JP6632123B2

JP6632123B2 - 廃棄物ガス化装置

Info

Publication number: JP6632123B2
Application number: JP2015214069A
Authority: JP
Inventors: 藤原　照家; 照家藤原
Original assignee: 藤原　照家; 照家藤原
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: JP2017082151A

Description

本発明は、廃棄物をガス化炉内で高温水蒸気により熱分解してガス化し、エネルギーとして使用できる可燃性ガスを発生させ、廃棄物を減容化し処理する廃棄物ガス化装置に関する。

従来、都市ゴミ、不燃ゴミ、焼却残渣、廃プラスチック等の廃棄物を減容化し効率的に処理する技術としてガス化溶融装置がある。ガス化溶融装置の中には、廃棄物の熱分解に水蒸気を用い、水性ガス反応により水素と一酸化炭素を生成させるものがある。例えば、廃棄物を熱分解して熱分解ガスを生成するガス化炉と、熱分解ガス中の未反応残渣を熱分解して改質ガスを生成する改質炉と、改質炉で生成された改質ガスの熱を利用して、ガス化炉内に供給する水蒸気を発生する熱交換器と、改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて排出する水蒸気分離手段とを備え、ガス化炉における廃棄物の熱分解に水蒸気を用い、水性ガス反応で改質ガス（可燃性ガス）を製造する可燃ガス生成装置がある（特許文献１参照）。また、廃棄物を部分酸化・熱分解しガス化して発生したガスを改質して改質ガスを生成するガス化改質炉と、該ガス化改質炉からの改質ガスを受けてこれを冷却する冷却装置と、該ガス化改質炉と冷却装置とを連結して改質ガスを冷却装置へ送る連結管とを少なくとも有する廃棄物ガス化処理装置において、連結管内に酸素含有ガスを吹き込み改質ガスの一部を燃焼させるバーナを備え、ガス化改質炉で高温水蒸気で水性ガス反応で改質ガス（可燃性ガス）を製造する廃棄物ガス化処理装置がある（特許文献２参照）。

特開２０１０−７７２６０号公報特開２０１２−９７１７８号公報

しかし、特許文献１に記載の発明に係る流動床式ガス化炉等のガス化炉及び特許文献２に記載の発明に係るガス化改質炉において、水性ガス反応が起こる温度に炉内温度を維持するための炉内の加熱は、バーナーの熱やコークスの熱等を用いて行われもので高温水蒸気を用いるものではない。そのため、装置はバーナーやコークス等で炉内を加熱するための構成が不可欠となり、装置が複雑となる。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、高温水蒸気で水性ガス反応が起こる温度に炉内温度を維持するとともに、水性ガス反応により可燃性ガスを生成して廃棄物を減容化し、バーナーやコークス等で炉内を加熱するための構成が不要な廃棄物ガス化装置を提供することを課題とする。

本発明者は、上記の課題を解決するために鋭意検討を重ねて本発明に想到した。
すなわち、本発明は、高温水蒸気により廃棄物を熱分解し、可燃性ガスを発生させる、炉幅が上方から下方に向けて次第に拡径するテーパー状をなすガス化炉と、ガス吸引手段と可燃性ガス中に含まれる酸素を可燃性ガスの一酸化炭素や水素と反応しないように不活性化する高電圧放電発生器とガス圧縮手段を備え、前記ガス化炉に接続されて前記可燃性ガスを前記ガス化炉から排出させるガス排出管と、筒形周壁の周面に複数のガス噴出孔を穿設し、前方開口側を中心にガス吐出孔を設けた蓋板により被蓋した内側燃焼筒体の後方開口側周縁を、筒形で前方開口側を中心にガス放出口を有する前方側壁板に、又後方開口側を後方側壁板により閉塞する外側燃焼筒体の後方側壁板内面に接合して、内側燃焼筒体を外側燃焼筒体に内設し、内側燃焼筒体内に適量の流体燃料と加圧空気を供給点火して燃焼させ内側燃焼筒体を加熱すると共に、後方より外側燃焼筒体内に加圧空気を供給し周回させて加熱し、内側燃焼筒体に設けたガス噴出孔及びガス吐出孔より外側燃焼筒体内に噴出する気化した不完全燃焼ガスを、周回する加熱ガスの逆火熱により再燃焼して反復周回させて更に内側燃焼筒体を加熱して熱気化を促進し、ガス放出口より外部に高温の完全燃焼ガスを放出する逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナーの熱により発生した高温水蒸気を前記ガス化炉内に噴出させる高温水蒸気用ボイラーと、を備え、ガス化炉の上部に上シャッターと下シャッターを備える廃棄物投入口が設けられ、投入された廃棄物に含まれる空気を排出させるために両シャッター間に水蒸気導入管と排気管が設けられ、廃棄物を前記廃棄物投入口から前記ガス化炉内に連続投入し、連続運転が可能なことを特徴とする廃棄物ガス化装置に関する。可燃性ガスは、空気中又は酸素中で燃えるガスのことで、一酸化炭素、水素、CH₄やC₂H₅等の炭化水素を含むものである。

上記の構成によれば、着火後１分前後で燃焼ガスの温度が１０００℃前後に達する特殊なバーナーを用いて発生する高温水蒸気を用い、炉内温度を水性ガス反応が起こる温度に維持しながら熱分解により可燃性ガスを生成させることができるので、バーナーやコークス等で炉内を加熱するための構成が不要となる。

上記の発明において、ガス化炉の上部に上シャッターと下シャッターを備える廃棄物投入口が設けられ、投入された廃棄物に含まれる空気を排出させるために両シャッター間に水蒸気導入管と排気管を設けてもよい。この構成によれば、含まれる酸素を追い出した廃棄物をガス化炉内に連続投入し、連続運転することができる。また、ガス排出管にガス洗浄装置を備えてもよい。この構成により、可燃性ガスに含まれる不純物を除去できる。

本発明の廃棄物ガス化装置は、高温水蒸気により炉内を加熱するとともに、廃棄物を熱分解してガス化することにより燃料等として有用な可燃性ガスを発生させ、廃棄物を減容化し処理することができる。

本実施形態に係る廃棄物ガス化装置を示す概略構成図である。本実施形態に係る廃棄物ガス化装置の逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナーの基本的な構成の概要を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示す本実施形態に係る廃棄物ガス化装置１００は、ガス化炉３０と可燃性ガスをガス化炉３０から排出するガス排出管４０と逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナー６０を熱源として高温水蒸気を発生する高温水蒸気用ボイラー５０とを備えている。

ガス化炉３０は、炉幅が上方から下方に向けて次第に拡径するテーパー状に形成されている。この構成により、熱で膨張した廃棄物が上方から落下し易くなり、下方での熱分解が容易となる。ガス化炉３０の内側は、耐熱構造となっている。

ガス化炉３０の上部は、廃棄物投入口３１が設けられている。廃棄物投入口３１は、上シャッター３２と下シャッター３３が設けられ、両シャッター３２、３３間の下部に水蒸気導入管３４が接続され、上部に排気管３５が接続されている。上シャッター３２を開けて廃棄物を投入後、上シャッター３２を閉じる。次いで、ボイラー３６内で発生する水蒸気を水蒸気導入管３４から廃棄物投入口３１内に噴出させ、廃棄物に含まれる空気を水蒸気により排気管３５を介して外部に排出させる。廃棄物ガス化装置１００は、高温水蒸気により廃棄物を熱分解して可燃性ガスを発生させるので、廃棄物の処理に空気は必要なく、空気の存在は可燃性ガスを不燃性化する。廃棄物から空気を追い出した後、下シャッター３３を開け、廃棄物をガス化炉３０内に落下させ、下シャッター３３を閉じる。廃棄物投入口３１への廃棄物の投入、廃棄物に含まれる空気の追い出し、廃棄物のガス化炉内３０への落下を繰り返すことによりガス化炉３０内に廃棄物を連続投入し、連続運転ができる。

ガス化炉３０の下部には、多数の孔を有する仕切板３７で隔離された灰貯留部３８が形成されている。

ガス化炉３０の下部に２基の高温水蒸気用ボイラー５０が互いに対向する位置に接続されている。高温水蒸気用ボイラー５０は、逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナー６０の熱を熱源として高温水蒸気を発生し、ガス化炉３０内に高温水蒸気を噴出する。

次いで、逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナー６０について説明する。図１に示す逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナー６０は、特許第２８３８２４１号公報に開示がある。

逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナー６０の外側燃焼筒体１は、外周面の前端部にフランジを設けた筒形の周壁胴２と、下部に設けたダクト接続孔３の後方に向け突出して送風ダクト４を接続した後方側壁板５（ガスの流れ方向を前方とする）及び中央部にガス放出口６を穿設し、該ガス放出口６に連通して前方に突出するガス放出筒７を接続した前方側壁板８を有する。

前記の外側燃焼筒体１の周壁胴２より小径の筒状の周壁筒９は、周壁に複数のガス噴出孔１０を穿設すると共に、下側周壁前部に燃焼用給気孔１１を、また、後部に点火用給気孔１２を穿設し、周壁筒９の前方開口側の中心にガス吐出口１３を設けた蓋板１４により被蓋した内側燃焼筒体１５を構成し、周壁筒９の後端縁１６を外側燃焼筒体１の後方側壁板内壁面１７の中間上部に密着接合する。

内側燃焼筒体１５には、周壁筒９の下側周壁前部に設けた燃焼用給気孔１１を介して内側燃焼筒体１５に連通する如く送風ダクト４より適寸法小径の給気管１８の前端周縁１９を接合し、該給気管１８の他端が送風ダクト４内に臨むように取り付け、又下側周壁後部に設けた点火用給気孔１２を介し内側燃焼筒体１５に連通するように給気管１８より適寸法小径の補助給気管２０の上端周縁２１を接合し、他端が給気管１８内に臨むように取り付けられる。

このように給気管１８及び補助給気管２０を取り付け外側燃焼筒体１の後方側壁板内壁面１７に接合した内側燃焼筒体１５を、外側燃焼筒体１の周壁胴２の前方開口部をガス放出筒７を外方にして前方側壁板８により被蓋した該周壁胴２内に後方より挿入し、内側燃焼筒体１５の蓋板１４と外側燃焼筒体１の前方側壁板８間が適間隔ｔを隔てる状態で外側燃焼筒体１の周壁胴２の後端周縁と後方側壁板５の外周縁を密着接合して外側燃焼筒体１内に内側燃焼筒体１５を内設すると共に、内側燃焼筒体１５内に連通する燃料供給管２２と点火装置Ｓを設けて逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナー６０が構成される。

ガス化炉３０の上部は、可燃性ガスを外部に排出させるガス排出管４０が接続されている。ガス排出管４０の出口にはネット体４１が設けられ、ガス排出管４０内に廃棄物や廃棄物の熱分解物が入らないようにされている。また、ガス排出管４０にはガス吸引手段に相当する吸引送風機４２が接続され、ガス化炉３０内から可燃性ガスを吸引・排出する。
さらに、ガス排出管４０には高電圧放電発生器４３が設けられている。高電圧放電発生器４３により可燃性ガス中に含まれる酸素を下記のように反応させ、酸素が可燃性ガスの一酸化炭素や水素と反応しないように不活性化される。
2H₂ ＋O₂→2H₂O
なお、ガス吸引手段は、ガス化炉３０から可燃性ガスを吸引・排出させることができれば吸引送風機４２に限定されるものではなく、吸引ポンプ等でもよい。

ガス排出管４０には、ガス洗浄装置４４が接続されている。ガス洗浄装置４４は、流入した可燃性ガスをシャワー（図示せず）から噴出する水により洗浄する。また、ガス洗浄装置４４には、ガス圧縮手段に相当するコンプレッサ４５が接続され、洗浄された可燃性ガスは圧縮される。圧縮された可燃性ガスは燃料等の利用に供することができる。

本実施形態に係る廃棄物ガス化装置１００による廃棄物の熱分解による可燃性ガスへのガス化について説明する。
従来のバーナーで製造される高温水蒸気の温度は、３００℃〜５００℃程度と低く、水性ガス反応が起きる６００℃〜１０００℃にするには炉内の温度をバーナーやコークス等で高めておく必要があった。逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナー６０は、着火後１分前後で燃焼ガスの温度が１０００℃前後となり、エネルギー収束率が極めて高い高温・高エネルギーの火炎を放出し、又このバーナーは理論的空気量のみで完全燃焼するため、窒素酸化物の発生もなく、高温でガス化された燃料をバーナー内部で繰り返し旋回して酸素と激しく交わり高温となる。そのため、この火炎に水供給装置５１から噴霧又は滴下される水は瞬間的に６００℃以上の高温水蒸気となり、高温水蒸気は高温水蒸気用ボイラー５０内をらせん状に旋回しながらガス化炉３０内に噴出する。水性ガス反応は、６００℃〜１０００℃で起こるので、ガス化炉３０内で６００℃以上の高温水蒸気が熱分解された炭素を含む廃棄物に吹き付けられることにより下記の水性ガス反応が起き、一酸化炭素ガスと水素ガスが生成する。
C＋H₂O→CO+H₂
また、高温水蒸気により炭素を含む廃棄物からCH₄やC₂H₅等の炭化水素の可燃性ガスを発生する。

一酸化炭素と水素が生成する反応は吸熱反応であるため、ガス化炉３０内は上部に向かうほど炉内の温度が低下し、ガス排出管４０に排出される可燃性ガスは１００℃以下になる。３００℃〜４００℃で発生するタールは、ガス化炉３０の上部で廃棄物に付着して下方に落下し、下方で高温水蒸気により再熱分解され一酸化炭素ガスと水素ガスを生成する。金属等の熱分解残渣は、灰分として灰貯留部３８に溜まる。

圧縮された可燃性ガスは燃料として用いたり、メタノール等の製造に用いることができる。また、水素ガスは燃料電池に用いることができる。さらに、一酸化炭素ガスは下記の水性ガスシフト反応により水素の製造に用いることができる。
CO＋H₂O→CO₂+H₂

１外側燃焼筒体
２周壁胴
５後方側壁板
６ガス放出口
７ガス放出筒
８前方側壁板
９周壁筒
１０ガス噴出孔
１３ガス吐出孔
１４蓋板
１５内側燃焼筒体
１８給気管
２０補助給気管
２２燃料供給管
６０逆火熱利用有酸素気化再燃焼式バーナー
３０ガス化炉
３１廃棄物投入口
３２上シャッター
３３下シャッター
３４水蒸気導入管
３５排気管
３６ボイラー
４０ガス排出管
４２吸引送風機
４３高電圧放電発生器
４４ガス洗浄装置
４５コンプレッサ
５０高温水蒸気用ボイラー
１００廃棄物ガス化装置

Claims

高温水蒸気により廃棄物を熱分解し、可燃性ガスを発生させる、炉幅が上方から下方に向けて次第に拡径するテーパー状をなすガス化炉と、
ガス吸引手段と可燃性ガス中に含まれる酸素を可燃性ガスの一酸化炭素や水素と反応しないように不活性化する高電圧放電発生器とガス圧縮手段を備え、前記ガス化炉に接続されて前記可燃性ガスを前記ガス化炉から排出させるガス排出管と、
筒形周壁の周面に複数のガス噴出孔を穿設し、前方開口側を中心にガス吐出孔を設けた蓋板により被蓋した内側燃焼筒体の後方開口側周縁を、筒形で前方開口側を中心にガス放出口を有する前方側壁板に、又後方開口側を後方側壁板により閉塞する外側燃焼筒体の後方側壁板内面に接合して、内側燃焼筒体を外側燃焼筒体に内設し、内側燃焼筒体内に適量の流体燃料と加圧空気を供給点火して燃焼させ内側燃焼筒体を加熱すると共に、後方より外側燃焼筒体内に加圧空気を供給し周回させて加熱し、内側燃焼筒体に設けたガス噴出孔及びガス吐出孔より外側燃焼筒体内に噴出する気化した不完全燃焼ガスを、周回する加熱ガスの逆火熱により再燃焼して反復周回させて更に内側燃焼筒体を加熱して熱気化を促進し、ガス放出口より外部に高温の完全燃焼ガスを放出する逆火熱利用有酸素熱気化再燃焼式バーナーの熱により発生した高温水蒸気を前記ガス化炉内に噴出させる高温水蒸気用ボイラーと、を備え、
ガス化炉の上部に上シャッターと下シャッターを備える廃棄物投入口が設けられ、投入された廃棄物に含まれる空気を排出させるために両シャッター間に水蒸気導入管と排気管が設けられ、
廃棄物を前記廃棄物投入口から前記ガス化炉内に連続投入し、連続運転が可能なことを特徴とする廃棄物ガス化装置。
ガス排出管にガス洗浄装置を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化装置。