JP2022132992A - ガス化炉および発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】上下方向で重なる１次燃焼室と２次燃焼室とがガス化炉本体の内部に形成されるとともに木質チップから木質ガスを生成するガス化炉において、２次燃焼室で生成された木質ガスの温度の低下を抑制しながら木質ガスを取り出すことが可能なガス化炉を提供する。
【解決手段】ガス化炉２では、上下方向で重なる１次燃焼室１０と２次燃焼室１１とがガス化炉本体１２の内部に形成されている。２次燃焼室１１で生成された木質ガスを取り出すための取出用配管１５の一端は、２次燃焼室１１の上面側に繋がっており、取出用配管１５の一部は、１次燃焼室１０の内部に配置されている。２次燃焼室１１から取り出される木質ガスは、木質チップの加熱が行われている１次燃焼室１０の内部に配置される取出用配管１５の一部を通過する。
【選択図】図１

Description

本発明は、木質チップから木質ガスを生成するためのガス化炉に関する。また、本発明は、このガス化炉を備える発電システムに関する。

従来、バイオマス資源を乾留してガス化するためのガス化炉が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のガス化炉は、炉本体と、炉本体の上部に繋がる原料投入部と、炉本体内の収容部を上下方向で仕切るパンチングプレートとを備えている。原料投入部は、チップやペレット等の原料を炉本体の収容部に投入する。このガス化炉では、収容部に投入された原料がパンチングプレートに積載されるように、パンチングプレートの開口の大きさは投入時の原料の大きさよりも小さくなっている。収容部で炭化して細粒となった原料は、パンチングプレートの開口を通過してパンチングプレートから落下する。

特許文献１に記載のガス化炉では、収容部内の、パンチングプレートよりも上の領域が１次燃焼室（第１ガス化室）となっており、収容部内の、パンチングプレートよりも下の領域が２次燃焼室（第２ガス化室）となっている。１次燃焼室で炭化して細粒となった原料は、パンチングプレートから落下して、２次燃焼室に堆積する。特許文献１に記載のガス化炉は、２次燃焼室に堆積した炭化物をさらに乾留することで、燃料ガスを生成する。２次燃焼室の側面には、送風機の吸気側が接続されている。送風機は、２次燃焼室で生成された燃料ガスをガスタービン等に向かって送出している。

特開２０１７－１１９７７１号公報

本願発明者は、木質チップから木質ガスを生成するためのガス化炉において、特許文献１に記載のガス化炉のように、上下方向で重なる１次燃焼室と２次燃焼室とをガス化炉本体の内部に形成することを検討している。また、本願発明者は、木質ガスを燃焼させて水蒸気を生成するボイラーと、ボイラーで生成された水蒸気によって回転する蒸気タービンを有する発電機とを備える発電システムにおいて、このガス化炉を使用することを検討している。この発電システムでは、ガス化炉で生成された木質ガスがそのままボイラーに供給される。

本願発明者の検討によると、この発電システムでは、ボイラーに供給される木質ガスの温度が低くなるにつれて、ボイラーのガス燃焼器で木質ガスを燃焼させにくくなる。そのため、２次燃焼室で生成された木質ガスの温度の低下を抑制しながら、ガス化炉から木質ガスを取り出してボイラーに供給することが好ましい。

そこで、本発明の課題は、上下方向で重なる１次燃焼室と２次燃焼室とがガス化炉本体の内部に形成されるとともに木質チップから木質ガスを生成するガス化炉において、２次燃焼室で生成された木質ガスの温度の低下を抑制しながら木質ガスを取り出すことが可能なガス化炉を提供することにある。また、本発明の課題は、このガス化炉を備える発電システムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のガス化炉は、木質チップから木質ガスを生成するためのガス化炉において、内部に１次燃焼室および２次燃焼室が形成されるガス化炉本体と、ガス化炉本体の内部に配置されガス化炉本体の内部を１次燃焼室と２次燃焼室とに仕切る仕切り部材と、２次燃焼室で生成された木質ガスを取り出すための取出用配管とを備え、ガス化炉本体の内部の、仕切り部材の上側が１次燃焼室となっており、ガス化炉本体の内部の、仕切り部材の下側が２次燃焼室となっており、仕切り部材には、１次燃焼室で生成された炭化物が２次燃焼室に向かって通過する複数の通過穴が形成され、２次燃焼室では、１次燃焼室で生成された１次生成ガスと炭化物とを用いて木質ガスが生成され、取出用配管の一端は、２次燃焼室の上面側に繋がり、取出用配管の一部は、１次燃焼室の内部に配置され、２次燃焼室から取り出される木質ガスは、１次燃焼室の内部に配置される取出用配管の一部を通過することを特徴とする。

本発明のガス化炉では、取出用配管の一端は、２次燃焼室の上面側に繋がっており、取出用配管の一部は、１次燃焼室の内部に配置されている。また、本発明では、２次燃焼室から取り出される木質ガスは、木質チップの加熱が行われている１次燃焼室の内部（すなわち、ガス化炉本体の外部の温度よりも温度が高くなっている１次燃焼室の内部）に配置される取出用配管の一部を通過する。そのため、本発明では、取出用配管の全体がガス化炉本体の外部に配置されている場合と比較して、２次燃焼室で生成された木質ガスの温度の低下を抑制しながらガス化炉から木質ガスを取り出すことが可能になる。

また、本発明では、２次燃焼室で生成された木質ガスの温度の低下を、１次燃焼室を利用して抑制することが可能になるため、２次燃焼室で生成された木質ガスの温度の低下を抑制するための構成を別途設ける必要がない。したがって、本発明では、２次燃焼室で生成された木質ガスの温度の低下を抑制することが可能であっても、ガス化炉の構成を簡素化することが可能になる。

本発明において、１次燃焼室の内部に配置される取出用配管の一部は、１次燃焼室の中心に配置されていることが好ましい。このように構成すると、１次燃焼室の内部に配置される取出用配管の一部が、たとえば、１次燃焼室の端に配置されている場合と比較して、１次燃焼室の内部に配置される取出用配管の一部を通過する木質ガスの温度の低下を効果的に抑制することが可能になる。

本発明において、ガス化炉は、１次生成ガスを２次燃焼室に供給するための供給用配管を備え、供給用配管の一端は、２次燃焼室の内壁の接線方向に１次生成ガスが供給されるように２次燃焼室の外周側から２次燃焼室に繋がっていることが好ましい。このように構成すると、２次燃焼室において、炭化物と１次生成ガスとを旋回させることが可能になる。そのため、本願発明者の検討によれば、２次燃焼室の温度を高めることが可能になり、その結果、より水分量の少ない木質ガスをガス化炉から取り出すことが可能になる。したがって、木質ガスがボイラーに供給される場合には、ボイラーのガス燃焼器で木質ガスをより燃焼させやすくなる。

なお、本発明では、取出用配管の一端が２次燃焼室の上面側に繋がっているため、取出用配管の配置を考慮することなく、２次燃焼室の外周側から２次燃焼室に供給用配管を繋げることが可能になる。したがって、２次燃焼室の外周側から２次燃焼室に供給用配管が繋がっていても、２次燃焼室に供給用配管を繋げやすくなる。

本発明のガス化炉は、ガス化炉で生成された木質ガスが供給されるとともに木質ガスを燃焼させて水蒸気を生成するボイラーと、ボイラーで生成された水蒸気によって回転する蒸気タービンを有する発電機とを備える発電システムに用いることができる。この発電システムでは、２次燃焼室で生成された木質ガスの温度の低下を抑制しながらガス化炉から木質ガスを取り出すことが可能になるため、ボイラーのガス燃焼器で木質ガスを燃焼させやすくなる。

以上のように、本発明では、上下方向で重なる１次燃焼室と２次燃焼室とがガス化炉本体の内部に形成されるとともに木質チップから木質ガスを生成するガス化炉において、２次燃焼室で生成された木質ガスの温度の低下を抑制しながらガス化炉から木質ガスを取り出すことが可能になる。

本発明の実施の形態にかかる発電システムの構成を説明するための概略図である。 図１に示すガス化炉の下端部の構成を説明するための断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

（発電システムおよびガス化炉の構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかる発電システム１の構成を説明するための概略図である。図２は、図１に示すガス化炉２の下端部の構成を説明するための断面図である。

本形態の発電システム１は、ガス化炉２とボイラー３と発電機４とを備えている。ガス化炉２は、木質チップを乾留して木質チップから木質ガスを生成する。本形態の木質チップは、チップ状に粉砕された木材からなる木材チップである。木材チップの大きさは、数ｍｍ程度となっている。ボイラー３には、ガス化炉２で生成された木質ガスが供給される。具体的には、ガス化炉２で生成された木質ガスがそのまま、ボイラー３に供給される。ボイラー３は、木質ガスを燃焼させて水蒸気を生成する。ボイラー３は、木質ガスを燃焼させるガス燃焼器５等を備えている。発電機４には、ボイラー３で生成された水蒸気が供給される。発電機４は、ボイラー３で生成された水蒸気によって回転する蒸気タービン６等を備えている。

ガス化炉２は、内部に１次燃焼室１０および２次燃焼室１１が形成されるガス化炉本体１２と、ガス化炉本体１２の内部に配置される仕切り部材１３とを備えている。ガス化炉本体１２は、底部を有する有底の筒状に形成されている。ガス化炉本体１２は、たとえば、円筒状に形成されている。あるいは、ガス化炉本体１２は、８角筒状等の多角筒状に形成されている。ガス化炉本体１２の外周側には、ガス化炉本体１２を冷却するための水冷ジャケット（図示省略）が形成されている。

仕切り部材１３は、平板状に形成されている。仕切り部材１３は、上下方向でガス化炉本体１２の内部を仕切っている。ガス化炉本体１２では、ガス化炉本体１２の内部の、仕切り部材１３の上側が１次燃焼室１０となっており、ガス化炉本体１２の内部の、仕切り部材１３の下側が２次燃焼室１１となっている。すなわち、仕切り部材１３は、ガス化炉本体１２の内部を１次燃焼室１０と２次燃焼室１１とに仕切っており、ガス化炉本体１２の内部には、上下方向で重なる１次燃焼室１０と２次燃焼室１１とが形成されている。また、１次燃焼室１０の下に第２燃焼室１１が配置されている。

１次燃焼室１０には、上側から木質チップが供給される。１次燃焼室１０では、たとえば、３００～６００℃程度で木質チップが加熱される。１次燃焼室１０では、炭化した木質チップからなる炭化物と１次生成ガスとが生成される。１次燃焼室１０の下端側部分には、炭化物が充填されている。また、１次燃焼室１０では、炭化物の上側に、炭化途中の木質チップおよび炭化前の木質チップが充填されている。仕切り部材１３は、たとえば、パンチングメタルであり、仕切り部材１３には、１次燃焼室１０で生成された炭化物が２次燃焼室１１に向かって通過する複数の通過穴が形成されている。通過穴は、上下方向で仕切り部材１３を貫通している。通過穴の形状は、円形状、長円形状または長方形状等となっている。

１次燃焼室１０で生成された炭化物は、自重によって仕切り部材１３の通過穴を通過して２次燃焼室１１に落下する。２次燃焼室１１では、１次燃焼室１０で生成された炭化物が、たとえば、１０００～１２００℃程度で加熱される。２次燃焼室１１には、１次燃焼室１０で生成された１次生成ガスが供給される。２次燃焼室１１では、炭化物と１次生成ガスとを用いて木質ガスが生成される。具体的には、２次燃焼室１１では、炭化物と１次生成ガスとから木質ガスが生成される。

また、ガス化炉２は、ガス化炉本体１２に供給される木質チップが収容されるチップ収容部１４と、２次燃焼室１１で生成された木質ガスを取り出すための取出用配管１５と、１次燃焼室１０で生成された１次生成ガスを２次燃焼室１１に供給するための供給用配管１６とを備えている。本形態のガス化炉２は、１本の取出用配管１５と１本の供給用配管１６とを備えている。

チップ収容部１４は、筒状に形成されている。チップ収容部１４は、ガス化炉本体１２の上側に配置されており、チップ収容部１４の下端は、ガス化炉本体１２の上端に繋がっている。チップ収容部１４には、上側から木質チップが供給される。具体的には、粉砕機で粉砕された木材チップがコンベヤ等によって上側からチップ収容部１４に供給される。ガス化炉本体１２には、チップ収容部１４に収容される木質チップが自重で順次供給される。

取出用配管１５は、２次燃焼室１１とボイラー３のガス燃焼器５との間に配置されている。すなわち、取出用配管１５の一端は、２次燃焼室１１に繋がり、取出用配管１５の他端は、ガス燃焼器５に繋がっている。取出用配管１５の一端は、２次燃焼室１１の上面側に繋がっている。取出用配管１５は、２次燃焼室１１から上側に向かって引き回されるとともに、ガス化炉本体１２の上端よりも上側まで引き回されている。

取出用配管１５の一部は、１次燃焼室１０の内部、および、チップ収容部１４の内部に配置されている。具体的には、取出用配管１５の一端は、２次燃焼室１１の中心に繋がっており、１次燃焼室１０の内部に配置される取出用配管１５の一部は、１次燃焼室１０の中心に配置されている。また、チップ収容部１４の内部に配置される取出用配管１５の一部は、チップ収容部１４の中心に配置されている。

２次燃焼室１１から取り出される木質ガスは、１次燃焼室１０の内部に配置される取出用配管１５の一部を通過するとともに、チップ収容部１４の内部に配置される取出用配管１５の一部を通過する。すなわち、２次燃焼室１１から取り出される木質ガスは、１次燃焼室１０の内部を通過するとともに、チップ収容部１４の内部を通過した後、ガス化炉２から取り出される。取出用配管１５の内径は、ガス化炉本体１２の内径の１／５程度となっている。なお、取出用配管１５の途中には、２次燃焼室１１で生成された木質ガスをガス燃焼器５に送る送風機が配置されている。

供給用配管１６は、２次燃焼室１１と１次燃焼室１０との間に配置されている。すなわち、供給用配管１６の一端は、２次燃焼室１１に繋がり、供給用配管１６の他端は、１次燃焼室１０に繋がっている。供給用配管１６の一端は、２次燃焼室１１の外周側から２次燃焼室１１に繋がっている。具体的には、供給用配管１６の一端は、２次燃焼室１１の内壁の接線方向（図２の矢印Ｖで示す方向）に１次生成ガスが供給されるように２次燃焼室１１の外周側から２次燃焼室１１に繋がっている。また、供給用配管１６の他端は、１次燃焼室１０の外周側から１次燃焼室１０に繋がっている。

供給用配管１６の途中には、１次燃焼室１０で生成された１次生成ガスを第２燃焼室１１に送る送風機１７が配置されている。２次燃焼室１１において、１次生成ガスは、上述のように、２次燃焼室１１の内壁の接線方向に供給される。そのため、２次燃焼室１１では、炭化物と１次生成ガスとが旋回する。すなわち、２次燃焼室１１では、炭化物と１次生成ガスとが旋回しながら燃焼する。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、取出用配管１５の一端は、２次燃焼室１１の上面側に繋がっており、取出用配管１５の一部は、１次燃焼室１０の内部に配置されている。また、本形態では、２次燃焼室１１から取り出される木質ガスは、木質チップの加熱が行われている１次燃焼室１０の内部（すなわち、ガス化炉本体１２の外部の温度よりも温度が高くなっている１次燃焼室１０の内部）に配置される取出用配管１５の一部を通過する。そのため、本形態では、取出用配管１５の全体がガス化炉本体１２の外部に配置されている場合と比較して、２次燃焼室１１で生成された木質ガスの温度の低下を抑制しながらガス化炉２から木質ガスを取り出すことが可能になる。したがって、本形態では、ボイラー３のガス燃焼器５で木質ガスを燃焼させやすくなる。

また、本形態では、２次燃焼室１１で生成された木質ガスの温度の低下を、１次燃焼室１０を利用して抑制することが可能になるため、２次燃焼室１１で生成された木質ガスの温度の低下を抑制するための構成を別途設ける必要がない。したがって、本形態では、２次燃焼室１１で生成された木質ガスの温度の低下を抑制することが可能であっても、ガス化炉２の構成を簡素化することが可能になる。

本形態では、１次燃焼室１０の内部に配置される取出用配管１５の一部は、１次燃焼室１０の中心に配置されている。そのため、本形態では、１次燃焼室１０の内部に配置される取出用配管１５の一部が、たとえば、１次燃焼室１０の端に配置されている場合と比較して、１次燃焼室１０の内部に配置される取出用配管１５の一部を通過する木質ガスの温度の低下を効果的に抑制することが可能になる。

本形態では、供給用配管１６の一端は、２次燃焼室１１の内壁の接線方向に１次生成ガスが供給されるように２次燃焼室１１の外周側から２次燃焼室１１に繋がっており、２次燃焼室１１では、炭化物と１次生成ガスとが旋回しながら燃焼する。そのため、本願発明者の検討によると、本形態では、２次燃焼室１１の温度を高めることが可能になり、その結果、より水分量の少ない木質ガスをガス化炉２から取り出すことが可能になる。したがって、本形態では、ボイラー３のガス燃焼器５で木質ガスをより燃焼させやすくなる。

なお、本形態では、取出用配管１５の一端が２次燃焼室１１の上面側に繋がっているため、取出用配管１５の配置を考慮することなく、２次燃焼室１１の外周側から２次燃焼室１１に供給用配管１６を繋げることが可能になる。したがって、本形態では、２次燃焼室１１の外周側から２次燃焼室１１に供給用配管１６が繋がっていても、２次燃焼室１１に供給用配管１６を繋げやすくなる。

（他の実施の形態）
上述した形態において、２次燃焼室１１に圧縮空気が供給されても良い。この場合には、圧縮空気を供給する空気供給用配管の一端は、たとえば、２次燃焼室１１の内壁の接線方向に圧縮空気が供給されるように２次燃焼室１１の外周側から２次燃焼室１１に繋がっている。また、この場合には、たとえば、２本の空気供給用配管が２次燃焼室１１の中心に対して１８０°ピッチで２次燃焼室１１に繋がっている。

上述した形態において、ガス化炉２は、複数本の取出用配管１５を備えていても良い。また、上述した形態において、ガス化炉２は、複数本の供給用配管１６を備えていても良い。また、上述した形態において、１次燃焼室１０の内部に配置される取出用配管１５の一部は、１次燃焼室１０の中心からずれた位置に配置されていても良い。さらに、上述した形態において、供給用配管１６の一端は、２次燃焼室１１の内壁の接線方向からずれた方向に１次生成ガスが供給されるように２次燃焼室１１の外周側から２次燃焼室１１に繋がっていても良い。

１ 発電システム
２ ガス化炉
３ ボイラー
４ 発電機
６ 蒸気タービン
１０ １次燃焼室
１１ ２次燃焼室
１２ ガス化炉本体
１３ 仕切り部材
１５ 取出用配管
１６ 供給用配管

Claims (4)

1. 木質チップから木質ガスを生成するためのガス化炉において、
   内部に１次燃焼室および２次燃焼室が形成されるガス化炉本体と、前記ガス化炉本体の内部に配置され前記ガス化炉本体の内部を前記１次燃焼室と前記２次燃焼室とに仕切る仕切り部材と、前記２次燃焼室で生成された前記木質ガスを取り出すための取出用配管とを備え、
   前記ガス化炉本体の内部の、前記仕切り部材の上側が前記１次燃焼室となっており、
   前記ガス化炉本体の内部の、前記仕切り部材の下側が前記２次燃焼室となっており、
   前記仕切り部材には、前記１次燃焼室で生成された炭化物が前記２次燃焼室に向かって通過する複数の通過穴が形成され、
   前記２次燃焼室では、前記１次燃焼室で生成された１次生成ガスと前記炭化物とを用いて前記木質ガスが生成され、
   前記取出用配管の一端は、前記２次燃焼室の上面側に繋がり、
   前記取出用配管の一部は、前記１次燃焼室の内部に配置され、
   前記２次燃焼室から取り出される前記木質ガスは、前記１次燃焼室の内部に配置される前記取出用配管の一部を通過することを特徴とするガス化炉。
2. 前記１次燃焼室の内部に配置される前記取出用配管の一部は、前記１次燃焼室の中心に配置されていることを特徴とする請求項１記載のガス化炉。
3. 前記１次生成ガスを前記２次燃焼室に供給するための供給用配管を備え、
   前記供給用配管の一端は、前記２次燃焼室の内壁の接線方向に前記１次生成ガスが供給されるように前記２次燃焼室の外周側から前記２次燃焼室に繋がっていることを特徴とする請求項１または２記載のガス化炉。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のガス化炉と、前記ガス化炉で生成された前記木質ガスが供給されるとともに前記木質ガスを燃焼させて水蒸気を生成するボイラーと、前記ボイラーで生成された水蒸気によって回転する蒸気タービンを有する発電機とを備えることを特徴とする発電システム。

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