JP2009138107A - 内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置とそれを用いた家畜排せつ物のガス化分解処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱効率を大幅に向上させることができ、コストが低減でき、小型で運転が容易な内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置とそれを用いた家畜排せつ物のガス化分解処理方法を提供する。
【解決手段】ガス化炉１４ａ内に敷設された流動床１３の熱媒体１３ａがその下側を通じて循環可能となるように下端部が流動床内に埋設された仕切り隔壁１７と、仕切り隔壁１７によって燃焼室４から仕切られたバイオマス原料のガス化室１２と、ガス化室１２から流動床内を通じて移動したバイオマス原料のガス分解残渣を燃焼する燃焼室４とを備えており、ガス化室１２内に、バイオマス原料のガス化による生成ガス中の重質ガスの分解または改質を促進する触媒が充填された重質ガス分解装置７が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置とそれを用いた家畜排せつ物のガス化分解処理方法に関するものである。

間伐材、剪定枝などの木質系や活性汚泥、製紙スラッジなどのバイオマスを熱処理やガス化分解することにより、そのエネルギーを再利用する試みが従来行われてきたが、一般にガス化の効率が悪くコストアップとなり、小型で低価格の装置による安定運転の例はほとんど見られない。

ガス化の効率を上げてコストを低減するための手段としては、装置を大規模なものとして熱効率を上げることが考えられるが、このような大規模な装置は、狭い地域に小規模畜産農家が多数分散している形態を取ることが多い日本では、たとえば家畜排せつ物処理装置の場合においては極めて不向きである。したがって、小型かつ低価格であり、さらに運転も容易であるガス分解装置の開発が待たれているのが実情である。

従来、木質材バイオマスのガス分解装置としては、小型のものが提案されている（特許文献１）。この装置はロータリーキルン型のガス化構造を備えており、一次ガス化炉で発生した熱分解残渣を外置きの熱分解残渣燃焼炉に搬送する構造を有し、そして熱分解残渣燃焼炉からの熱風を一次ガス化炉へ導入し熱効率の改善を図っている。また、一次ガス化炉で発生した生成ガスを改質炉に導き、生成ガスに含まれるタール分や有害ガス等の熱分解処理を行っている。

また、特許文献２では、各種廃棄物や石炭などを原料とする内部循環型流動床式ガス化炉が提案されている。この装置は流動媒体の循環量を簡易かつ精密に制御し、ガス化室と燃焼室の間で熱分解残渣と熱の移動を容易かつ安定的に行うことができる流動床式ガス化炉である。
特開２００４−３５２９６０号公報 特開２００７−２４４９２号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、生成ガスに含まれる重質ガス分や有害ガスを除去するために９００℃から１０００℃以上の高温処理が必須であり、熱効率の低下を招き結果的にコストアップとなるという問題点があった。

また、特許文献２の装置においても、当該装置の運転温度は実質的に８００℃から１０００℃となり、熱効率の低下を招き結果的にコストアップとなるため、必然的に大規模な装置にならざるを得ないという問題点があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、熱効率を大幅に向上させることができ、タール状発生物が少なく設備の劣化を抑制することができ、メンテナンス費用や洗浄費用などのコスト低減も可能であり、しかも小型で運転が容易な、家畜排せつ物等のバイオマス原料をガス化するための内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置とそれを用いた家畜排せつ物のガス化分解処理方法を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置は、バイオマス原料をガス化分解処理するための内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置であって、ガス化炉内に敷設された流動可能な熱媒体からなる流動床と、熱媒体がその下側を通じて循環可能となるように下端部が流動床内に埋設された仕切り隔壁と、仕切り隔壁によって仕切られた一方の室であり、ガス化剤の存在下においてバイオマス原料がガス化されるガス化室と、仕切り隔壁によって仕切られた他方の室であり、酸化剤の存在下において、ガス化室から流動床内を通じて移動したバイオマス原料のガス分解残渣を燃焼する燃焼室とを備えており、ガス化室内に、バイオマス原料のガス化による生成ガス中の重質ガスの分解または改質を促進する触媒が充填された重質ガス分解装置が設けられていることを特徴とする。

第２に、上記第１の内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置において、ガス化室底部の流動床にガス化剤を供給するガス化剤供給口と、燃焼室底部の流動床に酸化剤を供給する酸化剤供給口とを備えることを特徴とする。

第３に、上記第１または第２の内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置において、熱媒体がその下側を通じて循環可能となるように下端部が流動床内に埋設された、熱媒体の循環移動を調整するための少なくとも１つの隔壁と、熱媒体がその上側を通じて循環可能となるように流動床底面から立設された、熱媒体の循環移動を調整するための少なくとも１つの隔壁とのいずれか一方または両方を備えることを特徴とする。

第４に、上記第１から第３のいずれかの内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置において、重質ガス分解装置に充填された触媒は、ニッケル担持褐炭およびニッケル担持アルミナを含むニッケル系触媒、あるいは、リモナイトを含む鉄系触媒などの第VIII属の金属系触媒であることを特徴とする。

第５に、本発明の家畜排せつ物のガス化分解処理方法は、上記第１から第４のいずれかの内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置に、バイオマス原料として家畜排せつ物を供給し、ガス化室において家畜排せつ物をガス化し、ガス化による生成ガスを重質ガス分解装置に導入して生成ガス中の重質ガスを分解または改質することを特徴とする。

第６に、上記第５の家畜排せつ物のガス化分解処理方法において、ガス化室における家畜排せつ物のガス化温度および重質ガス分解装置における重質ガスの分解または改質温度が５００〜７００℃の範囲内であることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、下端部を流動床内に埋設した仕切り隔壁によって、バイオマス原料をガス化するガス化室と燃焼室とを仕切ると共に、触媒を充填した重質ガス分解装置をガス化室内に設けたので、ガス化室から流動床内を通じて移動したバイオマス原料のガス分解残渣の燃焼による内部燃焼熱を利用して、重質ガス分解が十分に促進される熱が燃焼室よりガス化室内の重質ガス分解装置に供給される。

そのため、重質ガス分解装置を外部に設置した場合に加熱のために必要とされる外部からの熱エネルギーの供給を、バイオマス原料のガス分解残渣の燃焼による内部燃焼熱により賄うことができるため、熱効率が大幅に向上する。そして、熱効率が大幅に向上することができるので、装置の小型化が可能となる。

上記第２の発明によれば、ガス化剤供給口からのガス化剤と、酸化剤供給口からの酸化剤とを流量を制御して流動床に供給することにより、ガス化室と燃焼室との間で熱媒体を適切に循環させることができる。これにより、ガス化室およびガス化室内の重質ガス分解装置に供給する熱エネルギーを、バイオマス原料のガス分解残渣の燃焼による内部燃焼熱により適切に賄うことができるため、熱効率が大幅に向上する。

上記第３の発明によれば、熱媒体の循環移動を調整するために隔壁を設けることにより、ガス化室と燃焼室との間で熱媒体を適切に循環させることができる。これにより、ガス化室内の重質ガス分解装置に供給する熱エネルギーを、バイオマス原料のガス分解残渣の燃焼による内部燃焼熱により適切に賄うことができるため、熱効率が大幅に向上する。

上記第４の発明によれば、重質ガス分解装置に充填する触媒として、ニッケル担持褐炭およびニッケル担持アルミナを含むニッケル系触媒、あるいは、リモナイトを含む鉄系触媒などの第VIII属の金属系触媒を用いているので、従来の装置に比較して大幅に低い運転温度、たとえば５００〜７００℃でバイオマス原料のガス化および重質ガス分解装置における重質ガスの分解または改質を実施することができる。そのため、大幅な省エネルギー化を達成することができ、しかもニッケル担持褐炭触媒はガス分解用の一般の触媒に比較して極めて安価であるため、装置の小型化と低コスト化を達成することができ、装置の運転も容易なものとすることができる。

上記第５および第６の発明によれば、家畜排せつ物は木質系廃棄物などに比較して重質ガスの発生量が少なく、負荷が少ない運転が可能となる。そして、家畜排せつ物のガス化による生成ガス中の重質ガスをたとえば５００〜７００℃の低温でも効果的に分解除去することができることから、重質ガスに起因するタール状発生物による設備や配管の劣化に伴って生ずるメンテナンス費用や洗浄費用を削減することができ、その結果として装置の運転コストの大幅な低減が可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態における内部循環型流動床式低温接触ガス化試験炉の構成を示す模式図である。同図に示す内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置１４は、家畜排せつ物、特に家畜糞などのバイオマス原料８をガス化分解処理するためのものであり、小型の、たとえば炉長約１．２ｍ、炉幅約４０ｃｍのガス化炉１４ａを備えている。

ガス化炉１４ａ内には、たとえば鋳物砂などの流動可能な熱媒体１３ａからなる流動床１３が敷設されている。

ガス化炉１４ａ内は、仕切り隔壁１７によってガス化室１２と燃焼室４とに仕切られている。仕切り隔壁１７は、その上端部が炉壁などに固定されており、その下端部は、熱媒体１３ａがその下側を通じてガス化室１２と燃焼室４との間を循環可能となるようにガス化炉１４ａ底面から浮いた状態で流動床１３内に埋設されている。

ガス化室１２の下方には、ガス化領域９を構成する流動床１３内にガス化剤を供給するガス化剤供給口１０が配設されている。一方、燃焼室４の下方には、酸化領域５を構成する流動床１３内に酸化剤を供給する複数の酸化剤供給口１１ａ〜１１ｅが循環方向に沿って配設されている。

そして燃焼室４内には、熱媒体１３ａの循環移動を調整するための隔壁１５，１６が配設されている。これらのうち仕切り隔壁１７側の隔壁１６は、熱媒体１３ａがその上側をオーバーフローして循環可能となるように流動床底面に固定されて立設されおり、隔壁１６の仕切り隔壁１７とは反対側に配設された隔壁１５は、熱媒体１３ａがその下側を通じて循環可能となるように炉壁などに固定され、ガス化炉１４ａ底面から浮いた状態で流動床１３内に埋設されている。

ガス化剤供給口１０から流動床１３内に、精密に制御された流量の水蒸気、一酸化炭素などのガス化剤を供給し、酸化剤供給口１１ａ〜１１ｅから流動床１３内に、精密に制御された流量の酸素、空気などの酸化剤を供給することにより、流動床１３の熱媒体１３ａが、仕切り隔壁１７の下側を通過し、隔壁１６をオーバーフローし、そして隔壁１５の下側を通過することでガス化炉１４ａ内の全体を循環するように設計されている。

たとえば、ガス化剤供給口１０からのガス化剤の流量と、酸化剤供給口１１ａ〜１１ｅからの酸化剤の流量を個別に精密に制御することで（図１では模式的に流量の多い供給口と少ない供給口とを矢印線の太さで示している。）、それに応じた熱媒体１３ａの流動が生じることになる。

仕切り隔壁１７によって仕切られた一方の室であるガス化室１２には、適度に乾燥された家畜糞などのバイオマス原料８が供給される。乾燥の程度は、好ましくは水分含有量４０質量％以下、より好ましくは水分含有量１５質量％以下である。水分含有量が４０質量％を超えるものを使用すると熱効率が低下する場合がある。

本実施形態の内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置１４によるガス化分解処理に好適なバイオマス原料８としては、堆肥化の進んだ家畜糞を挙げることができる。堆肥化の進んだ家畜糞は水分含有量が低下しており、さらに、重質ガスに起因するタール状発生物が木質系廃棄物などに比較して少ないので重質ガス分解装置７における触媒の負荷も少ない。

ガス化室１２内へのバイオマス原料８の供給は、ホッパーからの直接供給やスクリュー式押出機により行うことができるが、中でも臭気や内圧の影響を低減でき、かつ安定な供給が可能なスクリュー式押出機が好適である。

ガス化室１２内に供給されたバイオマス原料８は、ガス化領域９において分解されてガス化する。このとき、ガス化室１２内の底部にはガス分解残渣が生じるが、このガス分解残渣は熱媒体１３ａに付随して燃焼室４内に導かれ、燃焼室４内において酸化剤の存在下で完全に燃焼され、燃焼ガス３としてガス化炉１４ａ外に排出される。

一方、ガス化室１２内でのバイオマス原料８のガス化による生成ガスは、ガス化室１２内の上部に設けられた重質ガス分解装置７を通過した後、外部に取り出される。重質ガス分解装置７は、図２に示すように、触媒２３を充填した容器７ａ〜７ｇを備えている。触媒２３の具体例としては、ニッケル担持褐炭およびニッケル担持アルミナを含むニッケル系触媒、あるいは、リモナイトを含む鉄系触媒などの第VIII属の金属系触媒を挙げることができる。

ニッケル担持褐炭としては、たとえば、平均粒子径０．５〜３ｍｍ、ニッケル担持量３〜２０重量％のものを用いることができる。褐炭としては、たとえば、水分１３％、固定炭素３４％、揮発分５１％、灰分２％のものを用いることができる。

Ｎｉ担持アルミナとしては、たとえば、上記と同程度の平均粒子径とニッケル担持量を有するものを用いることができる。

リモナイトは、沼地や浅い海などの鉄分を多く含む水が空気に触れて沈殿した黄土で、「褐鉄鉱」、「沼鉄鉱」とも称されるものであり、吸着剤等として市販されているもの、熟成したもの等を用いることができる。

重質ガス分解装置７は、触媒２３が充填された直方体の容器７ａ〜７ｇが横一列に配置されており、各容器７ａ〜７ｇの下面部には生成ガス導入路１８を経由した生成ガスが導入される生成ガス導入口２０が設けられている。一方、各容器７ａ〜７ｇの上面部には生成ガス排出口２１が設けられており、生成ガス排出口２１から排出された生成ガスは、生成ガス排出路１９を通り外部に排出されるようになっている。

各容器７ａ〜７ｇには、その上面部または下面部、あるいはその両方に着脱用レール２２が設けられており、そして図示はしないが、ガス化室１２内の重質ガス分解装置７側にはこの着脱用レール２２が嵌め込まれる溝が形成されており、当該溝に対して着脱用レール２２をスライドさせることで、個々の容器７ａ〜７ｇを必要に応じて容易に着脱できるようになっている。なお、同図では２個の容器７ｄ，７ｅの上面部にのみ着脱用レール２２が設けられているが、実際にはすべての容器７ａ〜７ｇに設けられる。

以上の構成を備えた容器７ａ〜７ｇを有する重質ガス分解装置７を使用する際には、触媒２３が分解反応時間と共に劣化することが避けられないため、たとえば容器７ａ〜７ｇのうち一つの容器を触媒２３が劣化するまで使用した後に別の容器を使用する態様、すなわち容器７ａ〜７ｇに順次生成ガスを導く態様とするか、あるいは、一定時間の経過ごとに順に隣の容器へ生成ガスを導く態様とすることが好ましい。

使用により劣化した触媒２３は、容器７ａ〜７ｇに充填したまま再生した後、再び運転中のガス化炉１４ａ内に組み込んで使用できる。従って、触媒２３の効果を最大限に利用でき、長時間の低温運転が可能となる。

重質ガス分解装置７を通過することにより、生成ガス中にはベンゼンやナフタレンなどの重質ガス分はほとんど存在しなくなる。そのため、生成ガスを有効に利用できると共に、ガス配管や設備へのタール状物質の付着が生じることがなく、設備メンテナンスが容易で洗浄の煩雑さもなく、コスト低減にも極めて効果的となる。

そして、本実施形態では重質ガス分解装置７をガス化室１２内に設けたので、ガス化室１２から流動床１３内を通じて移動したバイオマス原料８のガス分解残渣の燃焼による内部燃焼熱を利用して、重質ガスの分解または改質を十分に促進する熱エネルギーが燃焼室４よりガス化室１２内の重質ガス分解装置７に供給される。

そのため、バイオマス原料８のガス分解残渣の燃焼による内部燃焼熱により重質ガスの分解または改質に必要な熱エネルギーを賄うことができ、熱効率が大幅に向上し、その結果として装置の小型化が可能となる。

特に、バイオマス原料８としての家畜排せつ物は重質ガスの発生量が少なく、負荷が少ない運転が可能となる。そして、触媒２３として上記したものを用いることで、家畜排せつ物のガス化による生成ガス中の重質ガスをたとえば５００〜７００℃の低温でも効果的に分解除去することができるので、大幅な省エネルギー化が可能となる。

以上に、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。たとえば、ガス化剤および酸化剤の種類や流量、あるいは熱媒体の循環移動を調整するための隔壁の形成態様などは、目的とする熱媒体の循環設計などに応じて適宜に変更すればよい。

また、重質ガス分解装置７は、図２に示す構造に限定されるものではなく、たとえば容器の数は任意の数であってよい。また、容器７ａ〜７ｇの生成ガス導入口２０と生成ガス排出口２１の形状は、同図のような楕円形に限らず、たとえば生成ガスの流量や、触媒２３の充填量などに応じて適宜に変更すればよい。

また、流動床１３の熱媒体１３ａからの回収熱２を付加燃料１のために利用するようにしてもよい。

本発明の装置は、バイオマス原料である間伐材、稲・麦わら、剪定枝、廃棄農産物、屑海藻、畜産廃棄物などの農林水産系廃棄物、家庭生ごみや下水汚泥などの生活系廃棄物、活性汚泥や製紙スラッジ、コーヒー粕などの工業系廃棄物などのガス化分解によるバイオマス資源化のために用いることができ、特に、タール発生量が比較的他の廃棄物に比べて少ない家畜排せつ物などの畜産廃棄物に適している。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
＜実施例１＞
バイオマス原料として、水分含有量２５質量％の堆肥化された豚糞を、試料ホッパーから試料供給フィーダーを通して１ｋｇ／ｈｒの供給量で内部循環型流動床式低温接触ガス化炉内のガス化室に供給した。

同じくガス化室内に、水供給タンクから水供給ポンプを通し供給された一定量の水を、過熱水蒸気発生装置により水蒸気とし、これをガス化剤として、９．３ｇ／ｍｉｎの供給量で導入した。

また、燃焼室に、空気圧縮機ユニットからバッファータンクを通し、空気予熱器により加熱された空気を酸化剤として２３ｌ／ｍｉｎの供給量で導入した。

一方、内部循環型流動床式低温接触ガス化炉内全体に流動媒体ホッパーから流動媒体フィーダーを通して、一定量の鋳物砂を熱媒体として充填させ、熱分解温度を約６５０℃に制御して連続運転を行った。

燃焼室から排出された燃焼ガスはサイクロンを通し、さらに水凝縮器により凝縮水を取り除いてガスメーターを通過させて排出した。

ガス化室で発生したガスはガス化室内に設置された褐炭ニッケル系触媒が充填された重質ガス分解装置を通して生成ガスとして炉外に排出し、水凝縮器で凝縮水を取り除き、ガスメーターを通過させ、一定量をサンプリングラインに導きガスバッグに採取してガス組成分析に供するとともに、サンプリング用以外の生成ガスは燃焼装置で燃焼させたあと外に排気した。

また運転状況のすべては制御盤に連結したコンピューターによりモニターできるようにした。

炉の大きさは炉長１，２５０ｍｍ、炉幅４１２ｍｍであり、極めてコンパクトなものを使用した。なお付加燃料の使用、熱の回収は本実施例では行わなかった。

以上の結果、上述した条件において１８０分の連続運転が可能であった。また生成ガス組成は水素３１〜３６％、一酸化炭素５〜１２％、メタン１〜４％、二酸化炭素１７〜２１％であり、有効な生成ガスが発生したことが確認された。

また、炉はコンパクトなものでありながら１ｋｇ／ｈｒの堆肥化された豚糞処理が可能であることが判明した。さらには、炉内および配管類のタール発生も少ないことが判明した。

本発明の一実施形態における内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置の構成を示す模式図である。 重質ガス分解装置の要部構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ 付加燃料
２ 回収熱
３ 燃焼ガス
４ 燃焼室
５ 酸化領域
６ 生成ガス
７ 重質ガス分解装置
７ａ〜７ｇ 容器
８ バイオマス原料
９ ガス化領域
１０ ガス化剤供給口
１１ａ〜１１ｅ 酸化剤供給口
１２ ガス化室
１３ 流動床
１３ａ 熱媒体
１４ 内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置
１４ａ ガス化炉
１５ 隔壁
１６ 隔壁
１７ 仕切り隔壁
１８ 生成ガス導入路
１９ 生成ガス排出路
２０ 生成ガス導入口
２１ 生成ガス排出口
２２ 着脱用レール
２３ 触媒

Claims (6)

1. バイオマス原料をガス化分解処理するための内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置であって、ガス化炉内に敷設された流動可能な熱媒体からなる流動床と、熱媒体がその下側を通じて循環可能となるように下端部が流動床内に埋設された仕切り隔壁と、仕切り隔壁によって仕切られた一方の室であり、ガス化剤の存在下においてバイオマス原料がガス化されるガス化室と、仕切り隔壁によって仕切られた他方の室であり、酸化剤の存在下において、ガス化室から流動床内を通じて移動したバイオマス原料のガス分解残渣を燃焼する燃焼室とを備えており、ガス化室内に、バイオマス原料のガス化による生成ガス中の重質ガスの分解または改質を促進する触媒が充填された重質ガス分解装置が設けられていることを特徴とする内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置。
2. ガス化室底部の流動床にガス化剤を供給するガス化剤供給口と、燃焼室底部の流動床に酸化剤を供給する酸化剤供給口とを備えることを特徴とする請求項１に記載の内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置。
3. 熱媒体がその下側を通じて循環可能となるように下端部が流動床内に埋設された、熱媒体の循環移動を調整するための少なくとも１つの隔壁と、熱媒体がその上側を通じて循環可能となるように流動床底面から立設された、熱媒体の循環移動を調整するための少なくとも１つの隔壁とのいずれか一方または両方を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置。
4. 重質ガス分解装置に充填された触媒は、ニッケル担持褐炭およびニッケル担持アルミナを含むニッケル系触媒、あるいは、リモナイトを含む鉄系触媒などの第VIII属の金属系触媒であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の内部循環型流動床式低温接触ガス化炉装置に、バイオマス原料として家畜排せつ物を供給し、ガス化室において家畜排せつ物をガス化し、ガス化による生成ガスを重質ガス分解装置に導入して生成ガス中の重質ガスを分解または改質することを特徴とする家畜排せつ物のガス化分解処理方法。
6. ガス化室における家畜排せつ物のガス化温度および重質ガス分解装置における重質ガスの分解または改質温度が５００〜７００℃の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の家畜排せつ物のガス化分解処理方法。

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