(57)【要約】【課題】本発明は、事前脱塩素処理にマイクロ波を用いることにより高エネルギー効率で、高い脱塩素効率が得られるプロセスを提供することにある。【解決手段】本発明の廃材の処理方法は、有機ハロゲン化合物を含む廃材へマイクロ波を照射し、照射後の排出ガス中に含まれるハロゲン化合物を消石灰により吸着/除去する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機ハロゲン化合物を含む廃材へマイクロ波を照射し、照射後の排出ガス中に含まれるハロゲン化合物を消石灰により吸着/除去する廃材の処理方法。
【請求項２】
マイクロ波が、極超短波より小さい周波数の電磁波であることを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項３】
ハロゲン化合物が、塩化水素、フッ化水素、臭化水素から選択される少なくとも1種である請求項1又は2項記載の方法。
【請求項４】
前記マイクロ波の照射を、ストーカー炉型、流動層型から選択される1種の炉型内で行なう請求項１〜３項のいずれか1項に記載の方法。
【請求項５】
請求項１〜４項のいずれか1項に記載の方法により、ハロゲン化物が除去された後の排ガスをエネルギーとして回収する廃材の処理方法。
【請求項６】
廃材試料供給部と、本体部と、マイクロ波発生部と、消石灰を備えたハロゲン分吸収反応器と、廃材試料排出部とを備えた廃材処理装置であって、
前記消石灰によって廃材中のハロゲン分を吸収し、ハロゲン分と脱ハロゲンされた排ガスとに分離する廃材処理装置。
【請求項７】
前記本体部の少なくとも一つの内面が、傾斜していることを特徴とする請求項6記載の装置。
【請求項８】
前記本体部には、マイクロ波を撹拌するためのマイクロ波撹拌装置を有する請求項６又は７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃材の処理方法及び廃材処理装置に関し、特に消石灰を用いて効率的にハロゲンを吸着/除去する廃材の処理方法及び廃材処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来までの「大量生産・大量消費・大量廃棄」型の経済社会の代償として、廃棄物処分場の逼迫や環境汚染が問題となっており、廃棄物の減容化及び再資源化技術の開発が必須課題となっている。現状技術では複数のガス化溶融技術が開発されているが、いずれも大型炉（150t/day）を想定したものであり、小規模（50ｔ/day）ではエネルギー回収の観点から効率が低いという問題がある。そして新ダイオキシン基準値が平成１４年１２月１日より施行が開始されてからは小型の焼却炉により焼却処理できなくなったことからも、中小規模の廃プラスチック類、木質系廃棄物発生者を対象とした資源回収型の高効率発電を目指した技術開発が必要である。これらの諸問題を背景に、現在廃棄物やエネルギーの循環利用を目指した「資源循環型社会」の構築が叫ばれている。
【０００３】
その中で有機系廃棄物処理の解決策として有機廃棄物高温ガス変換プロセスが提案されており、このプロセスは地域ごとに発生、回収される廃プラスチック類、木質系廃棄物などを原料とし、事前脱塩素処理、ガス変換炉、ガス精製、燃料電池により構成させるコンパクトな分散型発電システムである。それにより地域分散型社会の構築を目指し、その地域から排出される有機系廃棄物を地域単位で資源化し、電力や熱エネルギーとして利用しようとするものである。
【０００４】
上記事前脱塩素処理とは、ガス精製の負担を軽くするため、ガス化炉の腐食等の問題があることから、回収した有機系廃棄物をガス化する前に行なわれる脱塩素処理を用いる。この事前処理においては、燃料となる有機廃棄物の分解を抑制しつつ、有機塩素を高効率に分解することが求められている。脱塩素処理方式としてはキルン式、二軸押し出し式がある。
【０００５】
二軸スクリュー押出し式は、混合廃プラスチックを常温から約600Kまでせん断力をかけながら昇温熱分解を行い、塩化水素と混合溶融プラスチックに分離することにより高い脱塩素効率が得られることを特徴としたシステムである。構造は２本のスクリューで原料を排出側に搬送しながら原料の破砕、混合を行い、排出口近くで原料に圧縮力を加え、原料間の内部摩擦及び原料と排出板との摩擦により内部より熱を発生させて、プラスチックを軟化または溶融させることにより高効率な脱塩素処理が可能である。そして溶融プラスチックはノズルより押出し整形し排出されるしくみとなっている。
【０００６】
また、キルン式は、円筒型の装置であり、セメントの製造用に開発され現在では燃焼炉、溶融炉、ガス化炉などに使用されている（東レリサーチセンター：ポリ塩化ビニル（PVC）と環境、p.252 (1994)）。キルン式では600K程度で乾留を行うことにより脱塩素処理を行う。現在稼動している673K程度で10〜30minの乾留で塩化ビニル中の97〜98％の塩素が除去可能である。キルン式の特徴としては大量処理が可能であり、低品位の燃料が使用可能である。
【０００７】
このような処理とは別に、産業廃棄物に含まれるプラスチック廃棄物については、資源再利用の観点から、その燃料化、(固形燃料化、油化、ガス化)が図られており、その代表的な方法として、プラスチック廃材やゴム廃材を乾留して油分とガス分とを回収する方法が知られている(特開昭５０−８５５７３号)
【０００８】
【非特許文献１】特開昭５０−８５５７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、有機廃棄物高温ガス変換プロセスでは溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）を利用するために発電効率低下の阻害要因になるHClの濃度を10ppm以下にする必要があり、高効率に脱塩素を行うプロセスの開発が求められている。
【００１０】
また有機廃棄物性状は均一ではなく高塩素濃度になることが考えられ、ガス化炉やガス精製に負担がかかることから予め脱塩素処理が行われる。そしてこの事前脱塩素処理工程においては可能な限り有機塩素を除去することが求められているが、その一方で後工程において燃料となる炭素、水素分の分解を抑制する必要がある。
【００１１】
二軸スクリュー押出し式の課題としては大きな金属類が混入するとかみ込みにより装置が故障する場合があるのである程度の分別が必要となること、混合廃プラスチック中のPVCが高濃度になると溶融プラスチックの粘弾性が増加することにより壁面への付着や、排出口が詰まるためPVC濃度の影響を受けるなどが挙げられる。
【００１２】
また、キルン式では、2軸式と同様に溶融物が炉壁に付着すること、処理時間が長いこと、少量処理には向かないという欠点もある。
【００１３】
さらに、これらの方式及び上述した回収方法では外部加熱であるため廃棄物全体を加熱する必要がある。したがって、有機塩素化合物のみを優先的に分解除去し得る高効率な処理方法が望まれている。しかしこのような処理方法は、これまで知られていない。
【００１４】
そこで、本発明は、事前脱塩素処理にマイクロ波を用いることにより高エネルギー効率で、高い脱塩素効率が得られるプロセスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、発明者らは、有機ハロゲン化合物の脱ハロゲン挙動におけるマイクロ波照射の影響について鋭意研究を重ねた結果、本発明の廃材の処理方法を見出すに至った。
【００１６】
すなわち、本発明の廃材の処理方法は、有機ハロゲン化合物を含む廃材へマイクロ波を照射し、照射後の排出ガス中に含まれるハロゲン化合物を消石灰により吸着/除去することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の廃材の処理方法の好ましい実施態様において、ハロゲン化合物が、塩化水素、フッ化水素、臭化水素から選択される少なくとも1種である請求項1記載の方法。
【００１８】
また、本発明の廃材の処理方法の好ましい実施態様において、前記マイクロ波の照射を、ストーカー炉型、流動層型から選択される1種の炉型を用いることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の廃材の処理方法の好ましい実施態様において、請求項１〜3項のいずれか1項に記載の方法により、ハロゲン化物が除去された後の排ガスをエネルギーとして回収することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の廃材処理装置は、廃材試料供給部と、本体部と、マイクロ波発生部と、消石灰を備えたハロゲン分吸収反応器と、廃材試料排出部とを備えた廃材処理装置であって、
前記消石灰によって廃材中のハロゲン分を吸収し、ハロゲン分と脱ハロゲンされた排ガスとに分離することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の廃材処理装置の好ましい実施態様において、前記本体部の少なくとも一つの内面が、傾斜していることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の廃材処理装置の好ましい実施態様において、前記本体部には、マイクロ波を撹拌するためのマイクロ波撹拌装置を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高エネルギー効率で、かつ、高脱ハロゲン効率が得られるという有利な効果を奏する。また、脱ハロゲン処理時に有機ハロゲン化合物以外の有機物の熱分解を回避することができるという有利な効果を奏する。
【００２４】
本発明によれば、廃材がもつ熱量を殆ど損なうことなく、脱ハロゲン処理を行なうことができるという有利な効果を奏する。また、本発明によれば、発生ガス量が少なく処理装置の小型化が容易になると共に、ほぼ常温下での操作のため装置の高温防食加工が不要であるという有利な効果を奏する。
【００２５】
すなわち、本発明によれば、廃材を加熱分解させることなく、効率的にハロゲンを除去することができることから、脱ハロゲン処理に費やすエネルギーを大幅に削減することができ、かつ、ハロゲン分は効率的に吸収除去され,残存した排ガス及び脱ハロゲン済みの廃材を効果的に得ることができるので、ひいては、廃材の有するエネルギー源を最大限にリサイクル利用することができるという有利な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の廃材の処理方法は、有機ハロゲン化合物を含む廃材へマイクロ波を照射し、照射後の排出ガス中に含まれるハロゲン化合物を消石灰により除去する。まず、本発明の処理方法を適用できる廃材としては、有機ハロゲン化合物を含む廃材を挙げることができる。これは、本発明は、ガス化炉などの腐食などの原因となりうるハロゲン化合物を効率的に、低コストで除去することなどを主目的としているからである。有機ハロゲン化合物としては、例えば、有機フッ化物、有機臭化物、有機塩化物などを挙げることができる。
【００２７】
本発明においては、このような有機ハロゲン化合物を含む廃材へマイクロ波を照射することにより、廃材に含まれる有機ハロゲン化合物の内部から加熱することから、投入エネルギーから熱エネルギーへの変換効率が高いという特徴がある。
【００２８】
ここで、マイクロ波加熱の原理・特徴について説明し、事前脱ハロゲン処理におけるマイクロ波加熱法の利点について説明する。
【００２９】
図４は、マイクロ波電界下の誘電体分子の動きを示す。図４に示すように、誘電体（絶縁物）においては、一般にその内部において、正のイオンとその近傍に束縛された負の電子が対を成しており、（a）のように全体として電界がゼロの状態となっている。その誘電体を（b）のように強いマイクロ波電界中に置くと、イオンと電子の対が図のように電界の方向に整列する。また電界が（c）のように逆になった場合には、イオンと電子対も逆に整列する。マイクロ波は交番電界であるため、分子内で双極子（正と負をもったもの）は電界の変化に追随して回転あるいは振動し、その内部摩擦により熱が発生する。
【００３０】
ここで誘電体中で熱に変わる電力損失P [W・m-3]は、f [Hz]をその時のマイクロ波周波数、E [V・m-1]をマイクロ波電界の大きさ、ε [-]とtanδ [-]を物質の比誘電率と誘電体損失角とすると次式で与えられる。
【数１】
2005342631.tif 000002
式（1-1）より、発生する熱量はマイクロ波の周波数に比例し、ε・tanδで示される損失係数（loss factor）に比例する。
【００３１】
この損失係数は、表１に示すように物質固有の値であり、温度によっても変化する。
【００３２】
【表１】
2005342631.tif 000003
マイクロ波が誘電体の中へ入ると、誘電体損により吸収されて熱に変わるので、その強度が弱くなっていく。マイクロ波のエネルギーが半分に減衰する深さDh (Half Power Depth) [m]は次の式で求められる。
【数２】
2005342631.tif 000004
ここでλ0= ｃ・ｆ-1はマイクロ波の波長である。（2）式より、浸透深さは周波数とε、tanδに逆比例するので、εやtanδの大きい物体を深い所まで加熱するには、周波数を低くしなければならない。マイクロ波加熱を行う場合、この浸透深さと、加熱効果と両方の面から考えて周波数を決定しなければならない。
【００３３】
図５は、物体に照射されたマイクロ波の状態を示す。図５にある物体にマイクロ波が照射された状況を示しており、左側が空気である。物体が誘電体の場合には、入射してきたマイクロ波は、誘電体に吸収され、一部は反射される。吸収されたマイクロ波は熱に変わるのに伴い、その振幅が減少する。この場合の誘電率は、光の屈折率に相当するものでεが大きいほど反射分が大きくなる。それゆえ、加熱効率を上げるためには、この反射分を極力小さくしなければならない。また、物体表面が金属で覆われている場合には、マイクロ波は完全に反射され、中の物質には影響を与えない。
【００３４】
マイクロ波加熱の性質を利用することにより、他の加熱方法に比べて次のような利点が挙げられる。
【００３５】
１．従来の加熱法は外部から熱を加えるため、加熱炉やその雰囲気などの被加熱物以外を熱しなければならないのでエネルギー効率が低い。しかし、マイクロ波加熱は物質内部に浸透して熱に変化する内部加熱であるため被加熱物を直接加熱することが可能となり、投入エネルギーから熱エネルギーへの変換効率が高くなる。
【００３６】
２．損失係数の違いを利用することで選択的に加熱を行うことが可能となる表１を見るとPVCの損失係数はPEの60倍以上となっており、一般に有機物の中でポリ塩化ビニルのようにClを含む物質は損失係数が大きく、Clを含まない物質は損失係数が小さい傾向にある。これはC-Cl結合がマイクロ波帯において激しく励起されることによるものである。このことからマイクロ波を混合した有機系廃棄物に照射した場合、損失係数の差により混合物中の有機塩素が優先的に加熱される。このように混合物中の有機塩素を内部から直接加熱を行うことができるため、プロセスの高エネルギー効率化につながることが期待される。
【００３７】
3. マイクロ波加熱により有機塩素のC-Cl結合が励起されることによりC-Cl結合のエネルギー準位が上がることから、C-Cl結合が有機塩素分子中のC-C結合やC-H結合にくらべて高いエネルギーをもつ非平衡状態となり、その結果として有機塩素の熱分解においてマイクロ波加熱中はC-Cl結合が他の結合と比較して優先的に分解されると考えられることから選択的に脱塩素反応が起きることが期待される。
【００３８】
なお、ここでいうマイクロ波としては、特に限定されず、極超短波をいい、波長約1ｍ以下の電波を意味する。遠赤外部に接する１mm以下のサブミリ波まで含まれる。すなわち、一般には、電子レンジに使用されるような2.45GHzの周波数のものをいうが、サブミリ波、ミリ波、センチ波、極超短波（UHF）も含まれる。ミリ波、センチ波、極短波であっても同様に、有機ハロゲン化合物を除去することができるからである。マイクロ波としては、有機ハロゲン化合物が主に固体であるという観点から、電子レンジに使用されるマイクロ波より、より周波数の小さい電磁波(極超短波よりも小さい周波数の電磁波)が好ましい。
【００３９】
このようにマイクロ波を照射後、本発明においては、排出ガス中に含まれるハロゲン化合物を消石灰により吸着除去する。このように排出ガス中に含まれるハロゲン化合物を、排ガスから効率的に除去することができるので、ハロゲン化合物を含まない排ガスのみを得ることができ、これらの排ガスは、エネルギー源として有効に活用することができる。
【００４０】
吸着/除去されるハロゲン化合物としては、塩化水素、フッ化水素、臭化水素から選択される少なくとも1種を挙げることができる。塩化水素、フッ化水素、臭化水素は、それぞれ、廃材に含まれる有機塩化物、有機フッ化物、有機臭化物などの有機ハロゲン化合物由来である。
【００４１】
また、好ましい実施態様において、前記マイクロ波の照射を、ストーカー炉型、流動層型から選択される1種の炉型を用いることができる。
【００４２】
まず、ストーカー型について説明すれば、ストーカー型とは、ベルトコンベアーのような機構を有する装置で、主に石炭などの燃焼炉や蒸気機関車などに用いられている技術である。図１にストーカー型の炉を示す。図の傾斜部分は階段状の稼動プレートが積層され、このプレートの動きにより試料が徐々に移動する構造になっている。
【００４３】
マイクロ波の減衰の影響を防ぐという観点から、炉にはマイクロ波進行方向に対してマイクロ波通過断面積を減少させるような傾斜を設けるのが好ましい。具体的な傾斜角（テーパー角θ）については、tanθ=l/(4*Dh)を満たす値以上であることが望ましい（ここで、lは炉の最大幅を表し、Dhはマイクロ波浸透深さを表す。）
すなわち、反応炉の形状が矩形であれば、tanθ=l/(4*Dh)を満たす傾斜（テーパー）角θと最大幅lの組み合わせ、円筒形（円錐形）であればtanθ=r/(√2*Dh)を満たすテーパー角θと最大半径rの組み合わせが好ましい。
このように、傾斜させることにより、マイクロ波の減衰による電界強度の低下を抑制する働きを有する。
【００４４】
また、炉としては、流動層型を用いることもできる。図２に流動層型の概念図を示す。流動層型は、マイクロ波吸収性を示さない無機粒子を媒体としてこれを振動させることで撹拌、流動化させて試料と媒体を混合させるものである。本発明に用いる装置において、特徴的な部分としては、マイクロ波の減衰の影響を防ぐ観点から、装置本体に緩やかな傾斜を設ける点、粒子を流動化させるための機構として、翼や、振動子などの機械的動力を用いる点などを挙げることができる。通常、流動層は、粒子を流動化させるために装置下部より大量のガス(空気、窒素など)を供給させるが、その結果として処理ガス量が大量になるあるいは可燃性ガスが希薄になる等の問題点がある。そこで、本発明においては、振動子により流動化させることで余分なガスを含ませず少量の分解ガス(塩化水素及び可燃性ガス)の処理だけで済むようになり、ひいては処理装置の小型化が可能となる。なお、流動層型装置の傾斜角（テーパー角θ）としては、層内最大半径をr、マイクロ波浸透深さをDhとした場合、tanθ=r/(√2*Dh)を満たすθ以上の傾斜を付加することが望ましい。
【００４５】
上述のようにハロゲン化合物が除去された排ガスを本発明においては、積極的にエネルギーとして回収し、利用することができる。すなわち、地域ごとに発生、回収される廃プラスチック類、木質系廃棄物等の有機系廃棄物を原料として、ガス変換後に燃料電池の燃料として、得られた排ガスを使用することができる。
【００４６】
次に、本発明の廃材処理装置について説明する。本発明の廃材処理装置は、廃材試料供給部と、本体部と、マイクロ波発生部と、消石灰を備えたハロゲン分吸収反応器と、廃材試料排出部とを備える。
【００４７】
本発明の一実施態様における廃材処理装置を図3に示す。１が廃材処理装置は、廃材試料供給部、２が本体部、３がマイクロ波発生部、４が消石灰を備えたハロゲン分吸収反応器、５が廃材試料排出部、６がマイクロ波撹拌装置、７が可燃性ガスである。廃材は、まず、廃材試料供給部１から本体部２投入され、本体部内で、マイクロ波を、３０〜６０分の間、１００〜２１０℃の温度、好ましくは、１７０〜２００℃の温度で、照射される。本体部2内では、必要に応じて、電界強度分布の平準化という観点から、マイクロ波撹拌装置を設けることができる。マイクロ波はマイクロ波発生部３から供給される。本体部２は、マイクロ波の減衰の影響を防ぐために傾斜をつけることが望ましい。なお、本体部においては、必要に応じて、マイクロ波を撹拌させるための翼等のマイクロ波撹拌装置６を設けてもよい。
また傾斜構造の仕組みについて説明すれば、以下のようである。マイクロ波に限らず全ての電磁波は、それが通過する物質（空気、水、ガラス等）の影響を受け、マイクロ波が持つエネルギーを主に熱として散逸していき、結果としてエネルギー密度（電界強度）が低下する。この現象自体は防ぐ方法はない。しかし、低下してしまった密度を上げる方法として、マイクロ波が通過する空間そのものを小さくする方法がある。マイクロ波は金属によって遮蔽されてしまうので、その金属でできた空間そのものを小さくすることでトータルのエネルギー量は低下しても、その密度（電界強度）は保持することができるようになる。エネルギー密度の保持は、そのまま脱塩素反応の均一化を意味するため、当該発明技術において非常に重要である。
【００４８】
こうして本体部２において、ハロゲン分を含む廃材にマイクロ波が照射されることにより、廃材内部の炭素とハロゲンとの結合などを選択的に切断することによって効率的に脱ハロゲン処理が行なわれる。脱ハロゲンされた廃材試料は、廃材試料排出部５へ排出される。一方、ハロゲンを含む排ガスは、ハロゲン分吸収反応器４へ導入され、当該ハロゲン分吸収反応器４において、消石灰によってハロゲン分を吸着するともに、脱ハロゲンされた排ガスは、可燃性ガス７としてエネルギー再利用に供される。
これら可燃性ガス及び脱ハロゲンされた廃材は、ともに、原料廃材の有する熱量を殆ど損なうことなく、かつ、脱ハロゲンされているため、高いエネルギー効率を有するリサイクルエネルギー源として非常に有効である。
【００４９】
本発明の背景として、有機廃棄物をエネルギー源とした廃棄物の高効率発電による廃棄物再資源化技術を確立するために提案されている有機廃棄物高温ガス変換プロセスがある。そのフローを図６に示す。このプロセスは地域ごとに発生、回収される廃プラスチック類、木質系廃棄物等の有機系廃棄物を原料とし、ガス変換後に燃料電池の燃料として使用される。そして地域分散型電源の構築を目指しており、都市生活系から排出される有機系廃棄物を地域単位で資源化し、電力や熱エネルギーとして利用しようとするものである。このプロセスのフローとして、まず排出される有機系廃棄物を選別、粉砕し、事前脱塩素処理工程により有機塩素を熱分解により取り除く。次に処理原料を1200℃程度の高温ガス化炉に投入し、ガス化剤の酸素を空気分離設備で空気から分離して供給を行い、ガス化炉内では有機系廃棄物が部分燃焼し、高温を発する。この高熱により、廃プラスチック類に含有する無機物（灰分及び添加物）が溶融・分離し、スラグとして炉底から排出される。そしてH2やCOガスに変換後、サイクロンやフィルタなどの脱塵装置を通り、ガス精製により腐食性ガスや不純物を取り除き、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)の燃料に利用し発電する。発電プロセスで得られた電気は都市生活系で循環利用され、また排熱を回収することにより温水や地域冷暖房等として都市生活系で熱エネルギーも利用される。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は、下記実施例に限定して解釈される意図ではない。
【００５１】
実施例１
まず、マイクロ波照射によるPVCの脱塩素を試みた。具体的には、PVCの熱分解開始温度付近である483K前後においてマイクロ波照射による脱塩素実験を行い、そのときの脱塩素効率の経時変化を測定することによりマイクロ波照射がPVCの脱塩素挙動に与える影響について検討を行った。
【００５２】
また比較のために同条件におけるマイクロ波非照射時の実験を行い、実験後の残渣の組成を分析することにより物質収支について検討を行った。
【００５３】
＜実験装置＞
実験装置として発振周波数2450MHzのマイクロ波発振装置を（東京電子：IMG-2501S）を利用した。装置写真を図７ 、概略図を図８に示す。マイクロ波発振器に低リップル型を用いることで出力を100Wから1000Wまで変えることができ、また常に安定した出力を得ることができる。発振部のマグネトロンで発生されたマイクロ波は導波管を通じ、アイソレータ、スタブチューナーを経た後にアプリケータに入る。このときスタブチューナーにより、アプリケータからの反射波が最小になるように回路調節を行い、負荷に印加された正味の電力は、パワーモニタの前進波と反射波の電力の差により求めることができる。またその後ろにダミーロードを設置して負荷が吸収できなかったマイクロ波を吸収させ、反射波が発生することを抑えた。また各部の名称と役割を以下に示す。
＜各部の名称と役割＞
・マイクロ波発生器
マイクロ波管としてはマグネトロンとクライストロンがあるが、クライストロンは増幅管であるため、電力合成が容易であるという利点があるが、能率が劣ることと動作電圧が高いので、一般に工業加熱の用途にはマグネトロンが用いられている。マグネトロンはその名称通り磁場を必要とし、この磁場を与えるために永久磁石や電磁石が取り付けられ、電磁誘導を利用してマイクロ波を発生させる。発生器は、このマグネトロンを動作させるのに必要な高電圧直流電源、ヒータ電源、冷却器、マグネトロンから高周波を取り出すための高周波結合器、制御回路などから構成されている。
【００５４】
・アプリケータ
被加熱物にマイクロ波を照射し、加熱する部分であり被加熱物の材質、形状、加熱の目的などによりバッチ式、コンベア式、ダクト式等様々なものがある。
【００５５】
・導波管
周波数の高いマイクロ波では、通常の電路では放射損失が大きく、使用に耐えない。そこでマイクロ波の伝送には導波管が使われ、導電性の良い金属で作られた中空のパイプである。直線導波管、Eコーナ、Hコーナ、断面寸法の違う導波管を接続するための変換導波管等があり、これらを組み合わせてマイクロ波発生器と加熱部（アプリケータ）をつなげる。
【００５６】
・アイソレータ
導波管によりアプリケータに導かれたマイクロ波が、被加熱物の吸収状態などにより生じた反射する場合がある。そこで、生じたマグネトロンまで戻り、マグネトロンが破損するのを防ぐために、マイクロ波発生器とアプリケータの間に挿入することにより反射波を吸収し、マイクロ波発生器を安定に動作させるために用いる。
【００５７】
・パワーモニタ
方向性結合器、クリスタルマウント、無反射終端、指示器等から構成され、発生器からアプリケータへ向かうマイクロ波の電力（入射電力）と加熱部から反射されてくる電力（反射電力）を分離・検出し、表示するものである。
【００５８】
・スタブチューナー（インピーダンス調整器）
電源・発振器のインピーダンスと、伝送線を含めた負荷のインピーダンスを一致させ入射電力が電源側に戻って加熱効率が低下するのを防ぐために用いるものである。合成された全インピーダンスを上手く調整して整合を取ると、マイクロ波電力は負荷（被加熱物）で十分消費されるようになる。
【００５９】
・ダミーロード
ラダー型アプリケータ、折り返しアプリケータなどの終端部に接続して、被加熱物に吸収されなかった電力を吸収し、反射波による定在波の発生を抑えるものである。
【００６０】
（2）アプリケータ部
図９にアプリケータの概略図を示す。アプリケータは110×82×58mmの直方体であり、上部と下部に直径30mmの穴が空けてあり、そこに外径28mmのガラス製反応管を挿入した。この反応管の中央部に多孔質の焼結版があり、その上部に外径15mm、高さ20mmの石英製試料セルを設置した。また反応管下部よりパージガスとして窒素ガスを流通させ上部から回収し、吸収ビン内部のイオン交換水を通して排出される。またアプリケータ横部には、温風を流通させることができるようになっており、この温風とともに窒素ガスを予熱することにより反応管内部の温度調節を行った。
【００６１】
温度測定については電磁場内に熱電対のような細い金属を入れると金属に電流が流れたり電界が集中することによりスパークするので、正確な温度測定はできない。そこで、本研究におけるマイクロ波電磁場内における物体温度測定については、蛍光式光ファイバー温度計（安立計器 ： FX-8500）を用いた。これは、電界の影響を受けず正確に温度を測定でき、また電界への影響を与えないものである。
【００６２】
＜マイクロ波電界強度の測定＞
電磁波の電界強度分布は、一般にMaxwellの電磁方程式で表すことができる。しかし、任意の形状のキャビティー内部における電界強度を求めるためには、3次元の電磁方程式を解く必要があるだけでなく、電磁波が多重モードとなることもあり、理論的に精度の高い予測を行うことは困難な場合が多い。したがって、被加熱体の加熱特性を明らかにするためにはキャビティー内の電界強度分布を実測する必要がある。しかし、比較的大規模かつ多重モードのキャビティー内にプローブを挿入することは実用に即しない。
したがって本研究において、アプリケータ内におけるマイクロ波電界強度を測定するためには、微小の物体を加熱し、その昇温実験により得られた昇温速度から電界強度を求める簡易計測法を用いた。
【００６３】
(1)  簡易計測法
比誘電率εr[-]、誘電損失角tanδ[-]、誘電損失係数εr・tanδ [-]である微小物体を容器に入れ、周波数f [Hz]、電界強度E [V・m-1]の電磁場中に設置した場合を考える。この時、この微小物体体積あたりの発熱速度P [W・m-3]は次式で与えられる。ただしKは定数であり0.556×10-12である。
【数３】
2005342631.tif 000005
一方、この微小物体の加熱に伴う昇温により、電磁場内で物体から雰囲気への放熱が同時に生じることになる。微小物体の温度がT [K]のときの放熱速度QL [W]は、U [W・ｍ-2・K-1]を総括伝熱係数、A [m2]を物体表面積、Ta [K]を雰囲気温度とすると、総括的に次式のような非定常の熱収支式で表すことができる。
【数４】
2005342631.tif 000006
この微小物体が十分小さいかまたは，熱伝導度が十分大きく均一温度と仮定できるならば、lumpモデルによりV [m3]を容器を含めた物体の体積、v [m3]を試料の体積、CP [J・kg-1・K-1]およびρ [kg・m-3]を物体の比熱および密度とすると、次式のような非定常の熱収支式が得られる。
【数５】
2005342631.tif 000007
ここで、Eqs. (1)、(2)をEq. (3)に代入すれば、
【数６】
2005342631.tif 000008
となり、これを整理すると次式のようになる。
【数７】
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式 (3-5)より損失係数ε・tanδおよびUA が既知ならば、電磁場内の物体の昇温速度dT／dt を計測することにより電界強度Eを求めることができる。
なお、UA についてはあらかじめ同様の物体を加熱しておき、電界強度が0の場内での試料の降温速度を実測することにより式(3-5)から求めることができる。
【００６４】
(2) 電界強度の測定
本研究ではアプリケータ内における電界強度を簡易計測法から求めるにあたって、標準試料として電磁物性のよくわかっている水1.00 gを、試料容器として、内径15 mm，高さ15 mm、肉厚0.4 mmのガラス製容器を用いた。なお、マイクロ波照射場内に空のガラス製容器を設置したところ本実験の照射時間内では発熱はほとんど見られず、ガラスはマイクロ波に対してエネルギー吸収しないものとした。電界強度測定実験では、測定地点は実験時に試料セルを載せる反応管中央部に周波数2450 MHz、出力100 Wのマイクロ波を所定の時間照射した場合における温度変化を測定した。
【００６５】
前項の式.(3-5)を用いて本装置の電界強度の測定を行った。反応管中央に試料容器を設置し、そこを測定地点とした。その結果、UA=4.03×10-4W/K、ｄT/dt＝-0.27K/sであったことより、本装置の試料設置地点における電界強度はE＝8.2V/cmとなった。
【００６６】
＜実験方法および条件＞
熱重量曲線よりPVCは473K以下では熱分解反応がほとんど進行しないという結果が得られた。そこで483K付近の温度条件において、マイクロ波加熱による熱分解実験を行い、脱塩素挙動について検討を行った。実験はPVC粉末試料を石英製セルに投入し、マイクロ波発生装置（出力100~1100W）を用いて窒素雰囲気で昇温を行い、その後マイクロ波出力を微調整することにより温度を一定に保った。そして熱分解により発生したHClを10min毎に測定を行い脱塩素効率の経時変化について調べた。そして比較のために同温度におけるマイクロ波非照射の場合も同様な条件で行った。ただし、この場合はマイクロ波加熱の代わりに温風により反応管の加熱を行った。
【００６７】
実験条件を表２に示す。
【００６８】
【表２】
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【００６９】
温度範囲は463Kから493Kまでとし、試料重量は約500mg、窒素流量は1ｌ/min、加熱時間は100minとした。マイクロ波加熱時のマイクロ波出力については温度を一定となるように400〜1100Wまでの範囲で制御を行った。
【００７０】
図１０、図１１にマイクロ波照射時と非照射時の脱塩素効率の経時変化を、表３には実験前後の試料重量、脱塩素重量、脱塩素効率を、図１２に実験後の試料の写真を示す。
【００７１】
【表３】
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図１０、図１１を比較すると、まず463Kにおいてはマイクロ波非照射時では全く脱塩素反応が起きていないが、マイクロ波加熱時では僅かだが脱塩素反応が起きていることがわかる。473K、483Kにおいてはこの差が顕著に表れており、マイクロ波加熱時では脱塩素効率がそれぞれ約40、55％となっているが、マイクロ波非照射時においてはほとんど脱塩素反応が起きていないことが分かる。しかし493Kにおいてはマイクロ波非照射時においても脱塩素反応がかなり進行しており、100min経過後では約60％となっておりマイクロ波照射時と明確な差異が見られなくなる。これはTGによる実験結果とも一致している。
【００７２】
以上のことからマイクロ波加熱時において483K以下においては脱塩素反応が速く進行することが分かる。また反応開始温度もマイクロ波非照射時に比べて10℃程度低くなっていることが分かった。
【００７３】
(1)  残渣分析
実験後の残渣の一部を乳鉢によりすり潰し粉末状にし、CHN分析装置（ヤナコ：MT-6 ）による元素分析を行った結果を表４に示す。
【００７４】
【表４】
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本装置では試料ボートに約2mg採取し、オートサンプラーにより燃焼管へ挿入される。燃焼部では高純度酸素ガスが空気と混合され900℃で4分間燃焼させる。そして排出されたガスを3対のTCD検出器を持つガスクロマトグラフィーによりCO２、H２、N２の分析を行う。
【００７５】
同様に残った残渣の一部を燃焼させることにより残渣中のCl重量について調べた。実験装置は図１３に示す加熱炉を使用した。加熱炉は反応管の後部に燃焼部が設置してあり2段階で燃焼を行うことにより完全燃焼される仕組になっている。実験条件は空気流量2l/min、電気炉の設定温度1023Kで30min燃焼を行い、発生したHCｌを同様にイオン交換水で吸収を行いイオンクロマトグラフィーにより分析を行った。これより残渣中のClの割合を測定した結果を表５に示す。
【００７６】
【表５】
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【００７７】
(2) 物質収支
以上の結果をまとめてC,H,O,Clについての物質収支を取った結果を表６にまとめた。
【００７８】
【表６】
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【００７９】
物質収支は試料については試料重量とその組成から算出し、残渣についてはC,H,Clについては表３、表４と残渣重量より計算を行った。熱分解ガスについてはClのみ実測値であり、C,Hについては試料中から残渣中の各成分を引くことにより算出したものである。そして重量減少量と熱分解ガスの重量が等しくなることから残りの重量をOの重量とし、残渣中のO重量はは試料中のOから熱分解ガス中のOを引くことにより算出した。またClについては収率についての計算を行い、Cl収率の定義は、
（熱分解ガス中のCl重量+残渣中のCl重量）/  試料中のCl重量
とした。表６よりCl収率は、約90％程度となる傾向を示しているが、本実験における物質収支はばらつきが大きく、誤差が大きかった。原因としては残渣の分析において残渣の一部を採取し（CHN分析は約2mg,Clの燃焼は数十mg）分析を行ったことにより組成にばらつきがあったのが大きいと考えられる。その他にはPVC試料の熱分解時においてClがHClだけではなく有機塩素として違う物質に分解されたためにイオン交換水で吸収できなかった可能性も考えられる。
【００８０】
また重量ではなくモルで考えた場合、まずPVC試料におけるC,H,Clのモル比は1：1.37：0.39となっている。そして表６の物質収支をモルに直した結果を表７に示す。
【表７】
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さらに本実験においては熱分解ガスについては分析を行っていないが、ここでは熱分解ガス中のClはすべてHCｌで存在すると考え、Hのモル数からClのモル数を引いた値とCの値の比を、HCｌを除いたH/Cとして示した。これを見ると、ばらつきはあるが残りのH/Cの値は1.0付近でありCとHのモル数がほぼ近い値を示していることから、HCl以外のガスはC6H6（ベンゼン）のような芳香族系化合物が主に発生していると考えられる。
【００８１】
PVCの熱分解をマイクロ波加熱と対流加熱（マイクロ波非照射）により比較を行った結果、463〜483Kにおいて脱塩素反応はマイクロ波加熱の場合の方が速く進行することが分かった。また、493Kにおいては１００分後の脱塩素効率については差異は認められなかったが、反応初期における反応速度についてはマイクロ波照射によって増加することが確認された。
【００８２】
このときの物質収支より、Clの収率はいずれの場合も90％を越えていたことから脱塩素反応において大部分がHClで分解され、有機塩素はほとんど発生していないと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
有機ハロゲンを含む廃材の処理、特に、ダイオキシン塩化水素の排出を抑制することは非常に重要である一方、廃材のエネルギー源としての再利用も重要である。本発明によれば、これら両者を解決し得るので、当該分野に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】図１は、本発明の一実施態様における廃材処理装置の一例を示す。
【図２】図２は、本発明の一実施態様における廃材処理装置の一例を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施態様における廃材処理装置の一例を示す。
【図４】図４は、マイクロ波電界下の誘電体分子の動きを示す。
【図５】図５は、物体に照射されたマイクロ波の状態を示す。
【図６】図６は、マイクロ波発生装置の一例の写真を示す。
【図７】図７は、マイクロ波発生装置写真を示す。
【図８】図８は、マイクロ波発生装置概略図を示す。
【図９】図９は、アプリケータ概略図を示す。
【図１０】図１０は、マイクロ波照射時の脱塩素効率を示す。
【図１１】図１１は、マイクロ波非照射時の脱塩素効率を示す。
【図１２】図１２は、試料の残渣写真を示す。
【図１３】図１３は、加熱炉の概略図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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