JP3924220B2 - 廃棄物ガス化システム - Google Patents
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Landscapes
- Gasification And Melting Of Waste (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は廃棄物を加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギを生成する廃棄物ガス化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみ、下水汚泥、産業用廃棄物、バイオマスなどの有機系廃棄物からエネルギ回収を図るために、廃棄物を加熱し熱分解してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギを生成する廃棄物ガス化システムが、環境保全及び省資源の観点から注目されている。
【０００３】
このような廃棄物ガス化システムには色々な種類のものがある。例えば、本願出願人が先に出願した特願２００１−３５０４１５に記載の装置がある。図７に示すのがこの装置の概要であって、流路２０１を介して導入された廃棄物は乾燥機１で乾燥されてから内部に砂層２ａを有する流動床ガス化炉２に送給され燃焼される。
【０００４】
流動床ガス化炉２の上部に設けられている送出口は、流路２０３を通して固形分分離手段、例えばサイクロン３の受入口に接続されている。サイクロン３の底部送出口は流路２０４を通して灰溶融炉４の受入口に接続され流動床ガス化炉２で発生した固形分を多く含む第１流体が灰溶融炉４に導入され、サイクロン３の上部送出口は流路２０５を通して改質炉６の下部受入口に接続され流動床ガス化炉２で発生した固形分を少なく含む第２流体が改質炉６に導入される。
【０００５】
改質炉６に導入された第２流体を改質炉６で改質した改質ガスは流路２０７を通して発電機１１を駆動するスチームタービン１０に蒸気を送るボイラ７に送られ、さらに流路２０８を通してバグフィルタ８に送られ、バグフィルタ８で除塵された後、流路２０９を通して凝縮器９に送られ、凝縮器９で水分を除去して精製され燃料ガスとして流路２１０を通して、燃料ガスを燃料にして発電をおこなう発電装置１１０に送られる。灰溶融炉４に導入された第１流体は灰溶融炉４で燃焼され、その燃焼排ガスは、流路２０６を通して改質炉６に導入され、改質炉６を加熱するようにされている。
【０００６】
上記の装置では図示されるように、乾燥機１は発電装置１１０の排ガスで廃棄物を乾燥している。しかしながら、汚泥のような高水分の廃棄物では、このような発電装置１１０の排ガスではガス化手段へ送給する廃棄物を充分に乾燥することができない場合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に鑑み、廃棄物ガス化システムの乾燥機が高水分の廃棄物でも充分乾燥できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、廃棄物を乾燥手段で乾燥してからガス化手段で加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギを生成する廃棄物ガス化システムであって、
ガス化ガス中に含まれる水蒸気の凝縮潜熱を奪って水を加熱する水加熱手段を具備し、乾燥手段が加熱手段で水を加熱して生成される水蒸気で廃棄物を乾燥する、ことを特徴とする廃棄物ガス化システムが提供される。
このように構成される廃棄物ガス化システムでは、乾燥手段は水加熱手段でガス化ガスの有する熱エネルギを奪って水を加熱して生成される水蒸気で廃棄物を乾燥する。
【０００９】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、ガス化ガスを精製するためにガス化ガスを凝縮する凝縮手段を具備し、水加熱手段は凝縮手段がガス化ガスを凝縮した際に発生する水を加熱する、ことを特徴とする廃棄物ガス化システムが提供される。
請求項３の発明によれば、さらに、水加熱手段が凝縮手段と一体に形成されている、廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１０】
請求項４の発明によれば、請求項１の発明において、水加熱手段で生成された水蒸気を再加熱する水再加熱手段を具備する、廃棄物ガス化システムが提供される。
請求項５の発明によれば、さらに、水再加熱手段は水加熱手段より上流でガス化ガスの有する熱エネルギを奪って水加熱手段で生成された水蒸気を再加熱する、ようにされている廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１１】
請求項６の発明によれば、請求項１の発明において、水を膨張手段で膨張してから水加熱手段を通過せしめ、水加熱手段通過後に圧縮手段で圧縮する、ようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１２】
請求項７の発明によれば、請求項１の発明において、水加熱手段が、ガス化ガスの有する熱エネルギを奪う熱回収手段と、熱回収手段と離間した位置に配設され水に熱を与える熱付与手段から成り、熱移送手段により熱回収手段から熱付与手段に熱を移送する、ようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
請求項８の発明によれば、さらに、熱移送手段が閉回路内で中間熱媒を循環させる中間熱媒循環手段である、ようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
請求項９の発明によれば、さらに、中間熱媒循環手段は、中間熱媒を膨張手段で膨張してから熱回収手段を通過せしめ、熱回収手段通過後に圧縮手段で圧縮してから熱付与手段に中間熱媒を送給する、ようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１３】
請求項１０の発明によれば、請求項１の発明において、水加熱手段で加熱した水の一部を酸素発生装置から供給される酸素と混合してガス化手段に供給するガス化剤を生成するようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の廃棄物ガス化システムの第１の実施の形態の概略図であって、流路２０１を通して廃棄物が投入される乾燥機１は間接加熱式であり、例えば内筒１ａと外筒１ｂの間には流路１ｃが形成されている。乾燥機１の送出口は、流路２０２を介して内部に砂層２ａを有する流動床ガス化炉２に接続されている。
【００１５】
流動床ガス化炉２の上部の送出口は、流路２０３を通して固形分分離手段としての、サイクロン３の受入口に接続されている。サイクロン３の底部送出口は、流路２０４を通して灰溶融炉４の受入口に接続されている。サイクロン３の上部送出口は、流路２０５を通して改質炉６の下部受入口に接続されている。灰溶融炉４の上部は流路２０６を介して改質炉６に導入される。
【００１６】
改質炉６の内部中央には、触媒充填部６ａが設けても良い。この触媒は、サイクロン３の上部送出口から送出される後述する第２流体中のガス化ガスの成分（メタン、エタン）等をより低い温度でＣＯ，Ｈ2等に低分子化するものである。この触媒としては、Ｓｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔから選ばれる少なくとも１つの元素、またはこれらの元素の酸化物から選ばれる少なくとも１つもしくは混合物を用いることができる。
【００１７】
改質炉６のガス送出口は、流路２０７を通してボイラ７のガス受入口に接続されている。このボイラ７のガス送出口は、流路２０８を通してバグフィルタ８の受入口に接続されている。このバグフィルタ８の送出口は、流路２０９を通して凝縮器９のガス受入口に接続されている。この凝縮器９のガス送出口は、流路２１０を通して例えばガスエンジン発電装置１１０のガス受入側に接続されている。
【００１８】
ボイラ７の蒸気送出口は、流路２１１を通してスチームタービン１０の蒸気受入口に接続されている。このスチームタービン１０の出力軸は、発電機１１の入力軸に連結されている。また、スチームタービン１０の蒸気送出口は流路２１２を通して復水器１２の蒸気受入口に接続されている。この復水器１２の送水口は、流路２１３を通してボイラ７の受水口に接続されている。
【００１９】
発電装置１１０は、この第１の実施の形態では、詳細は示さないが、コンプレッサで精製された燃料ガスを圧縮し、圧縮された精製ガスと空気をガスエンジンに送り、ガスエンジン内で燃焼爆発させその力で発電機を回転させるものである。ガスエンジンの排ガスは、排出管３０１を通して乾燥機１に接続されている。
【００２０】
発電装置１１０は、上記のガスエンジン式の外、ガスタービン式発電装置、燃料電池式発電装置、ガスエンジン−スチームタービン式発電装置、ガスタービン−スチームタービン式発電装置、燃料電池−スチームタービン式発電装置、燃料電池−ガスエンジン−スチームタービン式発電装置等にすることが可能である。
【００２１】
そして、本発明の特徴として、凝縮器９でガス化ガスから回収される水を貯留する水タンク１３の底部がポンプ１４を介装した流路２１６により膨張弁１５の入口と接続され、膨張弁１５の出口に接続されている流路２１７は凝縮機９の内部を通って圧縮機１６の入口に接続され、圧縮機１６の出口は流路２１８を介して乾燥機１の内筒１ａと外筒１ｂの間の流路１ｃに接続されている。
【００２２】
次に、前述した廃棄物ガス化システムの作用を説明する。
まず、廃棄物は流路２０１を通して乾燥機１に投入される。ここで、“廃棄物”とは都市ごみ、木材、建築廃材、廃タイヤ、カーシュレッダーダスト、廃プラスチック等の産業廃棄物、汚泥、バイオマス等をいうが、その他、石炭を燃焼してもかまわない。
【００２３】
そして、凝縮器９で改質ガスから回収され水タンク１３に貯留された水が、ポンプ１４で流路２１６を通って絞り（圧力損失要素）１５に送られ、絞り（圧力損失要素）１５で減圧して蒸発せしめられ凝縮器９内で改質ガスの熱を奪い蒸発して水蒸気となって圧縮機１６に導入され、この水蒸気が圧縮機１６で圧縮されてから流路２１８を介して乾燥機１の流路１ｃに送給される。
【００２４】
乾燥機１に送られる水蒸気は凝縮器９内で改質ガスの熱を奪っており高温となっており、乾燥機１は汚泥のような高水分の廃棄物でも充分に乾燥することができる。
例えば、汚泥は８０％程度の水分率を有するがこれを３０％程度にするのに４５０ｋｃａｌ／ｋｇの熱量が必要であって、汚泥を燃焼した排ガスで乾燥した場合には発電をおこなうだけの熱エネルギが残らず発電することができなかったが、この第１の実施の形態のようにした場合には、汚泥１ｋｇ当たり１５７ｋｃａｌ（処理量１００ｔｏｎ／ｄａｙの場合、７６０ｋＷ）の発電が可能である。
【００２５】
また、この水蒸気は改質ガスから回収された水、すなわち、廃棄物から出た水であり、外部からの水の補給が不要であり節水に寄与でき、コストも低下する。
【００２６】
廃棄物は乾燥機１内で排ガスの熱エネルギにより乾燥され、所定の含水率にまで低減されて、流動床ガス化炉２内の砂層２ａ上に連続的に供給される。なお、乾燥機１で廃棄物を加熱して生じた水分（蒸気）は流動床ガス化炉２内に供給されるか、改質炉６内に供給される。
【００２７】
酸素を含む気体（例えば酸素、酸素富化空気または空気）と水蒸気との混合ガスであるガス化剤が、流路２１４を通して流動床ガス化炉２の内部にその砂層２ａの下方から供給される。
【００２８】
酸素を含む気体と水蒸気との混合ガスであるガス化剤を連続処理ガス化炉である流動床ガス化炉に供給する際、ガス化剤は例えば水蒸気の流量が連続的に投入される有機系廃棄物中の炭素と水蒸気とのモル比が２：１またはそれより水蒸気過多になるように供給するのが好ましい。
【００２９】
流動床ガス化炉２内で、廃棄物は例えば４００〜６５０℃に加熱されながら、浮遊流動する砂層２ａにより熱分解されてガス状物質になり、ガス化剤の酸素および水蒸気と接触すると共にその一部が流動床ガス化炉２のフリーボード部２ｂで例えば４５０〜８００℃の温度で燃焼される。
【００３０】
この燃焼において、下記式（１）で示す燃焼反応および下記式（２）で示す水性ガス化反応（改質反応）を起こし、一酸化炭素、水素、メタン、エタン、二酸化炭素等を含むガス化ガスと、タールや煤などの未燃固形物と、飛灰と、不燃物とを生じる。また、メタン、エタン、タールなどの炭化水素や煤などの未燃固形分は、下記式（３）で示す改質反応を起こし、一酸化炭素、水素を生じる。
【００３１】
Ｃ＋Ｏ2→Ｏ2＋熱…（１）
Ｃ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋Ｈ2…（２）
ＣmＨn＋ｍＨ2Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ／２）Ｈ2…（３）
【００３２】
不燃物は、流動床ガス化炉２の下部から排出管３０２を通して系外へ排出される。一方、流動床ガス化炉２内のガス化ガス、未燃固形物および飛灰を含む流体は、その上部から流路２０３を通してサイクロン３に送給され、サイクロン３で旋回され、サイクロン３の底部側にガス化炉２で発生した粒径３〜１００μｍの固形分のうち、その８５重量％以上、より好ましくは９０重量％以上、さらに好ましくは９５重量％以上含む第１流体と残りの１５重量％以下、より好ましくは残りの１０重量％以下、さらに好ましくは残りの５重量％以下の固形分を含む第２流体とにそれぞれ分離される。
【００３３】
第１流体は、サイクロン３の底部側から流路２０４を通して灰溶融炉４の内部に供給され、また、酸素を含むガス化剤（または酸化剤）が流路２１５を通して灰溶融炉４の内部に供給される。灰溶融炉４内は第１流体の固形分中の未燃固形物および固形分とともに持ち込まれたガス化ガスの燃焼により例えば１３００〜１５００℃程度に加熱され、未燃固形物および飛灰は灰溶融炉４の内部で旋回しながら加熱される。
【００３４】
このため、飛灰（無機物）は溶融されてスラグミスト化し、旋回流の遠心力で炉壁に捕捉され、スラグとなって炉壁を流下して排出管３０３を通して系外へ排出される。そして、灰溶融炉４の燃焼排ガスは流路２０６を通って、改質炉６に導入され改質炉６を加熱する。
【００３５】
一方、第２流体は流路２０５を通して加熱された燃焼排ガスが導入された改質炉６に送給され、この第２流体の主要成分であるガス化ガスはこの第２流体に含まれる水蒸気により式（２）と同様な水性ガス化反応（改質反応）がなされる。すなわち、ガス化ガス中のメタン、エタン、場合によって浮遊して混入されたタールや煤などの未燃固形物は低分子されて煤を含まないクリーンなＣＯ、Ｈ2 リッチガスを含む改質ガスが生成される。特に、改質炉６内に触媒の充填部６ａを設けることによって、改質反応をより円滑に進行させることが可能となる。なお、改質炉６での改質反応において水蒸気量が不足する場合には、別途、水蒸気を送給してもよい。
【００３６】
改質ガスは、改質炉６から流路２０７を通してボイラ７に送給され、ここで熱回収される。ボイラ７は、改質ガスから回収した熱で水を加熱して蒸気を発生させる。この蒸気は、流路２１１を通してスチームタービン１０に送給され、このタービン１０を回転させ、発電機１１を駆動させることにより発電を行う。スチームタービン１０から排出された蒸気は、流路２１２を通して復水器１２に送給され、ここで水に戻され、その水の流路２１３を通してボイラ７に再び供給される。廃棄物の処理量が少ない場合には、ボイラ７とスチームタービン１０による発電効率が低くなるので、コスト評価により、ボイラ７およびスチームタービン１０が無い場合もあり得る。
【００３７】
ボイラ７を通過した改質ガスは、流路２０８を通してバグフィルタ８に送給され、ここでダストや塩酸分が除去された後、流路２０９を通して凝縮器９に送られ凝縮されて燃料ガスとされる（なおボイラ７出口の改質ガス中にＳＯｘ等の腐食性ガス成分を含む場合、ボイラ管の低温腐食防止のためにボイラ出口ガス温度をバグフィルタ８の耐熱温度より高い温度に設定する。この場合、ボイラ７を通過した改質ガスは、減温塔を介して温度を低下せしめてバグフィルタ８に送給しても良い。減温塔は通常、水を噴霧して蒸発させることによって、改質ガス温度を低下させる）。凝縮器の冷却水は排出管３０４を通して系外へ取り除かれる。すなわち、改質炉６で得られた改質ガスは改質ガス精製装置としてのバグフィルタ８と凝縮器９で精製されて燃料ガスとされる。そして燃料ガスは流路２１０を通って、ガスを燃料とするエネルギ生成手段であるガスエンジン発電装置１１０に送給され、発電装置１１０の排ガスは放出される。
【００３８】
次に第２の実施の形態について説明する。図２が第２の実施の形態の構成を概略的に示す図であって、第１の実施の形態に比較して、ボイラ７とバグフィルタ８を結ぶ流路２０８に熱交換機１７を配設し、圧縮機１６から乾燥機１の流路１ｃに向かう流路２１８を熱交換器１７の内部を通過せしめるようにした点が異なる。したがって、この第２の実施の形態では圧縮機１６を出た水蒸気は熱交換器１７で改質ガスの熱を奪ってさらに高温になってから乾燥機１に送給され乾燥機１の乾燥能力が向上する。この場合、第１の実施の形態に比較して、ボイラ７による熱回収量は少なくなり、場合によってボイラ７が無い場合もあり得る。
【００３９】
次に第３の実施の形態について説明する。図３が第３の実施の形態の構成を概略的に示す図であって、第２の実施の形態に比較して、流路２１８から分岐する流路２１９が設けられ、流路２１９は発電装置１１０から流路２２５で送給される排気ガスが通過する熱交換器１８を通って、酸素発生器１９から延伸する流路２２０とともに流路２２１に結合され、流路２２１が熱交換器１７を通って、流動床ガス化炉２に接続される流路２１４および、サイクロン３から灰溶融炉４に向かう流路２０４に向かう流路２１５に接続されている。
【００４０】
圧縮機１６を出た水蒸気の一部は熱交換器１８で発電装置１１０の排気ガスで加熱されてから酸素発生装置１９から供給される酸素と混合され、さらに、熱交換器１７で加熱されてガス化剤となって流動床ガス化炉２および灰溶融炉４に供給される。したがって、この第３の実施の形態では、発電装置１１０の排気ガスの熱が有効に利用され、また、熱交換器１７も乾燥機１に送る水蒸気の加熱のみならずガス化剤の加熱もおこない装置の有効利用度が高い。
【００４１】
次に第４の実施の形態について説明する。図４が第４の実施の形態の構成を概略的に示す図である。この第４の実施の形態では、第１〜３の実施の形態と同様に絞り（圧力損失要素）１５、凝縮器９、圧縮機１６が流路１７を介して接続されているが、圧縮機１６の出口は熱交換器２０が介装された流路２２２を介して絞り（圧力損失要素）１５と接続され、一つの閉回路２２３が形成されている。そして、この閉回路２２３内を封印された中間熱媒が循環する。一方、流路２２４が水タンク１３の底部からポンプ１４、熱交換器２０内部を通って乾燥機１の流路１ｃに接続されている。
【００４２】
中間熱媒が奪った熱は熱交換器２０において水タンク１３からポンプ１４で乾燥機１の流路１ｃに供給される水を加熱して水蒸気とし、乾燥機１はこの水蒸気で廃棄物を乾燥する。このように中間熱媒を使用することにより、ガス化ガスから熱エネルギを奪う場所と、奪った熱エネルギを水に付与する場所を、別個にすることができるので各装置の配設の自由度が高い。
【００４３】
図５に示すのは第５の実施の形態であって、第４の実施の形態において第２の実施の形態のように、熱交換器１７で乾燥機１に向かう水蒸気を再度加熱するようにしたものであり、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
図６に示すのは第６の実施の形態であって、第４の実施の形態において第３の実施の形態のように、流路２２４から分岐する流路２１９が設けられ、流路２１９は発電装置１１０から流路２２５で送給される排気ガスが通過する熱交換器１８を通って、酸素発生器１９から延伸する流路２２０とともに流路２２１に結合され、流路２２１が熱交換器１７を通って、流動床ガス化炉２に接続される流路２１４および、サイクロン３から灰溶融炉４に向かう流路２０４に向かう流路２１５に接続されており、第３の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、廃棄物を乾燥手段で乾燥してからガス化手段で加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギを生成する廃棄物ガス化システムであるが、ガス化ガスの有する熱エネルギ（特にガス化ガス中に含まれる水蒸気の凝縮潜熱）を奪って水を加熱する水加熱手段を具備し、乾燥手段が加熱手段で水を加熱して生成される水蒸気で廃棄物を乾燥する、ようにされている。したがって、乾燥手段は水加熱手段でガス化ガスの有する熱エネルギを奪って水を加熱して生成される水蒸気で廃棄物を乾燥し、ガス化ガスの熱エネルギを有効利用でき効率が向上する。
【００４６】
特に、請求項２の発明のように、ガス化ガスを精製するためにガス化ガスを凝縮する凝縮手段を具備し、水加熱手段は凝縮手段がガス化ガスを凝縮した際に発生する水を加熱するようにすれば、水を外部から供給する必要がなく効率がよく、節水、低コスト化に貢献できる。
特に、請求項３の発明のように、水加熱手段を凝縮手段ガス化ガスを精製するためにガス化ガスを凝縮する凝縮手段と一体に形成すれば、装置が小形、簡素化できる。
【００４７】
特に、請求項４の発明のように、水再加熱手段で、水加熱手段で生成された水蒸気を再加熱すれば、より高温の水蒸気を乾燥手段に送給でき乾燥手段の乾燥能力を向上できる。
特に、請求項７の発明のように、水加熱手段を、ガス化ガスの有する熱エネルギを奪う熱回収手段と、熱回収手段と離間した位置に配設され水に熱を与える熱付与手段で構成し、熱移送手段により熱回収手段から熱付与手段に熱を移送するようにすれば、構成手段の配置の自由度が大きい。
【００４８】
特に、請求項１０の発明のように、水加熱手段で加熱した水の一部を酸素発生装置から供給される酸素と混合してガス化手段に供給するガス化剤を生成するようにすれば、ガス化剤を生成するための水蒸気を生成するための水を別途供給する必要がなく節水、低コスト化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の概略図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の概略図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の概略図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態の概略図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態の概略図である。
【図７】従来技術の概略図である。
【符号の説明】
１…乾燥機
２…流動床ガス化炉
２ａ…砂層
２ｂ…フリーボード
３…サイクロン
４…灰溶融炉
６…改質炉
６ａ…触媒
７…ボイラ
８…バグフィルタ
９…凝縮器
１３…水タンク
１４…ポンプ
１５…絞り（圧力損失要素）
１６…圧縮機
１７…熱交換器
１８…熱交換器
１９…酸素発生装置
１１０…ガスエンジン発電装置
【発明の属する技術分野】
本発明は廃棄物を加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギを生成する廃棄物ガス化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみ、下水汚泥、産業用廃棄物、バイオマスなどの有機系廃棄物からエネルギ回収を図るために、廃棄物を加熱し熱分解してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギを生成する廃棄物ガス化システムが、環境保全及び省資源の観点から注目されている。
【０００３】
このような廃棄物ガス化システムには色々な種類のものがある。例えば、本願出願人が先に出願した特願２００１−３５０４１５に記載の装置がある。図７に示すのがこの装置の概要であって、流路２０１を介して導入された廃棄物は乾燥機１で乾燥されてから内部に砂層２ａを有する流動床ガス化炉２に送給され燃焼される。
【０００４】
流動床ガス化炉２の上部に設けられている送出口は、流路２０３を通して固形分分離手段、例えばサイクロン３の受入口に接続されている。サイクロン３の底部送出口は流路２０４を通して灰溶融炉４の受入口に接続され流動床ガス化炉２で発生した固形分を多く含む第１流体が灰溶融炉４に導入され、サイクロン３の上部送出口は流路２０５を通して改質炉６の下部受入口に接続され流動床ガス化炉２で発生した固形分を少なく含む第２流体が改質炉６に導入される。
【０００５】
改質炉６に導入された第２流体を改質炉６で改質した改質ガスは流路２０７を通して発電機１１を駆動するスチームタービン１０に蒸気を送るボイラ７に送られ、さらに流路２０８を通してバグフィルタ８に送られ、バグフィルタ８で除塵された後、流路２０９を通して凝縮器９に送られ、凝縮器９で水分を除去して精製され燃料ガスとして流路２１０を通して、燃料ガスを燃料にして発電をおこなう発電装置１１０に送られる。灰溶融炉４に導入された第１流体は灰溶融炉４で燃焼され、その燃焼排ガスは、流路２０６を通して改質炉６に導入され、改質炉６を加熱するようにされている。
【０００６】
上記の装置では図示されるように、乾燥機１は発電装置１１０の排ガスで廃棄物を乾燥している。しかしながら、汚泥のような高水分の廃棄物では、このような発電装置１１０の排ガスではガス化手段へ送給する廃棄物を充分に乾燥することができない場合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に鑑み、廃棄物ガス化システムの乾燥機が高水分の廃棄物でも充分乾燥できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、廃棄物を乾燥手段で乾燥してからガス化手段で加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギを生成する廃棄物ガス化システムであって、
ガス化ガス中に含まれる水蒸気の凝縮潜熱を奪って水を加熱する水加熱手段を具備し、乾燥手段が加熱手段で水を加熱して生成される水蒸気で廃棄物を乾燥する、ことを特徴とする廃棄物ガス化システムが提供される。
このように構成される廃棄物ガス化システムでは、乾燥手段は水加熱手段でガス化ガスの有する熱エネルギを奪って水を加熱して生成される水蒸気で廃棄物を乾燥する。
【０００９】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、ガス化ガスを精製するためにガス化ガスを凝縮する凝縮手段を具備し、水加熱手段は凝縮手段がガス化ガスを凝縮した際に発生する水を加熱する、ことを特徴とする廃棄物ガス化システムが提供される。
請求項３の発明によれば、さらに、水加熱手段が凝縮手段と一体に形成されている、廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１０】
請求項４の発明によれば、請求項１の発明において、水加熱手段で生成された水蒸気を再加熱する水再加熱手段を具備する、廃棄物ガス化システムが提供される。
請求項５の発明によれば、さらに、水再加熱手段は水加熱手段より上流でガス化ガスの有する熱エネルギを奪って水加熱手段で生成された水蒸気を再加熱する、ようにされている廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１１】
請求項６の発明によれば、請求項１の発明において、水を膨張手段で膨張してから水加熱手段を通過せしめ、水加熱手段通過後に圧縮手段で圧縮する、ようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１２】
請求項７の発明によれば、請求項１の発明において、水加熱手段が、ガス化ガスの有する熱エネルギを奪う熱回収手段と、熱回収手段と離間した位置に配設され水に熱を与える熱付与手段から成り、熱移送手段により熱回収手段から熱付与手段に熱を移送する、ようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
請求項８の発明によれば、さらに、熱移送手段が閉回路内で中間熱媒を循環させる中間熱媒循環手段である、ようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
請求項９の発明によれば、さらに、中間熱媒循環手段は、中間熱媒を膨張手段で膨張してから熱回収手段を通過せしめ、熱回収手段通過後に圧縮手段で圧縮してから熱付与手段に中間熱媒を送給する、ようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１３】
請求項１０の発明によれば、請求項１の発明において、水加熱手段で加熱した水の一部を酸素発生装置から供給される酸素と混合してガス化手段に供給するガス化剤を生成するようにした廃棄物ガス化システムが提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の廃棄物ガス化システムの第１の実施の形態の概略図であって、流路２０１を通して廃棄物が投入される乾燥機１は間接加熱式であり、例えば内筒１ａと外筒１ｂの間には流路１ｃが形成されている。乾燥機１の送出口は、流路２０２を介して内部に砂層２ａを有する流動床ガス化炉２に接続されている。
【００１５】
流動床ガス化炉２の上部の送出口は、流路２０３を通して固形分分離手段としての、サイクロン３の受入口に接続されている。サイクロン３の底部送出口は、流路２０４を通して灰溶融炉４の受入口に接続されている。サイクロン３の上部送出口は、流路２０５を通して改質炉６の下部受入口に接続されている。灰溶融炉４の上部は流路２０６を介して改質炉６に導入される。
【００１６】
改質炉６の内部中央には、触媒充填部６ａが設けても良い。この触媒は、サイクロン３の上部送出口から送出される後述する第２流体中のガス化ガスの成分（メタン、エタン）等をより低い温度でＣＯ，Ｈ2等に低分子化するものである。この触媒としては、Ｓｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔから選ばれる少なくとも１つの元素、またはこれらの元素の酸化物から選ばれる少なくとも１つもしくは混合物を用いることができる。
【００１７】
改質炉６のガス送出口は、流路２０７を通してボイラ７のガス受入口に接続されている。このボイラ７のガス送出口は、流路２０８を通してバグフィルタ８の受入口に接続されている。このバグフィルタ８の送出口は、流路２０９を通して凝縮器９のガス受入口に接続されている。この凝縮器９のガス送出口は、流路２１０を通して例えばガスエンジン発電装置１１０のガス受入側に接続されている。
【００１８】
ボイラ７の蒸気送出口は、流路２１１を通してスチームタービン１０の蒸気受入口に接続されている。このスチームタービン１０の出力軸は、発電機１１の入力軸に連結されている。また、スチームタービン１０の蒸気送出口は流路２１２を通して復水器１２の蒸気受入口に接続されている。この復水器１２の送水口は、流路２１３を通してボイラ７の受水口に接続されている。
【００１９】
発電装置１１０は、この第１の実施の形態では、詳細は示さないが、コンプレッサで精製された燃料ガスを圧縮し、圧縮された精製ガスと空気をガスエンジンに送り、ガスエンジン内で燃焼爆発させその力で発電機を回転させるものである。ガスエンジンの排ガスは、排出管３０１を通して乾燥機１に接続されている。
【００２０】
発電装置１１０は、上記のガスエンジン式の外、ガスタービン式発電装置、燃料電池式発電装置、ガスエンジン−スチームタービン式発電装置、ガスタービン−スチームタービン式発電装置、燃料電池−スチームタービン式発電装置、燃料電池−ガスエンジン−スチームタービン式発電装置等にすることが可能である。
【００２１】
そして、本発明の特徴として、凝縮器９でガス化ガスから回収される水を貯留する水タンク１３の底部がポンプ１４を介装した流路２１６により膨張弁１５の入口と接続され、膨張弁１５の出口に接続されている流路２１７は凝縮機９の内部を通って圧縮機１６の入口に接続され、圧縮機１６の出口は流路２１８を介して乾燥機１の内筒１ａと外筒１ｂの間の流路１ｃに接続されている。
【００２２】
次に、前述した廃棄物ガス化システムの作用を説明する。
まず、廃棄物は流路２０１を通して乾燥機１に投入される。ここで、“廃棄物”とは都市ごみ、木材、建築廃材、廃タイヤ、カーシュレッダーダスト、廃プラスチック等の産業廃棄物、汚泥、バイオマス等をいうが、その他、石炭を燃焼してもかまわない。
【００２３】
そして、凝縮器９で改質ガスから回収され水タンク１３に貯留された水が、ポンプ１４で流路２１６を通って絞り（圧力損失要素）１５に送られ、絞り（圧力損失要素）１５で減圧して蒸発せしめられ凝縮器９内で改質ガスの熱を奪い蒸発して水蒸気となって圧縮機１６に導入され、この水蒸気が圧縮機１６で圧縮されてから流路２１８を介して乾燥機１の流路１ｃに送給される。
【００２４】
乾燥機１に送られる水蒸気は凝縮器９内で改質ガスの熱を奪っており高温となっており、乾燥機１は汚泥のような高水分の廃棄物でも充分に乾燥することができる。
例えば、汚泥は８０％程度の水分率を有するがこれを３０％程度にするのに４５０ｋｃａｌ／ｋｇの熱量が必要であって、汚泥を燃焼した排ガスで乾燥した場合には発電をおこなうだけの熱エネルギが残らず発電することができなかったが、この第１の実施の形態のようにした場合には、汚泥１ｋｇ当たり１５７ｋｃａｌ（処理量１００ｔｏｎ／ｄａｙの場合、７６０ｋＷ）の発電が可能である。
【００２５】
また、この水蒸気は改質ガスから回収された水、すなわち、廃棄物から出た水であり、外部からの水の補給が不要であり節水に寄与でき、コストも低下する。
【００２６】
廃棄物は乾燥機１内で排ガスの熱エネルギにより乾燥され、所定の含水率にまで低減されて、流動床ガス化炉２内の砂層２ａ上に連続的に供給される。なお、乾燥機１で廃棄物を加熱して生じた水分（蒸気）は流動床ガス化炉２内に供給されるか、改質炉６内に供給される。
【００２７】
酸素を含む気体（例えば酸素、酸素富化空気または空気）と水蒸気との混合ガスであるガス化剤が、流路２１４を通して流動床ガス化炉２の内部にその砂層２ａの下方から供給される。
【００２８】
酸素を含む気体と水蒸気との混合ガスであるガス化剤を連続処理ガス化炉である流動床ガス化炉に供給する際、ガス化剤は例えば水蒸気の流量が連続的に投入される有機系廃棄物中の炭素と水蒸気とのモル比が２：１またはそれより水蒸気過多になるように供給するのが好ましい。
【００２９】
流動床ガス化炉２内で、廃棄物は例えば４００〜６５０℃に加熱されながら、浮遊流動する砂層２ａにより熱分解されてガス状物質になり、ガス化剤の酸素および水蒸気と接触すると共にその一部が流動床ガス化炉２のフリーボード部２ｂで例えば４５０〜８００℃の温度で燃焼される。
【００３０】
この燃焼において、下記式（１）で示す燃焼反応および下記式（２）で示す水性ガス化反応（改質反応）を起こし、一酸化炭素、水素、メタン、エタン、二酸化炭素等を含むガス化ガスと、タールや煤などの未燃固形物と、飛灰と、不燃物とを生じる。また、メタン、エタン、タールなどの炭化水素や煤などの未燃固形分は、下記式（３）で示す改質反応を起こし、一酸化炭素、水素を生じる。
【００３１】
Ｃ＋Ｏ2→Ｏ2＋熱…（１）
Ｃ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋Ｈ2…（２）
ＣmＨn＋ｍＨ2Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ／２）Ｈ2…（３）
【００３２】
不燃物は、流動床ガス化炉２の下部から排出管３０２を通して系外へ排出される。一方、流動床ガス化炉２内のガス化ガス、未燃固形物および飛灰を含む流体は、その上部から流路２０３を通してサイクロン３に送給され、サイクロン３で旋回され、サイクロン３の底部側にガス化炉２で発生した粒径３〜１００μｍの固形分のうち、その８５重量％以上、より好ましくは９０重量％以上、さらに好ましくは９５重量％以上含む第１流体と残りの１５重量％以下、より好ましくは残りの１０重量％以下、さらに好ましくは残りの５重量％以下の固形分を含む第２流体とにそれぞれ分離される。
【００３３】
第１流体は、サイクロン３の底部側から流路２０４を通して灰溶融炉４の内部に供給され、また、酸素を含むガス化剤（または酸化剤）が流路２１５を通して灰溶融炉４の内部に供給される。灰溶融炉４内は第１流体の固形分中の未燃固形物および固形分とともに持ち込まれたガス化ガスの燃焼により例えば１３００〜１５００℃程度に加熱され、未燃固形物および飛灰は灰溶融炉４の内部で旋回しながら加熱される。
【００３４】
このため、飛灰（無機物）は溶融されてスラグミスト化し、旋回流の遠心力で炉壁に捕捉され、スラグとなって炉壁を流下して排出管３０３を通して系外へ排出される。そして、灰溶融炉４の燃焼排ガスは流路２０６を通って、改質炉６に導入され改質炉６を加熱する。
【００３５】
一方、第２流体は流路２０５を通して加熱された燃焼排ガスが導入された改質炉６に送給され、この第２流体の主要成分であるガス化ガスはこの第２流体に含まれる水蒸気により式（２）と同様な水性ガス化反応（改質反応）がなされる。すなわち、ガス化ガス中のメタン、エタン、場合によって浮遊して混入されたタールや煤などの未燃固形物は低分子されて煤を含まないクリーンなＣＯ、Ｈ2 リッチガスを含む改質ガスが生成される。特に、改質炉６内に触媒の充填部６ａを設けることによって、改質反応をより円滑に進行させることが可能となる。なお、改質炉６での改質反応において水蒸気量が不足する場合には、別途、水蒸気を送給してもよい。
【００３６】
改質ガスは、改質炉６から流路２０７を通してボイラ７に送給され、ここで熱回収される。ボイラ７は、改質ガスから回収した熱で水を加熱して蒸気を発生させる。この蒸気は、流路２１１を通してスチームタービン１０に送給され、このタービン１０を回転させ、発電機１１を駆動させることにより発電を行う。スチームタービン１０から排出された蒸気は、流路２１２を通して復水器１２に送給され、ここで水に戻され、その水の流路２１３を通してボイラ７に再び供給される。廃棄物の処理量が少ない場合には、ボイラ７とスチームタービン１０による発電効率が低くなるので、コスト評価により、ボイラ７およびスチームタービン１０が無い場合もあり得る。
【００３７】
ボイラ７を通過した改質ガスは、流路２０８を通してバグフィルタ８に送給され、ここでダストや塩酸分が除去された後、流路２０９を通して凝縮器９に送られ凝縮されて燃料ガスとされる（なおボイラ７出口の改質ガス中にＳＯｘ等の腐食性ガス成分を含む場合、ボイラ管の低温腐食防止のためにボイラ出口ガス温度をバグフィルタ８の耐熱温度より高い温度に設定する。この場合、ボイラ７を通過した改質ガスは、減温塔を介して温度を低下せしめてバグフィルタ８に送給しても良い。減温塔は通常、水を噴霧して蒸発させることによって、改質ガス温度を低下させる）。凝縮器の冷却水は排出管３０４を通して系外へ取り除かれる。すなわち、改質炉６で得られた改質ガスは改質ガス精製装置としてのバグフィルタ８と凝縮器９で精製されて燃料ガスとされる。そして燃料ガスは流路２１０を通って、ガスを燃料とするエネルギ生成手段であるガスエンジン発電装置１１０に送給され、発電装置１１０の排ガスは放出される。
【００３８】
次に第２の実施の形態について説明する。図２が第２の実施の形態の構成を概略的に示す図であって、第１の実施の形態に比較して、ボイラ７とバグフィルタ８を結ぶ流路２０８に熱交換機１７を配設し、圧縮機１６から乾燥機１の流路１ｃに向かう流路２１８を熱交換器１７の内部を通過せしめるようにした点が異なる。したがって、この第２の実施の形態では圧縮機１６を出た水蒸気は熱交換器１７で改質ガスの熱を奪ってさらに高温になってから乾燥機１に送給され乾燥機１の乾燥能力が向上する。この場合、第１の実施の形態に比較して、ボイラ７による熱回収量は少なくなり、場合によってボイラ７が無い場合もあり得る。
【００３９】
次に第３の実施の形態について説明する。図３が第３の実施の形態の構成を概略的に示す図であって、第２の実施の形態に比較して、流路２１８から分岐する流路２１９が設けられ、流路２１９は発電装置１１０から流路２２５で送給される排気ガスが通過する熱交換器１８を通って、酸素発生器１９から延伸する流路２２０とともに流路２２１に結合され、流路２２１が熱交換器１７を通って、流動床ガス化炉２に接続される流路２１４および、サイクロン３から灰溶融炉４に向かう流路２０４に向かう流路２１５に接続されている。
【００４０】
圧縮機１６を出た水蒸気の一部は熱交換器１８で発電装置１１０の排気ガスで加熱されてから酸素発生装置１９から供給される酸素と混合され、さらに、熱交換器１７で加熱されてガス化剤となって流動床ガス化炉２および灰溶融炉４に供給される。したがって、この第３の実施の形態では、発電装置１１０の排気ガスの熱が有効に利用され、また、熱交換器１７も乾燥機１に送る水蒸気の加熱のみならずガス化剤の加熱もおこない装置の有効利用度が高い。
【００４１】
次に第４の実施の形態について説明する。図４が第４の実施の形態の構成を概略的に示す図である。この第４の実施の形態では、第１〜３の実施の形態と同様に絞り（圧力損失要素）１５、凝縮器９、圧縮機１６が流路１７を介して接続されているが、圧縮機１６の出口は熱交換器２０が介装された流路２２２を介して絞り（圧力損失要素）１５と接続され、一つの閉回路２２３が形成されている。そして、この閉回路２２３内を封印された中間熱媒が循環する。一方、流路２２４が水タンク１３の底部からポンプ１４、熱交換器２０内部を通って乾燥機１の流路１ｃに接続されている。
【００４２】
中間熱媒が奪った熱は熱交換器２０において水タンク１３からポンプ１４で乾燥機１の流路１ｃに供給される水を加熱して水蒸気とし、乾燥機１はこの水蒸気で廃棄物を乾燥する。このように中間熱媒を使用することにより、ガス化ガスから熱エネルギを奪う場所と、奪った熱エネルギを水に付与する場所を、別個にすることができるので各装置の配設の自由度が高い。
【００４３】
図５に示すのは第５の実施の形態であって、第４の実施の形態において第２の実施の形態のように、熱交換器１７で乾燥機１に向かう水蒸気を再度加熱するようにしたものであり、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
図６に示すのは第６の実施の形態であって、第４の実施の形態において第３の実施の形態のように、流路２２４から分岐する流路２１９が設けられ、流路２１９は発電装置１１０から流路２２５で送給される排気ガスが通過する熱交換器１８を通って、酸素発生器１９から延伸する流路２２０とともに流路２２１に結合され、流路２２１が熱交換器１７を通って、流動床ガス化炉２に接続される流路２１４および、サイクロン３から灰溶融炉４に向かう流路２０４に向かう流路２１５に接続されており、第３の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、廃棄物を乾燥手段で乾燥してからガス化手段で加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギを生成する廃棄物ガス化システムであるが、ガス化ガスの有する熱エネルギ（特にガス化ガス中に含まれる水蒸気の凝縮潜熱）を奪って水を加熱する水加熱手段を具備し、乾燥手段が加熱手段で水を加熱して生成される水蒸気で廃棄物を乾燥する、ようにされている。したがって、乾燥手段は水加熱手段でガス化ガスの有する熱エネルギを奪って水を加熱して生成される水蒸気で廃棄物を乾燥し、ガス化ガスの熱エネルギを有効利用でき効率が向上する。
【００４６】
特に、請求項２の発明のように、ガス化ガスを精製するためにガス化ガスを凝縮する凝縮手段を具備し、水加熱手段は凝縮手段がガス化ガスを凝縮した際に発生する水を加熱するようにすれば、水を外部から供給する必要がなく効率がよく、節水、低コスト化に貢献できる。
特に、請求項３の発明のように、水加熱手段を凝縮手段ガス化ガスを精製するためにガス化ガスを凝縮する凝縮手段と一体に形成すれば、装置が小形、簡素化できる。
【００４７】
特に、請求項４の発明のように、水再加熱手段で、水加熱手段で生成された水蒸気を再加熱すれば、より高温の水蒸気を乾燥手段に送給でき乾燥手段の乾燥能力を向上できる。
特に、請求項７の発明のように、水加熱手段を、ガス化ガスの有する熱エネルギを奪う熱回収手段と、熱回収手段と離間した位置に配設され水に熱を与える熱付与手段で構成し、熱移送手段により熱回収手段から熱付与手段に熱を移送するようにすれば、構成手段の配置の自由度が大きい。
【００４８】
特に、請求項１０の発明のように、水加熱手段で加熱した水の一部を酸素発生装置から供給される酸素と混合してガス化手段に供給するガス化剤を生成するようにすれば、ガス化剤を生成するための水蒸気を生成するための水を別途供給する必要がなく節水、低コスト化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の概略図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の概略図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の概略図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態の概略図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態の概略図である。
【図７】従来技術の概略図である。
【符号の説明】
１…乾燥機
２…流動床ガス化炉
２ａ…砂層
２ｂ…フリーボード
３…サイクロン
４…灰溶融炉
６…改質炉
６ａ…触媒
７…ボイラ
８…バグフィルタ
９…凝縮器
１３…水タンク
１４…ポンプ
１５…絞り（圧力損失要素）
１６…圧縮機
１７…熱交換器
１８…熱交換器
１９…酸素発生装置
１１０…ガスエンジン発電装置
Claims (10)
- 廃棄物を乾燥手段で乾燥してからガス化手段で加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギを生成する廃棄物ガス化システムであって、
ガス化ガス中に含まれる水蒸気の凝縮潜熱を奪って水を加熱する水加熱手段を具備し、乾燥手段が水加熱手段で水を加熱して生成される水蒸気で廃棄物を乾燥する、ことを特徴とする廃棄物ガス化システム。 - ガス化ガスを精製するためにガス化ガスを凝縮する凝縮手段を具備し、水加熱手段は凝縮手段がガス化ガスを凝縮した際に発生する水を加熱する、ことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化システム。
- 水加熱手段が凝縮手段と一体に形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の廃棄物ガス化システム。
- 水加熱手段で生成された水蒸気を再加熱する水再加熱手段を具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化システム。
- 水再加熱手段は水加熱手段より上流でガス化ガスの有する熱エネルギを奪って水加熱手段で生成された水蒸気を再加熱する、ことを特徴とする請求項４に記載の廃棄物ガス化システム。
- 水を減圧手段で減圧してから水加熱手段を通過せしめ、水加熱手段通過後に圧縮手段で圧縮する、ことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化システム。
- 水加熱手段が、ガス化ガスの有する熱エネルギを奪う熱回収手段と、熱回収手段と離間した位置に配設され水に熱を与える熱付与手段から成り、熱移送手段により熱回収手段から熱付与手段に熱を移送する、ことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化システム。
- 熱移送手段が閉回路内で中間熱媒を循環させる中間熱媒循環手段である、ことを特徴とする請求項７に記載の廃棄物ガス化システム。
- 中間熱媒循環手段は、中間熱媒を膨張手段で膨張してから熱回収手段を通過せしめ、熱回収手段通過後に圧縮手段で圧縮してから熱付与手段に中間熱媒を送給する、ことを特徴とする請求項８に記載の廃棄物ガス化システム。
- 水加熱手段で加熱した水の一部を酸素発生装置から供給される酸素と混合してガス化手段に供給するガス化剤を生成することを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化システム。
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