JP4478627B2

JP4478627B2 - ガス化装置

Info

Publication number: JP4478627B2
Application number: JP2005221111A
Authority: JP
Inventors: 洋介竹本; 拓章田崎; 秀幸西嶋
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP2007031671A

Description

本発明は、ガス原料を加熱してガス化させるガス化装置に関する。

近年、環境問題に配慮したＣＯ２削減等の観点から、木質バイオマスを含む林産廃棄物バイオマス、農業廃棄物バイオマス、及び食品廃棄物バイオマス等のバイオマスや廃タイヤ等を熱分解して燃料ガスを生成するガス化装置が種々提案されている。

この種のガス化装置は、バイオマスや廃タイヤ等のガス原料を支持するための固定の炉床を炉内に備える固定床方式と、炉内に投入された粒状のガス原料を流動状態としつつガス化を行う流動床方式に大別される。また、固定床方式は、発生したガスがガス原料の層を上方に向けて通過するアップドラフト方式と、発生したガスがガス原料の層を下方に向けて通過するダウンドラフト方式に大別される。

例えば特許文献１に開示されているように、従来の固定床方式でアップドラフト方式（固定床アップドラフト方式）のガス化装置は、単一筒状の炉壁を備え、この炉壁の内面に密接した状態で炉内にガス原料の層が形成される。ガス原料の層の下層側で発生したガスは、炉内を上昇してガス原料の層を通過し、炉壁の天板部や側壁部の上部に形成されたガス取出口より炉外に取り出される。

しかしながら、従来の固定床アップドラフト方式のガス化装置には以下の問題がある。

第１に、炉内のガス原料の層の下層側は、燃焼とガス化が行われるので６００〜１２００℃程度の高温となっている。これに対して、炉内のガス原料の層の上層側は炉上部から新たなガス原料が投入されるので、下層側と比較して低温である。そのため、発生したガスは炉内を上昇してガス原料の層を通過する過程で２００℃程度まで冷却され、この冷却されたガスが炉外に取り出される。ガス化装置で発生したガスはタール等の不純物を含有しており、ガスエンジン等の燃料として使用するには、改質装置によってタールを低減する必要がある。この改質装置はタールを分解除去するために７００℃程度の高温にガスを加熱する。前述のようにガス化装置のガス出口から取り出されるガスは２００℃程度まで冷却されているので、改質装置が７００℃程度までガスを加熱するために必要な加熱量が大きく、改質のための加熱に多量のエネルギーを要し、経済的でない。

第２に、前述のようにガス原料の燃焼とガス化が行われる炉内のガス原料の層の下層側は、６００〜１０００℃程度の高温となっている。そのため、この部分の炉壁を断熱材で十分に断熱し、炉外への熱放散を低減する必要がある。

特開２００２−２１０４４４号公報

本発明は、固定床アップドラフト方式のガス化装置において、発生したガスの改質に必要な加熱量を低減ないしは不要とし、かつ炉壁から炉外への熱放散を効果的に低減することを課題とする。

本発明は、内部に充填されたガス化用固体燃料を支持する固定床を備え、この固定床上の前記ガス化用固体燃料を加熱してガス化させ、装置内を上昇させて前記ガスを取り出すガス化装置において、炉外壁で囲まれた炉内に配置され、その内部に前記ガス化用固体燃料が充填される筒状の仕切壁と前記炉外壁の側壁部と前記仕切壁の外周との間に形成された隙間からなるガス通路と、前記炉内で開口して前記ガス通路と連通する前記仕切壁の上端開口と、前記炉外壁の前記仕切壁の高さの１／２以下の位置に設けられ、前記ガス通路と連通するガス取出口とを備え、前記仕切壁の内部で前記ガス化用固体燃料を加熱してガス化させ、仕切壁内を上昇して前記仕切壁の前記上端開口から流出したガスを前記ガス通路に導いて降下させ、前記ガス取出口から炉外に取り出すようにしていることを特徴とするガス化装置を提供する。

仕切壁内でガス原料を加熱することで発生したガスは、仕切壁内を上昇して上端開口からガス通路に導かれ、ガス通路内を降下してガス取出口から炉外に取り出される。ガス通路は炉外壁の側壁部と仕切壁の外周との間に形成された隙間からなるので、仕切壁内で発生する熱が仕切壁を介してガス通路を流れるガスに伝達される。その結果、仕切壁の内部で発生したガスは、仕切壁の上端開口からガス取出口に向けてガス通路を降下する間に再加熱され、ガス取出口から再加熱された高温のガスを取り出すことができる。よって、タールを分解除去して改質するためにガス取出口から取り出したガスを加熱するのに必要な加熱量を大幅に低減できる。

また、その内部でガス原料が加熱されている筒状の仕切壁と炉外壁との間には、隙間、すなわちガス通路が介在しているので、炉外壁から炉外への熱拡散を効果的に低減できる。

前記仕切壁の外周面から前記ガス流路内に突出するフィンをさらに備えることが好ましい。このフィンを設けることにより、ガス通路を流れるガスに仕切壁内で発生している熱を伝達する伝熱面積が増加するので、ガス通路中でより効率的にガスを再加熱し、ガス取出口からより高温のガスを取り出すことができる。その結果、改質のためにガスを加熱するのに必要な加熱量をより一層低減できる。

また、前記ガス通路に配置されたヒータをさらに備えることが好ましい。ガス通路にヒータを配置してガス通路中のガスを積極的に加熱することにより、ガス通路中でより効率的にガスを再加熱し、ガス取出口からより高温のガスを取り出すことができる。その結果、改質のためにガスを加熱するのに必要な加熱量をより一層低減できる。特に、ヒータの加熱能力が十分高い場合には、ガス通路中のガスを７００℃程度の高温に加熱してタールを分解除去することができる。この場合、ガス取出口から取り出したガスをガス化装置とは別途の改質装置で改質する必要がなくなり、設備の大幅な簡素化を図ることができる。

前記仕切壁は下方に向けて寸法が拡大するテーパ状であることが好ましい。これによって仕切壁内でのガス化用固定燃料のつまりないしはブリッジの発生を防止できる。

本発明のガス化装置によれば、炉内に配置した仕切壁内でガス原料を加熱することで発生したガスは、仕切壁の上端開口から流出して炉外壁の側壁部と仕切壁の外周との間に形成された隙間からなるガス通路を通ってガス取出口から取り出されるので、仕切壁内で発生する熱が仕切壁を介してガス通路を流れるガスに伝達される。その結果、ガス取出口からは再加熱された高温のガスを取り出すことができ、タールを分解除去して改質するためにガス取出口から取り出したガスを加熱するのに必要な加熱量を大幅に低減できる。

また、仕切壁と炉外壁との間には、隙間、すなわちガス通路が介在しているので、炉壁から炉外への熱拡散を効果的に低減できる。

さらに、仕切壁の外側にフィンを設けることにより、伝熱面積を増加してより効率的にガス通路中を流れるガスを加熱できる。

さらにまた、ガス通路中にヒータを設けて積極的にガスを加熱することにより、より効率的にガス通路中を流れるガスを加熱できる。特に、十分な加熱能力を有するヒータを使用することにより、タールを分解除去できる温度までガス通路中を流れるガスを加熱することも可能である。この場合、ガス化装置とは別途の改質装置を使用した改質の必要がなくなり、設備の大幅な簡素化を図ることができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１及び図２は本発明の第１実施形態に係るガス化装置１を示す。このガス化装置１は木チップ（ガス原料）を加熱して熱分解させ、燃料として使用される可燃性のガスを発生する。

ガス化装置１の炉外壁３は、基台２で支持された底壁部６と、底壁部６上に設けられた側壁部４と、側壁部４の上端開口を閉鎖する天壁部５とを備える。これら底壁部６、側壁部４、及び天壁部５からなる炉外壁３で囲まれた炉内には、後に詳述する仕切壁２４が配置されている。炉外壁３の側壁部４には断熱材８が取り付けられている。

炉外壁３の天壁部５には木チップの供給管１１が貫通しており、供給管１１の下端側の吐出口１１ａは炉内に位置している。天壁部５から外部に突出している供給管１１の上端側には開閉装置１２を介して木チップの投入装置１３が接続されている。

炉壁３の側壁部４の下端側と底壁部６の内面には、キャスタブル耐火物等からなる耐熱構造体１５が形成されている。耐熱構造体１５の上部には両端開口のテーパ穴からなる燃焼室１６が形成されている。この燃焼室１６には固定床１８が配置されている。また、固定床１８の下方には排出穴１９が形成されている。この排出穴１９の下端開口には灰取出装置２１が連結されている。さらに、耐熱構造体１５の下部には着火口２２と送風口２３が設けられている。

仕切壁２４は両端開口の円筒状であり、下方に向けて拡径するテーパ状を呈している。仕切壁２４の下端には外側に拡がる基部２４ａが形成されており、この基部２４ａは耐熱構造体１５の上面に配置されている。仕切壁２４の材質としては、例えば耐熱鋼板のような熱伝導性の良好な材料が好ましい。炉外壁３の側壁部４と仕切壁２４の外周との間には隙間が設けられており、後に詳述するようにこの隙間はガス通路２５として機能する。炉外壁３の側壁部４の下方部分、詳細には耐熱構造体１５の上面よりも僅かに上方の部分にはガス通路２５と連通するガス取出口２６が設けられている。

仕切壁２４の上端開口２４ｂは炉外壁３の天壁部５付近に位置しており、ガス通路２５と連通している。また、供給管１１の吐出口１１ａは上端開口２４ｂよりもわずかに仕切壁２４の内部に位置している。

仕切壁２４の下端開口２４ｃは燃焼室１６と連通している。燃焼室１６の壁面も仕切壁２４と同様に下向きに拡径するテーパ状であり、仕切壁２４の内面と燃焼室１６の壁面は連続する一つのテーパ面を構成している。仕切壁２４の内部及び燃焼室１６で木チップの燃焼とガス化が行われる。

次に、本実施形態のガス化装置１の運転動作を説明する。ガス化用固体燃料である木チップは投入装置１３から開閉装置１２及び供給管１１を介して仕切壁２４の上端開口２４ｂに投入され、仕切壁２４の内部及び燃焼室１６に充填される。この仕切壁２４の内部及び燃焼室１６に充填された木チップは固定床１８によって支持される。仕切壁２４はテーパ状で下向きに拡がっているので、仕切壁２４の内部で木チップのつまりないしはブリッジが生じず、仕切壁２４の内部は木チップが均一に充填された状態で維持される。

運転開始時には、木チップの充填終了後、送風口２３から炉内への微量の空気供給を開始し、さらに着火口２２から挿入した着火装置（図示せず）で固定床１８付近の木チップに点火して燃焼を開始させる。燃焼が安定した状態では、燃焼室１６内には１１００〜１２００℃程度の木チップの燃焼層３１が形成され、燃焼層３１の上には不完全燃焼ないしは乾留状態にある木チップにより７００〜８００℃程度のガス化層３２が形成され、さらにガス化層３２の上には熱分解を開始前の状態の３００〜４００℃程度の木チップ堆積層３３が形成される。燃焼層３１及びガス化層３２で発生したガスは、仕切壁２４の内部を上昇して上端開口２４ｂから仕切壁２４の外部に流出する。このガスには可燃成分（一酸化炭素、水素等）を含有している。上端開口２４ｂから流出したガスはガス通路２５に導かれ、ガス通路２５中を降下してガス取出口２６から取り出される。

仕切壁２４の上端開口２４ｂから流出した時点でのガスの温度は２００℃程度である。しかし、ガス通路２５は炉外壁３の側壁部４と仕切壁２４の外周との間に形成された隙間からなるので、仕切壁２４の内部及び燃焼室１６で発生している熱が仕切壁２４を介してガス通路２５を流れるガスに伝達され、それによってガスが再加熱される。特に、前述のように燃焼層３１は１１００〜１２００℃程度、ガス化層３２は７００〜８００℃程度に達し、仕切壁２４の下側部分もそれに対応して高温となっているので、仕切壁２４から伝達される熱によってガス通路２５中のガスが効率的に再加熱される。このガス通路２５中での再加熱により、仕切壁２４の上端開口２４ｂから流出した時点の温度（２００℃程度）よりも高温となったガスがガス取出口２６から取り出される。ガス取出口２６から取り出されたガスに含有されているタールを分解除去して改質するには、図示しない改質装置でガスを７００℃程度まで加熱する必要がある。しかし、ガス通路２５中の再加熱によってガスの温度が上昇しているので、改質のための加熱に必要な加熱量を大幅に低減できる。

また、ガス通路２５は仕切壁２４と炉外壁３の側壁部４の隙間からなるので、一種の断熱層として機能する。その結果、炉外壁３から炉外への熱拡散を効果的に低減することができ、炉外壁３の側壁部４に取り付ける断熱材８の量を大幅に低減できる。

（第２実施形態）
図３及び図４は、本発明の第２実施形態に係るガス化装置１を示す。仕切壁２４の外周面には、外向き、すなわちガス通路２５内へ突出し、かつ上下方向に延びる複数のフィン３５が形成されている。これらのフィン３５を設けることにより、ガス通路２５を仕切壁２４の上端開口からガス取出口２６に向けて降下するガスに対して仕切壁２４内で発生している熱を伝達する伝熱面積が増加する。従って、ガス通路２５中でより効率的にガスを再加熱し、ガス取出口２６からより高温のガスを取り出すことができるので、改質のためにガスを加熱するのに必要な加熱量をより一層低減できる。

第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係るガス化装置１を示す。仕切壁２４の外周面には、外向き、すなわちガス通路２５内へ突出し、かつ仕切壁２４の上端付近から下端付近まで延びる螺旋状の単一のフィン３６が形成されている。このフィン３６を設けることにより、ガス通路２５中のガスに対して仕切壁２４内で発生している熱を伝達する伝熱面積が増加する。また、フィン３６を螺旋状としたことにより、仕切壁２４の上端開口２４ｂから流出したガスは、フィン３６に沿って仕切壁２４の周囲を数回循環し、ガス通路２５内に十分な時間滞在した後にガス取出口２６に到達する。換言すれば、フィン３６を設けたことにより十分な再加熱の時間が確保される。これらの理由により、ガス通路２５中でより効率的にガスを再加熱し、ガス取出口２６からより高温のガスを取り出すことができる。

第３実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態に係るガス化装置１を示す。ガス通路２５内には複数の電気加熱ヒータ３７が配置されている。これらのガス通路２５内に配置した電気加熱ヒータ３７でガス通路２５中のガスを積極的に加熱することにより、ガス通路２５中でより効率的にガスを再加熱し、ガス取出口２６からより高温のガスを取り出すことができる。その結果、改質のためにガスを加熱するのに必要な加熱量をより一層低減できる。例えば、電気加熱ヒータ３７で積極的に加熱することにより、ガス取出口２６から取り出されるガスの温度を５００℃以上に加熱できれば、改質のための加熱に必要な加熱量を非常に大幅に低減できる。また、加熱能力の高い電気加熱ヒータ３７を使用すれば、ガス通路２５中のガスを７００℃程度の高温に加熱し、タールの分解除去をガス通路２５内で実行できる。この場合、ガス取出口２６から取り出したガスをガス化装置１とは別の改質装置で改質する必要がなくなり、設備の大幅な簡素化を図ることができる。換言すれば、電気加熱ヒータ３７を設けてガス通路２５中でのタールの分解除去を実現できれば、タール改質装置一体型のガス化装置１を実現できる。

第４実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

（第５実施形態）
図７は本発明の第５実施形態に係るガス化装置１を示す。第２実施形態と同様に、仕切壁２４の外周面には、外向きに突出し、かつ上下方向に延びる複数のフィン３５が形成されている。また、第４実施形態と同様に、ガス通路２５には電気加熱ヒータ３７が配置されている。フィン３５を設けたことによる伝熱面積増加と、電気加熱ヒータ３７による積極的な加熱の両方の効果が相俟って、ガス通路２５中でガスを非常に効率的に再加熱できる。なお、第３実施形態のような螺旋状のフィン３６を設けた構成でさらにガス流路中に電気加熱ヒータ３７を配置してもよい。

第５実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本発明は前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。

まず、木質バイオマスの一例である木チップがガス原料である場合を例に本発明を説明したが、木質バイオマス以外の林産廃棄物バイオマス、農業廃棄物バイオマス、及び食品廃棄物バイオマス、廃タイヤ等をガス原料とする場合にも本発明を適用できる。

次に、仕切壁の形状はテーパ付きの円筒状に限定されず、真円筒状、多角形筒状等の他の形態であってもよい。

また、ガス取出口の位置は実施形態のものに限定されず、少なくとも炉外壁の高さの１／２以下の位置にガス取出口を設ければ、ガス通路中でガスを再加熱できる。

さらに、隙間（ガス通路）が設けられた状態で仕切壁の周囲を取り囲むことができる限り、炉外壁の構造も実施形態のものに限定されない。

さらにまた、仕切壁の外周面に形成するフィンの形状、個数等も、ガス通路中のガスの流れを阻害して滞留を生じさせるものでない限り、実施形態のものに限定されず、ガス通路中に配置するヒータの種類、個数、配置等も実施形態のものに限定されない。

本発明の第１実施形態に係るガス化装置の正面側から見た断面図。本発明の第１実施形態に係るガス化装置の左側面図。本発明の第２実施形態に係るガス化装置の正面側から見た断面図。図３のIV−IV線での断面図。本発明の第３実施形態に係るガス化装置の正面側から見た断面図。本発明の第４実施形態に係るガス化装置の正面側から見た断面図。本発明の第５実施形態に係るガス化装置の正面側から見た断面図。

符号の説明

１ガス化装置
２基台
３炉外壁
４側壁部
５天壁部
６底壁部
８断熱材
１１供給管
１１ａ吐出口
１２開閉装置
１３投入装置
１５耐熱構造体
１６燃焼室
１８固定床
１９排出穴
２１灰取出装置
２２着火口
２３送風口
２４仕切壁
２４ａ基部
２４ｂ上端開口
２４ｃ下端開口
２５ガス通路
２６ガス取出口
３１燃焼層
３２ガス化層
３３木チップ堆積層
３５，３６フィン
３７電気加熱ヒータ

Claims

内部に充填されたガス化用固体燃料を支持する固定床を備え、この固定床上の前記ガス化用固体燃料を加熱してガス化させ、装置内を上昇させて前記ガスを取り出すガス化装置において、
炉外壁で囲まれた炉内に配置され、その内部に前記ガス化用固体燃料が充填される筒状の仕切壁と
前記炉外壁の側壁部と前記仕切壁の外周との間に形成された隙間からなるガス通路と、
前記炉内で開口して前記ガス通路と連通する前記仕切壁の上端開口と、
前記炉外壁の前記仕切壁の高さの１／２以下の位置に設けられ、前記ガス通路と連通するガス取出口とを備え、
前記仕切壁の内部で前記ガス化用固体燃料を加熱してガス化させ、仕切壁内を上昇して前記仕切壁の前記上端開口から流出したガスを前記ガス通路に導いて降下させ、前記ガス取出口から炉外に取り出すようにしていることを特徴とするガス化装置。
前記仕切壁の外周面から前記ガス流路内に突出するフィンをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のガス化装置。
前記ガス通路に配置されたヒータをさらに備えることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のガス化装置。
前記仕切壁は下方に向けて寸法が拡大するテーパ状であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス化装置。