JP3925481B2 - 有機質廃棄物から水素または水素含有ガスを製造する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、有機質廃棄物、好ましくは植物系廃棄物を利用した水素製造方法に関する。より詳しくは、有機質廃棄物を乾留炭化して得た炭 (チャー) から水性ガスを発生させ、この水性ガスから水素を分離することにより水素を製造する方法に関する。
燃料電池の実用化に伴って燃料となる水素の需要が増大しており、水素を低コストで製造することが求められている。水素を廃棄物から効率よく製造することができれば、水素の製造コストが著しく削減できる。
有機質廃棄物から水素を得る方法として、これまでの技術では、廃棄物を乾留して得たタール分を含む乾留ガスに水蒸気を反応させてタール分を分解し、一酸化炭素と水素の濃度が高いガスにする方法 (乾留ガスの水蒸気改質) が主であった。例えば、特開平５−287282号公報 (「有機物を主体とする廃棄物のガス化方法」) を参照。
特開2001−192675号公報 (「チャー改質ガス製造方法」) には、ごみを酸素不足の状態で加熱 (即ち、乾留) して得たチャーをシャフト炉に充填し、このチャーに通電加熱しながら、廃熱から発生させた水蒸気を反応させて水性ガス化することにより、一酸化炭素と水素からなる改質ガスを製造する方法が記載されている。加熱に要する電気は夜間電力や風力発電から得ようとしている。
特許文献１に記載のように、有機質廃棄物から発生させた乾留ガスに水蒸気を反応させてタール分を分解する乾留ガスの水蒸気改質法による水素の製造では、水性ガス化反応の時間が不足した場合に、乾留ガスに含まれているタール分が反応器内に残留することが避けられない。この残留タールは炉内の低温部で凝結して、ガス経路を閉塞するといったトラブルを招く。また、乾留ガスを乾留工程と同じ炉内で水蒸気と反応させて水性ガス化反応を実施するため、得られる水性ガスは、水素とＣＯ以外に他のガスをかなり含有しており、これから高純度の水素を得るには複雑な精製処理が必要となる。
特許文献２に記載の方法では、チャーを水性ガス化反応によりガス化する炉を加熱するのに電気を使用している。加熱に要する電気を、夜間電力や風力発電から得て、加熱エネルギーのコストを低く抑えようとしているが、それでも大きなコストがかかるので、コスト高となる。水性ガス反応は吸熱反応であるため、触媒を使用しても、反応の進行には熱の供給が必要である。外部加熱により吸熱反応である水性ガス化反応を実施しても工業的には採算がとれない。
本発明は、上述した問題を伴わずに、効率よく有機質廃棄物から水素を製造することができる方法を提供することを課題とする。具体的には、有機質廃棄物、好ましくは植物系廃棄物を原料として、反応器内にタール分が残留する危険性がなく、かつ加熱に要する熱源を外部から供給せずに、高純度の水素を低コストで効率よく製造する方法を提供することである。
本発明では、特許文献２に記載の方法において、乾留により発生したガスに空気を導入して二次燃焼させる。それにより、タール分の残留を防止することが可能になる上、この二次燃焼により発生した燃焼ガスの熱を、チャー (炭) の水性ガス化反応を進行させるための熱源として利用することにより、外部から熱を供給せずに、有機質廃棄物から水素を製造することができる。
ここに、本発明は、(1)有機質廃棄物を乾留・炭化する炭化工程と、(2)前記炭化工程(1)で発生した乾留ガスを完全燃焼させる二次燃焼工程と、(3)前記炭化工程(1)で生成した炭を水蒸気と反応させて水素含有ガスを得る水性ガス化反応工程とを含み、工程(1)〜(3)をそれぞれ独立した反応器内で行い、前記炭化工程(1)で発生した乾留ガスは前記二次燃焼工程(2)へ、前記炭化工程(1)により生成した炭は水性ガス化反応工程へ、それぞれ送られ、前記水性ガス化反応工程(3)に必要な熱を前記二次燃焼工程(2)で発生した燃焼ガスから間接供給することを特徴とする、有機質廃棄物から水素含有ガスを製造する方法である。有機質廃棄物は、好ましくは植物系廃棄物である。
間接供給とは、燃焼ガスを水性ガス化反応工程(3) の反応器に直接供給せず、この反応工程の反応器の壁面を介した伝熱により熱のみを供給することを意味する。
水性ガス化反応工程(3) では、炭 (Ｃ) が水蒸気と反応する下記(a) の水性ガス化反応に加えて、水蒸気が過剰に存在する条件下では、生成した一酸化炭素が水蒸気と反応してさらに水素を生成する下記(b) の水性ガスシフト反応も起こる。(a) は吸熱反応、(b) は発熱反応である。
水性ガス化反応工程(3) では、炭 (Ｃ) が水蒸気と反応する下記(a) の水性ガス化反応に加えて、水蒸気が過剰に存在する条件下では、生成した一酸化炭素が水蒸気と反応してさらに水素を生成する下記(b) の水性ガスシフト反応も起こる。(a) は吸熱反応、(b) は発熱反応である。
(a) Ｃ + H2O → CO + H2
(b) CO + H2O → CO2 + H2
従って、水性ガス化反応工程で得られた水素含有ガスは、一般に、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および水を含有する。ガス中の二酸化炭素濃度が高くなると、(b) の反応は起こりにくくなる。
(b) CO + H2O → CO2 + H2
従って、水性ガス化反応工程で得られた水素含有ガスは、一般に、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および水を含有する。ガス中の二酸化炭素濃度が高くなると、(b) の反応は起こりにくくなる。
本発明の方法は、さらに(4) 前記水素含有ガスから水素を分離する工程を含んでいてもよく、それにより高純度の水素を製造することができる。
水性ガス化反応工程(3) では、反応速度を増大させるため、金属酸化物触媒または金属触媒を用いてもよい。この種の触媒を使用すると、ガス中の二酸化炭素濃度が高くなっても、上記(b) の一酸化炭素と水蒸気との反応を進行させることができるため、水素の収率が増大する。
水性ガス化反応工程(3) では、反応速度を増大させるため、金属酸化物触媒または金属触媒を用いてもよい。この種の触媒を使用すると、ガス中の二酸化炭素濃度が高くなっても、上記(b) の一酸化炭素と水蒸気との反応を進行させることができるため、水素の収率が増大する。
また、本発明の方法は、上記工程に加えて、二次燃焼工程(2) で発生した燃焼ガスにより水を加熱して水蒸気を発生させる工程(5) 、および／または水性ガス化反応工程(3) で発生した水性ガスから熱回収を行う工程(6) をさらに含んでいてもよい。水蒸気発生工程(5) を含む場合、発生した水蒸気を水性ガス化反応工程(3) に供給する。熱回収工程(6) を含む場合、この工程で回収した熱により炭化工程(1) および／または二次燃焼工程(2) で使用する空気を加熱する。水蒸気発生工程(5) と熱回収工程(6) の両方を含む場合、熱回収工程(6) で発生した凝縮水を水蒸気発生工程(5) で水蒸気発生用の水として用いることが好ましい。
炭化工程(1) に供給する有機質廃棄物は、乾燥工程(7) において予め乾燥してもよい。その場合、水蒸気発生工程(5) で水蒸気を発生させた後の排ガスを、必要により除塵工程(8) で除塵した後に、乾燥工程(7) での乾燥用ガスとして利用してもよい。
水素分離工程(4) で水素を分離した後のオフガスは、二次燃焼工程(2) において助燃ガスとして使用してもよい。
水性ガス化反応を利用する従来の水素の製造方法には、反応器内にタール分が残留して炉内の低温部で凝結するトラブルが避けられない、または炭の水性ガス化反応に大量の電気を必要とするためコスト高となる、といった難点があった。
本発明によれば、タール分を含む乾留ガスは高温のまま二次燃焼により完全燃焼させるため、この二次燃焼中に乾留ガス中のタール分がすべて分解するので、タール分が反応器内や水性ガスの移送経路内に残留して凝結することはない。
水蒸気と反応させるのが、各種の分解成分やタール分を含有する可能性が高い乾留ガスではなく、乾留・炭化後に得られた炭（チャー）であり、この炭を乾留・炭化用の加熱炉とは別の反応器内で水性ガス化反応させるので、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水以外の成分をほとんど含まない、クリーンな水素含有ガスが得られる。この水素含有ガスから、公知の方法で水素を分離することにより、燃料電池の燃料その他の各種用途に使用可能な高純度の水素を製造することができる。
さらに、乾留ガスを二次燃焼させる際に発生した燃焼熱を水性ガス化反応に供給して反応を進行させるため、外部から電気等のエネルギーを投入する必要がなくなる。それにより、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する際のロスもなくなる。
また、水性ガス化反応に触媒を利用することにより、二酸化炭素濃度が高くなっても、一酸化炭素と水の反応を進行させることができ、水素の収率が向上する。
図１に示す態様に基づいて、本発明の方法を以下に詳しく説明する。
炭化工程(1):
原料となる有機質廃棄物を乾留して炭化させる。それにより、多量の一酸化炭素や炭化水素（タール分）を含有する乾留ガスが発生すると共に、固形分は実質的に炭素からなる炭 (チャー) となる。
炭化工程(1):
原料となる有機質廃棄物を乾留して炭化させる。それにより、多量の一酸化炭素や炭化水素（タール分）を含有する乾留ガスが発生すると共に、固形分は実質的に炭素からなる炭 (チャー) となる。
この乾留・炭化は、例えば、有機質廃棄物の一部を過少空気の下で燃焼させ、その燃焼熱を利用して行うことができる。燃焼しなかった廃棄物は高温下で乾留される。乾留・炭化のための、一般に加熱温度は400 ℃以上、好ましくは600 ℃以上である。この温度は、燃焼させる有機質廃棄物の量、従って、炉内に導入する空気量、および／または助然用のバーナーにより調節することができる。乾留・炭化は、廃棄物が完全に炭になるまで続ける。反応時間は、温度や原料廃棄物の形態にもよるが、通常は20〜60分間程度である。
後述するように、乾留・炭化反応のための熱の少なくとも一部は、水性ガス化反応工程(3) で発生した高温の水性ガスから回収した熱により供給することができる。それにより、燃焼で失われる廃棄物の量が減少し、炭、従って、水素の収率が増大する。この熱は加熱空気の形態でよい。即ち、乾留・炭化に必要な温度を得るための原料廃棄物の一部の燃焼を、この加熱空気の導入より支えることができる。
原料の有機質廃棄物は、植物系廃棄物であり、好ましくは水分の少ないものである。生ゴミや汚泥は水分が多いので熱量的に不利であり、プラスチック類は固定炭素が少ないので、炭の収率が低くなる。本発明で原料として使用するのに適した植物系廃棄物の例としては、植物性の食物粕 (大豆の絞り粕、コーヒーや茶の粕、ぬか、パンくず等) 、紙等のパルプ粕、木質系廃棄物 (間伐や枝刈りした木片、落ち葉、枯れ木、廃材木、カンナくず、樹皮など) 、海草等が挙げられるが、これらに限られない。後述するように、原料廃棄物が湿っている場合、予め乾燥してもよい。
二次燃焼工程(2):
炭化工程で発生したタール分等を含む乾留ガスを、十分な空気の下で完全燃焼させる。それによりタール分が完全に分解するため、装置内にタール分が残留して、装置の低温部に凝結することによるトラブルを確実に回避することができる。
炭化工程で発生したタール分等を含む乾留ガスを、十分な空気の下で完全燃焼させる。それによりタール分が完全に分解するため、装置内にタール分が残留して、装置の低温部に凝結することによるトラブルを確実に回避することができる。
乾留ガスの二次燃焼に必要な空気の少なくとも一部は、水性ガス化反応工程(3) で発生した高温の水性ガスからの熱回収により加熱された加熱空気とすることが好ましい。即ち、水性ガスからの熱回収で得られた加熱空気のうち、炭化工程(1) での温度保持に必要な空気量を炭化工程に供給し、残りの加熱空気は二次燃焼工程(2) に供給すればよい。
本発明では、乾留ガスの完全燃焼により発生した高温の燃焼ガスを利用して、水性ガス化反応工程(3) に必要な熱を間接供給する。即ち、この燃焼ガスで水性ガス化反応器を外部から加熱するようにする。この加熱は、例えば、図１に示すように、水性ガス化反応器を、二次燃焼炉を貫通するように設置することによって実施することができる。それに加えて、燃焼ガスを熱交換器内で水蒸気発生に利用することによって熱回収を行い、回収された熱 (即ち、水蒸気) を水性ガス化反応器に導入することによっても、水性ガス化反応に必要な熱を供給することができる。
水性ガス化工程(3):
炭化工程で生成した炭を水蒸気と反応させる。この反応は水性ガス化反応として広く知られており、吸熱反応である。反応に要する熱は、上述したように二次燃焼工程(2) で発生した燃焼ガスから間接的に供給される。反応温度は一般に600 ℃以上、好ましくは800 ℃以上である。水蒸気は炭素に対して過剰に導入し、前述した水性ガスシフト反応(b) も生起させて、ガス中の水素含有量を高めることが好ましい。
炭化工程で生成した炭を水蒸気と反応させる。この反応は水性ガス化反応として広く知られており、吸熱反応である。反応に要する熱は、上述したように二次燃焼工程(2) で発生した燃焼ガスから間接的に供給される。反応温度は一般に600 ℃以上、好ましくは800 ℃以上である。水蒸気は炭素に対して過剰に導入し、前述した水性ガスシフト反応(b) も生起させて、ガス中の水素含有量を高めることが好ましい。
水性ガス化反応の反応速度を向上させるため、金属 (Ni, Co, Cr, Ti, Cu, Pt, Al等) および金属酸化物 (CaO, TiO2, Al2O3, ZnO, MgO等) から選んだ少なくとも１種の触媒を用いてもよい。触媒を使用することで、二酸化炭素の含有量が高くなっても、触媒が二酸化炭素を吸収して一酸化炭素と水蒸気との反応が進行するようになるため、この反応でさらに水素が生成して、高濃度の水素を含有する水性ガスを発生させることが可能となる。触媒の添加量は、炭に対して 150〜300 ％の範囲内とすることが好ましい。
前述したように、水性ガス化反応工程では、水蒸気の量を過剰にすると、水性ガス化反応で生成した一酸化炭素が水蒸気と反応する水性ガスシフト反応も同時に進行するため、水性ガス化反応工程で生成した水性ガスは、水性ガス化反応の生成物である一酸化炭素と水素に加えて、二酸化炭素および過剰の水蒸気を含有する。原料の炭のうち気化しなかった夾雑物が灰となって残る。
以上の工程(1)〜(3) により、水性ガス、即ち、水素含有ガス、が生成物として得られる。本発明の方法では、廃熱を有効利用するため、および水性ガスから水素を分離して水素ガスを製造するために、下記の工程をさらに付加することが望ましい。
水素分離工程(4):
水性ガスから、圧力スイング方式 (Pressure Swing Absorpion、以後PSA)や膜分離装置などの水素分離装置を用いて水素を分離する。図示例では、高温の水性ガスを、後で説明するように熱回収工程(6) において熱回収処理した後、水素分離工程(4) を行う。
水性ガスから、圧力スイング方式 (Pressure Swing Absorpion、以後PSA)や膜分離装置などの水素分離装置を用いて水素を分離する。図示例では、高温の水性ガスを、後で説明するように熱回収工程(6) において熱回収処理した後、水素分離工程(4) を行う。
本発明では、乾留ガスではなく、炭を水性ガス化反応することにより水性ガスを発生させるため、発生した水性ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気以外の成分を実質的に含有していない。そのため、この水性ガスから水素を分離すると、高純度の水素ガスを製造することができ、水素ガスの複雑な精製処理は必要ない。
水性ガスから水素ガスを分離した後に残るオフガスは、一酸化炭素を含有しているので、二次燃焼炉に戻して助燃ガスとして利用することが好ましい。
水性ガスから水素を製造する場合によく行われているように、水性ガスに別の反応器でさらに水蒸気を反応させて水性ガスシフト反応を完結させ、一酸化炭素濃度が非常に低減した水性ガスを得ることもできる。この場合は、上記のように水素を分離した後のオフガスは一酸化炭素をほとんど含有していないので、大気中に放出すればよい。
水性ガスから水素を製造する場合によく行われているように、水性ガスに別の反応器でさらに水蒸気を反応させて水性ガスシフト反応を完結させ、一酸化炭素濃度が非常に低減した水性ガスを得ることもできる。この場合は、上記のように水素を分離した後のオフガスは一酸化炭素をほとんど含有していないので、大気中に放出すればよい。
しかし、本発明では、特に水性ガス化反応に触媒を使用した場合、水性ガスシフト反応も同時にかなりの程度まで進行するため、別の反応器で水性ガスシフト反応を行わずに、水性ガス化反応で得られた水性ガスから直接水素を分離して高純度の水素ガスを製造できるので、製造工程が単純化される。
水蒸気発生工程(5):
二次燃焼工程(2) で発生した燃焼ガスから、廃熱ボイラのような熱交換装置を用いて、熱回収を行い、回収された熱により水を気化して水蒸気を発生させる。発生させた水蒸気は、水性ガス化反応工程(3) に供給して、炭素の水性ガス化反応に利用する。水蒸気発生用の水は、外部から供給してもよく、或いは、次に述べる水性ガスの熱回収工程で生じた凝縮水から供給してもよく、その両者を併用してもよい。
二次燃焼工程(2) で発生した燃焼ガスから、廃熱ボイラのような熱交換装置を用いて、熱回収を行い、回収された熱により水を気化して水蒸気を発生させる。発生させた水蒸気は、水性ガス化反応工程(3) に供給して、炭素の水性ガス化反応に利用する。水蒸気発生用の水は、外部から供給してもよく、或いは、次に述べる水性ガスの熱回収工程で生じた凝縮水から供給してもよく、その両者を併用してもよい。
熱交換後の燃焼ガスは、必要に応じて除塵した後、排ガスとして排出することができるが、温度が通常はなお100 ℃より高いことを利用して、後述するように原料廃棄物を乾燥するのに使用することもできる。
水性ガスの熱回収工程(6):
水性ガス化工程(3) で発生した水性ガスから、熱交換装置を用いて熱回収を行い、水性ガスを冷却すると同時に、炭化工程(1) および／または二次燃焼工程(2) に供給する空気を加熱する。水性ガスは水蒸気を含有するため、その冷却により水が凝縮する。この凝縮水は、前述したように、水蒸気製造工程(5) で水蒸気発生用の水として使用することができる。
水性ガス化工程(3) で発生した水性ガスから、熱交換装置を用いて熱回収を行い、水性ガスを冷却すると同時に、炭化工程(1) および／または二次燃焼工程(2) に供給する空気を加熱する。水性ガスは水蒸気を含有するため、その冷却により水が凝縮する。この凝縮水は、前述したように、水蒸気製造工程(5) で水蒸気発生用の水として使用することができる。
乾燥工程(7):
原料となる有機質廃棄物の含水率が高い場合で、臭気を発生する恐れのない場合には、水蒸気発生工程(5) で熱交換し、場合により除塵した後の燃焼ガスを用いて、原料の乾燥を行い、炭化工程における熱負荷を軽減させる。
原料となる有機質廃棄物の含水率が高い場合で、臭気を発生する恐れのない場合には、水蒸気発生工程(5) で熱交換し、場合により除塵した後の燃焼ガスを用いて、原料の乾燥を行い、炭化工程における熱負荷を軽減させる。
除塵工程(8):
二次燃焼工程で発生した燃焼ガスを、サイクロン集塵機やバグフィルタなどの除塵装置を用いて、環境基準を満たす排ガスとなるように除塵する。
二次燃焼工程で発生した燃焼ガスを、サイクロン集塵機やバグフィルタなどの除塵装置を用いて、環境基準を満たす排ガスとなるように除塵する。
以上に説明した本発明の方法は、回分式で実施することもできるが、好ましくは連続式で実施する。
本発明の方法では、炭化工程で発生した乾留ガスを二次燃焼させ、その際に発生する高温の燃焼ガスの熱を間接的に水性ガス化反応に供給することにより、従来法のように炭を通電加熱するといった外部加熱を利用せずに、水性ガス化反応を実施できる。従って、運転コストは低くてすむ。また、乾留ガスを二次燃焼することで、乾留ガス中のタールも完全に分解されるので、タールの凝結は起こり得ない。
本発明の方法では、炭化工程で発生した乾留ガスを二次燃焼させ、その際に発生する高温の燃焼ガスの熱を間接的に水性ガス化反応に供給することにより、従来法のように炭を通電加熱するといった外部加熱を利用せずに、水性ガス化反応を実施できる。従って、運転コストは低くてすむ。また、乾留ガスを二次燃焼することで、乾留ガス中のタールも完全に分解されるので、タールの凝結は起こり得ない。
原料の有機質廃棄物としてコーヒー粕を用いて、図２に示す実証試験プラントにより、本発明の方法を連続操業により実施した。各経路内の物質の圧力、温度、流路、水分量、灰分量、風量を、表１にまとめて示す。
炭化炉：
原料のコーヒー粕 (水分65％) (1) は、自然乾燥した後、炭化炉に送られ、乾留・炭化される。炭化炉の入口付近に過少量の空気(2)(後述する水性ガスの熱回収によって加熱された空気) を導入して、コーヒー粕の一部を燃焼させることにより、炉内を加熱する。空気の供給量は、炉内温度が 600〜650 ℃になるように調節する。炭化炉で発生した乾留ガス(4) は二次燃焼炉へ、炭化により生成した炭(3) は反応管へ、それぞれ送られる。
原料のコーヒー粕 (水分65％) (1) は、自然乾燥した後、炭化炉に送られ、乾留・炭化される。炭化炉の入口付近に過少量の空気(2)(後述する水性ガスの熱回収によって加熱された空気) を導入して、コーヒー粕の一部を燃焼させることにより、炉内を加熱する。空気の供給量は、炉内温度が 600〜650 ℃になるように調節する。炭化炉で発生した乾留ガス(4) は二次燃焼炉へ、炭化により生成した炭(3) は反応管へ、それぞれ送られる。
二次燃焼炉：
炭化炉で発生した乾留ガス(4) は、十分な温度を持っているので、二次燃焼炉内で空気(5) と混合するだけで発火する。二次燃焼炉で乾留ガスを完全燃焼させて、最終的に排ガスとなる燃焼ガス(13)がタールを含まないようにすると共に、水性ガス化反応に必要な熱量を確保する。完全燃焼のために供給する空気(5) は、炭化炉に供給した空気(2) と同様に、水性ガスの熱回収により加熱された空気である。
炭化炉で発生した乾留ガス(4) は、十分な温度を持っているので、二次燃焼炉内で空気(5) と混合するだけで発火する。二次燃焼炉で乾留ガスを完全燃焼させて、最終的に排ガスとなる燃焼ガス(13)がタールを含まないようにすると共に、水性ガス化反応に必要な熱量を確保する。完全燃焼のために供給する空気(5) は、炭化炉に供給した空気(2) と同様に、水性ガスの熱回収により加熱された空気である。
二次燃焼炉は、炉内の熱によって水性ガス化反応を行う反応管を間接加熱することができるように、反応管が二次燃焼炉を貫通するように配置する。二次燃焼炉での燃焼温度は 800〜850 ℃である。
反応管：
炭化炉で生成した炭(3) を、触媒 (炭１kgに対して２kgの量のCaO)と混合してから、反応管に充填し、これに水蒸気(7) を吹込んで、水性ガス化反応を行う。反応管内の温度は 800〜850 ℃である。この温度は、前述した二次燃焼炉で発生した高温の燃焼ガスによる反応管の加熱に加えて、この燃焼ガスを利用して水を気化させることにより発生させた高温の水蒸気を反応管に吹き込むことにより達成される。従って、通電加熱は不要である。
炭化炉で生成した炭(3) を、触媒 (炭１kgに対して２kgの量のCaO)と混合してから、反応管に充填し、これに水蒸気(7) を吹込んで、水性ガス化反応を行う。反応管内の温度は 800〜850 ℃である。この温度は、前述した二次燃焼炉で発生した高温の燃焼ガスによる反応管の加熱に加えて、この燃焼ガスを利用して水を気化させることにより発生させた高温の水蒸気を反応管に吹き込むことにより達成される。従って、通電加熱は不要である。
炭の水性ガス化反応によって、主に水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気からなる水性ガス(8) が発生する。触媒や不揮発分からなるごく少量の灰(12)が残るので、定期的に反応管から取り出して廃棄する。
廃熱ボイラ：
二次燃焼炉で発生した燃焼ガス(13)から、熱回収を行い、水蒸気(7) を製造する。この熱回収により、燃焼ガスの温度が800 ℃から400 ℃に下がるとして、燃焼ガス525 Nm3 当たりからの水蒸気の回収量は100 kg/h(0.8 MPa・G)になる。従って、水性ガス化反応に必要な水蒸気は、この廃熱ボイラで全量を製造することができる。水蒸気発生用の水は、その大半は次に述べる水性ガスの冷却により凝縮した凝縮水(14)であるが、不足分の水(15)は外部から供給する。
二次燃焼炉で発生した燃焼ガス(13)から、熱回収を行い、水蒸気(7) を製造する。この熱回収により、燃焼ガスの温度が800 ℃から400 ℃に下がるとして、燃焼ガス525 Nm3 当たりからの水蒸気の回収量は100 kg/h(0.8 MPa・G)になる。従って、水性ガス化反応に必要な水蒸気は、この廃熱ボイラで全量を製造することができる。水蒸気発生用の水は、その大半は次に述べる水性ガスの冷却により凝縮した凝縮水(14)であるが、不足分の水(15)は外部から供給する。
ガス冷却機：
水性ガス化用の反応管で発生した水性ガス(8) を、熱交換装置を用いて空気(6) を加熱することにより冷却する。冷却により水分が凝縮して乾燥した水性ガス(9) は、ガスホルダに貯留し、精製装置へ送られる。このガス冷却機で水性ガス温度を40℃以下まで冷却する。加熱された空気は、一部が空気(2) として炭化炉に、残りが空気(5) として二次燃焼炉に送られる。凝縮水(14)は、前述したように廃熱ボイラに送られて、水蒸気(7) の製造に利用される。
水性ガス化用の反応管で発生した水性ガス(8) を、熱交換装置を用いて空気(6) を加熱することにより冷却する。冷却により水分が凝縮して乾燥した水性ガス(9) は、ガスホルダに貯留し、精製装置へ送られる。このガス冷却機で水性ガス温度を40℃以下まで冷却する。加熱された空気は、一部が空気(2) として炭化炉に、残りが空気(5) として二次燃焼炉に送られる。凝縮水(14)は、前述したように廃熱ボイラに送られて、水蒸気(7) の製造に利用される。
水素分離装置：
乾燥した水性ガス(9)(H2: 63%, CO2: 26%, CO:11% 程度) からPSA を用いて水素を分離し、純度99.99 ％の高純度水素ガス(10)を製造する。水素の収率は、Ｃが全てＣＯ2 となった場合の発生水素量に基づいて約78％である。分離後に残ったガス(11)はオフガスとして排出する。
乾燥した水性ガス(9)(H2: 63%, CO2: 26%, CO:11% 程度) からPSA を用いて水素を分離し、純度99.99 ％の高純度水素ガス(10)を製造する。水素の収率は、Ｃが全てＣＯ2 となった場合の発生水素量に基づいて約78％である。分離後に残ったガス(11)はオフガスとして排出する。
なお、水性ガス化反応において、触媒のCaO を添加しなかった場合には、水性ガス中のCO2 濃度が低くなり、CO＋H2O →CO2 ＋H2の反応は十分に進行しなかった。そのため、水素の収率は約20％低下した。
除塵装置：
二次燃焼炉で発生した燃焼ガスを廃熱ボイラで水蒸気製造に利用することにより冷却した燃焼ガス(16)を湿式サイクロン集塵機を用いて、ガスをさらに冷却すると共に、除塵を行う。冷却および除塵した燃焼ガス(17)は排ガスとして大気中に放出する。
二次燃焼炉で発生した燃焼ガスを廃熱ボイラで水蒸気製造に利用することにより冷却した燃焼ガス(16)を湿式サイクロン集塵機を用いて、ガスをさらに冷却すると共に、除塵を行う。冷却および除塵した燃焼ガス(17)は排ガスとして大気中に放出する。
このようにして、乾留ガスからのタールの凝結によるトラブルを伴わずに、外部から電力を利用した加熱を行うことなく、有機質廃棄物から高純度の水素を低コストで効率よく製造することができる。
図１：(1) 炭化工程、(2) 二次燃焼工程、(3) 水性ガス化反応工程、(4) 水素分離工程、(5) 水蒸気発生工程、(6) 水性ガス熱回収工程、(7) 乾燥工程、(8) 除塵工程
図２：１−コーヒー粕、２、5 、6 −空気、３−炭、４−乾留ガス、７−水蒸気、灰−水性ガス、９−冷却ガス、10−精製水素、11−オフガス、12−灰、13−燃焼ガス、14−凝縮水 (ドレン) 、15−水、16、17−排ガス
図２：１−コーヒー粕、２、5 、6 −空気、３−炭、４−乾留ガス、７−水蒸気、灰−水性ガス、９−冷却ガス、10−精製水素、11−オフガス、12−灰、13−燃焼ガス、14−凝縮水 (ドレン) 、15−水、16、17−排ガス
Claims (9)
- (1)有機質廃棄物を乾留・炭化する炭化工程と、(2)前記炭化工程(1)で発生した乾留ガスを完全燃焼させる二次燃焼工程と、(3)前記炭化工程(1)で生成した炭を水蒸気と反応させて水素含有ガスを得る水性ガス化反応工程とを含み、工程(1)〜(3)をそれぞれ独立した反応器内で行い、前記炭化工程(1)で発生した乾留ガスは前記二次燃焼工程(2)へ、前記炭化工程(1)により生成した炭は水性ガス化反応工程へ、それぞれ送られ、前記水性ガス化反応工程(3)に必要な熱を前記二次燃焼工程(2)で発生した燃焼ガスから間接供給することを特徴とする、有機質廃棄物から水素含有ガスを製造する方法。
- (1)有機質廃棄物を乾留・炭化する炭化工程と、(2)前記炭化工程(1)で発生した乾留ガスを完全燃焼させる二次燃焼工程と、(3)前記炭化工程(1)で生成した炭を水蒸気と反応させて水素含有ガスを得る水性ガス化反応工程と、(4)前記水素含有ガスから水素を分離する工程とを含み、工程(1)〜(3)をそれぞれ独立した反応器内で行い、前記炭化工程(1)で発生した乾留ガスは前記二次燃焼工程(2)へ、前記炭化工程(1)により生成した炭は水性ガス化反応工程へ、それぞれ送られ、前記水性ガス化反応工程(3)に必要な熱を前記二次燃焼工程(2)で発生した燃焼ガスから間接供給することを特徴とする、有機質廃棄物から水素を製造する方法。
- 有機質廃棄物が植物系廃棄物である請求項１または２に記載の方法。
- 水性ガス化反応工程(3)で金属酸化物触媒または金属触媒を用いる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
- 二次燃焼工程(2)で発生した燃焼ガスにより水を加熱して水蒸気を発生させる工程(5)をさらに含み、その水蒸気を水性ガス化反応工程(3)に供給する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 水性ガス化反応工程(3)で発生した水性ガスから熱回収を行う工程(6)をさらに含み、この工程(6)で回収した熱により炭化工程(1)および／または二次燃焼工程(2)で使用する空気を加熱する、請求項１〜５のいずれかに記載の水素製造方法。
- 二次燃焼工程(2)で発生した燃焼ガスにより水を加熱して水蒸気を発生させる工程(5)と、水性ガス化反応工程(3)で発生した水性ガスから熱回収を行う工程(6)とをさらに含み、水蒸気発生工程(5)で発生した水蒸気を水性ガス化反応工程(3)に供給し、熱回収工程(6)で回収した熱により炭化工程(1)および／または二次燃焼工程(2)で使用する空気を加熱し、熱回収工程(6)で発生した凝縮水を水蒸気発生工程(5)で水蒸気発生用の水として用いる、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 水蒸気発生工程(5)で水蒸気を発生させた後に排出される排ガスを使用して、炭化工程(1)に供給する有機質廃棄物を乾燥する工程(7)をさらに含む、請求項５〜７のいずれかに記載の方法。
- 水素分離工程(4)で水素を分離した後の排ガスを二次燃焼工程(2)において助燃ガスとして使用する、請求項２〜８のいずれかに記載の方法。
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