JP2006075693A - 可燃性ガス製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】含水率の高い有機物から燃料ガスへの変換効率を向上させる方法と、簡便かつ低コストな装置を提供する。
【解決手段】脱水機１１０は汚泥１を所定の含水率になるまで脱水し、乾燥機１２０は脱水汚泥２を所定の含水率まで乾燥する。乾燥機１２０にはガス化炉２４０で生成した高温の生成ガス１０を導入し、脱水汚泥２と直接接触させることにより乾燥させ、乾燥汚泥４と蒸発した水分を含む排ガス５とに分離する。分離した乾燥汚泥４と排ガス５はそれぞれ別の場所からガス化炉２４０に供給する。乾燥汚泥４は粉砕機１３０で粉砕され、粉砕汚泥６は搬送用ガス７によりガス化炉２４０に供給する。ガス化炉２４０には、ガス化用ガス（酸素）８も供給され、粉砕汚泥６の有機物は高温の排ガス５と酸素８により燃焼し、一酸化炭素や水素などの可燃性ガスを発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可燃性ガス製造システムにかかわり、水分を含む有機物を有機物と水蒸気に分離した後にガス化炉に供給するガス化装置を用いた可燃性ガス製造技術に関する。

石炭やプラスチック廃棄物などの有機物は、部分酸化させて一酸化炭素や水素などを主成分とする可燃性のガスに変換することができる。下水汚泥やパルプスラッジ等のように水分を多く含む有機物も、ある程度乾燥させることにより、石炭やプラスチック廃棄物などと同様にガス化できる。

固体有機物のガス化装置としては固定層、流動層、噴流層などがある。これらの中でも噴流層ガス化炉は、約１５００℃以上の高温で運転が可能であることから、有機物のガス化と同時に、固体有機物に含まれる灰分を溶融してスラグとして回収できるという特徴がある。噴流層ガス化炉を用いるためには、水分を多く含む有機物を乾燥し、この固体有機物を微粉状で供給する必要がある。

汚泥などのように含水率の高い有機物を乾燥する方法としては、特許文献１に記載されているように、汚泥などの有機物の熱分解ガスを燃焼して得られる燃焼排ガスを使って発生した蒸気を熱源として用いる方法がある。ここでは、蒸気タービンを回転させている蒸気の一部を抽気して、乾燥機に供給し、含水率が７５％程度の汚泥を含水率４０％程度に乾燥するものである。乾燥機に供給された蒸気と汚泥から蒸発した蒸気はドレンとなり、乾燥された汚泥だけが熱分解炉に供給される。この方法では、乾燥機に供給される汚泥の含水率が高くなった場合には、乾燥機に抽気する蒸気量を増やすことにより一定の乾燥度を保つことが出来る。一方、乾燥機への抽気量を増加した分、発電量は低下する。

別な乾燥法としては、特許文献２に記載されている方法がある。乾燥用熱ガスを生成する熱ガス発生装置を設け、発生した高温の熱ガスと、熱ガスとの熱交換により加熱された空気とを混合したガスを汚泥とともに乾燥室へ供給し、汚泥を乾燥する。乾燥した汚泥は水蒸気を含む乾燥排ガスは、熱ガス発生装置に供給される。この方法では、乾燥用の熱ガスの温度をあらかじめ下げることにより、乾燥機で有機物が燃焼するという問題が生じない。また、乾燥排ガスには水蒸気以外に悪臭成分が含まれるので、熱ガス発生装置に供給することにより悪臭成分を酸化し脱臭することができる。一方で、熱ガスを生成するために、外部燃料が必要となる。

さらに別な方法としては、特許文献３に記載されているように、汚泥をスラリーにしてガス化するというものがある。まず、ガス化炉での生成ガスを燃料としてガスタービンを駆動し、その排熱を利用して蒸気を発生する。汚泥は、第一の熱交換器で、蒸気により約２００℃に加熱され、次に、第二の熱交換器で２５０〜３００℃に加熱された後、反応蒸発缶で水熱分解されてスラリー化する。得られるスラリーは、固形分が５５％程度まで脱水している。

特開２００２−３２２９０２号公報 特開平８−６１８５６号公報 特開平１１−２００８１５号公報

汚泥などのように含水率の高い有機物を乾燥する方法として、蒸気タービンから抽気した蒸気を熱源として使用する場合、被乾燥物の含水率が高くなるほど発電量が低下するという問題がある。

一方、外部燃料を燃焼して乾燥用の熱ガスを発生させる場合、熱ガスを有機物が燃焼しない温度まで冷却してから乾燥に用いる必要があり、装置構成が複雑になるという問題がある。また、熱ガスを発生させるための外部燃料が必要となる。

また、汚泥を乾燥するのではなくスラリーにしてガス化する方法では、ガス化炉に水分が供給されるため、ガス化反応に必要な温度とするために空気や酸素の供給量を増やして、有機物の燃焼割合を高くする必要がある。従って、生成ガスは、乾燥した汚泥をガス化した場合に比べて一酸化炭素や水素の濃度が低く、二酸化炭素や水の生成率が高い。つまり、生成ガスの発熱量が低くなる。

本発明の目的は、従来技術の問題点に鑑み、外部燃料を使用せず、また有機物を燃焼させることなく、高効率かつ低コストで高含水率有機物から可燃性ガスを製造する方法と装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、ガス化炉を用い、高含水率有機物を部分燃焼させて可燃性のガスを生成させる可燃性ガス製造方法において、あらかじめ所定の含水率まで脱水あるいは濃縮した高含水率有機物を、ガス化炉から取り出した高温の生成ガスと直接接触させて所定の含水率まで乾燥し、乾燥有機物と蒸発水含有ガス（排ガス）とに分離し、前記乾燥有機物と前記蒸発水含有ガスとをそれぞれ別の場所から前記ガス化炉に供給することを特徴とする。

本発明の作用を説明する。高含水有機物を乾燥する手段としては、高温のガスと直接接触させる直接加熱方式が効率的である。しかし、空気や燃焼排ガスなどの酸素を含むガスを用いる場合、乾燥にともない有機物が燃焼する恐れがあるので、あまり高温で用いることができなかった。しかし、ガス化炉による生成ガスは、水素や一酸化炭素等を主成分として酸素を含まないため、有機物と直接接触させても有機物が燃焼するという問題を回避できる。しかし、乾燥に用いたガスを排気してしまうと効率の低下につながる。

そこで、高含水有機物を乾燥の前にある程度の含水率まで脱水しておくことにより、乾燥に使用した水蒸気を含む排ガスをガス化炉に戻すことができる。これは適度な量の水蒸気は、有機物中の炭素分のガス化を促進する効果があるためである。

この方法は、有機物をスラリーで供給する方法と比較しても効率がよい。なぜならば、スラリーと比べてガス化炉内に多量の水分が供給されないために、ガス化炉の局所的な温度低下を抑制できるからである。さらに、汚泥から発生した悪臭成分は、最終的にガス化ガスと共にガスタービン発電機の燃焼器などで燃焼されるので、系外への漏洩を回避できる。

さらに、生成ガスを用いて乾燥することにより、有機物が燃焼する恐れがないために乾燥度が上げられ、微粉化が可能となる。これにより噴流層でのガス化が可能となる。噴流層ガス化炉は、約１３００℃以上での高温で運転が可能であることから、有機物のガス化と同時に有機物に含まれる灰分を溶融でき、無害なスラグとして回収できる。

本発明によれば、高含水率の有機物を高効率に燃料ガスへ変換する可燃性ガス製造方法と、簡便かつ低コストな可燃性ガス製造装置が実現できる。

本発明の最良の実施形態では、高含水率汚泥から可燃性のガスを生成する可燃性ガス製造方式において、あらかじめ高含水率汚泥を所定の脱水率まで脱水した脱水汚泥とする。この脱水汚泥を、ガス化炉から取り出した高温の生成ガスと直接接触させることにより所定の含水率まで乾燥し、乾燥汚泥と蒸発水含有排ガスとに分離する。この乾燥汚泥と蒸発水含有排ガスとをそれぞれ別の場所からガス化炉に供給する。これにより、高含水率汚泥から燃料ガスへの変換効率を向上することができる。この方式によれば、可燃性ガス製造装置は簡便かつ低コストに構成できる。

以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。各図を通して、同一符号は同等のものを表している。

図１は本発明の一実施例を示し、高含水率有機物のガス化による可燃性ガス製造装置の構成図で、発電プランに適用した例である。本例では、汚泥のガス化に適用した場合を示している。

汚泥前処理装置は、脱水機１１０、乾燥機１２０、粉砕機１３０からなる。汚泥ガス化装置は、汚泥ホッパ２１０、ロータリーバルブ２２０、エジェクタ２３０、ガス化炉２４０、生成ガス冷却部２５０、熱回収装置２６０からなる。

本実施例では詳細系統を示していないが、ガス精製部３００は脱塵機能、脱硫機能、微量成分除去機能を持つ。脱塵する方法としては、サイクロン、フィルターなどが利用可能である。脱塵された生成ガスから硫黄分、微量有害成分を除去する手段としては、水洗、化学吸収、物理吸収、触媒などが利用可能である。

精製されたガスはガスタービン発電装置４００に送られる。本実施例では詳細系統を示していないが、ガスタービン発電装置４００は燃焼器、圧縮機、タービン、発電機から構成される。

次に、汚泥前処理装置および汚泥ガス化装置の詳細な機能を説明する。汚泥１は、含水率が約７０〜９５％であり、脱水機１で所定の脱水率まで脱水され、脱水汚泥２と排水３とに分離される。脱水機１としては、プレス型、濾過型、遠心分離型などを用いることができる。

脱水汚泥２は、乾燥機１２０に搬送され、ガス化炉２４０で生成した高温の生成ガス（粗製ガス）１０を熱源として所定の含水率まで乾燥され、乾燥汚泥４と排ガス５に分離される。乾燥機１２０は、流動層型や振動箱型の直接加熱式の乾燥機（例えば、気流乾燥機、通気乾燥機等）などを用いることができる。

乾燥汚泥４は、粉砕機１３０で１００μｍ程度以下の粒径に粉砕され、粉砕汚泥６となる。一方、汚泥から蒸発した水分、悪臭成分と粗製ガス１０とからなる排ガス５はガス化炉２４０に供給される。汚泥から蒸発した適度な水分は、汚泥のガス化反応における炭素のガス化促進剤として利用される。乾燥の際に汚泥から発生する悪臭成分は、生成ガス１０と共に、ガスタービンの燃焼器で燃焼されることにより無害化される。

粉砕汚泥６は、一旦、汚泥ホッパ２１０に貯留され、ロータリーバルブ２２０により必要量が切り出され、エジェクタ２３０で搬送用ガス７の流れに乗り、ガス化炉２４０へ供給される。搬送用ガス７としては窒素の他に、空気や二酸化炭素が利用可能である。

粉砕汚泥６は、ガス化炉内で、ガス化用ガス８に含まれる酸素と反応してガス化し、主に一酸化炭素と水素を主成分とする生成ガス１０となる。ガス化用ガス８としては、空気や純酸素の他に、ガスタービン圧縮機から抽気した加圧空気などを利用できる。ガス化用ガス８の供給量は、汚泥に含まれる灰分を溶融するのに十分な温度の領域がガス化炉内に確保されるように調整する。溶融した灰分は生成ガスと分離され、スラグ９として炉外へ排出される。

本実施例によれば、排ガスの水蒸気は高温の状態でガス化炉に供給されるので、汚泥をスラリーで供給する時のように炉内温度の局所的な低下を生じることはなく、ガス化に必要な温度に達していない領域が生じることは回避される。

図２は脱水汚泥の含水率と、炭素ガス化率および冷ガス効率との関係を示した特性図で、あるプラントに本発明を適用したときの脱水汚泥の含水率と有機物中の炭素分のガス化率、および冷ガス効率の関係を示すグラフである。

炭素ガス化率は、ガス化炉に投入した有機物中の炭素量に対する粗製ガス中の炭素量で、（１）式で示される。
炭素ガス化率＝(生成ガス中の炭素量)／(ガス化炉に投入した有機物中の炭素量) …（１）
冷ガス効率は、（２）式に示すように、ガス化炉に投入した乾燥汚泥の発熱量に対する生成ガスの発熱量であり、ガス化炉のガス転換効率を示す。
冷ガス効率＝(生成ガス量×生成ガス発熱量)／(脱水汚泥発熱量×脱水汚泥供給量)…（２）
上記可燃性ガス製造装置では脱水汚泥の含水率が高くなると、炭素ガス化率は向上するが、冷ガス効率は低下するという関係にある。本実施例では、脱水汚泥の含水率を所定範囲に調整することにより所定のガス化性能を得ることができる。

次に、本可燃性ガス製造装置を用いた発電プラントの運転制御方法を説明する。図３は運転制御装置を含むプラントの構成図である。このプラントの主要な制御量としては、乾燥機内部温度、ガス化炉圧力がある。

乾燥機の内部温度は、乾燥機出口の温度Ｔを温度計６１０により計測し、この値と、設定温度７１０をコントローラ７２０に入力し、乾燥機出口温度が設定温度に等しくなるように、コントロールバルブ６２０を操作する。

ガス化炉の圧力は、ガス化炉出口の圧力を圧力計６３０により計測し、この値と設定圧力７３０をコントローラ７４０に入力する。コントローラ７４０は、ガス化炉出口圧力が設定圧力７３０に等しくなるように、粉砕汚泥６を切り出すロータリーバルブ２２０と、ガス化ガス８の流量を調節するコントロールバルブ６５０を操作する。なお、各コントローラにおいて制御信号を作成する方式は、一般的に用いられている比例積分制御方式などが利用できる。

本実施例は、ガス化炉で生成したガスを燃料としてガスタービン発電機を用いて発電するシステムに適用している。しかし、生成ガスの用途としてはそれに限定されるものではなく、化学製品の原料やガスタービン発電機以外のガスエンジンや燃料電池などの燃料として使用することも可能である。

本発明の可燃性ガス製造装置の別の実施例を説明する。図４は、実施例２による可燃性ガス製造装置の概略構成を示すブロック図で、流動層ガス化炉を用いた例である。実施例１と同一のものについては説明を省略し、実施例１と相違する構成及び特徴について説明する。また、本実施例も実施例１と同様に、汚泥１のガス化に適用した場合を示している。

実施例２が実施例１と相違する点は、乾燥機１２０から排出された乾燥汚泥４が直接汚泥ホッパ２１０に払い出され、ガス化炉２７０へ供給されることにある。また、流動媒体ホッパ２８０から、ケイ砂や炭酸カルシウムなどの無機物からなる流動媒体１１がガス化炉２７０へ供給される。

ガス化炉２７０の底部には分散板２７５があり、分散板２７５の上から流動媒体１１が供給される。分散板２７５の下からは、ガス化用ガス８と共に乾燥機１２０から排出された排ガス５が流動用ガスとして導入される。この流動用ガスを吹き込むことにより、分散板２７５の上方に流動媒体１１の流動層が形成される。

ガス化炉２７０に供給された乾燥汚泥４は、流動媒体１１と共に流動化することにより分散・微粉化し、約６００〜８００℃で一酸化炭素や水素などの可燃性ガス１０が生成される。ここでは、ガス化温度が低いので、実施例１の生成ガス冷却部２５０や熱回収装置２６０は省略できる。

一定時間使用された流動媒体１１はガス化炉２７０から抜き出され、流動媒体再生装置２９０でチャー１２と再生流動媒体１３とに分離された後に、再生流動媒体１３のみ流動媒体ホッパ２８０を介して再びガス化炉２７０へ供給される。

本実施例の可燃性ガス製造装置では、ガス化温度が低いのでガス化用ガスの使用量が少なくて済む。さらに、粉砕機を使用しないために、システム全体でのエネルギー効率が高いという特徴がある。灰は、溶融スラグ化されずチャーとして回収されるため、灰の有効利用も可能である。

本発明の可燃性ガス製造装置は、汚泥などの高含水率有機物から可燃性ガスへの変換効率を向上することができるため、可燃性ガスを内燃機関やガスタービンで燃焼する発電設備に適用できる。また、可燃性ガスである一酸化炭素と水素から合成液化燃料を製造するプラント、水素からアンモニア、窒素肥料の合成に用いるプラントなどの用途に適用できる。

本発明の一実施例による可燃性ガス製造装置の構成を示すブロック図。 脱水汚泥の含水率と炭素ガス化率・冷ガス効率との関係を示すグラフ。 実施例１の制御方式を示すブロック図。 本発明の実施例２による可燃性ガス製造装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…汚泥、２…脱水汚泥、３…排水、４…乾燥汚泥、５…排ガス、６…粉砕汚泥、７…搬送用ガス、８…ガス化用ガス、９…スラグ、１０…生成ガス（粗製ガス）、１１…流動媒体、１２…チャー、１３…再生流動媒体、１１０…脱水機、１２０…乾燥機、１３０…粉砕機、２１０…汚泥ホッパ、２２０…ロータリーバルブ、２３０…エジェクタ、２４０…ガス化炉、２５０…生成ガス冷却部、２６０…熱回収装置、２７０…流動層ガス化炉、２７５…分散板、２８０…流動媒体ホッパ、２９０…流動媒体再生装置、３００…ガス精製部、４００…ガスタービン発電装置、６１０…温度計、６２０…コントロールバルブ、７１０…設定温度、７２０，７４０…コントローラ、７３０…設定圧力。

Claims (8)

1. ガス化炉を用い、高含水率有機物を部分燃焼させて可燃性ガスを生成させる可燃性ガス製造方法において、
   あらかじめ所定脱水率まで脱水あるいは濃縮した高含水率有機物を、ガス化炉から取り出した高温の生成ガスと直接接触させて所定含水率まで乾燥して乾燥有機物と蒸発水含有ガスとに分離し、前記乾燥有機物と前記蒸発水含有ガスとをそれぞれ別の場所から前記ガス化炉に供給することを特徴とする可燃性ガス製造方法。
2. 請求項１において、前記乾燥有機物を粉砕し、気流搬送により前記ガス化炉に供給することを特徴とする可燃性ガス製造方法。
3. ガス化炉を用い、高含水率有機物を部分燃焼させて可燃性ガスを生成させる可燃性ガス製造方法において、
   あらかじめ所定脱水率まで脱水あるいは濃縮した高含水率有機物を、ガス化炉から取り出した高温の生成ガスと直接接触させて所定含水率まで乾燥して乾燥有機物と蒸発水含有ガスとに分離し、前記乾燥有機物を前記ガス化炉の上部ないし中部から供給し、前記蒸発水含有ガスは前記ガス化炉の下部から供給することを特徴とする可燃性ガス製造方法。
4. 請求項３において、前記ガス化炉の上部ないし中部へ無機物からなる流動媒体を供給し、前記下部へ流動用ガスを供給し、前記乾燥有機物は前記流動媒体と共に流動化することにより可燃性ガスを生成することを特徴とする可燃性ガス製造方法。
5. ガス化炉を備え、高含水率有機物を部分燃焼させて可燃性ガスを生成させる可燃性ガス製造装置において、
   高含水率有機物を所定脱水率まで脱水する脱水機と、脱水した脱水有機物と前記ガス化炉から取り出した高温の生成ガスを直接接触させて所定含水率に乾燥させるとともに、乾燥有機物と蒸発水含有ガスに分離する乾燥機と、前記乾燥有機物と前記蒸発水含有ガスをそれぞれ別の場所から前記ガス化炉に供給する構成としたことを特徴とする可燃性ガス製造装置。
6. 請求項５において、分離された前記乾燥有機物を粉砕する粉砕機と、粉砕された乾燥有機物を気流搬送により前記ガス化炉に供給する気流搬送手段を設けることを特徴とする可燃性ガス製造装置。
7. 請求項５において、前記ガス化炉内に設けられた分散板の上部に前記乾燥有機物を供給し、前記分散板の下部に前記蒸発水含有ガスを供給する構成としたことを特徴とする可燃性ガス製造装置。
8. 汚泥などの高含水率有機物からガス化炉により可燃性ガスを生成する可燃性ガス製造装置を備え、前記生成ガスを用いてタービンを回転して発電する発電システムにおいて、
   前記可燃性ガス製造装置は、請求項１−４の何れかに記載の可燃性ガス製造方法を用いることを特徴とする発電システム。
   

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