JP5086253B2 - 自動モジュール式バイオマス発電方法および装置 - Google Patents

Description

（関連出願の参照）
本出願は、２００５年６月２８日出願の米国仮特許出願第６０／６９４，１５６号の利益を主張する。該出願はまた、２００６年６月２８日出願の米国特許出願第＿＿＿＿＿＿＿＿号（代理人整理番号第０２６３５３−０００２００ＵＳ号）に関する。これらの出願の各々の内容全体は、本明細書において参考として援用される。

（連邦政府の支援による研究または開発下でなされた発明に対する権利に対する声明）
米国政府は、本発明における一括払い方式のライセンス、ならびに、限られた条件に置いて、特許権保有者に、ＳＢＩＲ契約Ｎｏ．ＤＥ−ＦＧ０２−０３ＥＲ８３６３０およびＳＭＢ契約Ｎｏ．ＺＤＨ−９−２９０４７−０１（双方共に米国エネルギー省によって授与）の条件によって提供されるような合理的な契約条件で、他者にライセンスを与えることを求める権利を有する。

（発明の背景）
本発明の実施形態は、全般的に、ダウンドラフト式バイオマスガス化の分野に関する。さらに詳細には、本発明の実施形態は、低排出で、有毒廃物流を伴わない低タール燃料ガスを製造するモジュール式移動式分散型バイオマスガス化装置におけるバイオマスガス化に関する。

ガス化は、通常、炭素ベースのバイオマス供給原料の酸化またはガスもしくは他の使用可能な燃料への変換を含む。得られたガスは、電気を生成すること、または原料として薬品および液体燃料を製造するのに使用することができる。通常、木材チップまたは他のバイオマスなどの供給原料を選別して、望ましくない材料を取り除く。該供給原料を乾燥し、ガス化装置内で処理して燃料を製造する。

バイオマスガス化に一般に使用される技術は、ガス化の変数を制御できないことにより阻まれることが多く、従って、高濃度のタールで汚染された燃料ガスが生成されることになる。多くの現在のガス化装置システムでは、そのような高濃度のタールは、水ベースの洗浄装置および／または大型のおがくずもしくは砂床フィルタを組み込んでいることが最も多い浄化システムを使用する必要がある。これらの構成要素は、コスト、複雑さを増大させ、システムの設置面積を広げる。さらに、タールを満載した排水またはタールに汚染された大量の砂もしくはおがくずは、浄化の必要があるか、または通常多くの国々でかつ特に米国で、有害廃物流として扱われる必要があることが多い。

さらに、ガス化に関する最近のアプローチは、効果的なガス冷却を提供しないことが多く、その結果、汚れた燃料ガスをもたらす可能性がある。高温の発生炉ガスの冷却は、実際的見地から熱伝導の難しい課題である。チューブアンドシェル（ｔｕｂｅ−ａｎｄ−ｓｈｅｌｌ）型熱交換器の種々の部品の均一でない温度、その結果生じる熱膨張および収縮により、２つの流体流間に大きな温度差がある状態で運転する場合、圧力除去のための措置が必要となることが多い。現在の技術はまた、発生炉ガスから残留タールおよびチャーを除去するために水洗浄を含むことが多い。残念ながら、これらの材料は非常に微細なエーロゾルおよび粒子であり、この方法で取り除くのは困難である。

分散型燃料ガス生成システムの別の欠点は、診断能力を増強しかつ迅速な修理を実行すると同時に、通信ネットワークを介して制御して、動作を監視しかつ性能を最適化することができないことである。このように、燃料ガス生成を通信ネットワークを介して監視し制御することができないために、局地でまたは広域で、システムの機能停止から回復するための時間が増大することで収益が減ると同時に、運転人件費が増大する可能性がある。

ガス化の変数を正確に制御することができ、効果的なガス冷却を提供でき、洗浄用液体を使用せずに運転することができ、モジュール式バイオ電力システムのネットワーク化されたグループのコンピュータ制御を提供することができる、ガス化のためのシステムおよび方法が必要とされている。本発明の実施形態は、これらのニーズの少なくともいくつかに対する解決策を提供する。

本発明の実施形態は、冷却および濾過など種々のガス化変数の自動化および制御に適切なガス化のシステムおよび方法を提供する。また、熱分解ゾーンの位置を制御し、かつガス化チャンバ内にチャー−空気（ｃｈａｒ−ａｉｒ）の注入を含む技術を提供する。火格子要素は、種々の機能を実行するために必要に応じて動かすことが可能で、ガス化装置は、ガス製造の望ましい条件を作り出すために振動させられることが可能である。いくつかの実施形態では、すべてのチャーは熱交換器を通過し、いくつかの実施形態では、チャーがタールを吸収する。熱交換器のチューブは、自由に動かせるように構成されており、フィルタが設けられており、遠隔操作のためにインターネットを使用する能力を含む自動化の態様が開示されている。

本発明の第１の態様の実施形態では、ガス化反応炉チャンバ内で固体炭素質材料を低タール燃料ガスに変換する自動化された方法が提供されている。この方法は、チャンバ内へ炭素質材料を導入するステップと、火炎熱分解ゾーンにおいて炭素質材料の第１の部分をチャー材料に変換するステップと、ガス化反応炉チャンバの複数のレベルで酸化ガスを注入することによりチャンバの長さに沿って複数の温度を制御するステップと、複数のレベルの少なくとも１つから注入される酸化ガスの量を制御するステップと、火炎熱分解ゾーンの上流または下流で注入される酸化ガスの量を増減することによりチャンバ内部で該熱分解ゾーンの位置を変化させるステップと、少なくとも１つの力をガス化反応炉チャンバにかけることにより該チャンバ内のチャー材料および炭素質材料の第２の部分の多孔性を制御するステップと、並びにガス化反応炉チャンバ内部でチャー材料および炭素質材料の第２の部分を低タール燃料ガスに変換するステップとを含み得る。該方法はまた、火炎熱分解ゾーンの位置を制御して、燃料ガス流量の所定の範囲に関してタールの低減を最大にするステップを含み得る。該方法はまた、燃料ガス流量の所定の範囲に関して圧力降下が最小の状態で、チャー材料および炭素質材料の第２の部分の多孔性を制御して、タールの低減を最大にするステップを含み得る。場合により、炭素質材料は、約３ポンド／立方フィートを超える、かさ密度を含む。場合により、炭素質材料は、木質バイオマス、非木質バイオマス、セルロース製品、厚紙、繊維板、紙、プラスチック、または食物を含む。該方法はまた、１つ以上の可変速ファンまたは送風装置を用いて、１つ以上のバルブを用いて、あるいは１つ以上の流量制限器を用いて、２つ以上のレベルでガス化チャンバに注入される酸化ガスの量を制御するステップを含んでもよい。

別の態様では、本発明の実施形態は、燃料ガス生成デバイスからタールを除去する自動化された方法を提供する。該方法は、燃焼されなかった固体材料を、ガス化反応炉チャンバの下流で流動する燃料ガス内に引き込まれるのに適したサイズの粒子まで小さくするステップ、該粒子を流動する燃料ガス内に注入して、該粒子が、タールを蓄積しがちな燃料ガス生成デバイスの表面を研磨することができるようにするステップ、タールを満載した粒子を形成するために、流動する燃料ガスの温度を制御して流動する燃料ガス内に注入された粒子の表面上でのタールの凝縮および吸収を促進するステップ、タールを満載した粒子を制御しかつ燃料ガス生成デバイスから排出するステップを含み得る。流動する燃料ガスの温度は、熱交換器、ヒ−タ、送風機、ファン等により制御することができる。場合により、該方法は、流動する燃料ガスからタールを満載した粒子を除去するステップを含み得る。

さらに別の態様では、本発明の実施形態は、固体炭素質材料を燃料ガスに変換する自動ガス化反応炉装置を提供する。該装置は、燃料ガスを形成するために固体炭素質材料を点火するように構成されている熱源と、燃料床内部で酸化ガスを均一に分配する様式で、ガス化反応炉壁から種々の距離においてガス化反応炉チャンバの内部に酸化ガスを送達するように注入管が構成されるように、２つ以上のレベルでガス化反応炉壁を貫通している複数の注入管とを含むことができる。該装置はまた、ガス化反応炉チャンバの下流排出口に配置されている可動火格子を含むことができ、該火格子は壊れやすいチャーまたは灰を、網目スクリーンを通過するサイズの粒子に粉砕するように構成されている。複数の注入管は、酸化ガスを、燃料ガスの流動の方向に対してほぼ非垂直の方向に送達するように構成されている複数のノズルを含むことができる。点火のための熱源は、例えば、電気抵抗ヒータまたはガスバーナを含むことができる。場合により、該装置はまた、酸化ガスをガス化チャンバ内に注入するように構成されている送風機手段を含むことができる。該送風装置手段は、複数の制御バルブを有する単一の送風機または複数の送風機を含むことができる。複数のノズルは、ガス化反応炉の内側に突出している複数の注入管に配置することができる。該装置はまた、モータ、起動装置、ソレノイド等の火格子を動かす手段を含むことができる。場合により、該装置はまた、結合したチャー材料および炭素質材料の多孔性を、その中のブリッジおよびチャネルを壊すことにより制御するように構成されている振動手段も含むことができる。場合により、該装置はまた、タールを満載したガスの温度を制御して、流動するガス流内に引き込まれた粒子表面上のタールの収集を促すように構成されているチューブアンドシェル型熱交換器も含むことができる。チューブアンドシェル型熱交換器内部のチューブは、流動するガス流を冷却することによって生じる極度の伸び差に耐えるように構成することができ、該チューブは、チューブシートのシールを介して個々に圧力緩和することができる。該装置はまた、流動するガス流からタールを満載した粒子を除去するフィルタを含んでもよい。

別の態様では、本発明の実施形態は、一体型自動電力システムを提供する。該電力システムは、燃料ガス化反応炉、ガス冷却装置、ガスフィルタ、化石燃料供給型エネルギー変換デバイス、およびプロセス自動化コントローラに動作上関連するプロセス自動化コントローラを含むことができる。該エネルギー変換デバイスは、低タール燃料ガスをエネルギー出力、例えば機械エネルギー出力、電気エネルギー出力、熱エネルギー出力、または化学エネルギー出力など、に変換するように構成することができる。場合により、ガス化反応炉、ガス冷却装置、またはガスフィルタは、燃料ガスを化石燃料供給型エネルギー変換デバイスに供給するようになされている。場合により、化石燃料供給型エネルギー変換デバイスは、固体酸化物型燃料電池、スターリングエンジン、ガスタービン、内燃エンジン、熱電発電機、スクロールエキスパンダ、ガスバーナ、ガスツーリキッドデバイス、または熱光起電デバイスを含む。化石燃料供給型エネルギー変換デバイスは、低タール燃料ガスからエネルギー出力を生成するように構成することができる。いくつかの態様では、化石燃料供給型エネルギー変換デバイスは、低タール燃料ガスからエネルギー出力を生成するように構成されている圧縮点火内燃エンジンを含む。プロセス自動化コントローラは、例えば分散クライアントサーバ、通信リンク、および集中方式クライアントサーバを含むネットワークの一部とすることができる。本発明の実施形態はまた、自動モジュール式分散型アーキテクチャを包含する。例えば、分散型アーキテクチャは、集中方式クライアントサーバおよび少なくとも１つの一体型自動電力システムを含むことができる。該一体型自動電力システムは、燃料ガス化反応炉、ガス冷却装置、ガスフィルタ、化石燃料供給型エネルギー変換デバイス、およびプロセス自動化コントローラに動作上関連して、プロセス自動化コントローラを含むことができる。

いくつかの態様では、本発明の実施形態は、固体炭素質材料を低タール燃料ガスに変換する方法を提供する。該方法は、例えば、ガス化反応炉チャンバの下流で表面（場合によりすべての表面）の加熱を制御して水の露点を超える所定の温度にし、下流表面の加熱を中止し、かつ点火用の熱源を使用して反応炉チャンバ内に蓄積されたチャーに点火し燃焼させるガス化プロセスを開始するための手段を提供するステップを含み得る。該方法はまた、固体炭素質材料で満たされている反応炉チャンバの軸長に沿ったいくつかのレベルで酸化ガスの注入を制御するための手段を提供するステップと、任意の他の入り口から受け入れられてガス化反応炉チャンバへ向かう周囲酸化空気に対する注入された酸化ガスの比を、０％注入酸化ガスから１００％周囲空気へ、または１００％注入酸化ガスから０％周囲空気へと連続的に変化させる方法で、反応炉チャンバへの酸化ガスの注入を制御する手段を提供するステップとを含み得る。該方法はまた、軸方向の１つのレベルで注入される酸化ガスの比を、必要な酸化ガス全体の０％から１００％へ変化させる方法で、反応炉チャンバへの酸化ガスの注入を制御するステップと、いくつかのレベルで酸化ガスの注入を制御するステップと、ノズルの下流に配置されている炭素質材料の温度を増減する方法で酸化ガスを注入するステップとを含んでもよい。さらに、該方法は、複数のレベルで酸化ガスの注入を制御するステップと、注入点の下流のかつ通常チャンバの垂直軸に平行な複数の加熱されたプルームを作り出す方法で、酸化ガスを注入するステップと、火炎熱分解ゾーンの上流または下流で注入される酸化ガス全体の一部を制御することにより反応炉チャンバ内部での上流または下流方向の火炎熱分解ゾーンの移動を制御するステップとを含んでもよい。該方法はまた、燃料床の最も遠い下流部分からのチャーおよび灰の除去を制御することにより反応炉チャンバ内部の下流方向の火炎熱分解ゾーンの移動を制御するステップと、力を加えた後に燃料床の材料を移動させて占有体積を小さくするのに十分な大きさ、頻度、および継続期間の、ガス化反応炉の表面構造にかけられる力を制御することにより燃料床のかさ密度（単位体積当たりの重量で測定される）を増大させるステップとを含んでもよい。該方法はさらに、炭素質材料の燃焼、空間の崩壊、燃料床のかさ密度の制御された増加、または反応炉チャンバからのチャーおよび／または灰の除去により体積が減少した固体炭素質材料の量を補給する必要に応じて、チャンバ内へ固体炭素質材料を供給するステップと、反応炉チャンバからの再生燃料ガスを出力するステップとを含んでもよい。

いくつかの態様では、ガス化チャンバの横断面積またはガス化チャンバの長さまたはその両方は、燃料ガス流量の所定の範囲内でのタールの低減を最大にするように選択することができる。低タール燃料ガスは、通常約３ポンド／立方フィートより高いかさ密度を有する固体炭素質燃料から作ることができる。例えば、裁断された大群のごみは、６ポンド／立方フィートのかさ密度を有する。場合により、低タール燃料ガスは、木質バイオマス；非木質バイオマス；厚紙、繊維板、および紙などのセルロース製品；ある種のプラスチックおよび食料品；並びにそれらの混合物などの固体炭素質材料から作ることができる。点加熱源は、固体炭素質燃料床の底部の近くのガス化チャンバの出力の上流点で利用することができる。酸化ガスの流動は、１つ以上の可変速ファンまたは送風機を用いて、あるいは１つ以上のバルブまたは流量制限器により、２つ以上のレベルで制御されてもよい。いくつかの態様では、燃焼しなかった固体材料（チャー、灰、泥、小石等）の大多数は、流動する燃料ガス中に引き込まれた粒子としてガス化チャンバを出る。ガス中に引き込まれたチャー、灰、泥、および小石は、露出した熱交換表面を研磨し、付着物の蓄積を最小にすることができる。いくつかの態様では、燃料ガスは熱交換器を用いて冷却され、次に微粒子を取り除くためにろ過される。冷却された燃料ガス内に引き込まれた材料は、後に廃棄のために除去できるような態様でフィルタ表面に蓄積させることができる。

さらに別の態様では、本発明の実施形態は、固体炭素質材料を低タール燃料ガスに変換するガス化反応炉を提供する。該装置は、例えば、固体炭素質材料がそこを通って送達される入り口、固体炭素質材料を受け入れるガス化反応炉内部のチャンバ、固体炭素質材料を点火する熱源、および酸化ガスがそれを通ってチャンバ内部へ注入する、ガス化反応炉壁を貫通している複数の酸化剤注入管を含むことができる。いくつかのレベルの複数の酸化剤注入管は、ガス化反応炉壁を貫通することができ、各レベルは、燃料ガスの流動の上流から下流の方向に連続して配列することができる。該装置はまた、酸化ガスを燃料床内部で均一に分配する様式でガス化反応炉壁から種々の距離において酸化ガスを送達するように配列されている複数の管またはノズルを含むことができる。複数のノズルは、燃料ガスの流動の大体の方向に対してほぼ非垂直方向に酸化ガスを送達することができる。該装置はまた、固体炭素質材料がその中で酸化される内部チャンバを有するガス化反応炉、ガス化反応炉に種々の外力をかける手段、および壊れやすいチャーおよび灰を、粉砕されたチャーおよび灰が網目スクリーンを通過できるようになる粒子サイズまで粉砕するために可動の、チャンバの下流排出口に配置されている火格子を含むことができる。いくつかの態様では、点火用の熱源は、電気抵抗ヒータまたはガスバーナである。酸化ガスをガス化チャンバ内へ送達する手段は、単一の送風機または複数の送風機により実現することができる。複数のノズルは、ガス化反応炉内部へ突出している複数の酸化剤注入管に配置することができる。種々の外力をかける手段は、バイブレータ、ソレノイド等を含むことができる。いくつかの態様では、燃料ガスの冷却にチューブアンドシェル型熱交換器が使用される。チューブアンドシェル型熱交換器の各チューブは、チューブシートのシールを介して軸方向にあるその他のチューブとは無関係に熱膨張および収縮することが可能にされてもよい。いくつかの態様では、透過性フィルタは、ガス化チャンバ内で製造された燃料ガス中に引き込まれたチャーおよび灰を除去する。ガス化装置および熱交換器は、高温の機械構成要素を損なうと考えられる該構成要素内への圧力の誘導を回避するためにばね取り付けすることができる。重力を動力源としたゲートを使用して、酸化ガスおよび供給原料のガス化チャンバへの流動を直ちに遮断することができる。

さらに別の態様では、本発明の実施形態は、固体炭素質材料を低タール燃料ガスに変換する自動モジュール式システムを提供する。該システムは、例えば、固体炭素質燃料をガス化反応炉に送達する個別自動サブシステム、固体炭素質燃料を低タール燃料ガスに変換する個別自動サブシステム、低タール燃料ガスの温度を水の露点を越える所定の水準まで低下させる個別自動サブシステム、および燃料ガスの流動が遮断されない態様で燃料ガスから固体粒子およびタールを除去しかつ固体粒子を収集容器へ排出する個別自動サブシステムを含むことができる。該システムはまた、諸個別自動サブシステムの相互接続の結果得られる一体型システムを運転するプロセス自動化コントローラ、および異なる種類のガスベースのエネルギー変換装置のニーズを満たす態様で低タール燃料ガスを送達する一意の自動モジュール式システムを形成するために、個別自動サブシステムを含むかまたは除外する手段を含んでもよい。燃料ガス内部に含まれるタールは、約１００万分の２５未満であり得る。異なる種類のガスベースのエネルギー変換装置には、固体酸化物型燃料電池、スターリングエンジン、マイクロタービン、内燃エンジン、熱電発電機、スクロールエキスパンダ、ガスバーナ、熱光起電デバイス、またはガスツーリキッドデバイスが挙げられる。場合により、２つ以上のガス化反応炉の出力ガスを組み合わせて、低タール燃料ガスを下流のサブシステムに供給することができる。該下流のサブシステムには、ガス冷却装置、ガス浄化装置、およびガスベースのエネルギー変換装置が含まれる。いくつかの一体型システムの実施形態では、低タール燃料ガスは、固体酸化物型燃料電池、スターリングエンジン、ガスタービン、火花点火内燃エンジン、熱電発電機、スクロールエキスパンダ、ガスバーナ、ガスツーリキッドデバイス、または熱光起電デバイスにおいて、最大１００％化石燃料の代替となることができる。同様に、低タール燃料ガスは、圧縮点火内燃エンジンにおいて、化石燃料のかなりの部分の代替となることができる。場合により、チューブアンドシェル型熱交換器の各チューブは、チューブシートのシールを介して軸方向にあるその他のチューブとは無関係に熱膨張および収縮することが可能になっている。個々のチューブシールは、低温を有する熱交換器の端部に配置されているチューブシートに配置することができる。該シールはＯリング、クワッドリング（ｑｕａｄ ｒｉｎｇ）、または同様の機能を有する他のあらかじめ成形されたデバイスを用いて作ることができる。該シールは、パッキング材料およびパッキング押さえを用いて作ることができる。いくつかの実施形態では、シェル側の流体がチューブ側出口付近で熱交換器に入り、チューブ側入り口へ向かうチューブ側の流体流に対して向流で流動する。いくつかの実施形態では、シェル側の流体が熱交換器中央部に近い１つの位置で入り、そこでは、シェルの流体は、チューブ側入り口へ向かうチューブ内の流動に対して向流であろう；かつチューブ側出口へ向かって並流であろう。関連して、シェル側の流体は、シェル側の流動がチューブ側の流動に対して向流で流動している状態で、２つの位置で入ってもよい：１つは熱交換器中央部付近；および１つはチューブ側の流動の出口付近である。熱交換器内の冷却材は、空気、水、グリコール、油、いくつかの人工冷却材のいずれかまたはそれらの混合物とすることができる。

本発明の性質および利点をより良く理解するために、添付図面と併せて以下の詳細な説明を参考とされたい。

多くのダウンドラフト式ガス化装置は、温度、圧力、並びに材料の成分および流動の異なる状況において、材料の異なるゾーン即ち層を含む。場合により、ダウンドラフト式ガス化装置の最上ゾーンは、最近ガス化装置に付加された新しい供給原料を含むことができる。次のゾーンは乾燥ゾーンを含むことができ、該乾燥ゾーンでは、供給原料が次の下のゾーンにより加熱されるので一次燃焼空気が該供給原料を乾燥し、該次の下のゾーンでは、一次燃焼空気が熱分解用高温供給原料により形成された煙またはタール蒸気を燃焼させる。これを熱分解ゾーンと呼ぶことが出来る。該火炎熱分解ゾーンの下に、チャー酸化ゾーンがあり、そこでは、これらの吸熱化学反応がチャーの温度を一定の点未満に低下させるまで、蒸気および二酸化炭素が高温チャーを酸化する。酸化剤をチャー酸化ゾーンに加えて温度を上昇させ、酸化チャー内の蒸気および二酸化炭素の作用を維持することができる。

層内の変数パラメータをいかに制御するかにより、結果が大幅に異なる可能性がある。例えば、手動の小型ダウンドラフト式ガス化装置は、ガス化ゾーンの温度、燃料変換率、ガス滞留時間、圧力差、床の多孔性、およびガス化装置を通る高温ガス状燃焼生成物の流動の確実な閉ループ制御を欠くことがある。結果として、手動プロセスは、一貫して高品質で低タールの生ガスを製造することができない可能性がある。プロセスの変数に関する自動感知および制御の欠如は、不均一なガス化率、変わりやすいガス品質、高タール濃度、程度に一貫性のない床の多孔性、汚れたガスにチャネル形成する高い傾向、灰クリンカ、過剰に局在する高温箇所、または「ラットホール」が生じた場合の高タール濃度をもたらし、あるいは制御不能な条件揃えば最終的にシステムシャットダウンに陥る。種々の層で必要とされる可能性のある空気または酸素注入の量、位置、および継続期間を制御する効果的な手段のない、かつ床の多孔性、床の均一性、および火炎前面の位置を監視し制御する手段のないダウンドラフト式ガス化装置においては、ガス化率、ガス品質、またはタール濃度を制御する最小限の能力があることが多い。手動制御の結果、高温になり過ぎ、低温になり過ぎ、過度に多孔性で、または高密度に詰まった層の部分がもたらされる可能性がある。

熱交換器の付着物は、高温プロセス流を従来のろ過に適切な温度まで冷却する能力に損失をもたらす。長いロッド上の回転ブラシまたはこの目的のためのケーブルはあっても、熱交換器の手作業での清掃は時間のかかる汚れ作業である。熱交換器の表面を研磨する直径１．５ｍｍ〜３ｍｍの粒子が意図的に添加されている液体と共に使用する自浄式熱交換器が報告されている。熱交換器を通過した後、該固体は液体から除去され、その固体に関する閉ループ内の熱交換器の入り口にもどされる。

ダウンドラフト式ガス化装置の分野における相当な努力にも関わらず、世界中に市販のシステムは殆んどない。さらに、コンピュータネットワークによる制御を介する無人運転に有用な自動化の程度を提示する者はいない。この自動化の欠如は、該装置の設計およびその運転方法の欠点によりもたらされる。そのような欠点は、顧客／ユーザの運転および保守の労働量を、システム動作は煩わしいまたは費用がかかり過ぎると見なされる程度まで増大させる。市販されてきた小型ダウンドラフト式ガス化装置の大多数は、豊富な安い労働力および資本コストへの強い下方圧力のある国々に置かれている。これら２つの因子が組み合わさって、操作および保守が非常に労働集約的で、タールを満載した水などの有毒廃物流を生み出す古いガス浄化技術に依存する最低限の自動化を備える装置がもたらされる。ダウンドラフト式ガス化装置は、最大のバイオマス変換効率、プロセスの安定性、および燃料ガスの清浄性のために同時に制御することができるいくつかの相互関連プロセスを含む。しかし、相互関連プロセスの多くは非常に複雑なので、すべてのパラメータを追跡することができ、必要なプロセス修正を適時に一貫した基準で行って、ガス化装置システムを損なう可能性のある過剰な温度または他のパラメータなしに低タール濃度を維持することができるのは、高度に訓練された、継続的に精通した、継続的に集中的な専門家のみである。

このように、安い労働力の予備要員を多数有する国々においても、最低限の自動化は大規模な商業化にとっての障害である。何故なら、最小限の自動化は、システムの運転、経済および環境の効率性を制限するからである。手動運転は、温度、差圧、供給原料の添加量、供給原料のサイズ、供給原料の湿度、チャー変換率、床の多孔性、チャー／灰の除去、ガス品質（タール、微粒子、および水蒸気の濃度、並びにエネルギー含量）、およびチャネル形成およびブリッジ形成の傾向などの、重大な相互関連パラメータのリアルタイム制御を達成する能力を実質的に消去する。同様に、これらの制御不十分なパラメータは、高タール；ガス中の水の凝縮；劣った／変わりやすいガス品質；低いシステム効率；ブリッジ、床の詰まり、および床のチャネル形成が原因の短い運転継続期間；保守の増大；有害廃物流；高排出；および危険な状況の可能性の増加をもたらす可能性がある。しかし、プロセスが自動化されたとしても、ガス化システムが安定した、効率的な、効果的な方法で作動する保証はない。制御アルゴリズムが基礎的な変数の完全な理解に基づいて開発されてきていなければ、該プロセスはその目的を果たさない。

効果的なアルゴリズムを併用する自動化は、ダウンドラフト式ガス化システムの成功した運転の１つの目標に過ぎない。本発明の装置の実施形態は、複数の二次空気注入ノズルを使用して、自動化の能力を最大にすることができる。複数のノズルは、複数の高温箇所および低温箇所を生成しかつ灰スラグおよびクリンカを形成するので、望ましくない可能性もあると提唱する者もある。本発明の実施形態は、二次チャー−空気を広く分散した態様、位置で、一次空気と比べて所定の比率で導入する、多数のチャー−空気注入管および各管上の複数のノズルを使用することによりこれらの欠点を回避し、タールの破壊に理想的なチャー床をもたらす熱管理システムを生み出すことができる。

現在のガス化アプローチによっては、コスト改善および性能向上の多数の機会を減少させているものもある。該機会とは、幅広い種類のバイオマス供給原料に対応し、該装置に物理的な変更を施す必要なく、サイズ、湿度、および各供給原料内部のエネルギー密度の可変性に対応する自動化した方法などである。これらのアプローチはまた、システム効率増大の機会を減少させている。システム効率の増大は、消費されるバイオマス燃料の量およびコストを減少させ、既存の内燃エンジンおよび新生のガスベースの発電デバイスにおいて燃料ガスが安全に使用されることを可能にするガス品質の向上を低下させる。上記新生のガスベースの発電デバイスには、燃料電池、スターリングエンジン、熱光起電デバイス、マイクロタービン、小型ガスタービン、および熱電発電機などが挙げられる。さらに、これらのアプローチは、ワンボタン式始動／停止自動運転サイクルの機会を減少させている。該サイクルは、電気市場、電気および熱の市場、または熱のみの市場を達成するために、システムが、最低限訓練されたオペレータにより運転されるのを可能にするか、または無人の態様で、安全でない運転条件を感知した際の緊急停止を含む自動故障モード応答で、容易に配列し直せる個別一体型モジュールで運転されるのを可能にする。さらに、これらのアプローチは、大量生産の可能性、および最小限の労働力で迅速な保守を可能にする設計の向上の可能性を開拓する個別一体型標準モジュールのための機会を殆んど提供しない。

現在のガス化のアプローチによっては、効果的なガス冷却をそれほど提供しないものもあり、それにより汚れた燃料ガスがもたらされる。高温の発生炉ガスの冷却は、実際的見地から難しい熱伝導の課題である。チューブアンドシェル型熱交換器の不均一な温度および結果として生じる異なる部分の熱膨張および収縮は、２つの流体流間に大きな温度差のある状態で運転する場合、圧力緩和への措置を必要とすることが多い。現在の技術によっては、チューブを２つのチューブシートに永久的に取り付けること、１つのチューブシートを固定すること、およびもう一方のチューブシートを加熱器内部で移動させて圧力を緩和できるようにすることを含むものもある。Ｏリングのシールは、一般的に滑動式チューブシートと固定シェルとの間で使用される。しかし、１つ以上のチューブが詰まった場合、詰まったチューブまたは詰まった複数のチューブは、シェル側の流体の温度に急速に接近する可能性がある。これにより詰まったチューブは、まだ流動を有するその他のチューブとは別に膨張および収縮する。この差が大きくなるとチューブシートとチューブとの境界に強い圧力が作られ、これによりその位置の溶接が損なわれる可能性がある。

現在の技術は、発生炉ガスから残留タールおよびチャーを除去する水洗浄を含むことが多い。残念ながら、これらの材料は、非常に微細なエーロゾルおよび粒子であり、この方法で除去するのは困難な可能性もある。さらに、効率的な洗浄のために、洗浄に使用される水も霧の形状をしている。水洗浄を用いることで、廃水廃棄の問題が生じる。これらの微細材料をブラウン運動により除去するのに、合体フィルタが使用されることが多いが、システムに生じる望ましくない大きな圧力降下を伴う。タールが流動特性を有さない場合、合体フィルタを定期的に手入れしてタールを除去しければならないか、またはフィルタを交換しなければならない。

本発明の実施形態は、ガス化装置、ガス冷却および浄化システム、およびこれらのサブシステムの自動制御の新規な設計を含む。オープントップダウンドラフト式ガス化装置は、一意の多層二次酸化剤（空気）注入システム、各層における温度センサ、およびマイクロプロセッサベースの制御アルゴリズムを組み込んでいる。該アルゴリズムは、一貫して高いガス品質、および広範囲のガス流量全体に亘って超低タール濃度を達成するために、ガス化装置の温度および他の運転条件を絶えず調節する。ガス化装置設計の実施形態は、ガス流量の使用可能範囲即ち従来のガス化装置の「スイートスポット」を大幅に拡大する。この拡大された「スイートスポット」により、拡張された出力範囲、並びにこれまで可能だったよりもさらにより広範囲の供給原料の種類、サイズ、構成、混合物、および水分含量を使用する能力に関して高品質な超低タールガスの製造が可能になる。

実施形態はまた、ガス化装置およびガス化装置の床の多孔性（圧力差）を介する原料流の確実な制御のために構成されているガス化システムを提供する。これらの制御パラメータは、ガス化装置システムの埋込み型マイクロプロセッサ制御システムに連結されているガス化装置圧力差のデジタルセンサと結合されている新規な往復火格子機構の結果である。本発明の実施形態によっては、先行技術のように冷却の前に引き込まれた固体チャーおよび灰粒子をサイクロン分離器内で除去するのではなく、それらの除去の前に発生炉ガスを冷却するものもある。引き込まれたチャー粒子は、広い表面積を有しており、熱交換器のさらにより小さい表面ではなく、チャー粒子上に残留タールが凝結する傾向がある。さらに、該引き込まれた粒子は、熱交換器の表面を研磨し付着物を最小限に保つことが証明されている。本発明の実施形態はまた、すべてのチューブが互いに無関係に膨張および収縮できるように、同時に冷却用空気の２つの流動を使用することにより、より少ない送風機のエネルギー必要量で冷却用空気の高い流量を達成できるように、チューブアンドシェル型熱交換器を含む。

いくつかの実施形態では、生成された再生燃料ガスは、ガスおよび液体の両方の化石燃料を使用して運転するようになされた種々の電気デバイス、熱デバイス、および化学デバイスで消費されるのに十分にクリーンである。さらに、モジュール式移動式分散型バイオマスガス化装置の実施形態は、コンピュータネットワークによる制御を介した無人運転に必要な自動化の程度を満たす。

本発明のガス化装置のシステムおよび方法の実施形態は、複数のレベル位置および最適に配列されておりかつ容易に調節可能な空気注入ノズルを有する二次空気注入システムを提供する。各空気注入管の長さおよび空気注入点、並びに空気注入ノズルの数は、例えば空気注入管を異なる空気注入管に交換することにより、容易に変更することができる。二次空気注入の軸方向位置の数は可変で、各レベルにおける二次空気の量は正確に調節することができる。空気の均一な分配または不均一な分配は、空気注入ノズルの位置決めにより達成される。実施形態は、制御可能なゲートおよび二次空気注入システムの使用により、極度に高水準の炭素変換率（例えば、＞９８％）を実現する。所望の温度範囲を所定の距離全体に亘って制御、維持して、タールを割り、チャーとＨ_２ＯとをＨ_２とＣＯにかつチャーとＣＯ_２とをＣＯに変換することができる。構成要素は、温度を管理しかつ温度逸脱を防ぐことにより保護することができる。特に高灰／シリカ供給原料に関して、ガス化装置の温度を管理して、大きな溶融灰粒子の形成の可能性を低下させることができる。実施形態は、自動灰除去管理システムを提供する。ガス化装置の火格子上の溶融灰を容易に砕くことができ、ガス化装置内の所望の圧力差を制御、維持することができる。灰および溶融灰は、床の安定化とは別に床の底面から除去することができる。実施形態は、空気圧に床の重さが加わることにより生じる火格子全体に亘る力によって影響を受けることなく火格子を作動する能力を提供する。実施形態は、ガス化装置内での最大のタール変換、簡単な清掃、保守および修理を促進すると同時に、低コストの軽量原料の使用を可能にする火格子の設計を含む。ガス化装置の温度は、重く、加工が困難で、手のかかる、かつコスト的に手に負えない材料の必要性を排除するように制御することができる。停止時に、ガス化装置を自動的に分離することが可能で、空気流を停止してチャー床を後の運転用に保存することができる。関連して、ガス化装置のオープントップは、停電の場合でも、停止時に位置エネルギーおよび運動エネルギーを使用して自動的に閉じることができる。実施形態は、供給原料およびチャーの流動の自動制御、チャー床の一貫した密度の維持、およびチャー床におけるチャネル形成の排除を提供する。埋込み型点火装置は、ガス化装置の命令対応の遠隔起動を可能にする可能性がある。いくつかの実施形態では、ガスは粒子の除去の前に冷却することができる。実施形態はまた、各チューブがその他のチューブとは無関係に膨張および収縮することを可能にされている状態で、チューブアンドシェル型熱交換器を提供する。

（供給原料の可撓性）
本発明の実施形態は、軟材並びに硬材種からの木材チップを用いて運転することができるガス化装置を含む。適切な供給原料の限定されないリストには、押出し葡萄軽石、アーモンドの殻、ピーカンナッツの殻、ココナッツの殻、草ペレット、干草ペレット、木材ペレット、細断された厚紙、細断されたプラスチックで被覆された紙、細断された厚紙とプラスチックとの混合物、ペレットまたは他の形状に形成されている比較的均質化された紙とプロスチックとの混合物、細断された木材と皮革とゴムと布との混合物が挙げられる。これらの供給原料は、中程度の圧力降下を伴うガスの通過に十分な多孔性を備える床を形成する粒子形状および粒子サイズを有することが多い。適切な粒子形状および粒子サイズの例には、ペレット、木材チップ、ピーカンナッツの殻、アーモンドの殻、粉砕されたココナッツの殻等が挙げられる。適切な粒子には、粉末および棒のような形状が含まれてもよく、含まれなくてもよい。

（供給原料の準備）
供給原料の準備には、通常、ガス化装置内で容易にブリッジ形成するかまたは供給システムを故障させる可能性のある大き過ぎる供給原料の断片、および床全体に亘って高い圧力降下を形成する傾向または望まれない泥および小さい岩石を含む傾向が考えられる小さ過ぎる材料を除去するために選別することが含まれる。次に、供給原料は、ガス化装置内で作られた高温ガスおよびチャーから回収された廃熱を用いて乾燥される。

（供給）
システムを通る供給原料の移動は、自動化することができる。限定されない実施形態では、箱型乾燥機上に取り付けられた一連の三層センサ、箱型供給機、およびガス化装置は、供給原料の移動を、貯蔵箱から分類装置を通って箱型乾燥機内に入り、該乾燥機を通ってサージ箱へ入り、供給機を通ってガス化装置内へ入るように方向付ける。ガス化装置内がさらなる供給原料を必要とする場合、搬送デバイスがサージ箱から乾燥した供給原料を移動させる。サージ箱内の燃料液面レベルが低い場合、乾燥用搬送機が起動されてサージ箱を補充する。乾燥箱が低い場合、貯蔵箱は分類装置内へ新しい原料を供給する。分類装置では、適切なサイズの供給原料を乾燥箱に搬送する。限定されない一実施形態では、分類装置および搬送機から乾燥機までは、連続的に作動している。

（ガス化装置）
ガス化装置の実施形態が空気を酸化剤として使用して燃料ガスを作る場合、ガス化装置の上部は大気に向けて開いておき、バイオマス供給原料が自由にガス化装置内に落ち込むようにすることができる。このオープントップにより、一次燃焼用空気がガス化装置内に入ることも可能になる。この方法で燃料ガスを作る場合、ガス化装置システムは、大気圧より少し低い圧力で運転することができる。このガス化装置が酸素を使用して合成ガスを作るのに使用された場合、供給原料は回転バルブまたはロックホッパを介してガス化装置内に落ち込み、空気が入るのを防ぐと考えられる；酸素または酸素富化空気の一部をガス化装置の上部付近の入り口または複数の入り口を介して付加することができると考えられ、ガス化装置システムは、大気圧を超える圧力で運転することができると考えられる。

いくつかのガス化装置の実施形態では、ガス化装置内で使用された燃焼用空気、酸素富化空気、または酸素の残りは、複数の位置の複数のレベルにおいて、各レベル内のいくつかの注入管各々の複数のノズルを介して、チャー床内に注入される。限定されない一実施形態は、複数のレベルおよび角度位置において水平な放射状の注入管を使用する。酸素が使用される場合、過剰な温度を回避するために、酸素は水蒸気または二酸化炭素で希釈される。

ここで図面を見ると、図１Ａおよび１Ｂは、本発明の一実施形態によるガス化装置５０を示す。ガス化装置は、性質上円筒状であってもよいガス化装置本体１０１を含む。ガス化装置本体１０１は、ガス化装置の能動部品に円錐形のガス化装置形状を含まないこともある。複数の他者がガス化装置の能動部品における円錐形状の使用を記載しており、それらは通常、単一のレベルの空気注入を用いて、より効果的な空気注入のために発生炉ガスをより狭い横断面積に集める。しかし、そのような円錐部分は、ガス化装置の床による圧力降下を増大させる可能性があり、それによりエンジンの効率性が低下するか、またはガス化装置システムを通じてガスを取り出すためにさらなるエネルギーを必要とすることもある。供給原料は、一次空気と共にガス化装置のオープントップ１００を通って入る。生成ガスは、ガス化装置の底部に配置されているフランジ１１２を通ってガス化装置を離れる。

図１Ａおよび１Ｂに示すように、ガス化装置は、二次空気をチャー床内に注入するために、ガス化装置本体１０１の円筒状の壁を貫通している水平な放射状の注入管１０２を含むことができる。これらの注入管には複数（例えば５つ）のレベルがある。注入管は、長い離隔管１０２を通して衛生器具またはフランジを用いて高温のガス化装置壁１０１の外側に取り付けられており、弾性ガスケットの使用並びに検査および保守のためのチャー−空気注入管の容易な除去が可能になっている。従って、これらのノズルの数と位置は、必要に応じてそれらを交換するのと同様に、容易に変更することができる。限定されない一実施形態は、チャー−空気注入管をガス化装置にしっかり締め付けるために、シリコーンゴムガスケットを使用する。ガス化装置は、保守のためにフランジ１０５で開かれてもよい。

ある限定されない例では、図２はガス化装置２００の一部分を示す。該装置は、長い注入管２０４と交互になっている短い注入管２０３を、ガス化装置の各５つのレベルに合計１０本の管、全部で５０本のそのような管を含む。実施形態は、任意の適切な数の管およびレベルを有するガス化装置を包含する。短い管は、長い注入管と垂直方向に交互になっていてもよい。ここで示すように、各レベル２０５における１０本の管の中の１本は、両側に短い管２０３を備えた状態で、各レベルの中央領域に及ぶようにそれ以外のものより長くてもよい。限定されない一実施形態では、ガス化装置は直径２０インチで、軸方向の複数のレベルの間隔は６インチである。

いくつかの実施形態では、この様式が５つのレベル各々で再現されているが、１つのレベルから次のレベルへ３６°の倍数だけオフセットされており、その結果、短い管は、垂直方向に長い管と交互になっており、特別に長い管はより均等に配されている。特別に長い管の角度位置は、各隣接するレベルごとに異なっている。ノズルは、空気の分配が各レベルで比較的均等になるように、注入管上で離間されている。チャー−空気注入の５つのレベルは、水平なチャー−空気注入管の１０の角度位置を有した状態にある。各特別に長い管２０５に１６本のノズル、各長い管２０４に１０本のノズル、各短い管２０３に４本のノズルがあり、全部で３８０本のノズルがある。管は反応炉チャンバ壁２０７を貫通する。ノズルの軸は、ほぼ下向きの空気流を発生炉ガスのほぼ軸方向に対して４５°で与えるように、垂直から４５°である。限定されない一実施形態では、チャー−空気注入管の軸に対して垂直な直径１／８インチの穴を開けることでノズルを形成した。注入管およびノズルの数と位置は無制限である。

限定されない一実施形態では、ガス化装置を通る発生炉ガスの流動によって生じる圧力降下は圧力差をもたらし、各注入管を介してチャー床内に空気を吹き込む。関連の空気流は、各レベルまたはチャー−空気注入管に対するバルブを用いて制御することができる。別の限定されない実施形態では、チャー床内に注入されることになる空気（チャー−空気）は、すべてのレベルに共通のマニホルドから、次に管およびバルブを通ってドーナツ形状の第２のマニホルドへと通過する。第２のマニホルドは、いくつかのレベルの１つにあるすべての空気注入管にチャー−空気を供給する。ガス化装置内の陰圧は、空気流を二次空気注入ノズル内へ誘導する。限定されない好適な一実施形態では、機械送風機が、チャー−空気注入管にチャー−空気を供給する。コンピュータは、ガス化装置内の各レベルのチャー−空気注入管の可変バルブを制御する。別の限定されない実施形態では、バルブが、所望の温度制御を達成するために単一の送風機を用いて若干加圧されたマニホルドから各チャー−空気注入管へ向かう空気流を制御する。この好適な実施形態の別の限定されない変更では、チャー−空気注入管の５つレベルの各々は、それ自体の送風機を備えており、各送風機の速度は、コンピュータにより制御される。

外側シェルを貫通しているチャー−空気注入管の１つの利点は、異なるレベル並びに異なる個別のチャー−空気注入管へ進行する酸化剤の異なる流量を有する能力である。これにより、前例のない程度のチャー床の温度制御が可能になる。ガス化装置内の中心軸マニホルドに関するこの設計のさらなる利点は、諸チャー−空気注入管間の空間の関連する開放性が、起こり得る供給原料およびチャーのブリッジ形成およびチャネリング形成の可能性を最小限にすることである。この方法におけるガス化装置の外側シェルを貫通しているチャー−空気注入管を使用する別の利点は、燃焼用空気をチャー床に深く注入して低温箇所を無くす一方で、タールの破壊、並びに二酸化炭素、水蒸気、およびチャーの可燃性ガス（水素と一酸化炭素）への吸熱変換のための一様に高温な床温度を維持することにより、非常に大きな直径のガス化装置を運転する能力である。より大きな直径のガス化装置の一実施形態は、より大きな直径の床を介してチャー−空気を均一に分配することできるように、少なくとも１つのさらなるより長い長さのチャー−空気注入管を付加することができると考えられる。

ガス化装置は、前回の運転の残りの炭の床を用いて始動することができる。空気流は、例えば送風機などの機械装置、内燃エンジン、または例えば空気作動型排出装置などの空気力学的装置を用いてガス化装置を介して誘導される。ある限定されない実施形態では、電気的に加熱されたキャルロッド（ｃａｌ−ｒｏｄ）が、チャー床の下部に永久的に取り付けられており、これはチャー床を点火するのに使用される。このように、ガス化装置は、自動的に、さらには遠隔的に始動されてもよい。キャルロッドは、過熱による損傷を回避するためガス化装置の点火後に自動的に停止される。

ガス化装置内でチャー床の上部を点火する現在のいくつかのシステムでは、チャーの上層は過剰に高温になる。なぜなら、下部チャー床は高温の燃焼ガスにより温められているに過ぎないが、チャーの上層は常に新鮮な空気に接触しているからである。チャー床の底部を燃やすことの１つの利点は、空気中の酸素が、単に点火しているだけでそれほど高温でないチャーにより消費されているため、点火中に過剰な高温が回避されることである。チャー床の温度は、点火直後に空気注入管を介して種々のレベルにおいて二次空気を加えることにより調節されてもよい。

他の実施形態では、チャー−空気注入管の１つ（図２の２０３、２０４、または２０５）が除去されてもよく、手持ち式プロパントーチ、キャルロッド、または他の熱源をチャー床の点火に使用することができ、次いで、チャー−空気注入管が再挿入される。別の実施形態では、ガスバーナが点火装置の位置に永久的に取り付けられており、ガスバルブを電気的に開くことによりガスを供給されており、該バーナは電子的に点火される。チャーの点火が達成された後、バーナは消される。別の実施形態では、可燃性ガスが注入装置サブシステムに供給され、床の点火を推進するために点火される。

いくつかの実施形態では、温度測定デバイス、例えば、熱電対または他のデバイスは、チャー−空気注入管のいずれかまたはすべての中の、図２の閉端部２０６に配置されている短いサーモウェルに差し込まれてもよい。各レベルに注入された空気量は、各レベルの温度測定に基づいて独立して制御される。ある熱電対が作動しなくなった場合に連続したガス化装置の制御を提供するために、各レベルで２つ以上の熱電対を使用してそのレベルの空気流を制御してもよい。例えば、ある空気送風機（または１つの送風機で加圧されている共通のマニホルドに連結されている制御可能なバルブ）が、各レベルに関して異なる量のチャー−空気を各レベルに送達できるように提供されてもよい。本発明の実施形態に従って製造されたガス化装置は、１％から２５％の水分含量を有する木材チップを用いて、３０分間で（湿量基準で）３３％の水分を有する木材を用いて、守備よく運転されてきた。ガス化装置の上部付近のおよびチャー床内の、新しい供給原料におけるチャネルおよびブリッジ形成の存在は、ガス化装置を定期的に自動で振動させて新しい供給原料およびチャー粒子を液化することにより、阻止することができる。この液化は、供給原料およびチャー床内のチャネルおよびブリッジを崩壊させる。ガス化装置および熱交換器は、最小限の振動エネルギーでそれらを強く振動させることができるように、かつそれらを損傷する可能性が考えられる、高温の機械構成要素内に圧力を誘導することを回避することができるように、ばね取り付けすることができる。

図３Ａおよび３Ｂに示すように、ガス化装置の実施形態は、空気注入ノズルの最も低いレベルより下にあるガス化装置の底部に配置されている金網火格子３０３を有するガス化装置３１１の下部を含むことができる。火格子はチャー床を支持し、平均的なチャー粒子より小さい開口部サイズを有する。火格子の位置は、高温の発生炉ガスを蒸気および二酸化炭素とチャーとの吸熱反応により部分的に冷却することが可能になるように選択される。火格子の限定されない一実施形態では、金網は１／４インチの諸開口部を有し、タイプ３０４ステンレス鋼（Ｔ３０４）でできている。火格子３０３、チャーおよび新しい供給原料の重量、およびガス化装置および火格子全体に亘る圧力低下により生じる力を支持するために、開構造３０２が提供されている。ガス化装置システムは、円筒状ガス化装置内でその下方にある火格子機構をまとめられるように火格子の真上に偏向板３０６を含んでもよいが、この領域に空気注入はない。限定されない一実施形態では、ガス化装置は、原料が火格子を通過した後にガス化装置からチャー、灰、泥、および小石を引き入れるのを促進する円錐底部３０７を有する。ガス化装置はまた、ガス化装置の円筒状側部および底部の外側を取り囲む厚い絶縁層（図示せず）を含む。

実施形態によっては、火格子の真上に水平往復機構３０５を含むものもある。該機構は、ガスと共に金網火格子３０３を通過するのに十分小さく磨り潰され、分解されるまで、チャー粒子を金網火格子３０３および互いに対して動かす。この往復機構は、短い（往復）運動周期を有し、２つの薄いローラ３０４または低摩擦の滑動ブロックにより支持されている。限定されない一実施形態では、ローラおよび滑動ブロックはセラミック材料でできている。該機構は火格子を覆っているが、チャーおよび灰並びにクリンカ、岩石、およびトランプメタルがそこを通過して火格子へ向かう大きな開口部を有している。この火格子機構は、一般的にバイオマス気供給原料、および焼結クリンカまたは溶融クリンカに見られる小さい岩石を挽き砕く。該クリンカは、ガス化装置のより高温の下方部分に形成しがちである。往復機構が詰まった場合、連結用駆動ロッドのばね緩衝装置が機構への損傷を防ぐ。高温ガスは、ガス化装置から出た小さいチャー、灰、および岩片を引き入れ、高速でガス浄化装置内へ入れる。

この往復機構は、チャーおよび灰の除去において非常に申し分なく、いくつかの実施形態では、断続的にしか作動しない。このため、火格子機構が起動される度に、ガス化装置は主として断続的な律動でチャーを作り出せばよい。さらに、ガス化装置を振動させて、火格子を通過するチャー細粒をチャー床から解放する。火格子の起動と火格子作動期間との間の休止期間を使用して、ガス化装置および火格子の圧力差を制御することができ、火格子から混入物を除去するための保守間の長い運転時間を可能にする。混入物は、火格子上方の往復機構のすり潰し動作を阻止する鉄またはステンレス鋼の物体などである。火格子システムのこの新規な特徴により、泥、岩石等からの何らかの汚染を除去するためにガス化装置を頻繁に停止する必要なく、該汚染を含む供給原料の使用が可能になる。現在使用されているガス化装置の設計は、混入物をこの程度まで自動的に除去することができないことが多く、従って、一般的でない非常にきれいな供給原料を用いる場合を除き、長期間に亘って連続運転することができない。限定されない一実施形態では、往復機構３０５は、厚さ約１／４インチの壁を有する、一辺が約１と３／４インチで深さが約１．５インチの四角い開口部を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ガス化装置が停止されている間、供給機は止められ、火炎前面は、チャー−空気を減少させることにより新しい供給原料に向かって起こるように助長され、これにより、より多くの空気がガス化装置の上部を通って取り込まれるようになる。図１Ａを参照すると、最後の供給原料がチャーに変換された後、重力駆動型供給ゲート１０３は自動的電磁的に解放され、短い傾斜面１０４上を転がり落ち、ガス化装置１００の上部上を滑動する。該供給ゲートは、チャー床を大気から効果的に分離させるのに十分なシールを成す。新鮮な空気がない状態で、チャーはゆっくりと冷える。こうしてチャーはガス化装置内に残され、適所に残留して、次の運転期間にガス化装置を始動するのに使用される。ガス化装置がチャーの自動点火温度未満に冷却できない場合、供給ゲートを開き、空気流をガス化装置の方へ始動させることで、チャーの自動点火がもたらされてもよい。このようにして、断続運転または半連続運転によりガスおよびチャーを製造することが可能になる。

（ガスの冷却）
いくつかの実施形態では、高温の発生炉ガスおよび引き込まれたチャーが約７００℃〜８００℃でガス化装置を離れた後、それらは直ちに新規なチューブアンドシェル型熱交換器のチューブ側に入る。周囲空気は、発生炉ガスを間接的に冷却するためにシェル側に吹き込まれる。これらの進入プロセスガスの温度は、いくつかの市販の熱交換器が定格され利用可能である温度より相当に高い。

熱交換器のチューブが熱交換器の高温端で暴露されるガス温度が高い場合、加熱されたチューブは熱膨張し、歪むことまたは壊れることを自由に回避することが可能になることが多い。チューブの１つがタールもしくはチャーでひどく汚れるかまたは詰まった場合、該チューブは冷えて、依然として高温ガスおよび引き込まれたチャーの全分担分を搬送しているその他のチューブと比べて収縮しようとする。本発明の熱交換器の設計の実施形態は、各チューブがその他のチューブとは無関係に膨張および収縮することを可能にし、それにより各チューブ内に熱誘導された圧力を解放する。チューブはすべて、高温端で共通のチューブシートに溶接することができる。チューブの内径は、予想される最大のチャー粒子がそれに詰まることなく通過することを可能にするサイズとすることができる。

いくつかの公知のシステムでは、低温端の設計は、すべてのチューブを低温端チューブシートに溶接すること、および該チューブが１つのユニットとして膨張および収縮することを可能にすることを含む。しかし、すべてのチューブが等しく抑圧されると、１つ以上のチューブが詰まった場合、溶接、チューブ、またはチューブシートが壊れることもある。本発明の熱交換器の実施形態では、各チューブの低温端は、低温端チューブシートの個別シールを通って行ったり来たりしながら、自由にかつ独立して膨張および収縮することが可能になる。ある限定されない実施形態では、図４は、低温端チューブシート４０１内のＯリング溝４０３に置かれているＯリングシール４０２を含む熱交換器チューブシート４００を示す。ある限定されない実施形態では、短い銅管またはスリーブ４０４がＯリング溝４０３の下流に配置されており、所定の位置に熱的に焼き嵌めされている。熱交換器のチューブは、リング４０２および銅管４０４を貫通し、Ｏリング４０２がチューブと低温端チューブシート４０１との間にシールを成している状態にある。銅スリーブはチューブを支持し、それらをＯリングシールの中央に維持してＯリングの変形量を制御する。Ｏリングシールおよび銅チューブは、組立て中に潤滑油を差される。この潤滑油は、研磨チャーおよび灰粒子がＯリングシールに到達しないようにする障害物としての機能も果たす。低温端における温度は、弾性ゴムＯリングの使用を可能にするのに十分に低く維持される。Ｏリング材料の限定されない例には、シリコンゴム、ネオプレン、ブナＮ、または冷却用送風機が一時的に正しく作動しない場合に発生し得ると考えられる中程度の温度逸脱に耐える材料バイトンがある。

熱交換器のシェル側への冷却用空気の流量を調節することで、発生炉ガスの出口温度を制御することができる。限定されない一実施形態では、空気の流量は、冷却用空気を熱交換器に供給する送風機の可変速度により制御される。別の実施形態では、冷却用空気は、冷却用空気の流量が制御可能なダンパまたは複数のダンパで制御されている状態で、固定速度送風機により供給される。一実施形態では、冷却用空気流は低温端で熱交換器に入り、通常、発生炉ガス流に対して向流で移動する。シェル側のバッフルは、冷却用空気を熱交換器チューブ全体に亘って何度も行ったり来たりさせることができる。

別の実施形態では、冷却用空気は、熱交換器の低温端で入り熱交換器のシェルの中間部で離れるその一部分と別れる。冷却用空気のその他の部分は、熱交換器の中間部で入り熱交換器のシェルの高温端を出る。冷却用空気の両方の流動におけるバッフルは、冷却用空気を、通常発生炉ガスに対して向流で熱交換器のチューブを横断して行ったり来たりさせる。ある所与の送風機はより低い圧力で大量の空気流を作り出せることが多い。この実施形態の利点は、シェルの２つの部分に亘る圧力降下が非常に小さくなることであり、これにより冷却用空気送風機が低い所要電力でさらにより多くの冷却用空気を作り出すことが可能になる。このより大量の空気流により、出て行く空気の温度が過剰に高くなることを回避するための個別調節用空気送風機の必要性が排除される。さらに別の実施形態では、冷却用空気は熱交換器の中間部付近で入り、該冷却用空気の一部は向流で高温端へ移動し、その他の部分は並流で低温端へ移動する。この装置はまた、所与の送風機を用いたより大量の冷却用空気の処理量を可能にし、供給原料の乾燥に適した中温の空気を作り出す。

いくつかの実施形態では、電気的に加熱されたダクトヒータが冷却用空気吸入口に配置されてもよい。該ヒータは、ガス化装置内のチャー床の点火の前に、発生炉ガスの露点の温度を超えるまで熱交換器を予熱する。加熱された空気が熱交換器を通過した後、該空気は、フィルタハウジングの予熱を助成するために、一時的に導管でフィルタ筺体へ送られる。さらに、点火の前に、空気はガス化装置および熱交換器を介して取り込まれ、加熱するためにフィルタ筺体に入る前に予熱される。これらの予防措置により、始動中にフィルタ媒体上で水が凝縮するのを防ぐことができる。始動後、ダクトヒータは止められる。

熱交換器の別の限定されない実施形態では、冷却用流体は水またはグリコール／水の溶液である。個々のチューブは、空冷式熱交換器と同様に、低温チューブシートと同じ種類のシールを通った温度で、自由に膨張することができるようになっている。水冷式熱交換器もまた、発生炉ガスからの水の凝結を防ぐためにガス化装置の点火の前に予熱される。いくつかの公知のシステムによっては、その冷却の前に、サイクロン分離器内での引き込まれたチャー粒子の除去を必要とするものもある。本発明のいくつかの実施形態では、冷却前に引き込まれたチャーおよび灰の粒子を除去しようとしない。引き込まれたチャーおよび灰の小さい粒子の広い表面積は、冷えているガス中で凝結する少量の残留タール蒸気の凝結核としての機能を果たす可能性がある。いくつかの例示的な実施形態では、引き込まれたチャー粒子は、熱交換器を通過しながら冷える時に、その表面に残留タールを吸収する。

より大きなチャーおよび灰の粒子はまた、それらが発生炉ガスの乱流により引き込まれる際に、タール、微細なチャー、および灰の堆積物に関して伝熱面を清浄に保つ研磨作用を有し得る。熱交換器の前に、サイクロン分離器を用いてより大きなチャー粒子を除去することを含む最近公知のアプローチでは、熱交換器のチューブは、本明細書に記載されている本発明の実施形態と比べてさらにより多くの頻度で清掃されることを必要とすることが多い。いくつかの実施形態では、熱交換器からの加熱された空気または流体は、バイオマスまたは有機供給原料を乾燥するのに使用することができるか、または他の低温加熱用途に使用することができる。

（ガスの濾過）
いくつかの本発明のガス化装置の実施形態では、発生炉ガスは低タール含有量で作られる。少量の吸収されたタールを伴うチャーは、乾燥した非粘着性の外観を有し得る。その結果、引き込まれたチャーを除去するために冷却されたガスのろ過が可能となり、エンジン内にタールが蓄積する恐れなしに内燃エンジンに燃料を供給するのに適したクリーンな発生炉ガスがもたらされる。チャーの細粒は、透過性フィルタを使用してガス流から濾過して取り除くことができる。本発明の実施形態での使用に適したフィルタには、あらゆる目的のために本明細書に参照により組み込まれる、２００６年６月２８日出願の同時係属中の米国特許出願第＿＿＿＿＿＿＿＿＿号明細書（自浄式流体フィルタのための方法および装置；代理人整理番号第０２６３５３−０００２００ＵＳ号）に記載のフィルタが挙げられる。

（ガスの使用）
従来の内燃エンジン、タービンなどの他の原動力、燃料電池、スターリングエンジン、またはスクロールエキスパンダは、発生炉ガスを燃料として使用してもよい。送風機が含まれる場合、または排出装置が備えられている場合、ガスは、エンジン内でおよびガスバーナまたは照明装置内で同時に燃焼されてもよい。２つ以上のガス化装置は、非常に広範囲の出力に関していくつかの動力またはバーナを同時に効率的に作動させるために、一緒に並列に配設することができると考えられる。これにより、非常に汎用的な大型システムを開発する費用およびリスクなしに、いくつかの小型システムがそのような大型システムとして応答することが可能になるであろう。該エンジンは、バーナ用途のための燃料ガスを提供し、従って必ずしもエンジンからの廃熱を回収することなく熱および電力を同時に提供する送風機を用いて、同時に作動させることができる。この装置を用いれば、エンジンおよびバーナを互いに無関係に作動させることができる。システムの始動に関しては、ガス化装置システムの端から端まで通気を提供する機械送風機または空気作動型排出装置を使用して、ガス化装置を始動することができる。チャーから作られる第１のガスは燃料値が低く、照明装置に送られる。限定されない一実施形態では、発光する電気的に加熱される要素は、発生炉ガスが可燃性になるとすぐに自動的にそれらを点火するために、照明装置上に配置されている（例えば、永久的に）。ガス化装置が点火されかつ供給が開始された後、エンジンは発生炉ガスで容易に始動されてもよい。

限定されない一実施形態では、該エンジンを使用して、最初は従来の燃料を使用し、次にシステム制御により、点火前にきれいな空気をガス化装置を介してエンジンへ引き入れるステップから、ガス化装置点火中に非可燃性の酸素を使い果たした空気を引き入れるステップへ、定常状態運転中に可燃性の発生炉ガスを引き入れるステップへと、自動的に移行されるシステムを始動することができる。このクリーンな燃料ガスは、アンモニア、アルコール、またはフィッシャートロプシュ液体燃料および化学製品への変換のための供給原料として使用することができると考えられる。いくつかの実施形態では、製造されたガスが空気ではなく、酸素を使用して作られたとしたら（即ち窒素含有量が殆んどないかまたはない合成ガスとして）、製造されたガスはアルコール、またはフィッシャートロプシュ液体への変換にさらにより適したものであり得ると考えられる。

（自動制御）
いくつかの実施形態では、システム全体は、埋込み型プログラム可能自動コントローラ（ＰＡＣ）により制御される。同様に、該コントローラは、通信用のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）またはインターネットを使用して、遠隔に配置されたコンピュータにより制御される。制御プログラムには、変化するプロセス条件に対して、人間のエキスパートオペレータがするのと同じかまたは同様の方法で、システムに正しく反応させる「エキスパート」アルゴリズムが埋め込まれている。そのような変化するプロセス条件には、変化する供給原料の湿度、エンジン負荷、ガス化装置を介しての圧力降下等が挙げられる。これにより、その主な雑務が定期的に供給原料貯蔵箱を再充填することであるパートタイムオペレータが、システムを運転、監視することが可能になる。システムに関するまたはオペレータからの簡単な命令による深刻な故障の場合、コンピュータはシステムを安全な方法で停止させる。

多数の公知のシステムでは、ダウンドラフト式ガス化装置内の温度は、火炎熱分解ゾーンの領域で最も高く、生成ガスがチャー床に吸熱反応を生じるにつれて低下する。公知のシステムによっては、チャー床の温度を上昇させるのに、チャー−空気注入のレベルを１つまたは２つしか使用しないものもある。このため、チャー−空気注入点付近に非常に短い高温ゾーンがもたらされる。本発明のいくつかの実施形態では、幅広いチャー−空気制御により、残留タールを迅速に破壊するのにかつ水蒸気と二酸化炭素とチャーとを一酸化炭素と水とに変換するのに十分に高い温度であるが、エキゾチック金属または重いセラミックでなはく安価なステンレス鋼をガス化装置の構成に使用できるには十分に低い温度において、チャー床のレベル全体の温度を維持する一意の能力が提供される。これにより、急速に適温に上げることができ、かつクリーンな使用可能なガスを製造することができる軽量のガス化装置がもたらされる。ガス化装置の上部に入る関連の空気量およびチャー床内に注入される空気を操作することにより、火炎熱分解ゾーンの位置を制御することができ、供給原料内の種々の水分量を補償することができる。

いくつかの実施形態では、高過ぎる温度およびガス化装置を損傷する可能性が考えられる温度、並びにタールが破壊せずにガス化装置を通過するであろう低過ぎる温度を防ぐために限度を設定することができる。コンピュータはガス化装置の下部で高温を自動的に維持することができる。ガス化装置内で、局所温度が異常に高い場合、それは、チャネルまたは「ラットホール」によることが多い。ガス化装置をより頻繁に振動させると、ラットホールを崩壊する傾向があり、ガス化装置上部の温度がさらに低下する。また、ガス化装置をより頻繁に振動させると、床が詰まり、その圧力降下が増大する。制御システムは、火格子によりチャーを挽き砕くことおよびより多くのチャーの細粒を動かすことによって、より高い差圧を補償する傾向があり、これにより、チャー床の原材料が減少するにつれて、火炎前面が低下する。従って、システムは、異常な高温を検知すると、この特別なガス化装置の振動を自動的に実行するが、床を詰まらせるかまたはチャーを除去し過ぎるのを回避するため限られた回数だけ実行する。火格子全体に亘る高い差圧の別の根源は、火格子上での岩石またはクリンカ（焼結灰または溶融灰）の蓄積であり、これは火格子の差圧を上昇させる。これらの状況はいずれも、自動制御システムにより、より短い休止期間で、より長い継続期間でより頻繁に火格子機構を起動することによって改善される。

エンジンは、始動中の最初の予熱段階の後に電気を生成する一方、システムを通る発生炉ガスのための動力源となり得る。広帯域Ｏ_２センサおよび単一の燃焼用空気バタフライバルブの使用を通じてエンジンが作動している間に、空気／燃料比を制御することができる。排ガスのＯ_２濃度を制御することは、発生器システムの厳しい排ガス基準を順守すること、およびより強力な燃料混合物を作ることによりエンジン効率の向上に貢献することに役立ち得る。この燃焼用空気バルブは、任意の妥当な出力範囲で化学量論的混合物に匹敵するガス蒸気および空気流の中に取り付けられている大量空気流センサに依存し、制御されているマイクロプロセッサとすることができる。さらなる排出削減が必要な場合、この混合物制御は、変数を調節することによりソフトウェア内で調整することができる。

（保守）
ガス化装置は、火格子から鉄またはステンレス鋼でできた釘、ナット、ワッシャ、ねじ、またはボルトなどの混入物を除去するために定期的に手入れされてもよい。いくつかの実施形態では、ガス化装置はまず冷却され、一酸化炭素を含む残留発生炉ガスを安全に除去するためにガスが一掃される。次に、残留しているチャー床をガス化装置から安全に除去することができる。火格子がさらなる清掃を必要とする場合、ガス化装置のフランジ上のボルトを取り外すことができる。図１Ａおよび１Ｂは、限定されない一実施形態において、ガス化装置１０９の上部が、油圧ポンプおよび適切なバルブと共にフレーム（１０７および１０８）に（例えば、永久的に）取り付けられている油圧シリンダ１０６を用いて下部１１１を離れて持ち上げられることを示す。いくつかの実施形態では、４つの油圧シリンダ１０６はすべて、液圧ホースと相互連結されており、その結果、４つの油圧シリンダはすべて同時に持ち上がる。１つの場所から、オペレータは、加圧された油圧油を送達して油圧シリンダに電力を供給する油圧バルブを使用して、ガス化装置１０９の上部をガス化装置１１１の下部から持ち上げることができる。あるいは、該機構には、相互連結されたねじジャッキまたは歯止めにより電力を供給することもできると考えられる。ガス化装置支持構造体の４本の隅柱は、嵌めこみ式の管類を含み、その結果、ガス化装置を保持する構造は非常に安定している。該ユニットが持ち上げられた後に安全のために差し込まれるピンの使用により、確実に、ガス化装置が誤ってオペレータの上に落ちることがないようにしている。そのような事態は、油圧油の圧力が誤って解放された場合、または油圧系が漏れている場合に起こると考えられる。

熱交換器チューブの内側を点検および清掃するために、ガス化装置が冷却されかつ発生炉ガスがシステムから一掃された後に、熱交換器の低温端上のフランジを容易に取り外すことができる。熱交換器チューブに清掃が必要な場合、長いロッドに取り付けられた円形のワイヤブラシを採用することができる。先行技術と同様に、この清掃用ロッドはモータ駆動されて該ブラシを回転させてもよい。熱交換器の高温端に手が届くようにしなければならないのであれば、ガス化装置を熱交換器から取り外すことなく、ガス化装置のガス出口から１８０°の位置にある別のフランジを取り外すことができる。これにより、弾性ガスケット材料の使用を可能にするのに十分に冷えた点検口から熱交換器チューブの内側まで完全に手が届くようになる。ガス化装置の底部から、熱交換器内に引き込まれなかった重い粒子（例えば、小さい岩石）の堆積物を除去するために、図１は清掃口１１０がガス化装置の底中心部１１１に配置されていることを示す。さらに、この清掃口により、高温端から熱交換器チューブを清掃する際手が届きやすくなる。

図５は、ある限定されない実施形態における、装置全体およびデータ収集の表示および制御システム５９０を示す。熱電対５００を使用して、システムの広範囲で温度を監視することができる。ガス化される供給原料５０１は、乾燥機５０２に入り、モータ５０５により乾燥機を通って移動させられる。該モータの速度は、コントローラ５０４により制御されている。乾燥供給原料箱５０７の上部付近にあるレベルセンサ５０６が必要に応じて乾燥機のモータをオンにし、乾燥供給原料箱を乾燥した供給原料でほぼ一杯に維持する。ガス化装置５０９の上部付近にも同様のレベルセンサ５０８があり、供給原料モータ５１０を起動して、供給原料を乾燥供給原料箱５０７からガス化装置５０９内へ移動させる。ガス化装置５０９の上部に、ガス化運転中は開かれたままになっている供給ゲート５１１がある。一次ガス化空気５１２もまた、開いた供給ゲート５１１を通って入る。供給ゲート５１１は、ガス化運転中、電磁石により開いたままになっている。電気式バイブレータ５１３は、定期的にガス化装置を振動させてチャーおよび供給原料の床を安定させる。振動の回数は、モータコントローラ５１４により制御されている。空気送風機５１５は、二次ガス化空気を５つの制御可能バルブ５１６に分配するマニホルドを加圧する。ガス化装置の底部付近では、火格子起震器５１７が、ガス化装置からチャーおよび灰を除去するために、圧力変換器５１８により測定された、ガス化装置および火格子全体に亘る圧力降下に基づいて定期的に起動される。

発生炉ガスおよび引き込まれたチャーは、空冷式熱交換器５１９を通過するにつれて冷却される。冷却用空気の流量は、熱交換器５１９を出る発生炉ガスの温度に基づいて、プログラム可能自動コントローラ（ＰＡＣ）を介してモータコントローラ５２１により制御されるのと同様に、送風機モータ５２０の速度により制御される。熱交換器５１９の圧力降下は、圧力変換器５２２を用いて監視される。次に、冷却された発生炉ガスは、フィルタハウジング５２３に入る。フィルタハウジング５２３は、並列した複数のフィルタバッグを含む。各フィルタバッグへ向かうガス流は、ガスがそれを通って各フィルタバッグから注入する個々の導管に配置されている複数のバルブ５２４により制御される。このバルブが閉じられると、フィルタバッグはその清浄サイクルを経る。該バッグの一部は、どの時点においても清掃されるので、システムの連続運転が可能になる。圧力変換器５２５は、フィルタの圧力降下を監視する。チャーおよび灰はフィルタハウジング５２３の底部へ落ち、そこで、オーガ５２６により継続的に除去されて、廃棄または販売のためにチャー箱５２７へ送られる。

濾過されたガスは、熱電対および圧力変換器５２９からのデータを用いて発生炉ガスの流量を測定する流量計５２８を通過する。酸素センサ５３０は、発生炉ガス中の酸素の危険濃度を検知するのに使用される。Ｔ形鋼はガス流をエンジン／発電セット５４１へまたは逆止めバルブ５３１を介して発生炉ガス送風機５３２へ照明装置５３３へとそらすのに使用される。証明装置上の点火装置５３４は、発生炉ガスが照明装置５３３において燃焼されることを保証する。モータおよびモータコントローラ５３５は、制御コンピュータに方向付けられるように、照明装置へ進行する流動発生炉ガスを制御する。エンジン／発電セット５４１へ進行する発生炉ガスは、エンジンの負荷およびマニホルド空気圧センサ５４０に応じてエンジンガバナ５３８により制御される。排ガスの酸素濃度は、酸素センサ５４２を用いて監視される。この酸素センサ５４２からの信号は、バルブ５３６を用いて燃焼用空気５３９の流動を制御するのに使用される。燃焼用空気５３９の流動は、流量計５３７により監視される。高温の排ガスは、望まれない排ガス、例えば一酸化炭素、炭化水素、および酸化窒素、を低減するために触媒コンバータ５４３を通過する。排ガスは、エンジン冷却液により回収される廃熱と組み合わせられる廃熱を回収するために熱交換器５４４内で冷却される。高温の冷却液は熱負荷５４５へ送られる。過剰な熱は、空冷式熱交換器５４６により冷却液から除去される。熱電対は、熱負荷５４５および熱交換器５４６に出入りする冷却液の温度を監視する。

このシステムの実施形態の始動中、電気式予熱器５４７は熱交換器５１９に入る空気を加熱する。熱交換器５１９を出る暖かい空気は、発生炉ガスの露点温度を超える温度に暖めるためにフィルタハウジング５２３へ逸らされる。さらに、電気式予熱器５４８がフィルタハウジング５２３を予熱する。予熱が完了しガス化装置が運転してから、熱交換器からの高温の空気は、供給原料５０１を乾燥するために乾燥機５０２へ進行する。供給原料の乾燥が必要ない場合、比例バルブ５４９は、高温の空気５５０を周囲に捨てる。熱電対の示度に基づいて、温度を、乾燥バイオマスを過剰に加熱し得ると考えられる温度より低い温度に低下させて「ブルーヘイズ」が形成されることまたは乾燥機内の供給原料を発火させる恐れを回避するために、調節用空気が高温の空気に加えられる。調節用空気の流量は、調節用空気送風機５５３を駆動するモータ５５２の速度を制御するモータコントローラ５５１により変えられる。供給原料が非常に乾燥している場合、水５５６がガス化装置５０９の上部内に噴霧され、熱分解火炎前面を制御する。圧力下の水５５６はポンプ５５５により噴霧ノズル５５７へ供給される。

（ネットワーク化されたシステム）
図６は、本発明のいくつかの実施形態による高度に自動化されたモジュール式分散型アーキテクチャ６００がバイオマス電力システムのネットワークを操作することにどのように役立つかを示す。遠く離れた場所に配置されている集中方式サーバシステム６０１は、無線ネットワークまたは地上通信線などの通信システムを介して分散クライアントシステム６０２を制御することができる。各分散クライアントシステムは、それ自体のオンサイトバイオマス電力システム６０３に連結されている。図７は、サーバクライアントシステム６０１’に連結されているオンサイト分散クライアントシステム６０２’および完全オンサイト燃料ガス発生器システムを含む５つの主要なモジュール（ガス化装置５０９’、供給原料モータ５１０’、熱交換器５１９’、ガスフィルタ５２３’、および燃料ガス応用デバイス５４１’）各々を制御するプロセス自動化コントローラ６０４’を含む本発明の一実施形態によるアーキテクチャ６００’を示す。これらのモジュールまたはデバイスは、温度、圧力、出力等の所望のパラメータを実現するために制御される。例えば、プロセス自動化コントローラ６０４’は、ガス化装置内で検知された温度に応答して、熱分解ゾーンの位置を調節するための命令を含むかまたは提供することができる。これには、チャンバ内の各レベルに入っていくチャー−空気の量を変更すること、振動のスケジュールを変更すること、および火格子のスケジュールを変更することが含まれる。いくつかの実施形態では、熱分解ゾーンの位置を上方向に移動させるために、コントローラはシステムの種々の構成要素に、チャー−空気を減らすように、振動のスケジュールを減らすように、および火格子の作動を低減させるように命令してもよい。場合により、より乾燥した木材または他の供給原料を使用して、熱分解ゾーンを上方へ移動させることができる。同様に、供給原料の湿度変化に応答して、プロセス自動化コントローラは、例えば熱分解ゾーンの位置を変えることによりガス化装置の運転を安定させるように、システムのパラメータを調整するために命令を供給することができる。図８は、この場合はガス化装置５０９’’内の５つの電気デバイス（バイブレータ５１３’’、チャー−空気送風機５１５’’、ゲート５１７’’、生成ガス送風機５１８’’、およびキャルロッド（ｃａｌ ｒｏｄ）５５４’’）である構成要素レベルに至るまでを制御する能力を有するサーバクライアントシステム６０１’’に連結されている分散クライアントシステム６０２’’を含む本発明の一実施形態によるアーキテクチャ６００’’を示す。これらのモジュールまたはデバイスは、温度、圧力、出力等の所望のパラメータをプロセス自動化コントローラに関して前述したのと同様の方法で達成するために制御される。この特徴は性能の監視、およびタイムリーな更新アルゴリズムに有用なこともある。

図９は、本発明の実施形態による、層状ダウンドラフト式ガス化装置９００の概略図である。第１の酸化剤９０１および供給原料９０２の両方が、ガス化装置上部で入り、ガス化装置内に新しい供給原料９０３の層を形成する。新しい供給原料９０３の下には乾燥ゾーン９０４があり、ここでは、供給原料が加熱されて水蒸気を失い一次燃焼用空気となる。乾燥された供給原料がさらに加熱されると、該原料は熱分解し高温の有機蒸気を解放する。該原料は点火され一次空気９０１により火炎熱分解ゾーン９０５内で部分的に燃焼される。供給原料がチャーへ完全に熱分解した後、該原料はチャー酸化ゾーン９０６に入る。ここでは、第２の酸化剤９０７が添加されてチャーを酸化し、チャー酸化ゾーン９０６内を高温に維持する。これらの温度は十分に高いので、水蒸気と二酸化炭素が反応して水素と一酸化炭素を形成する吸熱反応により、チャーのいくらかが酸化する。ガス中の残留タールは、チャー酸化ゾーン９０６内で分解され酸化される。例えばゾーン９０６および９０８において、固体炭素質材料を欠く燃料床内の領域を防ぐことは望ましい。何故なら、そのような欠如は、温度およびガス流を混乱させ、場合によっては、タール形成の劇的な増加またはさらにガス化プロセスの中断という結果になる可能性があるからである。製造されたガス９０９は、残留チャーおよび灰９１０を引き入れて、単一の流動としてガス化装置の底部を離れる。

（実施例１）
軟材チップを１インチ（２．５ｃｍ）の公称寸法で、直径２０インチで５つのチャー−空気注入レベル間が６インチ離間しているガス化装置内で使用した。実験中、気乾チップの水分含量は、７％〜８％の間で変化した。熱交換器およびフィルタは、チャー床の点火開始前に５０分間予熱した。

ガス化装置の最も低いレベルにある短いチャー−空気注入管の１つを除去して、点火のための開いた入り口を設けた。機械送風機がシステムに吸入力を提供しそれにより空気を流動させている間に、この単一のチャー−空気管位置で、手持ち式プロパントーチを使用してチャーを点火した。次に、チャー−空気注入管を再挿入した。チャー床の点火は、ガス化装置全体に亘って上方および水平方向に急速に広がった。下の３つのチャー−空気注入レベルは、チャー点火の７分後に８００℃を超える温度に達し、次に、木材チップ供給機が始動した。発生炉ガスの流量は、通常、送風機により１３５〜１４０Ｎｍ^３／ｈに保った。この試運転の間、エンジンは発生炉ガスで始動し、少しの間、三相発電機を用いて４１ｋＷｅを生成した。さらに運転する間に、発生炉ガスは昼間には不可視の火炎を有する渦流式バーナで燃焼された。

各レベルへのチャー−空気の流動は、各レベルに対するコンピュータ速度制御型個別送風機により自動的に調節される。全部で５０本のチャー−空気注入管は、サーモウェル内の管の閉端部付近にある接点を有する熱電対を備えていた。定常状態が達成された後、（上部に近い）レベル１で測定された１０の温度の平均は、約７５０℃、レベル２では約８６０℃、レベル３では約９４０℃、レベル４では約９１０℃、レベル５では約９６０℃であった。火格子の温度は約８７０℃であった。火格子による圧力降下は、１水柱インチ未満で比較的一定であった。

この運転で使用されたチューブアンドシェル型熱交換器は、シェル内に全体的に向流の冷却用空気を有していて、単一の入り口および出口を備えていた。１３５Ｎｍ^３／ｈの発生炉ガスで、速度制御型冷却用送風機は、発生炉ガスを７８３℃から１１０℃に冷却するために、通常、可能な６０Ｈｚ中約５３Ｈｚで作動していた。熱交換器のチューブ側での圧力降下は、約０．９水柱インチ未満で一定であった。フィルタシステムは、４つの作動フィルタと清掃サイクルにある５つ目フィルタという状態で、５つのフィルタを使用した。フィルタバッグの直径は１８インチ、長さは３０インチであった。フィルタシステムによる圧力降下は、この３時間の試験中、２〜３水柱インチで安定していた。手持ち式噴霧システム（園芸用噴霧器）を使用して、この試験中に６度、火炎前面を制御した。

乾燥した発生炉ガスの典型的な組成は、一酸化炭素約１８％、二酸化炭素１０％、メタン１．５％、および水素１６％で、残りは窒素であった。２つの１０立方フィートのガス試料は濾過後に採られ、１３ｐｐｍおよび２１ｐｐｍのアセトン可溶性タール並びに１０ｐｐｍの非アセトン可溶性微粒子を有すると判定された。これらの値は非常に低いとみなされた。全部で１２９ｋｇの乾燥木材チップが、約３時間に亘って供給された。回収されたチャーの重量は０．７３ｋｇ、収率０．５７％であった。

（実施例２）
この試験における多数のパラメータは実施例１の試験と同様であったが、エンジンを、海抜５７２０フィートの高度で１３５Ｎｍ^３／ｈの発生炉ガスを使用して、４９．４ｋＷｅの仕事量に見合う電気を生成するように作動した。エンジンが海水位にあったとしたら、大気圧比を補正して、対応するより大きな発生炉ガス流量で６０．９ｋＷｅの出力が見込まれたであろう。

ガス化装置を最も低いチャー−空気注入レベルから短い５本指をすべて除去することにより点火した。発生炉ガス送風機がシステムを介して空気を引き入れている間に、短いチャー−空気注入管を収容する５つの開いた出入り口を介して手持ち式プロパントーチを使用してチャー床を点火した。この運転に使用された木材の水分含量を測定し９％〜１４％で変動することが分かった。この運転における乾燥ガスの組成は、典型的に、一酸化炭素２０％、二酸化炭素１０％、メタン３％、および水素１８％で、残りは窒素であった。

（実施例３）
この試験における多数のパラメータは実施例２の試験と同様であったが、手持ち式プロパントーチを用いた点火のために、短いチャー−空気注入管を２本だけ除去した。ガス化装置が２箇所だけでなく５箇所で点火されたかのように、点火はチャー床の端から端まで上方へ即座に広がったように見えた。供給原料の水分含量は、この試験では７〜１２％で変動した。この運転の定常状態部分の間、１４６分間に亘って１３５Ｎｍ^３／ｈの発生炉ガスを生成している間、９９．６ｋｇの乾燥木材チップを供給した。これは、４０．９ｋｇの湿った木材チップ／ｈの供給速度である。実施例２のエンジン／発電セットにより製造された４９．４ｋＷｅに基づき、システムは、０．７５ｋｇの乾燥木材／ｋＷｅｈを必要とする。

（実施例４）
この試験に先立ち、電気キャルロッドを、それ自体の出入り口を介してチャー−空気注入管の最も低いレベルに永久的に取り付けた。フィルタ上に水が凝縮するのを防ぐために熱交換器およびフィルタを暖め、照明装置付近の送風機により誘導された空気がガス化装置の全体に亘って流動してから、チャー床を点火するためにキャルロッドがコンピュータにより遠隔で自動的に起動された。コンピュータがチャー床の点火を感知した後、キャルロッドは自動的に停止されチャー床の過熱が回避された。チャー床は十分に点火され、その後すぐに供給が開始された。

木材チップの水分含量は、（湿量基準で）２．５％〜１４．１％で変動した。この運転で使用された木材チップは、場合によっていは、小さい石に含まれていることもあるアスペンとダグラスファーとの混合物であった。これらの石はガス化装置内および火格子上に蓄積された。そこでは、該石は、ガス化装置全体に亘るかつ火格子全体に亘る、圧力降下の瞬間的増加の一因となった。

往復火格子機構が起動されるほんの僅かな時間を増やすことにより、明らかに、火格子を通過するのに十分小さくなるまで岩石を破壊することによって、システムは、火格子全体に亘る圧力降下が比較的低い状態に戻ることができた。火格子の真下に、約４ｍｍ以下のサイズ即ち金網火格子を通過するのに十分小さいサイズの小さい岩石の小規模な蓄積があった。火格子全体に亘る圧力降下は、０．５水柱インチ（火格子が比較的岩石を含まないように見えた場合）から２．５水柱インチ超（瞬間的に、火格子が蓄積された岩石を有するように見えた場合）で変動した。

９０〜１３２Ｎｍ^３／ｈの発生炉ガス流量でのこの４８時間の運転中、熱交換器による圧力降下は、０．４〜０．８水柱インチで比較的一定に留まっていて、フィルタによる圧力降下は、１．８〜２．９水柱インチであった。圧力降下に影響を及ぼす主要な変数は、発生炉ガスの流量である。発生炉ガスのより高い流量は、噴霧器を作動してこの乾燥供給原料を有する火炎前面を制御する場合に必要とされた。エンジン／発電セットは短時間で４５ｋＷｅまで産出したが、主として、この間に海抜５７２０フィートの高度で３９ｋＷｅを生成するように作動された。（海水位で大気圧まで修正すると、該エンジンは今回の運転中に４８ｋＷｅ相当を生成し、短時間では５６ｋＷｅまで生成した）。

（実施例５）
この試験における多数のパラメータは、実施例４の試験と同様であった。この２５時間耐久運転における木材チップは、乾燥機から来てガス化装置に入りながら比較的湿っていた。それらの水分含量は（湿量基準で）６．４％〜３３．１％で変動した。コンピュータ制御型ガス化装置は、ガス化装置内の火炎前面の位置をチャー−空気注入の最も上のレベルの近傍に自動的に維持することができた。下の３つのレベルのチャー−空気注入および火格子における温度は、瞬間的な例外を除き、この運転中８００℃〜９００℃に維持された。発生炉ガスの組成は、通常よりも高い濃度の二酸化炭素およびメタンを有する傾向があったが、一酸化炭素の濃度ではその傾向は低かった。より高いメタンは、水分の冷却効果によるガス化装置内の若干低い温度が原因であると考えられた。余分な二酸化炭素は、水と一酸化炭素とが二酸化炭素と水素を作る水性ガスシフト反応により作り出されたと思われる。

特定のシステム、デバイス、および方法の実施形態を本明細書で開示してきたが、種々の変更、修正、代替の構成、およびそのような実施形態の均等物が、本発明の真の精神および範囲を逸脱することなく成されてもよいことが、前述の開示から当業者に明らかとなるであろう。従って、上記の記載は、添付の請求項により定められている本発明の範囲を制限するものとみなされるべきではない。

図１ＡおよびＢは、本発明の実施形態による、ガス製造モジュールのアセンブリの図である。 図２は、本発明の実施形態による、複数の空気注入ノズルの配列を示す、ダウンドラフト式ガス化装置の横断面図である。 図３ＡおよびＢは、本発明の実施形態による、火格子およびガス出口の流路を含むガス化装置の下部を示す。 図４は、本発明の実施形態による、熱伸び差によるチューブの動きに備えるシールを有する固定されたチューブシートを貫通している熱交換器チューブを有する熱交換器を示す。 図５は、本発明の実施形態による、モジュール式バイオ電力システムのプロセス図である。 図６は、本発明の実施形態による、バイオマス電力システムのネットワークのアーキテクチャを示す。 図７は、本発明の実施形態による、オンサイト分散クライアントシステムのアーキテクチャを示す。 図８は、本発明の実施形態による、オンサイト分散クライアントシステムのアーキテクチャを示す。 図９は、本発明の実施形態による、層状ダウンドラフト式ガス化装置を示す。

Claims (29)

1. ダウンドラフトガス化反応炉チャンバ内部で固体炭素質材料を低タール燃料ガスに変換する自動化された方法であって、
   該方法は、
   該炭素質材料を該チャンバ内に導入することと、
   火炎熱分解ゾーンにおいて該炭素質材料の第１の部分をチャー材料に変換することと、
   該ガス化反応炉チャンバ内の複数のレベルにおいて酸化ガスを注入することにより、該チャンバの長さに沿って複数の温度を制御することと、
   該複数のレベルのうちの少なくとも１つから注入される該酸化ガスの量を制御することと、
   該熱分解ゾーンの上流または下流で注入される酸化ガスの量を増減することにより、該チャンバ内部で該熱分解ゾーンの位置を変えることと、
   該チャンバに少なくとも１つの力を加えることにより、該ガス化反応炉チャンバ内で該チャー材料の多孔性および該炭素質材料の第２の部分を制御することと、
   該チャー材料および該炭素質材料の該第２の部分を該ガス化反応炉チャンバ内で該低タール燃料ガスに変換することと
   を含み、
   該酸化ガスは、該チャンバの長さに沿って複数の温度を制御するために、３つ以上のレベルにおいて複数の注入管を介して注入され、該複数の注入管は、ガス化反応炉チャンバ壁を介して該ガス化反応炉チャンバの内部に半径方向に突出しており、該３つ以上のレベルのうちの少なくとも２つは、長い注入管および短い注入管を含むことを特徴とする、方法。
2. 燃料ガス流量の所定の範囲に対するタールの低減を最大にするために、前記ガス化反応炉チャンバにおける前記３つ以上のレベルに前記酸化ガスの相対的な流動を変更することにより、前記火炎熱分解ゾーンの前記位置を制御することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 燃料ガス流量の所定の範囲に対して最小の圧力降下でタールの低減を最大にするために、前記ガス化反応炉チャンバを振動させることにより、または、前記チャー材料および前記炭素質材料の前記第２の部分を挽き砕くことにより、前記チャー材料の前記多孔性および前記炭素質材料の前記第２の部分を制御することをさらに含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記炭素質材料が約３ポンド／立方フィートを超えるかさ密度を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記炭素質材料は、木質バイオマス、非木質バイオマス、セルロース製品、厚紙、繊維板、紙、プラスチック、食料品からなる群から選択される部材を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. ２つ以上のレベルにおいて、１つ以上の可変速ファンまたは送風機を用いて、１つ以上のバルブを用いて、または、１つ以上の流量制限器を用いて、ガス化装置チャンバ内に注入される前記酸化ガスの量を制御することをさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記３つ以上のレベルのうちの少なくとも２つにおいて、前記短い注入管は、前記長い注入管によって変更される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記複数の注入管は、それを介して酸化ガスが送達される複数のノズルを含み、該複数のノズルは、各レベルにおいて酸化ガスの比較的均一な分配を有するように、該複数の注入管上で離間されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記３つ以上のレベルのそれぞれは、短い注入管、長い注入管、特別に長い注入管を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 固体炭素質材料を燃料ガスに変換する自動ガス化反応炉装置であって、
    該装置は、
    燃料ガスを形成するために該固体炭素質材料を点火するように構成されている熱源と、
    ガス化反応炉壁を含むガス化反応炉チャンバと、
    該ガス化反応炉壁を貫通している複数の注入管であって、該注入管は、該ガス化反応炉壁から種々の距離で、酸化ガスを該ガス化反応炉チャンバの内部に送達するように構成されている、複数の注入管と、
    該ガス化反応炉チャンバの下流出口に配置されている可動火格子および網目スクリーンであって、該火格子は、壊れやすいチャーまたは灰を該網目スクリーンを通過することが可能なサイズに粉砕するように構成されている、可動火格子および網目スクリーンと
    を含み、
    該複数の注入管は、３つ以上のレベルにおいて該ガス化反応炉壁を貫通し、該ガス化反応炉チャンバの内部に半径方向に突出し、該３つ以上のレベルのうちの少なくとも２つは、長い注入管および短い注入管を含むことを特徴とする、装置。
11. 点火のための前記熱源が電気抵抗ヒータまたはガスバーナを含む、請求項１０に記載の装置。
12. 前記酸化ガスをガス化装置チャンバ内に注入するように構成されている送風機手段をさらに含み、該送風機手段は、複数の制御バルブを有する単一の送風機、または、複数の送風機を含む、請求項１０または請求項１１に記載の装置。
13. 前記複数の注入管は、前記ガス化反応炉チャンバ内に酸化ガスを送達するように構成された複数のノズルを含み、該複数のノズルは、前記燃料ガスの流動の方向に対してほぼ非垂直な方向に該酸化ガスを送達するように構成されている、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. モータ、起動装置、ソレノイドからなる群から選択される、前記火格子を動かすための手段をさらに含む、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 結合したチャー材料および炭素質材料の多孔性をそれらの中のブリッジおよびチャネルを崩壊させることにより制御するように構成されている振動手段をさらに含む、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の装置。
16. タールを満載したガスの温度を制御して、流動するガス流中に引き込まれた粒子の表面上のタールの収集を促すように構成されているチューブアンドシェル型熱交換器をさらに含む、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 前記チューブアンドシェル型熱交換器内部のチューブは、前記流動するガス流を冷却することによって生じる極度の伸び差に耐えるように構成されており、前記チューブは、チューブシートのシールを介して個々に圧力緩和される、請求項１６に記載の装置。
18. 前記タールを満載した粒子を前記流動するガス流から除去するフィルタをさらに含む、請求項１６または請求項１７に記載の装置。
19. 前記３つ以上のレベルのうちの少なくとも２つにおいて、前記短い注入管は、前記長い注入管によって変更される、請求項１０〜１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記複数の注入管および該複数の注入管上の前記複数のノズルは、各レベルにおいて酸化ガスの比較的均一な分配を有するように離間されている、請求項１３に記載の装置。
21. 前記３つ以上のレベルのそれぞれは、短い注入管、長い注入管、特別に長い注入管を含む、請求項１０〜２０のいずれか一項に記載の装置。
22. 請求項１０〜２１のいずれか一項に記載の自動ガス化反応炉装置、ガス冷却装置、ガスフィルタ、化石燃料供給型エネルギー変換デバイス、プロセス自動化コントローラに動作するように関連するプロセス自動化コントローラを含む、一体型自動電力システム。
23. 前記エネルギー変換デバイスは、機械エネルギー出力、電気エネルギー出力、熱エネルギー出力、化学エネルギー出力からなる群から選択されるエネルギー出力に低タール燃料ガスを変換するように構成されている、請求項２２に記載の一体型自動電力システム。
24. 前記ガス化反応炉装置、ガス冷却装置、または、ガスフィルタは、前記燃料ガスを前記化石燃料供給型エネルギー変換デバイスに供給するように適合されている、請求項２２または請求項２３に記載の一体型自動電力システム。
25. 前記化石燃料供給型エネルギー変換デバイスは、固体酸化物燃料電池、スターリングエンジン、ガスタービン、内燃エンジン、熱電発電機、スクロールエキスパンダ、ガスバーナ、ガスツーリキッドデバイス、熱光起電デバイスからなる群から選択される部材を含む、請求項２２〜２４のいずれか一項に記載の一体型自動電力システム。
26. 前記化石燃料供給型エネルギー変換デバイスは、低タール燃料ガスからエネルギー出力を生成するように構成されている、請求項２２〜２５のいずれか一項に記載の一体型自動電力システム。
27. 前記化石燃料供給型エネルギー変換デバイスは、低タール燃料ガスからエネルギー出力を生成するように構成されている圧縮点火内燃エンジンを含む、請求項２２〜２６のいずれか一項に記載の一体型自動電力システム。
28. 前記プロセス自動化コントローラは、分散クライアントサーバ、通信リンク、集中方式クライアントサーバを含むネットワークの一部である、請求項２２〜２７のいずれか一項に記載の一体型自動電力システム。
29. 集中方式クライアントサーバおよび少なくとも１つの一体型自動電力システムを含む自動モジュール式分散型アーキテクチャであって、該一体型自動電力システムは、請求項１０〜２１のいずれか一項に記載の自動ガス化反応炉装置、ガス冷却装置、ガスフィルタ、化石燃料供給型エネルギー変換デバイス、プロセス自動化コントローラに動作するように関連するプロセス自動化コントローラを含む、自動モジュール式分散型アーキテクチャ。

Images