JP4719029B2 - 木質ガスのコジェネレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、木質ガスのコジェネレーション装置に関する。すなわち、木質ガスを改質して発電等に利用するコジェネレーションシステム cogeneration system に、関するものである。

《技術的背景》
例えば製材所における製材の木質廃材は、その生産地や発生地で焼却処理されることが多いが、地産地消のポリシーのもと、より有効利用をめざし熱分解，乾留されることも多い。そして後者の場合は、生成される木質ガスの有効利用が、最近大きなテーマとなっている。
すなわち、木質ガスの有する熱量を、ディーゼルエンジンやガスエンジン等のレシプロエンジン reciprocating engine の燃料として活用し、もって発電等に有効利用する、木質ガスのコジェネレーションシステムの構築が急務とされている。

《従来技術》
ところで、この木質ガスには、高濃度のタール tar が含有されており、そのままレシプロエンジンに燃料として供給すると、タールがエンジンの弁等に付着してしまい、各種トラブルの原因となり、エンジンの耐久性に問題が生じてしまう。
そこで、この種の木質ガスのコジェネレーションシステムでは、問題のタールを低減，除去するためのタール処理設備が、付帯設備として必須的に使用されていた。すなわち、ガス化炉からの木質ガスは、水クランピンッグ water clapping 等の水処理設備付のガス精製設備，タール処理設備を経由し、タール分を低減，除去してから、発電用のディーゼルエンジンやガスエンジン等に供給されていた。

ところで、このような従来例については、次の問題が指摘されていた。
《第１の問題点》
第１に、設備が大型化する、という問題が指摘されていた。すなわち、この種従来例の木質ガスのコジェネレーションシステムでは、水処理設備付のタール処理設備が付帯設備として使用されており、その分、設備が大型化，大規模化していた。又、そのレシプロエンジンは、一般的に大型であり、更に、後述により大型バッファータンクの設置も必要であり、これらの面からも設備が大型化していた。
もって、この種従来例のコジェネレーションシステムは、木質廃材・木質ガスの生産地や発生地での地産地消のコンセプトにマッチせず、地域循環型社会の構築にもマッチせず、汎用設備としての普及に問題が指摘されていた。

《第２の問題点》
第２に、コスト面にも、問題が指摘されていた。すなわち、この種従来例のコジェネレーションシステムは、上述したように大規模なタール処理設備が必須的であり、その分、設備コスト，据付コスト，メンテナンスコスト等が嵩んでいた。
又、そのレシプロエンジン自体も比較的コスト高であり、重量が重く据付コストが嵩み、部品点数が多くメンテナンスコストも嵩む、という指摘があり、更に後述により大型バッファータンクの設備コストもかかる、という指摘があった。
この種従来例のコジェネレーションシステムは、このようなコスト面からも、地産地消のコンセプトにマッチせず、汎用的な普及に問題が指摘されていた。

《第３の問題点》
第３に、木質ガスの組成変化，カロリー変動への対応が容易でない、という問題も指摘されていた。すなわち木質ガスは、原料となる木質廃材等の種類にもよるが、比較的低カロリーであり、例えば４，１８６ｋＪ／Ｎｍ^３（１，０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）程度であることも多く、又、組成変化，カロリー変動が比較的大きく、例えば±１５％程度の変動幅となることも多い。
そして、この種従来例のコジェネレーションシステムでは、そのレシプロエンジンが、このような低カロリーへの対応やカロリー変動への追従が、容易でなかった。例えば、このような木質ガスを燃料とした場合、空気燃料比１３．１〜１５．７程度での調整なし安定運転は、困難とされており、エンジンの安定運転のため、カロリーの補足調整や変動幅調整のために、燃料補充用の大型バッファータンクの設置が、この種従来例では必須的とされていた。

《第４の問題点》
第４に、タール付着や逆着火の問題も、指摘されていた。すなわち、この種従来例のコジェネレーションシステムでは、そのレシプロエンジンについて、タール付着によるトラブル発生が指摘されていた。
すなわち、前述したタール処理設備を使用しても、木質ガス中には依然としてタールが残存しており、このタールがエンジンの弁等に付着してしまい、各種トラブルが発生し、エンジンの耐久性低下が問題となっていた。
更に、エンジンの燃焼室の燃料の吸入口が高温に晒されるため、木質ガス中の水素等が逆着火し易く、この面からも、トラブル発生，耐久性低下が指摘されていた。

《本発明について》
本発明は、このような実情に鑑み、上記従来例の課題を解決すべく、開発されたものである。そして第１に、設備が小型化し、第２に、諸コスト面にも優れ、第３に、カロリー変動等にも対応でき、第４に、タール付着に強い等、耐久性にも優れ、第５に、カロリーアップ，高効率化が実現される、木質ガスのコジェネレーション装置を提案することを、目的とする。

《請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、次のとおりである。
すなわち、本発明の木質ガスのコジェネレーション装置は、ロータリーエンジンの排気ガスを利用して木質ガスを改質する改質反応器と、該改質反応器から供給された改質ガスを燃料とする該ロータリーエンジンと、を有している。
そして該木質ガスは、木質材料をガス化炉に投入して生成され、高温であると共に高濃度のタールを含有しており、該ガス化炉から該改質反応器に供給される。該改質反応器は、該木質ガス中に含有された該タールを、該ロータリーエンジンからの該排気ガスの熱を利用して、水素，炭素，メタン，一酸化炭素等に改質させる。

該木質ガスは、該木質材料を原料とするので、低カロリーであることが多く、組成変化そしてカロリー変動が大きいことも多いが、該ロータリーエンジンは、低カロリーへの対応やカロリー変動への追従が容易である。かつ該ロータリーエンジンは、該改質ガス中に僅かではあるが残存した該タールの付着の影響を受けにくく、しかも該排気ガスが、８００℃以上例えば９００℃程度と高温である。
該改質反応器は、該ガス化炉から該木質ガスが、８００℃以上で供給されると共に、該ロータリーエンジンから該排気ガスが、８００℃以上例えば９００℃程度で導入され、導入された該排気ガスの経路が配設されており、供給された該木質ガスが該経路を通過する該排気ガスの顕熱にて８００℃以上に維持される。

そして、該改質反応器における改質は、該排気ガスの熱、および該木質ガス中に含有された水蒸気、および内部に充填された木炭粒ｃｈａｒの作用に基づき、水蒸気改質や接触改質により行われる。
すなわち該木炭粒は、乾留残留物として焦げた状態で生成され、該木質ガス中の該水蒸気Ｈ_２Ｏと反応して、一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ_２に改質される。
これと共に、このような反応が進む該木炭粒の表面において、該タールの主成分であるナフタレンＣ_１０Ｈ_８が、炭素Ｃと水素Ｈ_２に改質される。
そして、該木炭粒に析出した該炭素Ｃが、該水蒸気と反応して、一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ_２に改質されること、を特徴とする。

《作用等》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
（１）ガス化炉で生成され木質ガスは、例えば８００℃以上と高温であり、濃度が０．５ｇ／Ｎｍ^３以上のタールを含有している。
（２）そして木質ガスは、コジェネレーション装置の改質反応器に供給されるが、これと共に改質反応器には、ロータリーエンジンから、８００℃以上例えば９００℃程度と高温の排気ガスが導入される。
（３）改質反応器に供給された木質ガスは、排気ガスの熱、および木質ガス中の水蒸気や充填された木炭粒ｃｈａｒの作用にて、水蒸気改質や接触改質される。
（４）改質ガスは、タールが水素，炭素，メタン，一酸化炭素等に改質され、タール濃度が０．１ｇ／Ｎｍ^３未満となっている。
（５）そして改質ガスは、改質反応器からロータリーエンジンに、燃料として供給される。
（６）なお、使用済の排気ガスやロータリーエンジンに供給される改質ガスは、付帯使用される冷却水を温水化して再利用せしめる。

（７）本発明のコジェネレーション装置は、このように、ａ．木質ガスの高濃度のタール分を、タール処理設備で低減，除去するのではなく、改質反応器で改質する。タールに関し、リムーブからリフォームに発想を転換したことを、特徴とする。
又、これと組み合わせて、ｂ．ロータリーエンジンの排気ガスが高温であることに着目し、レシプロエンジンではなくロータリーエンジンを採用して、排気ガスを改質に活用し、ｃ．その改質ガスをロータリーエンジンの燃料としたことを、特徴とする。
そして、改質反応器に木炭粒を内部充填し、もって、内部充填された木炭粒等の作用に基づき、水蒸気改質や接触改質が行われることを、最大の特徴とする。

（８）そこで、本発明のコジェネレーション装置は、第１に、木質ガスを改質するので、タール処理設備が使用されない点や、ロータリーエンジンを採用した点や、バッファータンクが小容量化，不要化される点、等により小型化，小規模化される。
第２に、タール処理設備を使用しない点や、重量が軽く部品点数も少ないロータリーエンジンを採用した点や、バッファータンクの小容量化，不要化の点、等により設備コスト，据付コスト，メンテナンスコスト等が削減される。更に、ロータリーエンジンとして汎用品，低コスト品を使用可能である。
第３に、木質ガス（そして改質ガス）は、低カロリーであることがあり、又、例えば±１５パーセントの幅で組成変化，カロリー変動することも多いが、ロータリーエンジンを採用したので、対応等が容易である。空気燃料比１３．１〜１５．７での安定運転が可能であり、燃料補充用の大型バッファータンクは不要である。
第４に、改質ガス中にもタールが残存するが、極く僅かであり、かつロータリーエンジンを採用したので、タール付着の影響も受けにくい。更に、燃料の吸入口が高温に晒されないので、改質ガスの水素等の逆着火も解消される。
第５に、タールが改質，燃料化されるので、その分、改質ガスは大幅にカロリーアップされており、上述した低カロリーは克服される。又、排気ガスや改質ガスは、まだ高温であり、付帯使用される冷却水の温水化，再利用のために使用される。
（９）さてそこで、本発明のコジェネレーション装置は、次の効果を発揮する。

《第１の効果》
第１に、設備が小型化される。すなわち、本発明のコジェネレーション装置は、前述したこの種従来例のように、大型で大規模な水処理装置付のタール処理装置は使用されず、又、バッファータンクも小容量化や不要化される等、設備が小型化，小規模化される。設置場所も自在である。
このように、システムがコンパクト化が実現されるので、木質廃材・木質ガスの生産地や発生地での地産地消のコンセプトにマッチし、例えば山間部，山林部，へき地における地域循環型社会の構築のため、汎用設備として普及に最適である。

《第２の効果》
第２に、諸コスト面に優れている。すなわち、本発明のコジェネレーション装置は、前述したこの種従来例に比し、タール処理設備や大型バッファータンクは使用されず、又、汎用のロータリーエンジンを採用したので、その分、設備コスト，据付コスト，メンテナンスコスト等が削減される。
このように、システムが低コスト化されるので、この面からも、地産地消のコンセプトにマッチし、汎用設備としての普及促進が期待される。

《第３の効果》
第３に、低カロリーやカロリー変動にも、対応や追従可能である。すなわち、本発明のコジェネレーション装置は、ロータリーエンジンを採用したので、低カロリーやカロリー変動の大きい木質ガス（そしてその改質ガス）を燃料としても、これへの対応や追従が容易である。
そこで、前述したこの種従来例のように、燃料補充用の大型バッファータンクを設置することなく、エンジンの安定運転が実現されるので、システムの安定性に優れている。

《第４の効果》
第４に、タール付着に強い等、耐久性にも優れている。すなわち、本発明のコジェネレーション装置は、改質ガスのタール濃度が極く僅かであると共に、ロータリーエンジンを採用したのでタール付着の影響も受けにくく、又、改質ガスの水素等の逆着火の危険もない。もって、前述したこの種従来例に比し、エンジントラブルが減少し、システムの耐久性に優れている。

《第５の効果》
第５に、カロリーアップ，高効率化が実現される。すなわち、本発明のコジェネレーションシ装置は、改質反応器に木炭粒ｃｈａｒを内部充填し、もって、内部充填された木炭粒等の作用に基づき、水蒸気改質や接触改質が行われる。
そして、このような水蒸気改質や接触改質に基づき、タール等が改質，燃料化されて大幅にカロリーアップされた改質ガスを、燃料としており、前述したこの種従来例に比し、システムのエネルギー効率が向上する。
このように、この種従来例に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。

《図面について》
以下、本発明の木質ガスのコジェネレーション装置を、図面に示した発明を実施するための最良の形態に基づいて、詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するための最良の形態の説明に供し、構成フロー図である。

《木質ガス１について》
本発明の木質ガス１のコジェネレーション装置２は、ロータリーエンジン３からの高温の排気ガス４を利用して、木質ガス１を改質する改質反応器５と、改質反応器５から供給された改質ガス６を燃料とするロータリーエンジン３と、を有している。
そこで、まず木質ガス１について説明する。木質ガス１は、木質材料７をガス化炉８に投入して生成され、高温であると共に高濃度のタールtar９を含有しており、ガス化炉８から改質反応器５に供給される。木質ガス１のタール９濃度は、０．５ｇ／Ｎｍ^３以上となっている。

このような木質ガス１について、更に詳述する。ガス化炉８は、図示例では部分燃焼方式よりなり、炉内がバーナー等により高温保持されると共に、乾燥キルン等にて乾燥処理された木質材料７が、ホッパーから投入される。木質材料７としては、製材所における原木からの製材の際に生じる、木質廃材，木質チップが代表的である。
ガス化炉８内では、投入された木質材料７が、図示例では、部分燃焼されると共に部分乾留，熱分解され、もって、カーボンや灰分等の固形分と共に木質ガス１が生成される。
木質ガス１の組成は、体積比で、例えば一酸化炭素ＣＯが１６．１％，二酸化炭素ＣＯ_２が１０．７％，メタンＣＨ_４が３．０％，水素Ｈ_２が１１．０％，水分Ｈ_２Ｏが１５．５％，酸素Ｏ_２が０．３％，窒素Ｎ_２が４３．３％となっている。そのカロリーは、ＬＨＶで例えば、４，４６７〜５，０７８ｋＪ／Ｎｍ^３（１，０６７〜１，２１３ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）程度である。
そして、このような組成よりなる木質ガス１に対し、更に、０．５ｇ／Ｎｍ^３以上のタール９が混入している。タール９は、粘性の微粒子状をなし、略ベーパー状態，略気化状態にある。このようにタール９を含有した木質ガス１は、例えば８００℃〜８９０℃程度でガス化炉８から排出される。そして、温度低下によるタール９の液化，固化，付着，コーキングｃｏｋｉｎｇを回避すべく、短い管路１０で断熱材で保温されつつ除塵機を経由して、改質反応器５に供給される。
木質ガス１は、このようになっている。

《改質反応器５について》
次に、改質反応器５について説明する。コジェネレーション装置２の改質反応器５は、管路１０を介し、ガス化炉８から木質ガス１が８００℃以上で供給されると共に、管路１３を介しロータリーエンジン３から排気ガス４が、８００℃以上例えば９００℃程度で導入される。そして、導入された排気ガス４の経路が配設されており、供給された木質ガス１が、経路を通過する排気ガス４の顕熱にて８００℃以上に維持される。
改質反応器５は、このようなロータリーエンジン３からの高温の排気ガス４を利用して、木質ガス１を改質し、木質ガス１中に含有されたタール９を、水素Ｈ_２，炭素Ｃ，メタンＣＨ_４，一酸化炭素ＣＯ等に改質する。もって、タール９濃度が０．１ｇ／Ｎｍ^３未満となった改質ガス６を生成する。

このような改質反応器５について、更に詳述する。この改質反応器５における改質 reforming は、８００℃以上で供給された木質ガス１において、空気Ｏ_２，Ｎ_２や水分Ｈ_２Ｏと共に含有されたタール９分を、対象とする。
すなわち、タール９の主成分であるナフタレンＣ_１０Ｈ_８、およびナフタレンＣ_１０Ｈ_８よりも高沸点で分子量が３００までの芳香族炭化水素、そして高熱化学履歴タールおよび低熱化学履歴タールを、対象とする。
そして、改質反応器５内では、改質対象であるタール９が、木質ガス１中に含有された水蒸気Ｈ_２Ｏや水素Ｈ_２の存在下で、８００℃以上例えば９００℃程度で導入された排気ガス４の熱の作用と、内部に充填された触媒の作用とに基づく化学反応により、水素Ｈ_２，炭素Ｃ，メタンＣＨ_４，一酸化炭素ＣＯ，二酸化炭素ＣＯ_２等に、気化，改質される。この改質は、水蒸気改質，接触改質，その他により行われる。

改質反応器５は、内部に木炭粒ｃｈａｒ（ｃｈａｒｃｏａｌ）が充填されており、この乾留残留物として生成される焦げた木炭粒ｃｈａｒが、一種の触媒として機能する。
すなわち、排気ガス４にて８００℃以上に維持された改質反応器５内で、この木炭粒ｃｈａｒが、木質ガス１中の水蒸気Ｈ_２Ｏと反応して、Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２の反応式により、一酸化炭素ＣＯや水素Ｈ_２に気化，ガス化すると共に、このように反応が進む木炭粒ｃｈａｒの表面において、タール９の改質が進行する。例えば、タール９の代表例であるナフタレンＣ_１０Ｈ_８は、木炭粒ｃｈａｒの表面において、Ｃ_１０Ｈ_８→１０Ｃ＋４Ｈ_２の反応式により、炭素Ｃと水素Ｈ_２に改質され、更に、木炭粒ｃｈａｒに析出した炭素Ｃが、Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２の反応式により一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ_２に改質される。
なお、本明細書において改質とは、広義に把握されており、炭化水素の炭素間の結合を切断し又は組み換えて、分子量のより小さな化合物を作ったり、化学構造を変化させることを、広く意味する。

改質反応器５では、このようにして、木質ガス１中のタール９が改質され、もって改質ガス６が生成される。木質ガス１は、改質ガス６に改質される。
改質された改質ガス６は、タール９濃度が０．１ｇ／Ｎｍ^３未満となっており、そのカロリーは、ＬＨＶで例えば、５，５４２ｋＪ／Ｎｍ^３（１，３２４ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）程度となっている。タール９の改質等に基づき、前述した木質ガス１の１．１倍程度にカロリーアップされたリッチガスとなっている。（これらの数値は、未改質ガスである木質ガス１に含まれる水蒸気Ｈ_２Ｏの２０％が水蒸気改質によって消費された場合のものである。なおこの時、カロリー（いわゆる単位体積あたりの発熱量）ではなく、全体の発熱量そのものは、水蒸気改質によって１７％ほど向上する。）
なお、図示の改質反応器５の１実験データによると、木質ガス１が８００℃で２．４７ｋｇｍｏｌ／ｈで供給されると共に、排気ガス４が９００℃で１４．２８ｋｇｍｏｌ／ｈで導入され、もって、改質ガス６が８５０℃で２．４７ｋｇｍｏｌ／ｈで排出されると共に、排気ガス４が８９１℃で１４．２８ｋｇｍｏｌ／ｈで排出された。
改質反応器５は、このようになっている。

《ロータリーエンジン３について》
次に、ロータリーエンジン３について説明する。コジェネレーション装置２のロータリーエンジン３は、管路１３を介して、改質反応器５に対し改質のため排気ガス４を送出すると共に、管路１０を介して改質反応器５から供給された改質ガス６を、燃料として運転される。
すなわち、このロータリーエンジン３は、改質ガスＣ中の水素Ｈ_２，炭素Ｃ，メタンＣＨ_４，一酸化炭素等ＣＯ等を主な燃料とし運転され、発電機１１に接続されて発電用に使用されると共に、その排気ガス４を、改質反応器５に向け送出する。

このようなロータリーエンジン３について、更に詳述する。ロータリーエンジン rotary engine ３は、周知のごとく、燃焼室内でローターが偏心回転して主軸に回転力を伝達する、間欠燃焼式・容積式の内燃機関である。
ロータリーエンジン３の燃料としては、改質反応器５から管路１０にて供給された改質ガス６中の水素Ｈ_２，炭素Ｃ，メタンＣＨ_４，一酸化炭素等ＣＯ等が使用される。更に、スタートアップ時の補助燃料として、必要に応じ補助燃料タンク１２が管路１０にて接続されており、Ｌ.Ｐ.Ｇ.等を供給可能となっている。排気ガス４は、８００℃以上例えば９００℃程度であり、管路１３を介し改質反応器５に導入される。
又、ロータリーエンジン３の主軸は、隣設された発電機１１に連結されており、もって、このコジェネレーション装置２は発電用に利用されているが、勿論、発電以外の用途にも利用可能である。
ロータリーエンジン３は、このようになっている。

《その他》
なお第１に、このような改質反応器５等からロータリーエンジン３への管路１０には、空気導入調整用の調整ユニット１４が介装されており、改質ガス６等は、この調整ユニット１４を経由してロータリーエンジン３に供給される。
第２に、ロータリーエンジン３から改質反応器５への排気ガス４の煙道である管路１３には、燃焼部１５が介装されている。すなわち、ロータリーエンジン３の排気ガス４中には、燃料の未燃分がかなり残留しているので、これを再燃焼させる燃焼部１５を管路１３に介装しておくことが望ましい。燃焼部１５は、例えば酸化触媒付のワイヤメッシュ構造よりなり、燃料の未燃分を捕集，燃焼させ、もって改質反応器５に向かう排気ガス４の温度を一段と高温化し、例えば９００℃程度とする。
第３に、ロータリーエンジン３には、循環冷却水１６が管路１７やポンプ１８を介して使用されている。又、ロータリーエンジン３への管路１０についても、改質ガス６を燃料に適した温度まで冷却するため、冷却水１９が使用されている。
さてそこで、改質反応器５で改質のために使用された後の排気ガス４は、ロータリーエンジン３の排気ガス４であることに起因してまだ高温であり、もって、上述した循環冷却水１６を冷却するための冷却水２０を、熱交換により温水２１化して再使用するために、使用される。又、冷却水１９は、ロータリーエンジン３の排気ガス４にて高温維持された改質ガス６にて、熱交換により温水２１化された後、再使用される。２２は冷却水１９の管路、２３は冷却水２０の管路である。

《作用等について》
本発明の木質ガス１のコジェネレーション装置２は、以上説明したように構成されている。そこで、以下のようになる。
（１）まず木質ガス１は、ガス化炉８に木質材料７を投入して生成され、高温であると共に高濃度のタール９を含有しており、例えば、８００℃以上であると共に、タール９濃度が０．５ｇ／Ｎｍ^３以上となっている。

（２）そして、生成された木質ガス１は、ガス化炉８からコジェネレーション装置２の改質反応器５に、管路１０を介して順次供給される。これと同時併行的に、改質反応器５には、コジェネレーション装置２のロータリーエンジン３から、管路１３を介して高温の排気ガス４が順次導入される。
すなわち、ロータリーエンジン３からの排気ガス４が、８００℃以上例えば９００℃程度で導入されるが、管路１３には必要に応じ燃焼部１６が介装され、排気ガス４中の未燃分が再燃焼される。

（３）改質反応器５に供給された木質ガス１は、ロータリーエンジン３からの高温の排気ガス４を利用して、改質処理される。
すなわち改質反応器５には、導入された排気ガス４の経路が配設されており、供給された木質ガス１は、この経路を通過する排気ガス４の顕熱にて８００℃以上に維持されつつ、改質処理される。この改質処理は、排気ガス４の熱、および、木質ガス１中に含有された水蒸気Ｈ_２Ｏや充填された木炭粒ｃｈａｒの作用に基づき、水蒸気改質や接触改質により行われる。

（４）このようにして木質ガス１は、含有していたタール９が、水素Ｈ_２，炭素Ｃ，メタンＣＨ_４，一酸化炭素ＣＯ等に改質処理されて、改質ガス６となる。タール９が殆ど改質処理され尽された結果、改質ガス６のタール９濃度は、０．１ｇ／Ｎｍ^３未満となっている。

（５）そして改質ガス６は、管路１０にて、改質反応器５からロータリーエンジン３に、順次供給される。ロータリーエンジン３は、供給された改質ガス６中の水素Ｈ_２，炭素Ｃ，メタンＣＨ_４，一酸化炭素ＣＯを、主な燃料として運転される。ロータリーエンジン３は発電機１１を作動させ、もって発電用に使用される。

（６）ところで、ロータリーエンジン３は、循環冷却水１６にて冷却される。又、改質ガス６も、燃料としての供給に備え、予め冷却水１９にて冷却される。
そして、改質反応器５で改質処理のため使用されて排出された排気ガス４は、まだ８００℃を超えており高温であり、事後、ロータリーエンジン３用の循環冷却水１６を冷却するための冷却水２０を、温水２１化，再使用するために利用される。又、改質ガス６用の冷却水１９は、８００℃を超える高温である改質ガス６にて、温水２１化されて再使用される。

（７）本発明のコジェネレーション装置２は、このように、ａ．木質ガス１中の高濃度のタール９分を、（タール処理設備を用いて低減，除去するのではなく、）改質反応器５で改質処理する。つまり、木質ガス１中のタール９に関し、リムーブ remove からリフォーム reform に発想転換したことを、特徴とする。
又、これと組み合わせて、ｂ．このような改質反応器５での改質処理に、ロータリーエンジン３の排気ガス４を利用したことを、特徴とする。つまり、ロータリーエンジン３の排気ガス４が、８００℃以上例えば９００℃程度の高温であることに着目し（レシプロエンジンの排気ガス温度は、３５０℃〜４５０℃程度）、この分野では初めて、（レシプロエンジンではなく）ロータリーエンジン３を選択採用して、その排気ガス４を活用したことを、特徴とする。
そして更に、ｃ．改質反応器５で改質処理された改質ガス６を、元のロータリーエンジン３の燃料としたことを、特徴とする。（タール処理設備を通過した木質ガス１が、レシプロエンジンの燃料とされるのとは、意味合いが相違する）。

（８）さて、これらａ，ｂ，ｃにより、本発明のコジェネレーション装置２によると、次の第１，第２，第３，第４，第５のようになる。
第１に、このコジェネレーション装置２は、まず、木質ガス１中のタール９を、（タール処理設備を用いて低減，除去するのではなく、）改質反応器５で改質処理する。すなわち、大型で大規模となる水処理装置付のタール処理設備は、付帯設備として使用されず、その分だけ設備が小型化，小規模化される。
又、レシプロエンジンではなく、一般的により小型のロータリーエンジン３を採用したので、又、バッファータンクが小容量化や不要化されるので、これらの面からも、設備が小型化，小規模化される。更に、ロータリーエンジン３の一般的特性である低振動性や低騒音性も相俟って、設置場所の自在性・フレキシビリティにも富んでいる。

第２に、このコジェネレーション装置２は、このように、木質ガス１中のタール９を改質処理し、大型で大規模な水処理装置付のタール処理設備は使用しないので、その分、設備コスト，据付コスト，メンテナンスコスト等が削減される。
又、レシプロエンジンではなくロータリーエンジン３を採用したので、その一般的特性に基づき、重量が軽く据付コストも低減されると共に、部品点数が大幅に少なくメンテナンスコストも削減される。そして、自動車用等に大量生産，汎用されているロータリーエンジン３を、そのまま使用可能であり、エンジン単体も低コストである。
更に、バッファータンクが小容量化や不要化されるので、この面からも、設備コスト，据付コスト，メンテナンスコスト等が削減される。

第３に、木質ガス１は、木質材料７の種類にもよるが、低カロリーであることも多く、ＬＨＶで例えば、４，４６７〜５，０７８ｋＪ／Ｎｍ^３（１，０６７〜１，２１３ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）程度であることもある。更に木質ガス１は、組成変化そしてカロリー変動が大きいことも多く、例えば、±１５パーセント程度の幅よりなることもある。
これに対し、このコジェネレーション装置２は、レシプロエンジンではなくロータリーエンジン３を採用したので、その一般的特性に基づき、低カロリーへの対応や、カロリー変動への追従が容易である。
すなわち、木質ガス１を改質処理した改質ガス６が、例え低カロリーであったりカロリー変動が大きかったとしても、ロータリーエンジン３は、空気燃料比１３．１〜１５．７程度にて、調整なしで回転数一定の安定運転が可能である。そこで、エンジンの安定運転のために、つまりカロリーの補足調整や変動幅調整のために、燃料補充用の大型バッファータンクを設置する必要はなくなる。

第４に、木質ガス１が改質処理された改質ガス６中にも、依然としてタール９が残存しているが、前述したようにそのタール９濃度は、極く僅かである。しかも、レシプロエンジンではなくロータリーエンジン３を採用したので、燃料とする改質ガス６中のタール９がエンジン内に付着する影響も、殆ど無視可能である。ロータリーエンジン３は、レシプロエンジンと比較して、燃料の吸入弁がなく、吸入口の断面積が２倍以上あり、燃料供給部でのスタック
stuck 発生が緩和される。
因に、レシプロエンジンにおいて、許容されるタール濃度は１０〜２００ｍｇ／Ｎｍ^３程度とされており、１００ｍｇ／Ｎｍ^３が１つの閾値とされていたのに対し、タール９が改質処理された改質ガス６のタール濃度は、１００ｍｇ／Ｎｍ^３未満である。
更にロータリーエンジン３は、燃料の吸入口が燃焼室とは別になっており、高温に晒されないので、燃料である改質ガス６中の水素等が逆着火することも、ほぼ解消される。

第５に、このコジェネレーション装置２は、改質反応器５に木炭粒ｃｈａｒを内部充填し、もって、内部充填された木炭粒等の作用に基づき、水蒸気改質や接触改質が行われる。そして、このような水蒸気改質や接触改質に基づき、木質ガス１等を改質ガス６に改質処理して、木質ガス１中のタール９を、改質ガス６中では水素Ｈ_２，炭素Ｃ，メタンＣＨ_４，一酸化炭素ＣＯ_２等に改質処理する。
このように、非燃料とされていたタール９を燃料化するので、その分、改質ガス６は、改質前の木質ガス１に比べ大幅にカロリーアップされており、木質ガス１の低カロリー面が克服され効率的である。改質ガス６は、熱量がＬＨＶで例えば、５，５４２ｋＪ／Ｎｍ^３（１，３２４ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）程度となっている。
又、改質反応器５にて改質処理のため使用された排気ガス４や、改質反応器５にて改質された改質ガス６は、まだ十分高温である。そこで、付帯使用される冷却水１９，２０を温水２１化し、もってこの温水２１は、暖冷房用，温度暖房用，温水給水用，その他に広く再利用され効率的である。

ここで、本発明のコジェネレーション装置２の実施例について述べておく。実施例１については、次のとおり。実施例１では、前述した図１の例のコジェネレーション装置２の改質反応器５に対し、木質ガス１を連続供給し、もって改質ガス６に改質処理した。そのテスト条件と結果のデータは、次のとおり。
・木質ガス１中のタール９の組成：ナフタレンＣ_１０Ｈ_８およびナフタレンＣ_１０Ｈ_８よりも高沸点の多核芳香族化合物からなる。
・改質温度：８００℃
・改質反応器５内の木質ガス１の滞留時間：１ｓ未満
・木質ガス１中のタール９濃度：約１０ｇ／Ｎｍ^３
・改質ガス６中のタール９濃度：１００ｍｇ／Ｎｍ^３未満
実施例１では、このように、改質反応器５によるタール９濃度の低下、つまりタール９の改質処理進展がデータ的に確認された。

実施例２については、次のとおり。実施例２は、図１の例のコジェネレーション装置２について、ガス化炉８で生成された木質ガス１と、改質反応器５にて生成された改質ガス６と、ロータリーエンジン３から排出された排気ガス４について、それぞれ炭素Ｃ１モル当たりの収率（ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｃ）の計測データである（除くタール９分）。
・表１：木質ガス１についてのデータ
・表２：改質ガス６についてのデータ
・表３：排気ガス４についてのデータ

実施例２では、このように、表１の木質ガス１から表２の改質ガス６へ、タール９の改質処理等に基づく一酸化炭素ＣＯ，メタンＣＨ_４，水素Ｈ_２等の増加が、データ的に確認された。そして、ロータリーエンジン３における燃料としての消費も、表３の排気ガス４のデータにて確認された。

実施例３については、次のとおり。実施例３は、図１の例に基づいたコジェネレーション装置２の代表的スペックである。
・木質ガス１の組成（体積比）：一酸化炭素ＣＯが１６％，二酸化炭素ＣＯ_２が１１％，メタンＣＨ_４が２％，水素Ｈ_２が１６％，酸素Ｏ_２が２％，窒素Ｎ_２が５３％。
・木質ガス１のカロリー：４，４６７ｋＪ／Ｎｍ^３（１，０６７ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）（ＬＨＶ），４，８６４ｋＪ／Ｎｍ^３（１，１６２ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）（ＨＨＶ）
・木質ガス１の供給量（水蒸気Ｈ_２Ｏを除く）：１７，０００Ｎｍ^３／ｄａｙ（２００ＮＬ／ｓ）
・木質ガス１の改質反応器５内の滞留時間：０．５ｓ
・改質反応器５内の改質温度：８００℃
・改質反応器５の体積：７９０Ｌ（内、木炭粒 char ５５％）
・改質反応器５内の木炭粒 char の量：２２０ｋｇ
・木質ガス１中のタール９濃度（一日当たり）：０．５ｇ／Ｎｍ^３
・改質反応器５に供給されるタール９濃度（一日当たり）：１７〜１７０ｋｇ
実施例３では、このようなスペックにより、コジェネレーション装置２の改質反応器５が、サンプル提供される。

本発明に係る木質ガスのコジェネレーション装置について、発明を実施するための最良の形態の説明に供し、構成フロー図である。

符号の説明

１ 木質ガス
２ コジェネレーション装置
３ ロータリーエンジン
４ 排気ガス
５ 改質反応器
６ 改質ガス
７ 木質材料
８ ガス化炉
９ タール
１０ 管路
１１ 発電機
１２ 補助燃料タンク
１３ 管路
１４ 調整ユニット
１５ 燃焼部
１６ 循環冷却水
１７ 管路
１８ ポンプ
１９ 冷却水
２０ 冷却水
２１ 温水
２２ 管路
２３ 管路

Claims (1)

1. ロータリーエンジンの排気ガスを利用して木質ガスを改質する改質反応器と、該改質反応器から供給された改質ガスを燃料とする該ロータリーエンジンと、を有しており、
   該木質ガスは、木質材料をガス化炉に投入して生成され、高温であると共に高濃度のタールを含有しており、該ガス化炉から該改質反応器に供給され、該改質反応器は、該木質ガス中に含有された該タールを、該ロータリーエンジンからの該排気ガスの熱を利用して、水素，炭素，メタン，一酸化炭素等に改質させ、
   該木質ガスは、該木質材料を原料とするので、低カロリーであることが多く、組成変化そしてカロリー変動が大きいことも多いが、該ロータリーエンジンは、低カロリーへの対応やカロリー変動への追従が容易であり、かつ該ロータリーエンジンは、該改質ガス中に僅かではあるが残存した該タールの付着の影響を受けにくく、しかも該排気ガスが、８００℃以上例えば９００℃程度と高温であり、
   該改質反応器は、該ガス化炉から該木質ガスが、８００℃以上で供給されると共に、該ロータリーエンジンから該排気ガスが、８００℃以上例えば９００℃程度で導入され、導入された該排気ガスの経路が配設されており、供給された該木質ガスが該経路を通過する該排気ガスの顕熱にて８００℃以上に維持され、
   該改質反応器における改質は、該排気ガスの熱、および該木質ガス中に含有された水蒸気、および内部に充填された木炭粒ｃｈａｒの作用に基づき、水蒸気改質や接触改質により行われ、
   該木炭粒は、乾留残留物として焦げた状態で生成され、該木質ガス中の該水蒸気Ｈ_２Ｏと反応して、一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ_２に改質されると共に、
   このような反応が進む該木炭粒の表面において、該タールの主成分であるナフタレンＣ_１０Ｈ_８が、炭素Ｃと水素Ｈ_２に改質され、
   そして、該木炭粒に析出した該炭素Ｃが、該水蒸気と反応して、一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ_２に改質されること、を特徴とする、木質ガスのコジェネレーション装置。

Images