(57)【要約】【課題】乾燥機を設置する必要なく、ガス化炉から抽出される熱分解ガスに混入する水蒸気量を低減することが可能で、省スペース化やコストダウンを達成できるバイオマスガス化処理方法およびバイオマスガス化システムを提供する。【解決手段】入口側３ａから出口側３ｂに向かって流動する原料バイオマスを加熱し熱分解することで、出口側３ｂで熱分解ガスが生成されるガス化炉３と、ガス化炉３の入口側３ａに設けられ、炉内水蒸気を抽出する抽出設備とを備えた。抽出設備は、ガス化炉３に熱を供給する熱風発生炉と接続されてこれに炉内水蒸気を導入する。ガス化炉３には、熱分解ガスが生成される出口側３ｂと炉内水蒸気が抽出される入口側３ａとの間で炉内雰囲気が流動することを抑制するバッフル１９が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口側から出口側に向かって流動する原料バイオマスを加熱し熱分解することで、出口側で熱分解ガスが生成されるガス化炉の入口側から、炉内水蒸気を抽出するステップを備えることを特徴とするバイオマスガス化処理方法。
【請求項２】
抽出された炉内水蒸気は、前記ガス化炉に熱を供給する燃焼熱源に導入されることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスガス化処理方法。
【請求項３】
炉内水蒸気の抽出量は、前記原料バイオマスの含水量に応じて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオマスガス化処理方法。
【請求項４】
炉内水蒸気の抽出量は、前記ガス化炉で生成された熱分解ガスで運転されるガスエンジンによる発電量に応じて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオマスガス化処理方法。
【請求項５】
入口側から出口側に向かって流動する原料バイオマスを加熱し熱分解することで、出口側で熱分解ガスが生成されるガス化炉と、該ガス化炉の入口側に設けられ、炉内水蒸気を抽出する抽出設備とを備えたことを特徴とするバイオマスガス化システム。
【請求項６】
前記抽出設備は、前記ガス化炉に熱を供給する燃焼熱源と接続されてこれに炉内水蒸気を導入することを特徴とする請求項５に記載のバイオマスガス化システム。
【請求項７】
前記ガス化炉には、熱分解ガスが生成される出口側と炉内水蒸気が抽出される入口側との間で炉内雰囲気が流動することを抑制するバッフルが設けられることを特徴とする請求項５または６に記載のバイオマスガス化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾燥機を設置する必要なく、ガス化炉から抽出される熱分解ガスに混入する水蒸気量を低減することが可能で、省スペース化やコストダウンを達成できるバイオマスガス化処理方法およびバイオマスガス化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、木材チップや牛糞、鶏糞などの各種バイオマスを原料とし、燃焼熱源から供給される熱を利用してガス化炉で当該原料バイオマスを加熱処理して、燃料ガスとなる熱分解ガスを生成し、この熱分解ガスをガスエンジンに供給して発電を行うようにしたバイオマスガス化システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８には、バイオマスガス化システムａの従来構成が示されている。原料バイオマスは受入ホッパｂに投入され、投入された原料バイオマスは、コンベアｃを介して乾燥機ｄに投入される。乾燥機ｄは、原料バイオマスを乾燥処理する。乾燥処理された原料バイオマスは、次いで、ガス化炉ｅの入口側ｆに投入される。ガス化炉ｅとしては例えば、外熱式ロータリーキルンタイプが知られている。ガス化炉ｅは、原料バイオマスを入口側ｆから出口側ｇへと流動させながら、燃焼熱源である熱風発生炉ｈで生成された熱風により、原料バイオマスを加熱し熱分解させて、熱分解ガスを生成する。生成された熱分解ガスは、ガス改質塔ｉで改質処理された後、ろ過集じん機ｊを介してガス冷却塔ｋへ送られ、その後、ガスエンジンｍへと送られて燃料として消費される。ガスエンジンｍは、発電機ｎを駆動して発電を行って電気の取得を可能とするとともに、エンジン冷却水から温水が取得され、さらに、ガスエンジンｍからの排ガス利用でボイラｐにより蒸気が取得される。
【０００４】
そして特に従来にあっては、上述したようにガス化炉ｅの前段に乾燥機ｄを設備するようにしていた。通常、バイオマスガス化システムａのガス化炉ｅでは、原料バイオマスは流動されつつ入口側ｆから出口側ｇへ向かって移送され、この移送の間に加熱処理される。ガス化炉ｅの入口側ｆでは、投入された原料バイオマスが堆く滞留し、このため比較的低温な状態にある。他方、ガス化炉ｅの出口側ｇでは、原料バイオマスの流動性が高まって高温な状態にある。従って、このような温度分布を呈するガス化炉ｅ内では図９に示すように、出口側ｇで熱分解ガス（図中、破線で示す）が活発に生成される一方、ガス化炉ｅの入口側ｆでは、原料バイオマスは蒸される状態となって水蒸気（図中、実線で示す）が発生し、特に高含水率の原料バイオマスではきわめて大量の水蒸気が発生する。そして、この水蒸気が、出口側ｇで生成された熱分解ガスと混ざり合ってガス化炉ｅから抽出されてしまい、ガス化炉ｄ後段のガス改質塔ｉで大量の水蒸気まで高温処理することとなって、多大なエネルギ損失を招いてしまうという不具合がある。
【０００５】
そこで、ガス化炉ｅの前段に、原料バイオマスを乾燥させる乾燥機ｄを設置し、この乾燥機ｄで予め水分を除去して原料バイオマスの含水量を減少させ、これによりガス化炉ｅから抽出される熱分解ガス中の水蒸気量を減少させて、ガス化炉ｅ後段に配置されるガス改質塔ｉでの処理ガス量を減少させるとともに、部分燃焼によるエネルギ損失（熱分解ガス消費）も低減するようにしていた。また、乾燥機ｄでの乾燥処理で発生した水蒸気分を含む排気については、乾燥機ｄに接続した吸引ファンｑで系外に排出するようにしていた。
【特許文献１】特開２００４−３５２９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来にあっては乾燥機ｄを備えていて、そのために当該乾燥機ｄの設置スペースや設備費が必要で、バイオマスガス化システムａの設備規模の大型化やコストアップを招いているという課題があり、乾燥機ｄを備えることなく、ガス化炉ｅから抽出される熱分解ガスに混入する水蒸気量を低減できる方法や装置の案出が望まれていた。
【０００７】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、乾燥機を設置する必要なく、ガス化炉から抽出される熱分解ガスに混入する水蒸気量を低減することが可能で、省スペース化やコストダウンを達成できるバイオマスガス化処理方法およびバイオマスガス化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかるバイオマスガス化処理方法は、入口側から出口側に向かって流動する原料バイオマスを加熱し熱分解することで、出口側で熱分解ガスが生成されるガス化炉の入口側から、炉内水蒸気を抽出するステップを備えることを特徴とする。
【０００９】
抽出された炉内水蒸気は、前記ガス化炉に熱を供給する燃焼熱源に導入されることが好ましい。
【００１０】
炉内水蒸気の抽出量は、前記原料バイオマスの含水量に応じて設定されることが望ましい。
【００１１】
炉内水蒸気の抽出量は、前記ガス化炉で生成された熱分解ガスで運転されるガスエンジンによる発電量に応じて設定されることが望ましい。
【００１２】
また、本発明にかかるバイオマスガス化システムは、入口側から出口側に向かって流動する原料バイオマスを加熱し熱分解することで、出口側で熱分解ガスが生成されるガス化炉と、該ガス化炉の入口側に設けられ、炉内水蒸気を抽出する抽出設備とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
前記抽出設備は、前記ガス化炉に熱を供給する燃焼熱源と接続されてこれに炉内水蒸気を導入することが好ましい。
【００１４】
前記ガス化炉には、熱分解ガスが生成される出口側と炉内水蒸気が抽出される入口側との間で炉内雰囲気が流動することを抑制するバッフルが設けられることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかるバイオマスガス化処理方法およびバイオマスガス化システムにあっては、乾燥機を設置する必要なく、ガス化炉から抽出される熱分解ガスに混入する水蒸気量を低減することができ、省スペース化やコストダウンを達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかるバイオマスガス化処理方法およびバイオマスガス化システムの好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかるバイオマスガス化システム１は基本的には図１に示すように、原料バイオマスが投入される受入ホッパ２と、受入ホッパ２から払い出しされた原料バイオマスをガス化炉３へ搬送しその入口側３ａへ投入する搬送系４と、入口側３ａに投入された原料バイオマスを出口側３ｂに向かって流動させつつ、当該原料バイオマスを加熱し熱分解して熱分解ガスを生成する外熱式ロータリーキルンタイプのガス化炉３と、ガス化炉３に接続されるとともに、酸素発生器５から酸素が導入され、ガス化炉３から抽出された熱分解ガス中のタール分を除去するなど、熱分解ガスを改質処理するガス改質塔６と、ガス改質塔６に接続され、送り込まれる改質後の熱分解ガス中のダスト分などを除去するろ過集じん機７と、ろ過集じん機７に接続され、熱分解ガスを清浄化する目的で冷却するガス冷却塔８と、ガス冷却塔８に接続され、清浄化処理された熱分解ガスを燃料として運転されるガスエンジン９とから主に構成される。
【００１７】
ガスエンジン９は発電機１０を駆動し、これにより発電を行って電気の取得を可能とするとともに、ガスエンジン９の冷却系１１により温水が取得され、またガスエンジン９の排ガスを利用したボイラ１２で蒸気が取得される。
【００１８】
他方、ガス化炉３には、循環系１３を介して、燃焼熱源である熱風発生炉１４が接続される。熱風発生炉１４は、残さ搬出系１５を介してガス化炉３から搬出される原料バイオマスの残さを燃焼するなどして熱風を生成し、この熱風が循環系１３を介してガス化炉３に循環供給されて、原料バイオマスの加熱処理に利用される。
【００１９】
ガス化炉３内での熱分解ガスの生成のための加熱処理は従来と同様であって、図２に示すように、ガス化炉３の入口側３ａは、投入された原料バイオマスが堆く滞留して比較的低温であり、他方、出口側３ｂは原料バイオマスの流動性が高まり高温であって、従っていわば、入口側３ａが１００℃程度で、原料バイオマスが蒸される状態となって水蒸気（図中、実線で示す）が多量に発生する蒸発領域となり、出口側３ｂが７００℃程度で、原料バイオマスから熱分解ガス（図中、破線で示す）が活発に生成される熱分解領域となる。
【００２０】
本実施形態にあっては、水蒸気が多量に発生する蒸発領域であるガス化炉３の入口側３ａに、ガス化炉３から炉内水蒸気を抽出する抽出設備１６が設けられる。抽出設備１６は、抽出配管系１７と、抽出配管系１７に設けられ、ガス化炉３の炉内雰囲気を吸引する誘引送風機１８とから構成される。本実施形態にあっては、抽出配管系１７は、一端がガス化炉３の入口側３ａに接続され、他端が熱風発生炉１４に接続され、炉内水蒸気が当該熱風発生炉１４に導入されるようになっている。抽出配管系１７の他端は、ガス浄化処理装置などを介して、単に大気開放しても良い。しかしながら、熱風発生炉１４に接続することにより、炉内水蒸気を抽出する際にこれに含まれる臭気や、炉内水蒸気の吸引に伴って吸引される僅かながらの熱分解ガスを、別途ガス浄化処理装置などを設置する必要なく、適切に処理することができる。
【００２１】
抽出設備１６による炉内水蒸気の抽出量は基本的には、原料バイオマスの含水量に応じて設定することが好ましい。含水量とは、直接水量を測定しても、あるいは含水比率を測定してこれに原料バイオマス量を掛け合わせて求めるようにしても良い。ガス化炉３に投入する前に予め原料バイオマスの含水量を求めておき、当該含水量に相当する水蒸気量が発生するものとして、発生量に見合う量だけの炉内雰囲気を吸引するように、誘引送風機１８の運転が設定される。運転の設定内容としては、稼働時間や吸引強さなどを対象とすればよい。
【００２２】
また、炉内水蒸気の抽出量は、ガスエンジン９による発電量に応じて設定するようにしても良い。すなわち、求められる発電量を得るためにガスエンジン９へ供給すべき熱分解ガス量から必要な原料バイオマス量を算出し、算出された原料バイオマス量から発生水蒸気量を割り出して、この発生水蒸気量に見合う量だけの炉内雰囲気を抽出するように誘引送風機１８の運転を設定するようにしても良い。このようにすれば、ガスエンジン９での発電量が最も大きくなるように抽出設備１６、ひいてはバイオマスガス化システム１を稼働することも可能となる。
【００２３】
また、本実施形態にあっては、ガス化炉３内には、熱分解ガスが生成される出口側３ｂと炉内水蒸気が抽出される入口側３ａとの間で炉内雰囲気が流動することを抑制するバッフル１９が設けられる。バッフル１９は好ましくは、蒸気領域と熱分解領域との境界辺りに設けることが好ましい。またバッフル１９は、炉内雰囲気の流動を規制しつつ、入口側３ａから出口側３ｂへ向かう原料バイオマスの流動を保証するように、ガス化炉３内で部分的に入口側３ａと出口側３ｂとを連通する連通部２０を備えることが好ましい。図３から図７には、バッフル１９の各種例が示されている。
【００２４】
図３に示したバッフル１９は、例えば円形のプレート２１と、プレート２１の外周縁に、周方向に沿って互いに間隔を隔てて配置されかつ径方向外方へ向かって突出されて、ガス化炉３内面と接合される複数の突起２２とから構成され、プレート２１によりガス化炉３内を仕切りつつ、複数の突起２２によりガス化炉３内面とプレート２１との間にプレート２１の周方向に沿って複数の連通部２０を区画形成するようになっている。
【００２５】
図４に示したバッフル１９は、例えば円形のプレート２３と、プレート２３の外周縁にその周方向に沿って等間隔で４箇所設けられたスリーブ２４と、各スリーブ２４にスライド自在に挿通されて基端がガス化炉３内面に接合され、プレート２３をガス化炉３にスライド可能に支持するロッド２５とから構成され、図３のバッフル１９とほぼ同様に、プレート２３によりガス化炉３内を仕切りつつ、ガス化炉３内面とプレート２３との間に環状の連通部２０を区画形成するようになっている。特に、スリーブ２４はロッド２５に対してスライド自在で、これによりプレート２３の熱膨張変形を吸収できるようになっている。
【００２６】
図５に示したバッフル１９は、ガス化炉３内面に当接される外形寸法の円形のプレート２６が用いられ、このプレート２６の周方向一箇所には、切り欠き部２７が形成される。プレート２６は、切り欠き部２７がガス化炉３の底部から側部に位置するように配置されてガス化炉３内面に接合される。このバッフル１９にあっても図３のバッフル１９とほぼ同様に、プレート２６によりガス化炉３内を仕切りつつ、切り欠き部２７によって連通部２０を区画形成するようになっている。図５に示したバッフル１９はきわめてシンプルである点で優れる。
【００２７】
図６および図７に示したバッフル１９は、ガス化炉３の軸心位置に入口側３ａから出口側３ｂに向かって配置されたシャフト２８と、このシャフト２８に取り付けられ、ガス化炉３内面に当接されるスクリュー状の羽根２９とから構成される。羽根２９の枚数は任意に設定することができる。羽根２９は、予めガス化炉３内面に接合してもよいが、熱膨張によりガス化炉３内面に当接されるように設定してもよい。羽根２９によってシャフト２８周りに、螺旋状の連通部２０が区画形成されることになる。また一方で、このバッフル１９にあっては図６に示すように、原料バイオマスが羽根２９の高さ寸法以上、言い換えればシャフト２８の配置高さ位置相当まで達することで、当該原料バイオマス自身によるマテリアルシールを形成することができ、これによりガス化炉３内を完全に仕切ることができる。当該バッフル１９によれば、ガス化炉３内における原料バイオマスの円滑な流動を螺旋状の連通部２０で確保しつつ、この連通部２０に滞留する原料バイオマスを利用して炉内雰囲気の流動をほぼ完全に阻止でき、きわめて優れた性能を発揮する。
【００２８】
いずれのバッフル１９にあっても、原料バイオマスのガス化炉出口側３ｂへの流動を保証しつつ、炉内雰囲気が自由に流動してガス化炉入口側３ａの水蒸気に熱分解ガスが混ざり合ってしまうことを抑制することができる。
【００２９】
次に、本実施形態にかかるバイオマスガス化処理方法について説明する。まず、ガス化炉３に投入する原料バイオマスの含水量を測定し、これに基づき抽出設備１６の誘引送風機１８の運転を設定する。その後、原料バイオマスをガス化炉３に投入し、熱風発生炉１４から熱風を循環供給して、熱分解ガスの生成処理を開始する。ガス化炉３の入口側３ａに投入された原料バイオマスは、バッフル１９の連通部２０を介して順次出口側３ｂへと流動していき、これに伴って原料バイオマスが加熱され熱分解されて、出口側３ｂでは活発に熱分解ガスが生成される。この際、ガス化炉３の入口側３ａで発生する炉内水蒸気は、抽出設備１６によって抽出される。この抽出に際しては、バッフル１９により、ガス化炉３の出口側３ｂで生成された熱分解ガスの入口側３ａへの流動が抑制される。
【００３０】
従って、ガス化炉３で生成された熱分解ガスは、水蒸気を殆ど伴うことなく、ガス化炉３外へ送り出され、ガス改質塔６、ろ過集じん機７、ガス冷却塔８を介してガスエンジン９へと送出され、ガスエンジン９の燃料として使用される。他方、抽出設備１６から抽出された炉内水蒸気主体の炉内雰囲気は、熱風発生炉１４に導入されて燃焼処理される。
【００３１】
以上説明した本実施形態にかかるバイオマスガス化処理方法およびバイオマスガス化システムにあっては、ガス化炉３の入口側３ａに抽出設備１６を設けて、この抽出設備１６によりガス化炉３の入口側３ａから炉内水蒸気を抽出するようにしたので、熱分解ガスの生成過程でガス化炉３の入口側３ａで発生する炉内水蒸気を、出口側３ｂで生成される熱分解ガスが混入しないようにして、効率よく抽出することができる。これにより、乾燥機を設置する必要なく、ガス化炉３から抽出される熱分解ガスに混入する水蒸気量を低減することができ、乾燥機を設置しない分だけ、省スペース化や設備コストの削減を達成することができる。
【００３２】
このようにガス化炉３の炉内水蒸気だけを抽出することができるので、生成されたほぼ全量の熱分解ガスのみをガス化炉３後段のガス改質塔６等へ送り出すことができ、これにより乾燥機を設置した場合と遜色なく、ガス改質塔６での処理ガス量を減少させることができて、部分燃焼によるエネルギ損失を低減することができ、バイオマスガス化システム１の設備性能を向上させることができる。
【００３３】
ガス化炉３の入口側３ａから水蒸気を抽出する場合と、抽出しない場合とを比較検討するために、次の条件；
（１）原料バイオマスは、水分５０％の木質チップとする
（２）原料バイオマスの炭化物発生率は、０．３ｋｇ／ｋｇ（乾燥）とする
（３）ガス化炉３出口での熱分解ガス温度は、ガス化炉３入口側から水蒸気を抽出しても、変化しないものとする
（４）熱風発生炉１４の出口ガス温度は、９５０℃とする
（５）ガス化炉３入口側からの原料バイオマス由来の水蒸気は、１００％抽出されるものとする
（６）ガス改質塔６の処理温度は、１１００℃とする
（７）ガスエンジン９の発電効率は、３０％一定とする
の下で数値解析を行ったところ、
（１）水蒸気の抽出により、ガス化炉出口ガス量が低減されるので、ガス改質塔６での酸素使用量を６２％程度低減でき、従って酸素発生器５を小型化・低コスト化できる
（２）冷ガス効率が、１３％程度向上する。発電量は、１７％程度、蒸気量は、９１％程度、温水量は、１７％程度それぞれ向上し、全エネルギ回収量の合計では、１７％程度向上する
（３）ガス発熱量は、３９％程度高くなる
（４）水蒸気の抽出によりガス化炉３出口からの処理ガス量が減少するので、ガス改質塔６、酸素発生器５、ガス冷却塔８、ろ過集じん機７の設備価格を、半減することが可能となる
との結果が得られ、ガス化炉３の入口側３ａから水蒸気を抽出する利点が確認された。
【００３４】
また、抽出設備１６を熱風発生炉１４に接続して、抽出された炉内水蒸気を熱風発生炉１４に導入するようにしたので、熱風発生炉１４での燃焼作用で、臭気や熱分解ガスを含み得る炉内水蒸気を適切に処理することができる。
【００３５】
また、ガス化炉３内にバッフル１９を設けたので、熱分解ガスが生成される出口側３ｂと炉内水蒸気が抽出される入口側３ａとの間で炉内雰囲気が流動することを抑制して、入口側３ａで発生する水蒸気と出口側３ｂで生成された熱分解ガスとがガス化炉３内で互いに混ざり合ってしまうことを抑制できるとともに、特に入口側３ａからの水蒸気の抽出作用で出口側３ｂの熱分解ガスが入口側３ａへと流れ込むことを適切に防止できて、抽出設備１６で効果的に水蒸気をガス化炉３から抽出できる一方、生成された熱分解ガスのほぼ全量をガス改質塔６、ひいてはガスエンジン９へと供給することができる。
【００３６】
さらに、炉内水蒸気の抽出量を、原料バイオマスの含水量の応じて設定したり、ガスエンジン９による発電量に応じて設定するようにしたので、除去するに必要な水蒸気量分を適切にガス化炉３から抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明にかかるバイオマスガス化処理方法およびバイオマスガス化システムの好適な一実施形態を示す概略系統図である。
【図２】図１に示したバイオマスガス化システムのガス化炉内の原料バイオマスの分布状態とガス化炉内の原料バイオマス温度との関係を説明するための説明図である。
【図３】図１に示したバイオマスガス化システムに適用されるバッフルの一例を示すガス化炉の正面断面図である。
【図４】図１に示したバイオマスガス化システムに適用されるバッフルの他の例を示すガス化炉の正面断面図である。
【図５】図１に示したバイオマスガス化システムに適用されるバッフルのさらに他の例を示すガス化炉の正面断面図である。
【図６】図１に示したバイオマスガス化システムに適用されるバッフルのさらに他の例を示すガス化炉の正面断面図である。
【図７】図６に示したバッフルの側面図である。
【図８】従来のバイオマスガス化システムを示す概略系統図である。
【図９】図８に示したバイオマスガス化システムのガス化炉内の状態を示すガス化炉の側断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
３  ガス化炉
３ａ  ガス化炉の入口側
３ｂ  ガス化炉の出口側
９  ガスエンジン
１４  熱風発生炉
１６  抽出設備
１９  バッフル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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