JP2008248068A - 廃棄物のガス化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動床式のガス化炉における炭化物のガス化を安定化させること。
【解決手段】廃棄物を熱分解して生成される炭化物を縦型のガス化炉内に投入して充填層を形成し、この充填層の下方から酸化剤ガスを供給して部分燃焼による燃焼帯と熱分解帯とを形成し、炉上部から生成ガスを排出するとともに、炉底部から燃焼残渣を抜き出す廃棄物のガス化方法であって、炭化物の粉状物を無機バインダーと混合してペレット状に固化させた固形物をガス化炉内に投入するようにする。これにより、充填層の燃焼帯の形成を安定化させ、炭化物を安定的にガス化させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、廃棄物のガス化方法に係り、特に、移動床式のガス化炉を用いた廃棄物のガス化方法に関する。

従来、家庭やオフィスなどから出される都市ごみなどの一般廃棄物、廃プラスチック、カーシュレッダー・ダスト、電子機器、化粧品などの産業廃棄物を処理する方法として、これらの廃棄物を熱分解炉（例えば、熱分解ドラム）に入れて低酸素雰囲気で熱分解し、熱分解ガスと主として不揮発性成分からなる熱分解残渣とを生成し、この熱分解残渣を冷却した後、熱分解カーボンを主体とする可燃物（以下、炭化物と称する。）を分離し、この分離された炭化物と熱分解ガスとを燃焼溶融炉に導いて燃焼処理し、生じた燃焼灰を高温の燃焼熱で溶融させて溶融スラグとなし、この溶融スラグを排出して冷却固化する方法が知られている。このように、廃棄物の燃焼処理においては、廃棄物を熱分解して得られた熱分解ガスや炭化物を燃焼溶融炉の熱源として利用するようにしている。

これに対し、近年、炭化物の熱分解ガスをガスエンジンなどのガス燃料として利用する試みが検討されている。例えば、バイオマスを熱分解して生じた炭化物を部分燃焼ガス化炉に入れて部分燃焼し、生じた可燃性ガスをガス燃料として利用するバイオマスのガス化方法が開示されている（特許文献１参照。）。

一方、本発明者らは、木屑や一般ごみ等の廃棄物をガス化させる方法として、移動床式のガス化炉に係る技術を報告している（特許文献２参照。）。例えば、粉砕された廃棄物を縦型のガス化炉に投入して充填層を形成し、炉底部から酸化剤ガスを供給して部分燃焼させ、炉高方向に燃焼帯、熱分解帯、乾燥帯を形成し、炉底部から燃焼残渣を抜き出すとともに、炉上部から排出された生成ガスを回収し、適宜、改質処理を施すことにより、ガス燃料を得ることができる。

このように移動床式のガス化炉を用いて、熱分解後の炭化物をガス化させることにより、生成ガスを効率よく回収することができる。

特開２００５−１１２９５６号公報 特開２００４−２５５２号公報

しかしながら、特許文献２に記載の移動床式のガス化炉を用いて炭化物をガス化させる場合、熱分解残渣から分離された炭化物の多くは、微粉状のため、例えば、充填層の圧力損失が増加して酸化剤ガスの供給が不足し、或いは、充填層が流動化して燃焼帯の形成が不安定になり易いことから、炭化物のガス化効率が低下するおそれがある。

本発明は、移動床式ガス化炉における炭化物のガス化を安定化させることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、廃棄物を熱分解して生成される炭化物を縦型のガス化炉内に投入して充填層を形成し、この充填層の下方から酸化剤ガスを供給して部分燃焼による燃焼帯と熱分解帯とを形成し、炉上部から生成ガスを排出するとともに、炉底部から燃焼残渣を抜き出す廃棄物のガス化方法であって、炭化物の粉状物を無機バインダーと混合してペレット状に固化させた固形物をガス化炉に投入することを特徴とする。

このように、熱分解して得られた粉状の炭化物を固化させて、所定の大きさ、重さの固形物を形成し、この固形物をガス化炉に投入することにより、充填層には空隙が形成されるため、圧力損失の増加と流動化を抑制し、炭化物のガス化を安定化させることができる。また炭化物は、無機系のバインダーを用いて固化させているため、その固形物が高温の燃焼帯を通過する際に、溶融したり、粉化することがなく、所定の形状を保つことができる。

また、無機バインダーは、化学的にも、熱的にも比較的安定しているため、炉底部から抜き出した状態においても、元の状態とかわらず、炭化物の固化に再利用することができる。

この場合、例えば、炉底部から抜き出した燃焼残渣を分級し、所定以上の粒径の粒状物を固形物の無機バインダーとして用いるようにする。これによれば、選別が簡単になり、リサイクルを自動化することができる。

ここで、無機バインダーは、水酸化カルシウム、消石灰、炭酸カルシウム、アルミナ、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、珪藻土のうち、少なくとも１種を含むことが好ましい。これらの無機バインダーは、一般に市販されているため、入手が容易で、かつ経済的である。

また、ガス化炉においては、充填層の下方から酸化剤ガスとともに、水蒸気を供給することが好ましい。これによれば、炭化物が熱分解する際に生成される炭化水素分（チャー）の一部が水蒸気と反応してＣＯとＨ_２に転換されるため、ガス化効率をさらに向上させることができる。

また、ガス化炉から排出された生成ガスは、例えば、改質炉に導いて部分燃焼させることにより、生成ガス中に含まれるタール分を熱分解することが好ましい。例えば、炭化物の熱分解ガスは、充填層を上昇する過程でガス中のタール分の殆どが冷却されて凝縮し、充填物に付着して除去されるが、ガス中に僅かにタール分が残ることがある。そのため、ガス化炉の後段で生成ガスを部分燃焼させて、タール分を加熱し熱分解することにより、生成ガスを清浄化することができる。

本発明によれば、移動床式ガス化炉における炭化物のガス化を安定化させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の廃棄物ガス化方法を適用してなる第１の実施形態の廃棄物ガス化システムの系統図である。この廃棄物ガス化システムは、一般ごみや産業廃棄物、バイオマスなど（以下、廃棄物と称する）のガス化に好適に使用されるが、これらに限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態の廃棄物ガス化システムは、熱分解ドラム１、固化装置３、移動床式のガス化炉５、分級機７、ガス改質炉９、ガス精製装置１１を備えている。

熱分解ドラム１（熱分解キルンともいう。）は、例えば、図示しないシール機構によりその内部は低酸素雰囲気に保持されており、下流のガスエンジン１５の排ガスがラインＬ１から熱分解ドラム１の伝熱管に供給されるようになっている。熱分解ドラム１に供給された排ガスは、伝熱管を通じて内部を加熱した後、煙突１７から排出される。熱分解ドラム１内に投入された廃棄物は、所定温度（例えば、３００〜６００℃、通常４５０℃程度）に加熱されて熱分解され、この熱分解により主として不揮発性の熱分解残渣と熱分解ガス（乾留ガス）を生成する。この熱分解ガスは、ラインＬ２からガス改質炉９に供給されて、部分燃焼によりタール分が除去される。

熱分解ドラム１から排出された熱分解残渣は、熱分解ドラム１の後段に接続される分別装置１３により、例えば、金属類、陶器、砂利あるいはコンクリート片のガレキなど、不燃物が取り除かれ、燃焼性成分の粉状の炭化物が分別される。この粉状の炭化物は、固化装置３に送られて、所定の形状、大きさに固化され、ペレット状の固形物（以下、単にペレットという。）となる。このペレットは、ガス化炉５に供給されて充填層を形成する。ガス化炉５は、充填層の一部を燃焼させて、生成ガスを排出する。

図２は、移動床式のガス化炉５の主要部の一例を説明する構成図である。図に示すように、ガス化炉５は、筒状縦型の容器２１の頂部に、炭化物ペレットを投入する投入口２３が設けられている。投入口２３には、例えば、炭化物ペレットの搬送機（例えば、スクリューフィーダ）が連結されている。

容器２１の上方には、生成ガスを排出するガス排出口２５が設けられ、底部には、燃焼用の酸化剤ガス（例えば、空気など）及び水蒸気を供給するガス化剤供給口２７が設けられている。このガス化剤供給口２７は、例えば、底部に設けられた回転式抜き出し機２８の回転軸２９の先端に形成される。回転式抜き出し機２８の回転軸２９はモータ３１に連結され、回転軸２９の回転に伴って回転羽根３３が回転することによりペレットの燃焼残渣を半径方向に切り出して、排出口３５から抜き出すようになっている。

ガス改質炉９には、ガス化炉５のガス排出口２５から排出された生成ガスがラインＬ３を通じて供給されるとともに、別系統のラインを通じて空気（酸素）が供給される。ガス改質炉９の排出口は、ガス精製装置１１に接続されている。ガス精製装置１１は、例えば、ガス冷却塔、凝縮塔、吸着塔などから構成される。ガス精製装置１１を経て精製されたガスは、図示しないガスホルダに貯蔵された後、ガスエンジン１５に供給される。一方、ガス精製装置１１から排出される排水は、排水処理装置１９に導かれて排水処理される。

次に、ペレットの製造方法とガス化の動作について詳細に説明する。

固化装置３に導かれた粉状の炭化物は、無機バインダーと水が所定の割合（例えば、炭化物：無機バインダー：水の重量比が、１００：１０〜３０：１０〜２０）で添加されて混練され、所定の形状、大きさのペレット（例えば、φ８ｍｍ×２０〜３０ｍｍの円柱状）が成形される。このペレットは、成形体の状態で形状が維持できる程度に固化されている。

このようにして固化された炭化物のペレットは、ガス化炉５の投入口２３から炉内に投入され、底部から充填層を形成する。ペレットの投入量は少なくともガス化炉１の頂部に所定の空間、つまり充填層の設定高さが確保されるように調整される。

ペレットが充填されたガス化炉１内にガス化剤供給口２７から酸化剤を供給し、図示しない着火用熱風機から高温空気を吹き込むことにより着火を行う。そして、酸化剤ガスの供給量を調節し、主として炉底部の充填層のみを部分燃焼させて燃焼帯を形成する。この燃焼帯の燃焼熱により充填層の上層は加熱されて熱分解され、発生した熱分解ガスは充填層、つまりペレット間の隙間を通って炉内を上昇し、ガス排出口２５から排出される。

充填層の部分燃焼及び熱分解が安定する定常状態になると、底部近傍から安定した燃焼帯４１が形成され、その上部には熱分解帯４３が形成され、さらにその上部には乾燥帯４５が形成される。炭化物は、例えば、約３００℃以上に達すると熱分解されるため、この温度域を超えた充填層の領域が熱分解帯４３となる。熱分解帯４３では、ペレットの炭化物成分が熱分解されて可燃性の熱分解ガスと僅かの炭素（チャー）が生成される。ここで生成されたチャーの一部は、ガス化剤供給口２７から供給される水蒸気と反応して、ＣＯ、Ｈ_２が生成される。

このようにして生成された生成ガスは、上層の充填層の隙間を流れて上昇する過程で乾燥帯４５のペレットを乾燥させる。これにより生成ガスは廃棄物と熱交換して減温（例えば、約２００℃）され、ガス排出口２５から排出される。

一方、乾燥帯４５で乾燥されたペレットは、回転式抜き出し機２８の回転動作により熱分解帯４３を下方に移動する過程で構成成分の炭化物が熱分解され、続いて、燃焼帯４１に移動して、熱分解及び燃焼されて灰になる。

ここで、ペレットは、炭化物が燃焼して空隙を生じるが、無機バインダーにより骨格が形成されているため、燃焼帯４１を通過する際に粉化することがなく、形状を安定して保つことができる。これにより、燃焼帯４１も所定の炉高位置に水平方向で均一に形成することができる。また、充填層には空隙が形成されるため、圧力損失の増加が抑制され、酸化剤ガスを断面方向で均一に供給することができる。

炭化物が燃焼されて灰と無機バインダーとなった燃焼残渣は、燃焼帯４１の下層に形成される冷却帯４７を流下し、回転式抜き出し機２８により切り出されて排出口３５から炉外へ排出される。

本実施形態では、ペレットを構成する無機バインダーとして、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）を用いている。この水酸化カルシウムは、約５８０℃で水を放出して消石灰（ＣａＯ）となる。消石灰の融点は約２０００℃以上であるから、燃焼帯（例えば、約１０００℃）でも溶融されることがなく、そのまま灰とともに底部から排出される。このため、消石灰を無機バインダーとして用いることもできる。また、その他の無機バインダーとして、例えば、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）、珪藻土（ＳｉＯ_２）等を用いることができる。これらは、単独で使用してもよいし、混合して使用するようにしてもよい。

ガス化炉５から排出された灰と無機バインダーは、必要に応じて粉砕された後、分級機７に導かれる。分級機７では、例えば、１ｍｍ目の篩で篩分けした後、篩を通過した灰を除いた残りの残渣は、無機バインダーとして回収し、再利用される。すなわち、分級機７で選別された無機バインダーは、固化装置３に移送されて炭化物と混合される。

一方、ガス改質炉９には、ラインＬ３を介してガス化炉５から生成ガスが供給されるとともに、熱分解ドラム１からラインＬ２を介して熱分解ガスが供給される。ガス改質炉９では、これらのガスを別系統で供給された燃焼用の空気を用いて部分燃焼することにより、所定の温度（例えば、約８００℃）に加熱する。この加熱により生成ガスや熱分解ガス中のタール分が分解除去される。また、ガス中に水蒸気が含まれている場合は、炉内で水性ガス化反応が進行するため、ガス化効率をさらに向上させることができる。

このようにガス改質炉９において部分燃焼し、炉内から排出された改質ガスは、ガス精製装置１１を通じて、冷却、清浄化され、ガスホルダに一時貯蔵された後、ガスエンジン１５に燃料ガスとして供給される。

以上述べたように、本実施の形態では、廃棄物の熱分解残渣に由来する微粉状の炭化物を無機バインダーと混合して固化させ、ペレット状の固形物とした後、この固形物を移動床式のガス化炉に導入して充填層を形成するようにしているから、ガス化炉内において、充填層の圧力損失の上昇を抑えるとともに、燃焼帯の形成を安定化させ、炭化物のガス化効率を向上させることができる。

また、従来、移動床式のガス化炉においては、ガス化を安定化させるため、所定の大きさの不燃性ペレットを廃棄物とともに添加していたが、本実施の形態によれば、炭化物の固形物自体が移動媒体となり、不燃性ペレットの役割を果たすため、不燃性ペレットが不要になるという利点がある。

次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。

図３は、本発明の廃棄物ガス化方法を適用してなる第２の実施形態の廃棄物ガス化システムの系統図である。なお、図１と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

この廃棄物ガス化システムは、廃棄物ガス化システムの施設外に固化装置３が設置され、その施設外でペレット化された炭化物を施設内のガス化炉５に導入してガス化させるように構成したものであり、他の構成は第１の実施の形態と基本的に同じである。なお、施設内には、熱分解ドラム１が設けられていないため、ガスエンジン１５から排出される排ガスは煙突１７から大気に放出される。

このように構成しても、炭化物の固化物を施設内まで搬送することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、加えて、設備の設計自由度を高めることができる。

なお、本実施の形態では、廃棄物ガス化システムの施設外に設置される固化装置３を用いて炭化物を固化する例を説明したが、この例に限らず、例えば、施設外で回収された炭化物を施設内に設置される固化装置３により固化させるようにしても、同様の効果を得ることができる。

本発明の廃棄物ガス化方法を適用してなる第１の実施形態の廃棄物ガス化システムの系統図である。 本発明の廃棄物ガス化方法を実施する移動床式のガス化炉の主要部を説明する構成図である。 本発明の廃棄物ガス化方法を適用してなる第２の実施形態の廃棄物ガス化システムの系統図である。

符号の説明

１ 熱分解ドラム
３ 固化装置
５ ガス化炉
７ 分級機
９ ガス改質炉
１１ ガス精製装置
１３ 分別装置
１５ ガスエンジン

Claims (5)

1. 廃棄物を熱分解して生成される炭化物を縦型のガス化炉内に投入して充填層を形成し、この充填層の下方から酸化剤ガスを供給して部分燃焼による燃焼帯と熱分解帯とを形成し、炉上部から生成ガスを排出するとともに、炉底部から燃焼残渣を抜き出す廃棄物のガス化方法であって、
   前記炭化物の粉状物を無機バインダーと混合してペレット状に固化させた固形物を前記ガス化炉内に投入することを特徴とする廃棄物のガス化方法。
2. 前記炉底部から抜き出した燃焼残渣を分級し、所定以上の粒径の粒状物を前記固形物の無機バインダーとして再利用することを特徴とする請求項１に記載の廃棄物のガス化方法。
3. 前記無機バインダーは、水酸化カルシウム、消石灰、炭酸カルシウム、アルミナ、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、珪藻土のうち、少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の廃棄物のガス化方法。
4. 前記充填層の下方から前記酸化剤ガスとともに水蒸気を供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の廃棄物のガス化方法。
5. 前記ガス化炉から排出された生成ガスを部分燃焼して、この生成ガスに含まれるタール分を熱分解することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の廃棄物のガス化方法。

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