(57)【要約】【課題】ガス化により、従来と比べ効率的かつ経済的にバイオマスを有用エネルギーに転換する。【解決手段】バイオマスをガス化し得られたガスを用いて発電する発電システム１００は、バイオマスとして木質系バイオマスを用い、流動層炉４で４５０℃〜７５０℃（好ましくは５００℃〜７００℃）程度の温度で部分燃焼させてガス化し、得られた水素と一酸化炭素を主成分とするガスをガス中のタール成分を含めそのままの温度・圧力で燃焼器６で燃焼させ、燃焼ガスをガスタービン７へ導入して発電する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを燃料として燃焼させる燃焼方法において、
バイオマスを、４５０℃〜７５０℃の温度範囲でガス化し、タール成分を含む生成ガスを、集塵処理を施して、そのままの温度・圧力状態で燃焼させ高温燃焼ガスを発生させること
を特徴とする燃焼方法。
【請求項２】
バイオマスのガス化を、部分燃焼反応または水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応させることにより行うこと
を特徴とする請求項１記載の燃焼方法。
【請求項３】
バイオマスをガス化して得られるガスを用いて熱機関で発電する発電方法において、
熱機関としてガスタービンを用い、このガスタービンの膨張タービン入口圧力に対応した圧力で、かつ請求項１又は２記載の方法で燃焼させて、生成した高温燃焼ガスを前記ガスタービンに導入して発電すること
を特徴とする発電方法。
【請求項４】
前記ガスタービンの燃焼空気用の圧縮機で圧縮された空気の一部をガス化炉のガス化用ガス化剤として用いること
を特徴とする請求項３記載の発電方法。
【請求項５】
バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、前記ガスタービンの排ガスに含まれる水蒸気により供給すること
を特徴とする請求項３記載の発電方法。
【請求項６】
バイオマスのガス化を水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応により行う際、水蒸気ガス化反応に必要な熱および／または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部もしくは全部を、前記ガスタービンの排気ガスのもつ顕熱でまかなうこと
を特徴とする請求項３記載の発電方法。
【請求項７】
バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、バイオマスの含水をガスタービン排ガスの顕熱で蒸発することにより供給すること
を特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の発電方法。
【請求項８】
バイオマスをガス化して得られるガスを用いて熱機関で発電する発電方法において、
熱機関としてスターリングエンジンを用い、バイオマスを請求項１又は２記載の方法で燃焼させて生成した高温燃焼ガスを前記スターリングエンジンに導入して発電すること
を特徴とする発電方法。
【請求項９】
バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、前記スターリングエンジンの排ガスに含まれる水蒸気により供給すること
を特徴とする請求項８記載の発電方法。
【請求項１０】
バイオマスのガス化を水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応により行う際、水蒸気ガス化反応に必要な熱および／または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部もしくは全部を、前記スターリングエンジンの排気ガスのもつ顕熱でまかなうこと
を特徴とする請求項８記載の発電方法。
【請求項１１】
バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、バイオマスの含水を前記スターリングエンジンの排ガスの顕熱で蒸発させることにより供給すること
を特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の発電方法。
【請求項１２】
バイオマスを燃料として燃焼させる燃焼システムにおいて、
バイオマスを、４５０℃〜７５０℃の温度範囲でガス化するガス化炉と、
このガス化炉による生成ガスをそのままの温度・圧力状態で集塵する集塵装置と、
この集塵装置による集塵後のタール成分を含む生成ガスを完全燃焼させ高温燃焼ガスを発生させる燃焼器とで構成されること
を特徴とする燃焼システム。
【請求項１３】
バイオマスをガス化して得られるガスを用いて発電する発電システムにおいて、
請求項１２記載の燃焼システムと、この燃焼システムで生成したガスを膨張させるガスタービンと、このガスタービンにより駆動される発電機とを具備すること
を特徴とする発電システム。
【請求項１４】
ガスタービンの吸気空気を前記ガスタービンの燃焼空気用の圧縮機で加圧後に前記ガスタービンからの排ガスと熱交換させることにより加熱する熱再生器と、
その加圧・加熱された空気の一部を、前記燃焼システムのガス化炉のガス化用ガス化剤として導き、前記ガス化炉での生成ガスを集塵器を通して送り込んで燃焼させる燃焼器と
を備え、
前記加圧・加熱された空気の残りを前記燃焼器へ直接に送ること
を特徴とする請求項１３記載の発電システム。
【請求項１５】
大気に放出するガスタービン排ガスの一部を加圧する圧縮機を備え、前記圧縮機にて圧縮した前記排ガスをガス化用ガス剤として前記ガス化炉に送るように構成するとともに、
前記ガスタービンの排ガスと熱交換することにより、ガスタービン用燃焼空気、前記ガス化用ガス剤および水を加熱する熱交換器を備えること
を特徴とする請求項１３記載の発電システム。
【請求項１６】
前記ガス化炉に供給するバイオマスに含まれる水分を、前記ガスタービンの排ガスで蒸発させるための乾燥器を備えること
を特徴とする請求項１３〜１５のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１７】
バイオマスをガス化して得られるガスを用いて発電する発電システムにおいて、
請求項１２記載の燃焼システムと、この燃焼システムで生成したガスを熱源とするスターリングエンジンと、このスターリングエンジンにより駆動される発電機を具備すること
を特徴とする発電システム。
【請求項１８】
大気に放出する前記スターリングエンジンの排ガスの顕熱を熱交換器で熱回収した後、前記スターリングエンジンの排ガスの一部をガス化用ガス化剤として前記燃焼システムのガス化炉へ送ること
を特徴とする請求項１７記載の発電システム。
【請求項１９】
前記ガス化炉に供給するバイオマスに含まれる水分を、前記スターリングエンジンの排ガスで蒸発させるための乾燥器を備えること
を特徴とする請求項１７又は１８記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオマス（農業生産物、木材、植物などの生物資源）のうち主に木質系バイオマスを燃料とする燃焼方法および同燃焼システム、並びに発電方法および同発電システムに関するもので、とくに小規模分散型に好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の木質系バイオマスのうち現在利用されていないものに、製材所木屑、林地放置間伐材、土場放置枝条、剪定街路樹、建築廃材などがある。その中でとくに発生量が多い製材所木屑や林地放置間伐材は、山間部に存在し集積度が低く、輸送し一個所に集めるとしても輸送コストがかさむため、それらをエネルギーとして利用する大規模設備の設置は燃料調達コストの面で難しい。したがって、この種の木質系バイオマスをエネルギーとして有効利用するためには、各々の製材所で木屑集積量及び製材所とその周辺でのエネルギー需要に見合った小規模設備の普及が不可欠である。
【０００３】
バイオマスによるエネルギー転換に関する先行技術として、たとえば下記▲１▼からの▲４▼の技術が知られている。
【０００４】
▲１▼特開２００１−２４０８７７号公報（「バイオマスガス化炉およびバイオマスガス化方法」）には、バイオマスを利用して高効率なガス化を行うことができるバイオマスガス化炉およびそれを利用したガス化システムとして噴流層型のガス化炉により７００℃〜１２００℃の温度によりガス化し、冷却水によるガス冷却、精製を実施してＣＯ，Ｈ２ガスを生成することが開示されている。
【０００５】
▲２▼特開昭６３−１２０８２４号公報（「バイオマス燃料ガス化発電方法」）には、バイオマス燃料に蒸気と空気からなるガス化剤を作用させてガス化し、この生成ガスを燃焼させた燃焼ガスにより膨張タービンを駆動して発電するとともに、この膨張タービンの排ガスにより高温水蒸気と高温空気を生成して前記ガス化剤とするが開示されている。
【０００６】
▲３▼特開平１１−２９４１８７号公報（「バイオマスガス化発電プラント」）には、バイオマスをガス化し、このガスを燃焼させ、ガスタービンを駆動し発電するバイオマスガス化発電プラントにおいて、燃料となるバイオマス中に含まれる水分を回収しガスタービン圧縮機に供給することにより発電効率を向上させる方法が開示されている。
【０００７】
▲４▼特開昭６３−２１０１８８号公報（「バイオマス等の固体燃料のガス化方法」）には、バイオマス等の固体燃料を原料とし、これにガスタービン排ガスをガス化剤として作用させることにより前記原料をガス化し、ガス焚きボイラーに送る方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した４件の公報に記載の技術では、以下のような点で解決すべき課題が残されている。すなわち、
（ａ）バイオマスは、石炭などの固体燃料に比べてガス化反応温度が低く、３００℃を越えるとガス化反応が進行することがわかっている。しかし、バイオマスを３００℃〜７５０℃程度の低温でガス化しようとすると、バイオマスが十分にガス化されず、高分子状態の炭化水素成分（タール成分）がガス中に生成されていく。このタール成分は温度が低下するのに伴い高沸点成分から順次凝縮するが、粘性が非常に強いため配管やバルブ、集塵器などの各種機器の内壁への付着や配管等の閉塞によるハンドリングトラブルを起こし易い。
【０００９】
（ｂ）そこで、上記公報▲１▼に記載の技術では、このタール成分の生成をできるだけ抑制するために、７００℃〜１２００℃の高温でガス化しているが、高温でガス化するために燃料の燃焼反応割合を増加させると生成ガスの持つ顕熱が大きくなり、冷ガス効率（バイオマス自体の化学エネルギーに対する生成ガスの化学エネルギー比）はそれだけ低くなる。また、ガス化炉を１２００℃程度の耐熱構造にする必要がある。集塵装置についても１２００℃程度の耐熱構造にするか、あるいはガス化炉で生成したガスを集塵装置の耐熱温度以下に一旦冷却してから集塵する必要がある。そして、ガス化炉や集塵装置を１２００℃程度までの耐熱構造にするのは、設備が複雑になりコストがかかるため、小規模設備には適さない。さらに、１２００℃の高温で実用に耐えうる高効率な集塵装置はいまだ耐久性・信頼性の面で問題が残されている。一方、生成ガスを集塵装置の手前（上流側）で一旦冷却する方法を採用すると、システム全体のエネルギー転換効率が低下する。
【００１０】
（ｃ）加えて、上記公報▲１▼に記載の技術では、生成ガスを冷却して利用する際に、生成したタールを除去するか触媒でタール成分を分解してＣＯとＨ２ガスに改質する等の方法を採用している。タールを水洗で除去したりフィルターで分離したりすることは、生成ガスの顕熱を失うだけでなくタール成分の持つ化学エネルギーの損失となるうえに、水処理、フィルターの洗浄といった操作が必要となり、運転を複雑にし設備費を増加させることになる。一方触媒で分解してＣＯとＨ２ガスに改質する方法では、タール成分を改質するための装置が必要になる上、触媒が高価で劣化が早いため、定期的に交換する必要があり、操業コストが増加する。
【００１１】
（ｄ）上記公報▲２▼に記載の技術では、１３００℃の高温でバイオマスをガス化し、その生成ガスを上記公報▲１▼に記載のように冷却する代わりに、ガス化剤と熱交換することにより４５０℃まで冷却し、脱硫・集塵してから、燃焼器に導いている。言いかえると、上記公報▲１▼に記載の技術では捨てていた生成ガスの熱エネルギーをガス化剤と熱交換することにより熱回収している。しかし、高温でガス化しているのでガス化炉およびその後段にあるサイクロンは１３００℃程度の耐熱構造にする必要があり、設備費を増加させることになる。
【００１２】
（ｅ）上記公報▲３▼に記載の技術では、バイオマスの乾燥にガスタービンからの排気ガスを利用しているが、ガス化反応自体に排気ガスの持つ熱エネルギーと排気ガスに含まれる高温の水蒸気を利用していない。
【００１３】
（ｆ）上記公報▲４▼記載の技術では、ガスタービン排ガスをガス化剤として利用しているが、バイオマスのガス化により生成するガスをガスタービン燃料として利用する際に、バイオマスのガス化過程で発生する未反応チャーがガスタービンのブレードを損傷するおそれあるいは、生成タールによる配管系統の閉塞のおそれがあるため、ガス精製装置が必要となり、装置が複雑になる問題があるとして、ガスタービン燃料としてバイオマス以外の燃料を利用している。
【００１４】
（ｇ）上記公報▲１▼〜▲４▼に記載の技術を含めて従来技術では、小規模設備において初期設備コストを低く抑え、かつ経済的に適合する運転効率を得ることは技術的に難しい。
【００１５】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、木質系バイオマスのガス化により、従来と比べ効率的かつ経済的にバイオマスを有用エネルギーに転換可能な小規模分散型システムに好適な燃焼方法および同燃焼システム、並びに発電方法および同発電システムを提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１の燃焼方法は、バイオマスを燃料として燃焼させる燃焼方法において、バイオマスを、４５０℃〜７５０℃（好ましくは５００℃〜７００℃）の温度範囲でガス化し、タール成分を含む生成ガスを、集塵処理（好ましくは乾式集塵処理）を施して、そのままの温度・圧力状態で燃焼させて高温燃焼ガスを発生させることを特徴としている。なお、この高温燃焼ガスはガスタービンの膨張タービンで仕事をさせ発電させることのみならず、熱交換器など他の目的にも利用できる。
【００１７】
請求項１の燃焼方法によれば、低温でガス化するというバイオマスの特性を生かし比較的低温（４５０℃〜７５０℃）でガス化することにより、ガス化後高温に耐えうる高効率な集塵装置を具備する必要がなくなり、既存の実績のある高温フィルターを使用して集塵処理を施すことができる。そして、集塵後燃焼させることによりダストの少ない高温燃焼ガスを発生させることができる。
【００１８】
請求項２の燃焼方法は、請求項１記載の燃焼方法において、バイオマスのガス化方式として部分燃焼反応または水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応させることにより行うことを特徴としている。部分燃焼反応は、完全燃焼させるのに必要とされる空気量より少ない空気量が供給される環境下で燃焼させるものである。
【００１９】
請求項２の燃焼方法によれば、より効率的にガス化することができる。
【００２０】
請求項３の発電方法は、バイオマスをガス化して得られるガスを用いて熱機関で発電する発電方法において、熱機関としてガスタービンを用い、このガスタービンの膨張タービン入口圧力に対応した圧力で、かつ請求項１又は２記載の方法で燃焼させて、生成した高温燃焼ガスを前記ガスタービンに導入して発電することを特徴としている。
【００２１】
請求項３の発電方法によれば、バイオマスの持つ化学エネルギーを有効に活用するために、生成したガスを冷却または再加熱することなく、そのまま、すなわちガスの温度・圧力をガス化炉の運転温度・圧力とほぼ同じに保ったまま燃焼させることによってガスの保有している熱エネルギーおよび化学エネルギーを全て熱機関に利用することができる。よって、従来と比べ高効率かつ経済的にバイオマスをエクセルギーの高い電気エネルギーに転換することが可能になる。
【００２２】
特に、タール成分を気体状態のまま燃焼器に導き、燃焼させるので、工程が簡素化され、設備コストが低減される。また、バイオマスを４５０℃〜７５０℃の比較的低い温度範囲でガス化するので、ガス化炉や集塵器などの設備を１０００℃以上の高温に耐えられる高度の耐熱構造にする必要がない。そのため、設備コストが比較的低く、したがって、小規模分散型システムに好適である。
【００２３】
また、比較的低温でガス化することにより、生成ガス中の未反応チャー等のダストをそのままの温度・圧力下で集塵した後、ガスタービンの燃焼器に送ることを可能にし、上記公報▲４▼記載の技術において必要とするガス精製装置を不要としている。加えて、バイオマスのみをエネルギー源として電気および熱を製造しているため、化石燃料等バイオマス以外の燃料が原則として不要である。
【００２４】
ところで、ガスタービン発電システムでは、一般に燃料ガスを高圧（０．３〜０．８ＭＰａ程度）で燃焼させ、生成した高温高圧の燃焼ガスをガスタービンで膨張させるため、燃料ガスをガス圧縮機で圧縮する必要があり、ガス化炉で生成したガスを圧縮するためには温度を常温近くまで下げる必要がある。そのためには生成ガス中のタール成分を完全に除去することが不可欠である。本発明では、ガス化炉の運転圧力（ガス化圧力）をガスタービンの膨張タービンの入口圧力に対応する圧力とすることにより、ガス圧縮機が不要になる。それに伴い生成ガスの冷却、タール成分の除去も不要になる。
【００２５】
なお、本発明は高温高圧の燃焼ガスを常圧まで断熱膨張させる従来型のガスタービン発電システムにおいてその利点を発揮するが、ガスタービン燃焼器が常圧で、燃焼ガスを真空まで膨張させるタイプのいわゆる逆ブレイトンサイクルに対しても適用でき、タール成分の除去が不要であるという利点を発揮する。
【００２６】
請求項４の発電方法は、請求項３記載の発電方法において、前記ガスタービンの燃焼空気用の圧縮機で圧縮された空気の一部をガス化用ガス化剤として用いることを特徴としている。
【００２７】
請求項４の発電方法は、図１に示す発電システムに適用されるもので、小規模分散型発電システムとして好適である。
【００２８】
請求項５の発電方法は、請求項３記載の発電方法において、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、前記ガスタービンの排ガス中に含まれる水蒸気を利用することを特徴としている。
【００２９】
請求項５の発電方法によれば、蒸発の潜熱に相当する熱エネルギーが不要となり、熱効率を向上させる。
【００３０】
請求項６の発電方法は、バイオマスのガス化を水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応により行う際、吸熱反応である水蒸気ガス化反応に必要な熱または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部もしくは全部を、前記ガスタービンの排気ガスのもつ顕熱でまかなうことを特徴としている。
【００３１】
請求項６の発電方法によれば、水蒸気ガス化における吸熱反応に必要な熱、または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部若しくは全部をガスタービン排ガスの顕熱でまかなうことにより、より高い冷ガス効率でガス化する。
【００３２】
請求項７の発電方法は、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、バイオマスの含水をガスタービン排ガスの顕熱で蒸発することにより供給することを特徴とする。
【００３３】
請求項７の発電方法によれば、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気として、バイオマスの含水をガスタービン排ガスの顕熱で蒸発したものを利用するので、蒸発の潜熱に相当する熱エネルギーが不要となり、熱効率が向上する。
【００３４】
請求項８の発電方法は、バイオマスをガス化して得られるガスを用いて熱機関で発電する発電方法において、熱機関としてスターリングエンジンを用い、バイオマスを請求項１又は２記載の方法で燃焼させて生成した高温燃焼ガスをスターリングエンジンに導入して発電することを特徴としている。すなわち、熱機関として、請求項３の発電方法がガスタービンを用いるのに対して、請求項８の発電方法は前記スターリングエンジンを用いるものである。
【００３５】
請求項８の発電方法によれば、スターリングエンジンは外燃機関で、ガスエンジン等の内燃機関と異なり、ガスは燃焼室で連続燃焼させるため、請求項３記載の熱機関としてガスタービンを用いる場合と同様、生成ガス中のタール成分を除去せずそのまま燃焼させることができる。
【００３６】
さらに、スターリングエンジンの場合には生成ガス中のダストを除去しなくてもよいか、あるいは除去するとしても排出ガスの環境要求水準まで除去すればよいので、集塵装置を省略し、構造の簡素化を図れるという利点がある。
【００３７】
請求項９の発電方法は、請求項８記載の発電方法において、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、前記スターリングエンジンの排ガスに含まれる水蒸気により供給することを特徴としている。
【００３８】
請求項９の発電方法によれば、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気として、スターリングエンジンの排ガス中に含まれる水蒸気を利用するので、蒸発の潜熱に相当する熱エネルギーが不要となり、熱効率が向上する。
【００３９】
請求項１０の発電方法は、請求項８記載の発電方法において、バイオマスのガス化を水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応により行う際、（吸熱反応である）水蒸気ガス化反応に必要な熱または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部もしくは全部を、前記スターリングエンジンの排気ガスのもつ顕熱でまかなうことを特徴としている。
【００４０】
請求項１０の発電方法によれば、水蒸気ガス化における吸熱反応に必要な熱をスターリングエンジン排ガスの顕熱でまかなうことによりことにより、高い冷ガス効率でガス化する。
【００４１】
請求項１１の発電方法は、請求項８〜１０のいずれかに記載の発電方法において、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、バイオマスの含水を前記スターリングエンジンの排ガスの顕熱で蒸発させることにより供給することを特徴としている。
【００４２】
請求項１１の発電方法によれば、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、バイオマスの含水をスターリングエンジン排ガスの顕熱を利用して蒸発させることにより、排ガス中の顕熱を回収し、熱効率を向上させる。
【００４３】
請求項１２の燃焼システムは、バイオマスを、４５０℃〜７５０℃の温度範囲でガス化するガス化炉と、このガス化炉による生成ガスをそのままの温度・圧力状態で集塵する集塵装置と、この集塵装置による集塵後のタール成分を含む生成ガスを完全燃焼させ高温燃焼ガスを発生させる燃焼器とで構成されることを特徴としている。
【００４４】
請求項１２の燃焼システムは、請求項１の燃焼方法を実施するシステムであり、バイオマスに代表される比較的低温でガス化する固体燃料で、かつ灰分を含む燃料を利用するのに好適であり、ダストの極めて少ない高温燃焼ガスを発生させることができる。加えて、低温でガス化するので、上記公報▲２▼に記載の技術にある熱交換器を省略し、タール成分を含む生成ガスを集塵処理を施して、そのままの温度・圧力状態で燃焼させることができ、設備費の抑制が図れる。
【００４５】
請求項１３の発電システムは、バイオマスをガス化して得られるガスを用いて発電する発電システムにおいて、請求項１２記載の燃焼システムと、この燃焼システムで生成したガスを膨張させるガスタービンと、このガスタービンにより駆動される発電機とを具備することを特徴としている。
【００４６】
請求項１３の発電システムは、請求項３の発電方法を実施するシステムであり、請求項３の発電方法が奏するのと同様の作用を奏する。また、請求項１３の発電システムによれば、ガス化炉や集塵器などの燃焼システムを比較的低温の耐熱構造にすればよいため、設備コストを低減でき、とくに小規模分散型の発電システムとして最適である。ここで、請求項１３の発電システムは、水分を含んだバイオマスをそのまま、または乾燥させて水分を蒸発させ、発生した水蒸気と共に流動層炉などのガス化炉に導入し、その蒸発水分をバイオマスの水蒸気ガス化反応に利用して冷ガス効率を高めるものであり、上記公報▲３▼記載の技術においてバイオマス中の水分を回収してガスタービン圧縮機に導入し発電効率を向上させるという課題を解決しようするのとは異なる。
【００４７】
請求項１４の発電システムは、請求項１３記載の発電システムにおいて、前記ガスタービンの吸気空気を前記ガスタービンの燃焼空気用の圧縮機で加圧後に前記ガスタービンからの排ガスと熱交換させることにより加熱する熱再生器と、その加圧・加熱された空気の一部を、前記燃焼システムのガス化炉のガス化用ガス化剤として導き、前記ガス化炉での生成ガスを集塵器を通して送り込んで燃焼させる燃焼器とを備え、前記加圧・加熱された空気の残りを前記燃焼器へ直接に送ることを特徴としている。
【００４８】
請求項１４の発電システムは、請求項４記載の発電方法に対応するシステムであり、同発電システムによれば、システム全体の構成が比較的簡単で、しかもバイオマスの持つ化学エネルギーを無駄なくガス化ガスの化学エネルギーに転換して高効率の発電が実現できる。
【００４９】
請求項１５記載の発電システムは、請求項１３記載の発電システムにおいて、大気に放出するガスタービン排ガスの一部を加圧する圧縮機を備え、前記圧縮機にて圧縮した前記排ガスをガス化用ガス剤として前記ガス化炉に送るように構成するとともに、前記ガスタービンの排ガスと熱交換することにより、ガスタービン用燃焼空気、前記ガス化用ガス剤および水を加熱する熱交換器を備えることを特徴としている。
【００５０】
請求項１５の発電システムは、請求項５および６記載の発電方法に対応する発電システムであり、請求項１３の発電システムとほぼ同様の作用を奏するほか、本発電システムによれば、大気中へ放出するガスタービン排ガスの一部をガス化ガスとして利用するので、さらに高効率な発電が可能になる。
【００５１】
請求項１６記載の発電システムは、請求項１３〜１５のいずれかに記載の発電システムにおいて、前記ガス化炉に供給するバイオマスに含まれる水分を、前記ガス化炉に供給する前にガスタービンの排ガスで蒸発させるための乾燥器を備えることを特徴としている。
【００５２】
請求項１６の発電システムは、請求項７記載の発電方法に対応する発電システムであり、本発電システムによれば、排ガスの持つ低温廃熱を利用してバイオマスに含まれる水分を蒸発できるため、バイオマスの持つエネルギーを高効率で有効に利用できる。
【００５３】
請求項１７の発電システムは、バイオマスをガス化して得られるガスを用いて発電する発電システムにおいて、請求項１２記載の燃焼システムと、この燃焼システムで生成したガスを熱源とするスターリングエンジンと、このスターリングエンジンにより駆動される発電機を具備することを特徴とするものであり、請求項１３の発電システムが熱機関としてガスタービンを用いるのに対して、スターリングエンジンを用いるものである。
【００５４】
請求項１８記載の発電システムは、請求項１７記載の発電システムにおいて、大気に放出する前記スターリングエンジンの排ガスの顕熱を熱交換器で熱回収した後、前記スターリングエンジンの排ガスの一部をガス化用ガス化剤として前記燃焼システムのガス化炉へ送ることを特徴とするものであり、請求項１４記載の発電システムが熱機関としてガスタービンを用いるのに対して、スターリングエンジンを用いるものである。
【００５５】
請求項１９の発電システムは、請求項１７又は１８記載の発電システムにおいて、前記ガス化炉に供給するバイオマスに含まれる水分を、前記スターリングエンジンの排ガスで蒸発させるための乾燥機を備えることを特徴とするものであり、請求項１６記載の発電システムが熱機関としてガスタービンを用いるのに対して、スターリングエンジンを用いるものである。
【００５６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００５７】
図１は本発明の発電方法を適用した発電システムの実施例を示すシステム全体の系統図である。
【００５８】
図１に示すように、本実施例の発電システム１００は、エネルギー源である木質系バイオマス〈Ａ〉を貯留するサイロ１、この下流側にホッパ２、さらに乾燥器３をこの順に備えている。サイロ１には温水による加熱装置（図示せず）が配備されており、サイロ１内に貯留されているバイオマス〈Ａ〉を予熱できるようになっている。なお、本発明で使用する木質系バイオマスは、とくに発生量の多い製材所木屑を主に使用するが、そのほか、製材所木屑、林地放置間伐材、土場放置枝条、剪定街路樹、建築廃材なども使用することができる。
【００５９】
前記乾燥器３の下流側に、ガス化炉として、本例では流動層炉４が設置されている。流動層炉４の頂部の排ガス口が集塵器５にダクト２１を介して接続されている。集塵器５は、本例ではサイクロンと耐熱フィルター（耐熱温度：６５０℃程度）とから構成される。集塵器５の出口が配管２２でガスタービン（用）燃焼器６に接続され、この燃焼器６で燃焼されたガスが下流側に設置されたガスタービン７に送り込まれる。ガスタービン７には同軸上に圧縮機（コンプレッサ）７ａが連結され、さらに、発電機（ジェネレータ）８が連結されている。なお、集塵器５からは、サイクロンでガス分と分離され回収された未焼却成分であるチャー〈５〉やバイオマスの灰分〈５〉が排出される。
【００６０】
前記ガスタービン７の排ガス出口に熱再生器９が接続されている。大気中の空気〈１１〉が圧縮機７ａで吸引・圧縮され、この加圧空気（圧縮空気）〈１２〉が熱再生器９に送られて、排ガス〈７〉と熱交換されて加熱される。熱再生器９から出た加熱・加圧空気〈１３〉〈１５〉は配管２４により流動層炉４の底部に送られ、流動化ガスとして流動層炉４に吹き込まれる。配管２４は分岐されて燃焼器６に接続されているが、分岐管２５には流量調整弁１５が介設され、流動層炉４と燃焼器６とへの加熱・加圧空気〈１４〉〈１５〉の流量を調整できるようになっている。
【００６１】
熱再生器９から出た排ガス〈８〉は、配管２７で乾燥器３へ送られ、バイオマス〈Ｃ〉を乾燥するための加熱源として用いられる。乾燥器３でバイオマス〈Ｃ〉の乾燥用熱源に使用された排ガス〈９〉は配管２８を通して熱交換器１０に送られ、給水（水道水）を加熱し温水に変える。給水〈１６〉は配管３１に介設されたポンプＰで熱交換器１０へ供給され、温水〈１７〉となって配管３２から必要な機器、たとえばサイロ１へ送られる。一方、熱交換器１０から排出された排ガス〈１０〉は配管２９を通して煙突１１から大気中へ放出される。
【００６２】
上記のようにして本発明の実施例にかかる発電システム１００が構成される。なお、この発電システム１００には、バイオマスを燃料として燃焼させ高温燃焼ガスを発生させる、本発明の実施例にかかる燃焼システム（流動層炉（ガス化炉）１４、集塵器（集塵装置）５および燃焼器６）が含まれる。
【００６３】
この発電システム１００では、圧縮機７ａ（ガスタービン７の燃焼空気用の圧縮機）にて吸気・圧縮された空気〈１２〉は熱再生器９でタービン排ガス〈７〉と熱交換することにより加熱され、一部〈１５〉はガス化炉である流動層炉４へ送られ、残り〈１４〉は燃焼器６へ直接に送られる。流動層炉４へ送られた加熱・圧縮空気〈１５〉は、流動層炉４内へ投入されたバイオマス〈Ｄ〉を流動化させる。バイオマス〈Ｄ〉の一部は圧縮空気〈１５〉に含まれる酸素と燃焼反応し、部分燃焼される。このように流動層炉４へ送られた加熱・圧縮空気〈１５〉は、ガス化炉（流動層炉４）のガス化用ガス化剤として用いられる。本例の場合、流動層炉４内は、加圧状態（たとえば４〜５気圧）に保持され、バイオマス〈Ｄ〉が部分燃焼することにより炉内温度は４５０℃〜７５０℃（好ましくは５００℃〜７００℃）の間になる。この結果、ＣＯおよびＨ２のガス〈１〉が生成されるとともに、タール成分〈１〉も気化状態で生成される。
【００６４】
このようにして発生したガス（気化状態のタール成分を含んだＣＯおよびＨ２のガス）〈１〉は、そのままの温度・圧力状態で集塵器５に送られる。そして、集塵器５でチャー・灰分〈５〉が分離され、そのまま（流動層炉４から排気されたときの温度（たとえば６５０℃）および加圧状態をほぼ保ったまま）燃焼器６に送られる。この燃焼器６では、熱再生器９で加熱された圧縮空気〈１４〉と混合されて一体となって、ガスタービン７の膨張タービン入口圧力に対応した圧力で完全燃焼させて、高温燃焼ガスを発生させ、ガスタービン７に導入する。この高温燃焼ガスによってガスタービン７を駆動し、同時に発電機８を回転させ、発電する。また、バイオマス〈Ｄ〉をガス化した際にタール成分が生じるが、このタール成分は気化状態を維持できる温度である３５０℃以上に保持したまま、燃焼器６へ送られるために、集塵器５のフィルターや配管２１・２２の内壁などに付着することがない。
【００６５】
一方、ガスタービン７からの排ガス〈７〉は熱再生器９で圧縮空気〈１２〉を加熱した後、乾燥器３へ送られ、流動層炉４に供給するバイオマス〈Ｃ〉に含まれる水分を蒸発させ、バイオマス〈Ｃ〉を乾燥させるのに使用される。バイオマス〈Ａ〉は通常５０％程度の水分を含んでいるが、乾燥器３でガス化反応に不必要な水分を蒸発させる。ガスタービン排ガス〈９〉はその後、熱交換器１０で水を加熱して温水にする。
【００６６】
以上のようにして、バイオマスをガス化して燃焼させて発電させるが、バイオマスとして木質系バイオマスを使用しているので、特別な排ガス処理を施さなくても、排ガスを大気中へ放出できる。
【００６７】
次に、図２は本発明の他の実施例にかかる発電方法を適用した発電システムの別の実施例を示すシステム全体の系統図である。
【００６８】
本例の発電システム２００と上記実施例の発電システム１００との違いは、流動層炉４の流動化ガスとしてガスタービン７からの排ガス〈１０〉を利用している点である。すなわち、給水と熱交換器１０にて熱交換し、温度が低下した低温排ガス〈１０〉の一部を大気へ放出せずに、ガスタービン７の同軸上に設けた別の圧縮機１４へ送って加圧したのち、熱再生器９に隣接して設けた熱交換器１２でガスタービン７からの排ガス〈７〉と熱交換することにより加熱してから流動層炉４へ送ることによって、エネルギー効率をさらに高めている。
【００６９】
発電システム２００の構成については、図２に示すように、熱交換器１０から煙突１１への配管２９を分岐するとともに、ガスタービン７の同軸上または独立した別の圧縮機１４を配設している。分岐管３０にはダンパ１３を介設し、圧縮機１４の吸気側に接続している。圧縮機１４で圧縮して加圧した排ガス〈１０〉を配管３３にて熱交換器１２に接続し、さらに配管３４にて流動層炉４の底部に導いている。ガスタービン７からの排ガス〈７〉は熱再生器９にて圧縮機吸気（ガスタービン吸気）〈１２〉を加熱したのち、熱交換器１２へ送って加圧排ガスの加熱に使用される。それから、上記実施例と同様に乾燥器３へ送られ、バイオマスの乾燥用熱源として使用される。また、圧縮機吸気〈１２〉は、熱再生器９を経由して全て燃焼器６へ送られ、バイオマス〈Ｄ〉のガス化ガス〈２〉と混合されて燃焼される。
【００７０】
本例の発電システム２００では、低温といえども常温の空気に比べて大きな熱エネルギーをもつ排ガスを流動化ガスとして使用するので、エネルギー効率がさらに向上する。その他の構成および作用については上記実施例と共通するので、共通する部材は同一の符号を用いて示し、その説明を省略する。
【００７１】
上記においては２つの実施例を挙げて説明したが、下記のように実施することもできる。
（１）流動層炉４は流動層炉に限らず、たとえば噴流層炉を使用できる。
（２）流動層炉４でバイオマスをガス化する温度は、４５０℃〜７５０℃（好ましくは５００℃〜７００℃）の範囲で適宜設定することができる。もちろん、常圧でガス化することも可能である。
（３）熱機関としてガスタービン７に代えて、エンジン例えばスターリングエンジンを用い、ガス化した高温燃焼ガスを燃料としてエンジンを回転させて発電することもできる。この場合には、例えば流動層炉４（ガス化炉）に供給するバイオマスに含まれる水分を、前記スターリングエンジンの排ガスで蒸発させることができる。
（４）バイオマスのガス化は、部分燃焼反応させることにより行うほか、水蒸気下の存在下で水蒸気ガス化反応させることにより行うようにしてもよい。この場合、バイオマスの水蒸気ガス化に必要な水蒸気を、ガスタービンまたはスターリングエンジンの排ガス中に含まれる水蒸気を利用することができるし、バイオマスの含水を前記スターリングエンジンの排ガスの顕熱で蒸発させることにより供給するようにしてもよい。
【００７２】
また、バイオマスのガス化を水蒸気の存在下で水蒸気ガス化反応により行う際、吸熱反応である水蒸気ガス化反応に必要な熱または、ガス化炉の温度を維持するために必要な熱の一部もしくは全部を、ガスタービンまたはスターリングエンジンの排気ガスのもつ顕熱でまかなうようにすることができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上に説明したことから明らかなように、本発明には、以下のような優れた効果がある。
（１）バイオマスガス化に必要十分な温度で（つまり４５０℃〜７５０℃程度の低温で）ガス化を実施することから、不要な熱量を与える必要がないため、冷ガス効率が向上する。
（２）バイオマスガス化を必要十分な温度で（低温で）ガス化を実施することから、ガス化炉や集塵装置などの設備コストが下がる。
（３）発生ガスをそのままの圧力・温度でガスタービン又はスターリングエンジンに導入するためタール成分除去に伴う発生ガスの顕熱減少がなくなり、発電効率が向上する。
（４）タール成分を除去せずに高温高圧のままタービン又はスターリングエンジンにて燃焼させるため、タール成分の持つ顕熱・潜熱を有効利用でき、冷ガス効率、発電効率が向上する。
（５）タール除去のための機器装置が不要となり、設備コストが下がる。また、運転操作、設備保全が容易となる。
（６）熱再生器によりガスタービン燃焼用空気を予熱することにより、発電効率が向上する。
（７）流動層炉（ガス化炉）の流動化ガスをガスタービン排ガスと熱交換させて予熱することにより、発電効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発電方法を適用した発電システムの実施例を示すシステム全体の系統図である。
【図２】本発明の他の実施例にかかる発電方法を適用した発電システムの別の実施例を示すシステム全体の系統図である。
【符号の説明】
１　　サイロ
２　　ホッパ
３　　乾燥器
４　　流動層炉（ガス化炉）
５　　集塵器（集塵装置）
６　　燃焼器（ガスタービン用燃焼器）
７　　ガスタービン
７ａ　　圧縮機（コンプレッサ）
８　　発電機（ジェネレータ）
９　　熱再生器
１００・２００　　発電システム
【図１】
2004076968.tif 000003
【図２】
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