(57)【要約】【課題】中小量の有機性廃棄物に対しても適用可能な熱分解ガス化装置を提供する。【解決手段】バイオマスまたは有機性廃棄物を３００℃ないし８００℃で炭化処理して得た炭化物と、水蒸気と、空気とを熱分解ガス化炉２０内に投入し、水性ガス化反応により可燃性ガスを得る。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスまたは有機性廃棄物を３００℃ないし８００℃で炭化処理して得た炭化物と、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ことを特徴とする熱分解ガス化装置。
【請求項２】
前記可燃性ガスを燃料として内燃機関へ供給し、該内燃機関の運転により発電機を駆動して発電することを特徴とする請求項１記載の熱分解ガス化装置。
【請求項３】
前記炭化物を熱分解ガス化炉内で部分燃焼させて熱を得ることを特徴とする請求項１または２記載の熱分解ガス化装置。
【請求項４】
前記可燃性ガスが保有する熱を利用して前記水蒸気を生成する水蒸気生成手段を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱分解ガス化装置。
【請求項５】
前記可燃性ガスが保有する熱を利用して前記空気を加熱する空気加熱手段を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の熱分解ガス化装置。
【請求項６】
前記可燃性ガスを冷却して除湿する冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の熱分解ガス化装置。
【請求項７】
前記空気に代えて、酸素富化空気または酸素を投入することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の熱分解ガス化装置。
【請求項８】
前記酸素富化空気が圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）により生成されることを特徴とする請求項７記載の熱分解ガス化装置。
【請求項９】
前記水蒸気を昇温させてから熱分解ガス化炉内に投入することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の熱分解ガス化装置。
【請求項１０】
前記水蒸気が、前記可燃性ガスの一部を燃焼させて得られる熱で昇温されることを特徴とする請求項９記載の熱分解ガス化装置。
【請求項１１】
前記水蒸気が水蒸気過熱器で昇温されることを特徴とする請求項１０記載の熱分解ガス化装置。
【請求項１２】
前記水蒸気過熱器を出た排ガスが、前記空気及び前記水の少なくとも一方の昇温に用いられることを特徴とする請求項１１記載の熱分解ガス化装置。
【請求項１３】
前記熱分解ガス化炉が、ガス化炉本体の外側を加熱する外熱式熱分解ガス化炉であることを特徴とする請求項１，２，４〜６，９〜１２のいずれかに記載の熱分解ガス化装置。
【請求項１４】
前記外熱式熱分解ガス化炉のガス化炉本体が、前記水蒸気過熱器の排ガスで加熱されることを特徴とする請求項１３記載の熱分解ガス化装置。
【請求項１５】
前記外熱式熱分解ガス化炉のガス化炉本体が、過熱水蒸気を生成する火炎で加熱されることを特徴とする請求項１３記載の熱分解ガス化装置。
【請求項１６】
前記外熱式熱分解ガス化炉の排ガスが、前記空気及び前記水の少なくとも一方を予熱する熱源として用いられることを特徴とする請求項１４または１５に記載の熱分解ガス化装置。
【請求項１７】
バイオマスまたは有機性廃棄物を３００℃ないし８００℃で炭化処理して炭化物を得る炭化装置と、請求項１から１６のいずれかに記載の熱分解ガス化装置と、を具備して構成したことを特徴とする熱分解ガス化システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱分解ガス化装置及び熱分解ガス化システムに係り、特に、バイオマスや有機性廃棄物の処理及び有効利用に用いて好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ごみ等の各種有機性廃棄物を減容するため、焼却処理、炭化処理、溶融処理等の熱処理を行い、この時に発生する廃熱を利用して発電を行うことが行われている。
図９に示す従来技術では、流動床ガス化炉１及びロータリーキルン溶融炉２でごみ等の廃棄物について焼却・溶融処理を行い、ロータリーキルン溶融炉２より得られる高温の排ガスをボイラ３に供給して蒸気を発生させる。この蒸気は発電装置４を構成している蒸気タービン（図示省略）に供給され、この蒸気タービンにより発電機（図示省略）を駆動して発電を行っている。（これを「廃棄物焼却・蒸気タービンシステム」と呼ぶ）
【０００３】
一方、廃棄物焼却・蒸気タービン発電システムとは別に、ごみ等の各種有機性廃棄物を部分酸化または熱分解し、このとき得られた可燃性ガスを内燃機関の燃料とする発電も提案されている。（これらの方法を「従来型熱分解ガス化システム」と呼ぶ。）
なお、この場合の内燃機関として、ガスエンジン、ガスタービンがある。
【０００４】
従来型熱分解ガス化システムでは、廃棄物を熱分解ガス化炉で熱分解して可燃性の熱分解ガスを発生させ、熱分解ガス中のタール分を高温分解処理装置で分解（いわゆるクラッキング）し、さらにガス洗浄・冷却装置でダイオキシンの再合成抑制及び不純成分除去を行って可燃性ガスを得る。このような従来熱分解ガス化システムによる発電は、廃棄物が保有するエネルギーがより効率的に利用できるため、蒸気タービン発電システムより熱効率の高い発電が可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術である廃棄物焼却・蒸気発電システムにおいては、以下に示す問題点がある。
（１）近年問題となっているダイオキシンの発生を抑制するためには、８５０℃以上の高温を確保した温度条件で熱処理を行うことが必要となるが、小型の流動床ガス化炉等では放熱量が大きすぎるなどの理由から上記温度条件の確保が困難であった。また、この廃熱を利用して発電を行うためには、採算面等の観点から装置全体を大型化（たとえば処理能力が１００ｔ／日程度以上）してスケールメリットを出す必要があった。
【０００６】
（２）上述した理由により大型装置でしか対応できないという状況から、中小量の廃棄物を発生し、かつ、電力需要のある中小事業者が有機性廃棄物を熱分解処理する装置及びこの装置の廃熱等を利用して発電するシステムの導入を検討しても実現は困難である。
【０００７】
（３）廃熱を利用して得られた蒸気を蒸気タービンに供給して発電することが一般的であり、ボイラ及び発電機等の装置も大型になることから、従来の装置は連続運転を基本にしている。このため、廃棄物量の有無あるいは運転員の勤務形態に対応したデイリースタート・シャットダウン運転が困難である。また、ボイラーパネルの腐食の問題から蒸気温度を高くすることが難しく、このため発電効率は２５％程度と低い。
一方、上述した従来型熱分解ガス化システムでは、タール分を高温分解する必要があるため、高価な高温分解処理装置を設置する必要があり、かつ高温分解処理を行った熱分解ガスを処理するため大型の洗浄・冷却装置を必要とする。従って、従来型熱分解ガス化システムによる発電も中小量の有機性廃棄物への適用には採算性及び装置規模の面から問題が残る。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、中小量の有機性廃棄物に対しても適用可能な熱分解ガス化装置及び熱分解ガス化システムの提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の熱分解ガス化装置は、バイオマスまたは有機性廃棄物を３００℃ないし８００℃で炭化処理して得た炭化物と、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ことを特徴とするものである。
【００１０】
この有機性廃棄物を炭化処理する過程で炭化処理温度を上げた場合（例えば６５０℃）、熱分解ガスの発生・放出量が増加するため、得られた炭化物中の重質油分は少なくなり、熱分解ガス化炉において機器・配管の目詰まりの原因となるタール分の発生は減少するが、炭化物の収率が減少し、有機性廃棄物のガス転換率も減少する。また、この場合は炭化物中に内蔵されていた揮発分が減少しているため、炭化物を部分燃焼させる際の着火性・燃焼性が低下する。
一方、炭化処理温度を下げた場合（例えば３５０℃）、上述とは逆にタール分の発生は増加するが、炭化物の収率は増加し、着火・燃焼性は向上する。
【００１１】
これらを考慮して、一般的なバイオマスまたは有機性廃棄物の炭化処理については、３００℃〜８００℃の炭化処理温度に設定することでガス化に適した炭化物を得ることができ、より好ましくは、５５０℃〜４００℃程度の炭化処理温度が望ましい。
本発明では、有機性廃棄物等の性状に応じた炭化処理を熱分解ガス化処理の前工程として別に行い、タール分の発生が少なく、収率が多く、かつ着火性・燃焼性が良いガス化に最適な性状の炭化物を製造した後、これを熱分解ガス化装置に供給することを特徴としている。
【００１２】
このような熱分解ガス化装置によれば、バイオマスまたは有機性廃棄物を原料とする炭化装置から得たガス化に最適な性状の炭化物と、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ようにしたので、熱分解ガス化炉内では、水性ガス化反応によって可燃性ガスとして水性ガスが生成される。この場合、ガス化に最適な性状の炭化物の使用及び水蒸気の添加により、タール分の発生を抑えることができる。この水性ガスは、水素ガス（Ｈ２　）及び一酸化炭素（ＣＯ）を主成分とする安定した性状の混合ガスであり、デイリースタート・シャットダウン運転が容易な内燃機関の燃料として使用することができる。
この場合、熱分解ガス化装置が、有機性廃棄物の発生元で炭化させた炭化物の供給を受けるようにすれば、有機性廃棄物を直接搬送するのと比較して減容化した炭化物を搬送することになるので、輸送費が削減できる。
【００１３】
請求項２に記載の熱分解ガス化装置は、請求項１記載の熱分解ガス化装置において、前記可燃性ガスを燃料として内燃機関へ供給し、該内燃機関の運転により発電機を駆動して発電することを特徴としている。
このような熱分解ガス化装置によれば、可燃性ガスを燃料としてデイリースタート・シャットダウン運転が容易な内燃機関を運転し、この内燃機関を駆動源として発電機の駆動が可能になるので、コンパクトで安価な装置により中小規模な発電を行うことができ、高い発電効率を得ることができる。なお、この場合の好適な内燃機関としては、ガスエンジン、ガスタービンがある。
【００１４】
請求項３に記載の熱分解ガス化装置は、請求項１または２記載の熱分解ガス化装置において、前記炭化物を熱分解ガス化炉内で部分燃焼させて熱を得ることを特徴としている。
このような熱分解ガス化装置によれば、熱分解ガス化炉の炉内温度について、水性ガス化反応に必要な高温（８００℃以上）を容易に得ることができる。
【００１５】
請求項４に記載の熱分解ガス化装置は、請求項１から３のいずれかに記載の熱分解ガス化装置において、前記可燃性ガスが保有する熱を利用して前記水蒸気を生成する水蒸気生成手段を備えていることが好ましく、これにより、廃熱の有効利用により装置全体としての熱効率が向上させることができる。
【００１６】
請求項５に記載の熱分解ガス化装置は、請求項１から４のいずれかに記載の熱分解ガス化装置において、前記可燃性ガスが保有する熱を利用して前記空気を加熱する空気加熱手段を備えていることが好ましく、これにより、廃熱の有効利用により装置全体としての熱効率を向上させることができる。
【００１７】
請求項６に記載の熱分解ガス化装置は、請求項１から５のいずれかに記載の熱分解ガス化装置において、前記可燃性ガスを冷却して除湿する冷却手段を備えていることが好ましく、これにより、水性ガス化反応により生成されて可燃性ガス中に含まれている水分を結露させて除去（除湿）し、可燃性ガスの濃度を上げることができる。
【００１８】
請求項７に記載の熱分解ガス化装置は、請求項１から６のいずれかに記載の熱分解ガス化装置において、前記空気に代えて、酸素富化空気または酸素を投入することが好ましく、これにより、通常の空気を投入する場合と比較して、炉内に供給される窒素ガス（Ｎ２　）量が低減または全くなくなるので、生成される可燃性ガスの濃度が上昇する。
この場合、前記酸素富化空気を圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）により生成して供給するのが好ましく、このＰＳＡ運転用には、熱分解ガス化装置周辺に存在する余剰圧縮空気を使用するとよい。（請求項８）
【００１９】
請求項９に記載の熱分解ガス化装置は、請求項１から８のいずれかに記載の熱分解ガス化装置において、前記水蒸気を昇温させてから熱分解ガス化炉内に投入することが好ましく、これにより、熱分解ガス化炉内へ多量の顕熱が持ち込まれるので、部分燃焼の割合を最小限とすることができる。従って、熱分解ガス化炉内へ投入する空気量も最小限となり、窒素ガス（Ｎ２　）量が低減する分生成される可燃性ガスの濃度が上昇する。
【００２０】
請求項９記載の熱分解ガス化装置においては、前記水蒸気が、前記可燃性ガスの一部を燃焼させて得られる熱で昇温されることが好ましく、これにより、新たな燃料供給系を設ける必要がなくなるので、コンパクトで安価な装置とすることができる。（請求項１０）
この場合、可燃性ガスの一部を燃焼させて得られる熱で水蒸気を昇温させる好適な装置として、水蒸気過熱器がある。（請求項１１）
さらに、前記水蒸気過熱器を出た排ガスを予熱源として用い、前記空気及び前記水の少なくとも一方を昇温させれば、装置全体としての熱効率をより一層向上させることができる。（請求項１２）
【００２１】
請求項１３に記載の熱分解ガス化装置は、請求項１，２，４〜６，９〜１２のいずれかに記載の熱分解ガス化装置において、前記熱分解ガス化炉が、ガス化炉本体の外側を加熱する外熱式熱分解ガス化炉であることを特徴としている。
このような熱分解ガス化装置とすれば、炭化物を生成するガス化炉本体内に窒素を含む空気を供給する必要がなくなるので、生成される可燃性ガスの濃度は、１００％に近い高濃度となる。
【００２２】
請求項１３に記載の熱分解ガス化装置においては、前記外熱式熱分解ガス化炉のガス化炉本体が、前記水蒸気過熱器の排ガスで加熱されることが好ましく、これにより、水蒸気加熱器の廃熱を有効利用できるので、装置全体としての熱効率を向上させることができる。（請求項１４）
また、請求項１３記載の熱分解ガス化装置においては、前記外熱式熱分解ガス化炉のガス化炉本体が、過熱水蒸気を生成する火炎で加熱されるように構成してもよく、これにより、外熱式熱分解ガス化炉と水蒸気過熱器とを一体化でき、かつ、装置全体としての熱効率を向上させることができる。（請求項１５）
【００２３】
請求項１４または１５に記載の熱分解ガス化装置においては、前記外熱式熱分解ガス化炉の排ガスを熱源として用い、前記空気及び前記水の少なくとも一方を予熱して昇温させることが好ましく、これにより、装置全体としての熱効率をより一層向上させることができる。（請求項１６）
【００２４】
請求項１７に記載の熱分解ガス化システムは、バイオマスまたは有機性廃棄物を３００℃ないし８００℃で炭化処理して炭化物を得る炭化装置と、請求項１から１６のいずれかに記載の熱分解ガス化装置と、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【００２５】
このような熱分解ガス化システムとすれば、バイオマスまたは有機性廃棄物から炭化物を得る炭化装置及び熱分解ガス化装置を具備しているので、炭化装置で得た炭化物が有する熱を熱分解ガス化装置においてそのまま利用できるので、システム全体の熱効率を向上させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る熱分解ガス化装置及び熱分解ガス化システムの一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１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。この実施形態における熱分解ガス化装置では、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。なお、炭化装置１０の原料としては、有機性廃棄物の他にもバイオマスが使用可能である。
【００２７】
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、たと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。炭化装置１０における炭化処理の温度は、ガス化に適した炭化物を得るためには３００℃〜８００℃とするのが好ましく、より好ましくは４００℃〜５５０℃程度となる。これは、炭化処理温度を高くすればタール分の発生が減少するものの、炭化物の収率や有機性廃棄物のガス転換率が減少し、反対に炭化処理温度を低くすれば、タール分が増加する反面炭化物の収率が増加し、着火・燃焼性も向上するためである。
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、炭化処理の熱として使用するのが好ましい。
【００２８】
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、
Ｃ＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ＋Ｈ２
となる。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。
【００２９】
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。
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。
【００３０】
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。
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。また、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、高温のため多量の熱を保有しており、この廃熱を有効利用して全体の熱効率を向上させることが望まれる。
【００３１】
図２は、図１に示した熱分解ガス化装置の構成例について、熱分解ガス化炉２０の下流側をより具体的に示したものであり、熱分解ガス化炉２０で生成された可燃性ガスは、ボイラ２１、空気予熱器２２、冷却器２３を経てガスホルダー２４へ貯蔵される。
【００３２】
ボイラ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て、水蒸気を生成する水蒸気生成手段である。このボイラ２１では、ポンプ２５により供給された水と高温の可燃性ガスとの熱交換により水を加熱し、熱分解ガス化炉２０へ投入する水蒸気（たとえば１１０℃程度）を生成する。
【００３３】
熱分解ガス化炉２０からガスホルダー２４へ可燃性ガスを導く配管経路においてボイラ２１の下流側に設置されている空気予熱器２２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、空気を予熱する空気加熱手段である。この空気予熱器２２では、ファン２６により供給された空気と高温の可燃性ガスとの熱交換により空気を加熱し、熱分解ガス化炉２０へ投入する空気を予熱する。
【００３４】
上述したボイラ２１及び空気予熱器２２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、上述したボイラ２１及び空気予熱器２２を設けなくても熱分解ガス化装置の運転は可能であり、また、いずれか一方のみを設けたり、あるいはその設置順序を逆にするなど、諸条件に応じて適宜変更が可能である。
【００３５】
冷却器２３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。この冷却器２３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。従って、可燃性ガスにおいては、水分が除去された分だけＣＯ及びＨ２　の濃度が上昇するので、燃料としての質が向上する。
【００３６】
この水分は、水性ガス化反応に使用されなかった残りのＨ２Ｏと、水性ガス化反応と同時に生じるシフト反応による発生分である。このシフト反応の化学式を以下に示す。
ＣＯ２＋Ｈ２　→　ＣＯ＋Ｈ２Ｏ
なお、積極的に冷却する冷却器２３を設けなくても、配管中やガスホルダー２４内において自然冷却により水分を結露させることも可能である。
【００３７】
ガスホルダー２４に貯蔵された可燃性ガスは、内燃機関３０の燃料として使用される。内燃機関３０は、発電機３１を駆動して発電するための動力源となり、ガスエンジン、ガスタービンの中から適宜選択される。
図示の例では、内燃機関３０の排気ガスが空気予熱器３２を経て大気に放出されており、ファン３３で供給される燃焼用の空気（吸気）が排気ガスの保有する廃熱を利用して加熱されている。このようにして吸気を予熱すると、内燃機関の熱効率を上げることができる。
【００３８】
上述した構成の熱分解ガス化装置によれば、炭化物と、水蒸気と、空気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、安定した性状の可燃性ガスを得ることができる。この可燃性ガスは、発電機３１を駆動する内燃機関３０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っていた従来構成とは異なり、比較的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。
【００３９】
また、内燃機関３０を駆動源とする発電は、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。
また、得られた可燃性ガスは内燃機関による発電以外に、ボイラの燃料として使用することもできる。
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、たとえばおから等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費が削減できる。
【００４０】
ところで、図２に示す構成の熱分解ガス化装置を使用し，以下の条件で運転を実施した結果、発電量３１０ｋＷを得た。
［運転条件］
有機性廃棄物供給量：５０１ｋｇ／ｈ
炭化物製造量／供給量：９８ｋｇ／ｈ
炭化処理温度：５４８℃
熱分解ガス化炉温度：９５３℃
【００４１】
＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態を図３に示して説明する。なお、本実施形態の基本構成は上述した第１の実施形態（図２参照）と同様であり、従って、以下では異なる構成部分についてのみ説明する。
この実施形態では、熱分解ガス化炉２０に供給する空気に代えて、酸素濃度を高めた酸素富化空気を投入している。この酸素富化空気は、たとえば圧力スイング吸着装置（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＰＳＡ）２７により生成して供給する。この圧力スイング吸着装置２７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Ｎ２　ガス，Ｏ２　ガスの選択的回収などを行うことができる。
【００４２】
酸素富化空気の生成に圧力スイング吸着装置２７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くなってしまい、結局外部へ供給できる発電量が減少してメリットが少なくなるためである。
【００４３】
このような酸素富化空気を投入すると、部分燃焼に使用する燃焼用空気の窒素ガス供給量が低減されるので、その分水性ガス化反応により得られる可燃性ガスの濃度が上昇し、燃料ガスとして良好な性状となる。特に、窒素ガス成分の少ない可燃性ガスを燃料として使用することは、内燃機関３０の排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減にも有効であり、近年の環境問題を解決する上でも好ましいことである。
なお、上述した本実施形態では、通常の空気（大気）に代えて酸素富化空気を使用するものとしたが、窒素ガス成分が全く含まれていない酸素を投入するようにしてもよい。
【００４４】
ところで、図３に示す構成の熱分解ガス化装置を使用し，以下の条件で運転を実施した結果、発電量３３０ｋＷを得た。
［運転条件］
有機性廃棄物供給量：４８９ｋｇ／ｈ
炭化物製造量／供給量：９７ｋｇ／ｈ
炭化処理温度：５３８℃
熱分解ガス化炉温度：９４８℃
【００４５】
＜第３の実施形態＞
続いて、本発明の第３の実施形態を図４に示して説明する。なお、上述した各実施形態と同様の構成部分については同じ符合を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、熱分解ガス化炉２０へ投入する水蒸気を昇温させて、具体的には上述した第１の実施形態における１１０℃程度よりも高温となる過熱水蒸気（たとえば１０００℃程度）とする。
【００４６】
上述した過熱水蒸気は、ボイラ２１で生成した比較的低温の水蒸気を水蒸気過熱器４０へ導き、同水蒸気過熱器４０内において可燃性ガスの一部を燃焼させて得られる熱により加熱して昇温させる。なお、この実施形態では、水蒸気過熱器４０内の燃焼で発生した排ガスは、必要に応じて適当な処理を施した後、大気等へ放出されている。
【００４７】
ここで燃焼させる可燃性ガスは、熱分解ガス化炉２０で生成されてガスホルダー２４内に貯留されているものの一部が使用されている。このため、新たな燃料系を設ける必要はなく、コンパクトで安価な装置の構築に有利である。しかし、場合によっては、水蒸気過熱器４０に専用の燃料系を設けてもよい。
また、可燃性ガス燃焼用の空気としては、廃熱の有効利用や燃料節約など装置全体としての熱効率を向上させるためにも、空気予熱器２２で予熱されて熱分解ガス化炉２０へ投入されるものの一部を導入して使用するのが好ましい。
【００４８】
このようにして生成された過熱水蒸気を熱分解ガス化炉２０へ投入すると、過熱水蒸気が保有する多量の顕熱が炉内に持ち込まれる。このため、投入された炭化物の一部を燃焼させて炉内温度を上昇させる部分燃焼の割合を低く抑えることが可能となり、この部分燃焼に必要となる空気量も低減することができる。
このような空気量の低減は、空気中に含まれている窒素ガス量の減少を意味するので、その分生成される可燃性ガスの濃度が増し、内燃機関３０の燃料としてより好ましい性状になる。
【００４９】
ところで、図４に示す構成の熱分解ガス化装置を使用し，以下の条件で運転を実施した結果、発電量３４５ｋＷを得た。
［運転条件］
有機性廃棄物供給量：５０１ｋｇ／ｈ
炭化物製造量／供給量：１０１ｋｇ／ｈ
炭化処理温度：５４５℃
熱分解ガス化炉温度：９２８℃
【００５０】
＜第４の実施形態＞
続いて、本発明の第４の実施形態を図５に示して説明する。なお、上述した第３の実施形態と同様の構成部分については同じ符合を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、水蒸気過熱器４０から排出される燃焼排ガスの廃熱を有効利用するため、ボイラ２１へ供給される水を予熱する排ガス水熱交４１及び空気予熱器２２へ供給する空気を予熱する排ガス空気熱交４２を設けてある。なお、排ガス水熱交４１及び排ガス空気熱交４２で熱交換した排ガスは、必要に応じて適当な処理を施した後、大気等へ放出される。
【００５１】
上述した排ガス水熱交４１を設けると、大気中に排気されていた排ガスの廃熱を利用して水と熱交換させ、ポンプ２５で供給する水蒸気生成用の水を予熱することができる。このため、ボイラ２１へ供給する水温が上昇し、ボイラ２１における水蒸気の生成が容易になって蒸気温度を高くすることができる。また、ボイラ２１から水蒸気過熱器４０へ供給される水蒸気の温度が高くなると、水蒸気過熱器４０で消費する加熱用の燃料を節約することもできる。
【００５２】
一方、排ガス空気熱交４２を設けると、大気中に排気されていた排ガスの廃熱を利用して空気と熱交換させ、ファン２６で供給する空気を予熱することができる。このため、空気予熱器２２へ供給する空気温度が上昇し、空気予熱器２２から熱分解ガス化炉２０へ供給する空気温度がより高いものとなる。
このように、排ガス熱交４１及び排ガス水熱交４２を設け、水蒸気過熱器４０の廃熱を水及び空気の予熱源として用いれば、装置全体としての熱効率が向上する。なお、図示の例では排ガス水熱交４１及び排ガス空気熱交４２を共に設置してあるが、いずれか一方のみでもよい。
【００５３】
ところで、図５に示す構成の熱分解ガス化装置を使用し，以下の条件で運転を実施した結果、発電量３３３ｋＷを得た。
［運転条件］
有機性廃棄物供給量：４８８ｋｇ／ｈ
炭化物製造量／供給量：１０５ｋｇ／ｈ
炭化処理温度：５３５℃
熱分解ガス化炉温度：９４２℃
【００５４】
＜第５の実施形態＞
最後に、本発明の第５の実施形態を図６ないし図８に示して説明する。なお、上述した第３の実施形態と同様の構成部分については同じ符合を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、上述した各実施形態の熱分解ガス化炉２０に代えて、外熱式熱分解ガス化炉５０を採用している。外熱式熱分解ガス化炉５０は、原料となる有機性廃棄物から炭化物を生成する内側のガス化炉本体５１と、その外側を覆う外筒部５２とを具備して構成され、ガス化炉本体５１の外側から加熱するようになっている。
【００５５】
外熱式熱分解ガス化炉５０は、たとえば図７に示すように、内筒となるガス化炉本体５１の外側を外筒部５２が覆う二重構造となっており、ガス化炉本体５１の内部には、軸方向にスクリューコンベア５３が設置されている。なお、図中の符合５４はスクリューコンベア５３の駆動モータである。
また、ガス化炉本体５１には、炭化物を投入するホッパー５５及び灰を取り出す排出口５６が設けられている。このうち、ホッパー５５はスクリューコンベア５３の上流側となる上端部側に設けられ、排出口５６はスクリューコンベア５３の下流側となる下端部側に設けられている。
【００５６】
このように構成された外熱式熱分解ガス化炉５０では、ガス化炉本体５１の内部に炭化物及び過熱水蒸気が投入され、その外側に形成されたガス化炉本体５１と外筒部５２との空間部に水蒸気過熱器４０から高温の排ガスを導入して、ガス化炉本体５１を外側からたとえば８００℃以上の高温に加熱する。ここで投入する過熱水蒸気は、上述した水蒸気過熱器４０から供給される８００℃以上（たとえば１０００℃程度）に過熱した高温のものが好ましい。
【００５７】
この結果、ホッパー５５からガス化炉本体５１の内部に投入された炭化物は、スクリューコンベア５３により排出口５６側へ搬送される過程において、過熱水蒸気と共に外部からの加熱を受けて水性ガス化反応を生じ、安定した性状の可燃性ガスが生成される。この可燃性ガスは、以下上述した各実施形態と同様にしてガスホルダー２４に貯蔵され、発電機３１を駆動する内燃機関３０及び水蒸気過熱器４０の燃料として使用される。
なお、ガス化炉本体５１を加熱した排ガスは、必要に応じて適当な処理を施した後に大気へ排出され、可燃性ガスを生成した後の炭化物は、灰となって排出口５６から回収される。
【００５８】
上述したような外熱式熱分解ガス化炉５０を採用することにより、炭化物の部分燃焼が不要になるなどの理由から、炭化物を生成するガス化炉本体５１内に窒素を含む空気を供給する必要はない。このため、生成される可燃性ガスには窒素ガスが含まれず、その濃度は１００％に近い高濃度となる。これは、内燃機関３０の燃料として使用する可燃性ガスには好都合である。
【００５９】
ところで、図６に示す構成の熱分解ガス化装置を使用し，以下の条件で運転を実施した結果、発電量３７２ｋＷを得た。
［運転条件］
有機性廃棄物供給量：５０１ｋｇ／ｈ
炭化物製造量／供給量：１０２ｋｇ／ｈ
炭化処理温度：５２２℃
熱分解ガス化炉温度：９２８℃
【００６０】
続いて、上述した外熱式熱分解ガス化炉５０の構成について、その変形例を図８に示して説明する。
図８に示す変形例において、図中の符合６０は外熱式熱分解ガス化炉、６１はガス化炉本体、６２は外筒部、６３はスクリューコンベア、６４は駆動モータ、６５はホッパー、６６は排出口である。
【００６１】
この外熱式熱分解ガス化炉６０では、外筒部６２の内部に燃焼器６７が設けられている。この燃焼器６７は、生成した可燃性ガスの一部を燃焼させた火炎や燃焼排ガスの熱でガス化炉本体６１を外側から加熱すると共に、水または水蒸気を加熱してガス化炉本体６１内へ投入するための過熱水蒸気を生成する機能を有している。
過熱水蒸気は、外筒部６２内に配置した蒸気管路６８内を流れる水または水蒸気を燃焼器６７の火炎や排ガスで加熱することによって得られる。このような構成の外熱式熱分解ガス化炉６０は、実質的には、図７に示した外熱式熱分解ガス化炉５０に水蒸気過熱器４０を一体的に組み込んだ構成となる。
【００６２】
このような構成の外熱式ガス化炉６０としても、炭化物を生成するガス化炉本体６１内に窒素を含む空気を供給する必要はないので、内燃機関３０の燃料として好都合な１００％に近い高濃度の可燃性ガスを生成することができる。
【００６３】
また、外筒部６２内の燃焼器６７から発生した排ガスは、ガス化炉本体６１及び蒸気配管６８を加熱した後、必要に応じて適当な処置を施して大気へ放出されるが、この排ガスが保有する廃熱を有効利用して、熱分解ガス化装置全体の熱効率を上げることが望ましい。このような廃熱の有効利用としては、たとえば燃焼器６７へ供給する空気を予熱する排ガス空気熱交６９の予熱源として使用することが可能である。
さらに、蒸気配管６８の上流側に設けた熱交換器（図示省略）に排ガスを供給して水または水蒸気を予熱する予熱源としても使用したり、あるいは、第４の実施形態として図５に示した排ガス水熱交４１や排ガス空気熱交４２に排ガスを供給して予熱源とすることも可能である。
【００６４】
ところで、上述した各実施形態では、有機性廃棄物から炭化物を生成する炭化装置１０が熱分解ガス化装置と別体に設置され、たとえば有機性廃棄物の発生場所で炭化物を生成してから搬送するものとして説明したが、炭化装置１０と上述した各実施形態の熱分解ガス化装置とを一体的に配管等で連結し、炭化物を直接投入する構成の熱分解ガス化システムを構築してもよい。
このような熱分解ガス化システムを採用すれば、炭化装置１０で生成された炭化物が保有する熱を熱分解ガス化装置側で有効に利用できるので、システム全体としての熱効率がよい。
【００６５】
なお、本発明の構成は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜組み合わせるなど、種々の変形例が可能である。
【００６６】
【発明の効果】
上述した本発明の熱分解ガス化装置及び熱分解ガス化システムによれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の熱分解ガス化装置によれば、バイオマスまたは有機性廃棄物を原料として３００℃ないし８００℃で炭化処理して得た炭化物と、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ので、熱分解ガス化炉内の水性ガス化反応によって、水素ガス及び一酸化炭素を主成分とする良好な可燃性ガスが得られる。
【００６７】
すなわち、有機性廃棄物の性状に応じた炭化処理を行い、タール分の発生が少なく、収率が多く、かつ着火性・燃焼性が良いガス化に最適な性状の炭化物を製造した後、この炭化物の熱分解ガス化処理を行うため、安定した性状の可燃性ガスが得られる。この可燃性ガスは、デイリースタート・シャットダウン運転が容易な内燃機関の燃料として使用することができるので、内燃機関を駆動源として発電機を駆動することが可能になる。このため、コンパクトで安価な装置により中小規模の発電を行うことができるようになり、廃棄物量が中小量（たとえば０．５ｔ／日）で発電需要のある事業所にも適用することが可能である。
また、発電は内燃機関によるものであり、発電効率も３０％程度またはそれ以上まで向上させることができる。
【００６８】
また、炭化物を熱分解ガス化炉内で部分燃焼させて熱を得るようにすれば、他の加熱源を用いなくても熱分解ガス化炉の炉内温度を確実に水性ガス化反応に必要な高温（８００℃以上）とすることができるので、装置構成を小型化して安定した水性ガス化反応による可燃性ガスを得ることができる。
また、可燃性ガスが保有する熱を有効利用するため、水蒸気を生成する水蒸気生成手段や、空気を加熱する空気加熱手段を適宜設けることにより、廃熱の有効利用により装置全体としての熱効率が向上するので、運転コストの低減に効果を奏する。
【００６９】
また、可燃性ガスを冷却して除湿する冷却手段を設けると、水性ガス化反応により生成されて可燃性ガス中に含まれている水分を結露させて除去（除湿）し、可燃性ガスの濃度を上げることができる。このようにして得られた高濃度の可燃性燃料は、内燃機関燃料として良質であり、従って、内燃機関の出力向上や排気ガスの処理が容易になる。
【００７０】
また、空気に代えて、酸素富化空気または酸素を熱分解ガス化炉内へ投入するようにすれば、通常の空気を投入する場合と比較して、炉内に供給される窒素ガス量が低減または全くなくなるので、生成される可燃性ガスの濃度が上昇する。このようにして得られた高濃度の可燃性燃料は、内燃機関燃料として良質であり、従って、内燃機関の出力向上や排気ガスの処理が容易になる。
ここで、酸素富化空気を熱分解ガス化装置周辺に存在する余剰圧縮空気を使用した圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）により生成して供給すれば、酸素富化空気の生成に消費する電力を最小限とし、内燃機関駆動の発電機による発電量を確保して供給することができる。
【００７１】
また、水蒸気を昇温させてから熱分解ガス化炉内に投入すれば、熱分解ガス化炉内へ多量の顕熱が持ち込まれるので、部分燃焼の割合を最小限とすることができる。従って、熱分解ガス化炉内へ投入する空気量も最小限となり、窒素ガス量が低減する分生成される可燃性ガスの濃度が上昇する。このようにして得られた高濃度の可燃性燃料は、内燃機関燃料として良質であり、従って、内燃機関の出力向上や排気ガスの処理が容易になる。
この場合の水蒸気としては、好ましくは水蒸気過熱器を設け、可燃性ガスの一部を水蒸気過熱器内で燃焼させて得られる熱で昇温されたものを使用すると、新たな燃料供給系が不要となってコンパクトで安価な装置とすることができる。なお、水蒸気過熱器を出た排ガスを予熱源として用い、空気及び水の少なくとも一方を昇温させれば、装置全体としての熱効率をより一層向上させて運転コストの低減に効果を奏する。
【００７２】
また、熱分解ガス化炉としてガス化炉本体の外側を加熱する外熱式熱分解ガス化炉を採用すれば、炭化物を生成するガス化炉本体内に窒素を含む空気を供給する必要がなくなるので、生成される可燃性ガスの濃度は、１００％に近い高濃度となる。このようにして得られた高濃度の可燃性燃料は、内燃機関燃料として良質であり、従って、内燃機関の出力向上や排気ガスの処理が容易になる。
この場合、外熱式熱分解ガス化炉のガス化炉本体が、水蒸気過熱器の排ガスで加熱されるようにすれば、水蒸気加熱器の廃熱を有効利用できるので、装置全体としての熱効率が向上して運転コストの低減に効果を奏する。
あるいは、外熱式熱分解ガス化炉のガス化炉本体が、過熱水蒸気を生成する火炎で加熱されるように構成すれば、外熱式熱分解ガス化炉と水蒸気過熱器とを一体化でき、かつ、装置全体としての熱効率が向上するので、装置の小型化及び運転コストの低減に有効である。
なお、外熱式熱分解ガス化炉の排ガスを熱源として用い、空気及び水の少なくとも一方を予熱して昇温させれば、装置全体としての熱効率をより一層向上させることができる。
【００７３】
請求項１７に記載の熱分解ガス化システムによれば、原料のバイオマスまたは有機性廃棄物を３００℃ないし８００℃で炭化処理して炭化物を得る炭化装置及び熱分解ガス化装置を具備しているので、炭化装置で得た炭化物が有する熱を熱分解ガス化装置においてそのまま利用できるので、システム全体の熱効率を向上させることができる。
一方、熱分解ガス化装置が、有機性廃棄物の発生元に設置されている炭化装置で炭化させた炭化物を搬送し、この炭化物の供給を受けるようにすれば、有機性廃棄物を直接搬送する場合と比較して減容化した炭化物を搬送することになるので、輸送費が削減できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱分解ガス化装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の熱分解ガス化装置について、具体的な構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る熱分解ガス化装置の第２の実施形態について、具体的な構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る熱分解ガス化装置の第３の実施形態について、具体的な構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る熱分解ガス化装置の第４の実施形態について、具体的な構成例を示す図である。
【図６】本発明に係る熱分解ガス化装置の第５の実施形態について、具体的な構成例を示す図である。
【図７】外熱式熱分解ガス化炉の構成例を示す図である。
【図８】図７に示した外熱式熱分解ガス化炉の変形例を示す図である。
【図９】従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０　　炭化装置
２０　　熱分解ガス化炉
２１　　ボイラ（水蒸気生成手段）
２２　　空気予熱器（空気加熱手段）
２３　　冷却器（冷却手段）
２４　　ガスホルダー
２７　　圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）
３０　　内燃機関
３１　　発電機
４０　　水蒸気過熱器
４１　　排ガス水熱交
４２　　排ガス空気熱交
５０，６０　　外熱式熱分解ガス化炉
５１，６１　　ガス化炉本体
５２，６２　　外筒部
５３，６３　　スクリューコンベア
５４，６４　　駆動モータ
５５，６５　　ホッパー
５６，６６　　排出口
６７　　燃焼器
６８　　蒸気管路
６９　　排ガス空気熱交
【図１】
2004035837.tif 000003
【図２】
2004035837.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004035837.tif 000006
【図５】
2004035837.tif 000007
【図６】
2004035837.tif 000008
【図７】
2004035837.tif 000009
【図８】
2004035837.tif 000010
【図９】
2004035837.tif 000011