JP6696929B2 - ガス改質炉 - Google Patents
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Description
本発明は、ガス改質炉に関する。
従来、バイオマス等の炭素を含む原料をガス化することが行われている。原料のガス化では、ガス化炉において、原料を５００〜８００℃で熱分解することにより、熱分解ガスが生成される。熱分解ガスは、ガスのみならず、タールの蒸気および粉体のチャー等も含む。熱分解ガスは、後段のガス改質炉へと送られる。ガス改質炉の内部では、酸素の供給による部分燃焼、高温ガスでの加熱、または、ヒータによる加熱により１０００℃以上の高温状態が維持されるとともに、水蒸気が吹き込まれる。これにより、熱分解ガス中のタールおよびチャーが水蒸気改質され、水素（Ｈ２）や一酸化炭素（ＣＯ）等の燃料ガスに転換される。改質後の熱分解ガスは、ガス精製部で不純物等が取り除かれた後、ガスエンジン等の内燃機関での発電に利用される。
なお、特許文献１では、バイオマスガス化装置が開示されている。当該装置のガス化部は、熱分解部から流下するチャーを一時的に滞留させつつ下方へ向かって案内する第１滞留部と、第１滞留部と連通する流下通路内に空気等の酸化ガスを導入する第１酸化ガス供給部と、流下通路から流下するチャーを一時的に滞留させる第２滞留部と、第２滞留部上端に形成されるガス抽出口と、第２滞留部内に空気等の酸化ガスを導入する第２酸化ガス供給部とを備える。当該装置では、タール分を含む熱分解ガスが流下通路を通過し、ガス抽出口に向かって流通する。第１酸化ガス供給部から供給される空気によってチャーや熱分解ガスに燃焼反応が生じ、流下通路が昇温される。これにより、熱分解ガス中のタール分が熱分解されてガス化される。一方、第２滞留部に流下したチャーでは、第２酸化ガス供給部から供給される空気により燃焼反応が生じ、二酸化炭素や水蒸気を主成分とする燃焼ガスが生じる。燃焼ガスは、ガス抽出口に向かって上昇する際に、チャーとの間で反応し、一酸化炭素や水素が生じる。
また、特許文献２では、底部にチャー充填層を堆積させる固定床式ガス化炉において、チャー充填層に熱分解ガスを通過させることにより、チャーのガス化およびタールの分解を行うガス化装置が開示されている。また、チャー充填層内に圧縮空気を噴出させる空気ノズルを設け、チャー充填層より上流の温度と下流の温度とに基づいて空気ノズルを制御することにより、チャー充填層において吹き抜けが発生することが防止される。
ところで、ガス改質炉の内部において、単に酸素および水蒸気を吹き込む上記手法では、熱分解ガス中のタールを十分に分解できないことがある。この場合、残存タールの影響により、ガス精製部での処理、および、ガスエンジンでの発電に支障が生じる懸念がある。したがって、熱分解ガスに含まれるタールの濃度を大幅に低減する手法が求められている。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、熱分解ガスに含まれるタールの濃度を大幅に低減することを目的としている。
請求項１に記載の発明は、ガス化炉から供給される熱分解ガスを改質するガス改質炉であって、熱分解ガスが流れる流路を形成する炉本体と、前記流路に設けられ、チャーが充填されたチャー充填層を保持する充填層保持部と、前記流路における前記チャー充填層よりも上流側の空間において、酸素を含むガスを前記熱分解ガスに供給することにより、前記熱分解ガスが前記チャー充填層を通過するよりも前に、前記熱分解ガスに含まれるタールを燃焼させるタール燃焼部と、前記チャー充填層の内部、または、前記チャー充填層の近傍に設けられた噴出口から、水蒸気を噴出する水蒸気噴出部とを備える。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガス改質炉であって、前記充填層保持部が、複数の孔が形成されるとともに、前記チャー充填層を下方から保持する保持部材を有する。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のガス改質炉であって、前記充填層保持部にチャーを供給するチャー供給部と、前記チャー充填層の厚さを取得する層厚取得部と、前記厚さに基づいて前記チャー供給部によるチャーの供給量を制御する制御部とをさらに備える。
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガス改質炉であって、前記熱分解ガスが流れる方向に関して、前記酸素を含むガスの供給位置から前記チャー充填層の表面に至る前記タール燃焼部の長さが、前記チャー充填層の厚さよりも大きい。
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のガス改質炉であって、前記流路における前記チャー充填層よりも下流側の空間の温度が、前記チャー充填層における温度よりも低い。
本発明によれば、熱分解ガスに含まれるタールの濃度を大幅に低減することができる。
図１は、本発明の一の実施の形態に係るガス化システム８の構成を示す図である。ガス化システム８は、ガス化炉８１と、ガス改質炉１と、ボイラ８２と、ガス精製部８３と、誘引ファン８４と、ガスエンジン８５と、煙突８６とを備える。ガス化システム８では、ガス化炉８１、ガス改質炉１、ボイラ８２、ガス精製部８３、誘引ファン８４、ガスエンジン８５および煙突８６の順に経由する全体流路が形成されている。誘引ファン８４の駆動により、ガス化炉８１にて生成される後述の熱分解ガスが、当該全体流路を煙突８６に向かって流れる。
ガス化炉８１は、例えば、キルンガス化炉、固定床ガス化炉、流動床ガス化炉等である。ガス化炉８１には、廃棄物またはバイオマス（以下、単に「原料」という。）が投入される。原料は、例えば、一般廃棄物、産業廃棄物、汚泥、木質バイオマス等である。原料は、例えば４００〜８００℃で加熱されることにより、熱分解してガス化する。これにより、熱分解ガスが生成される。熱分解ガスは、ガスのみならず、タールの蒸気および粉体のチャー等も含む。熱分解ガスは、ガス改質炉１へと供給される。ガス化炉８１の底部には、熱分解ガスに含まれないチャーを回収するチャー回収部（図示省略）が設けられる。回収されたチャー（以下、「回収チャー」という。）は、後述のスクリューフィーダ５１１によりガス改質炉１の炉本体１１内に供給される。
ガス改質炉１では、熱分解ガス中に含まれるタール、チャー等の含炭素非ガス成分の改質等が行われる。ガス改質炉１の構成については後述する。ガス改質炉１により改質された熱分解ガス（以下、「改質ガス」という。）は、ボイラ８２内に流入する。ボイラ８２では、内部を流通する循環水との熱交換により、改質ガスの温度が低下する。改質ガスは、ボイラ８２からガス精製部８３に流入する。ガス精製部８３では、改質ガスに対してダストおよびミストの除去、脱塩、脱硫等の精製処理が行われる。精製処理後の改質ガスは、例えば５０℃程度であり、誘引ファン８４を介してガスエンジン８５に供給される。ガスエンジン８５では、改質ガスを燃料として発電が行われる。ガスエンジン８５において改質ガスを燃焼した排ガスは、煙突８６を介して大気へ排出される。
ボイラ８２における循環水は、改質ガスとの熱交換により水蒸気となる。当該水蒸気の一部は、ガス改質炉１における後述の水蒸気噴出部４に供給される。当該水蒸気の残りは、蒸気タービン８２１の駆動に利用され、その後、循環水としてボイラ８２の内部へと戻される。上記水蒸気が、ガス化炉８１に供給されて、原料の加熱に利用されてもよい。
ガス改質炉１は、炉本体１１と、充填層保持部２と、チャー供給部５１と、層厚取得部５２と、タール燃焼部３と、水蒸気噴出部４と、制御部１０とを備える。制御部１０は、ガス改質炉１の全体制御を担う。制御部１０は、ガス化システム８の全体制御を担ってもよい。
炉本体１１は、例えば略円筒状である。炉本体１１の一方の端部には、ガス化炉８１に接続する流入口１１１が設けられる。他方の端部には、ボイラ８２に接続する流出口１１２が設けられる。ガス化炉８１からの熱分解ガスは、流入口１１１を介して炉本体１１の内部に流入する。当該熱分解ガスは、流出口１１２に向かって炉本体１１の内部を流れ、流出口１１２を介してボイラ８２へと流出する。このように、炉本体１１では、熱分解ガスが流れる流路１００が形成される。炉本体１１の形状は、適宜変更されてよく、例えば、Ｕ字状等であってもよい。
充填層保持部２は、流路１００に設けられる板状の保持部材２１を有する。保持部材２１は、流入口１１１から流出口１１２に向かう熱分解ガスの流れ方向（以下、「ガス流れ方向」という。）に対しておよそ垂直に広がり、炉本体１１の側壁の全周に接続する。本実施の形態では、ガス流れ方向は、鉛直方向に平行である。保持部材２１には、複数（多数）の孔が均一に分散して形成されており、熱分解ガスは、当該複数の孔を通過する。保持部材２１は、例えばセラミックス、磁器、耐火材、コンクリート、金属等により形成される。保持部材２１上には、チャーが堆積される。換言すると、保持部材２１上には、チャーが充填されたチャー充填層２２が設けられる。チャー充填層２２は、保持部材２１の上面の全体に広がる。チャー充填層２２は、下方から保持部材２１により保持される。
チャー供給部５１は、スクリューフィーダ５１１を有する。スクリューフィーダ５１１の一端は、ガス化炉８１のチャー回収部に接続される。スクリューフィーダ５１１の他端は、ガス改質炉１の炉本体１１に接続される。炉本体１１では、充填層保持部２と流入口１１１との間に、チャー供給口１１３が設けられる。スクリューフィーダ５１１の駆動により、チャー回収部からチャー供給口１１３へと回収チャーが搬送され、充填層保持部２へと供給される。ガス改質炉１では、制御部１０がスクリューフィーダ５１１を制御することにより、回収チャーの供給量（回収チャーの送り速度）が調整される。チャー供給部５１では、スクリューフィーダ５１１以外に、テーブルフィーダ等の粉体供給機が設けられ、シュートを介して回収チャーが充填層保持部２に供給されてもよい。また、ガス化炉８１およびガス改質炉１の構造によっては、ガス化炉８１の底部が炉本体１１の上部に接続され、当該底部から回収チャーを単に落下させることにより、回収チャーが充填層保持部２に供給されてもよい。この場合に、例えば、ガス化炉８１の底部からの回収チャーの落下量を調整する機構（例えば、ゲート）が設けられてもよい。
層厚取得部５２は、レベルセンサ５２１を有する。レベルセンサ５２１は、レーザ式であり、チャー充填層２２の表面（図１中の上面）の高さを検出する。レベルセンサ５２１による検出値は、制御部１０に出力される。実際には、チャー充填層２２の表面の高さの検出により、充填層保持部２の保持部材２１とチャー充填層２２の表面との間の距離、すなわち、チャー充填層２２の厚さ（以下、「層厚」という。）が取得される。制御部１０では、取得される層厚に基づいて、チャー供給部５１による充填層保持部２への回収チャーの供給量が制御される。実際には、層厚が一定値を維持するように、回収チャーの供給量が制御される。
既述のように、チャー供給部５１はチャー供給口１１３からの押出により、チャー充填層２２に対して回収チャーを補充するため、チャー充填層２２の表面には起伏が生じるが、本処理例では、厳密な層厚は必ずしも必要ではないため、問題とはならない。もちろん、複数のレベルセンサ５２１を設け、これらによる検出値の平均値を求める等により、層厚が精度よく求められてもよい。層厚取得部５２では、チャー充填層２２よりも上流側の位置における圧力と、下流側の位置における圧力との差を求めることにより、層厚が取得されてもよい。
ガス化炉８１において生成されるチャーの量が、チャー供給部５１による充填層保持部２への回収チャーの供給量よりも過度に多い場合には、図示省略のゲート等を介して回収チャーが外部に排出されてもよい。この場合に、外部に排出された回収チャーを、ガス化炉８１に再投入することにより、原料のガス化効率が向上されてもよい。一方、ガス化炉８１において生成されるチャーの量が、充填層保持部２に供給すべき供給量に対して不足する場合には、木炭、石炭または活性炭等が充填層保持部２に補助的に供給されてもよい。なお、原料から生成されるチャーの割合は、ガス化炉８１における加熱温度に依存する。例えば、キルン式のガス化炉８１の一例では、加熱温度が４００℃のときに、原料から生成されるチャーの割合が５０％程度となり、加熱温度が６００℃のときに、チャーの割合が３０％程度となる。このように、ガス化炉８１における加熱温度が高くなると、原料から生成されるチャーの割合は低くなる。
タール燃焼部３は、複数の酸化ガスノズル３１と、酸化ガス供給部３２とを備える。複数の酸化ガスノズル３１は、流路１００におけるチャー充填層２２よりも上流側の空間１０１（チャー充填層２２よりも流入口１１１側の空間であり、以下、単に「上流側空間１０１」という。）に配置される。酸化ガス供給部３２は、酸素を含むガス（以下、「酸化ガス」という。）を酸化ガスノズル３１に供給する。酸化ガスは、例えば空気である。酸化ガスは、酸素自体であってもよい。酸化ガス供給部３２からの酸化ガスは、複数の酸化ガスノズル３１により上流側空間１０１内に噴出される。タール燃焼部３では、酸化ガスノズル３１が、炉本体１１の側壁においてガス流れ方向に多段に設けられてもよい。また、酸化ガスノズル３１が炉本体１１の上面部に設けられてもよい。
図２および図３は、水蒸気噴出部４の構成を示す図である。図２では、後述の水蒸気管４１の位置における、ガス流れ方向に垂直な炉本体１１の断面（流入口１１１側から見た断面）を示し、図３では、ガス流れ方向に平行な炉本体１１の断面を示している。水蒸気噴出部４は、水蒸気管４１を有し、水蒸気管４１にはボイラ８２から供給される水蒸気が流れる。水蒸気管４１は、ガス流れ方向に垂直な面上において、Ｕ字状に折り返された、複数の折り返し部を有する。複数の折り返し部は、炉本体１１の内部、詳細には、チャー充填層２２の内部に配置される。水蒸気管４１において炉本体１１の内部に配置される部位には、複数の噴出口４１１が設けられる。図３の例では、複数の噴出口４１１は、保持部材２１とは反対側、すなわち、上流側空間１０１側に向かって開口する。水蒸気噴出部４では、複数の噴出口４１１から水蒸気が噴出される。水蒸気の温度は、例えば３００℃程度である。図３では、各噴出口４１１における水蒸気の噴出方向を、符号Ａ１を付す矢印にて示している。
水蒸気管４１において炉本体１１の内部に配置される部位の長さは、炉本体１１の直径以上であることが好ましく、炉本体１１の直径の２倍以上であることがより好ましい。これにより、ガス流れ方向に垂直な面上の広範囲において、水蒸気を分散して噴出することが容易に可能となる。当該部位の長さは、例えば炉本体１１の直径の１０倍以下である。複数の噴出口４１１は、保持部材２１側に向かって開口してもよい。水蒸気管４１に供給される水蒸気は、ガスエンジン８５の排ガスの熱や外部の熱源を利用して生成されてもよい。
図１のガス改質炉１では、流入口１１１から炉本体１１の内部（流路１００）に供給される熱分解ガスは、上流側空間１０１においてチャー充填層２２に向かって流れる。上流側空間１０１では、複数の酸化ガスノズル３１により、酸化ガスが熱分解ガスに供給され、熱分解ガスに含まれるガスのみならず、タールの蒸気も部分燃焼する。熱分解ガスの継続的な部分燃焼により、上流側空間１０１では高温状態が維持され、例えば、上流側空間１０１の温度は８００〜１２００℃となる。このように、タール燃焼部３では、熱分解ガスがチャー充填層２２に到達するよりも前に、熱分解ガスに含まれるタールが燃焼し、タールの濃度が低減される。タール燃焼部３では、燃焼反応に加えて、他の反応が生じてもよい。
タールの燃焼に十分な空間を確保するという観点では、ガス流れ方向に関して、酸化ガスの供給位置（ここでは、チャー充填層２２から最も離れた酸化ガスノズル３１）からチャー充填層２２の表面に至るタール燃焼部３の長さが、チャー充填層２２の厚さよりも大きいことが好ましい。ここで、チャー充填層２２の表面の位置は、例えば、当該表面の平均化された位置である。より好ましくは、タール燃焼部３の長さは、チャー充填層２２の厚さの１．５倍以上である。タール燃焼部３の長さは、例えばチャー充填層２２の厚さの１０倍以下である。ガス改質炉１の設計によっては、タール燃焼部３の長さが、チャー充填層２２の厚さ以下であってもよい。
チャー充填層２２に到達した熱分解ガスは、チャー充填層２２における回収チャー間の隙間、および、保持部材２１の孔を経由して、流路１００におけるチャー充填層２２よりも下流側の空間１０２（チャー充填層２２よりも流出口１１２側の空間であり、以下、単に「下流側空間１０２」という。）へと流れる。熱分解ガスがチャー充填層２２を通過する際に、熱分解ガスに残存するタール、および、粉体のチャーがチャー充填層２２の回収チャーの細孔等に捕集（トラップ）される。また、上流側空間１０１における熱分解ガスの燃焼により、チャー充填層２２、および、チャー充填層２２を流れる熱分解ガスが高温となっている。さらに、水蒸気噴出部４の複数の噴出口４１１（図２参照）から、チャー充填層２２の回収チャーに向かって勢いよく（例えば、熱分解ガスの流速よりも高い流速で）水蒸気が噴出される。その結果、回収チャーに捕集されたタールおよび粉体のチャー、並びに、回収チャー自体が、水蒸気改質反応により、水素や一酸化炭素等の燃料ガスに転換される（改質される）。チャー充填層２２では、回収チャーによりタールの改質反応が促進されている、すなわち、回収チャーが触媒としての役割を果たしていると捉えることもできる。
改質された熱分解ガス、すなわち改質ガスは、下流側空間１０２を通過して流出口１１２に到達し、ボイラ８２へと排出される。典型的には、チャー充填層２２および下流側空間１０２では、酸化ガスは供給されず、燃焼反応は生じない。また、タール等の水蒸気改質反応は、吸熱反応である。したがって、下流側空間１０２の温度は、例えば１２００℃未満となり、上流側空間１０１およびチャー充填層２２における温度よりも低くなる。
チャー充填層２２では、改質により回収チャーが少なくなると、チャー供給部５１により新たな回収チャーが補充される。また、チャー充填層２２において改質反応が生じない残存物のうち、保持部材２１の孔よりも小さいものは、当該孔から下方へと落下する。炉本体１１の底部では、当該残存物が灰回収部１９により回収される。
ここで、実験例について述べる。図４は、実験装置９の構成を示す図である。実験装置９では、有底の筒状容器９１内に石英ビーズ９２が詰められ、石英ビーズ９２上に模擬チャーを堆積させることによりチャー充填層９３が形成される。模擬チャーは、木炭粉である。筒状容器９１の周囲には、電気ヒータ９７が設けられ、筒状容器９１は１１００℃に加熱される。筒状容器９１の上部には、蓋部材９１１が取り付けられ、蓋部材９１１には流入口９１２が設けられる。流入口９１２を介して、模擬ガス、模擬タール、水蒸気、酸素ガスおよび模擬チャーが筒状容器９１内に供給可能である。模擬ガスは、実際の熱分解ガスに存在する成分を含み、Ｎ２、ＣＯ２、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４の混合ガスである。模擬タールはトルエンである。酸素ガスは、模擬ガス等の部分燃焼用である。
また、蓋部材９１１には、ノズル９４（以下、「層内ノズル９４」という。）が設けられる。層内ノズル９４の先端の噴出口は、チャー充填層９３の内部、詳細には、上下方向におけるチャー充填層９３の中央に配置される。層内ノズル９４には、水蒸気が供給可能である。筒状容器９１の下端には、模擬ガス等の流出口９１３が設けられる。流出口９１３から排出されるガスは、チャー捕集部９５１を介して検出器９５（ガスクロマトグラフ）へと導入され、当該ガスに含まれる模擬タールの濃度が検出される。
実験では、模擬ガス、模擬タールおよび模擬チャーを表１に示す条件で、流入口９１２から筒状容器９１内に供給した。そして、筒状容器９１から排出されるガス中の模擬タール濃度を検出器９５により測定した。このとき、Case１では、チャー充填層９３を省略した状態で、酸素ガスおよび水蒸気を流入口９１２から筒状容器９１内に供給した。Case２では、チャー充填層９３を設けた状態で、酸素ガスおよび水蒸気を流入口９１２から筒状容器９１内に供給した。Case３では、チャー充填層９３を設けた状態で、酸素ガスおよび水蒸気を層内ノズル９４の噴出口からチャー充填層９３内に供給した。Case４では、チャー充填層９３を設けた状態で、酸素ガスを流入口９１２から筒状容器９１内に供給し、水蒸気を層内ノズル９４の噴出口からチャー充填層９３内に供給した。酸素ガスおよび水蒸気の供給量は、いずれの場合も同じである。
図５は、実験結果を示す図である。図５に示すように、Case４では、Case１ないし３のいずれの場合よりも模擬タール濃度が大幅に低減されており、模擬タールの分解率（改質率）が高いことが判る。Case４では、酸素ガスを流入口９１２から筒状容器９１内に供給するため、図１のガス改質炉１のタール燃焼部３と同様に、模擬ガスおよび模擬タール（熱分解ガス）がチャー充填層９３を通過するよりも前に、模擬ガスおよび模擬タールが燃焼する。また、充填層保持部２および水蒸気噴出部４と同様に、未燃焼の模擬タールがチャー充填層９３にて捕集され、層内ノズル９４の噴出口からチャー充填層９３内に噴出される水蒸気により模擬タールおよび模擬チャーが改質される。
以上に説明したように、ガス改質炉１は、タール燃焼部３、充填層保持部２および水蒸気噴出部４を備える。タール燃焼部３では、熱分解ガスがチャー充填層２２を通過するよりも前に、熱分解ガスに含まれるタールの燃焼が行われる。また、チャー充填層２２では、熱分解ガスに残存するタールが捕集され、水蒸気噴出部４では、チャー充填層２２の内部に設けられた噴出口４１１から水蒸気を噴出することにより、チャー充填層２２においてタールおよびチャーの水蒸気改質が行われる。これにより、熱分解ガスの改質および回収チャーのガス化を適切に行うとともに、熱分解ガスに含まれるタールの濃度を大幅に低減することができる。その結果、ガス精製部８３におけるガス精製処理の負荷を低減するとともに、ガスエンジン８５における残存タールに起因するトラブルの発生も抑制することができる。
ところで、一般的な触媒を用いることにより熱分解ガス中のタールを改質することも可能である。しかしながら、この場合、熱分解ガスに含まれるチャーおよびダストによる触媒の閉塞を防止するため、ガス化炉とガス改質炉との間に集塵装置を設置する必要がある。また、原料が廃棄物である場合には、廃棄物中の硫黄（Ｓ）や塩素（Ｃｌ）等の酸性ガス成分が触媒を被毒し、失活させてしまう。したがって、触媒を長期間使用することができず、触媒の交換が必要となり、ガス改質炉のランニングコストが高くなる。
これに対し、ガス改質炉１では、ガス化炉８１にて生成される回収チャーを利用してチャー充填層２２が形成され、チャー充填層２２を利用してタールの改質が行われる。また、チャー充填層２２の回収チャーの改質（ガス化）も行われる。その結果、原料のエネルギーを無駄なく利用することができる。また、交換が必要な上記触媒を用いることもないため、ガス改質炉１のランニングコストも抑制することができる。
ガス改質炉１では、層厚取得部５２により取得される層厚に基づいてチャー供給部５１による回収チャーの供給量を制御することにより、チャー充填層２２の厚さを精度よく一定に保つことができる。その結果、タールの燃焼に必要な空間（上流側空間１０１）、および、タールを捕集するチャー充填層２２の厚さを適切に維持することができ、熱分解ガスに含まれるタールの濃度を安定して低減することができる。また、充填層保持部２が、複数の孔が形成された保持部材２１を有することにより、チャー充填層２２を適切に保持することができる。
図６は、水蒸気噴出部４の他の例を示す図である。図６の水蒸気噴出部４では、複数の水蒸気ノズル４１ａが設けられる。複数の水蒸気ノズル４１ａは、ガス流れ方向に垂直な面上において、炉本体１１の中心軸Ｊ１を中心とする周方向に等角度間隔で配置される。各水蒸気ノズル４１ａでは、先端に噴出口４１１が設けられ、図６では、各水蒸気ノズル４１ａにおける水蒸気の噴出方向を、符号Ａ２を付す矢印にて示している。図６の例では、複数の水蒸気ノズル４１ａから噴出される水蒸気の軌跡が井桁状となるように、複数の水蒸気ノズル４１ａにおける噴出方向が設定されている。水蒸気が拡散しにくいチャー充填層２２の内部において、ガス流れ方向に垂直な面内の広範囲に水蒸気を供給する（換言すると、水蒸気を効率よく拡散させる）という観点では、図２および図６のように、水蒸気噴出部４における３以上の噴出口４１１が、ガス流れ方向に関して同じ位置に配置されることが好ましい。
図７は、水蒸気噴出部４の他の例を示す図である。図７の水蒸気噴出部４では、複数（図７では、２つ）の水蒸気管４１がガス流れ方向に間隔を空けて設けられる。これにより、チャー充填層２２の内部において、ガス流れ方向の広範囲に水蒸気を供給することが可能となる。その結果、熱分解ガスに含まれるタールの濃度をさらに低減することができる。もちろん、３以上の水蒸気管４１が、ガス流れ方向に間隔を空けて設けられてもよい。また、複数の水蒸気ノズル４１ａが、ガス流れ方向に間隔を空けて配置されてもよい。
水蒸気噴出部４における噴出口４１１は、チャー充填層２２の近傍に設けられるのであるならば、チャー充填層２２の外部に設けられてもよい。図８の例では、チャー充填層２２の表面から僅かに離れた位置に水蒸気管４１が設けられる。当該水蒸気管４１では、複数の噴出口４１１が、図８の下方、すなわち、チャー充填層２２側に向かって開口する。噴出口４１１からの水蒸気は、チャー充填層２２の表面に対して噴出される（水蒸気の噴出方向を示す矢印Ａ３参照）。この場合も、チャー充填層２２において、タールおよびチャーを効率よく改質することができる。ここで、チャー充填層２２の近傍に配置される噴出口４１１とチャー充填層２２の表面との間の距離は、当該噴出口４１１と酸化ガスノズル３１との間の距離の１／３以下であることが好ましく、１／５以下であることがより好ましい。この場合、噴出口４１１からチャー充填層２２に対して水蒸気が直接的に噴出されていると捉えることができる。
上記ガス化システム８およびガス改質炉１では様々な変形が可能である。
上流側空間１０１におけるチャー充填層２２から離れた位置において、酸化ガスに加えて水蒸気が導入されてもよい。ただし、上流側空間１０１において熱分解ガスに含まれるタールを適切に燃焼させるには、当該酸化ガスの流量は、当該水蒸気の流量よりも多いことが好ましく、当該水蒸気は導入されないことがより好ましい。また、チャー充填層２２の内部または近傍において、水蒸気に加えて酸化ガスが噴出されてもよい。この場合も、チャー充填層２２においてタールの水蒸気改質を適切に行うには、当該水蒸気の流量は、当該酸化ガスの流量よりも多いことが好ましく、当該酸化ガスは噴出されないことがより好ましい。
チャー充填層２２において、タールおよびチャーの水蒸気改質反応が生じる、ガス流れ方向の範囲を広くするという観点では、水蒸気噴出部４の少なくとも１つの噴出口４１１が、保持部材２１から上流側にチャー充填層２２の厚さの１／３以上離れた位置に配置されることが好ましく、当該厚さの１／２以上離れた位置に配置されることがより好ましい。
ガス改質炉１の設計によっては、充填層保持部２の保持部材２１が流出口１１２の近傍に設けられてもよい。また、炉本体１１の底部においてチャー充填層２２が保持されてもよく、この場合、当該底部が、充填層保持部２としての役割を果たす。チャー充填層２２を通過した熱分解ガスは、当該底部に設けられる流出口１１２を介して炉本体１１から排出される。
ガス改質炉１により改質された熱分解ガス（すなわち、改質ガス）は、ガスタービン、燃料電池（固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等）において用いられてもよい。また、改質ガスは、燃料ガスとして様々な用途に用いられてよく、さらに、液体に変換することにより液体燃料として用いられてもよい。
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
１ ガス改質炉
２ 充填層保持部
３ タール燃焼部
４ 水蒸気噴出部
１０ 制御部
１１ 炉本体
２１ 保持部材
２２ チャー充填層
５１ チャー供給部
５２ 層厚取得部
８１ ガス化炉
１００ 流路
１０１ 上流側空間
１０２ 下流側空間
４１１ 噴出口
２ 充填層保持部
３ タール燃焼部
４ 水蒸気噴出部
１０ 制御部
１１ 炉本体
２１ 保持部材
２２ チャー充填層
５１ チャー供給部
５２ 層厚取得部
８１ ガス化炉
１００ 流路
１０１ 上流側空間
１０２ 下流側空間
４１１ 噴出口
Claims (5)
- ガス化炉から供給される熱分解ガスを改質するガス改質炉であって、
熱分解ガスが流れる流路を形成する炉本体と、
前記流路に設けられ、チャーが充填されたチャー充填層を保持する充填層保持部と、
前記流路における前記チャー充填層よりも上流側の空間において、酸素を含むガスを前記熱分解ガスに供給することにより、前記熱分解ガスが前記チャー充填層を通過するよりも前に、前記熱分解ガスに含まれるタールを燃焼させるタール燃焼部と、
前記チャー充填層の内部、または、前記チャー充填層の近傍に設けられた噴出口から、水蒸気を噴出する水蒸気噴出部と、
を備えることを特徴とするガス改質炉。 - 請求項１に記載のガス改質炉であって、
前記充填層保持部が、複数の孔が形成されるとともに、前記チャー充填層を下方から保持する保持部材を有することを特徴とするガス改質炉。 - 請求項１または２に記載のガス改質炉であって、
前記充填層保持部にチャーを供給するチャー供給部と、
前記チャー充填層の厚さを取得する層厚取得部と、
前記厚さに基づいて前記チャー供給部によるチャーの供給量を制御する制御部と、
をさらに備えることを特徴とするガス改質炉。 - 請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガス改質炉であって、
前記熱分解ガスが流れる方向に関して、前記酸素を含むガスの供給位置から前記チャー充填層の表面に至る前記タール燃焼部の長さが、前記チャー充填層の厚さよりも大きいことを特徴とするガス改質炉。 - 請求項１ないし４のいずれか１つに記載のガス改質炉であって、
前記流路における前記チャー充填層よりも下流側の空間の温度が、前記チャー充填層における温度よりも低いことを特徴とするガス改質炉。
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