JP4650985B2

JP4650985B2 - バイオマスのガス化方法及び装置

Info

Publication number: JP4650985B2
Application number: JP2001238186A
Authority: JP
Inventors: 和男佐藤
Original assignee: Yanmar Co Ltd; Nippon Koei Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd; Nippon Koei Co Ltd
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2021-08-06
Also published as: JP2003049177A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、間伐材、流木材、剪定材、建築廃材などの木材チップ、雑草、牧草、砂糖きびなどの草本系物、ＲＤＦ、籾殻、牛糞、その他の廃棄物を原料としてバイオマスから合成ガスを得るためのバイオマスからのガス化方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄物を材料として再利用するマテリアルリサイクルに適さない廃棄物については、エネルギー源として有効利用するサーマルリサイクルが推進されており、未利用エネルギー資源の有効活用や廃棄物の減量効果などの利点がある。
【０００３】
廃棄物のサーマルリサイクルは、廃棄物発電が最も有効であるとされているが、これまでは、大型の廃棄物処理施設にその適用が限定されいる。しかし、住民の反対から、大規模な産業廃棄物処理施設の建設が極めて困難な現状に鑑み、廃棄物が保有するエネルギーを効率よく回収できる小規模なバイオマスのガス化方法及び装置の出現が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
木材、草本などを原料としてバイオマスからガス燃料を作り出す方法は、既に知られている。このガス燃料の主成分は、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）からなる合成ガスである。この合成ガスからメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）を合成できる。
【０００５】
しかし、バイオマスからメタノールを製造するための小規模で、工業的な装置の実績はまだ無い。これは、原料として天然ガス（ＣＨ_４）が安いので、経済的に対応できないこと、技術的にバイオマスから有効な合成ガスを作り出すことに成功していないこと、などの理由からである。
【０００６】
本発明は、有効な合成ガスを、小規模な装置で、効率よく作り出すことのできるバイオマスのガス化方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上端を燃料投入口とし、中間部を投入されたバイオマス燃料の熱分解ゾーンとし、下端を温水予熱部とした燃焼ガス化炉筒と、この燃焼ガス化炉筒内の前記熱分解ゾーンの下部に設けた熱分解ガスの通過可能な熱保持材の収納部と、この熱保持材の収納部から熱分解ガスを下向きに吸引しつつ外部へ導出するガス導出手段と、このガス導出手段における底部の灰仕切り板の下方から前記温水予熱部までの空間部からなる水蒸気室と、上端部に一体に燃焼ノズルを設け、下端部に前記水蒸気室と連通する開口端を設け、前記燃焼ガス化炉筒内で前記燃焼ノズルを位置調整自在に設けた燃焼筒とを具備し、前記燃焼ノズルには、火炎を放射する火炎口と前記水蒸気室からの空気と水蒸気の混合気を供給する空気・水蒸気供給孔を設けてなることを特徴とするバイオマスのガス化装置である。
【０００８】
上述のような構成において、バイオマス燃料１２を燃焼ガス化炉筒１０内の熱分解ゾーンで燃焼して熱分解ガス化を行い、この熱分解ガスを前記熱分解ゾーンの下方位置の燃焼層ゾーンに吸引して高温の水蒸気と空気の混合気に反応させて酸化し、さらに、その下方の還元層、改質層で改質ガスを得、この改質ガスから灰分と未反応タール分を除去して精製ガスを得る。
また、精製ガスを得た後に、通過する精製ガスの顕熱による改質層ゾーンへ供給する水蒸気と空気を加熱してエネルギーを有効利用する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１ないし図３に基づき説明する。
１０は、上端が燃料投入口１１で、下端が温水予熱部２７とした燃焼ガス化炉筒である。この燃焼ガス化炉筒１０の内部の中間位置には、格子の粗い上部ロストル３５と、格子の密な下部ロストル３６とが互いにやや間隔をおいて配置固着されている。また、前記下部ロストル３６より下方で、かつ、燃焼ガス化炉筒１０の中心部には、上下貫通したガイド筒２１が固定的に設けられ、このガイド筒２１に、燃焼筒１６が上下動自在に設けられている。
【００１０】
この燃焼筒１６の中心部には、ガス供給管２２が一体に取り付けられ、このガス供給管２２の上端部には、燃焼ノズル１３を構成するバーナー１４が仕切り板１７で仕切られて設けられ、このバーナー１４の収納された燃焼筒１６の全周囲には、多数個の火炎口１５が開口している。
また、この燃焼筒１６における火炎口１５の下方には、前記仕切り板１７と前記上部ロストル３５の間に位置して外周に多数個の空気・水蒸気供給孔１８が開口している。
前記上部ロストル３５と下部ロストル３６との間には、８００〜１０００℃の温度を保持するための溶解しないセラミック、金属塊などからなる熱保持材５４が収納されている。
【００１１】
前記ガス供給管２２は、前記温水予熱部２７の中央部をパッキン５２を介して下方部まで液密に貫通し、燃焼筒１６と一体にガイド筒２１内で上下位置を調節できるようになっている。また、このガス供給管２２の下端部に導出した部分には、ガス導入孔２３と空気導入孔２４が設けられるとともに、ガス供給管２２を貫通して点火用ケーブル２５が設けられ、前記バーナー１４に接続されている。
【００１２】
前記燃焼ガス化炉筒１０には、前記燃焼ノズル１３と略同一高さに、副空気供給管１９が連結され、この副空気供給管１９は、弁２０を介して後述する空気ポンプ４１に連結されている。
また、前記燃焼ガス化炉筒１０には、前記下部ロストル３６の下方部に位置して引き出し形式の灰受け引き出し４０が進退可能で、かつ、ガス通路となるように側方に開口されている。さらに、前記下部ロストル３６の下方部における燃焼ガス化炉筒１０の内部に、この灰受け引き出し４０に向けて傾斜した灰仕切り板４８が前記ガイド筒２１に固定的に設けられている。
【００１３】
前記燃焼ガス化炉筒１０において、灰受け引き出し４０と灰仕切り板４８の下方から温水予熱部２７までの空間部は、水蒸気室５３を構成しており、この水蒸気室５３における燃焼ガス化炉筒１０の側面部には、前記灰仕切り板４８のやや下方に位置して後述する空気供給管３３の連結される空気供給口３４が開口されるとともに、水蒸気供給管３１が連結されている。前記温水予熱部２７の入口側に給水管２９が連結されるとともに、温水２８を循環するための温水取り出し管３０が連結されている。
【００１４】
前記燃焼ガス化炉筒１０における上方外部には、保温筒４６が断熱材４７を充填して形成されている。また、この保温筒４６の下方であって、前記上部ロストル３５，下部ロストル３６，灰受け引き出し４０の外周に位置してガス・空気熱交換筒５０が形成され、さらに、前記水蒸気室５３の外周に位置して空気予熱筒５１が形成されている。
【００１５】
前記ガス・空気熱交換筒５０と燃焼ガス化炉筒１０との間には、前記灰受け引き出し４０の上部に位置して灰トラップ３７が取り付けられ、また、１８０度反対側には、タールトラップ３８が設けられ、このタールトラップ３８から改質ガス取り出し管３９を経て外部に導出されている。
【００１６】
前記改質ガス取り出し管３９と温水取り出し管３０は、外部で熱交換器４２に連結され、この熱交換器４２のガスの出口側には、吸引ポンプ４３を介してエンジン４４とメタノール製造装置４５に接続され、熱交換器４２における温水出口側には、吸入ポンプ３２を介して水蒸気供給管３１に接続されている。
以上の装置全体が架台４９に載せられている。
【００１７】
次に、本発明の装置によるガス化の作用を説明する。
（１）バイオマスとして、間伐材、流木材、剪定材、建築廃材などの木材チップ、雑草、牧草、砂糖きび廃材などの草本系物、ＲＤＦ、籾殻、牛糞、その他の廃棄物を燃焼ガス化炉筒１０の燃料投入口１１に、ホッパー（図示せず）から連続的に投入する。
燃焼筒１６は、起動直後は、火炎口１５が上部ロストル３５と下部ロストル３６との間に位置せしめるように下降している。この状態で、ガス導入孔２３からガスを送るとともに、空気導入孔２４から空気を送り、点火用ケーブル２５からの電流でバーナー１４を点火する。すると、火炎口１５から火炎が熱保持材５４に向かって放射し、この熱保持材５４が８００〜１０００℃に達するまで加熱される。
給水管２９から温水予熱部２７に水を供給して温水２８を作り、熱交換器４２で水蒸気化し、吸入ポンプ３２で水蒸気供給管３１から水蒸気室５３に水蒸気を供給する。バイオマス燃料１２の水分含有量が多い場合には、水蒸気供給管３１から水蒸気室５３に水蒸気を供給することなく、吸入ポンプ３２の出口側の排出路を開いて外部に逃がすこともある。
さらに、空気ポンプ４１で空気供給管３３から空気供給口３４を経て水蒸気室５３内に空気を供給するとともに、改質ガス取り出し管３９に連結された吸引ポンプ４３にて燃焼ガス化炉筒１０内の空気を吸引する。
【００１８】
（２）熱保持材５４が十分加熱されたら、燃焼筒１６をバイオマス燃料１２の収納された燃焼ガス化炉筒１０の略中央位置（図１の位置）まで上昇させる。すると、火炎口１５から火炎が燃焼ガス化炉筒１０内部に放射され、バイオマス燃料１２が燃焼を開始する。
また、空気ポンプ４１による空気の圧入と、吸引ポンプ４３の吸引により、水蒸気室５３内の水蒸気と空気の混合気が燃焼筒１６の内部を上昇して、空気・水蒸気供給孔１８から燃焼ガス化炉筒１０内部へ供給される。
【００１９】
（３）火炎口１５の周りの熱分解層ゾーンでは、完全燃焼に必要な空気量よりも十分絞った空気が供給されることにより、３００〜６００℃という比較的低い温度で加熱されて熱分解ガス化が行われる。ここで発生した熱分解ガス中には、ＣＯやＨ_２などの可燃性ガスに加えてタール分やすすなどの可燃分が含まれており、特に、タール分は、冷却すると凝固するため、加熱したまま吸引ポンプ４３の作用により吸引され、空気・水蒸気供給孔１８の周りの下方の燃焼層（酸化層）ゾーンに送られる。この燃焼層ゾーンでは、８００〜１０００℃で、主に以下の反応により燃焼が行われる。
Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２
【００２０】
（４）燃焼層ゾーンの下方の還元層ゾーンでは、酸素が奪われ、さらに、この還元層ゾーンの下方の改質層ゾーンでは、以下の反応で、タール分をＣＯとＨ_２へと改質する。
Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２・ｍ）Ｈ_２
これらの反応は、８００℃程度以上の高温でなければ起こらず、しかも、吸熱反応であるため、水蒸気に空気を混ぜて、次の反応によって改質に必要なエネルギーを供給する。
Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２
Ｃ＋１／２・Ｏ_２→ＣＯ
熱分解したガスが下方へ吸引されて燃焼されたり、まだ、燃焼されていないバイオマス燃料１２の隙間を通過する際、一度形成されたガスの通路は、固定されて、燃焼ガス化炉筒１０内において、熱分解が十分に行われない個所が生じることがある。そこで、空気ポンプ４１から副空気供給管１９を介して弁２０を開いて空気を供給することで、ガス流路を強制的に変更して万遍なくガス化が行われるようにする。
【００２１】
（５）タール分の改質は、上部ロストル３５と下部ロストル３６との間の予め加熱されている熱保持材５４を通過することにより、より一層確実に行われる。
上部ロストル３５と下部ロストル３６を通過した灰分は、灰仕切り板４８に落下し、灰受け引き出し４０に溜まる。改質ガスは、灰受け引き出し４０から灰トラップ３７を通るときに、灰の微粉末が除かれ、さらに、タールトラップ３８により改質されていない微量のタール分が除かれて精製ガスとなり、改質ガス取り出し管３９を経て熱交換器４２に送られる。
【００２２】
（６）高温の精製ガスが改質ガス取り出し管３９を通るときにガス・空気熱交換筒５０及び空気予熱筒５１内で熱交換し、その熱で水蒸気室５３内の空気を暖め、かつ、高温の水蒸気を発生させる。さらに、改質ガス取り出し管３９から熱交換器４２に送られた高温の精製ガスにより、温水取り出し管３０から吸入ポンプ３２で吸引された温水２８を加熱して、水蒸気化し、水蒸気供給管３１から水蒸気室５３へ水蒸気を供給する。
【００２３】
（７）吸引ポンプ４３で吸引した精製ガスは、工業炉、ボイラ、内燃機関のエンジン４４などの燃料ガスとして利用するとともに、メタノール製造装置４５により、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）が合成される。
【００２４】
前記実施例において、燃焼ガス化炉筒１０内における熱分解、酸化、還元、改質の各工程をより完全に行わせるためには、利用されるバイオマス燃料１２の種類、水分含有量、筒内温度などによって、火炎口１５の位置、空気・水蒸気供給孔１８の位置、空気・水蒸気の供給量などを最適に制御しなければならない。
そこで、本発明では、熱分解層、燃焼層（酸化層）、還元層、改質層の各位置に、温度、湿度などの検出センサーを取り付け、このデータに基づきＣＰＵにより、燃焼筒１６の上下位置を調整したり、ガス導入孔２３からのガスと、空気導入孔２４からの空気の供給量などを制御できるようになっている。また、バーナー１４から放射される火炎は、点火用としてのみならず、バイオマス燃料１２の水分含有量が大きいときなど、燃焼用としても利用されることも前記データに基づきＣＰＵにより制御する。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃焼ガス化炉筒の下部の改質層ゾーンにおける熱保持材を燃焼ノズルで加熱する工程と、前記燃焼ガス化炉筒内の改質層ゾーンより上方位置の熱分解ゾーンに投入されたバイオマス燃料を前記燃焼ノズルにより点火後一部燃焼して、その熱によりバイオマス燃料の熱分解ガス化を行う工程と、この熱分解ガスを前記熱分解ゾーンの下方位置の燃焼層ゾーンで前記熱分解ゾーンより高温で燃焼し、この過程で発生する灰分中の高温の炭素分を、前記燃焼層ゾーンの下方位置の前記改質層ゾーンに吸引して高温の水蒸気と空気の混合気に反応させて改質ガスを得る工程と、この改質ガスから灰分と未反応タール分を改質・除去して精製ガスを得る工程とからなるので、熱分解ガスを下方へ吸引することで、特に熱保持材の加熱されたところを通過することで、タールやすすを自動的に、かつ、確実に除去できる。
【００２６】
請求項２記載の発明によれば、予め熱保持材５４を加熱する工程の加熱と、バイオマス燃料１２を熱分解ゾーンで燃焼して熱分解ガス化を行う工程の点火とを同一の燃焼ノズル１３で行うことができる。
【００２７】
請求項３記載の発明によれば、精製ガスを得る工程の後に、通過する精製ガスの顕熱による改質層ゾーンへ供給する空気を加熱する工程を付加したので、熱分解ガスのもつ顕熱を有効利用できる。
【００２８】
請求項４記載の発明によれば、最初に燃焼ノズルで熱保持材を十分に加熱し、ついで、燃焼ノズルの位置を調整してバイオマス燃料に点火するようにしたので、燃焼ガス化炉筒、燃焼ノズル、空気・水蒸気供給孔、温水予熱部、水蒸気室、ガス導出手段の構造が簡単で、特に、小規模のバイオマスのガス化装置として安価に提供することができる。また、生成ガスが下向きに吸引されることで、水蒸気室の混合気と十分に反応し、酸化・還元・改質が確実に行われる。
【００２９】
請求項５記載の発明によれば、燃焼ガス化炉筒の熱保持材の収納部の下方位置に灰分除去手段としての灰受け引き出しを設け、この灰受け引き出しを、前記熱保持材の収納部の外周に位置して設けられたガス・空気熱交換筒の一端部に灰トラップを介して連結し、このガス・空気熱交換筒の他端部にタールトラップを介して改質ガス取り出し管を連結し、この改質ガス取り出し管を、水蒸気室の外周に設けられた空気予熱筒で熱交換するように貫通して外部へ導出してなるので、水蒸気室内の空気と水蒸気の混合気を効果的に加熱して、熱分解ガスの改質作用を十分行わせることができる。
【００３０】
請求項６記載の発明によれば、温水予熱部から温水取り出し管，熱交換器，吸入ポンプ，水蒸気供給管を経て水蒸気室に水蒸気を供給せしめるように連結し、燃焼筒の空気・水蒸気供給孔から湿り気を持たせた空気をバイオマス燃料に供給することで熱分解ガスの水蒸気改質をするようにしたので、温水を効率よく精製後のガスのもつ顕熱で水蒸気化することができる。
【００３１】
請求項７記載の発明によれば、水蒸気室に外部の空気ポンプから空気を供給する空気供給管を連結したので、点火時から必要、かつ、十分な空気を供給して、熱分解ガスの発生を確実に行わせることができる。
【００３２】
請求項８記載の発明によれば、燃焼ガス化炉筒における燃焼ノズルに臨ませて、外部の空気ポンプから空気を供給する副空気供給管を連結し、供給された空気により燃焼ガス化炉筒の内部に生じたガス流路を強制的に変更するようにしたので、燃焼筒内で万遍なく熱分解ガス化と改質反応を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるバイオマスのガス化方法及び装置の一実施例を示す図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【符号の説明】
１０…燃焼ガス化炉筒、１１…燃料投入口、１２…バイオマス燃料、１３…燃焼ノズル、１４…バーナー、１５…火炎口、１６…燃焼筒、１７…仕切り板、１８…空気・水蒸気供給孔、１９…副空気供給管、２０…弁、２１…ガイド筒、２２…ガス供給管、２３…ガス導入孔、２４…空気導入孔、２５…点火用ケーブル、２６…開口端、２７…温水予熱部、２８…温水、２９…給水管、３０…温水取り出し管、３１…水蒸気供給管、３２…吸入ポンプ、３３…空気供給管、３４…空気供給口、３５…上部ロストル、３６…下部ロストル、３７…灰トラップ、３８…タールトラップ、３９…改質ガス取り出し管、４０…灰受け引き出し、４１…空気ポンプ、４２…熱交換器、４３…吸引ポンプ、４４…エンジン、４５…メタノール製造装置、４６…保温筒、４７…断熱材、４８…灰仕切り板、４９…架台、５０…ガス・空気熱交換筒、５１…空気予熱筒、５２…パッキン、５３…水蒸気室、５４…熱保持材。

Claims

燃焼ガス化炉筒の下部の改質層ゾーンにおける熱保持材を燃焼ノズルで加熱する工程と、前記燃焼ガス化炉筒内の改質層ゾーンより上方位置の熱分解ゾーンに投入されたバイオマス燃料を前記燃焼ノズルにより点火後一部燃焼して、その熱によりバイオマス燃料の熱分解ガス化を行う工程と、この熱分解ガスを前記熱分解ゾーンの下方位置の燃焼層ゾーンで前記熱分解ゾーンより高温で燃焼し、この過程で発生する灰分中の高温の炭素分を、前記燃焼層ゾーンの下方位置の前記改質層ゾーンに吸引して高温の水蒸気と空気の混合気に反応させて改質ガスを得る工程と、この改質ガスから灰分と未反応タール分を改質・除去して精製ガスを得る工程とからなることを特徴とするバイオマスのガス化方法。
熱保持材５４の加熱工程の加熱とバイオマス燃料１２の熱分解ガス化工程の点火とは、同一燃焼ノズル１３の位置を移動して行うようにしたことを特徴とする請求項１記載のバイオマスのガス化方法。
精製ガスを得る工程の後に、通過する精製ガスの顕熱による改質層ゾーンへ供給する空気を加熱する工程と、水を加熱し水蒸気の発生を助ける熱交換工程とを付加してなることを特徴とする請求項１又は２記載のバイオマスのガス化方法。
上端を燃料投入口とし、中間部を投入されたバイオマス燃料の熱分解ゾーンとし、下端を温水予熱部とした燃焼ガス化炉筒と、この燃焼ガス化炉筒内の前記熱分解ゾーンの下部に設けた熱分解ガスの通過可能な熱保持材の収納部と、この熱保持材の収納部から熱分解ガスを下向きに吸引しつつ外部へ導出するガス導出手段と、このガス導出手段における底部の灰仕切り板の下方から前記温水予熱部までの空間部からなる水蒸気室と、上端部に一体に燃焼ノズルを設け、下端部に前記水蒸気室と連通する開口端を設け、前記燃焼ガス化炉筒内で前記燃焼ノズルを位置調整自在に設けた燃焼筒とを具備し、前記燃焼ノズルには、火炎を放射する火炎口と前記水蒸気室からの空気と水蒸気の混合気を供給する空気・水蒸気供給孔を設けてなることを特徴とするバイオマスのガス化装置。
燃焼ガス化炉筒の熱保持材の収納部の下方位置に灰分除去手段としての灰受け引き出しを設け、この灰受け引き出しを、前記熱保持材の収納部の外周に位置して設けられたガス・空気熱交換筒の一端部に灰トラップを介して連結し、このガス・空気熱交換筒の他端部にタールトラップを介して改質ガス取り出し管を連結し、この改質ガス取り出し管を、水蒸気室の外周に設けられた空気予熱筒で熱交換するように貫通して外部へ導出してなることを特徴とする請求項４記載のバイオマスのガス化装置。
温水予熱部から温水取り出し管，熱交換器，吸入ポンプ，水蒸気供給管を経て水蒸気室に水蒸気を供給せしめるように連結し、燃焼筒の空気・水蒸気供給孔から湿り気を持たせた空気をバイオマス燃料に供給することで熱分解ガスの水蒸気改質をするようにしたことを特徴とする請求項４又は５記載のバイオマスのガス化装置。
水蒸気室に外部の空気ポンプから空気を供給する空気供給管を連結してなることを特徴とする請求項４、５又は６記載のバイオマスのガス化装置。
燃焼ガス化炉筒における燃焼ノズルに臨ませて、外部の空気ポンプから空気を供給する副空気供給管を連結し、供給された空気により燃焼ガス化炉筒の内部に生じたガス流路を強制的に変更するようにしたことを特徴とする請求項４、５、６又は７記載のバイオマスのガス化装置。