特許 7531306 マイクロ波プラズマ流動層反応装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-01

(45)【発行日】2024-08-09

(54)【発明の名称】マイクロ波プラズマ流動層反応装置

(51)【国際特許分類】

   B09B 3/40 20220101AFI20240802BHJP

   B01J 8/42 20060101ALI20240802BHJP

   B01J 19/08 20060101ALI20240802BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20240802BHJP

【ＦＩ】

B09B3/40 ZAB

B01J8/42

B01J19/08 E

H05H1/46 B

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020084174

(22)【出願日】2020-05-13

(65)【公開番号】P2021178279

(43)【公開日】2021-11-18

【審査請求日】2023-03-31

(73)【特許権者】

【識別番号】000116666

【氏名又は名称】愛知電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(72)【発明者】

【氏名】田中 良

(72)【発明者】

【氏名】山本 剛

【審査官】岡田 三恵

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－０１５３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２１２０１６６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開昭５５－０６８５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２４５５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３２２０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１１０４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０３８２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１１１６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５３７２７９９（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００６－１８５７５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０９Ｂ ３／４０

Ｂ０１Ｊ ８／４２

Ｂ０１Ｊ １９／０８

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

大気圧より減圧した反応管内に空気を供給して有機廃棄物（固体）と流動媒体（固体）を流動させつつ、前記反応管内に供給した空気にマイクロ波を照射することでこれを電離してプラズマ化し、当該プラズマによって流動状態の有機廃棄物（固体）をプラズマ支援燃焼によって分解処理するマイクロ波プラズマ流動層反応装置において、前記流動媒体の粒度を１００～１０００［μｍ］に調節し、かつ、前記有機廃棄物（固体）の粒度を流動媒体の粒度の１．１から１．５倍に調節することを特徴とするマイクロ波プラズマ流動層反応装置。

【請求項2】

大気圧より減圧した反応管内に空気を供給して有機廃棄物（固体）と流動媒体（固体）を流動させつつ、前記反応管内に供給した空気にマイクロ波を照射することでこれを電離してプラズマ化し、当該プラズマによって流動状態の有機廃棄物（固体）をプラズマ支援燃焼によって分解処理するマイクロ波プラズマ流動層反応装置において、前記有機廃棄物（固体）の供給量の重量を、常に、前記流動媒体の重量と同程度の重量となるように維持するようにしたことを特徴とするマイクロ波プラズマ流動層反応装置。

【請求項3】

前記有機廃棄物（固体）と流動媒体は、多数の細孔を形成した平板部と、該平板部から上方へ向かって拡開する逆円錐状部からなる分散板上において、当該分散板下方から上方へ向けて供給する空気によって、前記反応管内で流動させることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載のマイクロ波プラズマ流動層反応装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ支援燃焼による有機廃棄物（固体）の分解処理技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から液体の有機廃棄物（以下、有機廃液という）をプラズマによって分解処理する技術は知られている。例えば、特開２０１１－１１０４４６には、反応ガスとして供給する窒素又はアルゴンをマイクロ波によって電離して非平衡プラズマ化し、当該プラズマによって有機廃液を分解処理する方法が開示されている。

【0003】

一方、固体の有機廃棄物をプラズマによって処理する方法としては、下記特許文献１に、流動層炉によって合成樹脂類の廃棄物をプラズマ処理する技術が開示されている。ここで、流動層とは、上向きに流体を噴出させることによって、固体粒子を流体中に浮遊させて形成した層をいう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１０－１５３８０号公報

【0005】

上記特許文献１記載の技術によれば、炉容器の内部下方に流動化ガスの流れを整流する整流板を備え、該整流板上に合成樹脂類の廃棄物（以下、被処理物という）を供給する。そして、当該整流板の下方から流動化ガスを導入することによって、被処理物の重力と流動化ガスの抗力によって被処理物を浮遊させる。

【0006】

炉容器の外側に配された高周波誘導コイルへ高周波電流を通電し、炉容器内に電磁誘導により高周波電界を発生させ、この電界によって炉容器内に供給した反応ガスを電離してプラズマを発生させる。

【0007】

また、炉容器内にはシースガスも供給されており、当該シースガスによって炉容器内に発生したプラズマから炉容器の低損失耐熱壁を保護している。

【0008】

このように構成された特許文献１記載の流動層炉は、炉容器内に流動層を形成した被処理物が、炉容器内に発生したプラズマに直接接触することによって反応し、燃焼処理等される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

然るに、前記特許文献１記載の流動層炉は、炉容器の外側にこれと同軸状に配された高周波誘導コイルに高周波電流を流して炉容器内にプラズマを発生させる構造であるため、装置が大型化するとともに高額となる問題がある。

【0010】

また、被処理物の粒度に関する記載はないが、被処理物の粒度が最適化されていない場合、流動層が形成しにくくなる問題もある。

【0011】

そこで、本発明は、固体の有機廃棄物をマイクロ波プラズマによるプラズマ支援燃焼によって分解処理することによって、装置を小型かつ安価に構成できるとともに、当該有機廃棄物の粒度を最適化することで、該有機廃棄物の流動性を確保し、効率よく分解処理することのできる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0012】

請求項１記載のマイクロ波プラズマ流動層反応装置は、大気圧より減圧した反応管内に空気を供給して有機廃棄物（固体）と流動媒体（固体）を流動させつつ、前記反応管内に供給した空気にマイクロ波を照射することでこれを電離してプラズマ化し、当該プラズマによって流動状態の有機廃棄物（固体）をプラズマ支援燃焼によって分解処理するマイクロ波プラズマ流動層反応装置において、前記流動媒体の粒度を１００～１０００［μｍ］に調節し、かつ、前記有機廃棄物（固体）の粒度を流動媒体の粒度の１．１から１．５倍に調節することに特徴を有する。

【0013】

請求項２記載のマイクロ波プラズマ流動層反応装置は、大気圧より減圧した反応管内に空気を供給して有機廃棄物（固体）と流動媒体（固体）を流動させつつ、前記反応管内に供給した空気にマイクロ波を照射することでこれを電離してプラズマ化し、当該プラズマによって流動状態の有機廃棄物（固体）をプラズマ支援燃焼によって分解処理するマイクロ波プラズマ流動層反応装置において、前記有機廃棄物（固体）の供給量の重量を、常に、前記流動媒体の重量と同程度の重量となるように維持するようにしたことに特徴を有する。

【0014】

請求項３記載のマイクロ波プラズマ流動層反応装置は、請求項１又は請求項２の何れかに記載の有機廃棄物（固体）と流動媒体は、多数の細孔を形成した平板部と、該平板部から上方へ向かって拡開する逆円錐状部からなる分散板上において、当該分散板下方から上方へ向けて供給する空気によって、前記反応管内で流動させることに特徴を有する。

【発明の効果】

【0016】

請求項１記載の発明によれば、流動媒体の大きさを１００～１０００［μｍ］に調節し、かつ、有機廃棄物（固体）の粒度を流動媒体の粒度の１．１から１．５倍に調節したので、流動媒体による有機廃棄物（固体）の流動性を阻害することなく、また、流動媒体が反応管の内側面に付着することを防止できるので、マイクロ波が流動媒体によって遮断されることを防止できる。

【0017】

請求項２記載の発明によれば、有機廃棄物（固体）の供給量の重量を、常に、流動媒体の重量と同程度となるように維持することにより、有機廃棄物（固体）と流動媒体を分離せずに均一化した状態で流動させることが可能となる。つまり、流動層の形成が容易となる。

【0018】

請求項３記載の発明によれば、多数の細孔を形成した平板部と逆円錐部から分散板が構成されているので、分散板上の有機廃棄物（固体）が、流動媒体によって平板部から上方へ浮き上がり、その後反応管の内側面に沿って落下するので、有機廃棄物（固体）の流動を活性化しやすくなる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明のマイクロ波流動層反応装置を示す全体構成図である。

【図2】前記マイクロ波流動層反応装置の分散板上に流動媒体を準備した状態を示す要部拡大縦断面図である。

【図3】前記マイクロ波流動層反応装置の分散板上に有機廃棄物（固体）を供給する状態を示す要部拡大縦断面図である。

【図4】前記マイクロ波流動層反応装置の反応部において、有機廃棄物（固体）の流動層を形成した状態を説明する要部拡大縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図４を用いて説明する。図１は本発明のマイクロ波流動層反応装置Ａの全体構成を示すものである。図１に示すようにマイクロ波流動層反応装置Ａは、マイクロ波発生装置１と、マイクロ波導波管２、固体の有機廃棄物（以下、被処理物という）を供給する被処理物供給部３、空気供給部４、プラズマ反応部５、真空ポンプ６、および、圧力計７によって概略構成されている。

【0022】

前記マイクロ波導波管２には、マイクロ波発生装置１から発振されたマイクロ波が反射して当該発生装置１内に入ることを防止すべく、反射したマイクロ波を吸収するアイソレータ８と、マイクロ波を共振させ、プラズマの発生位置に焦点を合わせるチューナ９が具備されている。

【0023】

また、場合によっては、マイクロ波導波管２上にパワーモニタを設けて、マイクロ波の入射電力を検出しその強度を調べるように構成しても良い。

【0024】

１０はプラズマ反応部５におけるプラズマの発生状況を目視するために設けた観察窓であり、プラズマ反応部５内に設置された透明の石英管（以下、プラズマ反応管という）１１を介して、図２に示す反応部Ｘの状況を確認することができる。

【0025】

図２に示す反応部Ｘは、プラズマ反応管１１内のマイクロ波導波管２と直交する位置に発生する。プラズマ反応管１１には、前述したとおり被処理物供給部３の被処理物供給管３ａが側方から内部に挿入されており、その挿入位置に分散板１２が取り付けられている。

【0026】

分散板１２は被処理物供給管３ａ下に位置する平板部１２ａと平板部１２ａから上方へ向かって拡開する逆円錐状部１２ｂから構成されており、例えば、逆円錐状部１２ｂの上端縁部をプラズマ反応管１１内側面に固定することによって取り付けられている。

【0027】

分散板１２の平板部１２ａには、図１に示す空気供給部４から空気供給管４ａを通して供給される空気が通流する微細な通気孔１３が複数形成されている。

【0028】

次に、上記の如く構成されたマイクロ波プラズマ流動層反応装置Ａを用いて被処理物を分解処理する方法について説明する。前記被処理物としては固体有機廃棄物を想定している。

【0029】

当該被処理物の分解処理に当たっては、まず、図２に示すように、分散板１２上に固体の流動媒体１４を載せておく。流動媒体１４としては、珪砂等の砂が好適であり、本発明においてはその粒度が１００～１０００［μｍ］に調節されている。なお、流動媒体１４の粒度はプラズマ反応管１１の大きさに関係しない。

【0030】

分散板１２の平板部１２ａに形成された通気孔１３は流動媒体１４より微細であるので、分散板１２上に準備された流動媒体１４が当該通気孔１３を通って分散板１２下に落下することはない。

【0031】

つづいて、図１に示す真空ポンプ６を起動してプラズマ反応管１１内を所定の圧力（例えば、１．５ｋＰａ）に減圧・固定する。

【0032】

反応管１１内を減圧したら、図１に示す空気供給部４から、空気供給管４ａを通して空気を供給する。供給された空気は図２に示す分散板１２の下方から、その平板部１２ａに設けた通気孔１３に流れ込み、当該通気孔１３から分散板１２の上方へ吹き抜ける。

【0033】

すると、分散板１２上の流動媒体１４が通気孔１３を通り抜けた空気によって浮き上がり、分散板１２上で流動する。流動する高さは、図２に示すプラズマ反応管１１内の反応部Ｘに至る。

【0034】

反応部Ｘで流動媒体１４が流動したら、図１に示す被処理物供給部３から供給管３ａを通して被処理物１５をプラズマ反応管１１内に供給する。なお、被処理物１５の供給量は、その重量が流動媒体１４の重量とほぼ等しくなる量とし、被処理物１５の粒度は流動媒体１４の１．１～１．５倍程度の粒度に調整される。

【0035】

プラズマ反応管１１内に供給された被処理物１５は、分散板１２を通して流れる空気の上昇流に乗って、流動媒体１４とともにプラズマ反応管１１の反応部Ｘまで浮遊し、ともに当該反応部Ｘに流動層を形成する。

【0036】

具体的には、分散板１２の平板部１２ａが分散板１２の中央部に存在することにより、流動媒体１４と被処理物１５は、平板部１２ａ上から空気の上昇流に乗って浮き上がり、反応部Ｘに達した後は、プラズマ反応管５の内側面付近へ移動する。

【0037】

プラズマ反応管５の内側面付近は平板部１２ａの真上にないことから空気の上昇流が存在せず、内側面付近に移動した流動媒体１４と被処理物１５はその自重によってプラズマ反応管５の内側面に沿って下降する。

【0038】

下降した後は、分散板１２の逆円錐状部１２ｂの上端縁部から逆円錐状部１２ｂに沿って滑り落ち、平板部１２ａに達すると再び通気孔１３を通過する空気の上昇流に乗って反応部Ｘまで吹き上げられ、以降、同様の動作を繰り返す。この状態を図３に破線矢印にて示す。

【0039】

このようにして形成される流動媒体１４と被処理物１５による流動層では、流動媒体１４の粒度が１００～１０００［μｍ］に調節してあるので、流動媒体１４と被処理物１５による流動層の形成を阻害することがなく、また、流動媒体１４がプラズマ反応管５の内側面に付着することを確実に防止することができる。

【0040】

また、被処理物１５の重量を流動媒体の重量と同程度とし、かつ、被処理物１５の粒度を流動媒体１４の粒度の１．１～１．５倍に調節している。つまり、被処理物が分解されても被処理物を連続的に投入することにより、常に流動媒体の重量と同程度に維持する。これにより、被処理物１５と流動媒体１４が分離せずに均一化した状態で流動させることが可能となる。粒度の調整は、流動層の形成を容易にする。

【0041】

被処理物１５と流動媒体１４にて反応管Ｘに流動層を形成したら、図１に示すマイクロ波発生装置１によって生成したマイクロ波を所定の出力（例えば、６７０ｋＷ）で発振する。

【0042】

発振されたマイクロ波は導波管２を通ってアイソレータ８によって吸収されることでマイクロ波発生装置１を保護するとともに、チューナ９によって共振された後、図４に示すプラズマ反応管１１内に入射する。

【0043】

このとき、前述したとおり流動媒体１４はプラズマ反応管１１の内側面に付着しないので、マイクロ波が当該反応管１１内に入射することが阻害（遮断）されることはない。

【0044】

プラズマ反応管１１内では、マイクロ波の焦点がチューナ９によって反応部Ｘに合わせられる。チューナ９としては、自動で焦点を合わせることが可能なスタブチューナが知られているが、本発明のように反応部Ｘに流動媒体１４と被処理物１５による流動層が形成されている状態では、焦点を自動的に反応部Ｘに合わせられない可能性がある。

【0045】

そのような場合は、自動焦点調節機能を有するスタブチューナではなく、手動式のチューナを用いて確実に反応部Ｘにマイクロ波の焦点が合うように調節すると良い。

【0046】

反応部Ｘにマイクロ波の焦点を合わせて入射させると、反応管１１内において流動媒体１４と被処理物１５を流動させている空気（酸素や窒素）がマイクロ波によって電離しプラズマ化する。

【0047】

このとき発生するプラズマはマイクロ波プラズマである。マイクロ波プラズマはコロナ放電と比較して広範囲で安定した放電である。アーク放電と比較しても低エネルギーで生じさせることができる。また、パルス放電と比較しても発生するプラズマが大きく、生成時間も長いといった利点を有する。

【0048】

反応部Ｘにマイクロ波プラズマが発生すると、流動層を形成する被処理物１５はプラズマ支援燃焼によって分解させる。このとき、被処理物１５は流動しているので反応部Ｘでの滞在時間が長く、確実に分解することが可能となる。

【0049】

分解された被処理物１５は二酸化炭素、一酸化炭素、水素、その他炭化水素に分解（ガス化）され、酸素と結合した後、図１に示す排気管６ａ，６ｂを介して無害化したガスとして外部（例えば大気中）に自動的に排出される。

【0050】

このように、本発明のマイクロ波プラズマ流動層反応装置によれば、大型かつ高額な装置を用いることなく、固体の有機廃棄物をプラズマ支援燃焼によって効率的に分解処理することができる。プラズマ支援燃焼は、熱平衡プラズマ支援燃焼でも非平衡プラズマ支援燃焼でも良い。

【0051】

また、被処理物の供給量や粒度を最適化することによって、流動層の形成が容易となる。

【0052】

なお、本発明の被処理物供給部３を、例えば、焼却炉の排ガス排出部に接続して、プラズマ供給管１１内に連続的に飛灰（フライアッシュ）等の有機廃棄物を供給することにより、マイクロ波プラズマによる分解処理を連続して行うように構成することもできる。その場合、プラズマ反応器１１内が減圧されている関係上、被処理物供給部３内の減圧が必要になる。

【0053】

さらに、前述の実施例では、流動媒体１４を浮遊させてから被処理物１５をプラズマ反応管１１内に供給して、流動媒体１４とともに流動層を形成し、その後、マイクロ波を照射してプラズマにより分解処理する手順について説明したが、本発明はこの手順に限定するものではなく、プラズマ反応管１１内に流動媒体１４と被処理物１５をともに供給してからこれらを浮遊させて流動層を形成し、プラズマで分解処理する手順など、反応部Ｘに流動層を形成し、マイクロ波によるプラズマで被処理物１５を分解できれば、その手順はいかように変更しても成立することは当然である。

【0054】

また、前述したプラズマ反応管１１内の圧力やマイクロ波の出力は一例を示したものであり、当該値に限定するものではなく、プラズマによって被処理物１５を効率的に分解できる圧力や出力を適宜選択すればよい。

【0055】

以上説明したように、本発明のマイクロ波プラズマ流動層反応装置によれば、反応部において被処理物と流動媒体が分離せずに均一化した状態で流動させながら、低エネルギーで安定したマイクロ波プラズマによって被処理物をガス化するまで確実に分解することが可能となる。

【産業上の利用可能性】

【0056】

有機廃棄物（固体）の分解に利用可能である。

【符号の説明】

【0057】

１ マイクロ波発生装置
２ マイクロ波導波管
３ 被処理物供給部
３ａ 被処理物供給管
４ 空気供給部
４ａ 空気供給管
５ プラズマ反応部
６ 真空ポンプ
６ａ，６ｂ 排気管
７ 圧力計
８ アイソレータ
９ チューナ
１０ 観察窓
１１ プラズマ反応管
１２ 分散板
１２ａ 平板部
１２ｂ 逆円錐状部
１３ 通気孔
１４ 流動媒体
１５ 被処理物（固体の有機廃棄物）
Ａ マイクロ波流動層反応装置
Ｘ 反応部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】