JP2004182903A - バイオマスのガス化方法およびガス化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発生ガス中にタールが多く可燃性ガスが少ないという従来の課題を解決し、エネルギー利用率の高いガスを得るとともに関連機器へのタールの付着を防止できる好ましいガス化方法およびガス化装置を提供する。
【解決手段】流動層１１ｃにてバイオマスをガス化するとともに、流動層１１ｃより上部のフリーボード部１１ｄで、流動層１１ｃ内とは別に発生ガスの温度コントロールを行う。具体的にはフリーボード部１１ｄに、開度調整可能なバルブ１２を介して酸素含有ガスを吹き込むとともに、温度センサー１３を設ける。
【選択図】 図１
【解決手段】流動層１１ｃにてバイオマスをガス化するとともに、流動層１１ｃより上部のフリーボード部１１ｄで、流動層１１ｃ内とは別に発生ガスの温度コントロールを行う。具体的にはフリーボード部１１ｄに、開度調整可能なバルブ１２を介して酸素含有ガスを吹き込むとともに、温度センサー１３を設ける。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
請求項に係る発明は、バイオマスをガス化してエネルギー利用率の高い好ましい可燃性ガスを得るための方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バイオマスとは一般に、エネルギー源または工業原料としての生物体をいい、木や草、木材系の廃棄物といった植物系のもののほか、家畜の糞など動物系のものが含まれる。近年、エネルギー資源についての懸念や地球温暖化の問題とも関連して、このようなバイオマスをガス化して燃料にする技術が種々開発されるようになった。
【０００３】
図６は、植物系バイオマス（この項では、以下「バイオマス」と称す）の一般的なガス化装置を示す縦断面図である。ガス化装置としては、通常、図示のような流動層反応炉３１が使用される。バイオマスは、細かくされたうえ投入管３５より分散板３１ｂ上に投入され、下方の風箱３１ａから導入される流動化ガスによって流動化し、流動層３１ｃを形成する。流動層３１ｃにおいてバイオマスは、酸素を含む流動化ガスと活発に接触することにより部分燃焼してガス化され、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ２）、炭化水素（たとえばメタンＣＨ４）等の可燃性ガスとなり、炉内上部のフリーボード部３１ｄを経て炉外へ送り出される。
【０００４】
また下記の特許文献１にも、バイオマスを効率的にガス化できるという技術が示されている。同文献には、流動層（流動床）等のガス化炉内にバイオマスを適切な粒径の粉砕物として供給するとともに、酸素を含む燃焼酸化剤をも適量供給し、炉内温度を７００〜１２００℃にするのがよいと記載されている。７００℃以上がよい理由は、７００℃未満だとバイオマスの熱分解が良好には行われないからだとされている。
【特許文献１】特開２００１−２４０８７７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らの調査によれば、バイオマスのガス化にあたって流動層温度を７００℃以上にする場合、下記の不都合が生じることが明らかになった。すなわち、
イ） 発生ガス中に含まれる可燃性ガスが少なくなりがちである。バイオマスのガス化は、バイオマスを部分燃焼（不完全燃焼）させるによって一酸化炭素や水素等の可燃性ガスを得るものだが、流動層温度を７００℃以上にすると、それら可燃性ガスのうちに流動層で燃焼してしまうものが多くなる。その結果、発生し回収されるガスのエネルギー利用率が低くなるのである。
ロ） 発生ガスの温度が高くなる結果、そのガスの集塵を行いがたくなる。集塵器として広く使用されるバグフィルターは、布等でできたフィルター（濾布）の耐熱性に限界があるため、一般仕様の設備で７００℃以上の高温度のガスを処理するのは困難である。他の形式のフィルターについても耐熱性について同様の課題があるため、炉内温度を７００℃以上にすれば、特殊な集塵器が不可欠となって設備コストが大幅に上昇すると予想される。
【０００６】
その一方、流動層温度があまりに低いと、
ハ） 反応が活発でなくなってガスの発生量が少なくなる、
ニ） 発生ガス中の高沸点成分であるタールが凝縮しやすくなり、ガス化炉やそれより下流側の機器の内面に付着して運転性能を低下させる
といった不都合を招きやすい。
【０００７】
請求項に係る発明は、上記イ）〜ニ）のような課題を考慮して、エネルギー利用率の高いガスを得られるとともに関連機器へのタールの付着を防止できる好ましいガス化方法およびガス化装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載したバイオマスのガス化方法は、流動層にてバイオマスをガス化するとともに、流動層より上部のフリーボード部（空塔部）で、流動層内とは別に発生ガスの温度コントロールを行うことを特徴とする。
【０００９】
このガス化方法では、木材などのバイオマスを、酸素を含む流動化ガス（たとえば、２００〜３００℃に予熱した空気）により流動化し、当該酸素によりその流動層において部分燃焼させることによりガス化し、もって一酸化炭素や水素、炭化水素などの可燃性ガスを発生させる。この点は、従来の一般的な方法と同様である。
【００１０】
しかしこの請求項１の方法では、前掲の特許文献１に記載の例を含む従来の方法と異なり、流動層より上部のフリーボード部において、流動層内とは別に（つまり流動層内における温度コントロールの有無やその手段とは独立して）発生ガスの温度コントロールを行う。そのため、この方法には下記ａ）〜ｃ）のような特徴的な作用がある。
【００１１】
ａ） タールの生成を少なくし、それが下流側の関連機器に付着することによる不都合を防止できる。タールは、ガス化による発生ガスに含まれる高沸点の炭化水素であり、一般的には高温度になるほど分解して含有量が少なくなる。本方法では、流動層より上部にあって、発生したガスが流動層部分を出た直後に（したがって下流側関連機器に達する前に）通過するフリーボード部において発生ガスの温度コントロールを行うものであるから、発生ガス中のタールを十分に分解し減少させることができ、水洗処理や触媒による分解処理を行わなくとも下流側機器へのタールの付着を少なくすることができる。タールが減少すれば、それをバインダーにしてチャー、灰分が下流側機器に付着するという不都合も生じがたくなる。
【００１２】
ｂ） 発生ガスに含まれるダスト等の集塵が、一般仕様の集塵器によっても容易に実施できる。フリーボード部において、すなわち流動層反応炉を出る直前で発生ガスの温度コントロールをするのであるから、下流側の集塵器へ至るガスを、集塵器が性能を発揮しやすい温度にすることが容易なのである。したがって、必要な集塵を低コストの設備によって円滑に行うことができる。
【００１３】
ｃ） かなりの精度を要することから従来困難であった温度コントロールを円滑に実現でき、もって前述したイ）〜ニ）の課題を適切に解消できる。フリーボード部の温度について、流動層内とは別にコントロールを行うからである。温度コントロールが精度を要して困難であるのは、つぎのような技術的事情による。すなわち、まず、上記ａ）のようにタールの生成を少なくするには発生ガスの温度を上げるのが好ましく、ｂ）のように発生ガスの集塵を容易にするには同じガスの温度を下げる必要があるので、フリーボード部における適切な温度範囲はせまい。また流動層の温度に関しても、バイオマスと流動化ガスとの反応を活発に行わせるとともにエネルギー利用率の高いガスを回収できる適切な温度範囲は広くないうえ、流動層反応炉の断熱性や運転状況によっては流動層の温度とフリーボード部の温度とがそれぞれ独自に変化する。したがって、従来（前掲の特許文献１を含む）のように流動層内と一体的にフリーボード部の温度コントロールを行う方法では、適切な温度コントロールが困難であった。
【００１４】
請求項２に記載したガス化方法は、とくに、流動層内の温度（バイオマスと流動化ガスとの反応温度）を５００℃以上・７００℃未満にするとともに、フリーボード部では、加熱することにより、ガス（発生ガス）を５００℃以上・７００℃未満にすることを特徴とする。なお、流動層内温度は、６００℃以上・６５０℃以下とすることが好ましい。
ここにいうフリーボード部での加熱は、先に記載した温度コントロールの一態様として加熱するものである。流動層で発生したガスは、反応炉からの放熱により、フリーボード部に至って温度降下するのが一般である（とくに流動層反応炉が小規模である場合等には温度降下の幅が大きい）が、この請求項の方法では、上記のとおり加熱することによって、フリーボード部におけるガスの温度を５００℃以上・７００℃未満にする。
【００１５】
流動層内の温度を上記のように５００℃以上・７００℃未満にすると、バイオマスのガス化を活発に行いながら、発生ガス中に多くの可燃性ガスを含ませることができる。すなわち、流動層内の温度を５００℃以上にすると、木材等のバイオマスを、酸素を含む流動化ガスと活発に反応させて部分燃焼を促進することができ、温度を７００℃未満に保つと、ガス化によって発生する可燃性ガスについて流動層内で燃焼してしまう量を抑制できて、回収されるガスのエネルギー利用率を高くすることが可能である。特に、流動層内の温度を６００℃以上・６５０℃以下としてバイオマスをガス化すれば、バイオマスの炭素転換率が高くなり、ガス化によって生成した、タール分を含む可燃性ガスの発熱量が高くなるという有利な効果がある。
【００１６】
同時に、発生ガスをフリーボード部において５００℃以上・７００℃未満の温度範囲に保てば、同部を出るガスについてタールの含有量を少なくし、かつ集塵を行いやすくできる。つまり、フリーボード部でのガス温度を５００℃以上に保つことから、ガス中のタールがよく分解されてその含有量が減少し、その一方、ガス温度を７００℃未満にすることから、一般仕様の集塵器によっても円滑な集塵が可能になる。
【００１７】
したがってこの請求項の方法によれば、前記イ）〜ニ）の課題が極めて好ましく解決される。なお、フリーボード部において加熱することによりガスの温度をコントロールするので、この方法は、小規模であることや断熱性が高くないことを理由に内部の温度降下が発生しやすい流動層反応炉を使用する場合にとくに適している。つまり、保温することのみによってフリーボード部の温度を流動層内の温度に近づけるのでないため、小容量の流動層反応炉に厚い断熱層を設ける等の必要がなく、したがって設備コストの低減、予熱時間・予熱用エネルギーの削減といったメリットが付随する。
【００１８】
請求項３に記載のガス化方法はとくに、フリーボード部において、酸素含有ガスを吹き込むことにより発生ガスの一部を燃焼させ、温度を検出しながら当該吹込みガス量（つまり酸素含有ガスの吹込み量）を調整することによって上記の温度コントロールを行うことを特徴とする。
【００１９】
このガス化方法では、流動層における発生ガスがフリーボード部に至って温度降下するのに対し、その発生ガスの一部を燃焼させることによって温度上昇をはかり、もって前記請求項の方法における温度コントロールを行う。フリーボード部における温度コントロールを、とくに簡易な設備を用いて適切に実施できる点が、この請求項の方法の作用上の特徴である。
【００２０】
簡易な設備で温度コントロールを行えるのは、酸素含有ガスを吹き込むことのみによって発生ガスを温度上昇させるからである。発生ガスの温度上昇は、たとえばフリーボード部にオイルバーナーや電気ヒーターを設けることによっても実現できるが、上記のとおり酸素含有ガスを吹き込むのが最も簡単である。残存酸素を含む各種燃焼排ガスや空気など、安価なガスを酸素含有ガスとして使用できるうえ、燃料を併せて吹き込む必要がないからである。酸素含有ガスを吹き込めば、フリーボード部にある高温度の可燃性ガスの一部が自ずと着火して燃焼し、フリーボード部の温度を上昇させる。なお、発生ガスをごく少量燃焼させるだけで相当の発熱によりフリーボード部が十分に温度上昇するので、発生ガス中の可燃性ガスの減少量は極めてわずかである。
【００２１】
上記の温度コントロールを適切に実施できるのは、フリーボード部において温度を検出しながら上記吹込みガス（酸素含有ガス）の量を調整するからである。つまり、制御量であるフリーボード部の温度を検出し、その結果をフィードバックしながら吹込みガス量を調節するという制御によって、外乱の影響を抑えた正確で好ましい温度維持が可能になる。
【００２２】
請求項４に記載のガス化方法はとくに、流動層内の温度を５００℃以上・７００℃未満にするとともに、その流動層内に水分を添加することを特徴とする。水分は、たとえば水蒸気の形で、風箱（流動層の下部）または流動層部分の側部炉壁から吹き入れるようにするとよい。
【００２３】
この方法によれば、上記のようにタール分を減少させ得る等の作用に加え、発生ガス中のチャー（炭素粉）の含有量も減らして可燃性ガスを増加させることができる。５００℃以上という高温度のもとでは炭素（Ｃ）は水（Ｈ２Ｏ）と水性ガス化反応（Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２）を起こし、一酸化炭素と水素とに変わるからである。チャーは、付着したタールをバインダーにしてその上に付着・堆積しがちであるため、タールとともにチャーの含有量が減ると、下流側機器における運転性能が低下する等の不都合はとくに効果的に解消される。なお、流動層内の温度を７００℃未満に保つことから、エネルギー利用率の高いガスが得られるという利点も失われない。なお、流動層内の温度を特に６００℃以上・６５０℃以下にすれば、バイオマスの炭素転換率が高くなり、ガス化によって生成した、タール分を含む可燃性ガスの発熱量が高くなるという効果が期待できる。
【００２４】
請求項５に記載のガス化方法はとくに、流動化ガスとしてガスタービンの排ガスを流動層反応炉内に導入するとともに、流動層反応炉の発生ガスを同じガスタービンの燃料とすることを特徴とする。
【００２５】
ガスタービンの排ガスは、排気直後において６００℃前後あり、廃熱利用をした後においても一般的には２５０℃程度以上の温度を有している。しかもその排ガスは未消費の酸素を含む（排ガス中の１５％前後）ので、バイオマスを流動化させるとともにガス化すべく反応させる流体として極めて適している。つまり、ガスタービンの排ガスを流動化ガスとして流動層反応炉内に導入すれば、バイオマスを部分燃焼させて流動層内を前記の温度範囲にし、適切なガス化を実現できる。
【００２６】
一方、流動層反応炉からの発生ガス、すなわち流動層においてバイオマスのガス化により発生しフリーボード部を経由したガスは、可燃性ガスを多量に含むものであるため、ガスタービンの燃料とするのに好適である。したがって、上記のように流動層・ガスタービン間で相互にガスを利用するこの請求項の方法は、バイオマス由来のエネルギーを効率的に利用できるものといえる。また、前記したように発生ガス中のタールの量が抑制されているので、そのガスを用いるガスタービンまたはその周辺の機器において、タールの付着に起因する性能低下等の不都合が生じがたいというメリットもある。
【００２７】
なお、ガスタービンの排ガス中には上記のとおり酸素が含まれているので、請求項３に関して記載したように、同じ排ガスをフリーボード部への吹込みガスとするのもよい。そうすれば、エネルギーをさらに有効利用でき、フリーボード部の温度コントロールを一層簡単に実現することが可能になる。
【００２８】
請求項６に記載したバイオマスのガス化装置は、バイオマスを部分燃焼させてガス化するための流動層反応炉を含むもので、当該反応炉における流動層より上部のフリーボード部（空塔部）に、流動層内とは別に発生ガスの温度コントロールを行うための温度制御手段を設けたことを特徴とする。
【００２９】
このガス化装置は、これを使用することによって、請求項１に記載したガス化方法の実施を可能にする。上記の温度制御手段を用い、フリーボード部において流動層内とは別に発生ガスの温度コントロールを行えるからである。請求項１のガス化方法を実現できる以上、前記したａ）〜ｃ）等のメリットを享受することが当然に可能である。
【００３０】
請求項７に記載のガス化装置はとくに、上記の温度制御手段として、フリーボード部の温度検出をなす温度センサーと、開度調整可能なバルブを介してフリーボード部に酸素含有ガスを吹き込む吹込みノズルと、温度センサーの検出信号に応じてバルブの開度調整をなす調節・操作機器とを組み合わせたことを特徴とする。
【００３１】
このガス化装置によれば、請求項３に記載したガス化方法を円滑に実施することができる。フリーボード部には高温度の可燃性ガスが存在するため、上記の吹込みノズルから酸素含有ガスを吹き込むと可燃性ガスの一部を燃焼させることができるほか、上記の温度センサーにより温度を検出し、その検出信号に基づいて調節・操作機器がバルブの開度調整をすることにより、請求項３に記載したように吹込みガス量を調整してフリーボード部の温度コントロールを行えるからである。請求項３の方法を実施できることから、前記したように、フリーボード部の温度コントロールを簡易な設備によって適切に実施できるというメリットがもたらされる。
【００３２】
請求項８に記載のガス化装置はとくに、酸素含有ガスを吹き込む上記の吹込みノズルとして、流動層反応炉（のフリーボード部）の炉壁内面に沿って（たとえば炉壁が円筒状の場合には概ね接線の方向に）吹き込むものを配置したことを特徴とする。
【００３３】
こうしたガス化装置では、発生ガスをフリーボード部において効率よく混合・撹拌することができる。吹込みノズルが炉壁内面に沿って酸素含有ガスを吹き込むため、その流れによってフリーボード部内のガスの全体が炉壁内面に沿って旋回させることができるからである。こうしてフリーボード部において発生ガスを混合・撹拌できると、発生ガスの温度を均一化でき、タールの含有量を減少させて、請求項１の発明についての前記ａ）〜ｃ）の作用等をとくに円滑に実現できるようになる。上記のように旋回流が生じる結果、発生ガスのフリーボード部１１ｄ内での滞留時間が長くなるので、タールの分解が一層確実に促進されるという利点もある。
【００３４】
請求項９に記載のガス化装置はとくに、流動層反応炉におけるフリーボード部に、断面積（水平横断面における内部開口の断面積）の異なる部分を設けたことを特徴とする。断面積の異なる部分は、ある部分からその上部にかけて断面積が拡大するように設けるのがよく、断面積が不連続に拡大するものであればとくに好ましい。
【００３５】
このように断面積の異なる部分を設けると、流動層部分で発生してフリーボード部へと上昇する発生ガスの流れに渦などの乱れが生じる。そのような乱れが生じると、発生ガスが混合・撹拌されやすく、したがって上記請求項の装置と同じく、発生ガスの温度・成分を均一化し、タールの含有量を効果的に減少させることができる。
【００３６】
請求項１０に記載のガス化装置はさらに、流動層またはその下部の風箱に向けて（双方に向ける場合を含む）、水蒸気を吹き込む吹込みノズルを設けたことを特徴とする。
【００３７】
このガス化装置では、吹込みノズルより水蒸気を吹き込むことにより流動層内に水分を添加できるので、同時に流動層内の温度を５００℃以上・７００℃以下にすれば、請求項４に記載したガス化方法を実現することができる。したがって、チャーの含有量を減らしてエネルギー利用率の高いガスを得ることができる。
【００３８】
請求項１１に記載のガス化装置はとくに、流動化ガスの導入管をガスタービンの排ガス管と接続するとともに、流動層の発生ガスの排出管を同じガスタービンの燃焼器に接続したことを特徴とする。
【００３９】
この装置によれば、請求項５に記載したガス化方法を円滑に実施できる。上記の導入管によりガスタービンの排ガスを流動化ガスとして流動層内に導入する一方、上記の排出管が、流動層の発生ガスを同じガスタービンに燃料として供給するからである。
【００４０】
当該方法を実施できることから、この装置では、前記のようにエネルギーの効率的な利用が可能になる。ガスタービンやその周辺機器においてタールの付着に起因する不都合の発生が防止されるというメリットもある。
【００４１】
なお、ガスタービンの排ガス管は、フリーボード部への吹込みガスの吹込み管にも接続するとさらに好ましい。ガスタービンの排ガス中には酸素が含まれているので、そのようにすれば、エネルギーをさらに有効利用してフリーボード部の温度コントロールを簡単に実現できるようになる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
発明の実施についての一形態を図１〜図３に示す。図１は、間伐材や木屑などのバイオマスを原料とするガス化装置１０を概念的に示す断面図である。また図２は、そのガス化装置１０における発生ガスについて温度と成分比率との関係を示す線図、図３は、図１のガス化装置１０を含む小規模分散型の発電システム１について全体を示す系統図である。
【００４３】
図６に示した従来のガス化装置と同様、図１のガス化装置１０も流動層反応炉１１を主体に構成したもので、概ねの構造と機能はつぎのとおりである。流動層反応炉１１には、まず、円筒状の炉体の下部に風箱１１ａとしての空間を設け、その上に、ガスの通る通孔を多数有する分散板１１ｂを取り付けている。細かく破砕した上記バイオマスを炉体上部の投入管１５より分散板１１ｂ上に投入する一方、流動化ガスであってバイオマスと反応させる酸素含有のガス（２５０〜３００℃）を導入管５ａから風箱１１ａ内へ導入し、分散板１１ｂの通孔を通して上方へ送る。そのガスの流量を適当にすれば、投入されたバイオマスは分散板１１ｂ上で流動化して流動層１１ｃを形成する。バイオマスは、流動層１１ｃにおいて流動化ガスと活発に接触し、５００℃以上・７００℃未満の反応温度（６０℃〜６５０℃が最適ゆえ、この温度を目標として温度計測しながらガス流量等を調整する）でいわゆる部分燃焼をし、一酸化炭素や水素、炭化水素等の可燃性ガスを発生する。その発生ガスは、流動層１１ｃの上のフリーボード部１１ｄを経由して排出管６ａより炉外へ出る。なお、炉体をコンパクトにしながら内部のガス化反応を活発化する目的で、流動層反応炉１１の内部圧力は約３ｋｇｆ／ｃｍ２（約０．３ＭＰａ）と高めに保っている。また、炉体の直径を２００〜１０００ｍｍと小型に構成した図１のガス化装置１０は、１基・１日あたりの木質系バイオマスの最大処理量が０．２〜１．０トンである。
【００４４】
図１のガス化装置１０は、上記の流動層反応炉１１に対し、下記ａ）〜ｄ）の特徴を新たに付加したものである。すなわち、
ａ） 上記の流動化ガスと同じガスを、流動層反応炉１１のフリーボード部１１ｄ内に吹き込むようにした。吹き込むための構成としては、上記の導入管５ａに至る管５から別の導入管５ｂを分岐させたうえ、その先をさらに複数本（図には３本を例示）に分岐させ、それぞれを、バルブ１２を介し、フリーボード部１１ｄの炉壁各部に内側向きに設けた吹込みノズルに接続した。上記の流動化ガスと同じガスをフリーボード部１１ｄ内に吹き込むことにより、流動層１１ｃで生じた一酸化炭素など発生ガスの一部を燃焼させ、付近の温度を上昇させるのである。
【００４５】
ｂ） 上記のようにフリーボード部１１ｄに吹き込むガスの量は、同部１１ｄにおいて上記の発生ガスが５００℃以上・７００℃未満となるように調整する（目標とする最適温度は６００℃〜６５０℃である）。調整のための手段として、フリーボード部１１ｄの各所（炉壁内面等）に温度センサー１３を配置し、その温度センサー１３からの温度信号Ｔ１、Ｔ２…を、上記した各バルブ１２の調節・操作機器であるコントローラに伝えることとしている。各バルブ１２にて吹込み量を調整されるノズルの吹込み先に近い位置に、そのバルブ１２用のコントローラに信号Ｔ１、Ｔ２…を送る温度センサー１３をそれぞれ配置している。各温度センサー１３が検出するフリーボード部１１ｄの温度に基づいて各バルブ１２の開度調整、したがって酸素含有ガスの吹込み量を加減し、もってフリーボード部１１ｄの温度コントロールを行う。
【００４６】
ｃ） フリーボード部１１ｄへの吹込みノズルは、図１（ｂ）に模式的に示すように炉体のほぼ接線方向に、つまり炉壁内面に沿ってほぼ水平にガスを吹き込むよう、向きを定めている。これにより、フリーボード部１１ｄの内部には矢印ｘのような旋回流が生じ、内部のガス（流動層１１ｃからの発生ガス）が撹拌される。この撹拌効果によってフリーボード部１１ｄ内のガスは混合され、その成分や温度が速やかに均一化されるうえ、同部１１ｄ内の滞留時間も長くなる。
【００４７】
ｄ） 流動層１１ｃには、上記のように酸素含有の流動化ガスを導入することと併せて水蒸気を吹き入れる。すなわち図１（ａ）のように、水蒸気管１４の先のノズルを風箱１１ａの内部に向ける。風箱１１ａ内に水蒸気を吹き込めば、流動化ガスとともにその水蒸気は流動層１１ｃ内に送られる。風箱１１ａ内に吹き込むのに代えて、またはそれとともに、図示のように水蒸気管１４ａを流動層１１ｃの側壁に接続して流動層１１ｃ内に水蒸気を直接に吹き入れるのもよい。上記のように流動層１１ｃ内を５００℃以上に保つとともに、バイオマスが有する水分に加えて水蒸気管１４（１４ａ）から水蒸気を流動層１１ｃ内に添加すると、そこでいわゆる水性ガス化反応が活発化する。この反応によって炭素が一酸化炭素と水素とに変わるため、流動層１１ｃからは、チャーが少なくて可燃性ガスの多い、したがってエネルギー利用率の高いガスが発生する。
【００４８】
こうした図１のガス化装置１０には、つぎのような利点がある。
イ） バイオマスを活発にガス化しながら、発生ガス中のタールの含有量を少なくすることができる。流動層１１ｃとフリーボード部１１ｄとのそれぞれにおいて温度を５００〜７００℃にコントロールするからである。とくに、発生ガス中のタールを少なくできるのは、フリーボード部１１ｄにおいて適切な温度維持が可能だからである。流動層１１ｃでのバイオマスのガス化によっては発生ガス中にかなりのタールが含まれるが、そのガスを高温度に維持すれば、図２のようにタールは分解されて含有量が少なくなる。なお図２は、発明者らがバイオマスのガス化について温度と線分比率との関係を明らかにしたもので、図のように６００℃以上の温度域においてタールは大幅に減少し、６５０℃付近に保たれると４０％前後と少量になる。図１のフリーボード部１１ｄにおいては吹込み管５ｂの撹拌作用によってガスの混合や滞留時間の延長が実現するので、タールの分解がとくに促進されやすい。こうして発生ガス中のタールを減らすことができると、下流側の装置（後述する集塵器やガスタービン等）においてタールの付着量が少なくなり、長期間の円滑な運転が可能になる。
【００４９】
ロ） 発生ガス中のチャーについても含有量を減らすことができる。これは、流動層１１ｃおよびフリーボード部１１ｄにおいてガスの温度を高く保つことにより上記と同じ図２にしたがってチャーが減少することに加え、流動層１１ｃ内に水蒸気を吹き込むことによる。なお、以上のようにしてタールやチャーを減らすと、発生ガスについてその分だけ可燃成分が増え、そのガスのエネルギー利用率が向上することになる。
【００５０】
ハ） 発生ガスに含まれるダスト等の集塵が、一般仕様の集塵器（後述）によって容易に行える。フリーボード部１１ｄにおいてガスの温度が７００℃以上にならないように温度コントロールするからである。同部１１ｄのガスをこのような温度にするなら、ガス化装置１０（流動層反応炉１１）を出る時点でのガスも、当然にバグフィルター等で容易に集塵のできる温度になるからである。
【００５１】
なお、原料とする木質系バイオマスが大量には収集・集積することが困難であることを考慮して小容量の流動層反応炉１１をガス化装置１０とする場合には、炉体における耐火材使用量を少なくする（またはゼロにする）のがよい。耐火材の使用量が多い場合、炉体の熱容量が大きくなるので、定常運転に入る前にかなりの時間とエネルギーをかけて炉体の予熱を行わねばならないからである。ただし、流動層１１ｃでの発生ガスにつき温度降下を抑制するのは、発生ガス中のタールを少なくするとともに酸素含有ガスの消費量を減らすうえで有意義である。そのため、フリーボード部１１ｄ等は、熱容量の小さい断熱材（保温材）を用いたり炉壁を多重構造（断熱層としての空気層を有する構造）にしたりすることによる保温構造にして、内外間の熱移動を制限するのが好ましい。
【００５２】
図１に示したガス化装置１０は、図３に示す発電システム１に組み入れて使用している。図３の発電システム１は、ガス化装置１０とガスタービン２とを結合したもので、ガス化装置１０で発生するガスをガスタービン２の燃料にするとともに、ガスタービン２の排ガスを、バイオマスの流動化とフリーボード部１１ｄの加熱とに用いる酸素含有ガスとしてガス化装置１０へ導入する。
【００５３】
図３の発電システム１についての具体的な構成はつぎのとおりである。ガス化装置１０である流動層反応炉１１から出たガス（一酸化炭素や水素等の可燃成分のほかタールやチャーを含む）は、集塵器７（バグフィルター）に通したうえ、燃料としてそのままガスタービン２の燃焼器２ｂに送る。その燃料は、予熱装置４で予熱し圧縮器２ａで圧縮した空気で燃焼させてタービン２ｃに供給することにより回転動力に変換し、その動力により発電機２ｄで発電をする。タービン２ａの排ガスは、酸素濃度が１５〜１６％の高温ガス（約６００℃）であるため、熱交換器４を経由させて廃熱利用をはかり、また、昇温した空気（２５０〜３００℃）を、一部を燃焼器２ｂ等に供給するとともに、他の一部を管５から導入管５ａ・５ｂを介して流動層反応炉１１の流動層１１ｃとフリーボード部１１ｄとに供給する。
【００５４】
この発電システム１では、ガス化装置１０の投入管１５からバイオマスを投入すると、そのエネルギーをもとに、ガスタービン２の発電機２ｄにおいて電力を取り出し、かつ、熱交換器４またはそれ以降の排ガス利用機器、さらにはガス化装置１０において熱エネルギーを利用することができ、エネルギーの効率的利用がはかれる。しかも、前記したようにガス化装置１０において発生ガス中のタールやチャーが少なくされているので、燃焼器２ｂやタービン２ｃにおいてそれらの付着にともなう不都合が発生しにくい。
【００５５】
つぎの図４は、図１のガス化装置１０に対して一部を改変したガス化装置２０を示す縦断面図である。図１のガス化装置１０に使用したものと同様の流動層反応炉１１を主要部とし、その風箱１１ａとフリーボード部１１ｄとに対して酸素含有ガスの導入管５ａ・５ｂをそれぞれ接続するなどしている（図１のガス化装置１０と共通の部分には同一の符号を付している）。
【００５６】
このガス化装置２０では、流動層反応炉１１の流動層１１ｃのすぐ上、すなわちフリーボード部１１ｄの下部に、図示のように絞り部１６を形成している。絞り部１６は、炉壁内面に固定した環状体であって、モルタルを盛り付けたり金属部材を溶接したりして形成する。流動層反応炉１１の断面積（水平横断面における内部開口の断面積）は、この絞り部１６において一旦急激に小さくなり、それより上部のフリーボード部１１ｄにかけて急激に拡大する。
【００５７】
流動層１１ｃを出てフリーボード部１１ｄに至る炉内発生ガスの経路にこのように断面積の急変部を設けたことにより、当該発生ガスは、断面積の拡大する絞り部１６の直上部分において流れを乱し、図示の矢印ｙのように鉛直面内で旋回流（渦）を形成し撹拌される。フリーボード部１１ｄにおいて発生ガスが撹拌されると、図１（ｂ）のように旋回流（矢印ｘ）にて撹拌をはかった例と同様に同ガスの成分や温度が均一化され、ガス中のタールの分解が促進される。なお、この図４の例においても、酸素含有ガスの吹込みノズルを図１（ｂ）のように炉壁内面に沿う方向に向けると、一層の撹拌効果がもたらされる。
【００５８】
図５は、ガス化装置についてのさらに別の改変例を示す縦断面図である。図示のガス化装置３０も、図１・図４の例とほぼ同じ流動層反応炉１１を主体に構成したものである（図１のガス化装置１０と共通する部分には同一の符号を付している）。
【００５９】
図５のガス化装置３０が図１・図３の装置１０・２０と相違するのは、風箱１１ａおよび流動層１１ｃの直径に比べてフリーボード部１１ｄの直径を大きくした点である。具体的には、流動層１１ｃとフリーボード部１１ｄとの間に拡径部１７を設け、その部分をはさんで炉内の水平断面積が１．５倍〜２倍に急激に変化するようにした。
【００６０】
このように拡径部１７を設けると、流動層１１ｃでの発生ガスは、フリーボード部１１ｄ内へ進むとき、同部１１ｄの側壁付近で矢印ｚのように旋回流（渦）を形成して撹拌される。したがって、フリーボード部１１ｄにおいて発生ガスの成分や温度が均一化され、そのガス中のタールの分解が促進される。なお、この例においても、酸素含有ガスの吹込みノズルを図１（ｂ）のように炉壁内面に沿う方向に向けると、発生ガスを撹拌する点でさらに効果的である。
【００６１】
【発明の効果】
請求項１に記載したバイオマスのガス化方法、または請求項６に記載のガス化装置によれば、ａ）タールの生成を少なくし、それが下流側の機器に付着することによる不都合を防止できる、ｂ）発生ガスに含まれるダスト等の集塵を一般的な集塵器によっても容易に実施できる、ｃ）精度を要する困難な温度コントロールを円滑に実現でき、もってガス化ガスの発生量や可燃成分の含有比率に関しても好ましい、適切なガス化が可能になる。
【００６２】
請求項２に記載したガス化方法では、請求項１の方法による上記の効果がとくに好適に得られる。また、小規模であって断熱性が高くない流動層反応炉において、設備コストを低減し、予熱時間・予熱用エネルギーを削減できるというメリットもある。
【００６３】
請求項３に記載のガス化方法または請求項７に記載のガス化装置によれば、フリーボード部における温度コントロールを、とくに簡易な設備を用いて適切に実施できる。
【００６４】
請求項４のガス化方法または請求項１０のガス化装置なら、さらに、発生ガス中のタールとともにチャーの含有量をも減らすことができ、可燃成分の量を増すことができる。
【００６５】
請求項５のガス化方法または請求項１１のガス化装置なら、バイオマスが有するエネルギーをとくに効率的に利用できる。ガスタービンまたはその周辺の機器が、タールの付着に起因して性能低下等を起こすことも避けられる。
【００６６】
請求項８または請求項９に記載のガス化装置では、発生ガスをフリーボード部においてよく混合・撹拌することができるので、請求項１・６の発明についての前記ａ）〜ｃ）の効果がとくに顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）・（ｂ）は、発明の実施についての一形態であるガス化装置１０を概念的に示す断面図で、同（ａ）は縦断面図、同（ｂ）は横断面図（同（ａ）におけるｂ−ｂ断面図）である。
【図２】ガス化装置１０における発生ガスについて温度と成分比率との関係を示す線図である。
【図３】ガス化装置１０を含む小規模分散型の発電システム１について全体を示す系統図である。
【図４】図１のガス化装置１０に対して一部を改変したガス化装置２０を示す概念的な縦断面図である。
【図５】図１のガス化装置１０に対するさらに別の改変例であるガス化装置３０を示す概念的な縦断面図である。
【図６】バイオマス用の従来の一般的なガス化装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 発電システム
２ ガスタービン
７ 集塵器
１０・２０・３０ ガス化装置
１１ 流動層反応炉
１１ｃ 流動層
１１ｄ フリーボード部
１２ バルブ
１３ 温度センサー
１６ 絞り部（断面積の異なる部分）
１７ 拡径部（断面積の異なる部分）
【発明の属する技術分野】
請求項に係る発明は、バイオマスをガス化してエネルギー利用率の高い好ましい可燃性ガスを得るための方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バイオマスとは一般に、エネルギー源または工業原料としての生物体をいい、木や草、木材系の廃棄物といった植物系のもののほか、家畜の糞など動物系のものが含まれる。近年、エネルギー資源についての懸念や地球温暖化の問題とも関連して、このようなバイオマスをガス化して燃料にする技術が種々開発されるようになった。
【０００３】
図６は、植物系バイオマス（この項では、以下「バイオマス」と称す）の一般的なガス化装置を示す縦断面図である。ガス化装置としては、通常、図示のような流動層反応炉３１が使用される。バイオマスは、細かくされたうえ投入管３５より分散板３１ｂ上に投入され、下方の風箱３１ａから導入される流動化ガスによって流動化し、流動層３１ｃを形成する。流動層３１ｃにおいてバイオマスは、酸素を含む流動化ガスと活発に接触することにより部分燃焼してガス化され、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ２）、炭化水素（たとえばメタンＣＨ４）等の可燃性ガスとなり、炉内上部のフリーボード部３１ｄを経て炉外へ送り出される。
【０００４】
また下記の特許文献１にも、バイオマスを効率的にガス化できるという技術が示されている。同文献には、流動層（流動床）等のガス化炉内にバイオマスを適切な粒径の粉砕物として供給するとともに、酸素を含む燃焼酸化剤をも適量供給し、炉内温度を７００〜１２００℃にするのがよいと記載されている。７００℃以上がよい理由は、７００℃未満だとバイオマスの熱分解が良好には行われないからだとされている。
【特許文献１】特開２００１−２４０８７７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らの調査によれば、バイオマスのガス化にあたって流動層温度を７００℃以上にする場合、下記の不都合が生じることが明らかになった。すなわち、
イ） 発生ガス中に含まれる可燃性ガスが少なくなりがちである。バイオマスのガス化は、バイオマスを部分燃焼（不完全燃焼）させるによって一酸化炭素や水素等の可燃性ガスを得るものだが、流動層温度を７００℃以上にすると、それら可燃性ガスのうちに流動層で燃焼してしまうものが多くなる。その結果、発生し回収されるガスのエネルギー利用率が低くなるのである。
ロ） 発生ガスの温度が高くなる結果、そのガスの集塵を行いがたくなる。集塵器として広く使用されるバグフィルターは、布等でできたフィルター（濾布）の耐熱性に限界があるため、一般仕様の設備で７００℃以上の高温度のガスを処理するのは困難である。他の形式のフィルターについても耐熱性について同様の課題があるため、炉内温度を７００℃以上にすれば、特殊な集塵器が不可欠となって設備コストが大幅に上昇すると予想される。
【０００６】
その一方、流動層温度があまりに低いと、
ハ） 反応が活発でなくなってガスの発生量が少なくなる、
ニ） 発生ガス中の高沸点成分であるタールが凝縮しやすくなり、ガス化炉やそれより下流側の機器の内面に付着して運転性能を低下させる
といった不都合を招きやすい。
【０００７】
請求項に係る発明は、上記イ）〜ニ）のような課題を考慮して、エネルギー利用率の高いガスを得られるとともに関連機器へのタールの付着を防止できる好ましいガス化方法およびガス化装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載したバイオマスのガス化方法は、流動層にてバイオマスをガス化するとともに、流動層より上部のフリーボード部（空塔部）で、流動層内とは別に発生ガスの温度コントロールを行うことを特徴とする。
【０００９】
このガス化方法では、木材などのバイオマスを、酸素を含む流動化ガス（たとえば、２００〜３００℃に予熱した空気）により流動化し、当該酸素によりその流動層において部分燃焼させることによりガス化し、もって一酸化炭素や水素、炭化水素などの可燃性ガスを発生させる。この点は、従来の一般的な方法と同様である。
【００１０】
しかしこの請求項１の方法では、前掲の特許文献１に記載の例を含む従来の方法と異なり、流動層より上部のフリーボード部において、流動層内とは別に（つまり流動層内における温度コントロールの有無やその手段とは独立して）発生ガスの温度コントロールを行う。そのため、この方法には下記ａ）〜ｃ）のような特徴的な作用がある。
【００１１】
ａ） タールの生成を少なくし、それが下流側の関連機器に付着することによる不都合を防止できる。タールは、ガス化による発生ガスに含まれる高沸点の炭化水素であり、一般的には高温度になるほど分解して含有量が少なくなる。本方法では、流動層より上部にあって、発生したガスが流動層部分を出た直後に（したがって下流側関連機器に達する前に）通過するフリーボード部において発生ガスの温度コントロールを行うものであるから、発生ガス中のタールを十分に分解し減少させることができ、水洗処理や触媒による分解処理を行わなくとも下流側機器へのタールの付着を少なくすることができる。タールが減少すれば、それをバインダーにしてチャー、灰分が下流側機器に付着するという不都合も生じがたくなる。
【００１２】
ｂ） 発生ガスに含まれるダスト等の集塵が、一般仕様の集塵器によっても容易に実施できる。フリーボード部において、すなわち流動層反応炉を出る直前で発生ガスの温度コントロールをするのであるから、下流側の集塵器へ至るガスを、集塵器が性能を発揮しやすい温度にすることが容易なのである。したがって、必要な集塵を低コストの設備によって円滑に行うことができる。
【００１３】
ｃ） かなりの精度を要することから従来困難であった温度コントロールを円滑に実現でき、もって前述したイ）〜ニ）の課題を適切に解消できる。フリーボード部の温度について、流動層内とは別にコントロールを行うからである。温度コントロールが精度を要して困難であるのは、つぎのような技術的事情による。すなわち、まず、上記ａ）のようにタールの生成を少なくするには発生ガスの温度を上げるのが好ましく、ｂ）のように発生ガスの集塵を容易にするには同じガスの温度を下げる必要があるので、フリーボード部における適切な温度範囲はせまい。また流動層の温度に関しても、バイオマスと流動化ガスとの反応を活発に行わせるとともにエネルギー利用率の高いガスを回収できる適切な温度範囲は広くないうえ、流動層反応炉の断熱性や運転状況によっては流動層の温度とフリーボード部の温度とがそれぞれ独自に変化する。したがって、従来（前掲の特許文献１を含む）のように流動層内と一体的にフリーボード部の温度コントロールを行う方法では、適切な温度コントロールが困難であった。
【００１４】
請求項２に記載したガス化方法は、とくに、流動層内の温度（バイオマスと流動化ガスとの反応温度）を５００℃以上・７００℃未満にするとともに、フリーボード部では、加熱することにより、ガス（発生ガス）を５００℃以上・７００℃未満にすることを特徴とする。なお、流動層内温度は、６００℃以上・６５０℃以下とすることが好ましい。
ここにいうフリーボード部での加熱は、先に記載した温度コントロールの一態様として加熱するものである。流動層で発生したガスは、反応炉からの放熱により、フリーボード部に至って温度降下するのが一般である（とくに流動層反応炉が小規模である場合等には温度降下の幅が大きい）が、この請求項の方法では、上記のとおり加熱することによって、フリーボード部におけるガスの温度を５００℃以上・７００℃未満にする。
【００１５】
流動層内の温度を上記のように５００℃以上・７００℃未満にすると、バイオマスのガス化を活発に行いながら、発生ガス中に多くの可燃性ガスを含ませることができる。すなわち、流動層内の温度を５００℃以上にすると、木材等のバイオマスを、酸素を含む流動化ガスと活発に反応させて部分燃焼を促進することができ、温度を７００℃未満に保つと、ガス化によって発生する可燃性ガスについて流動層内で燃焼してしまう量を抑制できて、回収されるガスのエネルギー利用率を高くすることが可能である。特に、流動層内の温度を６００℃以上・６５０℃以下としてバイオマスをガス化すれば、バイオマスの炭素転換率が高くなり、ガス化によって生成した、タール分を含む可燃性ガスの発熱量が高くなるという有利な効果がある。
【００１６】
同時に、発生ガスをフリーボード部において５００℃以上・７００℃未満の温度範囲に保てば、同部を出るガスについてタールの含有量を少なくし、かつ集塵を行いやすくできる。つまり、フリーボード部でのガス温度を５００℃以上に保つことから、ガス中のタールがよく分解されてその含有量が減少し、その一方、ガス温度を７００℃未満にすることから、一般仕様の集塵器によっても円滑な集塵が可能になる。
【００１７】
したがってこの請求項の方法によれば、前記イ）〜ニ）の課題が極めて好ましく解決される。なお、フリーボード部において加熱することによりガスの温度をコントロールするので、この方法は、小規模であることや断熱性が高くないことを理由に内部の温度降下が発生しやすい流動層反応炉を使用する場合にとくに適している。つまり、保温することのみによってフリーボード部の温度を流動層内の温度に近づけるのでないため、小容量の流動層反応炉に厚い断熱層を設ける等の必要がなく、したがって設備コストの低減、予熱時間・予熱用エネルギーの削減といったメリットが付随する。
【００１８】
請求項３に記載のガス化方法はとくに、フリーボード部において、酸素含有ガスを吹き込むことにより発生ガスの一部を燃焼させ、温度を検出しながら当該吹込みガス量（つまり酸素含有ガスの吹込み量）を調整することによって上記の温度コントロールを行うことを特徴とする。
【００１９】
このガス化方法では、流動層における発生ガスがフリーボード部に至って温度降下するのに対し、その発生ガスの一部を燃焼させることによって温度上昇をはかり、もって前記請求項の方法における温度コントロールを行う。フリーボード部における温度コントロールを、とくに簡易な設備を用いて適切に実施できる点が、この請求項の方法の作用上の特徴である。
【００２０】
簡易な設備で温度コントロールを行えるのは、酸素含有ガスを吹き込むことのみによって発生ガスを温度上昇させるからである。発生ガスの温度上昇は、たとえばフリーボード部にオイルバーナーや電気ヒーターを設けることによっても実現できるが、上記のとおり酸素含有ガスを吹き込むのが最も簡単である。残存酸素を含む各種燃焼排ガスや空気など、安価なガスを酸素含有ガスとして使用できるうえ、燃料を併せて吹き込む必要がないからである。酸素含有ガスを吹き込めば、フリーボード部にある高温度の可燃性ガスの一部が自ずと着火して燃焼し、フリーボード部の温度を上昇させる。なお、発生ガスをごく少量燃焼させるだけで相当の発熱によりフリーボード部が十分に温度上昇するので、発生ガス中の可燃性ガスの減少量は極めてわずかである。
【００２１】
上記の温度コントロールを適切に実施できるのは、フリーボード部において温度を検出しながら上記吹込みガス（酸素含有ガス）の量を調整するからである。つまり、制御量であるフリーボード部の温度を検出し、その結果をフィードバックしながら吹込みガス量を調節するという制御によって、外乱の影響を抑えた正確で好ましい温度維持が可能になる。
【００２２】
請求項４に記載のガス化方法はとくに、流動層内の温度を５００℃以上・７００℃未満にするとともに、その流動層内に水分を添加することを特徴とする。水分は、たとえば水蒸気の形で、風箱（流動層の下部）または流動層部分の側部炉壁から吹き入れるようにするとよい。
【００２３】
この方法によれば、上記のようにタール分を減少させ得る等の作用に加え、発生ガス中のチャー（炭素粉）の含有量も減らして可燃性ガスを増加させることができる。５００℃以上という高温度のもとでは炭素（Ｃ）は水（Ｈ２Ｏ）と水性ガス化反応（Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２）を起こし、一酸化炭素と水素とに変わるからである。チャーは、付着したタールをバインダーにしてその上に付着・堆積しがちであるため、タールとともにチャーの含有量が減ると、下流側機器における運転性能が低下する等の不都合はとくに効果的に解消される。なお、流動層内の温度を７００℃未満に保つことから、エネルギー利用率の高いガスが得られるという利点も失われない。なお、流動層内の温度を特に６００℃以上・６５０℃以下にすれば、バイオマスの炭素転換率が高くなり、ガス化によって生成した、タール分を含む可燃性ガスの発熱量が高くなるという効果が期待できる。
【００２４】
請求項５に記載のガス化方法はとくに、流動化ガスとしてガスタービンの排ガスを流動層反応炉内に導入するとともに、流動層反応炉の発生ガスを同じガスタービンの燃料とすることを特徴とする。
【００２５】
ガスタービンの排ガスは、排気直後において６００℃前後あり、廃熱利用をした後においても一般的には２５０℃程度以上の温度を有している。しかもその排ガスは未消費の酸素を含む（排ガス中の１５％前後）ので、バイオマスを流動化させるとともにガス化すべく反応させる流体として極めて適している。つまり、ガスタービンの排ガスを流動化ガスとして流動層反応炉内に導入すれば、バイオマスを部分燃焼させて流動層内を前記の温度範囲にし、適切なガス化を実現できる。
【００２６】
一方、流動層反応炉からの発生ガス、すなわち流動層においてバイオマスのガス化により発生しフリーボード部を経由したガスは、可燃性ガスを多量に含むものであるため、ガスタービンの燃料とするのに好適である。したがって、上記のように流動層・ガスタービン間で相互にガスを利用するこの請求項の方法は、バイオマス由来のエネルギーを効率的に利用できるものといえる。また、前記したように発生ガス中のタールの量が抑制されているので、そのガスを用いるガスタービンまたはその周辺の機器において、タールの付着に起因する性能低下等の不都合が生じがたいというメリットもある。
【００２７】
なお、ガスタービンの排ガス中には上記のとおり酸素が含まれているので、請求項３に関して記載したように、同じ排ガスをフリーボード部への吹込みガスとするのもよい。そうすれば、エネルギーをさらに有効利用でき、フリーボード部の温度コントロールを一層簡単に実現することが可能になる。
【００２８】
請求項６に記載したバイオマスのガス化装置は、バイオマスを部分燃焼させてガス化するための流動層反応炉を含むもので、当該反応炉における流動層より上部のフリーボード部（空塔部）に、流動層内とは別に発生ガスの温度コントロールを行うための温度制御手段を設けたことを特徴とする。
【００２９】
このガス化装置は、これを使用することによって、請求項１に記載したガス化方法の実施を可能にする。上記の温度制御手段を用い、フリーボード部において流動層内とは別に発生ガスの温度コントロールを行えるからである。請求項１のガス化方法を実現できる以上、前記したａ）〜ｃ）等のメリットを享受することが当然に可能である。
【００３０】
請求項７に記載のガス化装置はとくに、上記の温度制御手段として、フリーボード部の温度検出をなす温度センサーと、開度調整可能なバルブを介してフリーボード部に酸素含有ガスを吹き込む吹込みノズルと、温度センサーの検出信号に応じてバルブの開度調整をなす調節・操作機器とを組み合わせたことを特徴とする。
【００３１】
このガス化装置によれば、請求項３に記載したガス化方法を円滑に実施することができる。フリーボード部には高温度の可燃性ガスが存在するため、上記の吹込みノズルから酸素含有ガスを吹き込むと可燃性ガスの一部を燃焼させることができるほか、上記の温度センサーにより温度を検出し、その検出信号に基づいて調節・操作機器がバルブの開度調整をすることにより、請求項３に記載したように吹込みガス量を調整してフリーボード部の温度コントロールを行えるからである。請求項３の方法を実施できることから、前記したように、フリーボード部の温度コントロールを簡易な設備によって適切に実施できるというメリットがもたらされる。
【００３２】
請求項８に記載のガス化装置はとくに、酸素含有ガスを吹き込む上記の吹込みノズルとして、流動層反応炉（のフリーボード部）の炉壁内面に沿って（たとえば炉壁が円筒状の場合には概ね接線の方向に）吹き込むものを配置したことを特徴とする。
【００３３】
こうしたガス化装置では、発生ガスをフリーボード部において効率よく混合・撹拌することができる。吹込みノズルが炉壁内面に沿って酸素含有ガスを吹き込むため、その流れによってフリーボード部内のガスの全体が炉壁内面に沿って旋回させることができるからである。こうしてフリーボード部において発生ガスを混合・撹拌できると、発生ガスの温度を均一化でき、タールの含有量を減少させて、請求項１の発明についての前記ａ）〜ｃ）の作用等をとくに円滑に実現できるようになる。上記のように旋回流が生じる結果、発生ガスのフリーボード部１１ｄ内での滞留時間が長くなるので、タールの分解が一層確実に促進されるという利点もある。
【００３４】
請求項９に記載のガス化装置はとくに、流動層反応炉におけるフリーボード部に、断面積（水平横断面における内部開口の断面積）の異なる部分を設けたことを特徴とする。断面積の異なる部分は、ある部分からその上部にかけて断面積が拡大するように設けるのがよく、断面積が不連続に拡大するものであればとくに好ましい。
【００３５】
このように断面積の異なる部分を設けると、流動層部分で発生してフリーボード部へと上昇する発生ガスの流れに渦などの乱れが生じる。そのような乱れが生じると、発生ガスが混合・撹拌されやすく、したがって上記請求項の装置と同じく、発生ガスの温度・成分を均一化し、タールの含有量を効果的に減少させることができる。
【００３６】
請求項１０に記載のガス化装置はさらに、流動層またはその下部の風箱に向けて（双方に向ける場合を含む）、水蒸気を吹き込む吹込みノズルを設けたことを特徴とする。
【００３７】
このガス化装置では、吹込みノズルより水蒸気を吹き込むことにより流動層内に水分を添加できるので、同時に流動層内の温度を５００℃以上・７００℃以下にすれば、請求項４に記載したガス化方法を実現することができる。したがって、チャーの含有量を減らしてエネルギー利用率の高いガスを得ることができる。
【００３８】
請求項１１に記載のガス化装置はとくに、流動化ガスの導入管をガスタービンの排ガス管と接続するとともに、流動層の発生ガスの排出管を同じガスタービンの燃焼器に接続したことを特徴とする。
【００３９】
この装置によれば、請求項５に記載したガス化方法を円滑に実施できる。上記の導入管によりガスタービンの排ガスを流動化ガスとして流動層内に導入する一方、上記の排出管が、流動層の発生ガスを同じガスタービンに燃料として供給するからである。
【００４０】
当該方法を実施できることから、この装置では、前記のようにエネルギーの効率的な利用が可能になる。ガスタービンやその周辺機器においてタールの付着に起因する不都合の発生が防止されるというメリットもある。
【００４１】
なお、ガスタービンの排ガス管は、フリーボード部への吹込みガスの吹込み管にも接続するとさらに好ましい。ガスタービンの排ガス中には酸素が含まれているので、そのようにすれば、エネルギーをさらに有効利用してフリーボード部の温度コントロールを簡単に実現できるようになる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
発明の実施についての一形態を図１〜図３に示す。図１は、間伐材や木屑などのバイオマスを原料とするガス化装置１０を概念的に示す断面図である。また図２は、そのガス化装置１０における発生ガスについて温度と成分比率との関係を示す線図、図３は、図１のガス化装置１０を含む小規模分散型の発電システム１について全体を示す系統図である。
【００４３】
図６に示した従来のガス化装置と同様、図１のガス化装置１０も流動層反応炉１１を主体に構成したもので、概ねの構造と機能はつぎのとおりである。流動層反応炉１１には、まず、円筒状の炉体の下部に風箱１１ａとしての空間を設け、その上に、ガスの通る通孔を多数有する分散板１１ｂを取り付けている。細かく破砕した上記バイオマスを炉体上部の投入管１５より分散板１１ｂ上に投入する一方、流動化ガスであってバイオマスと反応させる酸素含有のガス（２５０〜３００℃）を導入管５ａから風箱１１ａ内へ導入し、分散板１１ｂの通孔を通して上方へ送る。そのガスの流量を適当にすれば、投入されたバイオマスは分散板１１ｂ上で流動化して流動層１１ｃを形成する。バイオマスは、流動層１１ｃにおいて流動化ガスと活発に接触し、５００℃以上・７００℃未満の反応温度（６０℃〜６５０℃が最適ゆえ、この温度を目標として温度計測しながらガス流量等を調整する）でいわゆる部分燃焼をし、一酸化炭素や水素、炭化水素等の可燃性ガスを発生する。その発生ガスは、流動層１１ｃの上のフリーボード部１１ｄを経由して排出管６ａより炉外へ出る。なお、炉体をコンパクトにしながら内部のガス化反応を活発化する目的で、流動層反応炉１１の内部圧力は約３ｋｇｆ／ｃｍ２（約０．３ＭＰａ）と高めに保っている。また、炉体の直径を２００〜１０００ｍｍと小型に構成した図１のガス化装置１０は、１基・１日あたりの木質系バイオマスの最大処理量が０．２〜１．０トンである。
【００４４】
図１のガス化装置１０は、上記の流動層反応炉１１に対し、下記ａ）〜ｄ）の特徴を新たに付加したものである。すなわち、
ａ） 上記の流動化ガスと同じガスを、流動層反応炉１１のフリーボード部１１ｄ内に吹き込むようにした。吹き込むための構成としては、上記の導入管５ａに至る管５から別の導入管５ｂを分岐させたうえ、その先をさらに複数本（図には３本を例示）に分岐させ、それぞれを、バルブ１２を介し、フリーボード部１１ｄの炉壁各部に内側向きに設けた吹込みノズルに接続した。上記の流動化ガスと同じガスをフリーボード部１１ｄ内に吹き込むことにより、流動層１１ｃで生じた一酸化炭素など発生ガスの一部を燃焼させ、付近の温度を上昇させるのである。
【００４５】
ｂ） 上記のようにフリーボード部１１ｄに吹き込むガスの量は、同部１１ｄにおいて上記の発生ガスが５００℃以上・７００℃未満となるように調整する（目標とする最適温度は６００℃〜６５０℃である）。調整のための手段として、フリーボード部１１ｄの各所（炉壁内面等）に温度センサー１３を配置し、その温度センサー１３からの温度信号Ｔ１、Ｔ２…を、上記した各バルブ１２の調節・操作機器であるコントローラに伝えることとしている。各バルブ１２にて吹込み量を調整されるノズルの吹込み先に近い位置に、そのバルブ１２用のコントローラに信号Ｔ１、Ｔ２…を送る温度センサー１３をそれぞれ配置している。各温度センサー１３が検出するフリーボード部１１ｄの温度に基づいて各バルブ１２の開度調整、したがって酸素含有ガスの吹込み量を加減し、もってフリーボード部１１ｄの温度コントロールを行う。
【００４６】
ｃ） フリーボード部１１ｄへの吹込みノズルは、図１（ｂ）に模式的に示すように炉体のほぼ接線方向に、つまり炉壁内面に沿ってほぼ水平にガスを吹き込むよう、向きを定めている。これにより、フリーボード部１１ｄの内部には矢印ｘのような旋回流が生じ、内部のガス（流動層１１ｃからの発生ガス）が撹拌される。この撹拌効果によってフリーボード部１１ｄ内のガスは混合され、その成分や温度が速やかに均一化されるうえ、同部１１ｄ内の滞留時間も長くなる。
【００４７】
ｄ） 流動層１１ｃには、上記のように酸素含有の流動化ガスを導入することと併せて水蒸気を吹き入れる。すなわち図１（ａ）のように、水蒸気管１４の先のノズルを風箱１１ａの内部に向ける。風箱１１ａ内に水蒸気を吹き込めば、流動化ガスとともにその水蒸気は流動層１１ｃ内に送られる。風箱１１ａ内に吹き込むのに代えて、またはそれとともに、図示のように水蒸気管１４ａを流動層１１ｃの側壁に接続して流動層１１ｃ内に水蒸気を直接に吹き入れるのもよい。上記のように流動層１１ｃ内を５００℃以上に保つとともに、バイオマスが有する水分に加えて水蒸気管１４（１４ａ）から水蒸気を流動層１１ｃ内に添加すると、そこでいわゆる水性ガス化反応が活発化する。この反応によって炭素が一酸化炭素と水素とに変わるため、流動層１１ｃからは、チャーが少なくて可燃性ガスの多い、したがってエネルギー利用率の高いガスが発生する。
【００４８】
こうした図１のガス化装置１０には、つぎのような利点がある。
イ） バイオマスを活発にガス化しながら、発生ガス中のタールの含有量を少なくすることができる。流動層１１ｃとフリーボード部１１ｄとのそれぞれにおいて温度を５００〜７００℃にコントロールするからである。とくに、発生ガス中のタールを少なくできるのは、フリーボード部１１ｄにおいて適切な温度維持が可能だからである。流動層１１ｃでのバイオマスのガス化によっては発生ガス中にかなりのタールが含まれるが、そのガスを高温度に維持すれば、図２のようにタールは分解されて含有量が少なくなる。なお図２は、発明者らがバイオマスのガス化について温度と線分比率との関係を明らかにしたもので、図のように６００℃以上の温度域においてタールは大幅に減少し、６５０℃付近に保たれると４０％前後と少量になる。図１のフリーボード部１１ｄにおいては吹込み管５ｂの撹拌作用によってガスの混合や滞留時間の延長が実現するので、タールの分解がとくに促進されやすい。こうして発生ガス中のタールを減らすことができると、下流側の装置（後述する集塵器やガスタービン等）においてタールの付着量が少なくなり、長期間の円滑な運転が可能になる。
【００４９】
ロ） 発生ガス中のチャーについても含有量を減らすことができる。これは、流動層１１ｃおよびフリーボード部１１ｄにおいてガスの温度を高く保つことにより上記と同じ図２にしたがってチャーが減少することに加え、流動層１１ｃ内に水蒸気を吹き込むことによる。なお、以上のようにしてタールやチャーを減らすと、発生ガスについてその分だけ可燃成分が増え、そのガスのエネルギー利用率が向上することになる。
【００５０】
ハ） 発生ガスに含まれるダスト等の集塵が、一般仕様の集塵器（後述）によって容易に行える。フリーボード部１１ｄにおいてガスの温度が７００℃以上にならないように温度コントロールするからである。同部１１ｄのガスをこのような温度にするなら、ガス化装置１０（流動層反応炉１１）を出る時点でのガスも、当然にバグフィルター等で容易に集塵のできる温度になるからである。
【００５１】
なお、原料とする木質系バイオマスが大量には収集・集積することが困難であることを考慮して小容量の流動層反応炉１１をガス化装置１０とする場合には、炉体における耐火材使用量を少なくする（またはゼロにする）のがよい。耐火材の使用量が多い場合、炉体の熱容量が大きくなるので、定常運転に入る前にかなりの時間とエネルギーをかけて炉体の予熱を行わねばならないからである。ただし、流動層１１ｃでの発生ガスにつき温度降下を抑制するのは、発生ガス中のタールを少なくするとともに酸素含有ガスの消費量を減らすうえで有意義である。そのため、フリーボード部１１ｄ等は、熱容量の小さい断熱材（保温材）を用いたり炉壁を多重構造（断熱層としての空気層を有する構造）にしたりすることによる保温構造にして、内外間の熱移動を制限するのが好ましい。
【００５２】
図１に示したガス化装置１０は、図３に示す発電システム１に組み入れて使用している。図３の発電システム１は、ガス化装置１０とガスタービン２とを結合したもので、ガス化装置１０で発生するガスをガスタービン２の燃料にするとともに、ガスタービン２の排ガスを、バイオマスの流動化とフリーボード部１１ｄの加熱とに用いる酸素含有ガスとしてガス化装置１０へ導入する。
【００５３】
図３の発電システム１についての具体的な構成はつぎのとおりである。ガス化装置１０である流動層反応炉１１から出たガス（一酸化炭素や水素等の可燃成分のほかタールやチャーを含む）は、集塵器７（バグフィルター）に通したうえ、燃料としてそのままガスタービン２の燃焼器２ｂに送る。その燃料は、予熱装置４で予熱し圧縮器２ａで圧縮した空気で燃焼させてタービン２ｃに供給することにより回転動力に変換し、その動力により発電機２ｄで発電をする。タービン２ａの排ガスは、酸素濃度が１５〜１６％の高温ガス（約６００℃）であるため、熱交換器４を経由させて廃熱利用をはかり、また、昇温した空気（２５０〜３００℃）を、一部を燃焼器２ｂ等に供給するとともに、他の一部を管５から導入管５ａ・５ｂを介して流動層反応炉１１の流動層１１ｃとフリーボード部１１ｄとに供給する。
【００５４】
この発電システム１では、ガス化装置１０の投入管１５からバイオマスを投入すると、そのエネルギーをもとに、ガスタービン２の発電機２ｄにおいて電力を取り出し、かつ、熱交換器４またはそれ以降の排ガス利用機器、さらにはガス化装置１０において熱エネルギーを利用することができ、エネルギーの効率的利用がはかれる。しかも、前記したようにガス化装置１０において発生ガス中のタールやチャーが少なくされているので、燃焼器２ｂやタービン２ｃにおいてそれらの付着にともなう不都合が発生しにくい。
【００５５】
つぎの図４は、図１のガス化装置１０に対して一部を改変したガス化装置２０を示す縦断面図である。図１のガス化装置１０に使用したものと同様の流動層反応炉１１を主要部とし、その風箱１１ａとフリーボード部１１ｄとに対して酸素含有ガスの導入管５ａ・５ｂをそれぞれ接続するなどしている（図１のガス化装置１０と共通の部分には同一の符号を付している）。
【００５６】
このガス化装置２０では、流動層反応炉１１の流動層１１ｃのすぐ上、すなわちフリーボード部１１ｄの下部に、図示のように絞り部１６を形成している。絞り部１６は、炉壁内面に固定した環状体であって、モルタルを盛り付けたり金属部材を溶接したりして形成する。流動層反応炉１１の断面積（水平横断面における内部開口の断面積）は、この絞り部１６において一旦急激に小さくなり、それより上部のフリーボード部１１ｄにかけて急激に拡大する。
【００５７】
流動層１１ｃを出てフリーボード部１１ｄに至る炉内発生ガスの経路にこのように断面積の急変部を設けたことにより、当該発生ガスは、断面積の拡大する絞り部１６の直上部分において流れを乱し、図示の矢印ｙのように鉛直面内で旋回流（渦）を形成し撹拌される。フリーボード部１１ｄにおいて発生ガスが撹拌されると、図１（ｂ）のように旋回流（矢印ｘ）にて撹拌をはかった例と同様に同ガスの成分や温度が均一化され、ガス中のタールの分解が促進される。なお、この図４の例においても、酸素含有ガスの吹込みノズルを図１（ｂ）のように炉壁内面に沿う方向に向けると、一層の撹拌効果がもたらされる。
【００５８】
図５は、ガス化装置についてのさらに別の改変例を示す縦断面図である。図示のガス化装置３０も、図１・図４の例とほぼ同じ流動層反応炉１１を主体に構成したものである（図１のガス化装置１０と共通する部分には同一の符号を付している）。
【００５９】
図５のガス化装置３０が図１・図３の装置１０・２０と相違するのは、風箱１１ａおよび流動層１１ｃの直径に比べてフリーボード部１１ｄの直径を大きくした点である。具体的には、流動層１１ｃとフリーボード部１１ｄとの間に拡径部１７を設け、その部分をはさんで炉内の水平断面積が１．５倍〜２倍に急激に変化するようにした。
【００６０】
このように拡径部１７を設けると、流動層１１ｃでの発生ガスは、フリーボード部１１ｄ内へ進むとき、同部１１ｄの側壁付近で矢印ｚのように旋回流（渦）を形成して撹拌される。したがって、フリーボード部１１ｄにおいて発生ガスの成分や温度が均一化され、そのガス中のタールの分解が促進される。なお、この例においても、酸素含有ガスの吹込みノズルを図１（ｂ）のように炉壁内面に沿う方向に向けると、発生ガスを撹拌する点でさらに効果的である。
【００６１】
【発明の効果】
請求項１に記載したバイオマスのガス化方法、または請求項６に記載のガス化装置によれば、ａ）タールの生成を少なくし、それが下流側の機器に付着することによる不都合を防止できる、ｂ）発生ガスに含まれるダスト等の集塵を一般的な集塵器によっても容易に実施できる、ｃ）精度を要する困難な温度コントロールを円滑に実現でき、もってガス化ガスの発生量や可燃成分の含有比率に関しても好ましい、適切なガス化が可能になる。
【００６２】
請求項２に記載したガス化方法では、請求項１の方法による上記の効果がとくに好適に得られる。また、小規模であって断熱性が高くない流動層反応炉において、設備コストを低減し、予熱時間・予熱用エネルギーを削減できるというメリットもある。
【００６３】
請求項３に記載のガス化方法または請求項７に記載のガス化装置によれば、フリーボード部における温度コントロールを、とくに簡易な設備を用いて適切に実施できる。
【００６４】
請求項４のガス化方法または請求項１０のガス化装置なら、さらに、発生ガス中のタールとともにチャーの含有量をも減らすことができ、可燃成分の量を増すことができる。
【００６５】
請求項５のガス化方法または請求項１１のガス化装置なら、バイオマスが有するエネルギーをとくに効率的に利用できる。ガスタービンまたはその周辺の機器が、タールの付着に起因して性能低下等を起こすことも避けられる。
【００６６】
請求項８または請求項９に記載のガス化装置では、発生ガスをフリーボード部においてよく混合・撹拌することができるので、請求項１・６の発明についての前記ａ）〜ｃ）の効果がとくに顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）・（ｂ）は、発明の実施についての一形態であるガス化装置１０を概念的に示す断面図で、同（ａ）は縦断面図、同（ｂ）は横断面図（同（ａ）におけるｂ−ｂ断面図）である。
【図２】ガス化装置１０における発生ガスについて温度と成分比率との関係を示す線図である。
【図３】ガス化装置１０を含む小規模分散型の発電システム１について全体を示す系統図である。
【図４】図１のガス化装置１０に対して一部を改変したガス化装置２０を示す概念的な縦断面図である。
【図５】図１のガス化装置１０に対するさらに別の改変例であるガス化装置３０を示す概念的な縦断面図である。
【図６】バイオマス用の従来の一般的なガス化装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 発電システム
２ ガスタービン
７ 集塵器
１０・２０・３０ ガス化装置
１１ 流動層反応炉
１１ｃ 流動層
１１ｄ フリーボード部
１２ バルブ
１３ 温度センサー
１６ 絞り部（断面積の異なる部分）
１７ 拡径部（断面積の異なる部分）
Claims (11)
- 流動層においてバイオマスをガス化するとともに、流動層内とは別に、流動層より上部のフリーボード部におけるガスの温度コントロールを行うことを特徴とするバイオマスのガス化方法。
- 流動層内の温度を５００℃以上・７００℃未満にするとともに、フリーボード部では、加熱することによってガスを５００℃以上・７００℃未満にすることを特徴とする請求項１に記載したバイオマスのガス化方法。
- フリーボード部において、酸素含有ガスを吹き込むことにより発生ガスの一部を燃焼させ、温度を検出しながら当該吹込みガス量を調整することによって上記の温度コントロールを行うことを特徴とする請求項１または２に記載したバイオマスのガス化方法。
- 流動層内の温度を５００℃以上・７００℃未満にするとともに、その流動層内に水分を添加することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載したバイオマスのガス化方法。
- 流動化ガスとしてガスタービンの排ガスを流動層反応炉内に導入するとともに、流動層反応炉の発生ガスを同じガスタービンの燃料とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載したバイオマスのガス化方法。
- バイオマスを部分燃焼させてガス化するための流動層反応炉を含み、当該反応炉における流動層より上部のフリーボード部に、流動層内とは別に発生ガスの温度コントロールを行うための温度制御手段が備わっていることを特徴とするバイオマスのガス化装置。
- 上記の温度制御手段が、フリーボード部のガス温度検出をなす温度センサーと、開度調整可能なバルブを介してフリーボード部に酸素含有ガスを吹き込む吹込みノズルと、温度センサーの検出信号に応じてバルブの開度調整をなす調節・操作機器とを有することを特徴とする請求項６に記載したバイオマスのガス化装置。
- 上記の吹込みノズルが、流動層反応炉内への酸素含有ガスを炉壁内面に沿って吹き込むものであることを特徴とする請求項７に記載したバイオマスのガス化装置。
- 流動層反応炉におけるフリーボード部に、断面積の異なる部分が含まれていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載したバイオマスのガス化装置。
- 流動層またはその下部の風箱に向けて水蒸気を吹き込む吹込みノズルを有することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載したバイオマスのガス化装置。
- 流動化ガスの導入管がガスタービンの排ガス管と接続されているとともに、流動層反応炉の発生ガスの排出管が同じガスタービンの燃焼器に接続されていることを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載したバイオマスのガス化装置。
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