JP5527743B2 - ガス化装置、燃料生成システム、ガス化方法および燃料生成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、廃棄物等から液体燃料を生成するためのガス化装置、燃料生成システム、ガス化方法および燃料生成装置に関する。
従来、低カロリー廃棄物をメタン発酵処理するメタン発酵槽と、高カロリー廃棄物をガス化するガス化炉と、ガス化炉で発生したガスからタールや煤などを除去するガス精製装置と、ガス精製装置で精製されたガスの水素及び一酸化炭素をフィッシャー・トロプシュ合成（ＦＴ合成）する液体燃料合成装置とを備え、メタン発酵槽にて発生したバイオガスをガス化炉に助燃剤として送給する複合廃棄物処理システムがある（特許文献１）。
しかしながら、このシステムでは、高カロリー廃棄物をガス化炉でガス化した後、当該ガスからタールや煤などをガス精製装置で除去しなければならないことから、ＦＴ合成前の処理設備が複雑かつ大型化し、また処理効率も悪くなるという問題があった。
そこで本発明は、全体の構成が簡単かつ小型で、処理効率を高くすることができるガス化装置、燃料生成システム、ガス化方法および燃料生成方法を提供することを目的とする。
本発明の発明者等が鋭意研究した結果、タール分を水素と一酸化炭素に改質する反応は吸熱反応であるため、単に加熱しただけでは、ガス化炉内の温度が下がったり、不均一になることがわかった。ガス化炉内の温度が下がったり、不均一になると、ガス中に未反応のタール分が多く残ることになる。そこで本発明者等は、ガス化炉内の温度をタールの分解温度以上に維持する方法を考え、次の発明を完成させた。
すなわち、本発明は、炭素化合物を含有する原料から水素及び一酸化炭素を主体とするガスを生成するためのガス化装置であって、原料を供給するための供給口とガスを排出するための排出口とを有するガス化炉と、前記ガス化炉に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記ガス化炉を加熱する加熱手段と、前記ガス化炉の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段が検出した温度に基づいて前記加熱手段を制御し、前記ガス化炉の少なくとも排出口側をタールの分解温度以上に維持する温度制御手段と、を具備することを特徴とする。
この場合、前記加熱手段は、断熱手段を挟んでガス化炉の内部に形成される方が好ましい。また、前記加熱手段は、円筒状に形成される方が好ましい。また、前記加熱手段は電気ヒータである方が好ましい。また、前記ガス化炉内の原料を撹拌する撹拌手段を具備する方が好ましい。また、前記ガス化炉の内部に、タールの分解温度を下げる触媒が配置される方が好ましい。また、前記水蒸気供給手段が供給する水蒸気は過熱水蒸気である方が好ましい。また、前記ガス化炉は、前記供給口から前記排出口に向かって下向きに傾斜するように形成されている方が好ましい。また、前記排出口は、前記ガス化炉の一端側上部に、ガス化炉内の圧力が一定以上になるのを防止し得る大きさに形成される方が好ましい。また、前記ガス化炉内で生成されたガスを前記排出口から吸引する吸引手段と、前記ガス化炉内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいて前記吸引手段を制御し、前記ガス化炉内の圧力を一定範囲に維持する圧力制御手段と、を具備する方が好ましい。また、前記水蒸気供給手段は、前記供給口から水蒸気を供給するように形成される方が好ましい。また、前記排出口から排出された水素及び一酸化炭素と前記水蒸気供給手段が供給する水蒸気の元となる水との間で熱を交換する熱交換手段を具備する方が好ましい。
また、本発明の燃料生成システムは、上述した本発明のガス化装置と、前記ガス化装置で生成された水素及び一酸化炭素を合成して液体燃料を生成する液体燃料化装置と、を具備することを特徴とする。
この場合、前記液体燃料化装置で生じた余剰ガスを燃料として発電する発電機を具備し、当該発電機が、エンジン式発電機、マイクロガスタービン発電機、燃料電池のいずれかである方が好ましい。また、前記液体燃料を前記発電機に供給する補助燃料供給装置を具備する方が好ましい。また、前記ガス化装置の加熱手段は、前記発電機によって発電された電気を使用して加熱する電気ヒータである方が好ましい。
また、本発明のガス化方法は、炭素化合物を含有する原料と水蒸気とを空気遮断状態でタールの分解温度以上に維持することを特徴とする。
この場合、タールの分解温度を下げる触媒を用いる方が好ましい。また、前記水蒸気は過熱水蒸気である方が好ましい。
また、本発明の燃料生成方法は、炭素化合物を含有する原料と水蒸気とを空気遮断状態でタールの分解温度以上に維持して水素及び一酸化炭素を主体とするガスを生成するガス生成工程と、前記ガス生成工程で生成された水素及び一酸化炭素を合成して液体燃料化する液体燃料化工程と、を有することを特徴とする。
この場合、前記ガス化生成工程は、タールの分解温度を下げる触媒を用いる方が好ましい。また、前記液体燃料化工程で生じた余剰ガスを燃料として発電機で電気を発電する発電工程を有する方が好ましい。また、前記ガス生成工程は、前記発電工程で発電した電気を使用して前記原料と前記水蒸気とを加熱する方が好ましい。また、前記ガス生成工程で生成した水素及び一酸化炭素と、前記水蒸気の元となる水との間で熱を交換する熱交換工程を有する方が好ましい。
本発明は、ガス化炉の排出口側をタールの分解温度以上に維持するので、ガス化炉内の温度が上下するのを防止し、生成されたガスにタール分が残ることを防止することができる。したがって、タールを除去するガス精製装置等を不要とすることができ、ガス化装置や燃料生成システム全体の構成を簡単かつ小型とすることができる。また、処理効率を高めることができる。
１ ガス化装置
３ 液体燃料化装置
４ 発電機
１１ ガス化炉
１１Ａ 供給口
１１Ｂ 排出口
１３ 水蒸気供給手段
１４ 加熱手段
１５ 温度検出手段
１６ 温度制御手段
１７ 圧力検出手段
１９ 熱交換手段
９１ 原料
９３ ガス
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本発明は、炭素化合物を含有する原料91から水素及び一酸化炭素を主体とするガス93を生成するためのガス化装置１であって、原料91を供給するための供給口11Ａとガス93を排出するための排出口11Ｂとを有するガス化炉11と、供給口11Ａから原料91を供給する原料供給手段12と、ガス化炉11に水蒸気を供給する水蒸気供給手段13と、ガス化炉11を加熱する加熱手段14と、ガス化炉11の温度を検出する温度検出手段15と、温度検出手段15が検出した温度に基づいて加熱手段14を制御し、ガス化炉11の少なくとも排出口側をタールの分解温度以上に維持する温度制御手段16と、で主に構成される。
原料91としては、少なくとも炭素化合物を含有するものであればどのようなものでも良く、食品残渣、木質バイオマス、籾殻、農業残渣、活性汚泥、廃プラスチック等の廃棄物を用いることができる。また、これらの廃棄物は、ガス化炉11内で熱分解を起こし易くするために、粉砕機２で所定の大きさに粉砕しておく方が好ましい。また、粉砕機２をガス化炉11の供給口11Ａに設けることも可能である。
ガス化炉11は、内部で原料91と水蒸気とを空気遮断状態で加熱し、原料91を熱分解して水素と一酸化炭素を主体とするガス93を生成するための炉で、例えば、横長円筒形に形成される。また、ガス化炉11の材質としては、この熱分解を行う際の温度と圧力に耐えられるものであればどのようなものでも良い。
ガス化炉11の供給口11Ａには、例えば、空気圧や油圧等で作動するピストン、コンベア、回転するスクリュー等の原料供給手段12を設け、これにより、原料91をガス化炉11内に定量的に連続供給すれば良い。
また、ガス化炉内の反応を均一にするために、ガス化炉内の原料を撹拌する撹拌手段を具備する方が好ましい。
また、ガス化炉11は、図１に示すように、供給口11Ａから排出口11Ｂに向かって下向きに傾斜し、モータ等の回転駆動装置によって回転する回転炉として形成することもできる。このように形成すると、ガス化炉11に供給された原料91や炭化物92は自然に排出口11Ｂへ流れ、排出口11Ｂからオーバーフローして排出されるので、その堆積量は排出口11Ｂに向かって多くなり、逆に、その上に形成されるガス化のための空間は排出口11Ｂへ向かって小さくなる。これにより、メタン等のタール分は排出口側で高温の炭化物92に多く触れることになる。すると、当該炭化物92が触媒として作用し、タール等を水素及び一酸化炭素に改質する反応が助長される。また、排出口側に炭化物92が多くなることで、排出口側の熱容量が大きくなり、ガス化炉11の排出口側の温度変化を小さくすることができる。したがって、ガス化炉11内の温度をタールの分解温度以上に安定して維持することができる。
なお、排出口側に向かって炭化物92を多くすることでガス93の改質を効率良く行うことが可能になるが、炭化物92を多くし過ぎると炭化物92が排出口11Ｂをふさいでしまい、生成したガス93が排出口11Ｂから排出され難くなる。そこで、排出口11Ｂの大きさは、ガス化炉11の一端側上部に、ガス化炉11内の圧力が一定以上になるのを防止し得る大きさに形成するのが良い。また、ガス化炉内で生成されたガスを排出口から吸引する吸引手段（図示せず）と、ガス化炉11内の圧力を検出する圧力検出手段17と、圧力検出手段17が検出した圧力に基づいて吸引手段を制御し、ガス化炉11内の圧力を一定範囲に維持する圧力制御手段を設けても良い。例えば、ガス化炉の供給口側近傍や排出口に圧力センサを設けて圧力を検出し、ガス化炉11内の圧力を、大気圧に対して0〜0.3kPa陽圧に調節すれば良い。
また、ガス化炉11の排出口11Ｂには、排出されたガス93に含まれる灰等のダストを水等の液体によって集塵するスクラバー18（集塵手段）が設けられる。
水蒸気供給手段13は、ガス化炉11内に水蒸気を供給するためのものである。なお、ガス化炉11内の温度をタールの分解温度以上に維持するという観点からは、適切に加熱された過熱水蒸気を用いる方が好ましい。例えば、１７０℃以上、好ましくは、タールの分解温度以上まで加熱された過熱水蒸気を用いることができる。また、水蒸気供給手段13は、ガス化炉11の供給口11Ａから水蒸気を供給するように形成する方が好ましい。これは、ガス化炉11内に空気が入り込むのを抑制し、ガス化炉11内を空気遮断状態に維持するためである。
加熱手段14は、ガス化炉11内をタールの分解温度以上、例えば1000℃以上に加熱するもので、例えばガス化炉11を包囲する電気ヒータを用いることができる。このように電気ヒータを用いることにより、ガス化炉11内の温度を正確に調節することができる。
また、加熱手段14は、断熱手段を挟んでガス化炉の内部に形成される方が好ましい。なぜなら、ガス化炉の外側に加熱手段を配置する外熱式の構造では、ガス化炉のまわりの種々の機構を熱膨張に合わせて調節する必要があり、装置全体が複雑になるためである。また、ガス化炉を介して内部に熱を伝えることになるため、ガス化炉内の温度の微妙な調節が困難となるためである。なお、加熱手段14は、円筒形に形成される方がより好ましい。これにより、ガス化炉内を均一に加熱することができ、ガス化炉11内をタールの分解温度以上に確実に維持することができる。なお、加熱手段14への電気の供給は、例えば、ガス化炉11の外側に、ガス化炉の回転軸を中心とする回転子を設け、これを介して加熱手段14（電気ヒータ）へ電気を供給すればよい。
温度検出手段15は、ガス化炉11の温度を検出するもので、例えば熱電対を用いることができる。また、温度検出手段15は、後述する温度制御手段16と電気的に接続されており、その検出情報を温度制御手段16に送るように形成される。なお、ガス化炉11内全体の温度を正確に把握するためには、温度検出手段15を複数箇所に設ける方が好ましい。
温度制御手段16は、温度検出手段15が検出した温度に基づいて加熱手段14を制御し、ガス化炉11内の少なくとも排出口側をタールの分解温度以上に維持するものである。例えば、温度制御手段16としてコンピュータを用い、このコンピュータに予めタールの分解温度以上の所定の温度を設定しておく。次に、設定温度と実際に熱電対が検出した温度の偏差に基づいてＰＩＤ制御等により加熱手段14に信号を送り、加熱手段14の出力を調節して、ガス化炉11内の温度を制御する。設定温度としては、タールの分解温度以上、例えば1000℃以上に設定すれば良い。なお、ガス化炉11の耐熱温度を考慮して、加熱温度の上限値も設定しておくことができる。例えば、ステンレス製のガス化炉11であれば、温度を下限値1000℃、上限値1100℃の範囲に設定することができる。好ましくは1070〜1090℃に設定するのが良い。また、ガス化炉11内にタールの分解温度を下げる触媒を配置した場合には、タールの分解温度を低下させることができる。この場合には、更に低い設定温度を選択することも可能であり、触媒を用いた際のタールの分解温度以上に維持するようにすれば良い。これにより、ガス化炉11内の温度をタールの分解温度以上に正確に維持できるので、タールの熱分解を確実に行うことができ、生成されたガス93にタール等が含まれるのを抑制することができる。したがって、ガス化装置１は、タール分等を除去するためのガス精製装置を不要とすることができる。
また、本発明のガス化装置１は、生成された水素及び一酸化炭素と水蒸気供給手段13が供給する水蒸気の元となる水との間で熱を交換する熱交換手段19を具備しても良い。例えば、ガス化炉11の排出口11Ｂから排出された高温（例えば1000℃）のガス93の顕熱を熱交換器等で回収して、ガス93の温度を200〜300℃まで冷却し、回収した熱を利用して水を加熱し、水蒸気供給手段13が供給する水蒸気を生成すれば良い（熱交換工程）。
次に、本発明のガス化方法（ガス生成工程）について、上述したガス化装置１を用いて説明する。
本発明のガス化方法は、炭素化合物を含有する原料91と、水蒸気と、を空気遮断状態でタールの分解温度以上に維持するものである。
まず、食品残渣や木質バイオマス等の原料91は、粉砕機２で所定の大きさに粉砕され、ガス化炉11の供給口11Ａから連続的に定量投入される。その際、原料91の供給経路から水蒸気を同時に供給する。
ガス化炉11に供給された原料91と水蒸気は、空気遮断状態で、加熱手段14によって加熱される。すると、原料91は燃焼することなく炭化物92やガス93に熱分解される。更に、ガス93をタールの分解温度、例えば1000℃以上に加熱すると、ガス93は水素と一酸化炭素を主体とするガスに改質される。
ここで、水蒸気を温度の高い過熱水蒸気としておけば、炭化物92やガス93を速やかにタールの分解温度以上に加熱することができ、生成されるガス中に含まれるタール分を更に少なくすることができる。
次に、本発明のガス化装置１を組み込んだ燃料生成システム100について説明する。
本発明の燃料生成システム100は、上述した本発明のガス化装置１と、ガス化装置１で生成された水素及び一酸化炭素を合成して液体燃料を生成する液体燃料化装置３と、液体燃料化装置３で生じた余剰ガスを燃料として発電する発電機４と、で主に構成される。
液体燃料化装置３は、ガス化装置１で得られた水素と一酸化炭素とをフィッシャー・トロプシュ（以下ＦＴと記載する）法を用いて液体燃料化するものである。液体燃料化装置３としては、ＦＴ合成ができるものであれば一般的に用いられている物で構わない。図３を用いて液体燃料化装置３を用いた処理の流れ（液体燃料化工程）の一例を示す。
ガス化装置１で生成したガス93をサイクロン31からＦＴ合成部33へ吹き込み、ＦＴ合成触媒34に通してＦＴ合成を行うと、液体燃料となる軽質油94と水が生成される。ＦＴ合成は、ＦＴ合成触媒34の性能により品質が大きく左右されるため、ＦＴ合成触媒34としては、高い一酸化炭素転化率と高い連鎖成長確率が得られるものが好ましい。
軽質油94と水は冷却分離部35へ導入して分離する。分離した軽質油94は油タンク36に回収し、水は熱交換器37を介して温水として回収し、分離しなかったものはＦＴ合成部33へ戻して繰り返す。冷却分離部35には、熱交換器38を介して冷却水を供給する。
また燃料生成システム100には、液体燃料化装置３で生じた余剰ガスを燃料として電気を発電する（発電工程）発電機４を組み合わせても良い。これにより、冷却分離部35で生じた余剰ガスを発電機４の燃料として有効利用することができる。この場合、当該発電機としては、エンジン式発電機、マイクロガスタービン発電機、燃料電池等を用いれば良い。
また、ガス化装置１の加熱手段14を電気ヒータとし、この電気ヒータに発電機４が発電した電気を用いれば、ガス化装置１に別途電源を用意する必要が無くなり、燃料生成システム100を外部と独立したシステムにすることができる。これにより、例えば、発展途上国の農村部等、木質バイオマスや農業残渣等の原料は十分にあるが、電気関連設備が不十分な地域においても、本発明の燃料生成システム100を利用することが可能となる。
なお、液体燃料を発電機４に供給する補助燃料供給装置を設ければ、更に安定した電気エネルギーを供給することが可能である。この場合、補助燃料供給装置は、液体燃料をガス化して供給しても良いし、液体燃料を余剰ガスにそのまま混ぜて混焼させるものでも良い。
Claims (7)
- 炭素化合物を含有する原料から水素及び一酸化炭素を主体とするガスを生成するためのガス化装置であって、
原料を供給するための供給口とガスを排出するための排出口とを有するガス化炉と、
前記供給口に続く前記原料の供給経路に設けられ前記原料を前記ガス化炉内に供給する原料供給手段と、
前記ガス化炉に前記供給経路から過熱水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記ガス化炉を加熱する加熱手段と、
前記ガス化炉の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段が検出した温度に基づいて前記加熱手段を制御し、前記ガス化炉の少なくとも排出口側をタールの分解温度以上に維持する温度制御手段と、
前記ガス化炉内で生成されたガスを前記排出口から吸引する吸引手段と、
前記ガス化炉内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいて前記吸引手段を制御し、前記ガス化炉内の圧力を大気圧に対して０〜０．３ｋＰａ陽圧の一定範囲に維持する圧力制御手段と、
を具備することを特徴とするガス化装置。 - 前記排出口から排出された水素及び一酸化炭素と前記水蒸気供給手段が供給する過熱水蒸気の元となる水との間で熱を交換する熱交換手段を具備することを特徴とする請求項１記載のガス化装置。
- 請求項１又は２記載のガス化装置と、
前記ガス化装置で生成された水素及び一酸化炭素を合成して液体燃料を生成する液体燃料化装置と、
を具備することを特徴とする燃料生成システム。 - 前記液体燃料化装置で生じた余剰ガスを燃料として発電する発電機を具備し、当該発電機が、エンジン式発電機、マイクロガスタービン発電機、燃料電池のいずれかであることを特徴とする請求項３記載の燃料生成システム。
- 前記液体燃料を前記発電機に供給する補助燃料供給装置を具備することを特徴とする請求項４記載の燃料生成システム。
- ガス化炉内の圧力を大気圧に対して０〜０．３ｋＰａ陽圧の一定範囲に維持し、炭素化合物を含有する原料の投入と同時に、当該原料の供給経路から前記ガス化炉に過熱水蒸気を供給し、当該ガス化炉内において前記原料と前記過熱水蒸気とを空気遮断状態でタールの分解温度以上に維持することを特徴とするガス化方法。
- ガス化炉内の圧力を大気圧に対して０〜０．３ｋＰａ陽圧の一定範囲に維持し、炭素化合物を含有する原料の投入と同時に、当該原料の供給経路から前記ガス化炉に過熱水蒸気を供給し、当該ガス化炉内において前記原料と前記過熱水蒸気とを空気遮断状態でタールの分解温度以上に維持して水素及び一酸化炭素を主体とするガスを生成するガス生成工程と、
前記ガス生成工程で生成された水素及び一酸化炭素を合成して液体燃料化する液体燃料化工程と、
を有することを特徴とする燃料生成方法。
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