JP2015196698A

JP2015196698A - ガス化処理システム

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Publication number: JP2015196698A
Application number: JP2014073583A
Authority: JP
Inventors: 枝里子杉村; Eriko Sugimura; 直人熊澤; Naoto Kumazawa; 裕司白石; Yuji Shiraishi
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-11-09

Abstract

【課題】改質炉内の温度が従来よりも低い状態であっても改質炉からのタール排出濃度を低減させることができ、高温での改質と同程度のタール除去率を得ることができるガス化処理システムを提供する。
【解決手段】ガス化処理システム２１は、バイオマス資源２２を熱分解およびガス化させて熱分解ガスを発生させるガス化炉２４と、熱分解ガス中に含まれる含炭素非ガス成分を改質する改質炉２５と、改質炉２５から排出される改質ガスの熱を回収して蒸気を発生させるボイラ設備２６とを有し、改質炉２５内には、該含炭素非ガス成分を改質するために、水および／または該ボイラ設備２６で発生した蒸気と共に過酸化水素が供給されると共に、含炭素非ガス成分を部分燃焼させるために、酸素または空気が供給されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス資源を熱分解して改質ガスを得るガス化処理システムに関する。特に、本発明は、バイオマス資源の一種である一般廃棄物を熱分解して改質ガスを得るガス化処理システムに関する。

従来から、一般廃棄物などのバイオマス資源を熱分解・ガス化処理してガスエンジン等に燃料として供給される改質ガスを生じさせるガス化処理システムが知られている。このようなガス化処理システムでは、バイオマス資源の熱分解・ガス化処理によりガス成分である熱分解ガスと共に、タール、チャー等の含炭素非ガス成分が生成する。ここで生じた熱分解ガスは、含炭素非ガス成分を含んだ状態で改質炉に移される。なお、熱分解ガスは、バイオマス資源の熱分解・ガス化処理により生じたガス成分を意味するが、本明細書の以降の記載において、単に「熱分解ガス」と記載した場合には、便宜上、含炭素非ガス成分を同伴したものを意味する場合もあるものとする。改質炉では、全体として１０００〜１２００℃に加熱され、熱分解ガス中に存在するタール、チャー等の含炭素非ガス成分は、Ｈ_２、ＣＯ等の改質ガスに転換される。

図６に、従来のガス化処理システムの一例のフロー図を示す。

従来のガス化処理システム（１）においては、一般廃棄物等のバイオマス資源（２）は、破砕機（３）により所定のサイズに破砕処理された後、流動床式ガス化炉等のガス化炉（４）に投入される。このガス化炉（４）は、導入される空気によるバイオマス資源の部分燃焼により５００〜６００℃の加熱状態とされ、また、バイオマス資源を部分的に改質するための水蒸気または水が投入される。これにより、投入されたバイオマス資源は、熱分解・ガス化する。ガス化炉（４）における熱分解・ガス化により生じた熱分解ガスは、タール、チャー等の含炭素非ガス成分を同伴している。

この熱分解ガスは、引き続いて、改質炉（５）に投入される。改質炉（５）には、熱分解ガス中に存在する含炭素非ガス成分及び炭化水素ガスを改質させるための水蒸気または水が供給されるとともに、改質炉の温度を１０００℃以上に昇温させ、維持するための部分酸化を行うための空気または酸素が供給される。

改質炉（５）では、タール、チャー等の含炭素非ガス成分及び熱分解ガスの部分燃焼により１０００〜１２００℃の加熱状態となり、タール、チャー等の含炭素非ガス成分及び高分子量の炭化水素は、導入された水または水蒸気と以下に示すように反応し、これにより一酸化炭素および水素が生じる（水蒸気改質反応）。

Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２
さらに、上記により生じた一酸化炭素ＣＯは、下記式に従って、水または水蒸気と反応してＣＯ_２およびＨ_２が生じる（水性ガスシフト反応）。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２
改質炉（５）においてタール、チャー等が改質反応した改質ガスは、次のボイラ（６）に供給される。ボイラ（６）には、改質ガスを冷却するための循環水が供給され、この循環水は、改質ガスと熱交換することにより、蒸気とされる。

ボイラ（６）により熱回収された改質ガスは、排ガス処理設備（７）に供給され、この排ガス処理設備（７）を通過する際に、改質ガス中に存在する不純物が取り除かれる。

不純物が取り除かれた改質ガスは、ガスエンジン（８）に供給され、ガスエンジン（８）では、供給された改質ガスを燃料として駆動し発電が行われる。ガスエンジン（８）において消費されたガスは、煙突（９）を介して大気に排出される。

一方で、ボイラ（６）にて用いられた循環水は、ボイラ（６）から出た後は、蒸気となっており、この蒸気は、蒸気だめ（１０）に貯められた後、蒸気タービン（１１）に供給され、この蒸気タービン（１１）を駆動させることにより発電等が行われる。また、蒸気だめ（１０）に貯められた蒸気の一部は、タール、チャー等の含炭素非ガス成分及び熱分解ガスを改質するための水蒸気として改質炉（５）またはガス化炉（４）に供給される。

ガス化処理システムとして、特許文献１に開示されたようなガス化処理システムも知られている。

このガス化処理システムについて、上記の図１に示すシステムと概略同様の構成を有しているが、このシステムでは、ボイラで捕集された粉塵とバグフィルタで捕集された粉塵の少なくとも一方をガス化炉に供給する供給手段を有し、ガス化炉に供給した粉塵にタールを吸着させることにより、改質炉に供給される熱分解ガスのタール濃度を下げることが開示されている。

特開２００９−２４０８８８号公報

従来のガス化処理システムにおいて、改質炉において行われるタール、チャー等の含炭素非ガス成分のＨ_２、ＣＯ等のガスへの改質反応を進行させるために、改質炉内温度を１０００〜１２００℃の高温に保たれる必要があり、このために、改質炉の入口側に、酸素、空気等の酸化剤を供給することにより、改質炉内において、熱分解ガス、タール、チャーの一部を部分燃焼させることとしている。しかしながら、部分燃焼のために消費される可燃ガス、タール、チャーの割合が高くなると、ガスエンジンに投入可能な改質ガスの割合が低くなることとなり、発電効率の低下につながるおそれがある。

一方で、改質炉から排出されるタール、チャー等の含炭素非ガス成分はガスエンジン発電には不要であり、このような含炭素非ガス成分は、改質炉の後段の排ガス処理設備で除去することとしているものの、改質炉から排出される含炭素非ガス成分の量自体を低減させることができる方が望ましい。

また、改質炉においてタール、チャー等の含炭素非ガス成分をガス成分に転換させるが、１００％転換できるわけではなく若干の未転換成分は必ず残る。このような残留未転換成分は、改質炉後段の排ガス処理設備において回収され、排水処理系統で処理される。このような排水処理系統に排出された含炭素非ガス成分は、回収されることなく排出され、排出された分だけエネルギーロスとなってしまうという問題があった。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下に示す発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のガス化処理システムは、バイオマス資源を熱分解およびガス化させて熱分解ガスを発生させるガス化炉と、該熱分解ガス中に含まれる含炭素非ガス成分を改質する改質炉と、該改質炉から排出される改質ガスの熱を回収して蒸気を発生させるボイラ設備とを有するガス化処理システムであって、該改質炉内には、該含炭素非ガス成分を改質するために、水および／または該ボイラ設備で発生した蒸気と共に過酸化水素が供給されると共に、該含炭素非ガス成分を部分燃焼させるために、酸素または空気が供給されるようになっていることを特徴とするものである。

上記のガス化処理システムにおいて、好ましくは、前記含炭素非ガス成分を改質する際の前記改質炉内の温度は７００〜１１００℃、さらに好ましくは前記含炭素非ガス成分を改質する際の前記改質炉内の温度は７００〜１０００℃である。

上記のガス化処理システムにおいて、好ましくは、前記改質炉に供給される過酸化水素は、前記改質炉に供給される熱分解ガスのガス流量に対して２〜２０ｖｏｌ％の割合である。

上記のガス化処理システムにおいて、好ましくは、前記ボイラ設備から排出される排ガスを処理するための排ガス処理設備をさらに含む。このような排ガス処理設備としては、水洗を利用する湿式集塵機、乾式処理するためのバグフィルタ等が挙げられる。湿式集塵機を用いることとした場合、水洗により生じた含炭素非ガス成分を含む排水を固液分離槽に貯めることにより該含炭素非ガス成分を含む上澄み液および沈殿物を生じさせ、該上澄み液および沈殿物が前記改質炉に供給される。

本発明によれば、改質炉内に、含炭素非ガス成分を改質するために、水および／または該ボイラ設備で発生した蒸気と共に過酸化水素を供給するようにした。この結果、改質炉内の温度が従来よりも低い状態であっても改質炉からのタール排出濃度を低減させることができ、高温での改質と同程度のタール除去率を得ることができる。

本発明の実施形態のガス化処理システム（２１）を示すフロー図である。湿式電気集塵機を用いた場合の排水循環プロセスの収支例の一例を示す図である。シミュレーションに用いた改質炉（２５）の容器形状および容器内の温度分布を示す図である。シミュレーションにより得られた結果を示すグラフであり、入口過酸化水素濃度とタール除去率の関係を示す。シミュレーションにより得られた結果を示すグラフであり、改質炉入口と過酸化水素濃度と出口タール濃度の関係を示す。従来のガス化処理システムの一例を示すフロー図である。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態のガス化処理システム（２１）を示すフロー図である。

本実施形態のガス化処理システム（２１）は、図１に示すように、ガス化炉（２４）と、改質炉（２５）と、ボイラ設備（２６）とを備えている。

ガス化処理の対象となるバイオマス資源（２２）は、破砕機（２３）により所定のサイズに粉砕された後に、ガス化炉（２４）に投入される。ガス化炉（２４）内において、投入されたバイオマス資源（２２）は、熱分解およびガス化され、生じた熱分解ガスは、改質炉（２５）に供給される。改質炉（２５）では、熱分解ガス中に含まれるタール、チャー等の含炭素非ガス成分の改質が行われる。改質炉（２５）によって生じた改質ガスは、熱回収手段として機能するボイラ設備（２６）に供給される。ボイラ設備（２６）では、ボイラ設備（２６）内に流通する循環水との熱交換により、改質ガスの温度が低減させられ、ボイラ設備（２６）から排出された改質ガスは、排ガス処理設備（２７）に通される。排ガス処理設備（２７）では、改質ガス中に存在する残留含炭素非ガス成分が除去される。排ガス処理設備（２７）から排出される改質ガスは、ガスエンジン（２８）に供給され、このガスエンジン（２８）は、改質ガスを燃料として駆動する。ガスエンジン（２８）から排出された排ガスは、煙突（２９）を介して大気へ排出される。

また、ボイラ設備（２６）に供給された循環水は、改質ガスとの熱交換により水蒸気となる。生じた水蒸気は、蒸気だめ（３０）に貯められた後、蒸気タービン（３１）を駆動するために利用される。蒸気タービン（３１）を出た水は、循環水として再度ボイラ設備（２６）に供給され、循環を形成する。

また、蒸気だめ（３０）に貯められた水蒸気は、一部、改質反応のために改質炉（２５）およびガス化炉（２４）に供給される。

本発明において処理対象となるバイオマス資源（１）としては、例えば、家庭やオフィスからの一般廃棄物、産業廃棄物、汚泥、木質バイオマスなどが挙げられる。

ガス化炉（２４）は、流動床式ガス化炉等の従来からガス化に用いられるような好適なガス化炉であればよい。ガス化炉（２４）内には、バイオマス資源の部分酸化を行うのに必要な所定量の空気または酸素が導入され、これにより５００〜６００℃の加熱状態となる。これにより、ガス化炉（２４）内のバイオマス資源は、熱分解またはガス化され、熱分解ガスおよび改質性のガス（水素、一酸化炭素）が生じる。また、ガス化炉（２４）内の熱分解によりタール、チャー等の含炭素非ガス成分も生成し、熱分解性および改質性のガスに含まれることになる。

処理対象となるバイオマス資源（２２）は、例えば、破砕機（２３）により破砕された後にガス化炉（２４）に投入されるが、バイオマス資源（１）が当初より破砕を必要としないサイズである場合には、破砕機（２３）により破砕を行わずにガス化炉（２４）に投入するようにしてもよい。

改質炉（２５）は、従来から改質に用いられるような改質炉であればよい。改質炉には、ガス化炉（２４）において生じた熱分解ガスが、排ガス流路（図示せず）を介して導かれる。

改質炉（２５）には、従来のシステムと同様に、含炭素非ガス成分を改質するために、水および／またはボイラ設備（２６）で発生した蒸気が供給されると共に、ガス成分および含炭素非ガス成分を部分燃焼させるために、酸素および／または空気が供給される。

本発明においては、改質炉（２５）に供給される水および／または水蒸気に、過酸化水素を添加する。

過酸化水素が添加された水および／または水蒸気を改質炉（２５）に吹き込むことにより、従来のシステムより低温である７００〜１１００℃、さらに好ましくは７００〜１０００℃で、タール、チャー等の含炭素非ガス成分を改質反応させることができる。

すなわち、改質炉（２５）では、水および／または水蒸気を供給することにより、水蒸気改質反応：
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２
および水性ガスシフト反応：
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２
の反応が生じており、これらの反応により、ＣＯ、Ｈ_２およびＣＯ_２が生成する。

この反応が生じるに際しては、Ｈ_２Ｏよりも過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）の方が活性化エネルギーが高いため低温でも反応しやすく、タールの分解率も高くなる。また、水蒸気に過酸化水素を添加して、改質炉（２５）内に吹き込むことにより、改質炉（２５）内で過酸化水素の分散性が高くなるため、より効率的にタールやチャー等の含炭素非ガス成分をガス化させることが出来る。

従って、過酸化水素は少量ずつ継続して改質炉内に吹き込むことが好ましい。また、過酸化水素の蒸気圧は水よりもかなり低いことに対応し、また局部的に高濃度になることを避けるために、キャリアガス（水蒸気または水）に希釈したものを水蒸気の配管に導入する。

水蒸気は、後述するボイラ設備（２６）にて発生した蒸気を分岐させて供給することが好ましい。ボイラ設備（２６）で発生する蒸気は４００〜５４０℃程度であり、当該蒸気を改質炉（２５）内に吹き込むことで改質炉（２５）内の温度をあまり下げることなく、過酸化水素を供給することが可能になる。

ボイラ設備（２６）は、改質炉（２５）から排出される改質ガスの排熱を熱回収して、水蒸気を発生させる。ボイラ設備（２６）にて発生させた水蒸気は、ガス化炉（２４）及び/または改質炉（２５）に供給してもよい。

排ガス処理設備（２７）としては、例えば、湿式集塵機または乾式集塵機を用いることができる。このような湿式集塵機は、改質ガスに含まれている酸性ガス、タールや煤などを水洗により除去するようになっている。湿式集塵機としては、ガス洗浄塔や湿式電気集塵機を用いることができ、湿式電気集塵機では、改質ガスに含まれる酸性ガス、タール、チャー（煤）等をミストで覆い、電極を通すことによりこの微粒子をマイナスに帯電させ、プラス極に帯電させた集塵極で捕集する。

このような湿式電気集塵機を用いた場合の排水循環プロセスの収支例の一例を図２に示す。

図２に示す例では、湿式電気集塵機には、補給水が供給され、改質ガス中の残留含炭素非ガス成分及び酸性ガスは、補給水による水洗により除かれ、排水中の成分として湿式電気集塵機から排出される。

湿式電気集塵機から排出された排水は、固液分離手段に通される。固液分離手段は、例えば沈殿槽を備えており、タールを多く含む上澄み液と、水やチャーを含む沈殿液に分離される。タールを多く含む上澄み液は改質炉に供給されて、水は改質剤として、タールおよびチャーは被改質対象として再び利用される。さらに、沈殿槽に沈殿したチャーを多く含む沈殿物を、沈殿槽の最下部から引き抜き、上澄み液と同様に改質炉に戻すことも可能である。その他の沈殿槽中の水および残留成分は排水処理工程に送られる。

乾式集塵機は、改質ガスに含まれているタールやチャー（煤）などをバグフィルタにより除去することも可能である。捕集されたタールやチャー（煤）などを被改質対象として改質炉に供給され再び利用される。

ガスエンジン（２８）には、図示しない発電機が取り付けられ、ガスエンジン（２８）で改質ガスを燃焼させて、発電機を駆動させて発電するようになっている。なお、図１には図示していないが、ガスエンジン（２８）の後段にボイラを設置して、ガスエンジン（２８）からの排ガスの排熱から水蒸気を発生させて、この水蒸気に過酸化水素を添加した後にこれを改質炉（２５）内に供給するようにしてもよい。

次に、改質炉（２５）への水蒸気および過酸化水素の吹込みを想定し、数値解析により水蒸気のみを吹き込んだ場合と水蒸気と過酸化水素を吹き込んだ場合とについてそれぞれシミュレーションして得られた結果を示し比較する。

（計算条件）
改質炉（２５）内に導入されるガス組成は、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｎ_２、Ｃ_７Ｈ_８（トルエン）、Ｈ_２Ｏ、さらにＨ_２Ｏ_２（過酸化水素）とした。また、改質炉（２５）内の温度は７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃として、改質炉（２５）内のガス成分及びガス流量は表１の通りとした。

また、改質炉（２５）の容器形状および容器内の温度分布を図３に示す通りとした。

シミュレーションにより得られた結果を図４および５に示す。ここで、出口のタールはトルエン（Ｃ_７Ｈ_８）およびベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６）とした。

改質炉（２５）内の温度を８００℃および９００℃とし水蒸気のみを用いて改質した場合、図５に示す通り、０〜２０％程度しかタールを除去することができず、１０００℃未満での改質は難しいことが示されている。

一方で、過酸化水素を添加することでタールの除去率は向上している。その添加率は、排ガス流量に対して５ｖｏｌ％未満の少量でよく、９００℃で約３．０ｖｏｌ％、８００℃で約４．５ｖｏｌ％の過酸化水素の添加で１０００℃の条件における過酸化水素添加なしの場合と同程度のタール除去率を達成することが出来る事が分かった。

また、図４に示す通り、従来の１０００℃程度の改質でも過酸化水素の添加率を５ｖｏｌ％とすると改質炉出口でのタールの割合は０．１ｖｏｌ％となり、過酸化水素添加なしと比較して１／４まで低減することができた。

従って、過酸化水素の濃度は、排ガス流量に対して２ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌであることが好ましい。さらに好ましくは、タール除去率５０％以上を達成可能な７００℃でＨ_２Ｏ_２濃度１０％〜２０％、もしくは温度８００℃以上でＨ_２Ｏ_２濃度５％〜２０％がより望ましい。

２１ガス化処理システム
２２バイオマス資源
２３破砕機
２４ガス化炉
２５改質炉
２６ボイラ設備
２７排ガス処理設備
２８ガスエンジン
２９煙突
３０蒸気だめ
３１蒸気タービン

Claims

バイオマス資源を熱分解およびガス化させて熱分解ガスを発生させるガス化炉と、
該熱分解ガス中に含まれる含炭素非ガス成分を改質する改質炉と、
該改質炉から排出される改質ガスの熱を回収して蒸気を発生させるボイラ設備と
を有するガス化処理システムであって、
該改質炉内には、該含炭素非ガス成分を改質するために、水および／または該ボイラ設備で発生した蒸気と共に過酸化水素が供給されると共に、該含炭素非ガス成分を部分燃焼させるために、酸素または空気が供給されるようになっていることを特徴とするガス化処理システム。
前記含炭素非ガス成分を改質する際の前記改質炉内の温度は７００〜１１００℃である、請求項１に記載のガス化処理システム。
前記改質炉に供給される過酸化水素は、前記改質炉に供給される熱分解ガスのガス流量に対して２〜２０ｖｏｌ％の割合である、請求項１または２に記載のガス化処理システム。
前記ボイラ設備から排出される排ガスを処理するための排ガス処理設備をさらに含み、該排ガス処理設備は、水洗を利用する湿式集塵機であり、該水洗により生じた含炭素非ガス成分を含む排水を固液分離槽に貯めることにより該含炭素非ガス成分を含む上澄み液および沈殿物を生じさせ、該上澄み液および沈殿物が前記改質炉に供給される、請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス化処理システム。