シャフト型熱分解炉および熱分解方法
【課題】排気ダクトへの固形物の固着を減少させることによって、シャフト型熱分解炉の設備稼働率を向上させる。
【解決手段】シャフト型熱分解炉１００は、軽量飛散物Ｆを含む原料が投入される原料投入口１０２および原料の熱分解によって生成された生成ガスが排出されるガス排出口１０４が上部に設けられる炉体１０１と、炉体１０１の頂部から底部に向かって垂下して、炉内空間の一部を、原料投入口１０２から原料を落下させるための第１の炉内空間１０８と生成ガスをガス排出口１０４まで上昇させるための第２の炉内空間１０９とに分割する仕切り部材１０７とを含むことを特徴とする。
【解決手段】シャフト型熱分解炉１００は、軽量飛散物Ｆを含む原料が投入される原料投入口１０２および原料の熱分解によって生成された生成ガスが排出されるガス排出口１０４が上部に設けられる炉体１０１と、炉体１０１の頂部から底部に向かって垂下して、炉内空間の一部を、原料投入口１０２から原料を落下させるための第１の炉内空間１０８と生成ガスをガス排出口１０４まで上昇させるための第２の炉内空間１０９とに分割する仕切り部材１０７とを含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフト型熱分解炉および熱分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素の排出量を削減する狙いから、廃棄物を有効活用する方法として、燃料としての利用を可能とする可燃性ガスの製造が試みられている。この廃棄物原料は、例えば、都市ゴミ、廃プラスチック、廃タイヤ、木質系バイオマス等の多様な廃棄物を複合的に含む原料である。これらの廃棄物の多くは炭素を含むため、熱分解炉に投入して熱分解すると、可燃性のガスが発生する。さらに改質炉を用いてこのガスを改質し、効率的に利用可能な原燃料ガスを得る手法が提案されている。熱分解炉としては、例えば、シャフト型熱分解炉、流動層型熱分解炉、およびストーカ型熱分解炉などが知られている。
【０００３】
シャフト型熱分解炉は、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されている。特許文献１には、廃棄物を含む炭素質資源を熱分解するシャフト型の炉が記載されている。また、特許文献２には、矩形断面を有するシャフト型熱分解炉が記載されている。これらのシャフト型熱分解炉において、原料は炉の上部から投入されて落下し、炉内に堆積する。一方、原料の熱分解によって生じた生成ガスは、炉内を上昇し、炉の上部から回収される。炉内を上昇する生成ガスは、堆積した原料を乾燥および昇温させて熱分解を促進する。
【０００４】
また、流動層型熱分解炉およびストーカ型熱分解炉は、例えば、特許文献３および特許文献４に記載されている。流動層型熱分解炉およびストーカ型熱分解炉では、原料は炉の下部から投入され、生成ガスは炉の上部から回収される。特許文献３には、流動層型またはストーカ型の熱反応炉において、炉内に山笠構造の障壁を設けることによって燃焼ガスの流れを制御して反転気流を生じさせ、燃焼ガスに混入した未反応原料の反応を促進する技術が記載されている。また、特許文献４には、いずれも流動層型の熱分解炉と燃焼炉とを隣接して設け、熱分解炉で発生した未燃チャーを燃焼炉に供給して熱源として利用する技術が記載されている。このように、流動層型熱分解炉やストーカ型熱分解炉では、未反応原料の反応を促進し、原料の熱利用の効率を向上させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９１４４７４号公報
【特許文献２】特許第４５０５４２２号公報
【特許文献３】特開平５−２０３１３０号公報
【特許文献４】国際公開第９９／２３４３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これに対して、上記の特許文献１および特許文献２などに記載の従来のシャフト型熱分解炉では、炉内を徐々に下降する原料と、炉内をゆっくりと上昇する高温の生成ガスとが対向流で熱交換することによって原料が昇温されて熱分解が促進されるため、特許文献３および特許文献４などに記載の流動層型熱分解炉（上昇ガス流が非常に速い）やストーカ型熱分解炉（固定床で偏流ができ易く、偏流部分の流速が高くなる）におけるような、原料の一部がガス流に同伴されて未反応のまま飛散するという問題は、これまでほとんど想定されておらず、かかる飛散を抑制する技術について、流動層型熱分解炉などのように多くの検討はなされてこなかった。ところが、本願発明者らが鋭意研究したところ、シャフト型熱分解炉においても、未反応の原料が問題になる場合があることが判明した。
【０００７】
図８は、従来のシャフト型熱分解炉である熱分解炉１０の模式的な縦断面図である。図８を参照すると、原料は、炉体１１の頂部に設けられた原料投入口１２から投入され、矢印（白）に従って炉体１１の内部の空間を落下し、炉体１１の下部に堆積する。炉体１１の下部にはバーナ１３が設けられている。堆積した原料の一部は、バーナ１３から供給される空気や酸素の一方もしくは両方、またはさらに水蒸気などの反応助剤によって原料の一部を燃焼する。この燃焼によって周辺の原料の温度が高温に保たれ、原料の熱分解反応が進行する。また、燃焼排ガス等の高温ガスを投入し、その顕熱を用いて熱分解反応を進行させてもよい。
【０００８】
一方、熱分解反応によって発生した生成ガスは、矢印（黒）に従って炉体１１の内部の空間を上昇し、炉体１１の上部に設けられたガス排出口１４から排出される。さらに、生成ガスは、ガス排出口１４に連通する排気ダクト１５を通って改質炉などに供給される。熱分解反応によって発生した炭化物および残渣は、炉体１１の底部に設けられた残渣排出口１６から炉外に排出される。
【０００９】
本願発明者らの試験によれば、熱分解炉１０における生成ガスの温度は、バーナ１３付近では約１１００〜１２００℃であるが、堆積した原料の間を上昇する過程で温度が低下し、堆積面Ｓ付近では約３００〜５００℃になる。かかる生成ガスの原料中での温度分布の概略を示す等温線を、図中に細線で示す。一方、原料の温度は、堆積面Ｓより下で徐々に上昇し、水分が蒸発する時点で約１００℃になり、さらに上昇して反応温度に到達する。反応温度は、例えば木質バイオマス（杉）では約２５０〜４５０℃、廃プラスチック（ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ）では約３５０〜５００℃、廃タイヤでは約３００〜５００℃である。原料が反応温度に到達すれば、数秒間から数十秒間で熱分解反応は完了する。
【００１０】
本願発明者らは、熱分解炉１０に木質バイオマス、廃プラスチック、および廃タイヤなどを含む原料を投入して熱分解する試験を行ってきた。その結果、図示されているように、原料に含まれる軽量飛散物Ｆが炉体１１の内部を落下する前に飛散し、上昇する生成ガスに巻き込まれてガス排出口１４へとショートカットし、そのまま生成ガスに混入して排出されてしまうことがわかった。
【００１１】
ここで、軽量飛散物Ｆは、例えばフラフ状廃プラスチックや粉状木質バイオマスなどの、比重が小さく厚さが薄い原料である。熱分解炉１０において、軽量飛散物Ｆの多くは、原料の堆積面Ｓに到達する前に飛散し、生成ガスに巻き込まれてガス排出口１４へとショートカットする。それゆえ、多くの軽量飛散物Ｆは、反応時間が十分に確保されず、未反応のまま生成ガスに混入して排出される。この場合、軽量飛散物Ｆが十分に反応せず炉外に排出されることは、その分、ガス化効率が低下するという問題を生じると共に、生成ガスに混入した軽量飛散物Ｆが生成ガスに含まれるタール分をバインダーとして排気ダクト１５の内面に固着して生成ガスの流路を閉塞するという問題も生じる。それゆえ、熱分解炉１０から生成ガスを安定して排出するためには、排気ダクト１５の内面に固着した固形物を定期的に清掃せねばならず、これが設備稼働率を低下させる原因になる。
【００１２】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ガス化効率の低下につながる未反応物の炉外への排出を抑制または防止することと、これにより排気ダクトへの固形物の固着を減少させることによって、シャフト型熱分解炉の設備稼働率を向上させることとが可能な、新規かつ改良されたシャフト型熱分解炉および熱分解方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、軽量飛散物を含む原料が投入される原料投入口、および原料の熱分解によって生成された生成ガスが排出されるガス排出口が上部に設けられる炉体と、炉体の頂部から底部に向かって垂下して、炉内空間の一部を、原料投入口から原料を落下させるための第１の炉内空間と、生成ガスをガス排出口まで上昇させるための第２の炉内空間とに分割する仕切り部材と、を含むことを特徴とする、シャフト型熱分解炉が提供される。
【００１４】
かかる構成によれば、シャフト型熱分解炉において、原料が落下する第１の炉内空間と、生成ガスが上昇する第２の炉内空間とが仕切り部材によって隔てられることによって、原料に含まれる軽量飛散物が原料投入口からガス排出口へとショートカットすることを防ぐことができる。
【００１５】
上記のシャフト型熱分解炉は、炉体の内部の原料の堆積高さを測定する測定手段と、原料の高さに応じて仕切り部材を昇降させる昇降手段と、をさらに含んでもよい。
【００１６】
かかる構成によれば、原料の堆積高さの変化に応じて仕切り部材を最適な位置に配置することができる。
【００１７】
また、上記のシャフト型熱分解炉は、第２の炉内空間に反応助剤を供給する反応助剤供給手段をさらに含んでもよい。
【００１８】
かかる構成によれば、排出される生成ガスの温度を上昇させて、生成ガス中のタールが排気ダクトに固着するのを防ぐことができる。
【００１９】
また、上記のシャフト型熱分解炉において、仕切り部材の下端は、炉体の内部の原料の堆積面よりも上方に位置してもよい。
【００２０】
かかる構成によれば、堆積した原料の内部での生成ガスの流れの偏りが少なくなり、生成ガスが炉内を上昇するときの抵抗を減少させることができる。
【００２１】
また、上記のシャフト型熱分解炉において、第２の炉内空間の水平方向断面積は、ガス排出口に連通する排気ダクトの断面積以上であってもよい。
【００２２】
かかる構成によれば、炉内を上昇する生成ガスの流速が、排気ダクトを流れる生成ガスの流速よりも大きくなるのを防ぎ、圧力損失や摩耗損傷の過度の増加を防止することができる。
【００２３】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記のシャフト型熱分解炉を用いた原料の熱分解方法であって、原料投入口から原料を投入し、第１の炉内空間で原料を落下させて炉体の内部に堆積させ、原料を熱分解して生成ガスを生成し、第２の炉内空間で生成ガスを上昇させてガス排出口から排出することを特徴とする熱分解方法が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明によれば、原料中の軽量飛散物の反応が促進されることによって、ガス化効率の低下につながる生成ガスに混入する未反応の軽量飛散物が減少する。従って、排気ダクトへの固形物の固着が減少し、シャフト型熱分解炉の設備稼働率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【図２】図１に示す熱分解炉のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【図６】本発明の実施例における試験結果を示す写真である。
【図７】比較例における試験結果を示す写真である。
【図８】従来のシャフト型熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２７】
（第１の実施形態）
まず、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱分解炉１００の模式的な縦断面図である。図１を参照すると、熱分解炉１００は、シャフト型の熱分解炉である。熱分解炉１００の炉体１０１には、原料が投入される原料投入口１０２、空気や酸素の一方もしくは両方、またはさらに水蒸気などの反応助剤を供給する反応助剤供給手段であるバーナ１０３、生成ガスが排出されるガス排出口１０４、および炭化物および残渣が排出される残渣排出口１０６が設けられる。また、ガス排出口１０４に連通して排気ダクト１０５が設けられる。
【００２９】
ここで、原料投入口１０２およびガス排出口１０４は、それぞれ炉体１０１の上部に設けられる。図示された例では、原料投入口１０２およびガス排出口１０４がいずれも炉体１０１の頂部に設けられているが、これには限られず、原料投入口１０２またはガス排出口１０４のうち一方または両方が、炉体１０１の上部の側面に設けられてもよい。また、バーナ１０３は、炉体１０１の下部に設けられる。バーナ１０３は、炉内に反応助剤を均一に投入できるように、通常、複数個設置される。また、バーナ１０３に代えて、もしくは追加して、燃焼排ガスなどの高温ガスを投入してもよい。残渣排出口１０６は、炉体１０１の底部に設けられる。
【００３０】
さらに、熱分解炉１００には、仕切り部材１０７が設けられる。仕切り部材１０７は、炉体１０１の頂部から底部に向かって垂下する形で炉体１０１に固定されている。仕切り部材１０７の下端は、炉体１０１の内部に堆積した原料の堆積面Ｓに到達している。なお、仕切り部材１０７の下端は、図示されているように堆積面Ｓにほぼ一致していてもよいし、堆積面Ｓよりも下方に位置していてもよい。
【００３１】
仕切り部材１０７は、炉内空間の一部を、第１の炉内空間１０８と第２の炉内空間１０９とに分割する。第１の炉内空間１０８は、原料投入口１０２から投入された原料を堆積面Ｓまで自由落下させるための空間である。また、第２の炉内空間１０９は、炉体１０１の下部で生成され、堆積した原料の間を上昇してきた生成ガスを、さらにガス排出口１０４まで上昇させるための空間である。
【００３２】
かかる熱分解炉１００において、原料は、図示しないホッパーまたはコンベアなどの搬送手段を用いて、炉体１０１の上部に設けられた原料投入口１０２から炉内に投入される。投入された原料は、矢印（白）に従って第１の炉内空間１０８を自由落下し、炉体１０１の下部に堆積して堆積面Ｓを形成する。堆積した原料の一部は、バーナ１０３から供給される空気や酸素の一方もしくは両方、またはさらに水蒸気などの反応助剤によって燃焼することで高温ガスを生成し、その顕熱を用いて熱分解反応を進行させる。なお、反応助剤のうちの蒸気は、バーナ１０３付近での局所的かつ急激な温度上昇を防止する目的で供給される。また、燃焼排ガス等の高温ガスを投入した場合は、その顕熱によって熱分解反応が進行する。
【００３３】
本願発明者らの試験によれば、原料の温度は、投入時には常温であるが、炉内を下降するに従って上記の燃焼ガスおよび高温の生成ガスのために上昇し、水分が蒸発する時点で約１００℃になる。原料の温度がさらに上昇して反応温度に到達すると、原料の熱分解反応が進行する。反応温度は、例えば木質バイオマス（杉）では約２５０〜４５０℃、廃プラスチック（ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ）では約３５０〜５００℃、廃タイヤでは約３００〜５００℃である。原料が反応温度に到達すれば、数秒間から数十秒間で熱分解反応は完了する。
【００３４】
熱分解反応によって発生した生成ガスは、矢印（黒）に従って、堆積した原料の間を上昇する。生成ガスの温度は、バーナ１０３付近では約１１００〜１２００℃であるが、堆積した原料の間を上昇する過程で原料を乾燥および昇温させるため、堆積面Ｓ付近では約３００〜５００℃まで低下する。かかる生成ガスの原料中での温度分布の概略を示す等温線を、図中に細線で示す。第２の炉内空間１０９側の温度がより高くなっているのは、原料中の生成ガスの流れが第２の炉内空間１０９側に偏るためである。生成ガスは、さらに、第２の炉内空間１０９を上昇し、ガス排出口１０４から排出される。ガス排出口１０４から排出された生成ガスは、排気ダクト１０５を経由して改質炉などに供給される。ここで、排気ダクト１０５内の生成ガスは、図示しない吸引ブロワーなどを用いて吸引されている。それゆえ、炉内を上昇する生成ガスは、第１の炉内空間１０８ではなく第２の炉内空間１０９に誘導される。
【００３５】
一方、熱分解反応によって発生した炭化物および残渣は、残渣排出口１０６から炉外に排出される。残渣排出口１０６からの排出物は、冷却後に例えば炭化物および金属とその他の残渣とに分離され、炭化物や金属はそれぞれ再利用されうる。
【００３６】
熱分解炉１００では、原料が落下する第１の炉内空間１０８と、生成ガスが上昇する第２の炉内空間１０９とが、仕切り部材１０７によって隔てられているため、原料に含まれるフラフ状廃プラスチックや粉状木質バイオマスなどの軽量飛散物Ｆが上昇する生成ガスに巻き込まれる可能性は少ない。それゆえ、軽量飛散物Ｆのほとんどが、他の原料と同様に第１の炉内空間１０８内を落下して、原料の堆積面Ｓに到達し、さらに炉内を下降する過程で昇温して熱分解される。それゆえ、熱分解炉１００では、未反応のまま生成ガスに混入して排出される軽量飛散物Ｆを大幅に減少させることが可能である。
【００３７】
図２は、図１に示す熱分解炉１００のＩ−Ｉ線断面図である。図２に示されるように、炉体１０１および仕切り部材１０７の断面形状は、例えば（ａ）〜（ｃ）の例のように、さまざまな組合せとすることが可能である。以下で、炉体１０１および仕切り部材１０７の断面形状を設定するための条件となりうる要素について説明する。
【００３８】
まず、生成ガスの流速について説明する。ガス排出口１０４から排出されて排気ダクト１０５を流れる生成ガスの流速は、約１０〜３０ｍ／ｓが適切であることが、本願発明者らの検討によりわかっている。生成ガスの流速がこれよりも大きくなると、圧力損失が増加したり、排気ダクト１０５の内面の摩耗損傷が生じたりする可能性がある。それゆえ、排気ダクト１０５の断面積は、排出される生成ガスの流速が上記の範囲になるように設定するのが望ましい。同様に、熱分解炉１００の炉内で生成ガスが上昇する第２の炉内空間１０９の断面積（水平方向断面積）も、生成ガスの流速が上記の範囲を超えないように設定することが望ましい。具体的には、第２の炉内空間１０９の断面積は、排気ダクト１０５の断面積以上であることが望ましい。
【００３９】
次に、原料の落下軌跡について説明する。原料は、炉体１０１の上部にある原料投入口１０２から炉内に投入され、第１の炉内空間１０８を自由落下する。このとき、原料の落下軌跡が仕切り部材１０７によって遮られると、炉体１０１の下部での原料の堆積が不均一になる可能性がある。それゆえ、仕切り部材１０７の形状は、第１の炉内空間１０８における原料の落下軌跡をできるだけ遮らないように設定されることが望ましい。具体的には、仕切り部材１０７の断面形状は、上記のように第２の炉内空間１０９の断面積を排気ダクト１０５の断面積以上に保ちつつ、第１の炉内空間１０８をできるだけ大きくするように設定するのが望ましい。
【００４０】
図２の（ａ）〜（ｃ）の断面図は、それぞれ、上記の要素を考慮して設定された炉体１０１および仕切り部材１０７の断面形状の例を示す。（ａ）の例は、炉体１０１の断面形状が略円形、仕切り部材１０７の断面形状が直線状である場合の例である。（ｂ）の例は、炉体１０１の断面形状が略円形、仕切り部材１０７の断面形状が炉体１０１に沿った円弧形状である場合の例である。また、（ｃ）の例は、炉体１０１の断面形状が略矩形、仕切り部材１０７の断面形状が直線状である場合の例である。なお、これらの例に限られず、炉体１０１および仕切り部材１０７の断面形状は、例えば上記の要素を考慮したさまざまな組み合わせにすることが可能である。
【００４１】
（第２の実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４２】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る熱分解炉２００の模式的な縦断面図である。図３を参照すると、熱分解炉２００は、第１の実施形態に係る熱分解炉１００と同様のシャフト型の熱分解炉である。以下の説明では、熱分解炉２００のうち熱分解炉１００と異なる点について主に説明し、熱分解炉１００と同様の構成要素については同一の符号を付することによって詳細説明を省略する。
【００４３】
仕切り部材２０７は、下端が原料の堆積面Ｓに到達していない点が、熱分解炉１００の仕切り部材１０７とは異なる。仕切り部材２０７の下端は、堆積面Ｓよりも上方に位置するため、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間には所定の大きさの隙間がある。それゆえ、熱分解反応によって発生した生成ガスは、矢印（黒）に従って、堆積した原料の間を堆積面Ｓ付近まで上昇し、堆積面Ｓの上方の空間を経由して第２の炉内空間１０９に流入する。
【００４４】
このように、熱分解炉２００では、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間に隙間があることによって、この隙間がない熱分解炉１００に比べて、生成ガスが炉内を上昇する際の抵抗と、抵抗による圧力損失とを減少させることができる。その一方で、熱分解炉２００では、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間に隙間があることによって、軽量飛散物Ｆが堆積面Ｓに到達することなく第２の炉内空間１０９に入ってしまうことを完全には防止できない。
【００４５】
しかしながら、軽量飛散物Ｆは、例えばフラフ状廃プラスチックや粉状木質バイオマスなどであり、薄い、または粉状の形状を有するため、熱分解反応の反応時間が他の固形物原料の反応時間よりも短くて済む場合が多い。それゆえ、熱分解炉２００に投入された原料に含まれる軽量飛散物Ｆは、堆積面Ｓに到達しなくても、仕切り部材２０７の下端まで炉内を下降する過程で昇温し、熱分解反応が完了する可能性が高い。従って、熱分解炉２００においても、未反応のまま生成ガスに混入して排出される軽量飛散物Ｆを大幅に減少させることが可能である。
【００４６】
なお、熱分解炉２００において、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間の隙間の大きさが大きすぎると、昇温が十分ではない状態で第２の炉内空間１０９に流入する軽量飛散物Ｆが多くなるため、未反応の軽量飛散物Ｆを十分に減少させることが難しくなる。それゆえ、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間の隙間の大きさは、生成ガスの流れやすさとともに、軽量飛散物Ｆの反応の進行を考慮して設定されることが望ましい。
【００４７】
（第３の実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００４８】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る熱分解炉３００の模式的な縦断面図である。図４を参照すると、熱分解炉３００は、第１の実施形態に係る熱分解炉１００と同様のシャフト型の熱分解炉である。以下の説明では、熱分解炉３００のうち熱分解炉１００と異なる点について主に説明し、熱分解炉１００と同様の構成要素については同一の符号を付することによって詳細説明を省略する。
【００４９】
追加バーナ３１０は、空気、酸素などの反応助剤を供給する反応助剤供給手段であり、第２の炉内空間１０９に設けられる。追加バーナ３１０から供給される反応助剤によって、第２の炉内空間１０９を上昇する生成ガスの一部が燃焼し、生成ガスの温度が上昇する。生成ガスには、熱分解によって発生するタール分や未反応の軽量飛散物Ｆが少量含まれる場合があるが、追加バーナ３１０によって温度を上昇させることによって、未反応物をさらに少なくし、その結果として、ガス排出口１０４から排出された後に、排気ダクト１０５の内面に固着するのを防ぐことができる。
【００５０】
上述のように、第２の炉内空間１０９を上昇する生成ガスでは、原料中の軽量飛散物Ｆの混入が従来と比べて大幅に減少している。そのため、追加バーナ３１０から供給される反応助剤は、生成ガスの一部を燃焼させるために必要最小限の量とすることが可能である。
【００５１】
なお、上記の説明では、第１の実施形態に係る熱分解炉１００に追加バーナ３１０を設けた熱分解炉３００について説明したが、同様に、第２の実施形態に係る熱分解炉２００に追加バーナ３１０を設けてもよい。
【００５２】
（第４の実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００５３】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る熱分解炉４００の模式的な縦断面図である。図５を参照すると、熱分解炉４００は、第１の実施形態に係る熱分解炉１００と同様のシャフト型の熱分解炉である。以下の説明では、熱分解炉４００のうち熱分解炉１００と異なる点について主に説明し、熱分解炉１００と同様の構成要素については同一の符号を付することによって詳細説明を省略する。
【００５４】
仕切り部材４０７は、炉体１０１に固定されておらず、炉体１０１の頂部に設けられた昇降手段である巻上機４１４から懸垂し、巻上機４１４の駆動によって昇降可能である点が、熱分解炉１００の仕切り部材１０７とは異なる。仕切り部材４０７は、例えばワイヤまたはチェーンを用いて巻上機４１４から懸垂する。仕切り部材４０７の昇降動作を安定させるために、仕切り部材４０７の断面形状に対応した形状のガイドレールが炉体１０１の内壁面に設けられてもよい。仕切り部材４０７が昇降可能な範囲は、例えば想定される原料の堆積面Ｓの範囲に応じて設定されうる。
【００５５】
錘４１１および測定装置４１２は、炉体１０１の内部での原料の堆積高さを測定する測定手段である。錘４１１は、炉体１０１の頂部に設けられた測定装置４１２から炉内に懸垂し、原料の堆積面Ｓに接触している。測定装置４１２は、錘４１１が堆積面Ｓに接触したことによる懸垂負荷の変動によって堆積面Ｓの位置を検知する。なお、測定手段はこれには限られず、例えば、超音波測距計やマイクロ波測距計を用いて原料の堆積高さが測定されてもよい。
【００５６】
測定装置４１２によって測定された原料の高さの情報は、制御装置４１３に提供される。制御装置４１３は、測定された原料の高さに応じて、昇降手段である巻上機４１４を制御して仕切り部材４０７を昇降させる。制御装置４１３は、例えば、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵ（Central Processing Unit）が実行するコンピュータ、または制御回路として実現されうる。
【００５７】
ここで、炉体１０１の内部における原料の堆積高さの最適値は、例えば原料の種類、配合比、サイズ、含有水分量などによって異なる。また、原料の堆積高さは、熱分解炉４００の時間あたりの処理量によっても変動する。熱分解炉４００では、仕切り部材４０７を昇降させることが可能であるため、上記のように原料の堆積高さが変動した場合にも、仕切り部材４０７が堆積した原料の中に入り込みすぎたり、仕切り部材４０７が堆積した原料から離れすぎたりすることを防ぎ、仕切り部材４０７が良好に機能する状態を保つことができる。
【００５８】
なお、仕切り部材４０７は、図示されているように下端が堆積面Ｓに到達した状態を保って昇降することも可能であるが、第２の実施形態にかかる熱分解炉２００のように、下端と堆積面Ｓとの間に所定の隙間がある状態を保って昇降することも可能である。また、熱分解炉４００では、これらの状態を相互に切り替えることも可能である。さらに、熱分解炉４００に、第３の実施形態に係る熱分解炉３００と同様の追加バーナ３１０が設けられてもよい。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、上記図１に示した熱分解炉１００と同様の構成の熱分解炉を用いて、木質バイオマス、廃プラスチック、および廃タイヤを含む原料を熱分解する試験を実施した。
【００６０】
ここで、木質バイオマスは、サイズが約５０×１５０×２０ｍｍ以下の固形物であるが、熱分解炉１００に投入される前段階での破砕によって、直径が約１ｍｍ以下のサイズの粉状物も多く含まれる。廃プラスチックは、サイズが約１００×１００ｍｍで、厚さが約０．１ｍｍ以下のフラフ状廃プラスチックである。廃タイヤは、サイズが約２００×２００×２０ｍｍ以下の固形物である。なお、各原料のかさ比重は、木質バイオマスが約０．２ｔ／ｍ３、廃プラスチックが約０．０７ｔ／ｍ３、廃タイヤが約０．４ｔ／ｍ３である。また、配合比は、湿質量比で、木質バイオマス：廃プラスチック：廃タイヤ＝６０：３０：１０として試験を行った。
【００６１】
本実施例で用いる熱分解炉１００は、水平方向断面が面積０．９ｍ２の矩形状で、バーナ１０３から炉体１０１の頂部までの高さが４ｍのシャフト型熱分解炉である。上記の原料は、フォークリフトを利用して混合および撹拌された後、原料投入口１０２から０．６〜０．７ｔ／ｈで投入された。炉内の温度は、炉体１０１の頂部で３００〜５００℃を保つこととし、そのために原料の投入量とバーナ１０３からの反応助剤の供給量を調整した。
【００６２】
以上の条件で試験を実施した結果、排気ダクト１０５の内面に固着する固形物は少なく、２週間の連続試験においても排気ダクト１０５の内面の清掃は必要にならなかった。図６に、本実施例における２週間経過後の排気ダクト１０５の内部の写真を示す。図６を参照すると、本実施例では、排気ダクト１０５の内面に固着する固形物はわずかであることがわかる。
【００６３】
一方、比較例として、上述の従来の熱分解炉１０と同様の構成の熱分解炉を用いて、上記の実施例と同様の条件で熱分解試験を実施した。図７に、この比較例における１週間経過後の排気ダクト１５の内部の写真を示す。図７を参照すると、この比較例では、排気ダクト１５の内面に固着する固形物が上記実施例に比べて多いことがわかる。その結果として、比較例における連続試験では、１週間経過後に排気ダクト１５の内面の清掃が必要になった。
【００６４】
以上の結果より、本発明の実施形態に係る熱分解炉を用いることによって、排気ダクトへの固形物の固着が減少し、シャフト型熱分解炉の設備稼働率を向上させることが可能であることが実証されたといえる。
【００６５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００６６】
１００，２００，３００，４００ 熱分解炉
１０１ 炉体
１０２ 原料投入口
１０３ バーナ
１０４ ガス排出口
１０５ 排気ダクト
１０７，２０７，４０７ 仕切り部材
１０８ 第１の炉内空間
１０９ 第２の炉内空間
３１０ 追加バーナ
４１１ 錘
４１２ 測定装置
４１３ 制御装置
４１４ 巻上機
Ｆ 軽量飛散物
Ｓ 堆積面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフト型熱分解炉および熱分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素の排出量を削減する狙いから、廃棄物を有効活用する方法として、燃料としての利用を可能とする可燃性ガスの製造が試みられている。この廃棄物原料は、例えば、都市ゴミ、廃プラスチック、廃タイヤ、木質系バイオマス等の多様な廃棄物を複合的に含む原料である。これらの廃棄物の多くは炭素を含むため、熱分解炉に投入して熱分解すると、可燃性のガスが発生する。さらに改質炉を用いてこのガスを改質し、効率的に利用可能な原燃料ガスを得る手法が提案されている。熱分解炉としては、例えば、シャフト型熱分解炉、流動層型熱分解炉、およびストーカ型熱分解炉などが知られている。
【０００３】
シャフト型熱分解炉は、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されている。特許文献１には、廃棄物を含む炭素質資源を熱分解するシャフト型の炉が記載されている。また、特許文献２には、矩形断面を有するシャフト型熱分解炉が記載されている。これらのシャフト型熱分解炉において、原料は炉の上部から投入されて落下し、炉内に堆積する。一方、原料の熱分解によって生じた生成ガスは、炉内を上昇し、炉の上部から回収される。炉内を上昇する生成ガスは、堆積した原料を乾燥および昇温させて熱分解を促進する。
【０００４】
また、流動層型熱分解炉およびストーカ型熱分解炉は、例えば、特許文献３および特許文献４に記載されている。流動層型熱分解炉およびストーカ型熱分解炉では、原料は炉の下部から投入され、生成ガスは炉の上部から回収される。特許文献３には、流動層型またはストーカ型の熱反応炉において、炉内に山笠構造の障壁を設けることによって燃焼ガスの流れを制御して反転気流を生じさせ、燃焼ガスに混入した未反応原料の反応を促進する技術が記載されている。また、特許文献４には、いずれも流動層型の熱分解炉と燃焼炉とを隣接して設け、熱分解炉で発生した未燃チャーを燃焼炉に供給して熱源として利用する技術が記載されている。このように、流動層型熱分解炉やストーカ型熱分解炉では、未反応原料の反応を促進し、原料の熱利用の効率を向上させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９１４４７４号公報
【特許文献２】特許第４５０５４２２号公報
【特許文献３】特開平５−２０３１３０号公報
【特許文献４】国際公開第９９／２３４３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これに対して、上記の特許文献１および特許文献２などに記載の従来のシャフト型熱分解炉では、炉内を徐々に下降する原料と、炉内をゆっくりと上昇する高温の生成ガスとが対向流で熱交換することによって原料が昇温されて熱分解が促進されるため、特許文献３および特許文献４などに記載の流動層型熱分解炉（上昇ガス流が非常に速い）やストーカ型熱分解炉（固定床で偏流ができ易く、偏流部分の流速が高くなる）におけるような、原料の一部がガス流に同伴されて未反応のまま飛散するという問題は、これまでほとんど想定されておらず、かかる飛散を抑制する技術について、流動層型熱分解炉などのように多くの検討はなされてこなかった。ところが、本願発明者らが鋭意研究したところ、シャフト型熱分解炉においても、未反応の原料が問題になる場合があることが判明した。
【０００７】
図８は、従来のシャフト型熱分解炉である熱分解炉１０の模式的な縦断面図である。図８を参照すると、原料は、炉体１１の頂部に設けられた原料投入口１２から投入され、矢印（白）に従って炉体１１の内部の空間を落下し、炉体１１の下部に堆積する。炉体１１の下部にはバーナ１３が設けられている。堆積した原料の一部は、バーナ１３から供給される空気や酸素の一方もしくは両方、またはさらに水蒸気などの反応助剤によって原料の一部を燃焼する。この燃焼によって周辺の原料の温度が高温に保たれ、原料の熱分解反応が進行する。また、燃焼排ガス等の高温ガスを投入し、その顕熱を用いて熱分解反応を進行させてもよい。
【０００８】
一方、熱分解反応によって発生した生成ガスは、矢印（黒）に従って炉体１１の内部の空間を上昇し、炉体１１の上部に設けられたガス排出口１４から排出される。さらに、生成ガスは、ガス排出口１４に連通する排気ダクト１５を通って改質炉などに供給される。熱分解反応によって発生した炭化物および残渣は、炉体１１の底部に設けられた残渣排出口１６から炉外に排出される。
【０００９】
本願発明者らの試験によれば、熱分解炉１０における生成ガスの温度は、バーナ１３付近では約１１００〜１２００℃であるが、堆積した原料の間を上昇する過程で温度が低下し、堆積面Ｓ付近では約３００〜５００℃になる。かかる生成ガスの原料中での温度分布の概略を示す等温線を、図中に細線で示す。一方、原料の温度は、堆積面Ｓより下で徐々に上昇し、水分が蒸発する時点で約１００℃になり、さらに上昇して反応温度に到達する。反応温度は、例えば木質バイオマス（杉）では約２５０〜４５０℃、廃プラスチック（ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ）では約３５０〜５００℃、廃タイヤでは約３００〜５００℃である。原料が反応温度に到達すれば、数秒間から数十秒間で熱分解反応は完了する。
【００１０】
本願発明者らは、熱分解炉１０に木質バイオマス、廃プラスチック、および廃タイヤなどを含む原料を投入して熱分解する試験を行ってきた。その結果、図示されているように、原料に含まれる軽量飛散物Ｆが炉体１１の内部を落下する前に飛散し、上昇する生成ガスに巻き込まれてガス排出口１４へとショートカットし、そのまま生成ガスに混入して排出されてしまうことがわかった。
【００１１】
ここで、軽量飛散物Ｆは、例えばフラフ状廃プラスチックや粉状木質バイオマスなどの、比重が小さく厚さが薄い原料である。熱分解炉１０において、軽量飛散物Ｆの多くは、原料の堆積面Ｓに到達する前に飛散し、生成ガスに巻き込まれてガス排出口１４へとショートカットする。それゆえ、多くの軽量飛散物Ｆは、反応時間が十分に確保されず、未反応のまま生成ガスに混入して排出される。この場合、軽量飛散物Ｆが十分に反応せず炉外に排出されることは、その分、ガス化効率が低下するという問題を生じると共に、生成ガスに混入した軽量飛散物Ｆが生成ガスに含まれるタール分をバインダーとして排気ダクト１５の内面に固着して生成ガスの流路を閉塞するという問題も生じる。それゆえ、熱分解炉１０から生成ガスを安定して排出するためには、排気ダクト１５の内面に固着した固形物を定期的に清掃せねばならず、これが設備稼働率を低下させる原因になる。
【００１２】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ガス化効率の低下につながる未反応物の炉外への排出を抑制または防止することと、これにより排気ダクトへの固形物の固着を減少させることによって、シャフト型熱分解炉の設備稼働率を向上させることとが可能な、新規かつ改良されたシャフト型熱分解炉および熱分解方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、軽量飛散物を含む原料が投入される原料投入口、および原料の熱分解によって生成された生成ガスが排出されるガス排出口が上部に設けられる炉体と、炉体の頂部から底部に向かって垂下して、炉内空間の一部を、原料投入口から原料を落下させるための第１の炉内空間と、生成ガスをガス排出口まで上昇させるための第２の炉内空間とに分割する仕切り部材と、を含むことを特徴とする、シャフト型熱分解炉が提供される。
【００１４】
かかる構成によれば、シャフト型熱分解炉において、原料が落下する第１の炉内空間と、生成ガスが上昇する第２の炉内空間とが仕切り部材によって隔てられることによって、原料に含まれる軽量飛散物が原料投入口からガス排出口へとショートカットすることを防ぐことができる。
【００１５】
上記のシャフト型熱分解炉は、炉体の内部の原料の堆積高さを測定する測定手段と、原料の高さに応じて仕切り部材を昇降させる昇降手段と、をさらに含んでもよい。
【００１６】
かかる構成によれば、原料の堆積高さの変化に応じて仕切り部材を最適な位置に配置することができる。
【００１７】
また、上記のシャフト型熱分解炉は、第２の炉内空間に反応助剤を供給する反応助剤供給手段をさらに含んでもよい。
【００１８】
かかる構成によれば、排出される生成ガスの温度を上昇させて、生成ガス中のタールが排気ダクトに固着するのを防ぐことができる。
【００１９】
また、上記のシャフト型熱分解炉において、仕切り部材の下端は、炉体の内部の原料の堆積面よりも上方に位置してもよい。
【００２０】
かかる構成によれば、堆積した原料の内部での生成ガスの流れの偏りが少なくなり、生成ガスが炉内を上昇するときの抵抗を減少させることができる。
【００２１】
また、上記のシャフト型熱分解炉において、第２の炉内空間の水平方向断面積は、ガス排出口に連通する排気ダクトの断面積以上であってもよい。
【００２２】
かかる構成によれば、炉内を上昇する生成ガスの流速が、排気ダクトを流れる生成ガスの流速よりも大きくなるのを防ぎ、圧力損失や摩耗損傷の過度の増加を防止することができる。
【００２３】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記のシャフト型熱分解炉を用いた原料の熱分解方法であって、原料投入口から原料を投入し、第１の炉内空間で原料を落下させて炉体の内部に堆積させ、原料を熱分解して生成ガスを生成し、第２の炉内空間で生成ガスを上昇させてガス排出口から排出することを特徴とする熱分解方法が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明によれば、原料中の軽量飛散物の反応が促進されることによって、ガス化効率の低下につながる生成ガスに混入する未反応の軽量飛散物が減少する。従って、排気ダクトへの固形物の固着が減少し、シャフト型熱分解炉の設備稼働率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【図２】図１に示す熱分解炉のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【図６】本発明の実施例における試験結果を示す写真である。
【図７】比較例における試験結果を示す写真である。
【図８】従来のシャフト型熱分解炉の模式的な縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２７】
（第１の実施形態）
まず、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱分解炉１００の模式的な縦断面図である。図１を参照すると、熱分解炉１００は、シャフト型の熱分解炉である。熱分解炉１００の炉体１０１には、原料が投入される原料投入口１０２、空気や酸素の一方もしくは両方、またはさらに水蒸気などの反応助剤を供給する反応助剤供給手段であるバーナ１０３、生成ガスが排出されるガス排出口１０４、および炭化物および残渣が排出される残渣排出口１０６が設けられる。また、ガス排出口１０４に連通して排気ダクト１０５が設けられる。
【００２９】
ここで、原料投入口１０２およびガス排出口１０４は、それぞれ炉体１０１の上部に設けられる。図示された例では、原料投入口１０２およびガス排出口１０４がいずれも炉体１０１の頂部に設けられているが、これには限られず、原料投入口１０２またはガス排出口１０４のうち一方または両方が、炉体１０１の上部の側面に設けられてもよい。また、バーナ１０３は、炉体１０１の下部に設けられる。バーナ１０３は、炉内に反応助剤を均一に投入できるように、通常、複数個設置される。また、バーナ１０３に代えて、もしくは追加して、燃焼排ガスなどの高温ガスを投入してもよい。残渣排出口１０６は、炉体１０１の底部に設けられる。
【００３０】
さらに、熱分解炉１００には、仕切り部材１０７が設けられる。仕切り部材１０７は、炉体１０１の頂部から底部に向かって垂下する形で炉体１０１に固定されている。仕切り部材１０７の下端は、炉体１０１の内部に堆積した原料の堆積面Ｓに到達している。なお、仕切り部材１０７の下端は、図示されているように堆積面Ｓにほぼ一致していてもよいし、堆積面Ｓよりも下方に位置していてもよい。
【００３１】
仕切り部材１０７は、炉内空間の一部を、第１の炉内空間１０８と第２の炉内空間１０９とに分割する。第１の炉内空間１０８は、原料投入口１０２から投入された原料を堆積面Ｓまで自由落下させるための空間である。また、第２の炉内空間１０９は、炉体１０１の下部で生成され、堆積した原料の間を上昇してきた生成ガスを、さらにガス排出口１０４まで上昇させるための空間である。
【００３２】
かかる熱分解炉１００において、原料は、図示しないホッパーまたはコンベアなどの搬送手段を用いて、炉体１０１の上部に設けられた原料投入口１０２から炉内に投入される。投入された原料は、矢印（白）に従って第１の炉内空間１０８を自由落下し、炉体１０１の下部に堆積して堆積面Ｓを形成する。堆積した原料の一部は、バーナ１０３から供給される空気や酸素の一方もしくは両方、またはさらに水蒸気などの反応助剤によって燃焼することで高温ガスを生成し、その顕熱を用いて熱分解反応を進行させる。なお、反応助剤のうちの蒸気は、バーナ１０３付近での局所的かつ急激な温度上昇を防止する目的で供給される。また、燃焼排ガス等の高温ガスを投入した場合は、その顕熱によって熱分解反応が進行する。
【００３３】
本願発明者らの試験によれば、原料の温度は、投入時には常温であるが、炉内を下降するに従って上記の燃焼ガスおよび高温の生成ガスのために上昇し、水分が蒸発する時点で約１００℃になる。原料の温度がさらに上昇して反応温度に到達すると、原料の熱分解反応が進行する。反応温度は、例えば木質バイオマス（杉）では約２５０〜４５０℃、廃プラスチック（ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ）では約３５０〜５００℃、廃タイヤでは約３００〜５００℃である。原料が反応温度に到達すれば、数秒間から数十秒間で熱分解反応は完了する。
【００３４】
熱分解反応によって発生した生成ガスは、矢印（黒）に従って、堆積した原料の間を上昇する。生成ガスの温度は、バーナ１０３付近では約１１００〜１２００℃であるが、堆積した原料の間を上昇する過程で原料を乾燥および昇温させるため、堆積面Ｓ付近では約３００〜５００℃まで低下する。かかる生成ガスの原料中での温度分布の概略を示す等温線を、図中に細線で示す。第２の炉内空間１０９側の温度がより高くなっているのは、原料中の生成ガスの流れが第２の炉内空間１０９側に偏るためである。生成ガスは、さらに、第２の炉内空間１０９を上昇し、ガス排出口１０４から排出される。ガス排出口１０４から排出された生成ガスは、排気ダクト１０５を経由して改質炉などに供給される。ここで、排気ダクト１０５内の生成ガスは、図示しない吸引ブロワーなどを用いて吸引されている。それゆえ、炉内を上昇する生成ガスは、第１の炉内空間１０８ではなく第２の炉内空間１０９に誘導される。
【００３５】
一方、熱分解反応によって発生した炭化物および残渣は、残渣排出口１０６から炉外に排出される。残渣排出口１０６からの排出物は、冷却後に例えば炭化物および金属とその他の残渣とに分離され、炭化物や金属はそれぞれ再利用されうる。
【００３６】
熱分解炉１００では、原料が落下する第１の炉内空間１０８と、生成ガスが上昇する第２の炉内空間１０９とが、仕切り部材１０７によって隔てられているため、原料に含まれるフラフ状廃プラスチックや粉状木質バイオマスなどの軽量飛散物Ｆが上昇する生成ガスに巻き込まれる可能性は少ない。それゆえ、軽量飛散物Ｆのほとんどが、他の原料と同様に第１の炉内空間１０８内を落下して、原料の堆積面Ｓに到達し、さらに炉内を下降する過程で昇温して熱分解される。それゆえ、熱分解炉１００では、未反応のまま生成ガスに混入して排出される軽量飛散物Ｆを大幅に減少させることが可能である。
【００３７】
図２は、図１に示す熱分解炉１００のＩ−Ｉ線断面図である。図２に示されるように、炉体１０１および仕切り部材１０７の断面形状は、例えば（ａ）〜（ｃ）の例のように、さまざまな組合せとすることが可能である。以下で、炉体１０１および仕切り部材１０７の断面形状を設定するための条件となりうる要素について説明する。
【００３８】
まず、生成ガスの流速について説明する。ガス排出口１０４から排出されて排気ダクト１０５を流れる生成ガスの流速は、約１０〜３０ｍ／ｓが適切であることが、本願発明者らの検討によりわかっている。生成ガスの流速がこれよりも大きくなると、圧力損失が増加したり、排気ダクト１０５の内面の摩耗損傷が生じたりする可能性がある。それゆえ、排気ダクト１０５の断面積は、排出される生成ガスの流速が上記の範囲になるように設定するのが望ましい。同様に、熱分解炉１００の炉内で生成ガスが上昇する第２の炉内空間１０９の断面積（水平方向断面積）も、生成ガスの流速が上記の範囲を超えないように設定することが望ましい。具体的には、第２の炉内空間１０９の断面積は、排気ダクト１０５の断面積以上であることが望ましい。
【００３９】
次に、原料の落下軌跡について説明する。原料は、炉体１０１の上部にある原料投入口１０２から炉内に投入され、第１の炉内空間１０８を自由落下する。このとき、原料の落下軌跡が仕切り部材１０７によって遮られると、炉体１０１の下部での原料の堆積が不均一になる可能性がある。それゆえ、仕切り部材１０７の形状は、第１の炉内空間１０８における原料の落下軌跡をできるだけ遮らないように設定されることが望ましい。具体的には、仕切り部材１０７の断面形状は、上記のように第２の炉内空間１０９の断面積を排気ダクト１０５の断面積以上に保ちつつ、第１の炉内空間１０８をできるだけ大きくするように設定するのが望ましい。
【００４０】
図２の（ａ）〜（ｃ）の断面図は、それぞれ、上記の要素を考慮して設定された炉体１０１および仕切り部材１０７の断面形状の例を示す。（ａ）の例は、炉体１０１の断面形状が略円形、仕切り部材１０７の断面形状が直線状である場合の例である。（ｂ）の例は、炉体１０１の断面形状が略円形、仕切り部材１０７の断面形状が炉体１０１に沿った円弧形状である場合の例である。また、（ｃ）の例は、炉体１０１の断面形状が略矩形、仕切り部材１０７の断面形状が直線状である場合の例である。なお、これらの例に限られず、炉体１０１および仕切り部材１０７の断面形状は、例えば上記の要素を考慮したさまざまな組み合わせにすることが可能である。
【００４１】
（第２の実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４２】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る熱分解炉２００の模式的な縦断面図である。図３を参照すると、熱分解炉２００は、第１の実施形態に係る熱分解炉１００と同様のシャフト型の熱分解炉である。以下の説明では、熱分解炉２００のうち熱分解炉１００と異なる点について主に説明し、熱分解炉１００と同様の構成要素については同一の符号を付することによって詳細説明を省略する。
【００４３】
仕切り部材２０７は、下端が原料の堆積面Ｓに到達していない点が、熱分解炉１００の仕切り部材１０７とは異なる。仕切り部材２０７の下端は、堆積面Ｓよりも上方に位置するため、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間には所定の大きさの隙間がある。それゆえ、熱分解反応によって発生した生成ガスは、矢印（黒）に従って、堆積した原料の間を堆積面Ｓ付近まで上昇し、堆積面Ｓの上方の空間を経由して第２の炉内空間１０９に流入する。
【００４４】
このように、熱分解炉２００では、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間に隙間があることによって、この隙間がない熱分解炉１００に比べて、生成ガスが炉内を上昇する際の抵抗と、抵抗による圧力損失とを減少させることができる。その一方で、熱分解炉２００では、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間に隙間があることによって、軽量飛散物Ｆが堆積面Ｓに到達することなく第２の炉内空間１０９に入ってしまうことを完全には防止できない。
【００４５】
しかしながら、軽量飛散物Ｆは、例えばフラフ状廃プラスチックや粉状木質バイオマスなどであり、薄い、または粉状の形状を有するため、熱分解反応の反応時間が他の固形物原料の反応時間よりも短くて済む場合が多い。それゆえ、熱分解炉２００に投入された原料に含まれる軽量飛散物Ｆは、堆積面Ｓに到達しなくても、仕切り部材２０７の下端まで炉内を下降する過程で昇温し、熱分解反応が完了する可能性が高い。従って、熱分解炉２００においても、未反応のまま生成ガスに混入して排出される軽量飛散物Ｆを大幅に減少させることが可能である。
【００４６】
なお、熱分解炉２００において、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間の隙間の大きさが大きすぎると、昇温が十分ではない状態で第２の炉内空間１０９に流入する軽量飛散物Ｆが多くなるため、未反応の軽量飛散物Ｆを十分に減少させることが難しくなる。それゆえ、仕切り部材２０７の下端と堆積面Ｓとの間の隙間の大きさは、生成ガスの流れやすさとともに、軽量飛散物Ｆの反応の進行を考慮して設定されることが望ましい。
【００４７】
（第３の実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００４８】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る熱分解炉３００の模式的な縦断面図である。図４を参照すると、熱分解炉３００は、第１の実施形態に係る熱分解炉１００と同様のシャフト型の熱分解炉である。以下の説明では、熱分解炉３００のうち熱分解炉１００と異なる点について主に説明し、熱分解炉１００と同様の構成要素については同一の符号を付することによって詳細説明を省略する。
【００４９】
追加バーナ３１０は、空気、酸素などの反応助剤を供給する反応助剤供給手段であり、第２の炉内空間１０９に設けられる。追加バーナ３１０から供給される反応助剤によって、第２の炉内空間１０９を上昇する生成ガスの一部が燃焼し、生成ガスの温度が上昇する。生成ガスには、熱分解によって発生するタール分や未反応の軽量飛散物Ｆが少量含まれる場合があるが、追加バーナ３１０によって温度を上昇させることによって、未反応物をさらに少なくし、その結果として、ガス排出口１０４から排出された後に、排気ダクト１０５の内面に固着するのを防ぐことができる。
【００５０】
上述のように、第２の炉内空間１０９を上昇する生成ガスでは、原料中の軽量飛散物Ｆの混入が従来と比べて大幅に減少している。そのため、追加バーナ３１０から供給される反応助剤は、生成ガスの一部を燃焼させるために必要最小限の量とすることが可能である。
【００５１】
なお、上記の説明では、第１の実施形態に係る熱分解炉１００に追加バーナ３１０を設けた熱分解炉３００について説明したが、同様に、第２の実施形態に係る熱分解炉２００に追加バーナ３１０を設けてもよい。
【００５２】
（第４の実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００５３】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る熱分解炉４００の模式的な縦断面図である。図５を参照すると、熱分解炉４００は、第１の実施形態に係る熱分解炉１００と同様のシャフト型の熱分解炉である。以下の説明では、熱分解炉４００のうち熱分解炉１００と異なる点について主に説明し、熱分解炉１００と同様の構成要素については同一の符号を付することによって詳細説明を省略する。
【００５４】
仕切り部材４０７は、炉体１０１に固定されておらず、炉体１０１の頂部に設けられた昇降手段である巻上機４１４から懸垂し、巻上機４１４の駆動によって昇降可能である点が、熱分解炉１００の仕切り部材１０７とは異なる。仕切り部材４０７は、例えばワイヤまたはチェーンを用いて巻上機４１４から懸垂する。仕切り部材４０７の昇降動作を安定させるために、仕切り部材４０７の断面形状に対応した形状のガイドレールが炉体１０１の内壁面に設けられてもよい。仕切り部材４０７が昇降可能な範囲は、例えば想定される原料の堆積面Ｓの範囲に応じて設定されうる。
【００５５】
錘４１１および測定装置４１２は、炉体１０１の内部での原料の堆積高さを測定する測定手段である。錘４１１は、炉体１０１の頂部に設けられた測定装置４１２から炉内に懸垂し、原料の堆積面Ｓに接触している。測定装置４１２は、錘４１１が堆積面Ｓに接触したことによる懸垂負荷の変動によって堆積面Ｓの位置を検知する。なお、測定手段はこれには限られず、例えば、超音波測距計やマイクロ波測距計を用いて原料の堆積高さが測定されてもよい。
【００５６】
測定装置４１２によって測定された原料の高さの情報は、制御装置４１３に提供される。制御装置４１３は、測定された原料の高さに応じて、昇降手段である巻上機４１４を制御して仕切り部材４０７を昇降させる。制御装置４１３は、例えば、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵ（Central Processing Unit）が実行するコンピュータ、または制御回路として実現されうる。
【００５７】
ここで、炉体１０１の内部における原料の堆積高さの最適値は、例えば原料の種類、配合比、サイズ、含有水分量などによって異なる。また、原料の堆積高さは、熱分解炉４００の時間あたりの処理量によっても変動する。熱分解炉４００では、仕切り部材４０７を昇降させることが可能であるため、上記のように原料の堆積高さが変動した場合にも、仕切り部材４０７が堆積した原料の中に入り込みすぎたり、仕切り部材４０７が堆積した原料から離れすぎたりすることを防ぎ、仕切り部材４０７が良好に機能する状態を保つことができる。
【００５８】
なお、仕切り部材４０７は、図示されているように下端が堆積面Ｓに到達した状態を保って昇降することも可能であるが、第２の実施形態にかかる熱分解炉２００のように、下端と堆積面Ｓとの間に所定の隙間がある状態を保って昇降することも可能である。また、熱分解炉４００では、これらの状態を相互に切り替えることも可能である。さらに、熱分解炉４００に、第３の実施形態に係る熱分解炉３００と同様の追加バーナ３１０が設けられてもよい。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、上記図１に示した熱分解炉１００と同様の構成の熱分解炉を用いて、木質バイオマス、廃プラスチック、および廃タイヤを含む原料を熱分解する試験を実施した。
【００６０】
ここで、木質バイオマスは、サイズが約５０×１５０×２０ｍｍ以下の固形物であるが、熱分解炉１００に投入される前段階での破砕によって、直径が約１ｍｍ以下のサイズの粉状物も多く含まれる。廃プラスチックは、サイズが約１００×１００ｍｍで、厚さが約０．１ｍｍ以下のフラフ状廃プラスチックである。廃タイヤは、サイズが約２００×２００×２０ｍｍ以下の固形物である。なお、各原料のかさ比重は、木質バイオマスが約０．２ｔ／ｍ３、廃プラスチックが約０．０７ｔ／ｍ３、廃タイヤが約０．４ｔ／ｍ３である。また、配合比は、湿質量比で、木質バイオマス：廃プラスチック：廃タイヤ＝６０：３０：１０として試験を行った。
【００６１】
本実施例で用いる熱分解炉１００は、水平方向断面が面積０．９ｍ２の矩形状で、バーナ１０３から炉体１０１の頂部までの高さが４ｍのシャフト型熱分解炉である。上記の原料は、フォークリフトを利用して混合および撹拌された後、原料投入口１０２から０．６〜０．７ｔ／ｈで投入された。炉内の温度は、炉体１０１の頂部で３００〜５００℃を保つこととし、そのために原料の投入量とバーナ１０３からの反応助剤の供給量を調整した。
【００６２】
以上の条件で試験を実施した結果、排気ダクト１０５の内面に固着する固形物は少なく、２週間の連続試験においても排気ダクト１０５の内面の清掃は必要にならなかった。図６に、本実施例における２週間経過後の排気ダクト１０５の内部の写真を示す。図６を参照すると、本実施例では、排気ダクト１０５の内面に固着する固形物はわずかであることがわかる。
【００６３】
一方、比較例として、上述の従来の熱分解炉１０と同様の構成の熱分解炉を用いて、上記の実施例と同様の条件で熱分解試験を実施した。図７に、この比較例における１週間経過後の排気ダクト１５の内部の写真を示す。図７を参照すると、この比較例では、排気ダクト１５の内面に固着する固形物が上記実施例に比べて多いことがわかる。その結果として、比較例における連続試験では、１週間経過後に排気ダクト１５の内面の清掃が必要になった。
【００６４】
以上の結果より、本発明の実施形態に係る熱分解炉を用いることによって、排気ダクトへの固形物の固着が減少し、シャフト型熱分解炉の設備稼働率を向上させることが可能であることが実証されたといえる。
【００６５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００６６】
１００，２００，３００，４００ 熱分解炉
１０１ 炉体
１０２ 原料投入口
１０３ バーナ
１０４ ガス排出口
１０５ 排気ダクト
１０７，２０７，４０７ 仕切り部材
１０８ 第１の炉内空間
１０９ 第２の炉内空間
３１０ 追加バーナ
４１１ 錘
４１２ 測定装置
４１３ 制御装置
４１４ 巻上機
Ｆ 軽量飛散物
Ｓ 堆積面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽量飛散物を含む原料が投入される原料投入口、および前記原料の熱分解によって生成された生成ガスが排出されるガス排出口が上部に設けられる炉体と、
前記炉体の頂部から底部に向かって垂下して、炉内空間の一部を、前記原料投入口から前記原料を落下させるための第１の炉内空間と前記生成ガスを前記ガス排出口まで上昇させるための第２の炉内空間とに分割する仕切り部材と、
を備えることを特徴とする、シャフト型熱分解炉。
【請求項２】
前記炉体の内部の前記原料の堆積高さを測定する測定手段と、
前記原料の高さに応じて前記仕切り部材を昇降させる昇降手段と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のシャフト型熱分解炉。
【請求項３】
前記第２の炉内空間に反応助剤を供給する反応助剤供給手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のシャフト型熱分解炉。
【請求項４】
前記仕切り部材の下端は、前記炉体の内部の前記原料の堆積面よりも上方に位置することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシャフト型熱分解炉。
【請求項５】
前記第２の炉内空間の水平方向断面積は、前記ガス排出口に連通する排気ダクトの断面積以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシャフト型熱分解炉。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のシャフト型熱分解炉を用いた前記原料の熱分解方法であって、
前記原料投入口から前記原料を投入し、
前記第１の炉内空間で前記原料を落下させて前記炉体の内部に堆積させ、
前記原料を熱分解して前記生成ガスを生成し、
前記第２の炉内空間で前記生成ガスを上昇させて前記ガス排出口から排出する
ことを特徴とする熱分解方法。
【請求項１】
軽量飛散物を含む原料が投入される原料投入口、および前記原料の熱分解によって生成された生成ガスが排出されるガス排出口が上部に設けられる炉体と、
前記炉体の頂部から底部に向かって垂下して、炉内空間の一部を、前記原料投入口から前記原料を落下させるための第１の炉内空間と前記生成ガスを前記ガス排出口まで上昇させるための第２の炉内空間とに分割する仕切り部材と、
を備えることを特徴とする、シャフト型熱分解炉。
【請求項２】
前記炉体の内部の前記原料の堆積高さを測定する測定手段と、
前記原料の高さに応じて前記仕切り部材を昇降させる昇降手段と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のシャフト型熱分解炉。
【請求項３】
前記第２の炉内空間に反応助剤を供給する反応助剤供給手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のシャフト型熱分解炉。
【請求項４】
前記仕切り部材の下端は、前記炉体の内部の前記原料の堆積面よりも上方に位置することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシャフト型熱分解炉。
【請求項５】
前記第２の炉内空間の水平方向断面積は、前記ガス排出口に連通する排気ダクトの断面積以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシャフト型熱分解炉。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のシャフト型熱分解炉を用いた前記原料の熱分解方法であって、
前記原料投入口から前記原料を投入し、
前記第１の炉内空間で前記原料を落下させて前記炉体の内部に堆積させ、
前記原料を熱分解して前記生成ガスを生成し、
前記第２の炉内空間で前記生成ガスを上昇させて前記ガス排出口から排出する
ことを特徴とする熱分解方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２４１０３１（Ｐ２０１２−２４１０３１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０９３０１（Ｐ２０１１−１０９３０１）
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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