JP2005281552A

JP2005281552A - 水素製造装置

Info

Publication number: JP2005281552A
Application number: JP2004098735A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamamoto; 修山本
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】木質バイオマスのガス化において、ガス化反応温度まで加熱する際の原料酸化燃焼による熱ロスの低減及びガス化反応時のタール、チャーの発生の抑制を図った水素製造装置を提供する。
【解決手段】バイオマス資源としての木質材料を加熱し、熱分解および水蒸気改質により水素リッチな可燃性ガスを生成する水素製造装置において、前記木質材料２の加熱手段として、回転キルン方式の電磁誘導加熱炉１を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス資源としての木質材料を加熱し、熱分解および水蒸気改質により水素リッチな可燃性ガスを生成する水素製造装置に関する。

バイオマスの急速加熱水蒸気ガス化技術や水素製造装置に関しては、種々の研究開発が行われ、その成果が発表されている（例えば、非特許文献１参照）。上記水素製造装置の従来技術に関して、概括すると下記のとおりである。

木質バイオを熱分解する際、通常の縦型燃焼炉に原料である木質材料を充填して、下部から燃焼空気を送って、原料の一部を酸化させ、その燃焼熱で熱分解温度まで昇温する所謂固定床アップ又はダウンドラフト型ガス化炉、更に効率を改良した流動層型ガス化炉が開発されている。これらのガス化炉は前述した材料を、一部燃料してガス化反応のための反応熱を供給し、昇温している。

つまり反応温度を維持し、ガス化反応を継続するためには常に、材料の一部を消費し、燃焼のための酸素（空気）が必要となる。その結果、燃焼排ガスが、ガス化炉から排気されることになる。燃焼排ガスは高温ガスであり、後段での排熱処理システムなどで熱の回収が行われるが、全体システムの効率を低下させる原因になる。またガス化炉構造によってはガス化時の生成ガス中に、この燃焼排ガス成分(窒素、二酸化炭素)が含まれることになる。

流動層型のガス化炉は、原料を部分燃焼させ、排ガスが発生することは同じであるが、この燃焼室とガス化炉反応室とを分けているので、発生ガスに燃焼排ガスが混入することは避けるように改良されている。よって流動層型ガス化炉では発生ガスの単位体積あたりの発熱量は高くなり、いわゆる高熱量ガスが得られる。

また木質バイオから熱分解で水素を含んだ可燃性ガスを得る際に、タールが多く発生することが知られている。また、木質バイオに含まれるリグニンは芳香族環を含むためにチャー(炭)になりやすい。これらの対策として高温にすることが要求されるが、そうすると原料である木材の消費が増える。固定床タイプでは燃焼空気送入部付近の木材が局部的に消費されると言う問題がある。

図４および図５は、それぞれ従来法の固定床型と流動層型の概略システム構成の説明図である。図４に示す固定床炉では、有価ガスの中に空気燃焼排ガスが混入し、また高温化する際には燃焼材料と空気が多く消費され、入り口が局部的に燃焼することが想定される。図５に示す流動層型では、燃焼室とガス化室が別になって前者の問題点が改善されるが、燃焼熱による昇温方式であり、排ガスによる熱ロスが発生する。
東京大学)山口他「熱天秤を用いたバイオマスの急速昇温水蒸気ガス化の検討」日本エネルギー学会 2002年8月記念シンポジューム p.156-157

上述のように、従来の木質バイオの熱分解によるガス化方式には下記課題がある。即ち、タール、チャーの発生を防ぐために高温化した場合、固定床型においては、空気送入局所の材料が多く消費され、温度の均一化が困難である。また、発生ガス内に窒素、二酸化炭素が多く含まれる。なお、流動層型では、上記の問題はないが、固定床型および流動層型を含めて、タール、チャーの発生を防ぎながら、比較的低い温度でガス化を行うための課題を列記すると下記のとおりである。
１）タール、チャーの発生を防ぐには急速高温加熱が必要である。更に処理材料を均一に急速加熱することが必要である。
２）高効率化が必要である。流動層型では、原料又は他の燃料を酸化燃焼して昇温するので排ガスによる排熱ロスが伴うために高効率化が困難である。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は要するに、木質バイオマスのガス化において、ガス化反応温度まで加熱する際の原料酸化燃焼による熱ロスの低減及びガス化反応時のタール、チャーの発生の抑制を図った水素製造装置を提供することにある。

上記課題は、ガス化反応温度まで加熱するために、原料の酸化燃焼方式ではなく、電磁誘導加熱によって外部から直接、原料を加熱することにより達成される。即ち、バイオマス資源としての木質材料を加熱し、熱分解および水蒸気改質により水素リッチな可燃性ガスを生成する水素製造装置において、前記木質材料の加熱手段として、電磁誘導加熱手段を用いることを特徴とする（請求項１）。

また、前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし７の発明が好ましい。即ち、前記電磁誘導加熱手段は、回転キルン方式の電磁誘導加熱炉とすることを特徴とする（請求項２）。さらに、前記請求項２に記載の水素製造装置において、前記電磁誘導加熱炉は、金属板からなる複数の伝熱フィンで仕切った炉内構造を備えることを特徴とする（請求項３）。

また、請求項２に記載の水素製造装置において、前記電磁誘導加熱炉は、回転キルンの炉壁を耐熱セラミックス材料としてなることを特徴とする（請求項４）。

さらに、請求項３または４に記載の水素製造装置において、前記電磁誘導加熱炉は、その炉内に、前記木質材料と共に複数個の金属片を共存させることを特徴とする（請求項５）。

さらにまた、前記金属片は、薄板片または球状片とすることを特徴とする（請求項６）。

また、前記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の水素製造装置において、前記電磁誘導加熱手段は、炉内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段を備えることを特徴とする（請求項７）。

木質バイオマスのガス化において、電磁誘導加熱炉を用いて、木質材料に導電性材料である、金属片を共存させ、あるいは炉内に電磁誘導加熱される伝熱手段を設けることで、木質バイオを均一に急速加熱ができ、タールの発生を抑え、チャーの反応を促進することができ、これにより発生ガス量が増加する。更に、空気燃焼による排ガスがないために、それによる熱ロスの発生がなく、発生ガスの単位体積あたりの発熱量を向上させることができる。従って、高効率な木質バイオマス熱分解ガス化装置を提供することができる。

この発明によれば、電磁誘導加熱炉を適用することで均一に急速加熱することができ、更に燃焼用空気をしないために、発生ガス量の希釈がないので、単位体積あたりの発熱量を向上させることができる。また、空気燃焼による二酸化炭素の発生もないので、自然資源の有効活用を図り、また加熱炉出口での生成ガス中に含まれる二酸化炭素濃度の量を抑えることができる。

次に、この発明の実施形態に関して、図１ないし図３に基いて説明する。図１は本発明に係る水素製造装置のシステムフローを示す図、図２および図３は、本発明に関わる電磁誘導加熱炉のそれぞれ異なる模式的構造の一例を示す図である。

図１において、１は電磁誘導加熱炉、２は木質バイオマス原料、３は前記木質バイオマス原料に含まれる水分を除去するための乾燥炉、４は熱風を供給し木質を乾燥させるための熱風発生ボイラーである。乾燥した木質原料１３は、電磁誘導加熱炉１にバッチ方式で供給される。一方、水分を含んだ熱風５は、冷却器６で木材に含まれた水分を回収し、タンク７に貯蔵する。この水は供給ポンプ８で、蒸発器９に供給し水蒸気１０として電磁誘導加熱炉１に供給する。

下記に熱分解ガス化の基本的な分解パターンを示す。木質成分は、分子式として、種々の形式で記載されるが、ここでは下記の分子式を用いる。

C₆H₁₀O₅ → ＣＨ₄、ＣＯ、Ｈ₂、タール、Ｃ（炭）、灰分
また、供給された水蒸気１０は、電磁誘導加熱炉１内で木質の炭化水素成分または、上記熱分解で得られたＣＨ₄ガスを水蒸気改質して水素を含む可燃性ガスを得ることができる（メタンも含めた下記反応式参照）。この反応は通常、800℃付近で行われる。

C₆H₁₀O₅ + 7H₂O → ６CO₂ + 12H₂ △H＝710ｋＪ/ｍｏｌ
上記反応は吸熱反応であり、この反応を継続させるためには熱量を供給する必要がある。またこの反応で供給される水蒸気量はこの反応を確実に起させるために理論数より多い量が供給される。

バイオマスの急速加熱水蒸気ガス化による可燃性ガス(有価ガス)の発生量は、昇温スピードに依存することは、前記非特許文献１で明らかにされている。前記図１において、電磁誘導加熱炉１をでた生成ガ１１は、水蒸気改質のために供給された余剰水蒸気がふくまれるために、冷却器１２で水分を回収し、タンク７に貯蔵され、加熱炉内での水蒸気改質に再利用される。そして水素リッチな木質のガス化生成ガス１４が得られる。

次に、図２および図３について述べる。図２および図３は、それぞれ電磁誘導加熱炉１を使って急速加熱をするための炉内の構造例を示す。各図において、上方に、一部切り欠き断面を有する正面図、下方に、正面図のＸ−Ｘに沿う側断面図を示す。

電磁誘導加熱炉の基本的構成としては、図２に示すように、炉壁２０を金属容器で構成し、電磁誘導でその金属炉壁を急速加熱し、また、炉壁から木質原料に有効な伝熱板２１を加熱する方式と、図３に示すように、炉壁３０を耐火セラミックスで構成し、木質原料と一緒に内部に金属片２８をいれて、あるいは、金属片で炉内を仕切るなどの構成とし、外部の電磁誘導で内部の金属片を直接急速に加熱する方式とがある。図２および図３共に、炉内の原料の温度を均一に加熱するために回転キルンが用いられる。なお、図２の方式でも金属片２８を入れることは材料昇温速度を向上させるのに有効である。

また、炉の外側には断熱材４０を介して、またキルンを回転させるためのベアリング２５、第１の回転伝達機構３１および第２の回転伝達機構２２を備える。さらに、これらの回転物の外部には、電磁誘導コイル５０が配置される。

本発明に係る水素製造装置のシステムフローを示す図本発明に関わる電磁誘導加熱炉の模式的構造の一例を示す図図２とは異なる電磁誘導加熱炉の模式的構造の一例を示す図従来法の固定床型の概略システム構成図従来法の流動層型の概略システム構成図

符号の説明

１電磁誘導加熱炉
２木質バイオマス原料
３乾燥炉
４熱風発生ボイラー
６，１２冷却器
７タンク
８供給ポンプ
９蒸発器
１０水蒸気
１４ガス化生成ガス
２０，３０炉壁
２１伝熱板
２２，３１回転伝達機構
２５ベアリング
２８金属片
４０断熱材
５０電磁誘導コイル

Claims

バイオマス資源としての木質材料を加熱し、熱分解および水蒸気改質により水素リッチな可燃性ガスを生成する水素製造装置において、前記木質材料の加熱手段として、電磁誘導加熱手段を用いることを特徴とする水素製造装置。
前記電磁誘導加熱手段は、回転キルン方式の電磁誘導加熱炉とすることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
前記電磁誘導加熱炉は、金属板からなる複数の伝熱フィンで仕切った炉内構造を備えることを特徴とする請求項２に記載の水素製造装置。
前記電磁誘導加熱炉は、回転キルンの炉壁を耐熱セラミックス材料としてなることを特徴とする請求項２に記載の水素製造装置。
前記電磁誘導加熱炉は、その炉内に、前記木質材料と共に複数個の金属片を共存させることを特徴とする請求項３または４に記載の水素製造装置。
前記金属片は、薄板片または球状片とすることを特徴とする請求項５に記載の水素製造装置。
前記電磁誘導加熱手段は、炉内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の水素製造装置。