JP2019094362A - バイオマスガス化装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラント効率の低下を招くことなく粒状のバイオマス燃料を十分にガス化させることができるバイオマスガス化装置を提供する。【解決手段】ガス流れの上流側から下部筒部４、中部筒部５および上部筒部６が順に下方から上方に向かって接続されたガス化炉本体３と下部筒部４に接続され、ガス化剤を供給するガス化剤供給配管１０と、中部筒部５に接続され、ふるい平均粒径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とされた粒状のバイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給部１４とを備えている。下部筒部４の内径ΦＬを１とした場合に、中部筒部５の内径ΦＭは、３以上４．５以下、上部筒部６の内径ΦＵは、６．５以上７．５以下とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、粒状のバイオマス燃料をガス化するバイオマスガス化装置およびその運転方法に関するものである。

バイオマス燃料をガス化するバイオマスガス化装置が知られている（特許文献１）。バイオマスガス化装置によってガス化して生成された液化燃料は、化石燃料に比べて環境負荷が少ない燃料とされる。

特開２０１２−２４６４３９号公報

粒状とされたバイオマス燃料をガス化炉に供給してガス化する噴流床式ガス化炉は、高速でガス化を行うため比較的コンパクトであり大容量化が可能であるため有利である。
しかし、粒状のバイオマス燃料をガス化炉内に供給しても、ガス化炉内のガス流速が終末速度未満の場合には、粒状のバイオマス燃料がガス化炉内で下降してしまい、ガス化反応が十分に行われずに排出されるおそれがある。

一方で、ガス化を十分に行うためにバイオマス燃料の粒径を小さくしてしまうと（例えば１ｍｍ程度）、それだけバイオマス燃料を粉砕する粉砕機の粉砕動力が大きくなり、プラント効率の低下を招いてしまう。

このような事情に鑑み、本開示は、プラント効率の低下を招くことなく粒状のバイオマス燃料を十分にガス化させることができるバイオマスガス化装置およびその運転方法を提供することを目的とする。

本開示の少なくとも一態様に係るバイオマスガス化装置は、ガス流れの上流側から第１筒部、第２筒部および第３筒部が順に下方から上方に向かって接続されたガス化炉本体と、前記第１筒部に接続され、ガス化剤を供給するガス化剤供給部と、前記第２筒部に接続され、ふるい平均粒径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とされた粒状のバイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給部と、を備え、前記第１筒部の代表直径を１とした場合に、前記第２筒部の代表直径は、３以上４．５以下、前記第３筒部の代表直径は、６．５以上７．５以下とされている。

ガス化剤供給部からガス化剤を第１筒部に供給することによって、ガス流れが第１筒部、第２筒部および第３筒部の順に形成される。
バイオマス燃料供給部から粒状のバイオマス燃料を第２筒部に供給することによって、第１筒部から導かれたガス化剤と反応して部分酸化燃焼が行われてバイオマス燃料がガス化される。このように、バイオマスガス化装置は、噴流床式とされる。
粒状のバイオマス燃料は、ガス化反応の進行に伴い粒径が減少する。したがって、供給当初は粒径が大きく終末速度未満のガス流速によって上昇せずに下降する粒子であっても、反応が進行するにしたがって粒径が小さくなり、最終的には終末速度以上のガス流れに乗って上方へ吹き上げられる。
ガス化炉本体内を通過するガス流れの流速は、ガス流量を一定とすれば、各筒部の流路断面積に反比例することから、各筒部の代表直径によって決定される。本発明者等が鋭意検討したところ、ふるい平均粒径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下のバイオマス燃料であれば、第１筒部の代表直径を１とした場合に、第２筒部の代表直径を３以上４．５以下、第３筒部の代表直径を６．５以上７．５以下とし、バイオマス燃料が十分にガス化することを確認した。したがって、バイオマス燃料を１ｍｍ程度まで粉砕する必要がなくなり、粉砕機の動力を低減してプラント効率を向上させることができる。
代表直径は、いわゆる等価水力直径を意味し、所定形状の流路断面と等価な円管の直径を意味する。したがって、筒部が円筒の場合は、その直径に相当する。
バイオマス燃料としては、典型的には木質系のバイオマス燃料が用いられる。
ガス化剤としては、例えば、酸素と、４００℃以上６００℃以下とされた水蒸気が用いられる。
バイオマス燃料供給部は、例えばスクリューフィーダ等の機械式搬送方法が用いられる。
終末速度（terminal velocity）とは、終端速度と同義であり、物体にはたらく重力と、速度に依存する抗力とがつりあって変化しなくなったときの速度である。

さらに、少なくとも一態様に係るバイオマスガス化装置では、前記第１筒部の代表直径は、前記バイオマス燃料の最大粒径の終末速度が得られる寸法とされている。

第１筒部の代表直径を、バイオマス燃料の最大粒径の終末速度が得られる寸法とすることによって、バイオマス燃料供給部から供給されたバイオマス燃料が第１筒部よりも下方に下降することを抑制することができる。これにより、バイオマス燃料のガス化反応を向上させることができる。なお、第１筒部における終末速度は、ガス化剤供給部から供給されるガス化剤の流量を用いて得ることができる。
バイオマス燃料の最大粒径は、好ましくは１０ｍｍ、より好ましくは８ｍｍとされる。

さらに、少なくとも一態様に係るバイオマスガス化装置では、前記第１筒部と前記第２筒部との接続部、及び、前記第２筒部と前記第３筒部との接続部の傾斜角度は、安息角以上とされている。

第１筒部、第２筒部、第３筒部はそれぞれ代表直径が異なるので、接続部には傾斜した壁部が形成される。この接続部の傾斜角度を安息角以上（例えば５０°以上）とすることによって、接続部に粒子が堆積することなく下方へと導くことができる。

さらに、少なくとも一態様に係るバイオマスガス化装置では、前記第１筒部の下方には、排出弁が設けられている。

第１筒部の下方に排出弁を設けることによって、炉内に堆積した堆積物を炉外に排出する。これにより、炉底部が閉塞することを回避することができる。
炉底に堆積する堆積物としては、例えば、バイオマス燃料に混入した石や砂等が挙げられる。

本開示の少なくとも一態様に係るバイオマスガス化装置の運転方法は、ガス流れの上流側から第１筒部、第２筒部および第３筒部が順に下方から上方に向かって接続されたガス化炉本体と、前記第１筒部に接続され、ガス化剤を供給するガス化剤供給部と、前記第２筒部に接続され、ふるい平均粒径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とされた粒状のバイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給部と、前記第１筒部の下方に設けられた排出弁と、を備え、前記第１筒部の代表直径を１とした場合に、前記第２筒部の代表直径は、３以上４．５以下、前記第３筒部の代表直径は、６．５以上７．５以下とされているバイオマスガス化装置の運転方法であって、前記排出弁は、所定の運転時間が経過した後に開とされる。

所定の運転時間の経過後に第１筒部の下方に設けた排出弁を開とすることによって、炉内に堆積した堆積物を炉外に排出する。これにより、炉底部が閉塞することを回避することができる。
排出弁を開とするタイミングは、運転時間に基づいて決定しても良いし、炉内に堆積した堆積物の量に基づいて決定しても良い。

さらに、少なくとも一態様に係るバイオマスガス化装置の運転方法では、前記排出弁を開とする際に、前記バイオマス燃料および前記ガス化剤の供給を停止し、前記排出弁を閉とした後に、前記ガス化剤の水蒸気、前記バイオマス燃料、前記ガス化剤の酸素の順に供給を開始する。

排出弁を開とする際にバイオマス燃料およびガス化剤の供給を停止することによってガス化反応を一時的に停止し、確実に堆積物の排出を行う。
その後、排出弁を閉としてガス化反応を再開する場合には、水蒸気、バイオマス燃料、酸素の順に供給を開始する。このように酸素を最後に供給することで、急激な酸化反応（例えば燃焼反応）を回避することができる。

第１筒部、第２筒部および第３筒部の代表直径を適正化することによって、プラント効率の低下を招くことなく粒状のバイオマス燃料を十分にガス化させることができる。

少なくとも一実施形態に係るバイオマスガス化装置を示した概略構成図である。 下部筒部における粒径に対する終末速度比を示したグラフである。 中部筒部および上部筒部における粒径に対する終末速度比を示したグラフである。

以下、少なくとも一実施形態に係るのバイオマスガス化装置について説明する。
図１には、バイオマスガス化装置１が示されている。バイオマスガス化装置１は、バイオマス燃料のガス化を行うガス化炉本体３を備えている。ガス化炉本体３内でのガス化は、大気圧で行われる。

ガス化炉本体３は、下方から上方に向けて、下部筒部（第１筒部）４、中部筒部（第２筒部）５及び上部筒部（第３筒部）６が順に設けられている。下部筒部４と中部筒部５との間には第１接続部８が設けられ、中部筒部５と上部筒部６との間には第２接続部９が設けられている。

下部筒部４は、内径（代表直径）ΦＬとされた円筒形とされている。下部筒部４の下方の側壁部には、ガス化剤を供給するガス化剤供給配管（ガス化剤供給部）１０が接続されている。これにより、ガス化炉本体３のガス流れは、下方から上方へと向かうように形成される。

ガス化剤は、酸素と水蒸気が用いられる。水蒸気は、４００℃以上６００℃以下とされ、大気圧にて下部筒部４内に供給される。酸素は、室温とされ、大気圧にて下部筒部４内に供給される。したがって、下部筒部４におけるガス温度は、４００℃以上６００℃以下とされる。

下部筒部４を流れるガス流速ＶＬは、バイオマス燃料の粒子径が最大径である１０ｍｍ（又は８ｍｍ）のときの終末速度となるように設定される。具体的には、図２に示すグラフを用いて決定する。同図において、横軸はバイオマス燃料の粒径（ｍｍ）、縦軸は終末速度比である。終末速度比は、粒径が０．２ｍｍのときを基準として正規化したものである。同図から分かるように、バイオマス燃料の粒子の最大径を１０ｍｍと設定すると、終末速度比が４０あたりとなることが分かる。この終末速度比に一致するように、ガス化剤供給配管１０から供給されるガス化剤の流量と下部筒部４の内径ΦＬが決定される。

図１に示すように、下部筒部４の下端には、排出弁１２が設けられている。排出弁１２は、通常運転時には全閉とされ、下部筒部４内に堆積した堆積物を排出するときに全開とされる。排出弁１２の開閉動作は、図示しない制御部によって行われても良いし、手動によって行われても良い。

中部筒部５は、下部筒部４よりも大きな内径（代表直径）ΦＭとされた円筒形とされている。中部筒部５の内径ΦＭは、下部筒部４の内径ΦＬを１とした場合、３以上４．５以下とされている。

中部筒部５の側壁部には、バイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給部１４が接続されている。バイオマス燃料は、木材の端材、おがくず、木質ペレット等の木質系とされている。バイオマス燃料供給部１４には、スクリューフィーダ等の機械式搬送装置を備えている。バイオマス燃料供給部１４から、粒状のバイオマス燃料が定量されて中部筒部５内に投入される。このように、本実施形態のバイオマスガス化装置１は、噴流床式となっている。
中部筒部５では、バイオマス燃料のガス化が行われる。中部筒部５におけるガス温度は、９００℃以上１０５０℃以下とされる。

バイオマス燃料供給部１４の上流側には、図示しない粉砕機（ミル）が接続されている。粉砕機にて木質系のバイオマス燃料が所定の粒径まで粉砕されるようになっている。本実施形態では、バイオマス燃料は、ふるい平均粒径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とされ、最大粒径が１０ｍｍ、より好ましくは８ｍｍとされている。すなわち、１ｍｍよりも大きいバイオマス燃料を用いる。

ふるい平均粒径は、例えばＪＩＳ Ｚ ８８０１に規定するふるいを用いて試料をふるい分け、それぞれのふるい上に残った試料の質量を計測し、グラフに累積分布を作成し、５０％となる値から得られる。

下部筒部４と中部筒部５とを接続する第１接続部８は、円錐台形とされている。円錐台形を構成する傾斜壁部が鉛直方向に対して成す角度αは、安息角以上（例えば５０°以上）とされている。

上部筒部６は、中部筒部５よりも大きな内径（代表直径）ΦＵとされた円筒形とされている。上部筒部６の内径ΦＵは、下部筒部４の内径ΦＬを１とした場合、６．５以上７．５以下とされている。
上部筒部６では、バイオマス燃料のガス化が行われる。上部筒部６におけるガス温度は、９００℃以上１０５０℃以下とされる。
上部筒部６の上端には、排気部１６が接続されている。この排気部１６から、バイオマス燃料をガス化したガス化ガスやチャーが排出され、下流側の処理設備へと導かれる。

中部筒部５と上部筒部６とを接続する第２接続部９は、円錐台形とされている。円錐台形を構成する傾斜壁部が鉛直方向に対して成す角度αは、安息角以上（例えば５０°以上）とされている。

図３には、中部筒部５の内径ΦＭの下部筒部４の内径ΦＬに対する内径比を３以上４．５以下にした根拠、及び、上部筒部６の内径ΦＵの下部筒部４の内径ΦＬに対する内径比を６．５以上７．５以下にした根拠が示されている。

図３は、図２と同様に横軸がバイオマス燃料の粒径（ｍｍ）を示し、縦軸が終末速度比を示している。ただし、図２と異なり、ガス化による温度上昇とガス量増加を反映したものとなっている。

内径比が３以上４．５以下の範囲では、バイオマス燃料の粒径が約０．９ｍｍから２ｍｍのものが終末速度となるため中部筒部５内で滞留しつつガス化反応が行われる。ガス化反応が行われると粒径は小さくなり、上部筒部６へ向けて上昇する。
内径比が６．５以上７．５以下の範囲では、バイオマス燃料の粒径が約０．３２から約０．４のものが終末速度となるため上部筒部６内で滞留しつつガス化反応が行われる。ガス化反応が行われると粒径は小さくなり、排気部１６へ向けて上昇する。
このように、上述の通りに内径比を設定すると、最大粒径が１０ｍｍとされ、ふるい平均粒径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下のバイオマス燃料であれば、十分にガス化が行われることが分かる。

次に、上述したバイオマスガス化装置１の運転方法について説明する。
排出弁１２は、ガス化運転中は閉とされているが、運転時間が所定時間を経過した後に一時的に開とされる。これにより、炉内に堆積した堆積物が炉外へと排出される。堆積物としては、例えば、バイオマス燃料に混入した石や砂等が挙げられる。排出弁１２を開とするタイミングは、運転時間に基づいて決定しても良いし、炉内に堆積した堆積物の量に基づいて決定しても良い。

排出弁１２を開とする際には、バイオマス燃料およびガス化剤の供給を停止する。停止時間は、例えば５秒から１０秒とされる。

排出弁１２を閉としてガス化反応を再開する場合には、水蒸気、バイオマス燃料、酸素の順に供給を開始する。このように酸素を最後に供給することで、急激な酸化反応（例えば燃焼反応）を回避することができる。

本実施形態のバイオマスガス化装置１によれば、以下の作用効果を奏する。
粒状のバイオマス燃料は、ガス化反応の進行に伴い粒径が減少する。したがって、供給当初は粒径が大きく終末速度未満のガス流速によって上昇せずに下降する粒子であっても、反応が進行するにしたがって粒径が小さくなり、最終的には終末速度以上のガス流れに乗って上方へ吹き上げられる。
ガス化炉本体３内を通過するガス流れの流速は、ガス流量を一定とすれば、各筒部４，５，６の流路断面積に反比例することから、各筒部４，５，６の内径ΦＬ，ΦＭ，ΦＵによって決定される。本発明者等が鋭意検討したところ、ふるい平均粒径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下のバイオマス燃料であれば、下部筒部４の内径ΦＬを１とした場合に、中部筒部５の内径ΦＭを３以上４．５以下、上部筒部６の内径ΦＵを６．５以上７．５以下とすることで、バイオマス燃料が十分にガス化できることを確認した。したがって、バイオマス燃料を１ｍｍ程度まで粉砕する必要がなくなり、粉砕機の動力を低減してプラント効率を向上させることができる。

下部筒部４の内径ΦＬを、バイオマス燃料の最大粒径の終末速度が得られる寸法とすることによって、バイオマス燃料供給部１４から供給されたバイオマス燃料が下部筒部４よりも下方に下降することを抑制することができる。これにより、バイオマス燃料のガス化反応を向上させることができる。

接続部８，９の傾斜角度を安息角以上（例えば５０°以上）としたので、接続部８，９に粒子が堆積することなく下方へと導くことができる。

下部筒部４の下方に排出弁１２を設けることによって、炉内に堆積した堆積物を炉外に排出することとした。これにより、炉底部が閉塞することを回避することができる。

なお、上述した実施形態では、下部筒部４、中部筒部５および上部筒部６の形状を円筒形として説明したが、他の形状、例えば四角形等の多角形としてもよい。この場合には、代表直径として等価水力直径を用いる。

１ バイオマスガス化装置
３ ガス化炉本体
４ 下部筒部（第１筒部）
５ 中部筒部（第２筒部）
６ 上部筒部（第３筒部）
８ 第１接続部
９ 第２接続部
１０ ガス化剤供給配管（ガス化剤供給部）
１２ 排出弁
１４ バイオマス燃料供給部
１６ 排気部
ΦＬ 下部筒部の内径（代表直径）
ΦＭ 中部筒部の内径（代表直径）
ΦＵ 上部筒部の内径（代表直径）

Claims (6)

1. ガス流れの上流側から第１筒部、第２筒部および第３筒部が順に下方から上方に向かって接続されたガス化炉本体と、
   前記第１筒部に接続され、ガス化剤を供給するガス化剤供給部と、
   前記第２筒部に接続され、ふるい平均粒径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とされた粒状のバイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給部と、
   を備え、
   前記第１筒部の代表直径を１とした場合に、
   前記第２筒部の代表直径は、３以上４．５以下、
   前記第３筒部の代表直径は、６．５以上７．５以下
   とされているバイオマスガス化装置。
2. 前記第１筒部の代表直径は、前記バイオマス燃料の最大粒径の終末速度が得られる寸法とされている請求項１に記載のバイオマスガス化装置。
3. 前記第１筒部と前記第２筒部との接続部、及び、前記第２筒部と前記第３筒部との接続部の傾斜角度は、安息角以上とされている請求項１又は２に記載のバイオマスガス化装置。
4. 前記第１筒部の下方には、排出弁が設けられている請求項１から３のいずれかに記載のバイオマスガス化装置。
5. ガス流れの上流側から第１筒部、第２筒部および第３筒部が順に下方から上方に向かって接続されたガス化炉本体と、
   前記第１筒部に接続され、ガス化剤を供給するガス化剤供給部と、
   前記第２筒部に接続され、ふるい平均粒径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とされた粒状のバイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給部と、
   前記第１筒部の下方に設けられた排出弁と、
   を備え、
   前記第１筒部の代表直径を１とした場合に、
   前記第２筒部の代表直径は、３以上４．５以下、
   前記第３筒部の代表直径は、６．５以上７．５以下
   とされているバイオマスガス化装置の運転方法であって、
   前記排出弁は、所定の運転時間が経過した後に開とされるバイオマスガス化装置の運転方法。
6. 前記排出弁を開とする際に、前記バイオマス燃料および前記ガス化剤の供給を停止し、
   前記排出弁を閉とした後に、前記ガス化剤の水蒸気、前記バイオマス燃料、前記ガス化剤の酸素の順に供給を開始する請求項５に記載のバイオマスガス化装置の運転方法。

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