(57)【要約】【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、製紙スラッジ等の少量処理を可能とするガス化装置を提供する。【解決手段】  有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下において熱分解し、発生した熱分解ガスをスチームと反応せしめて改質するガス化装置において、一つの容器内に有機系廃棄物を熱分解する領域と発生した熱分解ガスを改質する領域とを備えるガス化炉を有し、かつ該有機系廃棄物を熱分解する領域に、温度25℃における定圧モル熱容量が70J/K・mol以上である固体状熱媒体が充填されているところの装置。【選択図】  図１
2005146056.tif 000002
【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熱分解し、発生した熱分解ガスをスチームと反応せしめて改質するガス化装置において、一つの容器内に有機系廃棄物を熱分解する領域と発生した熱分解ガスを改質する領域とを備えるガス化炉を有し、かつ該有機系廃棄物を熱分解する領域に、温度25℃における定圧モル熱容量が70J/K・mol以上である固体状熱媒体が充填されているところの装置。
【請求項２】
固体状熱媒体がアルミナボールである請求項1記載の装置。
【請求項３】
充填されたアルミナボールの総数の90%以上が5〜15ｍｍの直径を有するところの請求項2記載の装置。
【請求項４】
ガス化炉が、下段に有機系廃棄物を熱分解する領域及び上段に発生した熱分解ガスを改質する領域を備え、かつ各段のガス化炉外側に加熱手段を備えるところの請求項1〜3のいずれか一つに記載の装置。
【請求項５】
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1〜4のいずれか一つに記載の装置。
【請求項６】
請求項1〜5のいずれか一つに記載の装置を使用して、有機系廃棄物を熱分解かつ改質してガス化する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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熱分解及び改質してガス化する装置に関し、更に詳しくは、上記の有機系廃棄物から水素に富むガスを回収するガス化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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考えられる。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、流動床炉、微粉燃焼炉、噴流床炉等がある。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、流動床炉、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。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。いずれの方法も完成された技術であるが、通常、設備規模が大きく、例えば、直接燃焼方式における処理量は最低40トン/日であり、ガス化方式における処理量は最低50トン/日である。
【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】
上記のような間伐材や建設廃木材等の産業廃棄物及び一般廃棄物の1日当り排出量は通常0.5〜3トン程度である。また、日本国内の製材所の殆どにおける廃木材の量はおよそ1トン/日である(非特許文献1)。従って、上記の直接燃焼方式及びガス化方式は技術的には適用可能であっても経済的に採算が合わない。
【０００６】
木材等の有機物質を熱分解反応器中で熱担持媒体と接触することにより熱分解し、次いで、熱分解ガスをスチームのような反応媒体と混合後、第二の反応帯域で更に加熱してリフォーミングするガス化方法が開示されている(特許文献1)。該方法において、熱担持媒体は、有機物質と接触された後、熱分解反応器から取り出されて加熱され、そして、第二の反応帯域に送られて熱分解ガスの加熱に使用され、次いで、再び熱分解反応器に送られて循環移動される。熱担持媒体として、耐火物、金属材料が挙げられている。実施例において、熱担持媒体として鋼球が使用されており、有機物質の処理量は木材(含水)で286kg/時間(約6.9トン/日)であることが記載されている。また、図1〜3に示されているように、熱分解反応とリフォーミングは異なる容器で実行される。熱分解反応とリフォーミングが異なる容器で実行されることから、熱担持媒体を異なる容器の間で移動させなければならなかった。該方法では、上記の間伐材や建設廃木材等の産業廃棄物及び一般廃棄物並びに日本国内の製材所における廃木材を処理するには、未だ処理量が大き過ぎ経済性が得られないと言う問題があった。
【０００７】
【非特許文献１】日本エネルギー学会誌、2003年、第82巻、第6号、第329頁
【特許文献１】特表2003-510403号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、製紙スラッジ等の少量処理を可能とするガス化装置を提供するものである。これにより、従来のガス化装置に比べて経済性が向上し、これまで使用されていなかった該有機廃棄物を有効に利用することが可能となった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記特許文献1の方法を使用して、廃木材を処理量1トン/日で処理すると熱分解反応及びガス改質の温度が低下する。これを維持するためには、熱媒体(熱担持媒体)を更に加熱しなければならない。また、熱媒体移動中の放熱も防止しなければならない。従って、これらの熱を供給するために著しくコストが嵩む。そこで、本発明者らは、この問題を解決すべく種々の検討を行った。その結果、熱媒体の材質に注目し、該材質をより定圧モル熱容量の大きいもの、好ましくはアルミナに変更することを見出した。そして、それにより、小型のガス化炉での温度の維持が可能になり、有機系廃棄物の少量処理を可能にしたのである。加えて、熱分解領域とガス改質領域とを一つの容器内に備えたガス化炉とすることにより、特許文献1の方法における容器間の移動に伴う熱媒体からの放熱を防止し、かつ該移動に伴う装置の簡素化を図り、更なるコストダウンに成功したのである。
【００１０】
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熱分解し、発生した熱分解ガスをスチームと反応せしめて改質するガス化装置において、一つの容器内に有機系廃棄物を熱分解する領域と発生した熱分解ガスを改質する領域とを備えるガス化炉を有し、かつ該有機系廃棄物を熱分解する領域に、温度25℃における定圧モル熱容量が70J/K・mol以上である固体状熱媒体が充填されているところの装置である。
【００１１】
好ましい態様として、
(2)固体状熱媒体の温度25℃における定圧モル熱容量が70〜90J/K・molである上記(1)記載の装置、
(3)固体状熱媒体がアルミナボールである上記(1)又は(2)記載の装置、
(4)充填されたアルミナボールの総数の90%以上が5〜15ｍｍの直径を有するところの上記(3)記載の装置、
(5)ガス化炉が、下段に有機系廃棄物を熱分解する領域及び上段に発生した熱分解ガスを改質する領域を備え、かつ各段のガス化炉外側に加熱手段を備えるところの上記(1)〜(4)のいずれか一つに記載の装置、
(6)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)〜(5)のいずれか一つに記載の装置、
(7)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)〜(5)のいずれか一つに記載の装置、
(8)有機系廃棄物を熱分解する領域の温度が、500〜600℃であるところの上記(1)〜(7)のいずれか一つに記載の装置、
(9)発生した熱分解ガスを改質する領域の温度が、900〜1000℃であるところの上記(1)〜(8)のいずれか一つに記載の装置、
(10)ガス化炉内の圧力が、0.1〜0.9MPaである上記(1)〜(9)のいずれか一つに記載の装置、
(11)上記(1)〜(10)のいずれか一つに記載の装置を使用して、有機系廃棄物を熱分解かつ改質してガス化する方法
を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１２】
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、製紙スラッジ等の少量処理を可能とするガス化装置を提供するものである。これにより、従来のガス化装置に比べて経済性が向上し、これまで焼却処分されていて使用されていなかったこれらの有機系廃棄物を有効に利用することが可能となる。例えば、間伐材や建設廃木材等の産業廃棄物及び一般廃棄物並びに日本国内の製材所における廃木材を経済的に処理して、熱及び付加価値の高い水素に富むガスを得ることができる。また、従来、焼却処分されていたこれらの有機系廃棄物を有効利用し得ることから、焼却処分時に発生していたダイオキシン等の有害物質、二酸化炭素等の地球温暖化物質を削減し得て環境改善に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のガス化装置において、ガス化炉は、一つの容器内に有機系廃棄物を熱分解する領域と発生した熱分解ガスを改質する領域とを備える。好ましくは、該ガス化炉は、下段に有機系廃棄物を熱分解する領域及び上段に発生した熱分解ガスを改質する領域を備える。また、これら各領域のガス化炉外側に加熱手段を備えることが好ましい。ガス化炉の形式はレトルト炉形式が好ましい。ガス化炉は固定床、移動層、流動層、その他原料である有機系廃棄物を加熱し得るものであればいずれであってもよい。好ましくは固定床が使用される。
【００１４】
本発明のガス化装置は、有機系廃棄物を熱分解する領域に温度25℃における定圧モル熱容量が70J/K・mol以上、好ましくは70〜90J/K・molである固体状熱媒体が充填されている。該熱媒体は、有機系廃棄物に熱を与えて、これを熱分解するためのものである。熱媒体の定圧モル熱容量が上記下限未満では、有機系廃棄物の少量処理ができない。該熱媒体としては、例えば、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等が挙げられる。好ましくはアルミナが使用される。該熱媒体の形状に特に制限はないが、熱効率の面からボール状が好ましい。該熱媒体の粒径は、熱分解する領域に充填された総数の90%以上が好ましくは5〜15ｍｍ、より好ましくは8〜12ｍｍの直径を有する。粒径が上記下限未満では高価になり、上記上限を超えては、充填した際に間隙が大きくなり熱効率が低下する。本発明においては、好ましくはアルミナボールが使用される。
【００１５】
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。
【００１６】
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。有機系廃棄物の水分は、熱分解ガスを改質する際のスチームとして利用され得る故、該水分は、有機系廃棄物を本発明のガス化炉に支障なく供給し得る程度であればよく、従って、有機系廃棄物の乾燥は自然乾燥で十分であり、とりわけ、強制乾燥等の予備処理は必要でない。
【００１７】
本発明においては、上記有機系廃棄物は、まず、ガス化炉の熱分解領域において非酸化性雰囲気下において、固体状熱媒体により加熱される。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。固体状熱媒体は、熱分解領域のガス化炉外側に設けられた加熱手段により加熱されることが好ましい。該加熱手段は好ましくは電気加熱器である。また、固体状熱媒体は、ガス化炉の熱分解領域とは別に設けられた加熱器との間で循環されて、該加熱器により所定の温度に加熱された熱媒体を熱分解領域に戻して有機系廃棄物の熱分解に使用することもできる。
【００１８】
熱分解領域における加熱温度は、有機系廃棄物の熱分解反応がほぼ終了する温度であり、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0.9MPa、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。
【００１９】
非酸化性雰囲気としては窒素、ヘリウム等の不活性ガスが挙げられ、好ましくは窒素が使用される。
【００２０】
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反応せしめる。該反応は本発明のガス化炉の改質領域において実施され、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。改質に際しては、例えば、ニッケル系触媒等を使用することもできる。これにより、より多くの水素を得ることができる。
【００２１】
ガスをスチームと反応せしめる温度は、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、ガス化炉の改質領域の材質に悪影響を与えるため好ましくない。改質反応に必要な熱は、好ましくはガス化炉外側に備えられた加熱手段により供給される。該加熱手段としては、例えば、電気加熱器等が挙げられる。改質領域の圧力は熱分解領域と同一である。
【００２２】
熱分解ガスを改質するためのスチームは熱分解ガスに改質領域において外部から供給される。該スチームは、ガス化炉の改質領域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0.9MPaである。改質領域には、連続的又は間歇的に噴霧して供給することができる。また、スチームは必ずしも外部から供給する必要はなく、原料である有機系廃棄物に含まれる水のみでまかなうこともできる。改質領域に熱分解ガスと共に導入されるスチームの量は、有機系廃棄物の性状、所望されるガスの性状等により異なるが好ましくは0.1kg/有機系廃棄物1kg〜1kg/有機系廃棄物1kg、より好ましくは0.2kg/有機系廃棄物1kg〜0.6kg/有機系廃棄物1kgである。スチームの量が少ないと改質反応が十分に進行せず、多いとスチームが未反応のまま排出されるので、過剰にスチームを供給しても効果がない。
【００２３】
ガス化炉の改質領域から出た改質ガスは、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。
【００２４】
上記のようにして得られたガスは、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。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。
【００２５】
一方、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)は、熱媒体に担持されて炉底部から機械的に排出される。このようにして排出されたタール及びチャーは燃焼されてプラントエネルギー等に使用することができる。あるいは、チャーは土壌改良剤として使用することもできる。
【００２６】
本発明のガス化炉は、有機系廃棄物の処理に適しており、有機系廃棄物を好ましくは60〜375kg/時間、より好ましくは100〜150kg/時間で処理することができるものであればよい。ガス化炉の寸法は、有機系廃棄物の処理量、固体状熱媒体の寸法及び充填量等に依存するが、好ましくは、直径500〜1500mm、高さ3250〜9750mm、より好ましくは直径1000mm、高さ6500mmであり、好ましくは、約下半分が熱分解領域及び約上半分が改質領域である。該ガス化炉として、好ましくはステンレス鋼、インコネル製の円筒状容器が使用される。
【００２７】
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。
【００２８】
(実施例)
実施例においては、実機の約10分の1の実験用小型装置を使用した。使用した装置は図１の通りである。ガス化炉本体の材質はインコネルである。ガス化炉Aは内径100mm及び高さ650mmの円筒状であり、ガス化炉底部から300mmが熱分解領域2であり、頂部から300mmが改質領域3である。熱分解領域2には、熱媒体としてアルミナボールD(温度25℃における定圧モル熱容量が79.01J/K・molである)が、熱分解領域底部から120mmのところから150mmのところまで30mmの厚さ及び熱分解領域頂部から50 mmのところから70mmのところまで20mmの厚さで二層に充填されている。該アルミナボールDの直径は、充填総数の90%以上が5〜15ｍｍであった。改質領域3の上部にはニッケル触媒Eが充填されている。上記の熱分解領域2と改質領域3との間にスチーム導入口4が設けられている。また、該熱分解領域2と改質領域3のガス化炉外壁には、夫々、温度制御可能な電気加熱器B、Cが設置されている。
【００２９】
(実施例1)
建設廃木材(スギ廃材)を使用してガス化した。該廃木材は、0.75mm以下に粉砕したものである。該廃木材の性状を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2005146056.tif 000003
【００３１】
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)
【００３２】
廃木材を、気流搬送により原料供給配管1から、ガス化炉Aの熱分解領域2に30〜40秒間隔で0.1グラム毎断続的に導入した。廃木材の導入は、原料供給配管1の上流側と下流側に直列に二つのバルブを設けて所定の空間を設け、該二つのバルブを閉じた状態から、まず、上流側のバルブを開けて廃木材を二つのバルブ間に装入し、次いで、上流側のバルブを閉じ、二つのバルブ間の空間を真空脱気した後、ヘリウムガスで加圧し、次いで、下流側のバルブを開いて、廃木材をガス化炉Aの熱分解領域に導入することにより実施した。該導入操作はタイマープログラムにより実施された。ガス化炉Aの熱分解領域2は、電気加熱器Bにより熱媒体であるアルミナボールを加熱することにより550℃の温度に制御された。また、熱分解領域2は、その底部からヘリウムガスが0.50リットル/分で導入されて、0.103MPaの圧力に保持された。該廃木材は熱分解されて、発生したガスは、同一の圧力に保持されたガス化炉Aの改質領域3に導入された。
【００３３】
ガス化炉Aの改質領域3に上記の熱分解により発生したガスを導入するに際しては、該熱分解ガスに約0.3〜0.5グラム/分でスチームをスチーム導入口4より添加した。ガス化炉Aの改質領域3の温度は1000℃であり、改質領域3の出口部5におけるガス温度は947℃であった。改質領域3の温度は、電気加熱器Cにより一定に制御された。
【００３４】
得られた改質されたガスは、空冷式冷却装置で室温(25℃)に冷却された。上記のガス化操作を夫々10分間づつ5回実施した。改質されたガスが乾燥ガス基準(ヘリウムを除く)で夫々、77.9グラム／時間、77.6グラム／時間、77.1グラム／時間、77.3グラム／時間、及び77.5グラム／時間の量で得られた。夫々の操作において得られた改質されたガスの組成は、表2に示す通りである。
【００３５】
【表２】
2005146056.tif 000004
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、GC14A)により測定したものである。
【００３６】
(実施例2)
熱分解ガスをガス化炉Aの改質領域3に導入するに際してスチームを添加しなかった以外は、実施例1と同じに実施した。発生した熱分解ガスの改質は、廃木材中に含まれていた水によりなされた。ガス化炉Aの改質領域3の温度は、1000℃であり、改質領域の出口部5におけるガス温度は947℃であった。
【００３７】
改質されたガスが夫々、100.4グラム／時間、101.5グラム／時間及び99.8グラム／時間の量で得られた。夫々の操作において得られた改質されたガスの組成は、表3に示す通りである。
【００３８】
【表３】
2005146056.tif 000005
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。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、従来のガス化装置に比べて経済性が向上し、これまで使用されていなかった未利用資源及び再生可能資源、例えば、間伐材や建設廃木材等の産業廃棄物及び一般廃棄物並びに日本国内の製材所における廃木材を有効に利用することが可能となった。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、燃料供給業、ガス供給業等で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例で使用したガス化炉の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
A：加熱炉
B：熱分解領域の電気加熱器
C：改質領域の電気加熱器
D：アルミナボール
E：ニッケル触媒
1：原料供給配管
2：熱分解領域
3：改質領域
4：スチーム導入口
5：改質領域の出口部
6：ヘリウム導入口
【図１】
2005146056.tif 000006