JP6935952B1

JP6935952B1 - 反応設備

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Publication number: JP6935952B1
Application number: JP2020099918A
Authority: JP
Inventors: 清治道前
Original assignee: 清治道前
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2040-06-09
Also published as: JP2021194548A

Abstract

【課題】従来の乾溜炉と比べ、廃棄物等の多様な被処理物に対応できる能力が改善された処理設備を提供し、被処理物の分解と有用物質の回収の効率をさらに改善すること。【解決手段】上部、下部、及び最下部を有する筒状の竪型炉と、竪型炉の最下部が少なくとも部分的に浸漬する貯留水を保持する貯水部と、竪型炉の下部の外側において竪型炉の外周に隣接して設けられた燃焼室と、竪型炉の下部の外側にさらに設けられたエアボックスと、開閉口を介してエアボックスと接続し、先端が竪型炉の内部空間に接続する吹込ノズルとを備え、燃焼室と竪型炉の内部空間とは竪格子によって隔てられ、竪格子は、燃焼室に面する第１開口と竪型炉の内部空間に面する第２開口とを繋げる孔を形成し、孔は、外側域と中央域と内側域を有し、外側域は第１開口から中央域へと徐々に狭くなり、中央域は略一定の狭さを有し、内側域は、中央域から第２開口へと５５〜６５°の開口角度で広くなっている、反応設備。【選択図】図１

Description

本発明は、廃棄物等を加熱して分解処理すると共に有用な炭素系あるいは炭化水素系物質を生産することができる反応設備に関する。

廃棄物等を乾溜に基づき分解処理する炉が従来技術において知られている（特許文献１〜４）。これらの炉では、まず、炉内に堆積させた被処理物を、炉内の空気を用いて燃焼させる。この燃焼による酸化で炉内空気中の酸素を二酸化炭素に変えて消費し、炉内を無酸素化するとともに、その燃焼熱で高温無酸素ガスを発生させる。そして、高温無酸素ガスが炉内の被処理物の間を通過するとき、被処理物中の炭素含有物質に乾溜反応が起こる。炉上方で回収される乾溜ガス及び炉下方で回収される残渣からは、直接、あるいは冷却等の分離処理を経て、油、可燃ガス、カーボン等の炭化水素系又は炭素系の物質を回収することができる。

特開平５−１８０４２５号公報特開２０００−２９１９２７号公報特開２００１−１０７０５３号公報特開２０１４−２５６３２号公報

従来から乾溜炉で処理されてきた代表的な廃棄物の一例が古タイヤである。タイヤは特有の形状のゴムの他に繊維性材料や金属ワイヤー等を含んでいるため、乾溜ガスの通過及び分解途中の固形物の暫時的降下を促進させることに適した空隙を炉内で自然に形成しやすく、特に乾溜炉に適した被処理物であると見られた。

しかしながら、タイヤに限らずより多様な被処理物に対応できるように処理設備の能力を改善すること、及び、被処理物の分解と有用物質の回収の効率をさらに改善することという課題がある。

本発明者は、上記課題に関して、炉内において被処理物を取り巻くガスを単に高温にするだけでなく、被処理物周辺に空隙を創出し特定のガスの流れを生じさせる設計とすることが著しく有利になることを、長年の研究と実践のなかから見出した。本発明の反応設備は、被処理物（炭素含有物体）を乾溜機序で熱分解すると同時に、同設備の構成に基づき炉内に起こさせるガス流と被処理物との相互作用及び／又は化学反応を誘起させ得る設計を有するものである。

本発明は少なくとも以下の実施形態を含む。
［１］
上部、下部、及び最下部を有する筒状の竪型炉と、
前記竪型炉の最下部が少なくとも部分的に浸漬する貯留水を保持する貯水部と、
前記竪型炉の下部の外側において前記竪型炉の外周に隣接して設けられた燃焼室と、
前記竪型炉の下部の外側にさらに設けられたエアボックスと、
開閉口を介して前記エアボックスと接続し、先端が前記竪型炉の内部空間に接続する吹込ノズルと
を備え、
前記燃焼室と前記竪型炉の内部空間とは竪格子によって隔てられ、前記竪格子は、前記燃焼室に面する第１開口と前記竪型炉の内部空間に面する第２開口とを繋げる孔を形成し、
前記孔は、外側域と中央域と内側域を有し、前記外側域は前記第１開口から前記中央域へと徐々に狭くなり、前記中央域は略一定の狭さを有し、前記内側域は、前記中央域から前記第２開口へと５５〜６５°の開口角度で広くなっている、
反応設備。
［２］
前記吹込ノズルは、外円筒と、前記外円筒に入れ子式に内接する内円筒とを含み、前記外円筒及び前記内円筒はそれぞれ円筒の胴体側面に穴を有しており、前記外円筒及び／又は前記内円筒を互いに対して回転させて両者の穴が重なる面積を変動させることにより前記開閉口を提供するように構成されている、［１］に記載の反応設備。
［３］
前記エアボックスに接続され前記エアボックス中に高ＣＯ_２濃度ガスを供給する、高ＣＯ_２濃度ガス供給部をさらに備える、［１］又は［２］に記載の反応設備。

一実施形態による反応設備の断面図である。一実施形態による竪格子の概略を示す。（Ａ）は一実施形態による竪格子の一部分の断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の部分を炉内から見た場合の概観を示す。一実施形態による吹込ノズルの断面図である。（Ａ）は、エアボックスに繋がる開閉口が全開したところ、（Ｂ）は全閉したところを表す。反応設備内で起こり得る物質の動きの概念図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る反応設備を説明する。

図１は、一実施形態による反応設備１００の断面図である。反応設備１００の本体は、全体的に筒状である竪型炉１１０から構成されている。ここでいう「筒」は、円筒であることが特に好ましいが、必ずしもそれに限定されず、楕円筒、多角筒等であってもよい。多角筒にする場合、炉内側の隅に被処理物が詰まることを防ぐために、最隅部は面取りあるいは湾曲面とすることが好ましい。

反応設備１００の炉は竪（縦）型の筒であるが故に、筒の上端付近から投入され炉内に充填された被処理物は、炉内で熱分解されながら重力によって沈降していく。竪型炉のことを竪型キルンともいう。後述するように、反応設備１００の稼働の際には、筒の上側は蓋あるいはダンパー等によって、筒の下側は貯留水によってそれぞれ密閉されて外気から遮断される。

筒の内径は、被処理物の大きさ等に応じて当業者が適宜選択することができ、例えば０．６〜３ｍであり得、０．８〜２ｍが通常好ましく、１〜１．７ｍがより好ましい。非円筒である場合の内径は、同じ開口面積の円筒を仮定した場合のその円筒の内径として定義することができる。筒の材質も、当業者が通常の知識に基づいて適宜選択することができ、例えば耐火セメントで裏打ちされた鉄製のものが好適である。筒の長さに渡って形状、内径、及び／又は材質を変動させてもよい。筒の最も狭い部分の内径が、最も広い部分の内径の９０％以上であることが好ましい。

竪型炉１１０の高さは例えば３〜１５ｍであり得、４〜１０ｍが通常好ましく、５〜８ｍがより好ましい。竪型炉１１０は、上部１１１、下部１１２、及び最下部１１３を有する。上部１１１は通常、竪型炉１１０の少なくとも上半分を占め、主たる乾溜処理が行われる部分に相当する。下部１１２は、上部１１１の下に位置し、後述する竪格子１６０、燃焼室１３０、エアボックス１４０、及び吹込ノズル１５０が位置する部分であり、竪型炉１１０の高さの１５〜３０％を占めることが好ましい。最下部１１３は、下部１１２の下に位置し、竪型炉１１０の高さの１０〜２０％を占めることが好ましい。

竪型炉の下部１１２の外側には、竪型炉１１０の外周に隣接して燃焼室１３０が設けられている。燃焼室１３０内では、灯油、軽油、Ａ重油等の可燃油が導入され、着火バーナー１３１によって燃焼が起こり、その燃焼熱が炉内の被処理物の熱分解その他の反応に供される。燃焼室１３０はつまり加熱室である。着火バーナーは、例えば当業者に知られるように、可燃油を高圧で噴出させたところにプラグで火花を起こさせて炎を生じさせるものであってよい。

燃焼室１３０は少なくとも一箇所設けられるが、竪型炉１１０を取り囲むように２箇所以上設けられることが好ましく、それら複数箇所の燃焼室が互いから等間隔に配置されて竪型炉１１０を取り囲むことがより好ましい。水平方向に長い一つの燃焼室が帯状に竪型炉１１０を取り囲んでいてもよい。

燃焼室１３０を外部から隔てる壁は例えばステンレス製であり得るがこれに限定されない。図１に示す特定の例では、燃焼室１３０の底と外側壁がステンレス製であり、上側壁が別の耐火材１３２（耐火セメント）で形成されている。なお、着火バーナー１３１は燃焼室１３０内に着火するバーナーであるが、これとは別に、竪型炉１１０の内部に接続して炉内の被処理物に直接着火する着火バーナーがあってもよい。

燃焼室１３０と、竪型炉１１０の内部空間とは、略垂直な竪型ロストルすなわち竪格子１６０によって隔てられている。竪格子１６０の炉側面（羽口）には高温域が形成される。反応設備１００の使用時の炉内の温度は概して数百℃になり得るが、この高温域は炉内の他の場所よりもさらに数百℃温度が高いと推測される。竪格子１６０の羽口から放出される高温のガス流はまた、被処理物を排斥しながら炉内に空隙を創出し、被処理物の新たな炭素含有表面を継続的に露出させる。

竪格子１６０は本発明における重要な特徴であり、その詳細を図２で説明する。図２（Ａ）は、一例における竪格子１６０の一部分の断面図である。この図で示されるように、竪格子１６０は、燃焼室１３０に面する側の開口１６１（第１開口という）と、竪型炉１１０の内部空間に面する側の開口１６２（第２開口という）とを繋げるトンネル状の複数の孔１６３を提供する。各孔（トンネル）１６３は略水平方向に延在し、燃焼室へと繋がる外側域１６３ａと、炉内部に繋がる内側域１６３ｃと、外側域及び内側域を接続する中央域１６３ｂとに分けられる。

外側域１６３ａは第１開口１６１から中央域１６３ｂへと徐々に狭くなり、中央域１６３ｂは略一定の狭さを有し、内側域１６３ｃは、中央域１６３ｂから第２開口１６２へと広くなっている。この形状の孔１６３を有する竪格子１６０の存在により、燃焼室１３０内で生じた実質的に無酸素の高温ガスが勢いと角度をもって炉内に放出され、特徴的なガス流を炉内に起こさせる。中央域１６３ｂから第２開口１６２へ広がる開口角度θが重要であることが見出された。すなわちこの開口角度θは５５〜６５°の範囲内とする。θがこの範囲の外だと、意図するガス流が生じにくくなり得、また圧迫してくる被処理物が羽口を塞いだり孔の中央域１６３ｂまで侵入したりしやすくなり得る。

第１開口１６１から中央域１６３ｂへと狭くなる角度はより自由度が高い。その角度は、第１開口１６１の縦方向（垂直方向）の大きさが第２開口１６２の縦方向の大きさと略同じとなるような角度とすることが好ましいが、第１開口１６１の方が第２開口１６２より縦方向に小さくてもよく、あるいは逆に第１開口１６１の方が第２開口１６２より縦方向に最大１．５倍程度まで大きくてもよい。第１開口１６１の縦方向の大きさは例えば５０〜１５０ｍｍであり得、７０〜１００ｍｍが好ましい。第２開口１６２の縦方向の大きさは例えば５０〜１５０ｍｍであり得、８０〜１１０ｍｍが好ましい。中央域１６３ｂの縦方向の大きさ（トンネルの高さ）は、例えば２０〜１００ｍｍであり得、３０〜５０ｍｍが好ましい。上述したように、この大きさは、中央域１６３ｂ全長に渡り略一定である。孔１６３の横方向の大きさ（トンネルの幅）は、例えば５０〜３００ｍｍであり得、６０〜１５０ｍｍが好ましい。

なお、前段落の記載は、外側域１６３ａ−中央域１６３ｂ−内側域１６３ｃに沿ってトンネル状の孔１６３の縦方向の大きさが変動することを前提にしており、炉内で垂直方向へと傾いたガス流を生じさせるためにこの形態が最も好ましい。しかしながら、孔１６３の横方向の大きさが変動する実施形態も企図される。

孔１６３全体としての水平方向の長さ（トンネルの奥行）は例えば１５０〜３５０ｍｍであり得、２００〜２５０ｍｍが好ましい。孔１６３全長の１０〜２５％が内側域１６３ｃで占められることが好ましい。孔１６３全長の１５〜５０％が中央域１６３ｂで占められることが好ましい。孔１６３全長の３０〜７０％が外側域１６３ａで占められることが好ましい。好ましい一実施形態では、外側域１６３ａの水平方向の長さが中央域１６３ｂの水平方向の長さ以上であり、内側域１６３ｃの水平方向の長さが中央域１６３ｂの水平方向の長さ以下である。

上述した形状及び寸法の孔１６３は、例えば、外側域１６３ａと内側域１６３ｃに相当する部分を斜めにカットした煉瓦ブロックを利用して形成することができる。煉瓦は蓄熱効果も有し羽口温度を均一化できるため好ましい。図２（Ａ）に示す例では、本来長方形の断面を有する煉瓦ブロックが２箇所斜めにカットされて六角形のプロファイルとなっている。しかしながら、外側域１６３ａ及び／又は内側域１６３ｃをより深くカットして、五角形あるいは台形のプロファイルとすることもできる。図２（Ａ）の例では、孔１６３は水平で平坦な天井により画定されている。孔１６３の天井の形はこれが好ましいが、必ずしもこれに限定されない。

被処理物の大きさや種類、及び竪型炉１１０自体の大きさにも応じて、竪格子１６０における孔１６３の数及び位置を調節することができる。例えば図１に示す特定の例では、竪格子１６０の上から下まで多数の孔が密に提供されているが、孔を欠く「壁」の面積割合をもっと増やして、孔の密度を減らすこともできる。竪型炉当たりの孔１６３の総数は典型的には５０〜８０個であり得る。築炉の際には孔の数を多めに作っておいて、反応設備１００の使用時に適宜孔を塞いで孔１６３の数及び位置を調節することが簡便である。

図２（Ｂ）は、竪型炉１１０の内部から竪格子１６０の一部分を見た例を示す。この例には、煉瓦ブロック１個の幅で形成された横に狭い孔（下）、及び煉瓦ブロック２個の幅で形成された、横により広い孔（上及び中央）が含まれている。このように、個々の孔１６３の大きさも、被処理物の大きさや種類、及び竪型炉１１０自体の大きさ等に応じて調節することができる。孔１６３の大きさあるいは開口面積の調節は、羽口を出る熱流の速度の調節と関連しており、この速度は２０ｍ／ｓにも達し得る。

竪型炉の下部１１２の外側にはさらに、エアボックス１４０が設けられている。図１に示す特定の例では、エアボックス１４０は、燃焼室１３０と隣接して設けられている。このようにすれば、燃焼室１３０の熱によってエアボックス内のガスを加温することができる。エアボックス１４０中には、図示していないブロワー等を介してＣＯ_２（二酸化炭素）含有ガスが導入される。空気も、わずかに二酸化炭素を含むためＣＯ_２含有ガスと言えるが、本実施形態におけるＣＯ_２含有ガスは高ＣＯ_２濃度ガスであることが好ましい。本開示において高ＣＯ_２濃度ガスとは、空気よりも二酸化炭素濃度が高く空気よりも酸素濃度が低い気体として定義される。高ＣＯ_２濃度ガスは、典型的には、当該反応設備とは別の設備で何かを燃焼させた際に生じた排出ガスであり、例えば工場、焼却処理施設、火力発電所等の煙突から放出される排出ガスであり得る。高ＣＯ_２濃度ガスの二酸化炭素濃度は例えば５体積％以上であり得、１５体積％以上であってもよく、５０体積％以上であってもよく、１００体積％にもし得る。高ＣＯ_２濃度ガスの酸素濃度は例えば２０体積％以下であり得、１０体積％以下であってもよく、５体積％以下であってもよく、０体積％にもし得る。

図１に示す例において、エアボックス１４０には、吹込ノズル１５０が貫通しており、吹込ノズル１５０の先端は、竪型炉１１０の内部空間に接続している。例えば、吹込ノズル１５０は、エアボックス１４０からさらに燃焼室１３０を貫通し、竪型炉の下部１１２の内壁のうち竪格子１６０を欠く部分（あるいは、竪格子１６０のうち孔１６３を欠く壁の部分）を通って竪型炉１１０の内部空間に接続し得る。あるいは、エアボックス１４０が燃焼室１３０と重なっていない場合には、吹込ノズル１５０はエアボックス１４０だけを貫通した後その先端が竪型炉１１０の内壁を通って炉の内部空間に接続してもよい。

いずれにしても、吹込ノズル１５０は、開閉口１５１を介してエアボックス１４０と接続し、先端が竪型炉１１０の内部空間に接続する。開閉口とは、少なくとも開くことと閉じることができる構造を意味する。開閉口１５１が開くことによって、内部ガス圧が上昇したエアボックス１４０から吹込ノズル１５０内へのガスの流入及び竪型炉１１０の内部空間への放出が起こり、開閉口１５１が閉じることによって、エアボックス１４０から吹込ノズル１５０内へのガスの流入及び竪型炉１１０の内部空間への放出が遮断される。開閉口１５１はさらに、閉じた状態と全開の状態との間で連続的又は非連続的に開口の大きさを変化させ得るように構成されていることが好ましい。

吹込ノズル１５０は、２０ｍ／ｓ程度以上の強い風力でガスを被処理物に吹き付けることができるため、被処理物表面に堆積した灰層等を吹き飛ばして炭素含有物質を露出させ、反応を促進させる作用を有する。熱分解で脆くなった被処理物塊を吹き崩す効果も提供し得る。また、必要に応じ、エアボックス１４０内に導入されるＣＯ_２含有ガスの酸素含量に依存して、被処理物の燃焼及び／又は酸化を促進させることもできる。

吹込ノズル１５０の数は１つ以上であり、好ましくは竪型炉１１０を取り囲んで複数の吹込ノズル１５０が、より好ましくは放射状に、設置される。竪型炉１１０の内壁において複数の吹込ノズル１５０同士の設置間隔は例えば３００〜２０００ｍｍ間隔であり得、４００〜８００ｍｍ間隔が好ましい。吹込ノズル１５０は、竪型炉１１０（筒）の中心に向かう角度で設置されてもよいが、その角度からずらして、炉内に堆積した被処理物集合体の外殻部分をこそぎ飛ばす角度で設置されることが好ましい。異なる角度の吹込ノズル１５０を組み合わせてもよい。互いに異なる高さの位置に設置された吹込ノズル１５０を組み合わせてもよい。竪型炉１１０の外へと突出した吹込ノズル１５０の末端に、耐熱ガラスを組み込むことにより、炉内を操作者が観察できるようにすること又はカメラで監視できるようにすることも可能である。

図３は、開閉口１５１を伴う吹込ノズル１５０の一実施形態の詳細を示す断面図である。この実施形態において、吹込ノズル１５０は、外円筒１５２と、外円筒１５２に入れ子式に内接する内円筒１５３とを含み、外円筒１５２及び内円筒１５３はそれぞれ円筒の胴体側面に穴を有している。そして、外円筒１５２及び／又は内円筒１５３を互いに対して回転させて両者の穴が重なる面積を変動させることにより、連続的に開口の大きさを変化させることができる開閉口１５１が提供されている。例えば、内円筒１５３の末端に備えられたレバー１５４を、竪型炉１１０の外にいる操作者が手動で回すことにより、固定された外円筒１５２に対して内円筒１５３を回転させることができる。

図３（Ａ）は、開閉口１５１がほぼ全開の状態を表す。吹込ノズル１５０の胴体側面のうち少なくとも開閉口１５１を含む領域は、図１に示すようにエアボックス１４０の内部空間に面しているから、図３（Ａ）の状態では、内部ガス圧が上昇したエアボックス１４０から吹込ノズル１５０内へのガスの流入が起こり（図３（Ａ）下の矢印）、流入したガスは吹込ノズル１５０の先端から竪型炉１１０の内部空間へと放出される（図３（Ａ）右の矢印）。図３（Ｂ）は、レバー１５４を９０度回転させて、すなわち外円筒１５２に対して内円筒１５３を９０度回転させて、開閉口１５１を完全に閉じた状態を表す。この場合は、外円筒１５２の穴と内円筒１５３の穴が重なっていないので、エアボックス１４０からのガスの流入及び炉内へのガスの放出は遮断される。実際の操業では、このように全開の状態と閉じた状態とを切り替えるよりも、レバー１５４を（例えばハンマーで軽く叩いて）僅かに動かせて微調節を行う方が普通である。

上述した竪格子１６０の孔の開口総面積並びに吹込ノズル１５０による吹込みの風量及び頻度により、被処理物の処理速度あるいは炉内滞留時間を調節することができる。例えば、熱分解効率が比較的低い被処理物に対しては、上記パラメータを増加させることにより処理速度が速まり、炉内を降下するプロセス全体を促進させ得る。なお、竪型炉の下部１１２の壁のうちエアボックス１４０に面する部分にも、上述したような竪格子あるいは孔を配置してもよいが、それは必須ではない。

反応設備１００は、エアボックス１４０に接続されエアボックス１４０中に高ＣＯ_２濃度ガスを供給する、高ＣＯ_２濃度ガス供給部をさらに備え得る。より単純な例において、高ＣＯ_２濃度ガス供給部は、高ＣＯ_２濃度ガス供給源からガスをエアボックス１４０中に導入する導管であり、この導管は、エアボックス１４０に内圧を生じさせるブロワーあるいはポンプを備え得る。図１に示す例における高ＣＯ_２濃度ガス供給部１７０は、水を収容する水槽を備えている。この特定の実施形態では、導管はいったん水中で途切れた後に、水面上で再開し、エアボックス１４０へと至る。上述したように高ＣＯ_２濃度ガスは典型的には産業施設からの排出ガスであり、有害物質や燃焼中の粒子などを含む可能性がある。ガスをいったん水に通すことにより、これらのものを除去することができる。

竪型炉の下部１１２の内側、すなわち後述する反応層に相当する部分に、公知の触媒を設置してもよい。公知の触媒の例としては、ニッケル触媒、ルテニウム触媒、ロジウム触媒、パラジウム触媒、又は白金触媒を含む水素化触媒が挙げられる。

竪型炉１１０の最下部１１３は、貯水部１２０に保持された貯留水に少なくとも部分的に浸漬されている。すなわち、竪型炉１１０は、その最下部１１３が貯留水に浸されるかたちで、図示されていない支持構造によって保持され、あるいは吊り下げられている。貯留水は、竪型炉１１０の底を密閉する役割を果たす。貯水部１２０は、人工の貯水槽であることが好ましいが、池など天然物に由来するものであってもよい。貯水部１２０は、貯留水の水位を調節できる構成とすることが好ましい。これは、例えば貯留水の水量の調節、又は貯水槽の容量の調節を通じて達成できる。反応設備１００の使用の際には、最も低い水位でも竪型炉１１０の下端が貯留水から露出するべきではなく、また、竪格子１６０の開口の最下端から水面までの距離を６００ｍｍ以内とすることが好ましい。一方、最も高い水位では水面が竪格子１６０の開口に達するべきではない。分解前の被処理物が竪型炉１１０の下端から出ることを防ぐ格子又は網を、略水平に最下部１１３に張設してもよい。

竪型炉１１０の最下部１１３が貯水部１２０に少なくとも部分的に浸漬された構成は、本実施形態の反応設備においていくつかの利点を提供する。第一に、竪格子１６０の近傍に位置付けられた貯水部１２０の貯留水自体が、高温の被処理物と反応し、竪格子１６０によって生じる高温のガス流により促進される物質同士の相互作用又は化学反応に関与する。この点については詳しく後述する。第二に、上述したように水位を調節することにより、炉の容量及び炉内の反応を調節することができる。第三に、炉は使用時に著しい高温に晒されるため伸縮するが、本実施形態では炉の下端が水中でフリーであるため、炉全体長の伸縮を許容することができ、炉への構造的負担が緩衝される。第四に、被処理物は炉上部から熱分解等を受けながら徐々に下降してくるが、最後に貯留水に達することにより、処理全体が自動的あるいは半自動的な一つの流れ作業のようになると共に、最終的に残った固形物の分離及び回収が容易になる。例えば、比重が軽い炭素系固形物が水面に浮遊して分離される一方、比重が重い金属、無機物残渣等は貯水部の底に沈んで分離され得る。図示していないが、固形物回収のためのスクレイパ（灰出し装置）、プッシャ、コンベア等を貯水部１２０内に設けてもよい。

図１に示す実施形態において、竪型炉１１０の上部１１１の上方には、竪型炉内で上昇してくる乾溜ガスを回収するように構成された乾溜ガス回収部１８０がさらに備えられている。乾溜ガス回収部１８０は、竪型炉１１０の内側空間に接続し竪型炉１１０の外部に至る導管を少なくとも含むものである。この導管は、乾溜ガスを積極的に炉外に吸引するポンプを備えてもよい。乾溜ガス回収部１８０は、さらに、（１）ガス中に浮遊する固体微粒子を分離・回収するサイクロン、（２）ガスを冷却して液状成分を分離・回収する熱交換器（例えば冷却水管等を含み得る）、（３）タール分離器、（４）油水分離器、（５）溶液への吸収、固体吸着、膜浸透、化学変換等を通じて異なる気体成分を分離・回収するガス精製器等の付属装置を備え得る。これらの付属装置の１つ以上が導管により互いに接続され得る。これらの付属装置は従来技術の乾溜炉で用いられるものと同様であり得るので詳しい説明を要しない。上記微粒子は例えばカーボン微粒子を含み得、液状成分及び気体成分はそれぞれ分子量（炭素数）の異なる炭化水素系物質を含み得る。

反応設備１００の上下から得られるこれらの回収物質にはそれぞれ産業的な有用性があることが当業者に理解される。従って反応設備１００は、被処理物を原料として有用物質を生産する生産設備として捉えることもできる。

図１に示す実施形態において、竪型炉１１０の最上部は蓋１９０で閉じられている。当業者には明らかなように、蓋１９０を開けた状態で竪型炉１１０の内部に被処理物が投入される。被処理物は例えばゴム、家庭ごみ等の廃棄物、木材等の植物性もしくは動物性材料、合成樹脂、又はそれらの混合物を含み得る。その後例えばサンドシールを用いて蓋１９０を密閉し、竪型炉の「筒」の上からの外気流入を遮断することによって、炉内部での被処理物の乾溜が可能になる。上述したように「筒」の下からの外気流入は貯留水によって遮断されている。

竪型炉１１０の上部のさらに上に、単純な蓋１９０の代わりに、２層以上のダンパーを含む被処理物供給塔を提供してもよい。そのような複数層の被処理物供給塔の例は特許文献１〜４に記載されており、本実施形態にも適用され得る。

本発明の反応設備により、従来の乾溜炉と比べて、被処理物の処理及び炭化水素、カーボン等の有用物質の回収の効率を顕著に向上させることができ、無駄の少ない処理施設を提供することができる。この反応設備は、処理設備であると同時に、有用物質の生産設備であるともいえる。

参考として、文献「石炭の乾留とコークス化機構」（鉄と鋼、1985年71巻14号 p. 1589-1595）は、石炭の「乾留中の化学反応」について以下のように記述している。「乾留中,石炭の構成分子は基本的には熱的なラジカル反応を受ける。反応は,(1)結合開裂によるラジカル生成,(2)ラジカル同士の反応,(3)分子・ラジカル間反応に大別される。生成コークスに対しては,石炭がこれらの反応を通して,どのような液相を与えるかが最も重要である。（中略）その際高分子ラジカル同士の再結合の防止と再分解による低分子化の促進に対する液相への溶解および低分子ラジカル(特に水素原子)の付加反応による安定化とが,石炭の形成する液相の性質に対して大きな役割を果たす。前者は生成ラジカルを分散させる溶解作用であり,石炭中の液相を構成する低分子成分の役割が大きい。なお低分子成分は元来石炭に含まれる低分子成分や熱分解で生成したラジカルが安定化したものである(図4参照)。後者は,水素供与がその典型的な反応機構である。これらには,熱分解ラジカルが水素供与されて安定化し液相が形成される場合,固体の石炭が直接水素供与されて液相を与える場合がある。水素供与体は石炭自身が内蔵していることもあるし,添加剤として外部から加えるピッチ類が含有することもある。」

本発明は特定の理論に拘束されず、また、比較的シンプルな反応といえる石炭の乾留ですら上記のような込み入った記述になることからも窺えるように、炉内の反応の全体像はあまりに複雑で当業者であってもその全体を正確に記述することはできない。しかしながら、図４は、稼働中の反応設備１００内で少なくとも起こり得ることをきわめて模式的に示している。なおここでの記述順序は必ずしも時系列を表すものではなく、これらの事象は多かれ少なかれ同時進行で起こり得る。

竪型炉１１０内の中央付近（実質的に竪型炉の上部１１１に含まれ得る）には、乾溜域が形成され、ここで投入物（被処理物）の主要な乾溜、すなわち揮発分発生を伴う熱分解が起こる。竪型炉１１０の上端から投入され堆積していた投入物（被処理物）のうち、上方にあるものは、温度が相対的に低く熱分解の度合いが相対的に低いが、乾溜域から上昇してくる乾溜ガスの熱流を受けて熱交換を行い、やがては熱分解が進行して、重力に従って下降していく。逆に乾溜ガスはやや熱を失って乾溜ガス回収部１８０に至る。このように、竪型炉では熱が無駄なく効率よく利用される。

乾溜域の下、竪型炉の下部１１２に相当する領域には、反応層が形成される。典型的には、反応設備１００を稼働させる初期段階で、この領域にある被処理物に直接着火して燃焼させて、炉内の酸素を消費させるが、燃焼室１３０からの熱流に依存して直接着火は不要になり得る。エアボックス内のガスの酸素濃度が高い場合に、吹込ノズル１５０でガスを吹き込んで被処理物燃焼の火力を増強させることもできる。炉内の酸素が消費されて主要な乾溜が開始した段階においても、吹込ノズル１５０を適宜使用して、制御下で酸化反応をもたらすことができる。炉内には相当量の二酸化炭素及び一酸化炭素があり、酸素が減り二酸化炭素の分圧が大きくなると、Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯの反応に傾く。

燃焼・乾溜の際には、被処理物の表面がガス境膜又は灰層等で覆われて、これらが化学反応の妨げになることがある（「炉と燃焼装置」（初版）、国井太蔵著、科学技術社、４・４・１）。本発明の反応設備では、吹込ノズル１５０で随時ガスを吹き込むことにより、これらの反応抑制層を吹き飛ばし、炭素含有表面を露出させることによって、被処理物の反応を進行させ処理を効率化することができる。

燃焼室１３０内では可燃油が燃焼されて、炉内での乾溜その他の反応に必要な熱エネルギーが提供される。竪格子１６０の、炉内部に面した側（羽口とも呼ぶ）からは、燃焼室１３０から熱流が勢いよく放出され、これが炉内の羽口近辺で拡散あるいは旋回するガス流を形成する。竪格子１６０の羽口近辺で形成されるこのガス流をレースウェイと呼ぶ。実際に羽口近辺では、レースウェイの存在のために、被処理物が排斥された空隙が観察される。レースウェイは、上記吹込ノズル１５０に類似した物理的作用で被処理物の炭素含有表面を（随時的ではなく）継続的に露出させるとともに、その周辺に物質及びエネルギーを流通させて、被処理物の化学反応に関して分子レベルの事象を促進させると考えられる。

高温になった被処理物に由来する固形物は、熱分解を受けて巨視的にも小さくなりながら、重力により炉内を下降する。これらきわめて高温の炭素含有固形物が、貯水部１２０の水面に落下するとき、そこで生じる水蒸気と反応して、水素と一酸化炭素で構成されるいわゆる水性ガスを発生する。これら水蒸気及び水素（図４中Ｈで示す）は、被処理物中の炭素（Ｃ）含有成分との相互作用及び反応に供され、炭素への水素供与（図４中ＣＨで示している）及び炭化水素系物質（Ｃ_ｎＨ_ｍ）の生成にも直接的又は間接的に寄与し得る。すなわち、反応エネルギーを提供し反応層の創出に寄与する竪格子１６０を貯水部１２０に近接させた配置は戦略的なものである。１種類以上の公知の金属触媒を反応層に設置してもよい。炭素系物質及び無機物等の固形残渣は、貯水部１２０の水面、水中、又は水底に回収され得る。実際の稼働の際に、貯水部１２０の貯留水は底まで透き通った綺麗な青色に見られ、固形物の分離・回収が容易であった。何らかの反応生成物が水の浄化を起こした可能性が考えられる。

気体化された、あるいは微粒子状態の、炭化水素系物質（Ｃ_ｎＨ_ｍ）及びその他の軽い物質は、竪型炉１１０内を上昇し、未分解の被処理物に熱を供給しながら、炉の最上部付近にある乾溜ガス回収部１８０から回収されることができる。回収されたガスからはカーボン微粒子を分離することができ、また当該ガスが熱交換器等により冷却されると、その一部からは液状の炭化水素油を生じ得る。この炭化水素油は、燃焼室１３０で燃焼させる燃料油としてフィードバックすることもできる。

本発明の反応設備は、タイヤはもちろんのこと他の多様な被処理物にも対応させることができる。また、本発明の反応設備は、酸素ガスや水素ガスなどを外部から供給する必要性を特に有さない一方、一般に排出ガスとして大気に棄てられるだけである高ＣＯ_２濃度ガスを積極的に活用することができる。

１００反応設備
１１０竪型炉
１２０貯水部
１３０燃焼室
１４０エアボックス
１５０吹込ノズル
１６０竪格子

Claims

上部、下部、及び最下部を有する筒状の竪型炉と、
前記竪型炉の最下部が少なくとも部分的に浸漬する貯留水を保持する貯水部と、
前記竪型炉の下部の外側において前記竪型炉の外周に隣接して設けられた燃焼室と、
前記竪型炉の下部の外側にさらに設けられたエアボックスと、
開閉口を介して前記エアボックスと接続し、先端が前記竪型炉の内部空間に接続する吹込ノズルと
を備え、
前記燃焼室と前記竪型炉の内部空間とは竪格子によって隔てられ、前記竪格子は、前記燃焼室に面する第１開口と前記竪型炉の内部空間に面する第２開口とを繋げる孔を形成し、
前記孔は、外側域と中央域と内側域を有し、前記外側域は前記第１開口から前記中央域へと徐々に狭くなり、前記中央域は略一定の狭さを有し、前記内側域は、前記中央域から前記第２開口へと５５〜６５°の開口角度で広くなっている、
反応設備。
前記吹込ノズルは、外円筒と、前記外円筒に入れ子式に内接する内円筒とを含み、前記外円筒及び前記内円筒はそれぞれ円筒の胴体側面に穴を有しており、前記外円筒及び／又は前記内円筒を互いに対して回転させて両者の穴が重なる面積を変動させることにより前記開閉口を提供するように構成されている、請求項１に記載の反応設備。
前記エアボックスに接続され前記エアボックス中に高ＣＯ_２濃度ガスを供給する、高ＣＯ_２濃度ガス供給部をさらに備える、請求項１又は２に記載の反応設備。