JP4883963B2 - 燃料ガス製造システム - Google Patents

Description

本発明は、下水汚泥などの有機廃棄物を高温高圧の亜臨界条件下で水熱分解及び酸化分解して燃料ガスを製造するシステムに関するものである。

下水汚泥その他の有機廃棄物を高温高圧条件下で酸化分解し、固形残渣量を減少させる技術については、特許文献１〜３に示されるように既に多くの提案がなされている。これらの先行技術は、含水有機廃棄物を高温高圧の亜臨界条件下で酸素等の酸化剤と接触させて酸化分解し、窒素、二酸化炭素、水蒸気等のガスとすることにより、埋設処分する必要のある固形残渣量をできるだけ減少させることを目的としている。

ところが最近、バイオマスからのエネルギー回収が注目されており、有機廃棄物を完全に酸化分解するのではなく、有機廃棄物を原料としてメタンや水素などの燃料ガスを製造することが試みられている。そのための手段として、有機廃棄物を高温高圧条件下で酸化分解する技術の応用も検討されているが、特許文献１〜３に示されたような完全酸化を目的とするシステムはもちろんそのまま使用することはできない。

そこで酸化剤の供給量を絞って（酸素比を１未満として）有機廃棄物を水熱分解し、燃料ガスを製造することとなるが、亜臨界条件下（２００〜６５０℃）では酸素比を抑えると難分解性のチャーが生成されてしまい、固形残渣発生量が増大するという問題を生ずる。またこの問題を回避しようとして酸素比を増加させると、酸化剤は発生した燃料ガスの一部を燃焼させてしまう。この結果、燃料ガス成分が低下し、低カロリーで使い道の限られた燃料ガスしか得られないこととなる。

このように、有機廃棄物を亜臨界条件下で酸化分解する技術を応用した場合、有機廃棄物に含まれるカーボンを効率よく燃料ガスに変換して固形残渣となる難分解性のチャーの生成を抑制し、しかも高カロリーの燃料ガスを製造することはできなかった。
特許第３４０５２９５号公報 特開２００４−２９０８１９号公報 特開２００４−３１３９６５号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決し、有機廃棄物を亜臨界条件下で水熱分解及び酸化分解し、固形残渣の発生量を抑制しつつ、高カロリーの燃料ガスを製造することができるシステムを提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するためになされた請求項１の発明は、温度が２００〜６５０℃、圧力が０．１〜２２．１ＭＰａの高温高圧条件下で水熱分解して燃料ガスを製造するシステムであって、内部に搬送機構を有する管型の燃料ガス生成反応器を備え、その出口に近い側に酸化剤投入口を設け、原料投入口に近い側に燃料ガス取出口を設けることにより、原料搬送方向と酸化剤流動方向とを逆向きとしたことを特徴とするものである。

また同一の課題を解決するためになされた請求項２の発明は、原料である有機廃棄物を、温度が２００〜６５０℃、圧力が０．１〜２２．１ＭＰａの高温高圧条件下で水熱分解して燃料ガスを製造するシステムであって、内部に搬送機構を有する管型の燃料ガス生成反応器を備え、この燃料ガス生成反応器が、燃料ガス取出口を有する燃料ガス生成部と、その原料進行方向の後段に配置された酸化剤投入口を有する酸化部とから構成され、それらの間が二重ダンパーまたはバルブにより区画されていることを特徴とするものである。この請求項２の発明においては、酸化部から取り出された排ガスの保有熱を、燃料ガス生成部の加熱に利用することが好ましい。

請求項２の発明においては、酸化部における酸化剤投入口を、原料と接触する下面側あるいは原料表面から５０ｍｍ以内の位置に設けることが好ましい。酸化部における酸化剤投入口は、複数に分割した構造とすることができ、酸化剤が、酸素、空気、過酸化酸素水から選択されたものであることが好ましい。また酸化剤の投入量は、原料中の炭素、水素、窒素を完全に酸化させるに必要な量の５〜８０％とすることが好ましい。

請求項１の発明の燃料ガス製造システムによれば、原料である有機廃棄物を高温高圧の管型の燃料ガス生成反応器内に投入し、搬送機構によりその内部で搬送しながら、出口に近い側から酸化剤を投入し、原料投入口に近い側から燃料ガスを取り出す。このように原料搬送方向と酸化剤流動方向とを逆向きとしたため、有機廃棄物は酸化剤濃度の低い入口側の部分（燃料ガス生成部）で水熱分解されてメタンや水素などの燃料ガスとなり、直ちに燃料ガス取出口から取り出される。このため高カロリーの燃料ガスを製造することができる。また有機廃棄物のうち燃料ガス化しにくいものはチャーなどの固体となって酸化剤濃度の高い出口側の部分（酸化部）に搬送され、酸化分解されて炭酸ガスとなる。このため固形残渣の排出量が減少する。

請求項２の発明の燃料ガス製造システムも、有機廃棄物は入口側の燃料ガス生成部で水熱分解されてメタンや水素などの燃料ガスとなり、直ちに燃料ガス取出口から取り出される。このため高カロリーの燃料ガスを製造することができる。また有機廃棄物のうち燃料ガス化しにくいものは酸化部に搬送され、酸化分解されて炭酸ガスとなる。このため固形残渣の排出量が減少する。このように請求項２の発明の作用効果は基本的には請求項１の発明と同様であるが、燃料ガス取出口を有する燃料ガス生成部と、酸化剤投入口を有する酸化部との間が二重ダンパーまたはバルブにより区画されているため、酸化剤が燃料ガス生成部に流入して燃料ガスの一部を燃焼させてしまうことをより確実に防止でき、より高カロリーの燃料ガスを製造することが可能となる。

図１は請求項１の発明の実施形態を示すもので、１は高温高圧の燃料ガス生成反応器である。この実施形態では、燃料ガス生成反応器１は燃料ガス生成部２と酸化部３とからなり、それらの間は連結部４により連通されている。しかし燃料ガス生成部２と酸化部３とを直結することも可能である。燃料ガス生成部２と酸化部３は何れも管状のもので、それぞれの内部に搬送機構５、６を備えている。搬送機構５、６としては軸部のシールが容易なスクリュー式のものが好ましい。燃料ガス生成反応器１の全体は、温度が２００〜６５０℃、圧力が０.１〜２２.１ＭＰａの高温高圧条件下に置かれている。より好ましくは、温度が４５０〜６５０℃、圧力が４〜２０ＭＰａの亜臨界条件とする。

燃料ガス生成部２の端部には原料投入口７が設けられ、原料である有機廃棄物が加圧されて投入される。有機廃棄物は下水汚泥に代表される含水有機廃棄物であるが、生ゴミや畜産廃棄物のような含水有機廃棄物であってもよい。図示のように燃料ガス生成部２は酸化部３よりも大径で上部にガス流通が可能な空間を有し、原料投入口７に近い側に燃料ガス取出口８が設けられている。

燃料ガス生成部２の原料進行方向の後段に接続された酸化部３は、その後端に出口９を備えている。また酸化部３には、酸化剤投入口１０が設けられている。酸化剤投入口１０から、酸素、空気、過酸化酸素水から選択された酸化剤が供給され、燃料ガス生成部２で燃料ガス化できなかったチャー等の固形分を酸化分解する。このように本発明では燃料ガス生成反応器１の出口９に近い側に酸化剤投入口１０を設け、原料投入口７に近い側に燃料ガス取出口８を設けることにより、原料搬送方向と酸化剤流動方向とを逆向きとし、カウンターフロー型の反応器を構成している。

本発明では酸化部３に供給された酸化剤を固形分とすばやく接触させて固形分を優先的に燃焼させるため、酸化部３における酸化剤投入口１０を、図示のように原料と接触する下面側に設ける。あるいは酸化部３の管径を小さくし、酸化剤投入口１０が原料表面から５０ｍｍ以内となるようにすれば、上面や側面から供給してもよい。酸化剤と固形分との接触が不十分であると、固形残渣の発生量が増加するとともに、燃料ガス生成部２に流入した酸化剤が燃料ガスを燃焼させてしまうので好ましくない。

なお、酸化剤投入口１０は単一とすると局部高温が発生するため、図示のように複数に分割することが好ましく、その数は２〜５０個、好ましくは５〜１５個である。また酸化剤の投入量は、原料中の炭素、水素、窒素を完全に酸化させるに必要な量の５〜８０％とすることが好ましい。

このように構成された請求項１の燃料ガス製造システムでは、原料投入口７から高温高圧の燃料ガス生成部２に有機廃棄物を投入し、温度が２００〜６５０℃、圧力が０.１〜２２.１ＭＰａの条件下で有機物を水熱分解し、メタンや水素などの燃料ガスを生成させる。この燃料ガス生成部２における酸化剤濃度は低いので、生成された燃料ガスは燃焼することなく、原料投入口７に近い側に設けられた燃料ガス取出口８から高カロリーの燃料ガスとして取り出される。

原料は搬送機構５により燃料ガス生成部２内を搬送されながら水熱分解されて行くが、水熱分解されなかった固形分は酸化部３に入り、酸化剤投入口１０から投入される酸化剤と接触して高温高圧下で酸化分解される。前記したように酸化剤投入口１０は固形分と接触するか、あるいはその近傍から供給されるので、固形分は酸化されて炭酸ガス等の燃焼ガスとなる。このとき多量の酸化熱が発生して燃焼ガスは高温になるが、これを燃料ガス生成部２に導入することによって燃料ガス生成部２を高温に維持する熱源として利用することができる。酸化できなかった固形残渣は出口９から排出されるが、その量はごく微量であり、有機廃棄物重量の１５％以下となる。

上記したように、請求項１の燃料ガス製造システムによれば、有機廃棄物から高カロリーの燃料ガスを製造することができ、固形残渣の発生量も微量とすることができる。

図２は請求項２の発明の実施形態を示すもので、燃料ガス生成反応器１が、燃料ガス取出口８を有する燃料ガス生成部２と、酸化剤投入口１０を有する酸化部３とから構成されていることは請求項１と同様であるが、それらの間が、連結部４に設けられた二重ダンパーまたはバルブ１１により区画されている点で基本的に相違する。

このように燃料ガス生成部２と酸化部３とを遮断可能としたので、燃料ガス取出口８を燃料ガス生成部２の後端付近に設けることができる。また酸化部３で発生した燃焼ガスは燃焼ガス取出口１２から取り出され、燃料ガス生成部２の熱交換用２重ジャケット１３に供給されて燃料ガス生成部２を加熱するために利用される。なお、温度や圧力等の条件を含め、その他の点は請求項１と同様であるので、対応する部分に同一の番号を付して説明を省略する。

このように構成された請求項２の燃料ガス製造システムにおいても、原料投入口７から投入された有機廃棄物は燃料ガス生成部２で水熱分解され、生成されたメタンや水素などの燃料ガスは燃料ガス取出口８から取り出される。請求項２の燃料ガス製造システムでは酸化部３からの酸化剤の流入がないので、生成された燃料ガスは燃焼することなく高カロリーの燃料ガスとして取り出される。

水熱分解されなかった固形分は、二重ダンパーまたはバルブ１１を開くことにより酸化部３に落下し、酸化剤により高温高圧下で酸化される。このため出口９から排出される固形残渣の量を請求項１と同様、微量とすることができる。またこの酸化に伴い発生した高温の燃焼ガスは、燃料ガス生成部２の熱交換用２重ジャケット１３に供給されて燃料ガス生成部２を加熱するために有効利用される。

図１に示した請求項１のシステムを用い、下水汚泥を原料として燃料ガスを製造する実験を行った。燃料ガス生成反応器内部の温度は５２０℃、圧力を１５ＭＰａとした。酸素比（原料中の炭素、水素、窒素を完全に酸化させるに必要な酸素量を１とする）を０.５とした場合と０.７とした場合につき、燃料ガス取出口から取り出されたガス中のメタン、エタン、水素の体積％を表１に示す。

図２に示した請求項２のシステムを用い、実施例１と同一条件で下水汚泥を原料として燃料ガスを製造する実験を行った。その結果を表２に示す。実施例１、２とも、高カロリーの燃料ガスを得ることができた。

請求項１の発明の実施形態を示す断面図である。 請求項２の発明の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料ガス生成反応器
２ 燃料ガス生成部
３ 酸化部
４ 連結部
５ 搬送機構
６ 搬送機構
７ 原料投入口
８ 燃料ガス取出口
９ 出口
１０ 酸化剤投入口
１１ 二重ダンパーまたはバルブ
１２ 燃焼ガス取出口
１３ 熱交換用２重ジャケット

Claims (7)

1. 原料である有機廃棄物を、温度が２００〜６５０℃、圧力が０．１〜２２．１ＭＰａの高温高圧条件下で水熱分解して燃料ガスを製造するシステムであって、内部に搬送機構を有する管型の燃料ガス生成反応器を備え、その出口に近い側に酸化剤投入口を設け、原料投入口に近い側に燃料ガス取出口を設けることにより、原料搬送方向と酸化剤流動方向とを逆向きとしたことを特徴とする燃料ガス製造システム。
2. 原料である有機廃棄物を、温度が２００〜６５０℃、圧力が０．１〜２２．１ＭＰａの高温高圧条件下で水熱分解して燃料ガスを製造するシステムであって、内部に搬送機構を有する管型の燃料ガス生成反応器を備え、この燃料ガス生成反応器が、燃料ガス取出口を有する燃料ガス生成部と、その原料進行方向の後段に配置された酸化剤投入口を有する酸化部とから構成され、それらの間が二重ダンパーまたはバルブにより区画されていることを特徴とする燃料ガス製造システム。
3. 酸化部から取り出された排ガスの保有熱を、燃料ガス生成部の加熱に利用することを特徴とする請求項２に記載の燃料ガス製造システム。
4. 酸化部における酸化剤投入口を、原料と接触する下面側あるいは原料表面から５０ｍｍ以内の位置に設けたことを特徴とする請求項２に記載の燃料ガス製造システム。
5. 酸化部における酸化剤投入口を、複数に分割したことを特徴とする請求項２に記載の燃料ガス製造システム。
6. 酸化剤が、酸素、空気、過酸化酸素水から選択されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料ガス製造システム。
7. 酸化剤の投入量が、原料中の炭素、水素、窒素を完全に酸化させるに必要な量の５〜８０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料ガス製造システム。

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