JP2013522421A - 熱分解によるバイオマスからの合成ガス製造方法およびシステム - Google Patents

熱分解によるバイオマスからの合成ガス製造方法およびシステム Download PDF

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Abstract

【課題】 熱分解によりバイオマスから合成ガスを製造する方法およびシステムを提供する。
【解決手段】 方法は以下の工程を含む。１）バイオマス原料（１）に前処理を施す工程。２）熱分解床（５）において高速バイオマス熱分解技術によりバイオマス原料（１）に熱分解を行い、熱分解ガスおよび炭素粉を得る工程。３）サイクロン分離器（６）により熱分解ガスを炭素粉および固形ヒートキャリアから分離させる工程。４）固固分離器（７）により炭素粉を固形ヒートキャリアから分離させ、炭素粉を炭素粉ホッパ（８）を介して収集すると共に、固形ヒートキャリアをキャリア加熱流動炉（９−２）で加熱した後に熱分解炉（５）で再利用する工程。５）発生した熱分解ガスを凝縮タンク（１２）へ供給してスプレー凝縮し、熱分解ガスの凝縮性部分を凝縮してバイオ燃料油を生成し、このバイオ燃料油を高圧油ポンプ（１７）によって圧縮した後に、ガス化炉（２０）へ導入してガス化する工程。６）非凝縮性熱分解ガスの一部を燃焼床（９−１）へ供給して空気と共に燃焼させると共に、他の部分を流動化媒体として熱分解床（５）へ供給する工程。原料は、キャリア加熱流動床（９−２）によって生成された高温の燃焼排ガスを使用することによって直接的に乾燥させられる。熱分解床（５）によって生成された非凝縮性熱分解ガスを、燃焼床（９−１）内の空気と燃焼させることにより発生した熱は、熱分解床（５）へ供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、合成ガスの製造に関し、特に、熱分解によりバイオマスから合成ガスを製造する方法およびシステムに関する。本方法は、バイオマスを使用することにより合成ガスまたは可燃性ガスを製造する技術分野に属する。合成ガスは、ＣＯ、Ｈ２、および多様な炭水化物を含む混合ガスであり、炭水化物には炭素、水素、酸素が含まれる。本発明に係る方法により製造された合成ガスは、ガスタービン発電システム、燃料電池、合成潤滑油、冶金および他のシステムで使用することができる。
減少しつつある従来からの化石燃料（石炭、オイル、天然ガス）の備蓄、および化石燃料の使用により生じる環境汚染問題は、人類の生存および発展を直接に脅かしているので、世界中の国々の政府は、再生可能であり、且つ環境に優しいエネルギの開発を重視するという見解で一致している。バイオマス、即ち光合成により植物から生じる有機物は、広範な供給源であると共に、大量に得ることができる。バイオマスは、発電用に、また工業用原料および化学製品を製造するために、クリーンガスまたは液体燃料に変換される。エネルギとして、バイオマスはクリーンであると共に再生可能であり、二酸化炭素を排出することなく、また新たなエネルギ源として化石燃料と完全に置き換わる可能性があることから、世界中の国々にとって優先事項となっている。
バイオマスをクリーンガスまたは液体燃料に変換させる方法は多く、その中でも、バイオマスガス化技術は、様々な種に適用可能であると共に、良好な拡がりを見せている。バイオマスのガス化は熱化学法であり、即ち、バイオマスは、高温下でガス化剤（空気、酸素、蒸気、二酸化炭素など）と反応して、炭素、水素および酸素を含む炭水化物からなる混合ガスが生成される。混合ガスは合成ガスと称する。合成ガスの成分は、使用されるバイオマス種、ガス化剤の種類、反応条件、および使用されるガス化装置の構造によって決まる。ガス化の目的は、一方では、材料およびガス化剤の消費量、ならびに合成ガスのタール含有量を最小にすることであり、他方では、ガス化効率および炭素変換効率、ならびに合成ガスの有効成分（ＣＯおよびＨ２）含有量を最大にすることである。この目的は、使用されるガス化装置の種類、ガス化剤の種類、バイオマスの粒子寸法、ガス化圧力および温度、バイオマスの水分および灰等によって決まる。
ガス化工程で使用されるガス化炉は、３つの種類、即ち固定床、流動床、および噴流床に分けられる。固定床は単純なガス化構造を有し、操作し易く、操作モードが柔軟であり、炭素変換率が高く、作動負荷が２０パーセントから１１０パーセントと幅広く、また固形燃料が床に長期間に亘り留まる。しかしながら、温度が不均一であると共に、熱交換効率がより低く、出口における合成ガスの発熱量が低く、また合成ガスは多量のタールを含んでいる。流動床は材料の追加および灰の除去に都合がよく、また温度が均一であると共に調整しやすい。しかしながら、原料の特性の影響を強く受ける。原料の付着、熱安定性、水分含有量、または灰溶融点が変わるならば、作動に異常をきたすかもしれない。また、ガス化炉の正常な流動化を確実にするために、低温を維持する必要があると共に、合成ガスは多量のタールを有する。多量のタールが固定床および流動床で生成されるので、タール分解ユニットおよび浄化装置が装備されなければならず、工程が複雑化してしまう。噴流床は作動温度が高温であると共に均一であり、増幅特性が良好であり、また大規模な工業化に特に適している。タールは完全に分解される。しかしながら、噴流床は原料の粒子寸法に対する要件が厳密である。現用の粉砕技術には、多くのセルロースを有するバイオマスを、噴流床に適する寸法に粉砕する方法は存在しない。そのため、噴流床はバイオマスのガス化に使用することができない。目下、ガス化に先立つバイオマスの分解および前処理が、バイオマスのガス化の発展にとって困難な問題である。
特許文献１は、低タールバイオマスのガス化方法および装置を開示している。この方法は、熱分解およびガス化を独立して含み、またバイオマスは、タール含有量が低い合成ガスに変換される。この方法では、熱分解ガスおよび炭は、ガス化装置内において約１０００℃の温度で不完全燃焼し、タールは高温下で分解する。タール含有量は大きく減少するが、多量の炭が消費されてしまい、後続の還元反応において生成されるＣＯの含有量が少なく、また合成ガスのＣＯ２含有量が多くなる。第２に、燃焼反応における低温に起因して、後続の還元における温度はより低くなり、還元領域における平均温度は７００℃未満となってしまい、それにより、合成ガスの有効収率（ＣＯおよびＨ２）は著しく（約３０パーセント）減少する。第３に、還元反応からの灰および未反応残留炭素は直接排出され、炭素変換率が低くなる。最後に、この方法で使用されるガス化装置は、固定床の形態であり、還元反応が熱を吸収するので、床の上部および下部の温度差（上部は約１０００℃であり、下部は約５００℃である）が大きく、これは固定床に固有の欠点である。
特許文献２は、炭素含有材料で合成ガスを製造する方法および装置を開示している。この方法は、炭化（または熱分解）およびガス化を独立して含む。この方法では、熱分解により生じるタール含有量を減少させるために、炭化温度は４５０度Ｆ（２３２℃）未満に制御される。しかしながら、炭化段階の間に、固形の生成物は、ガス化装置の反応コイルへの搬送前に粉砕されず、ガス化反応の速度および程度に影響を及ぼしてしまう。第２に、ガス化反応は反応コイルで生じるので、多量の搬送ガスを必要とするが、搬送ガスは、搬送の間に多量の熱を奪い去るので、ガス化効率は低く、温度が不均一であり、また後続の排熱回収システムが大型である。第３に、新しく生成された合成ガスがガス化および炭化のための熱を供給するために使用されることは経済的でない。第４に、燃焼生成物（主にＣＯ２およびＨ２Ｏ）は直接排出されると共に、完全に利用されないので、ガス化効率が低い。最後に、合成ガス中の灰および未反応残留炭素も直接排出されるので、炭素変換率が低くなってしまう。
特許文献３は、高温ガス化により、バイオマスから合成ガスを製造する方法を開示している。この方法もまた、炭化および高温ガス化の組み合わせを採用している。しかしながら、この方法では、次のような問題がある。第１に、炭化炉の熱は、外部可燃性ガスおよび酸素の直接燃焼によって供給される。導入された高品質の外部燃料ガスは、システムのエネルギ消費を大幅に増大させる。第２に、採用された熱分解ガス粉体供給システムは複雑である。高温の熱分解ガスが低温の炭素粉と混合されて、ガス化炉に送り込まれた時に、この混合物は簡単に凝縮されてタールを形成してしまい、閉塞を引き起こすと共に、正常な作動に影響を及ぼす。最後に、炭化炉で生成された高圧の炭は、減圧および冷却された後に、標準圧力の粉砕機へ送られて粉末状にされ、更に炭素粉は圧縮されると共に、熱分解ガスによりガス化炉へ送り込まれる。工程全体が複雑であると共に、エネルギ消費量が大きく、計画の実現可能性は低い。
上述の方法から、従来のガス化は、バイオマスまたは固形炭素含有材料のいずれからであっても、合成ガスを高効率かつ低コストに製造することができない。独立した熱分解およびガス化の技術は、様々なバイオマスに適用されると共に、合成ガスのタール含有量を低減させることができるが、温度の不均一、排熱回収用装置への多額の投資、高い材料消費量、低いガス化効率、および低い炭素変換率などの欠点は、産業へのバイオマスのガス化の適用を制限してしまう。特に、噴流床に適用される有効なバイオマスのガス化方法は存在しない。
中国特許出願第２００５１００４３８３６．０ 米国特許第６，８６３，８７８Ｂ２ 中国特許出願第２００８１０２３６６３９．４
上述の問題に鑑みて、本発明の目的の一つは、効率が高く且つ低コストである熱分解によるバイオマスからの合成ガスの製造方法およびシステムを提供することである。
本発明の技術的構想を、以下に説明する。
熱分解によりバイオマスから合成ガスを製造する方法であって、以下の工程を含む。
１）バイオマス原料に前処理を施す工程であって、バイオマス原料を１〜６ミリメートルの粒子寸法を有するように分解すると共に、この原料を水分含有率が１０〜２０ｗｔ．％になるまで乾燥させることを含む。
２）高速バイオマス熱分解技術を用いて、バイオマス原料を熱分解する工程であって、熱分解床の生成物は熱分解ガスおよび炭素粉である。
３）サイクロン分離器を介して、熱分解ガスを炭素粉および固形ヒートキャリアから分離させる工程。
４）固固分離器を介して、炭素粉を固形ヒートキャリアから分離させ、炭素粉を収集するために炭素粉を炭素粉貯蔵容器に送り込み、固形ヒートキャリアをキャリア加熱流動床で加熱して、固形ヒートキャリアを熱分解床へ搬送して再利用する工程であって、キャリア加熱流動床で発生した排熱煙を搬送して工程１のバイオマス原料を乾燥させる。
５）発生した熱分解ガスを凝縮タンクへ搬送してスプレー凝縮し、熱分解ガスの凝縮性部分を凝縮してバイオ燃料油を生成し、発生したバイオ燃料油を高圧油ポンプにより圧縮してからガス化炉へ送り込みガス化させる工程。
６）非凝縮性熱分解ガスの一部を燃焼床へ送り込み、空気と共に燃焼させ、非凝縮性熱分解ガスの残りの部分を流動化媒体として熱分解床へ搬送する工程であって、工程６において、空気に対する非凝縮性熱分解ガスの比率およびキャリア加熱流動床の温度を制御して、熱分解床の温度を４００〜６００℃とすると共に、熱分解床の気相滞留時間を０．５〜５秒とする。
スプレー凝縮は、外部循環方法を採用しており、凝縮タンクの底部にあるバイオ燃料油は圧縮されると共に、オイルポンプにより汲み上げられ、またバイオ燃料油は、外部バイオ燃料油熱交換器により冷却された後に、スプレー凝縮を行うために凝縮タンクへ戻される。凝縮性熱分解ガスは凝縮されて、バイオ燃料油を生成し、バイオ燃料油の一部はバイオ燃料油タンクへ送り込まれ、他の部分は油循環ポンプによって圧縮されると共に、バイオ燃料油熱交換器によって冷却されて、熱分解ガスを循環散布する。
熱分解によりバイオマスから合成ガスを製造するガス化システムは、バイオマス材料前処理部と、熱分解部と、凝縮部と、ガス化部を含む。熱分解部は熱分解床および燃焼床を含む。凝縮部の凝縮タンクは、管路を介して、非凝縮性熱分解ガス圧縮器と連結される。非凝縮性熱分解ガス圧縮器の出力は、熱分解床および燃焼床夫々と連結される。非凝縮性熱分解ガスは、燃焼床の燃料および熱分解床の流動化媒体として使用される。
凝縮部は、外部循環におけるスプレー凝縮を採用する。凝縮タンクの下側部分は、管路を介して、油循環ポンプと連結されており、油循環ポンプは、外部バイオ燃料油熱交換器と連結される。バイオ燃料油の一部は、油循環ポンプによって圧縮されると共に、バイオ燃料油熱交換器によって冷却されて、熱分解ガスを循環散布し、凝縮タンクの下側部分は、バイオ燃料油タンクと連結される。
熱分解床はサイクロン分離器および固固分離器と連結される。固固分離器は炭素粉貯蔵容器およびキャリア加熱流動床と連結される。キャリア加熱流動床の下側部分には、熱分解床と連結された管路が備えられており、加熱された固形キャリアを熱分解床に搬送して再利用する。
キャリア加熱流動床の上側部分は、排熱煙管路を介して、バイオマス材料前処理部の乾燥システムと連結され、燃焼床の上側部分は、空気吸入管路と連結される。
バイオ燃料油タンクおよびガス化炉の出口を連結する管路には、高圧油ポンプが設けられており、バイオ燃料油は圧縮されると共に、ガス化炉へ搬送されてガス化される。
本発明の効果は以下のとおりである。
第１に、本発明は高速熱分解技術を採用している。特許文献３に開示されるガス化方法と比べて、本発明はバイオマスをバイオ燃料油へ直接的に変換することができ、バイオマスの体積エネルギ密度を向上させると共に、搬送および貯蔵に都合が良い。他方では、高いエネルギ収率（６０〜８０％）を４００〜６００℃で実現することができ、エネルギ消費量を減少させると共に、システム全体の炭素変換率を上げることができる。
第２に、本発明はまた、自己生産型非凝縮性熱分解ガスの燃焼により発生した熱を使用することにより、循環固形ヒートキャリアを熱分解床の熱源として採用している。本発明の熱分解床加熱技術は、以下の３つの特徴を有する。１）熱分解技術によって必要とされる熱は、システムの熱平衡を実現すると共に、外部エネルギを全く導入しないように、システムの内側部分によって供給される。２）循環固形ヒートキャリアを加熱する熱は、非凝縮性熱分解ガスおよび空気の直接燃焼によって供給される。即ち、熱分解ガスの化学エネルギが使用される一方で、純酸素に代わり空気が使用されるので、システム全体のコストを大幅に減少させると共に、熱分解床の使用柔軟性が高まる。３）加熱された循環固形ヒートキャリアは、熱分解床へ直接搬送されて原料と接触するので、熱分解床の加熱効率を高めるだけでなく、高速熱分解反応の油収率も高める。
第３に、本発明は、原料を乾燥させるために、非凝縮性熱分解ガスの燃焼によって生じた排熱煙を使用するので、システム全体のエネルギ効率が向上する。
第４に、本発明は、ガス化炉の入口において、原料を前処理する工程を採用しない。原料は、高圧油ポンプによって圧縮された後に、ガス化炉へ直接送り込まれる。本工程は単純であると共に有効である。入口で供給する特許文献３に開示されるガス化方法と比べて、本方法によれば、乾燥炭素粉を送り込む時の粉体の空気圧搬送およびタール閉塞の問題が回避され、且つインレット原料のエネルギ消費量が減少すると共に、システムの安定性、信頼性、および実現可能性が高まる。
第５に、本発明は、外部循環スプレー凝縮を採用している。バイオ燃料油熱交換器が凝縮タンクの外側に設けられることにより、洗浄および維持管理に都合がよく、また維持管理のために停止させることがなくなる。
第６に、本発明は油ポンプ圧縮および搬送技術を採用している。特許文献３に開示されるガス化方法と比べて、本発明方法は、乾燥炭素粉を送り込む時の粉体の空気圧搬送およびタール閉塞の問題を回避し、またシステムの安定性、信頼性、および実現可能性を高めることもできる。
第７に、高速熱分解技術を伴い、製造されたバイオ燃料油は、炭スラグを殆ど含んでおらず、バイオマスから合成ガスを製造する過程において、灰溶融点が高いという問題がなくなる。後続するガス化炉のスラグ排出システムも必要ないので、アルカリ金属の腐食および灰の蓄積が回避されると共に、システムの安定性、信頼性、および実現可能性が高まる。
要するに、本発明は、簡素化、効率化、省エネルギ、経済性、および高いプロジェクト実現可能性を実現することを目的とする。それと同時に、本発明は、ガス化効率を高め、有効合成ガスの酸素消費量を減少させ、且つシステムのエネルギ変換率を高める。
本発明の一実施形態に係る、熱分解によるバイオマスからの合成ガス製造方法およびシステムの概略図。
本発明に係る好適な実施例、方法、およびシステムレイアウト構造を、添付の図面と共に説明する。
図１に示すように、バイオマスから合成ガスを製造するガス化システムは、バイオマス材料前処理部と、熱分解部と、凝縮部と、ガス化部を含む。即ち、ガス化システムは、バイオマス原料１と、粉砕システム２と、乾燥システム３と、バイオマス貯蔵容器４と、熱分解床５と、サイクロン分離器６と、固固分離器７と、炭素粉貯蔵容器８と、燃焼床９−１と、キャリア加熱流動床９−２と、燃焼床に至る空気吸入管路１０と、排熱煙管路１１と、乾燥システムの排熱煙出口１１ａと、凝縮タンク１２と、油循環ポンプ１３と、バイオ燃料油熱交換器１４と、非凝縮性熱分解ガス圧縮器１５と、バイオ燃料油タンク１６と、高圧油ポンプ１７と、ガス化炉バーナ１８と、ガス化炉バーナに至る酸素管路１９と、ガス化炉２０と、ガス化炉の水冷壁２１と、合成ガス管路２２と、炭スラグ管路２３と、脱塩脱酸水管路２４と、飽和水蒸気管路２５と、外部燃料管路Ｎ１と、燃焼床に至る空気管路Ｎ２と、排出管路Ｎ３を含む。
熱分解部は、熱分解床５と、燃焼床９−１と、キャリア加熱流動床９−２を含む。熱分解床５は、サイクロン分離器６および固固分離器７と連結される。固固体分離器７は炭素粉貯蔵容器８およびキャリア加熱流動床９−２と連結される。キャリア加熱流動床９−２の下側部分には、熱分解床５と連結される管路が設けられており、加熱された固形キャリアは熱分解床５に搬送されて再利用される。
キャリア加熱流動床９−２の上側部分は、排熱煙管路１１を介して、バイオマス材料前処理部の乾燥システム３と連結される。燃焼床９−１の上側部分は、空気吸入管路１０と連結される。
凝縮部の凝縮タンク１２は、管路を介して、非凝縮性熱分解ガス圧縮器１５と連結される。非凝縮性熱分解ガス圧縮器１５の出力は、熱分解床５および燃焼床９−１夫々と連結される。非凝縮性熱分解ガスは、燃焼床９−１の燃料および熱分解床５の流動化媒体として使用される。
スプレー凝縮は外部循環方法を採用している。凝縮タンク１２の下側部分は、管路を介して、油循環ポンプ１３と連結される。油循環ポンプ１３は、外部バイオ燃料油熱交換器１４と連結される。バイオ燃料油の一部は、油循環ポンプ１３によって圧縮されるとともに、バイオ燃料油熱交換器１４によって冷却されて、熱分解ガスが循環散布される。凝縮タンク１２の下側部分は、バイオ燃料油タンク１６と連結される。
バイオ燃料油タンク１６の出口およびガス化炉２０を連結する管路には、高圧油ポンプ１７が設けられる。バイオ燃料油は圧縮されると共に、ガス化炉２０へ搬送されてガス化される。
熱分解によるバイオマスからの合成ガス製造方法は、以下の工程を含む。
１）バイオマス原料に前処理を施す工程。バイオマス原料を１〜６ミリメートルの粒子寸法を有するように粉砕すると共に、原料を水分含有量が１０〜２０ｗｔ．％になるまで乾燥させる。
２）高速バイオマス熱分解技術を用いて、バイオマス原料を熱分解する工程。非凝縮性熱分解ガスの空気に対する比率を調整すると共に、キャリア加熱流動床の温度を制御することにより、熱分解床の温度が４００〜６００℃であり、熱分解床での気相の滞留時間が０．５〜５秒であり、熱分解床の生成物が熱分解ガスおよび炭素粉であるようにする。
３）サイクロン分離器を介して、熱分解ガスを炭素粉および固形ヒートキャリアから分離する工程。
４）固固分離器を介して、炭素粉を固形ヒートキャリアから分離し、炭素粉を炭素粉貯蔵容器へ送り込み収集し、固形ヒートキャリアをキャリア加熱流動床で加熱してから、固形ヒートキャリアを熱分解床へ搬送して再利用する工程。
５）生成された熱分解ガスを凝縮タンクへ搬送してスプレー凝縮し、熱分解ガスの凝縮性部分を凝縮してバイオ燃料油を生成し、高圧油ポンプにより生成されたバイオ燃料油を圧縮してからガス化炉へ送りガス化する工程。
６）非凝縮性熱分解ガスの一部を燃焼床へ送り込み、空気と共に燃焼させ、非凝縮性熱分解ガスの残りの部分を流動化媒体として熱分解床へ搬送する工程。
スプレー凝縮は外部循環方法を採用している。凝縮タンクの底部にあるバイオ燃料油は圧縮されると共に、油ポンプによって汲み上げられ、またバイオ燃料油は、外部バイオ燃料油熱交換器により冷却された後に凝縮タンクへ戻され、スプレー凝縮が行われる。凝縮性熱分解ガスの一部は、バイオ燃料油を生成するために凝縮される。バイオ燃料油の一部はバイオ燃料油タンクへ送り込まれ、他の部分は、油循環ポンプによって圧縮されると共に、バイオ燃料油熱交換器によって冷却されて、熱分解ガスが循環散布される。
工程２において、キャリア加熱流動床で発生した排熱煙は、バイオマス原料の前処理を行う工程１において、バイオマス原料を乾燥させるために使用される。
作用過程
１．システム始動過程
１）排出管路Ｎ３の制御弁∨３を開放し、凝縮タンク１２に至る制御弁∨２と、凝縮タンク１２および非凝縮性熱分解ガス圧縮器１５の間の管路にある制御弁∨９を閉じたままにする。
２）外部燃料管路Ｎ１の制御弁∨１、および燃焼床に至る空気管路Ｎ２の制御弁∨７を開放し、非凝縮性熱分解ガス圧縮器１５および熱分解床５の間の管路にある制御弁∨８を閉じたままにして、燃焼床９−１において燃料および空気の燃焼によって生じた熱煙をキャリア加熱流動床９−２へ送り込み、固形ヒートキャリアを加熱する。
３）キャリア加熱流動床９−２および熱分解床５の間にある排熱煙管路の制御弁∨５と、バイオマス貯蔵容器４および熱分解床５の間にある管路の制御弁∨６を開放して、排熱煙の一部を乾燥システム３へ送り込み、バイオマス原料を乾燥させ、排熱煙の一部を熱分解床５へ流動化媒体として送り込み、サイクロン分離器６を介して、固形物を熱分解床５の反応によって生じた混合熱分解ガスから分離した後、管路Ｎ３を介して、システムの外へ排出する。
４）工程１、２および３を実施した後に、制御弁∨２を１０〜２０分間開放し、凝縮タンク１２の散布により熱分解ガスを冷却し、バイオ燃料油を回収し、１５〜３０分間作動させた後に、制御弁∨９を開放し、制御弁∨１、∨５および∨７を閉鎖し、制御弁∨４および∨８を同時に開放する。システムは状況内で正常に作動を開始する。
２．システムの正常作動過程
バイオマス原料は、粉砕システム２を介して、乾燥システム３へ送られる。バイオマス原料は、システム内の熱煙により乾燥および脱水されてから、バイオマス貯蔵容器４に搬送されて貯蔵される。バイオマス原料は、フィーダにより熱分解床５にも搬送される。
熱分解床５の生成物には、熱分解ガスと、ＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４およびタールを含む炭素粉がある。粗い熱分解ガスは、サイクロン分離器６によって分離され、更に、粗い熱分解ガス中の固形ヒートキャリアおよび炭素粉粒子は、灰排出口を介して、固固分離器７に落下する。
初期に分離された熱分解ガスは、凝縮タンク１２へ送られて、バイオ燃料油によって循環散布される。非凝縮性熱分解ガスは、非凝縮性熱分解ガス圧縮器１５で圧縮されてから、燃焼床９−１および熱分解床５夫々へ送られる。凝縮性熱分解ガスは凝縮されて、バイオ燃料油が生成される。生成されたバイオ燃料油の一部は、循環散布に使用されてよい。残りはバイオ燃料油に生成されて、バイオ燃料油タンク１６へ送られる。
固固分離器７で固形ヒートキャリアおよび炭素粉が分離された後、固形ヒートキャリアはキャリア加熱流動床９−２へ落下し、且つ炭素粉は炭素粉貯蔵容器８へ送られる。
燃焼床９−１では、燃焼のための非凝縮性熱分解ガスが、管路１０からの空気と燃焼反応する。燃焼によって生じた熱煙はキャリア加熱流動床９−２へ送られて、循環固形ヒートキャリアを加熱する。熱分解床５の温度は、燃焼によって生じた非凝縮性熱分解ガスの空気に対する比率を調整することにより、４００〜６００℃に制御される。熱分解床５での気相の滞留時間は、０．５〜５秒となるように制御される。キャリア加熱流動床９−２を通過する排熱煙は、乾燥システム３へ送られて乾燥を行う。
バイオ燃料油タンク１６におけるバイオ燃料油の圧力は、最初に、高圧油ポンプ１７によって、ガス化炉２０の作動圧力と等しくなるように上昇させられ、更に、ガス化炉バーナ１８へ送られる。管路１９内の酸素もまた、ガス化炉バーナ１９へ送られて、ガス化炉２０において高温ガス化反応を生じさせる。ガス化炉の出口における合成ガス２２の温度は、酸素量および脱塩脱酸水が充填されたガス化炉の水冷壁２１における熱交換量を調整することにより、１２００〜１６００℃に制御される。ガス化生成物は主に、ＣＯおよびＨ２であり、また、僅かなＣＯ２およびＨ２０、並びに微量のＣＨ４を含む。脱塩脱酸水は、ガス化炉の水冷壁２１によって冷却されて、中間圧力飽和水蒸気を生じさせ、これは管路２５を通り後続のシステムへ送られる。ガス化によって生じた炭スラグは、管路２３から排出される。
バイオマス原料として木材を使用する。乾燥材の元素組成および特性データを表１に記載する。
Figure 2013522421
主要な作動条件を以下のとおりに設定する。
１）粉砕システム２の出口における材料の粒径は６ｍｍである。
２）乾燥システム３の出口における材料の水分含有量は１５ｗｔ．％である。
３）熱分解床５の圧力は標準圧であると共に、温度は４００℃に制御される。
４）熱分解床５の気相滞留時間は５秒である。
５）ガス化炉２０の圧力は４．０ＭＰａ（Ａ）に制御されると共に、温度は１４００℃に制御される。
上記設定条件によれば、本発明の実施過程におけるシステムの主要データおよび性能パラメータは、添付の図面と共に詳細に説明される。
１）熱分解床５へ送られるバイオマス原料のバイオ燃料品質収率は５５％である。
２）管路２２により出力される合成ガスにおけるＣＯおよびＨ２の乾燥基準含有量は７６％である。
３）システムの炭素変換率は９９．９％であると共に、有効合成ガスの酸素消費量は０．３３ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）。
主要作動条件を以下のとおりに設定する。
１）粉砕システム２の出口における材料の粒径は５ｍｍである。
２）乾燥システム３の出口における材料の水分含有量は２０ｗｔ．％である。
３）熱分解床５の圧力は標準圧であると共に、温度は５００℃に制御される。
４）熱分解床５の気相滞留時間は３秒である。
５）ガス化炉２０の圧力は４．０ＭＰａ（Ａ）となるように制御されると共に、温度は１４００℃に制御される。
上記設定条件によれば、本発明の実施過程におけるシステムの主要データおよび性能パラメータは、添付の図面と共に詳細に説明される。
１）熱分解床５に送られるバイオマス原料のバイオ燃料品質収率は６０％である。
２）管路２２によって出力された合成ガスにおけるＣＯおよびＨ２の乾燥基準含有量は８０％である。
３）システムの炭素変換率は９９．９％であると共に、有効合成ガスの酸素消費量は０．３１ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）
主要作動条件を以下のとおりに設定する。
１）粉砕システム２の出口における材料の粒径は４ｍｍである。
２）乾燥システム３の出口における材料の水分含有量は１０ｗｔ．％である。
３）熱分解床５の圧力は標準圧であると共に、温度は６００℃に制御される。
４）熱分解床５の気相滞留時間は２秒である。
５）ガス化炉２０の圧力は４．０ＭＰａ（Ａ）となるように制御されると共に、温度は１４００℃に制御される。
上記設定条件によれば、本発明の実施過程におけるシステムの主要データおよび性能パラメータは、添付の図面と共に詳細に説明される。
１）熱分解床５に送られるバイオマス原料のバイオ燃料品質収率は６５％である。
２）管路２２によって出力された合成ガスにおけるＣＯおよびＨ２の乾燥基準含有量は８２％である。
３）システムの炭素変換率は９９．９％であると共に、有効合成ガスの酸素消費量は０．３１ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）
主要作動条件を以下のとおりに設定する。
１）粉砕システム２の出口における材料の粒径は３ｍｍである。
２）乾燥システム３の出口における材料の水分含有量は１３ｗｔ．％である。
３）熱分解床５の圧力は標準圧であると共に、温度は４５０℃に制御される。
４）熱分解床５の気相滞留時間は１秒である。
５）ガス化炉２０の圧力は４．０ＭＰａ（Ａ）となるように制御されると共に、温度は１４００℃に制御される。
上記設定条件によれば、本発明の実施過程におけるシステムの主要データおよび性能パラメータは、添付の図面と共に詳細に説明される。
１）熱分解床５に送られるバイオマス原料のバイオ燃料品質収率は６６％である。
２）管路２２によって出力された合成ガスにおけるＣＯおよびＨ２の乾燥基準含有量は８４％である。
３）システムの炭素変換率は９９．９％であると共に、有効合成ガスの酸素消費量は０．３ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）
主要作動条件を以下のとおりに設定する。
１）粉砕システム２の出口における材料の粒径は２ｍｍである。
２）乾燥システム３の出口における材料の水分含有量は１６ｗｔ．％である。
３）熱分解床５の圧力は標準圧であると共に、温度は５５０℃に制御される。
４）熱分解床５の気相滞留時間は１．５秒である。
５）ガス化炉２０の圧力は４．０ＭＰａ（Ａ）となるように制御されると共に、温度は１４００℃に制御される。
上記設定条件によれば、本発明の実施過程におけるシステムの主要データおよび性能パラメータは、添付の図面と共に詳細に説明される。
１）熱分解床５に送られるバイオマス原料のバイオ燃料品質収率は７０％である。
２）管路２２によって出力された合成ガスにおけるＣＯおよびＨ２の乾燥基準含有量は８６％である。
３）システムの炭素変換率は９９．９％であると共に、有効合成ガスの酸素消費量は０．３ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）
主要作動条件を以下のとおりに設定する。
１）粉砕システム２の出口における材料の粒径は１ｍｍである。
２）乾燥システム３の出口における材料の水分含有量は１８ｗｔ．％である。
３）熱分解床５の圧力は標準圧であると共に、温度は５２０℃に制御される。
４）熱分解床５の気相滞留時間は０．５秒である。
５）ガス化炉２０の圧力は４．０ＭＰａ（Ａ）となるように制御されると共に、温度は１４００℃に制御される。
上記設定条件によれば、本発明の実施過程におけるシステムの主要データおよび性能パラメータは、添付の図面と共に詳細に説明される。
１）熱分解床５に送られるバイオマス原料のバイオ燃料品質収率は７５％である。
２）管路２２によって出力された合成ガスにおけるＣＯおよびＨ２の乾燥基準含有量は９０％である。
３）システムの炭素変換率は９９．９％であると共に、有効合成ガスの酸素消費量は０．２８５ｍｏｌ／ｍｏｌである。
１ バイオマス原料
２ 粉砕システム
３ 乾燥システム
４ バイオマス貯蔵容器
５ 熱分解床
６ サイクロン分離器
７ 固固分離器
８ 炭素粉貯蔵容器
９−１ 燃焼床
９−２ キャリア加熱流動床
１０ 空気吸入管路
１１ 排熱煙管路
１１ａ 排熱煙出口
１２ 凝縮タンク
１３ 油循環ポンプ
１４ バイオ燃料油熱交換器
１５ 非凝縮性熱分解ガス圧縮器
１６ バイオ燃料油タンク
１７ 高圧油ポンプ
１８ ガス化炉バーナ
１９ 酸素管路
２０ ガス化炉
２１ 水冷壁
２２ 合成ガス管路
２３ 炭スラグ管路
２４ 脱塩脱酸水管路
２５ 飽和水蒸気管路
Ｎ１ 外部燃料管路
Ｎ２ 空気管路
Ｎ３ 排出管路

Claims (10)

  1. 熱分解によりバイオマスから合成ガスを製造する方法であって、
    １）バイオマス原料に前処理を施す工程と、
    ２）高速バイオマス熱分解技術を使用して、前記バイオマス原料を熱分解する工程と、熱分解床の生成物は熱分解ガスおよび炭素粉であり、
    ３）サイクロン分離器を使用して、前記熱分解ガスを前記炭素粉および固形ヒートキャリアから分離させる工程と、
    ４、５）固固分離器を介して前記炭素粉を前記固形ヒートキャリアから分離させ、前記炭素粉を炭素粉貯蔵容器へ送り収集し、前記固形ヒートキャリアをキャリア加熱流動床で加熱し、且つ前記固形ヒートキャリアを前記熱分解床へ搬送して再利用する工程と、
    ６）前記発生した熱分解ガスを凝縮タンクへ搬送してスプレー凝縮し、前記熱分解ガスの凝縮性部分を凝縮してバイオ燃料油を生成し、前記生成されたバイオ燃料油を高圧油ポンプによって圧縮すると共にガス化炉へ送りガス化させる工程と、
    ７）非凝縮性熱分解ガスの一部を燃焼床へ送り空気と共に燃焼させ、前記非凝縮性熱分解ガスの残りの部分を流動化媒体として前記熱分解床へ搬送する工程と
    を含む方法。
  2. 前記スプレー凝縮は外部循環方法を採用しており、前記凝縮タンクの底部における前記バイオ燃料油は圧縮されると共に前記高圧油ポンプによって汲み上げられ、その後に前記バイオ燃料油は、外部バイオ燃料油熱交換器によって冷却された後に前記凝縮タンクへ戻されてスプレー凝縮され、前記凝縮性熱分解ガスは凝縮されてバイオ燃料油を生成し、前記バイオ燃料油の一部は前記バイオ燃料油タンクへ送られ、他の部分は油循環ポンプによって圧縮されると共に前記バイオ燃料油熱交換器によって冷却されて、前記熱分解ガスを循環散布する請求項１の方法。
  3. 工程４において前記キャリア加熱流動床で発生した排熱煙は、前記バイオマス原料に前処理を施す工程１において、前記バイオマス原料を乾燥させるために使用される請求項１または２の方法。
  4. 工程６における空気に対する前記非凝縮性熱分解ガスの比率、および前記キャリア加熱流動床の温度は、前記熱分解床の温度が４００〜６００℃であり、且つ前記熱分解床における気相滞留時間が０．５〜５秒であるように制御される請求項１または２の方法。
  5. 前記バイオマス原料に前処理を施す工程１は、前記バイオマス原料を１〜６ｍｍの粒子径を有するように粉砕すると共に、前記原料を水分含有量が１０〜２０ｗｔ．％となるまで乾燥させることを含む請求項１または２の方法。
  6. 請求項１乃至５のいずれかの方法を使用して、熱分解によりバイオマスから合成ガスを製造するガス化システムであって、バイオマス材料前処理部と、熱分解部と、凝縮部と、ガス化部を含み、
    前記熱分解部は熱分解床（５）および燃焼床（９−１）を含み、
    前記凝縮部の凝縮タンク（１２）は、管路を介して非凝縮性熱分解ガス圧縮器（１５）と連結され、
    前記非凝縮性熱分解ガス圧縮器（１５）の出力は前記熱分解床（５）および前記燃焼床（９−１）と連結され、
    前記非凝縮性熱分解ガスは、前記燃焼床（９−１）の燃料および前記熱分解床（５）の流動化媒体として使用されるガス化システム。
  7. 前記凝縮部は外部循環におけるスプレー凝縮を採用しており、前記凝縮タンク（１２）の下側部分は管路を介して油循環ポンプ（１３）と連結され、前記油循環ポンプ（１３）は外部バイオ燃料油熱交換器（１４）と連結されており、前記バイオ燃料油の一部は前記油循環ポンプ（１３）によって圧縮されると共に、前記バイオ燃料油熱交換器（１４）によって冷却されることにより、前記熱分解ガスが循環散布され、前記凝縮タンク（１２）の下側部分はバイオ燃料油タンク（１６）と連結される請求項６のガス化システム。
  8. 前記熱分解床（５）はサイクロン分離器（６）および固固分離器（７）と連結され、前記固固分離器（７）は炭素粉貯蔵容器（８）およびキャリア加熱流動床（９−２）と連結され、前記キャリア加熱流動床（９−２）の下側部分には、前記熱分解床（５）と連結される管路が設けられることにより、前記加熱された固形キャリアが前記熱分解床（５）へ搬送されて再利用される請求項６または７のガス化システム。
  9. 前記キャリア加熱流動床（９−２）の上側部分は、排熱煙管路（１１）を通り、前記バイオマス材料前処理部の乾燥システム（３）と連結され、前記燃焼床（９−１）の上側部分は空気吸入管路（１０）と連結される請求項８のガス化システム。
  10. 前記バイオ燃料油タンク（１６）の出口およびガス化炉（２０）を連結させる管路には高圧油ポンプ（１７）が設けられており、前記バイオ燃料油は圧縮されると共に、前記ガス化炉（２０）へ搬送されてガス化される請求項７のガス化システム。
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