JP4173041B2

JP4173041B2 - 廃プラスチックのガス化装置および方法

Info

Publication number: JP4173041B2
Application number: JP2003110702A
Authority: JP
Inventors: 広行小水流; 隆文河村; 均三瓶; 一郎江藤
Original assignee: Nippon Steel Corp; Daicel Chemical Industries Ltd; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Daicel Corp; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-04-15
Also published as: JP2004315639A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は廃プラスチックをガス化し燃料ガスを製造するガス化方法およびガス化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年資源リサイクルの要望から廃プラスチックのリサイクル利用が進んできているが、まだ廃棄あるいは燃焼処理されているのが多いという現状である。
【０００３】
廃プラスチックの利用方法としては、高炉の羽口に吹き込み鉄鉱石の還元剤として活用する方法やコークス炉に添加して処理する方法等が最近実施されているが、塩化ビニル等の含塩素プラスチックからは塩素ガスが発生し、機器・配管を腐食させることがあり事前に除去する必要がある。
【０００４】
塩素分を除去せずに燃料ガスを製造する方法として特許文献１において、廃プラスチックのガス化方法が示されている。この特許文献１においては、ガス化炉の構造は円筒を縦にしてその側壁にガス化バーナーを、炉の上部にガス排出口を炉底中央部にスラグ排出孔を設置した概略図が示されている。同ガス化炉構造は、石炭のガス化の際にも用いられる構造である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２１６４４５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
廃プラスチックの粒子をガス化する場合、プラスチックは石炭ガス化の場合のように数十ミクロンに粉砕することは困難で、数ｍｍ程度の粒径となるため揮発分放出に要する時間が長くなり、特許文献１で提示したガス化炉では、炉底に未反応の炭素分が蓄積しやすく、排出スラグ中に未反応炭素が混在したり、炉底の形状が炭素分の堆積により変化し、ガス流れが不均一になりガス化効率が低下するという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点を解消し安定した廃プラスチックのガス化炉操業が可能なガス化方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明の廃プラスチックのガス化装置および方法は以下の通りである。
【０００９】
（１）廃プラスチックを部分酸化し合成ガスを製造する気流層ガス化装置において、廃プラスチックと、酸素または空気を供給するガス化バーナーと、該ガス化バーナーと炉底との間に炉底に堆積した炭素分を反応させガス化するための酸素および水蒸気の供給ノズルを設けたことを特徴とする廃プラスチックのガス化装置。
（２）前記ガス化バーナーは、廃プラスチックと、酸素および水蒸気を供給するガス化バーナーであることを特徴とする前記（１）に記載の廃プラスチックのガス化装置。
（３）前記ガス化バーナーと前記酸素および水蒸気の供給ノズルが、前記ガス化装置の同一仮想円の接線方向に向けて設置されていることを特徴とする前記（１）記載の廃プラスチックのガス化装置。
【００１０】
（４）前記（１）〜（３）のいずれかに記載のガス化装置を用いるガス化方法において、ガス化バーナーから廃プラスチックと、酸素、空気、または、酸素と水蒸気とを供給し、供給ノズルから酸素および水蒸気を供給して１１００℃以上で廃プラスチックを部分酸化することを特徴とする廃プラスチックのガス化方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
廃プラスチックのガス化とは、廃プラスチックに含まれる炭素や水素などを、酸素、あるいは空気を用いて、主にＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂、Ｈ₂Ｏで構成されるガスに転換することを言う。
【００１２】
次に、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は本発明例に係る廃プラスチックのガス化装置の概略図である。ガス化バーナー２からは廃プラスチック粒子の他に、酸素、空気、または、酸素と水蒸気７がガス化炉１内に投入される。
【００１３】
ガス化バーナー２から投入された廃プラスチック粒子は炉内の熱により急速に温度が上昇する。廃プラスチック粒子は温度上昇により揮発分がガスとなり放出され、ガス化バーナー２から投入された酸素あるいは空気と混合されることで燃焼される。
【００１４】
ガス化バーナー２から投入された酸素あるいは空気は廃プラスチック粒子の完全燃焼に必要な酸素量の半分程度であるため、生成するガスはＣＯおよび水素を多く含む燃料ガス１０となりガス化炉１上部に設置されたガス化ガス出口５より排出される。
【００１５】
数十ミクロンまで粉砕が容易である石炭の場合は、粒子径が小さいために気流中で揮発分の放出および固定炭素分のガス化反応が進行する。しかし、本発明において対象とする廃プラスチック粒子は粉砕が困難なので、２〜３ｍｍ以下には粉砕せずにガス化炉に投入する。
【００１６】
このため、ガス化炉１内では数ｍｍ程度に造粒されるので、反応に時間がかかり揮発分放出および固定炭素分のガス化反応が全て気流層中では起こらず、揮発分を放出しながら炉底に落下するか、あるいは、炉底近傍で揮発分放出が起こる粒子が多くなる。その結果、炉底に未反応の炭素分が堆積しやすい状態となる。
【００１７】
廃プラスチック粒子中には、揮発分の他に数％の固定炭素分と灰分が含まれており、灰分は炉内の熱により溶融させ溶融スラグ９として炉底中央に設けられたスラグ排出孔３よりガス化炉１外に排出され、スラグ冷却水槽６に落下し、水砕スラグ１１として回収される。
【００１８】
炉底に堆積した炭素分が多いと、炉底を流れて排出される溶融スラグ９中に炭素が混入し、スラグの品質を低下させる。また、炉底での粒子堆積が増加すると炉底面の形状が変化してガス化炉１内での旋回ガス流れを阻害する。
【００１９】
炉内でのガス流れが乱れると炉内での旋回流れが乱れ、炉の体積を反応に有効に活かせず、炉内でのガス滞留時間の低下、短時間で炉外に排出されるガス・粒子の発生につながる。炉内でのガス滞留時間が低下すると気流中での炭素分のガス化反応が十分に進まず、生成ガス中ダストの発生量が増加し好ましくない。
【００２０】
炉底での炭素分の堆積を減少させる手段としては、ガス化バーナー２下の空間を確保する方法が考えられるが、ガス化バーナー２の位置を上げて空間を確保するとガス化バーナーから遠い位置での温度が低下してガス化反応が進行しないことや、ガス化バーナー２を炉底から遠ざけると炉底の温度が下がりスラグの排出が困難となるなどの問題がある。
【００２１】
本発明では、酸素および水蒸気８を投入する供給ノズル（以下補助ノズルと記す）４をガス化バーナー２と炉底の間、望ましくは炉底近傍に設置することで、ガス化バーナー２の位置を変えることなく炉底に堆積した炭素分を反応させガス化することが可能となる。
【００２２】
補助ノズル４からは、酸素とともに水蒸気を投入することでノズル近傍の極端な温度上昇を抑えることができ、水蒸気をガス化剤として使用することが可能となる。
【００２３】
補助ノズル４の本数については隣接するガス化バーナー間で炭素分の堆積が起こりやすいことから、ガス化バーナー本数と同数をガス化バーナー間の炉底に近い位置に設置することが好ましいが、ガス化バーナー本数以下でも炭素分除去の効果はある。
【００２４】
補助ノズル４より投入する酸素および水蒸気８はガス化バーナー２から投入するものの一部を使用すればよく、ガス化炉内に供給される総酸素量を増加させる必要はなく、生成されるガス化ガス組成中の二酸化炭素を増加させることはなく、ガス組成には影響を与えない。
【００２５】
ガス化炉内の部分酸化反応は、廃プラスチックに含まれる灰分を溶融状態でガス化炉から排出するため、１１００℃以上で行うことが好ましい。一方、上限は特に定めないが、ガス化炉壁面の耐火物保護のためには、１５００℃以下とすることが好ましい。
【００２６】
図２は本発明例の廃プラスチックガス化装置でのガス化バーナー２および補助ノズル４の配置例を示す。図は、ガス化炉の上から見た図でガス化炉および補助ノズルのガス化炉周上の位置および向きを示している。
【００２７】
この例では、ガス化バーナー２および補助ノズル４は炉内の同一仮想円１２の接線方向に向けて設置されている。この例のように、ガス化バーナーと補助ノズルを同角度で設置することがガス化炉内のガス流れの安定化のためには好ましい。
【００２８】
本発明における廃プラスチックとは一般廃棄物、産業廃棄物として発生するプラスチックの総称である。また、工業分析による揮発分を７０％程度以上含んだプラスチック樹脂を指す。
【００２９】
【実施例】
本発明例として、廃プラスチックを２００ｋｇ／ｈで処理した場合について説明する。廃プラスチックは、炭素７２％、水素１０％、酸素９．７％、塩素２．５％、灰分５％を含む組成のものを６ｍｍ以下に粉砕して窒素ガス１００Ｎｍ³／ｈで搬送して、ガス化炉の炉壁に設けた４本のガス化バーナーからガス化炉内に供給した。
【００３０】
ガス化炉温度は１３００℃、ガス化炉内圧力は０．２ＭＰａＧ、ガス化炉投入酸素量１５０Ｎｍ³／ｈ、水蒸気量は６０ｋｇ／ｈとなるようにガス化バーナーから酸素及び水蒸気を供給して操業を行った。
【００３１】
本発明による補助ノズルは炉底から１５０ｍｍで、上下角度水平で、ガス化炉周方向には図２と同様にガス化バーナーの中間位置より、ガス化バーナーと同旋回角度で設置した。
【００３２】
補助ノズルより酸素を３０Ｎｍ³／ｈ、水蒸気を１２ｋｇ／ｈ混合して供給し、ガス化バーナーより酸素１２０Ｎｍ³／ｈ、水蒸気４８ｋｇ／ｈとして、廃プラスチック２００ｋｇ／ｈのガス化を行ったところ、後述の補助ノズルを使用せずにガス化を行った比較例の２００時間後と比較して、炉底には、多いところでも１０ｃｍ程度の炭素物質の堆積しかなく、補助ノズルの炉底堆積物減少の効果を確認できた。
【００３３】
また、排出されたスラグ中の炭素含有量は約５％に減少し、発生ガス量６５８Ｎｍ³／ｈ、発生ガス組成は、ＣＯ：３３％、ＣＯ₂：６ｖｏｌ％、水素３０ｖｏｌ％、水蒸気１６ｖｏｌ％、窒素１５ｖｏｌ％、塩化水素０．５ｖｏｌ％となり、約１１ｋｇ／ｈのスラグが溶融スラグとしてスラグタップから排出された。投入された廃プラスチック中の炭素分のガスへの転換率は約９５％に向上した。
【００３４】
一方、比較例として、上記の本発明例と同じ条件で、補助ノズルを使用せずにガス化を行った場合、２００時間操業後に炉内を点検したところ、炉底に多いところで約３０ｃｍの炭素物質の堆積が見られた。
【００３５】
また、排出されたスラグ中の炭素含有量は１５％、発生ガス中の固体炭素量は投入廃プラスチックに含まれる炭素の約５％となり、発生ガス量６５０Ｎｍ³／ｈ、発生ガス組成は、ＣＯ：３２％、ＣＯ₂：６ｖｏｌ％、水素２９ｖｏｌ％、水蒸気１７ｖｏｌ％、窒素１５ｖｏｌ％、塩化水素０．５ｖｏｌ％となり、約１２ｋｇ／ｈのスラグが溶融スラグとしてスラグタップから排出された。投入された廃プラスチック中の炭素分のガスへの転換率は約９３％であった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の廃プラスチックのガス化装置および方法によって、ガス化炉内部での炭素物質の堆積を防ぐことができ、ガス化性能（炭素転換率）の向上、スラグ含有炭素量の減少、ガス化炉の安定操業を実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明例の廃プラスチックのガス化装置の概略を示す図である。
【図２】本発明例の廃プラスチックのガス化装置でのガス化バーナーおよび補助ノズルの配置例を示す図である。
【符号の説明】
１…ガス化炉
２…ガス化バーナー
３…スラグ排出孔
４…供給ノズル（補助ノズル）
５…ガス化ガス出口
６…スラグ冷却水槽
７…廃プラスチック粒子と、酸素、空気、スチームの１種以上
８…酸素および水蒸気
９…溶融スラグ
１０…ガス化ガス（燃料ガス）
１１…水砕スラグ
１２…仮想円

Claims

廃プラスチックを部分酸化して合成ガスを製造する気流層ガス化装置において、廃プラスチックと、酸素または空気を供給するガス化バーナーと、該ガス化バーナーと炉底との間に炉底に堆積した炭素分を反応させガス化するための酸素および水蒸気の供給ノズルを設けたことを特徴とする廃プラスチックのガス化装置。
前記ガス化バーナーは、廃プラスチックと、酸素および水蒸気を供給するガス化バーナーであることを特徴とする請求項１に記載の廃プラスチックのガス化装置。
前記ガス化バーナーと前記供給ノズルが、前記ガス化装置の同一仮想円の接線方向に向けて設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の廃プラスチックのガス化装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス化装置を用いるガス化方法において、ガス化バーナーから廃プラスチックと、酸素、空気、または、酸素と水蒸気とを供給し、供給ノズルから酸素および水蒸気を供給して１１００℃以上で廃プラスチックを部分酸化することを特徴とする廃プラスチックのガス化方法。