JPWO2014184923A1 - Gasification method and gasification apparatus for solid organic raw material - Google Patents
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Abstract
固形有機原料のガス化を比較的安価なガス化装置を使用して,低ランニングコストで行う。中間領域の内径を拡張して形成した第1円形空洞11と第2円形空洞12を備えた円筒形の反応炉10の上端より,乾燥及び破砕された固形有機原料を投入し,第1円形空洞11内に電気アークプラズマジェット30で発生した蒸気プラズマを噴射し,第2円形空洞12内に200〜600℃に加熱した空気等の酸化剤を噴射すると共に,排出ガス通路21を介して反応炉10の下端部内を吸引する。蒸気プラズマの導入により第1円形空洞11内の固形有機原料中の有機成分が一部ガス化し,第2円形空洞12内に導入されて酸化剤と反応して燃焼し,燃焼時の発熱とプラズマによる加熱との相乗効果によって原料中に残留する有機成分をガス化することで効率的なガス化を可能とした。Gasification of solid organic raw materials is performed at a low running cost using a relatively inexpensive gasifier. From the upper end of the cylindrical reactor 10 having the first circular cavity 11 and the second circular cavity 12 formed by expanding the inner diameter of the intermediate region, the dried and crushed solid organic raw material is charged, and the first circular cavity 11, vapor plasma generated by an electric arc plasma jet 30 is injected into the second circular cavity 12, and an oxidant such as air heated to 200 to 600 ° C. is injected into the second circular cavity 12. The inside of the lower end of 10 is sucked. Due to the introduction of the vapor plasma, the organic components in the solid organic raw material in the first circular cavity 11 are partially gasified and introduced into the second circular cavity 12 to react with the oxidant and burn, thereby generating heat and plasma during combustion. Efficient gasification was made possible by gasifying organic components remaining in the raw material by a synergistic effect with heating by means of.
Description
本発明は,固形有機原料のガス化方法,及び前記方法を実施するためのガス化装置に関し,より詳細には,各種の廃棄物,石炭,木材,バイオマス等の固形物の状態で得られる有機成分を含んだ原料(固形有機原料)を被処理対象として,この固形有機原料を熱分解によりガス化して燃料ガスを得る方法,及び前記燃料ガスを得るための装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gasification method for solid organic raw materials and a gasification apparatus for carrying out the method, and more specifically, an organic material obtained in the state of solids such as various wastes, coal, wood, and biomass. The present invention relates to a method of obtaining a fuel gas by gasifying the solid organic raw material by pyrolysis using a raw material containing a component (solid organic raw material) as an object to be treated, and an apparatus for obtaining the fuel gas.
固形有機原料,一例として石炭を燃料として利用する方法としては,石炭を直接燃焼させて熱エネルギーを取り出す方法と,石炭を一旦熱分解してガス化することにより可燃性の燃料ガスを得,この燃料ガスを燃焼させることによりエネルギーを取り出す方法がある。 As a method of using solid organic raw materials, for example, coal as fuel, there are a method of directly combusting coal to extract thermal energy, and a method of obtaining a combustible fuel gas by once pyrolyzing and gasifying coal. There is a method for extracting energy by burning fuel gas.
一例として,このような石炭を火力発電の燃料として使用する場合を例に挙げて説明すると,前者の方法では,石炭をボイラ内で直接燃焼させて燃焼時の熱により水蒸気を発生させ,この水蒸気の圧力で蒸気タービンを回転させて発電を行う,旧来型の火力発電となる。 As an example, the case where such coal is used as a fuel for thermal power generation will be described as an example. In the former method, the coal is directly combusted in a boiler, and steam is generated by the heat during combustion. It becomes a conventional thermal power generation that generates electricity by rotating a steam turbine at a pressure of.
これに対し,後者の例では石炭を先ずガス化炉内で熱分解し,この熱分解よって発生させた燃料ガスをガスタービン内で燃焼させた際に得られる膨張力によってガスタービンを回して発電が行われる。 In contrast, in the latter example, coal is first pyrolyzed in a gasifier, and the gas turbine is rotated by the expansion force obtained when the fuel gas generated by the pyrolysis is burned in the gas turbine. Is done.
この場合,ガスタービンからの排気熱を更に利用して水蒸気を発生させ,この水蒸気によって蒸気タービンを回転させることで,ガスタービンからの排熱からも電力を回収する複合発電を行うことも可能で,より効率的なエネルギーの回収を行うことができるようになっている。 In this case, it is also possible to perform combined power generation that recovers electric power from exhaust heat from the gas turbine by generating steam by further utilizing the exhaust heat from the gas turbine and rotating the steam turbine by this steam. , More efficient energy recovery can be performed.
なお,上記の例では一例として石炭を使用した火力発電を例に挙げて説明したが,熱分解によって固形有機原料をガス化して燃料ガスを得ることは,廃棄物の焼却によって電力や熱等のエネルギーを得る,ゼロエミッション型の廃棄物焼却施設等においても利用が期待されている技術である。 In the above example, thermal power generation using coal was described as an example. However, to obtain fuel gas by gasifying solid organic raw material by pyrolysis, it is necessary to incinerate waste, such as electric power and heat. It is a technology that is expected to be used even in zero-emission type waste incineration facilities that obtain energy.
ここで,一般に固相の形態を取る廃棄物等の原料の燃焼は不安定であり,固形有機原料に直接点火した場合,反応領域におけるガス化工程に必要とされる温度に迄,温度を上昇させることが困難である。 Here, in general, combustion of raw materials such as waste in the form of solid phase is unstable, and when solid organic raw materials are directly ignited, the temperature is raised to the temperature required for the gasification process in the reaction zone. It is difficult to do.
特に,水分を多く含む廃棄物の燃焼では,水分の蒸発によって熱が奪われるために,発熱量が低くなり,燃焼自体を継続させることが難しくなる。 In particular, in the combustion of waste containing a lot of water, heat is taken away by the evaporation of water, so the calorific value is low and it is difficult to continue the combustion itself.
また,固形廃棄物の直接焼却では,熱分解領域において有害性及び毒性成分を効率的に燃焼させる温度の達成が困難で,低い燃焼温度(一例として850℃以下)では,ダイオキシンやこれと類似の化学構造をもつ塩素化ベンゾフラン(以下,「フラン」と略称する。)を排出する可能性が高く,この点からも,固形有機原料を直接燃焼することなく,一旦,ガス化して利用することの有利性が指摘されている。 In direct incineration of solid waste, it is difficult to achieve a temperature that efficiently burns harmful and toxic components in the pyrolysis region. At low combustion temperatures (for example, 850 ° C. or lower), dioxins and similar substances can be used. Chlorinated benzofuran (hereinafter abbreviated as “furan”) with a chemical structure is highly likely to be discharged. From this point of view as well, solid organic raw materials can be used once gasified without direct combustion. Advantages have been pointed out.
このような固形有機原料のガス化に関し,熱エネルギーの利用効率の最大化及び灰・スラグ残物量の最小化を目的とし,プラズマアークを利用して廃棄物の有機性燃料成分をガス化する方法とその装置は既に提案されている(米国特許第5,958,264号公報:特許文献1)。 Regarding the gasification of such solid organic raw materials, a method of gasifying waste organic fuel components using plasma arc for the purpose of maximizing the utilization efficiency of thermal energy and minimizing the amount of ash / slag residue And its device have already been proposed (US Pat. No. 5,958,264: Patent Document 1).
この発明では,2つまた3つの可変電極を使った加熱ゾーンを設けたシャフト炉内に廃棄物を投入し,電気入力エネルギーを最小化させるように流量及び比率が最適化された空気及び水蒸気を前記高炉内の加熱ゾーンに供給する。 In this invention, waste and waste are put into a shaft furnace provided with a heating zone using two or three variable electrodes, and air and water vapor whose flow rate and ratio are optimized so as to minimize electric input energy. Supply to the heating zone in the blast furnace.
ここでガス化工程におけるガス化速度,生成ガス成分,有機物からの炭素取除き,スラグのガラス化等は加熱ゾーンの温度によって左右され,炉内で必要とされる温度条件を確保する為の主要なエネルギー源はプラズマアークであるが,既存設備に関し公開されているデータより算出したプラズマアークによる炉内入力エネルギー分は0.1〜1.2kWh/原料kgで,最新の商業化プラント(後掲の非特許文献1記載の北海道歌志内のゴミ処理施設)においても0.3kWh/原料kg程度である。 Here, the gasification rate in the gasification process, the generated gas components, the removal of carbon from organic substances, the vitrification of slag, etc. depend on the temperature of the heating zone, and are the main factors for ensuring the required temperature conditions in the furnace. The main energy source is plasma arc, but the energy input in the furnace by plasma arc calculated from the data publicly available for existing equipment is 0.1-1.2kWh / kg of raw material. The waste disposal facility in Hokkaido Utashi described in Non-Patent Document 1) is about 0.3 kWh / kg of raw material.
プラズマ式熱分解・ガラス化システムも既に提案されている (米国特許第7,665,407 В2号公報:特許文献2)。この発明では,プラズマ熱分解で生成するガスと一緒に出てくる揮発性灰量を減少させるために,プラズマトーチが主反応器内の排ガスを循環させる。揮発性灰の粒子は溶融し,遠心力で炉内壁に吸着される。 A plasma-type pyrolysis and vitrification system has also been proposed (US Pat. No. 7,665,407 В2: Patent Document 2). In the present invention, the plasma torch circulates the exhaust gas in the main reactor in order to reduce the amount of volatile ash generated together with the gas generated by plasma pyrolysis. Volatile ash particles melt and are adsorbed on the furnace wall by centrifugal force.
プラズマ式ガス化反応炉も既に提案されており(米国出願公開第2010/0199557 А1号公報:特許文献3),ここにおいて高発熱量の固形有機原料層,例えばコークスの位置する底部においてプラズマを発生させ,上部に行くに従い広がる側壁形状の上蓋のある反応容器が開示されている。この発明に於いては反応容器形状,そして生成ガス出口管及び原料投入管の形状に関する3点に特徴がある。 A plasma type gasification reactor has already been proposed (US 2010/0199557 А1 publication: Patent Document 3), where plasma is generated at the bottom portion where a solid organic material layer having a high calorific value, for example, coke is located. A reaction vessel having a side-wall-shaped top lid that expands toward the top is disclosed. The present invention is characterized by three points regarding the shape of the reaction vessel and the shapes of the product gas outlet pipe and the raw material input pipe.
以上で説明したように,固形有機原料をガス化して燃料ガスを得る方法及び装置は,従来より種々提案されているものの,このようなガス化方法及びガス化装置の工業的,商業的な利用は依然として進んでいない。 As described above, although various methods and apparatuses for obtaining fuel gas by gasifying solid organic raw materials have been proposed in the past, industrial and commercial use of such gasification methods and gasifiers. Is still not progressing.
このような固形有機原料のガス化方法やガス化装置の工業的あるいは商業的な利用が進んでいない主な原因は,ガス化装置の製作費が高いこと,及びガス化装置のランニングコストが,得られた燃料ガスを利用して得られる電気エネルギーや熱エネルギーの販売益を上回ることにある〔参照:「Technical and economic analysis of Plasma-assisted Waste-to-Energy processes」Caroline Ducharme, Columbia University September 2010 (http://www.seas.columbia.edu/earth/wtert/sofos/ducharme_thesis.pdf#search='Technical+and+economic+analysis+of++Plasmaassisted+WastetoEnergy+processes+By+Caroline+Ducharme')〕。 The main reasons for the lack of industrial or commercial use of such solid organic raw material gasification methods and gasifiers are the high production costs of gasifiers and the running costs of gasifiers. It is to exceed the sales profit of electric energy and thermal energy obtained by using the obtained fuel gas [Ref: "Technical and economic analysis of Plasma-assisted Waste-to-Energy processes" Caroline Ducharme, Columbia University September 2010 (http://www.seas.columbia.edu/earth/wtert/sofos/ducharme_thesis.pdf#search='Technical+and+economic+analysis+of++Plasmaassisted+WastetoEnergy+processes+By+Caroline+Ducharme ') ].
ここで,それぞれの国や地方の経済的な条件に拘わらず,ガス化装置の製作費及びランニングコストは,ガス化装置に装備するプラズマ発生装置の出力に比例し,高出力のプラズマ発生装置を装備する程,ガス化装置の製作費及びランニングコストは高くなり,また,ガス化装置自体も大型化する。 Here, regardless of the economic conditions of each country or region, the production cost and running cost of the gasifier are proportional to the output of the plasma generator installed in the gasifier, and the high-power plasma generator is The more equipped, the higher the production cost and running cost of the gasifier, and the larger the gasifier itself.
従ってガス化装置全体の処理能力を低下させることなく,ガス化装置に装備するプラズマ発生装置として,より小型で低出力のものを使用することができれば,ガス化装置の製作費とランニングコストを減少させることができるだけでなく,ガス化装置全体の小型,軽量化をも実現することが可能となる。 Therefore, the production cost and running cost of the gasifier can be reduced if a smaller and lower output plasma generator can be used in the gasifier without reducing the overall processing capacity of the gasifier. In addition to making it possible, it is possible to reduce the overall size and weight of the gasifier.
なお,既存の装置におけるプラズマによるガス化の平均的な効率(原料の保有エネルギー量と合成ガス生成に使われたエネルギー量の総和に対する,生成された合成ガスの熱エネルギー量の比率)は42%程度であり,また,プラズマ以外での一般的なガス化による平均的な効率は72%程度であり,未だ改善の余地は大きい。 In addition, the average efficiency of gasification by plasma in the existing equipment (ratio of the amount of heat energy of the generated synthesis gas to the sum of the amount of energy held in the raw material and the amount of energy used to generate the synthesis gas) is 42%. In addition, the average efficiency of gasification other than plasma is about 72%, and there is still much room for improvement.
そこで本発明は,上記従来技術における欠点を解消するために成されたものであり,ガス化における上記平均的な効率を前提とし,この効率を高めることができるようにすることで,従来の処理装置と同等以上の処理能力の実現を,従来の処理装置に比較してより小型,低出力のブラズマ発生装置を使用して行うことができるようにすることで,プラズマ方式によるガス化のメリットと能力を維持しながら,装置全体の小型軽量化,製作費やランニングコストの抑制を実現することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to eliminate the above-mentioned drawbacks of the prior art, and on the premise of the above-mentioned average efficiency in gasification, it is possible to increase the efficiency of the conventional processing. By realizing a processing capacity equal to or better than that of the equipment using a plasma generator that is smaller and has a lower output compared to conventional processing equipment, the advantages of gasification by the plasma method can be achieved. The objective is to reduce the size and weight of the entire device, and reduce manufacturing and running costs while maintaining the capability.
以下に,課題を解決するための手段を,発明を実施するための形態で使用する符号と共に記載する。この符号は,特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするために記載したものであり,言うまでもなく,本願発明の技術的範囲の解釈に制限的に用いられるものではない。 Hereinafter, means for solving the problem will be described together with reference numerals used in the embodiment for carrying out the invention. This code is used to clarify the correspondence between the description of the scope of claims and the description of the mode for carrying out the invention. Needless to say, this code is limited to the interpretation of the technical scope of the present invention. Not used.
上記目的を達成するために,本発明の固形有機原料のガス化方法は,
円筒形の反応炉10内の一端(上端)側より乾燥した粒状の固形有機原料を導入し,前記反応炉10内に前記一端(上端)側から他端(下端)側に向かって前記反応炉10の軸線方向に移動する原料柱を形成し,
前記反応炉10の中間領域(第1円形空洞11)において電気アークプラズマジェット30で発生した高温度の水蒸気噴流を噴射して前記固体有機原料中の有機成分を一部ガス化させて燃料ガスを発生させ,
前記燃料ガスを発生させた領域(第1円形空洞11)に対し前記他端(下端)寄りの領域(第2円形空洞12)において反応炉10内に酸化剤(空気,富酸素空気,又は酸素)を吹き込んで,前記燃料ガスを燃焼させ,前記酸化剤の供給を行った領域(第2円形空洞12)の内部平均温度を1100〜1600℃に加熱して,この酸化剤の導入を行った領域(第2円形空洞12)と該領域に対し前記他端(下端)寄りにある領域(ガス化促進領域13)において前記固形有機原料中に残留する有機分を完全にガス化し,
前記他端(下端)側において前記反応炉10内を(排出ガス通路21を介して)吸引し,固形有機原料より生成した燃料ガスを850℃以上,一例として850〜1000℃の温度で取り出すことを特徴とする(請求項1)。In order to achieve the above object, the gasification method of the solid organic raw material of the present invention comprises:
A granular solid organic raw material dried from one end (upper end) side in a
In the intermediate region (first circular cavity 11) of the
Oxidant (air, oxygen-rich air, or oxygen) in the
At the other end (lower end) side, the inside of the
上記固形有機原料のガス化において,前記酸化剤の吹き込みを,燃料当量比が0.7〜3.0の混合気とすることが好適である(請求項2)。 In the gasification of the solid organic raw material, it is preferable that the oxidizing agent is blown into an air-fuel mixture having a fuel equivalent ratio of 0.7 to 3.0.
上記固形有機原料のガス化において,前記水蒸気噴流が,2000〜3500℃の過熱水蒸気の噴流であり,1機またそれ以上の前記電気アークプラズマジェット30を通じて前記反応炉10の内壁の周方向における接線方向に前記水蒸気噴流を吹き込むことにより反応炉内を周方向に循環する前記水蒸気噴流の循環流を形成し,
前記循環流が形成された部分における反応炉内壁(第1円形空洞11の内壁)を1000〜1600℃まで加熱する(請求項3)。In the gasification of the solid organic raw material, the steam jet is a superheated steam jet of 2000 to 3500 ° C., and is tangential in the circumferential direction of the inner wall of the
The inner wall of the reactor (the inner wall of the first circular cavity 11) in the portion where the circulating flow is formed is heated to 1000 to 1600 ° C. (Claim 3).
更に,前記酸化剤は,200〜600℃に加熱した状態で前記反応炉10内に吹き込む(請求項4)。
Furthermore, the oxidizing agent is blown into the
前記酸化剤の供給を行った領域(第2円形空洞12)を通過した固形有機原料の温度(ガス化促進領域13における固形有機原料の温度)を900〜1100℃の範囲に維持すると共に,ガス化における酸化剤消費率αoを0.90〜0.95の範囲に維持するようにする(請求項5)。 While maintaining the temperature of the solid organic raw material that has passed through the region (second circular cavity 12) to which the oxidant has been supplied (the temperature of the solid organic raw material in the gasification promotion region 13) in the range of 900 to 1100 ° C., the gas The oxidant consumption rate αo in the conversion is maintained in the range of 0.90 to 0.95 (Claim 5).
又は,前記酸化剤の供給を行った領域(第2円形空洞12)において前記酸化剤に過熱水蒸気を混合して導入する場合,該領域(第2円形空洞12)を通過した固形有機原料の温度(ガス化促進領域13における固形有機原料の温度)を900〜1100℃の範囲に維持し,ガス化における酸化剤消費率αoを1.05〜1.20の範囲とする(請求項6)。 Alternatively, when the superheated steam is mixed and introduced into the oxidant in the region where the oxidant is supplied (second circular cavity 12), the temperature of the solid organic raw material that has passed through the region (second circular cavity 12) (The temperature of the solid organic raw material in the gasification promotion region 13) is maintained in the range of 900 to 1100 ° C., and the oxidant consumption rate αo in the gasification is set in the range of 1.05 to 1.20.
前記酸化剤の供給を行う領域(第2円形空洞12)において,該領域を通過する前記原料柱の移動速度を減速させる(請求項7)。 In the region where the oxidant is supplied (second circular cavity 12), the moving speed of the raw material column passing through the region is reduced (Claim 7).
また,本発明の固形有機原料のガス化装置1は,
一端(上端)より投入された原料を他端(下端)側に移動させつつ処理する円筒形の反応炉10内の中間領域に,該反応炉10の内径を拡張して形成した第1円形空洞11と,
前記第1円形空洞11に対し前記反応炉10の内径の0.1〜0.5倍の距離を隔てた前記他端寄りの位置で前記反応炉の内径を拡張して形成した第2円形空洞12を設け,
前記反応炉10外に配置された電気アークプラズマジェット30が噴射した高温の水蒸気噴流を導入する蒸気プラズマ導入路22を前記第1円形空洞11において前記反応炉10内の空間に連通し,
加熱された酸化剤を導入する酸化剤導入路23を前記第2円形空洞12において前記反応炉10内の空間に連通すると共に,
前記反応炉10内を吸引する排出ガス通路21を,前記他端側において前記反応炉10内に連通したことを特徴とする(請求項8)。Moreover, the
A first circular cavity formed by expanding the inner diameter of the
A second circular cavity formed by expanding the inner diameter of the reaction furnace at a position near the other end that is 0.1 to 0.5 times the inner diameter of the
A vapor
An
An
上記構成の固形有機原料のガス化装置1において,前記蒸気プラズマ導入路22は,これを前記第1円形空洞11の内壁の周方向における接線方向に,内壁面に沿った水蒸気噴流の循環流を生じるように配置する(請求項9)。
In the solid organic raw
また,前記酸化剤導入路23を,前記第2円形空洞12の内壁の周方向における接線方向であって,前記第1円形空洞11で生じた水蒸気噴流の循環流と同一回転方向の循環流が生じるように配置する(請求項10)。
In addition, the
更に,前述の排出ガス通路21は,これを二重管構造とし,該排出ガス通路21の一方の通路(内側通路21a)を介して前記反応炉10内を吸引すると共に,他方の通路(外側通路21b)を介して前記酸化剤導入路23を酸化剤供給源(図示せず)に連通する(請求項11)。
Further, the above-described
なお,前記第2円形空洞12は,その出口(下端)側の直径を,入口(上端)側の直径の0.7〜0.9倍の直径に狭めた形状とする(請求項12)。
The second
また,前記第2円形空洞12の出口から,前記反応炉10の前記他端に至る領域(ガス化促進領域13)を,前記第2円形空洞12の出口から前記反応炉10の前記他端に向かって徐々に内径を拡大する形状に形成する(請求項13)。
Further, a region (gasification promoting region 13) from the outlet of the second
以上で説明した本発明の構成により,本発明の固体有機原料のガス化方法及びガス化装置1によれば,以下の顕著な効果を得ることができた。
According to the configuration of the present invention described above, according to the solid organic raw material gasification method and
反応炉10の中間領域に設けられた第1円形空洞11において蒸気プラズマにより固形有機原料中の有機成分の一部をガス化して,高反応性の燃料ガスを生成すると共に,この燃料ガスを第2円形空洞12において酸化剤(空気,富酸素空気,又は酸素)と合流させて燃焼させることで,蒸気プラズマによるエネルギー量の数倍(約2〜5倍)の熱量を発生させ,これらのエネルギーの総和(プラズマの電気エネルギーと,高反応性の燃料ガスを燃焼させることにより得られる熱エネルギーの総和)によって,固体有機原料中に残留している有機成分の完全なガス化を行うことで,従来のプラズマ型のガス発生装置に比較して,小型のプラズマ発生装置を使用した場合であっても,効率的に燃料ガスを発生させることができた。
A part of the organic component in the solid organic raw material is gasified by vapor plasma in the first
このように,本発明では,より小型のプラズマ発生装置を使用することが可能となった結果,ガス化装置の製造費,ランニングコストを低く抑えることができると共に,ガス化装置全体を小型,軽量化することができた。 As described above, in the present invention, as a result of using a smaller plasma generator, it is possible to keep the manufacturing cost and running cost of the gasifier low, and to make the entire gasifier small and light. I was able to.
また,ガス化装置の製造費及びランニングコストを低く抑えることで,ガス化で得た燃料ガスによって得られる電力や熱等の販売益が相対的に高まり,その結果,工業的,あるいは商業的なベースに乗り得る,固体有機原料のガス化方法及びガス化装置を提供することができた。 In addition, by keeping the production cost and running cost of the gasifier low, sales profits such as electric power and heat obtained from the fuel gas obtained by gasification are relatively increased. As a result, industrial or commercial It was possible to provide a gasification method and gasification apparatus for a solid organic material that can be used as a base.
次に,本発明の実施形態につき添付図面を参照しながら以下説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
〔ガス化装置の構成〕
図1〜4中の符合1は,本発明のガス化装置であり,このガス化装置1は,断熱材3によって囲まれた,耐火材料から成る円筒形の反応炉10と,前記反応炉10内に固形有機原料を投入する供給装置40,前記反応炉10内に蒸気プラズマを導入するプラズマジェット30(図3,4参照),及び,前記反応炉10内に空気,富酸素空気,あるいは酸素等の酸化剤を導入する,図示せざる酸化剤供給源を備えている。[Configuration of gasifier]
1 to 4 is a gasifier according to the present invention. The
前述の反応炉10上には,電動機41付きの供給装置40が設けられており,この供給装置40により,反応炉10内に破砕した廃棄物,木材,木炭,石炭等の粒状の固形有機原料が,電動機41によって回転する攪拌羽根42によって定量ずつ供給できるようになっている。
A
この反応炉10の中間領域には,反応炉10の内径を拡張して形成された第1円形空洞11が形成されていると共に,この第1円筒空洞11に対し,反応炉10の内径を0.2〜0.5倍した距離を介した下方に,同様に反応炉10の内径を拡張して形成された第2円形空洞12が設けられている。
A first
この第2円形空洞12は,その底部において徐々に直径を狭める形状に形成されており,最狭部となる第2円形空洞12の出口は,第2円形空洞12の入口の直径に対し0.7〜0.9倍の直径にまで狭められている。
The second
そして,前述の第2円形空洞12の出口は,第2円形空洞12の出口の直径から下方に向かって直径を拡大する形状に形成されたガス化促進領域13に連通されている。
The outlet of the second
このように形成された反応炉10の外部には,少なくとも1機の電気アークプラズマジェット30が設けられており,この電気アークプラズマジェット30で発生した蒸気プラズマを,蒸気プラズマ導入路22を介して前述した第1円形空洞11内に導入することができるようになっている。
At least one electric
この蒸気プラズマ導入路22は,前述の第1円形空間11の内壁面において,該内壁面の円周方向に対する接線方向に蒸気プラズマを導入することができるように設けられており,蒸気プラズマ導入路22を介して第1円形空洞11内に蒸気プラズマを導入することで,過熱水蒸気の噴流を第1円形空洞11内で循環させることができるようになっている。
The vapor
反応炉10の底部には,反応炉10内に水蒸気を供給することができるよう,導入された水を熱交換によって加熱して水蒸気を発生させる円形交換器9が取り付けられており,ここで発生させた水蒸気をプラズマジェットや,必要に応じて第2円形空洞12に導入される酸化剤に混入し,あるいは,ガス化促進領域13の下部より流入させる蒸気として使用することで,水蒸気発生の際の熱交換により反応炉下部の冷却が図られていると共に,この円形交換器9の下に,残灰を強制排出するための電動機51を備えた残灰排出装置50を取り付けている。
At the bottom of the
反応炉10内の下部付近には,反応炉10内の生成ガス(燃料ガス)を排出するための排出ガス通路21が設けられている。この排出ガス通路21は,図示の実施形態において二重管によって構成されており,内側通路21aを介して反応炉10内で生成した燃料ガスを吸引して排出することができる他,外側通路21bを介して第2円形空洞12に対し酸化剤(空気,富酸素空気,酸素)を導入するために使用できるようになっている。
An
このような酸化剤の導入を可能とするために,排出ガス通路21の反応路10とは反対側の端部付近に酸化剤供給用の継手21cが設けられており,この継手21cに図示せざる酸化剤供給源からの配管等を接続可能にしていると共に,反応炉10寄りの位置において,外側通路21bに第2円形空洞12に酸化剤を導入する酸化剤導入路23を連通することで,図示せざる酸化剤供給源より供給された酸化剤は,排出ガス通路21の外側通路21bを通過する際に,内側通路21aを通過する燃料ガスとの熱交換によって加熱され,このようにして加熱された酸化剤を第2円形空洞12内に導入することができるようになっている。
In order to enable the introduction of such an oxidant, a joint 21c for supplying an oxidant is provided near the end of the
前述の酸化剤導入路23は,第2円形空洞12の内壁面において,該内壁の周方向に対する接線方向に開口されており(図2参照),この酸化剤導入路23を介して酸化剤を導入することで,前述した第1円形空洞11内で生じる水蒸気噴流の循環方向と同一の回転方向を成す酸化剤の循環流が生じるように構成されている。
The aforementioned
〔ガス化方法〕
以上のように構成された本発明のガス化装置1を使用して,下記の方法で固形有機原料のガス化が行われる。[Gasification method]
Using the
含有水分量を15〜20%にまで乾燥し,破砕した固体有機原料を供給装置40に投入すると,供給装置40は,電動機41によって回転される攪拌羽根42によって原料を定量ずつ反応炉10内に供給する。
When the moisture content is dried to 15 to 20% and the crushed solid organic raw material is put into the
反応炉10内で熱分解されて生じた固形有機原料の残灰は,反応炉10の下部に設けられた残灰排出装置50によって機外に強制的に排出されることから,反応炉10内に投入された固形有機原料は,重力によって固形有機原料の粒子同士に隙間が形成された状態で折り重なって,全体として多孔質体に類似した状態で,反応炉10内を軸線方向に通過する,原料柱を形成する。
The residual ash of the solid organic raw material generated by thermal decomposition in the
電気アークプラズマジェット30において発生した高温度(2000〜3500℃)の蒸気プラズマは,蒸気プラズマ導入路22を介して第1円形空洞11内に接線方向に導入された後,固形有機原料の粒子間の隙間を介して前方へ流れて,第1円形空洞11内を循環する渦状の流れを形成する。
The high temperature (2000-3500 ° C.) vapor plasma generated in the electric
この蒸気プラズマの渦流によって,第1円形空洞11の内壁面は1000〜1600℃に加熱され,蒸気プラズマによる直接の過熱と,反応炉の赤熱壁との接触によって第1円形空洞11内の固形有機原料中の有機成分の一部(15〜30質量%)がガス化すると共に,水蒸気と反応して下記の総括反応式で示される反応によって燃料ガスが生成される。
2000℃以下の蒸気プラズマを反応炉10内に噴射する場合,反応炉壁の過熱温度が低下すると共に原料柱に対する加熱量も減少するためガス化速度も低下する一方,第1円形空洞11内に導入する過熱蒸気の温度を3500℃以上とする場合,解離再結合が起こり水蒸気の熱伝導が急激に上昇することで,電気アークプラズマジェット30及び蒸気プラズマ導入路22の冷却にかかるロスが急速に増加することから,前述したように第1円形空洞11内に導入する蒸気プラズマの温度は2000〜3500℃とする。
When steam plasma of 2000 ° C. or less is injected into the
また,反応炉壁の加熱温度が1000℃未満では有機物の反応速度が低下して変換率が低下する一方,反応炉壁温度が1600℃を越えると,反応炉の寿命や耐久性に関して深刻な問題が生じ得ることから,反応炉壁の加熱温度が1000〜1600℃の範囲となるよう,第1円形空洞11に対し導入する蒸気プラズマの温度を,前述した2000〜3500℃の範囲内で調整する。
Moreover, when the heating temperature of the reaction furnace wall is less than 1000 ° C., the reaction rate of the organic matter is reduced and the conversion rate is lowered. On the other hand, when the reaction furnace wall temperature exceeds 1600 ° C., serious problems regarding the life and durability of the reaction furnace Therefore, the temperature of the vapor plasma introduced into the first
反応炉10内の空間は,排出ガス通路21を介して機外より吸引されていることから,この影響によって第1円形空洞11において生成された燃料ガスは,1100〜1200℃程度の温度で反応炉10の内壁に沿って下方へ移動し,第2円形空洞12(図1参照)内に導入される。
Since the space in the
この第2円形空洞12には,前述した第1円形空洞11で発生させた水蒸気噴流の循環(回転)方向と同一の循環(回転)方向の渦流が生じるように,第2円形空洞12の内壁面の円周方向に対する接線方向に,符合23(図2参照)で示す酸化剤導入路を介して酸化剤(空気,富酸素空気,又は酸素)が吹き込まれる。
In the second
この酸化剤は,継手21cを介して二重管として構成された排出ガス通路21の外側流路21bを介して前述の酸化剤導入路23に導入されるように構成されており,排出ガス通路21において,排出ガス通路21の内側通路21aを通って排出される燃料ガスとの熱交換によって200〜600℃に加熱され,このようにして加熱された酸化剤を第2円形空洞12内に導入することで,第1円形空洞11内で発生し,その後,第2円形空洞12内に導入された燃料ガスは,酸化剤の噴流と合流後においても点火温度(650℃以上)を越えており,酸化剤と激しく反応して燃焼し,これにより第2円形空洞12内において局部温度2227℃以上の火炎流が発生する。
This oxidant is configured to be introduced into the
酸化剤の加熱温度が200℃未満の場合では酸化及びガス化のプロセスに殆ど影響を及ぼさず,600℃を越えるように加熱する場合,熱交換によって燃料ガスの熱を過剰に奪い,排出される燃料ガスの温度が許容温度である850℃よりも低下して,反応炉を出た後,ハロゲンと炭化水素との結合により,ダイオキシンやフランを発生させる可能性があり,導入する酸化剤の温度は200〜600℃とした。 When the heating temperature of the oxidant is less than 200 ° C, it hardly affects the oxidation and gasification process. When heating to over 600 ° C, the heat of the fuel gas is excessively removed by heat exchange and discharged. After the temperature of the fuel gas falls below the allowable temperature of 850 ° C and exits the reactor, dioxins and furans may be generated due to the combination of halogen and hydrocarbons. Was 200-600 degreeC.
この燃料ガスの燃焼による出力の最高値を達成するには,燃料当量比(燃料ガスの質量/酸化剤の質量)αfを0.7〜3.0,好ましくは1.5〜3.0とする濃混合の状態で燃焼を行う。酸化における総括主反応は,
このようにして燃料ガスを燃焼させることで,反応炉の第2円形空洞12の周辺に存在する原料柱の部分には酸化領域が発生し,第2円形空洞12の内部平均温度は1100〜1600℃に達する。
By burning the fuel gas in this manner, an oxidation region is generated in the portion of the raw material column existing around the second
このようにして,第2円形空洞12で発生した熱の影響で,原料柱全体が,断熱された濾過燃焼条件の下で1100〜1600℃の平均温度にまで加熱された後,第2円形空洞12の下方に設けられたガス化促進領域13に導入される。
In this way, the entire raw material column is heated to an average temperature of 1100-1600 ° C. under the insulated filtration combustion conditions under the influence of heat generated in the second
反応炉内の第2円形空洞12の下方に位置するガス化促進領域13において,第2円形空洞12で酸化に使用されなかった過剰の酸化剤と燃料ガスの燃焼生成物とが,落下する原料柱に対し横方向に吹き付けられ,固形有機原料中に残留している主要な有機成分の熱分解が行われる。
In the
第2円形空洞12内で加熱された固形有機原料は,平均温度を900〜11000℃の範囲で,化学量論のガス化に対する酸化剤消費率αを0.90〜0.95の範囲に維持する。
The solid organic raw material heated in the second
固形有機原料の温度が900℃未満の場合,残留炭分が増加し,1100℃を越える場合では,固形有機原料の溶けた塊が残留し,有機性不純物の焼却性能が悪化する。 When the temperature of the solid organic raw material is less than 900 ° C., the residual carbon content increases, and when it exceeds 1100 ° C., a molten mass of the solid organic raw material remains and the incineration performance of organic impurities deteriorates.
また,酸化剤消費率αが0.90未満の場合,熱分解にかかる消費電力が増加し,熱分解段階では,排ガスにおいて不完全燃焼が増加する一方,酸化剤消費率αが0.95を越えると,熱分解の温度レベルが上昇し,装置の底部に設けた火格子が燃えるおそれがある。 Further, when the oxidant consumption rate α is less than 0.90, the power consumption for pyrolysis increases, and in the pyrolysis stage, incomplete combustion increases in the exhaust gas, while the oxidant consumption rate α becomes 0.95. If exceeded, the temperature level of pyrolysis rises and the grate provided at the bottom of the device may burn.
なお,第2円形空洞12に対し導入する酸化剤としては,前述の空気,富酸素空気,酸素である酸化剤と共に,過熱水蒸気を導入するものとしても良い。この場合,ガス化促進領域13内における残留有機成分の熱分解段階における温度を,900〜1100℃の範囲で,酸化剤消費率αを1.05〜1.20の範囲に維持する。
As the oxidant to be introduced into the second
900℃以下の場合,スラグにおける未燃焼が増加し,1100℃以上の場合,灰分の溶解及び格子の汚染が起こす。 When the temperature is 900 ° C. or lower, unburned slag increases, and when the temperature is 1100 ° C. or higher, ash is dissolved and lattice contamination occurs.
酸素消費率αが1.05未満の場合,酸化剤の残留炭素との質量交換が悪化し,不完全燃焼が増加する。酸化剤消費率αが1.20を越える場合,プロセスにかかるエネルギー消費(燃料と電力)の増大に繋がる。 When the oxygen consumption rate α is less than 1.05, the mass exchange with the residual carbon of the oxidant deteriorates and incomplete combustion increases. When the oxidant consumption rate α exceeds 1.20, it leads to an increase in energy consumption (fuel and electric power) applied to the process.
反応炉10内に投入された原料柱の減少速度はガス化速度に比例し,ガス化された固形有機原料の有機分の質量は,揮発性成分の分離量,残留炭素がガス化された質量に等しく,固形有機原料の減少と残灰の排出に伴って原料柱が下方に移動して連続的な処理が行われると共に,生成された燃料ガスは,排出ガス通路21を介して通風機により吸引されて,排出ガス通路21を通過する際に酸化剤との熱交換が行われて850〜1000℃の温度で機外に排出される。
The rate of decrease of the raw material column introduced into the
第2円形空洞12における固形有機原料の平均温度範囲が1100〜1600℃,反応炉の出口における燃料ガスの温度範囲が850〜1000℃の範囲となるよう,プラズマにより生成した過熱蒸気により供給される熱量とこれにより生成された燃料ガスの燃焼による化学的熱量との比率を決定する。
It is supplied by superheated steam generated by plasma so that the average temperature range of the solid organic raw material in the second
なお,本発明のガス化装置1では,原料柱の移動方向(反応炉の高さ方向)に沿って温度ゾーンが設定されることとなり,各温度ゾーンにおいて,前述したプロセスが行われる。
In the
反応炉の上部(第1円形空洞11よりも上方)では,内部の平均温度が100〜250℃となり廃棄物等である固形有機原料の乾燥が行われ,第1円形空洞11では内部平均温度1000〜1300℃にて原料の一部が蒸気プラズマによりガス化され,その下部の第2円形空洞12では1100〜1600℃の内部平均温度にて燃料ガスの一部の酸化(燃焼)による発熱が行われ,第2円形空洞12からその下方にあるガス化促進領域13において,固形有機原料中の残留有機分を濾過燃焼させると共に,固形有機原料の分解により生じた無機分の無酸素ガス化及び,完全燃焼生成物の還元による合成ガス生成が行われ,主にCO+H2の成分となる。In the upper part of the reactor (above the first circular cavity 11), the internal average temperature is 100 to 250 ° C., and the solid organic raw material such as waste is dried. In the first
第1円形空洞11において,蒸気プラズマによって加えられた熱により,固形有機原料は吸熱反応を起こし,その一部が燃料ガスへと変換される。固形有機原料の化学的エネルギーはここでロスするものではなく,燃料ガスの化学的エネルギーと熱エネルギーに変換される。
In the first
原料がバイオマスの場合,生成されるエネルギーは入力電力エネルギーのおよそ3倍となり,このエネルギーは第2円形空洞12において生成され,固形有機原料の全体を1100〜1600℃に加熱することで,固形有機原料の完全なガス化に使用される。
When the raw material is biomass, the generated energy is approximately three times the input power energy. This energy is generated in the second
本発明のガス化方法によれば,固形有機原料の処理能力を維持しつつ,電気アークプラズマジェット30に対して初期入力される電気エネルギー,及び稼働中の消費電力を3〜5分の1に迄減少させることができ,既存の工業プロセス(先に非特許文献1として紹介した北海道歌志内の処理施設)を基に比較すると,本発明のガス化装置1では,非特許文献1の処理装置において300kWのプラズマジェットを4機使用していたのに対し,同様の処理能力を,75kWのプラズマジェット4機の設計に変更することができ,プラズマジェットの小型化に伴い,ガス化装置の製作費を低減出来ると共に,使用電力が4分の1(75kW/300kW=1/4)程度に減少できることで,ランニングコストの削減に繋がり,商業ベースで考えた場合の大きな利点と成る。
According to the gasification method of the present invention, the electric energy initially input to the electric
本発明において,ガス化装置1を構成する各部の新規な連通構造,形状,サイズ及びこれらの組み合わせは重要な特徴であり,既に説明したように本願のガス化装置1では,円筒状の反応炉10の中間部分に設けた第1円形空洞11が構成され,この第1円形空洞11の下方に,反応炉の直径の0.2〜0.5倍の距離を隔てて,第2円形空洞12を構成したこと,第2円形空洞12底部の直径を徐々に減じて最狭部(第2円形空洞12の出口)の直径を上端部(第2円形空洞12の入口)の直径の0.7〜0.9倍の直径に狭めたこと,さらに,第2円形空洞12の下方に形成したガス化促進領域13の形状を,前記最狭部から更に下方に向かって直径を拡大する形状に構成している。
In the present invention, the novel communication structure, shape, size, and combination thereof of each part constituting the
また,電気アークプラズマジェット30で発生した蒸気プラズマを,前記第1円形空洞11内に蒸気プラズマ導入路22を介して接線方向に導入して水蒸気噴流の循環流を発生させ,また,第2円形空洞12内に加熱した酸化剤を,第1円形空洞11における水蒸気噴流の循環流と同一の回転方向の循環流が生じる向きで,酸化剤導入路23を介して接線方向に導入する。
Further, the vapor plasma generated by the electric
このように各部を構成することにより,本発明のガス化装置1では,比較的燃え難い,粒状の固形有機原料の一部が,第1円形空洞11において主にCOとH2を含有する高反応性の燃焼ガスとなり,その後,第2円形空洞12において,先に生じた燃料ガスが燃焼することにより,固形有機原料全体が激しく加熱され,これにより固形有機原料に残留する有機成分がガス化される。By configuring each part in this manner, in the
酸性環境において粒状の固形有機原料がガス化する速度,すなわち,燃焼のみでガス化する速度に比べ,本発明では,蒸気プラズマによる有機成分の一部ガス化と,このガス化により得られた燃料ガスの燃焼という混合プロセスによって,固体有機原料中に残留する有機分の完全なガス化を行うことから,ガス化速度を大幅に向上させることができ,その結果,固形有機原料の化学的エネルギー出力の効率上昇により,電気アークプラズマジェット30の消費電力を3〜5分の1にまで低減することができる。
Compared to the rate of gasification of granular solid organic raw materials in an acidic environment, that is, the rate of gasification only by combustion, in the present invention, partial gasification of organic components by vapor plasma and the fuel obtained by this gasification The gasification rate can be greatly improved because of the complete gasification of the organic components remaining in the solid organic raw material through a gas combustion mixing process, resulting in a chemical energy output of the solid organic raw material. As a result, the power consumption of the electric
蒸気プラズマによるガス化を行う第1円形空洞11と,生成された燃料ガスの燃焼を行う第2円形空洞12間の距離を,反応炉の直径の0.1〜0.5倍の範囲に選定する理由は,0.1倍未満の距離で設ける場合,水蒸気噴流が第2円形空洞12に迄流れ込み,燃焼反応を抑制させるためであり,また,0.5倍を越える距離で設ける場合,第1円形空洞11で発生した燃料ガスが固形有機原料の粒子間の隙間に流れ込んでしまい,第2円形空洞12に導入される燃料ガスが減少して発熱量が大幅に低下してしまうためである。
The distance between the first
また,第2円形空洞12の底部直径を徐々に狭め,最狭部である第2円形空洞12の出口の直径を,第2円形空洞12の入口の直径に対し0.7〜0.9倍の範囲に迄狭めたこと,この第2円形空洞12の出口から更に下向きに直径を拡げる形状のガス化促進領域13を設けたことにより,固形有機原料の第2円形空洞12の出口通過が規制されることにより,最も熱出力が高い,第2円形空洞12内における固形有機原料の滞留時間が長くなり,原料の加熱が促進されると共に,第2円形空洞12において固形有機原料の量が一部ガス化する事により少なくなる事と,その下部にあるガス化促進領域13において,壁面温度がスラジ溶解温度より高くなることから,ガス化促進領域13の裾を広げることで,スラジが炉の内壁に付着することを防止している。
Also, the bottom diameter of the second
また,過熱水蒸気の噴流,及び酸化剤の導入により発生する火炎流の噴流方向と原料の移動方向とが相互に直交方向の循環流を形成することにより,原料柱を取り囲むようにその外周側からの加熱が行われることで,原料柱内に熱を閉じ込めた断熱状態で効率的に濾過燃焼を行うことができる。 In addition, by forming a circulating flow in which the jet direction of the superheated steam and the flame flow generated by the introduction of the oxidant and the direction of movement of the raw material are orthogonal to each other, As a result of this heating, filtration combustion can be performed efficiently in an adiabatic state where heat is confined in the raw material column.
反応炉の最大熱出力領域,すなわち第2円形空洞12の底部出口の直径は,固形有機原料の質量減少速度に適合させたもので,入口の直径に対し0.7未満の場合,原料の進み(落下)が遅くなりすぎて熱焼損発生の可能性がある。一方,上端部の直径に対し0.9を越える場合,原料の進みが早くなり,未反応の原料分が増加した状態でガス化促進領域13内に流れてしまうことになる。
The maximum heat output region of the reactor, that is, the diameter of the bottom outlet of the second
〔蒸気プラズマと他の方法によるガス化の比較〕
固形有機原料である鶏糞を本発明の方法によりガス化した。処理前の鶏糞の成分を表1に,ガス化により得られた燃料ガスの成分を表2にそれぞれ示す。[Comparison of gasification by vapor plasma and other methods]
Chicken manure, which is a solid organic raw material, was gasified by the method of the present invention. Table 1 shows the components of chicken manure before treatment, and Table 2 shows the components of fuel gas obtained by gasification.
本発明の方法により得られた燃焼ガスの低位発熱量(LHV)は12.09
MJ/kgであり,断熱燃焼温度は1937℃であった。The lower heating value (LHV) of the combustion gas obtained by the method of the present invention is 12.09.
The adiabatic combustion temperature was 1937 ° C.
鶏糞を原料とした場合,鶏糞1kg当たりを熱分解する際に使用される酸化剤消費量g(g/kg)は,それぞれ下記の通りとなる。 When chicken dung is used as a raw material, the oxidant consumption g (g / kg) used when pyrolyzing 1 kg of chicken dung is as follows.
上記表3の結果から,蒸気プラズマ式のガス化では,空気プラズマ式のガス化に比較して酸化剤(酸素)の消費量が大幅に少なくなっており,このことから,過熱蒸気が酸化剤としての機能を有していることが判る。 From the results in Table 3 above, the steam plasma type gasification consumes significantly less oxidant (oxygen) than the air plasma type gasification. It can be seen that it has a function as
すなわち,反応炉の第1円形空洞11において原料層に蒸気プラズマを与えることで,原料が加熱され,次第に水分や揮発分が固相からガス状に変換,つまり蒸発する。それと同時に,下記の主反応により,ガス状の揮発性分のホモジニアス変換が行われる。
反応炉内における原料柱の減少量は,原料中の水分及び揮発性成分の蒸発による消費比率である0.25に略対応する。原料柱が消費されるに従って,原料柱全体が下方に移動して,第1円形空洞11内にあった固形有機原料が第2円形空洞12に近づき,第1円形空洞11の上方にある乾燥領域にあった固形有機原料が第1円形空洞11に導入される。
The reduction amount of the raw material column in the reaction furnace substantially corresponds to 0.25 which is a consumption ratio due to evaporation of moisture and volatile components in the raw material. As the raw material pillar is consumed, the whole raw material pillar moves downward, the solid organic raw material in the first
次に,残留炭素と水蒸気のヘテロジニアス反応が,下記の主反応により,行われる。
拡散動力学的モードにおいて,ヘテロジニアス反応が行われるため,蒸気の乱流・渦流により,反応剤(蒸気)は残留炭素に送られ,ガス化生成物が排出される。 Since the heterogeneous reaction takes place in the diffusion kinetic mode, the reactant (steam) is sent to residual carbon and the gasification product is discharged by the turbulent / vortex flow of the steam.
第1円形空洞11内の原料柱の外層部分における水素(H2)及び酸化炭素(CO)の濃度プロファイルを調査することにより,それらの濃度と固相における炭素の質量濃度変化との間に相互関係があるという重要な事実が判明した。すなわち,本発明の方法において,水素及び酸化炭素の質量濃度変化の主な要因が,固形有機原料に含まれる炭素が蒸気化したものであることが判る。By examining the concentration profile of hydrogen (H 2 ) and carbon oxide (CO) in the outer layer portion of the raw material column in the first
従って,炭素原子のモル流束に対する水蒸気のモル流束比率を調整することにより,ガス化生成物の成分を決定することができ,第1円形空洞11において,化学量論的な理想値に近いガス化を行うことができる。
Therefore, the component of the gasification product can be determined by adjusting the molar flux ratio of water vapor to the molar flux of carbon atoms, and is close to the stoichiometric ideal value in the first
図5(A)〜(D)は,プラズマにより鶏糞のガス化を行った際の温度と,合成された燃料ガスの成分変化を示したグラフであり,図5(A)は空気プラズマ245gを使用した例(比較例1),図5(B)は空気プラズマを1200g使用した例(比較例2),(C)は蒸気プラズマを64g使用した例(実施例1),(D)は蒸気プラズマ314gを使用した例(実施例2)をそれぞれ示す。 FIGS. 5A to 5D are graphs showing the temperature at the time of gasification of chicken manure by plasma and the component change of the synthesized fuel gas, and FIG. 5A shows 245 g of air plasma. Example used (Comparative Example 1), FIG. 5B is an example using 1200 g of air plasma (Comparative Example 2), FIG. 5C is an example using 64 g of vapor plasma (Example 1), and FIG. An example (Example 2) using 314 g of plasma is shown respectively.
図6は,実施例1,2及び比較例1,2において単位質量(1kg)あたりの原料の処理に必要な電力消費量(MJ/kg)を,更に,図7は実施例1,2及び比較例1,2において単位質量(1kg)の原料から得られる燃料ガスの出力エネルギー(MJ/kg)を示す。 6 shows the power consumption (MJ / kg) required for processing the raw material per unit mass (1 kg) in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, and FIG. The output energy (MJ / kg) of the fuel gas obtained from the raw material of unit mass (1 kg) in Comparative Examples 1 and 2 is shown.
図5(A)〜(D)の結果から,蒸気プラズマを使用した本発明のガス化方法では,空気プラズマを使用した場合に比較して,より少量のプラズマによって同等成分の燃料ガスが得られることが確認できた。 From the results shown in FIGS. 5A to 5D, in the gasification method of the present invention using vapor plasma, a fuel gas of the same component can be obtained with a smaller amount of plasma than when air plasma is used. I was able to confirm.
なお,ガス化において原料1kgあたりの処理に必要な蒸気プラズマの消費量は,原料である固形有機原料の材質によっても異なるが,前掲の鶏糞を処理対象とした場合で64g/kg(実施例1),乾燥木材を処理対象とした場合で326g/kg,廃タイヤを処理対象とした場合で1.2kg/kgであった。 The consumption of vapor plasma required for processing per kg of raw material in gasification varies depending on the material of the solid organic raw material that is the raw material, but 64 g / kg when the above-described chicken manure is used as a processing target (Example 1). ), 326 g / kg when dry wood was treated, and 1.2 kg / kg when waste tire was treated.
また,図6及び図7より,蒸気プラズマを使用した本発明のガス化では,空気プラズマを使用した場合に比較してより少ない電力消費量によって,より出力エネルギーの高い燃料ガスが得られることが確認されており,蒸気プラズマを使用してガス化を行う場合には,空気プラズマを使用してガス化を行う場合に比較して,最大で約3倍の効率の向上が得られることが確認された(図6の実施例2と比較例2の比較)。 Also, from FIGS. 6 and 7, the gasification of the present invention using vapor plasma shows that a fuel gas with higher output energy can be obtained with less power consumption than when air plasma is used. It has been confirmed that when gasification is performed using vapor plasma, the efficiency can be improved up to about 3 times compared to gasification using air plasma. (Comparison between Example 2 and Comparative Example 2 in FIG. 6).
なお,破砕した木材を原料とした蒸気プラズマによるガス化において,処理温度の変化によって生成されるガスの成分にどのような相違が生じるかを測定した結果を,図8に示す。 In addition, the result of having measured what kind of difference in the component of the gas produced | generated by the change of process temperature in the gasification by the steam plasma which used the crushed wood as a raw material is shown in FIG.
図8に示す結果より,約1300K(1026.84℃)を越えたあたりでH2,COの発生量がピークを迎え,その後,H2,COの発生量は温度の上昇によって殆ど変化せずに一定値を維持することから,固形有機原料の加熱温度が1100℃以上となるような条件で加熱を行うことが有利であり,このような温度は第1円形空洞11内の接線方向に2000〜3500℃に過熱された水蒸気を吹き込むことにより実現することができる。From the results shown in FIG. 8, the generation amount of H 2 and CO reaches a peak when the temperature exceeds about 1300 K (1026.84 ° C.), and then the generation amount of H 2 and CO hardly changes as the temperature rises. Therefore, it is advantageous to heat the solid organic raw material under the condition that the heating temperature of the solid organic raw material is 1100 ° C. or higher. Such a temperature is 2,000 in the tangential direction in the first
〔粒径の影響〕
反応ガスの温度変化に対する粒径別の木材粒子の表面温度の変化を図9に,反応ガスの温度変化に対する粒径別のガス化率の変化を図10にそれぞれ示す。[Effect of particle size]
FIG. 9 shows the change in the surface temperature of the wood particles for each particle diameter with respect to the temperature change of the reaction gas, and FIG.
図9及び図10より明らかなように,反応ガス(過熱蒸気)の温度が同じであっても,処理対象とした木材の粒径が小さくなる程,木材の表面温度が上昇すると共に,ガス化率が上昇することが判り,粒径の減少に伴う原料の表面積の拡大に伴い,過熱蒸気によるガス化の促進を図ることができることが判る。 As is clear from FIGS. 9 and 10, even when the temperature of the reaction gas (superheated steam) is the same, as the particle size of the wood to be treated decreases, the surface temperature of the wood increases and gasification occurs. It can be seen that the rate increases, and that gasification by superheated steam can be promoted as the surface area of the raw material increases as the particle size decreases.
原料である固体有機原料の粒子面において,発生するガス成分中における酸化炭素(CO)及び水素(H2)の発生率を向上させるためには,反応炉壁から粒子面に向けた熱流を増やす必要があり,放射による熱流は表面積に比例するので,壁の温度上昇のみならず,固形有機原料の粒子径の減少に伴う表面積の増大によってもこれを達成することができ(図9,10参照),破砕した状態の固形有機原料を処理対象とすることの有利性が裏付けられる。In order to improve the generation rate of carbon oxide (CO) and hydrogen (H 2 ) in the generated gas component on the particle surface of the solid organic raw material which is the raw material, the heat flow from the reactor wall toward the particle surface is increased. Since the heat flow by radiation is proportional to the surface area, this can be achieved not only by increasing the wall temperature, but also by increasing the surface area as the particle size of the solid organic material decreases (see FIGS. 9 and 10). ), The advantage of using a crushed solid organic raw material as a processing target is confirmed.
〔燃焼時における酸化剤との混合比(燃料当量比)〕
燃料ガスの燃焼時における燃焼速度,発熱速度(図11参照),及び火炎伝播速度〔図12(A)〜(C)参照〕は十分早いので,第2円形空洞12において,燃料ガスの燃焼による熱出力が,原料を遅滞なく加熱する。[Mixing ratio with oxidant during combustion (fuel equivalent ratio)]
Since the combustion speed, heat generation speed (see FIG. 11), and flame propagation speed (see FIGS. 12A to 12C) during the combustion of the fuel gas are sufficiently fast, the second
図12(A)〜(C)は,反応炉内に近い条件において,酸化炭素(CO)と水素(H2)の配合が異なる3つの試料に対し燃料当量比(燃料ガスの質量/酸化剤の質量)の変化に伴う火炎速度の変化を測定した結果である。12 (A) to 12 (C) show fuel equivalent ratios (mass of fuel gas / oxidizer) for three samples having different blends of carbon oxide (CO) and hydrogen (H 2 ) under conditions close to that in the reactor. It is the result of having measured the change of the flame speed accompanying the change of the mass).
火炎伝播速度は酸化炭素(CO)の含有率が増加するに従い低下し,初期温度が上昇すれば,伝播速度も増加するが,いずれの例においても,燃料当量比αfが約2程度の高濃度のガスにおいて伝播速度はピークに達しており,この数値の前後を含めた,燃料当量比αfが0.7〜3.0,好ましくは1.5〜3.0の濃混合気の範囲であれば,いずれも高い熱伝播率を得られることが判る〔図12(A)〜(C)〕。 The flame propagation speed decreases as the carbon oxide (CO) content increases, and as the initial temperature rises, the propagation speed increases. In either case, the fuel equivalent ratio αf is a high concentration of about 2 The velocity of propagation reaches a peak in this gas, and the fuel equivalent ratio αf including the range before and after this value should be in the range of a rich mixture with a value of 0.7 to 3.0, preferably 1.5 to 3.0. In any case, it can be seen that a high heat transfer rate can be obtained [FIGS. 12A to 12C].
なお,燃料当量比は,第1円形空洞11においてガス化せずに残った固形有機原料の化学量論に基づき第1円形空洞11における燃料ガスの発生量を求めることにより算出した。
The fuel equivalent ratio was calculated by obtaining the amount of fuel gas generated in the first
〔効果確認試験〕
試験例1
実験装置を使用して,下記の表4に示す条件にて本発明の方法による固形有機原料のガス化を行った。このガス化によって生成された燃料ガスの成分を表5にそれぞれ示す。[Effect confirmation test]
Test example 1
Using the experimental apparatus, the solid organic raw material was gasified by the method of the present invention under the conditions shown in Table 4 below. Table 5 shows the components of the fuel gas generated by this gasification.
上記試験例では,燃料当量比を1としたときに燃焼生成物の燃焼温度が最高値を達成し,バイオマスを処理した場合の燃焼生成物の最高燃焼温度は1900℃,廃棄物の混合モデルを処理した場合の燃焼生成物の最高燃焼温度は1700℃となった。尚,燃焼生成物中の酸化炭素(CO)は0.5%以下となった。 In the above test example, when the fuel equivalent ratio is set to 1, the combustion temperature of the combustion product achieves the maximum value, and when the biomass is processed, the maximum combustion temperature of the combustion product is 1900 ° C, and the mixture model of waste is used. The maximum combustion temperature of the combustion product when treated was 1700 ° C. Incidentally, the carbon oxide (CO) in the combustion products was 0.5% or less.
バイオマスをガス化した試験例では,発熱量11.03MJ/m3の燃料ガスが,12.5リットル/分で出力された。この燃料ガスの空気中における燃焼時の熱出力は2.3kWであった。In the test example in which biomass was gasified, fuel gas with a calorific value of 11.03 MJ / m 3 was output at 12.5 liters / minute. The heat output during combustion of the fuel gas in the air was 2.3 kW.
すなわち,前述したバイオマスのガス化では,消費電力0.55kWに対し,生成ガスの燃焼により発生する化学的エネルギーは2.3kWとなる。従って,反応炉に入力した総合熱容量は,「0.55+2.3=2.85kW」であり,入力熱量(0.55kW)に対する増加は,「2.85/0.55≒
5.2倍」となり,高効率でのガス化を行うことができた。That is, in the gasification of biomass described above, the chemical energy generated by the combustion of the generated gas is 2.3 kW for a power consumption of 0.55 kW. Therefore, the total heat capacity input to the reactor is “0.55 + 2.3 = 2.85 kW”, and the increase with respect to the input heat quantity (0.55 kW) is “2.85 / 0.55≈
5.2 times ", and gasification with high efficiency was achieved.
混合モデルをガス化した試験例では,発熱量8.17MJ/m3の燃料ガスが,10.0リットル/分で出力された。この燃料ガスの空気中における燃焼時の熱出力は1.36kWであった。In the test example in which the mixed model was gasified, fuel gas with a calorific value of 8.17 MJ / m 3 was output at 10.0 liters / minute. The heat output during combustion of the fuel gas in air was 1.36 kW.
すなわち,前述した混合モデルのガス化では,消費電力0.55kWに対し,生成ガス燃焼により発生する化学的エネルギーは1.36kWとなる。従って,反応炉に入力した総合熱容量は「0.55+1.36=1.91kW」であり,入力(0.55kW)に対する増加分は,「1.91/0.55≒3.47倍」となり,いずれの原料を使用した場合においても,高効率でガス化を行うことができた。 That is, in the gasification of the mixed model described above, the chemical energy generated by the product gas combustion is 1.36 kW for the power consumption of 0.55 kW. Therefore, the total heat capacity input to the reactor is “0.55 + 1.36 = 1.91kW”, and the increase with respect to the input (0.55kW) is “1.91 / 0.55≈3.47 times”. , No matter which raw material was used, gasification could be performed with high efficiency.
試験例2
プラズマジェット入力-100kW。ごみ(医療廃棄物)の処理能力-53kg/h,水流量-27kg/h。プラズマ噴流温度-2800℃。反応炉内温度 -1100℃。生成ガス成分,% 重量:Н2- 65, СО- 35。発熱量 - 11,42 MJ/mn3。生成ガス出力 (1,5 mn3/kg) - 80,0 mn3。ガス燃焼時の熱量- 253 kW。炉内総合熱量353 kW。原料の化学的エネルギーにより,総合熱量は入力電力の3,53倍となる。なお,上記において「mn3」は,気温20℃における気体の立方メートルである。Test example 2
Plasma jet input-100kW. Garbage (medical waste) treatment capacity -53kg / h, water flow -27kg / h. Plasma jet temperature -2800 ° C. Reactor temperature -1100 ° C. Product gas components,% by weight: Н 2 - 65, СО- 35 . Calorific value-11,42 MJ / mn3. Product gas output (1,5 mn3 / kg)-80,0 mn3. Calorific value during gas combustion-253 kW. The total heat inside the furnace is 353 kW. The total calorific value is 3,53 times the input power due to the chemical energy of the raw material. In the above, “mn3” is a cubic meter of gas at a temperature of 20 ° C.
1 ガス化装置
3 断熱材
9 円形交換器
10 反応炉
11 第1円形空洞(ゾーン1)
12 第2円形空洞(ゾーン2)
13 ガス化促進領域(ゾーン3)
21 排出ガス通路
21a 内側通路
21b 外側通路
21c 継手
22 蒸気プラズマ導入路
23 酸化剤導入路
30 電気アークプラズマジェット
40 供給装置
41 電動機
42 攪拌羽根
50 残灰排出装置
51 電動機
DESCRIPTION OF
12 Second circular cavity (zone 2)
13 Gasification Promotion Area (Zone 3)
21
Claims (13)
前記反応炉の中間領域において電気アークプラズマジェットで発生した高温度の水蒸気噴流を噴射して前記固体有機原料中の有機成分を一部ガス化させて燃料ガスを発生させ,
前記燃料ガスを発生させた領域に対し前記他端寄りの領域において反応炉内に酸化剤を吹き込んで,前記燃料ガスを燃焼させ,前記酸化剤の供給を行った領域において原料柱を加熱して,この酸化剤の導入を行った領域と該領域に対し前記他端寄りにある領域において前記固形有機原料中に残留する有機分を完全にガス化し,
前記他端側において前記反応炉10内を吸引し,固形有機原料より生成した燃料ガスを850℃以上の温度で取り出すことを特徴とする,固形有機原料のガス化方法。A dry granular solid organic raw material is introduced from one end side of a cylindrical reactor, and a raw material column that moves in the axial direction of the reactor from the one end side to the other end side is formed in the reaction furnace. ,
Injecting a high-temperature steam jet generated by an electric arc plasma jet in an intermediate region of the reactor to partially gasify an organic component in the solid organic raw material to generate a fuel gas;
An oxidant is blown into the reaction furnace in a region near the other end with respect to the region where the fuel gas is generated, the fuel gas is burned, and the raw material column is heated in the region where the oxidant is supplied. , And completely gasifying the organic component remaining in the solid organic raw material in the region where the oxidant has been introduced and the region closer to the other end relative to the region,
A gasification method for a solid organic material, wherein the inside of the reaction furnace 10 is sucked on the other end side, and a fuel gas generated from the solid organic material is taken out at a temperature of 850 ° C. or more.
前記循環流が形成された部分における反応炉内壁を1000〜1600℃まで加熱することを特徴とする請求項1又は2記載の固形有機原料のガス化方法。The steam jet is a superheated steam jet of 2000 to 3500 ° C., and the reactor is formed by blowing the steam jet in the tangential direction in the circumferential direction of the inner wall of the reactor through one or more electric arc plasma jets. Forming a circulation flow of the water vapor jet circulating in the circumferential direction,
The method for gasifying a solid organic raw material according to claim 1 or 2, wherein the inner wall of the reaction furnace in the portion where the circulating flow is formed is heated to 1000 to 1600 ° C.
前記第1円形空洞に対し前記反応炉の内径の0.1〜0.5倍の距離を隔てた前記他端寄りの位置で前記反応炉の内径を拡張して形成した第2円形空洞を設け,
前記反応炉外に配置された電気アークプラズマジェットが噴射した高温の水蒸気噴流を導入する蒸気プラズマ導入路を前記第1円形空洞において前記反応炉内の空間に連通し,
加熱された酸化剤を導入する酸化剤導入路を前記第2円形空洞において前記反応炉内の空間に連通すると共に,
前記反応炉内を吸引する排出ガス通路を,前記他端側において前記反応炉内に連通したことを特徴とする固形有機原料のガス化装置。A first circular cavity formed by expanding the inner diameter of the reaction furnace in an intermediate region in a cylindrical reaction furnace that is processed while moving the raw material charged from one end to the other end;
A second circular cavity formed by extending the inner diameter of the reaction furnace at a position near the other end that is 0.1 to 0.5 times the inner diameter of the reaction furnace with respect to the first circular cavity is provided. ,
A steam plasma introduction path for introducing a high-temperature steam jet jetted by an electric arc plasma jet arranged outside the reactor is communicated with the space in the reactor in the first circular cavity;
An oxidant introduction path for introducing a heated oxidant communicates with the space in the reactor in the second circular cavity,
An apparatus for gasifying a solid organic material, wherein an exhaust gas passage for sucking the inside of the reaction furnace is communicated with the inside of the reaction furnace on the other end side.
A region from the outlet of the second circular cavity to the other end of the reactor is formed in a shape that gradually increases the inner diameter from the outlet of the second circular cavity toward the other end of the reactor. The gasification apparatus of the solid organic raw material of any one of Claims 8-12 characterized by these.
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