JP2004189932A - 固形燃料ガス化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】空気噴出ノズル部が異常温度にさらされることなく、安定した燃焼とガス発生を可能とする固形燃料ガス化装置に関する。
【解決手段】ガス発生炉本体１１と、前記ガス発生炉本体１１の上部に設けられた固形バイオマス燃料導入手段と、前記ガス発生炉本体１１の中央部に設けられた空気噴出ノズル部１１６を有する空気導入手段と、前記ガス発生炉本体１１の下部に設けられた火格子と、前記火格子の下方に設けられた発生ガス排出手段１１７とから構成される固形バイオマス燃料ガス化装置において、前記ガス発生炉本体１１は、当該ガス発生炉本体１１の外周部に蓄熱層１１３を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段１１４を備えていることを特徴とする固形燃料ガス化装置。
【選択図】 図１
【解決手段】ガス発生炉本体１１と、前記ガス発生炉本体１１の上部に設けられた固形バイオマス燃料導入手段と、前記ガス発生炉本体１１の中央部に設けられた空気噴出ノズル部１１６を有する空気導入手段と、前記ガス発生炉本体１１の下部に設けられた火格子と、前記火格子の下方に設けられた発生ガス排出手段１１７とから構成される固形バイオマス燃料ガス化装置において、前記ガス発生炉本体１１は、当該ガス発生炉本体１１の外周部に蓄熱層１１３を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段１１４を備えていることを特徴とする固形燃料ガス化装置。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固形燃料を燃焼する分散型電源に使用されるガス発生炉の空気導入手段の構成であり、前記ガス発生炉内の温度安定化を図るとともに、生成ガスの発熱量を増加させるための固形燃料ガス化装置に関するものである。本明細書でいう前記固形燃料とは、固形バイオマス燃料あるいはそれ以外の固形燃料からなる。たとえば、固形バイオマス燃料は、木炭、木材のチップ、おが屑やもみ殻を固形化したもの、鶏糞、あるいは生ゴミ等を固形化したもの等を含む。また、前記固形燃料としては、石炭等の化石化燃料等を含むものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽エネルギーが植物の光合成によって生体内に固定、蓄積された生体量（バイオマス）は、その内部に、炭素および水素等燃料となる成分が多く含まれているため、石油あるいは天然ガスの代替エネルギー源として注目されている。
【０００３】
従来のバイオマスを燃料に使用した発電方式は、たとえば、
1) バイオマス燃料を直接ボイラーで燃焼させ、その熱で蒸気タービンを動かす発電
2) 微生物を利用して、バイオマス燃料を発酵させて、メタンガスを取り出し、燃料電池に供給する発電
3) バイオマス燃料をガス発生炉においてガス化して可燃ガスを発生させて、前記可燃ガスをガスエンジンやディーゼルエンジンに供給する発電
等がある。
【０００４】
前記3)のバイオマス燃料をガス化する方式としては、既に、昭和５８年に、おが屑をガス化し、前記発生ガスがガス清浄化装置を介してガスエンジン等に供給され、数十ＫＶＡの発電を行う、所謂、おが屑発電が実施されている（塩ノ谷幸造著「木炭自動車」、１９９６年、パワー社発行、第１７頁〜第１８頁参照）。
前記おが屑発電は、おが屑が粉状であるため、燃焼効率が低いという問題があった。
【０００５】
前記おが屑発電は、おが屑が固形チップ化され、この固形バイオマス燃料をガス化し、前記生成されたガスを燃料として使用している。前記固形バイオマス燃料は、発電を行うための取り扱いが容易であるという特徴を有する。
【０００６】
しかしながら、前記固形バイオマス燃料を使用した発電は、木炭等のように、炭化された燃料と異なり、発生するガス中のタール分が多く含まれ、このタール分がガスエンジン等の吸入弁や配管等に付着し、長期連続運転が困難であるという問題があった。前記問題を解決するために、固形バイオマス燃料のガス化方法及び装置にかかる発明が特開平２００２−２８２８７９号公報に示されている。
【０００７】
図１０は従来例の固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図であり、（ａ）は定常運転時、（ｂ）は（ａ）における燃料供給ゲートの概略を説明するための図である。なお、図１０に示す固形バイオマス燃料ガス化装置は、前記公報に示されたものである。
【０００８】
図１０（ａ）において、固形バイオマス燃料ガス化装置は、固形バイオマス燃料を燃焼してガスを生成するガス発生炉本体２１と、前記生成ガスを精製するサイクロン２２と、前記生成ガスの吸込みファン２３とから構成されている。また、前記ガス発生炉本体２１は、ガス排出パイプ２２１を介して、前記サイクロン２２に接続されている。前記サイクロン２２は、ガス排出パイプ２２２を介して、前記吸込みファン２３に接続されている。
【０００９】
前記ガス発生炉本体２１において、発生した生成ガスは、前記ガス排出パイプ２２１、前記サイクロン２２、前記ガス排出パイプ２２２を介して吸込みファン２３によって吸引されて、図示されていない、ガスエンジン側に供給される。また、前記サイクロン２２は、遠心分離作用によって、生成ガス中に含まれる固形不純物等を除去するものである。
【００１０】
前記ガス発生炉本体２１は、固形バイオマス燃料供給用ホッパー２１１と、燃料供給ゲート２１２と、炉燃焼部２１３と、火格子２１４と、金属球（金属ボール）２１５と、バーナポート２１６と、空気取入パイプ２１７とから構成されている。前記ガス発生炉本体２１は、起動時に、図示されていない、バーナの棒状部材が前記バーナポート２１６に挿入される。前記金属球２１５は、層状かつ略均一に配設される。また、前記金属球２１５の材質は、ステンレス鋼、鋳鉄製、セラミック製等の耐火球が使用される。
【００１１】
燃料供給ゲート２１２は、燃料供給用ホッパー２１１から固形バイオマス燃料２４を炉燃焼部２１３の半径方向に対して、できる限り均一に供給可能な構成になっている。たとえば、図１０（ｂ）に示すように、燃料供給ゲート２１２は、回転ゲート構造となっている。
【００１２】
図１０（ｂ）において、燃料供給ゲート２１２は、上部に回転ゲート２１２ａが、下部にホッパー底面遮蔽部２１１ｂが配設されている。前記回転ゲート２１２ａは、回転円板の一部を円板中心からたとえば、約３０度切欠いた切欠き部２１２ｂを備え、前記ホッパー底面２１１ａは、前記切欠き部２１２ｂをカバーするホッパー底面遮蔽部２１１ｂを備えている。
【００１３】
前記燃料供給ゲート２１２は、前記回転ゲート２１２ａを回転することにより、切欠き部２１２ｂが円周方向に順次移動し、前記切欠き部２１２ｂから固形バイオマス燃料２４を略均一に炉燃焼部２１３に供給する。前記回転ゲート２１２ａおよびホッパー底面遮蔽部２１１ｂが重なった位置が燃料供給ゲート２１２を閉ざした場合である。
【００１４】
次に、図１０に示す固形バイオマス燃料ガス化装置の動作について説明する。
図１０（ａ）において、固形バイオマス燃料２４の投入前、バーナにより、金属球２１５は、５００度Ｃから８００度Ｃに予熱される。前記複数個の金属球２１５は、前記バーナの燃焼排ガスが前記金属球２１５の間の隙間を経て火格子２１４の下方から排出されるので、略均等に加熱される。前記バーナは、バーナポート２１６から取り出された後、バーナポート２１６が閉ざされる。
【００１５】
その後、固形バイオマス燃料２４は、燃料供給用ホッパー２１１から炉燃焼部２１３に供給される。前記固形バイオマス燃料２４は、所定量が供給された後、燃料供給ゲート２１２が閉ざされる。炉燃焼部２１３における固形バイオマス燃料２４は、予熱された金属球２１５の上層部から燃焼を開始する。前記固形バイオマス燃料２４は、空気取入口が炉燃焼部２１３の略中央部に設けられているので、上方に向けて、次第に燃焼層（酸化層）が移動する。
【００１６】
これにより、前記金属球２１５の真上層は、還元層となり、空気取入口付近の中央部層は、燃焼層（酸化層）となる。前記燃焼層（酸化層）の上層は、予熱層（乾留層）となる。なお、ガス中に含まれるタール分は、還元層を通過する間に燃焼し、かつ、還元された可燃性ガスとなる。
【００１７】
炉燃焼部２１３の固形バイオマス燃料２４は、消費されて燃料レベルが低下すると、図示されていないレベルセンサにより、燃料レベルが所定のレベルに到達したことを検知し、この検知信号に基づき、燃料供給ゲート２１２を開として、再度燃料供給を行う。
【００１８】
前記特開平２００２−２８２８７９号公報に記載された固形バイオマス燃料ガス化装置は、発生ガスにタール分を含まず、起動停止が容易であり、さらに、安定した組成のガスが得られ、かつ、安定組成のガスが得られるまでの立ち上がり時間が短いという利点がある。しかし、前記出願の固形バイオマス燃料ガス化装置において、ガス発生炉本体２１の中央部に設けられた空気取入パイプ２１７の空気噴出ノズル部は、高温度にさらされるため、空気噴出ノズル部の寿命が比較的短いという問題があった。
【００１９】
また、従来の空気噴出ノズル部の構造は、一点噴出構造であって、比較的広い範囲にわたって均一に空気を吹き出す構造ではないため、安定したガスの発生を阻害するという問題があった。さらに、燃料の種類や導入空気量によっては、ガス発生炉燃焼部の温度分布が安定せずに、空気噴出ノズル部が、さらに、高温度にさらされるという問題があった。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
図８は従来例の問題を解決した固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。図９（ａ）および（ｂ）は図８に示された固形バイオマス燃料ガス化装置の経過時間に対する燃焼層の温度変化を説明するための図である。図８における固形バイオマス燃料ガス化装置は、図１０に示す固形バイオマス燃料ガス化装置における空気噴出ノズル部の空気導入手段を一部改良したものである。
【００２１】
図８において、図１０に示す固形バイオマス燃料ガス化装置と同一構成部材は、同一の番号が付されているため、詳細な説明を省略する。また、前記図８において、図１０のバーナポートや金属球は、一部省略されている。
【００２２】
図８において、空気導入手段２５１は、ガス発生炉本体２１の下部から配管を水平に導入し、ガス発生炉本体２１の略中央部で垂直に立ち上げ、空気噴出ノズル部２５３を構成している。前記空気噴出部ノズル部２５３は、中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部に、空気流通用の複数個の孔を備えている構造になっている。
【００２３】
図９に示すグラフは、図８に示す固形バイオマス燃料ガス化装置を運転した際の、空気噴出ノズル部２５３の近傍におけるノズル表面から円周方向に１１０ｍｍ離れた位置の燃焼層の温度の時間的推移の一例を示している。図９（ａ）に示すグラフは、温度が比較的安定している場合で、図９（ｂ）は、燃料の種類、燃料の充填状態、導入空気量等が図９（ａ）と異なる場合であって、温度変動が大きい場合の一例を示す。
【００２４】
図９（ａ）の場合、燃焼層の温度は、最高約１０００度Ｃであり、８５０度Ｃ〜１０００度Ｃの範囲内で変動している。これに対して、図９（ｂ）の場合、燃焼層の最高温度は、約１５００度Ｃに達し、空気噴出ノズル部は、異常高温度にさらされる。さらに、温度の変動幅は、図９（ｂ）において、大きく、安定したガスの発生が得られない状態となっている。図９（ｂ）のように、温度変動が大きい要因としては、たとえば、次のようなことが考えられる。
【００２５】
たとえば、もみがらをすり潰した後、固形化した燃料は、酸素の供給に伴って、一気に燃焼する傾向がある。前記固形化した燃料の充填量が多い場合の燃焼は、持続するが、少ない場合、燃料の補給が不十分となって、一気に燃焼した後、温度が直ちに低下する傾向がある。すなわち、前記固形バイオマス燃料ガス化装置は、燃料の量、導入空気量、および導入状態等種々の要因によっても温度が大きく変動するという課題があった。
【００２６】
以上のような課題を解決するために、本発明は、前記空気噴出ノズル部が異常な高温にさらされることがなく、かつ、固形バイオマス燃料の安定した燃焼と、品質の高い生成ガスの発生を可能とする固形バイオマス燃料ガス化装置を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
（第１発明）
第１発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体と、前記ガス発生炉本体の上部に設けられた固形燃料導入手段と、前記ガス発生炉本体の略中央部に設けられた空気噴出ノズル部を有する空気導入手段と、前記ガス発生炉本体の下部に設けられた火格子と、前記火格子の下方に設けられた発生ガス排出手段とから構成される固形燃料ガス化装置において、前記ガス発生炉本体は、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段を備えていることを特徴とする。
【００２８】
（第２発明）
第２発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体と、前記ガス発生炉本体の上部に設けられた固形燃料導入手段と、前記ガス発生炉本体の略中央部に設けられた空気噴出ノズル部を有する空気導入手段と、前記ガス発生炉本体の下部に設けられた火格子と、前記火格子の下方に設けられた発生ガス排出手段と、前記発生ガス排出手段から発生したガスを精製する生成ガス精製手段とから構成される固形燃料ガス化装置において、前記ガス発生炉本体は、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段を備えていることを特徴とする。
【００２９】
（第３発明）
第３発明の固形燃料ガス化装置において、蓄熱層の外周部には、水蒸気を発生する予熱層（水蒸気発生層）が設けられていることを特徴とする。
【００３０】
（第４発明）
第４発明の固形燃料ガス化装置において、予熱層（水蒸気発生層）の外周部には、断熱層が設けられていることを特徴とする。
【００３１】
（第５発明）
第５発明の固形燃料ガス化装置において、生成ガス精製手段の外周部には、空気予熱層が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
（第６発明）
第６発明の固形燃料ガス化装置において、前記生成ガスの一部は、水蒸気とともにガス発生炉本体の燃焼部に戻されて再循環することを特徴とする。
【００３３】
（第７発明）
第７発明の固形燃料ガス化装置において、空気噴出ノズル部における空気噴出ノズルは、燃焼部の略中央部から下向きの通風となるようにしてガス化を行うことを特徴とする。
【００３４】
（第８発明）
第８発明の固形燃料ガス化装置において、ガス発生炉本体の中央部には、固形燃料の温度検出器を備え、前記温度検出器の出力値が所定の上限に達した際に、前記水蒸気の混合および／または発生ガスの混合を開始するような制御を行う制御装置を備えていることを特徴とする。
【００３５】
（第９発明）
第９発明の固形燃料ガス化装置において、発生ガス排出手段には、発生ガス吸引用ファンを備え、前記温度検出器によって検出された温度が上限値に達した際に、前記制御装置によって前記発生ガス吸引用ファンの回転数を低下させるような制御を行う制御装置を備えていることを特徴とする。
【００３６】
（第１０発明）
第１０発明の固形燃料ガス化装置において、空気噴出ノズル部は、中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部に、空気流通用の複数の孔を備えていることを特徴とする。
【００３７】
（第１１発明）
第１１発明の固形燃料ガス化装置において、複数の孔を備えた円筒部は、当該円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けられたキャップ円筒部材を備え、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えていることを特徴とする。
【００３８】
（第１２発明）
第１２発明の固形燃料ガス化装置において、キャップ円筒部材の孔径は、前記円筒部の孔径より小さいことを特徴とする。
【００３９】
（第１３発明）
第１３発明の固形燃料ガス化装置において、中空円筒配管は、内管および外管からなる同心二重中空配管とし、前記内管の中空部には、導入空気を流通し、外管と内管との中空部には、前記空気噴出ノズル部冷却用の冷却水を通流する構成としたことを特徴とする。
【００４０】
（第１４発明）
第１４発明の固形燃料ガス化装置において、孔を備えた同心二重中空配管の円筒部は、前記円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けられたキャップ円筒部材を備え、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えていることを特徴とする。
【００４１】
（第１５発明）
第１５発明の固形燃料ガス化装置において、火格子上には、複数個の金属球またはセラミック球等の耐火球を層状かつ略均一に配設した耐火球敷設層と、前記耐火球の予備加熱手段とを備えていることを特徴とする。
【００４２】
【発明の実施の形態】
（第１発明）
第１発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体と、固形燃料導入手段と、空気導入手段と、火格子と、発生ガス排出手段とから構成される。固形燃料ガス化装置における前記ガス発生炉本体には、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段が備えられている。前記固形燃料導入手段は、たとえば、燃料供給用ホッパーと燃料供給ゲート等から構成されている。
【００４３】
前記空気導入手段は、ガス発生炉本体の底部から垂直で、かつ、ガス発生炉本体の略中央部に設けられている空気噴出ノズル部等から構成されている。前記水蒸気混合手段は、空気および水を導入するとともに、前記蓄熱層の熱により水蒸気にして、前記空気噴出ノズル部に送る。前記蓄熱層は、たとえば、金属球やセラミック球のようにガス発生炉本体の熱を蓄えることができる部材から構成されている。
【００４４】
第１発明の固形燃料ガス化装置は、導入空気に水蒸気を混合して、空気の酸素濃度を下げるとともに、ガス発生炉本体の外周部に設けられた蓄熱層によって炉内の温度を安定に保つことができる。前記ガス発生炉本体内は、次に示すような反応式から判るように、燃焼熱の一部が消費されるために、総合的に燃焼温度の上昇と温度変動とを抑制することができる。
【００４５】
Ｃ−Ｈ2Ｏ＝ＣＯ＋２Ｈ2−１３１〔ｋＪ／ｋｍｏｌ〕
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2＋２Ｈ2−９０〔ｋＪ／ｋｍｏｌ〕
その結果、第１発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体内における安定した燃焼と、品質の優れた生成ガスの発生を可能とすることができる。また、前記安定した燃焼は、空気導入手段である空気噴出ノズル部を異常な高温にさらすことがない。
【００４６】
（第２発明）
第２発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体と、固形燃料導入手段と、空気導入手段と、火格子と、発生ガス排出手段と、生成ガス精製手段とから構成される。固形燃料ガス化装置における前記ガス発生炉本体には、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段が備えられている。第２発明は、前記生成ガス精製手段を備えている点で、第１発明と異なっており、前記生成ガス精製手段によって、生成ガスの不純物を遠心分離作用で除去することができるため、第１発明より品質の良い生成ガスを得ることができる。
【００４７】
（第３発明）
第３発明の固形燃料ガス化装置において、第１発明および第２発明の蓄熱層の外周部に設けられた予熱層（水蒸気発生層）は、蓄熱層に蓄えられた熱を利用して水蒸気を発生する。第３発明は、ガス発生炉本体における燃焼部の熱を外部に放出することなく、有効に利用するだけでなく、前記予熱層（水蒸気発生層）によって、前記燃焼部の温度を安定にするとともに、生成ガスの発熱量を増加させることができる。
【００４８】
（第４発明）
第４発明の固形燃料ガス化装置において、第３発明の予熱層（水蒸気発生層）の外周部に設けられた断熱層は、前記蓄熱層および前記予熱層（水蒸気発生層）と相まって、ガス発生炉本体における燃焼部の温度を均一かつ安定に保持することができるため、生成ガスの発熱量を増加させることができる。
【００４９】
（第５発明）
第５発明の固形燃料ガス化装置において、発生した生成ガスは、生成ガス精製手段、たとえば、サイクロンの遠心分離作用により、精製される。前記生成ガス精製手段の外周部には、空気予熱層が設けられ、前記生成ガス精製手段により発生する熱を利用して、空気を予熱する。前記生成ガス精製手段における空気予熱層は、発生した生成ガスの熱を利用できるので、効率のよい固形燃料ガス化装置を得ることができる。また、前記空気予熱層の外周部には、断熱材が必要に応じて設けられている。
【００５０】
（第６発明）
第６発明の固形燃料ガス化装置において、ガス発生炉本体で生成された生成ガスの一部は、ファンによりガス発生炉本体の燃焼部に、水蒸気とともに戻されて、再循環する。前記生成ガスの一部は、ガス発生炉本体にフィードバックされることにより、ガス発生炉本体内温度の安定化が図れるとともに、炉内温度を低減することができるため、ガス発生炉本体の寿命を延長させることができる。
【００５１】
（第７発明）
第７発明の固形燃料ガス化装置において、空気噴出ノズル部における空気噴出ノズルは、燃焼部の略中央部から下向きの通風となるような構成になっている。
すなわち、前記空気噴出ノズル部の構成は、ガス発生炉本体の下部から燃焼層を順次上方に移動させることにより、最上部を乾留層とすることができるため、効率良く生成ガスを得ることが可能である。
【００５２】
（第８発明）
第８発明の固形燃料ガス化装置には、固形燃料の温度検出器および水蒸気の混合および／または発生ガスの混合を制御する制御装置を備えている。前記温度検出器は、ガス発生炉本体の中央部における固形燃料の温度を検出する。そして、前記温度検出器において、固形燃料の温度が予め定められた所定の値（上限）に達した際に、前記制御装置は、前記水蒸気の混合および／または生成ガスの混合を開始するような制御を行う。前記温度検出器および制御装置は、ガス発生炉本体の温度を安定して保つことができるため、品質の高いガスを生成することができるとともに、前記ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延長させることができる。
【００５３】
（第９発明）
第９発明の固形燃料ガス化装置において、発生ガス排出手段は、たとえば、発生ガス吸引用ファンである。前記固形燃料の燃焼温度を検出する温度検出器によって検出された温度が予め定められた所定の値（上限）に達した際に、前記制御装置は、前記発生ガス吸引用ファンの回転数を低下させるように制御を行う。すなわち、第９発明は、前記温度検出器と制御装置によって、ガス発生炉本体内の温度を所定の温度に制御することができるため、生成ガスの品質を向上させることができるとともに、ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延ばすことができる。
【００５４】
（第１０発明）
第１０発明の固形燃料ガス化装置において、空気噴出ノズル部は、中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部に、空気流通用の複数の孔を備えているため、固形燃料の燃焼が一カ所に集中することがなく、前記空気噴出ノズル部近傍から徐々に広がって行く。このため、固形燃料の燃焼が急激に一部のみで行われないため、燃焼部および前記空気噴出ノズル部の温度が上がり過ぎず、ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延ばすことができるとともに、良質な生成ガスを得ることができる。
【００５５】
（第１１発明）
第１１発明の固形燃料ガス化装置において、第１０発明における複数の孔を備えた円筒部は、当該円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けたキャップ円筒部材を備え、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えているため、第１０発明と同様な効果を奏するとともに、前記円筒部の交換が容易にできる。また、前記円筒部の孔およびキャップ円筒部材の孔は、互いに作用して、導入空気の均一分散化を図ることができ、より良い生成ガスを得ることができる。
【００５６】
（第１２発明）
第１２発明の固形燃料ガス化装置において、第１１発明におけるキャップ円筒部材の孔径は、前記円筒部の孔径より小さくしているため、固形燃料が空気噴出ノズル内に入り難く、品質のよい生成ガスを発生させることができる。
【００５７】
（第１３発明）
第１３発明の固形燃料ガス化装置において、第１０発明の中空円筒配管は、内管および外管からなる同心二重中空配管とし、前記内管の中空部には、導入空気を流通し、外管と内管との中空部には、前記空気噴出ノズル部冷却用の冷却水を通流する構成としたため、冷却水により、空気噴出ノズル部の寿命をさらに延ばすことができる。
【００５８】
（第１４発明）
第１４発明の固形燃料ガス化装置において、孔を備えた同心二重中空配管の円筒部は、前記円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けたキャップ円筒部材を備えているため、空気噴出ノズル部を保護することができる。また、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えているため、導入空気の均一分散化を図ることができる。
【００５９】
（第１５発明）
第１５発明の固形燃料ガス化装置において、ガス発生炉本体における火格子上には、複数個の金属球またはセラミック球等の耐火球を層状かつ略均一に配設した耐火球敷設層と、前記耐火球の予備加熱手段とを備えているため、燃焼部における温度が比較的所望通りになり、生成ガスの発生が効率的で、かつ、ガス発生炉本体の寿命を延ばすことができる。
【００６０】
【実施例】
図１は本発明の第一実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。図１において、固形バイオマス燃料ガス化装置は、固形バイオマス燃料１０を燃焼するガス発生炉本体１１と、ガス発生炉本体１１で生成された生成ガスから未燃焼物等の不純物を除去する、たとえば、サイクロン１２と、前記生成ガスを取り出すファン１３と、生成された生成ガスの一部をガス発生炉本体１１にフィードバックするファン１４とから構成されている。
【００６１】
前記ガス発生炉本体１１は、固形バイオマス燃料１０を燃焼する燃焼部１１１と、固形バイオマス燃料を保持する燃料供給用ホッパー１１２と、前記ガス発生炉本体１１の外周に設けられた蓄熱層１１３と、前記蓄熱層１１３の外周に設けられた予熱層（水蒸気発生層）１１４と、前記予熱層１１４の外周に設けられた断熱層１１５と、前記固形バイオマス燃料１０を燃焼するための空気等を送る空気噴出ノズル部１１６と、生成ガス取出管１１７と、水取入口１１８と、灰分取出口１１９とから構成されている。
【００６２】
前記空気噴出ノズル部１１６は、水取入口１１８に通じ、燃焼部１１１の下部に配設されている導通管１１６１に連通しているとともに、垂直で燃焼部１１１の略中心部に配置され、その先端部に空気噴出口１１６２が設けられている。なお、前記空気噴出口１１６２については後述する。
【００６３】
前記サイクロン１２は、遠心分離作用により、未燃焼分を取り出した後、生成ガスを生成ガス取出口１５から外部に送り出す。また、サイクロン１２は、外周部に設けられた空気予熱層１２１と、前記空気予熱層１２１の外周部に設けられた断熱層１２２と、空気予熱層１２１に通ずる空気取入口１２３と、前記ガス発生炉本体１１の蓄熱層１１３に通じる生成ガス取出管１１７とから構成されている。
【００６４】
前記ガス発生炉本体１１において発生した生成ガスは、ファン１３によって、生成ガス取出管１１７を介してサイクロン１２に吸引され、遠心分離作用によって、不純物を除去した後、生成ガス取出口１５から、図示されていない、ガスエンジン側に供給される。前記ガス発生炉本体１１で発生した生成ガスの一部は、サイクロン１２において、空気導入管１２１１および予熱層（水蒸気発生層）１１４を介してフィードバックされ、空気噴出ノズル部１１６から水蒸気とともに前記燃焼部１１１に供給される。
【００６５】
図１に示された前記ガス発生炉本体１１は、燃料供給用ホッパー１１２に設けられている燃料供給ゲートと、燃焼部１１１の下部に設けられている火格子、金属球（金属ボール）、バーナ、バーナポート等が省略されている。
【００６６】
前記ガス発生炉本体１１は、起動時に、図示されていない、バーナの棒状部材が前記バーナポートに挿入される。前記金属球は、層状かつ略均一に配設されている。また、前記燃料供給ゲートは、燃料供給用ホッパー１１２から固形バイオマス燃料１０を燃焼部１１１の半径方向に対して、できる限り均一に供給可能な構成になっている。
【００６７】
次に、図１に示された固形バイオマス燃料ガス化装置の動作について説明する。図１において、固形バイオマス燃料１０の投入前、バーナにより、金属球は、５００度Ｃから８００度Ｃに予熱される。燃焼部１１１の外周は、蓄熱層１１３、予熱層（水蒸気発生層）１１４、および断熱材１１５によって囲まれているため、燃焼部１１１の内部の温度を略一定に保ち易い構造になっている。
【００６８】
前記複数個の金属球は、前記バーナの燃焼排ガスが前記金属球の間の隙間を経て火格子の下方から排出されるので、略均等に加熱される。前記バーナは、バーナポートから取り出された後、バーナポートが閉ざされる。
【００６９】
その後、固形バイオマス燃料１０は、燃料供給用ホッパー１１２から燃焼部１１１に供給される。前記固形バイオマス燃料１０は、所定量が供給された後、図示されていない、燃料供給ゲートが閉ざされる。燃焼部１１１における固形バイオマス燃料１０は、図示されていない、予熱された金属球の上層部から燃焼を開始する。前記固形バイオマス燃料１０は、水取入口１１８から取り入れた水が前記燃焼部１１１の外周を取り巻くように設けられた蓄熱層１１３の熱により気化され、水蒸気となって燃焼部１１１の略中央部に設けられている空気噴出ノズル部１１６から噴出される。
【００７０】
前記固形バイオマス燃料１０は、図示されていない、加熱された金属球と加熱された水蒸気とにより、上方に向けて、次第に燃焼層（酸化層）が移動する。すなわち、前記金属球の真上層は、還元層となり、空気取入口１２３付近の中央部層は、燃焼層（酸化層）となる。前記燃焼層（酸化層）の上層は、予熱層（乾留層）となる。なお、ガス中に含まれるタール分は、還元層を通過する間に燃焼し、かつ、還元された可燃性ガスとなる。
【００７１】
燃焼部１１１の固形バイオマス燃料１０は、消費されて燃料レベルが低下すると、図示されていないレベルセンサにより、燃料レベルが所定のレベルに到達したことを検知し、この検知信号に基づき、図示されていない、燃料供給ゲートを開として、再度燃料供給を行い、前記同様に生成ガスが生成される。
【００７２】
図２は本発明の第二実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。図２において、固形バイオマス燃料ガス化装置は、従来例である図１０に示す構成部材と同じ部材に同一番号を付して、詳細な説明を省略する。図１０と図２に示す固形バイオマス燃料ガス化装置の第１の相違は、空気導入手段２５１が導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段２６２を備えている点にある。
【００７３】
第２の相違は、前記空気導入手段２５１が、ガス発生炉本体２１の外周部において導入空気を予熱する空気予熱部２５２と、ガス発生炉本体２１の外周下部において注入水を加熱する水蒸気発生部２５２ａと、前記予熱された空気と水蒸気を混合した後、前記混合気体を空気噴出ノズル部２５３へ誘導する前記ガス発生炉本体２１の下部から略中央部に向けて垂直に設けられた空気噴出用配管２５３ａとを備えている点にある。なお、図２において、符号２６３ａは水注入弁、２６３ｂは水排出弁である。
【００７４】
次に、図２に示された固形バイオマス燃料ガス化装置の空気導入系の動作について説明する。吸込みファン２３は、空気導入手段２５１から空気を取り込む。
前記取り込まれた空気は、空気予熱部２５２を通過する間に水注入弁２６３ａから注入された水と混合され、ガス発生炉本体２１の熱伝導により予熱され、最終的に水蒸気となって、空気噴出ノズル部２５３から噴出される。
【００７５】
さらに、詳述すると、空気予熱部２５２の下段に連通する水蒸気混合手段２６２には、水注入弁２６３ａおよび水排出弁２６３ｂが取り付けられている。前記水注入弁２６３ａが開となった場合、水排出弁２６３ｂの上部の水蒸気発生部２５２ａに水が注入され、貯留する。ガス発生炉本体２１の下方で、リング皿状に貯留された水は、ガス発生炉本体２１の熱伝導により加熱されて水蒸気となり、流入空気と混合される。
【００７６】
前記混合空気は、空気噴出用配管２５３ａを介して、空気噴出ノズル部２５３に導入され、前記空気噴出ノズル部２５３の先端部からガス発生炉本体２１内に噴出する。水蒸気の混合を停止する場合は、水排出弁２６３ｂを開として、水を排出することにより行う。
【００７７】
なお、前記水蒸気混合手段２６２は、前記のようにリング皿状の水蒸気発生部と水注入弁２６３ａおよび水排出弁２６３ｂとを備えた構成に限定されるものではない。たとえば、空気予熱部２５２の下方の水注入弁２６３ａの水出口付近に、エジェクタを配置し、導入空気に水の噴出作用により混合する構成とすることもできる。
【００７８】
図３は図２の固形バイオマス燃料ガス化装置により水蒸気を混合した場合の効果を確認した実験結果の一例を説明するための図である。図３に示すグラフは、前記図９（ｂ）のような温度推移を示す場合において、前記燃焼層の温度が、１０５０度Ｃの時点で、水蒸気の混合を開始した後の温度推移を示している。
【００７９】
図３の結果によれば、水蒸気混合後、燃焼層温度は、１０５０度Ｃから８５０度Ｃに低下して、ほぼ安定した状態になることが判る。また、水蒸気の混合により、木質系燃料の発生ガス中の水素は、９．８％から１２．３％に上昇した。
【００８０】
次に、図４は本発明の第三実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。図４において、図２と同じ構成部材には、同一番号を付して、詳細な説明を省略する。図４と図２との相違点は、図４において、空気導入手段２５１が導入空気の酸素濃度を下げるために、導入空気に発生ガスの一部を混合する発生ガス混合手段４４ａを備えている点である。なお、符号４４は、発生ガス混合弁、符号４６は吸込みファンである。
【００８１】
図５は本発明の第三実施例における固形バイオマス燃料ガス化装置により発生した生成ガスの一部を混合した場合の効果を確認した実験結果の一例を説明するための図である。図５に示すグラフは、発生ガス混合手段４４ａによって、発生ガスの一部を混合した時の燃焼層の温度推移が判る。図５に示すグラフは、発生ガスの一部を混合した後、９３０度Ｃから８４０度Ｃに低下して、ほぼ安定した状態になっている。
【００８２】
図４に示す固形バイオマス燃料ガス化装置は、導入空気の酸素濃度を下げるために、発生ガスの一部を混合したり、あるいは水蒸気の混合の少なくとも一方を実施することができる。また、前記固形バイオマス燃料ガス化装置は、発生ガスあるいは水蒸気の混合量を調節することもできる。
【００８３】
図６は本発明の第四実施例であり、固形バイオマス燃料ガス化装置に温度検出器を設けた例を説明するための図である。図６に示す固形バイオマス燃料ガス化装置は、図４と同様に、同一構成部材には同一番号を付して詳細な説明を省略する。図４と図６に示す固形バイオマス燃料ガス化装置の相違は、図６において、ガス発生炉本体２１の中央部に設けた固形バイオマス燃料の温度検出器２６１と、前記温度検出器２６１の出力値が所定の上限値に到達した際に、水蒸気の混合および／または発生ガスの混合を開始する制御を行う制御装置６１を備えていることである。
【００８４】
前記制御装置６１は、温度検出器２６１の出力値が予め定められた所定の上限値に到達した際に、吸込みファン２３の回転数を低下させるような制御を行う機能を備えている。図６に示す固形バイオマス燃料ガス化装置は、水蒸気の混合および／または発生ガスの混合を行って導入空気の酸素濃度を下げるための制御、あるいは導入空気量を減少させるための制御の少なくとも一つの制御を行うことができ、これにより、連続的に安定した燃焼が可能となる。
【００８５】
図７（ａ）ないし（ｃ）は空気噴出ノズル部の異なる実施例を説明するための図である。図７（ａ）において、中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部７０には、空気流通用の複数個の孔７０ａ（破線で示す）を備え、かつ、円筒部７０の軸芯と同心円状に着脱自在が可能なように設けられたキャップ円筒部材７２を備えている。
【００８６】
前記キャップ円筒部材７２は、空気流通用の複数個の孔７２ａ（実線で示す）を備えている。さらに、前記破線で示す孔７０ａよりも、実線で示す孔７２ａの方を小径とすることにより、導入空気の均一分散化を図っている。たとえば、孔７０ａの直径は、５ｍｍないし１０ｍｍ、孔７２ａの直径は、１ｍｍないし３ｍｍが好ましい。
【００８７】
次に、図７（ｂ）に示す実施例は、内部水冷二重管構造の例であり、空気噴出ノズル部を含む空気噴出用配管は、内管７０ｂおよび外管７０ｃからなる同心二重中空配管とし、前記内管の中空部には、導入空気（燃焼用空気）を通流し、外管７０ｃと内管７０ｂとの間の中空部には、前記空気噴出ノズル部冷却用の冷却水を通流する構成としている。図７（ｃ）に示す実施例は、図７（ｂ）に示す実施例に対して、さらに、前記キャップ円筒部材７２を設けたものである。
【００８８】
前記構成により、空気噴出ノズル部２５３の異常温度上昇を抑制しながらガス発生炉本体２１の寿命の向上を図ることができ、また、導入空気の均一分散化が図れる。
【００８９】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。たとえば、本実施例は、固形バイオマス燃料ガス化装置で説明したが、その他の固体燃料をガス化して、生成ガスを発生させることができる。
【００９０】
本発明のガス発生炉本体およびサイクロンを構成する蓄熱層、予熱層、断熱層、あるいは配管に使用する材料は、公知または周知のいかなる材料を使用することもできる。特に、前記蓄熱層は、金属球あるいはセラミック球等が使用できる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス発生炉本体と、前記ガス発生炉本体に設けた固形燃料の導入手段と、前記ガス発生炉本体中央部に設けた空気噴出ノズル部を有する空気導入手段と、前記ガス発生炉本体下部に設けた火格子と、前記火格子の下方に設けた発生ガスの排出手段と、ガス発生炉本体の外周を覆った蓄熱層、予熱層（水蒸気発生層）、あるいは断熱層を設けた下方通風式ガス化装置とすることで、空気噴出ノズル部における異常高温にさらされないようにした。
【００９２】
本発明によれば、蓄熱層、予熱層（水蒸気発生層）、および断熱層が相まって、ガス発生炉本体における燃焼部の温度を均一かつ安定に保持することができるため、効率良く生成ガスの発熱量を増加させることができるとともに、品質の高い生成ガスを発生する。
【００９３】
本発明によれば、生成された生成ガスの一部が、ガス発生炉本体に再循環されることにより、ガス発生炉本体内温度の安定化が図れるとともに、炉内温度を低減することができるため、ガス発生炉本体の寿命を延長させることができる。
【００９４】
本発明によれば、前記構成とすることで、導入空気の酸素濃度を下げる制御、あるいは導入空気量の減少制御の少なくとも一つの制御を行うことができるため、生成ガスの品質を向上させることができた。
【００９５】
本発明によれば、温度検出器と制御装置を設けることによって、ガス発生炉本体内の温度を所定の温度に制御することができるため、生成ガスの品質を向上させることができるとともに、ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延ばすことができる。
【００９６】
本発明によれば、空気流通用の複数の孔を備えることにより、固形燃料の燃焼が一カ所に集中することがなく、前記空気噴出ノズル部近傍から徐々に広がって行くため、固形燃料の燃焼が急激に一部のみで行われなく、燃焼部および前記空気噴出ノズル部の温度が上がり過ぎず、ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延ばすことができる。
【００９７】
本発明によれば、空気噴出ノズル部に着脱自在な中空円筒部を設け、固形燃料が空気噴出ノズル部内部に入り難くするとともに、前記空気噴出ノズル部の保護を行うことができるため、寿命をさらに延ばすことができる。
【００９８】
本発明によれば、空気噴出ノズル部を中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部に、空気流通用の複数個の孔を備えてなるものとし、さらに、空気噴出ノズル部を冷却可能な構成としたので、空気噴出ノズル部が異常な高温度にさらされることがなく、かつ、安定した燃焼と生成ガスの発生を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。
【図２】本発明の第二実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。
【図３】図２の固形バイオマス燃料ガス化装置により水蒸気を混合した場合の効果を確認した実験結果の一例を説明するための図である。
【図４】本発明の第三実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。
【図５】本発明の第三実施例における固形バイオマス燃料ガス化装置により発生した生成ガスの一部を混合した場合の効果を確認した実験結果の一例を説明するための図である。
【図６】本発明の第四実施例であり、固形バイオマス燃料ガス化装置に温度検出器を設けた例を説明するための図である。
【図７】（ａ）ないし（ｃ）は空気噴出ノズル部の異なる実施例を説明するための図である。
【図８】従来例の問題を解決した固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は図８に示された固形バイオマス燃料ガス化装置の経過時間に対する燃焼層の温度変化を説明するための図である。
【図１０】従来例の固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図であり、（ａ）は定常運転時、（ｂ）は（ａ）における燃料供給ゲートの概略を説明するための図である。
【符号の説明】
１０・・・・固形バイオマス燃料
１１・・・・ガス発生炉本体
１１１・・・燃焼部
１１２・・・燃料供給用ホッパー
１１３・・・蓄熱層
１１３１・・蓄熱体
１１４・・・予熱層（水蒸気発生層）
１１５・・・断熱層
１１６・・・空気噴出ノズル部
１１６１・・導通管
１１６２・・孔（空気噴出口）
１１７・・・生成ガス取出管
１１８・・・水取入口
１１９・・・灰分取出口
１２・・・・サイクロン
１２１・・・空気予熱層
１２２・・・断熱層
１２１１・・空気導入管
１２３・・・空気取入口
１３・・・・ファン
１４・・・・ファン
１５・・・・生成ガス取出口
１６・・・・未燃焼分取出口
【発明の属する技術分野】
本発明は、固形燃料を燃焼する分散型電源に使用されるガス発生炉の空気導入手段の構成であり、前記ガス発生炉内の温度安定化を図るとともに、生成ガスの発熱量を増加させるための固形燃料ガス化装置に関するものである。本明細書でいう前記固形燃料とは、固形バイオマス燃料あるいはそれ以外の固形燃料からなる。たとえば、固形バイオマス燃料は、木炭、木材のチップ、おが屑やもみ殻を固形化したもの、鶏糞、あるいは生ゴミ等を固形化したもの等を含む。また、前記固形燃料としては、石炭等の化石化燃料等を含むものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽エネルギーが植物の光合成によって生体内に固定、蓄積された生体量（バイオマス）は、その内部に、炭素および水素等燃料となる成分が多く含まれているため、石油あるいは天然ガスの代替エネルギー源として注目されている。
【０００３】
従来のバイオマスを燃料に使用した発電方式は、たとえば、
1) バイオマス燃料を直接ボイラーで燃焼させ、その熱で蒸気タービンを動かす発電
2) 微生物を利用して、バイオマス燃料を発酵させて、メタンガスを取り出し、燃料電池に供給する発電
3) バイオマス燃料をガス発生炉においてガス化して可燃ガスを発生させて、前記可燃ガスをガスエンジンやディーゼルエンジンに供給する発電
等がある。
【０００４】
前記3)のバイオマス燃料をガス化する方式としては、既に、昭和５８年に、おが屑をガス化し、前記発生ガスがガス清浄化装置を介してガスエンジン等に供給され、数十ＫＶＡの発電を行う、所謂、おが屑発電が実施されている（塩ノ谷幸造著「木炭自動車」、１９９６年、パワー社発行、第１７頁〜第１８頁参照）。
前記おが屑発電は、おが屑が粉状であるため、燃焼効率が低いという問題があった。
【０００５】
前記おが屑発電は、おが屑が固形チップ化され、この固形バイオマス燃料をガス化し、前記生成されたガスを燃料として使用している。前記固形バイオマス燃料は、発電を行うための取り扱いが容易であるという特徴を有する。
【０００６】
しかしながら、前記固形バイオマス燃料を使用した発電は、木炭等のように、炭化された燃料と異なり、発生するガス中のタール分が多く含まれ、このタール分がガスエンジン等の吸入弁や配管等に付着し、長期連続運転が困難であるという問題があった。前記問題を解決するために、固形バイオマス燃料のガス化方法及び装置にかかる発明が特開平２００２−２８２８７９号公報に示されている。
【０００７】
図１０は従来例の固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図であり、（ａ）は定常運転時、（ｂ）は（ａ）における燃料供給ゲートの概略を説明するための図である。なお、図１０に示す固形バイオマス燃料ガス化装置は、前記公報に示されたものである。
【０００８】
図１０（ａ）において、固形バイオマス燃料ガス化装置は、固形バイオマス燃料を燃焼してガスを生成するガス発生炉本体２１と、前記生成ガスを精製するサイクロン２２と、前記生成ガスの吸込みファン２３とから構成されている。また、前記ガス発生炉本体２１は、ガス排出パイプ２２１を介して、前記サイクロン２２に接続されている。前記サイクロン２２は、ガス排出パイプ２２２を介して、前記吸込みファン２３に接続されている。
【０００９】
前記ガス発生炉本体２１において、発生した生成ガスは、前記ガス排出パイプ２２１、前記サイクロン２２、前記ガス排出パイプ２２２を介して吸込みファン２３によって吸引されて、図示されていない、ガスエンジン側に供給される。また、前記サイクロン２２は、遠心分離作用によって、生成ガス中に含まれる固形不純物等を除去するものである。
【００１０】
前記ガス発生炉本体２１は、固形バイオマス燃料供給用ホッパー２１１と、燃料供給ゲート２１２と、炉燃焼部２１３と、火格子２１４と、金属球（金属ボール）２１５と、バーナポート２１６と、空気取入パイプ２１７とから構成されている。前記ガス発生炉本体２１は、起動時に、図示されていない、バーナの棒状部材が前記バーナポート２１６に挿入される。前記金属球２１５は、層状かつ略均一に配設される。また、前記金属球２１５の材質は、ステンレス鋼、鋳鉄製、セラミック製等の耐火球が使用される。
【００１１】
燃料供給ゲート２１２は、燃料供給用ホッパー２１１から固形バイオマス燃料２４を炉燃焼部２１３の半径方向に対して、できる限り均一に供給可能な構成になっている。たとえば、図１０（ｂ）に示すように、燃料供給ゲート２１２は、回転ゲート構造となっている。
【００１２】
図１０（ｂ）において、燃料供給ゲート２１２は、上部に回転ゲート２１２ａが、下部にホッパー底面遮蔽部２１１ｂが配設されている。前記回転ゲート２１２ａは、回転円板の一部を円板中心からたとえば、約３０度切欠いた切欠き部２１２ｂを備え、前記ホッパー底面２１１ａは、前記切欠き部２１２ｂをカバーするホッパー底面遮蔽部２１１ｂを備えている。
【００１３】
前記燃料供給ゲート２１２は、前記回転ゲート２１２ａを回転することにより、切欠き部２１２ｂが円周方向に順次移動し、前記切欠き部２１２ｂから固形バイオマス燃料２４を略均一に炉燃焼部２１３に供給する。前記回転ゲート２１２ａおよびホッパー底面遮蔽部２１１ｂが重なった位置が燃料供給ゲート２１２を閉ざした場合である。
【００１４】
次に、図１０に示す固形バイオマス燃料ガス化装置の動作について説明する。
図１０（ａ）において、固形バイオマス燃料２４の投入前、バーナにより、金属球２１５は、５００度Ｃから８００度Ｃに予熱される。前記複数個の金属球２１５は、前記バーナの燃焼排ガスが前記金属球２１５の間の隙間を経て火格子２１４の下方から排出されるので、略均等に加熱される。前記バーナは、バーナポート２１６から取り出された後、バーナポート２１６が閉ざされる。
【００１５】
その後、固形バイオマス燃料２４は、燃料供給用ホッパー２１１から炉燃焼部２１３に供給される。前記固形バイオマス燃料２４は、所定量が供給された後、燃料供給ゲート２１２が閉ざされる。炉燃焼部２１３における固形バイオマス燃料２４は、予熱された金属球２１５の上層部から燃焼を開始する。前記固形バイオマス燃料２４は、空気取入口が炉燃焼部２１３の略中央部に設けられているので、上方に向けて、次第に燃焼層（酸化層）が移動する。
【００１６】
これにより、前記金属球２１５の真上層は、還元層となり、空気取入口付近の中央部層は、燃焼層（酸化層）となる。前記燃焼層（酸化層）の上層は、予熱層（乾留層）となる。なお、ガス中に含まれるタール分は、還元層を通過する間に燃焼し、かつ、還元された可燃性ガスとなる。
【００１７】
炉燃焼部２１３の固形バイオマス燃料２４は、消費されて燃料レベルが低下すると、図示されていないレベルセンサにより、燃料レベルが所定のレベルに到達したことを検知し、この検知信号に基づき、燃料供給ゲート２１２を開として、再度燃料供給を行う。
【００１８】
前記特開平２００２−２８２８７９号公報に記載された固形バイオマス燃料ガス化装置は、発生ガスにタール分を含まず、起動停止が容易であり、さらに、安定した組成のガスが得られ、かつ、安定組成のガスが得られるまでの立ち上がり時間が短いという利点がある。しかし、前記出願の固形バイオマス燃料ガス化装置において、ガス発生炉本体２１の中央部に設けられた空気取入パイプ２１７の空気噴出ノズル部は、高温度にさらされるため、空気噴出ノズル部の寿命が比較的短いという問題があった。
【００１９】
また、従来の空気噴出ノズル部の構造は、一点噴出構造であって、比較的広い範囲にわたって均一に空気を吹き出す構造ではないため、安定したガスの発生を阻害するという問題があった。さらに、燃料の種類や導入空気量によっては、ガス発生炉燃焼部の温度分布が安定せずに、空気噴出ノズル部が、さらに、高温度にさらされるという問題があった。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
図８は従来例の問題を解決した固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。図９（ａ）および（ｂ）は図８に示された固形バイオマス燃料ガス化装置の経過時間に対する燃焼層の温度変化を説明するための図である。図８における固形バイオマス燃料ガス化装置は、図１０に示す固形バイオマス燃料ガス化装置における空気噴出ノズル部の空気導入手段を一部改良したものである。
【００２１】
図８において、図１０に示す固形バイオマス燃料ガス化装置と同一構成部材は、同一の番号が付されているため、詳細な説明を省略する。また、前記図８において、図１０のバーナポートや金属球は、一部省略されている。
【００２２】
図８において、空気導入手段２５１は、ガス発生炉本体２１の下部から配管を水平に導入し、ガス発生炉本体２１の略中央部で垂直に立ち上げ、空気噴出ノズル部２５３を構成している。前記空気噴出部ノズル部２５３は、中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部に、空気流通用の複数個の孔を備えている構造になっている。
【００２３】
図９に示すグラフは、図８に示す固形バイオマス燃料ガス化装置を運転した際の、空気噴出ノズル部２５３の近傍におけるノズル表面から円周方向に１１０ｍｍ離れた位置の燃焼層の温度の時間的推移の一例を示している。図９（ａ）に示すグラフは、温度が比較的安定している場合で、図９（ｂ）は、燃料の種類、燃料の充填状態、導入空気量等が図９（ａ）と異なる場合であって、温度変動が大きい場合の一例を示す。
【００２４】
図９（ａ）の場合、燃焼層の温度は、最高約１０００度Ｃであり、８５０度Ｃ〜１０００度Ｃの範囲内で変動している。これに対して、図９（ｂ）の場合、燃焼層の最高温度は、約１５００度Ｃに達し、空気噴出ノズル部は、異常高温度にさらされる。さらに、温度の変動幅は、図９（ｂ）において、大きく、安定したガスの発生が得られない状態となっている。図９（ｂ）のように、温度変動が大きい要因としては、たとえば、次のようなことが考えられる。
【００２５】
たとえば、もみがらをすり潰した後、固形化した燃料は、酸素の供給に伴って、一気に燃焼する傾向がある。前記固形化した燃料の充填量が多い場合の燃焼は、持続するが、少ない場合、燃料の補給が不十分となって、一気に燃焼した後、温度が直ちに低下する傾向がある。すなわち、前記固形バイオマス燃料ガス化装置は、燃料の量、導入空気量、および導入状態等種々の要因によっても温度が大きく変動するという課題があった。
【００２６】
以上のような課題を解決するために、本発明は、前記空気噴出ノズル部が異常な高温にさらされることがなく、かつ、固形バイオマス燃料の安定した燃焼と、品質の高い生成ガスの発生を可能とする固形バイオマス燃料ガス化装置を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
（第１発明）
第１発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体と、前記ガス発生炉本体の上部に設けられた固形燃料導入手段と、前記ガス発生炉本体の略中央部に設けられた空気噴出ノズル部を有する空気導入手段と、前記ガス発生炉本体の下部に設けられた火格子と、前記火格子の下方に設けられた発生ガス排出手段とから構成される固形燃料ガス化装置において、前記ガス発生炉本体は、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段を備えていることを特徴とする。
【００２８】
（第２発明）
第２発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体と、前記ガス発生炉本体の上部に設けられた固形燃料導入手段と、前記ガス発生炉本体の略中央部に設けられた空気噴出ノズル部を有する空気導入手段と、前記ガス発生炉本体の下部に設けられた火格子と、前記火格子の下方に設けられた発生ガス排出手段と、前記発生ガス排出手段から発生したガスを精製する生成ガス精製手段とから構成される固形燃料ガス化装置において、前記ガス発生炉本体は、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段を備えていることを特徴とする。
【００２９】
（第３発明）
第３発明の固形燃料ガス化装置において、蓄熱層の外周部には、水蒸気を発生する予熱層（水蒸気発生層）が設けられていることを特徴とする。
【００３０】
（第４発明）
第４発明の固形燃料ガス化装置において、予熱層（水蒸気発生層）の外周部には、断熱層が設けられていることを特徴とする。
【００３１】
（第５発明）
第５発明の固形燃料ガス化装置において、生成ガス精製手段の外周部には、空気予熱層が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
（第６発明）
第６発明の固形燃料ガス化装置において、前記生成ガスの一部は、水蒸気とともにガス発生炉本体の燃焼部に戻されて再循環することを特徴とする。
【００３３】
（第７発明）
第７発明の固形燃料ガス化装置において、空気噴出ノズル部における空気噴出ノズルは、燃焼部の略中央部から下向きの通風となるようにしてガス化を行うことを特徴とする。
【００３４】
（第８発明）
第８発明の固形燃料ガス化装置において、ガス発生炉本体の中央部には、固形燃料の温度検出器を備え、前記温度検出器の出力値が所定の上限に達した際に、前記水蒸気の混合および／または発生ガスの混合を開始するような制御を行う制御装置を備えていることを特徴とする。
【００３５】
（第９発明）
第９発明の固形燃料ガス化装置において、発生ガス排出手段には、発生ガス吸引用ファンを備え、前記温度検出器によって検出された温度が上限値に達した際に、前記制御装置によって前記発生ガス吸引用ファンの回転数を低下させるような制御を行う制御装置を備えていることを特徴とする。
【００３６】
（第１０発明）
第１０発明の固形燃料ガス化装置において、空気噴出ノズル部は、中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部に、空気流通用の複数の孔を備えていることを特徴とする。
【００３７】
（第１１発明）
第１１発明の固形燃料ガス化装置において、複数の孔を備えた円筒部は、当該円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けられたキャップ円筒部材を備え、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えていることを特徴とする。
【００３８】
（第１２発明）
第１２発明の固形燃料ガス化装置において、キャップ円筒部材の孔径は、前記円筒部の孔径より小さいことを特徴とする。
【００３９】
（第１３発明）
第１３発明の固形燃料ガス化装置において、中空円筒配管は、内管および外管からなる同心二重中空配管とし、前記内管の中空部には、導入空気を流通し、外管と内管との中空部には、前記空気噴出ノズル部冷却用の冷却水を通流する構成としたことを特徴とする。
【００４０】
（第１４発明）
第１４発明の固形燃料ガス化装置において、孔を備えた同心二重中空配管の円筒部は、前記円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けられたキャップ円筒部材を備え、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えていることを特徴とする。
【００４１】
（第１５発明）
第１５発明の固形燃料ガス化装置において、火格子上には、複数個の金属球またはセラミック球等の耐火球を層状かつ略均一に配設した耐火球敷設層と、前記耐火球の予備加熱手段とを備えていることを特徴とする。
【００４２】
【発明の実施の形態】
（第１発明）
第１発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体と、固形燃料導入手段と、空気導入手段と、火格子と、発生ガス排出手段とから構成される。固形燃料ガス化装置における前記ガス発生炉本体には、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段が備えられている。前記固形燃料導入手段は、たとえば、燃料供給用ホッパーと燃料供給ゲート等から構成されている。
【００４３】
前記空気導入手段は、ガス発生炉本体の底部から垂直で、かつ、ガス発生炉本体の略中央部に設けられている空気噴出ノズル部等から構成されている。前記水蒸気混合手段は、空気および水を導入するとともに、前記蓄熱層の熱により水蒸気にして、前記空気噴出ノズル部に送る。前記蓄熱層は、たとえば、金属球やセラミック球のようにガス発生炉本体の熱を蓄えることができる部材から構成されている。
【００４４】
第１発明の固形燃料ガス化装置は、導入空気に水蒸気を混合して、空気の酸素濃度を下げるとともに、ガス発生炉本体の外周部に設けられた蓄熱層によって炉内の温度を安定に保つことができる。前記ガス発生炉本体内は、次に示すような反応式から判るように、燃焼熱の一部が消費されるために、総合的に燃焼温度の上昇と温度変動とを抑制することができる。
【００４５】
Ｃ−Ｈ2Ｏ＝ＣＯ＋２Ｈ2−１３１〔ｋＪ／ｋｍｏｌ〕
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2＋２Ｈ2−９０〔ｋＪ／ｋｍｏｌ〕
その結果、第１発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体内における安定した燃焼と、品質の優れた生成ガスの発生を可能とすることができる。また、前記安定した燃焼は、空気導入手段である空気噴出ノズル部を異常な高温にさらすことがない。
【００４６】
（第２発明）
第２発明の固形燃料ガス化装置は、ガス発生炉本体と、固形燃料導入手段と、空気導入手段と、火格子と、発生ガス排出手段と、生成ガス精製手段とから構成される。固形燃料ガス化装置における前記ガス発生炉本体には、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段が備えられている。第２発明は、前記生成ガス精製手段を備えている点で、第１発明と異なっており、前記生成ガス精製手段によって、生成ガスの不純物を遠心分離作用で除去することができるため、第１発明より品質の良い生成ガスを得ることができる。
【００４７】
（第３発明）
第３発明の固形燃料ガス化装置において、第１発明および第２発明の蓄熱層の外周部に設けられた予熱層（水蒸気発生層）は、蓄熱層に蓄えられた熱を利用して水蒸気を発生する。第３発明は、ガス発生炉本体における燃焼部の熱を外部に放出することなく、有効に利用するだけでなく、前記予熱層（水蒸気発生層）によって、前記燃焼部の温度を安定にするとともに、生成ガスの発熱量を増加させることができる。
【００４８】
（第４発明）
第４発明の固形燃料ガス化装置において、第３発明の予熱層（水蒸気発生層）の外周部に設けられた断熱層は、前記蓄熱層および前記予熱層（水蒸気発生層）と相まって、ガス発生炉本体における燃焼部の温度を均一かつ安定に保持することができるため、生成ガスの発熱量を増加させることができる。
【００４９】
（第５発明）
第５発明の固形燃料ガス化装置において、発生した生成ガスは、生成ガス精製手段、たとえば、サイクロンの遠心分離作用により、精製される。前記生成ガス精製手段の外周部には、空気予熱層が設けられ、前記生成ガス精製手段により発生する熱を利用して、空気を予熱する。前記生成ガス精製手段における空気予熱層は、発生した生成ガスの熱を利用できるので、効率のよい固形燃料ガス化装置を得ることができる。また、前記空気予熱層の外周部には、断熱材が必要に応じて設けられている。
【００５０】
（第６発明）
第６発明の固形燃料ガス化装置において、ガス発生炉本体で生成された生成ガスの一部は、ファンによりガス発生炉本体の燃焼部に、水蒸気とともに戻されて、再循環する。前記生成ガスの一部は、ガス発生炉本体にフィードバックされることにより、ガス発生炉本体内温度の安定化が図れるとともに、炉内温度を低減することができるため、ガス発生炉本体の寿命を延長させることができる。
【００５１】
（第７発明）
第７発明の固形燃料ガス化装置において、空気噴出ノズル部における空気噴出ノズルは、燃焼部の略中央部から下向きの通風となるような構成になっている。
すなわち、前記空気噴出ノズル部の構成は、ガス発生炉本体の下部から燃焼層を順次上方に移動させることにより、最上部を乾留層とすることができるため、効率良く生成ガスを得ることが可能である。
【００５２】
（第８発明）
第８発明の固形燃料ガス化装置には、固形燃料の温度検出器および水蒸気の混合および／または発生ガスの混合を制御する制御装置を備えている。前記温度検出器は、ガス発生炉本体の中央部における固形燃料の温度を検出する。そして、前記温度検出器において、固形燃料の温度が予め定められた所定の値（上限）に達した際に、前記制御装置は、前記水蒸気の混合および／または生成ガスの混合を開始するような制御を行う。前記温度検出器および制御装置は、ガス発生炉本体の温度を安定して保つことができるため、品質の高いガスを生成することができるとともに、前記ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延長させることができる。
【００５３】
（第９発明）
第９発明の固形燃料ガス化装置において、発生ガス排出手段は、たとえば、発生ガス吸引用ファンである。前記固形燃料の燃焼温度を検出する温度検出器によって検出された温度が予め定められた所定の値（上限）に達した際に、前記制御装置は、前記発生ガス吸引用ファンの回転数を低下させるように制御を行う。すなわち、第９発明は、前記温度検出器と制御装置によって、ガス発生炉本体内の温度を所定の温度に制御することができるため、生成ガスの品質を向上させることができるとともに、ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延ばすことができる。
【００５４】
（第１０発明）
第１０発明の固形燃料ガス化装置において、空気噴出ノズル部は、中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部に、空気流通用の複数の孔を備えているため、固形燃料の燃焼が一カ所に集中することがなく、前記空気噴出ノズル部近傍から徐々に広がって行く。このため、固形燃料の燃焼が急激に一部のみで行われないため、燃焼部および前記空気噴出ノズル部の温度が上がり過ぎず、ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延ばすことができるとともに、良質な生成ガスを得ることができる。
【００５５】
（第１１発明）
第１１発明の固形燃料ガス化装置において、第１０発明における複数の孔を備えた円筒部は、当該円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けたキャップ円筒部材を備え、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えているため、第１０発明と同様な効果を奏するとともに、前記円筒部の交換が容易にできる。また、前記円筒部の孔およびキャップ円筒部材の孔は、互いに作用して、導入空気の均一分散化を図ることができ、より良い生成ガスを得ることができる。
【００５６】
（第１２発明）
第１２発明の固形燃料ガス化装置において、第１１発明におけるキャップ円筒部材の孔径は、前記円筒部の孔径より小さくしているため、固形燃料が空気噴出ノズル内に入り難く、品質のよい生成ガスを発生させることができる。
【００５７】
（第１３発明）
第１３発明の固形燃料ガス化装置において、第１０発明の中空円筒配管は、内管および外管からなる同心二重中空配管とし、前記内管の中空部には、導入空気を流通し、外管と内管との中空部には、前記空気噴出ノズル部冷却用の冷却水を通流する構成としたため、冷却水により、空気噴出ノズル部の寿命をさらに延ばすことができる。
【００５８】
（第１４発明）
第１４発明の固形燃料ガス化装置において、孔を備えた同心二重中空配管の円筒部は、前記円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けたキャップ円筒部材を備えているため、空気噴出ノズル部を保護することができる。また、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えているため、導入空気の均一分散化を図ることができる。
【００５９】
（第１５発明）
第１５発明の固形燃料ガス化装置において、ガス発生炉本体における火格子上には、複数個の金属球またはセラミック球等の耐火球を層状かつ略均一に配設した耐火球敷設層と、前記耐火球の予備加熱手段とを備えているため、燃焼部における温度が比較的所望通りになり、生成ガスの発生が効率的で、かつ、ガス発生炉本体の寿命を延ばすことができる。
【００６０】
【実施例】
図１は本発明の第一実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。図１において、固形バイオマス燃料ガス化装置は、固形バイオマス燃料１０を燃焼するガス発生炉本体１１と、ガス発生炉本体１１で生成された生成ガスから未燃焼物等の不純物を除去する、たとえば、サイクロン１２と、前記生成ガスを取り出すファン１３と、生成された生成ガスの一部をガス発生炉本体１１にフィードバックするファン１４とから構成されている。
【００６１】
前記ガス発生炉本体１１は、固形バイオマス燃料１０を燃焼する燃焼部１１１と、固形バイオマス燃料を保持する燃料供給用ホッパー１１２と、前記ガス発生炉本体１１の外周に設けられた蓄熱層１１３と、前記蓄熱層１１３の外周に設けられた予熱層（水蒸気発生層）１１４と、前記予熱層１１４の外周に設けられた断熱層１１５と、前記固形バイオマス燃料１０を燃焼するための空気等を送る空気噴出ノズル部１１６と、生成ガス取出管１１７と、水取入口１１８と、灰分取出口１１９とから構成されている。
【００６２】
前記空気噴出ノズル部１１６は、水取入口１１８に通じ、燃焼部１１１の下部に配設されている導通管１１６１に連通しているとともに、垂直で燃焼部１１１の略中心部に配置され、その先端部に空気噴出口１１６２が設けられている。なお、前記空気噴出口１１６２については後述する。
【００６３】
前記サイクロン１２は、遠心分離作用により、未燃焼分を取り出した後、生成ガスを生成ガス取出口１５から外部に送り出す。また、サイクロン１２は、外周部に設けられた空気予熱層１２１と、前記空気予熱層１２１の外周部に設けられた断熱層１２２と、空気予熱層１２１に通ずる空気取入口１２３と、前記ガス発生炉本体１１の蓄熱層１１３に通じる生成ガス取出管１１７とから構成されている。
【００６４】
前記ガス発生炉本体１１において発生した生成ガスは、ファン１３によって、生成ガス取出管１１７を介してサイクロン１２に吸引され、遠心分離作用によって、不純物を除去した後、生成ガス取出口１５から、図示されていない、ガスエンジン側に供給される。前記ガス発生炉本体１１で発生した生成ガスの一部は、サイクロン１２において、空気導入管１２１１および予熱層（水蒸気発生層）１１４を介してフィードバックされ、空気噴出ノズル部１１６から水蒸気とともに前記燃焼部１１１に供給される。
【００６５】
図１に示された前記ガス発生炉本体１１は、燃料供給用ホッパー１１２に設けられている燃料供給ゲートと、燃焼部１１１の下部に設けられている火格子、金属球（金属ボール）、バーナ、バーナポート等が省略されている。
【００６６】
前記ガス発生炉本体１１は、起動時に、図示されていない、バーナの棒状部材が前記バーナポートに挿入される。前記金属球は、層状かつ略均一に配設されている。また、前記燃料供給ゲートは、燃料供給用ホッパー１１２から固形バイオマス燃料１０を燃焼部１１１の半径方向に対して、できる限り均一に供給可能な構成になっている。
【００６７】
次に、図１に示された固形バイオマス燃料ガス化装置の動作について説明する。図１において、固形バイオマス燃料１０の投入前、バーナにより、金属球は、５００度Ｃから８００度Ｃに予熱される。燃焼部１１１の外周は、蓄熱層１１３、予熱層（水蒸気発生層）１１４、および断熱材１１５によって囲まれているため、燃焼部１１１の内部の温度を略一定に保ち易い構造になっている。
【００６８】
前記複数個の金属球は、前記バーナの燃焼排ガスが前記金属球の間の隙間を経て火格子の下方から排出されるので、略均等に加熱される。前記バーナは、バーナポートから取り出された後、バーナポートが閉ざされる。
【００６９】
その後、固形バイオマス燃料１０は、燃料供給用ホッパー１１２から燃焼部１１１に供給される。前記固形バイオマス燃料１０は、所定量が供給された後、図示されていない、燃料供給ゲートが閉ざされる。燃焼部１１１における固形バイオマス燃料１０は、図示されていない、予熱された金属球の上層部から燃焼を開始する。前記固形バイオマス燃料１０は、水取入口１１８から取り入れた水が前記燃焼部１１１の外周を取り巻くように設けられた蓄熱層１１３の熱により気化され、水蒸気となって燃焼部１１１の略中央部に設けられている空気噴出ノズル部１１６から噴出される。
【００７０】
前記固形バイオマス燃料１０は、図示されていない、加熱された金属球と加熱された水蒸気とにより、上方に向けて、次第に燃焼層（酸化層）が移動する。すなわち、前記金属球の真上層は、還元層となり、空気取入口１２３付近の中央部層は、燃焼層（酸化層）となる。前記燃焼層（酸化層）の上層は、予熱層（乾留層）となる。なお、ガス中に含まれるタール分は、還元層を通過する間に燃焼し、かつ、還元された可燃性ガスとなる。
【００７１】
燃焼部１１１の固形バイオマス燃料１０は、消費されて燃料レベルが低下すると、図示されていないレベルセンサにより、燃料レベルが所定のレベルに到達したことを検知し、この検知信号に基づき、図示されていない、燃料供給ゲートを開として、再度燃料供給を行い、前記同様に生成ガスが生成される。
【００７２】
図２は本発明の第二実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。図２において、固形バイオマス燃料ガス化装置は、従来例である図１０に示す構成部材と同じ部材に同一番号を付して、詳細な説明を省略する。図１０と図２に示す固形バイオマス燃料ガス化装置の第１の相違は、空気導入手段２５１が導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段２６２を備えている点にある。
【００７３】
第２の相違は、前記空気導入手段２５１が、ガス発生炉本体２１の外周部において導入空気を予熱する空気予熱部２５２と、ガス発生炉本体２１の外周下部において注入水を加熱する水蒸気発生部２５２ａと、前記予熱された空気と水蒸気を混合した後、前記混合気体を空気噴出ノズル部２５３へ誘導する前記ガス発生炉本体２１の下部から略中央部に向けて垂直に設けられた空気噴出用配管２５３ａとを備えている点にある。なお、図２において、符号２６３ａは水注入弁、２６３ｂは水排出弁である。
【００７４】
次に、図２に示された固形バイオマス燃料ガス化装置の空気導入系の動作について説明する。吸込みファン２３は、空気導入手段２５１から空気を取り込む。
前記取り込まれた空気は、空気予熱部２５２を通過する間に水注入弁２６３ａから注入された水と混合され、ガス発生炉本体２１の熱伝導により予熱され、最終的に水蒸気となって、空気噴出ノズル部２５３から噴出される。
【００７５】
さらに、詳述すると、空気予熱部２５２の下段に連通する水蒸気混合手段２６２には、水注入弁２６３ａおよび水排出弁２６３ｂが取り付けられている。前記水注入弁２６３ａが開となった場合、水排出弁２６３ｂの上部の水蒸気発生部２５２ａに水が注入され、貯留する。ガス発生炉本体２１の下方で、リング皿状に貯留された水は、ガス発生炉本体２１の熱伝導により加熱されて水蒸気となり、流入空気と混合される。
【００７６】
前記混合空気は、空気噴出用配管２５３ａを介して、空気噴出ノズル部２５３に導入され、前記空気噴出ノズル部２５３の先端部からガス発生炉本体２１内に噴出する。水蒸気の混合を停止する場合は、水排出弁２６３ｂを開として、水を排出することにより行う。
【００７７】
なお、前記水蒸気混合手段２６２は、前記のようにリング皿状の水蒸気発生部と水注入弁２６３ａおよび水排出弁２６３ｂとを備えた構成に限定されるものではない。たとえば、空気予熱部２５２の下方の水注入弁２６３ａの水出口付近に、エジェクタを配置し、導入空気に水の噴出作用により混合する構成とすることもできる。
【００７８】
図３は図２の固形バイオマス燃料ガス化装置により水蒸気を混合した場合の効果を確認した実験結果の一例を説明するための図である。図３に示すグラフは、前記図９（ｂ）のような温度推移を示す場合において、前記燃焼層の温度が、１０５０度Ｃの時点で、水蒸気の混合を開始した後の温度推移を示している。
【００７９】
図３の結果によれば、水蒸気混合後、燃焼層温度は、１０５０度Ｃから８５０度Ｃに低下して、ほぼ安定した状態になることが判る。また、水蒸気の混合により、木質系燃料の発生ガス中の水素は、９．８％から１２．３％に上昇した。
【００８０】
次に、図４は本発明の第三実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。図４において、図２と同じ構成部材には、同一番号を付して、詳細な説明を省略する。図４と図２との相違点は、図４において、空気導入手段２５１が導入空気の酸素濃度を下げるために、導入空気に発生ガスの一部を混合する発生ガス混合手段４４ａを備えている点である。なお、符号４４は、発生ガス混合弁、符号４６は吸込みファンである。
【００８１】
図５は本発明の第三実施例における固形バイオマス燃料ガス化装置により発生した生成ガスの一部を混合した場合の効果を確認した実験結果の一例を説明するための図である。図５に示すグラフは、発生ガス混合手段４４ａによって、発生ガスの一部を混合した時の燃焼層の温度推移が判る。図５に示すグラフは、発生ガスの一部を混合した後、９３０度Ｃから８４０度Ｃに低下して、ほぼ安定した状態になっている。
【００８２】
図４に示す固形バイオマス燃料ガス化装置は、導入空気の酸素濃度を下げるために、発生ガスの一部を混合したり、あるいは水蒸気の混合の少なくとも一方を実施することができる。また、前記固形バイオマス燃料ガス化装置は、発生ガスあるいは水蒸気の混合量を調節することもできる。
【００８３】
図６は本発明の第四実施例であり、固形バイオマス燃料ガス化装置に温度検出器を設けた例を説明するための図である。図６に示す固形バイオマス燃料ガス化装置は、図４と同様に、同一構成部材には同一番号を付して詳細な説明を省略する。図４と図６に示す固形バイオマス燃料ガス化装置の相違は、図６において、ガス発生炉本体２１の中央部に設けた固形バイオマス燃料の温度検出器２６１と、前記温度検出器２６１の出力値が所定の上限値に到達した際に、水蒸気の混合および／または発生ガスの混合を開始する制御を行う制御装置６１を備えていることである。
【００８４】
前記制御装置６１は、温度検出器２６１の出力値が予め定められた所定の上限値に到達した際に、吸込みファン２３の回転数を低下させるような制御を行う機能を備えている。図６に示す固形バイオマス燃料ガス化装置は、水蒸気の混合および／または発生ガスの混合を行って導入空気の酸素濃度を下げるための制御、あるいは導入空気量を減少させるための制御の少なくとも一つの制御を行うことができ、これにより、連続的に安定した燃焼が可能となる。
【００８５】
図７（ａ）ないし（ｃ）は空気噴出ノズル部の異なる実施例を説明するための図である。図７（ａ）において、中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部７０には、空気流通用の複数個の孔７０ａ（破線で示す）を備え、かつ、円筒部７０の軸芯と同心円状に着脱自在が可能なように設けられたキャップ円筒部材７２を備えている。
【００８６】
前記キャップ円筒部材７２は、空気流通用の複数個の孔７２ａ（実線で示す）を備えている。さらに、前記破線で示す孔７０ａよりも、実線で示す孔７２ａの方を小径とすることにより、導入空気の均一分散化を図っている。たとえば、孔７０ａの直径は、５ｍｍないし１０ｍｍ、孔７２ａの直径は、１ｍｍないし３ｍｍが好ましい。
【００８７】
次に、図７（ｂ）に示す実施例は、内部水冷二重管構造の例であり、空気噴出ノズル部を含む空気噴出用配管は、内管７０ｂおよび外管７０ｃからなる同心二重中空配管とし、前記内管の中空部には、導入空気（燃焼用空気）を通流し、外管７０ｃと内管７０ｂとの間の中空部には、前記空気噴出ノズル部冷却用の冷却水を通流する構成としている。図７（ｃ）に示す実施例は、図７（ｂ）に示す実施例に対して、さらに、前記キャップ円筒部材７２を設けたものである。
【００８８】
前記構成により、空気噴出ノズル部２５３の異常温度上昇を抑制しながらガス発生炉本体２１の寿命の向上を図ることができ、また、導入空気の均一分散化が図れる。
【００８９】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。たとえば、本実施例は、固形バイオマス燃料ガス化装置で説明したが、その他の固体燃料をガス化して、生成ガスを発生させることができる。
【００９０】
本発明のガス発生炉本体およびサイクロンを構成する蓄熱層、予熱層、断熱層、あるいは配管に使用する材料は、公知または周知のいかなる材料を使用することもできる。特に、前記蓄熱層は、金属球あるいはセラミック球等が使用できる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス発生炉本体と、前記ガス発生炉本体に設けた固形燃料の導入手段と、前記ガス発生炉本体中央部に設けた空気噴出ノズル部を有する空気導入手段と、前記ガス発生炉本体下部に設けた火格子と、前記火格子の下方に設けた発生ガスの排出手段と、ガス発生炉本体の外周を覆った蓄熱層、予熱層（水蒸気発生層）、あるいは断熱層を設けた下方通風式ガス化装置とすることで、空気噴出ノズル部における異常高温にさらされないようにした。
【００９２】
本発明によれば、蓄熱層、予熱層（水蒸気発生層）、および断熱層が相まって、ガス発生炉本体における燃焼部の温度を均一かつ安定に保持することができるため、効率良く生成ガスの発熱量を増加させることができるとともに、品質の高い生成ガスを発生する。
【００９３】
本発明によれば、生成された生成ガスの一部が、ガス発生炉本体に再循環されることにより、ガス発生炉本体内温度の安定化が図れるとともに、炉内温度を低減することができるため、ガス発生炉本体の寿命を延長させることができる。
【００９４】
本発明によれば、前記構成とすることで、導入空気の酸素濃度を下げる制御、あるいは導入空気量の減少制御の少なくとも一つの制御を行うことができるため、生成ガスの品質を向上させることができた。
【００９５】
本発明によれば、温度検出器と制御装置を設けることによって、ガス発生炉本体内の温度を所定の温度に制御することができるため、生成ガスの品質を向上させることができるとともに、ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延ばすことができる。
【００９６】
本発明によれば、空気流通用の複数の孔を備えることにより、固形燃料の燃焼が一カ所に集中することがなく、前記空気噴出ノズル部近傍から徐々に広がって行くため、固形燃料の燃焼が急激に一部のみで行われなく、燃焼部および前記空気噴出ノズル部の温度が上がり過ぎず、ガス発生炉本体あるいは空気噴出ノズル部の寿命を延ばすことができる。
【００９７】
本発明によれば、空気噴出ノズル部に着脱自在な中空円筒部を設け、固形燃料が空気噴出ノズル部内部に入り難くするとともに、前記空気噴出ノズル部の保護を行うことができるため、寿命をさらに延ばすことができる。
【００９８】
本発明によれば、空気噴出ノズル部を中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部に、空気流通用の複数個の孔を備えてなるものとし、さらに、空気噴出ノズル部を冷却可能な構成としたので、空気噴出ノズル部が異常な高温度にさらされることがなく、かつ、安定した燃焼と生成ガスの発生を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。
【図２】本発明の第二実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。
【図３】図２の固形バイオマス燃料ガス化装置により水蒸気を混合した場合の効果を確認した実験結果の一例を説明するための図である。
【図４】本発明の第三実施例で、固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。
【図５】本発明の第三実施例における固形バイオマス燃料ガス化装置により発生した生成ガスの一部を混合した場合の効果を確認した実験結果の一例を説明するための図である。
【図６】本発明の第四実施例であり、固形バイオマス燃料ガス化装置に温度検出器を設けた例を説明するための図である。
【図７】（ａ）ないし（ｃ）は空気噴出ノズル部の異なる実施例を説明するための図である。
【図８】従来例の問題を解決した固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は図８に示された固形バイオマス燃料ガス化装置の経過時間に対する燃焼層の温度変化を説明するための図である。
【図１０】従来例の固形バイオマス燃料ガス化装置を説明するための模式図であり、（ａ）は定常運転時、（ｂ）は（ａ）における燃料供給ゲートの概略を説明するための図である。
【符号の説明】
１０・・・・固形バイオマス燃料
１１・・・・ガス発生炉本体
１１１・・・燃焼部
１１２・・・燃料供給用ホッパー
１１３・・・蓄熱層
１１３１・・蓄熱体
１１４・・・予熱層（水蒸気発生層）
１１５・・・断熱層
１１６・・・空気噴出ノズル部
１１６１・・導通管
１１６２・・孔（空気噴出口）
１１７・・・生成ガス取出管
１１８・・・水取入口
１１９・・・灰分取出口
１２・・・・サイクロン
１２１・・・空気予熱層
１２２・・・断熱層
１２１１・・空気導入管
１２３・・・空気取入口
１３・・・・ファン
１４・・・・ファン
１５・・・・生成ガス取出口
１６・・・・未燃焼分取出口
Claims (15)
- ガス発生炉本体と、
前記ガス発生炉本体の上部に設けられた固形燃料導入手段と、
前記ガス発生炉本体の略中央部に設けられた空気噴出ノズル部を有する空気導入手段と、
前記ガス発生炉本体の下部に設けられた火格子と、
前記火格子の下方に設けられた発生ガス排出手段と、
から構成される固形燃料ガス化装置において、
前記ガス発生炉本体は、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段を備えていることを特徴とする固形燃料ガス化装置。 - ガス発生炉本体と、
前記ガス発生炉本体の上部に設けられた固形燃料導入手段と、
前記ガス発生炉本体の略中央部に設けられた空気噴出ノズル部を有する空気導入手段と、
前記ガス発生炉本体の下部に設けられた火格子と、
前記火格子の下方に設けられた発生ガス排出手段と、
前記発生ガス排出手段から発生したガスを精製する生成ガス精製手段と、
から構成される固形燃料ガス化装置において、
前記ガス発生炉本体は、当該ガス発生炉本体の外周部に蓄熱層を設けると共に、導入空気に水蒸気を混合する水蒸気混合手段を備えていることを特徴とする固形燃料ガス化装置。 - 前記蓄熱層の外周部には、水蒸気を発生する予熱層（水蒸気発生層）が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記予熱層（水蒸気発生層）の外周部には、断熱層が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記生成ガス精製手段の外周部には、空気予熱層が設けられていることを特徴とする請求項２に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記生成ガスの一部は、水蒸気とともにガス発生炉本体の燃焼部に戻されて再循環することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記空気噴出ノズル部における空気噴出ノズルは、燃焼部の略中央部から下向きの通風となるようにしてガス化を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記ガス発生炉本体の中央部には、固形燃料の温度検出器を備え、前記温度検出器の出力値が所定の上限に達した際に、前記水蒸気の混合および／または発生ガスの混合を開始するような制御を行う制御装置を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記発生ガス排出手段には、発生ガス吸引用ファンを備え、前記温度検出器によって検出された温度が上限値に達した際に、前記制御装置によって前記発生ガス吸引用ファンの回転数を低下させるような制御を行う制御装置を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記空気噴出ノズル部は、中空円筒配管の軸方向先端部における円筒部に、空気流通用の複数の孔を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記複数の孔を備えた円筒部は、当該円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けられたキャップ円筒部材を備え、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えていることを特徴とする請求項１０に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記キャップ円筒部材の孔径は、前記円筒部の孔径より小さいことを特徴とする請求項１１に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記中空円筒配管は、内管および外管からなる同心二重中空配管とし、前記内管の中空部には、導入空気を流通し、外管と内管との中空部には、前記空気噴出ノズル部冷却用の冷却水を通流する構成としたことを特徴とする請求項１２に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記孔を備えた同心二重中空配管の円筒部は、前記円筒部の軸芯と同心円状に着脱自在に設けられたキャップ円筒部材を備え、前記キャップ円筒部材は、空気流通用の複数個の孔を備えていることを特徴とする請求項１３に記載された固形燃料ガス化装置。
- 前記火格子上には、複数個の金属球またはセラミック球等の耐火球を層状かつ略均一に配設した耐火球敷設層と、前記耐火球の予備加熱手段とを備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載された固形燃料ガス化装置。
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