JP2019196452A - 改質炉およびそれを用いたガス化システム - Google Patents

Abstract

【課題】水性ガスおよび活性炭の生産効率を高めた改質炉およびそれを用いたガス化システムを提供する。【解決手段】高温負圧下で炭化物と過熱蒸気とを反応させて水性ガスおよび活性炭を得る改質炉であって、内部空間を有する本体部と、内部空間に収容され、本体部の長尺方向に延在して配置された筒状の回転体と、内部空間を加熱する加熱部と、を備え、本体部は、内部空間に炭化物を投入可能に設けられた投入部と、改質炉の外部に少なくとも水性ガスを排出可能に設けられた排出部と、内部空間に過熱蒸気を導入可能に設けられた蒸気導入部と、内部空間に酸素成分を導入可能に設けられた酸素導入部と、有する改質炉。【選択図】図１

Description

本発明は、改質炉およびそれを用いたガス化システムに関するものである。

近年、家庭や産業分野から排出される有機物を改質炉により処理して、水性ガスとして発電などに再利用する方法が検討されている（例えば、特許文献１）。以下、このような有機物をバイオマスということがある。バイオマスから水性ガスを生成する反応で得られる活性炭も、再利用する方法が検討されている。

特許第６００６４６７号公報

しかし、従来の改質炉においては、市場要求に応じて水性ガスおよび活性炭の生産効率の向上が求められていた。本明細書において、「生産効率」とは、単位生産時間あたりの生産量を意味する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、水性ガスおよび活性炭の生産効率を高めた改質炉およびそれを用いたガス化システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、高温負圧下で炭化物と過熱蒸気とを反応させて水性ガスおよび活性炭を得る改質炉であって、内部空間を有する本体部と、内部空間に収容され、本体部の長尺方向に延在して配置された筒状の回転体と、内部空間を加熱する加熱部と、を備え、本体部は、内部空間に炭化物を投入可能に設けられた投入部と、改質炉の外部に少なくとも水性ガスを排出可能に設けられた排出部と、内部空間に過熱蒸気を導入可能に設けられた蒸気導入部と、内部空間に酸素成分を導入可能に設けられた酸素導入部と、有する改質炉を提供する。

本発明の一態様においては、酸素導入部は、投入部の下方に設けられている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、酸素導入部は、空気を導入可能に設けられている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、内部空間に炭化物を供給する供給部を備え、供給部は、投入部に接続された供給路と、供給路の一部に設けられ、炭化物と水とを接触させる接触部と、を有する構成としてもよい。

本発明の一態様は、高温負圧下で炭化物と過熱蒸気とを反応させて、水性ガスおよび活性炭を得る改質炉であって、内部空間を有する本体部と、内部空間に収容され、本体部の長尺方向に延在して配置された筒状の回転体と、内部空間に炭化物を供給する供給部と、内部空間を加熱する加熱部と、を備え、本体部は、内部空間に炭化物を投入可能に設けられた投入部と、改質炉の外部に少なくとも水性ガスを排出可能に設けられた排出部と、改質炉の外部に少なくとも活性炭を排出可能に設けられた活性炭排出部と、内部空間に過熱蒸気を導入可能に設けられた蒸気導入部と、を有し、供給部は、投入部に接続された供給路と、供給路の一部に設けられ、炭化物と水とを接触させる接触部と、を有する改質炉を提供する。

本発明の一態様は、バイオマスを炭化させ、炭化物を得る炭化炉と、上記の改質炉と、水性ガスと水とを接触させて水性ガスを冷却する熱交換部と、を備え、熱交換部は、筒状の部材であり、熱交換部の内部に水性ガスを導入可能に設けられたガス導入部と、熱交換部の内部に水を散布する水散布部と、熱交換部の外部に水性ガスを排出可能に設けられたガス排出部と、水を貯留可能に設けられた貯留部と、貯留部から水散布部に水を送液可能に設けられた流路と、を有し、水散布部の少なくとも一部は、ガス排出部の上流側に設けられているガス化システムを提供する。

本発明の一態様によれば、水性ガスおよび活性炭の生産効率を高めた改質炉およびそれを用いたガス化システムが提供される。

図１は、第１実施形態の改質炉の構成を示す模式図である。 図２は、第２実施形態の改質炉の構成を示す模式図である。 図３は、ガス化システムを示すブロック図である。 図４は、第一熱交換器の構成を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施形態の改質炉について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

＜改質炉＞
≪第１実施形態≫
本実施形態の改質炉は、高温負圧下で炭化物と過熱蒸気とを反応させていわゆる水蒸気改質を行い、水性ガスおよび活性炭を得る装置である。水性ガスとは、炭化物を水蒸気改質することによって生成された主に水素および一酸化炭素で構成される混合ガスをいう。水性ガスは、水素および一酸化炭素以外にも二酸化炭素やメタンを含む。なお、「過熱蒸気」とは、「高温（例えば、約６５０℃）の水蒸気」を意味する。

図１は、第１実施形態の改質炉の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の改質炉１００は、内筒体１０１と、外筒体１０２と、回転体１０３と、を備える。

本実施形態の内筒体１０１は、特許請求の範囲における本体部に相当する。本実施形態の外筒体１０２は、特許請求の範囲における加熱部に相当する。

［内筒体］
内筒体１０１は長尺の筒状部材である。内筒体１０１の中心軸の軸方向は、上下方向である。

内筒体１０１は、内部空間１２５を有する。本実施形態における内部空間１２５は、特許請求の範囲における内部空間に相当する。

内筒体１０１は、第一排出部１２２と、投入部１２４と、第二排出部１２３と、バッフル１２６と、を有する。

本実施形態の第一排出部１２２は、特許請求の範囲における排出部に相当する。

本実施形態の第二排出部１２３は、特許請求の範囲における活性炭排出部に相当する。

内筒体１０１の上部には、第一排出部１２２と、が設けられている。第一排出部１２２は、改質炉１００の外部に少なくとも水性ガスを排出可能に設けられている。

内筒体１０１の中間部には、投入部１２４が設けられている。投入部１２４は、内部空間１２５に炭化物を投入可能に設けられている。投入部１２４には、炭化物を内部空間１２５に自動投入するためのスクリューコンベアやベルトコンベアが設けられていてもよい。

内筒体１０１の下部には、第二排出部１２３が設けられている。第二排出部１２３は、改質炉１００の外部に少なくとも活性炭を排出可能に設けられている。

内筒体１０１の内壁には、内筒体１０１の中心軸の軸方向に延びる長尺のバッフル１２６が配置されている。バッフル１２６は、後述する回転体１０３と共に用いることで、炭化物の撹拌効率を向上させることができる。

バッフル１２６の長尺方向の長さは、特に制限されない。バッフル１２６は、例えば内筒体１０１の内壁の回転体１０３に対向する範囲に設けられていることが好ましい。

バッフル１２６の枚数は、特に制限されないが、複数であることが好ましく、例えば３枚であることが好ましい。また、バッフル１２６の配列方法は、特に制限されないが、内筒体１０１の中心軸を中心とする相対角度が等しくなるように配列されていることが好ましい。例えば、３枚のバッフル１２６が設けられている場合、内筒体１０１の中心軸を中心とする相対角度が１２０°となるように配列されていることが好ましい。

［外筒体］
外筒体１０２は、内部空間１４６を有する。外筒体１０２は、内部空間１４６に内筒体１０１の一部を収容している。なお、本発明の効果を奏する範囲において、外筒体１０２は、内部空間１４６に内筒体１０１の全部を収容していてもよい。外筒体１０２は、導入部１４４と、排出部１４５と、を有する。

外筒体１０２の上部には、導入部１４４が設けられている。導入部１４４は、内部空間１４６に後述の炭化炉の排ガスを導入可能に設けられている。これにより、外筒体１０２は、導入部１４４から導入された排ガスによって、内部空間１４６に収容された内筒体１０１を加熱し、内筒体１０１の内部空間１２５を加熱する。

外筒体１０２の下部には、排出部１４５が設けられている。排出部１４５は、内部空間１４６の排ガスを排出可能に設けられている。

導入部１４４と排出部１４５とがこのような位置関係にあると、炭化炉の排ガスは外筒体１０２の上部から下部に向かって流動する。一方、内筒体１０１の内部空間１２５においては、過熱蒸気および酸素成分が内筒体１０１の下部から上部に向かって流動する。このように、炭化炉の排ガスの流動方向と、過熱蒸気および酸素成分の流動方向とが逆向きであると、内筒体１０１を効率的に加熱することができる。また、炭化炉の排ガスに含まれる微粉炭が外筒体１０２の外部に排出されやすく、微粉炭が外筒体１０２の下部に堆積しにくい。

［回転体］
回転体１０３は、内部空間１２５に収容されている。回転体１０３は、長尺の筒状部材である。回転体１０３は、回転軸１０４を中心として回転可能に設けられている。回転軸１０４は、回転体１０３の下部から回転体１０３の長尺方向に延在している。回転軸１０４の内側は流路１２１が形成されている。この流路１２１は、回転体１０３の内部空間１２５と連通している。

回転体１０３は、複数の羽根１６０と、複数の孔１６１と、を有する。

流路１２１は、回転体１０３の内部に過熱蒸気および酸素成分を導入可能に設けられている。流路１２１は、過熱蒸気と酸素成分との混合気体を導入してもよい。本実施形態の流路１２１は、特許請求の範囲における蒸気導入部および酸素導入部に相当する。

流路１２１が過熱蒸気および酸素成分との混合気体を導入することにより、過熱蒸気および酸素成分とが別々に導入される場合と比べて、炭化物の改質効率が向上する。また、改質炉１００の構成が簡素化される。

なお、本実施形態の改質炉１００においては、流路１２１から過熱蒸気および酸素成分を導入することとしたが、これに限定されない。例えば、改質炉１００は、過熱蒸気を導入可能に設けられた蒸気導入部と、酸素成分を導入可能に設けられた酸素導入部とを別の構成として有してもよい。この場合、蒸気導入部は、内筒体１０１に設けられていれば、位置は特定されない。また、酸素導入部は、内筒体１０１の下部に設けられていることが好ましい。

流路１２１における酸素成分の導入量は、酸素導入部１２０の近傍の酸素濃度が水素ガスの爆発下限界未満となるように調整される。具体的には、酸素成分の導入量は、酸素導入部１２０の近傍の酸素濃度が６％未満となるように調整される。

本実施形態の改質炉１００において、酸素成分は、酸素であってもよいし、空気であってもよい。酸素導入部１２０が酸素成分として空気を導入する場合、空気中の酸素濃度は約２０％であることから酸素の導入量を制御しやすい。

複数の羽根１６０は、回転体１０３の外周面に設けられている。バッフル１２６が設けられた内部空間１２５において、複数の羽根１６０を有する回転体１０３が回転することによって、内部空間１２５の炭化物を効率的に撹拌することができる。複数の羽根１６０の配列方法は、特に制限されないが、回転軸１０４を中心軸とするらせん状であることが好ましい。

複数の孔１６１は、回転体１０３の外周面に設けられている。流路１２１が回転体１０３の内部に導入した過熱蒸気および酸素成分は、複数の孔１６１を介して、回転体１０３の内部から内筒体１０１の内部空間１２５へと移動する。

［動作］
以上、説明した本実施形態の改質炉１００の動作について説明する。導入部１４４は、外筒体１０２の内部空間１４６に後述する炭化炉の排ガスを導入する。これにより、外筒体１０２は、導入部１４４から導入された排ガスによって、内部空間１４６に収容された内筒体１０１を加熱し、内筒体１０１の内部空間１２５を加熱する。

流路１２１は、過熱蒸気および酸素成分を回転体１０３の内部に導入する。回転体１０３の内部の過熱蒸気および酸素成分は、複数の孔１６１を介して、回転体１０３の内部から内筒体１０１の内部空間１２５へと移動する。投入部１２４は、加熱された内部空間１２５に炭化物を投入する。

内部空間１２５に投入された炭化物は、内部空間１２５の熱および過熱蒸気の熱によって加熱され、過熱蒸気と反応する。この反応により、水性ガスおよび活性炭が生成する。

一般に、改質炉の内部空間の温度は、７５０℃以上に保持されることが好ましい。内部空間１４６に導入される排ガスにより、内筒体１０１の内部空間１２５の温度は７５０℃以上に保持されることが可能となる。しかし、炭化物と過熱蒸気との反応（Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２）は吸熱反応であるため、改質炉の内部空間の温度が一時的に６００℃前半まで低下することがある。この場合、排ガスを用いて内部空間１２５を昇温させる時間が長くなり、生産効率が低下してしまう。

本実施形態の改質炉１００においては、酸素存在下で炭化物と過熱蒸気とを反応させることにより、生成した水性ガスに含まれる水素の一部を燃焼させる。水素の燃焼反応は発熱反応であるため、内部空間１２５の温度低下を抑制できる。その結果、内部空間１２５を昇温させる時間が短くなり、生産効率を向上させることができる。

特に、投入部１２４の下方では、内筒体１０１の内部空間１２５の温度が低下しやすい。これは、内部空間１２５における投入部１２４の下方で炭化物と過熱蒸気との反応が行われやすく、吸熱反応が起こりやすいためであると考えられる。また、内部空間１２５に投入される炭化物の温度は内部空間１２５の温度よりも低いためであると考えられる。

本実施形態の改質炉１００において、酸素導入部１２０は投入部１２４の下方に設けられている。そのため、本実施形態の改質炉１００においては、内部空間１２５における投入部１２４の下方で水素の燃焼反応を生じやすく、効果的に内部空間１２５の温度低下を抑制できる。その結果、内部空間１２５を昇温させる時間が短くなり、生産効率を向上させることができる。

バッフル１２６が設けられた内部空間１２５において、回転体１０３は回転することにより炭化物を効率的に撹拌することができる。これにより、炭化物と過熱蒸気との接触回数が増え、炭化物と水蒸気との反応が促進される。

第一排出部１２２は、生成した水性ガスを改質炉１００の外部に排出する。一方、第二排出部１２３は、生成した活性炭を改質炉１００の外部に排出する。

排出部１４５は、内部空間１４６に導入され、内部空間１２５を加熱することにより熱交換された排ガスを、改質炉１００の外部に排出する。

また、炭化物を効率的に過熱蒸気と接触させることができれば、回転体１０３を省略し、内筒体１０１に導入部１４４および排出部１４５を設け、かつ、外筒体１０２に流路１２１、投入部１２４、第一排出部１２２、第二排出部１２３および投入された炭化物を流動させる手段を設けてもよい。すなわち、内筒体１０１の内部空間１２５に炭化炉の排ガスを導入し、外筒体１０２の内部空間１４６を加熱して、内部空間１４６で炭化物の改質を行ってもよい。

以上の構成によれば、第１実施形態の改質炉１００は生産効率が高い。

＜改質炉＞
≪第２実施形態≫
図２は、第２実施形態の改質炉の構成を示す模式図である。図２に示すように、本実施形態の改質炉１０５は、内筒体１０１と、外筒体１０２と、回転体１０３と、供給部２０と、を備える。以下、本実施形態において第２実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

（供給部）
供給部２０は、内筒体１０１の内部空間１２５に炭化物を供給する。供給部２０は、供給路２１と、接触部２２と、を有する。

供給路２１の一端は、投入部１２４に接続されている。供給路２１の他端は、炭化物を貯蔵する貯蔵部２３に接続されている。供給路２１には、炭化物を内部空間１２５に自動投入するためのスクリューコンベアやベルトコンベアが設けられていてもよい。

供給路２１の一部には、炭化物と水とを接触させる接触部２２が設けられている。接触部２２は、供給路２１の内部に水を噴霧するスプレーノズル２４を備える。スプレーノズル２４は、改質炉１００の外部の用水Ｗに接続されている。なお、接触部２２の構成は、炭化物と水とを接触させることができる限り、本実施形態の構成に限定されない。

［動作］
以上、説明した本実施形態の改質炉１０５の動作について説明する。接触部２２は、スプレーノズル２４を用いて、貯蔵部２３から供給路２１に運搬された炭化物に水を接触させる。

用いる炭化物には、多数の孔が形成されている。このような炭化物に水を接触させると、炭化物の多数の孔に水が入り込み、炭化物の内部に水を含有させることができる。改質炉１０５に原料として水を含有させた炭化物を用いると、内筒体１０１の内部空間１２５で炭化物と、内部の水とが加熱され、過熱蒸気が発生し、炭化物の内部から過熱蒸気と反応する。

これにより、炭化物に水を含有させない場合と比べて、炭化物と過熱蒸気との接触面積が増大する。そのため、本実施形態の改質炉１０５では、反応の進行が速くなる。また、炭化物に水を含有させない場合と比べて、流路１２１における過熱蒸気の導入量が抑えられる。さらに、炭化物と過熱蒸気との接触面積が増大した結果、得られる活性炭の表面積が広くなり、高品質なものとなる。

投入部１２４が内筒体１０１の内部空間１２５に炭化物を投入する以降の動作は第１実施形態と同様である。

以上の構成によれば、第２実施形態の改質炉１０５は生産効率が高い。特に、第２実施形態の改質炉１０５も、第１実施形態の改質炉１００と同様に、流路１２１を有する。そのため、第２実施形態の改質炉１０５は、第１実施形態の改質炉１００と比べてさらに生産効率が高い。

なお、第２実施形態の改質炉１０５においては、流路１２１は、過熱蒸気のみ導入し、酸素成分は導入しなくてもよい。また、改質炉１０５は、流路１２１の代わりに過熱蒸気を導入可能に設けられた蒸気導入部と、酸素成分を導入可能に設けられた酸素導入部とを有してもよい。これにより、第２実施形態の改質炉１０５は、さらに生産効率を向上させることができる。

＜ガス化システム＞
図３は、ガス化システムを示すブロック図である。図３に示す矢印は、各工程での物質の流れを表している。図３に示すように、本実施形態のガス化システム３００は、第１実施形態の改質炉１００と、乾燥機３０１と、炭化炉３０２と、第一サイクロン３０３と、第二サイクロン３０４と、過熱器３０５と、第一熱交換器３０６と、第二熱交換器３０７と、第三熱交換器３０８と、ガスタンク３０９と、第四熱交換器３１０と、を備える。

乾燥機３０１は、高温の空気Ａ１を乾燥用熱源として用い、バイオマス原料Ｃ０から水分を除去する。これにより、乾燥機３０１は、炭化炉３０２での炭化に適した水分率に調整されたバイオマス原料Ｃ１を得る。乾燥機３０１の具体的な構造については特に限定されず、例えば、回転シェルの内部に高温の空気Ａ１を送る乾燥機を用いることができる。

炭化炉３０２は、バイオマス原料Ｃ１を炭化させて炭化物Ｃ２を生成する。炭化炉３０２の具体的な構造については特に限定されず、例えば、低酸素雰囲気下でバイオマス原料Ｃ１を４００℃〜６００℃に加熱して炭化させる炭化炉を用いることができる。

改質炉１００は、炭化炉３０２で発生した排ガスＥ１を、図１の導入部１４４から外筒体１０２の内部空間１４６に導入し、内筒体１０１の内部空間１２５を加熱する。改質炉１００は、加熱された内部空間１２５に、炭化物Ｃ２および過熱蒸気Ｖ２を導入する。これにより、改質炉１００は、炭化物Ｃ２と、過熱蒸気Ｖ２とを反応させて水性ガスＧ１および活性炭Ｃ３を生成する。

第一サイクロン３０３は、水性ガスＧ１に含まれる微粉炭や塵を除去し、水性ガスＧ２を得る。第一サイクロン３０３の具体的な構造については特に限定されず、公知のサイクロンを用いることができる。なお、第一サイクロン３０３は、省略してもよい。

第二サイクロン３０４は、改質炉１００から排出された排ガスＥ２に含まれる不純物を除去し、排ガスＥ３を得る。第二サイクロン３０４の具体的な構造については特に限定されず、公知のサイクロンを用いることができる。なお、第二サイクロン３０４は、省略してもよい。

過熱器３０５は、水蒸気Ｖ１を、排ガスＥ３と熱交換させて加熱し、過熱蒸気Ｖ２を生成する。一方、排ガスＥ３は、水蒸気Ｖ１を加熱することにより熱交換されて排ガスＥ４となる。過熱器３０５の具体的な構造については特に限定されず、公知の過熱器を用いることができる。

第一熱交換器３０６は、水性ガスＧ２を、水Ｗ１に接触させ、直接熱交換させて冷却する、いわゆる湿式の熱交換器である。本実施形態の第一熱交換器３０６は、特許請求の範囲における熱交換部に相当する。

熱交換前の水性ガスＧ２は、例えば約８００℃である。第一熱交換器３０６によって、熱交換後の水性ガスＧ３は、約７７℃まで冷却される。

一方、水Ｗ１は、水性ガスＧ２を冷却することにより熱交換される。水Ｗ１の一部は気化され、水性ガスＧ３に含まれる。熱交換前の水性ガスＧ２における水分率は、例えば約６質量％である。第一熱交換器３０６の第二分離室３２２（図４参照）では、水性ガスＧ２における水分率が、約４２質量％まで上昇するが、熱交換後の水性ガスＧ３における水分率は、約６質量％以下まで減少する。

第一熱交換器３０６は、水Ｗ１を含む液体Ｌを、液体Ｌよりも低温の水Ｗ２と熱交換させて冷却する。なお、液体Ｌは、水Ｗ１の他に後述する微粉炭を含む。水Ｗ２は、液体Ｌを冷却することにより熱交換されて水Ｗ３となる。第一熱交換器３０６の構成については後述する。

第二熱交換器３０７は、空気Ａ０を、排ガスＥ４と熱交換させて加熱し、高温の空気Ａ１を生成する。一方、排ガスＥ４は、空気Ａ０を加熱することにより熱交換されて、排ガスＥ５となり、煙突（図示なし）などから排出される。第二熱交換器３０７の具体的な構造については特に限定されず、公知の熱交換器を用いることができる。

第三熱交換器３０８は、水性ガスＧ３を、水Ｗ２と熱交換させて冷却し、水性ガスＧ４を生成する。第三熱交換器３０８によって、熱交換後の水性ガスＧ４は、約３５℃まで冷却される。

また、第三熱交換器３０８は、水性ガスＧ３に含まれる水分を冷却凝縮することによって、熱交換後の水性ガスＧ４における水分率を約５質量％まで低減する。

第三熱交換器３０８の具体的な構造については特に限定されず、公知の熱交換器を用いることができる。

第四熱交換器３１０は、水Ｗ１を、高温の空気Ａ１の一部と熱交換させて加熱し、水蒸気Ｖ１を生成する。第四熱交換器３１０の具体的な構造については特に限定されず、公知の熱交換器を用いることができる。

ガスタンク３０９は、水性ガスＧ４を貯蔵する。ガスタンク３０９の具体的な構造については特に限定されず、公知のガスタンクを用いることができる。

［第一熱交換器］
図４は、第一熱交換器の構成を示す模式図である。図４に示すように、第一熱交換器３０６は、予冷部３１と、分離部３２と、充填部３３と、第一流路３４と、第二流路３５と、遠心分離部３６と、第三流路３９と、を有する。

（予冷部）
予冷部３１は、長尺の筒状部材３１３と、スプレーノズル３１２と、を有する。筒状部材３１３の長尺方向は、上下方向である。筒状部材３１３は、ガス導入口３１１を有する。

本実施形態のガス導入口３１１は、特許請求の範囲におけるガス導入部に相当する。本実施形態のスプレーノズル３１２は、特許請求の範囲における水散布部に相当する。本実施形態の第一流路３４と、第二流路３５は、特許請求の範囲における流路に相当する。

ガス導入口３１１は、筒状部材３１３の上部に設けられている。図３の第一サイクロン３０３から排出された水性ガスＧ２は、ガス導入口３１１を介して、筒状部材３１３の内部空間に導かれる。

スプレーノズル３１２は、筒状部材３１３の上部に設けられている。図４では、スプレーノズル３１２は、ガス導入口３１１の下方に位置している。なお、スプレーノズル３１２は、ガス導入口３１１の上方に位置していてもよい。スプレーノズル３１２は、筒状部材３１３の内部空間に垂直方向下向きに水Ｗ１を含む液体Ｌを噴霧（散布）する。霧状の液体Ｌは、筒状部材３１３の内部空間で水性ガスＧ２と接触し、熱交換する。これにより、水性ガスは冷却される。熱交換された霧状の液体Ｌは、後述する貯留部４１で捕集され、貯留される。

（分離部）
分離部３２は、長尺の筒状部材である。筒状部材の長尺方向は、水平方向である。分離部３２の下部には、水Ｗ１を含む液体Ｌを貯留可能に構成された貯留部４１が設けられている。

分離部３２は、第一分離室３２１と、第二分離室３２２と、を有する。

第一分離室３２１は、分離部３２の側板３２５と、垂直板３２３とによって挟まれた空間である。垂直板３２３は、開口部３２４ａが設けられた上板３２４から垂直方向下向きに延びている。垂直板３２３の先端部３２３ａは、貯留部４１の液面より下に配置されている。このような構成の第一熱交換器３０６においては、筒状部材３１３のガス導入口３１１と、後述する充填部３３のガス排出口３３１とが分断されている。これにより、第一熱交換器３０６は、熱交換効率に優れている。また、垂直板３２３の先端部３２３ａは、分離部３２の下板３２６と離間している。

分離部３２の上板３２４には、開口部３２４ａが設けられている。開口部３２４ａには、筒状部材３１３の下端が接続されている。開口部３２４ａは、分離部３２の内部空間と筒状部材３１３の内部空間とを連通する。

第二分離室３２２は、垂直板３２３と、仕切板３２７とによって挟まれた空間である。なお、第二分離室３２２には、公知の集塵装置が設けられていてもよい。

（充填部）
充填部３３は、長尺の筒状部材３３０と、デミスター３３２と、デミスター３３３と、デミスター３３４と、スプレーノズル３３５と、スプレーノズル３３６と、スプレーノズル３３７と、エリミネーター３３８と、エリミネーター３３９と、を有する。筒状部材３３０の長尺方向は、上下方向である。筒状部材３３０は、開口部３２７ａおよびガス排出口３３１を有する。筒状部材３３０の下部には、水Ｗ１を含む液体Ｌを貯留可能に構成された貯留部４２が設けられている。

開口部３２７ａは、分離部３２の内部空間と筒状部材３３０の内部空間とを連通する。水性ガスＧ２は、開口部３２７ａを介して筒状部材３３０の内部空間に導かれる。また、液体Ｌは、充填部３３と分離部３２とを、オーバーフローによって、開口部３２７ａを介して行き来することが可能である。

本実施形態のガス排出口３３１は、特許請求の範囲におけるガス排出部に相当する。本実施形態のスプレーノズル３３５、スプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７は、特許請求の範囲における水散布部に相当する。

ガス排出口３３１は、筒状部材３３０の上部に設けられている。第一熱交換器３０６で熱交換された水性ガスＧ３は、ガス排出口３３１を介して、第一熱交換器３０６の外部に排出される。

筒状部材３３０の内部空間には、ガス排出口３３１側から上下方向に、デミスター３３２、スプレーノズル３３５、デミスター３３３、スプレーノズル３３６、エリミネーター３３８、スプレーノズル３３７、エリミネーター３３９の順に配置されている。

エリミネーター３３８およびエリミネーター３３９は、公知の充填材を含む。充填部３３は、エリミネーター３３８およびエリミネーター３３９によって、水性ガスＧ２に残存する微粉炭および霧状の水をさらに除去する。エリミネーター３３８は、エリミネーター３３９と比べて水分除去能力が同等以上であることが好ましい。

デミスター３３２およびデミスター３３３は、水性ガスＧ２に残存する霧状の水をさらに除去する。

デミスター３３４は、開口部３２７ａに設けられている。デミスター３３４では、水性ガスＧ２および液体Ｌが通過可能に構成されている。デミスター３３４によって、貯留部４２に貯留された液体Ｌにおける微粉炭濃度を低く抑えられる。

なお、第一熱交換器３０６を連続運転する際、貯留部４２に貯留された液体Ｌをサンプリングし、液体Ｌの色を目視で確認して、液体Ｌの微粉炭濃度を確認するとよい。確認後、必要に応じて液体Ｌの微粉炭濃度の低下させる方法を採るとよい。

スプレーノズル３３５は、筒状部材３３０の内部空間に垂直方向下向きに水Ｗ１を（散布）する。スプレーノズル３３５は、デミスター３３３を洗浄する。なお、スプレーノズル３３５は、デミスター３３３の洗浄が必要なときに水Ｗ１を噴霧すればよい。

スプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７は、筒状部材３３０の内部空間に垂直方向下向きに液体Ｌを噴霧（散布）する。スプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７は、液体Ｌを噴霧することで、筒状部材３３０の内部空間の水性ガスＧ２と液体Ｌとをさらに熱交換させ、水性ガスＧ２を冷却する。スプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７は、液体Ｌを噴霧ずることでエリミネーター３３８およびエリミネーター３３９を洗浄する。

以上により、熱交換された霧状の液体Ｌは、貯留部４２で捕集され、貯留される。

（第一流路）
第一流路３４の一端は、貯留部４１に接続されている。第一流路３４の他端は、予冷部３１のスプレーノズル３１２に接続されている。第一流路３４は、貯留部４１から予冷部３１に液体Ｌを輸送（送液）するポンプ３４１を有する。これにより、貯留部４１に微粉炭が堆積するのを抑制しつつ、水Ｗ１の使用量を少なくすることができる。

なお、ポンプ３４１は、貯留部４１に微粉炭が堆積しない程度に液体Ｌを輸送することが好ましい。

第一流路３４の一部は、分岐路３７および分岐路３８に接続されている。

分岐路３７の先端部は、貯留器３７１に接続されている。貯留器３７１は、貯留部４１から排出された液体Ｌを貯留可能に設けられている。分岐路３７には、バルブ３７２が設けられている。

分岐路３８の先端部は、後述する遠心分離部３６に接続されている。分岐路３８には、バルブ３８１が設けられている。

（第二流路）
第二流路３５の一端は、貯留部４２の液面より下方に接続されている。第二流路３５の他端は、スプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７に接続されている。第二流路３５は、貯留部４２からスプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７に液体Ｌを輸送（送液）するポンプ３５１を有する。

第一熱交換器３０６を連続運転する際、スプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７から噴霧する液体Ｌの温度が次第に上昇する。液体Ｌの温度の上昇に伴い、水性ガスＧ２の冷却効率が低下する。

第二流路３５には、液体Ｌを適温とするための冷却器３５２が設けられている。冷却器３５２は、第二流路３５に輸送される液体Ｌを、液体Ｌよりも低温の水Ｗ２と熱交換させることにより冷却する。熱交換前の水性ガスＧ２の温度が約８００℃であるとき、液体Ｌの適温は、約３２℃以下である。水Ｗ２は、液体Ｌと熱交換することにより加熱されて、水Ｗ３となる。

（遠心分離部）
第一熱交換器３０６を連続運転する際、液体Ｌにおける微粉炭濃度が次第に上昇する。微粉炭濃度の上昇に伴い、第一流路３４および第二流路３５、スプレーノズル３１２、スプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７が閉塞されるおそれがある。

第一熱交換器３０６は、これらの閉塞を抑制するための遠心分離部３６を有する。遠心分離部３６は、微粉炭が高濃度で含まれる液体Ｌから遠心力により微粉炭を含む固形分を分離する。以下、「微粉炭が高濃度で含まれる液体Ｌ」を単に「高濃度の液体Ｌ」と称することがある。また、「微粉炭が低濃度で含まれる液体Ｌ」を単に「低濃度の液体Ｌ」と称することがある。

遠心分離部３６は、液体導入口３６１と、液体排出口３６２と、濃縮液排出口３６３と、を有する。遠心分離部３６は、液体導入口３６１、液体排出口３６２および濃縮液排出口３６３を有する装置であれば、固液分離を可能とする公知の遠心分離機を用いることができる。

液体導入口３６１は、分岐路３８の先端部に接続されている。高濃度の液体Ｌは、液体導入口３６１を介して遠心分離部３６の内部に導かれる。

固形分が除去された低濃度の液体Ｌは、液体排出口３６２を介して遠心分離部３６の外部に排出される。

濃縮液排出口３６３は、濃縮液排出路４０に接続されている。濃縮液排出路４０の先端部は、貯留器４０１に接続されている。微粉炭が濃縮された濃縮液Ｓは、濃縮液排出口３６３を介して貯留器４０１に貯留される。

（第三流路）
第三流路３９の一端は、遠心分離部３６の液体排出口３６２に接続されている。第三流路３９の他端は、貯留部４１に接続されている。

（動作）
以上、説明した本実施形態の第一熱交換器３０６の動作について説明する。まず、貯留部４１の液面が垂直板３２３の先端部３２３ａよりも高くなるように、水Ｗ１を導入し、貯留部４１および貯留部４２に貯留する。水Ｗ１は、熱交換に伴い気化するため、第一熱交換器３０６の運転中は、水Ｗ１を常に導入する。

次に、ポンプ３４１を駆動し、貯留部４１からスプレーノズル３１２に水Ｗ１を輸送する。これにより、筒状部材３１３の内部空間に霧状の液体Ｌを発生させる。

次に、ポンプ３５１を駆動し、貯留部４２からスプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７に水Ｗ１を輸送する。これにより、筒状部材３３０の内部空間に霧状の液体Ｌを発生させる。

次に、水性ガスＧ２をガス導入口３１１から筒状部材３１３の内部空間に導入する。これにより、水性ガスＧ２と霧状の液体Ｌとを接触させ、熱交換させて、水性ガスＧ２を冷却する。さらに、水性ガスＧ２を、開口部３２４ａを介して第一分離室３２１に導き、貯留部４１に貯留された液体Ｌに衝突させる。水性ガスＧ２中の微粉炭を、霧状または貯留部４１に貯留された液体Ｌに捕集し、水性ガスＧ２から除去する。

水性ガスＧ２を液体Ｌに衝突させる際、貯留部４１における第一分離室３２１の液面が垂直板３２３の先端部３２３ａよりも下方に押し下げられる。これにより、垂直板３２３の先端部３２３ａと液面との間に隙間が生じる。この隙間を液体Ｌおよび水性ガスＧ２が通過することで、いわゆる「ベンチュリー効果」により第二分離室３２２の圧力が低下し、霧状の液体Ｌが生じる。これにより、霧状の液体Ｌおよび水性ガスＧ２を第二分離室３２２に導入する。

次に、開口部３２７ａに設けられたデミスター３３４によって液体Ｌからなる粗大な液滴を捕集する。液体Ｌからなる微小な液滴および水性ガスＧ２を、デミスター３３４を介して筒状部材３３０に導入する。

次に、水性ガスＧ２を、エリミネーター３３８およびエリミネーター３３９を介して通過させる。エリミネーター３３８およびエリミネーター３３９によって水性ガスＧ２に含まれる微粉炭および霧状の水を捕集し、水性ガスＧ２から除去する。エリミネーター３３８およびエリミネーター３３９を、スプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７によって洗浄し、微粉炭および水Ｗ１を含む液体Ｌを貯留部４２で貯留する。

また、液体Ｌを適温とするため、冷却器３５２を駆動し、第二流路３５を輸送される液体Ｌを冷却してもよい。

次に、水性ガスＧ２を、デミスター３３２およびデミスター３３３を介して通過させる。デミスター３３２およびデミスター３３３によって水性ガスＧ２に含まれる霧状の水をさらに捕集し、水性ガスＧ２から除去する。

次に、熱交換された水性ガスＧ３を、ガス排出口３３１から筒状部材３３０の外部に排出する。

第一熱交換器３０６においては、貯留部４１と貯留部４２との間を液体Ｌが行き来することにより、液体Ｌの液面を制御する。液体Ｌの液面を制御するために、バルブ３７２を開放して、貯留器３７１に液体Ｌの一部を貯留する。

また、バルブ３８１を開放して、高濃度の液体Ｌを、液体導入口３６１を介して遠心分離部３６の内部に導入する。高濃度の液体Ｌを、遠心分離部３６により微粉炭を含む固形分と低濃度の液体Ｌとに分離する。分離された低濃度の液体Ｌを、液体排出口３６２を介して遠心分離部３６の外部に排出する。遠心分離部３６から排出された低濃度の液体Ｌを、第三流路３９を介して貯留部４１に輸送する。微粉炭が濃縮された濃縮液Ｓを、濃縮液排出口３６３から濃縮液排出路４０を介して貯留器４０１に貯留する。

第一熱交換器３０６として乾式の熱交換器を用いる場合、熱交換器の内部で微粉炭と水とが混ざり合うことで、高粘度の固形分が生じ、生じる固形分により流路などが閉塞することがある。また、サイクロンなどの通常の方法では、水性ガスから完全に微粉炭を除去するのは困難であり、水性ガスに微粉炭が残存することがある。

このような課題に対し、以上説明した第一熱交換器３０６は、水性ガスから微粉炭を除去することができる。これにより、ガス化システム３００は、流路などが閉塞するおそれが少なく、安定的に連続運転することが可能となる。

なお、第二熱交換器３０７と煙突（図示なし）との間にバグフィルターを設けることにより、有害物質等を処理することが好ましい。

改質炉から排出された排ガスを乾燥用熱源として用いる従来のガスシステムでは、乾燥させる過程でバイオマス原料が焦げたり着火したりしてしまう問題があった。これは、改質炉から排出された排ガスが非常に高温であるためである。本実施形態のガス化システム３００は、排ガスＥ４を熱源として加熱した空気を乾燥用熱源として用いるため、上記の問題が解消されている。

なお、乾燥機３０１自体が乾燥用熱源を備える場合等は、第二熱交換器３０７を省略してもよい。

また、本実施形態のガス化システムは、改質炉として第１実施形態の改質炉１００を用いたが、第２実施形態の改質炉１０５を用いてもよい。

また、第一熱交換器３０６においては、スプレーノズル３１２、スプレーノズル３３５、スプレーノズル３３６およびスプレーノズル３３７を用いたが、水を散布する装置であれば、これらに限定されない。

以上の構成によれば、本実施形態のガス化システムは、水性ガスおよび活性炭の生産効率が高く、かつ連続操業が可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

２０…供給部、２１…供給路、２２…接触部、４１，４２…貯留部、１００，１０５…改質炉、１０１…内筒体（本体部）、１０２…外筒体（加熱部）、１０３…回転体、１２１…流路、１２４…投入部、１２５，１４６…内部空間、１４４…導入部、１４５…排出部、３００…ガス化システム、３０２…炭化炉、Ａ０，Ａ１…空気、Ｃ２…炭化物、Ｃ３…活性炭、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…水性ガス、Ｌ…液体、Ｖ１…水蒸気、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３…水

Claims (6)

1. 高温負圧下で炭化物と過熱蒸気とを反応させて水性ガスおよび活性炭を得る改質炉であって、
   内部空間を有する本体部と、
   前記内部空間に収容され、前記本体部の長尺方向に延在して配置された筒状の回転体と、
   前記内部空間を加熱する加熱部と、を備え、
   前記本体部は、前記内部空間に前記炭化物を投入可能に設けられた投入部と、
   前記改質炉の外部に少なくとも前記水性ガスを排出可能に設けられた排出部と、
   前記内部空間に前記過熱蒸気を導入可能に設けられた蒸気導入部と、
   前記内部空間に酸素成分を導入可能に設けられた酸素導入部と、有する改質炉。
2. 前記酸素導入部は、前記投入部の下方に設けられている請求項１に記載の改質炉。
3. 前記酸素導入部は、空気を導入可能に設けられている請求項１または２に記載の改質炉。
4. 前記内部空間に前記炭化物を供給する供給部を備え、
   前記供給部は、前記投入部に接続された供給路と、前記供給路の一部に設けられ、前記炭化物と水とを接触させる接触部と、を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の改質炉。
5. 高温負圧下で炭化物と過熱蒸気とを反応させて、水性ガスおよび活性炭を得る改質炉であって、
   内部空間を有する本体部と、
   前記内部空間に収容され、前記本体部の長尺方向に延在して配置された筒状の回転体と、
   前記内部空間に前記炭化物を供給する供給部と、
   前記内部空間を加熱する加熱部と、を備え、
   前記本体部は、前記内部空間に前記炭化物を投入可能に設けられた投入部と、
   前記改質炉の外部に少なくとも前記水性ガスを排出可能に設けられた排出部と、
   前記改質炉の外部に少なくとも前記活性炭を排出可能に設けられた活性炭排出部と、
   前記内部空間に前記過熱蒸気を導入可能に設けられた蒸気導入部と、を有し、
   前記供給部は、前記投入部に接続された供給路と、前記供給路の一部に設けられ、前記炭化物と水とを接触させる接触部と、を有する改質炉。
6. バイオマスを炭化させ、前記炭化物を得る炭化炉と、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の改質炉と、
   前記水性ガスと水とを接触させて前記水性ガスを冷却する熱交換部と、を備え、
   前記熱交換部は、筒状の部材であり、
   前記熱交換部の内部に前記水性ガスを導入可能に設けられたガス導入部と、
   前記熱交換部の内部に前記水を散布する水散布部と、
   前記熱交換部の外部に前記水性ガスを排出可能に設けられたガス排出部と、
   前記水を貯留可能に設けられた貯留部と、
   前記貯留部から前記水散布部に前記水を送液可能に設けられた流路と、を有し、
   前記水散布部の少なくとも一部は、前記ガス排出部の上流側に設けられているガス化システム。

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