JP2008081637A - 木質バイオマスのガス化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クリンカの発生を抑制する。
【解決手段】炉内を上下に仕切る仕切り板６５を設け、この仕切り板６５の幅方向中央部に、上下に貫通する通過孔６６を設け、仕切り板６５の上側であって且つ通過孔６６の上側でない周囲部から炉内の幅方向中央部に向って酸化剤を吹き込む吹込口６７を設けたダウンドラフト型固定床ガス化炉６を用い、仕切り板６５の上側の炉内に木質バイオマスからなる原料を投入し、吹込口６７から酸化剤を吹込みつつガス化するに際して、吹込口６７から水蒸気を吹き込むようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、木質バイオマスのガス化方法に関し、特にクリンカの発生を抑制するガス化方法に関する。

従来から、森林から得られる枝、葉、梢、根株等の林地残材、製材工場から出るオガ粉、樹皮、端材、背板等の残廃材、建築廃材・解体材などの産業廃棄物等といった木質バイオマスをガス化し、燃料等として使用することが行われている。
この場合におけるガス化炉としては、固定床式のものが広く用いられている（例えば特許文献１参照）。固定床式のガス化炉としては種々のもがあるが、ガス化効率が高い等の利点を有するものとして、本発明者らは図３に示すようなダウンドラフト型固定床ガス化炉を研究している。すなわち、このガス化炉６０においては、炉内を上下に仕切る仕切り板６５が設けられ、この仕切り板６５の幅方向中央部に上下に貫通する通過孔６６が設けられ、仕切り板６５の上側であって且つ通過孔６６の上側でない周囲部から炉内の幅方向中央部に向って酸化剤を吹き込む吹込口６７が設けられている。
このようなガス化炉６０では、炉上部より投入された原料は、仕切り板６５の通過孔６６を通過する過程で燃焼・ガス化が行われる。よって、原料は必ず仕切り板６５の通過孔６６を通過するためガス化効率が高くなる。また、炉壁の温度が高温にならないという利点もある。
しかしながら、このようなガス化炉において、バーク（樹皮）のような融点の低い木質バイオマスを用いると、炉内の仕切り板上にクリンカ（焼塊）が発生及び成長し、炉内の原料移動を妨げたり、通過孔を閉塞したりするおそれがあった。
特開２００２−３８１６３号公報

そこで、本発明の主たる課題は、クリンカの発生を抑制することにある。

本発明者らは、上記問題について鋭意研究したところ、図３に示すように、吹込口６７から吹き込まれる酸化剤により、吹込み部位Ｂにおける燃焼が促進され高温となる結果、バーク（樹皮）のような融点の低い木質バイオマスを用いた場合、原料が吹込口６７近傍で溶融しクリンカが発生する。そして、この吹込口６７近傍で発生したクリンカＣは、仕切り板６５が無いタイプの炉ではそのまま下降してガス化するため特に問題とならない。しかし、吹込口６７の下方に仕切り板６５が存在する炉の場合、吹込口６７近傍で発生したクリンカＣは原料移動に伴って下降し、仕切り板６５上に堆積してしまうのである。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであって、炉内を上下に仕切る仕切り板を設け、この仕切り板に上下に貫通する通過孔を設け、酸化剤を吹き込む吹込口を前記仕切り板の上側に設けたダウンドラフト型固定床ガス化炉を用い、前記仕切り板の上側の炉内に木質バイオマスからなる原料を投入し、前記吹込口から酸化剤を吹込みつつガス化する方法であって、
前記吹込口から水蒸気を吹き込むことを特徴とする木質バイオマスのガス化方法である。
本発明によれば、酸化剤とともに水蒸気が吹き込まれることによって、吹込口近傍の温度上昇が抑制されるため、原料が融点に達し難くなり、クリンカの発生が抑制されるようになる。
特に、通過孔が仕切り板の幅方向中央部に設けられており、吹込口が仕切り板の上側であって且つ通過孔の上側でない周囲部から炉内の幅方向中央部に向って酸化剤を吹き込むように設けられている場合、吹込口近傍の下方に仕切り板が存在するため、クリンカが堆積・成長し易い。よって、本発明は、かかる場合に好適である。
また、バークを含む原料は融点が低いだけでなく、発熱量が変動し易い。よって、バークを含む原料を用いる場合に、本発明は好適である。
他方、本発明では、炉内を上下に仕切る仕切り板を設け、この仕切り板の幅方向中央部に、上下に貫通する通過孔を設け、前記仕切り板の上側であって且つ前記通過孔の上側でない周囲部から炉内の幅方向中央部に向って酸化剤を吹き込む吹込口を設けたダウンドラフト型固定床ガス化炉であって、
前記吹込口に水蒸気供給手段を接続し、前記吹込口から水蒸気を吹き込むように構成したことを特徴とする木質バイオマスのガス化装置も提案される。

以上のとおり、本発明によればクリンカの発生を効果的に防止できる。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しながら詳説する。
図１は、ガス化発電設備例のフローシートを示している。バーク（樹皮）等の木質バイオマス原料Ｂは原料ピット１に貯留されており、順次ピットクレーン２により取り出され、投入ホッパー３に投入される。木質バイオマス原料としては、森林から得られる枝、葉、梢、根株等の林地残材、製材工場から出るオガ粉、バーク（樹皮）、端材、背板等の残廃材、建築廃材・解体材などの産業廃棄物等を用いることができる。

ホッパー３に投入された原料はコンベヤ４によって移送され、固定床ガス化炉６に対して供給される。図示形態では、ガス化炉の入側に、上下に離間配置された投入ダンパー５Ａ，５Ｂが設けられており、下側のダンパー５Ｂが閉じられかつ上側のダンパー５Ａが開けられた状態で両ダンパー５Ａ，５Ｂ間にコンベヤ４からの原料が順次投入され、次いで上側のダンパー５Ａが閉じられた後、下側のダンパー５Ｂが開けられることにより、ダンパー５Ａ，５Ｂ間に保持された原料がガス化炉６上部に投入されるようになっている。以降は、この繰り返しにより順次原料がガス化炉６内に供給される。

ガス化炉６としては、ダウンドラフト式（下向流式）の固定床ガス化炉が用いられる。ガス化炉６の具体例は、図２に示されている。すなわち、このガス化炉６は、ホッパーとしての役割を担う上部筒状部６１と、この上部筒状部６１の底部開口から連続する下部筒状部６２と、下部筒状部６２を隙間をもって取り囲む筒状ケーシング６３とを備えている。これら上部筒状部等６１，６２，６３はそれぞれ縦向き且つ相互に同軸的に配置されている。下部筒状部６２の底部開口には火格子６４が設けられている。下部筒状部６２の高さ方向中間部には、炉内を上下に仕切る仕切り板６５が設けられており、この仕切り板６５の幅方向中央部には上下に貫通する通過孔６６が形成されている。さらに、下部筒状部６２内における仕切り板６５よりも上側の内周壁には、酸化剤の吹込口６７が炉内の幅方向中央を臨むように突出されている。吹込口６７の先端は通過孔６６の縁よりも外側の位置、つまり仕切り板６５における通過孔６６を有しない周囲部の上方に位置している。この吹込口６７は下部筒状部６２の内周方向に沿って適宜の間隔（例えば等間隔）で複数設けるのが好ましい。また、吹込口６７は下部筒状部６２の内周方向に沿って連続するスリット状に形成することもできる。

吹込口６７に対する供給路は適宜形成することができるが、図示形態では、下部筒状部６２が内筒部６２Ａおよび外筒部６２Ｂからなる二重筒状に形成されており、内筒部６２Ａと外筒部６２Ｂとの間の円筒状空間６２Ｓの上部に吹込口６７が連通され、吹込口６７よりも下側の部分に外側ケーシング６３を貫通する供給管７０が連通されることによって、供給路が構成されている。

この供給管７０に対しては、図示しない空気供給ポンプ等の酸化剤供給手段が接続されるとともに、本発明に従って図示しないボイラー等の水蒸気供給手段が接続される。これらの手段から供給される酸化剤及び水蒸気は合流された後、吹込口６７から下部筒状部６２内に吹き込まれる。酸化剤および水蒸気は連続的または断続的に吹き込むことができる。また、酸化剤と水蒸気とは同時に吹き込む他、交互に吹き込むもしくは相互に独立したタイミングで吹き込むこともできる。水蒸気の吹込量は、適宜定めることができるが、木質バイオマス原料に対して５〜１０重量％とするのが好ましい。

ガス化炉６内に供給された原料は、上部筒状部６１及び下部筒状部６２を下降・通過する過程でガス化される。すなわち、上部筒状部６１から順次供給される原料は、吹込口６７よりも若干上側の熱分解ゾーンに到達すると、熱分解が開始され、ガス（ＣＯ、Ｈ₂、ＣＨ₄、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ）、チャー、炭化水素に分解される。この熱分解ステップの熱源は、次述の燃焼ステップにより発生する熱である。

次いで、この熱分解ステップで生成したガス、チャー、炭化水素は吹込口６７から仕切り板６５に至る燃焼・ガス化ゾーンに到達し、吹込口６７から供給される酸化剤によって燃焼されるとともに、生成したチャーが、温度約７００〜１２００℃で、主にＢｏｕｄｏｕａｒｄ反応と水生ガス反応によりＣＯとＨ₂に変換され、ガス化が達成される。発生したガスは、火格子６４を通過し、下部筒状部６２の外面と外側ケーシング６３の内周面との間を通り、外側ケーシング６３に設けられた排出口７１を介して、外部に取り出される。

この際、バークのような低融点バイオマス原料が用いられていると、酸化剤の吹込み部位における燃焼が促進され高温となる結果、吹込口６７の近傍でクリンカが発生し易くなるが、本発明に従って水蒸気を吹き込むことにより、燃焼ゾーンにおいて特に高温となる部位を中心に冷却することができ、クリンカの発生を効果的に防止できる。

本発明では、他のクリンカ抑制対策を併用することができ、例えば、ガス化に際して、ガス化炉６内に融点を上昇させる作用を持つ融点上昇物質を存在させることができる。このために、予め原料に融点上昇物質を混入させる等により、原料とともに融点上昇物質をガス化炉６内に供給することができる。吹込口６７の近傍はクリンカが発生し易いため、吹込口６７を介して酸化剤とともに融点上昇物質を炉６内に投入したり、吹込口６７近傍の高さ位置に専用の投入口を設け、この投入口を介して酸化剤とは別に融点上昇物質を炉６内に投入したりするのは好ましい形態である。これらの融点上昇物質の供給位置は適宜組み合わせて使用できる。融点上昇物質としては、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、燐酸カルシウム、ドロマイト等を用いることができ、粉状や粒子状の形態で用いることができる。融点上昇物質の添加量は、適宜定めることができるが、木質バイオマス原料に対して０．５〜２０重量％とするのが好ましい。

また、ガス化に際しては、炉６内に熱分解領域、燃焼領域およびガス化領域が形成される。そして、ガス化領域における固形物の嵩比重が低いと、（１）ガス化領域内におけるガス化可能な成分量がそもそも少ないこと、および（２）空隙に入り込む酸素量が多くなり燃焼が進行し易くなることに起因して、ガス発生量が少なくなる。よって、少なくともガス化領域における固形物の嵩比重が０．５以上、好ましくは０．５〜２．０となるようにするのも好ましい形態である。嵩比重を０．５以上とするために、ガス化炉６内にピストン等の圧縮装置（図示しない）を設け、炉６内の固形物を圧縮することもできるが、予め、木質バイオマスをペレット化、ブリケット化、押出成形、撹拌成形等により、嵩比重が０．５以上となるように圧縮加工しておき、これを原料として炉６内に投入する方が、容易であり好ましい。この場合、原料のサイズは直径６〜１２ｍｍ、長さ１０〜２０ｍｍとするのが好ましい。原料のサイズが小さすぎると、圧損増大やクリンカ（焼塊）の生成を引き起こすおそれがあり、反対に原料サイズが大きすぎると炉内にブリッジを発生するおそれがある。

他方、図示形態の設備では、ガス化炉６内の灰は底部の抜出口を介して排出される一方、ガス化炉６内で発生したガスは炉側部から抜き出され、サイクロン等からなる集塵機７に供給されてガス内に混入する灰が除去され、次いで燃料ガス冷却装置８において冷却された後、ガスエンジン９に供給され、燃料として使用される。ガスエンジン９には発電機１０が接続されており、発電がなされる。ガスエンジン９の排ガスは排ガス冷却装置１１で冷却され、次いで触媒塔１２でダイオキシン等の有害物質が除去された後に大気に放出される。図示形態では、各冷却装置８，１１は間接熱交換器により構成されており、水等の冷却液が燃料ガス冷却装置８で燃料ガスの冷却に使用された後、ガスエンジン９の冷却液として用いられ、さらにその後、排ガス冷却装置１１で排ガスの冷却に使用されるようになっている。

本発明は、木質バイオマスをガス化する限り、そのガスの用途に限定されるものではなく、上記例のような発電利用の他、燃料利用など、広範な用途に適用できるものである。

ガス化装置を備えたガス化発電設備例のフロー図である。 ガス化炉を概略的に示す縦断面図である。 クリンカの発生・成長原理の説明図である。

符号の説明

１…原料ピット、２…ピットクレーン、３…ホッパー、４…コンベヤ、５Ａ，５Ｂ…ダンパー、６…固定床ガス化炉、７…集塵装置、８…燃料ガス冷却装置、９…ガスエンジン、１０…発電機、１１…排ガス冷却装置、１２…触媒塔、６５…仕切り板、６６…通過孔、６７…吹込口。

Claims (4)

1. 炉内を上下に仕切る仕切り板を設け、この仕切り板に上下に貫通する通過孔を設け、酸化剤を吹き込む吹込口を前記仕切り板の上側に設けたダウンドラフト型固定床ガス化炉を用い、前記仕切り板の上側の炉内に木質バイオマスからなる原料を投入し、前記吹込口から酸化剤を吹込みつつガス化する方法であって、
   前記吹込口から水蒸気を吹き込むことを特徴とする木質バイオマスのガス化方法。
2. 前記通過孔は前記仕切り板の幅方向中央部に設けられており、前記吹込口は前記仕切り板の上側であって且つ前記通過孔の上側でない周囲部から炉内の幅方向中央部に向って酸化剤を吹き込むように設けられている、請求項１記載の木質バイオマスのガス化方法。
3. 前記原料としてバークを含む原料を用いる、請求項１または２記載の木質バイオマスのガス化方法。
4. 炉内を上下に仕切る仕切り板を設け、この仕切り板の幅方向中央部に、上下に貫通する通過孔を設け、前記仕切り板の上側であって且つ前記通過孔の上側でない周囲部から炉内の幅方向中央部に向って酸化剤を吹き込む吹込口を設けたダウンドラフト型固定床ガス化炉であって、
   前記吹込口に水蒸気供給手段を接続し、前記吹込口から水蒸気を吹き込むように構成したことを特徴とする木質バイオマスのガス化装置。

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