(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチックを主成分とする有機性廃棄物とガス化剤（酸素または空気）をガス化炉に供給し、有機性廃棄物の熱分解反応および部分酸化反応により水素および一酸化炭素を主成分とするガスを生成する有機性廃棄物用ガス化炉において、
円筒形のガス化炉の上段部と下段部に、供給するガス化剤（酸素または空気）の供給ノズルを、該ガス化剤が旋回流を形成するようにガス化炉と同心円の接線上に複数設け、上段ノズルと下段ノズルとの間に有機性廃棄物の供給孔、ガス化炉底部には溶融灰の取出し孔をそれぞれ設け、該ガス化炉の頂部には生成ガスの取出し孔を設けたことを特徴とする有機性廃棄物用ガス化炉。
【請求項２】
前記生成ガスの取出し孔部に水蒸気を供給するノズルを設置した請求項１に記載の有機性廃棄物用ガス化炉。
【請求項３】
請求項１または２の有機性廃棄物用ガス化炉により製造した生成ガスを冷却する冷却器、生成ガス中の煤塵を除去する脱塵装置、生成ガス中の不純物を除去するガス精製装置を有し、これらを通した生成ガスを燃料電池に供給して発電することを特徴とする有機性廃棄物ガス化発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチックなどの有機性廃棄物を酸素や空気などのガス化剤により熱分解，部分酸化して、燃料電池用のガスを効率よく得る有機性廃棄物用ガス化炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機性廃棄物と同様に、炭素および水素分を含有する固体の例として石炭が挙げられる。石炭ガス化装置の例として、ガス化炉の上段部および下段部に石炭とガス化剤を同時に供給するノズルを設置し、旋回流を形成していた（特許第１８２３９４１号，特公平４−５９３５５号公報）。
【０００３】
また、プラスチックなどの有機性廃棄物をガス化するためには、まず、有機性廃棄物を熱分解し、得られた熱分解ガスを部分酸化して形質化し、水素や一酸化炭素を得る必要がある。このため従来は、熱分解炉と部分酸化炉（形質化炉）の２つの炉を用いていた。
【０００４】
また、熱分解炉の熱源としては、生成ガスを熱分解炉に再供給し熱源として使用されていた（特開平１１−１６６２８５号公報、特開平１１−２９３２６０号公報、特開平２０００−７０８９４号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
プラスチックなどの有機性廃棄物は、微細に粉砕することが困難で、一般的に微粉炭よりも粒径が大きいが、中には粒径が小さく、密度の小さいものが混入している。粒径が大きな有機性廃棄物は、微粉炭よりもガス化に必要な時間が長い。
【０００６】
また、粒径や密度が小さい有機性廃棄物は、生成ガスの流動に捕捉され、ガス化炉外に飛散し易い。
【０００７】
本発明の目的は、石炭より粒径が大きくガス化反応の時間が長い有機性廃棄物を、ガス化炉内に長く留め、かつ、熱分解と部分酸化の２つの条件を同時に満たすことにより、水素や一酸化炭素を主成分とする燃料ガスを１つの炉中で、効率よく製造する有機性廃棄物用ガス化炉を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、水素源として水や水蒸気をガス化炉に供給することにより、生成ガスからの固体炭素分の析出を抑えて、効率良く有機性廃棄物中の炭素分をガス化し、かつ、生成ガス中の水素濃度を高めた有機性廃棄物ガス化発電装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の要旨は次ぎの通りである。
【００１０】
プラスチックを主成分とする有機性廃棄物とガス化剤（酸素または空気）をガス化炉に供給し、有機性廃棄物の熱分解反応および部分酸化反応により水素および一酸化炭素を主成分とするガスを生成する有機性廃棄物用ガス化炉において、円筒形のガス化炉の上段部と下段部に、供給する酸素や空気と云ったガス化剤の供給ノズルを、該ガス化剤が旋回流を形成するようにガス化炉と同心円の接線上に複数設け、上段部と下段部の間に有機性廃棄物を供給する供給孔を配置し、有機性廃棄物とガス化剤を反応させ、熱分解および部分酸化を生じさせて、有機性廃棄物に含有される炭素および水素を一酸化炭素および水素に転換する有機性廃棄物用ガス化炉にある。
【００１１】
有機性廃棄物は、ガス化炉の上段部にガス化剤と同時に供給すると、既述したように、粒径や密度が小さい有機性廃棄物はガス化炉外に飛散し易く、下段部にガス化剤と同時に供給すると、大きな粒径の有機性廃棄物がガス化炉底に落下し易い。
【００１２】
このため、有機性廃棄物の供給孔をガス化剤の供給孔とは別に、上段部と下段部の間に設置したことが特徴である。これにより、粒径が大きな有機性廃棄物でもガス化炉内の流動の影響を受けず重力によりガス化炉内を落下する。この間に有機性廃棄物はガス化炉内の熱により熱分解される。
【００１３】
熱分解により粒径が小さくなった有機性廃棄物は、下段部に旋回流を形成するように設置されたガス化剤の供給ノズルから供給されたガス化剤の旋回流に捕捉されて、ガス化炉内を旋回しつつ、ガス化剤により部分燃焼して発熱，分解する。さらに、有機性廃棄物中に含有される灰分は溶融される。
【００１４】
熱分解により生成した炭素鎖２以上の炭化水素ガスは、ガス化炉内部を上昇し、上段部に供給したガス化剤と接触して反応し、水素および一酸化炭素を生成する。
【００１５】
以上のように、ガス化炉の上段部および下段部に旋回流を形成すべくガス化剤の供給ノズルを設置し、上段部と下段部の間に有機性廃棄物供給孔を設置したことで、十分な滞留時間を確保でき、熱分解および形質化、灰溶融を１つの炉で実現することができる。
【００１６】
また、ガス化炉の生成ガス出口近傍に水蒸気供給孔を設置することにより、ガス化炉内で生成した一酸化炭素と水蒸気とを反応させて、水素を発生させることができ、生成ガス中の水素濃度を高くすることができる。この水素は燃料電池の燃料として有効であり、高効率な発電ができる。
【００１７】
次ぎに、本発明の有機性廃棄物用ガス化炉の原理を図２を用いて説明する。ガス化炉の下段部および上段部には、ガス化剤１０２を供給するノズルからガス化炉内に供給されると、ガス化炉内に旋回流を形成する。
【００１８】
上段部と下段部との間に設けた有機性廃棄物１０１を供給するノズルから有機性廃棄物１０１がガス化炉内に供給されると、重力によりガス化炉の下段方向へと落下する。このとき、ガス化炉内の熱により、有機性廃棄物の一部は熱分解され、炭素鎖２以上の炭化水素ガスを生成する。
【００１９】
有機性廃棄物は徐々に粒径が小さくなり、下段部に供給したガス化剤が形成する旋回流に捕捉されて旋回する。ここで、下段部に供給されたガス化剤１０２と反応し、有機性廃棄物の一部が燃焼して発熱する。
【００２０】
また、この発熱により、有機性廃棄物内に含有される灰分が溶融し、ガス化炉底部に落下して、排出される。
【００２１】
熱分解により生成した炭素鎖２以上の炭化水素ガスは、ガス化炉上段部へと上昇し、上段部に供給されたガス化剤１０２と反応し、形質化され、一酸化炭素および水素を生成する。
【００２２】
また、ガス化炉天井部より水蒸気１０５を供給することにより、該水蒸気と一酸化炭素とが還元反応して水素を生成する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例の有機性廃棄物用ガス化炉の全体を示す模式断面図である。ガス化炉はガス化室１、スラグ回収室９、有機性廃棄物供給ノズル２、ガス化剤供給ノズル３，３’、水蒸気供給ノズル１２で構成される。
【００２４】
ガス化室１は円筒形であり、上段部および下段部にはガス化剤供給ノズル３，３’が設置され、上段部と下段部の間には有機性廃棄物供給孔２が設置される。ガス化室１の底にはスラグ排出孔８が設置され、その下にはスラグ回収室９が設置される。ガス化炉天井５には生成ガス排出孔６が設置される。
【００２５】
予め、破砕されたプラスチックを主成分とする有機性廃棄物１０１は、ガス化室１の中段部に設置された有機性廃棄物供給孔２を通してガス化室１に供給される。また、有機性廃棄物１０１をガス化するために必要な酸素や空気などのガス化剤１０２は、ガス化室１の上段部および下段部に設置されたガス化剤供給ノズル３，３’を介してガス化室１に供給される。
【００２６】
有機性廃棄物供給孔２より供給された有機性廃棄物１０１は、重力によりガス化室１内を落下する。このとき、一部がガス化室１内の熱によって熱分解し、炭素鎖２以上の炭化水素ガスを生成し、粒径が小さくなって行く。
【００２７】
ガス化室１の下段部まで落下した有機性廃棄物は、下段部に設置されたガス化剤供給ノズル３より供給されたガス化剤１０２が形成する旋回流に捕捉されて旋回し、ガス化剤と接触して部分燃焼して発熱し、一酸化炭素や水素、水蒸気を生成する。
【００２８】
さらに有機性廃棄物中に含有される灰分は、熱により溶融してガス化炉底７に落下する。落下した溶融灰はスラグ排出孔８を通してスラグ回収室９に流下し、回収される。
【００２９】
熱分解により生成した炭素鎖２以上の炭化水素ガスは、ガス化室１の上段部へと移動する。ガス化室上段部にはガス化剤供給ノズル１０２が設置されており、炭素鎖２以上の炭化水素ガスとガス化剤が反応して、水素および一酸化炭素を生成する。
【００３０】
さらに、ガス化炉頂部の生成ガス排出孔６近傍には水蒸気供給ノズル１２が設置されており、水蒸気１０５が供給される。水蒸気１０５は、生成ガス中の一酸化炭素と反応して水素と二酸化炭素を生成する。これにより、生成ガス中の水素濃度を高めることができる。生成ガス１０３は、ガス化炉頂部の生成ガス排出孔６よりガス化炉を出る。
【００３１】
図３は、本発明のガス化剤供給ノズル３，３’の設置例を示すガス化炉の模式横断面図である。ガス化剤供給ノズル３，３’は、ガス化炉内に旋回流を形成するため、ガス化炉の同心円１０の接線１１上に設置され、該ノズルからガス化剤１０２を供給することにより、ガス化炉の同心円１０が、ガス化剤の旋回円となり、ガス化剤の旋回流が形成される。本実施例では、ガス化剤供給ノズルが４本の場合について説明したが、３本以下または５本以上であってもよい。
【００３２】
図４は、本発明の有機性廃棄物用ガス化炉への有機性廃棄物の供給装置の一例を示す模式断面図で、有機性廃棄物ホッパ５０、スクリューフィーダ５１、ガス化炉５４から構成される。ガス化炉５４のガス化室１の上段部および下段部にはガス化剤供給ノズル３，３’がそれぞれ設置される。
【００３３】
上段および下段のガス化剤供給ノズル３と３’との間には、有機性廃棄物供給孔２が設けられ、スクリューフィーダ５１が挿入される。スクリューフィーダ５１の根元部からは窒素ガス１１１を供給することができる。原料である有機性廃棄物は、有機性廃棄物ホッパ５０に予め充填され、ホッパから重力によりスクリューフィーダ５１に落下する。
【００３４】
スクリューフィーダ５１は、円筒内でスクリューが回転するよう構成されており、有機性廃棄物を定量的に搬送することができる。なお、スクリューフィーダ５１は、ガス化炉５４の内壁部まで挿入され、有機性廃棄物をガス化室１に直接供給される。
【００３５】
スクリューフィーダ５１の先端部は、ガス化室１内の高温に曝されるため、有機性廃棄物が溶融して付着したり、スクリューが溶融して変形したりするのを防止するために、スクリューフィーダの根元部から窒素ガス１１１を供給する。窒素ガス１１１は、スクリューフィーダ５１の筒内を有機性廃棄物と共に通過し、スクリューフィーダ５１の先端部を冷却して、ガス化室１に供給される。
【００３６】
図５は、本発明の有機性廃棄物用ガス化炉に水蒸気を供給した場合の水素ガス収率の一例を示すグラフである。
【００３７】
水蒸気をガス化炉内に供給すると、一酸化炭素と水蒸気が下式のように反応し、二酸化炭素と水素を生成する（シフト反応と呼ばれる）。
【００３８】
〔化１〕
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
燃料電池用の燃料には水素を用いることができるため、水素の生成を多くすることが必要である。水蒸気の供給量を増やすと、水素ガス収率が増加する。しかし、水蒸気はガス化炉内の熱を奪うため、供給量が多くなり過ぎると、ガス化炉内の温度が低下して有機性廃棄物のガス化反応率が低下する。
【００３９】
図６は、本発明の有機性廃棄物用ガス化炉を用いた燃料電池発電システムの一例を示す構成図である。
【００４０】
有機性廃棄物ホッパ５０、スクリューフィーダ５１、混合器５２、空気分離器５３、ガス化炉５４、ガス冷却器５５、サイクロン５６、不純ガス除去器５７、燃料電池５８によって構成される。予め、１０〜２０ｍｍ程度に粉砕された有機性廃棄物を有機性廃棄物ホッパ５０に充填する。有機性廃棄物１０１は、スクリューフィーダ５１によりホッパ５０から切り出されて、混合器５２に入る。
【００４１】
一方、空気分離器５３には空気１１０が供給され、空気が酸素と窒素に分離される。窒素１１１は混合器５２に供給される。混合器５２内で有機性廃棄物５２と窒素１１１が混合され、窒素１１１の圧力によりガス化炉５４に供給される。
【００４２】
また、空気分離器５３で製造された酸素１１２もガス化剤としてガス化炉５４に供給される。ガス化炉５４では、有機性廃棄物のガス化反応が生じ、水素および一酸化炭素を主成分とする生成ガス１０３を生成する。生成ガス１０３は高温であるため、ガス冷却器５５により冷却される。
【００４３】
また、生成ガス１０３中には、灰分および未反応の炭素分を含有するチャーが混入しているため、サイクロン５６などの脱塵装置により生成ガス中からチャーを除去する。チャー１１３はガス化炉５４の下段部に再供給する。
【００４４】
チャーが除去された生成ガス中には、燃料電池を被毒させる硫化水素などの不純物ガスが混入しているため、不純ガス除去器５７を介して除去する。チャーおよび不純ガスが除去された生成ガスは、燃料電池５８等に供給されて発電する。
【００４５】
不純ガス除去器５７には、硫化水素吸収液を用いた脱硫塔や活性炭が、また、ハロゲン化物や重金属などを除去するための水洗浄塔や吸着剤を用いるのが望ましい。また、脱塵装置にはサイクロン５６の他にフィルタなどを用いることもできる。
【００４６】
脱塵装置で除去されたチャー１１３は、ガス化炉５４に再供給するが、有機性廃棄物に混合して有機性廃棄物ホッパ５０からガス化炉に供給してもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、プラスチックを主成分とする有機性廃棄物を、酸素や空気などのガス化剤によりガス化し、水素や一酸化炭素を主成分とする燃料ガスを得る装置において、ガス化炉内に長時間滞留させることが可能となり、熱分解，形質化，灰溶融の３つの工程を、１つのガス化炉内で高効率にガス化することができる。
【００４８】
また、上記の生成ガスは、燃料電池等の有機性廃棄物ガス化発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の有機性廃棄物用ガス化炉の全体を示す模式断面図である。
【図２】本発明の有機性廃棄物用ガス化炉の原理を説明する説明図である。
【図３】本発明のガス化剤供給ノズルの設置例を示すガス化炉の模式横断面図である。
【図４】本発明の有機性廃棄物用ガス化炉への有機性廃棄物の供給装置の一例を示す模式断面図である。
【図５】本発明の有機性廃棄物用ガス化炉に水蒸気を供給した場合の水素ガス収率の一例を示すグラフである。
【図６】本発明の有機性廃棄物用ガス化炉を用いた燃料電池発電システムの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…ガス化室、２…有機性廃棄物供給孔、３…ガス化剤供給ノズル、５…ガス化炉天井、６…生成ガス排出孔、７…ガス化炉底、８…スラグ排出孔、９…スラグ回収室、１０…ガス化炉の同心円、１１…ガス化炉の同心円の接線、１２…水蒸気供給ノズル、１３…ガス化炉壁、５０…有機性廃棄物ホッパ、５１…スクリューフィーダ、５２…混合器、５３…空気分離器、５４…ガス化炉、５５…ガス冷却器、５６…サイクロン、５７…不純ガス除去器、５８…燃料電池、６０…熱分解ゾーン、６１…軽質化ゾーン、６２…部分燃焼・灰溶融ゾーン、１０１…有機性廃棄物、１０２…ガス化剤、１０３…生成ガス、１０４…スラグ、１０５…水または水蒸気、１１０…空気、１１１…窒素ガス、１１２…酸素ガス、１１３…チャー、１１４…冷却水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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