(57)【要約】【課題】実際の反応に近い反応をシミュレートすることができるバイオマスガス化反応のモデル化方法を提供する。【解決手段】演算手段２と、記憶手段３と、入力手段４とを少なくとも有する制御装置１を用いたバイオマスガス化反応をモデル化する方法であって、ガス化炉１００を細かいメッシュに区切るステップＳ１０と、環境条件情報と、原料の物性に関する情報と、空気の特性に関する情報と、運転条件に関する情報と、揮発データベースＤＢ１と、温度対比熱データベースＤＢ２と、反応データベースＤＢ３と、を用いて、メッシュごとに起きる気体反応及び気固反応によって発生する気体の組成を演算するステップＳ３０と、メッシュ内の温度を演算するステップＳ４０と、水平方向に隣接するメッシュ同士の気体の移動によって変化する気体の組成及びメッシュ内の温度を演算するステップＳ５０と、を備える。【選択図】図２
2011195671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
演算手段と、記憶手段と、入力手段とを少なくとも有する制御装置を用いて、バイオマスを原料として酸素を酸化剤とした酸化反応により、水素、炭素、若しくは酸素またはこれらの組み合わせからなるバイオマスガスを発生させるバイオマスガス化反応をモデル化する方法であって、
ガス化炉の形状に関する情報を用いて、
バイオマスをガス化するダウンドラフト式の固定床ガス化炉の形状を複数の円筒体が軸方向に積み重なった形状と近似した形状と仮定し、固定床ガス化炉を細かい区画に区切るステップと、
実験温度及び大気圧からなる環境条件情報と、
前記ガス化炉の上方から投入する原料の物性に関する情報と、
前記ガス化炉の上方から投入する空気の特性に関する情報と、
前記原料の量及び空気の量などからなる運転条件に関する情報と、
複数の種類の気体における、固体バイオマスから揮発する際の温度である揮発温度、及び各気体の水素と炭素の元素数比であるＨ／Ｃ比が記憶された揮発データベースと、
前記複数の種類の気体における温度対比熱が記憶された温度対比熱データベースと、
前記複数の種類の気体のうち水素、炭素、または酸素若しくはこれらの組み合わせからなる気体同士の気体反応の経路及び気体―固体間の気固反応の経路並びにそれぞれの経路の反応速度の計算に用いる係数が記憶された反応データベースと、
を用いて、
前記区画ごとに起きる気体反応及び気固反応によって発生する気体の組成を演算するステップと、
前記区画内における気体と固体との間の熱の授受と、前記区画間における熱の授受によって変化する区画内の温度を演算するステップと、
水平方向に隣接する区画同士の気体の移動によって変化する気体の組成及び区画内の温度を演算するステップと、
を備えるバイオマスガス化反応のモデル化方法。
【請求項２】
前記区画ごとに起きる気体反応及び気固反応によって発生する気体の組成を演算するステップにおいて、区画内に気体と固体が混合して存在するものとし、前記気体反応は気体内で発生し、前記気固反応は固体表面で発生するものとし、
前記区画内における気体と固体との間の熱の授受と、前記区画間における熱の授受によって変化する区画内の温度を演算するステップにおいて、気体反応で発生した反応熱量は気体に与えられ、気固反応で発生した熱は固体表面に与えられ、固体表面に与えられた熱は気体へ伝導するものとする、
請求項１に記載のバイオマスガス化反応のモデル化方法。
【請求項３】
前記複数の種類の気体は、以下の単体または化合物を含む
請求項１または請求項２に記載のバイオマスガス化反応のモデル化方法。
Ｃ８Ｈ８、Ｃ１２Ｈ２４、Ｃ６Ｈ４Ｏ２、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ６、Ｃ６Ｈ６、Ｈ２Ｏ、Ｃ、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスガス化反応のモデル化方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、木質草本系バイオマスを用いたバイオマスガス化反応のモデル化方法の技術は公知となっている。例えば、固定床ガス化炉の内部を反応過程によって複数の反応層に分割し、ガス化炉内部で発生した生成ガスの循環ラインを必要な反応層間に設けて、ガス化炉内部で起こっている反応・現象を細分化したシミュレーションモデルを構築し、ガス化炉内部状態を推算するバイオマスガス化反応のモデル化方法が公知となっている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２５０５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のモデル化方法においては、ガス化炉が反応過程によって複数の反応層に分割されており、酸化、還元等の反応が各層において一つずつ起こるという仮定のもとでモデル化されていた。このモデル化方法では、酸化、還元等の反応が同時に発生する実際のガス化炉内の反応過程をモデル化することができなかった。
また、従来のモデル化方法においては、投入する原料を石炭（炭素）に限定していたため、シミュレートすることが可能であったが、様々な元素（水素、窒素、炭素、及び酸素）を含むバイオマスを投入する原料とした場合には、シミュレートが複雑になり結果を算出するための時間が多くかかっていた。
【０００５】
そこで、本発明は係る課題に鑑み、実際の反応に近い反応をシミュレートすることができるバイオマスガス化反応のモデル化方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００７】
即ち、請求項１においては、演算手段と、記憶手段と、入力手段とを少なくとも有する制御装置を用いて、バイオマスを原料として酸素を酸化剤とした酸化反応により、水素、炭素、若しくは酸素またはこれらの組み合わせからなるバイオマスガスを発生させるバイオマスガス化反応をモデル化する方法であって、ガス化炉の形状に関する情報を用いて、バイオマスをガス化するダウンドラフト式の固定床ガス化炉の形状を複数の円筒体が軸方向に積み重なった形状と近似した形状と仮定し、固定床ガス化炉を細かい区画に区切るステップと、実験温度及び大気圧からなる環境条件情報と、前記ガス化炉の上方から投入する原料の物性に関する情報と、前記ガス化炉の上方から投入する空気の特性に関する情報と、前記原料の量及び空気の量などからなる運転条件に関する情報と、複数の種類の気体における、固体バイオマスから揮発する際の温度である揮発温度、及び各気体の水素と炭素の元素数比であるＨ／Ｃ比が記憶された揮発データベースと、前記複数の種類の気体における温度対比熱が記憶された温度対比熱データベースと、前記複数の種類の気体のうち水素、炭素、または酸素若しくはこれらの組み合わせからなる気体同士の気体反応の経路及び気体―固体間の気固反応の経路並びにそれぞれの経路の反応速度の計算に用いる係数が記憶された反応データベースと、を用いて、前記区画ごとに起きる気体反応及び気固反応によって発生する気体の組成を演算するステップと、前記区画内における気体と固体との間の熱の授受と、前記区画間における熱の授受によって変化する区画内の温度を演算するステップと、水平方向に隣接する区画同士の気体の移動によって変化する気体の組成及び区画内の温度を演算するステップと、を備えるものである。
【０００８】
請求項２においては、前記区画ごとに起きる気体反応及び気固反応によって発生する気体の組成を演算するステップにおいて、区画内に気体と固体が混合して存在するものとし、前記気体反応は気体内で発生し、前記気固反応は固体表面で発生するものとし、前記区画内における気体と固体との間の熱の授受と、前記区画間における熱の授受によって変化する区画内の温度を演算するステップにおいて、気体反応で発生した反応熱量は気体に与えられ、気固反応で発生した熱は固体表面に与えられ、固体表面に与えられた熱は気体へ伝導するものとするものである。  
【０００９】
請求項３においては、前記揮発データベースに記憶された複数の種類の気体は、以下の単体または化合物を含むものである。
Ｃ８Ｈ８、Ｃ１２Ｈ２４、Ｃ６Ｈ４Ｏ２、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ６、Ｃ６Ｈ６、Ｈ２Ｏ、Ｃ、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２
【発明の効果】
【００１０】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１１】
請求項１においては、各区画において、気体反応及び気固反応、並びに区画内における熱授受を演算することとなり、各反応がそれぞれ独立した層内でのみ起こるとした従来のモデル化方法に比べて、実際の反応に近い反応をシミュレートすることが可能となる。
また、水平方向の自然対流も演算することにより、実際の反応に近い反応をシミュレートすることが可能となる。
【００１２】
請求項２においては、固体と気体が混合している区画内での気体反応及び気固反応並びにそれに伴う熱授受をシミュレートすることができるので、実際の反応に近い反応をシミュレートすることが可能となる。
【００１３】
請求項３においては、モデル化方法に使用する気体の種類を限定することにより、シミュレーション時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るバイオマスガス化反応のモデル化方法を実現する制御装置の全体的な構成を示したブロック図。
【図２】バイオマスガス化反応のモデル化方法の流れを示すブロック図。
【図３】本発明の一実施形態に係るバイオマスガス化反応のモデル化方法を実現する制御方法を示すフローチャート図。
【図４】メッシュ作成ステップで想定するガス化炉の斜視図。
【図５】（ａ）メッシュ作成ステップで想定するガス化炉の筒体の斜視図。（ｂ）同じく平面図。
【図６】メッシュ作成ステップを示すフローチャート図。
【図７】気体組成演算ステップを示すフローチャート図。
【図８】温度演算ステップを示すフローチャート図。
【図９】隣接メッシュ間演算ステップを示すフローチャート図。
【図１０】ガス化炉壁の断面拡大図。
【図１１】モデル化方法により算出されたガス化炉全体の気体温度及び固体温度を示すグラフ図。
【図１２】モデル化方法により算出されたガス化炉全体の気体組成を示すグラフ図。
【図１３】モデル化方法により算出されたガス化炉全体のタール濃度を示すグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
まず、バイオマスガス化反応のモデル化装置としての制御装置１の物理的な構成について図１を用いて説明する。
制御装置１は、演算手段２と、記憶手段３と、入力手段４と、出力手段５と、を有する。
演算手段２は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）であり、入力された数値に基づいて演算を行う手段である。演算手段２は、記憶手段３及び入力手段４と接続されている。
記憶手段３は、例えば、ＲＡＭやＲＯＭであり、後述する複数のデータベースを記憶するための手段である。
入力手段４は、例えば、キーボードであり、作業者が情報を入力する手段である。
出力手段５は、例えば、ディスプレイであり、後述する出力項目を表示する手段である。
【００１７】
次にバイオマスガス化反応のモデル化方法について説明する。
本実施形態に係るモデル化の対象となるバイオマスガス化反応は、木質草本系バイオマスを原料として酸素を酸化剤とした酸化反応により、水素、炭素、若しくは酸素またはこれらの組み合わせからなるバイオマスガスを発生させるバイオマスガス化反応である。
前記バイオマスガス化反応は、図７に示すダウンドラフト式の固定床のガス化炉１００内で起こるものとする。
【００１８】
本実施形態に係るモデル化方法によって、前述のバイオマスガス化反応が起きているガス化炉１００（図８参照）内における気体温度、気体組成、及び固体温度を演算する。
気体は、バイオマスガス化反応によって生成されたバイオマスガス及び酸素を含む空気からなる。
固体は、未反応のバイオマス及び灰等の反応後の残留物からなる。
ここで、気体組成とは、１５種類の各物質の体積当たり物質量（モル濃度）を意味する。
【００１９】
本実施形態に係るモデル化の入力項目、記憶項目、及び出力項目について、図２を用いて説明する。
入力項目は、図２に示すように、ガス化炉１００の形状に関する情報と、環境条件情報と、ガス化炉１００の上方から投入する原料の物性に関する情報と、ガス化炉１００の上方から投入する空気の特性に関する情報と、前記原料の量及び空気の量などからなる運転条件に関する情報である。
【００２０】
ガス化炉１００の形状に関する情報とは、円筒体１００ａの数、各円筒体１００ａの高さ、各円筒体１００ａの内径、ガス化炉壁１０１の厚さ、及びガス化炉壁１０１の熱伝導率である。
【００２１】
環境条件情報とは、ガス化炉１００外の実験温度（Ｋ）及び大気圧（ｈＰａ）である。
原料の物性に関する情報とは、原料の含水率（％）、原料の粒径（ｍｍ）、原料のＣＨＯ比、原料の灰分率（％）、原料のかさ密度（ｋｇ／ｍ３）、原料の空隙率（％）である。なお、原料は、木質草本系のバイオマスを想定している。
【００２２】
空気の特性に関する情報とは、空気の温度（Ｋ）、空気の湿度（％）、空気の組成（Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの混合比）である。
【００２３】
運転条件情報とは、バイオマス投入量（ｋｇ／ｈ）、空気投入量（ｍ３／ｈ）、各円筒体１００ａへの空気投入比率、である。
【００２４】
記憶項目は、揮発データベースＤＢ１と、温度対比熱データベースＤＢ２と、反応データベースＤＢ３である。
【００２５】
出力項目は、ガス化炉１００全体の気体温度、固体温度及び気体組成である。
すなわち、本実施形態に係るバイオマスガス化反応のモデル化方法は、入力項目及び記憶項目に基づいて、出力項目であるガス化炉１００全体の気体温度、固体温度及び気体組成を出力する方法である。
【００２６】
バイオマスガス化反応のモデル化方法について図３に示すフローチャート図、図８及び図９を用いて説明する。
バイオマスガス化反応のモデル化方法は大別すると、バイオマスをガス化するダウンドラフト式の固定床のガス化炉１００の形状を複数の円筒体１００ａが軸方向に積み重なった形状と近似した形状と仮定し、ガス化炉１００を細かい区画であるメッシュに区切るメッシュ作成ステップ（ステップＳ１０）と、ガス化条件を、入力手段４を用いて入力する入力ステップ（ステップＳ２０）と、メッシュごとに起きる気体反応及び気固反応によって発生する気体の組成を演算する気体組成演算ステップ（ステップＳ３０）と、メッシュ内における気体と固体との間の熱の授受と、メッシュ間における熱の授受によって変化するメッシュ内の温度を演算する温度演算ステップ（ステップＳ４０）と、水平方向に隣接するメッシュ同士の気体の移動によって変化する気体の組成及びメッシュ内の温度を演算する隣接メッシュ間演算ステップ（ステップＳ５０）と、からなる。
なお、ステップＳ３０とステップＳ４０とはその処理の順番が前後しても構わない。
【００２７】
次に、それぞれのステップの細かい処理方法について説明する。
【００２８】
［メッシュ作成ステップ］
まず、メッシュ作成ステップＳ１０について図４に示すフローチャートを用いて説明する。
メッシュ作成ステップＳ１０においては、まず、ガス化炉１００の形状に関する情報を、入力手段４を用いて入力する（ステップＳ１１０）。
ガス化炉１００は、図８に示すように複数の円筒体１００ａが軸方向に積み重なった形状と近似した形状と仮定する。ガス化炉１００の形状に関する情報として、円筒体１００ａの数、各円筒体１００ａの高さ、各円筒体１００ａの底面積の半径（内径）、ガス化炉壁１０１（図９参照）の厚さ、及びガス化炉壁１０１の熱伝導率を、入力手段４を用いて入力する。
【００２９】
各円筒体１００ａのメッシュ（分割後の区画の単位）の数を、入力手段４を用いて入力する。メッシュの数においては、数多く分割するほど演算の精度が良くなり、演算結果が実際の反応結果に近づくが、演算時における演算手段２への負荷が高くなる。本実施形態においては、一つの円筒体を上下方向に６０００個、水平方向に３個に分割している。
【００３０】
次に、演算手段２は、円筒体１００ａの数、各円筒体１００ａの高さ（ｍｍ）、底面積の半径（ｍｍ）、ガス化炉壁１０１の厚さ（ｍｍ）、メッシュの数を用いて、ガス化炉１００を細かいメッシュに分割する（ステップＳ１２０）。図９に示すように、一つの円筒体１００ａ内に有るメッシュの高さは全て同一となるように区切る。また、メッシュの断面積も全て同一となるように分割する。本実施形態においては、メッシュの上下方向に垂直となる断面（水平断面）が年輪状となるように分割している。すなわち図９（ｂ）に示すように、水平断面を三つのメッシュとなるように分割したときには、それぞれの断面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が等面積となるように分割する。本実施形態においては、断面積Ｓ２の外径が断面積Ｓ１の半径の√２倍、断面積Ｓ３の外径が断面積Ｓ１の半径の√３倍となるように構成している。その結果、一つの円筒体１００ａ内にあるメッシュの体積は全て同一となる。
【００３１】
［入力ステップ］
次に、各種情報を、入力手段４を用いて入力する入力ステップＳ２０について説明する。
入力ステップにおいて入力する情報は、環境条件情報と、ガス化炉１００の上方から投入する原料の物性に関する情報と、ガス化炉１００の上方から投入する空気の特性に関する情報と、前記原料の量及び空気の量などからなる運転条件に関する情報である。なお、前記情報入力ステップにおいて入力する情報は、予め記憶手段３に記憶させておくこともできる。
【００３２】
［各種データベース］
次に記憶手段３に記憶されているデータベースについて説明する。
記憶手段３には、揮発データベースＤＢ１と、温度対比熱データベースＤＢ２と、反応データベースＤＢ３とが記憶されている。
【００３３】
揮発データベースＤＢ１は、複数の種類の気体における、固体バイオマスから揮発する際の温度である揮発温度（Ｋ）、及び各気体の水素と炭素の元素数比であるＨ／Ｃ比（水素と炭素の元素数比）を含むデータベースである。
揮発データベースＤＢ１は、以下の１５種類の物質の揮発温度及びＨ／Ｃ比を含む。
Ｃ８Ｈ８、Ｃ１２Ｈ２４、Ｃ６Ｈ４Ｏ２、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ６、Ｃ６Ｈ６、Ｈ２Ｏ、Ｃ、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２
【００３４】
また、揮発データベースＤＢ１は、揮発温度ごとの揮発分収率（ｋｇ／ｋｇ−ｄａｆ）との関係を含むデータベースである。ここで揮発分収率とは、灰分及び水分を除いた原料分質量を分母、揮発分質量を分子と置いた比率である。
【００３５】
温度対比熱データベースＤＢ２は、複数の種類の気体における温度対比熱を含むデータベースである。温度対比熱とは、各物質の温度と比熱との関係である。
温度対比熱データベースＤＢ２は、以下の１５種類の物質の温度対比熱を含む。
Ｃ８Ｈ８、Ｃ１２Ｈ２４、Ｃ６Ｈ４Ｏ２、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ６、Ｃ６Ｈ６、Ｈ２Ｏ、Ｃ、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２
【００３６】
反応データベースＤＢ３は、複数の種類の水素、炭素、または酸素若しくはこれらの組み合わせからなる気体同士の気体反応の経路及び気体―固体間の気固反応の経路、反応熱量、並びにそれぞれの経路の反応速度の計算に用いる係数を含むデータベースである。後述する気体反応式及び気固反応式で用いる比例定数ｋ及び活性化エネルギーＥが反応データベースＤＢ３内に含まれる。
ここで、各メッシュは、固体部分と気体部分とに分けられる。そして、各メッシュで起こる反応を気体部分で起こる気体反応と、気体部分と固体部分との間で起こる気固反応とに限定する。
【００３７】
メッシュの固体部分における、バイオマスの粒径、バイオマスのＣＨＯ比、バイオマスの温度は、場所に寄らず一定であるものと仮定する。
【００３８】
［気体組成演算ステップ］
次に、気体組成演算ステップＳ３０について図５に示すフローチャートを用いて説明する。
気体組成演算ステップＳ３０は、気体部分で起こる気体反応及び気体部分と固体部分との間で起こる気固反応によって発生する気体の組成をメッシュごとに演算するステップである。ここで、メッシュ内には気体と固体が混合して存在するものとする。
【００３９】
まず、各メッシュ入口での温度（Ｋ）、気体組成、気体主流方向の気体線速度（ｍ／ｈ）、気体比熱（Ｊ／ｇ・Ｋ）、気体密度（ｋｇ／ｍ３）を算出する（ステップＳ３１０）。
気体主流方向とは、本実施形態においては鉛直下向き方向のことである。
気体線速度は、前記気体組成と、ガス化剤の流量とから時間あたりの気体の体積が算出できるので、時間あたりの気体の体積と温度と圧力とガス化炉１００の内径と空隙率とから算出している。
【００４０】
気体組成とは、１５種類の各物質の体積当たり物質量（モル濃度）（ｍｏｌ／ｍ３）を意味する。
各メッシュの気体組成については、温度と、バイオマスＣＨＯ比から算出されたバイオマスＨ／Ｃ比と、揮発データベースＤＢ１を用いて揮発分として含まれる１５種類の各物質の比を算出し、この結果から、１５種類の各物質のモル濃度を算出することで求める。
【００４１】
ここで、揮発分中の各物質量に対して、投入する空気中に存在する、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏの物質量を加える。加える空気の各物質量は理想気体の状態方程式である次式によって決定される。
【００４２】
【数１】
2011195671.tif 000003
【００４３】
ここで前式のＶには、空気の投入量及び各円筒体１００ａへの空気投入比率に基づいて算出された空気の体積、Ｔには入力手段で入力する空気の温度を代入する。
また、空気に含まれるＨ２Ｏの物質量は、前式と空気の湿度に基づいて決定される。
【００４４】
気体比熱は、気体組成に基づいて算出した各物質の体積当たり物質量に各物質の比熱を積算して体積当たり比熱を算出し、１５種類の物質の体積当たり比熱を和算して算出する。
また、気体密度は、気体組成に基づいて算出した各物質の体積当たり物質量に質量数（Ｈ：１、Ｃ：１２など）を積算して個別気体密度を算出し、１５種類の物質の個別気体密度を和算して算出する。
【００４５】
原料投入部のメッシュにおいて、メッシュ入口での温度は、入力手段４により入力した揮発温度を入力する。
原料投入部のメッシュにおいて、気体組成は、揮発データベースＤＢ１と揮発温度とから求めた原料から揮発した気体組成に、空気の組成を加算した値を入力する。
【００４６】
原料投入部のメッシュにおいて、気体主流方向の気体線速度（ｍ／ｈ）は、前記気体組成と、ガス化剤の流量とから時間あたりの気体の体積が算出できるので、時間あたりの気体の体積と温度と圧力とガス化炉１００の内径と空隙率とから気体線速度（ｍ／ｈ）を算出している。
【００４７】
原料投入部のメッシュにおいて、気体比熱は、気体組成に基づいて算出した各物質の体積当たり物質量に各物質の比熱を積算して体積当たり比熱を算出し、１５種類の物質の体積当たり比熱を和算して算出する。
原料投入部のメッシュにおいて、気体密度は、気体組成に基づいて算出した各物質の体積当たり物質量に質量数（Ｈ：１、Ｃ：１２など）を積算して個別気体密度を算出し、１５種類の物質の個別気体密度を和算して算出する。
【００４８】
次に各メッシュの気体部分での気体同士の反応速度を算出する（ステップＳ３２０）。前記気体反応は気体内で発生するものとする。
気体反応は１５種類の物質間で２６経路を想定している。
前記１５種類の物質の内の任意の二種類の物質（Ａ、Ｂ）が互いに気体であるときに反応速度式は、Ａ→Ｂ（＋Ｃ）の反応の場合には、次式で与えられる。
【００４９】
【数２】
2011195671.tif 000004
【００５０】
Ａ＋Ｂ→Ｃ（＋Ｄ）の反応の場合には、反応速度式は、次式で与えられる。
【００５１】
【数３】
2011195671.tif 000005
【００５２】
ここでｋは比例定数であり、［Ａ］、［Ｂ］は、物質Ａ、Ｂのモル濃度であり、Ｅは活性化エネルギーであり、Ｒは気体定数であり、Ｔは温度であり、ｎは気体線速度の影響を示す定数である。このうち、比例定数ｋ及び活性化エネルギーＥが反応データベースＤＢ３内に含まれる。
【００５３】
次に、各メッシュの固体部分での気体―固体間の反応速度を算出する（ステップＳ３３０）。ここで、気固反応は固体表面で発生するものとする。気体―固体間の反応で想定されている気体は、ガス化剤である。ガス化剤は、Ｏ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏのいずれかである。また、気体―固体間の反応で想定されている固体は、固定炭素と灰分とからなる。
ガス化剤Ａと、固定炭素及び灰分との反応速度式は、ガス化反応速度がガス化剤拡散速度未満である場合には、次式で与えられる。
【００５４】
【数４】
2011195671.tif 000006
【００５５】
また、ガス化反応速度がガス化剤拡散速度以上である場合には、反応速度式は次式で与えられる。
【数５】
2011195671.tif 000007
【００５６】
ここでｋは比例定数であり、Ｅは活性化エネルギーであり、Ｒは気体定数であり、Ｔは温度であり、ｎは気体線速度の影響を示す定数である。このうち、比例定数ｋ及び活性化エネルギーＥが反応データベースＤＢ３内に含まれる。
【００５７】
ガス化剤拡散速度は、次式で求める。
【００５８】
【数６】
2011195671.tif 000008
【００５９】
ここで、ＤＦはガス化剤の空気に対する拡散係数であり、ｈは気体―固体間の熱伝達係数であり、λは熱伝導率である。
【００６０】
また、比表面積は、固体が球体であると仮定し、入力手段４によって入力した粒径の値から、次式で求める。
【００６１】
【数７】
2011195671.tif 000009
【００６２】
反応速度は体積当たりかつ単位時間あたりの反応物質量であるから、メッシュ内での反応物質量は、メッシュ体積と滞留時間を積算して算出される。滞留時間はメッシュ作成ステップＳ１０で算出したメッシュ高さを気体線速度または固体落下速度で除算したものである。
【００６３】
固体落下速度（ｍ／ｈ）は、固体量（ｋｇ／ｈ）を固体かさ密度（ｋｇ／ｍ３）で除算することで単位時間あたりに生成する固体の体積を求めさらにガス化炉１００の断面積（ｍ２）で除算することによって求めている。
固体量とは、原料投入量（ｋｇ／ｈ）と単位時間あたりの揮発分量（ｋｇ／ｈ）との差である。
固体かさ密度は入力ステップＳ２０において入力したかさ密度Ｄｅの０．７倍としている。
【００６４】
これにより、発生若しくは消失した気体組成が算出され、メッシュ入口での気体組成に加算することで、メッシュ出口での気体組成を仮算出する（ステップＳ３４０）。
【００６５】
［温度演算ステップ］
次に、メッシュ内における気体と固体との間の熱の授受と、メッシュ間における熱の授受によって変化するメッシュ内の温度を演算する温度演算ステップＳ４０について図６に示すフローチャートを用いて説明する。
【００６６】
まず、各メッシュ内における気体反応熱量及び固体反応熱量を求める（ステップＳ４１０）。気体反応熱量及び固体反応熱量は、反応データベースＤＢ３の情報に基づいて算出される。
【００６７】
次に、気体―固体間の熱伝達係数を求める（ステップＳ４２０）。
熱伝達係数は、次式で求める。
【００６８】
【数８】
2011195671.tif 000010
【００６９】
ここで、ｈは熱伝達係数、ｄは粒径（固体分粒径）、ｋは気体熱伝導率、Ｐｒはプラントル数、Ｒｅはレイノルズ数である。左辺はいわゆるヌッセルト数である。
【００７０】
プラントル数とレイノルズ数はメッシュ入口の気体の組成に基づいて求める。ここでレイノルズ数を求める際に用いる代表長さは粒径の値を入力している。
【００７１】
次に気体―固体間の伝熱量、特に固体から気体への伝熱量を求める（ステップＳ４３０）。固体から気体への伝熱量は、次式で求める。
【００７２】
【数９】
2011195671.tif 000011
【００７３】
ここで、ｈは熱伝達係数である。このように、比表面積を係数に加えたことにより、気固反応で発生した熱は固体表面に与えられ、固体表面に与えられた熱は気体へ伝導するものとする。
【００７４】
次に算出した気体反応熱量、固体反応熱量、及び伝熱量から、メッシュ出口気体温度を仮算出する（ステップＳ４４０）。メッシュ出口気体温度は、次式で求める。
【００７５】
【数１０】
2011195671.tif 000012
【００７６】
このように、気体反応で発生した反応熱量は気体に与えられるものとする。
【００７７】
次に、次メッシュの固体温度を仮算出する（ステップＳ４５０）。ここで、次メッシュとは、メッシュの一つ下方に位置するメッシュである。次メッシュの固体温度は、次式で求める。
【００７８】
【数１１】
2011195671.tif 000013
【００７９】
ここで、固体比熱は木炭と同じとして求めている。
【００８０】
また、伝熱量は、気体との伝熱に加え、ガス化炉壁１０１との伝熱量も以下のように考慮している。
最もガス化炉壁１０１に近いメッシュにおいては、ガス化炉壁１０１との伝熱を考慮している。図１０に示すように、ガス化炉壁１０１は、外周面に設けられたガス化炉外壁１０１ａと内周面に設けられたガス化炉内壁１０１ｂとを有する。ガス化炉壁１０１における伝熱においては、外気とガス化炉外壁１０１ａ間の伝熱、ガス化炉壁１０１自体の伝熱、ガス化炉内壁１０１ｂとメッシュ内の固体間の伝熱を考慮して次メッシュの固体温度を仮算出する（ステップＳ４６０）。
外気とガス化炉外壁１０１ａ間の伝熱は、次式で求める。
【００８１】
【数１２】
2011195671.tif 000014
【００８２】
ガス化炉壁１０１自体の伝熱は、次式で求める。
【００８３】
【数１３】
2011195671.tif 000015
【００８４】
ガス化炉内壁１０１ｂとメッシュ内の固体間の伝熱は、次式で求める。
【００８５】
【数１４】
2011195671.tif 000016
【００８６】
ここで、Ｑは単位時間あたりの伝熱量であり、λｗはガス化炉壁１０１の熱伝導率であり、ｈｅはガス化炉外壁１０１ａと外気との間における熱伝達係数であり、ｈｉはガス化炉外壁１０１ａとガス化炉内壁１０１ｂとの間における熱伝達係数である。
またガス化炉外壁面積はガス化炉１００の外径（内径＋ガス化炉壁厚さ）とメッシュ高さから求め、ガス化炉内壁面積はガス化炉内径とメッシュ高さから求め、ガス化炉壁断面積はガス化炉内壁面積とガス化炉外壁面積との対数平均（相乗平均）から求める。
【００８７】
また、ガス化炉外壁１０１ａと外気との間における熱伝達係数ｈｅは、グラスホフ数Ｇｒが１０の９乗よりも大きいときは次式で求める。
【００８８】
【数１５】
2011195671.tif 000017
【００８９】
また、グラスホフ数Ｇｒが１０の９乗以下であるときは次式で求める。
【００９０】
【数１６】
2011195671.tif 000018
【００９１】
また、ガス化炉外壁１０１ａとガス化炉内壁１０１ｂとの間における熱伝達係数ｈｉは、次式で求める。
【００９２】
【数１７】
2011195671.tif 000019
【００９３】
ここで、Ｎｕはメッシュのヌッセルト数、ｋはメッシュ入口の気体熱伝導率で、メッシュ入口の気体の組成に基づいて求める。ここでレイノルズ数を求める際に用いる代表長さは固体間の空間径Ｄの値を入力している。空間径Ｄは、次式で求める。
【００９４】
【数１８】
2011195671.tif 000020
【００９５】
ステップＳ４６０において仮算出した固体温度と、ステップＳ４５０において仮算出した固体温度との相対誤差に基づいて伝熱量を決定する。固体温度と既に求めている固体温度との相対誤差が１０の５乗分の１を越えていた場合は、新たなガス化炉外壁温度を仮入力する。
仮入力するガス化炉外壁温度は、次式で求める。
【００９６】
【数１９】
2011195671.tif 000021
【００９７】
仮入力したガス化炉外壁温度、先述した方法を用いてメッシュ固体温度とガス化炉内壁熱伝達式が成立するメッシュ固体温度の相対誤差が１０の５乗分の１となるまで繰り返す。
【００９８】
これにより、ガス化炉壁１０１との伝熱量を求めることができ、次メッシュ固体温度を求める式を合わせて次メッシュ固体温度を算出する（ステップＳ４７０）。
【００９９】
［隣接メッシュ間演算ステップ］
次に、水平方向に隣接するメッシュ同士の気体の移動によって変化する気体の組成及び気体の温度を演算する隣接メッシュ間演算ステップＳ５０について図７に示すフローチャートを用いて説明する。
実際のガス化炉でのバイオマスガス化反応においては、メッシュ内での反応による物質量の増減に伴う圧力差及び気体と固体との温度差によって上向きの自然対流が生じる。この自然対流により減速された気体線速度差を考慮して、メッシュ間の気体の移動を書くメッシュ内の気体の組成及び気体の温度に反映させる。
【０１００】
まず、メッシュの圧力を算出する（ステップＳ５１０）。メッシュの圧力として、気体物質量合計とメッシュ入口気体の温度と気体定数の積をメッシュ体積と空隙率との積で除算した値を使用する。
【０１０１】
次に自然対流ヌッセルト数を算出する（ステップＳ５２０）。自然対流ヌッセルト数Ｎｕは、次式で求める。
【０１０２】
【数２０】
2011195671.tif 000022
【０１０３】
ここで、Ｒａはレイリー数であり、Ｐｒはプラントル数である。レイリー数は、次式で求める。
【０１０４】
【数２１】
2011195671.tif 000023
【０１０５】
ここで、Ｇｒはグラスホフ数である。グラスホフ数は、次式で求める。
【０１０６】
【数２２】
2011195671.tif 000024
【０１０７】
ここで、ｄは粒径の値を入力する。ρはメッシュ入口気体温度での気体密度である。ｇは重力加速度である。βは体積膨張率であり、メッシュ入口気体の絶対温度の逆数を入力する。
【０１０８】
次に、メッシュの圧力（Ｐ）と自然対流ヌッセルト数（Ｎｕ）と仮算出した気体組成と気体温度とを用いて、次メッシュ入口気体組成及び次メッシュ入口気体温度を算出する（ステップＳ５３０）。
次メッシュ入口気体温度は、次式で求める。
【０１０９】
【数２３】
2011195671.tif 000025
【０１１０】
また、次メッシュ入口気体組成は、まず、次式で、各物質のモル濃度から各物質の仮次メッシュ入口モル濃度を算出する。
【０１１１】
【数２４】
2011195671.tif 000026
【０１１２】
ここで、メッシュ出口モル濃度仮算出値は、ステップＳ３４０で仮算出したメッシュ出口の気体組成から求める。さらに、次メッシュ入口モル濃度を次式で求める。
【０１１３】
【数２５】
2011195671.tif 000027
【０１１４】
各物質の次メッシュ入口モル濃度から、次メッシュ入口気体組成を算出する。これにより、温度と反応による物質量増大に伴う膨張を考慮することができる。また、添え字（Ａ）及び（Ｂ）は、メッシュに水平方向に隣接する互いに異なるメッシュにおける特性値であることを示す。本実施形態におけるメッシュの分割方法では、水平方向に隣接するメッシュは最大２つである。ガス化炉壁１０１に最も近いメッシュまたは最も中心側のメッシュについては、隣接するメッシュは一つしかないので、添え字（Ｂ）を含む項は無視してよい。
【０１１５】
以上の方法で、最初のメッシュに関する入力項目及び前メッシュの計算結果からステップＳ４７０で次メッシュの固体温度が、ステップＳ５３０で次メッシュの気体温度及び気体組成がそれぞれ算出される。また、次メッシュについてもステップＳ１０からステップＳ５０を実行することにより、次メッシュの次のメッシュの固体温度、気体温度及び気体組成が算出される。
ガス化炉１００出口に最も近いメッシュの次メッシュの固体温度、気体温度及び気体組成がガス化炉１００出口の固体温度、気体温度及び気体組成となる。
【０１１６】
以上より、ガス化炉１００全体の気体温度、固体温度及び気体組成を算出することができる。
図１１から図１２に示すように、バイオマスガス化反応のモデル化方法を実行することにより、ガス化炉１００の上下方向における気体温度の分布、固体温度の分布、及び気体組成の分布を算出し、出力手段５を用いて出力することができる。
図１１において、実線は固体温度の分布、点線は気体温度の分布をそれぞれ示す。
図１２において、実線は１５種類の気体のうちの一つであるＣＯの気体組成の分布、点線は同じくＨ２の気体組成の分布、二点鎖線は同じくＣＯ２の気体組成の分布をそれぞれ示す。
【０１１７】
また、図１３に示すように、１５種類の気体のうち、Ｃ８Ｈ８、Ｃ１２Ｈ２４、Ｃ６Ｈ４Ｏ２、の三種類の気体はタールの成分であり、特にこの三種類の気体組成に基づいてタール濃度（ｇ／ｍ３）を算出することができる。
【０１１８】
ただし、バイオマス積み上げ高さによっては途中で投入したバイオマスから生成される固体量より反応によって消費される固体量の方が多い場合がある。この場合、入力したガス化条件では定常状態で運転できないため、生成固体量＞反応によって消費される固体量となるガス化になることを確認している。
【０１１９】
以上のように、演算手段２と、記憶手段３と、入力手段４とを少なくとも有する制御装置１を用いて、バイオマスを原料として酸素を酸化剤とした酸化反応により、水素、炭素、または酸素若しくはこれらの組み合わせからなるバイオマスガスを発生させるバイオマスガス化反応をモデル化する方法であって、ガス化炉１００の形状に関する情報を用いて、バイオマスをガス化するダウンドラフト式のガス化炉１００の形状を複数の円筒体１００ａが軸方向に積み重なった形状と近似した形状と仮定し、ガス化炉１００を細かいメッシュに区切るステップＳ１０と、実験温度及び大気圧からなる環境条件情報と、ガス化炉１００の上方から投入する原料の物性に関する情報と、ガス化炉１００の上方から投入する空気の特性に関する情報と、前記原料の量及び空気の量などからなる運転条件に関する情報と、複数の種類の気体における、固体バイオマスから揮発する際の温度である揮発温度、及び各気体の水素と炭素の元素数比であるＨ／Ｃ比が記憶された揮発データベースＤＢ１と、複数の種類の気体における温度対比熱が記憶された温度対比熱データベースＤＢ２と、複数の種類の水素、炭素、または酸素若しくはこれらの組み合わせからなる気体同士の気体反応の経路及び気体―固体間の気固反応の経路並びにそれぞれの経路の反応速度の計算に用いる係数が記憶された反応データベースＤＢ３と、を用いて、メッシュごとに起きる気体反応及び気固反応によって発生する気体の組成を演算するステップＳ３０と、メッシュ内における気体と固体との間の熱の授受と、メッシュ間における熱の授受によって変化するメッシュ内の温度を演算するステップＳ４０と、水平方向に隣接するメッシュ同士の気体の移動によって変化する気体の組成及びメッシュ内の温度を演算するステップＳ５０と、を備えるものである。
このように構成することにより、各メッシュにおいて、気体反応及び気固反応、並びにメッシュ内における熱授受を演算することとなり、各反応がそれぞれ独立した層内でのみ起こるとした従来のモデル化方法に比べて、実際の反応に近い反応をシミュレートすることが可能となる。
また、水平方向の自然対流も演算することにより、実際の反応に近い反応をシミュレートすることが可能となる。
【０１２０】
また、メッシュごとに起きる気体反応及び気固反応によって発生する気体の組成を演算するステップＳ３０において、メッシュ内に気体と固体が混合して存在するものとし、前記気体反応は気体内で発生し、前記気固反応は固体表面で発生するものとし、メッシュ内における気体と固体との間の熱の授受と、メッシュ間における熱の授受によって変化するメッシュ内の温度を演算するステップＳ４０において、気体反応で発生した反応熱量は気体に与えられ、気固反応で発生した熱は固体表面に与えられ、固体表面に与えられた熱は気体へ伝導するものとするものである。
このように構成することにより、固体と気体が混合しているメッシュ内での気体反応及び気固反応並びにそれに伴う熱授受をシミュレートすることができるので、実際の反応に近い反応をシミュレートすることが可能となる。
【０１２１】
また、前記揮発データベースＤＢ１に記憶された複数の種類の気体は、以下の単体または化合物が含むものである。
Ｃ８Ｈ８、Ｃ１２Ｈ２４、Ｃ６Ｈ４Ｏ２、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ６、Ｃ６Ｈ６、Ｈ２Ｏ、Ｃ、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２
このように構成することにより、モデル化方法に使用する気体の種類を限定することにより、シミュレーション時間の短縮を図ることができる。
【符号の説明】
【０１２２】
１    制御装置
２    演算手段
３    記憶手段
４    入力手段
【図１】
2011195671.tif 000028
【図２】
2011195671.tif 000029
【図３】
2011195671.tif 000030
【図４】
2011195671.tif 000031
【図５】
2011195671.tif 000032
【図６】
2011195671.tif 000033
【図７】
2011195671.tif 000034
【図８】
2011195671.tif 000035
【図９】
2011195671.tif 000036
【図１０】
2011195671.tif 000037
【図１１】
2011195671.tif 000038
【図１２】
2011195671.tif 000039
【図１３】
2011195671.tif 000040