JP5774800B1 - 可燃性の燃料ガスを生成するガス化炉 - Google Patents

Abstract

【課題】タールの発生をより抑えることが可能なガス化炉を提供する。【解決手段】タールとなる成分を含む燃料が内部空間１０ａに供給され、内部空間１０ａ内の酸化層にて空気量を制限しつつ燃焼させ、前記空間内の還元層で還元させることにより可燃性のガスを生成するガス化炉１０であって、酸化層と繋がり、当該酸化層にて燃焼する前の燃料が貯留されるとともに、空気が供給されない状態で加熱されて熱分解される熱分解層を、内部空間１０ａ内に有し、加熱されている燃料を、酸化層における燃焼より低い温度にて熱分解させるための燃焼用のガスおよび空気を、熱分解層における酸化層側の領域に供給するガス供給部２２および空気供給部２０を備え、空気供給部２０からは空気量が制限されつつ空気が供給される。

Description

本発明は、可燃性の燃料ガスを生成するガス化炉に関する。

木質系バイオマスを有効利用する観点から、木質系バイオマスから燃料ガスを生成する研究がなされている。木質系バイオマスはタールを生成する原因物質を含んでいるため、燃料ガスはタールを含んでしまう。

燃料ガスに含まれるタールを減少させる技術として、特許文献１には、燃焼スペースにおける径方向中心部の上側と下側に２つの空気吹き出し部材を配置し、燃焼スペースの上側で燃料（木質系バイオマス等）を乾留炭化し、燃焼スペースの下側で、燃料ガスやタールを含む乾留ガスを酸化分解することが記載されている。

特開２００５−８９５１９号公報

特許文献１の装置では、熱分解によって生成されたタールを分解する酸化層が上方向に拡張されることにより燃料ガスに含まれるタールを低減できるものの、燃料ガスの生成に当たっては、生成されてしまうタールの量をより低減することが要求される。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、可燃性の燃料ガスを生成するガス化炉において、タールの発生をより抑えることが可能なガス化炉を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、酸化層とその酸化層を挟んでその酸化層に繋がった熱分解層及び還元層とを内部空間内に有し、タールとなる成分を含む燃料を前記熱分解層に供給するとともに前記燃料を前記熱分解層から前記酸化層を経由して前記還元層に送りつつ、前記燃料を前記熱分解層、前記酸化層及び前記還元層に貯留して、前記酸化層に空気を供給して前記酸化層にて前記燃料を燃焼させることによる前記還元層内の空気量の制限により還元される前記還元層内の前記燃料から可燃性の燃料ガスを生成するガス化炉であって、空気を前記熱分解層に供給するとともに、その空気供給量を制限する空気供給部と、可燃性ガスを前記熱分解層に供給するガス供給部と、を備え、前記空気供給部によって供給された空気と前記ガス供給部によって供給された可燃性ガスとによって、前記酸化層に貯留された前記燃料の燃焼よりも低い温度にて、前記熱分解層に貯留された前記燃料を熱分解させることを特徴とするガス化炉である。

このようなガス化炉によれば、熱分解層に貯留されて空気が供給されない状態で加熱されている燃料には、酸化層における燃焼より低い温度にて熱分解させるための燃焼用のガスと空気とがガス供給部および空気供給部から供給される。このとき、供給される空気は供給量が制限されているので、熱分解層に貯留されて酸化層に至る前の燃料は酸化層より低い温度で熱分解される。このような酸化層より低い温度の熱分解により、燃料は酸化層に至る前に、タールとなる成分が蒸発されるので、燃料が還元層にて還元されたときに発生するタールの量を抑えることが可能である。

かかるガス化炉であって、前記熱分解層に貯留された前記燃料は、前記酸化層に貯留された前記燃料が燃焼される熱により加熱されることが望ましい。
このようなガス化炉によれば、熱分解層に貯留された燃料を加熱するための熱源を別途設けることなく、空気が供給されない状態で燃料を加熱することが可能である。

かかるガス化炉であって、前記熱分解層に貯留された前記燃料と、前記還元層に貯留された前記燃料の還元により生成された前記燃料ガスとの間で熱交換する熱交換器を備えていることが望ましい。
このようなガス化炉によれば、熱分解層に貯留された燃料は、酸化層に貯留された燃料が燃焼される熱により加熱されるばかりでなく、熱交換器により、生成された燃料ガスとの間にて熱交換されることによっても加熱されるので、より効率良く加熱することが可能である。

かかるガス化炉であって、前記可燃性ガスは、前記還元層に貯留された前記燃料の還元により生成された前記燃料ガスの一部であることが望ましい。
このようなガス化炉によれば、酸化層より低い温度で燃料が熱分解される、熱分解層での燃焼用のガスは、還元層において生成された燃料ガスの一部なので、外部から燃料を供給する必要はない。すなわち、燃料を別途用いる必要がないので燃料ガスの生成コストを抑えることが可能である。

かかるガス化炉であって、前記内部空間と連通して前記燃料を前記熱分解層に供給するロックホッパ方式の燃料供給部を備えていることが望ましい。
このようなガス化炉によれば、燃料がロックホッパ方式の燃料供給部から供給されるので、空気を流入させることなく内部空間に燃料を供給することが可能である。

かかるガス化炉であって、前記燃料は、木質バイオマスであることが望ましい。
このようなガス化炉によれば、木質バイオマスを有効利用してタールの発生を抑えたガス化炉を提供することが可能である。

本発明によれば、可燃性の燃料ガスを生成するガス化炉において、タールの発生をより抑えることが可能なガス化炉を提供することが可能である。

ガス化炉が設置された際の構成を示す図である。 ガス化炉の縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明に係るガス化炉は、油を含有する種子（木質バイオマス）を用い、乾燥させた種子から燃料油を搾り出して分離された搾油残渣をガス化して燃料ガスを生成するガス化炉である。搾油残渣は乾燥バイオマス等と混合して豆炭状のブリケットに成型されてガス化炉に供給される。

ガス化炉１０は、図１に示すように、ガスサイクロン１、スクラバー２およびブロアー３などとともに設置される。

ガス化炉１０は、空気を制限した状態でブリケットを加熱することで、ブリケットが含有する有機物を還元して燃料ガス（Ｈ_２，ＣＯ，ＣＨ_４等の可燃性成分を含有するガス）を生成する。本実施形態のガス化炉１０は、ダウンドラフト型の固定床ガス化炉によって構成されている。ダウンドラフト型のガス化炉１０を用いた理由は、ブリケットが燃焼されるガス化炉１０において気体が下方に流れて炎の拡散を抑制できるからである。なお、ガス化炉１０については、後で詳しく説明する。

ガスサイクロン１は、生成された燃料ガスに対する粉塵等の除去を行う装置である。また、スクラバー２は、ガスサイクロン１からの燃料ガスに含まれるタールの除去および粉塵をさらに除去する装置である。これらのガスサイクロン１やスクラバー２により、燃料ガスが清浄化される。ブロアー３は、清浄化された燃料ガスを吸い込んで発電部（不図示）などの装置へ送出する部分であり、燃料ガスの流量を規定する。

ブリケットは搾油後の種子残渣を多く含んでいるので、ブリケットをガス化炉１０に供給して、可燃性の燃料ガスを生成すべく、ガス化炉１０で還元させると残渣に含まれる有機物がタールになりやすい。

そこで、本実施形態のガス化炉１０では、ガス化炉１０内の酸化層の上に位置する熱分解層にて、ブリケットを加熱するとともに酸化層における燃焼より低い温度で空気量を制限しつつ熱分解させることにより、還元層における還元にてタールになりやすい成分を蒸発させて、タールの発生を抑えつつ燃料ガスを生成できるようにしている。以下、ガス化炉１０について詳細に説明する。

図２に示すガス化炉１０は、貯留熱分解部１１と、筒状燃焼部１２と、灰貯留部１３と、スクリューコンベア１４とを有している。そして、ガス化炉１０の上側から、貯留熱分解部１１、筒状燃焼部１２、灰貯留部１３、及び、スクリューコンベア１４の順に配置されている。ガス化炉１０内は貯留熱分解部１１から筒状燃焼部１２に亘って円筒状をなし、その中央に上下方向に貫通する内部空間１０ａが形成されている。

貯留熱分解部１１は、円筒状に形成された耐熱部材（例えばロックウール）の外周部を耐熱性の金属で覆うことで作製された筒状部材であり、内周面側に外周側に窪む環状の凹部１５ａが設けられており、凹部１５ａは耐熱部材の内周面とほぼ同じ内径をなす環状の耐熱性の金属１５ｂにより塞がれている。すなわち、貯留熱分解部１１の内周側には、上下の面と外周側の面とが耐熱部材にて形成され内周側の面が耐熱性の金属１５ｂにて囲まれた環状空間１５ｃが形成されている。このため、環状空間１５ｃは耐熱性の金属１５ｂを介して内部空間１０ａを囲むように配置されている。この環状空間１５ｃの外周側に位置する耐熱部材には、ガス化炉１０の外部と環状空間１５ｃ内とを連通する２本の連通管１６、１７が設けられている。２本の連通管１６、１７は、貯留熱分解部１１の周方向において約１８０度間隔を隔てた位置に、ほぼ直線をなすように設けられている。

２本の連通管１６、１７のうち連通管１６は、ガス化炉１０にて生成される燃料ガスの排出口１３ｂに接続されており、連通管１７は、ガス化炉１０の外部に設けられたスクラバー２に接続されている。すなわち、貯留熱分解部１１に設けられた環状空間１５ｃには、還元層にて生成された燃料ガスが一方の連通管１６から供給されて他方の連通管１７から排出される。このとき、環状空間１５ｃを流れる燃料ガスは、酸化層による燃焼により、貯留熱分解部１１の内部空間１１ａに充填されるブリケットより高い温度となっている。このため、燃料ガスが環状空間１５ｃ内を流れる際には、燃料ガスと貯留熱分解部１１の内部空間１１ａに充填されたブリケットとの間にて熱交換が行われることによりブリケットが加熱される。ここで、内周側の耐熱性の金属１５ｂ及び、この耐熱性の金属１５ｂにて内部空間１０ａと仕切られた環状空間１５ｃとを形成する部位が熱交換器１５に相当する。

貯留熱分解部１１における耐熱部材及び環状空間１５ｃの内側に設けられた貯留熱分解部１１の内部空間１１ａは上下方向に貫通している。この貯留熱分解部１１における下端にはフランジ１１ｂが設けられており、上端部には上部カバー１８が着脱可能な状態で被せられている。

上部カバー１８の上部には、貯留熱分解部１１の内部空間１１ａと繋がってガス化炉１０内にブリケットを供給するための燃料供給部１９が設けられている。燃料供給部１９は、筒状の鋼管１９ａが上下方向に貫通するように配置され、上下方向に互いに間隔を隔てた２カ所に、鋼管１９ａ内を仕切り、各々独立して開閉可能なゲート１９ｂ、１９ｃが設けられている。この２つのゲート１９ｂ、１９ｃは、下側のゲート１９ｃを閉じた状態にて、その上側にブリケットをできるだけ空気が入らないように充填して上側のゲート１９ｂを閉じた後に、下側のゲート１９ｃを開いて貯留熱分解部１１にブリックを供給する、所謂ロックホッパ方式の燃料供給部１９である。

貯留熱分解部１１の内部空間１１ａは、乾燥層及び熱分解層として機能する。すなわち、この内部空間１１ａは筒状燃焼部１２の内部空間１２ａと連通されており、筒状燃焼部１２での燃焼によって加熱される。

貯留熱分解部１１の内部空間１１ａには燃料供給部１９から空気の流入を遮断して供給されたブリケットが充填される。充填されたブリケットは、筒状燃焼部１２からの熱および熱交換器１５による熱交換により加熱される。この加熱によって、貯留熱分解部１１の内部空間１１ａにおける上側部分の温度が上昇（例えば１００℃以上３００℃以下）し、ブリケットに含まれる水分が蒸発して水蒸気となり、ブリケットが乾燥される。従って、貯留熱分解部１１の内部空間１１ａにおける上側部分は乾燥層に相当する。

そして、貯留熱分解部１１の内部空間１１ａは、下側ほど高温（例えば３００℃以上６００℃以下）になるため、内部空間１１ａの下側に位置するブリケットは熱分解され、前述の可燃性成分が生成される。また、この熱分解によってブリケットからはタール、チャー、炭化水素も生成される。以上の説明から明らかなように、内部空間１１ａにおける下側部分は熱分解層に相当する。

さらに、本実施形態のガス化炉１０には、貯留熱分解部１１の酸化層側に、空気を供給する空気供給部としての上側空気供給管２０と、燃料ガスを供給するガス供給部としてのガス供給管２２とが、弁開度が調整可能な上側空気量調整弁２１およびガス量調整弁２３とともに設けられている。そして、内部空間１１ａ内の下側となる熱分解層における酸化層側の領域には、熱交換器１５を経由してスクラバー２に流入した燃料ガスのうちの一部（例えば数パーセント）がガス供給管２２から、また、上側空気量調整弁２１により供給量を制限した僅かな空気が上側空気供給管２０からそれぞれ供給されている。

上側空気量調整弁２１は、上側空気供給管２０を流れる空気量を弁開度に応じて調整するものであり、ガス量調整弁２３は、ガス供給管２２を流れる燃料ガスの量を弁開度に応じて調整するものである。本実施形態では、弁開度を手動で調整可能な調整弁を用いており、貯留熱分解部１１の内部空間１１ａの熱分解層に供給される空気量または燃料ガスの量を遮断（全閉）から最大（全開）までの範囲で任意に調整できる。

本実施形態では、上側空気量調整弁２１の開度を絞ることで供給量を制限した僅かな空気と燃料ガスとを内部空間１１ａの熱分解層に供給し、ブリケットを、酸化層における燃焼より低い温度にて熱分解させ、これによりブリケット内部に含まれているタールになる成分を蒸発させる。ここで、上側空気供給管２０および上側空気量調整弁２１が空気供給部に相当し、ガス供給管２２およびガス量調整弁２３がガス供給部に相当する。

次に、筒状燃焼部１２について説明する。この筒状燃焼部１２は、貯留熱分解部１１と灰貯留部１３の間に設けられた耐熱性の筒状部材である。筒状燃焼部１２の内部空間１２ａでは、貯留熱分解部１１から供給される熱分解後の物質が燃焼される。すなわち、筒状燃焼部１２の内部空間１２ａにおける下側空気導入部２４から貯留熱分解部１１より下の範囲は酸化層に相当し、貯留熱分解部１１よりも高温（例えば７００℃以上１２００℃以下）に調整される。この範囲において、熱分解されたブリケットは酸化反応（燃焼）を起こし加熱される。前記酸化層の下部は還元層に相当し、この還元層において酸素が制限された状態で起こる、ブリケットの保有熱による還元反応により可燃性成分が生成される。このように、筒状燃焼部１２は、主に酸化層を形成する部材といえる。

本実施形態における筒状燃焼部１２は、貯留熱分解部１１と同様に、円筒状の耐熱部材を耐熱性の金属で覆うことで作製されている。なお、筒状燃焼部１２の下端部は、灰貯留部１３と接合されて一体化されている。

筒状燃焼部１２における高さ方向の中央よりも下側となる位置には、下側空気導入部２４が設けられている。下側空気導入部２４は複数の下側空気導入管２４ａを有しており、これらの下側空気導入管２４ａの一端側の部分が筒状燃焼部１２に対して放射状に接続されている。本実施形態では、たとえば６本の下側空気導入管２４ａが６０度間隔で取り付けられている。これにより、各下側空気導入管２４ａが内部空間１２ａと連通され、内部空間１２ａにおける周方向の複数箇所から外気が導入される。

また、下側空気導入管２４ａのそれぞれには、弁開度が調整可能な下側空気量調整弁（図示せず）が取り付けられている。この下側空気量調整弁は、下側空気導入管２４ａを流れる空気量を弁開度に応じて調整するものである。本実施形態では、弁開度を手動で調整可能な調整弁を用いており、内部空間１２ａの下側部分に供給される空気量を遮断（全閉）から最大（全開）までの範囲で任意に調整できる。

次に、灰貯留部１３について説明する。灰貯留部１３は、筒状燃焼部１２の下端に接続され、この筒状燃焼部１２から流下した灰を受け入れる部分である。このため、灰貯留部１３は、貯留用空間となる内部空間１３ａを形成する耐熱性の箱状部材で作製されている。筒状燃焼部１２の下側空気導入部２４を通過すると、炭化物（酸化されたブリケット）が還元反応を起こし、可燃性成分が生成される。従って、筒状燃焼部１２の内部空間１２ａにおける下端部分及び灰貯留部１３の内部空間１３ａは、酸化層で酸化された物質を還元させる還元層として機能する。

可燃性成分を含有する燃料ガスは、灰貯留部１３の上面に突設された排出口１３ｂを通じて排出される。排出された燃料ガスは、前述したように、熱交換器１５を通過してガスサイクロン１、スクラバー２により清浄化された後、その一部が貯留熱分解部１１に供給される他は発電部などに供される。

次に、スクリューコンベア１４について説明する。スクリューコンベア１４は、ガス化後の灰を排出するものであり、灰貯留部１３の下方に設けられている。このスクリューコンベア１４を動作させることで、灰貯留部１３から灰が排出される。スクリューコンベア１４によって灰が排出されると、筒状燃焼部１２の内部空間１２ａには、熱分解後のブリケットが灰の排出量に相当する量だけ流下する。このため、スクリューコンベア１４の回転速度は、ブリケットの供給速度を規定しているともいえる。

このように、本実施形態のガス化炉１０では、貯留熱分解部１１にてブリケットが、筒状燃焼部１２からの熱によって乾燥及び熱分解され、ブリケットのタールとなる成分は酸化層より低い温度にて熱分解される。その後ブリケットが筒状燃焼部１２で酸化され、酸化されたブリケットが灰貯留部１３へと移動する過程で還元される。これらの熱分解、酸化反応、及び還元反応を経ることで、可燃性物質が生成され、最終的には燃料ガスとして外部に排出される。

そして、このガス化炉１０によれば、熱分解層に貯留され空気が供給されない状態で加熱されているブリケットには、酸化層における燃焼より低い温度にて熱分解させるための燃焼用のガスと空気とが上側空気量調整弁２１及びガス量調整弁２３を含む上側空気供給管２０およびガス供給管２２から供給される。このとき、供給される空気は空気量が制限されているので、熱分解層に貯留されて酸化層に至る前のブリケットは酸化層より低い温度で熱分解される。このような酸化層より低い温度の熱分解により、タールとなる成分を含むブリケットは酸化層に至る前に、タールとなる成分が蒸発されるので、ブリケットが還元層にて還元されたときに発生するタールの量を抑えることが可能である。

また、熱分解層に貯留されたブリケットは、先に酸化層に供給されたブリケットが燃焼される熱により加熱されるばかりでなく、熱交換器１５により、生成された燃料ガスとの間にて熱交換されることによっても加熱されるので、より効率良く加熱することが可能である。このとき、熱分解層のブリケットを加熱するために供給されるガスは、還元層における還元により生成された燃料ガスの一部なので、外部から燃料を供給する必要はない。すなわち、燃料を別途用いる必要がないので燃料ガスの生成コストを抑えることが可能である。

また、ブリケットがロックホッパ方式の燃料供給部１９から供給されるので、より空気を流入させることなく熱分解層に供給することが可能である。

本実施形態のガス化炉１０にあっては、燃料を、タールとなる成分を含む木質バイオマスとしたので、木質バイオマスを有効利用してタールの発生を抑えたガス化炉を提供することが可能である。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。例えば、次のように構成してもよい。

燃料に関し、前述の実施形態では、搾油後の種子を原料とするブリケットを例示したが、これに限定されない。例えば、木の破砕片、もみ殻、オイルパーム空果房、サトウキビの絞りかすといった木質バイオマスを燃料として用いることができる。

スクリューコンベア１４に関し、ベルト式のコンベアなどの他の排出装置に代替させてもよい。

１ ガスサイクロン、２ スクラバー、３ ブロアー、１０ ガス化炉、
１０ａ 内部空間、１１ 貯留熱分解部、１１ａ 貯留熱分解部の内部空間、
１１ｂ フランジ、１２ 筒状燃焼部、１２ａ 筒状燃焼部の内部空間、
１３ 灰貯留部、１３ａ 灰貯留部の内部空間、１３ｂ 排出口、
１４ スクリューコンベア、１５ 熱交換器、１５ａ 凹部、１５ｂ 耐熱性の金属、
１５ｃ 環状空間、１６ 連通管、１７ 連通管、１８ 上部カバー、
１９ 燃料供給部、１９ａ 鋼管、１９ｂ 上側のゲート、１９ｃ 下側のゲート、
２０ 上側空気供給管、２１ 上側空気量調整弁、２２ ガス供給管、
２３ ガス量調整弁、２４ 下側空気導入部、２４ａ 下側空気導入管、

Claims (6)

1. 酸化層とその酸化層を挟んでその酸化層に繋がった熱分解層及び還元層とを内部空間内に有し、タールとなる成分を含む燃料を前記熱分解層に供給するとともに前記燃料を前記熱分解層から前記酸化層を経由して前記還元層に送りつつ、前記燃料を前記熱分解層、前記酸化層及び前記還元層に貯留して、前記酸化層に空気を供給して前記酸化層にて前記燃料を燃焼させることによる前記還元層内の空気量の制限により還元される前記還元層内の前記燃料から可燃性の燃料ガスを生成するガス化炉であって、
   空気を前記熱分解層に供給するとともに、その空気供給量を制限する空気供給部と、
   可燃性ガスを前記熱分解層に供給するガス供給部と、を備え、
   前記空気供給部によって供給された空気と前記ガス供給部によって供給された可燃性ガスとによって、前記酸化層に貯留された前記燃料の燃焼よりも低い温度にて、前記熱分解層に貯留された前記燃料を熱分解させることを特徴とするガス化炉。
2. 前記熱分解層に貯留された前記燃料は、前記酸化層に貯留された前記燃料が燃焼される熱により加熱されることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉。
3. 前記熱分解層に貯留された前記燃料と、前記還元層に貯留された前記燃料の還元により生成された前記燃料ガスとの間で熱交換する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス化炉。
4. 前記可燃性ガスは、前記還元層に貯留された前記燃料の還元により生成された前記燃料ガスの一部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス化炉。
5. 前記内部空間と連通して前記燃料を前記熱分解層に供給するロックホッパ方式の燃料供給部を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガス化炉。
6. 前記燃料は、木質バイオマスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガス化炉。

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