JP2017222735A - 有機物の熱分解あるいはガス化システムと方法、および生成ガスの精製システムと方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機性廃棄物やバイオマスなどの有機物の熱分解あるいはガス化によって得られる可燃性ガスを効率よく、かつ低コストで精製するためのシステム、方法を提供する【解決手段】有機物を加熱することによって可燃性ガスを生成するガス化炉と、可燃性ガスを吸収剤を用いて精製するスクラバーと、吸収剤を遠心分離、あるいは濾過によって精製する再生装置を有する熱分解あるいはガス化システムが提供される。熱分解あるいはガス化システムはさらに、スクラバーによって精製された可燃性ガスを用いて発電する発電装置を有してもよい。熱分解あるいはガス化システムはさらに、スクラバーと再生装置の間で吸収剤を循環させるポンプを有してもよい。吸収剤は、植物油でもよい。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態の一つは、有機性廃棄物やバイオマスのエネルギー源としての利用に関する。

近年、資源の有効利用や地球環境の保全のため、汚泥や廃プラスチックなどの有機性廃棄物、あるいはバイオマスなどがエネルギー源として積極的に活用されている。有機性廃棄物やバイオマスには有機物が含まれており、これを熱分解あるいはガス化すると、水素や一酸化炭素、メタン、エタンなどの可燃性ガスが取り出される。これらのガスは車両、燃焼機器、発電装置、水素製造装置などに用いられる。有機物の熱分解あるいはガス化は、低酸素濃度の環境下で加熱することで行われる。このときに副生するタールを除去する方法として、植物油を用いた精製（スクラビング）が提案されている（非特許文献１参照）。

「バイオリソーシステクノロジー」、（オランダ）、２０１１年１月、１０２巻、２号、ｐ５４３−５４９

本発明の課題の一つは、有機性廃棄物やバイオマスの熱分解あるいはガス化によって得られる可燃性ガスを効率よく、かつ低コストで精製するためのシステム、方法を提供することである。あるいは本発明の課題の一つは、ガスの精製時に用いる吸収剤を再生するためのシステム、方法を提供することである。あるいは本発明の課題の一つは、上記システム、方法と連動して用いることが可能な気泡発生装置を提供することである。

本発明の実施形態の一つは、有機物を加熱することによって可燃性ガスを生成するガス化炉と、可燃性ガスを吸収剤を用いて精製するスクラバーと、吸収剤を遠心分離、あるいは濾過によって精製する再生装置を有する熱分解あるいはガス化システムである。

熱分解・ガス化システムはさらに、スクラバーによって精製された可燃性ガスを用いて発電する発電装置を有してもよい。熱分解あるいはガス化システムはさらに、スクラバーと再生装置の間で吸収剤を循環させるポンプを有してもよい。吸収剤は、植物油でもよい。

スクラバーは、吸収剤中に可燃性ガスの気泡を発生する気泡発生装置を有してもよい。スクラバーは、吸収剤を保持するタンクと、タンクと気泡発生装置の間で吸収剤を循環させるポンプをさらに有してもよい。気泡発生装置は、平均直径が１５０μｍ以上３５０μｍ以下の気泡を発生させるように構成してもよい。

気泡発生装置は、吸収剤の注入口、排出口、および注入口と排出口の間のスロートとを有するチューブ、ならびにスロートと連結されるガス注入口を有し、注入口の断面積、排出口の断面積は、スロートの断面積よりも大きくてもよい。チューブは、注入口とスロートの間に第１の部分と第２の部分を有することができ、第１の部分は注入口を含み、第２の部分はスロートと接し、第１の部分の断面積は、注入口から第２の部分への方向において一定であってもよい。第２の部分の内壁は、上記方向に対して傾いてもよい。内壁の傾きは、第２の部分において一定でもよい。

本発明の実施形態の一つは、有機物を熱分解あるいはガス化することによって可燃性ガスを生成し、可燃性ガスを吸収剤で精製し、可燃性ガスの精製に用いた吸収剤を遠心分離、あるいは濾過によって再生することを含む熱分解あるいはガス化方法である。

熱分解あるいはガス化方法はさらに、精製された可燃性ガスを用いて発電することを含んでもよい。熱分解あるいはガス化方法はさらに、再生された吸収剤を循環し、再生された吸収剤によって可燃性ガスを精製することを含んでもよい。吸収剤は植物油でもよい。

吸収剤による可燃性ガスの精製は、吸収剤中に可燃性ガスの気泡を発生することを含んでもよい。気泡は、平均直径が１５０μｍ以上３５０μｍ以下となるように発生させてもよい。

上記の熱分解あるいはガス化システム、ならびに方法において、交互する複数の第１の層と複数の第２の層が積層されたカラム内に吸収剤を通すことによって濾過を行ってもよい。第１の層は、活性炭、珪藻土、シリカゲル、アルミナ、ケイ酸マグネシウム、ゼオライトから選択される材料を含むことができ、第２の層は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリウレタンから選択される材料を含んでもよい。

本発明の一実施形態の熱分解あるいはガス化システムのフローチャート。 本発明の一実施形態の熱分解あるいはガス化システムの模式図。 本発明の一実施形態の熱分解あるいはガス化システムのガス化炉の模式図。 本発明の一実施形態の熱分解あるいはガス化システムのスクラバー、気泡発生装置の模式図。 本発明の一実施形態の熱分解あるいはガス化システムの再生装置の遠心分離機の模式図。 本発明の一実施形態の熱分解あるいはガス化システムの再生装置の濾過装置の模式図。 実施例における実験装置の構成図。 吸収剤の遠心分離で用いる遠沈管の模式図と写真。 吸収剤の再生を行わない場合の、可燃性ガス精製時間に対する可燃性ガス中のタール濃度のプロット。 吸収剤の再生を遠心分離によって行った場合の、可燃性ガス精製時間に対する可燃性ガス中のタール濃度のプロット。 吸収剤の再生を濾過によって行った場合の、可燃性ガス精製時間に対する可燃性ガス中のタール濃度のプロット。 吸収剤の再生を濾過によって行った場合の、各軽質タール成分の除去効率。 吸収剤の再生を濾過によって行った場合の、各軽質タール成分の除去効率。 吸収剤の再生を遠心分離によって行った場合の、各軽質タール成分の除去効率。 吸収剤の再生を遠心分離によって行った場合の、各軽質タール成分の除去効率。 気泡発生装置を用いるスクラバーの模式図。 気泡発生装置で発生させた微小気泡の写真。 気泡発生装置で発生させた微小気泡の平均直径とタール除去率との関係。

以下、本発明の各実施形態について、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。

以下本明細書および請求項では、有機性廃棄物とバイオマスを総じて有機物と記す。また、熱分解あるいはガス化を総じてガス化と記す。

（第１実施形態）
本実施形態では、有機物をエネルギー源として利用するシステムの一つとして、ガス化システムに発電機を付加したシステムを例として説明する。

［１．システムフロー］
図１にガス化システムのフローチャートを示す。ガス化システムは、有機物をガス化するステップ１００を含む。具体的には、有機物を酸素の非存在下、あるいは低濃度の酸素存在下で４００℃から１０００℃程度の温度で加熱する。酸素供給量は、有機物を完全燃焼するための酸素供給量に対し、約５％以上５０％以下の供給量とすればよい。この処理により、主に一酸化炭素と水素を含む可燃性ガス（以下、合成ガスとも記す）を得ることができる。

用いられる有機物に限定はなく、例えば間伐材、剪定廃材、建築廃木材、農業廃棄物、あるいは食品加工時に発生する残渣、農業廃棄物、繊維廃棄物、プラスチック材などが挙げられる。あるいは、災害時に発生する、木材を含む瓦礫でもよい。

合成ガスには、高温では気体であるが、常温では液体、あるいは固体となる有機物がタールとして含まれ、発電装置その他の下流機器の閉塞を引き起こす。そこで、合成ガスの精製（スクラビング）を行って、タールを除去する（ステップ１０２）。詳細は後述するが、合成ガスを吸収剤にバブリングさせる、あるいは合成ガスに対して吸収剤を散布するなどの手法によってタールを吸収剤に吸収させる。バブリングを行う場合には、合成ガスの微小な気泡（微小気泡、マイクロバブル）を吸収剤にバブリングさせてもよい。吸収剤としては、常温で液体であり、不飽和脂肪酸とグリコールのエステルを含むものが好ましい。不飽和脂肪酸としては、例えばエルシン酸、オレイン酸、リシノール酸、リノール酸などが挙げられる。このような吸収剤の一例として植物油が挙げられ、キャノーラ油、ひまし油、コーン油、大豆油、ごま油、ベニバナ油なども利用可能である。

精製された合成ガスは発電装置へ供給され、燃焼され、得られる熱エネルギーが電力に変換される（ステップ１０４）。

さらに本システムでは、合成ガスの精製（ステップ１０２）において使用される吸収剤の回収、再生を行ってもよい（ステップ１０６）。詳細は後述するが、吸収したタールと吸収剤の比重の差を利用し、遠心分離によってタールと吸収剤を分離し、吸収剤を再生、再利用する。あるいは、濾過によって吸収剤を再生、再利用する。これにより、低コストで合成ガスの精製が可能となる。

［２．ガス化］
図２に本実施形態のガス化システムの構成を模式的に示す。ガス化システムは、有機物のガス化を行うガス化装置２００、ガス化によって生成する合成ガスの精製装置（スクラバー）３００、スクラバー３００で用いる吸収剤の再生装置４００、ならびに精製後の合成ガスを用いて発電を行う発電装置６００を有している。

ガス化装置２００は、ガス化炉２０６を有しており、ホッパー２０２から投入された有機物がフィーダー２０４によってガス化炉２０６に送られる。また、空気が導入口２０８からガス化炉に供給される。図２に示したガス化炉２０６はダウンドラフト型のガス化炉であるが、アップドラフト型のガス化炉を用いてもよい。ガス化炉２０６の上部から投入された有機物は、低濃度の酸素存在下で加熱され、可燃性の合成ガスと灰または炭化物を与える。ガス取出し口２１８から取り出された合成ガスは、バルブ２１４、ガス管２１６を介してスクラバー３００へ導入される。一方、灰または炭化物は排出コンベア２１０によってガス化炉２０６から取り出され、搬出ボックス２１２へ排出される。

図３にガス化炉２０６の模式図を示す。ガス化炉２０６の上部の開口部から有機物が投入され、有機物が約４００℃から１０００℃の温度で加熱される。加熱には、バイオマスの燃焼によって得られるエネルギーを用いてもよい。導入口２０８から空気をガス化炉２０６へ導入することができる。供給する空気に含まれる酸素の量は、有機物の完全燃焼に必要な酸素量に対し、約５％以上５０％以下とすればよい。

投入された有機物は、ガス化炉２０６の上部で原料層２２０を形成する。その後自重により、有機物は徐々に下へ移動し、ガス化炉２０６内の高温度により水分が除去される。この現象が主に生じるのが乾燥層２２２である。その後有機物は熱分解され、可燃性ガスやタールなどの揮発成分が発生する。そしてタールの一部は８００℃前後の温度で燃焼、分解される。この現象が主に生じるのが熱分解／燃焼層２２４である。最下層の還元層２２６では還元反応が生じ、合成ガスである一酸化炭素、水素、あるいはメタンなどが生成するとともに、有機物は灰または炭化物となる。ガス化炉２０６はＶ字型の底部２２８を有しており、その開口部２３０から灰または炭化物が取り出される。一方合成ガスはガス化炉２０６の側面などに設けられるガス取出し口２１８から取り出される。

［３．スクラビング］
合成ガスには、微量のタールが含まれる。タールは主に、高温では気体として存在するが、常温では液体、あるいは固体として存在する有機化合物を含む。合成ガスはバルブ２１４、ガス管２１６などを介してスクラバー３００へ導入され、スクラバー３００においてタールが除去される（図２）。図４（Ａ）にスクラバー３００の模式図を示す。図４（Ａ）に示すように、スクラバー３００は、タンク３０４、ノズル３０６、気泡発生装置３０８、ポンプ３１０、フローメーター３１２、圧力ゲージ３１４などを備えている。

タンク３０４は吸収剤３０２を保持する機能を有する。タンク３０４はアクリル樹脂、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの材料を含むことができる。これらの高分子材料とガラス繊維を混合した複合材料を用いてもよい。上述したように、吸収剤３０２としては、常温で液体であり、不飽和脂肪酸とグリコールのエステルを含むものが好ましく、一例として植物油が挙げられる。

ポンプ３１０はタンク３０４から吸収剤３０２を吸引して気泡発生装置３０８へ輸送し、さらにノズル３０６を通してタンク３０４へ吸収剤３０２を循環させる機能を有する。吸収剤３０２の流速はフローメーター３１２で測定し、ポンプ３１０への負荷は圧力ゲージ３１４で見積もることができる。

気泡発生装置３０８は、ガス化炉２０６で生成した合成ガスの微小気泡を吸収剤３０２中に発生させる機能を有する。発生した微小気泡は吸収剤３０２とともにノズル３０６へ輸送され、吸収剤３０２中へ拡散される。図示していないが、スクラバー３００はさらに、吸収剤３０２を攪拌するための攪拌装置や、吸収剤３０２の温度を一定に保つための温度制御装置などを備えていてもよい。なお、気泡発生装置３０８やポンプ３１０を設置せず、合成ガスをタンク３０４内の吸収剤３０２中にバブリングしてもよい。

気泡発生装置３０８の構造を図４（Ｂ）に模式的に示す。気泡発生装置３０８は、吸収剤３０２の注入口３２０、排出口３２２、注入口３２０と排出口３２２の間のスロート３２４を有するチューブを有している。スロート３２４の内径Ｄ２は排出口３２２の内径Ｄ１や注入口３２０の内径Ｄ３よりも小さい。スロート３２４の断面積は排出口３２２や注入口３２０の断面積よりも小さい。スロート３２４にはガス注入口３２６が連結されている。ポンプ３１０によって輸送される吸収剤３０２は注入口３２０に供給される。注入口３２０とスロート３２４の間には、第１の部分３２８と第２の部分３３０が設けられる。第１の部分３２８は注入口３２０を含み、第２の部分３３０はスロート３２４と接する。第１の部分３２８の内径Ｄ１あるいは断面積は、注入口３２０から第２の部分３３０へ向かう方向において一定にすることができる。一方第２の部分３３０の内壁は、注入口３２０から第２の部分３３０へ向かう方向に対して傾いている。また、その傾きは一定でもよい。

気泡発生装置３０８のこのような構造に起因し、第２の部分３３０やその周辺において、微小な対流３４０が発生する。この対流３４０は吸収剤３０２とともにスロート３２４へ輸送される。

同時に、スロート３２４では負圧が発生するため、合成ガスがガス注入口３２６から吸引され、スロート３２４内で吸収剤３０２と混合される。供給された合成ガスは対流３４０、ならびに吸収剤３０２のせん断流によって破壊され、大量の微小気泡３４２を与える。微小気泡３４２は排出口３２２へと輸送される。

排出口３２２とスロート３２４の間には、第３の部分３３２と第４の部分３３４が設けられる。第３の部分３３２は排出口３２２を含み、第４の部分３３４はスロート３２４と接する。第３の部分３３２の内径Ｄ３あるいは断面積は、排出口３２２から第４の部分３３４へ向かう方向において一定にすることができる。一方、第４の部分３３４の内壁は、排出口３２２から第４の部分３３４へ向かう方向に対して傾いている。また、その傾きは一定でもよい。

実施例でも述べるように、吸収剤３０２として植物油を用い、気泡発生装置３０８を用いて微小気泡３４２をタンク３０４内で吸収剤３０２中にバブリングさせることで、吸収剤３０２と合成ガスの接触面積が飛躍的に増大し、その結果、効率良くタールを除去することができる。特に、微小気泡の平均直径が１５０μｍ以上３５０μｍ以下となるように微小気泡を発生させることで、高効率でタールを除去することができる。

合成ガスに含まれるタールは、吸収剤３０２によって選択的に吸収、除去される。その後、タンク３０４内で拡散した合成ガスは、ガス取出し口３１６から取り出される。合成ガスを燃焼し、得られるエネルギーを利用して発電装置６００で発電することで、本実施形態であるガス化システムが構成される。合成ガスは発電以外の用途で使用することも可能であり、車両用の燃料、燃料電池、暖房などで使用してもよい。この場合、本実施形態は、燃料生成システム、燃料電池システム、あるいは暖房システムとして応用することができる。

［４．再生］
スクラバー３００で使用される吸収剤３０２は、合成ガス中のタールを吸収する。したがって、使用時間や使用頻度が増大するにしたがって、タールの吸収能力が低下する。本実施形態のガス化システムでは、タールと吸収剤３０２を再生装置４００によって分離して吸収剤３０２の吸収能力を回復させることで、吸収剤３０２を再生、再利用することができる。

より具体的には、タールを吸収した吸収剤３０２は、タンク３０４に設けられる取出し口３３８から、任意の構成であるポンプ４０２、バルブ４０４などを介して再生装置４００へ輸送される（図２、４参照）。再生装置４００では、遠心分離、あるいは濾過を利用してタールが吸収剤３０２から除去される。

［４−１．遠心分離］
吸収剤３０２の再生のための遠心分離機の構成は任意に選択することができるが、その一例を図５に示す。図５に模式的に示した遠心分離機４０６は、回転体４１０、回転軸４１２、供給部４１４、スクレーパー４１８、シャッター４２０などを含むことができる。回転軸４１２は図示しないモーターと接続され、モーターの回転力を回転体４１０に伝える。回転体４１０はモーターによって駆動され、回転軸４１２を中心として回転する。回転体４１０の中心付近に供給部４１４が設けられ、タールを吸収した吸収剤３０２は、供給部４１４に設けられる吐出口４１６から回転体４１０の内壁に向かって供給される。回転体４１０は上面と底面にそれぞれ開口部４２２、４２４を有しており、回転体４１０の底面に位置する開口部４２４には、その開閉を制御するシャッター４２０が設けられる。図示していないが、開口部４２２の開閉を制御するシャッターを設けてもよい。

吸収剤３０２が供給された後、回転体４１０を回転させる。回転速度は任意であるが、例えば１０００ｒｐｍから３００００ｒｐｍ、あるいは５０００ｒｐｍから１００００ｒｐｍとすればよい。回転体４１０の回転によって発生する遠心力が吸収剤３０２に加えられ、比重の違いによってタールと吸収剤３０２が分離する。吸収剤３０２と比較してタールの比重は大きいため、タールは回転体４１０の内壁に堆積する。一方、タールが除去された吸収剤３０２は開口部４２２から排出、回収され、ポンプ４３０、バルブ４３２などを介してスクラバー３００のタンク３０４へ輸送され（図２）、合成ガスの精製に再度用いられる。これにより、吸収剤３０２を繰り返し使用することができ、低コストで合成ガスからタールを除去することが可能となる。

一方、回転体４１０の内壁に堆積したタールは、スクレーパー４１８によって除去される。具体的には、スクレーパー４１８を回転体４１０の内壁に接するように移動させ、同時に回転体４１０を低速で回転させる。これにより、タールが回転体４１０の内壁から剥がれ、回転体４１０の底面へ集められる。その後シャッター４２０を開き、開口部４２４からタールを排出する。ポンプ４０２、あるいはポンプ４３０により、スクラバー３００と再生装置４００間で吸収剤３０２が循環される。

このように、吸収剤３０２を保持する回転体４１０を回転させることによって遠心力を吸収剤３０２に与え、分離したタールを回転体４１０の底面から排出し、精製された吸収剤３０２を回転体４１０の上面から回収することで、連続的に吸収剤３０２の再生を行うことができる。なお、タールの粘性が高く、回転体４１０の回転を停止しても、内壁に堆積されたタールが短時間で回転体４１０の底面に落下しない場合には、回転体４１０の底面に別途開口部を設け、精製された吸収剤３０２をそこから回収してもよい。

［４−２．濾過］
吸収剤３０２を再生する濾過は、種々の方法で行うことができるが、その一例を図６に示す。図６に示す濾過装置４５０はカラム４５２を有しており、タールを含む吸収剤３０２はカラム４５２の上部から投入される。カラム４５２の下には濾過後の吸収剤３０２を受けるコンテナ４５８が設けられる。コンテナ４５８はバルブ４６０を介して真空ポンプあるいはアスピレータ４６２と接続してもよい。これにより、コンテナ４５８内を減圧にすることができ、吸収剤３０２を高速で濾過することができる。図示していないが、カラム４５２の上から吸収剤３０２に対して圧力を加えて濾過を加速してもよい。

カラム４５２には交互する複数の第１の層４５４と第２の層４５６を設けることができる。図６では二つの第１の層４５４＿１、４５４＿２と二つの第２の層４５６＿１と４５６＿２が設けられた例を示しているが、第１の層４５４と第２の層４５６の数に制限はなく、また互いに異なってもよい。

第１の層４５４は砂状の材料を含むことができ、材料は活性炭、珪藻土、シリカゲル、アルミナ、ケイ酸マグネシウム、ゼオライトなどから選択することができる。材料の平均粒径は０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、あるいは０．７ｍｍから０．９ｍｍ以下とすることができる。第１の層４５４の厚さはカラム４５２の大きさにも依存するが、１ｃｍ以上５ｃｍ以下、典型的には３ｃｍ程度とすることができる。第１の層４５４は、第２の層４５６の詰まりを防ぎ、濾過速度を維持するための機能を有する。

第２の層４５６は繊維状の材料を含むことができ、材料はポリエステル、ポリウレタン、ポリプロピレンなどの高分子材料から選択することができる。第２の層４５６の厚さはカラム４５２の大きさにも依存するが、４ｃｍ以上１０ｃｍ以下、典型的には７ｃｍ程度とすることができる。第２の層４５６は、吸収剤３０２に混入する不溶性微粒子を取り除く機能を有しており、特に３０μｍ以上の粒径を有する微粒子の除去に対して高い効果を有している。

以上述べたように、本実施形態のガス化システムでは、例えば瓦礫中に含まれるような、多種多様な材料を含み、様々な形状を有する有機物をガス化することによって可燃性の合成ガスを取り出すことができる。さらに、吸収剤として植物油を用い、合成ガスを微小気泡として吸収剤へ導入することで、効率よく合成ガス中のタールを除去することができる。このため、合成ガスを使用する発電装置などの設備へのダメージを大幅に低下させることができる。さらに、タールを吸収した吸収剤に対して遠心分離、あるいは濾過を行うことによって容易にタールを除去することができる。したがって、吸収剤を容易に再生、再利用することができ、低コストで合成ガスの精製を行うことができる。

本実施形態では、有機物からのエネルギーを発電に利用する形態を記述したが、有機物のエネルギーは発電以外の用途に利用してもよい。例えばガスに含まれる水素を利用する燃料電池システム、ガスを燃焼して得られる熱を直接熱源として利用する暖房システムなども本発明の実施形態の一つである。

本実施例では、遠心分離による吸収剤３０２の再生を評価した結果を述べる。評価方法を図７、８を用いて説明する。図７は本実施例で用いた装置の概略図である。有機物としてあらかじめ１０５℃で２時間乾燥させた日本杉のチップ（サイズ：０．５ｍｍから１ｍｍ）をホッパー５００、スクリューフィーダー５０２を用いて０．６ｇ／分の速度で加熱炉５０４へ投入した。加熱炉５０４はステンレス製であり、直径は３０ｍｍ、高さは２８０ｍｍである。使用したチップの燃料特性を表１、２に示す。表１には元素分析結果が、表２にはＪＩＳ Ｍ ８８１４の規格に基づく工業分析結果が示されている。

バルブ５０８を介して窒素ボンベ５０６から窒素をキャリアガスとして０．８Ｌ／ｍｉｎの流量で供給し、加熱炉５０４において８００℃でチップを加熱し、合成ガスを生成した。加熱炉５０４の温度は熱電対５１０でモニターした。

キャリアガスを用い、吸収剤３０２であるキャノーラ油５００ｍＬが満たされた三口ウルフ瓶５２２に合成ガスを導入した。合成ガスの導入は、吸収剤３０２をマグネティックスタラー５２４を用いて攪拌（１０００ｒｐｍ）しながらバブリングすることによって行った。三口ウルフ瓶５２２は、温度計５３０、温度調整機５２８を用いて一定温度（３０℃）に保たれた恒温槽５２０内に設置した。バルブ５３２は合成ガスのスイッチングを行うものであり、これにより、スクラビング前の合成ガス、およびスクラビング後の合成ガスをサンプリングユニット５４０へそれぞれ導入した。吸収剤３０２に吸収されたタールの量は、これらのガスに含まれるタール量の差から見積もった。重質タール、軽質タールはそれぞれ、湿式法、乾式法の測定方法によって測定した。測定方法の詳細は、非特許文献１とそこで引用された文献に記載されているため、割愛する。

合成ガスのスクラビングを行った後、遠心分離機５２６を用いて吸収剤３０２とタールの分離を行った。具体的には図８（Ａ）に示すように、遠沈管に８０ｍＬの吸収剤を加え、１００００ｒｐｍの回転速度で３０分間遠心分離を行った。その結果、図８（Ｂ）に模式的に示すように、タールが遠沈管底部に堆積し、上澄みの吸収剤３０２と分離されることが確認された。この時の遠沈管の写真を図８（Ｃ）に示す。図８（Ｃ）の点線で示すように、遠沈管の底部にタールが堆積されていることが分かる。

遠心分離機５２６を用いる吸収剤３０２の再生効果は、以下の方法で評価した。まず、スクラビングされた合成ガスのタール濃度を１３５分モニターした。その後、吸収剤３０２に対して遠心分離を行ってタールを除去し、吸収剤３０２を再生した。引き続き、再生した吸収剤３０２を用いてスクラビングされた合成ガスのタール濃度を１３５分モニターした。以下、同様に吸収剤３０２の再生、スクラビングされた合成ガスのタール濃度の測定を繰り返した。比較のため、再生操作を行わず、１０時間連続でスクラビングを行った場合の、合成ガス中のタール濃度も測定した。結果を図９、１０に示す。

図９は、吸収剤３０２の再生操作を行わない場合の実験結果である。図９の曲線５５０はスクラビングを行っていない合成ガスのタール濃度測定結果であり、ここから、合成ガスには約３０ｇ／ｍ³の濃度でタールが含まれていることが分かる。曲線５５２はスクラビング後の合成ガス中に含まれるタール濃度であり、棒グラフはタール除去率、すなわち、合成ガスに含まれるタールのうち、スクラビングによって除去されたタールの割合を示す。曲線５５２と棒グラフから、スクラビング開始直後にはタールがほぼ全量除去されていることが分かる。しかしながらタール除去率は時間の経過とともに低下し、７時間後には約３０％で飽和し、吸収剤３０２のタール除去能力はその後は大きく変化しないことが分かった。吸収剤３０２を再生しない場合、本条件下では、１Ｌの吸収剤３０２によって吸収可能なタールの量は１６．６ｇに留まることが確認された。

これに対し、吸収剤３０２を１３５分ごとに遠心分離によって精製、再生した場合の結果を図１０に示す。曲線５６２はスクラビング後の合成ガス中に含まれるタール濃度であり、棒グラフはタール除去率を示す。図９と同様、曲線５６０に示すように、合成ガスには約３０ｇ／ｍ³の一定濃度でタールが含まれていることが分かる。スクラビング開始から１００分後、タール除去率は７６％まで低下した（棒グラフ参照）。しかしながら吸収剤３０２の再生を行うと、棒グラフと曲線５６２に示すように、タール除去率が９６％まで回復することが分かった（図中矢印参照）。その後３回の再生を行ったが、いずれも再生後には初期のタール除去率（９８％から９３％）に匹敵するタール除去率を示すことが分かった。この一連の実験において、１Ｌの吸収剤３０２によって２８．８ｇのタールが吸収されることが確認された。

本実施例では、濾過による吸収剤３０２の再生を評価した結果を述べる。評価方法は実施例１と同様であり、スクラビングされた合成ガスのタール濃度を１３５分モニターし、その後、吸収剤３０２を濾過してタールを除去し、吸収剤３０２を再生した。濾過は図６に示した濾過装置４５０を用いた。ここで、カラム４５２（直径６．５ｃｍ）内には、上から順に、ポリエステルを含む第２の層４５６（厚さ７ｃｍ）とシリカゲルを含む第１の層４５４（厚さ３ｃｍ）をそれぞれ２層交互に積層した。引き続き、再生した吸収剤３０２を用いてスクラビングされた合成ガスのタール濃度を１３５分モニターした。以下、同様に吸収剤３０２の再生、スクラビングされた合成ガスのタール濃度の測定を繰り返した。結果を図１１に示す。

曲線５７０に示すように、合成ガスには約３０ｇ／ｍ³の一定濃度でタールが含まれていることが分かる。また、図９で示した結果と同様に、スクラビング開始１００分後には、タール除去率は７３％まで低下した（棒グラフ参照）。しかしながら吸収剤３０２の再生を行うと、棒グラフと曲線５７２に示すように、タール除去率が９６％まで回復することが分かった（図中矢印参照）。その後３回の再生を行ったが、いずれも再生後には初期のタール除去率（９６％から９１％）に匹敵するタール除去率を示すことが分かった。この一連の実験において、１Ｌの吸収剤３０２によって２６．８ｇのタールが吸収されることが確認された。

実施例１、２のの結果から、吸収剤３０２に吸収されたタールが遠心分離、あるいは濾過によって除去可能なこと、タールを除去して再生された吸収剤３０２がほぼ完全に初期の吸収能力を回復することが確認された。したがって本発明の実施形態で開示するガス化システムでは、効率よく、かつ低コストで合成ガスからのタール除去が可能であると言える。

本実施例では、吸収剤として植物油を用い、合成ガスの吸収と再生に対する、軽質タール成分の除去性能を述べる。実験は、実施例１で示したシステムを用い、スクラビング前後の合成ガス中のベンゼン、トルエン、フェノール、インデン、ナフタレンの濃度をそれぞれモニターすることによって行った。これらの化合物の構造式を以下に示す。植物油としては実施例１、２と同様、キャノーラ油を用いた。再生処理は実施例１、２と同様、１３５分ごとに濾過、あるいは遠心分離をすることによって行った。

再生方法として濾過を行った場合の結果を図１２、１３に示す。これらの図では、精製する前の合成ガス、およびスクラビング後の合成ガス中の軽質タールの各成分の濃度の経時変化を示している。

例えばベンゼンやトルエンのような、ベンゼン環を一つのみ有する芳香族炭化水素、あるいはフェノールのような極性基（水酸基）有する化合物の場合、図１２（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、スクラビング初期には高いタール除去率を示すが、１３５分ごとの再生操作によっても除去率はほとんど回復せず、スクラビングを行う時間に伴って除去率が徐々に低下することが分かった。

一方、インデンのような多環式炭化水素やナフタレンのような多環式芳香族化合物の場合、ベンゼン、トルエン、あるいはフェノールと比較して除去効率は高く、例えばナフタレンの場合、少なくとも二回目の再生前まではほぼ完全に除去可能であることが分かった。

再生方法として遠心分離を行った場合の結果を図１４、１５に示す。ベンゼン、トルエン、およびフェノールの場合、濾過による再生と同様、図１４（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、スクラビング初期には高いタール除去率を示すが、１３５分ごとの再生操作によっても除去率はあまり回復せず、スクラビングを行う時間に伴って除去率が徐々に低下することが分かった。

これに対し、インデンおよびナフタレンに対しては、遠心分離による再生効果が大きいことが分かった。例えば図１５（Ａ）に示すように、スクラビング開始後から再生前の間、インデンの除去率の目立った低下は観測されず、また、各再生操作によってほぼ初期の除去率が回復した。ナフタレンの場合には、１０時間の実験時間にわたり、ほぼ全量除去可能であることが分かった（図１５（Ｂ））。

これらの結果は、軽質タール成分の中でも、比較的分子量の大きいタール成分に対しては、植物油によるタールの除去、および濾過や遠心分離による植物油の再生が効果的であることを示唆している。ベンゼンやトルエンなどの高揮発性物質は、発電装置などの設備に対して大きな負担を与えないが、ナフタレンやインデンのような常温で固体、あるいは高沸点の物質は、設備の閉塞を誘引しかねない。したがって、本発明の実施形態のガス化システムやガス化方法を適用することにより、合成ガスを燃焼させる各種設備に対する閉塞負荷を軽減することができ、設備寿命を延ばすことが可能となる。

本実施例では、スクラビングに対する微小気泡の効果に関して述べる。実験は、図１６に示す装置を用いて行った。具体的には、アクリル製のタンク３０４内にキャノーラ油を吸収剤３０２として充填した。ポンプ３１０を用いてタンク３０４内の吸収剤３０２を吸引して気泡発生装置３０８へ輸送し、再度タンク３０４へと循環させた。同時にバルブ３１８を介して空気を気泡発生装置３０８へ導入し、空気を微小気泡としてタンク３０４内のノズル３０６から吸収剤３０２中へ拡散させた。フローメーター３１２で吸収剤３０２の流速を測定し、圧力ゲージ３１４でポンプ３１０へかかる負荷を見積もった。実験では、注入口３２０の内径Ｄ１に対するスロート３２４の内径Ｄ２（Ｒ＝Ｄ２／Ｄ１）が異なる三種類の気泡発生装置３０８を用いた（図４（Ｂ）参照）。

このような実験装置において発生させた微小気泡の写真を図１７に示す。図１７では、Ｒが０．１７、０．４７、０．６７である気泡発生装置３０８を用いた場合の微小気泡の写真が示されている。スロート３２４における吸収剤３０２の流速、ならびに導入される空気の量にも依存するが、微小気泡は約２００μｍから３００μｍの平均直径（Ｄ_ave）を有することが確認された。

ここで、図１６に示すように、タンク３０４の底面から１０ｃｍの高さに一つの辺が位置する８ｍｍ×１１ｍｍの領域を観察し、この面積（８８ｍｍ²）中に占められる微小気泡の面積から、微小気泡の平均直径を計算した。その結果、微小気泡の平均直径は、Ｒが０．１７、０．４７、０．６７の時、それぞれ２９８μｍ、１９７μｍ、２６３μｍとなることが分かった。

本実施例での装置を用い、空気の代わりに合成ガスを導入し、タール除去率に対する、微小気泡の平均直径の依存性を評価した。結果を図１８に示す。図１８の比較例は、同一の条件下、気泡発生装置３０８を用いずに合成ガスを吸収剤３０２中でバブリングした場合の結果である。図１８から分かるように、気泡発生装置３０８を用い、合成ガスを微小気泡としてバブリングさせることでタール除去率が大きく向上することが確認された。また、微小気泡の平均直径が小さくなるほどタール除去率が増大し、平均直径が１９７μｍの時にはタール除去率は９７．７％まで達することが分かった。したがって本実施例で示すように、微小気泡の平均直径が小さくなるように各種条件を設定することで、高効率のタール除去を達成することが可能であると言える。

本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。

１００：ステップ、１０２：ステップ、１０４：ステップ、１０６：ステップ、２００：ガス化装置、２０２：ホッパー、２０４：フィーダー、２０６：ガス化炉、２０８：導入口、２１０：排出コンベア、２１２：搬出ボックス、２１４：バルブ、２１６：ガス管、２１８：ガス取出し口、２２０：原料層、２２２：乾燥層、２２４：燃焼層、２２６：還元層、２２８：底部、２３０：開口部、３００：スクラバー、３０２：吸収剤、３０４：タンク、３０６：ノズル、３０８：気泡発生装置、３１０：ポンプ、３１２：フローメーター、３１４：圧力ゲージ、３１６：ガス取出し口、３１８：バルブ、３２０：注入口、３２２：排出口、３２４：スロート、３２６：ガス注入口、３２８：第１の部分、３３０：第２の部分、３３２：第３の部分、３３４：第４の部分、３３８：取出し口、３４０：対流、３４２：微小気泡、４００：再生装置、４０２：ポンプ、４０４：バルブ、４０６：遠心分離機、４１０：回転体、４１２：回転軸、４１４：供給部、４１６：吐出口、４１８：スクレーパー、４２０：シャッター、４２２：開口部、４２４：開口部、４３０：ポンプ、４３２：バルブ、４５０：濾過装置、４５２：カラム、４５４：第１の層、４５６：第２の層、４５８：コンテナ、４６０：バルブ、４６２：アスピレータ、５００：ホッパー、５０２：スクリューフィーダー、５０４：加熱炉、５０６：窒素ボンベ、５０８：バルブ、５１０：熱電対、５２０：恒温槽、５２２：三口ウルフ瓶、５２４：マグネティックスタラー、５２６：遠心分離機、５２８：温度調整機、５３０：温度計、５３２：バルブ、５４０：サンプリングユニット、５５０：曲線、５５２：曲線、５６０：曲線、５６２：曲線、５７０：曲線、５７２：曲線、６００：発電装置

Claims (19)

1. 有機物を加熱することによって可燃性ガスを生成するガス化炉と、
   前記可燃性ガスを吸収剤を用いて精製するスクラバーと、
   前記吸収剤を遠心分離、あるいは濾過によって精製する再生装置を有する熱分解あるいはガス化システム。
2. 前記スクラバーによって処理された前記可燃性ガスを用いて発電する発電装置をさらに有する、請求項１に記載の熱分解あるいはガス化システム。
3. 前記スクラバーと前記再生装置の間で前記吸収剤を循環させるポンプをさらに有する、請求項１に記載の熱分解あるいはガス化システム。
4. 前記吸収剤は植物油である、請求項１に記載の熱分解あるいはガス化システム。
5. 前記スクラバーは、前記吸収剤中に前記可燃性ガスの気泡を発生する気泡発生装置を有する、請求項１に記載の熱分解あるいはガス化システム。
6. 前記スクラバーは、前記吸収剤を保持するタンクと、前記タンクと前記気泡発生装置の間で前記吸収剤を循環させるポンプをさらに有する、請求項５に記載の熱分解あるいはガス化システム。
7. 前記気泡発生装置は、前記気泡の平均直径が１５０μｍ以上３５０μｍ以下となるように前記気泡を発生させる、請求項５に記載の熱分解あるいはガス化システム。
8. 前記気泡発生装置は、
   前記吸収剤の注入口と排出口、および前記注入口と前記排出口の間のスロートとを有するチューブと、
   前記スロートと連結されるガス注入口を有し、
   前記注入口の断面積、前記排出口の断面積は、前記スロートの断面積よりも大きい、請求項５に記載の熱分解あるいはガス化システム。
9. 前記チューブは、前記注入口と前記スロートの間に第１の部分と第２の部分を有し、
   前記第１の部分は前記注入口を含み、前記第２の部分は前記スロートと接し、
   前記第１の部分の断面積は、前記注入口から前記第２の部分への方向において一定である、請求項８に記載の熱分解あるいはガス化システム。
10. 前記第２の部分の内壁は、前記方向に対して傾く、請求項９に記載の熱分解あるいはガス化システム。
11. 前記内壁の傾きは、前記第２の部分において一定である、請求項１０に記載の熱分解あるいはガス化システム。
12. 前記濾過は、交互する複数の第１の層と複数の第２の層が積層されたカラム内に前記吸収剤を通すことによって行われ、
    前記第１の層は、活性炭、珪藻土、シリカゲル、アルミナ、ケイ酸マグネシウム、ゼオライトから選択される材料を含み、
    前記第２の層は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリウレタンから選択される材料を含む、請求項１に記載の熱分解あるいはガス化システム。
13. 有機物をガス化することによって可燃性ガスを生成し、
    前記可燃性ガスを吸収剤で精製し、
    前記可燃性ガスの精製に用いた前記吸収剤を遠心分離、あるいは濾過によって再生することを含む、熱分解あるいはガス化方法。
14. 精製された前記可燃性ガスを用いて発電することをさらに含む、請求項１３に記載の熱分解あるいはガス化方法。
15. 再生された前記吸収剤を循環し、再生された前記吸収剤によって前記可燃性ガスを精製する、請求項１３に記載の熱分解あるいはガス化方法。
16. 前記吸収剤は植物油である、請求項１３に記載の熱分解あるいはガス化方法。
17. 前記吸収剤の精製は、前記吸収剤中に前記可燃性ガスの気泡を発生することを含む、請求項１３に記載の熱分解あるいはガス化方法。
18. 前記気泡は、前記気泡の平均直径が１５０μｍ以上３５０μｍ以下となるように発生させる、請求項１７に記載の熱分解あるいはガス化方法。
19. 前記濾過は、交互する複数の第１の層と複数の第２の層が積層されたカラム内に前記吸収剤を通すことによって行われ、
    前記第１の層は、活性炭、珪藻土、シリカゲル、アルミナ、ケイ酸マグネシウム、ゼオライトから選択される材料を含み、
    前記第２の層は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリウレタンから選択される材料を含む、請求項１３に記載の熱分解あるいはガス化方法。