JP2006206842A - 統合型ガス化炉及びその操業方法 - Google Patents

統合型ガス化炉及びその操業方法 Download PDF

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【課題】統合型ガス化炉においてガス化室及び燃焼室の温度の安定化を図ることにある。また、熱分解に必要な熱量と利用可能熱量がバランスする平衡点を高温側にシフトさせ、熱分解生成物のタール収率を抑え、ガス収率を上げることができるようにすること。
【解決手段】1つの流動床炉内に、有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化室11と、有機性廃棄物の熱分解により生成し流動媒体に随伴する随伴物を燃焼する燃焼室12とを仕切壁13により隔離して設け、流動媒体をガス化室11と燃焼室12との間で循環させる統合型ガス化炉10において、燃焼室12の補助熱源として高炉からの高炉ガス、転炉からの転炉ガス、コークス炉からのコークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上を供給する。
【選択図】図1

Description

本発明は、廃プラスチック、木材等の有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化炉に関し、とくに、有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化室と有機性廃棄物の熱分解により生成し流動媒体に随伴するチャーやタールを燃焼する燃焼室とを1つの流動床炉内に備えた統合型ガス化炉及びその操業方法に関する。
プラスチック、木材等の有機性廃棄物の処理方法としては、まず、図5に示すように間接加熱方式のロータリーキルン20を用いて、間接加熱条件下で有機性廃棄物を熱分解する方法がある。有機性廃棄物の熱分解により、ガスとチャーとタールが生成するが、この間接加熱方式における各熱分解生成物の熱量構成と熱分解温度との関係は一般に図6に示すようになる。すなわち、ガス熱量(Pgas)は、300〜400℃ではほぼゼロで、熱分解温度上昇により増加していく。タール熱量(Ptar)は低温で高く、温度上昇によりガスに転換して減少し、1000℃前後でゼロになる。チャー熱量(Pchar)は1割以下と小さく、温度上昇により僅かに増加する。
だたし、間接加熱方式では、加熱源側に高温熱源が必要になるとともに、伝熱面を構成する材料(図5のキルン円筒21)の耐熱、耐腐食、耐磨耗の制約から、金属材料の場合鉄皮温度は400〜700℃が上限で、熱分解温度が高くできないこと、温度差の関係で伝熱面積を大きくとる必要が生じ、装置が大きく、高価になるという問題がある。
この問題を解決するために、間接加熱ではなく、一部の有機性廃棄物を燃焼させ、その発生熱を直接伝熱させることにより得た高温で、残りの有機性廃棄物を熱分解・ガス化させる部分燃焼式のガス化方法が知られている。その炉形式としては図7に示す流動床ガス化炉30がある。この部分燃焼式流動床ガス化炉の熱分解生成物の熱量構成は図8Aに示すようになる。熱分解生成物のうち、チャーは燃えにくいのに対し、ガスとタールは燃焼しやすいためガスとタールが一部燃焼する。図8Aにおいて、Pgas(1)、Ptar(1)は、それぞれ熱分解で生成するガス熱量、タール熱量のうち燃焼するものを示し、Pgas(2)、Ptar(2)、Pcharは、それぞれ熱分解で生成するガス熱量、タール熱量、チャー熱量のうち燃焼しないものを示す。この部分燃焼式流動床ガス化炉におけるガス化室出口での熱量構成を図8Bに示す。図8Bにおいて、Cgasは、Pgas(1)、Ptar(1)の燃焼によって生成する燃焼排ガス熱量を示す。
図8Aに示す熱分解生成物は、図6に示す間接加熱と同じであるがガスとタールが一部燃焼する点で異なっている。部分燃焼炉の場合、図8Bに示すように熱分解生成物の燃焼割合を増加させることで容易に熱分解温度を上げることができ、流動床炉では、流動媒体の溶融温度以下の範囲で高温操作が可能である。ガス化の場合、生成物中タールはガスから分離除去して別途処理する必要が生じるので、図8Aにより、タールを極力減らしてガス量を増やすために、熱分解温度を上げることが好ましいが、一方で熱分解温度上昇のために熱分解生成物の燃焼割合を増加させると、燃焼排ガスによる希釈でガスカロリーが低下してしまうという問題がある。これに対して、流動化ガス兼燃焼用酸素源として導入する空気を純酸素にしてガスカロリー低下を抑制することが考えられるが、それでもCOによる希釈でガスカロリーが低下するという問題は残る。
この燃焼排ガスによる希釈を防ぐため、特許文献1には図9に示すように、1つの流動床炉内に、熱分解するガス化室41と、熱分解生成物の一部を燃焼する燃焼室42とを仕切壁43により隔離して設け、熱分解ガスに燃焼排ガス(CO、N)が混合して希釈されることを回避し、それによるガスカロリー低下を防止することが可能な統合型ガス化炉が提案されている。この統合型ガス化炉40において熱分解に必要な熱量は、ガス化室41と燃焼室42で循環する流動媒体が熱媒体となり伝熱される。すなわち、燃焼室42に流動媒体に随伴して持ち込まれたチャー・タールが燃焼し、流動媒体の高温顕熱として着熱してガス化室41に戻された熱量が、ガス化室41の熱分解操作熱源となる。仕切壁43の開口部(図示せず)はガスシールしつつ流動媒体が循環できる構造となっている。この統合型ガス化炉によれば、流動媒体を熱媒体とする間接加熱を実現できるので、燃焼排ガスによる希釈もなく、純酸素使用の必要もない。
統合型ガス化炉における熱分解生成物の熱量構成は図10に示すようになる。熱分解生成物のうち、固体のチャーは微細化によりガス中飛散するもの以外は流動媒体に随伴し、また、タールは一部が流動媒体に吸着されて流動媒体に随伴して燃焼室に移動する。図10において、Ptar(1)、Pchar(1)は、それぞれ熱分解で生成するタール、チャーのうち流動媒体に随伴して燃焼室に移動・燃焼するものを示し、Ptar(2)、Pchar(2)は、それぞれ熱分解で生成するタール、チャーのうち流動媒体に随伴せずに熱分解ガスとして排出されるものを示す。統合型ガス化炉のガス化室出口、燃焼室での熱量構成を、それぞれ図11A,図11Bに示す。
図11Bに示すように、熱分解温度の上昇により、ガス化炉における熱分解操作用として燃焼室から供給されるべき必要熱量(Qrequired)は増加する。一方、燃焼室で発生して熱分解操作用として利用できる利用可能熱量(Qavailable)は、タール熱量、チャー熱量に由来する燃焼排ガス熱量とそれらの流動媒体への着熱効率に依存する(Cgastar×ηtar+Cgaschar×ηchar)結果、熱分解温度が上昇すると減少する。すなわち図11Bに示すようにある温度で、必要熱量と利用可能熱量が等しくなる。図中▽点は、この平衡点(必要熱量=利用可能熱量)を示し、これより高温側は熱量が不足(必要熱量>利用可能熱量)するので温度を下げないと運転継続できない、逆に平衡点より低温側は、必要以上に燃焼させる結果となり温度上昇を招く。その結果、平衡点周辺で運転せざるを得ない状況となる。しかし、性状変化のある廃棄物では、常に平衡点が変動する結果、熱量バランスをとれるように、適切な調整を加えるのは難しく、温度が上下にハンチングして不安定化しやすいという問題がある。また、プラスチックのように揮発分リッチな物質は、低温でガス化が進むので燃焼室で利用可能なチャー熱量(Pchar(1))や流動媒体に付随するタール熱量(Ptar(1))は少なくなるため、熱量を多く確保できずに平衡点は低温度になる。その結果、熱分解生成物のタール割合が多くなってしまうという問題がある。
特開平11−181450号公報
本発明が解決しようとする課題は、統合型ガス化炉においてガス化室及び燃焼室の温度の安定化を図ることにある。他の課題は、統合型ガス化炉において熱分解に必要な熱量と利用可能熱量がバランスする平衡点を高温側にシフトさせ、熱分解生成物のタール収率を抑え、ガス収率を上げることができるようにすることにある。
上記課題を解決するため、本発明は、1つの流動床炉内に、有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化室と、有機性廃棄物の熱分解により生成し流動媒体に随伴する随伴物を燃焼する燃焼室とを仕切壁により隔離して設け、流動媒体をガス化室と燃焼室との間で循環させる統合型ガス化炉において、燃焼室の補助熱源として高炉からの高炉ガス、転炉からの転炉ガス、コークス炉からのコークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上を供給する手段を設けたことを特徴とする。
また、本発明は、前記統合型ガス化炉の操業方法において、燃焼室の補助熱源として高炉からの高炉ガス、転炉からの転炉ガス、コークス炉からのコークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上を供給することを特徴とする。
本発明おいては、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上の供給量を調節することによって、燃焼室温度及びガス化室温度を調節することができる。
また、燃焼室温度及びガス化室温度を検出し、検出した燃焼室温度及びガス化室温度に基づき高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上の供給量を調節することもできる。
さらに、燃焼室の補助熱源兼流動化ガスとして、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上及びそれらを燃焼させる燃焼用空気を供給することもできる。
本発明によれば、燃焼室の補助熱源として高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上を供給するので、その供給量を燃焼室温度、ガス化室温度等に基づき調節することで、処理対象の有機性廃棄物の性状変動による温度変動を抑えることができ、温度の安定化を図ることができる。
また、従来の統合型ガス化炉における平衡点(図11B参照)以上の温度とするために不足する熱量を高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上の燃焼によって補填することができるので、平衡点を高温側にシフトさせることができ、その結果、熱分解生成物のタール収率を抑え、ガス収率を上げることができるようになる。
以下、図面に示す実施例に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の統合型ガス化炉を示す概略構成図である。統合型ガス化炉10は、ガス化室11と燃焼室12を1つの流動床炉内に備える。ガス化室11と燃焼室12とは仕切壁13によって隔離されている。
ガス化室11には廃プラスチック等の有機性廃棄物が投入され、投入された有機性廃棄物はガス化室11内の流動媒体(実施例では砂)によって加熱され、熱分解、ガス化される。生成した熱分解ガス(可燃性ガス)はガス化室11から排出され、回収される。一方、熱分解により生成したチャー及びタールの一部は、流動媒体とともに仕切壁13の開口部(図示せず)から燃焼室12に流入し、燃焼室12内で燃焼する。このチャー及びタールの燃焼によって加熱された燃焼室12内の流動媒体は、仕切壁13の開口部(図示せず)からガス化室12に流入する。このように、流動媒体はガス化室1と燃焼室2との間で循環し、その循環の途中、燃焼室2内にてチャー及びタールの燃焼によって加熱される。
この統合型ガス化炉10において熱分解に必要な熱量は、ガス化室11と燃焼室12で循環する流動媒体が熱媒体となり伝熱する。すなわち、燃焼室12に流動媒体に随伴して持ち込まれたチャー及びタールが燃焼し、流動媒体の高温顕熱として着熱してガス化室11に戻された熱量が、ガス化室11の熱分解操作熱源となる。なお、仕切壁13の開口部(図示せず)はガスシールしつつ流動媒体が循環できる構造となっている。
ガス化室11の流動化ガスとしては、ガス化反応(C+HO→CO+H)のための水蒸気の他に、流動化状態維持のためのCO、N、自己発生ガス、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガス等の酸素分子を含まないガスを供給する。また、燃焼室11の流動化ガスとしては、流動媒体に随伴するチャー及びタールを燃焼するために空気を導入し、燃焼排ガスはガス化室11からの熱分解ガスとは別系統で排出される。
以上説明した統合型ガス化炉10の構成は、図9で説明した従来の統合型ガス化炉の構成と同じであるが、本発明の統合型ガス化炉10は、これに加えて、燃焼室12にバーナ14を設け、このバーナ14に燃焼室12の補助熱源として高炉ガス(BFG)、転炉ガス(LDG)、コークス炉ガス(COG)のいずれか1種又は2種以上(以下「高炉ガス等」という。)をガス配管15により供給し燃焼させるようにしている。
また、別の実施形態として図2に示すように、バーナ14に加えて、流動床の炉床面にガスノズル50を配置し、燃焼室12の補助熱源兼流動化ガスとして高炉ガス等及びそれらを燃焼させる燃焼用空気を供給するようにしても良く、この場合は流動媒体への着熱効率が高められる。なお、図2の例では、バーナ14を省略することもできる。
統合型ガス化炉10における熱分解生成物の熱量構成は図10で説明した従来の統合型ガス化炉と同様である。統合型ガス化炉10のガス化室出口、燃焼室での熱量構成を、それぞれ図3A、図3Bに示す。図3A及び図3Bは、図11A及び図11Bに示した熱量構成と同じ要領で示したものである。
燃焼室の補助熱源として高炉ガス等を用いない場合、先に図11Bで説明したように、図に示す▽点が平衡点(必要熱量=利用可能熱量)を示し、これより高温側は熱量が不足(必要熱量>利用可能熱量)するので温度を下げないと運転継続できない。逆に平衡点より低温側は、必要以上に燃焼させる結果となり温度上昇を招く。その結果、平衡点周辺で運転せざるを得ない状況となる。
これに対して、本発明では、図3Bに示すように平衡点を高温側へシフトするにあたって不足する熱量を高炉ガス等の燃焼によって補填するようにしている。これを概念的に示すと図4のようになり、高炉ガス等の燃焼により熱量を補填することにより、平衡点を高温側へシフトさせることができる。
さらに、図1及び図2の例では、ガス化室11及び燃焼室12の温度を検出するために温度計16a,16b及び温度計17a,17bを設け、検出したガス化室11及び燃焼室12の温度に基づき、制御装置18のフィードバック制御によりガス配管15に設けた流量調節バルブ19の開度を調節し、高炉ガス等の供給量を調節するようにしている。これによって、処理対象の有機性廃棄物の性状が変動したとしても、ガス化室11及び燃焼室12の温度の安定化を図ることができる。
なお、有機性廃棄物のうちバイオマスのように水分が高い場合、プラスチックにように熱分解に伴う熱吸収が大きく、また、揮発分が高く燃焼室12内に循環され流入してくるチャー及びタールが少ない場合には、平衡点の温度が低くなる。すなわち、ガス化室11から循環して流入する流動媒体の温度が低く、燃焼室12内の温度が低下し、高炉ガス若しくは転炉ガス又はその混合ガスだけでは火炎を維持できない場合がある。その場合にはコークス炉ガスを混合、若しくは単独で利用し、安定な火炎の形成下で燃焼室12内での流動媒体への熱量補填を実施することで安定的に運転を継続することができる。
また、炉の構造上、流動化を得るために必要な空気量には下限があり、補填熱量の大小にかかわらず一定以上の空気を投入する必要がある。図1の例のように、燃焼室12の流動化ガスとして空気のみを使用した場合には大量の空気による冷却効果によって燃焼室12内での熱が燃焼排ガスとして排出され、流動媒体に与える以上の大きな熱量を補助熱源として供給する必要が起こり得る。その場合には、図2の例のように、補助熱源兼流動化ガスとして高炉ガス等及びその燃焼用空気を用いることで、流動化維持に必要な流動化ガス流量とガス化に必要な流動媒体への熱量補填を同時にバランスさせることができる。
また、図2に示すように、燃焼室12の流動化ガスの一部もしくは全部を、燃焼室からの廃熱で得られた蒸気を利用した空気予熱器51及びガス予熱器52による間接熱交換、もしくは廃熱直接による間接熱交換により予熱しても良い。
本発明の統合型ガス化炉を示す概略構成図である。 本発明の統合型ガス化炉の他の態様を示す概略構成図である。 本発明の統合型ガス化炉におけるガス化室出口の熱量構成を示す。 本発明の統合型ガス化炉における燃焼室の熱量構成を示す。 本発明における燃焼室の熱量補填の概念を示す。 従来の間接加熱方式のガス化炉を示す概略構成図である。 従来の間接加熱方式のガス化炉における熱分解生成物の熱量構成を示す。 従来の部分燃焼式のガス化炉を示す概略構成図である。 従来の部分燃焼式のガス化炉における熱分解生成物の熱量構成を示す。 従来の部分燃焼式のガス化炉におけるガス化室出口の熱量構成を示す。 従来の統合型ガス化炉を示す概略構成図である。 従来の統合型ガス化炉における熱分解生成物の熱量構成を示す。 従来の統合型ガス化炉におけるガス化室出口の熱量構成を示す。 従来の統合型ガス化炉における燃焼室の熱量構成を示す。
符号の説明
10 統合化ガス化炉
11 ガス化室
12 燃焼室
13 仕切壁
14 バーナ
15 ガス配管
16a,16b、17a,17b 温度計
18 制御装置
19 流量調節バルブ
20 ロータリーキルン
21 キルン円筒
30 部分燃焼式の流動床ガス化炉
40 統合化ガス化炉
41 ガス化室
42 燃焼室
43 仕切壁
50 流動床の炉床面に配したガスノズル
51 空気予熱器
52 ガス予熱器

Claims (8)

  1. 1つの流動床炉内に、有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化室と、有機性廃棄物の熱分解により生成し流動媒体に随伴する随伴物を燃焼する燃焼室とを仕切壁により隔離して設け、流動媒体をガス化室と燃焼室との間で循環させる統合型ガス化炉において、
    燃焼室の補助熱源として高炉からの高炉ガス、転炉からの転炉ガス、コークス炉からのコークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上を供給する手段を設けたことを特徴とする統合型ガス化炉。
  2. 高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上の供給量を調節する手段を設け、燃焼室温度及びガス化室温度を調節可能とした請求項1に記載の統合型ガス化炉。
  3. 燃焼室温度及びガス化室温度を検出する手段を設け、検出した燃焼室温度及びガス化室温度に基づき高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上の供給量を調節するようにした請求項2に記載の統合型ガス化炉。
  4. 燃焼室の補助熱源兼流動化ガスとして、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上及びそれらを燃焼させる燃焼用空気を供給する手段を設けた請求項1〜3のいずれかに記載の統合型ガス化炉。
  5. 1つの流動床炉内に、有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化室と、有機性廃棄物の熱分解により生成し流動媒体に随伴する随伴物を燃焼する燃焼室とを仕切壁により隔離して設け、流動媒体をガス化室と燃焼室との間で循環させる統合型ガス化炉の操業方法において、
    燃焼室の補助熱源として高炉からの高炉ガス、転炉からの転炉ガス、コークス炉からのコークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上を供給することを特徴とする統合型ガス化炉の操業方法。
  6. 高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上の供給量を調節することによって、燃焼室温度及びガス化室温度を調節する請求項5に記載の統合型ガス化炉の操業方法。
  7. 燃焼室温度及びガス化室温度を検出し、検出した燃焼室温度及びガス化室温度に基づき高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上の供給量を調節する請求項6に記載の統合型ガス化炉の操業方法。
  8. 燃焼室の補助熱源兼流動化ガスとして、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか1種又は2種以上及びそれらを燃焼させる燃焼用空気を供給する請求項5〜7のいずれかに記載の統合型ガス化炉。
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