(57)【要約】【課題】外部燃料エネルギーの使用を最小化することを目的とした高含水率の生ごみ等有機廃棄物乾燥燃料ガス化システムの提供。【解決手段】本システムは外部加熱乾燥器1、ガス化炉2、予備乾燥ホッパー3、蒸気凝縮型空気予熱器4または温水器と、それらを連結する生ごみ、水蒸気及び凝縮水、空気、生成ガスの通路からなる。乾燥ホッパー3に投入された生ごみは多段乾燥されバッチ運転用の流路遮断弁6が設けられた通路5を経てガス化炉2に供給される。ガス化高温燃料ガスの顕熱は乾燥器1の熱源となる。また乾燥器内の発生水蒸気は通路8を経て乾燥ホッパ−3の加熱ジャケットに導かれ投入生ごみの予備乾燥熱源となる。さらにその発生水蒸気も通路9を経て空気予熱器4に導かれガス化炉2へ供給する部分燃焼用空気の予熱熱源となる。蒸気凝縮水の一部はガス化炉出口ガス温度調節のためにガス化炉2またはガス化高温ガスに注入できる。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生ごみ等有機廃棄物中の水分を、当該生ごみをガス化して得られる高温燃料ガスの顕熱回収によって蒸発させるための間接型外部加熱乾燥器と、
前記間接型外部加熱乾燥器の上部に接続され、上方から新しく投入される生ごみを受け入れる間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパーと、
前記間接型外部加熱乾燥器の下部に接続され、熱分解ガス化に必要な適量の水分を保有する乾燥生ごみと熱分解のための熱エネルギーを自己調達するための部分燃焼に要する空気とによって、生ごみをガス化するための固定床型ガス化炉と、
前記ガス化炉によって生成された燃料ガスのガス化炉出口温度を調整する手段と、
前記ガス化炉での生ごみ部分燃焼用空気を予め加熱し供給するための蒸気凝縮型空気予熱器、または一般用温水を供給するための蒸気凝縮形温水器とを備え
前記間接型外部加熱乾燥器の生ごみ中水分を蒸発して得られた蒸気を前記予備乾燥貯蔵ホッパーの外部加熱用ジャケットに導入し、予備乾燥貯蔵ホッパーに貯蔵中の生ごみの水分を蒸発させ、得られた水蒸気を前記蒸気凝縮型空気予熱器または蒸気凝縮形温水器で凝縮させることを特徴とする生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システム。
【請求項２】
前記固定床型ガス化炉によって生成された燃料ガスのガス化炉出口温度の調整手段を、前記間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパーと前記蒸気凝縮型空気予熱器または蒸気凝縮形温水器の凝縮水の一部を前記ガス化炉の上部貯槽部およびガス化炉出口のガス化燃料ガス供給通路の少なくともいずれか一方に注入すること、ならびに、あるいは前記ガス化炉注入空気量を制御することによって達成することを特徴とする請求項１記載の生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システム。
【請求項３】
生ごみ等有機廃棄物中の水分を、当該生ごみをガス化して得られる高温燃料ガスの顕熱回収によって蒸発させるための間接型外部加熱乾燥器と、
前記間接型外部加熱乾燥器の上部に接続され、上方から新しく投入される生ごみを受け入れる間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパーと
前記間接型外部加熱乾燥器の下部に接続され、熱分解ガス化に必要な適量の水分を保有する乾燥生ごみと熱分解のための熱エネルギーを自己調達するための部分燃焼に要する空気とによって、生ごみをガス化するための固定床型ガス化炉と、
前記間接型外部加熱乾燥器からその下方に配置された前記固定床型ガス化炉へ生ごみを供給する通路を開閉するための流路遮断弁と
前記ガス化炉によって生成された燃料ガスのガス化炉出口温度とを調整する手段と、
前記ガス化炉での生ごみ部分燃焼用空気を予め加熱し供給するための蒸気凝縮型空気予熱器、または一般用温水を供給するための蒸気凝縮形温水器とを備え
前記間接型外部加熱乾燥器の生ごみ中水分を蒸発して得られた蒸気を前記予備乾燥貯蔵ホッパーの外部加熱用ジャケットに導入し、予備乾燥貯蔵ホッパーに貯蔵中の生ごみ中水分を蒸発させ、得られた水蒸気を前記蒸気凝縮型空気予熱器または蒸気凝縮形温水器で凝縮させることを特徴とする生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システム。
【請求項４】
前記固定床型ガス化炉によって生成された燃料ガスのガス化炉出口温度の調整手段を、前記間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパーと前記蒸気凝縮型空気予熱器または蒸気凝縮形温水器の凝縮水の一部を前記ガス化炉の上部貯槽部およびガス化炉出口のガス化燃料ガス供給通路の少なくともいずれか一方に注入すること、ならびに、あるいは前記ガス化炉注入空気量を制御することによって達成することを特徴とする請求項３記載の生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は給食センター、ホテル、レストラン、スーパー、食品工場などから排出される食品残渣などの有機廃棄物をその部分燃焼によって発生する熱エネルギーにより熱分解して高温燃料ガスを生成するとともに、この生成高温燃料ガスの余剰顕熱回収により投入生ごみ等有機廃棄物中の水分を蒸発させ、得られた蒸気をカスケード利用して効率的に自己乾燥を行う中小型分散型乾燥ガス化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１９３０年から１９４０年代に自動車用など小型分散型動力の燃料として使用するため、間伐材などを炭化して得られた木質炭を原料にする小型固定床型ガス化装置が、石油資源の乏しい欧州やわが国で技術開発され実用に供された時代があったが、石油など化石燃料が安価に輸入調達できるようになって、数十年間忘れられた技術となっていた。
【０００３】
近年バイオマスが地球環境に優しい再生可能エネルギーとして見直されるにつれて、かっての固定床型木質炭ガス化技術をベースにして、間伐材など比較的含水率が低い木質系有機廃棄物を小型固定床炉で直接熱分解ガス化する新しい技術が主として北欧やアメリカで研究開発されるようになった。
【０００４】
しかし、含水率が高い食品残渣や庭樹剪定残渣などの有機廃棄物については、小型固定床炉等の分散型直接熱分解ガス化装置の開発研究はほとんど見られず、外部からの乾燥エネルギーの付加なしには乾燥ガス化が難しいと見做されてきた。換言すれば従来技術によれば生ごみ等の乾燥は自己蒸発に伴う蒸気潜熱を回収するのではなく、外部からの熱エネルギーに依存している。
【非特許文献１】長尾不二男著「内燃機関講義下巻」養賢堂  1957
【非特許文献２】H.LaFontaine and F.P.Zimmerman「Gengassidan」Biomass Energy Foundation Press 1820 Smith Rd.,Golden,CO 80401
【特許文献１】特開２００３−５５６６６（Ｐ２００３−５５６６６Ａ）公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のシステムの構成要素である固定床ガス化炉における生ごみ等有機廃棄物の直接熱分解ガス化反応は、有機廃棄物の比較的低い温度における揮発性可燃ガスへの分解と、高温度における発生炉ガス反応、水性ガス反応、シフト反応などからなり、後者のうち発生炉ガス反応、水性ガス反応は吸熱反応であるから所定の温度を維持するためには可燃性ガスの部分燃焼などによる熱供給が必要となる。
【０００６】
通常、生ごみ等有機廃棄物の発熱量から計算される自燃含水率限界は８０％以上ではあるが、安定したガス化が可能な含水率は経験的に６０％程度以下といわれており、両者には大きな隔たりがある。一方、都市系生ごみ等有機廃棄物の平均的含水率は８０％前後もあるから水分蒸発潜熱の補給のために更に大きな熱供給を必要とする。換言すれば、高含水率の都市系生ごみ等有機廃棄物はそのままでは部分燃焼によっても上記ガス化反応に要する温度を安定的に維持することが極めて難しいことを意味している。従って都市系生ごみ等有機廃棄物は、固定床ガス化炉にガス化原料として供給するまでにその含水率が適切な範囲内に収まるように、何らかの方法で水分調整される必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を別途燃料等の外部エネルギーの補給に依存せずに解決するためのシステムを提供するものである。それは、高含水率の生ごみ等有機廃棄物のガス化に際して、ガス化炉で生成するガス化高温燃料ガスが持つ顕熱と生ごみ自体の乾燥に伴う蒸発水蒸気の潜熱とを、投入生ごみの蒸発乾燥のために再使用するシステムである。
【０００８】
第１の発明は生ごみ等有機廃棄物中の水分を、当該生ごみをガス化した際に得られる高温燃料ガス顕熱によって蒸発させるための間接型外部加熱乾燥器と、
前記間接型外部加熱乾燥器の上部に接続され、上方から生ごみを供給する間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパーと、
前記間接型外部加熱乾燥器の下部に接続され、熱分解ガス化に必要な適量の水分を保有する乾燥生ごみと熱分解のための熱エネルギーを自己調達するための部分燃焼に要する空気とによって、生ごみをガス化するための固定床ガス化炉と、
前記ガス化炉によって生成された燃料ガスのガス化炉出口温度を調整する手段と、
前記ガス化炉での生ごみ部分燃焼用空気を予め加熱し供給するための蒸気凝縮型空気予熱器、または一般用温水を生成供給するための蒸気凝縮形温水器とを備え、
前記間接型外部加熱乾燥器の生ごみ中水分を蒸発して得られた蒸気を前記予備乾燥貯蔵ホッパーの外部加熱用ジャケットに導入し、予備乾燥貯蔵ホッパーに貯蔵中の生ごみの水分を蒸発させ、得られた水蒸気を前記蒸気凝縮型空気予熱器または蒸気凝縮形温水器で凝縮させることを特徴とする生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システムである。
【０００９】
第１の発明によって、ガス化炉のガス化反応部の温度を十分に高く維持し安定なガス化を実現する条件を充足するとともに、余剰熱の有効利用を図ることができる。すなわち、ガス化の結果として得られるガス化炉出口のガス化高温ガスの顕熱を間接型外部加熱乾燥器内の生ごみに十分に伝達し生ごみ中の水分の蒸発を高め過剰な水分をガス化炉に供給しないようにすること、さらにガス化高温ガスの顕熱の回収だけでなく、間接型外部加熱乾燥器内の生ごみ中の水分から蒸発した水蒸気の凝縮潜熱を、新たに予備乾燥ホッパーに投入される高含水率生ごみの予備乾燥熱源として有効利用できるようにすること、さらにまた予備乾燥ホッパーにおいて高含水率生ごみの水分から蒸発した水蒸気の凝縮潜熱を前記ガス化用空気予熱器の熱源としてガス化用空気の予熱を行うこと、または一般用温水として有効利用することなどである。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明における前記固定床型ガス化炉によって生成された燃料ガスのガス化炉出口温度の調整手段を、前記間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパーと前記蒸気凝縮型空気予熱器または蒸気凝縮形温水器からの凝縮水の一部を前記ガス化炉の上部貯槽部かガス化炉出口のガス化燃料ガス供給通路の少なくともいずれか一方に注入すること、ならびに、あるいは前記ガス化炉注入空気量を制御することによって達成するようにしたものである。
【００１１】
第２の発明によって、ガス化炉ガス化部の反応が適切に制御されガス化炉運転の安定化を図ることができる。
【００１２】
第３の発明は生ごみ等有機廃棄物中の水分を当該生ごみのガス化に際して得られる高温燃料ガス顕熱によって蒸発させるための間接型外部加熱乾燥器と、
前記間接型外部加熱乾燥器の上部に接続され、上方から生ごみを供給する間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパーと、
前記間接型外部加熱乾燥器の下部に接続され、熱分解ガス化に必要な適量の水分を保有する乾燥生ごみと熱分解のための熱エネルギーを自己調達するための部分燃焼に要する空気とによって、生ごみをガス化するための固定床ガス化炉と、
前記間接型外部加熱乾燥器からその下方に配置された前記ガス化炉へ生ごみを供給する通路を開閉するための流路遮断弁と、
前記ガス化炉によって生成された燃料ガスのガス化炉出口温度を調整する手段と、
前記ガス化炉での生ごみ部分燃焼用空気を予め加熱し供給するための蒸気凝縮型空気予熱器または一般用温水を生成するための蒸気凝縮形温水器とを備え、
前記間接型外部加熱乾燥器の生ごみ中水分を蒸発して得られた蒸気を前記予備乾燥貯蔵ホッパーの外部加熱用ジャケットに導入し、予備乾燥貯蔵ホッパーに貯蔵中の生ごみの水分を蒸発させ、得られた水蒸気を前記蒸気凝縮型空気予熱器または蒸気凝縮形温水器で凝縮させることを特徴とする生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システムである。
【００１３】
第３の発明によって、生ごみの安定したガス化を行うべき固定床ガス化炉とその条件となる適切な含水率の生ごみの生成供給を行う乾燥機とを装置的に切り離し、それぞれのバッチ運転操作ができるようにした。すなわち、ガス化炉の起動に際して、ガス化が最も安定に行われるような適量かつ適切な含水率範囲内にある１バッチ分の生ごみをガス化炉の上部貯槽に充填する。そして次回バッチにも同様の適量かつ適切な含水率範囲の乾燥生ごみをガス化炉に供給できるように、前段の前記間接型外部加熱乾燥器ならび間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパーの運転操作条件と投入生ごみ条件を設定する。かくして小型分散型システムで必要とされる運転操作の容易化も図ることができる。
【００１４】
第４の発明は、第３の発明における前記固定床型ガス化炉によって生成された燃料ガスのガス化炉出口温度の調整手段を、前記間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパーと前記蒸気凝縮型空気予熱器または蒸気凝縮形温水器からの凝縮排水の一部を前記ガス化炉の上部貯槽部かガス化炉出口のガス化燃料ガス供給通路の少なくともいずれか一方に注入すること、ならびに、あるいは前記ガス化炉注入空気量を制御することによって達成するようにしたものである。
【００１５】
第４の発明によって、バッチ運転時においてもガス化炉ガス化部の反応が適切に制御されガス化炉運転の安定化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上記載の本発明によって、含水率が高い食品残渣や庭樹剪定残渣など都市系生ごみ等有機廃棄物の新しい処理システムとして、技術的にかって数多くの実績を有した中小型固定床ガス化炉形式の特徴を活かした構造簡単で運転簡便な省エネルギー型の新しい分散型生ごみ乾燥ガス化システムを提供することができることになる。これより、給食センター、ホテル、レストラン、スーパー、食品工場などで生ごみの排出源処理が可能となり、外部への排出を少なくすることができる。本システムでは生ごみの本来有しているエネルギーを水分蒸発潜熱として無駄に大気中に放散することを極力なくすることができるので、その分、ガス化燃料ガスとしての正味エネルギー回収割合を高めることができる。回収されたガス化燃料ガスは地球環境に優しいバイオマスエネルギー資源としての新しい活用の途を開くことも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１及び図２は本発明による生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システムの実施の形態を示す図である。
【実施例】
【００１８】
図１により本発明の第１の実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態の生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システムは、主要構成要素として間接型外部加熱乾燥器1と、その後段に接続された固定床ガス化炉2と、その前段に接続された予備乾燥ホッパー3と、予備乾燥ホッパー3に付設された蒸気凝縮型空気予熱器4または蒸気凝縮形温水器とを備えている。予備乾燥ホッパー3は、間接型外部加熱乾燥器１における蒸発水蒸気を当該予備乾燥ホッパーの外部加熱ジャッケット内に導入して加熱し、システム外から投入された高含水率の生ごみを予備乾燥貯蔵するものである。また、間接型外部加熱乾燥器１は予備乾燥された生ごみをガス化高温ガスの顕熱を熱源として外部加熱乾燥し、乾燥生ごみを貯蔵するものである。また、ガス化炉2は乾燥生ごみ中の揮発性成分の一部または全部を燃焼させその熱エネルギーを主な熱源として不揮発性炭素分などを完全ガス化させるものである。ガス化炉2の上部は未反応の乾燥生ごみの一時的な貯蔵場所になり、ダウンドラフト型の固定床ガス化炉では燃焼用空気はこの部分に導入される。蒸気凝縮型空気予熱器4は予備乾燥ホッパー3の蒸発水蒸気を熱源として、燃焼用空気を予熱するものである。蒸気凝縮形温水器は予備乾燥ホッパー3の蒸発水蒸気を熱源として一般用温水を生成するものである。
【００１９】
上記のシステム構成各要素は、生ごみ、水蒸気及び凝縮水、空気、生成ガスなどの所定量を所定時点に重力、浮力またはファン・ポンプで適切に移動させるための通路によって連結されている。すなわち、生ごみは間接型外部加熱乾燥器1から通路5を経てガス化炉2の上部の貯槽部に供給される。通路5には流路遮断弁6が設けられる。生ごみ乾燥に伴う蒸発水蒸気は間接型外部加熱乾燥器1から通路8を経て予備乾燥ホッパ−3の加熱ジャケットに供給される。予備乾燥に伴う蒸発水蒸気は予備乾燥ホッパ−3から通路9を経て蒸気凝縮型空気予熱器4または蒸気凝縮形温水器に供給される。予熱空気は通路10を経てガス化炉2に供給される。凝縮水はサイホン管11によって自動的に系外に排出されるが、その１部はガス化炉2の上部の貯槽部またはガス化燃料ガスの供給通路13に注入できるようになっている。かくして生成したガス化燃料ガスは通路13を経て間接型外部加熱乾燥器1に導入されその温度を下げた後、通路14を経て燃料ガス吸引ファン15によって系外の燃料ガス需要先に供給される。
【００２０】
上記の構成による実施形態によって、高含水率の生ごみ等有機廃棄物のガス化に伴う熱エネルギ−の損失を極めて少なくすることができる。すなわち、ガス化燃料の顕熱を生ごみの乾燥に有効に回収するとともに、燃料ガス中への水蒸気の混入による蒸発潜熱の損失と、乾燥による蒸発水分の大気中への放出による蒸発潜熱の損失とを極小化することができる。また、ガス化が最も安定的に行われるような適切な含水率範囲内にある１バッチ分の乾燥生ごみをガス化炉2の上部貯槽に充填し、かつ、次のバッチにも同様の含水率範囲の乾燥生ごみをガス化炉に供給できるように間接型外部加熱乾燥器1ならび間接型外部加熱予備乾燥貯蔵ホッパー3に適量・適切な生ごみを投入した後、間接型外部加熱乾燥器1からガス化炉2への通路5に設けた流路遮断弁6を閉じ、ガス化炉を起動することにより、乾燥生ごみのガス化と乾燥生ごみ供給機能とを切り離したいわゆるバッチ運転を実施することができる。
【００２１】
図2により本発明の第2の実施形態について説明する。
図2に示すように、ガス化炉2によって生成された燃料ガスのガス化炉出口温度を予備乾燥貯蔵ホッパー3および、または空気予熱器４または蒸気凝縮形温水器の凝縮水をガス化炉2の上部貯槽部かガス化炉出口のガス化燃料ガス供給通路13の少なくともいずれか一方に注入して調節する際に、ガス化炉出口燃料ガス温度を温度計16で検出し、温度調節器17によって、通路12凝縮水の各注入点近傍に設けた調整弁18および19を予め設定された一定の感度比率で調節できるようにした点、ならびに、あるいは前記ガス化炉注入空気量を調整弁20で調節できるようにした点が、第１の実施の形態と異なっている。本実施形態のその他の構成は、図1に示す上記第１の実施の形態と同様である。
【００２２】
上記の凝縮水12の各注入点のうち、ガス化炉2の上部貯槽部への注入がガス化反応の直接の制御を図るのに効果的であるのに対して、ガス化燃料ガス供給通路13への注入は間接型外部加熱乾燥器１の水分蒸発量性能の制御により効果的であり、両者相俟って生ごみの性状などのばらつきに対して、当該生ごみ乾燥ガス化システムの運転適応可能範囲を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システムの第1の実施の形態を示す模式図
【図２】本発明による生ごみ等有機廃棄物乾燥ガス化システムの第2の実施の形態を示す模式図
【符号の説明】
【００２４】
１    間接型外部加熱乾燥器
２    ガス化炉
３    予備乾燥ホッパー
４    蒸発水凝縮型空気予熱器（又は蒸気凝縮型温水器）
５    乾燥生ごみ通路
６    流路遮断弁
７    予備乾燥生ごみ通路
８    間接型外部加熱乾燥器蒸発水蒸気通路
９    予備乾燥ホッパー蒸発水蒸気通路
１０  予熱空気通路
１１  凝縮水サイホン管
１２  凝縮水通路
１３  ガス化燃料ガス供給通路
１４  ガス化燃料ガス供給通路
１５  燃料ガス吸引ファン
１６  ガス化炉出口燃料ガス温度計
１７  温度調節器
１８  凝縮水注入調整弁
１９  凝縮水注入調整弁
２０  予熱空気量調整弁
【図１】
2005118613.tif 000003
【図２】
2005118613.tif 000004