JP4547244B2 - 有機物のガス化装置 - Google Patents
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Description
本発明者らは、(特許文献1)において、これまでの実用化プロセス及びその後に実証段階に入った各プロセスを検討し、これらは、各地域に分散して発生する原料をガス化してその地域でのエネルギー源として使用する、小規模分散型エネルギープロセスには適当ではないことを明らかにするとともに、循環型社会の形成に適う分散型エネルギーシステムとして最適な有機物のガス化装置を提案した。
タールは熱分解温度を高くするほど減少し、1300℃以上ではほとんど分解して水素、一酸化炭素などのガスとなるため、タールを減少するために高温度で熱化学反応を行わせる方法がとられている。しかし、この方法は外熱式の場合材料金属の腐食劣化を生じ1100℃以上では不可能に近く、1000℃以上でも長期連続運転は困難であるため採用できない。そこで通常部分燃焼による内熱式を採用し耐火レンガを用いることで解決しているが、昇温に多くのガスを消費してしまいガス化効率が低下してしまう。また部分燃焼に空気を用いた場合は得られたガスの発熱量が低下しガスエンジン用には利用しにくい。
また、熱分解ガスを水と直接接触させてタールを冷却液化して分離する方法もとられているが、水処理負荷が大きくなること及びタールのなかに含まれている冷却固化成分のため流動性が悪くハンドリングがしにくいなどの問題がある。
有機物の効率のよい熱化学変換ガス化装置を開発する上での解決すべきもう一つの課題は、チャーの利用である。通常900℃以上の高温で水蒸気改質を行うかあるいは、燃焼して熱として利用する方法がとられているが、この方法はガス化効率を低下させてしまい、タールと同様、効率のよいガス化手段を開発する際の障害となっている。
すなわち、バイオマスあるいは有機物系廃棄物を加熱して熱分解、水蒸気改質などの熱化学変換反応を進行させガスとチャーを発生させる「熱化学変換装置」と、ガスを、冷却したタール油と直接接触させて冷却し、ガス中のタールを凝縮液化(又は油化)する「タール分離装置」と、チャーを水蒸気などのガス化剤で改質する「チャー改質ガス化装置」からなり、タール液の増加分を前記「熱化学変換装置」に送入してタールを分解ガス化させるよう構成された有機物のガス化方法及び装置である。
より明確にするため、本発明の基幹部分を具体例で述べると、原料有機物を非部分燃焼型熱分解装置に送入して1100℃以下、好ましくは700℃以下で熱分解し、得られたガスをタール分離装置に送入してタール液と接触させ、ガスに含まれるタール成分をタール液として回収し、これを熱分解装置に戻して更なる熱分解反応を進行させることによって、熱分解温度以上に昇温することなしにタールをガス化することによる効率の高い有機物のガス化装置及びその方法である。
本発明によれば、有機物を1100℃以下、好ましくは700℃以下で熱化学変換してガスをチャーに接触させるようにして得た熱分解ガスに、次の工程で冷却されたタール液を噴霧接触させてガスに含まれているタールを凝縮液化すると同時にタール液と溶解一体化させて除去することで、優れた除去効率を示すと同時に、除去したタールを熱分解装置に戻してガス化することによってガス化効率を高めることが出来る。更に、タール液を循環する際に冷却する過程でガスの顕熱を熱回収でき、例えば水蒸気として回収してチャーのガス化剤として利用することによって、総合エネルギー効率を向上させることができる。また、熱化学変換温度を700℃以下に抑えることによってガス化効率を高めるとともに回転キルン等の金属材質の腐食を防ぎ長期の安定した操作を可能にする。
<実施形態1>
図1に示すガス化装置は、有機物とチャーを、熱分解、水蒸気ガス化などの熱化学変換によってガスとチャーにし、ガスに含まれるタールを分離して回収したタールを再び熱化学変換工程に戻すとともに、チャーも熱化学変換ガス化して、これによって原料有機物のほとんど全部をガス化するためのものであり、生成したガスは水素、一酸化炭素、メタン等の可燃性ガスで構成されており、ガスエンジン、ガスタービン発電の燃料として、更には燃料電池用の水素もしくはアルコール、アンモニアなどの化学原料として有効利用することができる。本発明のガス化装置は、ガス化効率が高いことから小規模であっても経済性のよい装置とすることができる。
このようにして得られた原料ガス5、5′は、公知のガス精製装置Cにより酸性ガスなどの不純物が除去されてクリーンガス6となり、ガスホルダーDに貯留され、各種燃料あるいは化学原料として有効利用される。
第2熱化学変換装置A2に送入されるガス化剤9は、クリーンガス6の一部6′を用いてガス燃焼炉Fで発生した燃焼ガスと、過熱水蒸気8を用いている。燃焼ガス7は、熱化学変換装置A1を加熱し冷却したものを、過熱水蒸気8は、タール分離装置Bで昇温したタール液3を冷却する装置で発生した蒸気10を、クリーンガス6の他の一部6″を使って作動・発電させるガスエンジン発電機Eからのガス発電排ガス11の熱を利用し、過熱蒸気発生装置Gにおいて加熱し発生させたものを用いている。
燃焼ガス7は必ずしもガス化剤として利用することに限定したものではなく、例えば過熱蒸気発生装置Gにおいて過熱水蒸気8の発生熱源として利用したのち大気放出してもよい。又、加熱装置aはクリーンガス6′を燃料とした燃焼ガス7のもつ熱によるものを用いているがこれには限定されず、チャーまたはタールの燃焼熱によるものであってもよいし、電気あるいは電磁波により発生する熱によるものであってもよい。
又、チャーのガス化を行わずに、そのまま取り出し有効利用してもよい。更に、熱化学変換装置は、ガス化剤を送入しないで行う熱分解であることには限定されず、過熱水蒸気などの、ガス化剤を送入した熱分解・水蒸気改質装置であってもよい。
図2において、バイオマスあるいは有機物系廃棄物1′は触媒添加装置Hにおいて触媒12を含有する原料1となる。ここでは触媒としては硝酸鉄、酢酸ニッケルのように700℃以下の低温で金属酸化物又は金属を生成する塩を用い、触媒添加装置としては触媒水溶液に原料を浸潤したのち液を分離するものを用いているが、必ずしもこれに限定するものではない。触媒含有原料1はガス化剤としての過熱水蒸気8とともに、熱化学変換装置Aに投入される。熱化学変換装置Aは、加熱装置aから必要な電熱の供給を受けており、原料1は、ここでガス2とチャー4に変換する。ガス2は、実施形態1と同様タール分離装置Bを用いることによって原料ガス5となり、チャー4は過熱水蒸気8とともに熱化学変換装置Aに投入され触媒の作用で700℃以下の低温度でガス化される。過熱水蒸気8は実施形態1と同様の方法で発生させたものを用いている。このように図2に示す装置は、一つの熱化学変換装置Aで原料有機物をほぼ完全にガス化する装置を示しているが、必ずしもこれに限定するものではなく、例えば図1の第2熱化学変換装置A2と同様、チャーを水蒸気改質するものであってもよい。第2熱化学変換装置A2から得られるチャーは触媒を含んでいるため、700℃以下の低温で改質ガス化できる。これに対し触媒を用いない場合は1000℃の熱を必要とするから、これに比べチャー改質ガス化に必要な熱は少なくてすみ、その結果、高効率で高カロリーガスを得ることができる。なお、加熱装置aは電熱を用いているが必ずしもこれに限定されるものでなく、実施形態1と同様の燃焼ガスの熱によるものであってもよい。
図3に示すガス化装置は実施形態1と同様の装置で、触媒を含有しない原料を用いて得られたチャーに触媒12を混合して、実施形態2と同様に1つの熱化学変換工程で有機物の完全ガス化を実施する装置を示したものである。すなわち、熱化学変換装置Aで得られたチャー4を触媒12とともに混合装置Iで十分に混合して触媒混合チャー4′とし、これをガス化剤である過熱水蒸気8とともに、熱化学変換装置Aに送入し、ガス2とチャー4に変換する。ガス2は実施形態1,2と同様の方法で原料ガス5となり原料中の有機物はほぼ完全にガスに変換される。
図4に示すガス化装置は、原料を比較的低温で熱分解し、生成したガスに含まれるタールを分離して最終的にクリーンな燃料ガスを得ると共に、分離したタール液を原料の一部として再利用するシステムを実現するためのものである。
図示のガス化装置は、基本的には、前後に原料の送入と処理後のガスおよびチャーの排出を行う手段を備えた筒状体から構成される熱分解装置Aと、該熱分解装置Aに続いて配置され、送られてくる熱分解ガスからタール分を除去するためのタール分離装置Bと、該タール分離装置Bからのガスを清浄化するためのガス精製装置Cと、該ガス精製装置Cで処理されたクリーンな燃料ガスを貯蔵するガスホルダーDと、前記タール分離装置から出る昇温したタールを冷却して再度タール分離装置内に循環送入するクーラーJとから構成される。
前記筒状体13の外周は電気炉の炉筒19によって包囲されており、該炉筒内に設けた電気ヒータ21によって筒状体の内部が所望の温度範囲に加熱され、原料1が熱分解される。なお、筒状体の両端には回転シール22a、22bを設け、筒状体内の気体の漏出および筒状体内への空気の流入を防止する。回転シールは公知のものであればよく、必ずしも図4に示されるものには限定されない。また、チャー排出フード18にはシール機構23が設けられているが、これも公知のものであればよく、必ずしも図示の方式に限定されない。更に、送入機構15についても図示のものに限定されず、実質的に連続して投入できる公知のものであってもよい。
なお、タール分離装置は、必ずしも図4に示されるものに限定されない。例えば、熱分解ガスを筒状体Aからの排出直後に傾斜する下向管へ送入し、その頂部から低温のタール液を噴霧流下させることにより該ガスを冷却する方法など、タールガスを凝縮分離するものであれば、いかなる形式のものでもよい。
タール液貯留部25の下端のタール液出口28は、熱分解装置Aの筒状体13の他端側から軸線14に沿って挿入設置されたタール液送入管31と連絡しており、その連絡経路には送入用ポンプ32が介設されており、タール液を筒状体13内に吹き込むことで原料と混合するようにしている。
更に、クーラーJは、循環ポンプ34を介してタール分離装置Bの下部に連絡しており、分離装置の下部に溜まったタール液を、冷却媒体(冷却水)を充填したクーラーJ内に送り込んで冷却する。図示のクーラーJは、循環タール液の冷却に水の蒸発を利用する例であり、頂部に設けた導管35を経て水蒸気を副生することができる。該クーラーJは必ずしも図示のものに限らず、冷却水との熱交換を行うものであれば他の形式のものでもよい。
図5は、本発明における熱化学変換装置の別の態様を示す実施例であり、筒状体37の内部の原料投入側に近い箇所に公知の板状又は筒状の構造物を配置して、筒状体37の回転によって転動する粉粒体(実質的にはほとんどチャー)を循環し、ホッパー16から送入される原料と十分に混合させることができる。
一方、筒状体37の出口に近い領域には、内部にスパイラル面53をもつ複数個(偶数個)の小円筒体54を装備する。このスパイラル面53は筒状体37の回転によって粉粒体を出口方向に進行させるものと、その逆方向に進行させるものとの対をなすように構成される。
図6は図5に示すスパイラル面53及び小円筒体54の拡大説明図、図7は図6の断面説明図である。スパイラル面53はそれぞれ中心軸55の周りに形成されるが、中心軸は必須ではない。また、スパイラル面53を互いに反対方向にした小円筒体54は、図7(a)に示す如く少なくとも1対は必要であり、(b)の如く2対であってもよい。タールと微粉状チャーの全部あるいは一部を筒状体内に送入する管31と、複数個の小円筒体54及び筒状体37の間の隙間は、小円筒体54の一端に設けた隔板56によって仕切られており、筒状体37の内部の熱化学反応によって発生した気体及びタールガスの全部が小円筒体54中を通過して出口から排出されるようになっている。
偶数個の小円筒体54の両端間を循環するチャーの温度が高い場合、もしくは触媒を含有する場合には、発生ガス及びタールガスの熱化学反応が促進され、これによってタール分離装置において凝縮分離し循環して熱化学変換装置に送入するべきタール液量を著しく減少することが可能となる。
チャー中に触媒が、ガス中に水蒸気がそれぞれ存在し、かつ温度が高い場合には、小円筒体内で循環するチャーの一部は水性ガス反応によって一酸化炭素と水素に転化する。図5では送入管31を通してタール液と微粉状チャーが筒状体37に送入されるが、これだけではなく、排出管18から排出されるチャーの一部あるいは全部をホッパー16から原料送入装置を通して筒状体37に送入し、送入管41あるいは送入管31を通して水蒸気57を送入して一酸化炭素と水素に富むガスを発生させることもできる。
また、図4、図5の装置では、いずれも回転筒状体に原料有機物を送入機構を介して連続供給する形式を例示したが、本発明はこれに限定するものではなく、固定した円筒内に送る機構を装備した横型筒状体であってもよい。又、連続投入するものとは限らず予め筒状体内に原料を供給した後密閉し、これを外部から加熱する回分式の形式であってもよい。
図8は鉛直方向に軸線を有する竪型筒状体からなる熱化学変換装置を示したものである。42は耐熱性筒状体、43はその外筒で図示していない断熱材で保温されている。原料1は上部の投入ホッパー44からダンパー45で外気を遮断しながら筒状体内に投入され、耐熱性筒状体42と外筒43の間隙を通過する熱風による筒状壁からの伝熱及び上昇してくるガスの熱によって乾燥・熱分解ガス化されながら容積・重量が減少し、炭化された状態となって下方に移動して格子46に達し、そこでプッシャー47を作動させて筒状体下方部に落下・移動させる。プッシャー47は左右二対となっており、同時に内側に向って作動させることによって、内部で固結した原料を砕いて内部のガス流を均一化するとともに、熱化学変換反応の進行を早める機能も併せてもっている。タール分離装置Bで分離されたタール3′は、格子46の下方に設けた送入口48から送入される。筒状体下方部において、炭化の進んだ原料はその一部がガス化剤送入管49から送入されたガス化剤9と反応してガス化し、残りは排出口50から外気をシールした排出バルブ51を通してチャー4として排出され、その一部は投入ホッパーあるいは筒状体上部から炉内に供給される。
一方、熱分解で発生したガス2は、上昇する過程で原料及びチャーと接触し筒状体上部から排出し、タール分離装置Bに送られる。
C:ガス精製装置 D:ガスホルダー
E:ガスエンジン発電機 F:ガス燃焼炉
G:過熱蒸気発生装置 H:触媒添加装置
I:触媒混合装置 J:クーラー
1:原料 2:熱分解ガス
3、3′:タール 4:チャー
5、5′:原料ガス 6、6′、6″:クリーンガス
7:燃焼ガス 8:過熱水蒸気
9:ガス化剤 10:蒸気
11:ガス発電排ガス 12:触媒
13:筒状体 14:筒状体軸線
15:送入機構 16:ホッパー
17:上部フード 18:下部フード(排出管)
19:炉筒 20:予熱空気
21:電気ヒータ 22:回転シール
23:シール機構 24:ガス処理部
25:タール油貯留部 26:熱分解ガス挿入口
27:タール液挿入口 28:タール油出口
29:タール冷却分離装置出口 30:灰
31:タール液送入管 32:送入ポンプ
33:吸引ブロワ− 34:循環ポンプ
35:導管 36:炉筒
37:筒状体 38:空間
39:送入口 40:出口
41:タール液送入管 42:耐熱性筒状体
43:外筒 44:投入ホッパー
45:ダンパー 46:格子
47:プッシャ− 48:送入口
49:ガス化剤送入管 50:排出口
51:排出バルブ 52:板状又は筒状構造物
53:スパイラル面 54:小円筒体
55:中心軸 56:隔板
Claims (3)
- バイオマスあるいは有機物系廃棄物からなる原料を送入する原料挿入端を一端に有し、他端には前記原料が熱分解された結果生成する熱分解ガスとチャーを排出する手段を有する、水平あるいは水平面に対して若干の傾斜を有する軸線のまわりを回転する筒状体を備えた有機物のガス化装置であって、
前記筒状体の、原料投入端とは異なる一端寄りに、スパイラル板を有する少なくとも1対の円筒を内蔵するとともに、これら1対の円筒では筒状体の回転に伴うスパイラル内での粉粒体の進行方向が互いに反対となるようにし、筒状体内の熱化学反応によって発生したガス及びガス状タールが前記円筒内を通過するように構成したことを特徴とする有機物のガス化装置。 - 前記筒状体の前段に、バイオマスあるいは有機物系廃棄物からなる原料に700℃以下で金属酸化物又は金属を生成する塩である触媒を浸潤する触媒添加装置を備えた請求項1に記載の有機物のガス化装置。
- 前記筒状体の後段に、該筒状体から送られてくる熱分解ガスからタール分を除去するタール分離装置を備え、該タール分離装置と前記筒状体の間には、前記タール分離装置で除去されたタール分を前記筒状体に吹き込むための経路が形成された請求項1または2に記載の有機物のガス化装置。
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