(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化方法であって、
バイオマス原料の炭化炉への供給と炭化、該炭化により生成した木炭の製粉、該製粉により得られた炭粉のガス化炉への噴射輸送とガス化、の工程を含み、
前記炭化工程においては、外部から供給される可燃ガスと酸素を利用して、炭化炉内で直接燃焼反応が発生し、該反応によって放出された熱が、バイオマスの熱分解に必要な主要な熱として直接提供され、前記炭化炉によって、熱分解ガスと木炭が生成され、
酸素量を調整することによって前記炭化炉の温度を４００〜６００℃に制御し、該酸素量に対して、外部から供給される可燃ガスと酸素が完全燃焼する時の可燃ガスのモル量を１としたとき、外部から供給される可燃ガスのモル量が１より大きく５より小さくなるように、外部から前記炭化炉に入る可燃ガスの量を調整することによって、炭化炉バーナーの火炎温度を１８００℃〜１２００℃の間に制御し、
前記炭化工程で燃焼しなかった過剰な可燃ガスは、前記炭化工程において生成された前記熱分解ガスとともにガス化炉に輸送され、
前記炭粉のガス化炉への噴射輸送に、輸送ガスとして、炭化炉で生成した熱分解ガスを使用し、輸送用熱分解ガスの量を制御することによって炭粉輸送管路内の炭粉と熱分解ガスの固体気体比が０．０３〜０．４５ｍ３／ｍ３になるように炭粉の輸送を制御し、
前記炭化炉で生成された、輸送ガスとして使用される熱分解ガスは、濾過後、５５０〜６５０℃の温度に加熱され、炭粉輸送用の輸送ガスとなり、
前記ガス化工程においては、前記炭粉、前記熱分解ガス、前記過剰な可燃ガス、および酸素がともにガス化炉のガス化炉バーナーに送られることによりガス化炉内で高温ガス化反応が起こることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法を用いてバイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化システムであって、バイオマス原料の加圧供給システム、炭化炉、製粉システム、炭粉噴射器、ガス化炉およびその接続管路、および気力輸送システムを含み、炭化炉バーナー（６）が外部から供給される可燃ガス管路（４）および酸素管路（５）と接続され、前記炭粉噴射器（１６）は、輸送用熱分解ガス管路および炭粉輸送管路と接続されていることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを利用して合成ガスを製造するための高温ガス化方法とシステムに関する。この方法は、バイオマスを利用して合成ガスまたは可燃性ガスを製造する技術分野に属する。合成ガスとは、ＣＯ、Ｈ２、および、炭素、水素、酸素を含む様々な炭水化物を含む気体混合物である。本発明の方法によって製造された合成ガスは、ガスタービン発電システム、燃料電池、合成油、冶金等のシステムに使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来の化石燃料（石炭、石油、天然ガス）資源埋蔵量の減少と、化石燃料の使用によって引き起こされる環境汚染問題が、人類の生存と発展を直接脅かしている現在、再生可能で環境に優しいエネルギーの開発を重視することは、各国政府の共通認識となっている。バイオマスは、植物の光合成によって生じる有機物であり、広範囲に分布し、利用可能量も多く、ＣＯ２放出ゼロで、化石燃料と比べてクリーンなことから、バイオマスは、重要な再生可能エネルギー資源の１つである。熱化学、生化学等の方法により、バイオマスは、発電、工業原料、化学製品生産のためのクリーンな気体または液体燃料に変換可能であり、世界各国が優先的に発展させる新エネルギー源として、全面的に化石燃料に置き換わる可能性を秘めている。
【０００３】
バイオマスをクリーンな気体または液体燃料に変換するには多くの方法があるが、バイオマスのガス化技術は、他の技術と比べて、より多くの種類のバイオマスに適用可能であり、高い発展性を備えている。バイオマスのガス化工程は、バイオマス原料とガス化剤（空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素など）を高温で反応させることによって固体バイオマス原料を、炭素、水素、酸素等の元素組成を有する炭水化物を含む混合ガスに変換する、一種の熱化学過程である。通常、この混合ガスは合成ガスと呼ばれている。ガス化工程で生成される合成ガスの組成は、ガス化工程で使用されるバイオマス原料の性質とガス化剤の種類、ガス化工程の条件、およびガス化炉の構造によって異なる。ガス化の目標は、バイオマス原料とガス化剤の消費量ならびに合成ガス中のタール含有量を最小化し、これと同時に、システムのガス化効率、炭素転換率、および、合成ガス中の有効成分（ＣＯおよびＨ２）の含有量を最大化することである。ガス化の目標に影響を及ぼす多くの要因の中には、ガス化工程で使用されるガス化炉の型式、ガス化剤の種類、バイオマス原料の粒径、ガス化の圧力と温度、バイオマス原料に含まれる水分や灰分などがある。
【０００４】
ガス化工程で使用されるガス化炉は、固定床、流動床、噴流床の３種類に分類することができる。
【０００５】
固定床には、次のような特徴がある。ガス化構造が簡単で、操作性がよく、運転モードに柔軟性があり、固体燃料が床内に滞留する時間が長く、炭素転換率が高く、２０％から１１０％という広い範囲の運転負荷に対応することができる。しかし、固定床は、温度が不均一であるために熱交換効率が低く、出口における合成ガスの熱量が低く、合成ガスにタールが多く含まれる。
【０００６】
流動床には、次のような特徴がある。ガス化炉の中に原料を供給したりガス化炉から灰を排出したりするのが容易であり、温度が流動床を通じて均一で容易に調整できる。しかし、流動床は、原料の性質に対して非常に敏感である。原料の凝集性、熱安定性、水分量、灰の溶融点が変わると、流動床は、容易に異常な運転状態となる。また、ガス化炉の正常な流動を保証するために運転温度を低くするので、出口における合成ガス中のタール含有量が高くなる。固定床と流動床は多くのタールを含むので、後続工程にタール分解浄化装置を設けることが必要となり、ガス化工程が非常に複雑化してしまう。
【０００７】
噴流床は、運転温度が高く、炉温度が均一で、タールは、噴流床中で完全に分解される。一方、噴流床は、大型化が容易で、特に、大規模工業に適している。しかし、噴流床は、原料の粒径に厳しい制限があるので、噴流床に供給する原料は、超微細に粉砕する必要がある。しかし、既存の破砕または製粉技術では、比較的多くの繊維を含むバイオマス原料を、噴流床の運転要求にあうサイズの粒子にまで挽くことができない。このため、噴流床は、バイオマス原料のガス化に使用することができない。タールの分解と処理、および、ガス化に先立つバイオマスの前処理が、バイオマスのガス化工程発展を妨げる大きな問題となっている。
【０００８】
中国特許出願Ｎｏ．２００５１００４３８３６．０は、低タールでバイオマスをガス化する方法と装置を提案している。提案された技術によれば、固体バイオマスの熱分解と熱分解生成物の分解ガス化という２工程に分けて、バイオマスを、タール含有量の低い可燃ガスに転換する。この方法には、次の問題点がある。第１に、熱分解によって生じた熱分解ガスと木炭の全てが分解ガス化炉の燃焼ゾーンまで輸送され、１０００℃前後で不完全燃焼反応が起こる。このとき、高温により、熱分解過程で生じたタールが分解される。しかし、この方法では、タール含有量を減少できる一方で多くの木炭が失われ、後続の還元反応によって生じるCO量が低下し、合成ガス中のCO２量が増加してしまう。第２に、燃焼反応の温度が比較的低いため、後続の還元反応における温度が更に低下し、還元ゾーンの平均温度が７００℃より低くなってしまう。これにより、有効な合成ガス（COおよびH２）の収量が少なくなる（約３０％）。第３に、還元反応を経た灰と、反応が不完全な残留炭素が、システムから直接排出されることにより、炭素転換率が低下する。最後に、この方法で用いられる分解ガス化炉は、固定床の一種である。還元反応は吸熱反応であるため、燃焼によって生じるガス化剤（主にCO２とH２O）が底部にある灼熱の炭素層を通過する際に、床の上部と下部に非常に大きな温度差を生じる（頂部で約１０００℃、底部で約500℃）。これは、固定床固有の欠点である。
【０００９】
米国特許Ｎｏ．６，８６３，８７８Ｂ２は、炭素質原料から合成ガスを生成する方法と装置を提案している。この方法も、炭化（または熱分解）工程と分解ガス化工程とを分ける方法を採用しており、炭化温度を４５０°Ｆ以下に制御することによって熱分解反応によって生じるタールを減少させている。この方法には、次の問題点がある。第１に、炭化段階で生成した気体および固体生成物が同時に後続の分解ガス化炉の反応コイルに送られ、固体生成物が粉砕されないので、ガス化反応の速度と程度に影響がでる。第２に、ガス化反応がコイル内で行なわれるので、多くの輸送ガスを使用して反応物のコイル内での移動速度を保証する必要がある。このため、輸送ガスが多くの熱量を持ち去ることになり、システムのガス化効率が低下する。また、後続の余熱利用システムが比較的大掛かりになる。さらに、コイル中で反応が進行する方式では、温度を均一に保つことができず、工程を拡大するという目標を達成することができない。第３に、合理的なエネルギー利用の観点から見れば、システムで生成するクリーンな合成ガスの燃焼によってガス化と炭化に必要な熱を供給するのは経済的ではない。また、燃焼生成物（主にCO２とH２O）が、直接システム外に排出されるので、中に含まれるCO２および水分を十分に利用できず、システムのガス化効率が低下する。最後に、合成ガスによって運ばれる飛散灰と反応が不完全な残留炭素は、２度のサイクロン分離の後、更に使用されることなく直接システム外に排出される。これにより、システムの炭素転換率が低下する。
【００１０】
中国特許出願Ｎｏ．２００６１０１２４６３８．１は、バイオマスから合成ガスを製造する、コンバインドサイクル式の高温ガス化方法を提案している。この方法も、炭化と高温ガス化を組み合わせた方法を採用している。この方法には、次の問題点がある。第１に、炭化炉の自熱方式或いは合成ガスの循環による間接的加熱方式を採用して、工業化された工程で実施するには、比較的大きな安全上のリスクがあり、また、炭化炉の熱分解昇温速度が非常に遅いため、システムの有効合成ガスの原料消費量が多く、全体のガス化効率が低い。第２に、２レベルに噴射される合成ガスを使用して粉体を輸送するシステムは比較的複雑であり、また、送粉用の合成ガスも、高温ガス化システムに対しては一種の不活性ガスである。高温ガス化システム中に不活性ガスを入れると、非不活性ガスを高温ガス化システムに入れる輸送方法よりも多くの酸素および有効合成ガスを消費することになるので、ガス化効率が約５％〜１０％低下する。最後に、炭化炉で生成された高圧の木炭は、降圧されずに、冷却後、直接、高圧製粉機に送られて製粉される。しかし、このような高圧製粉工程は、工業的実施が非常に難しい。
【００１１】
上記から分かるように、既存のバイオマスまたは炭素質固体燃料のガス化技術の中には、高効率で低コストというバイオマスのガス化の目標にあうものはない。同時に、既存の方法の中には、熱分解工程とガス化工程を分けて、バイオマス原料の性質の変化に対応したり合成ガス中のタール含有量を低下させたりできるものもあるが、反応装置の温度の均一化、反応装置の大規模化、余熱利用量の低下、外部資源消費量の低下、ガス化効率と炭素転換率の向上などの課題があり、バイオマスのガス化を大規模に工業的に応用する上での制約となっている。特に、現在、噴流床を用いたバイオマスの効果的ガス化方法はない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、バイオマスから合成ガスを製造するための、高効率で低コストの高温ガス化方法とシステムを提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、バイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化方法であって、原料供給、炭化、木炭製粉、炭粉のガス化炉への輸送とガス化、の工程を含み、前記炭化工程においては、外部から供給される可燃ガスと酸素を利用して、炭化炉内で直接燃焼反応が発生し、該反応によって放出された熱が、バイオマスの熱分解に必要な熱として直接提供され、前記炭化炉によって、熱分解ガスと木炭が生成されることを特徴とする方法である。
【００１４】
前記合成ガス製造のための高温ガス化方法は、酸素量を調整することによって、前記炭化炉の温度を４００〜６００℃に制御し、外部から供給される可燃ガスと酸素が完全燃焼する時の可燃ガスのモル量を１としたとき、可燃ガスのモル量が１より大きく５より小さくなるように、外部から前記炭化炉に供給される可燃ガスの量を調整することによって、炭化炉バーナーの火炎温度を１８００℃〜１２００℃の間に制御することが好ましい。
【００１５】
前記合成ガス製造のための高温ガス化方法は、前記炭化炉の最適温度が４５０〜５５０℃であり、外部から供給される可燃ガスと酸素が完全燃焼する時の可燃ガスのモル量を１としたとき、外部から供給される可燃ガスのモル量が１．５〜３になるように、外部から前記炭化炉に供給される可燃ガスの量を調整することが好ましい。
【００１６】
前記木炭製粉工程は、木炭降圧供給装置によって木炭を常圧にした後、製粉機に輸送して炭粉を製造し、さらに、常圧の輸送ガスによって炭粉を炭粉加圧供給システムに輸送することによって行なわれることが好ましい。
【００１７】
前記合成ガス製造のための高温ガス化方法は、前記炭化炉で生成された熱分解ガスを、炭粉を前記ガス化炉に輸送するための輸送ガスとして用い、輸送用の熱分解ガスの量を制御することによって、炭粉輸送管路内の固体気体比（気体に対する固体の比率）を０．０３〜０．４５ｍ３／ｍ３に制御することが好ましい。
【００１８】
前記合成ガス製造のための高温ガス化方法は、製粉後の輸送工程中に、流動化工程を含み、流動化ガスは、外部から供給される可燃ガスであることが好ましい。
【００１９】
前記合成ガス製造のための高温ガス化方法は、前記炭化炉の頂部に熱分解ガス出口が設けられてガス化炉と接続し、前記熱分解ガス出口にはフィルタが備えられ、通常運転中、該フィルタのバックフラッシュ用ガスとして、外部から供給される可燃ガスが使用されることが好ましい。
【００２０】
本発明のもう１つの態様は、上記方法を用いてバイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化システムであって、バイオマス原料の加圧供給システム、炭化炉、製粉システム、炭粉輸送システム、ガス化炉およびその接続管路、および気力輸送システムを含み、炭化炉バーナーが、外部から供給される可燃ガス管路および酸素管路と接続されることを特徴とするシステムである。
【００２１】
前記バイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化システムは、前記炭化炉の木炭出口からガス化炉に至る管路に沿って、木炭冷却器、木炭降圧供給システム、製粉機および炭粉加圧供給システムが、順に設けられることが好ましい。
【００２２】
前記バイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化システムは、前記炭化炉の頂部に、熱分解ガス出口が設けられて前記ガス化炉と接続し、該熱分解ガス出口がフィルタを備え、フィルタのバックフラッシュガス用接続口が外部から供給される可燃ガスの管路と接続されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
第１に、本発明は、炭化炉の加熱技術として、外部から供給される可燃ガスと酸素の直接燃焼という技術を採用している。外部から供給される可燃ガスは、システム外から供給される天然ガスでもよく、または、他のシステムで生成された、炭化水素を含む排ガスでもよい。本発明で採用されている炭化炉の加熱技術には、主に次の３つの特徴がある。１つ目は、可燃ガスが、システム外部から供給されることである。２つ目は、炭化工程で必要とされる熱が、外部から供給される可燃ガスと酸素の直接燃焼によって提供され、可燃ガスの化学エネルギーを利用することである。３つ目は、直接燃焼を採用したために炭化炉の加熱効率が高く、炭化工程を高速熱分解方式で行なえることである。本発明の方法と、中国特許出願Ｎｏ．２００６１０１２４６３８．１で提案された、バイオマスから合成ガスを製造するためのコンバインドサイクル式高温ガス化方法（以後、コンバインドサイクル式ガス化法と記載する）との間には、主に３つの相違点がある。１つ目は、コンバインドサイクル式ガス化法では、炭化炉に熱を供給する可燃ガス（つまり合成ガス）が、そのシステム自身によって生成されることである。２つ目は、コンバインドサイクル式ガス化法が、可燃ガスの顕熱を利用して、間接的な熱交換方式により、バイオマスの炭化に必要な熱を供給することである。３つ目は、間接的な加熱方式は熱交換率が低く、実施設備が複雑になり、その結果、原料の温度上昇率が低くなり、炭化工程が低速熱分解方式となることである。以上の理由で、本発明で使用される炭化炉の加熱方法は、コンバインドサイクル式ガス化法で使用される方法と、本質的に異なる。本発明の方法によれば、熱分解速度が遅い、炭化炉の加熱性能が悪い等の、コンバインドサイクル式ガス化法の問題を解決できる。また、本発明は、従来のガス設備と比べて、可燃ガスの使用方法と使用目的が本質的に異なる。つまり、本発明の方法は、業界の常識を破り、大胆に、外部から供給される可燃ガス、直接燃焼、高速熱分解の炭化方式を採用したものである。また、本発明は、この方式に付帯する一連の技術的問題を解決し、バイオマスを利用して合成ガスを製造することを妨げていた技術障壁を取り払い、ガス化システムのガス化効率を大幅に向上させ、有効合成ガスの酸素消費量を減少させ、システム全体のエネルギー転換率等を向上させた。
【００２４】
本発明の方法では、外部から供給される可燃ガスを利用し、外部から炭化炉に供給される可燃ガスと酸素の比率を調整することにより、炭化炉温度、炭化炉バーナー火炎温度、温度上昇率等を制御する。本発明は、主に次の３つの目標を達成した。１つ目は、可燃ガスと酸素の燃焼で放出される熱をバイオマスに供給して炭化（熱分解）を行うことである。２つ目として、可燃ガスの量が多すぎる場合、余分な可燃ガスは、燃焼反応にとっては不活性ガスと同じである。このため、余分な可燃ガスの顕熱が変化することで、燃焼で放出された熱の一部を吸収でき、炭化炉バーナーの火炎温度を下げることができる。炭化炉バーナーの火炎温度を下げるのに、炭化水素を含まない他の不活性ガスを使用した場合、大量の不活性ガスがガス化システムに入り込むことになり、システム効率の低下と合成ガスの品質低下につながる。３つ目に、可燃ガスの化学エネルギーの利用方式から見ると、可燃ガスは余分に入れられるので、炭化炉内では、可燃ガスの化学エネルギーの一部しか利用されないが、可燃ガスの残りの化学エネルギーを、ガス化炉で、さらに継続して利用できる。このように、可燃ガスを外部から引き込むことにより、本発明の方法は、効果的にガス化システムのガス化効率を向上させ、有効合成ガスの酸素消費量を減少させ、システム全体のエネルギー転換率を向上させることができる。本発明の方法は、コンバインドサイクル式ガス化法と比較して、ガス化効率を１％以上向上させ、有効合成ガスの酸素消費量（１モルのCOとH２を生成するために消費される酸素のモル量）を０．３ｍｏｌ／ｍｏｌ以下に減少させることができる。
【００２５】
第２に、本発明の方法は、炭粉の輸送に熱分解ガスを利用している。一方、従来の乾燥石炭粉ガス化方法では、石炭粉の輸送に不活性ガス（二酸化炭素または窒素）が使用される。このため、大量の不活性ガスがガス化炉の中に入り、ガス化炉が、ガス化温度維持のために、必然的に、より多くの酸素と有効合成ガスを消費することになるので、ガス化効率が低下し、有効合成ガスの酸素消費量が増加する。本発明の方法では、Ｓｈｅｌｌの石炭ガス化と比べて、有効合成ガスの酸素消費量を１０〜２０％減少させることができる。また、コンバインドサイクル式ガス化法と比べて、ガス化効率を５〜１０％向上させることができる。
【００２６】
第３に、本発明の方法は、炭粉を流動化させるために可燃ガスを用いている。これにより、一方では、流動化工程の間に炭粉がブリッジを形成したり、詰まったりするのが防止され、また一方では、炭粉供給工程の間に、加圧された不活性ガスが高温のガス化システムに入り、合成ガスの品質とガス化効率が低下するのを、防ぐことができる。さらに、これにより、炭粉輸送用の熱分解ガスが炭粉加圧供給システムに入って熱分解ガスが凝縮されるのを防ぐことができる。また、高品質のガスを導入することによって、石炭粉を流動化するのに不活性ガスを使用する従来の乾燥石炭粉ガス化法の場合のように不活性ガスがガス化炉の中に入り込むのを防ぐことができ、合成ガスの品質とガス化効率を効果的に向上させることができる。
【００２７】
第４に、本発明は、通常運転中の設備浄化用ガスとして、可燃ガスを使用する。従来の石炭ガス化システムでは、通常運転中の設備浄化及びバックフラッシュ用ガスとして、一般に、不活性ガスを使用している。浄化頻度が余りに高いと、多量の不活性ガスがガス化炉に持ち込まれることになり、合成ガスの品質が低下する。浄化用ガスとして外部から供給される可燃ガスを使用すると、上述の問題を防止できるだけでなく、合成ガスの品質も向上させることができる。
【００２８】
第５に、本発明の方法は、木炭の降圧供給および常圧製粉技術を採用している。中国特許出願Ｎｏ．２００６１０１２４６３８．１で提案された、バイオマスから合成ガスを製造するためのコンバインドサイクル式高温ガス化法で採用されている高圧製粉技術については、高圧製粉技術は理論上可能だが、高圧下でのシール問題、振動によって引き起こされる、高圧機器の安全上の問題など、工程の実現には多くの技術的困難が存在し、実施が困難である。これと比較し、本発明の方法で採用されている技術は、工程実施がより容易で、しかも安全で信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のシステムおよび工程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態、製造工程、およびシステムの配置構造を具体的に説明する。
【００３１】
図１に示すように、バイオマスから合成ガスを製造するための高温ガス化システムは、バイオマス原料１、バイオマス原料加圧供給システム２、炭化炉３、炭化炉バーナーへの可燃ガス管路４、炭化炉バーナーへの酸素管路５、炭化炉バーナー６、フィルタ７、フィルタのバックフラッシュガス管路８、フィルタ出口の熱分解ガス管路９、熱分解ガスバッファタンク１０、炭粉輸送用の熱分解ガス管路１１、ガス化炉バーナーへの熱分解ガス管路１２、調整弁１３、熱分解ガス加熱器１４、加熱後の熱分解ガス管路１５、炭粉噴射器１６、炭粉と熱分解ガスの混合ガス管路１７、炭化炉の木炭出口管路１８、木炭冷却器１９、冷却後の木炭管路２０、木炭降圧供給システム２１、常圧木炭管路２２、製粉機２３、炭粉管路２４、常圧輸送ガス管路２５、常圧気力輸送システム２６、常圧の輸送ガスと炭粉の混合物管路２７、炭粉加圧供給システム２８、高圧炭粉管路２９、炭粉流動化装置３０、流動化ガス管路３１、流動化後の炭粉管路３２、ガス化炉バーナーへの酸素管路３３、ガス化炉バーナー３４、ガス化炉３５、合成ガス管路３６、灰管路３７、脱塩脱酸素水管路３８、飽和水蒸気管路３９、原料加圧システムの加圧ガス管路４０、原料加圧システムの除圧ガス管路４１、木炭降圧供給システムの加圧ガス管路４２、木炭降圧供給システムの除圧ガス管路４３、炭粉加圧供給システムの加圧ガス管路４４、炭粉加圧供給システムの除圧ガス管路４５、炭化炉出口熱分解ガス管路４６、ガス化炉の水冷壁４７を備えている。
【００３２】
炭化炉バーナー６は、可燃ガス管路４および酸素管路５と接続されている。炭化炉の木炭出口からガス化炉に至る管路に沿って、木炭冷却器１９、木炭降圧供給システム２１、製粉機２３、および炭粉加圧供給システム２８が、順に設けられている。炭粉の輸送には、炭粉噴射器１６を使用するが、炭粉噴射器１６は、輸送用の熱分解ガス管路および炭粉管路と接続されている。炭化炉の頂部には熱分解ガス出口が設けられ、ガス化炉と接続されている。熱分解ガス出口にはフィルタ７が設けられ、フィルタ７のバックフラッシュガスの接続口は可燃ガス管路８と接続されている。
脱水乾燥後のバイオマス原料１は、原料加圧供給システム２に入れられ、気力加圧技術により炭化炉３に輸送される。管路４および管路５を通じて、外部から可燃ガスと酸素が炭化炉３に供給され、燃焼反応が発生する。反応で放出される熱がバイオマス原料の熱分解に必要な熱量となる。酸素量を制御することによって、炭化炉３の温度を４００℃〜６００℃に制御する。炭化炉に供給する可燃ガスの量を、外部から供給される可燃ガスと酸素が完全燃焼するときの可燃ガスのモル量の１〜５倍に調節することにより、炭化炉バーナー火炎温度を１８００℃未満に制御する。炭化炉３の生成物は、CO、H２、CO２、H２O、CH４およびタールなどを含む熱分解ガスと木炭である。粗熱分解ガスは、管路４６を通ってフィルタ７に達し、分離後、粗熱分解ガス中の炭素を含む固体粒子は、管路４６を通って炭化炉３に戻り、クリーンな熱分解ガスは、管路９を通って熱分解ガスバッファタンク１０に輸送される。
【００３３】
熱分解ガスバッファタンク１０から出たクリーンな熱分解ガスの一部は、管路１１と調整弁１３を通って熱分解ガス加熱器１４に入る。これにより、熱分解ガスの温度が５５０〜６５０℃に上昇する。加熱された熱分解ガスは炭粉の輸送ガスとして使用され、管路１５を通って炭粉噴射器１６に入る。調整弁１３の開度を調整することにより、炭粉輸送管路１７中の固体気体比は０．０３〜０．４５ｍ３／ｍ３に制御される。
【００３４】
熱分解ガスバッファタンク１０から出たクリーンな熱分解ガスの残りの部分は、管路１２を通って、管路３３からの酸素とともに、ガス化炉バーナー３４に送られる。炭粉と輸送用熱分解ガスの混合ガスは、管路１７を通ってガス化炉バーナー３４に輸送される。ガス化炉３５内では、高温ガス化反応が起きる。酸素の量と、内部に脱塩脱酸素水を通した水冷壁４７の熱交換量を調整することにより、ガス化炉３５の出口３６の温度は１２００℃〜１６００℃に制御される。ガス化による主生成物はCOとH２であり、また、少量のCO２とH２O、微量のCH４も生成される。ここで、水冷壁４７を通じて吸熱することにより脱塩脱酸素水から生じた準高圧飽和水蒸気は管路３９を通って後続のシステムに送られ、ガス化によって生じた灰は、管路３７を通って排出される。
【００３５】
炭化炉３で生成した木炭は、まず木炭冷却器１９によって、木炭降圧供給システム２１で必要とされる運転温度まで冷却された後、さらに、木炭降圧供給システム２１によって降圧され、製粉機２３に送られて、炭粉が作られる。その後、炭粉は管路２４を通って常圧気力輸送システム２６に送られる。炭粉は、さらに、管路２５の常圧輸送ガス（二酸化炭素または窒素）によって、炭粉加圧供給システム２８に輸送される。気力加圧技術により、炭粉加圧供給システム２８内で、炭粉圧力はガス化炉３５の運転圧力まで高められる。高圧の炭粉は、管路２９を通って、流動化装置３０に入る。供給管路２９中の炭粉は、管路３１を通って外部から供給される可燃ガスによって流動化され、さらに、管路３２を通って炭粉噴射器１６に入り、ガス化炉３５に送られる。
【実施例１】
【００３６】
本実施例では、例えば、バイオマスとして木材を用いる。乾燥木材の元素分析および特性値データを表１に示す。
【表１】
0005571685.tif 000002
【００３７】
外部から供給される可燃ガスとしては、例えば、天然ガスを用いる。天然ガスの成分分析および特性値データを表２に示す。
【表２】
0005571685.tif 000003
【００３８】
主要な運転条件は以下のように設定する。
１）原料加圧供給システム２を通して炭化炉３に輸送されるバイオマス原料１のバイオマス量を、４．０７ｋｇ／ｓに制御する。
２）炭化炉３の圧力を３．１ＭＰａに、温度を５００℃に制御する。
３）外部から炭化炉に供給される可燃ガスの量を、酸素と完全燃焼する可燃ガスのモル量の２倍に調節する。
４）炭化炉３における原料の熱分解温度上昇率を５０℃／ｓに制御する。
５）木炭冷却器１９によって、高温の木炭を８０℃まで冷却する。
６）熱分解ガス加熱器１４によって、熱分解ガスを６００℃まで加熱する。
７）炭粉輸送管路１７の固体気体比を０．０３ｍ３／ｍ３に制御する。
８）ガス化炉３５の圧力を３．０ＭＰａに、温度を１３００℃に制御する。
【００３９】
上記設定条件に基づき、図を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。システムの主な流量データおよび性能パラメータは、以下の通りである。
１）炭化炉３に導入される４０℃の可燃ガスの質量流量は０．２８ｋｇ／ｓ。
２）炭化炉３に導入される１６０℃の酸素の質量流量は０．６３ｋｇ／ｓ。
３）炭化炉バーナー６の火炎温度は１８００℃。
４）炭化炉３で生成される熱分解ガスの総量は、３．６９ｋｇ／ｓ。
５）炭化炉３で生成される木炭の総量は、１．１９ｋｇ／ｓ。
６）炭粉の流動化のために管路３１を通って送り入れられる可燃ガスの温度は３００℃、質量流量は０．０３ｋｇ／ｓ。
７）管路１１中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は０．８９ｋｇ／ｓ。
８）管路１７中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、２．１ｋｇ／ｓ。
９）管路１２中の、ガス化炉３５に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、２．８ｋｇ／ｓ。
１０）管路３３中の、ガス化炉３５に導入される酸素の温度は１６０℃で、質量流量は１．５ｋｇ／ｓ。
１１）管路３６から送り出される合成ガスの総量は６．５ｋｇ／ｓ、乾燥ベースでのCOとH２の含有量は、８７．２％。
１２）システムの炭素転換率は９９．９％、有効合成ガスの酸素消費量は０．３ｍｏｌ／ｍｏｌ。
【実施例２】
【００４０】
ここでも、実施例１で使用した木材をバイオマス原料とし（表１参照）、可燃ガスとして、天然ガスを使用する（表２参照）。炭化炉３の温度を６００℃に制御し、炭化炉３中の原料の熱分解温度上昇率を１００℃／ｓに制御し、その他の主要な運転条件については、実施例１と同様にする。
【００４１】
上記設定条件に基づき、図を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。システムの主な流量データおよび性能パラメータは、以下の通りである。
１）炭化炉３に導入される４０℃の可燃ガスの質量流量は０．３３ｋｇ／ｓ。
２）炭化炉３に導入される１６０℃の酸素の質量流量は０．６３ｋｇ／ｓ。
３）炭化炉バーナー６の火炎温度は１７００℃。
４）炭化炉３で生成される熱分解ガスの総量は、３．８４ｋｇ／ｓ。
５）炭化炉３で生成される木炭の総量は、１．１９ｋｇ／ｓ。
６）炭粉の流動化のために管路３１を通って送り入れられる可燃ガスの温度は３００℃、質量流量は０．０３ｋｇ／ｓ。
７）管路１１中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は０．８９ｋｇ／ｓ。
８）管路１７中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、２．１ｋｇ／ｓ。
９）管路１２中の、ガス化炉３５に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、２．９６ｋｇ／ｓ。
１０）管路３３中の、ガス化炉３５に導入される酸素の温度は１６０℃で、質量流量は１．５ｋｇ／ｓ。
１１）管路３６から送り出される合成ガスの総量は６．６ｋｇ／ｓ、乾燥ベースでのCOとH２の含有量は、８７．５％。
１２）システムの炭素転換率は９９．９％、有効合成ガスの酸素消費量は０．３０８ｍｏｌ／ｍｏｌ。
【実施例３】
【００４２】
ここでも、実施例１で使用した木材をバイオマス原料とし（表１参照）、可燃ガスとして、天然ガスを使用する（表２参照）。外部から炭化炉に供給される可燃ガスの量を、酸素と完全燃焼する可燃ガスのモル量の５倍に調節し、その他の主要な運転条件については、実施例１と同様にする。
【００４３】
上記設定条件に基づき、図を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。システムの主な流量データおよび性能パラメータは、以下の通りである。
１）炭化炉３に導入される４０℃の可燃ガスの質量流量は０．７８ｋｇ／ｓ。
２）炭化炉３に導入される１６０℃の酸素の質量流量は０．６０４ｋｇ／ｓ。
３）炭化炉バーナー６の火炎温度は１２００℃。
４）炭化炉３で生成される熱分解ガスの総量は、４．３ｋｇ／ｓ。
５）炭化炉３で生成される木炭の総量は、１．１９ｋｇ／ｓ。
６）炭粉の流動化のために管路３１を通って送り入れられる可燃ガスの温度は３００℃、質量流量は０．０２ｋｇ／ｓ。
７）管路１１中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は０．８９ｋｇ／ｓ。
８）管路１７中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、２．１ｋｇ／ｓ。
９）管路１２中の、ガス化炉３５に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、３．４ｋｇ／ｓ。
１０）管路３３中の、ガス化炉３５に導入される酸素の温度は１６０℃で、質量流量は２．０５ｋｇ／ｓ。
１１）管路３６から送り出される合成ガスの総量は７．６ｋｇ／ｓ、乾燥ベースでのCOとH２含有量は、９０．４％。
１２）システムの炭素転換率は９９．９％、有効合成ガスの酸素消費量は０．２９５ｍｏｌ／ｍｏｌ。
【実施例４】
【００４４】
ここでも、実施例１で使用した木材をバイオマス原料とし（表１参照）、可燃ガスとして、天然ガスを使用する（表２参照）。炭化炉３の温度を４００℃に制御し、木炭冷却器１９で高温の木炭を２００℃まで冷却し、その他の主要な運転条件については、実施例１と同様にする。
【００４５】
上記設定条件に基づき、図を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。システムの主な流量データおよび性能パラメータは、以下の通りである。
１）炭化炉３に導入される４０℃の可燃ガスの質量流量は０．２３ｋｇ／ｓ。
２）炭化炉３に導入される１６０℃の酸素の質量流量は０．４４ｋｇ／ｓ。
３）炭化炉バーナー６の火炎温度は１８００℃。
４）炭化炉３で生成される熱分解ガスの総量は、３．５５ｋｇ／ｓ。
５）炭化炉３で生成される木炭の総量は、１．１９ｋｇ／ｓ。
６）炭粉の流動化のために管路３１を通って送り入れられる可燃ガスの温度は３００℃、質量流量は０．０３ｋｇ／ｓ。
７）管路１１中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は０．８３３ｋｇ／ｓ。
８）管路１７中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、２．０４ｋｇ／ｓ。
９）管路１２中の、ガス化炉３５に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、２．７２ｋｇ／ｓ。
１０）管路３３中の、ガス化炉３５に導入される酸素の温度は１６０℃で、質量流量は１．５ｋｇ／ｓ。
１１）管路３６から送り出される合成ガスの総量は６．３ｋｇ／ｓ、乾燥ベースでのCOとH２の含有量は、８７．１％。
１２）システムの炭素転換率は９９．９％、有効合成ガスの酸素消費量は０．３ｍｏｌ／ｍｏｌ。
【実施例５】
【００４６】
ここでも、実施例１で使用した木材をバイオマス原料とし（表１参照）、可燃ガスとして、天然ガスを使用する（表２参照）。熱分解ガス加熱器１４で熱分解ガスを６５０℃まで加熱し、炭粉輸送管路１７の固体気体比を０．４５ｍ３／ｍ３に制御し、その他の主要な運転条件については、実施例１と同様にする。
【００４７】
上記設定条件に基づき、図を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。システムの主な流量データおよび性能パラメータは、以下の通りである。
１）管路１１中の、炭粉輸送用の熱分解ガスの質量流量は０．６３ｋｇ／ｓ。
２）管路１７中の、炭粉と輸送用熱分解ガスの混合体の質量流量は、１．８ｋｇ／ｓ。
３）管路１２中の、ガス化炉３５に直接送り入れられる熱分解ガスの質量流量は、３．１ｋｇ／ｓ。
４）管路３３中の、ガス化炉３５に導入される酸素の温度は１６０℃で、質量流量は１．５ｋｇ／ｓ。
５）管路３６から送り出される合成ガスの総量は６．５ｋｇ／ｓ、乾燥ベースでのCOとH２の含有量は、８７．２％。
６）システムの炭素転換率は９９．９％、有効合成ガスの酸素消費量は０．３ｍｏｌ／ｍｏｌ。
【００４８】
［結果分析］
１）炭化炉の温度調整が結果に及ぼす影響
炭化温度が４００℃未満の場合、炭化炉で生成される熱分解ガスにはより多くのタールが含まれ、熱分解ガスによって炭粉を輸送する際に、熱分解ガスの凝縮が起こり、炭粉輸送システムの安定運転に影響を及ぼす可能性がある。炭化温度が６００℃より高いと、一般的な合金鋼材ではそのような高温に耐えられない恐れがあり、かといって、特殊な合金材料を使用すれば炭化炉への投資コストが増加してしまう恐れがある。
【００４９】
２）外部から炭化炉に供給する可燃ガスの量の変化が結果に及ぼす影響
炭化炉に供給する可燃ガスの量を、可燃ガスと酸素が完全燃焼するときの可燃ガスのモル量の１倍に調整すると、可燃ガスと酸素は完全燃焼反応を起こし、このとき、炭化炉バーナーの火炎温度は２０００℃を超えることになる。長時間この温度で運転すると、炭化炉内部の機械部品が損傷し、安全性を損なう事故が発生することになる。可燃ガスの量を増やすに従って、炭化炉バーナーの火炎温度は徐々に低下する。可燃ガスの量が、完全燃焼時の可燃ガス量の５倍になると、炭化炉バーナーの火炎温度は１２００℃まで低下する。炭化炉への可燃ガスの供給量を更に増加させると、炭化炉バーナーの火炎温度は更に低下するが、炭化炉バーナー出口におけるガス流量が増加し、燃焼が不安定になる恐れがある。その他にも、ガス化炉出口におけるCH４の急激な増加につながる恐れがある。この場合、CH４含有量を減少させる唯一の方法はガス化温度を上げることであるが、ガス化温度を高くし過ぎると、ガス化炉の投資コストが増えてしまう。
【００５０】
３）熱分解ガスによる炭粉輸送用管路内の固体気体比の変化が結果に及ぼす影響
固体気体比が０．０３ｍ３／ｍ３未満の場合、炭粉輸送用の熱分解ガスが全熱分解ガスの中で占める割合が比較的大きくなり、ガス化炉で酸素と燃焼反応を起こす熱分解ガスの量が減少し、ガス化炉バーナーの安定運転に影響を及ぼす恐れがある。固体気体比が０．４５ｍ３／ｍ３より高いと、熱分解ガスによって輸送される間に炭粉が沈降して塞栓を形成し、ガス化炉バーナーに入る炭粉の量に変動が生じ、ガス化炉の安定運転に影響を及ぼす。
【００５１】
４）木炭冷却器出口温度の変化が結果に及ぼす影響
木炭冷却器出口の木炭温度を６０℃より低くすると、木炭冷却器の熱交換面積と体積が大きくなり、投資コストが増加すると考えられる。また、木炭冷却温度が低くなるに従って、システムの効率が下がってしまう。一方、木炭冷却器の出口における木炭温度が２００℃より高いと、木炭降圧供給システム中の装置の中には故障するものが出てくると考えられる。
【符号の説明】
【００５２】
１…バイオマス原料、２…バイオマス原料加圧供給システム、３…炭化炉、４…炭化炉バーナーへの可燃ガス管路、５…炭化炉バーナーへの酸素管路、６…炭化炉バーナー、７…フィルタ、８…フィルタのバックフラッシュガス管路、９…フィルタ出口の熱分解ガス管路、１０…熱分解ガスバッファタンク、１１…炭粉輸送用の熱分解ガス管路、１２…ガス化炉バーナーへの熱分解ガス管路、１３…調整弁、１４…熱分解ガス加熱器、１５…加熱後の熱分解ガス管路、１６…炭粉噴射器、１７…炭粉と熱分解ガスの混合ガス管路、１８…炭化炉の木炭出口管路、１９…木炭冷却器、２０…冷却後の木炭管路、２１…木炭降圧供給システム、２２…常圧木炭管路、２３…製粉機、２４…炭粉管路、２５…常圧輸送ガス管路、２６…常圧気力輸送システム、２７…常圧の輸送ガスと炭粉の混合物管路、２８…炭粉加圧供給システム、２９…高圧炭粉管路、３０…炭粉流動化装置、３１…流動化ガス管路、３２…流動化後の炭粉管路、３３…ガス化炉バーナーへの酸素管路、３４…ガス化炉バーナー、３５…ガス化炉、３６…合成ガス管路、３７…灰管路、３８…脱塩脱酸素水管路、３９…飽和水蒸気管路、４０…原料加圧システムの加圧ガス管路、４１…原料加圧システムの除圧ガス管路、４２…木炭降圧供給システムの加圧ガス管路、４３…木炭降圧供給システムの除圧ガス管路、４４…炭粉加圧供給システムの加圧ガス管路、４５…炭粉加圧供給システムの除圧ガス管路、４６…炭化炉出口熱分解ガス管路、４７…ガス化炉の水冷壁
【図１】
0005571685.tif 000004