JP4667192B2 - タール分解システムとタール分解方法 - Google Patents

Description

本発明はタール分解システムとタール分解方法に関し、詳しくは、ガス化設備によりガス化され、除塵されたガス化ガスを受け入れると共に、ガス化ガス中に含まれるタール分を分解する触媒層を備えた反応器を有するタール分解システムとタール分解方法に関する。

木屑や下水汚泥のような有機物を含む廃棄物（有機系廃棄物）やバイオマス燃料から高効率にエネルギー転換する技術として、ガス化技術が注目されている。ガス化することによって発生したガスを、ガスエンジンやガスタービンなどの内燃機関にて燃焼させることにより発電することが可能であり、その発電効率は燃料を直接燃焼して蒸気を発生させ、蒸気タービンにより発電するボイラ発電システムによるより高効率という特長を有する（特許文献１）。

しかし、ガス化設備から発生した生成ガスはダスト、タール、その他の有害な腐食性物質・汚染物質が含まれており、そのままガスエンジン等の発電設備に投入すると、燃焼設備、配管類、ノズル、その他に詰まりや腐食などの問題が生じる。

そこで、ガス化設備から発生したガス化ガスは、無害化処理される必要がある。すなわち、図２に示すように、ガス化設備１から生成されたガス化ガスは高温集塵設備２にて集塵処理され、ガス化ガス中のダストが除去された後、タール分解触媒層３ａを備えた反応器であるタール分解設備３に導入されて、ガス化ガス中のタール分が分解され、その後ガス化ガスはガス冷却設備４にて冷却され、低温集塵設備（図示略）などに送られて、更に無害化される（例えば、特許文献１）。

特開平１１−２１５６６号公報

しかしながら、上記従来技術は、ガス化ガスの温度や含有水分について、なんら制御しないままタール分解設備３に導入しており、タール分解設備３でのタール分解を、常時効率の良い状態で行わせることはできず、ガス化ガスの状態により、タール分解触媒の機能劣化を著しくもたらす等の問題が生じることがある。すなわち、運転中にガス化ガスの温度が低下した場合には、タール分解触媒の表面に炭素が析出したり、硫黄分が化学吸着したりすることにより、触媒機能が大きく劣化することがあり、又、タール分解触媒としてニッケル系などの金属含有触媒を用いた場合には、ニッケルなどの金属が触媒表面したり、凝集（シンターリング）する場合があり、いずれも触媒機能を劣化させる。

更に、ガス化設備によるガス化処理を終了した際（立ち下げ時）、空気が流入するため、触媒表面に析出している炭素（一般に、使用に伴い触媒表面に炭素が析出する）が燃焼して温度上昇し、その結果、触媒の劣化が進行したり、タール分解設備の内部構造を損傷したりすることがある。

のみならず、触媒がニッケル系の場合、効果的に活性な温度範囲は、７００〜８５０℃（ガス化ガス中に硫化水素などの含Ｓガスが数１００ｐｐｍ含まれている場合は８００〜８５０℃）であるところ、ガス化ガス中にエチレンやエタンなどの炭化水素ガスが含まれていると、触媒によって吸熱反応で分解されるため触媒温度が低下してしまい、触媒機能が十分に果たせなくなるという問題がある。

そこで、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、本発明の目的は、タール分解設備に導入するガス化ガスの性状をコントロールして、タール分解を効率良く行う状態に維持して効果的にタールを分解可能なタール分解システムとタール分解方法を提供することにある。

上記課題は、各請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係るタール分解システムの特徴構成は、ガス化設備によりガス化され、配管Ｌａを通して除塵されたガス化ガスを受け入れると共に、ガス化ガス中に含まれるタール分を分解する触媒層を備えたタール分解設備を有し、該タール分解設備から配管Ｌｂにタール分解ガスが排出されるタール分解システムにおいて、前記配管Ｌａに空気あるいは酸素が送給されるノズルＮａと蒸気が送給されるノズルＮｂが設けられ、前記タール分解設備の内部の温度を測定する温度検出器と、この温度検出器の測定結果と予め設定した設定温度とを比較すると共に前記タール分解設備の内部の温度を設定温度に近づかせるよう昇温または降温指令を行う演算制御部とを有することにある。

この構成によれば、タール分解触媒層と接触させるガス化ガスの温度を常時適正に制御・維持できることにより、触媒機能が劣化することを確実に防止できると共に、触媒機能を効率のよい状態に維持でき、ガス化ガス中のタール分を効率よく分解する。また、この構成において、タール分解設備での温度が設定温度より低い場合、ノズルＮａを介して空気あるいは酸素が送給されてガス化ガスの部分的燃焼によりガス化ガスの温度あるいは前記触媒層の温度を上昇させるとともに、設定温度より高い場合、ノズルＮｂを介して蒸気が送給されて触媒層に導入されるガス化ガスの温度を降下させることを特徴とする。こうしたタールを含有するガス化ガスの温度あるいはタール分解触媒の温度を上昇あるいは降下させる制御によって、触媒層の温度を設定温度に近づかせるよう昇温または降温させる調節機構を働かせて、触媒機能を適正に維持できるようにすることができる。

その結果、タール分解設備に導入するガス化ガスの性状をコントロールして、反応器の触媒機能を効率のよい状態に維持して効果的にタールを分解可能なタール分解システムを提供することができた。

前記反応器の下流側にガス化ガス中の水分を測定する水分検出器が設けられていて、前記演算制御部が、この水分検出器の測定結果と予め設定した設定水分量とを比較し、前記ガス化ガス中の水分量が少ない場合、前記反応器に導入されるガス化ガス中の水分を設定水分量に近づかせるよう水分量の増加指令を行うことが好ましい。

この構成によれば、殊更複雑な設備を要することなく、ガス化ガス中の水分量の調節が容易にでき、タール分解を効率良く行う状態に維持できる。

前記温度検出器が、触媒層中または触媒層の下流側に設けられていて、前記反応器に導入されるガス化ガスの昇温を、ガス化ガス中に空気または酸素を導入して行うと共に、ガス化ガスの降温を、ガス化ガス中に蒸気または水を導入して行うことが好ましい。

この構成によれば、触媒層中での反応状態を的確に把握でき、触媒の状況に応じて迅速な対処が可能となり、しかも特別な設備を要することなく、触媒の高い反応効率を維持できる。さらに、これに代えて、前記タール分解設備の内部温度を測定する温度検出器を、前記触媒層中および触媒層出口に設け、該触媒層により吸熱反応で分解されて触媒温度の低下が生じた際に、触媒温度を高める処置をすることが好ましい。ガス化ガス中に含まれるエタンやエチレンなどの炭化水素ガスが触媒により吸熱反応で分解されて触媒温度の低下が生じた際に、触媒温度を高める処置をすることができる。
また、前記配管Ｌａと配管Ｌｂにそれぞれ温度検出器を設けて、その測定結果を前記演算制御部に送信しつつ両者の温度差を比較し、温度差が小さくなった場合に、触媒温度を高める処置をすることが好ましい。タール分解反応は吸熱反応であり、反応の進行に伴い温度は下がるため、こうした構成によってタール分解反応の状態を検知することができる。

前記反応器に導入されるガス化ガス中の水分の増加を、ガス化ガスに蒸気または水を導入して行うことが好ましい。

この構成によれば、ガス化ガス中の水分の増加が極めて容易であり、迅速にガス化ガスの性状を好ましい状態にすることができる。

ガス化処理の立ち下げ時には、前記演算制御部より、前記反応器中の触媒を反応器から排出指令を行うと共に、排出された触媒を無酸化雰囲気にする手段を有することが好ましい。

この構成によれば、ガス化処理の立ち下げが速やかに完了し、次工程の準備に迅速に対処できると共に、触媒の温度を効率よく下げることができて、触媒表面での燃焼などを確実に防止できる。

又、本発明に係るタール分解方法の特徴構成は、ガス化設備によりガス化され、配管Ｌａを通して除塵されたガス化ガスを受け入れると共に、ガス化ガス中に含まれるタール分を分解する触媒層を備えた反応器タール分解設備を有し、該タール分解設備から配管Ｌｂにタール分解ガスが排出されるタール分解方法において、温度検出器により前記配管Ｌａに空気あるいは酸素が送給されるノズルＮａと蒸気が送給されるノズルＮｂが設けられ、前記タール分解設備の内部の温度を測定し、前記温度測定結果と予め設定した設定温度とを比較すると共に前記タール分解設備の内部に導入されるガス化ガスの温度を設定温度に近づかせるよう昇温または降温指令を行い、タール分解設備での温度が設定温度より低い場合、ノズルＮａを介して空気あるいは酸素が送給されてガス化ガスの部分的燃焼によりガス化ガスの温度あるいは前記触媒層の温度を上昇させるとともに、設定温度より高い場合、ノズルＮｂを介して蒸気が送給されて触媒層に導入されるガス化ガスの温度を降下させることにある。

この構成によれば、タール分解設備に導入するガス化ガスの性状をコントロールして、タール分解を効率良く行う状態に維持して効果的にタールを分解可能なタール分解方法を提供することができる。また、こうしたタールを含有するガス化ガスの温度あるいはタール分解触媒の温度を上昇あるいは降下させる制御によって、触媒層の温度を設定温度に近づかせるよう昇温または降温させる調節機構を働かせて、触媒機能を適正に維持することができる。

前記反応器の下流側に設けられた水分検出器により、ガス化ガス中の水分を測定し、前記水分量の測定結果と予め設定した設定水分量とを比較し、ガス化ガス中の水分量が少ない場合、前記反応器に導入されるガス化ガス中の水分を設定水分量に近づかせるよう水分量の増加指令を行うことが好ましい。

この構成によれば、ガス化ガス中の水分量の調節が容易にでき、タール分解を効率良く行う状態に維持できる。

前記温度検出器を、触媒層中または触媒層の下流側に設けて、前記反応器に導入されるガス化ガスの昇温を、ガス化ガス中に空気または酸素を導入して行うと共に、ガス化ガスの降温を、ガス化ガス中に蒸気または水を導入して行うことが好ましい。

この構成によれば、触媒層中での反応状態を的確に把握でき、触媒の状況に応じて迅速な対処が可能となり、触媒の高い反応効率を維持できる。さらに、これに代えて、前記タール分解設備の内部温度を測定する温度検出器を、前記触媒層中および触媒層出口に設け、該触媒層により吸熱反応で分解されて触媒温度の低下が生じた際に、触媒温度を高める処置をすることが好ましい。ガス化ガス中に含まれるエタンやエチレンなどの炭化水素ガスが触媒により吸熱反応で分解されて触媒温度の低下が生じた際に、触媒温度を高める処置をすることができる。
また、前記配管Ｌａと配管Ｌｂにそれぞれ温度検出器を設けて、その測定結果を前記演算制御部に送信しつつ両者の温度差を比較し、温度差が小さくなった場合に、触媒温度を高める処置をすることが好ましい。タール分解反応は吸熱反応であり、反応の進行に伴い温度は下がるため、こうした構成によってタール分解反応の状態を検知することができる。

前記反応器に導入されるガス化ガス中の水分の増加を、ガス化ガスに蒸気または水を導入して行うことが好ましい。

この構成によれば、迅速にガス化ガスの性状を好ましい状態にすることができる。

ガス化処理の立ち下げ時には、前記反応器中の触媒を反応器から排出指令を行うと共に、排出された触媒を無酸化雰囲気にすることが好ましい。

この構成によれば、ガス化処理の立ち下げが速やかに完了し、次工程の準備に迅速に対処できると共に、触媒の温度を効率よく下げることができる。

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る一実施形態に係るタール分解システムの概略フローを示す。なお、従来技術と同じ機能を有する構成には同一の番号を付してある。

このタール分解システムは、流動層ガス化炉、循環流動層ガス化炉などのガス化設備１から発生したガス化ガス（約８００〜９００℃程度）を、セラミックフィルターなどからなる高温集塵設備２で処理すべく送給され、ここでガス化ガス中のダスト等が集塵・除去される。

次に、除塵されたガス化ガスは、配管５を通してタール分解触媒層３ａを備えた反応器であるタール分解設備３に導入され、ガス化ガス中のタールが分解されると、ガス冷却設備４に送給され冷却されて、低温集塵設備（図示略）などに送られて、適宜、薬剤が投入され中和処理されて、無害化される点は従来技術と同様である。タール分解触媒層３ａの触媒としては、タールを効率よく分解する限り限定されないが、ドロマイトあるいは軽焼ドロマイトと、ニッケルなどの混合体を使用することが、分解効率がよいため特に好ましい。

本実施形態に係るタール分解システムの場合、タール分解設備３の内部の温度が温度検出器である温度計Ｔにより常時計測されていて、その測定結果はコンピューターなどからなる演算制御部Ｃに送信される。この演算制御部Ｃにより、予め設定された温度との比較が行われる。

そして、タール分解設備３での温度が設定温度より低い場合、演算制御部Ｃから空気・酸素調節弁６に対して開口指令を行い、空気Ａあるいは酸素Ｏ₂ がノズル７を介して配管５に送給される。送給された空気Ａあるいは酸素Ｏ₂ により、ガス化ガスが部分的に燃焼され、タールを含有するガス化ガスの温度あるいはタール分解触媒の温度を上昇させ、触媒機能を適正に維持できるようにする。

逆に、タール分解設備３での温度が設定温度より高い場合、演算制御部Ｃから蒸気量調節弁８に対して開口指令が行われ、ノズル９を介して蒸気Ｓが配管５に送給されて、触媒層３ａに導入されるガス化ガスの温度が降下させ、触媒機能を適正に維持できるようにする。これら空気Ａあるいは酸素Ｏ₂ を適宜送給する空気・酸素調節弁６、蒸気Ｓを適宜送給する蒸気量調節弁８などは、触媒層３ａの温度を設定温度に近づかせるよう昇温または降温させる調節機構に相当する。

更に、蒸気量調節弁８は、同時にガス化ガス中の水分により調節・制御される。すなわち、タールを分解されタール分解設備３から排出されるガス化ガスは、配管１１途中に設けられている水分検出器である水分分析計１０によって含有する水分量が測定され、その測定結果が演算制御部Ｃに送信される。演算制御部Ｃにより、水分分析計１０による測定結果と、予め設定された水分値とが比較され、水分量が低い場合には、適正な水分量となるように、蒸気量調節弁８に対して開口指令を行う。

また、ガス化処理の立ち下げ時には、演算制御部Ｃより、触媒引抜弁１２を開口指令して、タール分解設備３の触媒を触媒貯留槽１３に引き抜いて排出し、触媒の再生工程に送給できるようにする。このようにすると、ガス化処理の立ち下げが速やかに完了し、次工程の準備に迅速に対処できる。この触媒貯留槽１３に対して、窒素などの不活性ガスＮを送給して、無酸化雰囲気中にて効果的に触媒温度を低下させ、触媒表面での燃焼を防止する。

以上のように、本実施形態によれば、タール分解設備に導入するガス化ガスの性状を適正にコントロールでき、タール分解を効率のよい状態に常時維持できるようになる。

〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態において、ガス化設備としては、ガス化溶融炉や炭化・乾留設備などであってもよく、特に限定されない。
（２）上記実施形態において、タール分解設備３の内部温度を測定する温度計Ｔを、触媒層３ａに設けた例を示して説明したが、これに代えて温度計Ｔを、触媒層３ａの出口側に設けてもよい。もっとも、触媒層の中だけでなく触媒層の出口側にも温度計を設けると、ガス化ガス中に含まれるエタンやエチレンなどの炭化水素ガスが触媒により吸熱反応で分解されて触媒温度の低下が生じた際に、触媒温度を高める処置をすることができて好ましい。
（３）更に、タール分解反応の状態を検知するため、タール分解設備の入口、出口側でのガス化ガスの温度を測定し、その測定結果に基づいて行ってもよい。すなわち、タール分解反応は吸熱反応であり、反応の進行に伴い温度は下がるため、入口、出口側の温度に差が生じる。ガス化ガスを通流させる配管５と１１にそれぞれ温度計を設けて、その測定結果を制御器Ｃに送信しつつ両者の温度差を比較し、温度差が小さくなった場合に、触媒温度を高める処置をするようにしてもよい。
（４）本発明に適用できるガス化ガスとしては、各種有機系廃棄物の他、各種固形燃料、産業廃棄物などを燃焼して生成されたガス化ガスなどが挙げられる。

本発明に係る一実施形態に係るタール分解システムを示す概略フロー図 従来技術に係るタール分解システムを示す概略フロー図

符号の説明

１ ガス化設備
３ 反応器
３ａ 触媒層
１０ 水分検出器
Ｃ 演算制御部
Ｔ 温度検出器

Claims (10)

1. ガス化設備によりガス化され、配管Ｌａを通して除塵されたガス化ガスを受け入れると共に、ガス化ガス中に含まれるタール分を分解する触媒層を備えたタール分解設備を有し、該タール分解設備から配管Ｌｂにタール分解ガスが排出されるタール分解システムにおいて、前記配管Ｌａに空気あるいは酸素が送給されるノズルＮａと蒸気が送給されるノズルＮｂが設けられ、前記タール分解設備の内部の温度を測定する温度検出器と、この温度検出器の測定結果と予め設定した設定温度とを比較すると共に前記タール分解設備の内部の温度を設定温度に近づかせるよう昇温または降温指令を行う演算制御部とを有し、
   タール分解設備での温度が設定温度より低い場合、ノズルＮａを介して空気あるいは酸素が送給されてガス化ガスの部分的燃焼によりガス化ガスの温度あるいは前記触媒層の温度を上昇させるとともに、設定温度より高い場合、ノズルＮｂを介して蒸気が送給されて触媒層に導入されるガス化ガスの温度を降下させることを特徴とするタール分解システム。
2. 前記タール分解設備の内部温度を測定する温度検出器を、前記触媒層中および触媒層出口に設け、該触媒層により吸熱反応で分解されて触媒温度の低下が生じた際に、触媒温度を高める処置をすることを特徴とする請求項１記載のタール分解システム。
3. 前記配管Ｌａと配管Ｌｂにそれぞれ温度検出器を設けて、その測定結果を前記演算制御部に送信しつつ両者の温度差を比較し、温度差が小さくなった場合に、触媒温度を高める処置をすることを特徴とする請求項１または２記載のタール分解システム。
4. 前記反応器の下流側にガス化ガス中の水分を測定する水分検出器が設けられていて、前記演算制御部が、この水分検出器の測定結果と予め設定した設定水分量とを比較し、前記ガス化ガス中の水分量が少ない場合、前記反応器に導入されるガス化ガス中の水分を設定水分量に近づかせるよう水分量の増加指令を行う請求項１〜３のいずれかに記載のタール分解システム。
5. ガス化処理の立ち下げ時には、前記演算制御部より、前記反応器中の触媒を反応器から排出指令を行うと共に、排出された触媒を無酸化雰囲気にする手段を有する請求項１〜４のいずれか１項記載のタール分解システム。
6. ガス化設備によりガス化され、配管Ｌａを通して除塵されたガス化ガスを受け入れると共に、ガス化ガス中に含まれるタール分を分解する触媒層を備えた反応器タール分解設備を有し、該タール分解設備から配管Ｌｂにタール分解ガスが排出されるタール分解方法において、温度検出器により前記配管Ｌａに空気あるいは酸素が送給されるノズルＮａと蒸気が送給されるノズルＮｂが設けられ、前記タール分解設備の内部の温度を測定し、前記温度測定結果と予め設定した設定温度とを比較すると共に前記タール分解設備の内部に導入されるガス化ガスの温度を設定温度に近づかせるよう昇温または降温指令を行い、タール分解設備での温度が設定温度より低い場合、ノズルＮａを介して空気あるいは酸素が送給されてガス化ガスの部分的燃焼によりガス化ガスの温度あるいは前記触媒層の温度を上昇させるとともに、設定温度より高い場合、ノズルＮｂを介して蒸気が送給されて触媒層に導入されるガス化ガスの温度を降下させることを特徴とするタール分解方法。
7. 前記タール分解設備の内部温度を測定する温度検出器を、前記触媒層中および触媒層出口に設け、該触媒層により吸熱反応で分解されて触媒温度の低下が生じた際に、触媒温度を高める処置をすることを特徴とする請求項６記載のタール分解方法。
8. 前記配管Ｌａと配管Ｌｂにそれぞれ温度検出器を設けて、その測定結果を前記演算制御部に送信しつつ両者の温度差を比較し、温度差が小さくなった場合に、触媒温度を高める処置をすることを特徴とする請求項６または７記載のタール分解方法。
9. 前記反応器の下流側に設けられた水分検出器により、ガス化ガス中の水分を測定し、前記水分量の測定結果と予め設定した設定水分量とを比較し、ガス化ガス中の水分量が少ない場合、前記反応器に導入されるガス化ガス中の水分を設定水分量に近づかせるよう水分量の増加指令を行う請求項６〜８のいずれかに記載のタール分解方法。
10. ガス化処理の立ち下げ時には、前記反応器中の触媒を反応器から排出指令を行うと共に、排出された触媒を無酸化雰囲気にする請求項６〜９のいずれか１項記載のタール分解方法。
    

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