JP5057466B2 - 可燃ガスを生成する方法及びそのためのガス化反応炉 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源、及び石炭等を炭化水素系固体燃料として利用し、可燃ガスとして取り出す方法及びそのためのガス化反応炉に関するものであり、特にガス化炉内でのチャーのガス化を促進し、高効率で可燃ガスを取り出す方法及びそのための高効率ガス化反応炉に関するものである。

従来から、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源等を炭化水素系固体燃料として利用し、生成したガスを、可燃ガス及び熱源として利用することにより、有機資源の有効活用を図る技術が開発されている。
生成したガスを可燃ガスとして取り出すためには、生成ガスに含まれるタールが析出する、或いはチャーが酸素と触れると燃焼する等の問題があるため、一般的には、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源及び石炭等を炭化水素系固体燃料として利用し、これを、ガス化炉内において可燃ガスにガス化した後、未燃残渣分を燃焼炉に導き、酸素や空気などの酸化剤を用いて燃焼ガスとする方法を採用している。

こうした技術の１つとして、特許文献１には、廃棄物等の被処理物をガス化装置でガス化し、生成ガスを改質して可燃ガスとする工程において、タール分の発生を最小限に抑え、性状の優れた可燃ガスを安定して得ることができる方法に関し、粒子状スラグを利用し、ガス化炉内でタールを改質して高効率でガス化ガスを取り出し、劣化したスラグをガス化に伴って発生する残渣チャーとともに燃焼炉へ導入し、燃焼炉において、残渣チャーの燃焼により劣化したスラグを加熱して再活性化し、活性化されたスラグをガス化炉へ戻す方法が記載されている。
しかしながら、特許文献１に記載された発明のように、ガス化炉内で熱分解およびガス化を同時に行うと、チャーのガス化が生じ難くなる。これは、熱分解時に生成するH₂ガスがチャー表面に吸着することで、反応速度が低下してしまうことによる。よって、高含有チャー燃料のガス化を行うには、１２００〜１４００℃という高温又は高圧で行う必要があること、８００〜９００℃の低温では高価なニッケル等の触媒を使用せねばならないという問題がある。

また、特許文献２では、バイオマス及びガス化剤をガス化炉に導入して合成ガスに転換させるバイオマスのガス化において、加熱条件下、ガス化反応系内にバイオマスから生成する灰分を存在させて、ガス化反応を促進させる方法が記載されている。
しかしながら、特許文献２に記載された発明では、バイオマスをガス化させた後、炉外へ飛散した灰を回収し、そこへガスを通過させることでタールを改質させており、これにより、ガス化炉後段に高価な触媒を使用する必要がないと記述されているが、炉内でチャーのガス化を促進するものではない。

このように、従来の有機資源等を炭化水素系固体燃料として利用し、可燃ガスとして取り出す方法及び装置においては、蒸発したアルカリがチャーへ吸着することもあり得るが、その可能性は極めて低いために、燃焼炉へ導入するチャーの割合が高く、ガス化炉で取り出せる生成ガスが少ない、すなわち、ガス化効率が悪いのが現状であって、低温で高含有チャー燃料のガス化を促進させたいという課題が未だに解決されていないのが現状である。
また、高揮発分含有燃料に対しても、より高効率で生成ガスを取り出したいという要望もある。

一方、ガス化反応速度を向上させる方法に関し、非特許文献１には、豪州褐炭にカリウムをイオン交換担持し、これを瀝青炭と混合した後、熱天秤にてガス化させている。その結果、カリウム担持褐炭を瀝青炭と混合することにより、瀝青炭のガス化反応速度が向上することを報告している。非特許文献１による報告では、カリウム担持褐炭のカリウムが加熱により揮発し、瀝青炭に移動し、これが瀝青炭のガス化速度を促進していると考えられている。すなわち、ある資源が有するアルカリ金属等をガス化しにくい他の資源と混合、加熱することで、ガス化しにくい他の資源のガス化触媒としての機能を持たせている。
しかしながら、ガス化のプロセスとして検討されているわけではなく、また、褐炭にカリウムをイオン交換するという処理工程が必要である。さらに、カリウム担持褐炭と瀝青炭が密に接触することを可能とするために、熱天秤という固定層を用いてガス化を促進しており、一般的に工業的なガス化炉として用いられる流動層や噴流層のような装置の場合に同様のことを行うと、カリウム担持褐炭のカリウムが瀝青炭に移動する可能性は極めて低く、ガス化促進効果は期待できない。
特開２００５−６８２９７号公報 特開２００５−６８３７３号公報 Takayuki Takarada, Shinji Ichinose, Kunio Kato, FUEL,1992, Vol. 71, August P883〜887

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源、及び石炭等を炭化水素系固体燃料として利用し、可燃ガスとして取り出す方法及び装置において、チャーを多く含む固体燃料のガス化を低温で促進させることにより、ガス化炉で取り出せる生成ガスを多くし、高効率で可燃ガスを取り出せる方法及びそのためのガス化反応炉を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を行う過程において、非特許文献１にも記述されているように、ガス化触媒として効果的なアルカリ及び／又はアルカリ土類金属をガス化炉内で積極的にチャーへ吸着して利用することを検討した結果、ガス化炉内で熱分解の際に蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を積極的にチャーへ吸着させる工程を、ガス化工程の前段に独立して設けることにより、前記課題を解決しうることを見出し、本発明の完成に至ったものである。

すなわち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）有機資源、石炭等の炭化水素系固体燃料をガス化炉内でガス化させて可燃ガスを製造する工程、及び未燃残渣分を燃焼炉において燃焼させる工程を少なくとも含む可燃ガスの生成方法において、
アルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料からアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を蒸発させる工程と、該アルカリ及び／又はアルカリ土類金属をチャーの含有量が高い固体燃料に吸着させる工程とを、前記ガス化工程の前段に独立して設けたことを特徴とする炭化水素系固体燃料から可燃ガスを生成する方法。
（２）有機資源、石炭等の炭化水素系固体燃料の熱分解の際に蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を積極的にチャーに吸着させるアルカリ吸収炉、前記アルカリ吸収炉から導入されたチャーをガス化するガス化炉、及び前記ガス化炉から導入された残渣チャーを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼炉がそれぞれ独立して設けられ、それぞれの炉が連通路によりこの順に連結されており、かつ
前記アルカリ吸収炉を、アルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料を供給する下部のアルカリ吸収炉と、チャーの含有量が高い固体燃料を供給する上部のアルカリ吸収炉とに分割するとともに、下部のアルカリ吸収炉内で蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を、上部のアルカリ吸収炉内に導入して、チャーの含有量の高い固体燃料にアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を吸着させる手段を備えたことを特徴とする炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。
（３）前記アルカリ吸収炉において熱分解により生成した揮発性の熱分解ガス、前記ガス化炉においてチャーのガス化により生成したガス化ガス、及び前記燃焼炉において生成した燃焼ガスのそれぞれを独立して取り出す手段を有することを特徴とする上記（２）の炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。

本発明によれば、アルカリ吸収炉とガス化炉を完全に分離することにより、熱分解ガス及びタールによるチャーのガス化の阻害の影響をなくすことができる。また、本発明によれば、アルカリ吸収炉内で生成する熱分解ガス、ガス化炉内で生成するガス化ガスを別々に取り出すことができる。さらに、本発明においては、例えば、アルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い燃料から蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を、高含有チャー燃料のチャーに吸着させ、蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属をチャーのガス化触媒として有効に利用できる。

本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
（第１の形態）
図１は、本発明に用いる反応炉の第１の形態を示す概要図であって、アルカリ吸収炉、ガス化炉、及び燃焼炉がそれぞれ独立して設けられ、それぞれの炉が連通路によりこの順に連結されている。
図１に図示する反応炉においては、バイオマス、ごみ、下水汚泥、及び石炭等の炭化水素系固体燃料を、アルカリ吸収炉に供給するとともに、下部より、生成した燃焼ガスの一部を再循環させたＣＯ_２ガス、或いはＮ_２やＡｒのような不活性ガス、水蒸気等を流動ガスとして導入し、アルカリ吸収炉に供給された炭化水素系固体燃料を熱分解させる。
生成した熱分解ガスを完全に取り出すが、アルカリ吸収炉内で燃料の熱分解時に蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属をチャーへ高効率に吸着させるために、気泡流動層としている。サイクロンによってガスと粒子が分離され、チャーと流動媒体は、次のガス化炉へ導入される。
またアルカリ吸収炉の上部には、発生した熱分解ガスを取り出す手段が設けられている。取り出された熱分解ガスは、可燃ガスの一種であって、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに利用されるが、タールを含んでいるため、炉の後段に改質炉や活性炭によるタール吸収塔などによりタールを分解・除去する必要はある。

ガス化炉は気泡流動層とされており、アルカリ吸収炉から導入された未燃チャーは、下部より導入されたガス化剤とのガス化反応によりガス化される。ガス化剤としては、水蒸気、部分酸化燃焼として酸素あるいは空気などが用いられる。
ガス化炉内で生成したガス化ガスは、ガス化炉上部より取り出す一方、残渣チャーと流動媒体は、次の燃焼炉へ導入される。
取り出されたガス化ガスは可燃ガスであり、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに利用される。

燃焼炉は高速流動層とされており、該燃焼炉では導入された残渣チャーを、燃焼炉の下部より導入された酸素或いは空気とともに、燃焼させ、サイクロンにより燃焼ガスを取り出す。一方、再加熱された流動媒体は再びアルカリ吸収炉へ戻される。
取り出された燃焼ガスは、熱源として利用されるものであり、前述したとおり、その一部はアルカリ吸収炉に再循環させることも可能である。また、前記ガス化炉又は燃焼炉に導入する空気や蒸気等の予熱としても利用できる。

図２及び図３は、図１に図示した反応炉において、アルカリ吸収炉とガス化炉の間の連通路の構造を変更しただけのものであり、これらの図２ないし図３に示す反応炉においては、固体燃料及び流動媒体の流れは、いずれも同じであり、アルカリ吸収炉→連通路→ガス化炉→連通路→燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→アルカリ吸収炉となる。

（第２の形態）
図４及び図５は、本発明に用いる反応炉の第２の形態を示すものであって、図１に示した反応炉において、アルカリ吸収炉を下部及び上部の２段として、バイオマス、ごみ、下水汚泥などのアルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料（「高含有アルカリ燃料」という。）を供給する下部のアルカリ吸収炉と、石炭などのチャーの含有量が高い固体燃料（「高含有チャー燃料」という。）を供給する上部のアルカリ吸収炉とを設けたものである。
図４及び図５に示す反応炉においては、下部のアルカリ吸収炉における高含有アルカリ燃料から生成した熱分解ガスと蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を、上部のアルカリ吸収炉に導入するため、上部のアルカリ吸収炉において、高含有チャー燃料へ、より高効率でアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を吸着させることが可能となる。
アルカリ吸収炉は、各炉からの廃熱を利用することで温度をキープする。一方、アルカリ吸収炉下段の反応後の残渣は、ガス化炉へ導入あるいは燃焼炉へ熱源として利用される。
図４に示す反応炉と図５に示す反応炉の違いは、図４の反応炉においては、流動媒体を上部のアルカリ吸収炉へ供給する構造であるのに対して、図５の反応炉においては、流動媒体はガス化炉に供給されるために、アルカリ吸収炉は燃料のみで流動している点にある。

すなわち、図４に示す反応炉においては、高含有チャー燃料の流れは、上部のアルカリ吸収炉→連通路→ガス化炉→連通路→燃焼炉となり、高含有アルカリ燃料の流れは、下部のアルカリ吸収炉→連通路→ガス化炉→連通路→燃焼炉、又は下部のアルカリ吸収炉→連通路→燃焼炉となる。また、流動媒体の流れは、上部のアルカリ吸収炉→連通路→ガス化炉→連通路→燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→上部のアルカリ吸収炉となる。

また、図５に示す反応炉においては、高含有チャー燃料の流れは、上部のアルカリ吸収炉→連通路→ガス化炉→連通路→燃焼炉となり、高含有アルカリ燃料の流れは、下部のアルカリ吸収炉→連通路→ガス化炉→連通路→燃焼炉、又は下部のアルカリ吸収炉→連通路→燃焼炉となる。また、流動媒体の流れは、ガス化炉→連通路→燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→ガス化炉となる。

本発明によれば、アルカリ吸収炉とガス化炉を完全に分離することにより、熱分解ガス及びタールによるチャーのガス化の阻害の影響をなくすことができ、高効率でガス化することが可能であるため、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの未利用炭化水素資源への有効な利用が見込まれる。また、本発明によれば、アルカリ吸収炉を２段に分けることにより、固体燃料のハイブリッドガス化（共ガス化）、特に、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機廃棄物燃料と、石炭とのハイブリッドガス化が可能となるため、より多くの未利用固体燃料の有効利用が期待される。さらに、本発明により得られる可燃ガス、すなわち、アルカリ吸収炉から得られた熱分解ガス及びガス化炉から得られたガス化ガスは、それぞれ燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料等に有効に利用される。

本発明の反応炉の第１の形態を示す概要図 図１の反応炉において、アルカリ吸収炉とガス化炉の間の連通路を変更した１例を示す概要図 図１の反応炉において、アルカリ吸収炉とガス化炉の間の連通路を変更した他の１例を示す概要図連通路の変更例を示す概要図 本発明の反応炉の第２の形態を示す概要図 本発明の反応炉の第２の形態の他の１例を示す概要図

Claims (3)

1. 有機資源、石炭等の炭化水素系固体燃料をガス化炉内でガス化させて可燃ガスを製造する工程、及び未燃残渣分を燃焼炉において燃焼させる工程を少なくとも含む可燃ガスの生成方法において、
   アルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料からアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を蒸発させる工程と、該アルカリ及び／又はアルカリ土類金属をチャーの含有量が高い固体燃料に吸着させる工程とを、前記ガス化工程の前段に独立して設けたことを特徴とする炭化水素系固体燃料から可燃ガスを生成する方法。
2. 有機資源、石炭等の炭化水素系固体燃料の熱分解の際に蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を積極的にチャーに吸着させるアルカリ吸収炉、前記アルカリ吸収炉から導入されたチャーをガス化するガス化炉、及び前記ガス化炉から導入された残渣チャーを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼炉がそれぞれ独立して設けられ、それぞれの炉が連通路によりこの順に連結されており、かつ
   前記アルカリ吸収炉を、アルカリ及び／又はアルカリ土類金属含有量が高い固体燃料を供給する下部のアルカリ吸収炉と、チャーの含有量が高い固体燃料を供給する上部のアルカリ吸収炉とに分割するとともに、下部のアルカリ吸収炉内で蒸発したアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を、上部のアルカリ吸収炉内に導入して、チャーの含有量の高い固体燃料にアルカリ及び／又はアルカリ土類金属を吸着させる手段を備えたことを特徴とする炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。
3. 前記アルカリ吸収炉において熱分解により生成した揮発性の熱分解ガス、前記ガス化炉においてチャーのガス化により生成したガス化ガス、及び前記燃焼炉において生成した燃焼ガスのそれぞれを独立して取り出す手段を有することを特徴とする請求項２に記載の炭化水素系固体燃料のガス化反応炉。

Images