(57)【要約】【課題】  畜産廃棄物などの有機性廃棄物を、超臨界水ガス化装置に供給してガス化する場合、高効率ガス化が要求される。さらに、ガス化時に、塩分、灰分、チャーなどが発生し、これらの固形分がガス化装置の内壁に付着して、反応器を閉塞する問題がある。【解決手段】  原料である有機性廃棄物と、噴流層ガス化装置６から取り出される生成物を熱交換させる熱交換器Ａ３と、熱交換器Ａ３の出口を加熱する加熱器４と、加熱後の有機性廃棄物をガス化する噴流層ガス化装置６と、ガス化生成物を冷却する冷却器７と、冷却後に固形分を除去する固形分分離器８と、固形分分離器８に接続した減圧弁９と、減圧後の生成物を分離する分離器１０からなることを特徴とし、噴流層ガス化装置６は不活性粒子または触媒粒子からなる噴流層であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物を原料として導入される、超臨界水を用いたガス化装置において、原料の有機性廃棄物を、噴流層ガス化装置からのガス化生成物の顕熱で加熱するための熱交換器と、該熱交換器を出た前記有機性廃棄物を加熱する加熱器と、加熱後の前記有機性廃棄物をガス化する前記噴流層ガス化装置と、前記ガス化生成物を冷却する冷却器と、冷却後に固形分を除去する固形分分離器と、該固形分分離器に接続した減圧弁と、減圧後の前記ガス化生成物を分離する分離器とからなることを特徴とする超臨界水反応装置。
【請求項２】
前記噴流層ガス化装置として、不活性粒子または触媒粒子の噴流層からなることを特徴とする請求項１記載の超臨界水反応装置。
【請求項３】
前記不活性粒子として天然あるいは人工の砂、シリカ粒子、アルミナ粒子、ジルコニア粒子、カーボン粒子のいずれか１種、触媒粒子として活性炭、ニッケル系、白金系、二酸化マンガン系のいずれか１種、あるいはこれら２種以上の混合物を用いることを特徴とする請求項２記載の超臨界水反応装置。
【請求項４】
前記超臨界水ガス化装置の圧力は２５から３５ＭＰａ、温度は４００から６００℃、滞留時間は３０分以下であることを特徴とする請求項１記載の超臨界水反応装置。
【請求項５】
前記加熱器は前記分離器から分離生成される水素、メタン等の可燃性ガスの一部を取り出し、前記加熱器で燃焼させ、前記有機性廃棄物の加熱源として利用することを特徴とする請求項１記載の超臨界水反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有機性汚泥、都市ごみ、畜産廃棄物、産業汚泥などの有機性廃棄物を原料として、超臨界、あるいは亜臨界状態でガス化し水素、メタン等を生成させる超臨界水反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ここでは有機性廃棄物の中の畜産廃棄物を例に説明する。牛、豚、鶏などの家畜から排出される糞等の、いわゆる畜産廃棄物の処理では、特に有価物への転換など有効利用する方法が望まれている。
【０００３】
畜産廃棄物の処理方法の１つとして、燃焼することで、減容、無害化する方法がある。この方法は畜産廃棄物を燃焼処理し、その熱で温水又は蒸気を発生させ、熱源あるいは電力源として利用する。この方法は処理時間が短いため、畜産廃棄物を多量に処理できる特徴を持っている。
【０００４】
しかしながら、畜産廃棄物の水分は７０％以上と高く、畜産廃棄物を燃焼処理するためには、この水分の蒸発に、多くの熱量を必要とする。そのため、単独で畜産廃棄物を燃焼させるのは難しく、他の燃料を用いて、燃焼を維持する必要があり、経済的な方法とは言えない面がある。また、有害なダイオキシン、窒素酸化物の発生に対する排ガス対策が必要など環境の問題もある。
【０００５】
一方、畜産廃棄物を用いて、メタン発酵させ、発生したメタンを有効に利用する方法が古くから知られている。
【０００６】
図４は畜産廃棄物を用いたメタン発酵システムの概略図である。畜産廃棄物は、畜産廃棄物供給管６０より撹拌槽６２に送られ、希釈水供給管６１から供給される希釈水と混合された後、消化槽６３に送られる。消化槽６３では、メタン発酵によりメタンに富む消化ガスが発生する。この消化ガスは、消化ガス抜き出し管６６より取り出され、エネルギー源等として有効に利用される。
【０００７】
消化槽６３では、メタン発酵時に残査が発生するが、この残査は脱水機６４に送られる。脱水機６４では、固形分である脱水ケーキと液成分に分離される。脱水ケーキは脱水ケーキ抜き出し管６７から取り出される。この脱水ケーキは堆肥として利用されるか、あるいは焼却処理される。脱水機６４からの液成分は、排水処理装置６５で処理され、処理水抜き出し管６８から取り出され河川等へ放流される。
【０００８】
この方法は、発生したメタンをエネルギー源等として有効に利用でき、窒素酸化物など有害な副生物も発生しない特徴を持っている。しかしながら、発酵法であるため処理時間が長く、また、残査として発生する脱水ケーキや排水の処理が必要になる。また、これらの処理装置を含めると、設備全体が大型化する問題がある。
【０００９】
そのため、畜産廃棄物を超臨界条件でガス化処理し、メタン、水素を発生させる方法が注目されている。水の超臨界点は温度が３７４℃、圧力が２２．１MPaであり、これ以上の温度、圧力条件になると水は超臨界水となる。畜産廃棄物を管型反応器に供給し、超臨界あるいは亜臨界条件で処理すると、畜産廃棄物が熱分解反応および加水分解反応を起こし、水素、メタン等の有益なガスを発生する。
【００１０】
超臨界水ガス化処理は、メタン発酵などに比べ処理時間が短く、燃焼方式で問題となるダイオキシン、窒素酸化物等の有害成分が発生しない。また、燃焼法では畜産廃棄物に含まれる多量の水分の蒸発が問題になるが、超臨界水ガス化処理では水の蒸発を伴わないため、これらの問題も起きない特徴を持っている。
【特許文献１】特開２００１−６５３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
畜産廃棄物は７０％以上含まれる水分を除くと、炭素、水素、酸素と微量の窒素、塩素、硫黄分、灰分を主に含む有機系の物質である。畜産廃棄物を超臨界条件で処理すると、畜産廃棄物に含まれる有機物が熱分解反応あるいは加水分解反応を起こし、軽質なメタン、水素、二酸化炭素等が生成する。この時、反応残査として固形分である塩分、灰分、チャー等が析出する。
【００１２】
生成する水素、メタンはエネルギー源として有効に利用される。この有効なガス成分の収率を高めるためには、システム全体の熱効率を高める必要がある。燃焼法は、畜産廃棄物に含まれる水を蒸発させるため、多量の熱が必要になる。超臨界水ガス化ではこうした問題はないが、高温操作のため効率の高い熱回収システムが要求される。
【００１３】
畜産廃棄物の性状により、塩分が多いものあるいは灰分の多いものは、それぞれ塩分、灰分が特に多く析出する。これらの塩分、灰分は反応器の内壁に付着し、さらに成長すると反応器を閉塞させることになる。また、チャーは有機物に含まれる炭素が主成分であるが、チャーの生成が起きやすいガス化条件では、生成したチャーが反応器の内壁に付着して蓄積し、反応器が閉塞する問題がある。超臨界水ガス化は高圧であるため、ガス化装置の後続に減圧弁が取り付けられるが、これらの固形分は、減圧弁の磨耗の発生、あるいは減圧弁による信頼性が高い制御ができないなどの問題の原因となる。
【００１４】
反応器が閉塞すると、原料である畜産廃棄物の供給ができなくなり、運転を停止せざるをえない状況になる。そのため、閉塞物を除去して運転を再開することになるが、閉塞状況によっては、反応器を解体して閉塞物を除去する必要がある。反応器は高圧容器であり解体や、組み立てには長時間を必要とする。また、反応温度が比較的高温であり、高圧反応器は肉厚で熱容量が大きいため、解体前の冷却、あるいは再起動で昇温し温度条件を安定させるまでに、長い時間を要することになる。
【００１５】
超臨界条件でのガス化反応は反応速度が速いため、反応器内の混合が十分行われていない場合は、反応器の入り口付近で激しくガス化反応が起こり、反応器の出口に行くに従って反応量が低下することになる。これに伴って反応器内に温度分布が発生し、最適な均一温度条件を維持することが難しくなる。
【００１６】
また、超臨界条件におけるガス化反応は、畜産廃棄物の性状、あるいはガス化条件により、吸熱反応、あるいは発熱反応の場合が存在する。反応器内と系外との熱の授受を行い、反応器内の温度を一定に保つ必要があるが、そのためにも、反応器内を十分に混合する必要がある。さらに、触媒を用いたガス化反応では畜産廃棄物と触媒粒子との接触を活発にする必要があるが、この点からも混合が重要である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
有機性廃棄物を原料として導入される超臨界水を用いたガス化装置において、原料の有機性廃棄物を、噴流層ガス化装置からのガス化生成物の顕熱で加熱するための熱交換器と、熱交換器出口を加熱する加熱器と、加熱後の有機廃棄物をガス化するガス化装置と、ガス化生成物を冷却する冷却器と、冷却後に固形分を除去する固形分分離器と、固形分分離器に接続した減圧弁と、減圧後の生成物を分離する分離器とからなることを特徴とする。ガス化装置として不活性粒子または触媒粒子の噴流層であることを特徴とする。
【００１８】
不活性粒子として天然あるいは人工の砂、シリカ粒子、アルミナ粒子、ジルコニア粒子、カーボン粒子のいずれか１種、触媒粒子として触媒粒子として活性炭、ニッケル系、白金系、二酸化マンガン系のいずれか１種、あるいはこれら２種以上の混合物を用いることを特徴とする。ガス化装置の圧力は２５から３５ＭＰａ、温度は４００から６００℃、滞留時間は３０分以下であることを特徴とする。
【００１９】
加熱器は分離器から分離生成される水素、メタン等の可燃性ガスの一部を取り出し燃焼させ、有機性廃棄物の加熱源として利用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
超臨界水反応装置は、有機性廃棄物から水素、メタン等の有益なエネルギー源を回収することを目的としており、有益なガスの発生効率を高めるためには、システム全体のエネルギー効率を高める必要がある。本発明では、発生した水素、メタン等の可燃性ガスを加熱器で燃焼させ、噴流層ガス化装置に入る有機性廃棄物の温度を高めている。そのため、起動時以外は系外から燃料を供給する必要はない。また、噴流層ガス化装置の入口と出口の流体を、熱交換器で熱交換させ、全体システムの熱効率を高めている。
【００２１】
噴流層ガス化装置では後述するが、ガス化残査として発生する塩分、灰分およびチャーは噴流条件により、細かい粒子として噴流層ガス化装置内に発生し、超臨界流体に同伴され装置から取り出される。そのため、減圧弁の前段にサイクロンあるいは切り替えフィルターを設置することにより、これらの粒子を容易に除去でき、減圧弁の信頼性を維持することができる。
【００２２】
噴流層ガス化装置は装置内に不活性粒子、あるいは触媒粒子を充填しており、装置の下部中央より畜産廃棄物からなる超臨界流体を供給し、装置内の上方に向けて噴流を形成させている。そのため、噴流層内では粒子と超臨界流体が激しく混合することになる。触媒粒子を用いた場合、噴流層の混合効果により、畜産廃棄物と触媒の接触を効果的に行うことができる。また、噴流層内の混合により、装置内において均一な反応を維持することができる。さらに、粒子は熱媒体として激しく運動しているため、装置内の温度も均一に保つことができる。
【００２３】
反応に伴い発生する塩分、灰分あるいはチャーなどの固形分は、噴流層装置の内壁で析出し、あるいは噴流層内部で析出し、噴流層装置の内壁に付着することが懸念される。ところが、噴流層装置内では粒子が激しく運動しており、特に内壁付近では粒子の下降流が形成されているため、この粒子の流れによる清浄効果により、析出固形分の付着を防止することができる。噴流層装置内では、激しい混合のため、析出した固形分の粒径はほぼ揃った微細な粒子になっている。これらの粒子は超臨界流体に同伴され、一部は超臨界流体と共に、噴流層ガス化装置の上部から取り出される。
【００２４】
畜産廃棄物の超臨界水ガス化では、主に熱分解あるいは加水分解反応が起きている。また、畜産廃棄物に酸素あるいは空気などの酸化剤を添加する超臨界水酸化反応装置では、これらの反応に加え、有機物の部分酸化反応が起こる。これらの反応に伴う反応熱の授受は、噴流層装置の外壁に熱交換器を設置することで容易に達成することができる。
【００２５】
すなわち、装置内を激しく運動している粒子は、熱媒体としての役割を持っている。発熱反応を例にとると、内部で発生した反応熱は、粒子を介して噴流層装置の内壁に速やかに伝達する。内壁に伝達された熱は熱交換器で容易に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は本発明に基づく超臨界水反応装置の概略図である。図２は本発明に基づく具体的な運転内容である。畜産廃棄物の超臨界水反応装置を例にとり説明する。本装置はスラリーポンプ２、熱交換器Ａ３、加熱器４、噴流層ガス化装置６、冷却器７、固形分分離器８、減圧弁９、分離器１０から構成されている。
【００２７】
畜産廃棄物は原料供給管１から装置内に供給される。畜産廃棄物中の塩素、硫黄分を固定化する必要がある場合は、予め水酸化ナトリウム等のアルカリ溶液を畜産廃棄物に添加する。この畜産廃棄物は、常圧からスラリーポンプ２で２５ＭＰａから３５ＭＰａ程度まで昇圧された後、熱交換器Ａ３に入る。熱交換器Ａ３では、噴流層ガス化装置６の出口の生成物が持つ顕熱を回収し、この熱で原料の畜産廃棄物を、３００℃から４００℃まで昇温している。その後、畜産廃棄物は加熱器４により、４００℃から６００℃程度まで加熱され、超臨界流体２３となり、噴流層ガス化装置６へ供給される。
【００２８】
噴流層ガス化装置６では、畜産廃棄物が超臨界条件でガス化されており、ガス化生成物は熱交換器Ａ３に供給される。熱交換器Ａ３では、ガス化生成物が持つ顕熱を回収し、この熱で原料である畜産廃棄物を加熱している。そのため、ガス化生成物は冷却される。その後、ガス化生成物は減圧弁９で減圧されるが、減圧弁９を保護するため、事前に冷却器７を設置し、ガス化生成物を冷却することも有効な方法である。後続の固形分分離器８では、減圧弁９の摩耗の原因、あるいは制御の信頼性を阻害する原因となる固形分をガス化生成物から分離する。
【００２９】
減圧弁９の出口には、分離器１０が設置されている。分離器１０において、ガス化生成物は水素、メタンを含む有益なガス成分と、液成分および固形分が分離される。ガス成分、液成分および固形分は、それぞれ生成ガス出口管１１、液成分出口管１２および固形分出口管１３から取り出される。生成ガスは可燃性であり、その一部は加熱器４の燃料として利用され、ガス化反応に必要な温度まで畜産廃棄物を間接的に加熱する。
【００３０】
加熱器４の燃焼排ガスは燃焼排ガス出口管１５から取り出される。燃焼排ガスは高温であるため熱交換器Ｂ１４を用いて、加熱器４の燃料として用いる生成ガスの一部を間接的に加熱し、加熱器４の熱効率を高めている。また、加熱器４には起動に用いる燃料を供給する燃料供給管５が設置されており、起動時は系外より燃料を供給し昇温することになる。
【００３１】
図３は本発明に基づく噴流層ガス化装置の概念図である。噴流層ガス化装置６には天然あるいは人工の砂、シリカ粒子、アルミナ粒子、ジルコニア粒子、カーボン粒子のいずれかの１種からなる不活性粒子、あるいは活性炭、ニッケル系、白金系、二酸化マンガン系のいずれか１種、あるいはこれら２種以上の混合物のガス化を推進させる触媒粒子などの粒子２０が充填されている。噴流層ガス化装置６では、下部中央の超臨界流体供給管２１より、畜産廃棄物からなる超臨界流体２３を装置内に供給し、上方に向けて噴流２２を形成させている。この噴流２２の流速は３ｍ／秒から１０ｍ／秒である。
【００３２】
充填されている粒子２０は、この噴流２２に同伴され装置内を上昇する。噴流２２は装置内を上昇するに従い減衰し、噴流２２に同伴された粒子２０は噴流層上部で失速し、装置内壁２４と中央の噴流２２の間に形成される領域に入り、自重により下降する。
【００３３】
粒子２０の自重による下降に伴って、超臨界流体２３の一部も下降することになる。下降した粒子２０および超臨界流体２３は、装置の下部で噴流２２に巻き込まれ、再び噴流２２に同伴されて上昇することになる。そのため、粒子２０と超臨界流体２３は一定の相対速度を持ちながら、噴流２２に同伴され上昇し、噴流２２の外周を下降する。すなわちこの間を循環することになり、反応後の一部の超臨界流体２３は系外へ取り出される。
【００３４】
一方、噴流層ガス化装置６内の畜産廃棄物は超臨界条件である高温、高圧下で、ガス化反応を起こす。主な反応は熱分解と加水分解反応である。熱分解反応により有機物が熱分解し水素、メタン、二酸化炭素などのガスが発生すると同時に、固形分であるチャーが生成する。さらに、加水分解により下記の反応が起こる。
【００３５】
H2O  ＋  C（チャー）  ＝  H2  ＋  CO
また、次のような平衡反応により水素、メタンが生成する。
【００３６】
H2O  ＋  CO  ＝  H2  ＋  CO2
４H2  ＋  CO2  ＝  CH４  ＋  ２H2O
畜産廃棄物は無機物も含まれており、固形分の反応残査としてチャー以外に灰分、および塩分が生成する。これらは噴流層の装置内壁２４等で発生し、装置内壁２４に付着する傾向にある。ところが、噴流層内では前述したように、不活性粒子あるいは触媒粒子などの粒子２０が激しく運動している。
【００３７】
そのため、たとえ噴流層の装置内壁２４に付着し、チャー、灰分および塩分などの固形物が発生しても、粒子の激しい運動により、付着物は剥離し、超臨界流体２３中に、細かい粒子として浮遊することになる。噴流層の上部の超臨界流体２３の流速は、細かい固形分粒子の終末速度以上とし、超臨界流体２３に同伴され移動するように計画されている。
【００３８】
また、この流速は、不活性粒子あるいは触媒粒子などの粒子２０が流動化する条件、すなわち、粒子２０の流動化開始速度と終末速度の間になるように、粒子の大きさが選定されている。粒径が大きい不活性粒子あるいは触媒粒子からなる粒子２０は、噴流層内に止まり、細かい固形分粒子は、他のガス化生成物と共に超臨界水２３に同伴される。そのため、不活性粒子あるいは触媒粒子からなる粒子２０の粒径は、１０μｍから５ｃｍを採用している。噴流層ガス化装置６内の、ガス化生成物を含む超臨界水２３の一部は、装置から取り出され熱交換器Ａ３には入る。
【００３９】
噴流層ガス化装置６内は、先に述べたように不活性粒子あるいは触媒粒子からなる粒子２０が、超臨界流体の中を激しく運動している。これらの粒子２０は、熱媒体としての働きも持っているため、局部的な反応の進行に伴う反応熱の発生を、防止することができ、最適な反応温度を維持することができる。
【００４０】
また、粒子２０が熱媒体として働くため、反応熱の供給あるいは除去を行う熱交換器を、噴流層ガス化装置６の内部、あるいは装置外壁に設置すると、激しく運動している粒子２０が直接熱交換器に接触し、装置内に発生した熱を、迅速に熱交換器へ伝達することができる。さらに、粒子２０として触媒粒子を用いた場合、触媒粒子と超臨界流体が激しく接触するため、効率の良い反応を達成することができる。
【００４１】
噴流層ガス化装置６内に充填する、不活性粒子あるいは触媒粒子などの粒子２０の粒径は、ガス化反応で生成する固形分粒子の粒径に比べ大きい。そのため噴流層ガス化装置６からの粒子２０の飛び出しが防止でき、小さな固形分粒子は、不活性粒子あるいは触媒粒子などの粒子２０から分離し、超臨界流体２３に同伴され、噴流層ガス化装置から取り出される。
【００４２】
しかしながら、一部の不活性粒子あるいは触媒粒子などの粒子２０が、噴流に同伴して飛び出す場合には、噴流層ガス化装置６の出口にサイクロンを設置し、サイクロンで捕集した粒子を噴流層ガス化装置６へ戻すことも可能である。また、噴流層ガス化装置６内の噴流が十分発達しない場合には、噴流部に内筒を取り付け、噴流の減衰を防止することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は超臨界ガス化装置に限らず微粒子合成反応装置、超臨界水酸化反応装置に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に基づく超臨界水反応装置の概略図である
【図２】本発明に基づく具体的な運転内容を説明する特性図である。
【図３】本発明に基づく噴流層ガス化装置の概念図である。
【図４】従来の畜産廃棄物を用いたメタン発酵システムの概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  原料供給管
２  スラリーポンプ
３  熱交換器Ａ
４  加熱器
５  燃料供給管
６  噴流層ガス化装置
７  冷却器
８  固形分分離器
９  減圧弁
１０  分離器
１１  生成ガス出口管
１２  液成分出口管
１３  固形分出口管
１４  熱交換器Ｂ
１５  燃焼排ガス出口管
２０  粒子
２１  超臨界流体供給管
２２  噴流
２３  超臨界流体
２４  装置内壁
６０  畜産廃棄物供給管
６１  希釈水供給管
６２  撹拌槽
６３  消化槽
６４  脱水機
６５  排水処理装置
６６  消化ガス抜き出し管
６７  脱水ケーキ抜き出し管
６８  処理水抜き出し管
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006021069.tif 000005
【図４】
2006021069.tif 000006