JP2005112956A

JP2005112956A - バイオマスのガス化方法

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Publication number: JP2005112956A
Application number: JP2003347452A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ishida; 吉浩石田; Atsushi Kobayashi; 淳志小林; Yoshihiro Ono; 義広小野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】ガス化効率及びガス発熱量を高くすることができるバイオマスのガス化方法を提供すること。
【解決手段】バイオマスを空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃の熱分解ガスと固形炭化物に分離する熱分解工程と、前記熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガスを４００〜９００℃で反応する触媒を用いた改質反応によって常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタン等の低沸点のガスに変換するガス改質工程と、前記固形炭化物を燃焼ガス化する固形炭化物燃焼ガス化工程とを含み、熱分解工程、または熱分解工程及びガス改質工程に前記固形炭化物の燃焼ガスを導入して間接加熱用熱源として利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、林地残材、間伐材、未利用樹、製材残材、建設廃材、稲わら、籾殻等の木質系バイオマス、または、それらを原科とした木材チップ、ペレット等の２次製品や、製紙糸バイオマス、農業残渣、食品廃棄物等の未利用バイオマス資源の熱分解ガス化設備において、バイオマスの持つエネルギーを効率良くガスエネルギーとして回収するバイオマスのガス化方法に関するものである。

近年、地球温暖化防止の観点からＣＯ_２削減のために、短期間サイクルでのＣＯ_２循環、固定化が可能なバイオマス資源の活用に関する開発が推進され、例えば、特許文献１には、そのための廃棄物の処理方法及び廃棄物処理装置が開示されている。これは、バイオマスを含む廃棄物を間接加熱の熱分解炉で熱分解ガスと乾留残渣に分離し、その後、熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガス、いわゆるタール分を熱分解ガスの部分燃焼による熱によって熱分解すると共に、乾留残渣を溶融ガス化炉でガス化するものである。

また、特許文献２には、廃棄物処理設備における熱分解ガスの燃焼性改善方法及び装置が開示されている。これは、発生する熱分解ガスのエネルギーを増加させるために、熱分解ガス中の炭化水素を反応促進用触媒により、一酸化炭素と水素に転化するものである。

しかし、特許文献１の方法では、熱分解ガス中のタール分を分解するために、熱分解炉で発生した熱分解ガスの一部を部分燃焼し、１０００℃以上の高温とする必要がある。そのため、得られるガスの発熱量は低く、また、ガスエネルギーの回収率も低くなるといった問題がある。ガスカロリーを上げる手段として、部分燃焼の際に、酸素富化することも可能であるが、高価な酸素発生設備や高価な液体酸素を用いる必要があり、経済的でない。

また、特許文献２の方法では、熱分解ガスを生成するために廃棄物を部分燃焼するので、得られるガスの発熱量は低く、後段の旋回燃焼溶融炉で着火可能なガスに維持する程度で、ガスエネルギーとして発電等に利用することは実質不可能である。

さらに、特許文献１の方法では熱分解ガス中に酸素を導入し、特許文献２の方法では熱分解の際に酸素を導入するので、発生する熱分解ガスそのものを部分的に燃焼してしまうため、得られる熱分解ガスの発熱量が低下するといった問題点がある。
特開平１１−２９０８１０号公報特開２０００−２４０９２１号公報

本発明が解決しようとする課題は、ガス化効率及びガス発熱量を高くすることができるバイオマスのガス化方法を提供することにある。

請求項１記載のバイオマスのガス化方法は、バイオマスを空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃の熱分解ガスと固形炭化物に分離する熱分解工程と、前記熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガスを４００〜９００℃で反応する触媒を用いた改質反応によって常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタン等の低沸点のガスに変換するガス改質工程と、前記固形炭化物を燃焼ガス化する固形炭化物燃焼ガス化工程とを含み、熱分解工程、または熱分解工程及びガス改質工程に前記固形炭化物の燃焼ガスを導入して間接加熱用熱源として利用することを特徴とする。

このように本発明においては、熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガス、即ちタール分を、常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタンを主体とする低沸点のガスに改質するにあたって、発生した熱分解ガスを部分燃焼する必要がない。そのため、ガス改質工程を経て得られる改質ガスの発熱量は高く維持され、また、常温で利用可能なガス回収率も高くすることが可能となる。

熱分解工程においては、バイオマスの乾燥・昇温・熱分解用の熱量を供するために間接加熱を行い、ガス改質工程においては、タール分の分解の吸熱反応分を補填し触媒が活性化する温度に維持するために、間接加熱を行う。その熱源として熱分解工程で得られた固形炭化物を、空気または空気および水蒸気により燃焼する固形炭化物燃焼ガス化工程で燃焼ガスに変換し、間接加熱部に導入することで、外部燃料もしくは熱分解生成ガスを使用しなくても良いので、エネルギーの回収効率を高くすることができると共に、バイオマスエネルギーのみでガス化を行うので、環境に対するＣＯ_２負荷も小さくすることが可能である。また、固形炭化物を熱分解工程及びガス改質工程の間接加熱媒体として容易に且つ効率的に熱利用可能となるだけでなく、外部燃料を使用する必要がなく経済的である。さらに、熱分解ガスと固形炭化物を分離後、固形炭化物の部分燃焼を行うので、従来技術のように熱分解ガスそのものを燃焼することがないので、回収される改質ガスの発熱量を高位に維持できる。また、バイオマス組成によって、バイオマス原料中の熱量が固形炭化物に多く移行する場合でも、ガス化回収率を高めることができる。

熱分解工程に用いる熱分解炉は、バイオマスを空気遮断状態での間接加熱を行うために、外熱式ロータリーキルンや外熱形式のパドルもしくはスクリュウ式搬送反応器を用いることができる。

ガス改質工程の温度範囲は４００〜９００℃、望ましくは５００〜８５０℃、さらに望ましくは５５０〜８００℃であり、触媒が活性化する温度により決定される。

このガス改質工程では、熱分解工程出口の温度を高くし、そのガス顕熱でタール分の分解の吸熱反応分を賄い、ガス改質工程出口で触媒が活性化する温度を保持するようにする場合は、ガス改質工程での間接加熱による熱補填は不要とすることができる。即ち、ガス改質工程では、間接加熱を行わないことで、設備をシンプルに構成でき、安価にすることが可能となる。その際、熱分解工程出口のガス温度は極力高温とし、ガス改質工程に用いる触媒は、より低温でも反応するものを用いることで、例えば、ガス改質工程に９００℃で導入し、５００℃でも反応する触媒を用いれば、４００℃のガス顕熱分をタール分改質時の吸熱反応に利用することが可能となる。

ガス改質工程に用いる触媒は、タール分のクラッキング（熱分解）を促進させる触媒、もしくは、水蒸気によりタール分を改質する反応を促進させる触媒で、シリカ−アルミナ、ゼオライト、ドロマイト、ニッケル−アルミナ系、ニッケル−マグネシア系のニッケル系触媒や、セリウム酸化物担体の表面上に、触媒金属としてロジウムもしくはロジウム、ルテニウム、パラジウムまたは白金を担持したもののいずれか、もしくはその混合構成のいずれでも良い。触媒が活性化する温度範囲は、選定する材料により異なるが、いずれにおいても、触媒による反応促進作用により、触媒が無い場合に比べ、より低温でタール分の分解が可能となるので、得られるガスカロリーとガスの回収率は高くなる。

ガス改質工程に用いる触媒反応器は、バニカム状やペレット状の触媒を充填した固定床式反応器、もくしは砂状の触媒を充填し、ガス流により触媒を流動化状態とした流動床式反応器のいずれでも良い。

固形炭化物燃焼ガス化工程に用いる部分燃焼ガス化炉は、固定床式、砂を流動媒体として利用した流動床式、ス卜ーカ式のいずれでも良く、熱分解工程から冷却せずに直接燃焼するのがエネルギー効率上、着火安定上望ましい。

熱分解工程と固形炭化物燃焼ガス化工程では、少なくとも１つ以上のガス遮断装置にてガスの遮断を行うことで、熱分解工程で発生する高カロリーガスと固形炭化物燃焼ガス化工程で発生する低カロリーガスを分離する。これによって、熱分解工程、ガス改質工程での間接加熱用に固形炭化物燃焼ガス化工程で発生する低カロリーガスのみを用いることができ、バイオマスの熱分解ガスを用いる必要がないので、回収可能なガスのカロリーを高くすることが可能となる。

固形炭化物燃焼ガス化工程では、例えば含有灰分が極めて少ない木質バイオマスをガス化する時、水蒸気添加量により燃焼温度を調節し、固形炭化物の中の含有灰分を溶融しないようにする。例えば、固定床での燃焼の場合、固形炭化物は、熱分解工程から排出される時、４００℃以上の温度となっており、この固形炭化物を空気のみで燃焼すると、局部的に容易に１２００℃以上の高温となるため、水蒸気添加量を調整することで、燃焼を緩慢にするだけでなく、Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２に示される水性ガス化反応による吸熱反応で温度を抑制し、固形炭化物中に存在する少量の灰分の融点を超えないように運転することが可能となる。

一方、含有灰分が多いバイオマスをガス化する場合は、固形炭化物燃焼ガス化工程では、高濃度酸素ガスを富化することにより固形炭化物を１２００℃〜１５００℃の温度で燃焼し、その含有灰分を溶融し連続的もしくは間欠的に排出することも可能である。その場合、高濃度酸素ガスを用いると容易に灰分の溶融が可能となるが、さらに、部分燃焼で得られる可燃性ガスのカロリーを高くすることができるので、熱分解工程とガス改質工程でその可燃性ガスを混合し回収利用する場合は回収ガスのカロリーを高くすることができる。

請求項２記載のバイオマスのガス化方法は、固形炭化物燃焼ガス化工程では、固形炭化物を炭化物の理論燃焼空気量以下で部分燃焼して可燃性ガスを生成することを特徴とする。

具体的には、固形炭化物を高温で部分燃焼するために酸化剤を添加し、Ｃ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ、Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯの主反応により可燃性ガスを生成する。この可燃性ガスを、熱分解工程及びガス改質工程において空気と混合し完全燃焼することで間接加熱用燃料として利用する。これにより、間接加熱のための外熱部での高温燃焼と火炎の輻射により間接加熱の熱伝達性能が上がるため、外熱部をコンパクトにできるだけでなく、排ガスロスも抑えることが可能となる。

請求項３記載のバイオマスのガス化方法は、固形炭化物燃焼ガス化工程で得られた可燃性ガスの一部を熱分解工程、または熱分解工程及びガス改質工程の間接加熱用熱源として利用すると共に、残りの可燃性ガスをガス改質工程の後段で改質後の熱分解ガスに合流してガス回収することを特徴とする。

即ち、固形炭化物の部分燃焼で得られた可燃性ガスの熱量が熱分解工程とガス改質工程での間接加熱熱量を与えた上で余剰する場合は、ガス改質工程後の改質ガスと合流させ、生成ガスとして回収することで、バイオマス組成や熱分解の程度によらずバイオマス原料の持つ熱量を最大限ガスとして回収することが可能となる。

請求項４記載のバイオマスのガス化方法は、熱分解工程で得られた固形炭化物の少なくとも一部を他のボイラ、製鉄用熱源、または一般廃棄物溶融炉用の熱源として利用することを特徴とする。

このように、本発明においては、熱分解によって得られるガスを利用するだけでなく、固形炭化物を他装置の燃料として利用することも可能である。ボイラや製鉄用の熱源として、石炭代替として混合使用したり、コークスを用いる一般廃棄物溶融炉のコークス代替熱源としても、本発明によって得られる固形炭化物を利用することができる。

請求項５記載のバイオマスのガス化方法は、ガス改質工程で改質反応に用いる水蒸気を、熱分解工程もしくはガス改質工程の間接加熱排ガスとの熱交換により生成した後、熱分解工程において添加することを特徴とする。

バイオマス中の付着水分と乾留水は、タール分の改質反応の際に、タール中のＣ、Ｈと反応し、ＣＯ、Ｈ_２を生成するが、タール分の改質用の水素、酸素源として付着水分と乾留水のみでは不足する場合、ガス改質工程ではタール分の分解により、少量の炭素が析出し、触媒表面に堆積することで、触媒が不活性となる場合がある。しかし、熱分解工程において、熱分解工程もしくはガス改質工程の間接加熱排ガスとの熱交換により生成した水蒸気を添加することで、タール分の改質反応に必要な水蒸気を補填し炭素の析出を抑制できる。また、排熱を循環するので熱循環により、エネルギー効率が上がるだけでなく、水蒸気は、熱分解工程での間接加熱により熱分解ガスと共に加熱され、十分混合されるので、タール分を改質する際、極めて効率的に反応を行うことができる。また、添加する水蒸気の顕熱を、改質反応の際の吸熱に付与できるので、ガス改質工程の間接加熱量を低減可能となる。

また、上記の水蒸気添加により炭素の析出は抑制できるが、さらに長期運転を可能とするためには、ガス改質工程を２系統切替式とし一方を運転停止し、運転停止中のガス改質工程に水蒸気、水蒸気および空気、もしくは空気のみを添加し触媒表面で燃焼させるか、または外部間接加熱により４００℃以上に加熱しそれらを反応させることで、析出した炭素分をガス化し触媒の再活性化を行うことも可能である。

請求項６記載のバイオマスのガス化方法は、熱分解工程では、バイオマスを熱分解するために外熱式ロータリーキルンを使用し、バイオマスの滞留時間を２０分〜３時間とすることを特徴とする。

バイオマスの付着水分に応じ、滞留時間を適宜調整することで、バイオマス中の揮発分をほぼ揮発させ、ガス化することが可能となるが、少なくとも２０分以上の滞留時間がないとガス化は不完全なものとなり、３時間以上ではむやみに炉を大きくするのみでガス化の程度に差はなくなる。

また、上記の請求項５記載の水蒸気添加方法において、熱分解炉としてロータリーキルンを用いると、ロータリーキルンでは固体とガスが分離しているため、水蒸気と熱分解ガスの混合や、外熱部からの熱交換の効率が高く、熱分解炉の排ガスの温度を高温にすることができるので、ガス改質工程に導入する熱分解ガスの温度を高く維持でき改質反応を促進できる。

請求項７記載のバイオマスのガス化方法は、ガス改質工程後、改質後の熱分解ガスを冷却、浄化し、その後、圧縮、貯留したガスを、ガスエンジン、ガスタービン、燃料電池等のガス燃料として、動力利用、発電利用、または発電・熱利用することを特徴とする。

ガス改質工程の排気ガスは、４００℃〜９００℃の高温であるので、排熱ボイラやガス冷却塔で冷却し、さらにスクラバーでガス中の硫黄、塩素等の腐食成分を中和除去し、ダスト分を電気集塵機やバグフィルターで除塵するガス冷却・浄化工程を経た後、得られたクリーンなガスを圧縮し一時貯留する。貯留により、ガス化量の変動やカロリーの変動を緩和し、均一化したクリーンガスを得ることができる。このクリーンガスを、ガスエンジン、ガスタービン、燃料電池等のガス燃料として利用することで、電気や蒸気、冷温水等の熱へ高効率にエネルギー変換が可能となる。

本発明によるバイオマスのガス化方法によれば、熱分解により発生するタール分を含むガスと固形炭化物を効率的に常温で利用可能なガスに変換し、さらにクリーンで従来より高カロリーのガスが得られるので、ガスエンジンやガスタービン、燃料電池等で電気や熱エネルギーへの高効率のエネルギー変換利用を行うことができる。

図１は、本発明のバイオマスのガス化方法を実施するガス化装置の構成図である。

図１に示すように、バイオマスのガス化装置は、原料供給工程用の構成としてバイオマスを受け入れる受入ホッパ１と、それを炉上に搬送するコンベア２と、バイオマスを一時貯留し、切出量を測定する秤量ホッパ３と、大気遮断装置４と、スクリュウフィーダ５とを備え、熱分解工程用の構成として外熱式ロータリーキルンの熱分解炉６を備えている。熱分解炉６の後段には、ガス改質工程用の構成として触媒反応器７を備えると共に、固形炭化物燃焼ガス化工程用の構成として固定床式の部分燃焼ガス化炉８と、熱分解炉６と部分燃焼ガス化炉８を遮断するガス遮断装置としてのロータリーバルブ９とを備えている。さらに、触媒反応器７の後段には、ガスを冷却・洗浄するスクラバー１０と、ガス中の塵を除塵する除塵器１１と、除塵後のガスを圧縮するガス圧縮機１２と、圧縮されたガスを貯留するガスホルダ１３と、そのガスを発電利用するガスエンジン１４とを備えている。

原料供給工程では、秤量ホッパ３でバイオマスの供給量をバッチ測定し、２重化した大気遮断装置４を介し、炉内ガスを大気に放出することなく、また、大気を炉内に吸い込むことなく、スクリュウフィーダ５上に供給する。２重化した大気遮断装置４間の空間は、蒸気、窒素等の不活性ガスでパージするとより効果的に大気遮断ができる。バイオマスは、熱分解炉６へスクリュウフィーダ５で連続的に装入される。

熱分解炉６は外熱式のロータリーキルンとなっており、外熱部６ａの熱源として、固形炭化物の部分燃焼ガス化炉８で発生した可燃性ガスを導入し、外熱部６ａで空気と混合するバーナ６ｂを備え、７００〜１０００℃の温度で燃焼する。ロータリーキルンのキルン炉殻６ｃは外熱部６ａと遮断する鋼製の隔壁となっており、外熱部６ａの燃焼ガスとキルン炉殻６ｃ内部の熱分解ガスは混合せず、間接加熱となっている。装入されたバイオマスは、キルン炉殻６ｃからの熱伝導により４００〜９００℃に昇温され、熱分解ガスと固形炭化物に分離する。

熱分解ガスは、バイオマス中の付着水分と揮発分が乾燥、熱分解により揮発したもので、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４主体の低沸点ガスと常温で液状化する高沸点の液状物質、いわゆるタール状ガスと水蒸気とからなり、熱分解炉６の出口温度で４００〜９００℃となる。固形炭化物は、熱分解温度によって一部揮発分が残留するが、大部分は、固定炭素分と灰分とからなる炭化物であり、熱分解炉６の出口温度で４００〜９００℃となる。

固形炭化物は冷却せずに、ロータリーバルブ９を介し部分燃焼ガス化炉８で空気により部分燃焼して可燃性ガスを生成する。この可燃性ガスの一部は、前述の熱分解炉６及び触媒反応器７の間接加熱に用いるが、残りは触媒反応器７出口で、改質ガスと合流して回収する。なお、固形炭化物は、その一部を他のボイラ、製鉄用熱源、一般廃棄物溶融炉用の熱源として利用することもできる。

熱分解炉６で生成した熱分解ガスは触媒反応器７に導入され、触媒反応器７において熱分解ガス中のタール分が触媒を用いた改質反応により、水素、一酸化炭素、メタンを主体とする低沸点のガスに変換される。触媒反応器７の炉殻７ａは外熱部７ｂと遮断する鋼製の隔壁となっており、可燃性ガスを導入し、外熱部７ｂで空気と混合するバーナ７ｃを備え、７００〜１０００℃の温度で燃焼し、タール分改質時の吸熱反応熱を間接的に補填する。

触媒反応器７の外熱部７ｂからの燃焼排ガスは、排熱ボイラ１５に導入され、熱交換される。熱交換によって生成した蒸気は、熱分解炉６のキルン炉殻６ｃ内に導入され、ガス改質工程の触媒反応器７においてタール分の改質反応に供される。排熱ボイラ１５には、上述した熱分解工程における熱分解炉６の外熱部６ａからの燃焼排ガスも導入される。

触媒反応器７を出た改質後の熱分解ガス（改質ガス）は、ガス冷却・浄化工程で、スクラバー１０により冷却、除塵、脱硫、脱塩される。スクラバー１０出口の温度は望ましくは４０℃以下に十分低くして含有水蒸気を抑え、高カロリーでクリーンな改質ガスとして、除塵器１２及びガス圧縮機１３を介し、ガスホルダ１４に一時貯留した上で、ガスエンジン１４で発電する。この際、ガスエンジン１４の熱回収を蒸気や温水で行えば、他設備への熱供給も可能となり、バイオマスの持つ熱量を最も効果的に利用できる。なお、この回収した改質ガスは、ガスエンジン１４のほか、ガスタービンや燃料電池等のガス燃料としても使用できる。

本発明は、未利用バイオマス資源の熱分解ガス化設備において、有用に利用可能である。

本発明のバイオマスのガス化方法を実施するガス化装置の構成図である。

符号の説明

１受入ホッパ
２コンベア
３秤量ホッパ
４大気遮断装置
５スクリュウフィーダ
６熱分解炉
６ａ外熱部
６ｂバーナ
６ｃキルン炉殻
７触媒反応器
７ａ炉殻
７ｂ外熱部
７ｃバーナ
８部分燃焼ガス化炉
９ロータリーバルブ
１０スクラバー
１１除塵器
１２ガス圧縮機
１３ガスホルダ
１４ガスエンジン
１５排熱ボイラ

Claims

バイオマスを空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃の熱分解ガスと固形炭化物に分離する熱分解工程と、前記熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガスを４００〜９００℃で反応する触媒を用いた改質反応によって常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタン等の低沸点のガスに変換するガス改質工程と、前記固形炭化物を燃焼ガス化する固形炭化物燃焼ガス化工程とを含み、熱分解工程、または熱分解工程及びガス改質工程に前記固形炭化物の燃焼ガスを導入して間接加熱用熱源として利用することを特徴とするバイオマスのガス化方法。
固形炭化物燃焼ガス化工程では、固形炭化物を炭化物の理論燃焼空気量以下で部分燃焼して可燃性ガスを生成することを特徴とする請求項１に記載のバイオマスのガス化方法。
固形炭化物燃焼ガス化工程で得られた可燃性ガスの一部を熱分解工程、または熱分解工程及びガス改質工程の間接加熱用熱源として利用すると共に、残りの可燃性ガスをガス改質工程の後段で改質後の熱分解ガスに合流してガス回収することを特徴とする請求項２に記載のバイオマスのガス化方法。
熱分解工程で得られた固形炭化物の少なくとも一部を他のボイラ、製鉄用熱源、または一般廃棄物溶融炉用の熱源として利用することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のバイオマスのガス化方法。
ガス改質工程で改質反応に用いる水蒸気を、熱分解工程もしくはガス改質工程の間接加熱排ガスとの熱交換により生成した後、熱分解工程において添加することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のバイオマスのガス化方法。
熱分解工程では、バイオマスを熱分解するために外熱式ロータリーキルンを使用し、バイオマスの滞留時間を２０分〜３時間とすることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のバイオマスのガス化方法。
ガス改質工程後、改質後の熱分解ガスを冷却、浄化し、その後、圧縮、貯留したガスを、ガスエンジン、ガスタービン、燃料電池等のガス燃料として、動力利用、発電利用、または発電・熱利用することを特徴とする請求項１〜６の何れかにバイオマスのガス化方法。