JP2004115688A - 廃棄物ガス化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマス、有機性廃棄物、ＲＤＦ（Ｒｅｆｕｓｅ　Ｄｅｒｉｖｅｄ　Ｆｕｅｌ）、ＲＰＦ（Ｒｅｃｙｃｌｅ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ　Ｆｕｅｌ）等の廃棄物をガス化して、燃料用ガスとしてマテリアルリサイクルする小規模に適したガス化方法を提供する。
【解決手段】まずコークスが混合された廃棄物を、炉心管３及び該炉心管３の内部を撹拌するビータ５を有するロータリキルン１に投入する。次に炉心管３のガス化部３ａにおいて、廃棄物を撹拌しながらガス化させる。次に炉心管のガス化部３ａよりも下流側のガス改質部３ｂにおいて、熱分解によって廃棄物から生成されるタール及び／又はチャーをガス化させる。廃棄物に混合されたコークスは炉心管３から排出される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃棄物を熱分解してガス化する廃棄物のガス化方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス化炉としては古くから石炭又は石油を原料とする都市ガス用のものが知られている。廃棄物用のガス化炉には、流動床炉、固定床炉、ロータリキルン炉などがあり、その多くはガス化溶融炉として廃棄物の大量処理を目的に開発されている。
【０００３】
廃プラスチックの化学原料化としては加圧型流動床炉によるガス化が実用段階にある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの技術は大量処理に適したものが多く、取扱いが容易で、小さな処理量に適した小型ガス化炉の技術がまだ確立していない。これまでの技術を小さな処理量の小型ガス化炉に適用しようとすると、「回収効率」「副生成物」「取扱い性」の点で問題がある。
【０００５】
「回収効率」：廃棄物を大量に処理をする設備では、廃棄物を直接燃焼あるいはガス化後二次燃焼を行い、ボイラもしくは廃熱ボイラを利用したエネルギ回収が効率良く一般的である。しかし時間当たり数トン程度かそれ以下の小規模設備においては、ガスとして回収利用するか、ガスエンジンを利用して発電する方が効率は良い。
【０００６】
「副生成物」：ガス化と共に生成するタール、チャーの改質、除去には、ガス化炉とは別にガス改質設備を設けるか、ガス化後すぐに二次燃焼させるのが一般的である。タールやチャーは、通常、ガス化温度よりも高い温度で水蒸気と反応させてこれらをガスに改質するが、この反応は吸熱反応であるため、高温を維持するためのエネルギを必要とし、ガス化炉とは別に改質炉を設けると設備が複雑になるか、若しくはエネルギ効率が悪くなる。
【０００７】
ガス化温度を高温にするとガス化時のタール、チャーの発生を抑えることはできるが、炉を高温に維持する分エネルギ効率は悪くなる。
【０００８】
ガス化後すぐに二次燃焼を行う方法は、副生成物による弊害を避けることはできるが、ガスとしての回収にはならない。
【０００９】
「取扱い性」：２ＭＰａ程度に加圧ガス化する手段もあり、タール、チャーの少ない低分子量のガスを得るには適しているが、加圧しているので炉の制御、取扱いが複雑になり小型設備には不向きと考えられる。
【００１０】
一方、地球環境保護の面から地方に分散している小規模資源の活用も求められている。
【００１１】
そこで本発明は、バイオマス、有機性廃棄物、ＲＤＦ（Ｒｅｆｕｓｅ　Ｄｅｒｉｖｅｄ　Ｆｕｅｌ）、ＲＰＦ（Ｒｅｃｙｃｌｅ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ　Ｆｕｅｌ）等の廃棄物をガス化して、サーマルリサイクル／マテリアルリサイクルを行う、小規模に適したガス化方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また本発明の他の目的は、廃棄物のガス化に際し、タール、チャーの生成を抑え、できるだけガスの状態で回収する方法、及び取扱いが容易な小型ガス化設備の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明者は、ガス化補助材として少なくともコークスを混合させた廃棄物を、炉心管内に撹拌翼を有するロータリキルンを利用してガス化させた。
【００１４】
すなわち請求項１に記載の発明は、コークスが混合された廃棄物を、炉心管及び該炉心管の内部を撹拌する撹拌翼を有するロータリキルンに投入する投入工程と、前記炉心管のガス化部において、前記廃棄物を撹拌しながらガス化させるガス化工程と、前記炉心管のガス化部よりも下流側のガス改質部において、熱分解によって廃棄物から生成されるタール及び／又はチャーをガス化させる改質工程と、ガス化させたガスを冷却する冷却工程と、前記コークスを前記炉心管から排出する排出工程とを備えることを特徴とする廃棄物ガス化方法により、上述した課題を解決した。
【００１５】
この発明によれば、ガスの急冷過程等で生じた未改質のタール及び／又はチャーは撹拌翼の掻き取り作用により、ロータリキルン内面に付着せずコークス等に付着して炉外に排出される。
【００１６】
本発明の好ましい一態様は、前記改質工程では、前記炉心管の外から熱が与えられると共に、前記ロータリキルンに投入される水蒸気ならびに触媒によって前記タール及び／又はチャーをガス化させることを特徴とする。
【００１７】
改質工程ではコークスと触媒との存在下でガスと水蒸気との水性ガス反応を生じさせ、タール及び／又はチャーを主として一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ_２）に変換する。この反応は吸熱反応であるため必要な熱量が外熱によって与えられる。
【００１８】
また前記投入工程では、前記炉心管から排出された前記コークスがガス化補助材として再度投入されるのが望ましい。
【００１９】
この発明によれば、コークス等に付着したタール及び／又はチャーが原料となり、再利用の時ガス化される。このため廃棄物のガス化に際し、タール、チャーの生成を抑え、できるだけガスの状態で回収することができる。
【００２０】
さらに本発明は、コークスが混合された廃棄物をロータリキルンに投入する投入装置と、炉心管及び該炉心管の内部を撹拌する撹拌翼を有し、投入された廃棄物をガス化させるロータリキルンとを備え、前記炉心管は、廃棄物を撹拌しながらガス化させるガス化部と、該ガス下部よりも下流側に設けられ、熱分解によって廃棄物から生成されるタール及び／又はチャーをガス化させるガス改質部と、ガス化させたガスを冷却するガス冷却部とを有し、前記炉心管から前記コークスが排出されることを特徴とする廃棄物ガス化装置により、上述した課題を解決した。
【００２１】
前記ロータリキルンの前記ガス改質部には、水性ガス反応を促進する触媒が保持されるのが望ましい。
【００２２】
前記ガス化部は、５００〜８００℃に設定され、前記ガス改質部ではヒータによって６５０〜１０００℃且つ前記ガス化部よりも高い温度に設定されることが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に基づいて本発明の一実施形態における廃棄物ガス化装置について説明する。本実施形態では、バイオマス、有機性廃棄物、ＲＤＦ（Ｒｅｆｕｓｅ　Ｄｅｒｉｖｅｄ　Ｆｕｅｌ）、ＲＰＦ（Ｒｅｃｙｃｌｅ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ　Ｆｕｅｌ）等の廃棄物をガス化して、サーマルリサイクルあるいはマテリアルリサイクルに供する。
【００２４】
ここでバイオマスとは、天然の有機資源の集まりで、例えば森林系の木材、有機系のごみが該当する。また有機性廃棄物には廃棄プラスチックが含まれる。ＲＤＦとは、産業廃棄物や一般廃棄物の中から選別した可燃物を粉砕、粒度調整、成形固化などの加工により製造した固形燃料と定義され、ＲＰＦは廃プラスチックのみを原料とした固形燃料と定義される。
【００２５】
図１は廃棄物ガス化装置の全体構成図を示す。本実施形態では、炉心管内にビータ等の撹拌翼を有し、高撹拌性、高熱伝達性、掻き取り性を持つロータリキルン１を利用して、廃棄物をガス化させている。またガス化補助材として廃棄物に小粒コークスを添加している。
【００２６】
廃棄物をロータリキルン１に投入する投入装置としての原料挿入用フィーダ２のホッパ２ａには、廃プラスチック等のガス化原料、小粒コークス（２ｍｍ以上２０ｍｍ以下）、必要に応じて原料と同時に部分酸化反応や水性ガス反応を促進する触媒（例えば硝酸カルシウム、炭酸ナトリューム、酸化マグネシウム、ニッケル、酸化ニッケル、ステンレス鋼、酸化鉄などを単体もしくはアルミナ等に担持させたもの）が投入される。
【００２７】
廃プラスチックはリングダイ等の成形機で小径に成形するのが好ましいが、規模によってはフラフの状態でも利用できる。木質系の廃棄物はチップ等に破砕して、ＲＤＦ、ＲＰＦは成形された形状若しくは細かく粉砕して利用する。有機性廃棄物は破砕して利用するが、含水率が５０％以上については乾燥後利用する。これにより廃棄物が原料投入装置にあった形状、ガス化し易い形状になる。ホッパ２ａから切り出された廃棄物は、先端が炉心管内に挿入される原料挿入用フィーダ２のスクリューによってロータリキルン１に投入される。
【００２８】
ロータリキルン１の炉心管３には廃棄物の投入と同時にガス化空気又は酸素、及びガス改質用水蒸気が投入される。なお有機性廃棄物、バイオマス、ＲＤＦの中には含水率が高いものもあるので水蒸気を入れる必要のない場合もある。
【００２９】
ロータリキルン１は、駆動モータ４により回転する炉心管３を略水平方向に向けて配置し、炉心管３の内部にその軸線方向に延び、翼片が放射状に形成されたビータ５（図２参照）を配設して構成される。
【００３０】
円筒状に形成された炉心管３はその上流側から乾燥ガス化部３ａ、ガス改質部３ｂ、ガス冷却部３ｃと区画される。乾燥ガス化部３ａ及びガス改質部３ｂの炉心管３は外周の略全体を耐火保温材６，６によって被覆される。ガス改質部３ｂの炉心管３と耐火保温材６との間にはヒータ７が配設されている。炉心管３は上流側の一部及びガス冷却部３ｃよりも下流側の一部が耐火保温材６外に露出しており、その露出部にフランジ８，８が突出されている。このフランジ８，８は炉心管サポート９，９によって回転可能に支持される。また炉心管３は巻掛け伝動装置等の炉心管駆動装置１０によって回転駆動される。なお炉心管３を下流側に向かって下方に傾斜させるように図示しない傾斜装置を設け、これにより廃棄物が下流側に移動し易い状態になっている。
【００３１】
上流側及び下流側の端部で回転自在に支持される炉心管３の内部には、図２に示すようにビータ５が収容される。ビータ５は軸管より放射状に翼片が等間隔に例えば３本設けられている。炉心管３が回転するとき、ビータ５の三枚の翼片のうち二枚の翼片が炉心管３の底内面に当接し、残りの翼片は炉心管の内部空間に垂直状態にある。そして炉心管３の回転に伴い、炉心管３の底内面に接している二枚の翼片も付随して回転し、垂直状態にある一枚の翼片は自重により回転方向に倒れるとともに、他の二枚の翼片のうち一枚が内面から離れ垂直状態を保つ。ビータ５の翼片は上記の動作を反復して炉心管３の内面を回転する。
【００３２】
炉心管３内に投入された廃棄物は、翼片が管壁に倒れるに伴い撹拌される。この撹拌により廃棄物への熱伝達性が向上する。また翼片が管壁に倒れる際、翼片の先端の掻き取り作用によって、廃棄物から生成されたタール分を管壁に付着させることなく、管壁に沿って移動させることができる。
【００３３】
炉心管３の乾燥ガス化部３ａはバーナもしくは外熱によってガス化温度（５００℃〜８００℃の間の適切な温度）に、ガス化後のガス改質部３ｂは外熱によってガス改質温度（６５０℃〜１０００℃の間の適切な温度でガス化温度よりも高い温度）にあらかじめ昇温される。
【００３４】
ガス改質部３ｂには主として水性ガス反応を促進する触媒（例えばＣａＯ−ＭｇＯ、Ｎｉ系触媒など）が保持される。例えばガス改質部３ｂに対応するビータ５の両端に、ガス、小粒コークス、及びガス化残渣等の粉体の通過を可能にする形状に加工した触媒カプセル保持用のプレート又は桟を設け、当該ビータ５から触媒が炉心管の軸線方向に移動しないようにする。小粒コークス程度に細かな触媒はガスの通過が可能なカプセル（例えば金網状のカプセル）に収納して利用する。ガス改質の過程で生じやすい遊離炭素による触媒効果の低下は、ビータ５の転動に伴う衝撃によって触媒面から遊離炭素を剥離させることで対応する。
【００３５】
ガス改質後はガス冷却部３ｃにて炉心管３の外部を空冷又は水冷することで炉内のガス等を急冷する。
【００３６】
次に上記ロータリキルン１を利用した本発明の廃棄物ガス化方法について説明する。ロータリキルン１に投入された廃棄物は炉内部のビータ５によって撹拌され、ガス化の前に廃棄物内の水分が蒸発される。
【００３７】
水分蒸発後、廃棄物の温度上昇に伴い、廃棄物の熱分解は始まり、液化又は軟化（熱硬化性の場合は硬化）並びに気化する（原料によっては昇華するものもある）。液化又は軟化部分はコークスと混ざり合い、凝塊化することなく炉心管３の回転、並びにビータ５の撹拌作用で下流に移動しながら気化する。廃棄プラスチックは５００℃以上ではそのほとんどが気体になることが知られている。気化した気体の一部は投入された空気又は酸素と部分的に燃焼及び発熱し、ガス化温度を維持する。これらの工程は炉心管３の乾燥ガス化部３ａにおいて行なわれる。ところでコークスの着火温度は製鉄用で５５０℃以上といわれ、乾燥ガス化部３ａでは空気又は酸素が存在するが、コークスより先に廃棄プラスチック等の廃棄物が反応するのでコークスが空気又は酸素と反応することがない。
【００３８】
廃棄物のガス化及び部分燃焼によって作られたガスは、炭素数の多いタール分、あるいはダストのような遊離炭素であるチャーを含んでいる。ガス改質部３ｂでは、このガスの温度を更に上げ、コークスと触媒との存在下でガスと水蒸気との水性ガス反応を生じさせ、タール分等を主として一酸化炭素と水素に変換する。この反応は吸熱反応であり、またガス改質部３ｂには酸素も存在しないため、必要な熱量をヒータ７から外熱によって与える。外熱に必要なエネルギは本装置で製造したガスの一部を利用してもよい。ダイオキシン対策としてはガス改質部３ｂの温度は８５０℃以上が好ましい。このガス改質部３ｂでは空気又は酸素が存在しないので、コークスが空気又は酸素と反応することがない。
【００３９】
ガス改質後は空冷もしくは水冷によってガス等を急冷し、発生炉ガス反応の逆反応による遊離炭素の生成を抑制する。急冷することでダイオキシンの再合成の抑制にもなる。
【００４０】
ガス等の急冷過程で生じた未改質のタールはビータ５の掻き取り作用により、炉心管３の内面には付着せず、コークス等に付着して炉外に排出される。
【００４１】
排出されたコークス並びに廃棄物と共に入れた触媒は篩った後、再利用される。コークスに付着したタールは、原料となり再利用のときガス化される。篩下の微粉化したコークス、遊離炭素、チャー、ガス化残渣は熱源として利用の可能性があり、旋回炉あるいは旋回溶融炉を用いて燃焼しさらに残渣部を溶融固化・減容することも考えられる。炉から出たガスは除塵、除湿及び洗浄の後、化学原料あるいは燃料として利用する。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ガス化補助材としてコークスを混合させた廃棄物を、炉心管内にビータを有するロータリキルンを利用してガス化させたので、ガスの急冷過程等で生じた未改質のタール及び／又はチャーが撹拌翼の掻き取り作用により、ロータリキルン内面に付着せずコークス等に付着して炉外に排出される。このため廃棄物から生成されるタール等の制御が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における廃棄物ガス化装置の全体構成図。
【図２】ロータリキルンの断面図。
【符号の説明】
１…ロータリキルン
２…原料挿入用フィーダ（投入装置）
３…炉心管
３ａ…乾燥ガス化部（ガス化部）
３ｂ…ガス改質部
３ｃ…ガス冷却部
５…ビータ（撹拌翼）
７…ヒータ

Claims (6)

1. コークスが混合されたバイオマスあるいは有機性廃棄物（以下廃棄物と言う）を、炉心管及び該炉心管の内部を撹拌する撹拌翼を有するロータリキルンに投入する投入工程と、
   前記炉心管のガス化部において、前記廃棄物を撹拌しながらガス化させるガス化工程と、
   前記炉心管のガス化部よりも下流側のガス改質部において、熱分解によって廃棄物から生成されるタール及び／又はチャーをガス化させる改質工程と、
   ガス化させたガスを冷却する冷却工程と、
   前記コークスを前記炉心管から排出する排出工程とを備えることを特徴とする廃棄物ガス化方法。
2. 前記改質工程では、前記炉心管の外から熱が与えられると共に、前記ロータリキルンに投入される水蒸気ならびに水性ガス反応を促進する触媒によって前記タール及び／又はチャーをガス化させることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化方法。
3. 前記投入工程では、前記炉心管から排出された前記コークスがガス化補助材として再度投入されることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化方法。
4. コークスが混合された廃棄物をロータリキルンに投入する投入装置と、
   炉心管及び該炉心管の内部を撹拌する撹拌翼を有し、投入された廃棄物をガス化させるロータリキルンとを備え、
   前記炉心管は、
   廃棄物を撹拌しながらガス化させるガス化部と、
   該ガス下部よりも下流側に設けられ、熱分解によって廃棄物から生成されるタール及び／又はチャーをガス化させるガス改質部と、
   ガス化させたガスを冷却するガス冷却部とを有し、
   前記炉心管から前記コークスが排出されることを特徴とする廃棄物ガス化装置。
5. 前記ロータリキルンの前記ガス改質部には、水性ガス反応を促進する触媒が保持されることを特徴とする請求項４に記載の廃棄物ガス化装置。
6. 前記ガス化部は、５００〜８００℃に設定され、前記ガス改質部ではヒータによって６５０〜１０００℃且つ前記ガス化部よりも高い温度に設定されることを特徴とする請求項４又は５に記載の廃棄物ガス化装置。

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