JP5520441B2

JP5520441B2 - バイオマスガス化システム

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Publication number: JP5520441B2
Application number: JP2007309302A
Authority: JP
Inventors: 俊英須崎; 靖雄森岡
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: JP2009132785A

Description

本発明は、例えばバイオマス原料を熱分解することによって発生する熱分解ガスを燃料ガスとして利用するバイオマスガス化システムに関する。

近年、木材チップ等のバイオマス原料（被熱分解物）を加熱してガス化し、生成されたガスを燃料ガスとして用いて発電を行うバイオマスガス化発電システムが実用化されるようになってきた（例えば、特許文献１）。このようなバイオマスガス化発電システムでは、ガス化炉（ガス化手段）において、原料のバイオマスを低酸素下で加熱して熱分解すると、主に一酸化炭素、水素及び炭化水素よりなる熱分解ガスが発生する。そして、この熱分解ガスを燃料ガスとしてガスエンジン発電、ガスタービン発電、デュアルフューエルエンジン発電あるいは燃料電池等の種々の発電用設備等に供給して利用している。なお、この場合のガス供給にあたっては、ガス化炉で発生した熱分解ガスをガス冷却器（冷却手段）で冷却し、この冷却後の熱分解ガスを燃料ガスとしてガスエンジン（発電装置）へ配管を介して供給している。
特開２００６−８７２２１号公報

ところで、特許文献１のようなバイオマスガス化発電システムでは、ガス冷却器からガスエンジンへ至るまでの配管が長い場合、特に冬場において配管内を流れる熱分解ガスが過度に自然冷却される。このため、配管内を流れる熱分解ガス中のタールが析出して配管の内面に付着してしまうという問題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたものである。その目的とするところは、熱分解ガスの流路を形成する配管内において、熱分解ガス中のタールが析出することを抑制することが可能なバイオマスガス化システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、バイオマス原料を加熱して熱分解ガスを発生させるガス化手段と、該ガス化手段から配管を介して供給された熱分解ガスを冷却する冷却手段と、該冷却手段から配管を介して供給された熱分解ガスを燃料ガスとして発電する発電装置とを備えたバイオマスガス化システムであって、前記冷却手段から前記発電装置に前記熱分解ガスを供給する配管は、該配管における前記発電装置側に設けられる他の部位よりも流路抵抗が小さい流路抵抗急変部を複数有する経路と該配管における前記冷却手段側に設けられる前記流路抵抗急変部を有さない経路とで構成され、前記冷却手段から前記発電装置に前記熱分解ガスを供給するための配管の途中には、該配管内を流れる前記熱分解ガス中に含まれたタールが析出することを抑制するために前記配管を加熱する加熱手段が設けられており、前記配管の前記発電装置側において前記各流路抵抗急変部を有する経路の直前を選択してそれぞれ前記加熱手段が設けられていることを要旨とする。

この構成によれば、加熱手段により配管を加熱することで、配管内を流れる熱分解ガス中に含まれたタールの析出が抑制される。このため、配管の内面へのタールの付着が抑制されるので、配管内がタールによって詰まることを抑制することが可能となる。

配管において、流路抵抗急変部は他の部分よりも流路断面積が大きいため、流路抵抗急変部では熱分解ガスの圧力が急激に小さくなる、すなわち流路抵抗急変部では熱分解ガスが急激に断熱膨張する。この結果、流路抵抗急変部では熱分解ガスの温度が低下するため、該熱分解ガス中に含まれたタールが析出し易くなる。この点、この構成によれば、配管の発電装置側において各流路抵抗急変部を有する経路の直前がそれぞれ加熱手段により加熱されることで、その熱が速やかに流路抵抗急変部に伝わるようになるため、流路抵抗急変部に加熱手段を設けることなく該流路抵抗急変部を確実に加熱することが可能となる。したがって、流路抵抗急変部でのタールの析出を効果的に抑制することが可能となる。なお、この構成によれば、特に流路抵抗急変部の形状が複雑で該流路抵抗急変部に直接加熱手段を設けることが困難である場合でも、配管における各流路抵抗急変部を有する経路の直前にそれぞれ設けた加熱手段により間接的に各流路抵抗急変部を加熱することが可能となる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記流路抵抗急変部は、前記熱分解ガス中の粉塵を除去するガスフィルタ、前記配管を遮断する遮断弁、前記配管内を流れる熱分解ガスの圧力を一定にするガバナ、前記配管内を流れる熱分解ガスの流量を調節するスロットルバルブ、及び前記熱分解ガスを空気と混合するベンチュリーミキサであることを要旨とする。

この構成によれば、特に熱分解ガスが断熱膨張することにより該熱分解ガスの温度が低下してタールが析出し易いガスフィルタ、遮断弁、ガバナ、スロットルバルブ、及びベンチュリーミキサがそれぞれ加熱手段によって加熱されるので、熱分解ガス中に含まれたタールの析出をより一層効果的に抑制することが可能となる。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記加熱手段は、電気ヒータであることを要旨とする。
この構成によれば、簡単な構成で確実に配管を加熱することが可能となる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の発明において、前記加熱手段は、前記配管とともに断熱材によって覆われていることを要旨とする。

この構成によれば、加熱手段による配管の加熱効率及び加熱された配管の保温効率を向上することが可能となる。

本発明によれば、熱分解ガスの流路を形成する配管内において、熱分解ガス中のタールが析出することを抑制することが可能なバイオマスガス化システムを提供することができる。

以下、本発明をバイオマスガス化発電システムに具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、バイオマスガス化システムとしてのバイオマスガス化発電システム１１は、おが屑等の木質のバイオマス原料を投入するための投入ホッパ１２と、投入されたバイオマス原料を加熱して熱分解ガスを発生させるガス化炉１３と、発生した熱分解ガスを一時滞留させて熱分解ガス中に含まれるタール等を分解除去する滞留槽１４とを備えている。そして、本実施形態ではガス化炉１３と滞留槽１４とによりガス化手段が構成されている。

滞留槽１４の下流側には熱分解ガスの冷却を行う冷却手段としての冷却装置１５が設けられ、該冷却装置１５の下流側には熱分解ガスの除塵を行うためのバグフィルタ１９が設けられている。

冷却装置１５は、熱分解ガス中の煤などの粉塵を幾分除去しながら該熱分解ガスを冷却する水冷式サイクロン１６と、熱分解ガスを冷却する一次冷却器１７及び二次冷却器１８とを備えている。ガス化炉１３で発生した熱分解ガスは約８００〜９００℃の高温で、例えば水冷式サイクロン１６で約６００℃、一次冷却器１７で約４００〜５００℃、二次冷却器１８で約５０〜８０℃程度に順次冷却される。水冷式サイクロン１６、一次冷却器１７及び二次冷却器１８で使用される冷却水は、クーリングタワー２０で気化熱を奪うことでその水温を下げてポンプ２１により各部を通る経路で循環される。

バグフィルタ１９は冷却装置１５によって冷却された後の熱分解ガスの最終的な除塵を行って燃料ガスとするようになっており、バグフィルタ１９の下流側には送風機２２が設けられている。したがって、送風機２２が下流側へ送風することで、送風機２２の上流側にはガスを下流側へ引き込もうとする負圧が発生するようになっている。すなわち、送風機２２は、下流側へ送風することで、熱分解ガス（燃料ガス）を上流側から下流側に向かって吸引するようになっている。

そして、送風機２２は、バグフィルタ１９で除塵された燃料ガスを該送風機２２の吸引力で引き込んで発電装置２３側へ送り込むとともに、例えば発電装置２３の運転停止時などには燃料ガスをフレアスタック２４へ送り込むようになっている。フレアスタック２４へ送り込まれた燃料ガスは、燃焼されてから排気される。もちろん、発電装置２３で使用されない余分な燃料ガスをガスタンクに一時貯留する構成も採用できる。

発電装置２３は、燃料ガスの燃焼で運転駆動されるエンジン２５と、該エンジン２５の回転出力を利用して発電する発電機２６とを備えている。このバイオマスガス化発電システム１１からは、発電機２６で発電された電気が得られるとともに、エンジン２５の排気ガスの廃熱を利用した温水や水蒸気等が得られる。なお、本実施形態における発電装置２３は、デュアルフューエルエンジン発電方式を採用している。

図１に示すように、送風機２２から発電装置２３まで燃料ガスを搬送するための配管２７は比較的長く（本実施形態では１５０ｍ程度）なっている。そして、この配管２７におけるエンジン２５よりも少し（本実施形態では１０ｍ程度）上流側の位置には、送風機２２から送られる燃料ガス中に含まれる水分を凝縮除去するためのドレンポット２８が設けられている。

配管２７におけるドレンポット２８の下流側には発電装置２３などの各種機器のメンテナンス等を行う場合に閉弁して下流側への燃料ガスの供給を絶つことが可能なボールバルブ２９が設けられており、バイオマスガス化発電システム１１の稼働時には開弁されている。また、配管２７において、ボールバルブ２９の下流側には燃料ガス中の粉塵（ゴミなどの不純物）を除去するためのガスフィルタ３０が設けられ、該ガスフィルタ３０の下流側には緊急時等に閉弁して下流側への燃料ガスの供給を絶つ電磁弁よりなる遮断弁３１が設けられている。この遮断弁３１は、バイオマスガス化発電システム１１が異常なく稼働している場合には開弁されている。

また、配管２７において、遮断弁３１の下流側には配管２７内を流れる燃料ガスの圧力を一定にするガバナ３２が設けられ、該ガバナ３２の下流側には配管２７内を流れる燃料ガスの流量を調節するスロットルバルブ３３が設けられている。配管２７におけるスロットルバルブ３３の下流側には、該スロットルバルブ３３側から流入する燃料ガスとエアフィルタ３４を介して流入する空気（大気）とを混合してエンジン２５に供給するベンチュリーミキサ３５が設けられている。

なお、本実施形態では、ガスフィルタ３０、遮断弁３１、ガバナ３２、スロットルバルブ３３、及びベンチュリーミキサ３５は、配管２７における他の一般部位よりも流路抵抗が小さい流路抵抗急変部を構成している。そして、配管２７において、流路抵抗急変部は他の一般部位よりも流路断面積が大きくなっているため、流路抵抗急変部では燃料ガスの圧力が急激に低下する、すなわち流路抵抗急変部では熱分解ガスが急激に断熱膨張する。この結果、配管２７において、流路抵抗急変部では、他の一般部位よりも熱分解ガスの温度が低くなるため、燃料ガス中のタールが析出しやすくなっている。

図１及び図２に示すように、配管２７の外周面におけるガスフィルタ３０、遮断弁３１、ガバナ３２、スロットルバルブ３３、及びベンチュリーミキサ３５の上流側の直前部位（図１においてＡで示した部位）には、加熱手段としての電気ヒータであるシーズヒータ３６が配管２７の長手方向に沿って所定ピッチで巻着されている。そして、シーズヒータ３６は、図示しない電源によって通電されることにより、例えば６０〜８０℃程度に発熱して配管２７を加熱するようになっている。なお、図２に示すように、配管２７における各シーズヒータ３６が巻着された部位（図１においてＡで示した部位）は、各シーズヒータ３６とともに断熱材３７によって覆われている。

次に、バグフィルタ１９で除塵された燃料ガスを送風機２２により配管２７を介して発電装置２３へ供給する際の作用について説明する。
さて、送風機２２から配管２７に送り込まれた燃料ガスは、ドレンポット２８で水分が凝縮除去され、開弁状態のボールバルブ２９を通過してガスフィルタ３０へ流れる。引き続き、ガスフィルタ３０へ流れた燃料ガスは、該ガスフィルタ３０を透過することで粉塵（ゴミなどの不純物）が除去され、開弁状態の遮断弁３１を通過してガバナ３２へ流れる。引き続き、ガバナ３２へ流れた燃料ガスは、該ガバナ３２によりその圧力が一定にされた状態でスロットルバルブ３３へ流れ、該スロットルバルブ３３により、流量が適切な値に調節される。

引き続き、スロットルバルブ３３により流量が調節された燃料ガスは、ベンチュリーミキサ３５に流れ込む。このとき、ベンチュリーミキサ３５にはエアフィルタ３４を透過してゴミなどが除去されたクリーンな空気が適量流れ込む。したがって、ベンチュリーミキサ３５に流れ込んだ燃料ガスは、該ベンチュリーミキサ３５において空気と混合されてエンジン２５に供給される。

ここで、送風機２２から配管２７を介してエンジン２５に供給される燃料ガス中にはタールが含まれている。そして、配管２７における流路断面積が他の一般部位よりも大きい部位、すなわち流路抵抗急変部では燃料ガスが急激に断熱膨張するため、燃料ガスの温度が低下して該燃料ガス中に含まれたタールが析出し易くなる。このため、特に外気温が低くなる冬場には、配管２７における他の一般部位よりも流路抵抗が小さい流路抵抗急変部（ガスフィルタ３０、遮断弁３１、ガバナ３２、スロットルバルブ３３、及びベンチュリーミキサ３５）において燃料ガスからタールが析出し易くなる。この結果、析出したタールが配管２７の内面に付着して配管２７内が詰まったり、あるいは析出したタールが流路抵抗急変部に溜まることにより流路抵抗急変部を構成するガスフィルタ３０、遮断弁３１、ガバナ３２、スロットルバルブ３３、及びベンチュリーミキサ３５の動作不良を招いたりしてしまうおそれがある。

この点、本実施形態では、流路抵抗急変部の直前部位が各シーズヒータ３６によって加熱されるため、該配管２７内を流れる燃料ガスからタールが析出し難くなり、配管２７の内面へのタールの付着が抑制される。このとき、配管２７は各シーズヒータ３６とともに断熱材３７によって覆われているので、該断熱材３７の作用により、各シーズヒータ３６による配管２７の加熱及び各シーズヒータ３６によって加熱された配管２７の保温が効率よく行われる。また、流路抵抗急変部へも各シーズヒータ３６からの熱が配管２７を介してそれぞれ伝わるため、流路抵抗急変部においても燃料ガスからのタールの析出が抑制される。このため、タールの析出による、流路抵抗急変部を構成するガスフィルタ３０、遮断弁３１、ガバナ３２、スロットルバルブ３３、及びベンチュリーミキサ３５の動作不良が低減される。

そして、エンジン２５は、ベンチュリーミキサ３５から供給された燃料ガスと、軽油などの補助燃料との双方を燃料として運転駆動される。このエンジン２５の回転出力を利用して発電機２６により発電がなされる。したがって、このバイオマスガス化発電システム１１からは、発電機２６で発電された電気が得られるとともに、エンジン２５の排気ガスの廃熱を利用して温水や水蒸気等が得られる。

以上詳述した実施形態によれば次のような効果が発揮される。
（１）配管２７における特に燃料ガスからタールが析出し易い流路抵抗急変部（ガスフィルタ３０、遮断弁３１、ガバナ３２、スロットルバルブ３３、及びベンチュリーミキサ３５）の直前部位が各シーズヒータ３６によってそれぞれ加熱されるので、配管２７内を流れる燃料ガス中に含まれたタールの析出を効果的に抑制することができる。このため、配管２７の内面へのタールの付着が抑制され、配管２７内がタールによって詰まることを抑制することができる。

また、配管２７における流路抵抗急変部の直前部位が各シーズヒータ３６によってそれぞれ加熱されることで、その熱が速やかに流路抵抗急変部に伝わるため、流路抵抗急変部に直接シーズヒータ３６を巻着することなく該流路抵抗急変部を確実に加熱することができる。すなわち、本実施形態では、特に流路抵抗急変部の形状が複雑で該流路抵抗急変部に直接シーズヒータ３６を巻着することが困難である場合でも、配管２７における流路抵抗急変部の直前部位に巻着したシーズヒータ３６により間接的に流路抵抗急変部を加熱することができる。この結果、流路抵抗急変部でのタールの析出を抑制することができるので、タールの析出による、流路抵抗急変部を構成するガスフィルタ３０、遮断弁３１、ガバナ３２、スロットルバルブ３３、及びベンチュリーミキサ３５の動作不良を低減することができる。

（２）加熱手段が電気ヒータの一種であるシーズヒータ３６によって構成されているため、簡単な構成で確実に配管２７を加熱することができる。
（３）各シーズヒータ３６は、配管２７とともに断熱材３７によって覆われているため、該各シーズヒータ３６による配管２７の加熱効率及び加熱された配管２７の保温効率を向上することができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・図３に示すように、配管２７よりも大径の配管４０を該配管２７の外側を覆うように設けた所謂二重管構造とし、配管２７の外面と配管４０の内面との間に形成された空間４１にエンジン２５の排気ガスの廃熱を利用して得られた温水や水蒸気を循環させることで、該温水や水蒸気の熱により配管２７を加熱するようにしてもよい。このようにすれば、配管２７を低コストで加熱することができる。

さらに、この場合、配管４０の外面を断熱材３７で覆うようにしてもよい。このようにすれば、上記温水や水蒸気が冷め難くなるので、配管２７内を適切な温度に維持することができる。

・シーズヒータ３６の代わりにシリコンラバーヒータを加熱手段として用いてもよい。
・シーズヒータ３６は、配管２７に埋設してもよい。
・配管２７は、熱風、あるいは高温のヒータなどの熱源からの輻射熱によって加熱してもよい。

・断熱材３７は省略してもよい。
・流路抵抗急変部（ガスフィルタ３０、遮断弁３１、ガバナ３２、スロットルバルブ３３、及びベンチュリーミキサ３５）にそれぞれシーズヒータ３６を直接巻着するようにしてもよい。

・流路抵抗急変部を構成するガスフィルタ３０、遮断弁３１、ガバナ３２、スロットルバルブ３３、及びベンチュリーミキサ３５の全てをシーズヒータ３６によって加熱する必要はなく、これらのうち少なくとも１つをシーズヒータ３６によって加熱すればよい。

・配管２７の全体をシーズヒータ３６によって加熱するようにしてもよい。
・配管２７内を流れる燃料ガスの流量を計測するガス流量計を流路抵抗急変部として配管２７の途中位置に設けてもよい。この場合、配管２７におけるガス流量計の上流側の直前部位にはシーズヒータ３６が巻着される。

・バイオマス原料は、木質のバイオマス原料に限定されない。ガス化炉１３での加熱により熱分解ガスを生成するバイオマス原料であればよい。
・バイオマスガス化発電システム１１の発電装置２３は、デュアルフューエルエンジン発電方式に限定されず、例えばガスエンジン発電方式、タービン発電方式、あるいは燃料電池発電方式であってもよい。

実施形態のバイオマスガス化発電システムの概略構成を示すブロック図。図１の要部拡大図。変更例の配管を示す断面図。

符号の説明

１１…バイオマスガス化システムとしてのバイオマスガス化発電システム、１３…ガス化手段としてのガス化炉、１４…ガス化手段としての滞留槽、１５…冷却手段としての冷却装置、２３…発電装置、２７…配管、３０…流路抵抗急変部を構成するガスフィルタ、３１…流路抵抗急変部を構成する遮断弁、３２…流路抵抗急変部を構成するガバナ、３３…流路抵抗急変部を構成するスロットルバルブ、３５…流路抵抗急変部を構成するベンチュリーミキサ、３６…加熱手段としての電気ヒータであるシーズヒータ、３７…断熱材。

Claims

バイオマス原料を加熱して熱分解ガスを発生させるガス化手段と、該ガス化手段から配管を介して供給された熱分解ガスを冷却する冷却手段と、該冷却手段から配管を介して供給された熱分解ガスを燃料ガスとして発電する発電装置とを備えたバイオマスガス化システムであって、
前記冷却手段から前記発電装置に前記熱分解ガスを供給する配管は、該配管における前記発電装置側に設けられる他の部位よりも流路抵抗が小さい流路抵抗急変部を複数有する経路と該配管における前記冷却手段側に設けられる前記流路抵抗急変部を有さない経路とで構成され、
前記冷却手段から前記発電装置に前記熱分解ガスを供給するための配管の途中には、該配管内を流れる前記熱分解ガス中に含まれたタールが析出することを抑制するために前記配管を加熱する加熱手段が設けられており、
前記配管の前記発電装置側において前記各流路抵抗急変部を有する経路の直前を選択してそれぞれ前記加熱手段が設けられていることを特徴とするバイオマスガス化システム。
前記流路抵抗急変部は、前記熱分解ガス中の粉塵を除去するガスフィルタ、前記配管を遮断する遮断弁、前記配管内を流れる熱分解ガスの圧力を一定にするガバナ、前記配管内を流れる熱分解ガスの流量を調節するスロットルバルブ、及び前記熱分解ガスを空気と混合するベンチュリーミキサであることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスガス化システム。
前記加熱手段は、電気ヒータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバイオマスガス化システム。
前記加熱手段は、前記配管とともに断熱材によって覆われていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載のバイオマスガス化システム。