(57)【要約】【課題】バイオマスを原料に、小規模でも高効率発電が可能なバイオマスのガス化方法を提供する。【解決手段】バイオマスの水蒸気によるガス化にあたって、水素、一酸化炭素等よりなるガス化生成ガスの一部（１５〜２０％以上）を抜出し、これを空気とともにガス化炉へ投入し、タール、未燃炭素の残留が少ない生成ガスを得る。またガス化剤である水からの水蒸気生成・余熱、空気の余熱にはガスエンジン、ディーゼルエンジンなどの発電用原動機からの排熱を用いることができる。ガス化時の吸熱反応の寄与でガス化効率が高くなり、高効率発電が可能となる【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを水蒸気によってガス化する為に、水素、一酸化炭素等よりなるガス化生成ガスの一部を抜出し、これを空気とともにガス化炉に投入し、タール、未燃炭素の残留が少ない生成ガスを得ることを特徴とする発電用バイオマスのガス化方法。
【請求項２】
一部抜き出す生成ガスの量が全体の１５％以上、好ましくは２０％以上であることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
ガス化剤である水からの水蒸気生成、水蒸気の予熱、空気の予熱の全て或いはその一部の為に、ガスエンジン、ディーゼルエンジンなどの発電用原動機からの排熱を用いることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項４】
原料バイオマスが平均粒径３ｍｍ以下の粉体であることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項５】
ガス化生成ガスの一部抜出しに替えて、外部よりのプロパンガスなどのガス燃料を加熱源とし、請求項１と同様の化学反応系及び同一の効果を得ることを特徴とする発電用バイオマスのガス化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は草本などの固体状バイオマスを、水素、一酸化炭素を主成分とする燃料ガスへ転換し、高効率で発電する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  草木などのバイオマスは太陽光発電、風力発電とならび、再生可能エネルギーの代表的なものであり、化石燃料枯渇、温暖化対策の有力な候補として、世界的にそのエネルギー利用が検討され、実用化も漸次進展している。電力を目的とした場合、代表的な方法は、バイオマスを空気によって燃焼し、その燃焼熱で高温高圧の水蒸気を発生させ、蒸気タービンによって発電するものである。ただし、この方式は容量が大きくないと（数千〜数万ｋＷ以上）発電効率が低く、特に大量のバイオマスを集積しがたい地域で強い要請がある数百ｋＷ級の小規模発電には適用できない。その場合には、燃焼ではなく、バイオマスを一旦ガス化してＣＯ，Ｈ２等より成る生成ガスとし、小型でも効率低下の小さい内燃機（ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンなど）を用いることになる。【０００３】  現在，そのような観点から、各所で小容量の発電用に、バイオマスのガス化技術が開発されており、一部実用化・運用されているが、思うように進展していない状況である。小容量とはいえ、商用の化学機械プラントであり、技術課題は多く、ガス化、生成ガスのクリンアップ・廃水処理、原動機に係るプロセス設計、工作、運転・メンテナンスなど考えると、普及には時間を要するように思われる。しかし、特にバイオマスの集積が容易ではない地域で、エネルギーの地産・地消をすすめるためには、将来にわたって必要な技術であることは疑いがない。【０００４】  また、経済的な観点からすると、電力だけではなかなか採算がとれず、熱利用も不可欠である。ただし、ある程度バイオマスのエネルギーの利用普及が進んでいる寒冷な欧州などと比較して、日本では病院、プール、温泉、ビル等の他は熱利用の需要が多くはない。またエネルギー量が同じ場合、電気の価値は熱より高い。この観点より、本発明では発電により重点を置いた方式を提案する。【０００５】  電力用のバイオマスのガス化方法には各種あるが、空気または酸素をガス化剤とする部分酸化法が主流である。それに対し、水蒸気をガス化剤として用いる方法が提案されている（特許文献１，２）。
特許文献１  特開２００４−０５１７１８
特許文献２  特開２００９−００１８２６【０００６】  この方法は熱エネルギーを、より質の高い化学エネルギーに変換する過程（吸熱反応）を含むので、最終的な発電効率を高くできる可能性がある。ただ、空気あるいは酸素をガス化剤とする場合のようにバイオマスの部分酸化による熱を利用することはできないから、水蒸気ガス化反応に必要な高温度（８００〜１０００℃）維持、および吸熱反応のために必要な熱は、反応管外部からバイオマスの燃焼熱によって供給する。即ち、全体のプラント構成としては、バイオマスの燃焼炉ラインとガス化炉ラインの２系列になり、メタノール等の化学合成用でなく電力用を想定した場合、システムがやや複雑で、かつ耐高温材料の反応管が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  本発明は、熱エネルギーを、より質の高い化学エネルギーに変換する反応過程（ガス化の吸熱反応）は維持しつつ、外側（燃焼系）よりの熱供給にかえて、反応管内部に必要な熱を供給することによってガス化反応炉の単一ラインに単純化し、小型で高効率の発電システムを提供することを目的とするものである。【０００８】  電力用としてのバイオマスガス化の技術課題は、灰分や原料中のＮ（窒素），Ｓ（硫黄）分などの微量成分に起因するものもあるが、基本的には、如何にしてガス化時の残留未燃カーボン量を抑制して発電効率を高め、また排出タール量を極少化して安定的な運転を可能にするかということである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  バイオマスのガス化による生成ガスの主要成分は、水素（Ｈ２），一酸化炭素（ＣＯ），メタン（ＣＨ４），二酸化炭素（ＣＯ２）などであり、全体としては吸熱反応である。その過程は、２５０〜４５０℃での迅速な揮発分の放出のあとの、下記のような反応により構成される。
Ｃ（チャー中炭素）＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ＋Ｈ２  吸熱        （１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋Ｈ２              発熱        （２）
Ｃ２Ｈ４＋４Ｈ２Ｏ  →  ２ＣＯ２＋６Ｈ２    吸熱        （３）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ＋３Ｈ２            吸熱        （４）【００１０】  その他、タール分に係る高次炭化水素、含酸素炭化水素の反応（タール分の生成およびその改質・分解によるＣＯ，Ｈ２などへの低分子化）なども並起する。【００１１】  上記（１）式はチャー中の炭素（正確には少量の水素、酸素も含む）と水蒸気の不均一固気反応であり、その速度は、反応温度、反応時間、水蒸気添加量などの他、原料バイオマス種類によって大きく異なる。揮発分が放出されたあとのチャーに含まれる炭素分は、
原料バイオマスの有機分全重量の２０％程度であるが、発熱量としては３０％近いから実質的に最も重要な反応である。【００１２】  （２）〜（４）式は、均一気相での反応であり、便宜的に総括反応式で示しているが、実際には遊離基（ラジカル）が関与する複雑な連鎖反応である。１０００℃程度では、（２）式は遅く、（３）式のエチレン（Ｃ２Ｈ４）は石炭と異なりバイオマスガス化にとって重要な化学種であるが、反応時間が数秒以上あれば、殆ど残らない。またＣＨ４の改質（４）式反応は、殆ど進まず、揮発分の放出時の量のまま残留する。【００１３】  タール分の生成の抑止、分解には９５０℃〜１０００℃以上の温度を要するが、空気でのガス化より水蒸気でのガス化の方が、分解の容易なタール成分を生成しやすいとされており、本発明でガス化剤として水蒸気を用いる理由の一つである。【００１４】  さて、通常の化学反応と同様、（１）〜（４）の反応は全て温度が高いほど速く進む。従ってある温度（例えば１０００℃）で反応が開始され、吸熱反応のガス温度の低下があれば（特に（１）、（３）式反応の寄与が大きい）、その進行が遅くなり、外部から熱供給がなければ、ある時点で実質上停止してしまう。天然ガスの水蒸気改質などの吸熱反応を含む化学反応装置と同様の、伝熱と化学反応の律速過程の問題である。逆に言えば、最初の（ガス化剤および原料バイオマス）の温度が例えば１３００℃であれば、吸熱による温度低下があっても、外から熱を供給することなく、ガス化反応が生起する９００〜１０００℃を確保できることになる。本発明は、このように外部からの熱供給がなく、温度が低下しても所定の反応達成度を得るため、相応の高温度でガス化反応を開始させようとするものである。【００１５】  ガス化装置の性能を評価する指標として、下記で示される冷ガス効率ηｇが用いられることが多い。
ηｇ＝生成ガスの発熱量／供給バイオマスの発熱量×１００  （％）    （５）
ηｇは中間的な評価値であり、例えば、水蒸気をガス化剤と場合、ガス化部分は吸熱反応であるから、この必要熱量を何らかの排熱で補って、熱エネルギーを生成ガスの化学エネルギーに転換してやれば、冷ガス効率は１００％を越える。ただ、一般的には、仕事をしてしまった原動機からは、ガス化に必要なポテンシャルの高い高温排熱（〜９００℃以上）が得られないだけである。【００１６】  通常の部分酸化方式のガス化では、ηｇは一般に６０〜８０％である。発電効率はこれにガスエンジンなどの原動機の効率を乗じたものになるが、小型ガスエンジン本体の発電効率は３５〜４０％であるから、結局システムとしての発電効率は２０〜３０％となる（低位発熱量基準、以下同様）。【０００１７】  本発明では、生成ガスの一部をガスエンジンなどの原動機に投入せず、ガス化反応の為に使用する。即ち、生成ガスの１５〜２５％程度を空気で燃焼させて、高温のガスをガス化反応炉に供給する。これによって、反応管の外より必要熱を供給することなく、前述のガス化反応を進行させることができる。当然その分の冷ガス効率低下はあるが、それでも、通常の部分酸化法と比べ、水蒸気との吸熱反応による生成ガスの化学エネルギー増大の効果が大きいから、冷ガス効率ηｇは８０〜１００％となり、３０％以上の高い発電効率が可能である。以下に具体的に説明する。【００１８】  本発明者らは、電気炉加熱方式の噴流床型・小型実験装置（供給量約１ｇ／分、バイオマス粒径２ｍｍ以下、反応時間０．５〜３秒）で、水蒸気をガス化剤として、その反応特性を鋭意検討した。木質バイオマスについて反応温度１０００℃での結果の一例を、実験反応式で示せば、下記（６）式のようになる。ここで左辺第１式は、Ｃ，Ｈ，Ｏの元素分析値からのバイオマスの簡易分子式である。【００１９】  Ｃ１．３５Ｈ２Ｏ０．８７＋０．６３Ｈ２Ｏ  →
１．２７Ｈ２＋０．８４ＣＯ＋０．３３ＣＯ２＋０．１８ＣＨ４    （６）
１０００℃では未燃炭素分、Ｃ２Ｈ４は通常の場合殆ど無視でき、タール生成も認められない。この場合、原料バイオマス１ｋｇ当りで、原料バイオマスの発熱量４１５０ｋｃａｌに対し、生成ガスの発熱量は約５１００ｋｃａｌとなり、冷ガス効率ηｇは１２２％である。【００２０】  本実験では、反応に必要なガス温度と反応熱を電気炉で加熱供給しているが、実際にはそれらはバイオマス由来の別の熱源で補わねばならない。【００２１】  本発明の方式で、この生成ガスの２０％を使用し、空気で理論燃焼させて、その燃焼ガスとガス化剤である水蒸気を加熱した場合の温度上昇分を熱計算で求めると約９５０℃となる。２５％の生成ガス利用では約１１５０℃、１５％利用では約７５０℃である。【００２２】  実際には装置のヒートロスや、必要な過剰空気、また原料バイオマスの加熱分などもあるが、燃焼用空気、水蒸気（必要に応じて生成ガス）を４００〜５００℃に余熱すれば、ガス化初期温度を必要な１３００℃〜１１００℃、吸熱反応後９００〜８００℃とすることは、充分に可能である。【００２３】  なお、上記では供給バイオマスと同一重量の水蒸気（反応式（６）の３倍量）をガス化剤として使用する場合を想定した。前述のように、Ｈ２Ｏは前記（１）〜（４）式などのガス化反応剤としてだけでなく、タール抑制の役割をも担うため、相当の過剰量を添加する。【００２４】  以上のように、もとの冷ガス効率がと高い為（上記例では１２２％）、１５〜２５％の抜出し生成ガスの分がロスになっても、実質的な冷ガス効率は９０〜１００％と高く、簡便なシステムで最終的な発電効率３０％以上が可能である。【００２５】  以下では、水蒸気、空気等の予熱方法について述べる。【００２６】  水からの水蒸気生成（蒸発）、その加熱、および燃焼用の空気の予熱には、発電用原動機からの排ガスを用いることができる。一般に使用されるガスエンジン、ディーゼルエンジンの排気は５００〜６００℃であり、またすでに浄化過程を経た、或いは原料が木質であればもともと硫黄分などの不純物の少ないクリーンな排ガスであるから、５００℃程度までの予熱であれば、熱交換用の金属構造材の選定にも無理がない。これらを５００℃まで加熱する為に要する熱量は、供給バイオマス熱量の２０〜３０％であり（このうち約半分が水の蒸発潜熱分である）、コジェネ用排熱の利用可能量はその分だけ減少するが、前述のように電力の方が価値が高く、とくに日本での多くの要請にも合致する。
【発明の効果】
【００２７】  以上のように、本発明の方法では、反応開始当初は約１３００〜１１００℃と高温であり、ガス化の吸熱反応とともに低下し、反応終了時には９００〜８００℃程度になるが、このような温度プロファイルにはいくつかの利点がある。【００２８】  高温場に供給されたバイオマスはまず揮発分を放出する。この過程では原料バイオマスの特性にもよるが、大きな熱量変化はない。タールのもとになる高級炭化水素も同時に放出されるが、この時点での温度は充分に高いから、これらのタール前駆成分は殆ど分解され、結果としてタール生成は極めて少量になる。
また、特に木質系の場合、ガス化の反応初期より、後期の方がチャーのガス化速度が大きくなることである。従って、吸熱反応でガス温度が下がってきても、それほどの反応率低下がなく、例えば、８５０〜８００℃でも水蒸気によるガス化（前記（１）式反応）が可能で、未燃分の問題は小さくなる。【００２９】  表１は、示差熱分析装置を用い、木質（スギ）及び竹をサンプルとして、水蒸気雰囲気（Ｈ２Ｏ５体積％、残部Ｎ２）での固定炭素のガス化の難易（上記（１）反応式、逐次的には固定炭素重量の一次反応と想定）を評価した結果である。ガス化初期と合わせ、７５％反応後の速度定数を、木質の９００℃での初期速度定数を基準（１．０）とした相対比で示している。いずれのバイオマスも、ガス化反応が進むにつれ、チャー表面が改質され反応性が高くなるが、特に木質の場合にその傾向が著しいことが判る。【００３０】  なお、表１で１０００℃、１１００℃の値は、（１）式反応の活性化エネルギーが一定と想定しての外挿である。
【表１】
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【００３１】  さらに、本発明の方法は、基本的には固体状バイオマスの酸素による急激な燃焼過程・局所的酸化領域を含まないので、灰の溶融によるスラギングのおそれも少ないなどの利点もある。【００３２】  以上は化学反応面からの議論であるが、実際には反応物の混合など、機械的構造・操作の寄与も大きいから、それらを総合したプロセス・プラントの選択・設計がなされるべきであることは当然である。【００３３】  以上、具体的な数値を用いて説明したが、これらは通常の化学反応と同様、操作条件、すなわち、反応温度、反応時間（温度履歴）、原料バイオマスの特性（元素組成、熱特性、生成チャーの表面構造など）、水蒸気など反応物質の量および混合状況などによって異なるものである。実際には、これらの熱・化学的情報を用いて、経済性をも含めた最適なプロセス、プラント設計、或いは現場での調整（例えば抜出し生成ガス、空気のガス化炉への投入量調整）がなされることはいうまでもない。
また、本発明ではガス化生成ガスを一部抜出して加熱源としたが、外部からの別のガス燃料、例えばプロパンガスなどで代替しても、同様のガス化反応系が実現できる。一般には、それらのガス燃料は高価で、経済性の観点から成立せず、またＣＯ２排出の面から好ましいことではないが、ガス燃料が極めて廉価に入手できる等の特殊な状況では採用可能な場合も想定される。
【発明を実施するための形態】
【００３４】  本発明の具体的実施態様の一例を図１に示す。
【００３５】  主たる構成機器は、ガス化反応炉１０１、サイクロン１０２、水分・微量成分除去装置１０３、ガスエンジン発電機１０４、熱交換器１０５、煙突１０６であり、ガス化炉での生成ガス１０７はこの順序で流下する。生成ガス一部抜出しライン１０８、およびそのガス化炉への供給ライン１０９が本発明の中核部分である。
【００３６】  １１０は原料であるバイオマスの供給ラインであり、本発明では、噴流床、即ち気流中を平均粒径３ｍｍ以下程度のバイオマス粉体が流下していく方式を想定しているが、固定床、流動床方式でも多くの場合、チャーのガス化反応が化学反応律速の条件（粒径、ガス化剤流速など）に設定されるから、概念的には同一の考え方が適用できる。
【００３７】  ガス化剤である水（水蒸気）、及び空気は、それぞれ供給ライン１１１、１１３より、ガスエンジン発電機１０４の排熱で４００〜５００℃に予熱されて、ライン１１２、１１１よりガス化反応炉１０１に供給される。生成ガスは上昇流、下降流いずれでもよい（図１は上昇流の場合を示している）が、そのガス化反応炉での滞留時間は、数秒から数十秒が好ましい。得られたＨ２、ＣＯなどを含むガス化生成ガスの一部は供給ライン１０９よりガス化炉へ供給される。これらの具体的構成、即ち、生成ガス、空気、水蒸気、及びバイオマスの供給方法・順序、構造は、それらの混合が充分でれば、前述した熱計算が相当するので、一般的な設計・工作手法で実施・施工して差し支えない。また、ガス化炉本体の炉壁構造も、耐火水冷壁などを用い、放熱ロス、外壁である耐熱金属の特性などを勘案して一般的手法で決めればよい。
【００３８】  このガス化反応炉１０１で、Ｈ２，ＣＯを主成分とする生成ガスが得られるが、原料バイオマスによっては、灰分が相当量含まれる場合がある。またガス化の条件によっては、未燃炭素を含む場合もある。これらの固体成分はサイクロン１０２によって回収され、ライン１１６から排出される。
【００３９】  その後、生成ガスは水分・微量成分除去装置１０３、あるいはそれに至る前の配管で、自然放冷あるいは水噴霧などの方法によって減温される。減温前の高温の状態で、ガス化剤である水蒸気などの一部予熱を行うこともできる。
【００４０】  減温後の生成ガスはバイオマス中の窒素、硫黄分に起因するＮＨ３，Ｈ２Ｓ、或いは少量のタール成分などの微量成分を含む場合があり、水分・微量成分除去装置１０３は、必要に応じて更なる減温と合わせ、水分回収およびこれら微量成分の除去を行うものである。
【００４１】  こうして浄化された生成ガスの一部をライン１０８から抜出し、ライン１０９よりガス化炉に供給する。抜出し所要量は、前記熱計算で示したように生成ガス全体の１５％以上、好ましくは２０％以上である。また上記の微量成分が少量の場合には、生成ガスの一部抜出しは水分・微量成分除去装置１０３の前流でも可能である。
【００４２】  ガスエンジン発電機１０４が５０ｋＷから５００ｋＷ程度の容量の場合、生成ガスのエネルギーは３５〜４０％の効率で電力に変換される。原動機としてはガスエンジンではなく、ディーゼルエンジン、或いはガスタービンを用いることもできる。ディーゼルエンジンの場合には、軽油或いはバイオディーゼル燃料を助燃燃料として用いる。１１５はガスエンジンへの燃焼用空気の供給ラインである。
【００４３】  このガスエンジン発電機１０４からの排熱は通常４００〜６００℃であり、供給水からの高温水蒸気、および高温空気作成に利用できる。１０５はその為の熱交換器である。また水の供給ラインは１１１、空気の供給ラインは１１３であり、加熱後のガス化炉への高温水蒸気の供給ラインは１１２、高温空気の供給ラインは１１４である。エンジンからの排熱は、上記した一部抜き出し生成ガス１０８の予熱に使用することも可能である。ここで空気に換えて、酸素或いは酸素富化空気を用いることも考えられるが、小型の発電用には経済的に適さない。
又、このような生成ガスの循環・燃焼でなく、追加のバイオマスで空気燃焼させる方法では、ガスではなく固体の燃焼となり、特に小型装置では効果的な低空気比・高温燃焼は難しく、また充分な予熱も困難であり、本発明のような効果は得られない。
【００４４】  これらの加熱に要する熱量は、ガスエンジン排気熱量の３割程度であるから、更に余剰の熱分は、いわゆるコジェネレーション（熱電併給）の熱として、温水・蒸気などとして利用できることが可能である。また、ガス化剤として水蒸気を用いる他の手法でも、ガス化部だけで精算すると、蒸発潜熱分はかなりの損失になるから、その場合にもエンジン排気を利用できる。
【００４５】  また、プラント起動時には生成ガスに替えて、軽油などの液体或いはプロパンなどのガス燃料を適宜用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】  以上のように、本発明の方法により、小型でもバイオマスから高い効率で電力を得ることが可能で、現在および将来の地域エネルギーの供給安定化に資することができ、産業上きわめて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】  本発明の具体的実施態様の一例を示すガス化発電システム系統図
【符号の説明】
【００４８】１０１…ガス化反応炉、１０２…サイクロン、１０３…水分・微量成分除去装置、１０４…ガスエンジン発電機、１０５…熱交換器、１０６…煙突、１０７…ガス化炉生成ガス、１０８…生成ガス一部抜出しライン、１０９…抜出し生成ガス供給ライン、１１０…バイオマス供給ライン、１１１…ガス化用水供給ライン、１１２…予熱後ガス化用水蒸気供給ライン、１１３…空気供給ライン、１１４…予熱後空気供給ライン、１１５…ガスエンジン用空気供給ライン、１１６…灰・チャー排出ライン、１１７…廃水排出ライン
【図１】
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