JP5231837B2 - 有機性廃棄物を原料とする炭化物と燃料ガスの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、都市ごみ、木質バイオマス、下水汚泥等の有機性廃棄物をガス化炉でガス化して燃料ガスを製造するとともに、炭素分を含む熱分解残渣を有用な炭化物として製造する方法に関するものである。
従来から、廃棄物を処理するにあたっては、最終処分場（埋立地）の延命化を図るために、廃棄物の減容化を目的として、焼却やガス化溶融等の処理方式が採用されている。一方、最近では二酸化炭素に代表される温室効果ガスの削減の要請から、廃棄物を単純に焼却・溶融処理するのではなく、ガス化や炭化という処理方式によって、廃棄物のエネルギーを有効に利用することのできるシステムが提案されている。
例えば特許文献１には、有機性廃棄物を流動床式のガス化炉に投入して空気比が０．３〜０.７の低酸素雰囲気中で熱分解し、熱分解ガス中の熱分解残渣である炭化物をサイクロンで回収する方法が記載されている。また特許文献２には、有機性廃棄物を流動式のガス化炉に投入して低酸素雰囲気中で熱分解し、熱分解ガス中の熱分解残渣である炭化物をサイクロンで回収するのみならず、サイクロンを通過した熱分解ガスを改質炉で改質して燃料ガスを得る方法が開示されている。これらの方法によれば、従来は単に焼却又は溶融されていた有機性廃棄物を原料として炭化物や燃料ガスを得ることができるので、地球温暖化防止に寄与することができる利点がある。
これらの方法では、熱分解ガスをサイクロンに導いて熱分解ガス中の熱分解残渣である粒状の炭化物を回収している。回収された炭化物は製鋼業で利用される保温材や種々の産業で利用される石油燃料の代替燃料としての助燃材などとして用いられる。このうち保温材は例えば製鋼業で用いられている電気炉等の湯面に散布して湯面からの放熱を防止するものであり、助燃材は種々の産業の石油燃料の代替燃料として用いられるものである。これらはいずれも炭化物を実際に使用するユーザーからその用途に応じて可燃分含有率、炭素含有率等の諸条件を調整することが求められており、例えば保温材は可燃分含有率２５％程度より小さいものが望まれることが多く、助燃材はエネルギー減として４０％程度よりも大きく最大限に調整したものが望まれる。
このため、有機性廃棄物を原料として炭化物を製造する設備においては、炭化物中の可燃分含有率を安定させ、ユーザーの望みに応じて炭化物の性状を調整することが求められる。ところが都市ごみなどの廃棄物は工業原料とは異なり、それ自体の性状が一定ではない。また木質バイオマスについても、剪定枝、草、建設廃材等、水分、熱量が一定でないものがある。このために炭化炉を一定の操業条件で運転しようとしても、投入される廃棄物の水分、可燃分又は固定炭素量が多かったり少なかったりするために、熱分解ガスの発生量や性状および炭化物の発生量や性状が変動することが避けられない。また、炭化物の回収量が変動すると、後段で熱分解ガスを改質した燃料ガスの性状も変動することとなる。しかも改質炉では約９００℃〜１２００℃の高温で熱分解ガスとそれに含まれるタールや炭化物が改質されるため、サイクロンでの炭化物回収率が悪い場合には改質炉でのクリンカ生成トラブルの原因となる。
しかも５００℃〜９００℃という高温場で炭化物の回収に用いられるサイクロンは熱分解ガス流量や炭化物の性状によって回収効率が変動し、外部から集塵効率を操作することが困難であるという特性を持つ。このために廃棄物の性状変動によって熱分解ガスの発生量や炭化物の性状が変動すると、サイクロンにおける炭化物の回収効率が変動する。このことは単に炭化物の回収量の変動にとどまらず、サイクロンにて回収された炭化物中の可燃分含有率の変動をも引き起こす。何故なら、サイクロンはガス中の粒子を遠心力を利用して分級する装置であるが、可燃分含有率の低い粒子は比較的比重が大きく、逆に可燃分含有率の高い粒子は比較的比重が小さく回収されにくい。このため、熱分解ガスの発生量が変動することにより回収量が増加すると可燃分含有率の低い炭化物の比率が増加し、逆に回収量が減少すると可燃分含有率の高い炭化物が多く回収される傾向となる。
このように、性状が一定でない有機性廃棄物から保温材、助燃材などの有用な炭化物を製造し、燃料ガスを製造する場合には、炭化物中の可燃分含有率をガス化炉の温度や酸素比等を制御することによって調整することは可能でも、サイクロンでの回収効率が制御できないために炭化物と燃料ガスの性状を併せて調整することは困難であった。このために従来はサイクロンでは成り行きのままで炭化物を回収し、出来上がりの炭化物及び燃料ガスの量と性状を分析してサイクロンの回収効率を算出し、最適な運転操作条件を検討することが必要であった。または、サイクロンでの回収効率を成り行きとし、出来上がりの炭化物の可燃物含有率等の性状を測定してユーザーのスペックに合った炭化物を選択、または混合によって調整しなければならなかった。
特許第３８３００９６号公報
特開２００７−２２９５６３号公報
本発明は上記した従来の問題点を解決し、性状の一定しない有機性廃棄物を原料として、可燃分含有率が安定した有用な炭化物を製造することができるのみならず、燃料ガスをも製造することができる有機性廃棄物を原料とする炭化物と燃料ガスの製造方法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本発明は、有機性廃棄物を流動床式のガス化炉に投入して低酸素雰囲気中で熱分解し、熱分解ガス中の熱分解残渣である炭化物をサイクロンで回収するとともに、サイクロンを通過した熱分解ガスを改質炉で改質して燃料ガスと炭化物を製造する方法であって、サイクロンを並列に複数台配置し、ガス流量が多い場合には複数台のサイクロンを使用するか又は大型のサイクロンを使用し、ガス流量が減少した場合には使用するサイクロンの台数を制限するか又は小型のサイクロンに切替え、サイクロンで回収される炭化物の可燃分含有率を調整することを特徴とするものである。
本発明においては、請求項２に記載のように、改質炉の後段のろ過式集塵機で燃料ガス中からさらに炭化物を回収し、サイクロン及びろ過式集塵機で回収された炭化物を混合して有用炭化物を製造することが好ましい。ろ過式集塵機には例えばバグフィルタやセラミック集塵機が用いられることが好ましい。また請求項３のように、有機性廃棄物が量や性状の変動の大きな都市ごみや木質バイオマスであり、ガス化炉が流動床式のガス化炉であることが好ましく、さらに請求項４のように、ガス化炉の空気比を０．２〜０.７の範囲の低酸素雰囲気とすることが好ましい。
本発明においては、サイクロンを並列に複数台配置し、ガス流量が多い場合には複数台のサイクロンを使用するか又は大型のサイクロンを使用し、ガス流量が減少した場合には使用するサイクロンの台数を制限するか又は小型のサイクロンに切替える。このために炭化炉に投入される有機性廃棄物の性状変動に伴って熱分解ガスの発生量や炭化物の量や性状が変動した場合にも、サイクロンで回収される炭化物の量や性状を制御することが可能となり、可燃分含有率等の性状をユーザーの用途に合わせて有用な炭化物を製造することができる。またサイクロンを通過した熱分解ガスを改質炉で改質して燃料ガスを得ることもできるので、有機性廃棄物の保有する熱量を無駄にすることなく、燃料ガスとしても回収することができ、サイクロンで回収される炭化物の量や性状を制御できるため、燃料ガスも想定の性状に調整することができる。なお、サイクロンは大きさ、回収効率等が同じ仕様のものを並列に複数台配置することも可能であるが、異なる仕様のものを並列に複数台配置して、熱分解ガスの量に応じて最適なサイクロンを選択して回収率を制御することも可能である。
また請求項２のように改質炉の後段のろ過式集塵機で燃料ガス中からさらに炭化物を回収し、サイクロン及びろ過式集塵機で回収された炭化物を混合して有用炭化物を製造するようにすれば、無駄に廃棄される炭化物量をさらに減少させることができる。なお、ろ過式集塵機で回収される炭化物は改質後及び冷却後であるため、サイクロンで回収される炭化物とは性状が異なる炭化物となるが、本発明によりサイクロンで回収される炭化物の量と性状を調整できるため、例えばサイクロンで回収される炭化物を低い可燃分含有率が求められる保温材として、ろ過式集塵機で回収される炭化物を高い可燃分含有率が求められる助燃材として別々の用途に利用することも可能となる。
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１は本発明の実施形態を示すブロック図であり、有機性廃棄物はガス化炉１に投入されガス化される。有機性廃棄物のうち性状変動の大きな代表的なものは都市ごみや木質バイオマスであるが、その他に畜産廃棄物、農業廃棄物、下水汚泥などの有機分を含む廃棄物であってもよい。なお下水汚泥は比較的性状が安定しているが、他の有機性廃棄物と混合して処理する場合に本発明を採用するメリットが見出せる。
図１は本発明の実施形態を示すブロック図であり、有機性廃棄物はガス化炉１に投入されガス化される。有機性廃棄物のうち性状変動の大きな代表的なものは都市ごみや木質バイオマスであるが、その他に畜産廃棄物、農業廃棄物、下水汚泥などの有機分を含む廃棄物であってもよい。なお下水汚泥は比較的性状が安定しているが、他の有機性廃棄物と混合して処理する場合に本発明を採用するメリットが見出せる。
ガス化炉１としては、有機性廃棄物を瞬時に破壊して熱分解することができるうえ、粒径の揃った炭化物が得られる流動床式のガス化炉が適している。流動床式のガス化炉は循環流動床炉、気泡流動床炉いずれも適用可能である。ガス化炉1内の空気比は特許文献２に示されたと同様に、０．２〜０．７の範囲の低酸素雰囲気に制御されることが好ましい。ガス化炉１内部の温度は５００℃〜９００℃に制御されることが好ましい。ガス化炉１の温度や空気比等の運転条件を制御するとサイクロン２で回収される炭化物の可燃分含有率が変化するので、熱分解ガスと炭化物の性状を調整することができる。
ガス化炉１で発生するのは、熱分解残渣である粒状の炭化物と、タール分と、熱分解ガスである。これらは熱分解ガスとともにガス化炉１から排出され、サイクロン２によって熱分解残渣である炭化物が回収される。改質炉４には炭化物がサイクロン２によって回収された状態で熱分解ガスとタールが主として導入されるため、改質炉４内部で高温によるクリンカが生成することがなく、このクリンカ生成による改質炉４のトラブルを防止することができ、またクリンカを除去する手間を省くことが可能となる。なおガス化炉１に投入される有機性廃棄物は、都市ごみや木質バイオマスという性状の変動が大きいものであったり、種々の廃棄物の混合物であったりすると、熱分解ガスのガス量がその運転モードによって変動することを避けられないことは前述のとおりである。
そこで本発明においては、図２に示すようにサイクロン２を複数台並列に配置し、熱分解ガスの流量変動に応じて使用するサイクロン２の台数又は容量を変更できるようにしておく。具体的には、ガス化炉１からサイクロン２へのガス流路にガス分配用又は切替用バルブ３を設けるとともに、最終工程においてガス流量計８によって測定されたガス流量に応じてガス分配用又は切替用バルブ３の開閉を制御し、使用するサイクロン２の台数又は容量を変更する。すなわち、ガス流量が多い場合には複数台のサイクロン２を使用するか又は大型のサイクロン２を使用し、ガス流量が減少した場合には使用するサイクロン２の台数を制限するか又は小型のサイクロン２に切替える。これによりサイクロン１台当たりのガス流量又はガス流入速度を制御することができるため、サイクロンでの回収効率を制御することが可能となる。なおサイクロン２は同じ仕様のものを複数台直列に配置するとサイクロンに流入するガスの量が変わらないため、回収効率を有効に制御することができないので、並列に配置するものとする。但し、異なる容量のサイクロンを直列に配置し、ガス量に応じてバイパス運転することとすれば、ある程度回収効率を制御することが可能となるが、その場合は基本的には異なる容量のサイクロンを並列に配置することと効果は同じである。
前記したように、サイクロン２で回収される炭化物の量及び性状はサイクロン２に導入されるガス流量によって変動し、サイクロン２で回収された炭化物の可燃分含有率も変動する。しかし本発明のようにガス流量に応じてサイクロン２の台数又は容量を変更すれば、サイクロン１台当たりのガス流量又はガス流入速度を制御でき、回収された炭化物の量及び可燃分含有率を調整することができる。なお、サイクロン２の台数又は容量は処理物の性状の変動に左右されるガス流量に応じて適宜に決定すればよい。また前述の通り各サイクロン２は必ずしも同一である必要はなく、容量の異なるものを組み合わせることもできる。
このようにして熱分解残渣である炭化物が回収された熱分解ガスはタール分とともに次に改質炉４に入る。改質炉４の内部は９００〜１２００℃に維持されており、酸素や空気の酸素供給源と水蒸気が供給されて水素と一酸化炭素を主成分とする燃料ガスに改質される。改質反応は炉内温度と酸素比、水炭素量比等によって制御することができる。なお改質炉４において進行する主な改質反応は、次の反応式に示すとおりである。
ＣｘＨｙ+（ｘ+ｙ/4）Ｏ２＝ｘＣＯ２+（ｙ/2）Ｈ２Ｏ
ＣｘＨｙ+ｘＨ２Ｏ＝（ｘ+ｙ/2）Ｈ２+ｘＣＯ
ＣｘＨｙ+（ｘ+ｙ/4）Ｏ２＝ｘＣＯ２+（ｙ/2）Ｈ２Ｏ
ＣｘＨｙ+ｘＨ２Ｏ＝（ｘ+ｙ/2）Ｈ２+ｘＣＯ
このようにして熱分解ガスおよびタール分は燃料ガスに改質されるが、改質ガス中にはサイクロン２で回収されなかった炭化物が含まれている。そこで高温の改質ガスをガス冷却器５に通し、ろ過式集塵機６の耐熱温度まで冷却したうえでバグフィルタ等のろ過式集塵機６に通して炭化物を回収し、さらにスクラバ等のガス精製器７で燃料ガス中の有害物質を除去して燃料ガスを取り出す。なおろ過式集塵機６で回収される炭化物はサイクロン２で回収される炭化物に比較して少量であり可燃分濃度が高くなる傾向があるが、これらの炭化物を混合して又は別々に有用な炭化物として利用できるよう調整すれば、本システムから出る廃棄物の排出量を最少とすることができる。得られた有用な炭化物は保温材、助燃材などとして活用できるうえ、得られた燃料ガスは発電その他のエネルギー源として活用することができる。
以上に説明したように、本発明によれば性状の一定しない都市ごみなどの有機性廃棄物を原料として、用途に応じた可燃分含有率に調整した有用な炭化物を製造することができるのみならず、燃料ガスをも製造することができるから、有機性廃棄物の持つエネルギーを十分に回収し、地球温暖化の防止にも寄与することができる。
以上、現時点において、もっとも実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う有機性廃棄物を原料とする炭化物と燃料ガスの製造方法もまた技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
１ ガス化炉
２ サイクロン
３ ガス分配用又は切替用バルブ
４ 改質炉
５ ガス冷却器
６ ろ過式集塵機
７ ガス精製器
８ ガス流量計
２ サイクロン
３ ガス分配用又は切替用バルブ
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５ ガス冷却器
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７ ガス精製器
８ ガス流量計
Claims (4)
- 有機性廃棄物を流動床式のガス化炉に投入して低酸素雰囲気中で熱分解し、熱分解ガス中の熱分解残渣である炭化物をサイクロンで回収するとともに、サイクロンを通過した熱分解ガスを改質炉で改質して燃料ガスと炭化物を製造する方法であって、サイクロンを並列に複数台配置し、ガス流量が多い場合には複数台のサイクロンを使用するか又は大型のサイクロンを使用し、ガス流量が減少した場合には使用するサイクロンの台数を制限するか又は小型のサイクロンに切替え、サイクロンで回収される炭化物の可燃分含有率を調整することを特徴とする有機性廃棄物を原料とする炭化物と燃料ガスの製造方法。
- 改質炉の後段のろ過式集塵機で燃料ガス中からさらに炭化物を回収し、サイクロンで回収される炭化物とろ過式集塵機で回収される炭化物の可燃分含有率を調整することを特徴とする請求項１記載の有機性廃棄物を原料とする炭化物と燃料ガスの製造方法。
- 有機性廃棄物が都市ごみ、木質バイオマスに代表される性状の変動が大きい廃棄物又は種々の廃棄物の混合物であり、ガス化炉が流動床式のガス化炉であることを特徴とする請求項１記載の有機性廃棄物を原料とする炭化物と燃料ガスの製造方法。
- ガス化炉の空気比を０．２〜０.７の範囲の低酸素雰囲気とすることを特徴とする請求項１記載の有機性廃棄物を原料とする炭化物と燃料ガスの製造方法。
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