(57)【要約】【課題】有機系廃棄物、例えば、間伐材、流木材、廃木材、廃プラスチック、生ごみ、汚泥、刈草、製紙スラッジ等から得られるエネルギー及びガスを有効利用し得るための方法を提供する。【解決手段】有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下において５００〜６００℃で加熱し、発生した熱分解ガスを９００〜１０００℃でスチームと混合せしめ、次いで、得た改質ガスを精製して水素を回収する方法。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下において５００〜６００℃で加熱し、発生した熱分解ガスを９００〜１０００℃でスチームと混合せしめ、次いで、得た改質ガスを精製して水素を回収する方法。
【請求項２】
有機系廃棄物が、間伐材、流木材、廃木材、廃プラスチック、生ごみ、汚泥、刈草及び製紙スラッジより成る群から選ばれる請求項１記載の方法。
【請求項３】
有機系廃棄物が、間伐材、流木材及び廃木材より成る群から選ばれる請求項１記載の方法。
【請求項４】
改質ガスを精製して水素を回収する手段が、ＰＳＡ、膜分離及び深冷分離より成る群から選ばれる請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、未利用資源及び再生可能資源等の有機系廃棄物を有効利用する方法に関し、更に詳しくは、上記の有機系廃棄物から水素を回収する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
間伐材及び廃木材は、古くは、焼却処分に付されていた。近年、省エネルギー及び熱の有効利用の観点から、これらの焼却熱を利用して発電する方法が検討されている。廃プラスチックは、これを加熱分解して油にする方法、又はこれを高炉還元材としてリサイクルすることが検討されており、かつ実用化もされている。また、生ごみ等は焼却処理が殆どであったが、最近では、これをメタン発酵処理してメタンを回収する方法、及びこれにより発電する方法が実用化されつつある。
【０００３】
間伐材及び廃木材を処理する方法として、直接燃焼方式とガス化方式が挙げられる。直接燃焼方式は、上記材を完全燃焼させるものであり、該焼却炉としては、ストーカ炉、バブリング型流動床炉、循環流動床炉、循環移動床炉等がある。直接燃焼方式において回収、利用し得るものは熱エネルギーのみであり、そして、該熱エネルギーにより温水やスチームを発生させ発電を行う。一方、ガス化方式は、上記材を酸素や空気により部分酸化させるものであり、該ガス化炉としては、固定床炉、移動床炉、循環流動床炉、２段循環移動床炉、噴流床炉等がある。ガス化方式において回収、利用し得るものは熱エネルギーとガスである。そして、該熱エネルギーを利用して温水や電力を得ることができる。また、該ガスを燃料として温水や電力を回収することも可能である。いずれの方法においても、熱水や温水、電力を発生させても消費する工場がなく、有効利用できないでいるのが現状である。
【０００４】
また、廃棄物焼却により発生するダイオキシンの削減のための規制措置により、間伐材や建設廃木材等の産業廃棄物及び一般廃棄物の単純焼却処理は規制を受けるようになり、単純な焼却処理ができなくなりつつある。一方で、建設廃木材のリサイクル推進が建設リサイクル法基本方針に盛り込まれ、建設廃木材等のリサイクル処理を余儀なくされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、有機系廃棄物、例えば、間伐材、流木材、廃木材、廃プラスチック、生ごみ、汚泥、刈草、製紙スラッジ等から得られるエネルギー及びガスを有効利用し得るための方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、間伐材等の未利用資源や廃木材、その他の有機系廃棄物のリサイクル処理を促進し、更にエネルギーとしての有効活用を図るべく、上記の有機系廃棄物から水素を回収することに思い至った。そして、水素として回収することにより、エネルギーの貯蔵、輸送が可能になり、需要に応じて温水を製造したり、電力を発生させたりすることができ、また、水素の燃焼では二酸化炭素が発生しないため環境に与える影響が小さく、地球温暖化防止対策にも貢献できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明は、
（１）有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下において５００〜６００℃で加熱し、発生した熱分解ガスを９００〜１０００℃でスチームと混合せしめ、次いで、得た改質ガスを精製して水素を回収する方法である。
【０００８】
好ましい態様として、
（２）有機系廃棄物が、間伐材、流木材、廃木材、廃プラスチック、生ごみ、汚泥、刈草及び製紙スラッジより成る群から選ばれる上記（１）記載の方法、
（３）有機系廃棄物が、間伐材、流木材及び廃木材より成る群から選ばれる上記（１）記載の方法、
（４）改質ガスを精製して水素を回収する手段が、ＰＳＡ、膜分離及び深冷分離より成る群から選ばれる上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の方法、
（５）改質ガスを精製して水素を回収する手段が、ＰＳＡである上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の方法、
（６）上記の有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下で加熱する温度が、５３０〜５７０℃である上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の方法、
（７）発生した熱分解ガスをスチームと混合せしめる温度が、９５０〜１０００℃である上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の方法、
（８）上記の有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下で加熱する際の圧力及び発生した熱分解ガスをスチームと混合せしめる際の圧力が、１ＭＰａ以下である上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載の方法、
（９）上記の有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下で加熱する際の圧力及び発生した熱分解ガスをスチームと混合せしめる際の圧力が、０．１〜１ＭＰａ以下である上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載の方法、
（１０）上記スチームと混合せしめて得た改質ガスに含まれる一酸化炭素と水を、反応せしめて水素を製造することを更に含む上記（１）〜（９）のいずれか一つに記載の方法
を挙げることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明で使用される有機系廃棄物としては、間伐材、流木材、竹材、稲藁、もみがら、とうもろこし、スイートソルガム、野菜、果物、花卉、海草、その他森林や河川、ダム、海岸から回収される木材や植物等の未利用資源、並びに廃木材、製材所廃材、竹廃材、剪定枝、刈草、廃プラスチック、生ごみ、食品残渣、野菜加工残渣、果物加工残渣、下水汚泥、し尿汚泥、集落排水汚泥、活性汚泥、製紙スラッジ等が挙げられる。このうち、好ましくは、間伐材、流木材、廃木材、廃プラスチック、生ごみ、汚泥、刈草、製紙スラッジが使用される。間伐材、流木材又は廃木材が特に好ましく使用される。
【００１０】
該有機系廃棄物は、粗粉砕処理した程度の寸法を有していればよい。例えば、１ｍｍ以上１５ｃｍ以下の板状、棒状、シート状又はその他の形状の固体でよい。また、１ｍｍ未満のものであれば、粒状、粉状、スラッジ状のいずれの形状であってもよい。該有機系廃棄物の水分は、その形状により異なるが、好ましくは５０重量％以下、より好ましくは３０重量％以下である。
【００１１】
本発明においては、上記有機系廃棄物は、まず、非酸化性雰囲気下において加熱される。該加熱により、上記有機系廃棄物は熱分解を受け、熱分解ガスを発生する。
【００１２】
加熱温度は、上限が６００℃、好ましくは５７０℃であり、下限が５００℃、好ましくは５３０℃である。上記の範囲を採用することにより、ガスの発生量を多くすることができる。上記下限未満では、有機系廃棄物が十分に熱分解しない。上記上限を超えては、ガスの発生量を高めることができない。該加熱の際の圧力は、上限が好ましくは１ＭＰａ、より好ましくは０．３ＭＰａであり、下限が好ましくは０．１ＭＰａ、より好ましくは０．１０３ＭＰａである。
【００１３】
非酸化性雰囲気としては、好ましくは窒素が使用される。
【００１４】
使用される加熱炉の形式、種類は特に限定されない。原料である有機系廃棄物を上記の温度に加熱できる性能を有していればいずれのものであってもよい。例えば、レトルト炉、シャフト炉、ロータリーキルン、固定床炉、移動層炉、流動層炉等が挙げられる。移動層炉、流動層炉の循環媒体の材質としては、例えば、アルミナ、シリカ、砂等が利用でき、その形状に特に制限はない。
【００１５】
本発明においては、上記のようにして有機系廃棄物を加熱した後、発生した熱分解ガスをスチームと混合せしめる。これにより、熱分解ガスとスチームとが反応して、熱分解ガスを水素に富むガスへと改質することができる。
【００１６】
熱分解ガスをスチームと混合せしめる温度は、上限が１０００℃であり、下限が９００℃、好ましくは９５０℃である。上記下限未満では、改質反応が進まず、また、上記上限を超えては、改質炉の材質に悪影響を与えるため好ましくない。
【００１７】
上記改質反応を進行するための熱は、加熱された熱媒体によって供給される。該熱媒体の加熱源としては、上記の有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下において加熱する際に発生するタール及びチャー（炭素及び灰分）を燃焼処理することにより得られる熱を利用する。該燃焼処理は、上記の有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下において加熱する系とは別の系で実施することが好ましい。
【００１８】
とりわけタールは、上記の有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下において加熱する際に炉の連続運転に支障きたすことが多いことから、適宜、炉の底部より排出することが好ましい。これにより、連続運転を円滑に実施することが可能となる。また、タールや同時に副生されるチャーを抜き出して別の系で燃焼処理すれば、装置のトラブル回避と安全運転の維持に加えて、副生するタールやチャーを有効に活用することができる。
【００１９】
熱分解ガスを改質するためのスチームは、改質炉から出る高温の改質ガスの熱を利用して、熱交換器を通じて工業用水又は上水から得られる。あるいは、別途ボイラーを設置してスチームを得てもよい。該スチームを供給する温度は好ましくは１４０℃以上であり、圧力は好ましくは０．３７６ＭＰａ以上である。限定されるものではないが、該温度及び圧力は、例えば、１８０℃及び１ＭＰａである。改質炉には、連続的又は間歇的に噴霧して供給することができる。
【００２０】
使用される改質炉の形式、種類は特に限定されない。例えば、レトルト炉、シャフト炉、ロータリーキルン、固定床炉、移動層炉、流動層炉等が挙げられる。通常、上記の加熱炉と同一の形式のものが使用されるが、それに限定されるものではなく、例えば、加熱炉としてロータリーキルンを使用し、一方、改質炉としてレトルト炉を使用するという組合せでもよい。移動層炉、流動層炉の循環媒体の材質としては、例えば、アルミナ、シリカ、砂等が利用でき、その形状に特に制限はない。
【００２１】
改質炉を出た改質ガスは、好ましくはシフト反応層を通過される。これにより、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と過剰のスチームとを反応せしめて、更に多くの水素を回収することができる。該シフト反応は公知である。例えば、二段階工程が使用される。第一段階において鉄‐クロム系の高温転化触媒が使用されて、好ましくは３５０〜５００℃で反応され、ガス中の残留一酸化炭素濃度が３〜４体積％程度にされる。次いで、第二段階において銅‐亜鉛系の低温転化触媒が使用されて、好ましくは２００〜２５０℃で反応されて、ガス中の残留一酸化炭素濃度が０．３〜０．４体積％程度にされる。また、反応時の圧力は、好ましくは１ＭＰａ以上、より好ましくは１〜３ＭＰａである。該圧力は、通常、シフト反応層の前後の工程の圧力に合わせて決定され得る。
【００２２】
上記のようにして得られた改質ガスは、好ましくは水で冷却され、次いで、該ガスを精製して水素を濃縮して水素が回収される。改質ガスを精製して水素を回収する手段としては公知の方法を使用し得る。例えば、圧力スイング吸着方式（ＰＳＡ）、膜分離方式、深冷分離方式が挙げられる。このうち、ガス濃度を自由に調節でき、かつ安価であるということから、ＰＳＡが適している。ＰＳＡにおいては、例えば、吸着時間、吸着層の高さ等を変えることにより、回収する水素の濃度を適宜制御することができる。このようにして、上記のようにして得られた改質ガスを水素とそれ以外のガスとに分離して、水素を回収する。
【００２３】
本発明の方法によれば、未利用資源及び再生可能資源の有効利用を図ることができる。また、二酸化炭素を排出せずして、有用な水素を回収することができる。従って、本発明の方法は広い産業分野で使用し得る。例えば、林業、製材業、畜産業、建設業、環境事業、運輸業、燃料供給業、ガス供給業、プラスチック製造業等で利用することができる。
【００２４】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。
【００２５】
【実施例】
実施例において使用した装置は図１の通りである。ここで、加熱炉及び改質炉としては、いずれも底部がすり鉢状になったレトルト炉を使用し、水素精製装置としてはＰＳＡを使用した。
【００２６】
【実施例１】
製材所から廃棄された廃木材（スギ廃材）を使用してガス化した。該廃木材は、粗粉砕したものであり、割り箸程度の寸法の棒状物、鋸屑状物、トランプ程度の寸法の薄板状物等の混合物であった。該廃木材の性状を表１に示す。
【００２７】
【表１】
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表１の各値は下記の方法に従って測定したものである。
水分、灰分：ＪＩＳ−Ｍ８８１２（１９９３）
総発熱量：ＪＩＳ−Ｍ８８１４（１９９３）
元素組成：ＪＩＳ−Ｍ８８１９（１９９７）
【００２８】
該廃木材をフィーダーにより、５５０℃の温度及び０．１０３ＭＰａの圧力に保持された加熱炉に連続的に導入した。該廃木材の供給量は、２８６ｋｇ／時間であり、加熱炉での該廃木材のみかけの滞留時間は約１時間であった。
【００２９】
加熱炉の頂部から熱分解により生じたガスが２４４ｋｇ／時間で得られた。該ガスは、続いて、９５０℃の温度及び０．１０３ＭＰａの圧力に保持された改質炉に導入された。同時に改質炉には、５０ｋｇ／時間で過熱スチーム（１８０℃、１ＭＰａ）が導入されてガス改質がなされた。
【００３０】
９５０℃の改質されたガスが２９４ｋｇ／時間の量で得られた。次いで、該ガスは、冷却装置で水と接触されて４０℃に冷却された。該ガスの組成は、表２に示すとおりである。
【００３１】
【表２】
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表２のガス組成はガスクロマトグラフィー（株式会社島津製作所製、ＧＣ８Ａ）により測定したものである。
【００３２】
次いで、冷却されたガスは、水素精製装置に導入されて水素濃度が９５体積％である水素リッチガスが３０ｋｇ／時間で回収された。該精製後のガス組成は表３に示す通りである。
【００３３】
【表３】
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表３のガス組成は表２と同じガスクロマトグラフィーにより測定したものである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、有機系廃棄物、例えば、間伐材、流木材、廃木材、廃プラスチック、生ごみ、汚泥、刈草、製紙スラッジ等から得られるエネルギー及びガスを有効利用し得るための方法を提供する。これにより、未利用資源又は有機性廃棄物をエネルギー原料としてリサイクル使用できる。これまで、廃棄物の処理とエネルギー製造は別々に実施されていたが、同一装置で行うことにより、エネルギー利用効率を向上し得る。また、二酸化炭素を発生しないで水素を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で使用した装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
Ａ：加熱炉
Ｂ：改質炉
Ｃ：ガス冷却装置
Ｄ：水素精製装置（ＰＳＡ）
１：廃木材
２：スチーム
３：冷却ガス
４：水素リッチガス
５：廃ガス
６：タール及びチャー
７：熱媒体
【図１】
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