JP2003268390A - バイオマス熱分解方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 近年バイオマスの利用がうたわれているが、
バイオマスは発熱量が低く、水分が多いため、現状の技
術ではエネルギーを有効に利用しているとは言えない。
有効利用のためには、高効率の転換技術が必要である。 【解決手段】 熱分解とガス化を組み合わせ、バイオマ
スをガス化、熱分解に、バイオマスチャーをガス化に使
用することで、バイオエネルギーの９０％近くをガス、
液エネルギーとして回収できる。さらに、熱分解供給量
を調整することで、安定した熱分解操業が可能となっ
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温ガス顕熱を利
用してバイオマスを急速に熱分解する技術に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】地球温暖化問題への対応は、新エネルギ
−の開発・実用化、低二酸化炭素発生エネルギーへのシ
フト、原子力比率の向上、既存一次エネルギーの効率的
かつ合理的利用、未利用エネルギーや廃棄物エネルギー
の利用等で進められている。特にバイオマスはカーボン
ニュートラルであり、気候変動枠組条約締約国会議（Ｃ
ＯＰ３〜６、ＣＯＰ； Ｔｈｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
Ｏｆ ｔｈｅ Ｐａｒｔｙ）での国際公約を達成する
意味でも積極的に使用して石油、石炭等を代替すべき資
源であるといえる。バイオマスとは生物量の総称であ
り、ＦＡＯ（国連食糧農業機関）によれば、農業系（麦
わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系（製紙廃棄
物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系（家畜廃
棄物）、水産系（水産加工残滓）、廃棄物系（生ゴミ、
ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Ｒｅｆｕｓｅｄ Ｄｅｒｉｖ
ｅｄ Ｆｕｅｌ）、庭木、建設廃材、下水汚泥）等に分
類される。

【０００３】バイオマスからのエネルギー回収、エネル
ギー転換を考えたとき、通常は燃焼による生成ガス顕熱
で蒸気を生成し、スチームタービンで電力として回収す
る効率の低い方法がとられる。これは、バイオマスは一
般に水分を多く含んで熱量が低いため、熱分解やガス化
に必要な熱が不足することにより、燃焼しか選択肢がな
いためで、外部からの熱（他の燃料による熱補償）がな
いと成り立たないプロセスが多い。従って、バイオマス
からエネルギーを回収し、有効に利用するためには、転
換効率の高い方法が必須である。近年になって、特開平
１１−３０２６６５号公報「バイオマスと化石燃料を用
いたガス化方法」に見られるように、化石燃料を併用し
て、バイオマスのエネルギー転換効率を上げようとする
技術等が見られるようになった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】バイオマスを酸素で部
分酸化（ガス化）してガス燃料や化学原料として使用す
る場合、従来の一般的な指標は冷ガス効率（（生成物潜
熱／バイオマス潜熱）×１００）で、バイオマスでの理
論値（上限値）は８０％程度となる。これに水分、スス
生成、回収不能な放散熱等、マイナス要素が加わり、実
際の効率は大幅に落ち、６０〜７５％程度となる。水分
は、熱回収設備により回収可能だが、ガス化部分の温度
を低下させる方向に働くことで、反応率自体を下げ、効
率低下を引き起こしてしまう。

【０００５】そこで本発明では、効率の高いエネルギー
化方法として急速熱分解法を選択し、バイオマスに適し
た反応形態で、バイオマスの熱量を有効に利用する方法
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するに有効な方法であり、 １）バイオマスを熱分解原料とし、気流層または噴流層
で熱分解反応によってガス、タール及びチャーの生成物
を得るバイオマス熱分解方法であって、該熱分解反応の
熱源として８００℃以上の高温ガスを用いるバイオマス
熱分解方法、 ２）熱分解反応の反応部温度を４００℃〜１０００℃と
することを特徴とする、１）に記載のバイオマス熱分解
方法、 ３）高温ガスの熱量に応じてバイオマス熱分解原料の供
給量を変化させることで熱分解温度を調整することを特
徴とする、１）または２）に記載のバイオマス熱分解方
法、 ４）熱分解反応部温度を検知し、該熱分解反応部温度が
設定値となるようにバイオマス熱分解原料の供給量を調
整することを特徴とする、１）または２）記載のバイオ
マス熱分解方法、 ５）バイオマスをガス化原料とし、酸素、あるいは酸素
と水蒸気でガス化して得られるガスを熱分解反応の熱源
として使用することを特徴とする、１）〜４）のいずれ
か一つに記載のバイオマス熱分解方法、 ６）バイオマスチャー、ガス燃料、炭素質原料のいずれ
か一つ以上の原料をバイオマスと併用してガス化原料と
することを特徴とする、５）に記載のバイオマス熱分解
方法、 ７）ガス化部と、バイオマスの熱分解反応部と、ガス化
部と熱分解反応部を連接する接続部を備えたバイオマス
熱分解装置、 ８）接続部で最も小さい流路断面積が、熱分解反応部と
接続部の連接部分近傍での熱分解反応部側流路断面積よ
り小さいことを特徴とする７）に記載のバイオマス熱分
解装置、からなる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本明細書において、バイオマスに
ついての定義は上記ＦＡＯの定義に準ずる。バイオマス
を熱分解した際に生成する生成物の内、固形分をバイオ
マスチャー、常温で液体となる成分をタールとする。バ
イオマスチャーは炭素含有量が多い優良な炭材である。
ガス燃料とは、天然ガス、液化石油ガス等、通常入手可
能な気体燃料である。炭素質原料とは、石炭、石油、重
油等、加熱に使用する固体燃料、液体燃料のことであ
る。

【０００８】図１に、本発明を適用したバイオマス熱分
解プロセスフロー例を示す。なお、本発明の効果を発現
するのに少なくとも必要な設備構成は、請求項７で示し
た、バイオマス熱分解反応部１、ガス化部６とそれらを
連接する接続部４である。バイオマスの熱分解反応部１
には、バイオマス熱分解反応部供給装置２により、バイ
オマス３が供給される。供給されたバイオマスは、接続
部４からの８００℃以上の高温ガス５により、急速に昇
温され、熱分解される。高温ガス温度に関しては、８０
０℃未満の場合、熱分解に必要なガス顕熱が不足する。
また上限は特に規定するものではなく、高温による設備
的制約（炉材等）を考慮して適宜設定すれば良い。但し
炉温が高いほど増大する放散熱や、高温ほど流動性が増
す炉壁成分の安定性の観点から、１７００℃以下が良
く、好ましくは１６００℃以下としたい。

【０００９】熱分解は、反応物（バイオマス）が熱を充
分に受けることのできるように、気流層または噴流層で
実施する。気流層は、固体（この場合バイオマス）がガ
ス流れの影響を強く受け、ガス流れとほぼ同じ挙動を示
す系、噴流層は、ガス流れによる推進力（抵抗）と重力
とのバランスで粒子の循環滞留部ができる系である。重
い粒子ほど循環部への滞在時間が長くなる。気流層及び
噴流層を選定したのは、反応の進行に重点を置き、固定
層や流動層より高温ガスとの接触性（分散性）が良い系
であるためである。

【００１０】また、本発明での好ましい熱分解反応温度
範囲は、バイオマスの種類によらず４００℃から１００
０℃であり、例えば家屋用建材中の揮発分（８３質量％
−ｄｒｙ程度）は、この温度範囲でほぼガス、タールに
転換する。４００℃未満の熱分解温度では、反応が不十
分ないわゆる未反応分が増加する。また１０００℃を越
える熱分解温度の場合には、高温で進行するスス化反応
が増え、固形分残渣収率が増加する。さらに、４００℃
〜１０００℃の中でも、５００℃から８００℃がより好
ましい温度領域である。熱バランス上は問題ないもの
の、５００℃未満では一部未反応分が、また８００℃を
越えるとススが見られるようになる。

【００１１】図２にバイオマスを熱分解して得られた固
形分残渣の収率（乾燥基準のバイオマス質量ベース）と
熱分解温度の関係を示す。１００％から固形分残渣収率
を差し引いた値はガス及びタール量であり、固形分残渣
収率が低いほどガス及びタールに転換されている有効な
条件である。この様に、４００℃〜１０００℃の範囲
は、ほぼ一定の低い固形分残渣収率（１１〜１５質量
％）を示し、ガス、タールに多く転換するために有利で
ある。

【００１２】本プロセスにおいては、熱分解温度は、高
温ガス顕熱と、供給バイオマス量のバランスで一義的に
決まる。すなわち、高温ガスの持ち込む顕熱に対し、熱
分解等反応熱、放散熱を差し引いた残りの熱がガスやバ
イオマス残渣を含む生成物に分配され、最終温度が確定
する。従って、例えば高温ガス顕熱が一定の場合、バイ
オマス投入量を増加させると熱分解温度が下がり、投入
量を減少させると熱分解温度が上がることを利用して、
熱分解温度を調整することが可能である。一方で、高温
ガス顕熱を変更しても同様な効果を得ることができる
が、酸素、水蒸気による部分ガス化反応の制御性の難し
さ、高温ガス量の変動に起因するガス流れの変動による
反応への悪影響があり、実操業には向かない。

【００１３】さらに、制御用熱電対１８で熱分解反応部
温度を検知し、その温度を元にバイオマス供給量を変化
させることで（高温ガス顕熱が一定の場合、バイオマス
投入量を増加させると熱分解温度が下がり、投入量を減
少させると熱分解温度が上がる。）、設定温度に調整す
る方法がある。これは、熱分解温度を検知し、供給量を
変化させて設定した熱分解温度に調整するものであり、
熱分解の安定操業が達成できる。

【００１４】熱分解反応の熱源としての高温ガス５は、
バイオマスをガス化原料として、ガス化部６で酸素７又
は酸素７と水蒸気８で部分酸化することで作られる。ガ
ス化は酸素７のみで充分進行する。水蒸気を併用する場
合は、ガス組成調整、特に水素が多く必要な場合（シフ
ト反応で水素ガスが生成）や、操業変更のために熱分解
温度を１００℃単位で大きく変える必要があり、大量の
ガス顕熱変動が必要な場合（熱媒体として使用。ガス化
炉操業を変更する手段もあるが、ガス化炉温が変動する
ため、制御の点からも水蒸気の方が有効）などである。
接続部４は熱分解反応部１とガス化部６の反応を分離す
る役割を果たしており、熱分解反応部１には、一酸化炭
素と水素を主体とした８００℃から１７００℃の高温の
還元ガス（高温ガス５）が流入する。

【００１５】高温ガス５としてバイオマスをガス化原料
として、ガス化した場合、高温ガス５が８００℃未満の
場合、熱分解に必要なガス顕熱の不足や、ガス化反応速
度の低下による未燃物発生等でガス化反応の効率が低下
する。また１７００℃を越えたガス化温度は、高温によ
る放散熱や炉材安定性等の制約や、大量のスス生成によ
るガス化反応効率低下が起こる。

【００１６】また、バイオマスチャー、ガス燃料、炭素
質原料のいずれか一つ以上の原料をバイオマスと併用し
て、ガス化原料としても良い。この場合、８００℃〜１
７００℃の範囲の中でも、炭素質原料のうち、石炭に代
表される高灰融点（１３００℃以上）原料では、１３０
０℃〜１７００℃にガス化炉温を保ち、灰分付着等のト
ラブルを防止しなければならず、高温操業であるが故に
ガス化炉部分の効率を多少低下させてしまうが、バイオ
マス、バイオマスチャー、ガス燃料、灰分の融点が低い
炭素質原料（１３００℃未満）では、１３００℃未満の
ガス化温度で操業でき、無駄なく熱量を利用できる。

【００１７】特に、熱分解後に排出されるバイオマスチ
ャーをガス化原料に使用する場合は、ススが混入する可
能性があることに注意を払う必要がある。ガス化炉での
部分酸化反応の過程で生成したススも、熱分解部で高温
熱分解の過程で生成したススも、バイオマスチャーと共
に固気分離工程で回収されるためである。どちらのスス
もガス化反応が進行しにくく、プロセス全体の効率を低
下させる要因であるため、熱分解温度、ガス化温度はス
ス生成を抑制する目的で上限温度を適宜、最適に設置す
ることが望ましい。

【００１８】反応の明確な分離を達成するためには、接
続部４の流路断面積の内、最も小さい断面積が、熱分解
反応部１の接続部４との連接部近傍での流路断面積より
小さい方が好ましく、より望ましくは｛［接続部で最も
小さい流路断面積／熱分解反応部と接続部の連接部分近
傍での熱分解反応部側流路断面積］｝×１００（断面積
比）で７５％以下であれば、粒子の分離性の点で好まし
い。これらは、バイオマス粒子のガス化部６への流入、
すなわち逆流を防ぎ、炭素源がガス化部６に入ることに
よる酸素不足による未燃バイオマス増加を防ぐ効果があ
る。ガス化部６では、プロセス全体の酸素消費量を下
げ、生成物発熱量を上げるために、完全燃焼とせず、部
分酸化反応とする。

【００１９】熱分解されたバイオマスは、揮発分を主体
としたガス、タールと、固定炭素を主体としたチャーに
転換される。この混合物は下流の固気分離工程９でバイ
オマスチャー１０のみ分離される。さらに下流では液分
離器１１でタール１２とガス１３が分離される。ガス化
原料としては、バイオマス３、バイオマスチャー１０、
ガス燃料１４、炭素質原料１５が用いられる。高温の還
元ガスが発生できればどれも利用できるが、外部投入エ
ネルギーを最小限とする場合は、バイオマスチャー１０
を全量利用することが好ましい。また、操業条件によっ
て熱量不足が発生する場合は、バイオマス３を利用し、
補助的にガス燃料１４、炭素質原料１５を使用すること
ができる。バイオマスチャー１０は、バイオマスチャー
供給装置１７から、バイオマス３はバイオマスガス化部
供給装置１６からそれぞれ供給される。

【００２０】

【実施例】つぎに、実施例を挙げて本発明をさらに詳細
に説明する。

【００２１】実施例１ 従来技術との効率比較を表１に示す。比較した従来技術
はガス化技術のみであり、本発明の例は熱分解にガス化
を組み合わせた系である。本系では、ガス化原料として
熱分解原料と同じバイオマスを使用している。熱分解温
度は５００℃、８００℃と、前記の好ましい熱分解温度
範囲の境界温度を選択しており、この温度領域（５００
〜８００℃）では本結果と同等以上の効果が得られる
（図２より）。またガス化温度は、灰付着トラブルの心
配がないため１２００℃の効率的な温度に設定できた。
原料バイオマス（熱分解＋ガス化）から回収可能な生成
物潜熱（ガス化の冷ガス効率に相当）は８５〜８８％と
なり、従来技術のガス化（部分酸化：最大でも８０％程
度）と比較しても非常に効率が高い。これは、バイオマ
スをエネルギーに転換するのに最小限の酸素を使用する
ようにしていること（バイオマス１トンあたりで比較す
ると、従来技術の５０％〜７０％しか使用しない）、ま
たその結果、少ない酸素量でありながらガス化温度を１
２００℃に設定でき、放熱等のロスが少なくなったため
であり、従来技術と比べて５％以上、冷ガス効率が向上
し、工業的にも非常にメリットの大きな結果となった。

【００２２】実施例２ 熱分解温度制御の手法として、熱分解温度が高温ガス顕
熱と供給バイオマス量のバランスで一義的に決まる特性
を利用し、高温ガスの熱量、すなわちガス化部操業条件
で決まる熱量に応じて算出したバイオマス量を、バイオ
マス熱分解供給装置２から供給させることで熱分解反応
温度を調整する方法を示す。ガス化原料量、工業分析値
［揮発分８３．２質量％−ｄｒｙ、灰分１．４質量％−
ｄｒｙ、水分１７．４質量％］、元素分析値［Ｃ：５
０．４質量％−ｄｒｙ、Ｈ：５．８質量％−ｄｒｙ、
Ｏ：４２．１質量％−ｄｒｙ］）及び、投入酸素量、投
入水蒸気量、ガス化炉放熱量から、物質バランス、熱バ
ランスを取り、所定ガス化温度でのシフト反応平衡時の
生成物（高温ガス成分）を推算し、ガス顕熱を算出す
る。このガス顕熱を元にバイオマス比熱、水分量から、
目標とする熱分解温度にするためのバイオマス量を逆算
した。

【００２３】例えばバイオマスガス化量７０ｋｇ／ｈ
ｒ、酸素４０Ｎｍ３／ｈｒ、放散熱８％、の場合、化学
工業プロセス及び石炭等ガス化プロセスで通常用いる熱
計算の手法を用いてガス顕熱を算出し、熱分解温度の目
標値を７００℃とした場合、用いたバイオマス比熱、水
分量から、熱分解バイオマス量は９０ｋｇ／ｈｒにすれ
ば良い。また、熱分解温度の目標値を別の温度に変更し
たい場合は、同様の手法で熱分解バイオマス量を算出で
きる。

【００２４】実施例３ 制御用熱電対１８で熱分解反応部温度を検知し、その温
度を元にバイオマス供給量を変化させた。図３に、本方
法での温度制御性の例を示した。短時間の例ではある
が、設定温度に対し、熱分解バイオマス供給量やガス化
バイオマス供給量の変動要因があったものの、安定して
制御できた。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【発明の効果】本発明による、ガス化顕熱を熱分解に組
み合わせる方法及びその装置することで、高効率なバイ
オマスのガスエネルギー及び液エネルギーへの転換を可
能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 バイオマス熱分解プロセスフロー。

【図２】 熱分解温度と固形分残渣の関係。

【図３】 温度制御性。

【符号の説明】

１…熱分解反応部 ２…バイオマス熱分解反応部供給装置 ３…バイオマス ４…接続部 ５…高温ガス ６…ガス化部 ７…酸素 ８…：水蒸気 ９…固気分離工程 １０…バイオマスチャー １１…液分離器 １２…タール １３…ガス １４…ガス燃料 １５…炭素質原料 １６…バイオマスガス化部供給装置 １７…バイオマスチャー供給装置 １８…制御用温度計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０９Ｂ 3/00 ３０２ Ｂ０９Ｂ 3/00 ３０２Ｚ ＺＡＢ Ｃ１０Ｊ 3/00 Ｋ Ｃ１０Ｊ 3/00 3/48 3/48 3/54 Ｆ 3/54 Ｈ Ｊ Ｋ Ｌ Ｂ０９Ｂ 3/00 ＺＡＢ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バイオマスを熱分解原料とし、気流層ま
   たは噴流層で熱分解反応によってガス、タール及びチャ
   ーの生成物を得るバイオマス熱分解方法であって、該熱
   分解反応の熱源として８００℃以上の高温ガスを用いる
   バイオマス熱分解方法。
2. 【請求項２】 熱分解反応の反応部温度を４００℃〜１
   ０００℃とすることを特徴とする、請求項１に記載のバ
   イオマス熱分解方法。
3. 【請求項３】 高温ガスの熱量に応じてバイオマス熱分
   解原料の供給量を変化させることで熱分解温度を調整す
   ることを特徴とする、請求項１または２に記載のバイオ
   マス熱分解方法。
4. 【請求項４】 熱分解反応部温度を検知し、該熱分解反
   応部温度が設定値となるようにバイオマス熱分解原料の
   供給量を調整することを特徴とする、請求項１または２
   記載のバイオマス熱分解方法。
5. 【請求項５】 バイオマスをガス化原料とし、酸素、あ
   るいは酸素と水蒸気でガス化して得られるガスを熱分解
   反応の熱源として使用することを特徴とする、請求項１
   〜請求項４のいずれか一つに記載のバイオマス熱分解方
   法。
6. 【請求項６】 バイオマスチャー、ガス燃料、炭素質原
   料のいずれか一つ以上の原料をバイオマスと併用してガ
   ス化原料とすることを特徴とする、請求項５に記載のバ
   イオマス熱分解方法。
7. 【請求項７】 ガス化部と、バイオマスの熱分解反応部
   と、ガス化部と熱分解反応部を連接する接続部を備えた
   バイオマス熱分解装置。
8. 【請求項８】 接続部で最も小さい流路断面積が、熱分
   解反応部と接続部の連接部分近傍での熱分解反応部側流
   路断面積より小さいことを特徴とする請求項７に記載の
   バイオマス熱分解装置。