(57)【要約】【課題】ガス化炉内でのバイオマスの団塊化を防止して、均一なガス流を形成して、安定したガス化を可能とするバイオマスのガス化装置及び方法を提供することを課題とする。【解決手段】ガス化炉１にバイオマス造粒物又はバイオマス成形物を供給するバイオマス供給装置２と、ガス化炉にガス化剤を供給するガス化剤供給装置５と、ガス化炉内にバイオマス造粒物又はバイオマス成形物が堆積して形成されるバイオマス充填層の上部の水分凝縮が生じている湿潤層の上面高さ位置を検知する湿潤層位置検知装置６と、湿潤層位置検知装置により検知した湿潤層の上面高さ位置を示す検知信号に基づき、湿潤層の上面高さ位置を所定範囲にするように、バイオマス供給装置により供給するバイオマス造粒物又はバイオマス成形物の供給条件と、ガス化剤供給量及びガス化剤の組成比を含むガス化剤供給条件との少なくとも一方を制御する湿潤層位置制御装置７とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉状バイオマスを造粒又は成形したバイオマス造粒物又はバイオマス成形物をガス化炉にて熱分解して生成ガスを得るガス化装置において、
ガス化炉にバイオマス造粒物又はバイオマス成形物を供給するバイオマス供給装置と、
ガス化炉にガス化剤を供給するガス化剤供給装置と、
ガス化炉内にバイオマス造粒物又はバイオマス成形物が堆積して形成されるバイオマス充填層の上部の水分凝縮が生じている湿潤層の上面高さ位置を検知する湿潤層位置検知装置と、
湿潤層位置検知装置により検知した湿潤層の上面高さ位置を示す検知信号に基づき、湿潤層の上面高さ位置を所定範囲にするように、バイオマス供給装置により供給するバイオマス造粒物又はバイオマス成形物の供給条件と、ガス化剤供給量及びガス化剤の組成比を含むガス化剤供給条件との少なくとも一方を制御する湿潤層位置制御装置とを有することを特徴とするバイオマスのガス化装置。
【請求項２】
湿潤層位置検知装置は、ガス化炉内側壁に設けられガス化炉内圧力を高さ方向の複数位置で計測する複数の圧力計を有することとする請求項１に記載のバイオマスのガス化装置。
【請求項３】
湿潤層位置検知装置は、ガス化炉頂部から懸垂されたチェーンと錘により湿潤層の上面高さ位置を計測するサウンジング装置を有することとする請求項１に記載のバイオマスのガス化装置。
【請求項４】
粉状バイオマスを造粒又は成形したバイオマス造粒物又はバイオマス成形物をガス化炉にてガス化剤の供給を受けて熱分解して生成ガスを得るガス化方法において、
ガス化炉内にバイオマス造粒物又はバイオマス成形物が堆積して形成されるバイオマス充填層の上部の水分凝縮が生じている湿潤層の上面高さ位置を検知し、
検知した湿潤層の上面高さ位置を所定範囲にするように、ガス化炉に供給するバイオマス造粒物又はバイオマス成形物の供給条件と、ガス化剤供給量及びガス化剤の組成比を含むガス化剤供給条件との少なくとも一方を制御することを特徴とするバイオマスのガス化方法。
【請求項５】
ガス化炉内側壁に設けた複数の圧力計によりガス化炉内圧力を高さ方向の複数位置で計測することにより湿潤層の上面高さ位置を検知することを特徴とする請求項４に記載のバイオマスのガス化方法。
【請求項６】
ガス化炉頂部から懸垂されたチェーンと錘により湿潤層の上面高さ位置を計測するサウンジング装置により湿潤層の上面高さ位置を検知することを特徴とする請求項４に記載の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、ガス化炉でバイオマスからガスを生成するバイオマスのガス化装置及びガス化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製木材端材、樹皮、木くずなど林産資源に由来する木質系バイオマスをガス化し、生成ガスを、例えばガスエンジンの燃料として供給するガス化炉が非特許文献１に開示されている。このガス化炉ではバイオマスをガス化炉の上部から供給し、炉内でバイオマスが堆積した充填層を形成する。この充填層は上部から湿潤層、乾燥領域、熱分解領域、還元領域、酸化領域を形成しており、ガス化反応の進行に応じてバイオマスは充填層上部から下部へと下降する。炉下部からガス化剤として水蒸気と空気を供給し、炉内でガス流れは炉下部から炉上部へ流れ、生成ガスは炉上部の排出口から取り出される。
【０００３】
ガス化炉の上部から供給されたバイオマスは製木材端材、樹皮、木くずなどの場合は３０〜５５％程度の水分を含有しているため、充填層の最上部に形成される湿潤層は水分濃度の高いものとなる。湿潤層から下降したバイオマスは生成したガスの熱により乾燥されて乾燥領域を形成する。乾燥領域から下降したバイオマスは熱分解領域で熱分解され、ＣＨ４、ＣＯ，Ｈ２等の可燃性ガス、ＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ガス状及びミスト状のタール、固定炭素を生成し、生成した可燃性ガスとＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ガス状及びミスト状のタールとのガスは上昇し、固定炭素が下降する。熱分解領域から下降した固定炭素は還元領域で水蒸気とガス化反応してＣＯ，Ｈ２を生成する。還元領域の下方の酸化領域では残存する固定炭素、タール、未熱分解バイオマスが部分酸化・燃焼され、ガス化反応、熱分解、乾燥に必要な熱を発生し、燃焼ガスは熱を伴い上昇する。充填層の下部から燃焼灰が外部へ排出される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＪＦＥエンジニアリング社カタログ（カタログ番号：ＣＡ３０４７）「JFE-フェルント式  木質バイオマス  ガス化発電システム」ＪＦＥエンジニアリング株式会社発行、２００４年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載のバイオマスのガス化装置により、バイオマスとして木屑チップをガス化する場合、木屑チップの大きさは幅、長さが２０〜３０ｍｍ以上、厚さ１０ｍｍ以上であり、このような形状の木屑チップをガス化炉に供給して、炉内に形成される充填層の木屑チップ同士間には適度な空隙があり、充填層内におけるガス化剤や発生ガスの通気抵抗（充填層の圧力損失）は低く、また充填層内のガス流れも均一なものとなる。その結果、バイオマス充填層に充分にガス化剤が供給され、熱分解、ガス化が良好に行われて発生ガスが安定して充填層を上昇し、安定なガス化が実現される。
【０００６】
しかし、バイオマスとして例えば、おがくずや、製紙スラッジ、乾燥下水汚泥、もみ殻、食品残渣等の粉体状のバイオマスをガス化炉に供給してガス化する場合には、この粉体状のバイオマスをそのまま供給すると、炉内で形成される細かい粉状のバイオマスの充填層には空隙が無く良好な通気経路が確保できないので通気抵抗が大きくなり、ガス流れに偏流が生じ、通気抵抗の比較的小さな箇所にガスが集中して通過する吹き抜けが起こり、充填層内の均一なガス流れが形成されず、安定なガス化を行うことが困難となる。そこで、粉体状のバイオマスを造粒又は成形して造粒物又は成形物とすることで、所定の大きさとしてガス化炉内に供給することにより、充填層内の通気抵抗の上昇を抑制し、均一なガス流れを形成し安定したガス化が図られている。
【０００７】
一方、充填層の最上部には乾燥される前の水分濃度の高いバイオマスが堆積した湿潤層が形成されており、また湿潤層ではバイオマスの温度が１００℃以下であるため、充填層の下部で熱分解、ガス化により発生し上昇した水蒸気が凝縮して水分が生じている。粉体状バイオマスを造粒又は成形したバイオマス造粒物又はバイオマス成形物をガス化炉に供給しても、湿潤層の炉内高さ方向の位置が高く湿潤層の厚さが厚い場合には、湿潤層内でバイオマス造粒物又はバイオマス成形物が凝縮水分を吸収して膨潤し、その結果、造粒物又は成形物同士が互いに付着して団塊状物を形成してしまう。湿潤層内で団塊状物が形成されると、造粒物又は成形物同士間に形成されていた空隙が塞がれてしまい、通気抵抗が大きくなり、充填層内の均一なガス流れが形成されず、安定したガス化を行うことが困難となる。さらに団塊状物は充填層内を下降することが困難であり、閉塞を起こし、ガス化炉の運転に問題が生じる。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、粉体状バイオマスを造粒又は成形したバイオマス造粒物又はバイオマス成形物をガス化炉に供給しても、湿潤層においてバイオマス造粒物又はバイオマス成形物が互いに付着して団塊状物を形成することを防止して、充填層内の均一なガス流れを形成でき、安定したガス化を行うことができるバイオマスのガス化装置及びガス化方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、上述の課題は、次のような構成のバイオマスのガス化装置及びガス化方法により解決される。
【００１０】
＜バイオマスガス化装置＞
本発明は、バイオマスのガス化装置に関しては、ガス化炉にバイオマス造粒物又はバイオマス成形物を供給するバイオマス供給装置と、ガス化炉にガス化剤を供給するガス化剤供給装置と、ガス化炉内にバイオマス造粒物又はバイオマス成形物が堆積して形成されるバイオマス充填層の上部の水分凝縮が生じている湿潤層の上面高さ位置を検知する湿潤層位置検知装置と、湿潤層位置検知装置により検知した湿潤層の上面高さ位置を示す検知信号に基づき、湿潤層の上面高さ位置を所定範囲にするように、バイオマス供給装置により供給するバイオマス造粒物又はバイオマス成形物の供給条件と、ガス化剤供給量及びガス化剤の組成比を含むガス化剤供給条件との少なくとも一方を制御する湿潤層位置制御装置とを有することを特徴としている。
【００１１】
与えられたバイオマスの供給条件について、すなわち、造粒物あるいは成形物の性状や形状、推測される水分率、バイオマス供給量について、充填層上部に形成される湿潤層が許容層厚をもつ充填層高さ位置の範囲、換言すれば湿潤層の上面高さ位置の範囲を所定範囲として予め定めておき、ガス化時に、上記条件のもとで供給されたバイオマスに湿潤層の上面高さを実測して、これを上記所定範囲となるように制御する。バイオマスの上面高さは、上記条件が同じでも、ガス化剤供給量やガス化剤の組成比といったガス化剤供給条件によって変わるので、上記制御はこのガス化剤供給量やガス化剤組成比を調整することにより行うことができる。このことは、ガス化剤供給条件を変えずに、バイオマス供給条件、特にバイオマス供給量を調整することによっても、このバイオマス供給条件のもとで湿潤層の上面高さ位置を所定範囲にすることができることを意味している。又、さらにはバイオマス供給条件とガス化剤供給条件の両者を同時に調整することによっても、湿潤層上面高さ位置を上記所定範囲に収めることができる。
【００１２】
本発明において、湿潤層位置検知装置は、ガス化炉内側壁に設けられガス化炉内圧力を高さ方向の複数位置で計測する複数の圧力計として構成することができる。バイオマス充填層の上部を形成する湿潤層と、この湿潤層の上面よりも上方の炉内空間とでは、炉内圧力が大きく相違する。例えば、湿潤層の上方の炉内空間の圧力は湿潤層より低くなっている。したがって、上記高さ方向の複数位置で炉内圧力を計測すれば、炉内圧力が変化する高さ位置が湿潤層の上面高さ位置ということとなる。
【００１３】
また、本発明において、湿潤層位置検知装置は、ガス化炉頂部から懸垂されたチェーンと錘により湿潤層の上面高さ位置を計測するサウンジング装置として構成することができる。
【００１４】
＜バイオマスガス化方法＞
本発明は、バイオマスガス化方法に関しては、ガス化炉内にバイオマス造粒物又はバイオマス成形物が堆積して形成されるバイオマス充填層の上部の水分凝縮が生じている湿潤層の上面高さ位置を検知し、検知した湿潤層の上面高さ位置を所定範囲にするように、ガス化炉に供給するバイオマス造粒物又はバイオマス成形物の供給条件と、ガス化剤供給量及びガス化剤の組成比を含むガス化剤供給条件との少なくとも一方を制御することを特徴としている。
【００１５】
本発明において、ガス化炉内側壁に設けた複数の圧力計によりガス化炉内圧力を高さ方向の複数位置で計測することにより湿潤層の上面高さ位置を検知することができる。
【００１６】
また、本発明において、ガス化炉頂部から懸垂されたチェーンと錘により湿潤層の上面高さ位置を計測するサウンジング装置により湿潤層の上面高さ位置を検知することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、粉体状バイオマスを造粒又は成形したバイオマス造粒物又はバイオマス成形物をガス化炉に供給しても、湿潤層の層厚が許容範囲に収まるように湿潤層の上面高さが所定範囲に収められるので、湿潤層においてバイオマス造粒物又はバイオマス成形物が互いに付着して団塊状物を形成することを防止して、充填層内の均一なガス流れを形成でき、安定したガス化を行うことができるバイオマスのガス化装置及びバイオマスのガス化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態装置の概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面にもとづき本発明の一実施形態装置を説明する。
【００２０】
図１において、符号１はバイオマスを熱分解してこれをガス化するガス化炉である。該ガス化炉１は、炉外からバイオマスを受ける供給口１Ａを有すると共に、炉内に形成されるバイオマスの充填層へガス化剤を受ける給気口１Ｂと生成ガスを炉上部から排出する排気口１Ｃとを有している。このガス化剤は、例えば、空気と水蒸気の混合体である。さらに、上記ガス化炉１は、高さ方向で、予想されるバイオマスの湿潤層の高さをカバーする範囲に、湿潤層の上面高さ位置を検知する検知要素としての圧力計が複数配置されている。
【００２１】
上記ガス化炉１には、バイオマス供給装置２が接続され、該バイオマス供給装置２は、貯留槽３を経て、バイオマス造粒装置あるいは成形装置４からバイオマスを受けるようになっている。造粒装置あるいは成形装置４は、粉状あるいは細破砕されたバイオマスを受けて、所定の大きさの造粒バイオマスあるいは成形バイオマス（以下、単に「バイオマス」という）とする。このバイオマスは上記貯留槽３に貯留された後、適宜量だけロータリフィーダ等の切り出し装置により貯留槽３から切り出されて上記バイオマス供給装置２へもたらされる。バイオマスは、例えば、おがくずや、製紙スラッジ、乾燥下水汚泥、もみ殻、食品残渣等の粉状バイオマスを造粒装置または成形装置４により造粒又は成形して得られる。
【００２２】
該バイオマス供給装置２は、コンベア、スクリューフィーダ等の搬送装置により上記ガス化炉１の供給口１Ａに接続されていて、バイオマスはバイオマス供給装置２のスクリューフィーダ等により上記供給口１Ａから炉内へ落下供給される。供給量は、例えば該スクリューフィーダの回転数を調整することや運転をオンオフして制御される。
【００２３】
上記ガス化炉１の下部における給気口１Ｂにはガス化剤供給装置５が接続されている。該ガス化剤供給装置５は、ガス化炉１の下部に設けられた給気口１Ｂへ空気と水蒸気からなるガス化剤を供給する装置であり、外部から空気を取り入れ送風するブロワ（図示せず）、水を加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生器（図示せず）、空気と水蒸気を混合する混合器（図示せず）を有している。このガス化剤供給装置５では、ブロワの送風量を調整することにより混合器に供給する空気供給量を調整すること、及び水蒸気発生器の水蒸気発生量を調整することのうち少なくとも一つを行って、ガス化剤供給量又はガス化剤組成比を制御するようになっている。又、混合器からガス化剤をガス化炉に流送する流路に設けた流量調整ダンパにより必要に応じガス化剤供給量を調整して制御するようになっている。
【００２４】
バイオマス充填層の温度が１００℃以下の領域ではバイオマスの熱分解、ガス化により発生した水蒸気が凝縮して水分が生成し、また供給されたバイオマスはまだ乾燥されておらず、湿潤層を形成している。ガス化炉１には、湿潤層位置検知装置６が接続されている。該湿潤層位置検知装置６は、上記ガス化炉１の内壁に高さ方向で予想される湿潤層の高さをカバーする範囲で複数位置に設けられた既述の検知要素としての圧力計６Ａと、この複数の圧力計から得た検知炉内圧力の分布から湿潤層位置、具体的には湿潤層の上面高さ位置を算出する手段とを備えている。
【００２５】
ガス化炉１の内壁に高さ方向の複数位置に設けられた圧力計６Ａは、それぞれの位置で、炉内圧力を計測する。また、バイオマス充填層の圧力は、湿潤層より上方の空間の圧力より高いので、ガス化炉１内壁の高さ方向の各位置での炉内圧力を計測することにより、上記湿潤層位置検出装置６において、高さ方向での圧力分布において圧力が変化する高さ位置から湿潤層の上面高さ位置（湿潤層の上面の炉底部からの高さ）を求める。この湿潤層の上面高さ位置の計測データは湿潤層位置制御装置７へ送信される。
【００２６】
湿潤層位置制御装置７は、湿潤層位置検知装置６から送信された湿潤層の上面高さ位置の計測データを受け、予め定めた湿潤層の上面高さ位置の好ましい所定範囲と比較し、湿潤層の上面高さ位置が好ましい所定範囲になるように、バイオマス供給装置２とガス化剤供給装置５の少なくとも一方に指令信号を送り、バイオマス供給条件と、ガス化剤供給条件の少なくとも一方を制御する。
【００２７】
ここで、上記所定範囲、そしてバイオマス供給条件及びガス化剤供給条件について説明する。
【００２８】
バイオマス供給条件とは、造粒あるいは成形されたバイオマスの性状、形状、水分率、バイオマスの供給量であるが、供給されるバイオマスの種類、状態が特定されれば、バイオマス供給条件は主としてバイオマス供給装置２におけるバイオマス供給量で定まる。又、ガス化剤供給条件とは、ガス化剤供給装置５におけるガス化剤供給量そしてガス化剤組成比である。
【００２９】
造粒あるいは成形されたバイオマスがガス化炉１内に供給されて形成された充填層内で、バイオマスは乾燥領域に下降するまでの間に、周囲の水分を吸収して膨潤して体積が増大し、隣接するバイオマス（造粒物あるいは成形物）同士が付着し結合して団塊状物が形成されると、通気抵抗が大きくなり問題が生じるため、このような現象が生じないように、バイオマスは短時間で乾燥領域に下降することが望まれる。そのため、バイオマスが炉内に供給されてから乾燥領域に到るまで滞留する湿潤層の層厚は小さい方が好ましい。湿潤層の層厚の実用的な制御は、湿潤層の上面高さ位置を制御することで行うことが可能であり、また望ましい。湿潤層の上面高さ位置の好ましい所定範囲を、バイオマス供給条件に基づいて予め定めておき、湿潤層の上面高さ位置を好ましい所定範囲になるようにバイオマス供給条件（多くの場合、バイオマス供給量）とガス化剤供給条件を調整することによって制御する。
【００３０】
この制御は、湿潤層の上面高さ位置が所定範囲の上限位置より上にある場合には、バイオマス供給条件としてのバイオマス供給量を減少、ガス化剤供給条件としてのガス化剤供給量を増加あるいはガス化剤組成比の空気比を増加の少なくとも一方を行うことによってなされる。
【００３１】
これに対して、湿潤層の上面高さ位置が所定範囲の下限位置より下にある場合には、バイオマス供給条件としてのバイオマス供給量を増加、ガス化剤供給条件としてのガス化剤供給量を減少あるいはガス化剤組成比の空気比を減少の少なくとも一方を行うことによってなされる。
【００３２】
このような制御を行うことにより、ガス化炉内でのバイオマスの熱分解、ガス化を活発にしバイオマスの充填層の最上位置を低下させて湿潤層の上面高さ位置を好ましい所定範囲にする。すなわち、このような制御のもとで、不足気味であったバイオマスの供給を増加させ、バイオマスの供給とバイオマスの熱分解、ガス化の速度を同調させ、バイオマスの充填層の最上位置を上昇させ湿潤層の上面高さ位置を好ましい所定範囲にする。
【００３３】
次に、このような本実施形態装置でのバイオマスがどのようにガス化されるのかについて説明する。
【００３４】
（１）先ず、バイオマスは造粒装置あるいは成形装置４で、所定の大きさに造粒あるいは成形される。
【００３５】
（２）造粒あるいは成形されたバイオマスは、貯留槽３に貯留され、該貯留槽３から切り出されてバイオマス供給装置２へ送られる。
【００３６】
（３）バイオマス供給装置２は、湿潤層位置制御装置７からの指令信号にもとづき、搬送装置によりバイオマスを指令された量だけガス化炉１の供給口１Ａから供給する。供給量は、例えば、スクリューフィーダ回転数を調整して制御される。
【００３７】
（４）一方、ガス化剤供給装置５も、上記湿潤層位置制御装置７から指令信号を受けており、この指令信号にもとづき、空気と水蒸気から成るガス化剤の供給量そして空気と水蒸気の量比を調整して、ガス化剤をガス化炉１の給気口１Ｂへ送気する。
【００３８】
（５）バイオマス供給装置２から、造粒あるいは成形されたバイオマスの供給を受けたガス化炉１には、該バイオマスの充填層が形成される。そして、この充填層には、給気口１Ｂから受けたガス化剤としての空気と水蒸気が充填層のバイオマス粒子間を上昇し、該充填層の上層部を湿潤層とする。バイオマスは、湿潤層から乾燥領域、熱分解領域、還元領域、酸化領域へと順次降下し、その間に、既述したように、生成ガスを生成し、該生成ガスは炉内を上昇して排気口１Ｃから取り出される。
【００３９】
（６）湿潤層位置検知装置６は、その複数の圧力計６Ａによって、炉内圧力を検知しており、高さ方向の炉内圧力分布を得ている。充填層よりも上方の空間の圧力は充填層の圧力より低くなっている。したがって、湿潤層位置検知装置６では、高さ方向の炉内圧力分布が変化する高さ位置を、湿潤層の上面高さ位置と定め、その信号が湿潤層位置制御装置７へ送信する。
【００４０】
（７）湿潤層の上面高さ位置に対応する信号を受けた湿潤層位置制御装置７は、検知した湿潤層の上面高さ位置が予め定められた所定範囲に入るように、バイオマス供給条件そしてガス化剤供給条件を変更するように、バイオマス供給装置２そしてガス化剤供給装置５へ指令信号を送信する。この指令信号は、予め記憶されているデータにもとづき、バイオマス供給装置２からのバイオマス供給量をどの位にするか、ガス化剤供給装置５からのガス化剤の供給量そして組成比をどの位にするか、という信号形態で、上記バイオマス供給装置２そしてガス化剤供給装置５へ送られ、これら装置を制御する。
【００４１】
（８）このように制御されたバイオマス供給装置２からガス化炉１へ供給されたバイオマスは、同じく制御されたガス化剤供給装置５から受けたガス化剤により、ガス化される。このように制御されると、粉体状バイオマスを造粒又は成形したバイオマスをガス化炉に供給しても、湿潤層においてバイオマス同士が互いに付着して団塊状物を形成することが防止されて、充填層内に均一なガス流れが形成され、安定したガス化が行われる。
【００４２】
上述した実施形態では、湿潤層の上面高さ位置を好ましい所定範囲に収めるように、バイオマス供給条件としてのバイオマス供給量と、ガス化剤供給条件としてのガス化剤供給量あるいはガス化剤組成比を制御しているが、ガス化炉からの発生熱量すなわち生成ガス量を設定した運転を行う場合には、ガス化剤供給条件は設定ガス量に対応する条件に設定しておき、湿潤層の上面高さ位置を好ましい所定範囲に収めるように、バイオマス供給条件を制御するようにする。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、バイオマスから燃料ガスを生成する産業分野で利用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  ガス化炉
２  バイオマス供給装置
５  ガス化剤供給装置
６  湿潤層位置検知装置
７  湿潤層位置制御装置
【図１】
2010229208.tif 000003