WO2014168004A1 - バイオマス熱分解装置、及び発電システム - Google Patents

バイオマス熱分解装置、及び発電システム Download PDF

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Abstract

 性状安定燃料(F)を燃焼させて熱量を発生させる燃焼炉(3)と、燃焼炉(3)から発生する熱量によって、木質バイオマス(B)を熱分解することで、半炭化物(T)と熱分解ガス(P)とを生成する熱分解ガス化炉(4)と、半炭化物(T)が導入されるボイラ(16)に、熱分解ガス化炉(4)から熱分解ガス(P)を導入する熱分解ガス導入路(8)と、を備えるバイオマス熱分解装置(2)を提供する。

Description

バイオマス熱分解装置、及び発電システム

 本発明は、木質バイオマスを熱分解することで半炭化物と熱分解ガスとを生成するバイオマス熱分解装置と、これを備える発電システムに関する。
 本願は、2013年4月10日に出願された特願2013-082232号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

 木質バイオマスなどのバイオマスを熱分解ガス化システムでガス化し、従来、廃棄物として扱われていたバイオマスを資源化して有効利用することが求められている。バイオマスは、化石燃料などと比較してエネルギー密度が低い。バイオマスの高エネルギー密度化手法の一つとして、木質バイオマス中の熱量の大半を残留させ、かつ、木質バイオマス中に含まれる繊維分(セルロース、リグニン)を熱的に分解する半炭化方法(トレファクション)が知られている(例えば特許文献1参照)。

 半炭化方法は、木質バイオマスを酸素を遮断した状況下で250℃~350℃で熱分解することによって半炭化物(半炭化燃料、トレファクション燃料)を生成する手法である。繊維分が分解されることによって半炭化物は粉砕が容易となるため、粉砕機(ミル)で粉砕された後、微粉炭ボイラの燃料として用いることができる。

 ここで、図2を参照して、従来の石炭火力発電システムについて説明する。石炭火力発電システム101は、木質バイオマスBを熱分解ガス化炉4にて熱分解することによって製造された半炭化物Tを石炭火力発電所7にて燃料として利用している。
 具体的には、半炭化物Tは、石炭バンカ14より供給される石炭Cとともに粉砕機15で粉砕され、微粉炭PCとして微粉炭ボイラ16に導入されている。そして、微粉炭ボイラ16にて微粉炭PCを燃焼させた際に発生する熱によって発生する蒸気が、蒸気タービン17に導入され、蒸気タービン17に直結された発電機18にて発電が行われる。

 この石炭火力発電システム101では、熱分解ガス化炉4にて生成されサイクロン6にて分離された熱分解ガスPを燃焼炉3で燃焼させている。この燃焼により発生した燃焼排気ガスEを熱分解ガス化炉4自身の熱源として利活用することで、燃焼炉3の燃料である補助燃料Fの使用量の削減を図っている。尚、サイクロン6を省略することも出来る。

特開2012-219176号公報

 しかしながら、上記した従来の石炭火力発電システム101で用いられる半炭化方法には、以下に記すような課題がある。
 第一の課題は、木質バイオマスの入熱量を100%とした場合、半炭化物に残留する熱量が60%~80%に留まることである。木質バイオマスの入熱量の残りは熱分解ガスとして熱分解ガス化の加熱熱源として自己消費される。

 第二の課題は、半炭化物の粉砕性を高めることで、バイオマス由来の発電量が低下することである。半炭化物は原料性状の変動や、原料含水率の変動により例えば熱分解ガス化温度を300℃一定で制御しても、生成される半炭化物の性状(粉砕機での粉砕性)が大きく変動することになる。例えば、原料含水率の上昇により、熱分解に必要な熱負荷が上昇する。

 この結果、熱分解ガス化温度を300℃に維持していても、半炭化物温度上昇が抑制されるため、半炭化物の仕上がり温度が低下し、木質バイオマス中の繊維分を熱的に分解することができない。繊維分が残ることによって、粉砕機の粉砕性が低下するという課題を抱えている。

 半炭化物の粉砕性が低下した場合、粉砕機の動力の過負荷(許容値からの逸脱)を避けるために半炭化物の粉砕機への供給量を抑制する必要があり、安定した半炭化物の混焼率を得られない。よって、半炭化物を安定して供給するために、半炭化物のバッファタンクなどの貯留設備が必要となり、設備費増大の一因となっている。

 この問題を解決する手段として、熱分解ガス化温度を上げることで半炭化物の粉砕性を改善することが考えられる。しかし、この方法では木質バイオマスのガス化が促進されるため、半炭化物に残留する熱量(熱量残留率)が減少してしまう。即ち、石炭火力代替燃料としての価値が低下してしまい、発電事業者が半炭化設備導入によるメリットを享受し難い。

 そこで、本発明は、木質バイオマスの保有する熱量を有効活用することができるバイオマス熱分解装置、及び発電システムを提供することを目的とする。

 本発明の第一の態様によれば、バイオマス熱分解装置は、性状安定燃料を燃焼させて熱量を発生させる燃焼炉と、前記燃焼炉から発生する熱量によって、木質バイオマスを熱分解することで、半炭化物と熱分解ガスとを生成する熱分解ガス化炉と、前記半炭化物が導入されるボイラに、前記熱分解ガス化炉から前記熱分解ガスを導入する熱分解ガス導入路と、を備える。

 上記構成によれば、熱分解ガス化炉にて生成された半炭化物とともに熱分解ガスをボイラに導入することによって、半炭化物への熱量残留率に拘わらず、熱分解ガス化炉に供給された木質バイオマスの熱量の略全量をボイラにて利用可能となる。
 また、燃焼炉の燃料として性状安定燃料を用いることによって、熱分解ガス化炉にて木質バイオマスを熱分解するための熱量を安定して確保することができる。即ち、熱分解ガス化炉において半炭化物を安定的に生成することができる。

 上記バイオマス熱分解装置において、前記熱分解ガス化炉は、加熱ガスによって木質バイオマスを間接的に加熱する間接加熱式熱分解ガス化炉である構成としてもよい。

 上記構成によれば、熱分解ガス化炉にて生成される熱分解ガスは加熱ガスで希釈されることなく、発熱量の高いガスが得られる。また、生成されるガス量も抑制されるため、燃料として利用するのに適した熱分解ガスを供給することができる。

 上記バイオマス熱分解装置において、前記熱分解ガス化炉の温度を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記熱分解ガス化炉によって生成された半炭化物を粉砕する粉砕機の電流値が概ね一定の範囲となるように前記熱分解ガス化炉の温度を制御してもよい。

 上記構成によれば、粉砕機の所要動力を基に熱分解ガス化温度が調整されるため、粉砕性に優れた半炭化物が生成できる。粉砕性に優れた半炭化物の製造に伴って半炭化物の熱量残留率は減少するが、増加する熱分解ガスがボイラに供給されることにより、木質バイオマス由来の発電量を略一定にすることができる。

 さらに、粉砕性に優れた半炭化物が製造できるため、粉砕機の負荷が過剰となった際に、半炭化物を貯留するバッファタンクなどの設備が不要となる。

 本発明の第二の態様によれば、発電システムは、上記いずれかのバイオマス熱分解装置と、前記半炭化物が導入され、前記半炭化物を燃焼させるボイラと、前記ボイラにより生成される蒸気が導入される蒸気タービンと、前記蒸気タービンで駆動される発電機と、を備える。

 上記構成によれば、熱分解ガス化炉に供給された木質バイオマスの熱量の略全量を発電用のエネルギーとして利活用可能なシステムを構築することができる。

 本発明によれば、半炭化物への熱量残留率に拘わらず、熱分解ガス化炉に供給された木質バイオマスの熱量の略全量をボイラにて利用できる。即ち、木質バイオマスの保有する熱量を有効活用することができる。

本発明の実施形態の石炭火力発電システムの系統図である。 従来の石炭火力発電システムの系統図である。

 以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
 図1に示すように、本実施形態の石炭火力発電システム1は、補助燃料である性状安定燃料Fを燃焼させることで燃焼排気ガスEを発生させる燃焼炉3と、木質バイオマスBを熱分解する熱分解ガス化炉4(炭化炉)と、熱分解ガス化炉4の温度を制御する制御装置5と、を有するバイオマス熱分解装置2と、熱分解ガス化炉4で発生した熱分解ガスP中から半炭化物Tを分離除去するサイクロン6と、熱分解ガス化炉4にて得られる半炭化物T及び熱分解ガスPを利用して発電を行う石炭火力発電所7と、から構成されている。
 尚、サイクロン6を省略することも出来る。

 燃焼炉3には、補助燃料ライン9を介して、例えば石炭などの性状が安定している燃料である性状安定燃料Fが補助燃料として供給されている。性状安定燃料Fとしては、石炭、シェールガス、石油、重油などの化石燃料や、高炉で発生する高炉ガスなどの性状が安定した燃料を採用することができる。換言すれば、燃焼炉3に導入される燃料として、例えば含水率の変化により発熱量が変動するような燃料を採用することは好ましくない。

 熱分解ガス化炉4は、木質バイオマスBを間接的に加熱させて熱分解やガス化反応を起こす間接加熱式の熱分解ガス化炉である。熱分解ガス化炉4は、燃焼炉3から供給される燃焼排気ガスEを加熱ガスとして利用している。具体的には、熱分解ガス化炉4は、外熱式ロータリーキルン型で、バイオマス供給ライン10から供給される木質バイオマスBが送り込まれる内筒11と、この内筒11と同心で、かつ、内筒11の外周側に配置されている外筒12と、を有している。内筒11は外筒12と一体回転して、内容物を撹拌する。燃焼炉3から供給される燃焼排気ガスEは、外筒12内に送り込まれている。

 なお、ここでは、熱分解ガス化炉4として、外熱式ロータリーキルン型を用いているが、木質バイオマスBを間接的に加熱する形式のものであればこれに限ることはない。例えば、熱分解ガス化炉4として、外熱式スクリューコンベアーなどを用いてもよい。
 木質バイオマスBは、木材からなるバイオマス(生物資源)であり、例えば、木材チップやPKS(Palm Kernel Shell)である。

 汽力発電方式の発電所である石炭火力発電所7は、石炭が貯蔵されるとともに、石炭を排出する排出口を備えた石炭バンカ14と、石炭バンカ14から供給される石炭Cと熱分解ガス化炉4及びサイクロン6から供給される半炭化物Tとを粉砕する粉砕機15(ミル、微粉炭機)と、粉砕機15にて生成される微粉炭PCを燃焼させる微粉炭ボイラ16と、微粉炭ボイラ16にて微粉炭PCを燃焼させた際に発生する熱によって発生する蒸気が導入される蒸気タービン17と、蒸気タービン17で駆動される発電機18と、から構成されている。

 粉砕機15は、石炭C及び半炭化物Tを乾燥させながら微粉砕する竪型ローラミルである。粉砕機15には、粉砕機15の電流値を連続計測することが可能な電流計19が設けられている。具体的には、電流計19は、粉砕機15に設けられたローラを回転させるモータ(電動機)の電流値を計測するように構成されている。
 粉砕機15のモータは、負荷に応じた回転数制御によって制御されている。即ち、モータにかかる負荷が変動すると電流値が変動する。例えば、被粉砕物の粉砕性が悪くなると電流値が高くなり、粉砕性が良くなると電流値は低くなる。
 なお、粉砕機15としては、上記した竪型ローラミルに限ることはなく、例えば、チューブミル、ボールミル、ローラミルなど圧砕する形式のものを適宜採用することができる。

 微粉炭ボイラ16は、バーナにより微粉炭PCを空気とともに噴出させて燃焼させる微粉炭燃焼方式である。また、微粉炭ボイラ16には、熱分解ガス化炉4にて生成される熱分解ガスPを導入する熱分解ガス導入路8が接続されている。熱分解ガス導入路8が極力短くなるように、熱分解ガス化炉4と石炭火力発電所7とは隣接して配置されている。
 発電機18は、蒸気タービン17に直結され、蒸気タービン17で駆動されるタービン発電機である。

 制御装置5は、主に熱分解ガス化炉4の温度を制御するコンピュータである。具体的には、制御装置5は、石炭火力発電所7の粉砕機15における粉砕性の良好な半炭化物Tが製造されるように熱分解ガス化炉4の温度を制御する。また、制御装置5は、電流計19で計測された粉砕機15の電流値が概ね一定の範囲となるように、熱分解ガス化炉4の温度を制御する機能を有している。

 次に、本実施形態の石炭火力発電システム1の動作について説明する。
 燃焼炉3は、補助燃料ライン9を介して供給される性状安定燃料Fを燃焼させて燃焼排気ガスEを発生させる。この燃焼排気ガスEは熱分解ガス化炉4の外筒12に送られる。
 熱分解ガス化炉4の内筒11には、図示しない木質バイオマスBのストックヤードからバイオマス供給ライン10を介して木質バイオマスBが供給され、回転する内筒11内の酸素欠乏環境下において木質バイオマスBが撹拌されつつ、外筒12内の燃焼排気ガスEにより加熱される。

 熱分解ガス化炉4の内筒11内の温度は、制御装置5によって制御される。熱分解ガス化炉4の内筒11内の温度は、酸素を遮断した状況下で、木質バイオマスBを250℃~350℃で熱分解するように制御される。
 ここで、熱分解ガス化炉4における木質バイオマスBの加熱温度と、木質バイオマスBの熱量残留率、及び製造される半炭化物Tの粉砕性の関係について説明する。木質バイオマスBの熱量残留率は、木質バイオマスBの加熱温度の上昇に伴い減少する。一方、製造される半炭化物Tの粉砕性は、木質バイオマスBの加熱温度の上昇に伴い向上する。即ち、木質バイオマスBの熱量残留率と製造される半炭化物Tの粉砕性とは、トレードオフ関係にある。
 加熱温度、即ち、熱分解ガス化炉4の内筒11内の温度は、熱分解ガス化炉4の温度の上昇に伴い減少する熱量残留率と、熱分解ガス化炉4の温度の上昇に伴い向上する粉砕性とが両立するバランスの良い温度に制御される。

 熱分解ガス化炉4において木質バイオマスBが最適に加熱されることにより、木質バイオマスB中に含まれる繊維分(セルロース)が熱的に分解された半炭化物Tが製造される。また、木質バイオマスBに含まれる三大成分(セルロース、ヘミセルロース、リグニン)の一部は気化して熱分解ガスPとなる。内筒11内で生成された半炭化物Tの一部は、内筒11から石炭火力発電所7の粉砕機15に送られる。
 半炭化物Tの残りの一部は、内筒11から未燃分を含む熱分解ガスPとともにサイクロン6に送られ、このサイクロン6で熱分解ガスPと分離されて粉砕機15に送られる。

 粉砕機15は、石炭バンカ14から送られる石炭Cと、熱分解ガス化炉4及びサイクロン6から送られる半炭化物Tと、を乾燥させながら粉砕する。換言すれば、半炭化物Tは石炭Cとほぼ同様の物性であるため、石炭Cとともに粉砕機15で粉砕、混焼させることができる。

 ここで、粉砕機15が駆動する際の粉砕機15の電流値は、制御装置5に送信される。制御装置5は、粉砕機15の電流値が概ね一定の範囲となるように熱分解ガス化炉4の内筒11内の温度を制御する。即ち、制御装置5は、250℃~350℃の範囲で、温度を上下させ、粉砕機15の電流値が一定となるようにする。
 具体的には、制御装置5は、粉砕機15の動力が大きくなる場合に熱分解ガス化炉4の温度を上昇させ、半炭化物Tの粉砕性を向上させるような制御を行う。半炭化物Tの粉砕性を向上させることによって、半炭化物Tへの熱量残留率は減少するが、これに伴い増加する熱分解ガスPは後述するように熱分解ガス導入路8を介して微粉炭ボイラ16に導入される。

 粉砕機15にて生成された微粉炭PCは、微粉炭ボイラ16に送られ、バーナにより搬送用の空気とともに炉内に噴出されて燃焼される。
 サイクロン6により半炭化物Tが分離除去された熱分解ガスPは、熱分解ガス導入路8を介して微粉炭ボイラ16の炉内に噴出される。即ち、木質バイオマスBを熱分解することによって生成された熱分解ガスPは、熱分解ガス化炉4の加熱ガスとして利用されることはなく、半炭化物Tとともに石炭火力発電所7の代替燃料として利用される。微粉炭PC、及び搬送用の空気は、サイクロン6から導入された熱分解ガスPと混合されて燃焼する。

 そして、微粉炭ボイラ16にて微粉炭PCを燃焼させた際に発生する熱によって発生する蒸気が蒸気タービン17に導入され、蒸気タービン17に直結された発電機18にて発電が行われる。

 上記実施形態によれば、熱分解ガス化炉4にて生成された半炭化物Tとともに熱分解ガスPを微粉炭ボイラ16に導入することによって、半炭化物Tへの熱量残留率に拘わらず、熱分解ガス化炉4に供給された木質バイオマスBの熱量の略全量を石炭火力発電所7の微粉炭ボイラ16にて利用可能となる。

 また、燃焼炉3の補助燃料として性状安定燃料Fを用いることによって、熱分解ガス化炉4にて木質バイオマスBを熱分解するための熱量を安定して確保することができる。即ち、熱分解ガス化炉4において半炭化物Tを安定的に生成することができる。

 また、熱分解ガス化炉4として、間接加熱式の熱分解ガス化炉4を採用したことによって、熱分解ガス化炉4にて生成される熱分解ガスPは加熱ガスである燃焼排気ガスEで希釈されることなく、発熱量の高いガスが得られる。また、生成されるガス量も抑制されるため、燃料として利用するのに適した熱分解ガスPを供給することができる。

 また、制御装置5によって粉砕機15の所要動力を基に熱分解ガス化温度が調整されるため、粉砕性に優れた半炭化物Tが生成できる。粉砕性に優れた半炭化物Tの生成に伴って半炭化物Tの熱量残留率は減少するが、増加する熱分解ガスPが微粉炭ボイラ16に供給されることにより、木質バイオマスB由来の発電量を略一定にすることができる。
 さらに、粉砕性に優れた半炭化物Tが生成できるため、微粉炭ボイラ16における石炭Cとの混焼率を向上させることができる。
 また、粉砕性に優れた半炭化物Tが製造できるため、粉砕機15の負荷が過剰となった際に、半炭化物Tを貯留するバッファタンクなどの設備が不要となる。

 また、熱分解ガス化炉4と石炭火力発電所7とが隣接して配置され、熱分解ガス導入路8が短くされていることによって、熱分解ガスPに含まれるタールの凝縮を抑制することができる。

 なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

 例えば、上記実施形態では、石炭Cと木質バイオマスBとを混合させて粉砕する混合粉砕方式が採用されているが、これに限ることはなく、石炭Cと木質バイオマスBとをそれぞれ単独で粉砕する単独粉砕方式を採用することもできる。

 1 石炭火力発電システム(発電システム)
 2 バイオマス熱分解装置
 3 燃焼炉
 4 熱分解ガス化炉
 5 制御装置
 6 サイクロン
 7 石炭火力発電所
 8 熱分解ガス導入路
 9 補助燃料ライン
 10 バイオマス供給ライン
 11 内筒
 12 外筒
 14 石炭バンカ
 15 粉砕機
 16 微粉炭ボイラ(ボイラ)
 17 蒸気タービン
 18 発電機
 19 電流計
 B 木質バイオマス
 C 石炭
 E 燃焼排気ガス
 F 性状安定燃料
 P 熱分解ガス
 T 半炭化物

Claims (4)

  1.  性状安定燃料を燃焼させて熱量を発生させる燃焼炉と、
     前記燃焼炉から発生する熱量によって、木質バイオマスを熱分解することで、半炭化物と熱分解ガスとを生成する熱分解ガス化炉と、
     前記半炭化物が導入されるボイラに、前記熱分解ガス化炉から前記熱分解ガスを導入する熱分解ガス導入路と、を備えるバイオマス熱分解装置。
  2.  前記熱分解ガス化炉は、加熱ガスによって前記木質バイオマスを間接的に加熱する間接加熱式熱分解ガス化炉である請求項1に記載のバイオマス熱分解装置。
  3.  前記熱分解ガス化炉の温度を制御する制御装置を備え、
     前記制御装置は、前記熱分解ガス化炉によって生成された半炭化物を粉砕する粉砕機の電流値が概ね一定の範囲となるように前記熱分解ガス化炉の温度を制御する請求項1又は請求項2に記載のバイオマス熱分解装置。
  4.  請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のバイオマス熱分解装置と、
     前記半炭化物が導入され、前記半炭化物を燃焼させるボイラと、
     前記ボイラにより生成される蒸気が導入される蒸気タービンと、
     前記蒸気タービンで駆動される発電機と、を備える発電システム。
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