JP2013209527A

JP2013209527A - 有機廃棄物のガス化装置

Info

Publication number: JP2013209527A
Application number: JP2012080970A
Authority: JP
Inventors: Akimichi Yata; 昭道八太; Yoichi Kodera; 洋一小寺
Original assignee: OSUTORANDO KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: OSUTORANDO KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10

Abstract

【課題】有害ガスを含まないクリーンな有用ガスを得ることのできる、エネルギー効率が大きく、操作性がよく、安全かつ経済性の高い有機廃棄物の熱分解・水蒸気改質ガス化装置を提供する
【解決手段】横型回転円筒２を原料投入側の空間（熱分解空間５）と、ガス及び固体状の生成物排出側の空間（排出側空間６）とに仕分けする複数の小円筒が装備され、小円筒はその内部が螺旋状板で形成されている螺旋円筒４であり、横型回転円筒２の回転に伴う螺旋円筒内での固体の進行方向が同一又は互いに反対となる螺旋円筒４であって、外部から、原料送入端又はその他端のいずれか一方を経由して該横型回転円筒内で間接加熱されて熱分解空間５に至る水蒸気送入管９を有し、該横型回転円筒２の円筒側壁を通して外部から円筒内部に熱を供給する加熱手段を装備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、刈草、剪定枝などの木質バイオマスと、廃プラスチック、建築廃材、動植物性残渣、下水汚泥などの産業廃棄物あるいは、厨芥、紙、プラスチックなどの一般廃棄物とからなる有機廃棄物（以下、単に「有機廃棄物」という）を、それらの発生する場所又はその近辺でガス化して、電気、蒸気等のエネルギーあるいは水素、一酸化炭素等の化学原料を得ることができる、運転容易で安全かつ経済性の高い有機廃棄物のガス化装置に関する。

有機廃棄物のガス化装置として本発明者らは、その内部に螺旋面をもつ複数個（偶数個）の小円筒体を装備する横型回転円筒を発明し（特許文献１）、これによって熱分解で生成したガスとタールとチャーが小円筒内を気固接触しながら通過する過程で改質ガス化されることにより、ガス化効率が向上するという成果を得ている。このとき、ガス中には原料に含まれている水分及び熱分解で生成した水に由来する水蒸気が高温の水蒸気となって存在しており、該水蒸気がタールとチャーの改質ガス化反応に関与している。

しかしながら、その水蒸気量は改質反応にとって必ずしも最適な量となっているとはいえず、特にチャーの水蒸気改質には不十分な量であった。また、水蒸気の発生を装置内で行おうとすると多量の蒸発潜熱を供給しなければならなくなる。熱分解に必要な熱の供給方法は、熱分解空間内に酸素を供給する部分燃焼熱分解方式と、伝熱壁又は固体熱媒体によって熱分解空間の外から熱を加える非燃焼熱分解方式に区分されるが、前記発明の熱供給方式は非燃焼熱分解のうち伝熱壁加熱方式に限定したものであった。

また、原料とする有機廃棄物は、バイオマスの場合硫黄、塩素、窒素は必須成分であり、またプラスチックは、塩化ビニールなど塩素を含むもの、難燃性プラスチックなど臭素を含むもの、ナイロン、アクリル樹脂など窒素を含んだものが広く使われており、ほとんどの場合これらの有害ガス成分を含んでいる。そのため有機廃棄物を熱分解して得たガスは、硫化水素、塩化水素などの酸性ガスあるいはアンモニアなどのアルカリ性ガスを含んでおり、熱分解の次の工程で有害ガス除去工程が必要となるが、酸性ガスは金属を腐食するから、材質の選定と温度管理などの運転操作に留意する必要がある。その結果、装置が大きくなり運転が複雑化する。また、通常有害ガス除去は常温で行われるから、熱分解装置から排出されるガスを冷却することが必要で、その分プロセスの総合エネルギー効率が低下してしまうという問題があった。更にまた、原子力発電所からの放射性物質で汚染された放射性有機廃棄物の減容処理技術の開発が喫緊の課題となっているという背景もある。

特許第４５４７２４４号

有機物の熱分解と熱分解で生成したタール及びチャーの水蒸気改質を同一の装置で行うためには、装置内に水蒸気ガス化に必要な常圧高温の水蒸気（以下、過熱水蒸気という）がなければならない。過熱水蒸気は装置内に水を供給することによって得られるが水の蒸発潜熱は大きいから必要以上に大きな装置となってしまい望ましくない。また装置外部で過熱水蒸気を発生させて供給する方法は、過熱水蒸気の発生装置が別途必要となること、過熱水蒸気供給管の保温が必要となることなど、経済性及び装置の運転管理上の負担が大きく望ましくない。
また、横型回転円筒施設の規模を大きくする場合、伝熱壁加熱方式においては円筒を長くして伝熱壁の面積を確保することになるが円筒金属のひずみによる破断リスクの制約による限界がある。
更に、熱分解で生成したガスに含まれる有害ガスの除去が必要となるが、その方策として、例えば酸性ガスの除去は、ガスをアルカリ水溶液と接触させて中和除去する方法がとられているが、この方法はエネルギー効率を低下させてしまい、また、ガス化装置のほかにもう一つの装置をもつことになる。
更にまた、放射性有機廃棄物の焼却に代わる減容技術として、ガス中のばいじん（放射性物質）の除去を必要としない熱分解ガス化技術が着目されているが、減容の結果チャーは高濃度の放射性物質となるから該チャーのガス化による減容が次の課題となっている。

本発明が解決しようとする課題は、有機廃棄物を一つの装置内で熱分解と熱分解で生成したタールとチャーの水蒸気改質を同時に行って有害ガスを含まないクリーンな有用ガスを得ることのできる、エネルギー効率が大きく、操作性がよく、安全かつ経済性の高い有機廃棄物の熱分解・水蒸気改質ガス化装置を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の趣旨は、横型回転円筒を、投入原料を非酸化雰囲気で加熱してガスとチャー（固体）に熱分解する空間（以下熱分解空間という）と、熱分解・改質で生成したガスと固体を装置外へ排出する側の空間（以下排出側空間という）とに仕分けする複数の螺旋円筒を内装する横型回転キルンの、原料挿入端又はその他端のいづれか一方から熱分解空間に至る水蒸気管によって常圧低温の水蒸気を送入し、該水蒸気管が、横型回転円筒内で熱供給を受けて常圧高温の水蒸気（以下過熱水蒸気という）を発生させる過熱水蒸気発生装置であって、該過熱水蒸気が該熱分解空間に放出するように装備されていることを特徴とする。
また、横型回転円筒の底部に公知の方法で、チャーの部分酸化に必要な酸素又は酸素を含む水蒸気を送入して、チャーの部分燃焼熱で熱分解とチャーの水蒸気改質に必要な熱を供給する。
更に、横型回転円筒の、原料挿入端又はその他端のいずれか一方から、粉体、液体、気体状いずれかの中和剤を原料投入側の空間に送入する送入管を装備する。
更にまた、放射性有機廃棄物を原料とする場合、放射性物質の大半はガス相に移行するが、該ガスは大量の水蒸気を含んでおり、次の工程で１００℃以下、好ましくは５０℃以下に冷却し、このときセシウム等大半の放射性物質は凝縮水にトラップされガスに含まれる量はゼロに近くなるから、焼却施設の場合必要となるばいじん除去フィルターが不要となるとともに、隔離保管すべき放射性物質の容積の大幅削減を図ることができる。
より明確にするため、本発明による有機廃棄物の挙動を具体例で述べると、非酸化雰囲気の熱分解空間に送入された原料有機物は、外壁から供給される熱または螺旋円筒を経て排出側空間から送られてくる固体の顕熱あるいはチャーの部分燃焼熱を受けて熱分解してガス（タール蒸気を含む）とチャーになり、一方装置外から送入された常圧低温の水蒸気は装置内に装備した熱交換装置によって過熱水蒸気となって熱分解空間に放出される。
熱分解空間のガス（タール蒸気を含む）とチャーおよび過熱水蒸気は、唯一共通の通路である螺旋円筒を通過する過程でタール及びチャーの水蒸気改質反応を進行させて排出側空間へと移行する。排出側空間においてガスは装置外に排出し固体は螺旋円筒を経て熱分解空間に送入され横型回転円筒内を循環して固体熱媒体として機能する。固体残渣はその原料相当分がオーバーフローして排出口から装置外に排出される。
また、チャーの部分酸化加熱の場合は改質ガス、余剰水蒸気にチャーの燃焼による二酸化炭素（空気を用いる場合はさらに窒素）が加わる。ガスはその全量が装置外へ送出され、一方固体はその大部分が螺旋円筒を経由して熱分解空間に戻り、投入原料により新たに生成した固体残渣の増加相当分が、排出口からオーバーフローして装置外へ排出される。装置外に送出したガスは次の工程で冷却され水蒸気が除去され乾ガスとなる。
更に、有機廃棄物が塩素、硫黄などを含んでいるときは中和剤を熱分解空間に送入し、中和剤は、酸性あるいはアルカリ性のガスと熱分解空間および螺旋円筒の中で反応して除去されるから、クリーンな乾ガスが得られる。酸性ガスの中和剤として例えば粉体として炭酸カルシウム、液体として苛性ソーダ、気体としてアンモニアが、またアルカリガスの中和剤として塩化水素などが、原料の組成等に応じて選定される。なお、中和塩は固体残渣として排出される。

（１）本発明は、バイオマスあるいは有機廃棄物から、効率よくクリーンで有用なガスを生産して、電力、蒸気等のエネルギー燃料あるいは、水素、アルコールなど化学原料として提供するもので、資源循環型社会の形成に貢献することが出来る。
（２）本発明によれば、本装置単独すなわち一つのユニットプロセスで有機廃棄物からクリーンな有用ガスを生産することができるので装置コスト、運転コストが小さくでき経済性が高い。
（３）また本発明によれば、塩化ビニール、電子機器基板などのハロゲン元素を含む廃プラスチックを、一つのユニットプロセスで有用ガスに変えることができるからその経済効果は極めて大きい。
（４）更にまた、原料が放射能で汚染された有機廃棄物の場合、廃棄物を焼却せずに大幅減容をおこなって放射性二次廃棄物の隔離保管を容易にし、かつガスを燃料とする発電によって必要電力を自己供給できるから、焼却による減容と比べより安全性が高くかつ経済性がある。

本発明に係る外部伝熱加熱によるガス化装置の実施形態例を示す。図１の装置内に装備した過熱ガス発生装置の断面図を示す。図１の装置内に装備した過熱ガス発生装置の平面図を示す。本発明に係る固体熱媒体加熱によるガス化装置の実施形態例を示す。本発明に係る部分燃焼加熱によるガス化装置の実施形態例を示す。

以下添付図面に基づき、本発明の好ましい実施形態を説明する。
＜実施形態１＞
図１に示すガス化装置１は、本発明の請求項１におけるガス化装置の実施形態であり、
横型回転円筒２は内部に螺旋面３をもつ複数個の小円筒体４（以下螺旋円筒という）によって熱分解空間５と排出側空間６との区分されており、熱分解空間５には公知の板状の構造物７を配置して、横型回転円筒２の回転によって螺旋円筒４を経て排出側空間６から熱分解空間５に到達した粉粒体を転動させながら循環混合させてその温度を高温均一するとともに、スクリューフィーダー８から送入される原料を加熱熱分解させる。

螺旋円筒４の螺旋面３は横型回転円筒２の回転によって粉粒体を排出側空間６に進行させるものと、その逆方向である熱分解空間５に進行させるものとが、対をなすように構成されている。横型回転円筒２には、装置外から水蒸気を熱分解空間５に送入する管９が開通しており、図２にその断面を示す過熱水蒸気発生装置によって過熱水蒸気を発生させ熱分解空間５に放出する。一方、熱分解空間５および排出側空間６と螺旋円筒４との間は、螺旋円筒４の一端に設けた図３に示す隔板１０によって仕切られているから、熱分解空間５での熱化学反応によって生成したタール蒸気を含むガスと粉粒体は螺旋円筒４の中を並流して気固接触しながら通過して横型回転円筒２の排出側空間６に到達する。同様に排出側空間内の粉粒体は螺旋円筒４の中を熱分解空間５からのガスと向流して気固接触しながら通過して横型回転円筒２の熱分解空間に到達する。

横型回転円筒内の粉粒体は、複数個の螺旋円筒４の中を熱分解空間５から排出側空間６へ、逆に排出側空間６から熱分解空間５へと循環移動するが、このとき螺旋円筒内の隣り合う螺旋面３の囲う空間と次の隣り合う螺旋面３の囲う空間とはその底部に存在する粉粒体で遮断されている。そのため、熱分解空間５で発生したガスは螺旋円筒４を通過して排出側空間５に到達するが、その過程で螺旋円筒内の粉粒体層を必ず貫流する。これにより熱分解空間５に送入された過熱水蒸気と熱分解空間５で生成したタール蒸気とチャーは、螺旋円筒を通過するさいに接触して改質反応を生じてガス化が進行する。また、熱分解空間５で発生した酸性あるいはアルカリ性ガスは、螺旋円筒内を通過するに際し、中和剤送入管１１から送入された中和剤と接触して中和反応が促進される。

図１は横型回転円筒２の金属壁からの伝熱によって装置内の粉粒体を間接的に加熱する非燃焼伝熱加熱の熱分解装置であり、熱の供給構造は耐火断熱材で構成される外筒１２と横型回転円筒２の間の空間１３に送入口１４高温の燃焼ガスを通過させて反対側の加熱ガス排出口１５から排出させるものを採用している。

＜実施形態２＞
図４に示すガス化装置２１は、本発明の請求項２におけるガス化装置の実施形態であり、横型回転円筒２２の熱分解空間２３に公知の板状の構造物を配置して、横型回転円筒の回転によって螺旋円筒２４を経て熱分解空間に到達した粉粒体を転動させながら循環混合させて昇温させるとともに該粉粒体によってスクリューフィーダー２５から送入される原料を加熱し熱分解させる。また、スクリューフィーダー２５の軸内には水蒸気送入管２６が開通しその先は上記板状構造物内を経て過熱水蒸気を熱分解空間に放出するようになっている。横型回転円筒２２の中央部は、実施形態１と同様の構造になっており、ガスは熱分解空間２３から排出側空間２７へと一方向に進み、粉粒体は両空間を循環移動する。

一方、排出側空間２７にはチャーの理論燃焼酸素量以下の酸素を含む水蒸気に富むガスがガス送入管２８を通して排出側空間底部に達しており、該ガスは図示していない該空間内の熱交換装置によって昇温したのち排出側空間底部のチャーを含む粉粒体層の中を貫流して該空間に流出する。送入管の粉粒体と接する先端部には多数の細孔がありここから噴出したガス中の酸素はチャーの一部を燃焼させ、一方該ガス中の水蒸気はチャーと反応してガス化して該空間に放出する。ガス送入管は公知の整流装置２９を介して粉粒体が堆積している該空間の底部で細孔から噴出して粉粒体と接触して貫流するように装備されている。該ガスは、螺旋円筒２４を通過してきた上記ガスと混合して、ガスフード３０から排出され、未反応チャーは螺旋円筒２４によって熱分解空間２３に戻り、余剰分がオーバーフローして固体残渣排出管３１から排出する。

図４はチャーの部分燃焼による燃焼熱によって排出側空間内の粉粒体を加熱し該粉粒体によって熱分解空間内の原料を間接的に加熱する非燃焼固体熱媒体加熱の熱分解装置である。横型回転円筒２１の炉体は耐火レンガ３２で構成されており実施形態１で問題となる破断リスクによる規模の制約から免れている。

＜実施形態３＞
図５に示すガス化装置４１は、本発明の請求項３におけるガス化装置の実施形態を示すもので、横型回転円筒４２の熱分解空間４３に理論燃焼酸素量以下の酸素又は酸素を含むガスを送入管４５から送入して熱分解生成物の一部を燃焼させる。一方ガスと固体残渣の排出側から挿入され排出側空間４４を経て熱分解空間に至る水蒸気送入管４５に送入された水蒸気は、排出側空間４４で間接加熱されて過熱水蒸気となって熱分解空間４３に放出する。横型回転円筒４２の中央部は、実施形態１、２と同様の構造になっており、ガスは熱分解空間４３から排出側空間４４へと一方向に進み、粉粒体は両空間を循環移動する。螺旋円筒を経て排出側空間４４に達したガスは、ガスフード４６から排出され、未反応チャーは螺旋円筒によって熱分解空間４３に戻り、余剰分がオーバーフローして固体残渣排出管４７から排出する。

図５は熱分解生成物の部分燃焼熱によって熱分解空間内の原料を直接加熱する部分燃焼加熱の熱分解装置である。横型回転円筒４２の炉体は耐火レンガ４８で構成されており実施形態１で問題となる破断リスクによる規模の制約から免れている。

１：伝熱壁加熱ガス化装置
２：横型回転円筒
３：螺旋面
４：螺旋円筒
５：熱分解空間
６：排出側空間
７：板状構造物
８：スクリューフィーダー
９：水蒸気送入管
10：隔板
11：中和剤送入管
12：外壁
13：空間
14：加熱ガス送入口
15：加熱ガス排出口
21：固体熱媒体加熱ガス化装置
22：横型回転円筒
23：熱分解空間
24：螺旋円筒
25：スクリューフィーダー
26：水蒸気送入管
27：排出側空間
28：ガス送入管
29：整流装置
30：ガスフード
31：固体残渣排出管
32：耐火煉瓦
41：部分燃焼加熱ガス化装置
42：横型回転円筒
43：熱分解空間
44：排出側空間
45：水蒸気送入管
46：ガスフード
47：固体残渣排出管
48：耐火煉瓦

Claims

バイオマス及び／又は合成樹脂からなる有機廃棄物（原料）を送入する原料挿入口を一端に有し、他端には前記原料の熱化学反応で生成するガスと固体を排出する手段を有する、水平な軸線のまわりを回転する横型回転円筒おいて、該横型回転円筒内には熱分解ガスと熱分解固体の共通の通路であり、かつ該横型回転円筒を原料投入側の空間（熱分解空間）と、ガス及び固体状の生成物排出側の空間（排出側空間）とに仕分けする複数の小円筒が装備され、該小円筒はその内部が螺旋状板で形成されている螺旋円筒であり、前記横型回転円筒の回転に伴う螺旋円筒内での固体の進行方向が同一又は互いに反対となる螺旋円筒であって、外部から、原料送入端又はその他端のいずれか一方を経由して該横型回転円筒内で間接加熱されて熱分解空間に至る水蒸気送入管を有し、
該横型回転円筒の円筒側壁を通して外部から円筒内部に熱を供給する加熱手段を装備していることを特徴とする有機廃棄物のガス化装置。
バイオマス及び／又は合成樹脂からなる有機廃棄物（原料）を送入する原料挿入口を一端に有し、他端には前記原料の熱化学反応で生成するガスと固体を排出する手段とを有する、水平な軸線のまわりを回転する横型回転円筒において、該横型回転円筒内には熱分解ガスと熱分解固体の共通の通路であり、かつ該横型回転円筒を原料投入側の空間（熱分解空間）と、ガス及び固体状の生成物排出側の空間（排出側空間）とに仕分ける複数の小円筒が装備され、該小円筒はその内部が螺旋状板で形成されている螺旋円筒であり、前記横型回転円筒の回転に伴う螺旋円筒内での固体の進行方向が同一または互いに反対となる螺旋円筒であって、外部から、原料送入端又はその他端のいづれか一方を経由して該横型回転円筒内で間接加熱されて熱分解空間に至る水蒸気送入管を有し、
該横型回転円筒の外部から該横型回転円筒の排出側空間の円筒底部に、酸素を含むガスを供給する手段を装備していることを特徴とする有機廃棄物のガス化装置。
バイオマス及び／又は合成樹脂からなる有機廃棄物（原料）を送入する原料挿入口を一端に有し、他端には前記原料の熱化学反応で生成するガスと固体を排出する手段とを有する、水平な軸線のまわりを回転する横型回転円筒において、該横型回転円筒内には熱分解ガスと熱分解固体の共通の通路であり、かつ該横型回転円筒を原料投入側の空間（熱分解空間）と、ガス及び固体状の生成物排出側の空間（排出側空間）とに仕分ける複数の小円筒が装備され、該小円筒はその内部が螺旋状板で形成されている螺旋円筒であり、前記横型回転円筒の回転に伴う螺旋円筒内での固体の進行方向が同一または互いに反対となる螺旋円筒であって、外部から、原料送入端又はその他端のいづれか一方を経由して該横型回転円筒内で間接加熱されて熱分解空間に至る水蒸気送入管を有し、
該横型回転円筒の外部から該横型回転円筒の熱分解空間に、酸素を含むガスを供給する手段を装備していることを特徴とする有機廃棄物のガス化装置。
原料挿入端又はその他端のいづれか一方からアルカリ性又は酸性の資材を送入する手段を有することを特徴とする請求項１，２，３記載の有機廃棄物のガス化装置。
原料が放射性有機廃棄物であることを特徴とする請求項１，２，３，４記載の放射性有機廃棄物のガス化減容装置。