JP2024042722A - バイオマスガス化炉 - Google Patents

Abstract

【課題】品質の良い燃料ガスを効率的に生成可能で、かつコンパクトな構成で実現することができる、バイオマスガス化炉を提供する。【解決手段】バイオマスガス化炉１は、外筒１０と、外筒１０の内側に、下端２０ｂが外筒１０の下端１０ｂよりも上方に位置するように設けられた内筒２０と、外筒１０を外方から加熱する反応炉３０と、を備え、内筒２０の内側に、内筒２０の下端２０ｂから離間して設けられて、燃焼空気Ａを供給する燃焼空気供給部４０が設けられ、バイオマス原料Ｆは、外筒１０の下端１０ｂから内筒２０の内側の燃焼空気供給部４０より上の位置まで堆積した堆積部１００を形成するように、内筒２０の内側に上方から供給され、堆積部１００において燃料ガスＧが生成され、生成された燃料ガスＧは、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを通じて排出される。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマスガス化炉に関する。

バイオマス原料から生成した燃料ガスを燃料として、発電等を目的として使用することが行われている。燃料ガスは、バイオマス原料をバイオマスガス化炉で加熱してガス化することにより生成される。

このようなバイオマスガス化炉として、例えば特許文献１には、外熱式ロータリーキルン形式の熱分解部と、ガス化部とを備えたバイオマスガス化装置の構成が開示されている。熱分解部は、原料バイオマスを間接加熱して熱分解し、タール分を含む熱分解ガスとチャーを発生させる。ガス化部は、熱分解部から抽出されるタール分を含む熱分解ガスおよびチャーに対し、酸化ガスが導入されて、タール分を熱分解させるとともに、チャーをガス化させる。

特開２００７－１７７１０６号公報

特許文献１の構成においては、熱分解部とガス化部を実現するに際し、これらが独立した、個別の装置となるように構成されており、設備が大型なものとなる。
また、特許文献１の構成のガス化部においては、外部から熱が供給されないので、燃料ガスの生成が十分に促進されない可能性がある。このため、燃料ガスを生成する効率が高くない。特許文献１の構成において、ガス化部に熱を供給しようとすると、設備が更に大型なものとなってしまう。
また、ガス化部に外部から熱が供給されない状態においては、熱分解部で発生したタール成分を分解するために、より多量の酸素が必要となる。バイオマスガス化装置においては、生成される燃料ガスに一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ_２）が多く含まれるのが望ましい。しかし、多量の酸素を供給すると、これら一酸化炭素や水素が過剰な酸素（Ｏ_２）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）が生成され、燃料ガス中の一酸化炭素や水素の量が低減することがある。また、多量の酸素を供給することで、燃料ガス中の酸素の濃度が上がり、相対的に一酸化炭素や水素の濃度が下がる。このような理由で、燃料ガスの、単位体積当たりの保有熱量が下がり、燃料ガスの品質が低下する可能性がある。

本発明の目的は、品質の良い燃料ガスを効率的に生成可能で、かつコンパクトな構成で実現することができる、バイオマスガス化炉を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明のバイオマスガス化炉は、木質のバイオマス原料を加熱してガス化し、燃料ガスを生成する、バイオマスガス化炉であって、軸線が上下方向に延在するように設けられた外筒と、前記外筒の内側に、軸線が上下方向に延在し、下端が前記外筒の下端よりも上方に位置するように設けられた内筒と、前記外筒を外方から加熱する反応炉と、を備え、前記内筒の内側に、前記内筒の前記下端から離間して設けられて、燃焼空気を供給する燃焼空気供給部が設けられ、前記バイオマス原料は、前記外筒の前記下端から前記内筒の内側の前記燃焼空気供給部より上の位置まで堆積した堆積部を形成するように、前記内筒の内側に上方から供給され、前記堆積部において前記燃料ガスが生成され、生成された前記燃料ガスは、前記内筒と前記外筒の間の空間を通じて排出される。

本発明によれば、品質の良い燃料ガスを効率的に生成可能で、かつコンパクトな構成で実現することができる、バイオマスガス化炉を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係るバイオマスガス化炉の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明の実施形態に係るバイオマスガス化炉の構成を示す断面図を図１に示す。
バイオマスガス化炉１は、木質のバイオマス原料Ｆを加熱してガス化し、燃料ガスＧを生成する。バイオマスガス化炉１は、外筒１０と、内筒２０と、反応炉３０と、燃焼空気供給部４０と、燃料ガス調整剤供給部５０と、制御部８０と、を主に備えている。

外筒１０は、軸線Ｃが上下方向に延在するように設けられている。外筒１０は、軸線Ｃに沿って上下方向に延びる円筒状の筒状部１１と、筒状部１１の上端を閉塞する天板部１２と、筒状部１１の下端を閉塞する底板部１３と、を一体に備えている。

内筒２０は、外筒１０に対し、軸線Ｃを中心とした径方向の内側に間隔をあけて設けられている。内筒２０は、軸線Ｃが上下方向に延在するよう、円筒状に形成されている。これにより、外筒１０と内筒２０とは、同一の軸線Ｃを中心とした二重筒構造とされている。内筒２０の内側には、上下方向に延びる円柱状の内部空間Ｓ１が形成されている。内筒２０の下端２０ｂは、外筒１０の下端１０ｂよりも上方に位置するように設けられている。内筒２０の上部２０ｔは、外筒１０の天板部１２を貫通して上方に突出している。

内筒２０の上端には、上方に向けて開口する開口部２０ｈが形成されている。開口部２０ｈは、バイオマス原料Ｆの供給口である。バイオマスガス化炉１は、開口部２０ｈの上方に、コンベア等の、図示されないバイオマス原料供給部を備えている。バイオマス原料Ｆは、バイオマス原料供給部によって、開口部２０ｈの上方から、内筒２０の内側の内部空間Ｓ１に供給される。供給されたバイオマス原料Ｆは、外筒１０の下端１０ｂから内筒２０の下端２０ｂの間と、内筒２０の内側とにおいて堆積し、堆積部１００を形成する。

内筒２０の内側には、回転管４１が設けられている。回転管４１は、外筒１０と内筒２０と同一の軸線Ｃを中心として、軸線Ｃに沿って上下方向に筒状に延びるように設けられている。回転管４１の上部４１ｔは、内筒２０の下端２０ｂよりも上方に延びて、内筒２０の内側で終端している。回転管４１の上端は、天板部４１ｆにより閉塞されている。回転管４１の下端部４１ｂは、外筒１０の底板部１３を貫通して下方に突出している。回転管４１は、底板部１３の下方に設けられたモータ等を備えた回転機構（図示無し）により、軸線Ｃ周りの周方向に回転駆動される。

燃焼空気供給部４０は、回転管４１の上部４１ｔに形成されている。燃焼空気供給部４０は、内筒２０の内側に設けられている。燃焼空気供給部４０は、複数の空気流通孔４２を有している。複数の空気流通孔４２は、内筒２０の下端２０ｂから上方に離間して設けられている。複数の空気流通孔４２は、内筒２０の下端２０ｂよりも上方の部分に、回転管４１の内外を貫通するように形成されている。複数の空気流通孔４２は、回転管４１の側壁４１ｓに設けられている。回転管４１内には、外部から燃焼空気Ａが送り込まれる。燃焼空気供給部４０は、回転管４１内に送り込まれた燃焼空気Ａを、複数の空気流通孔４２から、軸線Ｃを中心とした径方向の外側の堆積部１００内に供給する。回転管４１を軸線Ｃ周りの周方向に回転させながら、燃焼空気供給部４０から燃焼空気Ａを吹き出すことで、堆積部１００内の全周にわたって、燃焼空気Ａを均等に供給することができる。
ここで、燃焼空気Ａとしては、純度の高い酸素（純酸素）を用いるのが好ましい。空気を燃焼空気Ａとして用いても良いが、空気に多く含まれる窒素が、バイオマスガス化炉１内に導入され、これが後に説明するような各種の反応に使用されずに、生成される燃料ガスＧに混ざることにより、燃料ガスＧが薄まってしまう。これに対し、燃焼空気Ａとして、各種の反応に使用される酸素の純度を高めることで、燃料ガスＧが薄まるのを抑えることができる。

内筒２０と外筒１０との間には、上方から見て円環状をなす空間Ｓが形成されている。この空間Ｓは、内筒２０の下端２０ｂから外筒１０の天板部１２まで、上下方向に連続して延びている。内筒２０の下端２０ｂより下に位置する、外筒１０内の底部には、上方から見て円形の底部空間Ｓ３が形成されている。底部空間Ｓ３は、内部空間Ｓ１、及び空間Ｓの下側に形成されている。内部空間Ｓ１と、空間Ｓとは、底部空間Ｓ３を介して互いに連通している。
内筒２０の内部空間Ｓ１において、堆積部１００から生成された燃料ガスＧは、後に説明するファン１７により吸引されることで、底部空間Ｓ３を介して外周側へと誘導され、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを上昇していく。

反応炉３０は、外筒１０を外方から加熱する。反応炉３０は、外筒１０の筒状部１１を、外筒１０の径方向の外方から取り囲むように形成されている。反応炉３０は、外周壁部３１と、上壁部３２と、底壁部３３と、を一体に有している。外周壁部３１は、外筒１０の筒状部１１に対して、間隔をあけて設けられている。外周壁部３１は、上下方向に延びる筒状に形成されている。外周壁部３１を上方から見た際の断面形状は、円形、楕円形、多角形状等、いかなる形状であってもよい。上壁部３２は、外筒１０の筒状部１１の上端よりも下方に配置されている。上壁部３２は、外周壁部３１の上端と、外筒１０の筒状部１１との間を上方から閉塞している。底壁部３３は、外筒１０の底板部１３と、ほぼ同じ高さに配置されている。底壁部３３は、外周壁部３１の下端と、外筒１０の筒状部１１との間を下方から閉塞している。反応炉３０の全体は、図示されない断熱材によって覆われた構成となっている。

反応炉３０は、流体入口３４と、流体出口３５と、を更に備えている。流体入口３４は、反応炉３０の下部に形成されている。流体入口３４は、反応炉３０の外部から供給される高温流体Ｈを、反応炉３０内に送り込むためのものである。高温流体Ｈとしては、例えば１０００℃以上のガスが用いられる。流体入口３４から反応炉３０内に送り込まれた高温流体Ｈは、外筒１０を外方から加熱する。外筒１０を加熱する高温流体Ｈの熱エネルギーは、輻射伝熱等により外筒１０から空間Ｓを通して内筒２０にも伝播し、内筒２０を外方から加熱する。流体出口３５は、反応炉３０の上部に形成されている。流体出口３５は、反応炉３０内に送り込まれた高温流体Ｈを、反応炉３０外に排出するためのものである。流体出口３５から排出される、反応処理に用いられた後の高温流体Ｈの余剰熱エネルギーは、例えば、適宜のボイラー、熱交換器等で利用することができる。

外筒１０は、燃料ガス排出部１５と、堆積物排出部１６と、を更に備えている。
燃料ガス排出部１５は、外筒１０の上側（上部）に、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓと外筒１０の外部とが連通するように形成されている。燃料ガス排出部１５は、空間Ｓ内の燃料ガスＧを、外筒１０の外部に排出する。燃料ガス排出部１５の外側には、ファン１７が設けられている。ファン１７は、モータ等の駆動源（図示無し）によって回転駆動される。ファン１７は、空間Ｓに負圧を生じさせて空間Ｓ内の燃料ガスＧを吸引し、燃料ガス排出部１５へと誘導するように設けられている。このような構成により、燃料ガスＧは、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを通じて排出される。より詳細には、燃料ガスＧは、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを、上方へと誘導された後に、排出される。
燃料ガス排出部１５は、外部のダクト（図示無し）に接続されている。燃料ガス排出部１５からダクトに排出された燃料ガスＧは、高温フィルタで除塵され、ガス冷却器で例えば４０℃以下に冷却される。冷却された燃料ガスＧは、内燃機関等の適宜の下流側設備へと供給される。

堆積物排出部１６は、外筒１０の下端１０ｂに設けられている。堆積物排出部１６は、外筒１０の底板部１３から斜め下方に延びる筒状をなしている。堆積物排出部１６は、上端開口１６ｈを有している。上端開口１６ｈは、底板部１３において、外筒１０内で上方に向けて開口している。堆積物排出部１６を介して、堆積部１００の下端に位置する堆積物Ｔが、排出物Ｚとして、外筒１０の外部に排出される。

バイオマスガス化炉１は、外筒１０内の下端（底部）に、排出促進部１８を備えている。排出促進部１８は、外筒１０内の下端（底部）に位置する堆積物Ｔを、堆積物排出部１６へと誘導し、堆積物排出部１６を通した堆積物Ｔの排出を促進させる。この排出促進部１８は、例えば、回転管４１の外周面に接合された旋回翼１９を有している。旋回翼１９は、回転管４１の外周面から、軸線Ｃを中心とした径方向の外側に延びている。旋回翼１９は、軸線Ｃを中心とした周方向に、複数枚（例えば４枚）が配置されている。後に説明するように、堆積物Ｔは、堆積部１００の下端においては、炭化して流動化した状態となっている。旋回翼１９は、回転管４１と一体に軸線Ｃ周りの周方向に回転することで、外筒１０内の底部で、流動化した状態となった堆積物Ｔを下方へと押し出す。下方へと押し出された堆積物Ｔは、上端開口１６ｈ及び堆積物排出部１６を通して、外筒１０の外部へと排出される。

燃料ガス調整剤供給部５０は、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓに、調整剤Ｖを供給する。燃料ガス調整剤供給部５０は、複数本の供給管５１を備えている。複数本の供給管５１は、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓに、軸線Ｃ周りの周方向に間隔をあけて配置されている。各供給管５１は、上下方向に延び、外筒１０の天板部１２を上方から下方に貫通して、空間Ｓ内に延びている。各供給管５１には、外筒１０の外部に設けられた調整剤供給源（図示無し）から、調整剤Ｖが送り込まれる。各供給管５１に送り込まれた調整剤Ｖは、供給管５１の下端から、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓに、上方から下方に向けて噴出される。
調整剤Ｖとしては、例えば、酸化剤と、燃料ガスＧの改質剤の、いずれか一方または双方が用いられる。酸化剤は、主に、空間Ｓ内の燃料ガスＧに含まれるタール成分の酸化を促進させる。酸化剤としては、燃焼空気供給部４０で供給されるのと同様の燃焼空気Ａを用いてもよい。燃料ガスＧの改質剤は、燃料ガスＧ中に含まれる一酸化炭素と水素の量を増やし、燃料ガスＧの品質を向上させる。改質剤としては、例えば、過熱蒸気を用いることができる。

制御部８０は、バイオマスガス化炉１の動作を制御する。バイオマスガス化炉１は、センサ８１を備えている。センサ８１は、内筒２０内の、堆積部１００の高さ、すなわち堆積部１００の上端の位置を検出する。制御部８０は、センサ８１で検出される堆積部１００の高さに基づいて、バイオマス原料供給部と排出促進部１８の動作を制御する。制御部８０は、センサ８１で検出される堆積部１００の高さが、燃焼空気供給部４０よりも上方に位置する所定の高さ閾値以下の場合には、排出促進部１８を停止させ、バイオマス原料供給部からバイオマス原料Ｆを供給する。制御部８０は、センサ８１で検出される堆積物Ｔの高さが、高さ閾値を越えた場合に、バイオマス原料供給部からのバイオマス原料Ｆの供給を停止し、排出促進部１８を稼働させる。

このようなバイオマスガス化炉１においては、バイオマス原料Ｆが、開口部２０ｈの上方から供給される。バイオマス原料Ｆは、例えば、枝葉、樹皮等の木質材料である。バイオマス原料Ｆは、バイオマスガス化炉１への供給に先立ち、細かく砕かれる。バイオマス原料Ｆは、開口部２０ｈから供給できるようであれば、どのような大きさのものであっても構わない。バイオマス原料Ｆは、粒状のものであれば、例えば一般的に製紙用として用いられる５０ｍｍ程度の粒径のものが用いられても構わない。ただし、バイオマス原料Ｆは、細かいほど全体の表面積が大きくなるため、燃料ガスＧの生成効率が高くなる。したがって、バイオマス原料Ｆは、例えば１０ｍｍ程度の粒径のものが最も多くなるような粒度分布とするのが好ましい。また、細長い形状の、いわゆるピンチップであれば、最大の長さが５０ｍｍ程度となるようにするのが好ましい。

開口部２０ｈから内筒２０の内側の内部空間Ｓ１に供給されたバイオマス原料Ｆは、外筒１０の下端１０ｂから内筒２０の下端２０ｂの間の底部空間Ｓ３と、内筒２０の内部空間Ｓ１と、において堆積し、堆積部１００を形成する。

堆積部１００は、外筒１０の底板部１３から、燃焼空気供給部４０の回転管４１の上端よりも上の位置まで堆積する。堆積部１００は、上方から下方に向かって、熱分解層１０１、酸化層１０２、還元層１０３の、異なる反応が行われる部分が、順次積層されるように形成されている。外筒１０内で堆積部１００の下端に位置する堆積物Ｔは、排出促進部１８によって堆積物排出部１６へと誘導され、外筒１０の外部に順次排出される。これにより、堆積部１００を形成する堆積物Ｔは、上方から下方へと順次下降（沈降）していく。これに伴って、堆積部１００の高さが低減すると、バイオマス原料供給部からバイオマス原料Ｆが供給される。このようにして、内筒２０の内側の内部空間Ｓ１に供給されたバイオマス原料Ｆは、熱分解層１０１、酸化層１０２、還元層１０３を順次経た後に、排出される。

内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓ、内筒２０の内側の内部空間Ｓ１、及び底部空間Ｓ３は、反応炉３０内に供給される、例えば１０００℃以上の高温流体Ｈの熱によって、加熱される。
熱分解層１０１は、堆積部１００の、燃焼空気供給部４０より上方の部分である。熱分解層１０１では、高温流体Ｈの熱が伝播することによって、バイオマス原料Ｆが、例えば４００℃程度に加熱されて、乾燥されつつ熱分解される。バイオマス原料Ｆが熱分解されることで、炭素（Ｃ）を含む生成物、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）等が生成される。炭素を含む生成物としては、例えば、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）等が生成される。
また、炭素を含む生成物は、高分子炭化水素であるタール成分を含む。タール成分は、冷却されて液化すると粘性を発現する。このため、バイオマスガス化炉１により生成される燃料ガスＧにタール成分が多量に含まれると、例えば燃料ガスＧを使用する後段の設備の機械駆動部にタール成分が付着することで、機械駆動部に動作不良が生じる可能性がある。したがって、燃料ガスＧに含まれるタール成分の量は、少ないほうが望ましい。

酸化層１０２は、熱分解層１０１の下側に形成されている。酸化層１０２は、上下方向において、燃焼空気供給部４０が設けられた部分を含んで形成されている。酸化層１０２では、堆積部１００に、燃焼空気供給部４０の複数の空気流通孔４２から燃焼空気Ａが供給される。熱分解層１０１における熱分解によって生成された各種成分は、堆積物Ｔが酸化層１０２を上方から下方に向かって沈降する過程で、この酸化層１０２を通過する。酸化層１０２において、各種成分の中の、タール成分等の、炭素を含む生成物は、供給された燃焼空気Ａ中の酸素により酸化反応を生じる。

タール成分等に含まれる炭素（Ｃ）は、酸化層１０２における酸化反応によって、下式（１）、（２）のような化学反応を生じる。

式（１）における反応では、炭素（Ｃ）が酸化されて二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成され、３９４（ｋＪ）の熱エネルギーが放出される。また、上式（２）における反応では、炭素（Ｃ）が酸化されて、可燃性の一酸化炭素（ＣＯ）が生成され、１２３（ｋＪ）の熱エネルギーが放出される。このようにして、酸化層１０２における酸化反応により、タール成分等の、炭素を含む生成物は、二酸化炭素、一酸化炭素といったガス状の成分に分解される。

また、酸化層１０２では、熱分解層で生成された水素（Ｈ_２）の酸化反応により、下式（３）のように、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が生成され、２８６（ｋＪ）の熱エネルギーが放出される。

酸化層１０２は、燃焼空気Ａとして供給される熱と、上式（１）～（３）の反応により放出される熱エネルギーとにより、例えば１２００℃程度の高熱となっている。

還元層１０３は、酸化層１０２の下側に形成されている。還元層１０３は、燃焼空気供給部４０よりも下方の部分に形成されている。還元層１０３においては、ガス化反応により、燃料ガスＧの主成分となる一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）が生成される。
還元層１０３では、酸化層１０２で反応されなかった炭素（Ｃ）成分が、酸化層１０２で生成された二酸化炭素により、下式（４）のように還元されて、可燃性の、一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。

また、還元層１０３では、酸化層１０２で反応されなかった炭素（Ｃ）成分が、酸化層１０２で生成された水蒸気や、バイオマス原料Ｆにもともと含まれていた水分等により、下式（５）のように還元されて、可燃性の、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）が生成される。

上式（５）における水蒸気（水）としては、燃料ガス調整剤供給部５０で調整剤Ｖとして過熱蒸気が供給される場合には、この過熱蒸気も使用され得る。
上式（４）、（５）は、熱を吸収する吸熱反応である。この吸収される熱は、酸化層１０２において放出される熱等により、補われる。

このように、バイオマス原料Ｆが、熱分解層１０１、酸化層１０２、還元層１０３を順次経ることで、燃料ガスＧが生成される。生成される燃料ガスＧは、上式（２）により酸化層１０２で得られる一酸化炭素（ＣＯ）、上式（４）、（５）により還元層１０３で得られる一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）を含んでいる。燃料ガスＧとしては、これらの可燃性を有する一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）が、より多く含まれるのが望ましい。

生成された燃料ガスＧは、堆積部１００の堆積物Ｔの下端部で、ファン１７により吸引されることで、径方向の外側へと誘導され、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを、下方から上方に向かって上昇していく。この過程で、燃料ガスＧは、反応炉３０からの熱によって、酸化層１０２における酸化反応と同様な、タール成分の分解や、還元層１０３における還元反応と同様な、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ_２）の生成等の反応が生じる。
内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓには、燃料ガス調整剤供給部５０の複数の供給管５１から、調整剤Ｖが送り込まれる。調整剤Ｖは、供給管５１の下端から、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓに、上方から下方に向けて噴出される。
調整剤Ｖとして、酸化剤が用いられた場合、空間Ｓ内を、下方から上方に向かって上昇する燃料ガスＧに含まれるタール成分と、酸化剤とが、上式（１）、（２）に示すような酸化反応を生じ、タール成分の分解が促進される。
また、調整剤Ｖとして、過熱蒸気（改質剤）として用いた場合、上式（５）に示すような反応によって、一酸化炭素、及び水素が生成される。これにより、燃料ガスＧ中に含まれる一酸化炭素と水素の量が増えるため、燃料ガスＧの品質が向上する。

熱分解層１０１、酸化層１０２、還元層１０３を順次経て、各層に応じた反応が行われた結果、堆積部１００の下端に位置する堆積物Ｔは、炭化して流動化した状態となっている。排出促進部１８は、流動化した状態となった堆積物Ｔを、下方へと押し出して、堆積物排出部１６を通して、外筒１０の外部へと排出する。
その結果、堆積部１００の全体が下降する。これを繰り返すことで、供給されたバイオマス原料Ｆは、熱分解層１０１、酸化層１０２、還元層１０３を順次経るように移動する。
堆積部１００の全体が下方へと移動すると、堆積部１００の高さが低くなる。センサ８１は、堆積部１００の高さを随時検出し、制御部８０は、堆積部１００の高さが所定の高さ閾値以下となると、排出促進部１８を停止させて堆積物Ｔの排出を停止するとともに、堆積部１００の高さが所定の高さ閾値以上となるまで、バイオマス原料供給部からバイオマス原料Ｆを供給する。制御部８０は、堆積部１００の高さが所定の高さ閾値を越えた場合に、バイオマス原料供給部からのバイオマス原料Ｆの供給を停止し、排出促進部１８を稼働させて、堆積物Ｔを排出する。

上述したようなバイオマスガス化炉１は、木質のバイオマス原料Ｆを加熱してガス化し、燃料ガスＧを生成する、バイオマスガス化炉１である。バイオマスガス化炉１は、軸線Ｃが上下方向に延在するように設けられた外筒１０と、外筒１０の内側に、軸線Ｃが上下方向に延在し、下端２０ｂが外筒１０の下端１０ｂよりも上方に位置するように設けられた内筒２０と、外筒１０を外方から加熱する反応炉３０と、を備えている。内筒２０の内側に、内筒２０の下端２０ｂから離間して設けられて、燃焼空気Ａを供給する燃焼空気供給部４０が設けられている。バイオマス原料Ｆは、外筒１０の下端１０ｂから、内筒２０の内側の燃焼空気供給部４０より上の位置まで堆積した堆積部１００を形成するように、内筒２０の内側に上方から供給され、この堆積部１００において燃料ガスＧが生成される。生成された燃料ガスＧは、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを通じて排出される。
このようなバイオマスガス化炉１によれば、バイオマス原料Ｆは、内筒２０の内側に、上方から供給される。供給されたバイオマス原料Ｆは、外筒１０の下端１０ｂから、内筒２０の内側の燃焼空気供給部４０より上の位置まで堆積して堆積部１００を形成する。ここで、堆積部１００には、外筒１０の外側に設けられた反応炉３０によって、十分な熱が供給される。その結果、堆積部１００の燃焼空気供給部４０より上方に位置する、バイオマス原料Ｆが供給されてから時間の経過が少ない部分においては、バイオマス原料Ｆが熱分解されて炭素を含む生成物や一酸化炭素、水素が生成される。熱分解においては、炭素を含む生成物として、タール成分も生成される。熱分解が行われる部分より下の、燃焼空気供給部４０が設けられた部分においては、燃焼空気供給部４０から供給される燃焼空気に含まれる酸素によって酸化反応が生じる。この酸化反応により、熱分解において生成された、タール成分等の、炭素を含む生成物が分解され、一酸化炭素、二酸化炭素、水等が生成される。そして、燃焼空気供給部４０より下方の部分においては、上記のようにして生成された二酸化炭素や水が還元される還元反応が生じる。この還元反応により、燃料ガスＧの主成分となる、一酸化炭素や水素が生成される。
上記のような反応が進行する堆積部１００は、主に内筒２０の内部に設けられる。内筒２０は、外筒１０を挟んで外側から、反応炉３０により加熱される。このため、内筒２０の内部の堆積部１００においては、燃料ガスＧを生成する効率が高まる。
また、堆積部１００が加熱されて反応の効率が高まるため、反応に必要となる酸素の量が抑えられる。したがって、燃焼空気供給部４０から供給する燃焼空気Ａの量を抑えることができる。これにより、生成される燃料ガスＧの主成分となる一酸化炭素や水素が、酸素と過剰に反応して失われることが抑制され、燃料ガスＧの質の低下を抑制可能である。
そして、生成された燃料ガスＧは、堆積部１００から、内筒２０の下端２０ｂと外筒１０の下端１０ｂの間を通った後、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを通じて排出される。この過程においても、外筒１０の外側に設けられた反応炉３０により燃料ガスＧが加熱される。これにより、燃料ガスＧ中のタール成分等の分解が促進され、燃料ガスＧの質がより向上する。
以上の効果が相乗し、品質の良い燃料ガスＧを、効率的に生成することができる。
また、内筒２０と外筒１０の二重筒構造とし、二重筒構造の内側で、燃料ガスＧを生成するための各種の反応の全てを行う構造となっている。このため、バイオマスガス化炉１の外部に、燃料ガスＧの生成に関する何らかの付加設備を設ける必要が特段になく、バイオマスガス化炉１の構成を、簡潔で、コンパクトなものとすることができる。
その結果、品質の良い燃料ガスＧを効率的に生成可能で、かつコンパクトな構成で実現することができる、バイオマスガス化炉１を提供することが可能となる。

一般に、バイオマス原料Ｆを燃焼させて燃料ガスＧを生成する方式は、部分燃焼ガス化方式と、外熱式ガス化方式の、２つに大別される。
部分燃焼ガス化方式は、容器内にバイオマス原料Ｆを設け、バイオマス原料Ｆの一部を燃焼させて、その熱によりガス化する方式である。部分燃焼ガス化方式においては、燃料ガスＧ内に含まれるタール成分が少なくなるが、バイオマス原料Ｆの自然による熱を利用するため、大きさや含有水分等の品質が整えられたバイオマス原料Ｆが必要となる。
外熱式ガス化方式は、容器内に設けられたバイオマス原料Ｆに外部から熱を加えて、ガス化する方式である。外熱式ガス化方式では、バイオマス原料Ｆの品質を問わず、単位体積当たりの保有熱量が高い燃料ガスＧを生成可能であるが、燃料ガスＧ内に含まれるタール成分が多くなる。また、外熱式ガス化方式においては、設備が大型化する傾向がある。
これに対し、本実施形態として説明したバイオマスガス化炉１においては、燃焼空気供給部４０からの熱によってバイオマス原料Ｆの内側から熱を加えるという部分燃焼ガス化方式の特徴と、反応炉３０からの熱によってバイオマス原料Ｆの外側から熱を加えるという外熱式ガス化方式の特徴と、の双方を、共に有するように構成されている。その結果として、上記のように、品質の良い燃料ガスＧを効率的に生成可能で、かつコンパクトな構成で実現することが可能となっている。

また、生成された燃料ガスＧは、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを、上方へと誘導された後に排出される。
このような構成においては、燃料ガスＧは、外部に排出されるに際し、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを、上方へと誘導される。このため、燃料ガスＧ中に煤や塵等の異物が混入していたとしても、異物は下方へと自然落下し、燃料ガスＧから異物が分離しやすくなる。これにより、燃料ガスＧへの異物の混入が抑制される。
また、燃料ガスＧは、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓを、上方へと誘導されるため、この際においても、燃料ガスＧは、外筒１０の外側に設けられた反応炉３０によって加熱される。これにより、燃料ガスＧがより長い時間加熱され、燃料ガスＧ中のタール成分等の分解が促進されるため、燃料ガスＧの質がより向上する。

また、バイオマスガス化炉１は、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓに、上方から下方に向けて、酸化剤と、燃料ガスＧの改質剤の、いずれか一方または双方を、調整剤Ｖとして供給する、燃料ガス調整剤供給部５０を更に備える。
このような構成により、燃料ガス調整剤供給部５０で、調整剤Ｖを、内筒２０と外筒１０の間の空間Ｓに上方から下方に向けて供給することで、空間Ｓ内を上方へと誘導される燃料ガスＧに含まれる異物が、燃料ガスＧとともに上昇するのを抑えることができる。このため、燃料ガスＧへの異物の混入を、より確実に抑制することができる。
また、調整剤が酸化剤である場合、燃料ガスＧ中のタール成分の、酸化による分解を促進することができる。また、調整剤が改質剤である場合、燃料ガスＧを改質し、燃料ガスＧの品質を高めることができる。

また、堆積部１００の、燃焼空気供給部４０より上方の部分は、バイオマス原料Ｆが熱分解される熱分解層１０１である。堆積部１００の、燃焼空気供給部４０が設けられた部分は、酸化反応により、熱分解により生成されたタール成分が分解される酸化層１０２である。堆積部１００の、燃焼空気供給部４０より下方の部分は、熱分解層１０１及び酸化層１０２で生成された二酸化炭素及び水蒸気が還元されて一酸化炭素及び水素を含む燃料ガスＧが生成される還元層１０３である。
このような構成により、バイオマス原料Ｆは、堆積部１００の熱分解層１０１で熱分解される。バイオマス原料Ｆが熱分解されることで生成されたタール成分は、熱分解層１０１の下側の酸化層１０２で、酸化反応により分解される。熱分解層１０１及び酸化層１０２では、二酸化炭素及び水蒸気が生成される。生成された二酸化炭素及び水蒸気から、酸化層１０２の下側の還元層１０３における還元反応により、一酸化炭素及び水素が生成される。これにより、一酸化炭素及び水素を含む燃料ガスＧが生成される。

また、バイオマスガス化炉１は、外筒１０の下端１０ｂに設けられて、堆積部１００の下端に位置する堆積物Ｔが排出される堆積物排出部１６と、外筒１０の下端１０ｂに設けられ、下端に位置する堆積物Ｔを堆積物排出部１６へと誘導し、排出を促進させる排出促進部１８と、を更に備える。
このような構成により、堆積部１００の下端に位置する堆積物Ｔは、排出促進部１８により、堆積物排出部１６へと誘導される。誘導された堆積物Ｔは、堆積物排出部１６から外筒１０の外部に排出される。これにより、堆積部１００の堆積物Ｔを、熱分解反応、酸化反応、還元反応を経ながら順次下方に沈降させていくことができる。

また、バイオマスガス化炉１は、堆積部１００の高さを検出するセンサ８１を備えている。また、バイオマスガス化炉１は、堆積部１００の高さが、燃焼空気供給部４０よりも上方に位置する高さ閾値以下の場合には、排出促進部１８を停止し、堆積部１００の高さが高さ閾値を越えた場合に、排出促進部１８を稼働させる、制御部８０を備えている。
このような構成により、堆積部１００の高さが、高さ閾値以下である場合には、排出促進部１８を停止することで、堆積部１００の高さが十分ではなく、燃料ガスＧの生成のための堆積物Ｔが不足している状態で、堆積物Ｔを堆積物排出部１６から排出してしまうことを抑えることができる。

このようにして、堆積部１００の高さが維持されるため、堆積部１００においては、常時、熱分解層１０１、酸化層１０２、還元層１０３が形成され、これらの各々において、途切れなく、対応する反応を随時進めることができる。

また、バイオマスガス化炉１は、外筒１０の上側に設けられて、上方へと誘導された燃料ガスＧを外部へと排出する燃料ガス排出部１５と、燃料ガス排出部１５の外側に設けられ、燃料ガスＧを燃料ガス排出部１５へと誘導するように設けられたファン１７と、を更に備える。
このような構成により、外筒１０内で上方へと誘導された燃料ガスＧは、燃料ガス排出部１５によって外筒１０の外部へと排出される。ファン１７により、燃料ガスＧを燃料ガス排出部１５へと誘導することで、燃料ガスＧの外部への排出を効率良く行うことができる。

また、内筒２０の内側に、軸線Ｃに沿って上下方向に筒状に延びるように、かつ軸線Ｃ周りの周方向に回転するように設けられた、回転管４１を備え、回転管４１の上端は閉塞され、燃焼空気供給部４０は、回転管４１の側壁４１ｓに、回転管４１の内外を連通するように形成された複数の空気流通孔４２を備え、燃焼空気Ａは、回転管４１内に外部から送り込まれて、複数の空気流通孔４２から、堆積部１００へと供給される。
このような構成によれば、軸線Ｃに沿って上下方向に筒状に延びるように、かつ軸線Ｃ周りの周方向に回転するように設けられた回転管４１の側壁４１ｓに、複数の空気流通孔４２が形成され、燃焼空気Ａは、複数の空気流通孔４２から、堆積部１００へと供給されるため、燃焼空気Ａを、燃焼空気供給部４０の周辺に、万遍なく、供給することができる。

また、複数の空気流通孔４２は、回転管４１の側壁４１ｓに形成されている。
複数の空気流通孔４２を、回転管４１の上端を閉塞する天板部４１ｆに設け、燃焼空気Ａを回転管４１から上方へ向けて供給すると、燃焼空気Ａの流れにより、熱分解層１０１と酸化層１０２の境界が乱れ、各層における反応が十分に行われない可能性がある。
これに対し、上記のような構成によれば、複数の空気流通孔４２は、回転管４１の側壁４１ｓに形成されているため、熱分解層１０１と酸化層１０２の境界が乱れることが抑制され、各層における反応を安定して行わせることができる。

１ バイオマスガス化炉
１０ 外筒
１０ｂ 下端
１５ 燃料ガス排出部
１６ 堆積物排出部
１７ ファン
１８ 排出促進部
２０ 内筒
２０ｂ 下端
３０ 反応炉
４０ 燃焼空気供給部
５０ 燃料ガス調整剤供給部
８０ 制御部
８１ センサ
１００ 堆積部
１０１ 熱分解層
１０２ 酸化層
１０３ 還元層
Ａ 燃焼空気
Ｃ 軸線
Ｆ バイオマス原料
Ｇ 燃料ガス
Ｓ 空間
Ｔ 堆積物
Ｖ 調整剤

Claims (7)

1. 木質のバイオマス原料を加熱してガス化し、燃料ガスを生成する、バイオマスガス化炉であって、
   軸線が上下方向に延在するように設けられた外筒と、
   前記外筒の内側に、軸線が上下方向に延在し、下端が前記外筒の下端よりも上方に位置するように設けられた内筒と、
   前記外筒を外方から加熱する反応炉と、
   を備え、
   前記内筒の内側に、前記内筒の前記下端から離間して設けられて、燃焼空気を供給する燃焼空気供給部が設けられ、
   前記バイオマス原料は、前記外筒の前記下端から前記内筒の内側の前記燃焼空気供給部より上の位置まで堆積した堆積部を形成するように、前記内筒の内側に上方から供給され、前記堆積部において前記燃料ガスが生成され、
   生成された前記燃料ガスは、前記内筒と前記外筒の間の空間を通じて排出される、バイオマスガス化炉。
2. 生成された前記燃料ガスは、前記内筒と前記外筒の間の前記空間を、上方へと誘導された後に排出される、請求項１に記載のバイオマスガス化炉。
3. 前記内筒と前記外筒の間の前記空間に、上方から下方に向けて、酸化剤と、前記燃料ガスの改質剤の、いずれか一方または双方を、調整剤として供給する、燃料ガス調整剤供給部を更に備える、請求項２に記載のバイオマスガス化炉。
4. 前記堆積部の、前記燃焼空気供給部より上方の部分は、前記バイオマス原料が熱分解される熱分解層であり、
   前記堆積部の、前記燃焼空気供給部が設けられた部分は、酸化反応により、熱分解により生成されたタール成分が分解される酸化層であり、
   前記堆積部の、前記燃焼空気供給部より下方の部分は、前記熱分解層及び前記酸化層で生成された二酸化炭素及び水蒸気が還元されて一酸化炭素及び水素を含む前記燃料ガスが生成される還元層である、請求項１から３のいずれか一項に記載のバイオマスガス化炉。
5. 前記外筒の前記下端に設けられて、前記堆積部の下端に位置する堆積物が排出される堆積物排出部と、
   前記外筒の前記下端に設けられ、前記下端に位置する前記堆積物を前記堆積物排出部へと誘導し、排出を促進させる排出促進部と、を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のバイオマスガス化炉。
6. 前記堆積部の高さを検出するセンサを備え、
   前記堆積部の前記高さが、前記燃焼空気供給部よりも上方に位置する高さ閾値以下の場合には、前記排出促進部を停止し、前記堆積部の前記高さが前記高さ閾値を越えた場合に、前記排出促進部を稼働させる、制御部を備えている、請求項５に記載のバイオマスガス化炉。
7. 前記外筒の上側に設けられて、上方へと誘導された前記燃料ガスを外部へと排出する燃料ガス排出部と、
   前記燃料ガス排出部の外側に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料ガス排出部へと誘導するように設けられたファンと、を更に備える請求項１から３のいずれか一項に記載のバイオマスガス化炉。
   

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