JP2012001567A - 廃材の炭化機構 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも加熱にエネルギーコストがかからない廃材の炭化機構を提供しようとするもの。
【解決手段】空気の比熱よりも小さな比熱を有する加熱媒体を具備し、前記加熱媒体を介して炭化対象物を加熱して炭化するようにした。空気の比熱容量は0.24 cal/g・℃であるが、これよりも小さな比熱容量を有する加熱媒体（ケイ素の比熱0.17 cal/g・℃、アルミナの比熱0.19cal/g・℃、マンガンの比熱0.11 cal/g・℃、食塩の比熱0.21 cal/g・℃）を介して炭化対象物を加熱することによって、より小さな熱量供給で炭化対象物を炭化することができる。
【選択図】なし

Description

この発明は、廃プラスチックや廃木材その他の廃材を再資源化する炭化機構に関するものである。

従来、廃プラスチック油化処理装置に設置される熱分解処理装置に関する出願があった（特許文献１）。
すなわち、近年、循環型経済社会を形成するための取り組みがさまざまな分野で行われ始め、廃プラスチックについてもそのリサイクルの必要性が高まっていることに鑑み、この発明は、熱分解槽内の残渣を容易に回収除去し、且つ攪拌器の損傷を防止できる耐久性の高い熱分解処理装置を提供することを課題とするものであって、加熱手段による加熱で廃プラスチックを熱分解する熱分解槽と、前記熱分解槽内に回転可能に支持され、廃プラスチックを攪拌する攪拌器と、前記攪拌器に作用する負荷トルクを検出するトルク検出手段と、前記トルク検出手段により検出された負荷トルクに応じて、前記攪拌器の回転を制御する制御手段と、を備えていることとしており、熱分解槽内の温度ではなく、攪拌器に作用する負荷トルクに応じて攪拌器の回転を制御手段により制御しており、攪拌器に作用する負荷トルクは廃プラスチックの溶融状態により変化することとなり、攪拌器に作用する負荷トルクに応じて攪拌器の回転を制御することで、攪拌器の回転を熱分解槽内の廃プラスチックの溶融状態に応じて制御することができる、というものである。
しかし、この方法には熱分解槽における廃プラスチックの空気を介した熱分解にエネルギーコストがかなりかかってしまうという問題があった。
特許公開２００８−１３５９５号公報

そこでこの発明は、従来よりも加熱にエネルギーコストがかからない廃材の炭化機構を提供しようとするものである。

前記課題を解決するためこの発明では次のような技術的手段を講じている。
(１)この発明の廃材の炭化機構は、空気の比熱よりも小さな比熱を有する加熱媒体を具備し、前記加熱媒体を介して炭化対象物を加熱して炭化するようにしたことを特徴とする。
炭化対象物として、廃木材や廃プラスチック、廃衣類などの固形物の廃材、廃油その他の油系のものであって含水率が低いものを例示することができる。
前記加熱媒体として、粒状のもの（ケイ素、アルミナ、マンガン、食塩）や溶融状態のもの（溶融食塩）を用いることができる。空気の比熱容量は0.24 cal/g・℃であるが、これよりも小さな比熱容量を有する加熱媒体（ケイ素の比熱0.17 cal/g・℃、アルミナの比熱0.19cal/g・℃、マンガンの比熱0.11 cal/g・℃、食塩の比熱0.21 cal/g・℃）を介して炭化対象物を加熱することによって、より小さな熱量供給で炭化対象物を炭化することができ、加熱時のエネルギー・コストを低減することができる。なお、ケイ素やマンガンは取扱い時に酸化して変質する可能性があるが、アルミナや食塩はそのようなおそれがない点で好ましい。

ところで、ケイ素は融点1414℃、沸点3265℃であり、アルミナは融点2054℃。沸点3000℃、マンガンは融点1246℃、沸点2061℃であるが、炭化する際には炭化炉内の温度を600〜900℃程度まで昇温することが好ましい。600℃以上で有機物は概ね炭化するが、900℃になるとほぼ完全に炭化する。また、食塩は融点が801℃で沸点は1514℃であり、前記融点未満では粒状の加熱媒体として、前記温度以上では溶融状態の加熱媒体として用いることができる。
炭化雰囲気は無酸素雰囲気下で行うことができ、例えば窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素ガスの雰囲気下において行うことができる。
この廃材の炭化処理は用済みになって廃棄すべき使用済品の再生処理であり、金属を高温に加熱して急冷することによって組織を変成して硬化させる従来の焼き入れとは（仮にアルミナ・パウダー等の加熱媒体を使用する点が共通したとしても）概念的に全く異なるものである。そして、このように廃材を産業廃棄物として産廃処理するのではなく、炭化対象物として炭化物の原材料＝有価物にすることにより、環境保全に好適に資することができる。

（２）前記加熱媒体は、空気の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有することとしてもよい。空気の熱伝導率は0.0241W/ｍ・Kであるのに対し、ケイ素は148 W/ｍ・K、アルミナ30W/ｍ・K、マンガン7.82W/ｍ・K、食塩1.15 W/ｍ・Kであり空気よりも大きい値を有している。このように構成すると、加熱媒体の昇温時間をより速いものとすることができる。

すなわち、ヒーターより昇温される炭化炉内の周壁→空気（比熱0.24）→炭化対象物のように伝熱するのと比較して、例えば炭化炉内の周壁→アルミナ・パウダー（比熱0.19）の連鎖→炭化対象物のように熱伝導することとなり伝熱効率が向上することになる。ここで、粒状の加熱媒体は若干の気体の吹き込み等により対流（次述）させるようにしてもよく、こうすると粒状の加熱媒体同士の接触に流動性が加味されて熱が万遍なく全体に伝導していくことになる。

（３）前記加熱媒体として粒状のものを用いて対流させることとしてもよい。この対流は、例えばエアレーション（＝気体の吹き込み）によって行うことができる。
炭化対象物の廃材が廃プラスチックなどの熱可塑性合成樹脂で一定の大きさと形態を有している場合、昇温すると樹脂が溶融状態となって液状化するが、さらに加熱が進むと前記溶融樹脂の熱分解が進んで固化・脆化しつつ細分化していく。
ここで、前記粒状の加熱媒体を炭化炉内で対流させて流動状態にすると、固化した炭化物同士の衝突を活性化して細分化・パウダー化を促進することができる。そして、炭化物がパウダー状になり軽くなると比重差により上方に浮上していき、上部に形成した炭化炉の排出口から分離・排出するようにすることができる。パウダー状になった炭化物はポンプで移送することができる。
また、炭化炉内において粒状の加熱媒体が外方側から内回りに対流するように制御すると、前記加熱媒体が炉内の側壁を上昇して上面で中央域から下方に方向転換して移行するように対流するようになり、炭化物は中央域から下方に移行する過程で全周から均一に加熱処理されるという利点が生じる。さらに、前記対流による内容物の変位によって炉内の壁面の局部的な温度差が発生し難いようにすることができるので、該炭化炉のライフを延長することができる。このような加熱媒体の対流は前記エアレーションの他に、炭化炉の側壁をより高温とし底壁をこれより低温に設定することによって発生させることができる。

（４）前記加熱媒体として粒状のアルミナ・パウダーを用いてもよい。アルミナの比重は3.97であり、炭の嵩比重0.5〜1.8よりもかなり大きい。この性質の差により、エアー・ブローした際に炭化物（炭）はアルミナ・パウダーよりも舞い上がり易いこととなるので、舞い上がった炭化物（炭）を枝別れ流路に取り込むことによって両者を分離することが可能となり、アルミナ・パウダーと分別して回収し易くすることができる。前記アルミナ・パウダーは流動床のように挙動する。

（５）前記加熱媒体として塩化ナトリウムを用い801℃以上に昇温して溶融させるようにしてもよい。塩化ナトリウムは空気よりも昇温し易く他に伝熱し易いので、溶融状態の塩化ナトリウムは雰囲気温度（熱）を迅速に吸収して炭化対象物に伝熱することができる。

（６）上記のようにして得られた炭化物（炭化パウダー）は燃料として燃焼させたり、前記炭化物を油類に混ぜて燃やすことによりやはり燃料として利用したり、またペンキに混入する黒色の材料としたりすることができる。

この発明は上述のような構成であり、次の効果を有する。
より小さな熱量供給で炭化対象物を炭化することができるので、従来よりも加熱にエネルギーコストがかからない廃材の炭化機構を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を説明する。
〔実施形態１〕
この実施形態の廃材の炭化機構は、空気の比熱よりも小さな比熱を有する加熱媒体を具備するものであって、前記加熱媒体を介して炭化対象物を加熱して炭化するようにした。炭化対象物として、廃木材や廃プラスチック、廃衣類などの固形物の廃材、廃油その他の油系のものであって含水率が低いものを用いた。炭化雰囲気は無酸素雰囲気下で行うことができ、例えば窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素ガスの雰囲気下において行うことができる。
前記加熱媒体として、粒状のもの（ケイ素、アルミナ、マンガン、食塩）や溶融状態のもの（溶融食塩）を用いた。空気の比熱容量は0.24 cal/g・℃であるが、これよりも小さな比熱容量を有する加熱媒体（ケイ素の比熱0.17 cal/g・℃、アルミナの比熱0.19cal/g・℃、マンガンの比熱0.11 cal/g・℃、食塩の比熱0.21 cal/g・℃）を介して炭化対象物を加熱することによって、より小さな熱量供給で炭化対象物を炭化することができ、加熱時のエネルギー・コストを低減することができた。なお、ケイ素やマンガンは取扱い時に酸化して変質する可能性があるが、アルミナや食塩はそのようなおそれがない点で好ましい。

ところで、ケイ素は融点1414℃、沸点3265℃であり、アルミナは融点2054℃。沸点3000℃、マンガンは融点1246℃、沸点2061℃であるが、炭化する際には炭化炉内の温度を600〜900℃程度まで昇温することが好ましい。600℃以上で有機物は概ね炭化するが、900〜1000℃になるとほぼ完全に炭化した。また、食塩は融点が801℃で沸点は1514℃であり、前記融点未満では粒状の加熱媒体として、前記温度以上では溶融状態の加熱媒体として用いることができる。

前記加熱媒体は、空気の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有することとした。空気の熱伝導率は0.0241W/ｍ・Kであるのに対し、ケイ素は148 W/ｍ・K、アルミナ30W/ｍ・K、マンガン7.82W/ｍ・K、食塩1.15 W/ｍ・Kであり空気よりも大きい値を有している。このように構成すると、加熱媒体の昇温時間をより速いものとすることができた。

ヒーターより昇温される炭化炉内の周壁→空気（比熱0.24）→炭化対象物のように伝熱するのと比較して、炭化炉内の周壁→アルミナ・パウダー（比熱0.19）の連鎖→炭化対象物のように熱伝導することとなり伝熱効率が向上することになった。ここで、粒状の加熱媒体は若干の気体の吹き込み等により対流（次述）させるようにしてもよく、こうすると粒状の加熱媒体同士の接触に流動性が加味されて熱が万遍なく全体に伝導していくことになった。

上記のようにして得られた炭化物（炭化パウダー）は燃料として燃焼させたり、前記炭化物を油類に混ぜて燃やすことによりやはり燃料として利用したり、またペンキに混入する黒色の材料としたりすることができた。
この廃材の炭化処理は用済みになって廃棄すべき使用済品の再生処理であり、金属を高温に加熱して急冷することによって組織を変成して硬化させる従来の焼き入れとは（仮にアルミナ・パウダー等の加熱媒体を使用する点が共通したとしても）概念的に全く異なるものである。そして、このように廃材を産業廃棄物として産廃処理するのではなく、炭化対象物として炭化物の原材料＝有価物にすることにより、環境保全に好適に資することができる。

〔実施形態２〕
前記加熱媒体として粒状のものを用いて対流させるようにした。この対流は、エアレーション（＝気体の吹き込み）によって行うことができた。
炭化対象物の廃材が廃プラスチックなどの熱可塑性合成樹脂で一定の大きさと形態を有している場合、昇温すると樹脂が溶融状態となって液状化するが、さらに加熱が進むと前記溶融樹脂の熱分解が進んで固化・脆化しつつ細分化していった。

ここで、前記粒状の加熱媒体を炭化炉内で対流させて流動状態にすると、固化した炭化物同士の衝突を活性化して細分化・パウダー化を促進することができた。そして、炭化物がパウダー状になり軽くなると比重差により上方に浮上していき、上部に形成した炭化炉の排出口から分離・排出するようにすることができた。パウダー状になった炭化物はポンプで移送することができた。
また、炭化炉内において粒状の加熱媒体が外方側から内回りに対流するように制御すると、前記加熱媒体が炉内の側壁を上昇して上面で中央域から下方に方向転換して移行するように対流するようになり、炭化物は中央域から下方に移行する過程で全周から均一に加熱処理された。さらに、前記対流による内容物の変位によって炉内の壁面の局部的な温度差が発生し難いようにすることができるので、該炭化炉のライフを延長することができる。このような加熱媒体の対流は前記エアレーションの他に、炭化炉の側壁をより高温とし底壁をこれより低温に設定することによって発生させることができた。

〔実施形態３〕
前記加熱媒体として粒状のアルミナ・パウダーを用いた。アルミナの比重は3.97であり、炭の嵩比重0.5〜1.8よりもかなり大きい。この性質の差により、エアー・ブローした際に炭化物（炭）はアルミナ・パウダーよりも舞い上がり易いこととなるので、舞い上がった炭化物（炭）を枝別れ流路に取り込むことによって両者を分離することが可能となり、アルミナ・パウダーと分別して回収し易くすることができた。前記アルミナ・パウダーは流動床のように挙動した。

〔実施形態４〕
前記加熱媒体として塩化ナトリウムを用い801℃以上（801℃の設定と850℃との設定とでそれぞれ行った）に昇温して溶融させた。塩化ナトリウムは空気よりも昇温し易く他に伝熱し易いので、溶融状態の塩化ナトリウムは雰囲気温度（熱）を迅速に吸収して炭化対象物に伝熱することができた。

従来よりも加熱にエネルギーコストがかからないことによって、種々の炭化の用途に適用することができる。

Claims (5)

1. 空気の比熱よりも小さな比熱を有する加熱媒体を具備し、前記加熱媒体を介して炭化対象物を加熱して炭化するようにしたことを特徴とする廃材の炭化機構。
2. 前記加熱媒体は空気の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する請求項１記載の廃材の炭化機構。
3. 前記加熱媒体として粒状のものを用いて対流させるようにした請求項１又は２記載の廃材の炭化機構。
4. 前記加熱媒体として粒状のアルミナ・パウダーを用いた請求項１乃至３のいずれかに記載の廃材の炭化機構。
5. 前記加熱媒体として塩化ナトリウムを用い801℃以上に昇温して溶融させるようにした請求項１乃至４のいずれかに記載の廃材の炭化機構。