(57)【要約】【課題】  バイオマスガス精製装置の小型化、低コスト化が可能で、ガス中タールを効率的に除去することができるガス精製装置を得る。また、バイオマスのガス化で生成された有用な混合ガス成分を減少させることなくバイオマスガス中のタールを除去できるガス精製装置を得る。【解決手段】  バイオマスを熱化学的にガス化して得られるガス中のタールを除去する装置であって、乾式除去装置５と湿式除去装置７の組み合わせからなり、乾式除去装置５の下流側に湿式除去装置７を配置した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを熱化学的にガス化して得られるガス中のタールを除去する装置であって、乾式除去装置と湿式除去装置の組み合わせからなり、前記乾式除去装置の下流側に前記湿式除去装置を配置したことを特徴とするガス精製装置。
【請求項２】
乾式除去装置は、タールを除去するための除去剤によって形成される除去剤層を有しており、該除去剤層が除去剤の排出と供給によって層が順次移動する移動層式であり、湿式除去装置は湿式スクラバー又は湿式電気集塵機であることを特徴とする請求項１記載のガス精製装置。
【請求項３】
乾式除去装置は、タールを除去するための除去剤によって形成される除去剤層を有しており、該除去剤層は除去剤が固定されている固定層式であり、湿式除去装置は湿式スクラバー又は湿式電気集塵機であることを特徴とする請求項１記載のガス精製装置。
【請求項４】
乾式除去装置に用いる除去剤は、炭素剤であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス精製装置。
【請求項５】
乾式除去装置に用いる除去剤は活性炭であり、該活性炭の比表面積が２５０ｍ２/ｇ以上、及び／又は平均細孔径が０.１ｎｍ以上であり、除去剤層の雰囲気温度が１３０〜５００℃であることを特徴とする請求項２又は３に記載のガス精製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを熱化学的にガス化して得られるガスからタールを除去するガス精製装置に関する。
バイオマスとは、生物由来の有機資源をいい、例えば森林資源、海洋生物資源（魚介類、海藻）、農産物、畜産物そのもの、あるいはこれらを利用した後の有機性廃棄物（木屑、間伐材、籾殻、パーム空果房、パーム油残渣、建設発生木材等）をいう。
また、本明細書においてバイオマスという場合には、上記バイオマス単体のみならず、バイオマスと一般廃棄物、産業廃棄物、汚泥、石炭、ＲＤＦ・ＲＰＦ等の固体燃料、灯油・重油等の液体燃料、又は天然ガス等のガス燃料等との混合物をも含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
近年バイオマス資源をエネルギーや工業原材料等に変換するバイオマス変換技術の開発が進んでいる。
なかでもバイオマスの熱化学的なガス化に関する開発が進んでいる。本発明ではバイオマスの熱化学的なガス化、すなわちバイオマスの熱分解反応や部分酸化反応等によるガス化によって得られるガスをバイオマスガスと呼ぶ。
バイオマスガスを利用する場合に問題になるのは、バイオマスガスにはタールが多量に含まれているため、これを取り除かないと、ガス利用装置にタールが付着して装置の機能低下や目詰まり等の原因となることである。したがって、バイオマスガスからタールを除去することは、バイオマスガスを利用するための前提となる重要な技術である。
しかしながら、バイオマスガスからタールを除去する技術については国内においてはほとんど提案されておらず、海外においてもその例は少ない。
【０００３】
発明者の調査したところによると、外国における例として、木質バイオマスをガス化して、ガスエンジンに供給して発電するものにおいて、ガス中のタールをクリーニングするものがある。ここに示された例は、ガス化炉で生成されたバイオマスガスを２段のサイクロンに導入して粒径の大きいダストを除去した後、湿式スクラバーで洗浄してさらにダストとタールを除去するとともに温度を下げて湿式電気集塵器にてさらにタールを除去するという湿式除去装置である（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Gas engine operation on fuel gas from CFBbiomass gasifer,L.P.L.M.Rabou,Contributions ECN biomass to the “12thEuropean conference and Technology exhibition on biomass for energy,industryand climate protection”,Amsterdam,2002,p12
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に示されたもののように、ガス化炉で生成されたバイオマスガスを湿式スクラバーで洗浄してダストやタールを除去することにすると、タールを含んだ洗浄排水の処理が必要となり、この廃水処理の負荷が大きくガス精製設備全体が大規模となり、この結果、設備費用、設置面積、設備の維持管理等の面から設備コストや運転コストが嵩むという問題がある。
また、上記の方法では、タールの除去については一定の効果はあると思われるが、バイオマスガス成分のうちのガス燃料になる混合ガス成分や、液体燃料合成に有用な混合ガス成分をも除去してしまうという問題もある。
【０００５】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、第１の目的はバイオマスガス精製装置の小型化、低コスト化が可能で、バイオマスガス中のタールを効率的に除去することができるガス精製装置を得ることにある。
また、第２の目的はバイオマスのガス化で生成された有用な混合ガス成分を減少させることなくバイオマスガス中のタールを除去できるガス精製装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明に係るガス精製装置は、バイオマスを熱化学的にガス化して得られるガス中のタールを除去する装置であって、乾式除去装置と湿式除去装置の組み合わせからなり、前記乾式除去装置の下流側に前記湿式除去装置を配置したことを特徴とするものである。
【０００７】
（２）また、上記（１）における乾式除去装置は、タールを除去するための除去剤によって形成される除去剤層を有しており、除去剤の排出と供給によって層が順次移動する移動層式であり、湿式除去装置は湿式スクラバー又は湿式電気集塵機であることを特徴とするものである。
【０００８】
（３）また、上記（１）における乾式除去装置は、タールを除去するための除去剤によって形成される除去剤層を有しており、除去剤層は除去剤が固定されている固定層式であり、湿式除去装置は湿式スクラバー又は湿式電気集塵機であることを特徴とするものである。
（４）また、上記（１）〜（３）における乾式除去装置に用いる除去剤は、炭素剤であることを特徴とするものである。
【０００９】
（５）また、上記（２）又は（３）における乾式除去装置に用いる除去剤は活性炭であり、該活性炭の比表面積が２５０ｍ２/ｇ以上、及び／又は平均細孔径が０.１ｎｍ以上であり、除去剤層の雰囲気温度が１３０〜５００℃であることを特徴とするものである。
除去剤層の雰囲気温度の調整は、除去剤層に導入するバイオマスガスの温度を調整すること、又は除去剤層を外部あるいは内部から加熱したり冷却したりすることによって行う。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、乾式除去装置の下流側に湿式除去装置を配置したことにより、上流側の乾式除去装置によってバイオマスガス中のタールの大部分を除去し、下流側の湿式除去装置によってガス利用設備での利用が可能な程度までさらにタールを除去するようにしたので、従来の湿式除去装置のみを設置した場合のように大量の洗浄水の処理が不要となり、全体の設備規模が小規模小型化し、低コスト化が実現される。
また、除去剤として活性炭を用い、活性炭の比表面積が２５０ｍ２／ｇ以上で、及び／又は平均細孔径が０．１ｎｍ以上であるように設定し、さらに除去剤層の雰囲気温度を１３０〜５００℃になるようにしたので、バイオマスガス中に含まれるタールのみが活性炭により除去されて効果的に精製される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［実施の形態１］
図１は本発明の一実施の形態に係るガス精製装置の全体を説明する説明図である。本実施の形態に係るガス精製装置は、図１に示すように、ガス化炉１によって生成されたバイオマスガスの温度を所定の温度範囲になるように減温調整する温度調整装置２と、バイオマスガスに含まれるダストを除去する除塵装置３と、該除塵装置３の下流側に設けられてバイオマスガス中のタールを除去する乾式除去装置５と、該乾式除去装置５のさらに下流側に設けられてバイオマスガス中のタールをさらに除去する湿式除去装置７とを備えている。湿式除去装置７でタールが除去されたバイオマスガスはガス利用設備９に供給される。
以下、各構成をさらに詳細に説明する。
【００１２】
＜ガス化炉＞
ガス化炉としてはその形式を限定するものではなく種々のものを利用でき、例えば、固定層、流動層、循環流動層、回転炉、移動層、噴流床、間接加熱ガス化炉及びこれらを組合せたもの等がある。バイオマスに水蒸気、空気、酸素等を供給しながら加熱し、熱分解や部分酸化等の熱化学反応によって水素、ＣＯ、炭化水素等のガスを発生させる。
＜温度調整装置＞
温度調整装置２は例えば減温塔、熱交換器、水冷壁又は空冷壁を有する冷却室等からなり、下流側の乾式除去装置５に導入されるバイオマスガスの温度を所定の温度になるように調整する。所定の温度とは、乾式除去装置５内に導入されたバイオマスガスによって乾式除去装置内の除去剤層の雰囲気温度が１３０℃〜５００℃になるような温度であり、より好ましくは除去剤層の雰囲気温度が２００℃〜４００℃になるような温度であり、さらにより好ましくは除去剤層の雰囲気温度が３００℃になるような温度である。除去剤層の雰囲気温度範囲を１３０℃〜５００℃とするのは、除去剤層の雰囲気温度が１３０℃より低いと、タールが凝縮して装置内に付着しトラブルが発生する可能性が高く、他方５００℃より高いと、除去剤層の活性炭のタール除去能が低下するからである。また、除去剤層の雰囲気温度範囲をより好ましくは２００℃〜４００℃とし、さらにより好ましくは３００℃とするのは、この温度範囲において活性炭のタール除去能が十分に高く、またバイオマスガスの有用ガス成分への影響がないからである。
なお、温度調整装置２における上記の温度制御は、乾式除去装置５に該装置内の除去剤層雰囲気温度を検出する温度検出装置を設置して、これによって検出される温度に基づいて行うようにすればよい。
なお、ガス化炉に水冷壁や熱回収ボイラ等、バイオマスガスの温度を所定の温度になるように減温して調整する装置が設けられている場合や、発生するバイオマスガスの温度を所定の温度になるようにガス化操業する場合には、温度調整装置はかならずしも必要ではない。
【００１３】
＜除塵装置＞
除塵装置３はバイオマスガス中のダストを除去するものであり、具体的にはサイクロン、フィルタ、移動層型の除塵装置等がある。
なお、除塵装置３の下流側に設置する乾式除去装置５には除塵能力が備わっているので、ガス中のダストはこの乾式除去装置５によって除塵することができる。したがって、乾式除去装置５の上流に除塵装置３を別途設けることは必須ではない。しかし、除塵装置３を別途設けることで、乾式除去装置５のダストによる目詰を防止でき、ダストによる目詰まりに起因するタール除去効率の低下を防止できるという効果が得られる。
また、バイオマスの性状やガス化炉の形式によってバイオマスガス中にダストがほとんど発生しない場合には、除塵装置を設ける必要はない。
【００１４】
＜乾式除去装置＞
乾式除去装置５は除塵装置３の下流側に設けられてバイオマスガス中のタールを除去するものである。
乾式除去装置５は、図２に示すように、筒状の本体１１と、その内部に形成された除去剤層としての活性炭層１３を主な構成要素としている。本体１１の下側面部にはガス入口１５が形成され、本体１１の上側面部にはガス出口１７が形成されている。また、本体１１の上端部には活性炭を導入するための活性炭導入口１９が設けられ、本体１１の下端部にはバイオマスガスからタールを除去した活性炭を排出するための活性炭排出口２１が設けられている。つまり、活性炭層１３を形成する活性炭は下方のものから順次排出され新たな活性炭が上方に供給される構造になっている。つまり、活性炭層１３は排出と供給によって層が順次下方に移動する移動層となっている。
活性炭層１３は本体内におけるガス入口１５とガス出口１７の間に形成されており、この活性炭層１３の直下にはガス入口１５から導入されたバイオマスガスを分散して活性炭層１３を通過させるための分散器２３が設けられている。
【００１５】
なお、活性炭層１３の活性炭はその比表面積が２５０ｍ２／ｇ以上とすることが好ましい。比表面積が２５０ｍ２／ｇより小さいとバイオマスガス中のタール除去能が十分でない。また活性炭層１３の活性炭はその平均細孔径が０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。平均細孔径が０．１ｎｍより小さいと細孔径が小さ過ぎるので、タールのような分子量の大きなものは細孔内に入ることができない。
また、温度調整装置２によってバイオマスガス温度を調整することにより活性炭層１３の雰囲気温度が前述したように１３０℃〜５００℃とすることが好ましく、２００℃〜４００℃がより好ましい。このような条件を満たす活性炭層１３であれば、バイオマスガス中に含まれるタールのみが効果的に除去されて、タールをほとんど含まない精製されたガスを製造することができる。また、活性炭層１３が上記条件を満たす場合には、バイオマスガスに含まれるＨ２やＣＯや炭化水素は、活性炭層１３の空隙を素通りするので、有用なガスが減少することがない。
【００１６】
除去剤層の雰囲気温度の調整は、上記のように除去剤層に導入するバイオマスガスの温度を調整することの他、除去剤層の周囲にジャケットを設けたり、除去剤層内部に熱交換器を設けて、除去剤層を外部あるいは内部から加熱したり冷却することによって行うこともできる。
【００１７】
乾式除去装置５は上記の移動層式除去装置に限らず、固定層式除去装置を用いてもよい。図２に示す移動層式除去装置５において、活性炭層１３を連続的に移動させず固定層として、活性炭層１３の下部側から上部側に向かってガスを流して、活性炭によりタールを除去する。所定の時間タール除去が行われたら、活性炭排出口２１からタール除去能の低下した活性炭を排出し、排出相当分の新たな活性炭を活性炭導入口１９から導入して活性炭層１３を更新させる。このように活性炭層を固定層としてタールを除去し、適宜活性炭層を更新するようにしてもよい。
また、例えば図４に示すように、本体内部に活性炭カートリッジを設置したカートリッジ式固定層式除去装置や所定の層厚を有する一層又は複数層の活性炭層を用いた固定層式除去装置であってもよい。
【００１８】
＜湿式除去装置＞
湿式除去装置７は、乾式除去装置５によってタールがほとんど除去されたバイオマスガスからさらにガス利用設備９での利用が支障なくできる程度までさらにタールを除去するものである。湿式除去装置７の例として、図３に示すような湿式電気集塵装置が挙げられる。
湿式電気集塵装置は、図３に示されるように、装置全体を包むケーシング３１内に平板状の集塵電極３３が鉛直面に沿って等間隔で多数配列され、これら集塵電極３３の間に放電電極３５が配置されている。集塵電極３３の上部には固定金具３７が設けられており、集塵電極３３は前記固定金具３７を介してケーシング３１内に吊り下げられた状態で固定されている。
一方、放電電極３５はケーシング３１の上部に設けられている碍子室３９内の支持碍子４１により支持されており、各集塵電極３３の両側に放電電極３５が固定されることでケーシング３１内において集塵空間４３が形成される。
【００１９】
ケーシング３１の上部には洗浄水を噴射するためのノズル４５が配設され、各ノズル４５から噴射された水によって集塵電極３３の表面（集塵電極面）に水膜が形成される。すなわち、ノズル４５から放出された水は集塵電極面に到達し、集塵電極面に水膜を形成しながら、下方に流れてホッパー４７に落下し、排出装置４９により外部へ排出される。
【００２０】
図３上で左側のガス入口５１から、乾式除去装置５を通過した処理ガスが集塵空間４３に導入される。図示しない電源装置から支持碍子４１を介して放電電極３５に負の直流高電圧が印加されると、集塵電極３３（正の接地極）に向かって負イオン電流が流れ（コロナ放電）始める。処理ガスに含まれているタール及びその他のミストは負イオンにより荷電され、電極間の電界によって発生するクーロン力によって集塵電極面に吸引される。こうして、タール及びミストは水膜と共に下方に洗い流され、タール等が除去された清浄なガスがガス出口５３から放出される。
湿式除去装置は、上記の湿式電気集塵装置の他、湿式スクラバーを用いることができる。
【００２１】
＜ガス利用設備＞
ガス利用設備はタールの除去されたバイオマスガスをガス燃料として利用する設備であり、例えばガスエンジン、ガスタービン、ボイラ、工業炉に用いるバーナ燃焼器又は燃料電池等が挙げられる。
【００２２】
以上のように構成された本実施の形態においては、ガス化炉１において発生したバイオマスガスが温度調節装置２によって所定の温度に減温される。このときの温度は乾式除去装置５内の除去剤層雰囲気温度が約３００℃になるようにするのが最も好ましい。温度調節装置２によって所定の温度に減温されたバイオマスガスは除塵装置３によってダストが除去される。除塵装置３によってダストが除去されたバイオマスガスはガス入口１５から乾式除去装置５に導入される。乾式除去装置５に導入されたバイオマスガスは分散器２３によって分散されて活性炭層１３を通過する。このとき、活性炭層１３の活性炭は比表面積が２５０ｍ２／ｇ以上で、且つ平均細孔径が０．１ｎｍ以上の活性炭が用いられ、さらには除去剤層雰囲気温度が約３００℃に調整されることで、バイオマスガス中に含まれるタールのみが活性炭層１３に除去されて効果的に精製される。
乾式除去装置３においては、活性炭層１３の下部側から上部側に向かってガスが流れるので、下部側の活性炭から順にタールが除去される。そこで、活性炭排出口２１から下部側のタールを除去した活性炭を排出し、排出相当分の新たな活性炭を活性炭導入口１９から導入して活性炭層１３を順次下方へ移動させる。このようにすることで、活性炭層１３は常に所定の層厚みを保持しながら移動層を形成し、しかも除去性能を減じることがない。
【００２３】
乾式除去装置５によってタールが大部分除去されたバイオマスガスは湿式除去装置７に導入されてさらにタールの除去がなされる。なお、湿式除去装置７から排出されるタールを含んだ洗浄廃水は所定の処理がなされるが、この処理水の量は少量であり、従来のように湿式除去装置のみでタール除去した場合の洗浄水の処理に比較すると極めて小規模のもので足りる。
湿式除去装置７によってタール除去が行われた後、バイオマスガスはガス利用設備９に導入されてガス利用設備９でガス燃料等として利用される。
【００２４】
以上のように、本実施の形態においては、バイオマスガスの精製に際して、上流に乾式除去装置５を配置し、下流側に湿式除去装置７を配置する構成を採用したので、従来のように湿式除去装置のみを設置した場合のような大量の洗浄水の処理が不要となり、乾式除去装置によりタールの大部分を除去するものであることから設備規模も小規模小型化、低コスト化が実現される。
また、除去剤として、比表面積が２５０ｍ２／ｇ以上で、且つ平均細孔径が０．１ｎｍ以上の活性炭を用い、さらに除去剤層雰囲気温度が約３００℃になるように調整したので、バイオマスガス中に含まれるタールのみが活性炭層１３で除去されて効果的に精製される。
【００２５】
なお、乾式除去装置５の例として、上記の実施の形態においては活性炭を充填した移動層型の除去装置やカートリッジ式固定層式除去装置を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、他の固定層型やローティチング・パーティクル・セパレータ等であってもよい。
また、タールを除去するための炭素剤は、活性炭に限られるものではなく、活性炭の他に、活性コークス、石炭、コークス、木炭、グラファイト、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、有機物由来の炭化物などが利用可能である。
また、タールを除去するための炭素剤の形状は、粉状、粒状、ペレット状、板状又はハニカム形状等にしてもよいし、他の物質の担体に担持させてもよい。
さらに、湿式除去装置７の例としては、実施の形態に例示した湿式電気集塵装置の他に、湿式スクラバーであってもよい。
【実施例】
【００２６】
上記の実施の形態に示した装置を用いてバイオマスガスのタール除去を行った結果を示す。なお、乾式除去装置５の仕様は上記実施の形態で示したものであり、活性炭層１３の雰囲気温度が３００℃であり、また使用する活性炭はその比表面積が２５０ｍ２/ｇ以上、平均細孔径が０．１ｎｍ以上のものである。
乾式除去装置５に導入されるバイオマスガス中のタール濃度は20ｇ/Nm3であったが、乾式除去装置５から排出されるガス中のタール濃度は2ｇ/Nm3であり、乾式除去装置５によって90％のタールを除去できた。
また、湿式除去装置７に導入されたタール濃度が2ｇ/Nm3のバイオマスガスは湿式除去装置７の出口側ではタール濃度が0.0１ｇ/Nm3となり、ガスエンジン用燃料として問題のない濃度にまで除去できた。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るガス精製装置の全体構成を説明する説明図である。
【図２】図１に示したガス精製装置の一部である乾式除去装置の説明図である。
【図３】図１に示したガス精製装置の一部である湿式除去装置の説明図である。
【図４】図１に示したガス精製装置の一部である乾式除去装置の他の例の説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ガス化炉
２  温度調整装置
３  除塵装置
５  乾式除去装置
７  湿式除去装置
【図１】
2006016469.tif 000003
【図２】
2006016469.tif 000004
【図３】
2006016469.tif 000005
【図４】
2006016469.tif 000006