JP7171881B2 - 木質のガス化 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念及び請求項３の上位概念及び国際公開第９５／２４５９１号パンフレット（特許文献１）に相当する木質又はその他の炭素含有材料をガス化する装置及び方法に関する。

この文献は、複合サイクル発電プラントのための流動床炉を開示しており、反応器が二次空気の供給とその反応器内において異なる高さで開口している三次空気供給を有することが提供されている。

米国特許出願公開第２００８／０１２７８２４ Ａ１号明細書（特許文献２）は、窒素－空気混合物を用いて行われる酸素の供給によって未燃焼物質が燃焼される、石炭ガス化プラントの再生フィルターを開示している。

それに類似して、米国特許第６，０７７，４９０号明細書（特許文献３）は、二つフィルターカートリッジの利用を企図している。

従来技術に関して、一般に、次のことを述べることができる：
木質は、化学的に三つの主要成分から構成されている：
－セルロース
－ヘミセルロース
－リグニン
－残部

セルロース
全ての木質の植物の主成分は、約５０％のセルロースから構成されている。セルロースは、個々のグルコース単位からなる鎖状構造の分子である。セルロースの本来の構成成分は、二糖類であるセロビオースである。

ヘミセルロース
ヘミセルロースは高分子の炭水化物からなり、その構成成分は、ペントース及びヘキソースから構成される。ヘミセルロースは、セルロースと同様に多糖類である。

リグニン
木質の第三の成分は、その質量に基づいて約２５～３０％が、フェニルプロパン単位からなるポリマーであるリグニンである。

残部
セルロース、ヘミセルロース、そしてリグニンの他に、木質中には脂肪、樹脂、テルペン、色素及びタンニン並びに鉱物成分が存在する。

元素組成
木質の分子式：
Ｃ_６．１Ｈ_９Ｏ_４．２ （１．２）
比較の家庭用砂糖：
Ｃ_１２Ｈ_２２Ｏ_１１ （２．２）

熱－化学的変換
熱－化学的な仕上げ工程（ガス化）により、固体のバイオエネルギーキャリアは、第一に、熱の流入下でガス状の第二のエネルギーキャリアに変換される。ガス化の際、バイオマスは高温で可能な限り完全に可燃性ガス（すなわち、いわゆる合成ガス）に変換される。そのために、そのプロセスに当量未満の酸素含有ガス化剤（空気）が供給され、それによって、バイオマス中に含有される炭素を一酸化炭素に変換できる。同時に、投入した材料の部分的な燃焼によって必要なプロセス熱が提供さるため、ガス化プロセスを実際に起こすことができる（自己熱ガス化）。発生する低カロリーガスは、バーナーに熱を供給するために、そして、なかんずくガスエンジン又はガスタービンにおいて流体の流れを発生させるために使用される。

並流の固定床ガス化
この種類のガス化の場合、固形物粒子（木質）は、ガス流によって移動しない。燃料は、バラ材の形態でガス化器を通って移動する。ガス化の残滓は、ガス化器の下部領域に受容される。燃料及びガスは、同じ経路を進む。

加熱及び乾燥
第一の相は、木質が外側から内部までゆっくり加熱されることを特徴とする。フリーの水は、水蒸気の形態で送られる。このプロセスは、吸熱性である（エネルギーを要する）。

脱気及び熱分解（Ｐｙｒｏｌｙｓｅ）
熱分解相又は熱分解ゾーンにおける温度は、２００℃～４００℃の間である。この温度において、酸素（Ｏ２）及び水素（Ｈ２）は脱気される。前章で述べたように、木質の構成成分はこの相でガス化される。熱分解の際、セルロース及びヘミセルロースから、二酸化炭素（ＣＯ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）並びに酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、アセトン（Ｃ３Ｈ６Ｏ）、フェノール（Ｃ６Ｈ５ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）が生じる。その熱分解の際に生じた長鎖の炭化水素はタールと呼ばれる。

リグニンの熱分解の際、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）及び芳香族炭化水素（例えば、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６））が生じる。

その熱分解の固形物として、木炭が生じる。

酸化
乾燥、熱分解及び還元に必要なエネルギーは、このゾーンで形成される。炭素及び水素はエネルギーを放出しながら燃焼する（発熱）。このゾーンでは、温度は６５０℃～１１００℃の間であり、そして、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ及びＣＨ_４が生じる（以下では下付なし）。

還元
還元ゾーンでは、燃焼ガスの発生が可能である。この場合、固体の炭素の本ガス化が起こる。この還元ゾーンでは、ＣＯ２及びＨ２Ｏのような、その前の過程の酸化で生じた中間生成物が、赤熱する木炭上で還元される。その際に、ＣＯ、Ｈ２及び高級炭化水素が発生する。これは、約１１００～６５０℃で起こる。

その還元は、優勢な温度に依存して進行する。その際、水素と炭素のメタンへの変換は４００℃～６００℃で急激に減少する。１０００℃を越える温度の場合、メタンはもはや形成されない。Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応は高温で一酸化炭素の良好な収率を達成する。この反応は比較的ゆっくり進行する。

高ＣＯ生成と高水素生成との間には、温度依存性とは逆の傾向がある。さらに、水素の生成は、メタン形成のために後退する。二つの成分は発熱量を高める。高い水素含有量は、エンジンのノッキング問題も大きくする。アンチノックのメタンは良好な燃料ガスであるが、経験上、高いメタン含有量をもたらすガスの生成は、ガスの高いタール負荷も一緒に招く。

ガス化プロセスの進行
最初に、熱供給により木質が加熱され、そして、その際に、ガス化物質中に存在する水が蒸発する。必要とされる熱量は、その際に生じる炭化ガスの部分燃焼と、炭素及び水素の酸化によって発生する。

そのようにして得られた木炭は、炭素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水素の酸化及び還元のための反応面として利用される。ここで、木炭を小さくする、すなわち、その粒子の表面積を大きくすることで、反応速度が高まる。

ここで、反応ゾーンは全体的に見る必要がありそして還元及び酸化が同時に進行することは明らかである。木炭による二酸化炭素の還元が吸熱的であるため、温度は、下部から上部に向かって低下し、それによって反応が次第に静まっていく。還元ゾーンと酸化ゾーンとの間には明確な境界はない。

その酸化ゾーンにおいて、炭素の燃焼によりＣＯ_２になると推測される。というのも、該ゾーンにおける１０００～１３００℃の支配的な高い温度では、ＣＯ_２の耐性がもはや与えられないからである。

その後、一酸化炭素の一部は酸素の存在下に燃焼してＣＯ_２になると考えられる。しかしながら、これは高い温度なので安定ではなく、赤熱する炭素上でＣＯに還元される。酸素が完全に使い果たされる場合、ＣＯはそれ以上燃焼せず、その濃度において、低くなり続ける温度にもかかわらず安定したままである。しかしながら、それについて結局考慮すれば、最初にＣＯ_２が存在するため、この場合でもまた還元反応から開始しなければならない。

上述の過程から明らかなように、このガス化においては、可燃性及び不燃性ガスの混合物が生じ、該混合物は次のように分けられる：

１．可燃性ガス：
・一酸化炭素 ＣＯ
・水素 Ｈ_２
・メタン ＣＨ_４
・高分子量炭化水素化合物

２．不燃性ガス：
・二酸化炭素 ＣＯ_２
・窒素 Ｎ_２
・水蒸気 Ｈ_２Ｏ
・少量の酸素 Ｏ_２

プロセスの実施、滞留時間、温度及び燃料の種類、粒度及び湿度は、木質ガスの組成に影響を及ぼす。木質の典型的な発熱量は、３．５～５．５ＭＪ／ｍ３の規模にあり、そのため、木質ガスはリーンガスである。

国際公開第９５／２４５９１号パンフレット

出発材料の５～１０重量％が、灰分として、しかし主としてガス化されない木質残滓として残留しそして適切に処分されなければならないため、経済的にも生態学的にもその点に関心が持たれており、これは、従来技術による木質のガス化時の未燃焼により発生する木質成分も同様に、可能な限り大部分がガス化されるべきである。このことは、本発明の課題でもある。

本発明は、請求項１の特徴部分に示された特徴を有する装置及び請求項３の特徴部分に示された特徴を有する方法によってこの課題を解決する。言い換えると：ガス発生器の底部領域においてガス化されずに付随的に生じた木炭を、少なくともその大部分を、ガス流により下流に設けられた高温ガスフィルターへ移送する。これは、かつてより周知のバルク輸送時と同様に、空気輸送の技術により、流体速度を適切に選択することによって遂行できる。高温ガスフィルターでは、木炭、並びに炭塵及びそれに伴う灰分が、好ましくはフィルターカートリッジであるフィルターの表面上に堆積する。フィルターにおける圧力損失に依存して、フィルターカートリッジの上流に、酸素（大抵は、空気の形態）が可能な限り激しく導入され、それによって、そのフィルターカートリッジでは、フィルターケークが吹き飛ばされ、そして圧力サージ及び温度が有利に働いて第二のガス化工程が行われ、それによって、同伴された木炭又は微粉炭の大部分がガス化される。依然としてガス化されていない部分は、フィルターの下方部分に－またもや、好ましくは空気の形態で－供給される酸素によって最終的にガス化される。事前に不明な場合に装置建造者及び装置操作者にとって決定するのが容易なプロセスパラメータに依存して、木質ガス化は、鉱物灰分だけが残るまで、本質的に完全に遂行することができる。

図１は、本発明の装置を概略的に示している。

唯一の図からなる図面において、本発明の装置は、単に概略的に示されている。その場合、本発明とは因果関係のない構成要素の図示は全て省略した。特に、多数の計測器、制御機器及び遮断機器、制御装置、装置上流及び下流の構成要素、例えば貯蔵装置、乾燥手段、最終的な生成物ガス精製及び使用者への移送は、木質ガス化の装置の分野の当業者には周知であり、更なる説明は、本発明に関連して必要ではない。

本発明の装置は、計測器等は示していないものの、本発明に不可欠なそれの要素及び部材と共に、この単一の図に概略的に示されている。これらは、本質的に次を有する：ガス化器１及び高温ガスフィルター２。木質チップ、木質ペレット、木炭などは、図示しない貯蔵バンカーから、供給３を介してガス化器１にその頭部から適切に供給され、そして、そこで、冒頭に述べた従来技術から既知の乾燥、炭化、酸化及び還元の工程を経て、その際、取付部品４で示される下部領域において、ライン及び分配器５を介して空気が適切に供給される。これは、並流で作動する固定床を備えた典型的な木質ガス化器である。その下部領域では、酸化後に還元が行われ、そして未燃焼部分及び灰分が生成物ガスと共に、ライン６を介してガス化器の底部領域において引き抜かれ、そして、高温ガスフィルター２の中央領域に導入される。

高温ガスフィルター２のこの下部領域では、フィルター底部１３から下方に向かってフィルターカートリッジ７が突出している。フィルターカートリッジは、ある特定の状況下において十分である場合でさえ、必須ではないが、少なくとも二つのそのようなフィルターカートリッジ７を設けるのが連続運転のために有利である。生成物ガスはフィルターカートリッジを通過し、そしてここでは清浄ガスとして称する生成物として、高温ガスフィルター２の上部領域中に到達し、そしてそこから、清浄ガスライン８を介して引き抜かれ、そしてさらなる加工又は使用に供給される。

フィルターカートリッジ７は、加圧空気供給器９に調節可能に接続されており、これらは、該加圧空気供給を使って、それらの清浄ガス側に衝撃的に過圧をかけて、そうして、それらの粗製ガス側に蓄積したフィルターケークが吹き飛ばされそして少なくとも部分的にガス化され得るようにする。高温ガスフィルター２の下部領域には、ガス化されなかった成分のための取り出し部１０及び対応する灰分容器１１が設けられる。

本発明によれば、既に説明したように、今や、ライン１２を介して例えば、酸素、例えば空気の形態の酸素が、場合によっては加熱及び／又は乾燥された状態で、フィルター底部１３の下方の領域（フィルターカートリッジのほぼ下端部）に供給され、それによって、高温ガスフィルター２の粗製ガス領域において、それまで依然としてガス化されていない木質成分の更なる極めて完全なガス化が起こる。

このように、木質のガス化されていない残留部分は、本質的に、鉱物性灰分に還元することができ、これは、環境のためにも、また、経済的な観点においても非常に注目すべき効果をもたらす：従来技術においては、投入された燃料の５～１０重量％がガス化できず、そして、それ故、適切な廃棄物処理が必要である；本発明によって、その割合が、投入された燃料の１重量％未満に抑えられ、それにより、９０％～９５％の収率が本発明によって９９％に増大し、それに加えて、廃棄物が、それまでに発生していた廃棄物の１０～２０％に低減される！ライン６中の吸引を強化するための無視できるほどの追加の費用及び反応空気をライン１２を介して高温ガスフィルター２に吹き込むための費用が生じるものの、これらはさほどのものではない。

本発明は、図示した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。したがって、大型の装置の場合、保守の場合においてさえ連続運転が達成できるよう、複数のガス化器及び／又は複数の高温ガスフィルターを適切に互いに組合せることができる。吸引を増強しても重すぎる木質成分のためのガス化器には、このような成分のための排出装置を設けることができ、このような成分が後でガス化器に再び供給されるかまたは廃棄されるかは、出発材料の性質及び生成物流へ戻す可能性に依存する。

本発明は、高温ガスフィルターにおいて反応だけは妨害されないか又はフィルター過程の他の実施形態に妨害されない限り、該方法又は装置の様々な他の形態と組み合わせることができる。

第二のガス化工程を高温ガスフィルターで遂行することによって、そこの状態条件は、材料を変更又は適合させることが必要になるようには本質的に変更されることがないため、従来の高温ガスフィルターの場合に当業者が想定する全ての部品及び材料が使用できる。

供給ライン１２のノズル又はその他の開口部が高温ガスフィルター２中へ進入する高さは、フィルターカートリッジ７が存在する場合、その下端が適切である。そこでは、フィルターケークが吹き飛んだ時に、障害のない運転の間に未だガス化されていない材料が通過するのと同じように、全材料が通過する。過圧及び体積流量のような運転パラメーターは、いくつかの実験によって容易に決定される。種々異なる材料がガス化される場合は、個々にまたはグループで提供し得るノズルを異なる高さで設けることが場合より有利である。

また、ノズルを斜めに配置することによって、ガス化を更に促進するような特定の流動パターンを得ることができる。

要約すると、本発明は炭化水素含有材料、特に木質を、ガス化器１によりガス化するための装置であり、該ガス化器に、その上部領域中にガス化すべき材料を供給し、そして、大抵は空気の形態の酸素が該ガス化器の中央領域に供給され、そして、該ガス化器の下部領域中では、固定床リアクター中で該材料の大部分がガス化され、その際、該ガス化器１の最下部領域から生成物ガスが生成物ガスライン６を介して引き抜かれ、そして、高温ガスフィルター２の下部領域中へ導入され、そこでは、好ましくはフィルターカートリッジ７を備えたフィルターを介して、ガス化されなかった粒子、灰分及び異物のような固形物が分離される一方で、清浄ガスがそこを通過し、そして、清浄ガスライン８を介して排出され、その際、該高温ガスフィルター２の底部領域中に残存する固形物を排除するために、取り出し部１０が設けられる、と言える。その際、該高温ガスフィルター２には、フィルター底部１３と取り出し部１０との間のその中央高さの領域に、ライン１２を介して、好ましくは空気の形態の酸素が供給される。

本発明は、炭化水素含有材料、特に、木質を、ガス化器１及びその生成物流における下流にある高温ガスフィルター２により、ガス化する方法にも関し、その際、生成物流における該フィルターの前に、該高温ガスフィルター２に、好ましくは空気の形態の酸素が供給され、そしてそれにより、さらなるガス化過程が行われる。

材料に関する“大部分”という用語は、５０重量％超、好ましくは８０重量％超、特に好ましくは９５重量％超を意味し； リアクター、フィルター、構造物又は装置、又は、より一般的には対象物の“下部領域”は、全体の高さの下半分、特に下の４分の１を意味し、“最下部領域”という語は、下から４分の１、特には、もっと小さい部分を意味し；そして、“中央領域”という語は、全体の高さの中央の３分の１を意味する。これらの用語の全ては、“上”、“下”等も同様に、それらが一般的な意味を有し、観察下の対象物の意図された位置に関連することに留意すべきである。

“本質的に”という用語は、物理的に可能な場合に、上側及び下側の両方にまたはそうでない場合には意味のある方向のみでの所与の値から１０％の逸脱をもって限定される。
本願は特許請求の範囲に記載の発明に係るものであるが、本願の開示は以下も包含する：
１． 炭素含有材料、特に、木質をガス化するための、ガス化器（１）を備えた装置であり、該ガス化器（１）の上部領域中へガス化する材料が供給され、そして、その中央領域に、大抵は空気の形態で酸素が供給され、そして、その下部領域において固定床リアクター中で大部分がガス化され、その際、該ガス化器（１）の最下部領域から、生成物ガスライン（６）を介して生成物ガスが引き抜かれ、高温ガスフィルター（２）の下部領域中へ導入され、そこでは、好ましくはフィルターカートリッジ（７）を備えたフィルターを介して、ガス化されなかった粒子、灰分及び異物のような固形物が分離される一方で、清浄なガスはそれを通過して清浄ガスライン（８）を介して排出され、その際、残留する固形物を排出するために該高温ガスフィルター（２）の底部領域に取り出し部（１０）が設けられている、該装置であって、
該高温ガスフィルター（２）のフィルター底部（１３）と取り出し部（１０）との間の、該フィルターの中央の高さ領域に、ライン（１２）を介して好ましくは空気の形態で酸素が供給されることを特徴とする、上記の装置。
２．例えばブロワーによる前記生成物ガスライン（６）における吸引（Ｚｕｇ）が、ガス化器中でガス化しなかった粒子が本質的に高温ガスフィルター（２）中へ同伴される強さであることを特徴とする、上記１．に記載の装置。
３． ガス化器（１）及びその生成物流の下流の高温ガスフィルター（２）を用いて炭素含有材料、特に、木質をガス化する方法であって、前記高温ガスフィルター（２）に、生成物流でフィルターの前に、好ましくは空気の形態で酸素が供給され、そしてそれにより、さらなるガス化過程が行われることを特徴とする、上記の方法。

０１ ガス化器
０２ 高温エアフィルター
０３ フィーダー
０４ 取付部品
０５ 分配器
０６ 生成物ライン
０７ フィルターカートリッジ
０８ 清浄ガスライン
０９ 加圧空気供給器
１０ 取り出し部
１１ 灰分容器
１２ 供給ライン
１３ フィルター底部

Claims (4)

1. ガス化器（１）を備えた装置を用いて木質をガス化する方法であって、該ガス化器（１）の上部領域中へガス化する木質が供給され、そして、その中央領域に、空気が直接供給され、そして、その下部領域において固定床リアクター中で大部分がガス化され、その際、該ガス化器（１）の最下部領域から、生成物ガスライン（６）を介して生成物ガスが引き抜かれ、そして直接、高温ガスフィルター（２）の下部領域中へ導入され、そこでは、フィルターを介して、ガス化されなかった粒子、灰分及び異物のような固形物が分離される一方で、清浄なガスはそれを通過して清浄ガスライン（８）を介して排出され、その際、残留する固形物を排出するために該高温ガスフィルター（２）の底部領域に取り出し部（１０）が設けられており、及び該高温ガスフィルター（２）のフィルター底部（１３）と取り出し部（１０）との間の、該フィルターの中央の高さ領域に、生成物流でフィルターの前に、ライン（１２）を介して空気が直接供給され、それにより、さらなるガス化過程が行われる、前記方法。
2. 前記フィルターがフィルターカートリッジ（７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記生成物ガスライン（６）における吸引（Ｚｕｇ）が、ガス化器中でガス化しなかった粒子が高温ガスフィルター（２）中へ同伴される強さであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記生成物ガスライン（６）における吸引がブロワーによって達成されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。

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