JP5403574B2 - タール吸収塔から抜き出された活性炭を再利用したガス化システム - 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するガス化システムに関するものであり、特にタール吸収塔から抜き出された活性炭を再利用するとともに、総合的なガス化効率を向上させたガス化システム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。
例えば、図３に示す従来のガス化システムの一例においては、ガス化炉で製造したガス化ガスを、熱交換器、ボイラ、及びスクラバを通過させた後に、タール吸収塔で活性炭により、主に軽質タールを除去し、ガスエンジンにより発電させている。
しかしながら、このタール吸収塔において吸着剤として利用する市販の活性炭は、非常に高価であるため、使用済みの活性炭の有効利用を図ることが必要とされている。

使用済みの活性炭の有効利用についても種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には使用済み活性炭の有効利用について記載されており、該特許文献に記載の方法は、廃棄物を熱分解させ、その残渣を溶融炉に送る前に、活性炭状残渣を選別して分離し、活性炭充填吸収塔に活性炭に代えて供給して、ダイオキシンを高度に処理する方法であって、使用済みの活性炭状残渣は、回収して溶融炉で燃焼溶融処理するとしている。しかしながら、該方法は、ガス化炉内でガス化を促進させるために利用するものではない。

また、特許文献２に記載の方法では、ガス処理及び／又は水処理設備から廃棄された活性炭を、散水して吸着した薬剤及び被吸着成分を除去後、微粉化して燃焼設備にて燃焼させるものであるが、微粉砕化にコストがかかるうえ、この方法もまた、ガス化炉内でガス化を促進させるために利用するものではない。

一方、ガス化炉について、特許文献３には、粒子状スラグを内部で流動させてガス化室流動床を形成し、該ガス化室流動床内で廃棄物をガス化するガス化室と、前記ガス化室でガス化に伴い発生するチャーを前記粒子状スラグと共に導入し、前記チャーを燃焼させる燃焼室とを備え、前記チャー燃焼室で前記チャーの燃焼により加熱された粒子状スラグを前記ガス化室に戻すことが記載されている。
また、本発明者らは、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４参照）。該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を促進させる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。
特開平１１−２７０８１８号公報 特開２００４−１３２６８９号公報 特開２００５−６８２９７号公報 特願２００７−１２３３７３号（特許第５０５７４６６号）

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するガス化炉を用いたガス化システムにおいて、下流に設けられたタール吸収塔から抜き出された活性炭の有効利用を図ると同時に、ガス化炉内でのチャーのガス化を促進させて、総合的なガス化効率を図ることのできるガス化システム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、タール吸収塔から抜き出された活性炭を、アルカリ吸収炉或いはガス化炉へ供給することにより前記課題を解決しうることを見出し、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） 炭化水素系固体燃料の熱分解の際に蒸発したアルカリを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炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を用いるガス化システムにおいて、前記ガス化炉で製造されたガスからタールを除去するために設けられたタール吸収塔から、使用済みの活性炭を抜き出して前記アルカリ吸収炉へ供給し、該活性炭に前記固体燃料から蒸発したアルカリを吸着させて、ガス化炉における活性炭に吸着されたタール及び活性炭のガス化を促進させることを特徴とするガス化システム。
（２）前記活性炭を流動媒体の代わりとして用い、タールを吸着した活性炭を前記燃焼炉に導入し、該燃焼炉内で表面燃焼させることにより吸着したタール部分を燃焼させて再活性化し、該再活性化した活性炭を前記アルカリ吸収炉へ再供給することを特徴とする（１）に記載のガス化システム。

（３）炭化水素系固体燃料をガス化させるガス化炉と、該ガス化炉から導入された残鎖チャーを燃焼して燃焼ガスを生成する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炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を用いるガス化システムにおいて、前記ガス化炉で製造されたガスからタールを除去するために設けられたタール吸収塔から、使用済みの活性炭を抜き出して前記ガス化炉に供給し、該活性炭をタール吸着剤として再利用することを特徴とするガス化システム。

（４）前記活性炭を流動媒体の代わりとして用い、タールを吸着した活性炭を前記燃焼炉に導入し、該燃焼炉内で表面燃焼させることにより吸着したタール部分を燃焼させて再活性化し、該再活性化した活性炭を前記ガス化炉へ再供給することを特徴とする（３）に記載のガス化システム。

上記（１）の発明では、活性炭をガス化させたガス量が増加するので、トータルのガス化効率が向上する。また、上記（２）の発明では、タールを活性炭に吸着させるので、チャーのガス化の阻害の影響が低減される。さらに、上記（３）の発明では、活性炭を流動媒体として有効に利用できるとともに、活性炭粒子を高濃度循環させることで、ガス化炉でタール吸着、燃焼炉でタール部分の燃焼を繰り返すことにより、活性炭が燃えきるまで繰り返し利用できる。

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炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を少なくとも有するガス化システムにおいて、下流に設けられたタール吸収塔から抜き出された活性炭を利用する１例を示すものである。
図１に示す炭化水素系固体燃料のガス化反応炉において、固体燃料及び流動媒体は、アルカリ吸収炉、連結路、ガス化炉、連通路、燃焼炉、サイクロン（図示せず）及びダウンカマー（図示せず）を経て、再加熱された流動媒体がアルカリ吸収炉に送られる。
以下、炉毎に順に詳述する。

図１に示した反応炉においては、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炭化水素系固体燃料（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の含有量が高い炭化水素系固体燃料（高含有アルカリ燃料）を、それぞれ供給するとともに、下側部より、生成した燃焼ガスの一部を再循環させたＣＯ_２ガス、あるいは水蒸気を導入し、これらの炭化水素系固体燃料を熱分解させる。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をチャーへ高効率に吸着させるために、アルカリ吸収炉を移動層としてある。
タール吸収塔から抜き出された活性炭は、上記の高含有チャーの燃料と同じ供給ポートから供給され、側部から供給された高含有アルカリの燃料の熱分解持に蒸発したアルカリは、チャー及び活性炭に吸着される。

アルカリ吸収炉内では、発生した熱分解ガスと粒子が分離され、アルカリを吸収したチャー及び活性炭と、流動媒体は、次のガス化炉へ導入され、アルカリ触媒効果によりガス化炉内でのガス化が促進される。
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、可燃性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。このタールを、活性炭に吸着させることもでき、ガス化炉の後段、特にスクラバでのガス洗浄後の水処理が軽減される。

なお、アルカリ吸収炉は、図１に示す例に限られず、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を、高効率でチャーへ吸着させることができるものであればよく、例えば、炭化水素系固体燃料をアルカリ吸収炉に導入するとともに、下部より、生成した燃焼ガスの一部を再循環させたＣＯ_２ガス、或いはＮ_２やＡｒのような不活性ガスを流動ガスとして導入して、気泡流動層を形成するものや、或いは更に、該アルカリ吸収炉を２段構成とし、高含有アルカリ燃料を供給する下部のアルカリ吸収炉と、高含有チャー燃料及び活性炭を供給する上部のアルカリ吸収炉を設けたもの等が挙げられる。

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焼チャー及び活性炭は、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。

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、その一部はアルカリ吸収炉に再循環させる。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。

前記ガス化炉から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。

また、活性炭を流動媒体の代わりとして利用し、活性炭粒子を高濃度循環させることができる。すなわち、アルカリ吸収炉及びガス化炉でタールを吸着した活性炭は、流動層燃焼炉へ送られ、表面燃焼させることで吸着したタール分を燃焼させる。残渣の活性炭は、サイクロンで燃焼ガスと分離した後、再びアルカリ吸収炉へ供給される。
活性炭は、本来多孔質な粒子であるためにタールを吸収しやすい。高濃度循環させるために、燃焼炉で残渣チャーが完全燃焼しない場合には、炉内の熱バランスが崩れてしまうが、その場合には、燃焼炉へ炭化水素系固体燃料を供給し、揮発分の一部を燃焼させ、残渣分をアルカリ吸収炉に送る。

（第２の形態）
タール吸収塔から抜き出された活性炭の、前記タール吸着及び流動媒体への有効利用においては、図２に示すような二塔式ガス化反応炉へも適用可能である。
すなわち、図２は、本発明に用いる反応炉の第２の形態を示す概要図であって、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炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を少なくとも有するガス化システムにおいて、下流に設けられたタール吸収塔から抜き出された活性炭を、ガス化炉に供給して、再利用する１例を示すものである。
図２に示す炭化水素系固体燃料のガス化反応炉において、固体燃料及び流動媒体は、ガス化炉、連通路、燃焼炉、サイクロン（図示せず）及びダウンカマー（図示せず）を経て、再加熱された流動媒体がガス化炉に送られる。

ガス化炉及び燃焼炉は、図１に示したものと同様のものであり、タール吸収塔から抜き出された活性炭は、炭化水素系の固体燃料とともにガス化炉へ供給され、ガス化炉において生じるタールの吸着剤として再利用される。
該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、残渣チャー及びタールを吸着した活性炭と、流動媒体は、次の燃焼炉へ導入される。

図２に示す二塔式ガス化反応炉を用いたガス化システムにおいても、活性炭を流動媒体の代わりとして利用し、活性炭粒子を高濃度循環させることができる。すなわち、ガス化炉でタールを吸着した活性炭は、燃焼炉へ送られ、表面燃焼させることで吸着したタール分を燃焼させる。残渣の活性炭は、サイクロンで燃焼ガスと分離した後、再びガス化炉へ供給される。
高濃度循環させるために、燃焼炉で残渣チャーが完全燃焼しない場合には、炉内の熱バランスが崩れてしまうが、その場合には、燃焼炉へ炭化水素系固体燃料を供給し、揮発分の一部を燃焼させ、残渣分をガス化炉に送る。

本発明によれば、下流に設けられたタール吸収塔から抜き出された活性炭の有効利用を図ると同時に、ガス化炉内でのチャーのガス化を促進させて、総合的なガス化効率を図ることのできるガス化システムを提供できるとともに、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。

本発明のガス化システムにおける反応炉の第１の形態を示す概要図 本発明のガス化システムにおける反応炉の第２の形態を示す概要図 従来のガス化システムの１例を示す図。

Claims (4)

1. 炭化水素系固体燃料の熱分解の際に蒸発したアルカリを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炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を用いるガス化システムにおいて、前記ガス化炉で製造されたガスからタールを除去するために設けられたタール吸収塔から、使用済みの活性炭を抜き出して前記アルカリ吸収炉へ供給し、該活性炭に前記固体燃料から蒸発したアルカリを吸着させて、ガス化炉における活性炭に吸着されたタール及び活性炭のガス化を促進させることを特徴とするガス化システム。
2. 前記活性炭を流動媒体の代わりとして用い、タールを吸着した活性炭を前記燃焼炉に導入し、該燃焼炉内で表面燃焼させることにより吸着したタール部分を燃焼させて再活性化し、該再活性化した活性炭を前記アルカリ吸収炉へ再供給することを特徴とする請求項１に記載のガス化システム。
3. 炭化水素系固体燃料をガス化させるガス化炉と、該ガス化炉から導入された残鎖チャーを燃焼して燃焼ガスを生成する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炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を用いるガス化システムにおいて、前記ガス化炉で製造されたガスからタールを除去するために設けられたタール吸収塔から、使用済みの活性炭を抜き出して前記ガス化炉に供給し、該活性炭をタール吸着剤として再利用することを特徴とするガス化システム。
4. 前記活性炭を流動媒体の代わりとして用い、タールを吸着した活性炭を前記燃焼炉に導入し、該燃焼炉内で表面燃焼させることにより吸着したタール部分を燃焼させて再活性化し、該再活性化した活性炭を前記ガス化炉へ再供給することを特徴とする請求項３に記載のガス化システム。

Images