(57)【要約】  【課題】有機化合物が保有するエネルギーを高効率で回収できる反応方法および反応装置を提供すること。  【解決手段】有機化合物１０１を加熱する第１の反応器２０３と、有機化合物１０１の熱化学反応により発生する生成物１０３と水２０７を直接接触させて熱交換することにより水蒸気を発生させる熱交換器２０４と、生成物１０３中の可燃成分の一部を燃焼させる燃焼器２０８と、燃焼器２０８得られる燃焼熱を熱源として未燃焼の生成物１０３と水蒸気とを熱化学反応させる第２の反応器２０９から構成されたものであり、有機化合物１０１から発生する生成物１０３の熱を回収して水蒸気を発生させて、さらに可燃成分の燃焼熱を未燃焼の可燃成分と水蒸気の熱化学反応の熱源として利用するため、有機化合物１０１の熱化学反応をさらに高効率で行うことができる。【選択図】図２
2007069119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機化合物を加熱して熱化学反応を起こす第１の反応器と、前記有機化合物の熱化学反応により発生する生成物と水を熱交換することにより水蒸気を発生させる熱交換器と、前記生成物中の可燃成分の一部を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で得られる燃焼熱を熱源として未燃焼の前記生成物と前記水蒸気とを熱化学反応させる第２の反応器を備えた有機化合物の反応装置。
【請求項２】
前記第１の反応器の温度を、３００℃以上とした請求項１に記載の有機化合物の反応装置。
【請求項３】
前記第２の反応器の内部に、前記生成物と水蒸気の熱化学反応に寄与しない余剰熱を蓄熱する蓄熱材を設けた請求項１または２に記載の有機化合物の反応装置。
【請求項４】
前記第１の反応器と前記第２の反応器を、相互に熱交換させる請求項１から３のいずれか一項に記載の有機化合物の反応装置。
【請求項５】
前記有機化合物の熱化学反応により発生する生成物と水を直接接触させて熱交換し、水蒸気を発生させる請求項１から４のいずれか一項に記載の有機化合物の反応装置。
【請求項６】
第１の反応器で有機化合物を加熱し、熱化学反応させて生成物を創出する創出工程と、前記創出された生成物を高加熱された熱交換器内で水と熱交換させる熱交換工程と、前記熱交換工程で発生した前記生成物の揮発成分に含まれる高沸点成分及び水蒸気を燃焼器に供給する供給工程と、前記燃焼器内の可燃性成分を燃焼させる燃焼行程を備えた有機化合物の反応方法。
【請求項７】
前記燃焼行程において発生した燃焼熱を、第２の反応器内部で行われる前記生成物の未燃焼成分と前記水蒸気の熱化学反応の熱源に利用する請求項６に記載の有機化合物の反応方法。
【請求項８】
前記第２の反応器の内部に蓄熱材を設け、この蓄熱材に蓄熱された燃焼熱を前記第１の反応器の熱源に利用する請求項６または７に記載の有機化合物の反応方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機化合物を加熱反応させ、エネルギーを創出する有機化合物の反応装置および反応方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機化合物や有機廃棄物を熱分解あるいはガス化して、原料がもつエネルギーを回収し、有効利用するシステムの研究、開発が盛んに行われている。
【０００３】
このようなシステムで重要なことは、原料がもつエネルギーを最大限に回収することと、エネルギー回収のためにシステムが消費するエネルギーを最小限に止めることにある。
【０００４】
前者の指標としては、回収したガス発熱量を原料発熱量で除した冷ガス効率がある。また、後者の指標は定義や、実測が困難であり、明確な指標や検討例などの報告はほとんど見当たらない。
【０００５】
有機化合物のガス化では、生成物として熱分解ガス、タールなどの揮発成分、チャー、灰分など残渣がある。冷ガス効率を向上させるためには、揮発成分、残渣をうまくガスに転換することが必要であるし、また、揮発成分は、低温部で凝縮することにより、長時間運転した場合等において排気管の閉塞等の原因となるため、非凝縮性ガスになるまで低分子化することが好ましい。
【０００６】
前記揮発成分をガス化する一つの方法として、分解触媒がある。ここでいう揮発成分とは、高分子の炭化水素が主成分であるので、石油精製プロセスで使用されるニッケル等が効果的であると期待されている。また、前記ニッケルより高性能な触媒としてはルテニウム等がある。
【０００７】
さらに、生成した揮発成分を多孔質粒子で一時的に捕捉し、その後、酸素や空気により燃焼する方法がある。この場合、燃焼熱をシステム内で利用することにより、システムのエネルギー消費量を低減できる。
【０００８】
例えば、媒体粒子を循環させることにより、媒体粒子中に捕集されたチャーの燃焼熱を原料の熱分解に利用する循環流動床がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
図３は、特許文献１に記載された従来の統合型循環流動床ガス化炉の基本的構成図である。
【００１０】
図３に示すように、統合型循環流動床ガス化炉は、ガス化室１、捕集装置２、燃焼室３を併せ持つことにより構成されている。ガス化室１には原料ａが供給され、そのガス化室１において原料ａの熱分解ガス化、および生成ガスの分解、改質が行われる。
【００１１】
ガス化室１内で生成されたチャーや生成ガスは、流動媒体とともに捕集装置２に流入する。捕集装置２では、飛散粒子ｅの捕集と可燃ガスｃの分離回収を行い、燃焼室３では飛散粒子中におけるチャー等の可燃分の燃焼を行う。
【００１２】
ガス化室１の下部には、濃厚流動層または高速流動層が形成されている。そして、ガス化室１の下部が濃厚流動層である場合には、濃厚流動層上部から蒸気または窒素等のガスを流動化ガスｂ２として供給することによってガス化室１上部を高速流動層とする。
【００１３】
ガス化室１では、熱分解ガス化により生成したガスを分解、改質することを目的として、高速流動層を高温化するために酸素を含むガスを流動化ガスｂ１、ｂ２として供給してもよく、生成したガスの一部を燃焼させてもよい。酸素を含むガスは、流動化ガスｂ１とｂ２のいずれか一方もしくは双方に供給する。
【００１４】
そして、燃焼室３でチャー等を燃焼した飛散粒子ｅは、再度ガス化室１に戻される。
【００１５】
このことにより、有機化合物の熱分解ガス化プロセスにおいて発生するタールなどを分解、改質し、さらにチャーを燃焼した燃焼熱を再度熱分解に利用することにより、ガス転換率を向上させるとともに、システムの消費エネルギーを低減できる。
【特許文献１】特開２００３−１７６４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記従来の構成は、熱分解ガス化で生成したガスを蒸気または窒素を外部から供給することにより分解、改質しており、蒸気を供給する場合には別途ボイラ等、窒素を供給する場合にも加熱器や熱交換器等が必要であり、システム全体が大型化するという課題があった。
【００１７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、システムの小型化がはかれ、またエネルギー効率の向上をはかることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために本発明は、有機化合物を加熱して熱化学反応を起こす第１の反応器と、前記有機化合物の熱化学反応により発生する生成物と水を熱交換することにより水蒸気を発生させる熱交換器と、前記生成物中の可燃成分の一部を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で得られる燃焼熱を熱源として未燃焼の前記生成物と前記水蒸気とを熱化学反応させる第２の反応器を備えた有機化合物の反応装置としたものである。
【００１９】
かかることにより、前記生成物の燃焼に伴い得られた燃焼熱を、未燃焼の生成物と水蒸気の熱化学反応に利用する構成であり、システムを小型化できるものである。
【００２０】
また、本発明は、有機化合物の反応方法として、第１の反応器で有機化合物を加熱し、熱化学反応させて生成物を創出する創出工程と、前記創出された生成物を高加熱された熱交換器内で水と熱交換させる熱交換工程と、前記熱交換工程で発生した前記生成物の揮発成分に含まれる高沸点成分及び水蒸気を燃焼器に供給する供給工程と、前記燃焼器内の可燃性成分を燃焼させる燃焼行程を備えたものである。
【００２１】
かかることにより、また可燃成分の一部を燃焼させて熱エネルギーとして利用するため、エネルギー効率が高い反応方法となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、特許文献１に記載の従来技術と比較し、有機化合物の熱分解ガス化で生成する水蒸気、揮発成分または熱分解ガスの顕熱または潜熱を回収して水蒸気を発生させ、また可燃成分の一部を燃焼させて熱エネルギーとして利用するため、エネルギー効率が高く、小型のシステム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】
【００２３】
請求項１に記載の発明は、有機化合物を加熱して熱化学反応を起こす第１の反応器と、前記有機化合物の熱化学反応により発生する生成物と水を熱交換することにより水蒸気を発生させる熱交換器と、前記生成物中の可燃成分の一部を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で得られる燃焼熱を熱源として未燃焼の前記生成物と前記水蒸気とを熱化学反応させる第２の反応器を備えたものである。
【００２４】
かかる構成とすることにより、前記未燃焼の生成物と水蒸気の熱化学反応に、外部から蒸気あるいは窒素等を供給する必要がないため、かかる供給に付帯するボイラ等の設備が不要となり、システムの小型化がはかれるものである。
【００２５】
また、有機化合物の熱化学反応で発生する水蒸気、揮発成分または熱分解ガスの顕熱または潜熱を回収して水蒸気を発生させ、さらに生成物中の可燃成分の一部を燃焼させて得られる燃焼熱を未燃焼の可燃成分と水蒸気の熱化学反応の熱源として利用するため、有機化合物の熱化学反応を高効率で行うことができる。
【００２６】
請求項２に記載の発明は、前記第１の反応器の温度を、３００℃以上としたものである。
【００２７】
かかることにより、前記有機化合物から多量の水蒸気、揮発成分または熱分解ガスを発生させることができ、これらは高温であることから保有エネルギーも高く、このエネルギーを水蒸気発生用熱源として利用することによってより多くのエネルギーを回収することができ、有機化合物の熱化学反応をさらに高効率で行うことができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明は、前記第２の反応器の内部に、前記生成物と水蒸気の熱化学反応に寄与しない余剰熱を蓄熱する蓄熱材を設けたものである。
【００２９】
かかる構成により、前記有機化合物の生成物の部分燃焼で得た熱の利用率を向上することができ、有機化合物の熱化学反応をさらに高効率で行うことができる。
【００３０】
請求項４に記載の発明は、前記第１の反応器と前記第２の反応器を、相互に熱交換させる構成としたものである。
【００３１】
かかる構成とすることにより、前記第１の反応器または第２の反応器の余剰熱を一方の反応器の熱源として有効に利用できるので、有機化合物の熱化学反応をさらに高効率で行うことができる。
【００３２】
請求項５に記載の発明は、前記有機化合物の熱化学反応により発生する生成物と水を直接接触させて熱交換し、水蒸気を発生させるものである。
【００３３】
かかる構成とすることにより、前記水を事前に蒸気化する設備が不要となり、さらに装置の小型化がはかれるものである。
【００３４】
請求項６に記載の発明は、第１の反応器で有機化合物を加熱し、熱化学反応させて生成物を創出する創出工程と、前記創出された生成物を高加熱された熱交換器内で水と熱交換させる熱交換工程と、前記熱交換工程で発生した前記生成物の揮発成分に含まれる高沸点成分及び水蒸気を燃焼器に供給する供給工程と、前記燃焼器内の可燃性成分を燃焼させる燃焼行程を備えた方法である。
【００３５】
かかることにより、有機化合物の熱化学反応で発生する水蒸気、揮発成分または熱分解ガスの顕熱または潜熱を回収して水蒸気を発生させ、さらに生成物中の可燃成分の一部を燃焼させて得られる燃焼熱を未燃焼の可燃成分と水蒸気の熱化学反応の熱源として利用するため、有機化合物の熱化学反応を高効率で行うことができる。
【００３６】
請求項７に記載の発明は、前記燃焼行程において発生した燃焼熱を、第２の反応器内部で行われる前記生成物の未燃焼成分と前記水蒸気の熱化学反応の熱源に利用する方法である。
【００３７】
かかることにより、前記生成物中の可燃成分の一部を燃焼させて得られる燃焼熱を未燃焼の可燃成分と水蒸気の熱化学反応の熱源として利用するため、有機化合物の熱化学反応を高効率で行うことができる。
【００３８】
請求項８に記載の発明は、前記第２の反応器の内部に蓄熱材を設け、この蓄熱材に蓄熱された燃焼熱を前記第１の反応器の熱源に利用する方法である。
【００３９】
かかることにより、前記有機化合物の生成物の部分燃焼で得た熱の利用率を向上することができ、有機化合物の熱化学反応をさらに高効率で行うことができる。
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００４１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における有機化合物の反応方法のフロー図である。
【００４２】
図１において、有機化合物１０１は、動植物由来の燃料であるバイオマスを想定しており、代表例として家庭や事業所等からの廃棄物、製材所などからの木屑、畜産業者などから家畜糞尿等がある。
【００４３】
まず、第１の反応器１０２において有機化合物１０１は加熱されて熱化学反応する（ステップ１）。
【００４４】
このときの生成物１０３としては、乾燥工程（大気圧下で１００℃）で発生する水蒸気、熱分解工程（３００℃以上）で発生する揮発成分や熱分解ガスなどがある。また、図示していないが、反応器１０２の雰囲気が水蒸気雰囲気のときには、有機化合物１０１の主成分である炭素と水蒸気が反応して水素、一酸化炭素、二酸化炭素を生成する反応が主反応となることもある。
【００４５】
次に生成物１０３は、水１０４を貯留した熱交換器１０５に導入される。このとき、生成物１０３と水１０４は直接接触することにより熱交換する（ステップ２）。
【００４６】
生成物１０３は、通常３００℃以上の高温であるため、熱の移動は生成物１０３から水１０４の方向である。
【００４７】
この熱交換により、生成物１０３の揮発成分に含まれる高沸点成分は水１０４中に凝縮され、非凝縮成分は水１０４を通過して燃焼器１０６に供給される。また、熱交換により加熱された水１０４の一部は水蒸気となって燃焼器１０６に供給される（ステップ３）。
【００４８】
燃焼器１０６では、生成物１０３と水１０４から生成された水蒸気の混合流に空気１０７が混合されたところに、点火プラグ（図示せず）により、生成物１０３の可燃成分を燃焼させて燃焼熱を得る。
【００４９】
この燃焼熱は、第２の反応器１０８において生成物１０３の未燃成分と水蒸気の熱化学反応の熱源として利用される（ステップ４）。
【００５０】
また、第２の反応器１０８には蓄熱材１０９が備えられており、反応に利用されなかった燃焼熱の一部を蓄熱することができる。この蓄熱材１０９に蓄えられた熱は、第１の反応器１０２の熱源として利用する。
【００５１】
以上のような反応プロセスを経て、燃料ガス１１０を得ることができる（ステップ６）。
【００５２】
以上のように、本実施の形態１では、第１の反応器１０２内で有機化合物１０１を加熱して熱化学反応を起こし、有機化合物１０１の熱化学反応により発生する生成物１０３と水１０４を熱交換器１０５内で直接接触させて熱交換させて水蒸気を発生させ、さらに生成物１０３中の可燃成分の一部を燃焼器１０６内で燃焼させ、この燃焼器１０６で得られる燃焼熱を熱源として第２の反応器１０８内で未燃焼の生成物１０３と水蒸気とを熱化学反応させるものである。
【００５３】
したがって、有機化合物１０１の熱化学反応で発生する水蒸気、揮発成分または熱分解ガスの顕熱または潜熱を回収して水蒸気を発生させることができる。
【００５４】
さらに生成物１０３中の可燃成分の一部を燃焼させて得られる燃焼熱を、未燃焼の可燃成分と水蒸気の熱化学反応の熱源として利用するため、有機化合物１０１の熱化学反応を高効率で行うことができる。
【００５５】
また、生成物１０３に含まれる高沸点成分や臭気成分が、ステップ２における水１０４中で回収、除去されるため、生成物１０３の浄化を行うことができる。
【００５６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における有機化合物の反応装置の構成図である。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同じものについては、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５７】
図２において、供給機２０１は反応装置２０２側面に備えられている。反応装置２０２は、下段の第１の反応器２０３と上段の熱交換器２０４とで構成されている。第１の反応器２０３と熱交換器２０４とは多孔板２０５で仕切られている。
【００５８】
なお、多孔板２０５は、従来から知られているガス状物質は通過できるが、液状物質は通過できない性質のものを使用している。
【００５９】
また、第１の反応器２０３上部には、多孔質粒子２０６の充填層が設けてあり、有機化合物１０１から発生する高沸点成分を除去することができる。
【００６０】
さらに、熱交換器２０４には適量の水２０７が貯留されている。
【００６１】
燃焼器２０８は、反応装置２０２の後段に備えられ、反応装置２０２へ燃焼助剤である空気の供給を行う。
【００６２】
第２の反応器２０９は、反応装置２０２の下段に位置する第１の反応器２０３の外周部に接触して設けられている。
【００６３】
第２の反応器２０９内部には、蓄熱材２１０が充填されている。
【００６４】
そして、反応装置２０２、燃焼器２０８、第２の反応器２０９は、配管２１１ａ、２１１ｂにより同図に示すように接続されている。
【００６５】
以上のように構成された有機化合物の反応装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００６６】
まず、供給機２０１に有機化合物１０１を充填し、第１の反応器２０３に供給する。このとき、有機化合物１０１の熱化学反応を安定的に行うためには、有機化合物１０１を第１の反応器２０３に連続供給することが重要となる。このため、有機化合物１０１の流動性が悪い場合には、供給前に適宜粉砕機で有機化合物１０１を粉砕し、流動性を向上させておくことが望ましい。
【００６７】
第１の反応器２０３は、壁面が定常状態で約３００〜８００℃に保持されており、壁面からの伝導熱、対流熱、放射熱により、前述の如く供給された有機化合物１０１を加熱する外熱式である。
【００６８】
前記壁面からの伝熱により加熱された有機化合物１０１は、初期段階において含有水分の蒸発が開始される。例えば、食品残渣には、一般的に約７０〜８０重量％の水分が含有されている。
【００６９】
水分蒸発終了後、さらに昇温した有機化合物１０１からはタール等の揮発成分または水素、メタン、エチレン、一酸化炭素、二酸化炭素等の熱分解ガスが発生する。
【００７０】
このようにして有機化合物１０１の加熱により発生した水蒸気、揮発成分、熱分解ガス等の生成物１０３は、多孔質粒子層２０６を通過する。このとき、生成物１０３中のタール等の高沸点成分は、多孔質粒子層２０６で捕捉される。この捕捉成分は、定期的に燃焼することにより除去する必要がある。
【００７１】
多孔質粒子層２０６で高沸点成分が除去された生成物１０３は、多孔板２０５を通過して熱交換器２０４の水２０７中に導入される。
【００７２】
ここでは、高温の生成物１０３と水２０７とが直接接触することにより、生成物１０３が保有する熱によって水２０７が加熱され、水蒸気が発生する。その水蒸気は、配管２１１ａを介して燃焼器２０８に供給される。
【００７３】
燃焼器２０８では、生成物１０３中の可燃成分が燃焼助剤である空気と混合されて燃焼する。
【００７４】
このとき得られる燃焼熱は、生成物１０３の未燃成分と水２０７から得られた水蒸気とともに配管２１１ｂを介して第２の反応器２０９に運ばれ、そこで熱化学反応の熱源として利用される。
【００７５】
この熱化学反応に寄与しなかった熱は、蓄熱材２１０に蓄熱される。この蓄熱材２１０に蓄えられた熱は、第１の反応器２０３の熱源として利用される。
【００７６】
このように、本実施の形態では、有機化合物１０１の熱化学反応で発生する水蒸気や揮発成分、または熱分解ガスの顕熱あるいは潜熱を回収して水蒸気を発生させ、さらに生成物１０３中の可燃成分の一部を燃焼させて得られる燃焼熱を、未燃焼の可燃成分と水蒸気の熱化学反応の熱源として利用するため、有機化合物１０１の熱化学反応をさらに高効率で行うことができる。
【００７７】
また、生成物１０３に含まれる高沸点成分や臭気成分が水２０７で回収、除去されるため、生成物１０３の浄化を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明にかかる有機化合物の反応方法および反応装置は、有機化合物を加熱したときに発生する水蒸気、揮発成分、熱分解ガスの顕熱または潜熱を効率よく回収して熱源とし、水蒸気を発生させ、さらに、一部の可燃成分の燃焼熱を熱化学反応熱源として利用するものである。
【００７９】
したがって、有機化合物の熱化学反応により発生する炭化水素成分の水蒸気改質を高効率で行うことが可能となり、システム全体を小型化できることから、設置面積が限られる小店舗、家庭等、有機系廃棄物が排出されるその場所で、ガスエンジン、ガスタービンあるいは燃料電池等の小型発電機を使用することでオンサイト発電も可能となり、その用途は幅広いものである。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施の形態１における有機化合物の反応方法のフロー図
【図２】本発明の実施の形態２における有機化合物の反応装置の構成図
【図３】従来の統合型循環流動床ガス化炉の基本的構成図
【符号の説明】
【００８１】
１０１  有機化合物
１０２  第１の反応器
１０３  生成物
１０４  水
１０５  熱交換器
１０６  燃焼器
１０７  空気
１０８  第２の反応器
１０９  蓄熱材
２０１  供給機
２０２  反応装置
２０３  第１の反応器
２０４  熱交換器
２０５  多孔板
２０７  水
２０８  燃焼器
２０９  第２の反応器
２１０  蓄熱材
２１１ａ  配管
２１１ｂ  配管
【図１】
2007069119.tif 000003
【図２】
2007069119.tif 000004
【図３】
2007069119.tif 000005