JP2004076968A

JP2004076968A - Combustion method and system using biomass as fuel and generating method and system

Info

Publication number: JP2004076968A
Application number: JP2002234427A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Hayashi; 林　敏和; Kazuo Tsutsumi; 堤　香津雄; Makoto Yanai; 柳井　誠; Keiichi Komai; 駒井　啓一; Tatsuya Watanabe; 渡辺　達也; Kenichi Yamada; 山田　健一; Yoshihiro Matsuda; 松田　吉洋; Atsushi Tsutsumi; 堤　敦司
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-12
Also published as: JP3864190B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To utilize gasification for more efficient and economical conversion of biomass into useful energy. <P>SOLUTION: A generating system 100 which generates power by use of gas obtained from gasification of biomass uses wooden biomass. The system gasifies the biomass by partially burning it at temperatures around 450-750°C (preferably 500-700°C) in a fluidized bed furnace 4. The resulting gas composed chiefly of hydrogen and carbon monoxide, including tar components in the gas, is burnt in a burner 6 while keeping its temperature and pressure. The gas burnt is introduced into a gas turbine 7 to generate power. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオマス（農業生産物、木材、植物などの生物資源）のうち主に木質系バイオマスを燃料とする燃焼方法および同燃焼システム、並びに発電方法および同発電システムに関するもので、とくに小規模分散型に好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の木質系バイオマスのうち現在利用されていないものに、製材所木屑、林地放置間伐材、土場放置枝条、剪定街路樹、建築廃材などがある。その中でとくに発生量が多い製材所木屑や林地放置間伐材は、山間部に存在し集積度が低く、輸送し一個所に集めるとしても輸送コストがかさむため、それらをエネルギーとして利用する大規模設備の設置は燃料調達コストの面で難しい。したがって、この種の木質系バイオマスをエネルギーとして有効利用するためには、各々の製材所で木屑集積量及び製材所とその周辺でのエネルギー需要に見合った小規模設備の普及が不可欠である。
【０００３】
バイオマスによるエネルギー転換に関する先行技術として、たとえば下記▲１▼からの▲４▼の技術が知られている。
【０００４】
▲１▼特開２００１−２４０８７７号公報（「バイオマスガス化炉およびバイオマスガス化方法」）には、バイオマスを利用して高効率なガス化を行うことができるバイオマスガス化炉およびそれを利用したガス化システムとして噴流層型のガス化炉により７００℃〜１２００℃の温度によりガス化し、冷却水によるガス冷却、精製を実施してＣＯ，Ｈ_２ガスを生成することが開示されている。
【０００５】
▲２▼特開昭６３−１２０８２４号公報（「バイオマス燃料ガス化発電方法」）には、バイオマス燃料に蒸気と空気からなるガス化剤を作用させてガス化し、この生成ガスを燃焼させた燃焼ガスにより膨張タービンを駆動して発電するとともに、この膨張タービンの排ガスにより高温水蒸気と高温空気を生成して前記ガス化剤とするが開示されている。
【０００６】
▲３▼特開平１１−２９４１８７号公報（「バイオマスガス化発電プラント」）には、バイオマスをガス化し、このガスを燃焼させ、ガスタービンを駆動し発電するバイオマスガス化発電プラントにおいて、燃料となるバイオマス中に含まれる水分を回収しガスタービン圧縮機に供給することにより発電効率を向上させる方法が開示されている。
【０００７】
▲４▼特開昭６３−２１０１８８号公報（「バイオマス等の固体燃料のガス化方法」）には、バイオマス等の固体燃料を原料とし、これにガスタービン排ガスをガス化剤として作用させることにより前記原料をガス化し、ガス焚きボイラーに送る方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した４件の公報に記載の技術では、以下のような点で解決すべき課題が残されている。すなわち、
（ａ）バイオマスは、石炭などの固体燃料に比べてガス化反応温度が低く、３００℃を越えるとガス化反応が進行することがわかっている。しかし、バイオマスを３００℃〜７５０℃程度の低温でガス化しようとすると、バイオマスが十分にガス化されず、高分子状態の炭化水素成分（タール成分）がガス中に生成されていく。このタール成分は温度が低下するのに伴い高沸点成分から順次凝縮するが、粘性が非常に強いため配管やバルブ、集塵器などの各種機器の内壁への付着や配管等の閉塞によるハンドリングトラブルを起こし易い。
【０００９】
（ｂ）そこで、上記公報▲１▼に記載の技術では、このタール成分の生成をできるだけ抑制するために、７００℃〜１２００℃の高温でガス化しているが、高温でガス化するために燃料の燃焼反応割合を増加させると生成ガスの持つ顕熱が大きくなり、冷ガス効率（バイオマス自体の化学エネルギーに対する生成ガスの化学エネルギー比）はそれだけ低くなる。また、ガス化炉を１２００℃程度の耐熱構造にする必要がある。集塵装置についても１２００℃程度の耐熱構造にするか、あるいはガス化炉で生成したガスを集塵装置の耐熱温度以下に一旦冷却してから集塵する必要がある。そして、ガス化炉や集塵装置を１２００℃程度までの耐熱構造にするのは、設備が複雑になりコストがかかるため、小規模設備には適さない。さらに、１２００℃の高温で実用に耐えうる高効率な集塵装置はいまだ耐久性・信頼性の面で問題が残されている。一方、生成ガスを集塵装置の手前（上流側）で一旦冷却する方法を採用すると、システム全体のエネルギー転換効率が低下する。
【００１０】
（ｃ）加えて、上記公報▲１▼に記載の技術では、生成ガスを冷却して利用する際に、生成したタールを除去するか触媒でタール成分を分解してＣＯとＨ_２ガスに改質する等の方法を採用している。タールを水洗で除去したりフィルターで分離したりすることは、生成ガスの顕熱を失うだけでなくタール成分の持つ化学エネルギーの損失となるうえに、水処理、フィルターの洗浄といった操作が必要となり、運転を複雑にし設備費を増加させることになる。一方触媒で分解してＣＯとＨ_２ガスに改質する方法では、タール成分を改質するための装置が必要になる上、触媒が高価で劣化が早いため、定期的に交換する必要があり、操業コストが増加する。
【００１１】
（ｄ）上記公報▲２▼に記載の技術では、１３００℃の高温でバイオマスをガス化し、その生成ガスを上記公報▲１▼に記載のように冷却する代わりに、ガス化剤と熱交換することにより４５０℃まで冷却し、脱硫・集塵してから、燃焼器に導いている。言いかえると、上記公報▲１▼に記載の技術では捨てていた生成ガスの熱エネルギーをガス化剤と熱交換することにより熱回収している。しかし、高温でガス化しているのでガス化炉およびその後段にあるサイクロンは１３００℃程度の耐熱構造にする必要があり、設備費を増加させることになる。
【００１２】
（ｅ）上記公報▲３▼に記載の技術では、バイオマスの乾燥にガスタービンからの排気ガスを利用しているが、ガス化反応自体に排気ガスの持つ熱エネルギーと排気ガスに含まれる高温の水蒸気を利用していない。
【００１３】
（ｆ）上記公報▲４▼記載の技術では、ガスタービン排ガスをガス化剤として利用しているが、バイオマスのガス化により生成するガスをガスタービン燃料として利用する際に、バイオマスのガス化過程で発生する未反応チャーがガスタービンのブレードを損傷するおそれあるいは、生成タールによる配管系統の閉塞のおそれがあるため、ガス精製装置が必要となり、装置が複雑になる問題があるとして、ガスタービン燃料としてバイオマス以外の燃料を利用している。
【００１４】
（ｇ）上記公報▲１▼〜▲４▼に記載の技術を含めて従来技術では、小規模設備において初期設備コストを低く抑え、かつ経済的に適合する運転効率を得ることは技術的に難しい。
【００１５】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、木質系バイオマスのガス化により、従来と比べ効率的かつ経済的にバイオマスを有用エネルギーに転換可能な小規模分散型システムに好適な燃焼方法および同燃焼システム、並びに発電方法および同発電システムを提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１の燃焼方法は、バイオマスを燃料として燃焼させる燃焼方法において、バイオマスを、４５０℃〜７５０℃（好ましくは５００℃〜７００℃）の温度範囲でガス化し、タール成分を含む生成ガスを、集塵処理（好ましくは乾式集塵処理）を施して、そのままの温度・圧力状態で燃焼させて高温燃焼ガスを発生させることを特徴としている。なお、この高温燃焼ガスはガスタービンの膨張タービンで仕事をさせ発電させることのみならず、熱交換器など他の目的にも利用できる。
【００１７】
請求項１の燃焼方法によれば、低温でガス化するというバイオマスの特性を生かし比較的低温（４５０℃〜７５０℃）でガス化することにより、ガス化後高温に耐えうる高効率な集塵装置を具備する必要がなくなり、既存の実績のある高温フィルターを使用して集塵処理を施すことができる。そして、集塵後燃焼させることによりダストの少ない高温燃焼ガスを発生させることができる。
【００１８】
請求項２の燃焼方法は、請求項１記載の燃焼方法において、バイオマスのガス化方式として部分燃焼反応または水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応させることにより行うことを特徴としている。部分燃焼反応は、完全燃焼させるのに必要とされる空気量より少ない空気量が供給される環境下で燃焼させるものである。
【００１９】
請求項２の燃焼方法によれば、より効率的にガス化することができる。
【００２０】
請求項３の発電方法は、バイオマスをガス化して得られるガスを用いて熱機関で発電する発電方法において、熱機関としてガスタービンを用い、このガスタービンの膨張タービン入口圧力に対応した圧力で、かつ請求項１又は２記載の方法で燃焼させて、生成した高温燃焼ガスを前記ガスタービンに導入して発電することを特徴としている。
【００２１】
請求項３の発電方法によれば、バイオマスの持つ化学エネルギーを有効に活用するために、生成したガスを冷却または再加熱することなく、そのまま、すなわちガスの温度・圧力をガス化炉の運転温度・圧力とほぼ同じに保ったまま燃焼させることによってガスの保有している熱エネルギーおよび化学エネルギーを全て熱機関に利用することができる。よって、従来と比べ高効率かつ経済的にバイオマスをエクセルギーの高い電気エネルギーに転換することが可能になる。
【００２２】
特に、タール成分を気体状態のまま燃焼器に導き、燃焼させるので、工程が簡素化され、設備コストが低減される。また、バイオマスを４５０℃〜７５０℃の比較的低い温度範囲でガス化するので、ガス化炉や集塵器などの設備を１０００℃以上の高温に耐えられる高度の耐熱構造にする必要がない。そのため、設備コストが比較的低く、したがって、小規模分散型システムに好適である。
【００２３】
また、比較的低温でガス化することにより、生成ガス中の未反応チャー等のダストをそのままの温度・圧力下で集塵した後、ガスタービンの燃焼器に送ることを可能にし、上記公報▲４▼記載の技術において必要とするガス精製装置を不要としている。加えて、バイオマスのみをエネルギー源として電気および熱を製造しているため、化石燃料等バイオマス以外の燃料が原則として不要である。
【００２４】
ところで、ガスタービン発電システムでは、一般に燃料ガスを高圧（０．３〜０．８ＭＰａ程度）で燃焼させ、生成した高温高圧の燃焼ガスをガスタービンで膨張させるため、燃料ガスをガス圧縮機で圧縮する必要があり、ガス化炉で生成したガスを圧縮するためには温度を常温近くまで下げる必要がある。そのためには生成ガス中のタール成分を完全に除去することが不可欠である。本発明では、ガス化炉の運転圧力（ガス化圧力）をガスタービンの膨張タービンの入口圧力に対応する圧力とすることにより、ガス圧縮機が不要になる。それに伴い生成ガスの冷却、タール成分の除去も不要になる。
【００２５】
なお、本発明は高温高圧の燃焼ガスを常圧まで断熱膨張させる従来型のガスタービン発電システムにおいてその利点を発揮するが、ガスタービン燃焼器が常圧で、燃焼ガスを真空まで膨張させるタイプのいわゆる逆ブレイトンサイクルに対しても適用でき、タール成分の除去が不要であるという利点を発揮する。
【００２６】
請求項４の発電方法は、請求項３記載の発電方法において、前記ガスタービンの燃焼空気用の圧縮機で圧縮された空気の一部をガス化用ガス化剤として用いることを特徴としている。
【００２７】
請求項４の発電方法は、図１に示す発電システムに適用されるもので、小規模分散型発電システムとして好適である。
【００２８】
請求項５の発電方法は、請求項３記載の発電方法において、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、前記ガスタービンの排ガス中に含まれる水蒸気を利用することを特徴としている。
【００２９】
請求項５の発電方法によれば、蒸発の潜熱に相当する熱エネルギーが不要となり、熱効率を向上させる。
【００３０】
請求項６の発電方法は、バイオマスのガス化を水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応により行う際、吸熱反応である水蒸気ガス化反応に必要な熱または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部もしくは全部を、前記ガスタービンの排気ガスのもつ顕熱でまかなうことを特徴としている。
【００３１】
請求項６の発電方法によれば、水蒸気ガス化における吸熱反応に必要な熱、または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部若しくは全部をガスタービン排ガスの顕熱でまかなうことにより、より高い冷ガス効率でガス化する。
【００３２】
請求項７の発電方法は、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、バイオマスの含水をガスタービン排ガスの顕熱で蒸発することにより供給することを特徴とする。
【００３３】
請求項７の発電方法によれば、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気として、バイオマスの含水をガスタービン排ガスの顕熱で蒸発したものを利用するので、蒸発の潜熱に相当する熱エネルギーが不要となり、熱効率が向上する。
【００３４】
請求項８の発電方法は、バイオマスをガス化して得られるガスを用いて熱機関で発電する発電方法において、熱機関としてスターリングエンジンを用い、バイオマスを請求項１又は２記載の方法で燃焼させて生成した高温燃焼ガスをスターリングエンジンに導入して発電することを特徴としている。すなわち、熱機関として、請求項３の発電方法がガスタービンを用いるのに対して、請求項８の発電方法は前記スターリングエンジンを用いるものである。
【００３５】
請求項８の発電方法によれば、スターリングエンジンは外燃機関で、ガスエンジン等の内燃機関と異なり、ガスは燃焼室で連続燃焼させるため、請求項３記載の熱機関としてガスタービンを用いる場合と同様、生成ガス中のタール成分を除去せずそのまま燃焼させることができる。
【００３６】
さらに、スターリングエンジンの場合には生成ガス中のダストを除去しなくてもよいか、あるいは除去するとしても排出ガスの環境要求水準まで除去すればよいので、集塵装置を省略し、構造の簡素化を図れるという利点がある。
【００３７】
請求項９の発電方法は、請求項８記載の発電方法において、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、前記スターリングエンジンの排ガスに含まれる水蒸気により供給することを特徴としている。
【００３８】
請求項９の発電方法によれば、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気として、スターリングエンジンの排ガス中に含まれる水蒸気を利用するので、蒸発の潜熱に相当する熱エネルギーが不要となり、熱効率が向上する。
【００３９】
請求項１０の発電方法は、請求項８記載の発電方法において、バイオマスのガス化を水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応により行う際、（吸熱反応である）水蒸気ガス化反応に必要な熱または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部もしくは全部を、前記スターリングエンジンの排気ガスのもつ顕熱でまかなうことを特徴としている。
【００４０】
請求項１０の発電方法によれば、水蒸気ガス化における吸熱反応に必要な熱をスターリングエンジン排ガスの顕熱でまかなうことによりことにより、高い冷ガス効率でガス化する。
【００４１】
請求項１１の発電方法は、請求項８〜１０のいずれかに記載の発電方法において、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、バイオマスの含水を前記スターリングエンジンの排ガスの顕熱で蒸発させることにより供給することを特徴としている。
【００４２】
請求項１１の発電方法によれば、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、バイオマスの含水をスターリングエンジン排ガスの顕熱を利用して蒸発させることにより、排ガス中の顕熱を回収し、熱効率を向上させる。
【００４３】
請求項１２の燃焼システムは、バイオマスを、４５０℃〜７５０℃の温度範囲でガス化するガス化炉と、このガス化炉による生成ガスをそのままの温度・圧力状態で集塵する集塵装置と、この集塵装置による集塵後のタール成分を含む生成ガスを完全燃焼させ高温燃焼ガスを発生させる燃焼器とで構成されることを特徴としている。
【００４４】
請求項１２の燃焼システムは、請求項１の燃焼方法を実施するシステムであり、バイオマスに代表される比較的低温でガス化する固体燃料で、かつ灰分を含む燃料を利用するのに好適であり、ダストの極めて少ない高温燃焼ガスを発生させることができる。加えて、低温でガス化するので、上記公報▲２▼に記載の技術にある熱交換器を省略し、タール成分を含む生成ガスを集塵処理を施して、そのままの温度・圧力状態で燃焼させることができ、設備費の抑制が図れる。
【００４５】
請求項１３の発電システムは、バイオマスをガス化して得られるガスを用いて発電する発電システムにおいて、請求項１２記載の燃焼システムと、この燃焼システムで生成したガスを膨張させるガスタービンと、このガスタービンにより駆動される発電機とを具備することを特徴としている。
【００４６】
請求項１３の発電システムは、請求項３の発電方法を実施するシステムであり、請求項３の発電方法が奏するのと同様の作用を奏する。また、請求項１３の発電システムによれば、ガス化炉や集塵器などの燃焼システムを比較的低温の耐熱構造にすればよいため、設備コストを低減でき、とくに小規模分散型の発電システムとして最適である。ここで、請求項１３の発電システムは、水分を含んだバイオマスをそのまま、または乾燥させて水分を蒸発させ、発生した水蒸気と共に流動層炉などのガス化炉に導入し、その蒸発水分をバイオマスの水蒸気ガス化反応に利用して冷ガス効率を高めるものであり、上記公報▲３▼記載の技術においてバイオマス中の水分を回収してガスタービン圧縮機に導入し発電効率を向上させるという課題を解決しようするのとは異なる。
【００４７】
請求項１４の発電システムは、請求項１３記載の発電システムにおいて、前記ガスタービンの吸気空気を前記ガスタービンの燃焼空気用の圧縮機で加圧後に前記ガスタービンからの排ガスと熱交換させることにより加熱する熱再生器と、その加圧・加熱された空気の一部を、前記燃焼システムのガス化炉のガス化用ガス化剤として導き、前記ガス化炉での生成ガスを集塵器を通して送り込んで燃焼させる燃焼器とを備え、前記加圧・加熱された空気の残りを前記燃焼器へ直接に送ることを特徴としている。
【００４８】
請求項１４の発電システムは、請求項４記載の発電方法に対応するシステムであり、同発電システムによれば、システム全体の構成が比較的簡単で、しかもバイオマスの持つ化学エネルギーを無駄なくガス化ガスの化学エネルギーに転換して高効率の発電が実現できる。
【００４９】
請求項１５記載の発電システムは、請求項１３記載の発電システムにおいて、大気に放出するガスタービン排ガスの一部を加圧する圧縮機を備え、前記圧縮機にて圧縮した前記排ガスをガス化用ガス剤として前記ガス化炉に送るように構成するとともに、前記ガスタービンの排ガスと熱交換することにより、ガスタービン用燃焼空気、前記ガス化用ガス剤および水を加熱する熱交換器を備えることを特徴としている。
【００５０】
請求項１５の発電システムは、請求項５および６記載の発電方法に対応する発電システムであり、請求項１３の発電システムとほぼ同様の作用を奏するほか、本発電システムによれば、大気中へ放出するガスタービン排ガスの一部をガス化ガスとして利用するので、さらに高効率な発電が可能になる。
【００５１】
請求項１６記載の発電システムは、請求項１３〜１５のいずれかに記載の発電システムにおいて、前記ガス化炉に供給するバイオマスに含まれる水分を、前記ガス化炉に供給する前にガスタービンの排ガスで蒸発させるための乾燥器を備えることを特徴としている。
【００５２】
請求項１６の発電システムは、請求項７記載の発電方法に対応する発電システムであり、本発電システムによれば、排ガスの持つ低温廃熱を利用してバイオマスに含まれる水分を蒸発できるため、バイオマスの持つエネルギーを高効率で有効に利用できる。
【００５３】
請求項１７の発電システムは、バイオマスをガス化して得られるガスを用いて発電する発電システムにおいて、請求項１２記載の燃焼システムと、この燃焼システムで生成したガスを熱源とするスターリングエンジンと、このスターリングエンジンにより駆動される発電機を具備することを特徴とするものであり、請求項１３の発電システムが熱機関としてガスタービンを用いるのに対して、スターリングエンジンを用いるものである。
【００５４】
請求項１８記載の発電システムは、請求項１７記載の発電システムにおいて、大気に放出する前記スターリングエンジンの排ガスの顕熱を熱交換器で熱回収した後、前記スターリングエンジンの排ガスの一部をガス化用ガス化剤として前記燃焼システムのガス化炉へ送ることを特徴とするものであり、請求項１４記載の発電システムが熱機関としてガスタービンを用いるのに対して、スターリングエンジンを用いるものである。
【００５５】
請求項１９の発電システムは、請求項１７又は１８記載の発電システムにおいて、前記ガス化炉に供給するバイオマスに含まれる水分を、前記スターリングエンジンの排ガスで蒸発させるための乾燥機を備えることを特徴とするものであり、請求項１６記載の発電システムが熱機関としてガスタービンを用いるのに対して、スターリングエンジンを用いるものである。
【００５６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００５７】
図１は本発明の発電方法を適用した発電システムの実施例を示すシステム全体の系統図である。
【００５８】
図１に示すように、本実施例の発電システム１００は、エネルギー源である木質系バイオマス〈Ａ〉を貯留するサイロ１、この下流側にホッパ２、さらに乾燥器３をこの順に備えている。サイロ１には温水による加熱装置（図示せず）が配備されており、サイロ１内に貯留されているバイオマス〈Ａ〉を予熱できるようになっている。なお、本発明で使用する木質系バイオマスは、とくに発生量の多い製材所木屑を主に使用するが、そのほか、製材所木屑、林地放置間伐材、土場放置枝条、剪定街路樹、建築廃材なども使用することができる。
【００５９】
前記乾燥器３の下流側に、ガス化炉として、本例では流動層炉４が設置されている。流動層炉４の頂部の排ガス口が集塵器５にダクト２１を介して接続されている。集塵器５は、本例ではサイクロンと耐熱フィルター（耐熱温度：６５０℃程度）とから構成される。集塵器５の出口が配管２２でガスタービン（用）燃焼器６に接続され、この燃焼器６で燃焼されたガスが下流側に設置されたガスタービン７に送り込まれる。ガスタービン７には同軸上に圧縮機（コンプレッサ）７ａが連結され、さらに、発電機（ジェネレータ）８が連結されている。なお、集塵器５からは、サイクロンでガス分と分離され回収された未焼却成分であるチャー〈５〉やバイオマスの灰分〈５〉が排出される。
【００６０】
前記ガスタービン７の排ガス出口に熱再生器９が接続されている。大気中の空気〈１１〉が圧縮機７ａで吸引・圧縮され、この加圧空気（圧縮空気）〈１２〉が熱再生器９に送られて、排ガス〈７〉と熱交換されて加熱される。熱再生器９から出た加熱・加圧空気〈１３〉〈１５〉は配管２４により流動層炉４の底部に送られ、流動化ガスとして流動層炉４に吹き込まれる。配管２４は分岐されて燃焼器６に接続されているが、分岐管２５には流量調整弁１５が介設され、流動層炉４と燃焼器６とへの加熱・加圧空気〈１４〉〈１５〉の流量を調整できるようになっている。
【００６１】
熱再生器９から出た排ガス〈８〉は、配管２７で乾燥器３へ送られ、バイオマス〈Ｃ〉を乾燥するための加熱源として用いられる。乾燥器３でバイオマス〈Ｃ〉の乾燥用熱源に使用された排ガス〈９〉は配管２８を通して熱交換器１０に送られ、給水（水道水）を加熱し温水に変える。給水〈１６〉は配管３１に介設されたポンプＰで熱交換器１０へ供給され、温水〈１７〉となって配管３２から必要な機器、たとえばサイロ１へ送られる。一方、熱交換器１０から排出された排ガス〈１０〉は配管２９を通して煙突１１から大気中へ放出される。
【００６２】
上記のようにして本発明の実施例にかかる発電システム１００が構成される。なお、この発電システム１００には、バイオマスを燃料として燃焼させ高温燃焼ガスを発生させる、本発明の実施例にかかる燃焼システム（流動層炉（ガス化炉）１４、集塵器（集塵装置）５および燃焼器６）が含まれる。
【００６３】
この発電システム１００では、圧縮機７ａ（ガスタービン７の燃焼空気用の圧縮機）にて吸気・圧縮された空気〈１２〉は熱再生器９でタービン排ガス〈７〉と熱交換することにより加熱され、一部〈１５〉はガス化炉である流動層炉４へ送られ、残り〈１４〉は燃焼器６へ直接に送られる。流動層炉４へ送られた加熱・圧縮空気〈１５〉は、流動層炉４内へ投入されたバイオマス〈Ｄ〉を流動化させる。バイオマス〈Ｄ〉の一部は圧縮空気〈１５〉に含まれる酸素と燃焼反応し、部分燃焼される。このように流動層炉４へ送られた加熱・圧縮空気〈１５〉は、ガス化炉（流動層炉４）のガス化用ガス化剤として用いられる。本例の場合、流動層炉４内は、加圧状態（たとえば４〜５気圧）に保持され、バイオマス〈Ｄ〉が部分燃焼することにより炉内温度は４５０℃〜７５０℃（好ましくは５００℃〜７００℃）の間になる。この結果、ＣＯおよびＨ_２のガス〈１〉が生成されるとともに、タール成分〈１〉も気化状態で生成される。
【００６４】
このようにして発生したガス（気化状態のタール成分を含んだＣＯおよびＨ_２のガス）〈１〉は、そのままの温度・圧力状態で集塵器５に送られる。そして、集塵器５でチャー・灰分〈５〉が分離され、そのまま（流動層炉４から排気されたときの温度（たとえば６５０℃）および加圧状態をほぼ保ったまま）燃焼器６に送られる。この燃焼器６では、熱再生器９で加熱された圧縮空気〈１４〉と混合されて一体となって、ガスタービン７の膨張タービン入口圧力に対応した圧力で完全燃焼させて、高温燃焼ガスを発生させ、ガスタービン７に導入する。この高温燃焼ガスによってガスタービン７を駆動し、同時に発電機８を回転させ、発電する。また、バイオマス〈Ｄ〉をガス化した際にタール成分が生じるが、このタール成分は気化状態を維持できる温度である３５０℃以上に保持したまま、燃焼器６へ送られるために、集塵器５のフィルターや配管２１・２２の内壁などに付着することがない。
【００６５】
一方、ガスタービン７からの排ガス〈７〉は熱再生器９で圧縮空気〈１２〉を加熱した後、乾燥器３へ送られ、流動層炉４に供給するバイオマス〈Ｃ〉に含まれる水分を蒸発させ、バイオマス〈Ｃ〉を乾燥させるのに使用される。バイオマス〈Ａ〉は通常５０％程度の水分を含んでいるが、乾燥器３でガス化反応に不必要な水分を蒸発させる。ガスタービン排ガス〈９〉はその後、熱交換器１０で水を加熱して温水にする。
【００６６】
以上のようにして、バイオマスをガス化して燃焼させて発電させるが、バイオマスとして木質系バイオマスを使用しているので、特別な排ガス処理を施さなくても、排ガスを大気中へ放出できる。
【００６７】
次に、図２は本発明の他の実施例にかかる発電方法を適用した発電システムの別の実施例を示すシステム全体の系統図である。
【００６８】
本例の発電システム２００と上記実施例の発電システム１００との違いは、流動層炉４の流動化ガスとしてガスタービン７からの排ガス〈１０〉を利用している点である。すなわち、給水と熱交換器１０にて熱交換し、温度が低下した低温排ガス〈１０〉の一部を大気へ放出せずに、ガスタービン７の同軸上に設けた別の圧縮機１４へ送って加圧したのち、熱再生器９に隣接して設けた熱交換器１２でガスタービン７からの排ガス〈７〉と熱交換することにより加熱してから流動層炉４へ送ることによって、エネルギー効率をさらに高めている。
【００６９】
発電システム２００の構成については、図２に示すように、熱交換器１０から煙突１１への配管２９を分岐するとともに、ガスタービン７の同軸上または独立した別の圧縮機１４を配設している。分岐管３０にはダンパ１３を介設し、圧縮機１４の吸気側に接続している。圧縮機１４で圧縮して加圧した排ガス〈１０〉を配管３３にて熱交換器１２に接続し、さらに配管３４にて流動層炉４の底部に導いている。ガスタービン７からの排ガス〈７〉は熱再生器９にて圧縮機吸気（ガスタービン吸気）〈１２〉を加熱したのち、熱交換器１２へ送って加圧排ガスの加熱に使用される。それから、上記実施例と同様に乾燥器３へ送られ、バイオマスの乾燥用熱源として使用される。また、圧縮機吸気〈１２〉は、熱再生器９を経由して全て燃焼器６へ送られ、バイオマス〈Ｄ〉のガス化ガス〈２〉と混合されて燃焼される。
【００７０】
本例の発電システム２００では、低温といえども常温の空気に比べて大きな熱エネルギーをもつ排ガスを流動化ガスとして使用するので、エネルギー効率がさらに向上する。その他の構成および作用については上記実施例と共通するので、共通する部材は同一の符号を用いて示し、その説明を省略する。
【００７１】
上記においては２つの実施例を挙げて説明したが、下記のように実施することもできる。
（１）流動層炉４は流動層炉に限らず、たとえば噴流層炉を使用できる。
（２）流動層炉４でバイオマスをガス化する温度は、４５０℃〜７５０℃（好ましくは５００℃〜７００℃）の範囲で適宜設定することができる。もちろん、常圧でガス化することも可能である。
（３）熱機関としてガスタービン７に代えて、エンジン例えばスターリングエンジンを用い、ガス化した高温燃焼ガスを燃料としてエンジンを回転させて発電することもできる。この場合には、例えば流動層炉４（ガス化炉）に供給するバイオマスに含まれる水分を、前記スターリングエンジンの排ガスで蒸発させることができる。
（４）バイオマスのガス化は、部分燃焼反応させることにより行うほか、水蒸気下の存在下で水蒸気ガス化反応させることにより行うようにしてもよい。この場合、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、ガスタービンまたはスターリングエンジンの排ガス中に含まれる水蒸気を利用することができるし、バイオマスの含水を前記スターリングエンジンの排ガスの顕熱で蒸発させることにより供給するようにしてもよい。
【００７２】
また、バイオマスのガス化を水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応により行う際、吸熱反応である水蒸気ガス化反応に必要な熱または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部もしくは全部を、ガスタービンまたはスターリングエンジンの排気ガスのもつ顕熱でまかなうようにすることができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上に説明したことから明らかなように、本発明には、以下のような優れた効果がある。
（１）バイオマスガス化に必要十分な温度で（つまり４５０℃〜７５０℃程度の低温で）ガス化を実施することから、不要な熱量を与える必要がないため、冷ガス効率が向上する。
（２）バイオマスガス化を必要十分な温度で（低温で）ガス化を実施することから、ガス化炉や集塵装置などの設備コストが下がる。
（３）発生ガスをそのままの圧力・温度でガスタービン又はスターリングエンジンに導入するためタール成分除去に伴う発生ガスの顕熱減少がなくなり、発電効率が向上する。
（４）タール成分を除去せずに高温高圧のままタービン又はスターリングエンジンにて燃焼させるため、タール成分の持つ顕熱・潜熱を有効利用でき、冷ガス効率、発電効率が向上する。
（５）タール除去のための機器装置が不要となり、設備コストが下がる。また、運転操作、設備保全が容易となる。
（６）熱再生器によりガスタービン燃焼用空気を予熱することにより、発電効率が向上する。
（７）流動層炉（ガス化炉）の流動化ガスをガスタービン排ガスと熱交換させて予熱することにより、発電効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発電方法を適用した発電システムの実施例を示すシステム全体の系統図である。
【図２】本発明の他の実施例にかかる発電方法を適用した発電システムの別の実施例を示すシステム全体の系統図である。
【符号の説明】
１　　サイロ
２　　ホッパ
３　　乾燥器
４　　流動層炉（ガス化炉）
５　　集塵器（集塵装置）
６　　燃焼器（ガスタービン用燃焼器）
７　　ガスタービン
７ａ　　圧縮機（コンプレッサ）
８　　発電機（ジェネレータ）
９　　熱再生器
１００・２００　　発電システム[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a combustion method and a combustion system mainly using woody biomass as a fuel among biomass (biological resources such as agricultural products, timber, and plants), and a power generation method and a power generation system. It relates to a material suitable for a distributed type.
[0002]
[Prior art]
Among the above-mentioned woody biomass, those that are not currently used include sawmill sawdust, uncut thinned wood in forests, uncut branches in the ground, pruned street trees, construction waste wood, and the like. Among them, sawmills and wood thinnings left untreated in forests, which generate a large amount of waste, are located in mountainous areas and have a low degree of accumulation, and even if they are transported and collected in one place, the transportation cost increases, so large-scale use of them as energy Installation of facilities is difficult in terms of fuel procurement costs. Therefore, in order to effectively utilize this kind of woody biomass as energy, it is indispensable to spread small-scale equipment in each sawmill in accordance with the amount of wood chips accumulated and the energy demand in the sawmill and its surroundings.
[0003]
As the prior art relating to energy conversion by biomass, for example, the following techniques (1) to (4) are known.
[0004]
(1) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-240877 ("Biomass Gasification Furnace and Biomass Gasification Method") discloses a biomass gasification furnace capable of performing high-efficiency gasification using biomass and using the biomass gasification furnace. As a gasification system, gasification is performed using a spouted bed type gasification furnace at a temperature of 700 ° C to 1200 ° C, and gas cooling with cooling water and purification are performed to perform CO, H ₂ It is disclosed to produce a gas.
[0005]
(2) Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-120824 ("Biomass fuel gasification power generation method") discloses a method in which biomass fuel is gasified by acting a gasifying agent comprising steam and air, and the resulting gas is burned. It discloses that an expansion turbine is driven by gas to generate electric power, and high-temperature steam and high-temperature air are generated from exhaust gas of the expansion turbine to be used as the gasifying agent.
[0006]
(3) JP-A-11-294187 ("biomass gasification power generation plant") discloses that biomass is gasified, the gas is burned, and a gas turbine is driven to generate power in a biomass gasification power generation plant. There is disclosed a method of improving power generation efficiency by collecting water contained in biomass and supplying it to a gas turbine compressor.
[0007]
(4) JP-A-63-210188 ("Method of gasifying solid fuel such as biomass") discloses that a solid fuel such as biomass is used as a raw material, and gas turbine exhaust gas is allowed to act as a gasifying agent. A method is disclosed in which the raw material is gasified and sent to a gas-fired boiler.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the techniques described in the above four publications have problems to be solved in the following points. That is,
(A) It is known that the gasification reaction temperature of biomass is lower than that of a solid fuel such as coal, and the gasification reaction proceeds when the temperature exceeds 300 ° C. However, if it is attempted to gasify biomass at a low temperature of about 300 ° C. to 750 ° C., the biomass is not sufficiently gasified, and a high molecular weight hydrocarbon component (tar component) is generated in the gas. This tar component condenses sequentially from the high-boiling components as the temperature decreases, but due to its extremely high viscosity, handling problems due to adhesion to the inner walls of pipes, valves, dust collectors, and other equipment and blockage of pipes, etc. Easily occur.
[0009]
(B) In the technique described in the above publication (1), gasification is performed at a high temperature of 700 ° C. to 1200 ° C. in order to suppress generation of the tar component as much as possible. Increasing the combustion reaction rate of methane increases the sensible heat of the product gas, and lowers the cold gas efficiency (the ratio of the chemical energy of the product gas to the chemical energy of the biomass itself). Further, the gasification furnace needs to have a heat-resistant structure of about 1200 ° C. The dust collector must also have a heat-resistant structure of about 1200 ° C., or the gas generated in the gasifier must be once cooled to a temperature lower than the heat-resistant temperature of the dust collector and then collected. Further, making the gasification furnace or the dust collecting apparatus heat-resistant up to about 1200 ° C. is not suitable for small-scale equipment because the equipment becomes complicated and costs increase. Furthermore, a high-efficiency dust collector that can be put to practical use at a high temperature of 1200 ° C. still has problems in durability and reliability. On the other hand, if a method of once cooling the generated gas before (upstream) the dust collector is employed, the energy conversion efficiency of the entire system is reduced.
[0010]
(C) In addition, in the technique described in the above publication (1), when the produced gas is cooled and used, the produced tar is removed or the tar component is decomposed with a catalyst to remove CO and H. ₂ A method such as reforming into gas is adopted. Removing tar by washing with water or separating it with a filter not only loses the sensible heat of the generated gas, but also loses the chemical energy of the tar component, and requires operations such as water treatment and filter cleaning. This complicates operation and increases equipment costs. On the other hand, CO and H ₂ In the method of reforming into gas, a device for reforming the tar component is required, and since the catalyst is expensive and deteriorates quickly, it needs to be replaced periodically, which increases the operating cost.
[0011]
(D) According to the technique described in the above publication (2), biomass is gasified at a high temperature of 1300 ° C., and the generated gas is exchanged with a gasifying agent instead of being cooled as described in the above publication (1). In this way, it is cooled to 450 ° C, desulfurized and collected, and then guided to the combustor. In other words, heat is recovered by exchanging heat energy of the discarded product gas with the gasifying agent in the technique described in the above publication (1). However, since gasification is performed at a high temperature, the gasification furnace and the subsequent cyclone need to have a heat-resistant structure of about 1300 ° C., which increases equipment costs.
[0012]
(E) In the technology described in the above publication (3), the exhaust gas from the gas turbine is used for drying the biomass. However, the heat energy of the exhaust gas and the high temperature contained in the exhaust gas are included in the gasification reaction itself. Does not use steam.
[0013]
(F) In the technology described in the above publication (4), gas turbine exhaust gas is used as a gasifying agent. However, when a gas generated by biomass gasification is used as a gas turbine fuel, the biomass gasification process is performed. There is a risk that unreacted char generated in the reactor may damage the blades of the gas turbine or blockage of the piping system due to the generated tar. Fuel other than biomass.
[0014]
(G) In the prior art including the techniques described in the above publications (1) to (4), it is technically difficult to keep initial equipment costs low and to obtain economically suitable operation efficiency in small-scale equipment. .
[0015]
The present invention has been made in view of the above points, and provides a combustion method and a combustion method suitable for a small-scale decentralized system that can convert biomass into useful energy more efficiently and economically than before by gasifying woody biomass. It is an object to provide a combustion system, a power generation method and the power generation system.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the combustion method according to claim 1 is a method for burning biomass as a fuel, wherein the biomass is gasified in a temperature range of 450 ° C to 750 ° C (preferably 500 ° C to 700 ° C), It is characterized in that a generated gas containing a tar component is subjected to dust collection treatment (preferably dry dust collection treatment), and is burned at the same temperature and pressure to generate a high-temperature combustion gas. The high-temperature combustion gas can be used not only for generating power by causing the expansion turbine of the gas turbine to work, but also for other purposes such as a heat exchanger.
[0017]
According to the combustion method of claim 1, gasification is performed at a relatively low temperature (450 ° C. to 750 ° C.) by taking advantage of the characteristic of biomass that is gasified at a low temperature, so that highly efficient dust collection that can withstand high temperatures after gasification is performed. There is no need to provide a device, and the dust collection process can be performed using a high temperature filter that has already been used. Then, by burning after collecting dust, high-temperature combustion gas with less dust can be generated.
[0018]
The combustion method according to claim 2 is characterized in that, in the combustion method according to claim 1, the biomass is gasified by performing a partial combustion reaction or a steam gasification reaction in the presence of steam. The partial combustion reaction burns in an environment in which a smaller amount of air is supplied than is required for complete combustion.
[0019]
According to the combustion method of the second aspect, gasification can be performed more efficiently.
[0020]
The power generation method according to claim 3 is a power generation method in which power is generated by a heat engine using gas obtained by gasifying biomass, wherein a gas turbine is used as the heat engine, and a pressure corresponding to an expansion turbine inlet pressure of the gas turbine is used. Further, it is characterized in that the high-temperature combustion gas produced by burning by the method according to claim 1 or 2 is introduced into the gas turbine to generate electric power.
[0021]
According to the power generation method of claim 3, in order to effectively utilize the chemical energy of the biomass, the generated gas is not cooled or reheated, but is directly used, that is, the temperature and pressure of the gas are changed to the operating temperature of the gasification furnace. By burning while keeping the pressure almost the same, all the thermal energy and chemical energy of the gas can be used for the heat engine. Therefore, it becomes possible to convert biomass into electric energy with high exergy more efficiently and economically than before.
[0022]
In particular, since the tar component is led to the combustor in a gaseous state and burned, the process is simplified and the equipment cost is reduced. In addition, since biomass is gasified in a relatively low temperature range of 450 ° C. to 750 ° C., it is not necessary to provide facilities such as a gasifier and a dust collector with a highly heat-resistant structure capable of withstanding a high temperature of 1000 ° C. or more. Therefore, the equipment cost is relatively low, and therefore, it is suitable for a small-scale distributed system.
[0023]
Further, by gasification at a relatively low temperature, dust such as unreacted char in the generated gas can be collected at the same temperature and pressure and then sent to the combustor of the gas turbine. 4) The gas purification device required in the technology described in [4] is not required. In addition, since electricity and heat are produced using only biomass as an energy source, fuels other than biomass, such as fossil fuels, are in principle unnecessary.
[0024]
In a gas turbine power generation system, fuel gas is generally burned at a high pressure (about 0.3 to 0.8 MPa), and the generated high-temperature and high-pressure combustion gas is expanded by a gas turbine. In order to compress the gas generated in the gasification furnace, it is necessary to lower the temperature to near normal temperature. For that purpose, it is essential to completely remove the tar component in the produced gas. In the present invention, the operating pressure (gasification pressure) of the gasification furnace is set to a pressure corresponding to the inlet pressure of the expansion turbine of the gas turbine, thereby eliminating the need for a gas compressor. Accordingly, cooling of the produced gas and removal of the tar component become unnecessary.
[0025]
The present invention exhibits its advantages in a conventional gas turbine power generation system that adiabatically expands a high-temperature and high-pressure combustion gas to normal pressure. It can also be applied to the so-called reverse Brayton cycle, and has the advantage that tar components need not be removed.
[0026]
A power generation method according to a fourth aspect is characterized in that, in the power generation method according to the third aspect, a part of the air compressed by the combustion air compressor of the gas turbine is used as a gasification gasifying agent.
[0027]
The power generation method according to claim 4 is applied to the power generation system shown in FIG. 1 and is suitable as a small-scale distributed power generation system.
[0028]
A power generation method according to a fifth aspect is characterized in that, in the power generation method according to the third aspect, steam required for gasification of biomass with steam is used as steam contained in exhaust gas of the gas turbine.
[0029]
According to the power generation method of claim 5, heat energy corresponding to latent heat of evaporation is not required, and thermal efficiency is improved.
[0030]
According to the power generation method of claim 6, when performing gasification of biomass by steam gasification reaction in the presence of steam, the heat required for the steam gasification reaction as an endothermic reaction or the temperature of the gasification furnace is maintained. It is characterized in that part or all of the necessary heat is provided by the sensible heat of the exhaust gas of the gas turbine.
[0031]
According to the power generation method of claim 6, part or all of the heat necessary for the endothermic reaction in the steam gasification or the heat required for maintaining the temperature of the gasification furnace is covered by the sensible heat of the gas turbine exhaust gas. Thereby, gasification is performed with higher cold gas efficiency.
[0032]
The power generation method according to claim 7 is characterized in that steam required for biomass steam gasification is supplied by evaporating water content of biomass with sensible heat of gas turbine exhaust gas.
[0033]
According to the power generation method of the seventh aspect, since the steam necessary for biomass steam gasification is obtained by evaporating the water content of the biomass with the sensible heat of the gas turbine exhaust gas, heat energy corresponding to the latent heat of the evaporation is not required. And the thermal efficiency is improved.
[0034]
The power generation method according to claim 8 is a power generation method in which power is generated by a heat engine using gas obtained by gasifying biomass, wherein the Stirling engine is used as the heat engine, and the biomass is burned by the method according to claim 1 or 2. It is characterized in that the generated high-temperature combustion gas is introduced into a Stirling engine to generate power. That is, the power generation method of claim 3 uses a gas turbine as the heat engine, whereas the power generation method of claim 8 uses the Stirling engine.
[0035]
According to the power generation method of the eighth aspect, the Stirling engine is an external combustion engine, and unlike an internal combustion engine such as a gas engine, gas is continuously burned in a combustion chamber. In the same manner as described above, the tar component in the product gas can be burned without being removed.
[0036]
Furthermore, in the case of a Stirling engine, dust in the generated gas does not need to be removed, or even if it is removed, it is only necessary to remove it to the environmentally required level of exhaust gas. There is an advantage that can be achieved.
[0037]
A power generation method according to a ninth aspect is characterized in that, in the power generation method according to the eighth aspect, steam required for gasification of biomass with steam is supplied by steam contained in exhaust gas of the Stirling engine.
[0038]
According to the power generation method of the ninth aspect, since the steam contained in the exhaust gas of the Stirling engine is used as the steam necessary for the gasification of the biomass, the heat energy corresponding to the latent heat of evaporation is not required, and the heat efficiency is improved. I do.
[0039]
In the power generation method according to claim 10, in the power generation method according to claim 8, when gasification of biomass is performed by a steam gasification reaction in the presence of steam, heat or heat required for the steam gasification reaction (which is an endothermic reaction) is obtained. A part or all of the heat required to maintain the temperature of the gasifier is provided by the sensible heat of the exhaust gas of the Stirling engine.
[0040]
According to the power generation method of the tenth aspect, the heat required for the endothermic reaction in steam gasification is provided by the sensible heat of the exhaust gas of the Stirling engine, thereby gasifying with high cold gas efficiency.
[0041]
In the power generation method according to claim 11, in the power generation method according to any one of claims 8 to 10, the steam necessary for steam gasification of biomass is evaporated by using sensible heat of exhaust gas of the Stirling engine with water content of biomass. It is characterized by being supplied by.
[0042]
According to the power generation method of claim 11, the sensible heat in the exhaust gas is recovered by evaporating the water vapor required for the gasification of the biomass using the sensible heat of the exhaust gas of the Stirling engine. Improve.
[0043]
A combustion system according to claim 12 includes a gasifier for gasifying biomass in a temperature range of 450 ° C. to 750 ° C., and a dust collector for collecting gas produced by the gasifier at the same temperature and pressure. And a combustor for completely combusting the generated gas containing the tar component after dust collection by the dust collector to generate a high-temperature combustion gas.
[0044]
A combustion system according to a twelfth aspect is a system for performing the combustion method according to the first aspect, and is suitable for using a solid fuel gasified at a relatively low temperature represented by biomass and a fuel containing ash. Thus, a high-temperature combustion gas with very little dust can be generated. In addition, since gasification is performed at a low temperature, the heat exchanger described in the above-mentioned publication (2) is omitted, and the generated gas containing tar components is subjected to dust collection treatment and burned at the same temperature and pressure. And equipment costs can be reduced.
[0045]
A power generation system according to claim 13 is a power generation system that generates power using gas obtained by gasifying biomass, wherein the combustion system according to claim 12, a gas turbine that expands gas generated by the combustion system, and the gas A generator driven by a turbine.
[0046]
A power generation system according to a thirteenth aspect is a system that implements the power generation method according to the third aspect, and has the same operation as the power generation method according to the third aspect. According to the power generation system of claim 13, since the combustion system such as the gasifier and the dust collector may have a relatively low-temperature heat-resistant structure, equipment costs can be reduced, and in particular, a small-scale distributed power generation system. As the best. Here, the power generation system of claim 13 evaporates the moisture by directly drying or drying the biomass containing the moisture, and introduces the biomass together with the generated steam into a gasification furnace such as a fluidized-bed furnace, and the evaporated moisture is converted into the biomass. This technology is used for steam gasification reaction to increase cold gas efficiency, and solves the problem of improving the power generation efficiency by recovering moisture in biomass and introducing it to a gas turbine compressor in the technology described in the above publication (3). Different from trying.
[0047]
In the power generation system according to claim 14, in the power generation system according to claim 13, heat exchange is performed between exhaust gas from the gas turbine after the intake air of the gas turbine is pressurized by a compressor for combustion air of the gas turbine. A heat regenerator to be heated and a part of the pressurized and heated air are led as a gasifier for gasification of a gasifier of the combustion system, and a gas generated in the gasifier is passed through a dust collector. And a combustor for injecting and burning, and the remaining of the pressurized and heated air is directly sent to the combustor.
[0048]
The power generation system according to claim 14 is a system corresponding to the power generation method according to claim 4, and according to the power generation system, the configuration of the entire system is relatively simple, and the chemical energy of biomass is gasified without waste. High efficiency power generation can be realized by converting to chemical energy of gas.
[0049]
The power generation system according to claim 15 is the power generation system according to claim 13, further comprising a compressor that pressurizes a part of the gas turbine exhaust gas discharged to the atmosphere, wherein the exhaust gas compressed by the compressor is used as a gasification gas. And a heat exchanger for heating the gas turbine combustion air, the gasification gas agent and water by exchanging heat with the exhaust gas of the gas turbine while sending the gas to the gasification furnace as an agent. Features.
[0050]
The power generation system according to claim 15 is a power generation system corresponding to the power generation method according to claims 5 and 6, and has substantially the same operation as the power generation system according to claim 13; Since a part of the discharged gas turbine exhaust gas is used as gasified gas, more efficient power generation is possible.
[0051]
The power generation system according to claim 16 is the power generation system according to any one of claims 13 to 15, wherein the water contained in the biomass supplied to the gasifier is supplied to a gas turbine before the gasifier is supplied to the gasifier. It is characterized by having a dryer for evaporating with exhaust gas.
[0052]
The power generation system according to claim 16 is a power generation system corresponding to the power generation method according to claim 7, and according to this power generation system, water contained in biomass can be evaporated using low-temperature waste heat of exhaust gas. The energy of biomass can be used efficiently and efficiently.
[0053]
A power generation system according to claim 17 is a power generation system that generates power using gas obtained by gasifying biomass, wherein the combustion system according to claim 12, a Stirling engine using a gas generated by the combustion system as a heat source, A power generator driven by a Stirling engine is provided. The power generation system according to claim 13 uses a gas turbine as a heat engine, whereas the Stirling engine is used.
[0054]
In the power generation system according to claim 18, in the power generation system according to claim 17, after recovering the sensible heat of the exhaust gas of the Stirling engine discharged to the atmosphere by a heat exchanger, a part of the exhaust gas of the Stirling engine is converted into gas. Wherein the gasification furnace is sent as a gasification agent to the gasification furnace of the combustion system, wherein the power generation system according to claim 14 uses a gas turbine as a heat engine, whereas a Stirling engine is used. is there.
[0055]
The power generation system according to claim 19 is the power generation system according to claim 17 or 18, further comprising a dryer for evaporating water contained in biomass supplied to the gasification furnace with exhaust gas of the Stirling engine. The power generation system according to claim 16 uses a gas turbine as a heat engine, while using a Stirling engine.
[0056]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0057]
FIG. 1 is a system diagram of the entire system showing an embodiment of a power generation system to which the power generation method of the present invention is applied.
[0058]
As shown in FIG. 1, the power generation system 100 of the present embodiment includes a silo 1 for storing woody biomass <A> as an energy source, a hopper 2 downstream of the silo 1, and a dryer 3 in this order. The silo 1 is provided with a heating device (not shown) using hot water so that the biomass <A> stored in the silo 1 can be preheated. In addition, the woody biomass used in the present invention mainly uses sawdust wood chips, which generate a large amount of wood, but in addition, sawmill sawmills, thinned timber from the forest, untreated branches in the soil, pruned street trees, construction waste wood, etc. Can also be used.
[0059]
In the present example, a fluidized bed furnace 4 is installed downstream of the dryer 3 as a gasification furnace. An exhaust gas port at the top of the fluidized bed furnace 4 is connected to the dust collector 5 via a duct 21. In this example, the dust collector 5 includes a cyclone and a heat resistant filter (heat resistant temperature: about 650 ° C.). The outlet of the dust collector 5 is connected to the gas turbine (for use) combustor 6 by a pipe 22, and the gas burned in the combustor 6 is sent to the gas turbine 7 installed on the downstream side. The gas turbine 7 is coaxially connected with a compressor (compressor) 7a, and further connected with a power generator (generator) 8. The dust collector 5 discharges char <5>, which is an unincinerated component, which is separated and recovered from the gas by a cyclone, and ash <5> of biomass.
[0060]
A heat regenerator 9 is connected to an exhaust gas outlet of the gas turbine 7. The air <11> in the atmosphere is sucked and compressed by the compressor 7a, and the pressurized air (compressed air) <12> is sent to the heat regenerator 9 where it is exchanged with the exhaust gas <7> for heat exchange and heated. . The heated / pressurized air <13><15> coming out of the heat regenerator 9 is sent to the bottom of the fluidized bed furnace 4 through a pipe 24 and blown into the fluidized bed furnace 4 as a fluidizing gas. The pipe 24 is branched and connected to the combustor 6. The flow control valve 15 is interposed in the branch pipe 25 to heat and pressurize air to the fluidized bed furnace 4 and the combustor 6 <14><15> can be adjusted.
[0061]
The exhaust gas <8> discharged from the heat regenerator 9 is sent to the dryer 3 via the pipe 27, and is used as a heating source for drying the biomass <C>. Exhaust gas <9> used as a heat source for drying biomass <C> in the dryer 3 is sent to the heat exchanger 10 through a pipe 28, and heats feed water (tap water) to convert it to hot water. The water supply <16> is supplied to the heat exchanger 10 by a pump P interposed in the pipe 31, and is supplied as hot water <17> from the pipe 32 to necessary equipment, for example, the silo 1. On the other hand, the exhaust gas <10> discharged from the heat exchanger 10 is discharged from the chimney 11 to the atmosphere through the pipe 29.
[0062]
The power generation system 100 according to the embodiment of the present invention is configured as described above. The power generation system 100 includes a combustion system (a fluidized-bed furnace (gasification furnace) 14 and a dust collector (dust collector)) that burns biomass as a fuel to generate a high-temperature combustion gas according to an embodiment of the present invention. 5 and a combustor 6).
[0063]
In the power generation system 100, the air <12> sucked and compressed by the compressor 7a (compressor for combustion air of the gas turbine 7) is heated by exchanging heat with the turbine exhaust gas <7> in the heat regenerator 9. A part <15> is sent to the fluidized bed furnace 4 which is a gasification furnace, and the remaining <14> is sent directly to the combustor 6. The heated / compressed air <15> sent to the fluidized bed furnace 4 fluidizes the biomass <D> charged into the fluidized bed furnace 4. Part of the biomass <D> undergoes a combustion reaction with oxygen contained in the compressed air <15> and is partially burned. The heated / compressed air <15> sent to the fluidized bed furnace 4 in this way is used as a gasifying gasifying agent for the gasification furnace (fluidized bed furnace 4). In the case of this example, the inside of the fluidized bed furnace 4 is maintained in a pressurized state (for example, 4 to 5 atm), and the temperature in the furnace is 450 ° C to 750 ° C (preferably 500 ° C) by partially burning biomass <D>. ７００700 ° C.). As a result, CO and H ₂ Is generated, and the tar component <1> is also generated in a vaporized state.
[0064]
The gas generated in this manner (CO and H containing vaporized tar components) ₂ (1) is sent to the dust collector 5 in the same temperature and pressure state. Then, char and ash <5> is separated by the dust collector 5 and sent to the combustor 6 as it is (while maintaining the temperature (for example, 650 ° C.) and the pressurized state when exhausted from the fluidized bed furnace 4). Can be In the combustor 6, the compressed air <14> heated by the heat regenerator 9 is mixed and integrally formed, and is completely burned at a pressure corresponding to the expansion turbine inlet pressure of the gas turbine 7, and the high-temperature combustion gas is removed. It is generated and introduced into the gas turbine 7. The gas turbine 7 is driven by the high-temperature combustion gas, and at the same time, the generator 8 is rotated to generate power. Further, when the biomass <D> is gasified, a tar component is generated. Since the tar component is sent to the combustor 6 while maintaining the temperature at 350 ° C. or higher, which is a temperature capable of maintaining a vaporized state, the dust collector 5 does not adhere to the filter or the inner walls of the pipes 21 and 22.
[0065]
On the other hand, the exhaust gas <7> from the gas turbine 7 heats the compressed air <12> in the heat regenerator 9 and then is sent to the dryer 3 to remove the moisture contained in the biomass <C> supplied to the fluidized bed furnace 4. Used to evaporate and dry the biomass <C>. The biomass <A> usually contains about 50% of water, but the dryer 3 evaporates unnecessary water for the gasification reaction. Thereafter, the gas turbine exhaust gas <9> is heated by the heat exchanger 10 to make the water warm.
[0066]
As described above, biomass is gasified and burned to generate power. However, since woody biomass is used as the biomass, the exhaust gas can be released into the atmosphere without any special exhaust gas treatment.
[0067]
Next, FIG. 2 is a system diagram of the whole system showing another embodiment of the power generation system to which the power generation method according to another embodiment of the present invention is applied.
[0068]
The difference between the power generation system 200 of the present embodiment and the power generation system 100 of the above embodiment is that the exhaust gas <10> from the gas turbine 7 is used as the fluidizing gas of the fluidized bed furnace 4. That is, heat exchange is performed between the feed water and the heat exchanger 10, and a part of the low-temperature exhaust gas <10> whose temperature has decreased is sent to another compressor 14 provided on the same axis as the gas turbine 7 without being released to the atmosphere. After pressurizing, the heat is exchanged with the exhaust gas <7> from the gas turbine 7 in the heat exchanger 12 provided adjacent to the heat regenerator 9 and then heated and sent to the fluidized bed furnace 4 so that the energy is reduced. Efficiency is further enhanced.
[0069]
As for the configuration of the power generation system 200, as shown in FIG. 2, a pipe 29 from the heat exchanger 10 to the chimney 11 is branched, and another compressor 14 which is coaxial with or independent of the gas turbine 7 is provided. I have. A damper 13 is interposed in the branch pipe 30 and is connected to the intake side of the compressor 14. The exhaust gas <10> compressed and pressurized by the compressor 14 is connected to the heat exchanger 12 via a pipe 33, and further led to the bottom of the fluidized bed furnace 4 via a pipe 34. The exhaust gas <7> from the gas turbine 7 heats the compressor intake (gas turbine intake) <12> in the heat regenerator 9 and then is sent to the heat exchanger 12 to be used for heating the pressurized exhaust gas. Then, it is sent to the dryer 3 as in the above embodiment, and is used as a heat source for drying biomass. All of the compressor intake <12> is sent to the combustor 6 via the heat regenerator 9, and is mixed with the gasified gas <2> of the biomass <D> and burned.
[0070]
In the power generation system 200 of the present example, even though the temperature is low, the exhaust gas having a larger thermal energy than the air at room temperature is used as the fluidizing gas, so that the energy efficiency is further improved. Since other configurations and operations are the same as those of the above-described embodiment, common members are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0071]
In the above, two embodiments have been described, but the present invention can be implemented as follows.
(1) The fluidized bed furnace 4 is not limited to a fluidized bed furnace, and for example, a spouted bed furnace can be used.
(2) The temperature at which the biomass is gasified in the fluidized bed furnace 4 can be appropriately set in the range of 450 ° C to 750 ° C (preferably 500 ° C to 700 ° C). Of course, gasification at normal pressure is also possible.
(3) Instead of the gas turbine 7 as the heat engine, an engine such as a Stirling engine may be used, and the engine may be rotated using gasified high-temperature combustion gas as fuel to generate power. In this case, for example, moisture contained in the biomass supplied to the fluidized bed furnace 4 (gasification furnace) can be evaporated by the exhaust gas of the Stirling engine.
(4) The gasification of biomass may be performed by a partial combustion reaction, or may be performed by a steam gasification reaction in the presence of steam. In this case, the steam necessary for biomass steam gasification can utilize steam contained in the exhaust gas of a gas turbine or a Stirling engine, and the water content of the biomass can be evaporated by the sensible heat of the exhaust gas of the Stirling engine. May be supplied.
[0072]
Also, when performing gasification of biomass by steam gasification in the presence of steam, part of the heat required for the steam gasification reaction, which is an endothermic reaction, or the heat required to maintain the temperature of the gasification furnace Alternatively, all may be covered by the sensible heat of the exhaust gas of the gas turbine or Stirling engine.
[0073]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention has the following excellent effects.
(1) Since gasification is performed at a temperature necessary and sufficient for biomass gasification (that is, at a low temperature of about 450 ° C. to 750 ° C.), it is not necessary to apply unnecessary heat, so that the cold gas efficiency is improved.
(2) Since the biomass gasification is carried out at a necessary and sufficient temperature (at a low temperature), the cost of equipment such as a gasification furnace and a dust collector is reduced.
(3) Since the generated gas is introduced into the gas turbine or the Stirling engine at the same pressure and temperature, the sensible heat of the generated gas is not reduced due to the removal of the tar component, and the power generation efficiency is improved.
(4) Since combustion is performed in a turbine or a Stirling engine at high temperature and high pressure without removing the tar component, the sensible heat and latent heat of the tar component can be effectively used, and the cold gas efficiency and the power generation efficiency are improved.
(5) Equipment for tar removal becomes unnecessary, and equipment costs are reduced. In addition, operation operation and equipment maintenance are facilitated.
(6) The power generation efficiency is improved by preheating the gas turbine combustion air by the heat regenerator.
(7) The power generation efficiency is improved by preheating the fluidized gas in the fluidized bed furnace (gasification furnace) by exchanging heat with the gas turbine exhaust gas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram of the entire system showing an embodiment of a power generation system to which a power generation method of the present invention is applied.
FIG. 2 is a system diagram of the entire system showing another embodiment of a power generation system to which a power generation method according to another embodiment of the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 silo
2 Hopper
3 dryer
4 Fluidized bed furnace (gasification furnace)
5 Dust collector (dust collector)
6. Combustor (combustor for gas turbine)
7 Gas turbine
7a Compressor
8 generator
9 heat regenerator
100/200 power generation system

Claims

In a combustion method of burning biomass as fuel,
Biomass is gasified in a temperature range of 450 ° C. to 750 ° C., and a generated gas containing a tar component is subjected to dust collection treatment and burned at the same temperature and pressure to generate a high-temperature combustion gas. Burning method.

2. The combustion method according to claim 1, wherein the gasification of the biomass is performed by performing a partial combustion reaction or a steam gasification reaction in the presence of steam.

In a power generation method of generating power in a heat engine using gas obtained by gasifying biomass,
A gas turbine is used as a heat engine, and the gas turbine is burned at a pressure corresponding to an expansion turbine inlet pressure of the gas turbine according to the method of claim 1 or 2, and the generated high-temperature combustion gas is introduced into the gas turbine to generate power. A power generation method.

The power generation method according to claim 3, wherein a part of the air compressed by the compressor for combustion air of the gas turbine is used as a gasification gasifying agent for a gasification furnace.

The power generation method according to claim 3, wherein steam required for steam gasification of biomass is supplied by steam contained in exhaust gas of the gas turbine.

When gasification of biomass is performed by a steam gasification reaction in the presence of steam, part or all of the heat required for the steam gasification reaction and / or the heat required to maintain the temperature of the gasification furnace, 4. The power generation method according to claim 3, wherein the heat is provided by sensible heat of exhaust gas of the gas turbine.

The power generation method according to any one of claims 4 to 6, wherein steam necessary for steam gasification of biomass is supplied by evaporating water content of biomass with sensible heat of gas turbine exhaust gas.

In a power generation method of generating power in a heat engine using gas obtained by gasifying biomass,
3. A power generation method using a Stirling engine as a heat engine, and introducing high-temperature combustion gas generated by burning biomass by the method according to claim 1 or 2 into the Stirling engine to generate power.

9. The power generation method according to claim 8, wherein steam necessary for steam gasification of biomass is supplied by steam contained in exhaust gas of the Stirling engine.

When gasification of biomass is performed by a steam gasification reaction in the presence of steam, part or all of the heat required for the steam gasification reaction and / or the heat required to maintain the temperature of the gasification furnace, 9. The power generation method according to claim 8, wherein the sensible heat of the exhaust gas of the Stirling engine is used for the power generation.

The power generation method according to any one of claims 8 to 10, wherein steam necessary for steam gasification of biomass is supplied by evaporating water content of biomass with sensible heat of exhaust gas of the Stirling engine.

In a combustion system that burns biomass as fuel,
A gasifier for gasifying biomass in a temperature range of 450 ° C to 750 ° C;
A dust collector for collecting the gas produced by the gasifier at the same temperature and pressure,
A combustion system comprising: a combustor that completely burns a generated gas containing a tar component after dust collection by the dust collector to generate a high-temperature combustion gas.

In a power generation system that generates power using gas obtained by gasifying biomass,
A power generation system, comprising: the combustion system according to claim 12, a gas turbine that expands gas generated by the combustion system, and a generator driven by the gas turbine.

A heat regenerator that heats the intake air of the gas turbine by exchanging heat with exhaust gas from the gas turbine after pressurizing the compressed air with a compressor for combustion air of the gas turbine,
A combustor that guides a part of the pressurized and heated air as a gasifying gasifying agent for the gasification furnace of the combustion system, and feeds the gas generated in the gasification furnace through a dust collector and burns it. With
The power generation system according to claim 13, wherein the remainder of the pressurized and heated air is sent directly to the combustor.

With a compressor that pressurizes a part of the gas turbine exhaust gas to be released to the atmosphere, and configured to send the exhaust gas compressed by the compressor to the gasification furnace as a gasification gas agent,
The power generation system according to claim 13, further comprising a heat exchanger that heats the combustion air for the gas turbine, the gasifying gas agent, and the water by exchanging heat with the exhaust gas of the gas turbine.

The power generation system according to any one of claims 13 to 15, further comprising a drier for evaporating water contained in biomass supplied to the gasification furnace with exhaust gas of the gas turbine.

In a power generation system that generates power using gas obtained by gasifying biomass,
A power generation system, comprising: the combustion system according to claim 12, a Stirling engine using a gas generated by the combustion system as a heat source, and a generator driven by the Stirling engine.

After recovering the sensible heat of the exhaust gas of the Stirling engine discharged to the atmosphere with a heat exchanger, a part of the exhaust gas of the Stirling engine is sent to a gasification furnace of the combustion system as a gasification gasifying agent. The power generation system according to claim 17, wherein

19. The power generation system according to claim 17, further comprising a dryer for evaporating water contained in biomass supplied to the gasification furnace with exhaust gas of the Stirling engine.