JP4805520B2

JP4805520B2 - 生物資源のガス化装置

Info

Publication number: JP4805520B2
Application number: JP2002041620A
Authority: JP
Inventors: ハナソゲ・スルヤナラヤナ・アバドハニー・ムクンダ; パラカット・ジョセフ・ポール; スリニバサイアー・ダスッパ; ナガマンガーラ・クリシュナイェンガー・スリランガ・ラジャン; グルラジャ・ラオ・スリドハール; フナセナハリー・ベンカテシャラオ・スリドハール
Original assignee: Registrar indian Institute Of Science
Current assignee: Registrar indian Institute Of Science
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: JP2003253271A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、開口した上部からの下方への流れを生じさせる、２段階空気取り入れリアクターを用いて、熱化学変換によって固体の生物資源を気体燃料に変換するための生物資源のガス化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
そのようにして発生された気体燃料は、タール、微粒子のような望ましくない成分を殆ど含んでおらず、パワーを生じさせるための内燃機関で使用され得る。これはまた高品質の熱が要求される熱適用時に、使用され得る。
【０００３】
多くの人が農業に従事している部落及び村落のような小さな協同社会における人口の増加を伴い、社会が発達して、電気エネルギーが非効率的に使用されてきたことにより、生活の質が低下している。かなり頻繁に、低品質の自由格子電気の保証（promise）が、社会の貧困層に更なる貧困をもたらす電気装置の故障を招いている。このため、この代わりに、近年では、効率的かつ環境に優しい方法で発電に利用可能な発生されたガスに変換されたバイオ残留物が、使用されている。この技術は、約５０年の間公知だった、閉まった上部を使用するという概念に基づいている。種々のデザインが、第２次世界大戦の間、欧州の国々で発達された。この処理は、エンジンが受け入れられる以上の量の微粒子とタールとを含む発生されたガスの発生を生じさせると、認識されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
固体残留物ガス化装置のデザインは、かなり以前から公知である。第２次世界大戦の間、これら装置は、供給原料として特に木炭を用いて、広範囲に渡って使用されていた。他の固体残留物のためのデザインは、木炭ガス化装置のデザインが応用されたものである。この装置は、底にあるフレア部分へと続き、スロートと呼ばれる比較的小さい開口を備えた、閉じられた上部ホッパを有する。空気は、スロートのちょうど上にある１もしくは複数の開口を介して取り入れられ得る。ガス化装置は、木炭の場合には十分な機能を果たすが、他の固体残留物が使用される場合には、多くの制限を有する。エンジン構成部品上に堆積されるタール（固体燃料から凝縮された揮発性物質）は別として、効率は低く、ディーゼルエンジンが使用されるときに交換され得るディーゼルは、効率が高くない（〜６５％）。
【０００５】
流れが上昇及び横切るガス化装置のような、他のタイプのガス化装置が、実験されてきたが、これらは、発生されるガス中に過度のタールが含まれることから、熱を適用するときにのみ適している。
【０００６】
本発明の目的は、様々のパワーレベルに応じて、タールや微粒子のような望ましくない含有物を比較的含まない燃料ガスを発生させるための、適当なデザインを有する、固体の生物資源のための効率の良いガス化システムを提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、クリーンな発生されたガスを発生させるために、ブリケットにされた遊離生物資源をガス化するための技術を提供することである。
【０００８】
本発明の更なる目的は、ガスの品質を内燃機関での使用に適した品質の良いガスを確実に発生させ得るガスクリーニング及び冷却システムを提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、ガスが周囲の温度まで冷却されず、塵が広範囲に渡って取り除かれ、また、送風機が、送風機に水を注入することによりガスの高温から保護されるような熱適用を実現するように、ガスを供給することである。
【００１０】
本発明の更なる目的は、クリーンな熱ガスが必要なときに発生されたガスが直接使用され得るように、未燃焼燃料の痕跡を残さずにガスを燃焼させる、コンパクトで対を成した突出部バーナーを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
これらの目的を果たすために、本発明は、
開口された上部を有し、この上部から空気が吸引され得るリアクターと、
前記リアクターにこれの上部から、固体の生物資源を供給するための手段と、
付加的な空気を通すために、リアクターの、これの底からほぼ３分の１の高さに位置された、空気ノズルとを具備し、
前記生物資源は、格子により、リアクター内に保持され、空気ノズルにより燃焼（lit）され、
高温が持続されるゾーンは、生物資源の揮発除去と炭化物の部分的なガス化とを助ける、リアクター上部からの空気によって維持され、このようなガス化は、リアクターの底へ向かうにつれて完了され、ここで、空気ノズルを介して付加的な空気が案内され、
発生された熱ガスは、リアクターから排出され、冷却され、濾過され、パワーを生じさせるために使用される、
熱化学変換によって固体の生物資源を気体燃料に変換するためのガス化装置を提供する。
【００１２】
リアクターは、セラミックで裏張りされたリアクターであり、２つの部分から成っている。これら部分の、下部分は、セラミックレンガ及びアルミナタイルで裏張りされた軟鋼で形成されている。上部分は、環状シェルであり、アルミニウムでコーティングされたステンレス・スチールで形成されている。
【００１３】
熱ガスは、生物資源を乾燥させるために熱を伝えた後に、リアクターの上部の環状部分を介して流れる。冷却されたガスは、再利用可能な重合体繊維のマット上のクオーツベッドから成るフィルタによって濾過される。
【００１４】
ガスは、送風機によって吸引され、そして、パワーを発生させるために制御可能な方法で、送風機に水を注入することにより送風機が高温のガスから保護されるように熱を適用する場合に、エンジンに供給される。
【００１５】
コンパクトで対を成した突出部バーナーは、クリーンな熱ガスが必要なときに発生されたガスが直接使用されるように、未燃焼燃料の痕跡を残さずにガスを燃焼させるために設けられる。
【００１６】
水だめが、必要な場合には、リアクターの底に設けられる。
【００１７】
リフティングテーブルが、必要な場合には、リアクターの底に設けられる。
【００１８】
格子は、動力を付けられ、炭化物用のチャンバが、炭化物を集めるために、リアクターの底に設けられる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付図面を参照して説明される。
【００２０】
図１では、（Ｒ）は、空気が吸引され得る、開口した上部を備えたリアクターを示す。リアクターは、２つの部分から成っている。下部分（Ｌ）が、セラミックレンガ及びアルミナタイルで裏張りされた柔らかなスチールから形成されている。上部分（Ｕ）が、アルミニウムでコーティングされたステンレス・スチールで形成された、環状のスペース（Ａ）を有する。生物資源は、リアクター（Ｒ）に、これの開口した上部から供給され、格子（Ｇ）によってリアクター（Ｒ）内で保持される。リアクターの底は、リフティングテーブル（Ｔ）上に位置された水シール（ＷＳ）でシールされている。リフティングテーブルは、水シールの上げ下げを助ける。生物資源は、空気ノズル（Ｎ）によって燃焼され、高温が持続されるゾーン（Ｂ）が、（ｉ）生物資源の揮発除去と炭化物の部分的なガス化とを助ける、リアクター上部からの給気と、（ｉｉ）炭化物の酸化を助ける、空気ノズル（Ｎ）からの空気とにより、維持される。ガス化は、リアクターの底で完了される。結果として生じた熱空気が、リアクター上部の環状部分（Ａ）を通り、入ってくる生物資源の乾燥を助ける。このあと、このガスは、冷却器（Ｃ）と、フィルタ（Ｆ１及びＦ２）とを通る。ガスは、吸引送風機（ＳＢ）によって吸引され、エンジン（Ｅ１及びＥ２）に供給される。これらエンジン（Ｅ１及びＥ２）は、パワーを引き起こし、これらからの排気ガスが、生物資源ドライヤ（ＢＤ）で生物資源を乾燥させるのに使用される。
【００２１】
図２では、使用されているリアクター（Ｒ）は、様々の高さに空気ノズル（Ｎ）を備えたセラミックリアクターである。リアクター（Ｒ）は、底が水だめ（ＷＳ）に浸けられるように、組み立てられている。発生されたガスは、冷却器（Ｃ）とフィルタ（Ｆ１及びＦ２）を通って流れ、吸引送風機（ＳＢ）によって吸引され、パワーを生じさせるためにエンジン（Ｅ）に供給される。
【００２２】
図３では、リアクターは、２つの部分から成っており、上述されたような上部分（Ｕ）と下部分（Ｌ）とは、格子（Ｇ）と共に使用されている。この場合、発生されたガスは、入ってくる生物資源を乾燥させるために、リアクターの上部分（Ｕ）の環状部分（Ａ）を通る。続いて、このガスは、熱サイクロン（ＣＹ１）と、続いて送風機（ＳＢ）と冷サイクロン（ＣＹ２）とに流れ、バーナー（Ｂ１）に供給される。バーナーと熱サイクロンとは、熱空気を回収するために接続されており、このことによって、全体的な効率がよくなっている。
【００２３】
図４では、様々の高さにノズルを備え、セラミックで裏張りされたリアクターが、使用されている。水だめ（ＷＳ）が、リアクター（Ｒ）の底に設けられ、発生されたガスは、熱サイクロンと、水スプレーを備えた送風機と、石炭サイクロンと、最後にバーナーを通る。バーナーと熱サイクロンとは、熱空気を回収するために接続されている。熱空気の回収は、パワーを生じさせるのに利用される。
【００２４】
図５では、２つの部分から成るリアクターが、格子（Ｇ）と共に使用されている。この場合、使用されている格子は、動力を付けられている。炭化物が生物資源から集められる場合には、炭化物用のキャビンが、リアクターの底に設けられる。この底では、炭化物は、集められ、ガスは、上部（Ｕ）の環状部分（Ａ）に供給され、続いて、この環状部分（Ａ）を介して冷却器（Ｃ）とフィルタ（Ｆ１及びＦ２）とへ流れ、そして、吸引送風機（ＳＢ）によって吸引される。このあと、ガスは、発電のためにエンジン（Ｅ１及びＥ２）に、また生物資源ドライヤ（ＢＤ）に供給される。
【００２５】
本発明は、以下の例を参照して詳述される。
【００２６】
例１：発電を行うための５０ｋｇ／ｈｒの能力を有する木材ガス化システム
５０ｋｇ／ｈｒの能力を有する木材バイオ残留物ガス化装置が、図１に示されている。この装置は、２つの部分（Ｕ及びＬ）から成るリアクター（Ｒ）を有する。上部（Ｕ）のシェルは、高温のガスによる化学腐蝕を防ぐようにアルミニウムでコーティングされたステンレス・スチール製の環状シェル（Ａ）であり、底（Ｂ）のシェルは、セラミックで裏張りされた軟鋼で形成されている。空気ノズル（Ｎ）は、リアクターの底の直径の０．３倍乃至０．４倍の直径を有し、リアクターのセラミックで裏張りされた下部のやや円錐形の部分に、位置されている。生物資源は、ステンレス・スチールもしくは鋳鉄でできた格子を有するリアクターに保持される。熱ガスが、管を介して、ステンレス・スチール製のシェルの上方の環状部分（Ａ）に流れる。続いて、ガスは、冷たい水を直接スプレーされることによって冷却され、重合体繊維のマット上に支持されている、特にデザインされたクオーツベッドを介して流れる。ガスは、続いて、制御バルブを介して制御された量の空気が吸引され得る、送風機（ＳＢ）の吸引部もしくはエンジン（Ｅ１及びＥ２）マニホールドの入口に入る。微粒子及びタール含有量が１００ｍｇ／ｍ^３未満である発生されたガスは、５０ｋＷの全能力を有する１もしくは複数のディーゼルエンジン内のディーゼルを、８５％のチューニングに交換する。これは、１％未満の灰分と、１５％未満の水分とを含み、１キロワット当たりほぼ６０乃至６５ｍｌのディーゼルを消費する、ほぼ１．２ｋｇ／ｋＷｈｒのバイオ残留物を使用する。
【００２７】
例２：ガスエンジンに接続された木材ガス化装置
例１で説明されたリアクター（Ｒ）は、スパークプラグとイグニションコイル／タイミングシステムとを有する点火システムに、オリジナルのディーゼルエンジンの燃料注入体を交換することで得られる、２５ｋＶＡの能力を有するガスエンジン（Ｅ）に接続されている。このエンジンは、エンジンのノッキングなしで、圧縮比１７（即ち、オリジナルのディーゼルエンジンの場合と同じ）で順調に作動し得た。僅かに高いピークパワー出力が、低い圧縮比（１５）で得られた。
【００２８】
例３：小さなサイズのガス化装置
例１及び例２と類似しているが、能力の小さいガス化システムは、発電を目的として形成及び作動された。また、直径１８０ｍｍのガス化装置は、二重の燃料モードで、また、完全にガス上で作動するようにエンジンを交換することによって、３．７ｋＷの能力を有するエンジン（Ｅ１及びＥ２）を作動させるために使用された。また、実験では、水ポンプ（図示されず）に接続されたガスエンジンと共に形成された。
【００２９】
例４：ブリケット材料のガス化
コーヒー豆の殻からのブリケット、レストホルツ（restholz）のブリケット（欧州の家具産業の廃棄物から形成されたブリケット）、草のブリケットによって作動され、例２のガス化装置とデザインが類似している、７５ｋｇ／ｈｒのバイオ残留物ガス化装置は、６時間を２０乃至４０ｋｇ／ｈｒで連続的に作動する場合とちょうど同じ程度の低消費率で作動する。この際、冷端及び冷却水アナリシスと同じくらいの熱さで、ガス混合物、微粒子、タールの測定が行われ、また、ガスの排気ストリーム中の窒素酸化物（ガス化装置からのガス）が、以下のような性能（performance）を有するボイラーを燃焼させる。熱いストリームでは、タール含有量は、７００ｍｇ／ｍ^３を超えない。冷たいストリーム５５ｍｇ／ｍ^３中では、この混合物は、１８乃至２１％のＣＯと，１５乃至１７％のＨ_２と、１．５乃至３％のＣＨ_４と、１２乃至１５％のＣＯ_２と、残りは窒素及び平衡水分とを含む。
【００３０】
例５：茶を乾燥させるための熱ガス化装置
リアクターのデザインの、３５０ｋｇ／ｈｒの能力を有するガス化装置が、図３に示されている。（ａ）リアクター（Ｒ）は、湿ったバイオ残留物を乾燥させるか、他の熱の必要性を満たすために空気が吸引される環状空間（Ａ）を有する、外側の金属シェルで囲まれ、（ｂ）ガスを冷却し、続いて、燃焼のために使用される空気を加熱するために、ガスは、システムを介して空気を吸引するための、周囲を他方のシェルで囲まれたサイクロンを介して引き込まれる。ガスを冷却し、粉塵の約９５％を取り除くために、ガスは、送風機中を通され、この中で水をスプレーされる。ガスは、特殊なデザインの対を成した突出部バーナーで燃焼される。このバーナーは、完全燃焼を確実にし、約１１００℃の均一な製品の温度を果たす。能力の大きい送風機は、製品の温度を１１００℃から約１２０℃まで減じるために、１：８（熱ガス：冷たい空気）の比率で使用可能である。この熱空気は、５乃至６０％及びこれの前後５％程度の平均的な水分含有量を有する茶葉を乾燥させるために使用される。この方法で作られる茶１ｋｇにあたり使用される木材の量は、０．３５±０．０３ｋｇである。これは、現在の茶産業で実際に使用されている量の約５分の１から約７分の１の量である。
【００３１】
例６：ガスと木炭との同時発生
例１と類似したデザインの、７５ｋｇ／ｈｒの能力を有するガス化装置は、格子（Ｇ）を手動もしくは電気モータで回転させる機能を有し、また、乾燥コンテナにおいて灰もしくは炭化物を収集可能にし、処分もしくは使用のためにこれらを抽出する機能を更に備えているダンプチャンバを、リアクターの下に備えている。このリアクターは、特に、他産業で使用される炭化物を形成するためにココナッツのシェルが使用されているときに、用いられる。層化モード（空気ノズル（Ｎ）を部分的に閉じ、フレームを、これが上部に到達するまで、上方へ動かす（propagate））でリアクター（Ｒ）を作動させて、ダンプの底に炭化物を排出することによって、２５乃至３０％程度の高品質の炭化物を得ることができる（８５％を超える炭素含有量を有する炭化物）。これは、システムから利用可能な発生されたガスとは別である。システムの有効な能力は、炭化物抽出なしの場合のほぼ７５％である。
【００３２】
例７：
５５０ｋｇ／ｈｒのバイオ残留物ガス化装置は、外スチールシェルを備え、内側がレンガ及びセラミックタイルで裏張りされている。空気ノズル（Ｎ）は、リアクター（Ｒ）の、これの底から０．２乃至０．４倍の高さに位置されている。更なる側からの空気ノズルは、空気がリアクターの中心に提供されるように、リアクターの０．４乃至０．６倍の高さに位置され、１層乃至３層を成すように配置されている。空気の吸引部は、迅速かつ安全なクロージャを可能にするための水シールと、ステンレス・スチール／鋳鋼製の底格子（Ｇ）とを有し、これは、格子を、手動もしくは電気モータで動かす性能を有する。ガスは、間接冷却を可能にする周囲のダクトを備えた垂直ダクトを介して引き出される。このように、送風機を介してもしくは直接的に１もしくは２の砂ベッドフィルタにガスが取り入れられる前に、１／２／３回の通過が果たされる。第１の砂ベッドフィルタは、粗いクオーツ砂で形成されており（１−２ｍｍの大きさ）、第２の砂ベッドフィルタは、細かい砂で形成されている（２００乃至７００ミクロンの大きさ）。
ベッドの構成は、全体のベッド領域を所定の大きさまで拡大させるために、コンパクトに作られている。フィルタは、エポキシ樹脂もしくは草繊維強化プラスチック材料でコーティングされた金属で形成されている。フィルタの表面の容積率は、１．５乃至２．５ｍ^２／ｍ^３である。
【００３３】
本発明は、対を成した空気入口ガス化装置と呼ばれることが、上述された説明から推察される。ガス化の各ステージの間、酸化、減少により、ガスが、熱い炭化物ベッドにおいて、２つの高温サイクルの支配下に置かれ、かくして、ガスからほぼ全ての炭化物がなくされる。
【００３４】
デザインは、パワーレベルに応じて、異なる。小さなパワーレベルでは（２５０ｋｇ／ｈｒまで）、リアクターは、２つの部分から成っている。下部分は、セラミックレンガ及びアルミナタイルで裏張りされた軟鋼で形成されている。上部は、環状で、アルミナでコーティングされたステンレス・スチールで形成されている。熱い発生されたガスは、ガス中の所定の感応性の熱が、リアクター上部で生物資源の乾燥及び最初の加熱のために再利用され得るように、環状通路を通る。比較的大きいパワーレベルでは（＞２５０ｋＷ）、熱伝達のための表面領域に限りがあることと、ステンレス製のシェルの耐用年数とによって、熱を、生物資源を加熱するために再利用することができない。様々の高さに設けられた付加的な空気ノズルは、パワーレベルが大きくなるにつれて、必要性を増す。
【００３５】
２重の燃料供給から発電させるための、ガス化装置のこれらのデザインのうちの１つは、パワーレベル１００ｋＷまで可能である。実証すると、これら発生された微粒子とタールとの、ガス中の含量は、熱端（at hot end）で、夫々に、５００ｍｇ／ｍ^３と、１００ｍｇ／ｍ^３である。しかしながら、冷端(at the cold end)では、ガスの冷却とクリーニングが成されたあと、これら含量は、夫々に、約７０ｍｇ／ｍ^３と、５０ｍｇ／ｍ^３である。エンジンのテストは、実験室と現地との両方の多数のエンジンに成される。このテストは、微粒子とタールとの含量を交換エンジンでの使用の許容範囲内に抑えるというデザイナーのクレームを実証している。２つの燃料モード（ガスとディーゼルとの両方）のディーゼルエンジンで使用されているとき、作業は、ディーゼルの交換を、８５％まで可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係わる、発電を行うために２部分のリアクターシェルを備え、５０Ｋｇ／ｈｒの能力を有する生物資源のガス化装置を示す。
【図２】図２は、本発明に係わる、発電を行うためのセラミックリアクターを備え、５００Ｋｇ／ｈｒの能力を有する生物資源のガス化装置を示す。
【図３】図３は、本発明に係わる、熱を適用するための２つの部分から成るリアクターシェルを備え、１００Ｋｇ／ｈｒの能力を有する生物資源のガス化装置を示す。
【図４】図４は、本発明に係わる、熱を適用するためのセラミックリアクターを備え、５００Ｋｇ／ｈｒの能力を有する生物資源のガス化装置を示す。
【図５】図５は、本発明に係わる、発電を行うことを目的とした木炭抽出のための回転する格子を備え、５０Ｋｇ／ｈｒの能力を有する生物資源のガス化装置を示す。
【符号の説明】
Ｒ…リアクター、Ｎ…空気ノズル、Ｇ…格子、Ｂ…高温が持続されるゾーン。

Claims

開口された上部を有し、この上部から空気が吸引され得るリアクターと、
前記リアクターにこれの上部から、固体の生物資源を供給するための手段と、
付加的な空気を通すために、リアクターの底から０．２乃至０．４倍の高さに位置された、空気ノズルとを具備し、
前記生物資源は、格子により、リアクター内に保持され、ここで燃焼され、
高温が持続されるゾーンが、生物資源の揮発除去と炭化物の部分的なガス化とを助けるリアクター上部からの給気と、空気ノズルからの空気とによって維持され、
発生された熱ガスは、タールと微粒子とを含み、エンジンでパワーを生じさせるために使用され、
前記リアクターは、上下の２つの部分から成り、これら部分の一方である下部分は、セラミックレンガ及びアルミナタイルで裏張りされた軟鋼から形成され、他方の部分である上部分は、アルミニウムでコーティングされたステンレス・スチールで形成されている環状のスペースを有し、
前記固体の生物資源は、前記環状のスペースに囲まれた領域を通るようにリアクターに供給され、
前記熱ガスは、前記環状のスペースに囲まれた前記領域を通る生物資源を乾燥させるために、リアクターの前記環状のスペースを流れる、
熱化学変換によって、固体の生物資源を気体燃料に変換するための生物資源のガス化装置。
空気がリアクターの中心に提供されるように、リアクターの０．４乃至０．６倍の高さに位置され複数の更なる空気ノズルを具備する、請求項１のガス化装置。