JP6818196B2 - ガス化装置及び生成ガスの製造方法 - Google Patents
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- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Description
第1の欠点は、水蒸気によってバイオマス粉体を浮遊させる必要があるため、粉体径は約3mmアンダーが要求され、粉砕動力が大きくなることである。
第2の欠点は、ガス化剤となる水蒸気を低減すると、粉体の浮遊状態が保持できず、粗粉体は未反応炭化物になって、落下するか、タール・煤の発生源となって、クリーンなガス燃料が得られなくなることである。
第1の欠点は、3mm以上の粗粉体が多い場合、多孔板上で粗粉体の堆積量が増大し、ガス化反応時間が著しく長くなり、ガス化能力を低下させること。
第2の欠点は、ガス化剤としての水蒸気供給量を下げると、多孔板上での粗粉体の堆積量の増大がますます顕著となり、ガス化反応時間が更に長くなって、ガス化性能を著しく悪化させるため、反応水を低減させることが難しく、過剰の水蒸気量を供給せざるを得ず、それゆえにガス化の熱効率が低下することである。
<構成1>
反応管と、
前記反応管に有機原料を導入するための原料導入口と、
前記原料導入口よりも下に位置し、前記反応管にガス化剤を導入するためのガス化剤導入口と、
前記原料導入口と前記ガス化剤導入口の間に配置された複数段の棚板を有するガス化装置。
<構成2>
前記棚板が、網目を有する構成1のガス化装置。
<構成3>
前記棚板が、有機原料が落下可能な開口を有する構成1又は2のガス化装置。
<構成4>
前記開口の位置が各段の前記棚板ごとに相違する構成3のガス化装置。
<構成5>
前記原料導入口と最上段の前記棚板の距離、及び、前記ガス化剤導入口と最下段の前記棚板の距離が、前記反応管の直径より大きい、構成1〜4のいずれかのガス化装置。
<構成6>
ガス化剤/有機原料の供給量の重量比Rが、0.2≦R≦1.0となるように、前記反応管へのガス化剤及び有機原料の導入を制御する制御手段を有する構成1〜5のいずれかのガス化装置。
<構成7>
反応管と、
前記反応管に有機原料を導入するための原料導入口と、
前記原料導入口よりも下に位置し、前記反応管にガス化剤を導入するためのガス化剤導入口と、
前記原料導入口と前記ガス化剤導入口の間に配置された複数段の棚板を有するガス化装置を用いた生成ガスの製造方法であって、
前記反応管を加熱した状態で、
前記原料導入口から前記反応管に有機原料を導入するとともに、前記ガス化剤導入口から前記反応管にガス化剤を導入することを特徴とする、生成ガスの製造方法。
1)外熱輻射ガス化方式の優れたガス化機能の基本条件を保持して「高品質・高カロリーの生成ガス」を確保すること
2)粗粉砕原料を使用可能にすること
3)「過剰な反応水を低減する」ことによって熱効率・ガス化効率を向上させること、
4)前記2)、3)の性能向上によって、ガス化空間当たりのガス化効率を向上させ「コンパクトなガス化装置」にすること
先ず、反応熱に必要な温度はバイオマス組成中のチャー成分(固定炭素)が水蒸気改質反応によってガス化する為には800℃以上熱が必要であることから、反応管壁温度は800℃以上に加熱することが望ましい。
バイオマスガス化反応熱は反応温度によっても異なるが、これまでの基礎実験と解析から、反応熱は温度が高く成る程大きくなり、生成ガス中のH2組成比が増える。反応温度が800→1000℃に上がると、反応熱は略500→1100kcal/kgに上がる。この反応熱を反応管壁輻射熱で与えるための必要反応管面積は次式で表される。
A=H×W /Φ・σ[Tw4―Tg4] (1)
ただし、
A=ガス化体を囲む輻射面積(反応管面積)
H=反応熱(kcal/kg)
W=バイオマス原料(kg/h)
Φ=ガス化体と反応管の輻射形態係数(−)
σ=ステファンボルツマン定数[4.88×10−8](kcal/m2hK4)
Tw =反応管壁温度(K)
Tg=ガス化体温度(K)
即ち、この条件を満足させることが、「高品質・高カロリーの生成ガス」を作り出す必須条件である。
Tw=900℃+273℃=1173K
Tg=800℃+273℃=1073K
H=750kcal/kg
W=29kg/h
Φ=0.7
とすれば、この条件のガス化での必要輻射面積を(1)式より求めると、A=0.773m2である。よって、内径Dが0.3mの反応管の場合、管長0.82m以上が必要となる。
ガス化効率は次式の冷ガス効率で定義される。
ガス化効率(%)=冷ガス効率(%)=Q1÷(Q2+Q3)×100(%)・・・(2)
ただし、
Q1:生成ガスの常温状態の低位発熱量
Q2:有機原料の低位発熱量
Q3:熱ガス発生に使われた燃料の低位発熱量
ここで、Q1は反応温度と反応時間によって定まる固定量であり、Q2は有機原料供給量によって定まる固定量であり、Q3は「ガス化反応熱量」と「ガス化剤(水蒸気)の反応温度までの加熱量」である。また、「ガス化反応熱量」は反応温度と反応時間によって定まる固定量である。よって、ガス化効率の向上には、「ガス化剤(水蒸気)の反応温度までの加熱量」の低減が有効であり、故に、ガス化剤(水蒸気)供給量をW(kg)、有機原料供給量をB(kg)とすれば、比R=W/Bを低減すればよいことがわかる。
本発明の外熱輻射式ガス化反応の実績一例を半実験式で示すと次の様になる。
●反応温度800℃の場合(水素H2容積組成:34.7%)
C1.4H2O0.9+0.36H2O → 0.70H2+0.72CO+0.27CH4+0.08C2H2+0.25CO2
●反応温度900℃の場合(水素H2容積組成:46.0%)
C1.4H2O0.9+0.70H2O → 1.20H2+0.61CO+0.20CH4+0.05C2H2+0.49CO2
●反応温度1000℃の場合(水素H2容積組成:52.0%)
C1.4H2O0.9+1.01H2O → 1.65H2+0.53CO+0.16CH4+0.01C2H2+0.68CO2
ただし、C1.4H2O0.9は杉木材の元素分析から求めた簡略分子式で、分子量は33.2である。
●ケース1
1)反応温度800℃で有機原料1kgのガス化に必要な熱量:
反応熱441kcl/kg + 水蒸気過熱999×0.195kcal/kg=636kcal/kg
2)反応温度900℃で有機原料1kgのガス化に必要な熱量:
反応熱583kcl/kg + 水蒸気過熱1050×0.379kcal/kg=981kcal/kg
3)反応温度1000℃で有機原料1kgのガス化に必要な熱量:
反応熱707kcl/kg + 水蒸気過熱1104×0.542kcal/kg=1305kcal/kg
●ケース2
1)反応温度800℃で有機原料1kgのガス化に必要な熱量:
反応熱441kcl/kg + 水蒸気過熱999×2 kcal/kg=2439kcal/kg
2)反応温度900℃で有機原料1kgのガス化に必要な熱量:
反応熱583kcl/kg + 水蒸気過熱1050×2 kcal/kg=2683kcal/kg
3)反応温度1000℃で有機原料1kgのガス化に必要な熱量:
反応熱707kcl/kg + 水蒸気過熱1104×2 kcal/kg=2915kcal/kg
評価結果を表3に示す。表3から約1.3倍の大きなガス化効率向上が示された。これは、通常の部分酸化ガス化法のガス化効率が60〜65%、特許文献1でも63〜70%であるのに対し、水蒸気の供給量を必要最小限とすることで、83〜90%のガス化効率を達成できることを示す。これは、これまでにない最高のガス化効率である。ガス化効率の向上は、約30%となる。
101・・・反応炉本体
102・・・断熱壁
104・・・反応管
105・・・原料導入管
105a・・・原料導入口
106・・・ガス化剤導入管
106a・・・ガス化剤導入口
107・・・排出口
108・・・取出管
110・・・多段棚
120,130・・・棚板
122,132・・・開口
140・・・熱ガス・マニホールド
141・・・生成ガス・マニホールド
201・・・原料タンク
203・・・補助燃料
204・・・ブロア
205・・・空気
206・・・熱ガス発生炉
207・・・流量調節弁
208・・・蒸気過熱器
209・・・原料ホッパ
210・・・フィーダ
212・・・ガス精製装置
213・・・ガスタンク
214・・・エンジン
215・・・エンジン排気
216・・・発電機
217・・・発電・送電
218・・・切換弁
219・・・化学プラント
220・・・ルーツブロア
221・・・煙突
301・・・電気炉
302・・・電気加熱水蒸気発生器
303・・・蒸気過熱器
304・・・水冷管
305・・・フィルター
M1・・・有機原料
M2・・・ガス化剤
M3・・・灰
M4・・・反応水
FG・・・生成ガス
HG・・・熱ガス
Claims (7)
- 反応管と、
前記反応管に有機原料を導入するための原料導入口と、
前記原料導入口よりも下に位置し、前記反応管にガス化剤を導入するためのガス化剤導入口と、
前記原料導入口と前記ガス化剤導入口の間に配置された複数段の棚板と、
前記複数段の棚板よりも上に位置する取出口
を有するガス化装置であって、
前記棚板は、未ガス化状態の前記有機原料が通過可能な開口を有し、
前記反応管の壁面からの輻射熱による前記棚板上に停留中及び前記棚板間を落下中の前記有機原料のガス化反応で生じた生成ガスが前記取出口から前記反応管の外部に取り出されることを特徴とするガス化装置。 - 上下の前記棚板間の距離が前記反応管の内径以上である請求項1のガス化装置。
- 前記棚板が、網目を有する請求項1又は2のガス化装置。
- 前記開口の位置が各段の前記棚板ごとに相違する請求項3のガス化装置。
- 前記原料導入口と最上段の前記棚板の距離、及び、前記ガス化剤導入口と最下段の前記棚板の距離が、前記反応管の半径より大きい、請求項1〜4のいずれかのガス化装置。
- ガス化剤/有機原料の供給量の重量比Rが、0.2≦R≦1.0となるように、前記反応管へのガス化剤及び有機原料の導入を制御する制御手段を有する請求項1〜5のいずれかのガス化装置。
- 反応管と、
前記反応管に有機原料を導入するための原料導入口と、
前記原料導入口よりも下に位置し、前記反応管にガス化剤を導入するためのガス化剤導入口と、
前記原料導入口と前記ガス化剤導入口の間に配置された複数段の未反応の前記有機原料が落下可能な開口を有する複数段の棚板と、
前記複数段の棚板よりも上に位置する取出口
を有するガス化装置を用いた生成ガスの製造方法であって、
前記反応管を加熱した状態で、前記原料導入口から前記反応管に有機原料を導入するとともに、前記ガス化剤導入口から前記反応管にガス化剤を導入し、
前記反応管の壁面からの輻射熱による前記棚板上に停留中及び前記棚板間を落下中の前記有機原料と前記ガス化剤の水蒸気改質ガス化反応で生じた生成ガスが前記取出口から前記反応管の外部に取り出されることを特徴とする、生成ガスの製造方法。
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