JP2006188574A - 廃棄物のガス化改質方法 - Google Patents

Abstract

【課題】廃棄物のガス化改質方法において、改質ガス中の炭素微粒子の含有量を低減するため方法を提供する。
【解決手段】廃棄物をガス化し、発生した発生ガスを改質し、改質後のガスを急冷洗浄装置において急冷し除塵することによって得られた改質ガスを他のプロセスに用いる廃棄物のガス化改質方法であって、該発生ガスの露点変動を監視して、該露点が該急冷後のガス温度より高くなる様に、該ガス化を行う工程１、ガスを改質する工程２及び改質されたガスを急冷洗浄装置３に送る工程の少なくとも一つの工程において水蒸気及び／又は水を添加することを特徴とする廃棄物のガス化改質方法。
【選択図】 図２

Description

本発明は、都市ごみや産業廃棄物などの廃棄物をガス化し、得られる生成ガスを燃料用ガスなどとして回収する廃棄物のガス化改質方法に関する。

都市ごみや産業廃棄物などは、廃棄物処理場において焼却処理されて減容化され、最終的に排出される焼却残渣等の固形物は埋め立て処分場で埋め立て処分されている。また、それらの固形物の中でも、焼却又は溶融処理した際に発生する飛灰には亜鉛、鉛などの重金属類が含まれていることから、飛灰は、セメント固化や薬剤処理等によって安定化処理された後に埋め立て処分されている。

廃棄物を燃焼させると熱分解ガスや燃焼性成分（主としてカーボン）の他に、硫黄酸化物、硫化物、塩化水素、重金属化合物及びダイオキシンなどの有害物質が発生する。
従来から、燃焼ガスからこれらの有害物質を除去したり、燃焼ガス中に含まれるこれらの有害物質を低減させるための種々の方法が提案されている。

特許文献１には、廃棄物等を燃焼して発生する排ガスを冷却した後、バグフィルターでダストを分離するようにした排ガス処理方法において、冷却された排ガス中の水分量と、硫黄酸化物又は塩化水素のうち少なくとも一方の濃度に基づいて、排ガススの冷却温度を制御することによってバグフィルターの目詰まりを防止しながら、排ガス中の有害物質、特にダイオキシンの除去率を高めるようにした排ガスの冷却方法が記載されている。

特許文献２には、清浄化したガス中の汚染物質の残留濃度を下げるために、水蒸気、酸性汚染物質、固体粒子および放射性重金属を含有する、軽放射性廃棄物の焼却炉から発生するガスを、ガスの冷却工程およびガスの濾過工程を含む工程で清浄化する方法であって、ガスから固体粒子を濾別または捕集する前に、ガスを冷却・凝縮装置内でその露点温度より低温に冷却して、凝縮液中に放射性重金属を、ガス中に含まれる酸性汚染物質および可溶性粒子と同時に捕捉し；前記凝縮液を処理して放射性重金属を沈殿させ、沈殿から分離された水溶液を回収し、晶析装置に送って塩と水とを回収し；そして、前記冷却・凝縮装置からのガスを加熱し、清浄化されたガスを大気に戻す前にガスを固体粒子を回収するためのアブソリュート・フィルターに送り、前記晶析装置からの水はプラント内で再循環させるようにした焼却ガスの浄化方法が記載されている。

特許文献３には、高温排ガスを処理する集塵機の灰排出口から集塵灰とともにわずかなガスを排出し、そのガスを集塵灰とともに露点以下に冷却して結露させ、これによって集塵灰を加湿することにより、集塵灰の飛散及び搬送機への付着を防ぐようにした集塵灰の加湿方法が記載されている。

特許文献４には、昇路筒と降路筒とからなる煙突を用いて、先ず燃焼ガスを昇路筒中を上昇させ、次いで降路筒に導いて下降中の燃焼ガスに液体を微細な粒子となるように霧状に吹付けて燃焼ガスを急冷し、飽和点に達した燃焼ガスを噴霧細滴と接触させて更に冷却して燃焼ガス中の水蒸気を凝結させて細霧化し更に凝結させると共に公害物質（窒素酸化物、硫黄酸化物、炭酸ガス）を取り込んだ凝結滴となしてこれを降路筒の内壁に付着させ、流下させて除去するようにした燃焼ガスの凝結浄化方法が記載されている。

しかしながら、上記の方法は何れも焼却処理によって焼却灰が発生するため、これを処分するために、埋め立て処分場を必要とし、近年ではこのような処分場の確保が非常に困難となってきている。また、安定化処理した場合でも、超長期的には、埋め立て処分された飛灰から溶出する重金属が環境汚染の原因となるというリスクを抱えており、環境汚染を防ぐための対策を施す必要がある。

そこで、近年では、上記した焼却処理に代わる廃棄物処理方法として、廃棄物を還元性熱処理炉で熱処理することが行われている。このような処理方法の例としてガス化改質方式によるガス化溶融プロセスが注目されており、種々の提案がなされている（特許文献５〜９参照）。
このようなガス化改質方式によるガス化溶融プロセスは、廃棄物ガス化溶融炉内で、廃棄物を熱処理することによって、廃棄物を熱分解ガスを含むガスと溶融物とに転換するというものであり、得られたガス中にはダイオキシン等の有害なガス成分が少ないという利点がある。そして、廃棄物から発生する熱分解ガス中には可燃性のガスが含まれているため、これを発電用燃料、工業用燃料及び化学工業用原料等として有効に利用することができる。また廃棄物に含まれていた重金属類等の有害物質は、溶融スラグ中に固定されるので、重金属類が溶出しにくいという特徴がある。

特許文献１０には、廃棄物のガス化溶融処理炉の冷却装置において、配管中の付着物による種々のトラブルを解消するために、煙道に配設された筒体と、内壁に開口した高温ガスの導入口と、スクレーパーと落とした付着物を回収室へ送る配管を備え、さらに筒体内壁に該内壁に沿って流下し、濡れ壁とする冷却液の供給ノズル／中段に冷却液の液膜を形成する冷却液の噴射ノズルを設けることによって付着性物質を円滑に回収するようにした高温ガスの冷却装置が記載されている。
しかしながら、従来の方法では、燃焼ガスの急冷工程で発生する微細な炭素粒子を効率良く除去することができなかった。

特開平１１−２４８１２４号公報 特表平９−５１０２９５号公報 特開昭５８−１３９７７６号公報 特開平５−３１３２１号公報 特開２００４−１９５４００号公報 特表２００３−５１１５４５号公報 特開２００３−１０４１号公報 特開２００３−３１７７号公報 特開２００２−３６３５７７号公報 特開２００２−２６７１４７号公報

本発明は、廃棄物のガス化改質方法において、改質ガス中の炭素微粒子の含有量を低減するため方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、改質ガスの露点を急冷後のガス温度より高くなるようにすることによって炭素微粒子を低減できることを見出して本発明を完成させた。
すなわち、本発明は次に記載する通りのものである。

（１）廃棄物をガス化し、発生した発生ガスを改質し、改質後のガスを急冷洗浄装置において洗浄水で急冷することによって得られた改質ガスを他のプロセスに用いる廃棄物のガス化改質方法であって、該発生ガスの露点変動を監視して、該露点が該急冷後のガス温度より高くなる様に、該ガス化を行う工程、ガスを改質する工程及び改質されたガスを急冷洗浄装置に送る工程の少なくとも一つの工程において水蒸気及び／又は水を添加することを特徴とする廃棄物のガス化改質方法。
（２）前記露点が６０℃以上から９０℃以下になるように水蒸気及び／又は水を添加することを特徴とする上記（１）の廃棄物のガス化改質方法。
（３）前記急冷洗浄装置が、内壁温度を１００℃以下とした濡れ壁方式による急冷洗浄装置であることを特徴とする上記（１）、（２）の廃棄物のガス化改質方法。
（４）発生ガス中の炭素微粒子の５％以上が前記急冷洗浄装置内で除去されることを特徴とする上記（１）〜（３）の廃棄物のガス化改質方法

（５）前記急冷洗浄装置で使用した冷却水の一部若しくは全部を熱交換によって冷却し、再び急冷洗浄装置の冷却水として使用することを特徴とする上記（１）〜（４）の廃棄物のガス化改質方法。
（６）前記急冷洗浄装置で使用する冷却水のｐＨを２以上、５以下に調整することを特徴とする上記（１）〜（５）の廃棄物のガス化改質方法。
（７）前記急冷洗浄装置で使用した冷却水を前記ガス化改質炉で回収された亜鉛金属又は亜鉛化合物の洗浄に用いることを特徴とする上記（１）〜（６）の廃棄物のガス化改質方法。

本発明によれば、都市ごみや産業廃棄物を溶融ガス化処理して得られる改質ガス中の炭素微粒子を効果的に除去することができるため、ガス精製工程での装置が閉塞することがなく、また、燃料ガスとして使用するに際しても炭素微粒子が除去されているので装置に悪影響を及ぼすことがないという効果を奏する。

本発明の方法はガス化改質方式（サーモセレクト方式）によるガス化改質プロセスにおいて適用されるが、まず、ガス化改質プロセスの例を図１に基づいて説明する。
図１に示されたガス化改質方式は次のプロセスから構成されている。
１．プレス・脱ガスチャンネル
（１）廃棄物の圧縮、（２）乾燥・熱分解
２．高温反応炉・均質化炉
（３）ガス化、溶融、（４）スラグ均質化、（５）ガスの改質
３．ガス精製
（６）ガスの急冷（急冷・酸洗浄、酸洗浄）、（７）ガス精製（アルカリ洗浄、脱硫、除湿）
４．水処理
（８）水処理（沈殿、脱塩等）

この方式の基本的な構成をフローに沿って説明すると次の通りである。
ピットに集積された都市ごみ、産業廃棄物等の廃棄物はプレス機で圧縮された後、乾燥熱分解工程で間接加熱により加熱乾留されて高温反応炉に送られる。高温反応炉の下部には、ランスが配置され、このランスによって炉内に高濃度酸素が導入され、この酸素ガスが乾留物中の炭素をガス化し、一酸化炭素と二酸化炭素が生成する。また、高温水蒸気が存在するため、炭素と水蒸気とによる水性ガス反応が生じて、水素と一酸化炭素が生成される。更に、有機化合物（炭化水素など）も水蒸気と反応して、水素と一酸化炭素が生成する。上記反応の結果、高温反応炉の塔頂部より粗合成ガスが回収される。

一方、高温反応炉下部で生成した溶融物は高温反応炉から均質化炉へ流れ出る。この溶融物には炭素や微量の重金属等が含まれており、均質化炉においてはバーナから酸素ガスが供給され、炭素は十分な酸素あるいは水蒸気によってガス化されて水素、一酸化炭素、二酸化炭素を生成する。均質化炉において金属溶融物は比重が大きいため、スラグの下部に溜まる。溶融物は水砕システムに流れ落ちて、冷却固化され、メタル・スラグの混合物は、磁選によりメタルとスラグに分離される。

高温反応炉から発生する粗合成ガスに対して、急冷洗浄装置で酸性水を噴射することによってガスの温度を約１２００℃から約７０℃にまで急速冷却し、ダイオキシン類の再合成を阻止する。この時、酸性水によってガスが洗浄され、粗合成ガス中に含まれるＰｂなどの重金属成分と塩素分は洗浄中に溶け込む。

酸洗浄された合成ガスは、必要に応じて更に酸洗浄を施されたのちアルカリ洗浄され、残存する塩化水素ガス等の酸性ガスが中和除去される。次いで、脱硫洗浄装置でガス中の硫化水素が硫黄に転換されて硫黄ケーキとして回収される。次いで合成ガスは低温除湿工程で水分を除去された後、精製された燃料ガスとして利用される。

図２は本発明の廃棄物のガス化改質方法の詳細を示したものである。
木屑、廃プラスチックなどの廃棄物は圧縮、乾燥・熱分解処理を受けた後、ガス化溶融工程において処理される。
ガス化溶融処理され、発生したガスは次にガス改質工程で改質処理される。

ガス化溶融工程１で発生したガスはガス改質工程２で改質され、高温の改質ガスは急冷洗浄工程３において冷却水によって急冷され洗浄されて水溶性成分や炭素微粒子等が除去され、次いでガス精製工程４で精製されて燃料ガスとして回収される。一方、冷却水及び洗浄液は高温の改質ガスと熱交換することによって加温された後、一部は水処理工程に送られ、残部は熱交換器５において、冷却塔６から供給される冷水と熱交換して冷却された後、再び冷却水及び洗浄液として急冷洗浄工程に送られる。熱交換器５で冷却水と熱交換した冷水は温水となり、再び冷却塔６に戻されて冷却される。

本発明は、ガス化を行う工程、ガスを改質する工程及び改質されたガスを急冷洗浄装置に送る工程のうちの少なくとも一つの工程において水蒸気や水を添加することを特徴としている。このように水蒸気や水を添加するのは次に記載する通りである。

すなわち、改質ガスをボイラによって熱を回収せずに急冷して燃料ガスを回収する場合には、冷却過程で、２ＣＯ→ＣＯ_２＋Ｃなどの反応により炭素微粒子が発生する。
この炭素微粒子が改質ガスに含まれていると、後工程のガス精製工程において装置を閉塞させたり、製品として得られた燃料ガスを使用する際にも悪影響を及ぼしたりするので、この炭素微粒子を改質ガスから除去する必要があるが、この炭素微粒子は微細であるため、これを除去することは容易ではない。

しかしながら、発生ガスの露点が急冷後のガス（すなわち、急冷洗浄装置から出るガス）の温度よりも高くなるようにすると、急冷後の改質ガス中に含まれる炭素微粒子の表面が湿潤されて捕捉されやすくなる。
このため、本発明においては、発生ガスの露点変動を監視して、改質ガスの露点を急冷後のガス温度よりも高くなるようにするために、水蒸気及び／又は水を添加する。

水蒸気及び／又は水は、ガス化を行う工程、ガスを改質する工程及び改質されたガスを急冷洗浄装置に送る工程のいずれかの工程で添加しても良いし、前記の複数の工程において添加しても良い。
水蒸気及び水の添加は、ガス化改質炉に設置されているバーナー、ランスより装入してもよいし、別管を設置して、装入してもよい。装入場所は、ガス化改質炉あるいは、ガス化改質炉から冷却装置の間に設置された配管でもよいが、ガス改質工程で装入するのが好ましい。水及び水蒸気のいずれでも炭素粒子を捕捉する効果はあるが、水蒸気を装入した方が、ガス化改質炉の熱効率が改善されるのでより好ましい。
また、捕捉した炭素微粒子を集めて炉に返送することによって、燃料ガスの回収率を高めることも可能である。

水蒸気、水の添加によって、発生ガスの露点が６０℃以上から９０℃以下になるようにすることが好ましい。これは、冷却するためには冷却環水が必要であり、通常のクーリングタワーでは３０℃程度までしか冷却できず、６０℃未満で、露点が低すぎると、チラーが必要となるため、経済的ではなくなるからである。また、露点が９０℃を超えると蒸気を冷却するために、凝縮熱が多く発生し、クーリングタワーの設備が過大となり、経済的ではなくなるからである。
図３は改質ガスの炭素微粒子量と露点との関係を示したものであり、縦軸を相対炭素微粒子量（装入炭素量に対する発生炭素微粒子量）とするとフルスケール５％程度となる。
図３に示すように、６０℃未満では、改質ガスの炭素微粒子量も急激に増大するため、除去設備を過大にする必要があるだけでなく、ガス化効率も低下して、経済性が悪化する。

急冷後のガス温度は、持ち込まれるガスの顕熱、装入した冷却水の顕熱、冷却後のガスの顕熱、凝縮水の凝縮熱、冷却後の水の顕熱の熱収支によって決まる。また、冷却後のガスの温度は、装入する冷却水の温度より低下させることはできない。

ガスを急冷する方法としては、水を噴霧して、水が蒸発する蒸発潜熱でガスを冷却する方法が一般的であるが、本発明においては飽和型冷却装置を用いることが好ましい。飽和型冷却装置は、ガスに多量の水をかけて、水の顕熱、すなわち、かけた水温を上昇させることで、ガスを冷却させる。この場合、露点より低い温度で冷却するため、ガス中の水分が凝縮する。水を多量にかけることにより、冷却塔の壁面の温度を１００℃より低くすることができ、表面を湿潤状態に保つことができ、材質の選択が容易になる。好ましくは、７０℃以下までガス冷却するのがよい。また、蒸発する必要がないので、冷却容積が小さくてすむ、従って、急冷することが可能となる。
これに対して、蒸発型冷却装置の場合は、ガス温度の低下とともに、温度低下速度がきわめて小さくなる。

さらに、飽和型冷却装置によると、かけた水を蒸発させる必要がないので、小さな水粒子にする必要がなく、ノズルの径を小さくする必要がないため、ノズルでの閉塞などの問題がない。また、析出物などがある場合は、冷却塔の内部で析出物を溶かしてしまうので、長期に安定的に使用が可能である。但し、飽和型冷却装置では、水処理が必要となる。
急冷洗浄装置は急冷部と洗浄部との２段以上の構成とすることができる。すなわち、１段目では急冷効果を高めるために多量の冷却水（洗浄水）をかけて洗浄効果よりも冷却効果を大きくし、２段目以降を洗浄効果を上げるための洗浄部とすることができる。

また、本発明においては、急冷洗浄装置においては、冷却水（洗浄水）により濡れ壁が形成されて内壁温度が１００℃以下に保持されることが特に好ましい。例えば急冷洗浄装置の壁面から対向する壁面に向けて冷却水を多量にかけると、大部分の洗浄水は管内を落下し、一部は壁面に沿って流下し濡れ壁を形成する。冷却装置全体で粒子に捕捉された液滴が蒸発しにくくなり、壁面に捕捉されても、表面が濡れて、落下していると、その部分に堆積することがない。さらに、１００℃以下の温度が保障されていると、材質的にも選択の幅が広がり、設備を長期に使用することが可能となる。

急冷洗浄装置では、炭素微粒子の５％以上、より好ましくは２０％以上が除去されることが好ましい。これにより炭素微粒子によるガス精製装置での閉塞が回避され、ガス精製工程での炭素微粒子の除去が容易になる。

急冷洗浄装置で使用した冷却水の一部若しくは全部を熱交換によって冷却し、再び急冷洗浄装置の冷却水として再利用することが好ましい。再利用をせず新たな水を用いて冷却すると、処理しなければならない水が増加し、水処理装置の経済性が悪化する。

ガス化改質においては、炭素微粒子だけでなく、沸点の低い重金属のガスも存在する。この重金属は冷却時に、粒子として析出するが、これは、酸性の水によって吸収除去することが可能である。この場合、ｐＨが高いと、除去率が低下し、ｐＨが低すぎると、長期の使用に関して、冷却装置の材質や、ｐＨ計の材質に問題が出てくる。上記のことを勘案すると、急冷洗浄装置で使用する冷却水のｐＨは２以上、５以下に調整することが好ましい。

また、廃棄物中には、塩素分が含まれており、これは廃棄物をガス化した際には、通常は、塩化水素ガスとして、発生ガス中に含まれ、この塩化水素は冷却水に溶けることによって冷却水が塩酸酸性の水溶液になる。この塩酸水溶液は、ガス化改質炉で回収されたガス状の亜鉛金属又は亜鉛化合物を吸収除去することができるので、急冷洗浄装置で使用した冷却水をガス化改質炉で回収された亜鉛金属又は亜鉛化合物の洗浄に用いることが好ましい。

ガスに添加するため水、水蒸気の供給源としては、系内で発生する温水を用いることが経済的であり好ましい。このような温水としては、(1)ガスエンジン発電で発生するエンジン冷却の温水,(2)ガスエンジン発電の排ガスの廃熱ボイラの蒸気をプラント系内で使用した後の排温水、(3)廃熱ボイラで回収した蒸気を他設備に余熱利用として供給した後、戻ってきた温水等を挙げることができる。

［比較例１］
木屑、廃プラの混合物を原料として、水蒸気を吹き込まずにガス化改質炉から水素、一酸化炭素を主体とするガスを回収した。ガス改質温度は１２００℃とした。発生ガスの露点は５９℃であった。急冷洗浄装置にて、洗浄水をかけることで、約８０℃まで、改質ガスを冷却して操業を行ったが、冷却装置で圧力損失が生じ、長期には運転ができなかった。

［実施例１］
木屑、廃プラの混合物を原料として、低圧の水蒸気を、０．２２ｔ−蒸気／ｔ−原料 添加して、水素、一酸化炭素を主体とするガスを回収した。ガス改質温度は１２００℃とした。発生ガスの露点は７６℃であった。急冷洗浄装置にて、洗浄水をかけることで、約７０℃まで、改質ガスを冷却して操業を行ったが、冷却装置で圧力損失の上昇もなく、長期に運転が可能であった。

本発明の方法を用いると、都市ごみや産業廃棄物を廃棄物のガス化改質して得られた改質ガス中の炭素微粒子の含有量が低いため、品質の高い燃料ガスとして有効に利用することができる。

ガス化改質方式による廃棄物処理の概要を示す図である。 本発明の廃棄物のガス化改質方法を説明するための図である。 改質ガス中の炭素微粒子含有量と露点との関係を示す図である。

符号の説明

１ ガス化工程
２ ガス改質工程
３ 急冷洗浄工程
４ ガス精製工程
５ 熱交換器
６ 冷却塔

Claims (7)

1. 廃棄物をガス化し、発生した発生ガスを改質し、改質後のガスを急冷洗浄装置において洗浄水で急冷することによって得られた改質ガスを他のプロセスに用いる廃棄物のガス化改質方法であって、該発生ガスの露点変動を監視して、該露点が該急冷後のガス温度より高くなる様に、該ガス化を行う工程、ガスを改質する工程及び改質されたガスを急冷洗浄装置に送る工程の少なくとも一つの工程において水蒸気及び／又は水を添加することを特徴とする廃棄物のガス化改質方法。
2. 前記露点が６０℃以上から９０℃以下になるように水蒸気及び／又は水を添加することを特徴とする請求項１記載の廃棄物のガス化改質方法。
3. 前記急冷洗浄装置が、内壁温度を１００℃以下とした濡れ壁方式による急冷洗浄装置であることを特徴とする請求項１又は２記載の廃棄物のガス化改質方法。
4. 発生ガス中の炭素微粒子の５％以上が前記急冷洗浄装置内で除去されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の廃棄物のガス化改質方法
5. 前記急冷洗浄装置で使用した冷却水の一部若しくは全部を熱交換によって冷却し、再び急冷洗浄装置の冷却水として使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の廃棄物のガス化改質方法。
6. 前記急冷洗浄装置で使用する冷却水のｐＨを２以上、５以下に調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の廃棄物のガス化改質方法。
7. 前記急冷洗浄装置で使用した冷却水を前記ガス化改質炉で回収された亜鉛金属又は亜鉛化合物の洗浄に用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の廃棄物のガス化改質方法。

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