WO2014069234A1 - 処理システム及び処理装置 - Google Patents

Abstract

　アスベストの低温無害化処理技術に、バイオマス処理及び再資源化技術を組み合わせ、災害地で稼働する際にもエネルギー自給型処理ができる新システムを確立したもので、粉砕機、炭化炉、ガス化炉の各装置を効率よく組み合わせた再資源化処理システムである。

Description

処理システム及び処理装置

　本発明は処理システム及び処理装置に関し、具体的には、燃焼可能な木質系・プラスチック系、紙、繊維系等の廃棄物の処理システム及び処理装置に関するもので、更に具体的には、例えばアスベストを含有する廃棄物であっても、これを無害化処理する自燃型の処理システム及び処理装置に関するものである。

　不幸にして、昨年３月に東日本大地震及びそれに起因しての津波が発生した。そのため、処理しなければならない大量の瓦礫（廃棄物）が発生してしまった。かかる瓦礫は、家屋の崩壊や流木等による木質系のもの、各種のプラスチック系のもの、紙・繊維系のものが主であるところ、その瓦礫の量は膨大な量であり、その処理作業は難航している。

　その中には、通常であれば特別管理産業廃棄物として処理されなければならないアスベストを含有している非常に危険な廃棄物も含まれている。本来であれば、それぞれ分別し適正に処理すべきであるが現実的には難しく、この面でも瓦礫処理は難航している。

　本発明者等は、吹付け材等の飛散性のアスベストとその除去工事時に発生するアスベスト付着プラスチック系の廃棄物を、アスベスト融解剤を利用し比較的低温域で溶融無害化するとともに、プラスチック分は熱分解により可燃性ガスに燃料化できることを実証している(特開２００７－３０８８７１号公報)。

　本発明はかかる現況に鑑みてなされたものであり、特開２００７－３０８８７１号公報の技術を基礎とし、これに更に改良を加え、アスベスト含有廃棄物を含む廃棄物であっても簡便な処理システムを構築することにより、復興及び今後の災害対策への貢献を図るものである。

　更に言えば、特許文献１のアスベストの低温無害化処理技術にバイオマス処理及び再資源化技術を組み合わせ、災害地で稼働する際にもエネルギー自給型処理ができる新システムとして確立したものであり、被災地の震災瓦礫処理場又は最終処分場等に本システムを設置し、災害からの復興へも貢献しようとするものである。

　本発明の第１は、廃棄物の再資源化のための自燃型処理再資源化システムであって、粉砕機、炭化炉、ガス化炉からなり、粉砕機からの粉砕物を炭化炉に投入し、これを燃焼させて燃焼排ガスと炭化物を得、次いで炭化物はガス化炉に投入し、更に当該ガス化炉内に水蒸気が投入され、炭化物と水蒸気の接触下に前記燃焼排ガスの熱にて燃焼可能な生成ガスを得ることを特徴とするものであり、例えば、得られた生成ガスを発電に供するものである。

　尚、廃棄物中にアスベストが含まれている際には、粉砕機内にアスベスト融解剤を混入するものであり、このアスベスト融解剤はアルカリ化合物(通常はアルカリ系化合物)が好んで用いられる。

　得られた生成ガスは、いわゆる水性ガスと称されるものであり、その成分はＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２が主の混合物である。

　そして、この水性ガスを燃焼し、例えば発電機エンジンや燃料電池を動かして電気を得るのが一般的で、その一部を本システムの各工程へこの電気を送って循環利用し、あるいは売電したり他に供給したりし、一方、燃焼排ガスの余熱を各種の熱源として利用することが可能となったものである。

　本発明の第２は、廃棄物の自燃型処理再資源化装置であって、粉砕機、炭化炉、ガス化炉からなり、前記粉砕機には木質系、プラスチック系、紙、繊維系等の燃焼可能な廃棄物が投入され、前記炭化炉は筒形構造とし、上部をガス燃焼部、中部及び下部を燃焼部及び精錬部、最下部を炭化物排出部となし、粉砕された廃棄物投入口、各燃焼部への空気導入口、燃焼排ガス排出口、着火バーナーを備え、前記ガス化炉は二重筒型構造とし、中央を炭化物を分解するための反応炉、周囲を燃焼排ガスによって反応炉を加熱する反応炉加熱部となし、反応炉には前記炭化炉にて得られた炭化物の投入口と、水蒸気投入口とを備え、更に生成ガス取り出し口とスラグ排出口とを備え、前記燃焼排ガス回遊路には燃焼排ガス導入口及び排出口を備えたことを特徴とする装置であって、得られた生成ガスの利用と、燃焼排ガス排出口からのガスの熱再利用と、スラグの再資源化を可能としたことを特徴とするものである。

　かかる粉砕機は、主としてバイオマス系、プラスチック系、紙、繊維系からなる投入物をほぼ３０ｍｍ以下(長さ)程度に粉砕するのがよく、廃棄物中にアスベストが存在する場合には、アスベスト融解剤を投入して粉砕混合するのがよい。

　そして、炭化炉の精錬部は、筒形内に直立する蓄熱塊を備え、蓄熱塊の外側面と炉筒の内側面間に炭化物が落下する構造とし、燃焼熱のみにより炭化させるものである。

　本発明にあっては、粉砕機と炭化炉とガス化炉とを順次組み合わせたシステムで、アスベストを含む廃棄物でも確実に処理可能である。そして、利用法によっては、バイオマス生成ガス及びプラスチック分解ガスを用いる自己燃料自給型システムが可能となったもので、この処理で水性ガスが得られることから、これをエネルギーとして再利用し、燃焼排ガスの熱再利用と、更には、スラグの再資源化を可能としたものである。例えば、得られた生成ガスを用いて発電装置を動かし、これによって本システムの各工程への電力源とすることが可能となったものである。

　一方、本発明は例えアスベストが含まれていようとも、これを無害化し、かつ廃棄物全体のボリュームを大幅に削減できることから、埋立等の廃棄処理も飛躍的に容易になり、有害物を残さないという大きな特徴を持つものである。

図１は本発明のシステム全体を示す図である。 図２は炭化炉の説明図である。 図３はガス化炉の説明図である。 図４は炭化炉の別の例を示す説明図である。

（処理システム及びその装置）
　図１は本発明のシステム全体を示す図である。図中、１は粉砕機、２は炭化炉、３はガス化炉であり、廃棄物が粉砕機１に投入され（矢印Ａ）、得られた粉砕物が炭化炉２に投入され（矢印Ｂ）、炭化炉２内に空気を導入して（矢印Ｃ）燃焼排ガス５と炭化物を得る。そしてこの炭化物はガス化炉３に投入され（矢印Ｄ）、かつ水蒸気７がガス化炉３に投入される（矢印Ｅ）。そして、炭化物と水蒸気の接触下に、反応熱源としてガス化炉３に燃焼排ガス５が導入され（矢印Ｆ）、主として吸熱反応によってガス化される。符号１１は蒸気ボイラー、１２は熱交換器である。

　そして、得られた生成ガス８はガス化炉３から取り出され、例えば後述する発電に供するものである（矢印Ｇ）。
　一方、燃焼排ガス５はその後ガス化炉から排出され、その余熱を各種の熱源として利用され（矢印Ｈ）、更には、ガス化炉３から排出されるスラグ１０からは資源再利用が図られる（矢印Ｉ）。

（廃棄物及び廃棄物粉砕機）
　図１にあって、２１は廃棄物粉砕機１中に配置した粉砕カッター、２２は排出スクリュー、２３はこれに連動する斜めに配置された移送スクリューである。粉砕混合物の排出・移送方式は適宜選択できるが、密閉性を考慮するとスクリュー方式がよい。

　粉砕物は、主として３０ｍｍ以下に破砕された家屋などの解体廃木材、間伐材、抜根、流木、立ち枯れ、その他の木質チップ等の未利用バイオマスであり、これを機械的に投入するもので、勿論、これとともに各種のプラスチック廃材、紙材、繊維材等も同様に投入できる。本システムは、自燃（じねん）による熱源で炭化を行い、投入チップは、約２０～２５分で炭化されて自動排出される。

（アスベストの存在）
　この際、廃材中に飛散性或いは非飛散性アスベストが存在することもあるが、本発明にあっては、融解剤（例えばアルカリ系化合物等のアルカリ化合物）をこれらとともに投入し、これによってアスベストは減容固化非飛散処理され安全・安定な性状に溶融無害化してしまうこととなる。

（炭化炉）
　図２は、本発明の特徴である自燃式（流下式連続）炭化炉、即ち自己燃焼熱（部分酸化反応熱）により炭化を行う炭化炉２の基本構造を示す。炭化炉２は図示はしないが適当な耐火断熱材にて覆われている。符号３１は炭化炉２の円筒内部であり、上部が発生したガスの燃焼部、中部が粉砕物の燃焼部、下部が精錬部である。３２は廃棄物粉砕機１にて得られた粉砕混合物の投入口であり、３３、３４は空気の導入口である。

　即ち、炭化炉２の円筒内部３１に投入された粉砕混合物は、運転開始時に図示しない着火バーナーにて着火し、その後は空気導入口３３、３４から導入された空気(酸素)によって燃焼が継続される。特に、空気導入口３３からの空気によって粉砕物が燃焼し、発生したガスは上昇して更に空気導入口３４からの空気によって完全燃焼処理させる。即ち、粉砕物から出る可燃性ガスは燃焼部にて完全燃焼して燃焼排ガスとなり、これは熱源として配管３６によって次のガス化炉３に導かれる。

　一方、炭化材料は円柱状の蓄熱塊３７の外側面と炭化炉２の内部３１の側壁に沿って流下し、炭化炉２の下部の精錬部にて無酸素下で炭化され、炭化炉２の底部に備えた例えばターンテーブル３８が回転することにより排出部へと移動し排出スクリュー３９により排出される。密閉性を考慮すると、炭化炉２への投入と排出はスクリュー方式が望ましい。尚、炭化炉２内における温度は９５０±５０℃程度である。

（ガス化炉）
　図３にガス化炉３の基本構造を示す。この図でも図２と同様に耐火断熱材に類する記載は省略している。さて、ガス化炉３は円筒状の反応炉４０を中央に配置し、この周囲に熱源室４１（反応炉加熱部）が配置されている。反応炉４０は炭化炉２にて得られた炭化物を投入するための投入口４３と、ガス化された生成ガスの取り出し口４４と、スラグ１０の排出のためのスクリュー４５が備えられる。そして、投入された炭化物と接触させてガスを生成するに必要な蒸気を導入するための蒸気導入口４６が備えられている。

　一方、熱源室４１は炭化炉２からの燃焼排ガス（熱源）を導入するための熱源導入口４７が備えられ、配管３６に繋げられる。そして、ガス化に供した熱源ガスを排出するための熱源ガス排出口４６が備えられている。

　このガス化炉３にあっては、炭化炉２にて得られた炭化物を反応炉４０内に投入し、同様にこの反応炉４０内に導かれた蒸気と接触させ、これに対して反応熱源として前記の燃焼排ガスのエネルギーをもってガス化反応をもたらすものである。反応炉４０内にて熱分解ガス化が行われ、いわゆる水性ガス（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２）を発生させるもので、これを生成ガス取り出し口４４より取り出すもので、例えばこれを発電等に供することとなる。ガス化炉３の温度は８５０℃前後である。

　（可燃性燃料ガス（水性ガス））
　本発明は、ガス化剤として水蒸気をガス化炉３内に導入し、炭化物（炭素）と接触反応させて水素を豊富に含んだガスを得るものである。ガス化の反応を例に取れば、吸熱反応によってＣ+Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２+ＣＯ、シフト反応によってＨ_２Ｏ+ＣＯ→Ｈ_２+ＣＯ_２が得られ、実機テストにあっては、Ｈ_２：６０％、ＣＯ：２０％、ＣＯ_２：２０％の水性ガスが効率よく得られた。

　このように、本発明にあっては、原料が何であれ、揮発分・重質油分を飛ばした炭化後の炭であれば、タール分を含まない良質な生成ガスを取ることができ、これは例えば発電に供されるもので、得られた電気はそのまま本発明の各工程での必要な電力エネルギーとして用いることができ、自給型処理設備として稼働させることができる。

　ここで、廃棄物として投入された材料から見れば、木質系・プラスチック系の一部の成分は気化し燃焼に供され、この熱エネルギーによって可燃性燃料ガス（水性ガス）を得るもので、主としてガス化反応のための熱源に使用される。ここで水性ガスの流れを示せば、バイオマス⇒炭化物⇒熱分解ガス化(熱源)⇒水性ガスと変換され、これが好ましくは、⇒発電⇒各工程への電気エネルギーへとなる。

　一方、ガス化の熱源として使用された炭化炉からの燃焼排ガスは、排出口４８から取り出され、その後、この余熱を利用して各種の熱源として利用され、最後は冷却装置・バグフィルター等を介して大気に放出される。

　更に、炭化物の残渣はスラグとして取り出され、再資源化に供されることとなる。

　（アスベストの変化）
　アスベストを無害化するには、できる限り低温でアスベストを融解させる融解剤を見つけ出すことであり、アルカリ化合物に着目してこれを融解剤としたものである。アスベストは、粉末状、半ナマ状、スラリー状のいずれの形態のものでもよく、８００℃程度で加熱処理してなるものである。これによって、アスベストを確実に分解することができ、アスベストの繊維形態の消滅、結晶構造の崩壊等を引き起こして無害化されるものである。融解剤としては、たとえばフッ化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、珪酸ナトリウム、水酸化ナトリウム等、およびこれらの組み合わせが挙げられる。

　（炭化炉の別例）
　図２に示す炭化炉は、目的によっては更に変更が可能である。即ち、図２に示す炭化炉においては、得られる炭化物の容量が比較的大きいが、これは、炭化物として不適当な燃焼滓が全て炭化物と一体となって取り出されるからである。このため、次工程のガス化炉３のボリュームが必要以上に大きくなるという問題があった。

　更に廃棄物にアスベストが混じっている可能性がある場合には廃棄物に融解剤を加えることによってアスベストを無害化するが、この無害化物も炭化物と一緒に取り出されることになってしまう。

　これらの点を考慮して、炭化炉２を図４に例示するように、上炉２Ａ（燃焼排ガス発生部）と下炉２Ｂ（炭化物生成部）とに分断した構成とすることができる。なお、炭化炉２を上炉２Ａと下炉２Ｂとの二段構造とする代わりに、二重構造としてもよい。そして上炉２Ａ内にはガス発生を主としたプラスチック系廃棄物（粉砕混合物）と、要すればアスベスト系廃棄物および融解剤を投入し（上炭化炉投入廃棄物１ａ）、下炉２Ｂには炭化物となるに適した木屑、紙系、繊維系廃棄物（粉砕混合物）（下炭化炉投入廃棄物１ｂ）を分別して投入するものである。

　このため、下炉２Ｂから得られる炭化物は、図２に示す炭化炉２で得られる炭化物よりもボリュームが少なく、そのまま次工程のガス化炉３に導かれる。一方、上炉２Ａからはガス化炉３では使用されることのない燃焼残渣が取り出される。これは炭化物とは別々に取り出されるため、下炉２Ｂから取り出される炭化物は、図２に示す炭化炉２で得られる炭化物よりも、上炉２Ａから取り出される残渣の分だけボリュームが減ることとなる。

　図４において、３２Ａはプラスチック系・アスベスト系粉砕混合物投入口であり、３２Ｂは木屑・神系・繊維系粉砕混合物投入口である。尚、上炉２Ａ中に任意の攪拌装置５０を備えても良いことは勿論である。上炉２Ａにおいて５１は底プレート、５２は燃焼残渣の取出口である。上炉２Ａの外側には、下炉２Ｂからの熱を上炉２Ａに供給する熱供給路５３が底プレート５１から立ち上がるように形成されている。したがって、下炉２Ｂ内部で木屑・神系・繊維系粉砕混合物が部分燃焼して生じた熱は、プレート５１および熱供給路５３を通して上炉２Ａの内部に伝達され、上炉２Ａ内部におけるプラスチック系・アスベスト系粉砕混合物の熱分解を助ける。
　下炉２Ｂにあって、５４は炭化物取出口であり、この炭化物取出口５４から取り出された炭化物が、次工程のガス化炉３に導かれる。

　図４の炭化炉２においては、上炉２Ａでは二次燃焼熱などによって１０００℃以上でタール成分をすべて分解してしまい、かつ、アスベスト系廃棄物も完全に無害化されることとなる。一方、ガス化炉３に供給される炭化物のボリュームは図２に示す炭化炉２で発生する炭化物よりもボリュームが少ないから、ガス化炉３の円筒状の反応炉４０は直径が小さくて済み、反応熱も７５０～８５０℃程度で十分に水性ガスを生成させることが可能となったものである。

　（再資源化処理装置の変形形態）
　以上、本発明のシステム及びその装置について説明したが、システム全体を一つの処理装置として一体に設置することがよいが、これらを車載型、即ちトレーラーやコンテナ等に納めて移動可能な装置とすることも可能であり、自燃型・エネルギー自給型という特徴を生かし、国内外での被災地等での瓦礫処理・電力供給設備として貢献できることとなる。

　又、システム全体を別の装置として考え、これらを別々の場所に設置し、必要に応じて材料を供給しあったりすることも可能であり、更には、各装置を別々の車に設置してこれらが移動しやすくし、必要な場所において連結することも本発明の形態に含まれる。

　本発明は、廃棄物の自燃型処理システム及びその処理装置を提供するもので、木質系やプラスチック系、或いは紙や繊維系が混在した廃棄物をより簡便に処理し、この際に得られた熱やガスを再利用することを可能としたものである。
　従って、不幸にもおきた地震災害による瓦礫の処理に供されることは勿論、他の場所での処理、例えば台風による流木の処理等に広く利用可能であり、その利用範囲は広い。

　１　　粉砕機
　１ａ　上炭化炉投入廃棄物
　１ｂ　下炭化炉投入廃棄物
　２　　炭化炉
　２Ａ　上炉
　２Ｂ　下炉
　３　　ガス化炉
　７　　水蒸気
　８　　ガス化
１１　　蒸気ボイラー
１２　　熱交換器
２１　　粉砕カッター
２２　　排出スクリュー
２３　　移送スクリュー
３０　　耐火断熱材
３１　　炭化炉の円筒内部
３２　　粉砕混合物の投入口
３２Ａ　プラスチック系・アスベスト系粉砕混合物投入口
３２Ｂ　木屑・神系・繊維系粉砕混合物投入口
３３、３４　空気の導入口
３５　　着火バーナー
３６　　熱源配管
３７　　円柱状の焼玉
３８　　ターンテーブル
３９　　排出スクリュー
４０　　円筒状の反応炉
４１　　熱源室
４３　　炭化物投入口
４４　　生成ガス取り出し口
４５　　スラグ排出スクリュー
４６　　蒸気導入口
４７　　熱源導入口
４８　　熱源ガス排出口
５０　　攪拌装置
５１　　上炉の底プレート
５２　　燃焼残渣の取出口
５３　　熱供給路
５４　　スラグ取出口
Ａ　廃棄物の投入
Ｂ　粉砕混合物の投入
Ｃ　空気の導入
Ｄ　炭化物の投入
Ｅ　水蒸気の投入
Ｆ　燃焼ガスの導入
Ｇ　発電等への利用
Ｈ　燃焼ガスの利用
Ｉ　スラグの資源再利用

Claims (12)

1. 　投入物を粉砕して粉砕物とする粉砕機と、
   　前記粉砕機からの粉砕物を燃焼させて燃焼排ガスと炭化物とを生成させる炭化炉と、
   　前記炭化炉で生成した炭化物と水蒸気とを、前記炭化炉で生成した燃焼排ガスによる加熱下で接触、反応させて燃焼可能な生成ガスを生成させるガス化炉と、
   を備える処理システム。
2. 　前記粉砕物中にアスベストが含まれている場合は、前記粉砕物にアスベスト融解剤を混入して前記炭化炉に投入する請求項１に記載の処理システム。
3. 　得られた生成ガスは、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２を主とする混合物である請求項１記載の処理システム。
4. 　得られた生成ガスの少なくとも一部を発電に供する請求項１～３のいずれか１項に記載の処理システム。
5. 　得られた電気の少なくとも一部は本システムの各工程へ循環利用される請求項１記載の処理システム。
6. 　燃焼排ガスの余熱を各種熱源として利用する請求項１記載の処理システム。
7. 　投入物を粉砕して粉砕物とする粉砕機と、
   　前記粉砕物を燃焼させて燃焼排ガスと炭化物とを生成させる炭化炉と、
   　前記炭化炉で生成した燃焼排ガスによる加熱下で、前記炭化炉で生成した炭化物を水蒸気と反応させて燃焼可能な生成ガスとするガス化炉と、
   を備える処理装置。
8. 　前記炭化炉は、
   　前記粉砕機からの粉砕物が投入されて燃焼される燃焼部と、
   　前記燃焼部よりも上方に位置し、前記燃焼部において前記粉砕物が燃焼して生成したガスを燃焼させて燃焼排ガスとするガス燃焼部と、
   　前記燃焼部の下方に位置し、および前記燃焼部において前記粉砕物が燃焼して生成した炭化物を更に炭化させる精錬部と、
   を備え、
   　前記ガス化炉は、
   　前記炭化炉で生成した炭化物が投入され、水蒸気とともに分解されて生成ガスとされる反応炉と、
   　前記反応炉に水蒸気を導入する蒸気導入口と、
   　前記炭化炉で生成した燃焼排ガスが導入されることにより、前記反応炉を加熱する反応炉加熱部と、
   　前記反応炉で生成した生成ガスを取り出す生成ガス取出口と、
   を備える請求項７に記載の処理装置。
9. 　前記粉砕機においては、投入物をほぼ３０ｍｍ(長さ)程度に粉砕する請求項７または８に記載の処理装置。
10. 　前記粉砕機においては、投入物中にアスベストが存在する場合には、アスベスト融解剤を投入して粉砕する請求項７～９のいずれか１項に記載の廃棄物の処理装置。
11. 　前記炭化炉の精錬部は、筒形内に直立する蓄熱塊を備え、前記蓄熱塊の外側面と炉筒の内側面間に炭化物が落下する構造とした請求項７～１０のいずれか１に記載の処理装置。
12. 　前記炭化炉は、
    　木質系、紙系、および繊維系の少なくとも１種の廃棄物が投入されて炭化物を生成させる炭化物生成部と、
    　前記炭化物生成部の上方に隣接し、前記炭化物生成部において炭化物生成時に生じた熱が伝達されるように形成されているとともに、プラスチック系廃棄物、アスベスト系廃棄物、および融解剤のうちの少なくとも１つが投入されて燃焼排ガスを発生させる燃焼排ガス発生部と、
    を有する請求項７に記載の処理装置。

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