JP3980382B2 - バイオマス熱分解方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温ガス顕熱を利用してバイオマスを急速に熱分解する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化問題への対応は、新エネルギ−の開発・実用化、低二酸化炭素発生エネルギーへのシフト、原子力比率の向上、既存一次エネルギーの効率的かつ合理的利用、未利用エネルギーや廃棄物エネルギーの利用等で進められている。特にバイオマスはカーボンニュートラルであり、気候変動枠組条約締約国会議（ＣＯＰ３〜６、ＣＯＰ； Ｔｈｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｆ ｔｈｅ Ｐａｒｔｙ）での国際公約を達成する意味でも積極的に使用して石油、石炭等を代替すべき資源であるといえる。バイオマスとは生物量の総称であり、ＦＡＯ（国連食糧農業機関）によれば、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系（家畜廃棄物）、水産系（水産加工残滓）、廃棄物系（生ゴミ、ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Ｒｅｆｕｓｅｄ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｆｕｅｌ）、庭木、建設廃材、下水汚泥）等に分類される。
【０００３】
バイオマスからのエネルギー回収、エネルギー転換を考えたとき、通常は燃焼による生成ガス顕熱で蒸気を生成し、スチームタービンで電力として回収する効率の低い方法がとられる。これは、バイオマスは一般に水分を多く含んで熱量が低いため、熱分解やガス化に必要な熱が不足することにより、燃焼しか選択肢がないためで、外部からの熱（他の燃料による熱補償）がないと成り立たないプロセスが多い。従って、バイオマスからエネルギーを回収し、有効に利用するためには、転換効率の高い方法が必須である。近年になって、特開平１１−３０２６６５号公報「バイオマスと化石燃料を用いたガス化方法」に見られるように、化石燃料を併用して、バイオマスのエネルギー転換効率を上げようとする技術等が見られるようになった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
バイオマスを酸素で部分酸化（ガス化）してガス燃料や化学原料として使用する場合、従来の一般的な指標は冷ガス効率（（生成物潜熱／バイオマス潜熱）×１００）で、バイオマスでの理論値（上限値）は８０％程度となる。これに水分、スス生成、回収不能な放散熱等、マイナス要素が加わり、実際の効率は大幅に落ち、６０〜７５％程度となる。水分は、熱回収設備により回収可能だが、ガス化部分の温度を低下させる方向に働くことで、反応率自体を下げ、効率低下を引き起こしてしまう。
【０００５】
そこで本発明では、効率の高いエネルギー化方法として急速熱分解法を選択し、バイオマスに適した反応形態で、バイオマスの熱量を有効に利用する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の課題を解決するに有効な方法であり、
１）ガス化部と、バイオマスの熱分解反応部と、前記ガス化部と前記熱分解反応部を連接する接続部とを備えたバイオマス熱分解装置を用い、バイオマスを熱分解原料とし、気流層または噴流層の前記熱分解反応部で熱分解温度５００〜８００℃の熱分解反応によってガス、タール及びチャーの生成物を得るバイオマス熱分解方法であって、前記熱分解反応の熱源として、前記ガス化部において、前記バイオマス、又は、前記バイオマスと、バイオマスチャー、ガス燃料、炭素質原料のいずれか一つ以上をガス化原料とし、酸素、又は酸素と水蒸気でガス化して得られる８００℃以上の高温ガスを用いるバイオマス熱分解方法、
２）前記高温ガスの熱量に応じて前記バイオマス熱分解原料の供給量を変化させることで前記熱分解温度を調整することを特徴とする、１）記載のバイオマス熱分解方法、
３）前記熱分解反応部の温度を検知し、当該検知した温度が設定値となるようにバイオマス熱分解原料の供給量を調整することを特徴とする、１）記載のバイオマス熱分解方法、からなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本明細書において、バイオマスについての定義は上記ＦＡＯの定義に準ずる。バイオマスを熱分解した際に生成する生成物の内、固形分をバイオマスチャー、常温で液体となる成分をタールとする。バイオマスチャーは炭素含有量が多い優良な炭材である。ガス燃料とは、天然ガス、液化石油ガス等、通常入手可能な気体燃料である。炭素質原料とは、石炭、石油、重油等、加熱に使用する固体燃料、液体燃料のことである。
【０００８】
図１に、本発明を適用したバイオマス熱分解プロセスフロー例を示す。なお、本発明の効果を発現するのに少なくとも必要な設備構成は、請求項７で示した、バイオマス熱分解反応部１、ガス化部６とそれらを連接する接続部４である。バイオマスの熱分解反応部１には、バイオマス熱分解反応部供給装置２により、バイオマス３が供給される。供給されたバイオマスは、接続部４からの８００℃以上の高温ガス５により、急速に昇温され、熱分解される。高温ガス温度に関しては、８００℃未満の場合、熱分解に必要なガス顕熱が不足する。また上限は特に規定するものではなく、高温による設備的制約（炉材等）を考慮して適宜設定すれば良い。但し炉温が高いほど増大する放散熱や、高温ほど流動性が増す炉壁成分の安定性の観点から、１７００℃以下が良く、好ましくは１６００℃以下としたい。
【０００９】
熱分解は、反応物（バイオマス）が熱を充分に受けることのできるように、気流層または噴流層で実施する。気流層は、固体（この場合バイオマス）がガス流れの影響を強く受け、ガス流れとほぼ同じ挙動を示す系、噴流層は、ガス流れによる推進力（抵抗）と重力とのバランスで粒子の循環滞留部ができる系である。重い粒子ほど循環部への滞在時間が長くなる。気流層及び噴流層を選定したのは、反応の進行に重点を置き、固定層や流動層より高温ガスとの接触性（分散性）が良い系であるためである。
【００１０】
また、本発明での好ましい熱分解反応温度範囲は、バイオマスの種類によらず４００℃から１０００℃であり、例えば家屋用建材中の揮発分（８３質量％−ｄｒｙ程度）は、この温度範囲でほぼガス、タールに転換する。４００℃未満の熱分解温度では、反応が不十分ないわゆる未反応分が増加する。また１０００℃を越える熱分解温度の場合には、高温で進行するスス化反応が増え、固形分残渣収率が増加する。さらに、４００℃〜１０００℃の中でも、５００℃から８００℃がより好ましい温度領域である。熱バランス上は問題ないものの、５００℃未満では一部未反応分が、また８００℃を越えるとススが見られるようになる。
【００１１】
図２にバイオマスを熱分解して得られた固形分残渣の収率（乾燥基準のバイオマス質量ベース）と熱分解温度の関係を示す。１００％から固形分残渣収率を差し引いた値はガス及びタール量であり、固形分残渣収率が低いほどガス及びタールに転換されている有効な条件である。この様に、４００℃〜１０００℃の範囲は、ほぼ一定の低い固形分残渣収率（１１〜１５質量％）を示し、ガス、タールに多く転換するために有利である。
【００１２】
本プロセスにおいては、熱分解温度は、高温ガス顕熱と、供給バイオマス量のバランスで一義的に決まる。すなわち、高温ガスの持ち込む顕熱に対し、熱分解等反応熱、放散熱を差し引いた残りの熱がガスやバイオマス残渣を含む生成物に分配され、最終温度が確定する。従って、例えば高温ガス顕熱が一定の場合、バイオマス投入量を増加させると熱分解温度が下がり、投入量を減少させると熱分解温度が上がることを利用して、熱分解温度を調整することが可能である。
一方で、高温ガス顕熱を変更しても同様な効果を得ることができるが、酸素、水蒸気による部分ガス化反応の制御性の難しさ、高温ガス量の変動に起因するガス流れの変動による反応への悪影響があり、実操業には向かない。
【００１３】
さらに、制御用熱電対１８で熱分解反応部温度を検知し、その温度を元にバイオマス供給量を変化させることで（高温ガス顕熱が一定の場合、バイオマス投入量を増加させると熱分解温度が下がり、投入量を減少させると熱分解温度が上がる。）、設定温度に調整する方法がある。これは、熱分解温度を検知し、供給量を変化させて設定した熱分解温度に調整するものであり、熱分解の安定操業が達成できる。
【００１４】
熱分解反応の熱源としての高温ガス５は、バイオマスをガス化原料として、ガス化部６で酸素７又は酸素７と水蒸気８で部分酸化することで作られる。ガス化は酸素７のみで充分進行する。水蒸気を併用する場合は、ガス組成調整、特に水素が多く必要な場合（シフト反応で水素ガスが生成）や、操業変更のために熱分解温度を１００℃単位で大きく変える必要があり、大量のガス顕熱変動が必要な場合（熱媒体として使用。ガス化炉操業を変更する手段もあるが、ガス化炉温が変動するため、制御の点からも水蒸気の方が有効）などである。接続部４は熱分解反応部１とガス化部６の反応を分離する役割を果たしており、熱分解反応部１には、一酸化炭素と水素を主体とした８００℃から１７００℃の高温の還元ガス（高温ガス５）が流入する。
【００１５】
高温ガス５としてバイオマスをガス化原料として、ガス化した場合、高温ガス５が８００℃未満の場合、熱分解に必要なガス顕熱の不足や、ガス化反応速度の低下による未燃物発生等でガス化反応の効率が低下する。また１７００℃を越えたガス化温度は、高温による放散熱や炉材安定性等の制約や、大量のスス生成によるガス化反応効率低下が起こる。
【００１６】
また、バイオマスチャー、ガス燃料、炭素質原料のいずれか一つ以上の原料をバイオマスと併用して、ガス化原料としても良い。この場合、８００℃〜１７００℃の範囲の中でも、炭素質原料のうち、石炭に代表される高灰融点（１３００℃以上）原料では、１３００℃〜１７００℃にガス化炉温を保ち、灰分付着等のトラブルを防止しなければならず、高温操業であるが故にガス化炉部分の効率を多少低下させてしまうが、バイオマス、バイオマスチャー、ガス燃料、灰分の融点が低い炭素質原料（１３００℃未満）では、１３００℃未満のガス化温度で操業でき、無駄なく熱量を利用できる。
【００１７】
特に、熱分解後に排出されるバイオマスチャーをガス化原料に使用する場合は、ススが混入する可能性があることに注意を払う必要がある。ガス化炉での部分酸化反応の過程で生成したススも、熱分解部で高温熱分解の過程で生成したススも、バイオマスチャーと共に固気分離工程で回収されるためである。どちらのススもガス化反応が進行しにくく、プロセス全体の効率を低下させる要因であるため、熱分解温度、ガス化温度はスス生成を抑制する目的で上限温度を適宜、最適に設置することが望ましい。
【００１８】
反応の明確な分離を達成するためには、接続部４の流路断面積の内、最も小さい断面積が、熱分解反応部１の接続部４との連接部近傍での流路断面積より小さい方が好ましく、より望ましくは｛［接続部で最も小さい流路断面積／熱分解反応部と接続部の連接部分近傍での熱分解反応部側流路断面積］｝×１００（断面積比）で７５％以下であれば、粒子の分離性の点で好ましい。これらは、バイオマス粒子のガス化部６への流入、すなわち逆流を防ぎ、炭素源がガス化部６に入ることによる酸素不足による未燃バイオマス増加を防ぐ効果がある。ガス化部６では、プロセス全体の酸素消費量を下げ、生成物発熱量を上げるために、完全燃焼とせず、部分酸化反応とする。
【００１９】
熱分解されたバイオマスは、揮発分を主体としたガス、タールと、固定炭素を主体としたチャーに転換される。この混合物は下流の固気分離工程９でバイオマスチャー１０のみ分離される。さらに下流では液分離器１１でタール１２とガス１３が分離される。ガス化原料としては、バイオマス３、バイオマスチャー１０、ガス燃料１４、炭素質原料１５が用いられる。高温の還元ガスが発生できればどれも利用できるが、外部投入エネルギーを最小限とする場合は、バイオマスチャー１０を全量利用することが好ましい。また、操業条件によって熱量不足が発生する場合は、バイオマス３を利用し、補助的にガス燃料１４、炭素質原料１５を使用することができる。バイオマスチャー１０は、バイオマスチャー供給装置１７から、バイオマス３はバイオマスガス化部供給装置１６からそれぞれ供給される。
【００２０】
【実施例】
つぎに、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
【００２１】
実施例１
従来技術との効率比較を表１に示す。比較した従来技術はガス化技術のみであり、本発明の例は熱分解にガス化を組み合わせた系である。本系では、ガス化原料として熱分解原料と同じバイオマスを使用している。熱分解温度は５００℃、８００℃と、前記の好ましい熱分解温度範囲の境界温度を選択しており、この温度領域（５００〜８００℃）では本結果と同等以上の効果が得られる（図２より）。またガス化温度は、灰付着トラブルの心配がないため１２００℃の効率的な温度に設定できた。原料バイオマス（熱分解＋ガス化）から回収可能な生成物潜熱（ガス化の冷ガス効率に相当）は８５〜８８％となり、従来技術のガス化（部分酸化：最大でも８０％程度）と比較しても非常に効率が高い。これは、バイオマスをエネルギーに転換するのに最小限の酸素を使用するようにしていること（バイオマス１トンあたりで比較すると、従来技術の５０％〜７０％しか使用しない）、またその結果、少ない酸素量でありながらガス化温度を１２００℃に設定でき、放熱等のロスが少なくなったためであり、従来技術と比べて５％以上、冷ガス効率が向上し、工業的にも非常にメリットの大きな結果となった。
【００２２】
実施例２
熱分解温度制御の手法として、熱分解温度が高温ガス顕熱と供給バイオマス量のバランスで一義的に決まる特性を利用し、高温ガスの熱量、すなわちガス化部操業条件で決まる熱量に応じて算出したバイオマス量を、バイオマス熱分解供給装置２から供給させることで熱分解反応温度を調整する方法を示す。ガス化原料量、工業分析値［揮発分８３．２質量％−ｄｒｙ、灰分１．４質量％−ｄｒｙ、水分１７．４質量％］、元素分析値［Ｃ：５０．４質量％−ｄｒｙ、Ｈ：５．８質量％−ｄｒｙ、Ｏ：４２．１質量％−ｄｒｙ］）及び、投入酸素量、投入水蒸気量、ガス化炉放熱量から、物質バランス、熱バランスを取り、所定ガス化温度でのシフト反応平衡時の生成物（高温ガス成分）を推算し、ガス顕熱を算出する。このガス顕熱を元にバイオマス比熱、水分量から、目標とする熱分解温度にするためのバイオマス量を逆算した。
【００２３】
例えばバイオマスガス化量７０ｋｇ／ｈｒ、酸素４０Ｎｍ３／ｈｒ、放散熱８％、の場合、化学工業プロセス及び石炭等ガス化プロセスで通常用いる熱計算の手法を用いてガス顕熱を算出し、熱分解温度の目標値を７００℃とした場合、用いたバイオマス比熱、水分量から、熱分解バイオマス量は９０ｋｇ／ｈｒにすれば良い。また、熱分解温度の目標値を別の温度に変更したい場合は、同様の手法で熱分解バイオマス量を算出できる。
【００２４】
実施例３
制御用熱電対１８で熱分解反応部温度を検知し、その温度を元にバイオマス供給量を変化させた。図３に、本方法での温度制御性の例を示した。短時間の例ではあるが、設定温度に対し、熱分解バイオマス供給量やガス化バイオマス供給量の変動要因があったものの、安定して制御できた。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【発明の効果】
本発明による、ガス化顕熱を熱分解に組み合わせる方法及びその装置することで、高効率なバイオマスのガスエネルギー及び液エネルギーへの転換を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バイオマス熱分解プロセスフロー。
【図２】 熱分解温度と固形分残渣の関係。
【図３】 温度制御性。
【符号の説明】
１…熱分解反応部
２…バイオマス熱分解反応部供給装置
３…バイオマス
４…接続部
５…高温ガス
６…ガス化部
７…酸素
８…：水蒸気
９…固気分離工程
１０…バイオマスチャー
１１…液分離器
１２…タール
１３…ガス
１４…ガス燃料
１５…炭素質原料
１６…バイオマスガス化部供給装置
１７…バイオマスチャー供給装置
１８…制御用温度計。

Claims (3)

1. ガス化部と、バイオマスの熱分解反応部と、前記ガス化部と前記熱分解反応部を連接する接続部とを備えたバイオマス熱分解装置を用い、バイオマスを熱分解原料とし、気流層または噴流層の前記熱分解反応部で熱分解温度５００〜８００℃の熱分解反応によってガス、タール及びチャーの生成物を得るバイオマス熱分解方法であって、
   前記熱分解反応の熱源として、前記ガス化部において、バイオマス、又は、バイオマスと、バイオマスチャー、ガス燃料、炭素質原料のいずれか一つ以上をガス化原料とし、酸素、又は酸素と水蒸気でガス化して得られる８００℃以上の高温ガスを用いるバイオマス熱分解方法。
2. 前記高温ガスの熱量に応じて前記バイオマス熱分解原料の供給量を変化させることで前記熱分解温度を調整することを特徴とする、請求項１記載のバイオマス熱分解方法。
3. 前記熱分解反応部の温度を検知し、当該検知した温度が設定値となるようにバイオマス熱分解原料の供給量を調整することを特徴とする、請求項１記載のバイオマス熱分解方法。

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