(57)【要約】【課題】廃棄資源を有効利用し、燃料として回収可能なガスを効率よく、かつ安定して生成する方法を提供すること。【解決手段】生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジとを混在させて非酸化性雰囲気下で熱分解し、発生した熱分解ガスをスチームと反応させることを特徴とする、有機物のガス化方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジとを混在させて非酸化性雰囲気下で熱分解し、発生した熱分解ガスをスチームと反応させることを特徴とする、有機物のガス化方法。
【請求項２】
含水率が４０質量％以下の生物由来有機系廃棄物と、含水率が５０質量％以上の製紙スラッジとを混在させる、請求項１に記載のガス化方法。
【請求項３】
生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジとを混在させた混合原料の含水率が３５〜６０質量％となるように調整する、請求項１又は２に記載のガス化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物のガス化方法に関する。さらに詳しくは、生物由来の有機系廃棄資源を有効利用し、燃料として回収可能なガスを効率よく、かつ安定して生成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止、循環型社会形成の推進により、従来焼却処分されていた、例えば廃木材、間伐材、流木、廃割り箸、バーク材等の廃棄資源、いわゆる「バイオマス」を有効利用する方法が種々検討されている。このようなバイオマスを処理する方法としては、一般に直接燃焼方式とガス化方式とが考えられる。
【０００３】
直接燃焼方式は、バイオマスを完全燃焼させるものであり、例えばストーカ炉、流動床炉、微粉燃焼炉、噴流床炉等の燃焼炉が用いられる。該直接燃焼方式によって回収、利用し得るのは熱エネルギーのみであり、該熱エネルギーにより温水やスチームを発生させて発電を行う。
【０００４】
ガス化方式は、バイオマスを酸素や空気によって部分酸化させるものであり、例えば固定床炉、流動床炉、バブリング型流動床炉、循環流動床炉、循環移動床炉等のガス化炉が用いられる。該ガス化方式では、熱エネルギー及びガスを回収、利用することができ、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したり、熱源としてキルン炉等での助燃剤として利用することも可能である。
【０００５】
また、廃棄物焼却により発生するダイオキシン削減のための規制措置により、バイオマス等の産業廃棄物の単純焼却処理も規制されるようになり、単純な焼却処理が不可能となりつつある。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、該建設廃木材等のリサイクル処理が余儀なくされている。
【０００６】
ところが、産業廃棄物及び一般廃棄物の国内総排出量は、通常０．５〜３トン／日程度で、前記バイオマスの主材である廃木材となると、１トン／日程度の排出量に留まり、前記直接燃焼方式やガス化方式における処理量と比較するとかなり少ない。特に廃木材は、一度家屋等の建設用材として用いられたものであり、経年により木材中の水分が低下して極めて低い含水率の素材となっている。ガス化炉においては、原料中に含有される水分により、ガス化炉内の気密性が上昇し、ガス化炉での操業安定性やガス化効率の向上に寄与するが、乾燥素材の場合は水分を供給する必要が生じる。しかしながら、廃木材に水分を供給しても、廃木材の原料中（素材中）にまで水分を含浸させ、含水率を高めることは困難であり、廃木材の外表面に付着した水は、ガス化炉への供給直後に蒸発してガス化炉内の気密性に寄与しない。したがって、バイオマスの処理及び有効利用は要求されているものの、同時にガス化炉での操業安定性やガス化効率の新たな向上技術の開発が望まれている。
【０００７】
一方、製紙工場においては、近年の微細繊維を多く含む古紙パルプの高配合化と用紙の軽量化、抄紙機の高速化に伴うワイヤーパートでの急激かつ強制的な脱水により、該微細繊維の歩留まりや灰分の歩留まりが極めて低い状況である。その結果、各製紙工程にて排出される製紙スラッジが年々増加してきている。
【０００８】
特に、古紙パルプを使用した再生紙の生産比率の増加と古紙パルプの高配合化により、多量の古紙パルプが必要となり、古紙の使用量も増大している。新聞古紙や雑誌古紙等の古紙には、非塗工紙に使用された填料や塗工紙に使用された填料・顔料に由来する無機物が多く含まれているため、古紙処理工程からは、パルプ繊維と分離され、填料・顔料等の無機物が多く含まれた脱墨スラッジが多量に発生している。
【０００９】
このような填料・顔料等の無機物を多量に含む古紙処理工程から排出される脱墨スラッジや、各製紙工程から排出される排水・脱水スラッジ等の製紙スラッジは、従来、燃焼して減容化を図ったうえで、多くは埋立て処分されてきた。
【００１０】
しかしながら、環境保護、資源保護、ゴミ減少等に貢献することができる再生紙を、その品質を維持乃至向上しながら継続的に製造するためには、製紙工場にとって、このような製紙スラッジの再資源化や有効利用が重要な課題となってきている。
【００１１】
そこで、前記バイオマスや製紙スラッジを再資源化して有効利用するために、さらに各種処理方法が研究されてきている。
【００１２】
例えば特許文献１には、高炉及びコークス炉、シャフト炉、ロータリーキルン、キュポラ、溶融炉やゴミのガス化溶融装置等の処理装置に、一般生ゴミや廃食品残渣、古紙や廃木材、家畜糞、活性汚泥類、製紙スラッジ、シュレッダー屑、廃プラスチック等炭化水素系を含んだ廃棄物、あるいは水分を含む廃棄物及び未利用資源を投入し、還元ガスとして生成した水素ガスを回収する方法が提案されている。
【００１３】
また例えば特許文献２には、１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、該有機系廃棄物を熱分解する領域に、所定の定圧モル熱容量を有する固体状熱媒体が充填されたガス化装置を用い、有機系廃棄物を熱分解かつ改質してガス化する方法が提案されている。
【００１４】
これらの方法により、いわゆるバイオマスや製紙スラッジを原料として利用し、資源としての熱エネルギーやガスを得ることは可能である。しかしながら、これらの方法では、原料の保有水分を適度に調整することができず、特に原料を揮発、熱分解させる際の反応系の気密性を維持することができず、ガスの生成効率や安定性が損なわれてしまうという問題がある。
【特許文献１】特開２００１−３１１０８４号公報
【特許文献２】特開２００５−１４６０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、前記背景技術に鑑みてなされたものであり、廃棄資源を有効利用し、燃料として回収可能なガスを効率よく、かつ安定して生成する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、
生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジとを混在させて非酸化性雰囲気下で熱分解し、発生した熱分解ガスをスチームと反応させることを特徴とする、有機物のガス化方法に関する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のガス化方法は、廃棄資源を有効利用した資源循環型の方法であり、該ガス化方法により、燃料として回収可能なガスを熱量と共に効率よく、かつ安定して生成することができ、しかも操業変動に伴うピッチ分の析出を抑制することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態）
本発明のガス化方法では、生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジとを原料として用い、両者を混在させて非酸化性雰囲気下で熱分解し、発生した熱分解ガスをスチームと反応させる。
【００１９】
まず、本実施の形態に係るガス化方法に用いる原料について説明する。
【００２０】
本実施の形態に用いられる原料の１つである生物由来有機系廃棄物とは、例えば廃木材、間伐材、流木、廃割り箸、バーク材等の、生物由来で有機物を含有した木材廃棄物であり、通常含水率が低い原料である。
【００２１】
前記生物由来有機系廃棄物は、例えば後述するガス化装置におけるガス化炉にて処理が可能な形状であれば特に限定がなく、例えば板状、シート状、棒状、粒状、粉末状等であればよい。また該生物由来有機系廃棄物の大きさにも特に限定がなく、例えば板状、シート状であれば、面積が４〜２０ｃｍ2程度で、厚さが５〜１０ｍｍ程度のものを、棒状であれば、底面積が０．５〜２ｃｍ2程度で、長さが２０〜１００ｍｍ程度のものを、また粒状、粉末状であれば、粒径が０．５〜２ｃｍ程度のものを好適に用いることができる。
【００２２】
生物由来有機系廃棄物は、前記したように、通常含水率が低い原料であり、その形状によっても異なるが、その含水率は４０質量％以下であることが好ましい。
【００２３】
なお、本明細書において、含水率はＪＩＳ  Ｚ  ７３０２−３「廃棄物固形化燃料−第３部：水分試験方法」に記載の方法に準拠して測定した値をいう。
【００２４】
本実施の形態では、生物由来有機系廃棄物として例えば前記のごとき低含水率を有するものが用いられ、しかも後述するように、該生物由来有機系廃棄物及び製紙スラッジを熱分解するにあたって適度な保有水分が必要であることから、該生物由来有機系廃棄物にあらかじめ乾燥処理を施さなくてもよい。
【００２５】
本実施の形態に用いられる原料のもう１つである製紙スラッジとは、例えば、特に古紙リサイクル工程等の古紙から脱墨古紙パルプを製造する脱墨処理工程で発生する、例えば微細なパルプ繊維等の有機物と、多孔性の填料、顔料等の無機物、いわゆる炭酸カルシウム、カオリン、タルク、二酸化チタン、シリカ、アルミナ等の無機物とが含有される脱墨スラッジや、製紙工程から発生した各種排水スラッジを集合させて処理した工場排水スラッジや、製紙工程での微生物処理における余剰汚泥スラッジといった、有機物・無機物を含有した製紙工程からの廃棄物であり、通常含水率が高い原料である。
【００２６】
含水率が高い工場排水スラッジや、製紙工程での微生物処理における余剰汚泥スラッジといった、有機物・無機物を含有した製紙工程からの廃棄物は、ガス化炉内に供給しても含有する水分を容易に気散させないことから、含水率の低い木材廃棄物と組み合わせることでガス化炉内の水分の適切な調節が可能になり、ガス化炉内の気密性を上昇させることが可能になるので、ガスの生成効率や安定性を向上させることができる。
【００２７】
本実施の形態に係るガス化方法において、前記生物由来有機系廃棄物と共に、高い含水率で水分の保持能力の高い原料として製紙スラッジ等を用いることが大きな特徴の１つである。このように生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジ等とを併用することで、非酸化性雰囲気下での熱分解の際に、例えば生物由来有機系廃棄物を単独で原料とした場合のように系内に水分を別途補給しなくとも、効率よくかつ安定してガス化を進行させることができる。
【００２８】
製紙スラッジは、前記したように、通常含水率が高い原料であり、その種類によっても多少異なるが、その含水率は５０質量％以上であることが好ましい。
【００２９】
本実施の形態に係るガス化方法において、まず、生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジとを、両者の質量比が特定範囲内に含まれるように調整して混在させて混合原料とし、ガス化装置内のガス化炉において、該混合原料を非酸化性雰囲気下で熱分解する。
【００３０】
前記ガス化装置及びそれに備えられるガス化炉の仕様には特に限定がなく、例えば前記混合原料を熱分解し、さらに該熱分解によって発生した熱分解ガスをスチームと反応させることが可能なものであればよい。
【００３１】
前記ガス化炉としては、例えばアップドラフトガス化炉があげられる。該アップドラフトガス化炉は、炉下部層から上部層に向けて、灰化層、チャー層、揮発・熱分解層、未反応原料層の略４層の反応層を形成し、炉下部層からの過熱蒸気により原料をガス化させる一種の反応塔の構成からなる。このようなアップドラフトガス化炉では、炉下部層から供給される過熱蒸気によりチャー層下部で燃焼反応が生じ、これによってチャー層上部にて水性ガス化反応、発生炉ガス化反応等の吸熱反応が進行する。したがって、揮発・熱分解層は、燃料ガスとなるＣＯやＨ2が生成する反応を維持するために、下部からのガス流が適度な気密性を保持するような層構成を呈することが必要である。該揮発・熱分解層での気密性を適度に保持させるには、反応系が適度な保有水分を有するように調整すればよい。かかる保有水分が不充分であったり、逆に過剰であると、ガスの生成効率や生成安定性が損なわれる。
【００３２】
本実施の形態に係るガス化方法では、前記したように、従来ガス化の原料として用いられている、比較的含水率が低い生物由来有機系廃棄物だけでなく、その構成成分中に多孔性の填料や顔料が含有され、比較的含水率が高い製紙スラッジを併用するので、容易に揮発しない該多孔性の填料や顔料に保持された水分によって反応系に適度な保有水分が付与される。したがって、非酸化性雰囲気下での熱分解の際に、例えば生物由来有機系廃棄物を単独で原料とした場合のように系内に水分を別途補給しなくとも、前記揮発・熱分解層での気密性が適度に保持され、ガスの生成効率や生成安定性が著しく向上する。
【００３３】
前記生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジとを混在させる際に、製紙スラッジに対して生物由来有機系廃棄物が少なすぎると、混合原料の水分が過多となってガス温度が低下してしまい、逆に生物由来有機系廃棄物に対して製紙スラッジが少なすぎると、混合原料の水分が過少となってガス温度が上昇してしまうので、両者の質量比は、混合原料の水分が適切な量となるように適宜調整することが好ましい。
【００３４】
また、前記したように、例えば生物由来有機系廃棄物の含水率は４０質量％以下で、製紙スラッジの含水率は５０質量％以上であるが、両者を混在させた混合原料の含水率は、前記揮発・熱分解層での気密性が適度に保持され、ガスの生成効率や生成安定性が向上するようにするには、３５質量％以上、６０質量％以下となるように調整することが好ましい。
【００３５】
生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジとを混在させた混合原料を熱分解する際の加熱温度は、該混合原料の熱分解反応がほぼ終了し、充分な量の熱分解ガスを発生させることが可能な温度であればよく、例えば１０００℃以上であることが好ましい。該加熱温度が前記下限値未満では、混合原料の熱分解が不充分となる恐れがある。
【００３６】
前記熱分解の際の加熱手段として、点火時には例えばプロパンガス等のガスを用いるが、点火後は原料である生物由来有機系廃棄物が自燃し、熱分解が進行する。
【００３７】
また前記混合原料を熱分解する際の圧力は、やはり該混合原料の熱分解反応がほぼ終了し、充分な量の熱分解ガスを発生させることが可能な圧力であればよく、特に限定されるものではない。
【００３８】
前記混合原料は非酸化性雰囲気下で熱分解するが、該非酸化性雰囲気としては、例えば水蒸気と空気との混合気体や、チッ素ガス、ヘリウムガス等の不活性ガスの雰囲気があげられる。また該混合原料を熱分解に供する時間には特に限定がなく、熱分解反応がほぼ終了し、充分な量の熱分解ガスを発生させることが可能な時間であればよい。
【００３９】
次に、前記のごとき熱分解により発生した熱分解ガスを、スチームと反応させ、例えばＣＯ、Ｈ2等を多く含む燃料ガスを回収することができる。
【００４０】
前記熱分解ガスとスチームとを反応させる際には、例えば空気と水蒸気とを混合した混合気体を、ガス化炉下部から吹き込む等して供給すればよい。なお、前記熱分解ガスを発生させる際に、生物由来有機系廃棄物と製紙スラッジとを混在させた混合原料の含水率を例えば前記範囲内に調整することにより、該混合原料中の水をスチームとして用いることも可能である。
【００４１】
熱分解ガスに対するスチームの供給量は、例えば原料である生物由来有機系廃棄物及び製紙スラッジの種類や目的とする燃料ガスの性状等によっても異なり、一概に決定し得るものではなく、両者の反応が充分に進行し、充分な量及び所望の成分を有する燃料ガスが得られるように調整すればよい。
【００４２】
熱分解ガスとスチームとを反応させる際の反応温度は、両者の反応が終了し、充分な量及び所望の成分を有する燃料ガスを得ることが可能な温度であればよく、特に限定されるものではない。
【００４３】
また前記熱分解ガスとスチームとを反応させる際の圧力や時間は、両者の反応が終了し、充分な量及び所望の成分を有する燃料ガスを得ることが可能な圧力であればよく、いずれも特に限定されるものではない。
【００４４】
かくして得られる燃料ガスには、例えばＣＯ、Ｈ2等が多く含まれており、各々通常の方法にて精製、濃縮等して適宜回収することができる。
【００４５】
このように、本発明のガス化方法によれば、廃棄資源を有効に循環利用して、例えばＣＯ、Ｈ2といった燃料ガスを熱量と共に効率よく、かつ安定して回収することができ、しかも操業変動に伴うピッチ分の析出を抑制することもできる。
【００４６】
次に、本発明の有機物のガス化方法を以下の実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００４７】
実施例１〜５及び比較例１〜２
以下に示す生物由来有機系廃棄物及び製紙スラッジを、以下の組み合わせで混在させた混合原料を準備した。該混合原料を、ガス化装置内のアップドラフトガス化炉（炉下部層から上部層に向けて、灰化層、チャー層、揮発・熱分解層及び未反応原料層からなる４層の反応層を備えたガス化炉）に供給し、水蒸気と空気との混合気体雰囲気下で熱分解し、熱分解ガスを発生させた。なお、かかる熱分解の際、点火時にはプロパンガスを使用し、その後は生物由来有機系廃棄物が自燃して熱分解が進行した。
【００４８】
（生物由来有機系廃棄物）
Ａ−１：板状・棒状廃木材混合材
（以下のＡ−２・Ａ−３を略同量で混合した混合材、含水率：約３５質量％）
Ａ−２：板状廃木材（面積：約１０ｃｍ2、厚さ：約５ｍｍ、含水率：約３５質量％）
Ａ−３：棒状廃木材（底面積：約１ｃｍ2、長さ：約５０ｍｍ、含水率：約３５質量％）
（製紙スラッジ）
Ｂ−１：脱墨・排水スラッジ混合材
（以下のＢ−２・Ｂ−３を略同量で混合した混合材、含水率：約５０質量％）
Ｂ−２：脱墨スラッジ
（古紙から脱墨古紙パルプを製造する脱墨処理工程のフローテーション工程で
発生したもの、含水率：約５０質量％）
Ｂ−３：排水スラッジ
（製紙工程からの各種排水スラッジを集合処理したもの、
含水率：約５０質量％）
（混合原料の組み合わせ）
実施例１  Ａ−１・Ｂ−１
２  Ａ−２・Ｂ−２
３  Ａ−２・Ｂ−３
４  Ａ−３・Ｂ−２
５  Ａ−３・Ｂ−３
比較例１  Ａ−１のみ
２  Ｂ−１のみ
【００４９】
次に、空気と水蒸気とを混合した混合空気をガス化炉下部から吹き込み、発生した熱分解ガスとスチームとを反応させてガス化を行った。
【００５０】
その結果、実施例１〜５では、効率よくかつ安定した状態で燃料混合ガスを得ることができた。しかし、比較例１〜２では、ガス化炉内のガス化反応が進行しないだけでなく、不安定で燃料混合ガスとして使用不可であった。
【００５１】
なお、各実施例及び比較例において、原料の準備から燃料混合ガスを得るまでを１セットとした一連の操作を、各々３セットずつ行った。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のガス化方法は、廃棄資源を有効利用した資源循環型の方法であり、例えば建設業、環境事業、燃料供給開発事業等の分野にて広く利用することができる。