JP6302720B2 - ガス化処理システム - Google Patents

Description

本発明は、バイオマス資源を熱分解して改質ガスを得るガス化処理システムに関する。特に、本発明は、バイオマス資源の一種である一般廃棄物を熱分解して改質ガスを得るガス化処理システムに関する。

従来から、一般廃棄物などのバイオマス資源を熱分解・ガス化処理してガスエンジン等に燃料として供給される改質ガスを生じさせるガス化処理システムが知られている。このようなガス化処理システムでは、バイオマス資源の熱分解・ガス化処理によりガス成分である熱分解ガスと共に、タール、チャー等の含炭素非ガス成分が生成する。ここで生じた熱分解ガスは、含炭素非ガス成分を含んだ状態で改質炉に移される。なお、熱分解ガスは、バイオマス資源の熱分解・ガス化処理により生じたガス成分を意味するが、本明細書の以降の記載において、単に「熱分解ガス」と記載した場合には、便宜上、含炭素非ガス成分を同伴したものを意味する場合もあるものとする。改質炉では、全体として１０００〜１２００℃に加熱され、熱分解ガス中に存在するタール、チャー等の含炭素非ガス成分は、Ｈ_２、ＣＯ等の改質ガスに転換される。

図４に、従来のガス化処理システムの一例のフロー図を示す。

従来のガス化処理システム（１）においては、一般廃棄物等のバイオマス資源（２）は、破砕機（３）により所定のサイズに破砕処理された後、流動床式ガス化炉等のガス化炉（４）に投入される。このガス化炉（４）は、導入される空気によるバイオマス資源の部分燃焼により５００〜６００℃の加熱状態とされ、また、バイオマス資源を部分的に改質するための水蒸気または水が投入される。これにより、投入されたバイオマス資源は、熱分解・ガス化する。ガス化炉（４）における熱分解・ガス化により生じた熱分解ガスは、タール、チャー等の含炭素非ガス成分を同伴している。

この熱分解ガスは、引き続いて、改質炉（５）に投入される。改質炉（５）には、熱分解ガス中に存在する含炭素非ガス成分及び炭化水素ガスを改質させるための水蒸気または水が供給されるとともに、改質炉の温度を１０００℃以上に昇温させ、維持するための部分酸化を行うための空気または酸素が供給される。

改質炉（５）では、タール、チャー等の含炭素非ガス成分及び熱分解ガスの部分燃焼により１０００〜１２００℃の加熱状態となり、タール、チャー等の含炭素非ガス成分及び高分子量の炭化水素は、導入された水または水蒸気と以下に示すように反応し、これにより一酸化炭素および水素が生じる（水蒸気改質反応）。

Ｃ_ｍＨ_ｎ ＋ ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ ＋ （ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２
さらに、上記により生じた一酸化炭素ＣＯは、下記式に従って、水または水蒸気と反応してＣＯ_２およびＨ_２が生じる（水性ガスシフト反応）。

ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋Ｈ_２
改質炉（５）においてタール、チャー等が改質反応した改質ガスは、次のボイラ（６）に供給される。ボイラ（６）には、改質ガスを冷却するための循環水が供給され、この循環水は、改質ガスと熱交換することにより、蒸気とされる。

ボイラ（６）により熱回収された改質ガスは、排ガス処理設備（７）に供給され、この排ガス処理設備（７）を通過する際に、改質ガス中に存在する不純物が取り除かれる。

不純物が取り除かれた改質ガスは、ガスエンジン（８）に供給され、ガスエンジン（８）では、供給された改質ガスを燃料として駆動し発電が行われる。ガスエンジン（８）において消費されたガスは、煙突（９）を介して大気に排出される。

一方で、ボイラ（６）にて用いられた循環水は、ボイラ（６）から出た後は、蒸気となっており、この蒸気は、蒸気だめ（１０）に貯められた後、蒸気タービン（１１）に供給され、この蒸気タービン（１１）を駆動させることにより発電等が行われる。また、蒸気だめ（１０）に貯められた蒸気の一部は、ガス、チャー等の含炭素非ガス成分を改質するための水蒸気として改質炉（５）またはガス化炉（４）に供給される。

上記のように従来のガス化処理システムでは、改質炉（５）でガス成分に改質されずに残留したタール、チャー等の含炭素非ガス成分は、排ガス処理設備（７）で回収され、回収された不純物は、図示しない排水処理系統で処理される。排ガス処理設備（７）により排出される含炭素非ガス成分は、エネルギーとして用いられることがないので、その分エネルギーロスとなってしまう。

また、改質のために蒸気だめ（１０）から蒸気が供給されるが、その分、蒸気タービン（１１）に供給される蒸気が減ることになるので蒸気タービン（１１）による発電量低下につながるおそれがある。

特許文献１には、廃棄物のガス化改質方法が記載されており、廃棄物のガス化工程１と改質する工程２とを含む点で、上記の従来のガス化処理システムと共通している。

また、特許文献１に記載された方法では、改質されたガスを洗浄水で洗浄・冷却し、改質ガスとの熱交換により加熱された洗浄水を、熱交換器において冷水と熱交換して冷却し、熱交換器における熱交換により冷水が加温されて得られた温水がスチームエジェクター７を介して水蒸気とされてガス化工程および／または改質工程２に供給することが記載されている。特許文献１の方法では、改質されたガスを洗浄・冷却するための洗浄水は、水処理工程に送られており、改質炉に戻されない点で、上記従来のガス化処理システムと同様である。さらに、特許文献１の方法では、改質ガスとの熱交換により得られた水媒体を蒸気タービンに供給することは記載も示唆もされていない。

特許文献２には、都市ごみや産業廃棄物の焼却炉、工業用炉などから排出される排ガスの処理方法が記載されている。しかし、特許文献２には、排ガスから回収された不純物を利用しようとすることは記載されていない。

特開２００６−１０４３３９号公報 特開平５−２８５３３５号公報

改質ガス中に残留し得るタール、チャー等の含炭素非ガス成分を回収して改質炉に投入すること並びに改質ガスとの熱交換で得られた蒸気の改質炉への供給量を減らし、エネルギーロスを低減させることは従来のガス化処理システムにおいて未解決の課題であった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、改質炉で回収される含炭素非ガス成分を有効利用することができ、かつ、改質ガスとの熱交換により得られる蒸気の改質炉への供給を減らすことによりガス化処理システムのエネルギーロスを減らすことができるガス化処理システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下に示す発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のガス化処理システムは、バイオマス資源を熱分解およびガス化させて熱分解・ガス化ガスを発生させるガス化炉と、該熱分解ガス中に含まれる含炭素非ガス成分を改質する改質炉と、該改質炉から排出される改質ガスの熱を回収して蒸気を発生させるボイラ設備と、前記ボイラ設備から排出される排ガスを処理するための排ガス処理設備とを有するガス化処理システムであって、該排ガス処理設備は、水洗を利用する湿式集塵機であり、該水洗により回収された含炭素非ガス成分が、該改質炉に供給されるようになっていることを特徴とするものである。

上記のガス化処理システムにおいて、好ましくは、前記含炭素非ガス成分は、タール及び/またはチャーであり、前記湿式集塵機による水洗により発生した排水が前記改質炉に供給される。

上記のガス化処理システムにおいて、好ましくは、前記湿式集塵機による水洗により発生した排水を固液分離するための固液分離手段をさらに備え、該固液分離手段の上澄み液とともに、該固液分離手段に沈殿したチャーを多く含む沈殿物が前記改質炉に供給される。

本発明によれば、湿式集塵機で捕集された含炭素非ガス成分が改質炉に供給されるようにしたので、ガスエンジンの原料となり得る含炭素非ガス成分を改質することができ、エネルギーの回収率を向上させることができる。

また、湿式集塵機で捕集された、含炭素非ガス成分を含む排水が改質炉に供給されるようにすることで、改質ガスとの熱交換により生じた蒸気の改質炉に供給する量を低減させるか供給する必要がなくなるため、より多くの蒸気を発電に回すことができる。

さらに、湿式集塵機における水洗により生じた排水を改質剤として改質炉に供給することで、本来排水処理系統へ排出される汚水が減量されることとなり、排水処理量を低減させることができる。

本発明の実施形態のガス化処理システム（２１）を示すフロー図である。 ガス化炉（２４）でのごみの処理量を１００ｔ／ｄとしたときの従来のプロセスの収支例を示す図である。 ガス化炉（２４）でのごみの処理量を１００ｔ／ｄとしたときの本発明の実施形態のプロセスの収支例を示す図である。 従来のガス化処理システムの一例を示すフロー図である。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態のガス化処理システム（２１）を示すフロー図である。

本実施形態のガス化処理システム（２１）は、図１に示すように、ガス化炉（２４）と、改質炉（２５）と、ボイラ設備（２６）とを備えている。

ガス化処理の対象となるバイオマス資源（２２）は、破砕機（２３）により所定のサイズに粉砕された後に、ガス化炉（２４）に投入される。ガス化炉（２４）内において、投入されたバイオマス資源（２２）は、熱分解およびガス化され、生じた熱分解ガスは、改質炉（２５）に供給される。改質炉（２５）では、熱分解ガス中に含まれるタール、チャー等の含炭素非ガス成分の改質が行われる。改質炉（２５）によって生じた改質ガスは、熱回収手段として機能するボイラ設備（２６）に供給される。ボイラ設備（２６）では、ボイラ設備（２６）内に流通する循環水との熱交換により、改質ガスの温度が低減させられ、ボイラ設備（２６）から排出された改質ガスは、排ガス処理設備（２７）に通される。排ガス処理設備（２７）では、改質ガス中に存在する残留含炭素非ガス成分が除去される。排ガス処理設備（２７）から排出される改質ガスは、ガスエンジン（２８）に供給され、このガスエンジン（２８）は、改質ガスを燃料として駆動する。ガスエンジン（２８）から排出された排ガスは、煙突（２９）を介して大気へ排出される。

また、ボイラ設備（２６）に供給された循環水は、改質ガスとの熱交換により水蒸気となる。生じた水蒸気は、蒸気だめ（３０）に貯められた後、蒸気タービン（３１）を駆動するために利用される。蒸気タービン（３１）を出た水は、循環水として再度ボイラ設備（２６）に供給され、循環を形成する。

また、蒸気だめ（３０）に貯められた水蒸気は、一部、改質反応のために改質炉（２５）およびガス化炉（２４）に供給される。

本発明において処理対象となるバイオマス資源（２２）としては、例えば、家庭やオフィスからの一般廃棄物、産業廃棄物、汚泥、木質バイオマスなどが挙げられる。

ガス化炉（２４）は、流動床式ガス化炉等の従来からガス化に用いられるような好適なガス化炉であればよい。ガス化炉（２４）内には、バイオマス資源の部分酸化を行うのに必要な所定量の空気または酸素が導入され、これにより５００〜６００℃の加熱状態となる。これにより、ガス化炉（２４）内のバイオマス資源は、熱分解またはガス化され、熱分解ガスおよび改質性のガス（水素、一酸化炭素）が生じる。また、ガス化炉（２４）内の熱分解によりタール、チャー等の含炭素非ガス成分も生成し、熱分解性および改質性のガスに含まれることになる。

処理対象となるバイオマス資源（２２）は、例えば、破砕機（２３）により破砕された後にガス化炉（２４）に投入されるが、バイオマス資源（２２）が当初より破砕を必要としないサイズである場合には、破砕機（２３）により破砕を行わずにガス化炉（２４）に投入するようにしてもよい。

改質炉（２５）は、従来から改質に用いられるような改質炉であればよい。改質炉には、ガス化炉（２４）において生じた熱分解ガスが、排ガス流路（図示せず）を介して導かれる。

改質炉（２５）には、従来のシステムと同様に、含炭素非ガス成分を改質するために、水および／またはボイラ設備（２６）で発生した蒸気が供給されると共に、熱分解ガス成分および含炭素非ガス成分を部分燃焼させるために、酸素および／または空気が供給される。

さらに、改質炉（２５）に、供給される水および／または水蒸気に、過酸化水素水等を供給することにより、従来のシステムより低温である７００〜１１００℃、さらに好ましくは７００〜１０００℃で、タール、チャー等の含炭素非ガス成分を改質反応させることができる。なお、過酸化水素は少量ずつ継続して改質炉内に吹き込むことが好ましい。

改質炉（２５）では、水および／または水蒸気を供給することにより、水蒸気改質反応：
Ｃ_ｍＨ_ｎ ＋ ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ ＋ （ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２
および水性ガスシフト反応：
ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２
の反応が生じており、これらの反応により、ＣＯ、Ｈ_２およびＣＯ_２が生成する。

水蒸気は、後述するボイラ設備（２６）にて発生した蒸気を分岐させて供給することが好ましい。ボイラ設備（２６）で発生する蒸気は４００〜５４０℃程度であり、当該蒸気を改質炉（２５）内に吹き込むことで改質炉（２５）内の温度があまり下げることがない。

ボイラ設備（２６）は、改質炉（２５）から排出される改質ガスの排熱を熱回収して、水蒸気を発生させる。ボイラ設備（２６）にて発生させた水蒸気は、ガス化炉（２４）及び／または改質炉（２５）に供給してもよい。

排ガス処理設備（２７）として、本実施形態では、湿式集塵機が用いられる。このような湿式集塵機は、改質ガスに含まれている酸性ガス、タールや煤などを水洗により除去するようになっている。湿式集塵機としては、湿式洗煙塔や湿式電気集塵機を用いることができ、湿式電気集塵機では、改質ガスに含まれる酸性ガス、タール、チャー（煤）等をミストで覆い、電極を通すことによりこの微粒子をマイナスに帯電させ、プラス極に帯電させた集塵極で捕集する。湿式電気集塵機には、補給水が供給され、改質ガス中の残留含炭素非ガス成分は、補給水による水洗により除かれ、排水中の成分として湿式電気集塵機から排出される。

湿式電気集塵機から排出された排水は、固液分離手段に通される。固液分離手段は、例えば沈殿槽を備えており、タールを多く含む上澄み液と、水やチャーを含む沈殿液に分離される。タールを多く含む上澄み液は改質炉に供給されて、水は改質剤として、タールおよびチャーは被改質対象として再び利用される。さらに、沈殿槽に沈殿したチャーを多く含む沈殿物を前記の上澄み液に添加することも可能である。その他の沈殿槽中の水溶液は排水処理工程に送られる。

ガスエンジン（２８）には、図示しない発電機が取り付けられ、ガスエンジン（２８）で改質ガスを燃焼させて、発電機を駆動させて発電するようになっている。なお、図１には図示していないが、ガスエンジン（２８）の後段にボイラを設置して、ガスエンジン（２８）からの排ガスの排熱から水蒸気を発生させて、この水蒸気に過酸化水素水等を添加した後にこれを改質炉（２５）内に供給するようにしてもよい。

次に、湿式電気集塵機を用いた場合の排水循環プロセスの収支例について以下に説明する。

ガス化炉（２４）でのごみの処理量を１００ｔ／ｄとしたときの従来のプロセスの収支例を図２に示し、湿式電気集塵機を用いる本実施形態の収支例を図３に示す。

本実施形態のように、湿式電気集塵機で得た排水を改質炉に供給するプロセスでは、湿式電気集塵機で回収したタール、チャー等の含炭素非ガス成分を固液分離槽で分離し、上澄みに溜まったタールと水を改質炉（２４）に供給することとした。

なお、このとき固液分離槽に溜まった沈殿には、チャーや灰分、処理で用いた試薬等が溜まっており、これらは後の排水処理の過程で回収される。

従来プロセスでは、排水処理系統への排水量が２９５１ｋｇ／ｈであったのに対して、本実施形態のプロセスでは２６０３ｋｇ／ｈとなり、約１２％程度排水処理量を低減させることができた。また、タールの発熱量を３２ｋＪ／ｇとすると、従来系外に排出されていた１５ｋｇ／ｈのタールは、４８０００ｋＪ／ｈの熱量を持っており、これを改質炉に供給することでエネルギーロスを低減させることができる。

２１ ガス化処理システム
２２ バイオマス資源
２３ 破砕機
２４ ガス化炉
２５ 改質炉
２６ ボイラ設備
２７ 排ガス処理設備
２８ ガスエンジン
２９ 煙突
３０ 蒸気だめ
３１ 蒸気タービン

Claims (4)

1. バイオマス資源を熱分解およびガス化させて熱分解ガスを発生させるガス化炉と、
   該熱分解ガス中に含まれる含炭素非ガス成分を改質する改質炉と、
   該改質炉から排出される改質ガスの熱を回収して蒸気を発生させるボイラ設備と、
   前記ボイラ設備から排出される排ガスを処理するための排ガス処理設備と
   を有するガス化処理システムであって、
   該排ガス処理設備は、水洗を利用する湿式集塵機であり、該水洗により回収された含炭素非ガス成分を含む排水が、該改質炉に供給されるようになっていることを特徴とするガス化処理システム。
2. 前記含炭素非ガス成分がタール及び／またはチャーであり、
   前記湿式集塵機による水洗により発生した排水が前記改質炉に供給される、請求項１に記載のガス化処理システム。
3. 前記湿式集塵機による水洗により発生した排水を固液分離するための固液分離手段をさらに備え、該固液分離手段の上澄み液とともに、該固液分離手段に沈殿したチャーを多く含む沈殿物が前記改質炉に供給される、請求項１または２に記載のガス化処理システム。
4. 前記改質炉内には、前記含炭素非ガス成分を改質するために、水および／または前記ボイラ設備で発生した蒸気と共に過酸化水素が供給されると共に、該含炭素非ガス成分を部分燃焼させるために、酸素または空気が供給されるようになっている、請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス化処理システム。

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