JP6066809B2 - バイオマス熱分解装置、及び発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、木質バイオマスを熱分解することで半炭化物と熱分解ガスとを生成するバイオマス熱分解装置と、これを備える発電システムに関する。
木質バイオマスなどのバイオマスを熱分解ガス化システムでガス化し、従来、廃棄物として扱われていたバイオマスを資源化して有効利用することが求められている。バイオマスは、化石燃料などと比較してエネルギー密度が低いため、バイオマスの高エネルギー密度化手法の一つとして、木質バイオマス中の熱量の大半を残留させ、かつ、木質バイオマス中に含まれる繊維分（セルロース、リグニン）を熱的に分解する半炭化方法（トレファクション）が知られている（例えば特許文献１参照）。
半炭化方法は、木質バイオマスを酸素を遮断した状況下で２５０℃〜３５０℃で熱分解することによって半炭化物（半炭化燃料、トレファクション燃料）を生成する手法である。繊維分が分解されることによって半炭化物は粉砕が容易となるため、粉砕機（ミル）で粉砕された後、微粉炭ボイラの燃料として用いることができる。
ここで、図２を参照して、従来の石炭火力発電システムについて説明する。石炭火力発電システム１０１は、木質バイオマスＢを熱分解ガス化炉４にて熱分解することによって製造された半炭化物Ｔを石炭火力発電所７にて燃料として利用している。
具体的には、半炭化物Ｔは、石炭バンカ１４より供給される石炭Ｃとともに粉砕機１５で粉砕され、微粉炭ＰＣとして微粉炭ボイラ１６に導入されている。そして、微粉炭ボイラ１６にて微粉炭ＰＣを燃焼させた際に発生する熱によって発生する蒸気が、蒸気タービン１７に導入され、蒸気タービン１７に直結された発電機１８にて発電が行われる。
この石炭火力発電システム１０１では、熱分解ガス化炉４にて生成されサイクロン６にて分離された熱分解ガスＰを燃焼炉３で燃焼させ、この燃焼により発生した燃焼排気ガスＥを熱分解ガス化炉４自身の熱源として利活用することで、燃焼炉３の燃料である補助燃料Ｆの使用量の削減を図っている。尚、サイクロン６を省略することも出来る。
特開２０１２−２１９１７６号公報
しかしながら、上記した従来の石炭火力発電システム１０１で用いられる半炭化方法には、以下に記すような課題がある。
まず、木質バイオマスの入熱量を１００％とした場合、半炭化物に残留する熱量が６０％〜８０％に留まることである。木質バイオマスの入熱量の残りは熱分解ガスとして熱分解ガス化の加熱熱源として自己消費される。
次に、半炭化物の粉砕性を高めることで、バイオマス由来の発電量が低下することが挙げられる。半炭化物は原料性状の変動や、原料含水率の変動により例えば熱分解ガス化温度を３００℃一定で制御しても、生成される半炭化物の性状（粉砕機での粉砕性）が大きく変動することになる。例えば、原料含水率の上昇により、熱分解に必要な熱負荷が上昇する。
この結果、熱分解ガス化温度を３００℃に維持していても、半炭化物温度上昇が抑制されるため、半炭化物の仕上がり温度が低下し、木質バイオマス中の繊維分を熱的に分解することができない。繊維分が残ることによって、粉砕機の粉砕性が低下するという課題を抱えている。
半炭化物の粉砕性が低下した場合、粉砕機の動力の過負荷（許容値からの逸脱）を避けるために半炭化物の粉砕機への供給量を抑制する必要があり、安定した半炭化物の混焼率を得られないこととなる。よって、半炭化物を安定して供給するために、半炭化物のバッファタンクなどの貯留設備が必要となり、設備費増大の一因となっている。
この問題を解決する手段として、熱分解ガス化温度を上げることで半炭化物の粉砕性を改善することが考えられるが、この方法では木質バイオマスのガス化が促進されるため、半炭化物に残留する熱量（熱量残留率）が減少してしまう。即ち、石炭火力代替燃料としての価値が低下してしまい、発電事業者が半炭化設備導入によるメリットを享受し難い状況となっている。
そこで、本発明は、木質バイオマスの保有する熱量を有効活用することができるバイオマス熱分解装置、及び発電システムを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明のバイオマス熱分解装置は、性状安定燃料を燃焼させて熱量を発生させる燃焼炉と、該燃焼炉から発生する熱量によって、木質バイオマスを熱分解することで、半炭化物と熱分解ガスとを生成する熱分解ガス化炉と、前記半炭化物が導入されるボイラに、前記熱分解ガス化炉から前記熱分解ガスを導入する熱分解ガス導入路と、前記熱分解ガス化炉の温度を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記熱分解ガス化炉によって生成された半炭化物を粉砕する粉砕機の電流値が概ね一定の範囲となるように前記熱分解ガス化炉の温度を制御することを特徴とする。
上記構成によれば、熱分解ガス化炉にて生成された半炭化物とともに熱分解ガスをボイラに導入することによって、半炭化物への熱量残留率に拘わらず、熱分解ガス化炉に供給された木質バイオマスの熱量の略全量をボイラにて利用可能となる。
また、燃焼炉の燃料として性状安定燃料を用いることによって、熱分解ガス化炉にて木質バイオマスを熱分解するための熱量を安定して確保することができる。即ち、熱分解ガス化炉において半炭化物を安定的に生成することができる。
また、粉砕機の所要動力を基に熱分解ガス化温度が調整されるため、粉砕性に優れた半炭化物が生成できる。粉砕性に優れた半炭化物の製造に伴って半炭化物の熱量残留率は減少するが、増加する熱分解ガスがボイラに供給されることにより、木質バイオマス由来の発電量を略一定にすることができる。
さらに、粉砕性に優れた半炭化物が製造できるため、粉砕機の負荷が過剰となった際に、半炭化物を貯留するバッファタンクなどの設備が不要となる。
上記バイオマス熱分解装置において、前記熱分解ガス化炉は、加熱ガスによって前記木質バイオマスを間接的に加熱する間接加熱式熱分解ガス化炉であることが好ましい。
上記構成によれば、熱分解ガス化炉にて生成される熱分解ガスは加熱ガスで希釈されることなく、発熱量の高いガスが得られる。また、生成されるガス量も抑制されるため、燃料として利用するのに適した熱分解ガスを供給することができる。
また、本発明は、上記いずれかのバイオマス熱分解装置と、前記半炭化物が導入され、該半炭化物を燃焼させるボイラと、前記ボイラにより生成される蒸気が導入される蒸気タービンと、前記蒸気タービンで駆動される発電機と、を備える発電システムを提供する。
上記構成によれば、熱分解ガス化炉に供給された木質バイオマスの熱量の略全量を発電用のエネルギーとして利活用可能なシステムを構築することができる。
本発明によれば、半炭化物への熱量残留率に拘わらず、熱分解ガス化炉に供給された木質バイオマスの熱量の略全量をボイラにて利用できる。即ち、木質バイオマスの保有する熱量を有効活用することができる。
本発明の実施形態の石炭火力発電システムの系統図である。 従来の石炭火力発電システムの系統図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の石炭火力発電システム１は、補助燃料である性状安定燃料Ｆを燃焼させることで燃焼排気ガスＥを発生させる燃焼炉３と、木質バイオマスＢを熱分解する熱分解ガス化炉４（炭化炉）と、熱分解ガス化炉４の温度を制御する制御装置５と、を有するバイオマス熱分解装置２と、熱分解ガス化炉４で発生した熱分解ガスＰ中から半炭化物Ｔを分離除去するサイクロン６と、熱分解ガス化炉４にて得られる半炭化物Ｔ及び熱分解ガスＰを利用して発電を行う石炭火力発電所７と、から構成されている。
尚、サイクロン６を省略することも出来る。
燃焼炉３には、補助燃料ライン９を介して、例えば石炭などの性状が安定している燃料である性状安定燃料Ｆが補助燃料として供給されている。性状安定燃料Ｆとしては、石炭、シェールガス、石油、重油などの化石燃料や、高炉で発生する高炉ガスなどの性状が安定した燃料を採用することができる。換言すれば、燃焼炉３に導入される燃料として、例えば含水率の変化により発熱量が変動するような燃料を採用することは好ましくない。
熱分解ガス化炉４は、木質バイオマスＢを間接的に加熱させて熱分解やガス化反応を起こす間接加熱式の熱分解ガス化炉であり、燃焼炉３から供給される燃焼排気ガスＥを加熱ガスとして利用している。具体的には、熱分解ガス化炉４は、外熱式ロータリーキルン型で、バイオマス供給ライン１０から供給される木質バイオマスＢが送り込まれる内筒１１と、この内筒１１と同心で、かつ、内筒１１の外周側に配置されている外筒１２と、を有している。内筒１１は外筒１２と一体回転して、内容物を撹拌する。燃焼炉３から供給される燃焼排気ガスＥは、外筒１２内に送り込まれている。
なお、ここでは、熱分解ガス化炉４として、外熱式ロータリーキルン型を用いているが、木質バイオマスＢを間接的に加熱する形式のものであればこれに限ることはない。例えば、熱分解ガス化炉４として、外熱式スクリューコンベアーなどを用いてもよい。
木質バイオマスＢは、木材からなるバイオマス（生物資源）であり、例えば、木材チップやＰＫＳ（Ｐａｌｍ Ｋｅｒｎｅｌ Ｓｈｅｌｌ）である。
汽力発電方式の発電所である石炭火力発電所７は、石炭が貯蔵されるとともに、石炭を排出する排出口を備えた石炭バンカ１４と、石炭バンカ１４から供給される石炭Ｃと熱分解ガス化炉４及びサイクロン６から供給される半炭化物Ｔとを粉砕する粉砕機１５（ミル、微粉炭機）と、粉砕機１５にて生成される微粉炭ＰＣを燃焼させる微粉炭ボイラ１６と、微粉炭ボイラ１６にて微粉炭ＰＣを燃焼させた際に発生する熱によって発生する蒸気が導入される蒸気タービン１７と、蒸気タービン１７で駆動される発電機１８と、から構成されている。
粉砕機１５は、石炭Ｃ及び半炭化物Ｔを乾燥させながら微粉砕する竪型ローラミルである。粉砕機１５には、粉砕機１５の電流値を連続計測することが可能な電流計１９が設けられている。具体的には、電流計１９は、粉砕機１５に設けられたローラを回転させるモータ（電動機）の電流値を計測するように構成されている。
粉砕機１５のモータは、負荷に応じた回転数制御によって制御されている。即ち、モータにかかる負荷が変動すると電流値が変動する。例えば、被粉砕物の粉砕性が悪くなると電流値が高くなり、粉砕性が良くなると電流値は低くなる。
なお、粉砕機１５としては、上記した竪型ローラミルに限ることはなく、例えば、チューブミル、ボールミル、ローラミルなど圧砕する形式のものを適宜採用することができる。
微粉炭ボイラ１６は、バーナにより微粉炭ＰＣを空気とともに噴出させて燃焼させる微粉炭燃焼方式である。また、微粉炭ボイラ１６には、熱分解ガス化炉４にて生成される熱分解ガスＰを導入する熱分解ガス導入路８が接続されている。熱分解ガス導入路８が極力短くなるように、熱分解ガス化炉４と石炭火力発電所７とは隣接して配置されている。
発電機１８は、蒸気タービン１７に直結され、蒸気タービン１７で駆動されるタービン発電機である。
制御装置５は、主に熱分解ガス化炉４の温度を制御するコンピュータである。具体的には、制御装置５は、石炭火力発電所７の粉砕機１５における粉砕性の良好な半炭化物Ｔが製造されるように熱分解ガス化炉４の温度を制御する。また、制御装置５は、電流計１９で計測された粉砕機１５の電流値が概ね一定の範囲となるように、熱分解ガス化炉４の温度を制御する機能を有している。
次に、本実施形態の石炭火力発電システム１の動作について説明する。
燃焼炉３は、補助燃料ライン９を介して供給される性状安定燃料Ｆを燃焼させて燃焼排気ガスＥを発生させる。この燃焼排気ガスＥは熱分解ガス化炉４の外筒１２に送られる。
熱分解ガス化炉４の内筒１１には、図示しない木質バイオマスＢのストックヤードからバイオマス供給ライン１０を介して木質バイオマスＢが供給され、回転する内筒１１内の酸素欠乏環境下において木質バイオマスＢが撹拌されつつ、外筒１２内の燃焼排気ガスＥにより加熱される。
熱分解ガス化炉４の内筒１１内の温度は、制御装置５によって制御される。具体的には、木質バイオマスＢを酸素を遮断した状況下で、２５０℃〜３５０℃で熱分解するように制御される。
ここで、熱分解ガス化炉４における木質バイオマスＢの加熱温度と、木質バイオマスＢの熱量残留率、及び製造される半炭化物Ｔの粉砕性の関係について説明する。木質バイオマスＢの熱量残留率は、木質バイオマスＢの加熱温度の上昇に伴い減少する。一方、製造される半炭化物Ｔの粉砕性は、木質バイオマスＢの加熱温度の上昇に伴い向上する。即ち、木質バイオマスＢの熱量残留率と製造される半炭化物Ｔの粉砕性とは、トレードオフ関係にある。
加熱温度、即ち、熱分解ガス化炉４の内筒１１内の温度は、熱分解ガス化炉４の温度の上昇に伴い減少する熱量残留率と、熱分解ガス化炉４の温度の上昇に伴い向上する粉砕性とが両立するバランスの良い温度に制御される。
熱分解ガス化炉４において木質バイオマスＢが最適に加熱されることにより、木質バイオマスＢ中に含まれる繊維分（セルロース）が熱的に分解された半炭化物Ｔが製造される。また、木質バイオマスＢに含まれる三大成分（セルロース、ヘミセルロース、リグニン）の一部は気化して熱分解ガスＰとなる。内筒１１内で生成された半炭化物Ｔの一部は、内筒１１から石炭火力発電所７の粉砕機１５に送られる。
半炭化物Ｔの残りの一部は、内筒１１から未燃分を含む熱分解ガスＰとともにサイクロン６に送られ、このサイクロン６で熱分解ガスＰと分離されて粉砕機１５に送られる。
粉砕機１５は、石炭バンカ１４から送られる石炭Ｃと、熱分解ガス化炉４及びサイクロン６から送られる半炭化物Ｔと、を乾燥させながら粉砕する。換言すれば、半炭化物Ｔは石炭Ｃとほぼ同様の物性であるため、石炭Ｃとともに粉砕機１５で粉砕、混焼させることができる。
ここで、粉砕機１５が駆動する際の粉砕機１５の電流値は、制御装置５に送信される。制御装置５は、粉砕機１５の電流値が概ね一定の範囲となるように熱分解ガス化炉４の内筒１１内の温度を制御する。即ち、制御装置５は、２５０℃〜３５０℃の範囲で、温度を上下させ、粉砕機１５の電流値が一定となるようにする。
具体的には、粉砕機１５の動力が大きくなる場合に熱分解ガス化炉４の温度を上昇させ、半炭化物Ｔの粉砕性を向上させるような制御を行う。半炭化物Ｔの粉砕性を向上させることによって、半炭化物Ｔへの熱量残留率は減少するが、これに伴い増加する熱分解ガスＰは後述するように熱分解ガス導入路８を介して微粉炭ボイラ１６に導入される。
粉砕機１５にて生成された微粉炭ＰＣは、微粉炭ボイラ１６に送られ、バーナにより搬送用の空気とともに炉内に噴出されて燃焼される。
サイクロン６により半炭化物Ｔが分離除去された熱分解ガスＰは、熱分解ガス導入路８を介して微粉炭ボイラ１６の炉内に噴出される。即ち、木質バイオマスＢを熱分解することによって生成された熱分解ガスＰは、熱分解ガス化炉４の加熱ガスとして利用されることはなく、半炭化物Ｔとともに石炭火力発電所７の代替燃料として利用される。微粉炭ＰＣ、及び搬送用の空気は、サイクロン６から導入された熱分解ガスＰと混合されて燃焼する。
そして、微粉炭ボイラ１６にて微粉炭ＰＣを燃焼させた際に発生する熱によって発生する蒸気が蒸気タービン１７に導入され、蒸気タービン１７に直結された発電機１８にて発電が行われる。
上記実施形態によれば、熱分解ガス化炉４にて生成された半炭化物Ｔとともに熱分解ガスＰを微粉炭ボイラ１６に導入することによって、半炭化物Ｔへの熱量残留率に拘わらず、熱分解ガス化炉４に供給された木質バイオマスＢの熱量の略全量を石炭火力発電所７の微粉炭ボイラ１６にて利用可能となる。
また、燃焼炉３の補助燃料として性状安定燃料Ｆを用いることによって、熱分解ガス化炉４にて木質バイオマスＢを熱分解するための熱量を安定して確保することができる。即ち、熱分解ガス化炉４において半炭化物Ｔを安定的に生成することができる。
また、熱分解ガス化炉４として、間接加熱式の熱分解ガス化炉４を採用したことによって、熱分解ガス化炉４にて生成される熱分解ガスＰは加熱ガスである燃焼排気ガスＥで希釈されることなく、発熱量の高いガスが得られる。また、生成されるガス量も抑制されるため、燃料として利用するのに適した熱分解ガスＰを供給することができる。
また、制御装置５によって粉砕機１５の所要動力を基に熱分解ガス化温度が調整されるため、粉砕性に優れた半炭化物Ｔが生成できる。粉砕性に優れた半炭化物Ｔの生成に伴って半炭化物Ｔの熱量残留率は減少するが、増加する熱分解ガスＰが微粉炭ボイラ１６に供給されることにより、木質バイオマスＢ由来の発電量を略一定にすることができる。
さらに、粉砕性に優れた半炭化物Ｔが生成できるため、微粉炭ボイラ１６における石炭Ｃとの混焼率を向上させることができる。
また、粉砕性に優れた半炭化物Ｔが製造できるため、粉砕機１５の負荷が過剰となった際に、半炭化物Ｔを貯留するバッファタンクなどの設備が不要となる。
また、熱分解ガス化炉４と石炭火力発電所７とが隣接して配置され、熱分解ガス導入路８が短くされていることによって、熱分解ガスＰに含まれるタールの凝縮を抑制することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。また、上記複数の実施形態で説明した特徴を任意に組み合わせた構成であってもよい。
例えば、上記実施形態では、石炭Ｃと木質バイオマスＢとを混合させて粉砕する混合粉砕方式が採用されているが、これに限ることはなく、石炭Ｃと木質バイオマスＢとをそれぞれ単独で粉砕する単独粉砕方式を採用することもできる。
１ 石炭火力発電システム（発電システム）
２ バイオマス熱分解装置
３ 燃焼炉
４ 熱分解ガス化炉
５ 制御装置
６ サイクロン
７ 石炭火力発電所
８ 熱分解ガス導入路
９ 補助燃料ライン
１０ バイオマス供給ライン
１１ 内筒
１２ 外筒
１４ 石炭バンカ
１５ 粉砕機
１６ 微粉炭ボイラ（ボイラ）
１７ 蒸気タービン
１８ 発電機
１９ 電流計
Ｂ 木質バイオマス
Ｃ 石炭
Ｅ 燃焼排気ガス
Ｆ 性状安定燃料
Ｐ 熱分解ガス
Ｔ 半炭化物

Claims (3)

  1. 性状安定燃料を燃焼させて熱量を発生させる燃焼炉と、
    該燃焼炉から発生する熱量によって、木質バイオマスを熱分解することで、半炭化物と熱分解ガスとを生成する熱分解ガス化炉と、
    前記半炭化物が導入されるボイラに、前記熱分解ガス化炉から前記熱分解ガスを導入する熱分解ガス導入路と、
    前記熱分解ガス化炉の温度を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記熱分解ガス化炉によって生成された半炭化物を粉砕する粉砕機の電流値が概ね一定の範囲となるように前記熱分解ガス化炉の温度を制御することを特徴とするバイオマス熱分解装置。
  2. 前記熱分解ガス化炉は、加熱ガスによって前記木質バイオマスを間接的に加熱する間接加熱式熱分解ガス化炉であることを特徴とする請求項１に記載のバイオマス熱分解装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載のバイオマス熱分解装置と、
    前記半炭化物が導入され、該半炭化物を燃焼させるボイラと、
    前記ボイラにより生成される蒸気が導入される蒸気タービンと、
    前記蒸気タービンで駆動される発電機と、を備えることを特徴とする発電システム。
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