JP3989838B2 - バイオマスガス化システムおよび方法 - Google Patents

Description

この発明は、破砕された樹皮、木材の切屑、鋸屑、スラッジおよび他の炭素質燃料または供給原料等のバイオマスから電力を生産するためのガス化システムに関する。特に、この発明は、循環が改善されかつシステム構成要素の侵食が減じられた平行な噴流床熱分解ユニットを動作する、改善された方法に関する。

遠隔地域、または大量の農業バイオマス廃棄物が生産される地域において電力を生産するのに有用なバイオマスガス化システムが開発されてきた。現在のバイオマスガス化システムは一般的に、バイオマス供給原料の残りをガス化するのに必要とされる熱を与えるために、バイオマス供給原料の一部分の燃焼に依存する。しかしながら、熱生成のために未処理のバイオマス流れの一部分を燃焼すると、ガス化装置システムの全体の効率を大いに減じる恐れがある。燃焼器において熱を生成するために、ガス化において生産される廃棄物の炭化質木炭を燃料源として利用することが有利であることも判明した。木炭は基本的にはガス化装置からの廃棄物であるので、燃焼器でこれを消費しても、システム効率に対する悪影響は、未処理のバイオマスの一部が燃焼器の燃料源として用いられるシステムで見られるよりも少ない。

フェルドマン（Feldmann）他に対する米国特許第４，８２８，５８１号は、低い流入ガス速度で動作する流動床ガス化装置において極めて高いバイオマススループットを用いて炭素質燃料から燃料グレードガスを生成するための、或る具体的なガス化装置システムを記載する。フェルドマン他に記載されるこのプロセスは、燃焼器を用いて流動化砂の床を加熱し、この流動化砂は、ガス化装置に運ばれて、加熱された砂がバイオマス原料の熱分解のための熱源として機能する。先行技術のシステムとは違って、フェルドマン他のシステムはガス化装置出口からの砂の流れにおける木炭の噴流に依存しており、これにより、０．５ｆｔ／ｓｅｃほどの有利に低い流入速度で動作しながら、５００から４４００ｌｂｓ／ｆｔ²−ｈｒのバイオマススループットがもたらされる。フェルドマン他のシステム
は、標準のガスだきボイラー／タービンシステムにおいて電力を生産するために燃料源として用いることのできる中間のＢＴＵガスの生産に適している。

このような流動床ガス化装置システムの使用に一般的に付随する問題のうちの１つに配管の侵食がある。この配管は、ガス化装置システム内で熱を移送するのに用いられる循環砂によるシステムを構成している。この問題は、システム配管における、循環砂が配管をひどく侵食する恐れのある屈曲部で特に深刻であることが判明した。深刻な場合には、この侵食によりガス化装置システムの寿命が短くなる恐れがあり、配管の突発的な故障に繋がるかも知れない。

砂が燃焼器からガス化装置への伝熱媒体として用いられる流動床システムにおいては、酸素含有ガスが燃焼器からガス化装置に漏れるのを最小限にするか、なくす必要がある。酸素によるガス化装置の汚染は、結果として、ガス化反応のＣＯおよびＨ₂最終生成物か
らの、二酸化炭素および水の不所望な形成に繋がり、ガス化の効率を下げることとなる。しかしながら、酸素がガス化装置に入るのを防ぐために気密シールを維持しつつ、燃焼器からガス化装置に砂を輸送しかつ戻し得る方法を開発することは、先行技術のシステムにおいては難しいことが判明した。

場合によっては、用いられる供給原料の性質に応じて、これら先行技術のシステムはまた、灰、砂および木炭の混合物の凝集、ならびにこれに続いて起こる、システムを通る流
れの遮断に起因する問題も経験してきた。ガス化装置システムの高い動作温度では、灰の少なくとも一部分の凝集は、灰の成分の部分的な融解によりもたらされるものである。灰、砂および木炭の混合物の凝集を減じるかまたはなくす方法を開発することが明らかに望ましい。

したがって、この発明の目的は、砂を平行な噴流床熱分解システムを通るよう流れさせ、これによりシステム構成要素の侵食を最小限にする、改善された方法を提供することである。

この発明の別の目的は、システムのガス化装置構成要素と燃焼器構成要素との間で気密シールを維持しつつ、流動床熱分解システムにおける砂および木炭の流れを可能にする、改善された方法を提供することである。

この発明のさらに別の目的は、流動床熱分解システムにおける、灰、砂および木炭の凝集を減ずるかまたは防ぐ、改善された方法を提供することである。

この発明に従ったプロセスシステムは、平行な噴流流動床ガス化装置システムの改善に関する。この発明の第１の局面は、平行な噴流流動床ガス化装置／燃焼器システムにおける灰の凝集を減ずるための方法に関する。炭素質供給原料には、ガス化装置燃焼器システムへの導入の前に、多量のＭｇＯが供給および補充される。ガス化しかつ燃焼させると、ＭｇＯは、結果として生じる灰の共融点を変えて融点を上げ、高温での部分的な灰の融解から生じる灰および砂の凝集を実質的に減ずる。

この発明の第２の局面は、流動化粒子配管システムにおける配管屈曲部での侵食を減ずるための装置および方法に関するものであり、配管屈曲部に位置付けられる、流動化粒子の一部を受取りかつ保持する砂滞留キャビティが利用される。保持された流動化粒子は除去可能な緩衝剤として機能して、壁に衝突する粒子の流れによる侵食から配管屈曲部の表面を保護する。

この発明の第３の局面は、第１の区画から第２の区画への砂および木炭の破片の流れを容易にしつつ、第１の区画と第２の区画との間のガスの流れを最小限にするための装置および方法に関する。サージャチャンバが、第１の区画から砂および木炭の破片の流れを受取るために設けられる。サージャチャンバは、砂および木炭の混合物をサージャチャンバの下方部分に沈積させるよう配置される流入ノズルを含む。出口は、ノズルが砂および木炭の混合物をサージャチャンバに沈積させる箇所の上方に配置され、このためこの出口は、サージャチャンバから第２の区画への砂および木炭の流れを重力により促進できるよう配置される。こうして、動作の際に、サージャチャンバは、流入ノズルと出口との間に配置される大量の流動化されない砂および木炭を維持するが、これは、第１の区画と第２の区画との間で実質的に耐ガスシールを維持するよう機能する。

平行な噴流床熱分解ユニットを動作する基本的な方法は、フェルドマンらの米国特許第４，８２８，５８１号に開示されるものと類似しており、すべてが記載されるかのように引用によりこの明細書中に十分に援用される。図１に示されるように、この発明のガス化装置システムＡは一般的にガス化装置２０および燃焼器２２を含み、これらガス化装置２０および燃焼器２２は、協動してバイオマスを熱および有用な中間のＢＴＵ生成ガスに転換する。燃焼器２２は、ガス化装置２０におけるバイオマスのガス化の後に残される残留
木炭を熱へ転換するよう動作する。燃焼器２２で生産される熱は、次いで、ガス化装置２０に移されてガス化反応を駆動する。これにより、ガス化反応を駆動するよう加熱するのに別個の燃料源を消費する必要性をなくすことによるシステム効率の向上が可能となる。

ガス化装置システムＡにおいて、供給原料ＡＡは初めに乾燥器３０の中に通され、ここでは同伴する水はいずれも蒸発して乾燥した供給原料ＢＢを作り出し、この乾燥した供給原料ＢＢは、ガス化装置１０への導入の前に、貯蔵のための貯蔵びん３２に送られる。

ガス化装置２０は標準の流動床ガス化装置であってもよく、この標準の流動床ガス化装置は、乾燥した供給原料ＢＢを受取り、酸素のない環境で熱にさらし、この供給原料を部分的に揮発させてＨ₂、ＣＯ、ＣＨ₄およびＣＯ₂の混合物を放出する。ガス化装置２０は
、燃焼器２２から受取る砂の流れＤＤまたは他の不活性流動化材料により加熱される。砂の流れＤＤは、ガス化装置２０の下方部分からガス分配器２４を介して、砂を通して蒸気ＣＣの流れを吹き込むことにより流動化される。供給原料の流れＢＢおよび砂の流れＤＤはともに、ガス分配器２４に近接するガス化装置２０に導入される。

ガス分配器２４は、流動床システムで最も一般的に用いられる多孔プレート型のガス分配器等の、従来の如何なる種類のものであってもよい。しかしながら、図２に示されるように、好ましい実施形態では、改善されたガス分配器２４はガス化装置２０の底部分に配置される複数のパイプを含み、各々のパイプは、空気を砂の床に注入してこの砂の床を流動化させるために、下向きに配置された注入ホール２６を有する。注入ホール２６が下方に向いていることより、混入物のいずれも床の流動化部分に吹き戻されることが確実となる。こうして、床の全体が流動化され、混入物が容器の底に溜まるのを防ぎ、砂を絶えず循環させることを確実にし、ガス化装置容器に低温の箇所が形成されるのを防ぐ。このことは、ガス化装置２０において休止箇所および不完全な循環をもたらし得る、より伝統的な多孔プレート型のガス分配器と比べると有利である。

供給原料ＢＢのガス化中に形成される木炭は、供給原料の一般的な大きさおよび形状を保持し、ガス化装置２０の出口から出てサイクロン分離器３６の中へと循環される点で、ガス化装置２０は循環床ガス化装置として動作する。サイクロン分離器３６は、ガス化装置２０から循環される噴流する砂および木炭を分離して、砂および木炭の流れＥＥ、ならびに生成ガスの流れＦＦを形成する。生成ガスの流れＦＦは少なくともＣＯおよびＨ₂を
含むが、投入供給物の流れＢＢの特性に応じて、種々の他のガスを含み得る。生成ガスの流れＦＦは熱回収ユニット３８およびスクラバ４０を通るよう指向されて、如何なる残留粒子または木炭をも除去し得る。ガス化装置２０は、本質的には、流動床ガス化装置上方での移送のための或る噴流ゾーンを有するハイブリッドである。

ガス化装置２０に酸素が漏れると、ガス化反応の効率を低下させ、生成ガスのＣＯ₂お
よびＨ₂Ｏへの不所望の燃焼を増やすこととなる。ガス化装置へのこのような酸素の漏れ
を防ぐために、燃焼器２２とガス化装置２０との間に実質的な気密シールを維持することが望ましい。このことは、ガス化装置サイクロン３６から燃焼器２２へと蓄積される砂および木炭の移動を可能にするサージャポット５６を用いることにより、幾分達成され得る。図３に示されるように、サージャポット５６は、砂および木炭を下方向へ、ガス化装置サイクロン３６からノズル６０を介してサージャチャンバ６２へと指向することにより機能する。砂は、蓄積すると、ノズル６０の出口の上方の高さにまでサージャチャンバ６２を満たし、その結果、砂の一部が重力により出口６４を通り燃焼器２２へと流れ込む。類似の第２のサージャポット５８は、加熱された砂の流れをガス化装置２０に戻すことができるように、燃焼器サイクロン分離器５２の下方に位置付けられる。これらのサージャポットを用いることにより、ガス化装置２０と燃焼器２２との間の、最小限のガスの交換での砂および木炭の移送が可能となる。

砂および木炭の流れＥＥはガス化装置サイクロン３６から燃焼器２２へ指向され、ここで、砂は再び流動化され、木炭は燃焼されて灰になり、砂をガス化装置２０へ再循環させる前に再加熱するための熱を与える。一般的には、燃焼器２２における砂は下方からの空気ＧＧの注入により流動化され、再び砂および灰の混合物を循環させ、このため砂および灰の混合物は、燃焼器２２の頂部領域における出口５０を通って出て燃焼器サイクロン分離器５２へ達し、そこでガス化装置２０への再循環のために砂が分離される。煙道ガスと灰との混合物ＨＨは、燃焼器分離器５２の頂部から出て、灰回収サイクロン５４に指向される。灰回収サイクロン５４は、灰の流れＪＪを煙道ガスの流れＫＫから分離する。好ましい実施形態では、灰は、次いで廃棄物として収集され、煙道ガスの流れＫＫは、未処理の供給原料ＡＡを乾燥させるために熱源として乾燥器３０に指向される。

ガス化装置システムＡは、再循環粒子相で、かつ、砂または他の再循環粒子相を流動化させるのに必要な範囲の流入ガス速度で動作する。たとえば、２０×５０メッシュの砂に対して０．８〜２ｆｔ／ｓｅｃの速度により、滑らかで安定した動作が可能となった。０．５〜７ｆｔ／ｓｅｃの速度が用いられ得る。ガス化装置システムＡは、反応器の断面積の１平方フィート当たりの乾燥バイオマスで３０００ｌｂｓ／ｈｒを超える木材供給速度で動作することが可能である。４４００ｌｂｓ−ｆｔ²／ｈｒのスループットが達成可能
であり、これよりさらに高くなる可能性がある。

低い流入ガス速度で高スループットの或る好ましい実施形態では、バイオマスガス化装置システムＡは、１００、好ましくは５００〜４４００ｌｂ／ｆｔ²−ｈｒのバイオマス
スループットで、しかし０．５−７ｆｔ／ｓｅｃの流入ガス速度で動作可能である。これらの低いガス流入速度はまた、混合した床原料の循環により生じる、ガス流入速度が高いシステムにおいて問題となる恐れのある侵食を減ずる役割を果たす。

図４に示されるように、ガス化装置システムＡの、砂を移送するのに利用される配管の侵食は、砂滞留キャビティ７０を有する急な屈曲部を介して相互接続される主としてまっすぐな配管を用いることにより最小限にすることができる。たとえば、現在の好ましい実施形態では、砂滞留キャビティ７０は、ガス化装置２０および燃焼器２２の両方の頂部に隣接して位置する９０度の急な配管屈曲部７２の配管で利用される。動作においては、砂は砂滞留キャビティ内に積もり、除去可能な緩衝剤７４として機能して、移動する砂の流体研磨を配管面から逸らす。砂が、配管面ではなく静止した砂の緩衝剤により逸らされているので、配管面の侵食が最小限にされる。一般的に、砂滞留キャビティ７０は配管の直径の約半分の深さであるべきである。砂滞留キャビティ７０が浅過ぎる場合、砂が砂滞留キャビティ７０内に蓄積せず、侵食が適切に減じられない。

この発明に従ってガス化装置を動作する方法は、一般的に７ｆｔ／ｓｅｃ未満のガス速度で流入ガスを導入して、ガス化装置２０における高平均密度の床を流動化させるステップを含む。高平均密度の床が、流入ガスＣＣにより、第１の空間領域において密度の高い流動床へと形成される。密度の高い流動床は、循環している、最初に加熱された比較的微粒かつ不活性な固形の床粒子の成分を含む。炭素質材料は、１００〜４４００ｌｂｓ／ｆｔ²−ｈｒの率で、さらに好ましくは５００〜４４００ｌｂｓ／ｆｔ²−ｈｒで、密度の高い流動床を備える第１の空間領域に投入され、炭素質材料の吸熱熱分解が、循環している加熱済みの不活性材料により達成されて、生成ガスを形成する。高密度の流動床に隣接した上方には、平均密度がより低い噴流空間領域が形成され、不活性固体粒子、木炭および炭素質材料が混入した混合物、ならびに生成ガスを含んでいる。驚くべきことに、木炭は、投入される供給原料と比較的同じ大きさおよび形状を維持する。これは結果として、木炭と砂の密度が異なるために、木炭と砂の比率がほぼ１対１となる。

混入した混合物は、次いで、ガス化装置２０の噴流空間領域からサイクロンなどの分離器３６に除去される。ここで、たとえば、不活性固体粒子、木炭および炭素質材料の混入した混合物が生成ガスから分離される。ガス化装置２０における炭素質材料の滞留時間は、典型的には平均して３分を超えない。最終的には、少なくとも不活性固体粒子は、不活性粒子を最初に加熱する燃焼器２２等の発熱反応ゾーンを通過した後に、第１の空間領域に戻される。発熱反応を容易にするためには、木炭を熱源として燃焼できるように、生成ガスのない噴流する混合物すべてに燃焼器２２を通らせることが有利となり得る。

この発明の好ましい実施形態のシステムにおいて、ガス化装置２０の下方端部における加熱された砂または他の比較的不活性な材料の流動床は、比較的高密度の領域を形成する。投入された木材または他の炭素質材料は、砂よりは軽いので、流動化砂の上で浮動する。木材が高温の砂によってガス化されると、砂、木炭および炭素質粒子の噴流領域がガス化装置２０の上方端部に生じる。

混入した木材の最高密度が検出されるのは、ガス化装置２０内の密度の高い流動ゾーンの頂部である。噴流する高温の砂は、混入した木材および木炭の中を循環する。炭素質粒子は、熱分解すると、流動床の上方に高速領域を形成するガスを生成する。床下方の低いガス流入速度にも拘らず、流動床上方のガス速度は、床から粒子を実際に除去するのに十分なほど速い。低い流入ガス速度で動作させることにより、反応容器における（平均して３分までの）長い滞留時間が達成され得るが、さらに、ガスを生成する炭素質材料の高スループットが流動領域上方に噴流領域を形成することも可能となる。

このシステムでは、固体は容器の頂部から除去され、また、床下方の低い流入ガス速度にも拘らず、噴流によりシステムから除去される。これは流動領域を用いる設計により可能となるが、この流動領域の上方には噴流領域があり、この噴流領域から不活性物質および木炭を含むすべての床粒子が除去される。噴流が、元の場所に生成されるガスのせいでいくらか発生し、反応容器を介して移動するガスの量に大いに影響を及ぼすが、一方で破壊的なスラッギングを防ぐ。

ガス化装置２０に供給される炭素質材料は、ガス化装置システムＡを１回通過する際に転換される利用可能な炭素のうち６０％を超える量を有し得る。炭素の残りを燃焼器２２において燃焼させて、熱分解反応のために熱を生成する。他の燃料を燃焼器２２で用いる場合、さらなる炭素をガス化装置２０で転換することができる。都市廃棄物等の湿った燃料では、炭素転換率は、ガス化装置２０の動作温度に応じて上下に変動する恐れがある。

ガス化装置２０に供給される流入ガスは、典型的には蒸気状の、再利用された生成ガス、燃焼副生成ガス、窒素等の不活性ガス、およびこれらの混合物であってもよい。この発明にとって好ましいガスは、蒸気および再利用された生成ガスである。不活性ガスまたは燃焼副生成ガス等の他のガスを加えると、この発明の効率性および利点が減じられる。同様に、空気または酸素が入ると、この発明の効率性および利点が減じられるので、好ましくない。

蒸気は便利なガスであるが、それは、比較的安く、分配される前に生成ガスから凝縮され得るからである。一方、窒素は、同じ炭素転換率および同じ生成ガス分配を可能にするものの、生成ガス中に希釈剤として残るのでその利用価値を減じる。空気または酸素は一般的には用いられないが、それは、供給物をガス化するのに必要とされる熱が高温の循環不活性固体により送り込まれるのに対して、いくつかの先行技術のシステムでは、酸素が木炭および生成ガスの一部を燃やして熱をもたらすからである。空気または酸素を用いると、生成ガスの利用価値が減少する傾向がある。

この発明では、混入した材料は、ガス化装置２０の頂部近くにある容器から出て、生成ガスを木炭、炭素質材料および不活性材料から分離するためにサイクロンまたは他の慣性沈殿装置３６に向かう。すべてのシステムの固体が混入されるが、燃料供給原料に不注意に導入された金属の屑等の不所望の混入物は取り除かれ、これに対しては別個の掃除口を設ける必要が生じるかも知れない。

この発明のシステムは、用途が広く、また、不活性材料を加熱するための、流動、噴流または非流動であれ、いずれの種類の燃焼器と組合せてもよい。不活性材料は、熱を加えるための燃焼器の発熱反応ゾーンの中を通ることにより加熱される。不活性材料とは、炭素質材料と比べて比較的不活性であることを意味すると理解され、砂、石灰石、および他の方解石、または酸化鉄等の酸化物を含み得る。これらの「比較的不活性材料」のいくつかは、実際に反応体または触媒剤として関与することがあり、このため「比較的不活性」とは、炭素質材料との比較として用いられ、この明細書では、希ガスに通常適用されるような厳密または純粋な定性的な化学的意義では用いられない。たとえば、石炭のガス化においては、石灰石は、硫酸塩の排出を減ずるよう硫黄を補足するための手段として有用である。石灰石はまた、ガス化装置２０におけるタールの接触分解においても有用であり得る。

他の有用な材料がまた、システム動作を改善するためにガス化装置供給原料に加えられてもよい。たとえば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を供給原料に加えることにより、ガス化装置システムＡにおける灰、砂および木炭の凝集を減じ得ることが判明した。この凝集は一般的には、燃焼器２０に存在する高温での灰の部分的な融解によりもたらされ、さらに、灰、砂およびいずれの残留木炭が、流動化システムにおいて流れを妨げる恐れのある流動化できない塊に引続き凝集する結果である。先行技術のシステムでは、酸化カルシウム（ＣａＯ）およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）が、灰を希釈することにより灰の凝集を減少させるために加えられた。しかしながら、ＭｇＯを加えると凝集を減じるのにさらに有効であることが判明した。ＭｇＯが存在することで、灰の混合物の低温の共融点が化学的に変更され、融点が上がり、融解による灰の凝集を効果的に減ずる。当業者は、灰混合物の低温の共融点を変更してその融点を上げる他の材料がまたこの発明においても有用であり得ることを認める筈である。好ましくは、ＭｇＯは、この発明の供給原料に、ある重量％で、または１％から２５％の間の供給原料重量で加えられる。さらに好ましくは少なくとも２％、より好ましくは２％から１０％のＭｇＯが、この発明に従って供給原料に加えられて凝集を減ずる。

実施例１：
雑種ポプラおよびスイッチグラスが、この発明のガス化システムで用いるために高成長種の供給原料としてテストされた。これら高成長種の供給原料は結果として、ガス化システムの動作を困難にし得る灰の成分となる。高成長種は一般的にその灰において或る成分を凝縮すると仮定されている。これらは、灰の分析においてそれぞれアルカリおよびアルカリ土類酸化物として検出される、より溶けやすい可溶性アルカリおよびアルカリ土類元素により示される。雑種ポプラおよびスイッチグラスの灰が分析されると、表１に示されるように、テストされた先の木材供給原料に比べて、高レベルのカリウムおよびリン、ならびにより高レベルおよびより低レベルの両方のシリカが検出された。

雑種ポプラの供給原料での最初のテストのうち２つのテストを行なっている間、ある安定性がガス化装置システムにおける砂の循環において認められた。この安定性は、融点が低い灰の成分、または砂粒子の表面上の灰酸化物の反応により生じる灰の凝集物を形成するように燃焼器の砂の床において凝集した結果であると決定した。灰の凝集物は、凝集が緩く、接触すると室温で容易に分解された。雑種ポプラ灰の分析の検討により、この灰が９５．０％の塩基性酸化物であることが示された。したがって、１つの起こり得る凝集のメカニズムは、塩基性灰による酸性の床原料（ＳｉＯ₂）の溶融であろう。しかしながら
、（以下に説明される）ＤＴＡテストにおける灰−ＣａＯ混合物の凝集は、凝集の原因となる可能性のあるものとして、砂床の灰の溶融を除外している。

融点が低い種類の存在は、報告されているすべて２７００Ｆを超える灰の融解温度と矛盾していると初め考えられていた。しかしながら、たとえばカリウムを含むいくつかの種類は、分析的な灰化プロセス中に揮発されていたかも知れず、このため報告されている灰の融解値はカリウムのない灰を示す可能性のあることがわかった。

ガス化装置システムのテスト中に形成される灰の凝集物が、走査型電子顕微鏡試験のために提示された。顕微鏡による試験では、砂粒子が、融点が低い原料と接着していたことが明らかとなった。次いで、これらのサンプルが、問題となる材料を識別するために電子顕微鏡によって分析された。この分析により、砂粒子間の「接着剤」が、６７．７４％のＳｉＯ₂、１６．１％のＫ₂Ｏ、０．６％のＣａＯ、５．４７％のＴｉＯ₂、および１０．
１％のＦｅ₂Ｏ₃からなることが示された。同様に、粒子を覆う表面の分析では、略比率が同じである同様の種類が示された。これらの分析の結果により、融解した材料には硫黄または塩素が含まれないことが示された。バイオマス種からの灰の凝集についての今までの研究のほとんどは、砂床の凝集の主要な原因として、硫黄の存在と、結果として生じる融
点が低い硫酸塩の形成とに焦点が当てられていた。マイクロプローブ分析に基づきこの発明のシステムの燃焼器で見出される凝集は、硫酸塩の形成により生じたものではないが、アルカリ珪酸塩等の化合物の形成から結果として生じるものと思われる。

灰の性質を評価するために、追加のテストが示差熱分析装置（ＤＴＡ）で行なわれた。ＤＴＡを用いて、灰成分が床材料と反応することおよび／または灰自体内で反応することにより形成される化合物の融解によって生じる吸熱量を識別する。典型的なＤＴＡ曲線が図５〜図９に示される。これらの図には、２つの主要な吸熱のピークがサンプルの各々に存在していることが示され、およそ５００Ｃおよび７７０Ｃで、木材の灰のみまたは砂および木材の灰を５０／５０の混合物（それぞれ、図５および図６）に対して融解が発生することを示唆している。

約７７０Ｃでの強い吸熱は、材料が単一の明確な化合物であり得るか、または二成分系および／または三成分系化合物において形成される共融混合物であり得ることを示唆する。灰の分析と一致する、融点が７７０Ｃ近くの化合物は、カリウム、リン、カルシウムおよびシリカ、さらにことによると硫黄を含む化合物であり得る。電子プローブの結果では硫黄が除外されるが、チタンおよび鉄を含み得ることが示唆される。ＫＣｌの融点は７７６Ｃであり、昇華性である。しかしながら、元素分析（表１）では、木材における低レベルの塩素（０．０１％）が報告されている。ＫＣｌが灰に存在する場合、（２７００Ｆより上で留まる）灰の融解温度に影響を与えるであろう。メタリン酸カリウム（ＫＰＯ₃）
の融点は８０７Ｃであり、４ケイ酸カリウム（無水）の融点は７７０Ｃである。これらはともに凝集の一因となり得る。

この非常に単純な方策を組合せると、共融混合物が、Ｋ₂Ｏ、ＳｉＯ₂等の二元系酸化物および三元系酸化物と、他の酸化物のうちの１つとの間に存在する可能性がより高くなる。このＳｉＯ₂−Ｋ₂Ｏ５ｉＯ₂系についての相状態図（図１０）によると、化合物無水４
ケイ酸カリウム（Ｋ₂Ｏ４ＳＩＯ₂ または Ｋ₂ＳｉＯ₉，７８％ＳｉＯ₂−２２％Ｋ₂Ｏ）に対する７７０Ｃの明確な融点と比べて、或る共融混合物はＳｉＯ₂が約６８％、Ｋ₂Ｏが約３２％で存在し、その融点が約７５０Ｃであることが示唆される。或る共融混合物は、ＫＰＯ₃Ｋ₄Ｐ₂Ｏ₅系に存在し得、その融点は６１３Ｃである。

燃焼器の流動化砂の床における酸化物としてのカリウムがたくさんたくわえられているので、特に雑種ポプラの灰の場合には、Ｋ₂ＯとＳｉＯ₂との間に局所的な反応が発生して、砂（ＳｉＯ₂）粒子の表面上の共融混合物に繋がる化合物を形成する可能性がある。Ｓ
ｉＯ₂におけるＫ₂Ｏの濃度勾配が、砂粒子を囲む層において起こり得る。

４ケイ酸カリウムまたは関連する共融混合物が問題となる場合、床における凝集を防ぐために、ケイ酸カリウムの形成を防止するか、または形成後に珪酸塩を変換させなければならない。他の種類の木材の灰との直接比較として、ＤＴＡテストがパイン材の灰で行なわれた。図７に示されるように、この曲線は、恐らくはパイン材の灰における低レベルのＫ₂Ｏのせいで、ポプラ材の灰ほど吸熱が激しくないことを示している。加えて、この材
料はサンプルのカップから取り除かれると凝集されなかった。

先の実験では、カオリン粘土等の添加剤およびＣａＯを加えることにより、灰が砂の床を凝集する傾向を減じ得ることが示された。こうして、これらの物質は、ＤＴＡにおいて、木材の灰のみか、または木材の灰と床の砂との１：１の混合物のどちらかでテストされた。これらのテストおよびその結果は表２に一覧で示される。カオリン粘土は、図８に７８０Ｃで持続して存在するピークにより示される凝集と、凝集物の形成とを防ぐには効果的ではなかった。したがって、ケイ酸カリウムの形成に対する反応率は、凝集を防ぐ手段として、カリウムが（アルミナ等の）別の酸性酸化物と結合することを効果的に防ぐのに
十分なほど高い。床の材料として、塩基性酸化物を砂の代わりに用いることにより、融点の低い珪酸塩の形成を灰自体の成分により形成され得る程度に制限するための手段が提供される。雑種ポプラの灰の場合、灰におけるシリカの低い濃度により、灰において形成できる珪酸塩の量が制限される。しかしながら、床の砂のせいで、形成し得る珪酸塩のレベルは依然として問題となるおそれがある。

表２にまとめられるＤＴＡテストでは、ＣａＯは吸熱のピークにあまり影響を及ぼさな
かったが、テスト後のサンプルの物理的な検査では、灰だけの場合または灰と砂との混合物の場合ほど凝集が激しくなかったことが示された。驚くべきことに、マグネシア（ＭｇＯ）を添加すると、凝集が実質的に減じられ、さらに灰および砂と比べて、ＣａＯの有無に拘らず、図９に示される吸熱のピークが下がることが判明した。このプログラム段階中の残りのすべてのテストでは、燃焼器床における凝集を制御するためにＭｇＯの同時供給が行なわれた。

ＭｇＯが、供給材料における灰の組成とほぼ等しい割合で、または木材供給率の約２％で添加された。ＭｇＯの最低添加率のパラメータ評価は行なわれなかったが、凝集を制御するのに、定性的には２％の添加レベルが適切であった。ＭｇＯを燃焼器の床に添加する際、燃焼温度はテスト中制限されなかった。

動作中に起こる凝集の問題を最小限にするためにＭｇＯの有効性の検査が長期間にわたり行なわれた。長期間のテストの開始時には、ＭｇＯ供給は、先のテスト中よりも僅かに低いレベルである２５ｌｂ／ｈｒで保たれた。しかしながら、このより低いＭｇＯレベルでの供給の４時間後に、凝集がいくらか発生したことを示す性能の低下が認められた。ＭｇＯ供給を増やして先の３５ｌｂ／ｈｒのレベルにまで戻すことにより、凝集が止まり、滑らかな動作が回復した。このテストの終わり近くで、ＭｇＯ供給器モータが短期間動かなくなり、これにより再び床にいくらかの凝集が起こった。ＭｇＯ供給が回復すると、凝集の兆候がなくなり、滑らかな動作が続いた。

Ｋ₂ＯＳｉＯ₂系においてＭｇＯが融点に与える影響を支持する情報が文献中に存在する。５モル％レベルでのＫ₂ＯＭｇＯＳｉＯ₂系についての三成分図（図１０）を調べてみると、Ｋ₂Ｏ−ＳｉＯ₂系の７７０Ｃ以下の融点が９００Ｃ〜１０００Ｃへ上昇することが示唆されている。

循環砂の床におけるカリウム含有量が、雑種ポプラおよびスイッチグラスでの各々のテストの終わりに測定された。これらの個々の分析の結果は、図１１および図１２に図示される。この曲線により、Ｘ軸上の供給原料の累積量対床成分が示される。図示のとおり、カリウム含有量は、燃焼器床においては、雑種ポプラの場合は約０．６％で、スイッチグラスの場合は約０．５％で安定する。この安定化は、燃焼器の床においてＭｇＯ洗浄と砂の補給との組合せにより発生する。両方の場合、テストの終わりでのＭｇＯの最大濃度は約３．５％である。床におけるＭｇＯのこのようなレベルにより、商業用のガス化設備において凝集を制御するための適度な目標濃度が提供される。他の種々の木材供給原料での先のテストでは、高成長の材料だけが、灰におけるそのさらに少ないカリウムのせいでこのようなＭｇＯの追加を必要とすることが示される。図１５に示されるこの「一時的低下」は、テスト手順中の大量の砂の補給を反映している。

このように、この発明の目的が十分かつ効果的に達成されたことが認められるだろう。しかしながら、以上の好ましい特定の実施形態は、この発明の目的のために図示および記載され、このような原理から逸脱することなく変更され得ることが理解されるだろう。したがって、この発明は添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に包含されるすべての変形を含む。

この発明の或る好ましい実施形態に従った、プロセスにおいて有用なガス化装置システムを示すブロック図である。 この発明の或る好ましい実施形態に従ったガス分配器を示す図である。 図１のガス化装置システムのガス化装置構成要素と燃焼器構成要素との間での砂および木炭の移送を可能にしつつ、ガス化装置と燃焼器との間の実質的なガスの密封を維持するサージャポットを示す図である。 この発明の或る好ましい実施形態に従った、配管侵食を減ずるための砂滞留キャビティを示す図である。 木材の灰のみについての示差熱分析装置（ＤＴＡ）のデータのグラフである。 砂および木材の灰を５０／５０の混ぜた混合物についての示差熱分析装置（ＤＴＡ）のデータのグラフである。 カオリンが補充された砂および木材の灰の混合物についての示差熱分析装置（ＤＴＡ）のデータのグラフである。 ＭｇＯが補充された砂および木材の灰の混合物についての示差熱分析装置（ＤＴＡ）のデータのグラフである。 松材の灰のみについての示差熱分析装置（ＤＴＡ）のデータのグラフである。 Ｋ₂Ｏ−ＭｇＯ−ＳｉＯ₂についての状態図である。 システムにおいて、ポプラ材が供給された床灰の成分のＫ₂ＯおよびＭｇＯ含有量のグラフである。 システムにおいて、スイッチグラスが供給された床灰の成分のＫ₂ＯおよびＭｇＯ含有量のグラフである。

Claims (9)

1. 或る動作温度範囲を有する平行な噴流流動床ガス化装置／燃焼器システムにおける灰の凝集を減ずるための方法であって、
   バイオマス供給原料を供給するステップと、
   前記バイオマス供給原料に、ＭｇＯを補充して、ガス化装置／燃焼器の動作温度範囲で融解する灰に起因する前記流動床の凝集を防止するステップと、
   前記バイオマス供給原料を平行な噴流流動床ガス化装置／燃焼器システムに導入するステップとを含み、前記バイオマス供給原料は所望のガス混合物および灰に転換される、方法。
2. 前記バイオマス供給原料に、１重量％から２５重量％のＭｇＯが添加される、請求項１に記載の方法。
3. 前記バイオマス供給原料に、少なくとも２重量％のＭｇＯが添加される、請求項１に記載の方法。
4. 前記バイオマス供給原料に、２重量％から１０重量％のＭｇＯが添加される、請求項１に記載の方法。
5. 前記バイオマス供給原料は水が９０％未満である、請求項１に記載の方法。
6. 前記バイオマス供給原料は固体が１０％を超える、請求項１に記載の方法。
7. 前記バイオマス供給原料に、１重量％から５重量％未満のＭｇＯが添加される、請求項１に記載の方法。
8. 或る動作温度範囲を有する平行な噴流流動床ガス化装置／燃焼器システムにおける灰の凝集を減ずるための方法であって、
   バイオマス供給原料を供給するステップと、
   前記バイオマス供給原料に、ＭｇＯを補充して、ガス化装置／燃焼器の動作温度範囲で融解する灰に起因する前記流動床の凝集を防止するステップと、
   前記バイオマス供給原料を平行な噴流流動床ガス化装置／燃焼器システムに導入するステップとを含み、前記バイオマス供給原料は所望のガス混合物および灰に転換され、前記方法はさらに、
   配管屈曲部に位置付けられ、流動化粒子の一部を受取りかつ保持する砂滞留キャビティを用いて、ガス化装置／燃焼器システムの配管屈曲部での侵食を減ずるステップを含み、前記流動化粒子は、前記壁に衝突する前記粒子の前記流れによる侵食から前記配管屈曲部の表面を保護するために除去可能な緩衝剤として機能する、方法。
9. 或る動作温度範囲を有する平行な噴流流動床ガス化装置／燃焼器システムにおける灰の凝集を減ずるための方法であって、
   バイオマス供給原料を供給するステップと、
   前記バイオマス供給原料に、ＭｇＯを補充して、ガス化装置／燃焼器の動作温度範囲で融解する灰に起因する前記流動床の凝集を防止するステップと、
   前記バイオマス供給原料を平行な噴流流動床ガス化装置／燃焼器システムに導入するステップとを含み、前記バイオマス供給原料は所望のガス混合物および灰に転換され、
   前記方法は、ガス化装置から燃焼器への砂および木炭の破片の流れを容易にしつつ、ガス化装置と燃焼器との間のガスの流れを最小限にすることで、ガス化装置の酸素による汚染を減少させるステップをさらに含み、このステップは、
   ガス化装置からの砂および木炭の混合物を受取るためのサージャチャンバと、当該サージャチャンバの下方部分に前記砂および木炭の混合物を堆積させるように配置されたノズルとを有するサージャポットを、ガス化装置と燃焼器との間に設け、かつ、このサージャチャンバの出口をノズルの出口よりも上方に配置して形成し、当該サージャチャンバから燃焼器への砂および木炭の流れを重力により駆動可能なように構成することで達成され、
   ここで、動作の際に、前記サージャチャンバは、前記ノズルと前記出口との間に配置される大量の流動化されない砂および木炭を維持し、前記砂および木炭は、前記ガス化装置 と前記燃焼器との間で実質的な耐ガスシールを維持するよう機能する、方法。

Images