JP4364022B2 - 有機性廃棄物からのエネルギー回収方法 - Google Patents
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Description
本発明は、下水汚泥、バイオマスなどの有機性廃棄物からのエネルギー回収方法に関するものである。
従来一般に、下水汚泥やバイオマスなどの有機性廃棄物は脱水または焼却され、脱水汚泥や焼却灰として埋め立て処分されてきたが、新たな処分場の確保は次第に困難になりつつある。また焼却時に発生する二酸化炭素は地球温暖化の原因とされ排出量の削減が求められている。このため最近では特許文献１に示されるように、有機性廃棄物を熱分解してガス化するとともに改質し、有機分を可燃性ガスとして回収する有機性廃棄物のガス化改質技術が開発されている。
この方法により有機性廃棄物から可燃性ガスを得るためには、まず有機性廃棄物を脱水・乾燥する前処理を施したうえで、ガス化改質炉でガス化及び改質処理する方法が取られる。この前処理として行われる脱水、乾燥工程においては、有機性廃棄物中に含まれる窒素分の一部はアンモニアとして排水（ドレン水）に移行する。
また、脱水、乾燥された有機性廃棄物はガス化改質炉において酸素、水蒸気、空気等と反応（部分燃焼）することによりＨ２，ＣＯ，ＣＯ２，Ｈ２Ｏから構成される可燃性ガスに改質される。このとき可燃性ガス中に含有される窒素分はアンモニアとしてガス中に移行し、ガス化改質炉の後段のガス洗浄工程において排水中へ移行する。
このように有機性廃棄物の脱水・乾燥工程およびガスの洗浄工程において排水中に移行したアンモニアは、生物処理法、不連続塩素処理法、オゾン処理法などにより分解して放流したり、あるいはアンモニアストリッピング法により排水中から放散させ、放散されたアンモニアを燃焼分解あるいは吸着除去している。また放散させたアンモニアの処理方法としては、ガス化改質炉へ再投入して分解する方法もあるが分解率が悪く、投入したアンモニアはガス洗浄工程において再度排水中へ移行してしまう。いずれの方法でも、前処理やガス洗浄工程において排水中へ移行したアンモニア、及びガス洗浄工程において排水中へ移行したアンモニアはエネルギーとして全く利用されていない。
特許第３０５４５９５号公報
本発明は上記した従来の問題点を解決し、有機性廃棄物をガス化改質して可燃性ガスを回収する工程において、排水中へ移行したアンモニアから更にエネルギーを回収することができる有機性廃棄物からのエネルギー回収方法を提供するためになされたものである。
上記の課題を解決するためになされた本発明は、有機性廃棄物をガス化改質する前処理段階の脱水・乾燥工程で発生する排水、および脱水・乾燥した有機性廃棄物をガス化改質して発生させたガスの除塵・洗浄工程で発生する排水中に含まれるアンモニアを回収し、回収されたアンモニアを分解触媒により水素と窒素に分解して水素を回収し、この水素を発電装置のエネルギー源として利用することを特徴とするものである。
なお、アンモニアの分解触媒として、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の金属酸化物担体上にニッケルまたはニッケル酸化物を第１成分として担持させ、更にアルカリ土類金属及びランタノイド元素の少なくとも一方を金属または酸化物の形で第２成分として添加したものを用いることができる。特に第１成分／担体の重量比を１〜４０％、第２成分／担体の重量比を１〜１５％としたアンモニア分解触媒を用いることが好ましい。
また発電装置が、水素ガスにより駆動されるガスエンジンまたは燃料電池であることが好ましい。
また発電装置が、水素ガスにより駆動されるガスエンジンまたは燃料電池であることが好ましい。
本発明によれば、有機性廃棄物をガス化改質して可燃性ガスを回収することができるのみならず、この工程において排水中へ移行したアンモニアからも水素を回収し、発電装置のエネルギー源として利用することができる。このため有機性廃棄物からのエネルギー回収率が高まるとともに、環境への負担も軽減される。特に上記したアンモニア分解触媒を用いれば、水蒸気の存在下においても触媒活性の低下がなく、アンモニアをほぼ完全に分解して効率よく水素を得ることができる。
以下に本発明の実施形態を示す。
図１は本発明の実施形態を示すブロック図であり、１は下水汚泥、バイオマスなどの窒素分を含む有機性廃棄物である。これらの有機性廃棄物１は多くの場合、大量の水分を含有しており、そのまま高温のガス化改質炉４に投入することができないのが普通であるので、脱水機２と乾燥機３とによる脱水・乾燥の前処理が行われる。脱水機２としては、ベルトプレス、フィルタープレス、ロータリープレスなどの従来公知の様々な形式のものを使用することができる。また乾燥機３の形式も任意であるが、例えば外部熱源を利用したパドルドライヤを用いることができる。
図１は本発明の実施形態を示すブロック図であり、１は下水汚泥、バイオマスなどの窒素分を含む有機性廃棄物である。これらの有機性廃棄物１は多くの場合、大量の水分を含有しており、そのまま高温のガス化改質炉４に投入することができないのが普通であるので、脱水機２と乾燥機３とによる脱水・乾燥の前処理が行われる。脱水機２としては、ベルトプレス、フィルタープレス、ロータリープレスなどの従来公知の様々な形式のものを使用することができる。また乾燥機３の形式も任意であるが、例えば外部熱源を利用したパドルドライヤを用いることができる。
しかしどのような形式の脱水機２や乾燥機３を使用しても、水分を含んだ有機性廃棄物１を加熱するため、必ず多量の水蒸気が発生すると同時に、有機性廃棄物１が加熱分解されることによってアンモニアが発生する。このアンモニアは水蒸気が凝結した排水（乾燥ドレン）中に必ず移行する。本発明ではこのアンモニアを含むドレン水を排水処理工程５に送る。
一方、脱水・乾燥の前処理が行われた有機性廃棄物は、ガス化改質炉４に送り込まれる。ガス化改質炉４の内部は６００〜１４００℃の高温に保たれており、外部から酸素・空気・水蒸気が供給されている。有機性廃棄物はガス化改質炉４の内部で部分酸化され、Ｈ分とＣ分はＣＯ，Ｈ２等の燃料ガスに変換される。なお、ガス化炉と改質炉とは分離した炉とすることもできる。このガス化改質の工程自体は、前記の特許文献１にも示されているように公知である。
ガス化改質炉４から出た燃料ガスは、除塵・洗浄工程６においてダスト、Ｓ分などの不純物を取り除かれる。このとき、有機性廃棄物中のＮ分に由来するアンモニアが洗浄排水側に移行する。本発明ではこのアンモニアを高濃度で含む洗浄排水もまた、排水処理工程５に送られる。
本実施形態では、これらのアンモニアを含む排水はストリッピング塔に送られ、公知のアンモニアストリッピング法により、アンモニアをガス中へ放散させる。ストリッピング塔の内部には格子や波板などが充填されており、塔下部から空気または水蒸気が吹き込まれる。アンモニア含有排水は消石灰などによってｐＨをアルカリ側に調整され、ストリッピング塔の上部から噴霧される。この結果、排水中のＮＨ４ＯＨはＮＨ３とＨ２Ｏとに分解され、アンモニアガスのみが塔上部から回収される。このようにして排水中から、アンモニアガスのみを回収することができる。しかし本発明においてアンモニアの回収方法はストリッピング法に限定されるものではなく、吸着剤を用いるなど任意の手段を採ることができる。
この高濃度のアンモニアガスは、ニッケルベースのアンモニア分解触媒により分解され、Ｎ2とＨ2となる。ここで用いるアンモニア分解触媒は、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の金属酸化物担体上にニッケルまたはニッケル酸化物を第１成分として担持させ、更にアルカリ土類金属及びランタノイド元素の少なくとも一方を金属または酸化物の形で第２成分として添加したものが好ましい。このアンモニア分解触媒を触媒反応器の内部に充填しアンモニアガスを供給すれば、純粋な水素ガスを効率よく取り出すことができる。このアンモニア分解触媒については、後に詳細に説明する。
この水素は、発電装置８のエネルギー源として利用することができる。発電装置８としては例えば燃料電池があり、本発明によれば燃料電池に有害なＣＯを全く含まない水素ガスが得られるため、有利である。しかし水素を燃料としてガスエンジンを駆動し、発電機を動かすこともできる。この場合にはガスエンジンの排熱はボイラにより回収し、乾燥機３の熱源として使用することができる。また温水として暖房などに利用することもできる。
（アンモニア分解触媒の詳細）
本発明で用いるアンモニア分解触媒は、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の金属酸化物担体上にニッケルまたはニッケル酸化物を第１成分として担持させ、更にアルカリ土類金属及びランタノイド元素の少なくとも一方を金属または酸化物の形で第２成分として添加したものが好ましい。アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどが用いられ、ランタノイド元素としてはランタン、セリウムなどが用いられる。このようなアンモニア分解触媒は、例えば周知の共沈法によりニッケル／アルミナ触媒を製造し、これを乾燥させた後にバリウムなどの第２成分をエタノールや水に溶解させて含浸させる方法で製造することができる。
本発明で用いるアンモニア分解触媒は、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の金属酸化物担体上にニッケルまたはニッケル酸化物を第１成分として担持させ、更にアルカリ土類金属及びランタノイド元素の少なくとも一方を金属または酸化物の形で第２成分として添加したものが好ましい。アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどが用いられ、ランタノイド元素としてはランタン、セリウムなどが用いられる。このようなアンモニア分解触媒は、例えば周知の共沈法によりニッケル／アルミナ触媒を製造し、これを乾燥させた後にバリウムなどの第２成分をエタノールや水に溶解させて含浸させる方法で製造することができる。
ここで第１成分／担体の重量比は、１〜４０％、より好ましくは５〜２５％、最も好ましくは１０〜２０％とする。また第２成分／担体の重量比は、１〜１５％、より好ましくは５〜１０％、最も好ましくは５〜１０％とする。最良の実施形態においては、ニッケル１５.７％、バリウム７.３６％、残部アルミナである。アンモニア分解触媒の比表面積は、１０〜１０００ｍ２/ｇ、より好ましくは５０〜５００ｍ２/ｇ、最も好ましくは１００〜３００ｍ２/ｇとする。また触媒粒子径は、１０〜１０００μｍ，より好ましくは２００〜７００μｍ，最も好ましくは３００〜５００μｍである。
以下に、このアンモニア分解触媒の特性を実験により確認した結果を示す。予備実験によりアンモニア分解触媒は水蒸気の存在下では活性が低下することが確認されているが、実際には水蒸気が存在しない条件でアンモニア分解触媒を使用することは容易ではない。このため以下のグラフは全て水蒸気の存在下におけるアンモニア転化率を示す。なおアンモニア流量は９.１×１０−３ｍｏｌ／ｈ，水蒸気／アンモニアの比は５.５×１０−２ｋｇ・ｈ／ｍｏｌとした。
図２のグラフは、アルミナ担体にニッケルのみを担持させた触媒と、更に第２成分を添加した各種触媒のアンモニア転化率を示すもので、横軸は反応温度である。図２の上段のグラフは第２成分としてアルカリ土類金属を添加したもの、下段のグラフは第２成分としてランタノイド元素を添加したものである。いずれもニッケルに対する添加金属のモル比を０.３とした。これらのグラフに示されるように、第２成分を添加することにより触媒活性が向上することが分かる。特にバリウムを添加した場合に最も優れた結果を示している。
図３のグラフは、ニッケルに対するバリウムのモル比がアンモニア転化率に及ぼす影響を示すものである。反応温度を４５０℃とすれば、このモル比が０．１〜０.３の範囲において、水蒸気の存在下においてもアンモニア転化率はほぼ１００％に達することが分かる。さらに図４のグラフは、最も活性の高かったニッケルに対するバリウムのモル比が０．２のアンモニア分解触媒について、その経時変化を調べたものである。使用を継続してもアンモニア転化率がほとんど低下しないことが分かる。
以上の実験では触媒担体としてアルミナを使用したが、シリカ、チタニア、ジルコニア等を用いることもできる。図５のグラフは、第１成分をニッケル、第２成分をバリウムとし、担体をアルミナ、ジルコニア、チタニアの３種類に変更した場合のそれぞれのアンモニア転化率を示すグラフであり、担体をジルコニアやチタニアに変更してもほぼ同様の結果が得られることを示している。図５には記載されていないが、シリカの場合もほぼ同様である。
上記したように、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニアから選択された金属酸化物担体上にニッケルまたはニッケル酸化物を第１成分として担持させ、更にアルカリ土類金属及びランタノイド元素の少なくとも一方を金属または酸化物の形で第２成分として添加したアンモニア分解触媒を用いれば、アンモニアをほぼ完全に分解して効率よく水素を得ることができることが確認された。
以下に図６を参照しつつ、本発明の実施例を説明する。
含水率８０％の下水汚泥を、１２５００ｋｇ/ｈの流量で減圧蒸発式乾燥機１０に送り込み脱水乾燥させた。下水汚泥中の水分は１００００ｋｇ/ｈ、ＤＳ（乾燥固形分）は２５００ｋｇ/ｈであり、減圧蒸発式乾燥機１０から２９.６ｋｇ/ｈのアンモニアを含む９８７０ｋｇ/ｈの乾燥ドレン水が発生した。乾燥ドレン水中のアンモニア濃度は３０００ｍｇ/Ｌである。この乾燥ドレン水は排水処理工程５に送られた。
含水率８０％の下水汚泥を、１２５００ｋｇ/ｈの流量で減圧蒸発式乾燥機１０に送り込み脱水乾燥させた。下水汚泥中の水分は１００００ｋｇ/ｈ、ＤＳ（乾燥固形分）は２５００ｋｇ/ｈであり、減圧蒸発式乾燥機１０から２９.６ｋｇ/ｈのアンモニアを含む９８７０ｋｇ/ｈの乾燥ドレン水が発生した。乾燥ドレン水中のアンモニア濃度は３０００ｍｇ/Ｌである。この乾燥ドレン水は排水処理工程５に送られた。
脱水乾燥させた下水汚泥は、ガス化炉と改質炉に送られてガス化改質され、発生させたガスはフィルタ１１で除塵され、更に洗浄されて５９９５ｍ３/ｈの燃料ガスとなった。この燃料ガスはボイラ１２とガスエンジン１３に送られ、発電に使用した。
ガスの洗浄排水中には１６.１ｋｇ/ｈのアンモニアが含有されており、この洗浄排水も排水処理工程５に送られた。排水処理工程５では乾燥ドレン水と洗浄排水とを集め、水中に含まれているアンモニアをアンモニアストリッピング法によりガス中へ放散させた。放散させたアンモニア量は４５.７ｋｇ/ｈである。このアンモニアを前記したニッケル１５.７％、バリウム７.３６％、残部アルミナからなる分解触媒により水素と窒素に分解して９０ｍ３/ｈの水素ガスを回収した。その発熱量は２７５Ｍｃａｌ/ｈであり、この水素をボイラ１２とガスエンジン１３に送り発電に使用した。このように、本発明によれば２７５Ｍｃａｌ/ｈだけ有機性廃棄物である下水汚泥からのエネルギー回収量が増加したこととなる。
１ 有機性廃棄物
２ 脱水機
３ 乾燥機
４ ガス化改質炉
５ 排水処理工程
６ 除塵・洗浄工程
７ 分解触媒
８ 発電装置
１０ 減圧蒸発式乾燥機
１１ フィルタ
１２ ボイラ
１３ ガスエンジン
２ 脱水機
３ 乾燥機
４ ガス化改質炉
５ 排水処理工程
６ 除塵・洗浄工程
７ 分解触媒
８ 発電装置
１０ 減圧蒸発式乾燥機
１１ フィルタ
１２ ボイラ
１３ ガスエンジン
Claims (4)
- 有機性廃棄物をガス化改質する前処理段階の脱水・乾燥工程で発生する排水、および脱水・乾燥した有機性廃棄物をガス化改質して発生させたガスの除塵・洗浄工程で発生する排水中に含まれるアンモニアを回収し、回収されたアンモニアを分解触媒により水素と窒素に分解して水素を回収し、この水素を発電装置のエネルギー源として利用することを特徴とする有機性廃棄物からのエネルギー回収方法。
- アンモニア分解触媒として、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の金属酸化物担体上にニッケルまたはニッケル酸化物を第１成分として担持させ、更にアルカリ土類金属及びランタノイド元素の少なくとも一方を金属または酸化物の形で第２成分として添加したものを用いる請求項１記載の有機性廃棄物からのエネルギー回収方法。
- 第１成分／担体の重量比を１〜４０％、第２成分／担体の重量比を１〜１５％とした請求項２記載の有機性廃棄物からのエネルギー回収方法。
- 発電装置が、水素ガスにより駆動されるガスエンジンまたは燃料電池であることを特徴とする請求項１または２記載の有機性廃棄物からのエネルギー回収方法。
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