JP5392988B2 - バイオマスのガス化方法及びバイオマスガス化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス化処理をする際に排出される灰分に含まれる未反応炭素や、洗浄排水に含まれる有害物質を燃焼処理して、系外排出することなく、エネルギーを有効に利用することが可能なバイオマスのガス化方法及びバイオマスガス化装置に関するものである。

従来、木質廃棄物等の有機性廃棄物（バイオマス）を処理するにあたり、最終処分場（埋立地）の延命化を図るために、焼却により有機性廃棄物の減量化が図られている。一方、最近では地球温暖化ガス（ＣＯ_２）の削減の要請から、有機性廃棄物を単純に焼却処理するのではなく、特許文献１に示すような、ガス化炉で得られる回収燃料ガスを利用する廃棄物の熱分解−ガス変換（ガス改質）方法が提案されている。

この廃棄物の熱分解―ガス改質方法は、バイオマスを熱分解炉に投入して還元雰囲気下で熱分解ガスと熱分解残渣とに分離し、熱分解ガスは改質炉で改質して改質ガスを得て、熱分解残渣はメタル分を除去したうえで、溶融炉で自燃させて溶融し、このとき発生する高温の排ガスを改質炉の熱源として利用し、前記改質ガスをガス発電等の燃料に利用する方法である。

前記改質ガスをガス発電に使用されるガスエンジンに利用するためには、改質炉の後段に設けられた集塵機で灰分を除去する必要がある。しかしながら、この灰分には、未反応炭素（未燃分）が含まれており、埋立基準（熱灼減量１５％）を超える場合があり、灰分を埋立処理できない場合があるという問題があった。また、この灰分には炭素分が含まれているため、見た目が黒く、埋め立てようとしても、見た目が悪いという問題があった。そのうえ、灰分の未反応炭素分のエネルギーを回収できないため、エネルギーロスがあるという問題があった。

また、バイオマスには、生物由来のタンパク質が含まれている場合があり、このタンパク質に含まれる窒素分から、有害なＨＣＮ（シアン化水素）や、ＮＨ_３（アンモニア）が生成され、ガスエンジンに改質ガスを供給する前に、スクラバー（ガス浄化装置）でＨＣＮや、ＮＨ_３を除去する必要がある。しかしながら、スクラバーから排出される、ＨＣＮや、ＮＨ_３を含む洗浄排水を処理するには、薬液処理をするための大量の薬液が必要となり、多大なコストが発生してしまうという問題があった。

一方で、下水汚泥等のバイオマスは、焼却炉で焼却処理される場合があるが、下水汚泥を焼却処理する場合には、含水率が高いことから、発熱量が少なく、発電することが困難である一方で、燃焼排ガスの排熱を十分に有効利用できずに捨てている場合が多数あった。
特開平１０−１３２２３７号公報

木質廃棄物等のバイオマスをガス化する際に発生する焼却灰の炭素分を埋立可能な量とすることができ、また、薬液処理のためのコストが発生することなく、また、下水汚泥等のバイオマスの焼却熱を有効利用することが可能なバイオマスのガス化方法及びバイオマスのガス化装置を提供することを目的としてなされたものである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、下水汚泥を焼却する焼却炉の後段に熱交換器を配置した下水汚泥の焼却ラインと、バイオマスを熱分解するガス化炉の後段に改質炉と集塵機とを順次配置したバイオマスのガス化ラインとを並列に設置し、バイオマスを前記ガス化炉に投入して、理論燃焼空気量に対する供給空気量の比である空気比が１以下の還元雰囲気下でバイオマスを熱分解させて熱分解ガスを生成し、この熱分解ガスを、前記ガス化炉の後段に設けられた改質炉に供給して改質ガスに改質し、この改質ガスを、改質炉の後段に設けられた集塵機に導いて、前記改質ガスから灰分を除去し、前記焼却炉に、前記灰分を投入して、灰分に含まれる炭素分を燃焼させ、前記焼却炉の後段に設けられた熱交換器に空気を供給して、前記焼却炉で発生する熱と熱交換させて予熱させた空気を、前記ガス化炉の燃焼用空気として、前記ガス化炉に供給することを特徴とするものである。

なお、バイオマスのガス化ラインは前記集塵機の後段にスクラバーを更に配置しており、改質ガスを、前記バイオマスのガス化ラインのスクラバーに導いて、改質ガスに含まれる有害物質を洗浄排水に移行させて除去し、この洗浄排水を、前記焼却炉に投入して、有害物質を燃焼処理することが好ましい。

上記方法を具現化するための装置は、下水汚泥を焼却する焼却炉の後段に熱交換器を配置した下水汚泥の焼却ラインと、バイオマスを熱分解するガス化炉の後段に改質炉と集塵機を配置したバイオマスのガス化ラインとを並列に設置したバイオマスのガス化装置であって、前記バイオマスのガス化ラインは、バイオマスを理論燃焼空気量に対する供給空気量の比である空気比が１以下の還元雰囲気下で熱分解させて熱分解ガスを生成するガス化炉と、前記熱分解ガスを改質ガスに改質する、前記ガス化炉の後段に設けられた改質炉と、前記改質ガスから灰分を除去する、前記改質炉後段に設けられた集塵機とを備え、前記下水汚泥の焼却ラインは、前記灰分が投入される下水汚泥の焼却炉と、ガス化炉に供給する空気を前記焼却炉で発生する熱と熱交換して予熱する、前記焼却炉の後段に設けられた熱交換器とを有することを特徴とするものである。

なお、改質ガスに含まれる有害物質を洗浄排水に移行させて除去するスクラバーを前記集塵機の後段に設け、スクラバーの洗浄排水を前記焼却炉に投入するように構成することが好ましい。

改質ガスを、改質炉の後段に設けられた集塵機に導いて、前記改質ガスから灰分を除去し、焼却炉に、前記灰分を投入して、灰分に含まれる炭素分を燃焼させることとしたので、前記焼却炉から排出される焼却灰は熱灼減量１５％以下となり、埋立基準を満たし、最終処分場に埋め立てることが可能となる。また、前記焼却灰の色は白色もしくは灰色であるので、見た目も悪くない。また、前記灰分には、未反応炭素を多く含まれているので熱量が多く、前記焼却炉の熱源として使用することができ、前記焼却炉に使用される補助燃料を削減することが可能となる。

焼却炉の後段に設けられた熱交換器に空気を供給して、焼却炉で発生する熱と熱交換させて予熱させた空気を、ガス化炉に供給することとすると、従来では十分に利用されていなかった焼却炉から排出される燃焼排ガスの排熱を有効利用することが可能となり、前記ガス化炉に供給する燃料を削減して、コスト削減を実現することが可能となる。

スクラバーから排出される洗浄排水を焼却炉に投入して、有害物質を燃焼処理することとすると、薬液処理をするための薬液が不要となり、コスト削減を実現することが可能となる。

以下に、図面を参照しつつ本発明の好ましい実施の形態を示す。
図１は本発明の実施の形態を示す説明図である。図１において、１はガス化炉、２は改質炉、３は集塵機、４はスクラバー（ガス浄化装置）、５はガスエンジンである。また図１の上段には、焼却炉６及び熱交換器７、８を含む下水汚泥の焼却ラインが示されている。

木質バイオマス等のバイオマスは、ホッパー（図示せず）から、フィーダ（図示せず）によりガス化炉１に投入される。なお、本実施形態のガス化炉１は、流動床式のガス化炉である。このガス化炉１の内部は、理論燃焼空気量に対する供給空気量の比である空気比が１以下の還元雰囲気に保たれている。ブロア（図示せず）でガス化炉１内に空気を送給し、ガス化炉１内の底部に滞留している珪砂等の流動媒体砂を撹拌する。バイオマスはガス化炉１内で、流動媒体砂とともに流動撹拌されながら部分燃焼し、熱分解反応が行われ、可燃性の熱分解ガス（炭化水素、一酸化炭素、水素の他不燃性の窒素、炭酸ガスを含む）、タール（重質油分）、炭素分を含む熱分解残渣に分解される。なお、この目的のため、ガス化炉１内に供給する空気は400℃〜700℃に予熱するのが効果的である。また、熱分解反応を行う際に、ガス化炉１内部の温度は500℃〜800℃であることが好ましく、このため、ガス化炉１に燃料を供給して、ガス化炉１内の温度を前記温度に保つようにしている。なお、流動床式のガス化炉は循環流動床炉、気泡流動床炉のいずれも適用可能である。

なお、本発明では木質バイオマスを例に説明しているが、これに限定されず、いわゆるバイオマス全体に適用可能である。ここで、バイオマスとは、下水汚泥、パルプスラッジなど産業廃棄物や家庭ごみ、し尿などの生活廃棄物、農産物の廃材、家畜類の糞尿、あるいは間伐材、材木端材などの生物由来の有機質固体物質で化石燃料を除いたものを総称する意味で用いている。

ガス化炉１で生成された熱分解ガス、タール、熱分解残渣は、ガス化炉１上部から、冷却することなく、ガス化炉１後段に設けられた改質炉２に供給される。この改質炉２は、約800℃〜1200℃に保たれ、水蒸気と酸素が供給される。熱分解ガス、タール、熱分解残渣は、改質炉２内で、水蒸気と酸素と比較的高温、高速で改質され、水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスが生成される。

改質炉の内部で進む反応は下記の通りである。なお、下式中のＣｘＨｙは熱分解ガス、タール、熱分解残渣である。
・ＣｘＨｙ＋（ｘ＋ｙ／４）Ｏ_２＝ｘＣＯ_２＋ｙ／２・Ｈ_２Ｏ………（１）
・ＣｘＨｙ＋ｘＨ_２Ｏ＝（ｘ＋ｙ／２）Ｈ_２＋ｘＣＯ…………………（２）

熱分解ガスと酸素との（１）の反応による燃焼熱は、改質炉２の熱源として利用される。熱分解ガス、タール、熱分解残渣は、改質炉２中の熱により、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と反応し、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）を主成分とする改質ガスになる（（２）の反応）熱分解ガス、タール、熱分解残渣が最適に改質されるために、改質炉２の温度と酸素比を調整する。

以上詳細に説明した、前記ガス化炉１及び改質炉２で生成された改質ガスを、改質炉２の後段に設けられたセラミックフィルタ、バグフィルタ等の集塵機３に導き、灰分を除去する。

集塵機３で、灰分が除去された改質ガスを集塵機３の後段に設けられたスクラバー（ガス浄化装置）４に導き、前記改質ガスに含まれるシアン化水素（ＨＣＮ）やアンモニア（ＮＨ_３）等の有害物質を、スクラバー１０内で、洗浄排水に移行させることにより、前記改質ガスから除去する。

スクラバー４で、有害物質が除去された改質ガスは、ガスエンジン５等に供給され、発電機（図示せず）を駆動するためのエネルギー源として利用される。なお、発電機を駆動するための動力源としては、ガスエンジン５の代わりに、ガスタービンやボイラーと蒸気タービンの組み合わせ等により発電機を駆動させることとしてもよく、前記改質ガスは、これらのガスタービン、ボイラー等の燃料として利用されることとしてもよい。

集塵機３で除去された灰分を、ガス化炉１に隣接して設けられた下水汚泥の焼却ラインの焼却炉６に投入して、前記灰分に含まれる炭素分を燃焼させる。本実施形態では、焼却炉６は下水汚泥を焼却処理するための焼却炉である。下水汚泥には水分を多く含むため、焼却処理するためには、補助燃料が必要となるが、本発明では、前記灰分には、多量の未反応炭素が含まれるので、熱量が多く、前記補助燃料の使用量を削減することが可能となる。

なお、本発明では下水汚泥を例に説明しているが、これに限定されず、いわゆるバイオマス全体に適用可能である。

下水汚泥や前記灰分を焼却炉６で焼却すると焼却灰が排出されるが、この焼却灰には炭素分が含まれないか、もしくは微少量（熱灼減量１５％以下）であるので、埋立基準を満たし、最終処分場に埋め立てることができる。また、前記焼却灰の色は白色もしくは灰色であるので、見た目も悪くない。

また、スクラバー４から排出される洗浄排水を下水汚泥の焼却ラインの焼却炉６に投入して、シアン化水素（ＨＣＮ）やアンモニア（ＮＨ_３）等の有害物質を燃焼処理する。ガス化炉１内は還元雰囲気下である一方で、焼却炉６は酸化雰囲気下であるので、前記有害物質が焼却炉６内で燃焼により分解する。なお、焼却炉６で前記洗浄排水を燃焼処理するための熱源は、ガス化炉１と焼却炉６で処理するバイオマス量を調整することで化石燃料を使用することなく、燃焼処理することができる。

焼却炉６の後段には、熱交換器７が設けられ、焼却炉６で発生する排ガスの一部が、熱交換器７に供給され、熱交換器７内を通過して、前記排ガスの顕熱で熱交換器７を加熱する。熱交換器７には、空気が供給されて加熱され、焼却炉６に燃焼用の空気として供給する。このように、下水汚泥を燃焼させるために焼却炉６に供給するための空気を、熱交換器７で、焼却炉６で発生する熱と熱交換させて予熱することとしたので、焼却炉６を運転するための燃料を削減することが可能となる。

また、焼却炉６の後段には、前記熱交換器７と並列に、熱交換器８が設けられている。熱交換器７に供給されない、排ガスが熱交換器８に供給され、熱交換器８内を通過して、前記排ガスの顕熱で熱交換器８を加熱する。熱交換器８には、ガス化炉１に供給される空気（ガス化空気）が供給され、熱交換器８で加熱して、ガス化ラインのガス化炉１に供給する。このように、ガス化炉１に供給される空気を、熱交換器８で、焼却炉６で発生する熱と熱交換させて予熱することとしたので、ガス化炉１を運転するための燃料を削減することが可能となる。

また、ガス化炉１でガス化処理するバイオマスが、高含水の場合には、焼却炉６の焼却排ガス顕熱を、ガス化炉１に供給するバイオマスの乾燥熱源に利用することとしてもよい。その方法として、例えば、燃焼排ガスを、焼却炉６の後段に設けられた排熱ボイラー（図示せず）に導入し、回収した蒸気を、ガス化炉１に投入されるバイオマスの乾燥熱源に利用する。

熱交換器７及び熱交換器８を通過した排ガスは、熱交換器７、８の後段に設けられたセラミックフィルタ、バグフィルタ等の集塵機９に導かれ、灰分が除去される。なお、この集塵機９で除去された灰分には、炭素分が含まれないか、もしくは微少量（熱灼減量１５％以下）であるので、埋立基準を満たし、最終処分場に埋め立てることができる。また、前記灰分の色は白色もしくは灰色であるので、見た目も悪くない。

集塵機９で、灰分が除去された排ガスは、集塵機９の後段に設けられたスクラバー１０に導かれる。前記排ガス中に含まれるシアン化水素（ＨＣＮ）やアンモニア（ＮＨ_３）等の有害物質は、スクラバー１０内で、洗浄排水に移行させることにより、前記排ガス中から除去される。なお、スクラバー１０から排出される洗浄排水を、前述したように、焼却炉６に投入して、洗浄排水に含まれるシアン化水素（ＨＣＮ）やアンモニア（ＮＨ_３）等の有害物質を燃焼処理することとしてもよい。

スクラバー１０で、有害物質が除去された排ガスは、スクラバー１０の後段に設けられた煙突１１から排気される。

（実施例）
表１に本発明の実施例の、ガス化炉１に投入される木質バイオマス、集塵機３から排出される灰分、集塵機９から排出される灰分の成分を示す。また、図２に、この実施例の各工程の温度や、供給される空気の温度、燃料ガスの量及び成分を表示した図を示す。

表１から明らかなように、集塵機３から排出される灰分には炭素が多く含有して、高位発熱量も多いが、集塵機９から排出される灰分には、炭素が含まれていない。

以上説明したように、ガス化炉１と焼却炉６を組み合わせて設置することにより、灰分に含まれる炭素分を熱源として使用することができ、また、焼却炉６の排熱を有効に利用することが可能となり、エネルギーロスの少ない発電システムを提供することが可能となった。また、洗浄排水を処理するための薬剤が不要となった。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うバイオマスのガス化方法及びバイオマスのガス化装置もまた技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

本発明の実施の形態を示す説明図である。 本発明の実施の形態を示す実施例の説明図である。

符号の説明

１ ガス化炉
２ 改質炉
３ 集塵機
４ スクラバー（ガス浄化装置）
５ ガスエンジン
６ 焼却炉
７ 熱交換器
８ 熱交換器
９ 集塵機
１０ スクラバー（ガス浄化装置）
１１ 煙突

Claims (4)

1. 下水汚泥を焼却する焼却炉の後段に熱交換器を配置した下水汚泥の焼却ラインと、バイオマスを熱分解するガス化炉の後段に改質炉と集塵機とを順次配置したバイオマスのガス化ラインとを並列に設置し、
   バイオマスを前記ガス化炉に投入して、理論燃焼空気量に対する供給空気量の比である空気比が１以下の還元雰囲気下でバイオマスを熱分解させて熱分解ガスを生成し、
   この熱分解ガスを、前記ガス化炉の後段に設けられた改質炉に供給して改質ガスに改質し、
   この改質ガスを、改質炉の後段に設けられた集塵機に導いて、前記改質ガスから灰分を除去し、
   前記焼却炉に、前記灰分を投入して、灰分に含まれる炭素分を燃焼させ、
   前記焼却炉の後段に設けられた熱交換器に空気を供給して、前記焼却炉で発生する熱と熱交換させて予熱させた空気を、前記ガス化炉の燃焼用空気として、前記ガス化炉に供給することを特徴とするバイオマスのガス化方法。
2. バイオマスのガス化ラインは前記集塵機の後段にスクラバーを更に配置しており、改質ガスを、前記バイオマスのガス化ラインのスクラバーに導いて、改質ガスに含まれる有害物質を洗浄排水に移行させて除去し、この洗浄排水を、前記焼却炉に投入して、有害物質を燃焼処理することを特徴とする請求項１に記載のバイオマスのガス化方法。
3. 下水汚泥を焼却する焼却炉の後段に熱交換器を配置した下水汚泥の焼却ラインと、バイオマスを熱分解するガス化炉の後段に改質炉と集塵機を配置したバイオマスのガス化ラインとを並列に設置したバイオマスのガス化装置であって、
   前記バイオマスのガス化ラインは、バイオマスを理論燃焼空気量に対する供給空気量の比である空気比が１以下の還元雰囲気下で熱分解させて熱分解ガスを生成するガス化炉と、前記熱分解ガスを改質ガスに改質する、前記ガス化炉の後段に設けられた改質炉と、前記改質ガスから灰分を除去する、前記改質炉後段に設けられた集塵機とを備え、
   前記下水汚泥の焼却ラインは、前記灰分が投入される下水汚泥の焼却炉と、ガス化炉に供給する空気を前記焼却炉で発生する熱と熱交換して予熱する、前記焼却炉の後段に設けられた熱交換器とを有することを特徴とするバイオマスのガス化装置。
4. 改質ガスに含まれる有害物質を洗浄排水に移行させて除去するスクラバーを前記集塵機の後段に設け、スクラバーの洗浄排水を前記焼却炉に投入するように構成したことを特徴とする請求項３に記載のバイオマスのガス化装置。

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