JP2004051717A - バイオマスのガス化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】バイオマス資源から発電用ガスエンジンに適合する、高カロリで、クリーンな燃料ガスを、高収率で取得する、小規模でも可能なバイオマスのガス化装置を提供すること。
【解決手段】粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間が、供給するバイオマス粉体を、供給する水蒸気で流動化させる噴流床構造とする。
【選択図】 図1
【解決手段】粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間が、供給するバイオマス粉体を、供給する水蒸気で流動化させる噴流床構造とする。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術の分野】
本発明はバイオマスの有効利用に関し、詳しくは、バイオマスからクリーンな高カロリガスを生成させる装置に関する。更には、従来のバイオマスエネルギ利用形態では得られないシステム発電効率の高い、給電システムもしくは熱電併給システムのガスエンジンと組み合わせて用いる、バイオマスのガス化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のバイオマスエネルギ利用装置システムのうち、電気エネルギもしくは熱電両エネルギに変換して行う利用システムでは、バイオマスをボイラ用燃料として直接燃焼して、高圧蒸気を生成させ、発電用タービンを回転させる方式が執られている。従って、少なくとも5000〜10000kWと設備規模が大きくなるので、バイオマス資源の大量集約的発生もしくは大量収集が必要である。加えて、多額な投下資本を必要とする。なによりも、その発電効率が5000kW規模の場合で10%台に留まっているため、小規模で効率の高いバイオマス資源の利用装置システムが望まれている。
【0003】
一方、ガスエンジン使用の発電では小規模でも高い発電効率が得られるので、我が国のようにバイオマス資源が分散的に発生する社会および自然環境ではバイオマスのガス化装置技術の必要性が高い。
【0004】
バイオマスのガス化装置技術については、従来より固定床、流動床型のガス化炉で、酸素もしくは空気を主たるガス化剤として、吸熱反応であるガス化の空間と燃焼による発熱空間を共通の空間に設定した、いわゆる内燃式のものが研究開発されてきたが、タール、煤が副生し、ガスエンジン用として品質が適合しない。加えて、空気を用いる場合には、生成ガス中に窒素が残留して、単位生成ガスの発熱量を低下させる。酸素を用いる場合には、空気分離工程が別に必要で、運転に要するエネルギ及び設備投資がエネルギ効率低下要因及びコストプッシュ要因となる。
【0005】
他に、臨界圧熱水によるガス化装置の研究が行われているが、超高温高圧装置上の問題を含み、実用化の域に達していない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、バイオマス資源から発電用ガスエンジンに適合する、高カロリで、クリーンな燃料ガスを、高収率で取得する、小規模でも可能なバイオマスのガス化装置を提供することを目的とする。加えて、バイオマス資源の総合的エネルギ転換効率を高め、第三の新エネルギとしての利用普及に寄与せんとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のバイオマスのガス化装置は、粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間が、供給するバイオマス粉体を、供給する水蒸気で流動化させる噴流床構造である事を特徴とする。
【0008】
バイオマスの分解に必要な熱を、ガス化空間には化学的に影響を及ぼさない反応管壁からの輻射により、別途用意した熱源で供給することに加えて、ガス化剤自身の水蒸気を流動媒体として使用し、酸化反応などによる局部過熱を避け、均一な噴流状のガス化雰囲気を作る事により、速やかで、副反応のないガス化が可能な構造とする。別途用意する熱源は、バイオマスを燃焼して熱ガスを発生する、熱ガス発生炉を配置して供給することが好ましい。この熱源用バイオマスはガス分解用の原料より低品位のバイオマスを使用することもできる。
【0009】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間内で、水蒸気とバイオマスが向流若しくは水蒸気流れ方向と交差する方向に両者の流れ方向を設定するとともに、該接触域に絞り若しくは膨脹域(ディフューザ)が存在することを特徴とする。これにより、バイオマスが蒸気中に拡散し浮遊状態で、速やかにガス化する体制がつくられる。
【0010】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、高温ガスが流出入する加熱空間に、複数の自由端開口が外部に位置している曲管を送入し、加熱空間に曝されている曲管内で反応水蒸発部と水蒸気とバイオマスのガス化反応を行うガス化部が位置していることを特徴とする。
【0011】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記曲管内のガス化部通過直後の曲管をバイオマス供給側より分岐して、該分岐管を下向きから上向きに向けて曲管とするとともに、前記上向き自由端に燃料ガス出口部、一方下向きから上向きの底部変向部に、灰ドレンを設けたことを特徴とする。即ち本発明のガス化反応では、タール・煤のような遊離炭素は生成せず、唯一の固形不純物は無機物由来の灰である。蓄積する該不純物を集積して、除去する構造としてある。
【0012】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部の反応水側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんした反応水により実質的シールを行うことを特徴とする。多管状にガス化空間を設けることにより、ガス化空間をコンパクトに増強することができる。
【0013】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部のバイオマス側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんしたバイオマスにより実質的シールを行うことを特徴とする。
【0014】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記バイオマスを3mm以下、好ましくは1mm以下の微粒状にする粉砕手段を備え、微粒状にする粉砕手段は例えば、破砕機とインパクトミルを組み合わせた手段でよく、微粉砕困難なバイオマスは、適時に篩別して、ガス化空間加熱用の熱ガスを発生させる燃料として利用すればよい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。但し本実施の形態に記載される製品の寸法、形状、材質、その相対配置等は特に特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【0016】
(実施例1) 図1は本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応設備を中心とするバイオエネルギ利用システムのフロー図である。ガス化反応設備101は後述する反応管306(図2、3参照)を備え、該反応管306は反応水115及びバイオマス微粉112を受け入れ、外部からバイオマス燃焼高温ガス114により加熱できるよう構成されている。粉砕設備102はバイオマス原料111を受け入れて平均粒径3mm以下、好ましくは1mm以下の微粉を生成可能な性能を有し、平均粒径3mm以下の微粉112と平均粒径3mmを超える粗粉113とを分別して、排出可能な構造を有している。本実施例では破砕機とインパクトミルを組み合わせて用いた。熱ガス発生炉103はバイオマス粗粉113を受け入れて空気などの支燃剤によりバイオマス粗粉113を燃焼して高温のバイオマス燃焼高温ガス114を生成する。脱水装置104は内部に冷却伝熱面を持ち、塔内に導入されたガス中の水分及び硫黄化合物など高沸点物を凝縮して除去可能な構造を有す。ガスタンク105は水封式のタンクで、生成ガス116を貯留可能な構造になっている。ガスエンジン106は本例における生成ガス116を燃焼して、発電機を運転可能な能力を有している。
【0017】
図1において、バイオマス原料111は粉砕設備102に供給され平均粒径3mm以下の微粉112と平均粒径3mmを超える粗粉113に分けられ、粗粉113は熱ガス発生炉103に送られ、微粉112はガス化反応設備101中の反応管306中に反応水115とともに導入される。熱ガス発生炉103ではバイオマス粗粉113を燃焼温度900〜1200℃で燃焼させ、発生するバイオマス燃焼高温ガス114でガス化反応設備101中の反応管306を外部から加熱し、管内の温度を800℃以上に保つ。反応管306内に導入された微粉112は導入反応水115によって発生した水蒸気気流中に浮遊し、ほぼ瞬時(0.2秒以下)にガス化する。含水生成ガス108を脱水装置104に導入し、水分と硫黄分(H2S)、塩素分(HCl)を除去した後、生成ガス116とし、ガスタンク105に貯留する。生成ガス116は約20MJ/m3のカロリを有し、ガスエンジン用燃料として適合する。本システムでバイオマス処理量1トン/日(50〜100kg/h)を処理して、30kWの発電機により電気エネルギに変換したときの、総合エネルギ効率は20%以上とすることができた。
【0018】
(実施例2) 図2は本発明のガス化反応設備101と1次ガス化部302詳細の一例の概要図である。図2において、ガス化反応設備101は、加熱チャンバ307内部に反応管306を有し、加熱チャンバ307はバイオマス燃焼高温ガス114の導入口と、排出口を備えている。反応管はU字、逆U字、U字の管を連結した曲管であり、右側より第一垂直部、第二垂直部、第三垂直部、第四垂直部がある。その右端の第一垂直部上部より反応水115を導入出来る開口端が、中途第二垂直部上部よりバイオマス微粉112が導入出来る開口端が、中途第二垂直部、第三垂直部とを連結するU字管底部よりガス化によって発生する灰117を取り出す開口端が、左端第四垂直部よりガス化反応で生成した含水生成ガス118を取り出す開口端が、夫々設けてある。
【0019】
ガス化反応設備101は不図示の熱ガス発生炉で生成した、バイオマス燃焼高温ガス114を前記加熱チャンバ307の導入口より導入して、反応管306を外部より加熱し、その内温を800℃以上の適切な温度に維持するよう、バイオマス燃焼高温ガス114(外部加熱ガス)の温度及び流量を調節する。反応水115は第一垂直部の反応水蒸発部301において外部加熱ガスで加熱され水蒸気となり、第二垂直部の1次ガス化部302で上部より導入された、バイオマス微粉112を浮遊させながらガス化させる。この時、水蒸気/バイオマスのモル比が0.4以上となるように反応水115、微粉112の投入量を加減する。ガス化した生成ガスはついで、第三垂直部及び第四垂直部で構成される2次ガス化部303に流れて、少量の副生したタール・煤を分解する。この部分で固形有機物及び炭素は全て分解して、ガス体となり、固体は無機物からなる灰分のみとなり、前記灰取り出し開口端より、灰117を取り出す。生成ガス118は未だ水分と少量のH2SとHClを含んだ状態で前記左端第四垂直部開口端より取り出す。
【0020】
1次ガス化部302の詳細は図示の如く、反応管306の下部付近が、中央に開口部308を持つコニカル(逆円錐台)型整流板307が設けられ、該開口部308から高温蒸気が吹き込まれ、反応管306上部から投入されたバイオマス微粉112を浮遊させた状態でガス化する。1次ガス化即ち本発明の目的とするガス化は1次ガス化領域304で行われ、この領域を過ぎた第三垂直部の上部は2次ガス化領域305として機能し、前記で説明した2次ガス化部303と同様な役割を果たす。
【0021】
(実施例3) 図3は本発明のガス化反応設備と1次ガス化部詳細の他の例の概要図である。ガス化反応設備の全体構成は実施例2と同様である。1次ガス化部401詳細の構成が図示のようになっている。即ち、図3右側の1次ガス化部401詳細において、反応管306中には分散管402が挿入されている。分散管402は微粉送入管より、底部逆コニカルの底面円周に向けて延在する曲面で構成される、内部中空の一端が逆コニカルで閉鎖された、筒体であり、該底部逆コニカルの底面円周に向けて延在する曲面上に複数の噴出口405を有している。
【0022】
前記反応管306に、該分散管402を挿入すると、分散管402の逆コニカル底面円周部付近と、反応管306内壁との間の距離が最も狭小となり、反応管306下部より蒸気など気体を流通させたとき、スロート部403となり、ここから上部に行くに従い、漸次管内壁と分散管402外壁との距離は拡大していくので、ディフューザ部404となる。従って、前記複数の噴出口405はこのスロート部403付近に設けることが好ましい。
【0023】
かくして、分散管402の微粉送入管よりバイオマス微粉112を送入すると、反応水115の蒸発によって生成した高温蒸気が下部より流れ込み、スロート部403で高速となって、ベンチュリー効果により分散管402内部の微粉112を吸い出してディフューザ部404に分散させる。該分散浮遊した微粉112はほとんど瞬時にガス化する。
【0024】
(実施例4) 図4は本発明の多管式ガス化部を有するガス化反応設備101の概要図である。図において、多管式反応管501は実施例2もしくは3の曲管が図右側のA−A’矢視図に示されるように垂直方向に5列並列に、加熱チャンバ307内に配置されており、バイオマス微粉投入口、灰取り出し口、反応水送入口、生成ガス(未脱水)取り出し口はそれぞれヘッダ502、503、504、505で5列が連結されている。これにより、処理空間容量が増加し、コンパクトに能力の増強が可能である。
【0025】
(実施例5) 図5は本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応の温度条件とガス組成及び発熱量との関係を示すグラフである。図2に示す装置を用い本発明の浮遊・外熱式高カロリガス化の試験を、水蒸気/バイオマス重量比を2に固定して、各種温度で行い、生成ガスの組成を分析し、生成ガスの発熱量を測定して、反応のマテリアルバランスを求めた。その結果生成ガスは棒グラフに示すガス組成を与え、その発熱量を測定すると、折れ線グラフの熱量であった。
【0026】
上記で得られた反応のマテリアルバランスよりガス化反応の経験式を求めると、
C1.3H2O0.9+0.4H2O
→0.8H2+0.7CO+0.3CH4+0.3CO2+39.7kcal/mol
であることがわかった。
【0027】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によりタール、煤など遊離炭素の発生を伴わない、廃棄物は若干の灰分のみの、クリーンなH2、CO、及びCH4などの炭化水素を主成分とする浮遊・外熱式高カロリガス(例えば20MJ/NM3)が得られ、ガスエンジン発電と組合すことにより、総合エネルギ効率の高いシステムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応設備を中心とする、バイオエネルギ利用システムのフロー図
送手段のフロー図
【図2】本発明のガス化反応設備と1次ガス化部詳細の一例の概要図
【図3】本発明のガス化反応設備と1次ガス化部詳細の他の例の概要図
【図4】本発明のガス化反応設備と多管式ガス化部の概要図
【図5】本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応の温度条件とガス組成及び発熱量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
101…ガス化反応設備
102…粉砕設備
103…熱ガス発生炉
104…脱水装置
105…ガスタンク
106…ガスエンジン
111…バイオマス原料
112…微粉
113…粗分
114…バイオマス燃焼高温ガス
115…反応水
116…生成ガス
211…蒸気又は蒸気+少量空気
301…反応水蒸発部
302…1次ガス化部
303…2次ガス化部
304…1次ガス化域
305…2次ガス化域
306…反応管
307…加熱チャンバ
401…1次ガス化部
402…分散管
403…スロート部
404…ディフューザ部
501…多管式反応管
502…ヘッダ
503…ヘッダ
504…ヘッダ
505…ヘッダ
【発明の属する技術の分野】
本発明はバイオマスの有効利用に関し、詳しくは、バイオマスからクリーンな高カロリガスを生成させる装置に関する。更には、従来のバイオマスエネルギ利用形態では得られないシステム発電効率の高い、給電システムもしくは熱電併給システムのガスエンジンと組み合わせて用いる、バイオマスのガス化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のバイオマスエネルギ利用装置システムのうち、電気エネルギもしくは熱電両エネルギに変換して行う利用システムでは、バイオマスをボイラ用燃料として直接燃焼して、高圧蒸気を生成させ、発電用タービンを回転させる方式が執られている。従って、少なくとも5000〜10000kWと設備規模が大きくなるので、バイオマス資源の大量集約的発生もしくは大量収集が必要である。加えて、多額な投下資本を必要とする。なによりも、その発電効率が5000kW規模の場合で10%台に留まっているため、小規模で効率の高いバイオマス資源の利用装置システムが望まれている。
【0003】
一方、ガスエンジン使用の発電では小規模でも高い発電効率が得られるので、我が国のようにバイオマス資源が分散的に発生する社会および自然環境ではバイオマスのガス化装置技術の必要性が高い。
【0004】
バイオマスのガス化装置技術については、従来より固定床、流動床型のガス化炉で、酸素もしくは空気を主たるガス化剤として、吸熱反応であるガス化の空間と燃焼による発熱空間を共通の空間に設定した、いわゆる内燃式のものが研究開発されてきたが、タール、煤が副生し、ガスエンジン用として品質が適合しない。加えて、空気を用いる場合には、生成ガス中に窒素が残留して、単位生成ガスの発熱量を低下させる。酸素を用いる場合には、空気分離工程が別に必要で、運転に要するエネルギ及び設備投資がエネルギ効率低下要因及びコストプッシュ要因となる。
【0005】
他に、臨界圧熱水によるガス化装置の研究が行われているが、超高温高圧装置上の問題を含み、実用化の域に達していない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、バイオマス資源から発電用ガスエンジンに適合する、高カロリで、クリーンな燃料ガスを、高収率で取得する、小規模でも可能なバイオマスのガス化装置を提供することを目的とする。加えて、バイオマス資源の総合的エネルギ転換効率を高め、第三の新エネルギとしての利用普及に寄与せんとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のバイオマスのガス化装置は、粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間が、供給するバイオマス粉体を、供給する水蒸気で流動化させる噴流床構造である事を特徴とする。
【0008】
バイオマスの分解に必要な熱を、ガス化空間には化学的に影響を及ぼさない反応管壁からの輻射により、別途用意した熱源で供給することに加えて、ガス化剤自身の水蒸気を流動媒体として使用し、酸化反応などによる局部過熱を避け、均一な噴流状のガス化雰囲気を作る事により、速やかで、副反応のないガス化が可能な構造とする。別途用意する熱源は、バイオマスを燃焼して熱ガスを発生する、熱ガス発生炉を配置して供給することが好ましい。この熱源用バイオマスはガス分解用の原料より低品位のバイオマスを使用することもできる。
【0009】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間内で、水蒸気とバイオマスが向流若しくは水蒸気流れ方向と交差する方向に両者の流れ方向を設定するとともに、該接触域に絞り若しくは膨脹域(ディフューザ)が存在することを特徴とする。これにより、バイオマスが蒸気中に拡散し浮遊状態で、速やかにガス化する体制がつくられる。
【0010】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、高温ガスが流出入する加熱空間に、複数の自由端開口が外部に位置している曲管を送入し、加熱空間に曝されている曲管内で反応水蒸発部と水蒸気とバイオマスのガス化反応を行うガス化部が位置していることを特徴とする。
【0011】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記曲管内のガス化部通過直後の曲管をバイオマス供給側より分岐して、該分岐管を下向きから上向きに向けて曲管とするとともに、前記上向き自由端に燃料ガス出口部、一方下向きから上向きの底部変向部に、灰ドレンを設けたことを特徴とする。即ち本発明のガス化反応では、タール・煤のような遊離炭素は生成せず、唯一の固形不純物は無機物由来の灰である。蓄積する該不純物を集積して、除去する構造としてある。
【0012】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部の反応水側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんした反応水により実質的シールを行うことを特徴とする。多管状にガス化空間を設けることにより、ガス化空間をコンパクトに増強することができる。
【0013】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部のバイオマス側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんしたバイオマスにより実質的シールを行うことを特徴とする。
【0014】
更に本発明のバイオマスのガス化装置は、前記バイオマスを3mm以下、好ましくは1mm以下の微粒状にする粉砕手段を備え、微粒状にする粉砕手段は例えば、破砕機とインパクトミルを組み合わせた手段でよく、微粉砕困難なバイオマスは、適時に篩別して、ガス化空間加熱用の熱ガスを発生させる燃料として利用すればよい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。但し本実施の形態に記載される製品の寸法、形状、材質、その相対配置等は特に特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【0016】
(実施例1) 図1は本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応設備を中心とするバイオエネルギ利用システムのフロー図である。ガス化反応設備101は後述する反応管306(図2、3参照)を備え、該反応管306は反応水115及びバイオマス微粉112を受け入れ、外部からバイオマス燃焼高温ガス114により加熱できるよう構成されている。粉砕設備102はバイオマス原料111を受け入れて平均粒径3mm以下、好ましくは1mm以下の微粉を生成可能な性能を有し、平均粒径3mm以下の微粉112と平均粒径3mmを超える粗粉113とを分別して、排出可能な構造を有している。本実施例では破砕機とインパクトミルを組み合わせて用いた。熱ガス発生炉103はバイオマス粗粉113を受け入れて空気などの支燃剤によりバイオマス粗粉113を燃焼して高温のバイオマス燃焼高温ガス114を生成する。脱水装置104は内部に冷却伝熱面を持ち、塔内に導入されたガス中の水分及び硫黄化合物など高沸点物を凝縮して除去可能な構造を有す。ガスタンク105は水封式のタンクで、生成ガス116を貯留可能な構造になっている。ガスエンジン106は本例における生成ガス116を燃焼して、発電機を運転可能な能力を有している。
【0017】
図1において、バイオマス原料111は粉砕設備102に供給され平均粒径3mm以下の微粉112と平均粒径3mmを超える粗粉113に分けられ、粗粉113は熱ガス発生炉103に送られ、微粉112はガス化反応設備101中の反応管306中に反応水115とともに導入される。熱ガス発生炉103ではバイオマス粗粉113を燃焼温度900〜1200℃で燃焼させ、発生するバイオマス燃焼高温ガス114でガス化反応設備101中の反応管306を外部から加熱し、管内の温度を800℃以上に保つ。反応管306内に導入された微粉112は導入反応水115によって発生した水蒸気気流中に浮遊し、ほぼ瞬時(0.2秒以下)にガス化する。含水生成ガス108を脱水装置104に導入し、水分と硫黄分(H2S)、塩素分(HCl)を除去した後、生成ガス116とし、ガスタンク105に貯留する。生成ガス116は約20MJ/m3のカロリを有し、ガスエンジン用燃料として適合する。本システムでバイオマス処理量1トン/日(50〜100kg/h)を処理して、30kWの発電機により電気エネルギに変換したときの、総合エネルギ効率は20%以上とすることができた。
【0018】
(実施例2) 図2は本発明のガス化反応設備101と1次ガス化部302詳細の一例の概要図である。図2において、ガス化反応設備101は、加熱チャンバ307内部に反応管306を有し、加熱チャンバ307はバイオマス燃焼高温ガス114の導入口と、排出口を備えている。反応管はU字、逆U字、U字の管を連結した曲管であり、右側より第一垂直部、第二垂直部、第三垂直部、第四垂直部がある。その右端の第一垂直部上部より反応水115を導入出来る開口端が、中途第二垂直部上部よりバイオマス微粉112が導入出来る開口端が、中途第二垂直部、第三垂直部とを連結するU字管底部よりガス化によって発生する灰117を取り出す開口端が、左端第四垂直部よりガス化反応で生成した含水生成ガス118を取り出す開口端が、夫々設けてある。
【0019】
ガス化反応設備101は不図示の熱ガス発生炉で生成した、バイオマス燃焼高温ガス114を前記加熱チャンバ307の導入口より導入して、反応管306を外部より加熱し、その内温を800℃以上の適切な温度に維持するよう、バイオマス燃焼高温ガス114(外部加熱ガス)の温度及び流量を調節する。反応水115は第一垂直部の反応水蒸発部301において外部加熱ガスで加熱され水蒸気となり、第二垂直部の1次ガス化部302で上部より導入された、バイオマス微粉112を浮遊させながらガス化させる。この時、水蒸気/バイオマスのモル比が0.4以上となるように反応水115、微粉112の投入量を加減する。ガス化した生成ガスはついで、第三垂直部及び第四垂直部で構成される2次ガス化部303に流れて、少量の副生したタール・煤を分解する。この部分で固形有機物及び炭素は全て分解して、ガス体となり、固体は無機物からなる灰分のみとなり、前記灰取り出し開口端より、灰117を取り出す。生成ガス118は未だ水分と少量のH2SとHClを含んだ状態で前記左端第四垂直部開口端より取り出す。
【0020】
1次ガス化部302の詳細は図示の如く、反応管306の下部付近が、中央に開口部308を持つコニカル(逆円錐台)型整流板307が設けられ、該開口部308から高温蒸気が吹き込まれ、反応管306上部から投入されたバイオマス微粉112を浮遊させた状態でガス化する。1次ガス化即ち本発明の目的とするガス化は1次ガス化領域304で行われ、この領域を過ぎた第三垂直部の上部は2次ガス化領域305として機能し、前記で説明した2次ガス化部303と同様な役割を果たす。
【0021】
(実施例3) 図3は本発明のガス化反応設備と1次ガス化部詳細の他の例の概要図である。ガス化反応設備の全体構成は実施例2と同様である。1次ガス化部401詳細の構成が図示のようになっている。即ち、図3右側の1次ガス化部401詳細において、反応管306中には分散管402が挿入されている。分散管402は微粉送入管より、底部逆コニカルの底面円周に向けて延在する曲面で構成される、内部中空の一端が逆コニカルで閉鎖された、筒体であり、該底部逆コニカルの底面円周に向けて延在する曲面上に複数の噴出口405を有している。
【0022】
前記反応管306に、該分散管402を挿入すると、分散管402の逆コニカル底面円周部付近と、反応管306内壁との間の距離が最も狭小となり、反応管306下部より蒸気など気体を流通させたとき、スロート部403となり、ここから上部に行くに従い、漸次管内壁と分散管402外壁との距離は拡大していくので、ディフューザ部404となる。従って、前記複数の噴出口405はこのスロート部403付近に設けることが好ましい。
【0023】
かくして、分散管402の微粉送入管よりバイオマス微粉112を送入すると、反応水115の蒸発によって生成した高温蒸気が下部より流れ込み、スロート部403で高速となって、ベンチュリー効果により分散管402内部の微粉112を吸い出してディフューザ部404に分散させる。該分散浮遊した微粉112はほとんど瞬時にガス化する。
【0024】
(実施例4) 図4は本発明の多管式ガス化部を有するガス化反応設備101の概要図である。図において、多管式反応管501は実施例2もしくは3の曲管が図右側のA−A’矢視図に示されるように垂直方向に5列並列に、加熱チャンバ307内に配置されており、バイオマス微粉投入口、灰取り出し口、反応水送入口、生成ガス(未脱水)取り出し口はそれぞれヘッダ502、503、504、505で5列が連結されている。これにより、処理空間容量が増加し、コンパクトに能力の増強が可能である。
【0025】
(実施例5) 図5は本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応の温度条件とガス組成及び発熱量との関係を示すグラフである。図2に示す装置を用い本発明の浮遊・外熱式高カロリガス化の試験を、水蒸気/バイオマス重量比を2に固定して、各種温度で行い、生成ガスの組成を分析し、生成ガスの発熱量を測定して、反応のマテリアルバランスを求めた。その結果生成ガスは棒グラフに示すガス組成を与え、その発熱量を測定すると、折れ線グラフの熱量であった。
【0026】
上記で得られた反応のマテリアルバランスよりガス化反応の経験式を求めると、
C1.3H2O0.9+0.4H2O
→0.8H2+0.7CO+0.3CH4+0.3CO2+39.7kcal/mol
であることがわかった。
【0027】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によりタール、煤など遊離炭素の発生を伴わない、廃棄物は若干の灰分のみの、クリーンなH2、CO、及びCH4などの炭化水素を主成分とする浮遊・外熱式高カロリガス(例えば20MJ/NM3)が得られ、ガスエンジン発電と組合すことにより、総合エネルギ効率の高いシステムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応設備を中心とする、バイオエネルギ利用システムのフロー図
送手段のフロー図
【図2】本発明のガス化反応設備と1次ガス化部詳細の一例の概要図
【図3】本発明のガス化反応設備と1次ガス化部詳細の他の例の概要図
【図4】本発明のガス化反応設備と多管式ガス化部の概要図
【図5】本発明の浮遊・外熱式高カロリガスを生成するガス化反応の温度条件とガス組成及び発熱量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
101…ガス化反応設備
102…粉砕設備
103…熱ガス発生炉
104…脱水装置
105…ガスタンク
106…ガスエンジン
111…バイオマス原料
112…微粉
113…粗分
114…バイオマス燃焼高温ガス
115…反応水
116…生成ガス
211…蒸気又は蒸気+少量空気
301…反応水蒸発部
302…1次ガス化部
303…2次ガス化部
304…1次ガス化域
305…2次ガス化域
306…反応管
307…加熱チャンバ
401…1次ガス化部
402…分散管
403…スロート部
404…ディフューザ部
501…多管式反応管
502…ヘッダ
503…ヘッダ
504…ヘッダ
505…ヘッダ
Claims (6)
- 粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間が、供給するバイオマス粉体を、供給する水蒸気で流動化させる噴流床構造である事を特徴とするバイオマスのガス化装置。
- 粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、前記隔壁が内部にガス化空間を有し、外部加熱による内周側のガス化空間が管状体構造に形成され、前記ガス化空間内で、水蒸気とバイオマスが向流若しくは水蒸気流れ方向と交差する方向に両者の流れ方向を設定するとともに、該接触域に絞り若しくは膨脹域(ディフューザ)が存在することを特徴とするバイオマスのガス化装置。
- 粉砕したバイオマスに、水蒸気を供給してガス化反応を生じせしめるガス化空間と該ガス化空間が隔壁を介して外部加熱と分離されており、該にガス化空間に積極的に酸素を供給することなく吸熱反応により水蒸気とバイオマスのガス化反応を生じせしめるバイオマスのガス化装置において、高温ガスが流出入する加熱空間に、複数の自由端開口が外部に位置している曲管を挿入し、加熱空間に曝されている曲管内で反応水蒸発部と水蒸気とバイオマスのガス化反応を行うガス化部が位置していることを特徴とするバイオマスのガス化装置。
- 前記曲管内の二次ガス化部通過直後の曲管をバイオマス供給側より分岐して、該分岐管を下向きから上向きに向けて曲管するとともに、前記上向き自由端に燃料ガス出口部、一方下向きから上向きの底部変向部に、灰ドレンを設けたことを特徴とする請求項3記載のバイオマスのガス化装置。
- 前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部の反応水側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんした反応水により実質的シールを行うことを特徴とする請求項3若しくは4記載のバイオマスのガス化装置。
- 前記曲管が多管状に加熱空間に挿入されるとともに、該多管部のバイオマス側の自由端に前記多管部同士を連結するヘッダを設け、該ヘッダに充てんしたバイオマスにより実質的シールを行うことを特徴とする請求項3若しくは4記載のバイオマスのガス化装置。
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