JP2017128623A - バイオマスのガス化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１に、バイオマスガスや炭化物粒が、熱分解部から改質部へ、熱分解温度をほぼ維持しつつ供給され、供給時に熱量が失われ温度低下することがほぼ回避され、もって熱効率が向上し、第２に、バイオマスガスに含有されていたタールが、供給途中で液化，固化して周囲に付着することもなく、汚れ，コーキング，トラブル等の不具合発生も防止され、第３に、しかもこれが、簡単な構成により容易に実現される、バイオマスのガス化装置を提案する。【解決手段】このガス化装置１１は、バイオマスＡの熱分解部１０と、バイオマスガスＢの改質部１２と、を備えており、両者が一体構成され連設されている。すなわち、横型の熱分解部１０端部の供給口１３に、縦型の改質部１２上部の流入口１５が、直接連通接続されており、改質部１２下部の吸引口１６から、燃料ガスＤが排出される。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマスのガス化装置に関する。すなわち、木質バイオマス等を熱分解して得られるバイオマスガスを改質し、もって燃料ガスとして利用する、ガス化装置に関するものである。

《技術的背景》
木質廃材その他の木質バイオマス等を、燃料として有効利用することへの関心が、近年高まっている。
特に、木質バイオマスを熱分解してバイオマスガスを生成し、もって燃料ガスとしてエンジンに供給して発電等に利用する、バイオマスのガス化システムが、最近注目を集めている。

《従来技術》
図３は、従来のガス化システム１の説明図である。同図にも示したように、この種従来例の代表的ガス化システム１は、熱分解炉２と改質炉３とを備えていた。
そして、バイオマスＡが原料ホッパー４から熱分解炉２に投入され、熱分解炉２で生成されたバイオマスガスＢが、管路５_１を経由して改質炉３に供給され、改質炉３でタールＣが処理された後、燃料ガスＤとして、管路５_２にてエンジン６に供給されていた。
熱分解炉２で生成されたバイオマスガスＢ中には、多量のタールＣが含有されており、そのままエンジン６の燃料として供給すると、エンジン６の弁，その他に液化，付着して、汚れやコーキングの原因となり、各種トラブルの要因となってしまう。
そこでバイオマスガスＢについて、含有されていたタールＣを、改質炉３で燃料成分に改質し、もって燃料ガスＤとしていた。改質炉３におけるタールＣの改質には、熱分解炉２での燃焼に際し生成された炭化物粒（チャー）Ｅが、タールＣの吸着分解用，触媒用として使用されると共に、自らも燃料成分に改質されていた。
図中７は、エンジン６にて駆動される発電機である。図中５_３は、エンジン６の排気ガスＧを、熱分解炉２の熱源として利用するための管路である。

このような従来のガス化システム１としては、例えば、次の特許文献１，２に示されたものが挙げられる。
特開２００９−２３５３３５号公報 特開２０１０−１２６５９５号公報

ところで、このような従来のバイオマスＡのガス化システム１については、次の問題が課題として指摘されていた。
《第１の問題点》
第１に、熱効率面に問題が指摘されていた。まず熱分解炉２は、４５０℃〜６５０℃程度の熱分解温度域に維持されており、投入されたバイオマスＡを熱分解する。改質炉３は、７００℃以上の改質温度域に維持され、タールＣや炭化物粒Ｅを改質する。
他方、熱分解炉２から改質炉３へのバイオマスガスＢの供給は、管路５_１を経由して行われていた。熱分解炉２頂部と改質炉３下部間に配設された、管路５_１を経由して行われていた。
又、熱分解炉２から改質炉３への炭化物粒Ｅの供給は、供給手段８を使用して行われていた。熱分解炉２下部の排出部９から排出された炭化物粒Ｅを、供給手段８を使用して、改質炉３頂部へと供給していた。

もって熱損失が大きく、熱効率に問題が指摘されていた。
４５０℃〜６５０℃で熱分解炉２から排出されたバイオマスガスＢの熱量が、管路５_１による供給途中で熱伝達等により失われ、もってバイオマスガスＢの温度低下が著しく、その分、改質炉３において改質温度域への加熱熱量の増加を招いていた。管路５_１の短縮化や断熱材による被覆等の対策も取られていたが、十分ではなかった。
炭化物粒Ｅについても同様であり、４５０℃〜６５０℃で熱分解炉２から排出された炭化物粒Ｅの熱量が、途中の供給手段８で熱伝達等により失われ、温度低下が著しく、その分、改質炉３での改質温度域への加熱熱量の増加を招いていた。

《第２の問題点》
第２に、タールＣ付着による不具合発生も指摘されていた。
熱分解炉２と改質炉３間に配設された管路５_１について、バイオマスガスＢ中に含有されたタールＣが、上述した温度低下により液化，固化し（高温での気化タールから液化タール化）、内部に付着して、汚れやコーキングの原因となり、各種トラブルを惹起していた。
炭化物粒Ｅの供給手段８についても同様であり、熱分解炉２から改質炉３へと供給される炭化物粒Ｅについても、付随帯同されていたタールＣが、供給手段８に液化，固化，付着して、汚れ，コーキングの原因となり、トラブルを惹起していた。
従来例では、このような問題が課題として指摘されていた。

《本発明について》
本発明のバイオマスのガス化装置は、このような実情に鑑み、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第１に、熱効率が向上し、第２に、タール付着による不具合発生も防止され、第３に、しかもこれらが簡単容易に実現される、バイオマスのガス化装置を提案することを目的とする。

《各請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、特許請求の範囲に記載したように、次のとおりである。
請求項１については、次のとおり。
請求項１のバイオマスのガス化装置は、バイオマスから燃料ガスを得る装置であって、一体構成された熱分解部と改質部とを、有してなる。
そして該熱分解部は、投入されたバイオマスを熱分解する。該改質部は、該熱分解部で生成されたバイオマスガスと炭化物粒とが、該熱分解部から直接供給され、バイオマスガスに含有されたタールを、炭化物粒を利用しつつ共に燃料成分に改質し、もって、燃料ガスとすること、を特徴とする。
請求項２については、次のとおり。
請求項２のバイオマスのガス化装置では、請求項１において、該熱分解部は、横型炉よりなり、バイオマスを低温乾留して、バイオマスガスと炭化物粒とを共に供給口から流下せしめる。
該改質部は、該熱分解部に連設された縦型炉よりなり、上部の流入口が、該熱分解部端部の供給口に連通接続されると共に、下部の吸引口から、カロリーアップされた燃料ガスを排出すること、を特徴とする。

請求項３については、次のとおり。
請求項３のバイオマスのガス化装置では、請求項２において、該熱分解部は、４５０℃以上〜６５０℃以下の熱分解温度域に維持されている。
そしてバイオマスガスおよび炭化物粒は、上記熱分解温度をほぼ保持しつつ該改質部へと供給され、もってタールの温度低下による液化，周囲付着も回避されること、を特徴とする。
請求項４については、次のとおり。
請求項４のバイオマスのガス化装置では、請求項３において、該改質部は、まず上部にて、空気つまり酸素が供給されてバイオマスガスを部分燃焼させ、もって７００℃以上の改質温度域へと高熱化されること、を特徴とする。
請求項５については、次のとおり。
請求項５のバイオマスのガス化装置では、請求項４において、該改質部の上記改質温度域から排出された燃料ガスは、該熱分解部の上記熱分解温度域への熱源用に利用された後、燃料用に提供されること、を特徴とする。
請求項６については、次のとおり。
請求項６のバイオマスのガス化装置では請求項２において、該熱分解部は、チップ化された木質バイオマスを、少なくとも熱分解するが、これに加え更に、紙材，廃材，作物系，その他のバイオマス材も、熱分解可能そしてバイオマスガス化可能であること、を特徴とする。

《作用等について》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
（１）ガス化装置では、熱分解部にバイオマスが投入されて、バイオマスガス，炭化物粒等が生成される。
（２）生成されたバイオマスガスと炭化物粒は、改質部に供給され、バイオマスガスに含有されていたタールが、炭化物粒を利用しつつ、共に燃料成分に改質され、もって、燃料ガスとされる。
（３）そして本発明のガス化装置は、熱分解部と改質部が一体構成され連設されている。熱分解部端部の供給口に、改質部上部の流入口が連通接続されており、改質部下部の吸引口から燃料ガスが排出される。
（４）もって、バイオマスガスや炭化物粒が、熱分解部から改質部へ、熱分解温度をほぼ保持しつつ、流下，吸引，供給される。供給時での熱量損失，温度低下は、ほぼ回避される。
（５）そこで、バイオマスガスに含有されたタールが、液化，固化して周囲に付着することも、回避される。
（６）このように作用する本発明のガス化装置は、上記項目（３）に記載したように、簡単な構成よりなる。
（７）なお、改質部から排出された燃料ガスの熱量，顕熱を、熱分解部の熱源に途中利用することも、至近距離であり熱損失，温度低下が少なく実現される。
（８）燃料ガスは代表例では、発電機付のエンジンに供給される。
（９）そこで、本発明に係るバイオマスのガス化装置は、次の効果を発揮する。

《第１の効果》
第１に、熱効率が向上する。
本発明に係るバイオマスのガス化装置では、バイオマスガスや炭化物粒が、熱分解部から改質部へ、熱分解温度をほぼ保持しつつ供給される。供給時に熱が逃げ熱量が失われること、つまり温度低下は、ほぼ回避される。このように熱損失が防止され、熱効率が向上する。
前述したこの種従来例のように、途中の管路や供給手段において、バイオマスガスや炭化物粒の熱分解炉での熱分解温度が大きく失われ、もって改質炉での改質温度域への加熱熱量の増加を招くような事態は、確実に回避される。
更に、改質部の改質温度域から排出された燃料ガスを、熱分解部の熱分解温度域への熱源用に、途中利用するようにした場合は、この面からも熱効率，エネルギー効率が向上する。

《第２の効果》
第２に、タール付着による不具合発生も防止される。
本発明に係るバイオマスのガス化装置では、上述したように、バイオマスガスや炭化物粒は、熱分解部から改質部へ熱分解温度をほぼ保持しつつ供給される。
もって、バイオマスガスに含有されていたタール（含．炭化物粒に付随帯同されたタール）が、供給途中での温度低下により周囲に付着することは回避される。もって汚れ，コーキング，トラブル等の原因となることもない。
前述したこの種従来例のように、途中の管路や供給手段に、タールが液化，固化，付着して、汚れ，コーキング，トラブル等の不具合を引き起こす事態は、確実に回避される。熱分解部と改質部間では、管路や供給手段は用いられず、不用化されている。

《第３の効果》
第３に、しかもこれは簡単容易に実現される。
本発明に係るバイオマスのガス化装置は、熱分解部と改質部を一体的に連設し、熱分解部の供給口に、改質部上部の流入口を連通接続して、改質部下部の吸引口から燃料ガスを排出する構成よりなる。
このような簡単な構成により、上述した第１，第２の効果を容易に実現でき、コスト面等にも優れている。
このように、この種従来技術に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。

本発明に係るバイオマスのガス化装置について、発明を実施するための形態の説明に供し、第１例の正面断面図である。 同発明を実施するための形態の説明に供し、第２例の正面断面図である。 従来例のバイオマスのガス化システムの説明に供し、正面断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図１，図２を参照して詳細に説明する。
《熱分解部１０について》
本発明に係るバイオマスＡのガス化装置１１は、一体構成された熱分解部１０と改質部１２とを、有している。
まず、熱分解部１０について説明する。本発明のガス化装置１１では、まず、熱分解部１０にバイオマスＡが投入され、もってバイオマスＡが熱分解されて、バイオマスガスＢや炭化物粒Ｅ等が生成される。
すなわち、熱分解部１０は横型炉よりなり、４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域に維持されており、バイオマスＡを低温乾留し、もって生成したバイオマスガスＢと炭化物粒Ｅとを、共通の供給口１３から流下せしめる。

このような熱分解部１０について、更に詳述する。まずバイオマスＡは、原料ホッパー４，乾燥機，定量フィーダー（図示せず）等を介し、常温で熱分解部１０に投入される。
投入されるバイオマスＡとしては、チップ化された木質廃材等の木質バイオマスが代表的であるが、これに加え、紙材，プラスチック材，廃材（廃棄物系），作物系（植物系，生物系），その他のバイオマス材も、熱分解可能，バイオマスガスＢ化可能である。
４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域は、熱分解されるバイオマスＡからタール（気化タール）Ｃの発生が完了してしまう温度を下限とし、炭化物粒（木炭粒，チャー）Ｅ生成可能な温度を上限とする。
投入されたバイオマスＡは、このような熱分解温度域で低温乾留により熱分解され、もって炭化物粒Ｅ，灰分，その他の燃焼残等の固形分と共に、バイオマスガスＢが生成される。
バイオマスガス（熱分解ガス，乾留ガス）Ｂは、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを主成分とするが、メタン（ＣＨ_４），エチレン（Ｃ_２Ｈ_４），プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）等の高発熱量の低級炭化水素を、含有することも多い。
更に、これらの燃料成分と共に、窒素（Ｎ_２），二酸化炭素（ＣＯ_２），水蒸気（Ｈ_２Ｏ）等の不燃成分も、含有している。そしてタール（気化タール，タール蒸気）Ｃも、含有している。
なお熱分解部１０は、代表的には、若干傾斜して回転する円筒状のリフタードラム１４，又はスクリューコンベア，スクリューキルン等を備えた押し出し方式よりなる。そして供給口１３から、バイオマスガスＢと炭化物粒Ｅとを排出して、改質部１２へと流下せしめる。図示例では、リフタードラム１４下流端が、供給口１３から改質部１２の流入口１５に臨んでいる。
熱分解部１０については、以上のとおり。

《改質部１２について》
次に、本発明のガス化装置１１の改質部１２について、説明する。改質部１２は、熱分解部１０で生成されたバイオマスガスＢと炭化物粒Ｅとが、直接流下され、もって、バイオマスガスＢに含有されたタールＣを、炭化物粒Ｅを利用しつつ、共に燃料成分に改質して、燃料ガスＤを得る。
そして改質部１２は、熱分解部１０に連設された縦型炉よりなり、７００℃以上の改質温度域に維持されており、上部の流入口１５が、熱分解部１０端部の供給口１３に直接連通接続されると共に、下部の吸引口１６から、カロリーアップされた燃料ガスＤを排出する。

このような改質部１２について、更に詳述する。まず、改質部１２は７００℃以上の改質温度域に維持されている。
すなわち、４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域の熱分解部１０から直接供給されるバイオマスガスＢの顕熱に、部分燃焼の反応熱を加えることにより、改質を実施可能な改質温度域に維持されている。
すなわち改質部１２は、まず上部にて、一定供給量に制御された空気Ｈつまり酸素が供給されて、バイオマスガスＢを部分燃焼させる。もって、このような直接加熱方式による熱量を、バイオマスガスＢ自体の熱量に加えることにより、７００℃以上の改質温度域へと高熱化される。
そして、このような改質温度域のもと、バイオマスガスＢ中に含有されたタールＣ（含．炭化物粒Ｅに付随，帯同していたタールＣ）が、炭化物粒Ｅの吸着分解機能と触媒機能によりコーク化し、もって熱の作用により水蒸気をガス化剤として反応して、水素，一酸化炭素，メタン等に水蒸気改質される。

水蒸気改質は、バイオマスガスＢ中に含有された水蒸気を利用して実施されるが、付設されたスチーム供給手段（図示せず）からも、補足的に供給可能となっている。
炭化物粒Ｅは、前述した熱分解部１０において、焦げた未燃焼分，多孔質残留物として得られる。そして炭化物粒Ｅは、バイオマスガスＢに含有されたタールＣの捕捉，吸着，担持，一体化層として機能すると共に、タールＣのコーク化，水蒸気改質反応促進用の触媒層としても機能する。又、炭化物粒Ｅ自体も水蒸気改質されて、水素や一酸化炭素等にガス化される。
バイオマスガスＢは、このようにタールＣや炭化物粒Ｅが、改質により上述したように燃料成分にガス化され、もってカロリーアップされた燃料ガス（改質ガス）Ｄとなる。
そして燃料ガスＤは、下部に内装された吸引口１６からブロワ１７が介装された管路１８_１（図１）又は１８_２（図２）へと導出される。もって図示例では、管路１８_１又は１８_２を経由してロータリーエンジン等のエンジン６に、エアー混合器（図示せず）等を経て供給され、エンジン６の燃料となりエンジン６を駆動する。エンジン６は、発電機７に連結されており、その駆動が発電用に出力される。
図中、１９は格子である。Ｊは、灰分等の燃焼残であり、炭化物粒Ｅ等の残渣として改質部１２の下部から、排出される。

ところで、図１の第１例において、燃料ガスＤは、管路１８_１により改質部１２からエンジン６へと直接供給される。
これに対し、図２の第２例において、燃焼ガスＤは、管路１８_２により、改質部１２に近接一体連設された熱分解部１０の熱源として利用されてから、エンジン６へと供給される。
すなわち、改質部１２の７００℃以上の改質温度域から排出された燃料ガスＤは、熱分解部１０の４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域への熱源用に利用された後、燃料用に提供される。
改質部１２については、以上のとおり。

《作用等》
本発明のバイオマスＡのガス化装置１１は、以上説明したように構成されている。そこで以下のようになる。
（１）ガス化装置１１では、まず、熱分解部１０にバイオマスＡが投入されて熱分解され、もってバイオマスガスＢ，炭化物粒Ｅ等が生成される。

（２）熱分解部１０で生成されたバイオマスガスＢと炭化物粒Ｅは、改質部１２に供給される。そして、バイオマスガスＢに含有されたタールＣ（含．炭化物粒Ｅに付随帯同していたタールＣ）が、炭化物粒Ｅを利用しつつ共に燃料成分に改質される。もってバイオマスガスＢは、改質されて燃料ガスＤとされる。

（３）本発明のガス化装置１１は、このような熱分解部１０と改質部１２とを備えると共に、両者が一体構成され連接されている。
すなわち、横型の熱分解部１０端部の供給口１３に、縦型の改質部１２上部の流入口１５が、直接連通接続されており、改質部１２下部の吸引口１６から、燃料ガスＤが排出される。

（４）もって、バイオマスガスＢや炭化物粒Ｅが、熱分解部１０から改質部１２へ、４５０℃〜６５０℃の熱分解温度をほぼ保持しつつ、流下，吸引される。
従って、このように直接供給されるバイオマスガスＢや炭化物粒Ｅについて、供給途中での熱量損失，温度低下は、ほぼ回避される。

（５）又、上述したようにバイオマスガスＢや炭化物粒Ｅは、熱分解部１０から改質部１２へ、ほぼ４５０℃〜６５０℃の熱分解温度で供給される。途中に管路や供給手段が介在する（図３の従来例を参照）ことなく、直接供給される。
もって、バイオマスガスＢに含有されたタールＣ（含．炭化物粒Ｅに付随帯同されるタールＣ）が、温度低下により液化，固化して周囲に付着することは、回避される。

（６）そして、このように作用する本発明のガス化装置１１は、熱分解部１０と改質部１２とを一体的に連設し、熱分解部１０の供給口１３に改質部１２の流入口１５を、連通接続して、改質部１２の吸引口１６から燃料ガスＤを排出するという、簡単な構成よりなる。

（７）更に、図２の第２例のように、改質部１２の７００℃以上の改質温度域から排出された燃料ガスＤの熱量，顕熱を、熱分解部１０の４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域の熱源用に途中利用することも、確実かつ簡単容易に実現される。改質部１２と熱分解部１０は、一体的に近接連接されており、管路１８_２により至近距離で熱損失，温度低下が極めて少なく実現される。

（８）代表例では、このようにガス化装置１１で得られた燃料ガスＤは、管路１８_１，又は１８_２によりエンジン６に供給される。エンジン６の出力軸には、発電機７が接続されている。

Ａ バイオマス
Ｂ バイオマスガス
Ｃ タール
Ｄ 燃料ガス
Ｅ 炭化物粒
Ｇ 排気ガス
Ｈ 空気
Ｊ 灰分等
１ ガス化システム（従来例）
２ 熱分解炉
３ 改質炉
４ 原料ホッパー
５_１ 管路
５_２ 管路
５_３ 管路
６ エンジン
７ 発電機
８ 供給手段
９ 排出部
１０ 熱分解部
１１ ガス化装置(本発明)
１２ 改質部
１３ 供給口
１４ リフタードラム
１５ 流入口
１６ 吸引口
１７ ブロワ
１８_１ 管路
１８_２ 管路
１９ 格子

Claims (6)

1. バイオマスから燃料ガスを得る装置であって、一体構成された熱分解部と改質部とを、有してなり、該熱分解部は、投入されたバイオマスを熱分解し、
   該改質部は、該熱分解部で生成されたバイオマスガスと炭化物粒とが、該熱分解部から直接供給され、バイオマスガスに含有されたタールを、炭化物粒を利用しつつ共に燃料成分に改質し、もって、燃料ガスとすること、を特徴とするバイオマスのガス化装置。
2. 請求項１において、該熱分解部は、横型炉よりなり、バイオマスを低温乾留して、バイオマスガスと炭化物粒とを共に供給口から流下せしめ、
   該改質部は、該熱分解部に連設された縦型炉よりなり、上部の流入口が、該熱分解部端部の供給口に連通接続されると共に、下部の吸引口から、カロリーアップされた燃料ガスを排出すること、を特徴とするバイオマスのガス化装置。
3. 請求項２において、該熱分解部は、４５０℃以上〜６５０℃以下の熱分解温度域に維持されており、
   バイオマスガスおよび炭化物粒は、上記熱分解温度をほぼ保持しつつ該改質部へと供給され、もってタールの温度低下による液化，周囲付着も回避されること、を特徴とするバイオマスのガス化装置。
4. 請求項３において、該改質部は、まず上部にて、空気つまり酸素が供給されてバイオマスガスを部分燃焼させ、もって７００℃以上の改質温度域へと高熱化されること、を特徴とするバイオマスのガス化装置。
5. 請求項４において、該改質部の上記改質温度域から排出された燃料ガスは、該熱分解部の上記熱分解温度域への熱源用に利用された後、燃料用に提供されること、を特徴とするバイオマスのガス化装置。
6. 請求項２において、該熱分解部は、チップ化された木質バイオマスを、少なくとも熱分解するが、これに加え更に、紙材，廃材，作物系，その他のバイオマス材も、熱分解可能そしてバイオマスガス化可能であること、を特徴とするバイオマスのガス化装置。

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