JP6280484B2

JP6280484B2 - 木質バイオマスのガス化装置

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Publication number: JP6280484B2
Application number: JP2014205321A
Authority: JP
Inventors: 良彦河野
Original assignee: JAPAN WOOD ENERGY CO., LTD.
Current assignee: JAPAN WOOD ENERGY CO., LTD.
Priority date: 2014-10-05
Filing date: 2014-10-05
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2034-10-05
Also published as: WO2016056492A1; JP2016074799A

Description

本発明は、木質バイオマスのガス化装置に関し、詳しくは固定床ダウンドラフト式のガス化炉内部における木質バイオマスの架橋現象を解消したガス化装置に関する。

木質バイオマスは大気中の二酸化炭素濃度に影響を与えないカーボンニュートラルな特性を有しており、これを高温ガス化して発電用の燃料等として利用することで化石燃料の代替物となり地球温暖化防止に貢献できることから最近注目されている。
木質バイオマスとしては、間伐材や未利用のまま林地に残置されている林地残材、製材工場等から発生する樹皮、背板、おが屑等の廃棄木材、建設現場や住宅の解体時に発生する建築廃材等が挙げられる。

ガス化装置は木質バイオマスを部分酸化して可燃性ガスを生成するものであり、固定床形式、バブリング式、循環式等の流動床形式、微粉体式等の噴流形式、又は内燃式ロータリーキルン方式、外燃式ロータリーキルン方式等のロータリーキルン形式等の多くの形式のガス化炉を用いるものが既に知られている（非特許文献１参照）。
これらガス化装置の中でも固定床形式は熱出力1,000KW/以下程度の小容量で、設備投資金額が低く、設置面積が少なく、しかも短時間で起動・停止できるという長所を有する。
固定床形式には、木質バイオマスとガス化剤が同一方向に流れるダウンドラフト式と逆方向に流れるアップドラフト式があるが、生成した可燃性ガスを内燃機関や発電用の燃料として利用する場合は、ガス中のタール含有量を低く抑えることができるダウンドラフト式が好適である。

固定床ダウンドラフト式ガス化装置の代表例は、第２次世界大戦中に百万台生産されたインバート（Imbert）方式である。現在稼働中のガス化装置の殆どはこのインバート方式を部分的に改造したもので基本的な動作原理は共通である。インバート方式ガス化装置は、例えば非特許文献2のFig.5-2や特許文献1の図2に示されているとおり、ガス化剤としての空気をガス化炉中央の高温部分に導くべく垂直円筒形のガス化炉の中間部を径方向に絞った漏斗状に形成している。
ガス化炉内に木質バイオマスを投入すると共に空気を導入して燃焼させると、まず炉内最上部に形成される熱分解層（200〜600℃）で木質バイオマスがCH₄、CO、CO₂、H₂、H₂O、C（チャー（固体））、タール、灰分（固体）等に熱分解される。熱分解層の下には燃焼層（600〜1,300℃）が形成され、ここで可燃物であるC、タール、H2、CO等がCO、CO₂、H₂O等に部分燃焼（酸化）される。燃焼層の下には還元層（600〜800℃）が形成され、ここでCがCO₂やH₂0と反応したり、CH₄がH₂Oと反応することでCOやH₂等の可燃性ガスが生成される。そして、可燃性ガスは還元層の下部の火格子を通して炉外に排出されて発電等の用に供される。
また、木質バイオマスは燃焼につれて体積が減少していくため、新たな木質バイオマスを上方から供給して下方へと自重を利用して移動させる仕組みになっている。
なお、絞りをなくして単純な筒状にしたガス化炉も開発されているが、木質バイオマスの下方への移動を重力に依存する点は上記インバート方式ガス化装置と同様である。

特開2008-81637号公報

工業調査会発行「化学装置」2004.03. 城子克夫著「バイオマスの変換技術」 T.B.Reed and A.Das Handbook of Biomass Downdraft Gasifier EngineSystems．P30

しかし、上記従来技術では以下のような問題がある。
すなわち、ガス化炉が漏斗状や単純な筒状の場合、木質バイオマスの自重により生じる圧力の水平方向成分に起因して、炉壁に対して平行な摩擦力が生じる結果、木質バイオマスの粒子が炉壁に引っ掛かった状態になる。また、木質バイオマスの粒子は一般的に形状が複雑であるため、隣り合う粒子間にも大きな摩擦力が生じる。
したがって、燃焼中の木質バイオマスがガス化炉内を下方へ移動していく際に、摩擦力によって炉壁の一部を基礎（足場）にしながら粒子相互が支え合うことでアーチが形成されることがある。
更に、アーチの下方の木質バイオマスが下方に移動することでアーチ下部が空洞になった状態で、アーチの上方の木質バイオマスによる荷重がアーチ全体に作用すると、アーチ内部に作用する圧縮応力が高くなり、いわゆる架橋現象が生じてしまい、木質バイオマスが供給できなくなるという問題がある。
また、架橋現象が発生すると上記熱分解層、燃焼層、及び還元層からなる反応層が圧密されて空気・ガスの下方への流通が阻害されるという問題もある。
また、架橋現象は炉壁のみならず炉底を基礎にして生じることもある。

このような架橋現象を解消するべく炉内に攪拌機などを挿入してアーチを破壊する技術が知られているが、反応層の安定状態が乱れてしまうという問題や、高温部分に攪拌機を付設するためのコストがかかるという問題がある。
また、ガス化炉の外部からハンマー等により打撃を与えてアーチに衝撃や振動を加える技術が知られているが、却って圧密の程度を強めてしまいアーチがより強固になることがあるという問題があった。

本発明は、このような問題を考慮して、固定床ダウンドラフト式のガス化炉内部における木質バイオマスの架橋現象を解消したガス化装置を提供することを目的とする。

本発明のガス化装置は、固定床ダウンドラフト式ガス化炉を用いて木質バイオマスをガス化するガス化装置において、前記ガス化炉の内部を上側の貯留部と下側の反応部に仕切ると共にこれら貯留部と反応部とを繋ぐ貫通孔を備える仕切り板と、前記反応部の下部に配置される火格子とを備えており、前記反応部の水平面内における断面積が下方に向かって次第に大きくなっており、更に、前記貫通孔が前記仕切り板の幅方向の中心部に設けられており、前記貯留部内の木質バイオマスを当該中心部に掻き集める回転羽根を備えることを特徴とする。
また、前記火格子が搖動することを特徴とする。
また、ガス化剤を、前記回転羽根を回転させる回転軸の内部を通して前記反応部内に導入することを特徴とする。
また、ガス化剤を、前記反応部の複数箇所から導入することを特徴とする。

上述のとおり、ガス化炉が漏斗状や単純な筒状の場合、炉壁と接触する木質バイオマスの粒子に対して摩擦力が作用するため、炉壁を基礎にした架橋現象が生じやすかった。
しかし、本発明では反応部の水平面内における断面積を下方に向かって次第に大きくすることで、反応部の形状をいわゆる末広がり形状にする。この場合、炉壁に接触する木質バイオマスの粒子に対して摩擦力が作用しにくく、炉壁が基礎（足場）になりにくくなるため、架橋現象の発生を抑制できる。
更に、本発明では仕切り板を設け、貫通孔を介して貯留部内の木質バイオマスを反応部に供給する。つまり、燃焼に必要な量の木質バイオマスのみを反応部に供給し、残りの木質バイオマスは貯留部内に留めておく。これにより貯留部内の木質バイオマスの荷重は仕切り板が受けることになるため、仮にアーチが形成されかかった場合でも、当該アーチに作用する荷重（上方の木質バイオマスの自重）が従来と比較して減るので、架橋現象をより発生しにくくできる。

また、架橋現象が抑制される結果、反応層が圧密されにくくなり、空気・ガスの下方への流通をスムーズに行なうことができるという効果や、反応層の安定状態が維持され、可燃性ガスを安定的に生成できるという効果を得られる。
また、架橋現象を解消するための攪拌機などを付設する必要がなくコストを抑制できる。
また、火格子を搖動させることにすれば、火格子上の反応層も搖動するので、炉壁や火格子（炉底）に形成された基礎を破壊して架橋現象の発生を抑制できる。

上述の通り、本発明のような部分酸化方式の固定床ガス化炉では、反応層の層序は一般に上から熱分解層、酸化層、還元層と言われている。
固定床方式における熱分解層は、キルンなど酸素がない状態で熱を加える方式とは異なり、酸素が存在する雰囲気で周辺の火炎からの輻射熱で加熱されることから、「火炎熱分解層」と表記されることがある。
酸化層はガス中に酸素が無くなった時点で、その場にチャーなどの還元剤が存在し、しかも吸熱反応を賄うエネルギーが高温の形で存在すれば、還元反応が行われて還元層になる。

還元層はその下部まで高温状態を維持できれば火格子に直接接触することになるが、下部において温度が下がると還元反応が行われなくなる（又は、反応速度が著しく低下する）結果、還元層は不反応層に変化する。
すなわち、通常の固定床ガス化炉では、還元層が直接火格子に接触すると、可燃性ガスの発熱量を増大させるべきエネルギーがガスの顕熱として放散されてしまうため避ける必要がある。その手段としては酸化剤の供給量を制限することが挙げられる。
一方、酸化剤の供給が少な過ぎると不反応層が成長する。極端に表現すれば、前者を炉がストーブになると言い、後者を炉が炭焼き窯になると言う。火格子の役割の一つは不必要に成長した不反応層を反応炉から排除することにある。
反応層では反応の進行により全ての層が消耗し、体積を減少させ、粒子間の通風が維持される。不反応層では体積がそのまま維持され、上部の反応層で消耗した粒子が不反応層の空間を埋めて目詰まりしてしまうため通風抵抗が増大する。火格子の役割のもう一つは目詰まりした不反応層をその一部分を排除して通風を再生することにある。本発明のように火格子を搖動させることで不反応層を崩壊させたり、目詰まりを抑制する効果を得られる。

また、仕切り板に設けた貫通孔を介して木質バイオマスを反応部に供給する場合、自重のみでは貫通穴から木質バイオマスを自然落下させるのが困難な場合が想定される。したがって、貯留部内の木質バイオマスを中心部に掻き集める回転羽根を備えることにすれば、貯留部内の木質バイオマスを無駄なく確実に貫通孔を介して反応部に供給できる。
また、回転羽根を回転させる回転軸の内部を通してガス化剤を反応部内に導入することにすれば、ガス化炉に空気供給用の開口を別途設ける必要がなく、コスト削減に寄与する。
また、反応部の複数箇所から空気を導入することにすれば、還元層入口におけるガスの温度を高温に維持して、ガス中のタールを分解することができる。

ガス化装置の構造を示す縦断面図（a）及びA-A’線矢視図（b）回転羽根及び回転軸を示す平面図搖動機構の構造を示す平面図（a）、正面図（b）、側面図（c）、底面図（d）及び斜視図（e）発電装置の構造を示すブロック図実施例における燃焼中のガス化炉内の温度変化を示すグラフ

本発明のガス化装置1の実施の形態を図を用いて説明する。
図1〜図4に示すように、ガス化装置1はガス化炉10、仕切り板20、火格子30及び回転羽根40を備えている。
ガス化炉10は固定床ダウンドラフト式により木質バイオマス2から可燃性ガスGを生成するものである。
仕切り板20はガス化炉10の内部を上側の貯留部11と下側の反応部12に仕切るために設けられており、その幅方向の中心部に貯留部11と反応部12とを繋ぐ貫通孔13を備えている。
貯留部11はその上部が閉じられた筒状の部材であり、内部に木質バイオマス2を貯留するために設けられる。貯留部11の上部には蓋体14によって開閉自在な木質バイオマス投入口15を備えており、貯留部11の側面の複数箇所には、内部に貯留した木質バイオマス2の量を監視するレベル計を取り付けるためのノズル（図示略）を備えている。

作業者は木質バイオマス2を必要量だけ木質バイオマス投入口15から投入し、蓋体14でボルト締めすることでガス化炉10内を密閉状態にしておく。なお、作業者の手作業によらず、回転式バルブ等の周知の燃料投入手段を用いてもよく、この場合、貯留部11内の木質バイオマス2の量が所定の範囲内に収まるように木質バイオマス2を適当な時間間隔で投入するようレベル計を使用した制御方式により燃料投入手段の駆動を設定すればよい。
木質バイオマス2の形態としてはチップ、おが屑（極端に小さいチップを含む）、ペレット等が挙げられるが、木質バイオマス2は粒形、水分、嵩密度にばらつきがあり、おが屑（極端に小さいチップを含む）ではそのばらつきが顕著になるため、発電装置100を長期間安定的に駆動させる観点からはチップやペレットを用いるのが好ましい。ペレットは一般的には直径6〜10ミリ程度、長さ10〜25ミリ程度の円筒形である。

反応部12は、貫通孔13から順次供給される木質バイオマス2を部分酸化することで上方から順に熱分解層L1、燃焼層L2、還元層L3からなる反応層Lを形成し、可燃性ガスGを生成するために設けられる。
反応部12は、水平面内での断面積が下方に向かって次第に大きくなるように末広がりに形成されており、その上部は仕切り板20で部分的に遮蔽され、その下部に火格子30が配置されている。つまり火格子30が反応部12の底（炉底）になる。
反応部12の断面形状としては円形（円筒状）や矩形が挙げられるが、壁面に生じる摩擦力を抑制する観点からは円形が好ましい。また、壁面の傾斜度（鉛直面に対する傾斜角）は大きいほど摩擦力の抑制効果が高まるが、一方で反応部12内のガスの流れに偏りが生じるおそれがあるので約5〜10％程度が好ましい。

火格子30は上述のとおり反応部12の下部に配置されることで反応部12の底として機能する。すなわち、反応部12内に形成される上記反応層Lのうち還元層L3が一定の不反応層を伴って火格子30の上面に形成されることになり、還元層L3から生成された可燃性ガスGは火格子30を下方に通過した後外部に取りだされ、必要に応じてタール除去装置や灰分回収装置で不純物を濾過された後、ガスミキサーに送られる。
タール除去装置としては例えばNi系触媒や活性炭を用いたものなど、通常使用されているものと同様のものを使用することができる。
灰分回収装置としては例えばガラス繊維や金属メッシュによるバグフィルターなど、通常用いられているものと同様のものを使用することができる。また、生成した可燃性ガスGを水や油を充填したスクラバーに通すことで灰分を取り除くことにしてもよい。

また、図3に示すように、本実施の形態では火格子30を搖動させるための搖動機構50を備える。具体的には、火格子30の下面に接触する円板カム51とカムシャフト52を複数（本実施の形態では2つ）配置しておき、カムシャフト52を軸回りに回転させることで円板カム51を回転させ、火格子30を搖動（本実施の形態では上下動）させる仕組みになっている(図3（c）の矢印参照)。火格子30を搖動させて炉壁及び炉底における木質バイオマス2の基礎を破壊することで、架橋現象の発生を防止し、木質バイオマス2を安定的に下方へ移動させることができる。
なお、火格子30を搖動させるタイミングはガス化炉10の容量等によって異なるが、おおよそ2分〜0.5分に1回程度が好ましい。
また、架橋現象の発生を防止する観点からは火格子30を上下方向に移動させるのが好ましいが、激しく上下動させると反応層Lの安定状態が崩れるおそれがあるので、例えば火格子30を左右方向に移動させたり、斜め方向に移動させることにしてもよい。

回転羽根40は貯留部11内の木質バイオマス2を仕切り板20の中心部に掻き集めて貫通孔13から反応部12内に落下させるために設けられる。
具体的には図2に示すように回転羽根40は金属棒を平面内で渦巻状に曲げ加工して成り、回転軸41の下端の上下2箇所に取り付けられている。回転羽根40の形状は特に限定されるものではなく、例えば下方に向かって次第に拡径する3次元の弦巻状や、L次状、棒状等であってもよい。また、長手方向の一部が上方又は下方に屈曲・突出していてもよい。
また、回転羽根40は必ずしも金属棒で形成する必要はなく、金属板を切断・曲げ加工してもよく、また、回転軸41に対して1つのみ或いは3つ以上取り付けてもよい。
回転軸41は貯留部11の上部においてボールベアリング等の周知の手段によってその軸回りに回転自在となるように支持されている。
貯留部11内に木質バイオマス2を貯留した状態で回転軸41を駆動させることで回転羽根40が回転し、木質バイオマス2が中心部に掻き集められ、貫通孔13から反応部12内に確実に落下する仕組みになっている。

本実施の形態ではガス化剤としての空気Airを回転軸41の内部を通して反応部12上部に導入するようになっている。具体的には、回転軸41を中空構造にして、その先端下面に吹出口42を設けている。
また、本実施の形態ではガス化炉10の側面を貫通して仕切り板20の下面に繋がる空気導入路60を複数本（本実施の形態では2本）備えるが、空気導入路60の本数は適宜変更可能である。空気導入路60内を通った空気は吹出口60a（図1（b）参照）から仕切り板20の下方空間Sへ噴出される。なお、図1（b）中の符号61は、反応部12内に2次空気を導入するための2次空気導入路であり、図1（a）中の符号61aは2次空気の吹出口である。
回転軸41及び空気導入路60を介したガス化炉10内へのガス・空気の供給は、ファンやエアーコンプレッサー等（図示略）の周知の手段を用いてもよく、或いは発電用エンジン102の吸引によりガス化炉10内が負圧になることを利用してガス化炉10内に自然吸引することにしてもよい。また、回転軸41や空気導入路60にダンパ（図示略）を設けて空気の供給量を調節可能にしてもよい。
なお、本発明において空気導入路60は必須ではなく、例えば上記回転軸41を利用して空気を導入することにしてもよい。また、吹出口42も必須ではなく、例えば空気導入路60を利用して空気を導入することにしてもよい。
このように回転軸41を介して反応部12の上部からガス化剤を導入すると共に空気導入路60を介して貯留部11の下部から空気を導入することで固定床ダウンドラフト式による可燃性ガスGの生成に必要充分な量のガス・空気を供給できる。なお、ガス化剤として空気以外に酸素や水蒸気等を使用してもよい。

次に、本発明のガス化装置1を利用した発電装置100について説明する。
発電装置100はガス化装置1によって生じた可燃性ガスGを少なくとも燃料の一部として駆動するものであり、図4に示すようにガス化装置1、ガスミキサー101、エンジン102及び発電機103から概略構成される。
ガスミキサー101は必要に応じてタール除去装置や灰分回収装置を通過して不純物が除去された可燃性ガスGを装置外部の空気と混合するために設けられる。ガスミキサー101では予め測定した可燃性ガスG中のCO、H₂、CH₄等の成分比に関するデータに基づき、適量の空気を可燃性ガスGと混合し、混合気をエンジン102に供給する。
エンジン102としては例えば可燃性ガスG単体で駆動するガスエンジン102や、可燃性ガスGとバイオディーゼル燃料の両方で駆動可能なディーゼルエンジン102を用いることができる。可燃性ガスGを用いる場合、発電機103を駆動できる状態になるまで始動から30分程度の待ち時間が必要になる。したがって、バイオディーゼル燃料による駆動も可能なディーゼルエンジン102を用いることにすれば待ち時間を短縮できるので好ましい。
発電機103はエンジン102に連結されており、エンジン102の駆動によって発電がなされる。発電機103としては通常使用されているものと同様のものを使用することができる。発電機103を構成する燃料供給手段やエンジン102等の各種装置の駆動はコンピュータによる自動制御で行なうことにすればよいが、作業者が手動で行っても良い。

次に、本発明の木質バイオマス2のガス化装置1及び発電装置100の動作について説明するが、着火操作は周知の手法を用いればよいため詳細な説明を省略する。
まず、作業者は木質バイオマス投入口15から木質バイオマス2を投入して、レベル計の指示に従い貯留部11内の所定高さまで木質バイオマス2を堆積させる。同時に回転羽根40を駆動させて木質バイオマス2を仕切り板20の中心部に掻き集め、貫通孔13から反応部12内に落下させる。
周知の方法で着火した反応部12内の木質バイオマス2は、回転軸41の吹出口42及び空気導入路60を介して供給された空気により酸化し、反応層Lが構築されると、可燃性ガスGの生成が開始される。この間搖動機構50を駆動させて適当な間隔で火格子30を搖動する。
反応部12で生成された可燃性ガスGは必要に応じてタール除去装置及び灰分回収装置によって不純物が除去された後、ガスミキサー101に至り、適量の空気を可燃性ガスGと混合して成る混合気をエンジン102に供給し、発電機103で発電する。

次に本発明の発電装置100の実施例を説明する。
ガス化炉10内の状況は温度の時間推移によって確認されるため、貯留部11の下方（仕切り板20の下面近傍）、反応部12の上段、中段、下段の4箇所に熱電対を設置した。このうち反応部12の上段、中段及び下段の熱電対は炉壁近傍に設置した。また、これら4箇所の他に、測定位置を移動できる熱電対を反応部12下部より差し込み、その測定箇所は中段中心もしくは下段中心とし、必要により移動させた。

図5に各熱電対による温度測定結果を示す。
火格子30付近に着火するとガス化炉10内全体の温度が次第に上昇していく。中段での温度が800℃を越せば可燃性ガスGが発生していると判断できる。その後反応部12の上段で600℃に達すると反応層Lがその部位まで成長したと判断できる。火格子30は搖動機構50によって適当な時間間隔で搖動させている。
そして、中段の熱電対の上方約50mmより2次空気導入路61及び吹出口61aを介して2次空気を導入すると、強烈な酸化反応によって最高温度に達する。その後還元反応によってガスの温度はやや低下し、火格子30を通過して炉外に出る。
本実施例では木質バイオマス2に架橋現象が生じることがなく、また、反応層Lを構成する熱分解層L1、燃焼層L2及び還元層L3に急激な温度変化が生じることがなく、常時適温状態を維持できた。これにより、タール濃度が低い良質な可燃性ガスGを安定的に生成でき、これをエンジン102・発電機103に導くことで安定した電力を得られた。

本発明は、固定床ダウンドラフト式のガス化炉内部における木質バイオマスの架橋現象を解消したガス化装置に関し、産業上の利用可能性を有する。

Air 空気
G 可燃性ガス
L 反応層
L1 熱分解層
L2 燃焼層
L3 還元層
S 下方空間
1 ガス化装置
2 木質バイオマス
10 ガス化炉
11 貯留部
12 反応部
13 貫通孔
14 蓋体
15 木質バイオマス投入口
20 仕切り板
30 火格子
40 回転羽根
41 回転軸
42 吹出口
50 搖動機構
51 円板カム
52 カムシャフト
60 空気導入路
60a 吹出口
61 2次空気導入路
61a 吹出口
100 発電装置
101 ガスミキサー
102 エンジン
103 発電機

Claims

固定床ダウンドラフト式ガス化炉を用いて木質バイオマスをガス化するガス化装置において、
前記ガス化炉の内部を上側の貯留部と下側の反応部に仕切ると共にこれら貯留部と反応部とを繋ぐ貫通孔を備える仕切り板と、前記反応部の下部に配置される火格子とを備えており、
前記反応部の水平面内における断面積が下方に向かって次第に大きくなっており、
更に、前記貫通孔が前記仕切り板の幅方向の中心部に設けられており、前記貯留部内の木質バイオマスを当該中心部に掻き集める回転羽根を備えることを特徴とするガス化装置。
前記火格子が搖動することを特徴とする請求項1に記載のガス化装置。
ガス化剤を、前記回転羽根を回転させる回転軸の内部を通して前記反応部内に導入することを特徴とする請求項1又は2に記載のガス化装置。
ガス化剤を、前記反応部の複数箇所から導入することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のガス化装置。