(57)【要約】【課題】ロータリーキルン型のガス化炉、改質炉、およびチャーガス化／燃焼炉を備えたガス化炉システムにおいて、熱効率が高いガス化炉システムを提供する。【解決手段】炉内で燃焼させるための燃料を外部から導入する燃料導入管が設けられた燃焼炉を備え、当該燃焼炉内に、ガス化炉、触媒層を備えた改質炉、およびチャーガス化／燃焼炉が配置されていることを特徴とする。【選択図】図１
2009102594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に攪拌羽根を備えた円筒状の炉内に原料を供給して原料をガス化するガス化炉と、ガス化炉で生成したガスの改質炉と、ガス化炉から取り出されたチャーをガス化し、あるいは燃焼してそれによる熱をシステムの熱源として供給するチャーガス化／燃焼炉とを備えたガス化炉システムであって、ガス化炉システムは、炉内で燃焼させるための燃料を外部から導入する燃料導入管が設けられた燃焼炉を備え、当該燃焼炉内に、ガス化炉、触媒層を備えた改質炉、およびチャーガス化／燃焼炉が配置されていることを特徴とするガス化炉システム。
【請求項２】
改質炉に、触媒層にスチームを導入するスチーム導入口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉システム。
【請求項３】
ガス化炉のチャー取り出し口とチャーガス化／燃焼炉のチャー導入口との間に、ガス化炉で生成したチャーを連続的にチャーガス化／燃焼炉に導入するチャー搬送通路が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス化炉システム。
【請求項４】
燃料導入管からの燃料によって燃焼炉内を加熱するための、熱回収手段および蓄熱手段を備えたバーナーが燃焼炉に設けられていることを特徴する請求項１から３のいずれかに記載のガス化炉システム。
【請求項５】
改質炉の触媒層に、ニッケル系、鉄系、またはアルカリ金属系の触媒が充填されていることを特徴する請求項１から４のいずれかに記載のガス化炉システム。
【請求項６】
燃焼炉および／またはチャーガス化／燃焼炉内に、炉内の温度を制御するための温度検知手段が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のガス化炉システム。
【請求項７】
温度検知手段からの信号に基づいて燃焼炉内への導入空気量を制御する手段を備えることを特徴とする請求項６に記載のガス化炉システム。
【請求項８】
温度検知手段からの信号に基づいてチャーガス化／燃焼炉内への導入空気量を制御する手段を備えることを特徴とする請求項６または７に記載のガス化炉システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家畜排せつ物等のバイオマス処理および資源化のための小型のガス化炉システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
家畜糞便を加熱によって処理する方法として、大きく分けて炭化処理とガス化処理が知られている。狭い領域に小規模畜産農家が多数分散している形態を取ることが多い日本では、糞便処理装置が小型で運転が容易であることが要求される。しかし、一般的に小型の炭化装置やガス化装置は熱効率が悪く、運転初期に炉を加熱させるために用いられる、外部燃焼のための灯油やガス代を考えると採算が合わないなどの問題点がある。
【０００３】
特に、家畜糞便には水分が多量に含まれ、さらに炭素成分比率が低いため、ガス収率が低いことや高温でのガス化であること、さらに小型装置であることなどから熱効率の向上が大きな課題となっていた。
【０００４】
このような課題を解決する方法として、処理対象を木質材バイオマスとした小型ガス化装置として特許文献１に記載の装置が提案されている。
【０００５】
この装置はロータリーキルン型のガス化構造を備えており、一次ガス化炉で発生したチャーを外置きのチャー燃焼炉に搬送する構造を有し、そしてチャー燃焼炉からの熱風を一次ガス化炉へ導入し熱効率の改善を図っている。また、一次ガス化炉で発生した生成ガスを改質炉に導き、高温処理（900 ℃から1000 ℃以上）することで生成ガスに含まれるタール分や有害ガス等の熱分解処理を行っている。
【０００６】
この装置は原料の形状や水分量に依存しないため、大変扱いやすい装置であること、および構造が簡易であることなどの利点がある。
【特許文献１】特開２００４−３５２９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、チャー燃焼炉や改質炉が外置きであることや、改質炉が高温処理であることから、熱効率をさらに改善することが望まれていた。
【０００８】
本発明は以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、ロータリーキルン型のガス化炉、改質炉、およびチャーガス化／燃焼炉を備えたガス化炉システムにおいて、熱効率が高いガス化炉システムを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
【００１０】
第１に、本発明のガス化炉システムは、内部に攪拌羽根を備えた円筒状の炉内に原料を供給して原料をガス化するガス化炉と、ガス化炉で生成したガスの改質炉と、ガス化炉から取り出されたチャーをガス化し、あるいは燃焼してそれによる熱をシステムの熱源として供給するチャーガス化／燃焼炉とを備えたガス化炉システムであって、ガス化炉システムは、炉内で燃焼させるための燃料を外部から導入する燃料導入管が設けられた燃焼炉を備え、当該燃焼炉内に、ガス化炉、触媒層を備えた改質炉、およびチャーガス化／燃焼炉が配置されていることを特徴とする。
【００１１】
第２に、上記第１のガス化炉システムにおいて、改質炉に、触媒層にスチームを導入するスチーム導入口が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
第３に、上記第１または第２のガス化炉システムにおいて、ガス化炉のチャー取り出し口とチャーガス化／燃焼炉のチャー導入口との間に、ガス化炉で生成したチャーを連続的にチャーガス化／燃焼炉に導入するチャー搬送通路が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
第４に、上記第１から第３のいずれかのガス化炉システムにおいて、燃料導入管からの燃料によって燃焼炉内を加熱するための、熱回収手段および蓄熱手段を備えたバーナーが燃焼炉に設けられていることを特徴する。
【００１４】
第５に、上記第１から第４のいずれかのガス化炉システムにおいて、改質炉の触媒層に、ニッケル系、鉄系、またはアルカリ金属系の触媒が充填されていることを特徴する。
【００１５】
第６に、上記第１から第５のいずれかのガス化炉システムにおいて、燃焼炉および／またはチャーガス化／燃焼炉内に、炉内の温度を制御するための温度検知手段が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
第７に、上記第６のガス化炉システムにおいて、温度検知手段からの信号に基づいて燃焼炉内への導入空気量を制御する手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
第８に、上記第６または第７のガス化炉システムにおいて、温度検知手段からの信号に基づいてチャーガス化／燃焼炉内への導入空気量を制御する手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
上記第１の発明によれば、ガス化炉とチャーガス化／燃焼炉を燃焼炉内に配置し、一次ガス化反応と二次チャーガス化・燃焼を１つの炉内で行うようにしたので、燃焼熱エネルギーを有効に利用することができ、熱効率を大幅に高めることができる。
【００１９】
さらに、ガス化炉およびチャーガス化／燃焼炉と共に、改質炉を燃焼炉内に配置し、炉内の熱を利用して改質反応を行うようにしたので、さらにエネルギー損失を低減し熱効率を高めることができる。
【００２０】
上記第２の発明によれば、改質炉にスチーム導入口を設けて触媒層にスチームを導入するようにしたので、ガス化炉でガス化したタール分等を改質して水素リッチのガスを生成することができる。さらに、改質炉内の付着タールの洗浄作業を低減することができる。
【００２１】
上記第３の発明によれば、ガス化炉のチャー取り出し口とチャーガス化／燃焼炉のチャー導入口との間にチャー搬送通路を設けたので、チャーを連続的にチャーガス化／燃焼炉へ搬入することができる。そのため、チャーガス化／燃焼炉の燃焼発熱量を安定的に得ることができ、燃焼炉内の温度ばらつきも低減でき、さらに熱効率も向上する。
【００２２】
上記第４の発明によれば、熱回収手段および蓄熱手段を備えたバーナーを用いることで、燃焼炉からの排気ガスの熱を回収でき、ガス化炉システムの熱効率をさらに高めることができる。
【００２３】
上記第５の発明によれば、改質炉の触媒として特定の触媒を用いたので、ガス化炉からの生成ガスを効率良く改質することができる。
【００２４】
上記第６の発明によれば、燃焼炉内やチャーガス化／燃焼炉内に、炉内の温度を制御するための温度検知手段を設けたので、温度検知手段からの信号に基づいて燃焼炉やチャーガス化／燃焼炉への空気導入量を制御することにより、炉内の発熱量を制御することができる。
【００２５】
上記第７の発明によれば、温度検知手段からの信号に基づいて燃焼炉への空気導入量を制御することにより、燃焼炉内の発熱量を制御することができる。
【００２６】
上記第８の発明によれば、温度検知手段からの信号に基づいてチャーガス化／燃焼炉への空気導入量を制御することにより、チャーガス化／燃焼炉内の発熱量を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。このガス化炉システム１は、燃焼炉１０を備えており、燃焼炉１０内には、原料をガス化するガス化炉２０と、ガス化炉で生成したガスの改質炉３０と、ガス化炉２０から取り出されたチャーをガス化し、あるいは燃焼するチャーガス化／燃焼炉４０が配置されている。
【００２９】
燃焼炉１０の壁部には、バーナー１１が設けられており、燃料導入管１２を通じて外部から燃料を導入し、空気導入管１３を通じて、外部から酸化剤としての空気を導入することでバーナー１１により燃焼炉１０内で燃料を燃焼させ炉内で発熱させるようになっている。図中の符号１４は排気管である。
【００３０】
ガス化炉２０は、キルン型のガス化炉であり、横型円筒状の炉内に攪拌羽根２１を備えている。家畜糞便等の原料は原料導入口２２からガス化炉２０内に導入され、燃焼炉１０内の発熱を利用してガス化されたタール分等を含む生成ガスは、生成ガス排出口２３から排出され改質炉３０に導入されるようになっている。そして、ガス化炉２０内で生成したチャーは、チャー取り出し口２４から取り出されるようになっている。
【００３１】
ガス化炉２０の上方に配置された改質炉３０は、炉内に触媒層（図示せず）を備えており、生成ガス導入口３２から導入した生成ガス中のタール分を燃焼炉１０内の発熱を利用して分解し、タール分を含まない改質ガスを改質ガス取り出し管５０から取り出すようになっている。触媒層に充填する触媒としては、たとえばニッケル系、鉄系、アルカリ金属系の触媒などを用いることができる。
【００３２】
ガス化炉２０の下方に配置されたチャーガス化／燃焼炉４０は、ガス化炉２０と同様にキルン型の構造を有しており、横型円筒状の炉内に攪拌羽根４１を備えている。ガス化炉２０から取り出されたチャーは、チャー導入口４２からチャーガス化／燃焼炉４０内に導入され、空気導入口４３から空気を導入することにより、チャーを燃焼し、燃焼炉１０内を発熱させるようになっている。
【００３３】
チャーを燃焼させて得られた熱は、ガス化炉２０のガス化と改質炉３０の触媒改質反応の熱源として利用される。また、チャーの燃焼により生成したＣＯガスは、ガス供給口５１を通じて燃焼炉１０内に導入されて燃焼され、その燃焼による熱は、ガス化炉２０のガス化と改質炉３０の触媒改質反応の熱源として利用される。チャーガス化／燃焼炉４０内で生成した灰は残渣取り出し口４４から外部に排出される。
【００３４】
以上の構成を備えたガス化炉システム１では、バーナー１１による燃焼発熱により燃焼炉１０内を所定の温度に加熱維持した後、原料導入口２２より家畜糞便等の原料をガス化炉２０に送り込み、キルンを回転させながら熱分解反応を行い原料をガス化する。
【００３５】
そして、熱分解反応により発生したガス化タール分を含む生成ガスを改質炉３０の触媒層に送り込む。これにより、ガス化タール分が分解し、タール分を含まない改質ガスが改質ガス取り出し管５０から排出される。
【００３６】
一方で、ガス化炉２０のチャー取り出し口２４よりチャーを回収し、チャー導入口４２からチャーガス化／燃焼炉４０内にチャーを供給し、チャーガス化／燃焼炉４０内でチャーをガス化または燃焼させる。
【００３７】
このようなガス化炉システム１によれば、ガス化炉２０での吸熱反応による熱量不足分や改質炉３０の触媒層に必要な熱量をチャーの燃焼等による発熱によって賄うことができる。また、チャーの燃焼熱のみでは熱量が不十分であれば、ガス化炉２０での生成ガスの一部を利用し、あるいは外部燃料をバーナー１１で燃焼して、熱量の不足分を賄うことができる。その結果、従来と比較してガス化炉システム１の熱効率を高めることができる。
【００３８】
図２は、本発明の第２の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素は同一の符号で表しその説明を省略する。
【００３９】
本実施形態では、基本的な構成は上記第１の実施形態と同様であるが、改質炉３０にスチーム導入口３３を設けて改質炉３０内の触媒層にスチームを供給するようにしている。
【００４０】
すなわち、ガス化炉２０でガス化されたタール分を含む生成ガスを生成ガス導入口３２から触媒層に流すと共に、スチーム導入口３３から触媒層にスチームを流すことで、500〜600 ℃の低温状態でタール分を分解することができ、かつ、水素リッチな改質ガスを生成することができる。さらに、付着タールの洗浄等の作業が低減でき、熱効率をさらに向上させることができる。スチーム改質を受けて水素等に改質された改質ガスは、改質ガス取り出し管５０から外部に取り出され発電等に用いられる。
【００４１】
図３は、本発明の第３の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。なお、第１および第２の実施形態と同一の構成要素は同一の符号で表しその説明を省略する。
【００４２】
本実施形態では、基本的な構成は上記第１および第２の実施形態と同様であるが、ガス化炉２０のチャー取り出し口２４と、チャーガス化／燃焼炉４０のチャー導入口４２とを連結するチャー搬送通路５２を設けている。
【００４３】
このようにチャー搬送通路５２を設けることで、ガス化炉２０で生成したチャーを連続的にチャーガス化／燃焼炉４０へ搬入できる。これにより、チャーガス化／燃焼炉４０の燃焼等による発熱量を安定的に得ることができ、燃焼炉１０内の温度ばらつきも低減でき、かつ、熱効率が向上する。
【００４４】
図４は、本発明の第４の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。なお、第１から第３の実施形態と同一の構成要素は同一の符号で表しその説明を省略する。
【００４５】
本実施形態では、基本的な構成は上記第１から第３の実施形態と同様であるが、燃焼炉１０の壁部に設けたバーナーとして、熱回収手段および蓄熱手段を備えた蓄熱式熱回収バーナー１５を用いている。
【００４６】
蓄熱式熱回収バーナー１５としては、従来公知のものを用いることができ、その熱回収手段および蓄熱手段によって、燃焼炉１０からの排気ガスを熱として回収、蓄熱して外部燃料の燃焼に利用するようにしている。
【００４７】
このように蓄熱式熱回収バーナー１５を用いることで、燃焼炉１０からの排気ガスの熱を回収できるため、ガス化炉システム１の熱効率をさらに高めることができる。
【００４８】
図５は、本発明の第５の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。なお、第１から第４の実施形態と同一の構成要素は同一の符号で表しその説明を省略する。
【００４９】
本実施形態では、基本的な構成は上記第１から第４の実施形態と同様であるが、燃焼炉１０内に第一温度検知器５３ａを、チャーガス化／燃焼炉４０に第二温度検知器５３ｂを設けている。
【００５０】
第一温度検知器５３ａおよび第二温度検知器５３ｂは、燃焼炉１０外に設置された温度制御装置５４に電気的に接続されている。温度制御装置５４は、第一温度検知器５３ａからの信号に基づいて、燃焼炉１０の空気導入管１３の入口に設けられた空気送風機（図示せず）の運転を制御し、第二温度検知器５３ｂからの信号に基づいて、チャーガス化／燃焼炉４０の空気導入口４３の入口に設けられた空気送風機（図示せず）の運転を制御する。
【００５１】
本実施形態における温度制御装置５４の制御フローを図６を参照しながら説明する。
【００５２】
最初に、燃焼炉１０内に燃料導入管１２から燃量を導入し、空気導入管１３から空気を導入し（Ｓ１）、バーナー１１を点火することにより(Ｓ２）、燃焼炉１０内を所定の温度に上昇させてガス化炉システム１の運転を開始する。
【００５３】
次に、第一温度検知器５３ａにより燃焼炉１０内の温度を検知する（Ｓ３）。このとき、検知温度があらかじめ設定された温度よりも低い場合には、続いて第二温度検知器５３ｂによりチャーガス化／燃焼炉４０内の温度を検知する（Ｓ４）。
【００５４】
一方、第一温度検知器５３ａによる検知温度があらかじめ設定された温度よりも高い場合は、温度制御装置５４は燃焼炉１０の空気導入管１３の入口に設けられた空気送風機の運転を制御し燃焼炉１０内への導入空気量を低減する（Ｓ６）。これにより燃焼炉１０内の温度を設定温度以下まで下げてから、その後Ｓ４のステップを行う。
【００５５】
Ｓ４において、検知温度があらかじめ設定された温度よりも低い場合には、ルーチンを終了し（Ｓ５）、続いてＳ３に戻り同様のステップを繰り返しながらガス化炉システム１の運転を行う。
【００５６】
一方、第二温度検知器５３ｂによる検知温度があらかじめ設定された温度よりも高い場合は、温度制御装置５４はチャーガス化／燃焼炉４０の空気導入口４３の入口に設けられた空気送風機の運転を制御しチャーガス化／燃焼炉４０内への導入空気量を低減する（Ｓ５）。これによりチャーガス化／燃焼炉４０内の温度を設定温度以下まで下げてから、ルーチンを終了し（Ｓ５）、続いてＳ３に戻り同様のステップを繰り返しながらガス化炉システム１の運転を行う。
【００５７】
以上の制御によって、チャーガス化／燃焼炉４０内の発熱量がコントロールでき、炉外壁の温度が異常に高くなることを防止できる。さらに、チャーガス化／燃焼炉４０への導入空気量を下げた場合、炭素の不完全燃焼によって一酸化炭素が発生するが、その一酸化炭素をガス供給口５１を通じて燃焼炉１０内に導くことで燃焼エネルギーとして利用できるため、燃焼炉１０内の温度を安全に、かつ比較均一な温度に制御することができる。
【００５８】
なお、第一温度検知器５３ａは、燃焼炉１０内の空気温度を検知するために、ガス化炉２０と改質炉３０との間、あるいは改質炉３０外壁のいずれかに設置することが好ましい。第二温度検知器５３ｂは、チャーガス化／燃焼炉４０外壁か、あるいはその内部に設置される。
【実施例】
【００５９】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
＜実施例１＞
図７に示すガス化炉システム１を用いて、水分25%豚ぷんのガス化を行った。ガス化炉システム１は、基本的な構成は第４の実施形態と同様であり、図中、第４の実施形態と同一の構成要素は同一の符号で表している。その他、符号６０は豚ぷん供給用のホッパー、６１は空気ファン、６２は排気ファン、６３は水蒸発器、６４は冷却器、６５はガスホルダ、６６はクーリングタワー、６７はイオン交換水である。
【００６０】
1 kg/hでホッパー６０よりガス化炉２０に豚ぷんを導入しながら運転を行った。図中、菱形内の番号で示した位置における運転時の各成分の流量、温度および圧力を表１に示す。
【００６１】
【表１】
2009102594.tif 000003
【００６２】
ガス化炉２０内で生成し、改質炉３０内の触媒層で改質されたガスの組成を測定した。その結果を表２に示す。
【００６３】
【表２】
2009102594.tif 000004
【００６４】
なお、LHVは2,256 kcal/Nm3、有効生成ガス量は0.59 Nm3/hであった。また、ガス化効率は50 %であった。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態におけるガス化炉システムを示す断面図である。
【図６】温度制御装置の制御フローを示すフローチャートである。
【図７】実施例のガス化炉システムを示した図である。
【符号の説明】
【００６６】
１      ガス化炉システム
１０      燃焼炉
１１      バーナー
１２      燃料導入管
１３      空気導入管
１４      排気管
１５      蓄熱式熱回収バーナー
２０      ガス化炉
２１      攪拌羽根
２２      原料導入口
２３      生成ガス排出口
２４      チャー取り出し口
３０      改質炉
３２      生成ガス導入口
３３      スチーム導入口
３４      生成ガス導入管
４０      チャーガス化／燃焼炉
４１      攪拌羽根
４２      チャー導入口
４３      空気導入口
４４      残渣取り出し口
５０      改質ガス取り出し管
５１      ガス供給口
５２      チャー搬送通路
５３ａ    第一温度検知器
５３ｂ    第二温度検知器
５４      温度制御装置
６０      ホッパー
６１      空気ファン
６２      排気ファン
６３      水蒸発器
６４      冷却器
６５      ガスホルダ
６６      クーリングタワー
６７      イオン交換水
【図１】
2009102594.tif 000005
【図２】
2009102594.tif 000006
【図３】
2009102594.tif 000007
【図４】
2009102594.tif 000008
【図５】
2009102594.tif 000009
【図６】
2009102594.tif 000010
【図７】
2009102594.tif 000011