(57)【要約】  工業炉とバイオマスガス化システムとの統合装置、および前記システムを動作させるプロセスが開示される。ガラス炉または非鉄金属用溶融炉などの工業炉から生じた高濃度のＣＯ２および水を含有する高温燃焼排ガスは、バイオマスの熱分解を促進するために熱源としておよび／またはシンガスを生成するためにガス化剤としてバイオマスガス化システムに導入される。発生したシンガスは、ペットコークの点火および燃焼を容易にするために工業炉に導入される前にペットコークなどの固体燃料と混合される。工業炉からの全体のＣＯ２、ＮＯｘおよびＳＯｘ排出量が低減され、かつ工業炉の寿命が延長される。【選択図】図１
2018538502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱分解ユニットとガス化ユニットとを含むバイオマスガス化システムと、工業炉と、前記工業炉から生じたＣＯ２およびＨ２Ｏを含有する燃焼排ガスの流れを前記バイオマスガス化システムに送給する導管と、前記バイオマスガス化システム内で発生したシンガスの流れを前記工業炉に送給する導管と、酸素または酸素富化空気の流れをガス化剤として前記ガス化ユニットに送給する導管とを備え、燃焼排ガスの前記流れが、前記バイオマスガス化システムの前記熱分解ユニットおよび前記ガス化ユニットの一方または両方のいずれかに導入される、統合装置。
【請求項２】
前記燃焼排ガスの流れが、前記バイオマスガス化システムの前記熱分解ユニットを通過した後に前記ガス化ユニット内に入る、請求項１に記載の統合装置。
【請求項３】
前記ガス化ユニットが、固定床、同伴流または流動ガス化装置から選択される、請求項１に記載の統合装置。
【請求項４】
前記バイオマスガス化システム内で発生した前記シンガスの流れは、前記工業炉に導入される前には圧力が２バール以上である、請求項３に記載の統合装置。
【請求項５】
前記工業炉が、ガラス炉または非鉄金属用溶融炉から選択される、請求項１に記載の統合装置。
【請求項６】
前記工業炉の前記原料がペットコークを含む、請求項５に記載の統合装置。
【請求項７】
空気、酸素富化空気または酸素が、前記燃焼用酸化剤として前記工業炉内で使用される、請求項６に記載の統合装置。
【請求項８】
ａ）前記工業炉から生じたＣＯ２およびＨ２Ｏを含有する燃焼排ガスの流れをバイオマスガス化システムの熱分解ユニットおよびガス化ユニットの一方または両方のいずれかに送給することと、
ｂ）前記バイオマスガス化システム内で発生したシンガスの流れを燃料として前記工業炉に送給することと、
ｃ）酸素または酸素富化空気の流れをガス化剤として前記ガス化ユニットに送給することと
を含む、バイオマスガス化システムを工業炉と統合するためのプロセス。
【請求項９】
前記燃焼排ガスの流れが、前記バイオマスガス化システムの前記熱分解ユニットを通過した後に前記ガス化ユニット内に入る、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記ガス化ユニットが、固定床、同伴流または流動ガス化装置から選択される、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記バイオマスガス化システム内で発生した前記シンガスの流れは、前記工業炉に導入される前には圧力が２バール以上である、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記工業炉が、ガラス炉または非鉄金属用溶融炉から選択される、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記工業炉の前記原料がペットコークを含む、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
空気、酸素富化空気または酸素が、前記燃焼用酸化剤として前記工業炉内で使用される、請求項１３に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、工業炉とバイオマスガス化システムとを備える統合装置、および前記装置を動作させるプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスは、生きている有機体または最近まで生きていた有機体に由来する再生可能エネルギー源であり、かつ植物由来材料および動物性廃棄物を含む。
【０００３】
化石燃料の枯渇、地球温暖化の原因となる可能性のある二酸化炭素の排出、ならびにＮＯｘおよびＳＯｘなどの、大気汚染物質の発生は、対処しなければならない緊急の環境問題の一部である。
【０００４】
植物性、人的および動物性廃棄物を含む、バイオマスは、再生可能で持続可能なエネルギー源である。バイオマスエネルギーは、化石燃料と比較して、ＣＯ２および他の大気汚染物質の正味排出量が少ないことを含む、大きな環境上の利点を有する。バイオマスの有望な用途は、ガス化プロセスによるシンガスの生成である。シンガスは、燃焼プロセスのための燃料および原料化学物質としての役割を果たし得る。しかしながら、工業規模でのバイオマス利用は、低エネルギー密度特性、季節特性、供給物を回収、搬送および維持する困難さにより制限される。
【０００５】
石油コークス（ペットコーク）は、望ましくない排出特性をもたらす、石油コークスの低揮発性物質含有量、高い硫黄および窒素含有量のために困難を伴う燃料である。しかしながら、ペットコークの低価格および高硫黄原料からのペットコークの増産は、熱を供給するためにペットコークを使用するという強力な経済的刺激を与える。ペットコークは、特に中国では、ガラス炉などの、商用炉において広範に利用されている。
【０００６】
米国特許第８，１００，９９１Ｂ２号明細書は、バイオマス材料を間接的に加熱して熱分解し、バイオマス材料からタール含有熱分解ガスおよびチャーを発生させる外熱式ロータリーキルン形式の熱分解ユニットと、熱分解ユニットからタール含有熱分解ガスおよびチャーを受け取って熱分解ガス中のタール成分を熱分解させ、ガス化ユニットに導入された酸化ガスによりチャーをガス化するガス化ユニットとを含むバイオマスガス化装置を開示している。バイオマス材料を加熱するために、ガス化装置からの高温シンガスが用いられている。
【０００７】
米国特許第８，１００，９９２Ｂ２号明細書は、熱源として他の化石燃料を全く使用せずに高温燃料ガスを生成できるバイオマスの熱化学的ガス化装置を説明している。このガス化装置内に１次ガス化反応室が位置し、かつ高温燃焼装置内で発生した燃焼ガスは、ガス化装置に導入されて、１次ガス化反応室の外壁を加熱する。その結果、バイオマスは、メタノール合成用の燃料ガスとして使用できる清浄で高品質の燃料ガスに変換される。
【０００８】
米国特許第８，５２８，４９０Ｂ１号明細書は、バイオマス材料から熱エネルギーを効率的に抽出するためのバイオマスガス化システムを開示している。バイオマスガス化システムは、１次燃焼室と、ガス化中にバイオマスを支持するための１次燃焼室内の回転火格子とを含む。
【０００９】
米国特許第７，１８５，５９５Ｂ２号明細書は、燃料を燃焼域に運ぶためにかつ酸化剤源を提供するために空気を使用する石油コークスの燃焼プロセスを開示している。向上した燃焼では、燃料の１次燃焼を行うために、１次空気、２次空気、３次空気、４次空気、もしくは過燃焼用空気にまたはその近傍に導入される酸素が利用される。石油コークス燃料は、酸素支援下での空気と石油コークスの燃焼プロセスでは、事業用ボイラーに再給電するために使用することができる。
【００１０】
英国特許第２，１４３，９３９Ｂ号明細書は、集約的内部再循環域を有するバーナ火炎中で石油コークス粉末を燃焼させる方法を説明している。石油コークス粉末は、燃焼させるペットコーク粉末のために点火エネルギーが提供される、集約的再循環域の領域に供給される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、バイオマスガス化システムにおける省エネルギー化を実現して、化石燃料の消費量を低減することである。炉内での燃焼プロセスは、非常に高温で高濃度のＣＯ２およびＨ２Ｏを含有する燃焼排ガスを生成する。バイオマスの熱分解およびガス化を向上させるための熱源として高温燃焼排ガスをバイオマスガス化システムで利用することができる。炉では、石油コークス（ペットコーク）などの化石燃料が燃料として使用され、かつ速やかな点火と炉内でのペットコークの安定した完全な燃焼とを確実に行うためにバイオマスのガス化により生成されたシンガス（ＣＯとＨ２とを含有する）とペットコークとを混合することにより化石燃料の消費量を低減することができる。このように、ある燃焼プロセスに必要なペットコークの量を減少させてもよく、ペットコーク量の減少により、炉内のＳＯｘ濃度が低下し、それにより、炉の寿命が延びる。
【００１２】
本発明の別の目的は、ペットコークなどの固体燃料を燃焼させる工業炉からのＣＯ２排出量を低減することである。このような炉の例としては、ガラス炉および非鉄金属用溶融炉が挙げられ、これらの炉は非常に高温で高濃度のＣＯ２およびＨ２Ｏを含有する燃焼排ガスを生成する。燃焼排ガスの一部は、熱源もしくはガス化剤またはその両方を提供するために熱分解剤の１つとしてバイオマスガス化システムに導入され、それにより、環境へのＣＯ２の排出を低減する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一態様において、本発明は、熱分解ユニットとガス化ユニットとを含むバイオマスガス化システムと、工業炉と、工業炉から生じたＣＯ２およびＨ２Ｏを含有する燃焼排ガスの流れをバイオマスガス化システムに送給する導管と、バイオマスガス化システム内で発生したシンガスの流れを工業炉に送給する導管とを備え、燃焼排ガスの流れが、バイオマスガス化システムの熱分解ユニットおよびガス化ユニットの一方または両方のいずれかに導入される、統合装置を開示する。
【００１４】
別の態様において、本発明は、上で説明した装置を動作させる統合プロセスを開示する。バイオマスガス化システムを工業炉と統合するプロセスは、工業炉から生じたＣＯ２およびＨ２Ｏを含有する燃焼排ガスの流れをバイオマスガス化システムの熱分解ユニットおよびガス化ユニットの一方または両方のいずれかに送給することと、バイオマスガス化システム内で発生したシンガスの流れを燃料として工業炉に送給することとを含む。
【００１５】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照することで、いかなる限定の意味も含まずに例として与えられる、以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、工業炉のバーナの概略図である。
【図２】図２は、工業炉とバイオマスガス化システムとの統合装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
ここで、本発明の種々の実施形態について詳細に言及し、これら実施形態の１つまたは複数の例を以下に明記する。各実施形態は、本発明を解説する目的で提供されており、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明に種々の修正および変形を加え得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明する特徴を別の実施形態に使用して、なお更なる実施形態を生み出してもよい。
【００１８】
ガス化とは、有機燃料系または化石燃料系の炭素質材料を一酸化炭素と水素と二酸化炭素とに変換するプロセスである。このプロセスは、制御された量の酸素および／または蒸気によって、燃焼なしに、高温（＞７００℃）で材料を反応させることにより達成される。得られたガス混合物は、シンガス（合成用ガスもしくは合成ガス）または発生炉ガスと呼ばれ、それ自体が燃料である。実質的に、有機材料の一部を「燃焼させて」二酸化炭素およびエネルギーを生成することを可能にするために、限られた量の酸素または空気が反応器に導入され、これにより、更なる有機材料を水素および追加の二酸化炭素に変換する第２の反応が開始される。有機材料から生成された一酸化炭素および残留水が反応してメタンと過剰な二酸化炭素とを生成すると（４ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＨ４＋３ＣＯ２）、更なる反応が起こる。この第３の反応は、熱および圧力だけでなく、反応ガスおよび有機材料の滞留時間も増加させる反応器内でより多く起こる。反応速度を向上させるために、より高性能の反応器内で触媒が使用され、これにより、一定の滞留時間の間にシステムを反応平衡に近づける。
【００１９】
数種類のガス化装置、すなわち、向流固定床（「上昇流」）、流動床、同伴流、並流固定床（「下降流」）など、が商業用途で現在利用可能である。
【００２０】
向流固定床は、ガス化剤（蒸気、酸素および／または空気）が向流構成で流れる炭素質燃料（例えば、石炭またはバイオマス）の固定床である。灰は、乾燥状態でまたはスラグとしてのいずれかで除去される。
【００２１】
流動床ガス化装置内では、酸素および蒸気または空気中で燃料を流動化させる。灰は、乾燥状態でまたは流動化しない重い凝集物として除去される。乾式灰化方式のガス化装置内では温度が比較的低いので、燃料は反応性が高くなければならない。低品位炭が特に好適である。
【００２２】
同伴流ガス化装置内では、乾燥粉末固体、噴霧液体燃料または燃料スラリーが酸素（より低い頻度で空気）によってガス化される。ガス化反応は、微細粒子の濃密な雲の中で行われる。ほとんどの石炭は、高い動作温度のため、および石炭粒子が互いに良好に分離されているために、この種類のガス化装置に好適である。
【００２３】
ガス化剤ガスが燃料と共に並流構成で流れる並流固定床（「下降流」）ガス化装置（下方に、よって名称が「下降流ガス化装置」である）。熱が、少量の燃料を燃焼させることによりまたは外部熱源から、床の上部に加えられる必要がある。生成されたガスは、高温状態でガス化装置から出て、この熱の大部分は、多くの場合、床上に加えられたガス化剤に移され、向流型のレベルのエネルギー効率をもたらす。
【００２４】
本発明における好適なバイオマスガス化装置は、固定床型、流動床型または同伴流型のものであってもよい。このようなバイオマスガス化装置の例は、米国特許第８，１００，９９１Ｂ２号明細書または中国特許第１００５９５１２８Ｃ号明細書に開示されているものであってもよく、これらの明細書は両方とも参照により本明細書に組み込まれる。
【００２５】
バイオマスガス化は、再生可能エネルギー源の価格を安定させる環境に優しい方法である。前記廃棄物がバイオマスの形態、例えば、トウモロコシ茎、木質チップなどであり得る、廃棄物ガス化は、廃棄物の価格を安定させかつ廃棄物を処分する環境に優しい方式である。しかしながら、ガス化はまた、必要な熱エネルギーレベルが、用いられるガス化プロセスによって決まる、相当量の熱エネルギーを必要とする。
【００２６】
大きさ、形状、嵩密度、水分含有量、エネルギー含有量、化学組成、灰溶融特性、およびこれらの全ての特性の均質性を含む、異なる特徴を各々が有する、バイオマスガス化プロセスに使用される多数の異なる原料の種類が存在する。様々なバイオマスおよび廃棄物由来原料をガス化することができ、木質ペレットおよび木質チップ、廃木材、プラスチックおよびアルミニウム、農業廃棄物および産業廃棄物、廃棄された種子トウモロコシ、トウモロコシの茎、ならびにその他の作物残渣が全て使用される。
【００２７】
ガス化成分がバイオマスから得られた場合、得られたガスのガス化および燃焼に由来する電力が、再生可能エネルギーの源であると考えられる。バイオマスからＨ２およびＣＯ（シンガス）を作ることは、種々の第２世代バイオ燃料の生成に必要なステップとして幅広く認識されている。バイオシンガスを生成する２つの主要な方法、すなわち、接触改質装置を用いた流動床ガス化、または同伴流ガス化が存在する。後者の選択肢は、急速熱分解、低速熱分解、焙焼、または低温での流動床ガス化などの広範な前処理を必要とする。清浄化され調整されたバイオシンガスを使用して、フィッシャー・トロプシュ燃料、メタノール、ＤＭＥ、混合アルコール、および更には純水素などの第２世代バイオ燃料を合成することができる。それにもかかわらず、バイオマスガス化の１つの欠点は、得られたシンガスの水素濃度が低く、したがって、得られたシンガスが、メタノールまたはＧＴＬ（ガス液化燃料）を合成するための合成用ガスとして十分ではないことである。したがって、本発明の１つの目的は、水素と一酸化炭素とを含有する得られたシンガスを効率的に利用することである。
【００２８】
不均質な固体廃棄物または混合物の直接ガス化は、生成物不均質性とプロセス不安定性の両方に起因するプロセス動作の困難さを伴う。統合されたまたは独立した、２段階の熱分解ガス化、すなわち、熱分解およびガス化は、反応の第２段階で均質な生成物（熱分解チャー、すなわち炭素および不活性ベース生成物）を使用する安定したプロセスである。
【００２９】
本発明において、バイオマスガス化プロセスは２段階ガス化プロセスであり、かつバイオマスガス化システムは、熱分解ユニットとガス化ユニットとを含む。熱分解は、４００〜１４００°Ｆ（２００〜７６０℃）の温度範囲でかつ空気または酸素の不在下での、有機物質の揮発性成分の熱分解であり、シンガスおよび／または液体を生成する。間接的な熱源が使用される。未反応炭素チャー（不揮発性成分）と灰との混合物が残留物として残る。ガス化は、次のステップであり、極めて少ない空気または酸素によって９００〜３０００°Ｆ（４８０〜１，６５０℃）のより高い温度範囲で起こる。物質の揮発性成分の熱分解に加えて、熱分解により残る不揮発性炭素チャーは、追加のシンガスに変換される。ガス化剤（蒸気、二酸化炭素またはこれらの混合物を含む）もまた、炭素をシンガスに変換するためにガス化装置に加えられてもよい。ガス化では、材料を燃焼させるのに必要とされる酸素の一部のみが使用される。原料中における炭素の部分酸化の発熱反応により熱が直接供給される。残留物として灰が残る。
【００３０】
以下、バイオマスガス化装置の代表例について説明する。バイオマスガス化装置は、熱分解ユニットとガス化ユニットとを含む。熱分解ユニットは、反応室と、反応室を囲む中空室とを備え、反応室は、搬入ポートから抽出ポートにかけて僅かに傾斜している。反応室は、非酸化環境を提供するために外部環境から密閉される。中空室の内部領域に供給される、熱媒体は、反応室用の熱源としての役割を果たす。原料ホッパー内に保持されたバイオマス材料は、送給装置により熱分解ユニットの反応室内に供給され、その後、バイオマス材料が、熱エネルギーの間接印加により乾燥され熱分解されてタール含有熱分解ガスおよびチャーを発生させ、これらタール含有熱分解ガスおよびチャーが抽出ポートから出る。熱分解ユニットの抽出ポートはガス化装置に接続し、タール含有熱分解ガスおよびチャーは熱分解ユニットから投入ポートを通ってガス化装置に移動し、ガス化剤は、ガス化装置に供給され、熱分解ガスと反応して燃料ガスを発生させる。熱分解ガスに含まれるタール成分が熱分解された後に、熱分解ガスが、吸引ファンによりガス化装置のガス抽出ポートへと引き込まれ、その間に、チャーが、炭素酸化反応（Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ）または水素ガス化反応（Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２）などの気固反応に供される。吸引ファンは、粒子除去のためにフィルタを通して、得られた可燃性シンガス（一酸化炭素または水素を含む）を吸引し、得られたシンガスをバーナに送る。
【００３１】
工業炉は、プロセスのための熱を与えるために使用される設備であるか、または反応のための熱を与える反応器としての役割を果たすことができる。炉の設計は、炉の機能、加熱仕事量、燃料の種類、および燃焼空気の導入する方法に応じて異なる。燃料は、バーナに流入し、送風機から提供される空気と共に燃焼させる。
【００３２】
炉内での燃焼プロセスは、非常に高温で高濃度のＣＯ２およびＨ２Ｏを含有する燃焼排ガスを生成する。燃焼排ガスが炉から出た後、ほとんどの炉設計は、燃焼排ガス煙突を通して大気に放出される前により多くの熱が回収される対流部を含む。
【００３３】
前記工業炉、特にガラス炉または非鉄金属用溶融炉が本発明に特に好適である。上で述べた工業炉内での高温燃焼プロセスが、ガラス炉の場合には、１０００℃よりも高い温度で燃焼排ガスを生成できるので、生成された燃焼排ガスは、約１４００℃の温度である。
【００３４】
従来のガラス溶融炉は、バーナを使用して、砂、ソーダ灰、石灰石、ドロマイト、長石、粗（ｒｏｕｇｈ）およびその他などのガラス形成材料を溶融する。ガラス形成材料はまた、再利用される屑ガラスまたはカレットなどの、破損したガラスを含み得る。ガラス形成材料を溶融するのに必要とされる高温のために、ガラス溶融炉は、全ての工業炉のうち最も高い温度で動作する。これらの炉内で高温燃焼生成物が発生する。潜在的に、燃焼生成物が炉の煙道を上方に進むときに、大量の熱が失われる可能性がある。燃焼空気を予熱するために、ガラス炉内で発生した高温燃焼排ガスからエネルギーを回収することが知られている。
【００３５】
固体燃料とは、通常は燃焼により放出される、エネルギーを生成して加熱を行うための燃料として使用される種々の種類の固体材料を指す。固体燃料は、木材（木質燃料を参照）、木炭、泥炭、石炭、ヘキサミン固形燃料、及び木材で作られたペレット（木質ペレットを参照）、トウモロコシ、小麦、ライ麦およびその他の穀物を含む。経済的な理由から、高発熱量の固体燃料が工業燃焼プロセスに最適な燃料である場合が多い。工業炉のこのような固体燃料原料の例としては、ペットコーク（石油コークスとしても知られる）および石炭が挙げられる。固体燃料は、概して、小粒子形状の形態で使用され、かつ搬送ガス、通常は空気によって燃焼域に向けて搬送される。このような固体燃料を使用する欠点は、（液体燃料または気体燃料と比較して）点火が困難であり、かつ多くの場合、燃焼排ガス中に硫黄含有成分が存在し、かつ炉の寿命が短くなることである。そして、一部の都市部では、安全でないレベルのＣＯ２排出量、化石燃料の持続不可能性および高コストのため、一部の固体化石燃料（例えば、石炭など）の使用が制限または禁止される。
【００３６】
【表１】
2018538502.tif 000003
【００３７】
表１では、４種類の固体燃料の特性が比較されている。これらの固体燃料の中でも、ペットコークは、望ましくない排出特性をもたらす、ペットコークの低揮発性物質含有量、高い硫黄および窒素含有量のために困難を伴う燃料である。しかしながら、ペットコークの低価格および高硫黄原料からのペットコークの増産は、熱を供給するためにペットコークを使用するという強力な経済的刺激を与える。ペットコークは、特に中国では、ガラス炉などの、商用炉において広範に利用されている。
【００３８】
ペットコークは、９０％超が炭素であり、燃焼させると単位エネルギー当たり石炭よりも５〜１０％多い二酸化炭素（ＣＯ２）を排出する。酸素富化プロセスは、ペットコークの効率的な燃焼を可能にする、特に工業用ガラス炉内での、ペットコークの利用に適用されることが多い。比較的高純度の酸素の１つまたは複数の流れによる燃焼用空気の酸素富化は、（より高い酸素濃度により）燃料と酸化剤との間の拡散速度を増加させかつ燃焼温度を上昇させることにより燃焼プロセスを向上させる。それゆえ、粒子の加熱がはるかに迅速であり、かつ燃焼が本質的により安定している。
【００３９】
工業炉は、酸素／空気ノズルを介して酸素源または酸素富化空気源と流体連通する、バーナを含む。典型的なバーナは、燃料送給管と流体連通する燃料ノズルと、補助燃料送給導管と流体連通する補助ノズルとを備える。バーナの出口は、炉の燃焼室に面している。固体燃料入口３０と、シンガス入口３１と、酸素富化空気／酸素入口３２と、バーナ出口３３とを含む、酸素富化燃焼に好適な典型的なバーナが図１に図示されている。
【００４０】
本発明は、工業炉内での高温固体燃料燃焼プロセスをバイオマスガス化プロセスと組み合わせ、それにより、固体燃料燃焼プロセスから生じた高温燃焼排ガスが、ガス化プロセスの効率を改善するためにバイオマスガス化システムに導入され、かつバイオマスガス化プロセスにより発生したシンガスが、固体燃料の燃焼を改善するために工業炉に導入される。
【００４１】
１０００℃よりも高い温度で燃焼排ガスを生成することが可能なガラス溶融炉および非鉄金属溶融炉などの、工業炉内での高温燃焼プロセスは、（ガラス溶融炉の場合には約１４００℃の温度で）高温燃焼排ガスの流れを生成する。概して、燃焼排ガスは、体積％１３００℃温度のＣＯ２（＞１２体積％、典型的には＞４０体積％）、Ｈ２Ｏ（＞１８体積％、典型的には＞２８体積％）を含む。バイオマスガス化プロセスではシンガスが生成され、シンガスは可燃性でありかつ燃料として使用されることが多く、このシンガスは、水素と、一酸化炭素と、非常に多くの場合、いくらかの二酸化炭素とから主としてなる。
【００４２】
本発明では、バイオマスのガス化により発生したシンガスを固体化石燃料と混合することにより、ペットコークなどの化石燃料の消費量を低減し、かつ炉内でペットコークの燃焼を安定させ完了することができる。このように、ある燃焼プロセスに必要なペットコークの量を減少させてもよく、ペットコーク量の減少により、炉内のＳＯｘ濃度が低下し、それにより、炉の寿命が延びる。本発明によれば、工業炉から発生した前記高温燃焼排ガスの少なくとも一部がガス化プロセスに供給され、これにより、熱、ＣＯ２およびＨ２Ｏをガス化プロセスに提供する。高温固体燃料燃焼プロセスからの廃熱をガス化プロセスの熱源として使用することにより、ガス化プロセスおよび燃焼プロセスのエネルギー効率が共に大幅に改善される。
【００４３】
好適なバイオマスガス化装置は、別個の熱分解ユニットおよびガス化ユニットを備える。工業炉から発生した燃焼排ガスの一部は、熱分解ユニットに導入され、固体バイオマスに間接的に熱を与えて固体バイオマスをタール含有熱分解ガスとチャーとに変換する。次いで、タール含有熱分解ガスおよびチャーは、ガス化ユニット内に入り、工業炉から搬送された高温燃焼排ガスの別の部分と混合される。高温下では、燃焼排ガスの主要な成分、すなわちＣＯ２およびＨ２Ｏが、ガス化剤として酸素および熱分解ガスおよびチャーと反応してシンガスを生成する。燃焼排ガスが関与する主な反応は次の通りである。
【００４４】
【化１】
2018538502.tif 000004
【００４５】
統合装置が動作する方法については、詳述することにより以下に説明する。
【００４６】
図２は、本開示を図示するブロック図である。統合装置は、熱分解ユニット１と、並流固定床ガス化ユニット２と、バーナ３を備えた工業用ガラス炉４とを含むバイオマスガス化システムを備える。導管１４は、工業用ガラス炉から生成された燃焼排ガスの流れを熱交換器９に送給し、燃焼排ガスはＣＯ２とＨ２Ｏとを含みかつ約１４５０℃の温度である。熱交換器９を通過した後に、燃焼排ガスの温度は、バイオマスガス化システム内に入る前に１４００〜１５００℃から４００℃に低下する。導管１０は、バイオマスガス化システム内で発生したシンガスの流れを精製システム２０に、次いでブースタ６に送給し、シンガスがガラス炉４に導入される前に導管１１内のシンガスの圧力を圧力ブースタにより約３バールに上昇させ、これにより、速やかな点火と炉内でのペットコークの安定した完全な燃焼とが確実に行われる。シンガス入口３１（図１）を通してシンガスを、バーナ３の固体燃料入口３０（図１）に接続された導管１２を通してペットコークホッパー５から移送されたペットコークとバーナ内で混合することができる。酸素の流れは、ＬＯＸタンク８から、バーナの酸素入口３２（図１）に接続する導管１３を通して導入される。シンガス中のＣＯおよびＨ２は、ペットコークの点火および燃焼を助けることができる。バーナ出口３３（図１）は、ガラス炉４の燃焼室に面している。予熱された空気は、バーナ内での燃焼プロセスの酸化剤としても使用でき、空気は、空気入口２１から熱交換器９を通過することによりガラスバーナのバーナ３に導入され、導管２２内の空気の温度は約１１００℃である。
【００４７】
廃熱を利用するために全ての燃焼排ガスが煙突７に搬送される、従来の方法ではなく、ここでは、燃焼排ガスの一部が、固体バイオマスの熱分解を容易にするためにガス化プロセスでの反応剤として導管１４を通してガス化システムに導入され、このガス化システムでは、燃焼排ガスの一部が導管を通して熱分解ユニット１に導入され、次いで、熱分解ユニットから発生したタール含有熱分解ガスおよびチャーが、ガス化ユニット２内に入り、かつ導管１５を通して搬送された高熱燃焼排ガスの別の部分および導管１８を通して熱分解ユニットを通過させた冷却された燃焼排ガスと混合される。酸素の流れは、ＬＯＸタンク８から導管１９を通してガス化ユニット２にガス化剤として導入される。
【００４８】
高温燃焼排ガスの温度を維持するために、理想的には、バイオマスガス化システムと工業用ガラス炉は近接すべきであり、かつ高温燃焼排ガスは、耐熱煉瓦などの耐熱材料により構築された気密管内を搬送される。燃焼排ガスをユニットに引き込むために、吸引ファンをガス化装置に接続することができる。
【００４９】
したがって、ガス化プロセスと高温燃焼プロセスの両方のエネルギー効率が改善され、両プロセスの二酸化炭素排出量が低減される。
【００５０】
バイオマス並流固定床ガス化装置の１組の設計動作パラメータが表２に示されている。一例において、常圧並流固定床ガス化装置は、４０℃の温度で１３５０ｋｇ／ｈｒの農業廃棄物を、３６．０１体積％のＣＯと２９．１８体積％のＨ２と少量のタール（２０〜６０ｐｐｍ）とを含む１４７９Ｎｍ３／ｈｒのシンガスに変換する。シンガスの発熱量（ＨＶ）は１８８４．５Ｋｃａｌ／Ｎｍ３であり、かつシンガスの圧力は常圧である。シンガスの昇圧後に、シンガスの圧力は３バールまで上昇する。その後、シンガスおよび２２２０ｋｇ／ｈｒのペットコークを酸素とペットコークのバーナに導入し、ＬＯＸタンクから導入された純酸素と共に燃焼させる。それにより、ガラス炉に２５ＭＷの熱を生成することができる。燃焼排ガスの一部（３３０〜３５０Ｎｍ３／ｈｒの全燃焼排ガス量の５．２６体積％、導管１６と導管１５との燃焼排ガス流量比は２：１である）を、ガス化剤としての２７０Ｎｍ３／ｈｒの純酸素と共にガス化システム内に再循環させ、ガス化の酸素濃度は約４５％である。既存の酸素とペットコークの燃焼プロセスと比較して、この新たなプロセスは、１０％の炭素排出量を低減することができる。このプロセスはまた、空気をペットコーク輸送用のシンガスに置き換えることによりＮＯｘ排出量を低減することができる。同時に、その新たなプロセスは、ペットコークを１２％節減しかつ１０ｋｔ／ｈｒの農業廃棄物を処理することができる。
【００５１】
表３は、熱と質量のバランスに基づいて燃料消費量および燃焼排ガス排出量を理論的に計算するために３００ｔｏｎ／ｄのガラス生産ラインを利用する、ガラス炉内の３種類の燃焼システムの計算値を示している。ケース０１はバイオマスシンガスとペットコークと酸素の燃焼炉であり、ケース０２はペットコークと酸素の燃焼炉であり、ケース０３はペットコークと空気の燃焼炉である。表３によれば、同じ製品規模において、ケース０１は、ペットコーク消費量、ＣＯ２排出量、ＮＯｘ排出量およびＳＯｘ排出量が最も低いことが見て取れる。ペットコーク消費量は、ケース０２およびケース０３よりも１日当たり７．９２トン少ない。燃焼排ガスのＣＯ２排出量は、２つの源から（１つはペットコーク燃焼から、もう１つはバイオマスガス化から）発生し、ケース０１のペットコーク燃焼からのＣＯ２排出量は、約２４ｔｏｎ／ｄだけケース０２およびケース０３よりも少なく、また、バイオマスガス化プロセスからＣＯ２排出量は正味ＣＯ２排出量にカウントされないので、ケース０１はケース０２およびケース０３よりも正味ＣＯ２排出量が少ない。ケース０１の燃焼排ガス中の熱も最も低く（ケース０３よりも４倍超低く）、このことは、ケース０１の熱効率が最も高いことを意味する。ケース０１では、５．２６％の高温燃焼排ガスをバイオマスガス化システム内に再循環させることもできる。
【００５２】
本発明の好ましい実施形態を参照しながら本発明を詳細に説明してきたが、本発明から逸脱することなく、種々の変更または修正を加えることができ、等価物を利用できることは、当業者には明らかであろう。
【００５３】
【表２】
2018538502.tif 000005
【００５４】
【表３】
2018538502.tif 000006
【図１】
2018538502.tif 000007
【図２】
2018538502.tif 000008
【国際調査報告】
2018538502.tif 000009
2018538502.tif 000010