(57)【要約】【課題】  ダウンドラフト式で高い熱効率と小型化を達成できる木質バイオマスのガス化装置、発電装置及びガス化方法を提供する。【解決手段】  本発明の木質バイオマスのガス化装置１０は、ダウンドラフト式固定床ガス化炉２４を用いて木質バイオマスをガス化するガス化装置において、ガス化炉内のガスの温度差に起因して発生する自然対流ＮＣによる当該ガスの移動方向を、当該ガス化炉内に圧力Ｐを印加することで制御する圧力印加手段２３を備えることを特徴とする。  圧力印加手段によって、ガス化炉内のガスが上部だけでなく上部から中央の領域にまで至るように圧力Ｐを印加して制御することで熱分解層Ａ１、燃焼層Ａ２及び還元層Ａ３が形成される領域を従来のガス化装置等と比較してより下方へと拡大させる。これによって可燃性ガスの生成量を増やして熱効率を高めることができる。【選択図】図１
2015113440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダウンドラフト式固定床ガス化炉を用いて木質バイオマスをガス化するガス化装置において、
ガス化炉内のガスの温度差に起因して発生する自然対流による当該ガスの移動方向を、当該ガス化炉内に圧力を印加することで制御する圧力印加手段を備えることを特徴とする木質バイオマスのガス化装置。
【請求項２】
前記木質バイオマスがチップ又はペレットであることを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガス化装置によって生じた可燃性ガスを少なくとも燃料の一部として駆動するエンジンと、当該エンジンに連結した発電機とを備えることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
前記エンジンがバイオディーゼル燃料も燃料の一部として駆動し得ることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
【請求項５】
ダウンドラフト式固定床ガス化炉を用いる木質バイオマスのガス化方法において、
ガス化炉内のガスの温度差に起因して発生する自然対流による当該ガスの移動方向を、当該ガス化炉内に圧力を印加することで制御する工程を含むことを特徴とする木質バイオマスのガス化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質バイオマスのガス化装置、発電装置及びガス化方法に関し、詳しくはダウンドラフト式で高い熱効率と小型化を実現したガス化装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
木質バイオマスは大気中の二酸化炭素濃度に影響を与えないカーボンニュートラルな特性を有しており、これを高温ガス化して発電用燃料等として利用することで化石燃料の代替物となり地球温暖化防止に貢献できる。
木質バイオマスとしては、間伐材や未利用のまま林地に残置されている林地残材、製材工場等から発生する樹皮、背板、おが屑等の廃棄木材、建設現場や住宅の解体時に発生する建築廃材等が挙げられる。
【０００３】
木質バイオマスのガス化は通常700℃以上の高温且つ酸素が少ない還元雰囲気下で木質バイオマスを空気・酸素・水蒸気等のガス化剤と反応させて熱分解し、可燃性ガス（CO、H2、CH4等）を取り出すことによって行なわれている。
ガス化炉の形式には固定床、移動床、流動床、噴流床等があり、このうち固定床には木質バイオマスとガス化剤が同一方向に流れるダウンドラフト式（特許文献１及び２参照）と逆方向に流れるアップドラフト式がある。
【０００４】
ダウンドラフト式はガス化炉の上方又は中央から下方にガス化剤を流す方式であり、まず炉内最上部の熱分解層（200〜600℃）で木質バイオマスがCH4、CO、CO2、H2、H2O、C（チャー（固体））、タール、灰分（固体）等に熱分解される。熱分解層の下には燃焼層（600〜1,300℃）が形成され、ここで可燃物であるC、タール、H2、CO等がCO、CO2、H2O等に部分燃焼（酸化）される。燃焼層の下には還元層（600〜800℃）が形成され、ここでCがCO2やH20と反応したり、CH4がH2Oと反応することでCOやH2等の可燃性ガスが生成される仕組みになっている。
なお、タールを還元層の下の活性炭層に吸着させたり、あるいは生成した可燃性ガスを再度ガス化炉内に循環させて残余のタールを燃焼・分解する処理等を行うことで、最終的にガス化炉の底部から取り出す可燃性ガスにタール分をほとんど含めないようにすることができる。
【０００５】
アップドラフト式はガス化炉の下方から上方にガス化剤を流す方式であり、炉内下部の燃焼層で木質バイオマスを炭化・熱分解することで、炭化物から可燃性物質を含む1,000〜1,400℃程度の高温の可燃性ガスを生成させる。この高温の可燃性ガスは自然対流により炉内の木質バイオマスの間を通過して上方に移動していくが、その際に炉内上部の熱分解層において可燃性ガスの熱により木質バイオマスが熱分解され、これによって生じるタールや灰分等の不純物も可燃性ガスに取り込まれる。
このようにアップドラフト式は可燃性ガス中にタール等の不純物を多く含むため、エンジン等の内燃機関で利用するためにはこれらタール等を事前に充分に除去しなければならないという問題があり、この点において可燃性ガス中にタール等をほとんど含まないダウンドラフト式の方が優れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８１６３７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３５８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の通り、ダウンドラフト式はアップドラフト式と比較して可燃性ガス中のタール濃度が低いというメリットはあるが、熱効率が低いというデメリットも存在する。
これはアップドラフト式の場合は自然対流によって炉内下部で生成された可燃性ガスが上方にスムーズに移動することで炉内上部の木質バイオマスの乾燥や熱分解を容易に行えるが、ダウンドラフト式の場合は最初に炉内上部の水分を多く含んだ木質バイオマスを乾燥させるために熱量が奪われる点と、ガス化炉内に生じる自然対流の影響を受ける点が主な理由と考えられる。
具体的には、図４中の矢印は従来のガス化装置においてガス化炉２４内に発生する自然対流ＮＣの向きを示している。通常、ガス化炉２４内の圧力は大気圧とほぼ同等かあるいは僅かに正圧に保たれているにすぎないため（特許文献２参照）、ガス化炉２４内のガスは温度差に起因して生じる自然対流ＮＣの影響を大きく受ける結果、上記熱分解層Ａ１、燃焼層Ａ２及び還元層Ａ３が形成される領域が木質バイオマス（ペレット８０）全体のうちほぼ上部のみに限定されてしまうという点が問題と考えられる。
【０００８】
本発明は、このような問題を考慮して、ダウンドラフト式で高い熱効率と小型化を達成できる木質バイオマスのガス化方法、発電方法、ガス化装置及び発電装置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】
【０００９】
本発明の木質バイオマスのガス化装置は、ダウンドラフト式固定床ガス化炉を用いて木質バイオマスをガス化するガス化装置において、ガス化炉内のガスの温度差に起因して発生する自然対流による当該ガスの移動方向を、当該ガス化炉内に圧力を印加することで制御する圧力印加手段を備えることを特徴とする。
また、前記木質バイオマスがチップ又はペレットであることを特徴とする。
本発明の発電装置は、上記ガス化装置によって生じた可燃性ガスを少なくとも燃料の一部として駆動するエンジンと、当該エンジンに連結した発電機とを備えることを特徴とする。
また、前記エンジンがバイオディーゼル燃料も燃料の一部として駆動し得ることを特徴とする。
【００１０】
本発明の木質バイオマスのガス化方法は、ダウンドラフト式固定床ガス化炉を用いる木質バイオマスのガス化方法において、ガス化炉内のガスの温度差に起因して発生する自然対流による当該ガスの移動方向を、当該ガス化炉内に圧力を印加することで制御する工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のガス化装置及びガス化方法では、圧力印加手段によってガス化炉内の圧力を調節することで自然対流によるガスの移動方向を制御する。
上述の通り、従来のガス化装置等の場合、自然対流の影響を大きく受ける結果、熱分解層、燃焼層及び還元層が形成される領域が木質バイオマス全体のうちほぼ上部のみに限定されるという問題があった。
そこで、図３に示すようにガスがガス化炉２４内の上部だけでなく上部から中央の領域にまで至るように圧力Ｐを印加してその移動方向を制御することで熱分解層Ａ１、燃焼層Ａ２及び還元層Ａ３が形成される領域を従来のガス化装置等と比較してより下方へと拡大させる。これによって可燃性ガスＧの生成量を増やして熱効率を高めることができる。
【００１２】
また、ガス化炉２４内の圧力Ｐを高めるべくガス化剤の供給量・速度を増やすと、ガス化剤中のO2が上記熱分解層Ａ１、燃焼層Ａ２及び還元層Ａ３の各木質バイオマス（ペレット８０）の周囲に留まる時間が短くなるため、不完全燃焼によってCOが発生し易くなるという利点もある。このように、ガス化剤、特にO2を大量かつ高速に木質バイオマスの周囲を通過させることでCOを大量発生させるという発想は、従来のガス化装置等において不完全燃焼を引き起こすためにO2の供給量を積極的に減らしていた発想からは対極に位置するものであり、本願発明者の研究によって独自に見出されたものである。従来のようにO2の供給量を積極的に減らす場合は可燃性ガスＧの生成量も減ってしまうが、本発明のようにガス化剤の供給量・速度を増やしてO2を大量且つ高速に木質バイオマスの周囲を通過させることで可燃性ガスＧを大量且つ高効率で得ることができる。
また、木質バイオマスとしておが屑（極端に小さいチップを含む）を用いると短時間で一気に完全燃焼してしまうため、不完全燃焼を引き起こす観点から容易に燃焼し辛いチップ（極端に小さいチップを除く）やペレットを用いるのが好ましい。
【００１３】
本発明の発電装置によれば木質バイオマス由来の可燃性ガスを少なくとも燃料の一部としてエンジンを駆動させて発電するので化石燃料の代替物として地球温暖化防止に貢献できる。
また、バイオディーゼル燃料も燃料の一部としてエンジンを駆動することにすれば、木質バイオマスによる可燃性ガスの生成が開始されるまでの間はバイオディーゼル燃料による発電が可能となり、電力供給の待ち時間を短縮できると共に木質バイオマスとバイオディーゼル燃料によるCO2排出量ゼロの発電が可能になる。
また、ダウンドラフト式で一般的に使用されているガス化剤供給手段に改良を施し、その供給能力を向上させるだけで圧力印加手段としての機能をガス化剤供給手段に持たせることができる。したがって圧力印加手段として大型の装置を別途取り付ける必要がなく、ガス化装置及び発電装置の小型化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】発電装置の概略を示す構成図
【図２】ガス化装置の概略を示す構成図
【図３】本発明のガス化装置のガス化炉内の状態を模式的に示す図
【図４】従来のガス化装置のガス化炉内の状態を模式的に示す図
【図５】実施例におけるガス化装置のシステム図
【図６】カメラで撮影したガス化炉内部の写真（ａ）〜（ｃ）
【図７】圧力差（横軸）とガス流量（縦軸）との関係を示すグラフ（ａ）及び流量計の概略構造を示す図（ｂ）
【図８】空気供給量（横軸）と木質バイオマス燃料供給量（縦軸）との関係を示すグラフ
【図９】空気供給量（横軸）と生成した可燃性ガス量（縦軸）との関係を示すグラフ（ａ）〜（ｅ）、35L/minのときに測定した生成ガス流量を示すグラフ（ｆ）
【図１０】各点火時期における出力、熱効率、回転数標準偏差の関係を示すグラフ（ａ）〜（ｃ）
【図１１】経過時間（横軸）と生成ガスの発熱量（縦軸）の関係を示すグラフ（ａ）、経過時間（横軸）とガス交換効率（縦軸）の関係を示すグラフ（ｂ）及びガス変換効率の算出式（ｃ）
【図１２】供給空気量（横軸）と生成ガス組成（縦軸）の関係を示すグラフ
【図１３】供給空気量（横軸）と生成ガス流量（縦軸）の関係を示すグラフ
【図１４】供給空気量（横軸）と生成ガスの発熱量（縦軸）の関係を示すグラフ（ａ）、供給空気量（横軸）とガス交換効率（縦軸）の関係を示すグラフ（ｂ）
【図１５】ガス化炉の模式図（ａ）、供給空気量（横軸）とガス化炉内の流速（縦軸）との関係を示すグラフ（ｂ）
【図１６】ガス化炉内の流速（横軸）と生成ガス組成（縦軸）の関係を示すグラフ
【図１７】ガス化炉内の流速（横軸）とガス変換効率（縦軸）の関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の木質バイオマスのガス化装置及び発電装置の実施の形態を図を用いて説明する。
図１に示すように、発電装置１０はガス化装置２０、タール除去装置３０、灰分回収装置４０、ガスミキサー５０、ディーゼルエンジン６０、発電機７０から概略構成される。
【００１６】
ガス化装置２０はダウンドラフト式で燃料ガスを生成させる装置であり、図２に示すように燃料供給手段２１、ガス化剤供給手段２２、圧力印加手段２３、ガス化炉２４を備える。
燃料供給手段２１はガス化炉２４内に燃料としての木質バイオマスを供給するために設けられる。燃料供給手段２１はガス化剤供給手段２２の上方に取り付けられており、木質バイオマスとしてのペレット８０を格納するタンク２１ａを備える。作業者はペレット８０を必要量（例えば運転予定時間内で消費（燃焼）する量）タンク２１ａの上部の開口から投入し、当該開口を蓋体２１ｂでボルト締めすることで大気に対して密閉状態を維持しておく。図示は省略するが、タンク２１ａ内にはペレット８０を供給するための周知のロータリーバルブ（ロータリーフィーダ）が取り付けられており、ペレット８０の消費タイミングに合わせてロータリーバルブが作動することでペレット８０は下方のガス化剤供給手段２２内を通過してガス化炉２４内に定量的に供給される仕組みになっている。
木質バイオマスの形態としてはペレット８０以外にもチップやおが屑（極端に小さいチップを含む）等が挙げられるが、木質バイオマスは成分や水分量等の組成にばらつきがあり、おが屑（極端に小さいチップを含む）ではそのばらつきが顕著になるため、発電装置１０を長期間安定的に駆動させる観点からチップやペレット８０を用いるのが好ましい。ペレット８０は一般的には直径6〜10ミリ程度、長さ10〜25ミリ程度の円筒形である。
【００１７】
ガス化剤供給手段２２は空気・酸素・水蒸気等のガス化剤をガス化炉２４内に供給するために設けられる。ガス化剤供給手段２２はガス流路２２ａを介してガス化炉２４の上方に取り付けられており、ガス化剤を格納するタンク２２ｂと、送風機及び噴射口（図示略）を備えている。タンク２２ｂ内のガス化剤は噴射口を介して外気と共にガス化炉２４の上部開口２４ａからガス化炉２４内に供給される仕組みになっている。なお、本実施の形態では燃料供給手段２１とガス化剤供給手段２２とが上下に連続的に繋がった構成になっているが、これに限らず、例えば燃料供給手段２１とガス化剤供給手段２２を各々独立してガス化炉２４に接続する構成にしてもよい。
圧力印加手段２３は、ガス化炉２４内のガスの温度差に起因して発生する自然対流ＮＣによる当該ガスの移動方向を当該ガス化炉２４内に圧力を印加することで制御するために設けられる。
本実施の形態ではガス化剤供給手段２２が圧力印加手段２３の機能を兼ねている。すなわち、送風機の回転数を制御することで上記噴射口から噴射するガス化剤の量・速度を調節してガス化炉２４内の圧力を調節する仕組みになっている。なお、ガス流路２２ａの一部に圧力調整弁を設けて、これを適宜開閉することによりガス化炉２４内の圧力を調節することにしてもよい。
【００１８】
ガス化炉２４は通常のダウンドラフト式で用いるものと同様のものを使用することができる。ガス化炉２４には上部開口２４ａが設けられており、当該上部開口２４ａを介してペレット８０及びガス化剤が供給される。また、ガス化炉２４には下部開口２４ｂも設けられており、生成した可燃性ガスは当該下部開口２４ｂを通ってタール除去装置３０及び灰分回収装置４０に移動するようになっている。
図３は本発明のガス化装置２０のガス化炉２４内で可燃性ガスの生成を行っている際の木質バイオマスの状態を模式的に示したものであり、図４は従来のガス化装置２０の場合の比較例である。
上述の通り木質バイオマスはガス化炉２４内で上から順に熱分解層Ａ１、燃焼層Ａ２、還元層Ａ３、活性炭層Ａ４に分かれており、還元層Ａ３においてCO、H2、CH4等の可燃性ガスが最も多く生成される。
圧力印加手段２３によってもたらされるガス化炉２４内の圧力Ｐは自然対流ＮＣによるガスの移動方向を制御できる値であれば特に限定されず、また、ガス化炉２４等の強度にも依存するがおおよそ大気圧＋1気圧（ゲージ圧）あれば充分であり、大気圧＋0.2気圧程度でも他の条件次第では充分な効果を得られる。なお、特許文献２にはガス化炉内に大気圧以上でガス化剤を送り込む技術が開示されているが、これはあくまでガス流路内を正圧にすることでガス化装置外からの空気の漏れ込みを防ぐことを目的としているに過ぎず、自然対流ＮＣによるガスの移動方向を圧力をかけて制御することで熱分解層Ａ１、燃焼層Ａ２及び還元層Ａ３が形成される領域を従来よりも下方へと拡大させて熱効率を向上させることを目的とする本発明とは明らかに異なるものである。
圧力Ｐを大気圧＋1気圧程度まで高めるには概算で毎分数百リットルの空気をガス化炉２４内に供給する能力が必要になる。したがって、ガス化剤供給手段２２の送風機として汎用のブロアで風量が不足する場合にはレシプロ式やダイヤフラム式ポンプを用いればよい。ガス化炉２４内の圧力Ｐはガス化炉２４内又はガス流路２２ａ内に設けた圧力センサ（図示略）によって計測することができるが、圧力Ｐの値を必ず計測しなければならないというわけではない。
【００１９】
タール除去装置３０としては例えば多数の多孔質セラミックをパイプ内に充填したものやNi系触媒を用いたものなど、通常使用されているものと同様のものを使用することができる。
また、灰分回収装置４０も例えば金属製の不織布フィルターなど、通常用いられているものと同様のものを使用することができる。
ガスミキサー５０はタール除去装置３０及び灰分回収装置４０を通過して不純物を除去された可燃性ガスを装置外部の空気と混合するために設けられる。ガスミキサー５０はセンサー（図示略）から出力される可燃性ガス中のCO、H2、CH4等の成分比に関するデータに基づき、適量の空気を可燃性ガスと混合し、混合気をエンジンに供給する。
エンジンとして本実施の形態では可燃性ガスとバイオディーゼル燃料８１の両方で駆動可能なディーゼルエンジン６０を用いる。ガス化炉２４から生成される可燃性ガスを用いる場合、発電機７０を駆動できる状態になるまで始動から30分程度の待ち時間が必要になる。したがって、バイオディーゼル燃料８１による駆動も可能なディーゼルエンジン６０を用いることにすれば待ち時間を短縮できるので好ましい。また、ディーゼルエンジン６０以外にも可燃性ガスのみで駆動するガスエンジンを用いてもよい。
発電機７０はディーゼルエンジン６０に連結されており、ディーゼルエンジン６０の駆動によって発電がなされる。発電機７０としては通常使用されているものと同様のものを使用することができる。
なお、発電機７０を構成する燃料供給手段２１やディーゼルエンジン６０等の各種装置の駆動はコンピュータによる自動制御で行なうことにすればよいが、作業者が手動で行っても良い。
【００２０】
次に、本発明の木質バイオマスのガス化方法及び発電方法について説明する。
まず、作業者は燃料供給手段２１の開口から木質バイオマスとしてのペレット８０を投入して、ガス化炉２４内の所定高さまでペレット８０を堆積させる。さらに作業者は所定量のペレット８０を燃料供給手段２１のタンク内に格納し、蓋体２１ｂによって密閉状態にしておく。
次に、ガス化剤供給手段２２及び圧力印加手段２３を駆動させてガス化炉２４内へのガス化剤の供給を開始し、可燃性ガスを生成させると共に、ガス化炉２４内の圧力Ｐが所定の値（例えば大気圧＋1気圧）となるようにガス化剤の供給量・速度を調節する。
生成した可燃性ガスはタール除去装置３０及び灰分回収装置４０によって不純物が除去された後、ガスミキサー５０に至る。
ガスミキサー５０では可燃性ガス中のCO、H2、CH4等の成分比に関するデータに基づいて適量の空気を可燃性ガスと混合し、混合気をディーゼルエンジン６０に供給する。
ディーゼルエンジン６０への混合気の供給が開始されるまではバイオディーゼル燃料８１でディーゼルエンジン６０を駆動させておき、混合気の供給が開始されると可燃性ガスとバイオディーゼル燃料８１の混焼によりディーゼルエンジン６０を駆動させ、発電機７０から発電を行う。
【実施例】
【００２１】
次に本発明の発電装置の実施例を説明する。
図５に本実施例で用いたガス化装置のシステム図を記す。
［燃料供給手段:Biomass fuel tank］
燃料供給手段として回転式バルブを用いている。ガス化炉内のペレットの堆積層の最上面が所定の範囲内に収まるように木質バイオマスを数秒に一回ずつ供給している。
［ガス化炉:Reacting furnace］
ガス化装置の主要部であるガス化炉は、全長1,000mm、内径105.3mmの4Bの鋼管である。反応炉径が小さいと目標の出力が得られないことが過去の研究において判明しているため、入手できる最大径であった呼び径100Aのものを用いている。反応炉には上から下方向に向けて空気を流している。
［タール除去装置:Tar removal tank］
発生したタールはガスを投入する内燃機関の汚損の大きな要因となっており、ガス化装置の作製においてタールの除去は重要な課題となっている。そこで本装置では気体の通路に全長1,000mm、呼び径65Aの鋼管に対して、ガス化炉底部から700mmのところまでタール除去用の活性炭を充填した槽を三本設けた。
［灰分回収装置:Fly ash handling equipment］
内部に水を充填した管を用意し、生成ガスを管内に通すことで灰分を取り除いた。
【００２２】
ガス化炉内での木質バイオマス燃料、活性炭の堆積層最上面の位置は供給する空気や投入する木質バイオマス燃料の量のバランスによって大きく変化する。そのため、ガス化炉上部には小型カメラを設置し、15分間同条件で燃料を入れ続ける事前実験を行い、堆積層最上面が15分間で5mm以上上下しない燃料供給量を目視によって確認し、適切な供給量として決定した。なお、木質バイオマスの層の下にタール除去用の活性炭を充填してある。
図６にカメラで撮影したガス化炉内部の写真（ａ）〜（ｃ）を示す。同図より、空気の供給量により燃焼の仕方に変化があるのが分かる。ガス化炉には点火口、点火口上部100mm、点火口下部150mm、300mm、450mm、反応炉底部の6箇所（図５中の丸で囲んだ数字1〜6の箇所）に熱電対を設置した。反応炉内の燃焼反応は連続運転を続ける際、それに伴い燃焼領域が下方向に拡散する傾向があるため、上記の複数の熱電対を用いてその範囲を把握する。また、ガス化炉からの熱の放射を防ぐため、ガス化炉の主要燃焼域の周囲には断熱材をまきつけた。
［生成ガス測定用流量計:Flowmeter］
ガス化装置によって生成されるガスは湿度が高く、また灰などの不純物が含まれているため、生成ガス流量の測定には自作のオリフィス流量計を用いた。図７（ａ）に示すように圧力差（横軸）とガス流量（縦軸）との間に相関関係が見られる。図７（ｂ）に示す流量計は管内径D1＝50mm、長さ200mmの直管の中央に、直径D0=6mmの穴を開けたオリフィス板を挿入している。そして、オリフィス板の前後20mmに圧力測定ポートを設け、オリフィス前後での圧力差を測定する。圧力差の測定には市販の圧力トランスジューサ(定格圧力:2kPa)を用いた。
【００２３】
［エンジン］
本装置には汎用ガソリンエンジンを使用した。本装置では運転するにあたりカーボン、タールの付着が想定されている。タール、ススの機関への影響を確認する際の分解、洗浄が簡単なため汎用ガソリンエンジンは実験に適している。使用したエンジンの仕様を表１に示す。
【表１】
2015113440.tif 000003
燃料供給の方法は純正ではキャブレータを用いている。発生した生成ガスだけではエンジンの始動が難しいため、キャブレータからポートインジェクターへ変更しガソリンでの運転から徐々に生成ガスでの運転への切り替えを行っている。また、点火時期による影響を確認するため、電子制御装置(Electronic Control Unit)を用いて任意のタイミングで点火を行えるようにダイレクトイグニッション方式へ変更した。点火時期は0~50degBTDCの間で調整が可能である。エンジンに伝わる負荷はロードセルによって計測した。
【００２４】
［実験結果］
［木質バイオマスのガス化］
実験は空気供給量を(a)20L/min、(b)25L/min、(c)30L/min、(d)35L/min、(e)40L/minの5つの条件で行った。この際のガス化炉内の圧力Pはおおよそ大気圧＋0.3気圧程度と推察される。
木質バイオマス燃料供給量は事前実験により、バイオマス堆積層最上面がそれぞれの空気供給量において一定になるような量を求め、図８のように決定した。図９にガス化装置によって生成した可燃性ガスの結果（ａ）〜（ｅ）と35L/minのときに測定した生成ガス流量（ｆ）を示す。また、生成ガス組成のサンプリング周期は120sとし、それぞれの空気流量の定常状態にて、900sずつガスサンプルを取得した。生成ガス流量はガス発生装置出口に取り付けたオリフィス流量計により測定し、サンプリング周期を5sとした。
図９より15〜20％のCOと数％の水素が生成されている。空気供給量が多くなるにつれてCOの濃度が高くなっていることが分かる。これは反応場温度の違いによるものと考えられる。また、また生成されるガスは、供給する空気のおよそ2倍の流量となっている。
【００２５】
［生成ガスのエンジンへの投入］
ガス化装置にて発生させた可燃性ガスをエンジンに投入し、稼動させる実験を行った。稼働中、点火時期を変更し、各点火時期において常にエンジン回転数が2,000RPMになるよう負荷を調節した。また、空燃比は排ガス中のCO濃度が0.8％以下になるように設定した。図１０に各点火時期における出力(ａ)、熱効率（ｂ）、回転数標準偏差（ｃ）の関係を示す。図１０より、点火時期を調節した場合、MBT(minimumadvance for best torque)に近づくにつれて出力が増加していることが分かる。また供給空気量を増加させた場合、出力は増加し、供給空気量が35L/minのとき約1kWを発生している。ガスを投入した状態での内燃機関の回転数変動を見てみると、ガソリンで内燃機関を運転した際の回転数標準偏差に対してガスで運転した場合では回転数変動が大きくなっているが、これは生成ガスのサンプリング周期が120sであったため組成の変動が計測できていなかった可能性や、ペレットの大きさが不均一なため、ガス化反応速度にばらつきが生じている可能性などが考えられる。
［ガス変換効率］
図１１（ａ）は横軸が経過時間、縦軸が生成ガスの発熱量を示しており、図１１（ｂ）は横軸が経過時間、縦軸がガス交換効率を示しており、図１１（ｃ）はガス変換効率の算出式を示している。生成ガスの発熱量は流量とともに増加しており、ガス交換効率については35L/minのときに最大で37％となっている。
【００２６】
［追加実験］
ガス化炉を全長1,000mm、内径67.9mmの2.5Bの鋼管に変えて同様の実験を行った。
図１２の横軸は供給空気量、縦軸は生成ガス組成を示している。このグラフより、供給空気量が多くなるほどCO濃度は上昇、CO2濃度は低くなっており、一定量を超えるとほぼ値が変化しないことがわかる。この傾向はH2及びCH4についても同様であった。
図１３は供給空気量と生成ガス流量の関係を示すグラフであり、生成ガスの流量は供給空気流量と比例関係になっていることがわかる。
図１４（ａ）は横軸が供給空気量、縦軸が生成ガスの発熱量を示しており、図１４（ｂ）は横軸が供給空気量、縦軸がガス交換効率を示している。生成ガスの発熱量は流量とともに増加しており、ガス交換効率は100NL/minのときに最大で80％となっており、この時点でのガス化炉内の圧力Pはおおよそ大気圧＋0.8気圧だった。
【００２７】
図１５（ａ）はガス化炉の模式図、（ｂ）は供給空気量（横軸）とガス化炉内の流速（縦軸）との関係を示すグラフ、図１６はガス化炉内の流速（横軸）と生成ガス組成（縦軸）の関係を示すグラフ、図１７はガス化炉内の流速（横軸）とガス変換効率（縦軸）の関係を示すグラフである。
【００２８】
［結言］
・ガス化装置で生成したガスをエンジンに投入することで、出力1ｋWでの運転を行うことができた。
・生成ガスによるエンジンの運転はガソリンに比べ回転数変動が大きい。
・供給空気量により生成ガスの組成が異なった。
・ガス化炉内の流速と、生成ガス組成及び変換効率の間に相関関係が確認された。
・ガス化炉内流速が上がるにつれて生成ガス内のCO濃度が増加し、同時にCO2濃度が減少する。なお、一定流速を超えると組成は安定した。
・ガス化炉内流速を上げていくと変換効率はある点まで増加し、その後ゆるやかに減少した。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、ダウンドラフト式で高い熱効率と小型化を達成できる木質バイオマスのガス化装置、発電装置及びガス化方法に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００３０】
Ａ１  熱分解層
Ａ２  燃焼層
Ａ３  還元層
Ａ４  活性炭層
Ｇ    可燃性ガス
ＮＣ  自然対流
Ｐ    圧力
１０  発電装置
２０  ガス化装置
２１  燃料供給手段
２１ａ  タンク
２１ｂ  蓋体
２２  ガス化剤供給手段
２２ａ  ガス流路
２２ｂ  タンク
２３  圧力印加手段
２４  ガス化炉
２４ａ  上部開口
２４ｂ  下部開口
３０  タール除去装置
４０  灰分回収装置
５０  ガスミキサー
６０  ディーゼルエンジン
７０  発電機
８０  ペレット
８１  バイオディーゼル燃料
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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