JP5036608B2 - ガス化発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、都市ごみや、下水汚泥、木質廃棄物などのバイオマスから得た熱分解ガスを利用した発電装置の改良に関する。

従来、都市ごみや、下水汚泥、木質廃棄物などバイオマスから可燃ガスを得て、ガスエンジン、ガスタービン等により発電する装置が、例えば、図２に例示するフローとして知られている。これに基づき概説すると、原料となる脱水汚泥ａは乾燥機１１を経てガス化炉１２に投入され、約８００℃の還元雰囲気下で加熱される。かくして脱水汚泥ａは熱分解され、発生した熱分解ガスｂは、集塵機１３で焼却灰など残渣を分離して改質炉１４に導入される。

改質炉１４では、供給された酸素ガスや水蒸気などと約１０００℃で熱化学反応して水素ガス、一酸化炭素ガスなどの可燃ガスを含む改質ガスｃに変換される。この改質ガスｃは、集塵機で微細ダストを除去する集塵機１５ａ、苛性ソーダなどアルカリ水溶液を用い有害成分を除去する除去装置１５ｂなどのガス精製装置によって精製され、精製ガスｄとしてガスエンジン１７ａに供給される。

そして、このガスエンジン１７ａにより発電機１７が運転され、所要個所に適宜に給電するように構成されている。一方、精製ガスｄの一部は、燃焼ボイラ１８に導入され、乾燥機１１や改質炉１４の供給される水蒸気ｅを得るように供せられる。そして、消費した燃焼ガスは煙突１９から大気中に排出される。

なお、このようなガス化発電装置は、特許文献１、２などに開示されている。すなわち、有機性廃棄物をガス化炉で熱分解し、残渣を集塵装置で分離し、次いで改質炉で改質ガスとなし、ガスエンジンに供給して発電するようにしたものである。ここでは、改質ガス中の有害成分などを除去するガス精製装置の図示を省略しているが、実機にあっては相応のガス精製装置を配置するものであった。

特開平１０−１３２２３７号公報：図１ 特開２００７−２２９５６３号公報：図１、２

一般にガスエンジンに供給される精製ガスｄには、有害ガス成分であるＨ２Ｓ，ＨＣＮ、ＮＨ３、ＣＯＳ、ＨＣｌが含まれるのは好ましくなく、その許容濃度は、各成分それぞれ数ｐｐｍ〜数十ｐｐｍであった。そこで、前記ガス精製装置の有害成分除去装置１５ｂでは、苛性ソーダなどアルカリ水溶液に改質ガスｃを接触させてガス中から前記有害ガス成分を除去し、前記許容濃度となるよう管理されている。従って、このようなガス化発電装置の運転に際しては、苛性ソーダなどの高額の薬液費が必要となっていた。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ガス精製装置における苛性ソーダなどの薬液費の低減を図るとともに、改質炉とその後段の改質ガス処理装置、精製装置をコンパクト化することを可能とし、さらに改質炉での酸素供給量を低減するガス化発電装置を提供する。

本発明のガス化発電装置は、ガスエンジンやガスタービン等の発電装置に供給される精製ガス中の有害ガス成分であるＨ２Ｓ，ＨＣＮ、ＮＨ３、ＣＯＳ、ＨＣｌの許容濃度に注目してなされたものである。すなわち、脱水汚泥などの乾燥機および改質炉などの熱源として水蒸気または加熱空気を得るための燃焼装置（図２の燃焼ボイラ１８に相当）に供給される燃料ガスは、前記有害ガス許容濃度より、かなり高濃度の有害ガスが存在しても支障がないことに着目してなされたものである。

上記の問題は、都市ごみやバイオマスを熱分解するガス化炉と、ガス化炉から得た熱分解ガスを改質する改質炉と、改質炉で得た改質ガスを精製するための有害成分除去装置と、得られた精製ガスを燃料として発電する発電装置とを含む一連の装置群からなるガス化発電装置において、前記ガス化炉から得た熱分解ガスの配管を改質炉の手前で２つに分岐し、その一方の配管は、発電装置の発電需要に応じた必要量の熱分解ガスを、改質炉で改質したうえ、有害成分除去装置において有害ガス成分を数ｐｐｍ〜数十ｐｐｍにまで低減させた精製ガスとしてその全量を発電装置へ供給する配管とし、他方の配管は、残部の熱分解ガス中の可燃成分を燃焼させて熱回収する熱回収装置へ供給する配管としたことを特徴とする本発明のガス化発電装置によって解決することができる。

この本発明は、前記熱回収装置が、供給された熱分解ガスを８０0℃〜１０００℃で完全燃焼する熱回収用燃焼炉と、その後段で燃焼ガスの顕熱を回収する熱交換器とを含み、回収した熱量を都市ごみまたはバイオマスの乾燥熱源に利用するようにした形態に具体化できる。
さらに、前記ガス化炉から得た熱分解ガスを、改質炉と熱回収用燃焼炉に分岐する配管の改質炉入り口部分にガス遮断装置を設け、熱分解ガス全量を熱回収用燃焼炉に供給することを可能とした形態とするのが好ましい。また、前記回収用燃焼炉の燃焼用空気として、前記都市ごみやバイオマスの乾燥時に発生する臭気成分を捕集して含む空気を利用するのが好ましい。

なお、本発明においてバイオマスとは、下水処理場で発生する下水汚泥、パルプ工場で発生するパルプスラッジなど産業廃棄物のほか、家庭ごみ、し尿などの生活廃棄物、農産物の廃材、家畜類の糞尿、あるいは間伐材、材木端材など有機質固体物質を総称する意味で用いている。

本発明のガス化発電装置では、ガス化炉から得た熱分解ガスを改質炉の手前で分岐し、その熱分解ガス中の可燃成分を燃焼させて熱回収する熱回収装置へ供給する分と改質炉経由で発電用ガスエンジンへ供給する分を分配しているので、全量を改質炉に供給している装置に比較して、改質ガスのガス精製装置用苛性ソーダなどの薬液費を低減することができ、同時に、改質炉とその後段の改質ガス処理装置、精製装置をコンパクト化することができるうえ、改質炉への酸素供給量を低減できる利点が得られる。

さらに、熱回収用燃焼炉と、その後段で燃焼ガスの顕熱を回収する熱交換器からなる本発明の熱回収装置により、回収した熱量をバイオマスの乾燥熱源などに利用することができる。また、前記ガス化炉からの熱分解ガスの改質炉へ供給する量と、熱回収装置に供給する量と需要に応じて制御することができる。また、改質炉入り口部にガスの遮断装置を設けることで、熱分解ガス全量を熱回収用燃焼炉に供給することを可能となり、改質炉や有害成分装置、ガス発電装置に不具合が生じたときも、ガス化炉と熱回収炉で都市ごみや、下水汚泥、木質廃棄物等の処理を継続することが可能となる。あるいは、回収用燃焼炉の燃焼用空気として、前記バイオマスの乾燥時に発生する臭気成分を捕集して含む空気を利用すれば、臭気成分の拡散をも防止できる利点が得られる。かくして本発明は、従来の問題点を解消したガス化発電装置として、工業的価値はきわめて大なるものがある。

次に、本発明の脱水汚泥を用いたガス化発電装置に係る実施形態について、図１を参照しながら説明する。
この実施形態において、脱水汚泥の乾燥機２１からガスエンジン２７に至るフローの原理は先に説明したものと共通する装置群からなるものである。すなわち、原料となる脱水汚泥ａは乾燥機２１で所定の水分まで乾燥され、ガス化炉２２に投入される。このガス化炉２２で約８００℃の還元雰囲気下で加熱される。かくして脱水汚泥ａは乾留状態で熱分解され、発生した熱分解ガスｂは、集塵機２３で焼却灰など残渣が分離され、改質炉２４に供給される。

この改質炉２４では、別途供給された酸素ガスや水蒸気などと約１０００℃で熱化学反応して水素ガス、一酸化炭素ガス、炭化水素などの可燃ガスを含む改質ガスｃに変換される。この改質ガスｃは、ガス精製装置２５によって有害成分を除去し精製され、精製ガスｄとしてガスエンジン２７に供給され、発電装置（図示せず）を運転するのである。ガスエンジン２７かの排ガスｆは煙突２９から大気中に排出される。

この実施形態のガス精製装置２５は、集塵のために好ましい温度に冷却する冷却塔２５ａ、改質ガス中のダストを除去する集塵機２５ｂ、有害ガス成分のＨＣＮ、ＣＯＳを加水分解するための触媒反応塔２５ｃ、有害ガス成分であるＨ２Ｓ，ＨＣＮ、ＮＨ３、ＣＯＳ、ＨＣｌを許容濃度以下に除去する洗浄塔２５ｄ、洗浄塔で除去できなかった微量のＨ２Ｓを除去する乾式脱硫塔２５ｅなどから構成されているが、ガスエンジン２７に好ましい有害ガス濃度を得るためのものであって、この構成に限定されるものではない。

この実施形態における特徴となる点は、図１に示すように、如上のようなガス化発電装置において、前記ガス化炉２２から得た熱分解ガスｂを改質炉２４の手前で分岐し、その熱分解ガスｂ中の可燃成分を燃焼させて熱回収する熱回収装置３を付設し、回収した熱量を脱水汚泥ａの乾燥機２１の熱源に利用するようにしたところにある。

図１では、熱回収装置３としては、供給された熱分解ガスを完全燃焼する熱回収用燃焼炉３１と、その後段で燃焼排ガスｇの顕熱を回収する熱交換器（流動空気予熱器３２、乾燥空気予熱器３３、）を主体とし、燃焼排ガスｇを大気へ放出するための処理装置群（冷却器３４、集塵機３５、洗浄スクラバ３６など）から構成されている。

熱回収用燃焼炉３１は、熱分解ガスｂ中の可燃分を８０0℃〜１０００℃で完全燃焼する為の炉であり、十分な空気が供給されている。この場合、脱水汚泥の乾燥などに伴い発生する臭気を捕集しておき、この燃焼用空気に混合して供給すれば、臭気成分を分完全に燃焼して無臭化することもできる。

その熱回収用燃焼炉３１の後段で燃焼排ガスｇの顕熱を回収する熱交換器としては、流動空気予熱器３２、乾燥空気予熱器３３が配置されている。この流動空気予熱器３２は、ガス化炉２２の流動熱分解用空気ｉとして供給される空気を予備加熱するものであり、乾燥空気予熱器３３は、脱水汚泥を乾燥する熱源として供給される乾燥用空気ｈを予備加熱するものである。かくして、流動空気予熱器３２、乾燥空気予熱器３３によって回収した熱量は脱水汚泥などの乾燥熱源に利用するようにしている。

また、冷却器３４、集塵機３５、ガス洗浄スクラバ３６などは、燃焼排ガスｇを大気に放出できる程度に浄化するためのものであるが、燃焼排ガスｇ自体は、熱分解ガスｂを８０0℃〜１０００℃で完全燃焼させたものなので有害成分の含有量が少ない特長がある。従って、その浄化のための上記装置類は、その能力は小規模でも対応できるし、ガス洗浄スクラバ３６で用いられる苛性ソーダなどの洗浄薬剤の使用料も比較的、少量で済む利点がある。

さらに、前記ガス化炉２２から得た熱分解ガスのうち前記改質炉２４への供給分と、熱回収装置３の熱回収用燃焼炉３１への供給分は、図１では集塵機２３の出口後で分岐されているが、ガス化炉２２の出口後で分岐するようにしてもよい。また、供給ラインの風量制御機器によって配分比率を変更できるようにすれば、発電需要と乾燥需要のそれぞれに応じて最適の供給分が配分できることになる。

次に、本発明のガス化発電装置の利点を列挙すると、次の通りである。
ａ）熱分解ガスｂを熱回収装置と熱回収装置への供給分と分配しているので、全量を改質炉に供給している従来の場合に比較して、ガス精製装置用苛性ソーダなどの薬液費おおむね分配比率に応じて低減することができる。
ｂ）改質炉とその後段の改質ガス処理装置、精製装置などの規模も同様にコンパクト化することができる。また、改質炉への酸素供給量を低減できる利点も得られる。

ｃ）発電需要と脱水汚泥の乾燥需要などに応じて、熱分解ガスの改質炉への供給量と、熱回収装置への供給量とを任意に制御することができる。
ｄ) ガス化炉から得た熱分解ガスを、改質炉と熱回収装置に分岐する配管の改質炉入り口部分にガスの遮断装置を設けることで、改質炉や有害成分装置、ガス発電装置に不具合が生じたときも、ガス化炉と熱回収装置で都市ごみや、下水汚泥、木質廃棄物等の処理を継続することが可能となる。
ｅ）熱回収用燃焼炉の燃焼用空気として、前記脱水汚泥などの乾燥時に発生する臭気成分を捕集して含む空気を利用するので、臭気成分の外部への拡散をも防止できる。

本発明のガス化発電装置を説明するための要部フローチャート。 従来のガス化発電装置を説明するための要部フローチャート。

符号の説明

１：１１：１２：１３：１４：１７ａ：ガスエンジン
２１：乾燥機、２２：ガス化炉、２３：集塵機、２４：改質炉、２５：ガス精製装置、２５ａ：冷却塔、２５ｂ：集塵機、２５ｃ：触媒反応塔、２５ｄ：洗浄塔、２５ｅ：乾式脱硫塔、２７：ガスエンジン、２９：煙突
３：熱回収装置、３１：熱回収用燃焼炉、３２：流動空気予熱器、３３：乾燥空気予熱器、３４：冷却器、３５：集塵機、３６：洗浄スクラバ
ａ：脱水汚泥、ｂ：熱分解ガス、ｃ：改質ガス、ｄ：精製ガス、ｅ：ｆ：排ガス、ｇ：燃焼排ガス、ｈ：乾燥用空気、ｉ：熱分解用空気

Claims (4)

1. 都市ごみやバイオマスを熱分解するガス化炉と、ガス化炉から得た熱分解ガスを改質する改質炉と、改質炉で得た改質ガスを精製する有害成分除去装置と、得られた精製ガスを燃料として発電する発電装置とを含む一連の装置群からなるガス化発電装置において、
   前記ガス化炉から得た熱分解ガスの配管を改質炉の手前で２つに分岐し、
   その一方の配管は、発電装置の発電需要に応じた必要量の熱分解ガスを、改質炉で改質したうえ、有害成分除去装置において有害ガス成分を数ｐｐｍ〜数十ｐｐｍにまで低減させた精製ガスとしてその全量を発電装置へ供給する配管とし、
   他方の配管は、残部の熱分解ガス中の可燃成分を燃焼させて熱回収する熱回収装置へ供給する配管とした
   ことを特徴とするガス化発電装置。
2. 前記熱回収装置が、供給された熱分解ガスを８０0℃〜１０００℃で完全燃焼する熱回収用燃焼炉と、その後段で燃焼ガスの顕熱を回収する熱交換器とを含み、回収した熱量を都市ごみまたはバイオマスの乾燥熱源に利用するようにした請求項１に記載のガス化発電装置
3. 前記ガス化炉から得た熱分解ガスを、改質炉と熱回収用燃焼炉に分岐する配管の改質炉入り口部分にガス遮断装置を設け、熱分解ガス全量を熱回収用燃焼炉に供給することを可能とした請求項２に記載のガス化発電装置。
4. 前記熱回収用燃焼炉の燃焼用空気として、前記都市ごみやバイオマスの乾燥時に発生する臭気成分を捕集して含む空気を利用することを特徴とした請求項２または３に記載のガス化発電装置。

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