JP2011236394A - 木質ガス発生炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 バイオガスを有効に活用するために、原料は豊富であるが、発熱量が低い木質ガスを改質して高エネルギー化するとともに、タール分によって配管が詰まりやすい発生装置の問題点を改良する。
【解決手段】 炉体を水冷する熱を活用するとともに、発生ガスの熱を使って水蒸気を発生する。この水蒸気を用いて、主成分が一酸化炭素である木質ガスを改質し、可燃性ガス（水素、一酸化炭素）の含有比率を高めるとともに、不燃性ガス（窒素）を減らすことで発熱量を増す。この熱交換の過程で発生ガス中に含まれるタール分を凝縮し熱分解する。
【選択図】図３

Description

本発明は、木材や廃木材を乾留して得られる主成分が一酸化炭素である木質ガスを、水蒸気改質することによって可燃性ガス（水素、一酸化炭素）の含有比率を高め、同時に不燃性ガス（窒素）を減らすことで、発熱量を増す装置に関する。

バイオエタノール、バイオジーゼル油、バイオガスなど様々の石油代替燃料が開発されている。それらの長所は燃料を国内で生産できることと、カーボンオフセット制度により、発生する二酸化炭素が排出量に加算されないことである。一方、バイオエタノールは原料の多くが食料と重なること、燃料油にバイオジーゼル油を混ぜた車両は公道を走ることができないこと、バイオガスの多くは発酵法によるので、し尿や廃棄食品などに原料が偏ることなどの問題がある。

上記のバイオ燃料のような問題がなく、量も豊富な燃料源として木材がある。
木材からエネルギーを得るには以下の３通りの方法がある。▲１▼固体燃料として、そのまま、あるいは木炭化して燃焼する。▲２▼液体燃料としてエタノール化する。
▲３▼気体燃料としてガス化する。

バイオマスエネルギーの利用形態として汎用性があるのは熱よりも電気である。
発電用燃料としての観点から木材を考えると、▲１▼の固体燃料は蒸気機関以外には適用できない。しかしながら発電量が５００ｋＷ以下の小型蒸気タービン発電機は入手が困難であり、また小型蒸気機関を製作しても熱効率を１０％以上に高めることができないので実用性はきわめて低い。

一方、原理的には発酵法によって木材をメタンガス化、メタノール化することが可能なのでレシプロエンジン発電をすれば容易に電気エネルギーが得られる。
しかし、木材の構成要素であるセルロースはきわめて安定な物質なので、酵素、菌類による工業的な分解は困難であって実用化されていない。

このような理由で、木質ガスとしては木炭を不完全燃焼させて発生せさる「木炭ガス」が用いられてきた。この方法による木炭自動車は終戦後の一時期に広く用いられたが、木炭ガスは発熱量が低くエンジンが力不足のために使用された期間は短かった。

木炭ガスの主成分は一酸化炭素であって、その発熱量が低いために木炭自動車は普及しなかったように思われているが、燃焼による一酸化炭素と水素の発熱量はほぼ等しく、共に約６８ｋｃａｌ／ｍｏｌである。地球環境問題の観点から排気ガスが水のみの水素ガスエンジンは脚光を浴びているが、木炭ガスエンジンは過去の技術と見られて久しい。しかし、木炭ガスエンジンが発するＣＯ_２はカーボンニュートラルにより無視されるので、環境負荷の観点から両方の燃料は同等と言える。
木質ガスを有効に活用するために解決が必要な問題点は以下の２点である。
▲１▼木炭ガスの最大の難点である低発熱量の改善。
▲２▼廃材や間伐材などの木材を原料にする場合に生じるタール分の処理。

木質ガスの発生効率あるいは改質による発熱量関を向上させる技術に関して、次の文献が公表されている。特許文献１は木材、塩化ビニル樹脂を密閉、乾留して木炭化させ、それを放熱する時の熱を木材予備加熱の熱源とするものである。
この技術は木材を炭化し赤熱した後に放熱する際の熱を利用するものである。
特許文献２は高炉に廃棄物を投入し、発生する二酸化炭素を、カーボン・ソリューション反応により炉内の二酸化炭素を、燃料となる一酸化炭素に変える。
この時に、炉の羽口より空気とともに投入した水や水蒸気は炭素と反応して、水素ガスと一酸化炭素に変える技術である。この方法は高炉に水や水蒸気を吹き込むきわめて大がかりな内容である。
特許文献３は、ガス化炉で精製された熱を冷却塔で回収して、ガス改質炉に供給する水蒸気を生成する。熱を回収するために冷却塔を用い、ここで冷却された生成ガスに洗浄水を散布してタール分を除去するとしている。本方法は改質に用いる水蒸気を得るために冷却塔を必要とする。
特許公開２０００−３１９６６１ 特許公開２００２−１６８４２２ 特許公開２００８−２２２９７８

木炭ガスは（１）の反応で生成する一酸化炭素ＣＯが燃料となる。
２Ｃ＋Ｏ_２→２ＣＯ （１）
Ｃは乾留によって得られる木炭であり、Ｏ_２は空気中の酸素である。空気の７９％は窒素なので平均的な組成の木炭ガスは６２％の窒素を含み、これが低発熱量の原因となっている。そこで昔の都市ガスは発熱量を増すために（２）式の反応による水成ガスを用いた。
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２ （２）
平均的な組成の水成ガス中の窒素は５％程度に低減するので、木炭ガスよりも発熱量が増す。しかし（２）式は赤熱した木炭、コークスやススと水蒸気が反応する場合であって、木材を燃焼させる場合は燃焼ガス中のＣＯと水蒸気を反応させる（３）式（水性ガスシフト反応）を利用する必要がある。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ （３）

燃焼空気量によって（１）の反応を制御し、燃焼ガスと水蒸気を（２）、（３）式のように反応させるとＣＯとＨ_２を等量程度含む水性ガスが得られる。ここで重要な因子は（２）式、（３）式が起きる温度である。
（２）式のエンタルピー、エントロピーを計算するとそれぞれ１３１ｋＪと０．１３３ｋＪ／Ｋとなる。これらの値を用いて（２）式の反応率（式が右側に進む割合）と温度の関係を求めると図１のような結果が得られる。図１によれば（２）の水性ガス反応を進めるには１０００℃付近の高温が必要なことが分かる。

次に、（３）式のエンタルピー、エントロピーを計算するとそれぞれ−４１ｋＪと０．０４ｋＪ／Ｋとなる。これらの値を用いて（３）式の反応率（式が右側に進む割合）と温度の関係を求めると図２のような結果が得られる。図２によると（３）式の水性ガスシフト反応によってＣＯ：Ｈ_２＝０．５：０．５にするには７１０℃、Ｈ_２の比率を高めて０．４：０．６にするには５７０℃にガスの温度を下げる必要がある。このようにして得られる水性ガスをエンジンに供給するには、さらに温度を室温付近まで下げる必要がある。

木質ガスの発熱量を増すために（２）、（３）式の反応を有効に活用するには、反応に必要な水蒸気を得ることと、生成するガスの温度を下げることが必要である。さらに、木材を乾留する場合に生じるタール分は配管内で固化してエンジントラブルを起こすので、その有効な処理も不可欠である。

本発明は、上記のような知見から、
１）木材のガス化おいて、発生ガスを一度目の水冷によりタール分を液化した後に、加熱することによってタール分を熱分解し、この後、二度目の冷却をして低い温度で水蒸気と反応させる。これによって木質ガスの水素：一酸化炭素の比率を高める。
２）発生ガスの水冷と、炉体の水冷により発生する水蒸気を用いて、木質ガスの改質と、水蒸気を熱源に原料木材を乾燥することを特徴とする木材ガス化炉を提供する。

本発明は木質ガスに対して、（２）式の水性ガス反応と（３）式の水性ガスシフト反応を適用することで、発熱量が低い問題を改善する。これらの反応に必要な水蒸気は炉体の水冷と、発生ガスの水冷によって得るので、熱交換器や個別の水蒸気発生装置を必要としない。これにより装置を小型化できる。

さらに発生ガスを水冷することで（３）式に示す水性ガスシフト反応に適する温度域に発生ガスを冷却することができる。

木質ガスに付随して発生するタール分は配管を詰まらせる問題がある。本発明は木質ガスを、まず冷却してタール分を液化し、次にこれを加熱分解することで有効に除去できる。

本発明の実施の形態を図によって説明する。

木質ガス発生炉の構成を図３に示す。１は炉室であり、ここで原料の木材２を乾留して木質ガスを発生する。炉壁は冷却水３によって水冷される。炉の熱によって冷却水は加熱され水蒸気７を発生する。水蒸気の一部は炉内に吹き込んで水性ガス反応を起こすと共に、別途、水性ガスシフト反応に使われる。また、残りの水蒸気９は燃料用木材の乾燥熱源に利用する。炉内には流量を制御しながら空気４が吹き込まれる。炉体には密閉した扉５が取り付けられ、ここから原料の木材を投入する。

乾留によって発生する木質ガスは、木質ガス取り出し管６によって炉外に取り出される。この管は一度冷却水の中を通過することで、その熱を冷却水に与えて水温を上げるとともに、木質ガスの温度を低下させる。この過程で木質ガス中のタール分が凝縮し、管の底部に流下する。管底部は再度、炉内を通過させて高温に保つことでタール分は熱分解し木質ガスの一部となる。こうしてタール分を分解除去した木質ガスはまた冷却水中を通過して、冷却水を加熱するとともに、木質ガスの温度を水性ガスシフト反応に適する温度域まで低下させる。

水蒸気と、タール分を分解除去した木質ガス８は水蒸気とともに反応管１０に導入し、この中で水性ガスシフト反応を起こしてＣＯ：Ｈ_２の比率を高める。この中には反応触媒１１として公知である鉄−クロム、あるいは銅−亜鉛などの金属粒が詰められている。

廃木材は利用価値が低く処理費用もかかるので廃棄される場合が多い。廃棄場所が不足する時は燃焼処理されているが、熱の有効利用はほとんどなされていない。その理由として廃木材は水分が多くて発熱量が少ないことと、燃焼によって得られる熱を有効に利用する需要が少なく、特に熱を小規模発電によって電気に効率よく変換する技術がないことが挙げられる。
本発明によれば木質ガス発生装置を小型化するとともに、発生ガス中の窒素を減らし、さらに水素の含有率を増すことで発熱量を高めることができる。またガス化の際に大きな問題となるタール分も加熱分解することができる。さらに無駄に廃棄される排熱によって水蒸気を発生さるので熱交換器は不要である。このようにして発生する水蒸気は木質ガスの改質に使うとともに、原料木材の加熱乾燥に使うことができる。

（２）式の水性ガス反応Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２が生じる温度と反応率を示す図である。 （３）式の水性ガスシフト反応ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ が生じる温度と反応率を示す図である。 本発明の構成を示す図である。

１・・・炉室、２・・・木材、３・・・冷却水、４・・・空気、５・・・扉、６・・・木質ガス取り出し管、７・・・水蒸気、８・・・木質ガス、９・・・加熱用の水蒸気、１０・・・木質ガスと水蒸気の反応管、１１・・・反応触媒

Claims (2)

1. 木材のガス化おいて、発生ガスを一度目の水冷によりタール分を液化した後に、加熱することによりタール分を熱分解し、この後二度目の冷却をして低い温度で水蒸気と反応させることで木質ガスの水素：一酸化炭素の比率を高めることを特徴とする木質ガス発生炉。
2. 発生ガスの水冷と、炉体の水冷により発生する水蒸気を用いて、木質ガスの改質と、水蒸気を熱源に原料木材を乾燥することを特徴とする請求項１に記載の木質ガス発生炉。