(57)【要約】【課題】材料中の有機物の単位重量当りの組成を算出できる組成モニタリング装置と、その材料の処理システムを最適運転できる材料供給システムを提供する。【解決手段】ガス化部２の回転楕円体面形状の反射面１８の一方の焦点に配置された赤外線ヒータ２０で、赤外線吸収容器８に収容された材料９中の有機物をガス化する。発生したガスを酸化部４で無機ガスに転換し、ガス定量部５で無機ガスを分析して、各ガス分子の濃度を測定する。ガス定量部、重量測定部１、１’で得られたデータを解析部６で解析して、有機物の単位重量当りの構成原子のモル数を算出する。また、ガス定量部で測定されるガス分子の濃度を用いて赤外線ヒータの出力を制御することにより、一定したガスの発生を可能にする。材料の一部を用いて算出された有機物の単位重量当りの、例えば炭素原子のモル数を基に、処理システムが最適運転できる材料の量を処理システムに供給する。【選択図】        図１
2005030844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が有機物である材料中の該有機物の組成を算出する組成モニタリング装置であって、前記材料中の有機物を構成している少なくとも一部の原子の、前記材料および／または前記材料中の有機物の単位重量当りのモル数を算出することの可能な解析部を有することを特徴とする組成モニタリング装置。
【請求項２】
少なくとも一部が有機物である材料中の該有機物の組成を算出する組成モニタリング装置であって、赤外線ヒータと、該赤外線ヒータから放射される赤外線を前記材料が収容されている容器に集光する集光ミラーとを有する、前記材料中の有機物をガス化させるガス化部を具備することを特徴とする組成モニタリング装置。
【請求項３】
前記ガス化部が、内壁に、回転楕円面形状であって、その回転楕円面の一方の焦点近傍に開口部が形成されている反射面を持つ集光ミラーと、該回転楕円面の他方の焦点に配置された赤外線ヒータとを有することを特徴とする請求項２に記載の組成モニタリング装置。
【請求項４】
前記ガス化部が、内壁に、楕円柱面形状であって、その楕円柱面の任意の導線の一方の焦点の近傍を通る、前記楕円柱面の母線と実質的に平行な開口部が形成されている反射面を持つ集光ミラーと、前記導線の他方の焦点を通る、前記楕円柱面の母線と平行に配置された赤外線ヒータとを有することを特徴とする請求項２に記載の組成モニタリング装置。
【請求項５】
前記ガス化部によって前記材料から発生したガスを捕集するためのガス捕集部を有することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の組成モニタリング装置。
【請求項６】
前記ガス化部による前記材料中の有機物のガス化中に、前記ガス捕集部が、前記材料を収容する容器の上方になるように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の組成モニタリング装置。
【請求項７】
少なくとも２つの前記ガス化部を有し、前記容器に斜め上方から前記赤外線を照射することを特徴とする請求項６に記載の組成モニタリング装置。
【請求項８】
前記ガス化部による前記材料中の有機物のガス化中に、前記ガス捕集部が、前記材料を収容する容器の下方になるように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の組成モニタリング装置。
【請求項９】
前記赤外線ヒータから前記開口部に向かう方向に空気の流れを発生させる手段を有することを特徴とする請求項７または８に記載の組成モニタリング装置。
【請求項１０】
前記材料中の有機物を構成している少なくとも一部の原子の、前記材料および／または前記材料中の有機物の単位重量当りのモル数を算出することの可能な解析部を有することを特徴とする請求項２から９のいずれかに記載の組成モニタリング装置。
【請求項１１】
前記材料中の有機物をガス化させる前および後において、前記材料の重量、または、前記材料と前記材料を収容している容器との和の重量を測定する重量測定部を有することを特徴とする請求項２から１０のいずれかに記載の組成モニタリング装置。
【請求項１２】
前記ガス化部で発生したガスを酸化させる酸化部を有することを特徴とする請求項２から１１のいずれかに記載の組成モニタリング装置。
【請求項１３】
前記酸化部で酸化されたガスを分析して、該酸化されたガスを構成するガス分子を検出し、該ガス分子の前記酸化されたガス全体に対する濃度の時間変化を測定するガス定量部を有することを特徴とする請求項１２に記載の組成モニタリング装置。
【請求項１４】
前記ガス定量部で検出されるガス分子に、少なくとも二酸化炭素、または、二酸化炭素と水と酸素が含まれることを特徴とする請求項１３に記載の組成モニタリング装置。
【請求項１５】
前記ガス定量部で検出されるガス分子のいずれかの濃度および／または濃度の単位時間当りの変化を用いて、前記ガス化部の赤外線ヒータの出力を制御することを特徴とする請求項１３または１４に記載の組成モニタリング装置。
【請求項１６】
少なくとも一部が有機物である材料を、外部に連結した機器に供給する材料供給システムであって、該材料の一部を用いて算出された該材料中の有機物の組成データ、および、前記外部に連結した機器があらかじめ定められた運転状態の範囲から逸脱することを防止するために前記外部に連結した機器から送られてくる運転情報に基づいて、前記外部に連結した機器に供給される材料の単位時間当りの供給量が決定されることを特徴とする材料供給システム。
【請求項１７】
前記組成データが、前記材料中の有機物を構成している少なくとも一部の原子の、前記材料および／または前記材料中の有機物の単位重量当りのモル数であることを特徴とする請求項１６に記載の材料供給システム。
【請求項１８】
請求項１から１５のいずれかに記載の組成モニタリング装置を用いて、少なくとも一部が有機物である材料を、外部に連結した機器に供給する材料供給システムであって、該材料の一部を用いて算出された該材料中の有機物を構成している少なくとも一部の原子の、前記材料および／または前記材料中の有機物の単位重量当りのモル数、および、前記外部に連結した機器があらかじめ定められた運転状態の範囲から逸脱することを防止するために前記外部に連結した機器から送られてくる運転情報に基づいて、前記外部に連結した機器に供給される材料の単位時間当りの供給量が決定されることを特徴とする材料供給システム。
【請求項１９】
前記組成データに基づいて、前記材料を複数のグループに分別して一時保管するための複数の一時保管部と、該複数の一時保管部から材料を取り出して混合する混合部とを有することを特徴とする請求項１６から１８のいずれかに記載の材料供給システム。
【請求項２０】
前記材料が廃棄物であることを特徴とする請求項１６から１９のいずれかに記載の供給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の組成を算出する組成モニタリング装置、及び、外部の機器に材料を供給する材料供給システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
組成モニタリングの対象物である有機系材料（ゴミ）の一部をヒータで燃焼させ、ガス分析装置を用いて、生成した燃焼ガスからＨ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯ等を検出する組成モニタリング装置と、その組成モニタリング装置から得られたＣＯ２／Ｈ２Ｏの容積比がゴミ中水分量によって一義的に定まるとして、ＣＯ２／Ｈ２Ｏの容積比を用いて、ゴミ焼却炉本体に供給する空気量を制御する材料供給システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、有機系材料をガス化する方法として、光源の上方に設置された下向きの凹面鏡と、光源の下に設置された凸レンズとによって、光源から出射される赤外線または可視光線をプラスチック上に集光させて、プラスチックを熱分解させる方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
最初の従来技術においては、対象物の重量を特定できないので、発生ガスが分析できても、対象物の単位重量当りの成分、例えば、単位重量当りの炭素原子のモル数を算出することはできない。したがって、単位重量当りの炭素原子のモル数を基準にして、ゴミ焼却炉本体に供給する空気量やゴミの量を制御したりすることは不可能である。また、ＣＯ２／Ｈ２Ｏの容積比を用いる方法は、対象物の重量の特定を必要としないものであるが、検出されたＨ２Ｏを構成する水素原子および酸素原子には、ゴミ自体からの水素原子および酸素原子も含まれるから、ゴミ中水分量には誤差が生じる。さらに、ＣＯが検出されるということは、ゴミが不完全燃焼しているということであり、発生する有機化合物のガスの構造は多種類となり、また、未分解の有機化合物が、ガス化せずにタール状、スス状に残っていることも考えられ、上述のゴミ中水分量の誤差がさらに大きくなる。
【０００４】
また、２番目の従来技術では、有機系材料の微小部分がガス化されるだけで、材料全体をガス化することができない。また、有機系材料の吸収波長は遠赤外線領域に多く存在するので、赤外線や可視光で直接有機系材料を加熱しても、そのエネルギーの大部分は加熱に寄与しないため、エネルギー効率が悪い。このため材料全体をガス化するのに膨大なエネルギーが必要となる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、組成が未知の材料中の有機物の単位重量当りの組成を、未反応の有機物を生成することなく効率的に算出することのできる組成モニタリング装置、および、有機物の単位重量当りの組成を用いて、その材料の処理システムないし処理機器を最適に運転させることのできる材料供給システムを提供することである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−３４５８５号公報  （第３−４頁、図１、３−６）
【特許文献２】
特許第３０６０２６３号公報  （第２頁、図１）
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によれば、少なくとも一部が有機物である材料中の該有機物の組成を算出する組成モニタリング装置であって、前記有機物をガス化させるガス化部と、該ガス化部で発生したガスを酸化させる酸化部とを有することを特徴とする組成モニタリング装置、が提供される。
【０００８】
また、上記目的を達成するため、本発明によれば、少なくとも一部が有機物である材料中の該有機物の組成を算出する組成モニタリング装置であって、赤外線ヒータと、該赤外線ヒータから放射される赤外線を前記材料が収容されている容器に集光する集光ミラーとを有する、前記材料中の有機物をガス化させるガス化部を具備することを特徴とする組成モニタリング装置、が提供される。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明によれば、少なくとも一部が有機物である材料を、外部に連結した機器に供給する材料供給システムであって、該材料の一部を用いて算出された該材料中の有機物の組成データ、および、前記外部に連結した機器があらかじめ定められた運転状態の範囲から逸脱することを防止するために前記外部に連結した機器から送られてくる運転情報に基づいて、前記外部に連結した機器に供給される材料の単位時間当りの供給量が決定されることを特徴とする材料供給システム、が提供される。
【００１０】
また、上記目的を達成するため、本発明によれば、前記組成モニタリング装置を用いて、少なくとも一部が有機物である材料を、外部に連結した機器に供給する材料供給システムであって、該材料の一部を用いて算出された該材料中の有機物を構成している少なくとも一部の原子の、前記材料および／または前記材料中の有機物の単位重量当りのモル数、および、前記外部に連結した機器があらかじめ定められた運転状態の範囲から逸脱することを防止するために前記外部に連結した機器から送られてくる運転情報に基づいて、前記外部に連結した機器に供給される材料の単位時間当りの供給量が決定されることを特徴とする材料供給システム、が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る組成モニタリング装置のブロック図である。本実施の形態に係る組成モニタリング装置は、重量測定部１、１’、ガス化部２、ガス捕集部３、酸化部４、ガス定量部５、解析部６、搬送部７、赤外線吸収容器８を有している。ガス化部２は、内壁に反射面１８が形成された集光ミラー２ａと赤外線ヒータ２０とを有している。
【００１２】
最初に、赤外線吸収容器８に入れられた材料９が、重量測定部１で重量を測定される。次に、赤外線吸収容器８が、搬送部７によってガス化部２に送られる。ガス化部２では、材料９中の有機物がガス化され、発生したガスが、ガス捕集部３で捕集される。捕集されたガスは、酸化部４で酸化され、二酸化炭素、水などの無機化合物のガスに完全に転換する。次いで、得られた無機化合物のガスが、ガス定量部５で定量分析される。さらに、ガス化部２における材料９のガス化が終わると、赤外線吸収容器８が重量測定部１’に送られ、材料９の分解残さの有無の確認、および／または、残さの重量の測定が行われる。重量測定部１、１’で得られた重量データ、および、ガス定量部５で得られたガス分析データが解析部６に送られ、材料の組成が求められる。ここで、無機化合物とは、炭素を含まない化合物、および、簡単な炭素化合物を指し、そのなかには、炭素の酸化物も含まれる。
【００１３】
次に、図２〜図６を併用しながら、図１に示す本実施の形態の組成モニタリング装置の動作をさらに詳細に説明する。
組成モニタリングの対象となる材料９が、赤外線吸収容器８に入れられ、重量測定部１によって重量を測定される。測定された重量データが、解析部６に送られる。次に、赤外線吸収容器８が、材料９を入れたまま、搬送部７によってガス化部２の真上に搬送される。搬送部７としては、例えば、図１に示すように、アレイ状に配置された複数のローラー７ａから構成されるローラーコンベアーが挙げられる。それらのローラーは、搬送時に、全て、あるいは、幾本かの間隔を置いて、同一の回転数で回転する。そのローラーコンベアーは、重量測定部１、１’、および、赤外線吸収容器８の真上で、ローラー７ａが配置されていない部分（以下、「隙間部」という）を持っている。赤外線吸収容器８は、重量測定部１あるいは１’による重量測定時、あるいは、ガス化部２によるガス化時に、それらの隙間部をまたいでローラーコンベアー上に載置される。重量測定部１あるいは１’による重量測定時、材料９を入れた赤外線吸収容器８が、そのような状態で重量測定部１あるいは１’の真上の所定位置に配置されると、重量測定部１あるいは１’が、被測定物を載せる秤皿１ａあるいは１’ａを上方に迫り上げて被測定物をローラーコンベアーから浮かし，その状態で、材料９を入れた赤外線吸収容器８の重量（即ち、材料９と赤外線吸収容器８とを足した重量）を測定する。測定が終わると、秤皿１ａあるいは１’ａは、元の位置に戻る。このような機構を採用すれば、材料９を入れた赤外線吸収容器８が、重量測定部１あるいは１’の真上の所定位置に配置される毎に、材料９を入れた赤外線吸収容器８の連続的な重量測定が可能となる。しかしながら、重量測定部１、１’、搬送部７は、これらに限定されるわけではない。重量測定部１、１’は、例えば、被測定物である材料９を入れた赤外線吸収容器８をその上方から吊り上げて、被測定物の重量測定をするものであってもよく、被測定物の重量を自動的に測定できる機能を有していればいずれも使用可能である。また、搬送部７は、例えば、被測定物が載る部分の一部に孔を有して被測定物を載置する台を、重量測定部１の存在する領域から重量測定部１’  の存在する領域まで移動させる機構を有するものであってもよく、被測定物がガス化部２の存在する領域にきたときに、ガス化部２に被測定物の底面を露出させるものであればよい。材料９が入れられる赤外線吸収容器８としては、赤外線を効率良く吸収できる材質のものであれば使用可能であり、例えば、石英ガラスや酸化アルミニウムなどの酸化物のセラミックス材料をボート状に加工したものが好ましい。
【００１４】
図２は、ガス化部２の拡大断面図である。ガス化部２は、赤外線ヒータ２０と赤外線ヒータ２０から出射される赤外線を集光させる集光ミラー２ａとを備えた加熱装置である。集光ミラー２ａは、その内壁に、回転楕円面形状であって、その回転楕円面の一方の焦点１９近傍に開口部２ｂが形成されている反射面１８を持っている。回転楕円面の他方の焦点に、赤外線ヒータが配置されている。幾何学的考察から明らかなように、回転楕円面上の任意の１点と２つの焦点とを結んだ２つの焦点半径が、その回転楕円面上の１点における接平面と等角をなすから、赤外線ヒータ２０から放射されて反射面１８で反射された赤外線は全て、焦点１９に集光される。それ故、赤外線ヒータ２０から放射された赤外線は全て、直接的または間接的に開口部２ｂを通過することになる。したがって、赤外線吸収材である赤外線吸収容器８を開口部２ａの真上に配置すると、赤外線吸収容器８は、効率良く赤外線を吸収し、その温度が上昇する。赤外線吸収容器８の温度が上昇すると、その中に入れられている材料９の温度も均一に上昇する。その際、赤外線ヒータの出力を制御しながら、赤外線吸収容器８に赤外線を所定時間照射することによって、材料９の有機成分のみが、効率的にガス化される。赤外線を照射する所定時間は、材料９の有機成分が完全にガス化するに十分な時間とする。なお、赤外線ヒータの出力は、後に説明するように、酸化部４で生成される無機化合物のガス中のガス分子の濃度を用いて制御される。
【００１５】
材料９から発生したガスは、吸引ポンプなどからなるガス吸引装置（図示せず）によって、周囲の空気とともにガス捕集部３に捕集された後、酸化部４に送られ、そこで無機化合物のガスに転換される。発生ガスとともに吸引された空気中の酸素は、酸化部４における発生ガスの酸化に使用される。ガス吸引装置は、ガス捕集部３からガス定量部５の後部までのどこに配置されてもよいが、ガス定量部５の後部に配置されて、そこから発生ガスを吸引するのが望ましい。ガス捕集部３は、発生ガスおよび空気を捕集するためのフードであり、それらを効率良く捕集できるものであればどのような形状でも使用可能であるが、ガス吸引装置の能力、ガス捕集部３とガス吸引装置との間のガスの圧力損失などを考慮し、最適な形状のものを選択すればよい。なお、発生ガスがガス捕集部３内で急激に冷却されて有機物がガス捕集部３に付着し、モニタリング結果に影響を与える可能性がある場合は、ガス捕集部３を保温するのが望ましい。なお、図１では、赤外線吸収容器８に対して、ガス化部２が下方、ガス捕集部３が上方に配置されているが、ガス化部２を上方に、ガス捕集部３を下方に配置することも可能である。その場合には、発生ガスが上方に移動しないように、赤外線ヒータ２０から集光ミラー２ａの開口部に向かう方向に空気の流れを発生させる機構を設けるのが望ましい。
【００１６】
酸化部４は、捕集したガスを効率良く無機化合物のガスに転換できる機構を有している。例えば、そのような機構の１つとして、触媒を充填した触媒層を所定温度で保温した機構が挙げられる。ガス化部で発生したガス中には、有機物の分解ガスが多く含まれているが、そのような機構が酸化部４に設けられると、有機物の分解ガスは、触媒の作用によって二酸化炭素、水、二酸化窒素、二酸化硫黄、ハロゲン化水素などの無機化合物のガスに容易に転換することができる。触媒としては、一般的なＰｔ−Ａｌ２Ｏ３などのアルミナ系の酸化触媒等が適当である。また、捕集ガスを８００℃以上に加熱すると、それらのガスは無機化合物のガスに転換するので、捕集したガスを効率良く無機化合物のガスに転換できる他の機構として、触媒を用いずに、例えば、酸化部４の内壁、さらには必要であれば、酸化部４の内部に間隔を置いて層状に配置された複数のパネルを８００℃以上に加熱して、捕集したガスを、それらの酸化部４の内壁やパネル表面に接触させながら流す機構も考えられる。
【００１７】
酸化部４で酸化されて無機化合物のガスに転換したガスは、ガス定量部５に送られる。ガス定量部５には、流量計（図示せず）が設置されており、送られてくる無機化合物のガスの流量の時間経過が測定される。また、ガス全体に対する、ＣＯ２やＨ２Ｏなどの構成ガス分子の濃度（％）の時間経過が、測定される。さらに、ガスの圧力、温度も測定される。それらによって得られた測定データは、解析部６に送られる。ガス定量部５は、それらの測定データを測定できるものであればいずれでもよく、汎用的な計測器を用いることができる。
【００１８】
材料９のガス化が終了すると、赤外線吸収容器８が、重量測定部１’の真上に移され、そこで重量を測定される。測定された重量データは、解析部６に送られる。
【００１９】
以上の過程によって、解析部６には、重量測定部１、１’から、それぞれ、ガス化前、後の材料９を入れた赤外線吸収容器８の重量データが、ガス定量部５から、ガス分子毎の濃度データおよびガス流量データが取り込まれる。解析部６は、それらのデータを解析し、材料９の有機成分の組成を算出する。
まず、重量測定部１で得られた測定データから、重量測定部１’で得られた測定データを差し引くと、材料９中の有機成分の重量が得られる。重量測定部１’で得られた測定データから赤外線吸収容器８の重量を差し引くと、材料９中の無機成分の重量が求められる。また、以上から、材料９における有機成分の比率が求められる。赤外線吸収容器８の重量は、予め測定されているが、重量測定部１、１’での重量測定時に、あらかじめ赤外線吸収容器８の重量が差し引かれて材料９のみの重量が計測されるようにしてもよい。
【００２０】
ガス定量部５で得られた無機化合物ガスを構成する各ガス分子毎の濃度の時間経過、ガス流量の時間経過、圧力および温度、および、材料９中の有機物の重量が分かれば、その有機物の単位重量当りの構成原子のモル数を算出できる。例えば、任意の時刻ｔ（ｓ）におけるガス流量（空気を含めた）をＱｔ（ｃｍ３／ｓ）、検出された酸素分子以外の一つのガス分子の時刻ｔにおける濃度をＸａ（％）、材料９のガス化開始前においてガス吸引装置を運転中に検出されるそのガス分子の濃度（バックグラウンド濃度）をＸｂ（％）、圧力をＰ（ａｔｍ＝１．０１３×１０５Ｐａ）、温度をＴ（Ｋ）とすると、そのガス分子のモル数Ｎが、ボイル−シャルルの法則から、（１）式のように求められる。ここでＲは気体定数Ｒ＝８２．０６ｃｍ３・ａｔｍ／ｍｏｌ・Ｋ＝８．３１４Ｊ／ｍｏｌ・Ｋである。
【００２１】
Ｎ＝∫［（Ｘａ−Ｘｂ）／１００］Ｑｔｄｔ×（Ｐ／ＲＴ）・・・・（１）
【００２２】
ここで、無機化合物のガス分子として、二酸化炭素、水（水蒸気）、酸素のみが検出されたとする。二酸化炭素分子、水分子のモル数は、（１）式を用いて求められるが、そのようにして求められた二酸化炭素分子、水分子のモル数を、それぞれ、Ｎ１、Ｎ２とする。炭素原子Ｃのモル数は、二酸化炭素分子ＣＯ２のモル数と等しいから、Ｎ１である。水素原子Ｈのモル数は、水分子Ｈ２Ｏのモル数の２倍であるから、２・Ｎ２である。次に、酸素原子Ｏについて考察すると、二酸化炭素分子ＣＯ２と水分子Ｈ２Ｏとに含まれる酸素原子Ｏのモル数の和は、（２・Ｎ１＋Ｎ２）である。これは、材料９中の有機物に含まれていた酸素原子Ｏのモル数と、酸化過程中に空気中の酸素分子Ｏ２から取り込まれた酸素原子Ｏのモル数との和である。ここで、酸素分子Ｏ２に（１）式を適用してＮ３とおくと、Ｎ３＝Ｎ３ａ−Ｎ３ｂ＝［∫（Ｘ３ａ／１００）Ｑｔｄｔ×（Ｐ／ＲＴ）］−［∫（Ｘ３ｂ／１００）Ｑｔｄｔ×（Ｐ／ＲＴ）］と書くことができる。ここで、Ｘ３ａ、Ｘ３ｂは、それぞれ、ガス化中（酸化中）の時刻ｔにおける酸素分子Ｏ２の濃度、ガス化開始前においてガス吸引装置を運転中に検出される酸素分子Ｏ２の濃度である。したがって、Ｎ３ａ＝∫（Ｘ３ａ／１００）Ｑｔｄｔ×（Ｐ／ＲＴ）、Ｎ３ｂ＝∫（Ｘ３ｂ／１００）Ｑｔｄｔ×（Ｐ／ＲＴ）は、それぞれ、酸化過程を通じて検出される酸素分子Ｏ２の総モル数、酸化（ガス化）開始前に酸化時間と同じ時間の間に検出される酸素分子Ｏ２の総モル数である。それ故、−Ｎ３＝−（Ｎ３ａ−Ｎ３ｂ）は、酸化に利用された空気中の酸素分子Ｏ２のモル数である。その酸素原子Ｏのモル数は、−２・Ｎ３である。したがって、材料９中の有機物に含まれていた酸素原子Ｏのモル数は、（２・Ｎ１＋Ｎ２＋２・Ｎ３）と求まる。以上より、材料９中の有機物の炭素原子、水素原子、酸素原子のモル数が、それぞれ、Ｎ１、２・Ｎ２、（２・Ｎ１＋Ｎ２＋２・Ｎ３）と求められたことになる。有機物あるいは材料全体の単位重量当りの炭素原子、水素原子、酸素原子のモル数は、それぞれ、Ｎ１、２・Ｎ２、（２・Ｎ１＋Ｎ２＋２・Ｎ３）を、上で求めた有機物あるいは材料全体の重量で除した値となる。有機物が分子式ＣｘＨｙＯｚで表わされるとすると、ｘ：ｙ：ｚ＝Ｎ１：２・Ｎ２：（２・Ｎ１＋Ｎ２＋２・Ｎ３）となる。
【００２３】
これらの結果は、材料９の重量測定の結果とあわせて、材料９が、単位重量当り、どれだけの有機成分を持ち、どれだけの炭素、水素、酸素を生じ得るかの情報を与える。また、有機成分の組成が求まれば、燃焼時の発熱量を計算によって求めることができる。なお、無機化合物のガスとして、二酸化窒素、二酸化硫黄、ハロゲン化水素などが検出された場合でも、上記と同様な方法で、材料９中の窒素、硫黄、ハロゲンを含んだ有機成分の組成が求められる。
【００２４】
なお、ガス化部２において赤外線ヒータ２０の出力を制御せずに一定とした場合、ガス化が急激に起こり、材料組成算出の精度が低下する可能性がある。具体的には、ガス量が一時的に増加した場合、発生ガスが酸化部４で完全に無機化合物のガスに転換されず、未分解の有機物がガス定量部５に導入され、正確な組成算出に支障をきたしてしまう。更に、未分解の有機物は通常、タール状、スス状のものであり、酸化部４やガス定量部５を汚染すると共に、ダイオキシンなどの有害物質を含んでいる可能性が高く、安全性にも問題が生じる。
【００２５】
図３は、赤外線ヒータ２０の出力を制御せずに一定とした場合に、ガス定量部５で検出されるガス成分の濃度の時間変化を示している。材料９のサンプルとして、重量７５ｍｇのポリスチレンを用い、単位時間当りのガス流量（空気を含めた）を毎分１リットル、赤外線ヒータ２０の出力を１５５０Ｗの一定とし、酸化部４にはアルミナ系酸化触媒を用いている。明らかに、急激なガス化が生じて、不完全燃焼の指標となる一酸化炭素が検出されている。一方、図４は、赤外線ヒータ２０の出力を制御した場合に、ガス定量部５で検出されるガス成分の濃度の時間変化を示している。材料９のサンプルとして、重量１ｇのポリスチレンを用い、単位時間当りのガス流量を毎分１リットルとし、赤外線ヒータ２０の出力を１００〜２００Ｗの間で変化させ、酸化部４にはアルミナ系酸化触媒を用いている。ＣＯ２濃度の変化にヒータ２０の出力が追随しており、図３の場合と同一材料で、かつ、大幅に重量を増やしているにも関わらず、一酸化炭素は検出されない。したがって、二酸化炭素の濃度Ｃｔおよび／または濃度の微小時間当りの変化量ΔＣｔをモニターしながら、急激なガス化が生じないように、赤外線ヒータ２０の出力を制御することによって、材料９の有機成分をＣＯを生じることなく、無機化合物のガスに完全に転換することが可能である。
【００２６】
空気を介しての伝熱によって加熱する従来の電気炉では、上記のようなきめ細かな制御が実現できない。赤外線ヒータ２０の出力範囲は、材料９の重量や形状に応じて、その最適範囲を設定すればよい。また、出力の制御を行うためにモニタする量としては、二酸化炭素以外の無機化合物のガスの濃度や濃度の微小時間当りの変化量を用いてもよい。
【００２７】
さらに、酸化部４における無機化合物のガスへの転換速度は、空気の供給量によって変化する。図５は、図４に示す実験において、ガス吸引装置による吸引量を変化させて単位時間当りのガス流量を変化させたときに、ＣＯが検出されないように赤外線ヒータ２０の出力を制御して得られたＣＯ２の濃度を示している。図５は、ガス流量、したがって、空気の供給量を増加させるにつれて、ＣＯを発生することなく無機化合物のガスへの転換速度が速められ、モニタリング時間が大幅に短縮されることを示している。
【００２８】
以上の説明において、集光ミラー２ａの反射面１８が、回転楕円面形状を有していたが、集光ミラー２ａの目的は、赤外線ヒータからの赤外線を一点に集光することではなく、赤外線吸収容器に集光することであるから、反射面１８の形状は、厳密な回転楕円面形状をしている必要もなく、一般的に楕円面形状をしているだけでもよい。さらに、集光ミラー２ａの反射面１８が回転放物面形状をしていて、その焦点に赤外線ヒータが配置されていてもよく、集光ミラー２ａの反射面１８は、赤外線ヒータから放射される赤外線が赤外線吸収容器に集光される形状であれば、どのような形状をしていてもよい。
【００２９】
図６は、本実施の形態に係る組成モニタリング装置の他のガス化部の斜視図である。図６において、図２の部分と同等の部分には同一の参照符号を付し重複する説明を適宜省略する。集光ミラー２ａが、その内壁に、楕円柱面形状であって、その楕円柱面の任意の導線２１の一方の焦点１９の近傍を通る、楕円柱面の母線と実質的に平行な開口部２ｂが形成されている反射面１８を持っている。導線２１の他方の焦点を通り、楕円柱面の母線と平行に赤外線ヒータ２０が配置されている。集光ミラー２ａの内壁の紙面左右の側面の形状は、どのような形状であってもよいが、製造の容易さからは、赤外線ヒータ２０に垂直な平坦面、あるいは、紙面上方に向かって赤外線ヒータ２０と鈍角を成す平坦面であることが望ましい。また、これら左右の側面も、良好な反射面を形成していることが望ましい。
【００３０】
なお、モニタリングの対象として炭素のみに着目すれば、材料を焼却した際に発生する地球温暖化物質、すなわち二酸化炭素の量を求めることができる。したがって、本実施の形態に係る組成モニタリング装置は、材料の環境負荷評価装置として利用可能である。
【００３１】
〔第２の実施の形態〕
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る組成モニタリング装置のガス化部およびガス捕集部の断面図である。図７において、図１、図２の部分と同等の部分には同一の参照符号を付し重複する説明を適宜省略する。本実施の形態が図１、図２に示した第１の実施の形態と異なる点は、ガス化部２が２つあり、それらの集光ミラー２ａの開口部２ｂが、赤外線ヒータ２０よりも下方に形成されており、ガス捕集部３が直接、集光ミラー２ａの開口部２ｂに連結されているという点である。
【００３２】
図７に示すように、赤外線吸収容器８に、その左右の斜め上方に配置された２つのガス化部２の赤外線ヒータ２０から赤外線が照射され、材料９から発生したガスが、赤外線吸収容器８の上方に配置されたガス捕集部３に捕集される。２つの赤外線ヒータ２０は、ガス化部２の集光ミラー２ａの内壁の回転楕円面形状の反射面１８の一方の焦点に設置されており、他方の焦点近傍に赤外線吸収容器８が搬送されるようになっている。本実施の形態は、図１の第１の実施の形態に比して、ガス捕集部３を直接、集光ミラー２ａの開口部２ｂに連結でき、その直下に赤外線吸収容器８を搬送する構造になっているので、ガス捕集部３にフードを必要とせず、したがって、その設計が不用になるという利点を有する。また、赤外線吸収容器８をガス化部２に搬送したときに、ガス化部２に赤外線吸収容器８の下部を露出させなければならないような搬送部の設計を不用にする。
【００３３】
材料９の量が多い場合、あるいは、材料９のガス化速度が遅い場合は、ガス化部２は３個以上設けられてもよい。また、第１の実施の形態のように、赤外線吸収容器８の下方に追加のガス化部を設ければ、さらにガス化速度を速めることができる。なお、集光ミラー２ａの開口部２ｂから分解ガスが進入しないように、ガス捕集部３内のガス吸引装置の吸引量を十分大きくとる、赤外線ヒータ２０から開口部２ｂに向かう空気の流れを設ける、開口部２ｂを赤外線の透過しやすい材料で覆う、などの補助機構を設けることが望ましい。
【００３４】
〔第３の実施の形態〕
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る材料供給システムのブロック図である。本実施の形態に係る材料供給システムは、材料採取部１０、組成モニタリング部１１、定量供給部１２、供給制御部１４を有している。材料採取部１０で、材料供給システムに搬送されてきた材料の一部が採取され、組成モニタリング部１１に送られ、その組成が組成モニタリング部１１で算出される。残りの材料は、定量供給部１２に送られる。定量供給部１２は、供給制御部１４からの指示によって、外部に連結されている、材料供給システムに搬送されてきた材料を燃焼させるための処理システム（処理機器）１３に定量の材料を供給することが可能である。処理システム１３からは、供給制御部１４に、処理システム１３の運転情報が供給される。供給制御部１４は、組成モニタリング部１１から供給される組成情報と、処理システム１３から供給される運転情報とから、処理システム１３を最適に制御できるように、材料の投入量を決定し、定量供給部１２を制御して、材料を処理システム１３に定量供給するとともに、処理システム１３の運転条件を制御する。
【００３５】
以下、本実施の形態に係る材料供給システムについて、さらに詳細に説明する。
図８において、材料の一部が材料採取部１０で採取され、採取された材料は、代表サンプルとして組成モニタリング部１１に送られる。材料採取部１０としては、材料の代表サンプルを適切に採取できる機構であればいずれでも使用可能であり、例えば、材料を落下させて、左右交互についたシュートにより、材料の流れを左右二方向に分割する縮分器を複数連結させた機構、材料採取用のゲートを設けたロータリーバルブ、などが挙げられる。組成モニタリング部１１は、例えば、図１または図７に示す第１または第２の実施の形態に係る組成モニタリング装置を有していてもよく、単位重量の材料に含まれているＣ原子、Ｈ原子、Ｏ原子等のモル数や、図４、図５のようなデータ等を測定して、それらのデータを供給制御部１４に送る。供給制御部１４には、また、材料を燃焼させるための処理システム１３から、その運転情報が供給される。運転情報には、例えば、処理システム１３内で発生する排ガスの濃度情報など、処理システム１３があらかじめ定められた運転状態の範囲から逸脱することを防止するための情報が含まれる。処理システム１３は、そのような排ガスを検知するセンサを有している。供給制御部１４は、組成モニタリング部１１から送られてきたデータを基に、処理システム１３が最適制御された運転状態となるように、材料の処理システム１３への単位時間当りの供給量を決定して定量供給部１２に送り、また、処理システム１３の焼却槽の温度を設定する。同時に、供給制御部１４は、処理システム１３からの運転情報を常に監視していて、例えば、排ガス濃度が環境基準値を越えた場合には、処理システム１３への単位時間当りの材料供給量の設定を変更して、そのデータを定量供給部１２に送ったり、処理システム１３の焼却槽の温度を設定し直したりする。定量供給部１２は、供給制御部１４からの指示に応じて、単位時間当り一定量の材料を連続または一定間隔を置いて処理システム１３に供給し、また、単位時間当りの材料の供給量を変化させたりする。このようにして、常に、本実施の形態に係る材料供給システムは、処理システム１３が最適制御された運転状態となることを確保している。定量供給部１２から処理システム１３への材料の搬送には、通常の搬送装置が使用できる。例えば、それらの搬送装置としては、連続的に搬送する場合には、ベルトコンベア、スクリューコンベア、振動フィーダなどが、一定間隔で搬送する場合には、バケットコンベア、ロータリーバルブなどが挙げられ、材料の搬送量、形状などに応じて適切な機構が選定され、または、組み合わされる。なお、搬送中に、粉砕、分級、異物除去などの前処理部を組み込むことも可能である。
【００３６】
なお、以上の説明においては、定量供給部が、採取された材料を燃焼させるための処理システムに連結されたが、採取された材料から炭素、酸素、水素などを製造する製造システム、あるいは、製造システムの一部に連結されてもよい。また、材料は廃棄物であってもよい。
【００３７】
〔第４の実施の形態〕
図９は、本発明の第４の実施の形態に係る材料供給システムのブロック図である。図９において、図８の部分と同等の部分には同一の参照符号を付し重複する説明を適宜省略する。本実施の形態が図８に示した第３の実施の形態と異なる点は、材料が採取された後、一旦グループ分けされて一時保管部に保管されてから混合されて定量供給部に送られるという点である。
【００３８】
最初に、材料ないし材料中の有機物の単位重量当りに含まれる炭素原子のモル数の値ｍに応じて、材料をグループ化するための基準として、Ａグループ、Ｂグループ、Ｃグループという基準を設定する。Ａグループは、ｍ値が最も小さくｐ≦ｍ、Ｂグループは、ｍ値が中間でｐ＜ｍ≦ｒ、Ｃグループは、ｍ値が最も大きくｒ＜ｍ（ただし、ｐ、ｒは、０＜ｐ＜ｒ）である材料のグループを表わしている。そして、これらの基準にしたがって、それぞれ、材料を一時保管するＡグループ用、Ｂグループ用、Ｃグループ用の一時保管部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを設ける。
【００３９】
次に、組成モニタリング部１１において、材料採取部１０から送られてきた材料の代表サンプルを分析し、材料ないし材料中の有機物の単位重量当りに含まれる炭素原子のモル数を算出して、そのデータを供給制御部１４に送る。供給制御部１４は、そのデータに基づいて、その代表サンプルの残りの材料を一時保管する一時保管部を決定する。即ち、そのモル数がＡ、Ｂ、Ｃグループの材料に相当するモル数であれば、それぞれ、Ａグループ用、Ｂグループ用、Ｃグループ用の一時保管部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃが指定される。供給制御部１４は、それらの決定に基づいて、代表サンプルの残りの材料をそれぞれの一時保管部に一時保管するように分配部１５に指示する。分配部１５は、供給制御部１４の指示に基づいて、代表サンプルの残りの材料をそれぞれの一時保管部に分配する。供給制御部１４は、例えば、処理システム１３に供給される際の材料ないし材料中の有機物の単位重量当りに含まれる炭素原子のモル数が、Ｂグループの材料に相当するモル数の範囲になるように、また、それらの一時保管部のいずれかに過度に偏って材料が保管されることのないように、それらの一時保管部に一時保管されている材料を適切に混合して、単位時間当り、処理システムに一定量の材料の供給が行われるよう、混合部１６、定量供給部１２を制御している。同時に、供給制御部１４は、処理システム１３からの運転情報を常に監視していて、例えば、排ガス濃度が環境基準値を越えた場合には、一時保管部１７Ａに一時保管されている材料の送出量を多くして、一時保管部１７Ｃに一時保管されている材料の送出量を少なくするように混合部１６を制御したり、処理システムへの単位時間当りの材料の供給量を減少させるように定量供給部１２を制御したりする。
【００４０】
分配部１５としては、供給制御部１４からの指示に応じて、材料を所定のグループに分配する機構のものであれば適用可能である。例えば、ロータリーバルブやスクリューフィーダに多方向の切換弁を設けた機構などが挙げられる。一時保管部としては、処理システム１３の処理量に応じた材料を一定期間保管できる機構のものであれば使用可能である。例えば、ホッパ、タンク、ピットなどが挙げられる。混合部１６としては、一時保管部から所定量ずつ取り出し混合する機構のものであれば適用可能である。例えば、各グループの一時保管部に連結されたロータリーバルブの後段に、一般的なミキサーを設けた機構などが挙げられる。以上のような構成にすることによって、本実施の形態に係る材料供給システムは、有機成分が広範に異なる材料が搬送されてきても、処理システムが常に一定の最適状態で運転することを可能にする。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る組成モニタリング装置は、組成モニタリングの対象の材料中の有機物の構成原子毎のモル数と、材料および材料中の有機物の重量を測定するものであるから、材料および材料中の有機物の単位重量当りの構成原子毎のモル数を同定することが可能である。
【００４２】
また、本発明に係る材料供給システムは、材料および／または材料中の有機物の単位重量当りの構成原子毎のモル数を用いて、処理システムへの材料の供給量を決定するものであるから、処理システムの最適運転を可能にし、それによって、処理システムのエネルギー効率の向上（低コスト化）および安全性の向上を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る組成モニタリング装置のブロック図。
【図２】図１のガス化部の拡大断面図。
【図３】図１のガス化部の出力が一定のときのガス成分の濃度対時間図。
【図４】図１のガス化部の出力を制御したときのガス成分の濃度対時間図。
【図５】ガス流量をパラメータにしたガス成分の濃度対時間図。
【図６】図１の他のガス化部の斜視図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る組成モニタリング装置のガス化部の断面図。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る材料供給システムのブロック図。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る材料供給システムのブロック図。
【符号の説明】
１、１’  重量測定部
１ａ、１’ａ  秤皿
２  ガス化部
２ａ  集光ミラー
２ｂ  開口部
３  ガス捕集部
４  酸化部
５  ガス定量部
６  解析部
７  搬送部
７ａ  ローラー
８  赤外線吸収容器
９  材料
１０  材料採取部
１１  組成モニタリング部
１２  定量供給部
１３  処理システム
１４  供給制御部
１５  分配部
１６  混合部
１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ  一時保管部
１８  反射面
１９  焦点
２０  赤外線ヒータ
２１  導線
【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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