(57)【要約】【課題】  廃棄物などの被燃焼物を空気あるいは酸素と空気の混合物により部分燃焼し加熱して生成したガスを、被燃焼物の性状変化があっても生成ガスの性状が安定となるようにするとともに、生成ガスを有効に使用することができるガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法を提供すること。【解決手段】  被燃焼物を導入する手段と、空気あるいは酸素と空気の混合物をガス化剤として導入する手段と、前記被燃焼物をガス化剤により一部燃焼し、ガス化剤を加熱してガス化するガス化手段、該ガス化手段から発生する生成ガス中の窒素濃度を測定する手段と、該窒素濃度を基にガス化剤の投入量を制御する手段と、を有することを特徴とする。ここで、前記測定手段を前記ガス化手段の直後に設けたことが好適である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被燃焼物を導入する手段と、空気あるいは酸素と空気の混合物をガス化剤として導入する手段と、前記被燃焼物をガス化剤により一部燃焼し、ガス化するガス化手段、該ガス化手段から発生する生成ガス中の窒素濃度を測定する手段と、該窒素濃度を基にガス化剤の投入量を制御する手段と、を有することを特徴とするガス化システム。
【請求項２】
前記測定手段を前記ガス化手段の直後に設けたことを特徴とする請求項１記載のガス化システム。
【請求項３】
前記測定手段として、レーザ計測法を用い、生成ガス流れの中にレーザ光を照射することで窒素濃度を連続的に測定することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス化システム。
【請求項４】
前記ガス化システムから供出される生成ガスの熱量および前記窒素濃度を基に、前記被燃焼物の投入量を制御する手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス化システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のガス化システムによって得られた燃料ガスを加圧する加圧手段と、該加圧手段により加圧された生成ガスを送給して発電する発電手段と、を備えることを特徴とするガス化発電システム。
【請求項６】
ガス化発電システムから供出される出力および前記窒素濃度を基に、前記被燃焼物の投入量を制御する手段を有することを特徴とする請求項５記載のガス化発電システム。
【請求項７】
被燃焼物および空気あるいは酸素と空気の混合物をガス化剤として導入し、前記被燃焼物をガス化剤により一部燃焼し、ガス化するガス化システムにおいて、該ガス化によって発生する生成ガス中の窒素濃度をレーザ計測法により連続的に測定し、該窒素濃度を基に算出した窒素濃度からガス化剤の投入量を制御することを特徴とするガス化方法。
【請求項８】
請求項７記載のガス化方法によって得られた燃料ガスを加圧し発電手段に送給して発電することを特徴とするガス化発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法に関し、詳しくは、安定した性状の乾式ガス生成方式を採用したガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固形燃料や有機系廃棄物を燃焼する場合には、投入する被燃焼物に対する投入する燃焼空気量（空気比）が充足しているか否かを判断するのに、炉出口残存酸素濃度を測定し、運転管理を行う。また、炉出口残存酸素濃度が一定となるように、投入する燃料空気量を制御することも可能である。さらに、被燃焼物の性状の変動あるいは投入量変化に対し、炉出口残存酸素濃度を測定し、燃料空気を調整する制御を行えば、空気量の過不足なく適正な燃焼管理が可能である。
【０００３】
しかしながら、投入する被燃焼物の一部をガス化剤にて燃焼し、加熱してガス化するシステムにおいては、炉出口にて残存する酸素が殆ど存在しない状態であり、上記燃焼状態のように空気比を確認することができない。
【０００４】
そのため、これまでは、ガス化温度が一定となるようにガス化剤を制御し（例えば特許文献１参照）、また、投入被燃焼物量は、その生成ガスの流量が予め定めた流量となるように調整するといった手段が採られている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１６５９８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１１３３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、被燃焼物の水分量や性状が変化する場合、ガス化温度が一定になるようにガス化剤の制御を行っても、正確に計画の空気比を維持することは困難である。
【０００６】
例えば、被燃焼物中の水分量が増加した場合には、その水蒸気に相当する分発生ガス量が増加するため、ガス化炉内部の温度が低下する傾向になる。そのため、ガス化剤を増加する方向に制御が働くことになる。従って、空気比が高くなり、被燃焼物の燃焼する割合が増加するため、可燃性ガスの生成率が低下し、生成ガスの発熱量が低下することとなる。一方、その逆で、空気比が低くなった場合には、生成ガスの発熱量は上昇するものの、タールやチャーといった未燃焼成分が増加することとなる。
【０００７】
また、生成するガスの性状が変動し発熱量が安定しない場合には、生成ガスを利用する後段の発電設備などその他の生成ガス利用設備に対して、少なからぬ影響を及ぼすこととなる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、廃棄物などの被燃焼物を空気あるいは酸素と空気の混合物により部分燃焼し加熱して生成したガスを、被燃焼物の性状変化があっても生成ガスの性状が安定となるようにするとともに、生成ガスを有効に使用することができるガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すシステムおよび方法により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１０】
本発明は、ガス化システムであって、被燃焼物を導入する手段と、空気あるいは酸素と空気の混合物をガス化剤として導入する手段と、前記被燃焼物をガス化剤により一部燃焼し、ガス化するガス化手段、該ガス化手段から発生する生成ガス中の窒素濃度を測定する手段と、該窒素濃度を基にガス化剤の投入量を制御する手段と、を有することを特徴とする。すなわち、本発明者は、被燃焼物のガス化システムにおいて、ガス化に最適な空気比となる窒素濃度となるように、空気量を供給することで、安定したガス化が可能となり、こうした条件を作り出す方法として既知濃度の酸素／窒素混合体を供給し、ガス化手段の後段における生成ガス中の窒素濃度を測定し、その量に基づき制御することが最も効果的であることを見出したもので、被燃焼物の性状変動および供給量変化に対応した、安定な性状の燃料ガスの生成が可能なガス化システムを供給することができる。
【００１１】
ここで、前記測定手段を前記ガス化手段の直後に設けたことが好適である。上記システムの制御においては、ガス中の窒素濃度を一定とするために、パラメータである窒素濃度の情報を連続的に入手し、迅速な制御を行うことが好ましい。従って、測定手段をガス化後の流路、特にガス化手段の直後に設け、効果的な制御によって安定な性状の生成ガスを作製することができる。
【００１２】
また、前記測定手段として、レーザ計測法を用い、生成ガス流れの中にレーザ光を照射することで窒素濃度を連続的に測定することが好適である。ガス中の各組成物は、赤外線レーザに対してそれぞれに特有の吸収波長を有していることから、レーザ光が測定ガス体を通過するとき、ガス体中にある組成物は特有のレーザ光を吸収し、吸収されたレーザ光の量を検出すればガス体中の特定組成物の濃度を換算することができる。従って、ガス化炉出口に形成した測定窓を通じて、生成ガスにレーザ光を照射することで、生成ガスに非接触でかつリアルタイムに窒素濃度を検出することができ、該検出器出力によって、本システムの迅速な制御を行うことができる。
【００１３】
さらに、前記ガス化システムから供出される生成ガスの熱量および前記窒素濃度を基に、前記被燃焼物の投入量を制御する手段を有することが好適である。本発明は、安定した性状および発熱量を有する燃料ガスの供給を目的とすることから、最終生成物について所定の熱量を確保すべく、窒素濃度を基に最適のガス化条件を担保しつつ、必要な熱量の要求に応じて被燃焼物の投入量を制御するものであり、安定な性状の燃料ガスの生成が可能なガス化システムを供給することができる。
【００１４】
本発明は、ガス化発電システムであって、上記のいずれかのガス化システムによって得られた燃料ガスを加圧する加圧手段と、該加圧手段により加圧された生成ガスを送給して発電する発電手段と、を備えることを特徴とする。上記のガス化システムによって得られた生成ガスは、安定な性状を有する気体燃料であり、ガス中に含まれる不純物等を精製し除去することにより、発電システムが可能となる。
【００１５】
ここで、前記ガス化発電システムから供出される出力および前記窒素濃度を基に、前記被燃焼物の投入量を制御する手段を有することが好適である。本発明は、安定性した性状の燃料ガスの供給およびそれに伴う安定した発電を目的とすることから、最終的に窒素濃度を基に最適のガス化条件を担保しつつ、所定の出力に併せて被燃焼物の投入量を制御するものであり、安定な性状の生成ガスを基に、高い安定性を有するガス化発電システムを供給することができる。
【００１６】
本発明は、ガス化方法であって、被燃焼物および空気あるいは酸素と空気の混合物をガス化剤として導入し、前記被燃焼物をガス化剤により一部燃焼し、ガス化するガス化システムにおいて、該ガス化によって発生する生成ガス中の窒素濃度をレーザ計測法により連続的に測定し、該窒素濃度を基に算出した窒素濃度からガス化剤の投入量を制御することを特徴とする。こうした方法によって、被燃焼物を最適条件下でガス化することを可能とし、効率的な熱回収処理およびガス精製処理を行うことができる。特に、固形燃料や有機系廃棄物などの被燃焼物から燃焼ガスを生成する場合に有効な方法である。
【００１７】
また、本発明は、ガス化発電方法であって、上記のガス化方法によって得られた燃料ガスを加圧し発電手段に送給して発電することを特徴とする。上記のガス化方法によって得られた安定な性状の生成ガスは、有効に安定な発電に使用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、被燃焼物をガス化プロセスにおいて、生成ガス中の窒素濃度をリアルタイムに計測し、その値が所定の値となるようにガス化剤となる空気あるいは酸素と空気の混合物の投入量を制御することによって、被燃焼物の水分等の性状変化にも拘らず、安定した性状の燃料ガスを生成することができる。こうした制御によって、生成ガスを有効に使用することができるガス化システムとガス化方法およびガス化発電システムとガス化発電方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら被燃焼物の一例として有機系廃棄物を含む廃棄物を挙げて説明する。ここでいう有機系廃棄物とは、例えば、木屑や汚泥あるいは農業系などを含む広い概念で捉えた廃棄物をいう。
【００２０】
図１は、本実施形態に係るガス化システムの概略全体構造を例示する。
廃棄物は粉砕手段１により所定の大きさに粉砕され、粉砕された廃棄物は所定量以下の水分となるように乾燥手段２により乾燥される。乾燥された廃棄物は、ガス化手段の１種である循環流動層式ガス化手段３に投入され、部分燃焼により加熱、ガス化される。ガス化手段は後述のように各種の炉が用いられるが、多種多様な燃料に対応するためには、循環流動層式のガス化炉などが好適である。循環流動層式ガス化手段３は、炉内における流動媒体と燃料、ガス化剤との混合性に優れ、炉内を比較的均一な温度分布にすることができる。ガス化手段３は、７００〜１０００℃で稼動し、ガス化剤を投入して廃棄物中の有機物を部分燃焼させ、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ2 ）炭化水素（ＨＣ）、を含むガスを生成することができる。
【００２１】
ガス化手段３から供出された燃料ガスは、精製プロセスを経て燃料ガスとして供給される。精製プロセスは、被燃料物の性状やガス化方法によって様々な手法あるいはその組合せが可能であるが、ガス化手段３からの供出後、熱回収手段４あるいは急速冷却手段（図示せず）などによって冷却し、集塵手段５および精製手段６によって、精製する方法が一般的である。精製手段６としては、湿式ガス精製法により硫黄酸化物やアンモニア化合物を除去する方法などが挙げられる。
【００２２】
次に、ガス化システムにおける具体的な制御方法を説明する。  
上記のように、本発明は、ガス化後の生成ガス中に含まれる窒素含有量をモニタリングしながら、ガス化剤すなわち空気あるいは酸素と空気の混合物の投入量を制御する構成を採用している。具体的には、図１に示すようにガス化手段３と精製プロセスの中間に、生成ガス中の窒素濃度を測定する手段９を設け、該窒素濃度を基にガス化剤の投入量、つまりファン８の風量を制御する手段１０を有している。むろん、ファン８でなく調整弁７によってガス化剤の投入量を制御する等種々の手法を採ることも可能である。こうした構成によって、ガス化に必要な最小限の酸素量を供給することで最適なガス化が可能となり、こうした条件を制御する方法として既知濃度の酸素／窒素混合体を供給し、ガス化手段の後段における生成ガス中の窒素濃度を測定することでガス化剤の投入量を制御することができる。
【００２３】
例えば、被燃焼物をＣｍＨｎとし、ガス化された成分のうちＣＯと二酸化炭素（ＣＯ2 ）がほぼ等量酸化物として生成すると仮定すると、下記の式１が成立する。
【００２４】
ＣｍＨｎ＋（ａ＋ａ／２）Ｏ2 →ａＣＯ2 ＋ａＣＯ＋ｂＨＣ  ・・式１
つまり、ガス化の伴う気相変化で捉えれば、反応によって式２に相当する（ａ／２＋ｂ）分ガス成分が増加する。
【００２５】
２ａ＋ｂ−（ａ＋ａ／２）＝ａ／２＋ｂ  ・・式２
従って、空気をガス化剤として供給した場合のガス化手段出口の気相中の窒素濃度は相対的に低下し、その変化量は供給される被燃焼物の組成の変化が少ない場合には、ガス化剤の供給量とほぼ一定の関係を有することになる。
【００２６】
これをグラフで示すと図２のようになる。Ｏ2 は被燃焼物のガス化が進んでいる状態（Ａ）では検出されず、被燃焼物に対しガス化剤の過剰投入（Ｃ）によって検出可能となることから、制御対象とすることは困難である。一方、気相中の窒素濃度は、ガス化が進めば（Ａ）、相対的に低下し、ガス化剤の過剰投入（Ｃ）によって増加する傾向を示す。つまり、最適のガス化条件の範囲（Ｂ）において安定域を有し前後において減少および増加傾向を示すことから、窒素濃度値あるいは窒素濃度の変化量によって被燃焼物／ガス化剤の関係を把握することができる。従って、本発明は窒素濃度を基にこうした領域での制御を行うことで、最適な制御が可能となる。
【００２７】
なお、被燃焼物中に窒素成分が多く含まれている場合、あるいはガス化炉内にパージ用として窒素を封入する場合には、それらを加味して制御することが好ましい（具体的には、減算や加算あるいは比例演算処理される）。また、窒素濃度単独による制御ではなく、予め設定した被燃焼物投入量に対する必要ガス化剤から得られる「計算窒素濃度」を、「実測窒素濃度」と比較し、両者の差分を補正するように制御することも可能である。これによって被燃焼物の投入量の変化に伴う迅速な制御が可能となる。
【００２８】
測定手段として、レーザ計測法を用い、生成ガス流れの中にレーザ光を照射することで窒素濃度を連続的に測定することが好適である。具体的には、図１において、ガス化手段３と精製プロセスとを結ぶ流路中に測定窓を形成し、この測定窓を通じてレーザ検出計で流路中にレーザ光を照射することで、窒素濃度の検出が可能となる。
【００２９】
ここで、測定窓は流路中に対向的にレーザ発信側と受信側の２つの開口部を形成し、レーザ光を直接流路内に照射するようになっている。この構造では、レーザ発信側と受信側のレンズの汚れを防止するために、不活性ガスを用いてパージすることも可能である。
レーザ検出計は、レーザ光源を備えた検出器本体、光源からの光を調整するレーザ投射装置、光ファイバケーブルおよび信号処理器から構成され、前記制御手段１０に接続し各種演算を実行可能としている。
【００３０】
生成ガス中の窒素濃度は、次のようにレーザ検出計によって測定される。レーザ発信器は波長をスキャンしながら一定の強度のレーザ光を発生する。このレーザ光をレーザ投射装置で一定のビーム径に調整してから、ガス流路に直接照射する。この流路を生成ガスが通過するとき特定波長の光がガス中の窒素によって吸収される。そして、レーザ投射装置の対向側に設置されている検出器で残存しているレーザ光の強度を測定し、信号処理器によって演算処理され、窒素濃度をリアルタイムに検出することができる。
【００３１】
本発明は、以上のように、窒素濃度をリアルタイムに検出し、当該窒素濃度は一定になるようにガス化剤の投入量を調整することによって安定した性状の生成ガスを作製することができる。
【００３２】
また、上記ガス化システムから供出される生成ガスの熱量および窒素濃度を基に、被燃焼物の投入量を制御することが好適である。最終生成物であるクリーンな燃料ガスについて、被燃焼物の投入量を制御することで所定の熱量を確保し、併せて窒素濃度を基に最適のガス化条件を担保することで、安定な性状の生成ガスの作製が可能となる。例えば、生成ガスを燃料として利用するボイラ等の熱回収装置では、その出力に応じて被燃焼物の投入量を制御し、窒素濃度を基にガス化剤の投入量を制御する。熱回収装置の必要熱量が減少した場合には、被燃焼物の投入量を減量し、このため過剰となったガス化剤の投入量を減量する。これを繰返すことで、最適なガス化条件下で所望の熱量を有する燃料ガスを供給することができる。
【００３３】
また、上記において用いられる制御方法としては、ＰＩＤ制御やフィードバック制御をはじめとする各種制御方法の適用が可能であるが、本発明では、測定値をパラメータとするフィードバック制御が応答性の面からも好適である。
【００３４】
本発明の別の実施の態様を図３に例示する。上記のガス化システムによって得られた生成ガスは、性状の安定したクリーンな気体燃料であり、特別な処理をせずに有効に発電システムに使用することができるとともに、回収された熱エネルギーをも有効に活用することができる。
【００３５】
図３は、本発明に係るガス化発電システムの１の構成を例示するものであって、図１に示すガス化システムによって得られた燃料ガスを加圧する加圧手段１２と、該加圧手段１２により加圧された生成ガスを送給して発電する発電手段１５および１７とを備えている。
【００３６】
ガス化手段３、集塵手段５、熱回収手段４、精製手段６を介して精製された生成ガスは、加圧手段１２（例えば、コンプレッサなど）により加圧された後、燃焼手段１３に送給されて燃焼し、ガスタービン１４を駆動して、ガスタービン１４に接続されている発電手段１５によって発電に利用される。この場合、生成ガスの顕熱がガスタービン１４の効率向上に寄与できることになる。さらに、ガスタービン１４を駆動したガスの熱エネルギーは、ボイラ１８に送給されて蒸気発生に利用される。これらに利用された排ガス中には、煤塵が含まれていないため、さらに集塵器の設置は不要である。一方、熱回収手段４によって回収された熱エネルギーはボイラ１８などに送られて有効に利用される。この場合の熱交換条件は、ガス化システムあるいはボイラの規模などによって設定されるが、例えば、１２０℃程度に加熱された水蒸気を用いて、熱回収手段４から排出されるときには２００℃程度に加熱されてボイラ１８に送給される場合などがある。ボイラ１８から発生した水蒸気あるいは過熱蒸気は、蒸気タービン１６に送給されて利用され、これに接続する発電機１７により発電に寄与し得る。ボイラ１８を通過し、熱利用されたガスは、煙突１９から大気に放出される。このとき、放出されるガスは非常にクリーンであり、エネルギーのロスも非常に少なくすることができる。このように、本発明は、廃棄物などを被燃焼物とし、環境を配慮した優れたガス化発電システムが可能となる。
【００３７】
ここで、前記ガス化発電システムから供出される出力および前記窒素濃度を基に、前記被燃焼物の投入量を制御する手段を有することが好適である。ガス化発電システムは安定電力を確保することが重要であり、発電システムの出力に応じて被燃焼物の投入量を制御し、併せて窒素濃度を基に最適のガス化条件を担保することで、安定な性状の燃料ガスの生成が可能となる。つまり、発電機側の要求に応じて被燃焼物の投入量を制御することで所定の燃料ガス量を確保し、窒素濃度を基にガス化剤の投入量を制御する。具体的には、図３に示すように発電手段１５および１７における出力を測定する手段２０を設け、その出力を基に被燃焼物の投入量を制御する。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明の実施態様を、被燃焼物の一例として有機系廃棄物を含む廃棄物を挙げて説明したが、本発明を適用することが可能な被燃焼物は、これに限定されるものではなく、各種固形燃料、産業廃棄物などであってもよい。また、上記の実施態様では、発電手段がガスタービンと蒸気タービンに接続される構成とされていて、高い発電能力を発揮する例を示したが、これらはガスタービン単独、あるいはガスエンジンを使用するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一の実施形態に係るガス化システムを例示する説明図
【図２】本発明のガス化手段におけるガス化剤投入量と組成変動を例示する説明図
【図３】本発明の他の実施形態に係るガス化発電システムを例示する説明図
【符号の説明】
【００４０】
３    ガス化手段
４    熱回収手段
５    集塵手段
６    精製手段
８    ファン
９    窒素濃度測定手段
１０  制御手段
１１  熱量測定手段
１２  加圧手段
１３  燃焼手段
１４  ガスタービン
１５、１７  発電手段
１６  蒸気タービン
１８  ボイラ
２０  発電量測定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005247928.tif 000005