JP2013241487A

JP2013241487A - バイオマス炭化・ガス化システム

Info

Publication number: JP2013241487A
Application number: JP2012113756A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Shoji; 哲也庄司; Madoka Otaka; 円大高; Kazuyoshi Ichikawa; 和芳市川
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2013-12-05

Abstract

【課題】バイオマス炭化ガス化のプロセス内での反応を利用することで設備の追加等を極力押さえて低廉で合理的なタール分低減効果を得るバイオマス炭化・ガス化システムを提供する。
【解決手段】バイオマス燃料を熱分解して炭化物を生成させる炭化機１と、炭化物をガス化する高温ガス化部であるコンバスタ２Ａおよび炭化物の生成時に揮発したタール分を含む可燃性の熱分解ガスの改質を行うガス改質部であるリダクタ２Ｂを有する２段式のガス化炉２とを有するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、炭化機１からガス化炉２のコンバスタ２Ａに供給される炭化物とリダクタ２Ｂから排出される生成ガスとを接触させるタール吸着手段３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はバイオマス炭化・ガス化システムに関し、特に可及的にタール分が少ない清浄な生成ガスを必要とするガスエンジンを駆動する場合に適用して有用なものである。

近年、バイオマスを炭化・ガス化し、得られた生成ガスを利用してガスエンジン等を駆動して高効率の発電を行う技術が注目されている（例えば、特許文献１参照）。かかるバイオマス炭化ガス化技術において、生成ガスをガスエンジンに導入して発電を行わせる場合には、最終的に生成ガスを冷却するなどしてタール分を除去する必要がある。タール分の含有量が多いままの生成ガスを利用すると発電装置の健全性を損なう等の不都合を生起するからである。

そこで、従来技術に係るタール分の除去方法として、物理的方法および化学的方法がそれぞれ提案されている。物理的方法は、タール分を活性炭や砂等に吸着除去したり、生成ガスを油中にバブリングさせてタール分を溶解除去するというものである。また、化学的方法は、ガス化炉におけるリダクタの下流側にタール分解炉を設けたり、高温の生成ガスに酸素を吹き込んでタール分を分解除去したり、触媒を用いた反応器を設けてタール分を分解除去するというものである。

特開２０１１−６８８９３号公報

T.A. Milne, R.J. Evans and N. Abatzoglou, NREL Report, Biomass Gasifier "Tars": Their Nature, Formation, and Conversion, 1998, http://www.nrel.gov/docs/fy99osti/25357.pdf

ところが、前述の物理的方法では、タール分を吸着させるための活性炭や砂等を別途供給する必要があり、またバブリングを行うためには、別途そのための設備が必要になる。化学的方法は、生成ガス改質炉や触媒を用いた反応器を別途設ける必要がある等、タール分除去のために追加の設備が必要になるという問題がある。

ちなみに、炭化・ガス化炉で得られる生成ガス中のタール分は比較的少ないといわれているが、それでも現状では数百ｍｇ／Ｎｍ^３程度のタール分が生成ガス中に含まれている。ところが、ガスエンジンに導入する生成ガスでは、含有されるタール分が１０〜５０ｍｇ／Ｎｍ^３程度の濃度まで低減される必要がある（非特許文献１参照）。

本発明は、上記従来技術に鑑み、バイオマス炭化ガス化のプロセス内での中間生成物、すなわち炭化物を利用することで設備の追加等を極力押さえて低廉で合理的なタール分低減効果を得るバイオマス炭化・ガス化システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
バイオマス燃料を熱分解して炭化物を生成させる炭化機と、前記炭化物をガス化する高温ガス化部であるコンバスタおよび前記炭化物の生成時に揮発したタール分を含む可燃性の熱分解ガスの改質を行うガス改質部であるリダクタを有する２段式のガス化炉とを有するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記炭化機から前記ガス化炉の前記コンバスタに供給される前記炭化物と前記リダクタから排出される生成ガスとを接触させるタール吸着手段を有することを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システムにある。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記タール吸着手段は、
前記炭化機から供給される炭化物を一時的に貯留しつつ前記コンバスタに供給するとともに、前記リダクタから排出されブロアを介して吹き込まれた前記生成ガスと固形の前記炭化物とを接触させるホッパーと、
前記ホッパー内で炭化物と接触した後排出された生成ガスが供給され、前記生成ガス中の固形粒子とガス成分とを分離して前記固形粒子を前記ホッパーに戻すとともに、前記ガス成分をタール分が除去された生成ガスとして排出する固体・ガス分離手段とを有することを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システムにある。

本発明の第３の態様は、
第２の態様に記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記タール吸着手段は、前記ホッパーと、前記固体・ガス分離手段とを二組備えており、
所定時間毎に前記ブロアを介して生成ガスを吹き込む前記ホッパーを交互に切替えるように構成したことを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システムにある。

本発明の第４の態様は、
第１の態様に記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記炭化機と前記タール吸着手段との間に、前記炭化機から供給される炭化物を粉砕する粉砕機を配設する一方、
前記タール吸着手段と前記ガス化炉のコンバスタとの間に、前記タール吸着手段から排出される炭化物を一旦貯留するとともに前記コンバスタに向けて排出する他のホッパーとを配設し、
前記タール吸着手段は、一つの開口からブロアを介して前記ガス化炉から排出された生成ガスが吹き込まれ、他の開口を介して前記粉砕機から供給されて前記生成ガスに浮遊している前記炭化物の固形粒子と前記生成ガスとを接触させる気体・粉体接触装置と、
前記気体・粉体接触装置から排出され前記固形粒子が浮遊している生成ガス中の固形粒子とガス成分とを分離して前記固形粒子を前記他のホッパーに戻すとともに、前記ガス成分をタール分が除去された生成ガスとして排出する固体・ガス分離手段とを有することを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システムにある。

本発明の第５の態様は、
第２〜第４の態様の何れか一つに記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記固体・ガス分離手段は、サイクロンを有することを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システムにある。

本発明の第６の態様は、
第１〜第５の態様の何れか一つに記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記タール吸着手段における生成ガスと炭化物との接触は、１００℃から２００℃の雰囲気中で行わせるように構成したことを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システムにある。

本発明の第７の態様は、
第１〜第６の態様の何れか一つに記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記タール吸着手段から排出された生成ガスを精製手段を介して精製した後、ガスエンジンに供給して該ガスエンジンを駆動させるように構成したことを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システムにある。

本発明によれば、ガス化炉から排出された生成ガスがタール吸着手段において炭化機から供給された炭化物と接触することで前記生成ガス中のタール分を前記炭化物に吸着させることができる。また、除去したタール分はコンバスタの高温雰囲気で分解される。この結果、生成ガス中のタール分が可及的に除去され、ガスエンジン等の燃料として高品質のものとすることができる。ここで、生成ガス中のタール分除去には炭化機からガス化炉に供給される炭化物を使用しているので、バイオマス炭化ガス化のプロセス内での中間生成物を利用することで設備の追加等を極力押さえて低廉で合理的なタール分低減効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るバイオマス炭化・ガス化システムを示すブロック図である。図１に示すバイオマス炭化・ガス化システムのタール吸着装置を抽出・拡大して示すブロック図である。図１に示すバイオマス炭化・ガス化システムにおけるタール吸着装置の運転態様を示すブロック図である。本発明の第２の実施の形態に係るバイオマス炭化・ガス化システムを示すブロック図である。図４に示すバイオマス炭化・ガス化システムのタール吸着装置を抽出・拡大して示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係るバイオマス炭化・ガス化システムを示すブロック図である。同図に示すように、本形態に係るバイオマス炭化・ガス化システムは、炭化機１、ガス化炉２、タール吸着装置３、ガス精製装置４およびガスエンジン５を有しており、木質系バイオマス、都市ゴミ等の廃棄物系バイオマスおよびこれらの混合バイオマス等のバイオマス燃料を熱分解して炭化しさらにガス化するためのシステムである。ここで、炭化機１は、バイオマス燃料を加熱して炭化物を生成する。一般に、バイオマス燃料は燃料中の含有水分が高く、また粉砕性が悪いため、噴流床のガス化炉２を用いてガス化を行うには効果的な前処理方式の導入が不可欠である。そこで、本形態においては、炭化機１において、バイオマス燃料中の水分および揮発分を含んだ可燃性の熱分解ガス（揮発ガス）と、固定炭素や灰分を主成分とした炭化物とに分離してからガス化炉２に投入するという炭化・ガス化方式を採用している。このように炭化処理とガス化処理とを分離したシステムの場合、ガス化炉２の後段の装置（図ではガスエンジン５を示したが、ガスタービン、燃料電池等であっても構わない）に供給された生成ガスを利用して発電等の所定の仕事をさせている。このときの排熱を利用して、当該システムの全体的な効率を向上させるべく、本形態における炭化機１では、バイオマス燃料を熱分解し炭化する内側部分と、この内側部分を囲繞するジャケット部（外側部分）１Ａとからなる二層構造であり、例えば６００℃程度の温度である高温排ガスをジャケット部１Ａに送り込むことによってこの排熱を利用し、バイオマス燃料を外側から間接的に加熱し、外気から遮断された無酸素状態の中で水分の蒸発と有機物の熱分解反応により炭化を行う。水分および可燃性の熱分解ガスは連続的に装置外に排出され、炭化物は底部に残る。

炭化機１で生成される水分および可燃性の熱分解ガスは連続的に装置外に排出され、ガス化炉２の上部でガス改質部を形成しているリダクタ２Ｂに送り込まれる。また、炭化機１の底部に残った固形の炭化物は、タール吸着装置３を介してガス化炉２の下部で高温ガス化部を形成しているコンバスタ２Ａに送り込まれる。炭化物に吸着されたタールはコンバスタ２Ａの高温雰囲気で分解される。

ガス化炉２は、タール吸着装置３を介して炭化機１から供給された炭化物をガス化するコンバスタ２Ａと、炭化物生成時に揮発したタールを含む可燃性の熱分解ガスの改質を行うリダクタ２Ｂとを上下方向で連続させて２段に形成してある。なお、図示は省略するが、ガス化炉２は、通常時にコンバスタ２Ａにガス化剤を供給する一方、ガス化炉２の出口温度が一定温度以下になる場合またはそのおそれがある場合にリダクタ２Ｂに酸素を含んだガス化剤を供給するガス化剤供給手段を備えている。

また、ガス化炉２は、炭化機１からタール吸着装置３を介して供給される炭化物、および炭化機１から直接供給される水分および揮発分を含んだ可燃性の熱分解ガスをガス化反応させ、可燃性ガスであるＣＯ（一酸化炭素）、Ｈ_２（水素）を生成する。かかる生成ガスは、本形態においてはタール吸着装置３でタール分を除去され、ガス精製装置４でＮＯ_ｘやＳＯ_ｘを除去された後、ガスエンジン５に供給され、このガスエンジン５を駆動させて、例えば発電を行わせる。

本形態においては、ガス化炉２から排出される生成ガスを、炭化機１から供給される炭化物にタール吸着装置３で接触させるように構成してある。したがって、ガス化炉２から排出された生成ガス中のタール分はタール吸着装置３内の炭化物に吸着されて除去される。なお、タール吸着装置３内で生成ガスを炭化物に接触させる際の雰囲気の温度は、好ましくは１００℃〜２００℃、最も好ましくは１５０℃近傍が適当である。バイオマス燃料に多く含まれる水分の凝縮を回避し得ると同時に、タール成分中、最も除去したいナフタレンを炭化物とともにガス化炉２のコンバスタ２Ａに供給して分解することができるからである。

図２は本形態におけるタール吸着装置を抽出・拡大して示すブロック図である。同図に示すように、タール吸着装置３は、ブロア３１、ホッパー３２、サイクロン３３およびバグフィルター３４を有している。ここで、ホッパー３２は、炭化機１（図１参照；以下同じ）から供給される炭化物を、モーター３６で回転駆動されるスクリューフィーダー３５を介してコンバスタ２Ａ（図１参照；以下同じ）に供給するとともに、リダクタ２Ｂ（図１参照；以下同じ）から排出され、かつブロア３１を介して吹き込まれた生成ガスとスクリューフィーダー３５で搬送中の固形の炭化物と接触させる。かくして生成ガス中のタール分を炭化物に吸着させる。

サイクロン３３は、ホッパー３２内で炭化物と接触した後、ホッパー３２から排出された生成ガスが供給され、生成ガス中の固形粒子とガス成分とを分離するとともに、固形粒子をホッパー３２に戻すとともに、ガス成分をタール分が除去された生成ガスとしてバグフィルター３４を介して排出する固体・ガス分離手段を構成している。

このように、ブロア３１、ホッパー３２、サイクロン３３およびバグフィルター３４で構成する本形態におけるタール吸着装置３は、同構成のものが２組設けられており、一定時間（例えば１時間）毎に交互に切り替えて運転される。

図３は、本形態におけるタール吸着装置の運転態様を示すブロック図である。同図に示すように、２組のタール吸着装置３Ａ、３Ｂのうち一方が運転される、すなわち一方のホッパー３２Ａにブロア３１Ａを介してガス化炉２から排出された生成ガスを吹き込み、一方のサイクロン３３Ａおよびバグフィルター３４Ａを介した生成ガスをガス精製装置４（図１参照；以下同じ）に供給する。一定時間（例えば、１時間）の経過後、弁（図示せず）を切り替えて、他方のホッパー３２Ｂにブロア３１Ｂを介してガス化炉２から排出された生成ガスを吹き込み、他方のサイクロン３３Ｂおよびバグフィルター３４Ｂを介した生成ガスをガス精製装置４（図１参照；以下同じ）に供給する。この間、炭化機１から供給される炭化物は一方のホッパー３２Ａに供給され、ガス化炉２には他方のホッパー３２Ｂから炭化物が供給される。したがって、ガス化炉２には生成ガスのタール分を吸着した炭化物のみが供給される。

＜第２の実施の形態＞
図４は本発明の第２の実施の形態に係るバイオマス炭化・ガス化システムを示すブロック図である。同図において、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

図４に示すように、本形態に係るバイオマス炭化・ガス化システムは、粉砕機６、タール吸着装置７およびホッパー８を有している。粉砕機６は炭化機１とタール吸着装置７との間に配設されて、炭化機１から供給される炭化物を粉砕する。ホッパー８は、タール吸着装置７とガス化炉２のコンバスタ２Ａとの間に配設されて、タール吸着装置７から排出される炭化物を一旦貯留するとともにコンバスタ２Ａに向けて排出する。

本形態におけるタール吸着装置７は、この部分を抽出・拡大して図５に示すように、ブロア７１、気体・粉体接触装置７２、サイクロン７３およびバグフィルター７４を有する。気体・粉体接触装置７２は、一つの開口７２Ａからブロア７１を介してガス化炉２から排出された生成ガスが吹き込まれ、他の開口７２Ｂを介して粉砕機６から供給されて生成ガスに浮遊している炭化物の固形粒子と生成ガスとを接触させる。かくして気体・粉体接触装置７２では、炭化物の固体粒子に生成ガスのタール分が吸着されて除去される。

サイクロン７３は、気体・粉体接触装置７２から排出され固形粒子が浮遊している生成ガス中の固形粒子とガス成分とを分離し、分離した固形粒子をホッパー８に戻すとともに、固形粒子を分離したガス成分をタール分が除去された生成ガスとしてバグフィルター７４に供給する。バグフィルター７４では、生成ガス中のさらに微細な固形粒子等を捕捉してホッパー８に排出するとともに、さらに微細な固体粒子等が除去された清浄な生成ガスとしてガス精製装置４（図４参照；以下同じ）に供給する。すなわち、サイクロン７３およびバグフィルター７４で本形態の固体・ガス分離手段が形成されている。

この結果、本形態によれば、タール吸着装置３からガス精製装置４に向けて供給される生成ガス中に含有されるタール分を低減させることができる。

かかる本形態によれば、ブロア７１、気体・粉体接触装置７２、サイクロン７３およびバグフィルター７４の一組だけで、第１の実施の形態と同様にガス化炉２から排出された生成ガスのタール分を除去することができる。

本発明はバイオマスを燃料とするシステムやプラントを製造・販売する産業分野で有効に利用することができる。

１炭化機
２ガス化炉
２Ａコンバスタ
２Ｂリダクタ
３、７タール吸着装置
５ガスエンジン
６粉砕機
８ホッパー

Claims

バイオマス燃料を熱分解して炭化物を生成させる炭化機と、前記炭化物をガス化する高温ガス化部であるコンバスタおよび前記炭化物の生成時に揮発したタール分を含む可燃性の熱分解ガスの改質を行うガス改質部であるリダクタを有する２段式のガス化炉とを有するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記炭化機から前記ガス化炉の前記コンバスタに供給される前記炭化物と前記リダクタから排出される生成ガスとを接触させるタール吸着手段を有することを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システム。
請求項１に記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記タール吸着手段は、
前記炭化機から供給される炭化物を一時的に貯留しつつ前記コンバスタに供給するとともに、前記リダクタから排出されブロアを介して吹き込まれた前記生成ガスと固形の前記炭化物とを接触させるホッパーと、
前記ホッパー内で炭化物と接触した後排出された生成ガスが供給され、前記生成ガス中の固形粒子とガス成分とを分離して前記固形粒子を前記ホッパーに戻すとともに、前記ガス成分をタール分が除去された生成ガスとして排出する固体・ガス分離手段とを有することを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システム。
請求項２に記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記タール吸着手段は、前記ホッパーと、前記固体・ガス分離手段とを二組備えており、
所定時間毎に前記ブロアを介して生成ガスを吹き込む前記ホッパーを交互に切替えるように構成したことを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システム。
請求項１に記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記炭化機と前記タール吸着手段との間に、前記炭化機から供給される炭化物を粉砕する粉砕機を配設する一方、
前記タール吸着手段と前記ガス化炉のコンバスタとの間に、前記タール吸着手段から排出される炭化物を一旦貯留するとともに前記コンバスタに向けて排出する他のホッパーとを配設し、
前記タール吸着手段は、一つの開口からブロアを介して前記ガス化炉から排出された生成ガスが吹き込まれ、他の開口を介して前記粉砕機から供給されて前記生成ガスに浮遊している前記炭化物の固形粒子と前記生成ガスとを接触させる気体・粉体接触装置と、
前記気体・粉体接触装置から排出され前記固形粒子が浮遊している生成ガス中の固形粒子とガス成分とを分離して前記固形粒子を前記他のホッパーに戻すとともに、前記ガス成分をタール分が除去された生成ガスとして排出する固体・ガス分離手段とを有することを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システム。
請求項２〜請求項４の何れか一つに記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記固体・ガス分離手段は、サイクロンを有することを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システム。
請求項１〜請求項５の何れか一つに記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記タール吸着手段における生成ガスと炭化物との接触は、１００℃から２００℃の雰囲気中で行わせるように構成したことを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システム。
請求項１〜請求項６の何れか一つに記載するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、
前記タール吸着手段から排出された生成ガスを精製手段を介して精製した後、ガスエンジンに供給して該ガスエンジンを駆動させるように構成したことを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システム。