JP4112364B2 - 小規模高処理量のバイオマスガス化システムおよび方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【関連する出願の相互参照】
この出願は、現在係属中の、２０００年１１月１７日に出願された米国仮出願番号第６０／２４９，６３４号の優先権を主張する。
【０００２】
【発明の背景】
［発明の分野］
この発明は、バイオマスガス化に適用されるガス化装置に関し、特に、高効率である平行な噴流床熱分解ユニットを用いる小規模高処理量のガス化システムに関する。
【０００３】
［関連技術の説明］
発熱燃焼反応を、吸熱ガス化反応から分離することが可能な別個のガス化装置および燃焼器容器を有する流動床ガス化装置／燃焼器システムが、当該技術において公知である。たとえば、ベイリー（Bailie）に対する米国特許第３，８５３，４９８号は、別個のガス化ゾーンおよび燃焼ゾーンに関するプロセスを記載する。ベイリーのプロセスでは、両方のゾーンは従来の流動床反応器である。ベイリーのプロセスについて公開された木材の処理量値は、典型的には１２０ｌｂｓ／ｆｔ²−ｈｒを超えない。流動化は、典型的には流入ガス速度１〜３ｆｔ／ｓｅｃで発生して、良好な流動化を提供する。ベイリーのプロセスは従来の流動床を用いるので、循環する砂は、噴流、および反応器容器の頂部からの流出ではなく、流動床から流動床へ直接流れることによって移動する。
【０００４】
スクワイヤーズ（Squires）に対する米国特許第４，０３２，３０５号は、石炭およびコークスのガス化のための、「高速流動床」として知られる別の循環床ガス化装置を開示する。高速流動床は、発熱燃焼ゾーンおよび吸熱ガス化ゾーンの２ゾーン構成での動作が可能である。スクワイヤーズによると、循環高速流動床を達成するのに必要な最低速度は、平均直径が６０ミクロンの粒子では６ｆｔ／ｓｅｃにすぎない。スクワイヤーズは、２５０ミクロンより小さい粒子での動作を好んでいる。
【０００５】
フェルドマン（Feldmann）他に対する米国特許第４，８２８，５８１号は、炭素燃料から燃料ガスを生産するためのガス化装置を動作させる新規な方法を記載し、この場合、バイオマスは、低流入ガス速度で動作する流動床ガス化装置において、非常に高い木材処理量でガス化される。このプロセスは、平行な噴流床熱分解プロセスにおける不活性な固体の噴流に依存して、０．５ｆｔ／ｓｅｃほどの低さの流入速度での、しかし５００〜４４００ｌｂｓ／ｆｔ²−ｈｒの木材処理量の動作を可能にする。このｌｂｓ／ｆｔ²−ｈｒは、ガス化装置の断面積を参照することにより、ガス化装置の直径に関連する。
【０００６】
図１に示されるように、これら先行技術のシステムの各々の効率性は、供給原料の投入量が増すにつれて高くなる。低い投入量では、熱損失の百分率が指数関数的に増し、先行技術のシステムを、１日当り約１００トンを超える投入量に効果的に制限する。処理量が断面積に対する投入量の比率として規定される場合、高処理量では、図１に示される曲線が右方向へ移動し、さらに不利となり、効率性の許容できるレベルを維持するためにシステム全体の投入量をより多くする必要がある。したがって、先行技術の高処理量システムは、１日当り約１００トンを超える供給原料の投入量率で動作するよう制限されてきた。
【０００７】
しかしながら、１日当りおよそ１００トンの高い供給原料投入量率を維持するのが非実用的な適用例が多く存在する。たとえば、低い電力を必要とする小さな共同体または産業設備への電力の供給などである。これらのシステムをより高い処理量で動作させることは明らかに望ましいが、それは、結果として得られるガス化装置ユニットが、同じ能力の従来の低処理量のガス化装置よりも小さくかつ安価に構成できるからである。先行技術の従来のガス化装置システムは、ユニット費用と効率性との間での兼ね合いを必要とした。
【０００８】
したがって、高処理量を維持しつつ、全供給原料投入量率を比較的低くすることが可能なバイオマスガス化システムが必要とされる。
【０００９】
【発明の概要】
この発明に従ったプロセスシステムは、高処理量のガス化装置および燃焼器の組合せを用いることによるガスの生産に関し、発熱燃焼反応は燃焼器においておよびその近くで起こり得、吸熱ガス化反応はガス化装置において起こり得る。燃焼器の発熱反応ゾーンからの熱は、砂等の不活性固体粒子の循環により、ガス化装置の吸熱反応ゾーンに運ばれる。ガス化装置からの熱損失を減らすことにより効率性を高めるために、ガス化装置は、燃焼器の吸熱反応ゾーン内に同軸に配置される。
【００１０】
［詳細な説明］
平行な噴流床熱分解ユニットを動作させる基本的な方法は、引用によりこの明細書中に十分に援用される、フェルドマン（Feldmann）他に対する米国特許第４，８２８，５８１号に開示されているものと類似している。この発明のガス化装置システムＡは、多種多様ないかなるバイオマス供給原料をも用いるよう適合される。この明細書中で用いられるように、バイオマス供給原料という用語は、たとえば、木材、草、農業残渣、肥料、古紙、泥炭、および初期の褐炭等の石炭を、これらに限定されないが、含むとみなしてもよい。当業者は、他の多くの炭素材料のいずれもこの発明のガス化装置においてバイオマス供給原料として用いるのに適していることを理解するであろう。
【００１１】
ガス化装置システムＡは一般的にガス化装置１０２および燃焼器１１８を含み、このガス化装置１０２および燃焼器１１８は、互いに関連して動作して、蒸気タービンを駆動するために中間のＢＴＵガスおよび／または熱を生産する。ガス化装置１０２は、非酸化環境においてバイオマス供給原料を加熱することによって、バイオマス供給原料を含む有機材料の一部分をメタン、一酸化炭素、二酸化炭素および水素等のガスに熱分解により転換するよう働く。燃焼器１１８は、ガス化装置１０２においてガス化反応を促進するための熱源の役割を果たす。一般的に、ガス化装置１０２および燃焼器１１８は、熱および材料を、ガスが流れることにより流動化され得る砂等の粒状不活性材料の循環によって互いに対して送る。ガス化装置システムＡの効率性をさらに高めるために、ガス化装置１０２を燃焼器１１８内に同軸に配置して、ガス化装置１０２の表面からの熱損失を最小限にすることが有利である。
【００１２】
ガス化装置システムＡの好ましい一実施例が図２および図３に示される。図示のとおり、ガス化装置１０２は燃焼器１１８内に同軸に配置されており、ガス化反応が起こり得る非酸化環境を提供するための容器を含む。ガス化装置１０２は、バイオマス供給原料を注入することのできるバイオマス供給原料入口開口部１０６と、高温の流動化された不活性粒状材料を燃焼器１１８から注入し得る再循環開口部１０８とを含む。粒状材料の流動化された状態を維持するために、流動ガスの入口１１０からガスの流れをガス化装置１０２にもたらす。ガス化装置１０２はその頂部またはその近くに出口１１２を有し、この出口１１２はセパレータ１１４につながり、このセパレータから生産ガスを生産ガス出口１１６を介して排出する。混入した木炭の固体を、ガス化装置１０２の底部で再利用してもよく、または好ましくは、燃焼器１１８に送り、不活性材料を再加熱するために燃焼させてもよい。燃焼器１１８における混入した木炭の燃焼により、好ましくは、定常状態下のガス化装置１０２の動作に必要な熱の、すべてではないとしても、ほとんどが提供される。
【００１３】
燃焼器１１８は、その下方部分に不活性粒状材料の流動床を含む。従来のガス分配プレート１０４を燃焼器１１８の下方部分に設けて、空気または酸素の流れをもたらす。この空気または酸素の流れは、燃焼反応を促進するための酸化体の供給と、不活性粒状材料の流動化との両方に役立つ。燃焼器１１８は、随意に、天然ガスまたは生産ガス等の可燃性ガスの供給源を含んでいてもよく、この供給源をこれら両方のガスの燃料源として用いてもよい。この供給源を用いるのは、燃焼器の始動中でもよく、また、混入した木炭の燃焼によりさらに生産され得る十分な熱をガス化装置１０２に供給するのに必要なさらなるヘディング（heading）を設けるためであってもよい。燃焼器１１８の上部分は、煙道ガスを排出するための出口１２２を有するセパレータ１２０を含む。
【００１４】
ガス化装置１０２は、本質的に、流動床ガス化装置の上方の、噴流木炭ゾーンとのハイブリッドとして動作される。したがって、砂およびガス化した木炭を噴流により循環させるのに必要な生産ガスを生成するのに十分に高いバイオマス供給原料処理量で、ガス化装置１０２を動作させることが好ましい。さらに、ガス化装置１０２は、再循環する微粒子相で動作し、このため、砂または他の再循環微粒子相を流動化させるのに必要な範囲の流入ガス速度を必要とする。たとえば、２０×５０メッシュの砂に対して０．８〜２ｆｔ／ｓｅｃの流入ガス速度によって、滑らかで安定した動作が可能となった。しかしながら、０．５〜７ｆｔ／ｓｅｃの速度でもまた、流動化を維持するのに十分であることが判明した。ガス化装置１０２は、一般的には、企図された処理量で上方向に流れる炭素材料を完全に熱分解できるほどの十分な高さであるべきである。
【００１５】
バイオマスガス化装置システムＡは、好ましくは反応器の断面積の１平方フィートあたりの乾燥バイオマスで３０００ｌｂｓ／ｈｒを超えるバイオマス供給原料供給率で、好ましくは、４４００ｌｂｓ−ｆｔ²／ｈｒほどの高さの処理量に達し得るバイオマス供給原料供給率での動作が可能である。バイオマス供給原料および再循環不活性粒子のための入口は、ガス分配器の近辺における反応器の基部に位置する。流入ガスは、入口から上向きに流れるので、不活性粒子の流動度を維持し、混入した木炭の上方向への輸送を助ける。流動化および輸送を維持するためのさらなるガスが、ガス化反応自体からも供給され、ガス分配器を介する供給ガスの必要性を減ずる。
【００１６】
ガス化装置システムＡは、低い流入ガス速度、および１００ｌｂ／ｆｔ²−ｈｒを超える高い供給原料処理量で動作可能であり、好ましくは、５００〜４４００ｌｂ／ｆｔ²−ｈｒ、および０．５〜７ｆｔ／ｓｅｃの流入ガス速度での動作可能である。このような低いガス流入速度を用いることにより、不活性粒状材料の循環によって生じ、より高いガス流入速度を有するシステムにおいて問題となり得る侵食を減ずるのに役立つ。
【００１７】
この発明に従ったガス化装置を動作させる方法は、流入ガスを、一般的に７ｆｔ／ｓｅｃ未満のガス速度でガス化装置１０２に注入し、燃焼器１１８において先に加熱された高平均密度の不活性粒子の床に注入する工程を含む。流入ガスの流れは、ガス化装置１０２の、高密度の流動床を形成する第１の空間領域において不活性な粒状床を流動化させるのに役立つ。炭素のバイオマス供給原料が、次いで、１００〜４４００ｌｂｓ／ｆｔ²−ｈｒ、好ましくは５００〜４４００ｌｂｓ／ｆｔ²−ｈｒの割合で第１の空間領域に供給される。炭素バイオマス供給原料の吸熱熱分解が、循環する加熱された不活性粒状材料から与えられる熱により達成されて、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素および水素のうち少なくとも１つを含む生産ガスを作り出す。
【００１８】
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、木炭および炭素材料が混入した混合物、ならびに生産ガスを含んでいる。投入された木材または他の炭素バイオマス供給原料は砂等の不活性粒子よりも軽いので、供給原料および生成されたいかなる木炭も流動床の上部領域で浮動する。このようにして、バイオマス供給原料が高温の砂によってガス化されると、砂、木炭および炭素粒子の噴流領域がガス化装置１０２の上端部に生じる。
【００１９】
炭素粒子は、熱分解すると、ガス化装置１０２の上部領域でガス速度を増すガスを生成して流動床上方に高速の領域を形成する。床の基部への比較的低いガス流入速度にもかかわらず、流動床上方のガス速度は、粒子をガス化装置の床からその出口へと実際に除去するのに十分に高くなる。低い流入ガス速度で動作させることにより、反応器容器における（平均して３分までの）高滞留時間を達成し得るが、ガスを生成する炭素材料の高処理量で、流動領域上方に噴流領域を形成することもさらに可能となる。さらに、低い流入ガス速度は、より高速の流動床システムにおいて問題となり得るシステム構成要素の侵食を伴
う問題を減ずるのに役立つ。
【００２０】
次いで、混入した混合物をガス化装置１０２の噴流空間領域からサイクロン等のセパレータ１１４に除去し、不活性固体粒子と木炭と炭素材料とが混入した混合物を生産ガスから分離し、燃焼器１１８に戻す。すべてのシステムの固体が混入されるが、ただし燃料供給原料に不注意に注入された金属のくず等の不所望の混入物は除かれ、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しれない。
【００２１】
ガス化装置１０２における炭素材料の滞留時間は、典型的には、平均して３分を超えない。好ましくは、滞留時間は０．５秒から３分の範囲である。さらに好ましくは、滞留時間は１０〜２０秒の範囲内で、最も好ましくは約１５秒であるべきである。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ための燃焼器１１８等の発熱反応ゾーンの通過の後、第１の空間領域に戻される。発熱反応を促進するために、生産ガスのない混入した混合物すべてを、燃焼器１１８を介して送ることは有利であり得る。このシステムの効率性をさらに高めるために、燃焼器１１８の発熱反応ゾーンを、ガス化装置１０２を同軸に囲むよう配置することが好ましく、これによりガス化装置１０２の外面からの熱損失を減ずる。
【００２２】
ガス化装置１０２に供給される炭素材料は、ガス化装置システムＡを通る一回の通過で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１１８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１１８で用いる場合、さらなる炭素をガス化装置１０２で転換してもよい。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１０２の動作温度に応じて上下に変動するおそれがある。
【００２３】
ガス化装置１０２に供給される流入ガスは、典型的には蒸気、再利用された生産ガス、燃焼副産物ガス、窒素等の不活性ガス、または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産ガスである。不活性ガスまたは燃焼副産物ガス等の他のガスを加えると、一般的に、この発明の効率性および利点は減じられる。同様に、空気または酸素を加えるとこの発明の効率性および利点は大いに減じられるので、これらを加えるべきではない。
【００２４】
蒸気は便利な流入ガスであるが、それは、比較的安く、分配される前に生産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産ガス分配を可能にするものの、生産ガスに希釈剤として残るので、将来の燃焼工程においてその利用値を減ずる。空気および／または酸素は、生産ガスの不所望の初期燃焼につながることになるので用いられない。ガス化装置自体における燃焼は不要であるが、それは、ガス化を促進するための熱が、燃焼器１１８において予め加熱された不活性粒子を循環させることにより与えられるからである。
【００２５】
先に記載したとおり、バイオマスガス化システムＡは、有益となるようかつ高い炭素供給原料処理量を得るよう木炭の混入を用いる。加えて、燃焼器１１８の発熱反応ゾーン内にガス化装置１０２を配置することにより、このシステムの効率性をさらに高めることができ、これによりガス化装置１０２から周囲環境への熱損失を減ずる。この発明の商業的利点が直ちに明らかとなるが、それは、より高い処理量が、同じかまたはより小さい寸法の設備でのより高い生産レベルを意味し、こうしてこの技術から発生する資本費用における大きな低減をもたらすからである。
【００２６】
この発明のシステムは、用途が広く、また不活性粒状材料が、熱を加える燃焼器の発熱反応ゾーンを通過することにより加熱される限り、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。不活性材料粒子とは、炭素材料と比べて比較的不活性であることを意味することが理解されるべきであり、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なまたは純粋な定性化学的な意味では用いられない。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捕捉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１０２におけるタールの触媒分解においても有用であり得る。
【００２７】
たとえば燃焼器１１８に結合されるガス化装置１０２の始動には、ガス化の加熱および開始の段階が含まれることが、当業者にとっては明らかであるだろう。これらの段階は以下の通りに含まれ得る。
【００２８】
Ａ 始動
天然ガス、または木材等の他のいくつかの燃料は、燃焼器１１８において点火され、セラミックライニングの剥離を引起こさない割合で燃焼器１１８の温度を上げるのに十分な割合で燃焼される。次いで、砂の循環をガス化装置１０２と燃焼器１１８との間で開始して、ガス化装置１０２を加熱する。ガス化装置１０２はまた、同軸に囲んでいる燃焼器１１８からの、ガス化装置１０２の外面を介する直接伝熱によっても加熱される。加熱段階の間、空気を、ガス化装置１０２および燃焼器１１８の両方において輸送ガスとして用い得る。ガス化装置１０２および燃焼器１１８の両方におけるガス速度および木材処理量は、砂を、その循環がガス化装置１０２と燃焼器１１８との間で可能となるよう噴流するのに十分なものでなければならない。これは、一般的に、用いられる砂の粒径範囲に対して１５ｆｔ／ｓｅｃのオーダのガス速度を必要とする。補助燃料の燃焼、および高温の砂の循環は、ガス化装置１０２が所望の温度（約１７００〜１８００Ｆ）に達するまで続けられる。
【００２９】
Ｂ ガス化の開始
ガス化装置１０２が１７００〜１８００Ｆの所望の温度範囲に達した後、この時点で、ガス化装置１０２に対する供給ガスが空気から蒸気に変えられ、所望の場合、生産ガスを再利用する。次いで、バイオマス供給原料供給を開始し、次第に増やしていく。バイオマス供給原料がガス化すると、木炭が生産され、燃焼器１１８に運ばれて、そこで始動燃料の代わりに燃焼される。バイオマス供給率が上がると、ガス化装置１０２に対する供給ガス（蒸気または再利用生産ガス）は、このシステムが、一般的には７ｆｔ／ｓｅｃを超えないガス速度の範囲で動作するまで次第に減じられる。
【００３０】
多くのセルロース系供給材料は、ガス化システムＡにおいて用いるのに好適であり得、これらは農業残渣、脱水された下水スラッジ、（主に紙である）都市固形廃棄物、ならびに破砕およびさまざまな分類技術による都市固形廃棄物から生じた燃料を含む。泥炭もまた、褐炭と同様にその高い反応性のために許容できる供給原料である。セルロース系の供給材料における炭素の９０％を超える量を転換できることが試験で立証された。しかしながら、これらの高い炭素転換レベルでは、さらなるエネルギが他の何らかの供給源から入手できない限り、非転換炭素には「ガス化」のために熱を与える十分なエネルギがない。したがって、石炭、または炭素材料を含む他の揮発性物質を用いてセルロース系の供給材料を補ってもよいが、それは、石炭の揮発性部分がガスに転換され、残りの木炭が、セルロース系供給材料と石炭における揮発性物質とのほとんどすべてをガス化するのに十分な熱を与えるからである。これらのすべての材料の注入は、スクリューフィーダ、中実の計量バルブ、または空気圧輸送等の従来のいかなる手段によっても達成することができる。
【００３１】
この発明を、その最も好ましい実施例に特に関連して詳細に記載してきたが、変形および変更が、先にこの明細書中に記載され、かつ前掲の特許請求の範囲に規定されるように、この発明の精神および範囲内で実施され得ることが理解される。前掲の特許請求の範囲において、手段および機能の要素が、もしある場合、これらすべてのうち対応する構造、材料、作用および等価物は、特に請求される他の請求された要素と組合せてこの機能を実行するためのいかなる構造、材料、作用をも含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 百分率熱損失に対する従来のバイオマスガス化装置の全体のバイオマス投入量と、ガス化装置の体積比に対して必要とされる表面積との間の関係を示すグラフである。
【図２】 この発明の好ましい一実施例に従った、プロセスにおいて有用なガス化装置システムの側面図である。
【図３】 図２のガス化装置システムの俯瞰図である。

Claims (9)

1. バイオマスガス化方法であって、
   流動化された粒状材料を燃焼器において加熱するステップと、
   加熱され流動化された粒状材料をガス化装置に運ぶステップと、
   供給原料をガス化装置に注入するステップとを含み、前記流動化された粒状材料からの熱により、前記供給原料の少なくとも一部分のガス化が生産ガスを作り出し、
   前記ガス化装置は前記燃焼器によって同軸に囲まれ、
   前記流動化された粒状材料に、前記ガス化装置の下方部分においてより高密度の領域と、前記ガス化装置の上方部分においてより低密度の領域とを形成させるステップをさらに含む、バイオマスガス化方法。
2. バイオマスガス化方法は、
   前記より低密度の領域において、混入した混合物を形成するステップを含み、前記混入した混合物は、前記流動化された粒状材料と、前記バイオマス供給原料のガス化から形成された木炭と、生産ガスとの混合物を含み、前記バイオマスガス化方法はさらに、
   前記混入した混合物を、前記より低密度の領域からセパレータへと継続的に除去するステップと、
   粒状材料および木炭を前記生産ガスから分離するステップと、
   熱を生じさせるために、前記燃焼器において前記木炭を燃焼させるステップとをさらに含む、請求項１に記載のバイオマスガス化方法。
3. 熱を生じさせるために、前記燃焼器において前記生産ガスの少なくとも一部分を燃焼させるステップをさらに含む、請求項１に記載のバイオマスガス化方法。
4. 前記ガス化装置は、１００〜４４００ｌｂ／ｆｔ²−ｈｒの範囲のバイオマス供給原料処理量を有する、請求項１に記載のバイオマスガス化方法。
5. 前記ガス化装置は、５００〜４４００ｌｂ／ｆｔ²−ｈｒの範囲のバイオマス供給原料処理量を有する、請求項１に記載のバイオマスガス化方法。
6. 流入ガスを、０．５〜７．０ｆｔ／ｓｅｃの範囲の流入速度で前記ガス化装置に注入するステップをさらに含む、請求項１に記載のバイオマスガス化方法。
7. 流入ガスを、０．８〜２．０ｆｔ／ｓｅｃの範囲の流入速度で前記ガス化装置に注入するステップをさらに含む、請求項１に記載のバイオマスガス化方法。
8. 前記バイオマス供給原料は、前記ガス化装置において、０．５秒〜３分の範囲の平均滞留時間を有する、請求項１に記載のバイオマスガス化システム。
9. 前記バイオマス供給原料は、前記ガス化装置において、１０〜２０秒の範囲の平均滞留時間を有する、請求項１に記載のバイオマスガス化システム。

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