JP3415748B2 - 有機性廃棄物の二段ガス化方法及び装置 - Google Patents

有機性廃棄物の二段ガス化方法及び装置

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JP3415748B2 JP20262897A JP20262897A JP3415748B2 JP 3415748 B2 JP3415748 B2 JP 3415748B2 JP 20262897 A JP20262897 A JP 20262897A JP 20262897 A JP20262897 A JP 20262897A JP 3415748 B2 JP3415748 B2 JP 3415748B2
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    • Y02W30/50Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/62Plastics recycling; Rubber recycling

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、有機性廃棄物の資
源化に係わり、特に、都市ごみ、廃プラスチック、廃F
RP、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、低品位石炭、
廃油ならびにこれらを固化あるいはスラリー化した燃料
代替品等をガス化燃焼し、上記の廃棄物中に含まれる金
属や灰分をリサイクル利用可能な状態で排出するととも
に、回収されるガスにより得られるCO及びH2 含有気
体をNH3 (アンモニア)合成用の原料にする有機性廃
棄物の資源化方法と装置に関する。上記の燃料代替品に
は、都市ごみを破砕選別後、生石灰等を添加して圧縮成
形したRDF(固形化燃料)と称するもの、都市ごみを
破砕後水スラリー化し、高圧下で水熱分解により油化し
たスラリー化燃料が含まれる。FRPは繊維強化プラス
チックのことであり、廃バイオマスには上下水廃棄物
(夾雑物、し渣、下水汚泥等)、農産廃棄物(もみが
ら、稲わら、余剰産物等)、林産廃棄物(のこくず、バ
ーク、間伐材等)、産業廃棄物(パルプチップ、ダスト
等)、建築廃材等がある。低品位石炭には、石炭化度の
低い泥炭、もしくは選炭時に出るボタ等が含まれる。ま
た、本発明は、オイルシェール、厨芥、獣類の屍体、廃
衣料、紙ごみその他いかなる有機物でも適用可能であ
る。
【0002】
【従来の技術】NH3 (アンモニア)は硝酸、各種肥料
(硝安、硫安、尿素)、アクリロニトリル、カプロラク
タム等の原料として、大量生産されている化学工業上の
基礎原料である。NH3 はN2 とH2 から高圧下で触媒
を用いて合成されるが、H2 は天然ガス、ナフサなどの
スチームリフォーミングか、石油、石炭、石油コークス
などの炭化水素の部分燃焼、いわゆるガス化により得ら
れてきた。一方、都市ごみ、廃プラスチック、廃FR
P、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物に代表される有機
性廃棄物は、焼却処理により減容化されるか、あるいは
未処理のまま最終処分(埋立)されてきた。直接、間接
をとわず、これらがリサイクル利用される量は全体から
見ればごく僅かだった。NH3 の原料であるH2 は、天
然ガス、ナフサ、石油、石炭、石油コークス等から作ら
れるが、これらの多くは海外から輸入されるため、二度
にわたる石油ショック以降、アンモニア工業製品は国際
競争力を失うに至った。このため、安価でしかも自国内
で調達可能な原料が久しく切望されてきた。
【0003】一方、固形廃棄物の焼却処理にも次のよう
な問題や課題があった。これまで焼却処理にはストーカ
ー炉や流動層炉が用いられてきたが、環境保全や資源/
エネルギーのリサイクル上不都合となる点を生じた。す
なわち、燃焼時の空気比が高いため排ガス量が多いこ
と、排ガス中に有害なダイオキシンなどが含まれるこ
と、炉から排出された金属類は酸化されているためリサ
イクルに適さないこと、そして灰埋立地の払底等であ
る。灰溶融設備等の減容設備を設置するところも最近は
増えつつあるが、廃棄物処理装置全体の建設コストや運
転コストを上昇させる結果となった。さらに、最近は固
形廃棄物の有するエネルギーを最大限に有用利用しよう
という気運が高まってきた。固形廃棄物を未処理のまま
陸上投棄することに至っては、投棄場所の確保が困難に
なるとともに、環境保護上容認される事態でなくなって
きた。このため、廃車シュレッダーダスト等はその処分
に困窮を極める状態となった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記した従
来技術の問題点を解決し、利用方法の確立により廃棄物
中の資源を回収するだけでなく、分離再利用のルートを
開き、特に燃焼程度を不完全状態に調製し、NH3 合成
原料の素となる好ましい組成の合成ガスを生成させ、有
機性廃棄物の焼却や投棄に伴う諸問題を解決すると共
に、安価なH2 を得てNH3 合成用等に利用する有機性
廃棄物の資源化方法と装置を提供することを課題とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、都市ごみ、廃
プラスチック、廃FRP、バイオマス廃棄物、自動車廃
棄物、及び固形化燃料からなる群より選ばれる有機性廃
棄物を、加圧型の内部循環式流動層ガス化炉に供給し、
該炉内の流動層での部分燃焼によりガス化して、ガス状
物と炭化物とを生成させるとともに、該炭化物を流動層
にて微粉砕してチャーとし、そして該ガス状物と該チャ
ーとを該流動層ガス化炉から、旋回式溶融炉のガス化室
に導入してガス化を更に進めることにより、一酸化炭素
と水素とを含む合成ガスを得ると共に、有機性廃棄物の
灰分を溶融スラグとし、該合成ガスと該溶融スラグとを
ガス化室から排出させ、該ガス化室に続けて設けた、内
部に水を有する急冷室に、先端部が水と接触している管
体を通して導入することにより、水中に吹き込み、該合
成ガスを冷却すると同時に該溶融スラグを水砕スラグと
して分離し、次いで合成ガスを回収することを特徴とす
る有機性廃棄物の二段ガス化方法にある。本発明の二段
ガス化方法は、急冷室から排出した合成ガスをスクラバ
ーに供給して、冷却と洗浄とを行ない、次いで、合成ガ
ス中の一酸化炭素と水素から、CO転化により、二酸化
炭素と水素とを含む混合ガスを得る工程を含むことが望
ましい。また、この混合ガスから二酸化炭素を分離して
水素を回収する工程を含むことも望ましい。本発明の二
段ガス化方法はまた、流動層ガス化炉から、不燃物と共
に流動媒体を排出させ、次いで排出物から不燃物を分離
回収した後、流動媒体を流動層ガス化炉に戻す工程を含
むことが望ましい。本発明はまた、都市ごみ、廃プラス
チック、廃FRP、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、
及び固形化燃料からなる群より選ばれる有機性廃棄物
を、流動層での部分燃焼によりガス化してガス状物と炭
化物とを生成させるとともに、該炭化物を流動層にて微
粉砕してチャーとする加圧型の内部循環式流動層ガス化
炉;該ガス状物と該チャーとを該流動層ガス化炉から、
旋回式溶融炉のガス化室に移送する通路;流動層ガス化
炉から移送されたガス状物とチャーとのガス化をさらに
進めて、一酸化炭素と水素とを含む合成ガスを得ると共
に、灰分を溶融スラグとするガス化室を有する旋回式溶
融炉;旋回式溶融炉の下部に設けられた、内部に貯溜
水を有する急冷室;急冷室内に備えられている、該ガ
ス化室から排出された合成ガスと溶融スラグとを急冷室
の水中に導入するための、先端部が水に接触している管
体;そして該急冷室に備えられた合成ガス排出口を含む
有機性廃棄物の二段ガス化装置にもある。本発明の二段
ガス化装置では、合成ガス排出口に、スクラバーを介し
てCO転化装置が接続されていることが望ましい。ま
た、COガス転化装置に、該装置で生成した二酸化炭素
を分離して水素を回収するための二酸化炭素分離装置が
接続されていることが望ましい。さらに、流動層ガス化
炉に、不燃物と共に流動媒体を排出させ、次いで排出物
から不燃物を分離回収した後、流動媒体を流動層ガス化
炉に戻す流動媒体循環ラインが備えられていることが望
ましい。
【0006】本発明で用いる流動層ガス化炉としては、
特に内部循環式流動層ガス化炉を用いるのが好適であ
る。この内部循環式流動層ガス化炉とは、同一反応槽内
の流動層中に流動媒体の循環流を形成させるもので、該
循環流は、流動層中に吹込まれる流動化ガスの部分的な
強弱部位を設定することにより生じさせるものである。
従って、単なるバブリング式流動層と異なり廃棄物の分
散、破砕機能に優れ、単なる循環(外部循環)式流動層
のように複雑で大型化することもなく、またこれよりも
分散、破砕機能も優れており、加圧型として用いるに容
易な形態・構成を取り易いのである。また、内部循環式
流動層ガス化炉は円筒型のものが特に好ましい。
【0007】また、前記溶融炉は、内部温度が1300
℃以上であるのがよく、そして本発明では、前記流動層
ガス化炉を内部温度が450〜800℃とし、溶融炉を
内部温度が1300℃以上とするのがよい。本発明にお
いて、ガス化のために流動層ガス化炉及び溶融炉への送
入するガス化剤は、トータルとして含有する全酸素量が
廃棄物を完全燃焼させるために必要な理論燃焼酸素量の
0.1〜0.6の範囲とするのがよく、このうち流動層
ガス化炉に供給される酸素量は、理論燃焼酸素量の0.
1〜0.3の範囲とするのがよい。前記流動層ガス化炉
は、炉底より廃棄物中の鉄、銅、アルミニウム等の金属
を未酸化でクリーンな状態で回収することができ、ま
た、前記溶融炉は、灰分を溶融スラグ化して炉底より排
出することができる。
【0008】また、本発明では、有機性廃棄物を低温で
ガス化させる流動層ガス化炉と、該流動層ガス化炉から
のガスを高温でガス化させる溶融炉と、該溶融炉からの
ガスを急冷する急冷室と、ガス中の有害ガスとダストを
除去する洗浄スクラバと、ガス中のCOとH2 OをH2
とCO2 に転換するCO転化器と、ガス中のCO2 とH
2 Oを除去する酸性ガス除去装置と、精製されたH2
2 を反応させてNH 3 を合成する反応器を有すること
を特徴とする有機性廃棄物の資源化装置としたものであ
る。この資源化装置において、別に、N2 とO2 を分離
するための空気分離器を備え、分離されたN2 を前記N
3 合成反応器に導入する手段と、分離されたO2を前
記流動層ガス化炉及び/又は溶融炉に導入させる手段と
を配備してもよい。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明で用いる有機性廃棄物は、
都市ごみ、固形化燃料、スラリー化燃料、廃プラスチッ
ク、廃FRP、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、低品
位石炭、廃油のうちの1種以上を用いることができる。
前記有機性廃棄物には、用いる性状により石炭及び/又
はオイルコークスといった固体燃料を補助原料として添
加することができる。前記ガス化は、低温ガス化と高温
ガス化を組合せたもので、低温ガス化に流動層ガス化
炉、高温ガス化に溶融炉を用いている。該低温ガス化に
用いる流動層ガス化炉は、流動層部が450〜650
℃、フリーボード部が600〜850℃に維持され、供
給された廃棄物の部分燃焼を行う。炉底からは廃棄物中
の鉄、銅、アルミニウム等の金属を未酸化でクリーンな
状態で回収される。前記高温ガス化に用いる溶融炉は、
ガス化炉から供給されるチャー、タールを含むガスを1
300℃以上の高温下で瞬時に部分燃焼すると共に灰分
を溶融スラグ化して炉底より排出する。
【0010】この時、溶融炉を旋回式溶融炉とすると、
高負荷燃焼が可能になると共に、旋回流に伴う遠心力の
ため、ガス中に含まれるチャーは、炉壁に吹寄せられ、
壁面に形成されたスラグ相中で時間をかけて燃焼され
る。こうして、チャーの完全燃焼が可能となるため、チ
ャーを再燃焼するための装置等は不要となる。前記ガス
化とスラグ化を同時に平行して実施することが極めて有
効な資源化対策となっている。従って、溶融炉としては
旋回式溶融炉を採用することが好ましい。さらに、前記
ガス化において、H2 製造用のガス化剤として空気分離
により得られるO2 とスチームの混合ガスを用い、一
方、空気分離により得られるN2 はNH3 合成用とす
る。空気分離には深冷分離法PSA、TSA法等の吸着
法、分離(富活)膜による方法等がいずれも適用でき
る。また、ガス化剤に酸素富化した空気を用いて、H2
とN2 の構成比が3:1となる混合ガスを得、これをこ
のままNH3 合成用とすることもできる。
【0011】さらに、本発明では、有機性廃棄物を部分
燃焼させる流動層ガス化炉と、該流動層ガス化炉からの
ガスを高温にて部分燃焼する溶融炉と、該溶融炉からの
ガスを冷却する急冷室を有することを特徴とする有機性
廃棄物の資源化装置としたものである。前記資源化装置
においては、急冷室の下流に、同伴ガス中のHCl等有
害ガス及びダストを除去するための洗浄スクラバ、次い
でガス中のCOとH2 OをH2とCO2 に転換するCO
転化器を設けると共に、CO転化後にCO2 とH2 Oを
除去する酸性ガス除去装置と精製されたH2 とN2 を反
応させてNH3 を合成する反応器を配備することが好ま
しい。また、前記有機性廃棄物の資源化装置において、
別に、N2 とO2 を分離するための空気分離器を備え、
分離されたN2 を前記NH3 合成反応器に導入する手段
と、分離されたO2 を前記流動層ガス化炉及び/又は前
記溶融炉に導入させる手段とを配備することが良い。
【0012】現在、焼却処理に代わる新たな環境保全型
の廃棄物処理技術として、「ガス化燃焼システム」の開
発が進行中であり、本発明も装置構成上は基本的にこの
システムを使用している。本ガス化溶融システムを廃棄
物の焼却に使用した場合の特長を示す。 従来の固体燃焼に代わるガス燃焼のため、1.3程
度の低空気比燃焼が実現され、その結果排ガス量は大幅
に低減される。 高温燃焼により、排ガス中のダイオキシン類及びそ
の前駆体はほとんど分解される。 廃棄物中の灰分は無害なスラグとして回収される。
このため、埋立地の延命化が図れ、路盤材等への利用も
可能となる。 システム中にダイオキシン分解や灰溶融の機能が組
み込まれるため、装置全体がコンパクト化され、建設コ
ストもそれぞれの機能を在来型の焼却設備に付加したよ
り安価となる。排ガス量が大幅に低減されることも、排
ガス処理機器のコスト低減に連がる。
【0013】 ガス化炉で生成するガス、チャー、タ
ールのエネルギーを灰の溶融に有効活用できるため、灰
溶融の専用設備を設けたときに必要な電力等が不要とな
り、運転コストを低く保てる。 高効率発電型のフローとすることが容易である。 鉄、銅、アルミニウム等の金属は、リサイクル可能
な未酸化でクリーンな状態で回収出来る。 通常の焼却処理ではO2 源として空気を使用するが、こ
れを純O2 もしくは酸素富活空気に置き換えることによ
り、燃料ガスを回収することが出来る。本発明は、ガス
化燃焼システムをNH3 製造設備と一体化したプロセス
とし、都市ごみ、廃プラスチック、廃FRP、バイオマ
ス廃棄物、自動車廃棄物等の固形廃棄物や低品位石炭、
廃油を一括してガス化することにより、焼却や投棄に伴
う諸問題を解決するとともに、廃棄物自体の有効利用を
図るものである。
【0014】有機性廃棄物をガス化するためには、流動
層ガス化炉と溶融炉を組合せたガス化溶融システムを用
いるのが好適である。流動層ガス化炉では砂(硅砂、オ
リビン砂など)、アルミナ、鉄粉、石灰石、ドロマイト
等を流動媒体として用いる。有機性廃棄物のうち、都市
ごみ、バイオマス廃棄物、プラスチック廃棄物、自動車
廃棄物等は30cm程度に粗破砕する。固形化燃料、ス
ラリー化燃料はこのまま使用する。低品位石炭は、40
mm以下に粗破砕する。これらを、複数のピットに分け
て受入れ、各々のピットで十分攪拌・混合した後に、適
宜ガス化炉に供給する。勿論、ガス化炉への供給は、各
ピットより別々に行っても、混合して行っても良い。ま
た、ガス化される廃棄物の性状(発熱量や水分)によっ
て、必要に応じて石炭やオイルコークス等を補助原料と
して添加する。添加する量は廃棄物の性状により適宜設
定される。
【0015】有機性廃棄物はガス化炉に供給され、流動
層部にて450〜650℃、フリーボード部にて600
〜800℃で低温ガス化を行う。さらに後段の溶融炉に
て1300℃以上で高温ガス化を行う。ガス化反応には
ガス化剤としてO2 とH2 Oの混合ガスあるいはO2
独を必要に応じ予熱して用いる。従って、それぞれの段
階でのガス化に必要な熱量は、原料の部分燃焼により得
られる。流動層部でのガス化によりガス、タール、チャ
ーが生成するが、温度が低いほどタールとチャーの生成
率は増加し、ガスの生成率は減少する。一方廃棄物に含
まれる金属のうち融点が流動層温度より高いものは、ガ
ス化炉の炉底より流動媒体と共に排出される。従って、
例えばアルミニウムは、流動層温度がアルミニウムの融
点である660℃より低いので金属で回収できる。
【0016】ガス化炉のフリーボード部では600〜8
00℃でガス化が行われるが、分解されなかったタール
とチャーもまだかなり残留している。フリーボードでの
ガス化により、溶融炉の負荷軽減とガス化速度の上昇が
実現し、溶融炉の小型化が可能となった。また、ガス化
炉のフリーボード部の容積を、ガス化に有効に活用出来
る。但し、フリーボードでのガス化は必須ではない。後
段の溶融炉では1300℃以上の高温ガス化により、タ
ールとチャーは完全に分解され、生成ガスはH2 、C
O、CO2 、N2 、H2 Oから成るガスとなる。また、
溶融スラグ化した灰分は、溶融炉の炉底より連続的に排
出された後に水砕され、骨材、その他の土木建築材の資
材として利用される。
【0017】ガス化炉の流動層温度を450℃〜650
℃にするのは、次のような理由による。図6に、RDF
の窒素雰囲気中における熱分解特性を示す。低温ガス化
では廃棄物等をガス、タールの気体成分はなるべく多
く、可燃物と灰分から成る固体成分は少なくすることが
望ましい。固体成分チャーは、小粒径のものはガス化炉
内の上昇気流に乗って溶融炉へ搬送されるが、流動層で
粉砕されない大粒径のものは、不燃物とともに炉下から
排出される。固体成分になる割合が多いと、流動層に蓄
積するのを防ぐために、炉下から排出する量を増やさね
ばならない。排出されたチャーは、砂や不燃物を除去し
た後に再利用されるが、その量は少ないことが望まし
い。図6に示す如く、熱分解温度が下がるほど、固体成
分が多く発生する。しかも、450℃以下では熱分解速
度が極度に遅くなり、未分解物が流動層上に堆積するた
め運転が困難となる。逆に温度が上がる程、固体成分の
割合は少なくなるため、ガス化にとっては有利となる。
ところが、廃棄物等は可能な限り無破砕に近い状態でガ
ス化炉に投入するため、温度が高くなり過ぎると、反応
速度が上がる。このため、廃棄物の供給に伴う量の変動
が、ガス発生量や炉内圧の変動をもたらし、後段の溶融
炉の運転に悪影響を及ぼす。例えば廃車シュレッダーダ
ストを用いたガス化溶融のテストより、ガス化温度を6
50℃以下とすれば、排ガス中のCOを10ppm以下
に抑えられることが判明した。また、廃棄物には金属を
含むものが多いが、これら金属を酸化されない状態で回
収しリサイクル利用することは重要なテーマである。金
属の中ではアルミの回収が重要であるが、アルミの融点
は660℃であるから、ガス化温度はこれより低くなけ
ればならない。従ってガス化の上限温度を650℃とす
ることが好ましいのである。
【0018】通常、化学工業原料用の合成ガスを製造す
る場合、ガス化は10〜40atmの加圧下で行うが、
ガス化を常圧で行い、CO転化以降のガス精製を30〜
40atmの加圧下で行うことも現実的な方法として考
えられる。ガス化炉で用いるガス化剤には空気を深冷分
離して得られる純O2 に通常H2 Oを混合して用いる
が、酸性ガス除去工程で回収されるCO2 を混合しても
よい。同じく空気の深冷分離より得られるN2 は、直接
NH3 合成用の原料として用いる。別法として、ガス化
剤にO2 富活した空気を用いる方法も考えられる。O2
濃度を調節することによりCO転化後のH2 とN2 の構
成比が3:1となるようにすれば、そのままNH3 合成
用の原料ガスとすることが可能である。ただし、ガス流
量が増えるためガス処理用の機器サイズが大きくなる可
能性がある。このように廃棄物をNH3 合成の原料とし
て用いる場合、廃棄物の量の確保、あるいは質の安定化
といった問題が存在する。また、操業中、廃棄物の質の
変化に如何に対処するかといった問題もある。
【0019】こうした問題を現実的な方法で解決するた
めに、廃棄物だけでの安定運転が困難な場合やプラント
の立上げ時等は、本発明では、廃棄物に石炭あるいはオ
イルコークスといった高カロリーで性状の安定した、し
かもH2 製造に実績のある固体燃料を併用して使用して
も良い。すなわち、石炭あるいはオイルコークスを常時
全体の2〜4割程度になるよう配合することにより、ガ
ス化原料の量、質の安定化を図ることが可能となる。操
業中、何らかの原因で廃棄物の質が低下し、生成ガス中
のH2 やCOの濃度が低下した場合には、上記固形燃料
の供給割合を増すことにより、生成ガスの性状を安定化
させることが出来る。なお、ここで使用する石炭とは、
廃棄物に属する低品位炭ではなく、むしろ石炭化度の高
い亜瀝青炭や瀝青炭クラスのものが良い。
【0020】次に、本発明を図面を用いて具体的に説明
する。図1は、通常廃棄物の焼却に用いられるガス化溶
融システムの構成図である。図において、1はホッパ
ー、2は定量供給装置、3は流動層ガス化炉、4は流動
層、5はフリーボード、6はバーナ、7はトロンメル、
8はバケットコンベア、9は旋回式溶融炉、10は一次
燃焼室、11は二次燃焼室、12はスラグ分離部、13
はバーナである。aは有機性廃棄物、bは空気(流動層
用)、b′は空気(フリーボード用)、b″は空気(溶
融炉用)、cは粗大不燃物、dは硅砂、eは生成ガス、
1 は燃焼排ガス、fはスラグである。
【0021】予め必要に応じ破砕された有機性廃棄物a
は、ホッパー1に供給された後に、スクリュー式の定量
供給装置2を用いて流動層ガス化炉3に供給される。流
動層ガス化炉3の下方からは空気bがガス化剤として送
入され、分散板上に硅砂の流動層4が形成される。有機
性廃棄物aは流動層4の上方に投入され、450〜70
0℃に保持された流動層4内で空気中のO2 と接触し、
速やかに熱分解ガス化される。ガス化炉3の炉底からは
流動媒体が不燃物とともに排出され、トロンメル7によ
り粗大不燃物cが除去される。分離された硅砂dはバケ
ットコンベア8により上方へ搬送され、流動層ガス化炉
3に戻される。粗大不燃物c中には金属が含まれるが、
実用的には流動層温度を500〜600℃とすることに
より、鉄、銅、アルミニウムを未酸化でクリーンな状態
で回収できる。
【0022】流動層4に投入された有機性廃棄物aは、
熱分解ガス化によりガス、タール、炭化物となる。ガス
とタールは、気化して炉内を上昇する。炭化物は流動層
4の攪乱運動により微粉砕されてチャーとなる。チャー
は多孔質で軽いため、生成ガスの上向きの流れに同伴さ
れる。流動媒体に固い硅砂を用いることで、炭化物の粉
砕は促進される。フリーボート5には空気b′が吹き込
まれ、600〜850℃で再度ガス化が行われる。こう
して、ガス成分の低分子化と、タール、チャーの分解が
進む。炉頂より排出された生成ガスeは、旋回式溶融炉
9の一次燃焼室10に供給され、予熱された空気b″と
旋回流中で混合しながら、1300℃以上で高速ガス化
する。ガス化は二次燃焼室11で完結し、ガス化ガスe
1 はスラグ分離部12より排出される。高温ガス化に伴
いチャーに含まれる灰分はスラグミストとなり、旋回流
の遠心力により一次燃焼室10の炉壁上の溶融スラグ相
に捕捉され、炉壁を流れ下って二次燃焼室11に入り、
スラグ分離部12の底部より流下する。なお、旋回式溶
融炉9の一次燃焼室10と二次燃焼室11には、昇温用
のバーナ13が1台ずつ設置されている。こうして、
1.3程度の低空気燃焼と灰分の溶融スラグ化が達成さ
れる。
【0023】図2は、本発明に用いるガス化溶融システ
ムの別の構成図で、10〜40atmの合成ガス製造に
用いられる。図において、図1と同じ符号は同じ名称を
有し、14、14′はロックホッパ、15、15′はス
クリーン、16は流動媒体循環ライン、17は旋回式溶
融炉(一体型)、18は高温ガス化室、19は急冷室、
20はサイクロン、21はガススクラバー、22はセト
ラーである。なお、a′は補助燃料用の石炭又はオイル
コークス、gとg′はO2 とH2 Oの混合ガスからなる
ガス化剤、g″はO2である。予め破砕された有機性廃
棄物aは、ロックホッパー等(図示せず)を介して流動
層ガス化炉3に定量供給される。流動層ガス化炉3の下
方からはO2 とH2 Oの混合物がガス化剤gとして送入
され、分散板上に硅砂の流動層4が形成される。有機性
廃棄物aは流動層4の上方に投入され、450〜650
℃、圧力10〜40atmに保持された流動層4内でガ
ス化剤gと接触し、速やかに熱分解ガス化される。流動
層ガス化炉3の炉底からは流動媒体が不燃物とともに排
出され、ロックホッパ14を通り、スクリーン15によ
り粗大不燃物cが除去される。篩下の硅砂dはバケット
コンベア等により構成される流動媒体循環ライン16に
より上方へ搬送され、流動層ガス化炉3に戻される。粗
大不燃物c中には金属が含まれるが、実用的には流動層
温度を500〜600℃とすることにより、鉄、銅、ア
ルミニウムを未酸化でクリーンな状態で回収できる。
【0024】流動層4でのガス化によりガス、タール、
炭化物が生成する。ガスとタールは、気化して炉内を上
昇する。炭化物は流動層4の攪乱運動により微粉砕され
てチャーとなる。チャーは多孔質で軽いため、生成ガス
の上向きの流れに同伴される。流動媒体に固い硅砂を用
いることで、炭化物の粉砕は促進される。フリーボート
5にはO2 とH2 Oの混合物からなるガス化剤g′が吹
き込まれ、600〜850℃でガス化が行われる。こう
して、ガス成分の低分子化と、タール、チャーの分解が
進む。炉頂より排出された生成ガスe2 は、旋回式溶融
炉17の高温ガス化室18に供給され、予熱されたO2
からなるガス化剤g″により、1300℃以上で燃焼ガ
ス化する。ガス中の灰分は高温のためにスラグミストと
なり、ガスとともに急冷室19に入る。急冷室にて水砕
されたスラグは、ロックホッパ14′を介して外部に排
出され、スクリーン15′により、粗粒スラグf′と微
細スラグf″に分別される。
【0025】図3は、本発明に用いる流動層ガス化炉と
溶融炉並びに両炉の周辺部を示した別の構成図であり、
同じく40気圧程度の合成ガス製造に用いられる。本図
では、流動層ガス化炉3には内部循環式流動層炉を、溶
融炉17には旋回式溶融炉を用いている。図3が図1と
異なる点は、流動層ガス化炉に内部循環式流動層炉を用
いる点と、流動層ガス化炉の底部から抜き出した排出物
を、初めにスクリーン15で分級し、次いで篩上の粗大
不燃物cと篩下の流動媒体dを別々にロックホッパ14
を介して減圧する点である。すなわち、内部循環式流動
層炉をガス化炉に用いることにより、廃棄物を粗破砕程
度で流動層上方より投入しても、流動層上に堆積するこ
となく層に呑み込まれること、生成チャーが流動層内に
均一に分散するためチャーのガス化が促進されること、
流動媒体の旋回運動によりチャーの微粉砕が促進される
こと、サイズの大きな不燃物cも流動層内に留まること
なくスムーズに排出されること、流動層内にホットスポ
ットが発生しにくいため塊状化やクリンカー等のトラブ
ルが回避できること等のメリットを享受出来る。この結
果、大きな不燃物の外部への取り出しが問題となるが、
初めに不燃物と流動媒体を分別することにより、大きな
不燃物をブリッジを防止した特殊な構造のロックホッパ
を介して排出し、一方細かい流動媒体は通常用いられる
高温粉体用ロックホッパを介して排出するため、装置の
信頼性を増すことができる。
【0026】図4も同じく、流動層ガス化炉と溶融炉並
びに両炉の周辺部を示した別の構成図であり、40気圧
程度の合成ガス製造に用いられる。本図でも、流動層ガ
ス化炉3には内部循環式流動層炉を、溶融炉9には旋回
式溶融炉を用いている。図4が図3と異なる点は、流動
層ガス化炉3からの排出物を、ロックホッパ14を介し
て減圧した後にスクリーン15で分級すること、並びに
溶融炉9が高温ガス化室10、11を2室有する旋回式
溶融炉であることである。すなわち、本実施例では、有
機性廃棄物中に大きなサイズの不燃物cが含まれないこ
とを想定しているため、炉底から取り出した排出物は、
通常用いられる高温粉体用ロックホッパ14を介して減
圧された後に、スクリーンを用いた分級操作により不燃
物cと流動媒体dを分別する。また、図4のように高温
ガス化室を1室の竪型円筒とせず、竪型10と横型11
の2室の高温ガス化室を組み合わせた形状とすることに
より、溶融スラグの炉内滞留時間を長くしてスラグ中の
未燃カーボン量を減らすとともに、亜鉛、鉛等低沸点金
属のスラグからの揮散を促進させることが出来る。
【0027】図5は、本発明の有機性廃棄物からのNH
3 を合成する場合の全体工程図であり、ガス化工程10
0、一酸化炭素転化工程200、酸性ガス除去工程30
0、窒素洗浄工程400、アンモニア合成工程500お
よび硫黄回収工程600から構成されている。図におい
て、21はガススクラバー、23は空気分離器、24は
有機性廃棄物の低温ガス化炉、25は高温ガス化炉、3
6はCOコンバータ、40は吸収塔、41はコンデンセ
ートタンク、44はCO2 放散塔、50はH2 S放散
塔、53は吸着塔、56はN2 洗浄塔、57は冷却器、
58はN2 ガス圧縮機、59はO2 ガス圧縮機、60は
合成ガス圧縮機、62はNH3 合成塔、68はNH3
凍機、70はNH3 分離器、72はNH3 貯蔵タンクを
示す。また、符号38、48、52、57、64、66
は熱交換器を示し、30、46、54はポンプを示す。
また、iは空気、jはO2 、qは硫黄、rは亜硫安をそ
れぞれ示す。
【0028】空気iは23の空気分離器によりO2 のj
とN2 のkに分けられ、O2 のjはO2 ガス圧縮機59
で圧縮された後、有機性廃棄物aを低温ガス化炉24及
び高温ガス化炉25用のガス化剤として供される。ま
た、N2 のkはN2 ガス圧縮機58で圧縮された後、ア
ンモニア合成用ガスとして供される。なお、空気分離手
段には、通常深冷分離法が用いられる。ガス化工程10
0では、有機性廃棄物aと補助原料a′を低温、例えば
450〜650℃でガス化炉24で低温ガス化処理した
後、高温ガス化炉25では温度1300℃以上、圧力1
0〜40kg/cm2Gの操作条件下でO2 や水蒸気な
どと反応してガス化され、CO、H2 、H2 O、および
CO2 が主成分の発生ガスを生成する。高温ガス化炉2
5内の温度は、主として酸素の量によって調整される。
高温ガス化炉25は直接冷却方式であり、高温ガス化炉
25では上部に高温ガス化室18、下部に急冷室19が
それぞれ設けられており、発生ガスは急冷室19で冷却
水と直接接触し冷却された後、排出されるようになって
いる。
【0029】この急冷により多量の水蒸気が発生し発生
ガスに同伴するとともに、高温ガス化室18にて発生し
たスラグの大部分が除去される。スラグと水のスラリは
灰分処理工程へと送給される。冷却室19を出る際に多
量のスチームを同伴した発生ガスはベンチュリースクラ
バ(図示略)およびガススクラバー21で洗浄され、同
伴灰分を除去された後、一酸化炭素転化工程200へと
送給される。一方、ガススクラバー21底部の灰分洗浄
液はポンプ30を介して再度急冷室19に循環送給され
るとともに、一部は灰分処理工程へ送給される。一酸化
炭素転化工程200では、ガス化工程100から送給さ
れてくる水蒸気を含んだ発生ガスを原料として処理され
る。ガススクラバー21を出たガスはCO転化反応に適
した温度まで、第1段触媒層を出たガスと熱交換器38
で加熱された後、COコンバータ36に送られてガス中
のCOは同伴されている水蒸気とCO転化触媒上で反応
しH2 を生成する。COコンバータ36は2段の触媒層
から構成されており、当該COコンバータ36に充填さ
れる触媒はCo−Mo系のものが使用される。一段の触
媒層入口温度は約300℃である。また、水蒸気/乾ガ
スの比は約1.5(モル/モル)であり、出口温度は4
80℃を越えてはならない。
【0030】第2段触媒層入口温度は約300℃であ
り、転化率は90〜95%以上、また、COコンバータ
36出口におけるCOの乾燥ガス中における濃度は1〜
2%以下となる。ちなみに、CO転化反応は次のように
なる。 CO + H2 O = CO2 + H2 反応は発熱反応であり、第1段触媒層を出た高温ガス
は、COコンバータ入口ガスと熱交換して冷却され、第
2段触媒層に入る。第2段触媒層においてCO転化反応
はさらに進ことになる。前記COコンバータ36を通っ
たガスは途中熱交換器39にて約40℃まで降温され、
引続きコンデンセートタンク41で凝縮水とガスとに分
離された後、後述するN2 洗浄塔頂56から出る精製ガ
スの一部と熱交換されて−17℃に降温されたガスは次
工程の酸性ガス除去工程300に送給される。酸性ガス
除去工程300は、CO転化工程200から送られてく
る転化ガス中の不純分であるH2S、COS、CO2
除去するために、物理吸収プロセスであるレクチゾール
法が使用される。
【0031】−17℃に冷却されたガスは吸収塔40に
導入される。該吸収塔40におけるCO2 ガスの吸収は
約−60℃の温度操作条件下でメタノールと向流接触で
行われるが、吸収塔40を出たガス中のCO2 の濃度は
10〜20ppm、H2 Sは約0.1ppmとなる。吸
収液として使用されたメタノールはCO2 ガスを吸収す
るにつれて温度が上昇し、吸収能力が低下するので、吸
収塔40の途中から抜き出して冷媒アンモニアおよび冷
メタノールにより冷却されて再び吸収塔40に戻すので
ある。この場合、吸収塔40の途中から抜き出されたメ
タノール中にはCO2 、H2Sの他にH2 やCOも溶存
しているので、これらH2 とCOを回収するため、図示
しないメタノール再生塔にて減圧処理され、溶存したH
2 やCOを放出する。放出したH2 やCOは圧縮機で昇
圧され、循環使用されるようになっている。一方、メタ
ノールに吸収された高純度のCO2 を回収するために、
CO2 放散塔44に送られて減圧されるとともに、N2
ガスでストリッピングされ、メタノール中のCO2 の大
部分が放出され、放出されたCO2 は回収されるのであ
る。
【0032】一方、CO2 放散塔44の底部から濃縮さ
れたH2 Sを含むメタノールをポンプ46を介して取り
出され、熱交換器48で加熱された後H2 S放散塔50
へ送られ、ここで水蒸気により間接再生される。H2
放散塔50頂より出るH2 Sリッチガスは熱交換器52
で冷却して、硫黄回収工程600へ送られ、硫黄qまた
7 硫安rとして回収される。H2 S放散塔50底から
抜き出されたメタノールはポンプ54を介して吸収塔4
0の塔頂へ循環供給される。吸収塔40から送られてく
る少量のCOと極微量のCO2 を含んだH2 リッチガス
は、途中吸収塔53を通ってメタノールやCO2 が除去
された後、冷却器57で−190℃近くまで冷却され、
窒素洗浄工程500を成すN2 洗浄塔56に送られる。
窒素洗浄工程500では、ガス中に微量のCO、CH4
が過冷却された液体窒素により洗浄除去される。一方、
2 ガスは沸点の低いことから液体N2 により吸収され
ることなく、N2 洗浄塔56の塔頂からはN2 を含んだ
2 リッチな精製ガスが得られる。
【0033】N2 洗浄塔56の塔頂から出た精製ガス
は、冷却器57を通って冷却された高圧の液体N2 ガス
と混合されて、アンモニア合成に適当な組成、すなわ
ち、H2とN2 の比を約3(モル比)に調整された後、
再度冷却器57を通って加熱されアンモニア合成工程5
00に送られる。一方、N2 ガス圧縮機58で圧縮され
た高圧のN2 ガスの一部は、冷却器57で冷却液化され
た後、N2 洗浄塔56に送られ、塔底から入ってくるガ
スと向流接触し、その間にガス中のCO、Ar、CH4
などの不純物は液体N2 側に移動し吸収除去される。ま
た、CO、Ar、CH4 などを吸収した液体N2 はN2
洗浄塔56の底部より出て減圧の後、ボイラの燃料とし
て送出される。
【0034】窒素洗浄工程500から送られてきたガス
は、合成ガス圧縮機60の第1段において例えば150
kg/cm2Gに昇圧された後、次いでアンモニア分離
器70からの循環ガスと合流して合成ガス圧縮機60の
第2段において165kg/cm2Gまで昇圧され、ア
ンモニア合成塔62に送られる。アンモニア合成塔62
は2段の触媒層から成っており、Fe系の合成触媒が充
填されている。アンモニア合成塔62入口の圧力164
kg/cm2G、温度250℃となる。合成ガスが該触
媒層を通る間にアンモニア合成が行われるが、このとき
のアンモニア合成反応はつぎのようになる。 N2 + 3H2 = 2NH3 触媒層を出たガス温度は一旦約500℃を越えるが、ア
ンモニア合成塔62途中から導入された冷ガスによって
冷却される。
【0035】アンモニア合成塔62を出たNH3 ガス
は、圧力160kg/cm2G、温度450℃であり、
熱交換器64、66を通って常温付近まで冷却された
後、さらにアンモニア冷凍機68を通って冷却され、N
3 の大部分は凝縮される。凝縮したNH3 はアンモニ
ア分離器70で液体NH3 とガスとに分離され、液体N
3 はアンモニア貯蔵タンク72へ送られるとともに、
前記したように分離されたガスは再度循環ガスとして合
成ガス圧縮機60の第2段に入り165kg/cm2G
まで昇圧され、アンモニア合成塔62に循環送給され
る。
【0036】
【発明の効果】本発明により、以下の効果を奏する。 NH3 合成用等のH2 源を、安価でしかも自国内で
調達可能な有機性廃棄物に転換出来る。これにより、N
3 の製造原価を大幅に引き下げられる。 有機性廃棄物をガス化してH2 とすることにより、
従来の焼却処理に伴う様々な問題を回避出来る。すなわ
ち、排ガスが無くなり、ダイオキシン類は生成しない。
また、廃棄物中の灰分は無害なスラグとなるため、埋立
地の延命化が図れるとともに、路盤剤等への利用も可能
となる。
【0037】 廃棄物中に含まれる鉄、銅、アルミと
いった金属は、リサイクル可能な酸化を受けない状態で
回収出来る。こうして、廃棄物の有効利用と環境保全の
立場から、有機性廃棄物のガス化設備をアンモニア合成
設備に隣接して建設し、両者間を原料利用の面から有機
的に結合することにより、トータルシステムとしてのメ
リットを享受出来る。 廃棄物に、石炭あるいはオイルコークスといった固
体燃料を補助的に供給することにより、廃棄物の質、量
の変動の問題に対処可能となる。特に、廃棄物の質の低
下による生成ガス性状の悪化に対しては、固体燃料の混
合比率を増すことにより、安定な操業を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いるガス化溶融システムの構成図で
ある。
【図2】本発明に用いるガス化溶融システムの別の構成
図である。
【図3】本発明に用いるガス化溶融システムの他の構成
図である。
【図4】本発明に用いるガス化溶融システムの他の構成
図である。
【図5】本発明の廃棄物からNH3 を合成する場合の全
体工程図である。
【図6】RDFのN2 雰囲気中における熱分解特性を示
すグラフである。
【符号の説明】
1:ホッパー、2:定量供給装置、3:流動層ガス化
炉、4:流動層、5:フリーボード、6:バーナ、7:
トロンメル、8:バケットコンベア、9:旋回式溶融
炉、10:一次燃焼室、11:二次燃焼室、12:スラ
グ分離図、13:バーナ、14、14′:ロックホッ
パ、15、15′:スクリーン、16:流動媒体循環ラ
イン、17:旋回式溶融炉(一体型)、18:高温ガス
化室、19:急冷室、20:サイクロン、21:ガスス
クラバー、22:セトラー、23:空気分離器、24:
一次ガス化炉、25:二次ガス化炉、34:カーボンス
クラバー、COコンバータ、40:吸収塔、41:コン
デンセートセパレータ、44:CO2 放散塔、50:H
2 S放散塔、53:吸着塔、56:N2 洗浄塔、58:
2 ガス圧縮機、59:O2 ガス圧縮機、60:合成ガ
ス圧縮機、62:NH3 合成塔、68:NH3 冷凍機、
70:NH3 分離器、72:NH3 貯蔵タンク、10
0:ガス化工程、200:一酸化炭素転化工程、30
0:酸性ガス除去工程、400:窒素洗浄工程、50
0:アンモニア合成工程、600:硫黄回収工程、a:
有機性廃棄物、a′:石炭又はオイルコークス、b:空
気(流動層用)、b′:空気(フリーボード用)、
b″:空気(溶融炉用)、c:粗大不燃物、d:硅砂、
e、e2 、e3 、e4 :生成ガス、e1 :燃焼排ガス、
f:スラグ、f′:粗粒スラグ、f″:微細スラグ、
g、g′:ガス化剤(O2 とH2 Oの混合ガス)、
g″:O2 、i:空気、j:O2 、k:N2 、l:NH
3 、m:H2 O、n:燃料ガス、O:酸性ガス+H
2 O、q:硫黄、r:亜硫安
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C10J 3/54 C10J 3/54 J C10K 3/04 C10K 3/04 (72)発明者 藤並 晶作 神奈川県藤沢市本藤沢4丁目2番1号 株式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 高野 和夫 東京都大田区羽田旭町11番1号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 入江 正昭 東京都大田区羽田旭町11番1号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 廣勢 哲久 東京都大田区羽田旭町11番1号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 永東 秀一 東京都大田区羽田旭町11番1号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 大下 孝裕 東京都大田区羽田旭町11番1号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 福田 俊男 東京都品川区東品川2丁目3番11号 U BEビル宇部興産株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−307614(JP,A) 特開 平5−208183(JP,A) 特公 平5−48278(JP,B2) 特許3079051(JP,B2) 欧州特許出願公開676465(EP,A 1) 独国特許発明4435349(DE,C2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 3/02 C01C 1/02 B09B 3/00 C08J 11/18 C10J 3/00 C10J 3/54 C10K 3/04

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 都市ごみ、廃プラスチック、廃FRP、
    バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、及び固形化燃料から
    なる群より選ばれる有機性廃棄物を、加圧型の内部循環
    流動層ガス化炉に供給し、該炉内の流動層での部分燃
    焼によりガス化して、ガス状物と炭化物とを生成させる
    とともに、該炭化物を流動層にて微粉砕してチャーと
    し、そして該ガス状物と該チャーとを該流動層ガス化炉
    から、旋回式溶融炉のガス化室に導入してガス化を更に
    進めることにより、一酸化炭素と水素とを含む合成ガス
    を得ると共に、有機性廃棄物の灰分を溶融スラグとし、
    該合成ガスと該溶融スラグとをガス化室から排出させ、
    該ガス化室に続けて設けた、内部に水を有する急冷室
    に、先端部が水と接触している管体を通して導入するこ
    とにより、水中に吹き込み、該合成ガスを冷却すると同
    時に該溶融スラグを水砕スラグとして分離し、次いで合
    成ガスを回収することを特徴とする有機性廃棄物の二段
    ガス化方法。
  2. 【請求項2】 急冷室から排出した合成ガスをスクラバ
    ーに供給して、冷却と洗浄とを行ない、次いで、該合成
    ガス中の一酸化炭素と水蒸気から、CO転化により、二
    酸化炭素と水素とを含む混合ガスを得る工程を含む請求
    項1に記載の有機性廃棄物の二段ガス化方法
  3. 【請求項3】 混合ガスから二酸化炭素を分離して水素
    を回収する工程を含む請求項2に記載の有機性廃棄物の
    二段ガス化方法
  4. 【請求項4】 流動層ガス化炉から、不燃物と共に流動
    媒体を排出させ、次いで排出物から不燃物を分離回収し
    た後、流動媒体を流動層ガス化炉に戻す工程を含む請求
    項1乃至3のうちのいずれかの項に記載の有機性廃棄物
    の二段ガス化方法
  5. 【請求項5】 都市ごみ、廃プラスチック、廃FRP、
    バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、及び固形化燃料から
    なる群より選ばれる有機性廃棄物を、流動層での部分燃
    焼によりガス化してガス状物と炭化物とを生成させると
    ともに、該炭化物を流動層にて微粉砕してチャーとする
    加圧型の内部循環式流動層ガス化炉;該ガス状物と該チ
    ャーとを該流動層ガス化炉から、旋回式溶融炉のガス化
    室に移送する通路;流動層ガス化炉から移送されたガス
    状物とチャーとのガス化をさらに進めて、一酸化炭素と
    水素とを含む合成ガスを得ると共に、灰分を溶融スラグ
    とするガス化室を有する旋回式溶融炉;旋回式溶融炉
    の下部に設けられた、内部に貯溜水を有する急冷室;
    急冷室内に備えられている、該ガス化室から排出された
    合成ガスと溶融スラグとを急冷室の水中に導入するため
    の、先端部が水に接触している管体;そして該急冷室に
    備えられた合成ガス排出口を含む有機性廃棄物の二段ガ
    ス化装置。
  6. 【請求項6】 合成ガス排出口に、スクラバーを介して
    CO転化装置が接続されている請求項5に記載の有機性
    廃棄物の二段ガス化装置
  7. 【請求項7】 COガス転化装置に、該装置で生成した
    二酸化炭素を分離して水素を回収するための二酸化炭素
    分離装置が接続されている請求項6に記載の有機性廃棄
    物の二段ガス化装置
  8. 【請求項8】 流動層ガス化炉に、不燃物と共に流動媒
    体を排出させ、次いで排出物から不燃物を分離回収した
    後、流動媒体を流動層ガス化炉に戻す流動媒体循環ライ
    ンが備えられている請求項5乃至7のうちのいずれかの
    項に記載の有機性廃棄物の二段ガス化装置
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