JP3979721B2

JP3979721B2 - 簡易型連続活性炭製造装置

Info

Publication number: JP3979721B2
Application number: JP12660998A
Authority: JP
Inventors: 正康坂井
Original assignee: 株式会社長崎鋼業所; 有限会社マツオアンドパートナーズ; 有限会社環境産業; 株式会社九州スチールセンター; 長菱ハイテック株式会社
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JPH11278822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、竪型下向き流れの反応炉に於いて、建築廃木材を含む各種のバイオマスを反応炉頂部より投入して、反応炉内にバイオマスの下向移動床を形成し、一方高温ガスを炉頂部より供給して、バイオマスの乾燥から活性炭の生成迄一貫して行い、活性炭を連続して製造する内熱式（バイオマスの揮発分の熱エネルギーと水性ガス化反応によって発生した可燃ガスの熱エネルギーを利用）連続活性炭製造装置を提供する。
注）下向移動床
火格子は火炉下部に固定され、原料は火炉上部より供給される。火炉で生成された活性炭を下方より取出すので、床の構成物質は下方へ移動する。故に下向移動床と称す。
【０００２】
【従来の技術】
図１にバイオマスより粉末活性炭を製造する従来のプロセスを示す。従来バイオマスの乾燥・乾留による木炭の製造プロセスと、木炭をガス（水蒸気又は二酸化炭素）により賦活して活性炭を製造するプロセスは通常それぞれ独立している。図２にバイオマスを回転乾操機で乾燥したあと、別置の炭化筒で外部加熱により乾留し、木炭を製造するプロセスを示す。図３に木炭を水蒸気で賦活して活性炭を製造するプロセスを示す。図４にロータリキルンでバイオマスから一貫して活性炭を製造する例を示す。この場合加熱ガスは燃焼炉２で重油又はガスを燃焼して得られる。前者に於いては装置が複雑であり、後者に於いては装置が過大となる。そのため両者共に装置の建設費及び運転経費が高く活性炭の装置コストは高価となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
１．本発明はガス化反応炉の中にバイオマスを原材料とする移動床を形成し、当該バイオマスを加熱反応させる高温ガスを空気と共に上方から下方に流動させることにより、安定した炭化・賦活反応を炉横断面にわたって均一に発生させて、構造的に単純でコンパクトな反応炉の中でバイオマスから活性炭迄一貫した工程を連続的に行わせることを可能にする低コストの活性炭製造装置の提供を目的とする。
【０００４】
２．化学物質を含む建築廃木材等のバイオマスを原料とする場合、炭化・賦活反応で発生した可燃ガス（Ｈ_２，ＣＯ，ＣｎＨｍ等）を含む反応炉出口のガスを１０００℃以上の高温で燃焼してガス中の有害物質を酸化・分解して無害化した後その高温ガスの一部をガス化反応炉頂部に再循環して反応に利用する活性炭製造装置及び残余の高温ガスで高温・高圧蒸気を生成するボイラの提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
（１）活性炭製造に関する上記の課題を解決する為に、本発明者らは直立竪型反応炉に於いて、下部に火格子又は同等の活性炭／可燃ガス排出装置を設置して反応炉上部よりバイオマスを投入し、上記火格子及び同等の装置の上部にバイオマスの移動床を形成させ、一方数％〜十数％の酸索を含む高温ガスを炉上部より導入し、上記移動床内を上から下へ流通せしめると高温ガスはバイオマスと反応して上より順に乾燥・揮発・燃焼・炭化・賦活の各反応層を形成するが、その際、乾燥・揮発・燃焼の段階で生成したバイオマスの水分蒸発及び揮発分の燃焼によって得られる水蒸気が高温ガスに混在し炭化物を賦活する。移動床内を下降する高温ガスは、移動床のガス流動に対する抵抗と、各反応生成ガスが下降する高温ガスで抑圧されて横に広がることにより、各反応層の横断面全体にわたって均一に流下することに着目し、図５−ｃに示す如き実験炉でバイオマスと高温ガス及び空気を上部より投入した所、各層での反応が均一に行われ、火格子及び同等の装置部より活性炭を取り出し得ることを確認し、本発明に至った。尚、高温ガスの生成供給手段としては下記の４つの方法がある。
【０００６】
１、反応炉頂部に補助燃料と空気を供給して、炉頂部での燃焼反応により数％〜十数％の濃度の酸素を含む高温ガスを生成供給する方法（図５−ａ）
【０００７】
２、１項に於いて反応炉の起動時のみ補助燃料を使用し、炉内反応が安定し移動床が形成され始めると補助燃料を徐々に減少し、補助燃料の代替としてバイオマスの揮発分を利用する方法（図５−ａ）
【０００８】
３、１項に於いて炉内反応が安定してくると補助燃料の代わりに反応炉下部より抽出された可燃ガスの一部を再循環して使用する方法（図５−ｂ）
【０００９】
４、図５−ｃに示す如く炉下部より抽出された可燃ガスを１０００℃以上の高温で燃焼して、その燃焼ガスの一部を空気と共に炉頂部に供給する方法
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明する。
図５−ｃに依り本発明の簡易型連続活性炭製造装置を説明する。図５−ａ及び図５−ｂも活性炭生成反応の基本は同じである。
【００１１】
１）反応炉１の頂部に設けられたバイオマス投入口２より数ｍｍ〜数百ｍｍに破砕されたバイオマス（廃木材等）を炉横断面にわたって均一になるように炉内に連続的に投入する。
【００１２】
２）炉内に投入されたバイオマスは反応炉１の下部に設けられた火格子３の上方に上から順に乾燥層イ、揮発層ロ、燃焼層ハ、炭化層ニ、賦活層ホ及び活性炭層ヘより構成される移動床を連続的に形成する。（層イ〜ヘの形成の機構については後述する。）
【００１３】
３）同じく反応炉１の頂部に設けられたガス吹き込み口４から数％〜十数％の酸素を含有する高温ガスを炉上部に吹き込む。
【００１４】
４）上記高温ガスは、移動床の中を上から下へ流下する。その際移動床の最上部の乾燥層イのバイオマスは高温ガスで加熱、乾燥されゆっくり沈降して揮発層口に移動する。乾燥により保有熱の一部をうばわれた高温ガスはバイオマスの水分を水蒸気の形で含有しながら揮発層に流下する。その際揮発分はバイオマスより高温ガス中に飛び出す。揮発分は高温ガスと共に流下しながら高温ガス中の酸素により酸化・燃焼され、燃焼層ハを形成する。その下部では固形分の一部も燃焼し、炭化層ニを形成する。上記揮発分の燃料及び固形分の一部の燃焼によって発生した熱エネルギーと水蒸気は、下記のガス化反応に利用される。
【００１５】
５）炭化層ニでは、燃焼によって生成した炭化物の一部と高温ガス中の二酸化炭素が次式（１）に示す如く熱エネルギーを吸収して一酸化炭素（可燃ガス）を生成する。
Ｃ（炭化物）＋ＣＯ_２＝２ＣＯ−３８，２００ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ・・・（１）
【００１６】
６）炭化層二の下部において、上記乾燥及び揮発分燃焼によって生成した水蒸気が、炭化物の微細な多数の細孔（バイオマスが内部から揮発分を外部に放出する事と、有機物の一部が燃焼して炭酸ガス（ＣＯ_２，ＣＯ等）分を外部に放出する事により出来る細孔）の中に浸入して、次式（２）、（３）の水性ガス化反応を起して、細孔を更に増殖・発達せしめて、炭化物を賦活する。
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ＝ＣＯ＋Ｈ_２−２８，２００（２）
Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ＝ＣＯ_２＋２Ｈ_２−１８，２００（３）
この炭化物の賦活に於いても（２）（３）式に示す如く熱エネルギーが吸収される。通常のバイオマスでは上記（２）及び（３）式の反応で必要とされる水蒸気の量はバイオマスの乾燥及びバイオマスの揮発分によって得られる水蒸気の量で充分であるが炭化物の賦活を強化する場合などには補助ノズル５より蒸気を追加する。此の賦活層ホで炭化物は活性炭となる。図６に移動床のモデルを示す。
【００１７】
７）火格子３上部には賦活層から沈下して来た活性炭の層へが形成され、活性炭取出口６より連続的に炉外に取り出される。一方上記（１）、（２）、（３）式の反応で発生した可燃ガスは残余のガスと共に連絡煙道７を経て後部燃焼炉８に送られる。
【００１８】
８）図５−ｃに示す反応炉での実験の結果得られた反応炉の高さ位置におけるバイオマスの質量変化とガス温度変化を図７に示す。揮発・燃焼ゾーンで揮発分の飛び出しにより質量は急激に減少し、ガス温度は急上昇する。賦活層では水性ガス化反応により、質量は緩かに減少し、ガス温度は急激に低下する。賦活が終了して活性炭層になると質量、ガス温度共に一定となる。図８に炉内を流下する高温ガスの組成の炉高さによる変化を示す。揮発層の途中よりＨ_２、ＣＯが発生し、賦活層に於いてその生成が増加し、活性炭層では発生は零となる。図５、６に示す如く、炉頂部よりバイオマスを投入して、火格子３の上方に移動床を形成させ、個々の固形物は上方より下方に沈降し、一方高温ガス（酸素を含む）も炉頂より投入されて移動床内を流下させる本発明装置に於いては、移動床の中の粗粒バイオマス及び反応生成固体の集積がガス流れに対して抵抗となり、整流効果を与える（図９−ａ参照）。その結果、高温ガスは炉の全横断面にわたって均一な分布で流下し、バイオマス等と反応し、生成ガスは、下降する高温ガスに抑圧されて下方に流下せざるを得なくなる。その際、生成ガスの弱い上昇ベクトルと高温ガスの強い下降ベクトルの合成に依り、生成ガスは横方向に広がりながら高温ガスとともに流下する（図９−ｂ参照）。上記二要因（図９−ａ、図９−ｂに図示）に依り、反応は全炉横断面にわたって均一に行なわれる（一方従来の固定床反応炉で、ガスが上向き流れでは、固定床内で高温ガスの偏流があると、高温ガスの多い部分のガス化反応が盛んになり、当該部の燃焼が活発化して、高温ガスの上昇力が増大し、当該部に高温ガスが集中する傾向を示し、炉横断面にわたっての反応のムラが発生する）。その結果、本発明装置では図７及び図８に示す如く反応炉内で乾燥、揮発、燃焼、炭化、賦活の反応が安定して行なわれ、活性炭の収率を高めることができる。揮発分及び水分が少ないバイオマスの場合あるいは炭化物の賦活を強化する場合は補助的水蒸気ノズルが必要条件であるが、それ以外のバイオマスでは定常運転状態では充分に賦活に必要な水蒸気がバイオマスより得られるので補助的水蒸気ノズルは不要である。
【００１９】
【発明の実施例】
１．図１０に本発明の一実施例を示す。
この実施例では、反応炉で活性炭を製造し、その際発生する還元性ガスを隣接するボイラで燃焼し、発生した熱エネルギーにより高温・高圧の蒸気をつくり、タービン・発電機に送って電気をつくる。一方燃焼ガスの一部は高温ガスとして反応炉に循環する。以下図１０で詳細説明する。数ｍｍ〜数百ｍｍに破砕されたバイオマスは投入口２から反応炉１の頂部に投入される。運転開始に当っては、まず火格子３の上部にバイオマスは比較的に低い積層トを造る。次いで補助燃料バーナＡ９と空気ノズルＡ１０からそれぞれ燃料と空気が噴射され、炉頂部で燃焼して数％〜十数％の酸素を含む高温ガスを生成する。高温ガスは、バイオマス積層トを上から下へと通過してバイオマスを乾燥→揮発→燃焼一炭化の順で炭化物化する。その際発生する可燃ガスは上記高温ガスと共に火格子３を通過して連絡煙道７を経て接続するボイラの燃焼炉８に導入される。可燃ガスは燃焼炉８で補助燃料バーナＡ９より噴射された補助燃料と共に空気ノズルＡ１０より噴射された空気により完全燃焼して高温ガスを生成する。高温ガスの一部は燃焼炉８上部と反応炉１頂部をつなぐ再循環煙道１４を経てガス吹込口４から反応炉１の頂部に吹き込まれる。火格子３の上部のバイオマス堆積層の安定した揮発分燃焼・炭化反応が確認された時点からバイオマスを投入口２より連続供給すると共に、ほぼ炉中央で炭化層の下部レベルに設置された、補助的水蒸気ノズル５から水蒸気を噴射し、バイオマスの表面水分及び揮発分の燃焼によって得られた水蒸気と共に、炭化物の賦活反応を行わせる。定常状態では揮発分の燃焼によって得られる水蒸気と、バイオマスの表面水分で賦活を充分に行うことが出来るので水蒸気ノズル５からの水蒸気噴射量は零にすることが可能である。その結果反応によって発生する可燃ガスの量も増大し、連絡煙道７から燃焼炉８に導入される可燃ガスも増大する。それに伴いガス吹込口４ら吹き込まれる高温ガスの熱量も増大するので補助燃料バーナＡ９から噴射される補助燃料を徐々に減少し、最終的には零とする。空気ノズルＡ１０から噴射される空気量は、当該補助燃料を炉頂部で完全燃焼して、ガス吸込口バーナから吸込まれた高温ガスと合体して数％〜十数％の酸素を含む高温ガスとなる。此の高温ガスは連続して投入されるバイオマスを下向きに通り抜けて上記反応を起こさせる。バイオマス堆積の層高が高くなり層の頂部が空気ノズルＡ１０と蒸気ノズル５の中間位の位置に達すると活性炭取出口６を開口して、火格子３の真上の活性炭を連続的に取り出す。その結果前述の［発明の実施の形態］で図５−ｃに依って説明した乾燥層イ、揮発層ロ、燃焼層ハ、炭化層ニ、賦活層ホ及び活性炭層ヘより構成される移動床が形成される。反応炉内でのバイオマスと高温ガス及び水蒸気との反応による活性炭の生成機構と可燃ガスの生成機構に就いては同じく［発明の実施の形態］で詳述しているものと同様である。定常状態に於いては、炉頂部より投入された数ｍｍ〜数百ｍｍの寸法を有するバイオマスは火格子３の上部に上より順に図５−ｃ及び図６に示す如く乾燥イ、揮発ロ、燃焼ハ、炭化ニ、賦活ホ、活性炭ヘの各層より構成される移動床を構成し、活性炭は取出口６より連続的に排出される。一方火格子３を通過して燃焼炉８に導入された可燃ガスは、空気ノズルＢ２５より噴射された高温空気により１０００℃以上の高温で燃焼する。そのため、建築廃材等に含まれた化学物質は酸化・分解され無害化する。燃焼によって発生した高温燃焼ガスは燃焼炉８の水冷壁２１で蒸気を発生する。蒸気は蒸気ドラム１８を経て過熱器１５に送られ高温高圧蒸気となりタービンへ送られる。以下ボイラを構成する部品について説明する。１９は降水管、２０は水ドラム、１６は給水管、１７は節炭器、２２は強圧通風機、２４は風道、２３は空気予熱器、２５は空気ノズルＢ、２６は補助燃料バーナＢ、２７は誘引通風機、２９は煙道、２８はガス清浄装置、３０は煙突、３１は給水連絡管である。以上のボイラで発生した燃焼ガスの一部は再循環煙道１４を経てガス再循環機１３により、噴射ノズル４から反応炉１の頂部に投入される。その際この高温ガスは木材を乾燥すると共に、水性ガス反応に必要な熱エネルギーを提供する。揮発分の燃焼によって生成する水蒸気と、バイオマスの表面水分による水蒸気は炭化物と水性ガス化反応を行う。空気ノズルＡ１０より噴出される空気量は高温ガスと当該空気が合体した後の酸素濃度が数％〜十数％になるように調整されて、反応に必要な高温ガスを提供する。以上の繰返しにより安定した活性炭の連続生成が可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明により従来厄介視されていた建築廃木材を含め、各種のバイオマスをガス化反応炉で乾燥から活性炭迄、バイオマスの保有する揮発分の熱エネルギーを利用して一貫して製造できるため、従来の活性炭製造装置に比べて、
【００２１】
１、設備費が１／２である。
【００２２】
２、定常状態では、補助燃料等の外部からの熱エネルギーは零である。
【００２３】
３、反応炉だけの操作で活性炭が製造できるので、従来の炭化、賦活の２炉方式に比べて操作員は（ユーティリティ関連を除けば）１／２となる。
【００２４】
４、以上２、３を総合すると運転費も１／２以下となる。
【００２５】
５、反応炉が竪型であるため敷地面積を大巾に削減できる。
【００２６】
６、連続的に安定して量産できる。
以上総合すると従来の活性炭製造炉に比較し、材料を限定することなく広範囲にわたるバイオマスより安価な活性炭を量産でき、ダイオキシンの吸着等排ガスの浄化に容易且つ安価に利用できる。
【００２７】
又、水性ガス化反応によって発生した可燃ガスはボイラ／タービンを介し電気を生成でき、また各種熱源としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】粉末活性炭製造プロセス
バイオマスを炭化した後、粉砕整流して水蒸気で賦活し、粉末活性炭を製造する従来プロセスを示す。
【図２】木炭製造プロセス
バイオマスを回転乾燥機で乾燥した後、別置きの炭化筒で外部加熱により乾留し、木炭を製造するプロセスを示す。
【図３】内熱式縦型流動賦活炉例
木炭を水蒸気で賦活して活性炭を製造するプロセスを示す。
【図４】ロータリーキルン型活性炭製造炉
ロータリーキルンでバイオマスから一貫して活性炭を製造する装置を示す。
【図５−ａ】直立竪型反応炉
反応炉頂部に補助燃料と空気を供給して数％〜十数％の濃度の酸素を含む高温ガスを生成し、その高温ガスでバイオマスを活性炭に転化する装置。
【図５−ｂ】生成ガス再循環装置を有する直立竪型反応炉
図５−ａの直立竪型反応炉において、補助燃料の使用量を節減する為排出される可燃ガスの一部を炉頂部に再循環させるようにしたもの。
【図５−ｃ】簡易型連続活性炭製造装置（実験炉）
本発明の実証確認の為に制作した実験炉の構造を示すものであって、廃木材を頂部より供給し、炉内で低酸素雰囲気の下に乾燥、揮発、燃焼、炭化、賦活を行う下向移動床を形成させ、一貫して且つ連続的に活性炭の製造を行う装置を示す。その際、炉内で生成された可燃ガスは補助燃料（ガス）を用いて燃焼させ、その一部を炉内へ再循環して熱を有効利用している。
【符号の説明】
１反応炉
２バイオマス投入口
３火格子
４再循環ガス
５灰出口
６活性炭取出口
７連絡煙道
８燃焼炉
９火口
１０トーチ
１１空気ファン
１２二次空気
１３一次空気
１４一次空気調節ダンバー
１５二次空気調節ダンバー
１６エジェクター
１７再循環ガス吹込口
【図６】移動床の構成
移動床における木材の乾燥、揮発、燃焼、炭化、賦活の構成と各ステージでの成分変化を示す。
【図７】炉の高さ位置での質量、温度の変化
縦軸を高さの変化（％）で示し、横軸を温度（℃）又は質量（重量％）の変化で示すグラフである。
【図８】炉の高さ位置における容積分率の変化
縦軸を高さの変化（％）で示し、横軸を酸素，二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素、窒素の容積分率の変化（％）で示すグラフである。
【図９−ａ】集積粗粒により整流効果
移動床内の集積粗粒（バイオマス）により、高温ガスが整流される様子をイメージ的に示す。
【図９−ｂ】下降流域内での反応モデル
高温ガス（ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ，Ｎ_２，ＮＯｘ）と炭化物の反応生成ガス（Ｈ_２，ＣＯ，ＣＯ_２）とが合体して次の層で反応するモデルを示す。
【図１０】活性炭製造・処理・蒸気発生システム
反応炉で活性炭を製造し、その際発生する還元性ガスを隣接するボイラで燃焼し、発生した熱エネルギーにより高温高圧の蒸気をつくり、タービン・発電機に送って電気をつくるシステムを示す。
【符号の説明】
１反応炉
２投入口
３火格子
４ガス吹込口
５水蒸気ノズル
６活性炭取出口
７連絡煙道
８燃焼炉
９補助燃料バーナＡ
１０空気ノズルＡ
１１空気送風機
１２空気送風管
１３ガス再循環機
１４再循環煙道
１５過熱器
１６給水管
１７節炭器
１８蒸気ドラム
１９降水管
２０水ドラム
２１水冷壁
２２強圧通風機
２３空気予熱器
２４風道
２５空気ノズルＢ
２６補助燃料バーナＢ
２７誘引通風機
２８ガス清浄装置
２９煙道
３０煙突
３１給水連絡管

Claims

炉頂部にバイオマスの投入口、空気吹込口及び補助燃料吹込口と、炉下部には火格子と、当該火格子上部に活性炭取出口と、火格子下部に可燃ガス取出口をそれぞれ有する反応炉において、炉頂部より数ｍｍ〜数百ｍｍに破砕されたバイオマスを順次投入して火格子上部に下降流の移動床を形成させる一方、炉頂部より投入された空気と補助燃料及び／又はバイオマスの揮発分の燃焼反応によって生成され、且つ数％〜十数％濃度の酸素を含有する高温ガスを上記移動床の中を上から下へ通過させ、バイオマスと反応させることに依り、下向移動床を上より順に乾燥層、揮発層、燃焼層、炭化層、賦活層及び活性炭層で形成させ、火格子上部より活性炭を火格子下部より可燃ガスを取り出すことを特徴とする活性炭製造装置。
請求項１の炉項部に更にガス吹込口と、炉中央部に補助的水蒸気吹込口を設け、当該ガス吹込口に火格子下部より取り出された可燃ガスの一部を再循環して炉頂部に吹込み空気との燃焼反応によって数％〜十数％の濃度の酸素を含有する高温ガスを生成し、移動床に供給して、補助燃料を節減若しくは零にすると共に、補助的水蒸気により炭化物の賦活を強化することを特徴とする請求項１の活性炭製造装置。
請求項１の炉頂部にガス吹込口と炉中央部に補助的水蒸気吹込口と更には請求項１の反応炉下部可燃ガス取出口に接続して燃焼室を有し、当該燃焼室で可燃ガスを１０００℃以上の高温で燃焼し、当該燃焼ガスの一部を上記ガス吹込口に再循環して、空気吹込口からの空気と合体して数％〜十数％の濃度の酸素を有する高温ガスを生成し移動床に供給すると共に補助的水蒸気により炭化物の賦活を強化することを特徴とする請求項１の活性炭製造装置。