JP4164447B2 - 廃棄物ガス化方法およびガス化装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物の移動床式ガス化装置およびそのガス化方法に関する。

廃棄物を処理する方法として、廃棄物をガス化炉に投入して充填層を形成し、底部から酸化剤を供給して部分燃焼させ、炉高方向に燃焼帯、熱分解帯、乾燥帯を形成させることにより廃棄物をガス化する移動床式ガス化炉が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これによれば、熱分解帯で生成された熱分解ガスの熱により、乾燥帯の廃棄物を乾燥できる。また、熱分解ガスが乾燥帯を上昇する過程で、熱分解ガスに含まれる飛灰等が除去されるから、比較的清浄な熱分解ガスが得られる。

特表２０００−５１７４０９号公報

しかしながら、上記技術は、充填層の充填状態が不均一な場合における燃焼制御及びガス化効率については、なんら考慮がされていない。

ここで、廃棄物の充填層についてみると、一般に廃棄物は破砕された状態でガス化炉に投入され充填層を形成するが、廃棄物には可燃物以外に不燃物が含まれるため、破砕片の大きさがばらついて充填が不均一になりやすい。そのため、充填層を上昇する酸化剤に偏流が生じ、燃焼帯に供給される酸化剤の量が充填層の同一高さ位置（横断面方向）で不均一になると、燃焼帯の横断面に温度分布が生じる場合がある。また、酸化剤が横断面で均一に供給されても、燃焼帯の充填が不均一であると、発熱量の差から温度分布を生じるおそれがある。

このように、燃焼帯の温度分布により低温領域が生じると、廃棄物の一部がガス化されずに可燃物として排出され、ガス化効率を低下させるという問題がある。

本発明は、移動床式ガス化炉のガス化効率を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、縦型のガス化炉内に廃棄物を投入し、炉体の下方から酸化剤を供給することにより、上部から順に乾燥帯、熱分解帯、燃焼帯及び冷却帯を形成し、廃棄物を部分燃焼及び熱分解して生成ガスを取り出すとともに、炉体の下方から燃焼灰と残渣を抜き出す廃棄物のガス化方法において、燃焼帯の同一高さ位置の温度分布を検知して、その温度分布を一定範囲に保持するように、燃焼帯に供給される酸化剤の横断面の供給量分布を制御することを特徴とする。すなわち、燃焼帯の横断面における酸化剤の供給量分布ができるだけ小さくなるように供給を制御することにより、燃焼帯の温度分布が小さくなり、ガス化効率を向上させることができる。

この場合において、燃焼帯の温度が所定温度以上になるように、燃焼帯に供給される酸化剤の横断面の供給量分布を制御することが好ましい。具体的には、燃焼帯の温度が所定温度未満の領域には酸化剤の供給量を増加させるようにする。これにより、燃焼帯の発熱が促進され、所定温度以上に昇温させることができる。

本発明の廃棄物ガス化装置は、炉頂部に廃棄物が投入される投入口を有する縦型のガス化炉と、ガス化炉内の廃棄物の充填層に下方から酸化剤を供給するガス供給手段と、ガス化炉の上方から生成ガスを排出する排出口と、充填層の同一高さ位置の温度分布を検知する温度センサと、ガス化炉の炉下部から燃焼灰と残渣を抜き出して排出する排出手段とを備え、温度センサは、充填層の上部から順に形成される乾燥帯、熱分解帯、燃焼帯及び冷却帯のうち、少なくとも前記燃焼帯の高さ位置に配置され、ガス供給手段は、燃焼帯の温度分布に基づいて酸化剤の横断面の供給量分布を制御することにより実現できる。

この場合において、ガス供給手段としては、各温度センサに対応する位置の下方に設けられ充填層に酸化剤を供給する複数のノズルを設け、このノズルが温度分布に基づいて酸化剤の横断面の供給量分布を制御するようにしてもよい。

本発明によれば、移動床式ガス化炉のガス化効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の廃棄物ガス化方法を適用してなる移動床式廃棄物ガス化装置の一例となる全体構成図を示している。ここで、本実施形態の廃棄物ガス化装置は、一般ごみや産業廃棄物、バイオマスなどのガス化に好適に使用されるが、これらに限定されるものではない。

図に示すように、本実施形態の廃棄物ガス化装置（以下、単に、ガス化装置という。）は、筒状縦型に形成されたガス化炉１の頂部に、廃棄物を適宜乾燥した状態で貯蔵するホッパ３と、炉内で廃棄物と混合して使用される不燃ペレット（例えば、軽石）を貯蔵するホッパ５とを備えている。ホッパ３および５の投入口は、それぞれ二重ダンパ７，９が設けられている。ホッパ３から切り出される廃棄物は、スクリューコンベア１１により搬送され、投入口１３からガス化炉１に供給される一方、不燃ペレットは、例えばロータリーフィーダにより投入口１３からガス化炉１に供給されるようになっている。

ガス化炉１は、頂部の側壁に生成ガス（熱分解ガス）を排出する排出口１４が形成され、底部に燃焼用の酸化剤（空気または酸素等）および水性ガス化剤（水蒸気等）を供給するガス供給口１５が接続されている。ガス供給口１５は、ガス化炉１の底部となる回転式抜き出し機１７の回転軸１９の先端部に形成され、ガス供給ラインから軸内を貫通して供給された酸化剤と水蒸気とをガス化炉１内に放射状に供給するようになっている。なお、ガス供給口１５は、ガス化炉１の横断面方向に酸化剤と水蒸気とを均一に供給する構成であれば、これに限定されるものではなく、例えば、ガス供給口１５を傘状の分散板などで覆うようにしてもよい。

回転式抜き出し機１７の回転軸１９はモータ２１に連結され、回転軸１９が回転することにより回転式抜き出し機１７の回転羽が廃棄物の燃焼残渣等を半径方向に抜き出して排出口１８から排出するようになっている。酸化剤供給ライン２３から分岐した一方のライン２５と水蒸気供給ライン３０から分岐した一方のライン３３は、それぞれバルブ２９、３１を経由した後に合流してライン３４となり、回転軸１９のガス通流口に接続されている。酸化剤供給ライン２３から分岐した他方のライン２７は、複数に分岐して、それぞれバルブ３５を経て複数のノズル３９に接続される一方、水蒸気供給ライン３０から分岐した他方のライン３２は、複数に分岐して、それぞれバルブ３６を経て複数のノズル４６に接続されている。

ガス化炉１は、同一高さ位置に、炉壁の炉周囲方向に沿って複数の温度センサ３７が等間隔で設けられ、この一群の温度センサ３７が炉高方向に所定の間隔で多段形成されている。温度センサ３７が配置されるガス化炉１の炉高範囲において、所定の炉高位置に、炉周囲方向に沿って複数のノズル３９及びノズル４６が設けられている。最上段に配置される温度センサ３７の上方の炉壁には、充填層の充填高さを検知するレベルセンサ４１が炉高方向に複数設けられている。レベルセンサ４１の上方の炉壁には、充填層の上部空間の圧力を検知する圧力センサ４３が設けられている。

ここで、ノズル３９，４６の構成について詳細に説明する。図２は、図１のノズル３９とノズル４６の近傍を拡大して示す構成図であり、図２（ａ）は、図１の一部を拡大して示す縦断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図に示すように、ガス化炉１には、同一高さ位置の炉周囲方向に沿って等間隔で４個の温度センサ３７が配設されている。この一群の温度センサ３７は、炉高方向に所定の間隔で多段形成（例えば５段）されている。本実施形態の温度センサ３７は、後述するように、充填層の燃焼帯を中心に、下層の冷却帯から上層の熱分解帯、乾燥帯に至る範囲まで配置されているが、少なくとも燃焼帯の温度が検知できる範囲に配置されていればよい。

図２に示す温度センサ３７は、燃焼帯の高さ位置に配置され、各温度センサ３７に対応する位置の下方には、ノズル３９とノズル４６を１組とするノズル郡が４組配置されている。つまり、ガス化炉１の横断面方向から見て、４組のノズル郡がそれぞれ温度センサ３７の位置に重なるように、炉周囲方向に沿って等間隔で配置されている。なお、ノズル３９とノズル４６は、炉壁に対し水平に接続され、廃棄物の引っ掛かりを防止するため、炉内に突き出ない構造になっている。

ここで、燃焼帯は、酸化剤の時間当たりの供給量などに応じて厚みが決まり、また、廃棄物の抜き出し（排出）速度に応じて高さが決まるため、これらを所定範囲に管理することにより、燃焼帯位置に温度センサ３７を、燃焼帯の下層位置にノズル３９、ノズル４６を、それぞれ配置することができる。つまり、これらのノズルは、高温の燃焼帯の炉高位置を避けて比較的低温の下層領域に配置するようにする。

本実施形態の温度センサ３７には熱電対が用いられ、炉壁近傍の充填層の温度を検知することができる。この場合、複数の熱電対をガス化炉１の同一高さ位置に周状に配置することにより、充填層の横断面の温度分布を詳細に知ることができる。また、図示しない制御装置により、計測した温度分布に基づいて、各ノズル３９，４６から供給される酸化剤または水蒸気の供給量を制御するようになっている。

次に、図１および図２のガス化装置の動作について説明する。まず、破砕された廃棄物が適宜乾燥され、投入口１３からガス化炉１に連続的に投入されると、これに合わせて、不燃ペレットがガス化炉１に投入される。この不燃ペレットは、炉内に供給される酸化剤などの通流性を向上させるためのものである。炉内に投入された廃棄物は、不燃ペレットとともに底部から筒状の炉内に充填されて充填層を形成する。廃棄物の投入量は少なくとも、ガス化炉１の頂部に空間が形成するように調整される。

このようにして廃棄物が充填されたガス化炉１に、ガス供給口１５から酸化剤を供給するとともに、着火用熱風発生器４０から高温空気（例えば、４００℃以上）を吹き込むことで着火させる。酸化剤の供給量を調整して、廃棄物を部分燃焼させて燃焼帯を形成する。この燃焼帯の燃焼熱により、炉底部及び炉底部の上層の廃棄物が熱分解され、発生した熱分解ガスは充填された廃棄物の隙間を通ってガス化炉１内を上昇して排出口１４から排出される。

廃棄物の部分燃焼及び熱分解が安定する定常状態になると、炉底部近傍に安定した燃焼帯が形成され、その上部には熱分解帯が形成され、さらに上部に廃棄物の乾燥帯が形成される。廃棄物は、例えば約３００℃以上に達すると熱分解されることから、その温度域を超えた廃棄物の充填層の領域が熱分解帯になる。熱分解帯では、廃棄物が熱分解されて可燃性の熱分解ガス及び炭素（チャー）が生成される。ここで生成されたチャーは、燃焼帯に流下して燃焼され、燃焼帯の温度は約１０００℃以上になる。また、熱分解帯で生成されたチャーの一部は、ガス供給口１５から供給される水性ガス化剤と反応して、ＣＯ、Ｈ_２が生成される。なお、ガス供給口１５から供給される酸化剤と水性ガス化剤は、生成されたチャーのほとんどが燃焼ガスと水性ガスとなるように、流量調整されている。

このようにして生成された熱分解ガスと水性ガスが混合された生成ガスは、上層の廃棄物の隙間を通流する間に、廃棄物を乾燥する乾燥帯を形成する。生成ガスは、廃棄物を乾燥することにより減温（例えば、約２００℃）され、ガス化炉１の頂部に形成される空間を介して排出口１４から排出される。また、燃焼帯で発生する飛灰が生成ガスに同伴しても、乾燥帯に充填された廃棄物の層がフィルタの役目をして捕集し、排出口１４から流出する飛灰の量を低減できる。

一方、乾燥帯で乾燥された廃棄物は、次第に熱分解帯に移動して熱分解処理され、続いて燃焼帯に移動して熱分解及び燃焼されて灰になる。これらは燃焼帯の下層に形成される冷却帯を流下し、回転式抜き出し機１７により排出口１８に送られて炉外に排出される。なお、炉外に排出された灰分や不燃物、不燃ペレット等は、分別処理される。

ところで、上述したように、廃棄物中に不燃物などが含まれると、充填層を形成する廃棄物の大きさは不均一となり、その結果、廃棄物同士の隙間も不均一になる場合がある。すなわち、充填層底部のガス供給口１５から供給された酸化剤は、冷却帯の隙間を流れて上昇するから、その隙間が不均一であると、酸化剤の流れに偏りが生じ、燃焼帯に供給される酸化剤の量が横断面で不均一になる。そして、燃焼帯の燃焼温度は、酸化剤の供給量にある程度相関するから、酸化剤の供給量が不均一になると、燃焼帯の横断面温度に分布が生じるおそれがある。また、燃焼帯に均一に酸化剤が供給されても、燃焼帯中に充填分布が生じると、発熱量に差が生じ温度分布が形成されることになる。

そこで、本実施形態では、例えば、燃焼帯における横断面の温度分布を、周状に配置された４個の温度センサ３７で検知して、その温度分布に基づいてノズル３９から供給する酸化剤の量を変化させることにより、燃焼帯に供給される酸化剤の横断面の供給量分布を制御するようにする。具体的には、まず、各温度センサ３７で計測された燃焼帯の温度が信号として制御装置に送られ、４個の温度データの平均温度が算出されることにより、平均温度を中心とする所定の管理幅から外れた温度域が特定される。これにより、例えば、低温領域が特定されると、その領域を検知した温度センサ３７に対応する、下方のノズル３９のバルブ３５が開き、酸化剤が吹き込まれる。充填層に供給された酸化剤は、充填層を上昇し、直ちに低温領域に供給される。この酸化剤の供給は、温度センサ３７が所定の温度以上になったことを確認するまで継続される。なお、酸化剤の供給は、バルブ３５の開閉制御に限らず、検出温度に応じてバルブ３５の開度を調整して流量制御するようにしてもよい。

一方、燃焼帯に所定温度以上の高温領域が生じた場合は、ノズル４６から水蒸気を投入して冷却するようにしてもよい。つまり、高温領域が特定されると、その領域を検知した温度センサ３７に対応する、下方のノズル４６のバルブ３６が開き、水蒸気が吹き込まれる。これにより、水蒸気の顕熱による冷却効果と水性ガス化反応による吸熱効果が作用して、特定された領域の冷却が行われる。

ここで、充填層の温度調整方法について図を用いて説明する。図３（ａ）〜（ｇ）は、各温度センサによる燃焼帯の横断面温度を表したグラフであり、横軸は、周方向に配置された温度センサの設置位置を示し、縦軸は、検出温度を示している。図において、２本の実線は、それぞれ上下限の管理温度を示し、点線は、各検出温度の平均温度を示している。

図３（ａ）は、平均温度における所定管理幅に、Ａ〜Ｄ点の温度がいずれも収まる正常な状態を示している。これに対し、図３（ｂ）は、Ｃ点に局所的な温度低下が見られることから、Ｃ点に対応する下方のノズル３９から酸化剤を供給するようにする。また、図３（ｃ）は、Ｂ点に局所的な温度上昇が見られることから、Ｂ点に対応する下方のノズル４６から水蒸気が供給される。図３（ｄ）は、例えば、燃焼帯の設定温度１０００℃（図の一点鎖線）に対し、平均温度が高い状態を示している。この場合、まず、ガス供給口１５から供給する酸化剤の量を減少または水蒸気の量を増加させて、平均温度を低下させ、図３（ｅ）の状態になった時点で、Ａ点に対応するノズル３９から酸化剤を供給するようにする。反対に、図３（ｆ）に示すように、設定温度１０００℃に対し、平均温度が低い状態の場合は、ガス供給口１５から供給する酸化剤の量を増加または水蒸気の量を減少させ、図３（ｇ）の状態になった時点で、Ｄ点に対応するノズル４６から水蒸気を供給するようにする。なお、図３（ａ）〜（ｃ）は、燃焼帯の設定温度１０００℃を図示していないが、概ね平均温度が１０００℃であるものとする。

本実施形態において、温度センサ３７は、周状に４個均等に配置されているが、燃焼帯の温度分布を検知して異常温度域を特定できるのであれば、この配置に限定されるものではない。しかし、ガス化炉１のサイズにもよるが、温度センサ３７の配置数を増やすとともに、ノズル３９，４６を増設することにより、より細かい温度制御が可能となる。なお、ノズル３９，４６は、温度センサ３７で特定された温度領域に対し、酸化剤または水蒸気を効率的に供給できればよく、必ずしも温度センサ３７と同数に併せる必要はない。

なお、温度センサ３７は、炉壁表面に設置するため、ガス化炉１の横断面中心付近の温度は、炉内径が大きくなるほど測定困難となる。そのため、温度センサ３７の検出温度により断面中心付近の温度がある程度予測できる範囲の炉内径に設定しておくことが望ましい。

以上述べたように、本実施形態によれば、燃焼帯の横断面の温度分布を検知し、その温度分布に基づいて、低温領域にノズル３９から酸化剤を選択的に供給することにより、燃焼帯の燃焼温度を横断面で設定温度以上に維持できるから、熱分解によるガス化効率を向上させることができる。

次に、本実施形態で示したガス化炉１を適用してなるプロセスについて説明する。図４は、プロセスフロー図を示し、図４（ａ）は燃焼方式、図４（ｂ）はガス改質方式を示す。図４（ａ）に示すように、廃棄物は前処理装置４１により、例えば破砕、乾燥処理が施され、本実施形態に係るガス化炉４２に供給される。ガス化炉４２で熱分解された廃棄物は、熱分解ガスおよび灰となり、灰は分別される。一方、熱分解ガスは、燃焼炉４３に供給され、高温で燃焼処理される。続いて、燃焼炉４３から排出された燃焼排ガスが廃熱ボイラ４４に導かれると、蒸気が生成され、例えば蒸気タービン発電機を駆動して発電される。なお、廃熱ボイラ４４から排出された排ガスは、減温塔４５で冷却され、次いで除塵装置４６により除塵処理された後、煙突から排気される。

図４（ｂ）のガス改質方式によれば、ガス化炉４２から排出された熱分解ガスはガス改質炉４７に導かれ、例えば水素などに改質処理される。ガス改質炉４７から排出された改質ガスは、ガス洗浄装置４８により例えば湿式洗浄された後、ガスエンジン４９の燃料として利用される。

本発明の廃棄物ガス化方法を適用してなる移動床式廃棄物ガス化装置の一例となる全体構成図である。 図１のノズル近傍を拡大して示す構成図であり、図２（ａ）は、図１の一部を拡大して示す縦断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示している。 本実施形態に係る温度センサにより燃焼帯の横断面温度を表したグラフであり、横軸は、周方向に配置された温度センサの設置位置を示し、縦軸は、検出温度を示している。 本実施形態のプロセスフロー図を示し、図４（ａ）は燃焼方式、図４（ｂ）はガス改質方式を表す。

符号の説明

１，４２ ガス化炉
１５ ガス供給口
２９，３１，３５ バルブ
３７ 温度センサ
３９，４６ ノズル

Claims (6)

1. 縦型のガス化炉内に廃棄物を投入し、炉体の下方から酸化剤を供給することにより、上部から順に乾燥帯、熱分解帯、燃焼帯及び冷却帯を形成し、前記廃棄物を部分燃焼及び熱分解して生成ガスを取り出すとともに、炉体の下部から燃焼灰と残渣を抜き出す廃棄物のガス化方法において、
   前記燃焼帯の同一高さ位置の温度分布を検知して、該温度分布を一定範囲に保持するように、前記燃焼帯に供給される酸化剤の横断面の供給量分布を制御することを特徴とする廃棄物ガス化方法。
2. 前記燃焼帯の温度が所定温度以上になるように、前記燃焼帯に供給される酸化剤の横断面の供給量分布を制御することを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化方法。
3. 前記燃焼帯の温度が所定温度未満の領域には、前記酸化剤の供給量を増加させることを特徴とする請求項１または２に記載の廃棄物ガス化方法。
4. 炉頂部に廃棄物が投入される投入口を有する縦型のガス化炉と、該ガス化炉内の前記廃棄物の充填層に下方から酸化剤を供給するガス供給手段と、前記ガス化炉の上方から生成ガスを排出する排出口と、前記充填層の同一高さ位置の温度分布を検知する温度センサと、前記ガス化炉の炉下部から燃焼灰と残渣を抜き出して排出する排出手段とを備え、
   前記温度センサは、前記充填層の上部から順に形成される乾燥帯、熱分解帯、燃焼帯及び冷却帯のうち、少なくとも前記燃焼帯の高さ位置に配置され、
   前記ガス供給手段は、前記燃焼帯の温度分布に基づいて前記酸化剤の横断面の供給量分布を制御してなる廃棄物ガス化装置。
5. 炉頂部に廃棄物が投入される投入口を有する縦型のガス化炉と、該ガス化炉内の前記廃棄物の充填層に下方から酸化剤を供給するガス供給口と、前記ガス化炉の上方から生成ガスを排出する排出口と、前記充填層の同一高さ位置の温度分布を検知する複数の温度センサと、各温度センサに対応する位置の下方に設けられ前記充填層に酸化剤を供給するノズルと、前記ガス化炉の炉下部から燃焼灰と残渣を抜き出して排出する排出手段とを備え、
   前記温度センサは、前記充填層の上部から順に形成される乾燥帯、熱分解帯、燃焼帯及び冷却帯のうち、少なくとも前記燃焼帯の高さ位置に配置され、
   該ノズルは、前記燃焼帯の温度分布に基づいて前記酸化剤の横断面の供給量分布を制御してなる廃棄物ガス化装置。
6. 炉頂部に廃棄物が投入される投入口を有する縦型のガス化炉と、該ガス化炉内の前記廃棄物の充填層に下方から酸化剤を供給するガス供給口と、前記ガス化炉の上方から生成ガスを排出する排出口と、前記充填層の同一高さ位置の温度分布を検知する複数の温度センサと、各温度センサに対応する位置の下方に設けられ前記充填層に酸化剤を供給する第１のノズルと、各温度センサに対応する位置の下方に設けられ前記充填層に水蒸気を供給する第２のノズルと、前記ガス化炉の炉下部から燃焼灰と残渣を抜き出して排出する排出手段とを備え、
   前記温度センサは、前記充填層の上部から順に形成される乾燥帯、熱分解帯、燃焼帯及び冷却帯のうち、少なくとも前記燃焼帯の高さ位置に配置され、
   前記第１のノズルは、前記燃焼帯の温度分布に基づいて前記酸化剤の横断面の供給量分布を制御し、前記第２のノズルは、前記燃焼帯の設定温度を超える温度が検知された領域に水蒸気を供給してなる廃棄物ガス化装置。

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