JP2003504454A5 - - Google Patents

Description

【書類名】 明細書
【発明の名称】 有機物質又は有機物質混合物の熱分解ガス化方法及び装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】 有機物質又は有機物質混合物の熱分解ガス化方法であって、
上記有機物質を乾燥及び熱分解用の反応器（１）に導入して、上記有機物質を燃焼式流動床（３）の流動床物質（３５）と、あるいは該流動床物質（３５）と上記燃焼式流動床（３）の反応器壁とに接触させることにより乾燥及び熱分解をおこない、上記有機物質を上記乾燥による蒸気と、凝縮性物質及び固形炭化残渣を有するガスから成る熱分解生成物（１３）とに変える工程と、
上記固形炭化残渣及び上記流動床物質、あるいは上記固形炭化残渣、上記蒸気の一部、凝縮性物質を有する上記熱分解ガスの一部及び上記流動床物質を上記燃焼式流動床（３）内に案内して戻し、上記有機物質の炭化残渣を灰化して上記流動床物質を加熱した後、再び上記熱分解反応器（１）内に案内する工程と、
その後、別の反応領域（２）において、上記乾燥による蒸気と上記熱分解ガス（１３）とを凝縮性物質で処理し、高い発熱量の生成ガス（２３）を得る工程と、
上記乾燥及び熱分解を少なくとも一つ以上の熱分解反応器（１）内でおこなう工程と、
上記乾燥及び熱分解を、好ましくは、二つ以上の移動床式反応器、二つ以上の回転式反応器、又は複数の回転式反応器及び移動床式反応器から成る二つ以上の熱分解反応器（１）内でおこなう工程と、
上記熱分解残渣を灰化する上記燃焼式流動床（３）を固定流動床として運転する工程と、
上記熱分解ガス（１３）に対して、ガス化剤を供給しないか、場合によっては蒸気、酸素、空気又はこれらの混合物などのガス化剤を供給する工程と、
上記熱分解ガス（１３）を間接式熱交換器（２）へ導き、場合によっては上記ガス化剤（２１）と反応させる工程と、
燃焼廃ガス（３７）、あるいは該燃焼廃ガスと上記燃焼式流動床（３）の流動床物質とを上記間接式熱交換器（２）に接触させ、その熱容量を上記熱分解ガス（１３）と上記ガス化剤（２１）との反応に利用する工程とを備え、
上記流動床物質（３）は、上記有機物質の灰分、上記有機物質の灰分と燃焼されなかった炭化残渣、上記有機物質の灰分と別の流動化物質との灰分、又は上記有機物質及び別の流動化物質の灰分と燃焼されなかった炭化残渣のみから成る熱分解ガス化方法。
【請求項２】 上記熱分解を４５０℃ないし７５０℃の温度でおこなう請求項１記載の方法。
【請求項３】 上記生成ガス（２３）を上記熱分解反応器（１）内に案内して戻す請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】 蒸気、酸素、空気又はこれらの混合物などのガス化剤を上記熱分解反応器（１）内に加える請求項１ないし請求項３の何れかに記載の方法。
【請求項５】 上記燃焼式流動床（３）の反応器壁の面が上記熱分解反応器（１）及び上記燃焼式流動床（３）側において何らかの閉じた幾何学形状になるよう形成する請求項１ないし請求項４の何れかに記載の方法。
【請求項６】 上記熱分解ガス（１３）と上記ガス化剤（２１）との反応は、８００℃ないし１０５０℃の温度で行われる請求項１ないし請求項５の何れかに記載の方法。
【請求項７】 上記熱分解ガス（１３）と上記ガス化剤（２１）との反応は、触媒の存在下で行われる請求項１ないし請求項６の何れかに記載の方法。
【請求項８】 上記ガス化剤（２１）を用いた反応（１３）は、触媒材料の固体層で行われる請求項１ないし請求項７の何れかに記載の方法。
【請求項９】 上記熱分解ガス（１３）と上記ガス化剤（２１）との反応は、触媒材料の流動層で行われる請求項１ないし請求項８の何れかに記載の方法。
【請求項１０】 上記熱分解ガス（１３）と上記ガス化剤（２１）との反応は、噴流の上記熱分解ガス（１３）に加えられた触媒の存在下で行われる請求項１ないし請求項９の何れかに記載の方法。
【請求項１１】 熱分解反応器（１）と、上記熱分解残渣を燃焼する流動床（３）と、上記熱分解ガス（１３）の反応領域（２）と、上記燃焼式流動床（３）と上記熱分解反応器１）との間で循環させる流動床物質とを備え、有機物質又は有機物質混合物の熱分解ガス化方法、特に、請求項１ないし請求項１０のうちの一つ以上に記載の方法を実行する装置であって、
適用材料の搬入路及び上記燃焼式流動床（３）からの流動床物質の入口を有する高炉又は回転式反応器が、上記燃焼式流動床と隣接して配置されており、上記高炉（１）がその下端に上記流動床物質を上記燃焼式流動床へ移動させる装置を有する一方、上記燃焼式流動床（３）が上記流動床物質を上記高炉（１）へ移動させる越流部を有しており、上記熱分解ガス（１３）用の高炉（１）に連結された伝熱部材（２）に対して上記燃焼式流動床（３）の廃ガス（３７）が供給可能に構成されていることを特徴とする装置。
【請求項１２】 少なくとも一箇所又は複数箇所において流動床物質を上記燃焼式流動床（３）から移動させること且つ上記熱分解反応領域内に案内することが可能に構成されている請求項１１記載の装置。
【請求項１３】 少なくとも一箇所又は複数箇所において、一つ以上の越流部を用い、流動床物質を上記燃焼式流動床（３）から移動させること且つ上記熱分解反応器内に案内することが可能に構成されている請求項１１又は請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】 耐熱性物質を加えることにより流動床が形成可能に構成されている請求項１０ないし請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】 燃焼されないとともにガス化されない上記適用材料の成分を用いることにより流動床が形成可能に構成されている請求項１０ないし請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、有機物質又は有機物質混合物の熱分解ガス化方法及びそのような方法をおこなうための装置に関する。
【０００２】
有機物質及び有機物質混合物を処理及び利用するための一連の方法として、例えば、ガス化及び熱分解が知られている。これらの方法は、使用する酸化ガス又は還元ガス次第で、そして固形物とガスとの接触のさせ方次第で異なる。固形物あるいはガスの動きについては、とりわけ、循環流動床ガス化装置、噴流床ガス化装置、回転炉によるガス化装置と、ガスが向流、並流、又は十字流の動きをとる移動床ガス化装置との間で明確な区別がされる。周知のガス化方法の大多数は、装置の高い作動力のため、小規模、分散型のシステムには不都合である。バイオマスを適用材料として用いる場合、特に望ましいのは小規模、分散型のシステムである。
【０００３】
循環流動床の原理に基づくガス化方法における運転時の作用は、流動床の収容部分に収める、ガス化される適用材料及び循環させる、自動力のない材料のそれぞれの粒径に大きく左右される。これに伴ない、適用材料の個々の寸法に対する要求が生じる。燃料の作成において要求が極めて高い、噴流床によるガス化の場合、微粉状の燃料粒子しか利用できない。
【０００４】
周知のガス化方法のさらに重大な欠点は、適用材料の乾燥、脱ガス、ガス化、及び灰化の一連の工程段階が、直接隣接するとともに互いに結合する領域内で進行することである。その結果、反応器内の各領域の境界が不明確になり、脱ガス、ガス化、及び灰化が部分的に不完全な形で進行してしまう可能性がある。さらに、周知の方法においては、これらの欠点を、燃料の脱ガス、ガス化、及び灰化のために進行する各工程段階を分けることにより排除する試みもなされている。
【０００５】
乾燥した又は湿気を帯びた、細粒又は断片状のバイオマスと廃棄物とをガス化あるいは灰化する方法及び装置を提案しているＤＥ１９７２０３３１Ａ１においては、焼却装置の壁が高温であること、そして焼却装置から脱ガス炉に高温の廃ガスが流入することに起因し、そこで生体原料が脱ガスされることによりコークスガス及び熱分解ガスが生成され、コークスは粉砕機を通過した後にガス化反応器の無煙燃焼層に到達する。ところが、限られた量の空気の供給下、熱分解ガスはガス化反応器の焼却室において燃焼し、その後、生成された廃ガスがガス化反応器の無煙燃焼層を通過し、炭素が酸化して一酸化炭素になると同時に、廃ガス（ＣＯ_２）と蒸気（Ｈ_２Ｏ）が可燃性の希薄なガス（ＣＯ、Ｈ_２）になる。熱分解が、高温で可燃性の廃ガスを接触させることによる熱を利用しておこなわれ、さらに、熱分解ガスの部分的な燃焼がおこなわれることから、ＤＥ１９７２０３３１Ａ１において提案されている方法では、低い発熱量の生成ガスしか生成できない。揮発性成分を多く含有するとともに、熱分解によるコークスの生成量が低い燃料を用いる場合、熱分解コークスから成るガス化反応器の無煙燃焼層の形成が不十分なものとなる危険性をはらむことになり、炭素が酸化して一酸化炭素になると同時に廃ガス及び蒸気が可燃性の希薄なガスになる工程が、生成ガスの発熱量を犠牲にした不十分なものとなる。
【０００６】
さらに、ＵＳ４５６８３６２において知られている有機物質及び有機物質混合物のガス化方法では、有機物質を熱分解反応器に導き、そこで有機物質と熱媒体とを接触させることにより急速な熱分解を起こして、有機物質を、凝縮性物質及び固形の炭化残渣を有する熱分解ガスから成る熱分解生成物に変え、そして、燃焼反応器及び熱分解反応器の第２の反応領域で固形炭化残渣を灰化させることにより、熱分解に必要な熱エネルギーをつくりだす。タールを含有する熱分解ガスは、高い発熱量の生成ガスが得るられるように熱分解反応を受け且つ蒸気と反応する。これらの方法において、熱分解及び固形炭化残渣の灰化はともに流動床でおこなう。タールを含有する熱分解ガスのための反応領域は、熱分解流動床の上部に形成されている。流動床の運転は多大な労力を必要とするが、反応領域内における熱分解ガスの反応を制御することはほとんど不可能である。
【０００７】
特許が付与されたドイツ特許ＤＥ１９７５５６９３Ｃ１の旧優先権を有し且つ予備公開されていないドイツ特許出願１９７７７６９３．０においては、有機物質及び有機物質混合物のガス化方法が開示されている。
【０００８】
本発明の根本的な目的は、有機物質又は有機物質混合物の熱分解とガス化を容易におこなう方法、及び発熱量の高いガスを生成する装置を提供することである。
【０００９】
これらの目的は、請求項１ないし請求項１１の特徴により達成される。従属クレームにおいて示す特徴を利用することにより、本発明の有利な実施形態及びさらなる発展が可能となる。
【００１０】
上記目的の達成するため、本発明に係る有機物質及び有機物質混合物の熱分解ガス化方法では、熱分解を移動床式反応器又は回転式反応器内でおこない、例えば蒸気及び/又は酸素のガス化剤を場合によっては熱分解ガスに加え、これらを反応領域内に導いて上記熱分解ガスと上記ガス化剤とを反応させる。固形炭化残渣と、場合によっては上記熱分解ガスの一部とを、独立的に又は流動床物質とともに流動床式燃焼反応器へ導き、そこで灰化する。上記流動床物質はそこで加熱される。燃焼による廃ガス及び上記流動床物質を反応領域に接触させて、これらの熱容量を、上記熱分解ガスと上記ガス化剤との反応に利用できるようにする。灰分、燃焼されなかったコークス、そして、場合によっては、さらに供給された耐熱性の流動床物質から成るとともに上記流動床式燃焼反応器から取り入れられた流動床物質を、熱媒体として上記熱分解反応器に戻してその熱を適用材料に伝え、該適用材料と上記流動床物質との接触により、場合によってはさらに上記流動床式燃焼反応器の高温の壁を通して熱分解をおこなう。
【００１１】
上記適用材料を、上記燃焼式流動床から上記熱分解反応器へ供給される上記高温の流動床物質に接触させることにより急速に乾燥及び熱分解される。上記反応器としては高炉が適当であり、その場合、上記適用材料と上記流動床物質との混合物は高炉の上部から下部へ移動する。上記高炉での固形物の移動を確実にするため、固定機器、螺旋状のコンベヤ又は攪拌器を従来技術に従って設けることが可能である。上記熱分解反応器は、例えば、回転式の反応器としても構成することが可能であり、その場合、上記適用材料と上記高温の流動床物質との混合を良好におこなうことができると同時に、固形物の確実な移動を達成することができる。乾燥及び熱分解の間に上記適用材料から流出した蒸気は、上記熱分解反応器を出た後、さらに反応領域へ入る。上記固形炭化残渣の残りと上記流動床物質との混合物は上記燃焼式流動床に運ばれるが、スクリューコンベヤ又は搬送のための傾斜した管を有するスターホイールなど従来の要素も使用可能である。本発明の装置に関してはスクリューが好ましい。
【００１２】
上記熱分解は高炉でおこなうことが好ましく、その場合、熱分解流動床のために必要とされる流動化媒体の供給を省くことが可能になる。そうすることにより、ガスを全く供給することなく上記熱分解をおこなうことが可能になるか、または、流動化のために最小限の量のガスが供給される必要のある熱分解流動床と違い、所望の少量の、例えば、生成ガス、あるいは蒸気、酸素又は空気などのガス化剤を加えることも可能になる。そのような場合、各適用材料に関する技術的方法の応用として、ガス又はガス化剤を上記熱分解反応器に加えることも可能である。本発明の方法において、上記熱分解は、空気及びガスが存在しない熱分解反応器内でおこなわれることが好ましい。独立した工程段階において上記熱分解をおこなった場合の別の利点は、熱分解の間に生じる粉砕による効果が、いぶり及び脱ガスにより、流動床反応器で通常用いられるものよりも粗い断片状の物質を用いることを可能にすることである。また、ローラー式の粉砕機などの粉砕装置を、上記固形炭化熱分解残渣及び上記流動床物質を上記燃焼式流動床へ送る搬入装置の前に置くことも可能であり、それにより上記適用材料の粒径に関する要求をさらに低減することができる。ここで、熱分解コークスの粉砕に利用するエネルギーは、例えば、木材などのバイオマスの粉砕に利用するエネルギーよりも実質的に小さい。
【００１３】
上記熱分解による固形炭化残渣は上記流動床中の空気で灰化され、エネルギー放出により、それ自体が灰分などの流動床物質となり、既に存在する流動床物質をさらに加熱するか又は再び加熱する。上記燃焼式流動床は流動床技術に関する知識のレベルに応じて設計及び運転することが可能である。空気を段階的に加えることは、上記燃焼式流動床からの流出に関して有利になり得る。上記燃焼反応器は固定流動床の形で設計されてもよいが、その場合、流動化媒体のガス量を十分にして、固形物の最低限の流動化速度を上回るようにしなければならない一方、その産出の速度を上回らないようにしなければならない。流動床の高さが約２．５ｍないし約３ｍの場合、脈動する流動床の形成及びそれに伴なう圧力脈動を防止するために固定機器を設ける必要がある。燃焼の進行により加熱された上記流動床物質は、最後に再び上記熱分解反応器に供給される。上記流動床物質は上記固形炭化残渣の灰化の後に残留する灰分から成る。上記燃焼式流動床内において上記熱分解コークスの不完全な燃焼が生じた場合、熱媒体として循環するよう案内される流動床物質は、上記適用材料の灰分及び燃焼されなかった炭化熱分解残渣から成る。上記有機物質の固形炭化残渣、及び有機物質の混合物は概して上記燃焼式流動床内で急速に変質し、それらの一部はガス化又は灰化されない物質を低い割合でしか有することができないので、場合によってはさらに物質を加えて流動床を形成することが必要である。上記適用材料がガス化又は灰化されない物質を大量に有する場合は流動床を形成する上で好都合であり、物質をさらに加える必要がなくなる。粒径が１．５ｍｍ未満の砂など、あらゆる耐熱性の物質は流動床を形成するために加えられる物質として適切である。上記高温の流動床物質の移動及び上記熱分解反応器への移動は、上記反応器の壁に設けられた又は上記反応器の壁から上記流動床に至る一つ以上の越流部でおこなわれることが好ましい。この方法が有利なのは、上記高温の流動床物質の上記熱分解反応器への移動に加え、上記燃焼式流動床の流動床高さを容易に設定できる点である。上記流動床物質の移動をスクリューコンベヤなど他の公知のコンベヤでおこなうことも可能であるが、その場合の技術的方法は多大な労力を要するものとなる。
【００１４】
本発明は、容易におこなうことが可能な工程段階でその方法を構成するという基本概念に基づいている。上記適用材料の特性を考慮しながら且つ意図した性質の生成ガスを得るため、各工程段階を相互関係に応じて理想的に構成することが可能となっている。
【００１５】
以下には、本発明の好適な実施形態が例として示されているが、その中で説明される図面においても本発明のさらなる利点が示されている。
【００１６】
図１から分かるように、適用材料１０及び熱媒体としての流動床物質３５が熱分解ステージ１に供給される。流動床物質３５により送られる熱流は、燃焼式流動床の温度、流動床物質３５と適用材料１０との状態及び質量流、及び所望の熱分解温度から生じる。さらに、凝固剤１１を供給し、熱流３４を燃焼式流動床３から送る。熱分解ステージ１からは、反応領域２内に案内される熱分解ガス１３、燃焼反応器内（燃焼式流動床３）に案内される熱分解ガス１５、流動床物質と熱分解による固形の炭化残渣との混合物１４、そして熱損失流１２が流出する。
【００１７】
流動床物質と熱分解による固形炭化残渣との混合物１４は、熱分解ガス１５及び空気３１とともに、燃焼式流動床３内に案内される。灰化により加熱された流動床物質３５は再び熱分解反応器１内に案内される。また、高温の廃ガス３７は燃焼式流動床３から流出する。この廃ガスが有する熱３６の一部は反応領域２に送られる。さらに、全体的に充填された収容部での操作の安定性を制御するために除く必要がある熱損失流３３及び流動床物質３２が、燃焼反応器３から流出する。
【００１８】
反応領域２に供給された熱分解ガス１３は、触媒の存在下に、供給された熱３６により、ガス化剤２１とともに生成ガス２３に変えられる。最後に生成ガス２３及び熱損失流２２が反応領域２から流出する。
【００１９】
（実施例）
以下の例において、本発明の方法及び装置の好適な構成を説明する。図２に基づく好適な方法及び図３に基づく好適な装置は、１時間当たり９００ｋｇの木材を熱分解してガス化するためのものである。例として使用される木材は、重量で５２．３パーセントの炭素、重量で５．９パーセントの水素、及び重量で４１．８パーセントの酸素から実質的に成っており、いずれの場合も燃料物質に関しては水分及び灰分がないものとし、さらに、未加工の適用材料に関しては重量で０．５１パーセントの灰分を有するものとする。木材の発熱量は、水分のない状態に関しては、Ｈｕ＝１７．２ＭＪ/ｋｇに達し、熱によるガス化のエネルギーは３．９２ＭＷに達する。
【００２０】
図２に示す木材のガス化方法の好適な実施形態では、木材１０は、熱分解ステージ１に送られる前の適用材料の状態に応じ、準備ステージ４で粉砕及び/又は乾燥される。木材は、準備ステージ４の後、重量で８．９パーセントの水分含有量を有する。
【００２１】
熱分解は５８０℃の温度でおこなわれる。熱分解反応器１に導入される流動床物質３５は９００℃の温度を有するため、４．１倍の量、即ち３．７ｔ/ｈの流動床物質が供給されるとともに循環される必要があり、それにより適用材料が５８０℃の熱分解温度まで加熱される。木材が熱分解されると、（未加工の燃料に関して）重量で２０．３パーセントが、Ｈｕ＝３０ＭＪ/ｋｇの発熱量を有する固形の熱分解残渣として最後に残留する。ガス１３が反応領域２に入るに伴ない、乾燥及び熱分解の後に残留する生成物は熱分解反応器１を出て行く。固形熱分解残渣と流動床物質との混合物１４は燃焼式流動床３に供給され、そこで空気３１により燃焼される。木材の固形熱分解残渣を有する燃焼式流動床に供給されるエンタルピー流は１．５２ＭＷに達する。本例において、熱損失３３、除かれる流動床物質３２、流動床物質３５、及び反応領域２に送られたエネルギー量３６が除かれた後、煙道ガス流３７と結合する過剰なエネルギーは燃焼式流動床物質３内に残留する。このため、伝熱部材８の燃効率を考慮しつつ、処理７が施された水流７０を用いて過熱蒸気流を発生させる。反応領域２に供給される蒸気流２１を８において発生した過熱蒸気流から得た場合、過熱蒸気流７１は、タービン９により緩和される圧力である０．４５ＭＷのエネルギーを有するままとなる。
【００２２】
蒸気２１のガス化剤の供給下、熱分解ガス１３は、タールの分解を向上させる触媒が着けられた伝熱部材から成る反応領域２へ導かれる。熱分解ガス１３と蒸気２１との反応に必要なエネルギーは、燃焼式流動床３からの高温の煙道ガス流３６により伝熱要素２に送られ、燃焼式流動床３の操作管理に応じて、８５０℃ないし９００℃で反応が起こる。熱分解ガスの部分的な灰化によりさらに温度を上昇させるため、空気又は酸素もまた蒸気２１のガス化剤に混合することが可能である。得られる生成ガス２３は９．８７ＭＪ/Ｍ^３（Ｖ_Ｎ）の発熱量を有するとともに、以下のガス成分、即ち、容量で４８．７パーセントのＨ_２、容量で３６．１パーセントのＣＯ、容量で０．１パーセントのＣＨ_４、容量で６．１パーセントのＣＯ_２、容量で９パーセントのＨ_２Ｏから構成される。生成ガス２３は次に準備ステージ５で除塵及び冷却される。生成ガスの化学エネルギー量に対する適用材料の化学エネルギーである冷ガス効率は８０．８％に達する。
【００２３】
図３は、本発明の熱分解及び脱ガスのための装置の好適な実施形態を例として略図の形で示している。ここではスターホイールの形で例示されているガス不浸透性の搬入装置により、木材１０が熱分解反応器１に加えられる。燃焼式流動床３からの越流により供給される高温の流動床物質３５との接触で、適用材料の乾燥及び熱分解が起こる。生成されたガス１３は、ここでは例として管型の伝熱部材の形で設計されている反応領域２に導かれるとともに蒸気２１が加えられる。熱分解ガス１３が蒸気２１により変質した後、生成ガス２３は準備ステージ５で冷却及び浄化される。熱分解反応器１と燃焼式流動床３との間での不要なガス交換を回避するように、生成ガス５０の経路のファンと煙道ガス６０の経路のファンとは互いに対応させなければならない。燃焼式流動床３からの越流により熱分解反応器１は常に流動床物質３５で満たされるよう構成されていること、そして、上記ファンとの組み合わせにより、両反応器間のガス交換は容易に防止される。固形の熱分解残渣と循環する流動床物質との混合物１４を燃焼式流動床３に送るため、スクリューが設けられていることが好ましい。スクリューは、流動床３よりも、物質で満たされたスクリューの経路の圧力損失が大きくなるよう構成されており、燃焼式流動床３に供給される空気３１は、側管を通じて熱分解反応器１に流入しない。圧力が例えばタービン９により緩和される蒸気流７１は、伝熱部材８による煙道ガス３７の熱を用いて水流からつくられる。蒸気流７１の一部は反応領域２の蒸気２１として用いることができる。廃ガス６０は煙道ガス浄化部６に供給される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る方法における、熱分解ステージ、反応領域、及び燃焼式流動床での質量流とエネルギー流。
【図２】
本発明に係る方法の実施例の概略図。
【図３】
本発明に係る装置の実施例の概略図。
（符号の一覧）
１ 熱分解反応器
１０ 適用材料
１１ 凝固剤
１２ 熱損失
１３ 熱分解ガス
１４ 固形の熱分解残渣と流動床物質との混合物
１５ 熱分解ガス
２ 反応領域
２１ ガス化剤
２２ 熱損失
２３ 生成ガス
３ 燃焼
３１ 空気
３２ 流動床物質
３３ 熱損失
３４ 熱流
３５ 流動床物質
３６ 熱流
３７ 燃焼廃ガス
４ 前処理ステージ
５ ガス浄化
５０ 浄化されたガス
６ 煙道ガス浄化
６０ 廃ガス
７ 水の処理
７０ 水
７１ 蒸気
８ 伝熱部材
９ タービン