(57)【要約】【課題】バイオマス資源から発電用ガスエンジンに適合する、高カロリで、クリーンな燃料ガスを、高収率で取得する、小規模でも可能なバイオマスのガス化装置を提供すること。【解決手段】粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間が、供給するバイオマス粉体を、供給する水蒸気で流動化させる噴流床構造とする。【選択図】　　　図１
2004051717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間が、供給するバイオマス粉体を、供給する水蒸気で流動化させる噴流床構造である事を特徴とするバイオマスのガス化装置。
【請求項２】
粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間内で、水蒸気とバイオマスが向流若しくは水蒸気流れ方向と交差する方向に両者の流れ方向を設定するとともに、該接触域に絞り若しくは膨脹域（ディフューザ）が存在することを特徴とするバイオマスのガス化装置。
【請求項３】
粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、高温ガスが流出入する加熱空間に、複数の自由端開口が外部に位置している曲管を挿入し、加熱空間に曝されている曲管内で反応水蒸発部と水蒸気とバイオマスのガス化反応を行うガス化部が位置していることを特徴とするバイオマスのガス化装置。
【請求項４】
前記曲管内の二次ガス化部通過直後の曲管をバイオマス供給側より分岐して、該分岐管を下向きから上向きに向けて曲管するとともに、前記上向き自由端に燃料ガス出口部、一方下向きから上向きの底部変向部に、灰ドレンを設けたことを特徴とする請求項３記載のバイオマスのガス化装置。
【請求項５】
前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部の反応水側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんした反応水により実質的シールを行うことを特徴とする請求項３若しくは４記載のバイオマスのガス化装置。
【請求項６】
前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部のバイオマス側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんしたバイオマスにより実質的シールを行うことを特徴とする請求項３若しくは４記載のバイオマスのガス化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明はバイオマスの有効利用に関し、詳しくは、バイオマスからクリーンな高カロリガスを生成させる装置に関する。更には、従来のバイオマスエネルギ利用形態では得られないシステム発電効率の高い、給電システムもしくは熱電併給システムのガスエンジンと組み合わせて用いる、バイオマスのガス化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバイオマスエネルギ利用装置システムのうち、電気エネルギもしくは熱電両エネルギに変換して行う利用システムでは、バイオマスをボイラ用燃料として直接燃焼して、高圧蒸気を生成させ、発電用タービンを回転させる方式が執られている。従って、少なくとも５０００〜１００００ｋＷと設備規模が大きくなるので、バイオマス資源の大量集約的発生もしくは大量収集が必要である。加えて、多額な投下資本を必要とする。なによりも、その発電効率が５０００ｋＷ規模の場合で１０％台に留まっているため、小規模で効率の高いバイオマス資源の利用装置システムが望まれている。
【０００３】
一方、ガスエンジン使用の発電では小規模でも高い発電効率が得られるので、我が国のようにバイオマス資源が分散的に発生する社会および自然環境ではバイオマスのガス化装置技術の必要性が高い。
【０００４】
バイオマスのガス化装置技術については、従来より固定床、流動床型のガス化炉で、酸素もしくは空気を主たるガス化剤として、吸熱反応であるガス化の空間と燃焼による発熱空間を共通の空間に設定した、いわゆる内燃式のものが研究開発されてきたが、タール、煤が副生し、ガスエンジン用として品質が適合しない。加えて、空気を用いる場合には、生成ガス中に窒素が残留して、単位生成ガスの発熱量を低下させる。酸素を用いる場合には、空気分離工程が別に必要で、運転に要するエネルギ及び設備投資がエネルギ効率低下要因及びコストプッシュ要因となる。
【０００５】
他に、臨界圧熱水によるガス化装置の研究が行われているが、超高温高圧装置上の問題を含み、実用化の域に達していない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、バイオマス資源から発電用ガスエンジンに適合する、高カロリで、クリーンな燃料ガスを、高収率で取得する、小規模でも可能なバイオマスのガス化装置を提供することを目的とする。加えて、バイオマス資源の総合的エネルギ転換効率を高め、第三の新エネルギとしての利用普及に寄与せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のバイオマスのガス化装置は、粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間が、供給するバイオマス粉体を、供給する水蒸気で流動化させる噴流床構造である事を特徴とする。
【０００８】
バイオマスの分解に必要な熱を、ガス化空間には化学的に影響を及ぼさない反応管壁からの輻射により、別途用意した熱源で供給することに加えて、ガス化剤自身の水蒸気を流動媒体として使用し、酸化反応などによる局部過熱を避け、均一な噴流状のガス化雰囲気を作る事により、速やかで、副反応のないガス化が可能な構造とする。別途用意する熱源は、バイオマスを燃焼して熱ガスを発生する、熱ガス発生炉を配置して供給することが好ましい。この熱源用バイオマスはガス分解用の原料より低品位のバイオマスを使用することもできる。
【０００９】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間内で、水蒸気とバイオマスが向流若しくは水蒸気流れ方向と交差する方向に両者の流れ方向を設定するとともに、該接触域に絞り若しくは膨脹域（ディフューザ）が存在することを特徴とする。これにより、バイオマスが蒸気中に拡散し浮遊状態で、速やかにガス化する体制がつくられる。
【００１０】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、高温ガスが流出入する加熱空間に、複数の自由端開口が外部に位置している曲管を送入し、加熱空間に曝されている曲管内で反応水蒸発部と水蒸気とバイオマスのガス化反応を行うガス化部が位置していることを特徴とする。
【００１１】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記曲管内のガス化部通過直後の曲管をバイオマス供給側より分岐して、該分岐管を下向きから上向きに向けて曲管とするとともに、前記上向き自由端に燃料ガス出口部、一方下向きから上向きの底部変向部に、灰ドレンを設けたことを特徴とする。即ち本発明のガス化反応では、タール・煤のような遊離炭素は生成せず、唯一の固形不純物は無機物由来の灰である。蓄積する該不純物を集積して、除去する構造としてある。
【００１２】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部の反応水側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんした反応水により実質的シールを行うことを特徴とする。多管状にガス化空間を設けることにより、ガス化空間をコンパクトに増強することができる。
【００１３】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部のバイオマス側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんしたバイオマスにより実質的シールを行うことを特徴とする。
【００１４】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記バイオマスを３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の微粒状にする粉砕手段を備え、微粒状にする粉砕手段は例えば、破砕機とインパクトミルを組み合わせた手段でよく、微粉砕困難なバイオマスは、適時に篩別して、ガス化空間加熱用の熱ガスを発生させる燃料として利用すればよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。但し本実施の形態に記載される製品の寸法、形状、材質、その相対配置等は特に特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１６】
（実施例１）　図１は本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応設備を中心とするバイオエネルギ利用システムのフロー図である。ガス化反応設備１０１は後述する反応管３０６（図２、３参照）を備え、該反応管３０６は反応水１１５及びバイオマス微粉１１２を受け入れ、外部からバイオマス燃焼高温ガス１１４により加熱できるよう構成されている。粉砕設備１０２はバイオマス原料１１１を受け入れて平均粒径３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の微粉を生成可能な性能を有し、平均粒径３ｍｍ以下の微粉１１２と平均粒径３ｍｍを超える粗粉１１３とを分別して、排出可能な構造を有している。本実施例では破砕機とインパクトミルを組み合わせて用いた。熱ガス発生炉１０３はバイオマス粗粉１１３を受け入れて空気などの支燃剤によりバイオマス粗粉１１３を燃焼して高温のバイオマス燃焼高温ガス１１４を生成する。脱水装置１０４は内部に冷却伝熱面を持ち、塔内に導入されたガス中の水分及び硫黄化合物など高沸点物を凝縮して除去可能な構造を有す。ガスタンク１０５は水封式のタンクで、生成ガス１１６を貯留可能な構造になっている。ガスエンジン１０６は本例における生成ガス１１６を燃焼して、発電機を運転可能な能力を有している。
【００１７】
図１において、バイオマス原料１１１は粉砕設備１０２に供給され平均粒径３ｍｍ以下の微粉１１２と平均粒径３ｍｍを超える粗粉１１３に分けられ、粗粉１１３は熱ガス発生炉１０３に送られ、微粉１１２はガス化反応設備１０１中の反応管３０６中に反応水１１５とともに導入される。熱ガス発生炉１０３ではバイオマス粗粉１１３を燃焼温度９００〜１２００℃で燃焼させ、発生するバイオマス燃焼高温ガス１１４でガス化反応設備１０１中の反応管３０６を外部から加熱し、管内の温度を８００℃以上に保つ。反応管３０６内に導入された微粉１１２は導入反応水１１５によって発生した水蒸気気流中に浮遊し、ほぼ瞬時（０．２秒以下）にガス化する。含水生成ガス１０８を脱水装置１０４に導入し、水分と硫黄分（Ｈ２Ｓ）、塩素分（ＨＣｌ）を除去した後、生成ガス１１６とし、ガスタンク１０５に貯留する。生成ガス１１６は約２０ＭＪ／ｍ３のカロリを有し、ガスエンジン用燃料として適合する。本システムでバイオマス処理量１トン／日（５０〜１００ｋｇ／ｈ）を処理して、３０ｋＷの発電機により電気エネルギに変換したときの、総合エネルギ効率は２０％以上とすることができた。
【００１８】
（実施例２）　図２は本発明のガス化反応設備１０１と１次ガス化部３０２詳細の一例の概要図である。図２において、ガス化反応設備１０１は、加熱チャンバ３０７内部に反応管３０６を有し、加熱チャンバ３０７はバイオマス燃焼高温ガス１１４の導入口と、排出口を備えている。反応管はＵ字、逆Ｕ字、Ｕ字の管を連結した曲管であり、右側より第一垂直部、第二垂直部、第三垂直部、第四垂直部がある。その右端の第一垂直部上部より反応水１１５を導入出来る開口端が、中途第二垂直部上部よりバイオマス微粉１１２が導入出来る開口端が、中途第二垂直部、第三垂直部とを連結するＵ字管底部よりガス化によって発生する灰１１７を取り出す開口端が、左端第四垂直部よりガス化反応で生成した含水生成ガス１１８を取り出す開口端が、夫々設けてある。
【００１９】
ガス化反応設備１０１は不図示の熱ガス発生炉で生成した、バイオマス燃焼高温ガス１１４を前記加熱チャンバ３０７の導入口より導入して、反応管３０６を外部より加熱し、その内温を８００℃以上の適切な温度に維持するよう、バイオマス燃焼高温ガス１１４（外部加熱ガス）の温度及び流量を調節する。反応水１１５は第一垂直部の反応水蒸発部３０１において外部加熱ガスで加熱され水蒸気となり、第二垂直部の１次ガス化部３０２で上部より導入された、バイオマス微粉１１２を浮遊させながらガス化させる。この時、水蒸気／バイオマスのモル比が０．４以上となるように反応水１１５、微粉１１２の投入量を加減する。ガス化した生成ガスはついで、第三垂直部及び第四垂直部で構成される２次ガス化部３０３に流れて、少量の副生したタール・煤を分解する。この部分で固形有機物及び炭素は全て分解して、ガス体となり、固体は無機物からなる灰分のみとなり、前記灰取り出し開口端より、灰１１７を取り出す。生成ガス１１８は未だ水分と少量のＨ２ＳとＨＣｌを含んだ状態で前記左端第四垂直部開口端より取り出す。
【００２０】
１次ガス化部３０２の詳細は図示の如く、反応管３０６の下部付近が、中央に開口部３０８を持つコニカル（逆円錐台）型整流板３０７が設けられ、該開口部３０８から高温蒸気が吹き込まれ、反応管３０６上部から投入されたバイオマス微粉１１２を浮遊させた状態でガス化する。１次ガス化即ち本発明の目的とするガス化は１次ガス化領域３０４で行われ、この領域を過ぎた第三垂直部の上部は２次ガス化領域３０５として機能し、前記で説明した２次ガス化部３０３と同様な役割を果たす。
【００２１】
（実施例３）　図３は本発明のガス化反応設備と１次ガス化部詳細の他の例の概要図である。ガス化反応設備の全体構成は実施例２と同様である。１次ガス化部４０１詳細の構成が図示のようになっている。即ち、図３右側の１次ガス化部４０１詳細において、反応管３０６中には分散管４０２が挿入されている。分散管４０２は微粉送入管より、底部逆コニカルの底面円周に向けて延在する曲面で構成される、内部中空の一端が逆コニカルで閉鎖された、筒体であり、該底部逆コニカルの底面円周に向けて延在する曲面上に複数の噴出口４０５を有している。
【００２２】
前記反応管３０６に、該分散管４０２を挿入すると、分散管４０２の逆コニカル底面円周部付近と、反応管３０６内壁との間の距離が最も狭小となり、反応管３０６下部より蒸気など気体を流通させたとき、スロート部４０３となり、ここから上部に行くに従い、漸次管内壁と分散管４０２外壁との距離は拡大していくので、ディフューザ部４０４となる。従って、前記複数の噴出口４０５はこのスロート部４０３付近に設けることが好ましい。
【００２３】
かくして、分散管４０２の微粉送入管よりバイオマス微粉１１２を送入すると、反応水１１５の蒸発によって生成した高温蒸気が下部より流れ込み、スロート部４０３で高速となって、ベンチュリー効果により分散管４０２内部の微粉１１２を吸い出してディフューザ部４０４に分散させる。該分散浮遊した微粉１１２はほとんど瞬時にガス化する。
【００２４】
（実施例４）　図４は本発明の多管式ガス化部を有するガス化反応設備１０１の概要図である。図において、多管式反応管５０１は実施例２もしくは３の曲管が図右側のＡ−Ａ’矢視図に示されるように垂直方向に５列並列に、加熱チャンバ３０７内に配置されており、バイオマス微粉投入口、灰取り出し口、反応水送入口、生成ガス（未脱水）取り出し口はそれぞれヘッダ５０２、５０３、５０４、５０５で５列が連結されている。これにより、処理空間容量が増加し、コンパクトに能力の増強が可能である。
【００２５】
（実施例５）　図５は本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応の温度条件とガス組成及び発熱量との関係を示すグラフである。図２に示す装置を用い本発明の浮遊・外熱式高カロリガス化の試験を、水蒸気／バイオマス重量比を２に固定して、各種温度で行い、生成ガスの組成を分析し、生成ガスの発熱量を測定して、反応のマテリアルバランスを求めた。その結果生成ガスは棒グラフに示すガス組成を与え、その発熱量を測定すると、折れ線グラフの熱量であった。
【００２６】
上記で得られた反応のマテリアルバランスよりガス化反応の経験式を求めると、
Ｃ１．３Ｈ２Ｏ０．９＋０．４Ｈ２Ｏ
→０．８Ｈ２＋０．７ＣＯ＋０．３ＣＨ４＋０．３ＣＯ２＋３９．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ
であることがわかった。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によりタール、煤など遊離炭素の発生を伴わない、廃棄物は若干の灰分のみの、クリーンなＨ２、ＣＯ、及びＣＨ４などの炭化水素を主成分とする浮遊・外熱式高カロリガス（例えば２０ＭＪ／ＮＭ３）が得られ、ガスエンジン発電と組合すことにより、総合エネルギ効率の高いシステムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応設備を中心とする、バイオエネルギ利用システムのフロー図
送手段のフロー図
【図２】本発明のガス化反応設備と１次ガス化部詳細の一例の概要図
【図３】本発明のガス化反応設備と１次ガス化部詳細の他の例の概要図
【図４】本発明のガス化反応設備と多管式ガス化部の概要図
【図５】本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応の温度条件とガス組成及び発熱量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１…ガス化反応設備
１０２…粉砕設備
１０３…熱ガス発生炉
１０４…脱水装置
１０５…ガスタンク
１０６…ガスエンジン
１１１…バイオマス原料
１１２…微粉
１１３…粗分
１１４…バイオマス燃焼高温ガス
１１５…反応水
１１６…生成ガス
２１１…蒸気又は蒸気＋少量空気
３０１…反応水蒸発部
３０２…１次ガス化部
３０３…２次ガス化部
３０４…１次ガス化域
３０５…２次ガス化域
３０６…反応管
３０７…加熱チャンバ
４０１…１次ガス化部
４０２…分散管
４０３…スロート部
４０４…ディフューザ部
５０１…多管式反応管
５０２…ヘッダ
５０３…ヘッダ
５０４…ヘッダ
５０５…ヘッダ
【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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