JP2020105451A - バイオマス原料を用いたガス化炉 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマス原料を用い、装置の小型化が可能で、炉の壁面に灰分層が付着して処理されるバイオマス原料の流れを邪魔することなく、処理されるバイオマス原料の流れをスムーズとし、ガス化炉の壁を高温腐食から守りメンテナンスをできるだけ少なくすることができ、より効率的に還元ガスを生成できるガス化炉を提供する。【解決手段】ガス化炉は、投入されたバイオマス原料を密閉し、乾燥し高温状態で炭化させる炭化層と、炭化層で炭化されたバイオマス原料に酸化剤を酸化剤取込口から送り込んで燃焼ガスを発生させる燃焼部と、燃焼部の下方で、燃焼部からの燃焼ガスを還元ガスにして取り出す還元部を有し、さらに、ホッパー部の炉体下部ガス出口に傾斜拡大部が設置され、傾斜拡大部の上部とホッパーの下部内壁が灰分層堰止め部を形成するとともに、ガス化処理の際、傾斜拡大部の下方の一部が還元層に埋設されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス原料を用いたガス化炉に関し、より詳しくはバイオマス原料を用いて固定床ダウンドラフト式で還元ガスを効率よく生成させるガス化炉に関するものである。

バイオマス（再生可能な、生物由来の有機性資源で化石燃料を除いたもの）は、高い燃焼熱を持つことから古くからエネルギー源として利用されている。

バイオマスは、間伐材や未使用のままの林地残存材、廃棄木材等を利用することができ、このようなバイオマスは元々大気からの二酸化炭素を取り込んで生成したものであるため、燃焼させた場合では、化石燃料を燃やした場合と異なり、大気中の二酸化炭素濃度を増減させないカーボンニュートラルな資源である。このため、このようなカーボンニュートラルなバイオマスをより高効率な経済性にも優れたエネルギー源として利用する研究が進められている。

また、バイオマスは再生可能エネルギー源として持続可能な自然・社会の構想として極めて重要な意義を有している。このような背景を踏まえて、本出願人は、バイオマス資源を新しい社会へ基盤とすべく検討を行い、バイオマスをエネルギー利用の観点から、ガス成分、タール成分、炭化物成分を十分に分離できる高効率熱分解型のバイオマス燃料生成装置を提案している（特許文献１）。

この特許文献１に記載のバイオマス燃料生成装置は、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼炉と、間接加熱により有機物を発生ガスと炭化物に分離する熱分解炉とを備え、燃焼炉で発生させた燃焼ガスを熱分解炉に導き、バイオマス原料を間接加熱するものである。これにより、装置の小型化を図り、良質な炭化物や活性炭を得ることができるようにしている。

このバイオマス燃料生成装置では、活性炭等の炭化物を得る際に、高温の還元ガス（Ｈ_２、ＣＯ等）が放出され、その高温排熱を有効に回収したり、還元ガスを燃料として利用可能としていることも特徴とされている。ただ、現在はこの還元ガスについての利用は大型の設備によるものが主流として検討されている。

特許文献１に記載のバイオマス燃料生成装置は、活性炭を製造するのが主たる目的であり、活性炭の製造に際して高温の還元ガスが付随的に排出されるものである。したがって、利用価値の高い可燃性の高温還元ガスのみをより効率的に生成することができるガス化炉の実現が強く望まれている。

一方、バイオマス原料を用い、固定床で還元ガスを発生させるガス化炉として、固定床のガス化炉が知られている。この固定床のガス化炉には、バイオマス原料と空気、Ｏ_２等のガス化剤が同一方向に流れるダウンドラフト式と逆方向に流れるアップドラフト式のものがある。

ダウンドラフト式はガス化炉の上方又は中央から下方にガス化剤を流す方式である。ダウンドラフト式のガス化炉は、例えば炉内の上部から乾燥層（１００〜３００℃）、炭化層（５００〜６００℃）、燃焼層（１１００〜１３００℃）及び還元層（賦活層）（７００〜１０００℃）がそれぞれ形成される。

特許文献２には、小型化を図ったダウンドラフト式のガス化炉の一例が記載されている。特許文献２のガス化炉は、バイオマス原料に対し、ガス化剤として空気を上方から供給し、バイオマス原料と反応させ、乾燥部、炭化層、燃焼層及び還元層を形成させ、最終的にＨ_２やＣＯ等の還元ガス（可燃性ガス）を生成させている。そして、ガス化炉内でガスの温度差に起因して発生する自然対流によるガスの移動方向を炉内の温度を制御することにより、熱効率を向上させている。

しかしながら、特許文献２のガス化炉では、ガス化処理に際して発生する灰が炉の壁面に付着して灰分層が形成され、処理されるバイオマス原料が流れる流路が狭くなり、ガス発生効率が低下するため、頻繁に炉の壁面に付着した灰層を除去するメンテナンスを行う必要があった。

また、特許文献３には、ホッパーとしての役割を担う上部筒状部と、この上部筒状部の底部開口から連続する下部筒状部と、この下部筒状部を隙間をもって取り囲む筒状ケーシングを備えたダウンドラフト式ガス化炉が開示されている。このガス化炉では、下部筒状部の高さ方向筒状部には炉内を上下に仕切り、幅方向中央部に上部に貫通する通過孔が形成された仕切り板が設けられ、この仕切り板の上部に空気を炉内に吹き込む吹込口が形成されている。この吹込口からは空気とともに水蒸気が供給され、吹込口近傍に付着したクリンカ（焼塊）を除去できるようになっている。特許文献３のガス化炉では、吹込口よりも若干上側が炭化層（熱分解層）、吹込口から仕切り板に至る部分が燃焼層、その下側が還元層となっている。

しかしながら、特許文献３に記載のガス化炉も、ガス化処理に際して発生する灰が炉の壁面に付着して灰分層が形成され、炉壁に付着し、処理されるバイオマス原料が流れる流路が狭くなり、ガス発生効率が低下するため、頻繁に炉の壁面に付着した灰分層を除去するメンテナンスを行う必要があった。

特開２０１６−９４５９０号公報 特開２０１５−１１３４４０号公報 特開２００８−８１６３７号公報

バイオマス原料を用い、装置の小型化が可能で、炉の壁面に灰分層が付着して処理されるバイオマス原料の流れを邪魔することなく、処理されるバイオマス原料の流れをスムーズとし、灰分層を除去するメンテナンスをできるだけ少なくすることができ、より効率的に還元ガスを生成できるガス化炉が実現すると、地域資源の有効利用、良質な活性炭の製造、山間地等での分散型発電への適用等、農山村の振興に極めて役立つものと期待される。

本発明は、以上のような従来技術に鑑みてなされたもので、バイオマス原料を用い、装置の小型化が可能で、炉の壁面に灰分層が付着して処理されるバイオマス原料の流れを邪魔することなく、処理されるバイオマス原料の流れをスムーズとし、灰分層を除去するメンテナンスをできるだけ少なくすることができ、より効率的に還元ガスを生成できるガス化炉を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明のバイオマス原料を用いたガス化炉は、バイオマス原料を用いて固定床ダウンドラフト式で還元ガスを生成させるガス化炉において、上方にバイオマス原料を投入するための投入部を有し、下方が徐々に縮径し、底部が炉体下部ガス出口となっているホッパー部、及び前記ホッパー部の下方に設けられ、炭化層を収容する円筒体よりなるガス化炉ハウジングと、前記ホッパー部内で上側部分に位置し、前記投入部から投入された前記バイオマス原料を密閉し、乾燥し高温状態で炭化させる炭化層と、前記ホッパー部内で前記炭化層の下方に位置し、前記炭化層で炭化された前記バイオマス原料に空気を空気取込口から送り込んで燃焼ガスを発生させる燃焼層と、前記燃焼層の下方で、前記円筒体の内部に位置し、前記燃焼層からの前記燃焼ガスを還元ガスにして取り出す還元層を有し、さらに、前記ホッパー部の前記炉体下部ガス出口に傾斜拡大部が設置され、前記傾斜拡大部の上部と前記ホッパーの下部内壁が灰分層堰止め部を形成するとともに、ガス化処理の際、前記傾斜拡大部の下方の一部が前記還元層に埋設されるようになっていることを特徴とする。

また、本発明によれば、上記において、前記傾斜拡大部の入口に格子状又はリング状の枠材を嵌着ないし接合させたことを特徴とする。

また、本発明によれば、前記バイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを用いることを特徴とする燃料電池発電システムが提供される。

また、前記燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ燃料電池）であることが好ましい。

また、本発明によれば、前記バイオマス原料を用いたガス化炉に、生成した還元ガス中の不純物を除去する集塵器、及び前記還元ガスの温度を下げるための冷却器を介して接続し、前記還元ガスにより駆動させることを特徴とするエンジンが提供される。

さらに、本発明によれば、前記バイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを用いるエンジンを利用した発電システムが提供される。

本発明によれば、上記構成を採用したので、バイオマス原料を用い、装置の小型化が可能で、炉の壁面に灰分層が付着して処理されるバイオマス原料の流れを邪魔することなく、処理されるバイオマス原料の流れをスムーズとし、灰分層を除去するメンテナンスをできるだけ少なくすることができ、より効率的に還元ガスを生成できるガス化炉を提供することが可能となる。

また、本発明によれば、前記傾斜拡大部の入口に格子状又はリング状の枠材を嵌着ないし接合させることにより、傾斜拡大部の入口のところで灰分がとどまることなく、スムーズに下方に落下する上、前記入口部分の強度を強化させることができる。

また、炭化層の還元時に傾斜拡大部の下部が還元層に埋設されるため、還元層への炭化物が中央に片寄らずまんべんなく広がり、かつ還元剤である高熱水蒸気の供給が幅広く全体にゆきわたり、還元ガスがより効率よく生成できるようになる。また、この傾斜拡大部は、高熱による炉壁の溶融を防止する役割も行う。

また、本発明によれば、前記バイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを用いる燃料電池発電システムが提供される。

また、本発明によれば、前記バイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを用いるエンジン及びそのエンジンを利用した発電システムが提供される。

さらに、還元ガス生成で得られる活性炭や炭化物は燃料としても利用することができる。

これにより、バイオマス原料を用い、装置の小型化を可能とし、還元ガスを効率よく生成できるため、地域資源の有効利用、生成した還元ガスを燃料電池やエンジン、それを用いた発電機に利用することにより、山間地での分散型発電への適用等、農山村の振興に極めて役立つことができるガス化炉を実現することが可能となる。

本発明の一実施形態のバイオマス原料を用いて還元ガスを生成するガス化炉の構造を模式的に示す断面図である。 上記実施形態のバイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを用いる燃料電池発電システムの構造を模式的に示すブロック図である。 上記実施形態のバイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを用いるエンジン及びそのエンジンを利用した発電システムの構造を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態のバイオマス原料を用いたガス化炉について図１に示すブロック図により説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るガス化炉１は、コーン状の部分を下方に有するホッパー部２とその下方に設けられた円筒部３よりなるガス化炉ハウジング４を備える。ホッパー部２は、上部に、好ましくは角材状あるいはペレット状のバイオマス原料５を投入する投入部６が設けられ、この投入部６はバイオマス原料５を炭化する際には閉じられ、炉内は高温で酸素が少ない還元状態とされる。バイオマス原料５としては、間伐材や未使用のまま放置されている林地の木材等を用いることができる。ホッパー部２の上側は例えば円筒部２Ａとなっており、円筒部２Ａの下方は底部が、炉体下部ガス出口２Ｃが形成された漏斗状部２Ｂ（安息角４５〜６０度）となっている。漏斗状部２Ｂの下方の周囲には例えば４か所に空気やＯ_２等の酸化剤を炉内に取り込む酸化剤取込部７が設けられている。

ホッパー部２の内部には、ガス化処理時には、上から投入部６から投入されたバイオマス原料５を１００〜３００℃の温度で乾燥し、その下に炭化させる炭化層８と、更にその下に炭化層８で炭化された炭化物を酸化剤取込部７から取り込んだ空気やＯ_２等の酸化剤と反応させ、１１００〜１３００℃でＣＯ_２やＨ_２Ｏ等の燃焼ガスを発生させる燃焼層９が形成される。炭化層８は熱分解層であり、バイオマス原料５がＣＨ_４、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｃ（チャー（固体））、タール、灰分（固体）等に熱分解される。

また、ホッパー部２の下方に設けられた円筒部３の内部には還元層１０が形成され、燃焼層９から取り込んだ燃焼ガスは還元層ＣＯやＨ_２等の還元ガスを生成するようになっている。還元処理されたバイオマス原料５からは少し灰が残る。

ホッパー部２の漏斗状部２Ｂの下方にはＳＵＳ３０４等の高温に耐えられる耐熱性にすぐれた鋼等の材料からなる傾斜拡大部１１が接合により配設されている。この傾斜拡大部１１の上側部分は漏斗状部２Ｂの下方壁面２Ｂ−ａとの組み合わせにより灰分層堰止め保持部１２を形成している。この灰分層堰止め保持部１２は、炉内で生成した灰分が炉壁に付着して形成された灰分層を堰止めして保持し、炉体下部ガス出口２Ｃに灰分層を付着形成させない役割をするようになっている。このため、灰分層の付着形成により炉体下部ガス出口２Ｃが狭められることなく、処理されるバイオマス原料５はスムーズに下方の還元層１０に送られるようになる。また、この傾斜拡大部１１は高熱による炉壁の溶融を防ぐ役割も担っている。さらに、傾斜拡大部１１の上側の入口に格子状又はリング状の枠材Ｃを嵌着ないし接合させることにより、傾斜拡大部１１の入口のところで灰分がとどまることなく、スムーズに下方に落下する上、前記入口部分の強度を強化させることができる。ここで、格子状又はリング状の枠材Ｃを設けると、上記の効果に加え、次のような効果も得ることができる。例えばリング状の枠材の場合、棚になっている部分をボイラーの上板になるようにする。このようにすると、その棚状部で旋回流が発生し、炭層の完全燃焼をサポートすることができる。旋回流の発生をより効果的にするため、必要に応じ、補助給気口を設けてもよい。これらは、湿気ったバイオマス原料を燃やす場合や、点火しづらい条件のとき、あるいは急激に炉内の温度を上げたいときなどに用いることができる。安定的に燃えるようになると補助給気口は閉じる。また、格子状の枠材Ｃとすると、その格子状部分は、薪を収納する「燃焼カゴ」となり、旋回流はこの「燃焼カゴ」の回りをグルグル回転しながら、らせん状に炉内を上昇し、このようにすると、空気（酸素）と燃料の出会う機会が増え、より完全燃焼に近づく。

傾斜拡大部１１の下方の円筒体３に臨む部分は、還元ガスの生成処理の際に、漏斗状部２Ｂのかなり上方まで還元層１０内に埋設し、燃焼層９から取り込んだ炭化物を円筒部３内にまんべんなく広げるとともに、還元剤としてのＯ_２、あるいは空気を酸化剤取込部７から還元層１０に適切に幅広く供給できるようになっている。

円筒部３の底部近傍にはロストル（火格子）１３が設けられ、その上に還元反応を促進する炭化物が載置され、発生した灰等がロストル１３の下方に貯められ、必要に応じて溜まった灰を外部に取り出せるようになっている。

次に、上記実施形態のバイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを用いる燃料電池発電システムについて図２のブロック図を用いて説明する。

この実施形態の燃料電池発電システムとしては、燃料電池１３として、特にＳＯＦＣ燃料電池を用いた発電システムに適用することが好ましい。そしてその特徴は、上記の実施形態のガス化炉により高い効率で生成された還元ガスを利用することにある。ＳＯＦＣ燃料電池では、空気極（正極）に供給された酸素が電子を受け取り、酸化物イオンとなり、電解質（Ｚｒ系、Ｃｅ系等)中を酸化物イオンが空気極から燃料極(負極）に移動し、燃料極で水素や一酸化炭素が酸化物イオンと反応し、水、二酸化炭素が生成され、その際放出された電子によって発電される。ここでＳＯＦＣ電池そのものについて公知のものをはじめ改良、発展型の各種のものを利用することは言うまでもない。

次に、上記実施形態のバイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを利用したエンジン及びそのエンジンを利用した発電システムの構造を図３に示すブロック図を用いて説明する。

上記実施形態のバイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを用いてエンジン及びそのエンジンを利用した発電システムは、図３に示すように、ガス化炉１で生成した還元ガスを、不純物を除去するために集塵器１４、還元ガスの温度を下げるための冷却器１５を通してエンジン１６に供給することが好ましい。エンジン１６の前段では前記のガス化炉に供給される空気とは別途に空気を供給して、適切にエンジン１６で適切に点火爆発が行われるようにすることが好ましい。これらは公知の技術であり、例えば特許文献４を参照することができる。この例の特長はあくまで、上記実施形態で生成した効率の高い還元ガスを有効利用することにある。

次に、本実施形態のバイオマス原料を用いたガス化炉による還元ガスの生成方法について説明する。

本発明のバイオマス原料を用いたガス化炉は、還元ガスを生成する際に、図１に示すように、ガス化炉１の投入部６から、例えば角材状あるいはペレット状のバイオマス原料５を投入する。バイオマス原料５の投入後は、投入部６を閉じ、炉内を密閉状態にする。炉内上部は公知の手段により加熱されており、バイオマス原料５は、これにより蒸し焼き状態となり、乾燥炭化され、炭化層８が形成される。ここで、バイオマス原料５は、ＣＨ_４、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｃ（チャー（固体））、タール、灰分（固体）等に熱分解される。

次に、炭化状態とされたバイオマス原料５は下方に移動し、空気、Ｏ_２等の酸化剤が酸化剤取込部７から供給されるとともに、公知の加熱手段により１１００〜１３００℃で酸化、燃焼し、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等の燃焼ガスを生成する燃焼層９を形成する。

炭化層８及び燃焼層９の処理において灰分が発生し、炉壁に灰分層が付着形成されるが、この灰分層は傾斜拡大部１１と漏斗上部２Ｂにより形成される灰分層堰止め保持部１２により確実に保持され、炭化されたバイオマス原料５が流れる炉壁に付着して処理中のバイオマス原料５の流れを妨げることはない。

燃焼層９で酸化・燃焼したバイオマス原料５は、炉体下部ガス出口２Ｃを経て下方の円筒部３に収容されるが、この際、傾斜拡大部１１の拡大傾斜壁により円筒部３全体にまんべんなく広がって収容されるとともに、燃焼部９で発生したＨ_２Ｏが適切に拡散し、これにより、燃焼ガスは、ＣＯ、Ｈ_２の還元ガス（可燃性ガス）に変換される。そして、生成した還元ガスは、還元ガス排出口１０Ａから取り出される。還元ガス生成後のバイオマス原料５は活性炭、炭化物としてロストル１３上に残存し、適宜外部に取り出される。

取り出された還元ガスは、前述したように燃料電池、エンジン、発電機等に有効に利用することができる。

また、還元層に残存した活性炭、炭化物は燃料として有効に使用することができる。

１ ガス化炉
２ ホッパー部
２Ａ 円筒部
２Ｂ 漏斗状部
２Ｃ 炉体下部ガス出口
３ 円筒部
４ ガス化炉ハウジング
５ バイオマス原料
６ 投入部
７ 酸化剤取込部
８−１ 乾燥部
８−２ 炭化層
９ 燃焼層
１０ 還元層
１０Ａ 還元ガス排出口
１１ 傾斜拡大部
１２ 灰分層堰止め保持部
１３ ロストル（火格子）
Ｃ 格子状又は環状リング
１４ 燃料電池
１５ 集塵器
１６ 冷却器
１７ エンジン
１８ 発電機

Claims (6)

1. バイオマス原料を用いて固定床ダウンドラフト式で還元ガスを生成させるガス化炉において、
   上方にバイオマス原料を投入するための投入部を有し、下方が徐々に縮径し、底部が炉体下部ガス出口となっているホッパー部、及び前記ホッパー部の下方に設けられ、炭層を収容する円筒体よりなるガス化炉ハウジングと、
   前記ホッパー部内で上側部分に位置し、前記投入部から投入された前記バイオマス原料を密閉し、乾燥し高温状態で炭化させる炭化層と、
   前記ホッパー部内で前記炭化部の下方に位置し、前記炭化部で炭化された前記バイオマス原料に酸化剤を酸化剤取込口から送り込んで燃焼ガスを発生させる燃焼層と、
   前記燃焼層の下方で、前記円筒体の内部に位置し、前記燃焼層からの前記燃焼ガスを還元ガスにして取り出す還元層を有し、
   さらに、前記ホッパー部の前記炉体下部ガス出口に傾斜拡大部が設置され、前記傾斜拡大部の上部と前記ホッパーの下部内壁が灰分層堰止め部を形成するとともに、ガス化処理の際、前記傾斜拡大部の下方の一部が前記還元層に埋設されていることを特徴とするガス化炉。
2. 前記傾斜拡大部の入口に格子状又はリング状の枠材を嵌着ないし接合させたことを特徴とする請求項１に記載のガス化炉。
3. 請求項１又は２に記載の前記バイオマス原料を用いたガス化炉を用いて生成した還元ガスを用いることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ燃料電池）である請求項３に記載の燃料電池発電システム。
5. 請求項１又は２に記載の前記バイオマス原料を用いたガス化炉に、生成した還元ガス中の不純物を除去する集塵器、及び前記還元ガスの温度を下げるための冷却器を介して接続し、且つ直前に前記空気の供給とは別に空気の供給を行い、前記還元ガスにより駆動させることを特徴とするエンジン。
6. 請求項５に記載のエンジンを用いて発電を行うことを特徴とする発電機。

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