JP4831727B2

JP4831727B2 - ガス化処理システムとガス化処理方法

Info

Publication number: JP4831727B2
Application number: JP2005179394A
Authority: JP
Inventors: 宗親井藤; 耕作大森
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-06-20
Also published as: JP2006348241A

Description

本発明はガス化処理システムとガス化処理方法に関し、詳しくは、被処理物を加熱してガス化するガス化炉と、ガス化炉から発生するガス化ガスを高温状態で除塵する高温集塵設備と、高温集塵設備で除塵されたガス化ガスを低温で除塵する低温集塵設備と、を有するガス化処理システムとガス化処理方法に関する。

木屑や下水汚泥のようなエネルギー密度の低い燃料から高効率のエネルギーへ転換を可能にする技術として、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。そして、ガス化ガスは、メタノール等の液体燃料を製造することが可能であり、バイオマスのエネルギーをより付加価値の高い液体燃料へ転換可能である。

そのようなガス化処理は、例えば、図２に示すような工程でなされる。すなわち、燃料がガス化炉１１に送給され、ここでガス化される。この生成ガスは、灰、タール、その他の有害物質を含んでおり、そのままガスエンジン等の発電設備に投入・使用すると、配管などでの詰まりや、腐食の発生などの問題を生じる。そこで、ガス化ガス中の燃料由来の灰分や未燃炭素分は、バグフィルタ等の除塵設備により除去される（例えば、特許文献１）。

そのため、ガス化炉１１により生成されたガスは、ボイラなどの熱回収設備１３に送給されて熱回収されると共に、ガス自体は減温される。減温されたガスは、バグフィルタ等の低温集塵設備１５に送られて、除塵処理される。低温集塵設備１５で捕集された灰は、タールのような揮発性炭化水素やダイオキシン類のような有害物を含んでいるため、更に無害化処理が必要となる。

そして、除塵されたガスは、湿式ガス洗浄設備１７に送られて、ガス中の有害な酸性成分などが除去され、その後、清浄化されたガスは、発電設備１９などに送られて利用されるが、湿式ガス洗浄設備１７から発生する排水は、タールなどの有害物を含むため、排水処理設備２１により無害化処理される。

特開２００２−２０６０９２号公報

しかしながら、上記従来の方法は、除塵設備の使用温度がフィルタ材質の耐熱限界により、２５０℃以下で使用する場合がほとんどであり、高温でガス化されたガス化ガスをガス冷却器（例えば、ボイラや空気余熱器、あるいは水噴霧）により、ガス温度を下げた後に除塵設備へ導入するようにしている。

一方、ガス化ガス中には、灰分や未燃炭素分のみならず、タール分（脂肪族や芳香族類などの炭化水素類）も多く含まれており、ガス化ガスが減温されるにつれて、高温では気化していたタール分が、凝縮して液体状態になる。

このため、タール分がバグフィルタの目詰まりを引き起したり、タール分が配管などに付着して、ガス化ガス配管やその他の付帯機器類でトラブルを生じたりすることがある。のみならず、除塵されたガスを発電設備や液体燃料化設備に利用する場合には、ガス化ガス中の酸・アルカリ性ガスを除去する必要があるが、その洗浄工程でタール分が付着するといったトラブルが生じるおそれがある。加えて、湿式洗浄方式を採用する場合には、洗浄設備から排出される排水中のタール分由来のＢＯＤやＣＯＤが多く含まれ、これらを除去するための大規模な排水処理設備が必要となり、設備コストの増大を招いている。

更に、除塵設備で捕集される灰には、凝縮したタール分が含まれている。このタールは、ベンゼン、フェノール、ナフタレンのような芳香族類を含んでおり、ダイオキシン類が含まれている場合があり、そのため灰を処分する際には、無害化処理が必要になる。

また、タール分の分解を行う方法として、ガス化炉後段にタール分解のため、ガス化ガス中に空気や酸素を供給することにより、高温場を発生させる高温反応器（１０００℃以上）を設置する場合があり、この方法では、ガス化ガスのエネルギーを消費してしまう。特に、高温場を発生させるために酸素を使用する場合には、酸素貯槽（酸素が外部から供給される場合）または酸素製造装置を設置する必要があり、多大なコストの増大をもたらしていた。

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、ガス化ガスを高効率で生成でき、それでいて大掛かりな排水処理設備や高価な付帯設備を必要としないガス化処理システムとガス化処理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、本発明に係るガス化処理システムの特徴構成は、被処理物を加熱してガス化するガス化炉と、このガス化炉から発生するガス化ガスを高温状態で除塵する高温集塵設備と、この高温集塵設備で除塵されたガス化ガスを低温で除塵する低温集塵設備と、を有する処理システムにおいて、前記高温集塵設備から発生した灰が前記低温集塵設備の入口側に送給されることにある。

この構成によれば、高温集塵設備から発生した灰の有害物除去作用を効果的に利用でき、ガス化炉で生成したガス化ガス中のタール分やダイオキシン類などの有害物を効率的に除去して、ガス化ガスを下流側の低温集塵設備や排水処理設備に送給できるので、これら下流側の低温集塵設備での目詰まり、あるいは付帯機器類での詰まり、排水処理設備などでの各種トラブルを確実に防止でき、従来技術のようなトラブル防止のための大掛かりな処理設備を必要としないのみならず、保守コストの低減を図ることができ、製造コストを低減でき、高効率にガス化ガスを生成することができる。本発明において、高温とは、タール分が揮発する約３５０℃以上をいい、高温集塵設備とはガス化ガスの温度を約３５０℃以上に保持したまま除塵する設備をいう。低温とは、タール分が揮発する約３５０℃以下をいい、低温集塵設備とはガス化ガスの温度を約３５０℃以下に保持したまま除塵する設備をいう。

その結果、ガス化ガスを高効率で生成でき、それでいて大掛かりな排水処理設備や高価な付帯設備を必要としないガス化処理システムを提供することができた。

前記低温集塵設備から発生した灰が、前記ガス化炉の入口側または高温集塵設備の入口側に送給されることが好ましい。

この構成によれば、低温集塵設備で捕集される灰に、タール分やダイオキシン類がわずかに含まれていたとしても、この灰を確実に無害化処理できる。

前記高温集塵設備から前記低温集塵設備の入口側に送給する灰が、前記高温集塵設備から発生した灰の一部であり、前記低温集塵設備から前記ガス化炉の入口側または高温集塵設備の入口側に送給する灰が、前記低温集塵設備から発生した灰の全量であることが好ましい。

この構成によれば、高温集塵設備から生じる比表面積の大きい活性を有する灰を、低温集塵設備に適量送給して、ガス化ガス中の有害物を効率良く除去できると共に、低温集塵設備で除去された灰中の有害物を確実に無害化できる。

前記高温集塵設備から発生する灰の内、前記低温集塵設備の入口側に送給する灰の量と系外に排出する灰の量とを、前記高温集塵設備での圧力損失から制御することが好ましい。

この構成によれば、特に高温集塵設備としてセラミックフィルタを用いる場合に、その目詰まりを効果的に防止し、安定な操業を可能にする。

前記低温集塵設備から前記ガス化炉または高温集塵設備への灰の送給が、前記ガス化炉または高温集塵設備のガス化剤投入位置近傍でなされることが好ましい。

この構成によれば、低温集塵設備から生じる灰は、一般に未燃分を多く含んでいるが、未燃分を含む灰を効率よくガス化することができ、システム全体のガス化効率を高めることができる。

また、本発明に係るガス化処理方法の特徴構成は、被処理物をガス化炉で加熱してガス化ガスを生成し、このガス化ガスを高温集塵設備により高温状態で除塵し、前記高温集塵設備で除塵されたガス化ガスを低温集塵設備にて除塵する工程を有する方法において、前記高温集塵設備から発生した灰を前記低温集塵設備の入口側に送給することにある。

この構成によれば、ガス化ガスを高効率で生成でき、それでいて大掛かりな排水処理設備や高価な付帯設備を必要としないガス化処理方法を提供することができる。

前記低温集塵設備から発生した灰を、前記ガス化炉の入口側または高温集塵設備の入口側に送給することが好ましい。

この構成によれば、低温集塵設備で捕集される灰を確実に無害化処理できる。

前記高温集塵設備から発生した灰の一部を前記低温集塵設備の入口側に送給すると共に、前記低温集塵設備から発生した灰の全量を前記ガス化炉の入口側または高温集塵設備の入口側に送給することが好ましい。

この構成によれば、ガス化ガス中の有害物を効率良く除去できると共に、低温集塵設備で除去された灰中の有害物を確実に無害化できる。

この構成によれば、特にセラミックフィルタを用いる高温集塵設備の目詰まりを効果的に防止し、安定な操業ができる。

前記低温集塵設備から発生した灰を、前記ガス化炉または高温集塵設備のガス化剤投入位置近傍へ送給することが好ましい。

この構成によれば、低温集塵設備から生じる、未燃分を含む灰を、効率よくガス化することができ、システム全体のガス化効率を高めることができる。

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、本実施形態に係るガス化処理システムの概略フローを示す。

このガス化処理システムは、ガス化炉の１種であり、混合撹拌性にすぐれた循環流動層炉１を用いている。被処理物である燃料を循環流動層炉１に送給し、ここで８００〜９００℃程度に加熱されガス化される。ガス化ガス中に含まれるダイオキシン類は、分解されてほぼ存在していない。

循環流動層炉１により生成されたガス化ガスは、セラミックフィルタを備えた高温集塵設備２に送給され、生成したガスの熱量を保持したままガス化ガス中の灰が除塵される。ガス化ガス中に含まれるタールは、高温に維持されているので、揮発成分となっており、高温集塵設備２やこれに付帯する配管などに付着することがない。ここで高温とは、タール分が揮発する約３５０℃以上をいい、高温集塵設備とはガス化ガスの温度を約３５０℃以上に保持したまま除塵する設備をいう。

ガス化炉が７００℃以上の高温場で操業され、ガス中の水分濃度が２０％以上存在する場合には、活性炭製造で行われる賦活工程（水蒸気中の酸素により未燃ガス炭素分を一部酸化し、微細な細孔を形成して吸着特性を高める活性化処理工程）と同様な雰囲気となるため、高温集塵設備２により捕集される灰は比表面積が大きく、活性を有する灰となる。例えば、得られた灰の比表面積は、１５０ｍ²／ｇにもなり、一般の活性炭と同等なオーダーの比表面積を有することが判明した。

高温集塵設備２により捕集された灰は搬出され、高温集塵灰搬送・分配装置６に送られる。高温集塵灰搬送・分配装置６は、系外に灰を搬送する灰搬送設備と、高温集塵設備２の下流側に設けられている低温集塵設備５へ灰を送給する設備とを有し、具体的には、各種コンベアや空気輸送設備などからなる。

更に、高温集塵設備２から除塵されたガス化ガスは、必要に応じてガス中にわずかに残存する可能性のあるタール分を分解するタール分解設備４を経由させることが好ましい。このタール分解設備４は、タール分を分解する触媒を有して構成されている。その後、ガス化ガスは下流側の低温集塵設備５に送給される途中、ボイラなどからなる熱回収設備３に送られて１５０〜２００℃程度に減温される。

低温集塵設備５は、バグフィルタ、電気集塵器、サイクロン等であり、低温とは、タール分が凝縮し始める約３５０℃以下をいう。本実施形態の場合、上記したように、高温集塵灰搬送・分配装置６から、高温集塵設備２により集塵処理された活性な灰（以下、活性灰ということがある）が低温集塵設備５に送給されるようになっている。このため、低温集塵設備５において析出するタール分やダイオキシン類などの有害物は、効果的に活性灰に吸着され、ガス化ガス中から除去される。従って、下流側の湿式ガス洗浄設備７やガス利用設備９には、タールやダイオキシン類などの有害物が除去されたガス化ガスが送られることになる。

低温集塵設備５で捕集される灰には、タール分やダイオキシン類が含まれており、この灰を確実に無害化処理するため、循環流動層炉１の入口側に送給する。送給する手段としては、各種コンベア、空気輸送設備を用いることができる。

循環流動層炉１に送給された灰は、８００〜９００℃程度の高温に晒され、灰中のタール分などの有害物は気化され、灰中から脱離・分解されて、次の高温集塵設備２により高温集塵灰として捕集される。無害化された高温集塵灰は、系外に排出される。このようにすると、灰を処理するために新たに大掛かりな処理設備を必要とすることがない。

もっとも、灰の量が多い場合は、セラミックフィルタを備えた高温集塵設備２を使用するとセラミックフィルタが目詰まりを生じ易く、圧力損失が大きくなるおそれがある。そこで、高温集塵灰の系外への抜き出しと、下流側の低温集塵設備５への送給量を分配・制御する必要があり、高温集塵設備２での圧力損失が所定以下になるよう低温集塵設備５への灰の送給量を制御することが好ましい。制御方法については、例えば、ガス化ガスを送給する配管途中に設けられた圧力計をモニタしながら、所定以上の圧力に達すると、自動的あるいは手動で、低温集塵設備５への灰の送給量をダンパー（図示略）などの開閉を制御することなどによって行うことができる。

低温集塵設備５から発生する灰は、未燃分を多く含んでおり、これを単にガス化炉に送給するだけでは効率よくガス化できない。そこで、空気や酸素、水蒸気などのガス化剤が供給される供給位置近傍（入口側）に、低温集塵設備５から発生する灰を投入することが好ましく、そのようにすることにより未燃分を効率よくガス化することができ、システム全体のガス化効率を高めることができる。もっとも、低温集塵設備５から発生する灰を、高温集塵設備２の入口側に供給するようにしてもよい。高温集塵設備２もガス化炉の同様な高温（約７００〜８００℃程度）に維持されているからである。

低温集塵設備５によって除塵されたガス化ガスは、タール分などの有害物をほとんど含まないが、酸性成分を含んでいる可能性があり、その場合には、湿式ガス洗浄設備７に送給され、清浄化される。清浄化されたガスがガスは、各種用途に利用でき、例えば、発電設備９のようなガス利用設備に送られて有効の利用することができる。

湿式ガス洗浄設備７により生じる排水は、通常の排水処理設備８に送られて処理され、その後放流される。この場合の排水処理設備は、洗浄水中にタール分などがほとんど含まれていないので、タール分が付着するといったトラブルが起こり難いのみならず、タール由来のＢＯＤやＣＯＤはほとんど含まれていないため、従来技術のように、頻繁な保守作業や大規模な排水処理設備を必要としない。

以下に、具体的実験例について説明する。ガス化炉として、図１に示すように、循環流動層炉１を用い、燃料として木材チップを循環流動層炉１に投入した。ガス化は、空気、水蒸気により行い、ガス化雰囲気温度は、８００〜９００℃とした。ガス化炉で発生するガス化ガスは、Ｎ₂：５５〜６０％−ｄｒｙ、ＣＯ₂：１６〜１８％−ｄｒｙ、Ｈ₂：９〜１１％−ｄｒｙ、ＣmＨn：３〜５％−ｄｒｙ、Ｈ₂Ｏ：１８〜２２％程度であった。ガス化炉出口のガス化ガス中には、灰が５〜２０ｇ／ｍ³Ｎ含まれていた。

ガス化ガスを高温集塵設備に送給して除塵した後、ガス化ガスをタール分解設備へ送給し、ここで、ガス化ガス中の９５％以上のタール分を除去した。ガス化ガスを熱回収設備で１５０〜２００℃程度に減温した後、バグフィルタからなる低温集塵設備に送り、低温灰を除去した。その後、ガス化ガスを湿式ガス洗浄設備に送給し、ガス化ガス中の酸、アルカリ成分を除去して後、ガスエンジンに送給し発電した。

高温集塵設備で捕集された灰の比表面積は、Ｎ₂吸着BET法で測定したところ、平均約１５０ｍ²／ｇであった。また、ダイオキシン類およびタール分の含有量は、それぞれ０．０００１ｎｇ−ＴＥＱ／ｇ及び２２０ｍｇ／ｋｇ程度であった。これは、灰中のダイオキシン類の規制値が３．０ｎｇ−ＴＥＱ／ｇ以下であることから、極めて低濃度に無害化されたといえる。

〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態において、ガス化炉として循環流動層炉を用いた例を挙げて説明したが、ガス化炉としては、これに限定されるものではなく、固定床式、キルン式、噴流層式など、種々のガス化炉を使用できる。ガス化方式も、外熱による乾留ガス化（蒸し焼き方式）空気や酸素や蒸気などによる部分燃焼ガス化方式などいずれも使用でき、燃料からＣＯ，ＣＯ₂，ＣmＨn，Ｈ₂，Ｈ₂Ｏなどの可燃ガスが得られる方式であればよい。
（２）上記実施形態において、高温集塵設備２としてセラミックフィルタを用いた例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、ガス化ガス中の灰捕集するサイクロンなどを用いることもできる。
（３）本発明に適用できるガス利用設備としては、ガスエンジンやガスタービンのような発電設備の他、メタノール製造設備などの液体燃料製造設備などを挙げることができる。
（４）本発明に適用できる燃料としては、各種有機系廃棄物の他、各種固形燃料、産業廃棄物などが挙げられる。

本発明の一実施形態に係るガス化処理システムを示す概略フロー図従来技術に係るガス化処理システムを示す概略フロー図

符号の説明

１ガス化炉
２高温集塵設備
５低温集塵設備

Claims

被処理物を加熱してガス化するガス化炉と、このガス化炉から発生するガス化ガスを高温状態で除塵する高温集塵設備と、この高温集塵設備で除塵されたガス化ガスを低温で除塵する低温集塵設備と、を有するガス化処理システムにおいて、
前記高温集塵設備から発生した灰が前記低温集塵設備の入口側に送給されることを特徴とするガス化処理システム。
前記低温集塵設備から発生した灰が、前記ガス化炉の入口側または高温集塵設備の入口側に送給される請求項１記載のガス化処理システム。
前記高温集塵設備から前記低温集塵設備の入口側に送給する灰が、前記高温集塵設備から発生した灰の一部であり、前記低温集塵設備から前記ガス化炉の入口側または高温集塵設備の入口側に送給する灰が、前記低高温集塵設備から発生した灰の全量である請求項１又は２記載のガス化処理システム。
前記高温集塵設備から発生する灰の内、前記低温集塵設備の入口側に送給する灰の量と系外に排出する灰の量とを、前記高温集塵設備での圧力損失から制御する請求項３記載のガス化処理システム。
被処理物をガス化炉で加熱してガス化ガスを生成し、このガス化ガスを高温集塵設備により高温状態で除塵し、前記高温集塵設備で除塵されたガス化ガスを低温集塵設備にて除塵する工程を有するガス化処理方法において、
前記高温集塵設備から発生した灰を前記低温集塵設備の入口側に送給することを特徴とするガス化処理方法。
前記低温集塵設備から発生した灰を、前記ガス化炉の入口側または高温集塵設備の入口側に送給する請求項５記載のガス化処理方法。
前記高温集塵設備から発生した灰の一部を前記低温集塵設備の入口側に送給すると共に、前記低温集塵設備から発生した灰の全量を前記ガス化炉の入口側または高温集塵設備の入口側に送給する請求項５又は６記載のガス化処理方法。
前記高温集塵設備から発生する灰の内、前記低温集塵設備の入口側に送給する灰の量と系外に排出する灰の量とを、前記高温集塵設備での圧力損失から制御する請求項７記載のガス化処理方法。