JP2016204235A

JP2016204235A - ガス化装置及びガス製造方法

Info

Publication number: JP2016204235A
Application number: JP2015091685A
Authority: JP
Inventors: 博一村田; Hirokazu Murata
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-12-08

Abstract

【課題】バイオマスを水蒸気雰囲気下で熱分解して得られる生成ガスの生産量を向上させられるガス化装置及びガス製造方法を提供する。【解決手段】バイオマスＢを水蒸気雰囲気下の熱分解によりガス化し、水素を含む生成ガスＧ１を生成するガス化炉１と、ガス化炉１に熱を供給する外熱炉２と、ガス化炉１にバイオマスＢを供給する原料供給部３と、ガス化炉１に水蒸気Ｗを供給する水蒸気供給部４と、生成ガスＧ１に含まれる熱分解残渣Ｒを回収する回収部５と、回収部５から熱分解残渣Ｒをガス化炉１に供給する残渣供給部６と、を備えたガス化装置；バイオマスＢを水蒸気雰囲気下で熱分解してガス化し、水素を含む生成ガスＧ１を得る第一ガス化工程と、生成ガスＧ１に含まれる熱分解残渣Ｒを回収する回収工程と、回収した熱分解残渣Ｒを水蒸気雰囲気下で熱分解してガス化し、水素を含む生成ガスＧ３を得る第二ガス化工程と、を有するガス製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス化装置及びガス製造方法に関する。

バイオマスから水素ガスを製造して産業利用する様々な技術が提案されている。なかでも、バイオマスを水蒸気雰囲気下で熱分解する方法は、酸素を供給せずにガス化することが可能であり、ガス化炉や配管にへばり付くタールやチャー成分の発生量が少ないため、有力技術として注目されている（例えば特許文献１）。

特開２００４−１８２５０１号公報

本発明者が鋭意検討したところ、上記ガス化の用途に適したガス化装置としては、いわゆる噴流床に分類される浮遊外熱式ガス化方式のガス化炉を備えた装置が望ましいが、従来のガス化装置には生成ガスの生産量を高めるために更なる改良の余地があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バイオマスを水蒸気雰囲気下で熱分解して得られる生成ガスの生産量を向上させられるガス化装置及びガス製造方法を提供する。

［１］バイオマスを水蒸気雰囲気下の熱分解によりガス化し、水素を含む生成ガスを生成するガス化炉と、前記ガス化炉に熱を供給する外熱炉と、前記ガス化炉に前記バイオマスを供給する原料供給部と、前記ガス化炉に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記生成ガスに含まれる熱分解残渣を回収する回収部と、前記回収部から前記熱分解残渣を前記ガス化炉に供給する残渣供給部と、を備えたことを特徴とするガス化装置。
［２］前記ガス化炉に、前記バイオマスを供給する供給口及び前記熱分解残渣を供給する供給口がそれぞれ設けられていることを特徴とする上記［１］に記載のガス化装置。
［３］バイオマスを水蒸気雰囲気下で熱分解することによりガス化し、水素を含む生成ガスを得る第一ガス化工程と、前記生成ガスに含まれる熱分解残渣を回収する回収工程と、回収した前記熱分解残渣を水蒸気雰囲気下で熱分解することによりガス化し、水素を含む生成ガスを得る第二ガス化工程と、を有することを特徴とするガス製造方法。
［４］前記第一ガス化工程と前記第二ガス化工程を同一のガス化炉で行うことを特徴とする上記［３］に記載のガス製造方法。
［５］前記バイオマス及び前記熱分解残渣を同時並行で前記ガス化炉へ供給することを特徴とする上記［４］に記載のガス製造方法。

本発明のガス化装置によれば、従来は廃棄又は他の用途へ転用されていた熱分解残渣をガス化炉へ供給し、熱分解残渣から生成ガスを発生させることができるため、従来よりもバイオマス単位量当たりの生成ガスの生産量を増やすことができる。また、熱分解残渣をガス化炉へ供給できるため、バイオマスを原料とした１回目の熱分解を完全に行なう必要が無く、ある程度の熱分解残渣の発生を許容することができる。この結果、ガス化炉に供給する熱量を低減したり、ガス化炉の規模を小型化したりすることも可能になる。
本発明のガス化方法によれば、従来は廃棄又は他の用途へ転用されていた熱分解残渣を原料として生成ガスを得られるため、生成ガスの生産量を向上させることができる。

本発明の第一実施形態のガス化装置の構成を示す模式図である。本発明の第二実施形態のガス化装置の構成を示す模式図である。

《ガス化装置》
本発明に係るガス化装置の第一実施形態は、図１に示す様に、バイオマスＢを水蒸気雰囲気下の熱分解によりガス化し、水素を含む生成ガスＧ１を生成するガス化炉１と、ガス化炉１に前記ガス化に要する熱Ｈを供給する外熱炉２と、ガス化炉１にバイオマスＢを供給する原料供給部３と、ガス化炉１に水蒸気Ｗを供給する水蒸気供給部４と、生成ガスＧ１に含まれる熱分解残渣Ｒを回収する回収部５と、回収部５から熱分解残渣Ｒをガス化炉１に供給する残渣供給部６と、を備えている。

ガス化炉１の形態は特に限定されず、例えば従来のガス化炉が適用可能であり、従来の浮遊外熱式ガス化方式のガス化炉が好ましく、炉内でガスが旋回しながら上昇する旋回型ガス化炉がより好ましい。ガス化炉１には、原料供給部３からバイオマスＢを受け入れ可能な原料供給口が設けられ、さらに残渣供給部６から熱分解残渣Ｒを受け入れ可能な残渣供給口が設けられている。ガス化炉１が原料供給口及び残渣供給口をそれぞれ有することによって、バイオマスＢ及び熱分解残渣Ｒをガス化炉１に同時並行で供給し、生成ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３の単位時間当たりの生産量を高めることができる。

外熱炉２の形態は特に限定されず、例えば従来のガス化炉に併設される外熱炉が適用可能である。

原料供給部３の形態は特に限定されず、例えば従来のガス化炉に併設される、ペレット状又は粉状の原料を任意の量で定量的に供給することが可能な、ペレット定量供給装置又は粉体定量供給装置が適用可能である。

外熱炉２及び／又は原料供給部３には、外熱炉２の燃料又はバイオマスＢとしての紙ごみをペレット化する装置（ペレタイザー）が併設されていてもよい。当該ペレタイザーは、紙ごみのペレット化時に発生する繊維質の粉塵をガス化炉へ供給可能な構成とされていることが好ましい。前記構成としては、前記粉塵がペレタイザーから配管を介してガス化炉１へ直接供給される構成であってもよいし、前記粉塵がペレタイザーとは異なる別の装置、例えば原料供給部３を構成する装置、を介してガス化炉１へ供給される構成であってもよい。

水蒸気供給部４の形態は特に限定されず、例えば従来のガス化炉に併設される、水蒸気供給装置（エバポレータ）が適用可能である。

回収部５の形態は、生成ガスＧ１中に含まれる熱分解残渣Ｒが回収可能な装置であれば特に限定されず、例えば従来のガス化炉に併設され、ガス化炉で生成したガスに含まれる粉塵等を回収する用途で使用される、サイクロン、バグフィルター等が適用可能である。
回収部５の後段には、熱分解残渣Ｒが除去された生成ガスＧ２を冷却、洗浄又は精製する公知の装置、例えばスクラバ（不図示）が設置されていてもよい。

残渣供給部６の形態は、回収部５で回収された熱分解残渣Ｒをガス化炉１に供給可能な装置であれば特に限定されず、例えば従来の粉体供給装置（フィーダ）が適用可能である。残渣供給部６が熱分解残渣Ｒを供給するガス化炉は、バイオマスＢが供給されるガス化炉１であることが好ましいが、ガス化炉１とは異なる別のガス化炉であっても構わない。

《ガス製造方法》
本発明に係るガス製造方法の第一実施形態は、バイオマスＢを水蒸気雰囲気下で熱分解することによりガス化し、水素を含む生成ガスＧ１を得る第一ガス化工程と、生成ガスＧ１に含まれる熱分解残渣Ｒを回収する回収工程と、回収した熱分解残渣Ｒを水蒸気雰囲気下で再度熱分解することによりガス化し、水素を含む生成ガスＧ３を得る第二ガス化工程と、を有する。本実施形態のガス製造方法は、上記工程以外の工程、例えば、生成ガスＧ１から熱分解残渣Ｒが除去されて得られた生成ガスＧ２を、冷却、洗浄又は精製する工程を有していてもよい。

以下、図２を参照して本実施形態のガス製造方法を説明する。
図２のガス化装置１０は、バイオマスＢをペレット化又は粉体化するペレタイザー１７と、ペレタイザー１７から供給される粉体化された任意の量のバイオマスＢを定量的にガス化炉１へ供給する定量供給装置１３（原料供給部）と、高温水蒸気Ｗの雰囲気下における熱分解によりバイオマスＢをガス化し、水素を含む生成ガスＧ１を生成するガス化炉１１と、原料の熱分解に要する熱Ｈを供給する外熱炉１２と、ガス化炉１１に水蒸気Ｗを供給するエバポレータ１４（水蒸気供給部）と、生成ガスＧ１に含まれる熱分解残渣Ｒを捕集するサイクロン１５ａ（回収部）と、サイクロン１５ａで捕集された熱分解残渣Ｒを一時的に貯留する残渣回収箱１５ｂ（回収部）と、残渣回収箱１５ｂから熱分解残渣Ｒをガス化炉１に供給するフィーダ１６ａ及び供給管１６ｂ（残渣供給部）と、を備えている。

ガス化炉１１は、高温水蒸気Ｗ、粉体化又はペレット化されたバイオマスＢが熱分解して生成される生成ガスＧ１、及び熱分解残渣Ｒが熱分解して生成される生成ガスＧ３が炉内で旋回しながら上昇する旋回型の浮遊外熱式ガス化炉である。ガス化炉１１には、ペレタイザー１７から粉体化又はペレット化されたバイオマスＢを、定量供給装置１３を介して受け入れ可能な原料供給口と、さらに残渣回収箱１５に接続された供給管１６ｂから熱分解残渣Ｒを受け入れ可能な残渣供給口と、が設けられている。ガス化炉１１には、バイオマスＢ及び熱分解残渣Ｒが同時並行に供給されるので、生成ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３の単位時間当たりの生産量を高めることができる。

ガス化炉１１において、バイオマスＢが熱分解することにより、水素成分及び熱分解残渣Ｒを含む生成ガスＧ１が生成する。
また、ガス化炉１１において、熱分解残渣Ｒが熱分解することにより、水素成分を含む生成ガスＧ３が生成する。
ガス化炉１１からサイクロン１５ａ（回収部）へ、生成ガスＧ１及び生成ガスＧ３が供給され、当該生成ガスのうち、少なくとも生成ガスＧ１に含まれる熱分解残渣Ｒがサイクロン１５ａによって捕集される。

生成ガスＧ３に熱分解残渣Ｒ’が含まれる場合には、その熱分解残渣Ｒ’も熱分解残渣Ｒと同様にサイクロン１５ａによって捕集される。ガス化炉１１のガス化条件にもよるが、熱分解残渣Ｒから生成する生成ガスＧ３には熱分解残渣Ｒ’は殆ど含まれない傾向がある。なお、生成ガスＧ１，Ｇ３が混合されてサイクロン１５ａに供給される場合、熱分解残渣Ｒと熱分解残渣Ｒ’とを区別することは難しい。

生成ガスＧ１，Ｇ３がサイクロン１５ａ（回収部）を経ることにより、熱分解残渣Ｒ，Ｒ’が除去された、水素ガス成分を含む比較的清浄な生成ガスＧ２が得られる。

バイオマスＢとしては、熱分解により水素ガスを発生し得る有機成分が含まれた生物由来材料が含まれるものであれば特に限定されず、例えば、木材、樹皮、植物の葉、剪定枝、古紙、下水泥炭、農林産廃棄物、畜産廃棄物、水産廃棄物、厨芥、廃油、建築廃材、都市ごみ等の、セルロース、タンパク質又は油脂を含む有機性廃棄物を挙げることができる。水分を多く含むバイオマスは、予め水分を蒸発させてからガス化に供することが好ましい。

バイオマスＢのガス化を促進する観点から、ガス化炉１１に供給するバイオマスＢの形態は、直径１０ｍｍ未満に粉砕されたペレット（チップ）状又は粉状であることが好ましく、直径１〜５ｍｍ程度に粉砕されたペレット状又は粉状であることがより好ましい。好適な例として、例えば２〜３ｍｍ程度に粉砕した紙屑や木粉が挙げられる。
なお、バイオマスＢが０．１ｍｍ以下の粉状であると、ガス化炉１１に供給する前の取り扱い時に舞い上がったり、粉体爆発の危険が生じたりする等、取り扱いが難しくなる場合がある。

外熱炉１２からガス化炉１１へ熱Ｈを供給することにより、ガス化炉１１においてバイオマスＢ、熱分解残渣Ｒ及び高温水蒸気Ｗを含む反応系において、水素ガスを含む生成ガスＧ１，Ｇ３が生成される。外熱炉１２から供給される熱Ｈの量は、生成ガスＧ１，Ｇ３が生成されるために必要な熱量であれば特に限定されず、ガス化炉１１の反応温度を例えば９００〜１０００℃にすることが可能な熱量が挙げられる。

ガス化炉１１における炉内のガス化温度は特に限定されないが、８００〜１２００℃程度が好適である。この範囲であると、生成ガスＧ２の組成をおよそH₂:CO:CO₂=45:20:20（体積比）にすることができる。生成ガスＧ２中の水素ガス成分の体積比が、一酸化炭素ガス及び／又は二酸化炭素ガスの２倍以上であると、水素燃料としての価値が高い生成ガスであるといえる。
なお、ガス化炉１１におけるガス化温度が低過ぎるとタールやチャー等の炉内及び配管を汚染する物質が発生し易く、ガス化温度が高すぎると不経済である。

本実施形態のガス化装置１０の全体で消費するバイオマスＢのうち、例えば５〜８割をガス化炉１１へ供給し、２〜５割を外熱炉１２へ供給する等、バイオマスＢをガス化炉１１と外熱炉１２へ振り分けてもよい。

外熱炉１２の燃料の種類は特に限定されず、例えばガス化炉１１に供給するバイオマスＢを適用することができる。外熱炉１２においてバイオマスＢは炉内で燃焼されるので、外熱炉１２に供給するバイオマスＢの形態は、ガス化炉１１に供給するバイオマスＢよりも大きくてもよく、例えば３０〜５０ｍｍに粉砕したチップ状バイオマスや、直径１０〜２０ｍｍに成型したペレット状バイオマスが好適である。

バイオマスＢとして紙ごみを使用する場合、操作性を高める観点から、紙ごみをペレット化して外熱炉１２又はガス化炉１１に供給することが好ましい。当該紙ごみが、２〜３ｍｍ程度のシュレッダされた紙屑である場合、その形態のままガス化炉１１に供給してもよい。このように粉砕された紙屑をガス化炉１１で熱分解して得られる生成ガスＧ１に含まれる熱分解残渣Ｒには、２０〜５０質量％の炭素成分が含まれ得る。このため、熱分解残渣Ｒをガス化炉１１に供給することによって更なる熱分解が可能であり、より多くの生成ガスを生産することができる。

紙ごみをペレット化する装置としてペレタイザー１７と呼ばれる装置が知られている。ペレタイザー１７における紙ごみのペレット化の際には、ペレタイザー１７の運転条件によっては、紙に含まれる繊維質の粉塵が発生する。この粉塵は、その表面積が広く、熱分解によるガス化反応の効率が高いため、当該粉塵をガス化炉１１に供給することにより、生成ガスの生産性を更に向上させることができる。また、反応性の高い粉塵を材料とする場合、比較的低い温度で熱分解することが可能であるため、ガス化炉１１の小型化を図ることもできる。これらの観点から、ペレタイザー１７を原料供給部３（例えば定量供給装置１３）に併設することが好ましい。ペレタイザー１７でペレット化する紙ごみとしては、都市ごみ等の他、製紙工場で発生するスラッジ等も好適である。スラッジに含まれる水分をペレタイザーで脱水しながらペレット化できるので効率的である。

バイオマスＢの種類やガス化炉１１におけるガス化条件にもよるが、生成ガスＧ１には熱分解残渣Ｒが生成ガスＧ１の全体積の１０体積％ほど含まれる場合がある。回収部５（例えばサイクロン１５ａ及び残渣回収箱１５ｂ）において生成ガスＧ１から熱分解残渣Ｒを回収することにより、生成ガスＧ２を冷却、洗浄又は精製する後段の装置（不図示）の配管が熱分解残渣Ｒによって詰まるという不具合を防止することができる。

回収部５において生成ガスＧ１，Ｇ３から熱分解残渣Ｒ，Ｒ’が回収された後に得られる生成ガスＧ２は、図示しない後段の処理において、適宜常法により冷却、洗浄、精製された後、例えばガス化発電、メタノール合成、メタン合成等の用途に供される。

残渣供給部６（例えばフィーダ１６ａ及び供給管１６ｂ）からガス化炉１１に供給された熱分解残渣Ｒには、ガス化炉１１においてバイオマスＢよりも優先的に高温水蒸気Ｗによって改質され、効率よくＣＯやＨ_２に熱分解される。熱分解残渣Ｒにタールやチャーが含まれる場合にも同様に、それらは効率よくＣＯやＨ_２に熱分解される。タールやチャーの熱分解を促進するために、公知の触媒をガス化炉１１へ供給してもよい。

以上で説明した各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

１…ガス化炉、２…外熱炉、３…原料供給部、４…水蒸気供給部、５…回収部、６…残渣供給部、Ｈ…外熱炉からガス化炉へ供給される熱、Ｂ…バイオマス、Ｗ…水蒸気、Ｇ１…熱分解残渣を含む生成ガス、Ｇ２…熱分解残渣が除去された生成ガス、Ｇ３…熱分解残渣が再度熱分解されて生成した生成ガス、Ｒ…熱分解残渣、
１１…ガス化炉、１２…外熱炉、１３…定量供給装置、１４…エバポレータ、１５ａ…サイクロン、１５ｂ…残渣回収箱、１６ａ…フィーダ、１６ｂ…供給管

Claims

バイオマスを水蒸気雰囲気下の熱分解によりガス化し、水素を含む生成ガスを生成するガス化炉と、
前記ガス化炉に熱を供給する外熱炉と、
前記ガス化炉に前記バイオマスを供給する原料供給部と、
前記ガス化炉に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記生成ガスに含まれる熱分解残渣を回収する回収部と、
前記回収部から前記熱分解残渣を前記ガス化炉に供給する残渣供給部と、
を備えたことを特徴とするガス化装置。
前記ガス化炉に、前記バイオマスを供給する供給口及び前記熱分解残渣を供給する供給口がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
バイオマスを水蒸気雰囲気下で熱分解することによりガス化し、水素を含む生成ガスを得る第一ガス化工程と、
前記生成ガスに含まれる熱分解残渣を回収する回収工程と、
回収した前記熱分解残渣を水蒸気雰囲気下で熱分解することによりガス化し、水素を含む生成ガスを得る第二ガス化工程と、
を有することを特徴とするガス製造方法。
前記第一ガス化工程と前記第二ガス化工程を同一のガス化炉で行うことを特徴とする請求項３に記載のガス製造方法。
前記バイオマス及び前記熱分解残渣を同時並行で前記ガス化炉へ供給することを特徴とする請求項４に記載のガス製造方法。