(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフト炉内でバイオマス原料の部分燃焼熱を熱源として乾留ガス化し、炭化物と乾留ガスを生成させる燃料用炭化物および燃料ガスの製造方法において、
部分燃焼用の酸化剤として空気および蒸気の混合物を使用し、シャフト炉内で発生するガスの温度の、発生ガス温度設定値からの偏差に基づき、空気に混合する蒸気の添加量を変えることよって酸化剤酸素濃度及び蒸気量を変えることにより、発生するガスの温度を一定範囲に制御することを特徴とする燃料用炭化物および燃料ガスの製造方法。
【請求項２】
前記酸化剤の酸素濃度を湿ベースで１０〜１８ｖｏｌ％に制御することを特徴とする請求項１記載の炭化物および燃料ガスの製造方法。
【請求項３】
バイオマス原料の最大寸法が１００ｍｍ〜２００ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料用炭化物および燃料ガスの製造方法。
【請求項４】
シャフト炉の熱ガス供給部を上下２段とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料用炭化物および燃料ガスの製造方法。
【請求項５】
炉内で高温化された炭化物を、炉底部に位置したノズルから蒸気を吹き込むことによって冷却することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化物および燃料ガスの製造方法。
【請求項６】
定期的に不活性ガスを急激に吹き込んで炭化物の棚つりを除去することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料用炭化物および燃料ガスの製造方法。
【請求項７】
前記燃料ガスが石炭焚き火力発電設備に設置したガスバーナの燃焼用ガスであるとともに、得られた前記燃料用炭化物が火力発電用の石炭ミルに混合して微粉炭バーナで燃焼させる燃料であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭化物および燃料ガスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフト炉にバイオマス原料を装入し、バイオマス原料の部分燃焼熱により乾留ガス化し、炭化物と乾留ガスを生成させる燃料用炭化物および燃料ガスの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
木質バイオマス等の未利用バイオマス、有機性廃棄物等のバイオマス原料を乾留ガス化する乾留炉として、外熱キルン方式や部分燃焼流動床方式が開発されてきた。バイオマス原料を外熱キルンや部分燃焼流動床で乾留ガス化する場合、原料を破砕して細かくしないと、キルンでは内部までガス化することが困難であり、また、流動床では流動不能となるため、バイオマス原料を約２０ｍｍ以下まで破砕する前処理が必須となり、そのための破砕動力が余分に必要であった。
【０００３】
また、バイオマス原料が建築廃棄物の場合には、金属（ボルト、釘）等が混入しており、破砕機保護のため、事前に金属分離が必要となり、それら金属の分離装置が必要であった。しかしながら、金属はバイオマスと混合した状態で存在しており、回収は困難であり、金属回収できてもそのままで有価物として流通することはなく、後に手選別等が必要であった。
【０００４】
一方で、バイオマスの発電方法については、いろいろ開発されていた。しかしながらいずれの方法も、処理プロセスの複雑さや設備費の大きさ、収集可能なバイオマスの量の制限などにより実現できなかった。
【０００５】
そこで、バイオマス原料を乾留ガス化するにあたり、安価な単純でかつ少量のバイオマスでも経済性が成立するブロセスとして、シャフト炉により炭素質資源を酸素及び水蒸気で部分酸化することが提案されている（特許文献１参照）。シャフト炉を使用することによって、外熱キルン方式や部分燃焼流動床方式に比べて、無駄な破砕動力を必要とする面倒な前処理は最小限で抑えることが可能となる。さらに、後流に改質炉を設けることにより、種々の炭素質資源の性状別に、違うエネルギー転換方法を与えることで、高効率な炭素質資源のガスエネルーへの転換を可能としている。
【特許文献１】特開２００４−４１８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シャフト炉では、シャフト炉内で部分酸化しているが、バイオマス原料の質（カロリー、含水率）に応じて部分燃焼領域の温度は変化する。実験によれば、バイオマス原料の水分が減少したケースでは、部分燃焼部で１２００℃以上の局部高温領域が発生し、シャフト炉内での部分酸化に寄与する局部高温によって、原料中の灰分が溶融成長してクリンカが生成していた。
【０００７】
また、高温領域の部分でソリューション反応（ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯ−Ｑ）や水性ガス反応（Ｈ２Ｏ＋Ｃ→ＣＯ＋Ｈ２−Ｑ）の吸熱反応が進行して発生ガスの温度が急激に温度低下し、結果的に発生ガスの温度をガス管にタールが付着しない温度（３００℃以上）に安定的に維持することができず、ガス管にタールが付着し、成長したりしていた。
【０００８】
また、原料の水分が増加したケースでは、部分燃焼部では局部高温が発生しないが、炉内が低温化し過ぎて炭化反応が不十分となり未炭化物が多く発生していた。
【０００９】
そこで、本発明は、シャフト炉による燃料用炭化物および燃料ガスの製造において、クリンカの発生、タールの付着を防止し、燃料用炭化物および燃料ガスを安定して製造することができる燃料用炭化物および燃料ガスの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、シャフト炉内でバイオマス原料の部分燃焼熱を熱源として乾留ガス化し、炭化物と乾留ガスを生成させる燃料用炭化物および燃料ガスの製造方法において、部分燃焼用の酸化剤として空気および蒸気の混合物を使用し、シャフト炉内で発生するガスの温度の、発生ガス温度設定値からの偏差に基づき、空気に混合する蒸気の添加量を変えることよって酸化剤酸素濃度及び蒸気量を変えることにより、発生するガスの温度を一定範囲に制御することを特徴とする。
【００１２】
外部で空燃比をコントロールした状態で燃焼し、酸素をゼロの状態でシャフト炉に熱ガスを供給することによって、部分酸化によるクリンカの発生を確実に防止できる。また、熱ガスの温度を制御することによって発生ガスの温度制御が可能となる。その場合、外部燃焼の場合のほうが、クリンカ発生及びタールの付着の心配もなく、対応可能なバイオマス原料の範囲が大きい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、シャフト炉内で発生するガスの温度に応じて酸素と蒸気の混合物の比率を変えることによって、あるいは熱ガスの温度を変えることよって炉内にクリンカを発生することがなく、かつ、発生ガスの温度をタール付着が成長しない温度範囲に維持して、燃料用炭化物および燃料ガスを安定して製造することができる。
【００１４】
また、本発明は、熱ガス供給部を上下２段に設けることにより、長時間掛けて炉内容物を炭化することが可能となり、未炭化物の発生を防止することができ、また、シャフト部の高さを大幅に低減できてコンパクト化できる。
【００１５】
また、本発明は、炉内で高温化された炭化物を冷却するための蒸気を吹き込む蒸気吹き込みノズルを設けることにより、炭化物を気流搬送や金属除去を安全に行うために必要となる冷却装置をよりコンパクトかつ安くすることが可能となる。
【００１６】
また、本発明は、シャフト部に定期的に不活性ガスを急激に吹き込む不活性ガス吹き込みノズルを設けることにより、棚つりを除去することができる。
【００１７】
また、本発明は、火力発電設備の燃料として燃料用炭化物及び燃料ガスを利用することができるので、発電用の石炭をバイオマスに変換して発電をすることができ、また、燃料ガスはタールが付着しない温度にコントロールできるので微粉炭ボイラまで直接配管接続でき、そのまま燃焼することができるので、高価なガス精製、タール除去装置を設ける必要がなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明の方法を実施するためのシャフト炉を示す断面図である。
【００１９】
シャフト炉１の炉頂にバイオマス原料を装入するため、上部ガスシール弁２ａと下部ガスシール弁２ｂで二重にシールされた装入装置２が設けられる。装入装置２の下部には、装入されたバイオマス原料を炭化するシャフト部３が配設される。シャフト部３の下部には、炭化された炭化物を炭化物排出シュート４へ押し出すプッシャー５が設けられる。シャフト部３には、シャフト部内に部分燃焼用の酸化剤として空気及び蒸気の混合物から生成したガスを供給するガス供給部６を設ける。さらに、シャフト部３のストックレベル９より上に、発生するガスの温度を測定するための温度検出器１０が配置される。
【００２０】
シャフト炉１に装入されたバイオマス原料は、シャフト部３でガス供給部６から供給された酸化剤により部分燃焼した熱源により乾留ガス化され、炭化物と燃料ガスが生成され、炭化物はプッシャー５により炭化物排出シュート４へ押し出され、燃料ガスはガス管１１から排気される。
【００２１】
バイオマス原料として、廃木材等の木質系廃棄物、乾燥汚泥、廃プラスチック材、建築廃材、ＲＤＦ、一般廃棄物等の炭素質資源を利用することができる。バイオマス原料の寸法は、１００ｍｍ〜２００ｍｍに粗破砕するだけで、シャフト炉にそのまま投入することができ、従来の２０ｍｍ程度への破砕や金属分離が必要でなく動力、設備費を節約することができる。また、破砕寸法が大きいために未炭化物の状態で一部排出部に到達した場合に、従来は排出装置周りの絞りの部分で棚つりが発生していたが、プッシャーを設置することにより棚つることなくそのまま排出できる。さらには、炭化物と金属は炉内で熱がかかっており分離容易で、比重分離で、微粉炭ボイラにそのまま供絵可能な炭化物と、未炭化物、金属に分離できる。さらには金属回収後の未炭化物は原料と一緒にシャフト炉に再投入でき、シャフト炉内の高温雰囲気で直接還元炭化され、最終的には炭化物とガスに変換される。
【００２２】
温度検出器１０から出力された検出信号により、発生ガスの温度に応じて空気と蒸気の混合割合を調整する。発生するガスの温度に応じて空気に混合する蒸気の比率を変えることによって、部分燃焼領域の温度をソリューション反応や水性ガス反応が急速に進行しない温度レベルに制御することができ、また発生ガス温度もコントロールすることができる。結果として、組成、含水率等が多種多様なバイオマス原料、有機性廃棄物等の原料の質が変化しても、シャフト炉内に局部高温が生じることなく、また、炉内にクリンカを発生することがなく、かつ、発生ガスの温度をタール付着が成長しない３００℃以上に制御することが可能となる。
【００２３】
シャフト部内に部分燃焼用の酸化剤として空気及び蒸気の混合物から生成したガスを供給するガス供給部６は、初期昇温用のＬＮＧや重油等の燃料と、空気および蒸気を事前に混合した状態で供給することが最良である。さらに、発生ガスへの酸素のリークを防ぐために、微量のＬＮＧ等を添加して、酸化剤導入部近くで確実に火点を維持してもよい。
【００２４】
ガス供給部６から供給する酸化剤の酸素濃度は、湿ベースで１０〜１８ｖｏｌ％に制御する。酸化剤中の酸素濃度が１０ｖｏｌ％以下となると、原料が酸化反応せずに発生ガス中に酸素が抜けることがあり危険である。また、酸素濃度１８ｖｏｌ％以上では、部分燃焼温度が上昇しすぎて、容易にクリンカが生成する。
【００２５】
ガス供給部６は上下２段に設ける。ガス供給部６が１段の場合、シャフト部内では、ガス供給部６からの距離によって、温度履歴が極端に異なり、ガス供給部６が遠い場合には、未炭化の状態で排出されることがあるが、ガス供給部６が２段になると、１段目のガス供給部６ａで体積縮小し、炉内の降下速度は低下する。ここで、その下部にも２段目のガス供給部６ｂを設けることによって、長時間掛けて炉内容物を炭化することが可能となり、未炭化物の発生を防止することができる。
【００２６】
図２はガス供給部６を上下２段に設け、バイオマス原料として２０Ｔ／日で処理した場合の発生したガス温度と、蒸気の吹き込みとの関係を示すグラフである。
【００２７】
このとき、対象原料は一般ごみ（水分４５％）を対象として操業を実施していた。そこで時間Ａで原料を乾燥ごみ（水分１０％）に変更した。すると、発生ガスの温度は低下し始めた。更に、発生ガスの組成連続分析によれば、ＣＯおよびＨ２の増加が観察された。すなわち、ソリューション反応及び水性ガス化反応によるＣＯ及びＨ２の増加及びそれによる発生ガス温度の低下が確認できる。
【００２８】
時間Ｂで制御を自動にいれた。以後は自動的に発生温度の設定値（４００℃）からの偏差に基づき、蒸気の添加量が自動的に上下し、基本的には発生ガス温度が４００℃に制御されるようになった。すなわち、時間Ｂよりは、蒸気量の増量（＝酸化材Ｏ２濃度の低下）によって、ガス供給部周辺の温度レベルが下がり、ソリューション反応及び水性ガス反応が起こらない温度レベルとなって吸熱反応が制御され、結果的には発生ガス温度をタールが発生しない温度に維持することができた。表１は、１，２段目での原料の降下量とガス温度の関係を示したものである。
【表１】
0004589226.tif 000002
【００２９】
また、表１より、炉頂部での空塔速度は、１Ｂｍ／ｓを基準として設計した場合、１段目のガス供給部６ａ上部での原料の降下速度は、６．２ｍ／ｈで急速に降下している。したがって、従来のシャフト炉では、原料の炉内での滞留時間を２ｈ程度確保するためには、１３ｍ程度の高さを確保する必要があつた。本発明においては、ガス供給部６を２段化することで、１段目のガス供給部６ａの下部においては、原料のガス化成分（水分、揮発分）が７０％程度減量しており、さらにはかさ比重も０．１５から０．２に変化しており、降下速度は１．４ｍ／ｈとなる。したがって、２段目のガス供給部６ｂの上部の滞留時間は、２ｍ程度確保すれば、１．５時間程度の滞留時間を確保でき、１段目のガス供給部６ａの上部の高さは最低限バッチ装入の変動代を考慮して３ｍ程度（３０ｍｉｎ程度）確保すれば十分であり、結果としてシャフト部３を大幅にコンパクト化できる（１３ｍ→５ｍ）。さらには２段目の熱ガス供給部２の上部での高温領域で十分に確保でき、未炭化物の発生も抑制できる。
【００３０】
シャフト部３の底部には、炉内で高温化された炭化物を冷却するための蒸気を吹き込む蒸気吹き込みノズル７を設ける。最下段のガス供給部６ｂからさらに下部に蒸気を吹き込むノズル７を設けて、そこから蒸気を供給することによって、炭化物の温度は８００℃レベルから１００〜２００℃まで冷却することが可能となる。その結果、炭化物を気流搬送や金属除去を安全に行うために必要となる冷却装置がよりコンパクトかつ安くすることが可能となる。また、単純に冷却装置を直接設けた場合、無駄となっていた炭化物の顕熱を蒸気でプロセスに回収することが可能となり、結果的にプロセス熱効率が向上する。
【００３１】
シャフト部３には、棚つりを除去するため、定期的に不活性ガスを急激に吹き込む不活性ガス吹き込みノズル８を設けてもよい。定期的に不活性ガスをノズル８から急激に吹き込んで炭化物の棚つりを除去する。シャフト炉内では、内容物の形状によって、壁面で棚つり現象を起こすことが知られている。この棚つり現象は、壁面の摩擦抵抗で、内容物の自重を保持することによって発生する。そこで、壁面の摩擦抵抗を低減するために、壁面周囲に設けた多数のノズル８から、不活性ガスを定期的に噴出することによって、壁面付着力＝摩擦抵抗をなくし、発生した棚つりを解消することができる。さらには、定期的に噴出することによって、棚つりの発生を予防することができる。ノズル８は、各々不活性ガスの充填タンクと切替弁をもつと効果的だが、簡単には管状管を設けて、一斉に噴出させてもよい。またノズル８は、周囲に少なくとも２００ｍｍピッチで設けると効果的である。
【００３２】
図３はガス供給部６の別実施例を示す断面図である。シャフト部３の外側に炉内側に絞り部１２ａを形成した燃焼室１２を設け、燃焼室１２で燃焼バーナー１３を燃焼させて酸素のない熱ガスを発生させて絞り部１２ａから熱ガスを炉内に吹き込んで部分燃焼熱の熱源とする。燃料とすれば簡単には重油ＬＰＧ等を用いればよいが、乾留した燃料ガスをリサイクルすればなお良い。
【００３３】
空気、酸素および燃料ガスの比率を相互に変化させることによって、熱ガスの温度を変更することができる。シャフト炉上部からの発生ガスの温度が低下した場合には、熱ガスの温度を下げることによって、ソリューション反応や水性ガス反応と呼ばれる吸熱反応が抑制でき、炉頂温度を維持することが可能になる。すすの発生を抑制するために、一定量の蒸気を添加することで効果がある。
【００３４】
図４は燃料用炭化物と燃料ガスを石炭焚き火力発電設備の燃料として利用するシステムを示す図である。
【００３５】
シャフト炉１で製造された燃料ガスを石炭焚き火力発電設備１３に設置したカスバーナー１４で燃焼し、得られた炭化物を火力発電用の石炭ミル１５に混合して微粉炭バーナー１６で燃焼することによって、発電用の石炭をバイオマスに置換して発電をする。既設の徴粉炭ボイラ等を利用することによって、高価なガス精製、タール除去装置を設けることなく、発生ガスはタールを含んだそのままで燃焼することが可能であり、また炭化物は既存の石炭ミルを利用でき、そのまま燃焼可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の方法を実施するためのシャフト炉を示す断面図である。
【図２】発生ガス温度と酸化剤のＯ２濃度の関係を示すグラフである。
【図３】熱ガス供給部の別実施例を示す断面図である。
【図４】燃料用炭化物と燃料ガスを石炭焚き火力発電設備の燃料として利用するシステムを示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：シャフト炉
２：装入装置
２ａ：上部ガスシール弁
２ｂ：下部ガスシール弁
３：シャフト部
４：炭化物排出シュート
５：プッシャー
６：ガス供給部
６ａ：１段目の熱ガス供給部
６ｂ：２段目の熱ガス供給部
７：蒸気吹き込みノズル
８：不活性ガス吹き込みノズル
９：ストックレベル
１０：温度検出器
１１：ガス管
１２：燃焼室
１２ａ：絞り部
１３：石炭焚き火力発電設備
１４：ガスバーナー
１５：石炭ミル
１６：微粉炭バーナー
【図１】
0004589226.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004589226.tif 000006