WO2018135583A1

WO2018135583A1 - 渦巻き状移動機構、及び、渦巻き状移動機構を備える水平回転炉

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Abstract

作成が容易で２つの反応室間を粒子のみが循環し、ガスが混じりにくい構造、あるいはガスが固体粒子と高密度に接触して通気する構造として渦巻き状移動機構を提供する。円板状に形成される第１の面板と、円板状に形成される第２の面板と、第１の面板に設けられる第１の入口及び第１の出口と、第２の面板に設けられる第２の入口及び第２の出口と、第１の入口から第２の出口へ繋がる右回りの渦巻き状の第１の経路と、第２の入口から第１の出口へ繋がる左回りの渦巻き状の第２の経路と、を備えている。

Description

渦巻き状移動機構、及び、渦巻き状移動機構を備える水平回転炉

　本発明は、渦巻き状移動機構、及び、渦巻き状移動機構を備える水平回転炉に関するものである。

　近年、化石燃料の枯渇が危惧される中、その代替燃料として、木質バイオマスが、そのエネルギー化技術として燃焼によるスチームタービン発電が、注目されている。木質バイオマスは持続再生可能であるが、不均一な固体であるためハンドリング性が悪いこと、また、燃焼は、排ガス中に含まれるダイオキシンなどの有害酸化物の処理が必要になること、回収スチームによる発電効率が低いことが問題である。そこで、発明者らはバイオマスの熱分解ガス化に注目し、その装置構造として渦巻き状移動機構を備えた新型装置を発明した。これにより、ハンドリング性に優れ発熱量の高いガス燃料を得ることができる。

　有機物の熱分解ガス化反応（吸熱反応）には熱が必要であるが、その熱の供給方法によって直接ガス化と間接ガス化の２つに大別できる。直接ガス化は反応器に空気または酸素を吹き込み、熱分解生成物の一部分を燃焼しその熱でガス化反応（吸熱反応）を生起させる。このため、一つの装置でガス燃料を得ることが利点であるが、生成ガスに燃焼ガスと空気中の窒素が混入するため、得られるガスの発熱量が低いことが問題である。

　一方、間接ガス化はガス化に必要な熱量を供給する装置が別途必要になるが、装置内に空気や酸素を用いないため生成ガスが薄められることなく、得られるガスの発熱量が高いことが特徴で、二塔循環型流動層ガス化炉はその一例である。これは反応器として流動層を二塔用い、ガス化塔と燃焼塔に分け、燃焼塔の高温流動媒体粒子をガス化塔へ送ることで、燃焼塔で発生した熱でガス化を行う方法である。流動媒体粒子のみが二塔間を循環し反応装置内に熱を供給するので部分燃焼が不要となり高発熱量ガスを得ることができる。

　また、単塔の中に仕切り板を設けてガス化部と燃焼部を流動媒体粒子が循環するという、単塔で二塔循環式の機能を持つ流動層も提案されている。日本において、木質バイオマスは地域に分散して存在するため、集約コストの観点から小規模分散型プロセスが好適である。しかし、流動層を用いたプロセスは例え単塔式だとしても大型であり、小規模化が難しいため木質バイオマスには適さない。

　直接ガス化と間接ガス化の問題点を同時に解決したガス化プロセスとして、内部に傾斜仕切板とらせん小円筒を整備した水平回転円筒炉がある。この水平回転円筒炉は、内部に巻方向が正逆反対のらせん小円筒を設置することで、水平回転円筒炉内での粒子の循環を可能としたもので、二つの機能を持っている。その一つは、らせん小円筒内に充填された粒子層による気体シールを形成させることで熱分解ゾーンと燃焼ゾーンに分離し、固体粒子の循環移動で燃焼熱を熱分解ゾーンに供給するものである（特許文献１などを参照）。もう一つは、らせん円筒内に充填された粒子層に気体を通過させて、気体、固体の接触反応を促進させる気固接触反応装置として用いているものである（特許文献２などを参照）。

　固体粒子を取り巻く環境条件を整えることで、固体粒子が関与する化学反応あるいは物理現象を、生起、促進、あるいは制御することが可能となる。化学反応には固体粒子の燃焼、熱分解、などがあり、また、固体粒子が触媒作用を持つ接触反応と呼ばれるものがある。物理現象には、固体粒子の乾燥、粉砕、分級、造粒、あるいは気体の吸着や脱着などがあり、これらの生起、促進あるいは制御には温度、圧力などの因子を用い、その操作によって固体気体間での物質及び熱の移動が生じるが、固体粒子表面と気体との接触効率の大小がその性能を決める主要因となる。

　固体粒子と気体とが接触する装置として、これまで、図１２（ａ）、（ｂ）に示す（ａ）固定層、（ｂ）垂直移動層、図１２（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す（ｃ）コンベア水平移動層、（ｄ）傾斜移動層、（ｅ）スクリュー移動層あるいは、図１２（ｆ）、（ｇ）に示す（ｆ）流動層、（ｇ）噴流層などが開発実用化されている。

　しかしながら、これらの装置構造はそれぞれがもつ制約によって利用範囲が限定される。例えば（ａ）、（ｂ）は、固体が自重で下方に移動するため固体の種類、形状、寸法を均一に揃えないと気体の均一通気ができない。（ｃ）は固体粒子の相対的位置関係が固定しているため接触効率が低く、また（ｄ）はプッシャーで、（ｅ）はスクリューの回転で、（ｆ）は固体を気流の力で浮遊させるため、大きな動力が必要になる、（ｇ）は適用できる粒子径が限定される、などの課題がある。

特開２０１３－２０９５２７号公報特許第４５４７２４４号公報

　本発明は、渦巻き状移動機構、及び、渦巻き状移動機構を備える水平回転炉に関するものであり、その効果は、（１）固体循環による熱移動と、（２）気固接触反応に大別できる。

（その１：固体循環による熱移動）
　特許文献１を含む従来の水平回転円筒炉では、らせん構造を内部に有する小円筒を製造する際に、らせん構造を小円筒内に溶接することが困難であり、接合部がはがれて、はがれた部分を通じてガスが混合してしまう可能性がある。

　そこで、本発明は、作成が容易で２つの反応室間を粒子のみが循環し、ガスが混じりにくい構造として渦巻き状移動機構と、この渦巻き状移動機構を内部に有する水平回転円筒炉とを提供することを第１の目的としている。

　さらに、本発明は、従来の気固接触装置のどれとも異なる、原理及び構造を有する新装置であって、これによって従来装置のもつ課題、例えば原料固体の種類、形状、寸法を均一に揃える必要がある、固体粒子層内温度分布ができる、大きな運転動力を必要とする、などの課題を解決しようとするものである。

　発明者らは、水平回転体に着目し、その内部に多数の固体粒子が高密度に充填しており、該固体粒子の相対的位置関係が装置本体の回転によって常時変動している空間（以下充填固体転動空間という）を１つ以上持ち、かつ該充填固体転動空間を気体の全量が固体粒子の全表面と接触して通過する構造（以下、回転気固接触構造という）を有する気固接触装置の発想を得た。ここで充填固体転動空間の位置は、水平回転体の回転軸に平行、垂直、あるいは斜め空間のいずれにあってもよく、その数は１つ以上または複数個で、またその形状は円柱、半円柱状など回転気固接触構造の種類によって異なる。螺旋円筒はその一つの形態であって発明者らによって既に出願し特許として成立している（特許文献２を参照）。

（その２：気固接触反応）
　特許文献２に示す水平回転円筒炉では、らせん構造を内部に有する小円筒内での螺旋の長さを十分にとらないとガスが通り抜けて気固接触効率が低下する可能性がある。

　そこで本発明は、作成が容易で気固接触効率が高い渦巻き状移動機構とこの渦巻き状移動機構を内部に有する水平回転円筒炉を提供することを第２の目的としている。

　前記第１の目的及び前記第２の目的を達成するために、本発明の渦巻き状移動機構は、円板状に形成される第１の面板と、円板状に形成される第２の面板と、前記第１の面板に設けられる第１の入口及び第１の出口と、前記第２の面板に設けられる第２の入口及び第２の出口と、前記第１の入口から前記第２の出口へ繋がる右回りの渦巻き状の第１の経路と、前記第２の入口から前記第１の出口へ繋がる左回りの渦巻き状の第２の経路と、を備えている。

　また、本発明の水平回転円筒炉は、上述した渦巻き状移動機構と、前記渦巻き状移動機構の前記第１の面板に接続される第１の部屋と、前記渦巻き状移動機構の前記第２の面板に接続される第２の部屋と、を備えている。

　このように、本発明の渦巻き状移動機構は、円板状に形成される第１の面板と、円板状に形成される第２の面板と、第１の面板に設けられる第１の入口及び第１の出口と、第２の面板に設けられる第２の入口及び第２の出口と、第１の入口から第２の出口へ繋がる右回りの渦巻き状の第１の経路と、第２の入口から第１の出口へ繋がる左回りの渦巻き状の第２の経路と、を備えている。また、第１の部屋のガスと第２の部屋のガスはそれぞれ別のガスポンプで部屋の外に吸引し抜き出されるようになっている。このような構成であるから、作成が容易であり、かつ、２つの反応室間を粒子のみが循環し、ガスが混じりにくい構造となる。

　また、本発明の渦巻き状移動機構は、円板状に形成される第１の面板と、円板状に形成される第２の面板と、第１の面板に設けられる第１の入口及び第１の出口と、第２の面板に設けられる第２の入口及び第２の出口と、第１の入口から第２の出口へ繋がる右回りの渦巻き状の第１の経路と、第２の入口から第１の出口へ繋がる左回りの渦巻き状の第２の経路と、を備えている。また、ガスポンプによって第２の部屋のガスを吸引し、その結果第１の部屋のガスも渦巻きを経由して第２の部屋に流入する。このような構成であるから作成が容易であり、かつ２つの反応室間を粒子が循環移動し、第１の部屋のガスが固体粒子と密に接触しながら第２の部屋に移動する構造になっている。

　さらに、本発明装置では、水平回転体の内部で固体粒子が転動するから、（ａ）固定層、（ｂ）移動層では不可能であった、種類の異なる、あるいは形状、寸法の異なる固体粒子を受け入れることができる。また、回転固体通気構造において装置本体の回転により、固体粒子は装置内壁との摩擦力によって上方に移動したのち重力によって自然落下する転動状態にあり、この過程で固体粒子の全表面が気体と接触する。本機構における気固接触は水平回転体を回転させる動力によってもたれされるから、固体粒子を重力に逆らって気流中に浮遊させることで気固接触させる流動層と比べて桁違いに小さい動力で気固接触を達成できる。従来装置の課題は解消されている

渦巻き状移動機構を有する水平回転炉の固体循環の概念を説明する斜視図である。渦巻き状移動機構Ａ～Ｄを説明する概念図である。樹脂ペレットと木粉ペレットの写真である。出窓がある場合と出窓がない場合の移動速度と平均残存粒子量との関係を示すグラフである。各渦巻き状移動機構の移動速度と平均残存粒子量との関係を示すグラフである。各渦巻き状移動機構内の粒子充填量と残存粒子量との関係を示すグラフである。各渦巻き状移動機構の側面図である。投入量ごとの移動速度と平均残存粒子量との関係を示すグラフである。投入量ごとの粒子充填量と残存粒子量との関係を示すグラフである。実施例２の水平回転炉である。実施例２の渦巻状移動機構の分解斜視図である。気体と固体の接触について説明する説明図である。渦巻状の回転気固接触構造の説明図である。巻き方が正反対の渦巻管を組み合わせて水平回転円筒内に回転軸に垂直面に装備した回転気固接触構造の説明図である。正逆一対の渦巻螺旋を備える水平回転炉としての乾燥装置の説明図である。返し部材を備える渦巻状移動機構の平面図である。取り込み流路の構成を説明する分解図である。２つの渦巻状移動機構を搭載する水蒸気改質を行う装置の説明図である。

　以下、第１の本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。実施例１において渦巻き状移動機構に関して実施された実験について説明する。次に、実施例２において渦巻き状移動機構を水平回転炉に適用した実施例について説明する。

　まず、本発明の水平回転炉の概念図を図１に示す。この装置を回転させることで、図１の中央部に存在する移動機構の渦巻き状流路外周部に開けられた穴から反応室内の粒子が移動機構内へ流入し、回転の中心部から反対側の反応室へ流出する。また、渦巻き状移動機構内に粒子が充填されるため、気体シールが形成される。

　これにより、粒子のみが移動しガスは混じりにくい構造とすることができる。これを、バイオマスガス化炉として用いることで、二塔循環式流動層バイオマスガス化炉と同様に、外部からの熱供給無しに高発熱量ガスを生成可能かつ小規模な装置をより簡便に作成可能である。本ガス化炉は純粋な木質バイオマスに限らず、バイオマスとラスチック等が混在した有機性廃棄物や石炭等の有機資源のガス化にも利用可能であると考えられる。

　本実施例では、渦巻き状移動機構を内部に有する新規水平回転円筒炉の開発に当たり、コールドモデルを用いた検討を行う。本装置で重要な点は２点あり、気体シールを行うために必要な渦巻き状移動機構内の粒子充填率および燃焼室からの熱供給を行うための粒子の移動速度である。実機では困難なこれらの粒子挙動測定を透明なプラスチック製のコールドモデルにて行い、装置構造や操作条件によってこれらがどのように変化するかを検討した。

１．　実験装置および方法
　コールドモデルは内径２００（ｍｍ）、全長６４５（ｍｍ）の透明塩化ビニル製の円筒で、中央に設置された外径２００（ｍｍ）、幅４５（ｍｍ）の渦巻き状移動機構Ａ、Ｂ、ＣまたはＤによって左右の2室に分離されている。本実施例ではこの部屋を粒子貯留部と称する。渦巻き状移動機構内への粒子の取り込み効率の向上を期待し、移動機構外周入口部に半円筒状の出窓機構を設置した。なお移動速度を計測するため、本実施例では渦巻き状移動機構の片側の流路の入口および出口を封鎖して、粒子が右側粒子貯留部から左側粒子貯留部へのみ移動し、相互には移動しないようにした。用いた渦巻き状移動機構を図２に示す。

　上記コールドモデルの右側へ試料粒子としてプラスチックペレット（嵩密度５４１（ｋｇ／ｍ３）、真密度９２０（ｋｇ／ｍ３）、直径約５（ｍｍ）、高さ約２（ｍｍ）の円柱状）又は木粉ペレット（嵩密度６６５（ｋｇ／ｍ３）、真密度１２９７（ｋｇ／ｍ３）、直径約５（ｍｍ）、高さ約１５～２５（ｍｍ）の円柱状）を２０００（ｇ）投入し、ボールミル回転架台（アサヒ理化製作所製、ＡＶ－１）を２台用いて１０（ｒｐｍ）で水平回転させた。５回転毎に装置を停止させ、左側へ移動した粒子を回収して重量を測定した。この時同時に、渦巻き状移動機構を取り外し、その内部に充填された粒子重量を測定すると共に渦巻き状移動機構を側面から観察し、ガスシール形成の有無を確認した。用いた試料粒子の写真を図３に示す。

２．　実験結果および考察
２．１　渦巻き状移動機構の入口形状および出口形状
　渦巻き状移動機構Ａの粒子入口に出窓を設置した場合と設置しない場合におけるプラスチックペレット投入量８００（ｇ）での５回転当たりの移動速度と粒子貯留部の平均残存粒子量との関係を図４に示す。図４より、粒子入口に出窓が設置されていない状態に比べて、出窓が設置された渦巻き状移動機構を用いた方が粒子の移動速度が大きいことがわかる。これは、出窓によって粒子が効率よく移動機構内へ流入する為であると考えられる。なお、以後は全て出窓付き渦巻き状移動機構を用いて検討を行った。

　渦巻き状移動機構を変更した際の５回転当たりの粒子移動速度と粒子貯留部の平均残存粒子量との関係を図５に、その時の渦巻き状移動機構内の粒子充填量と残存粒子量との関係を図６に示す。また、３０回転後の渦巻き状移動機構側面図を図７に示す。

　図５より、いずれの渦巻き状移動機構を用いても１０回転（右から２プロット目）程度で移動速度が一定の値となることがわかる。このことから本実験装置では１０回転で移動速度についてはほぼ定常となることが判明した。

　また、粒子入口と出口の比が１対１で巻き数が１巻である移動機構Ａを用いた際の粒子移動速度が最も大きく、粒子入口と出口の比が２対１で巻き数が１．５巻である移動機構Ｄを用いた際の粒子移動速度が最も小さくなることがわかる。粒子入口と出口の比が２対１で巻き数が１巻である移動機構Ｃ及び、粒子入口と出口の比が１対１で巻き数が１．５巻である移動機構Ｂがほぼ等しい値となることがわかる。ここで図２より、出口の大きさは移動機構Ａが３１．０（ｍｍ）最も大きく、続いて移動機構Ｂ及びＣが共に２２．８（ｍｍ）であり、移動機構Ｄが１７．８（ｍｍ）と最も小さいことがわかる。この出口の大きさと図４の結果を比較すると、出口が大きければ大きいほど移動速度が大きくなることがわかる。移動機構の直径はいずれも一定であり、入口径を大きくするとその分出口径が小さくなるため、流入量は増大するが出口が詰って流出することが出来ず、結果移動量が減少する。また、巻き数を増やすと、入口径、出口径共に小さくなる為、移動量が減少すると考えられる。よって、出口径が最も大きい移動機構Ａが粒子を最も速く移動させることが出来たと考えられる。このことから、粒子移動量は、出口の大きさに依存することが判明した。

　図６より、粒子入口と出口の比が２対１である移動機構Ｃ及びＤに比べて、粒子入口と出口の比が１対１である移動機構Ａ及びＢでは移動機構内への充填量は小さいことがわかる。また、移動機構Ｃ及びＤ内への充填量はほぼ等しいが、移動機構ＢよりもＡ内への充填量が多いことがわかる。ここで図２より、移動機構の入口径は移動機構Ｃが４７．５（ｍｍ）と最も大きく、次に移動機構Ｄの３７．６（ｍｍ）、そして移動機構Ａの３１（ｍｍ）、移動機構Ｂの２２．８（ｍｍ）が続く。これらより、入口径と出口径が等しい場合は入口径が大きいほど移動機構内への充填量も大きくなるが、入口径が出口径より大きい場合、移動機構充填量はほぼ一定となることがわかる。これは、渦巻き状移動機構の入口径が大きいほど多くの粒子が移動機構内へ流入するためと考えられる。また、入口径が出口径より大きい場合、出口がボトルネックとなり移動機構内に粒子の渋滞が起こるため充填量が大きくなる。しかし、移動機構内に多くの粒子が流入しても出口が小さいため、流入したすべての粒子が流出できず、回転に伴い一部の粒子が逆流するため、移動機構ＣとＤで充填量に大きく変化が見られないと考えられる。

　図７より、充填量が大きかった移動機構ＣとＤではガスシール形成が確認できるのに対し、移動機構ＡとＢでは確認できなかった。

２．２　投入量と粒子形状
　渦巻き状移動機構Ａを用い、プラスチックペレットの投入量を変更して３０回転運転を行った際の５回転当たりの粒子移動量と粒子貯留部の平均残存粒子量を図８に、その時の移動機構内の粒子充填量と粒子貯留部の残存粒子量を図９に示す。なお、粒子投入量２０００（ｇ）の時のみ１２０回転まで運転を行った。また、投入粒子として木粉ペレット２０００（ｇ）を用いて１２０回転運転を行った際の結果を図８、９に併記した。図８、９より、粒子移動速度および移動機構内の粒子充填量は定常状態と考えられる１０回転以降の値がいずれの粒子投入量でも２０００（ｇ）の結果と良く一致することがわかる。また、図８より粒子貯留部の残存粒子量が１５００（ｇ）から８００（ｇ）までは粒子移動速度が約１００（ｇ／５回転）で、残存粒子量５００（ｇ）程度から急激に粒子移動速度が減少することがわかる。このことから、本実験条件下では粒子貯留部の粒子量が５００（ｇ）程度まで安定して運転可能であることが判明した。

　さらに図８、９より、同様の条件で木質ペレットを用いると、粒子移動速度および移動機構内の粒子充填量が非常に小さくなることがわかる。これは、木質ペレットの大きさ(長さ約２６（ｍｍ））が回転体の入口径に対して大きく、渦巻き型回転体に流入しづらいためと考えられる。このことから、使用する原料粒子の形状に適した装置設計を行う必要があることが判明した。

３．　結言
　渦巻き状移動機構を内部に有する新規水平回転円筒炉のコールドモデルを用いて、移動機構および粒子量、形状が粒子移動速度および機構内の粒子充填量へ及ぼす影響について検討した結果以下のことが判明した。
１）渦巻き状移動機構の入口に出窓を付けることで移動速度が大幅に上昇する。
２）粒子の移動速度は渦巻き状移動機構の出口径に、移動機構内への粒子充填量は入口径の大きさと出入口径比に依存する。
３）渦巻き状移動機構の入口径を出口径より大きくする必要がある。
４）渦巻き状移動機構は原料となる粒子の形状に適した物を設計する必要がある。

　次に、図１０、図１１を用いて、渦巻き状移動機構２を有する水平回転炉１について説明する。水平回転炉１は、図１０に示すように、金属製などの円筒の内部において、中央寄りに渦巻き状移動機構２と、図中右寄りに第１の部屋５１と、図中左寄りに第２の部屋５２と、を備えている。すなわち、水平回転炉１は、第２の部屋５２、渦巻き状移動機構２、第１の部屋５１、をこの順に連続して備えている。

　水平回転炉１は、第１の面板３１（後述）及び第２の面板３２（後述）の中心を通り、略水平に配置される回転軸線の周りに回転するようになっている。回転軸線は、水平又は３～５度傾斜している。すなわち、本発明における「水平回転炉」の「水平」とは、厳密に水平である場合をもちろん含むが、これに限定されるものではなく、微小量の傾斜状態を含む概念であると定義される。

　渦巻き状移動機構２は、図１１に示すように、円板状に形成される第１の面板３１と、第１の面板３１と平行であり円板状に形成される第２の面板３２と、第１の面板３１に設けられる第１の入口３１ａ及び第１の出口３１ｂと、第２の面板３２に設けられる第２の入口３２ａ及び第２の出口３２ｂと、第１の入口３１ａから第２の出口３２ｂへ繋がる右回りの渦巻き状の第１の経路４１と、第２の入口３２ａから第１の出口３１ｂへ繋がる左回りの渦巻き状の第２の経路４２と、を備えている。このような構成によって、渦巻き状移動機構２は、第１の経路４１及び第２の経路４２を通じて、固体（主として熱媒体）を運搬するものの、気体を通さないガスシール機能を有している。

　より具体的にいうと、第１の経路４１は、第１の入口３１ａを有する第１の面板３１の正面から見ると、第１の入口３１ａから入り、右回りに渦を巻いた後、第２の出口３２ｂから出る経路である。同様に、第２の経路４２は、第２の入口３２ａを有する第２の面板３２の正面から見ると、第２の入口３２ａから入り、左回りに渦を巻いた後、第１の出口３１ｂから出る経路である。

　第１の入口３１ａ及び第２の入口３２ａは、それぞれ第１の面板３１及び第２の面板３２の外寄りに配置されるとともに、第１の出口３１ｂ及び第２の出口３２ｂは、それぞれ第１の面板３１及び第２の面板３２の内寄りに配置されている。また、第１の経路４１の外側の隔壁は、第２の経路４２の内側の隔壁であるとともに、第２の経路４２の外側の隔壁は、第１の経路４１の内側の隔壁であるようにされている。すなわち、第１の経路４１と第２の経路４２とは、互いに接して形成され、二重の渦巻構造を構成している。

　いずれの経路４１、４２とも、水平回転炉１を回転させることで、入口から出口に向かって固体を運搬するとともに気体を遮断（シール）する機能を有している。すなわち、経路４１、４２の断面を塞ぐように粒子が充填されることによって、気体の通過を遮断するようになっている。ここにおいて、渦巻き状移動機構２内への粒子充填量は、入口の径の大きさと出入口径比に依存するため、経路４１、４２内の途中のいずれかの位置で断面が閉塞されるように、入口の径の大きさと、出入口径比と、を調整しておく必要がある。

　なお、実施例１の実験で説明したように、入口３１ａ、３２ａに出窓を付けることで移動速度を大幅に上昇させることができる。また、粒子の移動速度は渦巻き状移動機構２の出口３１ｂ、３２ｂの径に、移動機構内への粒子充填量は入口３１ａ、３２ａの径の大きさと出入口径比に依存する。さらに、渦巻き状移動機構２の入口３１ａ、３２ａの径は、出口３１ｂ、３２ｂの径よりも大きくする必要がある。

　第１の部屋５１は、例えば燃焼室であり、ガス化炉で発生した未反応の燃料（チャー）が循環媒体（例えば砂）とともに第２の部屋５２に運ばれ、燃料（チャー）が空気によって燃焼して循環媒体（固体、例えば砂）に熱を供給する。排ガスは、第１の部屋５１から外に取り出される。熱を有する循環媒体は、第１の経路４１を通じて、第１の部屋５１から第２の部屋５２へと移動する。この際には、気体はシールされている。

　第２の部屋５２は、例えばガス化室であり、有機物が投入されて、熱分解および水蒸気との反応により主に一酸化炭素、水素に変換される。これらのガスは、第２の部屋５２から外に取り出される。熱分解に必要な熱は、第１の部屋５１から循環媒体（例えば砂）を介して第２の部屋５２に伝達される。循環媒体と未反応の燃料（チャー）は、第２の経路４２を通じて、第２の部屋５２から第１の部屋５１へと移動する。この際には、気体はシールされている。

（効果）
　次に、本実施例の渦巻き状移動機構２及び水平回転炉１の奏する効果を列挙して説明する。
（１）上述してきたように、渦巻き状移動機構２は、円板状に形成される第１の面板３１と、円板状に形成される第２の面板３２と、第１の面板３１に設けられる第１の入口３１ａ及び第１の出口３１ｂと、第２の面板３２に設けられる第２の入口３２ａ及び第２の出口３２ｂと、第１の入口３１ａから第２の出口３２ｂへ繋がる右回りの渦巻き状の第１の経路４１と、第２の入口３２ａから第１の出口３１ｂへ繋がる左回りの渦巻き状の第２の経路４２と、を備えている。このような構成であるため、作成が容易であり、かつ、２つの反応室間を粒子のみが循環し、ガスが混じりにくい構造となる。これによって、両方の部屋のガスが混合されることがなくなり、一方のみに有用なガスが存在する場合に、有用なガスが薄まりにくくなる。

（２）また、渦巻き状移動機構２は、第１の面板３１及び第２の面板３２の中心を通り、略水平に配置される回転軸線の周りに回転するようになっているため、粒子（固体粒子）を相方向に運搬（循環）させることができる。

（３）さらに、第１の入口３１ａ及び第２の入口３２ａは、それぞれ第１の面板３１及び第２の面板３２の外寄りに配置されるとともに、第１の出口３１ｂ及び第２の出口３２ｂは、それぞれ第１の面板３１及び第２の面板３２の内寄りに配置されるため、粒子を双方向に効率よく運搬（循環）させることができる。

（４）また、第１の経路４１の外側の隔壁は、第２の経路４２の内側の隔壁であるとともに、第２の経路４２の外側の隔壁は、第１の経路４１の内側の隔壁であるようにされていることにより、渦巻き状移動機構２の断面積を小さくして、装置全体（例えば水平回転炉１）を小型化させることができるようになる。

（５）さらに、本発明の水平回転炉１は、上述したいずれかの渦巻き状移動機構２と、渦巻き状移動機構２の第１の面板３１に接続される第１の部屋５１と、渦巻き状移動機構２の第２の面板３２に接続される第２の部屋５２と、を備えている。このように構成することで、作成が容易であり、かつ、２つの反応室５１、５２間を粒子のみが循環し、ガスが混じりにくい水平回転炉１となる。

（６）また、別の渦巻き状移動機構２をさらに１つ備えるとともに、別の渦巻き状移動機構２の第２の面板に接続される第３の部屋をさらに備えることも好ましい。このように構成することで、さらに別の反応をさせることができるようになる。

　なお、この他の構成および作用効果については、前述した実施例１と略同様であるため説明を省略する。

　以下、図１３－図１６を用いて、本発明の別の形態について説明する。

　図１３は、水平回転軸に中空流路を渦巻状に巻いたものを水平回転円筒の回転軸の垂直面に装備した回転気固接触構造である。この回転気固接触構造は、装置の回転によって固体粒子が入口側から出口側に向かい、この時入口側から入った気体はその全量が充填固体転動空間を通過し、該空間内の固体粒子の全表面と接触して装置外に排出する。

　図１４は、巻き方が正反対の渦巻管を組み合わせて水平回転円筒内に回転軸に垂直面に装備した回転気固接触構造で、装置の回転によって渦巻管（Ａ）では固体粒子が入口側（左側）から出口側（右側）に移動し（黒矢印）、一方渦巻管（Ｂ）では固体粒子が出口側（右側）から入口側（左側）に移動し（斜線矢印）、この時に入口側（左側）から入った気体（白矢印）はその全量が２本の渦巻管内に流入して各充填固体転動空間を通過し、空間内の固体粒子の全表面と接触して装置外に排出する。

　図１５は、正逆一対の渦巻螺旋からなる回転気固接触構造による、含水固体粒子の過熱水蒸気による乾燥装置１である。乾燥装置１の前後には傾斜ガイド板付仕切り板（既知の固体循環機構）１２、１４が装備されている。スクリューフィーダ１１で装置に送入された含水固体粒子は装置の回転によって正渦巻の充填固体転動空間１３Ａを通過し、この時該空間内の固体粒子の全表面は高温の過熱水蒸気との並流接触によって熱を供給されて水分が蒸発して乾燥が進む。

　一方、逆渦巻の充填固体転動空間１３Ｂでは、同様にすべての固体粒子表面が高温過熱水蒸気と向流接触して熱を供給されて水分が蒸発して乾燥が進む。前後のガイド板付き仕切り板１２、１４では固体粒子は上限セ氏１００度の固体粒子と接触して熱を供給されて乾燥が進む。乾燥した固体粒子は出口円形堰１５から装置外に排出され、一方、スクリューフィーダ１１軸中央から送入された高温の過熱水蒸気は、その全量が正逆の充填固体転動空間１３Ａ、１３Ｂにおいて固体粒子に熱を供給して低温の過熱水蒸気となって装置外に放出される。低温過熱水蒸気は余剰分を分離したのち図示していない熱交換装置によって昇温して高温過熱水蒸気となって循環利用される。

　図１６は、別形態の渦巻き状移動機構２Ａを示す。図１６に示すように、この渦巻き状移動機構２Ａは、円板状に形成される第１の面板（３１）と、第１の面板（３１）と平行であり円板状に形成される第２の面板（３２）と、第１の面板（３１）に設けられる第１の入口３１ａ及び第１の出口３１ｂと、第２の面板（３２）に設けられる第２の入口３２ａ及び第２の出口３２ｂと、を備えている。そして、渦巻き状移動機構２Ａは、第１の入口３１ａから第２の出口３２ｂへ繋がる左回りの渦巻き状の第２の経路４２と、第２の入口３２ａから第１の出口３１ｂへ繋がる右回りの渦巻き状の第１の経路４１と、を備えている。さらに、本実施例の渦巻き状移動機構２Ａは、第１の経路４１及び第２の経路４２の途中に、少なくとも１つの返し部材６０が取り付けられている。

　より具体的にいうと、第２の経路４２は、第１の入口３１ａを有する第１の面板３１の正面から見ると、第１の入口３１ａから入り、左回りに渦を巻いた後、第２の出口３２ｂから出る経路である。同様に、第１の経路４１は、第２の入口３２ａを有する第２の面板３２の正面から見ると、第２の入口３２ａから入り、右回りに渦を巻いた後、第１の出口３１ｂから出る経路である。

　いずれの経路４１、４２とも、水平回転炉１を回転させることで、入口から出口に向かって固体を運搬するとともに気体と固体を接触させる機能を有している。すなわち、経路４１、４２の断面を塞ぐように粒子が充填されることによって、気体と固体を接触させるようになっている。ここにおいて、渦巻き状移動機構２Ａ内への粒子充填量は、入口の径の大きさと出入口径比に依存するため、経路４１、４２内の途中のいずれかの位置で断面が閉塞されるように、入口の径の大きさと、出入口径比と、を調整しておく必要がある。

　返し部材６０は、図１６に示すように、第１の経路４１及び第２の経路４２に配置されるものであり、内側の隔壁から外側の隔壁に向かって延びるように設置されている。より具体的に言うと、返し部材６０は、隔壁と略同一の幅に形成されて、内側の隔壁から外側の隔壁に向かって、回転方向に向かってせり出すように設置される。したがって、第１の経路４１及び第２の経路４２の内部を移動する固体粒子は、返し部材６０の作用によってずれ落ちることを防止しつつ、入口から出口に向かって運搬されるようになる。このため、返し部材６０がない場合と比べると、固体粒子の運搬効率（移動速度）が著しく向上する。

　そして、図１７に示すように、別形態の渦巻き状移動機構２Ｂは、第１の面板３１と、第２の面板３２と、第１の入口３１ａ及び第１の出口３１ｂと、第２の入口３２ａ及び第２の出口３２ｂと、を備えている。そして、この渦巻き状移動機構２Ｂは、第１の入口３１ａ及び第２の入口３２ａに、それぞれ取り込み流路５０が設置されている。このように取り込み流路５０を備えることで、第１の入口３１ａ及び第２の入口３２ａから第１の経路４１及び第２の経路４２に取り込まれる固体粒子の量が増加するようになる。

　なお、この他の構成および作用効果については、前述した実施例１～２と略同様であるため説明を省略する。

　加えて、本機構を水平回転円筒内で複数、あるいは先行特許等で示された機構と組み合わせることもできる。また、本機構を組み入れる回転円筒は、水平型に限定されるものではなく、傾斜による重力を用いた移動と組み合わせることも可能となる。

　図１８は、２つの渦巻状移動機構（２－２、２－１）を内包する水平回転円筒１Ａで、高温の加熱ガスによって昇温した固体熱媒体によって、有機物の熱分解と熱分解で生成したタール蒸気の水蒸気改質を行う装置を示している。

（固体の動き）
　図１８において、黒矢印は装置内における固体の動きを示している。装置内に投入された有機物Ｍは、熱分解ゾーン３－１において、気固接触改質渦巻き２－２からの中温熱媒体ＨＭによって加熱されて熱分解し、乾ガスと湿ガス（水蒸気とタール蒸気）と固体炭素（チャー）になる。有機物Ｍに熱を与えた中温熱媒体ＨＭは低温熱媒体ＨＬになる。

　固体炭素と低温熱媒体ＨＬは気固接触改質渦巻２－２によって低温熱媒体加熱ゾーン３－２に移動し、ここで中温熱媒体加熱ゾーン３－３から気体遮断渦巻き２－１を通過して送入された高温熱媒体ＨＨによって加熱される。

　熱を与えた高温熱媒体ＨＨは中温熱媒体ＨＭになり気体遮断渦巻き２－１を経て中温熱媒体加熱ゾーン３－３に戻り高温加熱ガスＨＧＨによって加熱され高温熱媒体ＨＨになって気体遮断渦巻き２－１を経て低温熱媒体加熱ゾーン３－２に至り、余剰となった固体残渣Ｗは回転円筒出口から装置外に排出される。

（熱分解ガスの動き）
　図１８において、白矢印は装置内における気体の動きを示している。熱分解ゾーン３－１で発生した乾ガスと湿ガスは気固接触改質渦巻き２－２の正逆２つの渦巻流路を通って低温熱媒体加熱ゾーン３－２に至り、ここからガスポンプ４によって吸引されて装置外に排出される。渦巻路は固体で充填されているから湿ガスは固体の全表面積と接触しここでタール蒸気は水蒸気と反応して合成ガスになり、気体遮断渦巻き２－１で生成した乾ガスとともに製品ガスＰになる。

（加熱ガスの動き）
　中温熱媒体加熱ゾーン３－３に送入された高温加熱ガスＨＧＨは、低温熱媒体加熱ゾーン３－２から気体遮断渦巻き２－１を経た中温固体に熱供給して、中温加熱ガスとなり装置外に排出される。

　以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

　例えば、実施例２では、第１の部屋５１を燃焼室とし、第２の部屋５２をガス化室とする場合について説明したが、これに限定されるものではなく、各部屋とも他の反応をさせることができる。すなわち、固体が二室の間を循環移動し、気体の二室の間の混合を遮断するような構成であれば、本発明の渦巻き状移動機構２を適用することができる。

　本発明装置の用途はガス化反応に限定するものではなく、乾燥、吸脱着など、熱の出入りを伴う様々な操作に適用できる。また対象とする固体粒子はバイオマスに限定するものではなく、合成樹脂、金属、無機物を含む、すべての固体粒子状物質に適用できる。

　本発明装置の形状については、図に示したものに限定されるものではなく、対象とする粒子、操作、条件に応じ、入口出口形状や流路形状の改変が可能であるが、最適形状については対象ごとに確認するための実験的検討が必要となる。また、熱媒体粒子が一室内で反応等により一部あるいはすべてが失われる場合には、非対称な形状とすることが可能である。さらには、本図示例では左右の室間の往復流路を１：１としたが、両流路あるいは片流路を複数とする、あるいは片流路をなくし一方通行とすることも可能である。

１　　　　　水平回転炉
２　　　　　渦巻き状移動機構
３１　　　　第１の面板
３１ａ　　　第１の入口
３１ｂ　　　第１の出口
３２　　　　第２の面板
３２ａ　　　第２の入口
３２ｂ　　　第２の出口
４１　　　　（右回りの）第１の経路
４２　　　　（左回りの）第二の経路
５１　　　　第１の部屋
５２　　　　第２の部屋
１Ａ　　　　水平回転円筒
２－１　　　気体遮断渦巻き
２－２　　　気固接触改質渦巻き
３－１　　　熱分解ゾーン
３－２　　　低温熱媒体加熱ゾーン
３－３　　　中温熱媒体加熱ゾーン
４　　　　　ガスポンプ
Ｐ　　　　　製品ガス
Ｍ　　　　　原料有機物
ＰｙＧ　　　熱分解ガス
ＲｆＧ　　　改質ガス
ＨＧＨ　　　高温加熱ガス
ＨＧＬ　　　低温加熱ガス
ＨＨ　　　　高温熱媒体
ＨＭ　　　　中温熱媒体
ＨＬ　　　　低温熱媒体
Ｗ　　　　　固体残渣

Claims

　円板状に形成される第１の面板と、
　円板状に形成される第２の面板と、
　前記第１の面板に設けられる第１の入口及び第１の出口と、
　前記第２の面板に設けられる第２の入口及び第２の出口と、
　前記第１の入口から前記第２の出口へ繋がる右回りの渦巻き状の第１の経路と、
　前記第２の入口から前記第１の出口へ繋がる左回りの渦巻き状の第２の経路と、
を備える、渦巻き状移動機構。
　前記第１の面板及び前記第２の面板の中心を通り、略水平に配置される回転軸線の周りに回転するようになっている、請求項１に記載された渦巻き状移動機構。
　前記第１の入口及び前記第２の入口は、それぞれ前記第１の面板及び前記第２の面板の外寄りに配置されるとともに、前記第１の出口及び前記第２の出口は、それぞれ前記第１の面板及び前記第２の面板の内寄りに配置される、請求項２に記載された渦巻き状移動機構。
　前記第１の経路の外側の隔壁は、前記第２の経路の内側の隔壁であるとともに、前記第２の経路の外側の隔壁は、前記第１の経路の内側の隔壁であるようにされた、請求項２又は請求項３に記載された渦巻き状移動機構。
　前記第１の経路及び前記第２の経路には、内側の前記隔壁から外側の前記隔壁に向かって延びる、少なくとも１つの返し部材が設置されている、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載された渦巻き状移動機構。
　前記第１の入口及び前記第２の入口は、それぞれ前記第１の経路及び前記第２の経路を延長するように円弧状に形成された取り込み流路を有している、請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載された渦巻き状移動機構。
　請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載された渦巻き状移動機構と、
　前記渦巻き状移動機構の前記第１の面板に接続される第１の部屋と、
　前記渦巻き状移動機構の前記第２の面板に接続される第２の部屋と、
を備える、水平回転炉。
　別の前記渦巻き状移動機構をさらに１つ備えるとともに、別の前記渦巻き状移動機構の第２の面板に接続される第３の部屋をさらに備える、請求項７に記載された水平回転炉。
　前記第１の部屋又は前記第２の部屋の少なくともいずれか一方に、内部の固体粒子を循環させる循環機構が設置されている、請求項７又は請求項８に記載された水平回転炉。