JP6454583B2 - Gasification furnace and operation method of gasification furnace - Google Patents
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Description
本発明は、バイオマスからエネルギーの原料となるガスを得るガス化炉、及びガス化炉の運転方法に関する。 The present invention relates to a gasification furnace for obtaining a gas as a raw material for energy from biomass, and a method for operating the gasification furnace.
バイオマスは再生可能な生物由来の有機性資源で化石資源を除いたものをいう。バイオマスが燃焼することにより放出されるCO2は、本来、生物の成長過程で光合成により大気中から吸収したCO2であることから、地球温暖化の原因物質とはならないこともあり、再生可能なエネルギー源として注目されている。 Biomass refers to renewable organic organic resources excluding fossil resources. CO 2 the biomass is discharged by burning is inherently since it is CO 2 absorbed from the atmosphere by photosynthesis in organisms growth process, sometimes not a causative agent of global warming, renewable It is attracting attention as an energy source.
従来、さとうきびやトウモロコシ等の可食原料を発酵、ろ過してアルコールに転換し、代替燃料として利用する技術が確立されていたが、そのために可食原料の不足や価格の高騰を招く等の虞のあることから、近年、稲わら、もみ殻、木くず等の非可食原料をガス化炉に投入して水性ガス反応によりガス化し、得られたガスをFT合成により液体燃料化する技術が注目されている。 Conventionally, technology has been established to ferment and filter edible raw materials such as sugarcane and corn, convert them to alcohol, and use them as an alternative fuel. However, this may lead to shortages of edible raw materials and high prices. Therefore, in recent years, attention has been focused on the technology that puts non-edible raw materials such as rice straw, rice husk, and wood waste into a gasification furnace, gasifies them by water gas reaction, and turns the resulting gas into liquid fuel by FT synthesis. Has been.
一般に、バイオマスと水蒸気から一酸化炭素と水素を生成する水性ガス反応は吸熱反応であり、当該反応を促進するためにガス化炉の炉内温度を500℃〜1200℃に維持する必要がある。 In general, the water gas reaction that generates carbon monoxide and hydrogen from biomass and water vapor is an endothermic reaction, and it is necessary to maintain the furnace temperature of the gasification furnace at 500 ° C. to 1200 ° C. in order to promote the reaction.
そのため、水蒸気を加熱して炉内に投入する構成、ガス化炉を電気ヒータ等の外部熱源で加熱する構成、加熱源として炉内に石炭等の化石燃料を投入する構成、或いは炉内に酸素を供給してバイオマスの一部の燃焼熱を加熱源に用いる等の様々な構成が採用されているが、エネルギー効率の良いガス化炉の実現という点で未だ多くの課題が残されている。 Therefore, a configuration in which steam is heated and charged into the furnace, a gasification furnace is heated with an external heat source such as an electric heater, a configuration in which fossil fuel such as coal is input into the furnace as a heating source, or an oxygen in the furnace However, many problems still remain in terms of realizing an energy efficient gasification furnace, such as using a part of the combustion heat of biomass as a heating source.
特許文献1には、クリーンで高効率なガス化を行い、バイオマスの完全ガス化を図ることができるバイオマスガス化炉を提供することを目的とするバイオマスガス化炉が開示されている。
当該バイオマスガス化炉は、平均粒径が0.05≦D≦5mmのバイオマス粉砕物を供給するバイオマス供給手段と、酸素と水蒸気の混合物の燃焼酸化剤を供給する燃焼酸化剤供給手段とを備え、酸素[O2]/炭素[C]のモル比率を0.1≦O2/C<1.0の範囲とすると共に、水蒸気[H2O]/炭素[C]のモル比率を1≦H2O/Cの範囲とし、温度を700〜1200℃とする噴流床型のガス化炉で、燃焼酸化剤をガス流れに沿って複数箇所から供給するように燃焼酸化剤供給手段が複数段設けられ、炉内圧力が1〜30気圧で運転されるように構成されている。炉内圧力が30気圧であれば、空塔速度が低くなり装置のコンパクト化が可能になる。 The biomass gasification furnace includes biomass supply means for supplying a pulverized biomass having an average particle diameter of 0.05 ≦ D ≦ 5 mm, and combustion oxidant supply means for supplying a combustion oxidant of a mixture of oxygen and water vapor. The molar ratio of oxygen [O 2 ] / carbon [C] is in the range of 0.1 ≦ O 2 /C<1.0, and the molar ratio of water vapor [H 2 O] / carbon [C] is 1 ≦ In a spouted bed type gasification furnace having a H 2 O / C range and a temperature of 700 to 1200 ° C., the combustion oxidant supply means has a plurality of stages so as to supply the combustion oxidant from a plurality of locations along the gas flow. It is provided and is configured to operate at a furnace pressure of 1 to 30 atmospheres. If the pressure in the furnace is 30 atm, the superficial velocity is lowered and the apparatus can be made compact.
また、当該ガス化炉は、炉本体の下側部分で助燃部分を形成するように、化石燃料である石炭を供給して化石燃料の燃焼により高温場を形成し、そこにバイオマスを投入することで、バイオマスを燃焼させることなく熱分解ガス化を効率よく行うように構成された態様も開示されている。 Also, the gasification furnace supplies coal as fossil fuel so as to form an auxiliary combustion part in the lower part of the furnace body, forms a high-temperature field by burning fossil fuel, and inputs biomass therein. And the aspect comprised so that pyrolysis gasification may be performed efficiently, without burning biomass is also disclosed.
特許文献2には、上述と同様の目的で、鉛直方向一方側から他方側へ向って内部でガスを流通させると共に内部の前記一方側に高温反応場が形成されて内部の前記一方側と前記他方側との間にガス化反応場が形成されるガス化炉本体と、前記ガス化炉本体の内部の前記高温反応場へバイオマスを供給するバイオマス供給手段と、前記ガス化炉本体の内部の前記高温反応場へ酸素を供給する燃焼酸化剤供給手段と、前記ガス化炉本体の内部へ水蒸気を供給する水蒸気供給手段とを備えているバイオマスガス化炉において、前記水蒸気供給手段が、前記ガス化炉本体の内部の前記高温反応場と前記ガス化反応場とへそれぞれ別々に水蒸気を供給するように構成され、炉内圧力が1〜30気圧で運転されるバイオマスガス化炉が開示されている。
In
特許文献3には、流動床部及びフリーボード部に夫々酸素とスチームを含む酸化性ガスを供給する複数段のガス供給部を備え、流動床部でバイオマスを酸化して500℃〜750℃の温度に加熱し、前段で酸化されたバイオマスの一部をフリーボード部上流側で800℃〜850℃の温度に加熱し、さらに前段で酸化されたバイオマスの一部をフリーボード部下流側で900℃〜1000℃の温度に加熱して合成ガスを生成する炉内圧力が10気圧程度で運転される流動床式のガス化炉が開示されている。
特許文献1に開示されたガス化炉は、通常バイオマスを単にガス化した場合に水素ガスと一酸化炭素ガスの比率H2/COが2を超えることが無いとの認識の下で、水素ガスと一酸化炭素ガスの比率H2/COがメタノール合成に必要な2以上となるように、酸素と水蒸気を混合した燃焼酸化剤を供給する燃焼酸化剤供給手段を炉の上流に設け、或いは上流側から下流側に向けて多段に設け、酸素[O2]/炭素[C]のモル比率を0.1≦O2/C<1.0の範囲に調整し、水蒸気[H2O]/炭素[C]のモル比率を1≦H2O/Cの範囲に調整する技術であり、燃焼酸化剤供給手段から供給される水蒸気により水性ガス反応を促進し、同時に供給される酸素により水性ガス反応でせられた一酸化炭素ガスを部分酸化して水性ガス反応に好適な温度700〜1200℃に維持するように構成されている。
The gasification furnace disclosed in
つまり、炉内に燃焼酸化剤を投入して部分燃焼(CO+1/2O2→CO2)させることで熱として利用し、後工程でCO2を除去することで[H2O]/[CO]の比率を向上させる技術であり、ガス化炉の後段にガス中のH2とCOガスの組成を調整するCOシフト反応装置が別途設けられている。 In other words, the combustion oxidant is charged into the furnace and partially burned (CO + 1 / 2O 2 → CO 2 ) to be used as heat, and CO 2 is removed in a subsequent process to remove [H 2 O] / [CO]. The CO shift reaction apparatus which adjusts the composition of H 2 and CO gas in the gas is provided separately at the rear stage of the gasification furnace.
特許文献2に開示されたガス化炉も特許文献1に開示されたガス化炉と同様に、水素ガスと一酸化炭素ガスの比率H2/COがメタノール合成に必要な2以上となることを目的としたガス化炉であり、ガス化炉本体の水性ガス反応が行なわれる高温反応場と、水性シフト反応が行なわれるガス化反応場とへそれぞれ別々に水蒸気を供給することで、高温反応場での温度低下を回避しながらガス化反応場で水素ガスの収量を上昇させるように構成されている。
Similarly to the gasification furnace disclosed in
しかし、水性ガス反応により得られたガスをFT合成して得られる燃料はメタノールに限るものではなく、必ず水素ガスと一酸化炭素ガスの比率H2/COを2以上に調整しなければならないということはない。例えば、鉄系の触媒を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスから軽油を合成する場合、水素ガスと一酸化炭素ガスの比率H2/COを1に調整することが好ましいが、同じ軽油を合成する場合であっても触媒が異なれば好適な水素ガスと一酸化炭素ガスの比率H2/COが異なる値になる。そのような場合に、特許文献1,2に開示されたガス化炉では容易に対応できなかった。
However, the fuel obtained by FT synthesis of the gas obtained by the water gas reaction is not limited to methanol, and the ratio H 2 / CO of hydrogen gas to carbon monoxide gas must be adjusted to 2 or more without fail. There is nothing. For example, when synthesizing light oil from hydrogen gas and carbon monoxide gas using an iron-based catalyst, it is preferable to adjust the ratio H 2 / CO of hydrogen gas to carbon monoxide gas to 1, but the same light oil is synthesized. Even in the case where the catalyst is different, the ratio H 2 / CO between the preferred hydrogen gas and carbon monoxide gas becomes different. In such a case, the gasification furnace disclosed in
また、原料となるバイオマスの種類や含水率を含む組成が異なると、水性ガス反応の好適な条件も異なり、生成される水素ガスと一酸化炭素ガスの比率H2/COも様々に変動するため、原料の変動や目標とする生成ガスの比率H2/COの変動に対応して容易に目標とする比率H2/COで生成ガスを得ることができる柔軟なガス化炉が望まれていた。 In addition, when the composition of the biomass as the raw material and the composition including the water content are different, the suitable conditions for the water gas reaction are also different, and the ratio H 2 / CO of the generated hydrogen gas and carbon monoxide gas varies variously. flexible gasifier capable of obtaining the product gas in a ratio H 2 / CO to easily target in response to variations in the ratio H 2 / CO in the product gas to vary and objectives of the raw material has been desired .
さらに、特許文献1,2に開示されたガス化炉は、多段に酸素ガス及び/または水蒸気を供給する構成であるため、下流側ほどガス流量が増して流速が上昇するため、十分な反応時間を確保するためにガス化炉が大きくなるという問題もあった。そのような観点では特許文献3に開示されたガス化炉も同様である。
Furthermore, since the gasification furnaces disclosed in
上述した従来のガス化炉は何れも加圧化で運転される炉であるため、厳重なシール性を確保する必要があり、設備コストが嵩むという問題もあり、大気圧または負圧下で運転する場合にはさらに大型化するという問題もあった。 Since all the conventional gasification furnaces described above are furnaces operated by pressurization, it is necessary to ensure strict sealing performance, and there is a problem that equipment costs increase, and the operation is performed under atmospheric pressure or negative pressure. In some cases, there was a problem of further enlargement.
さらに、特許文献1,2,3には詳述されていないが、ガス化炉を700〜1200℃の高温に保つためにはヒータ等の外部熱源で加熱したり、石炭等の化石燃料の燃焼熱で加熱したりする必要があり、カーボンニュートラルなバイオマスと異なり地球温暖化への配慮が必要であるという問題もあった。
Furthermore, although not described in detail in
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、外部熱源の利用を抑制しつつ所望の比率の合成ガスを得ることができる自由度の高いシンプルなガス化炉、及びガス化炉の運転方法を提供する点にある。 An object of the present invention is to provide a simple gasification furnace having a high degree of freedom and a gasification furnace operation method capable of obtaining a desired ratio of synthesis gas while suppressing the use of an external heat source in view of the above-described problems. The point is to provide.
上述の目的を達成するため、本発明によるガス化炉の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項1に記載した通り、バイオマス供給部と、水蒸気供給部と、前記水蒸気供給部から供給される水蒸気により形成される噴流床で前記バイオマス供給部から供給されたバイオマスを流動させる第1領域と、前記第1領域で生成されたガスが流入する第2領域とが、ガスの流れ方向に沿って形成される反応塔と、前記反応塔の前記第1領域及び第2領域の夫々に酸素ガスを供給する複数の酸素ガス供給部と、生成したガスとバイオマスまたはバイオマス残渣を第1領域と第2領域との間を移動可能とする連通部と、第2領域から生成されたガスと残渣を排出する排気口とを備えている点にある。
In order to achieve the above-described object, the first characteristic configuration of the gasification furnace according to the present invention includes a biomass supply unit, a steam supply unit, and the steam supply as described in
バイオマス供給部から供給されたバイオマスが水蒸気供給部から供給される水蒸気によって流動する噴流床が反応塔の第1領域に形成され、第1領域でバイオマスが流動しながらガス化され、連通部を経由して反応塔のガスの流れ方向下流側の第2領域に流れる。第1領域及び第2領域の夫々に設けられた酸素ガス供給部から酸素ガスが供給されることによりバイオマスまたはガスの一部が燃焼し、その燃焼熱が各領域でガス化の反応に必要な温度の確保に用いられると同時にそのガスの成分が変化する。供給量調整機構によって第1領域への酸素ガス供給量及び第2領域への酸素ガス供給量が個別に調整されるので、それぞれの領域での温度及びガスの成分が調整され、その結果、外部熱源の利用を抑制することができ、各領域での生成ガスの成分調整もできるようになる。反応塔に供給されたバイオマスはガス化されて軽量の灰になった後にガスとともに排気口から排気される。 A spouted bed in which the biomass supplied from the biomass supply part flows with the steam supplied from the steam supply part is formed in the first region of the reaction tower, and the biomass is gasified while flowing in the first region, via the communication part Then, it flows to the second region on the downstream side in the gas flow direction of the reaction tower. Biomass or part of the gas is combusted by supplying oxygen gas from the oxygen gas supply section provided in each of the first region and the second region, and the combustion heat is necessary for the gasification reaction in each region. At the same time it is used to ensure temperature, the gas component changes. Since the supply amount adjusting mechanism individually adjusts the oxygen gas supply amount to the first region and the oxygen gas supply amount to the second region, the temperature and the gas component in each region are adjusted, and as a result, the external The use of the heat source can be suppressed, and the components of the product gas can be adjusted in each region. The biomass supplied to the reaction tower is gasified into light ash and then exhausted from the exhaust port together with the gas.
尚、主に水性ガス反応が行なわれる第1領域では、酸素ガス供給部から供給される酸素ガスによって主にカーボンからなるバイオマスの一部が燃焼して昇温され、その燃焼温度により吸熱反応である水性ガス反応、つまりカーボンと水蒸気から一酸化炭素ガスと水素ガスが生成される反応が促進される。第2領域では水蒸気供給部から供給された水蒸気のうち水性ガス反応に寄与しなかった水蒸気と一酸化炭素ガスとから水素ガスが生成される水性ガスシフト反応が進むとともに、酸素ガス供給部から供給される酸素ガスによって一部の一酸化炭素ガスが燃焼する。このように反応塔内に主に水性ガス反応が行なわれる第1領域と、主に水性ガスシフト反応が行なわれる第2領域をガス流れに沿って形成し、ガス化された軽量の灰を第2領域から排出することでコンパクトなガス化炉となる。 In the first region where the water gas reaction is mainly performed, a part of biomass mainly composed of carbon is burned and heated by the oxygen gas supplied from the oxygen gas supply unit, and the endothermic reaction is caused by the combustion temperature. A certain water gas reaction, that is, a reaction in which carbon monoxide gas and hydrogen gas are generated from carbon and water vapor is promoted. In the second region, the water gas shift reaction in which hydrogen gas is generated from the water vapor and carbon monoxide gas that have not contributed to the water gas reaction out of the water vapor supplied from the water vapor supply unit proceeds, and is supplied from the oxygen gas supply unit. Part of the carbon monoxide gas is burned by the oxygen gas. Thus, the first region where the water gas reaction is mainly performed in the reaction tower and the second region where the water gas shift reaction is mainly performed are formed along the gas flow, and the gasified lightweight ash is secondly formed. By discharging from the area, it becomes a compact gasifier.
同第二の特徴構成は、同請求項2に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記酸素ガス供給部のうち前記第1領域に対応する酸素ガス供給部は、少なくとも前記バイオマス供給部より上流側に配置されている点にある。 In the second feature configuration, in addition to the first feature configuration described above, the oxygen gas supply unit corresponding to the first region of the oxygen gas supply unit includes at least the oxygen gas supply unit. It exists in the point arrange | positioned upstream from a biomass supply part.
主に第1領域で発生するバイオマスと水蒸気との間に生じる水性ガス反応は吸熱反応であり、当該反応によって温度が低下すると水性ガス反応が抑制されるようになる。しかし、第1領域に対応する酸素ガス供給部が少なくともバイオマス供給部より上流側に配置されていれば、バイオマスと酸素ガスとの接触機会が増して燃焼反応が起きやすくなる。それにより、反応塔内部の発熱源として燃焼反応が利用されることになり、外部熱源の利用を効果的に抑制することができるようになる。 The water gas reaction that occurs mainly between the biomass generated in the first region and the water vapor is an endothermic reaction, and the water gas reaction is suppressed when the temperature decreases due to the reaction. However, if the oxygen gas supply unit corresponding to the first region is disposed at least upstream of the biomass supply unit, the opportunity for contact between the biomass and oxygen gas increases, and the combustion reaction is likely to occur. Thereby, the combustion reaction is used as a heat source inside the reaction tower, and the use of the external heat source can be effectively suppressed.
同第三の特徴構成は、同請求項3に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記酸素ガス供給部のうち前記第1領域に対応する酸素ガス供給部は、さらに前記バイオマス供給部の下流側に配置されている点にある。 In the third feature configuration, in addition to the second feature configuration described above, the oxygen gas supply unit corresponding to the first region of the oxygen gas supply unit further includes It exists in the point arrange | positioned in the downstream of a biomass supply part.
水性ガス反応で生じた一酸化炭素がバイオマス供給部の下流側から供給された酸素ガスによって燃焼するため、バイオマス供給部の下流側での温度低下が抑制され、水性ガス反応がさらに促進されるようになり、生成されたガスを十分な温度で第2領域に流下することができるようになる。 Since the carbon monoxide generated by the water gas reaction is combusted by the oxygen gas supplied from the downstream side of the biomass supply unit, the temperature decrease on the downstream side of the biomass supply unit is suppressed, and the water gas reaction is further promoted. Thus, the generated gas can flow down to the second region at a sufficient temperature.
同第四の特徴構成は、同請求項4に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記反応塔は縦形で、前記第2領域は前記第1領域の上方に形成され、前記水蒸気供給部は前記バイオマス供給部より上流に配置されている点にある。 In the fourth feature configuration, in addition to any one of the first to third feature configurations described above, the reaction tower is vertical, and the second region is the first region. The water vapor supply unit is located upstream of the biomass supply unit.
上述の構成によれば、反応塔に投入され下方に落下するバイオマスに対して、水蒸気供給部から供給される水蒸気の上昇流が作用し、バイオマスが底部に落下することを抑制して効果的にバイオマスの噴流床が形成されるようになる。 According to the above-described configuration, the upward flow of water vapor supplied from the water vapor supply unit acts on the biomass that is input to the reaction tower and falls downward, and effectively suppresses the biomass from falling to the bottom. A spouted bed of biomass is formed.
同第五の特徴構成は、同請求項5に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記第2領域のガス流速を前記第1領域のガス流速よりも低下させるガス流速調整部を備えている点にある。
In the fifth feature configuration, as described in
上述の構成によれば、第2領域のガス流速が第1領域のガス流速よりも低くなり、第1領域で未だガス化していない比重の大きな未反応のバイオマスは第2領域に到達しても留まることはできず第1領域に戻される。第1領域に戻されたバイオマスは、再度水性ガス反応や燃焼反応等の機会を得ることになり、比重の小さなバイオマス灰になるまで第1領域に留まり続ける。また、第2領域での水性ガスシフト反応に要する時間が稼げるので、反応塔のガスの流れ方向サイズを小型にでき、結果としてバイオマスの水性ガス反応への変換率も向上する。さらに、比重の小さい残渣は第2領域より早い流速により第1領域に留まることができず、第2領域へ移動し排気口から排出される。 According to the above-described configuration, the gas flow rate in the second region is lower than the gas flow rate in the first region, and unreacted biomass having a large specific gravity that has not yet been gasified in the first region reaches the second region. It is not possible to stay and it is returned to the first area. The biomass returned to the first region will have another opportunity for a water gas reaction, a combustion reaction, etc., and will remain in the first region until it becomes biomass ash having a small specific gravity. Moreover, since the time required for the water gas shift reaction in the second region can be obtained, the gas flow direction size of the reaction tower can be reduced, and as a result, the conversion rate of biomass into the water gas reaction is also improved. Further, the residue having a small specific gravity cannot stay in the first region due to the flow velocity faster than that in the second region, moves to the second region, and is discharged from the exhaust port.
同第六の特徴構成は、同請求項6に記載した通り、上述の第五の特徴構成に加えて、前記ガス流速調整部は、内部のガス流に直交する平均断面積が前記第1領域より前記第2領域の方が大きくなるように形成された前記反応塔の形状により具現化されている点にある。 In the sixth feature configuration, as described in claim 6, in addition to the fifth feature configuration described above, the gas flow velocity adjusting unit has an average cross-sectional area perpendicular to an internal gas flow in the first region. Further, the second region is embodied by the shape of the reaction tower formed to be larger.
同第七の特徴構成は、同請求項7に記載した通り、上述の第五または第六の特徴構成に加えて、前記第1領域のガス流速はバイオマスが浮遊する流速に設定され、前記第2領域のガス流速はバイオマスが第1領域に落下する流速に設定されている点にある。 In the seventh feature configuration, in addition to the fifth or sixth feature configuration described above, the gas flow rate in the first region is set to a flow rate at which biomass floats, and The gas flow rate in the two regions is set to a flow rate at which biomass falls into the first region.
上述の構成によれば、第1領域でバイオマスの噴流床が形成されて良好に水性ガス反応が促進される。水性ガス反応が不十分で未反応の状態のバイオマスが第2領域に到達しても留まることはできず第1領域に落下し、再度水性ガス反応の機会が得られる。バイオマスが水性ガス反応により灰化すると、ガスと同伴して第2領域に流下して排気口から排出される。従って、第1領域でバイオマスからガスへ高い変換率で変換されるようになる。 According to the above-described configuration, the spouted bed of biomass is formed in the first region, and the water gas reaction is favorably promoted. Even if the unreacted and unreacted biomass of the water gas reaction reaches the second region, it cannot stay and falls to the first region, and an opportunity for the water gas reaction is obtained again. When the biomass is ashed by the water gas reaction, it is accompanied by the gas and flows down to the second region and is discharged from the exhaust port. Therefore, it is converted from biomass to gas at a high conversion rate in the first region.
同第八の特徴構成は、同請求項8に記載した通り、上述の第一から第七の何れかの特徴構成に加えて、前記反応塔から流出するガスの組成に基づいて各酸素ガス供給部からの酸素ガス供給量を調整する供給量調整機構を備えている点にある。
In the eighth feature, as described in
第1領域へ供給されるバイオマスの組成と供給量、すなわち反応塔内に供給されるカーボンC、水素H、酸素O及びバイオマスに含まれる水分H2Oに基づいて、第1領域での水性ガス反応の程度、第2領域での水性ガスシフト反応の程度、その時の領域内の温度を所望の温度に維持するために必要な酸素ガス量が、供給量調整機構によって化学量論的に演算され、その結果に基づいて各酸素ガス供給部から供給すべき酸素ガスの供給量が調整されるので、外部熱源の利用を抑制しながらも所望の組成のガスが高効率で得られるようになる。 Based on the composition and supply amount of biomass supplied to the first region, that is, carbon C, hydrogen H, oxygen O and moisture H 2 O contained in the biomass supplied to the reaction tower, water gas in the first region The degree of reaction, the degree of water gas shift reaction in the second region, and the amount of oxygen gas necessary to maintain the temperature in the region at that time at the desired temperature are calculated stoichiometrically by the supply amount adjusting mechanism, Since the supply amount of oxygen gas to be supplied from each oxygen gas supply unit is adjusted based on the result, a gas having a desired composition can be obtained with high efficiency while suppressing the use of an external heat source.
同第九の特徴構成は、同請求項9に記載した通り、上述の第一から第七の何れかの特徴構成に加えて、前記反応塔から流出するガスの組成に基づいて酸素ガスの総供給量一定の下で各酸素ガス供給部からの酸素ガス供給量の比率を調整する供給量調整機構を備えている点にある。 In the ninth feature configuration, as described in claim 9, in addition to any one of the first to seventh feature configurations described above, the total oxygen gas is based on the composition of the gas flowing out from the reaction tower. A supply amount adjusting mechanism is provided that adjusts the ratio of the oxygen gas supply amount from each oxygen gas supply unit under a constant supply amount.
上述の構成によれば、反応塔から流出するガスの組成に基づいて、供給量調整機構により酸素ガスの総供給量一定の下で各酸素ガス供給部からのガス供給量の比率が調整されるため、バイオマスの組成等に変動が生じても所望の組成の合成ガスが精度よく得られるように柔軟に対応できるようになる。 According to the above-described configuration, the ratio of the gas supply amount from each oxygen gas supply unit is adjusted based on the composition of the gas flowing out from the reaction tower under a constant total supply amount of oxygen gas by the supply amount adjustment mechanism. Therefore, even if fluctuations occur in the composition or the like of the biomass, it becomes possible to flexibly cope with the synthesis gas having a desired composition with high accuracy.
本発明によるガス化炉の運転方法の第一の特徴構成は、同請求項10に記載した通り、上述の第一から第七の何れかの特徴構成を備えたガス化炉の運転方法であって、前記反応塔から流出するガスの組成を測定し、測定されたガス組成が目標ガス組成になるように、前記酸素ガス供給部から前記第1領域及び第2領域の夫々に供給する酸素ガスの供給量を調整する点にある。 The first characteristic configuration of the gasification furnace operation method according to the present invention is the gasification furnace operation method having any one of the first to seventh characteristic configurations described above. The oxygen gas supplied to each of the first region and the second region from the oxygen gas supply unit so that the composition of the gas flowing out from the reaction tower is measured and the measured gas composition becomes the target gas composition The amount of supply is adjusted.
同第二の特徴構成は、同請求項11に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、上述の第一から第八の何れかの特徴構成を備えたガス化炉の運転方法であって、測定されたガス組成が目標ガス組成になるように、前記酸素ガス供給部から供給される酸素ガスの総量を一定に維持しながら、前記第1領域及び第2領域の夫々に供給する酸素ガスの供給量の比率を調整する点にある。 As described in claim 11, the second characteristic configuration is a gasification furnace operating method having any one of the first to eighth characteristic configurations in addition to the first characteristic configuration described above. And supplying each of the first region and the second region while keeping the total amount of oxygen gas supplied from the oxygen gas supply unit constant so that the measured gas composition becomes the target gas composition. The oxygen gas supply amount ratio is adjusted.
以上説明した通り、本発明によれば、外部熱源の利用を抑制しつつ所望の比率の合成ガスを得ることができる自由度の高いシンプルなガス化炉、及びガス化炉の運転方法を提供することができるようになった。 As described above, according to the present invention, there is provided a simple gasification furnace having a high degree of freedom and a gasification furnace operating method capable of obtaining a desired ratio of synthesis gas while suppressing the use of an external heat source. I was able to do it.
以下、本発明によるガス化炉、及びガス化炉の運転方法の実施形態を説明する。
図6に示すように、本発明によるガス化炉10は、バイオマスを原料にして生成される合成ガスから液体燃料を生成する液体燃料化システム100に組み込まれることが可能なガス化炉である。尚、当該ガス化炉10で生成される合成ガスは、発電や他の熱源としても利用可能である。
Hereinafter, embodiments of the gasification furnace and the operation method of the gasification furnace according to the present invention will be described.
As shown in FIG. 6, a
液体燃料化システム(BTLシステム)100は、バイオマスから液体燃料の原料となる合成ガスを生成するガス化炉10、生成された合成ガスから灰分等の固形物、硫化水素ガスや塩化水素ガス、アンモニア等を除去するサイクロン、スクラバー、活性炭吸着塔等からなるガス精製装置204を経て精製された合成ガスから燃料を合成するFT合成装置104を備えている。
A liquid fuel conversion system (BTL system) 100 includes a
ガス化炉10は、炉温が500℃以上1000℃以下の高温下で、バイオマスを水蒸気或いは過熱水蒸気で還元加熱して合成ガス(H2、CO)を生成する反応塔を備えている。反応塔で得られた合成ガスが後段のガス精製装置204で精製され、不純物が除去された後にヒータ及び圧縮機を介して高温高圧に加熱及び加圧されてFT合成装置104に投入される。
The
FT合成とは、Fischer−Tropsch合成の略で、一酸化炭素と水素から触媒反応を用いて液体炭化水素を合成する一連の合成反応プロセスを指す。FT合成装置104に投入された合成ガスは、触媒が分散された溶媒中に投入されて所望の炭化水素に合成される。触媒の種類や性状により変化するが、例えば、メタノールを合成する場合には、水素と一酸化炭素の比率H2/COは約2であることが好ましい場合もある。また本実施形態で軽油を合成する場合には水素と一酸化炭素の比率H2/COは約1であることが好ましい。
FT synthesis is an abbreviation for Fischer-Tropsch synthesis and refers to a series of synthetic reaction processes in which liquid hydrocarbons are synthesized from carbon monoxide and hydrogen using a catalytic reaction. The synthesis gas charged into the
つまり、FT合成で所望の炭化水素を効率的に得るために、水素と一酸化炭素の比率H2/COが調整されていることが好ましく、この比率は同じ種類の炭化水素を得る場合でもFT合成で使用される触媒の種類にも依存する。 That is, in order to efficiently obtain a desired hydrocarbon in the FT synthesis, it is preferable that the ratio H 2 / CO of hydrogen and carbon monoxide is adjusted, and this ratio is FT even when the same kind of hydrocarbon is obtained. It also depends on the type of catalyst used in the synthesis.
従って、様々な比率H2/COで合成ガスが得られる汎用性の高いガス化炉10が望まれ、また合成ガスの収率が高くコンパクトなガス化炉10が望まれている。
Accordingly, a highly
図1には、本発明によるガス化炉10の一例が示されている。
ガス化炉10は、フレームで支持され、耐食性の金属で構成された縦型円筒形状の反応塔4と、反応塔4にバイオマスを供給するバイオマス供給装置2と、水性ガス反応を生起するための水蒸気を反応塔4に供給する水蒸気供給部3と、反応塔4を所望の温度に加熱するとともに合成ガスである水素と一酸化炭素の比率H2/COを調整する酸素ガス供給部5(5a,5b,5c)とが設けられている。
FIG. 1 shows an example of a
The
例えば高周波加熱等により常圧で約500℃程度に加熱された水蒸気とバイオマスとが反応塔4の内部で水性ガス反応や、水性ガスシフト反応して、反応塔4上部の排気口40から排気され、排気管42を経て上述したガス精製装置204(図6参照)に導かれる。水性ガス反応は主に反応塔4の下部で、水性ガスシフト反応は主に反応塔4を上昇する過程で生じる。ガス精製装置204(図6参照)には誘引送風機が設けられ、反応塔4内部が負圧に維持され、反応塔4内で生成されたガスがガス精製装置204(図6参照)に誘引されて精製される。
For example, water vapor and biomass heated to about 500 ° C. at normal pressure by high-frequency heating or the like undergo a water gas reaction or a water gas shift reaction inside the
バイオマス供給装置2は一端が反応塔4の下方にフランジ接続された筒状のケーシング20と筒状のケーシング20に収容されたスクリュー羽根21とを備えたスクリューコンベア機構で構成され、筒状のケーシング20(以下、単に「ケーシング」と記す。)の他端側にバイオマスの投入口22が設けられている。投入口22には略鉛直姿勢の搬送路70が接続され、その搬送路70の上端に定量供給機構71を備えたホッパー7が設けられている。
The
原料となるバイオマスとして稲わら、もみ殻、麦わら、トウモロコシの茎葉等の乾燥系のバイオマスが好適に用いられる。数mm程度に破砕されたこれらの乾燥系のバイオマスがホッパー7に充填され、搬送路70を介して投入口22に搬送される。投入口22に投入されたバイオマスはスクリュー羽根21で圧密に搬送されて反応塔4に投入される。つまり、ケーシング20内が充填され圧密化されたバイオマスで外気と反応塔4内部との間がシールされる。
Dry biomass such as rice straw, rice husk, wheat straw, corn stover and the like is preferably used as the raw material biomass. These dry biomass crushed to about several mm is filled in the
バイオマス供給装置2の下方に第1酸素ガス供給部5(5a)が設けられ、第1酸素ガス供給部5(5a)の下方に水蒸気供給部3が設けられている。バイオマス供給装置2の上方にはさらに他の複数の酸素ガス供給部5(5b,5c)が上下方向位置を異ならせて設けられている。
A first oxygen gas supply unit 5 (5a) is provided below the
反応塔4には、塔内温度を維持するために反応塔4を囲むように断熱壁Wが設置されている。断熱壁Wの内側、特に反応塔4の下方には反応塔4を所望の温度に維持するために複数のヒータHが埋め込まれている(図2(b)参照)。
In the
図2(a)に示すように、バイオマス供給部2から反応塔4の内部に供給されたバイオマスBは水蒸気供給部3の先端部に設けられたノズル30から噴射される水蒸気により反応塔4の内部で流動する噴流床8が形成される。
As shown in FIG. 2 (a), the biomass B supplied from the
ノズル30の開口30aが反応塔4の底部41に向かって噴射され、底部41に向かって落下したまたは落下中のバイオマスを巻き上げながら上方に吹き上げる。反応塔4の下部の噴流床8が形成される領域が主に水性ガス反応が行なわれる第1領域R1となる。更に第1領域の上方に主に水性ガスシフト反応が行なわれる第2領域R2(図1参照)が形成される。
The opening 30a of the
水性ガス反応とは、次式に示すように、500℃以上の高温環境下でバイオマスである固体炭素Cと水蒸気H2Oとから一酸化炭素COと水素H2が生成される吸熱反応をいう。
C+H2O → CO+H2
The water gas reaction is an endothermic reaction in which carbon monoxide CO and hydrogen H 2 are generated from solid carbon C and steam H 2 O as biomass in a high temperature environment of 500 ° C. or higher as shown in the following formula. .
C + H 2 O → CO + H 2
水性ガスシフト反応とは、次式に示すように、800℃以上の高温環境下で一酸化炭素COと水蒸気H2Oとから二酸化炭素CO2と水素H2が生成される発熱反応をいう。
CO+H2O → CO2+H2
The water gas shift reaction is an exothermic reaction in which carbon dioxide CO 2 and hydrogen H 2 are generated from carbon monoxide CO and water vapor H 2 O in a high temperature environment of 800 ° C. or higher as shown in the following equation.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
吸熱反応である水性ガス反応が500℃以上の高温環境下で促進されるために加熱源が必要になる。そのため、上述したヒータH及び酸素ガス供給部5(5a)が設けられている。 Since a water gas reaction which is an endothermic reaction is promoted in a high temperature environment of 500 ° C. or higher, a heating source is required. Therefore, the heater H and the oxygen gas supply unit 5 (5a) described above are provided.
図2(b)に示すように、反応塔4が断熱壁Wで囲まれた状態でヒータHに通電されることにより、反応塔4の内部が500℃以上に加熱される。
As shown in FIG. 2B, the heater H is energized while the
図2(a)に戻り、その後、第1酸素ガス供給部5(5a)から供給される酸素ガスにより第1領域R1で流動しているバイオマスBの一部が燃焼して二酸化炭素になる発熱反応によって高温の環境温度が維持されるようになる。図2(a)で黒く塗りつぶされた粒子が燃焼したバイオマスである。つまり、ヒータHからの外部加熱やバイオマスBの一部の燃焼による内部加熱により温度が維持される。
C+O2 → CO2
C+1/2・O2 → CO
Returning to FIG. 2A, after that, part of the biomass B flowing in the first region R1 is burned by the oxygen gas supplied from the first oxygen gas supply unit 5 (5a) to become carbon dioxide. A high ambient temperature is maintained by the reaction. It is the biomass which the particle | grains painted black in FIG. 2 (a) burned. That is, the temperature is maintained by external heating from the heater H or internal heating by partial combustion of the biomass B.
C + O 2 → CO 2
C + 1/2 · O 2 → CO
第1領域R1のうちバイオマス供給部2の上方にも第2酸素ガス供給部5(5b)が設けられ、第2酸素ガス供給部5(5b)から供給される酸素によってもバイオマスが部分燃焼して環境温度が維持される。もちろんこれらの酸素ガス供給部5から供給される酸素ガス量は安定した水性ガス反応が行なわれるために十分な量でありバイオマスの殆どが燃焼して消失するような量ではない。
A second oxygen gas supply unit 5 (5b) is also provided above the
バイオマス供給装置2から供給されたバイオマスBは加熱されることなく反応塔4に供給され、反応塔4内の下方へ落下するので、噴流床の最下部近傍の温度が最も低くなる。そのため、この近傍に第1酸素ガス供給部5(5a)が配置されることが重要となる。また、第1領域の内バイオマス供給装置2の上方でも十分な環境温度を維持するため第2酸素ガス供給部5(5b)の位置も重要となる。何故なら、基本的にヒータHは立上げ時の熱源として用いられ、その後は酸素ガスとバイオマスBの燃焼反応で環境温度が維持されるように構成されているからである。
Since the biomass B supplied from the
つまり、水蒸気供給部3はガスの流れ方向に沿ってバイオマス供給装置2より上流(図2では下方)に配置され、酸素ガス供給部5のうち第1領域R1に対応する酸素ガス供給部5aは、少なくともバイオマス供給装置2より上流側に配置されている。
That is, the water
さらに、酸素ガス供給部5のうち第1領域R1に対応する酸素ガス供給部5bは、バイオマス供給部2の下流側にさらに配置され、水蒸気供給部3は何れの酸素ガス供給部5より上流側に配置されている。
Furthermore, the oxygen
第1領域R1でバイオマスから生成された合成ガス及びチャーや灰はそのガス流れ方向下流側の第2領域R2に上昇して上述した水性ガスシフト反応が促進される。第2領域R2の入口部に先端が下方を向くように第3酸素ガス供給部5(5c)が配置され、第3酸素ガス供給部5(5c)から供給される酸素ガスにより水性ガス反応で生成された一酸化炭素の一部が燃焼する。
CO+1/2・O2 → CO2
The synthesis gas, char and ash generated from the biomass in the first region R1 rise to the second region R2 on the downstream side in the gas flow direction, and the water gas shift reaction described above is promoted. The third oxygen gas supply unit 5 (5c) is disposed at the inlet of the second region R2 such that the tip is directed downward, and the oxygen gas supplied from the third oxygen gas supply unit 5 (5c) is used for water gas reaction. A part of the produced carbon monoxide burns.
CO + 1/2 · O 2 → CO 2
第2領域で主に行われる水性ガスシフト反応は発熱反応であるため、第3酸素ガス供給部5(5c)から供給される酸素ガスは環境温度の維持よりもむしろ水性ガス反応で生成される一酸化炭素と水素の比率の調整の意義が大きい。一酸化炭素の燃焼量が増せばそれだけ水素ガスの比率が大きくなるためである。 Since the water gas shift reaction mainly performed in the second region is an exothermic reaction, the oxygen gas supplied from the third oxygen gas supply unit 5 (5c) is generated by the water gas reaction rather than maintaining the environmental temperature. The significance of adjusting the ratio of carbon oxide and hydrogen is significant. This is because the proportion of hydrogen gas increases as the combustion amount of carbon monoxide increases.
尚、水性ガスシフト反応に必要な水蒸気は水蒸気供給部3から供給され、第1領域で水性ガス反応に寄与しなかった水蒸気が消費される。また、第3酸素ガス供給部5(5c)から供給される酸素ガスは燃焼して二酸化炭素になるだけであるため、反応塔4を上昇するガス流量は大きく変化することが無い。
In addition, the water vapor | steam required for a water gas shift reaction is supplied from the water vapor |
第1領域で生成されたガスとバイオマスまたはチャーや灰は第1領域R1と第2領域R2との間で連通部43を介して移動可能に構成されている。
The gas and biomass or char or ash generated in the first region are configured to be movable between the first region R1 and the second region R2 via the
上述したように水蒸気供給部3から供給される水蒸気により水性ガス反応と水性ガスシフト反応に必要な水が供給されるとともに、第1領域でバイオマスの噴流床が形成されるように水蒸気の流量が調整されている。
As described above, water necessary for the water gas reaction and the water gas shift reaction is supplied by the water vapor supplied from the water
具体的に、第2領域R2のガス流速を第1領域R1のガス流速よりも低下させるガス流速調整部cが連通部43に形成されている。ガス流速調整部cは、内部のガス流に直交する平均断面積(図1においては紙面に直交する平面の反応塔の面積)が第1領域R1より第2領域R2の方が大きくなるように拡径形成された反応塔4の形状により具現化されている。
Specifically, a gas flow rate adjustment unit c that lowers the gas flow rate in the second region R2 than the gas flow rate in the first region R1 is formed in the
この拡径は第1領域R1から第2領域R2へのガス流れを乱さないように、縮径することなく滑らかに拡径するとともに、拡径部にバイオマスや残渣が堆積しないように、鋭角に立ち上がるように形成されている。 This diameter expansion is carried out at an acute angle so that the gas flow from the first region R1 to the second region R2 is not disturbed, and the diameter is smoothly expanded without reducing the diameter, and so that biomass and residues are not deposited on the expanded portion. It is formed to stand up.
第1領域R1で生成されたガスが第2領域に到達すると、拡径形成された反応塔4の形状により、その上昇速度が低下し、ガスに同伴した未反応のバイオマスがバイオマス自体の重量で第1領域に落下するように設定されている。つまり、未反応のバイオマスの殆どが第1領域R1で水性ガス反応の原料となり、或いは酸素ガスにより燃焼して灰化される。灰化されると比重が小さくなり、水蒸気供給部3からの水蒸気により生じる噴流床でこの灰化したバイオマスの残渣残差も巻き上げられ、ガスに同伴して第2領域R2に上昇して排気口40からガスとともに排気される。従って、排気口40以外に残渣を取り出す専用の残差排出部を設ける必要がない。
When the gas generated in the first region R1 reaches the second region, the rising speed is reduced due to the shape of the
上述したガス流速調整部cにより第2領域R2を流れるガスの流速は十分に低下するため、水性ガスシフト反応のための時間は十分に確保できるようになる。従って、第2領域R2の長さをそれほど稼ぐ必要がなく、反応塔4がコンパクトに構成できるようになる。
Since the gas flow velocity adjusting unit c described above sufficiently reduces the flow velocity of the gas flowing through the second region R2, it is possible to secure a sufficient time for the water gas shift reaction. Therefore, it is not necessary to increase the length of the second region R2 so much, and the
このように、反応塔4内に主に水性ガス反応が行なわれる第1領域R1と、主に水性ガスシフト反応が行なわれる第2領域R2をガス流れに沿って形成し、ガス化された軽量の灰を第2領域から排出することで、第1領域R1と第2領域R2とが別の装置でなく一体で構成され、コンパクトなガス化炉を得ることができる。
As described above, the first region R1 in which the water gas reaction is mainly performed in the
図3に示すように、上述したガス化炉10で進行するバイオマスのガス化プロセスを管理して制御するプロセス制御部60がさらに設けられている。プロセス制御部60は汎用コンピュータと、汎用コンピュータにインストールされた制御プログラムと、拡張ボードを備えて構成されている。拡張ボードには第1領域R1に設置された第1温度センサS3、第2領域R2に設置された第2温度センサS4、排気管42に設置された水素ガスセンサS1及び一酸化炭素ガスセンサS2からの検出信号が入力される入力回路、バイオマス供給部2のスクリュー羽根21を回転制御するモータへの駆動信号、水蒸気源から水蒸気供給部3に供給される水蒸気流量を調整する制御バルブV1、酸素ガス源から各酸素ガス供給部5(5a,5b,5c)へ供給される酸素ガス量を調整する制御バルブVa,Vb,Vcの開度調整信号が出力される出力回路が設けられている。
As shown in FIG. 3, the
プロセス制御部60には、各酸素ガス供給部5(5a,5b,5c)から供給される酸素ガスの供給量を個別に調整制御する供給量調整機構50が組み込まれている。供給量調整機構50は、反応塔4から流出するガスの組成を測定する水素ガスセンサS1及び一酸化炭素ガスセンサS2からの検出信号に基づいて、ガス組成が目標ガス組成になるように、つまり水素と一酸化炭素の比率H2/COが所望の比率になるように、酸素ガス供給部5から第1領域R1及び第2領域R2の夫々に供給する酸素ガスの供給量を調整するように構成されている。
The
図4(a)に示すように、第1領域R1に備えた第1酸素ガス供給部5aから供給される酸素ガスは、水性ガス反応により低下する温度を補償するために主にバイオマスの燃焼つまり固体炭素の燃焼に費やされる。その結果発生する燃焼温度により環境温度が上昇して水性ガス反応が促進されるが、固体炭素の燃焼により発生する一酸化炭素CO及び二酸化炭素CO2濃度も上昇するため、相対的に水素と一酸化炭素の比率H2/COが小さくなる。この傾向は第1酸素ガス供給部5aからの酸素の供給量を増すほど強くなる。
As shown in FIG. 4A, the oxygen gas supplied from the first oxygen
第1領域R1の下流側に備えた第2酸素ガス供給部5bから供給される酸素ガスは、上流側で生じた水性ガス反応により低下する温度を補償するために供給される。第1酸素ガス供給部5aから供給される酸素ガスと同様のメカニズムが働くが、既に水性ガス反応で生じた一酸化炭素と水蒸気との間で生じる水性ガスシフト反応もある程度促進される。つまり、第2酸素ガス供給部5bから供給される酸素ガス供給量により固体炭素の燃焼と水性ガスシフト反応との間のバランスが調整される。
The oxygen gas supplied from the second oxygen
図4(b)に示すように、第2領域R2に備えた第3酸素ガス供給部5cから供給される酸素ガスは、主に第1領域R1で行われた水性ガス反応で生じた一酸化炭素CO、または燃焼反応で生じた一酸化炭素COの燃焼や水性ガスシフト反応に費やされる。その結果、環境温度が上昇して水性ガスシフト反応が促進される。結果、水素ガスH2濃度が上昇するため、相対的に水素と一酸化炭素の比率H2/COが大きくなる。この傾向は酸素の供給量を増すほど強くなる。
As shown in FIG. 4B, the oxygen gas supplied from the third oxygen
図4(c)に示すように、3系統の酸素ガス供給部5(5a,5b,5c)から供給される酸素ガス量を調整することにより、水素と一酸化炭素の比率H2/COを所望の比率に調整できるようになる。 As shown in FIG. 4 (c), by adjusting the amount of oxygen gas supplied from the three systems of oxygen gas supply units 5 (5a, 5b, 5c), the ratio H 2 / CO of hydrogen to carbon monoxide is reduced. The desired ratio can be adjusted.
尚、図4(a),(b),(c)に示すガス組成を囲み円の面積は、生成されるガスの概略の比率が示されている。 Note that the area of the circle surrounding the gas composition shown in FIGS. 4A, 4 </ b> B, and 4 </ b> C indicates the approximate ratio of the generated gas.
図4(d)には、上述したガス化炉10を用いて3系統の酸素ガス供給部5(5a,5b,5c)から供給される酸素ガス量を様々に調整して操炉した結果、生成されたガスの種類及びその量が示されている。
In FIG. 4 (d), as a result of variously adjusting the amount of oxygen gas supplied from the three oxygen gas supply units 5 (5a, 5b, 5c) using the
RunNo.1はガス化炉10への供給酸素ガスの総量一定の下で、各ガス供給部へ均等比率で供給した結果が示され、RunNo.2は供給酸素ガスの総量一定の下で、第3ガス供給部5cへの供給量を相対的に増加するように供給した結果が示され、RunNo.3は供給酸素ガスの総量一定の下で、第2ガス供給部5bへの供給量を相対的に増加するように供給した結果が示され、RunNo.4は供給酸素ガスの総量一定の下で、第1ガス供給部5aへの供給量を相対的に増加するように供給した結果が示されている。
RunNo. 1 shows the result of supplying the gas supply parts at an equal ratio with the total amount of oxygen gas supplied to the
水素と一酸化炭素の比率H2/COに注目すると、第3ガス供給部5cへの供給量を相対的に多くしたRunNo.2では、均等に供給したRunNo.1に比べて比率H2/COが大きくなり、第1ガス供給部5aへの供給量を相対的に多くしたRunNo.4では、均等に供給したRunNo.1に比べて比率H2/COが小さくなることが確認され、第2ガス供給部5bへの供給量を相対的に多くしたRunNo.3では、均等に供給したRunNo.1に比べて比率H2/COが小さくなり、RunNo.4と同様の傾向が表れることが確認できる。
When attention is paid to the ratio of hydrogen to carbon monoxide H 2 / CO, RunNo. 2, evenly supplied RunNo. The ratio H 2 / CO is larger than that of Run No. 1, and the supply amount to the first
つまり、供給量調整機構50は、測定されたガス組成が目標ガス組成になるように、酸素ガス供給部5から供給される酸素ガスの総量を一定に維持しながら、第1領域及び第2領域の夫々に供給する供給量の比率を調整するように構成されている。
That is, the supply
具体的には、第2領域R2への酸素ガス供給量を増やすと水素を相対的に増やすことができ、第1領域R1への酸素ガス供給量、さらに言えば第1領域R1の上流側への酸素ガス供給量を増やすと一酸化炭素を相対的に増やすことができる。 Specifically, when the amount of oxygen gas supplied to the second region R2 is increased, hydrogen can be relatively increased, and the amount of oxygen gas supplied to the first region R1, more specifically, upstream of the first region R1. When the amount of oxygen gas supplied is increased, carbon monoxide can be relatively increased.
例えば、バイオマスの組成や含水率に基づいて、反応塔4内を水性ガス反応及び水性ガスシフト反応を促進するために必要な環境温度に維持するために必要な入熱量を算出して、その入熱量が領域R1,R2毎にバイオマスの燃焼熱及び/または一酸化炭素の燃焼熱で得られるように酸素ガスの総量を定め、定めた総量を一定に維持しながら、第1領域及び第2領域の夫々に供給する供給量の比率を調整するのである。
For example, based on the biomass composition and moisture content, the amount of heat input is calculated by calculating the amount of heat input required to maintain the inside of the
本発明によるガス化炉10に備えた供給量調整機構50は、上述した制御態様以外に第1温度センサS3及び第2温度センサS4により検出される第1領域R1及び/または第2領域R2の温度が所定の環境温度になるように各酸素ガス供給部5(5a,5b,5c)から供給される酸素ガス量を調整することも可能である。この場合も、水素ガスセンサS1、一酸化炭素ガスセンサS2で測定されたガス組成が目標ガス組成になるように各酸素ガス供給部5(5a,5b,5c)から供給される酸素ガス量が調整されることが前提となる。
The supply
尚、温度センサやガスセンサは数を増やすことで、より精度良く酸素ガス量の調整が可能になり、温度や水素、一酸化炭素と比率の調整も精度良くできるようになる。 Note that by increasing the number of temperature sensors and gas sensors, the amount of oxygen gas can be adjusted more accurately, and the ratio of temperature, hydrogen, and carbon monoxide can be adjusted with high accuracy.
プロセス制御部60は、供給量調整機構50によりガス組成が目標ガス組成になるように制御できない場合や、ガス組成が目標ガス組成になってもガス量が低下するような場合に、バイオマス供給部2から供給されるバイオマスの供給量及び/または水蒸気供給部3から供給される水蒸気供給量を増減調整するように構成されている。
The
そして、供給量調整機構50はバイオマスの供給量及び/または水蒸気供給量の変動に基づいて必要な酸素ガス供給量や供給量の比率を調整するように構成されている。
The supply
以上説明した通り、本発明のガス化炉10を用いることにより、反応塔の上流側でバイオマスに水蒸気を供給して噴流床を形成し、主に水性ガス反応を促す水性ガス反応促進工程と、水性ガス反応工程で生成されたガスに対して、反応塔の下流側で主に水性ガスシフト反応を促す水性ガスシフト反応促進工程と、水性ガス反応促進工程及び水性ガスシフト反応促進工程の夫々に酸素ガスを供給するとともに、夫々に供給する酸素ガスの比率を調整することにより、反応塔から流出するガスの組成を調整する酸素ガス供給工程と、を含むバイオマスガス化処理方法が実行される。
As described above, by using the
尚、酸素ガス供給工程は、水性ガス反応促進工程及び水性ガスシフト反応促進工程の夫々に供給する酸素ガスの総量を一定に維持しながら供給量の比率を調整して、反応塔から流出するガスの組成を調整する工程が含まれる。 In the oxygen gas supply step, the ratio of the supply amount is adjusted while maintaining the total amount of oxygen gas supplied to each of the water gas reaction promotion step and the water gas shift reaction promotion step, so that the gas flowing out of the reaction tower A step of adjusting the composition is included.
本発明によるガス化炉を用いると、各酸素ガス供給部5(5a,5b,5c)から供給される酸素ガス量を調整することにより、水素と一酸化炭素の比率H2/COが約2の合成ガスや、水素と一酸化炭素の比率H2/COが約1の合成ガスが得られるようになる。 When the gasification furnace according to the present invention is used, the ratio H 2 / CO of hydrogen to carbon monoxide is about 2 by adjusting the amount of oxygen gas supplied from each oxygen gas supply unit 5 (5a, 5b, 5c). Or a synthesis gas having a hydrogen to carbon monoxide ratio H 2 / CO of about 1.
以下、本発明によるガス化炉の別実施形態を説明する。
上述した実施形態では反応塔4が縦型円筒形状に構成された例を説明したが、反応塔4が縦型であれば楕円筒状であっても角筒状であってもよい。
Hereinafter, another embodiment of the gasifier according to the present invention will be described.
In the above-described embodiment, the example in which the
上述した実施形態では連通部43に形成されたガス流速調整部cとなる拡径部に、第1領域R1から第2領域R2に次第に拡径するテーパー部を形成しているが、テーパー部の角度は鈍角に形成されることが好ましい。急激に拡径すると剥離流が生じて段差部に灰等が蓄積されて流速の低下が妨げられる虞があるためである。
In the embodiment described above, a tapered portion that gradually increases in diameter from the first region R1 to the second region R2 is formed in the enlarged diameter portion that becomes the gas flow rate adjusting portion c formed in the
上述した実施形態は、噴流床式のガス化炉について説明したが、流動床式のガス化炉に適用することも可能である。また、噴流床式のガス化炉であっても噴流床に僅かに珪砂やセラミック粒子を混入し、噴流床でバイオマスが破砕されるように構成することで水性ガス反応が促進されるようになる。 Although the above-described embodiment has been described with respect to the spouted bed type gasification furnace, it can also be applied to a fluidized bed type gasification furnace. Moreover, even if it is a spouted bed type gasification furnace, water gas reaction will be accelerated | stimulated by comprising so that silica sand and a ceramic particle may be mixed in a spouted bed slightly and biomass may be crushed with a spouted bed. .
上述した実施形態では、外部熱源であるヒータを炉の立上げ時に使用する例を説明したが、水性ガス反応を促進するために外部熱源であるヒータを使用してもよい。この場合でも酸素ガス供給部を備えることにより、ヒータに要する電力コストは大幅に低減できる。 In the above-described embodiment, the example in which the heater, which is an external heat source, is used when the furnace is started up, but the heater, which is an external heat source, may be used to promote the water gas reaction. Even in this case, the power cost required for the heater can be significantly reduced by providing the oxygen gas supply unit.
尚、外部熱源であるヒータ等外部から追加のエネルギー投入を無くし、バイオマスのみでガス化炉の運転ができるのがより良い形態である。 In addition, it is a better mode that the operation of the gasification furnace can be performed only by biomass without adding additional energy from the outside such as a heater which is an external heat source.
上述した実施形態では、ガス供給機構5が3系統で構成された例を説明したが、図1に破線で示したように、さらに別系統のガス供給機構5dを備えてもよい。このようなガス供給機構5dは第1領域R1のみならず第2領域R2に備えてもよい。ガス供給機構を増やすことで、より細かな反応塔4内の温度調整と水素と一酸化炭素の成分比の制御が可能になる。
In the embodiment described above, the example in which the
上述した実施形態では、第1及び第2ガス供給機能5a,5bから酸素ガスが反応塔4の周壁の一か所から垂直に供給され、第3ガス供給機能5cから酸素ガスが反応塔4の周壁の一か所から斜め下方に供給される態様を説明したが、このような態様に限るものではない。
In the above-described embodiment, oxygen gas is supplied vertically from one place of the peripheral wall of the
例えば、図5(a)に示すように、ガス供給機構5に反応塔4を囲繞するようにヘッダー管50を備え、ヘッダー管50に形成された複数のガス供給管51から反応塔4の内壁に沿って供給して旋回流を生起させる向きに供給するように構成してもよいし、図5(b)に示すように、複数のガス供給管51から反応塔4の中心に向けて衝突する向きに供給するように構成してもよい。
For example, as shown in FIG. 5A, the
また、図5(c),(d)に示すように、反応塔4の軸心方向に対して下方または上方に向けて供給するように構成してもよい。図5(c)の態様は、図1に示した第3ガス供給機能5cと同じであるが、これと図5(a),(b)で示した態様とを組み合わせてもよい。図5(d)の態様も同様であり、特に第1ガス供給機能5aに好適な態様となる。
Further, as shown in FIGS. 5C and 5D, it may be configured to supply downward or upward with respect to the axial direction of the
ガス供給機構5から供給される酸素ガスは純度の高い酸素ガス以外に、例えば大気に酸素を加えた酸素富化ガスを用いることも可能である。
As the oxygen gas supplied from the
上述した実施形態では、水蒸気は常圧での過熱水蒸気を用いる例を説明したが、加圧水蒸気でもよく、飽和水蒸気でもよい。尚、上述したような常圧の反応塔の場合は、常圧の過熱水蒸気が反応塔の内部での水蒸気の膨張や水蒸気製造のコストを考えると良い。 In the embodiment described above, an example of using superheated steam at normal pressure has been described, but pressurized steam or saturated steam may be used. In the case of a normal pressure reaction tower as described above, normal pressure superheated steam may be considered in consideration of the expansion of steam inside the reaction tower and the cost of steam production.
上述した実施形態では、反応塔4の内部が一律に500℃以上に維持される態様を説明したが、水性ガス反応と水性ガスシフト反応それぞれで必要な温度に合わせ、反応塔4内に温度分布を持たせるように、つまり主に水性ガス反応が行なわれる第1領域R1と主に水性ガスシフト反応が行なわれる第2領域R2で異なる温度分布になるように構成してもよい。このようにすると各反応に必要な温度が確保できるとともにエネルギーの消費を抑えることができる。
In the above-described embodiment, the aspect in which the inside of the
上述した実施形態では、バイオマスを原料にして合成ガスを生成して液体燃料を合成するシステムを説明したが、ガス化炉で精製された合成ガスはガス燃料として発電等に利用でき、合成ガスの利用方法等はどのようなものであってもよい。 In the embodiment described above, the system for synthesizing liquid fuel by generating synthesis gas from biomass as raw material has been described. However, the synthesis gas purified by the gasification furnace can be used as gas fuel for power generation and the like. Any method may be used.
上述した実施形態では、排気口40を第2領域である反応塔4の上部の空間に繋がる反応塔4の頂部に備えた例を説明したが、排気口40は第2領域に繋がっていればよく、例えば反応塔4の上部側方に設けてもよい。
In the above-described embodiment, the example in which the
上述した実施形態では、原料となるバイオマスとして稲わら、もみ殻、麦わら、トウモロコシの茎葉等の乾燥系のバイオマスを用いる例を説明したが、木くず、バーク、竹等を用いることも可能である。ちなみに、もみ殻は比重約0.1、含水率約10%、バークは比重約0.6、含水率約60%、竹は比重約0.7、含水率約25%であり、様々な性状のバイオマスに対応できる。 In the above-described embodiment, an example of using dry biomass such as rice straw, rice husk, wheat straw, corn stover and the like as raw material biomass has been described, but wood waste, bark, bamboo, or the like can also be used. By the way, rice husk has a specific gravity of about 0.1 and a water content of about 10%, bark has a specific gravity of about 0.6 and a water content of about 60%, bamboo has a specific gravity of about 0.7 and a water content of about 25%. It can cope with biomass.
上述した実施形態では、ガス化炉から発生するチャーはガス化炉内で水性ガス反応に利用されるのであるが、図7に示すように、ガス化10炉から発生するチャーをサイクロン等からなるチャー分離装置201で分離し、分離したチャーを燃料に用いた燃焼炉202で温水を発生させ、その温水を合成ガスの保有熱で加熱して蒸気を生成する廃熱ボイラ203を設けて、得られた水蒸気をガス化炉10に利用する等、システム全体としてエネルギー効率を向上するようにしてもよい。尚、符号204はガス精製装置であり、符号205は発電装置またはFT合成装置等を示す。
In the above-described embodiment, the char generated from the gasification furnace is used for the water gas reaction in the gasification furnace, but as shown in FIG. 7, the char generated from the
上述した様々な実施形態は、本発明によるガス化炉、ガス化炉の運転方法、及びバイオマスガス化処理方法の一具体例を説明したに過ぎず、当該記載により本発明の範囲が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。 The various embodiments described above merely describe one specific example of the gasification furnace, the operation method of the gasification furnace, and the biomass gasification processing method according to the present invention, and the scope of the present invention is limited by the description. It is needless to say that the specific configuration of each part can be appropriately changed and designed within the range where the effects of the present invention can be achieved.
2:バイオマス供給部
3:水蒸気供給部
4:反応塔
5:酸素ガス供給部
5a:第1酸素ガス供給部
5b:第2酸素ガス供給部
5c:第3酸素ガス供給部
10:ガス化炉
20:筒状のケーシング
21:スクリュー羽根
40:排気口
43:連通部
101:サイクロン
102:スクラバー
103:活性炭吸着塔
104:FT合成装置
c:ガス流速調整部
H:ヒータ
R1:第1領域
R2:第2領域
2: biomass supply unit 3: steam supply unit 4: reaction tower 5: oxygen
Claims (11)
水蒸気供給部と、
前記水蒸気供給部から供給される水蒸気により形成される噴流床で前記バイオマス供給部から供給されたバイオマスを流動させる第1領域と、前記第1領域で生成されたガスが流入する第2領域とが、ガスの流れ方向に沿って形成される反応塔と、
前記反応塔の前記第1領域及び第2領域の夫々に酸素ガスを供給する複数の酸素ガス供給部と、
生成したガスとバイオマスまたはバイオマス残渣を第1領域と第2領域との間を移動可能とする連通部と、
第2領域から生成されたガスと残渣を排出する排気口と、
を備えているガス化炉。 A biomass supply department;
A water vapor supply unit;
A first region in which the biomass supplied from the biomass supply unit flows in a spouted bed formed by water vapor supplied from the water vapor supply unit, and a second region into which the gas generated in the first region flows. A reaction tower formed along the gas flow direction;
A plurality of oxygen gas supply units for supplying oxygen gas to each of the first region and the second region of the reaction tower;
A communication part that allows the generated gas and biomass or biomass residue to move between the first region and the second region;
An exhaust port for discharging the gas and residue generated from the second region;
Gasification furnace equipped with.
前記反応塔から流出するガスの組成を測定し、
測定されたガス組成が目標ガス組成になるように、前記酸素ガス供給部から前記第1領域及び第2領域の夫々に供給する酸素ガスの供給量を調整するガス化炉の運転方法。 A method for operating a gasifier according to any one of claims 1 to 8,
Measuring the composition of the gas flowing out of the reaction tower;
An operation method of a gasification furnace in which an oxygen gas supply amount supplied from the oxygen gas supply unit to each of the first region and the second region is adjusted so that a measured gas composition becomes a target gas composition.
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