JP2011144329A

JP2011144329A - 木質バイオマスのガス化システム及びその方法

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Publication number: JP2011144329A
Application number: JP2010008448A
Authority: JP
Inventors: Norio Saito; 紀夫西塔; Shigeo Morishita; 茂雄森下
Original assignee: Raito Kogyo Co Ltd
Current assignee: Raito Kogyo Co Ltd
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】予熱器におけるヒートキャリアの加熱効率を維持し、もって生成ガスの品質の安定化を図る。
【解決手段】上記課題は、予熱器２で加熱したヒートキャリアを、改質器３、熱分解器４及び分離機５を通して循環させつつ、熱分解器４に木質バイオマス原料を供給し、且つ改質器３に水蒸気を供給することにより、所定温度での熱分解及び水蒸気改質を行うとともに、分離機５において熱分解器４で発生するチャーをヒートキャリアから分離し、熱風炉１で燃焼し、その熱風を予熱器２に供給するガス化システムにおいて、予熱器２を、上下方向に沿って延在するヒートキャリア通路と、このヒートキャリア通路の内周面に周方向に間隔をあけて複数設けられた、灰・ダストは通過するがヒートキャリアは通過しない熱風吹き出し口と、ヒートキャリア通路の周囲を取り囲むように設けられた、前記熱風吹き出し口に連通する環状の分配供給路と、この分配供給路から外部に連通する、灰・ダストの抜出口と、を有するものとすることにより解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、木質バイオマスのガス化システム及びその方法に関するものである。

近年、化石燃料の代替及び地球温暖化防止を目的とした新エネルギー供給システムとして、間伐材等の木質バイオマスをガス化し、このガスを燃料として熱や電気エネルギーを生成する技術が提案され、利用されている。
このようなガス化システムとしては、種々のものが提案されているが、中でも特許文献１記載のものは水素濃度の高いガスを生成できる点で優れたものの一つである。このガス化システムは、上から順に、予熱器、改質器、熱分解器、及び分離機を備えており、熱を運ぶための多数のヒートキャリア（熱担持媒体）が、予熱器で加熱されてから改質器、熱分解器及び分離機の順に通された後、バケットコンベア等の移送装置により再び予熱器に戻されるように構成されている。
木質バイオマス原料は、スクリューコンベア等の適宜の定量供給装置により、例えば改質器と熱分解器とを繋ぐ供給管路を介して、熱分解器の上部供給口へ連続的に定量供給される。熱分解器内に供給された木質バイオマスは、予熱器から改質器を経て供給された、加熱されたヒートキャリアと接触することにより、チャー（固体の炭素含有残留物）と熱分解ガス（揮発性相）とに分離される。固形分であるチャーは、ヒートキャリアとともに分離機へ供給され、気体である熱分解ガスはヒートキャリアに対して向流接触しながら改質器へ上昇供給される。
改質器には反応媒体としての水蒸気が供給されており、熱分解ガスがヒートキャリアにより加熱される条件下でこの水蒸気と混合接触することにより、水素含有濃度が高く、従って発熱量の高いガスが発生する。

一方、分離機では、熱分解器から供給される混合物がチャーとヒートキャリアとに分離される。分離されたチャーは熱風炉に供給され、ヒートキャリアは移送装置により予熱器に戻される。
熱風炉では、チャーの燃焼により熱風（高温排ガス）が生成される。この熱風は予熱器に供給され、予熱器内を堆積状態で通過するヒートキャリア間に通され、ヒートキャリアと直接接触することによりヒートキャリアが加熱される。また、熱風炉ではチャーの燃焼により灰が生成される。この灰は、大部分は熱風炉１内で回収・除去されるが、一部は予熱器に供給され、予熱器の排気経路に設けられたサイクロン等の分離手段で取り除かれる。

上述のガス化システムにおいては、予熱器におけるヒートキャリアの加熱効率は非常に重要である。すなわち、原料投入量に対して予熱器におけるヒートキャリアの加熱効率が低いと、改質器及び熱分解器の温度が次第に低下し、改質器における改質不足により、水素高含有ガスが得られるところが特徴のシステムであるにもかかわらず、生成ガスにおける水素ガス濃度が低下してしまう。さらに、熱分解温度が大幅に下がると生成ガスにタールが混じるようになり、熱分解器と改質器との間の経路等にタールが付着し、閉塞する等の問題を生じる。つまり、上述のガス化システムにおける安定稼働時の処理能力は予熱器におけるヒートキャリアの加熱効率により左右されるのである。なお、システム内の温度を維持するだけであれば、原料投入量の減少により補うことはできるが、システム全体としての処理能力が低下することに変わりはない。

上述のガス化システムにおける予熱器の一例を図１１〜図１３に示した。この予熱器２００は、上下方向に沿う円筒状の上側ヒートキャリア通路２２０と、この上側ヒートキャリア通路２２０の下方に連続する漏斗状（逆さ裁頭円錐台状）の下側ヒートキャリア通路２２１とを有し、上側ヒートキャリア通路２２０上面の中央部に供給口２２０ｉ、下側ヒートキャリア通路２２１下端に排出口２２１ｘ、上側ヒートキャリア通路２２０の側面に排気口２２０ｘ及び下側ヒートキャリア通路２２１の側面に熱風吹き出し口２２２ｎをそれぞれ有しているものである。特徴的には、熱風吹き出し口２２２ｎが下側ヒートキャリア通路２２１の周方向に間隔をあけて複数設けられるとともに、これら熱風吹き出し口２２２ｎの全てに連通する環状の分配供給路２２３が下側ヒートキャリア通路２２１の周囲を取り囲むように設けられており、熱風炉からの熱風は、熱風供給口２２４から分配供給路を介して各熱風吹き出し口２２２ｎに供給されるようになっている。

運転時には、ヒートキャリアは供給口２２０ｉから落下供給され、ある程度の（例えば下側部分全体にわたる）堆積状態を維持しながら自重で下降し、上側ヒートキャリア通路２２０及び下側ヒートキャリア通路２２１を通過する過程で各熱風吹き出し口２２２ｎから、つまり周方向の複数個所から吹き出される熱風と接触して加熱された後、そのまま次段の改質器に定量供給される。このように、下側ヒートキャリア通路２２１を通るヒートキャリア群に対して、周方向の複数個所から熱風が供給されると、ヒートキャリアの通過数が下側ヒートキャリア通路２２１の径の減少に伴って減少することも相まって、熱風炉からの新鮮な熱風がより多くのヒートキャリアに対して直接又はそれに近い状態で接触されるため、ヒートキャリアの加熱効率に優れるようになる。

特許４２６４５２５号公報

しかしながら、このような加熱効率に優れる構造の予熱器を使用した場合であっても、ある程度運転を継続していると、予熱器におけるヒートキャリアの加熱効率が低下することがあった。前述のとおり、予熱器における加熱効率の低下は、生成ガスにおける水素濃度の低下をもたらすものであり、生成ガスの品質を安定化するためには防止する必要がある。
そこで、本発明の主たる課題は、予熱器におけるヒートキャリアの加熱効率を維持し、もって生成ガスの品質の安定化を図ることにある。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究した結果、予熱器におけるヒートキャリアの加熱効率の低下は、熱風吹き出し口及びこれに連通する分配供給路が灰やヒートキャリアで閉塞し（特に、分配供給路の底面が図２に示すように水平である場合にこの問題が顕著となる）、ヒートキャリアに対する熱風の供給が滞ることが原因であるとの知見を得た。以下に述べ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る。

＜請求項１記載の発明＞
熱を運ぶための多数のヒートキャリアと、このヒートキャリアを加熱するための予熱器と、熱分解ガスの水蒸気改質を行うための改質器と、木質バイオマス原料を熱分解するための熱分解器と、ヒートキャリアとチャーとを分離するための分離機と、チャーを燃焼して熱風を生成する熱風炉とを備え、
前記ヒートキャリアを、前記予熱器、改質器、熱分解器及び分離機の順に通した後、移送装置により再び予熱器に戻して循環させるとともに、前記熱分解器内に木質バイオマス原料を供給し、前記改質器内に対して直接又は間接的に水蒸気を供給し、
前記熱分解器内では、前記木質バイオマス原料を、加熱されたヒートキャリアと接触させることによりチャーと熱分解ガスとに熱分解し、この熱分解により得られたチャーとヒートキャリアとの混合物は分離機へ供給し、熱分解ガスはヒートキャリアに対して向流接触しながら改質器へ供給し、
前記改質器では、前記熱分解ガスを前記ヒートキャリアにより加熱しつつ前記水蒸気と接触させることにより水素含有濃度を向上させたガスを生成し、
前記分離機では、前記熱分解器から供給される混合物をチャーとヒートキャリアとに分離し、チャーは熱風炉に供給し、ヒートキャリアは前記移送装置により前記予熱器に返送し、
前記熱風炉では、前記チャーの燃焼により熱風を生成して予熱器に供給し、
前記予熱器では、前記熱風炉から供給される熱風を、前記予熱器内を堆積状態で通過するヒートキャリア間に通して、ヒートキャリアと直接接触することによりヒートキャリアを加熱する、
ように構成した木質バイオマスのガス化システムであって；
前記予熱器は、
上下方向に沿って延在するヒートキャリア通路と、
このヒートキャリア通路の内周面に周方向に間隔をあけて複数設けられた、灰・ダストは通過するがヒートキャリアは通過しない熱風吹き出し口と、
前記ヒートキャリア通路の周囲を取り囲むように設けられた、前記熱風吹き出し口に連通する環状の分配供給路と、
この分配供給路から外部に連通する、灰・ダストの抜出口と、
を有するものである、ことを特徴とする木質バイオマスのガス化システム。

（作用効果）
本発明の予熱器では、ヒートキャリア通路において、ヒートキャリアがある程度の堆積状態を維持しながら下降し、ヒートキャリア通路を通過する過程で各熱風吹き出し口から、つまり周方向の複数個所から吹き出される熱風と接触して加熱される。このように、ヒートキャリア通路を通るヒートキャリア群に対して、周方向の複数個所から熱風が供給されると、熱風炉からの新鮮な熱風がより多くのヒートキャリアに対して直接又はそれに近い状態で接触されるため、ヒートキャリアの加熱効率に優れるようになる。
そして、特徴的には、予熱器における熱風吹き出し口、及びダストは通過するがヒートキャリアは通過しない寸法・形状にするとともに、熱風吹き出し口に連通する環状の分配供給路から外部に連通する、灰・ダストの抜出口を設けることにより、予熱器内に堆積する灰・ダストを、熱風吹き出し口、分配供給路、及び抜出口を介して除去し、熱風吹き出し口及び分配供給路における閉塞を防止できるようになる（換言すれば、熱風吹き出し口は灰取り込み口として、また分配供給路は灰落としとしての役割も担う）。よって、予熱器におけるヒートキャリアの加熱効率の経時的低下を防止でき、生成ガスの水素濃度が低下するといった事態を防止できるようになる。

＜請求項２記載の発明＞
前記分配供給路に連通する圧縮空気吹き込み口を設けた、請求項１記載の木質バイオマスのガス化システム。

（作用効果）
抜出口からの灰・ダストの取り出しは、灰掻き等の機械的手段により行ってもよいが、分配供給路に連通する圧縮空気吹き込み口を設け、ここから圧縮空気吹き込み、灰・ダストを圧縮空気に乗せて抜出口から排出するように構成すると、炉内温度に関係なく灰・ダストの抜出を実行でき、また自動的に定期実行することもできるため好ましい。

＜請求項３記載の発明＞
前記改質器は、
上下方向に沿って延在するヒートキャリア通路と、
このヒートキャリア通路の内周面に周方向に間隔をあけて複数設けられた、灰・ダストは通過するがヒートキャリアは通過しない灰・ダスト取り込み口と、
前記ヒートキャリア通路の周囲を取り囲むように設けられた、前記灰・ダスト取り込み口に連通する環状の灰・ダスト落としスペースと、
この灰・ダスト落としスペースから外部に連通する、灰・ダストの抜出口と、
を有するものである、
請求項２記載の木質バイオマスのガス化システム。

（作用効果）
灰はヒートキャリアに伴って予熱器、改質器、熱分解器の順に移動する過程で、改質器内や改質器と熱分解器との間の経路（例えば、バルブ等）にも蓄積し、ヒートキャリアの循環阻害や、改質器と熱分解器との間の経路の閉塞による熱分解器内圧の異常上昇等の問題を発生させる。この問題は、前述の予熱器における灰の除去によって軽減されるが、さらに上述のとおり改質器においても灰の除去を行うのは好ましい。これにより、予熱器で除去仕切れない灰を、改質器で除去することができ、改質器内や改質器と熱分解器との間の経路における灰の蓄積を効果的に防止できる。

＜請求項４記載の発明＞
前記分離機は、前記ヒートキャリアと等しい粒径を有する第１固形物、第１固形物より粒径が小さい第２固形物、並びに第１固形物より粒径が大きい第３固形物の三種類に分離するものであり、
前記分離機で分離した前記第１固形物、第２固形物及び第３固形物のうち、第１固形物は前記移送装置により前記予熱器に返送し、第２固形物及び第３固形物は熱風炉に供給するように構成した、
請求項３記載の木質バイオマスのガス化システム。

（作用効果）
木質バイオマス原料の寸法をある程度まで小さくすれば、原理的には、熱分解後のチャーの寸法はヒートキャリアより十分に小さくすることができ、分離機として、ヒートキャリアより小さいチャーのみを通すスクリーンを用いることにより、ヒートキャリアとチャーとを確実に分離できる。

しかし、現実には、木質バイオマス原料の粒径を破砕等により揃えるとしても限界があり、ヒートキャリアより大きなチャーの発生を避けえず、この大きな塊状のチャーがヒートキャリアとともに予熱器に送られ、予熱器内で燃焼して灰が発生してしまう。しかも、このようにして発生した灰は、予熱器の排気に伴い排出されるよりも、予熱器内、改質器内等、ヒートキャリアの循環経路内に堆積し易い。

この問題は、前述の予熱器や改質器における灰の除去によって軽減されるが、さらに上述のとおり、分離機において三種類の粒径の固形物に分離し、ヒートキャリアより大きなチャーを、ヒートキャリアより小さなチャーとともに熱風炉に送るように構成し、ヒートキャリア循環経路内の灰の堆積を抑制するのは好ましい。なお、現実には厳密な分離は困難であり、ある程度のチャーはヒートキャリアとともに予熱器に供給され、予熱器内で灰を発生させることになるため、本発明の灰の除去は極めて有効な手段である。

なお、固形物及びヒートキャリアの粒径とは、ＪＩＳＺ８８０１−１「試験用ふるい−第１部：金属製網ふるい」に規定されるふるいを用い、ＪＩＳＡ１１０２「骨材のふるい分け試験方法」に準じて測定される、ふるい分け法による粒径（ふるいの目開き）を意味する。

＜請求項５記載の発明＞
前記熱分解器におけるヒートキャリアの排出口は、前記ヒートキャリアと等しい粒径を有する第１固形物、並びに第１固形物より粒径が小さい第２固形物は通すが、第１固形物より粒径が大きい第３固形物は通さないスクリーンで覆われている、請求項３記載の木質バイオマスのガス化方法。

（作用効果）
ヒートキャリアより大きなチャーは、分離機において三種類の粒径に分離することでも解決できるが、分離機のコストや設置面積が嵩むという問題点がある。そこで、上述のとおり、熱分解器の排出口にスクリーンを設け、ヒートキャリアより大きなチャーをスクリーンで止めて熱分解器から排出させず、ヒートキャリア及びヒートキャリアより小さなチャーのみ、スクリーンを通過させるようにすれば、分離機に関係なく、ヒートキャリアより大きなチャーが予熱器に送られるのを防止できる。しかも、スクリーンで止められたヒートキャリアより大きなチャーは、熱及びヒートキャリアの移動による外力を受けて砕けていくため、最終的にはヒートキャリア以下の寸法となってスクリーンを通過するため、熱分解器の排出口が閉塞することもない。

＜請求項６記載の発明＞
熱を運ぶための多数のヒートキャリアを、ヒートキャリアを加熱するための予熱器、熱分解ガスの水蒸気改質を行うための改質器、木質バイオマス原料を熱分解するための熱分解器、及びヒートキャリアとチャーとを分離するための分離機の順に通した後、移送装置により再び予熱器に戻して循環させるとともに、
前記熱分解器内に木質バイオマス原料を供給し、且つ前記改質器内に対して直接又は間接的に水蒸気を供給し、
前記熱分解器内では、前記木質バイオマス原料を、加熱されたヒートキャリアと接触させることによりチャーと熱分解ガスとに熱分解し、この熱分解により得られたチャーとヒートキャリアとの混合物は分離機へ供給し、熱分解ガスはヒートキャリアに対して向流接触しながら改質器へ供給し、
前記改質器では、前記熱分解ガスを前記ヒートキャリアにより加熱しつつ前記水蒸気と接触させることにより水素含有濃度を向上させたガスを生成し、
前記分離機では、前記熱分解器から供給される混合物をチャーとヒートキャリアとに分離し、チャーは熱風炉に供給し、ヒートキャリアは前記移送装置により前記予熱器に返送し、
前記熱風炉では、前記チャーの燃焼により熱風を生成して予熱器に供給し、
前記予熱器では、前記熱風炉から供給される熱風を、前記予熱器内を堆積状態で通過するヒートキャリア間に通して、ヒートキャリアと直接接触することによりヒートキャリアを加熱する、
木質バイオマスのガス化方法であって；
前記予熱器として、
上下方向に沿って延在するヒートキャリア通路と、
このヒートキャリア通路の内周面に周方向に間隔をあけて複数設けられた、灰・ダストは通過するがヒートキャリアは通過しない熱風吹き出し口と、
前記ヒートキャリア通路の周囲を取り囲むように設けられた、前記熱風吹き出し口に連通する環状の分配供給路と、
この分配供給路から外部に連通する、灰・ダストの抜出口と、を有するものを用いる、
ことを特徴とする木質バイオマスのガス化方法。

（作用効果）
請求項１記載の発明と同様の作用効果が奏せられる。

以上のとおり、本発明によれば、予熱器におけるヒートキャリアの加熱効率を維持でき、もって生成ガスの品質が安定するようになる、等の利点がもたらされる。

ガス化システムのフロー図である。予熱器の縦断面図である。図１のＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。改質器の縦断面図である。図４のＣ−Ｃ断面図及びＤ−Ｄ断面図である。熱分解器の縦断面図である。図６のＥ−Ｅ断面図である。分離機の概略図である。傘状スクリーンの概略図である。分離機の概略図である。予熱器の縦断面図である。図１１のＦ−Ｆ断面図である。予熱器の破断斜視図である。

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。
本発明に係るガス化システムは、例えば図１に示される機器構成で実施することができる。すなわち、図１に示されるガス化システムは、上から順に、予熱器２、改質器３、熱分解器４、及び分離機５を直列に備えており、熱を運ぶための多数のヒートキャリア（熱担持媒体）が、予熱器２で加熱されてから改質器３、熱分解器４及び分離機５の順に通された後、バケットコンベア等の移送装置６により再び予熱器２に戻されるように構成されているものである。

ヒートキャリアとしては、粒径５〜２０ｍｍ程度、好ましくは粒径８〜１２ｍｍ程度の粒状物を用いることができ、特に球状のものが好適である。また、ヒートキャリアの素材としては、アルミナ等のように硬質で熱容量の大きなものが好適である。

木質バイオマス原料は原料ホッパ１７に貯留されており、スクリューコンベア１４やロータリーフィーダ等の適宜の定量供給装置により切り出され、例えば改質器３と熱分解器４とを繋ぐ供給管路３ｘを介して、熱分解器４の上部供給口へ連続的に定量供給される。この供給管路３ｘにはバルブ３ｂが設けられており、ヒートキャリア等の固形分の通過を停止させる等の制御が可能になっている。

木質バイオマス原料としては、特に限定されないが、間伐材や剪定枝を、φ１〜５０ｍｍ程度、Ｌ＝１〜１５０ｍｍ程度、特にヒートキャリアの粒径の１．６倍以下程度の粒径に破砕、切削、ペレット化したものを好適に用いることができる。

熱分解器４内に供給された木質バイオマスは、予熱器２から改質器３を経て供給された、加熱されたヒートキャリアと混合状態で接接触することにより、吸熱反応を起こし、チャー（固体の炭素含有残留物）と熱分解ガス（揮発性相）とに分離される。熱分解器４内の温度は適宜定めることができるが、５５０〜６５０℃程度にするのが好ましい。熱分解生成物のうち、固形分であるチャーは、ヒートキャリアとともに供給管路４ｘを介して分離機５へ供給され、気体である熱分解ガスはヒートキャリアに対して向流接触しながら改質器３へ上昇供給される。この供給管路４ｘにはバルブ４ｂ及びダンパ４ｄが設けられており、前者によりヒートキャリア等の固形分の通過を停止させる等の制御が可能になっており、後者により気体分の通過を停止させる等の制御が可能になっている。

改質器３に対しては反応媒体としての水蒸気が供給されており、熱分解ガスがヒートキャリアにより加熱されつつ水蒸気と混合接触することにより、次式の改質反応が起こり、水素含有濃度が高く、従って発熱量の高いガスが発生する。改質器３内の温度は適宜定めることができるが、改質を十分かつ確実に行うために９５０℃以上とするのが好ましい。
Ｃ_nＨ_m ＋ｎＨ₂Ｏ → ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ₂ …（１）

水蒸気は適宜の方法で供給することができるが、図示例では、貯水タンク１９の水を給水ポンプ１９ｐにより汲みだし、廃熱ボイラ（間接接触式熱交換器）７において、改質器３から別途供給される生成ガスの熱を利用して蒸気とした後、改質器３の下部から供給するようにしている。また、改質器３への水蒸気供給とともに又はこれに代えて、改質器３における改質反応に利用する水蒸気を図示するように熱分解器４を介して間接的に供給することもできる。

一方、分離機５では、熱分解器４から供給される混合物がチャーとヒートキャリアとに分離される。分離されたチャーはスクリューコンベア等の移送装置１ｉにより熱風炉１に供給され、ヒートキャリアは移送装置６により予熱器２に戻される。移送装置６から予熱器２への供給管路６ｘにはバルブ６ｂ及びダンパ６ｄが設けられており、前者によりヒートキャリア等の固形分の通過を停止させる等の制御が可能になっており、後者により気体分の通過を停止させる等の制御が可能になっている。

熱風炉１はバーナーを備えており、このバーナーを介して炉内に空気が供給されることによりチャーが燃焼し、熱風（高温排ガス）が生成される。熱風炉の運転においては、ＬＰＧ等の気体補助燃料やＢＤＦ等の液体燃料を、連続的に又は運転開始時等の必要時にバーナーに供給し、燃焼させることができる。熱風炉１で生成された熱風は予熱器２に供給される。また、熱風炉１でチャーの燃焼により生成される灰は、熱風炉１内で回収され、灰貯留部１ｐに排出される。

予熱器２では、熱風炉１から供給される熱風が、予熱器２内を堆積状態で通過するヒートキャリア間に通され、ヒートキャリアと直接接触することによりヒートキャリアが加熱される。予熱器２で加熱されたヒートキャリアは、供給管路２ｘを介して改質器３に供給される。この供給管路２ｘにはバルブ２ｂ及びダンパ２ｄが設けられており、前者によりヒートキャリア等の固形分の通過を停止させる等の制御が可能になっており、後者により気体分の通過を停止させる等の制御が可能になっている。

予熱器２でヒートキャリアの加熱利用された熱風は、誘引送風機１５により予熱器２から排気され、サイクロン等の分離手段８を介して排気に混入する灰・ダストを取り除かれた後、好適には空気加熱器（（間接接触式熱交換器））９において熱風炉１へ供給する空気の加熱に利用した後、大気に放出される。なお、空気加熱器９における予熱に先立って、予熱器（間接接触式の熱交換器）９ｉを利用して水蒸気（前述の方法により製造し、供給できる）と熱交換し、予熱しておくとより好ましい。

改質器３で生成された水素高含有の生成ガスは、図示例では、誘引送風機１１により改質器３からガス処理・利用設備に送出され、廃熱ボイラ７で２５０℃程度まで冷却され、続いて湿式スクラバー１０に供給されてダストが除去されるとともに４０℃程度まで冷却された後、ガスホルダ１２に貯留されるようになっている。なお、図示例の湿式スクラバー１０は、上部から散水した洗浄水を下部から排出し、冷却器（間接接触式の熱交換器）１０ｃで冷却した後、再度上部から散水するものであり、符号１０ｐは洗浄水循環ポンプを示しており、符号１０ｄは冷却器に対する冷却水の循環を行う冷却水循環ポンプを示しており、符号１０ｔは冷却水を水により冷却する冷却塔を示しており、符号１８は洗浄水を排水処理する排水処理装置を示している。

生成されるガスの利用形態は特に限定されるものではないが、図示するように、ガスエンジン発電機１３を用いて電力に変換するのも一つの好ましい形態である。また、生成ガスの一部を、熱風炉１の補助燃料として使用するのも好ましい形態である。

（予熱器）
本発明では、予熱器２は例えば図２及び図３に示されるような灰除去手段を有するものとされる。すなわち、図２及び図３に示される予熱器２は、上下方向に沿う円筒状の上側ヒートキャリア通路２０と、この上側ヒートキャリア通路２０の下方に連続する漏斗状（逆さ裁頭円錐台状。下側に向かうにつれて径が小さくなる形状であればよい。）の下側ヒートキャリア通路２１とを有し、上側ヒートキャリア通路２０上面の中央部に供給口２０ｉ、下側ヒートキャリア通路２１下端に排出口２１ｘ、上側ヒートキャリア通路２０の側面に排気口２０ｘ及び下側ヒートキャリア通路２１の側面に熱風吹き出し口２２ｎをそれぞれ有しているものである。

図示例では、下側ヒートキャリア通路２１は、パンチングメタル等のように多数の透過孔２２ｎが全面に形成された漏斗状部材２２により形成されており、この漏斗状部材２２の外側を取り囲むように環状スペース２３が形成され、この環状スペース２３の側面に外部からの熱風供給口２４が連通されており、漏斗状部材２２の透過孔２２ｎが熱風吹き出し口となり、環状スペース２３が熱風吹き出し口２２ｎの全てに連通する分配供給路となる。漏斗状部材２２はニッケル合金等の耐熱金属又はアルミナセラミックス等の耐熱セラミックスにより、また、上側ヒートキャリア通路２０及び環状スペース２３の周壁はアルミナセラミックス等の耐熱セラミクス材により形成することができ、予熱器２の外面は鉄皮により形成することができる。

予熱器２では、上側及び下側ヒートキャリア通路２０，２１において、ヒートキャリアがある程度の堆積状態を維持しながら下降し、下側ヒートキャリア通路２１を通過する過程で各熱風吹き出し口２２ｎから、つまり周方向の複数個所から吹き出される熱風と接触して加熱される。このように、下側ヒートキャリア通路２１を通るヒートキャリア群に対して、周方向の複数個所から熱風が供給されると、ヒートキャリアの通過数が下側ヒートキャリア通路２１の径の減少に伴って減少することも相まって、熱風炉１からの新鮮な熱風がより多くのヒートキャリアに対して直接又はそれに近い状態で接触されるため、ヒートキャリアの加熱効率に優れるようになる。

そして特徴的には、漏斗状部材２２の透過孔２２ｎの寸法は、灰・ダストは通過するがヒートキャリアは通過しないように設定されるとともに、分配供給路である環状スペース２３から外部に連通する灰・ダストの抜出口２５が形成されている。漏斗状部材２２の透過孔２２ｎの形状は、図示例のような円状の他、楕円状、三角形状等、適宜の形状とすることができる。透過孔２２ｎの寸法は、ヒートキャリアの寸法に応じて適宜定めることができ、例えば、透過孔２２ｎの直径（円孔の場合は直径を意味し、その他の形状（楕円孔等）の場合は短径（直径のうち最も短いものを意味する）が、ヒートキャリアの粒径未満、特に７０％以下とすることができる。また、灰・ダストの抜出口の下端は環状スペース２３の下端に合わせるのが好ましい。さらに、抜出口２５は環状スペース２３の側面から水平方向に沿って延在しているのが好ましい。

このような抜出口２５を有することにより、予熱器２内に堆積する灰・ダストを抜出口２５を介して除去し、熱風吹き出し口２２ｎ及び分配供給路２３の閉塞を防止できるようになる。よって、予熱器２におけるヒートキャリアの加熱効率の経時的低下を防止でき、生成ガスの水素濃度が低下するといった事態を防止できるようになる。

なお、抜出口２５からの灰・ダストの取り出しは、灰掻き等の機械的手段により行ってもよいが、作業が煩雑となるため、図示例のように、分配供給路２３に連通する圧縮空気吹き込み口２６を設け、ここから圧縮空気吹き込み、灰・ダストを圧縮空気に乗せて抜出口２５から排出するように構成すると、炉内温度に関係なく灰・ダストの抜出を実行でき、また自動的に定期実行することもできるため好ましい。吹き込み口２６の数、位置及び吹き込み方向は適宜定めることができるが、図示例のように、環状の分配供給路２３における抜出口２５に対して反対側の位置の側面に設けるのが好ましい。特に、吹き込み口２６を周方向に複数（図示例では２つ）並設し、図中に矢印で示すように、一方の吹き込み口２６からの圧縮空気を環状の分配供給路２３の一方側から、また、他方の吹き込み口２６からの圧縮空気を環状の分配供給路２３の他方側から、それぞれ抜出口２５に向けて回りこませるようにすると、分配供給路２３内の灰・ダストを円滑に抜出口２５へ送り出すことができるため好ましい。予熱器２における圧縮空気による灰の排出はガス化運転を行っていないときに実施する他、ガス化運転中にも実施できる。圧縮空気による灰の排出を行う場合は、予熱器２内温度を低下させないために、供給する圧縮空気を、例えば熱風炉１への供給空気と同様の廃熱との熱交換等、適宜の加熱手段により予め改質器３内温度又は近傍まで加熱してから供給することができる。

（改質器）
灰はヒートキャリアに伴って予熱器２、改質器３、熱分解器４の順に移動する過程で、改質器３内や改質器３と熱分解器４との間の経路（例えば、バルブ等）にも蓄積し、ヒートキャリアの循環阻害や、改質器３と熱分解器４との間の経路の閉塞による熱分解器４内圧の異常上昇等の問題を発生させる。この問題は、前述の予熱器２における灰の除去によって軽減されるが、さらに改質器３においても灰除去手段を設けると、より好ましい。

図４及び図５は、予熱器２と同様の灰除去手段を有する改質器３の一例を示している。すなわち、この改質器３は、上下方向に沿う円筒状の上側ヒートキャリア通路３０と、この上側ヒートキャリア通路３０の下方に連続する漏斗状（逆さ裁頭円錐台状。下側に向かうにつれて径が小さくなる形状であればよい。）の下側ヒートキャリア通路３１とを有し、上側ヒートキャリア通路３０上面の中央部に供給口３０ｉ、下側ヒートキャリア通路３１下端にガス導入兼ヒートキャリア排出口３１ｘ、上側ヒートキャリア通路３０の側面に改質ガス排出口３０ｘ、及び下側ヒートキャリア通路３１下端部に連通する水蒸気注入口３７をそれぞれ有しているものである。

改質器３では、予熱器２で十分に加熱されたヒートキャリアが上部供給口３０ｉから供給され、ある程度の堆積状態を維持しながら上側及び下側ヒートキャリア通路３０，３１を下降しつつ、改質器３内を改質反応温度に維持する。この温度条件下で、改質器３内に導入される熱分解ガス及び水蒸気が前述の改質反応を起こし、水素高含有の改質ガスが生成し、改質ガス排出口３０ｘを介してガス処理・利用設備へ供給される。

特徴的には、図示例の改質器３では、下側ヒートキャリア通路３１は、パンチングメタル等のように多数の透過孔３２ｎが全面に形成された漏斗状部材３２により形成されている。漏斗状部材３２の透過孔３２ｎの寸法は、灰・ダストは通過するがヒートキャリアは通過しないように設定されるとともに、漏斗状部材３２の外側を取り囲むように環状スペース３３が形成され、この環状スペース３３の側面から外部に連通する灰・ダストの抜出口３５が形成されている。漏斗状部材３２の透過孔３２ｎは灰・ダスト取り込み口となり、環状スペース３３が灰・ダスト取り込み口３２ｎの全てに連通する灰・ダスト落としスペースとなる。このような灰・ダスト取り込み口３２ｎ、灰・ダスト落としスペース３３、及び抜出口３５を有することにより、予熱器２で除去仕切れない灰を、改質器３で除去することができ、改質器３内や改質器３と熱分解器４との間の経路における灰の蓄積を効果的に防止できる。

漏斗状部材３２はニッケル合金等の耐熱金属又はアルミナセラミックス等の耐熱セラミックスにより、また、上側ヒートキャリア通路３０及び環状スペース３３の周壁は耐熱セラミックス材により形成することができ、改質器３の外面は鉄皮により形成することができる。

漏斗状部材３２の透過孔３２ｎの形状や寸法等、灰・ダストの抜出口３５の位置や向き等は、予熱器２の場合と同様の改変が可能である。また、予熱器２の場合と同様に、抜出口３５からの灰・ダストの取り出しを容易にするために、灰・ダスト落としスペース３３に連通する圧縮空気吹き込み口３６を設け、灰・ダスト落としスペース３３に圧縮空気を吹き込んで抜出口３５から排出するように構成することもできる。改質器３における圧縮空気による灰の排出はガス化運転を行っていないときに実施する。灰の排出を行う場合に、改質器３内温度を低下させないために、供給する圧縮空気を、例えば熱風炉１への供給空気と同様の廃熱との熱交換等、適宜の加熱手段により予め改質器３内温度又は近傍まで加熱してから供給することができる。圧縮空気吹き込み口３６の位置や向き等は、予熱器２の場合と同様の改変が可能である。図示例では、予熱器２と同様の吹き込み口配置に対してさらに両側の吹き込み口３６間の中央に吹き込み口３６を追加している。

（分離機）
分離機５は特に限定されるものではなく、回転篩、振動篩等を好適に用いることができる。このようなスクリーンによる分離機５を用いる場合、熱分解後のチャーの寸法がヒートキャリアより十分に小さければ、ヒートキャリアより小さいチャーのみを通すスクリーンを用いることにより、ヒートキャリアとチャーとを確実に分離できる。しかし、現実には、木質バイオマス原料の粒径を破砕等により揃えるとしても限界があり、ヒートキャリアより大きなチャーの発生を避けえず、この大きな塊状のチャーがヒートキャリアとともに予熱器２に送られ、予熱器２内で燃焼して灰が発生してしまう。しかも、このようにして発生した灰は、予熱器２の排気に伴い排出されるよりも、予熱器２内、改質器３内等、ヒートキャリアの循環経路内に堆積し易い。

そこで、図８に示すように、分離機５として、ヒートキャリアと等しい粒径を有する第１固形物（主にヒートキャリア）、第１固形物より粒径が小さい第２固形物（主に小さいチャー）、並びに第１固形物より粒径が大きい第３固形物（主に大きいチャー）の三種類に分離するものを用い、分離機５で分離した第１固形物、第２固形物及び第３固形物のうち、第１固形物は移送装置６により予熱器２に返送し、第２固形物及び第３固形物は熱風炉１に供給するように構成するのも好ましい形態である。

分離機５において三種類の粒径の固形物に分離し、ヒートキャリアより大きなチャーを、ヒートキャリアより小さなチャーとともに熱風炉１に送るように構成し、ヒートキャリア循環経路内の灰の堆積を抑制するのは好ましい。なお、現実には厳密な分離は困難であり、ある程度のチャーはヒートキャリアとともに予熱器２に供給され、予熱器２内で灰を発生させることになるため、本発明の灰の除去は極めて有効な手段である。

分離機５の形態は特に限定されるものではないが、例えば図示のような、第１固形物及び第２固形物は通すが第３固形物は通さない円筒状内側スクリーン５０と、第２固形物は通すが第１固形物及び第３固形物は通さない、内側スクリーン５０より大径の円筒状外側スクリーン５１とを有する、２段スクリーンタイプの回転篩５を用いることができる。この回転篩５は、各スクリーン５０，５１内に供給された分離対象物が、各スクリーン５０，５１の軸心が水平方向に対して僅かに傾斜していること（これとともに又はこれに代えて、スクリーン５０，５１の内周面に螺旋方向に沿う羽根を突出させ、この羽根がスクリーン５０，５１の回転に伴い回転することにより、スクリューコンベアのように分離対象物が移送される構成としても良い。）、並びに各スクリーン５０，５１が軸心周りに回転されることにより、各スクリーン５０，５１の回転方向及び軸心の傾斜方向下側に移動しつつ、各スクリーン５０，５１を通過するものと、通過しないものとに分離されることを基本原理とするものである。そして、本例では、内側スクリーン５０の一端側に、分離対象であるチャー及びヒートキャリアを供給すると、そのうち第１固形物及び第２固形物は内側スクリーン５０を通過して外側スクリーン５１内に供給され、第３固形物は内側スクリーン５０を通過せずに内側スクリーン５０の他端側に移動し、内側スクリーン５０の他端側開口より回収され、外側スクリーン５１内に供給された第１固形物及び第２固形物のうち、第２固形物は外側スクリーン５１を通過して回収され、第１固形物は外側スクリーン５１を通過せずに外側スクリーン５１の他端側に移動し、外側スクリーン５１の他端側開口より回収されるようになっている。

（熱分解器）
ヒートキャリアより大きなチャーは、分離機５において三種類の粒径に分離することでも解決できるが、分離機５のコストや設置面積が嵩むという問題点がある。そこで、図６及び図７に示すように、熱分解器４におけるヒートキャリアの排出口４１ｘは、ヒートキャリアと等しい粒径を有する第１固形物、並びに第１固形物より粒径が小さい第２固形物は通すが、第１固形物より粒径が大きい第３固形物は通さないスクリーン４２で覆うのも好ましい形態である。より詳細には、図示例の熱分解器４は、上下方向に沿う円筒状の上側通路４０と、この上側通路４０の下方に連続する漏斗状（逆さ裁頭円錐台状。下側に向かうにつれて径が小さくなる形状であればよい。）の下側通路４１とを有し、上側通路４０上面の中央部に供給口４０ｉ、下側通路４１下端に、スクリーン４２で覆われた排出口４１ｘ、下側通路４１の側面に水蒸気吹き込み口４４をそれぞれ有しているものである。

このような排出口スクリーン４２を設けることにより、ヒートキャリアより大きなチャーをスクリーン４２で止めて熱分解器４から排出させず、ヒートキャリア及びヒートキャリアより小さなチャーのみ、スクリーン４２を通過させることができ、分離機５によらずに（つまり、ヒートキャリアより小さいチャーのみを通す篩装置のように簡素な分離機５を用いても）、ヒートキャリアより大きなチャーが予熱器２に送られるのを防止できる。しかも、スクリーン４２で止められたヒートキャリアより大きなチャーは、熱及びヒートキャリアの移動による外力を受けて砕けていくため、最終的にはヒートキャリア以下の寸法となってスクリーン４２を通過するため、熱分解器４の排出口が閉塞することもない。

排出口スクリーン４２の形状等は適宜定めることができ、平坦なパンチングメタルであっても良いが、図９（ａ）に示すように、排出口４１ｘ側に向かうにつれて直径が拡大する傘状（図示例では円錐状となっているが角錐状、ドーム状等にすることもできる）体の側面に、排出口４１ｘ側に向かうにつれて開口幅が拡大する通過孔４２ｎ（図示例では二等辺三角形状となっているが滴状等の適宜の形状とすることもできる）を周方向に所定の間隔で設けたものが好適である。このような傘状スクリーン４２においては、熱分解器４内を下降する固形物がスクリーン４２の側面の通過孔４２ｎにスムーズに移動することができる。また、このスクリーン４２の側面の通過孔４２ｎは、排出口側に向かうにつれて開口幅が拡大する形状となっているため、スクリーン４２側面に沿って接触しながら下降する固形物は、通過孔４２ｎに引っ掛かり難く、円滑な分離が可能となる。

この他にも、例えば図９（ｂ）に示すように、通過孔を有しない上面と、上下方向に沿って所定幅で延在する通過孔４２ｎが周方向に間隔を空けて形成された周面と、排出口４１ｘに連通する開口底面とを備えた円筒状のスクリーン４２を用いることもできる。

他方、排出口スクリーン４２を設ける場合、分離機５としては、第１固形物及び第２固形物の二種類に分離するものを用い、分離機５で分離した第１固形物及び第２固形物のうち、第１固形物は移送装置６により予熱器２に返送し、第２固形物は熱風炉１に供給するように構成すると、設備がより簡素となるため好ましい。しかしもちろん、前述の三種類に分離するものを用いても、多重分離による分離性能向上効果はもたらされる。この場合における分離機５の形態は特に限定されるものではないが、例えば図１０に示されるような、第２固形物は通すが第１固形物は通さない円筒状スクリーン５２を有する回転篩５を用いることができる。この回転篩５において、スクリーン５２の一端側に、分離対象であるチャー及びヒートキャリアを供給すると、スクリーン５２の軸心が水平方向に対して僅かに傾斜していること、（これとともに又はこれに代えて、スクリーン５０，５１の内周面に螺旋方向に沿う羽根を突出させ、この羽根がスクリーン５０，５１の回転に伴い回転することにより、スクリューコンベアのように分離対象物が移送される構成としても良い。）、並びにスクリーン５２が軸心周りに回転されることにより、第２固形物はスクリーン５２を通過して回収され、第１固形物は外側スクリーン５２を通過せずに外側スクリーン５２の他端側に移動し、外側スクリーン５２の他端側開口より回収されるようになっている。

本発明は、木質バイオマスのガス化に利用できるものである。

１…熱風炉、２…予熱器、３…改質器、４…熱分解器、５…分離機、６…移送装置。

Claims

熱を運ぶための多数のヒートキャリアと、このヒートキャリアを加熱するための予熱器と、熱分解ガスの水蒸気改質を行うための改質器と、木質バイオマス原料を熱分解するための熱分解器と、ヒートキャリアとチャーとを分離するための分離機と、チャーを燃焼して熱風を生成する熱風炉とを備え、
前記ヒートキャリアを、前記予熱器、改質器、熱分解器及び分離機の順に通した後、移送装置により再び予熱器に戻して循環させるとともに、前記熱分解器内に木質バイオマス原料を供給し、前記改質器内に対して直接又は間接的に水蒸気を供給し、
前記熱分解器内では、前記木質バイオマス原料を、加熱されたヒートキャリアと接触させることによりチャーと熱分解ガスとに熱分解し、この熱分解により得られたチャーとヒートキャリアとの混合物は分離機へ供給し、熱分解ガスはヒートキャリアに対して向流接触しながら改質器へ供給し、
前記改質器では、前記熱分解ガスを前記ヒートキャリアにより加熱しつつ前記水蒸気と接触させることにより水素含有濃度を向上させたガスを生成し、
前記分離機では、前記熱分解器から供給される混合物をチャーとヒートキャリアとに分離し、チャーは熱風炉に供給し、ヒートキャリアは前記移送装置により前記予熱器に返送し、
前記熱風炉では、前記チャーの燃焼により熱風を生成して予熱器に供給し、
前記予熱器では、前記熱風炉から供給される熱風を、前記予熱器内を堆積状態で通過するヒートキャリア間に通して、ヒートキャリアと直接接触することによりヒートキャリアを加熱する、
ように構成した木質バイオマスのガス化システムであって；
前記予熱器は、
上下方向に沿って延在するヒートキャリア通路と、
このヒートキャリア通路の内周面に周方向に間隔をあけて複数設けられた、灰・ダストは通過するがヒートキャリアは通過しない熱風吹き出し口と、
前記ヒートキャリア通路の周囲を取り囲むように設けられた、前記熱風吹き出し口に連通する環状の分配供給路と、
この分配供給路から外部に連通する、灰・ダストの抜出口と、
を有するものである、ことを特徴とする木質バイオマスのガス化システム。
前記分配供給路に連通する圧縮空気吹き込み口を設けた、請求項１記載の木質バイオマスのガス化システム。
前記改質器は、
上下方向に沿って延在するヒートキャリア通路と、
このヒートキャリア通路の内周面に周方向に間隔をあけて複数設けられた、灰・ダストは通過するがヒートキャリアは通過しない灰・ダスト取り込み口と、
前記ヒートキャリア通路の周囲を取り囲むように設けられた、前記灰・ダスト取り込み口に連通する環状の灰・ダスト落としスペースと、
この灰・ダスト落としスペースから外部に連通する、灰・ダストの抜出口と、
を有するものである、
請求項２記載の木質バイオマスのガス化システム。
前記分離機は、前記ヒートキャリアと等しい粒径を有する第１固形物、第１固形物より粒径が小さい第２固形物、並びに第１固形物より粒径が大きい第３固形物の三種類に分離するものであり、
前記分離機で分離した前記第１固形物、第２固形物及び第３固形物のうち、第１固形物は前記移送装置により前記予熱器に返送し、第２固形物及び第３固形物は熱風炉に供給するように構成した、
請求項３記載の木質バイオマスのガス化システム。
前記熱分解器におけるヒートキャリアの排出口は、前記ヒートキャリアと等しい粒径を有する第１固形物、並びに第１固形物より粒径が小さい第２固形物は通すが、第１固形物より粒径が大きい第３固形物は通さないスクリーンで覆われている、請求項３記載の木質バイオマスのガス化方法。
熱を運ぶための多数のヒートキャリアを、ヒートキャリアを加熱するための予熱器、熱分解ガスの水蒸気改質を行うための改質器、木質バイオマス原料を熱分解するための熱分解器、及びヒートキャリアとチャーとを分離するための分離機の順に通した後、移送装置により再び予熱器に戻して循環させるとともに、
前記熱分解器内に木質バイオマス原料を供給し、且つ前記改質器内に対して直接又は間接的に水蒸気を供給し、
前記熱分解器内では、前記木質バイオマス原料を、加熱されたヒートキャリアと接触させることによりチャーと熱分解ガスとに熱分解し、この熱分解により得られたチャーとヒートキャリアとの混合物は分離機へ供給し、熱分解ガスはヒートキャリアに対して向流接触しながら改質器へ供給し、
前記改質器では、前記熱分解ガスを前記ヒートキャリアにより加熱しつつ前記水蒸気と接触させることにより水素含有濃度を向上させたガスを生成し、
前記分離機では、前記熱分解器から供給される混合物をチャーとヒートキャリアとに分離し、チャーは熱風炉に供給し、ヒートキャリアは前記移送装置により前記予熱器に返送し、
前記熱風炉では、前記チャーの燃焼により熱風を生成して予熱器に供給し、
前記予熱器では、前記熱風炉から供給される熱風を、前記予熱器内を堆積状態で通過するヒートキャリア間に通して、ヒートキャリアと直接接触することによりヒートキャリアを加熱する、
木質バイオマスのガス化方法であって；
前記予熱器として、
上下方向に沿って延在するヒートキャリア通路と、
このヒートキャリア通路の内周面に周方向に間隔をあけて複数設けられた、灰・ダストは通過するがヒートキャリアは通過しない熱風吹き出し口と、
前記ヒートキャリア通路の周囲を取り囲むように設けられた、前記熱風吹き出し口に連通する環状の分配供給路と、
この分配供給路から外部に連通する、灰・ダストの抜出口と、を有するものを用いる、
ことを特徴とする木質バイオマスのガス化方法。