JP4488189B2 - 燃料ガスを用いたガスエンジンによる発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物又はバイオマスの処理段階で発生するダストを含む燃料ガスをガスエンジンの燃料として用いた発電装置に関する。

従来から、廃棄物を加熱処理した際に発生する燃料ガス又はバイオマスを処理した際に発生する燃料ガスを燃料として用いることが行われている。
特許文献１には、自動車や家庭電化製品等の解体時に発生するシュレッダーダストを再資源化する方法として、図７に示すように、シュレッダーダストをガス化溶融炉１で熱分解ガス化して熱分解ガスを生成し、該熱分解ガスをガス洗浄塔２で洗浄した後電気集塵機３で集塵し、熱分解油と熱分解ガスとを回収する方法が記載されている。
しかしながら、これらの燃料ガスをガスエンジンの燃料として用いた場合には、ダストによってフィルタが閉塞し、この交換、洗浄を頻繁に行う必要があり、更にダストがバルブ部に堆積すると、バルブを閉じても完全にガスを遮断することができないという問題があった。

特開２００３−２０１４８０号公報

本発明者等は、前記の問題は、これらの燃料ガス中に微細なダストが存在することによって起こることを見いだした。
従って、本発明は、燃料ガス中に含まれる微細ダストを低減させて、ガスエンジンの長期間の運転を可能にすることを目的とする。

本発明者等は廃棄物を加熱することによって発生したガスを高温で改質すると、ガスに含まれるＣＯのわずかな部分が、２ＣＯ→ＣＯ_２＋Ｃ（ｓｏｌｉｄ）のような反応を引き起こして非常に微細な固体の炭素を生成し、これがガス中にダストとして含まれることによって生じることを見出して本発明を完成した。

すなわち、本発明は次の態様からなる。
（１）廃棄物又はバイオマスの処理段階で発生するダストを含む燃料ガスを燃料として用いてガスエンジンを駆動させて行うガスエンジンによる発電方法であって、
該ダストは廃棄物又はバイオマスを加熱することによって発生するガスを高温で改質する過程でガス中のＣＯから生成する炭素からなる微細ダストを含むダストであり、
該燃料ガスを湿式電気集塵機に通し該燃料ガス中のダスト濃度を該ガスエンジン前で５ｍｇ／Ｎｍ^３以下にして該燃料ガス中の該微細ダストを低減するとともにミストを除去して、該ガスエンジン前での前記燃料ガス中のダストがタール分を実質的に含まず、炭素分を実質的な量含むようにし、フィルタの閉塞、バルブの密閉不良又はガス流れの阻害を発生させることなくガスエンジンに供給することを特徴とするガスエンジンによる発電方法。
（２）上記湿式電気集塵機により除塵することにより、上記ガスエンジン前での前記燃料ガス中のダストの平均粒子径を５μｍ以下とすることを特徴とする上記（１）のガスエンジンによる発電方法。
（３）上記湿式電気集塵機が集電極の前段で加湿する方式の湿式電気集塵機であることを特徴とする上記（１）又は（２）のガスエンジンによる発電方法。

（４）上記湿式電気集塵機の後に除湿装置を設けてガスエンジン内で結露をしないようにしたことを特徴とする上記（１）〜（３）のガスエンジンによる発電方法。
（５）上記湿式電気集塵機に供給する燃料ガスを洗浄して、上記湿式電気集塵機の前での燃料ガス中のダスト濃度を４００ｍｇ／Ｎｍ^３以下とすることを特徴とする上記（１）〜（４）のガスエンジンによる発電方法。
（６）上記湿式電気集塵機の後に燃料ガスホルダーを設置し、該ホルダーの圧力制御を行うことによって該湿式電気集塵機後のガス圧力が負圧になることを防止することを特徴とする上記（１）〜（５）のガスエンジンによる発電方法。
（７）上記湿式電気集塵機での処理後の水中のダスト分を沈降処理し、ダスト分を除去した処理水を該湿式電気集塵機の補給水として再利用することを特徴とする上記（１）〜（６）のガスエンジンによる発電方法。

（８）廃棄物又はバイオマスの処理段階で発生するダストを含む燃料ガスを燃料として用いてガスエンジンを駆動させて発電を行う発電装置であって、湿式電気集塵機と、その後工程に設けられたガスエンジンとを有し、該ダストは廃棄物又はバイオマスを加熱することによって発生するガスを高温で改質する過程でガス中のＣＯから生成する炭素からなる微細ダストを含むダストであり、該湿式電気集塵機は、該燃料ガス中のダスト濃度を該ガスエンジン前で５ｍｇ／Ｎｍ^３以下にして該燃料ガス中の該微細ダストを低減するとともにミストを除去するものであり、フィルタの閉塞、バルブの密閉不良又はガス流れの阻害を発生させることなく、該燃料ガスをガスエンジンに供給可能とするものであることを特徴とする発電装置。
（９）上記湿式電気集塵機の後工程に除湿装置を設け、ガスエンジン内で結露をしないようにしたことを特徴とする上記（８）の発電装置。
（１０）上記湿式電気集塵機の後工程にガスホルダーを含む加圧装置を設け、該燃料ガス圧力が負圧になることを防止するようにしたことを特徴とする上記（９）の発電装置。

該燃料ガス中のダスト濃度を該ガスエンジン前で５ｍｇ／Ｎｍ^３以下に低減することにより、ガスエンジンの長期間の運転が可能となる。

本発明の発電方法に用いられる燃料ガスを得る方法を、廃棄物をガス化溶融処理して得られる燃料ガスを例にとって以下説明する。

図１は、廃棄物をガス化溶融処理して燃料ガスを得る装置の一例を示したものである。
都市ごみ等の処理ごみはプレス機で圧縮された後、乾燥熱分解工程で間接加熱により加熱乾留されて高温反応炉内に送られる。高温反応炉の下部にはバーナーが配置され、このバーナーによって炉内に燃料ガスと酸素とが導入され、この酸素ガスが乾留物中の炭素をガス化し、一酸化炭素と二酸化炭素が生成する。また、高温水蒸気が存在する場合には炭素と水蒸気とによる水性ガス化反応が生じて一酸化炭素と水素とが生成される。更に、有機化合物は熱分解して一酸化炭素と水素が生成する。上記の反応の結果、高温反応炉の塔頂部から粗合成ガスが排出される。

高温反応炉から排出される燃料ガスに対して、冷却塔で酸性水を噴射することによってガスの温度を約１２００℃から約７０℃にまで急速冷却し、ダイオキシン類の生成を阻止する。この時、酸性水によってガスが洗浄され、粗合成ガス中に含まれるＰｂなどの重金属成分と塩素分は洗浄液中に溶け込む。

酸洗浄された合成ガスは、水洗、脱硫（例えば、鉄キレートによる無機硫黄の除去）、除湿（冷水スプレー）の各処理を受けて排出される。この排出ガスはダストを含んでおり、これをそのままガスエンジンに送給すると、エンジントラブルが生じる。

ガスエンジンのトラブルを防止するには、燃料ガス中のダスト濃度は５ｍｇ／Ｎｍ^３以下とすることが必要であり、好ましくは１ｍｇ／Ｎｍ^３以下とする。５ｍｇ／Ｎｍ^３を超えるとフィルタの閉塞、更にはバルブに堆積した場合にはバルブの密閉不良という問題が生じる。ダスト濃度の測定はＪＩＳ Ｚ８８０８「排ガス中のダスト濃度の測定方法」に準じて行う。
また、ダスト濃度が５ｍｇ／Ｎｍ^３以下である場合でも、それがタール分を実質的に含まず、炭素分が実質的な量含むことが好ましい。タール分は、フィルタだけでなく、配管やバルブなどで堆積しやすくガスの流れを阻害する。
燃料ガス中のダストは平均粒子径が５μｍ以下であることが好ましい。平均粒子径が５μｍを超えると、フィルタの閉塞、更にはバルブに堆積した場合にはバルブの密閉不良という問題が生じる。

一般的なダストの捕集方法としては、バグフィルタなどで機械的に捕集する方法及び電気集塵機によって電気的に集塵する方法があるが。機械的な方法では圧力損失が大きく、炉圧が高くなり好ましくない。電気集塵法は圧力損失が大きくならないので好ましい。

また、電気集塵機には、乾式電気集塵機と湿式電気集塵機とがある。
乾式電気集塵機は、集塵電極に付着したダストをクリーニングする方法として、機械的衝撃を与えてダストを剥離落下させて回収する形式の集塵機であり、湿式電気集塵機は、集塵電極に付着したダストをクリーニングする方法として、噴霧散水によってダストを洗い流す形式の集塵機である。

電気集塵機は圧力損失が５００Ｐａ以下と小さいが、乾式電気集塵機はその集塵特性が捕集しようとするダストの固有抵抗値により左右されるので湿式の方がより好ましい。
一方、湿式電気集塵機はミストを含むガスにも適用可能であり、また、ダスト性状に性能が影響されることがなく、メンテナンスも簡単である等の理由で特に好ましい。

湿式電気集塵機には、集塵極板を連続洗浄しながら集塵する連続洗浄式と、ガス入口部で水をスプレーし、ダストに水ミストを混合させて集塵する加湿式とがあるが、加湿式であると、乾式電気集塵器では捕捉されにくいダストも、加湿水で包含することにより、最適な固有抵抗値とすることが出来、集塵効率をあげることが可能となるのでより好ましい。

ガスエンジンに供給される燃料ガス中に水分が含まれていると、この水分がエンジン内で結露する場合があり好ましくないので、ガスエンジンの入口に除湿装置を設け、ガスエンジン内で結露を防止することが好ましい。

電気集塵機での除じん率は設備サイズなどから、実質９９％程度が限度であるので、湿式電気集塵機の出口でのダスト濃度を５ｍｇ／Ｎｍ^３以下とするためには、湿式電気集塵機に供給される燃料ガス中のダスト濃度を４００ｍｇ／Ｎｍ^３以下としておくことが好ましい。このためには、予め燃料ガスをガス洗浄塔などの洗浄装置で洗浄して粗大なダスト分を除去しておくことが好ましい。

燃料ガスは可燃性ガスであるため、負圧となると、もし配管にリークがあった場合に空気がガス中に漏れこむことになり、配管内で可燃混合気が形成され、電気集塵機内のコロナ放電により着火・爆発の危険性がある。このため、湿式電気集塵機の後に燃料ガスホルダーを設置し、該ホルダーの圧力制御を行うことによって該湿式電気集塵機後のガス圧力が負圧になることを防止することが好ましい。

また、湿式電気集塵機は水を使用するため、排水が生じ、廃水処理施設が必要となるという欠点がある。また、外部より多くの水を供給する必要もある。そこで、本発明では、湿式電気集塵機で生成したダスト分を含む処理水を沈降分離処理してダスト分と水とに分離し、ダスト分を除去された処理水を該湿式電気集塵機の補給水として再利用することにより後処理工程である廃水処理施設を設置する必要をなくすか或いは簡素にすることが好ましい。また、沈降分離処理の際には、凝集剤などを使用して沈降を促進させても良い。

本発明の発電方法を実施するための装置の構成例を図２のフロー図に基づいて説明する。図２における（ａ）〜（ｄ）は本発明の方法を実施するためのフロー図の例を示すものである。

（ａ）は、燃料ガスを湿式電気集塵機に通してダスト濃度を５ｍｇ／ｍ^３Ｎ以下に低減させた後、ガスエンジンに供給する場合のフロー図である。

（ｂ）は、前記の（ａ）において、湿式電気集塵機の後ろにガスホルダーを設けて湿式電気集塵機後のガス圧力が負圧になることを防止するようにした場合のフロー図である。

（ｃ）は、前記の（ｂ）において、湿式電気集塵機の後に除湿装置を設けて、ガス中の室分を除去し、ガスエンジン内での結露を防止するようにした場合のフロー図である。

（ｄ）は、前記の（ｃ）において、湿式電気集塵機から排出される処理水を処理して水と固形分と荷分離する沈降分離装置を設けて、処理水を湿式電気集塵機に戻して再利用するようにした場合のフロー図である。

本発明を実施例に基づいて説明する。
［実施例１］
廃棄物を処理して発生した燃料ガスを処理した。図３に処理フローを示す。
燃料ガスの組成、流量、処理条件、処理の結果は次の通りであった。
（燃料ガスの平均組成） ＣＯ：３３％、Ｈ_２：３５％、ＣＯ_２：２８％、Ｎ_２：４％
（ガス流量） 平均１８００ｍ^３Ｎ／ｈ（１６５０〜１９００^３Ｎ／ｈ）
（燃料ガス中のダスト濃度） 平均１８ｍｇ／Ｎｍ^３
（湿式集塵機の仕様） 除塵効率９９％、設計ガス量２０００ｍ^３Ｎ／ｈ、前加湿方式（手動での加湿入／切可能）、加湿水量０．８ｍ^３／ｈ、洗浄水量５ｍ^３／ｈ×５分／４ｈ（４時間に１回、５分間、５ｍ^３／ｈ流す）
（処理後のダスト濃度） 電圧により可変（３．５〜１８（電圧印加なし）ｍｇ／Ｎｍ^３）。
ダスト濃度によるフィルタ閉塞時間への影響を調べた。その結果を図４に示す。
図４に示すように、フィルタ閉塞までの運転時間は、ダスト濃度５ｍｇ／Ｎｍ^３以下となると急激に延長した。

上述の装置で、加湿の入／切による除塵率の差を調べた。その結果を図５に示す。
加湿を実施した場合、除塵率は安定して所定の能力を達成しているが、加湿を行わない時は、除塵率が極端に低い日があることが分かった。
極端に除塵率が低い日は、処理したゴミの種類が通常と異なることから、ダスト性状が変化したものであり、加湿無しの場合、加湿の影響によりダスト性状によって除塵率が変動するのに対し、加湿ありの場合はダスト性状によらず、安定した除塵が行われている。

［実施例２］
実施例１において、沈殿装置（沈殿槽容積３．１ｍ^３、沈降面積２．０ｍ^２）を設置し、電気集塵機の排水を沈殿装置に導き、ダストを沈降、分離し、上澄み水を再度集塵機において利用した。図６に処理フローを示す。
排水中の固体懸濁物の濃度は、排水中で約２０ｍｇ／ｍ^３であったものが、上澄み水では約２．０ｍｇ／ｍ^３となり、この水を使用することで集塵機の性能は達成され、ノズルへのダストの詰まりなどの問題も発生しなかった。
この結果、通常運転において０．９ｍ^３／ｈの水が必要である（平均）ものが、沈降装置を用いることで０．０８ｍ^３／ｈとなり、排水量及び給水量を９１％低減することが可能となった。

［乾式電気集塵機との比較］
乾式電気集塵機においては、ダストの再飛散の影響があり、出口ダスト濃度を低くしようとすると、流速を小さくする必要があるため、結果的に装置が大型化することとなり、現実的な大きさの処理装置とすることは難しい。

本発明によれば、廃棄物又はバイオマスの処理段階で燃料ガスに含まれるダストを５ｍｇ／Ｎｍ^３以下に低減させることにより、ダストを含む燃料ガスをガスエンジン発電におけるガスエンジンの駆動用燃料ガスとして有効に利用することができる。

廃棄物の溶融ガス化改質処理の処理工程を示す図である。 燃料ガスからダストを除去する工程を示すフローシート図である。 本発明の実施例１における燃料ガスのダスト除去工程のフローシート図である。 燃料ガス中のダスト濃度とフィルタ閉塞時間との関係を示す図である。 湿式集塵機いおいて、加湿ありの場合と加湿無しの場合との除塵率を示す図である。 本発明の実施例２における燃料ガスのダスト除去工程のフローシート図である。 従来の、廃棄物から燃料ガスを製造する方法を示す図である。

Claims (10)

1. 廃棄物又はバイオマスの処理段階で発生するダストを含む燃料ガスを燃料として用いてガスエンジンを駆動させて行うガスエンジンによる発電方法であって、
   該ダストは廃棄物又はバイオマスを加熱することによって発生するガスを高温で改質する過程でガス中のＣＯから生成する炭素からなる微細ダストを含むダストであり、
   該燃料ガスを湿式電気集塵機に通し該燃料ガス中のダスト濃度を該ガスエンジン前で５ｍｇ／Ｎｍ^３以下にして該燃料ガス中の該微細ダストを低減するとともにミストを除去して、該ガスエンジン前での前記燃料ガス中のダストがタール分を実質的に含まず、炭素分を実質的な量含むようにし、フィルタの閉塞、バルブの密閉不良又はガス流れの阻害を発生させることなくガスエンジンに供給することを特徴とするガスエンジンによる発電方法。
2. 上記湿式電気集塵機により除塵することにより、上記ガスエンジン前での前記燃料ガス中のダストの平均粒子径を５μｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンによる発電方法。
3. 上記湿式電気集塵機が集電極の前段で加湿する方式の湿式電気集塵機であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスエンジンによる発電方法。
4. 上記湿式電気集塵機の後に除湿装置を設けてガスエンジン内で結露をしないようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガスエンジンによる発電方法。
5. 上記湿式電気集塵機に供給する燃料ガスを洗浄して、前記湿式電気集塵機の前での燃料ガス中のダスト濃度を４００ｍｇ／Ｎｍ^３以下とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガスエンジンによる発電方法。
6. 上記湿式電気集塵機の後に燃料ガスホルダーを設置し、該ホルダーの圧力制御を行うことによって該湿式電気集塵機後のガス圧力が負圧になることを防止することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガスエンジンによる発電方法。
7. 上記湿式電気集塵機での処理後の水中のダスト分を沈降処理し、ダスト分を除去した処理水を該湿式電気集塵機の補給水として再利用することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のガスエンジンによる発電方法。
8. 廃棄物又はバイオマスの処理段階で発生するダストを含む燃料ガスを燃料として用いてガスエンジンを駆動させて発電を行う発電装置であって、湿式電気集塵機と、その後工程に設けられたガスエンジンとを有し、該ダストは廃棄物又はバイオマスを加熱することによって発生するガスを高温で改質する過程でガス中のＣＯから生成する炭素からなる微細ダストを含むダストであり、該湿式電気集塵機は、該燃料ガス中のダスト濃度を該ガスエンジン前で５ｍｇ／Ｎｍ^３以下にして該燃料ガス中の該微細ダストを低減するとともにミストを除去するものであり、フィルタの閉塞、バルブの密閉不良又はガス流れの阻害を発生させることなく、該燃料ガスをガスエンジンに供給可能とするものであることを特徴とする発電装置。
9. 上記湿式電気集塵機の後工程に除湿装置を設け、ガスエンジン内で結露をしないようにしたことを特徴とする請求項８記載の発電装置。
10. 上記湿式電気集塵機の後工程にガスホルダーを含む加圧装置を設け、該燃料ガス圧力が負圧になることを防止するようにしたことを特徴とする請求項９記載の発電装置。

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