JP4057645B2 - 燃料ガスの製造法 - Google Patents

Description

本発明は、水を含有する有機物質およびバラストを含有する有機物質、例えば炭、地方公共団体の汚泥および工業の汚泥、木材およびバイオマス、地方公共団体および工業の塵芥および廃棄物並びに副産物、残留物質等から燃料ガスを製造するための方法に関する。
本発明は、殊に、周期的に耕作される農業用地、殊に再度耕作地化された山地の農業用地のバイオマスおよび木材のエネルギー使用のため、ひいては機械的エネルギーおよび熱エネルギーに天然の燃料を二酸化炭素中性的に変換させるため並びに塵芥、その他の有機廃棄物、残留物質、副生成物および副産物の地方公共団体、産業、農業および工業の有効利用のために使用することができる。
公知技術水準は、地方公共団体、産業、工業および農業からの植物並びに有機廃棄物から塵芥までのエネルギー利用のために多くの提案および実地の使用によって特徴付けられている。１９８１年１１月にケルンフォルシュングスアンラーゲ・ユーリッヒ社

によって実施されたセミナーは、バイオマスからの熱的ガス生産、即ち、ガス化および脱ガスの公知技術水準をまとめており、これは、今日でもなお、公知技術水準を十分に特徴付けるものである

それに従って、燃焼法、脱ガス法およびガス化法が、個々にかまたは公知技術水準と以下の目的：燃焼によって蒸気を発生させるための熱エネルギー担体としての燃焼ガスの生産、低温乾留、脱ガスおよびガス化による高カロリーの固体燃料および液体燃料、例えばコークス、木炭および液状の油様タールの生産、固体燃料および液体燃料を回避しながら完全なガス化による燃焼ガスの生産と組み合わせて定められている。
ガス化法の場合、液状でかつ巨大分子の低温乾留生成物が得られるか否かまたは同様に酸化によってガス化されるか否かによって、処理方法が決定される。
ガス化の最も古い方法は、固定床中でのガス化であり、この場合、燃料およびガス化剤は、向流で互いに移動される。この方法により、できるだけ少ない酸素必要量で、できるだけ高いガス化効率が達成される。ガス化の前記の方法の欠点は、ガス化ガス中に、燃料湿分および全ての公知の液状低温乾留生成物が含有されていることである。更に、ガス化の前記の方法は、塊状の燃料を必要とする。ウィンクラーガス化法として公知である渦動層中でのガス化は、固定床ガス化の前記の欠点を十分に取り除くものであるが、しかし完全ではない。ビチューメンの燃料のガス化の場合、例えば内燃機関用の燃料としてのガスの使用のために必要とされているように、例えばガス化ガスに必要とされるタールの不含は、必ずしも達成されない。その上更に、固定床ガス化に比べて、前記処理方法の高い平均温度水準により、酸素の消費量は明らかに多くなっている。更に、ウィンクラーガス化法の温度水準は、搬入された炭素の大部分が燃焼ガスになるのではなく、ダストの形でおよび灰に結合して、この処理工程から再度搬出されるという結果になる。このガス化技術の前記の欠点は、通常、灰の融点を上回って作業する高温逃出流ガス化法（Hochtemperaturflugstromvergasungsverfahren）を用いて回避することができる。
これについての例は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１３９５１２Ａ１号明細書である。前記方法の場合、廃棄物は、低温乾留によって低温乾留ガスおよび低温乾留コークスに分解され、ひいては発熱性逃出流ガス化におけるガス化のために必要とされる形に後処理される。発熱性逃出流ガス化への変化は、廃棄物の有機物質が完全であるのと同様に良好に燃料ガスに変化しているにもかかわらず、更に増大する酸素必要量および低下する効率と結び付けられている。その原因は、燃料熱の大部分が燃料ガスの物理的エンタルピーに変化しているという結果になるような前記ガス化法の高い温度水準にある。
ドイツ連邦共和国特許第４１３９５１２号明細書にもあるような前記の技術的解決の欠点は、勿論、国際的な専門家の間でも知られており、新たな解決の提案を伴って回答が寄せられていた。炭のガス化の最も新しい公知技術水準は、炭の部分流が、溶融室炉中で燃焼されて、熱い燃焼ガスにされ、該燃焼ガスが、処理が進行するにつれてガス化剤として使用されることによって特徴付けられる。熱いガス化剤中への第二の炭部分流の導入によって、吸熱的ガス化のための前提条件が整い、かつ燃焼ガスは、ブードアール反応および水ガス反応を用いて燃料ガスに変換される。ガス化の前記の方法は、日本ではＮＥＤＯ−プロジェクトで実際に使用され、米国ではＷＡＢＡＳＨ−ＲＩＶＥＲ−プロジェクトで実際に使用されている。木材、残留物質および塵芥には、前記の物質が、高い機械的費用を用いてのみ、前記の処理方法のために必要とされるダスト形に変えることができるので、ガス化の前記の方法は適していない。
ドイツ連邦共和国特許第４２０９５４９号明細書は、部分流ガス化／吸熱的逃出流ガス化の組合せに、燃料、殊に廃棄物の熱的後処理のための熱分解を前に接続することによって前記の欠点を排除している。しかしながら、この方法の欠点は、この場合には、熱いガス化剤が、空気および／または酸素を用いる熱分解コークスの燃焼によって製造され、かつオレフィン、芳香族化合物等を含有する低温乾留ガスが前記の還元に使用されることである。
しかし、ガス化装置の実際の運転からの多年に亘る経験により、オレフィン含有燃焼ガスおよび芳香族化合物含有燃焼ガスは、１５００℃までの温度および吸熱的処理方法で、ガスタービンおよびエンジン用の燃料ガスとして使用するために必要とされているタールを含有しない燃料ガスに変えることはできないことが判明した。従って、前記の処理方法の本質的な欠点は、必要とされるガス冷却およびガス後処理の運転の際に、水性ガス縮合物が生じることであり、該ガス縮合物は、この形では、周囲の世界に廃棄することはできず、この結果、該ガス縮合物の後処理のために著しい費用を必要とすることである。
本発明には、有機物質、殊に水を含有する有機物質およびバラストを含有する有機物質のガス化のための方法を提供するという目的があり、この方法は、前記物質の無機物質を、ガラス化し、溶離された生成物として廃棄し、かつ逃出流ガス化の公知技術水準と比べて、酸素含有ガス化剤のより少ない消費量並びに渦動層法および逃出流ガス化と比べて、燃料ガスの消費された化学的エンタルピーに対してより高いガス化効率で、前記物質の有機物質を、合成ガスに後処理することもできるようなタールを含有しない燃料ガスに変えるものである。
本発明が解決することになる技術的課題は、ガス化すべき物質の無機物質の融点を上回る温度水準の達成のために必要とされている物理的エンタルピーの割合を、この処理方法が進行するにつれて再度化学的エンタルピーに変えることにある。
本発明によれば、１〜５０バールの圧力下で、
− 第一の処理工程で、バラストの豊富な有機物質を、その有機含量および含水量とともに、ガス化ガスの物理的エンタルピーの直接的または間接的供給によって乾燥させ、かつ３５０〜５００℃で低温乾留させ、これにより、液状炭化水素および水蒸気を含有する低温乾留ガスおよび無機物質とともに主として炭素を含有するコークスに熱分解し、
− 第二の処理工程で、該低温乾留ガスを、有機物質の無機物質の融点を上回る温度で、空気および／または酸素、酸素を含有する排ガスを用いて、例えばガスタービンまたは内燃機関から、有利に１２００〜２０００℃で、溶融した無機物質を分離しながら、完全な燃焼のための理論的な空気必要量に対して０．８〜１．３の空気数を用いて燃焼させて、燃焼ガスにし、
− 第三の処理工程で、第二の処理工程からの燃焼ガスを、ガス化ガスに変え、かつ第一の処理工程からの低温乾留コークスを、場合によっては粉砕して燃焼ダストにして、１２００〜２０００℃の熱い燃焼ガスの中に吹き込み、二酸化炭素が部分的に一酸化炭素に熱を消費しながら還元され、かつ水蒸気が部分的に水素に熱を消費しながら還元されることによってガス温度を８００〜９００℃に低下させ、
− 第四の処理工程で、第三の処理工程からのガス化ガスを、場合によっては間接冷却および／または直接冷却後に、燃料ガスを除塵し、化学的に精製しかつこの場合に生じる、なお炭素を含有するダストを、第二の処理工程における低温乾留ガスの燃焼に供給することにより、燃料ガスに後処理することによって達成される。
本発明の有用な作用は、バラストを含有する有機物質の無機物質が、ウィンクラーガス化に相当し、かつ燃料ガスの化学的エンタルピーを測定された温度水準で、有機物質の渦動層ガス化および完全ガス化の水準に、酸素を含有するガス化剤の必要量を減少させる際に、公知技術水準と比べて高いガス化効率で、ガラス化し、溶離固着された構成物質に変えられることにある。
実施例
本発明を、第１図に記載された技術的概略図および以下の数値による評価により記載する。
装入物として、水を含有する有機物質およびバラストを含有する有機物質、以下の組成（ｋｇ／ｔ）の塵芥を含有するバイオマスを使用する。
成分 質量
炭素 ２５０
水素 ２５
酸素 １５０
窒素 ８
硫黄 ２
重金属
（Ｐｂ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ｚｎ） ３
灰 １００
鉄／非鉄金属 ３０
ガラス／鉱物 １１２
水 ３２０
この装入物を、破砕機（１）中で２０〜５０ｍｍの縁の長さに粉砕し、気密ゲート系（２）を介して、間接的に加熱された常圧で作業する低温乾留室（３）の中に導入し、この中で、必要な場合には装入物が機械的に移動される。装入物は、間接的な熱供給管（４）によって乾燥され、かつ低温乾留され、この場合、４００〜５００℃の最終温度で、ほぼ４０％が炭素からなる固体約４０５ｋｇに分解し、他方、残りは、鉱物、ガラス、鉄および非鉄金属並びに重金属と灰およびほぼ３分の２が水蒸気からなり、かつ全ての他の公知の液状低温乾留生成物およびガス状低温乾留生成物を含有する低温乾留ガス５９５ｋｇとによって形成されている。
低温乾留からの固体は、低温乾留ガス下で、篩い（５）中で、主として鉱物、ガラスおよび金属片を含有する５ｍｍを上回る縁の長さを有する粗大画分および小粒状の炭素担体に分けられる。この粗大画分は、気密ゲート系（６）を介して、この処理から搬出され、かつ場合によっては分離に供給される。炭素担体は、系中に留まり、かつ通過ミル（７）および返送された燃料ガスが運搬媒体として使用される気密運搬系（８）を介して還元室（９）に供給される。炭素担体の無機含量は、還元室（９）中で消費されなかった炭素とともに、ガス除塵器（１０）の中で分離され、かつ低温乾留室（３）中で生産された低温乾留ガスと一緒に溶融室炉（１１）に供給され、該溶融室炉中で、炭素担体の無機物質の融点を上回る酸素を用いて燃焼させられる。この場合に生じる液状スラグは、水浴（１２）中に搬出され、該水浴から、該プロセスからの溶離固着した構成物質粒状物として排出される。１２００〜２０００℃の熱い燃焼ガスは、溶融室炉（１１）から還元室（９）の中に達し、該還元室中で、その二酸化炭素および水蒸気の一部が炭素担体と吸熱的に化学反応して、一酸化炭素および水素になり、このことによって、ガス温度が８００〜９００℃に低下する。溶融室炉（１１）へのガス除塵器（１０）中で生じる炭素を含有するダストの供給は、同様に、返送された燃料ガスが担体媒体として使用される気密運搬系（１３）を用いて行われる。こうして生産された燃料ガスは、その組成において、８００〜９００℃で、常圧下での酸素を用いる装入物の有機物質のガス化の際に発生する燃料ガスに相応する。これは、ガス化剤としての酸素−水蒸気混合物を使用する場合に、渦動層ガス化法により生じたガス化ガスと比較可能である。

Claims (2)

1. 公知の処理工程、乾燥、低温乾留およびガス化を用いて、炭、汚泥、塵芥、木材および他のバイオマスからなる、水を含有する有機物質およびバラストを含有する有機物質から、燃料ガスを製造する方法において、第一の処理工程で、１〜５０バールの圧力下で、バラストの豊富な有機物質を、物理的エンタルピーの直接的供給または間接的供給によって乾燥させ、３５０〜５００℃で低温乾留させ、これにより、液状炭化水素および水蒸気を含有する低温乾留ガスおよび無機物質とともに主として炭素を含有するコークスに熱分解し、第二の処理工程で、低温乾留ガスを、有機物質の無機物質の融点を上回る温度で、空気および／または酸素、酸素を含有する排ガスを用いて、ガスタービンまたは内燃機関から、有利に１２００〜２０００℃で、溶融液の無機物質を分離しながら燃焼させて燃焼ガスにし、第三の処理工程で、第二の処理工程からの燃焼ガスをガス化ガスに変え、かつ第一の処理工程からの低温乾留コークスを、粉砕して燃焼ダストにし、１２００〜２０００℃の熱い燃焼ガスの中に吹き込み、二酸化炭素が部分的に一酸化炭素に熱を消費しながら還元され、かつ水蒸気が部分的に水素に熱を消費しながら還元されることによってガス温度を８００〜９００℃に低下させ、第四の処理工程で、第三の処理工程からのガス化ガスを、間接冷却および／または直接冷却後に、燃料ガスを除塵および化学的に精製しかつこの場合に生じる、炭素を含有するダストを、第二の処理工程における低温乾留ガスの燃焼に供給することによって燃料ガスに後処理することを特徴とする、有機物質からの燃料ガスの製造法。
2. 第一の処理工程の熱必要量が第三の処理工程からのガス化ガスまたは第四の処理工程からの燃料ガスのエンタルピーの一部によって補償される、請求項１記載の方法。

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