JP3957526B2

JP3957526B2 - 固形燃料や有機物のガス化装置

Info

Publication number: JP3957526B2
Application number: JP2002051724A
Authority: JP
Inventors: 勝美柴田
Original assignee: 勝美柴田; 柴田智恵
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP2003253273A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭等の固形燃料や有機物からなる原料をロータリーキルン中で高温の過熱水蒸気に曝して、ガス化する固形燃料や有機物のガス化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固形燃料等のガス化装置は、燃焼炉の中に原料を入れると共に空気を入れ、その一部を自燃させて原料を高温度にし、更に水蒸気を入れて炭素と水蒸気との水性ガス化反応を起こさせてガス化していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、原料の一部を燃焼させる場合に空気を使用するので、発生したガス中に多量に窒素が残り、ガスの全体的なカロリーが下がると共に、残った窒素が起因して燃焼時にＮＯｘが発生する原因となっていた。
更には、炉の構造も単純であるので、原料に対して水性ガス化反応が、完全に行われ難いので、灰の中に未ガス化の炭等が混ざり、このため、灰の排出構造も複雑となっていた。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、発生するガス中に窒素ガスが少なくて燃焼エネルギーが高く、しかも、原料の有する炭素分の殆どをガス化することが可能で、かつ発生する灰の処理も容易な固形燃料や有機物のガス化装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係る固形燃料や有機物のガス化装置は、固形燃料及び／又は有機物を主体とする原料を、低圧高温過熱蒸気が供給されているロータリーキルンに入れて、水性ガス化反応を起こさせて燃料ガスを得る固形燃料や有機物のガス化方法に使用する装置であって、
耐熱材料で構成され上流側から下流側に下り勾配で回転可能に配置された円筒状のキルン本体と、該キルン本体を駆動する回転駆動源と、原料投入手段を備えた入口側フードと、処理後の残滓の排出口及び発生するガスを排出する排気口を備えた出口側フードと、前記入口側フード又は前記出口側フードを貫通して設けられ前記キルン本体に前記低圧高温過熱蒸気を供給する蒸気配管とを有し、
前記原料投入手段は、原料を溜めるホッパーと、該ホッパー内に配置された竪型のスクリューコンベアと、該竪型のスクリューコンベアによって落とし込まれた原料を受けて搬送し水平配置された第２のスクリューコンベアに原料を落とし込む第１のスクリューコンベアとを有し、
前記出口側フードの底部には前記排出口が設けられロータリーバルブを介して前記残滓は排出され、
更に、前記低圧高温過熱蒸気の圧力は大気圧より高くなっている。
本発明においては、原料の一部を空気を用いて燃焼させないので、発生するガスに窒素を積極的に含まない。なお、有機物に窒素を含む場合には、これが分解して窒素ガスとなる。そして、原料をロータリーキルンに入れて処理するので、原料が攪拌されながら下流側に移行し、ロータリーキルンのキルン本体の傾斜角度を調整することによってより完全に水性ガス化反応を起こすように、原料のキルン本体への滞留時間を調整できる。なお、水性ガス化反応とは以下の式で表される反応をいう（以下の文章においても同じ）。
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋Ｈ₂
【０００５】
【０００６】
前記ロータリーキルンのキルン本体は耐熱材料が使用され、前記キルン本体の両側を除く部分は、外部加熱されている。
これによって、過熱水蒸気の供給量を抑制することができる。なお、この場合、キルン本体は高温になるので、これに耐える材料（例えば、特殊ステンレス鋼、インコネル、ハステロイ、セラミックス、及びこれらの複合物）を使用する。
【０００７】
また、第２の発明に係る固形燃料や有機物のガス化装置は、第１の発明に係る固形燃料や有機物のガス化装置において、前記キルン本体には、その両側部を除く部分を外側から加熱する外部加熱帯が設けられている。これによって、内部に供給する過熱水蒸気の量を下げることができ、より短時間で水性ガス化反応を成しえる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の第１の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置の側面図、図２は本発明の第２の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置の側面図である。
【０００９】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置１０は、架台１１上に設けられたロータリーキルン１２と、ロータリーキルン１２に原料を徐々に供給する原料投入手段１３と、ロータリーキルン１２内に約９００℃の過熱水蒸気を供給する蒸気供給手段１４とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
ロータリーキルン１２は、耐熱材料で構成され上流側から下流側に下り勾配で回転可能に配置された円筒状のキルン本体１５を有している。キルン本体１５は前後にタイヤ１５ａ、１５ｂを備え、タイヤ１５ａ、１５ｂに当接し、それぞれ左右配置されたローラ１７、１８を介して、傾斜架台１６上に配置されている。傾斜架台１６は補助架台１９上に傾斜可能に配置され、これによって、キルン本体１５が下り勾配に０．１〜３度の範囲で調整可能となっている。キルン本体１５の上流側に設けられ、キルン本体１５を下り傾斜に傾ける図示しないジャッキ等からなる傾斜手段１９ａは手動であってもよいし、モータ等を用いた自動であってもよい。なお、１９ｂはキルン本体１５の下流側の両側に設けられて、傾斜架台１６を補助架台１９に回動可能に取付ける軸受を示す。
【００１０】
キルン本体１５の全長は直径（この実施の形態では１〜２ｍ）の４〜１０倍程度となって比較的長く、外側は十分に強度を有する耐熱材料（例えば、耐熱鋼、ステンレス、インコネル等）からなって、両側部分を除く内側は耐火物や耐熱セラミックでコーティングされている。なお、耐火物や耐火セラミックを省略し、全体を耐熱金属で構成することもできる。
対となるローラ１７、１８の何れか一方又は双方にはモータによって回転駆動する図示しない回転駆動源が設けられ、合計４のローラ１７、１８の上に搭載されているキルン本体１５を例えば０．１〜２０ｒｐｍで回転できる構造となっている。なお、キルン本体１５の周囲に外歯車を取付け、この外歯車に噛合するピニオンを出力軸に取付けた減速電動機によってキルン本体１５を回転駆動することもでき、キルン本体１５の外側にスプロケットを取付け、これに噛合するチェーンを介して減速電動機の出力軸に取付けたスプロケットによって駆動することもできる。
キルン本体１５は筒状となって、その上流側には入口側フード２０が、下流側には出口側フード２１がそれぞれ設けられている。この入口側フード２０及び出口側フード２１は耐熱金属（例えば、ステンレス）からなっており、外部が耐火物で保温されているか、又は内側に耐火材が充填又は内張りされている。そして、キルン本体１５は回転するが、入口側フード２０及び出口側フード２１は架台１１に支持部材２２、２３をそれぞれ介して固定状態となっているので、その摺動部分にはグランドパッキン等のシール材が設けられて、出来る限り蒸気やガスがキルン本体１５から外部に漏れないように工夫されている。また、キルン本体１５のタイヤ１５ａ、１５ｂを除く外側部分は断熱材によって覆われているのが好ましい。
【００１１】
入口側フード２０には、原料投入手段１３が設けられている。この原料投入手段１３は、原料を溜めるホッパー２４と、ホッパー２４内の原料を徐々に排出する水平配置された第１、第２のスクリューコンベア２５、２６とを有している。ホッパー２４内には竪型のスクリューコンベア２７が設けられ、第１のスクリューコンベア２５の原料投入口２８に原料を落とし込み、第１のスクリューコンベア２５は第２のスクリューコンベア２６の原料投入口２９に原料を徐々に投入している。なお、第１のスクリューコンベア２５を省略し、ホッパー２４から直接第２のスクリューコンベア２６に原料を投入し、第２のスクリューコンベア２６にてキルン本体１５内に原料を投入することもできる（図２参照）。
一方、出口側フード２１には、上部に製造された水性ガスを外部に排出するガス出口（排気口）３０が設けられ、フランジ結合３１によって接続されるガス管３２に水性ガスを送っている。また、出口側フード２１の底部には残滓の排出口３３が設けられて、ロータリーバルブ３４（又はダンパー）を介して外部に残滓（主として、灰）を排出できるようになっている。３４ａは残滓を入れる容器である。
【００１２】
更に、出口側フード２１にはキルン本体１５内に低圧高温の過熱蒸気を供給する蒸気配管３５が貫通配置されている。蒸気配管３５がキルン本体１５内に入ったところで、周囲に図示しない多数の蒸気噴出口が設けられた蒸気噴出部３６となって、キルン本体１５内に低圧高温の過熱蒸気を噴出している。蒸気噴出部３６の長さは、実質的にキルン本体１５の長さの０．８〜１倍程度となっている。
この実施の形態においては、１本の蒸気配管３５のみしかキルン本体１５に入っていないが、複数本の蒸気配管を挿通させることもできる。また、温度の異なる低圧高温過熱蒸気を流す複数の蒸気配管をキルン本体１５内に案内し、キルン本体１５の上流側と下流側の噴出温度を変えることもできる。この場合、上流側は比較的低温度の低圧高温過熱蒸気（例えば、３００〜７００℃）とし、下流側は比較的高温度の低圧高温過熱蒸気（例えば６００〜１０００℃、なお、より好ましくは８００〜１０００℃）として、キルン本体１５の上流側を原料の熱分解領域とし、下流側を原料炭化領域とすることもできる。また、蒸気配管は入口側フードを貫通して設けてもよい。
これらの低圧高温過熱蒸気は、ボイラーと過熱機（スーパーヒータ）を備える蒸気供給手段１４によって作られ、ボイラーによって発生した蒸気を更に過熱機によって高温に加熱している。
【００１３】
従って、この固形燃料や有機物のガス化装置１０を作動させる場合には、キルン本体１５内に蒸気配管３５によって低圧高温（例えば、６００〜９００℃、なお、より好ましくは８００〜９００℃）の過熱蒸気を供給した状態で、ホッパー２４内に溜まった原料を、第１、第２のスクリューコンベア２５、２６を介して徐々にキルン本体１５内に供給する。この場合、原料の主体としては、その粒度が１〜２０ｍｍの範囲にある固形燃料である炭やコークス、あるいは有機物があるが、何れも予め乾燥機等で水分の量を、例えば２０％以下（より好ましくは、１０％以下）に脱水及び乾燥処理しておく。なお、原料の粒度が１ｍｍ未満の場合は、粉に近づいて取り扱いが不便となり、粒度が２０ｍｍを超えると反応に時間がかかる。
原料が固形燃料（炭、コークス等）の場合には、キルン本体１５の回転に伴って徐々に下流側に移動するが、移動の過程において、内部に充填されている低圧高温過熱蒸気に触れることによって、水性ガス化反応を起こす。これによって、水素と一酸化炭素を含む水性ガス（燃料ガス）が発生する。この場合、従来の水性ガスに比較して窒素を含まないので、極めて保有するカロリーが高い燃料が得られる。
【００１４】
一方、原料が有機物（木材チップ等）の場合には、キルン本体１５の上流側で熱分解が起こり、中流域から下流側にかけて熱分解されたガス及び炭化物が低圧高温過熱蒸気に徐々に触れて水性ガス化反応が起こり、水性ガス（燃料ガス）が発生する。
なお、有機物の場合には、最初に有機物を熱分解させ次に水性ガス化反応を起こさせるので、全体の処理時間が長くなるが、キルン本体１５の傾斜角度を変えることによって、原料のキルン本体１５内の滞留時間を制御できるので、あらゆる種類の炭化物や有機物に対応できる。
発生した水性ガスは、ガス出口３０からガス管３２を介して図示しないガスタンクに貯留される。また、灰が主体となる残滓は、キルン本体１５から出口側フード２１の底部に落下して、ロータリーバルブ３４を介して容器３４ａ内に排出される。
発生した水性ガス中には、多量の高温の水蒸気が含まれるので、図示しない熱交換機を介して熱を吸収すると水蒸気は水になり、残ったものは水性ガスのみとなり、有効な燃料源として利用できる。
【００１５】
続いて、図２に示す本発明の第２の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置４０について説明するが、第１の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置１０と同一の構成要素について同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
図２に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置４０は、架台１１の上に搭載されたロータリーキルン４１を有している。ロータリーキルン４１は、上流側から下流側に下り勾配で回転可能に配置された円筒状のキルン本体４２を有している。キルン本体４２は前後（即ち、上流側と下流側）にタイヤ４３、４４を備えている。タイヤ４３、４４に当接し、それぞれ左右配置されたローラ１７、１８を介して、傾斜架台１６上に配置されている。傾斜架台１６は、第１の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置１０と同様、補助架台１９上に傾斜可能に配置され、これによって、キルン本体４２が下り勾配に０．１〜３度の範囲で調整可能となっている。キルン本体４２の上流側には、キルン本体４２を下り傾斜に傾ける図示しないジャッキ等からなる傾斜手段１９ａが設けられている。対となるローラ１７、１８の何れか一方又は双方にはモータによって回転駆動する図示しない回転駆動源が設けられ、合計４のローラ１７、１８の上に搭載されているキルン本体４２を例えば０．１〜２０ｒｐｍで回転できる構造となっている。なお、キルン本体４２を歯車噛合手段やスプロケット及びチェーンで駆動することもできる。
【００１６】
円筒状のキルン本体４２の全長は直径（この実施の形態では０．５〜２ｍ）の５〜１０倍程度となって比較的長く、８００〜９００℃に耐える耐熱材料（例えば、インコネル、ハステロイ）で構成されている。そして、キルン本体４２には、その両側部を除く部分を外側から加熱する外部加熱帯４５が設けられている。外部加熱帯４５は、架台１１に固定される耐熱性金属からなる外側ケース４６と、外側ケース４６の一方側の底部に設けられた加熱バーナー４７と、外側ケース４６の他方側上部に設けられた排気管４８とを有して、空気及びＬＰＧを加熱バーナー４７に供給することによって、キルン本体４２を６００〜９００℃（なお、より好ましくは８００〜９００℃）に外側から加熱している。なお、外側ケース４６の内側には断熱材４９が設けられて、外側ケース４６の過熱を防止すると共に外側ケース４６から熱損失が発生するのを防止している。
入口側フード２０には、キルン本体４２の上流側に原料を投入するスクリューコンベア５０が設けられているが、ホッパー２４からの原料はこのスクリューコンベア５０の原料投入口５１に直接投入されている。なお、５２はスクリューコンベア２７の駆動モータを、５３はスクリューコンベア５０の駆動モータをそれぞれ示す。
【００１７】
この固形燃料や有機物のガス化装置４０の動作及びこの装置４０を用いた固形燃料や有機物のガス化方法について説明するが、第１の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置１０と異なる点は、キルン本体４２に外部加熱帯４５を設けた点である。
即ち、外部加熱帯４５を設けることによって、キルン本体４２内部を低圧高温過熱蒸気だけでなく、加熱バーナー４７によっても加熱できる。これによって、蒸気供給手段１４の熱負荷が軽減し、より小型の蒸気供給手段で済むという利点がある。更には、この固形燃料や有機物のガス化装置４０を最初に運転する場合には、外部加熱帯４５によって早期にロータリーキルン４１の運転を可能とすることができる。
なお、低圧高温過熱蒸気の圧力は大気圧よりも、２０〜２００ｔｏｒｒ程度高くするのが好ましいが、本発明はこの数字に限定されるものではない。
【００１８】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更もあり得る。また、第１及び第２の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置１０、４０を組み合わせて固形燃料や有機物のガス化装置を構成することもできる。
そして、以上の実施の形態においては、キルン本体内は単純な円筒状であったが、内側に複数のリブを設けることも可能であり、これによって、原料の攪拌効果が向上する他、キルン本体の曲げ強度も向上する。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１〜４記載の固形燃料や有機物のガス化装置においては、固形燃料及び／又は有機物を主体とする原料を、低圧高温過熱蒸気が供給されているロータリーキルンに入れて、水性ガス化反応を起こさせて燃料ガスを得るので、発生するガス中に窒素ガスが少なくて、発熱量の大きい燃料ガスを容易に得ることができる。
また、発生する残滓はその殆どが灰であるので、その量も少なく処理も容易である。
【００２０】
【００２１】
そして、この固形燃料や有機物のガス化装置は、耐熱材料で構成され上流側から下流側に下り勾配で回転可能に配置された円筒状のキルン本体と、キルン本体を駆動する回転駆動源と、原料投入手段を備えた入口側フードと、処理後の残滓の排出口及び発生するガスを排出する排気口を備えた出口側フードと、入口側フード又は出口側フードを貫通して設けられキルン本体に低圧高温過熱蒸気を供給する蒸気配管とを有するので、ロータリーキルンが一つしかなく、全体がコンパクトに構成できる。
特に、請求項２記載の固形燃料や有機物のガス化装置は、キルン本体には、その両側部を除く部分を外側から加熱する外部加熱帯が設けられているので、低圧高温過熱蒸気を節約でき、これらの蒸気発生源が小型で済み、更には、初期運転時の応答時間が短い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置の側面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る固形燃料や有機物のガス化装置の側面図である。
【符号の説明】
１０：固形燃料や有機物のガス化装置、１１：架台、１２：ロータリーキルン、１３：原料投入手段、１４：蒸気供給手段、１５：キルン本体、１５ａ、１５ｂ：タイヤ、１６：傾斜架台、１７、１８：ローラ、１９：補助架台、１９ａ：傾斜手段、１９ｂ：軸受、２０：入口側フード、２１：出口側フード、２２、２３：支持部材、２４：ホッパー、２５：第１のスクリューコンベア、２６：第２のスクリューコンベア、２７：スクリューコンベア、２８、２９：原料投入口、３０：ガス出口、３１：フランジ結合、３２：ガス管、３３：排出口、３４：ロータリーバルブ、３４ａ：容器、３５：蒸気配管、３６：蒸気噴出部、４０：固形燃料や有機物のガス化装置、４１：ロータリーキルン、４２：キルン本体、４３、４４：タイヤ、４５：外部加熱帯、４６：外側ケース、４７：加熱バーナー、４８：排気管、４９：断熱材、５０：スクリューコンベア、５１：原料投入口、５２、５３：駆動モータ

Claims

固形燃料及び／又は有機物を主体とする原料を、低圧高温過熱蒸気が供給されているロータリーキルンに入れて、水性ガス化反応を起こさせて燃料ガスを得る固形燃料や有機物のガス化方法に使用する装置であって、
耐熱材料で構成され上流側から下流側に下り勾配で回転可能に配置された円筒状のキルン本体と、該キルン本体を駆動する回転駆動源と、原料投入手段を備えた入口側フードと、処理後の残滓の排出口及び発生するガスを排出する排気口を備えた出口側フードと、前記入口側フード又は前記出口側フードを貫通して設けられ前記キルン本体に前記低圧高温過熱蒸気を供給する蒸気配管とを有し、
前記原料投入手段は、原料を溜めるホッパーと、該ホッパー内に配置された竪型のスクリューコンベアと、該竪型のスクリューコンベアによって落とし込まれた原料を受けて搬送し水平配置された第２のスクリューコンベアに原料を落とし込む第１のスクリューコンベアとを有し、
前記出口側フードの底部には前記排出口が設けられロータリーバルブを介して前記残滓は排出され、
更に、前記低圧高温過熱蒸気の圧力は大気圧より高くなっていることを特徴とする固形燃料や有機物のガス化装置。
請求項１記載の固形燃料や有機物のガス化装置において、前記キルン本体には、その両側部を除く部分を外側から加熱する外部加熱帯が設けられていることを特徴とする固形燃料や有機物のガス化装置。
請求項１及び２のいずれか１項に記載の固形燃料や有機物のガス化装置において、前記蒸気配管は複数あって、前記ロータリーキルンの上流側に３００〜７００℃の低圧高温過熱蒸気を、前記ロータリーキルンの下流側に６００〜１０００℃の低圧高温過熱蒸気を供給し、前記キルン本体の上流側を熱分解領域とし、該キルン本体の下流側を原料炭化領域としたことを特徴とする固形燃料や有機物のガス化装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固形燃料や有機物のガス化装置において、前記蒸気配管の蒸気噴出部の長さは前記キルン本体の長さの０．８〜１倍となっていることを特徴とする固形燃料や有機物のガス化装置。