JP4441281B2

JP4441281B2 - バイオマス資源からの水素及び酸素の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP4441281B2
Application number: JP2004025307A
Authority: JP
Inventors: 晴男野上; 圭司巽; 静夫片岡
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2005213631A

Description

本発明はエネルギー資源としては低品質な食品廃棄物、農林産廃棄物、下水汚泥などのバイオマス資源を活用することにより、より経済的にしかも高効率で水素及び酸素を安定して製造できるようにしたバイオマス資源からの水素及び酸素の製造システムに関するものである。

世界的に偏在する食品廃棄物や農林水産廃棄物、下水汚泥等のバイオマスのエネルギー（以下バイオマス資源と記す）を有効に活用する方策として、バイオマス資源を用いて高品質のエネルギー源である水素を製造し、この製造した水素をエネルギー消費量の多い地域へ供給する方式が創案され、その実用化のための開発が多方面で進められている。

例えば、（１）バイオマス資源を部分燃焼又は乾留熱分解させ、発生した水素や一酸化炭素等を主体とする熱分解ガスを精製して高純度のＨ₂を得る方法や（２）バイオマス資源を流動層内で燃焼させ、発生した燃焼ガス内から直接に水素成分を分離精製する方法等の開発が進められている。

しかし、前記（１）の方法は、熱分解ガス内の一酸化炭素の水素への交換を行なうＣＯ転化装置や水素の分離・精製を行なう水素分離・精製装置を必要とし、設備費が嵩むと共にバイオマス資源の熱分解等にも多量の熱エネルギーを必要とし、水素の製造コストが大幅に高騰するという難点がある。

また、前記（２）の方法も同様であり、特殊な構造のバイオマスの流動層燃焼装置を必要とするうえ、燃焼ガス内からの水素の分離・精製に必要とする設備費が嵩み、水素製造コストの引下げを図れないと云う難点がある。

一方、上記（１）及び（２）の方法に於ける各問題点を避ける方策として、（３）石炭等を原料とするガス化・ガス精製装置を用いて可燃性ガスを発生させ、この可燃性ガスを燃焼器で燃焼させて高温の燃焼ガスを生成し、当該高温の燃焼ガスによりガスタービン発電機を駆動させると共に、発生した電力でもって水を電気分解させ、水素と酸素を得る技術が開発されている。

前記（３）の方法は、水の電気分解を活用するため、技術の安定性と云う点では優れている。しかし、石炭を可燃性ガス発生源（燃料）とするものであるため、石炭に替えてバイオマスを燃料とした場合には、ガスタービン発電設備の安定した運転に必要とする燃焼ガスが容易に得られず、ガスタービンの運転が困難になるだけでなく、電気分解用の純水の供給やバイオマス資源の効率的な熱分解、燃焼残滓の効率的な溶融処理等の点に、新たに多くの問題が起生することになる。

特開２００３−２２６５０１号公報特開２００３−２０７１１０号公報特開平１０−１７３０１号公報

一方、出願人はこれ迄に、都市ごみや汚泥等の廃棄物を対象とする各種の焼却処理装置や溶融燃焼処理装置を多数実施して来ており、その中には所謂ごみ発電設備を備えた施設も多く存在している。
例えば、特開平１１−１４０２９号に示した流動層式ごみ焼却炉やストーカ式ごみ焼却炉では、焼却炉に付設した廃熱ボイラからの蒸気によりタービン発電機を作動させて電力を発生すると共に、焼却炉から排出した燃焼残滓（主灰）を別途に設けた溶融炉により溶融処理する構成としている。

また、特開平１２−１５２１０号に示した熱分解ドラムを用いる都市ごみ等の溶融燃焼処理装置では、熱分解ドラムからの熱分解ガスと可燃性の熱分解残滓を溶融燃焼炉で溶融燃焼処理すると共に、燃焼排ガスの熱により発生した蒸気でタービン発電機を作動させる構成としている。

従前のこれ等発電設備を備えたごみ焼却処理設備（ごみ発電設備と呼ぶ）は運転実績も豊富であり、また被処理物が汚泥等のバイオマス資源であっても安定した運転を行なうことが出来る。その結果、ごみ発電設備の発生電力でもって水の電気分解を行なえば、水素及び酸素を比較的安価にしかも安定して発生させることが出来る。

しかし、水の電気分解により水素を得るためには、高純度の水を大量に必要とし、別途純水製造装置等が必要となる。
また、バイオマス資源の燃焼や焼却残渣の溶融燃焼処理に必要とする燃焼用空気の供給動力費も比較的高額となり、これ等のランニングコストの引下げが図り難いという問題がある。
更に、水素と同時に多量の酸素が発生するが、この酸素の消費対象が水素に比較して少ないために、酸素が余剰になるという問題がある。

本願発明は、従前のバイオマス資源からの水素及び酸素の製造に於ける上述の如き問題、（イ）即ちバイオマス資源を熱分解してこれから直接的に水素を得る場合には、水素の分離・精製装置等に費用がかかり、水素の製造コストの引下げを図り難いこと、また、（ロ）バイオマスを熱分解して熱分解ガスを発生させ、この発生せしめた熱分解ガスを燃焼させて生成した高温燃焼ガスによりガスタービン発電機を駆動する方式にあっては、石炭等の化石燃料を熱分解させる場合に比較して発生する熱分解ガスのエネルギー保有密度が低いうえに発生量そのものも変動し易く、その結果タービン発電機の運転が不安定になり易いうえ、バイオマス資源の燃焼残渣の溶融燃焼処理費等が嵩むこと、更に、（ハ）バイオマス資源の燃焼熱により蒸気タービン発電機を駆動し、その発生電力で水の電気分解を行なう方法では、純水製造装置を必要としたり、発生酸素の処分に手数がかかる等の問題を解決せんとするものであり、発生した酸素をバイオマス資源の燃焼や燃焼残渣の溶融燃焼処理に活用すると共に、バイオマス資源の燃焼排ガス内から回収した水分を電気分解用の水源とすることにより、より高能率でしかも経済的に水の電気分解によりバイオマス資源から水素と酸素を発生できるようにした、バイオマス資源による水素及び酸素の製造方法及び製造装置を提供せんとするものである。

請求項１の発明は、水の電気分解により生じた酸素を燃焼用酸化剤として用い、バイオマス資源を燃焼させるストーカ式焼却炉又は流動層式焼却炉から成る燃焼装置と，水の電気分解により生じた酸素を燃焼用酸化剤として用い、前記燃焼装置からの燃焼残滓を溶融燃焼させる溶融燃焼装置と，前記燃焼装置及び溶融燃焼装置で生じた燃焼排ガスの熱を回収する熱回収装置と、前記熱回収装置からの蒸気により発電をする発電装置と，前記熱回収装置からの燃焼排ガスの浄化装置と，前記浄化装置からの燃焼排ガス内の水分を回収する水分回収装置と，前記水分回収装置からの水を前記発電装置からの電力により電気分解する水電気分解装置と，前記水電気分解装置で発生した水素及び酸素を回収貯留する水素貯留槽及び酸素貯留槽と，前記酸素貯留槽の酸素を前記燃焼装置及び溶融燃焼装置へ供給する管路と，から構成したことを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、バイオマス資源を燃焼させると共にその燃焼残滓を溶融燃焼させ、前記バイオマス資源の燃焼及びその燃焼残滓の溶融燃焼の燃焼熱の回収により得た蒸気により発電を行うと共に、発電電力を用いて水を電気分解し、水素及び酸素を得る構成としたバイオマス資源からの水素及び酸素の製造方法において、前記燃焼熱を回収したあとの燃焼排ガスを浄化処理し、当該浄化処理をした燃焼排ガス内の水蒸気を冷却して回収すると共に、回収した水を電気分解用の水とし、当該水の電気分解により発生した酸素を、前記バイオマス資源の燃焼及びその燃焼残滓の溶融燃焼の燃焼用酸化剤として利用するようにしたことを発明の基本構成とするものである。

本発明に於いては、ガス分離・精製設備等を用いることなしに、従前のごみ発電設備として確立された技術と水の電気分解技術とを有機的に組み合せ、バイオマス資源から水素及び酸素を発生させる構成としている。その結果、水素及び酸素をバイオマス資源から経済的にしかも安定して製造し、供給することができる。

また、本発明に於いては、燃焼排ガス内の水蒸気を回収すると共に、当該回収した水を電気分解用の原料水として用いる構成としているため、一般の工業用水を使用する場合に比較して、安価に清浄水を得ることができる。

更に、本願発明に於いては、水の電気分解により発生した酸素をバイオマス資源の燃焼装置や燃焼残滓の溶融燃焼装置の酸化剤（燃焼用空気の一部）として利用するようにしている。その結果、前記各燃焼装置の小型化を図れると共に燃焼排ガス内のＣＯ₂量の減少等が可能となる。

加えて、太陽光、地熱、風力、水力など自然エネルギーなど変動の大きい発電システムと組み合わせることにより、より安定したエネルギー供給システムを構築することができると共に、夜間など電力の安い時期に電気分解に必要な電力を購入して水素を製造することにより、電力消費量の平準化が行なえる。

以下、図面に基づいて本発明の各実施形態を説明する。
図１は本願発明のバイオマス資源からの水素及び酸素の製造システムの構成図であり、図１に於いて、１はバイオマス資源、２はバイオマス資源の燃焼装置、３は廃熱回収装置、４は排ガス処理装置、５は水分回収装置、６は発電装置、７は溶融燃焼装置、８は燃焼残渣冷却装置、９は水電気分解装置、１０は水素貯留槽、１１は酸素貯留槽、Ｇ₁〜Ｇ₄は燃焼排ガス、Ｓは蒸気、Ｅは発生電力、Ｈ₂は水素ガス、Ａは燃焼用空気、Ｏ₂は酸素ガス、Ｃは燃焼残滓、Ｃ₁は溶融スラグ、Ｃ₂は水砕スラグ、Ｗは冷却水である。

前記バイオマス資源は主として食品廃棄物、農林産廃棄物、下水汚泥等であり、分別収集された有機性生活廃棄物（生ごみ）等もこれに含まれる。

前記燃焼装置２はバイオマス資源を直接に燃焼させるものであり、ストーカ式燃焼炉や流動層式燃焼炉等が主として用いられる。
また、前記廃熱回収装置３はバイオマス資源１の燃焼熱を回収するものであり、廃熱ボイラや蒸気過熱器等の熱交換器が一般に使用されている。

熱回収をした後の燃焼排ガスＧ₂は、排ガス処理装置４で浄化されたあと、水分回収装置５へ送られる。当該水分回収装置５は、浄化処理後の燃焼排ガスＧ₃を冷却することにより、排ガスＧ₃内に含有されている水蒸気を水として回収するものであり、回収された水はほぼ純水に近い純度を有している。尚、本実施形態では、排ガス処理装置４で処理した後の燃焼排ガスＧ₃から水分回収を行なうようにしているため、排ガス内の有害物質の回収水に及ぼす影響が略零になり、水の回収効率が向上する。
また、水蒸気成分を回収された後の低温排ガスＧ₄は、煙突等から大気中へ放散される。

尚、前記燃焼排ガスＧ₂の冷却には冷却水Ｗを必要とする。しかし、当該冷却水Ｗは通常の工業用水が使用できるうえ、燃焼排ガスＧ₂の浄化をバクフィルタ等を用いて行なう場合には、排ガス温度は約２００℃以下に冷却されている。更に、本件発明に於いては冷却水Ｗの使用量が若干増加するものの水分回収装置５で高純度の電気分解用水ＷＥを回収することができる。そのため、水の経済性が悪化することは殆んどない。

前記燃焼装置２で燃焼されたバイオマス資源１の燃焼残渣Ｃは燃焼残渣冷却装置８を通して水砕スラグＣ₂として回収されるか、又は溶融燃焼装置７へ供給され、ここで溶融燃焼をされることにより溶融スラグＣ₁として回収されることになる。

前記廃熱回収装置３で発生された蒸気Ｓは、発電装置６へ供給され、発生された電力Ｅは水電気分解装置９へ供給される。
また、当該水電気分解装置９へは、前記水分回収装置５で回収された清浄水ＷＥが供給されており、ここで所謂水の電気分解が行なわれる。また、発生した水素は水素貯留槽１０へ、また酸素は酸素貯留槽１１へ夫々貯留される。

尚、前記発電装置６からの発生電力Ｅに余裕のあるときには、これを所内電力として利用したり、或いは外部の電力系統へ返還してもよい。
また、外部電力系統がピーク負荷用の電力を必要とする場合には、水の電気分解を一時的に中止して水電気分解用の電力Ｅを外部へ融通することも可能である。更に、夜間の安価な外部電力や別途に設けた風力発電、太陽光発電及び地熱発電等の自然エネルギーを用いた発生電力を併用して水の電気分解を行なうことも可能であり、電力系統の運用は経済性を考慮して自在に行なうことが可能となる。

同様に、電気分解用の水ＷＥが不足した場合には、工業用水Ｗの一部を浄化処理して電気分解用に供してもよいことは勿論である。

本発明に於いては、前記水の電気分解により生じた酸素ガスＯ₂が燃焼装置３へ（また、溶融燃焼装置７が備えられているときには、当該溶融燃焼装置７へ）供給され、このＯ₂の有効利用により、燃焼排ガスＧ（又はＧ₀）内のＣＯ₂量の減少を図ることが可能となる。
即ち、水の電気分解により副次的に発生されるＯ₂を利用して所謂酸素富化ガスを利用した燃焼（又は溶融燃焼）を行なうことにより、燃焼装置等の小型化が図れるため、水素製造プラントの大幅な小型化が可能となる。

前記水素貯留装置１０内へ貯留された水素ガスは液化され、高カロリ・高品質エネルギーとして燃料消費地へ搬出されて行く。
また、余剰の酸素は、同様に工業用として各種の用途に供給されて行く。

本発明は、低級なバイオマス資源エネルギーを高品質なエネルギー資源である水素に、水の電気分解を介して経済的に変換することができ、大都会のエネルギー消費密度の高い地域に於ける水素エネルギーの供給基地としては勿論のこと、比較的遠隔地であるバイオマス資源の供給地に於ける水素エネルギーの供給基地としても使用できるものである。
また、本発明は、設備の大幅な小型化を図ることにより、水素燃料自動車の水素供給基地や半導体製造用工場等に付属する水素供給装置としても活用可能なものである。

本願発明のバイオマス資源からの水素及び酸素の製造方法及びこれに用いる水素及び酸素の製造装置の構成図である。

符号の説明

１はバイオマス資源、２は燃焼装置、３は廃熱回収装置、４は排ガス処理装置、５は水分回収装置、６は発電装置、７は溶融燃焼装置、８は焼却残渣冷却装置、９は水電気分解装置、１０は水素貯留槽、１１は酸素貯留槽、１２は外部電力供給源、Ｇ₀・Ｇ₁・Ｇ₂・Ｇ₃・Ｇ₄は燃焼排ガス、Ｓは蒸気、Ｅは発生電力、Ｈ₂は水素ガス、Ａは燃焼用空気、Ｏ₂は酸素ガス、Ｃは燃焼残渣、Ｃ₁は溶融スラグ、Ｃ₂は水砕スラグ、Ｗは冷却水、ＷＥは回収水、Ｆは助燃料、ＷＢはボイラ給水である。

Claims

水の電気分解により生じた酸素を燃焼用酸化剤として用い、バイオマス資源を燃焼させるストーカ式焼却炉又は流動層式焼却炉から成る燃焼装置と，水の電気分解により生じた酸素を燃焼用酸化剤として用い、前記燃焼装置からの燃焼残滓を溶融燃焼させる溶融燃焼装置と，前記燃焼装置及び溶融燃焼装置で生じた燃焼排ガスの熱を回収する熱回収装置と、前記熱回収装置からの蒸気により発電をする発電装置と，前記熱回収装置からの燃焼排ガスの浄化装置と，前記浄化装置からの燃焼排ガス内の水分を回収する水分回収装置と，前記水分回収装置からの水を前記発電装置からの電力により電気分解する水電気分解装置と，前記水電気分解装置で発生した水素及び酸素を回収貯留する水素貯留槽及び酸素貯留槽と，前記酸素貯留槽の酸素を前記燃焼装置及び溶融燃焼装置へ供給する管路と，から構成したことを特徴とするバイオマス資源からの水素及び酸素の製造装置。
バイオマス資源を燃焼させると共にその燃焼残滓を溶融燃焼させ、前記バイオマス資源の燃焼及びその燃焼残滓の溶融燃焼の燃焼熱の回収により得た蒸気により発電を行うと共に、発電電力を用いて水を電気分解し、水素及び酸素を得る構成としたバイオマス資源からの水素及び酸素の製造方法において、前記燃焼熱を回収したあとの燃焼排ガスを浄化処理し、当該浄化処理をした燃焼排ガス内の水蒸気を冷却して回収すると共に、回収した水を電気分解用の水とし、当該水の電気分解により発生した酸素を、前記バイオマス資源の燃焼及びその燃焼残滓の溶融燃焼の燃焼用酸化剤として利用するようにしたバイオマス資源からの水素及び酸素の製造方法。