JP5342664B2

JP5342664B2 - 熱分解ガス化装置

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Publication number: JP5342664B2
Application number: JP2012051986A
Authority: JP
Inventors: 光幸飯嶋; 君典高橋
Original assignee: 光幸飯嶋; 君典高橋
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: JP2013185093A

Description

本発明は、バイオマス（廃木材等有機廃棄物）を熱分解・ガス化により化学的に変化させて熱分解ガスを製造する熱分解ガス化装置に関する。

近年、バイオマス特にリグニンを多く含む木質系材料の熱分解ガス化は新規なエネルギー資源の供給源として大きな可能性を有しており有効利用する試みが行われている。木質系材料を熱分解ガス化するには、原料となる木質バイオマスを温度２００〜６００℃で低酸素状態において、ガス（ＣＯ、Ｈ_２、ＣＨ_４、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）、炭化物、炭化水素に分解し、熱分解生成物を酸素又は空気を制限下供給して燃焼し、次に前記炭化物を高温加熱してガス化して水性ガスを生成する。

１９９０年代に入って化石燃料の消費が地球温暖化を引き起こすことが明らかとなったことに加え、２０１１年３月１１日の東日本大震災により化石燃料に代わる代替えエネルギー資源としてバイオマスや廃棄物から熱化学的手法によってエネルギーを回収する方法が注目されボイラー設備を用いたスチームタービン発電の他に生成ガスを燃料ガスとして発電効率の高いガスエンジンで発電し２０％を超える発電効率が得られている。また、ガス化で得られる合成ガスはメタルールや合成軽油、混合アルコールといった液体燃料の原料ともなることから石油代替燃化技術の一つとしてガス化技術が注目されている。

前記の廃木材等バイオマスから炭化物を熱分解して熱分解ガスを発生させる装置としては例えば、特許文献１に記載の外熱式分解ガス化炉がある。特許文献１記載の外熱式分解ガス化炉は水平方向に配置された内筒となるガス化炉本体の外側に水蒸気加熱器の排ガスを通過させる外筒部が覆う二重構造となっており内筒内部に軸方向にスクリューコンベアが設置されている。

特開２００４−３５８３７号公報

しかし、前記の従来の固定床炉等では、ガス化炉本体を外側から８００℃以上の高温に加熱しても内筒容積が大きなガス化炉では内部に投入された炭化物を均一に且つ速やかに高温に加熱することは困難であり、加熱温度分布にムラが生じる等不安定要素が高く、発生する熱分解ガスの組成比にブレが生じる可能性がある。そこで、内筒内部の炭化物を均一に且つ速やかに高温に加熱して組成比が均一な熱分解ガスが得られる熱分解ガス化技術が要望されている。

本願発明は、前記の問題点を解消するためになされたものであり、炉のつまりやホッパーにおけるラットホール、炭化物の加熱温度分布ムラ等の炉内の不安定要素が無く、また、水性ガス化が速い上に変換効率（冷ガス効率）が高く、且つ不純物を含まないクリーンな水性ガスが得られる。しかも、加熱温度分布が均一になるように高温加熱することによって、組成比が均一な熱分解ガスを生成することができる熱分解ガス化装置を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明は、有機廃棄物を炭化炉で炭化して得た炭化物とガス化剤とを熱分解ガス化炉において前記炭化炉で発生した高熱の燃焼ガスによって加熱して熱分解ガスを発生させる熱分解ガス化装置であって、
前記熱分解ガス化炉は、上下端部に開口部を備え下端部の開口部を前記炭化炉に接続される筒状の外筒と、下端部が開口され上端に熱分解ガス排出路を備え中間部乃至下端寄りに炭化物を供給する炭化物供給手段と連結される開口部とガス化剤を供給するガス化剤供給手段と連結される開口部を備え筒状に形成されて前記外筒内部に設けられてなる内筒と、前記内筒の下方に内筒下端部と間隙を開けて回転自在に配置されるターンテーブルと、該ターンテーブルの回転中心部に設けられ前記内筒の周壁と略等間隔に空隙をおいて内筒内部に配設される蓄熱性突起と、を備え、
前記内筒と蓄熱性突起との空隙を炭化物のガス化領域として構成し、前記外筒と内筒の空隙には炭化炉で発生した燃焼ガスが導入され、該燃焼ガスによって内筒内部並びに前記蓄熱性突起が加熱されると共にその輻射熱によってガス化領域の炭化物が加熱されることよって温度分布がより安定化するように構成されることを特徴とする熱分解ガス化装置
とする。

また、前記の課題を解決するために、本発明は、前記蓄熱性突起は鋳物、その他の金属またはセラミックの中の何れか一種からなることを特徴とする前記の熱分解ガス化装置とすることが好ましい。

また、前記の課題を解決するために、本発明は、前記内筒の内壁から前記蓄熱性突起までの距離は２０〜１００ｍｍ、蓄熱性突起の高さは２００〜１０００ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする前記の熱分解ガス化装置とすることが好ましい。

また、前記の課題を解決するために、本発明は、前記内筒における炭化物を供給する炭化物供給手段と連結される開口部は、前記蓄熱性突起の頭部よりも上方に設けられることを特徴とする前記の熱分解ガス化装置とすることが好ましい。

また、前記の課題を解決するために、本発明は、前記内筒におけるガス化剤を供給するガス化剤供給手段は、前記内筒内部のガス化領域に向けてガス化剤を吹き付けることを特徴とする前記の熱分解ガス化装置とすることが好ましい。

本願発明に係る熱分解ガス化装置の熱分解ガス化炉は、前記のように内筒の下方に内筒下端部と間隙を開けて回転自在に配置されるターンテーブルと、該ターンテーブルの回転中心部に設けられ前記内筒の内部に空隙をおいて収納される蓄熱性突起とを備えることによって、蓄熱性突起自体が加熱され、ガス化領域内の炭化物は内筒と蓄熱性突起の両側から輻射熱によって加熱される。しかも、ガス化領域は内筒と蓄熱性突起との空隙は比較的狭く且つターンテーブルと共に回転するのでより炭化物に熱伝導しやすく、炭化物を効率よくしかも速やかに且つ温度分布が均一になるように高温加熱することによって、組成比が均一な熱分解ガスを効率よく生成することができる。

（ａ）は熱分解ガス化炉の内外筒部を示す部分断面平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線部分断面側面図を含む熱分解ガス化炉の全体を示す構成図である。本願発明に係る熱分解ガス化装置を示すブロック図である。本願発明に係る熱分解ガス化装置を示す要部構成図である。

本発明を実施するための形態（以下「実施の形態」と称する）について、以下に図面を参照しつつ詳細に説明する。しかし、本発明は、かかる実施の形態に限定されるものではない。

図２及び３には、本実施の形態に係る熱分解ガス化装置１が示されており、図１には、熱分解ガス化炉が示されている。図１に示すように、本発明の実施の形態において、２は熱分解ガス化炉であり、外筒１１及び内筒１２の何れも円筒形であり、互いに同心状に外筒１１と内筒１２を空隙２３をあけて立設し、外筒１１の上下端部は内筒１２と密着させ、下方の開口部である燃焼ガス導入口１５から空隙２３に炭化炉で発生した燃焼ガスを導入し上方の開口部である燃焼ガス排出口１６から排出されるように構成される。内筒の上端部は熱分解ガス排出路１７に連結され、内筒の下端部は開口されておりターンテーブル１３が内筒の下端部と間隙を保持して配設されている。ターンテーブルは円錐形をなし、その頂上部に円柱形の蓄熱性突起１４が立設されており、蓄熱性突起が内筒周壁と略等間隔に空隙があくように内筒内部に配設されている。前記ターンテーブルは、中央部から下方に伸びる回転軸に支持されており連結されるモーターＭによって所定の速度で回転するように構成される。

内筒１２の中間部乃至下端寄りには炭化物を供給する炭化物供給手段１８が外筒を貫通して内筒の開口部１９に連結されている。炭化物供給手段１８としては特に限定するものではないが例えばスクリューコンベア等が好ましい。前記蓄熱性突起１４が設けられている内筒周壁にはガス化剤である水蒸気を噴出する開口部２１が穿設されていて、ガス化剤供給手段２０によって水蒸気を噴出するように構成される。

前記蓄熱性突起１４の材料は、蓄熱性を有しガス化温度に耐えられる耐熱性を有する限りにおいて特に限定されるものではないが、鋳物、その他の金属またはセラミックが好ましく、中でも鋳物が特に好ましい。内筒と外筒の空隙部を通過する燃焼ガスの温度（９００〜１０００℃）によって内筒内部温度が８００〜９００℃、好ましくは７５０〜８００℃前後になるように予め調整しておく。蓄熱性突起の材料は少なくとも１０００℃以上の耐熱性を有することが好ましい。鋳物は炭素の含有率が２％以上の鋳鉄からなり砂型や金型に溶けた鋳鉄を流し込んで成型するもので、鋳鉄としては、硬いねずみ鋳鉄と呼ばれる片状黒鉛鋳鉄（ＦＣ）、引張強度の大きい球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ）、片状黒鉛鋳鉄と球状黒鉛鋳鉄の中間のＣＶ鋳鉄等の何れでもよいが比較的比熱が大きく融点が高いねずみ鋳鉄が好ましい。

表１にねずみ鋳鉄やその他の金属及びセラミックスの熱的性質を示す。鋳物以外に表１に示す耐熱性を有する金属及びセラミックス等も使用可能である。アルミニウムは比熱が大きくも融点が低いので単独使用は困難であるが合金として用いてもよい。前記内筒１２と蓄熱性突起１４との空隙２２を炭化物のガス化領域として構成し、前記外筒と内筒の空隙２３には炭化炉で発生した燃焼ガスが導入され、該燃焼ガスによって内筒内部並びに前記蓄熱性突起が加熱されると共にその輻射熱によってガス化領域にある炭化物が加熱されることよって温度分布がより安定化するように構成される。また、ターンテーブルの中心部に予め軸を設けてこの軸に大きさや材質の異なる蓄熱性突起を交換可能に装着できるように構成することが好ましい。蓄熱性突起の形状は特に限定するものではないが、例えば頭部を封じた円筒状又は円柱状が好ましい。

前述したとおり、前記内筒１２と蓄熱性突起１４との空隙２２を炭化物のガス化領域として、このガス化領域にある炭化物にガス化剤である水蒸気を吹きかけると共に内筒１２と蓄熱性突起１４から発する輻射熱によって加熱してガス化する。その際、炭化物を速やかに加熱するにはガス化領域はなるべく狭くした方が好ましい。しかし、狭すぎると生産効率が低下することから、特に限定するものではないが内筒周壁と蓄熱性突起までの距離は２０〜１００ｍｍ、蓄熱性突起の高さは２００〜１０００ｍｍの範囲で炭化物が加熱される時間とガス化領域を通過する速度つまりターンテーブル１３と内筒の間隙部及び炭化物の大きさ等を勘案して適宜調整することが好ましい。

次に、図２及び３を参照して、本願実施の形態の熱分解ガス化装置の構成例について説明する。図２及び３に示すように、本願実施の形態の熱分解ガス化装置は、炭化炉３と熱分解ガス化炉２から構成される。

先ず、炭化炉３は、バイオマスの有機廃棄物を温度２００〜６００℃で低酸素状態において、ガス（ＣＯ、Ｈ_２、ＣＨ_４、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ）、炭化物、炭化水素に分解し、炭化物と炭化水素ガスとに分離し、炭化水素ガスは燃焼室で二次燃焼して９００〜１０００℃の燃焼ガスを生成し、熱分解ガス化炉３の下端部の開口部１５を経て燃焼ガス領域に供給される。

炭化物供給手段１８は、炭化炉３から供給された炭化物を熱分解ガス化炉２の内筒１２内部に供給する。内筒１２内部に供給された炭化物は落下してガス化領域２２に達すると内筒周面に設けられた複数のガス化剤供給口２１から噴出した水蒸気と接触混合される。図示しないガス化剤供給手段によって水蒸気の噴射量が調整可能であり反応を制御して熱分解ガスの成分組成比を調整可能である。このガス化領域２２において水蒸気と接触混合された炭化物は内筒壁と蓄熱性突起の両面から輻射熱を受け、蓄熱性突起１４がターンテーブル１３の回転（例えば５〜１０ｒｐｍ）に伴って回転しつつ徐々に下方に移動する。ガス化された炭化物の残渣はターンテーブル１３と内筒の間隙部２４を通過して排出口２５から外部に排出される。

前記ガス化領域２２では吸熱反応である水性ガス化反応（Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２−２８．３６kcal/mol）及び発熱反応である水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２＋９．８５kcal/mol）が連続して進行する。その結果、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）の成分からなる熱分解ガスが発生する。一般的に、低温（７５０〜８００℃）では発熱反応である水性ガスシフト反応が促進され、高カロリーの一酸化炭素が消費されて低カロリーの水素が生成されるので単位体積当たりの発熱量が小さい水素リッチな熱分解ガスが生成し高温（９００〜９５０℃）では一酸化炭素リッチな熱分解ガスが生成する。また、ガス化剤の水蒸気の供給量が多いほど熱分解ガス中のＨ_２／ＣＯ比が高くなる。

次に、実施例について説明する。図１に示す実験用の熱分解ガス化炉を作成した。外筒は、外形がφ４６０ｍｍ、高さ１３８０ｍｍ、肉厚が５０ｍｍの耐火材で形成し、内筒は、外形がφ１５０ｍｍ、厚み８ｍｍの耐熱性ニッケルクロム鋼板で形成した。更に、蓄熱性突起は、外形がφ８４ｍｍで、高さが２３０ｍｍの鋳物で形成し、蓄熱性突起から内筒までの空隙であるガス化領域の幅は片側で２５ｍｍに調整した。炭化炉は従来の自己燃焼式炭化炉を用いた。原料の炭化物はガス化領域の幅２５ｍｍを通過するサイズの塊状炭を用いた。

水分２０％の廃木材等有機廃棄物を自己燃焼式炭化炉を用いて炭化し、前記の実験用の熱分解ガス化炉にてガス化領域の温度が７５０〜８００℃になるように調整して、継続運転した結果、得られたガス化成分の組成比は、水素（Ｈ_２）が６０％、一酸化炭素（ＣＯ）が２０％及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が２０％であり、この成分比のブレが全く見られないことが確認された。

本発明に係る熱分解ガス化装置は、水性ガス化が速い上に変換効率（冷ガス効率）が高く、且つ不純物を含まないクリーンな水性ガスが得られる。しかも、加熱温度分布が均一になるように高温加熱することによって、組成比が均一な熱分解ガスを生成することができる熱分解ガス化装置を提供する共に省エネルギーと自然環境保護及び経済的に極めて有用である。

１熱分解ガス化装置
２熱分解ガス化炉
３炭化炉
１１外筒
１２内筒
１３ターンテーブル
１４蓄熱性突起
１５燃焼ガス導入口
１６燃焼ガス排出口
１７熱分解ガス排出路
１８炭化物供給手段
１９炭化物供給口
２０ガス化剤供給路
２１ガス化剤供給口
２２内筒と蓄熱性突起との空隙（ガス化領域）
２３外筒と内筒の空隙（燃焼ガス領域）
２４間隙部
２５排出口
Ｍモーター

Claims

有機廃棄物を炭化炉で炭化して得た炭化物とガス化剤とを熱分解ガス化炉において前記炭化炉で発生した高熱の燃焼ガスによって加熱して熱分解ガスを発生させる熱分解ガス化装置であって、
前記熱分解ガス化炉は、上下端部に開口部を備え下端部の開口部を前記炭化炉に接続される筒状の外筒と、下端部が開口され上端に熱分解ガス排出路を備え中間部乃至下端寄りに炭化物を供給する炭化物供給手段と連結される開口部とガス化剤を供給するガス化剤供給手段と連結される開口部を備え筒状に形成されて前記外筒内部に設けられてなる内筒と、前記内筒の下方に内筒下端部と間隙を開けて回転自在に配置されるターンテーブルと、該ターンテーブルの回転中心部に設けられ前記内筒の周壁と略等間隔に空隙をおいて内筒内部に配設される蓄熱性突起と、を備え、
前記内筒と蓄熱性突起との空隙を炭化物のガス化領域として構成し、前記外筒と内筒の空隙には炭化炉で発生した燃焼ガスが導入され、該燃焼ガスによって内筒内部並びに前記蓄熱性突起が加熱されると共にその輻射熱によってガス化領域の炭化物が加熱されることよって温度分布がより安定化するように構成されることを特徴とする熱分解ガス化装置。
前記蓄熱性突起は鋳物、その他の金属またはセラミックスの中の何れか一種からなることを特徴とする請求項１記載の熱分解ガス化装置。
前記内筒の内壁から前記蓄熱性突起までの距離は２０〜１００ｍｍ、蓄熱性突起の高さは２００〜１０００ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする請求項１記載の熱分解ガス化装置。
前記内筒における炭化物を供給する炭化物供給手段と連結される開口部は、前記蓄熱性突起の頭部よりも上方に設けられることを特徴とする請求項１記載の熱分解ガス化装置。
前記内筒におけるガス化剤を供給するガス化剤供給手段は、前記内筒内部のガス化領域に向けてガス化剤を吹き付けることを特徴とする請求項１記載の熱分解ガス化装置。