JP2004079495A - ごみのガス化ガスによる燃料電池発電システム - Google Patents

ごみのガス化ガスによる燃料電池発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】従来は、ごみのガス化ガスを内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の燃料とする実用的なプロセスは知られてなく、また、外部改質式溶融炭酸塩型燃料電池や天然ガスを内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の燃料とした場合、排ガス温度が４００℃程度と低く、回収エネルギーの用途が制限される。
【解決手段】ごみのガス化ガスをメタネーション反応器に導き、メタンリッチガスにすることにより、内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池での発電が可能となる。また、燃料電池カソード排気は燃料過熱器を出た後でも６００℃程度と高いため、これをごみのガス化設備に導くことにより、より高温を必要とするごみの乾燥や、ごみのガス化用酸化剤の加熱に利用でき、エネルギーの有効利用が図れる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみの熱分解ガス化ガスを内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の燃料にして発電する発電システムに関するものであり、エネルギー変換・利用技術に関するものである。
【従来の技術】
従来、ごみのガス化ガスを内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の燃料とする実用的なシステムは一般に知られていない。従って、類似の技術として天然ガスを燃料とした内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池発電システムを図３に示す。燃料昇圧ブロア３１で昇圧、脱硫装置３２で脱硫、フィルタ３３で粒子状物質を除去された天然ガスＮは燃料加湿器３４に供給され、燃料電池ＭＣＦＣからの排ガスＥにより加熱、および処理水Ｗ’により加湿される。さらに炭素析出を防止するためプレコンバータ３５で少量の水素ガスを生成し、燃料過熱器８で６００℃程度に加熱された後、別系統からの空気ＡＲとともに燃料電池に供給され、発電に使われる。燃料電池からの排ガスは燃料過熱器および燃料加湿器で熱回収された後、４００℃程度で排出される。また、図４に燃料加湿器の構造図を示す。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
（１）ごみのガス化ガスはガスタービン、ヂーゼルエンジンやガスエンジンなど内燃機関ならびに燃料電池の燃料としての利用が試みられていた。しかし、ごみのガス化ガスは低発熱量（１０００−２０００Ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ程度）であり、内燃機関で利用するためには燃焼装置にかなり改善が必要であり、利用が難しい。また、燃料電池の燃料とする場合も、外部改質式溶融炭酸塩型燃料電池や、天然ガスを燃料とした内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の場合、排ガス温度が４００℃程度と低く、回収エネルギーの用途が制限される。内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の燃料とするには電池の冷却方法あるいは燃料処理などに考慮が必要である。
（２）天然ガスを燃料とした内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の場合、発電効率は４７％と高いが熱利用を加えた総合効率は７２％程度である。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
（１）ごみのガス化ガス（燃料ガス）を圧縮機で加圧後メタネーション反応器に導き固定床触媒反応によりメタンリッチガスに転換する。この反応は発熱反応であり、この反応熱により、燃料ガスを加熱する。また反応熱を除去するために燃料ガスの冷却に水を使うことにより、発生した蒸気で燃料ガスを加湿出来る。このメタネーション反応器からのメタンリッチガスを燃料電池に供給する。これにより、燃料電池カソード排気を燃料ガスの予熱に使う必要がないため、カソード排気温度を高くすることが出来る。
（２）この高温のカソード排気を熱交換器に導き、空気圧縮機またはブロアで昇圧された空気と熱交換して空気を予熱し、この予熱された空気をごみのガス化設備のゴミの乾燥ゾーンに導き、直接ごみの乾燥に使う。
（３）（２）で予熱された空気を燃焼器に導き、さらに高温にした後、ごみの乾燥に使う。
（４）燃料電池からの高温のカソード排気をごみのガス化設備に導き、直接ごみの乾燥に使う。
（５）（２）で予熱された空気をごみのガス化炉に導き、ごみのガス化用酸化剤とする。
【０００４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はごみのガス化ガスによる内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池発電システムを示す。ごみのガス化ガス（燃料ガス）発生部分はごみの熱分解ガス化設備の一例を示し、直接本発明の対象ではなく、また、燃料電池からの排気は燃焼ガスであり、特殊性のあるものではないことから、ごみのガス化設備および燃料電池の部分の説明は基本的に省略し、ごみのガス化ガスの処理部分および燃料電池排気の利用部分について以下記述する。
ガス化溶融炉１で熱分解ガス化されたごみのガス化ガス（主成分はＨ２，ＣＯ，ＣＯ２）はガス洗浄塔２で洗浄、ガス精製装置３で精製され、さらにフィルタ４で粒子状物質を除去された後、燃料ガス圧縮機５に送られ、３ａｔａ程度に圧縮される。この燃料ガスＦは炭素析出を抑えるため、および下流での改質反応で必要とするため、メタネーション反応器上部に装着された汽水分離器２１からの水蒸気Ｓの一部と混合し、メタネーション反応器６に送られる。メタネーション反応器では、燃料ガスはＮｉ系触媒反応により、固定床で高温のメタンリッチガスＭが生成する。この反応は強発熱反応であり、処理水Ｗ’で冷却される。処理水は蒸発して水蒸気Ｓとなり、上記のとおり一部はメタネーション反応器に送られ、残りは余剰蒸気として別用途に使われる。図２にメタネーション反応器の構造図を示す。メタンリッチガスは燃料過熱器８でカソード排気Ｅによりさらに加熱され、燃料電池の内部改質器９で改質された後、発電に使われる。内部改質型式燃料電池では改質反応の吸熱と発電反応の発熱が相殺　されるので外部からの冷却は少なくてすむ。６００℃程度で燃料過熱器から排出されるカソード排気Ｅを、（ａ）そのままごみのガス化設備のごみの乾燥ゾーンＤに導き、ごみの乾燥に使う。（ｂ）空気予熱器１９で空気圧縮機１８’または空気ブロア１８で昇圧した空気と熱交換し、その予熱された空気Ｈをごみのガス化設備に導き、ごみの乾燥に使う。（ｃ）（ｂ）の予熱された空気を燃焼器２０でさらに高温にした後、ごみのガス化設備に導き、ごみの乾燥に使う。（ｄ）（ｂ）の予熱された空気をごみのガス化溶融炉に導き、ごみのガス化用酸化剤とする。などの利用方法があるが、本図は（ｃ）の燃料電池からの排気で空気を予熱し、燃焼器でさらに高温にした後ごみのガス化設備のごみの乾燥ゾーンに導入してごみの乾燥に使う場合を示す。
【０００５】
【発明の効果】
（１）従来、ごみのガス化ガスを内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の燃料とする実用的なシステムは一般に知られていなかった。ごみのガス化ガスをメタネーション反応器に導き、メタンリッチガスにすることにより、内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池での発電が可能となる。
（２）外部改質式溶融炭酸塩型燃料電池や、天然ガスを燃料とした内部改質式溶炭酸塩型燃料電池の場合、燃料の予熱および加湿に熱を取られるため、排ガス温度が４００℃程度と低く、回収エネルギーの用途が制限される。しかし、本発明の場合、燃料の予熱および加湿はメタネーション反応器で行われ、排ガス温度が６００℃程度と高いため、ごみのガス化設備に導くことにより、より高温を必要とするごみの乾燥やごみのガス化用酸化剤の加熱に利用でき、エネルギーの有効利用が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、ごみのガス化ガスによる燃料電池発電システムのフロー図
【図２】本発明の、メタネーション反応器の構造図
【図３】従来型の、天然ガスによる燃料電池発電システムのフロー図
【図４】従来型の、燃料加湿器の構造図
【符号の説明】
１　ガス化溶融炉
２　ガス洗浄塔
３　ガス精製装置
４　フィルタ
５　燃料ガス圧縮機
６　メタネーション反応器
７　ポンプ
８　燃料過熱器
９　内部改質器
１０　触媒酸化器
１１　水処理装置
１２　ブロック弁
１３　逆止弁
１４　水位調節弁
１５　流量調節弁
１６　圧力調節弁
１７　安全弁
１８　空気ブロア
１８’　空気圧縮機
１９　空気予熱器
２０　燃焼器
２１　気水分離器
３１　燃料昇圧ブロア
３２　脱硫装置
３３　フィルタ
３４　燃料加湿器
３５　プレコンバータ
３６　水処理装置
３７　処理水タンク
ＡＲ　空気
Ｂ　ごみ
Ｅ　カソード排気
Ｆ　燃料
ＦＧ　燃料ガス
Ｈ　予熱空気
Ｍ　メタンリッチガス
Ｎ　天然ガス
Ｏ　酸化剤（空気、酸素）
Ｓ　蒸気
ＳＧ　スラグ
ＰＭ　粒子状物質
Ｗ　水道水
Ｗ’処理水
Ｗ”洗浄水
Ｎｉ　ニッケル系触媒
ＭＣＦＣ　溶融炭酸塩型燃料電池
Ａ　アノード
Ｃ　カソード
Ｄ　乾燥ゾーン
Ｐ　圧縮ゾーン
ＤＣ　ダウンカマー
Ｔ　電熱管
ＳＮ　スプレイノズル

Claims (5)

  1. ごみのガス化ガス（Ｈ２，ＣＯ，ＣＯ２）をメタネーション反応器の反応熱により発生した蒸気と混合した後、メタネーション反応器に導きメタンリッチガスを生成し、これを内部改質式溶融炭酸塩型燃料電池の内部改質器を介してアノードに供給し、アノード排気を触媒酸化器に導き、未反応燃料を空気により酸化し、触媒酸化器出口ガスをカソードに供給して発電する発電システム。
  2. 燃料電池からのカソード排気を熱交換器に導き、空気圧縮機またはブロアで昇圧された空気と熱交換して空気を予熱し、その予熱された空気をごみのガス化設備のゴミの乾燥ゾーンに導き、直接ごみの乾燥に使う請求項１の発電システム。
  3. 請求項２で予熱された空気を燃焼器に導き、さらに高温にした後、ごみの乾燥に使う請求項１の発電システム。
  4. 燃料電池からの排気をごみのガス化設備に導き、直接ごみの乾燥に使う請求項１の発電システム。
  5. 請求項２で予熱された空気をごみのガス化炉に導き、ごみのガス化用酸化剤とする請求項１の発電システム。
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