JP7049673B2 - 資源化システム及び資源化システムにおける処理部の予熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、過熱水蒸気により廃棄物を炭化・気化させて再資源化する資源化システム及びそのシステムにおける処理部の予熱方法に関する発明であって、特に予熱動作に適したものを提供する。

廃棄物を過熱水蒸気により炭化させる処理装置は、投入口から処理槽内に廃棄物を入れた後、処理槽を密閉して過熱水蒸気を充填し、廃棄物を低酸素状態で炭化させている。このようなバッチ式の処理装置では、炭化後に冷却して炭化物を取り出した後、次の廃棄物を投入し、処理槽を低酸素状態にして炭化処理を繰り返している。バッチ式では廃棄物を投入する毎に処理槽を予熱することになり、効率が悪いという問題があった。

そこで、特許文献１に示すような炭化処理装置では炭化処理炉内に移送コンベアを設け、この移送コンベアにより有機物を搬送しながら炭化させて、有機物を連続して供給・処理可能な連続式としている。

再表２０１３／０１１５５５号公報

特許文献１のように連続式とすることにより炭化させる処理動作における効率は良くなるが、搬送スペースによりバッチ式よりも処理槽（炭化処理炉）のサイズが大きくなる。このため、スタートアップ動作の一つである予熱動作は、処理槽の温度を廃棄物を処理可能な温度にまで予熱昇温させるために、半日以上を要していた。

また、予熱動作の効率向上が望まれているところ、処理流路を利用して予熱動作の向上を図るものも存在するが、この場合廃気路を長い流路としたり濾過工程などが生じてロスが多くなり、予熱動作のみを捉えて効率化させるものではなかった。

そこで、予熱動作に集中して効率化を図ることができる資源化システムが求められていた。

本発明の資源化システムは、過熱水蒸気により廃棄物を炭化、気化する資源化システムであって、蒸気を発生させるボイラと、該ボイラによる蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生部と、前記ボイラと前記過熱水蒸気発生部とを直結する供給路と、前記過熱水蒸気発生部により発生する過熱水蒸気により前記廃棄物を炭化させる処理部とを有し、前記処理部を通過した使用済蒸気を前記供給路に還流する蒸気還流部を備え、前記蒸気還流部は、前記処理部に上流端が開口した還流路と、該還流路を介して前記処理部から使用済蒸気を吸込む負圧式のエジェクタとからなることを特徴とする。

また、使用済蒸気はボイラからの蒸気よりも高温であることが好ましい。

また、処理部は還流路と異なる位置に開口し、独立して排ガスを排出する排気路を有し、前記排気路の下流端は前記排ガスを気体状態のまま濾過するガス濾過部に接続されることが好ましい。

また、処理部は容器状の処理槽であって、過熱水蒸気発生部は前記処理槽の天井部に下向きの吐出孔を有するパイプヒータを配置し、前記吐出孔から過熱水蒸気を吐出するものであって、前記処理槽は、一方の側方であって天井部から投入可能にする供給部を有し、前記一方の側方であって底部から排出可能にする固体排出部を有し、還流路の上流端は、前記固体排出部の位置と異なる他方の側方であって、底部若しくは底部に近接する側面の壁部に形成したことが好ましい。

また、過熱水蒸気発生部であるパイプヒータは、インコネル合金により形成され、電気発熱式であることが好ましい。

また、処理槽は、供給部から固体排出部に通じる搬送路を有するものであって、前記搬送路は、一方の側方から他方に側方に至るコンベアを上下に複数形成し、廃棄物を継続供給して搬送しながら炭化・気化処理する連続処理が可能であることが好ましい。

また、廃棄物は廃プラスチック、ゴミ屑、紙屑、木屑、繊維屑、植物性残渣、作物残渣、食品残渣、廃ゴムのいずれかであることが好ましい。

また、本発明の予熱方法は、過熱水蒸気により廃プラスチック、ゴミ屑、紙屑、木屑、繊維屑、植物性残渣、作物残渣、食品残渣、廃ゴムのいずれかの廃棄物を炭化、気化する資源化システムにおいて前記廃棄物を炭化する処理部の予熱方法であって、ボイラにより発生させた蒸気を前記ボイラと過熱水蒸気発生部とを直結する供給路を通じて前記処理部の天井部に形成される前記過熱水蒸気発生部に送り、前記過熱水蒸気発生部において電気発熱式のパイプヒータにより加熱して発生する過熱水蒸気を前記パイプヒータの下方に向けた吐出孔から噴出させて処理部を加熱し、前記処理部の底部若しくは底部に近接する位置に形成された還流路の上流端から、負圧式のエジェクタを通じて、前記ボイラにより発生する蒸気より高温となる使用済蒸気を前記供給路に還流し、予熱動作終了後であって処理動作前に逆止弁を閉じて蒸気の還流を遮断することを特徴とする。

本発明により、処理部の処理槽を予熱して温度が低下した過熱水蒸気（使用済蒸気）をボイラからの蒸気によりエジェクタから吸込み、この蒸気と混ぜて過熱水蒸気の原料として再使用することができ、予熱動作の時間を大幅に短縮することができる。予熱動作時には処理槽に廃棄物を配置しないため、廃棄物由来の排ガスが発生せず、濾過手段を通さなくても使用済蒸気のみを処理部から取り出すことができる。新たな動力源の追加や冗長な流路や工程を介さずに効率よく予熱時間を短縮することができる。

また、処理部の過熱水蒸気発生部を天井部に配置し、処理槽内にコンベアで複数搬送する部位を有して、固体排出部と異なる側方の底部に還流路を形成することにより、過熱水蒸気発生部や固体排出部から最も離れた位置に還流路が位置することになり、最も処理に影響が少ない位置に配置するだけでなく、最も温度が低下し易い位置から還流路で還流して効果的に予熱動作の効率を上げることができる。又、パイプヒータを用いて装置全体をコンパクトにすることができる。

本発明の実施形態に係る資源化システムの概念図である。 処理槽内部の正面視による概念図である。 図２に示す天井部の平面視による概念図である。 図２の側面図である。 蒸気還流部の流路図である。

本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の資源化システムは廃棄物を過熱水蒸気により炭化、気化して炭化物や油分などを回収して再資源化している。廃棄物としては廃プラスチック、ゴミ屑、紙屑、木屑、繊維屑、植物性残渣、作物残渣、食品残渣、廃ゴムなどの上質な油分が得られる有機化合物を含む廃棄物（有機廃棄物）が好ましく、炭化と気化とは同時または並行に行われるものである。

資源化システムは、図１に示すように、給水部１と、ボイラ２と、過熱水蒸気発生部３と、処理槽５からなる処理部４と、蒸気還流部８と、固体排出部９と、気体回収部１０と、各部を接続する流路と、コンピュータ及びコントローラなどの制御部とからなる。図２の紙面手前を前方、紙面奥を後方、紙面上方を上方、紙面下方を下方として説明する。

給水部１は水道水などの外部からの水をボイラ２や気体回収部１０に供給している。給水部１はボイラ２との間に軟水化部１ａを有し、水を軟水化してボイラ２に供給している。ボイラ２は給水部１からの水を加熱して蒸気（飽和水蒸気）を生成し、この蒸気を、供給路１１を介して過熱水蒸気発生部３に供給している。ボイラ２は例えば電気ボイラからなる。なおボイラ２は蒸気を生成可能であれば燃焼式などであってもよい。

過熱水蒸気発生部３は供給された蒸気から過熱水蒸気を発生させて、処理槽５内に供給している。過熱水蒸気発生部３は、図２乃至図４に示すように、処理槽５の天井部５ａに設けたパイプヒータ３ａからなり、通電により発熱したパイプヒータ３ａ内に蒸気を導入して、この蒸気から過熱水蒸気を発生させて処理槽５に供給している。

パイプヒータ３ａは例えば左右対称に２つ並び配置したインコネルパイプからなる。インコネルパイプはインコネル合金のパイプ材からなるもので、ニッケル、炭素、鉄、クロムを添加した合金であって、強い耐熱性をもち、長時間の使用に耐え得る。また、本実施形態の予熱時においても予熱段階で還流されて順次温度の異なる蒸気がエジェクタ１３を介して送られてきても耐え得ることから本実施形態と相性がよい。

パイプヒータ３ａは下向きに複数の吐出口を等間隔に有して、天井部５ａに敷設される。パイプヒータ３ａは、天井部５ａに折曲、湾曲して敷き詰めることが好ましく、本実施形態では天井部５ａの中央奥側から挿入し、天井部５ａの奥側縁付近を左右に分かれて分岐し、両側縁を湾曲して通った後にさらに逆側に湾曲して各々の中心部分を通過し、中央手前側を通り、中央奥側に通じる略Ｒ字型のような形態としている。この形態に限られず、略Ｓ字状としたり、ジグザグに天井部５ａを敷き詰めるようにしてもよい。

過熱水蒸気はパイプヒータ３ａから処理槽５内の外周側及び中央に吐出され、処理槽５内を昇温して高温状態に維持するとともに、空気を追い出しつつ処理槽５内に充満して低酸素状態（無酸素状態を含む）にする。この空気は処理部４の排気路７から排出され、気体回収部１０を介して外部に排出される。排気路７はダンパー（図示せず）を有し、このダンパーの開閉により処理槽５の内圧を一定の圧力条件（常圧）に保持している。

処理部４は正面視において左右に長く、上下に短い長方形の処理槽５からなる。処理槽５の内部は、過熱水蒸気発生部３を配置する空間を有する天井部５ａと、断熱材からなる壁部５ｂと、前後方向両側から中央に下向き傾斜した舟形の底部５ｃとからなる（図４参照）。処理部４は過熱水蒸気により処理槽５内を昇温させる予熱動作を行った後、廃棄物を処理槽５内に供給して充満した過熱水蒸気により炭化・気化させる処理動作を行っている。この処理動作を行われた廃棄物は炭化物（固体処理物）及び排ガス（気体処理物）に分解される。

予熱動作は処理槽５内に過熱水蒸気発生部３からの過熱水蒸気を充満させて所定の温度以上まで予熱する動作とし、処理槽５内を低酸素状態でかつ４００℃以上の高温状態にすることにより動作完了となり、処理動作に移行する。処理動作は予熱動作から継続して過熱水蒸気を処理槽５内に導入して、低酸素・高温状態を維持しつつ廃棄物を供給して炭化・気化させる動作としている。

蒸気還流部８は予熱に用いて温度が低下した過熱水蒸気（使用済蒸気）を処理槽５から供給路１１に還流する。予熱動作中にのみ蒸気還流部８は機能し、より詳しくは低酸素状態において機能する。具体的には、処理部４内が所定の温度に達し、低酸素状態になるまで逆止弁１４により蒸気還流路８が閉鎖され、所定温度に達した後に逆止弁１４を開放して使用済蒸気がエジェクタ１３に還流される。この逆止弁１４の動作により使用済蒸気をボイラ２より発生する蒸気よりも高温の状態で還流することになる。

蒸気還流部８はポンプなどの動力源を必要とせず、ボイラ２の蒸気により使用済蒸気を流動させる。蒸気還流部８は、供給路１１と処理槽５とを接続する還流路１２と、供給路１１の途中に設けたエジェクタ１３とからなり、エジェクタ１３により還流路１２を負圧にして使用済蒸気を過熱水蒸気発生部３に還流・供給している。本実施形態においては、蒸気還流部８は途中に逆止弁１４を配置してエジェクタ１３に接続したパイプ状の環流路１２のみからなり、濾過装置等の環流路１２の内部を遮断する他の部材を配置していない。

還流路１２は途中に逆止弁１４を有し、下流端がエジェクタ１３の吸込部１３ｃに連通している。還流路１２は、図２乃至図４に示すように、上流端が処理槽５の排気路７と異なる位置に開口し、排気路７とは独立して設けている。還流路１２の上流端は、例えば壁部５ｂの下左端の前後方向の中央に開口して、底部５ｃの傾斜により使用済蒸気を吸込み易くしている。しかも、最も下方に位置し、かつ、排気路７や固体排出部９とは箱体の対角線上若しくは相反する位置（他方の側方）に配置されており、処理部４内で最も低温となり得る位置であり、排気や排出に影響が出ない位置に開口されている。

エジェクタ１３は、図５に示すように、ボイラ２から蒸気（加熱蒸気）が流入される側をノズル側１３ａとし、この加熱蒸気を過熱水蒸気発生部３に吐出する側をスロート側１３ｂとして、この間に還流路１２を接続した吸込部１３ｃを有している。エジェクタ１３はノズル側１３ａからの加熱蒸気の流入により使用済蒸気を吸込部１３ｃから吸込して、加熱蒸気と使用済蒸気とを混合した混合蒸気を供給路１１の下流側（過熱水蒸気発生部３）に供給している。

本実施形態では例えば蒸気の駆動流量及び使用済蒸気の吸込流量をそれぞれ５０ｋｇ／ｈとし、加熱蒸気を１３０℃程度とし、予熱動作初期段階（還流開始初期）の使用済蒸気を１５０℃程度とし、混合蒸気を１３７℃程度としている。加熱蒸気の駆動圧力を０．１９６ＭＰａとし、使用済蒸気の吸込圧力を－１０ｋＰａとし、混合蒸気の吐出圧力を１０ｋＰａとしている。なお使用済蒸気の温度は還流（予熱動作）を続けていけば徐々に高温になっていく。

過熱水蒸気発生部３は加熱蒸気よりも高温の混合蒸気により過熱水蒸気を効率よく発生できて、処理部４の予熱時間を短縮することができる。例えば約７．６ｋＬの処理槽５であれば従来半日要した予熱時間を２時間程度に短縮することができる。

処理部４は処理動作用の設備として、処理槽５内に廃棄物を供給する供給部６と、炭化・気化が完了するまで廃棄物を処理槽５内で搬送する搬送部１５と、処理槽５から排ガスを排出する排気路７とを備えている。

供給部６は、処理槽５の天井部５ａの一方の側方に位置するものであって、ホッパー６ａからロータリバルブからなる投入機構６ｂを経由して投下口６ｃから廃棄物を処理槽５内に投下して、連続的（自動的）に供給可能としている。投下口６ｃは廃棄物の重さにより開く開閉弁６ｄを有し、廃棄物により自動開閉する。

また、供給部６は投入機構６ｂよりも下流に導入口６ｅを有し、導入口６ｅにより投入機構６ｂを介さずに投下口６ｃに向けて廃棄物を導入可能としている。導入口６ｅは手動により開閉する蓋６ｆを有し、手動による供給用として投入機構６ｂを通れない大型の廃棄物などを処理槽５内に投下可能としている。この投入機構６ｂと導入口６ｅとは供給部６として同じ天井部５ａの側方に位置し、１つの投下口６ｃ（開閉弁６ｄ）により処理槽５内に通じるようにしている。

搬送部１５は処理槽５内に上下に２段並べたベルトコンベア１６ａ、１６ｂからなり、処理槽５の左右長さ及びパイプヒータ３ａの全長や設置数を抑えている。上下のベルトコンベア１６ａ、１６ｂは金属製のメッシュベルトにより形成され、上面に廃棄物を配置して搬送する。上下のベルトコンベア１６ａ、１６ｂは水平方向（左右方向）を搬送方向として平行に並び、互いの搬送方向（図２の矢印Ａ、Ｂ）を逆向きとしている。

上段のベルトコンベア１６ａはその上流端（右端）に供給部６から廃棄物が供給され、この廃棄物を右から左端（下流端）に搬送している。下流端に至った処理中の廃棄物はガイド板１８ａにより下段のベルトコンベア１６ｂの上流端（左端）に落下する。また、ガイド板１８ａは還流路１２の上流端（開口）よりも上方に配置されて、過熱水蒸気が迂回して還流路１２に流れ込むように位置し、予熱動作の効率を向上させている。

下段のベルトコンベア１６ｂは還流路１２の開口よりも上方に配置される。下段のベルトコンベア１６ｂはその上流端に落下して供給された廃棄物を下流端（右端）に搬送して、十分に炭化・気化して残った炭化物をガイド部１８ｂにより固体排出部９に投下して排出する。

固体排出部９は処理槽５の底部５ｃの右端に連通している。固体排出部９はスクリューフィーダからなり、炭化物を搬送しながら外気に出しても発火しない程度まで冷却して、炭化物を外部に取り出し可能な状態にしている。

気体回収部１０は、処理槽５内の廃棄物から発生した気体と処理動作に用いた過熱水蒸気とからなる排ガスを回収して、油分、水分、残渣などに分離する。気体回収部１０は、気体状態のまま排ガスを濾過するガス濾過部１９と、濾過した排ガスを冷却して気液分離する熱交換部２０と、分離した液体をさらに油分と水分に分離する油水分離部２１と、分離した気体を脱臭する脱臭装置２２と、排水濾過部２３とからなる。

ガス濾過部１９はサイクロン式とし、遠心力及びフィルターにより排ガスを濾過して、濾過した排ガスを気体状態で熱交換部２０に導入し、残渣を外部に排出している。フィルターは例えば活性炭、酸化鉄、ステンレスウール、消石灰などからなり、塩素、硫黄、タール分などの油における不純物を残渣不純物として除去している。

熱交換部２０は濾過した排ガス（気体状態）が導入され、この排ガスを熱交換により冷却して、油分と水分とからなる液体（油水混合液）と残渣気体（不凝縮ガス）とに分離している。熱交換部２０は油水混合液を油水分離部２１に供給して、不凝縮ガスを脱臭装置２２に導入している。熱交換した水（温水）は冷却部２０ａにより冷却されて再利用される。

油水分離部２１は油水混合液を油分と水分とに分離している。分離した油分の一部は高純度の重油（所謂「Ａ重油」）相当の有用物として再利用可能としている。また、分離した水分は排水濾過部２３により濾過して外部に排水として排出している。

脱臭装置２２は水を用いて不凝縮ガスを脱臭して、外部に無害排ガスとして排出し、用いた水は排水濾過部２３により濾過して排水としている。

２…ボイラ、３…過熱水蒸気発生部、３ａ…パイプヒータ、４…処理部、５…処理槽、７…排気路、８…蒸気還流部、９…固体排出部、１１…供給路、１２…還流路、１３…エジェクタ、１５…搬送部、１９…ガス濾過部。

Claims (8)

1. 過熱水蒸気により廃棄物を炭化、気化する資源化システムであって、
   蒸気を発生させるボイラと、該ボイラによる蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生部と、前記ボイラと前記過熱水蒸気発生部とを直結する供給路と、前記過熱水蒸気発生部により発生する過熱水蒸気により前記廃棄物を炭化させる処理部とを有し、
   前記処理部を通過した使用済蒸気を前記供給路に還流する蒸気還流部を備え、
   前記蒸気還流部は、前記処理部に上流端が開口した還流路と、該還流路を介して前記処理部から使用済蒸気を吸込む負圧式のエジェクタとからなることを特徴とする資源化システム。
2. 使用済蒸気はボイラからの蒸気よりも高温であることを特徴とする請求項１に記載の資源化システム。
3. 処理部は還流路と異なる位置に開口し、独立して排ガスを排出する排気路を有し、前記排気路の下流端は前記排ガスを気体状態のまま濾過するガス濾過部に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の資源化システム。
4. 処理部は容器状の処理槽であって、過熱水蒸気発生部は前記処理槽の天井部に下向きの吐出孔を有するパイプヒータを配置し、前記吐出孔から過熱水蒸気を吐出するものであって、
   前記処理槽は、一方の側方であって天井部から投入可能にする供給部を有し、前記一方の側方であって底部から排出可能にする固体排出部を有し、
   還流路の上流端は、前記固体排出部の位置と異なる他方の側方であって、底部若しくは底部に近接する側面の壁部に形成したことを特徴とする請求項１、２または３のいずれかに記載の資源化システム。
5. 過熱水蒸気発生部であるパイプヒータは、インコネル合金により形成され、電気発熱式であることを特徴とする請求項４に記載の資源化システム。
6. 処理槽は、供給部から固体排出部に通じる搬送路を有するものであって、
   前記搬送路は、一方の側方から他方に側方に至るコンベアを上下に複数形成し、廃棄物を継続供給して搬送しながら炭化・気化処理する連続処理が可能であることを特徴とする請求項４または５に記載の資源化システム。
7. 廃棄物は廃プラスチック、ゴミ屑、紙屑、木屑、繊維屑、植物性残渣、作物残渣、食品残渣、廃ゴムのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の資源化システム。
8. 過熱水蒸気により廃プラスチック、ゴミ屑、紙屑、木屑、繊維屑、植物性残渣、作物残渣、食品残渣、廃ゴムのいずれかの廃棄物を炭化、気化する資源化システムにおいて前記廃棄物を炭化する処理部の予熱方法であって、
   ボイラにより発生させた蒸気を前記ボイラと過熱水蒸気発生部とを直結する供給路を通じて前記処理部の天井部に形成される前記過熱水蒸気発生部に送り、
   前記過熱水蒸気発生部において電気発熱式のパイプヒータにより加熱して発生する過熱水蒸気を前記パイプヒータの下方に向けた吐出孔から噴出させて処理部を加熱し、
   前記処理部の底部若しくは底部に近接する位置に形成された還流路の上流端から、負圧式のエジェクタを通じて、前記ボイラにより発生する蒸気より高温となる使用済蒸気を前記供給路に還流し、
   予熱動作終了後であって処理動作前に逆止弁を閉じて蒸気の還流を遮断することを特徴とする資源化システムにおける処理部の予熱方法。

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