(57)【要約】  【課題】含水物を原料として水性ガス化を行う場合、原料乾燥時の水蒸気を熱源やガス化剤として利用することで、高効率なガス化用の加熱方法及び装置を提供する。  【解決手段】含水物であるサンプル１０１を投入する加熱容器１０３と、加熱容器１０３から排出されるガスから高濃度の水蒸気を分離する水蒸気分離器１０９と、分離した水蒸気を加熱容器１０３へ戻す水蒸気循環経路１０７を備えた加熱装置であって、乾燥過程で蒸発する水蒸気を、加熱源となる熱媒体や反応剤として有効に利用でき、その結果、別途水蒸気を投入することがなく、設備の小型化がはかれ、また、制御が簡易となり、高効率な加熱を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
含水物または水分調整を行った原料を加熱することで水分を蒸発させる蒸発過程と、前記蒸発過程で蒸発した水蒸気を分離する水蒸気分離過程と、水蒸気を加熱する水蒸気加熱過程とからなり、前記蒸発過程の熱源を、前記水蒸気加熱過程で生成された水蒸気とした加熱方法。
【請求項２】
含水物または水分調整を行った原料を投入する加熱容器と、前記加熱容器から排出されるガスから高濃度の水蒸気を分離する水蒸気分離手段と、前記水蒸気分離手段で分離した水蒸気を前記加熱容器へ導入する水蒸気循環経路を備えた加熱装置。
【請求項３】
前記水蒸気循環経路に水蒸気加熱手段を設け、前記加熱容器の熱源に、前記水蒸気加熱手段で加熱された水蒸気を利用する請求項２に記載の加熱装置。
【請求項４】
前記加熱容器から水蒸気分離手段を経た水蒸気循環経路を断熱した請求項２または請求項３に記載の加熱装置。
【請求項５】
水蒸気分離手段を、多孔質材より構成した請求項２から４のいずれか一項に記載の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含水物を高温水蒸気を用いて乾燥する加熱や、高温水蒸気をガス化剤としてガス化を行うための加熱に関する方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
含水物の乾燥方法として、過熱蒸気を用いて行う方法がある。この方法では、水蒸気の凝縮潜熱やガス輻射を利用し、すばやく乾燥を行うことで、食品等の乾燥物を生成する場合に、長時間で加熱行うことによる栄養成分の熱劣化、熱分解を防止することができることから、最近注目を浴びている。しかしながら、前記過熱蒸気生成には、多くのエネルギーを要することから、省エネルギー化が要望されている。
【０００３】
また、近年、有機物を高温水蒸気でガス化して熱分解や水性ガス化反応により、水素等の可燃ガスを得る技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
通常型熱分解ガス化システムは、炭化物を熱分解ガス化炉で部分燃焼させ、熱分解ガス化炉内で水性ガス化反応を起させるために水蒸気を供給する方法である。この水蒸気の供給量は、反応速度が無限大で他の条件も理想的であれば、炭素と等モルでよいが、実機では理想的な条件とはならないため、等モルより２０〜５０％程度過剰の水蒸気が必要となる。
【０００５】
従って、熱分解ガス化炉では、水性ガス（Ｈ２＋ＣＯ）と呼ばれる可燃性ガスの他に反応に使用されなかった水蒸気が残留している。通常型熱分解ガス化システムでは、得られたガスを一度常温に戻して残留水蒸気を水として除去し、反応に必要な過剰の水蒸気は、別途ボイラにより供給している。
【０００６】
このことから、上述した通常型熱分解ガス化システムでは、得られたガスは一度常温に戻して残留水蒸気を水として除去し、一方で反応に必要な過剰の水蒸気は、別途ボイラにより供給しているため、水蒸気が持っている潜熱を系外へ放出し、一方で系内に供給することになり、熱効率を下げている。
【０００７】
このような課題を少しでも解決するために、最近では、熱分解ガス化装置に特化したものとして、炭化物と、水蒸気と、空気とを熱分解ガス化炉内に投入して可燃性ガスを得る熱分解ガス化装置であって、前記熱分解ガス化炉内で生成された可燃性ガス中に含まれている水蒸気を、選択的に分離除去する水蒸気分離膜を設け、該水蒸気分離膜で分離除去された水蒸気を、前記熱分解ガス化炉へ戻して循環させる水蒸気循環経路を形成したガス化装置が知られている。
【０００８】
かかる構成のガス化装置は、熱分解ガス化炉内で生成された可燃性ガス中に含まれている水蒸気を選択的に分離除去する水蒸気分離膜を設け、さらに該水蒸気分離膜で分離除去された水蒸気を、熱分解ガス化炉へ戻して循環させる水蒸気循環経路を形成した構成であるため、熱分解ガス化炉内の水性ガス化反応に必要な水蒸気を凝縮させることなく、排出量を少なくしてリサイクルしながら使用することで熱効率の向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
図３は、上記特許文献１に記載された従来の加熱方法を用いて熱分解ガス化に特化した加熱装置の構成図である。
【００１０】
図３において、図中の符号１０は炭化装置、２０は熱分解ガス化炉である。このように水蒸気分離膜を用いた熱分解ガス化装置は、有機性廃棄物を原料とする炭化装置１０から得た炭化物（Ｃ）と、水蒸気と、空気とを前記熱分解ガス化炉２０の内部へ投入して、水性ガス化反応によって可燃性ガスを得る。
【００１１】
前記炭化装置１０は、炭化炉内に投入された有機性廃棄物を原料として炭化処理を施し、炭化物を生成するものである。ここで原料となる有機性廃棄物の一例を挙げると、例えば、おからや茶殻等の食品製造副産物、木くず、糞尿、生ゴミ、有機性汚泥、下水汚泥などがある。ここで使用する炭化装置１０は、公知の各種装置を採用することが可能であって特に限定されるものではないが、処理過程で発生する揮発分は、ダイオキシン抑制のため８５０℃以上の高温で燃焼させ、炭化処理の熱源として使用するのが好ましい。
【００１２】
前記熱分解ガス化炉２０は、炭化物、水蒸気及び空気を投入して水性ガス化反応を生じさせ、同反応の結果として可燃性ガスを含む水性ガスが生成される。この水性ガス化反応を化学式で示すと、（式１）となる。
【００１３】
Ｃ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ＋Ｈ２・・・（式１）
そして、この水性ガス化反応には、熱分解ガス化炉２０の炉内温度を８００℃以上の高温とする必要がある。
【００１４】
このような水性ガス化反応により生成された水性ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）及び水素ガス（Ｈ２）を主成分とする安定した性状の混合ガスであり、いずれも可燃性であることから内燃機関の燃料として使用可能である。
【００１５】
上述した可燃性ガス（水性ガス）を燃料として使用できる内燃機関には、ガスエンジン、ガスタービンなどがある。このような内燃機関はデイリースタート・シャットダウン運転が容易なため、これを駆動源として発電すれば、中小量規模の炭化物を処理して発電する装置として好都合である。
【００１６】
さて、上述した熱分解ガス化炉２０では、炉内に投入された炭化物を部分燃焼させて熱を得ることにより、水性ガス化反応に必要な８００℃以上の高温を容易に確保することができる。
【００１７】
しかし、炭化物を部分燃焼させると、炭化物の燃焼に必要な空気中に窒素が含まれていることから、窒素ガス及び窒素化合物の他にも二酸化炭素（ＣＯ２）等の燃焼排ガスが水性ガスと共に生成される。
【００１８】
また、前記熱分解ガス化炉２０で生成された水性ガス等の可燃性ガスを主成分とする排出ガス（以下、「可燃性ガス」と呼ぶ）は、水性ガス化反応と同時に生じるシフト反応により、水蒸気も含んだ混合ガスとして熱分解ガス化炉２０から排出される。このシフト反応の化学式を（式２）に示す。
【００１９】
ＣＯ２＋Ｈ２  →  ＣＯ＋Ｈ２Ｏ・・・（式２）
そして、前記熱分解ガス化炉２０で生成された可燃性ガスは、投入用水蒸気熱交換器（以下、「投入熱交」と呼ぶ）２１、補充用水蒸気熱交（以下、「補充熱交」と呼ぶ）２２、空気熱交２３、膜分離装置５０、除湿装置２４及びドレンタンク２５を経てガスホルダー２６に貯蔵される。
【００２０】
前記投入熱交２１は、熱分解ガス化炉２０で生成された可燃性ガスが保有する廃熱を利用し、炉内へ投入する水蒸気（以下、「投入水蒸気」と呼ぶ）を加熱して昇温させる熱交換器である。この投入水蒸気は、後述する膜分離装置５０において可燃性ガス（混合ガス）から分離除去（回収）された後に、ブロアー２７で圧送されてくる水蒸気（以下、「回収水蒸気」と呼ぶ）に対して、不足分の水蒸気（以下、「補充水蒸気」と呼ぶ）を補充したものである。すなわち、投入水蒸気は、回収水蒸気に補充水蒸気を加えたものである。
【００２１】
この補充水蒸気は、ポンプ３０によりボイラ３１に供給された水を加熱して生成される。前記ボイラ３１の燃料は、ガスホルダー２６内に貯蔵されている可燃性ガスを使用する。なお、前記ボイラ３１の燃料は、上述した可燃性ガスを利用するだけでなく、専用の燃料系を設けたり、他の加熱源を導入することも可能であり、あるいは、他の用途に設けられているボイラ（図示せず）からの余剰水蒸気の供給を受けるようにしてもよい。
【００２２】
上述した投入水蒸気は、水性ガス化反応に必要となる水蒸気量を確保するため、制御弁２８において回収水蒸気に不足分の補充水蒸気を加えることによって得られる。また、補充水蒸気についても、制御弁２８の上流側において補充熱交２２により加熱して昇温されている。この補充熱交２２は、可燃性ガスをガスホルダー２６へ導く配管経路において補充熱交２２の下流側に位置する熱交換器であり、投入熱交２１と同様に可燃性ガスの廃熱を利用して水蒸気を加熱する。なお、上述した投入水蒸気は、たとえば１１０℃程度に加熱されたものが熱分解ガス化炉２０へ投入される。
【００２３】
熱分解ガス化炉２０からガスホルダー２６へ可燃性ガスを導く配管経路において、前記補充熱交２２の下流側に設置されている空気熱交２３は、熱分解ガス化炉２０で生成された可燃性ガスが保有する廃熱を利用して、前記熱分解ガス化炉２０へ投入する部分燃焼用の空気を予熱する熱交換器である。この場合、空気熱交２３で予熱された空気は、後述する膜分離装置５０のスイープガスとして使用された後、回収水蒸気と共に制御弁２８を経て熱分解ガス化炉２０へ投入されている。
【００２４】
ところで、空気熱交２３では、大気をそのまま導入して加熱してもよいが、酸素濃度の高い酸素富化空気（または酸素）を供給することにより、空気に含まれる窒素ガス量が減少する。このため、窒素ガスの減少分だけ、熱分解ガス化炉２０から排出される可燃性ガス中の可燃性ガス成分濃度が上昇する。
【００２５】
上述した酸素富化空気は、公知技術である圧力スイング吸着装置（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：略式呼称ＰＳＡ）により生成して供給することができる。この圧力スイング吸着装置は、圧力を高くすることにより吸着剤による吸着を行い、圧力を低くすることで脱着を行う。これによって吸脱着サイクルを繰り返し、空気中の脱湿やガスの回収などを行うことができる。
【００２６】
酸素富化空気の生成に圧力スイング吸着装置を採用する場合、一般に工場内等にある余剰圧縮空気を使用して消費電力を抑えることが好ましい。これは、通常の圧力スイング吸着装置では、すなわち、余剰圧縮空気の供給を受けない運転では付設の圧縮機を運転して圧縮空気を供給する必要があるので、この圧縮機における消費電力が大きいためである。
【００２７】
従って、前記熱分解ガス化炉２０で生成した可燃性ガスを燃料として使用し、内燃機関発電機４０を運転して発電しても、結局外部へ供給できる発電量が減少してメリットは少ない。
【００２８】
上述した投入熱交２１、補充熱交２２及び空気熱交２３を設けて廃熱利用を行うと、熱分解ガス化炉２０へ投入する水蒸気及び酸素富化空気の温度を高く設定できるので、炉内温度を高温に維持する部分燃焼の割合を低く抑えることができる。また、廃熱を有効利用するため、装置全体としての熱効率を向上させることができる。なお、上述した投入熱交２１、補充熱交２２及び空気熱交２３を設けなくても水蒸気分離膜を用いた熱分解ガス化装置の運転は可能であり、また、少なくとも一つの熱交を設けたり、あるいは設置順序を変えるなど、諸条件に応じて適宜変更が可能である。
【００２９】
前述の膜分離装置５０は、投入した可燃性ガス（入口ガス）を、可燃性ガス中に含まれる水蒸気（膜透過ガス）と、残りの水素ガスや一酸化炭素等（出口ガス）とに分離する機能を有している。
【００３０】
また、除湿装置２４は、可燃性ガス中に含まれる水分を冷却して除湿する冷却手段である。この除湿装置２４では、高温の可燃性ガスが冷却されることにより、水分が結露して分離除去される。
【００３１】
従って、可燃性ガスと共に膜分離装置５０を通過した残存水蒸気は、前記除湿装置２４でほぼ完全に分離除去されてドレンタンク２５内に残る。この結果、可燃性ガス中の水分が除去された分だけ、一酸化炭素（ＣＯ）及び水素ガス（Ｈ２）よりなる可燃性ガス成分の濃度が上昇し、燃料としての質が向上する。
【００３２】
なお、積極的に冷却する除湿装置２４を設けなくても、配管中やガスホルダー２６内における自然冷却により水分を結露させることも可能である。
【００３３】
また、前記ガスホルダー２６に貯蔵された可燃性ガスは、内燃機関発電機４０の燃料として使用される。前記内燃機関発電機４０は、発電機を駆動して発電するための動力源（内燃機関）が、ガスエンジン、ガスタービンの中から適宜選択される。なお、前記ガスホルダー２６に貯蔵した可燃性ガスは、主ボイラ４１の燃焼器に供給する燃料として使用してもよい。
【００３４】
上述した構成の水蒸気分離膜を用いた熱分解ガス化装置によれば、炭化物と、水蒸気と、空気（好適には酸素富化空気または酸素）とを投入した熱分解ガス化炉２０内で水性ガス化反応が生じ、安定した症状の可燃性ガスを得ることができる。この可燃性ガスは、内燃機関発電機４０の燃料として使用できるので、蒸気タービンによる発電を行う場合と比較して、小型で建設費の安価な内燃機関駆動の発電が可能となる。
【００３５】
また、内燃機関発電機４０による発電は、必要に応じて発電を行うデイリースタート・シャットダウン運転を容易に実施することができるので、中小量規模の炭化物を処理する装置にとって好都合である。
【００３６】
この時、有機性廃棄物が発生する場所、またはその近傍に設置した炭化装置１０で炭化物を得た後、これを、水蒸気分離膜を用いた熱分解ガス化装置まで搬送して投入するように構成すれば、例えば、おからのように水分の割合が極めて高い有機性廃棄物をそのまま搬送するのと比較して、減容された炭化物を搬送することで輸送効率を大幅に増すことができる。
【００３７】
そして、上述した水蒸気分離膜を用いた熱分解ガス化装置においては、可燃性ガスに含まれている水蒸気を膜分離装置５０で分離除去して回収し、熱分解ガス化炉２０へ戻す水蒸気循環経路が形成されている。この水蒸気循環経路は、投入熱交２１、補充熱交２２、空気熱交２３を経て可燃性ガスと共に膜分離装置５０に流入した水蒸気を分離させて回収し、ブロアー２７、制御弁２８及び投入熱交２１を経て熱分解ガス化炉２０へ戻すものである。この水蒸気循環流路を流れる水蒸気は、凝縮されることなく循環するので、凝縮させて系外へ捨てていた従来と比較して凝縮潜熱の損失が減少し、熱効率がよい。
【００３８】
また、水蒸気をリサイクルしながら使用して水性ガス化反応を行わせるので、系外へ排出される水蒸気量を最小限に抑えることができ、従って、ボイラ３１で生成する補充水蒸気量も最小限となる。
【００３９】
このため、ボイラ３１の容量が小さくなって燃料消費量の節約、装置の小型化及び低コスト化に有効である。また、除湿装置２４やガスホルダー２６の必要容量も小さくできるので、同様に装置の小型化や低コスト化に有効である。
【００４０】
また、熱分解ガス化炉２０へ投入する空気に酸素富化空気または酸素を使用し、これを膜分離装置５０のスイープガスとして使用するので、水蒸気の膜透過量が増加して回収水蒸気量を増すことができる。なお、このスイープガスには他のガスを使用することも可能であるが、この場合は新たなガス供給系が必要になるなど装置の小型化や低コスト化を阻害する要因となる。
【００４１】
さらに、可燃性ガスの廃熱を利用して、投入水蒸気や補充水蒸気、そして部分燃焼用の酸素富化空気や酸素（空気）を加熱して昇温させるので、熱分解ガス化炉２０内の温度を維持する部分燃焼を最小限とすることができる。このようにして部分燃焼が最小限に抑えられると、部分燃焼に必要な窒素を含む空気量も減少するので、空気や酸素富化空気を投入する場合には生成される可燃性ガスに含まれる窒素ガス量が減少し、可燃性ガス成分は内燃機関燃料として好都合な高発熱量のガスとなる。
【特許文献１】特開２００４−４３５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４２】
しかしながら、上記熱分解ガス化装置は、炭化物を供給する部分と水蒸気を投入する部分とを必要とすることから、大型化につながると共に、炭化物供給と水蒸気投入を個別で制御する必要が生じるため、制御が複雑化する。
【００４３】
さらに、含水物を処理する場合、別途炭化処理が必要であり、乾燥時の含水物からの蒸発水蒸気を無駄にすることになる。このことは、トータルで考えると外部から投入するエネルギー消費が増加することになる。
【００４４】
また、熱分解の熱源として酸素富化空気を吸入することで、炭化物の一部を酸化燃焼させて熱源として利用しているが、少なからずともダイオキシンの発生が懸念される。ましてや炭化物ではなく含水物など原料を処理する場合には供給に伴い一時的に温度が低温化し、更にダイオキシン発生の危険性を増すことになる。
【００４５】
これを回避するために、酸素導入を行わない方法であれば、ガス化炉を間接的に加熱する方法があるが、これでは内部の炭化物等の原料に温度差が生じてしまい、均温化のために内部に撹拌機構を設けたり、構造面で対応したりと制約が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００４６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、含水物または水分調整を行った原料を加熱することで水分を蒸発させる蒸発過程と、前記蒸発過程で蒸発した水蒸気を分離する水蒸気分離過程と、水蒸気を加熱する水蒸気加熱過程とからなる加熱方法であって、前記蒸発過程の熱源を、前記水蒸気加熱過程で生成された水蒸気としたものである。
【００４７】
また、本発明は、含水物または水分調整を行った原料を投入する加熱容器と、前記加熱容器から排出されるガスから高濃度の水蒸気を分離する水蒸気分離手段と、前記水蒸気分離手段で分離した水蒸気を前記加熱容器へ導入する水蒸気循環経路を備えた加熱装置としたものである。
【００４８】
したがって、事前に行う直接ガス化処理の乾燥時に蒸発する水蒸気を循環利用することで、外部からの水蒸気の投入を不要とし、乾燥過程で蒸発する水蒸気を、加熱源となる熱媒体や反応剤として有効に利用することができる。そして、別途水蒸気を投入することなく、原料供給のみで行うことから、小型設備、簡易制御で、高効率な加熱を行うことができる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、上記特許文献１と比べると、外部から水蒸気を入れずに原料と同時に入れるか、もしくは、原料が含水物であれば、事前に炭化処理を行わずに直接ガス化処理を行い、その初期過程の乾燥時に蒸発する水蒸気を循環利用することで、外部から水蒸気を投入する必要性がないと共に、水蒸気を熱源として用いることから、含水物の原料をガス化する場合に、乾燥過程で蒸発する水蒸気を、加熱源となる熱媒体や反応剤として有効に利用することができる。その結果、原料供給のみで行うことから、設備の小型、制御の簡易化、さらに高効率な加熱を行うことができ、酸素導入によるダイオキシン発生を極力抑制できると共に原料を均温的に加熱可能であり、一層効率的な処理が行えるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
請求項１に記載の発明は、含水物または水分調整を行った原料を加熱することで水分を蒸発させる蒸発過程と、前記蒸発過程で蒸発した水蒸気を分離する水蒸気分離過程と、水蒸気を加熱する水蒸気加熱過程とからなり、前記蒸発過程の熱源を、水蒸気加熱過程で生成された水蒸気としたものである。
【００５１】
したがって、乾燥過程で蒸発する水蒸気を、加熱源となる熱媒体や反応剤として有効に利用することができ、別途水蒸気を投入することなく、手間が軽減し、高効率な加熱を行うことができる。また、酸素導入によるダイオキシン発生が極力抑制できると共に、原料加熱を均温的に行うことが可能であるため、一層効率化がはかれる。
【００５２】
請求項２に記載の発明は、含水物をまたは水分調整を行った原料を投入する加熱容器と、前記加熱容器から排出されるガスから高濃度の水蒸気を分離する水蒸気分離手段と、前記分離手段で分離した水蒸気を加熱容器へ導入する水蒸気循環経路を備えた加熱装置としたものである。
【００５３】
かかる構成とすることにより、乾燥過程で蒸発する水蒸気を加熱源となる熱媒体や反応剤として有効に利用することができ、その結果、別途水蒸気を投入することがなく、設備の小型化がはかれ、また、制御が簡易となり、高効率な加熱を行うことができる。
【００５４】
請求項３に記載の発明は、前記水蒸気循環経路に水蒸気加熱手段を設け、加熱容器の熱源を、前記水蒸気加熱手段で加熱された水蒸気を利用するものとしたものである。
【００５５】
したがって、前記加熱容器の外壁は、加熱容器を高温加熱に耐え得る金属等の熱伝導性の良い材料でなければならない等の制約が緩和され、材料の限定範囲が広がることから、安価な材料や耐久性の高い材料が利用できる。これにより、乾燥過程で蒸発する水蒸気を、加熱源となる熱媒体や反応剤として有効に利用することで、別途水蒸気を投入することなく、小型設備で簡易に制御ができ、高効率な加熱を行うことができることに加えて、安価となる。
【００５６】
請求項４に記載の発明は、前記加熱容器から水蒸気分離手段を経て水蒸気循環経路を断熱したものである。
【００５７】
この構成により、水蒸気の保有熱の低減が防止でき、より高効率な加熱を行うことができる。
【００５８】
請求項５に記載の発明は、前記水蒸気分離手段を、多孔質材より構成したものである。
【００５９】
したがって、上記効果に加えて、他に機器が必要なく、簡単に前記水蒸気分離手段の交換が可能であり、また、コンパクトとなるので、安価でサービス性に優れた加熱装置が得られる。
【００６０】
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、従来と同一の構成部材及び差異がない部分については、詳細な説明を省略する。また、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。
【００６１】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１における加熱装置の構成図であり、図２は同実施の形態の加熱装置による加熱方法のフローチャートである。
【００６２】
図１において、ホッパー１００は、サンプル１０１となるガス化対象物を一時的にストックしておく容器であり、供給機１０２を介して加熱容器１０３に連結されている。前記サンプル１０１としては、例えば、生ゴミ、木屑等のバイオマスや廃プラスチック等の有機物全般を用いるが、本実施の形態では水分調整をあまり必要としない食品廃棄物を例として説明する。このサンプル１０１は、一般的に含水率が約８０％である。前記供給機１０２は、スクリューフィーダー、ピストンフィーダーであり、ホッパー１００からサンプル１０１を加熱容器１０３へ定量的に供給可能なものであり、加熱容器１０３からガスがホッパー１００へ流通しないような構造となっている。
【００６３】
前記加熱容器１０３は、ステンレスやセラミックの材質から形成され、ガス漏れがない構造となっている。そして、前記加熱容器１０３の外周には、加熱体１０４が設けられ、上部には混合ガス排気配管１０６が、また下部には水蒸気循環経路１０７がそれぞれ接続され、さらに、内部圧力を検知する圧力センサ１０８が設けられている。前記加熱体１０４はカンタルヒーター等の電気抵抗体によるものや、可燃性ガスを酸化燃焼させるもの等であれば特に制限はなく、利用可能である。前記混合ガス排気配管１０６は、水蒸気分離器１０９と接続されており、前記加熱容器１０３からのガスを、前記水蒸気分離器１０９に導くものである。前記水蒸気分離器１０９は、内部に多孔質材料からなる水蒸気分離材１１０が設けられ、この水蒸気分離材１１０を隔てて２室に区切られている。前記混合ガス排気配管１０６が接続されている室１０９ａには、水蒸気循環経路１０７の他端が最も混合ガス排気配管１０６から離れた位置に設けられ、それ以外の室１０９ｂには、ガス配管１１１が設けられている。前記水蒸気分離材１１０は、分子の大きさの違いを利用して水素やメタン、二酸化炭素の混合ガスと水蒸気とを分離するものであり、耐熱性を有する無機材料からなり、好ましくは６００℃以上の耐熱を有するものである。
【００６４】
前記ガス配管１１１には、体積式の流量計１１２及びガスポンプ１１３が取り付けられている。
【００６５】
前記水蒸気循環経路１０７における前記水蒸気分離器１０９から前記加熱容器１０３の間の前記水蒸気分離器１０９と近い位置には、分岐管１１５が接続されている。前記分岐管１１５の他方は大気に開口しており、該分岐管１１５に設けた電磁式の開閉弁１１４の開閉動作により、前記水蒸気循環経路１０７と大気の連通、遮断が制御される。さらに、前記水蒸気循環経路１０７における前記分岐管１１５と前記加熱容器１０３の間には、該水蒸気循環経路１０７内の水蒸気の循環を促す水蒸気ポンプ１１６が設置されている。また、前記水蒸気循環経路１０７における前記水蒸気ポンプ１１６の下流で加熱容器１０３に近い部分には、蒸気加熱体１１７が設けられている。
【００６６】
そして、前記水蒸気循環経路１０７は、全体にわたって断熱材等（図示せず）によって断熱されている。また、前記混合ガス排気配管１０６についても、必要に応じて同様に断熱されている。
【００６７】
以上のように構成された加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００６８】
まず、サンプル１０１をホッパー１００に投入し、運転を開始する。これにより、加熱体１０４、ガスポンプ１１３、水蒸気ポンプ１１６がそれぞれ動作を開始し、システム内の空気等を外部に排気して減圧すると同時に、加熱容器１０３を加熱する。そして、加熱容器１０３の温度が８００℃に到達すると、供給機１０２が動作し、所定量だけ加熱容器１０３にサンプル１０１を供給する。この時の所定量とは、加熱により発生する水蒸気及び揮発ガスによる圧力上昇が、圧力センサ１０８で検知した上限である０．４ＭＰａ以下となるような量として決定する。前記加熱容器１０３内に供給された前記サンプル１０１は、加熱により水蒸気が蒸発し、炭化水素ガスが揮発する。このとき、水蒸気の一部と炭化水素の一部が反応し、水素と二酸化炭素や一酸化炭素となり、水蒸気と、炭化水素、水素、二酸化炭素、一酸化炭素を主成分とした混合ガスが、前記加熱容器１０３の上部から混合ガス排気配管１０６を通じて水蒸気分離器１０９へ流通する。
【００６９】
前記水蒸気分離器１０９に流入した水蒸気と混合ガスの中で、混合ガスは、前記ガスポンプ１１３の減圧効果により、水蒸気分離材１１０の細孔を通ってガス配管１１１よりガスポンプ１１３へ吸引され、外部に排出される。このとき、ガス流量を定期的に流量計１１２で検出し、所定値以下となった場合は、供給機１０２を作動してサンプル１０１を供給する。
【００７０】
また、水蒸気は、水蒸気ポンプ１１６の動作により、水蒸気循環経路１０７を通じて前記加熱容器１０３へ循環する。このとき、水蒸気分離器１０９や水蒸気循環経路１０７が断熱されているため、水蒸気は大部分の熱を保有しているが、一部は放熱して低温化する。その低温化した分を蒸気加熱体１１７で加熱して８００℃の水蒸気とし、加熱容器１０３に流通させる。
【００７１】
また、例えば、予定していたより加熱容器１０３の圧力が上昇した場合等のように何らかの異常が発生した場合には、常時閉していた開閉弁１１４を開放し、分岐管１１５より水蒸気を外部へ放出し、圧力調整を行う。
【００７２】
そして、８００℃に加熱された水蒸気はサンプル１０１内を流通するが、これによりサンプル１０１の乾燥中であれば乾燥を促進し、乾燥が終了していた場合であれば、熱分解や水性ガス化反応のガス化剤として一部が機能し、反応しきれない水蒸気は、反応により生成した水素ガスや熱分解中の揮発成分と共に水蒸気分離器１０９へ流入する。そして、同様に高濃度の水蒸気が、前記水蒸気循環経路１０７を流通して再度、ガス化剤として利用される。このとき、加熱体１０４は８００℃を保つように温度コントロールされている。
【００７３】
上記加熱装置の加熱方法は、その動作についてまとめると、図２に示すようになる。
【００７４】
すなわち、同図において、ＳＴＥＰ１で加熱容器１０３を８００℃まで加熱し、ＳＴＥＰ２に進む。
【００７５】
そして、ＳＴＥＰ２でサンプル１０１を加熱容器１０３に投入し、サンプル１０１の水分蒸発と熱分解による揮発を行い、水蒸気と熱分解ガスである混合ガスを発生させ、ＳＴＥＰ３に移行する。
【００７６】
ＳＴＥＰ３では、これらのガスから水蒸気を分離し、ＳＴＥＰ４へ進む。
【００７７】
ＳＴＥＰ４では、前記水蒸気を、分離後の混合ガスの流量を測定して所定値以下、つまり、水性ガス化反応が終了したか否かの目安を判断し、所定値以下ならば終了したと判断してＳＴＥＰ２に戻り、所定値を越えている場合はＳＴＥＰ５に進む。
【００７８】
ＳＴＥＰ５では、前記水蒸気を加熱容器１０３に戻してサンプル１０１との水性ガス化反応のガス化剤、あるいはタール等の炭化水素の改質に利用し、ＳＴＥＰ６へ進む。
【００７９】
ＳＴＥＰ６では、前述のＳＴＥＰ５で生成された水素や炭化水素、二酸化炭素、一酸化炭素等の混合ガスと未反応の余剰水蒸気を加熱容器１０３から排気し、ＳＥＴＰ３へ戻るといったステップで、連続的にサンプル１０１を自らの水分を利用してガス化する。
【００８０】
そして、生成した水素や炭化水素、一酸化炭素等の可燃ガスは、ガス発電機の燃料やボイラ燃料として系外で利用する。
【００８１】
以上のように、本実施の形態による加熱装置は、原料が含有している水分を水性ガス化反応のガス化剤として利用することができるため、外部から別途水蒸気を供給する必要がなくなり、熱源及びガス化剤を有効利用できる。また、原料の含水率が低く、水性ガス化反応に必要なだけの水分を保有していない場合は、原料に水分を足して行うことで、別途水蒸気供給配管を設置する必要がなくなると共に、少ないながらも原料水分を利用するので、その分だけ水分調整として加える水の量を低減でき、熱源及びガス化剤を有効利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、原料保有の水分を自らの熱源や反応剤として利用することから、高効率な加熱が可能であり、好ましくは、生ゴミを含むバイオマス、プラスチック、石炭などの有機物固体、汚泥、石油、廃油などの有機液体等を熱分解や改質、水性ガス化反応により可燃性の燃料ガスを得るガス化用の加熱装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施の形態１における加熱装置の構成図
【図２】同実施の形態における加熱装置の加熱方法のフローチャート
【図３】従来例を示す加熱装置の構成図
【符号の説明】
【００８４】
１０３  加熱容器
１０４  加熱体
１０６  混合ガス排気配管
１０７  水蒸気循環経路
１０９  水蒸気分離器
１１０  水蒸気分離材
１１１  ガス配管
１１５  分岐管
１１７  蒸気加熱体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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