JP5619269B2 - 炭化によるバイオマスからの合成ガス製造方法およびシステム - Google Patents
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Description
本発明は、合成ガスの製造に関し、特に、炭化によりバイオマスから合成ガスを製造する方法およびシステムに関する。本方法は、バイオマスを使用することにより、合成ガスまたは可燃ガスを製造する技術分野に属する。合成ガスはＣＯ、Ｈ２、および多様な炭水化物を含んだ混合ガスであり、炭水化物には炭素、水素、酸素を含む。本発明に係る方法により製造された合成ガスは、ガスタービン発電システム、燃料電池、合成潤滑油、冶金および他のシステムで使用することができる。
減少を続ける従来からの化石燃料（石炭、オイル、天然ガス）の備蓄、および化石燃料の使用により生じる環境汚染問題は、人類の生存および発展を直接に脅かしており、そのため世界中の国の政府は、再生可能であり、且つ環境に優しいエネルギの開発を重視するという見解で一致している。バイオマス、即ち光合成により植物から生じる有機物は、広範な供給源であると共に、大量に得ることができる。バイオマスは、発電用に、また工業用原料および化学製品を製造するために、クリーンガスまたは液体燃料に変換される。エネルギとして、バイオマスはクリーンであると共に再生可能であり、二酸化炭素を排出することなく、また新たなエネルギ源として化石燃料と完全に置き換わる可能性があることから、世界中の国々にとって優先事項となっている。
バイオマスをクリーンガスまたは液体燃料に変換させる方法はたくさんあり、その中でも、バイオマスガス化技術は、様々な種に適用可能であると共に、良好な拡がりを見せている。バイオマスのガス化は熱化学法であり、即ち、バイオマスは、高温下でガス化剤（空気、酸素、蒸気、二酸化炭素など）と反応して、炭素、水素および酸素を有する炭水化物からなる混合ガスが生成される。混合ガスは合成ガスと称する。合成ガスの成分は、使用されるバイオマス種、ガス化剤の種類、反応条件、および使用されるガス化装置の構造によって決まる。ガス化の目的は、一方では、材料およびガス化剤の消費量、ならびに合成ガスのタール含有量を最小にすることであり、他方では、ガス化効率および炭素変換効率、ならびに合成ガスの有効成分（ＣＯおよびＨ２）含有量を最大にすることである。この目的は、使用されるガス化装置の種類、ガス化剤の種類、バイオマスの粒子寸法、ガス化圧力および温度、バイオマスの水分および灰によって決まる。
ガス化工程で使用されるガス化炉は、３つの種類、即ち固定床、流動床、および噴流床に分けられる。固定床は単純なガス化構造を有し、操作し易く、操作モードが柔軟であり、炭素変換率が高く、作動負荷が２０パーセントから１１０パーセントと幅広く、また固形燃料が床に長期間に亘り留まる。しかしながら、温度が不均一であると共に、熱交換効率がより低く、出口における合成ガスの発熱量が低く、また合成ガスは多量のタールを含んでいる。流動床は材料の追加および灰の除去に都合がよく、また温度が均一であると共に調整しやすい。しかしながら、原料特性の影響を強く受ける。原料の付着、熱安定性、水分含有量、または灰溶融点が変わるならば、作動に異常をきたすかもしれない。また、ガス化炉の正常な流動化を確実にするために、低温を維持する必要があると共に、合成ガスは多量のタールを有する。多量のタールが固定床および流動床では生成されるので、タール分解ユニットおよび浄化装置が装備されなければならず、工程が複雑化してしまう。噴流床は作動温度が高温であると共に均一であり、増幅特性が良好であり、また大規模な工業化に特に適している。タールは完全に分解される。しかしながら、噴流床は原料の粒子寸法に対する要件が厳密である。現用の分解技術には、多くのセルロースを有するバイオマスを、噴流床に適した寸法に分解する方法が存在しない。そのため、噴流床はバイオマスのガス化に使用することができない。目下、ガス化に先立つタールの分解および前処理が、バイオマスのガス化の発展にとって困難な問題である。
特許文献１は、低タールバイオマスのガス化方法および装置を開示している。この方法は、熱分解およびガス化を独立して含み、またバイオマスは、タール含有量が低い合成ガスに変換される。この方法では、熱分解ガスおよび炭は、ガス化装置内において不完全燃焼し、タールは高温下で分解される。タール含有量は大きく減少するが、多量の炭が消費されてしまい、後続の還元反応において生成されるＣＯの含有量が少なく、また合成ガスのＣＯ２含有量が多くなる。第２に、燃焼反応における低温に起因して、後続の還元における温度はより低くなり、還元領域における平均温度は７００℃未満になってしまい、それにより、合成ガスの有効収率（ＣＯおよびＨ２）は著しく（約３０パーセント）減少する。第３に、還元反応からの灰および未反応残留炭素は直接排出され、炭素変換率が低くなる。最後に、この方法で使用されるガス化装置は、固定床の形態であり、還元反応が熱を吸収するので、床の上部および下部の温度差が大きく（上部は約１０００℃であり、下部は約５００℃である）、これは固定床に固有の欠点である。
特許文献２は、炭素含有材料で合成ガスを製造する方法および装置を開示している。この方法は、炭化（または熱分解）およびガス化を独立して含む。この方法では、熱分解により生じるタール含有量を減少させるために、炭化温度は４５０度Ｆ（２３２℃）未満に制御される。しかしながら、炭化段階の間に、固形の生成物は、ガス化装置の反応コイルへの搬送前に分解されず、ガス化反応の速度および程度に影響を及ぼしてしまう。第２に、ガス化反応は反応コイルで生じるので、多量の搬送ガスを必要とするが、搬送ガスは、搬送の間に多量の熱を奪い去ってしまうので、ガス化効率が低く、温度が不均一であり、また後続の排熱回収システムが大型になる。第３に、新しく生成された合成ガスがガス化および炭化に熱を供給するために使用されることは経済的でない。第４に、燃焼生成物（主にＣＯ２およびＨ２Ｏ）は直接排出されると共に、完全に利用されないので、ガス化効率が低い。最後に、合成ガス中の灰および未反応残留炭素も直接排出されるので、炭素変換率が低くなってしまう。
特許文献３は、高温ガス化により、バイオマスから合成ガスを製造する方法を開示している。この方法もまた、炭化および高温ガス化の組み合わせを採用している。しかしながら、この方法では、次のような問題がある。第１に、炭化炉の熱は、外部可燃性ガスおよび酸素の直接燃焼によって供給される。導入された高品質の外部燃料ガスは、システムのエネルギ消費を大幅に増大させる。第２に、採用された熱分解ガス粉体供給システムは複雑である。高温の熱分解ガスが低温の炭素粉と混合されて、ガス化炉に送り込まれた時に、この混合物は簡単に凝縮されてタールを形成してしまい、閉塞を引き起こすと共に、正常な作動に影響を及ぼす。最後に、炭化炉で生成された高圧の炭は、減圧および冷却された後に、通常の圧力の粉砕機へ送られて粉末状にされ、更に炭素粉は圧縮されると共に、熱分解ガスによりガス化炉へ送り込まれる。工程全体が複雑であると共に、エネルギ消費量が大きく、この計画の実現可能性は低い。
上述の方法から、従来のガス化は、バイオマスまたは固形炭素含有材料のいずれからであっても、合成ガスを高効率かつ低コストで製造することができない。独立した熱分解およびガス化の技術は、様々なバイオマスに適用が可能であると共に、合成ガスのタール含有量を低減させることができるが、温度の不均一、排熱回収のために装置への多額の投資、高い材料消費量、低いガス化効率、および低い炭素変換率などの欠点は、産業へのバイオマスのガス化の適用を制限してしまう。特に、噴流床に適用される有効なバイオマスのガス化方法は存在しない。
上述の問題に鑑みて、本発明の目的の一つは、効率が高く且つ低コストである炭化によるバイオマスからの合成ガスの製造方法およびシステムを提供することである。
本発明の技術的構想を、以下に説明する。炭化によりバイオマスから合成ガスを製造する方法であって、以下の工程を含む。
１）バイオマス原料を乾燥させることによりバイオマス原料に前処理を施す工程。
２）熱分解ガスおよび炭の生成物を得るために、炭化炉の温度を２００〜４００℃に制御して低温炭化を実行し、炭化炉の出口において炭を６０〜２８０℃に冷却すると共に、冷却された炭を炭貯蔵容器へ搬送する工程。
３）炭化炉の上側部分からのガス生成物を、固気分離器を通過させた後に、熱分解ガスを炭粉から分離させる工程。
４）分離された熱分解ガスの一部を燃焼用に燃焼床へ搬送し、分離された熱分解ガスの残りの部分を、燃焼床の燃焼の間に発生した熱排煙で加熱した後、加熱された熱分解ガスを炭化炉の熱源として炭化炉へ供給し、熱交換後の廃熱排煙を、バイオマス原料を乾燥させるために前処理部分へ供給し、分離された炭粉を炭貯蔵容器へ搬送する工程。
５）炭粉を水および添加剤と共に粉砕して炭スラリーを調製する工程。
６）炭スラリーをガス化炉へ導入して、高圧炭スラリーポンプを介してガス化を施す工程。
１）バイオマス原料を乾燥させることによりバイオマス原料に前処理を施す工程。
２）熱分解ガスおよび炭の生成物を得るために、炭化炉の温度を２００〜４００℃に制御して低温炭化を実行し、炭化炉の出口において炭を６０〜２８０℃に冷却すると共に、冷却された炭を炭貯蔵容器へ搬送する工程。
３）炭化炉の上側部分からのガス生成物を、固気分離器を通過させた後に、熱分解ガスを炭粉から分離させる工程。
４）分離された熱分解ガスの一部を燃焼用に燃焼床へ搬送し、分離された熱分解ガスの残りの部分を、燃焼床の燃焼の間に発生した熱排煙で加熱した後、加熱された熱分解ガスを炭化炉の熱源として炭化炉へ供給し、熱交換後の廃熱排煙を、バイオマス原料を乾燥させるために前処理部分へ供給し、分離された炭粉を炭貯蔵容器へ搬送する工程。
５）炭粉を水および添加剤と共に粉砕して炭スラリーを調製する工程。
６）炭スラリーをガス化炉へ導入して、高圧炭スラリーポンプを介してガス化を施す工程。
合成ガスの製造方法において、低温炭化とは、炭化炉における大気圧および酸素遮断条件下で実行される緩徐熱分解であり、熱分解ガスおよび空気の比率を調整することにより、炭化炉の温度は２００〜４００℃に制御され、炭化炉の昇温時の温度上昇率は５〜２０℃／分に制御され、且つバイオマス原料の炉内滞留時間は２０〜９０分に制御される。
炭粉を粉砕して炭スラリーを調製する工程において、大気粉砕機が採用され、更に水および添加剤が粉砕を行うために加えられて、炭スラリーが調製される。
合成ガスの製造方法において、炭スラリーの炭粉含有量は５０〜７０ｗｔ．％、好適には６０〜６５ｗｔ．％である。
合成ガスの製造方法において、炭化炉の温度は、好適には２５０℃±１０℃に制御され、炭化炉の昇温時の温度上昇率は、好適には１５℃／分に制御され、且つ、バイオマス原料の炉内滞留時間は、好適には５０分に制御される。
熱分解によりバイオマスから合成ガスを製造するガス化システムは、バイオマス原料の前処理部と、炭化炉と、炭化炉の管路連結器と、空気圧式搬送システムを含む。炭化炉の上端はサイクロン分離器と連結される。サイクロン連結器の出力端は燃焼床および炭貯蔵容器と連結される。燃焼床の出力端は循環熱分解ガスを加熱する熱交換器と連結される。また、加熱された熱分解ガスの出力は炭化炉と連結されると共に、熱交換された廃熱排煙の出口は乾燥システムと連結される。
ガス化システムにおいて、水冷式スクリューコンベアが、炭化炉の炭出口から炭貯蔵容器への管路に配置されており、また、水冷式スクリューコンベアは、炭化炉の炭出口において、炭を６０〜２８０℃に冷却した後に、冷却された炭を炭貯蔵容器へ搬送するために使用される。
ガス化システムにおいて、粉砕機、炭スラリータンク、および高圧炭スラリーポンプは、炭貯蔵容器の出口からガス化炉への管路において、順に配置される。
ガス化システムにおいて、燃焼床用入力ガス供給パイプは空気管路と連結されており、且つ、空気は燃焼補助ガスとして使用される。
本発明の効果は以下のとおりに要約される。
第１に、低温緩徐熱分解技術を採用することにより、バイオマスの木繊維構造が良好に破壊され、バイオマスは簡単に分解され、エネルギ消費量が減少し、且つバイオマスの体積エネルギ密度が増加する一方で、特許文献３のガス化方法と比べて、低温で、特に２５０℃±１０℃の温度で、より高い固形分収率およびより高いエネルギ収率が得られ（炭の質量収率は６０〜８０％であり、炭のエネルギ収率は７０〜９０％である）、エネルギ消費量が減少し、且つシステム全体の炭素変換率が好ましく改善する。
第２に、本発明は、自己生産型熱分解ガスの燃焼により生じた熱を使用することにより、循環熱分解ガスを炭化炉の熱源として加熱する技術を採用している。本発明の炭化炉加熱技術は、以下の３つの特徴を有している。１）熱分解技術によって必要とされる熱は、システムの熱平衡を実現すると共に、外部エネルギを全く導入しないように、システムの内側部分によって供給される。２）循環熱分解ガスを加熱するための熱は、熱分解ガスおよび空気の直接燃焼によって供給される。即ち、熱分解ガスの化学エネルギが使用される一方で、純酸素に代わり空気が使用されることにより、システム全体のコストが著しく低減されると共に、炭化炉の利用柔軟性が高まる。３）加熱された循環熱分解ガスは炭化炉へ直接搬送されて原料と接触することにより、炭化炉の熱効率が高められるだけでなく、大気圧、酸素遮断、および緩徐熱分解の条件下で、最も高い炭収率を得るための通常の作動が維持される。
第３に、本発明は、原料を乾燥させるために、熱分解ガスの燃焼により生じた廃熱煙を使用することにより、システム全体のエネルギ効率が向上する。
第４に、大気粉砕によりスラリーを調製する技術を採用することにより、炭化炉の出口における炭は大気粉砕機へ導入された後に、所定量の水および添加剤と混合されて、炭スラリーが調製される。本工程は単純且つ有効である。入口において送り込む特許文献３のガス化方法と比較して、本発明方法は、インレット原料のエネルギ消費量が大幅に減少すると共に、システムの安定性、信頼性、および実行可能性が高まる。
第５に、本発明は炭スラリーポンプ圧縮および搬送技術を採用している。特許文献３のガス化方法と比較して、本方法は、粉体の空気圧搬送、および乾燥炭素粉を送り込む時のタール閉塞に関する技術的な問題を回避すると共に、システムの安定性、信頼性および実現可能性が高まる。
要するに、本発明は、単純化、効率化、省エネルギ、経済性および高い計画実現性を実現することを目的とする。それと同時に、本発明はガス化効率を高め、有効合成ガスの酸素消費量を減少させ、且つシステムの省エネルギを向上させる。
本発明に係る好適な実施例、方法、およびシステムレイアウト構造を、添付の図面と併せて説明する。
図１に示すように、本発明のガス化システムは、バイオマス原料供給口１と、乾燥システム２と、バイオマス貯蔵容器３と、炭化炉４と、サイクロン分離器５と、燃焼床用空気管路６と、燃焼床７と、圧縮器８と、循環熱分解ガスを加熱する熱交換器９と、乾燥システム用廃熱排煙管路１０と、水冷式スクリューコンベア１１と、炭貯蔵容器１２と、粉砕機１３と、粉砕機でスラリーを調製するための水管路１４と、粉砕機用添加剤管路１５と、炭スラリータンク１６と、高圧炭スラリーポンプ１７と、ガス化炉のバーナノズル用酸素管路１８と、ガス化炉のバーナノズル１９と、ガス化炉２０と、ガス化炉の水冷壁２１と、合成ガス管路２２と、灰残渣管路２３と、脱塩脱酸水管路２４と、飽和蒸気管路２５と、外部燃料管路Ｎ１と、排出管路Ｎ２を含む。
ガス化システムにおいて、炭化炉４の上端はサイクロン分離器５と連結されており、サイクロン分離器５の出口端は燃焼床７および炭貯蔵容器１２夫々と連結される。燃焼床７の出力端は、循環熱分解ガスを加熱する熱交換器９と連結される。加熱熱分解ガス出口は炭化炉４と連結されており、熱交換廃熱排煙出口は乾燥システム２と連結される。
水冷式スクリューコンベア１１は、炭化炉４の炭出口から炭貯蔵容器１２への管路に配置されると共に、炭化炉の炭出口において、炭を６０〜２８０℃に冷却した後に、冷却された炭を炭貯蔵容器１２へ搬送するために使用される。
粉砕機１３、炭スラリータンク１６、および高圧炭スラリーポンプ１７は、炭貯蔵容器１２の出口からガス化炉２０への管路に、順に配置される。
燃焼床７用入力ガス供給管は空気管路６と連結されており、空気が燃焼補助ガスとして使用される。
炭化によりバイオマスから合成ガスを製造する方法は、以下の工程を含む。
１）バイオマス原料を乾燥させることによりバイオマス原料に前処理を施す工程。
２）熱分解ガスおよび炭の生成物を得るために炭化炉の温度を２００〜４００℃に制御して低温炭化を行い、炭を炭化炉の出口において６０〜２８０℃に冷却した後に、冷却された炭を炭貯蔵容器へ搬送する工程。
３）炭化炉の上側部分から取り出されたガスを固気分離器を通過させた後に、熱分解ガスを炭粉から分離させる工程。
４）分離された熱分解ガスの一部を燃焼のために燃焼床へ供給し、熱分解ガスの残りの部分を、熱交換器を介して燃焼床の燃焼の間に生じた熱排煙で加熱した後に、加熱された熱分解ガスを炭化炉の熱源として炭化炉へ供給する工程と、熱交換後の廃熱排煙をバイオマス原料の前処理部へ供給して乾燥を行う工程と、分離された炭粉を炭貯蔵容器へ搬送する工程。
５）炭粉を水および添加剤と共に粉砕して炭スラリーを調製する工程。
６）炭スラリーを、高圧炭スラリーポンプを介してガス化炉へ導入してガス化を行う工程。
１）バイオマス原料を乾燥させることによりバイオマス原料に前処理を施す工程。
２）熱分解ガスおよび炭の生成物を得るために炭化炉の温度を２００〜４００℃に制御して低温炭化を行い、炭を炭化炉の出口において６０〜２８０℃に冷却した後に、冷却された炭を炭貯蔵容器へ搬送する工程。
３）炭化炉の上側部分から取り出されたガスを固気分離器を通過させた後に、熱分解ガスを炭粉から分離させる工程。
４）分離された熱分解ガスの一部を燃焼のために燃焼床へ供給し、熱分解ガスの残りの部分を、熱交換器を介して燃焼床の燃焼の間に生じた熱排煙で加熱した後に、加熱された熱分解ガスを炭化炉の熱源として炭化炉へ供給する工程と、熱交換後の廃熱排煙をバイオマス原料の前処理部へ供給して乾燥を行う工程と、分離された炭粉を炭貯蔵容器へ搬送する工程。
５）炭粉を水および添加剤と共に粉砕して炭スラリーを調製する工程。
６）炭スラリーを、高圧炭スラリーポンプを介してガス化炉へ導入してガス化を行う工程。
低温炭化とは、炭化炉内の一気圧および酸素遮断条件下で実行される緩徐熱分解であり、熱分解ガスおよび空気の比率を調整することにより、炭化炉の温度は２００〜４００℃に制御され、炭化炉の温度上昇率は５〜２０℃／分に制御され、且つバイオマス原料の炉内滞留時間が２０〜９０分に制御される。炭化炉の温度は、好適には２５０℃±１０℃に制御され、炭化炉の温度上昇率は、好適には１５℃／分に制御され、且つバイオマス原料の炉内滞留時間は、好適には５０分に制御される。
スラリーを調製するために炭粉を粉砕する工程では、大気粉砕機が採用され、更に、炭スラリーを調製するために、水および添加剤が粉砕を行うために加えられる。炭スラリーの炭粉含有量は５０〜７０ｗｔ．％、好適には６０〜６５ｗｔ．％である。
作用工程
１．システム始動過程
１）バイオマス貯蔵容器３から炭化炉４への管路にある制御弁∨１、および排出管路Ｎ２にある制御弁∨４を開放すると共に、燃焼床７の制御弁∨２、およびサイクロン分離器５から圧縮器８への管路にある制御弁∨３を閉鎖したままにする。
２）外部燃料管路Ｎ１にある制御弁∨６、および燃焼床用空気管路６にある制御弁∨５、並びに燃焼床７から炭化炉４への管路にある制御弁∨８、および燃焼床７から乾燥システム２への管路にある制御弁∨９を開放すると共に、燃焼床７から循環熱分解ガス加熱用熱交換器９への管路にある制御弁∨７を閉鎖したままにすることにより、燃焼床７において燃料および空気の燃焼の間に生じた熱排煙が乾燥システム２および炭化炉４へ導入されてエネルギが供給される。
３）工程１から工程２の過程を３０〜４０分間作動させた後に、制御弁∨２，∨３及び∨７を開放させると同時に、制御弁∨４，∨６，∨８および∨９を閉鎖することにより、システムはその時点で正常に作動を開始する。
１）バイオマス貯蔵容器３から炭化炉４への管路にある制御弁∨１、および排出管路Ｎ２にある制御弁∨４を開放すると共に、燃焼床７の制御弁∨２、およびサイクロン分離器５から圧縮器８への管路にある制御弁∨３を閉鎖したままにする。
２）外部燃料管路Ｎ１にある制御弁∨６、および燃焼床用空気管路６にある制御弁∨５、並びに燃焼床７から炭化炉４への管路にある制御弁∨８、および燃焼床７から乾燥システム２への管路にある制御弁∨９を開放すると共に、燃焼床７から循環熱分解ガス加熱用熱交換器９への管路にある制御弁∨７を閉鎖したままにすることにより、燃焼床７において燃料および空気の燃焼の間に生じた熱排煙が乾燥システム２および炭化炉４へ導入されてエネルギが供給される。
３）工程１から工程２の過程を３０〜４０分間作動させた後に、制御弁∨２，∨３及び∨７を開放させると同時に、制御弁∨４，∨６，∨８および∨９を閉鎖することにより、システムはその時点で正常に作動を開始する。
２．システムの正常作動過程
バイオマス原料は、バイオマス原料供給口１を介して、乾燥システム２へ送られる。バイオマス原料は、システムの熱煙によって乾燥および脱水された後に、バイオマス貯蔵容器３へ搬送されて貯蔵され、且つバイオマス原料は炭化炉４へ搬送される。
バイオマス原料は、バイオマス原料供給口１を介して、乾燥システム２へ送られる。バイオマス原料は、システムの熱煙によって乾燥および脱水された後に、バイオマス貯蔵容器３へ搬送されて貯蔵され、且つバイオマス原料は炭化炉４へ搬送される。
炭化炉４の生成物は熱分解ガスと、ＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４およびタールを含む炭を含んでいる。粗い熱分解ガスは、サイクロン分離器５によって分離され、更に粗い熱分解ガス中の炭粒子は炭貯蔵容器１２へ搬送され、且つ粗分離後の熱分解ガスは燃焼床７および圧縮器８へ送られる。
燃焼床７において、燃焼用の熱分解ガスは、管路６からの空気と燃焼反応を起こす。燃焼によって生じた熱煙は、循環熱分解ガスを加熱する。燃焼によって生じる熱分解ガスの空気に対する比率を調整することにより、炭化炉４の温度は２００〜４００℃に制御され、炭化炉４の温度上昇率が５〜２０℃／分に制御される。
圧力を増加させるために圧縮器８へ導入された後に、循環熱分解ガスは、巡回熱分解ガスを加熱するために、熱交換器９を介して所定の温度に加熱され、更に加熱された循環熱分解ガスは炭化炉４へ流入し、炭化炉に必要なエネルギを供給する。熱交換後の熱排煙は乾燥システム２へ流入し、バイオマス原料を乾燥させる。
炭化炉４を介して生じた炭は、水冷式スクリューコンベア１１を介して冷却された後に、炭貯蔵容器１２へ搬送されて貯蔵される。炭は粉砕機１３に入り、スラリーを調製するための水管路１４から粉砕機への水と、粉砕機への添加剤管路１５からの添加剤と共に粉砕されて、炭スラリーが得られる。調製された炭スラリーは炭スラリータンク１６へ導入され、更に、炭スラリーの圧力が高圧炭スラリーポンプ１７を介してガス化炉２０の作動圧力まで増加した後に、ガス化炉のバーナノズル１９へ導入される。酸素管路１８からの酸素もまたガス化炉のバーナノズル１９へ供給され、ガス化炉２０内で高温ガス化反応が起こり、ガス化炉の出口における合成ガスの温度は、酸素量および（ガス化炉の）水冷壁２１の熱交換量を調整することにより、１２００〜１６００℃に制御され、そこへ脱塩脱酸水が導入される。ガス化生成物は主に、ＣＯおよびＨ２、少量のＣＯ２およびＨ２Ｏ、微量のＣＨ４である。脱塩脱酸水は、ガス化炉の水冷壁２１を介して熱吸収された後に、副高圧飽和蒸気を発生させ、副高圧飽和蒸気は、飽和蒸気管路２５を介して後続のシステムに流入し、ガス化の間に生じた灰残渣は、灰残渣管路２３から排出される。
バイオマス原料として木材を使用する。乾燥材の元素組成および特性データを表１に記載する。
主要な作動条件を以下のとおりに設定する。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１５ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が２００℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が２０℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が９０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１５ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が２００℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が２０℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が９０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
設定された条件によれば、添付の図面と併せてシステムを例証する実施過程において、システムの主要データおよび性能パラメータは以下のとおりである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は７５％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は７８％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３３ｍｏｌ／ｍｏｌである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は７５％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は７８％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３３ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）。
主要な作動条件を以下のとおりに設定する。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１０ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が３００℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が１０℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が８０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１０ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が３００℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が１０℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が８０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
設定された条件によれば、添付の図面と併せてシステムを例証する実施過程において、システムの主要データおよび性能パラメータは以下のとおりである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は８０％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は８２％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３２ｍｏｌ／ｍｏｌである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は８０％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は８２％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３２ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）。
主要な作動条件を以下のとおりに設定する。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は２０ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が４００℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が５℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が３０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は２０ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が４００℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が５℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が３０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
設定された条件によれば、添付の図面と併せてシステムを例証する実施過程において、システムの主要データおよび性能パラメータは以下のとおりである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は７０％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は７５％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３４ｍｏｌ／ｍｏｌである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は７０％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は７５％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３４ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）。
主要な作動条件を以下のとおりに設定する。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１２ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が２５０℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が１５℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が４０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１２ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が２５０℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が１５℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が４０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
設定された条件によれば、添付の図面と併せてシステムを例証する実施過程において、システムの主要データおよび性能パラメータは以下のとおりである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は８２％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は８４％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３１ｍｏｌ／ｍｏｌである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は８２％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は８４％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３１ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）。
主要な作動条件を以下のとおりに設定する。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１６ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が２２０℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が１２℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が５０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１６ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が２２０℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が１２℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が５０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
設定された条件によれば、添付の図面と併せてシステムを例証する実施過程において、システムの主要データおよび性能パラメータは以下のとおりである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は８５％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は８６％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３ｍｏｌ／ｍｏｌである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は８５％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は８６％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３ｍｏｌ／ｍｏｌである。
実施例１の木材をバイオマス原料として使用する（表１）。
主要な作動条件を以下のとおりに設定する。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１８ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が３２０℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が１８℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が７０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
１）乾燥システム２の出口における材料の水分含有量は１８ｗｔ．％である。
２）炭化炉４の圧力は大気圧であり、炭化炉４の温度が３２０℃に制御される。
３）炭化炉４の温度上昇率が１８℃／分に制御される。
４）バイオマス原料の炉内滞留時間が７０分に制御される。
５）高温の炭は水冷式スクリューコンベア１１を介して６０℃に冷却される。
６）ガス化炉２０の圧力が４．０ＭＰａ（Ａ）に制御され、ガス化炉２０の温度が１４００℃に制御される。
設定された条件によれば、添付の図面と併せてシステムを例証する実施過程において、システムの主要データおよび性能パラメータは以下のとおりである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は７８％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は８１％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３２ｍｏｌ／ｍｏｌである。
１）炭化炉４に導入されるバイオマス原料における炭の質量収率は７８％である。
２）合成ガス管路２２からの合成ガス生成物において、ＣＯおよびＨ２含有量は８１％である。
３）ガス化システムの炭素変換率は９９．９％であり、有効合成ガスの酸素消費量は０．３２ｍｏｌ／ｍｏｌである。
１ バイオマス原料供給ポート
２ 乾燥システム
３ バイオマス貯蔵容器
４ 炭化炉
５ サイクロン分離器
６ 空気管路
７ 燃焼床
８ 圧縮器
９ 熱交換器
１０ 廃熱排煙管路
１１ 水冷式スクリューコンベア
１２ 炭貯蔵容器
１３ 粉砕機
１４ 水管路
１５ 添加剤管路
１６ 炭スラリータンク
１７ 高圧炭スラリーポンプ
１８ 酸素管路
１９ バーナノズル
２０ ガス化炉
２１ 水冷壁
２２ 合成ガス管路
２３ 灰残渣管路
２４ 脱塩脱酸水管路
２５ 飽和蒸気管路
Ｎ１ 外部燃料管路
Ｎ２ 排出管路
２ 乾燥システム
３ バイオマス貯蔵容器
４ 炭化炉
５ サイクロン分離器
６ 空気管路
７ 燃焼床
８ 圧縮器
９ 熱交換器
１０ 廃熱排煙管路
１１ 水冷式スクリューコンベア
１２ 炭貯蔵容器
１３ 粉砕機
１４ 水管路
１５ 添加剤管路
１６ 炭スラリータンク
１７ 高圧炭スラリーポンプ
１８ 酸素管路
１９ バーナノズル
２０ ガス化炉
２１ 水冷壁
２２ 合成ガス管路
２３ 灰残渣管路
２４ 脱塩脱酸水管路
２５ 飽和蒸気管路
Ｎ１ 外部燃料管路
Ｎ２ 排出管路
Claims (10)
- 炭化によりバイオマスから合成ガスを製造する方法であって、
１）バイオマス原料を乾燥させることによりバイオマス原料に前処理を施す工程と、
２）熱分解ガスおよび炭の生成物を得るために炭化炉の温度を２００〜４００℃に制御して低温炭化を実施し、前記炭化炉の出口において前記炭を６０〜２８０℃に冷却し、前記冷却された炭を炭貯蔵容器へ搬送する工程と、
３）前記炭化炉の上側部分からのガス生成物を、固気分離器を通過させた後に、熱分解ガスを炭粉から分離させる工程と、
４）分離された熱分解ガスの一部を燃焼床へ供給して燃焼させ、前記分離された熱分解ガスの残りの部分を前記燃焼床の燃焼の間に生じた熱排煙で加熱し、更に加熱された熱分解ガスを前記炭化炉の熱源として前記炭化炉へ供給し、熱交換後の廃熱排煙をバイオマス原料前処理部へ供給して乾燥を行い、前記分離された炭粉を炭貯蔵容器へ搬送する工程と、
５）前記炭粉を水および添加剤と共に粉砕して炭スラリーを調製する工程と、
６）前記炭スラリーを高圧炭スラリーポンプを介してガス化炉へ導入してガス化させる工程と、
を含む方法。 - 前記低温炭化は、前記炭化炉内が大気圧および酸素遮断状況下で実施される緩徐熱分解であり、前記熱分解ガスおよび空気の比率を調節することにより、前記炭化炉の温度が２００〜４００℃に制御され、前記炭化炉の昇温時の温度上昇率が５〜２０℃／分に制御され、且つ前記バイオマス原料の前記炭化炉滞留時間が２０〜９０分に制御される、請求項１の方法。
- 前記炭粉を粉砕して前記炭スラリーを調製する過程において、大気粉砕機が採用される、請求項１または２の方法。
- 前記炭スラリーの前記炭粉含有量は５０〜７０ｗｔ．％である、請求項１または２の方法。
- 前記炭化炉の温度は２５０℃±１０℃に制御され、前記炭化炉の昇温時の温度上昇率は１５℃／分に制御され、且つ前記バイオマス原料の前記炉内滞留時間は５０分に制御される、請求項１または２の方法。
- 前記炭スラリーの前記炭粉含有量は６０〜６５ｗｔ．％である、請求項１または２の方法。
- 請求項１乃至６のいずれかの方法を使用して、熱分解によりバイオマスから合成ガスを製造するガス化システムであって、前記バイオマス原料の前処理部と、前記炭化炉と、前記ガス化炉と、前記炭化炉および前記ガス化炉の管路連結器と、空気圧式搬送システムと
を含み、
前記炭化炉（４）の上端はサイクロン分離器（５）と連結され、
前記サイクロン分離器（５）の出力端は前記燃焼床（７）および炭貯蔵容器（１２）と連結され、
前記燃焼床（７）の出力端は循環熱分解ガスを加熱する熱交換器（９）と連結され、
加熱された熱分解ガスの出口は前記炭化炉（４）と連結され、
熱交換された廃熱排煙の出口は乾燥システム（２）と連結される
ガス化システム。 - 水冷式スクリューコンベア（１１）は前記炭化炉（４）の炭出口から前記炭貯蔵容器（１２）への管路に配置され、前記水冷式スクリューコンベア（１１）は前記炭化炉の前記炭出口において前記炭を６０〜２８０℃に冷却し、更に前記冷却された炭を前記炭貯蔵容器（１２）へ搬送するために使用される、請求項７のガス化システム。
- 粉砕機（１３）、炭スラリータンク（１６）、および高圧炭スラリーポンプ（１７）は、前記炭貯蔵容器（１２）から前記ガス化炉（２０）への管路に順に配置される、請求項７または８のガス化システム。
- 前記燃焼床（７）用入力ガス供給管は空気管路（６）と連結されており、空気が燃焼補助ガスとして使用される、請求項７または８のガス化システム。
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