JP2016074799A - Apparatus for gasifying woody biomass, and power-generating apparatus - Google Patents

Apparatus for gasifying woody biomass, and power-generating apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gasifying apparatus that eliminates the crosslinking phenomenon of woody biomass within a fixed-bed downdraft-type gasification furnace; and to provide a power-generating apparatus using the same.SOLUTION: A gasifying apparatus 1 gasifies woody biomass 2 using a fixed-bed downdraft-type gasification furnace, the gasification device comprising: a dividing plate 20 which divides the interior of the gasification furnace 10 into an upper reservoir section 11 and a lower reaction section 12 and which is provided with a through-hole 13 that connects the reservoir section and the reaction section; and a fire grate 30 disposed in the lower part of the reaction section. The gasification device is characterized in that the cross-sectional area in a horizontal plane of the reaction section gradually increases going downward. By gradually increasing the cross-sectional area in a horizontal plane of the reaction section going downward, the reaction section is given a so-called "wide-bottom" shape. Because reactive force primarily acts in a diagonally downward direction on particles of woody biomass in contact with the furnace wall, the particles are prone to slide downward from the wall surface, and the wall surface is not prone to become a foundation (scaffold), thereby preventing the occurrence of the crosslinking phenomenon.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、木質バイオマスのガス化装置及び発電装置に関し、詳しくは固定床ダウンドラフト式のガス化炉内部における木質バイオマスの架橋現象を解消したガス化装置及びこのガス化装置を利用した発電装置に関する。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a woody biomass gasification device and a power generation device, and more particularly to a gasification device that eliminates the cross-linking phenomenon of woody biomass inside a fixed-bed downdraft gasification furnace and a power generation device using this gasification device. .

木質バイオマスは大気中の二酸化炭素濃度に影響を与えないカーボンニュートラルな特性を有しており、これを高温ガス化して発電用の燃料等として利用することで化石燃料の代替物となり地球温暖化防止に貢献できることから最近注目されている。
木質バイオマスとしては、間伐材や未利用のまま林地に残置されている林地残材、製材工場等から発生する樹皮、背板、おが屑等の廃棄木材、建設現場や住宅の解体時に発生する建築廃材等が挙げられる。
Woody biomass has carbon-neutral properties that do not affect the carbon dioxide concentration in the atmosphere. By converting this to high-temperature gas and using it as a fuel for power generation, it becomes a substitute for fossil fuel and prevents global warming. It has been attracting attention recently because it can contribute to
Woody biomass includes thinned wood, unused wood left over from the forest, unused wood from bark, backboard, sawdust, etc. generated from sawmills, and construction waste generated at the time of dismantling construction sites and houses Etc.

ガス化装置は木質バイオマスを部分酸化して可燃性ガスを生成するものであり、固定床形式、バブリング式、循環式等の流動床形式、微粉体式等の噴流形式、又は内燃式ロータリーキルン方式、外燃式ロータリーキルン方式等のロータリーキルン形式等の多くの形式のガス化炉を用いるものが既に知られている(非特許文献1参照)。
これらガス化装置の中でも固定床形式は熱出力1,000KW/以下程度の小容量で、設備投資金額が低く、設置面積が少なく、しかも短時間で起動・停止できるという長所を有する。
固定床形式には、木質バイオマスとガス化剤が同一方向に流れるダウンドラフト式と逆方向に流れるアップドラフト式があるが、生成した可燃性ガスを内燃機関や発電用の燃料として利用する場合は、ガス中のタール含有量を低く抑えることができるダウンドラフト式が好適である。
The gasifier generates flammable gas by partially oxidizing woody biomass. It is a fixed bed type, a bubbling type, a fluidized bed type such as a circulation type, a jet type such as a fine powder type, or an internal combustion type rotary kiln type. The thing using many types of gasification furnaces, such as rotary kiln types, such as a fuel type rotary kiln system, is already known (refer nonpatent literature 1).
Among these gasifiers, the fixed-bed type has the advantages of a small capacity of about 1,000 KW / less thermal output, a low capital investment, a small installation area, and a short startup and shutdown.
There are two types of fixed bed types: downdraft type in which woody biomass and gasifying agent flow in the same direction and updraft type in which the generated gas flows in the opposite direction, but when the generated combustible gas is used as a fuel for internal combustion engines or power generation A downdraft type that can keep the tar content in the gas low is preferred.

固定床ダウンドラフト式ガス化装置の代表例は、第2次世界大戦中に百万台生産されたインバート(Imbert)方式である。現在稼働中のガス化装置の殆どはこのインバート方式を部分的に改造したもので基本的な動作原理は共通である。インバート方式ガス化装置は、例えば非特許文献2のFig.5-2や特許文献1の図2に示されているとおり、ガス化剤としての空気をガス化炉中央の高温部分に導くべく垂直円筒形のガス化炉の中間部を径方向に絞った漏斗状に形成している。
ガス化炉内に木質バイオマスを投入すると共に空気を導入して燃焼させると、まず炉内最上部に形成される熱分解層(200〜600℃)で木質バイオマスがCH4、CO、CO2、H2、H2O、C(チャー(固体))、タール、灰分(固体)等に熱分解される。熱分解層の下には燃焼層(600〜1,300℃)が形成され、ここで可燃物であるC、タール、H2、CO等がCO、CO2、H2O等に部分燃焼(酸化)される。燃焼層の下には還元層(600〜800℃)が形成され、ここでCがCO2やH20と反応したり、CH4がH2Oと反応することでCOやH2等の可燃性ガスが生成される。そして、可燃性ガスは還元層の下部の火格子を通して炉外に排出されて発電等の用に供される。
また、木質バイオマスは燃焼につれて体積が減少していくため、新たな木質バイオマスを上方から供給して下方へと自重を利用して移動させる仕組みになっている。
なお、絞りをなくして単純な筒状にしたガス化炉も開発されているが、木質バイオマスの下方への移動を重力に依存する点は上記インバート方式ガス化装置と同様である。
A typical example of a fixed-bed downdraft gasifier is the Imbert system, which produced 1 million units during World War II. Most gasifiers currently in operation are partially modified from this invert system and share the same basic operating principle. For example, as shown in Fig. 5-2 of Non-Patent Document 2 and Fig. 2 of Patent Document 1, the invert type gasifier is vertical to guide the air as the gasifying agent to the high temperature part in the center of the gasifier. The middle part of the cylindrical gasification furnace is formed in a funnel shape narrowed in the radial direction.
When wood biomass is introduced into the gasification furnace and air is introduced and burned, the wood biomass is first converted into CH 4 , CO, CO 2 , in the pyrolysis layer (200-600 ° C) formed at the top of the furnace. Thermally decomposed into H 2 , H 2 O, C (char (solid)), tar, ash (solid), etc. Under the thermal decomposition layer has a combustion layer (600~1,300 ° C.) is formed, where C is a flammable material, tar, H2, CO or the like is CO, are partial combustion (oxidation) to CO 2, H 2 O, etc. The A reduction layer (600-800 ° C) is formed under the combustion layer, where C reacts with CO 2 or H 2 O, or CH 4 reacts with H 2 O, so that CO, H 2 etc. Combustible gas is generated. The combustible gas is discharged out of the furnace through a grate below the reducing layer and used for power generation and the like.
Moreover, since the volume of woody biomass decreases as it burns, a new woody biomass is supplied from above and moved downward using its own weight.
Although a gasification furnace having a simple cylindrical shape without a restriction has been developed, it is the same as the above-described invert gasification apparatus in that the downward movement of the woody biomass depends on gravity.

特開2008-81637号公報JP 2008-81637 A

工業調査会発行「化学装置」2004.03. 城子克夫著「バイオマスの変換技術」Published by Industrial Research Council “Chemical Equipment” 2004.03. “Biomass Conversion Technology” by Katsuo Shiroko T.B.Reed and A.Das Handbook of Biomass Downdraft Gasifier EngineSystems.P30T.B. Reed and A. Das Handbook of Biomass Downdraft Gasifier EngineSystems. P30

しかし、上記従来技術では以下のような問題がある。
すなわち、ガス化炉が漏斗状や単純な筒状の場合、木質バイオマスの自重により生じる圧力の水平方向成分に起因して、炉壁に対して平行な摩擦力が生じる結果、木質バイオマスの粒子が炉壁に引っ掛かった状態になる。また、木質バイオマスの粒子は一般的に形状が複雑であるため、隣り合う粒子間にも大きな摩擦力が生じる。
したがって、燃焼中の木質バイオマスがガス化炉内を下方へ移動していく際に、摩擦力によって炉壁の一部を基礎(足場)にしながら粒子相互が支え合うことでアーチが形成されることがある。
更に、アーチの下方の木質バイオマスが下方に移動することでアーチ下部が空洞になった状態で、アーチの上方の木質バイオマスによる荷重がアーチ全体に作用すると、アーチ内部に作用する圧縮応力が高くなり、いわゆる架橋現象が生じてしまい、木質バイオマスが供給できなくなるという問題がある。
また、架橋現象が発生すると上記熱分解層、燃焼層、及び還元層からなる反応層が圧密されて空気・ガスの下方への流通が阻害されるという問題もある。
また、架橋現象は炉壁のみならず炉底を基礎にして生じることもある。
However, the above prior art has the following problems.
That is, when the gasification furnace has a funnel shape or a simple cylindrical shape, due to the horizontal component of the pressure caused by the weight of the woody biomass, a frictional force parallel to the furnace wall is generated, resulting in the woody biomass particles being It gets caught on the furnace wall. Moreover, since the wood biomass particles are generally complicated in shape, a large frictional force is generated between adjacent particles.
Therefore, when the burning woody biomass moves downward in the gasification furnace, an arch is formed by the particles supporting each other while using a part of the furnace wall as a foundation (scaffold) by the frictional force. There is.
Furthermore, if the load of wood biomass above the arch acts on the entire arch when the wood biomass below the arch moves downward due to the movement of the wood biomass below the arch, the compressive stress acting inside the arch increases. There is a problem that a so-called cross-linking phenomenon occurs and woody biomass cannot be supplied.
Further, when the cross-linking phenomenon occurs, there is a problem that the reaction layer composed of the thermal decomposition layer, the combustion layer, and the reduction layer is consolidated, and the downward flow of air / gas is hindered.
In addition, the cross-linking phenomenon may occur based on the furnace bottom as well as the furnace wall.

このような架橋現象を解消するべく炉内に攪拌機などを挿入してアーチを破壊する技術が知られているが、反応層の安定状態が乱れてしまうという問題や、高温部分に攪拌機を付設するためのコストがかかるという問題がある。
また、ガス化炉の外部からハンマー等により打撃を与えてアーチに衝撃や振動を加える技術が知られているが、却って圧密の程度を強めてしまいアーチがより強固になることがあるという問題があった。
In order to eliminate such a cross-linking phenomenon, a technique for destroying the arch by inserting a stirrer or the like in the furnace is known, but there is a problem that the stable state of the reaction layer is disturbed, and a stirrer is attached to a high temperature part. Therefore, there is a problem that costs are increased.
In addition, a technique is known in which an impact or vibration is applied to the arch by hitting it with a hammer or the like from the outside of the gasification furnace. However, there is a problem in that the degree of consolidation is strengthened and the arch may become stronger. there were.

本発明は、このような問題を考慮して、固定床ダウンドラフト式のガス化炉内部における木質バイオマスの架橋現象を解消したガス化装置及びこのガス化装置を利用した発電装置を提供することを目的とする。   In view of such problems, the present invention provides a gasifier that eliminates the cross-linking phenomenon of woody biomass inside a fixed-bed downdraft gasifier and a power generator that uses the gasifier. Objective.

本発明のガス化装置は、固定床ダウンドラフト式ガス化炉を用いて木質バイオマスをガス化するものであり、前記ガス化炉の内部を上側の貯留部と下側の反応部に仕切ると共にこれら貯留部と反応部とを繋ぐ貫通孔を備える仕切り板と、前記反応部の下部に配置される火格子とを備えており、前記反応部の水平面内における断面積が下方に向かって次第に大きくなることを特徴とする。
また、前記火格子が搖動することを特徴とする。
また、前記貫通孔が前記仕切り板の幅方向の中心部に設けられており、前記貯留部内の木質バイオマスを当該中心部に掻き集める回転羽根を備えることを特徴とする。
また、ガス化剤を、前記回転羽根を回転させる回転軸の内部を通して前記反応部内に導入することを特徴とする。
また、ガス化剤を、前記反応部の複数箇所から導入することを特徴とする。
本発明の発電装置は、上記ガス化装置によって生じた可燃性ガスを使用して駆動することを特徴とする。
The gasification apparatus of the present invention gasifies woody biomass using a fixed-bed downdraft gasification furnace, and partitions the interior of the gasification furnace into an upper storage part and a lower reaction part, and these A partition plate having a through-hole that connects the storage unit and the reaction unit, and a grate disposed at a lower part of the reaction unit, the cross-sectional area in the horizontal plane of the reaction unit gradually increases downward It is characterized by that.
Further, the grate swings.
Moreover, the said through-hole is provided in the center part of the width direction of the said partition plate, It is provided with the rotary blade which scrapes the woody biomass in the said storage part in the said center part.
Further, the gasifying agent is introduced into the reaction section through the inside of a rotating shaft that rotates the rotary blade.
Further, the gasifying agent is introduced from a plurality of locations in the reaction section.
The power generator according to the present invention is characterized by being driven using the combustible gas generated by the gasifier.

上述のとおり、ガス化炉が漏斗状や単純な筒状の場合、炉壁と接触する木質バイオマスの粒子に対して摩擦力が作用するため、炉壁を基礎にした架橋現象が生じやすかった。
しかし、本発明では反応部の水平面内における断面積を下方に向かって次第に大きくすることで、反応部の形状をいわゆる末広がり形状にする。この場合、炉壁に接触する木質バイオマスの粒子に対して摩擦力が作用しにくく、炉壁が基礎(足場)になりにくくなるため、架橋現象の発生を抑制できる。
更に、本発明では仕切り板を設け、貫通孔を介して貯留部内の木質バイオマスを反応部に供給する。つまり、燃焼に必要な量の木質バイオマスのみを反応部に供給し、残りの木質バイオマスは貯留部内に留めておく。これにより貯留部内の木質バイオマスの荷重は仕切り板が受けることになるため、仮にアーチが形成されかかった場合でも、当該アーチに作用する荷重(上方の木質バイオマスの自重)が従来と比較して減るので、架橋現象をより発生しにくくできる。
As described above, when the gasification furnace has a funnel shape or a simple cylindrical shape, a frictional force acts on the wood biomass particles in contact with the furnace wall, so that a crosslinking phenomenon based on the furnace wall is likely to occur.
However, in the present invention, the cross-sectional area of the reaction part in the horizontal plane is gradually increased downward, so that the reaction part has a so-called divergent shape. In this case, the frictional force is unlikely to act on the woody biomass particles in contact with the furnace wall, and the furnace wall is less likely to be a foundation (scaffold), so that the occurrence of a crosslinking phenomenon can be suppressed.
Furthermore, in this invention, a partition plate is provided and the woody biomass in a storage part is supplied to a reaction part through a through-hole. That is, only the amount of woody biomass necessary for combustion is supplied to the reaction unit, and the remaining woody biomass is kept in the storage unit. As a result, the partition plate receives the load of the woody biomass in the reservoir, so even if an arch is about to be formed, the load acting on the arch (the weight of the woody biomass above) is reduced compared to the conventional case. Therefore, the cross-linking phenomenon can be made less likely to occur.

また、架橋現象が抑制される結果、反応層が圧密されにくくなり、空気・ガスの下方への流通をスムーズに行なうことができるという効果や、反応層の安定状態が維持され、可燃性ガスを安定的に生成できるという効果を得られる。
また、架橋現象を解消するための攪拌機などを付設する必要がなくコストを抑制できる。
また、火格子を搖動させることにすれば、火格子上の反応層も搖動するので、炉壁や火格子(炉底)に形成された基礎を破壊して架橋現象の発生を抑制できる。
In addition, as a result of the suppression of the cross-linking phenomenon, the reaction layer is less likely to be consolidated, and the air / gas can be smoothly distributed downward, and the reaction layer is maintained in a stable state, and the combustible gas is reduced. The effect that it can produce | generate stably is acquired.
Further, it is not necessary to add a stirrer or the like for eliminating the cross-linking phenomenon, and the cost can be suppressed.
In addition, if the grate is moved, the reaction layer on the grate is also moved, so that the foundation formed on the furnace wall and the grate (furnace bottom) can be destroyed to suppress the occurrence of the bridging phenomenon.

上述の通り、本発明のような部分酸化方式の固定床ガス化炉では、反応層の層序は一般に上から熱分解層、酸化層、還元層と言われている。
固定床方式における熱分解層は、キルンなど酸素がない状態で熱を加える方式とは異なり、酸素が存在する雰囲気で周辺の火炎からの輻射熱で加熱されることから、「火炎熱分解層」と表記されることがある。
酸化層はガス中に酸素が無くなった時点で、その場にチャーなどの還元剤が存在し、しかも吸熱反応を賄うエネルギーが高温の形で存在すれば、還元反応が行われて還元層になる。
As described above, in the partial oxidation type fixed bed gasification furnace as in the present invention, the layer sequence of the reaction layer is generally said to be a pyrolysis layer, an oxidation layer, and a reduction layer from the top.
Unlike the method of applying heat in the absence of oxygen such as kilns, the pyrolysis layer in the fixed bed method is heated by radiant heat from the surrounding flame in an oxygen-existing atmosphere. Sometimes written.
When the oxygen layer is depleted of oxygen in the gas, if there is a reducing agent such as char on the spot, and if the energy to cover the endothermic reaction is present in a high temperature form, the reduction reaction takes place and the reduction layer is formed. .

還元層はその下部まで高温状態を維持できれば火格子に直接接触することになるが、下部において温度が下がると還元反応が行われなくなる(又は、反応速度が著しく低下する)結果、還元層は不反応層に変化する。
すなわち、通常の固定床ガス化炉では、還元層が直接火格子に接触すると、可燃性ガスの発熱量を増大させるべきエネルギーがガスの顕熱として放散されてしまうため避ける必要がある。その手段としては酸化剤の供給量を制限することが挙げられる。
一方、酸化剤の供給が少な過ぎると不反応層が成長する。極端に表現すれば、前者を炉がストーブになると言い、後者を炉が炭焼き窯になると言う。火格子の役割の一つは不必要に成長した不反応層を反応炉から排除することにある。
反応層では反応の進行により全ての層が消耗し、体積を減少させ、粒子間の通風が維持される。不反応層では体積がそのまま維持され、上部の反応層で消耗した粒子が不反応層の空間を埋めて目詰まりしてしまうため通風抵抗が増大する。火格子の役割のもう一つは目詰まりした不反応層をその一部分を排除して通風を再生することにある。本発明のように火格子を搖動させることで不反応層を崩壊させたり、目詰まりを抑制する効果を得られる。
If the reduced layer can maintain a high temperature state to the lower part, it will be in direct contact with the grate, but if the temperature is lowered at the lower part, the reduction reaction will not be performed (or the reaction rate will be significantly reduced). Change to reaction layer.
That is, in a normal fixed bed gasification furnace, when the reducing layer is in direct contact with the grate, the energy that should increase the calorific value of the combustible gas is dissipated as sensible heat of the gas, so it is necessary to avoid it. One means for this is to limit the supply amount of the oxidizing agent.
On the other hand, when there is too little supply of an oxidizing agent, a non-reactive layer will grow. In extreme terms, the former says that the furnace becomes a stove, and the latter says that the furnace becomes a charcoal kiln. One of the roles of the grate is to remove unnecessarily grown unreacted layers from the reactor.
In the reaction layer, all layers are consumed by the progress of the reaction, the volume is reduced, and the ventilation between the particles is maintained. In the unreacted layer, the volume is maintained as it is, and the particles consumed in the upper reaction layer fill the space in the unreacted layer and become clogged. Another role of the grate is to eliminate the clogged unreacted layer and regenerate the ventilation. The effect of suppressing the clogging can be obtained by collapsing the grate as in the present invention to collapse the unreacted layer.

また、仕切り板に設けた貫通孔を介して木質バイオマスを反応部に供給する場合、自重のみでは貫通穴から木質バイオマスを自然落下させるのが困難な場合が想定される。したがって、貯留部内の木質バイオマスを中心部に掻き集める回転羽根を備えることにすれば、貯留部内の木質バイオマスを無駄なく確実に貫通孔を介して反応部に供給できる。
また、回転羽根を回転させる回転軸の内部を通してガス化剤を反応部内に導入することにすれば、ガス化炉に空気供給用の開口を別途設ける必要がなく、コスト削減に寄与する。
また、反応部の複数箇所から空気を導入することにすれば、還元層入口におけるガスの温度を高温に維持して、ガス中のタールを分解することができる。
本発明の発電装置によれば木質バイオマス由来の可燃性ガスを少なくとも燃料の一部としてエンジンを駆動させて発電するので化石燃料の代替物として地球温暖化防止に貢献できる。
Moreover, when supplying wooden biomass to a reaction part through the through-hole provided in the partition plate, the case where it is difficult to drop wooden biomass naturally from a through-hole only with dead weight is assumed. Therefore, if it is provided with the rotary blade that scrapes the woody biomass in the storage part into the central part, the woody biomass in the storage part can be reliably supplied to the reaction part through the through hole without waste.
In addition, if the gasifying agent is introduced into the reaction section through the inside of the rotating shaft that rotates the rotating blade, it is not necessary to separately provide an air supply opening in the gasification furnace, which contributes to cost reduction.
Further, if air is introduced from a plurality of locations in the reaction section, the gas temperature at the reducing layer inlet can be maintained at a high temperature, and tar in the gas can be decomposed.
According to the power generation device of the present invention, power is generated by driving the engine using at least a part of the combustible gas derived from woody biomass as a fuel, so that it can contribute to the prevention of global warming as an alternative to fossil fuel.

ガス化装置の構造を示す縦断面図(a)及びA-A’線矢視図(b)A longitudinal sectional view showing the structure of the gasifier (a) and A-A 'arrow view (b) 回転羽根及び回転軸を示す平面図Plan view showing rotating blades and rotating shaft 搖動機構の構造を示す平面図(a)、正面図(b)、側面図(c)、底面図(d)及び斜視図(e)Plan view (a), front view (b), side view (c), bottom view (d) and perspective view (e) showing the structure of the swing mechanism 発電装置の構造を示すブロック図Block diagram showing structure of power generator 実施例における燃焼中のガス化炉内の温度変化を示すグラフThe graph which shows the temperature change in the gasifier during combustion in an Example

本発明のガス化装置1の実施の形態を図を用いて説明する。
図1〜図4に示すように、ガス化装置1はガス化炉10、仕切り板20、火格子30及び回転羽根40を備えている。
ガス化炉10は固定床ダウンドラフト式により木質バイオマス2から可燃性ガスGを生成するものである。
仕切り板20はガス化炉10の内部を上側の貯留部11と下側の反応部12に仕切るために設けられており、その幅方向の中心部に貯留部11と反応部12とを繋ぐ貫通孔13を備えている。
貯留部11はその上部が閉じられた筒状の部材であり、内部に木質バイオマス2を貯留するために設けられる。貯留部11の上部には蓋体14によって開閉自在な木質バイオマス投入口15を備えており、貯留部11の側面の複数箇所には、内部に貯留した木質バイオマス2の量を監視するレベル計を取り付けるためのノズル(図示略)を備えている。
An embodiment of the gasifier 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 to 4, the gasifier 1 includes a gasification furnace 10, a partition plate 20, a grate 30, and rotary blades 40.
The gasification furnace 10 generates combustible gas G from the woody biomass 2 by a fixed bed downdraft method.
The partition plate 20 is provided to partition the inside of the gasification furnace 10 into an upper storage portion 11 and a lower reaction portion 12, and a through-hole that connects the storage portion 11 and the reaction portion 12 in the center in the width direction. A hole 13 is provided.
The storage part 11 is a cylindrical member whose upper part is closed, and is provided for storing the woody biomass 2 therein. The upper part of the storage part 11 is provided with a wood biomass inlet 15 that can be opened and closed by a lid 14, and a level meter for monitoring the amount of the wooden biomass 2 stored therein is provided at a plurality of locations on the side of the storage part 11. A nozzle (not shown) for mounting is provided.

作業者は木質バイオマス2を必要量だけ木質バイオマス投入口15から投入し、蓋体14でボルト締めすることでガス化炉10内を密閉状態にしておく。なお、作業者の手作業によらず、回転式バルブ等の周知の燃料投入手段を用いてもよく、この場合、貯留部11内の木質バイオマス2の量が所定の範囲内に収まるように木質バイオマス2を適当な時間間隔で投入するようレベル計を使用した制御方式により燃料投入手段の駆動を設定すればよい。
木質バイオマス2の形態としてはチップ、おが屑(極端に小さいチップを含む)、ペレット等が挙げられるが、木質バイオマス2は粒形、水分、嵩密度にばらつきがあり、おが屑(極端に小さいチップを含む)ではそのばらつきが顕著になるため、発電装置100を長期間安定的に駆動させる観点からはチップやペレットを用いるのが好ましい。ペレットは一般的には直径6〜10ミリ程度、長さ10〜25ミリ程度の円筒形である。
An operator inputs a required amount of the woody biomass 2 from the woody biomass inlet 15 and bolts it with a lid 14 to keep the gasification furnace 10 sealed. Note that well-known fuel input means such as a rotary valve may be used regardless of the manual work of the operator. In this case, the amount of the woody biomass 2 in the storage unit 11 is adjusted so as to be within a predetermined range. What is necessary is just to set the drive of a fuel injection | throwing-in means by the control system using a level meter so that the biomass 2 may be injected | thrown-in at an appropriate time interval.
Wood biomass 2 includes chips, sawdust (including extremely small chips), pellets, etc., but wood biomass 2 has variations in grain shape, moisture, and bulk density, and sawdust (including extremely small chips). ), The variation becomes remarkable. Therefore, it is preferable to use chips and pellets from the viewpoint of stably driving the power generation apparatus 100 for a long period of time. The pellet is generally cylindrical with a diameter of about 6 to 10 mm and a length of about 10 to 25 mm.

反応部12は、貫通孔13から順次供給される木質バイオマス2を部分酸化することで上方から順に熱分解層L1、燃焼層L2、還元層L3からなる反応層Lを形成し、可燃性ガスGを生成するために設けられる。
反応部12は、水平面内での断面積が下方に向かって次第に大きくなるように末広がりに形成されており、その上部は仕切り板20で部分的に遮蔽され、その下部に火格子30が配置されている。つまり火格子30が反応部12の底(炉底)になる。
反応部12の断面形状としては円形(円筒状)や矩形が挙げられるが、壁面に生じる摩擦力を抑制する観点からは円形が好ましい。また、壁面の傾斜度(鉛直面に対する傾斜角)は大きいほど摩擦力の抑制効果が高まるが、一方で反応部12内のガスの流れに偏りが生じるおそれがあるので約5〜10%程度が好ましい。
The reaction unit 12 forms a reaction layer L composed of a pyrolysis layer L1, a combustion layer L2, and a reduction layer L3 in order from above by partially oxidizing the woody biomass 2 sequentially supplied from the through-hole 13, and combustible gas G Is provided to generate
The reaction unit 12 is formed to be widened so that the cross-sectional area in the horizontal plane gradually increases downward, the upper part thereof is partially shielded by the partition plate 20, and the grate 30 is disposed below the upper part. ing. That is, the grate 30 becomes the bottom (furnace bottom) of the reaction unit 12.
The cross-sectional shape of the reaction part 12 includes a circular shape (cylindrical shape) and a rectangular shape, but a circular shape is preferable from the viewpoint of suppressing the frictional force generated on the wall surface. Moreover, the effect of suppressing the frictional force increases as the inclination of the wall surface (inclination angle with respect to the vertical surface) increases, but on the other hand, there is a possibility that the gas flow in the reaction unit 12 may be biased, so about 5 to 10%. preferable.

火格子30は上述のとおり反応部12の下部に配置されることで反応部12の底として機能する。すなわち、反応部12内に形成される上記反応層Lのうち還元層L3が一定の不反応層を伴って火格子30の上面に形成されることになり、還元層L3から生成された可燃性ガスGは火格子30を下方に通過した後外部に取りだされ、必要に応じてタール除去装置や灰分回収装置で不純物を濾過された後、ガスミキサーに送られる。
タール除去装置としては例えばNi系触媒や活性炭を用いたものなど、通常使用されているものと同様のものを使用することができる。
灰分回収装置としては例えばガラス繊維や金属メッシュによるバグフィルターなど、通常用いられているものと同様のものを使用することができる。また、生成した可燃性ガスGを水や油を充填したスクラバーに通すことで灰分を取り除くことにしてもよい。
The grate 30 functions as the bottom of the reaction unit 12 by being disposed below the reaction unit 12 as described above. That is, among the reaction layers L formed in the reaction section 12, the reduction layer L3 is formed on the upper surface of the grate 30 with a certain unreacted layer, and combustibility generated from the reduction layer L3. The gas G passes through the grate 30 and is taken out to the outside. After the impurities are filtered by a tar removing device and an ash content collecting device as necessary, the gas G is sent to a gas mixer.
As the tar removing device, for example, a device similar to a commonly used one such as one using a Ni-based catalyst or activated carbon can be used.
As the ash content recovery device, for example, a device similar to a commonly used one such as a glass fiber or a bag filter made of a metal mesh can be used. Further, ash may be removed by passing the generated combustible gas G through a scrubber filled with water or oil.

また、図3に示すように、本実施の形態では火格子30を搖動させるための搖動機構50を備える。具体的には、火格子30の下面に接触する円板カム51とカムシャフト52を複数(本実施の形態では2つ)配置しておき、カムシャフト52を軸回りに回転させることで円板カム51を回転させ、火格子30を搖動(本実施の形態では上下動)させる仕組みになっている(図3(c)の矢印参照)。火格子30を搖動させて炉壁及び炉底における木質バイオマス2の基礎を破壊することで、架橋現象の発生を防止し、木質バイオマス2を安定的に下方へ移動させることができる。
なお、火格子30を搖動させるタイミングはガス化炉10の容量等によって異なるが、おおよそ2分〜0.5分に1回程度が好ましい。
また、架橋現象の発生を防止する観点からは火格子30を上下方向に移動させるのが好ましいが、激しく上下動させると反応層Lの安定状態が崩れるおそれがあるので、例えば火格子30を左右方向に移動させたり、斜め方向に移動させることにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 3, the present embodiment includes a peristaltic mechanism 50 for peristating the grate 30. Specifically, a plurality of disc cams 51 and camshafts 52 (two in the present embodiment) that contact the lower surface of the grate 30 are arranged, and the camshaft 52 is rotated around the axis so that the discs are rotated. The cam 51 is rotated to swing the grate 30 (in this embodiment, up and down) (see the arrow in FIG. 3C). By generating the grate 30 and destroying the foundation of the woody biomass 2 on the furnace wall and bottom, it is possible to prevent the cross-linking phenomenon and move the woody biomass 2 stably downward.
In addition, although the timing which rocks the grate 30 changes with the capacity | capacitances, etc. of the gasifier 10, about once every 2 minutes-0.5 minute is preferable.
Further, from the viewpoint of preventing the occurrence of the cross-linking phenomenon, it is preferable to move the grate 30 in the vertical direction. However, if the grate 30 is vigorously moved up and down, the stable state of the reaction layer L may be lost. It may be moved in a direction or in an oblique direction.

回転羽根40は貯留部11内の木質バイオマス2を仕切り板20の中心部に掻き集めて貫通孔13から反応部12内に落下させるために設けられる。
具体的には図2に示すように回転羽根40は金属棒を平面内で渦巻状に曲げ加工して成り、回転軸41の下端の上下2箇所に取り付けられている。回転羽根40の形状は特に限定されるものではなく、例えば下方に向かって次第に拡径する3次元の弦巻状や、L次状、棒状等であってもよい。また、長手方向の一部が上方又は下方に屈曲・突出していてもよい。
また、回転羽根40は必ずしも金属棒で形成する必要はなく、金属板を切断・曲げ加工してもよく、また、回転軸41に対して1つのみ或いは3つ以上取り付けてもよい。
回転軸41は貯留部11の上部においてボールベアリング等の周知の手段によってその軸回りに回転自在となるように支持されている。
貯留部11内に木質バイオマス2を貯留した状態で回転軸41を駆動させることで回転羽根40が回転し、木質バイオマス2が中心部に掻き集められ、貫通孔13から反応部12内に確実に落下する仕組みになっている。
The rotary blade 40 is provided to scrape the woody biomass 2 in the storage part 11 to the center part of the partition plate 20 and drop it into the reaction part 12 from the through hole 13.
Specifically, as shown in FIG. 2, the rotary blade 40 is formed by bending a metal rod into a spiral shape in a plane, and is attached to two upper and lower portions of the lower end of the rotary shaft 41. The shape of the rotary blade 40 is not particularly limited, and may be, for example, a three-dimensional chordal shape that gradually increases in diameter downward, an L-order shape, a rod shape, or the like. Moreover, a part of the longitudinal direction may be bent or protrude upward or downward.
Further, the rotary blade 40 is not necessarily formed of a metal rod, and a metal plate may be cut and bent, or only one or three or more may be attached to the rotary shaft 41.
The rotating shaft 41 is supported on the upper portion of the storage portion 11 by a known means such as a ball bearing so as to be rotatable around the axis.
When the rotating shaft 41 is driven while the woody biomass 2 is stored in the storage unit 11, the rotary blade 40 rotates, and the woody biomass 2 is scraped to the center, and reliably falls into the reaction unit 12 from the through hole 13 It is a mechanism to do.

本実施の形態ではガス化剤としての空気Airを回転軸41の内部を通して反応部12上部に導入するようになっている。具体的には、回転軸41を中空構造にして、その先端下面に吹出口42を設けている。
また、本実施の形態ではガス化炉10の側面を貫通して仕切り板20の下面に繋がる空気導入路60を複数本(本実施の形態では2本)備えるが、空気導入路60の本数は適宜変更可能である。空気導入路60内を通った空気は吹出口60a(図1(b)参照)から仕切り板20の下方空間Sへ噴出される。なお、図1(b)中の符号61は、反応部12内に2次空気を導入するための2次空気導入路であり、図1(a)中の符号61aは2次空気の吹出口である。
回転軸41及び空気導入路60を介したガス化炉10内へのガス・空気の供給は、ファンやエアーコンプレッサー等(図示略)の周知の手段を用いてもよく、或いは発電用エンジン102の吸引によりガス化炉10内が負圧になることを利用してガス化炉10内に自然吸引することにしてもよい。また、回転軸41や空気導入路60にダンパ(図示略)を設けて空気の供給量を調節可能にしてもよい。
なお、本発明において空気導入路60は必須ではなく、例えば上記回転軸41を利用して空気を導入することにしてもよい。また、吹出口42も必須ではなく、例えば空気導入路60を利用して空気を導入することにしてもよい。
このように回転軸41を介して反応部12の上部からガス化剤を導入すると共に空気導入路60を介して貯留部11の下部から空気を導入することで固定床ダウンドラフト式による可燃性ガスGの生成に必要充分な量のガス・空気を供給できる。なお、ガス化剤として空気以外に酸素や水蒸気等を使用してもよい。
In the present embodiment, air Air as a gasifying agent is introduced into the upper portion of the reaction unit 12 through the inside of the rotating shaft 41. Specifically, the rotary shaft 41 has a hollow structure, and a blower outlet 42 is provided on the lower surface of the tip.
In the present embodiment, a plurality of air introduction paths 60 (two in the present embodiment) that penetrate the side surface of the gasification furnace 10 and connect to the lower surface of the partition plate 20 are provided. It can be changed as appropriate. The air that has passed through the air introduction path 60 is ejected from the air outlet 60a (see FIG. 1B) to the lower space S of the partition plate 20. Reference numeral 61 in FIG. 1 (b) is a secondary air introduction path for introducing secondary air into the reaction section 12, and reference numeral 61a in FIG. 1 (a) is a secondary air outlet. It is.
Supply of gas / air into the gasification furnace 10 via the rotary shaft 41 and the air introduction path 60 may be performed by using a well-known means such as a fan or an air compressor (not shown), or by the power generation engine 102. Natural suction may be performed in the gasification furnace 10 by utilizing the negative pressure in the gasification furnace 10 due to suction. Further, a damper (not shown) may be provided on the rotary shaft 41 or the air introduction path 60 so that the air supply amount can be adjusted.
In the present invention, the air introduction path 60 is not essential. For example, air may be introduced using the rotating shaft 41. Further, the air outlet 42 is not essential, and air may be introduced using the air introduction path 60, for example.
In this way, the gasifying agent is introduced from the upper part of the reaction part 12 through the rotating shaft 41 and the air is introduced from the lower part of the storage part 11 through the air introduction path 60, thereby combustible gas by a fixed bed downdraft type. A sufficient amount of gas and air necessary to generate G can be supplied. In addition to air, oxygen, water vapor, or the like may be used as the gasifying agent.

次に、本発明のガス化装置1を利用した発電装置100について説明する。
発電装置100はガス化装置1によって生じた可燃性ガスGを少なくとも燃料の一部として駆動するものであり、図4に示すようにガス化装置1、ガスミキサー101、エンジン102及び発電機103から概略構成される。
ガスミキサー101は必要に応じてタール除去装置や灰分回収装置を通過して不純物が除去された可燃性ガスGを装置外部の空気と混合するために設けられる。ガスミキサー101では予め測定した可燃性ガスG中のCO、H2、CH4等の成分比に関するデータに基づき、適量の空気を可燃性ガスGと混合し、混合気をエンジン102に供給する。
エンジン102としては例えば可燃性ガスG単体で駆動するガスエンジン102や、可燃性ガスGとバイオディーゼル燃料の両方で駆動可能なディーゼルエンジン102を用いることができる。可燃性ガスGを用いる場合、発電機103を駆動できる状態になるまで始動から30分程度の待ち時間が必要になる。したがって、バイオディーゼル燃料による駆動も可能なディーゼルエンジン102を用いることにすれば待ち時間を短縮できるので好ましい。
発電機103はエンジン102に連結されており、エンジン102の駆動によって発電がなされる。発電機103としては通常使用されているものと同様のものを使用することができる。発電機103を構成する燃料供給手段やエンジン102等の各種装置の駆動はコンピュータによる自動制御で行なうことにすればよいが、作業者が手動で行っても良い。
Next, the power generator 100 using the gasifier 1 of the present invention will be described.
The power generation device 100 drives the combustible gas G generated by the gasification device 1 as at least a part of the fuel, and as shown in FIG. 4, from the gasification device 1, the gas mixer 101, the engine 102, and the generator 103. Outlined.
The gas mixer 101 is provided to mix the combustible gas G from which impurities have been removed by passing through a tar removing device or an ash content collecting device with the air outside the device, if necessary. The gas mixer 101 mixes an appropriate amount of air with the combustible gas G based on the data relating to the component ratio of CO, H 2 , CH 4, etc. in the combustible gas G measured in advance, and supplies the air-fuel mixture to the engine 102.
As the engine 102, for example, a gas engine 102 driven by a combustible gas G alone or a diesel engine 102 that can be driven by both the combustible gas G and biodiesel fuel can be used. When the combustible gas G is used, a waiting time of about 30 minutes is required from the start until the generator 103 can be driven. Therefore, it is preferable to use the diesel engine 102 that can be driven by biodiesel fuel because the waiting time can be shortened.
The generator 103 is connected to the engine 102, and power is generated by driving the engine 102. The generator 103 can be the same as that normally used. Driving of various devices such as the fuel supply means and the engine 102 constituting the generator 103 may be performed by automatic control by a computer, but may be manually performed by an operator.

次に、本発明の木質バイオマス2のガス化装置1及び発電装置100の動作について説明するが、着火操作は周知の手法を用いればよいため詳細な説明を省略する。
まず、作業者は木質バイオマス投入口15から木質バイオマス2を投入して、レベル計の指示に従い貯留部11内の所定高さまで木質バイオマス2を堆積させる。同時に回転羽根40を駆動させて木質バイオマス2を仕切り板20の中心部に掻き集め、貫通孔13から反応部12内に落下させる。
周知の方法で着火した反応部12内の木質バイオマス2は、回転軸41の吹出口42及び空気導入路60を介して供給された空気により酸化し、反応層Lが構築されると、可燃性ガスGの生成が開始される。この間搖動機構50を駆動させて適当な間隔で火格子30を搖動する。
反応部12で生成された可燃性ガスGは必要に応じてタール除去装置及び灰分回収装置によって不純物が除去された後、ガスミキサー101に至り、適量の空気を可燃性ガスGと混合して成る混合気をエンジン102に供給し、発電機103で発電する。
Next, operations of the gasification apparatus 1 and the power generation apparatus 100 of the woody biomass 2 of the present invention will be described, but detailed description is omitted because the ignition operation may be performed using a known method.
First, the operator inputs the woody biomass 2 from the woody biomass inlet 15 and deposits the woody biomass 2 to a predetermined height in the storage unit 11 according to the level meter instruction. At the same time, the rotary blade 40 is driven to scrape the woody biomass 2 at the center of the partition plate 20 and drop it into the reaction part 12 from the through hole 13.
The woody biomass 2 in the reaction unit 12 ignited by a well-known method is oxidized by the air supplied through the outlet 42 of the rotating shaft 41 and the air introduction path 60, and when the reaction layer L is constructed, it is combustible. Generation of gas G is started. During this time, the peristaltic mechanism 50 is driven to perturb the grate 30 at appropriate intervals.
The combustible gas G generated in the reaction section 12 is formed by mixing impurities with a combustible gas G after reaching impurities to the gas mixer 101 after impurities are removed by a tar removing device and an ash recovery device as required. The air-fuel mixture is supplied to the engine 102 and the generator 103 generates power.

次に本発明の発電装置100の実施例を説明する。
ガス化炉10内の状況は温度の時間推移によって確認されるため、貯留部11の下方(仕切り板20の下面近傍)、反応部12の上段、中段、下段の4箇所に熱電対を設置した。このうち反応部12の上段、中段及び下段の熱電対は炉壁近傍に設置した。また、これら4箇所の他に、測定位置を移動できる熱電対を反応部12下部より差し込み、その測定箇所は中段中心もしくは下段中心とし、必要により移動させた。
Next, an embodiment of the power generator 100 of the present invention will be described.
Since the situation inside the gasifier 10 is confirmed by the time transition of temperature, thermocouples were installed below the storage unit 11 (near the lower surface of the partition plate 20) and at the upper, middle, and lower stages of the reaction unit 12. . Among them, the upper, middle and lower thermocouples of the reaction section 12 were installed in the vicinity of the furnace wall. In addition to these four locations, a thermocouple capable of moving the measurement position was inserted from the bottom of the reaction section 12, and the measurement location was the center of the middle stage or the center of the lower stage, and was moved as necessary.

図5に各熱電対による温度測定結果を示す。
火格子30付近に着火するとガス化炉10内全体の温度が次第に上昇していく。中段での温度が800℃を越せば可燃性ガスGが発生していると判断できる。その後反応部12の上段で600℃に達すると反応層Lがその部位まで成長したと判断できる。火格子30は搖動機構50によって適当な時間間隔で搖動させている。
そして、中段の熱電対の上方約50mmより2次空気導入路61及び吹出口61aを介して2次空気を導入すると、強烈な酸化反応によって最高温度に達する。その後還元反応によってガスの温度はやや低下し、火格子30を通過して炉外に出る。
本実施例では木質バイオマス2に架橋現象が生じることがなく、また、反応層Lを構成する熱分解層L1、燃焼層L2及び還元層L3に急激な温度変化が生じることがなく、常時適温状態を維持できた。これにより、タール濃度が低い良質な可燃性ガスGを安定的に生成でき、これをエンジン102・発電機103に導くことで安定した電力を得られた。
FIG. 5 shows the temperature measurement results by each thermocouple.
When the vicinity of the grate 30 is ignited, the temperature inside the gasifier 10 gradually increases. If the temperature in the middle stage exceeds 800 ° C., it can be determined that combustible gas G is generated. Thereafter, when the temperature reaches 600 ° C. in the upper stage of the reaction section 12, it can be determined that the reaction layer L has grown to that site. The grate 30 is perturbed by a peristaltic mechanism 50 at appropriate time intervals.
When the secondary air is introduced through the secondary air introduction path 61 and the outlet 61a from about 50 mm above the middle thermocouple, the maximum temperature is reached by an intense oxidation reaction. Thereafter, the temperature of the gas slightly decreases due to the reduction reaction, passes through the grate 30 and goes out of the furnace.
In the present embodiment, no cross-linking phenomenon occurs in the woody biomass 2, and there is no sudden temperature change in the pyrolysis layer L1, the combustion layer L2, and the reduction layer L3 constituting the reaction layer L, and the temperature is always at an appropriate temperature. Was able to be maintained. As a result, high-quality combustible gas G with a low tar concentration can be stably generated, and stable electric power can be obtained by introducing it to the engine 102 and the generator 103.

本発明は、固定床ダウンドラフト式のガス化炉内部における木質バイオマスの架橋現象を解消したガス化装置及びこのガス化装置を利用した発電装置に関し、産業上の利用可能性を有する。   The present invention relates to a gasification device that eliminates the cross-linking phenomenon of woody biomass inside a fixed-bed downdraft gasification furnace and a power generation device that uses this gasification device, and has industrial applicability.

Air 空気
G 可燃性ガス
L 反応層
L1 熱分解層
L2 燃焼層
L3 還元層
S 下方空間
1 ガス化装置
2 木質バイオマス
10 ガス化炉
11 貯留部
12 反応部
13 貫通孔
14 蓋体
15 木質バイオマス投入口
20 仕切り板
30 火格子
40 回転羽根
41 回転軸
42 吹出口
50 搖動機構
51 円板カム
52 カムシャフト
60 空気導入路
60a 吹出口
61 2次空気導入路
61a 吹出口
100 発電装置
101 ガスミキサー
102 エンジン
103 発電機
Air
G Combustible gas
L reaction layer
L1 pyrolysis layer
L2 combustion layer
L3 reduction layer
S Lower space
1 Gasifier
2 Woody biomass
10 Gasifier
11 Reservoir
12 reaction section
13 Through hole
14 Lid
15 Wood biomass inlet
20 Partition
30 grate
40 rotating blades
41 Rotation axis
42 Air outlet
50 Peristaltic mechanism
51 disc cam
52 Camshaft
60 Air introduction path
60a outlet
61 Secondary air introduction path
61a outlet
100 power generator
101 gas mixer
102 engine
103 generator

Claims (6)

固定床ダウンドラフト式ガス化炉を用いて木質バイオマスをガス化するガス化装置において、
前記ガス化炉の内部を上側の貯留部と下側の反応部に仕切ると共にこれら貯留部と反応部とを繋ぐ貫通孔を備える仕切り板と、前記反応部の下部に配置される火格子とを備えており、
前記反応部の水平面内における断面積が下方に向かって次第に大きくなることを特徴とするガス化装置。
In a gasifier that gasifies woody biomass using a fixed-bed downdraft gasifier,
Partitioning the inside of the gasification furnace into an upper storage part and a lower reaction part, and a partition plate having a through hole connecting the storage part and the reaction part, and a grate disposed at the lower part of the reaction part With
A gasifier, wherein a cross-sectional area of the reaction portion in a horizontal plane gradually increases downward.
前記火格子が搖動することを特徴とする請求項1に記載のガス化装置。   2. The gasifier according to claim 1, wherein the grate swings. 前記貫通孔が前記仕切り板の幅方向の中心部に設けられており、前記貯留部内の木質バイオマスを当該中心部に掻き集める回転羽根を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のガス化装置。   3. The gas according to claim 1, wherein the through hole is provided in a central portion in the width direction of the partition plate, and includes a rotary blade that scrapes the woody biomass in the storage portion into the central portion. Device. ガス化剤を、前記回転羽根を回転させる回転軸の内部を通して前記反応部内に導入することを特徴とする請求項3に記載のガス化装置。   4. The gasifier according to claim 3, wherein the gasifying agent is introduced into the reaction section through the inside of a rotating shaft that rotates the rotary blade. ガス化剤を、前記反応部の複数箇所から導入することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のガス化装置。   The gasifier according to any one of claims 1 to 4, wherein a gasifying agent is introduced from a plurality of locations of the reaction section. 請求項1〜5のいずれか一項に記載のガス化装置によって生じた可燃性ガスを使用して駆動することを特徴とする発電装置。
6. A power generator that is driven by using a combustible gas generated by the gasifier according to any one of claims 1 to 5.
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