JP5571685B2 - バイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化方法とシステム - Google Patents
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Description
脱水乾燥後のバイオマス原料1は、原料加圧供給システム2に入れられ、気力加圧技術により炭化炉3に輸送される。管路4および管路5を通じて、外部から可燃ガスと酸素が炭化炉3に供給され、燃焼反応が発生する。反応で放出される熱がバイオマス原料の熱分解に必要な熱量となる。酸素量を制御することによって、炭化炉3の温度を400℃〜600℃に制御する。炭化炉に供給する可燃ガスの量を、外部から供給される可燃ガスと酸素が完全燃焼するときの可燃ガスのモル量の1〜5倍に調節することにより、炭化炉バーナー火炎温度を1800℃未満に制御する。炭化炉3の生成物は、CO、H2、CO2、H2O、CH4およびタールなどを含む熱分解ガスと木炭である。粗熱分解ガスは、管路46を通ってフィルタ7に達し、分離後、粗熱分解ガス中の炭素を含む固体粒子は、管路46を通って炭化炉3に戻り、クリーンな熱分解ガスは、管路9を通って熱分解ガスバッファタンク10に輸送される。
1)原料加圧供給システム2を通して炭化炉3に輸送されるバイオマス原料1のバイオマス量を、4.07kg/sに制御する。
2)炭化炉3の圧力を3.1MPaに、温度を500℃に制御する。
3)外部から炭化炉に供給される可燃ガスの量を、酸素と完全燃焼する可燃ガスのモル量の2倍に調節する。
4)炭化炉3における原料の熱分解温度上昇率を50℃/sに制御する。
5)木炭冷却器19によって、高温の木炭を80℃まで冷却する。
6)熱分解ガス加熱器14によって、熱分解ガスを600℃まで加熱する。
7)炭粉輸送管路17の固体気体比を0.03m3/m3に制御する。
8)ガス化炉35の圧力を3.0MPaに、温度を1300℃に制御する。
1)炭化炉3に導入される40℃の可燃ガスの質量流量は0.28kg/s。
2)炭化炉3に導入される160℃の酸素の質量流量は0.63kg/s。
3)炭化炉バーナー6の火炎温度は1800℃。
4)炭化炉3で生成される熱分解ガスの総量は、3.69kg/s。
5)炭化炉3で生成される木炭の総量は、1.19kg/s。
6)炭粉の流動化のために管路31を通って送り入れられる可燃ガスの温度は300℃、質量流量は0.03kg/s。
7)管路11中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は0.89kg/s。
8)管路17中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、2.1kg/s。
9)管路12中の、ガス化炉35に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、2.8kg/s。
10)管路33中の、ガス化炉35に導入される酸素の温度は160℃で、質量流量は1.5kg/s。
11)管路36から送り出される合成ガスの総量は6.5kg/s、乾燥ベースでのCOとH2の含有量は、87.2%。
12)システムの炭素転換率は99.9%、有効合成ガスの酸素消費量は0.3mol/mol。
1)炭化炉3に導入される40℃の可燃ガスの質量流量は0.33kg/s。
2)炭化炉3に導入される160℃の酸素の質量流量は0.63kg/s。
3)炭化炉バーナー6の火炎温度は1700℃。
4)炭化炉3で生成される熱分解ガスの総量は、3.84kg/s。
5)炭化炉3で生成される木炭の総量は、1.19kg/s。
6)炭粉の流動化のために管路31を通って送り入れられる可燃ガスの温度は300℃、質量流量は0.03kg/s。
7)管路11中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は0.89kg/s。
8)管路17中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、2.1kg/s。
9)管路12中の、ガス化炉35に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、2.96kg/s。
10)管路33中の、ガス化炉35に導入される酸素の温度は160℃で、質量流量は1.5kg/s。
11)管路36から送り出される合成ガスの総量は6.6kg/s、乾燥ベースでのCOとH2の含有量は、87.5%。
12)システムの炭素転換率は99.9%、有効合成ガスの酸素消費量は0.308mol/mol。
1)炭化炉3に導入される40℃の可燃ガスの質量流量は0.78kg/s。
2)炭化炉3に導入される160℃の酸素の質量流量は0.604kg/s。
3)炭化炉バーナー6の火炎温度は1200℃。
4)炭化炉3で生成される熱分解ガスの総量は、4.3kg/s。
5)炭化炉3で生成される木炭の総量は、1.19kg/s。
6)炭粉の流動化のために管路31を通って送り入れられる可燃ガスの温度は300℃、質量流量は0.02kg/s。
7)管路11中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は0.89kg/s。
8)管路17中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、2.1kg/s。
9)管路12中の、ガス化炉35に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、3.4kg/s。
10)管路33中の、ガス化炉35に導入される酸素の温度は160℃で、質量流量は2.05kg/s。
11)管路36から送り出される合成ガスの総量は7.6kg/s、乾燥ベースでのCOとH2含有量は、90.4%。
12)システムの炭素転換率は99.9%、有効合成ガスの酸素消費量は0.295mol/mol。
1)炭化炉3に導入される40℃の可燃ガスの質量流量は0.23kg/s。
2)炭化炉3に導入される160℃の酸素の質量流量は0.44kg/s。
3)炭化炉バーナー6の火炎温度は1800℃。
4)炭化炉3で生成される熱分解ガスの総量は、3.55kg/s。
5)炭化炉3で生成される木炭の総量は、1.19kg/s。
6)炭粉の流動化のために管路31を通って送り入れられる可燃ガスの温度は300℃、質量流量は0.03kg/s。
7)管路11中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は0.833kg/s。
8)管路17中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、2.04kg/s。
9)管路12中の、ガス化炉35に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、2.72kg/s。
10)管路33中の、ガス化炉35に導入される酸素の温度は160℃で、質量流量は1.5kg/s。
11)管路36から送り出される合成ガスの総量は6.3kg/s、乾燥ベースでのCOとH2の含有量は、87.1%。
12)システムの炭素転換率は99.9%、有効合成ガスの酸素消費量は0.3mol/mol。
1)管路11中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は0.63kg/s。
2)管路17中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、1.8kg/s。
3)管路12中の、ガス化炉35に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、3.1kg/s。
4)管路33中の、ガス化炉35に導入される酸素の温度は160℃で、質量流量は1.5kg/s。
5)管路36から送り出される合成ガスの総量は6.5kg/s、乾燥ベースでのCOとH2の含有量は、87.2%。
6)システムの炭素転換率は99.9%、有効合成ガスの酸素消費量は0.3mol/mol。
1)炭化炉の温度調整が結果に及ぼす影響
炭化温度が400℃未満の場合、炭化炉で生成される熱分解ガスにはより多くのタールが含まれ、熱分解ガスによって炭粉を輸送する際に、熱分解ガスの凝縮が起こり、炭粉輸送システムの安定運転に影響を及ぼす可能性がある。炭化温度が600℃より高いと、一般的な合金鋼材ではそのような高温に耐えられない恐れがあり、かといって、特殊な合金材料を使用すれば炭化炉への投資コストが増加してしまう恐れがある。
炭化炉に供給する可燃ガスの量を、可燃ガスと酸素が完全燃焼するときの可燃ガスのモル量の1倍に調整すると、可燃ガスと酸素は完全燃焼反応を起こし、このとき、炭化炉バーナーの火炎温度は2000℃を超えることになる。長時間この温度で運転すると、炭化炉内部の機械部品が損傷し、安全性を損なう事故が発生することになる。可燃ガスの量を増やすに従って、炭化炉バーナーの火炎温度は徐々に低下する。可燃ガスの量が、完全燃焼時の可燃ガス量の5倍になると、炭化炉バーナーの火炎温度は1200℃まで低下する。炭化炉への可燃ガスの供給量を更に増加させると、炭化炉バーナーの火炎温度は更に低下するが、炭化炉バーナー出口におけるガス流量が増加し、燃焼が不安定になる恐れがある。その他にも、ガス化炉出口におけるCH4の急激な増加につながる恐れがある。この場合、CH4含有量を減少させる唯一の方法はガス化温度を上げることであるが、ガス化温度を高くし過ぎると、ガス化炉の投資コストが増えてしまう。
固体気体比が0.03m3/m3未満の場合、炭粉輸送用の熱分解ガスが全熱分解ガスの中で占める割合が比較的大きくなり、ガス化炉で酸素と燃焼反応を起こす熱分解ガスの量が減少し、ガス化炉バーナーの安定運転に影響を及ぼす恐れがある。固体気体比が0.45m3/m3より高いと、熱分解ガスによって輸送される間に炭粉が沈降して塞栓を形成し、ガス化炉バーナーに入る炭粉の量に変動が生じ、ガス化炉の安定運転に影響を及ぼす。
木炭冷却器出口の木炭温度を60℃より低くすると、木炭冷却器の熱交換面積と体積が大きくなり、投資コストが増加すると考えられる。また、木炭冷却温度が低くなるに従って、システムの効率が下がってしまう。一方、木炭冷却器の出口における木炭温度が200℃より高いと、木炭降圧供給システム中の装置の中には故障するものが出てくると考えられる。
Claims (2)
- バイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化方法であって、
バイオマス原料の炭化炉への供給と炭化、該炭化により生成した木炭の製粉、該製粉により得られた炭粉のガス化炉への噴射輸送とガス化、の工程を含み、
前記炭化工程においては、外部から供給される可燃ガスと酸素を利用して、炭化炉内で直接燃焼反応が発生し、該反応によって放出された熱が、バイオマスの熱分解に必要な主要な熱として直接提供され、前記炭化炉によって、熱分解ガスと木炭が生成され、
酸素量を調整することによって前記炭化炉の温度を400〜600℃に制御し、該酸素量に対して、外部から供給される可燃ガスと酸素が完全燃焼する時の可燃ガスのモル量を1としたとき、外部から供給される可燃ガスのモル量が1より大きく5より小さくなるように、外部から前記炭化炉に入る可燃ガスの量を調整することによって、炭化炉バーナーの火炎温度を1800℃〜1200℃の間に制御し、
前記炭化工程で燃焼しなかった過剰な可燃ガスは、前記炭化工程において生成された前記熱分解ガスとともにガス化炉に輸送され、
前記炭粉のガス化炉への噴射輸送に、輸送ガスとして、炭化炉で生成した熱分解ガスを使用し、輸送用熱分解ガスの量を制御することによって炭粉輸送管路内の炭粉と熱分解ガスの固体気体比が0.03〜0.45m 3 /m 3 になるように炭粉の輸送を制御し、
前記炭化炉で生成された、輸送ガスとして使用される熱分解ガスは、濾過後、550〜650℃の温度に加熱され、炭粉輸送用の輸送ガスとなり、
前記ガス化工程においては、前記炭粉、前記熱分解ガス、前記過剰な可燃ガス、および酸素がともにガス化炉のガス化炉バーナーに送られることによりガス化炉内で高温ガス化反応が起こることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法を用いてバイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化システムであって、バイオマス原料の加圧供給システム、炭化炉、製粉システム、炭粉噴射器、ガス化炉およびその接続管路、および気力輸送システムを含み、炭化炉バーナー(6)が外部から供給される可燃ガス管路(4)および酸素管路(5)と接続され、前記炭粉噴射器(16)は、輸送用熱分解ガス管路および炭粉輸送管路と接続されていることを特徴とするシステム。
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