JP2013538248A - ２個の相互連結炉を介するバイオマス熱分解ガス化方法および装置 - Google Patents

２個の相互連結炉を介するバイオマス熱分解ガス化方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 ２個の相互連結炉によるバイオマス熱分解ガス化炉および方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、熱容量が高い固形粒子をエネルギキャリアとして、また飽和水蒸気を酸化剤として使用する。第１に、バイオマスを５００〜８００℃の温度で低温熱分解し、アルカリ金属酸化物を含まない粗合成ガスおよびコークスを得る。次に、粗合成ガスおよびコークスを１２００〜１６００℃の温度で高温ガス化して、タールを含まない合成ガスを得る。最後に、生成された合成ガスに、冷却、除塵、脱酸、および脱水工程を連続して行う。本装置は、積み重ねられて配置され、内部空隙が相互連結されるガス化炉（４）および熱分解炉（６）と、粒子加熱装置（１０）と、プラズマトーチヒータ（１１）と、排気用送風機（１２）と、循環するように配置される第１熱交換器（１３）と、飽和水蒸気を生成させる貯水槽（１６）と、水送達ポンプ（１５）と、第２熱交換器（１４）と、集塵機（１７）と、脱酸装置（１８）と、乾燥機（１９）を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、可燃材料をクリーン且つ高効率な合成ガスに変換する技術に関し、特に、２個の相互連結された炉を使用して、バイオマスの熱分解ガス化を行う方法およびシステムに関する。
可燃材料のガス化技術、特に可燃性の石炭のガス化技術は、２０世紀後半に驚くほどの発展を遂げており、大きく発達している。研究者達は、幅広く適用可能で、効率よくガス化を行い、且つ無公害である石炭のガス化方法の開発に成功した。小枝、わら、並びに他の農業および森林廃棄物といったバイオマスのガス化技術は、２１世紀の広範囲に亘るエネルギ利用のための新技術である。従来のバイオマスガス化技術には、固定床ガス化法、流動床ガス化法、および２段階ガス化法を含み、これらの全てが、直接ガス化技術である。直接ガス化技術方法では、バイオマスの一部によって生成される熱が、ガス化のためにエネルギ資源をもたらし、空気、酸化空気、および酸化空気と水蒸気の組み合わせが、ガス化反応の間の酸化剤として機能することを特徴とする。しかしながら、研究によれば、バイオマスの直接ガス化技術は、以下の点において不都合がある。
第１に、バイオマス燃料の成分および発熱量が不安定であり、バイオマスは燃焼点が低く燃焼反応が早いので、爆発が容易に起きてしまう。一部分が過熱されてコークス状態にされた時に、ガス化炉の作動温度は、制御が極めて困難である。
第２に、空気が酸化剤として作用し、Ｎ２の不活性ガスの含有量が顕著である時に、結果的にＮ２の含有量が高く、有効ガス（ＣＯ＋Ｈ２）の含有量が低く、且つＨ２／ＣＯの比率が小さくなり、加えて、合成ガスの発熱量が低く不安定であることから、５０００ＫＪ／Ｎｍ３以下に維持されるに過ぎず、また、後の工業的利用の要求を殆ど満たさない。
第３に、酸化空気が酸化剤として作用するときに、Ｎ２の含有量は相対的に低いが、付加的な空気分離装置が必要とされる。空気分離装置は容量が大きく、且つエネルギ消費が大きいので、このような処理により、製造コストが高くなってしまう。
第４に、酸化空気および水蒸気の両方ともが酸化剤として作用するときに、合成ガス中のＮ２含有量は減少すると共に、Ｈ２の含有量は増加するが、反応媒質として作用する水蒸気は、未だ多量の熱エネルギを消費し、空気分離でのエネルギ消費を加えて、本処理は製造コストが極めて高くなってしまう。
第５に、バイオマスの約１５〜２０パーセントが、ガス化のためのエネルギ資源を提供するために、自然発火する必要があるが、同時に、多量のＣＯ２が燃焼中に生成され、それに応じて、有効ガス（ＣＯ＋Ｈ２）の含有量は減少してしまう。また、高温の合成ガスおよび混合空気は多量の顕熱を伝えるので、熱エネルギの化学的エネルギへの変換が極めて小さくなり、且つ、冷却されたガスの有効性も低下してしまい、概ね７０パーセント以下、例外的な状況でも８０パーセントに満たない。
第６に、ガス化炉の作動温度は概ね８００〜１２００℃に制御され、このような温度では、バイオマスのガス化により多量のタールが生成されてしまい、このタールは取り除くことが困難であり、また、装置や配管内で凝集した多量のタールは、配管の閉塞や装置の汚染を引き起こしがちである。
第７に、バイオマスのガス化で生成された灰は、ＫおよびＮａのようなアルカリ金属酸化物をかなり多く含み、概ね灰全体の２０〜４０ｗｔ．％である。しかしながら、８００℃よりも高い温度では、アルカリ金属酸化物はガス化されると共に合成ガスと混合される傾向にあり、これにより合成ガスの性質に影響を及ぼすだけでなく、タールと共に配管や装置に固着してしまい、装置や配管の深刻な腐食に至りかねない。
上記の既存の問題に鑑み、バイオマスの直接ガス化技術は、実用的な生産に適用するのが困難である。従って、工業生産に適用できると共に、商業利益に変換可能なバイオマスのガス化方法が所望される。
上述の問題に鑑み、本発明の目的の一つは、バイオマスの熱分解ガス化方法およびシステムを提供することにある。本方法は、制御が容易であり、エネルギを節約し、且つ低コストであることを特徴とする。生成された合成ガスは高効率であり、発熱量が高く、且つタールやアルカリ金属酸化物が存在しない。
上記の目的を達成するために、バイオマスの熱分解ガス化方法が提供される。本方法は、熱容量が大きい固形粒子をエネルギキャリアとして、また飽和水蒸気を酸化剤として利用する。バイオマスの熱分解ガス化は、熱分解炉およびガス化炉夫々で行われることにより、クリーンな合成ガスが得られる。本方法は以下の工程を含む。
１）ガス化炉を熱分解炉上に載置し、ガス化炉の内部空隙および熱分解炉の内部空隙を相互連結し、且つ固形粒子をガス化炉の上端からガス化炉および熱分解路に順次導入する工程。固形粒子の熱エネルギは、外部発熱機器例えばプラズマトーチヒータによって供給され、また概ね固形粒子は１４００〜１８００℃の温度に加熱される。ガス化炉において、固形粒子は、ガス化炉の内部空隙を１２００〜１６００℃の作動温度に維持するために、熱エネルギの一部を解放し、熱分解炉まで落下したときに、固形粒子は、熱分解炉の内部空隙を５００〜８００℃の作動温度に維持するために、別部分の熱エネルギを解放する。従って、熱分解ガス化において、バイオマスの自然発火は必要ではなく、また、バイオマスの変換が大きく改善される。
２）バイオマスを粉砕し、そのバイオマスを熱分解炉へ送り込む一方で、飽和水蒸気を熱分解炉へ噴霧し、バイオマスを固形粒子によって５００〜８００℃の温度条件とされた飽和水蒸気と十分に接触させて、バイオマスを粗合成ガスおよびコークスを含む灰に熱分解する工程。熱分解炉の作動温度は、ＫおよびＮａを含むアルカリ金属酸化物の昇華点よりも低いので、アルカリ金属酸化物はコークスを含む灰に存在し、且つ、粗合成ガスはタールを含まず、或いは僅かなタールのみを含む。
３）コークスを含む灰を固形粒子から分離し、固形粒子を再加熱し、且つ、固形粒子を次の循環のためにガス化炉へ送る工程。加熱された固形粒子は、熱エネルギをバイオマスの熱分解ガス化のために供給するが、化学反応には加わらないので、固形粒子の循環によりエネルギ消費および製造コストが低下する。
４）コークスを含む灰を１５０度以下の温度に冷却し、コークスを灰から分離する工程。コークスは以下の工程において、合成ガスを生成するために使用され、また、アルカリ金属酸化物を含む灰は灰貯蔵所に搬送されて広範囲に利用される。
５）粗合成ガスを相互連結された内部空隙を介してガス化炉へ導入し、コークスをガス化炉へ搬送する一方で、飽和水蒸気をガス化炉へ噴霧し、コークスおよび粗合成ガスを１２００〜１６００℃の飽和水蒸気と接触させて、コークスおよび粗合成ガスを一次合成ガスにガス化する工程。ガス化炉の作動温度は、タール形成温度よりも高温であるため、粗合成ガスおよびコークスは完全にガス化され、且つ、得られる一次合成ガスはタールを含まない。
６）一次合成ガスをクリーンな合成ガスに変換するために、冷却、除塵、脱酸および乾燥を行う工程。冷却工程は、合成ガスの製造工程全体において必要とされるだけでなく、多量の顕熱を回収して広範囲に利用する。除塵工程は、塵を粗合成ガスから分離させると共に、ガスの塵濃度を５０ｍｇ／Ｎｍ３未満に低下させる。Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ、ＨＣＬ、ＮＨ３およびＨＣＮなどの有害成分は、脱酸工程で合成ガスから取り除かれる。乾燥後に、一次合成ガスはクリーンな合成ガスに変換されて、後の工業利用のために保管される。
熱容量が大きい固形粒子は、レアアース粒子、セラミック粒子、またはケイ砂であり、固形粒子の直径は５ｍｍ以下である。固形粒子は、１４００〜１８００℃の温度でも安定した物理的及び化学的性質を備えており、エンタルピー値が高く、加熱された時に固形粒子の温度制御が容易であり、それ故、固形粒子はエネルギキャリアとして作用するのに極めて適当である。一方で、相対的に粒子寸法が小さいことにより、同じ数の固形粒子と比べて総面積が大きく、寸法が小さいと、固形粒子からバイオマスへの熱伝達に貢献するだけでなく、熱分解炉およびガス化炉の交差部分において、流動ろ過層を形成するのに役立ち、それにより、粗合成ガス内の塵が取り除かれる。
窒素保護装置は、熱分解炉からの粗合成ガスの漏出により生じる火災および爆発時に備えて、熱分解炉の供給口およびガス化炉の粒子入口に連結される。
熱分解炉の好適な作動温度は、５００〜６５０℃に制御され、熱分解炉の作動圧は１０５〜１０９ｋＰａに制御される。熱分解炉への飽和水蒸気の供給速度は３５〜５０ｍ／秒であり、粗合成ガスの熱分解炉での保持時間は１５〜２０秒であり、熱分解炉からの粗合成ガスの排出速度は１５〜２０ｍ／秒である。熱分解炉は常圧で作動すると共に、特別な圧力装置が必要とされないので、製造コストが低下する。熱分解炉内のバイオマスは高速で乾燥され、揮発性物質から分離され、且つ、粗合成ガスおよび飽和水蒸気との接触の間に熱分解される。更に、熱分解炉の作動温度は、約８００℃であるアルカリ金属酸化物の昇華点よりもかなり低いことから、アルカリ金属酸化物は粗合成ガスから除去される。熱分解炉からの排出速度が相対的に低いことにより、灰が熱分解炉の出口やガス配管に凝集することが阻止される。
ガス化炉の好適な作動温度は１２００〜１４００℃に制御され、且つ、ガス化炉の好適な作動圧力は、１０５〜１０９ｋＰａに制御される。ガス化炉への飽和水蒸気の供給速度は３５〜５０ｍ／秒であり、ガス化炉内での一次合成ガスの保持時間は１５〜２０秒であり、ガス化炉からの一次合成ガスの排出速度は１５〜２０ｍ／秒である。ガス化炉は常圧で作動し、且つ、特別な圧力装置を必要としないので、製造コストが低下する。ガス化炉への飽和水蒸気の供給速度が高いので、粗合成ガスおよびコークスの接触および混合が改善される。ガス化炉の作動温度範囲は適切であると共に、飽和水蒸気との接触の間における粗合成ガスおよびコークスの全面的なガス化が保証され、得られる一次合成ガスはタールを含んでおらず、同時に、エネルギ消費が可能な限り低減すると共に、ガス化炉の性能が大きく改善される。
一次合成ガスは２６０〜３２０℃の温度に冷却され、次に、洗浄工程が実施される。ガス化炉から排出される一次合成ガスの温度は約１２００〜１４００℃と未だ高いので、冷却工程は後の除塵、脱酸および乾燥に貢献するだけでなく、一次合成ガスにおける顕熱の回収にも役立ち、排熱が広範囲に利用される。
上記の方法に係るバイオマスの熱分解ガス化システムは、熱分解炉と、ガス化炉と、粒子ヒータと、プラズマトーチヒータと、排気用送風機と、第１熱交換器と、貯水槽と、水ポンプと、第２熱交換器を含む。ガス化炉は熱分解炉上に載置され、且つ、ガス化炉の内部空隙および熱分解炉の内部空隙が、垂直方向に相互連結される。
貯水槽は水ポンプを介して、第１熱交換器の水入口および第２熱交換器の水入口と連結される。第１熱交換器の蒸気出口および第２熱交換器の蒸気出口の両方ともが、熱分解炉の蒸気ノズルおよびガス化炉の蒸気ノズルの両方と連結される。第１熱交換器の空気出口は、排気用送風機を介して、プラズマトーチヒータの空気入口と連結され、プラズマトーチヒータの空気出口は、粒子ヒータの空気入口と連結され、粒子ヒータの空気出口は、第１熱交換器の空気入口と連結される。
粒子ヒータの排出口はガス化炉の粒子入口と連結され、ガス化炉のガス出口は第２熱交換器のガス入口と連結され、第２熱交換器のガス出口は集塵機、脱酸塔、および乾燥機と順次連結される。熱分解炉の灰出口は粒子分離装置の供給口と連結され、粒子分離装置の灰出口は灰冷却装置の灰入口と連結され、灰冷却装置の灰出口は灰‐コークス分離装置の供給口と連結される。
プラズマトーチヒータは、超高温加熱、高速熱・物質移動、抗効率、および熱出力の調節という点で有利であり、循環空気を１８００〜２０００℃の温度に瞬時に加熱できる。次に、高温の循環空気は、固形粒子を加熱するために使用され、その後に、所望温度の固形粒子は、安定的な作動温度を維持するために、熱分解炉およびガス化炉へ排出される。第１熱交換器および第２熱交換器は、循環空気および一次合成ガス夫々の多量の顕熱を効果的に回収する。貯水槽の水は、顕熱により予熱されると共に飽和水蒸気に変換されることにより、プラズマトーチヒータのエネルギ消費が低減されると共に、熱エネルギが広範囲に利用される。
窒素保護装置は、熱分解炉の供給口およびガス化炉の粒子入口の両方と連結される。バイオマスが熱分解炉の供給口に供給された時に、窒素保護装置は、窒素を供給口から熱分解炉へ供給し、固形粒子がガス化炉へ供給された時に、窒素保護装置は窒素を粒子入口からガス化炉へ供給することにより、窒素密封層が形成されて、合成ガスが熱分解炉およびガス化炉から漏出するのが阻止されると共に、空気が熱分解炉およびガス化炉の外部に留められて、火災および爆発が阻止されると共に、合成ガスの性質が確保される。
熱分解炉およびガス化炉に設けられる蒸気ノズルは、２〜４個の高さのグループに分けられ、且つ、各々の高さの蒸気ノズルは、円周方向に沿って均一に且つ接線方向に配置される。従って、飽和水蒸気は、様々な高さから熱分解炉およびガス化炉へ噴霧され、且つ、様々な高さで、均一で安定した温度場が保たれることから、結果的に、飽和水蒸気および反応物質間の十分な接触がもたらされる。
熱分解炉の内部空隙およびガス化炉の内部空隙の交差部分は狭くなっており、交差部分には少なくとも１層のメッシュスクリーンが載置される。頚状の交差部分における最小断面積およびメッシュスクリーンの配置により、高温の固形粒子の降下速度を効果的に制御することができる。固形粒子は、ガス化炉内で十分に熱エネルギを解放し、次に、熱分解炉へ落下することにより、ガス化炉および熱分解炉の安定した作動温度が達成される。同時に、メッシュスクリーンにより阻まれた固形粒子は流動ろ過層を形成して、上昇する粗合成ガス内の塵の除去に役立つ。
灰‐コークス分離装置のコークス出口は、コーク搬送装置を介して、ガス化炉のコークス入口と連結される。粒子分離装置の粒子出口は、粒子搬送装置を介して、粒子加熱装置の供給口と連結される。例えば、スクリューフィーダを利用して、コークスをガス化炉へ直接搬送し、また、空気圧式搬送パイプを使用して、固形粒子を粒子加熱装置へ搬送することにより、中間の手動による搬送が省略され、システム全体の安定性および連続性が向上する。
水、灰、揮発性物質およびバイオマスの灰溶融点に固有の特性に基づき、また、ガス化炉の作動機能を組み合わせて、本発明方法は、低温熱分解高温ガス化により、バイオマスから合成ガスを生成するために、酸化剤として従来の酸化剤空気または酸化空気ではなく、飽和水蒸気を利用すると共に、エネルギキャリアとして、熱容量が大きい固形粒子を利用する。本発明の効果を以下に要約する。
第１に、固形粒子がバイオマスを間接的に加熱するために使用され、飽和水蒸気が酸化剤として、バイオマス熱分解ガス化において、異なる温度で作用する。エネルギキャリアおよび酸化剤が互いに独立して、様々な種類のバイオマスに適用でき、また操作に便利であるだけでなく、空気または酸化空気が酸化剤として必要とされないので、工程全体におけるエネルギ消費および製造コストの総額が最小化される。
第２に、熱分解ガス化の間に、バイオマスに自然発火が生じないので、熱分解炉またはガス化炉内での燃料の爆発、部分的なコークス化、各工程の制御困難など、従来のガス化工程における問題を効果的に解決する。空気または酸化空気が反応においてもはや必要とされないので、合成ガスはＨ２／ＣＯの比率が高く、また有効ガス（ＣＯ＋Ｈ２）の含有量が高く、８５パーセント以上であるので、合成ガスの発熱量が大きく改善されると共に、合成ガスが一層幅広く使用される。
第３に、主要な反応装置は熱分解炉およびガス化炉であり、これらは相互連結されるので、構造が簡素化する。バイオマスは最初に、低温で粗合成ガスおよびコークスに熱分解され、粗合成ガスはガス化炉へ流入し、コークスはガス化炉へ搬送されて、粗合成ガスおよびコークスは共に、高温でガス化される。温度範囲が適切に設定されるので、生成される粗合成ガスはアルカリ金属酸化物を含んでおらず、タールおよびコークスは全て一次合成ガスに変換され、炭素変換が極めて高く、得られる一次合成ガスは、装置や配管を汚し或いは腐食させる不純物が存在せず、また後の洗浄工程がかなり簡単になる。
第４に、プラズマトーチヒータは、循環空気を媒体として利用して固形粒子を加熱し、高温の固形粒子は、バイオマスの熱分解ガス化に必要な熱エネルギ全てを供給する。バイオマス燃料の熱エネルギは全て化学エネルギに変換され、且つ、冷却されたガスの効率は８７パーセント以上と、従来よりも８パーセントも高い。
第５に、プラズマトーチヒータは熱効率が高く、また入力電力が調整可能である。バイオマス燃料の成分が変化した時に、プラズマトーチヒータの電力を調整することができ、それにより、飽和水蒸気の温度を制御し、ガス化炉の作動を安定的に保ち、且つ、一次合成ガスの安定した出力および安定した性質を確保するのにとても都合がよい。
本発明方法およびシステムは、様々な種類のバイオマス燃料に適用可能であり、また、一体化バイオマスガス化サイクルおよびバイオマス液体燃料の産業に特に適用できる。
バイオマス熱分解ガス化システムの構造図。
バイオマスの熱分解ガス化方法およびシステムを、添付の図面と併せて具体的に説明する。
図１に示すように、バイオマスの熱分解ガス化システムは、ベルトコンベア１と、ホッパ２と、バイオマスを搬送するスクリューフィーダ５と、主要な反応器として機能する熱分解炉６およびガス化炉４と、ガス化炉４は熱分解炉６の上に載置されており、また、熱分解炉６の内部空隙およびガス化炉４の内部空隙は垂直方向に相互連結されており、粒子加熱装置１０と、プラズマトーチヒータ１１と、排気用送風機１２と、固形粒子および飽和水蒸気を連続的に加熱する循環を形成するために１個ずつ連結された第１熱交換器１３と、貯水槽１６と、水ポンプ１５と、一次合成ガスを冷却すると共に飽和水蒸気を生成する第２熱交換器１４と、集塵機１７と、脱酸塔１８と、合成ガスの後の洗浄のための乾燥機１９を含む。
ベルトコンベア１の出口端はホッパ２の入口の上方に配置され、ホッパ２の出口はスクリューフィーダ５の供給口に連結され、スクリューフィーダ５の排出口は熱分解炉６の供給口に連結される。
ガス化炉４は熱分解炉６の上に載置されており、ガス化炉４の内部空隙と熱分解炉６の内部空隙は相互連結される。熱分解炉６の内部空隙およびガス化炉４の内部空隙の交差部分は頚状になっている。交差部分は、熱分解炉６のガス出口およびガス化炉４のガス入口である。少なくとも１層のメッシュスクリーン２１が交差部分に載置されており、固形粒子の降下速度を低下させると共に制御する。熱分解炉６およびガス化炉４は、水冷式カバーまたは空冷式カバーを備えたケーシングを含んでおり、断熱に効果的である。
熱分解炉６の供給口は上側部分に配置されており、熱分解炉６の内部におけるバイオマスの均一な追加および安定した流動場が確保される。供給口の数は２〜４個である。熱分解炉６は下側部分に配置される灰出口を含み、灰出口の数は１個または２個である。熱分解炉６の灰出口から排出された灰は、液体状態である。灰出口は、固形粒子を灰から分離させる粒子分離装置７の灰入口と連結される。粒子分離装置７の灰出口は、コークスを含む灰を冷却する灰冷却装置８の灰入口と連結される。灰冷却装置８の灰出口は、コークスを灰から分離する灰‐コークス分離装置９の供給口と連結される。
好適には、粒子分離装置７の粒子出口は、粒子搬送装置２４を介して、粒子加熱装置１０の供給口と連結される。灰‐コークス分離装置９のコークス出口は、コークス搬送装置２２を介して、ガス化炉４のコークス入口と連結される。手動による搬送に比べて、本発明方法はエネルギを節約すると共に、ガス化炉４の安定且つ連続した作動を保証する。
ガス化炉４のコークス入口は、上側部分または上端に配置される。ガス化炉４の内部におけるコークスの均一な追加および安定した流動場を確保するために、コークス入口の数は、容量に応じて１個または２個である。ガス化炉４のガス出口は、上側部分に配置されると共に、第２熱交換器１４のガス入口と連結され、第２熱交換器１４のガス出口は、集塵機１７、脱酸塔１８、および乾燥機１９と連続して連結され、乾燥機１９の出口はガス貯蔵タンク２０と連結される。
改良点としては、窒素保護装置３が、熱分解炉６の供給口およびガス化炉４の粒子入口に連結されることにより、合成ガスを空気から効果的に隔離する窒素密封層が形成される。
熱分解炉６およびガス化炉４に噴霧される飽和水蒸気は、貯水槽１６の軟水または脱塩水から、第１熱交換器１３および第２熱交換器１４夫々の循環空気および一次合成ガスと熱交換を行った後に変換される。貯水槽１６は水ポンプ１５を介して、第１熱交換器１３の水入口および第２熱交換器１４の水入口と連結される。第１熱交換器１３の蒸気出口および第２熱交換器１４の蒸気出口は、熱分解炉６の蒸気ノズルおよびガス化炉４の蒸気ノズルの両方と連結される。改良された構造として、熱分解炉６およびガス化炉４に配置される蒸気ノズルは、夫々２〜４個の高さのグループに分けられており、各々の高さの蒸気ノズルは、円周方向に沿って、均一且つ接線方向に配置される。従って、均一且つ安定した蒸気場が維持され、また、飽和水蒸気および反応物質が十分に接触する。
固形粒子はプラズマトーチヒータ１１により、中間の循環空気加熱過程を介して、間接的に加熱される。第１熱交換器１３の空気出口は、排気用送風機１２を介して、プラズマトーチヒータ１１の空気入口と連結され、プラズマトーチヒータ１１の空気出口は、粒子加熱装置１０の空気入口と連結され、粒子加熱装置１０の空気出口は、第１熱交換器１３の空気入口と連結される。粒子加熱装置１０の排出口は、バイオマスへ安定した熱エネルギ資源を供給するためにガス化炉４の粒子入口と連結される。
システムはまた、灰貯蔵所２３を含む。灰‐コークス分離装置９から排出された灰は、手動または機械モードで、灰貯蔵所２３へ搬送される。
上記のシステムを使用するバイオマスの熱分解ガス化方法を、以下に詳細に説明する。
Ａ）排気用送風機１２およびプラズマトーチヒータ１１を始動させて、循環空気を徐々に１８００〜２０００℃の温度に加熱する。循環空気は、粒子加熱装置１０において、固形粒子と熱を交換する。熱交換後に、固形粒子は１４００〜１８００℃の温度に加熱される。循環空気は、５００〜６５０℃の温度まで冷却されると共に、排熱を利用するために、第１熱交換器１３に搬送される。高温の固形粒子は、ガス化炉４の粒子入口に搬送され、重力により、ガス化炉４および熱分解炉６へ順次落下させられる。固形粒子の温度および流速は、ガス化炉４の作動温度が１２００〜１４００℃となり、熱分解炉６の作動温度が５００〜６５０℃となるまで調節される。
Ｂ）粉砕されたバイオマスがベルトコンベア１、ホッパ２、およびスクリューフィーダ５を順に介して熱分解炉６へ搬送されると同時に、窒素保護装置３からの窒素が、熱分解炉６の供給口およびガス化炉４の粒子入口の両方に供給される。バイオマスが灰色のわら、例えば木の枝や根であるときに、バイオマスの粒子寸法は５０ｍｍ×５０ｍｍ以下に制御され、且つ、バイオマスの水分含有量は４０パーセント未満に制御される。バイオマスが黄色のわら、例えば脱穀された穀物の茎、草、とうもろこしの茎である時に、バイオマスの粒子寸法は、相対的に大きくてもよい。
Ｃ）脱塩水が貯水槽１６から水ポンプ１５を介して、第１熱交換器１３の水入口および第２熱交換器１４の水入口の両方へ流出させられる。第１熱交換器１３において、脱塩水は循環空気の排熱を取り出し、循環空気は５００〜６５０℃から２００℃以下の温度へ冷却されると同時に、０．４〜０．６Ｍｐａの飽和水蒸気が生成される。次に、冷却された空気は、再加熱するためにプラズマトーチヒータ１１に搬送される。第２熱交換器１４において、脱塩水は、１２００〜１４００℃から２６０〜３２０℃の温度に冷却された一次合成ガスの顕熱を取り出すと同時に、０．４〜０．６Ｍｐａの飽和水蒸気が生成される。第１熱交換器１３の蒸気出口および第２熱交換器１４の蒸気出口からの飽和水蒸気は、熱分解炉６の蒸気ノズルおよびガス化炉４の蒸気ノズルの両方へ導入される。
Ｄ）飽和水蒸気は、３５〜５０ｍ／秒の速度で熱分解炉６へ流入され、熱分解炉６の作動パラメータは、温度が５００〜６５０℃、圧力が１０５〜１０９ｋＰａであることにより、バイオマスは飽和水蒸気と十分に接触して、粗合成ガスおよびコークスを含む灰に熱分解される。粗合成ガスは熱分解炉６内に１５〜２０秒間維持され、熱分解炉６からの流出速度は１５〜２０ｍ／秒である。
Ｅ）コークスを含む灰は、５００〜６５０℃の温度であり、固形粒子と混合されており、熱分解炉６の灰出口から粒子分離装置７へ搬送された後に、固形粒子はコークスを含む灰から分離される。固形粒子は、次の循環のために、粒子搬送装置２４を介して、粒子加熱装置１０に戻る。コークスを含む灰は、灰冷却装置８へ搬送され、熱回収後に、コークスを含む灰は１５０度以下の温度に冷却される。コークスは、灰‐コークス分離装置９によって灰から分離され、次に、コークス搬送装置２２を介してガス化炉９へ搬送される一方、灰‐コークス分離装置９からの灰は、手動または機械モードによって、灰貯蔵所２３へ搬送される。
Ｆ）５００〜６５０℃の温度の粗合成ガスは、頚状交差部分においてメッシュスクリーン２１を横切り、ガス化炉４へ上方に流れると同時に、飽和水蒸気が３５〜５０ｍ／秒の速度で供給される。ガス化炉４は、作動温度が１２００〜１４００℃、作動圧力が１０５〜１０９ｋＰａに制御されることにより、粗合成ガスおよびコークスが飽和水蒸気と十分に接触して、一次合成ガスにガス化される。一次合成ガスはガス化炉４内に１５〜２０秒間維持されると共に、１５〜２０ｍ／秒の速度で排出される。
Ｇ）１２００〜１４００℃の温度の一次合成ガスは、ガス化炉４から配管を介して第２熱交換器１４のガス入口へ搬送される。脱塩水によって２６０〜３２０℃の温度に冷却された後に、一次合成ガスは、第２熱交換器１４のガス出口から集塵機１７に排出される。一次合成ガス中の塵は集塵機１７で阻まれ、集塵機１７の出口における一次合成ガスの塵濃度は、５０ｍｇ／Ｎｍ３未満である。
Ｈ）除塵後に、一次合成ガスは脱酸塔１８へ搬送されて、Ｈ２Ｓ，ＣＯＳ，ＨＣＬ，ＮＨ３およびＨＣＮなどの有害成分が除去される。
Ｉ）脱酸後に、一次合成ガスは乾燥機１９へ搬送されて、水分が除去されると共に、クリーンな合成ガスが得られる。クリーンな合成ガスは、ガス貯蔵タンク２０に搬送され、後の工業利用のために保管される。
幾度にわたる試験およびデータ検出後に、クリーンな合成ガスの主要成分および特性は、表１に示すとおりである。表１に示すように、本方法により生成されたクリーンな合成ガスは、ＣＯ＋Ｈ２の合計含有量が９０パーセントであり、Ｈ２／ＣＯの比率は１より大きく、合成ガスの発熱量（ＬＨＶ）は１２．５〜１３．４ＭＪ／Ｎｍ３であり、冷却されたガスの効率は約８７パーセントである。従って、合成ガスは多大な商業的利益をもたらすことができ、一体化バイオマスガス化サイクルおよびバイオマス液体燃料の産業に特に利用できる。
Figure 2013538248
１ ベルトコンベア
２ ホッパ
３ 窒素保護装置
４ ガス化炉
５ スクリューフィーダ
６ 熱分解炉
７ 粒子分離装置
８ 灰冷却装置
９ 灰‐コークス分離装置
１０ 粒子加熱装置
１１ プラズマトーチヒータ
１２ 排気用送風機
１３ 第１熱交換器
１４ 第２熱交換器
１５ 水ポンプ
１６ 貯水槽
１７ 集塵機
１８ 脱酸塔
１９ 乾燥機
２０ ガス貯蔵所
２１ メッシュスクリーン
２２ コークス搬送装置
２３ 灰貯蔵所
２４ 粒子搬送装置

Claims (12)

  1. バイオマスの熱分解ガス化方法であって、該方法は熱容量が高い固形粒子をエネルギキャリアとして、また飽和水蒸気を酸化剤として利用し、バイオマスの熱分解およびガス化を、内部空隙が相互連結された熱分解炉およびガス化炉で行い、最終的にクリーンな合成ガスを生成するものであり、
    １）ガス化炉を熱分解炉上に載置して、前記ガス化炉の内部空隙および前記熱分解炉の内部空隙を相互連結し、前記固形粒子を加熱し、前記固形粒子を前記ガス化炉の上端部から前記ガス化炉および前記熱分解炉へ順次導入し、前記ガス化炉の内部空隙の作動温度を５００〜８００℃に、前記熱分解炉の内部空隙の作動温度を１２００〜１６００℃に制御する工程と、
    ２）前記バイオマスを粉砕し、該バイオマスを前記熱分解炉へ供給する一方で、前記飽和水蒸気を該熱分解炉に噴霧し、前記バイオマスを熱分解するために、該バイオマスを５００〜８００℃の前記飽和水蒸気と接触させて、粗合成ガスおよびコークスを含む灰を生成する工程と、
    ３）前記コークスを含む灰を前記固形粒子から分離させ、前記固形粒子を加熱し、前記固形粒子を次の循環のために前記ガス化炉へ搬送する工程と、
    ４）前記灰を冷却すると共に前記コークスを分離させる工程と、
    ５）前記粗合成ガスを前記相互連結された内部空隙を介して前記ガス化炉へ導入し、前記コークスを前記ガス化炉に搬送する一方で、前記飽和水蒸気を前記ガス化炉に噴霧し、前記コークスおよび前記粗合成ガスをガス化するために、前記コークスおよび前記粗合成ガスを１２００〜１６００℃の飽和水蒸気と接触させて、一次合成ガスを生成する工程と、
    ６）前記一次合成ガスの冷却、除塵、脱酸、および乾燥を行い、クリーンな合成ガスを生成する工程と
    を含む方法。
  2. 前記熱容量が大きい固形粒子は、レアアース粒子、セラミック粒子またはケイ砂であり、前記固形粒子の直径は５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１の方法。
  3. 工程１において、窒素雰囲気が前記熱分解炉および前記ガス化炉の供給口に形成されることを特徴とする請求項２の方法。
  4. 前記熱分解炉の作動温度は５００〜６５０℃に制御され、前記熱分解炉の作動圧力は１０５〜１０９ｋＰａに制御され,
    前記飽和水蒸気の前記熱分解炉への供給速度は３５〜５０ｍ／秒であり、
    前記熱分解炉内における前記粗合成ガスの保持時間は１５〜２０秒であり、前記熱分解炉からの前記粗合成ガスの排出速度は１５〜２０ｍ／秒である
    ことを特徴とする請求項１、２または３の方法。
  5. 前記ガス化炉の作動温度は１２００〜１４００℃に制御され、前記ガス化炉の作動圧力は１０５〜１０９ｋＰａに制御され、
    前記飽和水蒸気の前記ガス化炉への供給速度は３５〜５０ｍ／秒であり、
    前記ガス化炉内における前記一次合成ガスの保持時間は１５〜２０秒であり、前記ガス化炉からの前記一次合成ガスの排出速度は１５〜２０ｍ／秒である
    ことを特徴とする請求項１、２または３の方法。
  6. 前記一次合成ガスは２６０〜３２０℃の温度に冷却されてから、除塵、脱酸および乾燥が行われることを特徴とする請求項１、２または３の方法。
  7. 請求項１の方法に係るバイオマスの熱分解ガス化システムであって、
    前記熱分解炉（６）と、
    前記ガス化炉（４）と、
    粒子加熱装置（１０）と、
    プラズマトーチヒータ（１１）と、
    排気用送風機（１２）と、
    第１熱交換器（１３）と、
    貯水槽（１６）と、
    水ポンプ（１５）と、
    第２熱交換器（１４）とを含み、
    前記ガス化炉（４）は前記熱分解炉（６）上に載置され、前記ガス化炉（４）の内部空隙および前記熱分解炉（６）の内部空隙は相互連結されており、
    前記貯水槽（１６）は前記第１熱交換器（１３）の入水口および前記第２熱交換器（１４）の入水口と水ポンプ（１５）を介して連結されており、前記第１熱交換器（１３）の蒸気出口および前記第熱交換器（１４）の蒸気出口は、両方とも前記熱分解炉（６）の蒸気ノズルおよび前記ガス化炉（４）の蒸気ノズルの両方と連結されており、
    前記第１熱交換器（１３）の空気出口は、前記排気用送風機（１２）を介して、前記プラズマトーチヒータ（１１）の空気入口と連結され、前記プラズマトーチヒータ（１１）の空気出口は前記粒子加熱装置（１０）の空気入口と連結され、前記粒子加熱装置の空気出口は前記第１熱交換器（１３）の空気入口と連結されており、
    前記粒子加熱装置（１０）の排出口は前記ガス化炉（４）の粒子入口と連結され、前記ガス化炉（４）のガス出口は前記第２熱交換器（１４）のガス入口と連結され、前記第２熱交換器（１４）のガス出口は集塵機（１７）、脱酸塔（１８）および乾燥機（１９）と順に連結されており、
    前記熱分解炉（６）の灰出口は前記粒子分離装置（７）の供給口と連結され、前記粒子分離装置（７）の灰出口は前記灰冷却装置（８）の灰入口と連結され、前記灰冷却装置（８）の灰出口は前記灰‐コークス分離装置（９）の供給口と連結される
    ことを特徴とするシステム。
  8. 窒素保護装置（３）は前記熱分解炉（６）の供給口および前記ガス化炉（４）の粒子入口の両方と連結されることを特徴とする請求項７のシステム。
  9. 前記熱分解炉（６）および前記ガス化炉（４）に配置される前記蒸気ノズルは、２〜４個の高さのグループに分けられており、各々の高さの蒸気ノズルは円周方向に沿って、均一に且つ接線方向に配置されることを特徴とする請求項７または８のシステム。
  10. 前記熱分解炉（６）の内部空隙および前記ガス化炉（４）の内部空隙は頚状であり、少なくとも１層のメッシュスクリーンが交差部分に載置されることを特徴とする請求項７または８のシステム。
  11. 前記灰‐コークス分離装置（９）のコークス出口は、コークス搬送装置（２２）を介して、前記ガス化炉（４）のコークス入口と連結されることを特徴とする請求項７または８のシステム。
  12. 前記粒子分離装置（７）の粒子出口は、粒子搬送装置（２４）を介して、前記粒子加熱装置（１０）の供給口に連結されることを特徴とする請求項７または８のシステム。
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