JP5344447B2 - ガス化炉で蒸発したアルカリを再利用したガス化システム - Google Patents

Description

本発明は、ガス化炉から取り出されたガスを有効利用するためのガス化システムに関するものであり、特に、ガス化炉で蒸発したアルカリを有効に再利用するためのガス化システム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。

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（下記特許文献１、２参照）、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。

本発明者らは、こうした問題を解決する技術の１つとして、従来の燃焼炉とガス化炉を分離して、燃焼ガスとガス化ガスをそれぞれ別々に取り出す方法に加え、ガス化炉をさらにアルカリ吸収炉とチャーガス化炉とに分離して、熱分解ガスとガス化ガスをそれぞれ別々に取り出す方法を提案している（下記特許文献３参照）。
本提案のガス化方法及びガス化反応炉によれば、チャーガス化において、熱分解ガス及びタールによる阻害の影響をなくすことができる。さらに、移動層としたアルカリ吸収炉において、アルカリ含有量が高い固体燃料からアルカリを蒸発させ、それをチャーの含有量が高い固体燃料に吸着させて、アルカリをチャーのガス化触媒として利用することで、チャーガス化炉において、チャーのガス化が促進される。

これらのガス化炉で製造したガス化ガスは、例えば図５に示す従来のガス化システムの一例において、熱交換器、ボイラ、及びスクラバを通過させた後に、タール吸収塔で活性炭により、主に軽質タールを除去し、ガスエンジンにより発電させている。
しかしながら、ガス化炉で製造されたガス化ガスには、ガス化炉内で蒸発したアルカリが含有されており、このアルカリが配管に付着して腐食の原因となるために、配管の寿命が短くなり、点検や交換などのコストがかかるという問題がある。

一方、アルカリの有効活用については、既に幾つかの提案がなされている。
例えば、特許文献４では、湿式のアンモニア法と乾式法の活性炭、アルカリ吸収法の組み合わせで、排ガスの脱硫を行い、脱硫システム全体の高効率化を図っている。しかしながら、この方法は、ガス化炉から蒸発したアルカリを利用することについては触れられておらず、また、脱硫に限られたシステムである。
同様に、特許文献５では、貝殻や石灰石等を粉砕した炭酸カルシウム系材料に、ナトリウムやカリウム等のアルカリ金属化合物成分を添加することにより、炭酸カルシウム系材料の粒子の細孔径が制御された高性能脱硫剤を得るものである。しかしながら、この方法では、アルカリ金属化合物を準備する必要があるうえ、ガス化炉から蒸発したアルカリを利用することについては触れられていない。
さらに、特許文献６では、石灰石に、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム等のアルカリ塩又はアルカリ土類を添加して熱処理などを行い、高品質な消石灰を製造するものであるが、高温焼成処理や水熱処理などの設備が必要である。また、この特許文献にも、ガス化炉から蒸発したアルカリを利用することについては触れられていない。

このように、アルカリを必要とする技術分野があるものの、ガス化炉から蒸発するアルカリを有効に利用することについては、何等提案がされていないのが現状である。
特開２００５−６８２９７号公報 特開２００５−６８３７３号公報 特願２００７−２１６８１７号（特許第５００４０９３号） 特開２００７−１４４２９８号公報 特開平９−２０１５１３号公報 特開平８−１０９０１７号公報

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、ガス化炉で蒸発したアルカリを、でできる限り配管に付着させることなく、しかも、アルカリを有効に利用できるガス化システムを提供することを目的とするものである。

発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ガス化炉の後段にアルカリ吸収塔を設けることにより、アルカリを石灰石や活性炭に吸着させることで、配管への付着を防ぐことが可能となるとともに、アルカリを吸収した石灰石や活性炭は、焼却炉やガス化炉において、アルカリの有効利用が図れるという知見を得た。

本発明は、これらの知見に基づいて完成に至ったものであり、以下のとおりのものである。
（１）炭化水素系固体燃料の熱分解の際に蒸発したアルカリを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なるガス化反応炉を用いるガス化システムにおいて、前記ガス化炉から蒸発したアルカリを、ガス化炉の後段に設けたアルカリ吸収塔にて石灰石又は活性炭に吸着させ、該アルカリが吸着された石灰石又は活性炭を前記アルカリ吸収炉に供給することを特徴とするガス化システム。
（２）炭化水素系固体燃料をガス化させるガス化炉と、該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いる炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を用いるガス化システムにおいて、前記ガス化炉から蒸発したアルカリを、ガス化炉の後段に設けたアルカリ吸収塔にて石灰石又は活性炭に吸着させ、該アルカリが吸着された石灰石又は活性炭を前記ガス化炉に供給することを特徴とするガス化システム。
（３）前記アルカリ吸収塔における活性炭が、後段に設けられたタール吸収塔から抜き出されたものであることを特徴とする（１）又は（２）に記載のガス化システム。

本発明の方法によれば、アルカリの配管への付着を防止できるので、アルカリによる腐食の問題が生じない。また、アルカリを吸収させた石灰石は、高温でも細孔が維持されるので、焼却炉に供給して高性能脱硫剤としての利用が可能であり、また、吸着したアルカリによりガス化反応を促進させることもできるので、ガス化炉に供給して高性能ガス化触媒としての利用が可能である。さらに、タール吸収塔から抜き出された活性炭にアルカリを吸着させた場合には、活性炭自体がチャーの塊であることから、ガス化炉に供給してガス化反応が促進され、得られる可燃ガス量を増加することが可能となる。

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、本発明に用いるガス化システムの第１の形態を示す概要図である。
図１に示すシステムは、図５に示す従来のガス化システムにおけるガス化炉と熱交換器との間に、アルカリ吸収塔を設けたものである。
ガス化炉で生成した可燃ガス中には蒸発したアルカリも含まれるが、図１に示すように、そのアルカリを、後段に設けられたアルカリ吸収塔で、その内部に配置された石灰石又は活性炭に付着させることにより、アルカリを除去した可燃ガスとして熱交換器へ導入し、ボイラ、スクラバ、タール吸収塔でそれぞれの処理を行い、ガスエンジンにより発電させるものであり、本システムを採用することにより、アルカリが配管に付着することを回避できる。
本システムにおいては、該アルカリ吸収塔には、石灰石又は活性炭を配置されるが、特に、活性炭として、同システムの後段に設けられているタール吸収塔から抜き出された活性炭などを利用するのが好ましい。
なお、図１では、アルカリ吸収塔を、熱交換器の前段に設置したが、温度条件によっては、熱交換器の後段であってもよい。

（第２の形態）
図２は、アルカリを吸収させた石灰石の利用方法として、アルカリが付着した石灰石を燃焼炉へ供給し、高性能脱硫剤として利用する例を示すものである。
図２に示すシステムでは、燃焼炉の下方に投入されるバイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源、及び石炭等の炭化水素系固体燃料とともに、前記アルカリ吸収塔から取り出されたアルカリが吸収された石灰石が投入される。石灰石はアルカリを吸収することにより、高温でも粒子内の細孔が維持されるので、粒子あたりの脱硫反応量が多くなり、高性能な脱硫剤として機能するものである。

図３及び図４は、アルカリを吸収させた石灰石や活性炭の利用方法として、ガス化炉に供給して再利用する例を示すものである。
（第３の形態）
図３に示すシステムでは、前述の特許文献３に記載のガス化反応炉におけるアルカリ吸収炉に、アルカリを吸収させた石灰石や活性炭を供給するものである。
すなわち、図３に示すように、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炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を少なくとも有するガス化システムにおいて、ガス化炉の下流に別途設けられた前記アルカリ吸収塔から抜き出された石灰石又は活性炭を利用するものである。
図３に示す炭化水素系固体燃料のガス化反応炉において、固体燃料及び流動媒体は、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）及びダウンカマー（図示せず）を経て、再加熱された流動媒体がアルカリ吸収炉に送られる。
以下、炉毎に順に詳述する。

図３に示した反応炉においては、アルカリ吸収炉の上部より、石炭等のチャーの含有量が高い炭化水素系固体燃料（高含有チャー燃料）を、側部より、バイオマス、ごみ、及び下水汚泥等のアルカリの含有量が高い炭化水素系固体燃料（高含有アルカリ燃料）を、それぞれ供給するとともに、下側部より、生成した燃焼ガスの一部を再循環させたＣＯ_２ガス、あるいは水蒸気を導入し、これらの炭化水素系固体燃料を熱分解させる。
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をチャーへ高効率に吸着させるために、アルカリ吸収炉を移動層としてあり、側部から供給された高含有アルカリの燃料の熱分解時に蒸発したアルカリは、上部のチャーに吸着される。
本システムにおいて、アルカリを吸着させた石灰石又は活性炭は、上記の高含有チャーの燃料と同じ供給ポートから供給される。

アルカリ吸収炉内では、発生した熱分解ガスと粒子が分離され、アルカリを吸着した石灰石又は活性炭は、アルカリを吸収したチャー、及び流動媒体とともに、次のガス化炉へ導入される。
アルカリを吸収したチャーは、アルカリ触媒効果によりガス化炉内でのガス化が促進されるが、さらに石灰石又は活性炭に吸着されたアルカリがガス化触媒として機能し、ガス化反応をより促進させることができる。特に活性炭は、チャーの塊であることから、それ自身のガス化反応が促進される。
さらに、図３に示すシステムにおいて、アルカリを吸着させる活性炭として、タール吸収塔から抜き出した活性炭を用いることにより、高価な活性炭の有効な利用を図ることにもなる。

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。このタールを、活性炭に吸着させることもでき、ガス化炉の後段、特にスクラバでのガス洗浄後の水処理が軽減される。

なお、アルカリ吸収炉は、図３に示す例に限られず、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を、高効率でチャーへ吸着させることができるものであればよく、例えば、炭化水素系固体燃料をアルカリ吸収炉に導入するとともに、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を流動ガスとして導入して、気泡流動層を形成するものや、或いは更に、該アルカリ吸収炉を２段構成とし、高含有アルカリ燃料を供給する下部のアルカリ吸収炉と、高含有チャー燃料及び活性炭を供給する上部のアルカリ吸収炉を設けたもの等が挙げられる。

ガス化炉は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及び活性炭は、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。

燃焼炉は、流動層とされており、残渣チャーが完全燃焼可能な滞留時間を確保する。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、その一部はアルカリ吸収炉に再循環させることもできる。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。

また、活性炭を流動媒体の代わりとして利用し、活性炭粒子を高濃度循環させることができる。すなわち、アルカリ吸収炉及びガス化炉でタールを吸着した活性炭は、流動層燃焼炉へ送られ、表面燃焼させることで吸着したタール分を燃焼させる。残渣の活性炭は、サイクロンで燃焼ガスと分離した後、再びアルカリ吸収炉へ供給される。
活性炭は、本来多孔質な粒子であるためにタールを吸収しやすい。高濃度循環させるために、燃焼炉で残渣チャーが完全燃焼しない場合には、炉内の熱バランスが崩れてしまうが、その場合には、燃焼炉へ炭化水素系固体燃料を供給し、揮発分の一部を燃焼させ、残渣分をアルカリ吸収炉に送る。

（第４の形態）
図４に示すシステムでは、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炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を少なくとも有するガス化システムにおいて、ガス化炉の下流に別途設けられた前記アルカリ吸収塔から抜き出された石灰石又は活性炭を利用するものである。
すなわち、図４に示すガス化反応炉は、図３のアルカリ吸収塔とガス化炉が分離していない点で異なるだけである。
アルカリを吸着させた石灰石又は活性炭を、ガス化炉に供給することにより、石灰石又は活性炭に吸着されたアルカリがガス化触媒として機能し、ガス化反応をより促進させることができ、特に活性炭は、チャーの塊であることから、それ自身がガス化反応が促進される。
そして、図３に示すガス化システムの場合と同様に、該活性炭として、タール吸収塔から抜き出した活性炭を用いることにより、高価な活性炭の有効な利用を図ることにもなる。

本発明に用いるガス化システムの第１の形態を示す概要図。 アルカリが付着した石灰石を焼却炉へ供給し、高性能脱硫剤として利用する例を示す概要図。 アルカリを吸収させた石灰石や活性炭をガス化反応炉におけるアルカリ吸収炉に供給し、石灰石をガス化触媒として利用する、あるいは活性炭自身をガス化させてガス化効率の向上に利用する例を示す概要図。 アルカリを吸収させた石灰石や活性炭をガス化反応炉におけるガス化炉に供給し、石灰石をガス化触媒として利用する、あるいは活性炭自身をガス化させてガス化効率の向上に利用する例を示す概要図。 従来のガス化システムの一例を示す概要図。

Claims (3)

1. 炭化水素系固体燃料の熱分解の際に蒸発したアルカリを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なるガス化反応炉を用いるガス化システムにおいて、前記ガス化炉から蒸発したアルカリを、ガス化炉の後段に設けたアルカリ吸収塔にて石灰石又は活性炭に吸着させ、該アルカリが吸着された石灰石又は活性炭を前記アルカリ吸収炉に供給することを特徴とするガス化システム。
2. 炭化水素系固体燃料をガス化させるガス化炉と、該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いる炭化水素系固体燃料のガス化反応炉を用いるガス化システムにおいて、前記ガス化炉から蒸発したアルカリを、ガス化炉の後段に設けたアルカリ吸収塔にて石灰石又は活性炭に吸着させ、該アルカリが吸着された石灰石又は活性炭を前記ガス化炉に供給することを特徴とするガス化システム。
3. 前記アルカリ吸収塔における活性炭が、後段に設けられたタール吸収塔から抜き出されたものであ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。

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