JP4790412B2

JP4790412B2 - バイオマスガス化装置

Info

Publication number: JP4790412B2
Application number: JP2005378083A
Authority: JP
Inventors: 謙一笹内; 美希谷口; 卓己加藤
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: CN101346455B; CN101346455A; JP2007177106A; US8100991B2; US20090260286A1; WO2007077685A1

Description

本発明は、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に関する。

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に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の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のモデル化方法」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

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や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く受け入れて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。

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。

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。

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、上記ガス化部は、縦型のシャフト炉形式で構成され、その頂部から底部に向かって順次、タール分を含む熱分解ガスとチャーとが上記熱分解部から送り込まれる投入口と；該投入口の下に位置され、当該投入口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滞留部と；該第１滞留部の下に、チャーの流下通路を区画形成すると共に、該流下通路内に酸化ガスを導入する第１酸化ガス供給部と；上記流下通路の下に形成され、該流下通路から流下するチャーを一時的に滞留させる第２滞留部と；上記第１酸化ガス供給部の下かつ上記第２滞留部の上に形成され、可燃性燃料ガスを抽出するガス抽出口と；上記第２滞留部の下に形成され、チャーを下方へ向かって案内すると共に、該第２滞留部内に酸化ガスを導入する第２酸化ガス供給部と；上記第２滞留部の下に形成され、灰を捕集する捕集部とを備え、さらに、上記第１酸化ガス供給部は、上記流下通路内に酸化ガスを供給して、該第１酸化ガス供給部周辺に、熱分解ガスとの燃焼反応によりタール分を熱分解してガス化するタール分解域を形成し、上記第２酸化ガス供給部は、上記第２滞留部に酸化ガスを供給して、該第２酸化ガス供給部周辺に、チャーとの燃焼反応によりチャーをガス化させるチャーガス化域を形成し、上記第１酸化ガス供給部と上記第２酸化ガス供給部の間に、上記ガス抽出口に向かって流通する間に上記タール分解域で燃焼された熱分解ガスを上記流下通路のチャーにより還元して可燃性燃料ガスを生成する還元域を備えたことを特徴とする。

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。そして特に、タール分が熱分解された後の熱分解ガスは、ガス抽出口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や水性ガス化反応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や水蒸気がチャー中の炭素分により還元されて、一酸化炭素や水素といった可燃性の燃料ガスを得ることができる。他方、第２滞留部に流下したチャーは、第２酸化ガス供給部から供給される酸化ガス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滞留部を介してガス抽出口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得ることができる。すなわち、燃焼反応が生じる第１および第２酸化ガス供給部の間（タール分解域とチャーガス化域の間）を還元域として、可燃性の燃料ガスを得ることができる。

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。

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の反応筒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。

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。

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に区画形成され、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。

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。

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周辺が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。

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。

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。

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。

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の熱媒出口は排出系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。

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。

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。

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や水蒸気がチャー中の炭素分により還元されて、一酸化炭素や水素といった可燃性の燃料ガスとなる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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

Claims

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、
上記ガス化部は、縦型のシャフト炉形式で構成され、その頂部から底部に向かって順次、タール分を含む熱分解ガスとチャーとが上記熱分解部から送り込まれる投入口と；該投入口の下に位置され、当該投入口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滞留部と；該第１滞留部の下に、チャーの流下通路を区画形成すると共に、該流下通路内に酸化ガスを導入する第１酸化ガス供給部と；上記流下通路の下に形成され、該流下通路から流下するチャーを一時的に滞留させる第２滞留部と；上記第１酸化ガス供給部の下かつ上記第２滞留部の上に形成され、可燃性燃料ガスを抽出するガス抽出口と；上記第２滞留部の下に形成され、チャーを下方へ向かって案内すると共に、該第２滞留部内に酸化ガスを導入する第２酸化ガス供給部と；上記第２滞留部の下に形成され、灰を捕集する捕集部とを備え、
さらに、上記第１酸化ガス供給部は、上記流下通路内に酸化ガスを供給して、該第１酸化ガス供給部周辺に、熱分解ガスとの燃焼反応によりタール分を熱分解してガス化するタール分解域を形成し、
上記第２酸化ガス供給部は、上記第２滞留部に酸化ガスを供給して、該第２酸化ガス供給部周辺に、チャーとの燃焼反応によりチャーをガス化させるチャーガス化域を形成し、
上記第１酸化ガス供給部と上記第２酸化ガス供給部の間に、上記ガス抽出口に向かって流通する間に上記タール分解域で燃焼された熱分解ガスを上記流下通路のチャーにより還元して可燃性燃料ガスを生成する還元域を備えた
ことを特徴とするバイオマスガス化装置。