炭素質原料の熱分解方法
【課題】シャフト型熱分解炉の特長を活かしてタールを低減し、発生する可燃ガスを増加することが可能な炭素質資源の熱分解方法を提供することを目的とする。
【解決手段】炉上部から投入されて炉内を下降する炭素質資源を、炉の下方から投入されて炉内を上昇する加熱ガスにより熱分解した後、発生する固体の炭化物を炉底から排出すると共に、発生するガス及びタールを炉の上方から排出する移動層シャフト型熱分解炉を用いた炭素質原料の熱分解方法であって、前記投入する炭素質資源の量に対する前記投入する加熱ガスの顕熱の比を８００Mcal／ton以上、１５００Mcal／ton以下とすることで、前記発生するタール量を低減することを特徴とする。
【解決手段】炉上部から投入されて炉内を下降する炭素質資源を、炉の下方から投入されて炉内を上昇する加熱ガスにより熱分解した後、発生する固体の炭化物を炉底から排出すると共に、発生するガス及びタールを炉の上方から排出する移動層シャフト型熱分解炉を用いた炭素質原料の熱分解方法であって、前記投入する炭素質資源の量に対する前記投入する加熱ガスの顕熱の比を８００Mcal／ton以上、１５００Mcal／ton以下とすることで、前記発生するタール量を低減することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種炭素質資源を効率よく原燃料ガスに転換するための、炭素質資源の熱分解方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、３Ｒ（reduce：削減、reuse：再使用、recycle：再利用）の考え方が、政策の後押しもあり、共通概念として認知され初めている。使用後または故障・破壊後の製品や製品製造時の副生品等のいわゆる廃棄物は、焼却あるいは埋め立てが主な処理方法であり、最終処分場の逼迫する現実と相まって、それらを有効に利用することは、地球温暖化問題への対応の一つの解答となるであろう。
しかしながら、廃棄物は種々雑多な性状を有しており、エネルギー密度の低いものが多く含まれることや、処理後のガス精製負担が大きいこと等の理由で、その処理には作業と設備に手間とコストが掛かり、特に小規模で経済的に自立可能なプロセスは少ない。
【０００３】
廃棄物の多くは炭素を含んでおり、発熱量は一般的には低いものの、石炭、石油、天然ガス等と変わりないエネルギー資源と見ることができる。そのような廃棄物をエネルギー資源として利用する廃棄物の処理の代表的な例としては、一般廃棄物ゴミ（家庭ゴミ）を対象とし、ゴミ焼却に蒸気発電を組み合わせて電力として回収するゴミ焼却発電方式がある。
【０００４】
従来のゴミ焼却発電方式は１０〜１５％の送電端効率であるが、近年では、ボイラ材質の改良や原料調整（ＲＤＦ化）、外部燃料使用による効率向上（スーパーゴミ発電）等により、３０％近い送電端効率で発電している焼却炉が実機運用され始めた。
ただし、これら高効率型の処理設備は、廃棄物の事前処理やボイラ材質の向上、外部燃料の導入が必要であり、このため設備コストや運用コストが高いことや適用に制限がある（対象廃棄物の限定等）等の問題があり、試験的な運用であったり、トラブルのために採用が減少したりしており、従来型のゴミ燃焼発電方式が依然として主流である。
【０００５】
また、最終処分場の逼迫やダイオキシン規制により自治体での実機採用が増加しつつある処理方法として、灰分の減容・無害化処理やダイオキシン低減を狙い、高温でガス化溶融して灰分を溶融・スラグ化し、発電まで持って行くいわゆる廃棄物ガス化溶融技術がある。
【０００６】
この技術は種類が多く、大きく分けると、ｉ）直接溶融型（主として、シャフト炉等を使い、熱分解、ガス化、燃焼・溶融を前段の反応器で行い、後段では燃焼してボイラ、蒸気タービンでエネルギー回収を行うもの）、ii）熱分解＋燃焼・溶融型（キルン等で低温熱分解して生成したガス、タール、チャーを充分な空気で高温燃焼し、ボイラ、蒸気タービンでエネルギー回収を行うもの）、iii)熱分解＋ガス化型（流動床、シャフト炉等で低温熱分解して生成したガス、チャーを高温ガス化し、可燃性ガスを発生させ、除塵、ガス精製工程を経てクリーンアップした後、ガスタービンやガスエンジンによる発電用または化学原料用としてガスを利用するもの）に分けられる。
【０００７】
ｉ）及びii）の燃焼−蒸気発電方式では、廃棄物中に含まれる塩素等によるボイラーチューブ腐食のために、チューブ側(蒸気)温度を酸腐食温度以下とする必要があり、回収する蒸気条件に制約があることから、発電効率を現状よりも上げることは難しい。
【０００８】
これに対し、iii)の熱分解＋ガス化型は、廃棄物を含む炭素質原料を高効率にエネルギー転換できることが期待される。
しかし、現在のところこの熱分解＋ガス化型に属する技術で実機稼働しているものは少なく、実機化されているものとしては、低温熱分解技術として外熱式のロータリーキルンを用い、生成した熱分解ガスおよびタールを空気で高温改質し、１０００kcal／Ｎｍ3程度の低カロリーガスを得てこれをガスエンジンで発電するプロセスや、低温熱分解技術として、廃棄物を圧密し、プッシャー方式の外熱式熱分解炉で生成した熱分解ガス、タールおよび熱分解残渣を酸素でガス化および改質し、２０００kcal／Ｎｍ3程度の中カロリーガスを得て、これをガスエンジン等の燃料ガスとして使用するプロセスがある。
【０００９】
これらの技術は、発電を対象とした場合、送電端効率は７〜１２％であり、熱効率は高くない。現状のiii)の範疇の実機においては、技術が成熟したｉ）の場合より転換効率は低いが、同様なガス化を利用したエネルギー転換技術である石炭利用の世界では、石炭火力発電所において、燃焼・蒸気ボイラ利用型送電端効率（２００ＭＷ〜）：２８〜３１％に対し、ガス化−ガスタービン−蒸気タービン（ＩＧＣＣ）型：４６〜４８％という効率差が得られていることから、潜在的な効率向上の余地は大きいといえる。
【００１０】
この範囲に属する技術の特許としては、本発明者らが特許文献１において、熱分解、ガス化、改質を組み合わせ、従来技術より高効率に廃棄物をガス化する方式を、また、特許文献２において、さらに熱分解炉内の安定物流を達成する方式を提案している。
【００１１】
また、それより以前の特許としては、特許文献３において、内部循環式流動層炉と高温ガス化炉を組み合わせ、廃棄物をガス化して原燃料ガスを製造する方法及び装置が、特許文献４において廃棄物を熱分解し、熱分解チャーの部分酸化ガスで熱分解タールを改質して可燃ガスを製造する方法及び装置が提案されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−４１８４８号公報
【特許文献２】特開２００４−７５８５２号公報
【特許文献３】特開平１０−３１０７８３号公報
【特許文献４】特開平１１−２９４７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１、２、４では、最終製品として可燃ガスを製造し、ガスエンジン、ガスタービンでの燃料としての使用が主目的の一つとなっている（もちろん効率は低くなるが燃焼ボイラーでの蒸気製造も用途の一つである）。この際、タールは、燃焼性の異なるガスと液(タール)が同時に燃焼することによる燃焼不安定化（主にガスエンジン）や、圧縮時のタール析出や燃焼時のカーボン蓄積による設備ダメージ（ガスタービン）等を引き起こすので、タール量を低減するために、プロセス内に改質部を保有して、タールの水蒸気改質反応を促進させている。
また、特許文献３では、同様の効果を高温反応(熱分解)により起こしている。
【００１４】
その結果として、前者では、プロセスの増加（改質工程）及び改質温度（通常１０００−１２００℃）保持に伴う酸素の使用量や放散熱が増加し、後者では高温（１２００−１４００℃）による放散熱が増加するので、せっかく高効率にしてもその効果を低下させている。
本発明は、これら従来技術の課題点を解決し、シャフト型熱分解炉の特長を活かしてタールを低減し、発生する可燃ガスを増加することが可能な炭素質資源の熱分解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】
【００１５】
本発明は、以上の課題を解決するに有効な方法であり、
（１）炉上部から投入されて炉内を下降する炭素質資源を、炉の下方から投入されて炉内を上昇する加熱ガスにより熱分解した後、発生する固体の炭化物を炉下部から排出すると共に、発生するガス及びタールを炉の上方から排出する移動層シャフト型熱分解炉を用いた炭素質原料の熱分解方法であって、前記投入する炭素質資源の量に対する前記投入する加熱ガスの顕熱の比を８００Mcal／ton以上、１５００Mcal／ton以下とすることを特徴とする炭素質原料の熱分解方法、
（２）前記移動層シャフト型熱分解炉における前記熱分解が生じている高さ方向断面において、前記加熱ガス温度が、前記炭素質資源の温度より１００℃以上、４００℃以下の範囲内で高いことを特徴とする（１）記載の炭素質原料の熱分解方法、
（３）前記投入する加熱ガスが、前記移動層シャフト型熱分解炉の外部にて燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭素質原料の熱分解方法、
（４）前記投入する加熱ガスが、前記移動層シャフト型熱分解炉の下方に加熱手段を設置し、前記炉内において、前記加熱手段により燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭素質原料の熱分解方法、
からなる。
【００１６】
なお、本発明における炭素質資源とは、バイオマスやプラスチック、一般廃棄物ゴミ等を指し、具体的には、農業系バイオマス（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系バイオマス（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系バイオマス（家畜廃棄物）、水産系バイオマス（水産加工残滓）、廃棄物系バイオマス（生ゴミ、ＲＤＦ：ゴミ固形化燃料、庭木、建設廃材、下水汚泥）、硬質プラスチック、軟質プラスチック、シュレッダーダスト等を指す。一般廃棄物ゴミとは産廃指定１９種類以外のゴミのことで、自治体単位で収集する家庭系ゴミや事業者から出る紙類を多く含む事業系ゴミである。
【００１７】
ただし、本発明は炭素質のエネルギー転換に関するものであるため、炭素質をほとんど含まないもの、すなわち分別された金属、ガラス類等は対象とはしない。炭素質資源としては、熱分解してガス、タールを発生させるという本発明の形態から考えて、地球温暖化対策上は好ましいとはいえないが、石炭やオイルシェール、オイルサンド等の化石燃料を使用してもかまわない。
【００１８】
また、本発明でいう「改質」とは、主に熱分解タールの水蒸気改質（タールを水蒸気で一酸化炭素、水素に転換）反応を指す。本発明では、熱分解ガスと熱分解タールは分離していないため、一部熱分解ガスの水蒸気改質反応も含んでいる。改質反応後に存在しているガスを改質ガスと呼ぶ。
【発明の効果】
【００１９】
本発明を適用することで、炭素質資源の熱分解の際、移動層シャフト型熱分解炉の特長を活かしてタールを低減し、発生する可燃ガスを増加することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図２に、移動層シャフト型熱分解炉を用いた炭素質原料の熱分解方法の概要図を示す。
原料となる炭素質資源（炭素質原料）１は熱分解炉（シャフト炉）２の炉上部（図では炉頂）より投入され、炉内の移動層３に積み上がる。炭素質資源１は徐々に下降しながら、炉の下方から投入されて炉内を上昇する高温の加熱ガス４により昇温され、乾燥、熱分解して熱分解ガス・タール５を生成して炭化物６となり、熱分解炉(シャフト炉)２の炉下部（図では炉底）から排出される。高温の加熱ガス４は、炉の下方に設けられたガス吹き込み口７から投入され、熱分解炉(シャフト炉)２を上昇しながら炭素質資源１に熱を与え、それによって自身は温度が下がり、熱分解炉（シャフト炉）２の上方のガス排出口８より排出される。
【００２１】
ガス排出口８より排出される生成ガス９は、加熱ガス４、熱分解により発生したガス及び炭素質資源１が乾燥して発生した水分の混合ガス、並びに、熱分解により発生したガス化した状態のタールで構成される。このとき、熱分解炉（シャフト炉）２内では炭素質資源１と加熱ガス４の熱交換が、対向方向で直接行われる。
【００２２】
熱分解炉（シャフト炉）２での加熱ガス４と炭素質資源１の炉内高さごとの温度プロファイルの一例を図１に示す。横軸は加熱ガス４と炭素質資源１のそれぞれの炉底部からの高さでの温度を示し、縦軸は炉底部からの炭素質資源1の積みあげ高さを示す。なお、図１は、後述する実施例の条件で熱分解した場合のものである。
【００２３】
この例では炭素質資源１は約３ｍ積み上がっている。炭素質資源1は熱分解炉（シャフト炉）２の炉上部より常温で投入され、降下しつつ乾燥（１００℃一定の部分）、熱分解（２５０℃付近から始まり、５００℃付近で最大になる）を経て最高温度（この例の場合８３０℃で、高温ガス吹込位置付近）に達した後、徐冷される。
一方、加熱ガス４は炉の下方に設けられたガス吹き込み口７より吹き込まれ（このとき最高温、この例の場合１１２０℃）、熱分解炉（シャフト炉）２内を降温しながら上昇して最終温度４００℃になっている。
【００２４】
十分にゆっくりと熱交換が行われる場合には、炭素質資源１の固体温度とその周囲の加熱ガス４の温度は同一高さではほぼ均しくなるが、加熱ガス４の流速が速く、伝熱が律速になる条件の場合には、炭素質資源１の温度と加熱ガス４の温度の間に差が生じ（ガス温度の方が高く、図１に「温度差」と表記している。）、熱分解して生成した熱分解ガス・タール５は、気相に出てすぐ固体温度より高い加熱ガス４に曝されることになり、特にタールが、ガスやコークまたは重質タールに転換する反応が生じる。
【００２５】
タールは加熱されると、(ｉ)分解して軽くなりガスになる反応（熱分解）や化学反応（タールの水蒸気改質）により分子量が軽くなる方向と、(ii)脱水素、縮合等により重くなる方向が同時に生じる。(ii)で重くなった生成物のうち、常温で液状のものを重質タール、常温で固体のものをコークとした。
このようなタールがガスや重質タールなどに同時に転換する反応は、タールの高温のガスが充填物（移動層）の隙間を熱交換しながら短時間で通過するシャフト型熱分解炉での反応系で特徴的な現象であり、本発明者らがはじめて見いだしたものである。
【００２６】
そして、可燃ガスの生成を増加し、タールを低減できる条件についてさらに検討した結果、前記のようなタールの反応の方向は、炭素質資源が熱分解した時の加熱ガスの温度によって大きく影響を受けることを見いだした。
以下、熱分解時の炭素質資源と加熱ガスの温度の違いによる生成物収率の変化について説明する。
【００２７】
図３（ａ）、（ｂ）に、炭素質資源と加熱ガスの温度の違いによる生成物収率の変化を示す。図３（ａ）は木（ウメ）、図３（ｂ）はプラスチック（ポリエチレン）での結果である。
図の横軸は加熱ガスの温度を示し、縦軸は質量ベースの生成物収率を示す。炭素質資源の温度（固体側）は熱分解が十分に進行する５００℃に設定し、共通とした。
図において、例えば、横軸５００℃の場合は、５００℃で炭素質資源が熱分解して生成した生成物が５００℃の加熱ガスに接触した結果（すなわち熱分解したそのままの収率）を示し、横軸９００℃の場合は、５００℃で熱分解して生成した生成物が９００℃のガスに接触した結果（温度差は４００度）を示す。
【００２８】
原料対象は、後述の実施例で示した複合廃棄物の場合、成分の違いによる影響がわかりにくくなるため、代表的な廃棄物である木（ウメ）、プラスチック（ポリエチレン）を選択している。
木を代表とする生物由来で分子骨格に酸素を含有する原料は、分解時にはガスやタール（なお、ここで言うタールは、水以外の常温で液状の物質を指す。）として１〜数個の環状炭素骨格が多く生成し、これが気相中の水蒸気等と反応して主にガスへと分解する。温度差が大きくなるとススを中心とした重質分が増加する。
一方、プラスチックを代表とする高分子化合物は、分解時には脂肪族炭素骨格１個（Ｃ１）から３０個（Ｃ３０）程度までの分布をもった生成物と、環状化した生成物が生じるため、タールを中心としており、それが気相中でガス化する。ただし温度差が大きい場合には、分解・スス化が進展しやすく（水分が少ない）、コーク・重質タール等中心となる。
紙くず・書類、建廃材、農業系・林業系バイオマスは木と同等の反応性、畜産系・水産系バイオマスや食品残渣等は含酸素分が木より少なく若干コーク・重質タールが生成しやすい。
【００２９】
都市ゴミ等の炭素質資源は多種にわたるが、酸素を基本骨格内に多く持ち、水分が多く低発熱量で熱分解反応が低温で起こる木材（ウメの生木を使用）と、炭素主体の均一な構造で、水分が少なく高発熱量のプラスチック（中でも最も高温側で熱分解するポリエチレンを使用）の両極端を代表例として検討することで、炭素質資源の複合廃棄物のほぼ全部の効果が推定可能である。
【００３０】
図３（ａ）に示した木（ウメ）の場合、５００℃の場合（基本収率）に比べ、１００℃の差（ガス温度６００℃）でタールの２割程度がほぼガスに移行した（若干のコーク＋重質タールも生成）。３００℃の差（ガス温度８００℃）のとき最もガスが多くなった。４００℃の差（ガス温度９００℃）でタールがほぼ無くなり、コーク＋重質タールの生成が増加した。５００℃差（ガス温度１０００℃）になると発生タール大多数がコーク＋重質タールに転換した。このときのコーク＋重質タールはほぼススであり、後段でのガス利用（燃焼）を考えると好ましくない。タールをガスに転換するには高温がよいが、高温すぎると固形物が増加し、本来のガス利用目的にそぐわなくなる。したがって、１００℃から４００℃の温度差が、タールの低減効果があり、ガスの収率の向上も図れる範囲であり、さらに望ましい温度差は、ガス収率が特に多くなる２００℃から４００℃の差である。
【００３１】
図３（ｂ）に示したプラスチック（ポリエチレン）の場合、１００℃差からタール低減の効果が大きく現れ、２００℃差でガス収率最大になる。２００℃からはタールの収率自体に大きな変化がなくなり、４００℃差（９００℃）を超えると、コーク＋重質タールの急増に伴い、ガス収率が元の（５００℃での）収率以下になってしまうため、ガス利用上好ましくない。したがって、１００℃から４００℃差でタール低減効果があり、ガスの収率の向上も図れる範囲であり、望ましくは１００℃から３００℃の差であるといえる。
【００３２】
以上のように、１００℃から４００℃の温度差が、タールの低減効果があり、ガスの収率の向上も図れる範囲であることが知見されたので、次に、移動層シャフト型熱分解炉において、図３のような固体（炭素質資源）と加熱ガスの温度差を生じさせ、制御する操業条件について検討した。
【００３３】
その結果、操業条件としては、単位炭素質資源量に対する加熱ガスの熱量を制御するのが適当であることがわかった。
このようにするのは、一定量の炭素質資源量あたりに必要な乾燥熱量、熱分解反応熱量は決まっているが、対向流熱分解であること、乾燥時には固体側温度が一定であること等から、移動層シャフト型炉特有の固体、ガス温度分布を生じるため、炭素質資源の熱分解反応が主に進行する５００℃近傍の固体、ガスの温度プロファイルを意図的に与えることが可能であるからである。
【００３４】
炭素質資源の単位投入量（例えば、ｋｇ／ｈ）あたりに投入する加熱ガスの顕熱（例えば、ｋｃａｌ／ｈ）と生成物収率の関係（プラスチック：ＰＥ例）を図４に示す。
加熱ガス顕熱は、図４の例においては、ＬＰＧを空気、酸素、蒸気により部分燃焼した高温の加熱ガスのガス量に、ガス比熱、ガス温度を乗したもので、図４内では加熱ガスの温度は一定（ガス吹き込み口５の時点で１１００℃）とした。また炭素質資源の供給量は１０ton／日を狙い操業した。
【００３５】
ここで、プラスチック（ポリエチレン）を使用したのは、炭素質資源のなかで、温度差が大きい領域では温度差増によりコーク＋重質タール生成の傾向が最も高くなること、温度差が小さい領域では温度差減によりタール生成の傾向が最も多くなること、熱分解反応が主に進む温度領域が高く、必要熱量が多いと想定されること、水分が少ないこと等から、熱量を変動させたときの応答が他の炭素質資源より大きいため、プラスチックで効果が得られる熱量範囲に他の炭素質資源の熱量範囲が含まれると推定されるためである。
【００３６】
図４において、ガス収率は１２００Mcal／ton（このとき、加熱ガス量１０５０Ｎｍ３／ｈ、加熱ガス比熱０．４２ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１１００℃、炭素質資源投入量（処理量）４０５ｋｇ／ｈ）のときに最も大きくなり、タール収率は１１００Mcal／ton（このとき、加熱ガス量１０３０Ｎｍ３／ｈ、加熱ガス比熱０．４１ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１１００℃、処理量４２２ｋｇ／ｈ）〜１３００Mcal／ton（このとき、加熱ガス量１０９０Ｎｍ３／ｈ、加熱ガス比熱０．４３ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１１００℃、処理量３９５ｋｇ／ｈ）のときに最も小さくなった。
【００３７】
乾燥、熱分解に必要な熱量は一定だが、炭素質資源の最終到達温度、熱分解反応が主に進行する５００℃付近での炭素質資源の温度と加熱ガスの温度との差、等の要因が重なることで、タール低減に好適な上記熱量範囲が存在する。
したがって、炭素質資源の単位投入量（例えば、ｋｇ／ｈ）あたりに投入する加熱ガスの顕熱の指標、すなわち、投入する炭素質資源の量に対する投入する加熱ガスの顕熱の比は、炭素質資源の温度と加熱ガスの温度との差の良好な範囲もある程度含む形の指標となると考えられる。
【００３８】
８００Mcal／ton未満の熱量の場合、投入熱量が低いことで炭素質資源が最終的に到達する温度（最終的に生成する炭化物の温度）が低くなり、熱分解度合い（いわゆる乾留率）が低下することでタールが生成しやすくかつ未反応物が増加するので好ましくない。したがって、８００Mcal／tonの熱量が、本発明の効果を十分に発揮できる下限熱量と言える。
【００３９】
タール収率は、顕熱が増加するにしたがって減少時はじめ、１１００、１２００Ｍｃａｌ／tonを底として上昇に転じ、１５００Mcal／tonで８００Ｍｃａｌ／tonとほぼ同等となる。１５００Mcal／tonを越える顕熱を投入する場合、乾燥に必要な時間が著しく短縮され、１００℃からの昇温が速くなることで主熱分解時（５００℃近傍）の温度差が低下（２００度以下）し、逆にタール、コークス＋重質タールが増加する傾向になる。
【００４０】
また、図５に図１と熱量を変えた場合のデータを示す。図５は、処理量は９．９トン／日原料（複合廃棄物）で同じであるが、高単位熱量（１６００Mcal ／ton；このときガス量１４９０Ｎｍ３／ｈ、ガス比熱０．４３ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１１００℃、処理量４４０ｋｇ／ｈ）を供給した場合の温度プロファイルである。プラスチック単独より効果は小さいが、図５から判るように、熱量の大量投入により、図１の場合と比較して出側ガス温度も高く顕熱ロスが大きくなること、コーク＋重質タール中のススが増加すること等もあり、１５００Mcal／トン原料を越える熱量でのデメリットがわかる。
【００４１】
したがって、投入する熱量は８００Mcal／トン原料以上１５００Mcal／トン原料以下が望ましい。なお、プロセス的には放散熱の減少効果を期待して加圧コンパクト化することも考えられるが、基本的には温度プロファイルが高さ方向に縮まり、炭素質資源と加熱ガスの温度差は常圧時とほぼ同等になるため、効果は殆ど変わらないといえる。
【００４２】
ここで、上記投入熱量の違いによるシャフト炉での対向流熱分解時に特有の現象であるが、最も熱分解反応が進行する固体（炭素質）温度範囲である４００℃から５００℃の層の厚さ（高さ）が厚く（高く）なると固体層温度とガス温度の温度差が小さくなることがわかっている。例えば図1では固体側温度４００℃と５００℃の時の高さの差（厚さ）が１００ｍｍで、このときガスとの温度差は約３５０度であり、図５の高投入熱量の場合では高さの差（厚さ）が１５０ｍｍであり、このときガスとの温度差が約２００度となった。図４のタール量と合わせて考えた場合、改質効果の良好な温度差上限である４００度になるまでは、層厚さがより薄い（低い）方がよいといえる。
【００４３】
高温の加熱ガスの製造方法としては、熱分解炉（シャフト炉）の外部にてガスやオイル燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスを加熱ガスとする方法と、熱分解炉（シャフト炉）の下方に加熱手段を設置し、炉内部でガスやオイル燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスを加熱ガスとする方法がある。加熱手段としては、二重管等で酸化剤と共に熱分解炉内に投入するバーナーが考えられるが、炉内で高温ガスを発生可能な状況にできれば良く、例えば炭素質資源と酸素を別々にノズル、投入口等で熱分解炉内に投入する方法でもかまわない。
【００４４】
両方法は一長一短があり、前者は加熱ガスを純粋に顕熱として熱分解炉（シャフト炉）で使用可能だが、炉外で製造するため別途放散熱が生じ、後者は放散熱が低く熱的に有利だが、熱分解ガス・タールの一部も燃焼、部分燃焼する可能性があり、また炉内が高温になることで炭素質資源中の灰分がクリンカとなって炉内物流を阻害する可能性がある。
そのため、処理対象や処理量等の条件を考慮して、どちらの方法で加熱ガスを炉内に投入するかを適宜決定する。
【００４５】
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例で採用した条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一例であり、本発明は、この例に限定されるものではない。
【実施例】
【００４６】
図２の移動層シャフト型熱分解炉２を用いて、９．９トン／日で原料（複合廃棄物）を処理した。前述の図１は、その時の炉内温度プロファイルの一例である。原料とする炭素質資源としては、いわゆる家庭から排出された都市ゴミであり、各種廃棄物（プラ、紙、木、ガレキ、金属他の混合物）からなる複合廃棄物である。
【００４７】
炉のサイズは、直径０．８ｍ、高さは６ｍ（原料充填高さは約３ｍ）である。加熱ガスとして、ＬＰＧ２４Ｎｍ３／ｈ、空気２２０Ｎｍ３／ｈ、酸素４８Ｎｍ３／ｈ、蒸気２０５ｋｇ／ｈを外部（燃焼バーナ）で燃焼し、１１００℃の高温ガスを製造して炉に投入した。加熱ガスは、炉底から０．７５ｍ高さで対向２個所から水平方向に吹き込んだ。単位熱量は、平均して１３００Mcal／ton（例えば、ガス量１３４０Ｎｍ３／ｈ、ガス比熱０．４０ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１０８０℃、処理量４４４ｋｇ／ｈで、１３０３Ｍｃａｌ／tonとなる）を供給した。
【００４８】
このとき用いた温度測定装置の一例を図６に示す。図の（ａ）は、測定装置の熱分解炉２内での設置状況を示す炉壁近傍の横断面図（左側が炉内側、右側が炉壁側）であり、（ｂ）は、測定装置の熱電対近傍を炉内側斜め上方より見た鳥瞰図である。ガス温度を測定するために、ガス温度計１０（熱電対）を熱分解炉の炉壁１１より炭素質資源１内に差し込み、先端部を１０ｍｍ程度（先端部が測定部なので、５ｍｍ以上あれば特に制限はない）下向きに折り曲げて設置するとともにガス温度計１０上に傘１２を設け、該温度計の下側に空間１３を確保できるようにした。そして、空間１３の温度を測定することで加熱ガスの温度とした。
【００４９】
炭素質資源１の温度を測定するために、固体温度計１４（熱電対）を高さ方向に複数本設置した。各温度計は、先端を１０〜２０ｍｍ程度上に折り曲げて、炭素質資源１に確実に接触するようにし、測定された温度の中で最も温度の低い値を炭素質資源の温度とした。
【００５０】
前記の傘１２は物流の妨げにならないように、５０ｍｍ×１００ｍｍ×高さ２０ｍｍ程度の小型のものを使用し、パンチメタル（孔径５ｍｍ、６個／ｃｍ２）とすることで、炭素質資源１はほとんど孔を通らないが上昇するガスは孔を通過し、傘１２の下側にガスが滞留することがないようにした。この温度測定装置のサイズ、材質や設置位置は、ガス温度計１０の温度測定空間が保たれ、炭素質資源１の通気性、物流に影響が小さい形態であれば問題ない。
ガス温測定点と物温測定点の高さ方向の距離に関しては、６０ｍｍ以下程度に収まれば、温度測定においては、炉の高さ方向の同一断面と見なすことができる。
【００５１】
図１に示されるように、原料となる炭素質資源１は炉内で常温から最高８３０℃まで昇温され（０．７５ｍ地点）下部から３９０℃で排出された。ガスは熱を奪われ、原料から熱分解で生成したガス・タールと合流して４１０℃で炉上部より排出された（排出後、改質工程、ガス処理工程を通過する）。熱分解が活発になる５００℃前後の原料温度（１．１ｍ高さ付近）のガスとの温度差は３００℃であった。
また、このときタールは９ｇ／Ｎｍ３であり、この量は原料に対して１．５質量％にあたるものであった。
このように、複合廃棄物を平均して１３００Mcal／tonとなるような熱量を投入して処理することにより、生成するタールの量を低減することができた。この例の場合、図３を参照すると、複合廃棄物の原料成分はプラスチックよりは木に近いといえる。
【００５２】
次に、投入熱量（投入する炭素質資源の量に対する投入する加熱ガスの顕熱の比）を変化させた場合の生成物収率の変化に関し、前述の図４について具体的に示す。
図４において、投入熱量５００〜１９００Mcal／tonＰＥでの各生成物収率の値は下記の表１の通りである。
なお、本発明で使用する原料としては、多種の廃棄物、都市ゴミに代表される複合廃棄物を前提としているが、都市ゴミにも２〜３割含まれる主要成分であること、熱分解して生成するタールが最も多い原料であること（したがって分解の効果がわかりやすい）、純物質のため傾向が正確に得られること等から、前述のように図４ではポリエチレン（ＰＥ）を使用している。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１及び図４に示されるように、８００Ｍｃａｌ／tonを境として、それ以下で未反応が発生し、またタール収率も急激に（４割以上）増加する。１３００Ｍｃａｌ／ton以上でタール収率が増加に転ずるが、ガス収率はまだ充分に高く、１５００Ｍｃａｌ／tonで８００Ｍｃａｌ／tonのガス収率、タール収率と同等となり、それ以上になると、タールやコーク＋重質タールの増加効果により、ガス収率が８００Ｍｃａｌ／ton相当の収率を大幅に下回るようになる。ガス収率が増えず、タール収率が減らないにもかかわらずガス顕熱を増加させることは、熱を無駄に供給しているということであり、このため１５００Ｍｃａｌ／ton以下が望ましいといえる。
【００５５】
以上の結果より、８００〜１５００Mcal／tonの熱量を与えることで、未反応を出さず、タールを低減し、ガスを多く得ることができるという本発明の効果が確認され、本発明により、従来技術の課題点を解決し、シャフト型熱分解装置の特長を活かしてタール低減を達成することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】移動層シャフト型熱分解装置での熱分解用高温ガスと炭素質資源の温度関連図（プロファイル）である。
【図２】移動層シャフト型熱分解装置での熱分解概要図である。
【図３】固体温度と高温ガス温度の違いによる生成物収率の変化を示す図であり、（ａ）は木（ウメ）の場合、（ｂ）はプラスチック（ポリエチレン）の場合を示す。
【図４】加熱ガスの単位炭素質資源あたりに投入する熱量（顕熱）とガス、タール収率の関係を示す図である。
【図５】高単位熱量（１６００Mcal／トン原料）を供給した場合の温度プロファイルである。
【図６】移動層シャフト型熱分解装置内の温度を測定する測定装置の一例を示す図であり、（ａ）は測定装置の炉内設置状態を示す横断面図、（ｂ）は測定装置の鳥瞰図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 炭素質資源
２ 熱分解炉（シャフト炉）
３ 移動層
４ 加熱ガス
５ 熱分解ガス・タール
６ 炭化物
７ ガス吹き込み口
８ ガス排出口
９ 生成ガス
１０ ガス温度計
１１ 炉壁
１２ 傘
１３ 空間
１４ 固体温度計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種炭素質資源を効率よく原燃料ガスに転換するための、炭素質資源の熱分解方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、３Ｒ（reduce：削減、reuse：再使用、recycle：再利用）の考え方が、政策の後押しもあり、共通概念として認知され初めている。使用後または故障・破壊後の製品や製品製造時の副生品等のいわゆる廃棄物は、焼却あるいは埋め立てが主な処理方法であり、最終処分場の逼迫する現実と相まって、それらを有効に利用することは、地球温暖化問題への対応の一つの解答となるであろう。
しかしながら、廃棄物は種々雑多な性状を有しており、エネルギー密度の低いものが多く含まれることや、処理後のガス精製負担が大きいこと等の理由で、その処理には作業と設備に手間とコストが掛かり、特に小規模で経済的に自立可能なプロセスは少ない。
【０００３】
廃棄物の多くは炭素を含んでおり、発熱量は一般的には低いものの、石炭、石油、天然ガス等と変わりないエネルギー資源と見ることができる。そのような廃棄物をエネルギー資源として利用する廃棄物の処理の代表的な例としては、一般廃棄物ゴミ（家庭ゴミ）を対象とし、ゴミ焼却に蒸気発電を組み合わせて電力として回収するゴミ焼却発電方式がある。
【０００４】
従来のゴミ焼却発電方式は１０〜１５％の送電端効率であるが、近年では、ボイラ材質の改良や原料調整（ＲＤＦ化）、外部燃料使用による効率向上（スーパーゴミ発電）等により、３０％近い送電端効率で発電している焼却炉が実機運用され始めた。
ただし、これら高効率型の処理設備は、廃棄物の事前処理やボイラ材質の向上、外部燃料の導入が必要であり、このため設備コストや運用コストが高いことや適用に制限がある（対象廃棄物の限定等）等の問題があり、試験的な運用であったり、トラブルのために採用が減少したりしており、従来型のゴミ燃焼発電方式が依然として主流である。
【０００５】
また、最終処分場の逼迫やダイオキシン規制により自治体での実機採用が増加しつつある処理方法として、灰分の減容・無害化処理やダイオキシン低減を狙い、高温でガス化溶融して灰分を溶融・スラグ化し、発電まで持って行くいわゆる廃棄物ガス化溶融技術がある。
【０００６】
この技術は種類が多く、大きく分けると、ｉ）直接溶融型（主として、シャフト炉等を使い、熱分解、ガス化、燃焼・溶融を前段の反応器で行い、後段では燃焼してボイラ、蒸気タービンでエネルギー回収を行うもの）、ii）熱分解＋燃焼・溶融型（キルン等で低温熱分解して生成したガス、タール、チャーを充分な空気で高温燃焼し、ボイラ、蒸気タービンでエネルギー回収を行うもの）、iii)熱分解＋ガス化型（流動床、シャフト炉等で低温熱分解して生成したガス、チャーを高温ガス化し、可燃性ガスを発生させ、除塵、ガス精製工程を経てクリーンアップした後、ガスタービンやガスエンジンによる発電用または化学原料用としてガスを利用するもの）に分けられる。
【０００７】
ｉ）及びii）の燃焼−蒸気発電方式では、廃棄物中に含まれる塩素等によるボイラーチューブ腐食のために、チューブ側(蒸気)温度を酸腐食温度以下とする必要があり、回収する蒸気条件に制約があることから、発電効率を現状よりも上げることは難しい。
【０００８】
これに対し、iii)の熱分解＋ガス化型は、廃棄物を含む炭素質原料を高効率にエネルギー転換できることが期待される。
しかし、現在のところこの熱分解＋ガス化型に属する技術で実機稼働しているものは少なく、実機化されているものとしては、低温熱分解技術として外熱式のロータリーキルンを用い、生成した熱分解ガスおよびタールを空気で高温改質し、１０００kcal／Ｎｍ3程度の低カロリーガスを得てこれをガスエンジンで発電するプロセスや、低温熱分解技術として、廃棄物を圧密し、プッシャー方式の外熱式熱分解炉で生成した熱分解ガス、タールおよび熱分解残渣を酸素でガス化および改質し、２０００kcal／Ｎｍ3程度の中カロリーガスを得て、これをガスエンジン等の燃料ガスとして使用するプロセスがある。
【０００９】
これらの技術は、発電を対象とした場合、送電端効率は７〜１２％であり、熱効率は高くない。現状のiii)の範疇の実機においては、技術が成熟したｉ）の場合より転換効率は低いが、同様なガス化を利用したエネルギー転換技術である石炭利用の世界では、石炭火力発電所において、燃焼・蒸気ボイラ利用型送電端効率（２００ＭＷ〜）：２８〜３１％に対し、ガス化−ガスタービン−蒸気タービン（ＩＧＣＣ）型：４６〜４８％という効率差が得られていることから、潜在的な効率向上の余地は大きいといえる。
【００１０】
この範囲に属する技術の特許としては、本発明者らが特許文献１において、熱分解、ガス化、改質を組み合わせ、従来技術より高効率に廃棄物をガス化する方式を、また、特許文献２において、さらに熱分解炉内の安定物流を達成する方式を提案している。
【００１１】
また、それより以前の特許としては、特許文献３において、内部循環式流動層炉と高温ガス化炉を組み合わせ、廃棄物をガス化して原燃料ガスを製造する方法及び装置が、特許文献４において廃棄物を熱分解し、熱分解チャーの部分酸化ガスで熱分解タールを改質して可燃ガスを製造する方法及び装置が提案されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−４１８４８号公報
【特許文献２】特開２００４−７５８５２号公報
【特許文献３】特開平１０−３１０７８３号公報
【特許文献４】特開平１１−２９４７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１、２、４では、最終製品として可燃ガスを製造し、ガスエンジン、ガスタービンでの燃料としての使用が主目的の一つとなっている（もちろん効率は低くなるが燃焼ボイラーでの蒸気製造も用途の一つである）。この際、タールは、燃焼性の異なるガスと液(タール)が同時に燃焼することによる燃焼不安定化（主にガスエンジン）や、圧縮時のタール析出や燃焼時のカーボン蓄積による設備ダメージ（ガスタービン）等を引き起こすので、タール量を低減するために、プロセス内に改質部を保有して、タールの水蒸気改質反応を促進させている。
また、特許文献３では、同様の効果を高温反応(熱分解)により起こしている。
【００１４】
その結果として、前者では、プロセスの増加（改質工程）及び改質温度（通常１０００−１２００℃）保持に伴う酸素の使用量や放散熱が増加し、後者では高温（１２００−１４００℃）による放散熱が増加するので、せっかく高効率にしてもその効果を低下させている。
本発明は、これら従来技術の課題点を解決し、シャフト型熱分解炉の特長を活かしてタールを低減し、発生する可燃ガスを増加することが可能な炭素質資源の熱分解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】
【００１５】
本発明は、以上の課題を解決するに有効な方法であり、
（１）炉上部から投入されて炉内を下降する炭素質資源を、炉の下方から投入されて炉内を上昇する加熱ガスにより熱分解した後、発生する固体の炭化物を炉下部から排出すると共に、発生するガス及びタールを炉の上方から排出する移動層シャフト型熱分解炉を用いた炭素質原料の熱分解方法であって、前記投入する炭素質資源の量に対する前記投入する加熱ガスの顕熱の比を８００Mcal／ton以上、１５００Mcal／ton以下とすることを特徴とする炭素質原料の熱分解方法、
（２）前記移動層シャフト型熱分解炉における前記熱分解が生じている高さ方向断面において、前記加熱ガス温度が、前記炭素質資源の温度より１００℃以上、４００℃以下の範囲内で高いことを特徴とする（１）記載の炭素質原料の熱分解方法、
（３）前記投入する加熱ガスが、前記移動層シャフト型熱分解炉の外部にて燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭素質原料の熱分解方法、
（４）前記投入する加熱ガスが、前記移動層シャフト型熱分解炉の下方に加熱手段を設置し、前記炉内において、前記加熱手段により燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭素質原料の熱分解方法、
からなる。
【００１６】
なお、本発明における炭素質資源とは、バイオマスやプラスチック、一般廃棄物ゴミ等を指し、具体的には、農業系バイオマス（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系バイオマス（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系バイオマス（家畜廃棄物）、水産系バイオマス（水産加工残滓）、廃棄物系バイオマス（生ゴミ、ＲＤＦ：ゴミ固形化燃料、庭木、建設廃材、下水汚泥）、硬質プラスチック、軟質プラスチック、シュレッダーダスト等を指す。一般廃棄物ゴミとは産廃指定１９種類以外のゴミのことで、自治体単位で収集する家庭系ゴミや事業者から出る紙類を多く含む事業系ゴミである。
【００１７】
ただし、本発明は炭素質のエネルギー転換に関するものであるため、炭素質をほとんど含まないもの、すなわち分別された金属、ガラス類等は対象とはしない。炭素質資源としては、熱分解してガス、タールを発生させるという本発明の形態から考えて、地球温暖化対策上は好ましいとはいえないが、石炭やオイルシェール、オイルサンド等の化石燃料を使用してもかまわない。
【００１８】
また、本発明でいう「改質」とは、主に熱分解タールの水蒸気改質（タールを水蒸気で一酸化炭素、水素に転換）反応を指す。本発明では、熱分解ガスと熱分解タールは分離していないため、一部熱分解ガスの水蒸気改質反応も含んでいる。改質反応後に存在しているガスを改質ガスと呼ぶ。
【発明の効果】
【００１９】
本発明を適用することで、炭素質資源の熱分解の際、移動層シャフト型熱分解炉の特長を活かしてタールを低減し、発生する可燃ガスを増加することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図２に、移動層シャフト型熱分解炉を用いた炭素質原料の熱分解方法の概要図を示す。
原料となる炭素質資源（炭素質原料）１は熱分解炉（シャフト炉）２の炉上部（図では炉頂）より投入され、炉内の移動層３に積み上がる。炭素質資源１は徐々に下降しながら、炉の下方から投入されて炉内を上昇する高温の加熱ガス４により昇温され、乾燥、熱分解して熱分解ガス・タール５を生成して炭化物６となり、熱分解炉(シャフト炉)２の炉下部（図では炉底）から排出される。高温の加熱ガス４は、炉の下方に設けられたガス吹き込み口７から投入され、熱分解炉(シャフト炉)２を上昇しながら炭素質資源１に熱を与え、それによって自身は温度が下がり、熱分解炉（シャフト炉）２の上方のガス排出口８より排出される。
【００２１】
ガス排出口８より排出される生成ガス９は、加熱ガス４、熱分解により発生したガス及び炭素質資源１が乾燥して発生した水分の混合ガス、並びに、熱分解により発生したガス化した状態のタールで構成される。このとき、熱分解炉（シャフト炉）２内では炭素質資源１と加熱ガス４の熱交換が、対向方向で直接行われる。
【００２２】
熱分解炉（シャフト炉）２での加熱ガス４と炭素質資源１の炉内高さごとの温度プロファイルの一例を図１に示す。横軸は加熱ガス４と炭素質資源１のそれぞれの炉底部からの高さでの温度を示し、縦軸は炉底部からの炭素質資源1の積みあげ高さを示す。なお、図１は、後述する実施例の条件で熱分解した場合のものである。
【００２３】
この例では炭素質資源１は約３ｍ積み上がっている。炭素質資源1は熱分解炉（シャフト炉）２の炉上部より常温で投入され、降下しつつ乾燥（１００℃一定の部分）、熱分解（２５０℃付近から始まり、５００℃付近で最大になる）を経て最高温度（この例の場合８３０℃で、高温ガス吹込位置付近）に達した後、徐冷される。
一方、加熱ガス４は炉の下方に設けられたガス吹き込み口７より吹き込まれ（このとき最高温、この例の場合１１２０℃）、熱分解炉（シャフト炉）２内を降温しながら上昇して最終温度４００℃になっている。
【００２４】
十分にゆっくりと熱交換が行われる場合には、炭素質資源１の固体温度とその周囲の加熱ガス４の温度は同一高さではほぼ均しくなるが、加熱ガス４の流速が速く、伝熱が律速になる条件の場合には、炭素質資源１の温度と加熱ガス４の温度の間に差が生じ（ガス温度の方が高く、図１に「温度差」と表記している。）、熱分解して生成した熱分解ガス・タール５は、気相に出てすぐ固体温度より高い加熱ガス４に曝されることになり、特にタールが、ガスやコークまたは重質タールに転換する反応が生じる。
【００２５】
タールは加熱されると、(ｉ)分解して軽くなりガスになる反応（熱分解）や化学反応（タールの水蒸気改質）により分子量が軽くなる方向と、(ii)脱水素、縮合等により重くなる方向が同時に生じる。(ii)で重くなった生成物のうち、常温で液状のものを重質タール、常温で固体のものをコークとした。
このようなタールがガスや重質タールなどに同時に転換する反応は、タールの高温のガスが充填物（移動層）の隙間を熱交換しながら短時間で通過するシャフト型熱分解炉での反応系で特徴的な現象であり、本発明者らがはじめて見いだしたものである。
【００２６】
そして、可燃ガスの生成を増加し、タールを低減できる条件についてさらに検討した結果、前記のようなタールの反応の方向は、炭素質資源が熱分解した時の加熱ガスの温度によって大きく影響を受けることを見いだした。
以下、熱分解時の炭素質資源と加熱ガスの温度の違いによる生成物収率の変化について説明する。
【００２７】
図３（ａ）、（ｂ）に、炭素質資源と加熱ガスの温度の違いによる生成物収率の変化を示す。図３（ａ）は木（ウメ）、図３（ｂ）はプラスチック（ポリエチレン）での結果である。
図の横軸は加熱ガスの温度を示し、縦軸は質量ベースの生成物収率を示す。炭素質資源の温度（固体側）は熱分解が十分に進行する５００℃に設定し、共通とした。
図において、例えば、横軸５００℃の場合は、５００℃で炭素質資源が熱分解して生成した生成物が５００℃の加熱ガスに接触した結果（すなわち熱分解したそのままの収率）を示し、横軸９００℃の場合は、５００℃で熱分解して生成した生成物が９００℃のガスに接触した結果（温度差は４００度）を示す。
【００２８】
原料対象は、後述の実施例で示した複合廃棄物の場合、成分の違いによる影響がわかりにくくなるため、代表的な廃棄物である木（ウメ）、プラスチック（ポリエチレン）を選択している。
木を代表とする生物由来で分子骨格に酸素を含有する原料は、分解時にはガスやタール（なお、ここで言うタールは、水以外の常温で液状の物質を指す。）として１〜数個の環状炭素骨格が多く生成し、これが気相中の水蒸気等と反応して主にガスへと分解する。温度差が大きくなるとススを中心とした重質分が増加する。
一方、プラスチックを代表とする高分子化合物は、分解時には脂肪族炭素骨格１個（Ｃ１）から３０個（Ｃ３０）程度までの分布をもった生成物と、環状化した生成物が生じるため、タールを中心としており、それが気相中でガス化する。ただし温度差が大きい場合には、分解・スス化が進展しやすく（水分が少ない）、コーク・重質タール等中心となる。
紙くず・書類、建廃材、農業系・林業系バイオマスは木と同等の反応性、畜産系・水産系バイオマスや食品残渣等は含酸素分が木より少なく若干コーク・重質タールが生成しやすい。
【００２９】
都市ゴミ等の炭素質資源は多種にわたるが、酸素を基本骨格内に多く持ち、水分が多く低発熱量で熱分解反応が低温で起こる木材（ウメの生木を使用）と、炭素主体の均一な構造で、水分が少なく高発熱量のプラスチック（中でも最も高温側で熱分解するポリエチレンを使用）の両極端を代表例として検討することで、炭素質資源の複合廃棄物のほぼ全部の効果が推定可能である。
【００３０】
図３（ａ）に示した木（ウメ）の場合、５００℃の場合（基本収率）に比べ、１００℃の差（ガス温度６００℃）でタールの２割程度がほぼガスに移行した（若干のコーク＋重質タールも生成）。３００℃の差（ガス温度８００℃）のとき最もガスが多くなった。４００℃の差（ガス温度９００℃）でタールがほぼ無くなり、コーク＋重質タールの生成が増加した。５００℃差（ガス温度１０００℃）になると発生タール大多数がコーク＋重質タールに転換した。このときのコーク＋重質タールはほぼススであり、後段でのガス利用（燃焼）を考えると好ましくない。タールをガスに転換するには高温がよいが、高温すぎると固形物が増加し、本来のガス利用目的にそぐわなくなる。したがって、１００℃から４００℃の温度差が、タールの低減効果があり、ガスの収率の向上も図れる範囲であり、さらに望ましい温度差は、ガス収率が特に多くなる２００℃から４００℃の差である。
【００３１】
図３（ｂ）に示したプラスチック（ポリエチレン）の場合、１００℃差からタール低減の効果が大きく現れ、２００℃差でガス収率最大になる。２００℃からはタールの収率自体に大きな変化がなくなり、４００℃差（９００℃）を超えると、コーク＋重質タールの急増に伴い、ガス収率が元の（５００℃での）収率以下になってしまうため、ガス利用上好ましくない。したがって、１００℃から４００℃差でタール低減効果があり、ガスの収率の向上も図れる範囲であり、望ましくは１００℃から３００℃の差であるといえる。
【００３２】
以上のように、１００℃から４００℃の温度差が、タールの低減効果があり、ガスの収率の向上も図れる範囲であることが知見されたので、次に、移動層シャフト型熱分解炉において、図３のような固体（炭素質資源）と加熱ガスの温度差を生じさせ、制御する操業条件について検討した。
【００３３】
その結果、操業条件としては、単位炭素質資源量に対する加熱ガスの熱量を制御するのが適当であることがわかった。
このようにするのは、一定量の炭素質資源量あたりに必要な乾燥熱量、熱分解反応熱量は決まっているが、対向流熱分解であること、乾燥時には固体側温度が一定であること等から、移動層シャフト型炉特有の固体、ガス温度分布を生じるため、炭素質資源の熱分解反応が主に進行する５００℃近傍の固体、ガスの温度プロファイルを意図的に与えることが可能であるからである。
【００３４】
炭素質資源の単位投入量（例えば、ｋｇ／ｈ）あたりに投入する加熱ガスの顕熱（例えば、ｋｃａｌ／ｈ）と生成物収率の関係（プラスチック：ＰＥ例）を図４に示す。
加熱ガス顕熱は、図４の例においては、ＬＰＧを空気、酸素、蒸気により部分燃焼した高温の加熱ガスのガス量に、ガス比熱、ガス温度を乗したもので、図４内では加熱ガスの温度は一定（ガス吹き込み口５の時点で１１００℃）とした。また炭素質資源の供給量は１０ton／日を狙い操業した。
【００３５】
ここで、プラスチック（ポリエチレン）を使用したのは、炭素質資源のなかで、温度差が大きい領域では温度差増によりコーク＋重質タール生成の傾向が最も高くなること、温度差が小さい領域では温度差減によりタール生成の傾向が最も多くなること、熱分解反応が主に進む温度領域が高く、必要熱量が多いと想定されること、水分が少ないこと等から、熱量を変動させたときの応答が他の炭素質資源より大きいため、プラスチックで効果が得られる熱量範囲に他の炭素質資源の熱量範囲が含まれると推定されるためである。
【００３６】
図４において、ガス収率は１２００Mcal／ton（このとき、加熱ガス量１０５０Ｎｍ３／ｈ、加熱ガス比熱０．４２ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１１００℃、炭素質資源投入量（処理量）４０５ｋｇ／ｈ）のときに最も大きくなり、タール収率は１１００Mcal／ton（このとき、加熱ガス量１０３０Ｎｍ３／ｈ、加熱ガス比熱０．４１ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１１００℃、処理量４２２ｋｇ／ｈ）〜１３００Mcal／ton（このとき、加熱ガス量１０９０Ｎｍ３／ｈ、加熱ガス比熱０．４３ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１１００℃、処理量３９５ｋｇ／ｈ）のときに最も小さくなった。
【００３７】
乾燥、熱分解に必要な熱量は一定だが、炭素質資源の最終到達温度、熱分解反応が主に進行する５００℃付近での炭素質資源の温度と加熱ガスの温度との差、等の要因が重なることで、タール低減に好適な上記熱量範囲が存在する。
したがって、炭素質資源の単位投入量（例えば、ｋｇ／ｈ）あたりに投入する加熱ガスの顕熱の指標、すなわち、投入する炭素質資源の量に対する投入する加熱ガスの顕熱の比は、炭素質資源の温度と加熱ガスの温度との差の良好な範囲もある程度含む形の指標となると考えられる。
【００３８】
８００Mcal／ton未満の熱量の場合、投入熱量が低いことで炭素質資源が最終的に到達する温度（最終的に生成する炭化物の温度）が低くなり、熱分解度合い（いわゆる乾留率）が低下することでタールが生成しやすくかつ未反応物が増加するので好ましくない。したがって、８００Mcal／tonの熱量が、本発明の効果を十分に発揮できる下限熱量と言える。
【００３９】
タール収率は、顕熱が増加するにしたがって減少時はじめ、１１００、１２００Ｍｃａｌ／tonを底として上昇に転じ、１５００Mcal／tonで８００Ｍｃａｌ／tonとほぼ同等となる。１５００Mcal／tonを越える顕熱を投入する場合、乾燥に必要な時間が著しく短縮され、１００℃からの昇温が速くなることで主熱分解時（５００℃近傍）の温度差が低下（２００度以下）し、逆にタール、コークス＋重質タールが増加する傾向になる。
【００４０】
また、図５に図１と熱量を変えた場合のデータを示す。図５は、処理量は９．９トン／日原料（複合廃棄物）で同じであるが、高単位熱量（１６００Mcal ／ton；このときガス量１４９０Ｎｍ３／ｈ、ガス比熱０．４３ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１１００℃、処理量４４０ｋｇ／ｈ）を供給した場合の温度プロファイルである。プラスチック単独より効果は小さいが、図５から判るように、熱量の大量投入により、図１の場合と比較して出側ガス温度も高く顕熱ロスが大きくなること、コーク＋重質タール中のススが増加すること等もあり、１５００Mcal／トン原料を越える熱量でのデメリットがわかる。
【００４１】
したがって、投入する熱量は８００Mcal／トン原料以上１５００Mcal／トン原料以下が望ましい。なお、プロセス的には放散熱の減少効果を期待して加圧コンパクト化することも考えられるが、基本的には温度プロファイルが高さ方向に縮まり、炭素質資源と加熱ガスの温度差は常圧時とほぼ同等になるため、効果は殆ど変わらないといえる。
【００４２】
ここで、上記投入熱量の違いによるシャフト炉での対向流熱分解時に特有の現象であるが、最も熱分解反応が進行する固体（炭素質）温度範囲である４００℃から５００℃の層の厚さ（高さ）が厚く（高く）なると固体層温度とガス温度の温度差が小さくなることがわかっている。例えば図1では固体側温度４００℃と５００℃の時の高さの差（厚さ）が１００ｍｍで、このときガスとの温度差は約３５０度であり、図５の高投入熱量の場合では高さの差（厚さ）が１５０ｍｍであり、このときガスとの温度差が約２００度となった。図４のタール量と合わせて考えた場合、改質効果の良好な温度差上限である４００度になるまでは、層厚さがより薄い（低い）方がよいといえる。
【００４３】
高温の加熱ガスの製造方法としては、熱分解炉（シャフト炉）の外部にてガスやオイル燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスを加熱ガスとする方法と、熱分解炉（シャフト炉）の下方に加熱手段を設置し、炉内部でガスやオイル燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスを加熱ガスとする方法がある。加熱手段としては、二重管等で酸化剤と共に熱分解炉内に投入するバーナーが考えられるが、炉内で高温ガスを発生可能な状況にできれば良く、例えば炭素質資源と酸素を別々にノズル、投入口等で熱分解炉内に投入する方法でもかまわない。
【００４４】
両方法は一長一短があり、前者は加熱ガスを純粋に顕熱として熱分解炉（シャフト炉）で使用可能だが、炉外で製造するため別途放散熱が生じ、後者は放散熱が低く熱的に有利だが、熱分解ガス・タールの一部も燃焼、部分燃焼する可能性があり、また炉内が高温になることで炭素質資源中の灰分がクリンカとなって炉内物流を阻害する可能性がある。
そのため、処理対象や処理量等の条件を考慮して、どちらの方法で加熱ガスを炉内に投入するかを適宜決定する。
【００４５】
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例で採用した条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一例であり、本発明は、この例に限定されるものではない。
【実施例】
【００４６】
図２の移動層シャフト型熱分解炉２を用いて、９．９トン／日で原料（複合廃棄物）を処理した。前述の図１は、その時の炉内温度プロファイルの一例である。原料とする炭素質資源としては、いわゆる家庭から排出された都市ゴミであり、各種廃棄物（プラ、紙、木、ガレキ、金属他の混合物）からなる複合廃棄物である。
【００４７】
炉のサイズは、直径０．８ｍ、高さは６ｍ（原料充填高さは約３ｍ）である。加熱ガスとして、ＬＰＧ２４Ｎｍ３／ｈ、空気２２０Ｎｍ３／ｈ、酸素４８Ｎｍ３／ｈ、蒸気２０５ｋｇ／ｈを外部（燃焼バーナ）で燃焼し、１１００℃の高温ガスを製造して炉に投入した。加熱ガスは、炉底から０．７５ｍ高さで対向２個所から水平方向に吹き込んだ。単位熱量は、平均して１３００Mcal／ton（例えば、ガス量１３４０Ｎｍ３／ｈ、ガス比熱０．４０ｋｃａｌ／Ｎｍ３／℃、加熱ガス温度１０８０℃、処理量４４４ｋｇ／ｈで、１３０３Ｍｃａｌ／tonとなる）を供給した。
【００４８】
このとき用いた温度測定装置の一例を図６に示す。図の（ａ）は、測定装置の熱分解炉２内での設置状況を示す炉壁近傍の横断面図（左側が炉内側、右側が炉壁側）であり、（ｂ）は、測定装置の熱電対近傍を炉内側斜め上方より見た鳥瞰図である。ガス温度を測定するために、ガス温度計１０（熱電対）を熱分解炉の炉壁１１より炭素質資源１内に差し込み、先端部を１０ｍｍ程度（先端部が測定部なので、５ｍｍ以上あれば特に制限はない）下向きに折り曲げて設置するとともにガス温度計１０上に傘１２を設け、該温度計の下側に空間１３を確保できるようにした。そして、空間１３の温度を測定することで加熱ガスの温度とした。
【００４９】
炭素質資源１の温度を測定するために、固体温度計１４（熱電対）を高さ方向に複数本設置した。各温度計は、先端を１０〜２０ｍｍ程度上に折り曲げて、炭素質資源１に確実に接触するようにし、測定された温度の中で最も温度の低い値を炭素質資源の温度とした。
【００５０】
前記の傘１２は物流の妨げにならないように、５０ｍｍ×１００ｍｍ×高さ２０ｍｍ程度の小型のものを使用し、パンチメタル（孔径５ｍｍ、６個／ｃｍ２）とすることで、炭素質資源１はほとんど孔を通らないが上昇するガスは孔を通過し、傘１２の下側にガスが滞留することがないようにした。この温度測定装置のサイズ、材質や設置位置は、ガス温度計１０の温度測定空間が保たれ、炭素質資源１の通気性、物流に影響が小さい形態であれば問題ない。
ガス温測定点と物温測定点の高さ方向の距離に関しては、６０ｍｍ以下程度に収まれば、温度測定においては、炉の高さ方向の同一断面と見なすことができる。
【００５１】
図１に示されるように、原料となる炭素質資源１は炉内で常温から最高８３０℃まで昇温され（０．７５ｍ地点）下部から３９０℃で排出された。ガスは熱を奪われ、原料から熱分解で生成したガス・タールと合流して４１０℃で炉上部より排出された（排出後、改質工程、ガス処理工程を通過する）。熱分解が活発になる５００℃前後の原料温度（１．１ｍ高さ付近）のガスとの温度差は３００℃であった。
また、このときタールは９ｇ／Ｎｍ３であり、この量は原料に対して１．５質量％にあたるものであった。
このように、複合廃棄物を平均して１３００Mcal／tonとなるような熱量を投入して処理することにより、生成するタールの量を低減することができた。この例の場合、図３を参照すると、複合廃棄物の原料成分はプラスチックよりは木に近いといえる。
【００５２】
次に、投入熱量（投入する炭素質資源の量に対する投入する加熱ガスの顕熱の比）を変化させた場合の生成物収率の変化に関し、前述の図４について具体的に示す。
図４において、投入熱量５００〜１９００Mcal／tonＰＥでの各生成物収率の値は下記の表１の通りである。
なお、本発明で使用する原料としては、多種の廃棄物、都市ゴミに代表される複合廃棄物を前提としているが、都市ゴミにも２〜３割含まれる主要成分であること、熱分解して生成するタールが最も多い原料であること（したがって分解の効果がわかりやすい）、純物質のため傾向が正確に得られること等から、前述のように図４ではポリエチレン（ＰＥ）を使用している。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１及び図４に示されるように、８００Ｍｃａｌ／tonを境として、それ以下で未反応が発生し、またタール収率も急激に（４割以上）増加する。１３００Ｍｃａｌ／ton以上でタール収率が増加に転ずるが、ガス収率はまだ充分に高く、１５００Ｍｃａｌ／tonで８００Ｍｃａｌ／tonのガス収率、タール収率と同等となり、それ以上になると、タールやコーク＋重質タールの増加効果により、ガス収率が８００Ｍｃａｌ／ton相当の収率を大幅に下回るようになる。ガス収率が増えず、タール収率が減らないにもかかわらずガス顕熱を増加させることは、熱を無駄に供給しているということであり、このため１５００Ｍｃａｌ／ton以下が望ましいといえる。
【００５５】
以上の結果より、８００〜１５００Mcal／tonの熱量を与えることで、未反応を出さず、タールを低減し、ガスを多く得ることができるという本発明の効果が確認され、本発明により、従来技術の課題点を解決し、シャフト型熱分解装置の特長を活かしてタール低減を達成することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】移動層シャフト型熱分解装置での熱分解用高温ガスと炭素質資源の温度関連図（プロファイル）である。
【図２】移動層シャフト型熱分解装置での熱分解概要図である。
【図３】固体温度と高温ガス温度の違いによる生成物収率の変化を示す図であり、（ａ）は木（ウメ）の場合、（ｂ）はプラスチック（ポリエチレン）の場合を示す。
【図４】加熱ガスの単位炭素質資源あたりに投入する熱量（顕熱）とガス、タール収率の関係を示す図である。
【図５】高単位熱量（１６００Mcal／トン原料）を供給した場合の温度プロファイルである。
【図６】移動層シャフト型熱分解装置内の温度を測定する測定装置の一例を示す図であり、（ａ）は測定装置の炉内設置状態を示す横断面図、（ｂ）は測定装置の鳥瞰図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 炭素質資源
２ 熱分解炉（シャフト炉）
３ 移動層
４ 加熱ガス
５ 熱分解ガス・タール
６ 炭化物
７ ガス吹き込み口
８ ガス排出口
９ 生成ガス
１０ ガス温度計
１１ 炉壁
１２ 傘
１３ 空間
１４ 固体温度計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉上部から投入されて炉内を下降する炭素質資源を、炉の下方から投入されて炉内を上昇する加熱ガスにより熱分解した後、発生する固体の炭化物を炉下部から排出すると共に、発生するガス及びタールを炉の上方から排出する移動層シャフト型熱分解炉を用いた炭素質原料の熱分解方法であって、前記投入する炭素質資源の量に対する前記投入する加熱ガスの顕熱の比を８００Mcal／ton以上、１５００Mcal／ton以下とすることを特徴とする炭素質原料の熱分解方法。
【請求項２】
前記移動層シャフト型熱分解炉における前記熱分解が生じている高さ方向断面において、前記加熱ガス温度が、前記炭素質資源の温度より１００℃以上、４００℃以下の範囲内で高いことを特徴とする請求項１記載の炭素質原料の熱分解方法。
【請求項３】
前記投入する加熱ガスが、前記移動層シャフト型熱分解炉の外部にて燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスであることを特徴とする請求項1又は２に記載の炭素質原料の熱分解方法。
【請求項４】
前記投入する加熱ガスが、前記移動層シャフト型熱分解炉の下方に加熱手段を設置し、前記炉内において、前記加熱手段により燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスであることを特徴とする請求項1又は２に記載の炭素質原料の熱分解方法。
【請求項１】
炉上部から投入されて炉内を下降する炭素質資源を、炉の下方から投入されて炉内を上昇する加熱ガスにより熱分解した後、発生する固体の炭化物を炉下部から排出すると共に、発生するガス及びタールを炉の上方から排出する移動層シャフト型熱分解炉を用いた炭素質原料の熱分解方法であって、前記投入する炭素質資源の量に対する前記投入する加熱ガスの顕熱の比を８００Mcal／ton以上、１５００Mcal／ton以下とすることを特徴とする炭素質原料の熱分解方法。
【請求項２】
前記移動層シャフト型熱分解炉における前記熱分解が生じている高さ方向断面において、前記加熱ガス温度が、前記炭素質資源の温度より１００℃以上、４００℃以下の範囲内で高いことを特徴とする請求項１記載の炭素質原料の熱分解方法。
【請求項３】
前記投入する加熱ガスが、前記移動層シャフト型熱分解炉の外部にて燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスであることを特徴とする請求項1又は２に記載の炭素質原料の熱分解方法。
【請求項４】
前記投入する加熱ガスが、前記移動層シャフト型熱分解炉の下方に加熱手段を設置し、前記炉内において、前記加熱手段により燃料を燃焼又は部分燃焼させて生成したガスであることを特徴とする請求項1又は２に記載の炭素質原料の熱分解方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１５０４７７（Ｐ２００８−１５０４７７Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３９０９３（Ｐ２００６−３３９０９３）
【出願日】平成１８年１２月１５日（２００６．１２．１５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年８月３日に社団法人日本エネルギー協会発行の第１５回日本エネルギー学会大会講演要旨集において発表
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１５日（２００６．１２．１５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年８月３日に社団法人日本エネルギー協会発行の第１５回日本エネルギー学会大会講演要旨集において発表
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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