JP5004093B2 - 可燃ガスを生成するためのガス化反応炉 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源、及び石炭等を炭化水素系固体燃料として利用し、可燃ガスとして取り出すためのガス化反応炉に関するものであり、特にガス化炉内でのチャーのガス化を促進し、高効率で可燃ガスを取り出すための高効率ガス化反応炉に関するものである。

従来から、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源等を炭化水素系固体燃料として利用し、生成したガスを、可燃ガス及び熱源として利用することにより、有機資源の有効活用を図る技術が開発されている。
生成したガスを可燃ガスとして取り出すためには、生成ガスに含まれるタールが析出する、或いはチャーが酸素と触れると燃焼する等の問題があるため、一般的には、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源、及び石炭等を炭化水素系固体燃料として利用し、これを、ガス化炉内において可燃ガスにガス化した後、未燃残渣分を燃焼炉に導き、酸素や空気などの酸化剤を用いて燃焼ガスとする方法を採用している。

従来の有機資源等を炭化水素系固体燃料として利用し、可燃ガスとして取り出す方法及び装置においては（下記特許文献１、２参照）、蒸発したアルカリがチャーへ吸着することもあり得るが、その可能性は極めて低いために、燃焼炉へ導入するチャーの割合が高く、ガス化炉で取り出せる生成ガスが少ない、すなわち、ガス化効率が悪いのが現状であって、低温で高含有チャー燃料のガス化を促進させたいという課題が未だに解決されていないのが現状である。また、高揮発分含有燃料に対しても、より高効率で生成ガスを取り出したいという要望もある。

本発明者らは、こうした問題を解決する技術の１つとして、従来の燃焼炉とガス化炉を分離して、燃焼ガスとガス化ガスをそれぞれ別々に取り出す方法に加え、ガス化炉をさらにアルカリ吸収炉とチャーガス化炉とに分離して、熱分解ガスとガス化ガスをそれぞれ別々に取り出す方法を提案している（下記特許文献３参照）。
本提案のガス化方法及びガス化反応炉によれば、チャーガス化において、熱分解ガス及びタールによる阻害の影響をなくすことができる。さらに、気泡流動層としたアルカリ吸収炉において、アルカリ含有量が高い固体燃料からアルカリを蒸発させ、それをチャーの含有量が高い固体燃料に吸着させて、アルカリをチャーのガス化触媒として利用することで、チャーガス化炉において、チャーのガス化が促進される。
特開２００５−６８２９７号公報 特開２００５−６８３７３号公報 特願２００７−１２３３７３号

本発明者らがさらに検討を重ねた結果、前記提案における反応炉のように、アルカリ吸収炉が気泡流動層であると、高速流動層に比べてガス、粒子の滞留時間が多くとれるにも関わらず、アルカリとチャーの接触の課題が残ることが判明した。また、アルカリ吸収炉を二段炉にし、下段でアルカリを蒸発させ、上段でチャーにアルカリを吸着させることで、一段の気泡流動層よりも高効率で吸着させることができるものの、反応炉が大きくなる問題があることも分かった。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源、及び石炭等を炭化水素系固体燃料として利用し、可燃ガスとして取り出す方法及び装置において、チャーを多く含む固体燃料のガス化を低温で促進させることにより、ガス化炉で取り出せる生成ガスを多くし、高効率で可燃ガスを取り出せるガス化反応炉を提供することにある。さらに、本発明の別の目的は、より高効率で、かつ、コンパクトな構造で可燃ガスを製造できるガス化炉を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を行う過程において、前記アルカリ吸収炉を移動層とすることにより、アルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料から蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を、チャーの含有量が高い固体燃料に吸着させる工程において、より高効率でチャーにアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を吸着させることができることを見出し、本発明の完成に至ったものである。

すなわち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）有機資源及び石炭等の炭化水素系固体燃料の熱分解の際に蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を積極的にチャーに吸着させるアルカリ吸収炉、前記アルカリ吸収炉から導入されたチャーをガス化するガス化炉、及び前記ガス化炉から導入された残渣チャーを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼炉をそれぞれ独立して設け、それぞれの炉を連通路によりこの順に連結してなる炭化水素系固体燃料のガス化反応炉であって、前記アルカリ吸収炉を移動層とすることにより、アルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料から蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を、チャーの含有量が高い固体燃料に吸着させる工程で、より高効率でチャーにアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を吸着させるようにしたことを特徴とする炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。
（２）前記移動層としたアルカリ吸収炉に、チャーの含有量が高い固体燃料を供給する手段及びアルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料を供給する手段を設け、蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属をさらに高効率でチャーへ吸着させるようにしたことを特徴とする（１）に記載の炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。
（３）前記アルカリ吸収炉において熱分解により生成した揮発性の熱分解ガス、前記ガス化炉においてチャーのガス化により生成したガス化ガス、及び前記燃焼炉において生成した燃焼ガスのそれぞれを独立して取り出す手段を設けたことを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。

本発明によれば、アルカリ吸収炉とガス化炉を完全に分離することにより、熱分解ガス及びタールによるチャーのガス化の阻害の影響をなくすことができる。また、本発明によれば、アルカリ吸収炉内で生成する熱分解ガス、ガス化炉内で生成するガス化ガスを別々に取り出すことができる。さらに、本発明においては、バイオマス、ごみ、及び下水汚泥などのアルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料から蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を、石炭等のチャーの含有量が高い固体燃料のチャーに吸着させ、蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属をチャーのガス化触媒として有効に利用できる。

本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
（第１の形態）
図１は、本発明に用いる反応炉の第１の形態を示す概要図であって、アルカリ吸収炉、ガス化炉、及び燃焼炉がそれぞれ独立して設けられ、それぞれの炉が連通路によりこの順に連結されている。
図１に図示する反応炉においては、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源、及び石炭等の炭化水素系固体燃料を、アルカリ吸収炉に供給するとともに、生成した燃焼ガスの一部を再循環させたＣＯ_２ガス、あるいはＮ_２やＡｒのような不活性ガス、水蒸気等を導入し、熱分解させる。アルカリ吸収炉内で燃料の熱分解時に蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属をチャーへ高効率に吸着させるために、移動層としている。サイクロンによって生成した熱分解ガスと粒子が分離され、チャーと流動媒体は、次のガス化炉へ導入される。
またアルカリ吸収炉の上部には、発生した熱分解ガスを取り出す手段が設けられている。取り出された熱分解ガスは、可燃ガスの一種であって、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに利用されるが、タールを含んでいるため、流動媒体として多孔質粒子の使用や、炉の後段に改質炉や活性炭によるタール吸収塔などによりタールを分解・除去する必要がある。

ガス化炉は流動層とされており、アルカリ吸収炉から導入された未燃チャーは、下部より導入されたガス化剤とのガス化反応によりガス化される。ガス化剤としては、水蒸気、部分酸化燃焼として酸素あるいは空気などが用いられる。
ガス化炉内で生成したガス化ガスは、ガス化炉上部より取り出す一方、残渣チャーと流動媒体は、次の燃焼炉へ導入される。
取り出されたガス化ガスは可燃ガスであり、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに利用される。

燃焼炉は、流動層とされており、残渣チャーが完全燃焼可能な滞留時間を確保する。該燃焼炉では導入された残渣チャーを、燃焼炉の下部より導入された酸素或いは空気とともに、燃焼させ、サイクロンにより燃焼ガスを取り出す。一方、再加熱された流動媒体は再びアルカリ吸収炉へ戻される。
取り出された燃焼ガスは、熱源として利用されるものであり、前述したとおり、その一部はアルカリ吸収炉に再循環させることも可能である。また、前記ガス化炉又は燃焼炉に導入する空気や蒸気等の予熱としても利用できる。

図２及び図３は、図１に図示した反応炉において、アルカリ吸収炉とガス化炉の間の連通路の構造を変更しただけのものであり、これらの図２ないし図３に示す反応炉においては、固体燃料及び流動媒体の流れは、いずれも同じであり、アルカリ吸収炉→連通路→ガス化炉→連通路→燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→アルカリ吸収炉となる。

（第２の形態）
本発明に用いる反応炉の第２の形態は、前記移動層としたアルカリ吸収炉に、石炭などのチャーの含有量が高い固体燃料を供給する手段、及びバイオマス、ごみ、及び下水汚泥等のアルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料を供給する手段を設けるものである。
図４は、本発明の第２の形態の１例を示すものであって、図１に示した反応炉において、アルカリ吸収炉の上部より、石炭等のチャーの含有量が高い固体燃料（高含有チャー燃料）を、側部より、バイオマス、ごみ、及び下水汚泥等のアルカリ及び／又はアルカリ土類金属の含有量が高い固体燃料（高含有アルカリ燃料）を供給し、これらの炭化水素系固体燃料を熱分解させる。
図４に示す反応炉においては、アルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料から生成した熱分解ガスと蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を、上部のチャーの含有量が高い固体燃料へ、より高効率で吸着させることが可能となる。

図４では、チャーの含有量が高い固体燃料を供給する手段及びアルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料を供給する手段を、それぞれアルカリ吸収炉の上部及び側部に設けた例を記載したが、本発明においては前記アルカリ吸収炉を移動層としているので、両手段が設けられていればよく、異なる場所に設けられていても、或いは同じ場所に設けられていてもよく、それらの場所は何ら限定されるものではない。
例えば、図５は、図１に示した反応炉において、アルカリ吸収炉の上部より、石炭等の高含有チャー燃料と、バイオマス、ごみ、及び下水汚泥等の高含有アルカリ燃料の両者を供給し、熱分解させるものである。
また、図２、及び図３においても燃料供給方法を、図４、５等の第２の形態と同様にすれば、同様の効果が得られる。

本発明によれば、アルカリ吸収炉とガス化炉を完全に分離することにより、熱分解ガス及びタールによるチャーのガス化の阻害の影響をなくすことができ、高効率でガス化することが可能であるため、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの未利用炭化水素資源への有効な利用が見込まれる。また、本発明によれば、アルカリ吸収炉を移動層とすることで、熱分解によって蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属をチャーに高効率で吸着させ易い。したがって、固体燃料のハイブリッドガス化（共ガス化）、特に、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機廃棄物燃料と、石炭とのハイブリッドガス化が可能となるため、より多くの未利用固体燃料の有効利用が期待される。さらに、本発明により得られる可燃ガス、すなわち、アルカリ吸収炉から得られた熱分解ガス及びガス化炉から得られたガス化ガスは、それぞれ燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料等に有効に利用される。

本発明の反応炉の第１の形態を示す概要図 図１の反応炉において、アルカリ吸収炉とガス化炉の間の連通路を変更した１例を示す概要図 図１の反応炉において、アルカリ吸収炉とガス化炉の間の連通路を変更した他の１例を示す概要図連通路の変更例を示す概要図 本発明の反応炉の第２の形態の１例を示す概要図 本発明の反応炉の第２の形態の他の例を示す概要図

Claims (3)

1. 有機資源及び石炭等の炭化水素系固体燃料の熱分解の際に蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を積極的にチャーに吸着させるアルカリ吸収炉、前記アルカリ吸収炉から導入されたチャーをガス化するガス化炉、及び前記ガス化炉から導入された残渣チャーを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼炉をそれぞれ独立して設け、それぞれの炉を連通路によりこの順に連結してなる炭化水素系固体燃料のガス化反応炉であって、前記アルカリ吸収炉を移動層とすることにより、アルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料から蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を、チャーの含有量が高い固体燃料に吸着させる工程で、より高効率でチャーにアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を吸着させるようにしたことを特徴とする炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。
2. 前記移動層としたアルカリ吸収炉に、チャーの含有量が高い固体燃料を供給する手段及びアルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料を供給する手段を設け、蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属をさらに高効率でチャーへ吸着させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。
3. 前記アルカリ吸収炉において熱分解により生成した揮発性の熱分解ガス、前記ガス化炉においてチャーのガス化により生成したガス化ガス、及び前記燃焼炉において生成した燃焼ガスのそれぞれを独立して取り出す手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。

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