(57)【要約】【解決手段】  バイオマス、特に木材を気化させる反応装置であって、供給シュートと、供給シュートの下方に配置されている灰ベッドとを備え、供給シュートに付着するバイオマスを分離するデバイス、および、バイオマスから生成される生成ガスから、供給シュートで後に運搬されるバイオマスおよび酸化空気に対して熱を放出させる熱交換器のうち少なくとも一方が設けられている反応装置を提供する。【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、特に木材を気化させる反応装置であって、
供給シュートと、
前記供給シュートの下方に配置されている灰ベッドと
を備え、
前記供給シュートに付着するバイオマスを分離するデバイス、および、前記バイオマスから生成される生成ガスから、前記供給シュートで後に運搬されるバイオマスおよび酸化空気に対して熱を放出させる熱交換器のうち少なくとも一方が設けられている反応装置。
【請求項２】
前記生成ガスの熱を前記酸化空気および前記後に運搬されるバイオマスに伝達するマルチカバーが設けられている請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記供給シュートを振動させて付着するバイオマスを前記供給シュートから分離させる振動デバイスが設けられている請求項１または２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記バイオマスを前記供給シュートに供給するウェッジ仕切り部が設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項５】
酸素無しで前記バイオマスを前記供給シュートに供給する封止供給デバイスが設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項６】
前記供給シュートは、下部領域において円錐テーパー形状に具現化されており、特に、燃焼ゾーン断面に対する供給シュート断面の比を１．２から１０とし、好ましくは１．４から３とし、特に好ましくは約１．９とする請求項１から５のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項７】
酸化空気供給部は、中間領域および酸化空気リングを介して、燃焼ゾーンに流れ込む酸化空気ノズルに接続されている請求項１から６のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項８】
少なくとも一の撹拌ロッドを有する回転ラックが前記灰ベッドに設けられており、前記回転ラックは、バイオマスの塊を分離する請求項１から７のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項９】
前記少なくとも一の撹拌ロッドの制御および管理のうち少なくとも一方を実行するべく測定で得られたデータを用いることを目的として、前記灰ベッドの前後の圧力を測定するセンサが設けられている請求項８に記載の反応装置。
【請求項１０】
バイオマスから生成ガスを生成するデバイスであって、
前記バイオマス用の燃料貯蔵部と、
前記バイオマスを気化させる反応装置と、
前記バイオマスを前記燃料貯蔵部から前記反応装置へと輸送する少なくとも一のコンベヤ部と、
前記バイオマスから生成される生成ガスを浄化する少なくとも一のフィルタシステムと
を備え、
前記反応装置は、請求項１から９のいずれか一項に応じて具現化されるデバイス。
【請求項１１】
前記反応装置から下流に少なくとも一のサイクロン分離器が配置されている請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
フィルタ媒体としてバイオマスを含む少なくとも一の微細フィルタが、前記反応装置から下流に設けられている請求項１０または１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記生成ガスの誘導先である燃焼機関が設けられており、
前記燃焼機関は、電気エネルギーを生成する発電機に結合されている請求項１０から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記燃焼機関の排ガスの熱を前記バイオマスに伝達して前記バイオマスを予熱する廃熱交換器が設けられている請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
バイオマスから生成された生成ガスを浄化する微細フィルタであって、
フィルタ媒体はバイオマスを含む微細フィルタ。
【請求項１６】
バイオマスから生成された生成ガスを浄化するための、特にタールを分離するための請求項１５に記載の微細フィルタの利用。
【請求項１７】
反応装置、特に請求項１から９のいずれか一項に記載の反応装置においてバイオマスを気化させて生成ガスを生成する方法であって、
前記供給シュートに付着するバイオマスの分離、および、前記生成ガスによる熱のバイオマスおよび酸化空気への放出の少なくとも一方を実行する方法。
【請求項１８】
振動デバイスを、前記供給シュートに付着するバイオマスを分離するべく、５分未満、好ましくは１分未満、特に好ましくは約５秒の期間にわたって、所定間隔で、好ましくは１０分から３０分までの間隔で、特に１５分から２５分までの間隔で、好ましくは約２０分間隔で、動作させる
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記供給シュートの下部領域における前記バイオマスの流量は、前記供給シュートの前記下部領域を円錐形状にすることで、略一定に維持される
請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記供給シュートの最下部領域において、特に狭窄部の領域において、前記バイオマスの５０％を超える割合、特に７０％を超える割合、好ましくは９０％を超える割合は、温度が摂氏１０００度と摂氏１６００度との間、特に、摂氏１２００度と摂氏１５００度との間、好ましくは摂氏１２２０度と摂氏１４７０度との間である請求項１７から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
圧力損失は連続的に灰ベッドの上方において測定され、所定限界値を超えると、前記灰ベッド内において撹拌デバイスを動作させる請求項１７から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記酸化空気は、バイオマスの酸化が引き起こされる前記供給シュートの下部領域において、中間カバーから空気ノズルへと酸化空気リングを通過して流れる請求項１７から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
生成ガスを用いて燃焼機関を駆動し、前記燃焼機関を用いて、電気エネルギーを生成するための発電機を駆動する請求項１７から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記燃焼機関の排ガスの熱は前記バイオマスを予熱するために用いられる請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス、特に木材を気化させる反応装置に関する。当該反応装置は、供給シュートと、当該供給シュートの下方に配置されている灰ベッドとを備える。
【０００２】
さらに、本発明はバイオマスから生成された生成ガスを浄化するための微細フィルタに関する。
【０００３】
また、本発明はこの種類の微細フィルタの利用に関する。
【０００４】
さらに、本発明は、生成ガスを生成するべく、反応装置、特に、冒頭に記載した種類の反応装置においてバイオマスを気化させる方法に関する。
【背景技術】
【０００５】
バイオマス気化装置は先行技術から公知である。例えば、国際公開公報第２００８／００４０７０  Ａ１号で公知のデバイスでは、木材、藁または生体廃棄物等のバイオマスを反応装置で気化させ、このように生成した気体はこの後で気体駆動モータに誘導され、当該気体駆動モータにおいて燃焼によりこの気体を機械エネルギーに変換する。当該モータは発電機に接続されており、発電機によって機械エネルギーは電気エネルギーに変換される。
【０００６】
先行技術に係るデバイスは、システム効率が低いという問題を抱えている。これは、第一に、生成ガスが高温の反応装置から漏れ出すので下流の燃焼機関の効率が悪影響を受けるためであり、第二には、バイオマスの粘ちょう性のために反応装置内で付着することが多いことにより、高頻度且つ高コストのメインテナンスが行われるためである。さらに、生成ガスの浄化のために必要なフィルタ媒体の処分には高コストが費やされ、システム効率に悪影響を与えている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、先行技術に係る問題点を克服または低減し、効率が改善された方法を実現可能な反応装置を開示する。
【０００８】
また、この種類の方法の効率をさらに高める微細フィルタを開示する。
【０００９】
さらなる目的としては、この種類のフィルタの利用の開示が挙げられる。
【００１０】
さらに、先行技術に係る問題点を克服または低減する方法を開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の目的は、冒頭に記載した種類の反応装置において、供給シュートに付着するバイオマスを分離することができるデバイスを提供する発明、および／または、バイオマスから生成された生成ガスが、供給シュートで後に運搬されるバイオマスおよび酸化空気に熱を放出する熱交換器が供給される発明によって実現される。
【００１２】
動作について説明すると、バイオマスは所定の流量で第１の端部から第２の端部へと供給シュートを通過させて移動させる必要があるので、供給シュートに付着するバイオマスはこの移動の妨げになり、適切な動作を妨害する。このため、供給シュートに付着するバイオマスを分離することが可能なデバイスの利点は、特に、ダウンタイムを大幅に削減することができるという点に見られる。尚、ダウンタイムとは、反応装置をメインテナンスのために停止させなければならない期間である。この結果、工場操作者にとってシステム効率は高くなる。
【００１３】
生成ガスの熱を、後に供給シュートで運搬されるバイオマスおよび酸化空気に伝達する熱交換器もまた、特に、熱分解に必要なエネルギーおよび酸化空気の予熱に必要なエネルギーを生成ガスから取り出すので、この目的のためにバイオマスから取り出す必要があるエネルギーは少なくなり、生成ガスの温度は低下し得るという利点を持つ。生成ガスがすぐに燃焼機関でさらに処理される場合、温度が低くなることで、燃焼機関内の熱力学効率が高くなる。このため、生成ガスから酸化空気およびバイオマスへの熱伝達は、システム効率に対してさまざまな良い影響を与える。
【００１４】
生成ガスの熱を酸化空気および後に運搬されるバイオマスに伝達するマルチカバーを設けることは有益である。このように、機械的に応力に耐える機能に加えて、このマルチカバーはさらに、熱交換器の機能も持ち、コストを非常に少なく抑えつつ反応装置を製造することができる。マルチカバーは、複数の、略円筒形状のカバーが略同心円状に配置されたものとして具現化されることが好ましい。尚、供給シュートを形成している第１のカバーと、第１のカバーの外側を囲むように設けられている第２のカバーとの間には、生成ガスが熱浮力のために好ましい垂直方向で下方から上方へと流れ、第３のカバーは第２のカバーの周囲に配置され、第２のカバーと第３のカバーとの間の領域には酸化空気を流すことができる。このように、生成ガスからの熱伝達は、第１のカバーを介して、または、供給シュート内のバイオマスへと行われ、第２のカバーを介して酸化空気へと行われ、マルチカバーから排出されるまでの生成ガスの温度は最低温度に抑えられる。マルチカバーは、スチール製であることが好ましい。第１のカバーは、一方の側がバイオマスに隣接し、他方の側では生成ガスに隣接し、耐熱性および耐酸性の材料で形成されていることが好ましく、例えば、オーステナイト系クロム−ニッケル−モリブデンスチールで形成されることが好ましい。第２のカバーは、酸化空気および生成ガスに隣接し、製造コストを最小限に抑えるべく、下部領域のみが耐熱性スチールで形成されており、上部領域は通常のボイラー板で形成されることが好ましい。酸化空気の熱が外囲環境に放出されないようにするべく、断熱材料で形成される絶縁層が、好ましくは同様にスチール製である第３のカバーの周囲に設けられているのが有益である。
【００１５】
メインテナンス時間を短縮するべく、供給シュートを振動させて付着するバイオマスを供給シュートから分離する振動デバイスを設けることが特に有益である。バイオマスの成分および粘ちょう性が広範囲にわたるので、動作中に供給シュートにバイオマスが付着し、反応装置の動作性は大きく損なわれる可能性がある。付着するバイオマスを特に有益な方法で分離するべく、供給シュートは振動デバイスを利用して振動させるとしてよい。振動デバイスは、モータと、当該モータに接続されている不安定部材とで、または、他の電磁デバイスまたは機械デバイスで構成されているとしてよい。振動は、好ましくは、成形した管状部材を利用して、振動デバイスから供給シュートに伝達されるとしてよい。このような成形した管状部材は、振動デバイスと供給シュートとの間を直接接続するとしてよいが、振動デバイスは可撓性の接続部材を利用して供給シュートに間接的に接続されるとしてもよい。振動デバイスと供給シュートとの間の接続は、反応装置全体で温度依存性の機械的張力が最小限に抑えられ、供給シュートの不浸透性が永久に保証されるように構成されることが好ましい。振動デバイスは、数秒間という期間にわたって動作させることが好ましく、約５秒間にわたって動作させることが好ましく、１０分間と３０分間との間の一定間隔で、好ましくは１５分間と２５分間との間の一定間隔で、特に好ましくは２０分間の一定間隔で動作させる。
【００１６】
バイオマスを供給シュートに供給するべくウェッジ仕切り部が設けられていることが分かっている。このため、バイオマスは、特に簡単でエネルギー効率の高い方法で、供給シュートに供給され得る。ウェッジ仕切り部はこのため、直線状に誘導されて移動可能なスライダープレートを、供給シュートに強固に接続されているフレームの溝に有することが好ましい。ウェッジ仕切り部およびフレームはこのため、ロック部の構成要素であることが好ましく、当該ロック部を介してバイオマスを供給シュートに供給する。スライダープレートとフレームとの接続は、１以上のボールベアリングを用いて、摩耗が特に少なくなるように、構成することが好ましい。他の種類のベアリングも利用が可能である。供給シュート内が酸性雰囲気であるので、ウェッジ仕切り部全体またはその一部は、耐酸性材料で構成されており、耐酸性スチールで構成されていることが好ましい。
【００１７】
酸素が無くてもバイオマスを供給シュートに供給することが可能である封止供給デバイスを設けることが有益である。これはまた、所望されない気体、特に酸素が供給シュートに入らないようにして、供給シュート内で化学反応を開始可能とするために特に重要である。この化学反応は、制御または管理された空気比率に応じて発生する。
【００１８】
供給シュートは、下部領域が円錐テーパー形状で具現化されること、特に、供給シュート断面と、燃焼ゾーン断面との比率が１．２から１０とすることが好ましい。当該比率は、１．４から３であることが好ましく、約１．９であることが特に好ましい。この計算において、供給シュート断面は、供給シュートの円筒形状の上部領域で測定され、燃焼ゾーン断面は、燃焼ゾーンで測定される。バイオマスは、下部領域において熱分解が行われている間に下部領域を通過すると体積が変化するので、発生している化学処理の最適条件と同様にバイオマスの流量を一定にするためには、供給シュートがバイオマスの体積変化に一致していることが有益である。円錐の軸と、円錐形状で具現化された下部領域のカバー表面との間のテーパー角は、２０度と６０度との間であることが好ましく、３０度と５０度との間であることが特に好ましく、特に約４０度である。この円錐領域に隣接する燃焼ゾーンは円筒形状で具現化されることが好ましいが、燃焼ゾーンに隣接する最下部領域は同様に、この最下部領域におけるバイオマスの体積変化に建設的に対処するべく、燃焼ゾーンと、狭窄部との間において円錐形状で具現化されることが好ましい。この最下部領域のテーパー角は、２０度と６０度との間であることが好ましく、３０度と５０度との間であることが特に好ましく、特に約４０度である。このテーパー角はさらに、下部領域のテーパー角に対応するとしてよい。
【００１９】
酸化空気供給部は中間領域および酸化空気リングを介して酸化空気ノズルに接続されていることが分かっている。当該ノズルは燃焼ゾーンに流れ込む。このため、酸化空気は、生成ガス領域に熱的に接続されていることが好ましい中間領域、および、燃焼ゾーンに熱的に接続されていることが好ましい酸化空気リングの両方において予熱することができる。このため、酸化空気の予熱を非常に簡単に行うことが可能になる。別の利点としてさらに、酸化空気が燃焼ゾーンの外周を介して燃焼ゾーンに均一に流入するので燃焼ゾーンで均一に分布させ得ることが挙げられる。
【００２０】
酸化空気ノズルの断面および空気圧に基づき、酸化空気ノズルにおける空気漏出レートには特に有益な影響がある。この空気漏出レートは燃焼ゾーンにおける化学反応に大きな影響を与える。このように、空気漏出レートが高くなると、燃焼ゾーンでの温度が高くなる。しかし、残り火ゾーンの空間拡張は小さくなる。バイオマスの組成および発熱量に応じて、最適な空気侵入断面は異なるとしてよい。酸化空気ノズルの全ての断面の合計が狭窄部断面の１％と１０％との間であることが具体的に分かっている。２％と８％との間であることが好ましく、特に約４％である。狭窄部断面は、供給シュートの断面のうち、バイオマスが供給シュートから灰ベッドに排出される箇所の断面である。
【００２１】
酸化空気ノズルは、燃焼ゾーンの外周において２つの酸化空気ノズル間に２ｃｍと３０ｃｍとの間の距離、好ましくは５ｃｍと２０ｃｍとの間の距離、特に約１０ｃｍから１２ｃｍの間の距離を設けて燃焼ゾーンの外周にわたって均一に分布していることが分かっている。複数の酸化空気ノズルはこのため、一の平面上に配置することが好ましい。しかし、複数の平面上に配置することも同様に可能である。燃焼ゾーンの外周に応じて、燃焼ゾーンにおける化学反応にとって特に有益である酸化ノズルの数および有益な気流速度が決まる。
【００２２】
好ましくは、少なくとも一の撹拌ロッドを備える回転ラックを灰ベッドに設けることが可能である。これによって、バイオマスの塊を分離させることができる。このため、回転ラックは、バイオマスは均一に燃焼させることができ、灰をその下方に配置されている灰容器に取り出すことを可能とする。回転ラックの駆動は、駆動連結部を介してリニアモータを用いて実行することが好ましい。他の種類の駆動も可能である。駆動連結部は、スタッフィングボックスを用いて気密に封止することが好ましく、スタッフィングボックスは、気密性を実現するべく耐熱性グラファイト封止部材を有する。少なくとも１つの撹拌ロッドは、特に有益な方法で回転ラック上のバイオマスの塊を分離させることができる。
【００２３】
灰ベッドの前後の圧力を測定可能なセンサが設けられていることが分かっている。測定により得られたデータを撹拌ロッドの制御および／または管理に利用するためである。塊が存在すると回転ラック前の圧力と回転ラック後の圧力との差異が大きくなるので、この構成によると、回転ラック上のバイオマスの塊を特に容易に検出することが可能である。このため、撹拌ロッドは、塊が追加されて問題が発生する場合に正確に起動させることができ、撹拌ロッドの摩耗を最小限に抑えることができる。
【００２４】
バイオマスから生成ガスを生成する場合、バイオマスから生成ガスを生成するデバイスにおいて反応装置が本発明に応じて具現化されることが有益である。当該デバイスは、バイオマスのための燃料貯蔵部と、バイオマスを気化させる反応装置と、バイオマスを燃料貯蔵部から反応装置へと輸送するための少なくとも一のコンベヤ部と、バイオマスから生成される生成ガスを浄化する少なくとも一のフィルタシステムとを備える。
【００２５】
このように、バイオマスは、燃料貯蔵部から反応装置へと全自動で輸送することができ、生成ガスは後にフィルタシステムで浄化することができる。特に、特に高効率の反応装置を利用するので、デバイス全体のシステム効率が先行技術に係るデバイスよりも良好になる。
【００２６】
少なくとも一のサイクロン分離器が反応装置の下流に設けられていることが好ましい。サイクロン分離器では、生成ガスから塵および飛散灰を取り除いて浄化するので、後に利用できるよう生成ガスの品質を高くする。３つのサイクロン分離機が並列に接続されているのが好ましい。１つのサイクロン分離器のみ、または、４つ以上のサイクロン分離器も同様に利用可能である。複数のサイクロン分離器は、並列または直列に気体が流れるように配置されるとしてよい。サイクロン分離器の灰受取容器は、少なくとも一のサイクロン分離器において分離され得る灰をサイクロン分離器の灰受取容器に自動的に誘導することが好ましいように配置される。サイクロン分離器の灰受取容器をサイクロン分離器の下方に配置する構成は、特に簡単に実現可能である。サイクロン分離器の機能原理は、公知であるが、遠心力を利用して塵および飛散灰をサイクロン分離器において外側に押し出す。
【００２７】
フィルタ媒体としてバイオマスを含む少なくとも一の微細フィルタを反応装置の下流に配置することが有益である。この微細フィルタは、サイクロン分離器から下流に配置することができる。これは、より小さい粒子およびタール残留物も除去できるためである。
【００２８】
生成ガスの誘導先として燃焼機関を設けること、そして、電気エネルギーを生成するための発電機に燃焼機関を結合することが有益である。燃焼機関に代えて、別の燃焼機械、例えば、ガスタービンを設けるとしてもよい。このように、バイオマスは、全自動で電気エネルギーに変換され得る。
【００２９】
バイオマスを予熱するべく燃焼機関の排ガスの熱をバイオマスに伝達させるための廃熱交換器を設けることが好ましい。この構成によると、燃焼機関の排ガスの熱を再利用することができるので、システム全体のシステム効率がさらに改善される。言うまでもなく、燃焼機関の排ガスの熱を別の箇所で、例えば、加熱を目的として利用することも可能である。
【００３０】
第２の目的は、冒頭で記載した種類の微細フィルタがフィルタ媒体としてバイオマスを含む発明によって実現される。このバイオマスは、Ｏ（Ｏにウムラウトが付いたアルファベット）ＮＯＲＭ  Ｍ７１３３  Ｇ５０またはＧ３０などの木材チップまたは木材削りくずを含むことが好ましいとしてよい。この実施形態の利点は、より長い使用期間の後で、フィルタ媒体を燃料貯蔵部に輸送してバイオマスと同様に反応装置で処理することが可能であるので、このフィルタ媒体は非常に簡単にリサイクルできる点である。このフィルタ媒体は、微細フィルタにおいて生成ガスによって下方から上方へと流すことが好ましい。生成ガスに含まれる汚染物質、特にタールは、バイオマスで集められる。バイオマスは、１以上のレベルで配置することができる。フィルタによる圧力損失を測定して、汚染されたバイオマスを燃料貯蔵部へと伝達するため、および、新しいバイオマスをフィルタに補充するための時間軸上の最適点を決定するセンサを設けるとしてもよい。これに代えて、時間ベースでバイオマスを充填し直すことも可能である。
【００３１】
言うまでもなく、木材チップおよび木材削りくずの代わりに、異なる種類の固体バイオマスを用いるとしてもよい。濾過効果はフィルタ媒体に応じて変わる。フィルタ媒体は、フィルタにおいて複数のレベルで多孔性穿孔基板、好ましくは、穿孔金属シートの上に配置されることが有益である。そして、フィルタ媒体は、下方から上方へと生成ガスによって連続して流すことが有益である。最下層は、約２０％が木材チップで、約８０％が木材削りくずであり、最上層は、約７０％が木材チップで、約３０％が木材削りくずである。その間に位置している複数の層では、木材チップの割合は、最下層よりも大きく、最上層に向かって増加する。木材チップおよび木材削りくずはトウヒ材であることが好ましい。
【００３２】
第３の目的は、本発明に係るフィルタを用いて、バイオマスから生成した生成ガスを浄化する点、特に、タールを分離する点で実現される。特にコスト効率が高く環境に優しい種類の生成ガス浄化方法が実現され得る。
【００３３】
第４の目的は、冒頭に記載した種類の方法において、供給シュートに付着するバイオマスを分離して、および／または、生成ガスから熱をバイオマスおよび酸化空気に放出する本発明によって実現される。
【００３４】
供給シュートに付着するバイオマスを、特に断続的に分離させることで、バイオマスによる供給シュートの汚染を回避することができる。このバイオマスは機能を大きく制限してしまう。これによって、メインテナンス時間は短縮可能であり、システム効率を高くすることができる。生成ガスからバイオマスおよび酸化空気へと熱を伝達することで、生成ガスの熱として反応装置から放出されるエネルギーの量を最小限に抑えることができる。
【００３５】
供給シュートに付着するバイオマスを分離するべく、５分未満、好ましくは１分間未満、特に好ましくは約５秒間の期間にわたって、所定間隔で、好ましくは１０分から３０分までの間隔で、特に１５分から２５分までの間隔で、好ましくは約２０分間隔で、振動デバイスを動作させることが好ましい。このように、振動処理によって、第一に付着する汚染物質を特に有益な方法で分離させることが可能であり、第二に材料の機械応力は最小レベルにとどまるので、反応装置の耐用年数を長くすることができる。
【００３６】
供給シュートの下部領域におけるバイオマスの流量は、供給シュートのこの領域を円錐形状にする実施形態で、略一定に維持されることが有益である。下部領域におけるバイオマスは化学反応によって体積が変わるので、供給シュートを円錐形状する実施形態は、流量を均一化し、化学反応の構成条件、例えば、圧力または温度に特に有益な影響を及ぼす。
【００３７】
また、供給シュートの最下部領域において、特に狭窄部領域において、バイオマスの５０％を超える割合、特に７０％を超える割合、好ましくは９０％を超える割合は、温度が摂氏１０００度と摂氏１６００度との間、特に、摂氏１２００度と摂氏１５００度との間、好ましくは摂氏１２２０度と摂氏１６００度との間であることが有益である。このため、長鎖炭化水素（タール）のクラッキングを確実に実行することができ、パイプラインおよび任意で下流に設けられ得る燃焼機関における長鎖炭化水素の蓄積は、回避できるか、または、少なくとも抑制することができる。
【００３８】
灰ベッドの上方で圧力損失が常に測定されること、および、所定限界値を超えると灰ベッドにおける撹拌デバイスを起動させるが分かっている。このため、灰ベッド上または回転ラック上のバイオマスの塊を検出して分離することができ、デバイスの機能を保護することができる。
【００３９】
酸化空気は、中間カバーから、燃焼ゾーンへと延びる空気ノズルへと、酸化空気リングを介して流れることが有益である。燃焼ゾーンにおいて、バイオマスの酸化を行う。このため、酸化空気は十分に予熱され、酸化ゾーンを通過後の生成ガスの温度を高くすることができる。酸化空気リングおよび酸化空気ノズルを通過して、空気は燃焼ゾーンに均一に分布した状態で入ることができ、温度を均一化する。
【００４０】
生成ガスを用いて燃焼機関を駆動すること、および、当該燃焼機関を用いて電気エネルギーを生成するための発電機を駆動することが有益である。このため、特に簡単な方法で一の処理で、バイオマスに含まれる化学エネルギーを全自動で電気エネルギーに変換することができる。
【００４１】
燃焼機関の排ガスの熱を用いてバイオマスを予熱する。このため、燃焼機関の廃熱を再度処理に供給するので、処理効率をさらに改善することができる。これに代えて、この廃熱はさらに、加熱または他の熱処理のために利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
以下に図示する実施形態例に基づき本発明のその他の特徴、利点および影響が明らかになる。参照する図面は以下の通りである。
【００４３】
【図１】本発明に係る、バイオマスを気化させる反応装置を示す概略図である。
【００４４】
【図２】バイオマスから生成ガスを生成するためのデバイスを示す概略図である。
【００４５】
【図３】フィルタ媒体としてバイオマスを含む微細フィルタを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図１は、バイオマス、特に木材を気化させる反応装置１を示す概略図である。ロック部６を介して、バイオマスを反応装置１または供給シュート７内に上端部にあるウェッジ仕切り部を用いて投入するとしてよい。供給シュートは、反応装置１内の酸素含有量を正確に制御できるように、耐熱性グラファイトのシーリング部を用いて気密封止されている。ウェッジ仕切り部は、位置センサを備えるものとして具現化されるので、自動処理の場合、スライダープレートの現在位置をいつでも決定することができる。スライダープレートの駆動は、電気モータによって実行される。反応装置１の側面に取り付けられているのは、供給シュート７に付着するバイオマスを分離する振動デバイス８である。このため、振動デバイス８から供給シュート７へと、１以上の成形した管状部材９を介して、振動が伝達され得る。最適な振動効果を実現するべく、成形した管状部材９の代わりに、他の構成要素、例えば、機械的強度がより低い構成要素、または、より強固な構成要素を利用して振動を伝達することもできる。実施形態例に係る図示した反応装置１において、付着するバイオマスを供給シュート７から分離するべく、振動デバイス８は２０分毎という一定間隔で約５秒間にわたって動作させる。振動期間同士の間の間隔を長くすること、および、振動期間を長くすることは同様に可能であり、これらの期間を短くすることも同様に可能である。センサを利用して振動デバイス８を制御することも可能であり、このセンサは付着するバイオマスの体積または重量を検出して、検出結果に応じて振動デバイス８を起動する。これに代えて、別の機械的な方法、例えば、固体、液体または気体の媒体を利用して直接的または間接的に衝撃を与える方法を利用して付着するバイオマスを分離することも可能である。
【００４７】
供給シュート７は、動作中、重力を利用して、上部領域１０の第１の端部から狭窄部１７へとバイオマスが内部で移動する第１のカバー２３によって形成される。移動中にバイオマス内で化学処理が発生する。化学処理およびそれによって発生する化学成分を考慮して、第１のカバー２３は、少なくとも下部領域１２において、オーステナイト系クロム−ニッケル−モリブデンスチールで形成される。これに代えて、他の耐熱性および耐酸性の材料も利用できる。第１のカバー２３は、上部領域１０および中央領域１１において円筒形状であるので、同心円状に配置した第２のカバー２４によって包囲されている。この第２のカバー２４はさらに、同心円状に配置した第３のカバー２５によって包囲されている。第３のカバー２５の外側に、断熱材料で構成された絶縁層２６が配置されており、この絶縁層は酸化空気から外囲環境への熱伝達を最小限に抑える。第１のカバー２３、第２のカバー２４および第３のカバー２５は、スチールで形成されることが好ましく、実質的に回転対称である。第２のカバー２４および第３のカバー２５は、全体が円筒形状で実質的に具現化されている。供給シュート７の下部領域１２および最下部領域１４において、第１のカバー２３は、一部分が円筒形状に具現化されている。円錐の軸と円錐の表面との間の角度は、約４０度である。円錐形状の実施形態は、円筒形状で具現化されている燃焼ゾーン１３で中断され、狭窄部１７で終端する。狭窄部１７では、動作中、バイオマスは供給シュート７から排出され灰ベッドに投入される。供給シュート断面に対する燃焼ゾーン断面の狭窄比率は、約１：１．９である。狭窄比率は、円筒形状の上部領域１０における供給シュート７の断面で計算する。この狭窄比率および角度は、バイオマスの組成に応じて決まり、用途に応じて、小さくするとしてもよいし、または、大きくするとしてもよい。このように、狭窄比率は、バイオマスの主要成分が軟木である場合には約１：１．８であり、バイオマスの主要成分が堅木である場合には約１：２である。しかし、利用しているバイオマスまたは木材の種類に応じて、これは大きくなるとしてもよいし、または、小さくなるとしてもよい。このように、用途に応じて１：４から１：１．１の狭窄比率が可能である。
【００４８】
供給シュート７の下部領域１２において、酸化空気リング１５が供給シュート７の周囲に配置されている。酸化空気リング１５は、熱膨張を補償する膨張結合部を介して中間領域に接続されている。酸化空気リング１５から、複数の酸化空気ノズル１６が一の平面上で燃焼ゾーン１３内に突出している。実施形態例によると、酸化空気ノズル１６の数は、燃焼ゾーン１３の外周にわたって円周方向において酸化空気ノズル１６の中心点同士の間の距離が約１０ｃｍから１２ｃｍとなるように、選択される。酸化空気ノズル１６の断面は、全ての断面の合計が狭窄部断面の約４％に対応するように選択される。しかし、他の断面比の場合であっても、少なくとも限定的に、機能し得る。例えば、１％から２０％の断面比であってもよいし、または、酸化空気ノズル１６同士の間の距離が、例えば、１ｃｍから３０ｃｍであってもよい。狭窄部断面は、供給シュート７の最小断面であり、ここを通ってバイオマスは供給シュート７から排出されて灰ベッドに投入される。
【００４９】
狭窄部１７の下方には、バイオマスが反応装置１を通過した後に投下される先である灰ベッドが配置されている。灰ベッドはこのため、回転ラック１８を有する。回転ラック１８は、駆動結合部を介してモータ、好ましくはリニアモータ２０に接続され、当該モータによって駆動され得る。回転ラック１８から反応装置１の外部に配置されているモータへとつながる駆動結合部は、耐熱性グラファイトの封止部材で封止されているスタッフィングボックスを利用して、気密に実現する。
【００５０】
回転ラック１８上には、回転ラック１８に付着するバイオマスを分離するための撹拌ロッド１９が配置されている。付着するバイオマスは、回転ラック１８の下方に配置されている灰容器２１へと灰を取り除く処理の妨げになり、回転ラック１８において圧力損失が大きくなることにより生成ガスの円滑な流出が制限される。圧力差の測定結果を利用することで、撹拌ロッド１９を起動してバイオマスを回転ラック１８から分離する最適タイミングを決定する。反応装置１の機能はこのように、常にモニタリングされている。
【００５１】
動作中、生成ガスは、第１のカバー２３と第２のカバー２４との間の空間において、狭窄部１７から上向きに流れて反応装置１から外部へと流出する。第２のカバー２４と第３のカバー２５との間の空間には、酸化空気供給部４３から酸化空気リング１５へと酸化空気が流れる。供給シュート７には、ウェッジ仕切り部によって供給シュート７内に投入され供給シュートを上から下へと通過するバイオマスが配置されている。生成ガスはこのため、第１のカバー２３を介して供給シュート７内に配置されているバイオマスへと熱を放出し、第２のカバー２４を介して酸化空気へと熱を放出する。供給シュート７に付着するバイオマスは分離される。振動デバイス８が、２０分間経過すると５秒間にわたって起動させられる。バイオマスは、生成ガスの熱を利用して、供給シュート７の上部領域１０において、乾燥させて、予熱する。中央領域１１において、他のものと共に、エタン酸等の有機酸、メチルアルコールおよびタールが熱分解反応によって生成される熱分解が開始される。また、この中央領域１１においては、バイオマスに含まれている可能性があるヘミセルロースが摂氏２００度から摂氏３００度の温度で分解される。さらに加熱すると、バイオマスに含まれるセルロースは摂氏３２５度と摂氏３７５度との間でクラッキングされ、二酸化炭素、メタンおよび有機酸、特にエタン酸が生成される。摂氏３７５度を超えてさらに昇温させると、リグニンがより小さい化学化合物に分解される。さらに、この中央領域１１において炭化水素およびタールが生成される。供給シュート７の下部領域１２において、バイオマスの酸化が開始される。バイオマスの固体体積が減少するので供給シュート７を円錐形状とする実施形態によりこの領域において一定の流量および高圧が実現されるが、酸化プロセスを最適化するために必要な条件である。燃焼ゾーン１３において、酸化空気を酸化空気ノズル１６を介してバイオマスに供給し、準化学量論的な炭素および水素が燃焼して、エネルギー出力を生成する。
このため、温度は約摂氏６５０度から摂氏８５０度であり、二酸化炭素、水およびメタンが生成される。温度範囲は、供給される酸化空気の量および酸化空気の投入速度に基づいて、特に有益な方法で制御され得る。燃焼ゾーン１３の下方では、供給シュート７の最下部領域１４において化学還元が発生する。ここで、炭素の気化によって、他のものと共に可燃性ガスの発生が可能となる。最下部領域１４において、酸化時に発生する中間生成物、例えば、二酸化炭素および水は、高温箇所で還元される。こうして、一酸化炭素、水素および高級炭化水素が生成される。反応装置１の最下部領域１４の特定の実施形態によると、特に、狭窄部１７の領域において、理想的な温度である摂氏１２２０度から摂氏１４７０度が実現される。この温度はバイオマスの灰融点に近い。また、摂氏１０００度から摂氏１６００度の温度範囲では限られた機能が可能である。供給シュート７の最下部領域１４を円錐形状にする実施形態によると、特に狭窄部１７の領域において、バイオマスの体積の大部分にわたって、一定温度を実現できる。この温度によれば、長鎖炭化水素（タール）のクラッキングが確実になり、特にパイプライン中のタールの蓄積が最小限に抑えられる。バイオマスの灰融点に近い温度にすることで、動作中に発生した回転ラック１８に付着するバイオマスは撹拌ロッド１９によって分離される。撹拌期間の長さ、または、撹拌期間同士の間の停止期間の長さを正しく選択することは還元ゾーンにおける化学反応の結果を最適化することに関連するので、付着するバイオマスを分離させるために必要な程度まで正確に撹拌ロッド１９を動作させる。このため、回転ラック１８の前後で圧力差を測定して、測定値を用いて撹拌ロッド１９を制御する。回転ラック１８の動きによって特に有益な方法で灰を灰容器２１に取り出し、灰容器２１から、灰コンベヤ２２を利用して灰を灰貯蔵容器４２へと自動的に輸送する。この過程での生成ガスのガス発生量は、供給されるバイオマス１キログラムに付き、最大で２スタンダード立方メートルとなる。
【００５２】
図２は、反応装置１が組み込まれている、バイオマスから生成ガスを生成するデバイス２を示す。バイオマスは、バイオマス乾燥部５を介してコンベヤ部４を用いて燃料貯蔵部３から反応装置１へと輸送されるとしてよい。反応装置１の排気口はサイクロン分離器２７に接続されている。サイクロン分離器２７では、生成ガスから塵および飛散灰を取り除いて浄化する。３個のサイクロン分離器２７が並列に設けられており、均一且つ並列に気体を流すことができる。サイクロン分離器２７では、生成ガスは非常に高速度で円形経路を描くように誘導されるので、遠心力によって、塵および灰を径方向外向きに押し出し、そこから塵および灰はサイクロン分離器の灰受取容器２８へと下方に取り出される。
【００５３】
サイクロン分離器２７の下流には、木材チップおよび木材削りくずを用いて生成ガスを浄化する微細フィルタ２９が設けられている。この微細フィルタ２９でフィルタ材料として木材チップを利用する特に有利な点は、木材チップは、汚染物質でいっぱいになれば、燃料貯蔵空間に供給して直接リサイクルできる点である。このように、いかなるフィルタ廃棄物も発生しない。微細フィルタ２９は、動作時には下方から上方へと生成ガスが当該微細フィルタを流れるように具現化されることが好ましい。ゴミおよびタールは木材チップで収集される。当該フィルタを空にする最適なタイミングを決定するために用いる圧力センサを設けるとしてよい。これに代えて、単純に時間ベースでフィルタを空にすることも可能である。
【００５４】
微細フィルタ２９の排気口は、４気筒ガソリンエンジン、または、一般的には、発電機３１を駆動してガスのエネルギーを電気エネルギーに変換し得る燃焼機関３０に接続されている。これに代えて、生成ガスの化学エネルギーを機械エネルギーに変換し、後に電気エネルギーに変換し得るガスタービンまたは他の機械を利用することも可能である。ガスエンジンの下流には、ガスエンジンの廃熱をバイオマスの予熱および加熱目的に利用するための廃熱交換器３２が設けられている。図２では、さらにバイオマス予熱ライン３３が認められる。バイオマス予熱ライン３３からは、生成ガスの残存熱の少なくとも一部をバイオマス乾燥部５においてバイオマスの予熱に利用可能である。蓄熱器３４はさらに、廃熱の中間貯蔵部として設けられている。
【００５５】
バイオマスから得られた生成ガスを浄化し、さらに処理して電気エネルギーを生成する方法は、デバイス２を利用して実行され、燃料貯蔵部３から供給されるバイオマスを、コンベヤ部４を利用してロック部６を介して供給シュート７に供給する。上述したように反応装置１において、バイオマスは後に気化されて生成ガスを形成する。生成ガスは、反応装置１から排出された後、サイクロン分離器２７および微細フィルタ２９で浄化される。その後、燃焼機関３０に誘導される。燃焼機関３０において、生成ガスの化学エネルギーを機械エネルギーに変換し、機械エネルギーを後に発電機３１において電気エネルギーに変換する。ガスエンジンは、生成ガスの燃焼中、空気割合ラムダが１．１５になるように制御される。このため、排ガスにおいて特に有益な汚染物質レベルが実現される。燃焼機関３０の廃熱は、廃熱交換器３２によって熱伝達媒体に放出され、一部分は加熱用に仮に蓄熱器３４に保存され、一部分は反応装置１に投入される前にバイオマス予熱ライン３３を介してバイオマス乾燥部５においてバイオマスを乾燥させるために用いられる。この方法によると、供給シュート７が定期的に振動により浄化されて付着するバイオマスが除去され、供給シュート７は撹拌ロッド１９で定期的に撹拌することで塊を除くように浄化されるので、そして、微細フィルタ２９において汚染が蓄積した木材チップは燃料貯蔵部３に戻すことによって特に有益な方法でリサイクル可能であるので、高いメインテナンスおよび処理のコストが回避される。
【００５６】
図３は、バイオマスをフィルタ材料として利用する微細フィルタ２９を示す図である。生成ガスは、生成ガス流入口３５を介して下側端部を介して微細フィルタ２９に投入されるとしてよい。フィルタ媒体は、４個の層３８、３９、４０、４１の上の穿孔基板３７に分散して設けられている。生成ガスはこれらの基板を通過して流れる。穿孔基板３７は、複数の孔が形成されている金属シートとして具現化されていることが好ましい。しかし、耐熱性の性質を持つものとして具現化されることが好ましい異なる種類の多孔性基板も選択し得る。言うまでもなく、これに代えて、一の層のみを利用すること、または、５個以上の層を利用することも可能である。動作中、生成ガスは下方から上方へと各レベルを連続して通ることで微細フィルタ２９を通過した後、微細フィルタ２９から排出される際には生成ガス排気口３６において浄化された状態となる。それぞれの層を通過している間、生成ガスに含まれる粒子、特にタール、塵および汚染物質は、大部分がフィルタ材料に蓄積される。層３８のフィルタ媒体は、２０%の木材チップおよび８０％の木材削りくずで構成されており、層３９のフィルタ媒体は、３０%の木材チップおよび７０％の木材削りくずで構成されており、層４０のフィルタ媒体は、５０%の木材チップおよび５０％の木材削りくずで構成されており、層４１のフィルタ媒体は、７０%の木材チップおよび３０％の木材削りくずで構成されている。木材チップおよび木材削りくずは、トウヒ材で形成することが好ましいが、他の種類のバイオマスを利用することも想到し得るものであり、フィルタ性能は利用するバイオマスに応じて決まる。フィルタ媒体としてバイオマスを利用する際の特に有益な点としては、微細フィルタ２９に汚染物質が溜まった後は、バイオマスを燃料貯蔵部３に供給するので、非常に簡単な方法でリサイクル可能である点が挙げられる。汚染のためにフィルタ媒体を交換する最適タイミングは、圧力差の測定に基づいて決まるとしてよく、微細フィルタ２９を介した圧力損失を測定する。これに代えて、単純に時間ベースでフィルタ媒体を交換することも可能である。フィルタ媒体が時間ベースで交換される場合、約１００時間の動作時間が経過した後で交換することが推奨される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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