JP2005247930A

JP2005247930A - ガス化システム、発電システム、ガス化方法および発電方法

Info

Publication number: JP2005247930A
Application number: JP2004057778A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Saiga; 亮宏齋賀; Munechika Ito; 宗親井藤; Akira Takeya; 亮武谷
Original assignee: Takuma Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】廃棄物などの被燃焼物を比較的低温域で加熱処理し、生成したガスの熱エネルギーを損なわずに、かつ、タール分解に伴う排出物の増加を抑制するとともに、生成ガスを有効に使用することができるガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法を提供する。
【解決手段】被燃焼物を導入する手段と、被燃焼物を加熱してガス化するガス化手段３と、ガス化手段の下流側に配置されてガス化手段から発生する生成ガスを除塵する第１段集塵手段４と、第１段集塵手段の下流側に配置されて第１段集塵手段から供出する生成ガスにタール分解触媒を供給する触媒供給手段８と、分解触媒を含んだ第１段集塵手段からの生成ガスを除塵する第２段集塵手段６と、除塵された生成ガスから熱回収する熱回収手段９と、この熱回収手段を通過した生成ガスを精製する精製手段１０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法に関し、詳しくは、熱効率の高い乾式ガス精製方式を採用したガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法に関するものである。

固形燃料や有機系廃棄物を、加熱して熱分解あるいは部分的に燃焼することによりガス化し、生成されたガスの有する熱エネルギーを発電に利用したり、燃料に変換したりする場合に、生成ガス中に含まれるタール分あるいは灰分を除去することが必要になる。その方法としては、一般に、燃料を酸素や水蒸気を利用してガス化し、その後段でさらに酸素を投入し、１０００℃以上の高温ガス化することによってタールを分解する方法が採られたり（例えば特許文献１参照）、あるいは灰分が少ない場合には、ガス化手段から生成するガスを水等を用いて急冷することによってタール分を除去する方法が採られる（例えば特許文献２参照）。
特開平１１−２９４７２６号公報特開平１１−２１５６５号公報

しかし、灰分を多く含む廃棄物などの被燃焼物のガス化においては、生成ガスを高温にし、タール分解あるいは灰融解を行うための高温の場を設ける必要がある。こうした場合、空気では部分燃焼の比率を上げざるをえず、ガス化効率が低下する。あるいは、ガス化剤として高濃度の酸素が必要となり、酸素を供給するための高価な酸素製造装置が必要となるという課題があった。

一方、タール除去のために急冷すると熱エネルギーの損失は免れず、また、タールや灰分を多量に含んだ廃水処理を必要とする。

さらに、タールや灰分を多量に含んだガスを熱交換器で冷却する際には、伝熱低下やダストの堆積といった課題が発生する。

そこで、本発明の目的は、廃棄物などの被燃焼物を比較的低温域で加熱処理し、生成したガスの熱エネルギーを損なわずに、かつ、タール分解に伴う排出物の増加を抑制するとともに、生成ガスを有効に使用することができるガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法を提供することにある。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すシステムおよび方法により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は、ガス化システムであって、被燃焼物を導入する手段と、被燃焼物を加熱してガス化するガス化手段と、該ガス化手段の下流側に配置されてガス化手段から発生する生成ガスを除塵する第１段集塵手段と、該第１段集塵手段の下流側に配置されて該第１段集塵手段から供出する生成ガスにタール分解触媒を供給する触媒供給手段と、前記分解触媒を含んだ第１段集塵手段からの生成ガスを除塵する第２段集塵手段と、除塵された前記生成ガスから熱回収する熱回収手段と、この熱回収手段を通過した前記生成ガスを精製する精製手段と、を備えることを特徴とする。すなわち、本発明は、被燃焼物のガス化システムにおいて、第１集塵手段を用いた灰分除去によって灰分による触媒効率の低下を防止し、触媒によるタール分解あるいは除去を効率的に行うことによって後段の熱回収処理およびガス精製処理を円滑かつ効率的に行うことができることを案出したもので、特に、灰分を含む固形燃料や有機系廃棄物などの被燃焼物から燃焼ガスを有効に生成するあるいは使用することができるガス化システムにおいて有効である。

ここで、本発明は、前記ガス化手段から熱回収手段までのガス温度を７００〜９００℃に制御することを特徴とする。本発明者は、ガス化手段において、処理温度を９００℃以下にすることによって燃焼によるエネルギー損失を抑え、さらに、灰分の除去およびタールの分解といった各工程を限定した温度範囲で行い、最終段階での熱回収を含む一貫した最適な温度制御を行って処理することとしたものである。つまり、被燃焼物を効率的にガス化するには、生成ガス中に含まれるタール分を分解し、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ₂）に可燃性ガスに転換し、ガス化効率を上げることが好ましい一方、タールを含んだガスは、流路に低温部があれば局部的な凝縮や堆積を招くことから７００〜８００℃以上の温度域を確保し、集塵およびタールの分解を行う必要がある。また、こうした工程中における温度の上下は、注入するエネルギーの増大・ロスの発生を招くこととなる。本発明はこうした観点を考慮したもので、熱回収までの温度制御の一貫性によって、効率的なガス化システムとすることができる。

また、本発明は、前記第１段集塵手段と前記第２段集塵手段との間に設けられた流路内に前記触媒供給手段から触媒を供給するとともに、第２段集塵手段にて集塵された触媒を前記触媒供給手段に戻すことにより、触媒の循環使用を可能とすることを特徴とする。本発明者は、上記のようにタール分解触媒を流路へ気流搬送することによって最適な条件で使用することができ、第２段集塵手段によって回収された触媒の循環利用を図ることができることを見出したもので、効率的なタール分解および触媒の再利用による触媒使用量の低減を図ることができる。

さらに、前記第２段集塵手段から前記触媒供給手段への循環経路間に触媒再生手段を設けることを特徴とする。上記の循環使用に際し、触媒の活性度が低下することを防止するために常時あるいは定期的な再生を行うことで、触媒の寿命をさらに延長することができる。特に、高温下で触媒再生手段を生成ガス処理流路から分離して設けることで、付着物の酸化燃焼等の触媒再生法を用いても、生成ガスに影響を及ぼすことがない。

本発明は、ガス化発電システムであって、上記のいずれかのガス化システムによって得られた燃料ガスを加圧する加圧手段と、該加圧手段により加圧された生成ガスを送給して発電する発電手段と、を備えることを特徴とする。上記のガス化システムによって得られた生成ガスは、高カロリーのクリーンな気体燃料であり、特別な処理をせずに有効に発電システムに使用することができるとともに、回収された熱エネルギーをも有効に活用することができる。また、有価物としては利用しにくい廃棄物を被燃焼物とした場合にあっては、環境を配慮した優れたガス化発電システムが可能となる。

本発明は、ガス化方法であって、ガス化手段により被燃焼物を加熱してガス化し、該生成ガスを除塵し、除塵された前記生成ガスを触媒によってタール分解し、前記分解触媒を含んだ生成ガスをさらに除塵し、除塵された前記生成ガスから熱回収し、熱回収した前記生成ガスを精製することを特徴とする。こうした方法によって、被燃焼物を最大限ガス化することを可能とし、円滑かつ効率的な熱回収処理およびガス精製処理を行うことができる。特に、固形燃料や有機系廃棄物などの被燃焼物から燃焼ガスを生成する場合に有効な方法である。

また、本発明は、ガス化発電システムであって、上記のガス化方法によって得られた燃料ガスを加圧し発電手段に送給して発電することを特徴とする。上記のガス化方法によって得られたクリーンな生成ガスは、有効に発電に使用することができるとともに、回収された熱エネルギーをも有効に活用することができる。特に、灰分が多い廃棄物を被燃焼物とした場合にあっては、エネルギー転換率が高く、エネルギーのリサイクル手法として優れた方法である。

本発明は、本発明は、被燃焼物をガス化して得られた生成ガスを、高温下で除塵し、触媒によるタール分解処理を行うため、被燃焼物の燃料ガス転換率を高め、さらに、後段でのタールによるガス流通路での膜層の発生あるいは凝縮・固化などによる閉塞を防止することができる。また、こうした処理によって、灰分の高い固形燃料においても高い効率で生成ガスを作製し、生成ガスを有効に使用することができるガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら被燃焼物の一例として有機系廃棄物を含む廃棄物を挙げて説明する。ここでいう有機系廃棄物とは、木屑や汚泥あるいは農業系などを含む広い概念で捉えた廃棄物をいう。

図１は、本実施形態に係るガス化システムの概略全体構造を例示する。
廃棄物は粉砕手段１により所定の大きさに粉砕され、粉砕された廃棄物は所定量以下の水分となるように乾燥手段２により乾燥される。乾燥手段２は、特に限定されるものではなく、従前の各種乾燥装置を使用することができ、直接加熱によるもの、間接加熱によるもの、あるいはヒータを用いるもの、蒸気を用いるものなど、種々の乾燥装置を適用できる。

乾燥された廃棄物は、ガス化手段の一種である循環流動層式ガス化手段３に投入され、部分燃焼により加熱、ガス化される。ガス化手段は後述のように各種の炉が用いられるが、多種多様な燃料に対応するには循環流動層式のガス化炉などが好適である。ガス化手段３は、炉内における流動媒体と燃料、ガス化剤との混合性に優れ、炉内を比較的均一な温度分布状態にすることができる。ガス化手段３は、７００〜９００℃で稼動し、ガス化剤を投入して廃棄物中の有機物を部分燃焼させ、ＣＯ、Ｈ₂あるいは炭化水素（ＨＣ）を含むガスを生成することができる。ガス化温度は、さらには８００〜９００℃がより好適である。また、ガス化剤としては、通常空気や水蒸気が用いられるが、高濃度酸素と水蒸気を用いることができる。

生成されたガスは、まず第１段集塵手段４により除塵される。この場合、生成ガス中の灰分、未燃成分は再度ガス化手段３内に戻すことも可能であり、ガス化手段３内を循環して十分な滞留時間を確保され、ガス化効率の向上に寄与されることになる。灰分は、第１段集塵手段４下方から系外に排出される。第１段集塵手段４としては、高温での使用に適した方法として、サイクロン式やフィルタ式が挙げられる。廃棄物のガス化システムにおいては、セラミックフィルタの使用が好適であり、その孔径としては、ガス中の飛灰、固形カーボン類を除去するため数１０μｍ程度のものを使用できる。この段階で灰分等を除去することで、後段のタール分解触媒の被毒（灰付着による活性劣化など）を防止し、触媒の長寿命化を図ることができる。

次に、生成ガスは管路５を介して第２段集塵手段６に搬送される。このとき、管路５において触媒供給手段８から供給されるタール分解触媒と混合され、管路５内において生成ガス中のタール分が分解しＣＯ、Ｈ₂あるいはＨＣに変換される。高温集塵手段４を通り抜けたタール分を分解・除去することで、後段の熱回収手段９や精製手段１０などでのタール分による内壁の膜層の形成や局部的な閉塞を防止することができるとともに、タール分をガス化することによりガス化効率の向上を図ることが可能となる。分解触媒は、特に限定するものではないが、上記７００〜９００℃の範囲で活性度が高いＮｉ系やアルカリ土類系などの触媒を使用することが可能である。また、本例において使用される触媒の形状は、上記のような気流搬送が容易でかつ反応性の高い１００〜５００μｍ程度の粒子状体を用いることで、管路５内での反応の迅速化を図ることができるとともに、後述の集塵手段による回収・再生が容易となる。なお、ガスと触媒の混合比は、被燃焼物によって調整する必要があるが、例えば、後述の表１のような条件においては、流量約１ｍ³／ｈｒのガスに対し約１０〜２０ｇの触媒を添加することによって、タール分がほぼ９５％以上分解することができた。

このとき、図１に示すように、触媒の循環使用を可能とすることが好適である。本発明では、上記のように気流搬送のため、ガス中に含まれる触媒を回収し、循環利用を図ることで、触媒の消費量を減らすことができる。また、触媒の混合を予め除塵された高温の生成ガスに対して行うことで触媒の被毒も少なく長期間活性を維持することができることから、より循環利用に適した条件となっている。さらに、第２段集塵手段６から触媒供給手段８への循環経路間に触媒再生手段７を設け、触媒の劣化を防止するために常時あるいは定期的な再生を行うことで、触媒の寿命をさらに延長することができる。再生には、触媒表面の付着物を酸化などの処理によって除去する方法が採られる。

特に、本発明では、触媒再生手段７が生成ガスと分離して設置されるため、酸化反応などの再生処理が、生成ガスに影響を及ぼさない点、および触媒の使用条件が高温であり、加熱手段を別途必要とせずに触媒の再生に必要な温度条件を確保することができるとともに、触媒再生手段７から供出した触媒をそのまま触媒供給手段８を介して生成ガスに導入することができ、非常に高い熱効率を維持することができる点優位性が高い。

第２段集塵手段６では、生成ガスの除塵を行うとともに、管路５にて混合したタール分解触媒を回収する。集塵手段６としては、上記同様サイクロン式やフィルタ式などが挙げられる。ここでは、略一定の粒子径の範囲内にある触媒粒子が主たる捕集対象となることから、例えば、サイクロン式やフィルタ式を用いることが好ましい。特に、高温を維持したままで、連続的に後段の再生処理を行い再度高温の管路５に供給する場合にあっては、サイクロン式を用いることが好適である。

以上の各手段において、稼動ガス温度を７００〜９００℃に制御することが好適である。触媒によるタール分の分解には７００℃以上が好ましい。しかし、１０００℃を超えるようなガス化手段あるいはタール分解手段を用いた場合には、後段の設備として高い耐熱性や耐久性を必要とすることになりコストアップを招来することになる。その一方、除塵あるいはタールの分解は上記温度範囲で十分機能する。従って、熱回収を含む一貫した温度制御を行い最適な処理を行うことによって、高いエネルギー転換率を得ることができる。

第２段集塵手段６により除塵された生成ガスは、熱回収手段である熱交換器９に送り込まれて熱回収される。上記のように、８００〜９００℃の高温ガス体が、熱交換器によって２００℃程度まで冷却される。回収された熱エネルギーは、本システムにおけるガス化手段や、系外のボイラや加熱炉などに送られて有効に利用される。熱交換器９は、シェルアンドチューブ式やボイラ水管構造などが用いられるが、本例の場合にあっては、ボイラ水管構造を用いることが好適である。

熱回収された生成ガスは、更に、精製手段１０によって所定の精製処理を施すことで、非常にクリーンな燃焼ガスを生成することができる。精製処理は、低温下で析出する物質の除去のため第３段集塵手段（図示せず）により除塵され、その後、湿式ガス精製法により、脱塩素処理、脱硫黄処理、脱アンモニア処理あるいは中和処理などが施され、クリーンな生成ガスとして精製することができる。第３段集塵手段は、除塵精度の面からはバグフィルタ等を用いることが好ましい。

このように、本発明は、有効に廃棄物などの被燃焼物のガス化を図るとともに、その工程中に発生するタール・灰分などを効率的に処理することを目的としたもので、被燃焼物のガス化システムにおいて、加熱してガス化した初期段階の高温状態でタール分解処理を行うことで、後段の熱回収処理およびガス精製処理を円滑かつ効率的に行うことができ、従来技術と異なり生成ガスを高温あるいは低温にして生成ガスの有する熱エネルギーを著しく減殺する必要がなく、しかも各プロセスにおいて生成ガス中の煤塵を適切に除去しているので、生成ガスの熱伝達率は向上し、生成ガスの有する高温エネルギーを有効に利用できる。灰分の多い固形燃料や有機系廃棄物などの被燃焼物から燃焼ガスを生成するガス化システムにおいて、特に有効である。

具体的に、本発明のガス化システムの各段階（手段）におけるガス組成を例示すると、表１のようになる。また、管路内でのタールは約９５％変換され、除塵手段あるいは精製手段における膜層の発生や局部的な閉塞の発生を防止し、有用な生成ガスを得ることができる。

本発明の別の実施の態様を図２に例示する。
上記のガス化システムによって得られた生成ガスは、高カロリーのクリーンな気体燃料であり、特別な処理をせずに有効に発電システムに使用することができるとともに、回収された熱エネルギーをも有効に活用することができる。図２は、本発明に係るガス化発電システムの１の構成を例示するものであって、図１に示すガス化システムによって得られた燃料ガスを加圧する加圧手段１１と、該加圧手段１１により加圧された生成ガスを送給して発電する発電手段１４および１６とを備えている。

ガス化手段３、集塵手段４および６、熱回収手段９、精製手段１０を介して精製された生成ガスは、加圧手段１１（例えば、コンプレッサなど）により加圧された後、燃焼手段１２に送給されて燃焼し、ガスタービン１３を駆動して、ガスタービン１３に接続されている発電手段１４によって発電に利用される。この場合、生成ガスの顕熱がガスタービン１３の効率向上に寄与できることになる。さらに、ガスタービン１３を駆動したガスの熱エネルギーは、ボイラ１７に送給されて蒸気発生に利用される。これらに利用された排ガス中には、煤塵が含まれていないため、さらに集塵器の設置は不要である。一方、熱回収手段９によって回収された熱エネルギーはボイラ１７などに送られて有効に利用される。この場合の熱交換条件は、ガス化システムあるいはボイラの規模などによって設定されるが、例えば、１２０℃程度に加熱された水蒸気を用いて、熱回収手段９から排出されるときには２００℃程度に加熱されてボイラ１７に送給される場合などがある。ボイラ１７から発生した水蒸気あるいは過熱蒸気は、蒸気タービン１５に送給されて利用され、これに接続する発電機１６により発電に寄与し得る。ボイラ１７を通過し、熱利用されたガスは、煙突１８から大気に放出される。このとき、放出されるガスは非常にクリーンであり、エネルギーのロスも非常に少なくすることができる。このように、本発明は、廃棄物などを被燃焼物とし、環境を配慮した優れたガス化発電システムが可能となる。

以上のように、本発明の実施態様を、被燃焼物の一例として有機系廃棄物を含む廃棄物を挙げて説明したが、本発明を適用することが可能な被燃焼物は、これに限定されるものではなく、各種固形燃料、産業廃棄物などであってもよい。また、実施可能なガス化手段については、流動層炉、循環流動層炉による部分酸化燃焼ガス化だけでなく、上記温度域の生成ガスを排出するガス化装置であればよい。さらに、上記の実施態様では、発電手段がガスタービンと蒸気タービンに接続される構成とされていて、高い発電能力を発揮する例を示したが、ガスタービン単独で使用するもの、あるいはガスエンジンを使用するものであってもよい。また、生成ガスを燃料として利用したり、精製処理し液体燃料に転換してもよい。

本発明の一の実施形態に係るガス化システムまたはガス化方法の説明図本発明の他の実施形態に係るガス化発電システムまたはガス化発電方法の説明図

符号の説明

３ガス化手段
４第１段集塵手段
５管路
６第２段集塵手段
７触媒再生手段
８触媒供給手段
９熱回収手段
１０精製手段
１１加圧手段
１２燃焼手段
１３ガスタービン
１４、１６発電手段
１５蒸気タービン
１７ボイラ

Claims

被燃焼物を導入する手段と、被燃焼物を加熱してガス化するガス化手段と、該ガス化手段の下流側に配置されてガス化手段から発生する生成ガスを除塵する第１段集塵手段と、該第１段集塵手段の下流側に配置されて該第１段集塵手段から供出する生成ガスにタール分解触媒を供給する触媒供給手段と、前記分解触媒を含んだ第１段集塵手段からの生成ガスを除塵する第２段集塵手段と、除塵された前記生成ガスから熱回収する熱回収手段と、この熱回収手段を通過した前記生成ガスを精製する精製手段と、を備えることを特徴とするガス化システム。
前記ガス化手段から熱回収手段までのガス温度を７００〜９００℃に制御することを特徴とする請求項１記載のガス化システム。
前記第１段集塵手段と前記第２段集塵手段との間に設けられた流路内に前記触媒供給手段から触媒を供給するとともに、第２段集塵手段にて集塵された触媒を前記触媒供給手段に戻すことにより、触媒の循環使用を可能とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス化システム。
前記第２段集塵手段から前記触媒供給手段への循環経路間に触媒再生手段を設けることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のガス化システム。
請求項１〜４いずれかに記載のガス化システムによって得られた燃料ガスを加圧する加圧手段と、該加圧手段により加圧された生成ガスを送給して発電する発電手段と、を備えることを特徴とするガス化発電システム。
ガス化手段により被燃焼物を加熱してガス化し、該生成ガスを除塵し、除塵された前記生成ガスを触媒によってタール分解し、前記分解触媒を含んだ生成ガスをさらに除塵し、除塵された前記生成ガスから熱回収し、熱回収した前記生成ガスを精製することを特徴とするガス化方法。
請求項６記載のガス化方法によって得られた燃料ガスを加圧し発電手段に送給して発電することを特徴とするガス化発電方法。