(57)【要約】【課題】形状形態を選ばず、含水率90％程度までのあらゆる種類のバイオマスを燃料として高温・高圧の燃焼ガスを連続的に生成し、発電用のガスタービンを直接駆動するか、熱交換により超臨界水を発生させ、発電用スチームタービンの駆動に供することが可能で、装置構成を簡素化し、廃熱の回収、有効利用ができ、分散型パワープラント用としての経済性を実現すること。【解決手段】超臨界水酸化反応を応用し、バイオマス等の高含水率の有機物を燃料とし、超臨界水を主成分とする高温・高圧燃焼流体を発生させる燃焼ボイラー装置は、「密閉・昇圧」、「定圧・昇温」、「燃焼・昇温」、「定常燃焼」、「排出・充填」等の操作要素に分けてそれぞれの反応器を操作することで、安定した熱出力を連続して発生し、かつ、高温、高圧系へのバイオマス等の固体燃料の連続供給を不要にし、供給容易な温度、圧力で回分供給を可能にする。【選択図】図２
2008292018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界水酸化反応(SCWO)を応用し、少なくともバイオマスを包含しており且つ高含水率の有機物を燃料とし、超臨界水を主成分とする高温・高圧燃焼流体を発生させるものであることを特徴とする燃焼ボイラー装置。
【請求項２】
少なくとも２以上のSCWO反応器と、当該SCWO反応器から流出され且つ当該有機物のSCWOにより発生された超臨界水を主成分とする高温・高圧燃焼流体を受容する燃焼室を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼ボイラー装置。
【請求項３】
燃焼ボイラー装置の操作を、少なくとも「密閉・昇圧」、「定圧・昇温」、「燃焼・昇温」又は「定圧・燃焼・昇温」、「定常燃焼」、及び「排出・充填」の操作要素に分け、該各操作を実施可能にする配管及びバルブ系を備えている、安定した熱出力を連続して発生し、かつ、高温、高圧系へのバイオマス等の固体燃料の連続供給を不要にし、供給容易な温度、圧力で回分供給を可能にするものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼ボイラー装置。
【請求項４】
SCWO反応器から流出する全ての流体を合流させ、その流出流体に含まれる未燃焼有機物（主として熱水に溶解する有機物）を一括して完全燃焼させる燃焼室を該反応器後段に設け、高温・高圧流体を連続的に発生させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
【請求項５】
SCWO反応器の後段の燃焼室の下流に熱交換器が設けられており、該熱交換器を介して高温・高圧スチームを発生させることができるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
【請求項６】
SCWO反応器の後段の燃焼室として第１燃焼室及び第２燃焼室を備え、SCWO反応器が「燃焼・昇温」と「定常燃焼」操作の場合、該「燃焼・昇温」操作状態のSCWO反応器及び「定常燃焼」操作状態のSCWO反応器からの未燃焼物含有排出流体を第１燃焼室に導入せしめる配管ラインを有し、当該未燃焼物含有排出流体を受容している時に第１燃焼室は未燃焼物を燃焼可能であり且つ発生した高温・高圧流体の一部を、「密閉・昇圧」操作状態のSCWO反応器及び「定圧・昇温」操作状態のSCWO反応器に送出する配管ラインを有し、一方、該第１燃焼室で発生した高温・高圧流体の残部を第２燃焼室に導入せしめる配管ラインを有し、該第２燃焼室は、上記高温・高圧流体の残部と「定圧・昇圧」操作状態のSCWO反応器より排出される自燃温度より低温の排出流体とを該第２燃焼室入り口で混合し、自燃温度以上に昇温せしめて、未燃焼の燃料を完全燃焼させて高温高圧流体として熱出力を得るものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
【請求項７】
燃焼ボイラー装置のスタートアップ用ヒータを備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
【請求項８】
SCWO反応器の定常燃焼を終了後、当該SCWO反応器内に残存する高温・高圧流体に水を圧入し、降圧する配管ラインを有し、且つ、該降圧された高温水を利用して熱エネルギーを回収する装置を備え、必要に応じて、当該SCWO反応器内に残存する二酸化炭素等の燃焼ガスを回収する装置を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
【請求項９】
熱伝導率の小さなセラミックス等で反応器内面に断熱層を施したSCWO反応器。
【請求項１０】
超臨界水酸化反応(SCWO)を応用し、少なくともバイオマスを包含しており且つ高含水率の
有機物を燃料とし、超臨界水を主成分とする高温・高圧燃焼流体を発生させ、該SCWOより得られる流体に含まれる未燃焼有機物を完全燃焼させて、高温・高圧流体を発生させることを特徴とする該有機物からの熱の発生取得法。
【請求項１１】
SCWO反応器及びその下流に位置する燃焼室を備える有機物燃焼ボイラー装置を操作し、該SCWO反応器を
(1) SCWO反応器に超臨界水を密閉状態で圧入し、原料の充填されているSCWO反応器を燃焼圧力まで昇圧する（「密閉・昇圧」）、
(2) SCWO反応器に超臨界水を流通せしめると共に、SCWO反応器内温度を定圧下に、充填された原料の自燃温度にまで上昇せしめ、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水を燃焼室へ流出せしめる（「定圧・昇温」）、
(3) SCWO反応器に酸素を供給せしめると共に、SCWO反応器内の充填された原料を定圧下に燃焼せしめ、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を燃焼室へ流出せしめる（「定圧・燃焼・昇温」）又はSCWO反応器に酸素を供給せしめると共に、SCWO反応器内の充填された原料を燃焼せしめ、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を特定の燃焼室へ流出せしめる（「燃焼・昇温」）、
(4) SCWO反応器での充填された原料の燃焼が維持されるように、その燃焼温度を維持するよう、冷却水がSCWO反応器に供給され、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を燃焼室へ流出せしめる（「定常燃焼」）、
(5) SCWO反応器へ冷却水を圧入して、降温降圧せしめ、所定の温度にした後、冷却水の供給を停止して、温水と二酸化炭素を排出・回収せしめ、次に、原料充填圧にした後、有機物原料を供給し、SCWO反応器に充填する（「排出・充填」）
の各操作要素に付して、安定した熱出力を連続して発生し、かつ、高温、高圧系へのバイオマスを包含する固体燃料の連続供給を不要にし、供給容易な温度、圧力で回分供給を可能にすることを特徴とする請求項１０に記載の有機物からの熱の発生取得法。
【請求項１２】
複数のSCWO反応器を備える有機物燃焼ボイラー装置を操作し、該SCWO反応器から流出する全ての流体を合流させ、その流出流体に含まれる未燃焼有機物（主として熱水に溶解する有機物）を一括して完全燃焼させる燃焼室を反応器後段に設け、高温・高圧流体を連続的に発生させることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の有機物からの熱の発生取得法。
【請求項１３】
SCWO反応器の後段の燃焼室の下流の熱交換器により、高温・高圧スチームを発生させることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一に記載の有機物からの熱の発生取得法。
【請求項１４】
SCWO反応器の後段の燃焼室として第１燃焼室及び第２燃焼室を備える有機物燃焼ボイラー装置を操作し、「燃焼・昇温」操作状態のSCWO反応器及び「定常燃焼」操作状態のSCWO反応器からの未燃焼物含有排出流体を第１燃焼室に導入せしめて、第１燃焼室で必要に応じて未燃焼物を燃焼させ、発生した高温・高圧流体の一部を「密閉・昇圧」操作状態のSCWO反応器及び「定圧・昇温」操作状態のSCWO反応器に送出し、一方、該第１燃焼室で発生した高温・高圧流体の残部を第２燃焼室に導入せしめ、この流れと「定圧・昇圧」操作状態のSCWO反応器で排出される自燃温度より低温の排出流体とを第２燃焼室入り口で混合し、自燃温度以上に昇温せしめ、第２燃焼室で未燃焼の燃料を完全燃焼させ、高温高圧流体として熱出力を得ることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一に記載の有機物からの熱の発生取得法。
【請求項１５】
有機物燃焼ボイラー装置のスタートアップの場合に、第１の「密閉・昇圧」操作状態のSCWO反応器をヒータでもって加熱して所定圧力にまで昇圧することを特徴とする請求項１０
〜１４のいずれか一に記載の有機物からの熱の発生取得法。
【請求項１６】
SCWO反応器の「定常燃焼」操作状態を終了せしめた後、当該SCWO反応器内に残存する高温・高圧流体に水を圧入し、降圧せしめ、得られた降圧された高温水を利用して熱エネルギーを回収し、必要に応じて、当該SCWO反応器内に残存する二酸化炭素等の燃焼ガスを回収することを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか一に記載の有機物からの熱の発生取得法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、85％程度の高含水率のバイオマスも含めて、その種類や形態を選ばず、殆どの未利用バイオマスを燃焼させ、高温高圧の超臨界水と二酸化炭素を直接発生させる高温高圧バイオマスボイラーに関するもので、バイオマスの発生箇所で、発生量に応じて対応できる分散型パワープラントへの利用を目指したものである。
【背景技術】
【０００２】
人類は、その誕生以来産業革命までの数百万年の永い間、暖房や灯り、煮炊き等の日常生活に必要な熱エネルギー源として、周囲に生育するバイオマスを利用してきた。しかし、バイオマスは一般に高含水率のため、燃料として使用する場合、含水率の低い、あるいは比較的乾燥が容易で、輸送し易い木材、あるいは加工された木炭が使用されてきた。また、農山村では農耕牧畜で排出される乾燥藁や里山の枯れ木、落ち葉等も使用されてきた。これらを燃焼させるための装置は竈やストーブ等極めて小規模のものであるが、空気の取り入や煙道等に対して、燃焼効率や熱効率を上げるため様々な工夫がなされてきた。
これに対し、産業革命以降は蒸気機関の発明を起点として、動力源としてのエネルギーの利用が急速に拡大した。これを支えたのが、地球に埋蔵されている石炭、石油、や天然ガス等の有限の化石資源で、熱源を含めてバイオマスの燃料としての地位は殆ど失われている。化石資源の大量供給により、巨大火力発電所を拠点とした電力、ガスや灯油等、各家庭でも、従来とは比較にならないエネルギーの使用が可能になり、社会的には、飛行機、鉄道、自動車等の運輸、交通手段が発達し、様々な産業機械が発明され、物資の大量生産、大規模な土地開発、膨大な食糧増産等々、人類史上嘗て無い物質的豊かさと急激な人口増加を実現した。
しかし、このような有限な化石資源の膨大な消費はその枯渇を招くのみではなく、大気への大量の二酸化炭素の放出による地球温暖化の要因になっており、化石資源への依存度を可及的に速やかに減少しなければならない状況に直面しつつある。こうした問題の解決のためには、太古から行われてきたバイオマスの燃料としての利用が最も効果的で、直接的である。
【０００３】
しかしながら、従来使用されてきた木材の燃焼はその集積と量の問題から極めて限定された利用となる。例えば、製材所における木屑、廃材の燃焼熱による発電等が考えられ、一部実用化もなされているが、その立地はかなり限定されたものである。一方、耕作地を転用し、とうもろこし、芋、砂糖等の糖類からの醗酵エタノールや植物油脂等を内燃機関の液体燃料とする試みがなされている。これらの液体燃料の製造は従来技術の応用であり、技術的な課題は少ないが、これらバイオ燃料は食糧との競合という大きな問題が存在し、現在の収穫量も越える大量の消費が予想されることから、食糧価格の高騰のみで収まらず、食糧輸入国においては、将来的には絶対的な食料不足も懸念される。
これに対して、セルロースやリグニン等の未利用バイオマスをガス化し、水素や一酸化炭素を製造し、水素エネルギーやFT反応による合成ガソリンとしての利用が考えられている。前者は燃料電池との組合せによる将来エネルギーとして重要な技術として捉えられる。また、後者においては前段のガス化技術は開発途上であるが、後段のFT反応は石炭を原料として実用化された大量生産技術である。しかし、広く薄く分散し、しかも多様な形態と多様な成分で構成されるバイオマスを化石資源と同様な大量生産、大量供給システムで取り扱うことは必ずしも適切ではない。一方、植物による年間の炭素循環量は900億炭素
トンとも言われており、量的にはバイオマス資源は膨大であり、その循環量の10％程度で、現在、消費されている化石資源を代替できることになる。
【０００４】
バイオマスを燃料として使用することは太古から行われてきたことであるが、その使用
は煮炊きや暖房の域を超えていない。現在、エネルギー資源の最大の消費源として火力発電所が挙げられる。ここでは、石油や石炭を燃料とし、一系列100万kWの発電も可能な超
大型ボイラーが稼動している。発電効率を40％とすれば、このボイラーで必要な燃焼熱は250万ｋWとなり、発熱量が45000ｋJ/kgの化石資源を1時間当たり200トン燃焼させること
になる。これをバイオマスに置き換えると発熱量は化石資源の約１/3とすれば、600トン/ｈrのバイオマスが必要となる。この量を生産するのに必要な土地面積を概算してみる。
今光合成効率を2％とし、地表が受ける太陽光エネルギー250W/m2とすれば、バイオマスエネルギーの固定量は50kw/haで、セルロース生成量で換算すれば0.00286kg-セルロース/ｓ/ha＝10.3kg/hr/haのバイオマス生産が見積られる。生育する全てのバイオマスがボイラ
ー燃料に使用されるとすれば、100万ｋWの発電に必要なバイオマスの収穫に要する面積は愛媛県の耕地面積に相当する約60,000ha(600km2)に達する。このような概略計算が示すように、現在の大規模発電の代替燃料としてバイオマスを位置づけることはその集荷を考えただけでも非現実的であることがわかる。しかも、従来のボイラー装置で安定的に燃焼させるためには含水率の低い乾燥木材等のバイオマスに限定されるため、実際にはさらに膨大な土地が必要とされる。
【０００５】
しかし、百ヘクタールの農耕地等でのバイオマスエネルギー生産量は5000kWにもなり、その1割が発電や熱エネルギーに分散的に使用可能とすれば、農耕作に必要なエネルギー
を充分に供給でき、バイオマスは将来重要なエネルギー資源の一つであることは疑う余地も無い。現状でも、火力発電所における二酸化炭素削減対策は喫緊の課題であり、既存の火力発電所における高々数％のバイオマス混焼も重要な施策として挙げられている。また、廃材や木屑等が集中して発生する場所では、既存技術の延長線上で、バイオマスをボイラー燃料とするパワープラントの立地が可能になりつつある。
規模の大きさによらずプラントの構成が殆ど変わらないとすれば、生産単価は規模が大きくなればなるほど減少し、巨大発電所が有利になる。従って、産地が限定され、有限な化石資源から、周囲で生育し、再生可能なバイオマスへの変換は小規模分散型のパワープラントの経済性を高めなければならず、装置そのものの抜本的な変革による簡素化がきわめて重要である。幸い、パワープラントの規模の縮小は装置コストに起因するデメリットのみではなく、発電に際しての約60％にも達する廃熱の総合的利用や売電を目的とせず自家消費を主体とする規模では、送電損失や送電コストが無視できる。現時点でも、石油価格の高騰や温暖化対策の必要性を考慮すれば、既存技術でのバイオマス発電でも、立地によっては、既存の電力網からの買電と比較しても必ずしも経済性においても劣るとは限らなくなりつつある。
【０００６】
従来の燃焼技術では、前述したように含水率や原料形態の制約から極めて限定された種類のバイオマスのみを対象とせざるを得ない。セルロースをバイオマス成分として、種々の含水率下で、純酸素中、理論酸素量で完全燃焼させたときの断熱火炎温度を求めると、図１のようになる。酸素存在下での自然発火温度を350℃とすれば、大気圧(0.1014MPa)下では、含水率が0.833以下でないと断熱火炎温度は自然発火温度には到達しない。勿論、500〜700℃程度の比較的低温で安定的に燃焼させる既存の大気圧ボイラーは未だ存在しな
い。しかも、燃焼を安定的に持続させるためには、断熱火炎温度は定常燃焼温度以上が望ましく、燃焼温度を1000℃とすれば、このときのバイオマスの含水率は0.74程度となり、特別な燃焼装置の開発なくしては、殆どのバイオマスを生のまま安定的に燃やすことが難しいことがわかる。
【０００７】
これに対し、燃焼圧力を増加させると、図１に示したように断熱火炎温度は上昇し、20MPa以上では含水率が0.9程度でも自然発火温度(350℃)以上になることが分かる。しかも
、このような高圧下での燃焼は超臨界水酸化反応(SCWO)として、自然発火温度を超えれば、種々の有機物の安定的な酸化（燃焼）が可能であることは公知であり、PCBやダイオキ
シン等の有害有機物の無害化処理として数多くの論文や特許が提案され、また一部実用化
されている。また、下水汚泥等の分解処理に、250℃程度の熱水環境下で酸化触媒を使用
した湿式酸化法も提案され、その有効性も確証されている。また、多くの文献や特許において、その酸化熱の回収についても言及されている。例えば、米国特許第5,667,698号明
細書（特許文献１）、同第7,186,345号明細書（特許文献２）、それらの文献で引用され
ている文献が挙げられる。
しかしながら、その主目的はあくまでも有害廃棄物処理であり、熱回収は他の処理法に対して競争力を増すための処理コスト低減効果の手段として期待されているのみである。すなわち、現時点では超臨界水酸化反応(SCWO: supercritical water oxidation)をボイ
ラー専用装置への燃焼法として具体的に検討された例は見当たらない。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第5,667,698号明細書
【特許文献２】米国特許第7,186,345号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、山林、原野、ゴルフ場、果樹園や田畑等の農耕地、淡水や海水域で発生する全てのバイオマス(１次産品に直接関わる穀物の茎、剪定枝等の未利用バイオマスのみな
らず、下草、落葉、雑草や、さらには休作期間中の栽培による光合成効率の高い植物等)
、あるいは飲料、食品加工工場等での搾りかすや抽出残渣等のバイオマス廃棄物、生ごみ(プラスチック等有機物製品を含有も可)等の可燃系都市ごみ等を燃料とするバイオマスボイラープラントに関するものである。
本発明が解決すべき主要技術課題は、
１）形状、形態を選ばず、含水率90％程度までのあらゆる種類のバイオマスを燃料として使用できること、
2）高温・高圧の燃焼ガスを連続的に生成し、発電用のガスタービンを直接駆動する
か、熱交換により超臨界水を発生させ、発電用スチームタービンの駆動に供することを可能にすること、
3）装置構成の簡素化と廃熱の回収、有効利用も考慮し、分散型パワープラント用と
しての経済性を実現すること、
である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
種々の有機物は超臨界水酸化反応（SCWO）により安定的に燃焼させうることは公知のことである。その燃焼条件は400〜650℃、20〜30MPaの超臨界水中で空気あるいは酸素を酸
化剤とすることが一般的である。また、大概の有機物は酸素存在下で300℃を超えると有
意の速度で酸化反応が自発的に進行する。
本発明は超臨界水酸化反応の条件をバイオマスの燃焼に適用し、バイオマス自ら含む水と必要に応じて水を添加して、350〜650℃、20〜30MPaの超臨界水場をバイオマス等の有
機物の燃焼熱で安定的に生成させ、超臨界水を主成分とすると高温高圧の排燃焼流体に連続的に生成する有機物燃焼ボイラー、例えば、バイオマス燃焼ボイラー（燃焼装置）並びに燃焼技術に関するものである。該燃焼ボイラーには複数のSCWO反応器とその後段に配置された燃焼室を有しており、当該複数のSCWO反応器を順次サイクル操作することにより、大気圧下でのバイオマス燃料の回分供給を可能にし、かつ、連続的な出力を安定に得ることができる。
【００１１】
本発明は、次のものを提供している。
〔１〕超臨界水酸化反応(SCWO)を応用し、少なくともバイオマスを包含しており且つ高含水率の有機物を燃料とし、超臨界水を主成分とする高温・高圧燃焼流体を発生させるものであることを特徴とする燃焼ボイラー装置。
〔２〕少なくとも２以上のSCWO反応器と、当該SCWO反応器から流出され且つ当該有機
物のSCWOにより発生された超臨界水を主成分とする高温・高圧燃焼流体を受容する燃焼室を備えていることを特徴とする上記〔１〕に記載の燃焼ボイラー装置。
〔３〕燃焼ボイラー装置の操作を、少なくとも「密閉・昇圧」、「定圧・昇温」、「燃焼・昇温」又は「定圧・燃焼・昇温」、「定常燃焼」、及び「排出・充填」の操作要素に分け、該各操作を実施可能にする配管及びバルブ系を備えている、安定した熱出力を連続して発生し、かつ、高温、高圧系へのバイオマス等の固体燃料の連続供給を不要にし、供給容易な温度、圧力で回分供給を可能にするものであることを特徴とする上記〔１〕又は〔２〕に記載の燃焼ボイラー装置。
〔４〕SCWO反応器から流出する全ての流体を合流させ、その流出流体に含まれる未燃焼有機物（主として熱水に溶解する有機物）を一括して完全燃焼させる燃焼室を該反応器後段に設け、高温・高圧流体を連続的に発生させるものであることを特徴とする上記〔１〕〜〔３〕のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
〔５〕SCWO反応器の後段の燃焼室の下流に熱交換器が設けられており、該熱交換器を介して高温・高圧スチームを発生させることができるものであることを特徴とする上記〔１〕〜〔４〕のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
〔６〕SCWO反応器の後段の燃焼室として第１燃焼室及び第２燃焼室を備え、SCWO反応器が「燃焼・昇温」と「定常燃焼」操作の場合、該「燃焼・昇温」操作状態のSCWO反応器及び「定常燃焼」操作状態のSCWO反応器からの未燃焼物含有排出流体を第１燃焼室に導入せしめる配管ラインを有し、当該未燃焼物含有排出流体を受容している時に第１燃焼室は未燃焼物を燃焼可能であり且つ発生した高温・高圧流体の一部を、「密閉・昇圧」操作状態のSCWO反応器及び「定圧・昇温」操作状態のSCWO反応器に送出する配管ラインを有し、一方、該第１燃焼室で発生した高温・高圧流体の残部を第２燃焼室に導入せしめる配管ラインを有し、該第２燃焼室は、上記高温・高圧流体の残部と「定圧・昇圧」操作状態のSCWO反応器より排出される自燃温度より低温の排出流体とを該第２燃焼室入り口で混合し、自燃温度以上に昇温せしめて、未燃焼の燃料を完全燃焼させて高温高圧流体として熱出力を得るものであることを特徴とする上記〔１〕〜〔５〕のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
〔７〕燃焼ボイラー装置のスタートアップ用ヒータを備えていることを特徴とする上記〔１〕〜〔６〕のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
〔８〕SCWO反応器の定常燃焼を終了後、当該SCWO反応器内に残存する高温・高圧流体に水を圧入し、降圧する配管ラインを有し、且つ、該降圧された高温水を利用して熱エネルギーを回収する装置を備え、必要に応じて、当該SCWO反応器内に残存する二酸化炭素等の燃焼ガスを回収する装置を備えることを特徴とする上記〔１〕〜〔７〕のいずれか一に記載の燃焼ボイラー装置。
〔９〕熱伝導率の小さなセラミックス等で反応器内面に断熱層を施したSCWO反応器。
【００１２】
〔10〕超臨界水酸化反応(SCWO)を応用し、少なくともバイオマスを包含しており且つ高含水率の有機物を燃料とし、超臨界水を主成分とする高温・高圧燃焼流体を発生させ、該SCWOより得られる流体に含まれる未燃焼有機物を完全燃焼させて、高温・高圧流体を発生させることを特徴とする該有機物からの熱の発生取得法。
〔11〕SCWO反応器及びその下流に位置する燃焼室を備える有機物燃焼ボイラー装置を操作し、該SCWO反応器を
(1) SCWO反応器に超臨界水を密閉状態で圧入し、原料の充填されているSCWO反応器を燃焼圧力まで昇圧する（「密閉・昇圧」）、
(2) SCWO反応器に超臨界水を流通せしめると共に、SCWO反応器内温度を定圧下に、充填された原料の自燃温度にまで上昇せしめ、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水を燃焼室へ流出せしめる（「定圧・昇温」）、
(3) SCWO反応器に酸素を供給せしめると共に、SCWO反応器内の充填された原料を定圧下に燃焼せしめ、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を燃焼室へ流出せしめる（「定圧・燃焼・昇温」）又はSCWO反応器に
酸素を供給せしめると共に、SCWO反応器内の充填された原料を燃焼せしめ、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を特定の燃焼室へ流出せしめる（「燃焼・昇温」）、
(4) SCWO反応器での充填された原料の燃焼が維持されるように、その燃焼温度を維持するよう、冷却水がSCWO反応器に供給され、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を燃焼室へ流出せしめる（「定常燃焼」）、
(5) SCWO反応器へ冷却水を圧入して、降温降圧せしめ、所定の温度にした後、冷却水の供給を停止して、温水と二酸化炭素を排出・回収せしめ、次に、原料充填圧にした後、有機物原料を供給し、SCWO反応器に充填する（「排出・充填」）
の各操作要素に付して、安定した熱出力を連続して発生し、かつ、高温、高圧系へのバイオマスを包含する固体燃料の連続供給を不要にし、供給容易な温度、圧力で回分供給を可能にすることを特徴とする上記〔10〕に記載の有機物からの熱の発生取得法。
〔12〕複数のSCWO反応器を備える有機物燃焼ボイラー装置を操作し、該SCWO反応器から流出する全ての流体を合流させ、その流出流体に含まれる未燃焼有機物（主として熱水に溶解する有機物）を一括して完全燃焼させる燃焼室を反応器後段に設け、高温・高圧流体を連続的に発生させることを特徴とする上記〔10〕又は〔11〕に記載の有機物からの熱の発生取得法。
〔13〕SCWO反応器の後段の燃焼室の下流の熱交換器により、高温・高圧スチームを発生させることを特徴とする上記〔10〕〜〔12〕のいずれか一に記載の有機物からの熱の発生取得法。
〔14〕SCWO反応器の後段の燃焼室として第１燃焼室及び第２燃焼室を備える有機物燃焼ボイラー装置を操作し、「燃焼・昇温」操作状態のSCWO反応器及び「定常燃焼」操作状態のSCWO反応器からの未燃焼物含有排出流体を第１燃焼室に導入せしめて、第１燃焼室で必要に応じて未燃焼物を燃焼させ、発生した高温・高圧流体の一部を「密閉・昇圧」操作状態のSCWO反応器及び「定圧・昇温」操作状態のSCWO反応器に送出し、一方、該第１燃焼室で発生した高温・高圧流体の残部を第２燃焼室に導入せしめ、この流れと「定圧・昇圧」操作状態のSCWO反応器で排出される自燃温度より低温の排出流体とを第２燃焼室入り口で混合し、自燃温度以上に昇温せしめ、第２燃焼室で未燃焼の燃料を完全燃焼させ、高温高圧流体として熱出力を得ることを特徴とする上記〔10〕〜〔13〕のいずれか一に記載の有機物からの熱の発生取得法。
〔15〕有機物燃焼ボイラー装置のスタートアップの場合に、第１の「密閉・昇圧」操作状態のSCWO反応器をヒータでもって加熱して所定圧力にまで昇圧することを特徴とする上記〔10〕〜〔14〕のいずれか一に記載の有機物からの熱の発生取得法。
〔16〕SCWO反応器の「定常燃焼」操作状態を終了せしめた後、当該SCWO反応器内に残存する高温・高圧流体に水を圧入し、降圧せしめ、得られた降圧された高温水を利用して熱エネルギーを回収し、必要に応じて、当該SCWO反応器内に残存する二酸化炭素等の燃焼ガスを回収することを特徴とする上記〔10〕〜〔15〕のいずれか一に記載の有機物からの熱の発生取得法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、SCWO反応を利用して高含水率のバイオマスを燃料化することに成功しており、回分的な原料供給の採用により、種々の形態、形状のバイオマスを原料化することができて、複数の反応器を各操作に対応して用いることにより、安定した連続的な出力を可能にしており、しかも装置構造を簡略化できて、小規模分散型バイオマス燃焼ボイラーにおける装置コストの大幅な削減に資するものである。
本発明のバイオマスボイラープラント並びにその操作技術により、形状、形態を選ばず、含水率90％程度までのあらゆる種類のバイオマスを燃料として使用できる、高温・高圧の燃焼ガスを連続的に生成し、発電用のガスタービンを直接駆動するか、熱交換により超臨界水を発生させ、発電用スチームタービンの駆動に供することを可能にし、装置構成を
簡素化し、さらに廃熱の回収、有効利用も可能であり、分散型パワープラント用としての経済性も実現できるものである。
本発明のその他の目的、特徴、優秀性及びその有する観点は、以下の記載より当業者にとっては明白であろう。しかしながら、以下の記載及び具体的な実施例等の記載を含めた本件明細書の記載は本発明の好ましい態様を示すものであり、説明のためにのみ示されているものであることを理解されたい。本明細書に開示した本発明の意図及び範囲内で、種々の変化及び／又は改変（あるいは修飾）をなすことは、以下の記載及び本明細書のその他の部分からの知識により、当業者には容易に明らかであろう。本明細書で引用されている全ての特許文献及び参考文献は、説明の目的で引用されているもので、それらは本明細書の一部としてその内容はここに含めて解釈されるべきものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
バイオマスとは、生態学で特定の時点においてある空間に存在する生物の量を、物質の量として表現したものであるが、産業資源として使用した場合は、バイオマスとは、化石資源でない、現生生物体構成物質起源の産業資源を指している。本明細書では、「バイオマス」は、好適には生物由来の有機性資源で化石資源を除いたものを意味してよい。バイオマスは、カーボンニユートラルとか、再生可能である資源を意味してもよい。バイオマスとしては、例えば、農林水産業からの畜産廃棄物（家畜糞尿を含む）、木材（廃材を含む）、藁、資源作物（トウモロコシ、サトウキビ、イネ、コムギなどの植物）及びその廃棄物（廃植物油を含む）、食品産業から発生する廃棄物、製紙パルプ製造工程で生ずる廃棄物（黒液を含む）などが包含される。本発明では、山林、原野、ゴルフ場、果樹園や田畑等の農耕地、淡水や海水域で発生する全てのバイオマス(１次産品に直接関わる穀物の
茎、剪定枝等の未利用バイオマスのみならず、下草、落葉、雑草や、さらには休作期間中の栽培による光合成効率の高い植物等)、あるいは飲料、食品加工工場等での搾りかすや
抽出残渣等のバイオマス廃棄物、生ごみ(プラスチック等有機物製品を含有も可)等の可燃系都市ごみ等を燃料とする。
本発明で使用される資源のバイオマス等の有機物は、高含水率のものであってよい。該含水率としては、0.950以上のもの、あるいは0.925以上のもの、さらには0.9以上のもの
が挙げられる。また、該含水率が、0.875以上のもの、あるいは0.85以上のもの、さらに
は0.833以上のものであってもよい。本発明で使用可能なバイオマス等の有機物は、こう
した含水率のものを含有するものであってよく、その一部あるいは全部が当該含水率のものも包含されてよい。
【００１５】
従来のSCWO操作は、主として高圧ポンプ等で供給可能な液体、あるいは固液スラリーを対象とし、SCWO反応器（SCWOリアクター）に処理物、水(あるいは超臨界水、または水と
必要に応じて補助燃料)と酸素あるいは空気を連続的に導入する連続反応操作が一般的で
ある。また、有害物で汚染された固体の処理に関しては、安全性のため可能な限り複雑な前処理を避け、固体をSCWO反応器に回分的に仕込み、その後、超臨界水と空気（あるいは酸素を）を流通させ、燃焼させる半回分操作が提案されている。
パワープラント用ボイラーとしては安定した出力が得られる連続操作が望ましいが、多様な形態を有する固体を高圧系に供給する汎用的で、安価で、信頼性の高い装置、方法は存在しない。多くのバイオマスは既存のスラリーポンプが使用可能な程度に原料を微粉砕することは可能であるが、原料の形態に応じ多様な粉砕法が求められ、さらには繊維質の多いバイオマスの微粉砕は特殊な装置を必要とし、それに要するエネルギーもかなり大きくなる等、バイオマスの高圧系への連続供給の安価で、汎用的な方法は存在しない。
【００１６】
本発明の技術では、次のような態様が提供されている。
(1)超臨界水酸化反応を応用し、バイオマス等の高含水率の有機物を燃料とし、超臨界水
を主成分とする高温・高圧燃焼流体を発生させる燃焼ボイラー装置。
(2)(1)に記したバイオマス燃焼ボイラー装置の操作を、下記で説明する「密閉・昇圧」、
「定圧・昇温」、「燃焼・昇温」、「定常燃焼」、「排出・充填」等の操作要素に分け、安定した熱出力を連続して発生し、かつ、高温、高圧系へのバイオマス等の固体燃料の連続供給を不要にし、供給容易な温度、圧力で回分供給を可能にする装置構成と操作法。
(3) SCWO反応器から流出する全ての流体を合流させ、その流出流体に含まれる未燃焼有機物（主として熱水に溶解する有機物）を一括して完全燃焼させる燃焼室を反応器後段に設け、高温・高圧流体を連続的に発生させる装置とその操作方法。
(4)後段の燃焼室の後流に熱交換器を設け、高温・高圧スチームを発生させるときの装置
構成と操作法（図２、図３参照）。
(5)後段の燃焼室を意図した流路が構成されるように２つに分割し、任意の圧力が設定で
きる「燃焼・昇温」と「定常燃焼」操作の排出流体が導入される第１燃焼室で必要に応じて未燃焼物を燃焼させ、発生した高温・高圧流体の一部を「密閉・昇圧」、「定圧・昇温」操作に使用し、残りは第２燃焼室に導入される。この流れと「定圧・昇圧」操作で排出される自燃温度より低温の排出流体と第２燃焼室入り口で混合し、自燃温度以上に昇温され、第２燃焼室で未燃焼の燃料を完全燃焼させ、高温高圧流体として熱出力を得る装置と操作方法。
(6)(5)に述べた装置のスタートアップに必要なヒーターの構成とその操作の方法。
(7)定常燃焼終了後のSCWO反応器内に残存する高温・高圧流体に水を圧入し、降圧と同時
に、高温水として熱回収し、必要であれば二酸化炭素等の燃焼ガスも回収する装置構成とその操作方法。
(8)非定常の超臨界水酸化反応の操作性、熱効率の向上を図るために熱伝導率の小さなセ
ラミックス等で反応器内面に断熱層を施したSCWO反応器。
【００１７】
典型的な態様では、本発明の有機物（例えば、バイオマス）燃焼ボイラー（又は燃焼ボイラープラントあるいは燃焼ボイラーシステム）は、２以上のSCWO反応器とその後段（下流）に燃焼室を備えていることを特徴としている。該燃焼ボイラーは、少なくとも、SCWO反応器を、下記で説明する「密閉・昇圧」、「定圧・昇温」、「定圧・燃焼・昇温」又は「燃焼・昇温」、「定常燃焼」及び「排出・充填」からなる群から選択された操作に付すことができ、好ましくは、ある一つのSCWO反応器を、SCWO反応器を、「密閉・昇圧」→「定圧・昇温」→「定圧・燃焼・昇温」又は「燃焼・昇温」→「定常燃焼」→「排出・充填」からなる操作サイクルに付すことが可能となるように構成されていることを特徴とし、したがって、該操作が可能なように該燃焼ボイラーに備える配管系のバルブ（弁）及び流体送出ポンプが制御可能なように構成されている。かくして、該燃焼ボイラーは、酸素導入用配管系（バルブ、配管（導管）、ポンプ、場合によっては流量計、制御装置などを包含していてよい）、燃焼室からSCWO反応器へ高温高圧水蒸気（超臨界水）を導入するための配管系（バルブ、配管（導管）、任意にポンプ、場合によっては流量計、制御装置などを包含していてよい）、燃焼室及び／又はSCWO反応器へ冷却水を導入するための配管系（バルブ、配管（導管）、ポンプ、場合によっては流量計、制御装置などを包含していてよい）、SCWO反応器からの流出流体を後段（下流）の燃焼室に導入するための配管系（バルブ、配管（導管）、任意にポンプ、場合によっては流量計、制御装置などを包含していてよい）、SCWO反応器より熱回収用温水を排出するドレイン配管系（バルブ、配管（導管）、任意にポンプ、場合によっては流量計、制御装置などを包含していてよい）、任意に、スチームアキュムレータ、タービン、タービンよりの温水を排出するドレイン配管系（バルブ、配管（導管）、任意にポンプ、場合によっては流量計、制御装置などを包含していてよい）、気液分離装置、気液混合物を排出するドレイン配管系（バルブ、配管（導管）、任意にポンプ、場合によっては流量計、制御装置などを包含していてよい）などを備えていてよいし、ある場合にはそれが好ましい。
該燃焼ボイラーは、例えば、少なくとも５つのSCWO反応器を備えて、定常運転時には、各SCWO反応器が各操作状態をとるようにして操作可能とされている。別の態様では、反応器の数を減らすように操作される前提で、例えば、少なくとも４つのSCWO反応器を備えているもの、あるいは、少なくとも３つのSCWO反応器を備えているものとして構成されてい
てもよい。該燃焼ボイラーにおいては、燃焼室を複数に分割して設けたもの、例えば、第一燃焼室と第二燃焼室とを有するものであってよいし、及び／又は、スタートアップ時のための着脱可能な加熱装置（ヒータ）が備えられているものであってよい。当該ヒータは、複数であってもよく、燃焼室の一方に常設されたものであってもよい。ヒータを燃焼室に付設する場合、例えば、SCWO反応器の後段の燃焼室で、SCWO反応器よりの未燃焼有機物を含有する熱水を受容する燃焼室にヒータをを設ける構成とすることは好適である。
【００１８】
以下に具体例（すなわち、実施例）を掲げ、本発明を具体的に説明するが、この例は単に本発明の説明のため、その具体的な態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は本発明の特定の具体的な態様を説明するためのものであるが、本願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。本発明では、本明細書の思想に基づく様々な実施形態が可能であることは理解されるべきである。
全ての例は、他に詳細に記載するもの以外は、標準的な技術を用いて実施したもの、又は実施することのできるものであり、これは当業者にとり周知で慣用的なものである。
本発明の一つの具体的な態様では、図２に示すような複数のSCWO反応器を順次サイクル操作することにより、大気圧下でのバイオマス燃料の回分供給を可能にし、かつ、連続的な出力を安定に得るボイラープラントが提供される。
図２は５つの操作に対応し、5つの反応器を使用した場合を示す（必ずしも各操作に一
つ以上の反応器を割り当てる必要は無く、連続する操作を操作時間に応じて合併することも可能であり、例えば「排出・充填」と「密閉・昇圧」操作を「排出・充填・密閉・昇圧」操作に、「定圧・燃焼・昇温」と「定常燃焼」操作を「燃焼・昇温・定常燃焼」操作にして、他の操作と同期させると反応器の数を減らすことができる）。
各反応器は全て等価の関係にあり、(A)で示した酸素の導入ライン、(B)で示した高温高圧水蒸気(超臨界水)の導入ライン、(C)で示した冷却水の導入ライン、(D)で示した反応器からの流出流体を後段の燃焼室に導くライン、及び、(E)茶色で示した熱回収の温水を排
出するドレインラインが接続されている。
それぞれの太線ラインは流通状態、細線ラインは停止状態を示し、バルブは白抜きが開、灰色が閉の状態を示す。室温、大気圧下でのバイオマス燃料の充填が終了した図２の左端の状態から各操作を順に説明する。
【００１９】
先ず原料の充填直後に始まる操作を「密閉・昇圧操作」と称し、図２に示したように超臨界水導入ラインのバルブを開にし、それ以外のバルブは閉じて、超臨界水を密閉状態で圧入し、燃焼圧力まで昇圧する（図２では「密閉昇圧」の反応器として示されている）。かくして、SCWO反応器を「密閉・昇圧」操作に付すとは、SCWO反応器に超臨界水を密閉状態で圧入し、原料の充填されているSCWO反応器を燃焼圧力まで昇圧することを意味する。本操作は反応器内圧力が所定の燃焼圧力になった時点で終了し、次の「定圧・昇温操作」に移行する。
【００２０】
この「定圧・昇温操作」は図２では左から2番目の反応器の状態を示し、超臨界水導入
ラインと反応器と燃焼室を結ぶラインのバルブが開の状態で、高温の超臨界水を反応器内に流通させることにより、定圧下で反応器内温度を自燃温度まで上昇させる（図２では「定圧昇温」の反応器として示されている）。この際、超臨界水の流入量と昇温による熱膨張に応じて熱水が流出する。大方の固体バイオマスは反応器出口に設けたメッシュにより反応器内に保持されるが、一方、糖分は勿論のこと、常温の水に不溶なヘミセルロース、セルロースやリグニンで構成されるバイオマス成分の多くが熱水に溶解する。そのため、バイオマスの種類によって量的関係は変化するが、この操作中において溶解温度に到達したバイオマス成分は溶解流出する。かくして、SCWO反応器を「定圧・昇温」操作に付すとは、SCWO反応器に超臨界水を流通せしめると共に、SCWO反応器内温度を定圧下に、充填された原料の自燃温度にまで上昇せしめ、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水を燃焼室へ流出せしめることを意味する。本「定圧・昇温
操作」は自燃温度に到達した時点で終了し、次の「定圧・燃焼・昇温操作」に移行する。
【００２１】
この「定圧・燃焼・昇温操作」は図２では左から3番目の反応器の状態を示し、超臨界
水の導入バルブを閉じ、酸素の供給バルブを開いて、反応器内のバイオマスの燃焼を開始する（図２では「定圧燃焼昇温」の反応器として示されている）。反応器内の温度は燃焼熱により上昇し、本操作は所定の定常燃焼温度に到達したら終了する。この操作の間、燃焼反応と昇温による熱膨張に対応してバイオマス成分を一部溶解した熱水と二酸化炭素が流出する。かくして、SCWO反応器を「定圧・燃焼・昇温」操作に付すとは、SCWO反応器に酸素を供給せしめると共に、SCWO反応器内の充填された原料を定圧下に燃焼せしめ、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を燃焼室へ流出せしめることを意味する。本操作の終了後、「定常燃焼操作」に移行する。
【００２２】
この「定常燃焼操作」は図２では右から2番目の反応器の状態を示し、燃焼温度を維持
するために、冷却水のライン（本図ではボイラー水ラインと共通しているが、別に設けても良い）のバルブが作動する（図２では「定常燃焼」の反応器として示されている）。本操作では燃焼反応に応じて、バイオマス成分の一部を溶解した熱水と二酸化炭素が流出する。かくして、SCWO反応器を「定常燃焼」操作に付すとは、SCWO反応器での充填された原料の燃焼が維持されるように、その燃焼温度を維持するよう、冷却水がSCWO反応器に供給され、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を燃焼室へ流出せしめることを意味する。本操作は全てのバイオマスが燃焼した時点で終了し、次の「排出・充填操作」に移行する。
【００２３】
この「排出・充填操作」は図２では右端の反応器の状態を示し、冷却水導入バルブ以外は全て閉にし、冷却水を圧入して、回収温水温度まで降温し、同時に降圧する（図２では「排出充填」の反応器として示されている）。所定の温度に到達したら、冷却水バルブを閉じ、ドレインバルブ（Eのライン）を開き、二酸化炭素主成分とする気体圧力を利用し
、温水と二酸化炭素を排出・回収する。原料充填圧（通常は大気圧）に到達したら、バイオマス原料を原料供給ノズル（図には示していないが祖粉砕程度のバイオマスの供給を前提）から充填する。かくして、SCWO反応器を「排出・充填」操作に付すとは、SCWO反応器へ冷却水を圧入して、降温降圧せしめ、所定の温度にした後、冷却水の供給を停止して、温水と二酸化炭素を排出・回収せしめ、次に、原料充填圧にした後、有機物原料を供給し、SCWO反応器に充填することを意味し、より具体的には、SCWO反応器へ冷却水を圧入して、回収温水温度まで降温し、同時に降圧せしめ、所定の温度にした後、冷却水の供給を停止して、温水と二酸化炭素を排出・回収せしめ、次に、原料充填圧（通常は大気圧）にした後、バイオマス原料を供給し、SCWO反応器に充填することを意味する。
本操作終了で１サイクル（５つの操作）が各反応器で同時に終了し、全ての反応器は順に次の操作に移行し、上記の操作を繰り返す。
【００２４】
「定圧・昇温」、「定圧・燃焼・昇温」、「定常燃焼」の３つの操作の反応器からの流出流体は図２に示したように合流したのち、バイオマス燃焼ボイラーにおいて導入酸素と混合し、流出バイオマスを完全燃焼させる。定常燃焼温度を超えないように必要に応じて冷却水を導入する。
図２では、高温・高圧の燃焼ガスと熱交換し、超臨界水を発生し、パワープラントの動力源とする。一部は「密閉・昇圧」と「定圧・昇温」操作の超臨界水として用いる。熱交換された燃焼流体は気液分離器に導かれ、高圧二酸化炭素と排水に分離される。
【００２５】
次に、図２で示したボイラープラントのシミュレーションの１例を、図３に示す。
５つの反応器を使用した場合、燃焼操作全体に関して、「排出・充填操作」はオフラインとして取り扱い、１つの反応器が残り４つの操作を終了する時間を１周期として取り扱
う。
図３は、１時間あたり絶乾基準でバイオマス100kgを、当該図中で示した計算条件で燃
焼させたときのシミュレーション結果である。各反応器は含水率85％の原料166.7kg（絶
乾基準バイオマス25kg）を「排出・充填操作」を除いて１時間で処理することになる。全体の操作で見れば1/4周期ごとに反応器は異なるが、同じ操作が繰り返されるので、15分
で各操作が終了するように操作速度を設定する。「密閉・昇圧」と「定圧・昇温」の操作速度は超臨界水導入速度で、「定圧・燃焼・昇温」と「定常燃焼」操作の速度は酸素導入速度で制御され、本シミュレーションは超臨界水及び酸素導入量を時間等分して行っている。
「排出・充填」の操作速度は冷却水の導入速度で制御されるが、他の操作時間に同期させる必要は無く、15分以内に処理すればよい。各操作の時間経過は省略するが、各操作、後段のバイオマス燃焼ボイラーにおける混合ゾーンと燃焼ゾーン及び総括の物質収支とエネルギー収支の１例を示す。25℃、大気圧を基準にしたときの正味出力は474ｋWが得られる。
【００２６】
以上は高温、高圧の燃焼ガスとの熱交換で超臨界水（高温・高圧スチーム）を発生させ、その超臨界水の一部を原料の昇温昇圧に使用するものであるが、本発明のボイラーでは本来高温・高圧の燃焼排流体を直接発生させるため、その流体を直接膨張タービンの駆動に使用するものであってよい。
本構成によれば、熱交換によるエネルギー損失を省略でき、かつボイラーの心臓部である熱交換器を不要とすることから装置コストを削減できる。
また、上記で、「密閉・昇圧」、「定圧・昇温」操作における超臨界水の使用に対しては、それ専用のボイラーを付帯設備として備えることができる。
【００２７】
本発明の別の態様では、図４に示したように、SCWO反応器の後段の燃焼室を二つに分割し、第１燃焼室は「定圧・燃焼・昇温」及び「定常燃焼」操作から排出される未燃バイオマスを燃焼させ、かつ、第２燃焼室の圧力よりも大きく設定する。第１燃焼室の高温排流体は図４に示したように「密閉・昇圧」、「定圧・昇温」操作の駆動熱源として使用され、「定圧・昇温」操作から流出する流体は第２燃焼室に導入される。
SCWO反応器が「定圧・燃焼・昇温」及び「定常燃焼」操作の場合、任意の圧力が設定できるので、以下、その操作を「燃焼・昇温」及び「定常燃焼」操作と称する。
この自燃温度以下の排出流体は第２燃焼室入り口で第２燃焼室からの高温流体と混合され、自燃温度以上に昇温し、流出溶解バイオマスを第２燃焼室で完全燃焼させる。本プラントでは付帯的な熱源を定常運転時には必要とせず、装置コストの削減が図られる。
本プラント構成の好適な態様の一つでは、スタートアップに際して原料を自燃温度まで昇温させる工夫を適用する。当該工夫は次のようなものである。
【００２８】
図５に示したようにスタートアップ時にヒータH-1とH-2を使用する。
I〜Vの反応器に原料を充填する。Iの反応器にヒータH-1を取り付け、必要であれば水を添加し、水量を調節する。H-1のヒーターはカートリッジ式が望ましく、スタートアップ
操作時のみ使用し、次の原料充填時に取り外す。第１燃焼室にも適量水を添加する。H-1
と、第１燃焼室に取り付けられているヒータH-2をオンにし、反応器Iの「密閉・昇圧操作」を開始する。この際、反応器Iと第１燃焼室間はバルブを開にし、導通状態にある。所
定圧力に到達したら、図６のOP-2に移行する。
OP-2は反応器Iが「定圧・昇温操作」状態でその排出流体は第１燃焼室に導入される。
反応器IIは「密閉・昇圧操作」の状態である。これら操作の駆動熱源はH-1,H-2のヒータ
である。OP-2は反応器Iが自燃温度、反応器IIが所定圧力に到達したら終了し、OP-3に移
行する。
【００２９】
OP-3では反応器Iは「燃焼・昇温操作」に移行し、反応器IIは「定圧・昇温操作」、反
応器IIIは「密閉・昇圧操作」に移行する。SCWO反応器を「燃焼・昇温」操作に付すとは
、SCWO反応器に酸素を供給せしめると共に、SCWO反応器内の充填された原料を燃焼せしめ、そして該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を第１燃焼室へ流出せしめることを意味する。これらの操作の駆動は反応器Iと
第１燃焼室での燃焼熱で、H-1、H-2はこれ以降原則的には使用しないが、H-2は必要に応
じて使用する。反応器IIから排出される流体は第２燃焼室に送られるが、この時点では第２燃焼室は「密閉・昇圧操作」に対応している。反応器Iが定常燃焼温度に到達し、反応
器II、IIIが所定条件に到達したら、OP-4に移行する。
この時点で全ての操作が出現するので、第1燃焼室と第2燃焼室を繋ぐラインのバルブを開にし、第２燃焼室も自燃温度以上昇温し、燃焼操作が開始され、プラントの自立運転が始まる。反応器Iは、ラインから切り離され、冷却水を導入して、温水と二酸化炭素を回
収し、原料を充填する「排出・充填操作」を経て、開始時の状態に復元する。この際、H-1ヒータは取り外す。
以降、本操作を繰り返すことにより、周期的な定常操作に移行する。
【００３０】
本明細書中、「酸素」としては、当該分野で酸化剤として知られているものから選択されたもの、あるいは、酸素源として知られたものから選択されたものであってよく、例えば、オゾン、液体又は気体の酸素、過酸化水素、空気、圧縮空気、酸素を富化された空気、それらの混合物などが挙げられ、好ましくは、空気、圧縮空気、酸素を富化された空気、それらの混合物などが挙げられる。
以上本発明の装置、及び操作法を述べ、本発明がSCWO反応の採用により高含水率のバイオマスの燃料化を達成し、回分的な原料供給の採用により、種々の形態、形状のバイオマスの原料化を行い、複数の反応器を各操作に対応して用いることにより、安定した連続的な出力を可能にし、しかも装置構造を出きるだけ簡略化し、小規模分散型バイオマス燃焼ボイラーの不可欠な装置コストの削減に資することを示した。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の技術は、85％程度の高含水率のバイオマスも含めて、その種類や形態を選ばず、殆どの未利用バイオマスを燃焼させ、高温高圧の超臨界水と二酸化炭素を直接発生させる高温高圧バイオマスボイラーを可能にし、バイオマスの発生箇所で、発生量に応じて対応できる分散型パワープラントへの利用に役立つ。
本発明は、山林、原野、ゴルフ場、果樹園や田畑等の農耕地、淡水や海水域で発生する全てのバイオマス(１次産品に直接関わる穀物の茎、剪定枝等の未利用バイオマスのみな
らず、下草、落葉、雑草や、さらには休作期間中の栽培による光合成効率の高い植物等)
、あるいは飲料、食品加工工場等での搾りかすや抽出残渣等のバイオマス廃棄物、生ごみ(プラスチック等有機物製品を含有も可)等の可燃系都市ごみ等を燃料とするバイオマスボイラープラント及びその利用を実現する。
本発明は、前述の説明及び実施例に特に記載した以外も、実行できることは明らかである。上述の教示に鑑みて、本発明の多くの改変及び変形が可能であり、従ってそれらも本件添付の請求の範囲の範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】様々な含水率を有する原料物質を、純酸素中、理論酸素量で完全燃焼させた場合の、含水率と断熱火炎温度との関係を示すグラフである。燃焼圧力0.1014MPa（大気圧）、10 MPa、20MPa、25MPa、30MPaについて曲線が示されている。原料：セルロース、初期温度：25℃、酸化剤：純酸素、過剰酸素率：0.0の条件下での断熱火炎温度である。
【図２】本発明に基づく５つの操作に対応し、５つの反応器と燃焼室を備えた超臨界水バイオマス燃焼ボイラープラントを示す。超臨界水を生成させル場合。
【図３】図２のボイラープラントの物質・エネルギー収支の一例を示す。
【図４】本発明に基づく５つの操作に対応し、５つの反応器と２つの燃焼室を備えた超臨界水バイオマス燃焼ボイラープラントを示す。高圧水蒸気の発生無しの場合。
【図５】図４のボイラープラントのスタートアップの状況を示す。反応器Iは、OP-1の操作状態にありヒータH-1及びH-2共にオン(On)の状態である。
【図６】図４のボイラープラントのスタートアップの状況を示す。図５に続く操作状態を左上の図(OP-2)、右上の図(OP-3)、左下の図(OP-4)、右上の図(OP-5)の順に操作されていくことを示す。
【図１】
2008292018.tif 000003
【図２】
2008292018.tif 000004
【図３】
2008292018.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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