日本碳化炉，2002 年 2 月。

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引言：近年来，有关垃圾焚烧的法规越来越严格，如《二恶英防治特别措施法》和《垃圾处理和公共清洁法》修正案。 另一方面，为了实现资源循环型社会，各种循环利用法也已立法，此外，由于最终处置场所的紧缩，垃圾处理成本也在飙升。 人们强烈要求在垃圾处理方面从焚烧和填埋转向回收利用。

因此，对于经过脱水、干燥和焚烧等中间处理后通常会被填埋的有机废物（如建筑废木料、厨余垃圾、污水污泥和牲畜粪便），正在出现一种替代简单焚烧的循环利用方法的需求。 碳化法作为其中一种方法突然进入人们的视线。

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炭化炉的发展现状和方向：木炭生产是炭化的一个典型例子。 目前，传统的木炭制造技术（如建窑和 prock 炉）以及用于工业化大规模生产的平炉、螺旋炉、回转窑和流化床炉都被用于木炭生产。 然而，虽然对于特性明确的材料（如稀薄木材和锯木厂废料）来说，采取二恶英对策的必要性很低，而且可以使用传统技术，但当碳化设备被视为废物焚烧的替代品和回收设备时，二恶英问题就不可避免了。

以回收为目的的碳化设备需要考虑的是如何在不产生二恶英的情况下以低成本获得优质碳化材料。 换句话说，窑炉必须密封且无氧（或低氧），以抑制二恶英的形成，同时允许高温蒸煮并搅拌内装物，以确保碳化均匀。

回转窑是满足这些要求的最广泛使用的碳化设备类型。 在回转窑系统中，材料被放置在一个旋转的圆柱形炉中，通过内部或外部加热进行碳化。 回转窑焚化炉的一个缺点是，残余材料（碳化物）必须在燃烧炉中进行后燃烧，直到完全化为灰烬。 这是碳化的一个优点。

这是一种很有前途的碳化系统的其他原因还有：（1）任何含有有机物的东西都可以碳化，原料中含有的有机物被转化为可燃的干馏气体，从中获得碳化所需的热量，从而节省了燃料。 (二）炉子结构简单，没有机械部件，因此故障少。

(3) 虽然需要先进的密封技术对炉子进行密封，但不再需要二恶英清除设备和火炉，因此在安装空间和设备成本方面具有优势。 (4) 生料在窑内旋转。

(4) 生料在窑炉的旋转中被来回切割，因此在燃烧过程中不会出现不均匀现象。 由于该领域的基本技术已经确立，从大型机械制造商到中小型公司和合资企业，许多公司都已进入碳化设备市场，并开发出从 10OO 公斤/天到几十吨/天的各种规模的设备。 本节将举例说明不同类型有机废物的碳化工艺、每种工艺所使用的碳化炉及其市场前景。

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不断扩大的木炭市场，有机废料：在开发废料的新用途方面，碳化技术吸引人们关注的主要原因之一是木炭的用途不断扩大。 尽管许多各类回收项目都在为其产品的销售而苦苦挣扎，但碳化材料的前景却相对光明。 20 世纪 40 年代，木炭的年产量约为 270 万吨，与煤炭一样被用作主要燃料。

但近年来，非燃料用途出现了新的需求，产量也在不断增加。 目前，日本每年出售的非燃料用木炭达 58835 吨（1999 年数字）。

这得益于木炭作为一种材料所具有的卓越功能，即它能通过其表面的无数微孔吸附空气和水中的异味物质以及水中的污染物，并能改善土壤质量，如在土壤中繁殖微生物和改善透气性和透水性（根据 1984 年《土壤动力促进法》被指定为土壤改良材料）。 最近，还证实了对甲苯、二甲苯和甲醛等挥发性有机化合物的吸附作用，这些挥发性有机化合物被认为是导致病态建筑综合症的因素。

与此相适应，从木材废料中提取木炭的使用量也在不断增加，例如削薄的木材、修剪下来的树枝、磨末和锯末。 这些炭化产品有望被广泛用作传统木炭产品的替代品，并增加附加值。 例如，它可用于饮用水、床上用品和枕头、气味控制、沐浴等，还可作为土壤改良剂和房屋湿度调节剂（调节地板下的湿度，防止蚁穴和白蚁的生长）而备受关注。

作为活性炭，它还有望用于二恶英吸附、工业用水净化和溶剂回收等更先进的领域。 活性炭是通过碳化物与氧化气体在高温下发生反应（气体活化法），或将未碳化的原材料浸渍在具有脱水和氧化特性的化学品中，然后在无氧状态下碳化（化学活化法），从而使活性炭更加多孔。

一般来说，表面积小于 800 米/克的为木炭，表面积大于 800 米的为活性炭，但一些经过高温（800°C 或更高）煅烧的碳化材料也具有类似的表面积，作为回收产品具有更高的附加值。 在木质废料碳化工作取得进展的同时，有机废料（如厨余）作为木炭原料的应用也开始得到开发。 目前，有机废物的回收利用主要是将其转化为堆肥或炉渣，然后再进行商业化。

不过，堆肥法预计未来会出现产品供过于求的情况，而焚烧销售和熔融灰（炉渣）的用途有限，如路基材料和建筑骨料。 顺便提一下，目前用废料制成的木炭价格为：黄瓜炭（用于土壤改良剂）每公斤 30 日元、大原炭（用于肥料）每公斤 80 日元、轮胎炭（用于除臭剂）每公斤 30 日元。

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建筑废材：建筑废材是炭化市场上最大的商机，因为它最接近木炭的原始原料，而且具有尚未开发的回收潜力。 特别是 2002 年 5 月《建筑材料回收法》的全面实施，将为其提供一个顺风。

根据国土交通省的 "2000 财政年度建筑副产品再循环调查"，将沥青混凝土和混凝土块再循环成再生骨料和路基材料的比率已大大提高，分别达到 98%（1995 财政年度为 85%）和 96%（1995 财政年度为 65%），而木材的再循环率则下降到 38%（1995 财政年度为 40%）。 然而，木材的回收率却下降到 38%（1995 财政年度为 40%）。 木片曾是建筑木材的主要用途，但由于木材废油机的老化和一些公共浴室的关闭，对木片的需求已经下降。

再生木片供应过剩，用于造纸和纸浆的木片价格全面下跌，人们支付运费将燃料木片运到工地的所谓反向债务案例越来越多，因此迫切需要开发应用软件。

根据《建筑回收利用法》，只有在距离建筑工地一定距离（25 公里）内没有回收利用设施或成本过高的情况下，才能作为特例对木材进行还原（焚烧）。 然而，如果只是简单地焚烧，木材作为一种资源就没有附加值。 考虑到社会对焚烧的反对，再加上回收利用的成本优势，预计从长远来看，回收利用将是大势所趋。

琦玉县熊谷市的熊谷 Carpon 公司是最早在这一领域开展业务的公司之一。 该公司成立于 1998 年 10 月，是拥有工业废物收集、运输和处理许可证的龟井产业的集团公司，作为木屑碳化公司，木屑的需求一直停滞不前。

该公司之所以作为一个独立的法律实体成立，是因为根据现行法律，作为工业废物处理商的龟井产业进行的碳化将被归类为焚烧，由此产生的碳化材料将被归类为 "飞散物"，不能作为产品销售。 因此，龟井产业被定位为一家工厂，在这里进行直到削片的工序，削片作为有价值的资源出售，而熊谷碳素公司则将其作为原材料购买并进行加工。

公司的碳化系统在削片过程中首先去除油漆、白蚁抑制剂和防腐剂。 这是因为如果将碳化材料用作土壤改良剂，这些材料可能会渗出。 然后，选定的废木材在破碎机中破碎。 使用筛子、磁性分离器和金属探测器彻底清除油漆碎片和金属，最后生产出原料碎片。

该公司使用的碳化设备称为重复摇摆式，由 Gyoko Giken 和 Chiyoda Engineering 联合开发。 基本上，与回转窑式一样，炉子在低氧条件下通过干馏进行气化，但不是旋转，而是像摇篮一样摇晃。 这确保了木炭的均匀和精细成型，并且不会失去形状。 原料入炉时，只使用少量燃料（煤油或重油 A）作为点火剂，其余过程完全依靠原料的自燃，原料在超过 1000°C 的温度下蒸煮约 40 分钟。

碳化过程中排放的干馏气不用于碳化，而是在干馏气燃烧炉中与空气混合后重新燃烧。 当使用含水量超过 1000°C 的原料时，这种废气还可用于干燥。 该厂每小时可从 2500 公斤木屑中生产出 2000 升木炭。 该公司还销售袋装的 "Sukoyaka Mokkun"（一种地板下湿度调节剂）和 "Irodori"（一种土壤调节剂）。

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城市垃圾：每年产生约 5100 万吨一般垃圾。 虽然由于地方当局扩大了分类收集范围，回收利用的比例最近有所增加，但仍有约 3 900 万吨直接被焚烧。 在这种情况下，一些城市正在考虑引进新的碳化炉，以满足在更换焚化炉的同时加强二恶英对策的需要。

由于城市垃圾中可能含有多种物质，而且每次产生的数量都很大，因此其产品的用途仅限于扩大热回收范围，如用作燃料、硬质碳化物、炼钢原料燃料等。 然而，其目的是通过一次碳化提高产品作为燃料的质量，并获得高附加值。 糸魚川地區都市廢棄物再利用協會（新潟縣糸魚川市）決定引進碳化爐，作為日本首個都市廢棄物再利用方法，並採用了日立公司從法國 TIDO 公司引進的碳化爐。

该炉的设计目的是回收垃圾中的金属成分，并将剩余的有机成分碳化，计划于今年 3 月完工，在 24 小时连续运行的情况下，处理能力为每天 70 吨。 这里获得的碳化物热值很高，每公斤 4,000-5,000 卡路里，因此计划用作煤炭的替代燃料。 栗本制铁所还收到了岐阜县惠那市的一份订单，订单内容是一座配备碳化设备的垃圾衍生燃料（RDF）转化厂。

该工厂将干燥可燃普通垃圾，将其转化为 RDF，然后进行干馏和碳化，并考虑到相同的燃料应用。 如果将城市垃圾焚烧产生的热量用于转动蒸汽涡轮机发电，那么能源回收效率将是直接焚烧垃圾的两倍以上。 将回收利用作为一种能源是这方面的一种思路。

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污水污泥：2000 年底，日本下水道系统的普及率为 62%。 全国污水处理厂产生的污泥约为 186 万吨（按产生污泥时的干重计算）。 由于含水量高达 75-80% 且易腐蚀，污水污泥被认为难以回收利用，但它正越来越多地被用作水泥和熔融凝固产品形式的建筑材料，其回收利用率为 57%，加上绿色农田回报，还有 3%被有效地用于能源利用等其他方面。

然而，越来越多的碳化厂实际上是为了更高的附加值而引进的。 琵琶湖近南中部净化中心（滋贺县草津市）自 2001 年 4 月起开始运行污水污泥碳化厂。 该系统是由大同钢铁公司与下水道工程局共同开发的带有干馏气体吹出管道的外燃式回转窑，由污泥料斗、干燥器/碳化炉以及碳化污泥储存和运输设施组成。

它每天处理 20 吨脱水污泥，生产约 1.7 吨碳化物。 碳化物作为脱水辅助材料和除臭材料在中心得到有效利用，同时也作为土壤改良剂和降雪剂返回周边地区。

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食物垃圾：2001 年 4 月生效的《食物回收法》要求每年产生 100 吨以上食物垃圾的 食品相关企业通过控制产生量、减少产生量和回收利用等方法，在 2006 年之前将其排 放量减少 20%。 日本每年产生的食物垃圾达 1940 万吨（根据 1996 年厚生省的一项调查）。 其中，340 万吨是食品制造业产生的工业废物，600 万吨是食品分销和餐饮业产生的工业废物，总计 940 万吨。

目前，这些与企业相关的厨余垃圾的回收利用率仅为 165 万吨（17%），其余 775 万吨被焚烧或填埋，因此提高回收利用率是当务之急。 然而，食品配送和餐饮业产生的厨余垃圾需要经过二次加工，因为相对于其体积而言，即使用作肥料或饲料，其有效成分也很少。

此外，在食品加工和烹饪阶段混入的盐会在堆肥过程中浓缩。 盐害的不利影响也已被指出，作为肥料或饲料的产品价值可能很低。 另一方面，产生大量有机废物的大公司，特别是啤酒业，正在推广回收利用，并通过甲烷发酵将其用作生物质能源，以努力实现工厂的零排放。

然而，许多食品制造业都集中在农村和渔业地区，那里是原材料的产地，而这些行业都是由中小型企业开展的。 这些企业的排放量有限，无法经济地安装大型设备，因此可以选择小型碳化设备。 Yasuhara Chemical（广岛县府中市）和 Vido（东京都新宿区）通过使用从柑橘类水果中提取的柠檬烯进行预处理，解决了在碳化过程中同样令人担忧的盐残留问题。 柠檬烯具有溶解和去除盐和油的特性。

在两家公司联合开发的 V-BOX J 中，首先将柠檬烯以最高 1%（重量比）的比例添加到厨余中，在 50°C 下搅拌 24 小时，然后进行脱水处理，从而去除盐分和油分，并将体积缩小到原来的 10%左右。 活性炭通过 300-400°C 的高温蒸煮获得。 已向兵库县淡路岛的一位洋葱种植者提供了 100 个单位的活性炭，用于加工洋葱叶和皮，并计划将活性炭与无纺布混合，用作屋顶绿化的介质。

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禽畜粪便：每年产生的禽畜粪便（禽畜废物）达 915.2 万吨，其中 96% 作为堆肥被回收利用，1% 最终被原样处理。 然而，有许多设施在将粪便运往堆肥设施之前管理不善，或者没有采取足够的措施防止臭味和渗漏到环境中，如堆肥板（在水泥地面上自然发酵），在某些情况下会因硝酸盐氮而造成河流和地下水的水污染。

针对这种情况，自 2004 年 11 月起，《牲畜排泄物法》规定畜牧业主有义务妥善处理和储存牲畜排泄物，大多数经营私人农场的小规模畜牧业主（10 头牛、100 头猪、2000 只鸡和 ID 以上的马）也必须遵守这一法律。 在北海道的一个低地农场，家禽粪便通常用作肥料，并在农场内部的焚化炉中焚化。

然而，二恶英问题导致焚化炉难以更新，因此决定安装碳化装置。 每 100 公斤鸡粪可产生 30 公斤颗粒状木炭。 分析表明，木炭中含有农作物生长所必需的氮、磷、钾三大元素，并建立了一个循环系统，将木炭与鸡粪混合，生产出增值肥料出售，所得收益用于生产谷物喂养鸟类。

小结：食物垃圾、污泥和牲畜排泄物含水量高，难以处理，碳化可将废物投入量减少到五到二十分之一（按重量计），因此，仅仅将该系统作为一种减重装置是有好处的。 此外，与堆肥或熔渣相比，木炭产品本身具有更高的商业价值，因此更容易建立回收业务，这也是引入该系统的一个有利条件。

然而，目前的木炭生产能力约为 50 000 吨。 即使其中的一半可以用有机废物制成的木炭替代，经过处理的黑土也只是其中的一小部分。 除非开发出更多的用途，否则就会像堆肥一样，不可避免地出现供过于求的情况。 不过，幸运的是，需求预计仍会增加，因为在棚屋问题的背景下，这种材料在建筑材料（如地板下层和墙壁材料）中的使用开始增加，还可用于斜坡和平展绿化项目以及园艺。

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此外，未来的碳化炉将需要在如何回收各种有机废物、相关废物特性以及产品预期用途的性能要求方面更加具体。 这将扩大炭化炉的市场，虽然炭化炉确实能处理废物，但它不会是过去多功能焚化炉的延伸，而是定位为生产木炭的工业 "煅烧炉"。