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技術 バイオマスガス化装置

出願人 中外炉工業株式会社
発明者 笹内謙一谷口美希加藤卓己
出願日 2005年12月28日 (15年0ヶ月経過) 出願番号 2005-378083
公開日 2007年7月12日 (13年5ヶ月経過) 公開番号 2007-177106
状態 特許登録済
技術分野 固体物質からの合成ガス等の製造
主要キーワード 中空筒体状 チャーガス 熱分解機 ガス生成反応 熱媒出口 ホッパ状 熱媒入口 接触伝熱
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2007年7月12日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

種別やサイズ、含水状態を問わずに多種多様原料バイオマスを取り扱うことが可能であるとともに、タール分除去性能を高く確保することが可能であって、かつ設備コンパクト化が可能なバイオマスガス化装置を提供する。

解決手段

原料バイオマスを間接加熱して熱分解し、タール分を含む熱分解ガスチャーを発生させる外熱式ロータリーキルン形式の熱分解部2と、熱分解部2から抽出されるタール分を含む熱分解ガスおよびチャーに対し、酸化ガスが導入されて、タール分を熱分解させるとともに、チャーをガス化させるガス化部3とを備えた。

概要

背景

原料バイオマスから熱分解ガスを生成するシステムとして、特許文献1や特許文献2が知られている。特許文献1の「バイオマスガス化システムおよびその運転方法」は、バイオマスから燃料ガスを生成するガス化炉より利用システムへ燃料ガスを供給する供給系に、燃料ガス中タール分熱分解処理することが可能な処理温度昇温されるガス改質塔を設けている。このガス改質塔の後段には、燃料ガスを冷却するガス冷却塔が設けられている。また、ガス化炉で発生した炭化物残さは、ガス化炉の熱源である熱風発生炉燃料として用いられる。

他方、特許文献2の「バイオマス用固定床ガス化炉モデル化方法」は、ダウンドラフト型固定床ガス化炉を用いて、バイオマスをガス化するようにしている。
特開2005−247992号公報
特開2004−250574号公報

概要

種別やサイズ、含水状態を問わずに多種多様な原料バイオマスを取り扱うことが可能であるとともに、タール分の除去性能を高く確保することが可能であって、かつ設備コンパクト化が可能なバイオマスガス化装置を提供する。原料バイオマスを間接加熱して熱分解し、タール分を含む熱分解ガスとチャーを発生させる外熱式ロータリーキルン形式の熱分解部2と、熱分解部2から抽出されるタール分を含む熱分解ガスおよびチャーに対し、酸化ガスが導入されて、タール分を熱分解させるとともに、チャーをガス化させるガス化部3とを備えた。

目的

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、種別やサイズ、含水状態を問わずに多種多様な原料バイオマスを取り扱うことが可能であるとともに、タール分の除去性能を高く確保することが可能であって、かつ設備のコンパクト化が可能なバイオマスガス化装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
4件
牽制数
2件

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請求項1

原料バイオマス間接加熱して熱分解し、タール分を含む熱分解ガスチャーを発生させる外熱式ロータリーキルン形式の熱分解部と、該熱分解部から抽出されるタール分を含む熱分解ガスおよびチャーに対し、酸化ガスが導入されて、タール分を熱分解させるとともに、チャーをガス化させるガス化部とを備えたことを特徴とするバイオマスガス化装置

請求項2

前記ガス化部は、タール分を熱分解させるためのタール分解域と、チャーをガス化させて灰として排出するためのチャーガス化域とを備えることを特徴とする請求項1に記載のバイオマスガス化装置。

請求項3

前記ガス化部はシャフト炉形式であることを特徴とする請求項1または2に記載のバイオマスガス化装置。

技術分野

0001

本発明は、種別やサイズ、含水状態を問わずに多種多様原料バイオマスを取り扱うことが可能であるとともに、タール分除去性能を高く確保することが可能であって、かつ設備コンパクト化が可能なバイオマスガス化装置に関する。

背景技術

0002

原料バイオマスから熱分解ガスを生成するシステムとして、特許文献1や特許文献2が知られている。特許文献1の「バイオマスガス化システムおよびその運転方法」は、バイオマスから燃料ガスを生成するガス化炉より利用システムへ燃料ガスを供給する供給系に、燃料ガス中のタール分を熱分解処理することが可能な処理温度昇温されるガス改質塔を設けている。このガス改質塔の後段には、燃料ガスを冷却するガス冷却塔が設けられている。また、ガス化炉で発生した炭化物残さは、ガス化炉の熱源である熱風発生炉燃料として用いられる。

0003

他方、特許文献2の「バイオマス用固定床ガス化炉モデル化方法」は、ダウンドラフト型固定床ガス化炉を用いて、バイオマスをガス化するようにしている。
特開2005−247992号公報
特開2004−250574号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献2に開示されている、いわゆるダウンドラフト炉では、原料種類として竹材樹皮といった繊維質の原料バイオマスの使用は望ましくなく、また原料サイズを均一化することが必要で、さらに含水量も低いものを使用しなければならないという制限もあって、投入原料に対する制約・要求が多く、さまざまな種類、多様なサイズ、種々の含水状態の原料バイオマスを幅広受け入れガス化処理することができないという課題があった。また炉内制御も成り行きになり、ガス化温度の制御にも難点があるという課題があった。

0005

また、特許文献1に開示されている、間接加熱により原料バイオマスから熱分解ガスを生成するロータリーキルンでは、生成される熱分解ガス中にタール分が多量に含まれるため、ロータリーキルンの後段に、タール分を除去するためのガス改質塔を設ける必要があった。また、このガス改質塔から抽出される熱分解ガスが1100℃程度に達する高温であるため、ガス冷却設備を併設する必要があり、これら設備の設置に伴って、装置が大型化するという課題があった。

0006

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、種別やサイズ、含水状態を問わずに多種多様な原料バイオマスを取り扱うことが可能であるとともに、タール分の除去性能を高く確保することが可能であって、かつ設備のコンパクト化が可能なバイオマスガス化装置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

0007

本発明にかかるバイオマスガス化装置は、原料バイオマスを間接加熱して熱分解し、タール分を含む熱分解ガスとチャーを発生させる外熱式ロータリーキルン形式の熱分解部と、該熱分解部から抽出されるタール分を含む熱分解ガスおよびチャーに対し、酸化ガスが導入されて、タール分を熱分解させるとともに、チャーをガス化させるガス化部とを備えたことを特徴とする。

0008

前記ガス化部は、タール分を熱分解させるためのタール分解域と、チャーをガス化させて灰として排出するためのチャーガス化域とを備えることを特徴とする。

0009

前記ガス化部はシャフト炉形式であることを特徴とする。

発明の効果

0010

本発明にかかるバイオマスガス化装置にあっては、種別やサイズ、含水状態を問わずに多種多様な原料バイオマスを取り扱うことができるとともに、タール分の除去性能を高く確保することができ、かつ設備のコンパクト化を達成することができる。

発明を実施するための最良の形態

0011

以下に、本発明にかかるバイオマスガス化装置の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかるバイオマスガス化装置1は基本的には、図1および図2に示すように、原料バイオマスを間接加熱して熱分解し、タール分を含む熱分解ガスとチャーを発生させる外熱式ロータリーキルン形式の熱分解部2と、熱分解部2から抽出されるタール分を含む熱分解ガスおよびチャーに対し、酸化ガスが導入されて、タール分を熱分解させるとともに、チャーをガス化させるガス化部3とを備えて構成される。ガス化部3は、タール分を熱分解させるためのタール分解域Aと、チャーをガス化させて灰として排出するためのチャーガス化域Bとを備える。ガス化部3はシャフト炉形式で構成される。

0012

熱分解部2は、外熱式ロータリーキルン形式で構成される。外熱式ロータリーキルンは主に、横置きに配置された中空筒体状反応筒4と、反応筒4の外側を取り囲んで横置きに配置された中空筒体状のチャンバー5とを備える。反応筒4は、投入口側4aから排出口側4bに向かって僅かに傾斜させて配置される。反応筒4は、無酸素状態が得られるように、外部に対し密閉可能に構成される。チャンバー5には、内部に熱媒が供給され、チャンバー5はこの熱媒によって反応筒4を外側から間接的に加熱する。原料バイオマスは、原料ホッパ6内からフィーダー7によって切り出され、開閉動作されるダンパー8が開放されることでプッシャー9へと投入され、その後、プッシャー9の送り出し動作で反応筒4内に送り込まれる。

0013

熱分解部2では、投入口側4aから投入された原料バイオマスが間接加熱され、乾燥され熱分解されてタール分を含む熱分解ガスとチャーが発生し、これら熱分解ガスとチャーは排出口側4bから排出される。

0014

熱分解部2、すなわち外熱式ロータリーキルンの排出口側4bは、ガス化部3に連通接続される。ガス化部3はおおよそ縦型のシャフト炉形式で構成され、主にその頂部から底部に向かって順次、熱分解部2の排出口側4bが接続されて、タール分を含む熱分解ガスおよびチャーが送り込まれる投入口10と、投入口10下方に位置させてホッパ状区画形成され、投入口10から流下するチャーを一時的に滞留させつつ下方へ向かって案内する第1滞留部11と、第1滞留部11の直下に環状に形成されて、その内方に第1滞留部11と連通する流下通路12を区画形成し、当該流下通路12内に空気などの酸化ガスを導入する第1酸化ガス供給部13と、流下通路12に連通させてその下方に区画形成され、第1滞留部11から流下通路12を介して流下するチャーを一時的に滞留させる第2滞留部14と、第1酸化ガス供給部13直下となる第2滞留部14上端に形成され、熱分解部2およびガス化部3で生成されるいずれも可燃分である燃料ガスを抽出するガス抽出口15と、第2滞留部14下部にその内方へ迫り出して環状に形成され、当該第2滞留部14下部をホッパ状に区画形成してチャーを下方へ向かって案内するとともに、第2滞留部14内に空気などの酸化ガスを導入する第2酸化ガス供給部16と、第2滞留部14直下に区画形成され、当該第2滞留部14と火格子17を介して連通されて、最終残さである灰を捕集する捕集部18とを備える。

0015

捕集部18は、最終残さである灰を捕集し、捕集された灰は、捕集部18内からスクリューフィーダー19によって切り出され、開閉動作されるダンパー20が開放されることで灰受け21へと排出される。

0016

ガス化部3内には、その投入口10を介して、熱分解部2から熱分解ガスとチャーとが送り込まれる。熱分解ガスは、後述するガス供給系22からの吸引作用で、第1滞留部11から、第1酸化ガス供給部13に取り囲まれた流下通路12を経過して第2滞留部14のガス抽出口15へ向かって流通する。他方、チャーは、第1滞留部11に滞留しつつ、第1滞留部11から流下通路12を経過して第2滞留部14へと流動降下する。チャーは、第2滞留部14に滞留しつつ、第2酸化ガス供給部16を経過し、火格子17を介して捕集部18へと流動降下する。流下通路12内に酸化ガスを供給する第1酸化ガス供給部13周辺タールを熱分解してガス化するためのタール分解域Aとなり、第2滞留部14内に酸化ガスを供給する第2酸化ガス供給部16周辺がチャーをガス化させ灰として排出するためのチャーガス化域Bとなる。

0017

バイオマスガス化装置1を構成するガス化部3のガス抽出口15には、生成された燃料ガスをガスエンジン発電機23に供給するガス供給系22が接続される。本実施形態にあっては、燃料ガスはガスエンジン発電機23の燃料として利用されるだけでなく、各種熱源設備の熱源としても利用される。熱源設備としては、空気を予熱する空気予熱器24、温水を製造する熱交換器25、蒸気を生成するボイラ26が備えられる。また燃料ガスは、熱分解部2の熱源としても利用される。

0018

ガス供給系22には、ガス化部3から燃料ガスを吸引して抽出するための吸引ファン27が設けられる。吸引ファン27とガス抽出口15との間には、ガス抽出口15側から順次、抽出される燃料ガスで空気を予熱する空気予熱器24と、燃料ガスから除塵するフィルタ28とが設けられる。空気予熱器24は、入口側に空気ファン29が設けられるとともに、出口側が第1および第2酸化ガス供給部13,16、並びに外熱式ロータリーキルンのチャンバー5に設けられたバーナ30の空気導入口30aに接続される。空気ファン29で導入された空気は、空気予熱器24で燃料ガスによって加熱され、加熱された空気はそれぞれ第1および第2酸化ガス供給部13,16、並びにバーナ30に供給される。吸引ファン27の出口側は、熱交換器25の入口側およびバーナ30の燃料導入口30bと接続される。

0019

フィルタ28で除塵されて吸引ファン27に達した燃料ガスは、一部が熱交換器25へと供給され、残部がバーナ30へと供給される。バーナ30に供給された燃料ガスは、空気予熱器24から供給される空気を用いて燃焼され、チャンバー5内の熱媒を加熱する。熱交換器25に供給された燃料ガスはその熱で水を加熱して温水を製造する。熱交換器25の出口側は、ガスエンジン発電機23の燃料導入部と接続され、ガスエンジン発電機23は燃料ガスを燃料として運転されて発電を行う。燃料ガスはガスエンジン発電機23で消費される。

0020

ガスエンジン発電機23の排気系31は外熱式ロータリーキルンのチャンバー5の熱媒入口に接続され、ガスエンジン発電機23の排ガスが外熱式ロータリーキルンの熱媒としてチャンバー5に供給される。この排ガスは、バーナ30で加熱される。チャンバー5の熱媒出口排出系32を介してボイラ26に接続され、熱媒としてのガスエンジン発電機23の排ガスは、チャンバー5から排出されてボイラ26へと供給され、ボイラ26で蒸気を生成する。ボイラ26には排気筒33が接続され、ボイラ26で蒸気を生成した後の排ガスは排気筒33で排気処理される。なお、ガスエンジン発電機23の排気系31とチャンバー5からの排出系32との間には、開閉自在に開放されてこれらを連通させる開閉弁34が設けられ、必要に応じてガスエンジン発電機23の排ガスがチャンバー5をバイパスして、直接ボイラ26に供給される。

0021

本実施形態にかかるバイオマスガス化装置1の作用について説明すると、熱分解部2では、原料ホッパ6から送り出された原料バイオマスが投入口側4aを介して反応筒4内に投入され、原料バイオマスは傾斜された反応筒4内を、当該反応筒4の回転で撹拌されながら移動しつつ、チャンバー5内に供給される熱媒によって間接加熱され、この間接加熱によって原料バイオマスは乾燥処理されるとともに可燃性の熱分解ガスと残さであるチャーが発生する。熱分解ガスにはタール分が含まれている。タール分を含む熱分解ガスとチャーは600℃程度の温度で、熱分解部2の排出口側4bからガス化部3へと投入される。

0022

ガス化部3に投入されたチャーは、第1滞留部11に一時的に滞留されつつ、流下通路12を介して順次第2滞留部14へと流下していく。また、タール分を含む熱分解ガスは、ガス供給系22の吸引ファン27に吸引されて、ガス抽出口15へ向かって流通する。この第1滞留部11からガス抽出口15に到る間のタール分解域Aにて、第1酸化ガス供給部13から供給される空気によってチャーの一部や熱分解ガスの一部に燃焼反応が生じ、第1酸化ガス供給部13周辺の流下通路12が1100〜1200℃程度の温度に昇温されて、これにより熱分解ガス中のタール分が熱分解されてガス化される。

0023

タール分が熱分解された後の熱分解ガスは吸引ファン27の吸引作用により、ガス抽出口15に向かって流通する間に、周辺のチャーとの間で炭素酸化反応(C+CO2→2CO)や水性ガス化反応(C+H2O→CO+H2)などの気固反応を生じて、一旦燃焼反応によって生成した二酸化炭素水蒸気がチャー中の炭素分により還元されて、一酸化炭素水素といった可燃性の燃料ガスとなる。

0024

他方、第2滞留部14に流下したチャーは、第2酸化ガス供給部16から供給される空気によって燃焼反応が生じ、二酸化炭素や水蒸気を主成分とする燃焼ガスが生じるが、第2滞留部14を介してガス抽出口15に向かって上昇する間にチャーとの間で上記と同様の反応が起こり、一酸化炭素や水素を生じる。すなわち、燃焼反応が生じる第1および第2酸化ガス供給部13,16の間(タール分解域Aとチャーガス化域Bの間)が還元域Cとなる。

0025

そして熱分解部2で生成され第1酸化ガス供給部13を経てタール分が除去された熱分解ガスおよび第2酸化ガス供給部16によるチャーのガス化に由来する生成ガスが、800℃程度の温度を有する燃料ガスとして、ガス抽出口15から抽出される。第2滞留部14でチャーがガス化されて生じた灰は、捕集部18で捕集されて、灰受け21へ排出される。

0026

ところで、本実施形態にかかるバイオマスガス化装置1は、原料バイオマスの乾燥と熱分解を行う外熱式ロータリーキルン形式の熱分解部2と、この熱分解部2で既に熱分解処理までが完了した後の600℃程度の熱分解ガスおよびチャーが投入されるガス化部3とで構成されている。

0027

熱分解部2を構成する外熱式ロータリーキルン自体はよく知られているように、回転駆動される中空筒体状の反応筒4を備えて、原料バイオマスを撹拌移動させつつ間接加熱で熱分解ガスとチャーとを生成処理するもので、反応筒4内での水蒸気の発生や水蒸気の反応筒4内への投入による発生ガス調整をも前提とするものであって、その構造上の特性として、原料種別としては繊維質のものも含めて制限が少なく、また原料サイズも反応筒4に投入可能であれば、その大きさは不均一であってもよく、原料の含水状態についても、処理操作に水蒸気を投入する場合もあることからしても明らかなように、制限はほとんどなく、様々な種類、多様なサイズ、種々の含水状態の多種多様な原料バイオマスを幅広く受け入れて、ガス化処理することができる。

0028

また、外熱式ロータリーキルンは、接触伝熱となるので熱伝達係数が高く、原料バイオマスを効率よくガス化することができるとともに、チャンバー5内の温度制御や反応筒4内での原料バイオマスの滞留時間制御などによりガス化温度や、熱分解ガスおよびチャーの生成量の調整も容易に制御することができ、ガス化部3の運転との連係を最適化することができる。

0029

熱分解部2での処理により生成されたタール分を含む熱分解ガスおよびチャーが投入されるガス化部3は、供給される酸化ガスによって高温領域を生成してタール分の除去とチャーのガス化を行うもので、従って、ダウンドラフト炉と類似した構成・作用を備えているけれども、原料バイオマスが直接投入されてそれを処理する従来のダウンドラフト炉とは異なり、基本的にタール分解域Aとチャーガス化域Bとを備えるだけでよく、簡単な構造で効率よく、原料バイオマスから燃料ガスを生成することができる。すなわち、熱分解ガスをガス化部3に流通させ、第1酸化ガス供給部13から供給する空気による燃焼反応で高温領域を作り出してタール分を適切に熱分解させることができ、タール分の除去性能を高く確保することができる。これにより、従来ロータリーキルンを備えた設備において、当該ロータリーキルンの後段に設備されていたガス改質塔やそれに併設されるガス冷却設備を設ける必要がなくて、小型な設備に構成することができる。

0030

要するに、本実施形態にあっては、原料バイオマスの受け入れに対しフレキシビリティの高い外熱式ロータリーキルンを初段の熱分解部2に採用し、他方、原料バイオマスの受け入れに制限のある一方で、タール分の除去性能が比較的良好で、またチャーのガス化に好適なダウンドラフト方式に則ったガス化部3を、乾燥・熱分解部が不要な分だけ単純化して次段に採用することによってバイオマスガス化装置1を構成したので、各種の原料バイオマスを対象としたガス化処理を実現しつつ、高いタール除去性能と設備のコンパクト化を達成することができる。

0031

ガス化部3が、少なくともタール分解域Aとチャーガス化域Bとを備えているので、各領域で適切にタール分解とチャーからのガス化を達成することができる。また、初段として外熱式ロータリーキルン形式の熱分解部2を備えたので、次段のガス化部3として、乾燥や熱分解機能を必要としない単純な形態であって小型のシャフト炉形式を適用でき、このようにガス化部3を単純で小型なシャフト炉形式にできるため、バイオマスガス化装置1の構造をさらに単純化することができる。

0032

また、熱分解部2の運転に必要な熱源は、生成された燃料ガスをバーナ30で燃焼させたり、設備排熱を供給することによって賄うことができて、外部熱源を必要とすることなく、合理的に装置を稼働することができる。また、熱分解部2が外熱式ロータリーキルンで構成されて原料バイオマスの含水状態が問題にならないこととの連係で、発生した水蒸気をガス化部3でのガス化剤として利用できる利点もある。

0033

上記実施形態にあっては、第1および第2酸化ガス供給部13,16への酸化ガスとして空気を例示して説明したが、その他の酸化ガスを用いてもよく、また酸化ガスには、水蒸気を混入してもよい。水蒸気を混入することによりガス生成反応を制御することができて、生成ガスを好ましく調整することができる。また、上記実施形態のガスエンジン発電機23に代えて、スターリングエンジンを用いても良い。

0034

本実施形態にかかるバイオマスガス化装置1について試算したところによれば、熱分解部2で生成される熱分解ガスを、ガス化部3において1100℃、滞留時間3秒で高温処理したところ、ガス抽出口15から抽出される燃料ガスのタール濃度を、34g/m3(標準状態)から0.006g/m3(標準状態)に減少させることができ、すなわちタール分の分解率約99%を達成できることが判った。

図面の簡単な説明

0035

本発明にかかるバイオマスガス化装置の概念構成を示す概略図である。
本発明にかかるバイオマスガス化装置の好適な一実施形態を、ガス供給系統を含めて示した構成図である。

符号の説明

0036

1バイオマスガス化装置
2熱分解部
3ガス化部
Aタール分解域
Bチャーガス化域
C 還元域

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