JP3850431B2 - 熱分解ガス化方法および熱分解ガス化装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱分解ガス化方法および熱分解ガス化装置に関し、特に、炭化物を熱分解して分解ガスを発生させる熱分解ガス化方法および熱分解ガス化装置に関する。

近年、水素は、化学工業や石油精製などに多量に利用されている重要な化学原料である一方、クリーンなエネルギーとしての水素利用技術は、重要な位置を占めると考えられている。水素ガスの発生方法としては、水素化ホウ素ナトリウムなどを加水分解させて水素を発生させる方法や、加水した２種類以上の水素化合物を混合させた水素発生原料を加熱することにより、短時間で水素の発生を行うようにする方法（特許文献１）がある。

また、水素発生量を向上させる方法として、実質水が存在しない状況において比較的低い温度（１００℃〜１７０℃）に加熱して熱分解させる方法が提案されている（特許文献２）。
特開２００１−２５３７０２号公報 特開２００２−１３７９０１号公報

しかしながら、上記の従来の水素発生方法では、原料として石油や石炭、天然ガス等の化石燃料等の一次エネルギー等を利用しているため、地球環境という観点からは好ましいものではなかった。そこで、近時、原料として化石燃料等を利用することなく、原料を熱分解して、効率よく水素（熱分解ガス）を発生させることができる熱分解ガス化技術が求められている。しかも、そのような熱分解ガス化技術において、炭化炉で発生する炭化物以外の生成物（ガスやタール、反応副生成物等）の発生を抑制しつつ、ガス化効率を向上することが求められている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、原料として化石燃料を利用することなく、炭化物以外の生成物の発生を抑制しつつ、ガス化効率を向上することができる熱分解ガス化方法および熱分解ガス化装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱分解ガス化装置は、有機廃棄物を炭化して炭化物と炭化物以外の生成物とを分離する炭化炉と、前記炭化物を熱分解して熱分解ガスを発生させる熱分解炉と、前記炭化物を前記熱分解炉に供給する第１の供給路と、前記炭化物以外の生成物を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼ガス生成手段と、前記燃焼ガスを前記熱分解炉に供給する第２の供給路と、を有し、前記熱分解炉は、前記第２の供給路から供給された前記燃焼ガスを熱源として前記第１の供給路から供給された前記炭化物を熱分解する、構成を採る。

本発明に係る熱分解ガス化方法は、炭化炉で、有機廃棄物を炭化して炭化物と炭化物以外の生成物とを分離するステップと、熱分解炉で、前記炭化物を熱分解して熱分解ガスを発生させるステップと、前記炭化物を前記熱分解炉に供給するステップと、前記炭化物以外の生成物を燃焼して燃焼ガスを生成するステップと、前記燃焼ガスを前記熱分解炉に供給するステップと、を有し、前記熱分解ガスを発生させるステップでは、前記燃焼ガスを熱源として前記炭化物を熱分解する、ようにした。

本発明によれば、原料として化石燃料を利用することなく、炭化物以外の生成物の発生を抑制しつつ、ガス化効率を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱分解ガス化装置の構成を示す図である。

図１に示す熱分解ガス化装置１は、熱分解炉２、熱電対（温度検知手段）３、ヒータ（加熱手段）４、温度制御装置（温度制御手段）５、水ポンプ（ガス化剤供給手段）６、供給部７、ガスパイプ８、一次フィルタ（抽出手段）９、二次フィルタ（抽出手段）１０、ガスメータ１１およびガスホルダ１２を有している。

熱分解炉２は、温度保持と気密保持が可能で、その内部に炭化物２０などを収容することができる。

炭化物２０は、有機廃棄物を図示しない炭化炉などにより炭化したものである。また、有機廃棄物は、例えば、木粉やシラカンバ伐根粉砕物、ミズナラ粉砕物等の森林資源の廃材、間伐材およびキノコ廃菌床といった所謂バイオマス資源である。

熱電対３は、熱分解炉２の内部温度を検知するための温度センサである。なお、温度検知手段としては、熱電対３以外を用いることも可能であるが、熱電対は、耐熱性および耐食性に優れているため、本実施の形態の温度検知手段として用いるのに好適である。

ヒータ４は、熱分解炉２の内部を加熱するために設けられており、そのオン／オフ制御は、温度制御装置５により行われる。

温度制御装置５は、熱電対３の温度検知結果に基づいて、ヒータ４のオン／オフ制御を行い、熱分解炉２の内部温度を所定温度に保持する。

水ポンプ６は、熱分解炉２の内部に挿入されている供給部７を通して熱分解炉２内にガス化剤として水または水蒸気を供給する。

ガスパイプ８は、熱分解炉２内で発生した分解ガスを熱分解炉２内から取り出すパイプである。一次フィルタ９および二次フィルタ１０は、例えば、内部に純水が貯水されており、熱分解路２からガスパイプ８を通って排出される分解ガスに含まれる不要なガス成分を吸着して除去するようにしている。

ガスメータ１１は、一次フィルタ９および二次フィルタ１０を通ったガスの流量を計測するメータであり、ガスホルダ１２は、放出されるガスを保持するための容器である。

制御装置１３は、例えば、コンピュータにより構成され、本実施の形態の熱分解ガス化装置１全体の制御を行う。例えば、温度制御装置５を介して、熱分解炉２の温度が所定温度になるように設定したり、水ポンプ６から供給部７を介して熱分解炉２内に供給するガス化剤の量を設定したりする。また、ガスメータ１１により計測されたガスの量の累計を計算したり記憶したりする。

次に、本実施の形態に係る熱分解ガス化装置１により分解ガスを発生させる分解ガス発生方法について説明する。

本実施の形態に係る熱分解ガス化装置１において分解ガスを発生させる場合は、まず、熱分解炉２の内部に、図示しない炭化炉において有機廃棄物を炭化した炭化物２０を収容する。そして、熱分解炉２の内部に炭化物２０を収容した状態で、その内部を、例えば、８００℃〜９００℃まで加熱することにより、炭化物２０を赤熱した状態にする。この後、水ポンプ６から供給部７を通して熱分解炉２内に、ガス化剤として、水または水蒸気を供給する。すると、炭化物２０が触媒となって、熱分解炉２内において水性ガス反応が起こり、炭化物２０の炭素（Ｃ）と、水（Ｈ_２Ｏ）の酸素（Ｏ）が化合して水素（Ｈ）が生成される。つまり、熱分解炉２内において、（２Ｃ＋３Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋ＣＯ_２＋３Ｈ）という水性ガス反応が連続して発生する。その結果、熱分解炉２内において、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水素（Ｈ）の成分からなる分解ガスが発生する。この時の水性ガス反応の反応率は１００％である。また、分解ガスに含まれる水素、一酸化炭素、二酸化炭素の割合は、概ね、水素（Ｈ）が８０％、一酸化炭素（ＣＯ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）が夫々１０％となる。なお、水ポンプ６から供給部７を介して熱分解炉２内に供給するガス化剤の量は、炭化物２０の量によって変わるが、少なくとも赤熱状態にある炭化物を消火しない程度の量である必要がある。また、熱分解炉２の内部温度は、炭化物２０を赤熱状態に保つことができる温度（例えば８００℃以上）であればよい。

上記熱分解炉２から放出される分解ガスは、一次フィルタ９および二次フィルタ１０内の水を通過することにより、分解ガスに含まれる一酸化炭素と、二酸化炭素が吸着され、二次フィルタ１０からは水素ガスだけを放出させることができる。

従って、このような本実施の形態の熱分解ガス化装置１によれば、原料に化石燃料などの一次エネルギーを利用することなく、有機廃棄物を炭化した炭化物２０から水素ガスを含む分解ガスを効率よく発生させることができるため、地球環境に優しい熱分解ガス化装置を実現することができる。

また、炭化物２０として有機廃棄物を利用すると、ごみ処分場で処分するごみの量を減らすことができるため、それだけごみ処分場に廃棄するごみの量を減らすことができるため、環境に影響を与えるおそれがあるごみ処分場の増加を抑制することができるという利点もある。

さらに、本実施の形態の熱分解ガス化装置１においては、熱分解炉２において発生した分解ガスを一次フィルタ９および二次フィルタ１０を通して、分解ガスに含まれる一酸化
炭素および二酸化炭素を除去するようにしているので、分解ガスから水素ガスだけを容易に取り出すことができる。

ところで、上記したような熱分解炉２での炭素と水の水成ガス反応は、単に水と炭などの炭化物を混ぜただけで反応するものではなく、その反応条件などは本願発明者が実験により得たものである。

図２〜図４にその実験結果を示す。

図２は、原料として有機廃棄物であるシラカンバ伐根粉砕物を用いた場合の熱分解温度とガス発生量の関係を示す図である。

この図２に示すように、熱分解炉２内の温度、つまり、熱分解温度が高温（６００℃→７００℃→８００℃→９００℃）になるほど、分解ガスの発生量が多くなっている。また、熱分解温度を９００℃で加熱した後、水蒸気をガス化剤として供給すると、ガス化剤を供給しない場合に比べてガスの発生量が増加している。この場合の総発熱量は、原料が持つ発熱量２０ＧＪ／ｔの約８５％に相当し、その発熱量に相当するガスが得られることが分かった。

図３は、炭化物を用いたときの熱分解温度とガス発生量の関係を示す図である。なお、図３には熱分解温度が８００℃と９００℃とした場合のガス発生量と総発熱量が示されている。また、ここでは、炭化物として有機廃棄物を炭化した木粉炭を使用した。また、ガス化剤として水蒸気を供給した。

この図３に示すように、原料として炭化物を用いた場合は、熱分解炉２内の熱分解炉温度を８００℃または９００℃にすることにより、多量のガスが発生することが分かった。

特に、図２と比較すると、単位量あたりのガス発生量が極めて大きいことが分かった。このとき、水素ガスは、全体の７５％程度（モル比）で、１５％が二酸化炭素、１０％が一酸化炭素であった。また、単位容量あたりの熱量は水素の存在で低くなるが、総発熱量は非常に大きいという結果であった。

これにより、熱分解炉２内に炭化物２０を収容した状態で、熱分解炉２内を８００℃から９００℃まで加熱した後、その内部にガス化剤として水または水蒸気を供給すれば、炭化物から水素ガスを含む分解ガスを効率よく発生させることができることが分かった。

次に、図４は、炭化物を加熱した後、ガス化剤を供給したときのガス発生量の時間変化を示す図である。ここでは、原料の炭化物としてミズナラ破砕炭を使用した。また、熱分解炉２内の温度が略９００℃に達した時点から、ガス化剤である水（水蒸気）を４.９ｍ
ｌ／ｍｉｎ注入するようにした。

この図４から、熱分解炉２内が約９００℃に達し、ガス化剤を供給し始めてから４５分以降において、熱分解炉２内におけるガス発生量が大幅に増加した。そして、加熱開始から４時間で２８８ｌ（約５７６０ｍ^３／ｔ）のガスが得られた。なお、実験終了後、残渣は確認されなかった。また、１５０分以降のガス増加量が鈍化しているのは、水成ガス反応の終了によるものであると考えられる。

なお、本実施の形態では、炭化物として有機廃棄物（バイオマス）を炭化したものを用いる場合を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、有機廃棄物以外の木材などを炭化した炭化物も利用可能であることは言うまでもない。

（実施の形態２）
上記のように、実施の形態１の熱分解ガス化装置および熱分解ガス化方法によれば、原料として化石燃料等を利用することなく、効率よく水素を発生させることができる等の多くの長所を有している。しかし、実施の形態１の手法においては、有機廃棄物を炭化する際にタールおよび反応副生成物(軽質油分やピッチ分等)が発生し、これらの処理コストおよび処理負担の点で改善の余地がある。また、炭化物および炭化の際に発生する炭化水素ガスが、熱分解に利用されていないため、ガス化効率の点でも一定の限界がある。

タールは、有機廃棄物を熱分解して得た分解ガスを冷却する過程で、分解ガス中の炭化水素が様々な形で重合して生成される多環芳香族を中心とした物質であり、ガスエンジン内に入るとバルブを固着させてしまう等の問題を引き起こす。一般に、ガス中のタール濃度を１００ｍｇ／ｍ^３Ｎ以下になるように除去する必要があるが、遠心分離やろ過式集塵が適用できないため、触媒を用いて高温で分解する等の処理コストおよび処理負担が大きい対応を採らざるを得ないのである。

本発明者は、炭化物を利用した熱分解ガス化の上記性質を検討した結果、タールおよび反応副生成物の発生を抑制し、かつ、ガス化効率を向上させるためには、タールおよび反応副生成物を完全に燃焼させ、オンサイトの熱源を供給することが必要であることを見出した。また、タールおよび反応副生成物を完全に燃焼させ、オンサイトの熱源を供給するためには、炭化処理と熱分解処理とを一体化させ、有機廃棄物の炭化時に発生する炭化ガスやタール、反応副生成物をさらに燃焼させて発生する熱を熱源として、有機廃棄物の炭化時に発生する炭化物を熱分解することが必要であることを見出したのである。

本実施の形態の特徴は、有機廃棄物を一度炭化させ、タール生成の原因となる炭化水素ガスと炭化物とを分離して、炭化水素を完全に燃焼させて発生させた熱を炭化物の熱分解に用いることである。

また、本実施の形態においては、炭化処理と熱分解処理との一体化によりガス化効率を向上させ、タールおよび反応副生成物の処理負担を軽減させることができるため、有機廃棄物を直接熱分解する従来の手法と比較して、装置全体を小型化することができる。

まず、図５および図６を用いて、本実施の形態に係る熱分解ガス化装置の小型化の実現について説明する。図５は、従来の熱分解ガス化装置の構成の一例を示すブロック図であり、図６は、本実施の形態に係る熱分解ガス化装置の構成を示すブロック図である。

図５のように、従来の熱分解ガス化装置においては、有機廃棄物を直接熱分解するため、熱分解炉３６での熱分解処理の前処理として、ストッカ３０に貯蔵された原料である有機廃棄物を、一次破砕機３２および二次破砕機３４により、一次破砕および二次破砕して微粉砕する必要がある。また、熱分解炉３６において、微粉砕した有機廃棄物を熱分解する際に、炭化ガスやタール、反応副生成物（軽質油分やピッチ分等）が発生するため、熱分解処理により発生した分解ガスのコジェネレータ（熱電併給装置）４２への供給の前処理として、油水分離を行うサイクロン３８−１〜３８−２やカス改質を行う中和層４０−１〜４０−２等の処理設備を設置する必要がある。

これに対して、図６のように、本実施の形態に係る熱分解ガス化装置においては、ストッカ１００に貯蔵された原料である有機廃棄物を微粉砕する必要はなく、例えば、一次破砕機２００による一次破砕のみを行えば十分である。また、炭化炉３００と熱分解炉４００とが一体化した構成とし、炭化炉３００で発生するタールおよび反応副生成物を二次燃焼させた熱を熱源として炭化炉３００および熱分解炉４００を加熱するため、熱分解処理
により発生した分解ガスを直接コジェネレータ５００へ供給することができる。従って、タールおよび反応副生成物の発生を抑制するとともに、小型化、分散化および熱効率の向上を実現することができる。

以上のように、本実施の形態に係る熱分解ガス化方法および熱分解ガス化装置は、有機廃棄物を直接熱分解ガス化するのではなく、有機廃棄物を炭化して得た炭化物（炭）を、有機廃棄物の炭化により発生した多様なガス（炭化水素ガスを含む）やタール、副生成物等を二次燃焼させることにより発生した熱を熱源として熱分解ガス化する（図７参照）。従って、ガス化効率の向上、タールや副生成物の発生の抑制およびオンサイトでの分解ガス利用を実現することができる。

次に、本実施の形態に係る炭化炉および熱分解炉の概念を、図８を用いて説明する。図８は、炭化炉および熱分解炉の関係を示す概念図である。

原料投入口３１０に投入された炭化の原料となる有機廃棄物は、炭化炉３００に供給されて炭化され、熱分解残渣である炭化物と炭化水素ガスとに分離される。分離された炭化物は、ガス化剤供給機３３０から供給されたガス化剤（水または水蒸気）と接触混合されて熱分解炉４００に供給される。一方、分離された炭化水素ガスはバーナ３２０に供給され、炭化炉３００および熱分解炉４００を加熱する熱源になる。炭化炉３００と熱分解炉４００とは、例えば、反応装置ジャケット３５０により一体化されており、加熱効率を向上する。熱分解炉４００では、炭化物が、バーナ３２０により加熱されて熱分解ガス化され、熱分解ガス管３４０は、熱分解炉４００から分解ガスを抽出する。なお、反応装置ジャケット３５０は必ずしも必要なものではなく、例えば、バーナ３２０により熱分解炉４００のみを加熱するようにしてもよい。

上記のように、本発明においては、炭化処理の際に発生する熱を熱分解処理に利用するため、熱効率が非常に優れている。例えば、１８ＧＪのエネルギーを有する木材１ｔを炭化すると、８ＧＪのエネルギーを有する炭２５０ｋｇと１５ＧＪのエネルギーを有するガスに分離することができる（図９参照）。すなわち、木材から熱量８０％以上のガスのエネルギー転換をすることができる。

次に、本実施の形態に係る熱分解ガス化装置の要部構成について図１０を用いて説明する。図１０は、本実施の形態に係る熱分解ガス化装置の要部構成を示す図である。

図１０に示す熱分解ガス化装置５０は、大別して、炭化炉３００、熱分解炉４００および炭化物供給機６００から構成される。

炭化炉３００は、原料投入口３１０から供給された有機廃棄物を炭化して熱分解残渣である炭化物と炭化水素ガスとに分離する。また、炭化炉３００で分離された炭化物は、排出機３６０を通して炭化物供給機６００へ供給され、炭化水素ガスは、炭化水素ガス燃焼機３６２へ供給される。炭化水素ガス燃焼機３６２は、点火装置３６４により点火されると、炭化炉３００から供給された炭化水素ガスを二次燃焼して燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスを、バーナ３２０を通して熱分解炉４００に供給する。

炭化物供給機６００は、炭化炉３００から供給された炭化物をガス化剤供給機３３０から供給されたガス化剤（水または水蒸気）と接触混合させて熱分解炉４００に供給する。ガス化剤の供給量は、図示しない制御装置により制御される。

熱分解炉４００は、ガス化室３６６および燃焼ガス室３６８を有する。ガス化室３６６と燃焼ガス室３６８とは、例えば、燃焼ガス室３６８がガス化室３６６を覆った二重構造
となっている。炭化物供給機６００から供給された、ガス化剤と接触混合した炭化物は、ガス化室３６６に供給される。一方、炭化炉３００からバーナ３２０を通して供給された燃焼ガスは、燃焼ガス室３６８に供給される。ガス化室３６６内の炭化物は、燃焼ガス室３６８内の燃焼ガスにより加熱されて、熱分解ガス化される。燃焼ガスによる加熱温度は、図示しない制御装置により制御される。

熱分解ガス管３４０は、ガス化室３６６内で生成された分解ガスを、後述する種々のガス利用プロセスに供給する。排気ガス管３７０は、燃焼ガス室３６８を通過してガス化室３６６への熱供給を終了した燃焼ガスを排ガス処理設備に供給する。

なお、図１０においては、バーナ３２０は、熱分解炉４００のみを加熱するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８のように、炭化炉３００と熱分解炉４００とを一体化構造にして、バーナ３２０により炭化炉３００および熱分解炉４００の両方を加熱するようにしてもよい。

また、図１０においては、炭化物をガス化剤と接触混合させてから熱分解炉４００へ供給するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガス化剤供給機３３０からガス化室３６６に、直接ガス化剤を供給するようにしてもよい。すなわち、炭化物とガス化剤とを接触混合させることができればよい。

なお、本実施の形態では、ガス化剤の供給量を変化させることで熱分解炉４００から種々の生成物を抽出することができる。すなわち、ガス化剤の供給量を０にすれば、熱分解ガス化反応は進行せず、熱分解炉４００から炭を抽出することができ、ガス化剤の供給量を増加させるにつれ、活性炭を抽出することができるようになり、さらに、ガス化剤を十分に供給すれば、灰だけを抽出することができるようになる（図１１）。このように、ガス化剤の供給量により、熱分解炉４００からの排出固形分が、炭、活性炭または灰のいずれになるかが決定される。従って、熱分解ガス化プロセスで生成される種々の生成物を有効利用することができる。

次に、上記構成を有する熱分解ガス化装置５０により分解ガスを発生させる方法について説明する。

まず、含水率を調整した有機廃棄物を原料投入口３１０に投入する。原料投入口３１０に投入した有機廃棄物は、炭化炉３００に供給される。ここで、有機廃棄物の含水率は、概ね２０％前後に調整することが望ましい。また、上記のように、有機廃棄物とは、例えば、木粉やシラカンバ伐根粉砕物、ミズナラ粉砕物等の森林資源の廃材、間伐材およびキノコ廃菌床といった所謂バイオマス資源である。

そして、炭化炉３００においては、供給された有機廃棄物を炭化して熱分解残渣である炭化物と炭化水素ガスとに分離する。分離した炭化物は、排出機３６０を通して炭化物供給機６００へ供給され、炭化水素ガスは、炭化水素ガス燃焼機３６２へ供給される。また、炭化炉３００内は、炭化に必要な温度、例えば、８００℃〜９００℃に予め調整しておく。

そして、炭化物供給機６００においては、炭化炉３００から供給された炭化物をガス化剤供給機３３０から供給されたガス化剤（水または水蒸気）と接触混合させ、熱分解炉４００内のガス化室３６６に供給する。ここで、ガス化剤供給機３３０から供給するガス化剤の量により、熱分解炉４００から抽出する分解ガス生成の反応制御を行うことができる。ガス化剤の量による分解ガスの組成比の制御については、後に詳細に説明する。

そして、炭化水素ガス燃焼機３６２においては、炭化炉３００から供給された炭化水素ガスを二次燃焼させて燃焼ガスを生成し、バーナ３２０を通して熱分解炉４００内の燃焼ガス室３６８に供給する。

そして、ガス化室３６６においては、ガス化剤と接触混合された炭化物を、燃焼ガス室３６８内の燃焼ガスにより加熱して、熱分解ガス化する。ここで、ガス化室３６６を加熱する温度により、熱分解炉４００から抽出する分解ガスの組成比を制御することができる。ガス化室３６６の加熱温度による分解ガスの組成比の制御については、後に詳細に説明する。

ここで、ガス化室３６６内で起こる熱分解ガス化反応について説明する。

ガス化室３６６内では、吸熱反応である水性ガス化反応（Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２）および発熱反応であるシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）が連続して発生する。その結果、熱分解炉４００内において、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）および水素（Ｈ_２）の成分からなる分解ガスが発生する。このときの水性ガス化反応の反応率は１００％である。

一般的には、低温でシフト反応が促進されると考えられており、シフト反応が促進されれば、高カロリーの一酸化炭素（ＣＯ）が消費されて低カロリーの水素（Ｈ_２）が生成されるため、単位体積あたりの発熱量は減少する。また、一酸化炭素（ＣＯ）１モルから２モルのガス（ＣＯ_２＋Ｈ_２）が生成されるため、分解ガスの発生量は増加する。

次に、熱分解炉４００における熱分解処理により抽出する分解ガスの組成比の制御について説明する。

上記のように、熱分解処理により抽出する分解ガスの組成比は、ガス化剤供給機３３０から供給するガス化剤の量により制御することができる(図１２参照)。従って、ガス化剤の供給量を調整することによって、分解ガス生成の反応制御が可能となる。

また、熱分解処理により抽出する分解ガスの組成比は、ガス化室３６６を加熱する温度によっても制御することができる（図１３参照）。従って、ガス化室３６６を加熱する温度を調整することによって、任意のガス組成の分解ガスを抽出することが可能となる。

図１４は、ガス化剤供給量および加熱温度を変化させた場合における分解ガス中のＨ_２／ＣＯ比を示す図である。なお、ガス化剤供給量は、１.５ｍｌ／ｍｉｎ〜５ｍｌ／ｍｉ
ｎの範囲内で変化させ、加熱温度は、８００℃、９００℃または９５０℃に変化させている。

図１４より、ガス化剤供給量が多い程、分解ガス中のＨ_２／ＣＯ比が高くなっている。また、ガス化室の温度が８００℃の場合において、特に、分解ガス中のＨ_２／ＣＯ比が高くなっている。これは、上記のように、８００℃程度の低温においては、シフト反応が促進され、一酸化炭素（ＣＯ）が消費されて、水素（Ｈ_２）が生成されることによる。

以上のように、ガス化剤の供給量または加熱温度を調整することにより、分解ガスの組成比を制御することができる。例えば、分解ガスのＨ_２／ＣＯ比が３であれば、メタノールの生成に有用であり、分解ガスのＨ_２／ＣＯ比が１であればＤＭＥ（ジメチルエーテル）の生成に有用である。

次に、本発明に係る熱分解ガス化装置により生成された分解ガスを燃料とした装置の一
例について説明する。図１５は、分解ガスを燃料としてガスエンジン発電を行う発電装置の構成を示す図である。なお、図１０の熱分解ガス化装置と同一の部分については同一の符号を付し、説明を省略する。

図１５に示す発電装置６０は、大別して、乾燥機７００、スクラバ７１０、廃熱回収ボイラ７２０、余剰ガス返送管７３０およびガスエンジン発電機７４０を有する。

乾燥機７００は、サイクロン集塵機７５０で灰や未燃分粒子が除去され、誘引通風機７５２を介して供給された燃焼ガスを熱源として、破砕機７５４で破砕された有機廃棄物を乾燥させて原料投入口３１０へ供給する。

スクラバ７１０は、乾燥機７００で熱源として使用された燃焼ガスを、水を用いて洗浄・冷却して系外に排気し、洗浄・冷却により排出された排水を廃熱回収ボイラ７２０に供給する。

廃熱回収ボイラ７２０は、スクラバ７１０から供給された排水を用いて、サイクロン集塵機７５６で灰や未燃分粒子が除去され、誘引通風機７５８を介して供給された分解ガスを冷却して、ガスエンジン発電機７４０に供給する。また、廃熱回収ボイラ７２０は、分解ガスを冷却したときに生じる水蒸気を、蒸気留め７６０を介してガス化剤供給機３３０に供給する。

余剰ガス返送管７３０は、廃熱回収ボイラ７２０から供給された分解ガスの内、ガスエンジン発電機７４０の容量（発電出力）を超える過剰な分解ガスを、炭化水素ガス燃焼機３６２に助燃料として供給する。なお、別途ガスホルダを設けて、過剰な分解ガスを系内に滞留させるようにしてもよい。

ガスエンジン発電機７４０は、廃熱回収ボイラ７２０から供給された分解ガスを燃料として発電を行う。

次に、上記構成を有する発電装置６０により発電を行う方法について説明する。

まず、有機廃棄物を破砕機７５４に投入する。破砕機７５４で破砕された有機廃棄物は、乾燥機７００で、含水率が概ね２０％になるように乾燥させる。乾燥機７００で乾燥させた有機廃棄物は、原料投入口３１０を介して熱分解ガス化装置５０に供給され、図１０を用いて説明したように、熱分解ガス管３４０から分解ガスが、排気ガス管３７０から燃焼ガスが、それぞれ供給される。

燃焼ガスは、サイクロン集塵機７５０で灰や未燃分粒子が除去され、誘引通風機７５２を介して乾燥機７００に供給され、乾燥機７００が有機廃棄物を乾燥させるための熱源になる。熱源として利用された後の燃焼ガスは、スクラバ７１０で水を用いて洗浄・冷却されて系外に排気される。また、スクラバ７１０で排出された排水は、廃熱回収ボイラ７２０に供給される。

一方、分解ガスは、サイクロン集塵機７５６で灰や未燃分粒子が除去され、誘引通風機７５８を介して廃熱回収ボイラ７２０に供給されて、スクラバ７１０で排出された排水を用いて冷却される。冷却された分解ガスは、ガスエンジン発電機７４０に供給される。また、分解ガスを冷却したときに生じる水蒸気は、蒸気留め７６０を介してガス化剤供給機３３０に供給される。ここで、ガスエンジン発電機７４０の燃料として必要な分解ガス量は、ガスエンジン発電機７４０の容量（発電出力）により一意的に決まるため、過剰な分解ガスは、余剰ガス返送管７３０を介して炭化水素ガス燃焼機３６２に助燃料として供給
される。

以上のように、本実施の形態の発電装置６０によれば、ガスエンジン発電機７４０の容量を超える過剰な分解ガスを系内に滞留させるとともに、系内で生じる排水の全量を熱分解ガス化反応に必要な水蒸気として使用して系外への排水が一切ないようにすることができるため、安全かつ高効率の発電を実現することが可能になる。

なお、本実施の形態においては、分解ガスを燃料とした発電装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）やメタノール等の液体燃料製造装置その他のガス利用プロセスに適用することができる。

このように、本実施の形態に係る熱分解ガス化装置は、炭化処理と熱分解処理とを一体化する構成になっているため、ガス化効率を向上させ、タールおよび反応副生成物の処理負担を軽減させるとともに、装置全体の小型化を実現することができる。

次に、多様な熱分解ガス化条件における特徴を明らかにするために本発明者が行った実験について説明する。具体的には、熱分解ガス化温度がガス化速度およびガス組成に与える影響、原料である炭化物のサイズがガス化速度に与える影響ならびにガス化剤の供給量がガス化速度およびガス組成に与える影響について、それぞれ実験を行い、多様な熱分解ガス化条件の検討を行った。

本発明者は、まず、本発明に係る熱分解ガス化の手法の有用性を確認するため、木材を直接熱分解する場合と有機廃棄物を炭化して生成した炭化物を熱分解する場合との比較実験を行った。図１６は、木材および炭化物を熱分解ガス化した場合の比較を示す図である。図１６では、木材を９００℃で、炭化物を８００℃および９００℃で、それぞれ熱分解した場合のガス生成量（ｍ^３／ｔ）および総発熱量（ＧＪ／ｔ）を示す。

図１６より、炭化物を熱分解する場合は、木材を熱分解する場合の約３〜４倍のガス生成量であり、約２〜３倍の総発熱量であることが分かった。さらに、炭化物を熱分解する場合は、冷ガス効率が高いことも分かった。従って、本発明に係る熱分解ガス化の手法、つまり、有機廃棄物を直接熱分解せずに炭化プロセスを介して熱分解する手法の有用性が明らかになった。

図１７は、実験に用いた熱分解ガス化装置の構成を示す図である。

実験に用いた熱分解ガス化装置８０は、大別して、熱分解炉８００、ガスメータ８１０、ガス分析装置８２０および制御装置８３０を有する。

熱分解炉８００は、ヒータ８４０からの加熱および水ポンプ８４２からのガス化剤（水または水蒸気）の供給を受けて、有機廃棄物を図示しない炭化炉において炭化した炭化物を炭化し分解ガスを発生させる。ガスメータ８１０は、サイクロン８４４で灰や未燃分粒子が除去され、タールトラップ８４６でタールが除去された分解ガスの流量を計測する。ガス分析装置８２０は、ガスホルダ８４８に保持される前の分解ガスをモニタリングし、かつ、ガスホルダ８４８に保持された分解ガスを分析することにより、分解ガスの成分を分析する。制御装置８３０は、熱電対８５０が検知した熱分解炉８００内の温度に基づいて、熱分解炉８００内が所定の温度となるようにヒータ８４０を制御し、また、水ポンプ８４２から熱分解炉に供給されるガス化剤の量を制御する。なお、本実施例では、ガス化温度は、８００〜９５０℃であり、加熱昇温時間は３０分であり、標準ガス化時間は２４０分であった。

図１８は、実験に用いた熱分解ガス化装置８０によるガス生成量およびＨＨＶ（高位発熱量）の熱分解温度依存性を示す図である。

上記のように、一般的には、低温でシフト反応が促進されると考えられており、シフト反応が促進されれば、高カロリーの一酸化炭素（ＣＯ）が消費されて低カロリーの水素（Ｈ_２）が生成されるため、単位体積あたりの発熱量は減少する。また、一酸化炭素（ＣＯ）１モルから２モルのガス（ＣＯ_２＋Ｈ_２）が生成されるため、分解ガスの発生量は増加する。本実施例によれば、図１８のように、予想通り、低温（８００℃）では分解ガスの発生量が大きく、ＨＨＶが小さくなり、また、高温（９００〜９５０℃）では分解ガスの発生量が小さく、ＨＨＶが大きくなる結果となった。

図１９は、実験に用いた熱分解ガス化装置８０による生成ガス組成比の熱分解温度依存性を示す図である。ここでは、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）および二酸化炭素（ＣＯ_２）の成分を分析した。

図１９より、低温（８００℃）になる程、水素（Ｈ_２）が多く、一酸化炭素（ＣＯ）が少なくなり、高温（９５０℃）になる程、水素（Ｈ_２）が少なく、一酸化炭素（ＣＯ）が多くなることが分かった。従って、低温において、シフト反応が促進されていることが確認された。

図２０は、実験に用いた熱分解ガス化装置８０による分解ガスの総発熱量のガス化剤供給量依存性を示す図である。ここでは、８００℃、９００℃および９５０℃の熱分解温度における分解ガスの総発熱量を分析した。

図２０より、高温（９５０℃）になる程、分解ガスの総発熱量が大きくなり、低温（８００℃）になる程、分解ガスの総発熱量が小さくなることが分かった。また、８００℃のガス化剤供給量が５ｍｌ／ｍｉｎ付近において、分解ガスの総発熱量が極端に低下した。これは、ガス化剤の過剰供給により熱分解炉８００内の炭化物が消火されたためである。

図２１は、実験に用いた熱分解ガス化装置８０によるガス生成量の炭化物のサイズ依存性を示す図であり、図２２は、実験に用いた熱分解ガス化装置８０によるＨＨＶの炭化物のサイズ依存性を示す図である。ここでは、９ｍｍ以上、４〜９ｍｍ、２〜４ｍｍおよび１.７〜２.０の炭化物のサイズにおけるガス生成量およびＨＨＶについてそれぞれ分析した。

図２１より、ガス生成量は炭化物のサイズにより、約５％前後の差が生じることが分かった。また、図２２より、炭化物のサイズが大きい程、ＨＨＶが大きくなることが分かった。

本発明に係る熱分解ガス化方法および熱分解ガス化装置は、原料として化石燃料を利用することなく、炭化物以外の生成物の発生を抑制しつつ、ガス化効率を向上することができるため、炭化物を熱分解して分解ガスを発生させる熱分解ガス化方法および熱分解ガス化装置として有用である。

本発明の実施の形態１に係る熱分解ガス化装置の構成を示す図 シラカンバ伐根粉砕物を用いた場合の熱分解温度とガス発生量の関係を示す図 炭化物にガス化剤を供給したときの熱分解温度とガス発生量との関係を示す図 炭化物を加熱したガス化剤を供給したときのガス発生量の時間変化を示す図 従来の熱分解ガス化装置の構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る熱分解ガス化装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る熱分解ガス化の概念を示す図 本発明の実施の形態２における炭化炉および熱分解炉の関係を示す概念図 木材を炭化したときのエネルギー転換を示す図 本発明の実施の形態２に係る熱分解ガス化装置の要部構成を示す図 本発明の実施の形態２に係る熱分解ガスか装置の生産物の融通を示す図 ガス化剤の量による分解ガス生成の反応制御を示す概念図 ガス化室の加熱温度による分解ガスのガス組成の制御を示す概念図 ガス化剤供給量および加熱温度を変化させた場合における分解ガス中のＨ_２／ＣＯ比を示す図 分解ガスを燃料としてガスエンジン発電を行う発電装置の構成を示す図 木材および炭化物を熱分解ガス化した場合の比較を示す図 実験に用いた熱分解ガス化装置の構成を示す図 実験に用いた熱分解ガス化装置によるガス生成量および熱量の熱分解温度依存性を示す図 実験に用いた熱分解ガス化装置による生成ガス組成比の熱分解温度依存性を示す図 実験に用いた熱分解ガス化装置による分解ガスの総発熱量のガス化剤供給量依存性を示す図 実験に用いた熱分解ガス化装置によるガス生成量の炭化物のサイズ依存性を示す図 実験に用いた熱分解ガス化装置による分解ガスの熱量の炭化物のサイズ依存性を示す図

符号の説明

１、５０、８０ 熱分解ガス化装置
２ 熱分解炉
３ 熱電対
４ ヒータ
５ 温度制御装置
６ 水ポンプ
７ 供給部
８ ガスパイプ
９ 一次フィルタ
１０ 二次フィルタ
１１ ガスメータ
１２ ガスホルダ
１３ 制御装置
２０ 炭化物
６０ 発電装置
１００ ストッカ
２００ 一次破砕機
３００ 炭化炉
３１０ 原料投入口
３２０ バーナ
３３０ ガス化剤供給機
３４０ 熱分解ガス管
３５０ 反応装置ジャケット
４００ 熱分解炉
５００ コジェネレータ
６００ 炭化物供給機

Claims (8)

1. 有機廃棄物を炭化して炭化物と炭化物以外の生成物とを分離する炭化炉と、
   前記炭化物を熱分解して熱分解ガスを発生させる熱分解炉と、
   前記炭化物以外の生成物を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼ガス生成部と、
   前記燃焼ガス生成部を介在させて前記炭化炉と前記熱分解炉とを接続し、前記燃焼ガスを前記熱分解炉に供給する燃焼ガス供給路と、
   前記炭化炉と前記熱分解炉とを接続し、前記炭化物を前記熱分解炉に供給する炭化物供給路と、を具備し、
   前記熱分解炉は、前記炭化物を収容するガス化室と前記ガス化室の周囲に形成され前記燃焼ガスを収容する燃焼ガス室との二重構造を有し、ガス化剤を添加して、前記燃焼ガスにより前記炭化物を加熱して熱分解ガスを生成する、
   ことを特徴とする熱分解ガス化装置。
2. 前記炭化炉と前記熱分解炉とは、一体化されている、ことを特徴とする請求項１記載の熱分解ガス化装置。
3. 前記燃焼ガス供給路は、前記燃焼ガスを、前記熱分解炉に加えて前記炭化炉にも供給する、ことを特徴とする請求項１記載の熱分解ガス化装置。
4. 前記熱分解炉内の温度を制御する温度制御部をさらに具備する、ことを特徴とする請求項１記載の熱分解ガス化装置。
5. 前記温度制御部は、前記熱分解炉内で吸熱反応である水性ガス化反応と発熱反応であるシフト反応とを連続して発生させるように前記熱分解炉内の温度を制御する、ことを特徴とする請求項４記載の熱分解ガス化装置。
6. 前記炭化物供給路に前記炭化物と接触混合させるガス化剤を供給するガス化剤供給部をさらに具備する、ことを特徴とする請求項１記載の熱分解ガス化装置。
7. 前記ガス化剤供給部を制御して前記熱分解炉内の炭化物を消火させないように前記炭化物供給路に供給するガス化剤の量を制御するガス化剤供給量制御部をさらに具備する、ことを特徴とする請求項６記載の熱分解ガス化装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の熱分解ガス化装置により発生された熱分解ガスを燃料としてガスエンジン発電を行う発電装置。

Images