(57)【要約】【課題】家畜屠体をはじめとする原料有機物から、リンの損失が小さく、表面積の大きな骨炭等の炭化物を製造できる炭化炉を提供する。【解決手段】酸素供給手段としてのブロア１５は、外部空気を導入するように作用し、炭化室１１内の酸素センサー１２は、酸素濃度検知手段として炭化室１１内の雰囲気中の酸素濃度を検知する。酸素センサー１２とブロア１５は協働して炭化室１１内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段を構成している。酸素供給は、連続的または不連続的（間欠的）に行われ、炭化室１１内の酸化還元性を制御し、所望の酸化雰囲気を作り出す。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を炭化室に収容した状態で、該炭化室内を昇温して有機物を炭化させる炭化炉であって、
前記炭化室内の酸素濃度を検知する酸素濃度検知手段を備えたことを特徴とする、炭化炉。
【請求項２】
請求項１において、前記炭化室内のガスを強制的に循環させる強制循環手段を備えたことを特徴とする、炭化炉。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の炭化炉により、炭化室内の酸素濃度を制御しながら、有機物を炭化し、および／または炭化物を冷却することを特徴とする、炭化物の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、前記有機物が家畜屠体由来の有機物であることを特徴とする、炭化物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化炉に関し、詳細には、有機性廃棄物などの有機物から炭化物を製造する際に有利に利用できる炭化炉の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
家畜糞尿、都市の一般ごみ、汚泥などの有機性廃棄物の処理方法として、これを炭化処理し、炭化物として再資源化する方法が採用されている（例えば、特許文献１〜３）。従来の炭化炉による炭化は、被処理物中の炭素が二酸化炭素、一酸化炭素などの酸化物となって失われ灰化することを防ぐため、非酸素条件下で加熱することにより行われてきた。
【０００３】
ところで、近年ＢＳＥ（牛海綿状脳症）への対策として、家畜屠体由来の肉骨粉等を飼料へ添加することが禁止された結果、家畜屠体由来の有機物の大部分は廃棄処理せざるを得ない状況になっている。特にＢＳＥに罹患した疑いのある家畜については、肉や脂肪も含めて廃棄処分しなければならない。その際、ＢＳＥの原因となる異常プリオンを環境へ放出することは避ける必要があるため、肉骨粉やその原料となる骨や肉、さらにそれらを含んでいる家畜屠体を安全に処理する方法の開発が緊急の課題となっている。
【０００４】
このため、家畜屠体に由来する有機物を焼却してセメント原料化する方法が検討されているが、焼却には補助燃料として大量の化石エネルギーが必要となる。また家畜屠体は、セメント原料とするには発熱量やカルシウム量が十分でない一方、家畜屠体中にはリンなどの有用成分が豊富に含まれているにもかかわらず、セメント原料化すると、その有効利用を図ることが出来なくなってしまうという問題がある。
【０００５】
一方、家畜屠体由来の有機物を炭化させた炭化物として骨炭が知られている。この骨炭は、家畜屠体由来の有機物を酸素遮断条件下、高温で加熱処理することによって炭化させたものであり、肥料や飼料添加物、排水処理用の活性炭等として有用性が高い上、異常プリオン等の有害物質が残存する危険性もない。従って、家畜屠体有機物の処理を図る上で炭化処理はセメント原料化よりも有利であると考えられる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１５４７２８号公報
【特許文献２】
特開平６−３２６０８号公報
【特許文献３】
特開平１０−２０２２９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１〜３のような炭化方法では、原料となる家畜屠体由来の有機物中に含まれているはずのリンの多くが失われてしまう。これは、非酸素条件（還元雰囲気）での加熱により、リンが水素化物の形で生成ガス中に放散してしまう為である。また、従来の非酸素条件での炭化では、炭化物の表面積があまり増大しないため、活性炭として使用する場合の吸着能力も十分に高められない。このため、従来方法によって得られる骨炭は、肥料や吸着材としての価値において、家畜屠体有機物を原料とする優位性が多くが減失してしまっており、改善の余地が大きかった。また、家畜屠体由来の有機物に限らず、例えば生ごみや汚泥から炭化物を生成する際にも十分な表面積が得られないという課題があった。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、家畜屠体をはじめとする原料有機物から、リンの損失が小さく、表面積の大きな骨炭等の炭化物を製造できる炭化炉を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係る炭化炉の発明は、有機物を炭化室に収容した状態で、該炭化室内を昇温して有機物を炭化させる炭化炉であって、前記炭化室内の酸素濃度を検知する酸素濃度検知手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この炭化炉の発明によれば、炭化室内の酸素濃度を検知する酸素濃度検知手段を備えたので、炭化室内が所望の酸化状態になるように酸素濃度を制御して炭化を行うことが可能になる。これにより、還元雰囲気で生じるリンの放散を抑え、骨炭をはじめとする炭化物中に残存させることが可能になる。また、従来の非酸素条件での炭化では、活性炭としての吸着能力を十分に高めることができないが、炭化過程で所定の酸素条件を作り出すことによって、炭化物を多孔質化して表面積を増大させ、吸着性能に優れた炭化物を得ることができる。
【００１１】
本発明の第２の態様に係る炭化炉の発明は、第１の態様において、前記炭化室内のガスを強制的に循環させる強制循環手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この炭化炉の発明によれば、強制循環手段を備えたことにより、炭化室内のガスを強制循環させ均一な状態にしながら、酸素濃度を制御して炭化を行うことが可能になる。よって、酸素の濃度むらなどを生じさせることがなく、炭化物の性状を均質なものにすることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様に係る炭化物の製造方法の発明は、第１の態様または第２の態様の炭化炉により、炭化室内の酸素濃度を制御しながら、有機物を炭化し、および／または炭化物を冷却することを特徴とする。
【００１４】
この特徴によれば、酸素濃度検知手段により炭化室内の酸素濃度を検知し、制御しながら炭化や冷却を行うことによって、還元雰囲気でのリンの放散を防ぎ、かつ炭化物を多孔質化して、その表面積を大きくすることができる。従って、得られる炭化物は、リンの損失が抑えられており、肥料としての価値が高いものとなるほか、吸着材としても優れた性能を持つ炭化物となる。よって、本発明方法により、有機物資源の再利用化と高付加価値化が実現する。
【００１５】
本発明の第４の態様に係る炭化物の製造方法の発明は、第３の態様において、前記有機物が家畜屠体由来の有機物であることを特徴とする。家畜屠体由来の有機物には、多量のリンが含まれているため、これを第３の態様の方法で炭化させることによって、リンを豊富に含有し、肥料や土壌改良剤として良質な骨炭等の炭化物が得られる。また、この骨炭等の炭化物は、表面積が大きいため、活性炭と同様の用途で使用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明において有機物とは、炭化物を生成するものであれば特に制限はないが、有機性廃棄物が好ましい。有機性廃棄物としては、例えば、畜産廃棄物や緑濃廃棄物、排水処理汚泥などが挙げられる。ここで畜産廃棄物としては、家畜の糞尿や、屠体および／またはその加工品が挙げられ、より具体的には牛、羊、山羊、ニワトリ等の家畜の屠体、そこから分離された骨、肉、脂肪、内蔵、血液、脳、眼球、皮、蹄、角などのほか、例えば肉骨粉、肉粉、骨粉、血粉などに代表される家畜屠体の破砕物や、血液などを乾燥した乾燥物も含まれる。また緑濃廃棄物には、家庭の生ごみのほか、産業廃棄物生ごみとして、農水産業廃棄物、食品加工廃棄物等が含まれる。
【００１７】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る炭化炉１０を備えた畜産廃棄物処理装置１００の概略構成を示す図面である。この畜産廃棄物処理装置１００は、家畜屠体などの畜産廃棄物から骨炭などの炭化物を製造する目的に適した装置である。
【００１８】
畜産廃棄物処理装置１００は、外部燃焼方式の炭化炉１０を備えており、該炭化炉１０の炭化室１１内には、酸素濃度検知手段としての酸素センサー１２が配備されている。酸素センサー１２としては既知のものを使用可能であるが、炭化室１１内に設置可能なものとして、例えば、ジルコニア固体電解質型酸素濃度計または磁気式酸素濃度計等を使用することが好ましい。なお、図示はしていないが、炭化室１１には、温度検知手段として、例えば熱電対等も配備されている。
【００１９】
この畜産廃棄物処理装置１００は、骨などの大型の有機物を投入できるように構成されたカッター２９を備える大型ホッパー２１と、肉骨粉などの小型の有機物を投入する小型ホッパー２３とを備えている。大型ホッパー２１および／または小型ホッパー２３に投入された畜産廃棄物は、破砕手段としてのスクリューコンベア２５に送られ、さらに破砕されながら炭化炉１０へ向けて所定量ずつ移送される。
【００２０】
一方、家畜屠体の中でもそのままでは炭化処理しにくい水分含量の高い部位（例えば内臓など）は、必要に応じて破砕処理を行ってスラリー化した後、嫌気性処理装置３１に投入し、所定期間メタン発酵処理を施すことができる。メタン発酵物は、発酵液処理装置３３において固形残渣と液分に分別される。ここで分別された固形残渣は、炭化炉１０に投入され、炭化物への転換が図られる。液分は膜処理装置３５に導入され、監視装置３７により環境基準に達するレベルまで処理された後、放出または再利用される。
【００２１】
炭化炉１０は、外部燃焼室１３で発生する熱が伝達されることにより、炭化室１１内を、例えば４５０〜９００℃まで加熱できるように構成されている。炭化室１１内に移行した有機物は、ここで所定時間加熱されて炭化する。炭化は、通常空気を遮断した状態で所定温度まで有機物を加熱して行うものであるが、本発明においては、後記するように所定の酸素供給条件を含むように炭化が実施される。
【００２２】
炭化に使用する炭化炉１０の形式としては、例えばロータリーキルン式、スクリューコンベア式、重力落下式、バッチ固定床式などが挙げられる。比較的低温（４５０〜５００℃）で乾燥・炭化を行う場合は、いずれの方式のものでも使用できるが、８００℃以上の高温で乾燥・炭化を行う場合、ロータリーキルン方式、スクリューコンベア方式など機械的要素の大きい乾燥・炭化装置では耐熱性の材質を選定することが重要になる。
【００２３】
炭化室１１内の酸素センサー１２は、炭化室１１内の雰囲気中の酸素濃度を検知する。ブロア１５は、炭化室１１内の酸素濃度を制御するため、純窒素と外部空気を所定比率で導入できるように構成されている。つまり、ブロア１５は空気導入時においては酸素供給手段として機能するものである。
【００２４】
酸素センサー１２とブロア１５は協働して炭化室１１内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段を構成している。酸素センサー１２は、検知した酸素濃度に基づきブロア１５の制御部（図示せず）へ向けて制御信号を送出できるように構成されている。前記ブロア１５の制御部では、酸素センサー１２からの信号を受けて酸素の供給量（窒素ガスへの空気の混入量）を増減する。すなわち、酸素センサー１２によって検知された酸素濃度が設定範囲の上限に近づいた場合あるいは超えた場合には、ブロア１５の空気混入比率を低下させ、検知された酸素濃度が設定範囲の下限に近づいた場合あるいは下回った場合には、ブロア１５の空気混入比率を増加させるようになされる。このようにして、炭化過程で炭化室１１内の酸化還元状態を所定の時間、所望の状態に制御することが可能になる。
【００２５】
炭化炉１０において、ブロア１５は、炭化室１１内のガスを強制的に循環させる強制循環手段としても作用する。
すなわち、炭化炉１０では、ブロア１５でガスを炉内に送り込み、炉内を流通させるが、そのガスをそのまま放散させるのではなく、図示しない排気口から外部に取出した後、新鮮な空気を一部混合して再度ブロア１５で炉内に循環させるようにしている。このようなガスの強制循環は必ずしも必須ではないが、強制循環により炭化室１１内のガスが均質化され、導入酸素の濃度ムラが生じにくくなるため、炭化物の性状を安定化させることができるので有利である。なお、強制循環手段としてはファン等の送風機能を有するものを使用することができる。
【００２６】
炭化に要する条件の一例として、加熱は、例えば４５０〜９００℃程度（好ましくは５００〜８５０℃）まで昇温した後、この温度に３０分〜１０時間程度保持することにより行うことができる。
【００２７】
前記温度までの昇温過程あるいは昇温後のある時間内において、炭化室１１内が例えば１〜２０体積％程度以下（好ましくは、１〜１０体積％程度以下）の酸素濃度となるように制御を行う。酸素を供給する時間は、例えば１分〜１時間程度（好ましくは５分〜３０分間程度）とすることができる。酸素供給は、連続的または不連続的（間欠的）に行うことができる。炭化物（有機物）は、空気中では５００℃で着火するため、炭化室１１内に多量の空気（過剰空気）を入れることは避けるべきである。酸素供給が過剰になると、炭化室１１内が酸化雰囲気にかたより、炭化物が灰化して歩留りが低下する場合がある。一方、還元状態だけでは、リン等の有用成分が揮散してしまい炭化物中の残存率が低下するとともに、表面積の増大が図れない場合がある。このため、酸素濃度の制御においては、酸素（空気）の導入量や導入タイミング、導入時間等を加熱温度との関係で選定することが好ましい。また、自己燃焼させて表面賦活を図る目的で空気導入を行う場合でも空気量には十分注意して余計な燃焼を避けることが好ましい。ただし、例えばバッチ式の炭化炉において、炭化物が生成した後の冷却過程（非加熱時で、温度が例えば４００℃など）で多量の空気を注入することは好ましい表面賦活方法である。
【００２８】
以上のことから、酸素濃度を制御する為に空気を混合する割合は、１００％空気導入から酸素濃度数十ｐｐｍまでの広い範囲から、温度、被炭化物（有機物）、目的（リンの固定、賦活等）、時間などに応じて選択することができる。
【００２９】
また、リンは、比較的低い加熱温度（５００℃前後）では水素化の速度が大きくならず残留する傾向にあるため、低めの温度で加熱して炭化を進め、最終段階で酸素供給を行って所定の酸化条件に制御することも好ましい。加熱および酸素濃度制御の好ましい例を挙げると、原料となる有機物が家畜屠体由来の肉骨粉等の有機物である場合は、炭化室１１内を無酸素雰囲気にして５００〜８００℃以上になるまで昇温し、同温度範囲に１〜８時間程度保持した後、この温度域のまま一時的（例えば５〜３０分間程度）に空気を導入して数体積％（例えば５〜１０体積％）の酸素濃度とする。
【００３０】
炭化室１１の下部には、加熱中に融解して液化する油脂等を貯留するための液化物受１４が備えられており、家畜屠体等に含まれる脂肪の多くは炭化物と分けて回収される。回収された油脂は、外部燃焼室１３の燃料等として再利用することができる。
【００３１】
炭化炉１０で加熱され生成した骨炭は、炭化物貯留部４１に移送され貯留される。一方、炭化の過程では大量の熱分解ガスが生成するため、これを有効利用すべく燃料電池５３が付設されている。炭化に伴い発生した熱分解ガスは、前処理装置５１において脱硫、改質を施した後、燃料電池５３において電力に転換することができる。
【００３２】
【実施例】
次に、実施例、試験例により、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらによって制約されるものではない。
試験例
畜産廃棄物として牛の肉骨粉を使用し炭化試験を行った。肉骨粉の主な組成は、表１に示すとおりである。肉骨粉には、肉、骨、皮、毛などが混在しているので、これらが目視で均一に混ざる程度に採取、破砕混合し試験に供した。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
上記試料について、図２に示す簡易試験装置により炭化実験を行った。この簡易試験装置８０は、内径２０ｍｍの石英管８１を管状炉８２で覆い、石英管８１内に試料９０を収容できるように構成されている。また、石英管８１内には熱電対８３が配備され、これにより内部の温度を検知できる。気体供給器８４は、純窒素と空気を切り換えて導入できるように構成されている。
【００３５】
酸素濃度計の設置場所の検討を行うため、管状炉８２に覆われた石英管８１内にはジルコニア固体電解質型酸素濃度計８５を配備するとともに、炉外部には、隔膜式酸素濃度計８６を配備した。また、炭化処理中に発生する熱分解生成物を含むガスを洗浄するため、ガス流れ方向の下流側にはキシレンによるトラップ装置８７を設けた。
【００３６】
石英管８１内に約１４０ｍｍにわたって試料９０（肉骨粉）を約２０〜３５ｇ詰め、管状炉８２により加熱し炭化させた。炭化条件は表２に示すとおりであり、５００〜８００℃の炭化処理は窒素気流中で行い、酸化雰囲気にする場合は空気を混入した。空気の混入量は、管状炉８２内に配備したジルコニア固体電解質型酸素濃度計８５および炉外部に配備した隔膜式酸素濃度計８６の出力に基づき調節した。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
以上のようにして得られた炭化物に対し、炭化物の活性炭としての吸着特性および土壌改良材としての肥料成分の含有量を把握するため、成分分析を行うとともに、走査電子顕微鏡−電子プローブマイクロアナライザー（ＳＥＭ−ＥＰＭＡ）によって表面状態および元素分布の確認を行った。
【００３９】
また、炭化物をｎ−ヘキサンで抽出し、そこに含まれる有機物を、ＧＣ−ＭＳ（ガスクロマトグラフ−質量分析装置；アジレントテクノロジー社６８９０シリーズＧＣおよび５９７３ＭＳＤ）によって検出した。
【００４０】
炭化処理中、熱分解生成物を含む管状炉８２出口ガスは、トラップ装置８７によるキシレン洗浄を行った。分解実験後にキシレンの一部を採取し、熱濃硫酸、硝酸によって処理し、濾過後、モリブデン酸アンモニウムを添加してリンの検出を試みた。
【００４１】
＜結果＞
（１）  酸素センサーの配備位置の検討結果：
管状炉８２（石英管８１）内に配備したジルコニア固体電解質型酸素濃度計８５により、炉内の酸素濃度を正確に測定することができ、この測定結果に基づいて酸素濃度を適切に制御することが可能であった。これに対して、炉外に設けた隔膜式酸素濃度計８６は、隔膜表面にタール状物質が付着してしまい、酸素濃度を十分正確に測定することができず、酸素濃度の制御も十分に行うことができなかった。
（２）酸化還元条件の検討：
骨炭の成分分析結果を表３に示す。空気を混入した条件１は、同じ温度で空気を混入せずに炭化を行った条件２に比べ、リンの含有量が多いことが判明した。このことから、条件１で製造した骨炭は、土壌改良剤として十分な施肥効果を持つことが示された。
【００４２】
【表３】
2004300198.tif 000005
【００４３】
なお、加熱温度を５００℃に設定した条件３は最もリンの含有量が多い結果となった。このことより、５００℃前後から８００℃前後までの温度範囲でリンを残留させ得ることが明らかとなった。
【００４４】
また、酸素を導入して炭化させた条件１は、条件２に比べ、ＢＥＴ比表面積およびヨウ素吸着量が有意に大きく、活性炭に非常に近い吸着性能を持つことが示された。
【００４５】
さらに、各条件で製造した骨炭を水蒸気賦活処理した結果を表４に示す。この表４から、酸素導入を行った条件１の骨炭は、水蒸気賦活によって、ＢＥＴ比表面積およびヨウ素吸着量が顕著に増加することが示された。
【００４６】
【表４】
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【００４７】
また、キシレントラップ装置８７のキシレンを採取してモリブデン酸アンモニウム法によりリンの分析を行った結果、呈色の強さは条件２、条件１、条件３の順であり、条件２のときに最も多くのリンが揮散したことが確認された。
【００４８】
なお、炭化物のｎ−ヘキサン抽出物をＧＣ−ＭＳで計測した結果、残存有機物は検出されなかった。
【００４９】
実施例１
図１と同様の畜産廃棄物処理装置１００を用い、牛の肉骨粉から骨炭を製造した。
すなわち、畜産廃棄物処理装置１００に肉骨粉を投入し、炭化炉１０において８００℃、１時間窒素気流中で加熱し、炭化させた。空気は加熱後、放冷の段階で炭化炉１０中のガスの約１体積％となるように１時間程度導入した。空気の量は、酸素センサー１２（ジルコニア固体電解質型酸素濃度計）により測定し、制御した。得られた骨炭については、常法に従い水蒸気賦活を施した。原料となった肉骨粉の成分を表５に、および得られた骨炭（水蒸気賦活後）の成分を表６に示す。
【００５０】
【表５】
2004300198.tif 000007
【００５１】
【表６】
2004300198.tif 000008
【００５２】
以上、本発明を種々の実施形態に関して述べたが、本発明は上記実施形態に制約されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態についても適用可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明では、炭化炉に、炭化室内の酸素濃度を検知する酸素濃度検知手段を設けたことにより、炭化室内が所望の酸化状態になるように酸素濃度を制御して炭化を行うことが可能になる。これにより、還元雰囲気で生じるリンの放散を抑え、骨炭をはじめとする炭化物中に残存させることが可能になる。また、従来の非酸素条件での炭化では、活性炭としての吸着能力を十分に高めることができないが、炭化過程で所定の酸素条件を作り出すことによって、比表面積を向上させ、吸着性能に優れた炭化物を得ることができる。
【００５４】
本発明方法により得られる骨炭などの炭化物は、リンの損失がすくなく、肥料としての価値が高いものとなるほか、吸着材としても優れた性能を持つ炭化物となる。よって、土壌改良剤や肥料として有用であるほか、活性炭と同様に脱臭剤、水処理剤等の各種吸着剤としての用途に使用可能である。さらに活性炭としての使用後に、畑などに散布しても施肥効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】畜産廃棄物処理装置の概略構成を示す図面。
【図２】炭化試験装置の概略構成を示す図面。
【符号の説明】
１０  炭化炉
１１  炭化室
１２  酸素センサー
１３  外部燃焼室
１４  液化物受
１５  ブロア
３１  嫌気性処理装置
３３  発酵液処理装置
３５  膜処理装置
３７  監視装置
４１  炭化物貯留部
【図１】
2004300198.tif 000009
【図２】
2004300198.tif 000010