(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動媒体を落下搬送する落下搬送手段と、
落下搬送されている前記流動媒体にバイオマスを投入する原料投入手段と、
落下搬送された前記流動媒体と、投入された前記バイオマスとをさらに混合して混合物を生成する混合部と、
前記混合物を導出する導出部と、
流動媒体を流動層化するとともに、前記導出部によって導出された混合物が導入される流動層炉と、
を備えたことを特徴とする流動層システム。
【請求項２】
前記流動媒体を加熱する第１の加熱部を備えることを特徴とする請求項１に記載の流動層システム。
【請求項３】
前記落下搬送手段として機能するとともに、前記流動媒体を貯蔵する媒体貯蔵部を備え、
前記第１の加熱部は、前記媒体貯蔵部において前記流動媒体を加熱することを特徴とする請求項２に記載の流動層システム。
【請求項４】
前記導出部において前記混合物を加熱する第２の加熱部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の流動層システム。
【請求項５】
前記導出部は、らせん型のスクリューを回転させ、回転軸の方向に前記混合物を送り出すスクリューフィーダを含んで構成され、
前記スクリューフィーダの出口は、前記流動層炉における流動媒体で満たされる位置に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の流動層システム。
【請求項６】
流動媒体を流動層化する流動層炉にバイオマスを導入するバイオマス導入方法であって、
前記流動媒体を落下搬送する工程と、
落下搬送されている前記流動媒体に前記バイオマスを投入する工程と、
落下搬送された前記流動媒体と、投入された前記バイオマスとをさらに混合して混合物を生成する工程と、
前記流動層炉に前記混合物を導入する工程と、
を含むことを特徴とするバイオマス導入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動媒体を利用してバイオマスを処理する流動層システムおよびバイオマス導入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油に代えて、バイオマスや、石炭、タイヤチップ等の固体原料をガス化してガス化ガスを生成する技術が開発されている。このようにして生成されたガス化ガスは、発電システムや、水素の製造、合成燃料（合成石油）の製造、化学肥料（尿素）等の化学製品の製造等に利用されている。ガス化ガスの原料となる固体原料のうち、木材、紙、藁、海草、生ゴミ等の生物由来の有機性資源であるバイオマスは、再生可能な資源であるため、石炭や石油といった化石燃料に代わるエネルギー源として期待されている。
【０００３】
固体原料をガス化する技術として、水蒸気を利用した流動層ガス化炉に固体原料を導入してガス化する技術が開発されている。このような流動層ガス化炉には、固体原料を導入する技術として、気体搬送や、ホッパを利用した落下搬送（例えば、特許文献１）、二軸スクリュー式フィーダを用いた搬送（例えば、特許文献２）が利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５４７２８号公報
【特許文献２】特許第３６７５６３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、バイオマスのうち、木材、紙、藁等の繊維状のバイオマスは、繊維間に空気を大量に含んでいるため、気体搬送を試みても繊維間を気体が通り抜けてしまい搬送できない。また、特許文献１の落下搬送を利用したとしても、ホッパの排出口とガス化炉とを接続する配管において、バイオマスにおける繊維同士が絡み合ってブリッジを形成し、堆積して、配管を閉塞してしまう。さらに、特許文献２の二軸スクリュー式フィーダを利用したとしても、繊維状のバイオマスは繊維間に空気を大量に含んでいるため、スクリュー式フィーダ内が密閉されず、ガス化炉内のガスがスクリュー式フィーダへ逆流したり、導入側の雰囲気ガスがガス化炉に混入してしまったりするという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構成で、配管を閉塞することなく、バイオマスを確実に流動層炉に導入することが可能な流動層システムおよびバイオマス導入方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の流動層システムは、流動媒体を落下搬送する落下搬送手段と、落下搬送されている前記流動媒体にバイオマスを投入する原料投入手段と、落下搬送された前記流動媒体と、投入された前記バイオマスとをさらに混合して混合物を生成する混合部と、前記混合物を導出する導出部と、流動媒体を流動層化するとともに、前記導出部によって導出された混合物が導入される流動層炉と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、前記流動媒体を加熱する第１の加熱部を備えるとしてもよい。
【０００９】
また、前記落下搬送手段として機能するとともに、前記流動媒体を貯蔵する媒体貯蔵部を備え、前記第１の加熱部は、前記媒体貯蔵部において前記流動媒体を加熱するとしてもよい。
【００１０】
また、前記導出部において前記混合物を加熱する第２の加熱部を備えるとしてもよい。
【００１１】
また、前記導出部は、らせん型のスクリューを回転させ、回転軸の方向に前記混合物を送り出すスクリューフィーダを含んで構成され、前記スクリューフィーダの出口は、前記流動層炉における流動媒体で満たされる位置に接続されるとしてもよい。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のバイオマス導入方法は、流動媒体を流動層化する流動層炉にバイオマスを導入するバイオマス導入方法であって、前記流動媒体を落下搬送する工程と、落下搬送されている前記流動媒体に前記バイオマスを投入する工程と、落下搬送された前記流動媒体と、投入された前記バイオマスとをさらに混合して混合物を生成する工程と、前記流動層炉に前記混合物を導入する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡易な構成で、配管を閉塞することなく、バイオマスを確実に流動層炉に導入することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】流動層システムの具体的な構成を説明するための図である。
【図２】原料導入装置の具体的な構成を説明するための図である。
【図３】バイオマス導入方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【図４】変形例にかかる流動層システムの具体的な構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
（流動層システム１００）
図１は、本実施形態にかかる流動層システム１００の具体的な構成を説明するための図である。図１に示すように、流動層システム１００は、燃焼炉１０２と、媒体分離器１０４と、ガス化炉（流動層炉）１１０と、原料導入装置２００とを含んで構成される。
【００１７】
本実施形態において、流動層システム１００は、循環流動層式ガス化システムであり、全体として、粒径が３００μｍ程度の硅砂（珪砂）等の砂で構成される流動媒体を熱媒体として循環させている。具体的には、まず、流動媒体は、燃焼炉１０２で１０００℃程度に加熱され、燃焼排ガスと共に媒体分離器１０４に導入される。媒体分離器１０４においては、高温の流動媒体と燃焼排ガスとが分離され、当該分離された高温の流動媒体がガス化炉１１０に導入される。
【００１８】
一方、媒体分離器１０４で分離された燃焼排ガスは、不図示の熱交換器等で熱回収される。ガス化炉１１０に導入された流動媒体は、水蒸気貯留部１１２から導入されるガス化剤（ここでは水蒸気）によって流動し、燃焼炉１０２に戻される。
【００１９】
ガス化炉１１０の下方には水蒸気貯留部１１２が設けられており、不図示の水蒸気供給源から供給された水蒸気が、水蒸気貯留部１１２に一時的に貯留され、この水蒸気貯留部１１２に貯留された水蒸気が、ガス化炉１１０の底面から当該ガス化炉１１０内に導入されている。このように、媒体分離器１０４から導入された高温の流動媒体に水蒸気を導入することにより、ガス化炉１１０内において流動層（気泡流動層）が形成される。
【００２０】
また、ガス化炉１１０には、上記の流動層に、バイオマスを投入するための原料導入装置２００が設けられている。この原料導入装置２００から投入されたバイオマスは、水蒸気によって流動層化した流動媒体が有する７００℃〜９００℃程度の熱によってガス化され、これによってガス化ガスが生成されることとなる。
【００２１】
ガス化ガスの原料となるバイオマスのうち、木材、紙、藁等の繊維状のバイオマスは、繊維間に空気を大量に含んでいる（例えば、綿毛形状のものもある）ため、従来の気流搬送や、落下搬送を用いた搬送で、バイオマスをガス化炉１１０に導入するのは困難である。したがって、従来は、バイオマスをペレット状に加工した後にガス化炉１１０に導入していたため、前処理にコストがかかっていた。
【００２２】
そこで、本実施形態の原料導入装置２００は、バイオマスのうち、特に繊維状のバイオマスを確実にガス化炉１１０に導入する。以下に、かかる原料導入装置２００の具体的な構成について説明する。
【００２３】
（原料導入装置２００）
図２は、原料導入装置２００の具体的な構成を説明するための図である。図２に示すように、原料導入装置２００は、媒体貯蔵部２１０と、第１の加熱部２１２と、原料搬送部２２０と、混合部２３０と、導出部２４０と、第２の加熱部２５０を含んで構成される。
【００２４】
媒体貯蔵部２１０は、例えば、ホッパで構成され、流動層システム１００において利用される流動媒体を一時的に貯蔵するとともに、流動媒体を後述するホッパ２３２へ落下させる（落下搬送）。また、媒体貯蔵部２１０には、第１の加熱部２１２が設けられており、第１の加熱部２１２は、媒体貯蔵部２１０に貯蔵される流動媒体を加熱する。
【００２５】
原料搬送部２２０は、例えば、ベルトコンベアで構成され、繊維状のバイオマスをホッパ２３２へ搬送する。ここで、原料搬送部２２０が搬送するバイオマスは、どのような形態であってもよいが、例えば、木材、紙、藁等の繊維状のバイオマス、廃棄物、がれきが挙げられる。
【００２６】
混合部２３０は、ホッパ２３２と、攪拌羽根２３４を含んで構成される。ホッパ２３２には、媒体貯蔵部２１０から搬送された流動媒体と、原料搬送部２２０から搬送されたバイオマスとが導入される。そして、不図示の駆動源によって、ホッパ２３２内に設けられた攪拌羽根２３４が回転駆動することにより、流動媒体とバイオマスとが混合されて混合物（流動媒体とバイオマスとの混合物）が生成される。
【００２７】
導出部２４０は、配管２４２を通じて、混合部２３０で生成された混合物を導出し、ガス化炉１１０に導入する。具体的に説明すると、本実施形態において導出部２４０は、らせん型のスクリューを回転させ、回転軸の方向に混合物を送り出すスクリューフィーダを含んで構成される。
【００２８】
第２の加熱部２５０は、配管２４２におけるガス化炉１１０との接続位置近傍に設けられ、配管２４２内の混合物を加熱する。
【００２９】
このように、導出部２４０が、バイオマスを単体ではなく、バイオマスとともに流動媒体をガス化炉１１０に導入することにより、バイオマスにおける繊維の間を流動媒体で満たすことができる。したがって、バイオマスにおける繊維同士が絡み合ってブリッジを形成してしまい配管２４２が閉塞してしまう事態を回避することが可能となる。
【００３０】
また、流動媒体の密度（単位体積あたりの質量）は、バイオマスの密度よりも大きいため、バイオマスと流動媒体との混合物とすることで、バイオマスのみを搬送する場合と比較して、大きい圧力で搬送することができる。したがって、仮にバイオマスが配管２４２においてブリッジを形成したとしても、流動媒体の密度に応じた大きい圧力で、バイオマスをガス化炉１１０に押し出すことが可能となる。
【００３１】
さらに、混合部２３０においてバイオマスと流動媒体とが混合されることにより、ガス化炉１１０において、バイオマスが偏りなく流動媒体に分散されることになる。したがって、バイオマスを実質的に均一にガス化することができ、ガス化効率を向上させることができる。
【００３２】
また、第１の加熱部２１２、および、第２の加熱部２５０を備える構成により、混合物における流動媒体の温度を高温にすることができ、ガス化炉１１０における熱損失を低減することが可能となる。
【００３３】
続いて、導出部２４０におけるスクリューフィーダの出口の位置（ガス化炉１１０と配管２４２との接続位置）について説明する。
【００３４】
仮に、スクリューフィーダの出口が、ガス化炉１１０の上部であって、流動媒体が充填されていない箇所に接続されると、ガス化炉１１０内の水蒸気が配管２４２に逆流する可能性がある。そこで、図２に示すように、導出部２４０におけるスクリューフィーダの出口（ガス化炉１１０と配管２４２との接続位置）を、ガス化炉１１０における流動媒体で満たされる位置に接続する。
【００３５】
かかる構成により、配管２４２がバイオマスおよび流動媒体で満たされ、ガス化炉１１０とホッパ２３２とを遮断するシール機能を有することになる。したがって、ガス化炉１１０の水蒸気が配管２４２に逆流してしまう事態や、ホッパ２３２の雰囲気ガスがガス化炉１１０に混入してしまう事態を回避することができる。したがって、ホッパ２３２を大気開放することができ、媒体貯蔵部２１０、原料搬送部２２０、混合部２３０をガス化炉１１０に導入しても問題ない雰囲気ガスで置換する必要がなくなり、媒体貯蔵部２１０、原料搬送部２２０、混合部２３０の構成を簡素化することが可能となる。
【００３６】
なお、上述したように、スクリューフィーダの出口は、ガス化炉１１０における流動媒体が充填される位置に接続されるとよいが、接続位置が、ガス化炉１１０における底面に向かうに従って、流動層の荷重が大きくなり、搬送に要する圧力も大きくなってしまい、駆動源が利用する消費電力が大きくなってしまう。そこで、スクリューフィーダの出口は、ガス化炉１１０における流動層とガス層との界面付近であって、流動媒体で満たされる位置に接続されることが好ましい。
【００３７】
上述したように、配管２４２がシール機能を有しているが、ガス化炉１１０から水蒸気が逆流する可能性もある。そうすると、逆流した水蒸気が凝縮することによって配管２４２内の流動媒体が固着し、配管２４２を閉塞してしまうことがある。そこで、第２の加熱部２５０を設けることにより、仮に、ガス化炉１１０から水蒸気が逆流したとしても、水への凝縮を抑制することができ、配管２４２の閉塞を確実に防止することが可能となる。
【００３８】
なお、ここでは、燃焼炉１０２、媒体分離器１０４、ガス化炉１１０を循環する流動媒体以外の流動媒体を、原料導入装置２００からガス化炉１１０へ導入しているため、循環させる流動媒体の量が増加していくことになる。そこで、図１に示すように、排出部１２０を設けておき、原料導入装置２００によって導入された流動媒体を排出することによって、循環させる流動媒体の量を実質的に等しく維持している。
【００３９】
（バイオマス導入方法）
図３は、本実施形態にかかるバイオマス導入方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。図３に示すように、まず、混合部２３０は、媒体貯蔵部２１０から導入された流動媒体と、原料搬送部２２０から導入されたバイオマスとを混合して混合物を生成する（Ｓ３００）。そして、導出部２４０は、混合部２３０によって生成された混合物を導出してガス化炉１１０に導入する（Ｓ３１０）。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態にかかる原料導入装置２００およびこれを用いたバイオマス導入方法によれば、バイオマスに流動媒体を混合して、ガス化炉１１０に導入するといった簡易な構成で、配管２４２を閉塞することなく、バイオマスを確実にガス化炉１１０に導入することが可能となる。
【００４１】
（変形例）
上述した実施形態において、流動層システム１００は、流動層炉として循環流動層式ガス化システムにおける、水蒸気ガス化を行うガス化炉１１０を例に挙げて説明した。しかし、流動層システムにおいて、他の流動層炉を利用することもできる。
【００４２】
図４は、変形例にかかる流動層システム４００、４５０の具体的な構成を説明するための図である。例えば、図４（ａ）に示すように、変形例にかかる流動層システム４００は、流動層炉として、流動媒体を循環させない気泡流動層炉４１０を採用し、原料導入装置２００によって、気泡流動層炉４１０にバイオマスおよび流動媒体の混合物を導入してもよい。この場合、原料導入装置２００によって導入された流動媒体は、ループシール４１２を介して外部に排出するとしてもよい。
【００４３】
また、図４（ｂ）に示すように、変形例にかかる他の流動層システム４５０は、流動層炉として、ボイラ等に利用される、ガス化炉を設けない循環流動層炉４６０を採用し、原料導入装置２００によって、循環流動層炉４６０にバイオマスおよび流動媒体の混合物を導入してもよい。循環流動層炉４６０をボイラとして利用する場合、媒体分離器１０４の下流に熱交換器４６２を設け、熱交換器４６２によって冷却された流動媒体を外部に排出するとしてもよい。また、この場合、熱交換器４６２が回収した熱を、第１の加熱部２１２や第２の加熱部２５０が利用するとしてもよい。
【００４４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４５】
例えば、上述した実施形態において、媒体貯蔵部２１０が流動媒体を落下搬送する構成について説明したが、媒体貯蔵部２１０の搬送手段に限定はなく、ベルトコンベア等であってもよい。同様に、原料搬送部２２０をベルトコンベアで構成する場合を例に挙げて説明したが、搬送手段に限定はなく、落下搬送等であってもよい。
【００４６】
また、媒体貯蔵部２１０は、排出部１２０が一旦外部に排出した流動媒体を貯蔵してもよいし、媒体分離器１０４が媒体貯蔵部２１０として機能してもよい。
【００４７】
さらに、上述した実施形態において、流動層炉として水蒸気ガス化を行うガス化炉１１０を例に挙げて説明したが、流動層炉は、水蒸気以外のガスでガス化するガス化炉であってもよいし、ガス化炉でなくても、例えば、燃焼炉であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、流動媒体を利用してバイオマスを処理する流動層システムおよびバイオマス導入方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１００、４００、４５０  …流動層システム
１１０  …ガス化炉（流動層炉）
１１２  …水蒸気貯留部
２１２  …加熱部（第１の加熱部）
２３０  …混合部
２４０  …導出部
２５０  …加熱部（第２の加熱部）
４１０  …気泡流動層炉（流動層炉）
４６０  …循環流動層炉（流動層炉）
【図１】
0005990978.tif 000002
【図２】
0005990978.tif 000003
【図３】
0005990978.tif 000004
【図４】
0005990978.tif 000005