CN101541926A - 生物物质气化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物物质气化装置，该生物物质气化装置是生物物质的热化学性气化装置，能成产业地从固体生物物质制造高品质的燃料气体，该燃料气体能作为燃气发动机、燃气轮机等的燃料使用，还能作为甲醇合成等的合成气体使用。生物物质的高温燃烧气体产生装置(101)不依靠矿物燃料而全部依靠生物物质供给热源。供气化的粗粉碎生物物质(205)与气化剂(303)一起被导入到1次气化反应室(202)中，将来自高温燃烧气体产生装置(101)中产生的燃烧气体(109a)所加热的1次气化反应室(202)壁面的辐射热作为反应热，产生气化反应，粗粉碎生物物质(205)被分解，成为清洁且高品质的生成气体。

Description

生物物质气化装置
技术领域
本发明与将固体生物物质向高方便性的燃料气体转换的气化技术相关，涉及一种生物物质的气化反应装置，该生物物质的气化反应装置利用实用性高的装置，通过热化学方法从固体生物物质生成高品质燃料气体，该高品质燃料气体清洁且具有与矿物燃料同样高的发热量，能作为甲醇等化学合成原料来使用。所得到的生成气体能使用于替代矿物燃料、发电效率高的机种即燃气发动机发电、燃气轮机发电，还被用作来源于100％生物物质的甲醇、GTL(Gas To Liquid fuel；石油同等燃料)的合成气体，还被作为采用了上述合成气体的来源于100％生物物质的生物柴油燃料来使用。
背景技术
以往的固体生物物质的能量转换主要利用直接燃烧所产生的热，在这样的情况下，难以实现高度的能量利用。例如，在发电的情况下，为通过燃烧木屑锅炉产生水蒸气而通过水蒸气轮机进行发电的发电方式，但在实际的设备中，在1000～3000kW规模下仅得到8～12％的发电效率。在100kW规模那样的小规模中，无法得到电力输出。现今，开发了用于高效利用生物物质能量的气化技术。以往的气化技术中以用理论量以下的空气或氧气来使生物物质进行半燃烧的部分氧化法为主流，但多产生煤、焦油，用于发热的废气混入生成气体，因此无法得到高品质的生成气体。
从汽车燃料化和燃料输送上来看，为了高度利用生物物质能量而向液体燃料的转换是理想的。但是，从生物物质制造液体燃料的制法中，无论是以糖类、淀粉等作为原料进行发酵而形成的甲醇燃料还是将植物油通过添加甲醇酯化而成的BDF(生物柴油燃料)，都主要以食品材料为原料，单位耕种面积的收获量低。
还未开发出将本发明中作为目标的全部草本类、木本类的生物物质作为对象而能以可转换成化学合成原料的品质来进行热化学性气化的实用装置。
近年来，开发了一种浮游外热式气化方法，该方法能从生物物质得到适于发电用燃气发动机的高卡路里(calorie)且清洁的燃料气体。其内容示出在下述专利文献1、专利文献2和专利文献3中。
专利文献1中公开了一种将生物物质的燃烧空间和生物物质的气化空间分离的生物物质气化装置。该装置将从生物物质的燃烧空间所得到的完全燃烧高温气体用于加热生物物质的气化空间，还通过多个通孔将完全高温燃烧气体供给到气化空间中。利用该装置，容易独立控制燃烧空间的发热反应和气化空间的吸热反应而使生物物质气化，因此能得到以往所没有的高品质燃料气体。但是，在该装置中，通过通孔将高温燃烧气体导入到气化空间中，从而实现了生物物质的均匀气化。因此，存在如下问题：在生成气体中混入了大量完全高温燃烧气体所含有的二氧化碳和氮气，使生成气体的品质降低；随着生成气体、作为生成气体的原料的生物物质的逸散，气化剂的分布不均匀；必须加工出多个小孔等。
而且，在专利文献2和专利文献3中公开了将水蒸气供给到气化空间中的技术。通过添加水蒸气，一定程度上解决了上述问题，但留下了一些含有以下几点的应该解决或提高的技术问题。
作为第1缺点，作为气化原料的生物物质要求大约3mm以下的微细粉末，粉碎动力大的同时，10mm～20mm的粗大粉末成为故障的原因。
作为第2缺点，被供给到气化空间的气化剂(例如水蒸气)进入生物物质供给料斗内而结露，使生物物质微细粉末含有高水分。其结果，难以将生物物质的微细粉末顺利地向气化空间供给，还显著降低气化反应室内的气化效率。
作为第3缺点，氢占所得到的燃料气体组成的比例降低，直接用作合成甲醇和GTL等的合成气体还不充分。
专利文献1：日本特开2002-88379号公报
专利文献2：日本特开2004-51717号公报
专利文献3：日本特开2004-51718号公报
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于用于生成几乎不含有煤和焦油、清洁的且高发热量的理论绝热燃烧温度也优异的高品质燃料气体的生物物质的气化。而且，本发明的目的在于提供一种生物物质气化装置，该生物物质气化装置为小型设备，但比使用了蒸气轮机的大型生物物质屑燃烧发电更优异，适于高效且自产自销型或小规模分散型装置，该生物物质气化装置能将所得到的生成气体，即燃料气体直接使用于燃气发动机、燃气轮机。而且，所得到的生成气体以氢和一氧化碳为主要成分且以具有能用作甲醇、GTL等化学合成原料的合成气体的品质为目标。
这样的对生物物质的很好的能量利用在规模方面也具有很大潜能，因此作为改进矿物燃料一边倒的日本现状的脱胎换骨的替代技术而能响应时代的强烈的需要。
本发明的生物物质气化装置由使生物物质燃烧而产生燃烧气体的高温燃烧气体产生装置、生物物质供给料斗、气化反应装置构成，
该气化反应装置的内部配置有1次气化反应室，该1次气化反应室将2次气化反应管和气化剂供给管线连接起来，该1次气化反应室通过生物物质供给管线而与该生物物质供给料斗连接，
该高温燃烧气体产生装置通过燃烧气体供给管线而与该气化反应装置连接。
利用上述结构，能够通过生物物质的燃烧气体供给生物物质气化所需要的全部热源，而且得到高品质的燃料气体(以下也称为生成气体)。例如，能够使低形状加工度的低品质的生物物质燃烧，将产生的燃烧气体作为热源而使生物物质气化，从而得到高品质的生成气体。
在此，在高温燃烧气体产生装置中使廉价的生物物质燃烧而形成800℃以上，优选1000℃以上的燃烧气体，从而得到生物物质的气化所需要的热源，借助于燃烧气体供给管线将生物物质的气化所需要的热源供给到1次气化反应室中。
将1次气化反应室的壁的辐射热作为反应热，作为生成气体的原料的生物物质与从气化剂供给管线所供给的水蒸气等气化剂产生气化反应。此时，1次气化反应室中不需要放入需要氧装置的纯氧，而且空气的导入也限制在零～少量，因此能得到只含有少量氮成分、发热量、理论燃烧温度高、煤、焦油极少的高品质生成气体。
并且，在1次气化反应室之后连接2次气化反应室地设置，因此，焦油和煤几乎完全分解而可得到能作为标准构造的燃气发动机燃料长期使用的清洁的生成气体。
另外，燃烧用或燃料气化用的生物物质优选是被破碎成几mm或几百mm的小片，更优选为被破碎成大致2cm以下的小片(以下也称为“片状生物物质”、“生物物质片”或“粗粉碎生物物质”)。
本发明的生物物质气化装置中优选是，上述高温燃烧气体产生装置为了得到800℃以上的燃烧气体，以具有固定床的下降流方式的立式燃烧炉为基础，在立式燃烧炉的下部设有炉篦，从炉篦的上方的1处以上的吹入孔供给1次空气，接着，从炉篦配件的内部供给使炉篦具有冷却功能并以喷孔形式供给的2次空气，还从炉篦下部供给完全燃烧所需要的3次空气，在上述高温燃烧气体产生装置的出口由烟囱和诱导通风机进行吸引。
利用上述结构，在上述高温燃烧气体产生装置的出口至少产生800℃以上的清洁且未残留有未燃烧成分的燃烧气体，优选至少产生1000℃以上的清洁且未残留有未燃烧成分的燃烧气体，因此，燃烧炉为立式固定床形式，在下部设有炉篦，从炉篦的上部将1次空气作为下降流进行供给。接着从炉篦配件的内部从多个喷口使2次空气喷出，进行燃烧的保持和燃烧速度的控制，并且将3次空气供给到炉篦下部的燃烧气体排出部，进行清洁的完全燃烧和排出高温气体的温度控制。燃烧气体由出口部的烟囱或诱导通风机吸引，保持下降流。
通过形成这样的燃烧方式，从炉上部供给的片状生物物质的层叠在炉篦附近成为最高燃烧温度，燃烧气体利用炉篦下的3次空气被完全燃烧。在本燃烧方式中，在炉篦部达到了1300℃以上，因此不可缺少由2次空气对炉篦配件进行冷却。在炉篦下的出口部，利用未燃烧成分在3次空气下的完全燃烧使未燃烃、煤以及CO以毫不残留的状态进行高温完全燃烧，因此能得到零戴奥辛(dioxin)的清洁的燃烧气体。添加了3次空气而完全燃烧的气体以超过800℃～1000℃的高温被供给到气化反应装置中。
在上述高温燃烧气体产生装置中，能利用1次空气和2次空气的单位时间的供给量来控制生物物质燃料的燃烧速度，能利用3次空气进行未燃气体的完全燃烧和高温燃烧气体排出温度的控制。利用该结构，能在上述气化反应装置中形成适于生物物质、生成气体的用途的反应环境。
在本发明的生物物质气化装置中，供给到上述高温燃烧气体产生装置中的1次空气、2次空气、3次空气为了容易进行与生物物质的性状、特别是与含水量的不同相对应的燃烧速度的控制和高温燃烧气体的排出温度的控制，因此优选进行预热。通过对空气进行预热，提高高含水量的生物物质片的燃烧效率的同时，能防止向上述气化反应装置供给的燃烧气体的温度下降。一般预热为150～450℃。
在本发明的生物物质气化装置中，也可以在上述生物物质供给料斗上同时设有粗粉并行气体供给管线。只要将从氮气、二氧化碳、空气或它们的混合物中所选取的粗粉伴行气体与生物物质原料的供给一同供给，则能防止被供给到1次气化反应室中的水蒸气进入生物物质供给料斗中，能防止生物物质供给料斗中的生物物质的加湿，关于上述供给的从氮气、二氧化碳、空气或它们的混合物中所选取的粗粉并行气体，以重量比计，在供给二氧化碳的情况下相对于生物物质为2～15％、在供给氮的情况下相对于生物物质为2～10％，在供给空气的情况下相对于生物物质为2～5％左右。
粗粉并行气体的选择只要考虑生成气体的用途即可。例如，将生成气体用于甲醇合成时，二氧化碳是有利的。向并行气体混入适量的氮具有减少水蒸气的效果，考虑到将水的热函加热到反应温度的过热水蒸气热函的热量的大小时，对于优先考虑发热量大小的燃气发动机燃料用途优选使用氮气。此时，出于氮气的易得到性和成本的理由，使用空气也成为选项。
在本发明的生物物质气化装置中，也可以在上述1次气化反应室内的下部设有陶瓷多孔质板、冲孔形式等的多孔质板，从上述1次气化反应室的上部供给生物物质原料，从该多孔质板的下部用上升流供给气化剂。
利用上述结构，从上述生物物质供给料斗将大致2cm以下的粗粉碎生物物质供给到上述1次气化反应室中，将气化剂形成上升流从与上述1次气化反应室的下部连接的气化剂供给管线供给。在此，在上述1次气化反应室的下部设有陶瓷多孔质板、或冲孔状的多孔质板，用上述多孔质板捕捉在上述1次气化反应室中未气化而残留的生物物质残量。大部分的粗粉碎生物物质以浮游状态与气化剂反应，在瞬间被气化，但捕捉到多孔质板上的生物物质残量需要花费长达几秒的时间气化。查明生成气体的成分不会受到粗粉碎生物物质的粒径影响，具有高的氢浓度。不要求生物物质的微细粉碎，因此也降低了粉碎动力成本。
另外，气化剂可以使用水蒸气、二氧化碳或它们的混合物。根据生物物质的性状的不同，气化剂的需要量不同。
一般木材的情况下，通式分子式为C1.3H2O0.9(分子量)，在采用水蒸气的情况下，所需的最少量为0.4H2O，在实际运行中，优选3H2O以上。但是，过多的水蒸气使热效率降低，因此在本发明的构成中以重量比2以上的供给为原则。
相对于干燥生物物质，以重量比0.6以上供给水蒸气气化剂即可，优选进行重量比2以上的供给。
在本发明的生物物质气化装置中也可以形成为如下构造：设有耐热隔壁，使得在1次气化反应室的外部空间和2次气化反应管的外部空间之间能进行高温燃烧气体的通气，且能隔断1次气化反应室和第2气化反应管之间的热辐射，使燃烧气体首先导入到1次气化反应室的外周，加热1次气化反应室之后，再导入到第2气化反应管的外周来加热该反应管。
形成为上述结构时，能将从高温热气体产生装置导入的燃烧气体优先供给到要求更高温的1次气化反应室中。
在本发明的生物物质气化装置中，只要1次气化反应室主体的材料使用钛酸铝等陶瓷材料或在该陶瓷材料的表面涂布金属材料而形成的材料、或高铬、高镍合金材料等耐高温材料，能提高1次气化反应室的可运行温度范围。
某种钛酸铝的耐热性比堇青石(cordie rite)高，对热冲击强于碳化硅，同时具有实用性级别的耐热性和热冲击性，因此能替代金属用作1次气化反应室的材料。采用上述结构时，根据要提高反应温度来增加氢发生量时等生成气体的用途，不限于金属的耐热温度极限，能更自由地选择1次气化反应温度且在运行操作温度变动上具有余量。
在本发明的生物物质气化装置中，关于1次气化反应室，优选是对于以1kg/h供给干燥生物物质原料，至少在壁温度为800℃的情况下形成为0.008m2以上的1次气化反应室壁面积，在壁温度1000℃的情况下至少形成为0.004m2以上的1次气化反应室壁面积。
以水蒸气对生物物质的摩尔比为3放入水蒸气的情况的反应吸热量用下式表示。
C1.3H2O0.9+3H2O→H2、CO、CH4、C2H4、CO2、H2O+22kcal/Bio-mol(吸热)
即，对1kg干燥生物物质，需要付与大约700kcal/1kg-Bio的反应热。现在，从反应室壁受到900℃的热辐射，为了进行1kg/h的生物物质气化，通过使反应室壁面积形成为0.008m2以上，优选形成为0.01m2以上而使气化反应成立。在以得到作为化学合成原料的合成气体为目的的情况下，气化反应室温度越高越有利，在使反应室壁温度为1100℃的情况下，相对于生物物质1kg/h，反应室壁面积也可以为大致0.004m2以上，优选为0.005m2以上。
在本发明的生物物质气化装置中，也可以具有根据生物物质的含水量来控制自生物物质料斗的生物物质供给量而使生成气体的性状合理化的控制功能。
在上述结构中，在例如向1次气化反应室供给的生物物质的水分为20重量％的情况下，与供给干燥生物物质的情况相比，减少20％供给量地供给。通过丝杠的转速等能调节生物物质供给管线的螺旋式进料器的移送量，以便能调整供给量，根据运行时的生物物质水分输入数据调节移送量即可。
根据生成气体的用途，利用1次反应室温度、生物物质原料和气化剂水蒸气重量比、生物物质原料供给量、生物物质原料含水率以及生物物质原料粉碎度来控制生成气体的H2、CO、CH4等气体的气体成分即可。
本发明的生物物质气化反应装置是从生物物质生成与矿物燃料同样的能高温燃烧的燃料气体的技术，但同时也能适用于能变成化学合成原料的合成气体的用途。作为合成气体而利用的情况下，气体成分中的氢(H2)和一氧化碳(CO)的成分比很重要。例如在合成甲醇的情况下，最好H2和CO的占气体成分的比例高，且H2/CO摩尔比≈2。
为了得到适当的比例的H2和CO，进行如下操作，能得到目标的合成气体。
(1)欲增加H2成分的情况下：减小向1次反应室供给的生物物质粒径，提高气化反应室温度，增加气化剂的量，减少向1次气化反应室供给的生物物质的量，增加10～20mm的粗粉原料来增加在多孔质板上的气化反应。
(2)欲增加CO成分的情况下：通过增加向1次气化反应室供给的生物物质的量来缩短气化反应室内的滞留时间，降低生物物质粒径的大直径化，降低1次气化反应室温度(其中，800℃以上)。
在用于燃气发动机中，也可以是CH4多。在进行甲醇合成的情况下，H2和CO多，H2/CO的平衡很重要。
上述气化反应装置内的加热所使用的燃烧气体优选在使用后排出到气化反应装置外，通过余热锅炉的热回收产生过热水蒸气，能将过热水蒸气作为气化剂加以利用。
使用过热水蒸气作为气化剂的情况下，通过从废气的热回收，从水产生过热水蒸气，因此能大幅度缩小热的损失。
而且，如上所述，也可以替代水蒸气使用二氧化碳和水蒸气的混合气体作为气化剂。
利用上述结构，将生成气体用于甲醇合成的情况下，二氧化碳与氢化合而变成甲醇，因此在合成用原料气体的氢能由本发明的装置之外的部件供给的情况下，能经济地增加甲醇合成量。
根据本发明，能利用高温燃烧气体产生装置来形成生物物质的燃烧气体而得到1次气化反应室的加热所需的热源。特别是，在高温燃烧气体产生装置中以下降流分3级分别供给空气，能得到更高温且清洁的燃烧气体。
而且，通过在生物物质供给料斗上同时设有粗粉并行气体供给管线，能防止生物物质供给料斗的结露、生物物质供给料斗中的生物物质的水分吸收，提高气化性能效率。并且，通过在1次气化反应室中设有多孔质板，不仅能进行大粒的粗生物物质的气化处理，也能防止生成气体的品质的恶化。
利用本发明的生物物质气化装置，能得到清洁且高品质的燃料气体。该燃料气体的燃烧温度与矿物燃料相同，因此能利用于发电效率高的燃气发动机发电、燃气轮机发电。
而且，燃烧气体的组成的主要成分为H2、CO，因此能用作化学合成原料的合成气体，能作为原料气体利用于甲醇、GTL等液体燃料的制造。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的生物物质气体的热化学性气化装置整体的概略构成图。
图2是第1实施方式的高温热气体发生装置的概略图。
图3是第1实施方式的生物物质气化反应装置的概略图。
图4是第1实施方式的气化反应温度900℃的生成气体成分相对比例的例子。
图5是向气化反应装置的料斗添加了粗粉并行气体供给的第2实施方式的生物物质气化反应装置的概略图。
图6是还在气化反应装置的内部设有耐热隔壁的第3实施方式的生物物质气化反应装置的概略图。
图7是还添加了气化剂替代气体(二氧化碳)的第4实施方式的生物物质气化反应装置的概略图。
图8是第4实施方式的生物物质气体的热化学性气化装置整体的概略构成图。
附图标记说明
101、高温燃烧气体产生装置；102、燃烧炉；103、炉篦；104、2次空气喷口；105、生物物质片；106、1次空气；107、2次空气；108、3次空气；109、燃烧气体供给管线；109a、燃烧气体；110、空气预热器；111、炉底燃烧室；112、积灰坑；113、空气；201、气化反应装置；202、1次气化反应室；203、2次气化反应管；204、生物物质供给管线；205、粗粉碎生物物质；206、粗粉并行气体供给管线；206a、粗粉并行气体；207、生成气体-燃料气体；208、生物物质供给料斗；209、反应炉高温室；210、多孔质板；211、隔热件；212、耐热隔壁；213、气化剂；214、出灰口；215、废气；301、余热锅炉；302、气化剂供给管线；303、气化剂(过热水蒸气)；304、热利用用户；305、诱导通风机；306、废气；307、烟囱；308、气化剂替代气体(二氧化碳)；401、换热器；402、旋风除尘器；403、洗涤器；404、强制通风机；405、燃料气罐；405、利用目的地。
具体实施方式
第1实施方式
图1表示本发明的生物物质气化装置的一实施方式。
在高温燃烧气体产生装置101中，使生物物质燃烧而产生超过900℃的高温且清洁的燃烧气体(箭头所示)109a。燃烧气体109a从燃烧气体供给管线109向气化反应装置201输送，从外壁面加热配置在气化反应装置201内的1次气化反应室202和与1次气化反应室202连结的2次气化反应管203之后，形成废气215从气化反应装置201排出。
废气215在余热锅炉301中产生过热水蒸气303。过热水蒸气303从气化剂供给管线302供给到1次气化反应室202的底部。生物物质205从与1次气化反应室202的上部连接的生物物质供给管线204落下供给到1次气化反应室202中。生物物质供给管线204对通过螺旋进料器从生物物质供给料斗208所供给的粗粉碎生物物质205进行输送。在1次气化反应室202的内部，粗粉碎生物物质205与作为气化剂的过热水蒸气吸收来自1次气化反应室202的壁的辐射热作为化学反应热，利用水蒸气改性反应来进行粗粉碎生物物质205的气化。此时，气化反应不使用催化剂。
在1次气化反应室202中产生的生成气体还进行焦油、煤的气化反应，因此被输送到2次气化反应管203中，作为最终目标的成分的燃烧气体(箭头所示)207被输送到燃料气罐405中。在此，直到生成气体(燃料气体)207被输送到燃料气罐405之间，设有用于将生成气体207输送到余热回收的换热器401、灰、煤除去用旋风除尘器402、残留水蒸气除去用的喷水洗涤器403、燃料气罐405的强制通风机404。
储存在燃料气罐405中的生成气体207和从强制通风机404直接输送的生成气体207被利用于作为利用目的地406的发动机发电、轮机发电、石油替代燃料气体、化学合成原料合成气体等高品质燃料气体。另一方面，在气化反应炉中利用于气化反应的高温燃烧气体109的废气215在余热锅炉301中产生过热水蒸气后，只要有热需要，则由热利用304进一步利用废气215的热量，然后利用诱导通风机305经由烟囱307排放到大气中。
图2是本发明的图1所示的高温燃烧气体产生装置101的放大剖视图。在燃烧炉102中，在竖炉式的固定床的燃烧炉下部设有炉篦103。作为燃料的生物物质205将10cm左右的生物物质片105形成为合适形状，将其由燃烧炉102的顶部落下而投入。
燃烧用空气是如下所述这样供给的：从上部供给1次空气106，从炉篦103附近供给2次空气107，从炉篦103的下部供给3次空气。所排出的燃烧气体109由下游部的诱导通风机305(参照图1)向烟囱引导，因此燃烧炉102内的空气或燃烧气体的气流成为下降流。利用该方式，燃烧炉内的燃烧在炉篦103的上部附近达到最高燃烧温度，包含一些可燃气体的燃烧气体在炉篦下的炉底燃烧室111中利用3次空气108达到清洁并完全燃烧。
此时发生的燃烧气体109a的气体的性状的纯度以如下的例子表示。
氧(O2)4.2％
二氧化碳(CO2)14.6％
氯化氢(HCl)430ppm
硫化氢(H2S)120ppm
烃(CmHn)0％
一氧化碳(CO)0％
戴奥辛    检测极限以下
燃烧温度 1220℃
本实施方式的其他特征在于，设有能将1次空气106、2次空气107、3次空气108加热到最高450℃的空气预热器110，具有即使是含水60％的生物物质片105也能容易燃烧的功能，而且在炉篦103上燃烧成为超过1300℃的高温，因此作为该耐热构造，炉篦103具有如下特征：在2次空气107的一部分或全部将炉篦配件的内部冷却后，使2次空气107的一部分或全部从多个2次空气喷口104喷出作为燃烧用空气。
图3表示本发明的气化反应装置201的1实施方式。气化反应装置201的外壁的内表面由隔热件211围着。在气化反应装置201的内部设有1次气化反应室202和与1次气化反应室202连结的2次反应管203，1次气化反应室202的上部与生物物质供给管线204连接。生物物质205由生物物质供给料斗208供给，由生物物质供给管线204输送而由1次气化反应室202的上部落下供给。
并且，在余热锅炉310所得到的过热水蒸气(箭头所示)303从气化剂供给管线302被供给到1次气化反应室202的底部作为生物物质的气化剂213。
而且，燃烧气体109a被从燃烧气体供给管线109导入到气化反应装置201的内部，对1次气化反应室202和2次气化反应管203进行加热。
在1次气化反应室202中，生物物质片205和气化剂213利用来自该反应室壁的辐射热产生化学反应，生成H2、CO、CH4、C2H4、CO2等生成气体207。
在此，在距1次气化反应室202内的下部处于中间的部位设有陶瓷多孔质板或铜板材等的冲孔多孔质板210。大致3mm以上的粗粉碎生物物质205滞留在多孔质板210上而被气化。在1次气化反应室202中被气化的生成气体有时含有一些煤、焦油，因此被输送到2次气化反应管203中，利用气化剂使煤、焦油的残余成分进行再分解而气化，完成清洁的生成气体，供作为燃料气体207加以利用。
图4用于比较本发明的实施方式中的、生物物质的微粒生物物质的浮游气化而生成的生成气体成分和粗粉生物物质在多孔质板210上进行气化而生成的生成气体成分。下面的图表将生成气体的碳化气体成分作为100％表示。在此，乙烯C2H4是2个碳原子的分子，因此成分％为2倍，合计碳化气体为100％。
上面的图表以％表示产生的氢H2相对于碳化气体100％的比例。全部结果都以900℃在1次气化反应室内进行。
在此，氢H2量除了生物物质例如C1.3H2O0.9的氢成分之外，也由生物物质气化成分的烃气体与水蒸气的反应产生。
例如，以C2H4+4H2O→2CO2+6H2表示。
因此，能看出上面的氢量越大越能进行气化反应。
从图4可知，在0.1、0.6、2.0mm生物物质粒子浮游在气化剂中的气化反应中，气化粒子越小越易于气化，粒子越大越难以进行气化。不过，可知即使是10mm级的粗粉生物物质滞留在多孔质板上，通过被气化而能进行浮游气化以上的气化反应。但是，微粒的浮游的浮游气化反应为大致1秒以下，而滞留在多孔质板上的生物物质需要几分钟的气化反应时间。
第2实施方式
图5是同时设有生物物质供给料斗208和粗粉并行气体供给管线206的本发明的第2实施方式的气化反应装置201的概略图。
在本实施方式中，将N2、CO2、空气或它们的混合物作为粗粉并行气体206a从粗粉并行气体供给管线206送入临时储存粗粉碎生物物质片205的生物物质供给料斗208的内部。粗粉并行气体的大部分与生物物质片205一起经由生物物质供给管线204落下供给到1次气化反应室202中。
在不供给该粗粉并行气体206a的情况下，经由生物物质供给管线204而被大量导入到1次气化反应室202内的水蒸气的一部分流入生物物质供给料斗208中。因此，通过实验可知水蒸气结露在储存在生物物质供给料斗208中的温度还低的粗粉碎生物物质205上，大量的水分被粗粉碎生物物质205吸收。例如，长时间使用下，含水量15％的粗粉碎生物物质有时吸水到60％的含水量。
粗粉碎生物物质中所含的水分在1次气化反应装置202的内部蒸发，被加热成高温，但结果是也含有蒸发潜热，变成大的热损失，气化效率降低。气化反应装置的气化效率很大程度上被粗粉碎生物物质的含水量左右，例如在将100kg/h的生物物质气化时比较，呈下表1所示的趋势。
表1
Figure A20078003933600211
由表1可知，含水量增加时，气化能力急剧下降。1次气化反应室202的壁面温度降低或增加生成气体中的烃的量时，降低生物物质原料供给量地进行调整。
实施方式2能较高地保持气化反应装置201的生物物质气化能力。从实验结果看来，生物物质供给量的重量比为2～15％左右的二氧化碳或2～10％的氮可确认到效果。使用空气的情况下，生成气体的一部分燃烧而使发热量降低，因此最好为2～5％。
第3实施方式
图6是还在内部设有耐热隔壁的本发明的第3实施方式的气化反应装置的概略图。
在该实施方式中，1次气化反应室202和2次气化反应管203被以隔断辐射热为目的的耐热隔壁212隔开，1次气化反应室202形成相对于2次气化反应管203独立的反应炉高温室209。在高温燃烧气体产生装置101中产生的燃烧气体被输送到气化反应装置201中，首先加热1次气化反应室202，然后加热2次气化反应管203。第1次气化反应室202形成相对于2次气化反应管203独立的反应炉高温室209，因此该1次气化反应室202能设定为比第1次气化反应室202高的温度。由于2次气化反应管203的温度也可以稍微低于1次气化反应室202，因此在为了增加生成气体的氢成分而将1次气化反应室202的温度保持为更高时，本实施方式具有特殊的效果。
第4实施方式
图7是还添加了气化剂替代气体(即二氧化碳)308的本发明的第4实施方式的气化反应装置的概略图。
在本实施例中，在加热水而得到的过热水蒸气303中还混合了由二氧化碳构成的气化剂替代气体308，从气化剂供给管线302供给到1次气化反应室202的底部。二氧化碳在高温下具有一定程度的气化剂的功能，但增加了生成气体的二氧化碳成分。将生成气体供于甲醇的合成气体的情况下，生成气体中的二氧化碳与氢结合而生成甲醇，因此，特别是氢能从该生物物质气化装置之外的供给源供给的情况下，具有通过供给该二氧化碳来增加甲醇合成的生产量这样的效果。
图8表示上述第4实施方式的生物物质气体的热化学性气化装置的整体结构。其构成内容如前所述。
工业上的可利用性
利用本发明，提供一种生物物质气化装置，该生物物质气化装置是小型设备，并且比使用了燃气轮机的大型生物物质发电的效率更优异，高效率且适于自产自销或小规模分散型。
由本发明的生物物质气化反应装置所得到的燃料气体以H2、CO、CH4为主要成分，具有高品质、高卡路里，因此能作为发动机发电、轮机发电、矿物燃料替代高卡路里燃料、化学合成原料，并且作为甲醇合成、GTL合成的合成气体而多用途地加以利用。

Claims (14)

1.一种生物物质气化装置，其包括使生物物质燃烧而产生燃烧气体的高温燃烧气体产生装置、生物物质供给料斗、气化反应装置，
上述气化反应装置的内部配置有1次气化反应室，该1次气化反应室将2次气化反应管和气化剂供给管线连接起来，该1次气化反应室通过生物物质供给管线而与上述生物物质供给料斗相连接，
上述高温燃烧气体产生装置通过燃烧气体供给管线而与上述气化反应装置连接。
2.根据权利要求1所述的生物物质气化装置，其中，
上述高温燃烧气体产生装置为了得到800℃以上的燃烧气体，以具有固定床的下降流方式的立式燃烧炉为基础，在立式燃烧炉的下部设有炉篦，从炉篦的上方的1处以上的吹入孔供给1次空气，接着，从炉篦配件的内部供给使炉篦具有冷却功能并以喷孔形式供给的2次空气，还从炉篦下部供给完全燃烧所需要的3次空气，在上述高温燃烧气体产生装置的出口由烟囱或诱导通风机进行吸引。
3.根据权利要求2所述的生物物质气化装置，其中，
上述高温燃烧气体产生装置利用1次空气和2次空气的单位时间供给量来控制生物物质燃料的燃烧速度，能利用3次空气进行未燃气体的完全燃烧和高温燃烧气体排出温度的控制。
4.根据权利要求2或3所述的生物物质气化装置，其中，
为了使供给到上述高温燃烧气体产生装置中的1次空气、2次空气、3次空气容易进行与生物物质的性状、特别是与含水量的不同相对应的燃烧速度的控制和高温燃烧气体的排出温度的控制，用空气预热器进行预热。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的生物物质气化装置，其中，
在上述生物物质供给料斗上同时设有粗粉并行气体供给管线。
6.根据权利要求5所述的生物物质气化装置，其中，
从上述生物物质供给管线供给氮气、二氧化碳、空气或它们的混合物。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的生物物质气化装置，其中，
在上述1次气化反应室的下部设有陶瓷多孔质板或冲孔式等的多孔质板，以上升流从该多孔质板的下部供给气化剂。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的生物物质气化装置，其中，
该生物物质气化装置中也可以形成为如下改造：设有耐热隔壁，使得在上述1次气化反应室的外部空间和上述2次气化反应管的外部空间之间能进行上述燃烧气体的通气，且能隔断上述1次气化反应室和上述第2气化反应管之间的热辐射，使上述燃烧气体首先导入到上述1次气化反应室的外周来加热上述1次气化反应室，之后再导入到上述第2气化反应管的外周来加热上述第2气化反应管。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的生物物质气化装置，其中，
上述1次气化反应室主体的材料使用钛酸铝等陶瓷材料或在该陶瓷材料的表面上涂布金属材料而形成的材料、或高铬、高镍合金材料等耐高温材料。
10.根据权利要求1～8中任一项所述的生物物质气化装置，其中，
相对于干燥生物物质重量，作为气化剂，将水蒸气以重量比0.6以上进行供给。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的生物物质气化装置，其中，
对于以1kg/h供给干燥生物物质原料，上述1次气化反应室至少在壁温度为800℃的情况下具有0.008m2以上的1次气化反应室壁面积，在壁温度1000℃的情况下至少具有0.004m2以上的1次气化反应室壁面积。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的生物物质气化装置，其中，
具有根据生物物质的含水量控制来自上述生物物质料斗的生物物质供给量而使生成气体的性状合理化的控制功能。
13.根据权利要求1～13中任一项所述的生物物质气化装置，其中，
上述气化反应装置内的加热所使用的上述燃烧气体在使用后被排出到上述气化反应装置外，通过余热锅炉的热回收产生过热水蒸气，并将该过热水蒸气作为上述气化剂加以利用。
14.根据权利要求10所述的生物物质气化装置，其中，
作为上述气化剂，供给二氧化碳和水蒸气的混合气体来替代水蒸气。
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