JP4665021B2 - バイオマスのガス化方法 - Google Patents

Description

本発明はバイオマスの有効利用に関し、詳しくは、バイオマスからクリーンな高カロリガスを生成させる方法に関する。更には、従来のバイオマスエネルギ利用形態では得られないシステム発電効率の高い、給電システムもしくは熱電併給システムのガスエンジンに使用可能な、クリーンな高カロリガスの生成方法に関する。

従来のバイオマスエネルギ利用形態のうち、電気エネルギもしくは熱電両エネルギに変換して行う利用形態では、バイオマスをボイラ用燃料として直接燃焼して、高圧蒸気を生成させ、発電用タービンを回転させる方式が執られている。従って、少なくとも５０００〜１００００ｋＷと設備規模が大きくなるので、バイオマス資源の大量集約的発生もしくは大量収集が必要である。加えて、多額な投下資本を必要とする。なによりも、その発電効率が５０００ｋＷ規模の場合で１０％台に留まっているため、小規模で効率の高いバイオマス資源の利用形態が望まれている。

一方、ガスエンジン使用の発電では小規模でも高い発電効率が得られるので、我が国のようにバイオマス資源が分散的に発生する社会および自然環境ではバイオマスのガス化技術の必要性が高い。

バイオマスのガス化技術については、従来より固定床、流動床型のガス化炉で、酸素もしくは空気を主たるガス化剤として、吸熱反応であるガス化の空間と燃焼による発熱空間を共通の空間に設定した、いわゆる内燃式のものが研究開発されてきたが、タール、煤が副生し、ガスエンジン用として品質が適合しない。加えて、空気を用いる場合には、生成ガス中に窒素が残留して、単位生成ガスの発熱量を低下させる。酸素を用いる場合には、空気分離工程が別に必要で、運転に要するエネルギ及び設備投資がエネルギ効率低下要因及びコストプッシュ要因となる。

他に、臨界圧熱水によるガス化研究が行われているが、超高温高圧操作上の問題を含み、実用化の域に達していない。

本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、バイオマス資源から発電用ガスエンジンに適合する、高カロリで、クリーンな燃料ガスを、高収率で取得する、小規模でも可能なバイオマスのガス化方法を提供することを目的とする。加えて、バイオマス資源の総合的エネルギ転換効率を高め、第三の新エネルギとしての利用普及に寄与せんとするものである。

本発明のバイオマスのガス化方法は、 粉砕した草本類若しくは木本類からなるバイオマス微粉を、外部加熱空間と隔壁により遮断されたガス化空間内に供給して、且つガス化空間に化学的に影響を及ぼさない反応管壁からの輻射により前記外部加熱空間よりバイオマスの分解に必要な熱を供給して、吸熱反応によりガス化空間内で、該ガス化空間内に吹き込まれる高温水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化方法であって、前記バイオマスの分子式ＣｍＨ_２Ｏｎにおいて、ｍ＝１．３、ｎ＝０．９とした場合の、前記高温水蒸気／バイオマスのモル比を０．３〜１５に設定したことを特微とする。

バイオマスの分解に必要な熱を、ガス化空間には化学的に影響を及ぼさない反応管壁からの輻射熱により、別途用意した熱源で供給することに加えて、バイオマス即ちＣｍＨ_２Ｏｎに対する水蒸気即ちＨ_２Ｏをモル比（水蒸気／バイオマス）で０．３〜１５の範囲で反応させることが、遊離炭素のない、即ちタール・煤のない組成で、エネルギ密度の高いガスを生成させることにおいて必須である。好ましくは、この水蒸気／バイオマスモル比は０．３５〜５がよい。またガス化空間で酸素による酸化反応が進行するときは、ミクロ的にみた局部で、極端な過熱現象も発生し得るので、遊離炭素の生成など好ましくない副反応が起こる。よって、隔壁を介した間接加熱が好ましい。実質的には酸素濃度を２％以下であるするのが好ましい。

バイオマスの分子式ＣｍＨ_２Ｏｎにおいて、通常得られる草本類、木質類では平均的にｍ＝１．３、ｎ＝０．９と考えて前記モル比を設定してよい。別途用意する熱源はバイオマスを燃焼して得られる熱ガスを用いることができる。この熱源用バイオマスはガス分解用の原料より低品位のバイオマスを使用することもできる。

更に本発明のバイオマスのガス化方法は、外部から加える熱量が２５Ｋｃａｌ／バイオマスモル以上、好ましくは３０Ｋｃａｌ／バイオマスモル以上、更に好ましくは３９．７Ｋｃａｌ／バイオマスモル以上であることを特徴とする。

本発明の目的とするクリーンで高カロリなガスを生成させる吸熱反応では、化学量論的には３９．７Ｋｃａｌ／バイオマスモルであるので、速やかに副反応を伴わずに、反応を進行させるには少なくとも２５Ｋｃａｌ／バイオマスモルの熱量が必要となる。そして、ガス化装置のガス化反応領域内での滞留時間はおよそ０．１〜１０秒の範囲を要し、反応領域内の温度がおよそ８５０〜１０００℃の範囲では０．１秒、およそ８００℃では０．２〜０．５秒、およそ７５０℃では１０秒の滞留時間とすることが好ましい。

更に本発明のバイオマスのガス化方法は、外部より隔壁を介してガス化空間内の前記バイオマスに加える熱量がガス化反応後にすす若しくはタールが生じないようにガス化空間内の水蒸気の熱量及び隔壁からの外部熱量を調整して供給することを特微とする。

ガス化空間における分解ガス生成反応においては勿論のこと、生成したガス中のハイドロカーボンが脱水素して、遊離の炭素を生成しない条件とすることも必要であって、水蒸気量と温度即ち外部供給熱量を適切に調節して行う必要がある。

更に本発明のバイオマスのガス化方法は、下記（１）式の条件を満たすように、前記水蒸気／バイオマスのモル比と外部加熱空間よりの外部加熱カロリ及びガス化空間の還元雰囲気を設定したことを特微とする。
Ｃ_１．３Ｈ_２Ｏ_０．９＋ｐ_１Ｈ_２Ｏ
→ｑ_１Ｈ_２＋ｑ_２ＣＯ＋ｑ_３ＣＨ_４＋ｑ_４ＣＯ_２ …（１）
前記（１）式の一例を以下に示す。
Ｃ_１．３Ｈ_２Ｏ_０．９＋０．４Ｈ_２Ｏ
→０．８Ｈ_２＋０．７ＣＯ＋０．３ＣＨ_４＋０．３ＣＯ_２

即ち、（１）式は本発明の目的とする反応式であり、水蒸気／バイオマスのモル比と外部加熱カロリ及びガス化空間の還元雰囲気（酸素不足雰囲気）を設定することにより可能な反応式であることを見出した。

更に本発明のバイオマスのガス化方法は、炉内ガス化温度が８００〜１０００℃で、且つガス化雰囲気が常圧下で触媒を用いない還元性雰囲気であることを特徴とする。ガス化の温度範囲は副反応を伴わず且つ迅速に前記目的反応を促進的に進行させるのに足る温度範囲として前記範囲が好ましく、特に圧力を高める必要がない。そして、温度は微粉体がガスに転換する速度に関係があり、８５０〜９５０℃では最長凡そ０．２秒の転換速度が必要で、８００℃〜８５０では最長凡そ０．５秒の転換速度が必要である。更に１０００℃付近を超えると、装置の材質に非常に高価な耐熱性のものを選択する必要が生じるなど不利となる。還元性雰囲気とは酸化剤の存在しない雰囲気も含み、これにより、酸化熱による局部的な高温による副反応を伴わない専ら分解反応によるガス化が進行する。この種の炭水素酸素化合物の水蒸気による分解では、例えばニッケル系の触媒の存在下で、促進される場合があるが、本発明の方法では、特に触媒の必要はなく本発明の限定する条件で行えば、実用的な速度で進行する。通常、バイオマス有機物であるため、蛋白質や不純物由来の硫黄分及び塩素分が若干混入するので、これにより触媒は被毒され、実際には効果がない。

更に本発明のバイオマスのガス化方法は、粉砕した草本類若しくは木本類からなるバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間が、隔壁を構成する金属反応管を介して外部加熱空間と遮断され、前記金属反応管の管壁を介してガス化空間に幅射熱が付与されるようにしたことを特微とする。本反応ではできる限り純粋に目的反応を進行させ、有害な副反応を排除するために、加熱源たる熱ガスを直接ガス化空間に導入しない。熱のみをガス化空間に導入できる手段である、隔壁に熱ガスより伝熱し、その温度による隔壁のガス化空間内部への輻射による加熱手段を用いる。また、この方法により、熱ガスの化学的純度に多少の問題があってもガス化反応には影響しないから、加熱源としてのみの役割を果たしうる。なお、生成ガス中の若干の硫黄分及び塩素分は後述するとおり、生成ガス中の水分除去とともに、後段の脱水工程で除去可能である。

以上本発明の特徴により、タール、煤など遊離炭素の発生を伴わない、廃棄物は若干の灰分のみの、クリーンなＨ_２、ＣＯ、及びＣＨ_４などの炭化水素を主成分とする浮遊・外熱式高カロリガス（例えば２０ＭＪ／ＮＭ^３）が得られ、ガスエンジン発電と組合すことにより、総合エネルギ効率の高いシステムとすることができる。

以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。但し本実施の形態に記載される製品の寸法、形状、材質、その相対配置等は特に特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施例１） 図１は本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応設備を中心とするバイオエネルギ利用システムのフロー図である。ガス化反応設備１０１は反応管３０６（図２、３参照）を備え、該反応管は反応水１１５及びバイオマス微粉１１２を受け入れ、外部からバイオマス燃焼高温ガス１１４により加熱できるよう構成されている。粉砕設備１０２はバイオマスを受け入れて平均粒径３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の微粉を生成可能な性能を有し、平均粒径３ｍｍ以下の微粉１１２と平均粒径３ｍｍを超える粗粉１１３を分別して、排出可能な構造を有している。本実施例では破砕機とインパクトミルを組み合わせて用いた。熱ガス発生炉１０３はバイオマス粗粉１１３を受け入れて空気などの支燃剤によりバイオマス粗粉１１３を燃焼して高温のバイオマス燃焼高温ガス１１４を生成する。脱水装置１０４は内部に冷却伝熱面を持ち、塔内に導入されたガス中の水分及び硫黄化合物など高沸点物を凝縮して除去可能な構造を有す。ガスタンク１０５は水封式のタンクで、生成ガスを貯留可能な構造になっている。ガスエンジン１０６は本例における生成ガスを燃焼して、発電機を運転可能な能力を有している。

図１において、バイオマス原料１１１は粉砕設備１０２に供給され平均粒径３ｍｍ以下の微粉１１２と平均粒径３ｍｍを超える粗粉１１３に分けられ、粗粉１１３は熱ガス発生炉１０３に送られ、微粉１１２はガス化反応設備１０１中の前記反応管３０６中に反応水１１５とともに導入される。熱ガス発生炉１０３では粗粉１１３を燃焼温度９００〜１２００℃で燃焼させ、発生するバイオマス燃焼高温ガス１１４でガス化反応設備１０１中の前記反応管３０６を外部から加熱し、管内の温度を８００℃以上に保つ。反応管内に導入された微粉１１２は導入反応水１１５によって発生した水蒸気気流中に浮遊し、ほぼ瞬時（０．２秒以下）にガス化する。生成ガス１１８を脱水装置１０４に導入し、水分と硫黄分（Ｈ_２Ｓ）、塩素分（ＨＣｌ）を除去した後、生成ガス１１６とし、ガスタンク１０５に貯留する。生成ガス１１６は約２０ＭＪ／ｍ^３のカロリを有し、ガスエンジン１０６用燃料として適合する。本システムでバイオマス処理量１トン／日（５０〜１００ｋｇ／ｈ）を処理して、３０ｋＷの発電機により電気エネルギに変換したときの、総合エネルギ効率は２０％以上とすることができた。

（実施例２） 図２は本発明のガス化反応設備１０１と１次ガス化部３０２詳細の一例の概要図である。図２において、ガス化反応設備１０１は、加熱チャンバ３０７内部に反応管３０６を有し、加熱チャンバ３０７はバイオマス燃焼高温ガス１１４の導入口と、排出口を備えている。反応管はＵ字、逆Ｕ字、Ｕ字の管を連結した曲管であり、右側より第一垂直部、第二垂直部、第三垂直部、第四垂直部がある。その右端の第一垂直部上部より反応水１１５を導入出来る開口端が、中途第二垂直部上部よりバイオマス微粉１１２が導入出来る開口端が、中途第二垂直部、第三垂直部とを連結するＵ字管底部よりガス化によって発生する灰１１７を取り出す開口端が、左端第四垂直部よりガス化反応で生成した含水生成ガス１１８を取り出す開口端が、夫々設けてある。

ガス化反応設備１０１は不図示の熱ガス発生炉で生成した、バイオマス燃焼高温ガス１１４を前記加熱チャンバ３０７の導入口より導入して、反応管３０６を外部より加熱し、その内温を８００℃以上の適切な温度に維持するよう、バイオマス燃焼高温ガス１１４（外部加熱ガス）の温度及び流量を調節する。反応水１１５は第一垂直部の反応水蒸発部３０１において外部加熱ガスで加熱され水蒸気となり、第二垂直部の１次ガス化部３０２で上部より導入された、バイオマス微粉１１２を浮遊させながらガス化させる。この時、水蒸気／バイオマスのモル比が０．４以上となるように反応水１１５、微粉１１２の投入量を加減する。ガス化した生成ガスはついで、第三垂直部及び第四垂直部で構成される２次ガス化部３０３に流れて、少量の副生したタール・煤を分解する。この部分で固形有機物及び炭素は全て分解して、ガス体となり、固体は無機物からなる灰分のみとなり、前記灰取り出し開口端より、灰１１７を取り出す。生成ガス１１８は未だ水分と少量のＨ_２ＳとＨＣｌを含んだ状態で含水生成ガス１１８として前記左端第四垂直部開口端より取り出す。

１次ガス化部３０２の詳細は図示の如く、反応管３０６の下部付近が、中央に開口部３０８を持つコニカル（逆円錐台）型整流板３０７が設けられ、該開口部３０８から高温蒸気が吹き込まれ、反応管３０６上部から投入されたバイオマス微粉１１２を浮遊させた状態でガス化する。１次ガス化即ち本発明の目的とするガス化は１次ガス化領域３０４で行われ、この領域を過ぎた第三垂直部の上部は２次ガス化領域３０５として機能し、前記で説明した２次ガス化部３０３と同様な役割を果たす。

（実施例３） 図３は本発明のガス化反応設備と１次ガス化部詳細の他の例の概要図である。ガス化反応設備の全体構成は実施例２と同様である。１次ガス化部４０１詳細の構成が図示のようになっている。即ち、図３右側の１次ガス化部４０１詳細において、反応管３０６中には分散管４０２が送入されている。分散管は微粉送入管より、底部逆コニカルの底面円周に向けて延在する曲面で構成される、内部中空の一端が逆コニカルで閉鎖された、筒体であり、該底部逆コニカルの底面円周に向けて延在する曲面上に複数の噴出口４０５を有している。

前記反応管３０６に、該分散管４０２を挿入すると、分散管４０２の逆コニカル底面円周部付近と、反応管３０６内壁との間の距離が最も狭小となり、反応管３０６下部より蒸気など気体を流通させたとき、スロート部４０３となり、ここから上部に行くに従い、漸次管内壁と分散管４２外壁との距離は拡大していくので、ディフューーザ部４０４となる。従って、前記複数の噴出口４０５はこのスロート部４０３付近に設けることが好ましい。

かくして、分散管４０２の微粉送入管よりバイオマス微粉１１２を送入すると、反応水１１５の蒸発によって生成した高温蒸気が下部より流れ込み、スロート部４０３で高速となって、ベンチュリー効果により分散管４０２内部の微粉１１２を吸い出してディフューザ部４０４に分散させる。該分散浮遊した微粉はほとんど瞬時にガス化する。

（実施例４） 図４は本発明の多管式ガス化部を有するガス化反応設備１０１の概要図である。図において、多管式反応管５０１は実施例２もしくは３の曲管が図右側のＡ−Ａ’矢視図に示されるように垂直方向に５列並列に、加熱チャンバ内３０７に配置されており、バイオマス微粉投入口、灰取り出し口、反応水送入口、含水生成ガス取り出し口はそれぞれヘッダ５０２、５０３、５０４、５０５で５列が連結されている。これにより、処理空間容量が増加し、コンパクトに能力の増強が可能である。

（実施例５） 図５は本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応の温度条件とガス組成及び発熱量との関係を示すグラフである。図２に示す装置を用い本発明の浮遊・外熱式高カロリガス化の試験を、水蒸気／バイオマス重量比を２に固定して、各種温度で行い、生成ガスの組成を分析し、生成ガスの発熱量を測定して、反応のマテリアルバランスを求めた。その結果生成ガスは棒グラフに示すガス組成を与え、その発熱量を測定すると、折れ線グラフの熱量であった。

上記で得られた反応のマテリアルバランスよりガス化反応の経験式を求めると、
Ｃ_１．３Ｈ_２Ｏ_０．９＋０．４Ｈ_２Ｏ
→０．８Ｈ_２＋０．７ＣＯ＋０．３ＣＨ_４＋０．３ＣＯ_２＋３９．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ
であることがわかった。

以上詳しく説明したように、本発明によりタール、煤など遊離炭素の発生を伴わない、廃棄物は若干の灰分のみの、クリーンなＨ_２、ＣＯ、及びＣＨ_４などの炭化水素を主成分とする浮遊・外熱式高カロリガス（例えば２０ＭＪ／ＮＭ^３）が得られ、ガスエンジン発電と組合すことにより、総合エネルギ効率の高いシステムとすることができる。

本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応設備を中心とする、バイオエネルギ利用システムのフロー図応設備への搬送方法のフロー図 本発明のガス化反応設備と１次ガス化部詳細の一例の概要図 本発明のガス化反応設備と１次ガス化部詳細の他の例の概要図 本発明のガス化反応設備と多管式ガス化部の概要図 本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応の温度条件とガス組成及び発熱量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０１…ガス化反応設備
１０２…粉砕設備
１０３…熱ガス発生炉
１０４…脱水装置
１０５…ガスタンク
１０６…ガスエンジン
１１１…バイオマス原料
１１２…微粉
１１３…粗分
１１４…バイオマス燃焼高温ガス
１１５…反応水
１１６…生成ガス
２１１…蒸気又は蒸気＋少量空気
３０１…反応水蒸発部
３０２…１次ガス化部
３０３…２次ガス化部
３０４…１次ガス化域
３０５…２次ガス化域
３０６…反応管
３０７…加熱チャンバ
４０１…１次ガス化部
４０２…分散管
４０３…スロート部
４０４…ディフューザ部
５０１…多管式反応管
５０２…ヘッダ
５０３…ヘッダ
５０４…ヘッダ
５０５…ヘッダ

Claims (6)

1. 粉砕した草本類若しくは木本類からなるバイオマス微粉を、外部加熱空間と隔壁により遮断されたガス化空間内に供給して、且つガス化空間に化学的に影響を及ぼさない反応管壁からの輻射により前記外部加熱空間よりバイオマスの分解に必要な熱を供給して、吸熱反応によりガス化空間内で、該ガス化空間内に吹き込まれる高温水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化方法であって、前記バイオマスの分子式ＣｍＨ_２Ｏｎにおいて、ｍ＝１．３、ｎ＝０．９とした場合の、前記高温水蒸気／バイオマスのモル比を０．３〜１５に設定したことを特微とするバイオマスのガス化方法。
2. 前記外部加熱空間より加える熱量が２５Ｋｃａｌ／バイオマスモル以上であることを特微とする請求項１記載のバイオマスのガス化方法。
3. 外部より隔壁を介してガス化空間内の前記バイオマスに加える熱量がガス化反応後にすす若しくはタールが生じないようにガス化空間内の水蒸気の熱量及び隔壁からの外部熱量を調整して供給することを特微とする請求項１記載のバイオマスのガス化方法。
4. 請求項１記載のバイオマスのガス化方法において、下記（１）式の条件を満たすように、前記水蒸気／バイオマスのモル比と外部加熱空間よりの外部加熱カロリ及びガス化空間の還元雰囲気を設定したことを特微とするバイオマスのガス化方法。
   Ｃ_１．３Ｈ_２Ｏ_０．９＋ｐ_１Ｈ_２Ｏ
   →ｑ_１Ｈ_２＋ｑ_２ＣＯ＋ｑ_３ＣＨ_４＋ｑ_４ＣＯ_２…（１）
5. 炉内ガス化温度が８００〜１０００℃で、且つガス化雰囲気が常圧下で触媒を用いない還元性雰囲気であることを特微とする請求項１、３若しくは４記載のバイオマスのガス化方法。
6. 粉砕した草本類若しくは木本類からなるバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間が、隔壁を構成する金属反応管を介して外部加熱空間と遮断され、前記金属反応管の管壁を介してガス化空間に幅射熱が付与されるようにしたことを特微とする請求項１記載のバイオマスのガス化方法。

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