JP6914539B2

JP6914539B2 - 流動層から固形物を分離する方法および装置

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Publication number: JP6914539B2
Application number: JP2018504399A
Authority: JP
Inventors: 斉井上
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Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2037-02-28
Also published as: WO2017154679A1; JPWO2017154679A1

Description

本発明は、流動層から固形物を効果的に分離する方法および装置に関するものである。

更に具体的には、本発明は、流動層内に存在する、流動媒体よりも粒径が大きく、且つ、粒子密度の小さい固形物を分離する方法および装置を提供するものである。本発明による方法および装置によると、例えば、バイオマスの流動層ガス化装置において、ガスとともに副生するチャーを、流動媒体と分離して抜出した上で土壌還元し、再生可能エネルギーを生産するとともに、炭素固定による大気中の二酸化炭素濃度の増大抑制およびバイオマスの持続可能な生産を図ることが可能となる。またそれにとどまらず、流動媒体より粒径が大きく、且つ、粒子密度の小さい固形物を除去する他の用途にも応用が可能である。

近年、地球の温暖化を防止し、また、石炭や石油などの有限な化石燃料資源の枯渇を避けるため、再生可能な自然エネルギー利用技術を開発し、それを広範に普及させることが世界的な緊急課題となっている。自然エネルギーの中でも特にバイオマスエネルギーは、賦存量が大きく、また燃料への転換が比較的容易であることなどから、自然エネルギーの筆頭と位置付けられることが多い。

バイオマスのエネルギー利用技術には、直接燃焼、熱化学的変換技術、生化学的変換技術があるが、直接燃焼は特に小規模プロセスの場合効率に限界があり、また生化学的変換では、糖質やでんぷん質などの限られたバイオマスしか原料にできないという問題がある。一方、熱化学的変換によれば、セルロース系化合物を含め、バイオマスを全体として利用でき、かつ小規模でも高効率のエネルギー利用が可能となる。

しかし、既存の熱化学的変換技術においては、無触媒のガス化は、低温ではタールが生成するため、高温にする必要があり、装置材料の熱的負担の増加と熱効率の低下がさけられない。また、ガス化剤の一部または全部として空気を用いて部分燃焼させる方式では、生成ガスが低発熱量・低品質のガスとなる。それを避けるためにガス化剤をスチームのみとした外熱式のガス化炉を用いることが提案されているが、このような外燃式ガス化炉は熱効率が低く、また熱伝達の問題から、規模や構造にも制約がある。触媒を用いた場合、ガス化温度を下げることはできるものの、一般に触媒は高価であり、またすみやかに劣化ないし失活してしまう、という問題があった。

これらの問題を解決するべく、既に本発明者らは、バイオマスを含む有機物系原料を、ガス化反応ゾーンにおいて、昇温条件下、ガス化剤の存在下において、触媒機能および/または熱媒体機能を有する粘土からなるガス化促進剤と流動接触させることによって、前記有機物系原料を気体・液体燃料製造のための有用ガスに転換する技術を開発している(特許文献１：特許第４２５９７７７号)。この技術によれば、４００℃〜７５０℃の比較的温和な温度条件下において、タールの生成を抑制しつつ、有機物系原料を効率的にガス化することができる。

さらに本発明者は、そのような技術において、ガス化反応ゾーンと再生ゾーンとの隔壁として金属等の熱伝達性の高い材料を用いることによって、再生ゾーンからガス化反応ゾーンへの放射、伝導ならびに対流による熱伝達を行い、前記熱伝達がない場合と比べて再生ゾーンの温度を低減することができ、かつ装置の自動温度調整機能を高めることができることを特徴とするバイオマスのガス化方法を開発している(特許文献２：特許第４５４９９１８号）。

一般に、バイオマスをガス化する際、原料のバイオマスのサイズが大きいと、バイオマス内部の昇温速度が小さくなり、タールの発生が増大するという問題があるため、一般には、ガス化装置に投入するに先立ち、バイオマスを細かく粉砕する必要がある。

この点において、本発明者の前述の発明による、触媒機能および/または熱媒体機能を有する粘土粒子をガス化促進剤と流動接触させることによってガス化する方法では、粘土が投入されたバイオマスを包囲して、発生したタールを吸着・分解することから、未粉砕のバイオマスを、そのまま投入できる利点がある。また、該発明において触媒として利用する粘土粒子のせん断応力が小さいため、投入したバイオマスとほぼ同様の形状をした、大型のチャーが得られる。

このチャーを流動層から分離して抜出し土壌還元すれば、それだけ地球温暖化の原因である炭素を固定することになる。また、チャーは、バイオマスに由来するミネラルに富み、チッソ固定菌等の有用な微生物の繁殖を促し、さらに土壌の透水性・保水性を改善することから、土壌改良効果が大きく、植物の持続的な生育を助けることにもなる。すなわち、再生可能エネルギーの生産とともに、炭素固定と、植物の持続可能な生産をはかれることになる。伝統的な炭焼き工程から得られる炭も従来より土壌改良のために用いられてきたが、そのような伝統的な炭焼きでは、炭を生成する際に発生するエネルギー（有用ガス）を廃棄している。したがって、この点においても上述した先行発明は、いずれも発生したエネルギー（有用ガス）を発電に利用することができる点で、まさにバイオマス資源を余すところなく利用するものである。

このようにバイオマスのエネルギー利用の副産物としてのチャーを有効に利用するためには、流動層から固形物であるチャーを抜き出す方法が必要となる。従来の、流動層から固形物を抜き出す方法としては、特開２００４−１３８３７８「不燃物抜出システムおよび流動層炉システム」（特許文献３）や特開平０８−０２８８４２「流動層ごみ焼却炉における不燃物排出方法及び装置」（特許文献４）などが提案されているが、これらの技術はいずれも、流動層の炉底に沈み込む、流動媒体より粒子密度の大きい固形物を抜き出しの対象としている。バイオマス由来のチャーのように、粒子密度が比較的小さく、気泡流動層の濃厚相上部に浮遊して存在する固形物を効果的に分離する技術はいまだ開発されていない。

登録特許第４２５９７７７号登録特許第４５４９９１８号特開２００４−１３８３７８号特開平０８−０２８８４２号

本発明は、上述の技術的課題を解決するためのものであり、特に、流動媒体を構成する物質の径と、分離対象となる流動層内の固形物の径が異なる場合に、気泡流動層から、当該固形物を効果的に分離し回収する方法ならびに装置を提供する。

上述した技術的課題を解決するために、本発明に係る固形物の回収方法は、流動層内に存在する比較的粗大な固形物を、流動媒体から分離し流動層装置外に連続的に搬出する方法であって、前記固形物の径より小さく前記流動層の流動媒体をなす物質の径より大きい間隙であって、前記流動媒体が通過しかつ前記固形物が選択的に捕捉される径の間隙を多数持った捕捉帯を有する帯状搬送手段の一部を前記流動層装置内に設置し、連続的に循環させることによって、前記固形物を流動層装置外に連続的に分離し搬出するようにしたことを特徴としている。ここで、捕捉帯とは、前記固形物を捕捉する帯状機構のことをいい、帯状搬送手段の搬送面と一体化して設けることができる。

本発明の好ましい態様においては、上記流動層が気泡流動層からなる。

更に、本発明の好ましい態様においては、上記帯状搬送手段がベルト状のコンベアからなり、該帯状搬送手段は、前記流動層の濃厚相部上端付近を一定区間水平に移動するようにすることが好ましい。

また、本発明においては、前記流動層内において、前記帯状搬送手段が配置される位置の流動層の空塔速度とそれ以外の流動層部位の空塔速度に差異をつけることによって、前記固形物が前記帯状搬送手段の捕捉面に誘導されるようにすることが好ましい。

また、本発明の他の好ましい態様においては、前記帯状搬送手段は、前記捕捉帯に代わり、前記固形物の分離・回収用のコレクターを備えていてもよい。該コレクターは複数の刃を備え、該刃の間隔は、該固形物の径より小さく前記流動層の流動媒体をなす物質の径より大きい。該コレクターは、該帯状搬送手段に、固形物を捕捉可能な態様で、複数個備えられることが好ましい。本発明において、該帯状搬送手段が配置された位置の流動層付近に誘導された固形物が該コレクターにより捕捉され、該捕捉された固形物が、該帯状搬送手段と該コレクターの循環運動にともない流動層から掻き上げられ、ついで流動層装置外に連続的に分離・搬出されることが好ましい。

さらにまた、本発明の好ましい態様においては、上記方法が、バイオマスの流動層ガス化プロセスに導入される。

なお、本発明においては、分離対象である前記固形物は、通常の場合、バイオマス由来のチャーからなる。

一方、本発明に係る装置は、流動層内に存在する比較的粗大な固形物を、流動媒体から分離し流動層装置外に連続的に搬出するための装置であって、前記固形物の径より小さく前記流動層の流動媒体をなす物質の径より大きい間隙であって、前記流動媒体が通過しかつ前記固形物が選択的に捕捉される径の間隙を多数持つ捕捉帯を有する帯状搬送手段と、前記帯状搬送手段の一部を前記流動層装置内に導入し、連続的に循環させるための動力手段とを有し、前記帯状搬送手段によって選択的に捕捉された前記固形物を流動層装置外に連続的に分離し搬出するようにしたことを特徴としている。

上記本発明に係る装置において、前記流動層は、好ましくは気泡流動層である。

さらに、本発明に係る装置の好ましい態様においては、前記帯状搬送手段がベルト状のコンベアからなり、さらに該帯状搬送手段が、前記流動層の濃厚相部上端付近を一定区間水平に移動するように設けられていることが好ましい。また、そのようなベルト状のコンベアの例として、チェーンコンベアを用いることができる。

さらに本発明に係る装置においては、前記流動層内において、前記帯状搬送手段が配置される位置の流動層の空塔速度とそれ以外の流動層部位の空塔速度に差異をつける装置をさらに具備し、前記固形物が前記帯状搬送手段の捕捉面に誘導されるようにすることが好ましい。

また、本発明に係る他の好ましい態様の装置においては、前記帯状搬送手段は、前記捕捉帯に代わり、前記固形物の分離・回収用のコレクターを備えていてもよい。該コレクターは複数の刃を備え、該刃の間隔は、該固形物の径より小さく前記流動層の流動媒体をなす物質の径より大きい。該コレクターは、該帯状搬送手段に、固形物を捕捉可能な態様で、複数個備えられることが好ましい。本発明において、該帯状搬送手段が配置された位置の流動層付近に誘導された固形物が、該コレクターにより捕捉され、該帯状搬送手段と該コレクターの循環運動にともない流動層から掻き上げられ、ついで流動層装置外に連続的に分離・搬出されることが好ましい。

また、本発明に係る固形物回収装置は、バイオマスの流動層ガス化装置に導入ないし組み込まれることが好ましい。

なお、本発明に係る装置による分離対象である前記固形物は、通常の場合、バイオマス由来のチャーからなる。

上記の本発明に係る固形物の回収技術は、たとえば本発明者が既に開発したバイオマスのガス化技術に好適に適用され得る。たとえば、前述した特許文献１（特許第４２５９７７７号)に記載のバイオマスのガス化技術においては、バイオマスを含む有機物系原料を、ガス化反応ゾーンにおいて、昇温条件下、ガス化剤の存在下において、触媒機能および/または熱媒体機能を有する粘土からなるガス化促進剤と流動接触させることによって、前記有機物系原料を気体・液体燃料製造のための有用ガスに転換され、この技術によれば、４００℃〜７５０℃の比較的温和な温度条件下において、タールの生成をともなうことなく、有機物系原料を効率的にガス化することができる。

さらに特許文献２（特許第４５４９９１８号）に記載の方法においては、ガス化反応ゾーンと再生ゾーンとの隔壁として金属等の熱伝達性の高い材料を用いることによって、再生ゾーンからガス化反応ゾーンへの放射、伝導ならびに対流による熱伝達を行い、前記熱伝達がない場合と比べて再生ゾーンの温度を低減することができ、かつ装置の自動温度調整機能を高めることができる。

本発明に係る固形物の回収技術は、上述したバイオマスのガス化技術に好適に適用され得るが、これらに限定されるものではなく、分離されるべき固形物が副生物として生成するバイオマスのガス化技術に広く適用され得る。

本発明による固形物分離装置の模式的な平面図である。白抜きの矢印は流動層内の流動媒体と分離対象固形物の流れを示す。本発明による固形物分離装置の流動層部分の模式的な立面図である。白抜きの矢印は流動層内の流動媒体の流れを示し、実線の矢印は、流動層に導入される以前のガス化剤の流れを示す。本発明による固形物分離装置全体の模式的な側面図である。本発明の別の実施形態による固形物分離装置の模式的な平面図である。白抜きの矢印は流動層内の流動媒体と分離対象固形物の流れを示す。本発明の別の実施形態による固形物分離装置の流動層部分の模式的な立面図である。白抜きの矢印は流動層内の流動媒体の流れを示し、実線の矢印は、流動層に導入される以前のガス化剤の流れを示す。本発明の別の実施形態による固形物分離装置全体の模式的な側面図である。

以下、本発明を実施するための例示的な形態について、以下に添付の図面を用いて説明する。図面は単なる例示に過ぎず、本願発明の請求の範囲は、これらの形態ないし態様に限定されるものではない。

本発明によれば、気泡流動層内に存在する固形物を、流動媒体から分別しつつ、流動層の外部に搬出し得る。具体例として、図１、２に示すように、ガス化反応ゾーン３と再生ゾーン２を備え、両者の間を触媒機能および/または熱媒体機能を有する粘土をガス化促進剤として気泡流動層を成す状態で循環させ、ガス化反応ゾーン３にバイオマス６を含む有機物を投入してガス化剤とガス化促進剤の存在下でガス化させ、炭素分などの吸着副生物が表面に沈着したガス化促進剤を再生ゾーン２に導いて、前記再生ゾーン２においてガス化促進剤に付着した吸着副生物を燃焼により、または部分燃焼と炭素質ガス化反応により除去し、このようにして再生された加熱状態のガス化促進剤を前記ガス化反応ゾーン３に再循環させる方式のバイオマスガス化装置1において、ガス化反応ゾーン３の気泡流動層の一部の濃厚相部上端付近に隣接させて、流動媒体の粒径よりは大きく、分離対象チャーの径よりは小さい多数の間隙を持つ捕捉帯を有し、水平に配置された、ベルト状のコンベア４と、そのコンベアにより移送された固形物を流動層外部に排出する排出装置から成る、チャー７の分離装置を設置する。

粘土をガス化促進剤とするバイオマスの流動層ガス化装置では、タールの吸着分解作用を持った粘土が、ガス化反応ゾーンに投入されたバイオマスを包囲するため、大径のバイオマス６を未粉砕で投入でき、粘土のせん断応力は小さいため、大径のバイオマスから生成するチャー７も大径である。したがって、上記のように設置されたコンベア4により、流動媒体とチャー７を、その径の違いにより分離することができる。

分離されたチャー７は、図３に示すように、コンベア４の連続的な運動により、流動層からの粒子の飛散を伴わない程度の位置まで水平に運ばれ、ついで、垂直方向に設置されたシュート１２により、落下し、ダブルダンパー１３等の外部との遮断機構を経て、外部に排出される。一方、流動層に近接した、粒子の飛散をともなう位置には、底板が流動層に向けて傾斜した緩衝ゾーン１０ａ、１０ｂを設けることによって、飛散した粒子を元の流動層に戻すことができる。

本発明の好ましい一実施形態においては、ベルト状のコンベア４の下部の空塔速度を、隣接する流動層８の空塔速度よりも低くすることにより、図２に示されるようにベルト状のコンベア４に隣接する流動層８内に存在する固形物をベルト状のコンベア４の捕捉帯上に押し出す循環流を発生させることができる。このような循環流を発生させることにより、固形物がベルト状のコンベア４に捕獲される確率が高くなり、より効率的に固形物の分離を行うことができる。

本発明の別の好ましい実施形態において、例えば、ベルト状のコンベア４の下部の流動層の底板を、隣接する流動層8に向けて深くなるように傾斜させることによって、帯状搬送手段４に隣接する流動層８内に存在する固形物（チャー７）を帯状搬送手段４の捕捉帯上に押し出す循環流を、より発生させやすくすることができる。このように循環流をより効果的に発生させることにより、固形物７が帯状搬送手段４の捕捉面上に誘導される可能性が高くなり、より効率的に固形物の分離を行うことができる。

また、本発明の他の好ましい実施形態においては、帯状搬送手段４の駆動部を流動層８から隔離された位置に配置することができる。このように駆動部を流動層から離れた場所に配置することにより、駆動部が熱や湿気による影響を受けにくく、故障のリスクを低減させることができ装置自体の耐久性を向上させることができる点でも有利である。

また、本発明の他の好ましい実施形態においては、図４〜６に示すように、帯状搬送手段４は、前記捕捉帯に代わり、固形物を分離・捕捉するためのコレクター１４を備えることができる。該コレクター１４は複数の刃を備え、該刃の間隔は、該固形物の径より小さく前記流動層の流動媒体をなす物質の径より大きい間隔である。該コレクター１４は、該帯状搬送手段に固形物を捕捉可能な態様で、複数個備えられることが好ましい。これにより、該帯状搬送手段が配置された位置の流動層付近に誘導された固形物を、該コレクターにより捕捉し、該帯状搬送手段と該コレクターの循環運動によって流動層から掻き上げ、ついで流動層装置外に連続的に分離・搬出することができる。

また本発明の他の実施形態において、上述した実施形態の内の一部または全部を組み合わせることができる。

本発明による固形物分離装置により固形物が分離される実施例について、以下、具体的に説明する。

大径のチャーの生成例
長さ２．１ｍ、幅１．６ｍ、高さ３ｍの変形楕円形を隔壁で区切ったガス化反応ゾーン３と再生ゾーン２を備えたバイオマスガス化装置１において、スマトラ産アブラヤシ空房を４分の１に分割した、２０〜４５ｃｍのバイオマス６を原料にガス化を行った。投入する粘土触媒としては、平均粒径４５０μｍのインドネシア産粘土を用いた。主な運転条件は、空気比０．１、ガス化炉の温度６９０℃、スチーム／バイオマス比０．８２、バイオマス投入速度２５２ｋｇ（湿重量）／時である。この時、高位発熱量８．２９ＭＪ／Ｎｍ^３のガスが、１９６Ｎｍ^３／時得られ、冷ガス効率は４３．２％、生成ガス中のタール濃度は１３６ｍｇ／Ｎｍ^３であった。この時、投入したバイオマス中の炭素分の２０〜２５％の炭素分を含む、投入した空房片の外形を保ったチャー７が得られた。

流動媒体からの固形物の分離
（実施例１）
ガス化反応ゾーン３と再生ゾーン２が隔壁を隔てて存在する内部循環型気泡流動層コールドモデルの、ガス化反応ゾーン３に隣接して、図１、２および３に示すように固形物の分離・回収用のベルト状のコンベア(横方向２cm、縦方向３．５cmのひし形の間隙を多数有する捕捉帯を装備)を設置した。この装置に、平均粒子径２００μmの粘土粒子を充填し、流動層８をUo-Umf=０．１５m/s、ベルト状のコンベア下部を０．０６m/s(2Umf)の空塔速度になるように空気を導入して流動させた。そこに、直径３cm、長さ５〜１０cmの炭を導入して運転したところ、９割以上の炭が、ベルト状のコンベアにより系外に排出された。一方、炭を粉砕して、長径１cm以下の塊として投入したところ、排出される炭は見られなかった。

（実施例２）
ガス化反応ゾーン３と再生ゾーン２が隔壁を隔てて存在する内部循環型気泡流動層コールドモデルの、ガス化反応ゾーン３に隣接して、図４、５および６に示すように固形物の分離・回収用のコレクター付チェーンコンベア４（コレクターの刃の間隔：１．５ｃｍ）を設置した。この装置に、平均粒子径３５０μｍの粘度粒子を充填し、流動層Uo-Umf=０．１０m/s、コンベア下部を０．１５m/s（１．５Umf）の空塔速度になるように空気を導入して流動させた。そこに、直径３cm、長さ５〜１０cmの炭を導入して運転したところ、９割以上の炭が、コンベアにより系外に排出された。一方、炭を粉砕して、長径１cm以下の塊として投入したところ、排出される炭は見られなかった。

１バイオマスガス化装置
２再生ゾーン
３ガス化反応ゾーン
４ベルト状のコンベア
５流動媒体
６バイオマス
７チャー
８流動層
９ガス化剤
１０ａ緩衝ゾーン
１０ｂ緩衝ゾーン
１１駆動部
１２シュート
１３ダブルダンパー
１４コレクター

Claims

流動層内に存在する比較的粗大な固形物を、流動媒体から分離し流動層装置外に連続的に搬出するための装置であって、
前記固形物の径より小さく前記流動層の流動媒体をなす物質の径より大きい間隙であって、前記流動媒体が通過しかつ前記固形物が選択的に捕捉される径の間隙を多数持つ捕捉帯を有する帯状搬送手段と、
前記帯状搬送手段の一部を前記流動層装置内に導入し、連続的に循環させるための動力手段とを有し、
前記帯状搬送手段によって選択的に捕捉された前記固形物を流動層装置外に連続的に分離し搬出するようにし、
前記帯状搬送手段が、前記流動層の濃厚相部上端付近を一定区間水平に移動するように設けられていることを特徴とする、装置。
前記帯状搬送手段が、前記捕捉帯に代わり、固形物を分離・捕捉するコレクターを備え、前記コレクターの刃の間隔は、前記固形物の径より小さく前記流動層の流動媒体をなす物質の径より大きい、請求項１に記載の装置。
前記流動層が気泡流動層である、請求項２に記載の装置。
前記帯状搬送手段がチェーンコンベアからなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
前記流動層内において、前記帯状搬送手段が配置される位置の流動層の空塔速度とそれ以外の流動層部位の空塔速度に差異をつける装置をさらに具備し、前記固形物が前記帯状搬送手段の捕捉面上に誘導されるようにした、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
バイオマスの流動層ガス化装置に導入される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
分離対象である前記固形物が、バイオマス由来のチャーである、請求項６に記載の装置。