(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部に木質バイオマス原料供給口を、頂部に発生ガス及び灰の放出用開放端部を有するガス発生炉内筒と、その周囲に生成した灰が通過することができる間隙を有し、かつ発生したガスの放散を防ぎ、排出することができる供給口を上部に備えるガス及び灰排出用外筒を具備し、かつ前記内筒内に酸化性ガスの供給口を具備する、木質バイオマス原料を炉内で下方から上方に移動させながら熱処理することを特徴とする木質バイオマス用ガス発生装置。
【請求項２】
酸化性ガスの供給口が、炉内の上下方向に間隔をおいて２箇所に設置されている上側開口と下側開口である請求項１に記載の木質バイオマス用ガス発生装置。
【請求項３】
酸化性ガスの供給口がガス発生炉内筒の底部中央から上方に延伸する酸化性ガス供給用同心状２重配管に設けられ、上側開口が内側管の頂部に設けられ、下側開口が外側管の前記上側開口より下方に設置された請求項２に記載の木質バイオマス用ガス発生装置。
【請求項４】
前記内側管が上下方向に移動し、前記上側開口と前記下側開口の間隔を調節できるようにした請求項３に記載の木質バイオマス用ガス発生装置。
【請求項５】
ガス発生炉内筒の頂部付近にレベルセンサを設置し、未燃焼チャーの上面を検知して、木質バイオマス原料供給量を調節することにより、未燃焼チャーが前記内筒から排出されないように制御する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の木質バイオマス用ガス発生装置。
【請求項６】
ガス発生炉内筒の側面付近に複数の温度センサを設置し、酸化性ガス供給用の上側開口と下側開口へのガス供給量の分配比率を調整することにより、内筒側面の温度が最高になる位置を未燃焼チャー上面より２００ｍｍ〜３００ｍｍ下方になるように制御する請求項２ないし４のいずれか１項に記載の木質バイオマス用ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質バイオマスを原料として可燃性ガスを生成するガス発生装置に関する。
より詳しくは、本発明は、間伐材あるいは木材加工場で発生する端材等の木質バイオマスを原料として可燃性ガスを生成し、生成したガスを原料生産地近辺で発電用エネルギーあるいは燃料として利用するのに好適で、かつ構造的あるいは機能的に小型化するのにも好適なガス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
間伐材あるいは雑木等の木質系バイオマスは、古くから薪あるいは木炭等の燃料として利用されている。
しかしながら、我が国においては、簡便に利用することができる天然ガス等の気体燃料、あるいは灯油、重油等の液体燃料が大量に輸入され、簡易に入手することができることから、木質系バイオマスの固体燃料としての利用は近年極端に低いものとなっている。
そのような中において、木質系バイオマスをガス化して利用することには、内燃機関の燃料として使用できることあるいはバイオマスが持つエネルギーを高い効率で使用できる等の長所があること、更には廃棄物を活用できること等から、発生した可燃性ガスを発電用燃料として利用することが最近注目されている。
【０００３】
【非特許文献１】工業調査会発行「化学装置」２００４．０３．  城子克夫著「バイオマスの変換技術」
【非特許文献２】T.B.Reed and A.Das Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems．ｐ３０  その木質系バイオマスのガス化技術は、バイオマスを部分酸化して可燃性ガスを生成するものであるが、それにはダウンドラフト式、アップドラフト式等の固定床形式、バブリング式、循環式等の流動床形式、微粉体式等の噴流形式、又は内燃式ロータリーキルン方式、外燃式ロータリーキルン方式等のロータリーキルン形式等の多くの形式のガス化炉を用いるものが既に知られている（非特許文献１参照）。
【０００４】
それらの形式のガス化炉の中において、設備投資金額が低く、設置必要面積が少なく、しかも起動・停止に必要な時間が短い等の長所を有することから、本発明者が注目している小容量、特に熱出力１，０００ＫＷ／以下のガス化炉については、固定床形式に限られることになる。
その固定床形式には、前記したとおりダウンドラフト式及びアップドラフト式があるが、生成した可燃性ガスを発電用エネルギーとして利用しようとする場合は、ガス中のタール含有量をより低く抑えることができるダウンドラフト式が好適であるとされている。
【０００５】
そのダウンドラフト式ガス化炉の代表例は、第２次世界大戦中に百万台生産されたインバート（Imbert）方式ガス化炉であり、現在稼働中の同ガス化炉の殆どはインバート方式ガス化炉を部分的に改造したものであるが、基本的な原理は改造前のものと変わっていない。
なお、そのインバートガス化炉の構造と炉内の反応領域は、非特許文献２のＦｉｇ５−２に図示するとおりである。
そのインバート方式ガス化炉の主要構造は、垂直円筒形の炉中間部断面が絞られており、その上部に原料固形物が投入される。
【０００６】
そのガス化炉の絞り部分のやや上方に空気が流入し、原料を燃焼させ、火炎熱分解が生じ、熱分解を終了してチャーになった固形物は空気中の酸素が既に消耗しているので、それまでの燃焼により生じた高温により還元反応を行う。
その結果として還元反応により発熱量の高い水素と一酸化炭素が生ずるものの、その一方で還元反応のために熱を供給した二酸化炭素、空気中の酸素を消耗した残りの窒素などが含まれるため発熱量が低い。
【０００７】
さらに、そのガス化炉においては、一般的には還元領域のチャーの下部には未燃焼チャー層が存在し、火格子によって支えられ、生成したガスは火格子を通して炉外に排出される。
その際には、原料固形物は火炎熱分解、酸化、還元反応により体積が減少し、それを補充するように、固形物は上方より下方に重力で移動する。
そのため、原料固形物の均一な流下は期待できず、生成ガス中のタール含有量増加の原因になる等の欠点もあった。
そのインバート方式ガス化炉の欠点を克服する目的でオープンコア方式のガス化炉開発が近年試みられた。
【０００８】
この方式は、インバート方式ガス化炉における炉中間部断面の絞りをなくし、主要な空気を開放された炉頂から流入させるもので、均一な断面の炉筒内を原料固形物が均一に流下し、反応自体の上方への移行と平衡して、反応層が定常的に同じ位置に維持されることを狙ったものである。
しかし、この改良された方式も生成ガスが火格子を通じて炉外に排出されることと、原料固形物の移動が重力に依存することはインバート方式ガス化炉と同様である。
以上のとおりであり、前記インバート方式ガス化炉及びその改良したガス化炉においても、炉内の原料固形物の移動は重力に依存している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
その重力による炉内での移動においては、ガスの発生に伴って固形物量が減少し、その消滅した空間を固形物が補填するような形で移動することになるが、その際にはブリッジ現象を発生し易く、その結果その場所を起点としたチャンネリング（吹き抜け）を生じ易くなる。
また、炉の底部に存在する火格子が細分化された未燃焼チャーあるいは灰により目詰まりしやすく、それを回避して通気量を回復するために火格子を動かすることが必要となり、その際には未燃焼のチャーが火格子より落下し消失し易くなる。
さらに、空気量が相対的に多い場合には、未燃焼のチャーが消耗し、火格子が高温に曝され、エネルギー損失と保全上の不利益が生ずる。
【００１０】
そこで、本発明者は、このような現象の発生が無く、簡便に小型化でき、かつ原料であるバイオマス発生現場付近に簡単に設置できるガス発生装置を開発すべく、鋭意努めた。
その結果、炉下部より固形のバイオマス原料を強制的に上方に押し上げながら移動させて熱処理し可燃性ガスを発生させることによりブリッジ及びチャンネリング（吹き抜け）が発生しないことを本発明者は見出した。
したがって、本発明は、炉内においてブリッジ現象、チャンネリングの発生が無く、簡便に小型化でき、かつ原料のバイオマス発生現場近辺に簡単に設置できるガス発生装置を提供することを解決すべきとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は前記課題を達成するための木質バイオマス用ガス発生装置を提供するものであり、それは、底部に木質バイオマス原料供給口を、頂部に発生ガス及び灰の放出用開放端部を有するガス発生炉内筒と、その周囲に生成した灰が通過することができる間隙を有し、かつ発生したガスの放散を防ぎ、排出することができる供給口を上部に備えるガス及び灰排出用外筒を具備し、かつ前記内筒内に酸化性ガスの供給口を具備する、木質バイオマス原料を炉内で下方から上方に移動させながら熱処理することを特徴とするものである。
【００１２】
また、その木質バイオマス用ガス発生装置においては、以下のことを採用するのが好ましい。
(1)酸化性ガスの供給口は、炉内の上下方向に間隔をおいて２箇所に設置されている上側開口と下側開口であること
(2)酸化性ガスの供給口がガス発生炉内筒の底部中央から上方に延伸する酸化性ガス供給用同心状２重配管に設けられ、上側開口が内側管の頂部に設けられ、下側開口が外側管の前記上側開口より下方に設置されていること
(3)前記内側管が上下方向に移動し、前記上側開口と前記下側開口の間隔が調節できるようにすること
(4)木質バイオマス原料供給口に駆動手段を内設した木質バイオマス原料供給装置を接続すること
(5)ガス発生用内筒の頂部付近にレベルセンサを設置し、未燃焼チャーの上面を検知して、木質バイオマス原料供給量を調節することにより、未燃焼チャーが内筒から排出しないように制御すること
(6)ガス発生炉内筒の側面付近に複数の温度センサを設置し、酸化性ガス供給用上側開口と下側開口へのガス供給量の分配比率を調整することにより、内筒側面の温度が最高になる位置を未燃焼チャー上面より２００ｍｍ〜３００ｍｍ下方になるように制御すること。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の木質バイオマス用ガス発生装置では、固形原料のバイオマスは炉下部より強制的に押し上げるので、従来の固定床形式のガス発生装置の場合のように固形原料が重力で下方に移動することがなく、ブリッジ及びチャンネリングは発生しない。
また、ダウンドラフト式の利点を継承して酸化性のガスである燃焼用の空気の流れが原料固形物の移動方向と一致しており、かつ発生した可燃性ガスも固形物と同一方向の並流であり、火炎熱分解層、還元反応層の各層を順に円滑に通過することができる。
なお、その通過時には、火炎熱分解層では、燃焼部分からの輻射熱で温度が上昇し、初期の段階で原料固形物が熱分解して可燃性ガスが形成され、その形成された可燃性ガスが酸化されることになる。
【００１４】
これらの点に関し、更に言及すると、従来の固定床形式のガス発生装置においては、  前記したとおり固形原料が重力により炉内で移動し、ガスの発生に伴ってその量が減少し、その消滅した空間を固形物が補填するような形で移動することになるが、その場合には炉筒の断面が均等に移動するとは限らず、反応層は乱れて不完全な反応のまま固形物やガスが下方に通過するおそれがある。
【００１５】
また、従来のガス発生装置においては炉底部に存在する火格子は細分化された未燃焼チャーあるいは灰により目詰まりしやすく、それを回避して通気量を回復するために火格子を動かすことが必要となり、その際には未燃焼のチャーが火格子より落下し消失し易くなる。
さらに、空気量が相対的に多い場合には、未燃焼のチャーが消耗し、火格子が高温に曝され、エネルギー損失と保全上の不利益が生ずる。
【００１６】
それに対して、本発明のガス発生装置では、これら問題を回避することができる。
すなわち、本発明のガス発生装置は、前記したとおり固形原料は炉下部より強制的に押し上げるので円滑に移動することができ、更に炉の断面積と原料供給装置の移送筒断面積が接続部分でほぼ同一に保たれており、それにより炉の水平断面における原料の移送速度分布を一定に近づけ、すなわち炉内壁部分、炉内中央等の各位置において、その位置に関わりなく原料の移送速度分布を一定に近づけることができる。
そのため、固形物は炉内を下方から上方にガス発生反応に伴って体積を減少しながら均一状態で移動し層状の反応層維持に貢献することができる。
【００１７】
さらに、本発明のガス発生装置では、タール含有量を調節することができ、その結果発生したガスを発電に利用するのに好適な低く抑えることができる。
すなわち、本発明においては、ブリッジ及びチャンネリングは発生しないので、熱分解過程で発生したタールは、必ず火炎熱分解層中の酸化領域、還元層の高温部分を通過し、比較的低い分子量の成分に分解される。
【００１８】
また、本発明では、内筒側面の温度が最高になる位置を未燃焼チャー上面より２００ｍｍ〜３００ｍｍ下方になるように制御することができ、それにより原料固形物の中心部分のように最終段階で熱分解され発生したタールも分解される。
さらに、上側開口６と下側開口７との間隔を調節することもでき、それにより原料が火炎熱分解を開始してから高温のチャー層に到着するまでの時間を両開口の距離で制御することができ、そのためこの時間をいたずらに長くすることなく、熱分解速度の遅延と放熱損失の増加を招くことがなく、粒度分布等原料の性状に応じてタール発生を少なく調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下において、本発明に関し発明を実施するための最良の形態に関し図１を用いて詳述するが、本発明は、この実施の形態によって何等限定されるものではなく、特許請求の範囲によって特定されるものであることはいうまでもない。
その図１は、本発明の好ましい木質バイオマス用ガス発生装置１の全体像を図示するものであり、そのガス発生装置１は、底部に木質バイオマス原料供給口４を、頂部にガス及び灰の放出用開放端部５を有し、内部で木質バイオマスから可燃性ガスを発生するガス発生炉内筒２と、その周囲を包囲して、発生したガスを外部に導くガス供給口１８と、前記内筒との間に灰通路９を有する外筒３を具備する。
【００２０】
そのガス発生炉内筒２下部の木質バイオマス原料供給口４には原料供給装置８が接続されており、その供給装置８はガス発生炉内筒２下部と同一内径の筒２２の内部に２連押出スクリュー２０を備えた構造となっている。
さらに、ガス発生炉内筒２には、底部中央から上方に延伸する空気等の酸化性ガス供給用同心状２重配管１１が設置されており、その内側管１２は内筒２の上部まで延び頂部に酸化性ガス供給用の上側開口６が設けられる。
それに対して、外側管１３は内筒２内への進入距離が内側管１２に比し短く、その結果その頂部に設けられた酸化性ガス供給用の下側開口７は前記上側開口６より下方となっている。
【００２１】
本発明においては、前記のように空気等の酸化性ガス供給口は垂直方向に離れた２箇所に設置されているのが好ましく、このように酸化性ガス供給用の開口を上下２箇所に設置することにより、炉内において供給された木質バイオマスから可燃性ガスを円滑に発生させることができる。
すなわち、酸化性ガス供給口を炉内の一箇所に設置した場合に比し、固形物の中心部分から発生したガス中のタール分も分解する機会を持つことができ、その結果タール分の少ない質のよい可燃性ガスを生成することができる。
その設置位置については、具体的には上側開口６は火炎熱分解層内、下側開口７は着火栓近辺に位置するように設置するのがよい。
【００２２】
また、本発明においては、前記のように固形原料のバイオマスを炉の下部より強制的に押し上げるので、ガス発生炉内筒２内においては、木質バイオマス、火炎熱分解層１５、還元層１６、未燃焼チャー層１７が層状を維持しながら下方から上方に移動することができ、この強制的な押し上げによる移動が炉内筒２内の固形物層の均一化、平準化に貢献するものである。
なお、その際には、火炎熱分解層では、燃焼部分からの輻射熱で温度が上昇し、初期の段階、すなわち火炎熱分解層の下部ではまず原料固形物が熱分解して可燃性ガスが形成され、そのガスは酸素が存在する限りは酸化燃焼し、その熱で原料固形物の熱分解を促進する。
【００２３】
原料供給装置８内部に設けられた２連押出スクリュー９は、間伐材等の木材を切断した木質バイオマス片を保管する原料貯槽２１の下部に設置されており、貯槽２１内に保管されている木質バイオマス片を下方から連続的に取り出し、ガス発生炉内筒２に供給することができるようになっている。
本発明の木質バイオマス用ガス発生装置においては、その原料供給装置８を形成する筒２２の木質バイオマス片が進行する方向に直交する面の断面積、ガス発生炉内筒２の前記と同様の断面積、及び筒２２とガス発生炉内筒２との接続部分２７における前記と同様の断面積は同一であるのが望ましい。
【００２４】
本発明においては、このようにすることにより、バイオマス片は、２連押出スクリュー２０によりガス発生炉内筒２に円滑に導入されて、ガス発生炉内筒２内を酸化性ガスである空気と接触しガス発生反応を起こしながら層状を維持したまま円滑に移動することができる。
また、それら断面積は前記のとおりであるのが望ましいが、多少異なっていてもよく、その場合にはガス発生炉内筒２の下端における前記断面積の０．８〜１．２倍程度の範囲にあるのがよい。
【００２５】
なお、図１においては、接続部分２７の径が２連押出スクリュー２０の方向に向かって次第に小さくなるように図示されているが、それは接続部分２７の木質バイオマス片が進行する方向に直交する面の断面積が決して次第に減少することを示すものではない。
すなわち、２連押出スクリュー２０が２軸構造となっており、そのため前記筒２２は木質バイオマス片が進行する方向に直交する断面の形状が楕円となっている。
その結果、断面形状が円のガス発生炉内筒と、断面形状が楕円の２連押出スクリュー９を内蔵する筒２２とは、断面形状に違いがあり、その両者を結合する接続部分２７は、その断面形状の差異に対処する構造となっていることが図示されたまでのことである。
【００２６】
ガス発生炉内筒２内に供給された木質バイオマス片は、本発明のガス発生装置の起動時には着火栓２４により、その後は上方の火炎熱分解層からの輻射熱により着火されて、燃焼を開始するが、ガス発生炉内筒２内に酸化性ガスの供給口より供給される空気量は木質バイオマス片を完全燃焼するには遙かに不足する少量である。
すなわち、完全燃焼に必要な理論空気量の２０〜３０％がよく、理想的には２５％がよい。
そのため、酸素が消耗した後は炉内は還元状態となり、この還元により可燃性ガスを生成する反応が起こるが、その際の還元反応開始位置の温度は１１００℃〜１０００℃が望ましい。
【００２７】
本発明では、ガス発生炉内筒２内に木質バイオマス及び空気が導入され、着火されることにより、その炉には前記したとおり下方より火炎熱分解層、還元層、未燃焼チャー層が層状に形成される。
図１に図示された木質バイオマス用ガス発生装置１では、未燃焼チャー層１７が上昇し、それがガス発生炉内筒２頂部より灰通路９内に溢流しないようにレベルセンサ１４が設置されている。
このセンサ１４は未燃焼チャー層の上面を検知するものであり、それが所定位置を維持するように木質バイオマスを強制的に移動する２連押出スクリュー２０の運転停止あるいは回転速度等を制御する。
【００２８】
この炉内で可燃ガス発生反応を行った後の木質バイオマスから生成した残滓である灰については、比重が小さく軽いため一部は生成ガスに随伴するが、それ以外のものは内筒２の頂部の放出用開放端部から外筒と内筒の隙間に形成される灰通路９内に溢流し、灰排出口１９から取り出される。
さらに、図１に図示された木質バイオマス用ガス発生装置１には、ガス発生炉内筒２の外壁に制御用温度センサ２３、原料供給装置８の筒２２の壁に安全用温度センサ２６が設置されており、かつ原料供給装置８の筒２２には、消火水槽２５に接続する配管が接続されており、木質バイオマス用ガス発生装置が安全に運転できるように制御及び管理できる構造となっている。
【００２９】
本発明の木質バイオマス用ガス発生装置１は、構造的、機能的に小型化するのに好適である。
そのため、間伐材又は木材加工場で発生する端材等の発生現場近辺に設置し、製造した可燃性ガスをその場で燃料又は発電用エネルギーとして利用するのに好適である。
木質バイオマス用ガス発生装置を小型化する際の規模は、具体的には、炉内の直径で表すと５００ｍｍ〜３００ｍｍとするのがよいが、本発明の木質バイオマス用ガス発生装置は、このような小規模のものに限定されるわけではなく、勿論特許請求の範囲に記載の要件を満たす限り、本発明の一形態ということになる。
【００３０】
この木質バイオマス片を炉内に導入する原料供給装置における移送手段は、特段限定されるものではなく、木質バイオマス片が原料貯槽からガス発生炉内筒に搬送できるものであれば各種のものが採用できるが、原料貯層との接続部面積拡大の点で２連押出スクリューが好ましい。
その原料の木質バイオマスは、炉内で円滑に可燃性ガスの発生反応を行うには、小片に切断したものがよく、小片の最長部寸法は５０〜５ｍｍ程度がよく、好ましくは２５〜１０ｍｍ程度のものがよい。
【００３１】
本発明においては、ガス発生炉内筒内の還元反応開始位置は未燃焼チャー上面より２００ｍｍ〜３００ｍｍ下方になるように制御するのがよく、その位置はガス発生炉内筒の容量、長さ等に係わりなく前記範囲に制御するのがよい。
なお、還元反応は１００ｍｍ内外の比較的短い距離で完了するので、結果としてそのように制御すれば、未燃焼チャーの量は１００ｍｍ〜２００ｍｍの層厚でほぼ一定に保たれ、流入空気量に対応した最適のガス化反応を保証することができる。
【００３２】
空気等の酸化性ガスを炉内に導入する同心状２重配管については、内側管を上下方向に移動可能に設置するのがよく、それを移動させることで、上側開口６と下側開口７との間隔を変更することができる。
さらに、上側開口６及び下側開口７については、前記のように形成することができるばかりでなく、ガス発生炉内筒２の壁の上部と下部に、それぞれ環状の孔を形成し、その孔に環状の空気供給管を設置することによっても形成することができる。
【００３３】
なお、肉厚のバイオマスをガス化する場合、当初設定された両開口の間隔では、高温部分を移動する時間内にバイオマス内部の熱分解が終了しないことがある。
その際にはタールを分解することが期待されている高温部分をバイオマスが通過した後にも熱分解が継続し、生成ガスのタール含有量を増加させる。
このようなことを回避しようとして原料固形物の大きさに関わりなく予め両開口の間隔を長くしておくことは、熱損失を増大するだけでなく、熱分解速度の遅延でタールの発生量を増加させることになる。
しかしながら、本発明においては、両開口の間隔を原料の形状に合わせて最適な距離に調整することができるので、前記した短所の発生もない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の好ましい木質バイオマス用ガス発生装置１の全体像を示す。
【符号の説明】
【００３５】
１    木質バイオマス用ガス発生装置
２    ガス発生炉内筒
３    外筒
４    木質バイオマス原料供給口
５    ガス及び灰の放出用開放端部
６    上側開口
７    下側開口
８    原料供給装置
９    灰通路
１１    酸化性ガス供給用同心状２重配管
１２    内側管
１３    外側管
１４    レベルセンサ
１５    火炎熱分解層
１６    還元層
１７    未燃焼チャー層
２０    ２連押出スクリュー
２１    原料貯槽
【図１】
0004679390.tif 000002