(57)【要約】  タール含有発生炉ガスに耐性のある内燃機関が開示されている。２つの概念が説明されている。エンジンは最小限の前処理でバイオマスガス化装置からの発生炉ガスに耐性がある。バイオマスがガス化されて発電のために燃焼されるかバイオ燃料のような化学物質を合成するために使われる場合、設備コストの大部分は、これ以降、「発生炉ガス」と呼ばれるガス流から重有機成分（「タール」とも呼ばれる）を浄化するための装置に使われる。本明細書に記載の発明は、最小限の処理でガス化バイオマスからの発電を可能にするために使用され得る。本明細書に記載の発明はまた、化学物質の合成のような他の用途のために非常に低コストでバイオマスを処理するためにも使用され得る。発生炉ガスは必ずしもバイオマス由来のものに限定されない。石炭または他の供給源に由来する発生炉ガスも同様の問題を抱えており、本明細書に記載の発明は等しく適用可能であろう。
2020514448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発生炉ガスから重有機成分を除去するシステムであって、前記発生炉ガスはタールとして知られる重有機成分を含み、
一つ以上のシリンダを含む浄化エンジンを備え、前記浄化エンジンの前記シリンダへの入力は、前記発生炉ガスと酸素含有ガスとのリッチ混合気を含み、前記発生炉ガスが前記タールの露点より高い温度で前記浄化エンジンに入り、前記浄化エンジンは浄化された発生炉ガスを排出する、発生炉ガスから重有機成分を除去するシステム。
【請求項２】
前記浄化エンジンは点火源を欠き、点火を引き起こすために前記リッチ混合気の高圧に依存する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記リッチ混合気は、化学量論量の５０％未満の酸素含有ガスを含有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記酸素含有ガスは空気を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記酸素含有ガスはオゾンを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記酸素含有ガスは純酸素である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記酸素含有ガスは、酸素富化空気を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記浄化された発生炉ガスは高圧で排出される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
水または他の液体が排気行程中に前記浄化エンジンに直接注入されて、前記浄化された発生炉ガスの化学組成をピーク温度およびピーク圧力における化学組成に近く維持する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記浄化エンジンの膨張比は、前記浄化された発生炉ガスの温度を下げるための圧縮比よりも高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記発生炉ガスは有機材料のガス化によって生成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記有機材料はバイオマスを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記有機材料は都市固形廃棄物を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記有機材料は産業用有機廃棄物を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
発生炉ガスから電力を生産するためのシステムであって、
請求項１に記載の浄化エンジンと、
１つ以上のシリンダを含む動力機関であって、前記動力機関の前記シリンダへの入力は、前記浄化エンジンからの前記浄化された発生炉ガスを含む、動力機関と、
前記動力機関内のドライブシャフトの回転によって発電する発電機と、
を備える、発生炉ガスから電力を生産するためのシステム。
【請求項１６】
前記浄化された発生炉ガスは、前記動力機関に入る前に熱交換器を通過する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記浄化された発生炉ガスはより軽い有機成分を含み、前記浄化された発生炉ガスは前記動力機関に入る前に前記より軽い有機成分の露点を超える温度に維持される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記動力機関はデュアル燃料エンジンを含み、第２の燃料はディーゼル燃料を含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記動力機関は、前記ディーゼル燃料が導入される予備室を含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記浄化エンジンの前記シリンダと前記動力機関の前記シリンダとが単一のエンジン内に存在する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２１】
同数のシリンダが前記浄化エンジンの一部として、かつ前記動力機関の一部として使用される、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記浄化エンジンと前記動力機関への前記入力との間に配置された熱交換器をさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２３】
燃料を合成するための合成プラントをさらに含み、前記合成プラントは、前記浄化された発生炉ガスによって動力を供給される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２４】
電気が不要の際に燃料が合成される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
発生炉ガスから燃料を生産するシステムであって、
請求項１に記載の浄化エンジンと、
前記燃料を合成するための合成プラントであって、前記浄化された発生炉ガスによって動力を供給される、合成プラントと、
を備える、発生炉ガスから燃料を生産するシステム。
【請求項２６】
前記浄化された発生炉ガスは、前記合成プラントに入る前に熱交換器を通過する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記合成プラントは、メタノール、エタノール、またはＦＴ液体を生産する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
発生炉ガスから電力を生産するシステムであって、前記発生炉ガスはタールとして知られる重有機成分を含み、
前記タールの露点より高い温度の発生炉ガスがシリンダ内で空気と混合する内燃機関と、
前記内燃機関内のドライブシャフトの回転により動力を発生する発電機と、を備える、発生炉ガスから電力を生産するシステム。
【請求項２９】
前記発生炉ガスは第１の吸気弁を通って前記シリンダに入り、前記空気は第２の吸気弁を通って前記シリンダに入る、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記シリンダ内の空気と発生炉ガスとの混合気の温度は前記タールの露点より高いままである、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記混合気の温度を制御するために、水または他の液体が前記シリンダに注入される、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記注入は圧縮行程中に行われる、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記発生炉ガスは有機材料のガス化によって生成される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３４】
前記有機材料はバイオマスを含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記有機材料は都市固形廃棄物を含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３６】
前記有機材料は産業用有機廃棄物を含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３７】
タールとして知られる重有機成分を含む発生炉ガスの浄化方法であって、
前記発生炉ガスを前記タールの露点より高い温度でエンジンのシリンダに導入することと、
前記シリンダ内に酸素含有ガスを導入することと、
前記発生炉ガスと前記酸素含有ガスとを燃焼させて前記タールを破壊することと、
浄化された発生炉ガスを前記シリンダから排出することと、を含む、発生炉ガスの浄化方法。
【請求項３８】
化学量論量未満の酸素含有ガスを前記シリンダに導入してリッチ混合気を形成する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記シリンダは点火源を欠いており、点火を引き起こすために前記リッチ混合気の高圧に依存する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記リッチ混合気は、化学量論量の５０％未満の酸素含有ガスを含有する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記酸素含有ガスは空気を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記酸素含有ガスはオゾンを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記酸素含有ガスは純酸素である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
前記酸素含有ガスは酸素富化空気を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４５】
前記浄化された発生炉ガスは高圧で排出される、請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年１２月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／４３７，１０１号からの優先権を主張し、その開示はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は発電の技術分野に属し、より具体的には、バイオマスガス化由来の発電の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料との競争力を高めるために、バイオマスのコストおよび複雑さを低減することによってバイオマス発電システムを改善するための変換技術に関する明確かつ未対処のニーズがある。化石燃料と競争力のあるバイオマス発電システムの開発は、石油への依存を低減し、エネルギー安全保障を改善するだろう。さらに、国内外の農村地域における経済成長の原動力にもなるだろう。
【０００３】
憂慮する科学者同盟（ｔｈｅ  Ｕｎｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ  Ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ）によれば、２０３０年までに米国内で、乾燥重量にして毎年６億８０００万トン以下のバイオマス資源が持続可能な方法で利用可能になる可能性がある。これは７３２億キロワット時の電力（２０１０年の米国の総電力消費量の１９パーセント）を生産するのに十分なバイオマスである。これらのバイオマス資源はアメリカ全土に広く分布しており、アメリカ全土のコミュニティがバイオマス生産の増加から経済的にも環境的にも利益を得ることができることを保証している。それ自体で生分解することが許容される場合、このバイオマスは相当量の温室効果ガス（ＧＨＧ）メタン排出を生み出すであろう。１ｋｇの腐敗バイオマスあたり約６．５リットルのＣＨ4が発生する。
世界的に、バイオマスは、地方の電化に関して持続可能で低コストな方法で大きな希望を表しており、主に地方の資源に基づいて経済発展を引き起こし得る。世界銀行によると、農村部の電化は発展途上国の貧困削減および福祉の向上に多大な影響を与える可能性がある。発展途上国はすでにエネルギー需要、特に調理のためにバイオマスに依存している。さらに、発展途上国で分散型発電を開発することは、多くの場合、大規模な集中型グリッドに投資する必要があることと比較して、より意味をなし得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バイオマスの輸送コストのため、バイオマスは小型のガス化装置を使用して地域で消費される必要がある。今日の小規模ガス化システムの主な制限はガス浄化の費用である。典型的な小規模ガス化システムを、Ｊａｎ−Ｗｉｌｌｅｍ  Ｋｏｎｅｍａｎｎ、Ｄａｈｌｍａｎ、Ｒｏｂｉｎ  Ｚｗａｒｔ、ＥＣＮ「フランスでのＯＬＧＡタール除去４  ＭＷｔ商業実証バイオマスガス化」、Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｓａｎ  Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ  ２００７に適合した図１に示す。バイオマスガス化装置からの発生炉ガスは、先ず熱交換器を用いて冷却され、次に固体を濾過するべくサイクロンを通過し、次に、発電機または灌漑用ポンプのような機械的負荷に動力を供給するために内燃機関内でガスが燃焼され得る前に発生炉ガスに含まれる重有機化合物を除去または化学的に分解するべく、一連のスクラバー、反応器および／または吸収装置を通過する。浄化システムの費用は、ガス化装置とエンジン／発電機とを組み合わせた費用を超えることが多い。タールを撤去することは、今日、バイオマス発電システムが直面する唯一の最も重要な課題である。
【０００５】
手頃な価格の小規模バイオマス発電システムを開発することは、コストを削減することにより、バイオマス発電計画を可能にするのに役立つであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
タール含有発生炉ガスに耐性のある内燃機関が開示されている。２つの概念が説明されている。エンジンは最小限の前処理でバイオマスガス化装置からの発生炉ガスに耐性がある。
【０００７】
本発明は発電の技術分野に属する。より具体的には、本発明はバイオマスガス化による発電の技術分野に属する。バイオマスがガス化されて発電のために燃焼されるかバイオ燃料のような化学物質を合成するために使われる場合、設備コストの大部分は、これ以降、「発生炉ガス」と呼ばれるガス流から重有機成分（「タール」とも呼ばれる）を浄化するための装置に使われる。ガス流からタールが除去されない場合、ガス流が露点以下に冷却されるとすぐにタールが凝縮して機器の表面を汚す。この欠点は、バイオマス発電計画の実現可能性を著しく制限する。本明細書に記載の発明は、最小限の処理でガス化バイオマスからの発電を可能にするために使用され得る。本明細書に記載の発明はまた、化学物質の合成のような他の用途のために非常に低コストでバイオマスを処理するためにも使用され得る。発生炉ガスは必ずしもバイオマス由来のものに限定されない。石炭または他の供給源に由来する発生炉ガスも同様の問題を抱えており、本明細書に記載の発明は等しく適用可能であろう。
【０００８】
本開示をよりよく理解するために、添付の図面を参照する。添付の図面において、同様の要素は同様の番号で参照される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来技術の典型的な小規模ガス化システムの図である。
【図２】一実施形態による小規模ガス化システムの図である。
【図３】他の実施形態による小規模ガス化システムの図である。
【図４】温度と圧力と自己点火時間との関係を示すグラフである。
【図５】自己点火時間、温度および発生炉ガス組成の間の関係を示すグラフである。
【図６Ａ】図２の実施形態のシミュレーション結果を示す図である。
【図６Ｂ】図２の実施形態のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図２の実施形態における水の直接注入の効果を示す図である。
【図８】図３の実施形態に関する筒内温度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図３の実施形態に関する筒内圧力を示すシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
概して、本発明は、最小限の浄化で発生炉ガスから電力を生成するためのシステム、方法および装置、または任意の使用のために重有機汚染物質（「タール」）から発生炉ガスを浄化する方法である。いくつかの異なる実施形態が開示されている。
各システムについてさらに詳細に説明する。この概念の基本的な前提は、タールを含む発生炉ガスの温度が有機汚染物質の露点を下回らないようにすることである。有機汚染物質の露点は約３５０℃である。したがって、発生炉ガスが決して４００℃以下に冷却されて燃焼されることがなければ、タールは単に燃やされるだけなので、高価で複雑なタール浄化装置は必要ないだろう。
【００１１】
本明細書中に記載されるアプローチは、タール浄化設備および冷却設備を排除することによって、バイオマス発電システムへの資本費用（ＣＡＰＥＸ）を５０％以上削減する可能性を有する。これらのアプローチはまた、冷却システムおよび浄化システムに必要な複雑さおよび保守を低減することにより、しかし最も重要なことにはタールなどの有毒物質の廃棄に関連するコストを取り除くことによって、バイオマス発電システムを運用する際の運用経費（ＯＰＥＸ）を大幅に削減するであろう。
【００１２】
本発明の第１の実施形態をより詳細に参照し、図２に方法の処理フロー図を示す。バイオマス、または他の有機材料は、発生炉ガス、すなわち摂氏７００度において存在するＣＨ4、ＣＯ、Ｈ2、Ｈ2Ｏ、Ｎ2および「タール」と呼ばれるより重い有機成分の混合物を生成するガス化装置１０１に供給される。発生炉ガスは、固体汚染物を除去するべく、装置１０２を通される。装置１０２は、高温フィルタまたはサイクロンであり得る。これが唯一必要なガス処理部品である。発生炉ガスは、バイオマスの乾燥、空気の予熱、または他の用途に有用な熱を回収するため、および空気と混合された途端に早期に自己点火を起こすあらゆる危険性を回避するために、熱交換器１０６で潜在的に冷却され得る。その後、発生炉ガスは、エアフィルタ１０３を通過した空気と混合される。混合は、内燃機関１０４のシリンダ内で起こり得る。混合により、空気と燃料との混合気は、混合気中のタール露点よりもなお高い温度（約４００℃）まで冷却される。例えば、１つのシリンダにつき２つの吸気弁が使用される場合、１つの吸気弁が発生炉ガスを供給する一方で、２番目の吸気弁が空気を供給することができる。混合気は、続いて内燃機関１０４の内部で燃焼されて、発電機１０５を作動させるのに用いられ得る機械的動力を発生させる。例えば、内燃機関１０４の駆動軸の回転は、発電機１０５が動力を生み出すことを可能にし得る。発生炉ガスは常にタール露点より上に保たれる。このアプローチは、汚れを引き起こす重有機化合物の凝縮を防ぐ。図１に示すような従来のガス化からの発電体系では、発生炉ガスは、高価な処理設備（ｐｒｏｃｅｓｓ  ｈａｒｄｗａｒｅ）を使用することによって冷却され浄化される。この概念では、ガス化装置、サイクロンおよびエンジン以外に追加の機器は必要ないことに留意されたい。
【００１３】
発生炉ガス−空気の混合気は高温であるため、火花発火前（過早点火）または火花発火後（ノック）における混合気の壊滅的な自己点火を回避するために特別な注意を払う必要がある。自己点火を回避するために、未燃混合気温度を制御する必要がある。これを達成するために、シリンダ内への水または他の液体の直接注入が使用されるであろう。このことが図２に示されている。水または他の液体の噴射の開始は、吸気弁が閉じる直前または直後に行われるので、圧縮行程中に水の蒸発が行われる。このことは、蒸発による冷却が圧縮による気体混合物の加熱を部分的に妨げることを確実にする。シリンダ充填物の温度は、温度がタール露点より下に降下する状態を回避して、液体の注入量および注入速度によって制御される。
【００１４】
発生炉ガスをシリンダ内の空気と混合する場合、吸気行程中に自己点火が起こらないように注意する必要がある。コントローラ１０７は、内燃機関１０４の動作、より具体的には、吸気弁のタイミング、排気弁のタイミング、直接噴射装置のタイミング（開放時間および持続時間）、スパークのタイミング、および直接噴射される液体の量を制御するために使用され得る。コントローラ１０７は、処理装置および関連するメモリ装置を含み得る。メモリ装置は、処理装置によって実行されると、コントローラ１０７が本明細書で説明されるようにエンジンの動作を制御することを可能にする命令を含み得る。
【００１５】
冷たい空気が内燃機関１０４のシリンダ内で熱い発生炉ガスと混合する際、自己点火遅延が圧縮前の自己点火を防止するのに十分長いものであるように、冷たい空気は発生炉ガスを著しく冷却するだろう。ただし、混合が不完全で、十分に高温で酸素濃度が高いスポットがあると、これらのスポットが自動的に発火する可能性がある。一方の吸気弁が空気用に使用され、他方の吸気弁が発生炉ガス用に使用される場合、良好な混合を保証するためにコントローラ１０７によって適切なバルブタイミングが提供され得る。さらに、コントローラ１０７は、上述のように、水などの液体をシリンダ内に直接注入するタイミングも制御し得る。
【００１６】
上記の構成は、コンピュータモデルを使用して検証された。例示的な計算として、十分に開発されたガス化装置からのガスを使用した。合成ガス組成（タールを除く）を表１に示す。ＣＯの含有量と同様の１７％の水分含有量が想定された。
【００１７】
図６Ａは、異なる圧縮比および当量比について、空気／燃料の混合気が下死点（ＢＤＣ）において４００℃（６７３Ｋ）であると仮定した場合の計算結果を示す。図６Ａは、異なる圧縮比および当量比に対するクランク角度の関数としてのシリンダ内の温度を示す。化学量論的でリッチ運転のみが示されているが、結果はリーン運転でも同様である。大きく急激な温度上昇は、均質な空気／燃料混合気の自己点火によるものである。この場合、圧力上昇速度は比較的緩やかであるが、空気／燃料の混合気の非常に早い燃焼は効率にとって有害であり、そして高いピーク圧力をもたらす。図６Ｂでは、圧縮比１０での化学量論的運転について、クランク角度の関数としての温度および圧力が、図６Ａの場合のうちの１つについて示されている。ピーク圧力は、混合気が早期に燃焼した後に圧縮された結果として約１１０である。
【００１８】
【表１】
2020514448.tif 000003
【００１９】
この運転モードでは自己点火を防ぐために、シリンダ内注水が使用される。その概念は図２に見ることができる。予め混合された発生炉ガスと化学量論的空気が少なくとも４００℃の温度でエンジンに導入される。燃焼前に充填物を蒸発させ冷却するために、圧縮行程中に水がシリンダ内に直接噴射される。水は空気／燃料の混合気を均一に冷却すると予想され、このことは圧縮行程中にシリンダ内で充填物の大きな運動を必要とする。この概念では、ガス化装置、サイクロンおよびエンジン以外に追加の機器は必要ないことに留意されたい。
【００２０】
リグノセルロース系バイオマスのガス化からの典型的な発生炉ガスについての化学量論的条件下での自己点火遅延を、図４および図５に示す。図４は、温度、圧力および自己点火時間の間の関係を示す。図４は、発生炉ガスと空気との化学量論的混合気の自己点火タイムチャートを示す。実線はＦｒｇ＝３を表し、点線はＦｒｇ＝５を表す。ここで、Ｆｒｇはバイオマスと空気との比率を表す。図５は、自己点火時間、温度および発生炉ガスの組成の間の関係を示す。図５は、２０バールでの自己点火時間（ミリ秒）または異なる燃料と空気との化学量論的混合気を示す。（“Ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｂｅｈａｖｉｏｒ  ｏｆ  Ｐｒｏｄｕｃｅｒ  Ｇａｓ  ｆｒｏｍ  Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃ  Ｂｉｏｍａｓｓ  ｉｎ  ＳＩ  Ｅｎｇｉｎｅｓ”、Ｍ．Ｌａｐｕｅｒｔａ  ｅｔ  ａｌ、Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、ＳＡＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒ  ２００１−０１−３５８６）
【００２１】
ＣＨＥＭＫＩＮソフトウェアを用いたこの種の操作の化学反応速度シミュレーション結果は、表１の発生炉ガス組成について図７に見ることができる。図７は、２つの異なる含水量を有する発生炉ガスについてのクランク角度の関数としてのシリンダ内温度を示す。図７は、１０％の水を添加すると、温度が大幅に上昇することを示しており、これは、まだノッキング（自己点火）があることを示している。発生炉ガスはすでに１７％の水を蒸気の形で含んでいたので、１０％の液体の水を注入すると蒸発後の最終的な水蒸気濃度は約２５％になる。１５％の液体水噴射（２８％の最終蒸気）では、図７に見られるようにノッキングはない。同じ条件下で計算された層流火炎速度は４５．４ｃｍ／ｓであった。これは化学量論的なガソリン空気混合気に匹敵し、水で希釈するので火炎安定性は問題にならないことを示している。発生炉ガスの組成（表１）はすでに火炎速度および火炎安定性を低下させる多量の水を含んでいる。適切に設計されたガス化装置による含水量ははるかに低いであろう。
【００２２】
ガスが６００〜７００℃（９００〜１０００Ｋ）を超えると、自己点火が非常に速く起こることは明らかである。これには２つの意味がある。
【００２３】
・マニホールド内では自己点火の危険性があるため、発生炉ガスエンジンで一般的に行われているように、高温の発生炉ガスをインテークマニホールド内ではなく、シリンダ内の空気と混合することは好ましい。初期の発生炉ガス温度が７００℃の場合、周囲の空気と混合すると、混合気の温度は３５０〜４００℃に低下する。しかしながら、十分に熱いおよび／または自己点火のために十分な酸素を含む混合気のポケットが存在する可能性がある。一方、局所的に空気が多すぎて温度が下がりすぎると、タール滴が形成される可能性がある。したがって、迅速かつ均一に混合することが重要である。
【００２４】
・従来の火花点火式内燃機関では、サイクルの圧縮および燃焼部分で圧縮されると、空気と発生炉ガスとの混合気が自己点火する可能性が非常に高いため、壊滅的なエンジンノックが発生する。実際、ＣＨＥＭＫＩＮを使用した化学反応速度シミュレーションは、能動的な冷却がなければ、化学量論的混合気は圧縮比４でも自己点火して、壊滅的なエンジンノックを引き起こすことを示している。自己点火の危険性を軽減するための何らかの手段が必要である。
【００２５】
改良された市販の直接（燃料）噴射エンジンを使用して液体を噴射することができ、その液体は水であってもよい。注水は、エンジンのノッキングを回避するためおよびＮＯｘ排出量を減少させるためにレース用途および定置エンジンにおいて知られている方法である。エンジンにおいて、燃焼を最適化するために、当量比は１以下（ストイキまたはリーン）であるべきである。当量比がリッチである場合、排気中にかなりの量のＣＯが存在することになるが、改善された燃焼安定性を有するかもしれない。エンジン内に導入されるべき水の量は、ノック回避とタールの露点以下でのシリンダ充填物の過冷却との間のトレードオフである。効率を改善する手段として、燃焼後に水を注入することも可能であり得る。
【００２６】
本発明の第２の実施形態を図３に示す。類似の構成要素は同様の参照符号で与えられている。この構成では、ガス化装置１０１からの発生炉ガスは、固形の汚染物質を除去するべく、高温フィルタまたはサイクロンなどの装置１０２を再び通過する。バイオマスの乾燥、空気の予熱、または他の用途に有用な熱を回収し、空気と混合されてすぐに早期の自己点火をする危険性を防ぐために、発生炉ガスを熱交換器１０６で潜在的に冷却することができる。他の実施形態では、発生炉ガスを冷却しなくてもよい。発生炉ガスは、空気がエアフィルタ１０３を通過した後に少量の空気と混合される。この少量とは、特定の実施形態では化学量論量の５０％未満であってもよく、特定の実施形態では化学量論量の２０％未満であってもよく、特定の実施形態では化学量論量の５〜１０％であってもよい。エアフィルタ１０３からの残りの空気は、動力機関１１６に供給されてもよい。全ての実施形態において、浄化エンジン１１４に供給される混合気はリッチ混合気であり、空気量は化学量論的量よりも少なく、遊離酸素なしで走行する可能性を含む量を上限とする。
発生炉ガスと空気との混合は、ガス内燃機関のシリンダの外側または内側で起こり得る。特定の実施形態では、発生炉ガスと空気はシリンダ内の異なる吸気弁を通して導入され得る。別の実施形態では、安全性を高めるためにシリンダの外側での混合が制限されるように、発生炉ガスと空気とはそれぞれの吸気弁のすぐ上流で別々に注入されてもよい。その後、リッチ混合気は、浄化エンジン１１４と呼ばれる第１の内燃機関のシリンダ内で圧縮される。スパークプラグのような点火源からの補助がなくても、リッチ混合気は自己点火し、圧縮行程中のある時点で部分的に燃焼する。利用可能な空気は限られた量しかないので、この場合の自己点火は制御される。ごく少量の燃料が燃える。したがって、圧力と温度の上昇、および上昇率は、エンジンの設備にとって破壊的なものではない。筒内温度はエンジンに損傷を与えるほど高くはないかもしれないが、タールを破壊するのに十分である。したがって、特定の実施形態では、浄化エンジン１１４のシリンダは点火源を使用しない。むしろ、それらは点火を引き起こすためにリッチ混合気および高圧に依存する。他の実施形態では、スパークプラグを使用することができる。
【００２７】
浄化エンジン１１４内での圧縮および部分燃焼によって引き起こされる高温によってタールが破壊された後、燃料は浄化エンジン１１４によって排出される。この排出ガスは、浄化エンジン１１４への吸気中に存在していた重有機成分すなわちタールを欠いているので、浄化された発生炉ガスと呼ぶことができる。少量の有機成分が、浄化された発生炉ガス中にまだ存在している可能性があるが、この排気は吸気よりもきれいであることに留意されたい。目的は重い化合物を排除することである。好ましい一実施形態では、ベンゼンを破壊するために温度および滞留時間が調整される。ベンゼンはより重い元素の熱分解／燃焼から生じる最も安定した化合物の１つであると判定された。もう一つの安定した要素は煤である。化学反応器でクリーンな合成ガスが使用されることになる場合、煤が発生すると、その煤は例えば従来のフィルタ（ディーゼル粒子フィルタ）を用いることで除去することができる。合成ガスが第２のエンジンにおいて燃料として使用されることになる場合には、煤煙はフィルタで除去されるか、あるいは第２のエンジンに導入されてそこで燃焼され得る。
【００２８】
浄化された発生炉ガスは、有用な熱を回収するために第２の熱交換器１１５で冷却されてもよい。図３の２つの熱交換器１０６、１１５は、コストを削減するために、２つの高温流と１つの低温流とを有する１つの熱交換器に潜在的に組み合わせることができる。
【００２９】
特定の実施形態では、タールが破壊されているので、汚染問題を生じることなく、浄化された発生炉ガスをタール露点以下に冷却することができる。続いて発生炉ガスは、例えば発電機１０５を駆動するために、動力機関１１６とも呼ばれる第２のガス内燃機関において機械的動力のために燃焼させることができる。例えば、動力機関１１６のドライブシャフトの回転により、発電機１０５は電力を生成することができる。あるいは、エンジンの代わりに、合成プラント１１７を使用して化学物質を合成するために浄化された発生炉ガスを使用することができる。化学合成プラントは、例えば、炭化水素燃料を製造するためのフィッシャー・トロプシュ反応器、または発生炉ガスからのメタノール／ＤＭＥ反応器、エタノールを製造するため、またはアンモニアを製造するためのものを含むことができる。あるいは、合成ガスを処理して水素を製造することができる。
【００３０】
化学合成プラントを使用して、浄化された発生炉ガスをより高い圧力にすることは意味があるかもしれない。この場合、浄化エンジンは圧縮機としても機能している。バルブタイミングは調整されてもされなくてもよいが、排気マニホールドは高圧になるように収縮される。排気弁の開放は、筒内圧と排気圧とが同じときでもよい。この場合、エンジンから最大仕事量が抽出される（酸化剤が制限されたタール破壊では燃焼が制限されるために抽出できる出力がある）。これより早くバルブが開くと、シリンダ充填物は排気バルブを通って高速で流れる。これより遅く開くと、排気マニホールド内のガスが最初にシリンダ内に流れ込む還流がある。両方の条件（シリンダ圧力が排気マニホールド内の圧力より高いか低い場合に排気バルブを開く）のいずれにおいても、エンジンは追加の仕事をし、効率が悪くなる。シリンダ内の膨張が大きいと、たとえそれが排気マニホールド内よりもシリンダ内の圧力が低くなったとしても、効率の損失を犠牲にしてシリンダ内の充填物の温度の低下をもたらす。しかしながら、熱交換器の必要性を最小限に抑えることは、効率の損失よりも有利であり得る。
【００３１】
加圧排気の場合、残留物（排気弁が閉じた後にシリンダ内に残るガス）のレベルは、排気が大気圧であるときよりも高い。この場合、シリンダ内の残留物は、排気マニホールド内の圧力と同様の圧力であり、前のサイクルからの浄化された発生炉ガスである。
【００３２】
本開示は、液体燃料の合成のための浄化エンジン１１４の使用を制限することを意図していない。むしろ、浄化エンジン１１４は、浄化された発生炉ガスの生産に使用される。この浄化された発生炉ガスは他の化学物質の合成に使用され得る。例えば、水素の生産またはアンモニアの生産は他の用途であり得る。
【００３３】
熱交換器１０６、１１５は、コストを削減するために１つの交換器に組み合わせることができる。同様に、浄化エンジン１１４および動力機関１１６もまた、コストを削減するために１つのエンジンに組み合わせることができる。これは、例えば、いくつかのシリンダを化学量論以下の空気でリッチに作動させる（言い換えれば、浄化エンジンとして機能する）とともに、いくつかのシリンダを残りの空気を混合した後に浄化された発生炉ガスを燃焼させる（言い換えれば、動力機関として機能する）ことで起こり得る。一実施形態では、エンジン内の同数のシリンダが、浄化エンジンおよび動力機関として機能する。
【００３４】
この実施形態のこの動作を説明するためにコンピュータシミュレーションも行った。下死点での４００℃から開始して、当量比１０および２０での浄化エンジン１１４の動作についての化学反応速度式自己点火シミュレーションの結果を、図８および図９に示す。図８は、クランク角度の関数としての筒内温度を示す。図９は、クランク角度の関数としての筒内圧を示す。ＣＨＥＭＫＩＮソフトウェアおよびＧＲＩ３メカニズムを使用して、１７％の水を含むガス化ガス組成で表１に示す結果が得られた。当量比が１０の場合、圧縮比が８の場合でさえも、燃料／空気の混合気は自己点火する。当量比が２０の場合、自己点火はない。
【００３５】
タールを（分解または熱分解または他の手段のいずれかによって）破壊するために温度およびこの温度での滞留時間を十分に高くすることが望ましい。限られた量の酸素を用いると、水素が酸素分子を求めてタールと競合する可能性があるが、タールを限られた空気と優先的に燃焼させることが可能であり得る。滞留時間は主にエンジン回転数によって決まる。図８は、４０クランク角度の期間にわたって温度が比較的一定であることを示している。１２００ｒｐｍの運転では、滞留時間は約５ｍｓである。滞留時間を増加させそしてタール破壊効率を改善するためにより低いｒｐｍが使用され得る。しかしながら、より低いエンジン速度はエンジンの処理量をより低下させることになる。圧縮比を高めることにより、または空燃比を高めることにより、入口温度を４００℃を超えて上昇させることで温度を上昇させることができる（発生炉ガスは実際には７００℃で生成される）。エンジン制御（点火時期）の必要性を減らすために用途によっては自己点火が望ましいかもしれないが、点火補助ＨＣＣＩモードを達成するために点火を使用することができる。全体的な温度を上昇させるために、およびガス浄化用にいくらかの遊離酸素を供給するために、しかしまたエンジンのための所要動力を減少させるために、シリンダ内で（少量の空気の存在下で）いくらかの燃焼があることが望ましい。シリンダ内でいくらかの燃焼があると、エンジンは実際には限られた量の動力を発生する。浄化された発生炉ガスは、エンジンの下流で電力を作るため、液体燃料を合成するため、またはその両方のために使用することができる。
【００３６】
特定の実施形態では、浄化エンジン１１４の排気弁タイミングは修正されてもよい。例えば、特定の実施形態では、シリンダ内の化学組成がピーク温度およびピーク圧力に近く維持されるように排気弁を早く開くことが有利であり得る。排気中の膨張および冷却は、発生炉ガスを急冷する機能を果たす。あるいは、特定の実施形態では、排気行程中に水または他の液体を浄化エンジン１１４のシリンダ内に直接注入して、シリンダ内の化学組成をピーク温度およびピーク圧力の組成に近い状態に維持してもよい。
【００３７】
特定の実施形態では、浄化エンジン１１４が、より重い有機成分を破壊することがあるが、ナフタレンなどのより軽い有機成分を破壊することはできない可能性がある。動力機関１１６内の汚れの可能性を低減するために、動力機関１１６内に導入される燃料が、より軽い有機成分の露点より上など、より高い温度になるように、熱交換器１１５のサイズを選択してもよい。
【００３８】
浄化エンジン１１４への入力として空気が開示されているが、任意の酸素含有ガスを使用することができる。例えば、特定の実施形態では、浄化エンジン１１４は、エアフィルタ１０３からの空気を使用するのではなく、オゾン発生器からのオゾン、純酸素、または酸素富化空気を利用することができる。酸素富化空気または酸素を使用する利点は、窒素で希釈されているために、処理済み排気の発熱量が空気を使用したときよりも高いことである。高濃度酸素は、膜の使用によって、または水の電気分解の使用によって、または他の手段によって空気を富化することによって得ることができる。
【００３９】
特定の実施形態では、動力機関１１６はデュアル・フューエル・エンジンであってもよい。例えば、動力機関１１６はディーゼルパイロットを有していてもよいが、大部分は浄化エンジン１１４からの燃料を燃焼させる。ディーゼルの使用は、火花点火エンジンと比較して、動力機関１１６の点火を改善することができる。特定の実施形態では、ディーゼル燃料は動力機関１１６内の予備室に導入される。
【００４０】
上記の変形は、単独で、または他の変形と組み合わせて使用することができることに留意されたい。
【００４１】
高温の発生炉ガス運転を使用するためのエンジン改造
内燃機関が４００℃より高い温度で発生炉ガスを燃焼させることを可能にするためには、標準的なエンジンの設計およびエンジンの運転において特定の改造が必要とされる。エンジンの運転は、高温の発生炉ガスの燃焼特性に合わせて大幅に改造する必要がある。
【００４２】
高温の発生炉ガス設計を使用するためのエンジン改造
エンジンは吸気口内の高温を考慮して改造する必要がある。吸気弁は変えられなければならないかもしれないが、吸気温度は排気温度と実質的に異ならず、そして排気弁は高温に耐えることができる。マニホールドは高温に耐える必要がある。安価なシステムでは、送風機／圧縮機の必要性を排除するために、入力はほぼ大気圧であると思われる。ただし、用途により、最も可能性高くはガス化装置に導入される空気および／または蒸気を加圧することによって発生炉ガスをより高い圧力にすること、および吸気マニホールド内のより高い圧力でガス化装置を操作することが望ましいかもしれない。この場合、マニホールドは高温および高圧に耐えることができなければならない。吸気圧力がより高ければエンジンのガス処理量が増加し、その結果、所与の処理量に対してよりコンパクトなシステムが得られる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、バルブタイミングを修正することが有利であろう。例えば、エンジンが発生炉ガスを加圧するために使用される場合、弁の重なりを回避することが最善であろう。さらに、排気弁は、従来のエンジンで起こるよりも早く開放されてもよい。エンジンは（発電機を駆動するために）ほとんど一定の変動率で定常状態で、恐らく一定の速度で動作するので、可変バルブタイミングを有する必要はない。このように、従来とは異なるタイミングでバルブを操作するためにエンジンカムが改良されている。
【００４４】
従来とは異なるタイミングが有用な場合としては、（圧縮行程中に）吸気弁の閉鎖を調整することによって圧縮比を変更することが望ましい場合がある。従来とは異なるタイミングを使用して、圧縮比を変えることができ、さらに発生炉ガスの使用率を変えることもできる（処理量および／または発生電力の両方を変えることができる）。吸気弁の閉め方を５〜１０度調整すると、圧縮比がわずかに調整される。
【００４５】
バルブタイミングを適切に選択することによって、またはＡｔｋｉｎｓｏｎサイクルを使用することによって、膨張比が圧縮比よりも高くなるようにエンジンを使用することも望ましいかもしれない。したがって、エンジンからより多くのエネルギーを取り出す（効率を高める）ことが可能であり、同時に排気ガス温度を下げることが可能である。ガス温度の低下はいくつかの用途に有用である。タール含有発生炉ガスを燃焼させるためにエンジンが使用される場合（図２に示される第１の実施形態）、より低い温度が望ましい。エンジンが発生炉ガスの浄化に使用される場合、浄化された発生炉ガスはエンジン内で燃焼される必要があり、浄化された発生炉ガスの温度を下げることは、第２の動力機関におけるノッキングを回避するための方法の１つであるとともに、浄化エンジン１１４と動力機関１１６との間の熱交換器要件を最小にする。排気の温度は低下し、そして浄化エンジン１１４と動力機関１１６との間の発生炉ガス熱交換器の必要性を排除し得る。また、膨張段階（上死点後であるが下死点前）の間に浄化エンジン内に水を導入することにより、浄化された発生炉ガスを冷却することが可能であり得る。注水が早ければ早いほど、それが排気口の温度に及ぼす影響がより顕著になり、排気口の所定の温度を得るために必要とされる水の量が減少する。
【００４６】
エンジンが様々な速度で動作していても、発電機をほぼ一定の速度で運転するギアボックスと組み合わせて、動力機関内の様々なエンジン速度を使用することができる。従来のまたはほぼ従来の自動車用トランスミッションに連結された自動車用エンジンを使用することは、これらのユニットの両方が大量生産のために安価であるので、ユニットのコストを実質的に低下させるであろう。特に、無段変速機（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ：ＣＶＴ）は、エンジン速度が変化しているときに発電機の速度を制御するのに理想的であろう。
【００４７】
発生炉ガス浄化の潜在的な用途の１つは、燃料や電気を柔軟に生産することである。エンジンの浄化は、異なる時期に燃料、電気、またはその両方を生成する可能性があるポリジェネレーションシステムの一部になり得る。生成された燃料は、定置型エンジンで燃焼させることができ、または輸送用燃料として使用することができるエネルギー貯蔵媒体として役立つ。ポリジェネレーションでは、電力が不要な場合に、浄化された発生炉ガスを使用してメタノール、エタノールＦＴ、またはその他の化学物質を製造できる。
【００４８】
提案されたアプローチの１つの利点は、タール含有発生炉ガスを処理するためのエンジンをスキッドに嵌め込み、遠隔製造工場で組み立て、そして現場に輸送することができることである。
【００４９】
特定の種類のガス化装置が開示されているが、この方法では任意のガス化装置を使用することができ、これは発生炉ガスにタールが含有されている場合に有用である。エンジン概念が有用であるガス化装置のいくつかは、トップライトアップドラフト（ｔｏｐｌｉｔ  ｕｐｄｒａｆｔ：ＴＬＵＤ）、ダウンドラフト、ボトムライトアップドラフト、プラズマ強化ガス化装置およびタール含有ガスを生成する他の任意のユニットを含む。
【００５０】
上記の開示は４ストローク燃焼エンジンの使用を示唆しているが、２ストロークエンジンのような他のエンジンもまた利用され得ることが理解される。
【００５１】
さらに、図は初期燃料がバイオマスであることを示しているが、他の実施形態も可能である。例えば、図２および図３の実施形態は、
化学薬品や燃料を製造するためのガス化、
都市固形廃棄物などの廃棄物のガス化、
プレート、タイヤ、その他の産業用有機廃棄物のガス化、および、
石炭のガス化、
を含むあらゆる形態の固体有機燃料ガス化または部分有機燃料ガス化に適用可能である。
【００５２】
本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態によって範囲が限定されるべきではない。実際、本明細書に記載のものに加えて、本開示の他の様々な実施形態および本開示に対する修正は、前述の説明および添付の図面から当業者には明らかであろう。したがって、そのような他の実施形態および修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。さらに、本開示は、特定の目的のための特定の環境における特定の実装の文脈で本明細書に記載されているが、本開示の有用性はそれに限定されず、本開示は様々な目的で様々な環境に有益に実装され得ることを当業者は認識するであろう。したがって、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書に記載されるような本開示の完全な広さおよび精神を考慮して解釈されるべきである。
【図１】
2020514448.tif 000004
【図２】
2020514448.tif 000005
【図３】
2020514448.tif 000006
【図４】
2020514448.tif 000007
【図５】
2020514448.tif 000008
【図６Ａ】
2020514448.tif 000009
【図６Ｂ】
2020514448.tif 000010
【図７】
2020514448.tif 000011
【図８】
2020514448.tif 000012
【図９】
2020514448.tif 000013
【国際調査報告】
2020514448.tif 000014
2020514448.tif 000015
2020514448.tif 000016
2020514448.tif 000017
2020514448.tif 000018