JP2005029728A - ガス化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 粗粉砕廃棄物をガス化でき、かつタールを含まない生成ガスを排出できるガス化炉を提供すること。
【解決手段】 ガス化炉を、頂部に生成ガスを排出するガス排出口７１を備えた竪型円筒状のガス化炉１３と、ガス化炉１３の底部に設けられた火格子と、ガス化炉１３側壁に設けられ火格子部に原料を供給する原料供給口６９と、火格子部に酸素を含むガス化剤を供給する供給口６３と、火格子部から不燃物を排出する排出口６７と、ガス化炉１３側壁に設けられ接線方向に酸素を含むガス化剤を供給して噴流層を形成するノズル６５とを備える構成にすることにより、粗粉砕廃棄物をガス化するとともに、タールを含まない生成ガスを排出することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、粗粉砕された廃棄物、特に有機廃棄物を効率的にガス化させるガス化装置に関する。

一般に、廃プラスチック、カーシュレッダーダスト、バイオマス廃棄物などに代表される有機廃棄物などをリサイクルする方法としては、回収効率を向上させるため、焼却処理の際に発生する熱を回収利用するサーマルリサイクルから、有機廃棄物をガス化炉に導いてガス化させ、その生成ガスを工業材料や燃料などの製造原料として利用するケミカルリサイクルへの転換が図られている。

有機廃棄物などを固体原料としてガス化させるガス化炉は、原料の反応様相により、固定層、流動層、噴流層などの形式に分類される。固定層ガス化炉は、固定床の上に粗粉砕された原料を堆積させて加熱してガス化させ、流動層ガス化炉は、流動媒体に空気を吹き込んで流動化された流動層に原料を供給し、加熱してガス化させるようにしている。また、噴流層ガス化炉は、微粉砕された原料を炉内で旋回する酸素を含むガス化剤に同伴させて噴流層を形成することにより、高温でガス化させるようにしている。これらのガス化炉は、各々長所と短所を有し、原料性状、その他条件により最適な形式が選定される。

ところで、原料が熱分解してガス化する際には、揮発性成分のタールが発生する。このタールは、熱分解ガスとともに炉内から排出されると、後流の管の内壁に付着して油状に固まり、管内を閉塞させる要因となる。特に、ガス化炉の熱分解温度が低いほどタール生成率が増えるため、固定層や流動層のガス化炉においては、タールが多く発生する。

そこで、このようなタールを除去する方法として、ガス化炉から排出されるタールを含む生成ガスを、ガス化炉の後流に設けた改質炉により、高温（例えば、１０００℃以上）雰囲気で分解除去する方法が知られている。この改質炉を用いる例として、流動層ガス化炉から排出される可燃性ガス、チャーおよびタールを、その後流に配設する改質炉に導いて、高温でガス化（改質）させる方法が開示されている（特許文献１参照。）。

しかし、この方法によれば、ガス化と改質が別々の炉で行われるため、装置が複雑化および大型化するという問題がある。

一方、噴流層ガス化炉によれば、１０００℃以上の高温下で原料をガス化させるため、タールはすべて分解され、従って、一つの炉でタールを発生させることなく、原料をＨ_２とＣＯガス主体の合成ガスに変換させることができる。

特開平１１−１６６１８５号公報

しかしながら、上述した噴流層ガス化炉によれば、原料を数ミリ以下の微粒子に粉砕する粉砕工程が必要となる。特に、繊維質の多いバイオマス類の微粒化には、乾燥工程を含めて大きなエネルギーが必要となる。一方、プラスチックやゴム、ウレタンなど柔軟性に富む材料は、コストが高い冷凍粉砕が採用されている。また、金属屑などを含むシュレッダーダストなどは、磁気選別や風力選別、篩分級などの分別工程が必要となり、処理コストが高くなることに加え、これらの処理が十分でないと、気流搬送管内に詰りが生じるおそれがある。すなわち、噴流層ガス化方式は、装置の簡単化およびタール抑制については有効であるが、廃棄物、特に有機廃棄物の微粉砕にはコストが掛かり、適用が困難になるという問題がある。従来、廃棄物のガス化炉においては、これらの点で、何ら配慮がなされていない。

本発明の課題は、粗粉砕廃棄物をガス化でき、かつタールを含まない生成ガスを排出できるガス化炉を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、頂部に生成ガスを排出するガス排出口を備えた竪型円筒状のガス化炉と、ガス化炉の底部に設けられた火格子と、ガス化炉側壁に設けられ火格子部に原料を供給する原料供給口と、火格子部に酸素を含むガス化剤を供給する供給口と、火格子部から不燃物を排出する排出口と、ガス化炉側壁に設けられ接線方向に酸素を含むガス化剤を供給して噴流層を形成するノズルとを備えたことを特徴としている。

このような構成によれば、先ず、粗粉砕された廃棄物がガス化炉内に供給されると、火格子上に落下して堆積し、下方の供給口から吹き込まれるガス化剤により、一部が燃焼を開始する。そして、この燃焼により加熱された廃棄物が熱分解して生成されるタールを含む熱分解ガスは、ガス化剤の旋回流に巻き込まれて炉内を旋回上昇し、高温（例えば、１０００℃以上）の噴流層に取り込まれ、素早くガス化されて改質される。すなわち、一つのガス化炉に固定層と噴流層を組み込むことにより、廃棄物は、粗粉砕された状態においても、低温の固定層によりガス化され、次いで高温の噴流層によりタール分などがガス化される。なお、火格子上の不燃物は、火格子部に形成される排出口から排出されるため、前処理として廃棄物を分別する必要がない。

この場合において、火格子は、可動する複数のストーカであることが望ましい。これによれば、火格子の振動により廃棄物の燃焼、ガス化が活発化するとともに、不燃物が多く含まれていても、連続的に安定して排出することができる。

また、ガス化炉の少なくとも上部の温度を１０００℃乃至１３００℃の範囲に保持するように、ノズルに供給するガス化剤の量を制御する制御手段を備えることが望ましい。この場合、炉内温度に応じて炉内に供給するガス化剤の量を流量調整弁などにより調整すれば、炉内上部をタール分解に最適な温度に保持することができる。ここで、例えば、ノズルをガス化炉の高さ方向に２段で配設し、ガス化炉の上部の炉内温度を１０００℃乃至１３００℃、ガス化炉の下部の炉内温度を８５０℃乃至９００℃の範囲にそれぞれ保持するように、ノズルに供給するガス化剤の量を制御する制御手段を備えるようにしてもよい。すなわち、火格子部の温度を所定の温度範囲に保持することにより、廃棄物を溶融させずに、燃焼、ガス化させることができる。このように、ノズルを複数段に配設すれば、ガス化炉の高さ方向で温度分布を形成し、廃棄物を効率的にガス化させることができる。なお、火格子部の温度を制御する場合、火格子部に吹き込むガス化剤の量を上記制御手段により制御するようにしてもよい。

本発明によれば、粗粉砕廃棄物をガス化でき、タールを含まない生成ガスを排出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用してなる廃棄物リサイクルシステムの構成図である。なお、本実施形態では、原料となる廃棄物として有機廃棄物を用いて説明するが、これに限られるものではない。

図に示すように、廃棄物リサイクルシステムは、有機廃棄物（以下、適宜、廃棄物という。）をガス化させるガス化工程１と、ガス化工程で生成された生成ガスを精製するガス精製工程３と、精製ガスを利用するガス利用工程５とから構成される。ガス化工程１は、粉砕機７、原料ホッパ９、スクリューフィーダ１１、ガス化炉１３、通風機１５、酸素製造装置１７とから構成される。横型の粉砕機７は、一端にホッパ１９が接続され、他端の排出口が原料ホッパ９の供給口に接続されている。原料ホッパ９は円筒状容器の下部が逆錐状に窄められ、中央の排出口がスクリューフィーダ１１の一端の供給口に接続されている。スクリューフィーダ１１は、駆動装置に接続されるスクリュが回転することにより、供給口から供給された廃棄物を他端の排出口まで水平移送するようになっている。スクリューフィーダ１１の排出口は、縦型円筒状をなすガス化炉１３の略中段側壁部に接続されている。ガス化炉１３の底部には、後述するストーカ２１が形成されている。ガス化炉１３の側壁部で、スクリューフィーダ１１の接続口の上方には、ガス化剤の導入口となるノズル２３、２５が上下に２段配設されている。このノズル２３、２５には、それぞれ空気導入管２７および酸素導入管２９が連結してなるガス導入管３１が接続され、空気導入管２７は、空気流量調整弁３３を介して通風機１５に接続される一方、酸素導入管２９は、酸素流量調整弁３５を介して酸素製造装置１７に接続されている。また、ストーカ２１の下部空間にはノズル３７が接続され、ノズル３７は、空気流量弁４１を備えた空気導入管３９を介して通風機１５に接続されている。

上記のガス化工程１により生成された生成ガスは、通常、水素と一酸化炭素が主体の混合ガスとなるが、廃棄物の組成によっては、塩素分や硫黄分、重金属類などが含まれる場合がある。このため、生成ガスをガス精製工程３で精製し、これらを取り除く必要がある。

本実施形態におけるガス精製工程３は、減温器４５、混合器４７、バグフィルタ５３、誘引送風機５７、ガスホルダ５９から構成される。ガス化炉１３から排出された生成ガスは、配管４３を介して減温器４５に導入され、ここで冷却された後、混合器４７に導かれる。混合器４７には、上流側から消石灰ホッパ４９、活性炭ホッパ５１がそれぞれ接続され、混合器４７に導入された生成ガスは、消石灰、活性炭が吹き込まれることにより、脱塩、脱硫処理などが施される。混合器４７から排出されたガスは、バグフィルタ５３に導入されて除塵された後、誘引送風機５５によりガスホルダ５７に導入され、精製ガスとして貯蔵される。

ガス利用工程５は、一例として、精製ガスをガスエンジン燃料として利用するガスエンジン利用工程５９、液体燃料として再生する液体燃料製造器６１などが挙げられる。

次に、本発明を適用してなるガス化炉について詳細に説明する。図２は、図１におけるガス化炉の一例を示す構成図である。図に示すように、ガス化炉１３は、容器１４と、容器１４内の底部に形成されるストーカ２１と、その下部空間２０に設けられる駆動シリンダ２２と、下部空間２０に空気を導入する火格子用空気導入口６３と、不燃物を排出する排出口６７と、廃棄物を供給する供給口６９と、ガス化剤を供給するノズル６５とを備えて構成される。

円筒状の容器１４は、円錐状に窄められた頂部の中央に、ガス排出口７１が形成されている。容器１４の略中段側壁に形成される供給口６９には、スクリューフィーダ１１の排出口が連結され、原料ホッパ９に貯蔵される粗粉砕された廃棄物が、容器１４内に供給されるようになっている。ストーカ２１は、複数の火格子が傾斜して階段状に形成され、各火格子は駆動シリンダ２２が矢印の方向に首振り動作することにより、例えば前後動するようになっている。また、各火格子の間には隙間が設けられ、火格子用空気導入口６３から供給される燃焼用空気がストーカ２１を通過して容器１４内に吹き込まれ、ストーカ２１に堆積する廃棄物を燃焼させるようになっている。排出口６７は、ストーカ２１を下方に延在させるように、容器１４から筒状に突出して形成され、その先端部には回転弁７３が接続されている。ノズル６５は、供給口６９の上方側に配設され、ガス化剤が容器１４内を旋回して流れるように、炉壁の接線方向に向けて配置するのが好ましい。また、ノズル６５は、例えば、容器１４の周方向に対向させて複数配設し、さらに容器１４の高さ方向に２段以上配設することが好ましい。また、廃棄物を容器１４に連続供給する方法として、本実施形態ではスクリューフィーダ１１を適用したが、これに限られるものではなく、例えばロータリーフィーダなどを用いてもよい。

次に、本発明のガス化炉１３について動作を説明する。ガス化炉１３の容器１４内には、ノズル６５からガス化剤が噴射され、これが容器１３の内壁に沿って矢印のように旋回している。このため、例えば、粒径が数ｃｍ程度に粉砕された廃棄物がスクリューフィーダ１１により定量払い出され、容器１４内に供給されると、粗粉砕された廃棄物のうち比較的粒径の小さい微粉は、旋回流に同伴されて、激しく混合された状態、つまり噴流層となり、例えば１０００℃以上の高温下で直ちにガス化される。一方、粒径が比較的大きい粗粉は、旋回流に同伴されずに落下し、底部のストーカ２１上に堆積する。ストーカ２１上に堆積する粗粉は、火格子の下部から供給される燃焼用空気により、例えば約８５０℃で緩慢に加熱され、一部が燃焼するとともにガス化（熱分解）が進行する。このガスは、揮発性成分のタールを含むが、ガス化剤の旋回流に取り込まれて炉内を旋回上昇し、高温の噴流層に至ると、数秒でガス化されて改質される。また、ストーカ２１上で廃棄物が燃焼またはガス化されて小径化した廃棄物は、粒子として旋回流に取り込まれて炉内を旋回上昇し、噴流層でガス化される。さらに、ストーカ２１上で燃焼がおこると、高温の二酸化炭素が発生するが、同様に噴流層に取り込まれると、式１に示すように、噴流層に存在する炭素分と反応し、ガス化剤として有効に機能する。すなわち、粗粉砕廃棄物が供給されても、ストーカなどの固定層と噴流層を組み合わせることにより、ガス化炉１３からタール分や微粒子が排出されることを抑制することができる。
ＣＯ_２＋Ｃ → ２ＣＯ・・（式１）
ここで、ノズル６５から容器１４内に供給されるガス化剤としては、少なくとも酸素を含むガスが適用され、例えば、酸素、酸素富化空気、空気を用いることができる。例えば、空気流量調整弁３３および酸素流量調整弁３５を各ノズルに接続し、容器１４内の温度検出値に基づいて各弁の開き量を制御することにより、ガス化剤の供給量、酸素濃度などを調整することができる。これにより、ノズル６５を容器１４の高さ方向に複数段設置すれば、容器１４内の高さ方向でガス化剤の分圧および温度が異なる領域が形成されるから、廃棄物が熱分解、ガス化、ガス改質する各段階に適した炉内環境となり、ガス化効率を向上させることができる。なお、ノズル６５からは、ガス化剤に加えて水蒸気を添加するようにしてもよい。これによれば、生成ガスの改質効率を向上させることができる。

上記の場合において、噴流層を形成する容器１４の上部は、タール分などのガス化が最適に行われる１０００℃から１３００℃程度の温度幅に維持されるように、温度分布を制御するのが好ましい。また、容器１４の下部は、８５０℃から９００℃の温度幅に維持されるように制御するのが好ましい。これによれば、ストーカ２１上に堆積する不燃物などを溶融させることなく、効率的にガス化させることができる。

また、ストーカ２１は、火格子用空気導入口６３から供給された燃焼用空気が火格子の隙間から吹き込まれるが、この燃焼用空気は、ストーカ２１上の不燃物などを溶融させないように、空気流量弁４１で流量調整する。すなわち、ストーカ２１部の温度検出値などに基づいて、空気流量弁４１の開き量を制御するようにする。これにより、廃棄物が燃焼し生成される不燃物は、例えば前後動する火格子の上を下方に向けて移動し、排出口６７から回転弁７３を介して排出される。

ストーカ２１は、不燃物を乾式で連続的に排出するものであり、特に、廃棄物中に灰分や金属屑などの不燃物が多く含まれる場合、優れた改善効果を示す。ここで、ストーカ２１の構造としては、本実施形態で示した階段状のストーカ２１に限られるものではなく、火格子を横方向に移動する移床ストーカなどでもよい。

次に、ガス化炉１３の他の実施形態について図３に基づいて説明する。図３が図２と相違する点は、図２のストーカ２１に代えて、固定式（可動しない）の火格子８３を適用している点にある。なお、図２に示したものと同一の部分には、同一の符号を付して説明を省略する。

ガス化炉１６は、火格子８３が容器８１の底部に水平に配置され、火格子８３には、燃焼用空気のみならず、廃棄物中の灰分、金属屑などの不燃物が、自然にすり抜けて落下する隙間が形成されている。そして、この隙間を通り抜けた不燃物は、下部空間２０の円錐状に窄んで形成される排出口から回転弁７３を介して排出される。このタイプの火格子８３は、廃棄物が例えば木質バイオマスなどの灰分や不燃物の含有量が少ない場合において適用され、装置コストを下げることができる。すなわち、容器８１の底部は、廃棄物の種類によるが、廃棄物が堆積して固定層を形成し、燃焼またはガス化されることにより、不燃物が排出される機能を備えていれば、どのような構造でもよい。

また、図４に示すガス化炉１８は、図３のガス化炉１６におけるノズル６５が、容器８５の高さ方向に２段配設され、そのノズル８７、８９に接続されるガス化剤導入管に、それぞれガス化剤流量調整弁９１、９３が配設されている点で相違する。これによれば、１段配設のタイプよりも装置コストが高くなる反面、容器８５の高さ方向における温度分布に対する制御性が向上する。

以上、本実施形態によれば、一つのガス化炉において、噴流層および固定層（ストーカを含む）を組み組み合わせることにより、粗粉砕された状態の有機廃棄物から、タールを含まない生成ガスを排出することができる。これにより、廃棄物の前処理として、細粉砕および金属類などの分別が不要となり、また、ガス化炉内でタールが完全にガス化されるため、後流側の配管設備などがタールで汚染されたり、詰りが生ずることがない。また、廃棄物の熱分解ガス化、改質ガス化を一つの炉で処理できるから、装置が小型化され、ガス化効率を高めるとともに、ガス化剤の使用量が削減され、経済的である。
また、本実施形態におけるガス精製工程３としては、乾式法を適用する例を説明したが、これに限らず、例えば湿式法を適用してもよい。すなわち、乾式法によれば、操作および装置が簡単で、１００％近い除去率が得られ、被処理ガスの濃度変動に広く対応できる反面、処理コストが高くなるのに対し、湿式法によれば、処理コストは比較的低いが、１００％近い除去率を得ることが難しく、また付帯的な廃水処理が必要となり設備が大型化する。そのため、ガス化装置の処理規模や有害成分濃度に応じて適切なガス精製法を選択することが好ましい。

本実施形態のガス化工程１およびガス精製工程３から得られる精製ガスは、ガスエンジン燃料として自家発電に利用したり、あるいは化学原料としてメタノール、エタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテル、各種オレフィンなどを製造するのに適している。特に鉄、コバルトなどの触媒を使用したＦＴ法で製造される燃料は、硫黄分がほとんどないため、内燃機関にとっても、環境にとっても望ましい。さらに、直鎖状の炭化水素が主成分のため、ディーゼル留分はセタン価が高く、ディーゼル燃料、および同ブレンド材としての価値は高い。また、本実施形態による高効率な廃棄物ガス化法と、ＦＴ合成法の組み合わせにより、極めて環境性に優れたケミカルリサイクルシステムが構築できる。

本発明を適用してなる廃棄物リサイクルシステムの構成図である。 図１におけるガス化炉の一例を示す構成図である。 図２におけるガス化炉のストーカに代えて、固定式の火格子を適用してなるガス化炉の構成図である。 図３におけるガス化炉のノズルが、容器の高さ方向に２段配設されてなるガス化炉の構成図である。

符号の説明

１ ガス化工程
３ ガス精製工程
５ ガス利用工程
１３，１６，１８ ガス化炉
１４，８１，８５ 容器
２１ ストーカ
６３ 火格子用空気導入口
６５、８７、８９ ノズル
６７ 排出口
６９ 供給口
７１ ガス排出口

Claims (5)

1. 頂部に生成ガスを排出するガス排出口を備えた竪型円筒状のガス化炉と、該ガス化炉の底部に設けられた火格子と、前記ガス化炉側壁に設けられ火格子部に原料を供給する原料供給口と、前記火格子部に酸素を含むガス化剤を供給する供給口と、前記火格子部から不燃物を排出する排出口と、前記ガス化炉側壁に設けられ接線方向に酸素を含むガス化剤を供給して噴流層を形成するノズルとを有してなるガス化装置。
2. 前記火格子は、可動する複数の火格子からなるストーカであることを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
3. 前記ガス化炉の少なくとも上部の温度を１０００℃乃至１３００℃の範囲に保持するように、前記ノズルに供給する前記ガス化剤の量を制御する制御手段を備えてなることを特徴とする請求項１または２に記載のガス化装置。
4. 前記ノズルは前記ガス化炉の高さ方向に２段配設され、前記ガス化炉の上部の炉内温度を１０００℃乃至１３００℃、前記ガス化炉の下部の炉内温度を８５０℃乃至９００℃の範囲にそれぞれ保持するように、前記ノズルに供給する前記ガス化剤の量を制御する制御手段を備えてなることを特徴とする請求項１または２に記載のガス化装置。
5. 前記制御手段は、前記火格子部の温度が前記不燃物の溶融点に達しないように、前記供給口に供給する前記ガス化剤の量を制御することを特徴とする請求項３または４に記載のガス化装置。
   

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