JP4986080B2 - バイオマスガス化装置 - Google Patents

Description

本発明は固体系バイオマスを利便性の高い燃料ガスへ交換するガス化技術に係り、実用性の高い装置によって、固体系バイオマスからクリーンで、かつ、化石燃料と同等の高い発熱量を有し、メタノールなどの化学合成原料としても使える高品質燃料ガスを熱化学的手法によって生成するバイオマスのガス化反応装置に関する。得られる生成ガスは、化石代替燃料、発電効率の高い機種であるガスエンジン発電、ガスタービン発電に使用でき、さらに、１００％バイオマス由来のメタノールやＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ ｆｕｅｌ；石油同等燃料）の合成ガスとして利用され、さらにこれらを用いた１００％バイオマス由来のバイオディーゼル燃料として利用される。

従来の固体系バイオマスのエネルギー変換は直接燃焼による熱利用が主で、この場合、高度なエネルギー利用は困難である。例えば発電の場合、木質チップ・ボイラで水蒸気を発生させ、水蒸気タービンによる発電方式となるが、実プラントでは１０００〜３０００ｋＷ規模で、８〜１２％の発電効率に止まる。１００ｋＷ規模の小規模では電力出力は得られない。現在、バイオマスのエネルギー高効率利用のためのガス化技術が開発されている。従来のガス化技術は、空気または酸素の理論量以下でバイオマスを半燃焼させる部分酸化法が主流であるが、すす・タールの発生が多く発熱に使われた排ガスが生成ガスに混入するため、高品質の生成ガスは得られていなかった。

バイオマスの高度エネルギー利用のためには液体燃料への転換が、自動車燃料化ならびに燃料輸送上の点から理想である。しかし、バイオマスからの液体燃料製法は糖質・でんぷん等を原料とした発酵によるエタノール燃料も、植物油をメタノール添加によってエステル化したＢＤＦ（バイオディーゼル油燃料）も、主として食料を原料としており、耕作面積当りの収量が低い。
本発明が目的とする草本類・木本類すべてのバイオマスを対象として化学合成原料に転換し得る品質で熱化学的にガス化できる実用装置はまだ開発されていない。

近年、バイオマスから発電用ガスエンジンに適合する高カロリーでクリーンな燃料ガスが得られる浮遊外熱式ガス化方法が開発された。その内容は下記特許文献１、特許文献２および特許文献３に示されている。
特許文献１には、バイオマスの燃焼空間とバイオマスのガス化空間を分離して有するバイオマスガス化装置が開示されている。この装置は、バイオマスの燃焼空間から得られる完全燃焼高温ガスをバイオマスのガス化空間の加熱に利用し、さらに完全高温燃焼ガスを複数の透孔を通してガス化空間内に供給する。この装置により、燃焼空間の発熱反応とガス化空間の吸熱反応が別個に容易に制御されてバイオマスがガス化するので、従来にない高品質燃料ガスが得られるようになった。しかし、この装置では、透孔を通じて高温燃焼ガスをガス化空間に導入することでバイオマスの均一なガス化を図っている。そのために、生成ガス中に完全高温燃焼ガスに含まれる炭酸ガスと窒素が多量に混入し生成ガスの品質を低下させることと、生成ガスや生成ガスの原料となるバイオマスの散逸を伴うこと、ガス化剤の分布が不均一になること、細孔を多数加工しなければならないこと等の問題があった。

また、特許文献２と特許文献３では、水蒸気をガス化空間に供給する技術が開示されている。水蒸気添加により、上記の問題はかなり解決されたが、以下の点を含む解決または向上すべき技術課題がいくつか残っている。
第１の欠点として、ガス化原料となるバイオマスは約３ｍｍ以下の微粉が要求され、粉砕動力が大きいことと同時に１０〜２０ｍｍの粗粉はトラブルの原因となること。
第２の欠点として、ガス化空間に供給されるガス化剤（例えば水蒸気）がバイオマス供給ホッパー内に侵入して結露したり、バイオマス微粉を高含水分にしてしまう。この結果、バイオマス微粉のガス化空間への円滑な供給を困難にし、さらにガス化反応室でのガス化効率を著しく低下させること。
第３の欠点として、得られる燃料ガスの組成に占める水素分の比率が低く、そのままメタノールやＧＴＬなどを合成する合成ガスとして用いるにはまだ不十分である。

特開２００２−８８３７９号公報 特開２００４−５１７１７号公報 特開２００４−５１７１８号公報

上述した問題に鑑み、本発明は、すすとタールを殆ど含まずクリーンで、発熱量の高い理論断熱燃焼温度にも優れた高品質の燃料ガスを生成させるバイオマスのガス化を目的とする。また、小型プラントでありながら、蒸気タービンを用いた大型のバイオマスチップ発電よりも優れており、高効率で且つ地産地消型もしくは小規模分散型に適したバイオマスガス化装置であって、得られる生成ガス、すなわち燃料ガスをそのままガスエンジン、ガスタービンに使用できるバイオマスガス化装置を提供することを目的とする。また、得られる生成ガスが水素と一酸化炭素を主成分とし、メタノールやＧＴＬ等の化学合成原料となる合成ガスとしても利用可能な品質であることを目標とする。
このようなバイオマスの上手なエネルギー利用は、規模的にも大きな潜在的可能性を有するので、化石燃料一辺倒の日本の現状から脱皮する代替技術として時代の強いニーズに応え得るものである。

本発明のバイオマスガス化装置は、バイオマスを燃焼させて燃焼ガスを発生させる高温燃焼ガス発生装置と、バイオマス供給ホッパーと、ガス化反応装置とからなり、
該ガス化反応装置は、２次ガス化反応管とガス化剤供給ラインとを連接する１次ガス化反応室を内部に配置し、該１次ガス化反応室は該バイオマス供給ホッパーとバイオマス供給ラインによって接続しており、
該高温燃焼ガス発生装置は、該ガス化反応装置と燃焼ガス供給ラインで接続している。

上記構成により、バイオマスのガス化に要する熱源のすべてをバイオマスの燃焼ガスで賄い、且つ高品質の燃料ガス（以下、生成ガスということもある）を得ることが可能になった。例えば、形状加工度が低い低質のバイオマスを燃焼し、発生した燃焼ガスを熱源としてバイオマスをガス化して高品質の生成ガスを得ることが可能になった。
ここで、バイオマスのガス化に必要な熱源は、高温燃焼ガス発生装置で安価なバイオマスを燃焼させ、８００℃以上、好ましくは１０００℃以上の燃焼ガスとして得られ、燃焼ガス供給ラインを介して１次ガス化反応室に供給される。
生成ガスの原料であるバイオマスは、１次ガス化反応室の壁の輻射熱を反応熱にしてガス化剤供給ラインから供給される水蒸気などのガス化剤とガス化反応を起こす。このとき１次ガス化反応室には酸素装置を要する純酸素を入れることなく、また空気の導入もゼロ乃至少量に制限させるので窒素成分を少量しか含まず発熱量、理論燃焼温度が高く、すす・タールの極めて少ない高品質な生成ガスを得ることができる。
さらに、１次ガス化反応室のあとに２次ガス化反応管を連接して設けたので、タールおよび煤がほぼ完全に分解されて標準構造のガスエンジン燃料として長期に使用できるクリーンな生成ガスを得ることができる。
なお、燃焼用あるいは燃料ガス化用のバイオマスは数ｍｍ乃至数百ｍｍ、さらに好ましくは略２ｃｍ以下に破砕された小片（以下「チップ状バイオマス」「バイオマスチップ」あるいは「粗粉砕バイオマス」ということもある）であることが好ましい。

本発明のバイオマスガス化装置は、好ましくは、前記高温燃焼ガス発生装置が８００℃以上の燃焼ガスを得るため、固定床を持つ下向流方式の立形燃焼炉を基本とし、立形燃焼炉の下部に火格子を設け、火格子の上方より１ヶ所以上の吹き込み孔より１次空気を供給し、次に、火格子金物の内部より火格子の冷却機能をもたせて噴孔形式で供給される２次空気と、さらに、火格子下部より完全燃焼に必要な３次空気の供給を行ない、前記高温燃焼ガス発生装置の出口では煙突または誘引通風機による吸引を行う。

上記構成によれば、クリーンで未燃焼成分を残さず前記高温燃焼ガス発生装置の出口で少なくも８００℃、好ましくは１０００℃以上の燃焼ガスを発生させるため、燃焼炉は立形固定床形式とし、下部に火格子を設け、火格子上部より１次空気を下向流として供給する。次に火格子金物の内部より複数個の噴口から２次空気を噴出させ、燃焼の保持と燃焼速度の制御を行ない、さらに火格子下部の燃焼ガス排出部に３次空気を供給して、クリーンな完全燃焼と排出高温ガスの温度制御を行なう。燃焼ガスは出口部の煙突または誘引通風機によって吸引し、下向流を維持する。
このような燃焼方式とすることで、炉上部から供給されたチップ状バイオマスの積層は火格子近傍で最高燃焼温度となり、燃焼ガスは火格子下の３次空気によって完全燃焼される。この燃焼方式では火格子部で１３００℃以上に達するので２次空気による火格子金物の冷却が不可欠である。火格子下の出口部では３次空気で未燃焼成分の完全燃焼により未燃炭化水素および煤ならびにＣＯが一切残らない状態で高温完全燃焼するため、ダイオキシンゼロのクリーンな燃焼ガスを得ることができる。３次空気が加わって完全燃焼したガスは８００℃〜１０００℃を超える高温でガス化反応装置へ供給される。

前記高温燃焼ガス発生装置にあっては、１次空気および２次空気の時間当たりの供給量によってバイオマス燃料の燃焼速度を制御し、３次空気によって未燃ガスの完全燃焼と高温燃焼ガス排出温度の制御を行なうようにすることができる。この構成によって、前記ガス化反応装置でバイオマスや生成ガスの用途に適した反応環境を与えることができる。

本発明のバイオマスガス化装置において、前記高温燃焼ガス発生装置に供給する１次空気、２次空気、３次空気は、バイオマス性状、特に含水分の違いに応じた燃焼速度の制御と高温燃焼ガスの排出温度の制御を容易にするため、予熱することが好ましい。空気を予熱することによって、高含水分のバイオマスチップの燃焼効率を向上すると同時に、前記ガス化反応装置へ供給する燃焼ガスの温度低下を防ぐことができる。一般に予熱は１５０〜４５０℃である。

本発明のバイオマスガス化装置において、前記バイオマス供給ホッパーに粗粉併走ガス供給ラインを併設してもよい。バイオマス原料の供給には窒素ガス、二酸化炭素、空気またはそれらの混合物から選ばれる粗粉伴走ガスをバイオマスに対し、重量比として、二酸化炭素の場合２〜１５％、窒素の場合２〜１０％、空気の場合２〜５％程度を併走供給させれば、１次ガス化反応室に供給される水蒸気がバイオマス供給ホッパーへ侵入するのを防ぎ、バイオマス供給ホッパー中のバイオマスの加湿を防止することができる。

粗粉併走ガスの選択は、生成ガスの用途を考慮して行えば良い。例えば、生成ガスをメタノール合成に用いる場合は二酸化炭素が有利である。また併走ガスへの適量の窒素混入は、水蒸気を減らせる効果があり、水のエンタルピーを反応温度の過熱水蒸気エンタルピーまで加熱する熱量の大きさを考慮すると、発熱量の高さを優先するガスエンジン燃料用途には窒素ガスを用いるのが好ましい。このとき、窒素ガスの入手性とコスト上の理由で空気を用いることも選択肢になる。

本発明のバイオマスガス化装置において、前記１次ガス化反応室内の下部にセラミック多孔質板やパンチング形式等の多孔質板を設け、バイオマス原料を前記１次ガス化反応室の上部より供給し、ガス化剤を該多孔質板の下部より上昇流で供給してもよい。

上記構成によれば、前記１次ガス化反応室に前記バイオマス供給ホッパーから、略２ｃｍ以下の粗粉砕バイオマスを供給し、前記１次ガス化反応室の下部に連接したガス化剤供給ラインからはガス化剤を上昇流として供給する。ここで前記１次ガス反応室の下部にセラミックス多孔質板またはパンチング状の多孔質板を設け、前記１次ガス化反応室でガス化せずに残留したバイオマス残分を前記多孔質板上で捕捉する。ほとんどの粗粉砕バイオマスは浮遊状態でガス化剤と反応して瞬時にガス化するが、多孔板上に捕捉されたバイオマス残分は長秒時間を掛けてガス化していく。生成ガスの組成は粗粉バイオマスの粒度径に影響されることはなく、高い水素濃度をもつことが確かめられている。バイオマスの微粉砕が要求されないことから粉砕動力コストも軽減される。

なお、ガス化剤は、水蒸気、二酸化炭素あるいはその混合物を用いることができる。バイオマスの性状によってガス化剤の必要量は異なる。

一般木質系の場合、略式分子式をＣ_1.3Ｈ₂Ｏ_0.9（分子量）とすると、水蒸気の場合、必要最少量は０．４Ｈ₂Ｏで、実用運転では３Ｈ₂Ｏ以上が好ましい。しかし、過剰な水蒸気は熱効率を低下させるので、本発明の構成では重量比２以上の供給を原則とする。
乾燥バイオマス重量に対し、水蒸気ガス化剤を重量比０．６以上、好ましくは２以上の供給を行なうようにすればよい。

本発明のバイオマスガス化装置において、１次ガス化反応室の外部空間と２次ガス化反応管外部空間の間に高温燃焼ガスの通気が可能で、かつ１次ガス化反応室と２次ガス化反応管の間の熱輻射を遮断できるように耐熱隔壁を設け、燃焼ガスを先ず１次ガス化反応室の外周に導入し１次ガス化反応室を加熱したあと、２次ガス化反応管の外周に導いて該反応管を加熱する構造としてもよい。
上記構成にすると、高温熱ガス発生装置から導入した燃焼ガスを、より高温が要求される１次ガス化反応室に優先的に供給することができる。

本発明のバイオマスガス化装置において、１次ガス化反応室の本体の材料にチタン酸アルミニウム等のセラミック材または同材料の金属材料表面コーティング、もしくは高クロム・高ニッケル合金材等の高温耐熱材を用いれば、１次ガス化反応室の運転可能温度範囲を向上させることができる。

ある種のチタン酸アルミニウムは、コージェライトよりも耐熱性が高く炭化ケイ素よりも熱衝撃に強く耐熱性と対熱衝撃性が実用性あるレベルで両立できるので、一次ガス化反応室の材料として金属の代わりに使用することが可能になった。上記構成を採用すると、反応温度を上げて水素発生量を増加させたいときなど生成ガスの用途に応じて、金属の耐熱温度限界に拘束されることなく、１次ガス化反応温度をより自由に選択しかつ運転操作温度変動上の余裕を持たせることが可能になる。

本発明のバイオマスガス化装置において、１次ガス化反応室は、好ましくは乾燥バイオマス原料１ｋｇ／ｈの供給に対し、少なくとも壁温８００℃の場合０．００８ｍ²以上、壁温１０００℃の場合少なくとも０．００４ｍ²以上の１次ガス化反応室壁面積とする。

水蒸気を対バイオマスモル比３で入れた場合の反応吸熱量は次式となる。
Ｃ_1.3Ｈ₂Ｏ_0.9＋３Ｈ₂Ｏ → Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₄、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ＋２２ｋｃａｌ／Ｂｉｏ−ｍｏｌ（吸熱）
すなわち、乾燥バイオマス１ｋｇに対し、約７００ｋｃａｌ／１ｋｇ−Ｂｉｏの反応熱を与える必要がある。いま、反応室壁から９００℃の熱輻射を受けるとして、１ｋｇ／ｈのバイオマスガス化には反応室壁面積０．００８ｍ²以上、好ましくは０．０１ｍ²以上とすることによってガス化反応を成立させる。化学合成原料としての合成ガスを得ることを目的とする場合、ガス化反応室温度は高い方が有利で、反応室壁温度を１１００℃とした場合はバイオマス１ｋｇ／ｈに対し反応室壁面積は略０．００４ｍ²以上、好ましくは０．００５ｍ²以上でよい。

本発明のバイオマスガス化装置において、バイオマスの含水分に応じて、バイオマスホッパーからのバイオマス供給量を制御して生成ガス性状を適正化する制御機能を有してもよい。

上記構成では、例えば１次ガス化反応室へ供給するバイオマスの水分が２０重量％である場合、乾燥バイオマスを供給量する場合に比べ２０％減じて供給する。供給量の調整が可能なようにバイオマス供給ラインのスクリューフィーダの移送量を、スクリュー回転数などで調節可能とし、運転時のバイオマス水分入力データに応じて移送量を調節すればよい。

生成ガスのＨ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等のガス組成を、生成ガスの用途に応じて、１次ガス反応室温度、バイオマス原料とガス化剤水蒸気重質比、バイオマス原料供給量、バイオマス原料含水率、ならびにバイオマス原料粉砕度によって制御すれば好ましい。

本発明のバイオマスガス化反応装置は化石燃料並みの高温燃焼を可能にする燃料ガスをバイオマスから生成させる技術であるが、同時に化学合成原料にもなり得る合成ガスへの用途も適用できる。合成ガスとして利用する場合はガス組成中の水素（Ｈ₂）と一酸化炭素（ＣＯ）の組成比が重要である。例えばメタノール合成の場合ではＨ₂とＣＯのガス組成に占める割合が高く、かつＨ₂／ＣＯモル比≒２が望ましい。
適正な比率のＨ₂とＣＯを得るために、次のような操作を行い、目的とする合成ガスを得ることができる。
（１）Ｈ₂組成を増やしたい場合：１次ガス化反応室へ供給するバイオマス粒子径を小さくする、ガス化反応室温を高くする、ガス化剤の量を増やす、１次ガスガス化反応室へのバイオマス供給量を減らす、１０〜２０ｍｍの粗粉原料を増やし多孔板上でのガス化反応を増やす。
（２）ＣＯ組成を増やしたい場合：１次ガス化反応室へ供給バイオマス供給量増によるガス化反応室内滞留時間の短縮、バイオマス粒子径の大径化、１次ガス化反応室温度を低くする（ただし、８００℃以上）。
ガスエンジン用途では、ＣＨ₄が多くてよい。メタノール合成を行なう場合は、Ｈ₂とＣＯが多く、Ｈ₂／ＣＯのバランスが重要である。

前記ガス化反応装置内の加熱に使用された燃焼ガスは、好ましくは、使用後にガス化反応装置外へ排出され、廃熱ボイラによる熱回収で過熱水蒸気を発生させて、これをガス化剤として利用することができる。

ガス化剤として過熱水蒸気を用いる場合、排気ガスからの熱回収によって、水から過熱水蒸気を作るので熱の損失を大幅に縮小することができる。

また、上述したように、ガス化剤として水蒸気の代わりに二酸化炭素と水蒸気の混合ガスを用いてもよい。

上記構成により、生成ガスをメタノール合成に用いる場合、二酸化炭素は水素と化合してメタノールになるので、合成用原料ガスの水素を本発明に係る装置以外の手段によって供給できる場合に、経済的にメタノール合成量を増やすことができる。

本発明によれば、１次ガス化反応室の加熱に必要な熱源を、高温燃焼ガス発生装置によってバイオマスの燃焼ガスとして得ることができる。特に、高温燃焼ガス発生装置を下向流３段分割空気供給とすることで、より高温でクリーンな燃焼ガスを得ることができる。
また、バイオマス供給ホッパーに粗粉併走ガス供給ラインを併設することにより、バイオマス供給ホッパーの結露やバイオマス供給ホッパー中のバイオマスの水分吸収を防止し、ガス化性能効率を向上させることができる。さらに、１次ガス化反応室中に多孔質板を設けたことによって大きな粒度の粗いバイオマスのガス化処理が可能になるだけでなく、生成ガスの品質の劣化を防止することができる。

本発明のバイオマスガス化装置により、クリーンでかつ高品質の燃料ガスを得ることができる。この燃料ガスの燃焼温度は化石燃料と同等であることから、発電効率の高いガスエンジン発電、ガスタービン発電に利用できる。
また、燃料ガスの組成はＨ₂、ＣＯ組成が主成分であることから、化学合成原料の合成ガスとしても利用でき、メタノール、ＧＴＬなどの液体燃料製造へ原料ガスとして利用できる。

本発明の第１の実施形態に係るバイオマスガスの熱化学的ガス化装置全体の概略構成図である。 第１の実施形態に係る高温熱ガス発生装置の概略図である。 第１の実施形態に係るバイオマスガス化反応装置の概略図である。 第１の実施形態に係るガス化反応温度９００℃における生成ガス組成相対比率の例である。 ガス化反応装置のホッパーへの粗粉伴走ガス供給を加えた第２の実施形態に係るバイオマスガス化反応装置の概略図である。 さらにガス化反応装置の内部に耐熱隔壁を設けた第３の実施形態に係るバイオマスガス化反応装置の概略図である。 さらにガス化剤代替ガス（二酸化炭素）を加えた第４の実施形態に係るバイオマスガス化反応装置の概略図である。 第４の実施形態に係るバイオマスガスの熱化学的ガス化装置全体の概略構成図である。

符号の説明

１０１ 高温燃焼ガス発生装置
１０２ 燃焼炉
１０３ 火格子
１０４ ２次空気噴口
１０５ バイオマスチップ
１０６ １次空気
１０７ ２次空気
１０８ ３次空気
１０９ 燃焼ガス供給ライン
１０９ａ 燃焼ガス
１１０ 空気予熱器
１１１ 炉底燃焼室
１１２ 灰溜
１１３ 空気
２０１ ガス化反応装置
２０２ １次ガス化反応室
２０３ ２次ガス化反応管
２０４ バイオマス供給ライン
２０５ 粗粉砕バイオマス
２０６ 粗粉併走ガス供給ライン
２０６ａ 粗粉併走ガス
２０７ 生成ガス・燃料ガス
２０８ バイオマス供給ホッパー
２０９ 反応炉高温室
２１０ 多孔質板
２１１ 断熱材
２１２ 耐熱隔壁
２１３ ガス化剤
２１４ 灰出し口
２１５ 排ガス
３０１ 廃熱ボイラ
３０２ ガス化剤供給ライン
３０３ ガス化剤（過熱水蒸気）
３０４ 熱利用ユーザ
３０５ 誘引通風機
３０６ 排ガス
３０７ 煙突
３０８ ガス化剤代替ガス（二酸化炭素）
４０１ 熱交換器
４０２ サイクロン
４０３ スクラバー
４０４ 押込通風機
４０５ 燃料ガスタンク
４０６ 利用先

（第１の実施形態）
図１は本発明のバイオマスガス化装置の一実施形態を示す。
高温燃焼ガス発生装置１０１において、バイオマスを燃焼して９００℃を超える高温でクリーンな燃焼ガス（矢印で示す）１０９ａを発生させる。燃焼ガス１０９ａは、燃焼ガス供給ライン１０９からガス化反応装置２０１へ送られ、ガス化反応装置２０１内に配置される１次ガス化反応室２０２とこれに連結されている２次ガス化反応管２０３を外壁面から加熱した後、排ガス２１５としてガス化反応装置２０１から排出される。

排ガス２１５は、廃熱ボイラ３０１で過熱水蒸気３０３を発生させる。過熱水蒸気３０３はガス化剤供給ライン３０２から１次ガス化反応室２０２の底部へ供給される。１次ガス化反応室２０２へは上部に連接するバイオマス供給ライン２０４からバイオマス２０５が落下供給される。バイオマス供給ライン２０４はスクリューフィーダでバイオマス供給ホッパー２０８から供給される粗粉砕バイオマス２０５を搬送する。１次ガス化反応室２０２の内部では粗粉砕バイオマス２０５とガス化剤としての過熱水蒸気が１次ガス化反応室２０２の壁からの輻射熱を化学反応熱として吸収し、水蒸気改質反応によって粗粉砕バイオマス２０５のガス化が行われる。このとき、ガス化反応に触媒は使用しない。

１次ガス化反応室２０２で発生した生成ガスはタール・すすのガス化反応をさらに進めるため、２次ガス化反応管２０３へ送られ、最終的に目的する成分組成の燃料ガス（矢印で示す）２０７として燃料ガスタンク４０５へ送られる。ここで生成ガス（燃料ガス）２０７が燃料ガスタンク４０５に送られるまで間に、廃熱回収の熱交換器４０１、灰・すす除去用のサイクロン４０２、残分水蒸気除去用の水スプレー・スクラバー４０３、燃料ガスタンク４０５へ生成ガス２０７を送る押込送風機４０４が設けられている。

燃料ガスタンク４０５に貯えられた生成ガス２０７および押込通風機４０４から直接送られる生成ガス２０７は利用先４０６としてエンジン発電、タービン発電、石油代替燃料ガス、化学合成原料合成ガスなど高品質な燃料ガスとして利用される。一方、ガス化反応炉でガス化反応に利用された高温燃焼ガス１０９の排ガス２１５は、廃熱ボイラ３０１で過熱水蒸気を発生させたあと熱需要があれば排ガス２１５の熱をさらに熱利用３０４したあと誘引通風機３０５によって煙突３０７より大気に放出される。

図２は本発明の図１に示す高温燃焼ガス発生装置１０１の拡大断面図である。燃焼炉１０２にはシャフト炉形式の固定床で燃焼炉下部に火格子１０３が設けてある。燃料となるバイオマス２０５は１０ｃｍ程度のバイオマスチップ１０５を適性形状とし、これを燃焼炉１０２の頂部より落下投入する。

燃焼用空気は上部より１次空気１０６、火格子１０３近傍より２次空気１０７、火格子１０３の下部より３次空気１０８を供給する。燃焼炉１０２内の空気または燃焼ガスの流れは、排出される燃焼ガス１０９が後流部の誘引通風機３０５（図１参照）によって煙突へ誘引されていることから、下向流となっている。この方式によって、燃焼炉内の燃焼は火格子１０３の上部近傍で最高燃焼温度に達し、幾らかの可燃ガスを含んだ燃焼ガスが火格子下の炉底燃焼室１１１において、３次空気１０８によってクリーンにかつ完全燃焼が達成される。
このとき発生する燃焼ガス１０９ａのガス性状のクリーン度を次の例で示す。
酸素（Ｏ₂） ４．２％
二酸化炭素（ＣＯ₂） １４．６％
塩化水素（ＨＣｌ） ４３０ｐｐｍ
硫化水素（Ｈ₂Ｓ） １２０ｐｐｍ
炭化水素（Ｃ_mＨ_n） ０％
一酸化炭素（ＣＯ） ０％
ダイオキシン 検出限界以下
燃焼温度 １２２０℃

本実施形態におけるさらなる特徴は１次空気１０６、２次空気１０７、３次空気１０８を最大４５０℃まで加熱することができる空気予熱器１１０が設けられており、６０％の含水バイオマスチップ１０５でも容易に燃焼できる機能をもっていること、また火格子１０３において燃焼が１３００℃を超える高温となるため、この耐熱構造として、火格子１０３は２次空気１０７の一部または全部を火格子金物の内部を冷却したあと多数の２次空気噴口１０４より燃焼用空気として噴出される特徴をもっているところである。

図３は、本発明のガス化反応装置２０１の１実施形態を示したものである。ガス化反応装置２０１の外壁の内面は断熱材２１１で囲われている。ガス化反応装置２０１の内部には、１次ガス化反応室２０２とこれに連結された２次ガス化反応管２０３が設けられており、１次ガス化反応室２０２の上部にはバイオマス供給ライン２０４が連接されている。バイオマス２０５は、バイオマス供給ホッパー２０８より供給され、バイオマス供給ライン２０４によって搬送されて１次ガス化反応室２０２の上部より落下供給される。
さらに、廃熱ボイラ３０１で得られた過熱水蒸気（矢印で示す）３０３が、ガス化剤供給ライン３０２から１次ガス化反応室２０２の底部へバイオマスのガス化剤２１３として供給される。
また、燃焼ガス１０９ａは、燃焼ガス供給ライン１０９からガス化反応装置２０１の内部に導入され、１次ガス化反応室２０２と２次ガス化反応管２０３を加熱する。

１次ガス化反応室２０２では、バイオマスチップ２０５とガス化剤２１３が該反応室壁からの輻射熱によって化学反応を起こし、Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₄、ＣＯ₂などの生成ガス２０７を生成する。
ここで１次ガス化反応室２０２内の下部から中間に位置する場所に、セラミック多孔質板または銅板材などによるパンチング多孔質板２１０が設けられている。略３ｍｍ以上の粗粉砕バイオマス２０５は多孔質板２１０上に留まってガス化される。１次ガス化反応室２０２でガス化された生成ガスは若干のすす・タールを含むことがあるため、２次ガス化反応管２０３に送られ、すす・タールの残分をガス化剤によって再分解・ガス化され、クリーンな生成ガスに仕上られて、燃料ガス２０７として利用に供する。

図４は本発明の実施形態での、バイオマスの微粒バイオマスの浮遊ガス化と粗粉バイオマスの多孔板２１０上でのガス化による生成ガス組成を比較したものである。下段のグラフは生成ガスの炭化ガス組成を１００％として表示してある。ここでエチレンＣ₂Ｈ₄は炭素２原子分子であるため組成％を２倍して、合計炭素ガスを１００％とした。
上段のグラフは発生した水素Ｈ₂を炭化ガス１００％に対する比率で％表示したものである。いずれの結果も１次ガス化反応室を９００℃で行った。

ここで、水素Ｈ₂量はバイオマス例えばＣ_1.3Ｈ₂Ｏ_0.9の水素分のほか、バイオマスガス化成分の炭化水素ガスの水蒸気との反応によっても発生する。
例えば、
Ｃ₂Ｈ₄＋４Ｈ₂Ｏ→２ＣＯ₂＋６Ｈ₂ で表せる。
したがって、上段水素量が大きいほどガス化反応が進んでいるとみなすことができる。
図４より、０．１、０．６、２．０ｍｍバイオマス粒子のガス化剤中に浮遊したガス化反応では粒子が小さいほどガス化し易く、粒子が大きくなるとガス化反応が進みにくいことが判る。しかし、１０ｍｍクラスの粗粉バイオマスであっても多孔質板上に留められ、ガス化されることによって、浮遊ガス化以上のガス化反応を行なわせることができることがわかる。ただし、微粒の浮遊の浮遊ガス化反応が略１秒以下であるのに対し、多孔質板上に留まるバイオマスは数分のガス化反応時間を要する。

（第２の実施形態）
図５は、バイオマス供給ホッパー２０８へ粗粉併走ガス供給ライン２０６を併設した本発明の第２の実施形態に係るガス化反応装置２０１の概略図である。
この実施形態では、粗粉砕バイオマスチップ２０５を一時的に貯留するバイオマス供給ホッパー２０８の内部へ、Ｎ₂、ＣＯ₂、空気またはこれらの混合物を粗粉併走ガス２０６ａとして粗粉併走ガス供給ライン２０６から送り込む。粗粉併走ガスの大部分はバイオマスチップ２０５とともにバイオマス供給ライン２０４を経由して１次ガス化反応室２０２へ落下供給される。

この粗粉併走ガス２０６ａを供給しない場合、バイオマス供給ライン２０４を経由して１次ガス化反応室２０２内に多量に導入された水蒸気の一部がバイオマス供給ホッパー２０８へ流入する。そのために、バイオマス供給ホッパー２０８に貯留されているまだ温度の低い粗粉砕バイオマス２０５に結露して、多量の水分が粗粉砕バイオマス２０５に吸収されてしまうことが実験わかった。例えば、長時間のうちに１５％含水分の粗粉砕バイオマスが６０％の含水分まで吸水する場合があった。

粗粉砕バイオマスに含まれる水分は１次ガス化反応装置２０２の内部で蒸発し高温に加熱されることになるが、蒸発潜熱も含め大きな熱損失となり、ガス化効率を低下させる結果となる。ガス化反応装置のガス化効率は粗粉砕バイオマスの含水分に大きく左右され、例えば１００ｋｇ／ｈのバイオマスガス化時を比較すると次の表１に示すような傾向を呈する。

含水分が高くなると急激にガス化能力が低下することが分かる。１次ガス化反応室２０２の壁面温度低下または生成ガス中の炭化水素分が増加する時には、バイオマス原料供給量を低減して調整する。
実施形態２は、ガス化反応装置２０１のバイオマスガス化能力を高く維持することを可能にする。実験結果からすると、バイオマス供給量の重量比２〜１５％程度の二酸化炭素または２〜１０％の窒素で効果が認められた。空気を用いる場合は、生成ガスの一部が燃焼し発熱量を低下させるので２〜５％程度が望ましい。

（第３の実施形態）
図６は、さらに内部に耐熱隔壁を設けた本発明の第３実施形態に係るガス化反応装置の概略図である。
この実施形態では、１次ガス化反応室２０２と２次ガス化反応管２０３は輻射熱遮断を目的とした耐熱隔壁２１２で区切られ、第１ガス化反応室２０２は、２次ガス化反応管２０３から独立した反応炉高温室２０９を形成する。高温燃焼ガス発生装置１０１で発生した燃焼ガスはガス化反応装置２０１へ送ら、まず１次ガス化反応室２０２を加熱し、その次に２次ガス化反応管２０３を加熱する。第１ガス化反応室２０２は、２次ガス化反応管２０３から独立した反応炉高温室２０９を形成しているので、第１ガス化反応室２０２より高い温度に設定できる。第２ガス化反応管２０３の温度は第１ガス化反応室２０２よりも若干温度が低くても良いので、生成ガスの水素成分を増やすために第１ガス化反応室２０２の温度をより高く維持したいときにこの実施形態は特に効果がある。

（第４の実施形態）
図７は、さらにガス化剤代替ガス（すなわち二酸化炭素）３０８を加えた本発明第４の実施形態に係るガス化反応装置の概略図である。
この実施例では、水を加熱して得られた過熱水蒸気３０３に二酸化炭素からなるガス化剤代替ガス３０８をさらに混合させ、ガス化剤供給ライン３０２から１次ガス化反応室２０２の底部へ供給する。二酸化炭素は、高温である程度ガス化剤としての機能を持つが、生成ガスの二酸化炭素成分は増える。生成ガスをメタノールの合成ガスに供する場合、生成ガス中の二酸化炭素は水素と結合してメタノールを生むので、とくに水素が当バイオマスガス化装置以外の供給源から供給可能な場合、この二酸化炭素の供給によってメタノール合成の生産量が増強されるという効果がある。
図８に、前記第４の実施形態に係るバイオマスガスの熱化学的ガス化装置の全体構成を示す。その構成内容は前述の通りである。

本発明により、小型プラントでありながら、蒸気タービンを用いた大型のバイオマスチップ発電の効率よりも優れた、高効率で且つ地産地消型もしくは小規模分散型に適したバイオマスガス化装置が提供される。
本発明のバイオマスガス化反応装置によって得られる燃料ガスは、Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄を主成分とする高品質・高カロリーであることから、エンジン発電、タービン発電、化石燃料代替高カロリー燃料、化学合成原料として、そしてメタノール合成・ＧＴＬ合成の合成ガスとして多用途に利用できる。

Claims (11)

1. バイオマスを燃焼させて燃焼ガスを発生させる高温燃焼ガス発生装置と、バイオマス供給ホッパーと、ガス化反応装置とからなり、
   上記ガス化反応装置は、２次ガス化反応管とガス化剤供給ラインとを連接する１次ガス化反応室を内部に配置し、該１次ガス化反応室の外部空間と上記２次ガス化反応管の間には耐熱隔壁が設けられて、かつ、上記１次ガス化反応室はバイオマス供給ラインによって上記バイオマス供給ホッパーに接続され、
   上記高温燃焼ガス発生装置は、固定床を持つ下向流方式の立形燃焼炉を有し、該立形燃焼炉は下部に火格子が設けられており、該火格子の上方での１次空気供給と、該火格子金物の内部からの２次空気供給と、火格子下部での３次空気供給とが行われ、
   上記ガス化反応装置と上記高温燃焼ガス発生装置は、燃焼ガス供給ラインで接続しているバイオマスガス化装置。
2. 前記バイオマス供給ホッパーは、粗粉併走ガス供給ラインが併設されている、請求項１に記載のバイオマスガス化装置。
3. 前記バイオマス供給ラインから窒素ガス、二酸化炭素、空気またはそれらの混合物を供給する、請求項２に記載のバイオマスガス化装置。
4. 前記高温燃焼ガス発生装置は、１次空気および２次空気の時間当たりの供給量によってバイオマス燃料の燃焼速度を制御し、３次空気によって、未燃ガスの完全燃焼と高温燃焼ガス排出温度の制御を行う、請求項１又は２記載のバイオマスガス化装置。
5. 前記高温燃焼ガス発生装置に供給する１次空気、２次空気、３次空気は、バイオマス性状、特に含水分の違いに応じた燃焼速度の制御と高温燃焼ガスの排出温度の制御を容易にするために空気予熱器で予熱する、請求項１又は２記載のバイオマスガス化装置。
6. 前記１次ガス化反応室の下部にセラミック多孔質板やパンチング形式等の多孔質板を設け、該多孔質板の下部よりガス化剤を上昇流で供給する、請求項１又は２に記載のバイオマスガス化装置。
7. 前記１次ガス化反応室の本体の材料にチタン酸アルミニウム等のセラミック材または同材料の金属材料表面コーティング、もしくは高クロム・高ニッケル合金材等の高温耐熱材を用いる、請求項１又は２記載のバイオマスガス化装置。
8. 前記１次ガス化反応室は、乾燥バイオマス原料１ｋｇ／ｈの供給に対し、少なくとも壁温８００℃の場合０．００８ｍ^２以上、壁温１０００℃の場合少なくとも０．００４ｍ^２以上の１次ガス化反応室壁面積を有する、請求項１又は２に記載のバイオマスガス化装置。
9. 前記バイオマス供給ホッパーは、バイオマスの含水分に応じて、バイオマス供給量を制御して生成ガス性状を適正化する制御機能を有する、請求項１又は２に記載のバイオマスガス化装置。
10. 前記ガス化反応装置内の加熱に使用された燃焼ガスは、ガス化反応装置外へ排出され、廃熱ボイラで過熱水蒸気発生に使用され、さらに前記ガス化剤として利用される、請求項６に記載のバイオマスガス化装置。
11. 前記ガス化剤として、二酸化炭素と水蒸気の混合ガスを供給する、請求項６に記載のバイオマスガス化装置。

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