JP2006225483A

JP2006225483A - バイオマスの炭化方法

Info

Publication number: JP2006225483A
Application number: JP2005039686A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ishida; 吉浩石田; Atsushi Kobayashi; 淳志小林; Masaya Kurita; 雅也栗田; Masaru Horie; 賢堀江
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】高含水のバイオマスを使用したとしても、外部エネルギーの投入量を低減することができるバイオマスの炭化方法を提供すること。
【解決手段】バイオマスを乾燥させる乾燥工程と、乾燥後のバイオマスを空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃の熱分解ガスと固形炭化物に分離する熱分解工程と、前記熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガスを４００〜９００℃で反応する触媒を用いた改質反応によって常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタン等の低沸点のガスに変換するガス改質工程と、改質後の改質ガスを冷却、浄化してガス中の水分、腐食成分及び重金属を除去するガス冷却・浄化工程とを含み、浄化後の浄化ガスを熱分解工程、または、熱分解工程及び乾燥工程に導入し熱源として利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス、とくに下水汚泥、し尿汚泥、家畜糞尿等の高含水のバイオマスを乾燥、熱分解して固形炭化物を得るバイオマスの炭化方法に関する。

近年、地球温暖化防止の観点からＣＯ_２削減のために、短期間サイクルでのＣＯ_２循環、固定化が可能なバイオマス資源の活用に関する開発が推進され、例えば、特許文献１には、そのための熱分解ガス化装置が開示されている。

これは、バイオマスを３００〜８００℃で炭化処理して得た炭化物と、水蒸気と、空気とを熱分解ガス化炉に投入し、水性ガス化反応により可燃性ガスを得るものである。

しかし、このようにバイオマスを炭化処理、すなわち乾燥、熱分解して炭化物を得る方法において、とくに下水汚泥、し尿汚泥、家畜糞尿等の高含水のバイオマスを炭化処理する場合、以下の問題点があった。

１）乾燥工程、熱分解工程において、水分乾燥及び原料昇温、乾留のために大量の外部エネルギーを投入する必要がある。

２）熱分解工程において得られた熱分解ガスを他の工程の熱源として利用する場合、熱分解ガス中に含まれる常温常圧で液化する高沸点液状ガス、いわゆるタール分による配管類の詰まり、閉塞が問題となる。とくに、熱分解ガスをブロワーで昇圧して利用する場合、タール分による障害が問題となり、安定運転を継続できない。このタール分による障害を回避するために、ガス洗浄装置によりタール分を除去することも可能であるが、タール分の熱量はバイオマスの持つ熱量の半分以上を占めるため、バイオマスの持つ熱量を有効に利用できないだけでなく、外部エネルギーの追加投入が必要となる。

３）熱分解ガスを熱分解工程の熱源として利用する場合、乾燥工程と熱分解工程を分離し、熱分解ガス中への水分混入を抑制しないと、熱分解ガスの燃焼時に水分により希釈され燃焼温度が低下するだけでなく、排ガス損失も大きくなるため、外部エネルギー投入量が増加し、乾燥工程と熱分解工程の一体化が難しく、装置をコンパクトにすることができない。
特開２００４−３５８３７号公報

本発明が解決しようとする課題は、高含水のバイオマスを使用したとしても、外部エネルギーの投入量を低減することができるバイオマスの炭化方法を提供することにある。

他の課題は、バイオマスの熱分解工程で得られる熱分解ガス中に含まれるタール分による障害をなくし、安定運転を可能にすることにある。

さらに他の課題は、バイオマスの乾燥工程と熱分解工程を分離せず、一工程にまとめることを可能にすることにある。

本発明のバイオマスの炭化方法は、バイオマスを乾燥させる乾燥工程と、乾燥後のバイオマスを空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃の熱分解ガスと固形炭化物に分離する熱分解工程と、前記熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガスを４００〜９００℃で反応する触媒を用いた改質反応によって常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタン等の低沸点のガスに変換するガス改質工程と、改質後の改質ガスを冷却、浄化してガス中の水分、腐食成分及び重金属を除去するガス冷却・浄化工程とを含み、浄化後の浄化ガスを熱分解工程、または、熱分解工程及び乾燥工程に導入し熱源として利用することを特徴とする。

このように、本発明においては、熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガス、すなわちタール分を触媒により改質して常温常圧で液化しない低沸点のガスにした上で、ガス中の水分、腐食成分及び重金属を除去し、この浄化後の浄化ガスを熱分解工程あるいは乾燥工程に必要な熱源として利用することで、高含水のバイオマスを使用したとしても、外部エネルギーの投入量を大幅に低減することができる。

また、タール分を改質し、水分、腐食成分及び重金属を除去した浄化ガスを利用することで、タール分による障害がなくなり、安定運転が可能となる。

さらに、タール分を触媒により改質することで、触媒なしに比べ、低温で改質反応を促進することができる。

また、本発明においては、乾燥工程と熱分解工程を乾燥熱分解工程として一つの工程にまとめたとしても、ガス冷却・浄化工程で水分除去が可能であるので、乾燥工程及び熱分解工程に利用する浄化ガスの熱量は、乾燥工程と熱分解工程が別々の場合と変わらず、燃焼温度の低下や、排ガス損失の増大もなく、外部エネルギーの投入量を大幅に低減することができる。

すなわち、ガス冷却・浄化工程では、ガスを例えば６０℃以下に冷却し、水蒸気分圧を低下させることでガス中水分を除去し、湿基準のガス熱量を上げることができる。この熱量の高いガスを燃焼すると排ガス量を低減できるので、乾燥工程及び熱分解工程において間接加熱でバイオマスを加熱する際に、排ガス損失を低減し、必要な外部エネルギーを低減することができる。また、バイオマスの含水率が小さい場合は、外部エネルギーを投入することなく、バイオマスの自己熱量のみで乾燥、熱分解が可能となる。

本発明において炭化処理するバイオマスとしては、下水汚泥、し尿汚泥、それらの消化汚泥、脱水汚泥、家畜糞尿、食品廃棄物、もしくは、それらの堆肥化物のいずれかまたは混合物等からなる高含水のバイオマスを使用することができる。このような高含水のバイオマスを使用する場合、バイオマスの自己熱量のみで乾燥・熱分解するために、木材チップ、紙等の高熱量、低含水のバイオマス（熱量：８０００ＭＪ／ｋｇ以上、含水率：５０質量％以下）を混合してバイオマス全体としての含水率を調整することができる。具体的には、含水率が８０質量％以下、より好ましくは７０質量％以下となるように低含水のバイオマスの混合量を調整する。

本発明は以下の効果を奏する。

１）バイオマスの熱分解工程で得られた熱分解ガスを改質、冷却、浄化して得られた浄化ガスは、原料として高含水のバイオマスを使用したとしても、ガス熱量が高く、排ガス損失を小さくできるので、エネルギー効率が高く、この浄化ガスを熱分解工程あるいは乾燥工程に必要な熱源として利用することで、外部エネルギーの投入量を大幅に低減することができる。

２）熱分解ガス中のタール分を改質するので、タール分による閉塞トラブル等の障害を回避できる。

３）浄化ガスでは、Ｓ、Ｃｌ等の腐食成分及び重金属が除去されているので、装置の耐久性が向上し、また、排ガス中の有害成分も大幅に削減できる。

図１は、本発明のバイオマスの炭化方法を実施する炭化装置の構成図である。

図１に示すバイオマスのガス化装置は、家畜糞尿系のバイオマスを処理対象としており、原料供給工程用の構成として家畜糞尿系のバイオマスを洗浄して脱塩処理する洗浄槽１と、洗浄後のバイオマスを脱水する脱水機２と、脱水後のバイオマスを一時貯留し、切出量を測定する秤量ホッパ３と、大気遮断装置４と、スクリュウフィーダ５とを備え、乾燥熱分解工程用の構成として外熱式ロータリーキルンの乾燥熱分解炉６を備えている。乾燥熱分解炉６の後段には、ガス改質工程用の構成として触媒反応器７を備えると共に、固形炭化物回収工程用の構成として回収ホッパ８と、乾燥熱分解炉６と回収ホッパ８を遮断するガス遮断装置としてのロータリーバルブ９とを備えている。さらに、触媒反応器７の後段には、ガス冷却・浄化工程用の構成としてガスを冷却・洗浄するスクラバー１０と、ガス中の塵を除塵する除塵器１１とを備えている。

原料供給工程では、洗浄、脱水後のバイオマスの供給量を秤量ホッパ３でバッチ測定し、２重化した大気遮断装置４を介し、炉内ガスを大気に放出することなく、また、大気を炉内に吸い込むことなく、スクリュウフィーダ５上に供給する。２重化した大気遮断装置４間の空間は、蒸気、窒素等の不活性ガスでパージするとより効果的に大気遮断ができる。バイオマスは、乾燥熱分解炉６へスクリュウフィーダ５で連続的に装入される。なお、洗浄、脱水後のバイオマスの含水率は、その後の乾燥熱分解工程で必要な外部投入エネルギー量を抑えるために、８０質量％以下に調整することが好ましい。脱水機２のみによって含水率を８０質量％以下に調整することが困難な場合は、木材チップ、紙等の低含水のバイオマスを加えて含水率を調整することもできる。

乾燥熱分解炉６は外熱式のロータリーキルンとなっており、外熱部６ａの熱源として、ガス冷却・浄化工程で冷却・浄化した熱分解ガス（浄化ガス）を導入し、外熱部６ａで空気と混合するバーナ６ｂを備え、７００〜１０００℃の温度で燃焼する。ロータリーキルンのキルン炉殻６ｃは外熱部６ａと遮断する鋼製の隔壁となっており、外熱部６ａの燃焼ガスとキルン炉殻６ｃ内部の熱分解ガスは混合せず、間接加熱となっている。装入されたバイオマスは、キルン炉殻６ｃからの熱伝導により４００〜９００℃に昇温され、乾燥、熱分解し、熱分解ガスと固形炭化物に分離する。

熱分解ガスは、バイオマス中の付着水分と揮発分が乾燥、熱分解により揮発したもので、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４主体の低沸点ガスと常温で液状化する高沸点の液状物質、いわゆるタール分と水蒸気とからなり、乾燥熱分解炉６の出口温度で４００〜９００℃となる。固形炭化物は、熱分解温度によって一部揮発分が残留するが、大部分は、固定炭素分と灰分とからなる炭化物であり、乾燥熱分解炉６の出口温度で４００〜９００℃となる。

固形炭化物は、ロータリーバルブ９の操作により回収ホッパ８に回収される。回収された固形炭化物は、堆肥原料、石炭焚きの火力発電所用燃料、シャフト炉式廃棄物溶融炉の溶融燃料代替物等として利用される。

乾燥熱分解炉６で生成した熱分解ガスは触媒反応器７に導入され、触媒反応器７において熱分解ガス中のタール分が触媒を用いた改質反応により、水素、一酸化炭素、メタンを主体とする低沸点のガスに変換される。触媒反応器７の炉殻７ａは外熱部７ｂと遮断する鋼製の隔壁となっており、ガス冷却・浄化工程で冷却・浄化した熱分解ガス（浄化ガス）を導入し、外熱部７ｂで空気と混合するバーナ７ｃを備え、７００〜１０００℃の温度で燃焼し、タール分改質時の吸熱反応熱を間接的に補填する。

触媒反応器７の外熱部７ｂからの燃焼排ガスは、排熱ボイラ１３に導入され、熱交換される。熱交換によって生成した蒸気は、必要に応じて熱分解炉６のキルン炉殻６ｃ内に導入され、ガス改質工程の触媒反応器７においてタール分の改質反応に供される。排熱ボイラ１３には、上述した乾燥熱分解工程における乾燥熱分解炉６の外熱部６ａからの燃焼排ガスも導入される。

触媒反応器７を出た改質後の熱分解ガス（改質ガス）は、ガス冷却・浄化工程で、スクラバー１０により冷却、除塵、脱硫、脱塩される。スクラバー１０出口の温度は６０℃以下、より好ましくは４０℃以下に十分低くして含有水蒸気を抑え、高熱量でクリーンな熱分解ガス（浄化ガス）とする。この浄化ガスは、除塵器１１を介した上で、ブロワー１２によって、上述したように、乾燥熱分解工程の熱源として乾燥熱分解炉６の外熱部６ａに導入される。

以上の実施例では、バイオマスの乾燥工程と熱分解工程を乾燥熱分解の一工程にまとめ、これを一つの装置（乾燥熱分解炉６）で実施するようにしたが、乾燥工程と熱分解工程を別々の工程として、それぞれ乾燥炉と熱分解炉で実施しても良い。この場合、熱分解炉、または熱分解炉及び乾燥炉に、ガス冷却・浄化工程で冷却・浄化した熱分解ガス（浄化ガス）を熱源として導入する。

本発明は、木材チップ、紙等の低含水のバイオマスの炭化処理にはもとより、下水汚泥、し尿汚泥、家畜糞尿等の高含水のバイオマスの炭化処理に好適に利用可能である。

本発明のバイオマスの炭化方法を実施する炭化装置の構成図である。

符号の説明

１洗浄槽
２脱水機
３秤量ホッパ
４大気遮断装置
５スクリュウフィーダ
６乾燥熱分解炉
６ａ外熱部
６ｂバーナ
６ｃキルン炉殻
７触媒反応器
７ａ炉殻
７ｂ外熱部
７ｃバーナ
８回収ホッパ
９ロータリーバルブ
１０スクラバー
１１除塵器
１２ブロワー
１３排熱ボイラ

Claims

バイオマスを乾燥させる乾燥工程と、乾燥後のバイオマスを空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃の熱分解ガスと固形炭化物に分離する熱分解工程と、前記熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガスを４００〜９００℃で反応する触媒を用いた改質反応によって常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタン等の低沸点のガスに変換するガス改質工程と、改質後の改質ガスを冷却、浄化してガス中の水分、腐食成分及び重金属を除去するガス冷却・浄化工程とを含み、浄化後の浄化ガスを熱分解工程、または、熱分解工程及び乾燥工程に導入し熱源として利用することを特徴とするバイオマスの炭化方法。
乾燥工程と熱分解工程を乾燥熱分解の一工程にまとめた請求項１に記載のバイオマスの炭化方法。
バイオマスが、下水汚泥、し尿汚泥、それらの消化汚泥、脱水汚泥、家畜糞尿、食品廃棄物、もしくは、それらの堆肥化物のいずれかまたは混合物からなる高含水のバイオマスである請求項１又は２に記載のバイオマスの炭化方法。
バイオマスの自己熱量のみで乾燥・熱分解するために、前記高含水のバイオマスに、木材チップ、紙等の高熱量、低含水のバイオマスを混合したバイオマスを使用する請求項３に記載のバイオマスの炭化方法。
得られた固形炭化物を、堆肥原料、石炭焚きの火力発電所用燃料、または、シャフト炉式廃棄物溶融炉の溶融燃料代替物として利用する請求項１〜４のいずれかに記載のバイオマスの炭化方法。