專利名稱：從有機(jī)廢棄物中回收氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有效利用未利用資源和可再生資源等有機(jī)廢棄物的方法，更詳細(xì)地說(shuō)，涉及從上述有機(jī)廢棄物中回收氫的方法。
背景技術(shù)：
以往，對(duì)間伐木材和廢木材進(jìn)行焚燒處理。近年來(lái)，從節(jié)省能源和有效利用熱能的角度出發(fā)，對(duì)于利用這些焚燒熱能進(jìn)行發(fā)電的方法展開(kāi)了研究。關(guān)于廢塑料已經(jīng)展開(kāi)了將其加熱分解變成油的方法，以及將其作為高爐還原材料循環(huán)使用方面的研究，并且已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。此外，雖然含水垃圾等還基本上作焚燒處理，但是在最近，對(duì)其進(jìn)行甲烷發(fā)酵處理以回收甲烷的方法，以及由此發(fā)電的方法也開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用。
作為間伐木材和廢木材的處理方法，可以列舉直接燃燒方式和氣化方式。直接燃燒方式是指將上述木材完全燃燒的方法，作為該焚燒爐，有司爐、沸騰型流動(dòng)床爐、循環(huán)流動(dòng)床爐、循環(huán)移動(dòng)床爐等。在直接燃燒方式中可以回收、利用的僅有熱能，從而，由該熱能產(chǎn)生溫水或蒸汽進(jìn)行發(fā)電。另一方面，氣化方式是指通過(guò)氧氣或空氣將上述材料部分氧化的方式，作為該氣化爐，有固定床爐、移動(dòng)床爐、循環(huán)流動(dòng)床爐、2段循環(huán)移動(dòng)床爐、噴淋床爐等。在氣化方式中可以回收、利用的是熱能和氣體。從而，利用該熱能可以收集熱水和電力。此外，也可以將該氣體作為燃料而回收溫水和電力。但是目前的現(xiàn)狀是，在任一種方法中，即使產(chǎn)生出熱水、溫水和電力，也沒(méi)有能利用的工廠，不能有效利用。
此外，由于為了減少由廢棄物焚燒產(chǎn)生的二噁英而設(shè)的控制措施，使得間伐木材和建設(shè)廢木材等工業(yè)廢棄物以及一般廢棄物的單純焚燒處理受到限制，不能進(jìn)行單純的焚燒處理。另一方面，建設(shè)廢木材的再循環(huán)的推進(jìn)也包含在建設(shè)再循環(huán)法的基本方針當(dāng)中，因此對(duì)于建設(shè)廢木材的再循環(huán)處理是毋庸置疑的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可以有效利用來(lái)自于例如間伐木材、浮木材、廢木材、廢塑料、含水垃圾、污泥、刈草、造紙淤泥等有機(jī)廢棄物中的能量和氣體的方法。
本發(fā)明人為了促進(jìn)間伐木材等未利用資源、廢木材和其它有機(jī)廢棄物的再循環(huán)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作為能源的有效活用，想到了從上述有機(jī)廢棄物中回收氫的方法。由此，通過(guò)以氫的形式回收，能夠貯存和運(yùn)輸能量，可以根據(jù)需要生產(chǎn)溫水或發(fā)電，此外，還發(fā)現(xiàn)由于在氫的燃燒中不產(chǎn)生二氧化碳，因而對(duì)環(huán)境的影響較小，在防止地球溫室化的對(duì)策方面也可以作出貢獻(xiàn)，由此，完成了本發(fā)明。
即，本發(fā)明涉及(1)一種回收氫的方法，其是將有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境下于500～600℃加熱，所產(chǎn)生的熱分解氣體于900～1000℃和蒸汽混合，然后精制得到的改質(zhì)氣體以回收氫。
作為優(yōu)選的方式，可以列舉(2)上述(1)記載的方法，其中有機(jī)廢棄物選自間伐木材、浮木材、廢木材、廢塑料、含水垃圾、污泥、刈草、造紙淤泥。
(3)上述(1)記載的方法，其中有機(jī)廢棄物選自間伐木材、浮木材和廢木材。
(4)上述(1)～(3)中任一項(xiàng)記載的方法，其中精制改質(zhì)氣體以回收氫的方法選自PSA、膜分離和深冷分離。
(5)上述(1)～(3)中任一項(xiàng)記載的方法，其中精制改質(zhì)氣體以回收氫的方法為PSA。
(6)上述(1)～(5)中任一項(xiàng)記載的方法，其中上述將有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境下加熱時(shí)的溫度為530～570℃。
(7)上述(1)～(6)中任一項(xiàng)記載的方法，其中使產(chǎn)生的熱分解氣體和蒸汽混合時(shí)的溫度為950～1000℃。
(8)上述(1)～(7)中任一項(xiàng)記載的方法，其中上述將有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境下加熱時(shí)的壓力以及使產(chǎn)生的熱分解氣體和蒸汽混合時(shí)的壓力在1MPa以下。
(9)上述(1)～(7)中任一項(xiàng)記載的方法，其中上述將有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境下加熱時(shí)的壓力以及使產(chǎn)生的熱分解氣體和蒸汽混合時(shí)的壓力為0.1～1MPa。
(10)上述(1)～(9)中任一項(xiàng)記載的方法，其中進(jìn)一步包含使上述與蒸汽混合得到的改質(zhì)氣體中所含的一氧化碳和水反應(yīng)，制造氫的工序。
通過(guò)本發(fā)明的方法，可以將未利用資源或有機(jī)廢棄物作為能源原料再循環(huán)使用。以前，廢棄物的處理和能源生產(chǎn)是分開(kāi)進(jìn)行的，通過(guò)在同一裝置中進(jìn)行，可以提高能源的利用效率。此外，還可以在不產(chǎn)生二氧化碳的條件下回收氫。


圖1是實(shí)施例中使用的裝置的流程圖。
具體實(shí)施例方式
作為在本發(fā)明中使用的有機(jī)廢棄物，可以例舉間伐木材、浮木材、竹材、稻葉、稻殼、玉米、甜高粱、蔬菜、水果、花卉、海藻、其它從森林、河流、水壩、海岸回收的木材、植物等未利用資源以及廢木材、木廠廢料、竹廢料、修剪的枝葉、刈草、廢塑料、含水垃圾、食品殘?jiān)?、蔬菜加工殘?jiān)?、水果加工殘?jiān)⑽勰?、糞便污泥、村莊排水污泥、活性污泥、造紙淤泥等。其中優(yōu)選使用間伐木材、浮木材、廢木材、廢塑料、含水垃圾、污泥、刈草、造紙淤泥。特別優(yōu)選使用間伐木材、浮木材或廢木材。
該有機(jī)廢棄物只要具有粗粉碎處理程度的尺寸即可。例如可以是1mm以上15cm以下的板狀、棒狀、片狀或其它形狀的固體。此外，若不足1mm，也可以是粒狀、粉末狀或泥漿狀中的任何一種形狀。該有機(jī)廢棄物的水分根據(jù)其形狀而不同，優(yōu)選在50重量％以下，更優(yōu)選在30重量％以下。
在本發(fā)明中，上述有機(jī)廢棄物首先在非氧化性環(huán)境中加熱。通過(guò)該加熱，上述有機(jī)廢棄物熱分解，產(chǎn)生熱分解氣體。
加熱溫度的上限為600℃，優(yōu)選為570℃，下限為500℃，優(yōu)選為530℃。通過(guò)采用上述的范圍，可以增大氣體的產(chǎn)生量。若不足上述下限，則有機(jī)廢棄物不能充分地?zé)岱纸?。若超過(guò)上述上限，則不能提高氣體的產(chǎn)生量。該加熱時(shí)的壓力的上限優(yōu)選為1MPa，更優(yōu)選為0.3MPa，下限優(yōu)選為0.1MPa，更優(yōu)選為0.103MPa。
作為非氧化性環(huán)境，優(yōu)選使用氮?dú)狻?br> 使用的加熱爐的形式、種類沒(méi)有特別的限定。只要具有能夠?qū)⒆鳛樵系挠袡C(jī)廢棄物加熱至上述溫度的性能即可。可以列舉例如，甑式爐、高爐、旋轉(zhuǎn)窯、固定床爐、移動(dòng)層爐、流動(dòng)層爐等。作為移動(dòng)層爐、流動(dòng)層爐的循環(huán)介質(zhì)的材料，可以利用氧化鋁、二氧化硅、砂等，對(duì)其形狀沒(méi)有特別的限定。
在本發(fā)明中，如上所述加熱有機(jī)廢棄物后，使產(chǎn)生的熱分解氣體和蒸汽混合。由此使熱分解氣體和蒸汽反應(yīng)，可以將熱分解氣體改質(zhì)為富含氫的氣體。
氣體與蒸汽混合的溫度上限為1000℃，下限為900℃，優(yōu)選950℃。若不足上述下限，則改質(zhì)反應(yīng)不能進(jìn)行，此外，若超過(guò)上述上限，則會(huì)對(duì)改質(zhì)爐的材質(zhì)產(chǎn)生不良影響，因此不優(yōu)選。
進(jìn)行上述改質(zhì)反應(yīng)的熱量由加熱的熱介質(zhì)提供。作為該熱介質(zhì)的加熱源，可以利用對(duì)上述有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境中加熱時(shí)產(chǎn)生的焦油和炭(碳和灰)進(jìn)行燃燒處理而得到的熱量。該燃燒處理優(yōu)選在和上述非氧化性環(huán)境下加熱有機(jī)廢棄物的體系不同的體系中進(jìn)行。
尤其是焦油，在上述非氧化性環(huán)境中加熱有機(jī)廢棄物時(shí)經(jīng)常會(huì)對(duì)爐的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生妨礙，因此，通常優(yōu)選從爐的底部排出。這樣可以順利地進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，若將焦油和同時(shí)副產(chǎn)的炭排出而在另外的體系中進(jìn)行燃燒處理，則可以避免裝置的故障和維持安全運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以有效地活用副產(chǎn)的焦油和炭。
利用從改質(zhì)爐中排出的高溫改質(zhì)氣體的熱能，通過(guò)熱交換器從工業(yè)用水或自來(lái)水可以得到用于改質(zhì)熱分解氣體的蒸汽?；蛘咭部梢栽O(shè)置另外的鍋爐以得到蒸汽。供給該蒸汽的溫度優(yōu)選在140℃以上，壓力優(yōu)選在0.376MPa以上。雖然沒(méi)有限定，該溫度和壓力可以是例如180℃和1MPa?？梢赃B續(xù)地或間歇地向改質(zhì)爐中噴氣以供給蒸汽。
使用的改質(zhì)爐的形式和種類沒(méi)有特別的限定。可以列舉例如甑式爐、高爐、旋轉(zhuǎn)窯、固定床爐、移動(dòng)層爐、流動(dòng)層爐等。通常，可以使用與上述加熱爐同一形式的改質(zhì)爐，對(duì)其沒(méi)有特別的限定，例如可以是使用旋轉(zhuǎn)窯作為加熱爐，另一方面使用甑式爐作為改質(zhì)爐這種組合。作為移動(dòng)層爐、流動(dòng)層爐的循環(huán)介質(zhì)的材料，可以利用氧化鋁、二氧化硅、砂等，對(duì)其形狀沒(méi)有特別的限定。
從改質(zhì)爐中排出的改質(zhì)氣體優(yōu)選通過(guò)變換反應(yīng)層。由此使改質(zhì)氣體中所含的一氧化碳和過(guò)量的蒸汽反應(yīng)，可以回收更多的氫。該變換反應(yīng)是公知的。例如可以使用二階段工序。在第一階段中，使用鐵·鉻類的高溫轉(zhuǎn)化催化劑，優(yōu)選在350～500℃下反應(yīng)，氣體中殘余的一氧化碳濃度達(dá)到3～4體積％左右。然后，在第二階段中，使用銅·鋅類的低溫轉(zhuǎn)化催化劑，優(yōu)選在200～250℃下反應(yīng)，氣體中殘余的一氧化碳濃度達(dá)到0.3～0.4體積％左右。此外，反應(yīng)時(shí)的壓力優(yōu)選在1MPa以上，更優(yōu)選為1～3MPa。該壓力通常根據(jù)變換反應(yīng)層前后的工序的壓力而決定。
如上所述得到的氣體優(yōu)選用水冷卻，然后精制該氣體，將氫濃縮以回收氫。作為精制氣體以回收氫的方法可以使用公知的方法。例如壓力振動(dòng)吸附方式(PSA)、膜分離方式、深冷分離方式，其中從可以自由調(diào)節(jié)氣體濃度、且廉價(jià)的角度出發(fā)，PSA較為合適。在PSA中，通過(guò)改變例如吸附時(shí)間、吸附層的高度等，可以適當(dāng)控制回收的氫的濃度。如此，將如上所述得到的氣體分離成氫和其以外的氣體，可以回收氫。
通過(guò)本發(fā)明的方法，可以有效利用未利用資源和可再生資源。此外，可以不排放二氧化碳而回收有用的氫。因此，本發(fā)明的方法可以在廣泛的領(lǐng)域中使用。例如可以在林業(yè)、木材工業(yè)、畜牧業(yè)、建筑業(yè)、環(huán)境事業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、燃料供應(yīng)業(yè)、氣體供應(yīng)業(yè)、塑料制造業(yè)等中利用。
以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明，但是本發(fā)明并不受這些實(shí)施例的限制。
實(shí)施例實(shí)施例中使用的裝置如圖1所示。其中，A是加熱爐、B是改質(zhì)爐，C是氣體冷卻裝置，還有D是氫精制裝置(PSA)。此外，1是廢木材，2是蒸汽，3是冷卻氣體，4是氫富集氣體，5是廢氣，6是焦油和炭，還有7是熱介質(zhì)。作為加熱爐和改質(zhì)爐，都使用底部成為研缽狀的甑式爐，使用PSA作為氫精制裝置。
實(shí)施例1使用由木材工廠廢棄的廢木材(柳杉廢料)進(jìn)行氣體化。該廢木材是粗粉碎的木材，是具有一次性筷子程度尺寸的棒狀物、鋸屑狀物、紙牌程度尺寸的薄板狀物等的混合物。該廢木材的性狀如表1所示。
表1.廢木材的性狀

表1的各值是根據(jù)下述的方法測(cè)定的。
水分、灰分JIS-M8812(1993)總發(fā)熱量JIS-M8814(1993)元素組成JIS-M8819(1997)通過(guò)給料器，將該廢木材連續(xù)導(dǎo)入保持在550℃的溫度和0.103MPa的壓力的加熱爐中。該廢木材的供應(yīng)量為286kg/小時(shí)，該廢木材在加熱爐中的表觀滯留時(shí)間為約1小時(shí)。
以244kg/小時(shí)的速率從加熱爐的頂部得到通過(guò)熱分解產(chǎn)生的氣體。該氣體接著導(dǎo)入保持在950℃的溫度和0.103MPa的壓力的改質(zhì)爐中。同時(shí)向改質(zhì)爐中以50kg/小時(shí)的速率導(dǎo)入過(guò)熱蒸汽(180℃，1MPa)，進(jìn)行氣體改質(zhì)。
以294kg/小時(shí)的量得到950℃的改質(zhì)氣體。然后該氣體在冷卻裝置中與水接觸，被冷卻至40℃。該氣體的組成如表2所示。
表2.改質(zhì)后的氣體組成(體積％)

表2的氣體組成是通過(guò)氣相色譜儀(株式會(huì)社島津制作所制造，GC8A)進(jìn)行測(cè)定的。
然后，將冷卻的氣體導(dǎo)入至氫精制裝置中，以30kg/小時(shí)的速率回收氫濃度為95體積％的氫富集氣體。該氫富集氣體的組成如表3所示。
表3.精制后的氣體組成(體積％)

表3的氣體組成與表2同樣是通過(guò)氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定的。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明提供一種可以有效利用來(lái)自于例如間伐木材、浮木材、廢木材、廢塑料、含水垃圾、污泥、刈草、造紙淤泥等有機(jī)廢棄物中的能量和氣體的方法。由此，可以將未利用資源或有機(jī)廢棄物作為能源原料再循環(huán)使用。以前，廢棄物的處理和能源生產(chǎn)是分開(kāi)進(jìn)行的，但通過(guò)在同一裝置中進(jìn)行，可以提高能源的利用效率。此外，還可以不產(chǎn)生二氧化碳而回收氫。
權(quán)利要求
1.一種回收氫的方法，其特征在于將有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境下于500～600℃加熱，所產(chǎn)生的熱分解氣體在900～1000℃下和蒸汽混合，然后精制得到的改質(zhì)氣體以回收氫。
2.權(quán)利要求1記載的方法，其中有機(jī)廢棄物選自間伐木材、浮木材、廢木材、廢塑料、含水垃圾、污泥、刈草、造紙淤泥。
3.權(quán)利要求1記載的方法，其中有機(jī)廢棄物選自間伐木材、浮木材和廢木材。
4.權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)記載的方法，其中精制改質(zhì)氣體以回收氫的方法選自PSA、膜分離和深冷分離。
5.權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)記載的方法，其中精制改質(zhì)氣體以回收氫的方法為PSA。
6.權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)記載的方法，其中上述將有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境下加熱時(shí)的溫度為530～570℃。
7.權(quán)利要求1～6中任一項(xiàng)記載的方法，其中使產(chǎn)生的熱分解氣體和蒸汽混合時(shí)的溫度為950～1000℃。
8.權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)記載的方法，其中上述將有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境下加熱時(shí)的壓力以及使產(chǎn)生的熱分解氣體和蒸汽混合時(shí)的壓力在1MPa以下。
9.權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)記載的方法，其中上述將有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境下加熱時(shí)的壓力以及使產(chǎn)生的熱分解氣體和蒸汽混合時(shí)的壓力為0.1～1MPa。
10.權(quán)利要求1～9中任一項(xiàng)記載的方法，其中進(jìn)一步包含使上述與蒸汽混合得到的改質(zhì)氣體中所含的一氧化碳和水反應(yīng)，制造氫的工序。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將有機(jī)廢棄物在非氧化性環(huán)境下于500～600℃加熱，所產(chǎn)生的熱分解氣體在900～1000℃下和蒸汽混合，然后精制得到的改質(zhì)氣體以回收氫的方法。本發(fā)明提供一種可以有效利用來(lái)自于例如間伐木材、浮木材、廢木材、廢塑料、含水垃圾、污泥、刈草、造紙淤泥等有機(jī)廢棄物中的能量和氣體的方法。
文檔編號(hào)C10B53/00GK1678519SQ03820129
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月27日
發(fā)明者堂脅直城, 堂脅清志, 龜山光男 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日本計(jì)畫機(jī)構(gòu)