JP4504337B2 - ガス化炉及びガス化炉システム - Google Patents

Description

本発明は、木質バイオマスを効率的にガス化させるガス化炉に関し、さらに詳しくは固定床式のガス化炉に関する。

近年、我が国においては、大量生産大量消費により生み出された廃棄物の増加が大きな社会問題となり、資源の有効利用が望まれている。また、地球温暖化対策として、化石燃料を利用する発電から太陽、風力、水力等の自然エネルギーへの転換も必要とされている。これに対し、森林や木材加工から発生する間伐材や端材等の木質資源、所謂木質バイオマスの有効利用が検討されている。木質バイオマスの利用技術には、（１）直接燃焼、（２）ガス化技術、（３）エタノール化、（４）固形化等がある。直接燃焼は、木材をボイラーで燃焼させ、その燃焼熱を利用して廃熱ボイラーで蒸気を取り出し、ボイラータービンで発電したり蒸気の熱利用を行うものである。また、ガス化技術は、低酸素下で木材を熱分解させ、生成した可燃性ガス（一酸化炭素、水素、メタン等）を用いてガスエンジンで発電させたり、生成ガスに水蒸気を吹き込んでガスを改質し、水素やメタノール等を製造するものである。また、エタノール化は、木材中のセルロース等を加水分解して糖化し、酵母菌等により発酵させてエタノールを製造するものである。また、固形化は、木材を圧縮して固形燃料にしたり、炭化して木炭として利用するものである。この中で、ガス化技術は、小規模でも高い発電効率と熱回収率が期待できることから、熱電供給可能なコージェネレーションシステムとして注目されている。

ガス化技術に用いるガス化炉には、炉に少量の空気を入れて蒸し焼きする直接ガス化方式（固定床炉や流動床炉）や、炉に空気を入れず炉を外部から加熱する間接ガス化方式（ロータリーキルン式）等が提案されている。この中で、固定床炉は、木質チップ等の炭素質固形材料と気体材料との接触時間を長くとれること、炉構造が簡単であること、そして運転操作が比較的容易であるという特徴を有する。例えば、固定床炉として、炉の上部に炭素質固形材料の導入部を設け、中央部に空気の取り入れ口を設け、下部に火格子を設け、さらに火格子の下方に発生ガスの導出部を設けたダウンドラフト式のガス化炉が提案されている（例えば、特許文献１及び２）。
特表２０００−５０５１２３号公報 特開２００２−２８５１７２号公報

しかしながら、実用化に向けて、高い熱効率を有し、さらにコンパクトな構造を有するガス化炉が必要とされている。

そこで、本発明は、高い熱効率を有するとともに、よりコンパクトな構造を有するガス化炉を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明のガス化炉は、炭素質固形材料が供給され、この炭素質固形材料に低温処理を行う上部室と、
上記上部室に連通すると共に、上端が上記上部室の下端に対して隙間を形成するように配置され、上記上部室から供給された炭素質固形材料に高温処理を行って可燃性ガスを生成する下部室と、
上記下部室の下端部に配置された火格子部と、
上記下部室を取り囲むように形成され、上記上部室と下部室との間の隙間に連なる一方、上記下部室の下端に対して連通が遮断された外周通路と、
上記外周通路に連なる第１出入口と、
上記下部室の下端に連なる第２出入口と
を備え、上記上部室と下部室との間の隙間に、着火部が配置されていることを特徴としている。

炭素質固形材料の一例としての木質バイオマスのガス化は、木質材料の燃焼（酸化）により生成する二酸化炭素の水分を、燃焼木炭と反応させて（還元）、一酸化炭素や水素、そしてメタン等の可燃性ガスへと変換する反応である。本発明のガス化炉は、固定床式のガス化炉であり、高温処理を行う下部室の通風方式として、気体材料を下部室の上端から下向きに送る所謂ダウンドラフト方式と、気体材料を下部室の下端から上向きに送る所謂アップドラフト方式とのいずれも適用できるものである。

本発明のガス化炉をダウンドラフト方式とする場合、上部室では、下部室からの放射熱により、下部室で行われる処理よりも低温の処理を行う。詳しくは、炭素質固形材料中の水分を蒸発させて乾燥させる。上部室で低温処理された炭素質固形材料は、下部室に供給される。また、外周通路から、上部室の下端と下部室の上端との間の隙間を通って、下部室内に気体材料が供給される。下部室では、上部室におけるよりも高温の処理を行う。詳しくは、下部室内に、上から順に、熱分解区域、酸化区域及び還元区域を形成し、上記熱分解区域と酸化区域において、固形材料を燃焼して燃焼木炭を生成すると共に、二酸化炭素と水分を生成する。還元区域では、二酸化炭素や水分を燃焼木炭と反応させて一酸化炭素や水素等の可燃性ガスを生成する。なお、熱分解区域の上に、乾燥区域が形成されてもよい。

一方、本発明のガス化炉をアップドラフト方式とする場合、上部室では、ダウンドラフト方式と同様に、低温処理によって炭素質固形材料を乾燥させる。下部室では、下端から気体材料が供給されることにより、火格子部上に酸化区域が形成される。すなわち、下部室では高温処理が行われて、上から順に、熱分解区域、還元区域及び酸化区域が形成される。酸化区域で生成した二酸化炭素と水分は、還元区域で燃焼木炭と反応して一酸化炭素や水素等の可燃性ガスとなり、熱分解区域を通って外周通路に排出される。なお、熱分解区域の上に、乾燥区域が形成されてもよい。

本発明のガス化炉によれば、ダウンドラフト方式とアップドラフト方式のいずれにおいて、下部室を取り囲む外周通路によって下部室の断熱効果が得られる。これにより、外周通路を設けない場合よりも少ない断熱材を用いて下部室の断熱を行うことができる。したがって、ガス化炉内の断熱材の配置スペースを削減できるので、ガス化炉の小型化を図ることができる。

また、上記構成によれば、上記着火部によって上部室及び下部室内の炭素固形材料に着火させることができる。上記隙間には気体が流通し易いので、例えば酸素等が容易に供給されて、炭素固形材料に容易に着火させることができる。

一実施形態のガス化炉は、上記上部室と下部室との間の隙間を通して、外部から上部室又は下部室の内側を視認可能に形成されている。

上記実施形態によれば、例えば、上部室と下部室を取り囲む壁に視認窓を設けること等により、気体材料や可燃性ガスの通路である隙間を利用して、ガス化炉の外部から上部室内及び下部室内の様子を監視できる。

一実施形態のガス化炉は、上記下部室は円筒形状を有し、上記下部室の内側面に、周方向に延在すると共に径方向の内側に突出する環状突部が設けられている。

上記実施形態によれば、上記環状突部が設けられた位置で、上記下部室内を流れるガスの流速が上昇すると共に、ガスの温度が上昇する。これにより、ダウンドラフト式とアップドラフト式とのいずれにおいても、熱量と燃焼速度の高い可燃性ガスを得ることができる。

ダウンドラフト式では、環状突部を酸化区域に相当する位置に配置することにより、温度が上昇したガスを酸化区域から還元区域に高速で押し込むことができ、これにより、ガスに含まれるタールの分解を促進することができる。タールが分解されると、一酸化炭素や水素、そして、メタン等の可燃性ガスとなるので、タールが残留する場合と比較して、炭素固形材料のガス化効率を向上できる。特に、生成されるガスの水素成分量を増大できるので、熱量と燃焼速度の高い可燃性ガスを得ることができる。

一方、アップドラフト式では、環状突部を熱分解区域に相当する位置に配置することにより、温度が上昇したガスを、下部室の上端から隙間を通して外周通路に排出できる。これにより、上記隙間を隔てて対向する上部室の温度を上昇でき、この上部室内の炭素質固形材料を十分に乾燥できる。その結果、この炭素質固形材料の高温処理を行う下部室内の温度を十分に上昇でき、生成されるガスの水素成分量を増大できるので、熱量と燃焼速度の高い可燃性ガスを得ることができる。

一実施形態のガス化炉は、上記火格子は、円錐形状を有すると共に、上端部が上記下部室内に挿入された状態で、軸回りに回転駆動されるように形成されている。

上記実施形態によれば、上記火格子を回転駆動することにより、上記下部室内の高温処理によって生成された灰を、効率的に下部室から排出することができる。

一実施形態のガス化炉は、上記火格子は、上端から下端側に向かうにつれて径が順次大きくなるように配置された複数の円環部を有する。

上記実施形態によれば、火格子上の灰は、各円環部において内側と外側に振り分けられ、円環部の内側に移動した灰はそのまま下方に落下する一方、円環部の外側に移動した灰は、下側に隣り合う円環部で内側と外側のいずれかに振り分けられる。このように、火格子上の灰は、火格子に沿って下方に移動するにつれて、各円環部の内側と外側とに順次振り分けられるので、火格子の下側に略均一に排出される。なお、上記円環部は、周面を傾斜面に形成し、この傾斜面の傾斜角度を、炭素固形材料が高温処理されて得られる灰の安息角度と概ね同じにするのが好ましい。また、各円環部は、火格子の平面視において互いに隙間無く配置されているのが好ましい。

一実施形態のガス化炉は、上記火格子の回転駆動に伴って駆動され、上記下部室の下端と第２出入口との間に堆積する灰を除去するスクレーパを備える。

上記実施形態によれば、上記スクレーパで灰を除去することにより、上記下部室の下端と第２出入口との間に、気体材料又は可燃性ガスの通路を確保することができる。

一実施形態のガス化炉は、上記第１出入口から気体材料が供給され、この気体材料が上記外周通路を経由して上記上部室の下端と下部室の上端との間の隙間に流入して上記下部室に下向きの流れが形成され、この下部室で生成された可燃性ガスを上記第２出入口から排出するようにしている。

上記実施形態によれば、下部室に下向きの流れが形成されるダウンドラフト式のガス化炉が得られる。

一実施形態のガス化炉は、上記第２出入口から気体材料が供給され、この気体材料が上記下部室の下端に流入して上記下部室に上向きの流れが形成され、この下部室で生成された可燃性ガスを、上記外周通路を経由して上記第１出入口から排出するようにしている。

上記実施形態によれば、下部室に上向きの流れが形成されるアップドラフト式のガス化炉が得られる。

本発明のガス化炉システムは、上記ガス化炉と、
上記ガス化炉の第１出入口と第２出入口のうちの一方に接続され、このガス化炉に気体材料を供給する容積型送風機と、
上記容積型送風機がガス化炉に供給する上記気体材料の流量を制御して、上記ガス化炉の第１出入口と第２出入口のうちの他方から吐出される可燃性ガスの量を制御する制御部と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、容積型送風機を用いることにより、ガス化炉の圧力変動等の影響を受けることなく、このガス化炉に供給する気体材料の流量を精度よく制御できる。したがって、上記制御部によって容積型送風機がガス化炉へ供給する気体材料の流量を制御することにより、上記ガス化炉で生成されて吐出される可燃性ガスの量を、高精度に制御することができる。このガス化炉システムにより、可燃性ガスの量の制御を高精度に行うことができるので、例えばボイラーの温度制御や、ガスエンジンの回転数制御等を行うことができる。

本発明によれば、下部室を取り囲む外周通路によって下部室の断熱効果が得られるので、外周通路を設けない場合よりも少ない断熱材を用いて下部室の断熱を行うことができ、ダウンドラフト方式とアップドラフト方式のいずれを適用しても小型化が可能なガス化炉が得られる。

以下、本発明の乾燥装置を図示の実施形態により詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のガス化炉の構造を示す模式断面図であり、反応炉へ気体材料を下向きに通風させる所謂ダウンドラフト式のガス化炉の一例を示している。ガス化炉Ａは、円筒形状を有する下部室としての反応炉１と、この反応炉１の上側に配置されて円筒形状を有する上部室としての供給乾燥炉２と、上記反応炉１の下端部に設けられた火格子１２を備える。反応炉１の径方向の外側には、所定間隔をおいて筒状の内壁８が配置されており、この内壁８の内周面と反応炉１の外周面との間に、概ね円筒形状の外周通路９が形成されている。反応炉１の下側には、反応炉１の下端に連通して、反応炉１で生成された灰を貯留する下端室３が配置されている。供給乾燥炉２の概ね下半分と、反応炉１及び外周通路９と、下端室３の概ね上半分を、ケーシング６内に収容している。ケーシング６には、第１出入口としての空気供給部４と、第２出入口としてのガス排出部５が突出して設けられている。空気供給部４は、上記内壁８に設けられた開口に接続されて、上記外周通路９に連通している。また、ガス排出部５は、上記下端室３の壁面に設けられた開口に接続されて、この下端室３に連通している。

反応炉１の上端と供給乾燥炉２の下端との間には、所定距離の間隔が設けられて、隙間通路１０が形成されている。この隙間通路１０を介して、外周通路９と、反応炉１の内部と、供給乾燥炉２の内部とが互いに連通している。反応炉１の内径は、供給乾燥炉２の内径よりも大きく形成していて、反応炉１と供給乾燥炉２との間に径方向の段差を形成している。この段差の距離と、隙間通路１０の離隔距離とは、以下のような関係を有する。すなわち、径方向の段差を底辺とすると共に、この底辺と直角をなして隙間通路１０の離隔を高さとする直角三角形について、この直角三角形の正接を、固形材料の安息角度の正接よりも小さくする。これにより、供給乾燥炉２から反応炉１に供給される固形材料が隙間通路１０から漏出することを防止している。

外周通路９は、反応炉１の外周面を取り囲むと共に、内壁８に形成された開口を介して空気供給部４に連通している。空気供給部４から外周通路９に供給された気体材料は、反応炉１の外周面に沿って流れて、隙間通路１０を介して反応炉１内に流入するようになっている。これにより、外周通路９を通る気体材料が反応炉１と熱交換を行って温度上昇し、また、反応炉１からの熱が外周通路９の外側に放出され難くなっている。すなわち、上記外周通路９によって、反応炉１に流入する気体材料の前加熱ができて加熱効率を向上でき、また、反応炉１に対する断熱効果が得られる。

ケーシング６と供給乾燥炉２との間と、ケーシング６と内壁８との間と、ケーシング６と下端室３との間には、外断熱材４２，４３，４４が夫々配置されている。ケーシング６と内壁８との間の外断熱材４３は、外周通路９によって反応炉１の断熱効果が得られるので、反応炉１を直接断熱するよりも少ない断熱材で構成できる。これにより、ケーシング６内の断熱材の使用量が効果的に削減され、ひいては、ガス化炉Ａの小型化が可能になっている。

反応炉１の内壁面には、円周方向に延在すると共に、反応炉１の内側に突出する環状突部１１が設けられている。環状突部１１は、反応炉１の高さ方向の中央よりも多少上側寄りに設けられている。隙間通路１０を通って上端から反応炉１内に気体材料が供給され、これにより、環状突部１１を下向きに気体が流れて火格子部３に至る。

ここで、反応炉１内を流れる気体は、環状突部１１において通路面積が狭められるため、その温度が上昇する。環状突部１１は、上述の乾燥区域、熱分解区域、酸化区域、そして還元区域に相当するいずれの領域にも設けることができるが、酸化区域に相当する領域に設けることが好ましい。環状突部１１を通過した高温の気体が還元区域に押し込まれる結果、タールの分解を促進することができるからである。環状突部の形状は、炉体内部に突出して気体の通路面積を狭くする形状であれば特に限定されないが、反応炉１の軸を通る切断面において矩形形状を有する段形状であることが好ましい。段形状とすることにより、気体の速度を一気に高め、気体の温度を大きく上昇させることができるからである。また、段形状とすると、製造が容易となり製造コストを低減できるという利点もある。また、環状突部の高さは特に限定されないが、好ましくは環状突部の高さ（反応炉１の径方向と平行な方向の寸法）が反応炉半径の１／７〜１／２、より好ましくは１／５〜１／３である。１／７より小さいと温度を上昇させる効果が不十分であり、１／２より大きいと気体材料の供給量が少なくなり、固形材料の熱分解を十分に行うことができないからである。また、環状突部の厚み（反応炉１の高さ方向と平行な方向の寸法）は、好ましくは反応炉１の高さの１／１３〜１／４、より好ましくは１／１０〜１／５である。

なお、反応炉１内の乾燥区域、熱分解区域、酸化区域、そして還元区域に相当する領域は、反応炉１の直径や高さ等を考慮してそれぞれ推定することが可能であり、その推定した領域に環状突部を設けることができる。

隙間通路１０には、着火部としてのバーナ１８が配置されている。このバーナ１８の先端から、図示しない電気ヒータで加熱された高温空気を噴射して、固形材料を着火するようになっている。

また、内壁８には、隙間通路１０が形成された高さと同じ高さの位置に、耐熱ガラスがはめ込まれた窓が形成されており、この窓に中空の視認管１９の一端が接続されている。この視認管１９の他端はケーシング６外に突出しており、この視認管１９の他端から、隙間通路１０を通して反応炉１及び供給乾燥炉２内を視認可能になっている。

下端室３内には、火格子１２を回転駆動する駆動軸１４が配置されている。下端室３の上端は反応炉１の下端に連なっており、火格子１２が回転駆動されるに伴って反応炉１から落下する灰を受け取り、また、反応炉１で生成された可燃性ガスが流入するように形成されている。駆動軸１４は、下端室３の底面に取り付けられた駆動部１６に連結されており、この駆動部１６内のモーターによって回転駆動される。ガス化炉Ａの動作時には、反応炉１内の火格子１２の上に、供給乾燥炉２から投入された固形材料が堆積し、ガス化の進行と共に固形材料が灰に変化する。生成された灰は、火格子１２によって落下されて下端室３内に堆積し、図示しない排出口から排出される。この下端室３の排出口にはスクリューコンベヤが連結されており、このスクリューコンベヤの排出口にはロータリバルブを設けて、灰を排出する際の炉内の圧力減少を防止している。

上記火格子１２は、複数の異径の円環を円錐形状に積層して固定した積層体を用いることが好ましい。図２は、火格子１２の一例を示す模式断面図である。図２に示すように、火格子１２は、上端の円錐部１２１と、この円錐部１２１の下側に配置された複数の円環部１２２，１２３で形成している。図２では、理解容易のため、円環部１２２，１２３を２つのみ示し、また、円環部１２２，１２３の間隔や寸法比率を強調して示している。円環部１２２，１２３は傾斜した側面１２２ａ，１２３ａを有し、この側面の傾斜角度を灰の安息角度と概ね同じに形成している。これにより、図２において矢印で示すように、円環部の内側の貫通孔１２２ｂ，１２３ｂに流れた灰を下方の下端室３内に落下させる一方、円環部の側面１２２ａ，１２３ａに沿って外側に流れた灰を、下側に隣接する円環の上に導くことができる。これにより、火格子１２の下方に概ね均一に灰を落下させることができる。なお、火格子は、円錐形状に限られず、例えば格子状のような他の形状であってもよい。また、火格子は、必ずしも駆動しなくてもよい。

駆動軸１４の上部には、ガス排出部５が下端室３に連なる高さと略同じ高さに、スクレーパ１５を設けている。スクレーパ１５は、火格子１２の径方向に延在する矩形片を駆動軸１４に固定して形成している。駆動軸１４を回転させると、スクレーパ１５が回転して灰が下端室３の内壁に付着するのを防止する。これにより、下端室３内において、可燃性ガスをガス排出部５へ導く通路を確保することができる。また、生成ガスに浮遊する微細な灰をガス排出部５へ誘導することができる。

供給乾燥炉２は、木質ペレット等の固形材料が上端から供給され、この固形材料を貯留及び乾燥する。供給乾燥炉２の下端部には断熱材４１が外周を取り囲むように配置されており、この供給乾燥炉２の下端部で固形材料の低温処理が行われる。すなわち、反応炉１から伝達される熱により、反応炉１における温度より低い温度で固形材料を乾燥する。供給乾燥炉２への固形材料の供給は、図示しない貯留槽から、図示しない定量供給装置によって行う。供給乾燥炉２内の概ね上半分には、内部に光電センサが設置された供給チューブ１７が延在しており、上記センサによって固形材料の表面までの距離を計測して、固形材料の量を計測する。これに基づいて、ガス化炉Ａ内に存在する固形材料の量を一定量に保つべく、定量供給装置の動作を制御する。なお、供給チューブ１７は無くてもよく、この場合、光電センサは供給乾燥炉２内に設ければよい。

炭素質固形材料としての木質バイオマスには、枝、葉、梢、根株、間伐材等の森林からのバイオマス、おが屑、樹皮、端材、背板等の木材加工業からのバイオマス、そして建設廃材等からの廃棄物からのバイオマス等がある。これらのバイオマスを粗粉砕又は微粉砕して木質チップや木質ペレットへと加工し、固形材料として使用する。なお、木質バイオマス以外に、例えばサトウキビガラ、ホップガラ、或いは、ケナフガラ等のような農業廃棄物や、食品工業における植物性廃棄物等を用いてもよい。このように、炭素質固形材料は、植物を由来とする固形材料が広く該当する。また、植物以外の生物由来の成分が含まれてもよい。また、炭素質固形材料の形態は、ペレットに限られず、チップ等でもよい。要は、ガス化が可能な形状及び寸法を有していればよい。

また、気体材料としては、酸素等の酸化性ガスを含むガスを用いることができ、好ましくは、空気を用いる。また、空気には常温又は必要に応じて所定温度に加熱したものを用いることができる。

空気供給部４からガス化炉Ａ内へ気体材料を供給する際、押込通風によりガス化炉Ａの内圧を大気圧以上に保つことが好ましい。誘引通風とすると、送風機に耐熱性が要求されるとともに、タールの付着によって送風機の維持管理が困難になり、高コストとなるからである。また、空気供給部４から押込通風を行う送風機は、例えばルーツ式ブロワやベーン式ブロワ等のような容積型送風機を用いるのが好ましい。容積型送風機を用いることにより、ガス化炉Ａ内の圧力変動に伴う送風量の変動を実質的に防止できて、安定して気体材料を供給することができる。

次に、本実施形態に係るガス化炉Ａの動作について説明する。
まず、貯留槽から定量供給装置によって所定量の固形材料を供給乾燥炉２に投入し、この供給乾燥炉２の下方の反応炉１内に固形材料を投入して、火格子１２の上に固形材料を堆積させる。次いでバーナ１９の先端から高温空気を噴射して固形材料に点火する。次いで空気供給部４から常温の空気を外周通路９に導入する。外周通路９に導入された空気は、隙間通路１０を通って上端から反応炉１内に吹き込まれる。反応炉１内では、固形材料の一部が燃焼すると共にガス化して可燃性ガスが生成される。この可燃性ガスは、反応炉１の下端から、反応炉１と火格子１２との隙間や火格子１２の空隙を通過し、下端室３を通ってガス排出部５から排出される。このように空気供給部４から空気が供給され、ガス排出部５から可燃性ガスが吐出されるまでの流れは、図１において実線の矢印Ｄによって示される。

反応炉１内の温度が、熱分解域が約８００℃で、環状突部が約１２００℃になるように、空気の供給量を調整する。この空気の供給量は、容積型送風機を用いることによって高精度に調整できる。

本実施形態のガス化炉Ａでは、反応炉１内を流れる気体が環状突部１１を通過するとき、通路面積が狭められることにより、その温度が上昇する。これにより、反応炉１内の温度を局所的に上昇させて固形材料のガス化効率を向上させることができる。また、熱分解区域で生成したタールが、高温の還元区域を通過するときにガス化される。これにより、タールを除去することができるという効果も有する。そのため、タールがガスラインの壁面に付着してガスラインを閉塞することがないので、このガス化炉Ａから可燃性ガスが供給される例えばボイラーやガスエンジンは、維持管理が容易になる。

（第２実施形態）
本実施形態に係るガス化炉は、気体材料を反応炉へ下端から供給し、反応炉内に上向きの気体流れを生成させる、所謂アップドラフト式のガス化炉である。第１実施形態における空気供給部４がガス排出部として働くと共に、ガス排出部５が空気供給部として働く以外は、第１実施形態と同様の構造を有している。本実施形態について、図１を参照しながら詳細な説明を行う。

本実施形態に係るガス化炉の動作について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。ガス化炉を起動後、空気供給部５から常温の空気を下端室３内に導入する。下端室３内に導かれた空気は、火格子１２の空隙や、火格子１２と反応炉１との間の隙間を通過して、反応炉１内に吹き込まれて反応炉１内を上向きに移動する。反応炉１内では、固形材料の一部が燃焼するとともにガス化して可燃性ガスが生成される。この可燃性ガスは、反応炉１の上端から隙間通路１０を通って外周通路９に流入し、この外周通路９を反応炉１の外側面に沿って下向きに流れて、ガス排出部４から排出される。このように空気供給部５から空気が供給され、ガス排出部４から可燃性ガスが吐出されるまでの流れは、図１において破線の矢印Ｕによって示される。

本実施形態によれば、反応炉１内を上向きに流れる気体は、環状突部１１の形成位置において通路面積が狭められる結果、温度が上昇する。これにより、固形材料のガス化効率を向上させることができる。環状突部１１は、上述の乾燥区域、熱分解区域、還元区域、酸化区域に相当する領域、そして隣接する２つの区域にまたがる境界域のいずれの領域にも設けることができるが、熱分解区域と還元区域にまたがる境界域に設けることが好ましい。環状突部１１を通過して昇温された気体が乾燥区域に押し込まれる結果、固形材料を十分に乾燥させることができ、熱量の高い可燃性ガスを得ることが可能となるからである。また、本実施形態によれば、可燃性ガスが反応炉１から流出する方向は、灰が下端室３に向かう方向と逆の方向であるため、第１実施形態のダウンドラフト式と比べて可燃性ガス中の灰分を大幅に削減することができる。したがって、可燃性ガスの灰分離処理が容易であり、かつ、より高い熱効率を得ることができる。

（第３実施形態）
図３は、本発明のガス化炉及びガス化炉システムを用いたコージェネレーションシステムを示す模式図である。このシステムは、固形材料として木質ペレットを用い、ペレット貯留槽２０から定量供給機２１を用いてダウンドラフト式のガス化炉Ｂに木質ペレットを供給する。ガス化炉Ｂには、容積型のルーツ式ブロワ２２によって気体材料としての空気を供給する。ルーツ式ブロワ２２の風量は、制御部Ｃによって制御する。ガス化炉Ｂで生成された可燃性ガスは、サイクロン２３に供給される。ガス化炉Ｂとサイクロン２３から発生する灰は、灰コンベア２４により回収される。サイクロン２３で処理された可燃性ガスは、一部がボイラー２５に送られて燃焼し、蒸気又は温水を得る。一方、可燃性ガスの残部は、冷却塔２６、電気集塵機２７、コンデンサ２８を経てガスエンジン２９に供給され、ガスエンジン２９で発電機を駆動して電力を得る。これと共に、ガスエンジン２９の冷却水から排熱を回収して温水を得る。冷却塔２６では、ポンプ３０から供給される水とコンプレッサー３１からの空気を用いて、可燃性ガスを冷却する。

本実施形態のコージェネレーションシステムは、制御部Ｃでルーツ式ブロワ２２の風量を制御することにより、ボイラー２５からの蒸気又は温水温度と、発電機の電力出力の制御を行うことができる。すなわち、制御部Ｃによってルーツ式ブロワ２２のロータの回転数を制御することにより、ルーツ式ブロア２２からガス化炉Ｂへの空気流量が高精度に制御される。これにより、ガス化炉Ｂで生成される可燃性ガス量が高精度に制御され、したがって、ボイラー２５及びガスエンジン２９への可燃性ガスの供給量が高精度に制御される。その結果、ボイラー２５の燃焼温度やガスエンジン２９の回転数を制御でき、ボイラー２５からの蒸気又は温水温度と、発電機の出力電力の制御を行うことができるのである。

本実施形態によれば、本発明のガス化炉を用いることによりタールが少なく、かつ高熱量の生成ガスを用いることができるので、発電効率と熱効率を向上させることが可能となる。また、タールが少ないので、ガスラインにタールが付着して閉塞させることがないので、システムの維持管理が容易である。

なお、本実施形態では、ガス化炉Ｂからの生成ガスをボイラー２５とガスエンジン２９に供給する例を示したが、生成ガスをボイラー２５のみ、あるいはガスエンジン２９のみに供給するシステムとすることもできる。この場合、制御部Ｃでルーツ式ブロア２２を制御することにより、ボイラー２５からの蒸気又は温水の温度のみを制御し、または、発電機の出力電力のみを制御することができる。

また、ガス化炉Ｂへの空気の供給は、ルーツ式ブロア２２に限られず、ベーン式ブロワやスクリュー式ブロワ等の他の容積型送風機を用いて行ってもよい。

また、ガス化炉Ｂに供給する固形材料は木質ペレットに限られず、例えば農業廃棄物や食品廃棄物等、植物由来の炭素質固形材料を広く用いることができる。また、植物以外の生物由来の成分が含まれてもよい。また、炭素質固形材料の形態は、ペレットに限られず、チップ等でもよい。

（第４実施形態）
図４は、本発明のガス化炉及びガス化炉システムを用いて構成した温風及び二酸化炭素の供給システムを示す模式図である。本実施形態において、第３実施形態と同様の構成部分には第３実施形態と同じ参照番号を付して、詳細な説明を省略する。

本実施形態の温風及び二酸化炭素の供給システムでは、ガス化炉Ｂからの可燃性ガスが、サイクロン２３を経て、燃焼機３２に供給される。可燃性ガスは燃焼機３２内でガスバーナによって加熱、燃焼され、燃焼ガスが農作物栽培用の温室に供給される。

従来、農作物栽培用の温室は、重油等の液体燃料を燃焼させる暖房装置を用いて暖房されている。その燃焼ガスは硫黄酸化物を含むことから温室内に供給できず、燃焼ガスの大部分の熱が無駄に外部に排出されている。また、農作物は光合成により二酸化炭素を消費するが、温室内は密閉空間であるため、温室内の二酸化炭素は不足しやすく、そのため作物の成長が妨げられるという問題がある。そのため、ボンベ等を用いて二酸化炭素を温室内に供給している。なお、重油等の燃焼ガス中には二酸化炭素が存在するが、上述のように硫黄化合物を含むため、二酸化炭素源として利用することはできない。

これに対して、本発明のガス化炉及びガス化炉システムを用いた温風及び二酸化炭素の供給システムは、ガス化炉Ｂからの可燃性ガスを燃焼機３２で燃焼することにより、実質的に二酸化炭素のみからなるクリーンな燃焼ガスが得られる。したがって、この燃焼ガスを温室内に直接供給することが可能である。燃焼ガスを温室内に直接供給することにより、燃焼ガスの有する熱によって温室を効率よく暖房できると共に、作物に二酸化炭素を供給することができる。また、制御部Ｃによってブロア２２からガス化炉Ｂへ供給する空気量を制御することにより、燃焼機３２での燃焼熱量を制御して、室温と二酸化炭素の供給量を高精度に制御できる。

また、ガス化炉Ｂに供給する固形材料は木質ペレットに限られず、例えば農業廃棄物や食品廃棄物等、植物由来の炭素質固形材料を広く用いることができる。また、植物以外の生物由来の成分が含まれてもよい。また、炭素質固形材料の形態は、ペレットに限られず、チップ等でもよい。

以上説明したように、本発明のガス化炉は、木質バイオマスからなる炭素質固形材料を効率的にガス化することが可能であり、高熱量の可燃性ガスを製造することができる。なお、本発明のガス化炉を用いたシステムは実施形態に限定されず、本発明の範囲で種々のシステムの態様が可能である。また、炭素質固形材料は木質バイオマスに限定されず、食品廃棄物等に含まれる植物滓等、植物由来のあらゆる固形材料を用いることができる。

本発明のガス化炉の一例を示す模式断面図である。 火格子の一例を示す模式断面図である。 本発明のガス化炉を用いたシステムの一例を示す模式図である。 本発明のガス化炉を用いた他のシステムを示す模式図である。

符号の説明

１ 反応炉
２ 供給乾燥炉
３ 下端室
４ 空気供給部
５ ガス排出部
６ ケーシング
８ 内壁
９ 外周通路
１０ 隙間通路
１１ 環状突部
１２ 火格子
１４ 駆動軸
１５ スクレーパ
１６ 駆動部
１７ 供給チューブ
１８ バーナ
１９ 視認管
２０ ペレット貯留槽
２１ 定量供給機
２２ ルーツ式ブロア
２３ サイクロン
２４ 灰コンベア
２５ ボイラー
２６ 冷却塔
２７ 電気集塵機
２８ コンデンサ
２９ ガスエンジン
３０ ポンプ
３１ コンプレッサー
３２ 燃焼機
Ａ，Ｂ ガス化炉
Ｃ 制御部

Claims (9)

1. 炭素質固形材料が供給され、この炭素質固形材料に低温処理を行う上部室と、
   上記上部室に連通すると共に、上端が上記上部室の下端に対して隙間を形成するように配置され、上記上部室から供給された炭素質固形材料に高温処理を行って可燃性ガスを生成する下部室と、
   上記下部室の下端部に配置された火格子と、
   上記下部室を取り囲むように形成され、上記上部室と下部室との間の隙間に連なる一方、上記下部室の下端に対して連通が遮断された外周通路と、
   上記外周通路に連なる第１出入口と、
   上記下部室の下端に連なる第２出入口と
   を備え、上記上部室と下部室との間の隙間に、着火部が配置されていることを特徴とするガス化炉。
2. 請求項１に記載のガス化炉において、
   上記上部室と下部室との間の隙間を通して、外部から上部室又は下部室の内側を視認可能に形成されていることを特徴とするガス化炉。
3. 請求項１に記載のガス化炉において、
   上記下部室は円筒形状を有し、上記下部室の内側面に、周方向に延在すると共に径方向の内側に突出する環状突部が設けられていることを特徴とするガス化炉。
4. 請求項１に記載のガス化炉において、
   上記火格子は、円錐形状を有すると共に、上端部が上記下部室内に挿入された状態で、軸回りに回転駆動されるように形成されていることを特徴とするガス化炉。
5. 請求項４に記載のガス化炉において、
   上記火格子は、上端から下端側に向かうにつれて径が順次大きくなるように配置された複数の円環部を有することを特徴とするガス化炉。
6. 請求項４に記載のガス化炉において、
   上記火格子の回転駆動に伴って駆動され、上記下部室の下端と第２出入口との間に堆積する灰を除去するスクレーパを備えることを特徴とするガス化炉。
7. 請求項１に記載のガス化炉において、
   上記第１出入口から気体材料が供給され、この気体材料が上記外周通路を経由して上記上部室の下端と下部室の上端との間の隙間に流入して上記下部室に下向きの流れが形成され、この下部室で生成された可燃性ガスを上記第２出入口から排出するようにしたことを特徴とするガス化炉。
8. 請求項１に記載のガス化炉において、
   上記第２出入口から気体材料が供給され、この気体材料が上記下部室の下端に流入して上記下部室に上向きの流れが形成され、この下部室で生成された可燃性ガスを、上記外周通路を経由して上記第１出入口から排出するようにしたことを特徴とするガス化炉。
9. 請求項１乃至８のいずれか１つに記載のガス化炉と、
   上記ガス化炉の第１出入口と第２出入口のうちの一方に接続され、このガス化炉に気体材料を供給する容積型送風機と、
   上記容積型送風機がガス化炉に供給する上記気体材料の流量を制御して、上記ガス化炉の第１出入口と第２出入口のうちの他方から吐出される可燃性ガスの量を制御する制御部と
   を備えることを特徴とするガス化炉システム。

Images