JP2018123184A - A method for improving efficiency of a regional distributed power generation method using woody biomass - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は木質バイオマスを利用した地域分散型の発電法でエネルギー効率や経済性を高めるための方法に関する。 The present invention relates to a method for improving energy efficiency and economic efficiency in a region-distributed power generation method using woody biomass.
今日の人類にとっての重要な課題の１つは、埋蔵量が限られている化石燃料の使用を極力、節減するとともに、空気中の炭酸ガス濃度の上昇を抑え、地球温暖化および気候変動を抑制することである。そのためには各種の再生可能エネルギーの利用が検討させているが、もっとも本質的な方策の１つは、森林を、光合成による炭酸ガスの吸収能力を最大の状態に保つように適正に伐採、手入れし、得られた木質バイオマスをマテリアルおよびエネルギーとして有効利用することである。前者によって炭酸ガス起源の炭素を中期にわたって固定し、また、後者によって化石燃料の使用量削減を図ることが期待できる。今日の社会ではエネルギーとしては電力が基本であるが、発電までを考えた時、現時点では木質バイオマスの利用はいくつかの課題を残している。すなわち、発電の過程で電力へ変換効率を高め、コスト低減を図るには、数万ｋＷ以上の規模で実施することが１つの方法であるが、木質バイオマス利用の方法では石炭などの化石燃料を用いて行われている現行法の４５〜５０％の発電効率を超えることは難しい。石炭使用の場合に比べて、原料を発電場所まで運ぶ点でコスト的に不利であり、一方、規模的に発電の排熱を有効利用することが難しいという欠点は同じだからである。したがって、木質バイオマスを用いて発電を行う方法として考えられるものの１つが、地域分散型の中・小規模で、発電の余熱を地域の熱源として有効利用することによって、全体としての熱利用効率を上げることである。しかし、余熱を有効利用させる場所に運ぶには、一般的に２ｋｍが上限とされている。この余熱の有効利用という点から考え得ると、設置する場所によって異なるが、一般的には発電規模は数千ｋＷが上限である。この規模で効率的に実施できる方策として、木質をガス化して、そのガスを浄化してからガスタービン（あるいはガスエンジン）などの方式で燃焼して発電する方式がある。その方法の１つは、特許文献１の木質のガス化法である。この方法では、他の諸方式（発電効率が２０％以下のものが多い）に比べて発電効率を２５〜３５％と高くできるが、それでも従来の大型火力発電所の発電効率；４５〜５０％に比べて低いということが、普及が遅れている理由である。平成２４年から電力固定価格買取制度が実施されているが、中長期的には、他の発電方法に経済的にも劣らないものにすることが必要であり、スケール効果に依存できない方式で、いかにしてエネルギー利用効率を上げ、かつコスト競争力のあるものにするかが課題である。
One of the important challenges for humanity today is to reduce the use of fossil fuels with limited reserves as much as possible, and to suppress the rise in carbon dioxide concentration in the air, thereby suppressing global warming and climate change. It is to be. For this purpose, we are considering the use of various types of renewable energy, but one of the most essential measures is to properly cut and maintain the forest so that the absorption capacity of carbon dioxide by photosynthesis is kept at its maximum. The woody biomass obtained is effectively used as material and energy. The former can fix carbon originating from carbon dioxide over the medium term, and the latter can be expected to reduce the amount of fossil fuel used. In today's society, electricity is the basic energy, but when considering power generation, the use of woody biomass currently has some problems. In other words, in order to increase the efficiency of conversion into electric power and reduce costs in the process of power generation, one method is to implement it on a scale of tens of thousands of kW or more. It is difficult to exceed the power generation efficiency of 45-50% of the current method being used. This is because it is disadvantageous in terms of cost in terms of transporting the raw material to the power generation site as compared with the case of using coal, while it has the same drawback that it is difficult to effectively use the exhaust heat of power generation on a scale. Therefore, one of the possible methods for generating electricity using woody biomass is a regional-dispersion type, medium and small scale, and increases the overall heat utilization efficiency by effectively using the generated heat as a local heat source. That is. However, 2 km is generally set as the upper limit for transporting the remaining heat to a place where it is effectively used. If it can be considered from the viewpoint of effective use of this residual heat, the upper limit of the power generation scale is generally several thousand kW, although it varies depending on the installation location. As a measure that can be efficiently implemented on this scale, there is a method in which wood is gasified, the gas is purified, and then burned by a method such as a gas turbine (or gas engine) to generate electricity. One of the methods is a woody gasification method of
木質ガス化・ガスタービン（あるいはガスエンジン）発電方式のエネルギー利用効率および経済性を向上させるための切り口としては次のようなことが挙げられる。
（１）従来法ではガス化のための酸素源としては空気が用いられているため、得られたガスは約５０％の窒素ガスを含んでいる。そのため、生成したガスの発熱量が低く、また生成ガスを一旦冷やして清浄化し、再度燃焼してガスエンジンで発電する場合の顕熱ロスが増え、燃焼温度を高くできず、発電効率にも悪影響を与えている。ガスの窒素濃度を下げるためにはガス化用、あるいはガスタービン（あるいはガスエンジン）用の燃焼のために空気に酸素ガス付加したものを用いることが考えられるが、地域分散型で空気からの酸素濃縮装置（深冷法など）を設置することも、また酸素ガスを外部から購入することは経済的には成り立ちにくい。
（２）電力の価格は昼夜によって異なり、電力使用量が少ない深夜は安い。多くの発電方式は深夜だけ発電量を減らすことは容易ではないからである。これまでも水力発電所では夜間などの電力余剰時間帯の電力を用いて楊水し、電力の需要量が大きい時に水力発電するという方法が、電力変換効率は高くないが、古くから用いられてきた。また、火力、原子力、太陽光、風力などの発電に適用する方法として、余剰時の電力を一旦、水素に変換して、その水素を用いて電力が必要な時に、燃料電池によって電力に変換する方法があるが、この場合にも変換効率が低いことが問題である。
The following points can be mentioned as ways to improve the energy utilization efficiency and economic efficiency of the wood gasification / gas turbine (or gas engine) power generation system.
(1) In the conventional method, since air is used as an oxygen source for gasification, the obtained gas contains about 50% nitrogen gas. For this reason, the generated gas has a low calorific value, and the generated gas is once cooled and purified, then burned again to increase the sensible heat loss when generating power with the gas engine, the combustion temperature cannot be increased, and the power generation efficiency is also adversely affected. Is given. In order to reduce the nitrogen concentration of gas, it is possible to use oxygen gas added to air for combustion for gasification or gas turbine (or gas engine). It is not economically feasible to install a concentrator (such as a deep cooling method) or to purchase oxygen gas from the outside.
(2) The price of electricity varies from day to night and is cheap at midnight when the amount of electricity used is low. This is because it is not easy to reduce the amount of power generation in many power generation systems only at midnight. In the past, hydroelectric power plants have been used for a long time since the power conversion efficiency is not high, however, the method of flooding using the power in the surplus time zone such as at night and when the demand for power is large is not high. It was. In addition, as a method applied to power generation such as thermal power, nuclear power, solar power, wind power, etc., the surplus power is once converted into hydrogen, and when it is necessary to use the hydrogen, it is converted into power by the fuel cell. There is a method, but also in this case, the problem is that the conversion efficiency is low.
本発明は、地域分散型の規模で、木質バイオマスを原料として、それをガス化する工程を含む発電システムにおいて、エネルギー効率および経済性を向上させるための方法に関する。 The present invention relates to a method for improving energy efficiency and economic efficiency in a power generation system including a step of gasifying wood biomass as a raw material on a regional distributed scale.
本発明の課題を解決するための具体的手段の第１は、木質などのバイオマスのガス化装置（Ａ−１）、生成したガスを燃焼して発電する装置（Ａー２）および水溶液の活性化装置（Ｂ−１）と活性化された水溶液の電解装置（Ｂ−２）、その生成物である水素ガスの貯留装置（Ｂ−３）、その生成物である酸素ガスの貯留装置（Ｂ−４）を設置して、水溶液の活性化、活性化された水溶液の電解装置で得られた酸素ガスあるいは／および水素ガスは、装置Ａー１あるいは／およびＡ−２に供給し、水素ガスは燃料ガスの１部として、また酸素ガスは、空気の１部に置き換えて使用することである。 The first specific means for solving the problems of the present invention is a biomass gasification apparatus (A-1) such as wood, an apparatus for generating electricity by burning generated gas (A-2), and the activity of an aqueous solution. (B-1), activated aqueous solution electrolyzer (B-2), hydrogen gas storage device (B-3), and oxygen gas storage device (B). -4) is installed, oxygen gas and / or hydrogen gas obtained by the activation of the aqueous solution and the electrolysis device of the activated aqueous solution is supplied to the device A-1 and / or A-2, and hydrogen gas Is used as a part of the fuel gas and oxygen gas is used as a part of the air.
具体的手段の第２は、０００６において装置Ｂ−１、および装置Ｂ−２に供給される電力が、装置Ａ−２で発電された電力の１部とすることである。 The second specific means is that the power supplied to the device B-1 and the device B-2 in 0006 is a part of the power generated by the device A-2.
具体的手段の第３は、０００６において、装置Ｂ−１、装置Ｂ−２に供給される電力が、装置Ａー２で深夜の時間帯に発電されたものとすることである。 A third specific means is that in 0006, the power supplied to the devices B-1 and B-2 is generated by the device A-2 in the midnight time zone.
具体的手段の第４は、０００６において、装置Ｂ−１、装置Ｂ−２に供給される電力の１部が、システム外部から供給されたものとすることである。 A fourth specific means is that in 0006, a part of the power supplied to the devices B-1 and B-2 is supplied from outside the system.
具体的手段の第５は、０００９においてシステム外部から供給される電力の１部が、深夜時間帯のものとすることである。 A fifth specific means is that a part of the power supplied from outside the system in 0009 is in the midnight time zone.
具体的手段の第６は、０００９においてシステム外部から供給される電力の１部が、風力で発電されたものの１部とすることである。 The sixth specific means is that in 0009, one part of the power supplied from outside the system is one part of the power generated by wind power.
具体的手段の第７は、０００９において、装置Ａ−１，あるいは／および装置Ａ−２から排出されたガスを冷却した時に得られた凝縮水は、水溶液の浄化装置Ｃに供給されることである。 The seventh specific means is that in 0009, the condensed water obtained when the gas discharged from the device A-1 and / or the device A-2 is cooled is supplied to the aqueous solution purifier C. is there.
具体的手段の第８は、０００９において、装置Ｂ−２から排出された水溶液が、装置Ｃに供給されることである。 The eighth specific means is that, in 0009, the aqueous solution discharged from the apparatus B-2 is supplied to the apparatus C.
具体的手段の第９は、００１２乃至００１３において、装置Ｃに水溶液に水酸化イオンを含むものを添加することである。 A ninth specific means is to add, in 0012 to 0013, the apparatus C containing a hydroxide ion in the aqueous solution.
具体的手段の第１０は、００１２乃至００１４において装置Ｃで液に白州土を含む粉あるいはその成型物を添加して浄化し、装置Ｂ−１に循環使用することである。 The tenth specific means is to purify the apparatus C by adding powder containing Hakushu soil or a molded product thereof in the apparatus C in 0012 to 0014 and circulating it in the apparatus B-1.
具体的手段の第１１は００１５で用いる白州土は、２００〜１１００°Ｃの温度範囲で加熱処理したものとすることである。 The eleventh specific means is that the Hakushu soil used in 0015 is heat-treated in a temperature range of 200 to 1100 ° C.
具体的手段の第１２は、０００６乃至００１６において、装置Ｂ−１、あるいは／および装置Ｂ−２に、テラヘルツ波を発生する鉱物を含むセラミックス成型物を浸漬して水溶液を活性化することである。 The twelfth specific means is to activate the aqueous solution in 0006 to 0016 by immersing a ceramic molding containing a mineral generating terahertz waves in the apparatus B-1 and / or the apparatus B-2. .
具体的手段の第１３は、００１７においてテラヘルツ波を発生する鉱物として、原子番号が５７以上の元素が１種あるいはそれ以上含まれているもの、とくに好ましくはランタノイド系元素、アクチノイド系元素が含まれているものを用いることである。 A thirteenth specific means includes a mineral that generates a terahertz wave in 0017 containing one or more elements having an atomic number of 57 or more, particularly preferably a lanthanoid element or an actinoid element. It is to use what is.
具体的手段の第１４は、００１７乃至００１８において、テラヘルツ領域波を発生するものとして天照石、モナザイト、甦生石のいずれか、あるいはその混合物を用いることである。 A fourteenth specific means is to use, in 0017 to 0018, any one of amaterite, monazite, gypsum stone, or a mixture thereof as a terahertz region wave.
具体的手段の第１５は、０００６において植物栽培用の温室を併置し、発電時の炭酸ガス含有の排出ガスを、太陽があたっているときに温室内に供給して光合成反応を促進することである。 The fifteenth specific means is that, in 0006, a greenhouse for plant cultivation is juxtaposed, and carbon dioxide-containing exhaust gas during power generation is supplied into the greenhouse when the sun is shining to promote the photosynthetic reaction. is there.
０００６の方法によって，木質などのバイオマスのガス化の安定操業、得られたガスの発熱量向上、発電効率の向上ができる。０００７，０００８の方法によって、木質などのバイオマスだけがエネルギー源である場合の、発電の効率向上を図ることができる。０００９，００１０の方法によって、木質などのバイオマスをエネルギー源とする発電系が外部の発電系とつながっている場合に、全体として、発電の効率向上を図ることができる。００１１の方法によって、発電が自然現象の影響を受ける風力発電とつながっている場合に、全体として発電効率を上げることができる。００１２，００１３の方法によって、外部への廃液の排出によらずに長期間の稼動時が可能になる。００１４の方法によって、エネルギー変換の効率を上げることができる。００１５、００１６の方法によって、循環使用に伴う水溶液の汚染進行の問題を回避することができる。００１７乃至００１９の方法によって、水の活性化を進め、電解による水素ガスおよび酸素ガスの発生量を増加することができる。００２０の方法によって発電に用いた燃焼排ガスについても有効利用が可能になる。 By the method 0006, stable operation of gasification of biomass such as wood can be achieved, the calorific value of the obtained gas can be improved, and the power generation efficiency can be improved. By the methods 0007 and 0008, it is possible to improve the efficiency of power generation when only biomass such as wood is an energy source. When the power generation system using woody biomass as an energy source is connected to an external power generation system, the efficiency of power generation can be improved as a whole. By the method 0011, when the power generation is connected to the wind power generation affected by the natural phenomenon, the power generation efficiency can be improved as a whole. By the method of 0012, 0013, it is possible to operate for a long period of time without discharging waste liquid to the outside. By the method 0014, the efficiency of energy conversion can be increased. By the method of 0015, 0016, the problem of the progress of contamination of the aqueous solution accompanying the circulation use can be avoided. By the methods of 0017 to 0019, the activation of water can be promoted, and the generation amounts of hydrogen gas and oxygen gas by electrolysis can be increased. The combustion exhaust gas used for power generation can be effectively used by the method 0020.
本発明において、木質バイオマスのガス化、そのガスを用いた発電方式でのエネルギー利用効率および経済性を向上させるための考え方は次の通りである。
（１）木質バイオマスのガス化・ガスを用いた発電において、通常用いられる空気に加えて、系内で得られる酸素ガスを用いることで、ガス化、発電の効率を向上する。
（２）外部に供給することが経済的に有利ではない深夜に発電された電力を、システム内で酸素ガス製造に有効利用する。あるいは／それに加えて、システム外の付加価値の低い時間帯の電力を受け入れて、本システム内で同じく酸素ガス製造に効利用する。
（３）酸素ガスとともに製造される水素ガスは、必要によっては外部に供給することもできるが、システム内で発電量の増加に用いることもできる。
それらの具体的なシステムの１例を図１に示す。
In the present invention, the concept for improving the energy efficiency and economic efficiency of gasification of woody biomass and the power generation method using the gas is as follows.
(1) In the gasification of woody biomass and power generation using gas, the efficiency of gasification and power generation is improved by using oxygen gas obtained in the system in addition to air normally used.
(2) The electric power generated at midnight, which is not economically advantageous to supply to the outside, is effectively used for oxygen gas production in the system. Alternatively / in addition, it accepts low-value-added power outside the system and uses it in the system for oxygen gas production as well.
(3) Hydrogen gas produced together with oxygen gas can be supplied to the outside if necessary, but can also be used to increase the amount of power generation in the system.
An example of these specific systems is shown in FIG.
木質原料のガス化装置としては、固定床型、流動床型、ロータリーキルン型などの種々の炉形式がある。この中で、木質原料として、木質チップ、ペレット、ブリケットやその他の種類（竹、草など）、種々の形状のバイオマス原料を用いることができ、タール生成に起因するトラブルなどを抑制しやすいという点から、固定床型がもっとも適している。必要に応じて粒度調整し、またシステム内の余熱で乾燥したバイオマス原料を装入し、酸素を含むガスを吹きこんで部分燃焼し、炉内温度をたとえば７００℃以上にしてガス化する。酸素を含むガスとしては、従来法では空気を用い、得られたガスは、たとえばＣＯ＝２２±２％、Ｈ２＝２２±２％、ＣＨ３＝１〜２％、ＣＯ２＝８〜１０％、残りＮ２のガスであるが、本発明では、この空気に酸素ガスを加えたものを加えることで、窒素ガス濃素を下げて、発熱量を高めることができる。ガス化されたものは、一旦、８０℃以下まで冷却して水分の凝集分離、タール除去、未撚分、灰分などの分離を行ったのち、燃焼して、たとえばガスエンジン（あるいはガスタービン）方式で発電する。バイオマス原料のガス化、燃焼、発電は、全時間を通してほぼ定常的に操業されるが、発電された電力の配分は時間帯によって変更できるのが本発明の特色である。すなわち、外部に供給される電力の経済価値が高い時間帯、たとえば６時から２３時までは、システム内の使用電力以外は、外部に供給されるが、外部に供給しても電力コストが安い時間帯、たとえば深夜時間帯、すなわち２３時から６時までは、外部に供給する電力量を下げ、その電力をシステム内で使用する。 There are various types of furnaces such as a fixed bed type, a fluidized bed type, and a rotary kiln type as a gasification apparatus for a wood raw material. Among them, wood chips, pellets, briquettes and other types (bamboo, grass, etc.) and various shapes of biomass raw materials can be used as the wood raw materials, and it is easy to suppress troubles caused by tar production. Therefore, the fixed floor type is most suitable. The particle size is adjusted as necessary, and the biomass raw material dried by the residual heat in the system is charged, and a gas containing oxygen is blown in to partially burn, and the furnace temperature is set to 700 ° C. or higher for gasification. As the gas containing oxygen, air is used in the conventional method, and the obtained gas is, for example, CO = 22 ± 2%, H2 = 22 ± 2%, CH3 = 1 to 2%, CO2 = 8 to 10%, and the rest Although it is N 2 gas, in the present invention, by adding this air to which oxygen gas is added, the nitrogen gas concentration can be lowered and the calorific value can be increased. The gasified product is once cooled to 80 ° C. or less, separated from moisture, separated from tar, untwisted, ash, etc., and then burned. For example, a gas engine (or gas turbine) system To generate electricity. Gasification, combustion, and power generation of biomass raw materials are operated almost constantly throughout the entire time, but the distribution of the generated power can be changed according to the time zone, which is a feature of the present invention. In other words, during the time period when the economic value of the power supplied to the outside is high, for example, from 6:00 to 23:00, the power other than the power used in the system is supplied to the outside. In a time zone, for example, midnight time zone, that is, from 23:00 to 6 o'clock, the amount of power supplied to the outside is reduced and the power is used in the system.
本発明の特色は、木質バイオマスを部分燃焼するガス化装置（Ａ−１）、そのガスを燃焼して発電する装置（Ａ−２）に、水溶液の活性化・活性化された水溶液の電解装置を併設して、００２４の方法で発電された電力の１部、たとえば電力価格が安い深夜に発電されたものを供給して、水溶液を電気分解して、活性化、あるいは／および水素ガスと酸素ガスを製造することである。それを効率的に実施するために必要な装置は、水溶液の活性化装置（装置Ｂ−１）、活性化さえた電解液水の電解装置（水素、酸素の発生装置；装置Ｂ−２）、その生成物である水素ガスの貯留装置（装置Ｂ−３）、その生成物である酸素ガスの貯留装置（装置Ｂ−４）からなり、装置Ｂ−２の水溶液は、水溶液の浄化装置Ｃに供給され循環使用される。そのために、たとえば特開２００６−２１７６９８号公報、特開２００９−０４１０８６号公報に示されているものを用いる。すなわち、装置Ｂ−２は、装置Ｂ−１からのアルカリ性の電解液と、発電機から送られてくる電力を直流電力に変換したものを受けて、水素ガスと酸素ガスを製造するためのものである。その構成と機能の１例は次の通りである。水溶液を納める槽は２つ（Ｂ−１、Ｂ−２）からなり、Ｂ−１はイオン交換膜（陽イオンを通さない）によって２つに仕切られている（Ｂ−１−１、Ｂ−１−２）。Ｂ−１−１には陰極、Ｂ−１−２には陽極が設置され、直流電力が印加される。装置Ｂ−１−１には装置Ａからアルカリ性電解液が供給され、陰イオンはイオン交換膜を通過して装置Ｂ−１−２に移動する。Ｂ−１−１では電解によって水素ガスが発生し、水素ガスは装置Ｃに送られる。一方、装置Ｂ−１−２では、酸素ガスが発生し、酸素ガスは装置Ｄに送られる。装置Ｂ−１−２では、イオン交換膜の働きで、Ｈイオンが蓄積される。このＨイオンを蓄積した液は、装置Ｂ−２に送られ、そこに設置されている触媒によって水素ガスに変換され、発生した水素ガスは装置Ｃに送られる。装置Ｂ−１−２の排出液は基本的には純水であるので、装置Ｂ−１，装置Ａなどに供給して各槽の水溶液のイオン濃度の調整に用いる。このように装置Ｂ−１−１では装置Ｂ−１−２で発生した水素イオンを受け入れて水素ガスに、装置Ｂ−１−２は装置Ｂ−１−１からＯＨイオンを受け入れて酸素ガスを発生して、水素イオンを蓄積して、それを装置Ｂ−２に供給する。装置Ｂ−２は、Ｈイオンを含む液を受け入れて、触媒の作用で水素ガスを発生する。このように機能を分担することで、電力消費量あたりの発生する水素ガス、酸素ガスの量を多くできる。 A feature of the present invention is that a gasifier (A-1) that partially burns woody biomass, an apparatus (A-2) that generates electricity by burning the gas, and an electrolyzer for an aqueous solution in which an aqueous solution is activated and activated And supplying a part of the power generated by the method 0024, for example, power generated at midnight when the power price is low, electrolyzing the aqueous solution and activating it, and / or hydrogen gas and oxygen Is to produce gas. The devices necessary for efficiently carrying out it include an aqueous solution activating device (device B-1), an electrolyzed electrolytic water device (hydrogen, oxygen generator; device B-2), It consists of a storage device (device B-3) for the hydrogen gas that is the product and a storage device (device B-4) for the oxygen gas that is the product, and the aqueous solution of the device B-2 is supplied to the aqueous solution purification device C. Supplied and recycled. For this purpose, for example, those disclosed in JP 2006-217698 A and JP 2009-041086 A are used. That is, the device B-2 is for producing hydrogen gas and oxygen gas by receiving the alkaline electrolyte from the device B-1 and the power converted from the generator into DC power. It is. An example of the configuration and function is as follows. The tank containing the aqueous solution is composed of two (B-1, B-2), and B-1 is divided into two by an ion exchange membrane (impervious to cations) (B-1-1, B-). 1-2). A cathode is installed at B-1-1 and an anode is installed at B-1-2, and DC power is applied. The alkaline electrolyte is supplied from the device A to the device B-1-1, and the anion passes through the ion exchange membrane and moves to the device B-1-2. In B-1-1, hydrogen gas is generated by electrolysis, and the hydrogen gas is sent to the apparatus C. On the other hand, in the device B-1-2, oxygen gas is generated, and the oxygen gas is sent to the device D. In the apparatus B-1-2, H ions are accumulated by the action of the ion exchange membrane. The liquid in which the H ions are accumulated is sent to the apparatus B-2, converted into hydrogen gas by the catalyst installed therein, and the generated hydrogen gas is sent to the apparatus C. Since the effluent of apparatus B-1-2 is basically pure water, it is supplied to apparatus B-1, apparatus A, etc. and used to adjust the ion concentration of the aqueous solution in each tank. In this way, the device B-1-1 accepts hydrogen ions generated by the device B-1-2 and receives them as hydrogen gas, and the device B-1-2 accepts OH ions from the device B-1-1 and supplies oxygen gas. To generate hydrogen ions and supply them to apparatus B-2. The apparatus B-2 receives a liquid containing H ions and generates hydrogen gas by the action of the catalyst. By sharing the functions in this way, the amount of hydrogen gas and oxygen gas generated per power consumption can be increased.
酸素ガス、水素ガスを作るために水溶液の活性化装置（Ｂ−１）、活性化された水溶液の電解装置（Ｂ−２）に供給する電力としては、システム内の時間帯による付加価値の低い発電電力の外に、システム外から送電網を通して、付加価値の低い電力を受け入れる方法がある。その１つは、大型の発電設備で発電された深夜電力である。もう１つは、風力により発電されたものの１部で、自然現象の変動の結果、発電量が利用可能量を越えたものである。これらの、余剰電力と言えるものを配電網を介して受け入れて、本システム内で有効利用する。これによって、配電系全体として効率を上げ，経済性を高めることに貢献することができる。 The power supplied to the aqueous solution activation device (B-1) and the activated aqueous solution electrolysis device (B-2) to produce oxygen gas and hydrogen gas has low added value depending on the time zone in the system. In addition to the generated power, there is a method of accepting low-value added power from outside the system through the power transmission network. One of them is midnight power generated by a large power generation facility. The other is a part of the power generated by wind power, and the amount of power generation exceeds the available amount as a result of fluctuations in natural phenomena. These surplus powers are accepted through the distribution network and used effectively in this system. As a result, the power distribution system as a whole can be improved in efficiency and contribute to improving the economy.
木質バイオマスのガス化装置（Ａ−１）に供給される酸化性ガスとして空気の１部を酸素ガスに置き換えることによって次の効果が得られる。
（１）生成ガスに含まれる窒素ガス含有量が低下し、エネルギー効率が向上する。
（２）ガス化時の温度が上昇して、木質バイオマスのうち、十分にガス化しないでタールの状態のものが減り、ガス化操業の安定化に役立つ。また、木質バイオマスのうち、炭素分として固体で残るものを減少させる。
（３）ガス化時の温度上昇によって、木質バイオマスに伴われる水分のうち、熱分解して水素ガスになるもの、また、酸素ガスとしてガス化に役立つものが増え、生成ガスの発熱量向上に結び付く。
このように、ガス化によって得られるガスの品質向上、およびガス化プロセスの安定に役立つ。
また、ガスタービン（あるいはガスタービン）（装置Ａ−２）でガス化生成ガスを燃焼させる時に、空気の１部を酸素ガスに置き換えることによって，ガス燃焼温度を上げて、ガスタービン（あるいはガスタービン）の熱効率の向上に役立つ。
The following effects can be obtained by replacing one part of air with oxygen gas as the oxidizing gas supplied to the woody biomass gasifier (A-1).
(1) The nitrogen gas content contained in the product gas is reduced and energy efficiency is improved.
(2) The temperature at the time of gasification rises, and the woody biomass is not fully gasified and the amount of tar is reduced, which helps to stabilize the gasification operation. Moreover, among woody biomass, what remains in solid as carbon content is reduced.
(3) Due to the temperature rise during gasification, among the moisture accompanying woody biomass, the one that is thermally decomposed to become hydrogen gas, and the one that is useful for gasification as oxygen gas, increase, and the calorific value of the generated gas is improved. Tie.
In this way, it helps to improve the quality of the gas obtained by gasification and stabilize the gasification process.
Further, when the gasification product gas is combusted by the gas turbine (or gas turbine) (apparatus A-2), the gas combustion temperature is raised by replacing part of the air with oxygen gas, and the gas turbine (or gas turbine) ) Helps improve thermal efficiency.
得られた水素ガスは一旦、タンクに貯留、外部に需要がある場合には供給することもできるが、システム内で、発電の付加価値が大きい時間帯に、ガス化により生成したガスに加えて燃焼することによりガスタービンやガスエンジンでの発電量を増やすことができる。 The obtained hydrogen gas is temporarily stored in the tank and can be supplied when there is demand from the outside, but in addition to the gas generated by gasification in the system during the time when the added value of power generation is large By burning, the amount of power generated by the gas turbine or gas engine can be increased.
木質などのバイオマスのガス化装置（Ａ−１）、生成したガスを燃焼して発電する装置（Ａー２）で生成したガスを冷却、浄化する工程で、凝縮水を生じる。本発明では、この凝縮水は、水溶液の浄化装置（Ｃ）に供給される。この水溶液の浄化装置（Ｃ）には、活性化された水溶液の電解装置（Ｂ−２）から排出された水溶液も供給される。この水溶液の浄化装置（Ｃ）で調整された水は、水溶液の活性化装置（Ｂ−１）で循環使用される。水溶液の浄化装置（Ｃ）では、水溶液の水酸化イオン濃度を測定して、必要に応じて、水酸化イオンを含むもの、例えば苛性ソーダ水溶液を添加する。また、水溶液は循環使用を続けるうちに、水分の蒸発などによるナトリウムや塩素の濃縮などが進行して、電解効率に悪影響を及ぼす。また、何らかの事情で系内の水溶液を外部に排出しなければならなくなった場合に、外部環境に悪影響を及ぼすおそれがある。本発明ではその問題を防ぐために、循環使用する水溶液に含まれる成分濃度が許容値を超えるおそれが生じた場合に、その成分調整を、白州土を含む粉あるいは成型物を加えることによって行う。この方法は、なんらかの事情で、循環使用していた水溶液を外部に排出しなければならならなくなった場合にも、その含まれている成分濃度を低下するのに用いることができる。白州土とは火山灰の一種で、日本では阿蘇山の麓の鹿児島県地方などに産する鉱物である。この一帯は白州大地と呼ばれ原料は豊富に存在する。吸着力の高い鉱物で、本発明では、この高い吸着力を利用する。白州土は、粉末、微粒子（０．５ミリ位から５ミリ程度）、採石クラッシュ状態、あるいは成型して２００〜１１００℃の温度範囲で加熱・焼成したものであってもよい。その添加量は、除去しようとする物質の量に応じて設定する。なお、この白州土を麦飯石に置き換えることも可能である。麦飯石は、石英斑岩の一種で熱水作用、風化作用などを受け、多孔質で吸着作用がある、淡黄色のものである。 Condensed water is produced in the process of cooling and purifying the gas generated by the biomass gasification device (A-1) such as wood and the device (A-2) for generating electricity by burning the generated gas. In this invention, this condensed water is supplied to the purification apparatus (C) of aqueous solution. The aqueous solution discharged from the activated aqueous solution electrolysis device (B-2) is also supplied to the aqueous solution purification device (C). The water prepared by the aqueous solution purification device (C) is circulated and used in the aqueous solution activation device (B-1). In the aqueous solution purifier (C), the hydroxide ion concentration of the aqueous solution is measured, and if necessary, a solution containing hydroxide ions, for example, an aqueous caustic soda solution is added. Further, as the aqueous solution continues to be circulated, concentration of sodium and chlorine due to evaporation of water proceeds, which adversely affects electrolytic efficiency. Moreover, when the aqueous solution in the system has to be discharged to the outside for some reason, there is a risk of adversely affecting the external environment. In the present invention, in order to prevent the problem, when there is a possibility that the concentration of the component contained in the aqueous solution to be circulated exceeds the allowable value, the component adjustment is performed by adding a powder or a molded product containing Hakushu soil. This method can be used to reduce the concentration of the contained components even when the aqueous solution that has been used in circulation has to be discharged to the outside for some reason. Hakushu soil is a kind of volcanic ash, and it is a mineral produced in Kagoshima Prefecture, etc. at the foot of Mt. Aso in Japan. This area is called Hakushu earth, and there are abundant raw materials. This is a mineral having a high adsorbing power, and this high adsorbing power is used in the present invention. The Hakushu soil may be powder, fine particles (about 0.5 to 5 mm), quarrying crush state, or molded and heated and fired in a temperature range of 200 to 1100 ° C. The amount added is set according to the amount of the substance to be removed. It is also possible to replace the Hakushu soil with barley stone. Barleystone is a kind of quartz porphyry that is subjected to hydrothermal action, weathering action, etc., and is porous and light yellow.
本発明において、水素ガス、酸素ガスの発生効率をさらに高めるための方法は、水溶液の活性化装置（装置Ｂ−１）、電解による水素、酸素の発生装置（装置Ｂ−２）の水溶液にテラヘルツ波を加えることである、そのために方法の１つは、液体中にセラミックスボールのようなセラミックス成型物を浸漬することである。テラヘルツ波とは、周波数が０．１〜１０ＴＨｚの領域の電磁波で、電波と、光の一種である赤外線の中間の領域にあり、光と電波の性質を併せもっている。これを照射することによって、分子を振動させることによって活性化することができる。本発明はそれによって、電解による発生する水素ガス、酸素ガスの量を増やすことができる。テラヘルツ波の発生法としては、ジャオロトロン、後進波管、遠赤外線レーザー、量子カスケードレーザー、自由電子レーザー、シンクロトロン放射、フォトミキシングソースなどがある。また、いくつかの物質からも発生するが、ほとんどの場合にきわめて微弱である。そこで、本発明では、原子番号が５７以上の元素が１種あるいはそれ以上含まれている鉱物、とくに好ましくは、ランタノイド系元素、アクチノイド系元素が２種類以上含まれている鉱物を含む微粉に、シリカ分を主体とする粗めの粉を混合してボンドを加えて２５０℃以上、６００℃以下の温度で焼成したもの径が１〜４ｍｍに砕いたものを炭酸カルシウム分を主成分とするカルシウム化合物に、重量比で２〜６％配合する。これによって、元素から発生する電磁波が相互作用することによって、効率的にテラヘルツ波を発生させることができる。 In the present invention, a method for further increasing the generation efficiency of hydrogen gas and oxygen gas is carried out by using an aqueous solution activating device (device B-1), an aqueous solution of an electrolysis hydrogen and oxygen generator (device B-2) in terahertz. One way to do this is to immerse a ceramic molding such as a ceramic ball in a liquid. The terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of 0.1 to 10 THz, and is in a middle region between a radio wave and an infrared ray, which is a kind of light, and has properties of light and radio wave. By irradiating this, it can be activated by vibrating the molecules. Accordingly, the present invention can increase the amount of hydrogen gas and oxygen gas generated by electrolysis. Terahertz wave generation methods include a gyrotron, a backward wave tube, a far-infrared laser, a quantum cascade laser, a free electron laser, synchrotron radiation, and a photomixing source. It is also generated from some substances, but in most cases it is very weak. Therefore, in the present invention, a fine powder containing a mineral containing one or more elements having an atomic number of 57 or more, particularly preferably a mineral containing two or more kinds of lanthanoid elements and actinoid elements, Calcium whose main component is calcium carbonate is a mixture of coarse powder mainly composed of silica, added with a bond, baked at a temperature of 250 ° C. or higher and 600 ° C. or lower and crushed to a diameter of 1 to 4 mm. 2 to 6% by weight is blended with the compound. Thereby, terahertz waves can be efficiently generated by interaction of electromagnetic waves generated from the elements.
なお、発電に用いられたガスは、除塵などの必要な排ガス処理を行って、外部に放出することもできるが、本発明では、その排ガスをガスのまま利用する方法として、近接地帯に、植物栽培用の温室を併置し、パイプを通して温廃ガスを供給できるようにし、暖房が必要な時は廃ガスをその熱源として有効利用する。さらに、太陽があたっている時には、その炭酸ガス含有ガスを温室内に放散して栽培物の光合成反応を促進することに用いることができる。このほかに、排ガスの熱を温水に熱交換して、温室などにパイプを通して搬送し、寒冷期暖房用、夏は熱交換機を通して冷房用に用いることができる。 The gas used for power generation can be discharged to the outside after necessary exhaust gas treatment such as dust removal. In the present invention, as a method of using the exhaust gas as a gas, A greenhouse for cultivation is placed side by side so that heated waste gas can be supplied through pipes. When heating is required, waste gas is effectively used as a heat source. Furthermore, when the sun is shining, the carbon dioxide-containing gas can be diffused into the greenhouse to promote the photosynthetic reaction of the cultivated product. In addition, the heat of the exhaust gas can be exchanged with warm water and transported through a pipe to a greenhouse or the like, and can be used for cold season heating and for cooling through a heat exchanger in summer.
電力は量的には巨大発電所でスケール効果を発揮して経済的に発電されたものが中心になる。しかし、電力の使用量は時間的に変化し、また、一般的には蓄電は経済的に行いにくいことから、巨大発電所に対して分散型発電に求められていることは、資源として持続性があるとともに、環境への悪影響がないもので、外部に供給される電力は、深夜などを除いて需要が多い時に調整でき、かつ経済性をもつものが望まれる。これに対して、（１）本発明は資源的には、適正な伐採をして樹木、森林の炭酸ガス吸収量を高めるために、木質などのバイオマスを有効利用すること、（２）発電の操業は１日を通して安定して行うが、電力需要が少ない時の電力は経済的に蓄電して、必要時には電力量に加えて、外部に供給できるようにすることによって、社会的要求を満足させ、（３）さらに廃熱、廃ガスまで有効利用し、農業などの地域産業にも貢献し、（４）水などは循環使用することによって排水などは極力、少なくすることで環境への悪影響を少なくしようとするものである。 Quantitatively, electricity is generated by a large-scale power plant that produces a scale effect and is economically generated. However, the amount of power used varies with time, and in general, it is difficult to store electricity economically. In addition, there is no negative impact on the environment, and it is desirable that the power supplied to the outside can be adjusted when demand is high except at midnight, and that it has economic efficiency. On the other hand, (1) the present invention, in terms of resources, effectively uses biomass such as wood to effectively cut trees and increase the carbon dioxide absorption of trees and forests, and (2) Operation is stable throughout the day, but power is stored economically when power demand is low, so that it can be supplied to the outside in addition to the amount of power when necessary to satisfy social demands. , (3) Effective use of waste heat and waste gas, contributing to local industries such as agriculture, (4) Recycling water, etc. as much as possible to reduce wastewater as much as possible, adversely affecting the environment Try to reduce.
木質バイオマスのガス化法は固定床型で、得られガスを燃焼して、ガスエンジン法で発電した。従来法では、得られる発電量は１２００ｋＷであった。これに対して、００２５、００２６で述べた水溶液の活性化・活性化された水溶液の電解装置を併設して、００３０で述べたテラヘルツ波発生物を用いないで、０時から５時の間は、発電量を外部には供
給せず、水溶液の活性化・活性化された水溶液の電解装置に供給して、得られた酸素ガスはガス化工程に、水素ガスは、ガスエンジン法での発電工程に、２４時間平均して加えた場合には、５時〜０時の発電量は１５５％に増加した。そして、売電による収入は約１２８％に増加した。
The woody biomass gasification method is a fixed-bed type. The resulting gas is burned and power is generated by the gas engine method. In the conventional method, the amount of power generation obtained was 1200 kW. On the other hand, the aqueous solution activated / activated aqueous solution described in 0025 and 0026 is provided, and the terahertz wave generator described in 0030 is not used, and power generation is performed from 0 to 5 o'clock. The amount of oxygen gas supplied to the electrolyzer of the activated / activated aqueous solution is not supplied to the outside, and the obtained oxygen gas is used for the gasification process, and the hydrogen gas is used for the power generation process using the gas engine method. When added for an average of 24 hours, the power generation amount from 5:00 to 0:00 increased to 155%. And the revenue from power sales increased to about 128%.
実施例１において、木質バイオマスから得られたガスを冷却した時に得られた凝縮水溶液、ガスを燃焼してガスエンジンで発電した後のガスを冷却した時に得られた凝縮水溶液、および活性化された水溶液の電解装置（Ｂ−２）の排出液は、水溶液の浄化装置（Ｃ）に供給して、苛性ソーダを加えて、ｐＨを９〜１２に調整することによって３ケ月の連続操業が行えた。 In Example 1, the condensed aqueous solution obtained when the gas obtained from the woody biomass was cooled, the condensed aqueous solution obtained when the gas after the gas was burned and generated by the gas engine was cooled, and activated The effluent of the aqueous electrolytic device (B-2) was supplied to the aqueous purification device (C), and caustic soda was added to adjust the pH to 9 to 12 for continuous operation for 3 months.
実施例１において、発電された電力は電力として供給し、０時から５時の間は、配電会社からの深夜電力を購入して、水溶液の活性化・活性化された水溶液の電解装置に供給して、得られた酸素ガスはガス化工程に、水素ガスは貯留して外部に販売した。５時〜０時の発電量は１７６％に増加した。収入（購入電力費は引く）は約１３４％に増加した。 In Example 1, the generated electric power is supplied as electric power, and during the period from 0:00 to 5:00, midnight electric power is purchased from a distribution company and supplied to an aqueous solution electrolyzer activated / activated. The obtained oxygen gas was stored in the gasification process, and the hydrogen gas was stored and sold outside. The power generation from 5:00 to 0:00 increased to 176%. Revenue (minus purchased electricity costs) increased to about 134%.
木質バイオマスのガス化法は固定床型で、得られガスを燃焼して、ガスエンジン法で発電した場合に対して、００２５，００２６で述べた水溶液の活性化・活性化された水溶液の電解装置を併設し、００３０１で述べたテラヘルツ波発生物として、装置Ｂ−１、Ｂ−２に、テラヘルツ波を発生するセラミックビーズ、具体的には、ランタノイド系元素を２．５重量％、アクチノイド系元素を１．４が重量％含む混合物を硅石分と混合して直径５ｍｍの粒に成型したものを６５０℃で焼成したものを加え、０時から５時の間は、発電量を外部には供給せず、水溶液の活性化・活性化された水溶液の電解装置に供給して、得られた酸素ガスはガス化工程に、水素ガスはガスエンジン法での発電工程に２４時間平均して加えた場合には、５時〜０時の発電量は１７４％に増加した。そして、売電による収入は約１５３％増加した。 The woody biomass gasification method is a fixed bed type, and when the obtained gas is burned and power is generated by the gas engine method, the aqueous solution electrolysis apparatus activated and activated as described in 0025 and 0026 As the terahertz wave generator described in 00301, ceramic beads that generate terahertz waves in the devices B-1 and B-2, specifically, 2.5% by weight of lanthanoid elements, actinoid elements A mixture containing 1.4% by weight with a meteorite component and molded into grains having a diameter of 5 mm and added at a temperature of 650 ° C. are added. When the activated oxygen of the aqueous solution is supplied to the electrolyzer of the activated aqueous solution, the obtained oxygen gas is added to the gasification process, and hydrogen gas is added to the power generation process by the gas engine method on average for 24 hours. Is from 5:00 to 0:00 Power generation amount was increased by 174%. Revenue from electricity sales increased by about 153%.
実施例１に加えて、配電会社の送電網につながっている風力発電量が配電会社の必要電力を越えた時間帯には、その電力を３円／ｋＷｈで受け入れて溶液の活性化・活性化された水溶液の電解装置に供給して、得られた酸素ガスはガス化工程に、水素ガスは貯留して外部に販売した。これによって時間平均の発電量は１４５％に増加した。収入（購入電力費は引く）は約１３８％に増加した。 In addition to Example 1, in the time zone when the amount of wind power generation connected to the distribution network of the distribution company exceeds the required power of the distribution company, the power is accepted at 3 yen / kWh to activate and activate the solution. The obtained oxygen gas was supplied to the electrolyzer of the aqueous solution, and the obtained oxygen gas was stored in the gasification step, and the hydrogen gas was stored and sold outside. This increased the hourly average power generation to 145%. Revenue (minus purchased electricity costs) increased to about 138%.
実施例１、実施例２において装置Ｂ−１から排出される液を、鹿児島県産の白州土を５ｍｍ径の粒に成型して最高温度７５０℃で２時間焼成したものを充填した層を通過させることによって、ナトリウム濃度を１／５、塩素濃度を１／８に低下することができ、外部に液を排出せずトラブルなく、操業を続けることができた。 The liquid discharged from the apparatus B-1 in Example 1 and Example 2 passes through a layer filled with Hakushu soil produced in Kagoshima Prefecture, molded into 5 mm diameter grains and baked at a maximum temperature of 750 ° C. for 2 hours. As a result, the sodium concentration could be reduced to 1/5 and the chlorine concentration to 1/8, and the operation could be continued without any trouble without discharging the liquid to the outside.
ガス化発電設備から０．５〜１．２ｋｍの所の野菜栽培用の温室を設け、ガスエンジン法で発電したあとの排ガスをパイプを通して供給し、とくに８時〜１２時の間は、ガスを温室内に放散して炭酸ガス濃度を、９００〜１２００ｐｐｍにした、これによって、暖房のためのオイル使用をゼロにできるとともに、収穫量を２５％増加することができた。 A greenhouse for vegetable cultivation at a distance of 0.5 to 1.2 km from the gasification power generation facility is set up, and exhaust gas after power generation by the gas engine method is supplied through a pipe, especially from 8:00 to 12:00. The carbon dioxide gas concentration was made 900-1200 ppm by being diffused into the water, and this made it possible to eliminate the use of oil for heating and increase the yield by 25%.
本発明によって、地域分散型で、木質バイオマスを原料として、それをガス化する工程を含む発電のシステムにおいて、操業の安定、効率化、エネルギー利用効率および経済性の向上が可能になる。 According to the present invention, operation stability, efficiency improvement, energy use efficiency, and economic efficiency can be improved in a power generation system that includes a process of gasification using woody biomass as a raw material.
Claims (15)
た電力とすることを特徴とする地域分散型の木質バイオマス利用発電法の効率向上方法。 The power supplied to the device B-1, the device B-2 is the power generated at midnight by the device A-2, and the efficiency improvement of the power generation method using woody biomass, which is distributed locally. Method.
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