JP4523563B2

JP4523563B2 - 廃棄物ガス化方法

Info

Publication number: JP4523563B2
Application number: JP2006081146A
Authority: JP
Inventors: 淳太郎牛越; 健宮地; 晃木戸口
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007254604A

Description

本発明は、廃棄物ガス化方法及び廃棄物ガス化装置に関する。

従来、例えば、木屑や一般ごみなど（以下、廃棄物という）を処理する方法として、これらの廃棄物を不燃性ペレット（例えば、軽石など）とともにガス化炉に投入して充填層を形成し、炉底部から酸化剤ガスを供給して部分燃焼させ、炉高方向に燃焼帯、還元帯、熱分解帯、乾燥帯を形成させることにより廃棄物をガス化する移動床式ガス化炉が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような移動床式ガス化炉において、廃棄物は、例えば、約３００℃以上に達すると熱分解されるため、この温度領域の熱分解帯では、廃棄物が熱分解されて可燃性の熱分解ガス及び炭化水素分（チャー）が生成される。そして、熱分解帯で生成されたチャーは還元帯においてガス化され、また残ったチャーは燃焼帯に流下して燃焼されると約１０００℃以上の高温状態となる。還元帯において、チャーの一部は炉底部から供給された水蒸気と反応（水蒸気改質）してＣＯとＨ_２に転換される（式１）。なお、式１で得られたＣＯの一部は、さらにＣＯ_２に転換される（式２）。

Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ ⇒ ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ_２・・・（式１）

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２
Ｃ（Ｓ）＋Ｈ_２Ｏ ⇒ ＣＯ＋Ｈ_２
Ｃ（Ｓ）＋ＣＯ_２ ⇒ ２ＣＯ・・・（式２）

このようにして、熱分解帯及び還元帯から生成された生成ガスは、充填層の乾燥帯を上昇する過程で、飛灰などがフィルタリングされて除去されるため、比較的清浄な生成ガスを得ることができる。

一方、燃焼帯を通過した燃焼残渣と不燃性ペレットは、炉底部から供給される酸化剤ガスや水蒸気によって冷却されて冷却帯を形成する。冷却帯の充填物の隙間を流れて上昇する酸化剤ガスは、不燃性ペレットにより空隙が十分に形成されるため偏流が抑制され、炉の水平断面方向で均一に流れて燃焼帯に供給される。これにより、燃焼帯の水平断面の温度が均一化され、ガス化効率が安定化する。

特開２００４−２５５２号公報

ところで、チャーなどの炭化水素分の水蒸気改質は、一般に、１０００℃以上の高温域において高い活性を示す。しかしながら、燃焼帯を例えば１０００℃で制御した場合でも炉内温度分布が生じるおそれがある（例えば、±１５０℃）。そのため、廃棄物に由来するチャーや灰分などが熱によって溶融するおそれがあり、燃焼帯は１０００℃未満の温度域（例えば、８００〜９００℃）に制御することが炉の安定運転に必要となる。しかし、１０００℃未満の温度では改質反応性が高くならず、ガス化効率の点で十分な温度条件とはいえない。

一方、熱分解帯（例えば、３００℃〜５００℃）においては、廃棄物が熱分解して熱分解ガスを発生するが、同時にタール分も発生する。特に、この温度域では熱分解が十分に進行しないため、重質タール分が多く発生する。この重質タール分は粘性が高く、炉外へ流出して後段側の配管や機器類に影響を及ぼすおそれがある。また、これらタール分は熱分解ガスまで分解されないことからガス化効率が向上されないものと考えられる。

本発明は、移動床式ガス化炉において重質タール分の排出を低減するとともにガス化効率を向上させることを課題とする。

本発明は、移動床式ガス化炉において、酸化剤ガスなどを均一分散させて安定供給するために必須となる不燃性ペレットに種々の触媒機能を持たせるとともに、これを炉内に投入して廃棄物の充填層を形成するものである。これによれば、不燃性ペレットは充填層を下方へ移動しながら所望の触媒作用を発揮するため、炉外への重質タール分の流出を低減するとともに、低温でもガス化効率の向上を実現することができる。

具体的に、本発明は、縦型のガス化炉内に廃棄物とともに不燃性ペレットを投入して充填層を形成し、その充填層の下方から酸化剤ガスと水蒸気とを供給して部分燃焼により燃焼帯と還元帯と熱分解帯とを炉高方向に順次形成し、炉底部から燃焼残渣と不燃性ペレットとを排出する廃棄物ガス化方法において、燃焼帯及び前記還元帯は６００℃〜８００℃の温度範囲に制御され、不燃性ペレットには該温度範囲で改質ガス化反応を促進させるニッケル系触媒が担持されていることを特徴とする。

この構成によれば、まず、熱分解帯において、不燃性ペレットの表面に担持された触媒が作用して廃棄物の熱分解により生じたタールの分解を促進させる。特に、ガス化炉から排出される重質タールの濃度を低下させることができ、後段側でのタールの影響を低減できる。また、タールが分解すると、低分子の炭化水素ガスが生じることから、ガス化効率を向上させることができる。

一方、不燃性ペレットの触媒は、少なくとも、還元帯において、チャーなどのガス化改質反応の触媒として機能するため、還元帯において、その触媒作用により、水蒸気によるチャーの改質反応をより活性化させることができる。これにより、ガス化効率を低下させることなく、ガス化改質反応の反応温度を低下させることができる。すなわち、燃焼帯の制御温度を低下することができる。また、燃焼残渣とともに炉外へ排出された不燃性ペレットは、燃焼残渣と分別された後、必要に応じて触媒を再生処理し、再び炉内へ投入できるため、従来設備をそのまま使用することができ、経済的である。

この場合において、不燃性ペレットに担持されるニッケル系触媒は、タールの分解を促進させる機能を備えるとともに、ガス化改質反応の触媒となる。また、不燃性ペレットは、廃棄物の投入量に対して、例えば、１０〜２０ｖｏｌ％を含むようにする。これによれば、タールの分解や水蒸気改質の機能を効果的に発揮することができ、加えて、炉底部からの酸化剤ガスや水蒸気の供給を均一分散させることができる。

本発明によれば、移動床式ガス化炉において重質タール分の排出を低減するとともに、燃焼帯温度を低温（例えば、７００〜９００℃）で制御しても、ガス化効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用してなる廃棄物ガス化装置の主要部を示す構成図である。ここで、本実施形態の廃棄物ガス化装置は、一般ごみや産業廃棄物、バイオマスなどのガス化に好適に使用されるが、これに限定されるものではない。

図に示すように、本実施形態のアップドラフト型の廃棄物ガス化装置１（以下、単に、ガス化装置１という。）は、例えば、円筒の縦型の容器３の頂部に、廃棄物を適宜乾燥させた状態で貯蔵するホッパ５と、後述する不燃性ペレットを貯蔵するホッパ６を備える。ホッパ５及びホッパ６の投入口は、それぞれ二重ダンパ８，１０が設けられる。廃棄物は、例えば、スクリューコンベア７により搬送されて投入口９から容器３内に供給される一方、不燃性ペレットは、ロータリフィーダ１２により投入口９から容器３内に供給される。

ガス化装置１は、頂部の側壁に生成ガス（熱分解ガス）を排出するガス排出口１１が形成され、底部に燃焼用の酸化剤ガス（空気又は酸素等）及び水蒸気を供給するガス化剤供給口１３が設けられる。ガス化剤供給口１３は、例えば、ガス化装置１の底部を形成する回転式の抜き出し機１５の回転軸１７の先端に形成される。回転軸１７内を通流してガス化剤供給口１３から炉内に供給される酸化剤ガスと水蒸気は、ガス化装置１内に放射状に供給されるようになっている。抜き出し機１５の回転軸１７はモータ２１に連結され、回転軸１７が回転することにより、羽根１６が廃棄物の燃焼残渣等を半径方向に切り出して排出口１９から排出させるようになっている。なお、ガス化剤供給口１３は、例えば、ガス化装置１の水平断面方向に酸化剤と水蒸気とを均一に分散供給する構成であれば、本実施形態に限定されるものではない。

ガス化装置１には、炉壁の炉高方向に所定の間隔で複数の温度センサ２３が取り付けられ、最上段に配置される温度センサ２３の上方の炉壁には、充填層の高さを検知するレベルセンサ２５が炉高方向に複数取り付けられる。なお、図示しないが、レベルセンサ２５の上方の炉壁には、充填層の上部空間２７の圧力を検知する圧力センサが取り付けられる。

次に、本実施形態で用いる不燃性ペレットについて説明する。廃棄物とともに充填層を形成する不燃性ペレットは、例えば、アルミナセメントなどの耐熱性耐火物からなる担体の表面に触媒を担持させて形成される。本実施形態では、ラッシリング型（直径×長さｍｍ：φ２０×２０）の担体に、例えば、ニッケル系触媒としてＮｉＯを１０〜４０ｗｔ％担持させたものを用いる。触媒中には、ＭｇＯやＣａＯなどが添加されていることが好ましい。これによれば、例えば、充填層において廃棄物の燃焼を促進させることができる。不燃性ペレットは、廃棄物の投入量に対して、例えば、１０〜２０ｖｏｌ％含まれていることが好ましい。

次に、このように構成されるガス化装置１の動作について説明する。

まず、立ち上げ時において、不燃性ペレットが投入口９からガス化装置１内に供給される。不燃性ペレットが所定量供給されると、適宜乾燥及び粉砕された廃棄物６１が不燃性ペレットとともに投入口９からガス化装置１内に投入される。炉内に投入された廃棄物は、不燃性ペレットとともに均一に混合された状態などで炉内に充填されて充填層を形成する。

次に、廃棄物が充填されたガス化装置１内に、ガス化剤供給口１３から酸化剤を供給し、着火用熱風発生器１４から高温空気（例えば、４００℃以上）を吹き込むことで着火させる。そして、酸化剤の供給量を調整し、廃棄物６１を部分燃焼させて、充填層に燃焼帯を形成する。この燃焼帯の燃焼熱により、廃棄物が熱分解されると、熱分解ガスが発生する。この熱分解ガスは廃棄物の隙間を通ってガス化装置１内を上昇し、ガス排出口１１から炉外へ排出される。

廃棄物の部分燃焼及び熱分解が安定する定常状態になると、炉底部近傍に安定した燃焼帯５１が形成され、また、熱分解により発生したチャーは燃焼帯５１に移行するまでの間、還元帯５２を生成し、改質されガス化する。還元帯５２の上部には熱分解帯５３が形成され、さらに上部に廃棄物の乾燥帯５５が形成される。

熱分解帯５３では、廃棄物が熱分解されて可燃性の熱分解ガス及びチャーが生成される。また、熱分解帯５３で生成されたチャーは、還元帯５２にて水蒸気と反応し、ＣＯ、Ｈ_２などの改質ガスに転換される。残された一部のチャーは、燃焼帯５１に流下して燃焼される。炉内に供給される酸化剤と水蒸気は、生成されたチャーの殆どが燃焼ガスと改質ガスになるように流量調整される。

炉底部から供給された酸化剤ガスと水蒸気は、冷却帯５７の充填物の隙間を流れて上昇する際に、不燃性ペレットが形成する空隙が十分あるため偏流が抑制され、これにより燃焼帯５１の水平断面の温度が均一化されてガス化効率が安定する。

このようにして生成された熱分解ガスと改質ガスが混合された生成ガスは、上層の廃棄物の隙間を通流する過程で、熱交換しながら乾燥帯５５を通過して廃棄物６１を乾燥させる。生成ガスは、廃棄物６１を乾燥させることにより減温（例えば、約１００℃）され、ガス化装置１の頂部に形成される上部空間２７を介してガス排出口１１から排出される。また、燃焼帯５１で発生する飛灰が生成ガスに同伴しても、乾燥帯５５に充填された廃棄物の層がフィルタの役目をして捕集するため、ガス排出口１１から流出する飛灰の量を低減できる。

一方、乾燥帯５５で乾燥された廃棄物は、次第に熱分解帯５３に移動して熱分解反応する。続いて燃焼帯５１と還元帯５２に移動してガス化改質反応及び燃焼されて灰（燃焼残渣）になる。これらは燃焼帯５１の下層に形成される冷却帯５７を流下する過程で、炉底部から供給される酸化剤ガスと熱交換して冷却され、抜き出し機１５の回転によって不燃性ペレットとともに排出口１９に切り出されて炉外に排出される。炉外へ排出された不燃性ペレットはホッパ６へ戻されて繰り返し利用される。

このように、抜き出し機１５が廃棄物６１を底部から抜き出すことにより充填層の廃棄物は下方に移動する。これに対し、燃焼帯５１，還元帯５２，熱分解帯５３が形成される炉高位置は、例えば、廃棄物の抜き出し速度、酸化剤の供給速度などによって設定された高さ範囲に制御することができる。

ところで、還元帯５２においてチャーなどの炭化水素分の水蒸気改質は、例えば、１０００℃以上の高温域において高い活性を示すが、燃焼帯５１を１０００℃で制御した場合でも、炉内温度分布（例えば、±１５０℃）が生じ、チャーや灰分などが熱によって溶融するおそれがあるため、燃焼帯５１は、低温（例えば、８００〜９００℃）の温度範囲で制御する必要がある。また、熱分解帯５３においては、例えば、３００℃〜５００℃と比較的低温のため、タール分が多く発生する。特に重質タールが分解されずに炉外へ排出されると、ガス化効率が低下するとともに、後段側の配管や機器類に影響を及ぼすおそれがある。

図２は、ガス化装置１内に廃棄物と不燃性ペレットを投入してから排出されるまでの動作を説明する図である。ここで用いる不燃性ペレットには触媒が担持されている。

炉内に投入された廃棄物６１は不燃性ペレット６３とともに充填層を形成する。この充填層の熱分解帯５３では、不燃性ペレット６３の表面に担持された触媒が作用して廃棄物６１の熱分解の際に生じたタールの分解が促進される。これにより、ガス化装置１から排出されるタール、特に重質タールの濃度を低下させ、後段側へのタールの影響を低減することができる。また、タールが分解することにより、低分子の炭化水素ガスが生じることから、ガス化効率を向上させることができる。

次に、充填層の燃焼帯５１及び還元帯５２では、炉底部から供給される酸化剤ガスや水蒸気により廃棄物が燃焼、改質され、６００〜８００℃の温度域に制御されているが、この低温下でも不燃性ペレット６３の触媒が作用することにより、チャーなどの炭化水素の水蒸気による改質反応がより活性化されるためガス化効率を向上させることができる。

図３は、ガス化装置の充填層における不燃性ペレットの充填態様の一例を示す模式図である。

図の（１）は、充填層において不燃性ペレット６３が３次元的に均一に分散している状態を示す。この充填態様は、廃棄物６１と不燃性ペレット６３を同時に炉内へ投入することにより実現できるが、廃棄物６１と不燃性ペレット６３を予め均一に混合させてから投入するようにしてもよい。一方、図の（２）は、充填層において不燃性ペレット６３が層状に形成されている状態を示す。この充填態様は、廃棄物６１と不燃性ペレット６３を交互に炉内へ投入することにより実現できる。

図４は、ガス化装置から排出された生成ガスを処理する後段の構成を示す構成図である。

図に示すように、ガス化装置１から炉外へ排出された生成ガスは、ガス冷却塔７１を経由して所定温度まで冷却された後、ガス洗浄塔７３へ導かれる。ガス洗浄塔７３に導入された生成ガスは、冷却水のミストと接触して所定温度まで冷却されることにより、ガス中の水蒸気が凝縮水として底部から排水除去されるとともに、ガス中のタール分が分離回収される。続いて、水蒸気やタール分が分離された生成ガスは、必要に応じてさらに所定の清浄化処理が施された後、改質ガスとして図示しないガスホルダに貯蔵される。ここで得られた改質ガスは、例えば、ガスエンジンなどの燃料として用いることができる。

上述したように、本実施形態によれば、不燃性ペレット６３に種々の機能を有する触媒を担持させることにより、まず、熱分解帯５３においてタール分を分解し、次いで、還元帯５２においてチャーの水蒸気改質をより活性化させることができる。これにより、低温下（約７００℃前後）でもガス化効率を向上させるとともに、重質タールの排出濃度を低減することができる。すなわち、改質反応の触媒による活性化に伴い、燃焼帯５１の温度が１０００℃以下でも高いガス化効率を得ることができるため、例えば灰分などの溶融を確実に回避できるとともに、ガス化装置１の耐火材寿命を向上させることができる。また、重質タールの排出濃度を低減できるため、後段側においてタール凝縮による配管の閉塞を抑制することができ、加えて、ガス洗浄水のＣＯＤ上昇を抑えて洗浄工程の負荷を低減させることができる。

また、燃焼残渣とともに炉外へ排出された不燃性ペレット６３は、燃焼残渣と分別された後、必要に応じて触媒を再生処理してから再利用できるため、従来の設備をそのまま使用することができるという利点がある。本発明のように移動床式の縦型炉は、例えば、流動床式と比べて触媒との接触効率は劣るが、炉内での触媒の劣化（摩耗など）はほとんど生じないため、経済的である。

また、本実施形態では、不燃性ペレット６３に担持させる触媒として、ニッケル系の改質触媒を用いたが、同様の機能を有するものであれば、これに限定されるものではない。

本発明を適用してなる廃棄物ガス化装置の主要部を示す構成図である。ガス化装置内に廃棄物と不燃性ペレットを投入してから排出されるまでの動作を説明する図である。ガス化装置の充填層における不燃性ペレットの充填態様の一例を示す模式図である。ガス化装置から排出された生成ガスを処理する後段の構成を示す構成図である。

符号の説明

１ガス化装置
１１ガス排出口
１３ガス化剤供給口
１９排出口
５１燃焼帯
５２還元帯
５３熱分解帯
５５乾燥帯
５７冷却帯
６１廃棄物
６３不燃性ペレット

Claims

縦型のガス化炉内に廃棄物とともに不燃性ペレットを投入して充填層を形成し、該充填層の下方から酸化剤ガスと水蒸気とを供給して部分燃焼によりガス化反応に必要となる燃焼熱を発生させる燃焼帯とチャーなどをガス化する還元帯と熱分解帯とを炉高方向に順次形成し、炉底部から燃焼残渣と前記不燃性ペレットとを排出する廃棄物ガス化方法において、
前記燃焼帯及び前記還元帯は６００℃〜８００℃の温度範囲に制御され、前記不燃性ペレットには、該温度範囲で改質ガス化反応を促進するニッケル系触媒が担持されていることを特徴とする廃棄物ガス化方法。
前記不燃性ペレットは、前記廃棄物の投入量に対して１０〜２０ｖｏｌ％含まれていることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化方法。