特許 6551745 バイオマスのガス化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6551745

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】バイオマスのガス化装置

(51)【国際特許分類】

   C10J 3/66 20060101AFI20190722BHJP

   C10J 3/84 20060101ALI20190722BHJP

【ＦＩ】

   C10J3/66

   C10J3/84

【請求項の数】1

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-7020(P2016-7020)

(22)【出願日】2016年1月18日

(65)【公開番号】特開2017-128623(P2017-128623A)

(43)【公開日】2017年7月27日

【審査請求日】2018年3月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】514244446

【氏名又は名称】株式会社ＧＰＥ

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(74)【代理人】

【識別番号】100086092

【弁理士】

【氏名又は名称】合志 元延

(72)【発明者】

【氏名】谷端 一樹

(72)【発明者】

【氏名】林 潤一郎

(72)【発明者】

【氏名】三原 啓邦

(72)【発明者】

【氏名】植田 哲夫

(72)【発明者】

【氏名】金子 昌二

(72)【発明者】

【氏名】松田 誠

【審査官】 森 健一

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００８／０２９６８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−１２６５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７７１０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ１０Ｊ ３／００

Ｃ１０Ｋ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バイオマスから燃料ガスを得る装置であって、一体構成された熱分解部と改質部とを、有してなり、該熱分解部は、投入されたバイオマスを熱分解し、
該改質部は、該熱分解部で生成されたバイオマスガスと炭化物粒とが、該熱分解部から直接供給され、バイオマスガスに含有されたタールを、炭化物粒を利用しつつ共に燃料成分に改質し、もって燃料ガスとし、
該熱分解部は、横型炉よりなり、若干傾斜して回転する円筒状のリフタードラム、又はスクリューコンベア，スクリューキルンのいずれかを備えた押し出し方式よりなり、バイオマスを低温乾留して、バイオマスガスと炭化物粒とを共に供給口から流下せしめ、
該改質部は、該熱分解部に連設された縦型炉よりなり、上部の流入口が、該熱分解部端部の供給口に連通接続されると共に、下部の吸引口から、カロリーアップされた燃料ガスを排出し、
該熱分解部は、４５０℃以上〜６５０℃以下の熱分解温度域に維持されており、バイオマスガスおよび炭化物粒は、上記熱分解温度をほぼ保持しつつ該改質部へと供給され、もってタールの温度低下による液化，周囲付着も回避され、
該改質部は、まず上部にて、空気つまり酸素が供給されてバイオマスガスを部分燃焼させ、もって７００℃以上の改質温度域へと高熱化され、
該改質部の７００℃以上の上記改質温度域から排出された燃料ガスは、管路により、該熱分解部の４５０℃〜６５０℃の上記熱分解温度域への熱源用に途中利用された後、燃料用に提供され、
該熱源用の途中利用は、該改質部と該熱分解部とが一体的に近接連設されており、該管路により至近距離で熱損失，温度低下が少なく実現されること、を特徴とするバイオマスのガス化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バイオマスのガス化装置に関する。すなわち、木質バイオマス等を熱分解して得られるバイオマスガスを改質し、もって燃料ガスとして利用する、ガス化装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

《技術的背景》
木質廃材その他の木質バイオマス等を、燃料として有効利用することへの関心が、近年高まっている。
特に、木質バイオマスを熱分解してバイオマスガスを生成し、もって燃料ガスとしてエンジンに供給して発電等に利用する、バイオマスのガス化システムが、最近注目を集めている。

【0003】

《従来技術》
図３は、従来のガス化システム１の説明図である。同図にも示したように、この種従来例の代表的ガス化システム１は、熱分解炉２と改質炉３とを備えていた。
そして、バイオマスＡが原料ホッパー４から熱分解炉２に投入され、熱分解炉２で生成されたバイオマスガスＢが、管路５_１を経由して改質炉３に供給され、改質炉３でタールＣが処理された後、燃料ガスＤとして、管路５_２にてエンジン６に供給されていた。
熱分解炉２で生成されたバイオマスガスＢ中には、多量のタールＣが含有されており、そのままエンジン６の燃料として供給すると、エンジン６の弁，その他に液化，付着して、汚れやコーキングの原因となり、各種トラブルの要因となってしまう。
そこでバイオマスガスＢについて、含有されていたタールＣを、改質炉３で燃料成分に改質し、もって燃料ガスＤとしていた。改質炉３におけるタールＣの改質には、熱分解炉２での燃焼に際し生成された炭化物粒（チャー）Ｅが、タールＣの吸着分解用，触媒用として使用されると共に、自らも燃料成分に改質されていた。
図中７は、エンジン６にて駆動される発電機である。図中５_３は、エンジン６の排気ガスＧを、熱分解炉２の熱源として利用するための管路である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

このような従来のガス化システム１としては、例えば、次の特許文献１，２に示されたものが挙げられる。

【特許文献1】特開２００９−２３５３３５号公報

【特許文献2】特開２０１０−１２６５９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、このような従来のバイオマスＡのガス化システム１については、次の問題が課題として指摘されていた。
《第１の問題点》
第１に、熱効率面に問題が指摘されていた。まず熱分解炉２は、４５０℃〜６５０℃程度の熱分解温度域に維持されており、投入されたバイオマスＡを熱分解する。改質炉３は、７００℃以上の改質温度域に維持され、タールＣや炭化物粒Ｅを改質する。
他方、熱分解炉２から改質炉３へのバイオマスガスＢの供給は、管路５_１を経由して行われていた。熱分解炉２頂部と改質炉３下部間に配設された、管路５_１を経由して行われていた。
又、熱分解炉２から改質炉３への炭化物粒Ｅの供給は、供給手段８を使用して行われていた。熱分解炉２下部の排出部９から排出された炭化物粒Ｅを、供給手段８を使用して、改質炉３頂部へと供給していた。

【0006】

もって熱損失が大きく、熱効率に問題が指摘されていた。
４５０℃〜６５０℃で熱分解炉２から排出されたバイオマスガスＢの熱量が、管路５_１による供給途中で熱伝達等により失われ、もってバイオマスガスＢの温度低下が著しく、その分、改質炉３において改質温度域への加熱熱量の増加を招いていた。管路５_１の短縮化や断熱材による被覆等の対策も取られていたが、十分ではなかった。
炭化物粒Ｅについても同様であり、４５０℃〜６５０℃で熱分解炉２から排出された炭化物粒Ｅの熱量が、途中の供給手段８で熱伝達等により失われ、温度低下が著しく、その分、改質炉３での改質温度域への加熱熱量の増加を招いていた。

【0007】

《第２の問題点》
第２に、タールＣ付着による不具合発生も指摘されていた。
熱分解炉２と改質炉３間に配設された管路５_１について、バイオマスガスＢ中に含有されたタールＣが、上述した温度低下により液化，固化し（高温での気化タールから液化タール化）、内部に付着して、汚れやコーキングの原因となり、各種トラブルを惹起していた。
炭化物粒Ｅの供給手段８についても同様であり、熱分解炉２から改質炉３へと供給される炭化物粒Ｅについても、付随帯同されていたタールＣが、供給手段８に液化，固化，付着して、汚れ，コーキングの原因となり、トラブルを惹起していた。
従来例では、このような問題が課題として指摘されていた。

【0008】

《本発明について》
本発明のバイオマスのガス化装置は、このような実情に鑑み、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第１に、熱効率が向上し、第２に、タール付着による不具合発生も防止され、第３に、しかもこれらが簡単容易に実現される、バイオマスのガス化装置を提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

《請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、特許請求の範囲の請求項１に記載したように、次のとおりである。
本発明に係るバイオマスのガス化装置は、バイオマスから燃料ガスを得る装置であって、一体構成された熱分解部と改質部とを、有してなる。
そして該熱分解部は、投入されたバイオマスを熱分解する。該改質部は、該熱分解部で生成されたバイオマスガスと炭化物粒とが、該熱分解部から直接供給され、バイオマスガスに含有されたタールを、炭化物粒を利用しつつ共に燃料成分に改質し、もって燃料ガスとする。
該熱分解部は、横型炉よりなり、若干傾斜して回転する円筒状のリフタードラム、又はスクリューコンベア，スクリューキルンのいずれかを備えた押し出し方式よりなり、バイオマスを低温乾留して、バイオマスガスと炭化物粒とを共に供給口から流下せしめる。
該改質部は、該熱分解部に連設された縦型炉よりなり、上部の流入口が、該熱分解部端部の供給口に連通接続されると共に、下部の吸引口から、カロリーアップされた燃料ガスを排出する。

【0010】

そして該熱分解部は、４５０℃以上〜６５０℃以下の熱分解温度域に維持されており、バイオマスガスおよび炭化物粒は、上記熱分解温度をほぼ保持しつつ該改質部へと供給され、もってタールの温度低下による液化，周囲付着も回避される。
該改質部は、まず上部にて、空気つまり酸素が供給されてバイオマスガスを部分燃焼させ、もって７００℃以上の改質温度域へと高熱化される。
該改質部の７００℃以上の上記改質温度域から排出された燃料ガスは、管路により、該熱分解部の４５０℃〜６５０℃の上記熱分解温度域への熱源用に途中利用された後、燃料用に提供される。
該熱源用の途中利用は、該改質部と該熱分解部とが一体的に近接連設されており、該管路により至近距離で熱損失，温度低下が少なく実現されること、を特徴とする。

【0011】

《作用等について》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
（１）ガス化装置では、熱分解部にバイオマスが投入されて、バイオマスガス，炭化物粒等が生成される。熱分解部は、リフタードラム，スクリューコンベア，スクリューキルンのいずれかを、備えている。
（２）生成されたバイオマスガスと炭化物粒は、改質部に供給され、バイオマスガスに含有されていたタールが、炭化物粒を利用しつつ、共に燃料成分に改質され、もって、燃料ガスとされる。
（３）そして本発明のガス化装置は、熱分解部と改質部が一体構成され連設されている。熱分解部端部の供給口に、改質部上部の流入口が連通接続されており、改質部下部の吸引口から燃料ガスが排出される。
（４）もって、バイオマスガスや炭化物粒が、熱分解部から改質部へ、熱分解温度をほぼ保持しつつ、流下，吸引，供給される。供給時での熱量損失，温度低下は、ほぼ回避される。
（５）そこで、バイオマスガスに含有されたタールが、液化，固化して周囲に付着することも、回避される。
（６）このように作用する本発明のガス化装置は、上記記載したように、簡単な構成よりなる。
（７）そして、改質部から排出された燃料ガスの熱量，顕熱を、管路により、熱分解部の熱源に途中利用することが、至近距離であり、熱損失，温度低下が少なく実現される。
（８）燃料ガスは代表例では、発電機付のエンジンに供給される。
（９）そこで、本発明に係るバイオマスのガス化装置は、次の効果を発揮する。

【発明の効果】

【0012】

《第１の効果》
第１に、熱効率が向上する。
本発明に係るバイオマスのガス化装置では、バイオマスガスや炭化物粒が、熱分解部から改質部へ、熱分解温度をほぼ保持しつつ供給される。供給時に熱が逃げ熱量が失われること、つまり温度低下は、ほぼ回避される。このように熱損失が防止され、熱効率が向上する。
前述したこの種従来例のように、途中の管路や供給手段において、バイオマスガスや炭化物粒の熱分解炉での熱分解温度が大きく失われ、もって改質炉での改質温度域への加熱熱量の増加を招くような事態は、確実に回避される。
更に、改質部の改質温度域から排出された燃料ガスを、熱分解部の熱分解温度域への熱源用に、管路により途中利用するようにしたので、この面からも熱効率，エネルギー効率が向上する。

【0013】

《第２の効果》
第２に、タール付着による不具合発生も防止される。
本発明に係るバイオマスのガス化装置では、上述したように、バイオマスガスや炭化物粒は、熱分解部から改質部へ熱分解温度をほぼ保持しつつ供給される。
もって、バイオマスガスに含有されていたタール（含．炭化物粒に付随帯同されたタール）が、供給途中での温度低下により周囲に付着することは回避される。もって汚れ，コーキング，トラブル等の原因となることもない。
前述したこの種従来例のように、途中の管路や供給手段に、タールが液化，固化，付着して、汚れ，コーキング，トラブル等の不具合を引き起こす事態は、確実に回避される。熱分解部と改質部間では、管路や供給手段は用いられず、不用化されている。

【0014】

《第３の効果》
第３に、しかもこれは簡単容易に実現される。
本発明に係るバイオマスのガス化装置は、熱分解部と改質部を一体的に連設し、熱分解部の供給口に、改質部上部の流入口を連通接続して、改質部下部の吸引口から燃料ガスを排出する構成よりなる。
このような簡単な構成により、上述した第１，第２の効果を容易に実現でき、コスト面等にも優れている。
このように、この種従来技術に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の参考例の正面断面図である。本発明には属さないが本発明の前提となる、バイオマスのガス化装置の参考例を示す。

【図2】本発明に係るバイオマスのガス化装置について、発明を実施するための形態の説明に供し、実施例の正面断面図である。

【図3】従来例のバイオマスのガス化システムの説明に供し、正面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明を実施するための形態について、図１，図２を参照して詳細に説明する。
《熱分解部１０について》
本発明に係るバイオマスＡのガス化装置１１は、一体構成された熱分解部１０と改質部１２とを、有している。
まず、熱分解部１０について説明する。本発明のガス化装置１１では、まず、熱分解部１０にバイオマスＡが投入され、もってバイオマスＡが熱分解されて、バイオマスガスＢや炭化物粒Ｅ等が生成される。
すなわち、熱分解部１０は横型炉よりなり、４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域に維持されており、バイオマスＡを低温乾留し、もって生成したバイオマスガスＢと炭化物粒Ｅとを、共通の供給口１３から流下せしめる。

【0017】

このような熱分解部１０について、更に詳述する。まずバイオマスＡは、原料ホッパー４，乾燥機，定量フィーダー（図示せず）等を介し、常温で熱分解部１０に投入される。
投入されるバイオマスＡとしては、チップ化された木質廃材等の木質バイオマスが代表的であるが、これに加え、紙材，プラスチック材，廃材（廃棄物系），作物系（植物系，生物系），その他のバイオマス材も、熱分解可能，バイオマスガスＢ化可能である。
４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域は、熱分解されるバイオマスＡからタール（気化タール）Ｃの発生が完了してしまう温度を下限とし、炭化物粒（木炭粒，チャー）Ｅ生成可能な温度を上限とする。
投入されたバイオマスＡは、このような熱分解温度域で低温乾留により熱分解され、もって炭化物粒Ｅ，灰分，その他の燃焼残等の固形分と共に、バイオマスガスＢが生成される。
バイオマスガス（熱分解ガス，乾留ガス）Ｂは、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを主成分とするが、メタン（ＣＨ_４），エチレン（Ｃ_２Ｈ_４），プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）等の高発熱量の低級炭化水素を、含有することも多い。
更に、これらの燃料成分と共に、窒素（Ｎ_２），二酸化炭素（ＣＯ_２），水蒸気（Ｈ_２Ｏ）等の不燃成分も、含有している。そしてタール（気化タール，タール蒸気）Ｃも、含有している。
なお熱分解部１０は、若干傾斜して回転する円筒状のリフタードラム１４，又はスクリューコンベア，スクリューキルン等を備えた押し出し方式よりなる。そして供給口１３から、バイオマスガスＢと炭化物粒Ｅとを排出して、改質部１２へと流下せしめる。図示例では、リフタードラム１４下流端が、供給口１３から改質部１２の流入口１５に臨んでいる。
熱分解部１０については、以上のとおり。

【0018】

《改質部１２について》
次に、本発明のガス化装置１１の改質部１２について、説明する。改質部１２は、熱分解部１０で生成されたバイオマスガスＢと炭化物粒Ｅとが、直接流下され、もって、バイオマスガスＢに含有されたタールＣを、炭化物粒Ｅを利用しつつ、共に燃料成分に改質して、燃料ガスＤを得る。
そして改質部１２は、熱分解部１０に連設された縦型炉よりなり、７００℃以上の改質温度域に維持されており、上部の流入口１５が、熱分解部１０端部の供給口１３に直接連通接続されると共に、下部の吸引口１６から、カロリーアップされた燃料ガスＤを排出する。

【0019】

このような改質部１２について、更に詳述する。まず、改質部１２は７００℃以上の改質温度域に維持されている。
すなわち、４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域の熱分解部１０から直接供給されるバイオマスガスＢの顕熱に、部分燃焼の反応熱を加えることにより、改質を実施可能な改質温度域に維持されている。
すなわち改質部１２は、まず上部にて、一定供給量に制御された空気Ｈつまり酸素が供給されて、バイオマスガスＢを部分燃焼させる。もって、このような直接加熱方式による熱量を、バイオマスガスＢ自体の熱量に加えることにより、７００℃以上の改質温度域へと高熱化される。
そして、このような改質温度域のもと、バイオマスガスＢ中に含有されたタールＣ（含．炭化物粒Ｅに付随，帯同していたタールＣ）が、炭化物粒Ｅの吸着分解機能と触媒機能によりコーク化し、もって熱の作用により水蒸気をガス化剤として反応して、水素，一酸化炭素，メタン等に水蒸気改質される。

【0020】

水蒸気改質は、バイオマスガスＢ中に含有された水蒸気を利用して実施されるが、付設されたスチーム供給手段（図示せず）からも、補足的に供給可能となっている。
炭化物粒Ｅは、前述した熱分解部１０において、焦げた未燃焼分，多孔質残留物として得られる。そして炭化物粒Ｅは、バイオマスガスＢに含有されたタールＣの捕捉，吸着，担持，一体化層として機能すると共に、タールＣのコーク化，水蒸気改質反応促進用の触媒層としても機能する。又、炭化物粒Ｅ自体も水蒸気改質されて、水素や一酸化炭素等にガス化される。
バイオマスガスＢは、このようにタールＣや炭化物粒Ｅが、改質により上述したように燃料成分にガス化され、もってカロリーアップされた燃料ガス（改質ガス）Ｄとなる。
そして燃料ガスＤは、下部に内装された吸引口１６からブロワ１７が介装された管路１８_１（図１の参考例）、又は１８_２（図２の実施例）へと導出される。もって、管路１８_１又は１８_２を経由してロータリーエンジン等のエンジン６に、エアー混合器（図示せず）等を経て供給され、エンジン６の燃料となりエンジン６を駆動する。エンジン６は、発電機７に連結されており、その駆動が発電用に出力される。
図中、１９は格子である。Ｊは、灰分等の燃焼残であり、炭化物粒Ｅ等の残渣として改質部１２の下部から、排出される。

【0021】

ところで、図１の参考例において、燃料ガスＤは、管路１８_１により改質部１２からエンジン６へと直接供給される。
これに対し、図２の実施例において、燃焼ガスＤは、管路１８_２により、改質部１２に近接一体連設された熱分解部１０の熱源として利用されてから、エンジン６へと供給される。
すなわち、改質部１２の７００℃以上の改質温度域から排出された燃料ガスＤは、熱分解部１０の４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域への熱源用に利用された後、燃料用に提供される。
改質部１２については、以上のとおり。

【0022】

《作用等》
本発明のバイオマスＡのガス化装置１１は、以上説明したように構成されている。そこで以下のようになる。
（１）ガス化装置１１では、まず、熱分解部１０にバイオマスＡが投入されて熱分解され、もってバイオマスガスＢ，炭化物粒Ｅ等が生成される。熱分解部１０は、図示したリフタードラム１４，スクリューコンベア，スクリューキルンのいずれかを備えた、押し出し方式よりなる。

【0023】

（２）熱分解部１０で生成されたバイオマスガスＢと炭化物粒Ｅは、改質部１２に供給される。そして、バイオマスガスＢに含有されたタールＣ（含．炭化物粒Ｅに付随帯同していたタールＣ）が、炭化物粒Ｅを利用しつつ共に燃料成分に改質される。もってバイオマスガスＢは、改質されて燃料ガスＤとされる。

【0024】

（３）本発明のガス化装置１１は、このような熱分解部１０と改質部１２とを備えると共に、両者が一体構成され連接されている。
すなわち、横型の熱分解部１０端部の供給口１３に、縦型の改質部１２上部の流入口１５が、直接連通接続されており、改質部１２下部の吸引口１６から、燃料ガスＤが排出される。

【0025】

（４）もって、バイオマスガスＢや炭化物粒Ｅが、熱分解部１０から改質部１２へ、４５０℃〜６５０℃の熱分解温度をほぼ保持しつつ、流下，吸引される。
従って、このように直接供給されるバイオマスガスＢや炭化物粒Ｅについて、供給途中での熱量損失，温度低下は、ほぼ回避される。

【0026】

（５）又、上述したようにバイオマスガスＢや炭化物粒Ｅは、熱分解部１０から改質部１２へ、ほぼ４５０℃〜６５０℃の熱分解温度で供給される。途中に管路や供給手段が介在する（図３の従来例を参照）ことなく、直接供給される。
もって、バイオマスガスＢに含有されたタールＣ（含．炭化物粒Ｅに付随帯同されるタールＣ）が、温度低下により液化，固化して周囲に付着することは、回避される。

【0027】

（６）そして、このように作用する本発明のガス化装置１１は、熱分解部１０と改質部１２とを一体的に連設し、熱分解部１０の供給口１３に改質部１２の流入口１５を、連通接続して、改質部１２の吸引口１６から燃料ガスＤを排出するという、簡単な構成よりなる。

【0028】

（７）そして、図２の実施例のように、改質部１２の７００℃以上の改質温度域から排出された燃料ガスＤの熱量，顕熱を、熱分解部１０の４５０℃〜６５０℃の熱分解温度域の熱源用に途中利用することも、確実かつ簡単容易に実現される。改質部１２と熱分解部１０は、一体的に近接連接されており、管路１８_２により至近距離で熱損失，温度低下が極めて少なく実現される。

【0029】

（８）このようにガス化装置１１で得られた燃料ガスＤは、参考例では管路１８_１により、実施例では管路１８_２によりエンジン６に供給される。エンジン６の出力軸には、発電機７が接続されている。

【符号の説明】

【0030】

Ａ バイオマス
Ｂ バイオマスガス
Ｃ タール
Ｄ 燃料ガス
Ｅ 炭化物粒
Ｇ 排気ガス
Ｈ 空気
Ｊ 灰分等
１ ガス化システム（従来例）
２ 熱分解炉
３ 改質炉
４ 原料ホッパー
５_１ 管路（従来例）
５_２ 管路（従来例）
５_３ 管路（従来例）
６ エンジン
７ 発電機
８ 供給手段
９ 排出部
１０ 熱分解部
１１ ガス化装置(本発明)
１２ 改質部
１３ 供給口
１４ リフタードラム
１５ 流入口
１６ 吸引口
１７ ブロワ
１８_１ 管路（参考例）
１８_２ 管路（本発明）
１９ 格子

【図1】

【図2】

【図3】