矩形シャフト型熱分解装置
【課題】炭素質資源のガスエネルギーへの高効率な転換において、安定な熱分解を達成した上で、スケールアップを容易とする熱分解装置を提供する。
【解決手段】炉内に投入され下降する炭素質資源１を、上昇する高温ガス１８により乾燥・熱分解したのち、炭化物１２として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺２１が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺２２上に、短辺２１の長さの１．４倍以下の間隔で残りの長辺２２方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガス１８の吹き込み口２３を２個所以上持つことを特徴とする矩形シャフト型熱分解装置。
【解決手段】炉内に投入され下降する炭素質資源１を、上昇する高温ガス１８により乾燥・熱分解したのち、炭化物１２として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺２１が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺２２上に、短辺２１の長さの１．４倍以下の間隔で残りの長辺２２方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガス１８の吹き込み口２３を２個所以上持つことを特徴とする矩形シャフト型熱分解装置。
【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技術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、処理後のガス精製負担が大きい等の理由で、作業、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。
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。近年、従来の10〜15%の送電端効率から、ボイラ材質改良や原料調整（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、外部燃料導入が必要であり、設備コスト・運用コスト高、適用制限（対象廃棄物の限定等）等で特殊解であることから、試験的運用であったり、トラブルで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。
【０００４】
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、発電まで持ってゆくいわゆる廃棄物ガス化溶融技術がある。この技術は種類が多く、大きくi)直接溶融型（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が主。）、ii)熱分解＋燃焼・溶融型（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。）、iii)熱分解＋ガス化型（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あとガスタービン、ガスエンジンによる発電または化学原料としてガスを利用。）に分けられる。
【０００５】
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腐食のために回収する蒸気条件に制約があることから、発電効率に限界がある。ｉ）に関連し、形状が本発明と類似する発明として、特許文献１に矩形断面を持つ直接溶融炉（移動層矩形シャフト炉）で、下部の燃焼溶融帯域が形成される部分にくびれ部を形成し、底部側壁に酸素含有気体の導入管が同一水平断面上に２以上設置されている直接溶融炉が開示されている。この酸素含有気体の導入管は、燃焼用溶融帯域で反応を十分に進行させ、灰分をスラグ化して炉下部から排出させるために、燃焼溶融帯域と絞り部で区別した底部に設けられたものであり、絞り部が存在するため、ノズル本数や配置は反応には直接関係ないと共に、高温ガスによる熱分解を炉の目的としてノズルより高温ガスを吹き込む本発明とは効果が異なる。
【０００６】
また、炉形状として多角筒を記述した発明として、特許文献２に、廃棄物ガス化溶融炉で、縦型シャフト炉の下部を逆多角錐とし、それに連接する多角筒部として、少なくとも一側方に広がり、酸素含有燃料ガスを吹き込む複数の燃焼バーナーを内側に向けて配置した溶融炉が開示されている。これも特許文献1と同様、燃焼溶融帯域（ドーム状溶融帯）で反応を十分に進行させ、灰分をスラグ化して炉下部から排出させるために、燃焼溶融帯域と絞り部で区別した底部に設けられたものであり、絞り部が存在するため、ノズル本数や配置は反応には直接関係ないと共に、高温ガスによる熱分解を炉の目的としてノズルより高温ガスを吹き込む本発明とは効果が異なる。
【０００７】
iii)のクリーンアップしたガスを用いる発電では、一般的に発電効率を高められる可能性が高い。例えば技術開発が進んでいる石炭利用発電に例を取ると、燃焼ボイラでの送電端効率（38-39％、USCタイプで39-41％）より、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合発電（ＩＧＣＣ）において、高い送電端効率が得られる（通常タイプで43-44％、高温型ガスタービンで46-48％）。さらに、ガス化を燃料電池と組み合わせる次世代技術では、50％を超える送電端効率が見込まれるなど、高効率エネルギー転換方法への展開が見込める等のメリットがあり、今後は廃棄物の分野でもガス化を中心とした技術がさらに広く展開すると予測される。
【０００８】
本発明は、廃棄物を含む炭素質原料の高効率エネルギー転換を指向しており、主に前述iii)の技術範疇に属する。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３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、またさらに熱分解炉内の安定物流を達成する方式を特許文献４において提案している。またそれより以前の従来技術・特許としては、特許文献５において低温流動層ガス化炉と高温溶融ガス化炉を組み合わせ、廃棄物からアンモニア合成用原料ガス（水素）を製造する方法及び装置が、また特許文献６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７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。
【０００９】
iii)の熱分解＋ガス化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るプロセスがある。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。
【特許文献１】特開平１１−２５７６２７号公報 図２、図３
【特許文献２】特開２００２−１３０６３２号公報 段落番号００６７
【特許文献３】特開２００４−４１８４８号公報
【特許文献４】特開２００４−７５８５２号公報
【特許文献５】特開平１０−８１８８５号公報
【特許文献６】特開平１０−３１０７８３号公報
【特許文献７】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】
【００１０】
本発明者らが提案した特許文献３では、それまでの流動層を用いた特許文献５、特許文献６の技術や、熱分解ガス化方式の特許文献７の技術、実機稼働しているロータリーキルンやプッシャー方式のプロセスと比べ、高効率なガス化方法および設備を提案しているが、特に熱分解にシャフト炉を用いると、炉内に酸素が存在する場合に、クリンカ（溶融灰成分）生成等を原因とする棚吊り、吹き抜け等が生じ、生成ガス発熱量変動が生じた。そこで、特許文献４において、生成ガス（改質ガス）を部分酸化させて製造した酸素のない高温還元ガスの顕熱を用いてシャフト炉により熱分解する方式を提案した。
【００１１】
この方式で安定物流（原料の安定降下）が可能となったが、同じシャフト炉でも炉形状や処理量、処理条件によって通気性や未熱分解割合の違い（熱分解ムラ）が生じることが判明した。更に、通気性が確保され、かつ低い未熱分解割合を達成できる条件を規定できた場合でも、スケールアップ（あるいはスケールダウン）をした場合に、明確なスケールアップ則（あるいはスケールダウン則）が存在しないため、再度最適な炉形状や処理量、処理条件を探索しなければならない。最悪の場合は、最適解がないこともあり得る。これらは複合廃棄物が多種の性状、形状を持つ廃棄物の混合物であり、常に一定の挙動を示すことが無いためである。
【００１２】
本発明は、これら従来技術の課題点を解決し、安定な熱分解を達成した上で、スケールアップを容易とする、炭素質資源の高効率ガスエネルギー転換技術を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、以上の課題を解決するに有効な装置であり、下記の手段からなる。
（１）炉内に投入され下降する炭素質資源を、上昇する高温ガスにより乾燥・熱分解したのち、炭化物として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺上に、短辺の長さの１．４倍以下の間隔で残りの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持つことを特徴とする矩形シャフト型熱分解炉を有する熱分解装置。
【００１４】
（２）炉内に投入され下降する炭素質資源を、上昇する高温ガスにより乾燥・熱分解したのち、炭化物として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺上に、短辺の長さの３.２倍以下の間隔で残りの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持ち、かつ該残りの長辺上に、短辺の長さの３.２倍以下の間隔で該一つの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持つことを特徴とする、矩形シャフト型熱分解炉の熱分解装置。
【００１５】
尚、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;Refused Derived Fuel、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。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方法から考えて、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。
【００１６】
本発明で言うところの「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む。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】
【００１７】
本発明を適用することで、熱分解炉、ガス化炉、改質炉を組み合わせて炭素質資源を高効率にガスエネルギーに転換する方法において、安定して熱分解可能でかつスケールアップの容易なプロセスの提供を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
前記（１）にかかる本発明を含む基本的プロセスフローおよび設備構成を、図２に示した。本発明は図２に示したプロセスの中でも熱分解炉（シャフト炉）３に関する装置であるが、背景技術で示したiii)熱分解・ガス化型の技術範疇であり、発電用燃料ガス、化学原料ガスの製造を目的とすることから、熱分解炉単独での最適設計ではなく、プロセス全体の最適設計を実施することになるため、まず全体プロセスを説明する。
【００１９】
炭素質資源１は、ガス化炉２と熱分解炉３の２箇所に供給される。ガス化炉２と熱分解炉３に供給される炭素質資源は主に破砕性、形状によって区別され、低動力で破砕できる硬質プラや水分の少ない建設廃材、微生物の集合した下水汚泥等、破砕性の良好な炭素質資源や微粉状の資源はガス化炉２へ、強度に方向性差があり高動力をかけても均質な破砕ができない生木類や溶融する軟質プラ、ゴム中にワイヤを含むタイヤ、あらゆる性状が混合している一般廃棄物ゴミ等、破砕性の悪い、または破砕に向かない炭素質資源は熱分解炉３へ供給される。
【００２０】
ガス化炉２では、炭素質資源１は、酸素４又は酸素４及び水蒸気５で部分酸化され、ガス化ガス６を生成する。炭素質資源１中の灰分は、ガス化炉２で溶融して、スラグ７としてガス化炉２の下部から排出される。
【００２１】
熱分解炉３では、熱分解によって炭素質資源１が熱分解ガス・熱分解タール８と熱分解残渣９に分けられ、熱分解ガス・熱分解タール８はガス化炉２で発生するガス化ガス６が導入されている改質炉１０に導入され、ガス化ガス６と共に、蒸気５、酸素４の何れか又は双方によって改質される。熱分解ガス・熱分解タール８は改質炉１０に入る時点では３００℃〜６００℃の高温の状態であり、熱分解タールもガス状である。熱分解残渣９は残渣中の金属１１を分離して炭素質残渣１２となる。
【００２２】
改質炉１０で改質された生成ガス１３は、必要に応じ脱塩、脱硫を主としたガス精製設備１４で精製され、精製ガス１５となる。本発明では生成ガス１３又は精製ガス１５を改質ガスと呼ぶ。精製ガス１５の一部または全部は燃焼炉１６で酸化性ガス１７により燃焼または部分酸化され、この燃焼熱または部分酸化熱を９００℃〜１３００℃の高温ガス１８の顕熱として熱分解炉３に導入して熱分解熱源とする。このとき高温ガス１８中には酸素はほとんど含まれず、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、窒素、蒸気を中心としたガス成分となる（例えばＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３８．１／１７．６／０／１８．６／３．６／２２．０各体積％）。酸素は少量であれば高温ガス１８に含有されても良いが、炉内で燃焼反応を起こした場合クリンカ（灰分が溶融、成長して塊になったもの）が生成し、棚吊り等の物流阻害がおこるため、０が望ましい。このとき熱の与え方としては、熱分解炉３外部から熱を与える（外熱）方法や炉内に配管を通してその内側を通す方法等の間接加熱もあるが、本発明ではシャフト炉内での高効率な熱交換を有効に使用するために、熱分解炉（シャフト炉）３内部に導入し、直接対向流にて熱交換する方法をとった。
【００２３】
処理規模によるが、一般ゴミで数百ｋｇ／日以上の処理量があれば精製ガス１５を全量使用する必要はなく、差分は系外でガス原燃料として精製ガス使用設備１９で使用される。使用例としては、加熱炉バーナー燃料、燃焼ボイラ（発電用、蒸気製造用他）用燃料、化学原料（酢酸合成、メタノール合成他）、燃料電池用燃料等である。
なお、燃焼炉１６で使用するガスとして精製ガス１５を用いたが、これは燃焼炉１６での燃焼または部分酸化の際に、ガスに含有する塩素成分や硫黄成分の影響により腐食等が燃焼炉１６で起こることを防止するためであり、原料によっては塩素や硫黄が少ないものもあり（たとえば木材）、その場合生成ガス１３を使用しても良い。
【００２４】
本発明における熱分解炉３は、破砕性の悪い、または破砕に向いていないものを中心に処理することを前提としており、原料形状の自由度が高く熱効率に優れるシャフト炉形状を選定した。それに準ずる方式としては、固定床（炉の熱効率は良好だがバッチ投入・排出により処理速度が低い）、流動床（安定操業が可能だが、原料粒度をそろえることや大量の熱媒体が必要であり、また大量の流動ガスが必要であるため効率が悪い）、キルン（原料自由度が比較的高いが、一定の炉内空間が必要であり、熱効率は非常に低い）等がある。
ガス化炉２としては、粉状物、粒状物を短時間で高温ガス（部分燃焼ガス）に転換可能な噴流床式ガス化炉が適している。
【００２５】
改質炉１０は、熱分解炉３で生成した熱分解ガス・熱分解タール８を、ガス化ガス６の顕熱を利用し、ガス中の水蒸気や添加する蒸気５によって改質する炉であり、改質反応の空間・滞留時間が確保できる噴流床（気流床）が最も適している。準ずる方式としては流動床があるが、タール含有ガス（熱分解ガス・熱分解タール８）と高温のガス化ガス６を還元性雰囲気、流動媒体の存在下で均質に流動化させる技術的な条件と、流動条件維持のためガス量等の操業自由度が低下する操業的な条件のため、噴流床の方が優れる。
【００２６】
図１に本発明の前記（１）にかかる主要部分である矩形シャフト型熱分解炉の透視図（ａ）（斜め上方より）および熱分解用高温ガスのガス吹き込み口２３近傍の水平断面図（ｂ）（上方より）を示した。高温ガスは熱分解炉内の炭素質資源を十分に熱分解する必要があるため、反対側の長辺方向に向けて吹き込み口が配置されている。基本的には水平方向にガスが吹き込まれるが、水平方向のガス流速（水平方向成分）が十分であれば問題ない。実施例１の設備では水平マイナス１５°〜プラス３０°までは差が見られなかった。実施例１には水平（±０°）吹き込みのデータを載せた。
【００２７】
熱分解炉３に外部から供給される炭素質資源１は、熱分解炉３内下部２０に滞留し（斜線部分）、精製ガス１５を燃焼炉１６で部分酸化して製造された９００℃〜１３００℃の高温ガス１８により熱分解され、炭素質残渣１２は熱分解炉３下部より排出され、また熱分解ガス・タール８は熱分解炉３上部より排出される（改質炉へ）。なお、図１上では熱分解炉３は線で表現しているが、実際は鉄皮と耐火・断熱キャスターで構成され、１００〜３００ｍｍの厚みを持つ炉である。
【００２８】
本発明の熱分解炉３の内部空間は水平断面が矩形（長方形）であり、その断面周囲は一対の短辺２１と一対の長辺２２からなる。長辺２２の長さは、熱を十分に受け、熱分解したと判断する指標である揮発分量から、本発明の効果が得られる下限として、短辺２１の長さの１．４倍とする（詳細は後述図３の説明）。上限は理論的にはなく、処理量に合わせ長辺２２方向に熱分解炉３を延ばす（例えば最適な７０トン／日処理炉・処理条件が得られた場合には、３５０トン／日処理炉のときは、短辺２１はそのままで長辺２２方向に５倍の長さとする）だけでよい。すなわち特別なスケールアップ則を必要としない。
【００２９】
熱分解炉３の断面形状に関しては、本発明では矩形としたが、長辺側から高温ガス１８を投入すること、高温ガス１８の熱が炭素質資源１に満遍なく行き渡ることが重要であり、例えば長辺が平行な台形、平行四辺形等の形状や、短辺側が曲線であっても構わない。このときの短辺長さとは、本発明の内容を鑑みて、一対の長辺２２間の距離と定義する。
【００３０】
本発明で規定した短辺長さに関しては、一般的な廃棄物処理設備の規模を想定し決定した。例えば一般廃棄物（都市ゴミ）処理設備であれば単基容量としては一日あたり処理量２０トン〜１００トンであり、このときの熱分解ガス・熱分解タール８量（高温ガス１８も含まれる）は、７００Ｎｍ3／ｈｒ〜３５００Ｎｍ3／ｈｒとなる。熱分解炉３内のガス上昇流速は、操業安定の観点から、ダスト飛び出しを押さえながら通気性を確保できる１Ｂｍ／ｓｅｃ（空塔速度）と固定すると、熱分解炉出口温度を４００℃とした場合、熱分解炉３で必要な断面積は０．４８ｍ2〜２．４ｍ2となる。このとき断面が矩形で短辺と長辺の比が１対１．４の場合（比の下限）一辺は５８５ｍ〜１３０９ｍｍとなる。従って、短辺の上限を、ガス変動も見込み、余裕をとって１３００ｍｍと規定した。
【００３１】
前記（１）では、熱分解炉３の片側壁面（長辺）からの複数のガス吹き込みに関し、吹き込み口２３の配置について規定しており、図１ではガス吹き込み口２３は３個所にしているが、好ましい数は長辺２２の長さと吹き込み口２３間の距離で決まる。例えば短辺２１が４００ｍｍ、長辺２２が２０００ｍｍの場合には４個所以上の吹き込み口２３を設けることが好ましい（４個所の場合、最も広がった場合で、等間隔、対照配置で端から１６０ｍｍ、７２０ｍｍ、１２８０ｍｍ、１８４０ｍｍ位置に吹き込み口２３が配置される）。吹き込み口２３の個数の上限は、並べられる限界（長辺２２÷吹き込み口の口径）であるが、数が多くなることで付帯する設備も増加し、また放散熱も増加するため、基本的には熱分解ムラが出ない範囲で最小限の設備構成とした方がよい。
【００３２】
ここで吹き込み口２３の間隔を説明する（通常の円形または正方形に近い矩形ノズルを想定）。ガスの水平拡散方向は長辺と垂直の上向き方向を０°として±６０°程度の扇形が中心となり、残りは伝熱によって加熱される。吹き込み口の間隔が広くなると間の原料の加熱が不足して（ガスが届かず加熱が不十分）未反応物が増加するため、適正な範囲がある。炭素質残渣１２中の未反応物割合の指標としては、揮発分（工業分析）を採用し、揮発分が１０質量％（乾基準）以上の場合に未反応分が多いと判断した。１０質量％という数値は、これを超える炭素質残渣１２からは臭気の発生が顕著であること、炭化の進んでいないもの（文字の残っている雑誌類他）が多く目視できること、金属との分離性が悪いこと等から総合的に規定した。
【００３３】
図３に、短辺の長さに対する吹き込み口の間隔の比と、炭素質残渣１２の揮発分の関係を示した。短辺２１の長さとしては、熱分解ガス・熱分解タール８の熱分解炉３内上昇流速（空塔速度）を１Ｂｍ／ｓｅｃと固定したときに、250mm、400mm、800mm、1200mmとした（便宜上長辺を2000mmで固定）。この短辺２１の長さの範囲では長さによる大きな違いは見られず、吹き込み口の間隔／短辺の比率が１．４以下の時に適正な揮発分となった。このことから、吹き込み口２３の間隔を短辺２１の長さの１．４倍以下とした。
【００３４】
ノズル形状、吹き込み個所の工夫によってはこれらの制限は若干緩和可能である。例えばノズル断面積は同じで極端に水平なスリット状にすると（流速は同じ）、幅方向に満遍なくガスが届きながら後述の流速条件を物理的に実現可能であるが(例えば幅1000mm×高さ20mm)、幅方向の単位長さあたりの流量が減ることで円形ノズルに比較して単位長さあたりの運動量（流量と流速の積）が減り、到達距離が短くなる。すなわち手前壁面に沿ってガスが上昇することになり、かえって熱分解未反応率が増加することになる。
【００３５】
これを解消するには、高温ガス１８の量の増加や流速の増加（ノズル高さの減少）が必要であるが、前者は不要な熱量の増加（放散熱の増加）、後者は圧力損失の増加による燃焼炉１６設備制限（仕様）の上昇（高圧化、ブロア能力上昇等）等を招くため、好ましくない。また、ノズル幅を広げることで高温ガスからの配管表面積が増加し（最小は円形断面）、さらに放散熱が増すため、効率低下要因となることから、本方式では円形または正方形に近い矩形ノズルとすることが好ましい。
【００３６】
前記（１）に関する発明では、必要に応じ垂直方向に多段に高温ガス吹き込み口２３を配置する方法も考えられるが、同一本数での配置を考えた場合、ガス吹き込み口の間隔が最も短い、すなわち９００℃〜１３００℃の高温のガスが最も原料に届きやすい配置は同一の水平断面上であるため、未反応物低減の効果は同一の水平断面上を上回ることはない。
【００３７】
図４に本発明の前記（２）にかかる矩形シャフト炉型熱分解炉の透視図（ａ）（斜め上方より）および熱分解用高温ガス吹き込み部近傍の水平断面図（ｂ）（上方より）を示した。炉内の原料等の反応、移動は上記図１と同じであり、ガスの吹き込み個所が２つの長辺それぞれに存在するところが前記（１）との違いである。両側から高温ガスを投入することにより、片側からの投入に比べガスの流れが変わることで、吹き込み口２３の間隔を広げても未熱分解物が増えないことが特徴である。
【００３８】
この効果は、吹き込み口２３が正対している場合には、中央付近でぶつかり合うことで左右方向にガスが一部流れ、また逆方向（手前に戻る方向）へガス流れができることによる拡散の効果として現れる。吹き込み口２３が互い違いに配置されている場合には、対面側からのガスが吹き込み口間を加熱することでムラのない加熱効果が得られる。
【００３９】
図５に、短辺の長さに対する吹き込み口の間隔と、炭素質残渣１２の揮発分の関係を示した。×と△は参考として片側からの高温ガス投入した場合で、×と同じ高温ガス総量で正対する配置の両側吹きが□、互い違い配置の両側吹きが◆、△と同じ高温ガス総量で正対する配置の両側吹きが○、互い違い配置の両側吹きが●である。両側吹きの場合には、短辺に対する比率が３．２以下の時に揮発分が１０質量％以下となり、未反応が少ない条件を満たした。片側からの高温ガス投入では、本発明（１）で示した１．４倍を最大とするため、同じガス量で両側から投入した場合、比率２．８であれば同じ本数になる。従って、両側から投入した場合の方が少ない本数でムラのない熱分解が可能であるといえる。
【００４０】
前記（２）に関する発明では、前記（１）の発明と同様、必要に応じ垂直方向に高温ガス吹き込み口２３を配置する方法も考えられるが、同一本数での配置を考えた場合、ガス吹き込み口間の長さが最も短い、すなわち９００℃〜１３００℃の高温のガスが最も原料に届きやすい配置は同一の水平断面上であるため、未反応物低減の効果は同一の水平断面上を上回ることはない。
【００４１】
本発明（１）にかかる説明でも示したが、本発明（２）により２０トン／日〜１００トン／日に相当する炭素質資源のムラのない熱分解を、両面からの高温ガス吹き込みで可能となったが、さらに大規模の熱分解を考える場合、処理量に合わせ長辺２２方向に熱分解炉３を延ばす（例えば最適な７０トン／日処理炉・処理条件が得られた場合には、３５０トン／日処理炉のときは、短辺２１はそのままで長辺２２方向に５倍の長さとする）だけでよい。すなわち特別なスケールアップ則を必要としない。
【実施例１】
【００４２】
本発明で示した熱分解設備に関する方法を含む熱分解−ガス化−改質プロセス（図２）において、一般廃棄物ゴミを２００トン／日（湿量基準）使用した場合の操業条件と発生する生成物の一例を示す（単基容量１００トン／日／基を２基の構成、ガス量、タール量等は２基での数値）。
【００４３】
本発明（１）の実施例として、片面２個所吹き込み、円形ノズル（φ０．３ｍ）を使用した。短辺１２００ｍｍ、長辺２０００ｍｍ、吹き込み口間の短辺に対する比率は１．３２（間隔１６００ｍｍ、長辺上で片方の端部から２００ｍｍ、１８００ｍｍの位置に水平方向に２個所ノズルを設置）である。
【００４４】
・操業条件；ゴミ乾燥（水分１／４）、熱分解炉３出口温度４００℃、熱分解残渣温度４００℃、ガス化炉２温度１３００℃、改質炉１０出口温度１１００℃
・熱分解ガス・熱分解タール８；ガス量６９００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／ＣＨ4他＝２４／１１／０／２３／１．５／４０各体積％）、タール量５２０ｋｇ／ｈｒ、ダスト量２２０ｋｇ／ｈｒ
・高温ガス１８；燃焼炉１６投入ガス量４１００Ｎｍ3／ｈｒ、高温ガス温度１２００℃、ガス量４２００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３８／１８／０／１９／３．６／２２各体積％）
【００４５】
・ガス化ガス６：炭化物量３００ｋｇ／ｈｒ、ガス化温度１３００℃、ガス量１３００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝６８／３．２／０／１６／１１／２．２各体積％）
・生成ガス１３；ガス温度１１００℃、ガス量１２０００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３４／１３／０／２７／３．１／２２各体積％）、
・精製ガス１５のガス組成：ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝４１／１５／０／３２／３．７／７．５
このとき、原料中揮発分（工業分析）は５．６質量％（乾）であった。図３の○のデータの内、横軸１．３２、縦軸５．６質量％近傍のデータがこれにあたる。
【実施例２】
【００４６】
同様に、一般廃棄物ゴミを２００トン／日（湿量基準）使用した場合の操業条件と発生する生成物の一例を示す（単基容量１００トン／日／基を２基の構成、ガス量、タール量等は２基での数値）。本発明（２）の実施例として、両面４個所・正対吹き込み、円形ノズル（φ０．３ｍ）を使用した。短辺６００ｍｍ、長辺４０００ｍｍ、吹き込み口間の短辺に対する比率は２．９（間隔１７４０ｍｍ、長辺上で片方の端部から１１３０ｍｍ、２８７０ｍｍの位置に水平方向に２個所ノズルを設置。反対側長辺も同じ配置）である。
【００４７】
・操業条件；ゴミ乾燥（水分１／４）、熱分解炉３出口温度４００℃、熱分解残渣温度４００℃、ガス化炉２温度１３００℃、改質炉１０出口温度１１００℃
・熱分解ガス・熱分解タール８；ガス量７０００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／ＣＨ4他＝２３／１１／０／２４．０／１．２／４０各体積％）、タール量５００ｋｇ／ｈｒ、ダスト量２２０ｋｇ／ｈｒ
・高温ガス１８；燃焼炉１６投入ガス量４０００Ｎｍ3／ｈｒ、高温ガス温度１２００℃、ガス量４０００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３６／１８／０／１９／３．６／２３各体積％）
【００４８】
・ガス化ガス６：炭化物量３１０ｋｇ／ｈｒ、ガス化温度１３００℃、ガス量１３５０Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝６６／３．５／０／１６／１２／２．２各体積％）
・生成ガス１３；ガス温度１１００℃、ガス量１１０５０Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３５／１２／０／２８／３．１／２１各体積％）、
・精製ガス１５のガス組成：ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝４２／１６／０／３２／３．５／７．０
このとき、揮発分（工業分析）は６．０質量％（乾）であった。図５の●のデータの内、横軸２．９、縦軸６．０質量％近傍のデータがこれにあたる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明（１）に関する矩形シャフト型熱分解炉の透視図および熱分解用高温ガス吹き込み部近傍の水平断面図である。
【図２】本発明を含む基本的プロセスフローおよび設備構成である。
【図３】本発明（１）における短辺に対する吹き込み口間隔の比率と揮発分量の関係である。
【図４】本発明（２）に関する矩形シャフト型熱分解炉の透視図および熱分解用高温ガス吹き込み部近傍の水平断面図である。
【図５】本発明（２）における短辺に対する吹き込み口間隔の比率と揮発分量の関係である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 炭素質資源
２ ガス化炉
３ 熱分解炉(シャフト炉)
４ 酸素
５ 水蒸気
６ ガス化ガス
７ スラグ
８ 熱分解ガス・熱分解タール
９ 熱分解残渣
１０ 改質炉
１１ 金属
１２ 炭素質残渣
１３ 生成ガス（改質ガス）
１４ ガス精製設備
１５ 精製ガス（改質ガス）
１６ 燃焼炉
１７ 酸化性ガス
１８ 高温ガス
１９ 精製ガス使用設備
２０ 熱分解炉３内下部
２１ 短辺
２２ 長辺
２３ 吹き込み口
【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技術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、処理後のガス精製負担が大きい等の理由で、作業、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。
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。近年、従来の10〜15%の送電端効率から、ボイラ材質改良や原料調整（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、外部燃料導入が必要であり、設備コスト・運用コスト高、適用制限（対象廃棄物の限定等）等で特殊解であることから、試験的運用であったり、トラブルで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。
【０００４】
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、発電まで持ってゆくいわゆる廃棄物ガス化溶融技術がある。この技術は種類が多く、大きくi)直接溶融型（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が主。）、ii)熱分解＋燃焼・溶融型（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。）、iii)熱分解＋ガス化型（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あとガスタービン、ガスエンジンによる発電または化学原料としてガスを利用。）に分けられる。
【０００５】
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腐食のために回収する蒸気条件に制約があることから、発電効率に限界がある。ｉ）に関連し、形状が本発明と類似する発明として、特許文献１に矩形断面を持つ直接溶融炉（移動層矩形シャフト炉）で、下部の燃焼溶融帯域が形成される部分にくびれ部を形成し、底部側壁に酸素含有気体の導入管が同一水平断面上に２以上設置されている直接溶融炉が開示されている。この酸素含有気体の導入管は、燃焼用溶融帯域で反応を十分に進行させ、灰分をスラグ化して炉下部から排出させるために、燃焼溶融帯域と絞り部で区別した底部に設けられたものであり、絞り部が存在するため、ノズル本数や配置は反応には直接関係ないと共に、高温ガスによる熱分解を炉の目的としてノズルより高温ガスを吹き込む本発明とは効果が異なる。
【０００６】
また、炉形状として多角筒を記述した発明として、特許文献２に、廃棄物ガス化溶融炉で、縦型シャフト炉の下部を逆多角錐とし、それに連接する多角筒部として、少なくとも一側方に広がり、酸素含有燃料ガスを吹き込む複数の燃焼バーナーを内側に向けて配置した溶融炉が開示されている。これも特許文献1と同様、燃焼溶融帯域（ドーム状溶融帯）で反応を十分に進行させ、灰分をスラグ化して炉下部から排出させるために、燃焼溶融帯域と絞り部で区別した底部に設けられたものであり、絞り部が存在するため、ノズル本数や配置は反応には直接関係ないと共に、高温ガスによる熱分解を炉の目的としてノズルより高温ガスを吹き込む本発明とは効果が異なる。
【０００７】
iii)のクリーンアップしたガスを用いる発電では、一般的に発電効率を高められる可能性が高い。例えば技術開発が進んでいる石炭利用発電に例を取ると、燃焼ボイラでの送電端効率（38-39％、USCタイプで39-41％）より、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合発電（ＩＧＣＣ）において、高い送電端効率が得られる（通常タイプで43-44％、高温型ガスタービンで46-48％）。さらに、ガス化を燃料電池と組み合わせる次世代技術では、50％を超える送電端効率が見込まれるなど、高効率エネルギー転換方法への展開が見込める等のメリットがあり、今後は廃棄物の分野でもガス化を中心とした技術がさらに広く展開すると予測される。
【０００８】
本発明は、廃棄物を含む炭素質原料の高効率エネルギー転換を指向しており、主に前述iii)の技術範疇に属する。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３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、またさらに熱分解炉内の安定物流を達成する方式を特許文献４において提案している。またそれより以前の従来技術・特許としては、特許文献５において低温流動層ガス化炉と高温溶融ガス化炉を組み合わせ、廃棄物からアンモニア合成用原料ガス（水素）を製造する方法及び装置が、また特許文献６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７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。
【０００９】
iii)の熱分解＋ガス化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るプロセスがある。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。
【特許文献１】特開平１１−２５７６２７号公報 図２、図３
【特許文献２】特開２００２−１３０６３２号公報 段落番号００６７
【特許文献３】特開２００４−４１８４８号公報
【特許文献４】特開２００４−７５８５２号公報
【特許文献５】特開平１０−８１８８５号公報
【特許文献６】特開平１０−３１０７８３号公報
【特許文献７】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】
【００１０】
本発明者らが提案した特許文献３では、それまでの流動層を用いた特許文献５、特許文献６の技術や、熱分解ガス化方式の特許文献７の技術、実機稼働しているロータリーキルンやプッシャー方式のプロセスと比べ、高効率なガス化方法および設備を提案しているが、特に熱分解にシャフト炉を用いると、炉内に酸素が存在する場合に、クリンカ（溶融灰成分）生成等を原因とする棚吊り、吹き抜け等が生じ、生成ガス発熱量変動が生じた。そこで、特許文献４において、生成ガス（改質ガス）を部分酸化させて製造した酸素のない高温還元ガスの顕熱を用いてシャフト炉により熱分解する方式を提案した。
【００１１】
この方式で安定物流（原料の安定降下）が可能となったが、同じシャフト炉でも炉形状や処理量、処理条件によって通気性や未熱分解割合の違い（熱分解ムラ）が生じることが判明した。更に、通気性が確保され、かつ低い未熱分解割合を達成できる条件を規定できた場合でも、スケールアップ（あるいはスケールダウン）をした場合に、明確なスケールアップ則（あるいはスケールダウン則）が存在しないため、再度最適な炉形状や処理量、処理条件を探索しなければならない。最悪の場合は、最適解がないこともあり得る。これらは複合廃棄物が多種の性状、形状を持つ廃棄物の混合物であり、常に一定の挙動を示すことが無いためである。
【００１２】
本発明は、これら従来技術の課題点を解決し、安定な熱分解を達成した上で、スケールアップを容易とする、炭素質資源の高効率ガスエネルギー転換技術を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、以上の課題を解決するに有効な装置であり、下記の手段からなる。
（１）炉内に投入され下降する炭素質資源を、上昇する高温ガスにより乾燥・熱分解したのち、炭化物として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺上に、短辺の長さの１．４倍以下の間隔で残りの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持つことを特徴とする矩形シャフト型熱分解炉を有する熱分解装置。
【００１４】
（２）炉内に投入され下降する炭素質資源を、上昇する高温ガスにより乾燥・熱分解したのち、炭化物として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺上に、短辺の長さの３.２倍以下の間隔で残りの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持ち、かつ該残りの長辺上に、短辺の長さの３.２倍以下の間隔で該一つの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持つことを特徴とする、矩形シャフト型熱分解炉の熱分解装置。
【００１５】
尚、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;Refused Derived Fuel、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。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方法から考えて、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。
【００１６】
本発明で言うところの「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む。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】
【００１７】
本発明を適用することで、熱分解炉、ガス化炉、改質炉を組み合わせて炭素質資源を高効率にガスエネルギーに転換する方法において、安定して熱分解可能でかつスケールアップの容易なプロセスの提供を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
前記（１）にかかる本発明を含む基本的プロセスフローおよび設備構成を、図２に示した。本発明は図２に示したプロセスの中でも熱分解炉（シャフト炉）３に関する装置であるが、背景技術で示したiii)熱分解・ガス化型の技術範疇であり、発電用燃料ガス、化学原料ガスの製造を目的とすることから、熱分解炉単独での最適設計ではなく、プロセス全体の最適設計を実施することになるため、まず全体プロセスを説明する。
【００１９】
炭素質資源１は、ガス化炉２と熱分解炉３の２箇所に供給される。ガス化炉２と熱分解炉３に供給される炭素質資源は主に破砕性、形状によって区別され、低動力で破砕できる硬質プラや水分の少ない建設廃材、微生物の集合した下水汚泥等、破砕性の良好な炭素質資源や微粉状の資源はガス化炉２へ、強度に方向性差があり高動力をかけても均質な破砕ができない生木類や溶融する軟質プラ、ゴム中にワイヤを含むタイヤ、あらゆる性状が混合している一般廃棄物ゴミ等、破砕性の悪い、または破砕に向かない炭素質資源は熱分解炉３へ供給される。
【００２０】
ガス化炉２では、炭素質資源１は、酸素４又は酸素４及び水蒸気５で部分酸化され、ガス化ガス６を生成する。炭素質資源１中の灰分は、ガス化炉２で溶融して、スラグ７としてガス化炉２の下部から排出される。
【００２１】
熱分解炉３では、熱分解によって炭素質資源１が熱分解ガス・熱分解タール８と熱分解残渣９に分けられ、熱分解ガス・熱分解タール８はガス化炉２で発生するガス化ガス６が導入されている改質炉１０に導入され、ガス化ガス６と共に、蒸気５、酸素４の何れか又は双方によって改質される。熱分解ガス・熱分解タール８は改質炉１０に入る時点では３００℃〜６００℃の高温の状態であり、熱分解タールもガス状である。熱分解残渣９は残渣中の金属１１を分離して炭素質残渣１２となる。
【００２２】
改質炉１０で改質された生成ガス１３は、必要に応じ脱塩、脱硫を主としたガス精製設備１４で精製され、精製ガス１５となる。本発明では生成ガス１３又は精製ガス１５を改質ガスと呼ぶ。精製ガス１５の一部または全部は燃焼炉１６で酸化性ガス１７により燃焼または部分酸化され、この燃焼熱または部分酸化熱を９００℃〜１３００℃の高温ガス１８の顕熱として熱分解炉３に導入して熱分解熱源とする。このとき高温ガス１８中には酸素はほとんど含まれず、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、窒素、蒸気を中心としたガス成分となる（例えばＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３８．１／１７．６／０／１８．６／３．６／２２．０各体積％）。酸素は少量であれば高温ガス１８に含有されても良いが、炉内で燃焼反応を起こした場合クリンカ（灰分が溶融、成長して塊になったもの）が生成し、棚吊り等の物流阻害がおこるため、０が望ましい。このとき熱の与え方としては、熱分解炉３外部から熱を与える（外熱）方法や炉内に配管を通してその内側を通す方法等の間接加熱もあるが、本発明ではシャフト炉内での高効率な熱交換を有効に使用するために、熱分解炉（シャフト炉）３内部に導入し、直接対向流にて熱交換する方法をとった。
【００２３】
処理規模によるが、一般ゴミで数百ｋｇ／日以上の処理量があれば精製ガス１５を全量使用する必要はなく、差分は系外でガス原燃料として精製ガス使用設備１９で使用される。使用例としては、加熱炉バーナー燃料、燃焼ボイラ（発電用、蒸気製造用他）用燃料、化学原料（酢酸合成、メタノール合成他）、燃料電池用燃料等である。
なお、燃焼炉１６で使用するガスとして精製ガス１５を用いたが、これは燃焼炉１６での燃焼または部分酸化の際に、ガスに含有する塩素成分や硫黄成分の影響により腐食等が燃焼炉１６で起こることを防止するためであり、原料によっては塩素や硫黄が少ないものもあり（たとえば木材）、その場合生成ガス１３を使用しても良い。
【００２４】
本発明における熱分解炉３は、破砕性の悪い、または破砕に向いていないものを中心に処理することを前提としており、原料形状の自由度が高く熱効率に優れるシャフト炉形状を選定した。それに準ずる方式としては、固定床（炉の熱効率は良好だがバッチ投入・排出により処理速度が低い）、流動床（安定操業が可能だが、原料粒度をそろえることや大量の熱媒体が必要であり、また大量の流動ガスが必要であるため効率が悪い）、キルン（原料自由度が比較的高いが、一定の炉内空間が必要であり、熱効率は非常に低い）等がある。
ガス化炉２としては、粉状物、粒状物を短時間で高温ガス（部分燃焼ガス）に転換可能な噴流床式ガス化炉が適している。
【００２５】
改質炉１０は、熱分解炉３で生成した熱分解ガス・熱分解タール８を、ガス化ガス６の顕熱を利用し、ガス中の水蒸気や添加する蒸気５によって改質する炉であり、改質反応の空間・滞留時間が確保できる噴流床（気流床）が最も適している。準ずる方式としては流動床があるが、タール含有ガス（熱分解ガス・熱分解タール８）と高温のガス化ガス６を還元性雰囲気、流動媒体の存在下で均質に流動化させる技術的な条件と、流動条件維持のためガス量等の操業自由度が低下する操業的な条件のため、噴流床の方が優れる。
【００２６】
図１に本発明の前記（１）にかかる主要部分である矩形シャフト型熱分解炉の透視図（ａ）（斜め上方より）および熱分解用高温ガスのガス吹き込み口２３近傍の水平断面図（ｂ）（上方より）を示した。高温ガスは熱分解炉内の炭素質資源を十分に熱分解する必要があるため、反対側の長辺方向に向けて吹き込み口が配置されている。基本的には水平方向にガスが吹き込まれるが、水平方向のガス流速（水平方向成分）が十分であれば問題ない。実施例１の設備では水平マイナス１５°〜プラス３０°までは差が見られなかった。実施例１には水平（±０°）吹き込みのデータを載せた。
【００２７】
熱分解炉３に外部から供給される炭素質資源１は、熱分解炉３内下部２０に滞留し（斜線部分）、精製ガス１５を燃焼炉１６で部分酸化して製造された９００℃〜１３００℃の高温ガス１８により熱分解され、炭素質残渣１２は熱分解炉３下部より排出され、また熱分解ガス・タール８は熱分解炉３上部より排出される（改質炉へ）。なお、図１上では熱分解炉３は線で表現しているが、実際は鉄皮と耐火・断熱キャスターで構成され、１００〜３００ｍｍの厚みを持つ炉である。
【００２８】
本発明の熱分解炉３の内部空間は水平断面が矩形（長方形）であり、その断面周囲は一対の短辺２１と一対の長辺２２からなる。長辺２２の長さは、熱を十分に受け、熱分解したと判断する指標である揮発分量から、本発明の効果が得られる下限として、短辺２１の長さの１．４倍とする（詳細は後述図３の説明）。上限は理論的にはなく、処理量に合わせ長辺２２方向に熱分解炉３を延ばす（例えば最適な７０トン／日処理炉・処理条件が得られた場合には、３５０トン／日処理炉のときは、短辺２１はそのままで長辺２２方向に５倍の長さとする）だけでよい。すなわち特別なスケールアップ則を必要としない。
【００２９】
熱分解炉３の断面形状に関しては、本発明では矩形としたが、長辺側から高温ガス１８を投入すること、高温ガス１８の熱が炭素質資源１に満遍なく行き渡ることが重要であり、例えば長辺が平行な台形、平行四辺形等の形状や、短辺側が曲線であっても構わない。このときの短辺長さとは、本発明の内容を鑑みて、一対の長辺２２間の距離と定義する。
【００３０】
本発明で規定した短辺長さに関しては、一般的な廃棄物処理設備の規模を想定し決定した。例えば一般廃棄物（都市ゴミ）処理設備であれば単基容量としては一日あたり処理量２０トン〜１００トンであり、このときの熱分解ガス・熱分解タール８量（高温ガス１８も含まれる）は、７００Ｎｍ3／ｈｒ〜３５００Ｎｍ3／ｈｒとなる。熱分解炉３内のガス上昇流速は、操業安定の観点から、ダスト飛び出しを押さえながら通気性を確保できる１Ｂｍ／ｓｅｃ（空塔速度）と固定すると、熱分解炉出口温度を４００℃とした場合、熱分解炉３で必要な断面積は０．４８ｍ2〜２．４ｍ2となる。このとき断面が矩形で短辺と長辺の比が１対１．４の場合（比の下限）一辺は５８５ｍ〜１３０９ｍｍとなる。従って、短辺の上限を、ガス変動も見込み、余裕をとって１３００ｍｍと規定した。
【００３１】
前記（１）では、熱分解炉３の片側壁面（長辺）からの複数のガス吹き込みに関し、吹き込み口２３の配置について規定しており、図１ではガス吹き込み口２３は３個所にしているが、好ましい数は長辺２２の長さと吹き込み口２３間の距離で決まる。例えば短辺２１が４００ｍｍ、長辺２２が２０００ｍｍの場合には４個所以上の吹き込み口２３を設けることが好ましい（４個所の場合、最も広がった場合で、等間隔、対照配置で端から１６０ｍｍ、７２０ｍｍ、１２８０ｍｍ、１８４０ｍｍ位置に吹き込み口２３が配置される）。吹き込み口２３の個数の上限は、並べられる限界（長辺２２÷吹き込み口の口径）であるが、数が多くなることで付帯する設備も増加し、また放散熱も増加するため、基本的には熱分解ムラが出ない範囲で最小限の設備構成とした方がよい。
【００３２】
ここで吹き込み口２３の間隔を説明する（通常の円形または正方形に近い矩形ノズルを想定）。ガスの水平拡散方向は長辺と垂直の上向き方向を０°として±６０°程度の扇形が中心となり、残りは伝熱によって加熱される。吹き込み口の間隔が広くなると間の原料の加熱が不足して（ガスが届かず加熱が不十分）未反応物が増加するため、適正な範囲がある。炭素質残渣１２中の未反応物割合の指標としては、揮発分（工業分析）を採用し、揮発分が１０質量％（乾基準）以上の場合に未反応分が多いと判断した。１０質量％という数値は、これを超える炭素質残渣１２からは臭気の発生が顕著であること、炭化の進んでいないもの（文字の残っている雑誌類他）が多く目視できること、金属との分離性が悪いこと等から総合的に規定した。
【００３３】
図３に、短辺の長さに対する吹き込み口の間隔の比と、炭素質残渣１２の揮発分の関係を示した。短辺２１の長さとしては、熱分解ガス・熱分解タール８の熱分解炉３内上昇流速（空塔速度）を１Ｂｍ／ｓｅｃと固定したときに、250mm、400mm、800mm、1200mmとした（便宜上長辺を2000mmで固定）。この短辺２１の長さの範囲では長さによる大きな違いは見られず、吹き込み口の間隔／短辺の比率が１．４以下の時に適正な揮発分となった。このことから、吹き込み口２３の間隔を短辺２１の長さの１．４倍以下とした。
【００３４】
ノズル形状、吹き込み個所の工夫によってはこれらの制限は若干緩和可能である。例えばノズル断面積は同じで極端に水平なスリット状にすると（流速は同じ）、幅方向に満遍なくガスが届きながら後述の流速条件を物理的に実現可能であるが(例えば幅1000mm×高さ20mm)、幅方向の単位長さあたりの流量が減ることで円形ノズルに比較して単位長さあたりの運動量（流量と流速の積）が減り、到達距離が短くなる。すなわち手前壁面に沿ってガスが上昇することになり、かえって熱分解未反応率が増加することになる。
【００３５】
これを解消するには、高温ガス１８の量の増加や流速の増加（ノズル高さの減少）が必要であるが、前者は不要な熱量の増加（放散熱の増加）、後者は圧力損失の増加による燃焼炉１６設備制限（仕様）の上昇（高圧化、ブロア能力上昇等）等を招くため、好ましくない。また、ノズル幅を広げることで高温ガスからの配管表面積が増加し（最小は円形断面）、さらに放散熱が増すため、効率低下要因となることから、本方式では円形または正方形に近い矩形ノズルとすることが好ましい。
【００３６】
前記（１）に関する発明では、必要に応じ垂直方向に多段に高温ガス吹き込み口２３を配置する方法も考えられるが、同一本数での配置を考えた場合、ガス吹き込み口の間隔が最も短い、すなわち９００℃〜１３００℃の高温のガスが最も原料に届きやすい配置は同一の水平断面上であるため、未反応物低減の効果は同一の水平断面上を上回ることはない。
【００３７】
図４に本発明の前記（２）にかかる矩形シャフト炉型熱分解炉の透視図（ａ）（斜め上方より）および熱分解用高温ガス吹き込み部近傍の水平断面図（ｂ）（上方より）を示した。炉内の原料等の反応、移動は上記図１と同じであり、ガスの吹き込み個所が２つの長辺それぞれに存在するところが前記（１）との違いである。両側から高温ガスを投入することにより、片側からの投入に比べガスの流れが変わることで、吹き込み口２３の間隔を広げても未熱分解物が増えないことが特徴である。
【００３８】
この効果は、吹き込み口２３が正対している場合には、中央付近でぶつかり合うことで左右方向にガスが一部流れ、また逆方向（手前に戻る方向）へガス流れができることによる拡散の効果として現れる。吹き込み口２３が互い違いに配置されている場合には、対面側からのガスが吹き込み口間を加熱することでムラのない加熱効果が得られる。
【００３９】
図５に、短辺の長さに対する吹き込み口の間隔と、炭素質残渣１２の揮発分の関係を示した。×と△は参考として片側からの高温ガス投入した場合で、×と同じ高温ガス総量で正対する配置の両側吹きが□、互い違い配置の両側吹きが◆、△と同じ高温ガス総量で正対する配置の両側吹きが○、互い違い配置の両側吹きが●である。両側吹きの場合には、短辺に対する比率が３．２以下の時に揮発分が１０質量％以下となり、未反応が少ない条件を満たした。片側からの高温ガス投入では、本発明（１）で示した１．４倍を最大とするため、同じガス量で両側から投入した場合、比率２．８であれば同じ本数になる。従って、両側から投入した場合の方が少ない本数でムラのない熱分解が可能であるといえる。
【００４０】
前記（２）に関する発明では、前記（１）の発明と同様、必要に応じ垂直方向に高温ガス吹き込み口２３を配置する方法も考えられるが、同一本数での配置を考えた場合、ガス吹き込み口間の長さが最も短い、すなわち９００℃〜１３００℃の高温のガスが最も原料に届きやすい配置は同一の水平断面上であるため、未反応物低減の効果は同一の水平断面上を上回ることはない。
【００４１】
本発明（１）にかかる説明でも示したが、本発明（２）により２０トン／日〜１００トン／日に相当する炭素質資源のムラのない熱分解を、両面からの高温ガス吹き込みで可能となったが、さらに大規模の熱分解を考える場合、処理量に合わせ長辺２２方向に熱分解炉３を延ばす（例えば最適な７０トン／日処理炉・処理条件が得られた場合には、３５０トン／日処理炉のときは、短辺２１はそのままで長辺２２方向に５倍の長さとする）だけでよい。すなわち特別なスケールアップ則を必要としない。
【実施例１】
【００４２】
本発明で示した熱分解設備に関する方法を含む熱分解−ガス化−改質プロセス（図２）において、一般廃棄物ゴミを２００トン／日（湿量基準）使用した場合の操業条件と発生する生成物の一例を示す（単基容量１００トン／日／基を２基の構成、ガス量、タール量等は２基での数値）。
【００４３】
本発明（１）の実施例として、片面２個所吹き込み、円形ノズル（φ０．３ｍ）を使用した。短辺１２００ｍｍ、長辺２０００ｍｍ、吹き込み口間の短辺に対する比率は１．３２（間隔１６００ｍｍ、長辺上で片方の端部から２００ｍｍ、１８００ｍｍの位置に水平方向に２個所ノズルを設置）である。
【００４４】
・操業条件；ゴミ乾燥（水分１／４）、熱分解炉３出口温度４００℃、熱分解残渣温度４００℃、ガス化炉２温度１３００℃、改質炉１０出口温度１１００℃
・熱分解ガス・熱分解タール８；ガス量６９００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／ＣＨ4他＝２４／１１／０／２３／１．５／４０各体積％）、タール量５２０ｋｇ／ｈｒ、ダスト量２２０ｋｇ／ｈｒ
・高温ガス１８；燃焼炉１６投入ガス量４１００Ｎｍ3／ｈｒ、高温ガス温度１２００℃、ガス量４２００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３８／１８／０／１９／３．６／２２各体積％）
【００４５】
・ガス化ガス６：炭化物量３００ｋｇ／ｈｒ、ガス化温度１３００℃、ガス量１３００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝６８／３．２／０／１６／１１／２．２各体積％）
・生成ガス１３；ガス温度１１００℃、ガス量１２０００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３４／１３／０／２７／３．１／２２各体積％）、
・精製ガス１５のガス組成：ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝４１／１５／０／３２／３．７／７．５
このとき、原料中揮発分（工業分析）は５．６質量％（乾）であった。図３の○のデータの内、横軸１．３２、縦軸５．６質量％近傍のデータがこれにあたる。
【実施例２】
【００４６】
同様に、一般廃棄物ゴミを２００トン／日（湿量基準）使用した場合の操業条件と発生する生成物の一例を示す（単基容量１００トン／日／基を２基の構成、ガス量、タール量等は２基での数値）。本発明（２）の実施例として、両面４個所・正対吹き込み、円形ノズル（φ０．３ｍ）を使用した。短辺６００ｍｍ、長辺４０００ｍｍ、吹き込み口間の短辺に対する比率は２．９（間隔１７４０ｍｍ、長辺上で片方の端部から１１３０ｍｍ、２８７０ｍｍの位置に水平方向に２個所ノズルを設置。反対側長辺も同じ配置）である。
【００４７】
・操業条件；ゴミ乾燥（水分１／４）、熱分解炉３出口温度４００℃、熱分解残渣温度４００℃、ガス化炉２温度１３００℃、改質炉１０出口温度１１００℃
・熱分解ガス・熱分解タール８；ガス量７０００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／ＣＨ4他＝２３／１１／０／２４．０／１．２／４０各体積％）、タール量５００ｋｇ／ｈｒ、ダスト量２２０ｋｇ／ｈｒ
・高温ガス１８；燃焼炉１６投入ガス量４０００Ｎｍ3／ｈｒ、高温ガス温度１２００℃、ガス量４０００Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３６／１８／０／１９／３．６／２３各体積％）
【００４８】
・ガス化ガス６：炭化物量３１０ｋｇ／ｈｒ、ガス化温度１３００℃、ガス量１３５０Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝６６／３．５／０／１６／１２／２．２各体積％）
・生成ガス１３；ガス温度１１００℃、ガス量１１０５０Ｎｍ3／ｈｒ（ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝３５／１２／０／２８／３．１／２１各体積％）、
・精製ガス１５のガス組成：ＣＯ／ＣＯ2／Ｏ2／Ｈ2／Ｎ2／Ｈ2Ｏ＝４２／１６／０／３２／３．５／７．０
このとき、揮発分（工業分析）は６．０質量％（乾）であった。図５の●のデータの内、横軸２．９、縦軸６．０質量％近傍のデータがこれにあたる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明（１）に関する矩形シャフト型熱分解炉の透視図および熱分解用高温ガス吹き込み部近傍の水平断面図である。
【図２】本発明を含む基本的プロセスフローおよび設備構成である。
【図３】本発明（１）における短辺に対する吹き込み口間隔の比率と揮発分量の関係である。
【図４】本発明（２）に関する矩形シャフト型熱分解炉の透視図および熱分解用高温ガス吹き込み部近傍の水平断面図である。
【図５】本発明（２）における短辺に対する吹き込み口間隔の比率と揮発分量の関係である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 炭素質資源
２ ガス化炉
３ 熱分解炉(シャフト炉)
４ 酸素
５ 水蒸気
６ ガス化ガス
７ スラグ
８ 熱分解ガス・熱分解タール
９ 熱分解残渣
１０ 改質炉
１１ 金属
１２ 炭素質残渣
１３ 生成ガス（改質ガス）
１４ ガス精製設備
１５ 精製ガス（改質ガス）
１６ 燃焼炉
１７ 酸化性ガス
１８ 高温ガス
１９ 精製ガス使用設備
２０ 熱分解炉３内下部
２１ 短辺
２２ 長辺
２３ 吹き込み口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内に投入され下降する炭素質資源を、上昇する高温ガスにより乾燥・熱分解したのち、炭化物として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺上に、短辺の長さの１．４倍以下の間隔で残りの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持つことを特徴とする矩形シャフト型熱分解装置。
【請求項２】
炉内に投入され下降する炭素質資源を、上昇する高温ガスにより乾燥・熱分解したのち、炭化物として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺上に、短辺の長さの３.２倍以下の間隔で残りの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持ち、かつ該残りの長辺上に、短辺の長さの３.２倍以下の間隔で該一つの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持つことを特徴とする矩形シャフト型熱分解装置。
【請求項１】
炉内に投入され下降する炭素質資源を、上昇する高温ガスにより乾燥・熱分解したのち、炭化物として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺上に、短辺の長さの１．４倍以下の間隔で残りの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持つことを特徴とする矩形シャフト型熱分解装置。
【請求項２】
炉内に投入され下降する炭素質資源を、上昇する高温ガスにより乾燥・熱分解したのち、炭化物として下部から排出する移動層型矩形シャフト型熱分解装置において、短辺が１３００ｍｍ以下の矩形断面を持ち、一つの長辺上に、短辺の長さの３.２倍以下の間隔で残りの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持ち、かつ該残りの長辺上に、短辺の長さの３.２倍以下の間隔で該一つの長辺方向かつ同一水平断面上に、原料を熱分解するための高温ガスの吹き込み口を２個所以上持つことを特徴とする矩形シャフト型熱分解装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２３８７９１（Ｐ２００７−２３８７９１Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６３７４８（Ｐ２００６−６３７４８）
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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