JP2015507673A5

JP2015507673A5 -

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Publication number: JP2015507673A5
Application number: JP2014549317A
Authority: JP
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2032-10-26

Description

外部加熱型マイクロ波プラズマバイオマス燃料ガス化炉は、垂直方向に配置される炉本体と、前記炉本体と連通するとともに炉本体の中央部に配置されるフィーダと、炉本体の間隙領域に配置されて蒸気を噴霧するための上側ノズルと、炉本体の床領域に配置されて二酸化炭素、蒸気、またはその組合せを噴霧するための下側ノズルと、炉本体の上部にある合成ガス出口付近に配置される合成ガスの温度と成分を監視する監視ユニットと、前記間隙領域の上側ノズルの上端に位置するマイクロ波プラズマ発生装置とを含み、前記炉本体の床領域は、炉本体底部に位置する床媒体が落下する領域であり、前記炉本体の間隙領域は、炉本体の炉壁と前記床領域で囲まれる領域であり、前記マイクロ波プラズマ発生装置は1層または2層が配置され、前記マイクロ波プラズマ発生装置が１層の場合、該マイクロ波プラズマ発生装置は3個または4個の作用ガス入口を含み、前記マイクロ波プラズマ発生装置が２層の場合、各層は3個または4個のプラズマ作用ガス入口を含み、プラズマ流は前記ガス化炉の間隙領域に水平方向かつ接線方向に噴霧され、外部加熱装置は外部熱源を利用して加熱し、循環床媒体出口が炉本体底部に配置されるとともに循環床媒体入口が炉本体上部に配置され、或いは、循環床媒体出口および循環床媒体入口のいずれもが前記炉本体の側壁に配置され、外部加熱装置は炉本体から分離されるとともに、循環床媒体が未反応の残留炭素およびスラグとともに循環床媒体出口から流出し、外部加熱装置により加熱されて、循環床媒体入口から炉本体に戻るように、循環床媒体出口および循環床媒体入口の間に配置され、前記外部加熱装置はスラグを排出するためのスラグ出口を含む。

外部加熱装置の熱源はマイクロ波、高温マイクロ波プラズマ、レーザ、プラズマアーク、太陽エネルギ、またはそれらの組み合わせである。

本発明はまた、外部加熱型マイクロ波プラズマバイオマス燃料ガス化炉を使用するバイオマス燃料ガス化方法を提供する。本方法は、バイオマス燃料をガス化するために、外部熱エネルギを利用するものであり、本方法は以下の工程を含む。

３）下側ノズルからの二酸化炭素、高温蒸気、またはその組合せを炉本体に噴霧して、床領域内の残留炭素を酸化還元させ、一部の固定炭素を消費する工程。

４）未反応の残留炭素と残留スラグと床媒体を循環床媒体出口から外部加熱装置に搬送し、そこで残留炭素を燃焼させ、床媒体を加熱してスラグから分離させるとともに、スラグを外部加熱装置に設置されたスラグ出口から排出する工程。

５）分離された床媒体を循環床媒体入口から炉本体に戻し、床媒体を下方に流し、逆方向に流れる高温合成ガスと熱交換を行い、床領域内の温度が600〜1000℃になるように熱エネルギを放出し、冷却された床媒体を外部加熱装置に送り再度加熱し、必要に応じて循環を数回繰り返し、循環床媒体出口温度を750〜1200℃にするとともに、加熱された床媒体の温度を床領域の温度よりも高くする工程。

１）バイオマス燃料および固形廃棄物を含む原料をフィーダから炉本体に導入し、原料を高温床領域でガス化し熱分解し、固形バイオマスの床領域への滞留時間を長くして、床領域で複雑且つ高効率の熱分解反応を完全に行い、先ず固形燃料を高温化で熱分解し、主要成分である揮発性物質および余剰固定炭素物質を生成し、次に揮発性物質を高温下で粉砕して、多量の一酸化炭素、水素、二酸化炭素と、少量のメタンおよびタールを含む合成ガスを生成し、スラグを外部加熱装置に設置されたスラグ排出口から排出させる工程。

３）床領域の温度を600〜1000℃に、また間隙領域の温度を750〜1600℃に維持するために、ガス化炉底部に配置される外部加熱装置によりガス化炉を加熱する工程。

図面には、以下の符号を使用する。1.フィーダ、2.炉本体、3.マイクロ波プラズマ発生装置、4.下側ノズル、5.上側ノズル、6.監視ユニット、7.循環床媒体出口、8.ガス化炉間隙領域、9.外部加熱装置、10.循環床媒体入口

外部加熱型マイクロ波プラズマガス化炉は、垂直方向に配置される円柱状の炉本体2と、炉本体2と連通するフィーダ1と、炉本体の間隙領域に配置されて蒸気を噴霧するための上側ノズル5と、炉本体の床領域に配置されて二酸化炭素、蒸気、またはその組合せを噴霧するための下側ノズル4と、上側ノズル5の上端に位置するマイクロ波プラズマ発生装置3と、炉本体2の上部にある合成ガス出口付近に配置される監視ユニット6を含み、循環床媒体出口7は炉本体2の底部に配置され、循環床媒体入口10は炉本体の上部に配置され、外部加熱装置9は循環床媒体出口7および循環床媒体入口10の間に配置されるとともに炉本体2から分離されており、循環床媒体が循環床媒体出口7から流出し、外部加熱装置9により加熱され、循環床媒体入口10から炉本体に戻され、外部加熱装置9はスラグを排出するためのスラグ出口を含む。

フィーダ1は炉本体2の中央部分に配置される。1層または2層のマイクロ波プラズマ発生装置3はガス化炉の間隙領域8内に配置される。マイクロ波プラズマ発生装置の各層は、3個または4個のプラズマ作用ガス入口を含み、プラズマ流はガス化炉の間隙領域8に水平方向かつ接線方向に噴霧される。マイクロ波プラズマ発生装置3は電極ギャップが大きく、プラズマ活性が高く、体積範囲が広い。マイクロ波プラズマ発生装置3のマイクロ波電源は、基本周波数が2.45GHzであり、単一のマイクロ波プラズマ発生装置の出力は200kW以内である。

３）固定炭素含有量が多く、床領域が多量の熱を有する（即ち、外部加熱装置9により供給された外部熱エネルギが十分である）時に、作用ガスを下側ノズル4から炉本体に噴霧することにより、床領域の残留炭素が酸化還元されて、合成ガスにより多くの一酸化炭素または水素を生成し、未反応残留炭素および残留スラグと床媒体を循環床媒体出口から外部加熱装置9に送り、そこで残留炭素が燃焼させられるとともに、床媒体は加熱されてスラグから分離させられ、スラグを外部加熱装置に設置されたスラグ出口から排出し、分離された床媒体を循環床媒体入口10から炉本体2に戻し、床媒体は下方へ流れ、合成ガスの温度が1000〜1200℃となるように、逆方向に流れる高温合成ガスと熱交換を行い、床領域内の温度が600〜1000℃になるように熱エネルギを放出し、冷却された床媒体を外部加熱装置9に送り再度加熱し、必要に応じて循環を数回繰り返す工程。循環床媒体出口7の温度は750〜1200℃である。

ガス化炉の床媒体は、蓄熱能力が高い高温耐熱材料からなる。外部加熱装置により加熱されたバイオマス燃料はガス化炉に流入し、逆方向に流れる高温合成ガスと熱交換を行い、次に下方へ高温床領域に流れ、そこでバイオマス燃料は急速に加熱される。バイオマス燃料は酸素含有量が多く、固定炭素含有量が少ない。従って、床領域では、バイオマス燃料が熱分解されて揮発性物質およびセミコークスを生成する。熱分解領域を高温に保つために、適当な高温蒸気、二酸化炭素またはその組合せがガス化炉に噴霧されることにより、揮発性物質は高温下で粉砕され、多量の活性成分（CO＋H₂）と少量のタール蒸気が生成され、このタール蒸気は上方にガス化炉の間隙領域へ流れる。未反応の炭素を含む残留スラグは床媒体とともに大量に外部加熱装置に送られ、そこで残留炭素および床媒体は加熱され、混合物中の残留炭素の完全燃焼を促すために、酸化剤が導入される。床媒体はスラグから分離される。加熱された床媒体は炉本体の上部または側部から炉本体に送られ、下方へ流れて、逆方向に流れる高温合成ガスと熱交換を行い、合成ガスの温度を低下させるとともに、床媒体の温度を上昇させる。高温床媒体は床領域に落下し、熱エネルギを新しく導入されたバイオマス燃料に供給するとともに、粉砕反応温度を維持する。熱交換後、次の加熱および分離を行うために、冷却された床媒体は外部加熱装置に送られる。上記工程は、必要に応じて数回繰り返される。床媒体の循環係数は、燃料特性によって決められる。

１）バイオマス燃料および固形廃棄物を含む原料をフィーダ1から炉本体2に導入し、原料を高温床領域でガス化し熱分解し、固定床と同様の床領域により、固形バイオマスの床領域への滞留時間を長くして、床領域で複雑且つ高効率の熱分解反応を完全に行い、先ず固形燃料を高温化で熱分解し、主要成分である揮発性物質および余剰固定炭素物質を生成し、次に揮発性物質を高温下で粉砕して、多量の一酸化炭素、水素、二酸化炭素と、少量のメタンおよびタールを含む合成ガスを生成し、スラグを外部加熱装置に設置されたスラグ排出口から排出させる工程。

３）炉本体2の底部に配置される外部加熱装置9によりガス化炉を加熱して、床領域温度を600〜1000℃に、また間隙領域温度を750〜1600℃に維持する工程。

１フィーダ
２炉本体
３マイクロ波プラズマ発生装置
４下側ノズル
５上側ノズル
６監視ユニット
７循環床媒体出口
８ガス化炉間隙領域
９外部加熱装置
１０循環床媒体入口

Claims

外部加熱型マイクロ波プラズマバイオマス燃料ガス化炉であって、垂直方向に配置される炉本体と、前記炉本体と連通するとともに炉本体の中央部に配置されるフィーダと、前記炉本体の間隙領域に配置されて蒸気を噴霧するための上側ノズルと、前記炉本体の床領域に配置されて二酸化炭素、蒸気、またはその組合せを噴霧するための下側ノズルと、前記炉本体の上部にある合成ガス出口付近に配置される合成ガスの温度と成分を監視する監視ユニットと、前記間隙領域の上側ノズルの上端に位置するマイクロ波プラズマ発生装置とを含み、
前記炉本体の床領域は、炉本体底部に位置する床媒体が落下する領域であり、
前記炉本体の間隙領域は、炉本体の炉壁と前記床領域で囲まれる領域であり、
前記マイクロ波プラズマ発生装置は1層または2層が配置され、
前記マイクロ波プラズマ発生装置が１層の場合、該マイクロ波プラズマ発生装置は3個または4個の作用ガス入口を含み、
前記マイクロ波プラズマ発生装置が２層の場合、各層は3個または4個のプラズマ作用ガス入口を含み、
プラズマ流は前記ガス化炉の間隙領域に水平方向かつ接線方向に噴霧され、
前記外部加熱装置は外部熱源を利用して加熱し、循環床媒体出口が炉本体底部に配置されるとともに循環床媒体入口が炉本体上部に配置され、或いは、循環床媒体出口および循環床媒体入口のいずれもが前記炉本体の側壁に配置され、前記外部加熱装置は前記炉本体から分離されるとともに、循環床媒体が未反応の残留炭素およびスラグとともに前記循環床媒体出口から流出し、前記外部加熱装置により加熱されて、前記循環床媒体入口から前記炉本体に戻るように、前記循環床媒体出口および循環床媒体入口の間に配置され、
前記外部加熱装置はスラグを排出するためのスラグ出口を含む、ガス化炉。
前記外部加熱装置の熱源はマイクロ波、高温マイクロ波プラズマ、レーザ、プラズマアーク、太陽エネルギ、またはそれらの組み合わせである、請求項１のガス化炉。
前記マイクロ波プラズマ発生装置は電極ギャップが大きく、プラズマ活性が高く、且つ体積範囲が広いものであり、マイクロ波プラズマ発生装置のマイクロ波電源は基本周波数が2.45GHzであり、単一のマイクロ波プラズマ発生装置の出力は200kW以内である、請求項１又は２のガス化炉。
請求項１、２または３のいずれかの外部加熱型マイクロ波プラズマバイオマス燃料ガス化炉を利用するバイオマス燃料ガス化方法であって、前記方法はバイオマス燃料をガス化するために外部熱エネルギを使用するものであり、
１）バイオマス燃料および固形廃棄物を含む原料をフィーダから炉本体に導入し、前記原料を高温床領域でガス化し熱分解して、多量の一酸化炭素、水素、二酸化炭素と、少量のメタンおよびタールを含む合成ガスを生成する工程と、
２）前記合成ガスを上方へ前記ガス化炉の間隙領域に流し、前記マイクロ波プラズマ発生装置を始動させて非平衡状態の高活性、高電離度の高温プラズマ酸化剤を生じさせることにより、前記合成ガスを前記プラズマ酸化剤と混合し粉砕して、蒸気を上側ノズルから炉本体に噴霧し、間隙領域の温度を1000〜1200℃に制御し、前記合成ガスをプラズマ雰囲気に3〜10秒滞留させるように前記プラズマ酸化剤の流量を調整し、プラズマ流を撹拌して熱伝達および質量移動を高め、前記炉本体上部に配置される合成ガス出口から最終合成ガス生成物を回収する工程と、
３）床領域の残留炭素が酸化還元されるように、高温の二酸化炭素、蒸気、またはその組合せを下側ノズルから前記炉本体に噴霧する工程と、
４）未反応残留炭素、残留スラグおよび床媒体を循環床媒体出口から外部加熱装置に送り、そこで残留炭素は燃焼させられ、床媒体は加熱されてスラグから分離させられ、前記スラグを前記外部加熱装置に設置されたスラグ出口から排出する工程と、
５）分離された床媒体を循環床媒体入口から前記炉本体に戻し、前記床媒体は下方へ流れ、逆方向に流れる高温合成ガスと熱交換を行い、床領域の温度が600〜1000℃になるよう熱エネルギを放出し、冷却された床媒体を前記外部加熱装置に送り再度加熱し、必要に応じて循環を数回繰り返す工程と、前記循環床媒体出口温度は750〜1200℃であり、前記加熱された床媒体の温度は床領域内での温度よりも高く、
６）監視ユニットにより前記合成ガスの温度と成分を監視し、ガス化作用を確実に行うために二酸化炭素流量、蒸気流量、マイクロ波出力を調整する工程と
を含む方法。
工程２において、前記合成ガスが前記間隙領域のプラズマ雰囲気にとどまる滞留時間は3〜6秒である、請求項４の方法。
工程２において、前記合成ガスが前記間隙領域のプラズマ雰囲気にとどまる滞留時間は4〜6秒である、請求項５の方法。
工程３乃至５において、前記ガス化炉床領域における反応温度は600〜850℃に制御される、請求項４乃至６のいずれかの方法。