JP2005146188A - バイオマスガス発生炉 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、酸化層において酸化反応を均一に行って、安定的にバイオマスガスの生成を行うことができるバイオマスガス発生炉を提供することを技術的課題とする。
【解決手段】
本発明のバイオマスガス発生炉1は、空気供給手段として、炉本体２の側部から酸化層Ｃに空気を供給する側方部空気供給手段１８と、前記攪拌手段５における回転軸６に送風路６ａを形成するとともに先端部６ｂに酸化層Ｃに臨ませた噴風部６ｃを形成し、前記回転軸６の一端側に配設した送風ファン１４からの送風を送風路６ａを介して噴風部６ａから供給する上方空気供給手段１３とから構成する。また、前記回転軸６には先端部温度センサー１６や中間温度センサー１７ａ，１７ｂ，１７ｃを配設し、該センサー１６，１７ａ，１７ｂ，１７ｃの検出温度に基づいて、前記上方空気供給手段１３の空気供給量の制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、木質系のバイオマス（生物資源）を原料にしてガスを発生させる装置（以下、「バイオマスガス製造装置」という）に関し、特にそのガス発生炉に関するものである。

従来、木質系のバイオマス（生物資源）を原料にし、可燃性成分（ガス）を含有するバイオマスガスを生成する前記バイオマスガス製造装置が知られている。バイオマスガス製造装置で生成されたバイオマスガスは、エンジンやボイラーなどの燃焼用の混合空気として活用され、発電などのために役立てられたり、また、バイオマスガスから抽出した可燃性成分（ガス）を燃料として活用したりされている。このバイオマスガス製造装置は、バイオマスガスを生成するバイオマスガス発生炉（以下、「ガス発生炉」という）と、生成されたバイオマスガスを冷却するガス冷却部と、バイオマスガスを精製するガス精製部とが構成される。該ガス発生炉は円筒状に構成され、該ガス発生炉内に供給したバイオマスに着火するとともに適量の空気（酸素）を供給することによってバイオマスガスが生成される。

バイオマスが供給されたガス発生炉内では、上層から順に、乾燥層、熱分解層、酸化層及び還元層が形成される。このような順で層が構成されるバイオマスガス製造装置は一般的にダウンドラフト方式と呼ばれ、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１には、ガス発生炉内の酸化層に外部から空気の供給を行う空気供給管路が構成してあり、酸化層における酸化反応の促進化が行われている。なお、バイオマスガスは前記還元層から生成され、この生成されたバイオマスガスはガス発生炉外に管路を介して吸引排出され、その後、前記ガス冷却部を経由してガス精製部で精製されて完成となる。

特開２００３−２５３２７１号公報

ところで、前記ガス発生炉でバイオマスガスを安定的に生成するための課題としては、前記酸化層への空気供給の均一化がある。酸化層における空気の必要性は前述のように、バイオマスガスを生成するうえで重要な要素である。上記特許文献１においては、空気供給管路をガス発生炉の側部から酸化層に空気を供給するようにしてある。このため、酸化層における空気供給管路が臨んだ側部は供給された空気の割合が多くて酸化反応が良好に行われるが、酸化層の中心部では空気量が不足して良好な酸化反応が行われず、還元層から排出されるバイオマスガスに、不要なタール分が増加したり、前記可燃性成分が低下したりする要因となる懸念があった。

本発明は、上記問題点にかんがみ、酸化層において酸化反応を均一に行って、安定的にバイオマスガスの生成を行うことができるバイオマスガス発生炉を提供することを技術的課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１では、
バイオマスを供給する原料供給口が上部に形成された筒状の炉本体と、
該炉本体内に形成される酸化層に空気を供給する空気供給手段と、
前記炉本体の上部から下部に向け、かつ攪拌部材を周囲に形成した回転軸の回転作用によって前記炉本体内に供給されたバイオマスを攪拌する攪拌手段と、
前記酸化層の下方に形成される還元層から排出されるバイオマスガスを炉本体内から外に排出するガス排出手段と、
を有するバイオマスガス発生炉において、
前記空気供給手段は、炉本体の側部から酸化層に空気を供給する側方部空気供給手段と、前記攪拌手段における回転軸に送風路を形成するとともに先端部に酸化層に臨ませた噴風部を形成し、前記回転軸の一端側に配設した送風ファンからの送風を送風路を介して噴風部から供給する上方空気供給手段とから構成する、という技術的手段を講じた。

これにより、炉本体内に供給されたバイオマスは、攪拌手段の攪拌作用によってブリッジ現象が防止されるとともに、攪拌手段に備えられた上方空気供給手段の噴風部から、酸化層のバイオマスの中央部に空気（酸素）が供給される。また側方部空気供給手段からも、炉本体の側方から、酸化層のバイオマスの側部に空気の供給が行われる。これにより、酸化層に均一な空気供給がなされ、また、粒度が小さいバイオマスであってもブリッジ現象を生じることなく酸化層にバイオマスを安定供給できるので、酸化反応が均一して行われる。

請求項２では、前記回転軸の先端部には先端部温度センサーを配設するとともに、該先端部温度センサーが検知した温度に基づいて前記上方空気供給手段が供給する空気量を制御する制御部を構成する、という技術的手段を講じた。これにより、前記制御部は、前記先端部温度センサーが検出した温度が、所定の温度範囲外（例えば800℃〜1200℃）になったときには、前記上方空気供給手段を制御して空気の供給量を調整する。この調整は、前記所定の温度範囲の下限値よりも検出温度が低いときには空気供給量を増やし、また上限値よりも温度が高いときには空気供給量を減らして行う。これによって、酸化層の中央部分における供給空気がより安定し、酸化反応をより安定的に維持することができる。

請求項３では、前記先端部温度センサーが設けられた位置から回転軸他端側に添って向かった任意間隔ごとの位置には中間温度センサーを配設するとともに、前記制御部は、前記先端部温度センサーの検知温度と前記中間温度センサーの検出温度に基づいて前記上方空気供給手段が供給する空気量を制御する、という技術的手段を講じた。これによって、前記制御部は、前記中間温度センサー及び先端温度センサーからの検出温度が、酸化層の所定の温度範囲（例えば800℃〜1200℃）内であるかどうかの判定によって酸化層の高さを判定し、この判定結果に基づいて前記上方空気供給手段を制御して空気の供給量を調整する。この調整は、酸化層の層が低いときには空気供給量を増加し、酸化層の層が高いときには空気供給量を低下して行う。よって、酸化層の層厚が安定し、酸化反応もより安定するので、バイオマスガスの発生を更に効率的かつ安定的に行うことができる。

本発明の請求項１によれば、攪拌手段に備えた上方空気供給手段及び側方部空気供給手段によって、酸化層に均一な空気供給がなされ、また、粒度が小さいバイオマスであってもブリッジ現象を生じることなく酸化層にバイオマスを安定供給できるので、酸化反応が均一して行われる。よって、バイオマスガスの生成を安定化させることができる。

さらに請求項２によれば、前記回転軸の先端部には先端部温度センサーを配設するとともに、該先端部温度センサーが検知した温度に基づいて前記上方空気供給手段が供給する空気量を制御する制御部を構成することにより、酸化層の酸化反応をより安定的に維持できる。よって、バイオマスガスの生成を更に安定化できる。

また請求項３によれば、前記先端部温度センサーが設けられた位置から回転軸後端側に添って向かった任意間隔ごとの位置には、中間温度センサーを配設し、前記制御部は、前記先端部温度センサーの検知温度とともに、前記中間温度センサーの検出温度に基づいて前記上方空気供給手段が供給する空気量を制御することにより、各検知温度によって酸化層の厚みの高さを判定することができ、この判定結果に基づいて、空気の供給量を制御して酸化層の厚みを適正に維持することができる。これによって、酸化層の酸化反応を更に安定的に維持できて、バイオマスガスの生成をより安定化できる。これに加えて、バイオマスガス中への可燃性成分の生成が安定し、また不要なタール分の生成も低減する。

以下、本発明の最良の実施の形態を説明する。図１は、バイオマスガスを発生させる本発明のガス発生炉１の縦側断面図を示す。ガス発生炉１は、耐熱煉瓦（れんが）で構成し、内部に円筒状の空間部2ａを立設した炉本体部２を有する。該炉本体部２の上部には、バイオマス原料を空間部２ａに供給する原料供給手段３を構成する。該原料供給手段３は、バイオマス原料を移送する管路３ａの間に、ロータリーバルブ３ｂと開閉弁３ｃを設け、管路３ａの搬送終端側を炉本体部２の上部の原料供給口４に接続して構成する。前記開閉調節弁３ｃは、ロータリーバルブ３ｂよりも原料供給の上流側に配設する。管路３ａは、バイオマス原料を流下できる傾斜角度に配設する。

前記空間部２ａには、供給されたバイオマス原料を攪拌するための攪拌手段５を配設する。該攪拌手段５は、前記立設した空間部２ａの中央位置に、垂下状の攪拌軸（回転軸）６と該攪拌軸６の周囲の上下方向に複数の攪拌棒（攪拌部材）７を構成する。前記空間部２ａの上端には、前記管路３ｂや後述するモータ１２を収納する枠体８を載置する。該枠体８には一対の軸受９，１０を固設して前記攪拌軸６を回転自在にしてある。また枠体８内では、攪拌軸６に軸着したプーリー１１と前記モータ１２とを動力伝達ベルトで接続してある。

前記攪拌軸６には、空間部２ａに空気を供給するための空気供給手段（以下、「上方空気供給手段」という）１３が設けてある。該上方空気供給手段１３は、内部を中空（送風路６ａ）にした前記攪拌軸６と、該攪拌軸６の上端部（前記軸受側）に接続した送風ファン１４とを有する。中空とした前記攪拌軸６の先端部６ｂは、後述する酸化層Ｃに臨ませるように配設するとともに噴風部として空気噴風孔６ｃを設ける。前記攪拌軸６における前記送風ファン１４の送風側には、送風量の調節を行う空気供給量調節弁１５を配設する。

前記攪拌軸６の先端部６ｂには、温度センサー（以下、「先端部温度センサー」という）１６を配設する。該先端部温度センサー１６より上部の攪拌軸６には、任意の間隔ごとに配設した温度センサー（以下、「中間温度センサー」という）１７ａ，１７ｂ，１７ｃを配設する。該中間温度センサー１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、後述する熱分解層Ｂ及び乾燥層Ａの温度が検出できる位置に配設する。なお、空間部２ａの上部にはレベルセンサー２ｂを配設する。

前記炉本体部２の側部には、空間部２ａに形成される酸化層Ｂに空気を供給するための空気供給手段（以下、「側方空気供給手段」という）１８を構成する。該側方空気供給手段１８は、炉本体部２の側部に配設した、前記酸化層Ｂに向けて空気を供給する複数の空気供給管１９と、該各空気供給管１９に接続する送風ファン２０とを有する。各空気供給管１９の空気供給側の端部は、酸化層Ｂにおける周囲部分に臨ませて配設する。空気供給管１９における送風ファン２０の空気供給側には開閉調節弁２１を配設する。

前記炉本体部２の下端の開口部２２には、還元層Ｄにおける灰を貯留する貯留部２３を接続する。該貯留部２３は、前記開口部２２を一方側に連通させた横長状に構成し、底部２３ａには、前記灰を搬送・排出するための排出スクリュー２４を配設する。前記底部２３ａにおける排出スクリュー２４の搬送終端側（貯留部の他方側）には、排出管２５に接続した排出口２６を設け、排出管２５には開閉弁２７を介在する。貯留部２３における排出口２６側の上部には、さらに上方に延設した空間部２３ｂを有する。該空間部２３ｂも耐熱煉瓦（れんが）で構成し、該空間部２３ｂには、貯留部２３内で発生したバイオマスガスをガス発生装置１の外に排出する開口部２３ｃを設け、該開口部２３ｃには排ガス管２３ｄを接続する。該排ガス管２３ｄは吸引ファン３２に接続して、前記空間部２３ｂで発生したバイオマスガスを吸引排出させるようにしてある。

前記中間温度センサー１７ａ，１７ｂ，１７ｃ、先端部温度センサー１６及びレベルセンサー２ｂは制御部２８に接続する（図２参照）。該制御部２８は前記上方空気供給手段１３、ロータリーバルブ３ｂ及び排出スクリュー２４とも接続する。前記制御部２８は、中央演算部（以下、「ＣＰＵ」という）２９に対して、入出力回路（以下、「Ｉ／Ｏ」という）３４、読み出し専用回路（以下、「ＲＯＭ」という）３０及び読み出し・書き込み用回路（以下、「ＲＡＭ」という）３１を接続して構成する。

なお、図１に示した乾燥層Ａ、熱分解層Ｂ、酸化層Ｃ及び還元層Ｄは、ガス発生炉１の運転の際に形成される層厚の状態を示す。

次に本発明のガス発生炉１の作用を説明する。まず、空状態の炉本体部２に、前記原料供給手段３から炭を空間部２ａの３分の２程度（熱分解層Ｂが埋まるくらい）供給する。次いで、酸化層Ｃの炭に、図示しない着火窓から火をつけるともに、前記開閉調節弁２１を手動で開き、送風ファン２０から空気供給管１９を介して酸化層Ｃに空気を供給する。次いで、バイオマス原料（木の小片、又は籾殻等から形成するブリケット）を空間部２ａに原料供給手段３から供給し、空間部２ａを満たす。この後、時間が経過するにつれて熱分解層Ｂで熱分解反応（後述する）が始まり、また乾燥層においてもバイオマス原料の乾燥作用が始まり、空間部２ａにおいて、上方から乾燥層Ａ、熱分解層Ｂ、酸化層Ｃ及び還元層Ｄが形成される。

前記乾燥層Ａは１００℃〜３００℃の温度となり、バイオマス原料を乾燥すし、このとき水蒸気を発生する。熱分解層Ｂでは乾燥層Ａから流下したものが熱分解反応を起こして、ＣＯ（一酸化炭素）、Ｈ２（水素）及びＣＨ４（メタン）を生成し、温度は３００℃〜６００℃となる。酸化層Ｃでは熱分解層Ｂから流下したものが酸化反応を起こして、ＣＯ２（二酸化炭素）、Ｈ２Ｏ（水）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＣＨ４（メタン）を生成し、温度は９００℃以上となる。還元層Ｄでは酸化層Ｃから流下したものが還元反応を起こして、ＣＯ（一酸化炭素）、Ｈ２（水素）及びＣＨ４（メタン）を生成し、温度は６００℃〜９００℃となる。

前記還元層Ｄで生成された前記ＣＯ（一酸化炭素）、Ｈ２（水素）及びＣＨ４（メタン）は前記吸引ファン３２の吸引作用によって、空間部２３ｂから開口部２３ｃ及び排ガス管２３ｄを通り、バイオマスガスとして排出・回収される。なお、制御部２８は前記レベルセンサ（上限及び下限センサ）２ｂからの信号により、空間部２ａ内におけるバイオマス原料の下限レベルを検知すると、前記ロータリーバルブ３ｂを駆動させて、新たなバイオマス原料を補充する。また、任意時間ごとに排出スクリュー２４も駆動させて、還元層に残った灰を排出する。

次に、前記制御部２８の作用を説明する。前記制御部２８は酸化層Ｃに配設した前記先端部温度センサー１６の検出信号から、酸化層Ｃの温度を検知することができる。制御部２８は、この酸化層Ｃの検知温度が、前記ＲＯＭ３０に予め記憶した適正温度の９００℃以上かどうかを判定し、適正温度よりも低いときには、正常（均一）な酸化反応が行われていないとして前記上方空気供給手段１３を駆動させ、攪拌軸６の先端部６ｂにおける空気噴風孔６ｃから空気を酸化層Ｃに供給する。これにより、酸化層Ｃにおける中央部分には前記上方空気供給手段１３からの空気供給が行われ、また酸化層Ｃにおける周囲部分には前記側方空気供給手段１８からの空気供給が行われる。よって、酸化層Ｃにおける空気対バイオマス原料の割合を均一に適正範囲内にすることができ、酸化反応も均一に行わせることができる。このように、酸化層Ｃの前記検出温度が低くなるのは、空間部２ａにおいてバイオマス原料の粒度が小さいなどして粒子間の通気性が悪いときに生じるが、原料が上記のようなものであったときでも酸化層Ｃの反応を良好にすることができる。また、前記攪拌手段５による攪拌作用により、バイオマス原料のブリッジ現象が防止でき、粒子間に空気を取り込ませることもできる。

また前記制御部２８は、前記先端部温度センサー１６及び中間温度センサー１７ａ，１７ｂ，１７ｃの各検出信号を受けて、空間部２ａにおける各位置の温度を検知し、酸化層Ｃ、熱分解層Ｂ及び乾燥層Ａの層厚を判定する。図３の（Ａ）は各層が適正な厚みである例を示し、この場合、前記先端部温度センサー１６が酸化層Ｃの適正温度である９００℃以上の温度を検出し、中間温度センサー１７ａ，１７ｂが熱分解層Ｂの適正温度である３００℃〜６００℃の温度を検出し、中間温度センサー１７ｃが乾燥層Ａの適正温度である１００℃〜３００℃の温度を検出したときに、前記制御部２８は前記各層が適正な厚みであると判定する。

一方、前記中間温度センサー１７ａ，１７ｂ，１７ｃが乾燥層Ａの適正温度である１００℃〜３００℃の温度を検出するとともに、先端部温度センサー１６が熱分解層Ｂの適正温度である３００℃〜６００℃の温度を検出したときには、前記制御部２８は図３の（Ｂ）のように、乾燥層Ａが厚く、熱分解層Ｂと酸化層Ｃが薄くなった不適正の状態と判定する。この判定がなされたときには、制御部２８によって、前記上方空気供給手段１３から酸化層Ｃに供給する空気供給量を増加して酸化反応を促進させる。この後、前記中間温度センサー１７ａ，１７ｂが熱分解層Ｂの適正温度を検出し、また、前記先端部温度センサー１６が酸化層Ｃの適正温度を検出したら、その時点の前記空気供給量を維持する維持するように前記制御部２８は前記上方空気供給手段１３の制御を行う。これによって酸化層Ｃの層厚が適正化されるとともに、乾燥層Ａと熱分解層Ｂの層厚も適正化され、酸化反応と熱分解反応が十分に行われる。よって、バイオマスガスの発生量が低下することがなく、また、バイオマスガス中への含有が好ましくないタール分は、適正な層厚の酸化層を流下する間に燃焼消滅されるので、低減することができる。

また、前記先端部温度センサー１６と中間温度センサー１７ａ，１７ｂが酸化層Ｃの適正温度である９００℃以上の温度を検出したときには、図３の（Ｃ）のように、酸化層Ｃが厚く、熱分解層Ｂと乾燥層Ａが薄くなった不適正の状態と判定する。この判定がなされたときには、制御部２８によって、前記上方空気供給手段１３から酸化層Ｃに供給する空気供給量を低下させて、酸化反応を低下させる。この酸化反応が低下している際、前記中間温度センサー１７ａ，１７ｂが熱分解層Ｂの適正温度を検出し、また、前記先端部温度センサー１６が酸化層Ｃの適正温度を検出したら、その時点の前記空気供給量を維持するように前記制御部２８は前記上方空気供給手段１３の制御を行う。これによって酸化層Ｃの層厚が適正化されるとともに、乾燥層Ａと熱分解層Ｂの層厚も適正化され、酸化反応の進み過ぎを防止でき、バイオマスガス中の可燃性成分の減少を防ぐことができる。

なお、本発明において、前記中間温度センサーの数は上記に限定されるものではなく、適宜設定するものである。

本発明のガス発生炉（バイオマスガス発生炉）の縦側断面図を示す。 制御部２８の構成を示すブロック図である。 ガス発生炉の乾燥層Ａ、熱分解層Ｂ、酸化層Ｃ及び還元層Ｄにおける適正層厚例（A）と不適正層厚例（B）,(Ｃ)を示す。

符号の説明

１ バイオマスガス発生炉（ガス発生炉）
２ 炉本体部
２ａ 空間部
２ｂ レベルセンサー
３ 原料供給手段
３ａ 管路
３ｂ ロータリーバルブ
３ｃ 開閉弁
４ 原料供給口
５ 攪拌手段
６ 攪拌軸（回転軸）
６ａ 送風路
６ｂ 先端部
６ｃ 空気噴風口（噴風部）
７ 攪拌棒（攪拌部材）
８ 枠体
９ 軸受
１０ 軸受
１１ プーリー
１２ モータ
１３ 上方空気供給手段
１４ 送風ファン
１５ 空気供給量調節弁
１６ 先端部温度センサー
１７ａ 中間温度センサー
１７ｂ 中間温度センサー
１７ｃ 中間温度センサー
１８ 側方空気供給手段
１９ 空気供給管
２０ 送風ファン
２１ 開閉調節弁
２２ 開口部
２３ 貯留部
２３ａ 底部
２３ｂ 空間部
２３ｃ 開口部
２３ｄ 排ガス管
２４ 排出スクリュー
２５ 排出管
２６ 排出口
２７ 開閉弁
２８ 制御部
２９ 中央演算部（ＣＰＵ）
３０ 読み出し専用回路（ＲＯＭ）
３１ 読み出し・書き込み用回路（ＲＡＭ）
３２ 吸引ファン
３４ 入出力回路（Ｉ／Ｏ）
Ａ 乾燥層
Ｂ 熱分解層
Ｃ 酸化層
Ｄ 還元層

Claims (3)

1. バイオマスを供給する原料供給口が上部に形成された筒状の炉本体と、
   該炉本体内に形成される酸化層に空気を供給する空気供給手段と、
   前記炉本体の上部から下部に向け、かつ攪拌部材を周囲に形成した回転軸の回転作用によって前記炉本体内に供給されたバイオマスを攪拌する攪拌手段と、
   前記酸化層の下方に形成される還元層から排出されるバイオマスガスを炉本体内から外に排出するガス排出手段と、
   を有するバイオマスガス発生炉において、
   前記空気供給手段は、炉本体の側部から酸化層に空気を供給する側方部空気供給手段と、前記攪拌手段における回転軸に送風路を形成するとともに先端部に酸化層に臨ませた噴風部を形成し、前記回転軸の一端側に配設した送風ファンからの送風を送風路６ａを介して噴風部から供給する上方空気供給手段とから構成したことを特徴とするバイオマスガス発生炉。
2. 前記回転軸の先端部には先端部温度センサーを配設するとともに、該先端部温度センサーが検知した温度に基づいて前記上方空気供給手段が供給する空気量を制御する制御部を構成することを特徴とする請求項１に記載のバイオマスガス発生炉。
3. 前記先端部温度センサーが設けられた位置から回転軸他端側に添って向かった任意間隔ごとの位置には中間温度センサーを配設するとともに、前記制御部は、前記先端部温度センサーの検知温度と前記中間温度センサーの検出温度に基づいて前記上方空気供給手段が供給する空気量を制御することを特徴とする請求項２に記載のバイオマスガス発生炉。
   

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