な焼却炉と比べ、残渣を減容できる。図４（ａ）に示すとおり、セラミック灰Ｃｅは、残さ排出口１１７の該排出口開閉蓋１１８を開放して取り出す。本発明の装置１では、熱処理空間１１０ｂにおいて熱分解処理中に燃焼用の燃料の供給が一切不要であり、大幅な熱分解用熱源からの熱供給量の削減が可能となる。熱分解により生成されたガスＧは、第二の排気口１１２から配管４２を介して、燃焼器１２に搬送される。

図４（ｂ）を参照する。ガス生成空間１１０ｂから搬送されたガスＧは、燃焼器１２内の第二の熱源２２が点火され、同じく乾燥空間１１０ａから搬送された水蒸気Ｖ及び臭気とともに燃焼される。第二の熱源２２はガスＧが自己燃焼濃度に達すると熱源が遮断される。なお、燃焼器１２内には、送風機１３から給気口１２３を介して空気Ａを適正に供給する。すなわち、空気Ａが適正に供給されることにより、ガスＧが自己燃焼することで燃焼器１２内の温度が維持又は上昇するので、連続高温燃焼が可能となり、結果として生成された熱Ｘは、排出口１２４を通って排出される。なお、燃焼器１２内に供給される空気は、磁化空気であってもよい。平成11年7月1日以降に設置された大気汚染防止法対象のボイラーは「助燃装置」の設置が必要であるが、本発明に係るヒートポンプ１は、助燃装置なしに連続高温燃焼が可能であるので、助燃装置が不要で、ボイラーの法規制を受けない。

なお、投入する有機物Ｉとして、ＲＰＦ（Ｒｅｆｕｓｅ Ｐａｐｅｒ ａｎｄ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｕｅｌ）を用いることができる。ＲＰＦは、化石燃料代替品として、製紙、鉄鋼、石灰、発電その他種々の産業分野で用いられている。古紙や廃プラスチックを主原料とし、石炭・コークス並に高カロリーの固形燃料であるＲＰＦは、品質の安定性や経済性がよく、排ガス対策や温室効果ガス発生の低減の面でもメリットがある。また、磁化空気の量を調節したり燃焼熱量を調節したり、ガス化燃焼を制御する構成とすることができる。それにはコンピュータ（マイコン）による自動制御を適用できる。

最後に、図５を参照する。図５は、本発明に係るヒートポンプ１を熱交換器１４に連結した図である。上述した熱Ｘを熱交換器１４に入れると、送水ポンプから送られた水を熱し、湯・蒸気に変え、クリーンエアＹを排出する。したがって、本発明に係るヒートポンプ１によれば、直接燃焼に比べ高エネルギーに変換できることから、生成された熱Ｘを直接ボイラーの熱源としての使用のみならず、熱交換器１４に入れ、熱移動させて、発電・乾燥・暖房等に使用できる。

以上、本発明に係るヒートポンプにおける好ましい実施形態を説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。

本発明のヒートポンプによれば、既存のボイラーのバーナーとして活用できるので、例えば、浴場・ホテル・民宿・福祉施設・養護介護施設における給湯・暖房、温室・ビニールハウス等の農林業施設における給湯・暖房、養豚・養鶏舎等の畜産施設における給湯・暖房、一般の工場等における給湯・暖房、さらに冬季積雪・降雪地域における融雪設備にも利用することができる。また、熱交換器との組み合わせで、発電・乾燥等にも利用できる等広範な産業分野において利用することができる。

１ ヒートポンプ
１１ 灰化炉
１１０ａ 乾燥空間
１１０ｂ ガス生成空間
１１１ 第一の排出口
１１２ 第二の排出口
１１３ 給気口
１１４ 有機性廃棄物投入口
１１５ 投入口開閉蓋
１１６ 乾燥棚
１１７ 残さ排出口
１１８ 排出口開閉蓋
１２ 燃焼器
１２１ 第一の流入口
１２２ 第二の流入口
１２３ 給気口
１２４ 排出口
１３ 送風機
１４ 磁化装置
４１ 第一の配管
４２ 第二の配管
５１ ５２ 給気パイプ
１５ 熱交換器
Ａ 空気（磁化空気）
Ｇ ガス
Ｘ 熱
Ｉ 有機性廃棄物
Ｖ 水蒸気
Ｈ 湯・蒸気
Ｙ クリーンエア

Claims (7)

1. 第一の熱源と給気口とを備える灰化炉であって、有機性廃棄物を収容し該有機性廃棄物を熱分解して灰化する灰化炉と、
   第二の熱源と給気口を備える燃焼器であって、該灰化炉において該有機性廃棄物が熱分解して生成される排ガスを該第二の熱源により自己燃焼させ、該第二の熱源を遮断した後も自己燃焼を維持する燃焼器と、
   該灰化炉の給気口及び該燃焼器の給気口に空気を適正に給気する送風機と、
   該送風機と該灰化炉の給気口との間に配置され、該送風機からの空気を磁化する磁化装置と、
   を備えるヒートポンプ。
2. 前記第一の熱源は、点火後、雰囲気温度が稼働温度に達するまで利用し、稼働温度に達した後は熱源を遮断することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 前記第一の熱源は、点火後、近傍にある前記有機性廃棄物の一部が熱分解を開始するまで利用し、その後は熱源を遮断することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
4. 前記第二の熱源は、点火後、前記排ガスが自己燃焼濃度に達するまで利用し、自己燃焼濃度に達した後は熱源を遮断することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のヒートポンプ。
5. 前記灰化炉は、その頂部に備える前記有機性廃棄物投入口及びこれを施蓋する開閉蓋と、その内側を水平に連通し前記有機性廃棄物を乾燥させるための廃棄物蓄積空間を形成する乾燥棚と、さらに廃棄物蓄積空間下方で、前記第一の熱源により前記有機性廃棄物を熱分解するガス生成空間と、該ガス生成空間の任意の側面下部に備える灰取出し口を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のヒートポンプ。
6. 前記磁化空気は永久磁石を使用するものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のヒートポンプ。
7. 前記有機性廃棄物として、ＲＰＦ又は木質のチップもしくはペレットを直接に使用可能であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のヒートポンプ。

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