JP3913248B2 - バイオマスガス化炉 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスを有効利用してクリーンで高効率なガス化を行うことができるバイオマスガス化炉及びバイオマスガス化方法に関する。

一般にバイオマスとは、エネルギー源又は工業原料として利用することのできる生物体（例えば農業生産物又は副産物、木材、植物等）をいい、太陽エネルギー、空気、水、土壌等の作用により生成されるので、無限に再生可能である。

上記バイオマスを利用することで燃料及びメタノール等の製造が可能となる。また、廃棄物としてのバイオマスを処理できるので、環境の浄化にも役立つと共に、新規に生産されるバイオマスも光合成によりＣＯ₂ の固定により生育されるので、大気のＣＯ₂ を増加させない。

従来のバイオマスをアルコールに転換する方法としては、例えば発酵法や水熱分解法等が提案されているが、前者の発酵法は、糖分とでんぷん質しか原料とならず、発酵時間がかかるので大型で大容量の発酵タンクを設置する必要があると共に、後者の水熱分解法では高温・高圧・低収率、という問題がある。また、共に供給したバイオマスの残渣物が多く発生し、バイオマスの利用率が低いという問題もある。

一方、バイオマスをガス化する場合においては、例えば固定床或いは流動床等のガス化炉等を用いるようにしていたが、バイオマスの粒子の表面のみが反応し、内部まで均一に反応しないことにより、タールが発生し、生成したガス化ガスは、Ｈ₂ ，ＣＯが少ないため、効率的なメタノール合成の原料とならない、という問題がある。

また、上記発生したタールが炉内へ付着すると共に、後流側に設置する機器等への付着等が起こり、運転に不具合を来す、という問題がある。

そこで、従来においては、酸素を多量に供給することで高温で燃焼することとしたが、この場合部分的に１２００℃を超える高温域が形成され、バイオマスの燃焼により、大量のスートが発生してしまうという問題がある。

本発明は上記問題に鑑み、連続してバイオマスガス化に必要な水蒸気に与える高い熱量を効率よく得ることができるバイオマスガス化炉を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する第１の発明は、バイオマスを原料とし、ガス化により生成ガスを得るバイオマスガス化炉であって、バイオマスを供給する供給手段と水蒸気を供給する水蒸気供給手段と酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備えたガス化炉本体を少なくとも２基以上設けてなると共に、上記ガス化炉本体内に蓄熱材を充填又は側壁内面に貼付してなり、一方のガス化炉本体内にバイオマスと酸化剤とを供給して燃焼反応によりバイオマスを燃焼させ、蓄熱材で蓄熱すると共に、他方のガス化炉本体内に蓄熱材で蓄熱した熱により、水蒸気を高温化供給して、その高温水蒸気によるガス化を行ない、これらを交互に行なうことを特徴とする。

第２の発明は、バイオマスを原料とし、ガス化により生成ガスを得るバイオマスガス化炉であって、バイオマスを供給する供給手段と水蒸気を供給する水蒸気供給手段と酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備えた燃焼炉本体と、バイオマスを供給する供給手段と水蒸気を供給する水蒸気供給手段と酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備えたガス化炉本体と、上記燃焼炉本体と上記ガス化炉本体の内部に鉛直軸回りに回転自在に介在されてなる回転型熱交換器とを具備してなり、上記回転型熱交換器が一方の炉本体内での燃焼により発生した熱を蓄熱した後回転し、他方の炉本体内を加熱し、これらを交互に行なうことを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明に記載のバイオマスガス化炉でガス化したガスをガス精製するガス精製装置と、精製したガスを燃料として用いるガスタービンとを具備することを特徴とする。

第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかに記載のバイオマスガス化炉でガス化したガスをガス精製するガス精製装置と、精製したガス中のＨ₂ とＣＯよりメタノールを合成するメタノール合成装置とを具備することを特徴とする。

第１の発明によれば、バイオマスを原料とし、ガス化により生成ガスを得るバイオマスガス化炉であって、バイオマスを供給する供給手段と水蒸気を供給する水蒸気供給手段と酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備えたガス化炉本体を少なくとも２基以上設けてなると共に、上記ガス化炉本体内に蓄熱材を充填又は側壁内面に貼付してなり、一方のガス化炉本体内にバイオマスと酸化剤とを供給して燃焼反応によりバイオマスを燃焼させ、蓄熱材で蓄熱すると共に、他方のガス化炉本体内に蓄熱材で蓄熱した熱を放出し、水蒸気を供給して水蒸気によるガス化を行ない、これらを交互に行なうので、連続してバイオマスガス化に必要な水蒸気に与える高い熱量を効率よく得ることができる。

第２の発明によれば、バイオマスを原料とし、ガス化により生成ガスを得るバイオマスガス化炉であって、バイオマスを供給する供給手段と水蒸気を供給する水蒸気供給手段と酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備えた燃焼炉本体と、バイオマスを供給する供給手段と水蒸気を供給する水蒸気供給手段と酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備えたガス化炉本体と、上記燃焼炉本体と上記ガス化炉本体の内部に鉛直軸回りに回転自在に介在されてなる回転型熱交換器とを具備してなり、上記回転型熱交換器が一方の炉本体内での燃焼により発生した熱を蓄熱した後回転し、他方の炉本体内を加熱し、これらを交互に行なうので、バイオマスガス化に必要な水蒸気に与える高い熱量を効率よく得ることができる。

第３の発明によれば、第１または第２の発明に記載のバイオマスガス化炉でガス化したガスをガス精製するガス精製装置と、精製したガスを燃料として用いるガスタービンとを具備するので、バイオマスを有効利用してガスタービンを駆動することができる。

第４の発明によれば、第１乃至第３の発明の何れかに記載のバイオマスガス化炉でガス化したガスをガス精製するガス精製装置と、精製したガス中のＨ₂ とＣＯよりメタノールを合成するメタノール合成装置とを具備するので、効率的なメタノール合成が可能となる。

以下に、本発明に係るバイオマスガス化炉を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。
図１は本実施の形態にかかるバイオマスガス化炉の概略図である。
図１に示すように、本実施の形態にかかるバイオマスガス化炉１０は、高温下において水蒸気によるバイオマスの熱分解により生成ガスを得るものであって、炉頂部１１から所定粒径に粉砕したバイオマス１２を炉内部に供給する第１のバイオマス供給手段１３Ａ及び水蒸気１４を炉内部に供給する水蒸気供給手段１５を有する耐火材よりなるガス化炉本体１６と、該炉本体１６の周囲に設けられ、所定粒径に粉砕したバイオマス１２を炉内部に供給する第２のバイオマス供給手段１３Ｂ及び酸素又は空気等の酸化剤１７を炉内部に供給する酸化剤供給手段１８を有する流動床燃焼炉１９とを具備してなるものである。

また、炉本体１６の下部には、バイオマス中の灰２１の灰溜め部２２が形成されている。

また、炉本体１６の側壁下部側にはガス排出部２３が設けられており、バイオマスガス化により生成した生成ガス２４を後流側へ送り出している。

上記流動床炉１９内においては、供給手段１３Ｂにより供給されたバイオマス１２が対流しつつ均一に燃焼されるので、炉内燃焼温度が均一になり、該燃焼熱を内側に設けたガス化炉本体１６に均一に熱が与えられることになる。

上記ガス化炉本体１６内において、上部からガス化用バイオマス１２が供給手段１３Ａにより供給されており、同様に酸素が除かれた水蒸気１４が供給手段１５により供給されている。この結果、ガス化用バイオマス１２は、前記水蒸気１４と混合流動化しながら、前記流動床燃焼炉１９の燃焼の輻射熱により供給される熱で、熱分解ガス化されて生成ガス２４が生成される。

上記供給する酸素が除かれた水蒸気１４は、ガス化剤として機能し、４００〜６００°Ｃの過熱蒸気であることが好ましい。これにより、高温の蒸し焼き状態での熱分解ガス化が促進され、ＣＯ₂ の生成による弊害を抑制することができる。

前記反応は、一般に、バイオマス（Ｃm Ｈ₂ Ｏn ）を原料に水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）をガス化剤として、下記式（１）、（２）、（３）の反応が主体となる。

ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ →ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ ... 式（１）
Ｃ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ... 式（２）
Ｃ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ ... 式（３）

前記生成ガス２４により、メタノールを合成するためには、ＣＯ／Ｈ₂ のモル比を１／２とすることが好ましい。このために、上記式（１）、（２）、（３）の反応がスムーズに行われるように調整する必要がある。

その調整手段の１つとしては、前記ガス化炉本体１６内部の温度を、７００〜１０００°Ｃに制御することにある。前記ガス化炉本体１６内部温度の制御は、流動床燃焼炉に供給するバイオマス及び酸化剤の量、ガス化炉に供給する水蒸気の量および温度により、行われる。

生成ガス２４は、若干の飛散粒子と共に、排気部２３から熱交換器等を経て下流の装置、たとえば、メタノール合成装置（図示せず）に供給される。
一方、ガス化の熱供給源としての燃焼排ガス２５の余剰ガスは外部に排出される。

本実施の形態では、上記第１のバイオマス供給手段１３Ａ及び水蒸気供給手段１５は炉頂部に設けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、下方又は側方から供給するようにしてもよい。またその供給箇所は１ヵ所のみならずに複数箇所としてもよい。

ここで、本発明では、供給するバイオマス１２としては、生産又は廃棄されたバイオマスを粉砕・乾燥したものを供給するのが好ましい。
本発明でバイオマスとは、エネルギー源又は工業原料として利用することのできる生物資源（例えば農業生産物又は副産物、木材、植物等）をいい、例えばスイートソルガム，ネピアグラス，スピルリナ等を例示することができる。

本発明では、上記バイオマス１２の粉砕物の平均粒径（Ｄ）は、0.０５≦Ｄ≦５ｍｍとするのが好ましい。これは、平均粒径が0.０５ｍｍ以下であるとバイオマスの粉砕効率が悪くなり、好ましくないからである。一方、平均粒径が５ｍｍを超えた場合には、バイオマスの内部までに反応が促進せず、高効率のガス化が困難となるからである。

また、本発明では、バイオマスガス化炉１０に供給する水蒸気１４を炉頂部から供給しているが、本発明はこれに限定されず、下方側又は側方側から供給するようにしてもよい。
また、供給する箇所も１ヵ所に限定されず、複数の箇所から供給するようにしてもよい。

また、ガス化炉本体１６の炉内圧力は１〜３０気圧とするのが好ましい。
これは、メタノール（又はジメチルエーテル）合成に直結する場合には、８０気圧近傍が好ましいが、耐圧構造のガス化炉とする必要があり、製造費用が嵩み好ましくないからである。なお、３０気圧程度の場合には、空塔速度が低くなり、装置もコンパクト化でき、好ましい。

また、ガス化炉本体１６の炉内の空塔速度は0.１〜５ｍ／ｓのガス化条件とするのが好ましい。
これは、空塔速度は0.１ｍ／ｓ以下では反応部でのバイオマス堆積付着現象が懸念されるため、結果として反応熱分解が低下し、一方、５ｍ／ｓを超える場合には、熱分解が完全になされずに、良好なガス化ができないからである。
なお、粉砕バイオマスを好適に搬送するには、バイオマスの粒径を考慮に入れるとさらによく、特に好ましくは、バイオマスの平均粒径が0.１〜１ｍｍの場合には、空塔速度を0.４〜１ｍ／ｓとし、平均粒径が１〜５ｍｍの場合には、空塔速度を１〜５ｍ／ｓとするのが好ましい。

上記得られたガスはガス精製手段により精製した後、ガスタービン用の燃料ガスとして直接利用することが可能である。

また、ガス中のＨ₂ とＣＯガスの組成を調整することで、メタノール（又はジメチルエーテル）製造用のガスとして利用することも可能である。

［第２の実施の形態］
以下、得られた生成ガス２４をメタノール合成に利用するシステム１００について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、上記バイオマスガス化炉により生成した生成ガス２４を用いてメタノール合成を行うバイオマスのメタノール合成システム１００は、図１に示すバイオマスガス化炉１０内において発生したガス２４中の煤塵を除去する集塵装置１０１と、集塵後のガスを精製する精製装置１０２と、ガス中のＨ₂ とＣＯガスの組成を調整するＣＯシフト反応装置１０４と、ガスの圧力を向上させるブースタ装置１０５と、ガス中のＨ₂ とＣＯ₂ とからメタノール（ＣＨ₃ ＯＨ）を製造する（合成する）メタノール合成装置１０６と、排ガス１０７とメタノール１０８とに分離する気液分離装置１０９とを具備するものである。

ガス化炉１０内に供給されたバイオマス１２は、流動床炉１９により外側で均一に炉内を加熱することによりガス化炉１６内でのバイオマスのガス化の効率を向上させる。ここで発生したガス２４は、次いで集塵装置１０１で除塵された後、精製装置１０２へ導かれ、ここで冷却されると共に水蒸気を除去し、次いでＣＯシフト反応装置１０４でＨ₂ 量を増大させ、ブースタ装置１０５で圧力をメタノール合成の圧力まで向上させてメタノール合成装置１０６へ導かれ、ここで、メタノール１０８が製造される。その後、メタノール１０８と排ガス１０７とを分離する。
ここで、排ガス１０７にはＣＨ4 が残存しているので、再度ガス化炉本体１６に供給したり水蒸気を予過熱する熱源（燃料）などとして、再利用をするようにしてもよい。

なお、メタノールの回収率の向上のためには、余分なＣＯ₂ はシステム最終段階でアミン系湿式ＣＯ₂ 除去装置等のようなＣＯ₂ を除去するＣＯ₂ 除去装置（脱炭酸装置）１１０をブースター装置１０５とメタノール合成装置１０６との間に介装することにより、余分なＣＯ₂ を除去するようにしてもよい。

この結果、メタノール合成装置１０６に供給されるメタノール原料ガスは、余分なＣＯ₂ が除去され、ＣＯ、２Ｈ₂ のモル比率組成とすることができ、メタノール合成が効率よく進行し、供給したバイオマスを効率よくメタノールに合成することができる。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態を図３を用いて説明する。
なお、図１に示すガス化炉と同一部材については同符号を付して重複する説明は省略する。

本実施の形態にかかるバイオマスガス化炉３０は、炉頂部１１からバイオマス１２を供給するバイオマス供給手段１３Ａを備えたガス化炉本体３１と、ガス化炉本体３１の周囲に設けられ、バイオマス１２と酸化剤１７とを供給して燃焼させて該ガス化炉本体３１内部を加熱する加熱手段である燃焼炉３４と、該ガス化炉本体３１の側壁３１ａに複数の透孔３２を設けると共に、該側壁３１ａと燃焼炉３４との間に水蒸気１４を供給する水蒸気供給手段をガス化炉本体３１の下方側に設けてなるものである。

本実施の形態によれば、上記供給された水蒸気１４は燃焼炉３４の熱により高温水蒸気となり、ガス化炉本体３１内に供給されることで、ガス化炉本体３１の保護を図ると共に、内部に供給する水蒸気を高温側（好ましくは８００〜１０００℃）とすることができる。

これにより、第１の実施の形態の効果に加え、側壁３１ａの保護を図ることができ、耐久性が向上すると共に、該側壁３１ａの肉厚を薄くすることができる。

なお、本実施の形態ではガス化炉本体３１の側壁３１ａが燃焼炉３４との間に形成された隔壁として機能しているが、別途隔壁部を設け、当該隔壁部に水蒸気を供給して水蒸気加熱を行なうようにしてもよい。
また、燃焼炉３４は第１の実施の形態に示すような流動床加熱手段を用いるようにして、均一な熱を水蒸気１４に付与するようにしてもよい。

［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態を図４を用いて説明する。
なお、図１に示すガス化炉と同一部材については同符号を付して重複する説明は省略する。

本実施の形態にかかるバイオマスガス化炉４０は、バイオマス１２を供給する供給手段１３と水蒸気１４を供給する水蒸気供給手段１５Ａと酸化剤１７を供給する酸化剤供給手段１８とを備えた２基のガス化炉本体４１Ａ、４１Ｂとを設けてなり、上記ガス化炉本体４１Ａ，４１Ｂ内部に蓄熱材としてのセラミックボール４２が充填されている。
なお、ガス化炉本体４１Ａとガス化炉本体４１Ｂとは同一構成であるが、説明の都合上供給手段については一部省略している。

本実施の形態によれば、一方のガス化炉本体４１Ａ内にバイオマス１２と酸化剤１７とを供給して燃焼反応によりバイオマスを燃焼させて燃焼炉Ａとしていると共に、他方のガス化炉本体（該燃焼炉は既に蓄熱材４２が加熱により蓄熱されている）４１Ｂ内に水蒸気１４を供給して該水蒸気１４によるガス化を行ないガス化炉Ｂとしている。
蓄熱材であるセラミックボール４２はバイオマス燃焼により高温（好ましくは８００〜１０００℃）となり、高温水蒸気付与の熱媒体となる。
そして、これらを交互に行なうにより、第１の実施の形態と同様にバイオマスガス化に必要な水蒸気に与える高い熱量を効率よく得ることができる。

本実施の形態では蓄熱材としてセラミックボール４２を用いたが高い熱容量を蓄熱する媒体であればこれに限定されるものではない。
なお、セラミックボールの代わりに、蓄熱材をガス化炉本体の側壁内面に貼付するようにしてもよい。
また、ガス化炉本体は２以上設けて、これらを順にバイオマス燃焼させて蓄熱材を加熱して、順次高温水蒸気発生に寄与するようにしてもよい。

［第５の実施の形態］
本発明の第５の実施の形態を図５を用いて説明する。
なお、図１に示すガス化炉と同一部材については同符号を付して重複する説明は省略する。

本実施の形態にかかるバイオマスガス化炉５０は、バイオマス１２を供給するバイオマス供給手段１３と水蒸気１４を供給する水蒸気供給手段１５と酸化剤１７を供給する酸化剤供給手段１８とを備えた燃焼炉本体５１と、バイオマス１２を供給するバイオマス供給手段１３と水蒸気１４を供給する水蒸気供給手段１５と酸化剤１７を供給する酸化剤供給手段１８とを備えたガス化炉本体５２と、燃焼炉本体５１とガス化炉本体５２の内部に鉛直軸回りに回転自在に介在されてなる回転型熱交換器５３とを具備してなるものである。
本実施の形態では、上記回転型熱交換器は上下２ヵ所に設けているが、本発明はこれに限定されず、熱交換容量に応じて１ヵ所又は複数箇所に設けるようにしてもよい。

本実施の形態によれば、上記回転型熱交換器５３が燃焼炉本体５１内で、バイオマス１２の燃焼により発生した熱を蓄熱した後回転し、他方のガス化炉本体５２内を加熱し、バイオマスガス化に必要な高温水蒸気（好ましくは８００〜１０００℃）とすることができる。

そして、これらを交互に行なうにより、第１の実施の形態と同様にバイオマスガス化に必要な水蒸気に与える高い熱量を効率よく得ることができる。

第１の実施の形態にかかるバイオマスガス化炉の概略図である。 第２の実施の形態にかかるバイオマスガス化炉を用いたメタノール合成システムの概略図である。 第３の実施の形態にかかるバイオマスガス化炉の概略図である。 第４の実施の形態の他のバイオマスガス化炉の概略図である。 第５の実施の形態にかかるバイオマスガス化炉の概略図である。

符号の説明

１０ バイオマスガス化炉
１１ 頂部
１２ バイオマス
１３ バイオマス供給手段
１４ 水蒸気
１５ 水蒸気供給手段
１６ ガス化炉本体（炉本体）
１７ 燃焼酸化剤
１８ 燃焼酸化剤供給手段
１９ 流動床炉
２１ 燃焼残渣
２２ 灰溜め部
２４ 生成ガス
３０ バイオマスガス化炉
３１ ガス化炉本体
３２ 透孔
３３ 高温水蒸気
３４ 燃焼炉本体
４０ バイオマスガス化炉
４１ 炉本体
４２ セラミックボール
５０ バイオマスガス化炉
５１ 燃焼炉本体
５２ ガス化炉本体
５３ 回転型熱交換器
１００ バイオマスガス化システム
１０１ 集塵装置
１０２ 精製装置
１０３ スクラバ
１０４ ＣＯシフト反応装置
１０５ ブースタ装置
１０６ メタノール合成装置
１０７ 排ガス
１０８ メタノール
１０９ 蒸留装置
１１０ 脱炭酸装置

Claims (4)

1. バイオマスを原料とし、ガス化により生成ガスを得るバイオマスガス化炉であって、
   バイオマスを供給する供給手段と水蒸気を供給する水蒸気供給手段と酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備えたガス化炉本体を少なくとも２基以上設けてなると共に、
   上記ガス化炉本体内に蓄熱材を充填又は側壁内面に貼付してなり、
   一方のガス化炉本体内にバイオマスと酸化剤とを供給して燃焼反応によりバイオマスを燃焼させ、蓄熱材で蓄熱すると共に、他方のガス化炉本体内に蓄熱材で蓄熱した熱により、水蒸気を高温化供給して、その高温水蒸気によるガス化を行ない、これらを交互に行なうことを特徴とするバイオマスガス化炉。
2. バイオマスを原料とし、ガス化により生成ガスを得るバイオマスガス化炉であって、
   バイオマスを供給する供給手段と水蒸気を供給する水蒸気供給手段と酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備えた燃焼炉本体と、
   バイオマスを供給する供給手段と水蒸気を供給する水蒸気供給手段と酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備えたガス化炉本体と、
   上記燃焼炉本体と上記ガス化炉本体の内部に鉛直軸回りに回転自在に介在されてなる回転型熱交換器とを具備してなり、
   上記回転型熱交換器が一方の炉本体内での燃焼により発生した熱を蓄熱した後回転し、他方の炉本体内を加熱し、これらを交互に行なうことを特徴とするバイオマスガス化炉。
3. 請求項１または請求項２に記載のバイオマスガス化炉でガス化したガスをガス精製するガス精製装置と、精製したガスを燃料として用いるガスタービンとを具備することを特徴とするバイオマスのガス化システム。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載のバイオマスガス化炉でガス化したガスをガス精製するガス精製装置と、精製したガス中のＨ₂ とＣＯよりメタノールを合成するメタノール合成装置とを具備することを特徴とするバイオマスのメタノール合成システム。

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