JP6840031B2 - ガス改質炉および熱分解ガス改質方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス改質炉および熱分解ガス改質方法に関する。

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、原料を例えば５００〜７００℃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、例えば８００〜１２００℃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（Ｈ_２）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、ボイラにおける熱回収、および、ガス精製部における不純物等の除去後、ガスエンジン等の内燃機関での発電に利用される。

特許文献１では、バイオマスの熱分解により発生したタール含有ガスを、多孔質鉱物粒子に４００〜１０００℃で接触させることにより、炭素を主成分とする炭素質固体を多孔質鉱物粒子の表面に付着させ、炭素担持体を生成する手法が開示されている。また、当該炭素担持体は、外部の発電装置において、水性ガス化反応による水素ガス発生源として利用され、発生した水素を燃料として燃料電池による発電が行われる。また、特許文献２では、可燃性ガスのガス化ガス中に含まれるタール分を金属系触媒によって分解する手法が開示されている。

特許第５６７９１６０号公報 特開２０１０−１１１７７９号公報

ところで、特許文献１の手法では、熱分解ガスから炭素担持体を生成し、当該炭素担持体を水素ガス発生源として用いることにより、熱分解ガスから多くの燃料ガスを発生させる、すなわち、熱分解ガスを効率よく利用することが可能である。しかしながら、炭素担持体を外部に取り出して、他の装置において炭素担持体から燃料ガスを発生させる煩雑な作業が必要となる。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、熱分解ガスを容易にかつ効率よく利用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、充填物が充填された第１充填空間および第２充填空間を有する炉本体と、前記第１充填空間および前記第２充填空間にそれぞれ接続する第１供給流路および第２供給流路を有し、熱分解ガスを前記第１供給流路および前記第２供給流路を介して前記第１充填空間および前記第２充填空間に供給するとともに、各供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が変更可能な供給調整部と、前記熱分解ガスへの酸化剤の供給により、または、加熱器により、前記第１充填空間および前記第２充填空間を加熱する充填空間加熱部と、前記第１充填空間および前記第２充填空間において、前記熱分解ガスから前記充填物上に析出する析出物に対して改質剤を供給することにより、前記析出物を燃料ガスに改質する改質剤供給部と、前記供給調整部を制御することにより、前記第１供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が前記第２供給流路よりも小さい一の状態と、前記第２供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が前記第１供給流路よりも小さい他の状態とを切り替える制御部とを備え、前記一の状態において、前記改質剤供給部が少なくとも前記第１充填空間に前記改質剤を供給し、前記第１充填空間における前記析出物が減少し、かつ、前記第２充填空間における前記析出物が増加し、前記他の状態において、前記改質剤供給部が少なくとも前記第２充填空間に前記改質剤を供給し、前記第２充填空間における前記析出物が減少し、かつ、前記第１充填空間における前記析出物が増加する。

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、前記改質剤供給部が、前記第１充填空間および前記第２充填空間に前記改質剤を個別に供給可能であり、前記一の状態において前記第２充填空間に供給される前記改質剤の流量が、前記他の状態よりも小さく、前記他の状態において前記第１充填空間に供給される前記改質剤の流量が、前記一の状態よりも小さい。

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、前記充填物が、多孔体である。

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、前記充填空間加熱部が、前記第１充填空間および前記第２充填空間に前記酸化剤を個別に供給可能である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のガス改質炉であって、前記炉本体が、前記熱分解ガスが流れる本体流路を有し、前記本体流路における上流側の空間が前記第１充填空間を含み、下流側の空間が前記第２充填空間を含み、前記他の状態において、前記第２充填空間に供給される前記酸化剤の流量が、前記一の状態よりも小さい。

請求項６に記載の発明は、ガス改質炉における熱分解ガス改質方法であって、前記ガス改質炉が、充填物が充填された第１充填空間および第２充填空間を有する炉本体と、前記第１充填空間および前記第２充填空間にそれぞれ接続する第１供給流路および第２供給流路を有し、ガス化炉から供給される熱分解ガスを前記第１供給流路および前記第２供給流路を介して前記第１充填空間および前記第２充填空間に供給するとともに、各供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が変更可能な供給調整部と、前記熱分解ガスへの酸化剤の供給により、または、加熱器により、前記第１充填空間および前記第２充填空間を加熱する充填空間加熱部と、前記第１充填空間および前記第２充填空間において、前記熱分解ガスから前記充填物上に析出する析出物に対して改質剤を供給することにより、前記析出物を燃料ガスに改質する改質剤供給部とを備え、前記熱分解ガス改質方法が、ａ）前記供給調整部を用いて、前記第１供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が前記第２供給流路よりも小さい一の状態を形成するとともに、前記改質剤供給部により少なくとも前記第１充填空間に前記改質剤を供給する工程と、ｂ）前記供給調整部を用いて、前記第２供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が前記第１供給流路よりも小さい他の状態を形成するとともに、前記改質剤供給部により少なくとも前記第２充填空間に前記改質剤を供給する工程とを備え、前記一の状態において、前記第１充填空間における前記析出物が減少し、かつ、前記第２充填空間における前記析出物が増加し、前記他の状態において、前記第２充填空間における前記析出物が減少し、かつ、前記第１充填空間における前記析出物が増加する。

本発明によれば、熱分解ガスを容易にかつ効率よく利用することができる。

第１の実施の形態に係るガス化システムの構成を示す図である。 熱分解ガスを改質する処理の流れを示す図である。 実験装置の構成を示す図である。 実験装置の改質炉を示す写真である。 実験装置の改質炉を示す写真である。 ガス改質炉の他の例を示す図である。 第２の実施の形態に係るガス改質炉を示す図である。 ガス改質炉の他の例を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１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。破砕機８１１により所定のサイズに破砕された廃棄物またはバイオマス（以下、単に「原料」という。）が、ガス化炉８１に投入される。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５００〜７００℃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。なお、ガス化炉８１において発生する不燃物は、適宜回収される。

ガス改質炉１では、熱分解ガス中に含まれるタール、チャー等の改質が行われる。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、重金属の除去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。当該排ガスは、煙突８６へと到達する前に、熱交換されることが好ましい。

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。当該水蒸気は蒸気だめ８２０に導かれる。蒸気だめ８２０内の水蒸気の一部は、ガス改質炉１における後述の改質剤供給部５に供給される。当該水蒸気の他の一部は、ガス化炉８１に供給され、原料の加熱（乾燥）に利用される。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。

ガス改質炉１は、炉本体２と、供給調整部３と、充填空間加熱部４と、改質剤供給部５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２は、例えば略円筒状である。炉本体２の一方の端部には、ガス化炉８１に接続する第１流入口２０１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２０３が設けられる。炉本体２において、第１流入口２０１と流出口２０３との間には、第２流入口２０２が設けられる。ガス化炉８１からの熱分解ガスは、第１流入口２０１または第２流入口２０２を介して炉本体２の内部に流入する。当該熱分解ガスは、炉本体２の内部を流出口２０３に向かって流れ、流出口２０３を介してボイラ８２へと流出する。このように、炉本体２では、熱分解ガスが流れる本体流路２００が形成される。炉本体２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。

炉本体２は、第１保持部材２１１と、第２保持部材２２１とを備える。第１保持部材２１１および第２保持部材２２１は、本体流路２００において、第１流入口２０１から流出口２０３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。）に互いに離れて配置される。ガス流れ方向に関して、第１保持部材２１１は、第１流入口２０１と第２流入口２０２との間に配置され、第２保持部材２２１は、第２流入口２０２と流出口２０３との間に配置される。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。各保持部材２１１，２２１は、ガス流れ方向に対しておよそ垂直に広がり、炉本体２の側壁の全周に接続する。保持部材２１１，２２１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２１１，２２１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。

各保持部材２１１，２２１上には、充填物が充填（堆積）される。充填物は、耐熱性が高い材料にて形成される。充填物は、好ましくはセラミックスにて形成された多孔体であり、例えばセラミックボールである。充填物は、保持部材２１１，２２１の上面の全体に広がる。充填物は、下方から保持部材２１１，２２１により保持される。以下の説明では、第１保持部材２１１上において充填物が充填される空間２１を「第１充填空間２１」といい、第２保持部材２２１上において充填物が充填される空間２２を「第２充填空間２２」という。本体流路２００では、第１保持部材２１１よりも上流側（第１流入口２０１側）の空間が第１充填空間２１を含み、第１保持部材２１１よりも下流側（流出口２０３側）の空間が第２充填空間２２を含む。

供給調整部３は、共通流路３０と、第１供給流路３１と、第２供給流路３２とを備える。共通流路３０の一端は、ガス化炉８１に接続される。共通流路３０の他端は、２つに分岐して第１供給流路３１および第２供給流路３２の一端に接続される。第１供給流路３１および第２供給流路３２の他端は、炉本体２の第１流入口２０１および第２流入口２０２にそれぞれ接続される。第１供給流路３１は、炉本体２内における第１流入口２０１近傍の空間を介して、第１充填空間２１に接続する。第２供給流路３２は、炉本体２内における第２流入口２０２近傍の空間を介して、第２充填空間２２に接続する。ガス化炉８１で生成された熱分解ガスは、第１供給流路３１および第２供給流路３２を介して第１充填空間２１および第２充填空間２２に供給される。各供給流路３１，３２にはダンパ３１１，３２１が設けられており、当該供給流路３１，３２を流れる熱分解ガスの流量が変更可能である。第１供給流路３１および第２供給流路３２は、共通流路３０を介在させることなく、ガス化炉８１に直接接続されてもよい。

充填空間加熱部４は、第１酸化剤ノズル４１と、第２酸化剤ノズル４２と、酸化剤供給部４３とを備える。第１酸化剤ノズル４１は、本体流路２００において第１充填空間２１の上流側の位置に配置され、ダンパ４１１を介して酸化剤供給部４３に接続される。第２酸化剤ノズル４２は、本体流路２００において第２充填空間２２の上流側かつ第１充填空間２１の下流側の位置に配置され、ダンパ４２１を介して酸化剤供給部４３に接続される。酸化剤供給部４３は、第１酸化剤ノズル４１および第２酸化剤ノズル４２に酸化剤を供給する。酸化剤は、酸素を含むガスであり、例えば空気である。酸化剤は、酸素自体であってもよい。第１酸化剤ノズル４１により第１充填空間２１に酸化剤が供給され、第２酸化剤ノズル４２により第２充填空間２２に酸化剤が供給される。ガス改質炉１では、複数の第１酸化剤ノズル４１が設けられてもよく、複数の第２酸化剤ノズル４２が設けられてもよい。

改質剤供給部５は、第１改質剤ノズル５１と、第２改質剤ノズル５２とを備える。第１改質剤ノズル５１は、本体流路２００において第１充填空間２１の上流側の位置に配置され、ダンパ５１１を介して蒸気だめ８２０に接続される。第２改質剤ノズル５２は、本体流路２００において第２充填空間２２の上流側かつ第１充填空間２１の下流側の位置に配置され、ダンパ５２１を介して蒸気だめ８２０に接続される。蒸気だめ８２０内の水蒸気は、改質剤として第１改質剤ノズル５１および第２改質剤ノズル５２に供給される。改質剤は、過酸化水素ガス等であってもよい。第１改質剤ノズル５１により第１充填空間２１に改質剤が供給され、第２改質剤ノズル５２により第２充填空間２２に改質剤が供給される。ガス改質炉１では、複数の第１改質剤ノズル５１が設けられてもよく、複数の第２改質剤ノズル５２が設けられてもよい。第１改質剤ノズル５１および第２改質剤ノズル５２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２は、ガス改質炉１が熱分解ガスを改質する処理の流れを示す図である。ガス改質炉１における熱分解ガスの改質では、後述のステップＳ１１と、ステップＳ１２とが交互に繰り返される。以下の説明では、一のステップＳ１２の直後に行われるステップＳ１１と、当該ステップＳ１１の直後に行われるステップＳ１２とに着目する。ガス改質炉１における熱分解ガスの改質では、酸化剤供給部４３により、第１酸化剤ノズル４１および第２酸化剤ノズル４２から本体流路２００への酸化剤の供給が、原則として常時行われている。

ステップＳ１１では、供給調整部３を用いて、第１供給流路３１を流れる熱分解ガスの流量が、第２供給流路３２を流れる熱分解ガスの流量よりも小さい状態が形成される。本実施の形態では、第１供給流路３１のダンパ３１１が閉じられることにより、第１供給流路３１を流れる熱分解ガスの流量はほぼ０となる。また、第２供給流路３２のダンパ３２１が開かれることにより、第２流入口２０２から本体流路２００内に熱分解ガスが供給される。

熱分解ガスは、第２流入口２０２から第２充填空間２２に向かって流れる。このとき、第２酸化剤ノズル４２から熱分解ガスに酸化剤が供給され、熱分解ガスに含まれるガスが部分燃焼する。これにより、例えば、８００〜１２００℃の高温の熱分解ガスが第２充填空間２２に流入する。第２充填空間２２に到達した熱分解ガスは、充填物間の隙間、および、第２保持部材２２１の孔を経由して、本体流路２００における第２充填空間２２よりも下流側へと流れる。熱分解ガスが第２充填空間２２を通過する際に、熱分解ガスに含まれるタールの炭素成分が、下記化学反応式のように、充填物の表面（細孔内の表面を含む。）に析出する。換言すると、熱分解ガスに含まれるタールが、充填物に捕集（トラップ）される。このとき、水素等の燃料ガスも発生する。

典型的には、析出物は、炭素を多く含む物質（炭素化合物）であり、純粋な炭素である必要はない。第２充填空間２２では、熱分解ガスから充填物上に析出する析出物の量が、時間の経過に伴って増加する。第２充填空間２２の温度を８００〜１２００℃とすることにより、熱分解ガスに含まれるタールの分解、すなわち、析出物の析出が生じやすくなり、タールの捕集率を１００％に近づけることが可能となる。なお、第２充填空間２２では、熱分解ガスに含まれる粉体のチャーも充填物の表面に付着して捕集される。充填物に付着するチャーも、析出物として扱われてよい（以下同様）。このように、熱分解ガスが第２充填空間２２を通過することにより、熱分解ガスに含まれるタールおよびチャーの大部分が除去される。タール等が除去された熱分解ガス（燃焼ガス、および、発生した燃料ガスも含む。以下同様。）は、流出口２０３に到達し、ボイラ８２へと排出される。

一方、直前のステップＳ１２では、第１充填空間２１の充填物上に析出物が析出している（第１充填空間２１における析出物の析出については後述する。）。ステップＳ１１では、第１改質剤ノズル５１から本体流路２００への改質剤の供給が行われ、また、既述のように、第１酸化剤ノズル４１から本体流路２００への酸化剤の供給も行われる。このように、第１充填空間２１の充填物上の析出物に対して、酸化剤および改質剤が供給される。第１充填空間２１では、酸化剤により充填物上の析出物の一部が燃焼し、第１充填空間２１が高温となる。その結果、析出物の他の一部が、下記化学反応式のように、改質剤による改質反応（ここでは、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）。

第１充填空間２１では、充填物上の析出物の量が時間の経過に伴って減少する。第１充填空間２１では、析出物から生成される燃料ガスの部分燃焼も生じてよい。燃料ガスおよび燃焼ガスは、第１充填空間２１を通過し、熱分解ガスと共に第２充填空間２２を通過する。そして、上記燃料ガスおよび燃焼ガスが、第２充填空間２２にてタール等が除去された熱分解ガスと共に、改質ガスとしてボイラ８２へと排出される。本処理例におけるステップＳ１１では、第２改質剤ノズル５２から噴出される改質剤の流量が、後述のステップＳ１２における流量よりも小さく、好ましくは、第２改質剤ノズル５２から改質剤が噴出されない。

第２供給流路３２からの熱分解ガスの供給開始後、所定時間が経過すると、ステップＳ１２が行われる。ステップＳ１２では、供給調整部３を用いて、第２供給流路３２を流れる熱分解ガスの流量が第１供給流路３１を流れる熱分解ガスの流量よりも小さい状態が形成される。本実施の形態では、第２供給流路３２のダンパ３２１が閉じられることにより、第２供給流路３２を流れる熱分解ガスの流量はほぼ０となる。また、第１供給流路３１のダンパ３１１が開かれることにより、第１流入口２０１から本体流路２００内に熱分解ガスが供給される。

熱分解ガスは、第１流入口２０１から第１充填空間２１に向かって流れる。このとき、第１酸化剤ノズル４１から熱分解ガスに酸化剤が供給され、熱分解ガスに含まれるガスが部分燃焼する。これにより、高温の熱分解ガスが第１充填空間２１に流入する。第１充填空間２１に到達した熱分解ガスは、充填物間の隙間、および、第１保持部材２１１の孔を経由して、本体流路２００における第１充填空間２１よりも下流側へと流れる。熱分解ガスが第１充填空間２１を通過する際に、熱分解ガスに含まれるタールの炭素成分が、充填物の表面に析出する。第１充填空間２１では、熱分解ガスから充填物上に析出する析出物の量が、時間の経過に伴って増加する。熱分解ガスに含まれる粉体のチャーも充填物の表面に付着して捕集される。以上のように、熱分解ガスが第１充填空間２１を通過することにより、熱分解ガスに含まれるタールおよびチャーの大部分が除去される。タール等が除去された熱分解ガスは、第２充填空間２２を通過して流出口２０３に到達し、ボイラ８２へと排出される。

一方、既述のように、直前のステップＳ１１では、第２充填空間２２の充填物上に析出物が析出している。ステップＳ１２では、第２改質剤ノズル５２から本体流路２００への改質剤の供給が行われ、また、既述のように、第２酸化剤ノズル４２から本体流路２００への酸化剤の供給も行われる。このように、第２充填空間２２の充填物上の析出物に対して、酸化剤および改質剤が供給される。第２充填空間２２では、酸化剤により充填物上の析出物の一部が燃焼し、第２充填空間２２が高温となる。その結果、析出物の他の一部が、改質剤による改質反応により、燃料ガスに転換される。実際には、第１充填空間２１を通過して第２充填空間２２に流入する熱分解ガスは高温であるため、ステップＳ１２では、第２酸化剤ノズル４２から噴出される酸化剤の流量を、ステップＳ１１よりも小さくすることが可能である。

第２充填空間２２では、充填物上の析出物の量が時間の経過に伴って減少する。第２充填空間２２では、析出物から生成される燃料ガスの部分燃焼や、上記熱分解ガスの部分燃焼も生じてよい。燃料ガスおよび燃焼ガスは、第２充填空間２２を通過し、第１充填空間２１にてタール等が除去された熱分解ガスと共に、改質ガスとしてボイラ８２へと排出される。本処理例におけるステップＳ１２では、第１改質剤ノズル５１から噴出される改質剤の流量が、ステップＳ１１における流量よりも小さく、好ましくは、第１改質剤ノズル５１から改質剤が噴出されない。

第１供給流路３１からの熱分解ガスの供給開始後、所定時間が経過すると、ステップＳ１１が行われる。このように、ステップＳ１１と、ステップＳ１２とが交互に繰り返される。換言すると、第１充填空間２１における析出物が減少し、かつ、第２充填空間２２における析出物が増加する一の状態と、第２充填空間２２における析出物が減少し、かつ、第１充填空間２１における析出物が増加する他の状態とが交互に繰り返される。これにより、充填空間２１，２２が閉塞することなく、ガス改質炉１の連続稼働が可能となる。

ガス改質炉１（並びに、後述の図６ないし図８のガス改質炉１）では、各ステップＳ１１，Ｓ１２の継続時間を管理することにより、析出物が増加する一方の充填空間が閉塞する前に、他方のステップＳ１２，Ｓ１１への切替が行われる。ステップＳ１１とステップＳ１２との切替は、時間以外の情報に基づいて行われてもよい。例えば、炉本体２の内部において、第１流入口２０１、第２流入口２０２および流出口２０３の近傍に測定部を設け、当該測定部により温度、圧力または流量等の測定値を取得して、析出物が増加する充填空間２１，２２における閉塞の兆候を検出することにより、ステップＳ１１とステップＳ１２との切替が行われてもよい。また、上記測定値に基づいて、析出物が減少する充填空間２１，２２における析出物の改質の終点を検出することにより、上記切替が行われてもよい。さらに、各酸化剤ノズル４１，４２から噴出される酸化剤の量が、上記温度の測定値等に基づいて制御されてもよい。熱分解ガスを改質する処理では、一方の充填空間において析出物が増加し、他方の充填空間において析出物が減少するステップＳ１１，Ｓ１２の状態に加えて、双方の充填空間２１，２２において析出物が増加する状態、または、析出物が減少する状態が含まれてもよい。

なお、ステップＳ１１において第２改質剤ノズル５２から改質剤が噴出される場合、および、ステップＳ１２において第１改質剤ノズル５１から改質剤が噴出される場合には、熱分解ガスに含まれるタールが、下記化学反応式に示す水蒸気改質反応により、水素や一酸化炭素（すなわち、燃料ガス）に改質される。

ここで、実験例について述べる。図３は、実験装置９の概略構成を示す図である。実験装置９では、内径５０ｍｍの石英の反応管が改質炉９１として用いられ、改質炉９１内に石英ビーズ９２が充填物として充填される。改質炉９１の周囲には、電気ヒータ９７が設けられ、改質炉９１は所定の温度に加熱される。改質炉９１の蓋部には流入口９１１が設けられる。流入口９１１を介して、各種ガスが改質炉９１内に供給可能である。改質炉９１の底部には、燃料ガス等が排出される流出口９１２が設けられる。

第１の実験では、模擬熱分解ガス、酸素（Ｏ_２）ガスおよび水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を含むガスを、表１に示す条件で流入口９１１から改質炉９１内に供給した。模擬熱分解ガスは、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）、窒素（Ｎ_２）を含み、模擬タールとしてトルエン（Ｃ_７Ｈ_８）をさらに含む。酸素ガスおよび水蒸気は、酸化剤および改質剤にそれぞれ対応する。また、改質炉９１の中心部の温度が１２００℃となるように、電気ヒータ９７を制御した。このようにして、模擬熱分解ガスのタール除去を行い、模擬熱分解ガスから石英ビーズ９２上に析出物を析出させた。

図４は、実際の実験に用いた改質炉９１（反応管）を示す写真である。図４中の左側の写真は、実験前の改質炉９１を示し、右側の写真は、実験後の改質炉９１を示す。右側の写真では、一部の石英ビーズ（符号Ａ参照）が黒くなっており、石英ビーズ上に析出物（炭素化合物）が析出することを確認できた。なお、析出物が析出した領域の温度は、１０００〜１２００℃であった。

第２の実験では、第１の実験にて得られた改質炉９１に対して、窒素（Ｎ_２）ガスおよび水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を含むガスを、表２に示す条件で流入口９１１から改質炉９１内に供給した。また、改質炉９１の中心部の温度が１２００℃となるように、電気ヒータ９７を制御した。このようにして、石英ビーズ９２上の析出物を水蒸気により燃料ガスに改質させた。

図５は、実際の実験に用いた改質炉９１（反応管）を示す写真である。図５中の左側の写真は、実験前の改質炉９１を示し、右側の写真は、実験後の改質炉９１を示す。左側の写真において石英ビーズ上に付着していた析出物（符号Ａ参照）が、水蒸気改質により除去されることを確認できた。なお、析出物が除去された領域の温度は、１０００〜１２００℃であった。

ここで、特許第５６７９１６０号公報（上記特許文献１）のように、熱分解ガスから炭素担持体を生成し、当該炭素担持体を水素ガス発生源として用いる比較例の処理を想定する。当該比較例の処理では、熱分解ガスから多くの燃料ガスを発生させる、すなわち、熱分解ガスを効率よく利用することが可能である。しかしながら、炭素担持体を外部に取り出して、他の装置において炭素担持体から燃料ガスを発生させる煩雑な作業が必要となる。また、都市廃棄物等の雑多な原料を用いる場合、熱分解ガスの質および量が大きく変動しやすく、非常に不安定となる。析出物の量が急増する際には、炭素担持体における隙間が閉塞してしまう。

これに対し、ガス改質炉１の炉本体２には、充填物が充填された第１充填空間２１および第２充填空間２２が設けられる。供給調整部３は、第１供給流路３１および第２供給流路３２を介して熱分解ガスを第１充填空間２１および第２充填空間２２に供給し、各供給流路３１，３２を流れる熱分解ガスの流量が変更可能である。改質剤供給部５は、第１充填空間２１および第２充填空間２２において、熱分解ガスから充填物上に析出する析出物に対して改質剤を供給し、析出物を燃料ガスに改質する。そして、制御部１０は、供給調整部３を制御することにより、第１供給流路３１を流れる熱分解ガスの流量が第２供給流路３２よりも小さい一の状態と、第２供給流路３２を流れる熱分解ガスの流量が第１供給流路３１よりも小さい他の状態とを切り替える。これにより、当該一の状態において、第１充填空間２１における析出物を減少させ、かつ、第２充填空間２２における析出物を増加させることができ、当該他の状態において、第２充填空間２２における析出物を減少させ、かつ、第１充填空間２１における析出物を増加させることができる。その結果、析出物が付着した充填物を外部に取り出すことなく、析出物から燃料ガスを生成して、熱分解ガスを容易にかつ効率よく利用することができる。また、析出物による炉本体２内の閉塞も防止することができる。

ガス改質炉１では、当該一の状態において第２充填空間２２に供給される改質剤の流量が、当該他の状態よりも小さく、当該他の状態において第１充填空間２１に供給される改質剤の流量が、当該一の状態よりも小さい。これにより、各充填空間２１，２２では、タールの炭素成分を析出物として積極的に析出させ、その後、改質剤により析出物の改質（分解）が行われる。その結果、単に熱分解ガスに改質剤を供給する場合（充填物上への析出物の析出を行わない場合）に比べて、熱分解ガスに含まれるタールを効率よく除去することができる。また、充填物が多孔体であることにより、タールの析出量を容易に増大することができる。

ここで、貴金属触媒を用いることにより熱分解ガス中のタールを分解する比較例の装置を想定する。比較例の装置では、熱分解ガスに含まれる硫黄（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。また、飛灰等により触媒が閉塞されてしまう場合もある。したがって、酸性ガス成分を処理する脱塩脱硫装置や、飛灰を除去する高温除塵装置等を前処理装置として設置する必要があり、ガス化システムが大規模化してしまう。また、触媒表面にタールや析出物が付着する問題もある。

これに対し、ガス改質炉１の第１充填空間２１および第２充填空間２２では、触媒機能自体が必要ではないため、触媒における被毒や閉塞の懸念がない。上記前処理装置も不要である。その結果、ガス化システム８を小規模にして、システムの製造コストを削減することができる。また、比較的安価なセラミックス等の充填物を用いることができ、比較例の装置に比べて、ガス改質炉１の製造コストを削減することができる。

図１のガス改質炉１では、本体流路２００における上流側の空間が第１充填空間２１を含み、下流側の空間が第２充填空間２２を含む。したがって、第１供給流路３１を流れる熱分解ガスの流量が第２供給流路３２よりも大きい状態（上記他の状態）において、上流側の空間で熱分解ガスから発生する熱を、第２充填空間２２において利用することができる。その結果、第２供給流路３２を流れる熱分解ガスの流量が第１供給流路３１よりも大きい状態（上記一の状態）に比べて、第２充填空間２２に供給する酸化剤の流量を小さくすることができ、酸化剤の使用量を削減することができる。また、上記一の状態において、第１改質剤ノズル５１から第１充填空間２１に供給される改質剤の余剰を、下流側の空間において利用することもでき、改質剤を効率よく使用することができる。

図６は、ガス改質炉１の他の例を示す図である。図６のガス改質炉１では、炉本体２の一方の端部２８１に第１供給流路３１および第１排出流路６１が接続される。また、炉本体２の他方の端部２８２に第２供給流路３２および第２排出流路６２が接続される。図６の例では、第１供給流路３１および第１排出流路６１は位置Ｐ１で結合し、１つの流路として炉本体２に接続される。同様に、第２供給流路３２および第２排出流路６２が位置Ｐ２で結合し、１つの流路として炉本体２に接続される。各排出流路６１，６２には、ダンパ６１１，６２１が設けられる。第１排出流路６１および第２排出流路６２における炉本体２とは反対側の端部は互いに結合し、１つの流路としてボイラ８２に接続される。

炉本体２の内部において、第１充填空間２１と端部２８１との間には、第１酸化剤ノズル４１および第１改質剤ノズル５１が設けられる。第１充填空間２１と第２充填空間２２との間には、中間酸化剤ノズル４０および中間改質剤ノズル５０が設けられる。第２充填空間２２と端部２８２との間には、第２酸化剤ノズル４２および第２改質剤ノズル５２が設けられる。

図６のガス改質炉１では、第１供給流路３１に熱分解ガスを流さない図２のステップＳ１１において、ダンパ３２１，６１１が開かれ、ダンパ３１１，６２１が閉じられる。また、第２酸化剤ノズル４２および中間酸化剤ノズル４０から酸化剤が噴出され、中間改質剤ノズル５０から改質剤が噴出される。これにより、第２充填空間２２において析出物が増加し、第１充填空間２１において析出物が減少する。また、端部２８２と第２充填空間２２との間、および、第２充填空間２２で熱分解ガスから発生する熱が、第１充填空間２１において利用される。したがって、中間酸化剤ノズル４０から噴出される酸化剤の流量を小さくすることができ、酸化剤の使用量を削減することができる。ステップＳ１１において、第２改質剤ノズル５２から改質剤が噴出されてもよい（以下同様）。

第２供給流路３２に熱分解ガスを流さないステップＳ１２では、ダンパ３１１，６２１が開かれ、ダンパ３２１，６１１が閉じられる。また、第１酸化剤ノズル４１および中間酸化剤ノズル４０から酸化剤が噴出され、中間改質剤ノズル５０から改質剤が噴出される。これにより、第１充填空間２１において析出物が増加し、第２充填空間２２において析出物が減少する。また、端部２８１と第１充填空間２１との間、および、第１充填空間２１で熱分解ガスから発生する熱が、第２充填空間２２において利用される。したがって、中間酸化剤ノズル４０から噴出される酸化剤の流量を小さくすることができ、酸化剤の使用量を削減することができる。ステップＳ１２において、第１改質剤ノズル５１から改質剤が噴出されてもよい（以下同様）。

図１および図６のガス改質炉１では、第１充填空間２１および第２充填空間２２が、１つの炉内に設けられることにより、炉本体２の構造を簡素化することができるが、第１充填空間２１および第２充填空間２２が個別の炉に設けられてもよい。以下、第１充填空間２１および第２充填空間２２が個別の炉に設けられるガス改質炉１について説明する。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るガス改質炉１を示す図である。ガス改質炉１の炉本体２ａは、第１分割炉２９１と、第２分割炉２９２とを備える。各分割炉２９１，２９２は、例えば略円筒状である。第１分割炉２９１の一方の端部には、第１供給流路３１が接続され、他方の端部には、第１排出流路６１が接続される。同様に、第２分割炉２９２の一方の端部には、第２供給流路３２が接続され、他方の端部には、第２排出流路６２が接続される。第１排出流路６１および第２排出流路６２は、ボイラ８２に接続する。

第１分割炉２９１の内部には第１充填空間２１が設けられ、第２分割炉２９２の内部には第２充填空間２２が設けられる。第１供給流路３１から第１分割炉２９１内に供給される熱分解ガスは、第１充填空間２１を通過した後、第１排出流路６１に流入する。同様に、第２供給流路３２から第２分割炉２９２内に供給される熱分解ガスは、第２充填空間２２を通過した後、第２排出流路６２に流入する。第１酸化剤ノズル４１および第１改質剤ノズル５１は、第１分割炉２９１において第１充填空間２１の上流側の位置に配置される。第２酸化剤ノズル４２および第２改質剤ノズル５２は、第２分割炉２９２において第２充填空間２２の上流側の位置に配置される。

図７のガス改質炉１における熱分解ガスの改質では、第１供給流路３１を流れる熱分解ガスの流量が、第２供給流路３２を流れる熱分解ガスの流量よりも小さい状態が形成される（図２：ステップＳ１１）。このとき、第２分割炉２９２では、第２酸化剤ノズル４２から熱分解ガスに酸化剤が供給され、熱分解ガスに含まれるガスが部分燃焼する。そして、熱分解ガスが第２充填空間２２を通過する際に、熱分解ガスに含まれるタールの炭素成分が充填物の表面に析出する。第２充填空間２２にてタール等が除去された熱分解ガスは、第２排出流路６２を介してボイラ８２へと排出される。また、第１分割炉２９１では、第１酸化剤ノズル４１および第１改質剤ノズル５１から内部に酸化剤および改質剤が供給される。これにより、第１充填空間２１における充填物上の析出物の一部が燃焼し、析出物の他の一部が、改質剤による改質反応により燃料ガスに改質される。燃料ガスおよび燃焼ガスは、第１排出流路６１を介してボイラ８２へと排出される。

ステップＳ１１の開始から所定時間が経過すると、第２供給流路３２を流れる熱分解ガスの流量が第１供給流路３１を流れる熱分解ガスの流量よりも小さい状態が形成される（ステップＳ１２）。このとき、第１分割炉２９１では、第１酸化剤ノズル４１から熱分解ガスに酸化剤が供給され、熱分解ガスに含まれるガスが部分燃焼する。そして、熱分解ガスが第１充填空間２１を通過する際に、熱分解ガスに含まれるタールの炭素成分が充填物の表面に析出する。第１充填空間２１にてタール等が除去された熱分解ガスは、第１排出流路６１を介してボイラ８２へと排出される。また、第２分割炉２９２では、第２酸化剤ノズル４２および第２改質剤ノズル５２から内部に酸化剤および改質剤が供給される。これにより、第２充填空間２２における充填物上の析出物の一部が燃焼し、析出物の他の一部が、改質剤による改質反応により燃料ガスに改質される。燃料ガスおよび燃焼ガスは、第２排出流路６２を介してボイラ８２へと排出される。ステップＳ１１，Ｓ１２の処理は、交互に繰り返される。

以上のように、図７のガス改質炉１においても、第１充填空間２１における析出物が減少し、かつ、第２充填空間２２における析出物が増加する一の状態と、第２充填空間２２における析出物が減少し、かつ、第１充填空間２１における析出物が増加する他の状態とが切り替えられる。これにより、析出物が付着した充填物を外部に取り出すことなく、析出物から燃料ガスを生成して、熱分解ガスを容易にかつ効率よく利用することができる。また、析出物による炉本体２ａ内の閉塞も防止することができる。

図８は、ガス改質炉１の他の例を示す図である。図８のガス改質炉１では、図７のガス改質炉１に対して、第１補助流路２３１および第２補助流路２３２が追加される。第１補助流路２３１は、第２分割炉２９２の下流側の端部と第１分割炉２９１の上流側の端部とを連通させる。第２補助流路２３２は、第１分割炉２９１の下流側の端部と第２分割炉２９２の上流側の端部とを連通させる。また、第１補助流路２３１、第２補助流路２３２、第１排出流路６１および第２排出流路６２にダンパ２３３，２３４，６１１，６２１がそれぞれ追加される。他の構成は、図７と同様であり、同じ構成に同じ符号を付す。

図８のガス改質炉１では、第１供給流路３１に熱分解ガスを流さない図２のステップＳ１１において、ダンパ３２１，２３３，６１１が開かれ、ダンパ３１１，２３４，６２１が閉じられる。また、第１酸化剤ノズル４１および第２酸化剤ノズル４２から酸化剤が噴出され、第１改質剤ノズル５１から改質剤が噴出される。これにより、第２充填空間２２において析出物が増加し、第１充填空間２１において析出物が減少する。また、第２分割炉２９２で熱分解ガスから発生する熱が、第１充填空間２１における析出物の改質に利用される。したがって、第１酸化剤ノズル４１から噴出される酸化剤の流量を小さくすることができ、酸化剤の使用量を削減することができる。

第２供給流路３２に熱分解ガスを流さないステップＳ１２では、ダンパ３１１，２３４，６２１が開かれ、ダンパ３２１，２３３，６１１が閉じられる。また、第１酸化剤ノズル４１および第２酸化剤ノズル４２から酸化剤が噴出され、第２改質剤ノズル５２から改質剤が噴出される。これにより、第１充填空間２１において析出物が増加し、第２充填空間２２において析出物が減少する。また、第１分割炉２９１で熱分解ガスから発生する熱が、第２充填空間２２における析出物の改質に利用される。したがって、第２酸化剤ノズル４２から噴出される酸化剤の流量を小さくすることができ、酸化剤の使用量を削減することができる。

なお、第１分割炉２９１および第２分割炉２９２を、１つの補助流路を介して直列に接続したものを、図６の炉本体２と置き換え、かつ、図６と同様の位置に、酸化剤ノズル４０〜４２、並びに、改質剤ノズル５０〜５２を配置することにより、一方の分割炉で発生する熱が、他方の分割炉における析出物の改質に利用されてもよい。

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。

ガス改質炉１では、３以上の充填空間が設けられてもよい。この場合、当該３以上の充填空間に対して個別に供給流路が接続される。そして、一の充填空間に接続する供給流路を流れる熱分解ガスの流量が、他の供給流路よりも小さくされることにより、当該一の充填空間における析出物が減少し、かつ、他の充填空間における析出物が増加する状態が形成される。

例えば、図１のガス改質炉１において、保持部材２１１，２２１が省略され、炉本体２の底部にて充填物が保持されてもよい。この場合、充填物が充填される空間をガス流れ方向に２分割した一方が第１充填空間２１とされ、他方が第２充填空間２２とされる。また、ガス流れ方向が、例えば水平方向となる炉本体２，２ａにおいて、互いに隣接する２つの保持部材の間に充填物を充填することにより、充填空間２１，２２が形成されてもよい。

充填物は、金属または鉱物にて形成されてもよく、十分な量の析出物を析出させることが可能な表面積が得られる場合には、必ずしも多孔体である必要はない。また、ガス改質炉１の設計によっては、タールの分解に寄与する金属系触媒が充填物として用いられてもよい。充填物の形状も、球状以外に、円柱状や粒状であってもよい。

上記実施の形態では、熱分解ガスへの酸化剤の供給により、第１充填空間２１および第２充填空間２２が加熱されるが、加熱器により第１充填空間２１および第２充填空間２２が加熱されてもよい。この場合、充填空間加熱部４において、ヒータもしくは熱交換器、または、高温ガスを噴出するノズル等が当該加熱器として設けられる。充填空間加熱部４では、加熱器と酸化剤ノズルとを併用して、第１充填空間２１および第２充填空間２２の加熱が行われてもよい。

例えば、共通流路３０（図１参照）に酸化剤ノズルおよび改質剤ノズルが設けられ、酸化剤および改質剤が第１充填空間２１および第２充填空間２２に供給されてもよい。一方、酸化剤を効率よく使用するという観点では、充填空間加熱部４が、複数の酸化剤ノズルを有し、第１充填空間２１および第２充填空間２２に酸化剤を個別に供給可能であることが好ましい。同様に、改質剤を効率よく使用するという観点では、改質剤供給部５が、複数の改質剤ノズルを有し、第１充填空間２１および第２充填空間２２に改質剤を個別に供給可能であることが好ましい。酸化剤ノズルおよび改質剤ノズルは、充填空間２１，２２の内部、または、供給流路３１，３２に設けられてもよい。

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。ガス改質炉１および図２の処理は、燃料ガス生成装置および燃料ガス生成処理として捉えることもできる。

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
２，２ａ 炉本体
３ 供給調整部
４ 充填空間加熱部
５ 改質剤供給部
１０ 制御部
２１ 第１充填空間
２２ 第２充填空間
３１ 第１供給流路
３２ 第２供給流路
８１ ガス化炉
２００ 本体流路
Ｓ１１，Ｓ１２ ステップ

Claims (6)

1. 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、
   充填物が充填された第１充填空間および第２充填空間を有する炉本体と、
   前記第１充填空間および前記第２充填空間にそれぞれ接続する第１供給流路および第２供給流路を有し、熱分解ガスを前記第１供給流路および前記第２供給流路を介して前記第１充填空間および前記第２充填空間に供給するとともに、各供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が変更可能な供給調整部と、
   前記熱分解ガスへの酸化剤の供給により、または、加熱器により、前記第１充填空間および前記第２充填空間を加熱する充填空間加熱部と、
   前記第１充填空間および前記第２充填空間において、前記熱分解ガスから前記充填物上に析出する析出物に対して改質剤を供給することにより、前記析出物を燃料ガスに改質する改質剤供給部と、
   前記供給調整部を制御することにより、前記第１供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が前記第２供給流路よりも小さい一の状態と、前記第２供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が前記第１供給流路よりも小さい他の状態とを切り替える制御部と、
   を備え、
   前記一の状態において、前記改質剤供給部が少なくとも前記第１充填空間に前記改質剤を供給し、前記第１充填空間における前記析出物が減少し、かつ、前記第２充填空間における前記析出物が増加し、前記他の状態において、前記改質剤供給部が少なくとも前記第２充填空間に前記改質剤を供給し、前記第２充填空間における前記析出物が減少し、かつ、前記第１充填空間における前記析出物が増加することを特徴とするガス改質炉。
2. 請求項１に記載のガス改質炉であって、
   前記改質剤供給部が、前記第１充填空間および前記第２充填空間に前記改質剤を個別に供給可能であり、
   前記一の状態において前記第２充填空間に供給される前記改質剤の流量が、前記他の状態よりも小さく、前記他の状態において前記第１充填空間に供給される前記改質剤の流量が、前記一の状態よりも小さいことを特徴とするガス改質炉。
3. 請求項１または２に記載のガス改質炉であって、
   前記充填物が、多孔体であることを特徴とするガス改質炉。
4. 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、
   前記充填空間加熱部が、前記第１充填空間および前記第２充填空間に前記酸化剤を個別に供給可能であることを特徴とするガス改質炉。
5. 請求項４に記載のガス改質炉であって、
   前記炉本体が、前記熱分解ガスが流れる本体流路を有し、
   前記本体流路における上流側の空間が前記第１充填空間を含み、下流側の空間が前記第２充填空間を含み、
   前記他の状態において、前記第２充填空間に供給される前記酸化剤の流量が、前記一の状態よりも小さいことを特徴とするガス改質炉。
6. ガス改質炉における熱分解ガス改質方法であって、
   前記ガス改質炉が、
   充填物が充填された第１充填空間および第２充填空間を有する炉本体と、
   前記第１充填空間および前記第２充填空間にそれぞれ接続する第１供給流路および第２供給流路を有し、ガス化炉から供給される熱分解ガスを前記第１供給流路および前記第２供給流路を介して前記第１充填空間および前記第２充填空間に供給するとともに、各供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が変更可能な供給調整部と、
   前記熱分解ガスへの酸化剤の供給により、または、加熱器により、前記第１充填空間および前記第２充填空間を加熱する充填空間加熱部と、
   前記第１充填空間および前記第２充填空間において、前記熱分解ガスから前記充填物上に析出する析出物に対して改質剤を供給することにより、前記析出物を燃料ガスに改質する改質剤供給部と、
   を備え、
   前記熱分解ガス改質方法が、
   ａ）前記供給調整部を用いて、前記第１供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が前記第２供給流路よりも小さい一の状態を形成するとともに、前記改質剤供給部により少なくとも前記第１充填空間に前記改質剤を供給する工程と、
   ｂ）前記供給調整部を用いて、前記第２供給流路を流れる前記熱分解ガスの流量が前記第１供給流路よりも小さい他の状態を形成するとともに、前記改質剤供給部により少なくとも前記第２充填空間に前記改質剤を供給する工程と、
   を備え、
   前記一の状態において、前記第１充填空間における前記析出物が減少し、かつ、前記第２充填空間における前記析出物が増加し、前記他の状態において、前記第２充填空間における前記析出物が減少し、かつ、前記第１充填空間における前記析出物が増加することを特徴とする熱分解ガス改質方法。