WO2005085397A1 - バイオマスガス化システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス中のタール分によって引き起こされる障害を阻止することが可能であるとともに、当該タール分を含む燃料ガスを熱的に有効利用することができるバイオマスガス化システムおよびその運転方法を提供する。 【解決手段】バイオマスから燃料ガスを生成するガス化炉１より利用システム２へ燃料ガスを供給する供給系３に、燃料ガス中のタール分を熱分解処理することが可能な処理温度に昇温されるガス改質塔４を設ける。ガス改質塔４の温度が処理温度よりも低いときには、当該ガス改質塔４からの燃料ガスをガス化炉１へガス化炉用燃料として導入する燃料ガス導入系５を設ける。                                                                                 

Description

明 細 書

バイオマスガス化システムおよびその運転方法

技術分野

[0001] 本発明は、燃料ガス中のタール分によって引き起こされる障害を阻止することが可 能であるとともに、当該タール分を含む燃料ガスを熱的に有効利用することができる バイオマスガス化システムおよびその運転方法に関する。

背景技術

[0002] 木材チップや鶏糞等のバイオマスを原料とし、これをガス化炉において無酸素下で 600°C— 900°Cの高温に加熱し熱分解することで燃料ガスを生成するバイオマスガ ス化システムが知られている。このシステムでは、バイオマスの有機可燃分が 200°C 一 600°Cでガス化されることとなり、こうして得られた燃料ガスを、供給系を介して後段 の燃焼発電やガスエンジン発電、燃料電池など、種々の発電システムに供給して、 発電用燃料として利用するようにしたバイオマスガス化発電システムが近年脚光を浴 びている。

[0003] ガス化炉で生成される燃料ガスには、高分子の炭化水素であるタール分が含まれ ている。タール分は 350°C以上の高温ではガス状である力 低温になると凝集し、配 管など各部に付着して閉塞などの問題を生じさせる。このような燃料ガスがタール分 を含んでいることに起因する問題を解決すベぐ本願出願人は、バイオマスから生成 される燃料ガスの流通経路に、燃料ガスを流通させる多孔状に形成され、かつ加熱 されて 1100°C以上の熱を蓄熱する蓄熱体を設けて構成したバイオマスガス化システ ムの燃料ガス改質装置を提案して 、る（特願 2003— 292568参照)。タール分は 11 00°C以上の温度に加熱すれば、これを熱分解して除去することができる。この際、上 記ガス改質装置では、燃料ガスに純酸素や空気を添加するようにし、その際の酸ィ匕 反応熱で 1100°C以上と!/、う処理温度を確保して、燃料ガス中のタール分を熱分解 するようにしていた。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0004] ところで、ガス化炉力 供給されてくる燃料ガスの温度は 600°C程度であり、これを 純酸素等だけを用いてその酸ィ匕反応熱により 1100°C以上と!/、う処理温度にまで昇 温させるには相当の時間を要し、その期間中はタール分を除去することができなかつ た。具体的には、バイオマスをガス化炉へ投入し始めて燃料ガスの生成を開始した 時点では、改質装置の温度は燃料ガス温度相当であり、その後処理温度に達するま での改質装置の立ち上げ昇温期間中は、タール分を熱分解することができな力つた

[0005] タール分が除去されていない燃料ガスをそのまま、これを利用するガスエンジンな どの利用システムに供給すると、種々の問題が生じる。特に、利用システムに燃料ガ スを供給する供給系に、改質装置を経過した後の燃料ガスを清浄ィ匕する目的で冷却 処理する冷却塔などの冷却装置が設けられて!/、ると、その冷却作用によってタール 分が凝集し、これにより冷却装置の内部が汚染されたり、閉塞を生じる可能性があつ て、システムの継続的な運転に支障をきたすおそれがあるとともに、またこれを回避 するためのメンテナンス作業が必要になるという課題があった。

[0006] 本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、燃料ガス中のタール 分によって引き起こされる障害を阻止することが可能であるとともに、当該タール分を 含む燃料ガスを熱的に有効利用することができるバイオマスガス化システムおよびそ の運転方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明に力かるバイオマスガス化システムは、バイオマスカも燃料ガスを生成する ガス化炉と、該ガス化炉から利用システムへ燃料ガスを供給する供給系に設けられ、 燃料ガス中のタール分を熱分解処理することが可能な処理温度に昇温される改質装 置と、該改質装置の温度が処理温度よりも低いときには、該改質装置からの燃料ガス を上記ガス化炉へガス化炉用燃料として導入する燃料ガス導入系とを備えたことを特 徴とする。

[0008] また、前記ガス化炉の燃焼運転をィ匕石燃料と燃料ガスとで切り替える燃焼切替制 御手段を備えたことを特徴とする。

[0009] また、本発明に力かるバイオマスガス化システムの運転方法は、ガス化炉でバイオ マスから生成された燃料ガス中のタール分を熱分解処理することが可能な処理温度 に昇温される改質装置からの燃料ガスを、該改質装置の温度が処理温度よりも低 、 ときに該ガス化炉へガス化炉用燃料として導入するようにしたことを特徴とする。

[0010] また、前記ガス化炉は、その起動時は化石燃料で燃焼運転が開始され、その後、 前記改質装置の温度が処理温度よりも低い温度のときには、該改質装置から導入さ れる燃料ガスで燃焼運転されることを特徴とする。

発明の効果

[0011] 本発明に力かるバイオマスガス化システムおよびその運転方法にあっては、燃料ガ ス中のタール分によって引き起こされる障害を阻止することができるとともに、当該タ 一ル分を含む燃料ガスを熱的に有効利用することができる。

発明を実施するための最良の形態

[0012] 以下に、本発明に力かるバイオマスガス化システムおよびその運転方法の好適な 一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかるバイオマ スガス化システム基本的には、図 1に示すように、ノィォマスから燃料ガスを生成する ガス化炉 1と、ガス化炉 1から利用システム 2へ燃料ガスを供給する供給系 3に設けら れ、燃料ガス中のタール分を熱分解処理することが可能な処理温度に昇温される改 質装置としてのガス改質塔 4と、ガス改質塔 4の温度が処理温度よりも低いときには、 当該ガス改質塔 4からの燃料ガスをガス化炉 1へガス化炉用燃料として導入する燃料 ガス導入系 5とを備えて構成される。

[0013] ガス化炉 1は、ノィォマス装入装置 6から投入されるバイオマスをその内部で 600°C 一 900°Cの温度で加熱処理することによって燃料ガスを生成する炉体 7と、この炉体 7に加熱処理のための熱風を供給する熱源として、 800°C— 1000°Cで稼働される熱 風発生炉 8とから構成される。熱風発生炉 8には、熱風を生成するために、灯油や重 油などの化石燃料を燃焼させるパーナ 9が設けられる。そしてこの熱風発生炉 8で生 成された熱風は、熱風循環ファン 10により炉体 7との間で循環されるようになっている 。またこの熱風発生炉 8には、熱風を生成するための燃料として、燃料ガス生成後の 炭化物残さが炉体 7から、また燃料ガス導入系 5から燃料ガスが導入されるとともに、 燃焼作用を維持するための燃焼用空気をこれに供給する燃焼用空気供給系 11が 接続される。

[0014] 供給系 3は、ガス化炉 1とガスエンジンなどの利用システム 2との間にこれらを接続 すべく設けられ、燃料ガスが流通される供給ライン 12と、供給ライン 12に設けられ、 流通される燃料ガス力ゝら熱回収する熱交 13と、供給ライン 12に、熱交 13の 後段に位置させて設けられ、燃料ガスを清浄化する目的で冷却するガス冷却塔 14と 、供給ライン 12に、ガス冷却塔 14の出口側に位置させて開度調整自在に設けられ、 ガス化炉内圧を制御する供給系ダンバ 15と、供給系ライン 12に、供給系ダンバ 15と 利用システム 2との間に位置させて設けられ、燃料ガスをガス化炉 1から誘引する供 給系ファン 16とから構成される。そして、供給系ダンバ 15が開かれることで供給系フ アン 16によりガス化炉 1で生成された燃料ガスが利用システム 2へと供給されるように なっている。

[0015] 熱交換器 13については、熱風発生炉 8に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給 系 11が接続され、回収した熱によって燃焼用空気を加熱するようになっている。燃焼 用空気供給系 11は、熱風発生炉 8に接続され、燃焼用空気が流通される供給配管 1 7と、供給配管 17に燃焼用空気を送り込む送風ファン 18と、供給配管 17の途中に設 けられ、例えば燃料ガスの熱交 出口温度を 400°C程度に維持するなど、送風量 を制御すべく開度制御される制御ダンバ 19とから構成される。

[0016] 供給系 3の供給ライン 12には、ガス化炉 1と熱交翻 13との間に位置させて、ガス 化炉 1から供給される燃料ガス力 タール分を除去するためのガス改質塔 4が設けら れる。このガス改質塔 4には、その内部を経過する燃料ガスに混合されることで酸ィ匕 反応してその反応熱でガス改質塔 4を昇温させる純酸素や空気を導入するための制 御ノズル 20が設けられる。ガス改質塔 4は、耐熱鋼の外部に保温構造を施して構成 されていて、内部ガスの熱は当該ガス改質塔 4への蓄熱と放熱とによって一部消費さ れること〖こなる。ガス改質塔 4の温度は、立ち上げ昇温時にはこれを経過する燃料ガ スの温度相当であり、その後、酸化反応熱によって徐々に昇温されていき、通常の稼 働状態では、燃料ガス中に含まれるタール分を熱分解して除去することが可能な処 理温度である 1100°C以上に昇温されるようになって!/、る。

[0017] 燃料ガス導入系 5は、ガス冷却塔 14の前段、すなわち燃料ガスの流れ方向上流側 であって、かつ熱交換器 13の後段において供給ライン 12から分岐されて熱風発生 炉 8に接続され、ガス冷却塔 14に流入する前の、熱交換器 13を経過した 350°C以上 の温度を有する燃料ガスが流通される導入ライン 21と、導入ライン 21に設けられ、燃 料ガスを供給ライン 12から引き込む導入系ファン 22と、導入ライン 21に、導入系ファ ン 22の前段に位置させて開度調整自在に設けられ、供給系ダンバ 15と連係してガ ス化炉内圧を制御する導入系ダンバ 23と、ガス改質塔 4の温度を検出して出力する 熱電対などの温度センサ 24と、温度センサ 24からガス改質塔 4の温度が入力される とともに、ガス改質塔 4の温度が処理温度よりも低いときに、ガス改質塔 4からの燃料 ガスを熱風発生炉 8へガス化炉用燃料として導入制御するために、導入系ダンバ 23 の開度を制御したり、導入系ファン 22の運転を制御する制御信号を出力する制御器 25とから構成される。

[0018] 制御器 25は、温度センサ 24で検出されるガス改質塔 4の温度が処理温度よりも低 いときには、導入系ダンバ 23を開くとともに導入系ファン 22を起動して、ガス改質塔 4 力も熱交換器 13を経て供給ライン 12に流通する燃料ガスを燃料ガス導入系 5の導 入ライン 21に引きこんで熱風発生炉 8へ供給するようになって 、る。本実施形態にあ つては、制御器 25は供給系 3の供給系ダンバ 15や供給系ファン 16を制御する制御 信号も出力するようになっていて、燃料ガスを熱風発生炉 8へ供給する際に必要に 応じて、供給系ダンバ 15を閉じるとともに、供給系ファン 16を停止させるようになって いる。他方、ガス改質塔 4の温度が処理温度以上となったときには、制御器 25は、導 入系ダンバ 23を閉じるとともに導入系ファン 22を停止させる一方で、供給系ダンバ 1 5を開くとともに供給系ファン 16を起動し、供給ライン 12を流通する燃料ガスをガス冷 却塔 14へ向かって流通させるようになって!/、る。

[0019] また制御器 25は、パーナ 9の起動'停止や燃焼量を制御する制御信号を出力して 、熱風発生炉 8における燃焼運転をィ匕石燃料を用いた燃焼と、燃料ガス導入系 5から 燃料ガスが導入される際に当該燃料ガスによる燃焼とで切り替える燃焼切替制御手 段としても機能される。さらに制御器 25は、これら以外にも、バイオマスガス化システ ム全体の運転制御のために、燃焼用空気供給系 11の制御ダンバ 19の開度制御や 送風ファン 18の運転制御を行ったり、また制御ノズル 20を制御する制御信号なども 出力するようになっている。

[0020] 次に、本発明に係るバイオマスガス化システムの運転方法にっ 、て説明する。ガス 改質塔 4の温度は、ノィォマスガス化システムの起動力もその立ち上げ昇温期間中 は、燃料ガス中のタール分を熱分解処理することが可能な処理温度よりも低ぐガス 改質塔 4のこの温度状態が温度センサ 24によって検出されて制御器 25に入力され る。

[0021] バイオマスガス化システムの起動に際しては、ガス化炉 1の熱風発生炉 8で熱風が 生成されるとともに、バイオマス装入装置 6によって炉体 7内にバイオマスが投入され る。熱風発生炉 8の起動にあたっては、制御器 25によりパーナ 9でィ匕石燃料を燃焼さ せることで運転が開始されて熱風が生成される。この際、制御器 25は必要に応じて、 燃焼用空気供給系 11の制御ダンバ 19と送風ファン 18を制御して、燃焼用空気を熱 風発生炉 8へと供給する。熱風発生炉 8で生成された熱風は熱風循環ファン 10によ り熱風発生炉 8と炉体 7との間で循環され、炉体 7内ではこの熱風によりバイオマスの 加熱処理が開始され、燃料ガスが徐々に生成されていく。またこの燃料ガスの生成 に伴って、残さが発生する。この残さは、燃料として順次熱風発生炉 8へと送られる。

[0022] ガス化炉 1での燃料ガスの生成開始時点では、制御器 25は、制御ノズル 20を制御 してガス改質塔 4への純酸素等の供給を開始するとともに、ガス改質塔 4の温度が処 理温度以下であることを検出する温度センサ 24からの出力に応じて、燃料ガスを、燃 料ガス導入系 5を介して熱風発生炉 8へ導入する制御を実行する。具体的には制御 器 25は、燃料ガス導入系 5の導入系ファン 22を起動し、また導入系ダンバ 23を開い て、炉体 7の炉内圧力を 20Pa程度に調整する。また必要に応じて、供給系 3の供 給系ダンバ 15を閉じ状態に維持する。導入系ファン 22による吸引作用で、燃料ガス はガス化炉 1から供給系 3の供給ライン 12へと送り込まれ、ガス改質塔 4に流入する。 ガス化炉 1から流出される燃料ガスの温度はおおよそ 600°C程度である。

[0023] ガス改質塔 4に流入した燃料ガスは、純酸素等と混ざり合って酸化反応熱を発生し 、これにより徐々にガス改質塔 4の温度を昇温させる。例えば制御器 25は、ガス改質 塔 4の時間当たりの昇温率が 500°CZhとなるように、制御ノズル 20を制御する。とこ ろで、燃料ガスの生成開始時点では、ガス改質塔 4の温度は、これに流入する燃料 ガス温度相当であり、燃料ガス中のタール分を熱分解処理して除去できる 1100°C以 上の処理温度には達して 、な 、ため、燃料ガスはタール分を含んだままガス改質塔

4力も流出されることになる。ガス改質塔 4から流出された 600°C近辺の燃料ガスは熱 交 13に流入され、ここで燃焼用空気を加熱して 400°C程度に降温されて流出さ れる。熱交 から流出された 350°C以上の温度を有するタール分を含む燃料 ガスは、導入系ファン 22によって導入ライン 21に導入され、熱風発生炉 8へと送られ て燃焼される。

[0024] バイオマスガス化システムの起動後、熱風発生炉 8には、上記残さに加えて、燃料 ガス導入系 5から燃料ガスが導入されることとなり、これら残さおよび燃料ガスと燃焼 用空気供給系 11から供給される燃焼用空気との酸ィ匕反応により、熱風の生成が可 能となる。制御器 25は、熱風発生炉 8の起動時はパーナ 9でィ匕石燃料を燃焼させる 一方で、残さおよび燃料ガスが供給されるようになったときには熱風発生炉 8の温度 制御に従ってパーナ 9を絞り制御し、残さおよび燃料ガスで熱風の生成を維持できる ようになったときには、パーナ 9を消火する制御を行う。また、制御器 25は、制御ダン パ 19の開度を制御することで燃焼用空気の供給量を調節し、熱風発生炉 8の温度 が一定になるように制御する。

[0025] ガス改質塔 4の温度が処理温度に達するまでの立ち上げ昇温期間中にあっては、 以上のような運転制御が行われ、ガス改質塔 4からの燃料ガスは、燃料ガス導入系 5 へ導入されて熱風発生炉 8へと供給され続ける。

[0026] 他方、燃料ガスと純酸素の酸化反応熱による昇温によってガス改質塔 4の温度が 処理温度に達すると、当該ガス改質塔 4では、燃料ガス中のタール分を熱分解処理 して除去することができ、タール分が除去された燃料ガスがガス改質塔 4から流出さ れるようになる。この温度状態が温度センサ 24によって検出されると、制御器 25は燃 料ガスの流通経路を切り替える制御を実行し、燃料ガスは供給系 3を介してガスェン ジン等の利用システム 2へと供給される。

[0027] 具体的には、制御器 25は、導入系ダンバ 23を徐々に閉じるとともに供給系ダンバ 15を徐々に開き、また供給系ファン 16を起動するとともに導入系ファン 22を停止さ せる。これにより、ガス化炉 1からの燃料ガスは、ガス冷却塔 14へ流入されるようにな つて当該ガス冷却塔 14で清浄化され、この清浄化された燃料ガスが利用システム 2 に供給される。燃料ガスが利用システム 2へ供給されるようになると、燃料ガスの熱風 発生炉 8への導入が停止されるが、この時点ではガス化炉 1で多量の残さが発生して いてこれを利用して熱風発生炉 8を燃焼運転することができ、熱風の生成を維持する ことができる。また必要に応じて、パーナ 9の運転が再開される。

[0028] さらに、バイオマスガス化システムを停止する場合について説明すると、制御器 25 により制御ノズル 20による純酸素の供給が停止されてガス改質塔 4の温度は順次低 下していく。これによりガス改質塔 4の温度は処理温度よりも低くなるため、制御器 25 は、燃料ガス導入系 5に燃料ガスを送り込む制御を実行することとなり、タール分を含 む燃料ガスは熱風発生炉 8にて焼却されることになる。

[0029] 以上説明した実施形態に力かるバイオマスガス化システムおよびその運転方法に あっては、燃料ガス中のタール分を熱分解処理することが可能な処理温度に昇温さ れるガス改質塔 4の温度が処理温度よりも低 、ときには、ガス改質塔 4からの燃料ガ スを、熱風発生炉 8へ燃料として導入する燃料ガス導入系 5を備えて、 350°C以上の 温度を有する当該タール分を含む燃料ガスを熱風発生炉 8で燃焼させるようにしたの で、ガス改質塔 4よりも燃料ガスの流れ方向下流側の供給系 3、例えばガス冷却塔 14 や利用システム 2に、タール分を含む燃料ガスが流入することによって引き起こされる 汚損や閉塞などの障害発生を阻止できるとともに、またそれに伴うメンテナンス作業 なども不要とすることができる。そしてまた、タール分を含む燃料ガスを熱風発生炉 8 で燃焼させることができて、その熱的有効活用を達成することができる。

[0030] また、熱風発生炉 8の燃焼運転を化石燃料と燃料ガスとで切り替える燃焼切替制御 手段としての制御器 25を備え、熱風発生炉 8の起動時は化石燃料で燃焼運転を開 始し、その後、ガス改質塔 4の温度が処理温度よりも低い温度のときには、ガス改質 塔 4から導入される燃料ガスで燃焼運転するようにしたので、タール分を含む燃料ガ スが流通されるガス改質塔 4の立ち上げ昇温期間中、すなわちノィォマスガス化シス テムの起動時において、当該燃料ガスをガス化炉燃料として熱的に有効活用でき、 起動時に必要な化石燃料の使用量を削減できてシステムの燃費を改善することがで きる。 図面の簡単な説明

[図 1]本発明に係るバイオマスガス化システムの好適な一実施形態を示す概略構成 図である。

Claims

請求の範囲

[1] バイオマスから燃料ガスを生成するガス化炉と、該ガス化炉力 利用システムへ燃 料ガスを供給する供給系に設けられ、燃料ガス中のタール分を熱分解処理すること が可能な処理温度に昇温される改質装置と、該改質装置の温度が処理温度よりも低 いときには、該改質装置力 の燃料ガスを上記ガス化炉へガス化炉用燃料として導 入する燃料ガス導入系とを備えたことを特徴とするバイオマスガス化システム。

[2] 前記ガス化炉の燃焼運転をィ匕石燃料と燃料ガスとで切り替える燃焼切替制御手段 を備えたことを特徴とする請求項 1に記載のバイオマスガス化システム。

[3] ガス化炉でバイオマスから生成された燃料ガス中のタール分を熱分解処理すること が可能な処理温度に昇温される改質装置からの燃料ガスを、該改質装置の温度が 処理温度よりも低いときに該ガス化炉へガス化炉用燃料として導入するようにしたこと を特徴とするバイオマスガス化システムの運転方法。

[4] 前記ガス化炉は、その起動時は化石燃料で燃焼運転が開始され、その後、前記改 質装置の温度が処理温度よりも低い温度のときには、該改質装置力 導入される燃 料ガスで燃焼運転されることを特徴とする請求項 3に記載のバイオマスガス化システ ムの運転方法。