JP5099939B1 - 活性炭製造システム - Google Patents

Abstract

活性炭の製造にあたり、効率よく木質材料や炭化物を加熱して乾燥、炭化、賦活の各処理を進行させられると共に、活性炭の製造に係る環境負荷を抑えられる活性炭製造システムである。すなわち、適切な温度の飽和水蒸気による加熱で木質材料の乾燥工程を実行すると共に、過熱水蒸気による加熱で木質材料の初期の炭化の工程を実行することで、効率よく熱を伝えて木質材料を加熱でき、熱損失を抑えられると共に、こうした加熱に際し有害成分を含むガスが乾燥装置１０や第１の炭化装置２１から排出されることはなく、環境への悪影響をより少なくすることができる。また、木質廃棄物から効率よく活性炭を製造して使用可能とすることで、廃棄物に含まれる有用物質を無駄にすることなく活用が図れ、廃棄物の量を減らして環境への影響も抑えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、木材をチップ化したものや、木片、廃材等の木質材料を処理して活性炭を製造する活性炭製造システムに関する。

木材を製材、加工した後の木片や木屑の他、剪定した樹木の枝、樹皮、伐採樹木、あるいは廃材を破砕して得られた木質チップなどの木質廃棄物については、従来、焼却や埋立て等で処分されることが多かったが、近年、こうした焼却や埋立て等の処分が環境に与える影響を考慮し、廃棄物を有効に活用して処分される廃棄物の減量を図るため、木質廃棄物を炭化、賦活して活性炭を作り、利用に供する手法が提案されている。
このような活性炭を製造する従来の装置の一例として、特開２００４−１６１５７４号公報に記載されるものがある。

特開２００４−１６１５７４号公報

従来の活性炭製造装置は、前記特許文献に示されるように、炉内で木質廃棄物などの木質材料を炭化して炭化物を生成し、さらにこの炭化物を賦活することにより活性炭を製造するものとなっている。木質材料の炭化、及び、炭化物の賦活の各工程では、木質材料や炭化物の加熱が必要であり、炉内に収容された木質材料や炭化物に多くの熱を供給するようにしていた。こうした加熱のための熱源としては、化石燃料の燃焼による熱が一般的に使用されている。

しかしながら、炭化や賦活の各工程で、化石燃料の燃焼ガスの熱を炉内の木質材料や炭化物に伝える際における熱伝達の効率は、炉壁を介して熱を伝える外燃式の場合、化石燃料由来の燃焼ガスの性質上極めて低くなる。このため、熱損失が大きく、前記各工程を確実に進行させるために大量の燃料を必要とし、燃料の入手性に問題がある場合には、処理を適切に進められない状態に陥りやすいという課題を有していた。

また、化石燃料は可燃物であるため、取扱いに制限があり、使用場所等の制約を受けやすい。従って、化石燃料を用いた活性炭の製造を行える所は限定され、木質廃棄物の発生箇所の近くでこれを利用して活性炭を製造する、といった簡略で無駄の少ない製造環境を実現することは困難であった。加えて、使用後の排出ガスは大気汚染成分を含んでおり、その環境への影響を考慮した対策も必要となるなど、化石燃料を用いることで活性炭の製造コストがより大きなものになってしまうという課題を有していた。さらに、排出ガスは温室効果ガスである二酸化炭素を含む点で、地球温暖化への影響も懸念される。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、活性炭の製造にあたり、効率よく木質材料や炭化物を加熱して乾燥、炭化、賦活の各処理を進行させられると共に、活性炭の製造に係る環境負荷を抑えられる活性炭製造システムを提供することを目的とする。

本発明に係る活性炭製造システムは、小片状の木質材料を加熱して乾燥させる乾燥装置と、乾燥した前記木質材料を加熱して炭化する炭化部と、前記木質材料の炭化した炭化物を賦活して活性炭とする賦活装置とを少なくとも備え、前記乾燥装置は、熱源として約１００ないし１２０℃の飽和水蒸気を用い、炉内に収容した加熱対象物を炉外から加熱する外熱式の装置であり、前記炭化部は、熱源として約１５０ないし４００℃の過熱水蒸気を用い、炉内に収容した加熱対象物を炉外から加熱する外熱式の装置である一又は複数の第１の炭化装置と、約４００ないし８００℃の熱源で炉内に収容した加熱対象物を炉外から加熱する装置であり、前記第１の炭化装置の後段側に配設される一又は複数の第２の炭化装置とを有してなり、前記賦活装置は、約８００ないし９５０℃の熱源で炉内に収容した炭化物を炉外から加熱する装置であり、前記乾燥装置で用いられた後の飽和水蒸気、及び、前記第１の炭化装置で用いられた後の過熱水蒸気は、凝縮して水となった後に再度加熱されて前記飽和水蒸気及び過熱水蒸気として循環使用されるものである。

このように本発明によれば、適切な温度の飽和水蒸気による加熱で木質材料の乾燥工程を実行すると共に、過熱水蒸気による加熱で木質材料の初期の炭化の工程を実行することで、効率よく熱を伝えて木質材料を加熱でき、熱損失を抑えられると共に、こうした加熱に際し有害成分を含むガスが乾燥装置や第１の炭化装置から排出されることはなく、環境への悪影響をより少なくすることができる。また、木質廃棄物から効率よく活性炭を製造して使用可能とすることで、廃棄物に含まれる有用物質を無駄にすることなく活用が図れ、廃棄物の量を減らして環境への影響も抑えられる。

また、本発明に係る活性炭製造システムは必要に応じて、前記炭化部の第２の炭化装置で用いられる熱源、及び／又は、賦活装置で用いられる熱源が、水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体の燃焼により得られた燃焼ガスとされるものである。

このように本発明によれば、第２の炭化装置等で用いられる熱源である燃焼ガスを水素と酸素の混合気体として、燃焼により生じる物質を水のみとすることにより、高温を得るための燃焼ガスの生成において、二酸化炭素や大気汚染成分の発生が無く、環境への影響をさらに小さくすることができる。

また、本発明に係る活性炭製造システムは必要に応じて、前記炭化部の第２の炭化装置で用いられる熱源、及び／又は、賦活装置で用いられる熱源が、可燃性を有する有機物からなる燃料の燃焼により得られた燃焼ガスに、水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体を混入させたガスとされるものである。

このように本発明によれば、第２の炭化装置等で用いられる熱源として、一般的な化石燃料や第１の炭化装置で木質材料から分離された熱分解ガスなどの、有機物からなる燃料を燃焼させて得た燃焼ガスに、水素と酸素の混合気体を混入させたガスを採用して、炭化物等を加熱する一方で、燃焼ガスと混合気体との反応を進行させることにより、高温の燃焼ガスに大気汚染物質などの有害成分が含まれる場合でも、混合気体との反応で無害化することができ、第２の炭化装置や賦活装置で加熱に使用された後の排出ガスに含まれる有害成分の量を大幅に減少させられ、環境への影響を小さくすることができる。

また、本発明に係る活性炭製造システムは必要に応じて、原料となる水を蒸発、凝縮させる過程で不純物を除去して純水を得る純水製造装置を備え、前記混合気体を得るために電気分解される水として、前記純水製造装置で製造された純水を供給し、前記純水製造装置では、前記乾燥装置で前記木質材料の乾燥により分離され取出された水分を、前記原料となる水と熱交換させ、水を蒸発に適した温度に加熱するものである。

このように本発明によれば、乾燥装置での木質材料の加熱により木質材料から蒸発分離した水分と、純粋製造装置における純水原料の水とを熱交換し、木質材料から分離した水分の保有する熱で純水原料の水を加熱し、水の温度を蒸発の起る温度まで高めることにより、乾燥装置で木質材料に対し与えた熱を適切に回収しつつ、蒸発した水の温度を効率よく下げて液体の水を得られると共に、純水製造の工程で純水原料の水を蒸発可能な温度に高めるために新規に外部から供給する熱を抑制でき、システム全体としてエネルギ消費を節減できる。

また、本発明に係る活性炭製造システムは必要に応じて、前記乾燥装置で用いられる飽和水蒸気を生じさせる加熱源、及び／又は前記炭化部の第１の炭化装置で用いられる過熱水蒸気を生じさせる加熱源として、水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体の燃焼により得られた熱を用いるものである。

このように本発明によれば、乾燥装置に導入される飽和水蒸気を発生させたり、第１の炭化装置に導入される過熱水蒸気を発生させるための水の加熱を、水素と酸素の混合気体を燃焼させて発生させた熱を用いて行い、この際の燃焼により生じる排出物質を水のみとすることにより、水を加熱するための高温の燃焼ガスの生成において、二酸化炭素や大気汚染成分の発生が無く、活性炭の製造に係る環境への影響をより一層小さくすることができる。

また、本発明に係る活性炭製造システムは必要に応じて、前記乾燥装置で飽和水蒸気として用いられた後、乾燥装置を出た飽和水蒸気由来の水分、及び／又は、前記第１の炭化装置で過熱水蒸気として用いられた後、第１の炭化装置を出た過熱水蒸気由来の水分、の保有する熱で所定の作動流体を加熱して作動流体の蒸気動力サイクルを稼働させ、当該サイクルにより得られる動力で発電する熱回収発電装置を備えるものである。

このように本発明によれば、乾燥装置及び／又は第１の炭化装置から取出された水分と蒸気動力サイクルの作動流体とを熱交換させて、作動流体を加熱昇温させ、作動流体を相変化させて仕事を行わせ、得られた動力で発電を行うようにすることにより、乾燥装置に導入された飽和水蒸気や第１の炭化装置に導入された過熱水蒸気が、乾燥装置や第１の炭化装置で使用された後、取出された水分の保有する熱を、作動流体との熱交換で適切に回収でき、発生させた熱をより有効に活用できると共に、発電により得られた電力をシステム各部で利用できることで、外部から供給する電力を抑制でき、システムの稼働に係るコストを抑えられる。

また、本発明に係る活性炭製造システムは必要に応じて、前記乾燥装置で前記木質材料の乾燥により分離され取出された水分についても、前記作動流体と熱交換させて作動流体を加熱するものである。

このように本発明によれば、乾燥装置での木質材料の加熱により木質材料から蒸発分離した水分と、熱回収発電装置における蒸気動力サイクルの作動流体とを熱交換し、木質材料から分離した水分の保有する熱で作動流体を加熱し、作動流体の保有熱量をさらに高くすることにより、乾燥装置で木質材料に対し与えた熱のうち、木質材料から分離された水分の保有する熱を、作動流体との熱交換で適切に回収でき、発生させた熱をより有効に活用できると共に、熱回収発電装置における発電の効率を高められ、発電量を増やすことで、システムの稼働に係るコストのさらなる抑制が図れる。

本発明の第１の実施形態に係る活性炭製造システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る活性炭製造システムの概略構成図である。

（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る活性炭製造システムを前記図１に基づいて説明する。
前記図１において本実施形態に係る活性炭製造システム１は、所定量の小片状の木質材料を加熱して乾燥させる乾燥装置１０と、乾燥した前記木質材料を加熱して炭化する炭化部としての第１の炭化装置２１及び第２の炭化装置２２と、各炭化装置で炭化された炭化物を賦活して活性炭とする賦活装置３０と、水を加熱して乾燥装置１０の熱源となる飽和水蒸気を発生させるボイラ４１と、水を加熱して第１の炭化装置２１の熱源となる過熱水蒸気を発生させるボイラ４２と、第２の炭化装置２２に燃焼ガスを供給する燃焼器５１と、賦活装置３０に燃焼ガスを供給する燃焼器５２と、水の電気分解により酸素と水素の混合気体を生成し、この混合気体を燃料としてボイラ４１、４２や燃焼器５１、５２にそれぞれ供給する電気分解装置６１、６２、６３と、純水を製造し、この純水を電気分解装置６３に対し電気分解される原料の水として供給する純水製造装置７０と、賦活装置３０で得られた活性炭を冷却する冷却装置８０と、活性炭を収容し貯蔵する貯蔵タンク９０とを備える構成である。

前記乾燥装置１０は、二重筒構造とされて内筒と外筒との間の空間に高温熱源となるガスを導入して、内筒内側の炉内空間を炉壁としての内筒を介して外から加熱する、外熱式のロータリーキルン型の熱分解炉としての公知の構造を有するものである。この乾燥装置１０は、高温熱源として、１００ないし１２０℃の飽和水蒸気、例えば、約１０５℃の飽和水蒸気を用い、炉内に収容した加熱対象物としての所定量の木質材料をこの飽和水蒸気で炉外から加熱して、木質材料に含まれる水分を蒸発させて木質材料から分離することで、木質材料の乾燥を図る装置である。

乾燥装置１０に対しては、ボイラ４１が水を加熱して飽和水蒸気を発生させ、この飽和水蒸気を供給する仕組みとなっている。このボイラ４１での飽和水蒸気を生じさせる加熱源としては、電気分解装置６１で水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体の燃焼により得られた熱を用いている。

乾燥装置１０で用いられた後の飽和水蒸気は、凝縮して水となり、いったん水タンク１１に溜められた後で、所定の管路を通じてボイラ４１に送られることとなり、水は再度加熱されて飽和水蒸気として循環使用される。水をボイラ４１へ送るにあたっては、水を加圧して送出すポンプ１２が管路の所定箇所に配設されて用いられるが、このポンプ１２については、一般的な管路系統で用いられるのと同様の公知の装置であり、詳細な説明を省略する。

また、乾燥装置１０で木質材料の乾燥により分離され、外部に取出された、気相分と液相分を含む水分は、純水製造装置７０に送られ、水との熱交換で完全に凝縮して液相とされた後、所定の水タンク７３に収容されて回収される。

この乾燥装置１０で乾燥された木質材料を加熱して炭化する炭化部は、乾燥装置１０の後段に配設され、乾燥装置１０での乾燥後取出された木質材料を炉内に収容し、熱源として約１５０ないし４００℃の過熱水蒸気を用いて木質材料を加熱、炭化させる第１の炭化装置２１と、前記第１の炭化装置の後段側に配設され、第一の炭化装置２１から取出された炭化物や未炭化物を炉内に収容し、約４００ないし８００℃の熱源、具体的には、燃焼ガスや加熱したガスの導入、また、電気加熱で生じた熱などを用いて、さらに炭化を進行させる第２の炭化装置２２とを有している。

前記第１の炭化装置２１は、前記乾燥装置１０同様、外熱式のロータリーキルン型の熱分解炉としての公知の二重筒構造を有するものである。この第１の炭化装置２１は、高温熱源として約１５０ないし４００℃の過熱水蒸気を用い、炉内に収容した加熱対象物としての木質材料を過熱水蒸気で炉外から加熱して、木質材料を熱分解して炭化を進行させる装置である。
第１の炭化装置２１において、木質材料を収容する炉内には、一般的な炭化の工程と同様、雰囲気として窒素等の不活性ガスが導入される。

第１の炭化装置２１に対しては、ボイラ４２が水を加熱して水蒸気を発生させ、この水蒸気をさらに過熱器４３で過熱して得られる過熱水蒸気を供給する仕組みとなっている。このボイラ４２での水蒸気、及び過熱器４３での過熱水蒸気をそれぞれ生じさせる加熱源としては、電気分解装置６２で水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体の燃焼により得られた熱を用いている。

第１の炭化装置２１で用いられた後の水蒸気は、外部の凝縮器２３で凝縮して水となり、いったん水タンク２４に溜められた後で、所定の管路を通じてボイラ４２に送られることとなり、水は再度加熱されて過熱水蒸気として循環使用される。水をボイラ４２へ送るにあたっては、水を加圧して送出すポンプ２５が管路の所定箇所に配設されて用いられるが、このポンプ２５については、一般的な管路系統で用いられるのと同様の公知の装置であり、詳細な説明を省略する。

また、第１の炭化装置２１では、炭化の過程で分離された気体（熱分解ガス）を装置外部に取出し、凝縮器２６で冷却して凝縮させることで、木酢液を得ており、この木酢液はタンク２７に集められて回収される。

前記第２の炭化装置２２は、前記乾燥装置１０や第１の炭化装置２１同様、外熱式のロータリーキルン型の熱分解炉としての公知の二重筒構造を有するものである。この第２の炭化装置２２は、高温熱源として、前記約４００ないし８００℃の熱源、例えば、約８００℃の燃焼ガスを用い、炉内に収容した加熱対象物としての前記炭化物や未炭化物をこの燃焼ガスで炉外から加熱して、炭化を進行、完了させる装置である。
第２の炭化装置２２においても、炉内には一般的な炭化の工程と同様、雰囲気として窒素等の不活性ガスが導入される。

第２の炭化装置２２に対しては、電気分解装置６３で水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体を燃焼器５１で燃焼させ、得られた燃焼ガスを供給する仕組みとなっている。第２の炭化装置２２で用いられた後の燃焼ガスは、排出ガスとして煙突等を通じて大気中に放出されるが、水のみを含むガスであることから、大気汚染等、周囲環境への悪影響を与えることはない。
この第２の炭化装置からは、炭化の進行に伴い、水素や一酸化炭素等の熱分解ガスが分離するが、こうしたガスは炉外に排出され、無害化した状態で大気中に放出される。

なお、前記炭化部をなす第１の炭化装置２１と第２の炭化装置２２としては、各装置をそれぞれ一つずつ設ける構成としているが、これに限らず、複数の第１の炭化装置、及び／又は複数の第２の炭化装置を設ける構成とすることもできる。

前記賦活装置３０は、前記乾燥装置１０同様、外熱式のロータリーキルン型の熱分解炉としての公知の二重筒構造を有するものである。ただし、加熱対象物を炉内に収容し、炉壁を隔てた炉外から所定の熱源で加熱する構造のものであれば、炉筒煙管型など、ロータリーキルン型以外の炉構造でもかまわない。

この賦活装置３０は、高温熱源として、約８００ないし９５０℃となる、燃焼ガスや加熱したガスの導入、また、電気加熱で生じた熱などを用い、第２の炭化装置２２で炭化された炭化物を加熱対象物として炉内に収容し、この炭化物を燃焼ガスで炉外から加熱し、炭化物を賦活して活性炭とする装置である。賦活に際しては、炭化物から水素、窒素等の不凝縮ガス分が除去されることとなる。
賦活装置３０において、炭化物を収容する炉内には、炭化物のガス賦活による一般的な活性炭製造工程と同様、雰囲気として二酸化炭素や水蒸気等の反応用のガスが導入される。

この賦活装置３０に対しては、電気分解装置６３で水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体を燃焼器５２で燃焼させ、得られた、例えば、約９００℃の燃焼ガスを供給する仕組みとなっている。賦活装置３０で用いられた後の燃焼ガスは、排出ガスとして煙突等を通じて大気中に放出されるが、水のみを含むガスであることから、大気汚染等、周囲環境への悪影響を与えることはない。

前記純水製造装置７０は、原料の水を蒸発、凝縮させる一連の過程で水から不純物を除去して純水を得る装置である。

詳細には、この純水製造装置７０は、純水の原料となる水を、乾燥装置１０で木質廃棄物から分離され取出された水分と熱交換させ、原料の水を蒸発に適した温度にする加熱部７１と、この加熱部７１で得られた温水を供給され、この温水を減圧空間で蒸発させると共に、蒸発した気相の水を冷却水と熱交換させて凝縮させ、純水を得る蒸発凝縮部７２と、加熱部７１で熱交換して凝縮した水分を回収する水タンク７３と、純水の原料となる新水を一時的に貯留しつつ供給する水供給タンク７４と、加熱部７１に新水を送込むポンプ７５とを備える構成である。

前記加熱部７１は、乾燥装置１０で木質材料の乾燥により分離され取出された水分と、純水の原料となる水とを熱交換させる公知の熱交換器であり、純水の原料となる水を後段側の蒸発凝縮部７２で蒸発可能な所定温度まで上昇させる一方、乾燥装置１０から取出され、気相分と液相分とを含む水分を完全に凝縮させて液相とする。この液相となった水分は、水タンク７３に収容されて回収される。

前記蒸発凝縮部７２は、前段の加熱部７１で所定温度まで加熱された水をその飽和圧力以下に減圧した容器内に導入することで効率よく蒸発させて気相の水を得る公知の蒸発部分と、内部の伝熱部を介して隔てられた流路の一方に蒸発した気相の水を流通させ、且つ他方の流路に冷却水を流通させ、伝熱部を介して気相の水と冷却水とを熱交換させて気相の水を凝縮させる公知の凝縮部分とを有する装置である。

前記蒸発部分は、加熱部７１で加熱された温水を直接供給され、この温水を蒸発させて、不純物をほとんど含まない気相の水を得るものとなっている。この蒸発部分については、多段フラッシュ式やスプレーフラッシュ式など、いずれのフラッシュ蒸発機構とすることもできる。蒸発部分で蒸発しきれずに残った液相の水は、蒸発凝縮部７２外に排出され、加熱部７１に還流される仕組みである。

前記凝縮部分は、蒸発部分で蒸発した気相の水と冷却水とを熱交換させる熱交換器としての構造自体は公知の構成である。この凝縮部分で気相の水を凝縮させることで、不純物をほとんど含まない純水が得られることとなる。凝縮部分には、冷却水として水供給タンク７４からの新水が供給される。

蒸発凝縮部７２における純水側流路の後段側には、電気分解装置６１、６３やボイラ４１に通じる管路が接続され、凝縮部分で得られた純水が送出される。一方、蒸発凝縮部７２における冷却水側流路は、加熱部７１の入口側に接続されており、気相の水を凝縮させて温度上昇した冷却水としての新水が加熱部７１に流入する仕組みである。

この純水製造装置７０は、電気分解装置６３で混合気体を得るための電気分解される水として純水を供給する。電気分解装置６３で得られた混合気体を、第２の炭化装置２２や賦活装置３０における各燃焼器５１、５２で燃焼させることとなる。

また、純水製造装置７０で得られた純水の一部は、乾燥装置１０で用いられた後の飽和水蒸気が凝縮した水に混合され、この混合した水がボイラ４１に送られて加熱され、飽和水蒸気となって乾燥装置１０で使用される。

前記電気分解装置６１、６２、６３は、水を電気分解して水素と酸素の混合気体を得るものである。これら電気分解装置６１、６２、６３では、混合気体における水素と酸素のモル分率が２：１となるように水素と酸素を生じさせており、混合気体の燃焼では水のみが生じることとなる。

このうち、ボイラ４１に混合気体を供給する電気分解装置６１において電気分解される水は、乾燥装置１０で用いられた後の飽和水蒸気を凝縮させた水と、純水との混合水である。また、ボイラ４２に混合気体を供給する電気分解装置６２において電気分解される水は、第１の炭化装置で用いられた後の過熱水蒸気を凝縮させた水である。

一方、燃焼器５１、５２に混合気体を供給する電気分解装置６３において電気分解される水は、純水製造装置７０で得られた純水であり、その製法に基づき純水の電気伝導度は極めて小さい値となることから、純度の高い水素や酸素を生成できるだけでなく、電気分解を生じさせる電極部分の劣化を抑えられる。

次に、本実施形態に係る活性炭製造システムの活性炭製造工程について説明する。前提として、ボイラ４１、４２には十分に水が供給され、ボイラ４１、４２で水蒸気が生成され、ボイラ４１からの飽和水蒸気が乾燥装置１０に熱源として十分な流量で導入され、且つ、ボイラ４２からの水蒸気をさらに過熱器４３で加熱して得られた過熱水蒸気が、第１の炭化装置２１に熱源として十分な流量で導入されているものとする。加えて、水素と酸素の混合気体を燃焼器５１、５２で連続的に燃焼させ、得られた燃焼ガスを第２の炭化装置２２と賦活装置３０にそれぞれ適切な温度で導入しているものとする。

乾燥装置１０では、小片状の木質材料を密閉空間である炉内に所定量投入した状態で、ボイラ４１から供給される約１００ないし１２０℃の飽和水蒸気により炉内を加熱することで、炉内の木質材料に含まれる水分が加熱されて蒸発し、木質材料から分離する。この蒸発した水分は炉内から取出されて純水製造装置７０の加熱部７１に達し、この加熱部７１で純水原料である低温の水と熱交換して凝縮され、液体となった水は水タンク７３に流入する。

乾燥装置１０で水分の蒸発により乾燥した木質材料は、乾燥装置１０での一回の処理が終了する前記所定時間経過後に、炉内から出され、再び水分を吸収しないよう外気から隔離された状態で、第１の炭化装置２１に送られる。

第１炭化装置２１では、乾燥した木質材料を炉内に所定量投入し、炉内雰囲気として窒素等の不活性ガスのみ存在する密閉状態とされた後、ボイラ４２と過熱器４３により供給される過熱水蒸気により炉内を加熱され、不活性ガス雰囲気中で木質材料を所定時間（約１時間程度）にわたり約１５０ないし４００℃に加熱して炭化し、炭化物を生じさせる。

この時、炭化しきれずに未炭化物が一部残るが、こうした未炭化物も炭化物と共に、第１の炭化装置２１の炉内から出され、外気から隔離された状態で、次の第２の炭化装置２２に送られる。一方、第１の炭化装置２１では、炭化に伴い熱分解ガスが発生しており、この熱分解ガスは第１の炭化装置２１の外に取出されて冷却されることで、凝縮して木酢液となる。木酢液はタンク２７に集められて回収される。

第２の炭化装置２２では、第１の炭化装置２１から取出された炭化物及び未炭化物を炉内に所定量投入し、炉内雰囲気として窒素等の不活性ガスのみ存在する密閉状態とされた後、燃焼器５１で生じた約８００℃の燃焼ガスを用いて炉内の炭化物や未炭化物を炉外から所定時間（約１時間程度）にわたり加熱し、不活性ガス雰囲気中で炭化を進行させ、未炭化物についても炭化を完了させて炭化物を得る。

得られた炭化物は第２の炭化装置２２の炉内から出され、外気から隔離された状態で、次の賦活装置３０に送られる。一方、第２の炭化装置２２では、炭化の進行に伴い、水素や一酸化炭素等の非凝縮性の熱分解ガスが分離し、この水素や一酸化炭素等のガスは第２の炭化装置２２の外に取出され、煙突等を通じて大気中に放出される。

賦活装置３０では、第２の炭化装置２２から取出した炭化物を炉内空間に投入し、炉内雰囲気として二酸化炭素等の賦活用ガスのみ存在する密閉状態としてから、燃焼器５２で生じた約９００℃の燃焼ガスを用いて炉内を加熱し、炭化物を二酸化炭素雰囲気中で所定時間（約３時間程度）にわたり約７００ないし９００℃に加熱することで賦活し、活性炭とする。
こうして得られた活性炭は冷却装置８０で常温まで冷却された後、貯蔵タンク９０に収容され、所定量溜ったら取出されて使用等のために搬出されることとなる。

このように、本実施形態に係る活性炭製造システムにおいては、乾燥装置１０における適切な温度の飽和水蒸気による加熱で木質材料の乾燥工程を実行すると共に、第１の炭化装置２１における過熱水蒸気による加熱で木質材料の初期の炭化の工程を実行することから、効率よく熱を伝えて木質材料を加熱でき、熱損失を抑えられると共に、こうした加熱に際し有害成分を含むガスが乾燥装置１０や第１の炭化装置２１から排出されることはなく、環境への悪影響をより少なくすることができる。また、第２の炭化装置２２や賦活装置３０で用いられる高温の燃焼ガスを、水素と酸素の混合気体の燃焼によるものとして、燃焼により生じる物質を水のみとすることから、高温を得るための燃焼ガスの生成において、二酸化炭素や大気汚染成分の発生が無く、環境への影響をさらに小さくすることができる。

なお、前記実施形態に係る活性炭製造システムにおいては、ボイラ４１、４２で水素と酸素の混合気体の燃焼により生じた熱を用いて、飽和水蒸気や過熱水蒸気を発生させ、乾燥装置や第１の炭化装置の熱源として供給する構成としているが、これに限らず、一般的な化石燃料の燃焼熱や他の工業プラントの廃熱を利用して飽和水蒸気や過熱水蒸気を発生させ、乾燥装置や第１の炭化装置に供給する構成としてもかまわない。

また、前記実施形態に係る活性炭製造システムにおいては、前記炭化部の第２の炭化装置２２で用いられる熱源、及び、賦活装置３０で用いられる熱源として、燃焼器５１、５２で水素と酸素の混合気体を燃焼させて得た燃焼ガスを導入する構成としているが、これに限らず、可燃性を有する有機物からなる燃料、すなわち、一般的な化石燃料や、第１の炭化装置２１における炭化の過程で木質材料から分離された熱分解ガス、あるいは、この熱分解ガスが凝縮した木酢液、から製造された燃料、の燃焼により得られた燃焼ガスを導入する構成としてもかまわない。

この場合、燃焼ガスに、水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体を混入させた上で、第２の炭化装置や賦活装置に導入するようにすれば、各装置で加熱がなされる一方で、燃焼ガスと混合気体との反応が進行することとなり、高温の燃焼ガスに大気汚染物質などの有害成分が含まれる場合でも、混合気体との反応で無害化することができ、第２の炭化装置や賦活装置で加熱に使用された後の排出ガスに含まれる有害成分の量を大幅に減少させられ、環境への影響を小さくすることができる。

また、熱源として、木質材料から分離された熱分解ガスに由来する燃料を燃焼させて得た燃焼ガスを採用した場合、木質材料に含まれる有用な物質をいずれも利用することとなり、熱源としての高温の燃焼ガスの生成において、外部から別途投入する燃料の量を減らし、システム全体としてエネルギ消費の節減が図れる。

また、前記実施形態に係る活性炭製造システムにおいては、木質材料を乾燥装置１０で乾燥させ、乾燥した木質材料を第１の炭化装置２１で炭化し、さらに第２の炭化装置２２で残りの未炭化物を炭化し、得られた炭化物を賦活装置３０で賦活して活性炭を製造するというように、各部での処理を順次実行する構成としているが、この他、乾燥工程や炭化工程、賦活工程のそれぞれで工程完了までの時間が異なり、次工程への移行の際に待ち時間が生じる場合には、乾燥装置１０での木質材料の乾燥と並行して、あらかじめ蓄積していた所定量の乾燥済木質材料を第１の炭化装置２１で炭化させたり、第１の炭化装置２１や第２の炭化装置２２での炭化と並行して、あらかじめ蓄積していた所定量の炭化物を賦活装置３０で賦活したりするなど、各部の処理を同時並行して進行させる構成とすることもでき、装置各部の作動待ち時間を減らして有効に動作させられ、複数回での処理を要する量の炭化物の製造処理に係る装置全体での処理にかかる時間を短縮できると共に、電気分解装置６３からの混合気体を確実に稼働中の燃焼器５１、５２に供給して燃焼させられ、混合気体を使用しないまま放出するような状況を防止できる。

さらに、前記実施形態に係る活性炭製造システムにおいては、水素と酸素の混合気体を発生させる電気分解装置６３に対し、純水製造装置７０で製造した純水を供給する構成としているが、これに限らず、電気分解において支障のない程度に清浄であれば、純水でない水を供給して電気分解装置で電気分解させるようにし、純水製造装置７０を用いない構成としてもかまわない。同様に、乾燥装置１０で用いられた後の水蒸気が凝縮した水に混合されて、ボイラ４１や電気分解装置６１に送られる水についても、純水でない水を使用するようにしてもかまわない。

（本発明の第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る活性炭製造システムを前記図２に基づいて説明する。
前記図２において本実施形態に係る活性炭製造システム２は、前記第１の実施形態同様、乾燥装置１０と、第１の炭化装置２１及び第２の炭化装置２２と、賦活装置３０と、ボイラ４１、４２と、燃焼器５１、５２と、電気分解装置６１、６２、６３と、純水製造装置７０と、冷却装置８０と、貯蔵タンク９０とを備える一方、異なる点として、乾燥装置１０で使用済みの飽和水蒸気や第１の炭化装置２１で使用済みの過熱水蒸気のそれぞれ保有する熱を利用して発電し電力を得る熱回収発電装置６０を備える構成を有するものである。

なお、乾燥装置１０に導入された飽和水蒸気は、乾燥装置１０での使用後、蒸気として気相を維持したまま、あるいは気相と液相の混相状態で乾燥装置１０を出ることとなり、この飽和水蒸気由来の水分が熱回収発電装置６０に導かれる。また、第１の炭化装置２１に導入された過熱水蒸気も、第１の炭化装置２１での使用後、乾き状態又は飽和状態の蒸気、あるいは気相と液相の混相状態で第１の炭化装置２１を出ることとなり、この過熱水蒸気由来の水分が熱回収発電装置６０に導かれることとなる。こうした乾燥装置１０を出た飽和水蒸気由来の水分や第１の炭化装置２１を出た過熱水蒸気由来の水分を熱回収発電装置６０へ導き、作動流体と熱交換させる構成以外の点については、前記第１の実施形態の場合と同じであり、詳細な説明を省略する。

前記熱回収発電装置６０は、乾燥装置１０で用いられた後の飽和水蒸気、及び、第１の炭化装置２１で用いられた後の過熱水蒸気のそれぞれ保有する熱で、所定の作動流体を加熱してこの作動流体の蒸気動力サイクルを稼働させ、このサイクルにより得られる動力で発電機を動作させ、電力を発生させるものである。

具体的には、この熱回収発電装置６０は、沸点の異なる複数の流体（例えば、アンモニアと水）が混合された作動流体を全て液相の状態で、乾燥装置１０を出た飽和水蒸気由来の水分と熱交換させ、作動流体を加熱し蒸発させる蒸発器６４と、この蒸発器６４で加熱された作動流体を、第１の炭化装置２１を出た過熱水蒸気由来の水分と熱交換させ、作動流体を加熱し乾き度の高い状態とする過熱器６５と、この過熱器６５を出た気相の作動流体を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換する膨張機としてのタービン６６と、このタービン６６と接続されて回転動力により発電を行う発電機６７と、タービン６６を出た気相の作動流体を冷却水と熱交換させ、気相分を凝縮させる凝縮器６８と、この凝縮器６８を出た作動流体を圧縮して前記蒸発器６４へ向わせる圧縮機としてのポンプ６９とを備える構成である。

これらの各構成は、非共沸混合媒体を作動流体とした蒸気動力サイクルによる発電装置として公知のシステムに用いられるものと同様であり、さらに詳細な説明については省略する。この熱回収発電装置６０については、単一媒体を用いた蒸気動力サイクルを用いることもできる。なお、凝縮器６８における冷却水としては、海水や河川水の他、冷却塔を作動させて循環冷却される所定の冷媒を用いることができる。

前記乾燥装置１０で木質材料を加熱した後、乾燥装置１０から排出される飽和水蒸気由来の水分は、作動流体の蒸発する温度と比較しても依然として高温となっており、この水分を熱回収発電装置６０の蒸発器６４でより低温の作動流体と熱交換させることで、水分の保有する熱を適切に回収できる仕組みである。飽和水蒸気由来の水分は、熱回収発電装置６０の蒸発器６４で作動流体と熱交換することで、凝縮して全て水となった後、前記第１の実施形態同様、所定の管路を通じてボイラ４１に送られ、水は再度加熱されて飽和水蒸気として循環使用される。

一方、前記第１の炭化装置２１で木質材料を加熱した後、第１の炭化装置２１から排出される過熱水蒸気由来の水分は、乾燥装置１０から排出される水蒸気由来の水分よりさらに高温となっており、この水分を熱回収発電装置６０の過熱器６５で作動流体と熱交換させることで、水分の保有する熱を適切に回収できる仕組みである。過熱水蒸気由来の水分は、熱回収発電装置６０の過熱器６５で作動流体と熱交換することで、凝縮して全て水となった後、前記第１の実施形態同様、所定の管路を通じてボイラ４２に送られ、水は再度加熱されて過熱水蒸気として循環使用される。

なお、乾燥装置１０で木質材料の乾燥により木質材料から分離されて外部に取出された、木質材料に含まれていた水分についても、比較的高温の状態で乾燥装置１０から取出されることから、熱回収発電装置６０に導入して作動流体と熱交換させ、作動流体の加熱に用いる構成とすることもできる。この場合、熱回収発電装置６０では、蒸発器６４と並列に配置されて作動流体の一部を流通させる副蒸発器６４ａを設けて、この副蒸発器６４ａで、木質材料に含まれていた水分と作動流体とを熱交換させるようにすれば、水分の保有する熱も効率よく回収することができる。

次に、本実施形態に係る活性炭製造システムの活性炭製造工程について説明する。前記第１の実施形態同様、前提として、ボイラ４１からの飽和水蒸気が乾燥装置１０に熱源として十分な流量で導入され、且つ、ボイラ４２からの水蒸気をさらに過熱器４３で加熱して得られた過熱水蒸気が、第１の炭化装置２１に熱源として十分な流量で導入されているものとする。加えて、水素と酸素の混合気体を燃焼器５１、５２で連続的に燃焼させ、得られた燃焼ガスを第２の炭化装置２２と賦活装置３０にそれぞれ適切な温度で導入しているものとする。

乾燥装置１０では、前記第１の実施形態同様、木質材料を炉内に所定量投入した状態で、ボイラ４１から供給される約１０５℃の飽和水蒸気により炉内を加熱することで、木質材料に含まれる水分が蒸発し、木質材料から分離する。この蒸発した水分は炉内から取出されて熱回収発電装置６０の副蒸発器６４ａに導入され、作動流体と熱交換した後、さらに純水製造装置７０の加熱部７１に達し、この加熱部７１で純水原料である水と熱交換し、水タンク７３で回収される。
一方、木質材料を加熱した後、乾燥装置１０から排出される飽和水蒸気由来の水分は、熱回収発電装置６０の蒸発器６４に導入される。

第１炭化装置２１では、前記第１の実施形態同様、乾燥装置１０で乾燥した木質材料を炉内に所定量投入し、炉内雰囲気として窒素等の不活性ガスのみ存在する密閉状態とされた後、ボイラ４２と過熱器４３により供給される約１５０〜４００℃の過熱水蒸気により炉内を加熱することで、木質材料が炭化し、炭化物となる。そして、木質材料を加熱した後、第１の炭化装置２１から排出される過熱蒸気由来の水分は、熱回収発電装置６０の過熱器６５に導入される。

第２の炭化装置２２では、前記第１の実施形態同様、第１の炭化装置２１から取出された炭化物及び炭化しきれなかった未炭化物を炉内に所定量投入し、炉内雰囲気として窒素等の不活性ガスのみ存在する密閉状態とされた後、燃焼器５１で生じた約８００℃の燃焼ガスを用いて炉内を加熱することで、全ての炭化を進行させて炭化物を得る。

賦活装置３０では、前記第１の実施形態同様、第２の炭化装置２２から取出した炭化物を炉内空間に投入し、密閉状態としてから、燃焼器５１で生じた約９００℃の燃焼ガスを用いて炉内を加熱することで、炭化物を賦活し、活性炭とする。
こうして得られた活性炭は、前記第１の実施形態同様、冷却装置８０で室温まで冷却された後、貯蔵タンク９０に一時収容され、最終的に使用等のために搬出されることとなる。

この他、熱回収発電装置６０では、乾燥装置１０から排出された飽和水蒸気由来の水分と作動流体とが蒸発器６４で熱交換し、飽和水蒸気由来の水分の保有する、乾燥装置１０で木質材料の加熱に利用されず残った熱が回収される。また、第１の炭化装置２１から排出された過熱水蒸気由来の水分と作動流体とが過熱器６５で熱交換し、過熱水蒸気由来の水分の保有する、第１の炭化装置２１で木質材料の加熱に利用されず残った熱が回収される。

こうした熱回収で温度を上昇させ相変化した作動流体が、タービン６６を作動させ、発電機６７に発電を行わせる。この熱回収発電装置６０の作動流体は、タービン６６を出てから、凝縮器６８で凝縮されて全て液相となった後、ポンプ６９であらためて蒸発器６４に送られ、これ以降も蒸気動力サイクルとして相変化を繰返すことで、発電機６７における発電が継続されることとなる。

このように、本実施形態に係る活性炭製造システムにおいては、乾燥装置１０及び第１の炭化装置２１から取出された水分と熱回収発電装置６０で蒸気動力サイクルをなす作動流体とを熱交換させて、作動流体を加熱昇温させ、作動流体を相変化させて仕事を行わせ、得られた動力で発電を行うようにすることで、乾燥装置１０に導入された飽和水蒸気や第１の炭化装置２１に導入された過熱水蒸気が、乾燥装置１０や第１の炭化装置２１で使用された後、取出された水分の保有する熱を、作動流体との熱交換で適切に回収でき、発生させた熱をより有効に活用できると共に、発電により得られた電力をシステム各部で利用できることで、外部から供給する電力を抑制でき、システムの稼働に係るコストを抑えられる。

なお、前記実施形態に係る活性炭製造システムにおいては、熱回収発電装置６０で、乾燥装置１０から排出された飽和水蒸気由来の水分と作動流体とを熱交換させ、さらに、第１の炭化装置２１から排出された過熱水蒸気由来の水分と作動流体とを熱交換させて、作動流体の相変化するサイクルを生じさせて発電を行う構成としているが、この他、燃焼器５１、５２で発生させた燃焼ガスが第２の炭化装置２２や賦活装置３０で使用された後の排出ガスを、作動流体と熱交換させて、排出ガスの保有する熱を作動流体で回収するようにして蒸気動力サイクルを実現し、発電機を作動させて発電を行う構成とすることもでき、燃焼器５１、５２で発生させた熱のうち炭化や賦活で使用されない分を電力に変換して有効に活用することができる。

１、２ 活性炭製造システム
１０ 乾燥装置
１１、２４ 水タンク
１２、２５ ポンプ
２１ 第１の炭化装置
２２ 第２の炭化装置
２３、２６ 凝縮器
２７ タンク
５１、５２ 燃焼器
３０ 賦活装置
４１、４２ ボイラ
４３ 過熱器
５１、５２ 燃焼器
６０ 熱回収発電装置
６１、６２、６３ 電気分解装置
６４ 蒸発器
６４ａ 副蒸発器
６５ 過熱器
６６ タービン
６７ 発電機
６８ 凝縮器
６９ ポンプ
７０ 純水製造装置
７１ 加熱部
７２ 蒸発凝縮部
７３ 水タンク
７４ 水供給タンク
８０ 冷却装置
９０ 貯蔵タンク

Claims (7)

1. 小片状の木質材料を加熱して乾燥させる乾燥装置と、
   乾燥した前記木質材料を加熱して炭化する炭化部と、
   前記木質材料の炭化した炭化物を賦活して活性炭とする賦活装置とを少なくとも備え、
   前記乾燥装置は、熱源として約１００ないし１２０℃の飽和水蒸気を用い、炉内に収容した加熱対象物を炉外から加熱する外熱式の装置であり、
   前記炭化部は、熱源として約１５０ないし４００℃の過熱水蒸気を用い、炉内に収容した加熱対象物を炉外から加熱する外熱式の装置である一又は複数の第１の炭化装置と、約４００ないし８００℃の熱源で炉内に収容した加熱対象物を炉外から加熱する装置であり、前記第１の炭化装置の後段側に配設される一又は複数の第２の炭化装置とを有してなり、
   前記賦活装置は、約８００ないし９５０℃の熱源で炉内に収容した炭化物を炉外から加熱する装置であり、
   前記乾燥装置で用いられた後の飽和水蒸気、及び、前記第１の炭化装置で用いられた後の過熱水蒸気は、凝縮して水となった後に再度加熱されて前記飽和水蒸気及び過熱水蒸気として循環使用されることを
   特徴とする活性炭製造システム。
2. 前記請求項１に記載の活性炭製造システムにおいて、
   前記炭化部の第２の炭化装置で用いられる熱源、及び／又は、賦活装置で用いられる熱源が、水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体の燃焼により得られた燃焼ガスであることを
   特徴とする活性炭製造システム。
3. 前記請求項１に記載の活性炭製造システムにおいて、
   前記炭化部の第２の炭化装置で用いられる熱源、及び／又は、賦活装置で用いられる熱源が、可燃性を有する有機物からなる燃料の燃焼により得られた燃焼ガスに、水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体を混入させたガスであることを
   特徴とする活性炭製造システム。
4. 前記請求項２に記載の活性炭製造システムにおいて、
   原料となる水を蒸発、凝縮させる過程で不純物を除去して純水を得る純水製造装置を備え、
   前記混合気体を得るために電気分解される水として、前記純水製造装置で製造された純水を供給し、
   前記純水製造装置では、前記乾燥装置で前記木質材料の乾燥により分離され取出された水分を、前記原料となる水と熱交換させ、水を蒸発に適した温度に加熱することを
   特徴とする活性炭製造システム。
5. 前記請求項２又は４に記載の活性炭製造システムにおいて、
   前記乾燥装置で用いられる飽和水蒸気を生じさせる加熱源、及び／又は前記炭化部の第１の炭化装置で用いられる過熱水蒸気を生じさせる加熱源として、水を電気分解して得られた水素と酸素の混合気体の燃焼により得られた熱を用いることを
   特徴とする活性炭製造システム。
6. 前記請求項１ないし５のいずれかに記載の活性炭製造システムにおいて、
   前記乾燥装置で飽和水蒸気として用いられた後、乾燥装置を出た飽和水蒸気由来の水分、及び／又は、前記第１の炭化装置で過熱水蒸気として用いられた後、第１の炭化装置を出た過熱水蒸気由来の水分、の保有する熱で所定の作動流体を加熱して作動流体の蒸気動力サイクルを稼働させ、当該サイクルにより得られる動力で発電する熱回収発電装置を備えることを
   特徴とする活性炭製造システム。
7. 前記請求項６に記載の活性炭製造システムにおいて、
   前記乾燥装置で前記木質材料の乾燥により分離され取出された水分についても、前記作動流体と熱交換させて作動流体を加熱することを
   特徴とする活性炭製造システム。

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