JP2008036457A - 有機物の処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有機物に含有される灰分を有効に利用し、新たに触媒を使用することなく、有機物から効率良くエネルギーを回収することが望まれていた。
【解決手段】有機物１０１が含有する灰分を貯留し、それをガス化前の有機物１０１に混合する。有機物１０１内の灰分濃度が高くなると、必然的に固形分と灰分の接触確率も高くなり、灰分が有する有機物１０１の分解能力を十分に発揮し、水素等の燃料として価値の高いガスを多量に生成することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機物である食品廃棄物の水蒸気ガス化反応において、食品廃棄物に含有される灰分の触媒効果を利用して反応を促進させる有機物の処理装置に関するものである。

近年、有機化合物や有機廃棄物を熱分解あるいはガス化して、原料が有するエネルギーを回収し、有効利用するシステムの研究、開発が盛んに行われている。

このようなシステムで重要なのは、原料が有するエネルギーを最大限に回収することと、その回収に消費するエネルギーを最小限にし、エネルギー回収の効率を向上させることである。

前者の指標としては、回収したガス発熱量を原料発熱量で除した冷ガス効率がある。また、後者の指標は、定義や実測が困難であり、明確な指標や検討例等の報告はほとんど見当たらない。

また、前記有機化合物の水蒸気ガス化反応では、水素等のエネルギーとして価値の高いガスのほかに、タールおよびチャー、灰分等の残渣がある。前記冷ガス効率を向上させるためには、前記タールやチャーをうまくガスに転換することが必要である。また、前記タールは、排気系統の低温部で凝縮し、例えば、長時間運転した場合、排気管の閉塞等の原因となるため、非凝縮性ガスになるまで低分子化することが好ましい。

さらに、前記タールをガス化する方法として、分解触媒を利用する方法がある。ここでいうタールとは、高分子の炭化水素が主成分であるので、石油精製プロセスで使用されるニッケル等を分解触媒とすることにより、効果があると期待されている。また、前記ニッケルより高性能な触媒としてはルテニウム等がある。

また、生成した揮発成分を多孔質粒子で一時的に捕捉し、その後酸素や空気により燃焼する方法がある。この場合、燃焼熱をシステム内で利用することにより、システムのエネルギー消費量を低減することができる。

例えば、媒体粒子を循環させることにより、媒体粒子中に捕集されたチャーの燃焼熱を原料の熱分解に利用する循環流動床がある（例えば、特許文献１参照）。

図２は、上記特許文献１に記載された従来の統合型循環流動床ガス化炉の基本的構成図である。

図２に示すように、統合型循環流動床ガス化炉は、ガス化室１、捕集装置２、燃焼室３を併せ持つことにより構成されている。ガス化室１には原料ａが供給され、このガス化室１において原料ａの熱分解ガス化、および生成ガスの分解、改質が行われる。

ガス化室１内で生成されたチャーや生成ガスは、矢印ｄで示すように流動媒体とともに捕集装置２に流入する。

捕集装置２では、飛散粒子の捕集と可燃ガスｃの分離回収を行い、ここで分離された飛散粒子は、矢印ｅで示すように燃焼室３へ導入される。燃焼室３では、飛散粒子中にあるチャー等の可燃分の燃焼を行う。

また、ガス化室１の下部には、濃厚流動層または高速流動層が形成されている。そして、ガス化室１の下部が濃厚流動層である場合には、濃厚流動層上部から蒸気または窒素等のガスを、流動化ガスｂ２として供給することによってガス化室１上部を高速流動層としている。

さらに、ガス化室１では、熱分解ガス化により生成したガスを分解、改質することを目的として、高速流動層を高温化するために酸素を含むガスを流動化ガスｂ１、ｂ２として供給してもよく、生成したガスの一部を燃焼させてもよい。前記酸素を含むガスは、流動化ガスｂ１とｂ２のいずれか一方もしくは双方に供給する。

そして、燃焼室３でチャー等を燃焼した飛散粒子は、矢印ｆで示す如く再度ガス化室１に戻される。

以上の動作を繰り返すことにより、有機化合物の熱分解ガス化プロセスにおいて発生するタール等を分解、改質し、さらにチャーを燃焼した燃焼熱を再度熱分解に利用することにより、ガス転換率を向上させるとともに、システムの消費エネルギーを低減することができる。
特開２００３−１７６４８６号公報

しかしながら、上記従来の構成では、原料ａから発生するチャーは、捕集装置２において粒子で捕捉されて燃焼室３で燃焼処理される。

このため、チャーが有するエネルギーは熱として利用されることになる。また、前記チャーと同時に発生する灰分は、補修装置２か燃焼室３に蓄積されるか、チャーと一緒に粒子状態で捕捉される。

前記蓄積された灰分は、使用用途がなく、通常はそのまま廃棄される。また、粒子に捕捉された灰分は、燃焼室３で捕捉チャーが燃焼されるときに高温となり、揮発する。前述の如く灰分が揮発した後の粒子は、矢印ｆで示すように加熱室１に運ばれる。このため、加熱室１内における原料ａの単位重量あたりの灰分量は少なくなる。

前記灰分は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を多量に含んでいるため、有機化合物である原料ａのガス化や、原料ａから発生するタール、チャーの水蒸気ガス化を促進させる機能を有する。

しかしながら、ガス化室１内の灰分濃度が低下しているので、ガス化を促進しようとすると、別途触媒を使用する必要がある。

本発明は、有機化合物に含有される灰分を有効に利用し、新たに触媒を使用することなく、有機化合物から効率良くエネルギーを回収する処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、有機物を収納する収納手段と、前記有機物をガス生成物と固形残留物に分解する反応手段と、前記反応手段から排出される前記固形残留物を貯留する貯留手段を具備し、前記収納手段内に前記有機物と前記固形残留物が混在するようにしたものである。

したがって、固形残留物である灰分を有機化合物と混合状態にして前記反応手段に供給するため、有機化合物内の灰分濃度を高めることができる。その結果、必然的に固形分と灰分の接触する確率も高くなり、灰分が有する有機化合物の分解能力を十分に発揮させることができる。

本発明によれば、有機化合物が含有する灰分を貯留し、それをガス化前の有機化合物に混合し、反応手段にてガス成分と固形残留物（灰分）に分解するため、前記反応手段に供給する有機化合物内の灰分濃度を高くすることができ、その結果、必然的に固形分と灰分の接触確率を高くし、灰分が有する有機化合物の分解能力を十分に発揮させることができるものである。したがって、水素等の燃料として価値の高いガスを効率よく多量に生成することが可能となり、発電等の燃料として供することができるものである。

請求項１に記載の発明は、有機物を収納する収納手段と、前記有機物を還元雰囲気で加熱し、ガス生成物と固形残留物に分解する反応手段と、前記反応手段から排出される前記固形残留物を貯留する貯留手段を具備し、前記収納手段内に前記有機物と前記固形残留物を混在させるようにしたものである。

かかることにより、反応手段に供給される有機物は、多量の固形残留物が混入した状態となり、その結果、固形残留物に含有されるアルカリ金属またはアルカリ土類金属が有機物の分解を促進し、多くの燃料ガスを生成することができる。

請求項２に記載の発明は、前記貯留手段に流動媒体を供給して前記貯留手段内の前記固形成分を前記収納手段に搬送する搬送手段を設けたものである。

かかることにより、前記貯留手段には、有機物から生成される固形残留物が次々と蓄えられ、そして、蓄えられた固形残留物は、前記流動媒体によって収納手段まで運ばれて有機物と一緒になり、反応手段に供給される。

このように、有機物に含まれる固形残留物が系内を循環することにより、反応手段に供給される有機物には多量の固形残留物が混入した状態となり、固形残留物に含有されたアルカリ金属またはアルカリ土類金属が前記有機物の分解を促進する結果、継続して多くの燃料ガスを効率よく生成することができる。

請求項３に記載の発明は、前記収納手段に、前記有機物と固形残留物を混合するための混合手段を設けたものである。

かかることにより、前記固形残留物が前記有機物内に一様に分散される。このため、前記有機物と固形残留物に含まれるアルカリ金属またはアルカリ土類金属が接触する頻度が高まり、有機物の分解をさらに促進し、より多くの燃料ガスを生成することができる。

請求項４に記載の発明は、前記反応手段の内部を、水蒸気に富んだ還元雰囲気としたものである。

かかることにより、前記有機物の可燃成分の大部分が水蒸気との反応でガス化するため、固形残留物中の炭素残留量が低減し、不燃成分である灰分濃度が高くなる。前記灰分は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を主成分とするため、収納手段で有機物と共存あるいは混合されたときに、有機物の単位重量あたりの灰分量が増加し、有機物の分解をさらに促進し、より多くの燃料ガスを生成することができる。

請求項５に記載の発明は、前記搬送手段内の流動媒体を、水蒸気としたもので、かかることにより、前記貯留手段に蓄えられた固形残留物を、水蒸気流によって前記収納手段まで運ぶことができる。前記収納手段内には、固形残留物と水蒸気が流入し、不純物を含まないもしくは極めて少ない状態にあるため、前記反応手段内の水蒸気濃度を高くすることができる。その結果、前記固形残留物中の炭素残留量がさらに低減し、前記有機物の単位重量当りの灰分量を増加することができ、有機物の分解をさらに促進し、より多くの燃料ガスを生成することができる。

請求項６に記載の発明は、前記有機物を、食品廃棄物としたものである。

前記食品廃棄物は、一般的に含有水分量が多く、さらに灰分も一般的な有機物と比較しても多い。このため、前記食品廃棄物は、前記収納手段に収納された状態でガス化に適した状態となっており、固形残留物中の炭素残留量がさらに低減し、有機物の単位重量当りの灰分量が増加する。その結果、前記有機物の分解をさらに促進し、より多くの燃料ガスを生成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。また、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における有機物の処理システムである処理装置の構成図である。

本処理装置に用いる有機物１０１は、石炭等の化石燃料や食品廃棄物、木屑、汚泥等のいわゆるバイオマスである。例えば、食品廃棄物は、重量基準で約８０％が水分であり、約２％が灰分である。この灰分は卵殻や魚類等の骨に由来するものが多く、カルシウムやナトリウムを含む化合物が主成分である。

収納手段１０２は、ホッパー形状の容器であり、適宜箇所に投入口（図示せず）が設けられており、内部には、回転軸１０３ａと撹拌羽根１０３ｂからなる混合手段１０３を備えている。混合手段１０３は、モーター１０４に接続されており、モーター１０４で発生する回転動力を受けて回転する。

反応手段１０５は、上下端がフランジ形状に形成された円筒反応容器である。反応手段１０５の外周にはヒーター１０６が備えられ、反応手段１０５を壁面外側から加熱する構成となっている。反応手段１０５の材質は、反応手段１０５の設定温度（機能温度）が低い場合には、ステンレス等の汎用材料で構成されるが、６００℃以上の温度で機能する場合には、インコネルやハステロイ等の耐熱性に優れた材料を用いる。また、熱衝撃が少ない場合には、セラミック材料を用いても構わない。

ヒーター１０６は、通常、温度制御が容易な電気ヒーターを用いるが、灯油バーナーやガスバーナーを用いると、運転コストを安価にできる。ヒーター１０６の外周には、高温耐熱用の断熱材１０７を挟んで、改質器１０８が設けられている。改質器１０８内部には、アルミナ等の多孔質粒子を充填した充填層１０９を設けている。さらに、改質器１０８外周には、ヒーター１１０と断熱材１１１が備えられている。ヒーター１０６とヒーター１１０および、断熱材１０７と断熱材１１１はそれぞれ同定格のものを用いるとよい。

反応手段１０５と改質器１０８は、反応手段１０５の下方に設けた開口１０５ａを介して下方で繋がっており、反応手段１０５で発生するガス、揮発成分および水蒸気等は、開口１０５ａから改質器１０８内に流入する。必要に応じて、開口１０５ａに、反応手段１０５内の固形残留物１１４の流出を阻止する網等の手段を講じる構成を設けてもよい。

また、反応手段１０５の下方には、貯留手段１１２がロータリーバルブ１１３を介して備えられており、貯留手段１１２には、反応手段１０５から排出される固形残留物１１４が蓄えられる。また、反応手段１０５の上部は、ロータリーバルブ１１５を介して収納手段１０２と接続されている。

さらに、改質器１０８上方には、排気管１１６が備えられており、この排気管１１６には、改質器１０８からの高温排気ガスと水蒸気１１７を熱交換する熱交換器１１８が配設されている。

熱交換器１１８、貯留手段１１２、収納手段１０２は、同図に示す如く搬送手段１１９によって接続されている。搬送手段１１９は、ステンレス管で構成され、また、熱交換器１１８と貯留手段１１２の間には、搬送手段１１９内を流れる水蒸気１１７を加熱するための蒸気過熱用ヒーター１２０が備えられており、これにより、水蒸気１１７は、搬送手段１１９内部で凝縮しないように十分に過熱される。また、水蒸気１１７は、ボイラー等の圧送手段（図示せず）にて加圧された状態にあり、その圧力は、貯留手段１１２内の固形残留物１１４が収納手段１０２へ圧送される程度に調整されている。

以上のように構成された有機物の処理装置について、以下その動作を説明する。

まず、有機物１０１が収納手段１０２に投入される。この場合、飲食店や小店舗等のように有機物１０１の排出量が少ない場合は、収納手段１０２への投入が、１日に１回で済む場合が多いと予想される。

一方、食品工場や汚泥処理場等のように大量の有機物１０２を処理する必要がある大規模装置の場合は、ベルトコンベアやスクリューフィーダー等の連続供給機を備えると作業性は向上する。

収納手段１０２内では、混合手段１０３がモーター１０４の動力を受けて回転することにより有機物１０１を撹拌する。このとき、搬送手段１１９から供給される固形残留物１１４は、有機物１０１と混合されることにより、一様に分散する。

収納手段１０２で十分に混合された有機物１０１と固形残留物１１４は、ロータリーバルブ１１５の開放動作によって反応手段１０５に供給される。ロータリーバルブ１１５による供給は、ロータリーバルブ１１５がモーター（図示せず）によって駆動され、連続に準じた供給ができるもので、インバーター制御を用いることにより、回転数を可変して単位時間当たりの供給量を調整することができるものである。

反応手段１０５に供給された有機物１０１と固形残留物１１４の混合物は、ここで加熱される。加熱温度は目的に応じて適宜設定可能で、例えば水素を多く生成する場合は、８００℃以上にすることが好ましい。この反応手段１０５の内部環境は、水蒸気に富んだ還元雰囲気状態にあり、有機物１０１は、水素、メタンを主成分とする非凝縮性ガス、タール等の凝縮性成分および固形残留物１１４に分解される。

この処理装置では、有機物１０１に、以前の反応によって生成した固形残留物１１４を混合している。この固形残留物１１４には、多くのアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含んでいる。これらには、有機物１０１の分解を促進する機能を有しており、その結果、反応手段１０５に供給される有機物１０１には、元来含有していたよりも多くのアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている。さらに、これらは有機物１０１表面に一様に分散しているので、有機物１０１との接触頻度も高く、分解促進の機能が良好に発揮できる状態になっている。

このような状態のため、有機物１０１に含まれる炭素と水蒸気が高温場で反応して、水素と一酸化炭素、二酸化炭素が豊富に生成される。特に、有機物１０１が食品廃棄物の場合、それに含有される水分も水蒸気となり、炭素と反応して、水素等を生成する。また、これらの生成ガスと反応剤である水蒸気１１７の流れ方向が一致しているので、反応場における生成ガスが迅速に取り除かれ、化学平衡が崩れてさらに反応が進行し易くなっている。

有機物１０１から発生した非凝縮性ガスおよび凝縮性成分は、反応手段１０５下方の開口１０５ａから改質器１０８に流入する。改質器１０８内部に設けられた多孔質粒子の充填層１０９は、ヒーター１１０によって約８００℃に加熱されており、ここで分子量の大きな凝縮性成分は、水素やメタン等の非凝縮性ガスに再度分解される。

充填層１０９における雰囲気は、反応手段１０５と同様に水蒸気の還元雰囲気が好ましいが、充填層１０９表面（具体的には多孔質粒子表面）に炭素分が堆積することにより、凝縮性成分の分解能力が低下するようなことがあれば、酸素等によって酸化除去しても構わない。ただし、この操作をする場合は、価値の高い水素やメタン等の燃料ガスまで燃焼しないように、操作条件を最適化する必要がある。

このようにして得られた非凝縮性ガスは、保有する顕熱を熱交換器１１８で水蒸気１１７に与えることにより、冷却されて系外に排気される。

なお、図示していないが、さらにガスを浄化してガスエンジン発電機や燃料電池の燃料として用いることにより電力を生み出すことができる。

反応手段１０５内の固形残留物１１４は、ロータリーバルブ１１３を介して貯留手段１１２に排出される。ロータリーバルブ１１３は、モーター（図示せず）によって駆動されるもので、反応手段１０５内の固形残留物１１４の量によって、ＯＮ・ＯＦＦおよび回転数が制御される。かかる制御として、例えば、固形残留物１１４の上表面位置を検知する位置センサー等を用い、所定の残留量を検出してロータリーバルブ１１３を動作させることができる。

貯留手段１１２に落下した固形残留物１１４は、水蒸気１１７の圧力流によって搬送手段１１９内を流動しながら収納手段１０２まで搬送される。

なお、図示していないが、固形残留物１１４が循環経路内に過剰になったときには、貯留手段１１２から適宜量を抜き出す構成とすることによって、適量を維持することができる。

このように、本実施の形態１における有機物の処理装置は、有機物１０１を高温の水蒸気還元雰囲気でガス化するもので、固形残留物１１４である灰分中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の有機物分解能力を十分に発揮し、水素等の燃料として価値の高いガスを多量に生成することが可能になる。

以上のように、本発明にかかる有機物の処理装置は、例えば燃料電池用の燃料である水素を石炭やバイオマスから小規模でも高効率に製造することができ、発電作用に供することが可能となる。このため、ホテル、飲食店、住宅等のような電力消費地での水素製造が可能となり、送電によるロスが少ない分散型電源システムに適用できるものである。

本発明の実施の形態１における有機物の処理装置の構成図 従来技術を示す統合型循環流動床ガス化炉の構成図

符号の説明

１０１ 有機物
１０２ 収納手段
１０３ 混合手段
１０５ 反応手段
１１２ 貯留手段
１１４ 固形残留物
１１７ 水蒸気
１１９ 搬送手段

Claims (6)

1. 有機物を収納する収納手段と、前記有機物を還元雰囲気で加熱し、ガス生成物と固形残留物に分解する反応手段と、前記反応手段から排出される前記固形残留物を貯留する貯留手段を具備し、前記収納手段内に前記有機物と前記固形残留物を混在させる有機物の処理装置。
2. 前記貯留手段に流動媒体を供給して前記貯留手段内の前記固形成分を前記収納手段に搬送する搬送手段を設けた請求項１に記載の有機物の処理装置。
3. 前記収納手段に、前記有機物と固形残留物を混合するための混合手段を設けた請求項１または２に記載の有機物の処理装置。
4. 前記反応手段の内部を、水蒸気に富んだ還元雰囲気とした請求項１から３のいずれか一項に記載の有機物の処理装置。
5. 前記搬送手段内の流動媒体を、水蒸気とした請求項１から４のいずれか一項に記載の有機物の処理装置。
6. 前記有機物を、食品廃棄物とした請求項１から５のいずれか一項に記載の有機物の処理装置。

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