(57)【要約】【課題】タールが生成ガス冷却用の熱交換器に付着したり、タール含有水の円滑な排出ができなくなることを防止でき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】ガス化炉に供給されたバイオマスを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１への供給前のバイオマスに水を供給する第一の水供給装置２Ａ及びガス化炉の炉頂からガス化炉内のバイオマスに水を供給する第二の水供給装置２Ｂのうち少なくとも一方を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化炉に供給されたバイオマスを熱分解して生成ガスを得るガス化装置において、
ガス化炉への供給前のバイオマスに水を供給する第一の水供給装置及びガス化炉の炉頂からガス化炉内のバイオマスに水を供給する第二の水供給装置のうち少なくとも一方を有していることを特徴とするバイオマスのガス化装置。
【請求項２】
第一の水供給装置と第二の水供給装置は、合計の水供給量が、ガス化炉内のバイオマス充填層の最上部における湿潤層の水分率を３０％以上とするように設定されてい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】
ガス化装置は、
ガス化炉から生成ガスを受けて熱媒体との熱交換により該生成ガスを冷却し該生成ガスに含まれる水蒸気とタールを凝縮してタール含有水を生成する熱交換器と、
熱交換器で生成されたタール含有水の量を計測する水量計測装置と、
水量計測装置により計測されたタール含有水の量を所定の範囲にするように第一の水供給装置及び第二の水供給装置のうち少なくとも一方により供給する水量を制御する水供給量制御装置とを、さらに有することを特徴とする請求項１に記載のバイオマスのガス化装置。
【請求項４】
ガス化炉にて含水率が２０％以下のバイオマスを熱分解して生成ガスを得るガス化方法において、
ガス化炉への供給前のバイオマスに水を供給する第一の水供給工程及びガス化炉の炉頂からガス化炉内のバイオマスに水を供給する第二の水供給工程のうち少なくとも一方を有し、
ガス化炉内のバイオマス充填層最上部に形成される湿潤層の水分率を高めることを特徴とするバイオマスのガス化方法。
【請求項５】
ガス化方法は、
ガス化炉から熱交換器に生成ガスを受けて熱媒体との熱交換により該生成ガスを冷却し該生成ガスに含まれる水蒸気とタールを凝縮してタール含有水を生成する熱交換工程と、
生成されたタール含有水の量を計測する水量計測工程と、
計測したタール含有水の量を所定の範囲にするように第一の水供給工程及び第二の水供給工程のうち少なくとも一方により、供給する水量を制御する水量制御工程とを、さらに有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原料をガス化炉の上部から供給し、炉内で充填層を形成する。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が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。
【０００４】
このガス化炉からの生成ガス中にはガス状及びミスト状のタールが含まれており、生成ガスを燃料としてガスエンジンなどに利用する場合には、該タールは機器に付着して運転に問題が生じることがあるためタールを除去する必要がある。非特許文献１では、ガス化炉から排出される生成ガスを熱媒体との熱交換により冷却する熱交換器（ガス冷却装置）に導き、生成ガス中のガス状タールと水蒸気を凝縮してタール含有水とすることによって生成ガスから除去し、さらに後段に設けた湿式電気集塵器によりダストとともに残存するタールを除去している。
【０００５】
また、ガス化炉内においては、生成したタールのうち重質タールを軽質タールに改質することが行われている。
【０００６】
充填層の最上部には水分濃度の高い湿潤層が形成される。充填層内で該湿潤層の下方に形成される熱分解領域で生成したガス状及びミスト状のタールは生成ガスとともに充填層を上昇し、湿潤層において水分により捕捉され、この水分により捕捉されたタールはバイオマスとともに下部へ下降し、再度熱分解領域に入り、タールのうち重質タールは軽質タールに分解され、軽質タールはガスに分解される。この湿潤層でのタール捕捉、熱分解領域での分解を繰り返すことにより、生成ガス中のタール分は軽質タールが多くなり、熱交換器でのガス冷却により回収されたタール含有水の流動性が高く円滑に排出でき、その後工程でのハンドリングも容易となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
非特許文献１に記載のバイオマスのガス化装置では、ガス化炉に供給する木質バイオマスの含水率が３０〜５５％程度と高い高含水率の場合には、ガス化炉内の充填層最上部に湿潤層が充分に形成されるため、問題が生じないが、建築廃材や廃木材、その他の木質バイオマスの中には含水率が２０％以下の低い低含水率のものもある。このような含水率が２０％以下の低含水率のバイオマスをガス化炉でガス化した場合には、充分な湿潤層が形成されず、水分によるタールの捕捉が困難となり、その結果、生成ガス中のタールは重質タールの割合が大きくなり、熱交換器でのガス冷却により凝縮して得られるタールの粘性が高く、該タールが熱交換器の伝熱面に付着したり、回収されたタール含有水の粘性が高くて円滑な排出ができないことや閉塞等の問題が生じる。
【０００９】
また、このような含水率が２０％以下の低含水率のバイオマスをガス化した場合には、熱交換器において凝縮する水分量がタール量に対して少なくなる。水分量がタール量に対して少ないと、熱交換器の伝熱面（凝縮部）が凝縮水により洗浄されることが行われず、伝熱面にタールが付着して熱交換性能が低下したり、タール含有水の流動性が低くガス流路やタール含有水排出部で閉塞が生じるなど円滑に熱交換やタール含有水の排出ができなくなり、ガス中のタールを除去できないという問題が生じる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、含水率が２０％以下の低含水率のバイオマスをガス化炉に供給しても、生成ガスに含まれるタールのうち重質タールの割合が大きくなり、生成ガス冷却を行なう熱交換器の伝熱面に付着したり、円滑な排出ができなくなる問題が生じることを防止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】
【００１１】
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方法により解決される。
【００１２】
＜バイオマスのガス化装置＞
本発明は、バイオマスのガス化装置に関しては、ガス化炉への供給前のバイオマスに水を供給する第一の水供給装置及びガス化炉の炉頂からガス化炉内のバイオマスに水を供給する第二の水供給装置のうち少なくとも一方を有していることを特徴としている。
【００１３】
＜バイオマスのガス化方法＞
また、本発明は、バイオマスのガス化方法に関しては、ガス化炉にて含水率が２０％以下のバイオマスを熱分解して生成ガスを得るガス化方法において、ガス化炉への供給前のバイオマスに水を供給する第一の水供給工程及びガス化炉の炉頂からガス化炉内のバイオマスに水を供給する第二の水供給工程のうち少なくとも一方を有し、ガス化炉内のバイオマス充填層最上部に形成される湿潤層の水分率を高めることを特徴としている。
【００１４】
このような構成の本発明装置そして方法によると、バイオマス、特に含水率が２０％以下の低含水率のバイオマスをガス化する場合、バイオマスは第一の水供給装置そして第二の水供給装置のうちの少なくとも一方により水の供給を受ける。バイオマスの種類によってそのバイオマスの含水率は推定できる。あるいは推定が困難でも測定できる。したがって、バイオマスがガス化炉に供給されて充填層最上部に湿潤層を形成する際、この湿潤層で所定の水分率をもつようにするのに、上記バイオマスへ、ガス化炉への供給前、あるいは供給後の湿潤層形成時に、どの位の水を供給すれば良いかが算出できる。この水の供給が第一の水供給装置と第二の水供給装置のいずれか一方、あるいは両方によって行なわれる。かくして、所定の水分率をもつようになったバイオマスはガス化によって、得られた生成ガス中のタールは多くは軽質タールとなり、ガス化炉から取り出されるタール含有水の取出し、そしてその後の扱いが容易となる。
【００１５】
本発明において、第一の水供給装置と第二の水供給装置は、合計の水供給量が、ガス化炉内のバイオマス充填層の最上部における湿潤層のバイオマスの水分率を３０％以上とするように設定されていることが好ましい。
【００１６】
上記バイオマスの水分率を自動的に所定値とすることが望まれる。取り出されたタール含有水の量は計測可能であり、バイオマスの種類が特定されればその水分率から水分量が算出できるので、所定の範囲の水分量とするにはどの位の水をバイオマスへ供給すればよいかが上記計測されたタール含有水の量から導き出すことができる。
【００１７】
そこで、ガス化炉に熱交換器を接続して、生成ガス中の水蒸気とタールを凝縮してタール含有水を生成する場合、本発明装置は、ガス化炉から生成ガスを受けて熱媒体との熱交換により該生成ガスを冷却し該生成ガスに含まれる水蒸気とタールを凝縮してタール含有水を生成する熱交換器と、熱交換器で生成されたタール含有水の量を計測する水量計測装置と、水量計測装置により計測されたタール含有水の量を所定の範囲にするように第一の水供給装置及び第二の水供給装置のうち少なくとも一方により供給する水量を制御する水供給量制御装置とを、さらに有するようにすることができる。
【００１８】
したがって、本発明方法としては、ガス化方法は、ガス化炉から熱交換器に生成ガスを受けて熱媒体との熱交換により該生成ガスを冷却し該生成ガスに含まれる水蒸気とタールを凝縮してタール含有水を生成する熱交換工程と、生成されたタール含有水の量を計測する水量計測工程と計測したタール含有水の量を所定の範囲にするように第一の水供給工程及び第二の水供給工程のうち少なくとも一方により、供給する水量を制御する水量制御工程を有するようになる。
【００１９】
かくして、生成されたタール含有水の量を計測して、所定の範囲のタール含有水量となるように、第一の水供給装置そして第二の水供給装置の少なくとも一方から水を供給制御すれば、その結果として、バイオマスは湿潤層で所定範囲の水分率をもつようになり、ガス化により得られるタール含有水中の軽質タールの比率が多くなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、含水率が２０％以下の低含水率のバイオマスをガス化炉に供給して生成する生成ガスに含まれるタールのうち軽質タールの割合が大きくなり、ガス冷却装置の熱交換器の伝熱面にタールが付着したり、円滑な排出ができなくなる問題が生じることを防止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得る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態装置の概要構成図である。
【図２】図１装置の熱交換器の概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面にもとづき、本発明の一実施形態を説明する。
【００２３】
図１において、符号１はバイオマスをガス化するガス化炉であり、炉上部に設けられた供給口からバイオマスの供給を受け、下部からはガス化剤として水蒸気と空気の供給を受けている。バイオマスは供給前に１００ｍｍ程度以下に粗破砕されていて、コンベア、スクリューフィーダなどの搬送装置により、上記供給口から供給される。このガス化炉１内では、供給されたバイオマスの充填層が形成され、この充填層内を上記ガス化剤が上昇する。該充填層は、上方から、湿潤層、乾燥領域、熱分解領域、還元領域、酸化領域を順に形成している。バイオマスは、炉内で熱分解されて固定炭素と生成ガスを生じ、固定炭素は充填層を降下中に上記ガス化剤とガス化反応して生成ガスと燃焼灰を生じ、該生成ガスは炉上部からそして燃焼灰は炉下部から排出される。上記生成ガスには、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が含まれている。
【００２４】
上記ガス化炉１は、バイオマスに水を供給する第一の水供給装置２Ａと第二の水供給装置２Ｂとが接続されている。第一の水供給装置２Ａは、ガス化炉１外でバイオマスに水を供給するようになっており、水槽、送水ポンプ、噴霧ノズル（いずれも図示せず）を有していて、バイオマスをガス化炉１へ供給するときあるいは供給前にこのバイオマスに噴霧（あるいは散水）する。噴霧は、コンベア上のバイオマス、スクリューフィーダ内のバイオマスに行なわれる。水の噴霧（供給）量は、後述の供給水量制御装置６により制御される。一方、第二の水供給装置２Ｂは、ガス化炉１の炉頂から炉内の充填層最上部のバイオマスに噴霧（散水）するようになっており、水槽、送水ポンプ、噴霧ノズル（いずれも図示せず）を有している。この第二の水供給装置２Ｂの水供給量は、上記第一の水供給装置２Ａと相俟って上記充填層の最上部のバイオマスの含水率を好ましい範囲に調整するように後述の水供給制御装置６により制御される。
【００２５】
上記ガス化炉１は生成ガスを冷却処理する熱交換器３に接続されている。
【００２６】
上記熱交換器３は、湿式電気集塵装置７、ガスエンジン８が順次接続されており、熱交換器３で冷却処理された処理ガスが湿式電気集塵装置７で、ダスト等の除去後、可燃ガスとしてガスエンジン８に送られてガスエンジン８の駆動に供される。
【００２７】
上記熱交換器３は、図２に見られるように、密閉空間を形成する容器３１の上部に生成ガスを導入する導入管３２と、この生成ガスを冷却処理した後これを処理ガスとして容器下部から取り出す導出管３３とを有している。さらに、上記容器３１内には、外部から熱媒体（例えば、冷却水）を受け入れて容器３１内を貫通させ容器３１外へ排出させる冷却管３４が配されている。さらに、容器３１の下部には排出タール含有水を排出する排出管３５が設けられている。
【００２８】
このような熱交換器３では、冷却用の熱媒体としての水等との熱交換によりガス化炉１から導入された生成ガスがタール及び水の凝縮温度以下（例えば３０℃以下）に冷却され、生成ガス中のガス状タールと水分の両方が凝縮されてタールと水との混合物（タール含有水）を生ずる。熱媒体を流通させる冷却管３４の伝熱面（外面）で凝縮したタールと水は混合した状態のタール含有水として容器３１内の下部に貯まる。凝縮水は滴下して冷却管３４の伝熱面（外面）を洗浄し、凝縮したタールが伝熱面に付着することを防止し、上記冷却管３４の熱交換性能を維持することができる。
【００２９】
上記熱交換器３の排出管３５は、タール含有水量計測装置４を介してタール処理装置５に接続されている。
【００３０】
上記タール含有水量計測装置４は、熱交換器３で凝縮されたタールと水との混合物であるタール含有水の量を計測し、計測された水量計測値データを供給水量制御装置６へ送信するようになっている。このタール含有水量計測装置４は周知の流量計測装置を用いることができ、例えば、体積式や電磁式の流量計が例示できる。
【００３１】
上記タール含有水量計測装置４には、タール処理装置５が接続されており、該タール処理装置５には気化器（図示せず）そして貯留器（図示せず）が接続されている。上記タール処理装置５は、例えば比重分離器であり、上記タール含有水量計測装置４での計測後の排出タール含有水を受け、これを比重差によって、水を含む軽質タールと、重質タールとに分離する。水を含む軽質タールは気化器にて軽質タールと水とに分離され、重質タールは貯留器に貯留され、燃料として用いられる。
【００３２】
上記供給水量制御装置６は、（Ａ）第一の水供給装置２Ａ及び第二の水供給装置２Ｂのうち少なくとも一方により供給する水により、ガス化炉内のバイオマス充填層の最上部における湿潤層の水分率を３０％以上とすることができるように供給する水量を制御するとともに、さらに、（Ｂ）計測された水量計測値データをタール含有水量計測装置４から受信し、タール含有水量を予め定めた所定の範囲にするように、第一の水供給装置２Ａ及び第二の水供給装置２Ｂのうち少なくとも一方により供給する水量を制御するように、これら装置２Ａ，２Ｂの送水ポンプ出力等を調整する信号を発信する。（Ｂ）の制御を行うことにより、（Ａ）湿潤層の水分率を３０％以上とすることができるように供給する水量を制御することが十分に可能である場合には、（Ｂ）の制御を行えばよい。
【００３３】
ここで、タール含有水量の予め定めた所定の範囲とは、凝縮水により熱交換器３の伝熱面（凝縮面）が洗浄され、凝縮したタールが伝熱面に付着することを防止するために必要な凝縮水量の好ましい範囲を予め求めておき、それに凝縮するタール量を加え、回収されるタール含有水量の好ましい範囲を定めておいた範囲である。
【００３４】
含水率が３０〜５５％と高いバイオマスをガス化し、問題の生じないタール除去運転が行われている際の回収されるタール含有水量を計測しておき、その計測値をタール含有水量の予め定めた所定の範囲としてもよい。
【００３５】
熱交換器において円滑にタール除去できることが確認できた際のガス化炉から生成するガス中の水分濃度を計測しておき、このガス中の水分濃度の好ましい範囲に相当するような回収タール含有水量の範囲を所定の範囲としてもよい。
【００３６】
次に、このような構成の本実施形態装置によるバイオマスのガス化の手順について説明する。
【００３７】
（１）先ず、バイオマスをガス化炉１へ供給する。本発明装置の特徴は低含水率のバイオマスの場合に、特に有効であり、上記ガス化炉１へ供給されたバイオマスが２０％以下の低含水率の場合について説明する。バイオマスは、第一の水供給装置２Ａと第二の水供給装置２Ｂの少なくとも一方から水の噴霧供給を受けて、ガス化炉１内で充填層を形成し、上部から湿潤層、乾燥領域、熱分解領域、還元領域、酸化領域を成している。ガス化炉１には、下部からガス化剤として水蒸気と空気が供給されており、充填層のバイオマスは、熱分解、ガス化反応により、最終的に、生成ガスと燃焼灰になる。生成ガスはＣＨ４，ＣＯ，Ｈ２等の可燃性ガスと、ＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ガス状及びミスト状のタールを含んでいる。ガス化炉１の上部から生成ガスが熱交換器３へ送られ、燃焼灰は炉下部から排出される。
【００３８】
（２）ガス化炉１からの生成ガスは導入管３２から熱交換器３の容器３１内へ導入される。該容器３１内には、冷却水を流通させる冷却管３４が配設されていて、生成ガスはこの冷却管３４の外面を伝熱面として、タールの凝縮温度以下に冷却される。タールの凝縮温度は水の凝縮温度以下であり、生成ガスは、タールと水とに凝縮され、それらの混合物がタール含有水となり容器３１内を滴下し容器３１下部に貯まる。この凝縮水は滴下の際、上記冷却管３４の外面を洗浄し、タールの付着を防止する。このように冷却処理された生成ガスは、タール含有水が容器３１下部の排出管３６から排出され、また、可燃ガスとダストを含むガス体は処理ガスとして容器３１下部の導出管３３から導出される。
【００３９】
（３）排出タール含有水は、タール含有水量計測装置４でその量が計測された後、タール処理装置５へ送られる。上記タール含有水の水量計測値データは、噴霧水量制御装置６へ送られ、計測されたタール含有水の量が、予め定められた所定の範囲にあるかどうか比較されて、その結果、該噴霧水量制御装置６は、差分、具体的には不足分をなくすように、第一の水供給装置２Ａと第二の水供給装置２Ｂへ指令信号を送る。第一の水供給装置２Ａと第二の水供給装置２Ｂは、上記不足分がなくなるような量の水を噴霧する。
【００４０】
本実施形態では、第一の水供給装置２Ａ及び第二の水供給装置２Ｂのうち少なくとも一つを備えて、炉内に供給されて充填層最上部を形成するバイオマスの含水率を好ましい範囲に調整することにより、水分量（例えば、水分率３０％以上）が適度に高い湿潤層が形成される。その結果、熱分解領域で生成したタールは、湿潤層において水分により捕捉され、捕捉されたタールはバイオマスとともに下部へ下降し、再度熱分解領域に入り、タールのうち重質タールは軽質タールに分解され、軽質タールはガスに分解される。この湿潤層でのタール捕捉、熱分解領域での分解を繰り返すことにより、生成ガス中のタール分は比較的軽質タールが多くなり、ガス冷却装置により回収されたタール含有水の流動性が高く円滑に排出でき、その後工程でのハンドリングも容易となる。
【００４１】
上記のような構成の本発明によるバイオマスのガス化装置及び方法を用いることにより、含水率が２０％以下のバイオマスをガス化炉に供給しても、生成するガスに含まれるタールのうち軽質タールの割合が大きくなり、ガス冷却装置の熱交換器の伝熱面に付着したり、円滑な排出ができなくなる問題が生じることを防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
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】
【００４３】
１  ガス化炉
２Ａ  第一の水供給装置
２Ｂ  第二の水供給装置
３  熱交換器
４  （タール含有）水量計測装置
【図１】
2010229207.tif 000003
【図２】
2010229207.tif 000004