JP5959027B2 - マイクロ波プラズマバイオマスガス化固定床ガス化炉および方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスおよび固形廃棄物のガス化方法に関し、特に、マイクロ波プラズマの存在下で、高品質の合成ガスを合成するバイオマスおよび固形廃棄物のガス化炉およびガス化方法に関する。

中国は、綿茎、麦わら、小枝、もみ殻などのバイオマス資源に富む国である。化石燃料などの従来型の主要エネルギ源が日ごとに減少するのに伴い、また社会によるエネルギ源の需要が高まるのに伴い、人々は低発熱燃料に一層注目するようになっている。

一方、環境への意識が高まるにつれ、資源の生産と使用が注目されるようになると共に、より効率が良く、より汚染が少ない高い技術が、工業生産で徐々に採用されている。

現在では、固定床ガス化法には、ガス化温度が低く、タール含有量が多く、合成ガスの品質が悪く、また一般的な固定床ガス化炉による方法は条件が制約をうける、といった欠点がある。ガス化の温度が低いと、合成ガスのタール含有量が多くなる。タールを取り除くことは難しく、弁や配管、補助装置に詰まり易く、またそれらを腐食させ易い。タールの除去には多額の費用がかかることから、バイオマス燃料や廃棄物により調製された合成ガスの工業利用に影響する。マイクロ波技術の発展に伴い、マイクロ波プラズマは、優れた特性を伴うことから、徐々に低温化学蒸着法(CVD)、光ファイバの迅速な調製、チップのサブミクロンエッチング、高分子材料の表面改質、マイクロ電子材料の加工に広く適用されてきている。

本発明は、マイクロ波とプラズマを効率の良いバイオマス燃料のガス化に適用するものであり、バイオマス燃料および廃棄物を使用する新しい合成ガスの合成方法を提供する。

上記の課題に鑑み、本発明の目的の一つは、固定床ガス化炉、およびその固定床ガス化炉を使用して高品質の合成ガスを合成し、特に経済的特性を備えるとともに効率良く工業利用できる、COおよびH₂を含む合成ガスを合成するバイオマスガス化方法を提供する。

上記の目的を達成するために、以下の技術構成を採用する。

マイクロ波プラズマによるバイオマス固定床ガス化炉は、垂直方向に配置される炉本体と、監視ユニットと、マイクロ波プラズマ発生装置を含み、炉本体は材料・燃料入口と、合成ガス出口と、酸素／蒸気入口と、スラグ出口を含み、炉本体は、上側部分に間隙領域と、下側部分に固定床領域を含み、スラグ出口は炉本体の底部に配置される。監視ユニットは合成ガス出口付近に配置され、少なくとも１個のマイクロ波プラズマ発生装置は、炉本体に配置される。

好適には、第1マイクロ波プラズマ発生装置は、炉本体下側部分の固定床領域と、材料・燃料入口の間に配置され、第2マイクロ波プラズマ発生装置は、炉本体上側部分の間隙領域に配置される。第1マイクロ波プラズマ発生装置は2層または3層のマイクロ波プラズマ発生器を含み、第2マイクロ波プラズマ発生装置は1層または2層のマイクロ波プラズマ発生器を含み、各層のマイクロ波プラズマ発生器は、3個または4個の均等に分布されるプラズマ作用ガス入口を含む。

好適には、第1マイクロ波プラズマ発生装置は出力が大きく、電極ギャップが小さく、また、高温のプラズマを生じさせる。第2マイクロ波プラズマ発生装置は、電極ギャップが大きく、プラズマ活性が高く、体積範囲が広い。

好適には、マイクロ波プラズマ発生装置のマイクロ波電源は、基本周波数が2.45GHzであり、単一のマイクロ波プラズマ発生装置の出力は200kW以内である。

好適には、上側酸素／蒸気ノズルは、炉本体の間隙領域に配置され、下側酸素／蒸気ノズルは、炉本体の固定床領域に配置される。

ガス化炉を使用するガス化方法は、以下の工程を含む。

１）バイオマス燃料および廃棄物をフィーダから炉本体に供給し、バイオマス燃料および廃棄物を固定床領域で燃焼させ、ガス化して高温排煙を生成し、排煙を上方へ流して、ガス化炉の供給領域に新しく供給されたバイオマス燃料および廃棄物と熱交換を行う一方で、排煙を下側酸素／蒸気ノズルから噴霧された蒸気および第1マイクロ波プラズマ発生装置で生じさせられたプラズマ酸化剤と反応させて合成ガスを生成する工程。その化学式は式１のとおりであり、ガス化温度は700〜1600℃である。
（式１）
2C＋O₂＝2CO, C＋H₂O＝CO＋H₂

温度範囲内において、マイクロ波励起プラズマ酸化剤は、電離度が高く、分散度が高く、酸化活性および化学反応性が高い。従って、使用時温度が相対的に低い時であっても、化学反応を進めることができる。バイオマス燃料の変換効率は高く、COおよびH₂を含む合成ガスは品質が良く、タールをほとんど含まない。

２）合成ガスを上方へ間隙領域に流れさせる工程。間隙領域で合成ガス中のタールは粉砕され、合成ガス中の炭化水素は、第2マイクロ波プラズマ発生装置により生じさせられたプラズマの存在下で変換される。

３）残留コークスを下方へ固定床領域に落下させ、熱エネルギを放出させて、固定床領域の温度を維持し、スラグをスラグ出口から排出させる工程。

４）合成ガス出口付近に配置される監視ユニットにより、合成ガスの温度と成分をリアルタイムで監視し、工程パラメータを所定範囲内に維持する工程。

工程1において、ガス化温度は700〜1600℃であり、工程4において、合成ガス出口温度は1200℃以内である。

工程1において、ガス化温度は750〜950℃である。

工程1において、下側酸素／蒸気ノズルから噴霧される蒸気は、蒸気濃度を高めるように作用することにより、残留炭素と蒸気の間の反応を促進させる。工程2において、第2マイクロ波プラズマ発生装置の全体出力は、反応平衡のために熱エネルギを供給するための要件を満たす。工程2において、タールの粉砕反応を促進するために、適当な高温蒸気が上側酸素／蒸気ノズルから噴霧される。

本発明の実施形態の効果は以下のとおりである。

1. 高電離度および高分散度のマイクロ波プラズマの存在下で、ガス化炉内のバイオマス燃料は効率良く変換され、冷ガス効率は従来のガス化方法と比べて顕著に改善され、85％を超える。

2. ガス化炉の間隙領域に配置されるマイクロ波プラズマ発生装置は、合成ガス中のタールを不平衡に粉砕するように促し、そのため合成ガスはタールを僅かに含み、或いは含まないので、工業で直接使用することができ、工程が簡易であるとともに、経済効率が良い。

3. ガス化炉はバイオマス燃料の粒径に対して特定の要件がなく、一次粉砕で粒径要件を満たすことができることから、製造費用が安価になり、経済効率が良い。

本発明の一実施形態に係り、マイクロ波プラズマによるバイオマス固定床ガス化炉を示す概略図、およびこのガス化炉を使用するガス化方法のフローチャート。 図１のA−A線視断面図。

図面には、以下の符号を使用する。1.フィーダ、2.炉本体、3.マイクロ波プラズマ発生装置、4.下側酸素／蒸気ノズル、5.上側酸素／蒸気ノズル、6.監視ユニット、7.スラグ出口、8.ガス化炉間隙領域

本発明を詳細に説明するために、ガス化炉および高品質の合成ガスを合成するバイオマスおよび固形廃棄物のガス化方法を詳述する実施形態について、以下に説明する。当然のことながら、以下の実施例は本発明の説明を目的とするものであり、限定することを意図していない。

炉本体2は垂直方向に配置される円柱体であり、間隙領域8は炉本体の最上部に配置され、マイクロ波プラズマを受け入れる固定床領域は、炉本体の最下部に配置される。垂直方向下方のスラグ出口7は、炉本体底部に配置される。上側酸素／蒸気ノズル5は、炉本体の間隙領域8に配置され、下側酸素／蒸気ノズル4は、炉本体の固定床領域に配置される。両方のノズルは、流量を調整するために、スイッチにより制御されてよい。炉本体2は円柱状であり、或いは円錐と円柱の組み合わせである。

フィーダ1は炉本体の中央部に配置されており、傾斜送り込みシュートを介して炉本体2と連通する。供給モードは任意で、スクリューフィードであってもよく、その場合、傾斜送り込みシュートは必要なくなる。

マイクロ波プラズマ発生装置3の数は、バイオマス燃料の水分および揮発性成分の含有量により決められる。バイオマス燃料の水分含有量が多く（約20％）、発熱値が低い本実施例では、第1マイクロ波プラズマ発生装置は2層または3層のマイクロ波プラズマ発生器3（図1では、2層のマイクロ波プラズマ発生器）を含み、フィーダ1の下方且つ固定床中の床材料位置より僅かに高くにおいて中央に配置され、マイクロ波プラズマ発生器の各層は、3個または4個の均等に分布させられたプラズマ作用ガス入口を含む。マイクロ波プラズマ発生装置は、フィーダの上方への配置などの同様の配置も可能である。第2マイクロ波プラズマ発生装置は、間隙領域8内においてフィーダ1の上方に配置されるとともに、1層または2層のマイクロ波プラズマ発生器3’を含み、マイクロ波プラズマ発生器の各層は、3個または4個の均等に分布させられたプラズマ作用ガス入口（図２では、3個の作用ガス入口）を含む。

第1マイクロ波プラズマ発生装置3は出力が大きく、電極ギャップが小さく、且つ高温プラズマを生じさせる。第2マイクロ波プラズマ発生装置3’は電極ギャップが大きく、プラズマ活性が高く、体積範囲が広いので、合成ガス中のタールを粉砕し、合成ガス中のメタンなどの炭化水素を変換するように構成される。最終的に、合成ガスのタール含有率は、工業での直接使用レベルを満たすように低下し、また、炭化水素含有率も低下するので、後続の炭素除去を助ける。

マイクロ波プラズマ発生装置のマイクロ波電源は、基本周波数が2.45GHzであり、単一のマイクロ波プラズマ発生装置の出力は200kW以内である。

第2マイクロ波プラズマ発生装置の全体出力は、反応平衡のために熱エネルギを供給するための要件を満たす。

監視ユニット6は、炉本体2の合成ガス出口付近に配置されており、工程パラメータを所定範囲内に維持するために、合成ガスの温度と成分をリアルタイムで監視して、酸素流量、蒸気流量、マイクロ波出力調整する。

バイオマス燃料および廃棄物はフィーダ1から炉本体2に供給され、ガス化炉固定床領域で迅速にガス化され、ガス化反応領域内で複雑且つ高効率の化学反応が生じる。先ず、燃料粒子は高温下で熱分解されて、多量の揮発性成分と残留セミコークスを生成する。揮発性成分は、マイクロ波プラズマ発生装置3により生じさせられた高活性プラズマの存在下で、酸素および蒸気と反応する。固定床領域の温度を調整することにより、ガス化工程の作用が円滑に行われる。炉温度が低すぎると、酸素などの作用ガスが多量に補足されなければならない一方で、それに従い、マイクロ波プラズマ発生装置3のマイクロ波出力および作用ガスの流量は調整され、逆もまた同様である。下側酸素／蒸気ノズル4から噴霧される蒸気は、蒸気の濃度を高めるように作用するので、残留炭素と蒸気の反応を促し、H₂の生成を改善し、反応領域でのタールの形成を抑制し、合成ガスの品質を高める。

バイオマス燃料の供給およびガス化に伴い、合成ガスは上方へ間隙領域に流れて粉砕される。残留コークスは下方へ固定床領域に落下し、熱エネルギを放出して、内部の温度を維持する。結果的に得られるスラグはスラグ出口7から排出される。間隙領域8では、合成ガスは、第2マイクロ波プラズマ発生装置3’により生じさせられる高電離度、高活性プラズマの存在下で更に粉砕される。高温蒸気が上側酸素／蒸気ノズル5から噴霧され、合成ガス中のタールを更に粉砕する。従って、タール含有量が大きく減少するので、本発明の所定の利用では、後続工程での経済的な利用レベルに達する。

ガス化温度は700〜1600℃であり、合成ガスの温度は1200℃以内である。ガス化温度は750〜950℃であり、生成物の品質を十分なものにする一方、顕熱の変換をできるだけ減らし、ガス化効率を更に高める。

ガス化の最適な作用条件を達成するとともに、性能要件全体を満たすために重要なことは、噴流床の温度を制御し、酸素流量、蒸気流量、マイクロ波出力を調整することである。合成ガス出口付近に配置される監視ユニットは、上記のパラメータをリアルタイムで監視することができるので、ガス化工程を一連で、且つ完全自動化で制御するとともに、ガス化炉の作動安定性を維持する。

本発明の詳細な実施形態を図示および説明してきたが、当該技術分野に属する者であれば、本発明の広範な態様から逸脱することなく、変更および変形を行えること明白である。従って、添付の請求の範囲の目的は、これらの変更や変形全てを本発明の真の主旨および範囲に入るものとして含むことである。

１ フィーダ
２ 炉本体
３ マイクロ波プラズマ発生装置
４ 下側酸素／蒸気ノズル
５ 上側酸素／蒸気ノズル
６ 監視ユニット
７ スラグ出口
８ ガス化炉間隙領域

Claims (8)

1. マイクロ波プラズマによるバイオマス固定床ガス化炉であって、垂直方向に配置される炉本体と、監視ユニットと、マイクロ波プラズマ発生装置を含み、前記炉本体は材料・燃料入口と、合成ガス出口と、酸素／蒸気入口と、スラグ出口を含み、前記炉本体は上側部分に間隙領域と下側部分に固定床領域を含み、前記スラグ出口は炉本体底部に配置され、前記監視ユニットは合成ガス出口付近に配置され、少なくとも１個のマイクロ波プラズマ発生装置は炉本体に設けられ、第1マイクロ波プラズマ発生装置は、炉本体下側部分の固定床領域と材料・燃料入口の間に配置され、第2マイクロ波プラズマ発生装置は炉本体の上側部分にある間隙領域に配置され、第1マイクロ波プラズマ発生装置は2層または3層のマイクロ波プラズマ発生装置を含み、第2マイクロ波プラズマ発生装置は1層または2層のマイクロ波プラズマ発生装置を含み、マイクロ波プラズマ発生装置の各層は3個または4個の均等に分布された作用ガス入口を含む、ことを特徴とするガス化炉。
2. 第1マイクロ波プラズマ発生装置は出力が大きく、電極ギャップが小さく、且つ高温プラズマを生じさせ、第2マイクロ波プラズマ発生装置は電極ギャップが大きく、プラズマ活性が高く、且つ体積範囲が広い、ことを特徴とする請求項１のガス化炉。
3. マイクロ波プラズマ発生装置のマイクロ波電源は、基本周波数が2.45GHzであり、単一のマイクロ波プラズマ発生装置の出力は200kW以内である、ことを特徴とする請求項２のガス化炉。
4. 上側酸素／蒸気ノズルは、炉本体の間隙領域に配置され、下側酸素／蒸気ノズルは、炉本体の固定床領域に配置される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかのガス化炉。
5. 請求項１乃至４のいずれかのガス化炉を使用するガス化方法であって、
   １）バイオマス燃料および廃棄物をフィーダから炉本体に送り込み、前記バイオマス燃料および廃棄物を固定床領域で燃焼させガス化して高温排煙を生成し、排煙を上方に流れさせ、ガス化炉供給領域内に新しく供給されたバイオマス燃料および廃棄物と熱交換を行う一方で、排煙を下側酸素／蒸気ノズルから噴霧された蒸気および第1マイクロ波プラズマ発生装置により生じさせられたプラズマ酸化剤と反応させて合成ガスを生成する工程と、その化学式は式1であり、ガス化温度は700〜1600℃であり、
   （式１）
   2C＋O₂＝2CO, C＋H₂O＝CO＋H₂
   ２）合成ガスを上方へ間隙領域に流し、そこで合成ガス中のタールを粉砕し、合成ガス中の炭化水素を第2マイクロ波プラズマ発生装置により生じさせられたプラズマの存在下で変換する工程と、
   ３）残留コークを下方へ固定床領域に落下させるとともに、熱エネルギを放出して固定床領域の温度を維持し、且つスラグをスラグ出口から排出する工程と、
   ４）合成ガス出口付近に配置された監視ユニットにより合成ガスをリアルタイムで監視して、工程パラメータを所定範囲内に維持する工程と、
   を含む方法。
6. 工程１において、ガス化温度は700〜1600℃であり、工程４において、合成ガスの出口温度は1200℃以内であることを特徴とする請求項５の方法。
7. 工程１において、ガス化温度は750〜950℃であることを特徴とする請求項６の方法。
8. 工程１において、下側酸素／蒸気ノズルから噴霧された蒸気は、蒸気濃度を高めるように作用することにより、残留炭素と蒸気の間の反応を促し、工程２において、第2マイクロ波プラズマ発生装置の全体出力は、反応平衡のために熱エネルギを供給するための要件を満たし、工程２において、適当な高温蒸気は上側酸素／蒸気ノズルから噴霧されて、タールの粉砕反応を促すことを特徴とする請求項６または７の方法。

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