JP5503485B2 - バイオマス炭化・ガス化システムおよび炭化・ガス化方法 - Google Patents
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Description
[化1]
CO+1/2O2 → CO2
[化2]
H2+1/2O2 → H2O
という反応をし、さらにガス化反応として
[化3]
C+CO2 → 2CO
[化4]
C+H2O → CO+H2
という反応をする。このような反応の後、CO、CO2、H2、H2O、N2、固定炭素、灰分が高温ガス化部8からガス改質部9へと移動する。その後、このガス改質部9においては
[化5]
CO+H2O ←→ CO2+H2
というシフト反応が生じることになる。
1.1 検討の基本的な考え方
本件出願人たる財団法人電力中央研究所(以下、当所という)で開発した石炭ガス化炉、および超重質油ガス化炉を対象とした高精度な数値解析技術は、ガス化炉内の粒子挙動、ガス性状、およびガス温度分布など、ガス化炉7における各種性能の詳細な結果を導くため、計算格子の作成に時間を要するとともに、一つの条件を計算するのに数時間を必要とする。そこで、当所では、ガス化方式、最適運転条件の検討などを簡単に行うことを可能にするため、対象とする燃料種の性状、およびガス化反応速度から、炭素転換率、冷ガス効率、ガス温度などの各種ガス化性能を、簡便に予測可能な計算手法を確立した。この計算では、炉壁のふく射や粒子挙動、炉形状などは考慮しておらず、ガス化、および気相反応速度を基に、ガス化炉7内に投入された燃料が、経過時間後にどの程度反応が進行しているかを把握することが可能である。
確立した計算手法の概略を以下に述べる。ガス化炉7内に投入する燃料は、性状分析値で求められる固定炭素をガス化反応の対象となるコークスとし、揮発分はガス化炉7内に投入後、熱分解によって瞬時にガス(気体)になるとした。水分はH2Oとしてそのままガス化炉7に投入され、水性ガス反応、およびシフト反応に関与することとした。
[化6]
Ks=([CO2]×[H2])÷([CO]×[H2O])
=0.0265×exp(3956÷(T+273)) (T:[℃])
[化7]
Cpi=Ai+BiT+CiT2+DiT3+EiT4+FiT5+GiT6
[化8]
CO+1/2O2 → CO2
[化9]
H2+1/2O2 → H2O
[化10]
CO+H2O → CO2+H2
[化11]
CO2+H2 → CO+H2O
[化12]
dx/dt=A0Pi nexp(−EAi/RT)
[化13]
C+1/2O2 → CO
[化14]
C+CO2 → 2CO
[化15]
C+H2O → CO+H2
[数1]
1370℃以下:熱損失割合(%)
=3.7666×10-34×ガス化炉出口温度(℃)10.836
[数2]
1370℃以上:熱損失割合(%)
=−2.97×10-5×ガス化炉出口温度(℃)2
+9.545×10-2×ガス化炉出口温度(℃)−71.35
本計算手法の精度を確認するため、当所で実施したオリマルジョンガス化試験結果との比較を行った。実験においてガス化反応がほぼ終了していると判断された炉内滞留時間約5秒での、酸素比(λ)0.40における実験値と計算値との比較を図2に示す。ガス化反応速度定数は、当所のDTFで測定した値を採用した。
確立した計算手法を用いて、バイオマスの一例として杉チップを高効率でガス化する方式を検討した。検討にあたっては、以下の点に留意した。
・高温ガス化部(コンバスタ)8の出口ガス温度(2段式ガス化炉の場合)
…コンバスタ壁の耐熱(2000℃以下)、および灰の溶融排出(1600℃以上)の観点から考慮
・ガス化炉7の出口ガス温度
…タール生成(1100℃以上)の観点から考慮
・炭素転換率
…リサイクル設備無しでの燃料高効率利用(99.5%以上:冷ガス効率75%以上)の観点から考慮
まず最初に、構造が簡単である1段噴流床方式において、酸素吹き、空気吹きそれぞれについて、最適運転条件の検討を行った。タールの発生を抑制するためガス化炉出口温度1100℃以上、ガス化効率の観点から炭素転換率99.5%以上となる条件を求めた。検討は以下の条件で行った。
・ガス化炉内圧力は大気圧、ガス化炉容量は100t/d。
・ガス化炉内の滞留時間は、計算上ガス化反応がほとんど終了していると判断された5秒。
酸素吹きで検討した結果を図3、図4に示す。酸素製造装置からの酸素濃度は95%が一般的であるため、ガス化剤中酸素濃度を95%とし、残りの5%の不純物は窒素とした。ガス化剤投入温度は50℃とした。計算結果から、酸素比0.58を超える範囲で炭素転換率99.5%以上となる高効率運転が可能であると予測された。一般にバイオマスは燃料中のOの割合が多く、発熱量が化石燃料と比較して低い。そのため、ガス化炉7内の温度を十分に高める運転を行うには、酸素吹きにもかかわらず0.5を超える高い酸素比での運転が必要と計算された。このとき、もう一つの高効率運転の指標である冷ガス効率は58.9%であり、生成ガスの発熱量は約1000kcal/m3Nと低い値となる。
空気吹きで検討した場合の炭素転換率、およびガス化炉出口温度の計算結果を図5に示す。空気の投入温度は250℃とした。酸素吹きと比較すると、同じ酸素比運転では窒素の投入量が約70倍になるため(ガス化剤中窒素割合5%→79%)、同一酸素比運転において、炭素転換率、ガス温度とも低下する。そのため、酸素比0.80でも99%を超える炭素転換率を達成することができず、1段噴流床方式において空気吹きでのガス化を行うことは難しいと考えられた。
水分を多く含んだバイオマスなどを高効率でガス化するために、前処理方式として炭化機と呼ばれる燃料の炭化を行う装置2にて、固定炭素を主成分とした炭化物4と、水分、および燃料中揮発分を含んだ熱分解ガス(揮発ガス)3とに分解してガス化炉7に投入するシステムの検討を行った(図1参照)。本方式は炭化装置2とガス化炉7とを組み合わせたガス化方式であるため、本明細書ではこれを炭化・ガス化方式と呼んでいる。
はじめに、炭化装置2で分離された炭化物4、および熱分解ガス(揮発ガス)3を高温ガス化部(コンバスタ)8のみに投入する1段投入方式について検討を行った。ここでは、炭化装置2を除いたガス化炉単体の効率について検討する。1段噴流床方式の検討と同様に、ガス化炉内圧力は大気圧、ガス化炉容量は100t/d、滞留時間を5秒とし、ガス化剤中酸素濃度は95%とした。計算結果を図6、図7に示す。
次に、炭化装置2で分離された炭化物4を高温ガス化部(コンバスタ)8へ、熱分解ガス3をガス改質部9へ投入する2段投入方式について検討を行った。このとき、ガス化剤5は高温ガス化部8のみに投入することとし、高温ガス化部8においては、炭化物4とガス化剤5との反応によって高温燃焼場が形成され、ガス改質部9においては、水分、揮発分が投入されることで、シフト反応を主としたガスの改質反応が行われる。計算結果を図10、図11に示す。滞留時間は高温ガス化部8で3秒、ガス改質部9で1秒とした。ここでは、以下の理由により、酸素吹きでの運転は困難であると考えられるため、検討は空気吹きのみ行った。
・高温ガス化部8が3000℃を超える高温燃焼場となる。
・高温ガス化部8からガス改質部9へのガス流量に対して炭化装置2から供給される揮発ガス量が多いため、ガス改質部9の温度が急激に下がり、ガス化炉出口温度を1100℃以上に保つことができない。
2段投入方式では、1段噴流床方式、および1段投入方式と比較して低酸素比運転で高い炭素転換率を得られるため、高効率運転の実現を考えた場合、有効な方式であると考えられる。そこで、高温ガス化部8の出口温度を2000℃以下に保ったまま、ガス化炉7の出口温度を1100℃以上に高めるために、ガス改質部9に空気6を投入して、高温ガス化部8からの可燃性ガスであるCO、およびH2を燃焼させ、ガス改質部9のガス温度を高める方式について検討を行った。図10に示したとおり、高温ガス化部(コンバスタ)出口温度を2000℃以下にするためには、酸素比0.16以下(コンバスタ酸素比0.64以下)で運転する必要があるため、コンバスタ酸素比を0.64で固定して、全体酸素比を高めていくこととした。炭素転換率、およびガス温度の計算結果を図12に示す。
杉チップ以外の燃料として、廃棄物の高効率ガス化方式についての検討を行った。検討した廃棄物は典型的な都市ゴミで、性状を表4に示す。ここまで検討してきた杉チップと異なり、廃棄物中には灰分が数%含まれているため、この灰分をガス化炉7内で溶融させ、スラグとして排出することを前提に検討を行う。灰の溶流点については、測定データがないため、1600℃と仮定した。
燃料性状、および当所の熱天秤、PDTFを用いて求めたガス化反応速度に基づくガス化性能予測計算手法を確立し、バイオマス(水分40%の杉チップ)、廃棄物(典型的な都市ゴミ性状)に適したガス化方式、ならびに高効率・安定運転条件の検討を行い、以下の結果を得た。
・杉チップは、燃料を直接ガス化炉7に投入する空気吹き1段ガス化では高効率運転が困難であるが、炭化装置2を用いて炭化物4と水分を含む熱分解ガス3とに分解してガス化炉7に2段で投入する炭化・ガス化方式とすれば、高効率、かつ安定した運転が可能である。
・炭化・ガス化方式では、杉チップのように揮発割合が高い場合、ガス化炉7の出口温度をタール発生抑制温度(1100℃以上)に維持するため、ガス改質部9への空気または酸素6の投入が不可欠である。
・廃棄物は灰分を多く含むため、環境面から灰を溶融排出(スラグ化)する必要がある。廃棄物は揮発割合が低いため、2段ガス化炉において高温ガス化部8のみに空気を投入する方法で、高効率、かつ灰溶融排出運転が可能である。
2 炭化装置
3 (水分を含んだ可燃性の)熱分解ガス
4 炭化物
5 ガス化剤
6 酸素を含んだガス化剤
7 ガス化炉
8 高温ガス化部
9 ガス改質部
12 熱分解ガス流路
13 炭化物供給手段
14 ガス化剤供給手段
Claims (3)
- バイオマス燃料を熱分解して炭化しさらにガス化するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、木質系バイオマス、都市ゴミ等の廃棄物系バイオマスおよびこれらの混合バイオマス等のバイオマス燃料を間接的に加熱して炭化物を生成する炭化装置と、この炭化物をガス化する高温ガス化部および炭化物生成時に揮発したタールを含む可燃性熱分解ガスの改質を行うガス改質部からなる2段式のガス化炉と、前記炭化物を前記ガス化炉の高温ガス化部に供給する炭化物供給手段と、前記炭化装置で生成された前記可燃性熱分解ガスを前記ガス化炉のガス改質部に送り込むための熱分解ガス流路と、通常時は前記高温ガス化部に酸素を含んだガス化剤を供給するとともに前記高温ガス化部から前記ガス改質部へ流れる高温ガスの流量に対して前記ガス改質部に供給される前記可燃性熱分解ガスの流量が増加して前記ガス化炉の出口温度が1100℃未満になる場合またはそのおそれがある場合には前記ガス改質部に酸素を含んだガス化剤を供給するガス化剤供給手段と、前記ガス化炉から供給された生成ガスを利用して発電するとともに作動時に排熱を伴う発電装置とを備え、前記発電装置から排出される前記排熱が前記炭化装置の熱源として供給されるようにして、前記炭化装置において前記バイオマス燃料中の水分を十分に蒸発させ、前記水分が除去された状態の前記炭化物が前記高温ガス化部に供給されるようにしたことを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システム。
- 前記ガス化剤供給手段は分岐管を備え、前記高温ガス化部と前記ガス改質部の前記ガス化剤を供給可能な装置からなることを特徴とする請求項1記載のバイオマス炭化・ガス化システム。
- バイオマス燃料を熱分解して炭化しさらにガス化するバイオマス炭化・ガス化方法において、木質系バイオマス、都市ゴミ等の廃棄物系バイオマスおよびこれらの混合バイオマス等のバイオマス燃料を間接的に加熱して炭化物を生成し、該炭化物を2段式のガス化炉の高温ガス化部に供給してガス化する一方、炭化物生成時に揮発したタールを含む可燃性熱分解ガスを前記ガス化炉のガス改質部に送り込んで改質し、さらに、通常時は前記高温ガス化部に酸素を含んだガス化剤を供給することに加え前記高温ガス化部から前記ガス改質部へ流れる高温ガスの流量に対して前記ガス改質部に供給される前記可燃性熱分解ガスの流量が増加して前記ガス化炉の出口温度が1100℃未満になる場合またはそのおそれがある場合には前記ガス改質部に酸素を含んだガス化剤を供給し、前記ガス化炉から供給された生成ガスを利用して発電するとともに作動時に排熱を伴う発電装置から排出される前記排熱を前記炭化装置の熱源として供給するようにして、前記炭化装置において前記バイオマス燃料中の水分を十分に蒸発させ、前記水分が除去された状態の前記炭化物を前記高温ガス化部に供給するようにしたことを特徴とするバイオマス炭化・ガス化方法。
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