(57)【要約】【課題】熱分解という化学的処理によって燃料ガス中に含まれるタール分を除去するようにするとともに、安定した高い除去率を保証することができるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置を提供する。【解決手段】バイオマスから生成される燃料ガスの流通経路２に、燃料ガスを流通させる多孔状に形成され、かつ加熱されて１１００℃以上の熱を蓄熱する蓄熱体３を設けた。蓄熱体３は、通孔を有する充填容器１０に多数の球状蓄熱材３ａを層状に充填して構成されている。球状蓄熱材３ａはセラミック材料で形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスから生成される燃料ガスの流通経路に、該燃料ガスを流通させる多孔状に形成され、かつ加熱されて１１００℃以上の熱を蓄熱する蓄熱体を設けたことを特徴とするバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【請求項２】
前記蓄熱体は、通孔を有する充填容器に多数の球状蓄熱材を層状に充填して構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【請求項３】
前記球状蓄熱材がセラミック材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載のバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【請求項４】
前記蓄熱体はハニカム構造であることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【請求項５】
前記蓄熱体を加熱する加熱手段が設けられ、該加熱手段が前記燃料ガスと酸化反応する気体を供給する気体供給手段であることを特徴とする請求項１〜４いずれかの項に記載のバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【請求項６】
前記気体は純酸素であることを特徴とする請求項５に記載のバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【請求項７】
前記気体は空気であることを特徴とする請求項５に記載のバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【請求項８】
前記蓄熱体を加熱する加熱手段が設けられ、該加熱手段がバーナであることを特徴とする請求項１〜４いずれかの項に記載のバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【請求項９】
前記バーナには、燃料として前記燃料ガスが供給されることを特徴とする請求項８に記載のバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【請求項１０】
前記蓄熱体よりも前記燃料ガスの流れ方向下流側に、燃料ガス温度を検出する温度センサを設けたことを特徴とする請求項１〜９いずれかの項に記載のバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱分解という化学的処理によって燃料ガス中に含まれるタール分を除去するようにするとともに、安定した高い除去率を保証することができるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、木材チップや鶏糞等の生物由来のバイオマスを加熱してガス化するバイオマスガス化システムが知られており、そしてこのシステムで生成された燃料ガスを燃料として発電を行うバイオマスガス化発電システムなどが開発されるに至っている。
【０００３】
このバイオマスガス化発電システムでは、ガス化炉において原料のバイオマスを無酸素下で６００〜８００℃の高温に加熱して熱分解させると、原料バイオマスの揮発分が２００〜５００℃でガス化されることとなり、このガス化された燃料ガスを、後段のガスタービン発電やガスエンジン発電、燃料電池などの種々の発電用設備に供給して利用するようになっている。本願出願人は関連する出願として、特願２００３−１５５６５８を出願している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、バイオマスから生成される燃料ガスの成分は、処理温度や滞留時間、材料の水分等、ガス化条件により異なるが、主に水素、一酸化炭素、炭化水素などである。またこの燃料ガス中の炭化水素は、ＣＨ4やＣ2Ｈ6などが主成分であるが、Ｃ5Ｈ12以上のＣnＨm、いわゆる高分子化合物である高級炭化水素類も含まれている。高級炭化水素類は約５００℃以上の高温中ではガス状で存在しているが、低温になると析出し、タールと呼ばれる液状物質となる。
【０００５】
後段の発電用設備での燃料ガスの利用形態にもよるが、ガスエンジン発電や燃料電池などでは燃料ガスを常温で使用することが前提となっており、燃料ガスの温度を一旦常温まで下げる必要がある。この際、燃料ガス中のタール分が析出し、配管中などに付着して閉塞を起こしたり、あるいは、例えばガスエンジン発電の場合には、タール分が点火プラグに付着して着火不良が発生したり、また給・排気バルブに付着して動作不良が発生するなどの、不具合の原因となるおそれがあるという課題があった。また一般に、ガスエンジン発電の場合、その安定した動作を保証するには、タール分の存在が１０mg/m3以下であることが好ましいとされている。
【０００６】
本発明者による実験結果によれば、例えば木材チップを原料バイオマスとして使用し、ガス化温度を７００℃に設定した場合では、常温で燃料ガスの生成量に対し重量比で約１％のタール分が析出し、これは容積比で計算すると約５０００〜７０００mg/m3であり、ガスエンジン発電の安定的な運転を保証できる量を遙かに上回っている。またこの量は、生成される燃料ガスの全量からすれば微量ではあるが、燃料ガスは連続的に生成されることから、燃料ガス中にタール分が含まれていると言うことは結局、配管や発電用設備に徐々にタール分が蓄積していき、最終的には発電システムに重大なトラブルを発生させるおそれがあった。
【０００７】
タール分の除去に関しては、ガス化炉からの燃料ガスが発電用設備に達するまでの間に、フィルターや水洗スクラバーなどの物理的手段を用いて除去することが考えられるが、この場合にはフィルターなどに対するメンテナンス作業が必須となり、システムの保全作業が煩雑になってしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、熱分解という化学的処理によって燃料ガス中に含まれるタール分を除去するようにするとともに、安定した高い除去率を保証することができるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置は、バイオマスから生成される燃料ガスの流通経路に、該燃料ガスを流通させる多孔状に形成され、かつ加熱されて１１００℃以上の熱を蓄熱する蓄熱体を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、前記蓄熱体は、通孔を有する充填容器に多数の球状蓄熱材を層状に充填して構成されていることを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記球状蓄熱材がセラミック材料で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、前記蓄熱体はハニカム構造であることを特徴とする。
【００１３】
他方、前記蓄熱体を加熱する加熱手段が設けられ、該加熱手段が前記燃料ガスと酸化反応する気体を供給する気体供給手段であることを特徴とする。
【００１４】
また、前記気体は純酸素であることを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記気体は空気であることを特徴とする。
【００１６】
また、前記蓄熱体を加熱する加熱手段が設けられ、該加熱手段がバーナであることを特徴とする。
【００１７】
また、前記バーナには、燃料として前記燃料ガスが供給されることを特徴とする。
【００１８】
さらに、前記蓄熱体よりも前記燃料ガスの流れ方向下流側に、燃料ガス温度を検出する温度センサを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明にかかるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置にあっては、熱分解という化学的処理によって燃料ガス中に含まれるタール分を除去するようにするとともに、安定した高い除去率を保証することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明にかかるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。第１実施形態にかかるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置は基本的には、図１から図３に示すように、ガス化炉１でバイオマスから生成された燃料ガスの流通経路２に、燃料ガスを流通させる多孔状に形成され、かつ加熱されて１１００℃以上の熱を蓄熱する蓄熱体３を設けて構成される。図示例にあっては、バイオマスガス化発電システム４に適用した場合が示されていて、蓄熱体３を経過した燃料ガスは、ガスタービンやガスエンジン、燃料電池などの発電用設備５に供給されて発電に利用されるようになっている。
【００２１】
ガス化炉１と発電用設備５との間には、ほぼ中空円筒体状に形成され、１０００℃以上の超高温に耐えられる炉構造で構成された改質塔６が設けられ、流通経路２は、この改質塔６内部と、改質塔６内部とガス化炉１とを接続してタール分を含む燃料ガスが流通される上流側配管７と、改質塔６内部と発電用設備５とを接続してタール分が除去された燃料ガスが流通される下流側配管８とから構成されて、燃料ガスは改質塔６を介してガス化炉１から発電用設備５へと流通されるようになっている。
【００２２】
蓄熱体３は、改質塔６内部に、上流側配管７と下流側配管８との間に位置させて設けられる。具体的には改質塔６内には、支持梁９で支持されて、燃料ガスの流通方向に対してこれを遮るように蓄熱体３が設けられる。蓄熱体３は、多数の孔を有するブロック体であってもよいが、図示例にあっては、燃料ガスの流通が可能な通孔を有するメッシュ形態の充填容器１０が支持梁９に固定して設けられ、蓄熱体３は、この充填容器１０内に多数の塊状の蓄熱材３ａを層状に充填することで多孔状に構成される。
【００２３】
蓄熱材３ａとしては、球状形態が好ましく、また素材としては蓄熱性に優れたセラミック材を用いることが好ましいが、これに限定されることはなく、燃料ガスの流通を保証できて、１１００℃以上の温度の熱を蓄熱できるものであればよい。具体的には例えば、１２mm径の球状のセラミック材を厚み４０mmで充填することで層状の蓄熱体３を構成することができる。
【００２４】
蓄熱体３については、これをいわゆるハニカム構造で構成してもよく、この場合には、燃料ガスをその内部に流通させるために、多数の通孔を有するハニカムがその流れ方向に沿って配置される。
【００２５】
他方、改質塔６には本実施形態にあっては、蓄熱体３を加熱するために、燃料ガスと酸化反応を起こす気体Ｇを供給する気体供給手段が設けられる。この気体供給手段は図示例にあっては、複数のガス噴出ノズル１１で構成され、これらガス噴出ノズル１１は、蓄熱体３よりも燃料ガスの流れ方向上流側の改質塔６の内周面にその周方向に沿って適宜間隔、好ましくは等間隔で、かつ蓄熱体３の表面に対して同じ距離を隔てて配置され、特にその噴出端１１ａは、これより吹き出される気体Ｇを蓄熱体３の表面に均等に当てるために、改質塔６内で旋回しつつ蓄熱体３の表面に向かっていくトルネード流となるよう、改質塔６の周方向であってかつ蓄熱体３に向けられる。
【００２６】
これらガス噴出ノズル１１からは、純酸素もしくは空気が噴出され、これら純酸素等は蓄熱体３内でその内部に流通する燃料ガスと酸化反応を起こし、これにより発生し得る熱で各蓄熱材３ａ、ひいては蓄熱体３全体を均一に加熱し、かつ蓄熱体３全体がその熱を蓄えて１１００℃以上の温度に維持されるようになっている。詳細には、改質塔６に導入されるバイオマス由来の燃料ガスは、Ｈ2やＣＯを主成分とするもので、改質塔６への流入直後では約６００℃以上の温度があり、これに純酸素等を混合することで酸化反応による燃焼作用を起こさせることができる。
【００２７】
そして本実施形態では、多数の蓄熱材３ａを層状に充填することで多孔状の蓄熱体３が形成され、これにより燃料ガスは当該蓄熱体３に達すると、この蓄熱体３に対しその全体に亘って枝分かれするようにして流れ込む一方で、蓄熱体３を形成する蓄熱材３ａは個々に１１００℃以上にまで加熱されてその熱を蓄熱し、これにより燃料ガスはその全体が蓄熱体３内で１１００℃以上の各蓄熱材３ａと均一に接触し得、この結果、蓄熱体３を通過した燃料ガスが全体として満遍なく１１００℃以上に加熱されるようになっている。
【００２８】
また、蓄熱体３よりも燃料ガスの流れ方向下流側には、改質炉６内に取り付けて燃料ガス温度を検出する熱電対などの温度センサ（図示せず）が設けられ、これにより蓄熱体３を経過した燃料ガスが１１００℃以上に加熱されているか否かが検出されるようになっている。そしてこの温度センサの検出値に基づいて、ガス噴出ノズル１１からの気体噴射量を調節することができ、これにより蓄熱体３による燃料ガスの加熱温度を１１００℃以上に確実にコントロールすることができる。
【００２９】
図４および図５には、第２実施形態が示されていて、この実施形態ではガス噴出ノズル１１に代えて、これと同様な取り付け配置で設けられたバーナ１２によって蓄熱体３が加熱されるようになっている。バーナ１２の場合には、燃料と空気が供給されて火炎Ｆを発生し、この火炎Ｆで蓄熱体３を加熱するようになっている。バーナ１２に供給する燃料としては、燃料ガスの一部をこれに導いて利用するようにしても、別途燃料を供給するようにしてもよい。
【００３０】
以上説明した本実施形態にかかるバイオマスガス化発電システムの燃料ガス改質装置の作用について説明する。特に本実施形態にあっては、タール分が約１１００℃の高温に晒されると熱分解される点に着目し、タール分を含む燃料ガスをできるだけ均一に１１００℃の高温まで昇温させてタール分を熱分解させ、これにより発電用設備５に達した燃料ガスの温度を常温まで下げても、タール分が析出することのないようになっている。
【００３１】
燃料ガスの温度を上昇させるには、単純には、燃料ガスを加熱すればよい。しかしながら、タール分は燃料ガス中に全体的に分布していると考えられるから、燃料ガスを均一に加熱できることが重要であり、加熱される燃料ガスに１１００℃に達しない部分が少しでもあると、その部分のタール分を熱分解させることができず、結果としてタール分の除去率が低下してしまう。
【００３２】
他方、装置として例えば、１５００℃程度の超高温を発生できるようにすれば、装置を通過する燃料ガスは高い確率で、それよりも温度の低い１１００℃程度には加熱されると考えられ、タール分の除去効率を向上できると見込まれるが、この場合には超高温に耐えられるようにするために炉構造が複雑化し、またそのような超高温を得るために相当のエネルギー消費が見込まれるという不都合がある。
【００３３】
これに対し、本実施形態にあっては、改質塔６内に蓄熱材３ａを充填して構成した多孔状の蓄熱体３を設けるとともに、当該蓄熱体３を加熱してこれに１１００℃以上の熱を蓄熱させるようにし、そしてタール分を含む燃料ガスをこの蓄熱体３に通過させて当該燃料ガス全量を蓄熱体３と接触させるようにしているので、全燃料ガスを１１００℃以上に加熱することができて、これに含まれるタール分をほぼ完全に熱分解させて除去することができるようになっている。
【００３４】
第１実施形態に関する本発明者による実験結果によれば、７００℃でバイオマスを燃料ガス化させて得た１．５m3Ｎ／ｈの燃料ガスに０．１８m3Ｎ／ｈの純酸素を改質塔６に供給すると、蓄熱体３を通過した後の燃料ガス温度を１１００℃に保つことができた。
【００３５】
この場合、酸化反応により燃料ガス中の可燃分が消費されるため、燃料ガスは、蓄熱体３を通す前の湿ベースで約２８００kcal/m3Ｎの低位発熱量をもっていたものが、蓄熱体３を経過させると約２３００kcal/m3Ｎに若干低下するが、これによりタール分を熱分解して除去した燃料ガスを発電用設備５へと送ることができ、発電用設備５におけるトラブルの発生を防止できるとともに、またフィルターを設置した場合などに必要とされる煩雑な保全作業を不要とすることができる。
【００３６】
また第１実施形態では、上述したように供給する気体としては、純酸素を使用し、燃料ガスの酸化反応熱を利用してそれ自体の温度を１１００℃まで上昇させるようにしても、また純酸素ではなく、空気を吹き込むようにしてもよい。しかしながら、空気の場合は、その大部分を占める窒素が燃料ガス中に混入することとなり、最終的に利用される燃料ガスの単位ガス量当たりの発熱量が、混入した窒素量に応じて低下してしまう。例えば、ガスエンジンで燃料ガスを燃焼させる場合に、高効率で発電を行うためにはもちろん、単位ガス量当たりの発熱量が大きいことが望ましい。
【００３７】
他方、燃料ガスの利用において、単位ガス量当たりの発熱量が問題とならない場合には、燃料ガスが有する総エネルギ量自体には変化はないから、空気の吹き込みによって燃料ガスを燃焼させて当該燃料ガス温度を上昇させるようにしても良い。
【００３８】
第２実施形態のように蓄熱体３を加熱するのに、純酸素等を供給するのではなく、当該燃料ガスもしくは他の燃料で燃焼動作されるバーナ１２を使用する場合については、バーナ１２への燃料ガス等の供給量とエアの供給量の制御が必要となるため、純酸素のみを供給する場合と比較して、制御が若干複雑化する一方で、燃料ガス温度で酸化反応を起こさせる酸素利用の場合と比べて、独自の燃焼作用によって蓄熱体３を加熱するものであるから、改質塔６に供給される燃料ガスの最低温度に制約がないという意味で、ガス化炉１で生成される燃料ガスの温度条件を緩和することができる利点がある。
【００３９】
本実施形態にかかるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置にあっては、その除去は難しいタールを、フィルターなどの物理手段によって除去するのではなく、多孔状であって、１１００℃以上の熱を蓄熱する蓄熱体３を備えて化学的に処理するようにしていて、燃料ガスを満遍なく均一に１１００℃以上に加熱することができ、これによる熱分解によってタール分をほぼ完全除去することができる。従って、タールの析出に伴う発電用設備５のメンテナンスを不要にすることができる。また、タール分も熱分解により低級炭化水素類に分解することができて、エネルギーとしても利用することができる。
【００４０】
表１には、実験結果が示されている。条件１〜４いずれにあっても、実験用に用いた円筒形のマッフル炉（以下、改質炉という）の炉内温度（処理温度）を１１００℃に保ち、このマッフル炉内に、木材チップを７００℃でガス化した燃料ガスを流通させた場合における、改質炉入口（表中、入口という）と改質炉出口（表中、出口という）でのタール量の比較を示している。燃料ガスの改質炉内の滞留時間は約１０秒とした。
【００４１】
条件１は、蓄熱体を設置せず、しかも酸素を吹き込まない場合で、タール量は４０％しか減少していない。これはすべての燃料ガスが１１００℃にならず、改質炉内で熱分解し得なかったタール分が相当量あることを意味している。
【００４２】
条件２は、蓄熱体は設置しない一方で、酸素を改質炉内に吹き込んだ場合で、改質炉内ではある程度の燃焼作用が起こり、また改質炉内の輻射熱で１１００℃近辺までは加熱されるため、約９０％のタール分が除去されている。
【００４３】
条件３は、改質炉内に上記実施形態相当の蓄熱体を設けるとともに、酸素を蓄熱体に向かってではなく、その手前に空気を吹き込んだ場合の結果である。酸素と燃料ガスとの発熱反応が起こり、さらに改質炉内の輻射熱によって蓄熱体が加熱され、これを燃料ガスが通過することにより、約９５％のタール分を除去することができている。
【００４４】
条件４は、蓄熱体に向けて酸素を吹き付けた場合である。この場合、改質炉の炉内温度は他と同様に１１００℃であるが、蓄熱体を経過した直後の燃料ガス温度は１１２０℃まで上昇していて、タールの除去率は実に９９．７％となっている。
【００４５】
また、上記実験とは別に、改質炉の炉内温度を７００度まで下げたが、上記実施形態相当の蓄熱体を通過した燃料ガスの温度や除去率に変化はなかった。以上のことから、本実施形態にあっては、バイオマス由来の燃料ガス中のタール分をほぼ完全に除去できることが理解される。
【００４６】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明にかかるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置が適用されたバイオマスガス化発電システムの概要を示す構成図である。
【図２】本発明にかかるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置の好適な一実施形態を示す改質塔の側断面図である。
【図３】図２中、Ａ−Ａ線矢視断面図である。
【図４】本発明にかかるバイオマスガス化システムの燃料ガス改質装置の他の実施形態を示す改質塔の側断面図である。
【図５】図４中、Ｂ−Ｂ線矢視断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
２  流通経路
３  蓄熱体
３ａ  蓄熱材
１０  充填容器
１１  ガス噴出ノズル
１２  バーナ
【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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