(57)【要約】  【課題】有機化合物が保有するエネルギーを高効率で回収できるガス化方法を提供する。  【解決手段】有機化合物１０１を第１の温度帯１０２では不活性ガス雰囲気で加熱し、第１の温度帯１０２より高い第２の温度帯１０３では水蒸気雰囲気で加熱するものであり、かかる加熱により、生成するために莫大なエネルギーを必要とする水蒸気は、ガス化剤として効果的に機能する高温域で供給する。そして低温域においては、有機化合物１０１が酸化（燃焼）することを抑制するために不活性ガス雰囲気で加熱する。このため、ガス化システム内に過剰な水蒸気を供給することがなく、有機化合物１０１から効率良くガスを回収できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機化合物を、第一の温度帯において不活性ガス雰囲気で加熱し、その後前記第一の温度帯より高い第二の温度帯において水蒸気雰囲気で加熱する有機化合物のガス化方法。
【請求項２】
前記有機化合物の単位時間当たりにおける重量減少量が、前記不活性ガス雰囲気より上回って得られる前記水蒸気雰囲気の温度を前記第一の温度帯と第二の温度帯の閾値とした請求項１に記載の有機化合物のガス化方法。
【請求項３】
前記第一の温度帯において前記有機化合物から発生する成分を捕捉材で捕捉し、前記捕捉物を前記第二の温度帯において加熱する請求項１または２に記載の有機化合物のガス化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機化合物や有機廃棄物を熱分解し、前記有機化合物のもつエネルギーを回収する有機化合物のガス化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機化合物や有機廃棄物を熱分解あるいはガス化して、原料がもつエネルギーを回収し、有効利用するシステムの研究、開発が盛んに行われている。
【０００３】
このようなシステムで重要なことは、原料がもつエネルギーを最大限に回収することと、エネルギー回収のためにシステムが消費するエネルギーを最小限にすることである。
【０００４】
前者の指標としては、回収したガス発熱量を原料発熱量で除した冷ガス効率がある。また、後者の指標は定義や、実測が困難であり、明確な指標や検討例などの報告はほとんど見当たらない。
【０００５】
前記有機化合物のガス化では、生成物として熱分解ガス、タールなどの揮発成分、チャー、灰分など残渣がある。冷ガス効率を向上させるためには、より多くの揮発成分、残渣をガスに転換することが必要である。また、揮発成分は低温部で凝縮することにより、長時間運転した場合など排気管の閉塞などの原因となるため、水素やメタンなどの非凝縮性ガスになるまで低分子化することが好ましい。
【０００６】
前記揮発成分をガス化する一つの方法として、分解触媒がある。ここでいう揮発成分とは、高分子の炭化水素が主成分であるので、石油精製プロセスで従来使用されているニッケルなどが効果的である。また、前記ニッケルより高性能な触媒としてはルテニウムなどがある。
【０００７】
また、生成した揮発成分を多孔質粒子で一時的に捕捉し、その後前記捕捉物を酸素や空気により燃焼する方法がある。この場合、燃焼熱をシステム内で利用することにより、システムのエネルギー消費量が低減できる。
【０００８】
さらに、前記揮発成分や残渣中の固定炭素をガス化するためには、水蒸気をガス化剤として利用する水性ガス化反応が有効である。
【０００９】
例えば、常圧で３００℃以上に過熱された過熱水蒸気をガス化剤として、有機廃棄物を発電に利用可能なガスに資源化するシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
図３は、上記特許文献１に記載された有機廃棄物資源化システムのブロック図である。
【００１１】
図３に示すように、過熱水蒸気をガス化剤とする有機廃棄物資源化システムは、蒸気ボイラ１から発生した水蒸気を過熱水蒸気発生装置２により３００℃以上に加熱し、略常圧で３００℃以上の過熱水蒸気とする。この過熱水蒸気を処理炉３で被処理物４に接触させる。被処理物４は供給装置５から供給される。補助加熱装置６は熱風発生炉７において灯油やガスなどの燃焼により発生させた熱風を熱源としている。二次加熱装置８では、被処理物４から発生した熱分解ガスや気化ガスと廃水蒸気を８００℃以上で接触させてダイオキシン等の分解を行う。
【００１２】
二次加熱装置８からの排ガスは、ガス冷却装置９で冷却されて集塵機１０により有害な粉塵ダストを取り除く。さらに余分な廃水蒸気は、凝縮器１１で凝縮させて、蒸気ボイラ１に戻すことにより再利用する。
【００１３】
本システムでは、さらにシステム効率向上を図るべく排熱ボイラ１７等を備えているが、ここではその説明を省略する。
【００１４】
このように、有機廃棄物を３００℃以上の過熱水蒸気を用いて加熱すると、有機廃棄物からは水素リッチな燃料ガスが発生し、燃料電池などクリーンエネルギー源としての汎用性の高い燃料ガスの製造が可能となる。
【特許文献１】特開２００４−２０９３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記従来の構成は、システム内を循環する３００℃以上の過熱水蒸気を熱媒体として有機性廃棄物を炭化、ガス化しているため、前記過熱水蒸気が有機性廃棄物と化学的に反応する高温域では、過熱水蒸気がガス化剤として機能し、その結果、ガス収量の増量、タールのガス化、ダイオキシン類の分解等、効果は大きいが、このような高温域以下では、過熱水蒸気は熱媒体として機能するのみであるにも関わらず、過熱水蒸気雰囲気を維持するためには、システム内に供給または循環させる過熱水蒸気量を過剰にする必要がある。
【００１６】
ここで、過熱水蒸気を生成するためには、水の蒸発潜熱のために莫大なエネルギーが必要となる。さらにシステム内に露点温度以下の低温部が存在すると、そこで凝縮し、過熱水蒸気流が安定しないことから、円滑に循環させるためには過熱水蒸気流路をある程度加熱しておく必要がある。
【００１７】
かかる構成は、システム各所に加熱源や断熱材を各所に設ける必要がある関係上、装置全体が大型化するという課題があった。
【００１８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、有機化合物の熱分解ガス化プロセスにおいて、過熱水蒸気の特徴が最も発揮される条件で、有機化合物またはそれから発生する熱分解ガス、揮発成分と水蒸気とを接触させることにより、エネルギー的に効率よくガスを回収するガス化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記従来の課題を解決するために、本発明の有機化合物のガス化方法は、有機化合物を第一の温度帯では不活性ガス雰囲気で加熱し、第一の温度帯より高い第二の温度帯では水蒸気雰囲気で加熱するものであり、生成するために莫大なエネルギーを必要とする水蒸気はガス化剤として効果的に機能する高温域で供給する。そして低温域においては、有機化合物が酸化（燃焼）することを抑制するために、不活性ガス雰囲気で加熱する。このため、ガス化システム内に過剰な水蒸気を供給することがなく、有機化合物から効率良くガスを回収できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、有機化合物から燃料ガスを高効率で発生させることにより、大規模なガス化プラントではなく、小型ガス化装置を提供できるので、回収エネルギーをエネルギー消費地で生産可能となる。そのため、エネルギー搬送等の設備も簡略化され、従来の化石燃料の代替となる新しく、かつ環境負荷の小さいエネルギー供給システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
請求項１に記載の発明は、有機化合物を、第一の温度帯において不活性ガス雰囲気で加熱し、その後前記第一の温度帯より高い第二の温度帯において水蒸気雰囲気で加熱するものである。
【００２２】
かかることにより、ガス化生成のために莫大なエネルギーを必要とする水蒸気は、ガス化剤として効果的に機能する高温域で供給し、そして低温域においては、有機化合物が酸化（燃焼）することを抑制するために不活性ガス雰囲気で加熱するものである。このため、ガス化システム内に過剰な水蒸気を供給することがなく、有機化合物から効率良くガスを回収できる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、前記有機化合物の単位時間当たりにおける重量減少量が、前記不活性ガス雰囲気より上回って得られる前記水蒸気雰囲気の温度を前記第一の温度帯と第二の温度帯の閾値としたもので、前記閾値の設定により、前記水蒸気がガス化剤としてさらに有効な温度帯に対して供給される。このため、ガス化システム内に過剰な水蒸気を供給することがなく、さらに適切な温度で供給するため、有機化合物から一層効率良くガスを回収できる。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、前記第一の温度帯において前記有機化合物から発生する成分を捕捉材で捕捉し、前記捕捉物を前記第二の温度帯において加熱するものである。
【００２５】
かかることにより、前記第一の温度帯である低温域で発生する成分も燃料ガス化することが可能となり、有機化合物からさらに効率良くガスを回収することができる。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における有機化合物のガス化プロセスのフロー図である。図２は、同実施の形態１における有機化合物の熱重量分析結果を示す特性図である。
【００２８】
図１において、まず有機化合物１０１の加熱をスタートする。ここで有機化合物１０１とは動植物由来のバイオマスを想定しており、代表例として家庭や事業所等からの廃棄物、製材所などからの木屑、畜産業者などから家畜糞尿などがある。
【００２９】
次に、有機化合物１０１が置かれている雰囲気の温度を測定する（ＳＴＥＰ１）。次に、その測定温度が６００℃以上であるか否かを判定する（ＳＴＥＰ２）。そして、６００℃未満の場合には第一の温度帯１０２と判定され、不活性ガスを供給して有機化合物の加熱が行われる（ＳＴＥＰ３）。そして、再度温度測定を繰り返す。
【００３０】
また、前記測定温度が６００℃以上であれば、第二の温度帯１０３と判定され、水蒸気を供給して有機化合物１０１の加熱が行われる（ＳＴＥＰ４）。
【００３１】
以上のように、６００℃を閾値として第一の温度帯１０２と第二の温度帯１０３で不活性ガス雰囲気と水蒸気雰囲気とを切り替える。かかる理由については、図２に示す有機化合物１０１の熱重量分析結果を参照して説明する。
【００３２】
図２において、横軸は加熱開始からの経過時間である。左縦軸は加熱前の重量を基準としたときの有機化合物１０１の重量比を示しており、この値が小さくなるにともない、有機化合物１０１の重量が減少していることを意味する。右縦軸は雰囲気温度を示している。また、図中には不活性ガスとして窒素を用いたときの有機化合物１０１における重量変化の推移（太実線）と、水蒸気を用いたときの有機化合物１０１における重量変化の推移（太破線）、および雰囲気温度の推移（細実線）を示す。
【００３３】
図２からわかるように、加熱初期の約２００℃までの間においては、窒素雰囲気と水蒸気雰囲気ともに同様の推移で重量の減少が発生している。これは有機化合物１０１に含まれる含有水分の蒸発が同程度に行われていることを示している。したがって、この温度帯（２００℃）では、窒素雰囲気と水蒸気雰囲気において水分の蒸発作用、効果に顕著な差違は認められない。
【００３４】
さらに加熱を続けると、約６００℃未満の間で急激に重量が減少していることがわかる。これは、有機化合物１０１の揮発成分の揮発あるいは、有機化合物１０１の熱分解により、炭化水素や水素を主成分とする熱分解ガスが発生しているためである。この温度帯（５００〜約６００℃付近）においては、窒素雰囲気と水蒸気雰囲気の間に若干の差違が認められるが、ほとんど同じ傾向で有機化合物１０１は揮発あるいは熱分解していることが理解できる。
【００３５】
さらに加熱を続け、６００℃直前からは、窒素雰囲気の場合と水蒸気雰囲気の場合とで有機化合物１０１の重量減少傾向の差ｘが顕著となり始め、６００℃以上になると窒素雰囲気と水蒸気雰囲気で加熱した有機化合物１０１の重量減少傾向には大きな差違が認められるようになる。
【００３６】
すなわち、水蒸気雰囲気で加熱した場合には、窒素雰囲気で加熱した場合と比較して重量減少が大きく、さらに約７００℃以上になると、水蒸気雰囲気では再度急激に重量が減少する。これは、有機化合物１０１を構成している炭素と水蒸気が反応し、水素、一酸化炭素、二酸化炭素などを生成する反応が起こっているためである。
【００３７】
さらに、約６００℃以下で発生する揮発成分や高分子の炭化水素を、アルミナなどの多孔性粒子により一時的に捕捉して系内に滞留させ、水蒸気雰囲気で６００℃以上に加熱することにより、前記揮発成分や炭化水素を低分子化して、ガス回収率を向上させることができる。
【００３８】
したがって、約６００℃を閾値として、先に第一の温度帯（閾値未満の温度）で有機化合物１０１を窒素雰囲気で所定時間加熱し、その後第二の温度帯（閾値以上の温度）の水蒸気雰囲気中で有機化合物１０１を加熱することにより、有機化合物１０１の熱分解が一層効率よく行える。また、前記窒素雰囲気で発生する排熱を水蒸気発生の熱源に利用することにより、水蒸気発生のためのエネルギーの有効利用が行える。
【００３９】
以上のように、本実施の形態は、有機化合物１０１を、第一の温度帯１０２においては不活性ガス雰囲気で加熱し、第一の温度帯１０２より高い第二の温度帯１０３においては水蒸気雰囲気で加熱することにより、生成するために莫大なエネルギーを必要とする水蒸気を、ガス化剤として効果的に機能する高温域（第二の温度帯１０３）で供給することができる。そして低温域（第一の温度帯１０２）においては、有機化合物１０１が酸化（燃焼）することを抑制するために不活性ガス雰囲気で加熱する。このため、ガス化システム内に過剰な水蒸気を供給することがなく、有機化合物１０１から効率良くガスを回収できる。
【００４０】
なお、本実施の形態１においては、第一の温度帯１０２と第二の温度帯１０３の閾値を約６００℃として説明したが、かかる閾値は、化学反応あるいは熱分解により発生する有機化合物の単位時間当たりの重量減少量に注目すれば、前記水蒸気雰囲気が前記不活性ガス雰囲気より（所定量ｘ）上回って重量減少する温度に設定すればよいものである。さらに、前記閾値の設定に際し、前記有機化合物における吸熱性等の材質、量（質量）、形態等によっても図２に示す特性に多少の変動が考えられるため、前記閾値の設定に際して事前にこれらの点を考慮した値とすることがより好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明は、有機化合物を加熱したときに発生する揮発成分または熱分解ガスの一部を燃焼させて発熱し、この燃焼熱を熱源として、有機化合物の乾燥とそれに伴い発生する水蒸気を過熱して過熱水蒸気とし、この過熱水蒸気を利用して残りの揮発成分、熱分解ガスあるいは熱分解残渣の分解、改質を行うことにより、有機化合物のエネルギー化システムの高効率化が可能となるので、システム全体を小型化でき、設置面積が限られる小店舗あるいは家庭等のように有機系廃棄物が排出されるその場所においてガスエンジン、ガスタービンあるいは燃料電池などの小型発電機を使用することでオンサイト発電も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１における有機化合物のガス化プロセスのフロー図
【図２】本発明の実施の形態１における有機化合物の熱重量分析結果を示す特性図
【図３】従来の有機廃棄物資源化システムのブロック図
【符号の説明】
【００４３】
１０１  有機化合物
１０２  第一の温度帯
１０３  第二の温度帯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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