JP4873624B2 - 木質バイオマスによる動力発生方法および木質バイオマスによる動力発生システム - Google Patents

Description

本発明は、木質バイオマスを用いたガス化発電等のように、木質バイオマスにより動力を発生させる技術に関する。

従来から、森林から得られる枝、葉、梢、根株等の林地残材、製材工場から出るオガ粉、樹皮、端材、背板等の残廃材、建築廃材・解体材などの産業廃棄物等といった木質バイオマスをガス化し、燃料等として使用することが行われている。
この場合におけるガス化炉の形式として、流動床式や固定床式のものが広く用いられている。特に固定床式は比較的小規模の設備として設計し得ることから山間部の製材所等、中小規模の設備への適用が可能である（例えば特許文献１参照）。両形式ともガス化される木質バイオマスはガス化炉投入前に細かく破砕された後、投入されることが一般的である。（例えば特許文献２参照）。
特開昭５９−３８２８４号公報 特開２００２−３８１６３号公報

しかしながら、固定床式のガス化炉では原料が堆積した状態でガス化が進行するため、バーク（樹皮）のような融点の低い木質バイオマスの場合、炉内にクリンカ（焼塊）が発生し易いという問題点があった。
そこで、本発明の主たる課題は、クリンカの発生を抑制することにある。

上記課題を解決した本発明は、木質バイオマスからなる原料を固定床ガス化炉に投入しガス化した後、このガス化により発生したガスをガスエンジンに供給して動力を発生させる方法において、
前記ガスエンジンの排ガスを冷却した後に前記ガス化炉に吹き込むことを特徴とするものである。ガス化炉に吹き込む排ガスの温度は、通常の場合５０〜１５０℃とするのが好ましい。
排ガスは酸素濃度が低いため、これを炉内に吹き込むと燃焼抑制作用により温度上昇が抑制される。しかし排ガスそれ自体は温度が高いため、これをそのまま炉内に吹き込むと炉内温度が上昇してしまい、結果的にクリンカの発生を抑制し難くなる。そこで、本発明では、排ガスを冷却した後に炉内に吹き込むことにより、排ガスの高熱の影響を排除しながら、低酸素濃度化による温度上昇の抑制を図り、もってクリンカの発生を防止することとしたものである。
また、本発明では、炉内に吹き込まれた排ガスが燃焼領域を通過して加温された後、チャー領域を通過する際に二酸化炭素（ＣＯ₂）が一酸化炭素（ＣＯ）と酸素（Ｏ）に分解する反応が起こり、製品ガス発生量が増加するという副次的利点もある。なお、この副次的利点については特許文献２に記載されているが、特許文献２記載のものは固定床式におけるクリンカの問題や排ガスを冷却することを全く想定していないため、本発明とは考え方が全く異なるものである。
このような本発明は、例えば、ガスエンジンにより発電機を駆動して発電を行う木質バイオマスによるガス化発電に用いることができる。
本発明においては、木質バイオマスが供給される固定床ガス化炉と、この固定床ガス化炉により発生したガスが供給されるガスエンジンと、前記ガスエンジンの排ガスを冷却する冷却装置とを有し、
前記ガスエンジンの排ガスを前記冷却装置で冷却した後に前記ガス化炉に吹き込むように構成したことを特徴とする木質バイオマスによる動力発生システムも提案される。

以上のとおり、本発明によればクリンカの発生を抑制できるだけでなく、ガス発生量を増加させることもできる。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しながら詳説する。
図１は、ガス化発電設備例のフローシートを示している。バーク（樹皮）等の木質バイオマス原料Ｂは原料ピット１に貯留されており、順次ピットクレーン２により取り出され、投入ホッパー３に投入される。木質バイオマス原料としては、森林から得られる枝、葉、梢、根株等の林地残材、製材工場から出るオガ粉、バーク（樹皮）、端材、背板等の残廃材、建築廃材・解体材などの産業廃棄物等を用いることができる。

ホッパー３に投入された原料はコンベヤ４によって移送され、固定床ガス化炉６に対して供給される。図示形態では、ガス化炉６の入側に、上下に離間配置された投入ダンパー５Ａ，５Ｂが設けられており、下側のダンパー５Ｂが閉じられかつ上側のダンパー５Ａが開けられた状態で両ダンパー５Ａ，５Ｂ間にコンベヤ４からの原料が順次投入され、次いで上側のダンパー５Ａが閉じられた後、下側のダンパー５Ｂが開けられることにより、ダンパー５Ａ，５Ｂ間に保持された原料がガス化炉６上部に投入されるようになっている。以降は、この繰り返しにより順次原料がガス化炉６内に供給される。ガス化炉６としては、固定床である限り、上向流式であっても下向流式（ダウンドラフト式）であっても良い。ダウンドラフト式の方が、タールや油分の発生が少ない利点がある。

ダウンドラフト式ガス化炉６の具体例が図２に示されている。すなわち、このガス化炉６は、ホッパーとしての役割を担う上部筒状部６１と、この上部筒状部６１の底部開口から連続する下部筒状部６２と、下部筒状部６２を隙間をもって取り囲む筒状ケーシング６３とを備えている。これら上部筒状部等６１，６２，６３はそれぞれ縦向き且つ相互に同軸的に配置されている。下部筒状部６２の底部開口には火格子６４が設けられている。下部筒状部６２の高さ方向中間部には、炉内を上下に仕切る仕切り板６５が設けられており、この仕切り板６５の幅方向中央部には上下に貫通する通過孔６６が形成されている。さらに、下部筒状部６２内における仕切り板６５よりも上側の内周壁には、酸化剤の吹込口６７が炉内の幅方向中央を臨むように突出されている。吹込口６７の先端は通過孔６６の縁よりも外側の位置、つまり仕切り板６５における通過孔６６を有しない周囲部の上方に位置している。この吹込口６７は下部筒状部６２の内周方向に沿って適宜の間隔（例えば等間隔）で複数設けるのが好ましい。また、吹込口６７は下部筒状部６２の内周方向に沿って連続するスリット状に形成することもできる。

吹込口６７に対する供給路は適宜形成することができるが、図示形態では、下部筒状部６２が内筒部６２Ａおよび外筒部６２Ｂからなる二重筒状に形成されており、内筒部６２Ａと外筒部６２Ｂとの間の円筒状空間６２Ｓの上部に吹込口６７が連通され、吹込口６７よりも下側の部分に外側ケーシング６３を貫通する供給管７０が連通されることによって、供給路が構成されている。

この供給管７０に対しては、図示しない空気供給ポンプ等の酸化剤供給手段が接続されており、供給管７０を介して燃焼のための空気や酸素等の酸化剤が供給される。

ガス化炉６内に供給された原料は、上部筒状部６１及び下部筒状部６２を下降・通過する過程でガス化される。すなわち、上部筒状部６１から順次供給される原料は、吹込口６７よりも若干上側の熱分解ゾーンに到達すると、熱分解が開始され、ガス（ＣＯ、Ｈ₂、ＣＨ₄、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ）、チャー、炭化水素に分解される。この熱分解ステップの熱源は、次述の燃焼ステップにより発生する熱である。

次いで、この熱分解ステップで生成したガス、チャー、炭化水素は吹込口６７から仕切り板６５に至る燃焼・ガス化ゾーンに到達し、吹込口６７から供給される酸化剤によって燃焼されるとともに、生成したチャーが、温度約７００〜１２００℃で、主にＢｏｕｄｏｕａｒｄ反応と水生ガス反応によりＣＯとＨ₂に変換され、ガス化が達成される。発生したガスは、火格子６４を通過し、下部筒状部６２の外面と外側ケーシング６３の内周面との間を通り、外側ケーシング６３に設けられた排出口７１を介して、外部に取り出される。

ガス化炉６内の灰は底部の抜出口を介して排出される一方、ガス化炉６内で発生したガスは炉側部から抜き出され、サイクロン等からなる集塵機７に供給されてガス内に混入する灰が除去され、次いで燃料ガス冷却装置８において冷却された後、ガスエンジン９に供給され、燃料として使用される。ガスエンジン９には発電機１０が接続されており、発電がなされる。ガスエンジン９の排ガスは排ガス冷却装置１１で冷却され、大気に放出される。図示形態では、各冷却装置８，１１は間接熱交換器により構成されており、水等の冷却液が燃料ガス冷却装置８で燃料ガスの冷却に使用された後、ガスエンジン９の冷却液として用いられ、さらにその後、排ガス冷却装置１１で排ガスの冷却に使用されるようになっている。

そして本実施形態では、冷却された後のガスエンジン９の排ガスの一部（または全部であっても良い）が、本発明に従ってガス化炉６に吹き込まれるようになっている。図示形態では、触媒塔１２を経た排ガスがガス化炉６に供給されるようになっているが、冷却した後の排ガスであれば触媒塔１２を経ていない排ガスであっても良い。排ガス冷却装置１１による冷却の度合いは適宜定めることができるが、排ガスのガスエンジン出口温度は通常４５０〜６００℃であり、これをガス化炉６の入口温度で５０〜１５０℃となるように冷却するのが好ましい。入り口温度が１５０℃を超えると燃焼抑制効果により排ガスが保有する温度による炉内温度上昇の影響が大きくなり、５０℃を下回ると結露により水滴が発生しガス化に悪影響を及ぼす。

ガス化炉６内への排ガス吹き込み位置は適宜定めることができるが、吹込口６７の近傍（特に、下向流式の場合には吹込口６７の下側、上向流式の場合には吹込口の上側）はクリンカが発生し易いため、吹込口６７を介して酸化剤とともに排ガスを吹き込んだり、吹込口６７近傍の高さ位置（特に、下向流式の場合には吹込口６７の下側、上向流式の場合には吹込口の上側）に専用の吹込み口を設け、この吹込み口を介して酸化剤とは別に排ガスを炉６内に吹き込むのは好ましい形態である。にまた、本実施形態では、酸化剤及び排ガスの両者を吹き込むようにしているが、場合によっては排ガスのみを吹き込むこともできる。酸化剤及び排ガスの吹き込み比率や吹き込み量は、実験に基づいてクリンカが発生し難くなるように定めるのが望ましい。

他方、ガス化に際しては、炉６内に熱分解領域、燃焼領域およびガス化領域が形成される。そして、ガス化領域における固形物の嵩比重が低いと、（１）ガス化領域内におけるガス化可能な成分量がそもそも少ないこと、および（２）空隙に入り込む酸素量が多くなり燃焼が進行し易くなることに起因して、ガス発生量が少なくなる。よって、少なくともガス化領域における固形物の嵩比重が０．５以上、好ましくは０．５〜２．０となるようにするのも好ましい形態である。嵩比重を０．５以上とするために、ガス化炉６内にピストン等の圧縮装置（図示しない）を設け、炉６内の固形物を圧縮することもできるが、予め、木質バイオマスをペレット化、ブリケット化、押出成形、撹拌成形等により、嵩比重が０．５以上となるように圧縮加工しておき、これを原料として炉６内に投入する方が、容易であり好ましい。この場合、原料のサイズは直径６〜１２ｍｍ、長さ１０〜２０ｍｍとするのが好ましい。原料のサイズが小さすぎると、圧損増大やクリンカ（焼塊）の生成を引き起こすおそれがあり、反対に原料サイズが大きすぎると炉内にブリッジを発生するおそれがある。

また、クリンカの発生を防止するために、ガス化炉６内に融点を上昇させる作用を有する物質を存在させた状態でガス化を図ることもできる。このために、予め原料に融点上昇物質を混入させる等により、原料とともに融点上昇物質をガス化炉６内に供給することができる。吹込口６７の近傍（特に、下向流式の場合には吹込口６７の下側、上向流式の場合には吹込口の上側）はクリンカが発生し易いため、吹込口６７を介して空気とともに融点上昇物質を炉６内に投入したり、吹込口６７近傍の高さ位置（特に、下向流式の場合には吹込口６７の下側、上向流式の場合には吹込口の上側）に専用の投入口を設け、この投入口を介して空気とは別に融点上昇物質を炉６内に投入したりするのは好ましい形態である。これらの融点上昇物質の供給位置は適宜組み合わせて使用できる。融点上昇物質としては、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、燐酸カルシウム、ドロマイト等を用いることができ、粉状や粒子状の形態で用いることができる。融点上昇物質の添加量は、適宜定めることができるが、木質バイオマス原料に対して０．５〜２０重量％とするのが好ましい。なお、このことからも明らかなように、本発明は、他のクリンカ発生防止技術と組み合わせて適用することができる。

本発明の排ガス吹込みによる効果を確認するために、図２に示す構造のダウンドラフト式固定床ガス化炉を用い、表１に示す各例について実験を行った。従来例では排ガスを吹き込まずに空気のみを吹き込むようにした。また実施例１〜４では排ガスを吹き込むとともにその分だけ空気吹込み量を減らした。その他、表１に示されない他の条件は各例共通である。試験の結果は、表１に示すとおりであり、排ガスを冷却した後に空気とともにガス化炉に吹き込むことでクリンカの発生を抑制し、かつ排ガス発生量が増加することが判明した。

本発明は、木質バイオマスをガス化する限り、そのガスの用途に限定されるものではなく、上記例のような発電利用の他、燃料利用など、広範な用途に適用できるものである。

ガス化発電設備例のフロー図である。 ガス化炉を概略的に示す縦断面図である。

符号の説明

１…原料ピット、２…ピットクレーン、３…ホッパー、４…コンベヤ、５Ａ，５Ｂ…ダンパー、６…固定床ガス化炉、７…集塵装置、８…燃料ガス冷却装置、９…ガスエンジン、１０…発電機、１１…排ガス冷却装置。

Claims (4)

1. 木質バイオマスからなる原料を固定床ガス化炉に投入しガス化した後、このガス化により発生したガスをガスエンジンに供給して動力を発生させる方法において、
   前記ガスエンジンの排ガスを冷却した後に前記ガス化炉に吹き込むことを特徴とする木質バイオマスによる動力発生方法。
2. 前記ガス化炉に吹き込む排ガスの温度を前記冷却により５０〜１５０℃とする、請求項１記載の木質バイオマスによる動力発生方法
3. 前記ガスエンジンにより発電機を駆動して発電を行う、請求項１記載の木質バイオマスによる動力発生方法。
4. 木質バイオマスが供給される固定床ガス化炉と、この固定床ガス化炉により発生したガスが供給されるガスエンジンと、前記ガスエンジンの排ガスを冷却する冷却装置とを有し、
   前記ガスエンジンの排ガスを前記冷却装置で冷却した後に前記ガス化炉に吹き込むように構成したことを特徴とする木質バイオマスによる動力発生システム。

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