JP2004204106A

JP2004204106A - 有機物のガス化装置

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Publication number: JP2004204106A
Application number: JP2002376217A
Authority: JP
Inventors: Akimichi Hatsuta; 昭道八太; Daizo Kunii; 大蔵國井
Original assignee: MU ZERO KK
Current assignee: MU ZERO KK
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】バイオマス又は有機系廃棄物を、それらの発生する場所又はその近傍で安全にガス化して、ガスタービン用の燃料、化学合成用原料ガス或いは燃料電池用の水素を製造するための、小規模で経済性の高いガス製造設備を提供する。
【解決手段】有機物を加熱し乾留ガスを発生する「乾留装置Ｇ」と、該乾留ガスに適量の水蒸気を加え改質反応を促進させ一酸化炭素と水素に富むガスを発生する「改質装置Ｒ」と、から構成される有機物のガス化装置。また一酸化炭素と水素に富むガスに適量の水蒸気を加え水素シフト反応を促進させた後、ガスを精製して高純度の水素ガスを得る「水素シフト反応装置Ｗ］を付加したガス化装置。この装置を用いることより、バイオマス又は有機系廃棄物を、乾留・改質反応更には水素シフト反応を進行させると共に、精製過程で分離した油分および回収した水蒸気を循環利用して、燃料ガス、水素ガス或いは合成ガスを効率良く得る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、農産・林産業において発生するバイオマスあるいは、木、紙、プラスチック、建築廃材、動植物性残渣、汚泥などの有機系廃棄物を、それらの発生する場所又はその近傍でガス化して、ガスタービン、ガスエンジンによる自家発電等のための燃料を製造し、更には燃料電池のための水素あるいはメタノールなどの化学合成用原料ガスを製造する、小規模で安全かつ経済性の高いガス化装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
一般廃棄物あるいは産業廃棄物から燃料ガスを製造するために本邦において開発され実用化された技術には、２塔循環流動層ガス化プロセスがある。これは、砂を熱媒体として２つの流動層の間に循環させ、上記廃棄物を７００〜８００℃にある１つの流動層に投入してガス化させ、４０００〜５５００kcal／Nm³程度の可燃ガスを製造し、不燃物と共存する炭素質を他の流動層内で燃焼することにより循環する砂を加熱してガス化に必要な熱エネルギーとし、廃棄物中の不燃分は固形分として排出させるものである。本技術は循環流動層を用いるため１基あたり１５０トン／日以上の規模の処理量には適しているが、それ以下の分散型小規模装置として廃棄物発生場所での局地的使用には向いてはいない。
【０００３】
また、上記技術の延長としてパルプとプラスチック薄膜との混合物を原料とし、これを７００〜８００℃にある単一の砂流動層に送入し、底部より空気を用いる部分酸化によってガス化し、２０００kcal／Nm³程度の燃料ガスを発生する単塔流動層ガス化プロセスが実用化されている。本技術は１０〜１５トン／日程度の小規模にも適するが、本技術による発生ガスは窒素分が多いため発熱量が低く発電用あるいは水素製造用としては使用できない。
【０００４】
上記２件の技術実用化より遅れて海外からサーモセレクトガス化プロセスが導入された。これは廃棄物を高圧プレスを用いてブロック化し、これを外部加熱によって乾留ガスを発生させ、残った固形物を１５００℃以上の溶融スラグ槽の中に投入し、これに酸素を送給して改質ガス化を行う技術であり、１５０トン／日の規模で実用化されている。本技術は大規模処理には使用できるが高圧プレスであること、完全溶融スラグによる炉材侵食の防止対策などが必要とされ、分散型発電装置として、廃棄物発生場所での局地的使用には不向きである。
【０００５】
乾留又は改質装置にはこの他に、日本硝子、ＰＫＡ社などの技術があるが、これらの技術はいずれも乾留ガスを酸素又は空気で部分燃焼して１１００℃〜１２００℃以上の高温にして、タールなどの高沸点炭化水素化合物を、一酸化炭素・水素・メタンなどの低分子化合物に熱分解したのち、冷却して、燃料ガスとして利用するとともに、金属を含む無機物を溶融スラグ化するものである。しかし高温度にするために乾留ガスの燃焼消費が増えること、プロパン・ブタンなどの高カロリー低沸点炭化水素の低分子化・低カロリー化が進むこと、および熱損失が大きくなることから、エネルギー収率が低下してしまう。この他に、鉄、アルミ、銅、銀、金などの有価金属が溶融合金状になって利用価値が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
有機系廃棄物の乾留装置として、外部間接加熱型の横型回転筒が開発されている。本件発明の発明者かつ出願人の一人である國井大蔵は、他の発明者と共に、外部間接加熱型横型回転円筒内に傾斜ガイド板付仕切板を設置して、原料粉粒体の混合と分散を促進する技術を提案し（特許文献１参照）、これがカーシュレッダーダストからの燃料ガス製造に応用された。この技術の有用性は認められるが、このような間接加熱方式では、回転筒の金属材料の耐熱温度のために、乾留ガス化温度を高くすることができず、相当量のタールが発生してガス化効率を低下させている。また、この乾留ガス中にはプロパン、ブタンなど比較的分子量の大きい炭化水素を多く含んでおり、そのままではメタノールなどの合成用原料ガスあるいは燃料電池用の水素を発生できない。
【０００７】
また、横型回転内筒の一端に、有機系廃棄物を導入し、他端から空気を送入して乾留ガスを燃焼して熱エネルギーを補給し、炭化物さらには活性炭を製造する技術も開発されている（特許文献２参照）。更に横型回転円筒の他に、竪型移動層あるいは移動式バッチ装置を用いて、有機物を乾留ガス化するとともに、該ガスを燃料として循環して熱エネルギーの効率化をはかるプロセスシステムが開発されている（特許文献３参照）。これらの発明は、乾留装置、ガス循環など要素技術に同一性はあるものの、活性炭の製造あるいは金属に付着・混合した有機物の除去を目的とするものであり、ガスタービン燃料、燃料電池用水素あるいは合成用原料ガスの製造とは目的を異にしたものである。
【０００８】
一方、産業技術についてみると、石炭類のガス化プロセスは液体燃料の代替エネルギー源として古くから数多くのものが知られ、また、テキサコプロセスのように石油から化学工業用原料ガスとして水素と一酸化炭素の混合ガスを大量に製造しているものが知られているが、いずれも大規模プラントとして実用化したものであり、バイオマスあるいは有機系廃棄物を原料とした小規模プラントに適していない。
【０００９】
地球環境保全の観点から分散型発電装置としてガスタービン、ガスエンジン、あるいは燃料電池の必要性が増しているが、そのための燃料として石油、天然ガスなどの再生不能な枯渇性資源を使用した場合は、地球温暖化の防止効果は十分なものとはいえない。各地域で分散して発生するバイオマスあるいは有機系廃棄物を、その地域でガス化し、これをガスタービン、ガスエンジン、燃料電池に使用してはじめて循環型社会の形成に適う分散型地域エネルギーシステムが完成することになる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−２６４１７０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１３０６２９号公報
【特許文献３】
特願２００２−１１６６５２号
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本件出願人は、地域的に分散して発生するバイオマスあるいは、有機系廃棄物（以下、原料という）を、それらの発生する場所又はその近傍でガス化して、ガスタービン、ガスエンジンによる分散型発電等のための燃料ガスを発生させ、さらには燃料電池のための水素あるいはメタノール製造用原料ガスを製造するための、安全で容易に操作できる小規模で経済性の良いガス化装置を提案するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本発明の要旨は次の通りである。
（１）有機物を加熱して乾留ガスを発生する「乾留装置」と、該乾留ガスに適量の水蒸気を混合し電力により発生する熱あるいは酸素による部分燃焼熱で６００℃〜１２００℃に昇温して改質反応を促進させて一酸化炭素と水素に富むガスを発生する「改質装置」と、から構成されることを特徴とする有機物のガス化装置。
（２）一酸化炭素と水素に富むガスに水蒸気を混合して又は水を噴霧して、該混合ガスを７００℃以下にして水素シフト反応を促進させる「水素シフト反応装置」により水素に富むガスを発生させることを特徴とする（１）記載の有機物のガス化装置。
（３）有機物を適量の水蒸気とともに電力により発生する熱あるいは酸素による部分燃焼熱で加熱して一酸化炭素と水素に富むガスを発生する「燃料ガス発生装置」と、この一酸化炭素と水素に富むガスに水蒸気を混合して又は水を噴霧して、該混合ガスを７００℃以下にして水素シフト反応を促進させる「水素シフト反応装置」と、から構成されることを特徴とする有機物のガス化装置。
（４）有機物を加熱して乾留ガスを発生する「乾留装置」と、乾留ガスに適量の水蒸気を混合したガスを電力により発生する熱あるいは酸素による部分燃焼熱により加熱したのち水蒸気を更に加えて水素に富むガスを発生する「水素発生装置」と、から構成されることを特徴とする有機物のガス化装置。
（５）一酸化炭素と水素に富むガス又は水素に富むガスを十分に温度を下げたＡ重油などの熱媒体油と直接接触させて該ガス中に含まれているタール成分を凝縮液（油）化して除去し、除去したタールを乾留装置、改質装置、燃料ガス発生装置あるいは水素発生装置に原料として循環利用することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
（６）一酸化炭素と水素に富むガス又は水素に富むガスとの直接接触によって加熱されたＡ重油を、水と間接的に接触させ水蒸気を発生させ、該水蒸気を乾留装置、改質装置、水素シフト反応装置、燃料ガス発生装置あるいは水素発生装置に熱源及び原料として送入することによって乾留あるいは改質に要した熱エネルギーを回収することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
（７）改質装置は、外部側にコイル、内部側に磁性体を装備した非磁性体で構成され、コイルに高周波電流を供給して内部側磁性体を発熱させる電磁誘導型であることを特徴とする（１）、（２）、（４）、（５）、（６）のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
（８）水素シフト反応装置は、一酸化炭素と水素に富むガスに適量の水蒸気を混合して該混合ガスを７００〜５００℃程度まで冷却して触媒を用いることなく水素シフト反応を促進させる「無触媒水素シフト反応装置」、であることを特徴とする（１）〜（３）、（５）〜（７）のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
（９）水素発生装置は、乾留ガスに適量の水蒸気を混合して加熱したのち冷却して触媒を用いることなく水素に富むガスを発生する「無触媒水素発生装置」、であることを特徴とする（１）、（２）、（４）〜（７）のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
（１０）乾留装置は、水平あるいは水平面から若干傾斜する軸線のまわりに回転する筒状体であって、該筒状体から発生する固形状炭素（チャー）を空気で燃焼して得られた燃焼ガスを該筒状体の外部から接触させて筒状体の内部を加熱するよう装備した回転筒状体であることを特徴とする（１）、（２）、（４）〜（９）のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
（１１）乾留装置は、電磁誘導又は電気抵抗熱により得られる過熱水蒸気によって加熱あるいは、酸素と水蒸気更に必要に応じて空気を加えた混合ガスを挿入した送気管から送入して内部を直接加熱できるよう装備した水平あるいは水平面から若干傾斜する軸線のまわりに回転する筒状体であることを特徴とする（１）、（２）、（４）〜（９）のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
（１２）乾留装置は、電磁誘導又は電気抵抗熱により得られる過熱水蒸気によって加熱あるいは、酸素と水蒸気更に必要に応じて空気を加えた混合ガスにより、内部を直接加熱できるよう装備した竪型流動層であることを特徴とする（１）、（２）、（４）〜（９）のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
（１３）乾留装置は、電磁誘導又は電気抵抗熱により得られる過熱水蒸気によって加熱あるいは、酸素と水蒸気更に必要に応じて空気を加えた混合ガスにより、内部を直接加熱できるよう装備した竪型移動層であることを特徴とする（１）、（２）、（４）〜（９）のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
【００１３】
［本発明の特徴］
原料（バイオマス及び有機系廃棄物）を加熱すると、乾留ガスすなわち、(1)水素・一酸化炭素・メタンなどの低沸点炭化水素ガスと、(2)常温でタール状になる炭化水素あるいは酸素を含有する炭素・水素化合物などの高沸点炭化水素ガスと、(3)主として原料の中の水分の蒸発による水蒸気と、の混合ガスが発生する。この混合ガスを更に加熱していくと高沸点炭化水素の低分子化が進み、低沸点炭化水素ガスとなるが、１０００℃を超えるとプロパン・ブタンなどの高カロリー低沸点炭化水素ガスの低分子化も進んでしまう。
【００１４】
本発明においては、乾留ガスに適量の水蒸気を加えて、水蒸気と高沸点炭化水素の反応を進めるとともに、反応温度を１０００℃以下、好ましくは９００℃以下に抑える。これによって、プロパン・ブタンなど高カロリーガスの分解を抑制することができる。この点が１２００℃以上にして高沸点炭化水素とともに、プロパンなどの高カロリー低沸点炭化水素を低分子化、低カロリー化してしまう既往技術とは異なっている。一方、本発明においては、高沸点炭化水素（タール）の一部が改質されずにガス中に残留してしまうという問題がある。これに対しては該ガスを、Ａ重油などの熱媒体と接触させてタールを凝縮油化して除去し、油化した該タールを乾留あるいは改質装置に戻して、再び乾留ガス化することによって解決できる。また、改質ガスと接触して例えば２００℃に昇温したＡ重油を温水と熱交換して水蒸気を発生させて、これを循環し例えば改質装置に送入することによってエネルギー効率の更なる改善をはかることができる。この点も１２００℃の高温改質ガスに水噴霧して２００℃以下に急冷してしまう既往技術とは異なっている。
【００１５】
以上は燃料ガスを得る場合であるが、燃料電池用の水素あるいはメタノールなどの化学原料ガスを得る場合、一酸化炭素を、注入した水蒸気と反応させ、水素と二酸化炭素にする必要がある。既往技術においては、２００℃以下に急冷した一酸化炭素と水蒸気を３００〜４００℃に加温するとともに触媒を用いて反応速度を大きくして水素シフト反応を行っている。これに対し、本発明では、１０００℃好ましくは９００℃以下の温度状態の一酸化炭素と水蒸気に富むガスが得られているから、これを７００〜５００℃まで冷却することによって、触媒を用いることなく水素シフト反応（水性ガス反応：ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂）を進行させ、モル比で水素と一酸化炭素を１：２にしてメタノール合成用原料ガス、更に反応を促進させて燃料電池等のための水素原料ガスを得ることができる。また、更に本発明においては、廃棄物に含まれている有価金属を、溶融合金化も酸化もすることなく回収再生利用できるという利点もある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
＜第一実施形態＞
図１は原料Ｆ（バイオマス）から無触媒で燃料電池用水素燃料７を製造するプロセスのフローシートである。図１において、Ｆは原料であり、乾留装置Ｇに供給される。原料は酸素の送給による部分燃焼熱、または電磁誘導・電気抵抗発熱体などによる電熱で加熱され乾留ガス化する。金属、非金属などの無機物は残渣ＡＳとなって乾留装置Ｇから排出される。
乾留装置Ｇ内で発生した乾留ガス１は改質装置Ｒに送給され、後述する水蒸気分離装置ＳＣから送給される水蒸気１０およびガス分離装置ＧＳから循環送給される一酸化炭素・メタン９とタール分離装置ＨＣから循環送給されるタール分と軽質油・酸性ガス分離装置ＬＣから循環送給される軽質油と共に７００〜１０００℃の温度範囲で水蒸気改質を受けて、一酸化炭素と水素に富むガス（燃料ガス）２になる。改質反応は吸熱反応であり、必要とする熱エネルギーは、電磁誘導発熱体ｈ（Ｒ）による直接加熱によって与えられる。
【００１７】
改質装置Ｒから出る一酸化炭素と水素に富むガス２は水素シフト反応装置Ｗに送給され、水蒸気１０を混入して水素シフト反応により一酸化炭素が水素に転化し、水素に富むガスになる。水素シフト反応は発熱反応であるので冷却装置Ｃ(Ｗ)あるいは送入水蒸気１０によって温度を下げる必要があるが、温度が下がると反応速度が遅くなるとともにガス中に含まれるタールの凝縮がおこるので、７００〜５００℃の範囲で調整する。水蒸気の送給に代えて水を噴霧することもできる。水素シフト反応装置Ｗを出るガス３は水素に富むが同時にタールなどの高沸点炭化水素ガスと酸性ガスと大量の水蒸気を含有するので、これをまずタール分離装置ＨＣに送給する。ここでガス３は、冷却装置Ｃ(ＨＣ)で放熱し例えば１５０℃程度に温度の下がったＡ重油aと直接接触して温度が下がるが、これによってガス中の高沸点炭化水素ガスが凝縮油化して分離する。凝縮油化した高沸点炭化水素はＡ重油と容易に混合するが、その結果余剰となった高沸点油ｈoは前述した水蒸気改質装置Ｒに原料として循環送給される。
【００１８】
高沸点炭化水素を分離したガス４を次に、軽質油・酸性ガス分離装置ＬＣに送給して、冷却装置Ｃ(ＬＣ)で放熱し例えば８０℃程度に冷却した液水ｂに苛性ソーダＡを加えた水溶液と直接接触させて塩化水素等の酸性ガスを中和除去しクリーンなガス５を得る。また、この工程で凝縮油化した低沸点油Ｌｏは油水分離して前述した改質装置Ｒに原料として循環送給し、中和塩は固液分離して無機スラッジＳとして系外に取り出す。
こうして得られたクリーンなガス５は大量の水蒸気を含有するのでこれを水蒸気分離装置ＳＣに送給し、放熱手段Ｃ(ＳＣ)によって冷却した冷媒（例えば水）と間接接触して水蒸気を凝縮して分離する。水蒸気分離装置ＳＣ中で凝縮生成した水Ｌは、タール分離装置で高温のガスと接触して例えば２００℃に温度上昇したＡ重油と間接熱交換して水蒸気１０となり、改質装置Ｒおよび水素シフト反応装置Ｗに供給される。この際、必要あればメークアップ水ｗを供給する。
【００１９】
水蒸気分離装置ＳＣを出た乾ガス６は、水素に富むが同時に二酸化炭素と少量の一酸化炭素、メタンを含有する。そこでガス分離装置ＧＳに送給し、公知の方法で二酸化炭素８、一酸化炭素およびメタン９を分離して純度の高い水素７を得る。一酸化炭素およびメタン９は改質装置Ｒに循環送給され、水素の総合収率の向上に役立たせる。
【００２０】
図１の改質装置Ｒは電磁誘導により加熱している場合を示しているが、必ずしもこれに限定されず電気抵抗加熱あるいは酸素又は空気による乾留ガスの部分燃焼熱で加熱してもよい。また、図１の改質装置において改質温度を７００〜１０００℃の範囲で設定しているが、必ずしもこれに限定されず、例えば１２００℃以上にしてガス中に残留するタール、軽質油分をゼロに近づけるようにしてもよい。このときはタール分離装置ＨＣを省くことができる。
【００２１】
＜第二実施形態＞
図２は酸素による部分燃焼熱を用いて原料Ｆ（有機系廃棄物）から高カロリーの燃料ガス１５をつくるプロセスのフローシートである。得られた高カロリー燃料ガス１５を、ガスタービン（あるいはガスエンジン）ＣＧに供給して電気と熱を得る。
図２において、Ｆは原料であり乾留装置Ｇに供給される。原料は、水蒸気１０とともに乾留装置Ｇに供給される酸素１６によって部分燃焼し、そのさいに生じる熱によって乾留ガス１１になる。金属、非金属などの無機物は残渣ＡＳとして排出される。乾留ガス１１は、改質装置Ｒに供給され、そこで水蒸気１０と酸素１６によって、６００〜１０００℃の温度範囲で改質反応が進み、一酸化炭素と水素に富むガス１２になる。このガスをタール分離装置ＨＣに送って、含有するタールなどの高沸点炭化水素ガスをＡ重油ａと接触させて凝縮油化させ分離する。高沸点炭化水素ガスを分離して得られたガス１３を更に軽質油・酸性ガス分離装置ＬＣで洗浄してクリーンなガス１４としたのち水蒸気分離装置ＳＣで水蒸気を凝縮分離して、一酸化炭素と水素に富む高カロリーの燃料ガス１５を得る。
なお、図２に示すプロセスにおいては、タール分離装置ＨＣからの余剰の高沸点油ｈｏ及び軽質油・酸性ガス分離装置ＬＣからの低沸点油Ｌｏは改質装置ではなく、乾留装置Ｇへ原料として循環送給している。これは、本プロセスが発電を目的としているため、プロパン、ブタンなどの分子量の小さい高カロリーガスをできるだけ多く得たいためであり、これが水素、一酸化炭素を得ることを目的としている図１のプロセスと異なっている理由である。
【００２２】
＜第三実施形態＞
図３は図1における改質装置Ｒの詳細を示したもので、図４はその横断面図である。
１７はカーボンセラミックあるいはホウ化ジルコニウムなどの耐熱磁性体でできた多数の通気孔１８をもつ筒状発熱体であり、断熱材料（非磁性体）１９を隔て外側にワークコイル２０を設置している。ワークコイルに高周波電流を印加することによって筒状発熱体１７が電磁誘導加熱され通気孔を通過するガスを加熱する。図１、図２における乾留装置Ｇから出る乾留ガスと水蒸気の混合気体は、図１における改質装置Ｒの底部から送給され、改質装置の本体をなす筒状発熱体１７を貫流して水蒸気改質をうけて、上部から排出される。改質装置Ｒへの乾留ガス・水蒸気の送給は必ずしも図３のものに限定されず、上部に送給して底部から排出するものであってもよい。さらに、改質装置Ｒは必ずしも図３のように竪型のものに限定されず、軸線が水平あるいは傾斜する筒状体であってもよい。
なお、電磁誘導による発熱体は必ずしも図３のものに限定されず、例えば図５のように円板状２１のもの、図６のように円柱状２２のものであっても、ガスが接触しながら通過できるものであればどんな形状のものでもよい。
【００２３】
また、改質装置は必ずしも電力加熱によるものに限定されず、酸素による部分燃焼熱によるものであってもよい。例えば図７は耐熱材料によって構成される筒状体２３に設けられた送給口２４より上記気体を送給し、単数あるいは複数の送給管２５、２５′から酸素と水蒸気の混合気体を送給して上記気体を部分燃焼することにより改質反応を進めるための熱エネルギーを供給するものであり、改質された高温ガスは排出口２６から装置外に排出される。また改質装置は必ずしも図７のものに限定されず、図８のように横型のものであってもよい。
【００２４】
次に図９に触媒を用いた改質装置Ｒの例を示す。図１０はその断面図である。２７は水蒸気改質用触媒層２８を充填する筒状体であり、断熱材料２９を隔てて外側に電磁誘導加熱ためのワークコイル３０を設置している。触媒層２８内には板状の発熱体３１が配置され、電磁誘導加熱により近接する触媒層２８を加熱する。図１および図２における乾留装置Ｇにおいて、乾留ガス１及び１１は図９の改質装置Ｒの底部から送給され、触媒層２８を貫流して水蒸気改質をうけ、触媒層２８の上部から排出される。触媒層へのガスの供給は必ずしも図９のものに限定されず、軸線が水平あるいは傾斜する筒状体であってもよい。
さらに、改質装置Ｒは必ずしも図９のように竪型のものに限定されず、軸線が水平あるいは傾斜する筒状体であってもよい。また、電磁誘導による発熱体は必ずしも図９、図１０のものに限定されず、例えば図１１のように棒状あるいは管状のものであってもよい。
【００２５】
電力によって加熱する改質装置Ｒは、必ずしも電磁誘導加熱によるものに限定されず、図１２のように触媒層２８の内部に均等に配置された電気抵抗発熱体３２によるものであってもよい。図１２の３３は抵抗発熱体３２と触媒層２８の接触を防止する伝熱性筒体、３４は全体を包囲する断熱性の良い耐熱材料製外筒である。
触媒層２８を充填する筒状体は、必ずしも図１２のものに限定されず、図１３のように複数の筒状体とし、その周辺に配設された電気抵抗発熱体３２によって加熱するものであってもよい。また、筒状体２７と電気抵抗発熱体の配列は必ずしも図１３のものに限定されず、図１４のように筒状体２７の軸線と直交する軸線をもつ電気抵抗発熱体であってもよい。
【００２６】
＜第四実施形態＞
図１５に、図１における水素シフト反応装置Ｗの詳細を示す。
図１５において、３５は円筒状の水素シフト反応装置本体、３６は水蒸気の送給管、３７はガス排出口、３８は水蒸気ブロワー、３９は粉体排出手段である。改質装置を出た６００〜１０００℃の一酸化炭素と水素に富むガスは、ブロワー３８によって、噴出する水蒸気と混合して水素シフト反応装置３５内に送入され水素シフト反応が進み、排出口３７から水素に富むガスが排出する。このときの装置３５内の温度は５００〜７００℃となるように調節する。
水素シフト反応装置は図１５のものに限定されず、例えば図１６のように改質ガスと水蒸気を内筒４０に噴出させて装置内を循環させながら反応を進めるものであってもよい。
【００２７】
図１７は、触媒を用いた水素シフト反応装置Ｗの例を示す。
図１７において、４１は水素シフト反応装置本体、４２は、装置本体４１に充填された触媒層である。改質、精製された一酸化炭素と水素に富むガスは、送入口４４よりシフト装置４１に入り、水蒸気供給管４５から送入された過熱水蒸気と混合して昇温し触媒層４２を通過する過程で水素シフト反応が進み、水素に富むガスとなって排出口４３から排出する。触媒を用いることによって反応速度が大きくなるので、無触媒のときと比べて低温度での操作が可能となる。
【００２８】
＜第五実施形態＞
図１８に無触媒水素発生装置ＲＷの詳細を示すが、この装置は、乾留装置Ｇからの乾留ガスに適量の水蒸気を混合したガスを電力により発生する熱あるいは酸素による部分燃焼熱により加熱して乾留ガスを改質したのち、水蒸気を更に加えて温度を下げて水素シフト反応を促し水素に富むガスを得るもので、実質的に改質装置と水素シフト反応装置を一体化したものである。該水素発生装置ＲＷは、非磁性体の円筒２７の外部に断熱材１９とワークコイル２０を、内側に電磁誘導発熱体となる円柱状の耐熱磁性体１７を装備した改質反応部と、筒状体３５に水蒸気送入管３６を装備した水素シフト反応部から構成されている。乾留装置で得られた一酸化炭素と水素に富むガスは水蒸気とともに改質反応部に送入され電磁誘導加熱体と接触して６００〜１０００℃に加熱されタール等の高沸点炭化水素ガスが水蒸気と反応して一酸化炭素、水素などの低分子ガスとなって上昇し、次に水蒸気送入管３６から送入される水蒸気と混合し５００〜７００℃に調整されて水素シフト反応部を上昇し、その過程で水素シフト反応が進行し、装置ＲＷ出口３７から水素に富むガスが排出する。水素シフト反応は発熱反応であるから外部からの加熱は不必要である。無触媒水素発生装置ＲＷは図１８に示すものに限定されず、改質装置と水素シフト反応装置の種々の組み合わせが可能である。
【００２９】
また、水素発生装置ＲＷは、無触媒のものに限定するものではなく水蒸気改質部と水素シフト反応部の一方もしくはその両方に触媒層を用いるものでもよい。例えば図１９は、筒状体４６、５１の両方に触媒層４９、５０を用いたものを示している。触媒を用いることによって反応速度が大きくなるので無触媒のときと比べて低温度での操作が可能となる。
【００３０】
＜第六実施形態＞
図１、図２に示す本発明プロセスの主要な構成要素の一つである乾留装置の詳細例を図２０に示す。原料を送入する筒状体６０は、水平あるいは水平面に対して若干傾斜する軸線５９の周り方向に回転自在に保持される。該筒状体６０はフランジ６１、６1′と軸受６２、６２′によって保持され、図示せぬ駆動手段によって回転する。原料は筒状体６０の一端部の送入口６３から公知の送給手段によって筒状体６０の内部に送入される。６４は筒状体６０の軸線上にセットした原料加熱用の電気抵抗発熱体であるが、加熱方法はこのような抵抗発熱体に限定されず、電磁誘導発熱体による直接加熱であってもよい。
【００３１】
図２０において、６５は横型回転筒内に設置される粉粒体の撹拌・移送手段であり、公知のものであればその形状・寸法は任意である。６６は原料送入口６３の外周部に設けた酸素・水蒸気混合気体の送給管であり、筒状体内部で乾留ガスの部分酸化を行なって乾留ガス化に必要な熱エネルギーを供給することができる。６７は筒状体の他端部における酸素・水蒸気混合気体の送給管であり、チャーの部分燃焼を進めて排出不燃物中に含有される炭素質の含有量を低下させる。
また、６８は筒状体の他端部に付設した排出部６９の経路に設けた固体状チャーあるいは灰分の排出手段である。６９ａ、６９ｂは筒状体の回転シール手段であり、炉内への外気の侵入、炉内ガスの漏出を実施的にゼロとしながら筒状体６０の回転を行なわせる。
７０は排出部６９の上方一端に設けた過熱水蒸気の送給口であり、必要な場合に高温の水蒸気を送給して微粉捕集装置内壁面へのタール状物質の付着を防止することができる。７１は排出部６９の上方他端側に設けた微粒捕集装置であり、微粒を捕集するものであれば図２０のものに限定されず任意である。７２は微粒捕集装置７１の出口であり、水蒸気改質装置に連通する。
本発明における乾留装置は、必ずしも図２０のものに限らず、公知の横型回転筒を有するものであればよい。
【００３２】
図２１は図２０の他の実施例であり、筒状体６０（第１筒状体）から排出されるチャーは固体排出機構６８を経てチャー燃焼装置ＣＯに送給される。チャー燃焼装置ＣＯは水平あるいは水平面に対して若干傾斜する軸線７３のまわりに、フランジ７４、７４′および軸受７５、７５′によって回転自在に保持される第２筒状体７６を有し、送給口７７から送給される常温若しくは加熱空気によってチャーを燃焼する。燃焼により生じた灰は排出口７８からチャー燃焼装置ＣＯの外に排出される。
チャー燃焼後の高温燃焼ガスは導管７９を通って回転する第１筒状体６０とその外側に設けた断熱カバー８０の間のガス流路８１に流入し、筒状体６０を外側から加熱した後、排出口８１′から装置外に排出される。この際、酸素・水蒸気混合体の送給管６７は取り去ってもよい。
送入口６３から送入される原料の性質によっては、筒状体６０の内部には粉・粒・片・塊状固体の軸方向での公知の循環手段や例えばガイド板付仕切板を設置することができる。
【００３３】
乾留装置はまた、図２２のように竪型の流動層を用いる形式のものであってもよい。図２２において、８２は実質的に竪型の筒状体であり、原料は送入手段６３から投入され、流動層内において沸騰状態にあるチャー及びその他の不燃粉粒と混合して加熱され、６００℃〜９００℃の温度で乾留・ガス化を受ける。
酸素と水蒸気あるいは酸素・空気・水蒸気の混合気体は、送給管６６、６６′から流動層中に送入され、乾留ガスの部分酸化によって原料の乾留ガス化に必要な熱エネルギーを供給する。筒状体の底部にある送給管６７、６７′より上記混合気体あるいは空気を挿入して、チャーの燃焼を促進することができる。流動層底部の不燃物に富む固体粉粒は排出手段６８によって炉外へ排出される。
流動層を用いる乾留装置は、図２２のものに限定されず、公知のものであればその形式は任意である。
【００３４】
乾留装置は、また、図２３のように竪型の移動層を用いる形式のものであってもよい。図２３において原料固体はポッパー８３より原料ダンパー８４をへて竪型の筒状体８２に導入され内部に積層８５を形成する。筒状体８２の低部には好ましくは多孔平板状のガス分散板８６が設けられる。ガス分散板は多孔板でなくてもよく、例えば焼結セラミック板など、送入ガスを分散するものであればよい。筒状体８２の低部には複数のプッシャー８８、８８′が設けられ、筒状体の両側からガス分散板８６の表面近傍で並行に作動させることにより、ガス分散板上の処理原料をガス分散板の下方に落下移動させる。こうして形成された積層９１は、実質的に不燃物であり、公知のダンパー９２をへて装置外に排出される。ダンパー９２は、必ずしも図２３に示すものである必要はなく例えばロータリーバルブであってもよい。
【００３５】
図２３において、８９、９０、９０′は、酸素と水蒸気更には必要に応じて送入する空気との混合ガスの送気管である。送入された混合ガスは積層９１中の未燃チャーあるいはガス分散板８６上部の原料を部分燃焼あるいは乾留して高温のガスとなりガス分散板８６に設けられた複数の開口部８７をへて処理原料層中を貫流し送給原料の乾留ガス化・加熱・乾燥を順次行って乾留ガスとして排出する。排出する乾留ガス温度は投入した常温の原料と直接接触することによって１００〜２００℃に冷やされる。このとき、積層８５下部で発生した乾留ガスに含まれるタール成分が凝縮油化して積層８５上部の原料の表面に付着するから、得られる乾留ガスにはタール成分等の高沸点油がほどんど含まれておらず後工程でタールスクラバーが不要になるあるいは負荷が軽くなるという利点がある。
【００３６】
竪型の移動層は図２３に示したものに限定することなく、例えば原料を移動層の上部から供給して耐火セラミックの火格子の上部に積層状となるようにして、火格子下部から酸素と水蒸気の混合ガスを送入するもの、あるいは移動層の中心に設置した垂直回転送り羽根によって均一な乾留を促進し炭化物あるいは不燃物（灰）の火格子上での滞積を防ぐものなど、上部から投入した原料が下部で発生するガスと向流接触するとともに、乾留ガス化後の残渣が下部から排出できるような構造のものであればどのような形状のものでもよい。
また、図示した例では乾留装置Ｇと改質装置Ｒは別体のものを示したが、これらを一体化することで、有機物を適量の水蒸気とともに電力により発生する熱あるいは酸素による部分燃焼熱で加熱して一酸化炭素と水素に富むガスを直接作り出すことができる「燃料ガス発生装置」の形態とすることも可能である。該「燃料ガス発生装置」と「水素シフト反応装置」の組み合わせも本発明の対象となるものである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は農産・林産業において発生するバイオマス、あるいは紙、プラスチック、汚泥など各種の有機系廃棄物から、カーボンニュートラルな燃料ガスあるいは水素を製造する、高効率の小規模分散型エネルギー技術を提供するものであり、地球温暖化を抑制するとともに廃棄物を有効利用して循環型社会の形成推進に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すシステム図で、燃料電池用水素燃料を得るためのものである。
【図２】本発明のシステム図の他の実施形態で、高カロリーの燃料ガスを得るためのものである。
【図３】図１における改質装置の詳細を示す具体例の縦断面図である。
【図４】図３の横断面図である。
【図５】図３の他の実施例である。
【図６】図３のさらに他の実施例である。
【図７】改質装置の他の具体例（縦型）を示す縦断面図である。
【図８】改質装置の他の具体例（横型）を示す縦断面図である。
【図９】触媒を用いた改質装置の例を示す縦断面図である。
【図１０】図９の横断面図である。
【図１１】触媒を用いた改質装置の他の例を示す断面図である。
【図１２】触媒を用いた改質装置のさらに他の例を示す断面図である。
【図１３】触媒を用いた改質装置のさらに他の例を示す断面図である。
【図１４】触媒を用いた改質装置のさらに他の例を示す断面図である。
【図１５】図１における水素シフト反応装置の詳細を示す断面図である。
【図１６】水素シフト反応装置の他の例を示す断面図である。
【図１７】触媒を用いた水素シフト反応装置の断面図である。
【図１８】無触媒水素発生装置の例を示す断面図である。
【図１９】図１８の装置の他の実施例である。
【図２０】図１、２に示す乾留装置の詳細を示す概略断面図である。
【図２１】乾留装置の他の例を示す概略断面図である。
【図２２】竪型の流動層形式の乾留装置の例を示す断面図である。
【図２３】竪型の流動層形式の乾留装置の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｇ乾留装置Ｒ水蒸気改質装置
Ｗ水素シフト反応装置ＨＣタール分離装置
ＬＣ軽質油・酸性ガス分離装置ＳＣ水蒸気分離装置
ＧＳガス分離装置Ｃ冷却装置
ＣＯチャー燃焼装置Ｆ原料
ＡＳ灰ａＡ重油
ｂ液水ｈｏ高沸点油
Ｌｏ低沸点油ｗメークアップ水
１乾留ガス２一酸化炭素と水素に富むガス
３水素に富むガス４高沸点炭化水素を分離したガス
５酸性ガスを除去したガス６乾ガス
７純度の高い水素８二酸化炭素
９一酸化炭素・メタン１０水蒸気
１１乾留ガス１２一酸化炭素と水素に富むガス
１３分離ガス１４酸性ガスを除去したガス
１５燃料ガス１６酸素
１７筒状発熱体１８通気孔
１９断熱材料２０電磁誘導ワークコイル
２１円板状発熱体２２円柱状発熱体
２３筒状体２４送給口
２５、２５′ 送給管２６排出口
２７筒状体２８触媒層
２９断熱材料３０ワークコイル
３１発熱体３２電気抵抗発熱体
３３伝熱性筒体３４耐熱材料製外筒
３５水素シフト反応装置本体３６水蒸気送給管
３７ガス排出口３８水蒸気ブロワ−
３９粉体排出手段４０内筒
４１水素シフト反応装置本体４２触媒層
４３ガス排出口４６、５１筒状体
４７、５２、５２′ 水蒸気送給管
４８排出口４９、５０触媒層
５３送入口５９軸線
６０筒状体６１、６１′ フランジ
６２、６２′ 軸受６３送入口
６４電気抵抗発熱体６５撹拌・移送手段
６６混合気体送給管６７送給管
６８排出手段６９排出部
６９ａ、６９ｂ回転シール７０送給口
７１微粒捕集装置７２捕集装置出口
７３軸線７４、７４′ フランジ
７５、７５′ 軸受７６筒状体
７７送給口７８排出口
７９導管８０断熱カバー
８１ガス流路８１′ ガス排出口
８２筒状体８３ホッパー
８４ダンパー８５積層
８６ガス分散板８７分散板の開口部
８８、８８′ プッシャー
８９、９０、９０′ 混合ガス送気管
９１積層９２ダンパー

Claims

有機物を加熱して乾留ガスを発生する「乾留装置」と、該乾留ガスに適量の水蒸気を混合し電力により発生する熱あるいは酸素による部分燃焼熱で６００℃〜１２００℃に昇温して改質反応を促進させて一酸化炭素と水素に富むガスを発生する「改質装置」と、から構成されることを特徴とする有機物のガス化装置。
一酸化炭素と水素に富むガスに水蒸気を混合して又は水を噴霧して、該混合ガスを７００℃以下にして水素シフト反応を促進させる「水素シフト反応装置」により水素に富むガスを発生させることを特徴とする請求項１記載の有機物のガス化装置。
有機物を適量の水蒸気とともに電力により発生する熱あるいは酸素による部分燃焼熱で加熱して一酸化炭素と水素に富むガスを発生する「燃料ガス発生装置」と、この一酸化炭素と水素に富むガスに水蒸気を混合して又は水を噴霧して、該混合ガスを７００℃以下にして水素シフト反応を促進させる「水素シフト反応装置」と、から構成されることを特徴とする有機物のガス化装置。
有機物を加熱して乾留ガスを発生する「乾留装置」と、乾留ガスに適量の水蒸気を混合したガスを電力により発生する熱あるいは酸素による部分燃焼熱により加熱したのち水蒸気を更に加えて水素に富むガスを発生する「水素発生装置」と、から構成されることを特徴とする有機物のガス化装置。
一酸化炭素と水素に富むガス又は水素に富むガスを十分に温度を下げたＡ重油などの熱媒体油と直接接触させて該ガス中に含まれているタール成分を凝縮液（油）化して除去し、除去したタールを乾留装置、改質装置、燃料ガス発生装置あるいは水素発生装置に原料として循環利用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
一酸化炭素と水素に富むガス又は水素に富むガスとの直接接触によって加熱されたＡ重油を、水と間接的に接触させ水蒸気を発生させ、該水蒸気を乾留装置、改質装置、水素シフト反応装置、燃料ガス発生装置あるいは水素発生装置に熱源及び原料として送入することによって乾留あるいは改質に要した熱エネルギーを回収することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
改質装置は、外部側にコイル、内部側に磁性体を装備した非磁性体で構成され、コイルに高周波電流を供給して内部側磁性体を発熱させる電磁誘導型であることを特徴とする請求項１、２、４、５、６のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
水素シフト反応装置は、一酸化炭素と水素に富むガスに適量の水蒸気を混合して該混合ガスを７００〜５００℃程度まで冷却して触媒を用いることなく水素シフト反応を促進させる「無触媒水素シフト反応装置」、であることを特徴とする請求項１、２、３、５、６、７のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
水素発生装置は、乾留ガスに適量の水蒸気を混合して加熱したのち冷却して触媒を用いることなく水素に富むガスを発生する「無触媒水素発生装置」、であることを特徴とする請求項１、２、４、５、６、７のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
乾留装置は、水平あるいは水平面から若干傾斜する軸線のまわりに回転する筒状体であって、該筒状体から発生する固形状炭素（チャー）を空気で燃焼して得られた燃焼ガスを該筒状体の外部から接触させて筒状体の内部を加熱するよう装備した回転筒状体であることを特徴とする請求項１、２、４、５、６、７、８、９のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
乾留装置は、電磁誘導又は電気抵抗熱により得られる過熱水蒸気によって加熱あるいは、酸素と水蒸気更に必要に応じて空気を加えた混合ガスを挿入した送気管から送入して内部を直接加熱できるよう装備した水平あるいは水平面から若干傾斜する軸線のまわりに回転する筒状体であることを特徴とする請求項１、２、４、５、６、７、８、９のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
乾留装置は、電磁誘導又は電気抵抗熱により得られる過熱水蒸気によって加熱あるいは、酸素と水蒸気更に必要に応じて空気を加えた混合ガスにより、内部を直接加熱できるよう装備した竪型流動層であることを特徴とする請求項１、２、４、５、６、７、８、９のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。
乾留装置は、電磁誘導又は電気抵抗熱により得られる過熱水蒸気によって加熱あるいは、酸素と水蒸気更に必要に応じて空気を加えた混合ガスにより、内部を直接加熱できるよう装備した竪型移動層であることを特徴とする請求項１、２、４、５、６、７、８、９のいずれか１項記載の有機物のガス化装置。