JP4520872B2

JP4520872B2 - 統合型ガス化炉及びその操業方法

Info

Publication number: JP4520872B2
Application number: JP2005024400A
Authority: JP
Inventors: 一毅村橋; 吉浩石田; 雅也栗田; 淳志小林; 義彦小河
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2025-01-31
Also published as: JP2006206842A

Description

本発明は、廃プラスチック、木材等の有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化炉に関し、とくに、有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化室と有機性廃棄物の熱分解により生成し流動媒体に随伴するチャーやタールを燃焼する燃焼室とを１つの流動床炉内に備えた統合型ガス化炉及びその操業方法に関する。

プラスチック、木材等の有機性廃棄物の処理方法としては、まず、図５に示すように間接加熱方式のロータリーキルン２０を用いて、間接加熱条件下で有機性廃棄物を熱分解する方法がある。有機性廃棄物の熱分解により、ガスとチャーとタールが生成するが、この間接加熱方式における各熱分解生成物の熱量構成と熱分解温度との関係は一般に図６に示すようになる。すなわち、ガス熱量（Ｐｇａｓ）は、３００〜４００℃ではほぼゼロで、熱分解温度上昇により増加していく。タール熱量（Ｐｔａｒ）は低温で高く、温度上昇によりガスに転換して減少し、１０００℃前後でゼロになる。チャー熱量（Ｐｃｈａｒ）は１割以下と小さく、温度上昇により僅かに増加する。

だたし、間接加熱方式では、加熱源側に高温熱源が必要になるとともに、伝熱面を構成する材料（図５のキルン円筒２１）の耐熱、耐腐食、耐磨耗の制約から、金属材料の場合鉄皮温度は４００〜７００℃が上限で、熱分解温度が高くできないこと、温度差の関係で伝熱面積を大きくとる必要が生じ、装置が大きく、高価になるという問題がある。

この問題を解決するために、間接加熱ではなく、一部の有機性廃棄物を燃焼させ、その発生熱を直接伝熱させることにより得た高温で、残りの有機性廃棄物を熱分解・ガス化させる部分燃焼式のガス化方法が知られている。その炉形式としては図７に示す流動床ガス化炉３０がある。この部分燃焼式流動床ガス化炉の熱分解生成物の熱量構成は図８Ａに示すようになる。熱分解生成物のうち、チャーは燃えにくいのに対し、ガスとタールは燃焼しやすいためガスとタールが一部燃焼する。図８Ａにおいて、Ｐｇａｓ（１）、Ｐｔａｒ（１）は、それぞれ熱分解で生成するガス熱量、タール熱量のうち燃焼するものを示し、Ｐｇａｓ（２）、Ｐｔａｒ（２）、Ｐｃｈａｒは、それぞれ熱分解で生成するガス熱量、タール熱量、チャー熱量のうち燃焼しないものを示す。この部分燃焼式流動床ガス化炉におけるガス化室出口での熱量構成を図８Ｂに示す。図８Ｂにおいて、Ｃｇａｓは、Ｐｇａｓ（１）、Ｐｔａｒ（１）の燃焼によって生成する燃焼排ガス熱量を示す。

図８Ａに示す熱分解生成物は、図６に示す間接加熱と同じであるがガスとタールが一部燃焼する点で異なっている。部分燃焼炉の場合、図８Ｂに示すように熱分解生成物の燃焼割合を増加させることで容易に熱分解温度を上げることができ、流動床炉では、流動媒体の溶融温度以下の範囲で高温操作が可能である。ガス化の場合、生成物中タールはガスから分離除去して別途処理する必要が生じるので、図８Ａにより、タールを極力減らしてガス量を増やすために、熱分解温度を上げることが好ましいが、一方で熱分解温度上昇のために熱分解生成物の燃焼割合を増加させると、燃焼排ガスによる希釈でガスカロリーが低下してしまうという問題がある。これに対して、流動化ガス兼燃焼用酸素源として導入する空気を純酸素にしてガスカロリー低下を抑制することが考えられるが、それでもＣＯ_２による希釈でガスカロリーが低下するという問題は残る。

この燃焼排ガスによる希釈を防ぐため、特許文献１には図９に示すように、１つの流動床炉内に、熱分解するガス化室４１と、熱分解生成物の一部を燃焼する燃焼室４２とを仕切壁４３により隔離して設け、熱分解ガスに燃焼排ガス（ＣＯ_２、Ｎ_２）が混合して希釈されることを回避し、それによるガスカロリー低下を防止することが可能な統合型ガス化炉が提案されている。この統合型ガス化炉４０において熱分解に必要な熱量は、ガス化室４１と燃焼室４２で循環する流動媒体が熱媒体となり伝熱される。すなわち、燃焼室４２に流動媒体に随伴して持ち込まれたチャー・タールが燃焼し、流動媒体の高温顕熱として着熱してガス化室４１に戻された熱量が、ガス化室４１の熱分解操作熱源となる。仕切壁４３の開口部（図示せず）はガスシールしつつ流動媒体が循環できる構造となっている。この統合型ガス化炉によれば、流動媒体を熱媒体とする間接加熱を実現できるので、燃焼排ガスによる希釈もなく、純酸素使用の必要もない。

統合型ガス化炉における熱分解生成物の熱量構成は図１０に示すようになる。熱分解生成物のうち、固体のチャーは微細化によりガス中飛散するもの以外は流動媒体に随伴し、また、タールは一部が流動媒体に吸着されて流動媒体に随伴して燃焼室に移動する。図１０において、Ｐｔａｒ（１）、Ｐｃｈａｒ（１）は、それぞれ熱分解で生成するタール、チャーのうち流動媒体に随伴して燃焼室に移動・燃焼するものを示し、Ｐｔａｒ（２）、Ｐｃｈａｒ（２）は、それぞれ熱分解で生成するタール、チャーのうち流動媒体に随伴せずに熱分解ガスとして排出されるものを示す。統合型ガス化炉のガス化室出口、燃焼室での熱量構成を、それぞれ図１１Ａ，図１１Ｂに示す。

図１１Ｂに示すように、熱分解温度の上昇により、ガス化炉における熱分解操作用として燃焼室から供給されるべき必要熱量（Ｑｒｅｑｕｉｒｅｄ）は増加する。一方、燃焼室で発生して熱分解操作用として利用できる利用可能熱量（Ｑａｖａｉｌａｂｌｅ）は、タール熱量、チャー熱量に由来する燃焼排ガス熱量とそれらの流動媒体への着熱効率に依存する（Ｃｇａｓｔａｒ×ηｔａｒ＋Ｃｇａｓｃｈａｒ×ηｃｈａｒ）結果、熱分解温度が上昇すると減少する。すなわち図１１Ｂに示すようにある温度で、必要熱量と利用可能熱量が等しくなる。図中▽点は、この平衡点（必要熱量＝利用可能熱量）を示し、これより高温側は熱量が不足（必要熱量＞利用可能熱量）するので温度を下げないと運転継続できない、逆に平衡点より低温側は、必要以上に燃焼させる結果となり温度上昇を招く。その結果、平衡点周辺で運転せざるを得ない状況となる。しかし、性状変化のある廃棄物では、常に平衡点が変動する結果、熱量バランスをとれるように、適切な調整を加えるのは難しく、温度が上下にハンチングして不安定化しやすいという問題がある。また、プラスチックのように揮発分リッチな物質は、低温でガス化が進むので燃焼室で利用可能なチャー熱量（Ｐｃｈａｒ（１））や流動媒体に付随するタール熱量（Ｐｔａｒ（１））は少なくなるため、熱量を多く確保できずに平衡点は低温度になる。その結果、熱分解生成物のタール割合が多くなってしまうという問題がある。
特開平１１−１８１４５０号公報

本発明が解決しようとする課題は、統合型ガス化炉においてガス化室及び燃焼室の温度の安定化を図ることにある。他の課題は、統合型ガス化炉において熱分解に必要な熱量と利用可能熱量がバランスする平衡点を高温側にシフトさせ、熱分解生成物のタール収率を抑え、ガス収率を上げることができるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、１つの流動床炉内に、有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化室と、有機性廃棄物の熱分解により生成し流動媒体に随伴する随伴物を燃焼する燃焼室とを仕切壁により隔離して設け、流動媒体をガス化室と燃焼室との間で循環させる統合型ガス化炉において、燃焼室の補助熱源兼流動化ガスとして、高炉からの高炉ガス、転炉からの転炉ガス、コークス炉からのコークス炉ガスのいずれか１種又は２種以上及びそれらを燃焼させる燃焼用空気を供給する手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、前記統合型ガス化炉の操業方法において、燃焼室の補助熱源兼流動化ガスとして、高炉からの高炉ガス、転炉からの転炉ガス、コークス炉からのコークス炉ガスのいずれか１種又は２種以上及びそれらを燃焼させる燃焼用空気を供給することを特徴とする。

本発明おいては、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか１種又は２種以上の供給量を調節することによって、燃焼室温度及びガス化室温度を調節することができる。

また、燃焼室温度及びガス化室温度を検出し、検出した燃焼室温度及びガス化室温度に基づき高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか１種又は２種以上の供給量を調節することもできる。

本発明によれば、燃焼室の補助熱源として高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか１種又は２種以上を供給するので、その供給量を燃焼室温度、ガス化室温度等に基づき調節することで、処理対象の有機性廃棄物の性状変動による温度変動を抑えることができ、温度の安定化を図ることができる。

また、従来の統合型ガス化炉における平衡点（図１１Ｂ参照）以上の温度とするために不足する熱量を高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガスのいずれか１種又は２種以上の燃焼によって補填することができるので、平衡点を高温側にシフトさせることができ、その結果、熱分解生成物のタール収率を抑え、ガス収率を上げることができるようになる。

以下、図面に示す参考例及び実施例に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の参考例の統合型ガス化炉を示す概略構成図である。統合型ガス化炉１０は、ガス化室１１と燃焼室１２を１つの流動床炉内に備える。ガス化室１１と燃焼室１２とは仕切壁１３によって隔離されている。

ガス化室１１には廃プラスチック等の有機性廃棄物が投入され、投入された有機性廃棄物はガス化室１１内の流動媒体（実施例では砂）によって加熱され、熱分解、ガス化される。生成した熱分解ガス（可燃性ガス）はガス化室１１から排出され、回収される。一方、熱分解により生成したチャー及びタールの一部は、流動媒体とともに仕切壁１３の開口部（図示せず）から燃焼室１２に流入し、燃焼室１２内で燃焼する。このチャー及びタールの燃焼によって加熱された燃焼室１２内の流動媒体は、仕切壁１３の開口部（図示せず）からガス化室１２に流入する。このように、流動媒体はガス化室１と燃焼室２との間で循環し、その循環の途中、燃焼室２内にてチャー及びタールの燃焼によって加熱される。

この統合型ガス化炉１０において熱分解に必要な熱量は、ガス化室１１と燃焼室１２で循環する流動媒体が熱媒体となり伝熱する。すなわち、燃焼室１２に流動媒体に随伴して持ち込まれたチャー及びタールが燃焼し、流動媒体の高温顕熱として着熱してガス化室１１に戻された熱量が、ガス化室１１の熱分解操作熱源となる。なお、仕切壁１３の開口部（図示せず）はガスシールしつつ流動媒体が循環できる構造となっている。

ガス化室１１の流動化ガスとしては、ガス化反応（Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２）のための水蒸気の他に、流動化状態維持のためのＣＯ_２、Ｎ_２、自己発生ガス、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガス等の酸素分子を含まないガスを供給する。また、燃焼室１１の流動化ガスとしては、流動媒体に随伴するチャー及びタールを燃焼するために空気を導入し、燃焼排ガスはガス化室１１からの熱分解ガスとは別系統で排出される。

以上説明した統合型ガス化炉１０の構成は、図９で説明した従来の統合型ガス化炉の構成と同じであるが、本発明の統合型ガス化炉１０は、これに加えて、燃焼室１２にバーナ１４を設け、このバーナ１４に燃焼室１２の補助熱源として高炉ガス（ＢＦＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）のいずれか１種又は２種以上（以下「高炉ガス等」という。）をガス配管１５により供給し燃焼させるようにしている。

本発明の実施例では図２に示すように、バーナ１４に加えて、流動床の炉床面にガスノズル５０を配置し、燃焼室１２の補助熱源兼流動化ガスとして高炉ガス等及びそれらを燃焼させる燃焼用空気を供給する。これにより流動媒体への着熱効率が高められる。なお、図２の例では、バーナ１４を省略することもできる。

統合型ガス化炉１０における熱分解生成物の熱量構成は図１０で説明した従来の統合型ガス化炉と同様である。統合型ガス化炉１０のガス化室出口、燃焼室での熱量構成を、それぞれ図３Ａ、図３Ｂに示す。図３Ａ及び図３Ｂは、図１１Ａ及び図１１Ｂに示した熱量構成と同じ要領で示したものである。

燃焼室の補助熱源として高炉ガス等を用いない場合、先に図１１Ｂで説明したように、図に示す▽点が平衡点（必要熱量＝利用可能熱量）を示し、これより高温側は熱量が不足（必要熱量＞利用可能熱量）するので温度を下げないと運転継続できない。逆に平衡点より低温側は、必要以上に燃焼させる結果となり温度上昇を招く。その結果、平衡点周辺で運転せざるを得ない状況となる。

これに対して、本発明では、図３Ｂに示すように平衡点を高温側へシフトするにあたって不足する熱量を高炉ガス等の燃焼によって補填するようにしている。これを概念的に示すと図４のようになり、高炉ガス等の燃焼により熱量を補填することにより、平衡点を高温側へシフトさせることができる。

さらに、図１及び図２の例では、ガス化室１１及び燃焼室１２の温度を検出するために温度計１６ａ，１６ｂ及び温度計１７ａ，１７ｂを設け、検出したガス化室１１及び燃焼室１２の温度に基づき、制御装置１８のフィードバック制御によりガス配管１５に設けた流量調節バルブ１９の開度を調節し、高炉ガス等の供給量を調節するようにしている。これによって、処理対象の有機性廃棄物の性状が変動したとしても、ガス化室１１及び燃焼室１２の温度の安定化を図ることができる。

なお、有機性廃棄物のうちバイオマスのように水分が高い場合、プラスチックにように熱分解に伴う熱吸収が大きく、また、揮発分が高く燃焼室１２内に循環され流入してくるチャー及びタールが少ない場合には、平衡点の温度が低くなる。すなわち、ガス化室１１から循環して流入する流動媒体の温度が低く、燃焼室１２内の温度が低下し、高炉ガス若しくは転炉ガス又はその混合ガスだけでは火炎を維持できない場合がある。その場合にはコークス炉ガスを混合、若しくは単独で利用し、安定な火炎の形成下で燃焼室１２内での流動媒体への熱量補填を実施することで安定的に運転を継続することができる。

また、炉の構造上、流動化を得るために必要な空気量には下限があり、補填熱量の大小にかかわらず一定以上の空気を投入する必要がある。図１の参考例のように、燃焼室１２の流動化ガスとして空気のみを使用した場合には大量の空気による冷却効果によって燃焼室１２内での熱が燃焼排ガスとして排出され、流動媒体に与える以上の大きな熱量を補助熱源として供給する必要が起こり得る。これに対して、図２の実施例のように、補助熱源兼流動化ガスとして高炉ガス等及びその燃焼用空気を用いることで、流動化維持に必要な流動化ガス流量とガス化に必要な流動媒体への熱量補填を同時にバランスさせることができる。

また、図２に示すように、燃焼室１２の流動化ガスの一部もしくは全部を、燃焼室からの廃熱で得られた蒸気を利用した空気予熱器５１及びガス予熱器５２による間接熱交換、もしくは廃熱直接による間接熱交換により予熱しても良い。

本発明の参考例の統合型ガス化炉を示す概略構成図である。本発明の実施例の統合型ガス化炉を示す概略構成図である。本発明の統合型ガス化炉におけるガス化室出口の熱量構成を示す。本発明の統合型ガス化炉における燃焼室の熱量構成を示す。本発明における燃焼室の熱量補填の概念を示す。従来の間接加熱方式のガス化炉を示す概略構成図である。従来の間接加熱方式のガス化炉における熱分解生成物の熱量構成を示す。従来の部分燃焼式のガス化炉を示す概略構成図である。従来の部分燃焼式のガス化炉における熱分解生成物の熱量構成を示す。従来の部分燃焼式のガス化炉におけるガス化室出口の熱量構成を示す。従来の統合型ガス化炉を示す概略構成図である。従来の統合型ガス化炉における熱分解生成物の熱量構成を示す。従来の統合型ガス化炉におけるガス化室出口の熱量構成を示す。従来の統合型ガス化炉における燃焼室の熱量構成を示す。

符号の説明

１０統合化ガス化炉
１１ガス化室
１２燃焼室
１３仕切壁
１４バーナ
１５ガス配管
１６ａ，１６ｂ、１７ａ，１７ｂ温度計
１８制御装置
１９流量調節バルブ
２０ロータリーキルン
２１キルン円筒
３０部分燃焼式の流動床ガス化炉
４０統合化ガス化炉
４１ガス化室
４２燃焼室
４３仕切壁
５０流動床の炉床面に配したガスノズル
５１空気予熱器
５２ガス予熱器

Claims

１つの流動床炉内に、有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化室と、有機性廃棄物の熱分解により生成し流動媒体に随伴する随伴物を燃焼する燃焼室とを仕切壁により隔離して設け、流動媒体をガス化室と燃焼室との間で循環させる統合型ガス化炉において、
燃焼室の補助熱源兼流動化ガスとして、高炉からの高炉ガス、転炉からの転炉ガス、コークス炉からのコークス炉ガスのいずれか１種又は２種以上及びそれらを燃焼させる燃焼用空気を供給する手段を設けたことを特徴とする統合型ガス化炉。
１つの流動床炉内に、有機性廃棄物を熱分解してガス化するガス化室と、有機性廃棄物の熱分解により生成し流動媒体に随伴する随伴物を燃焼する燃焼室とを仕切壁により隔離して設け、流動媒体をガス化室と燃焼室との間で循環させる統合型ガス化炉の操業方法において、
燃焼室の補助熱源兼流動化ガスとして、高炉からの高炉ガス、転炉からの転炉ガス、コークス炉からのコークス炉ガスのいずれか１種又は２種以上及びそれらを燃焼させる燃焼用空気を供給することを特徴とする統合型ガス化炉の操業方法。