特許 6815545 成形燃料、成形燃料の製造方法及びガス化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6815545

(24)【登録日】2020年12月24日

(45)【発行日】2021年1月20日

(54)【発明の名称】成形燃料、成形燃料の製造方法及びガス化方法

(51)【国際特許分類】

   C10L 10/04 20060101AFI20210107BHJP

   C10L 5/44 20060101ALI20210107BHJP

   C10J 3/02 20060101ALI20210107BHJP

   C10J 3/46 20060101ALI20210107BHJP

【ＦＩ】

   C10L10/04

   C10L5/44

   C10J3/02 K

   C10J3/46 K

【請求項の数】13

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2020-53032(P2020-53032)

(22)【出願日】2020年3月24日

【審査請求日】2020年3月24日

(31)【優先権主張番号】特願2019-126153(P2019-126153)

(32)【優先日】2019年7月5日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】500004461

【氏名又は名称】シン・エナジー株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】500433225

【氏名又は名称】学校法人中部大学

(74)【代理人】

【識別番号】100104765

【弁理士】

【氏名又は名称】江上 達夫

(74)【代理人】

【識別番号】100131015

【弁理士】

【氏名又は名称】三輪 浩誉

(72)【発明者】

【氏名】乾 正博

(72)【発明者】

【氏名】二宮 善彦

(72)【発明者】

【氏名】角間 隆司

(72)【発明者】

【氏名】藤元 祐輔

(72)【発明者】

【氏名】尾形 直亮

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 龍磨

(72)【発明者】

【氏名】堀尾 正靭

【審査官】 森 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２１９５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１８／１８５８０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００４−５２８３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２２８０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２１０５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４９１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２２３５６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ１０Ｌ ５／４４

Ｃ１０Ｊ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＩＳＯ１８１２２：２０１５に準拠した灰化方法で得られる灰分の組成の酸化物換算で算出したときに、酸化カリウムが２０ｗｔ％以上となる木質バイオマス原料からなり、固定床方式または固気移動床方式のガス化炉で用いられる成形燃料であって、
１０００℃以下のガス化雰囲気となる領域においてカリウム含有化合物と反応する含酸素アルミニウム化合物を含み、液相の炭酸カリウムの生成を抑制することによりクリンカの生成を抑制するクリンカ生成抑制剤を、該クリンカ生成抑制剤中のＡｌのモル量を前記木質バイオマス原料中のＫのモル量で除した値が０．２５以上となるように含有する
ことを特徴とする成形燃料。

【請求項2】

前記クリンカ生成抑制剤中のＡｌのモル量を前記木質バイオマス原料中のＫのモル量で除した値が０．９以上であることを特徴とする請求項１に記載の成形燃料。

【請求項3】

前記含酸素アルミニウム化合物は、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムまたは粘土鉱物のうち、少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形燃料。

【請求項4】

前記木質バイオマス原料は、主成分がスギであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の成形燃料。

【請求項5】

ペレットに成形されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の成形燃料。

【請求項6】

前記ガス化炉は、固気移動床式のガス化炉であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の成形燃料。

【請求項7】

ＩＳＯ１８１２２：２０１５に準拠した灰化方法で得られる灰分の組成を酸化物換算で算出したときに、酸化カリウムが２０ｗｔ％以上となる木質バイオマス原料からなり、固定床方式または固気移動床方式のガス化炉で用いられる成形燃料の製造方法であって、
前記木質バイオマス原料に、液相の炭酸カリウムの生成を抑制することにより１０００℃以下のガス化雰囲気となる領域におけるクリンカの生成を抑制するクリンカ生成抑制剤を、該クリンカ生成抑制剤中のＡｌのモル量を前記木質バイオマス原料中のＫのモル量で除した値が０．２５以上となるように添加、混合する工程と、
前記木質バイオマス原料と前記クリンカ生成抑制剤との混合物を成形する工程と、
を含んでおり、
前記クリンカ生成抑制剤は、前記ガス化雰囲気において、カリウムを主成分とするカリウム含有化合物と反応する含酸素アルミニウム化合物からなる
ことを特徴とする成形燃料の製造方法。

【請求項8】

前記クリンカ生成抑制剤中のＡｌのモル量を木質バイオマス原料中のＫのモル量で除した値が０．９以上であることを特徴とする請求項７に記載の成形燃料の製造方法。

【請求項9】

前記含酸素アルミニウム化合物は、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムまたは粘土鉱物のうち、少なくとも１つからなることを特徴とする請求項７又は８に記載の成形燃料の製造方法。

【請求項10】

前記木質バイオマス原料は、主成分がスギであることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の成形燃料の製造方法。

【請求項11】

前記木質バイオマス原料と前記クリンカ生成抑制剤との混合物を、ペレットに成形することを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の成形燃料の製造方法。

【請求項12】

前記ガス化炉は、固気移動床式のガス化炉であることを特徴とする請求項７ないし請求項１１のいずれか１項に記載の成形燃料の製造方法。

【請求項13】

請求項７ないし請求項１２のいずれか１項に記載の成形燃料の製造方法により製造された成形燃料を用意する工程と、
前記成形燃料を１０００℃以下のガス化雰囲気下でガス化する工程と、
を含むことを特徴とする成形燃料のガス化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えばバイオマス発電等に用いられる成形燃料及び成形燃料の製造方法及びガス化方法の技術分野に関する。

【背景技術】

【0002】

バイオマスボイラ等の機器におけるバイオマス燃料の燃焼時、即ち１０００℃以上の雰囲気では、バイオマス燃料に含まれるＫ_２Ｏ及びＳｉＯ_２由来の灰凝集物（クリンカ）が、火格子、排ガス流路壁面や伝熱面等に付着することがしばしば発生する。これにより、例えば燃焼の立ち消えや伝熱効率の低下、メンテナンス頻度の増加が引き起こされ、長期安定運転に支障がきたされる。このため、例えば特許文献１では、バイオマス燃料の製造時に第２族元素化合物を混合することで、灰分の融点を上げてクリンカの発生を抑制するという技術が開示されている。

【0003】

石炭ボイラ等の機器による石炭燃焼においても、カリウムを含む塩基成分が原因のケイ酸塩生成による灰分融点低下に起因したスラッキング（クリンカによる閉塞）がしばしば生じている。このため、特許文献２では、含酸素Ａｌ化合物等を含むスラッキング防止剤が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７−２１０５７４号公報

【特許文献2】特開２０１０−２３５８２２号公報

【特許文献3】国際公開第２０１０／０４６２２２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

バイオマス燃料は、酸素過剰条件で燃焼させるだけでなく、上述した特許文献３に記載されているようなガス化炉等のガス化装置において酸素不足条件（即ち、還元雰囲気）でガス化させ、生成ガスを用いて、ガスエンジンで発電することでもエネルギーを発生させることが可能である。ただし、バイオマス燃料をガス化させる場合にも、ガス化装置においてクリンカが発生することがある。

【0006】

本願発明者らによる研究によれば、例えば炉内温度が１０００℃以下の固定床・移動床方式のガス化炉において発生するクリンカは、ガス化雰囲気（即ち、還元雰囲気）において発生するクリンカであり、炭酸カリウムが主成分となることが判明している。また、このような炭酸カリウムが主成分であるクリンカは、上述した特許文献１及び２が対象としている燃焼時（即ち、１０００℃以上かつ酸化雰囲気）において発生するカリウムを含む塩基成分が原因のケイ酸塩由来のクリンカとは発生原理が異なることも判明している。このため、本願発明者らによれば、上述した特許文献に記載されている技術（即ち、酸化雰囲気のみを想定した技術）を適用しただけでは、ガス化炉におけるクリンカの発生を効果的に抑制することは容易ではないという技術的問題点が確認されている。

【0007】

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガス化装置におけるクリンカの発生を抑制することが可能な成形燃料及び成形燃料の製造方法及びガス化方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る成形燃料の一態様は、ＩＳＯ１８１２２：２０１５に準拠した灰化方法で得られる灰分の組成の酸化物換算で算出したときに、酸化カリウムが２０ｗｔ％以上となる木質バイオマス原料からなり、固定床方式または固気移動床方式のガス化炉で用いられる成形燃料であって、１０００℃以下のガス化雰囲気となる領域においてカリウム含有化合物と反応する含酸素アルミニウム化合物を含み、液相の炭酸カリウムの生成を抑制することによりクリンカの生成を抑制するクリンカ生成抑制剤を前記木質バイオマス原料中のカリウム量に応じて設定された量だけ含有する。

【0009】

本発明に係る成形燃料の製造方法の一態様は、ＩＳＯ１８１２２：２０１５に準拠した灰化方法で得られる灰分の組成を酸化物換算で算出したときに、酸化カリウムが２０ｗｔ％以上となる木質バイオマス原料からなり、固定床方式または固気移動床方式のガス化炉で用いられる成形燃料の製造方法であって、前記木質バイオマス原料に、液相の炭酸カリウムの生成を抑制することにより１０００℃以下のガス化雰囲気となる領域におけるクリンカの生成を抑制するクリンカ生成抑制剤を木質バイオマス原料中のカリウム量に応じて設定された量だけ添加、混合する工程と、前記木質バイオマス原料と前記クリンカ生成抑制剤との混合物を成形する工程と、を含んでおり、前記クリンカ生成抑制剤は、前記ガス化雰囲気において、カリウムを主成分とするカリウム含有化合物と反応する含酸素アルミニウム化合物からなる。

【0010】

本発明に係る成形燃料のガス化方法の一態様は、上述した成形燃料の製造方法により製造された成形燃料を用意する工程と、前記成形燃料を１０００℃以下のガス化雰囲気下でガス化する工程と、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】バイオマス燃料をガス化させる際のガス化炉内部の状態を示す断面図である。

【図2】ガス化時に発生するクリンカの一例を示す上面図である。

【図3】バイオマス燃料の灰分組成における、ガス化炉内の温度と、ガス化炉内におけるカリウム含有化合物の生成割合との関係を示すグラフである。

【図4】バイオマス燃料にクリンカ抑制剤を添加した際のガス化炉内の温度と、ガス化炉内におけるカリウム含有化合物の生成割合との関係を示すグラフである。

【図5】バイオマス燃料に対するアルミナの添加量と、ガス化炉内におけるカリウム含有化合物の生成割合との関係を示すグラフである。

【図6】バイオマス燃料にクリンカ生成抑制剤を添加した場合の、クリンカの発生速度の違いを示す表である。

【図7】ガス化炉の運転時間と、累積クリンカ発生量との関係を示すマップである。

【図8】バイオマス燃料に対するアルミナ添加量とクリンカ発生速度との関係を示すマップである。

【図9】添加前後の炉内残渣物の蛍光Ｘ線解析による元素組成を示す表である。

【図10】実施形態に係るバイオマス燃料の製造方法の流れを示すフローチャートである。

【図11】アルミナ及び水酸化アルミニウム添加ペレットの製造フローを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して成形燃料及び成形燃料の製造方法並びにガス化方法の実施形態について説明する。なお、以下では成形燃料を燃焼させるガス化装置の一例として、上向き固気並流方式のガス化炉を挙げて説明する。

【0013】

＜ガス化炉におけるクリンカの発生＞
まず、成形燃料であるバイオマス燃料をガス化させるガス化炉、及びガス化炉内で発生するクリンカについて、図１から図３を参照して説明する。図１は、バイオマス燃料をガス化させる際のガス化炉内部の状態を示す断面図である（より具体的には、特許文献３に記載されているような上向き固気並流方式のガス化炉の模式図である）。図２は、ガス化時に発生するクリンカの一例を示す上面図である。図３は、バイオマス燃料の灰分組成における、ガス化炉内の温度と、ガス化炉内におけるカリウム含有化合物の生成割合との関係を示すグラフである。なお、図２及び図３は、比較例に係るバイオマス燃料（具体的には、後述するクリンカ生成抑制剤が添加されていないバイオマス燃料）をガス化させた際の様子を示すものである。

【0014】

図１に示すように、バイオマス燃料（例えば、木質バイオマスペレット等）は、ガス化炉１０と呼ばれる反応容器の内部でガス化される。具体的には、ガス化炉１０にバイオマス燃料が投入されると、熱分解ゾーンにおいて熱分解される。その後、酸化ゾーンにおいて空気等と反応して酸化され、還元ゾーンにおける還元反応を経ることで、可燃性のガスが発生する。このようにして発生したガスは、例えば発電機に供給され発電（即ち、バイオマス発電）等に利用される。

【0015】

図２に示すように、ガス化炉１０の内部には、バイオマス燃料がガス化される際の反応（具体的には、還元ゾーンにおける還元反応）によって、クリンカ５０と呼ばれる残渣物が生ずることがある。クリンカ５０は、灰分を主体としチャーやフライアッシュを取り込んだ凝集物であり、当初は熱分解ゾーン（図１参照）と酸化ゾーン（図１参照）もしくは酸化ゾーンと還元ゾーン（図１参照）の境界に生じるが、ガス化炉１０の運転時間に応じて大きくなり、ガス化炉１０の断面を埋め尽くすような大きさになることもある。このようなクリンカ５０が発生してしまうと、ガス化炉１０において正常な反応が阻害され、結果としてバイオマス燃料の正常なガス化が行えなくなってしまう。

【0016】

図３に示すグラフは、各温度におけるギブスの自由エネルギーが０になる平衡状態を計算する熱力学的平衡計算ソフトウェアを用いて、炭酸ガスを含むガス化雰囲気下でカリウム分を含むバイオマス燃料の灰分組成に基づいて計算したものである。初期条件は、杉が原料である木質バイオマスペレットの蛍光Ｘ線解析により測定した元素組成（下記「表１」を参照）を用いている。

【0017】

なお、木質バイマス燃料の元素組成分析をするには灰化を行わなければならないが、正確な測定結果を得るために、ＩＳＯ１８１２２：２０１５ Ｓｏｌｉｄ ｂｉｏｆｕｅｌｓ - Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ａｓｈ ｃｏｎｔｅｎｔ に準拠した灰化方法を採用した。即ち、木質バイオマスには基本的にカルシウムとカリウムを主成分としており、このカリウムが８００℃以上では揮発してしまう性質をもつため、灰化温℃をＩＳＯ１８１２２：２０１５に規定されている通り５５０℃付近で灰化することにより、カリウムを含めた正確な灰分組成測定の結果を得ることができる。

【0018】

また、表１は灰分組成測定によって得られる無機元素を酸化物換算して表示している。

【0019】

【表1】

【0020】

上記の元素組成の特徴として、カルシウム、カリウムが多いことが分かる。なお、雰囲気は炭酸ガスを含むガス化雰囲気下での計算としている。

【0021】

本願発明者の研究するところによれば、クリンカ５０が発生する主な原因は、ガス化炉１０内部に発生するカリウム化合物（特に、炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３））の融液であることが判明している。このカリウム化合物は、バイオマス燃料に含まれるカリウムに由来して発生するものであり、ガス化雰囲気（即ち、還元雰囲気）において発生する。例えば、Ｋ_２Ｏ＋ＣＯ２→Ｋ_２ＣＯ_３、或いは、２Ｋ_２Ｏ＋３ＣＯ→２Ｋ_２ＣＯ_３のように、炭酸ガスとカリウム分とが反応することで炭酸カリウムが発生する。図３のグラフから、液体の炭酸カリウム（図中の点線参照）は、クリンカ５０の発生箇所の温度帯に対応する９００℃から９５０℃の温度域において多く発生していることが分かる。即ち、バイオマスボイラ等で問題となるシリカとカリウムによるケイ酸塩によるクリンカではなく、クリンカ５０はカリウムが主原因の炭酸カリウムの融液によって発生するものである。炭酸カリウムの融液が９００℃から９５０℃付近で発生することから、特に主なガス化領域温℃が１０００℃以下である固定床方式または固気移動床方式のガス化炉において、クリンカ５０の発生が問題となる。

【0022】

本実施形態に係るバイオマス燃料は、上述したクリンカ５０の原因となる炭酸カリウムの融液が発生するのを抑制するため、製造時にクリンカ生成抑制剤が添加されている。クリンカ生成抑制剤は、木質バイオマス燃料の融点を上げる目的ではなく、ガス化雰囲気における炭酸カリウムが発生する状態を、添加したクリンカ生成抑制剤中のアルミニウムとカリウムとの化合物が発生する状態にするために添加される。このため、バイオマス燃料に添加されるクリンカ生成抑制剤の量はバイオマス燃料のカリウム含有量に応じて設定すればよい。即ち、カリウム含有量に対して所定割合以上のクリンカ生成抑制剤が、バイオマス燃料に添加される。このように、バイオマス燃料にクリンカ生成抑制剤を添加すれば、ガス化時に発生する炭酸カリウムの融液を少なくすることができるため、炭酸カリウムの融液が原因となるクリンカ５０の発生を抑制することが可能である。

【0023】

＜クリンカ生成抑制剤の添加による変化＞
次に、バイオマス燃料にクリンカ生成抑制剤を添加することによるガス化時の変化について、図４、図５を参照して具体的に説明する。図４は、表１の灰分組成に対して、クリンカ生成抑制剤のアルミナ中のアルミニウムのモル量をバイオマス燃料中のカリウムのモル量で除した値が０．４６になるように添加したときの炉内温度とカリウム含有化合物の生成割合の関係を表すグラフである。図５は、アルミナ中のアルミニウムのモル量をバイオマス燃料中のカリウムのモル量で除した値と、ガス化炉内におけるカリウム含有化合物の生成割合との関係を示すグラフである。なお、図４は、表１の灰分組成に対して、アルミナ中のアルミニウムのモル量をバイオマス燃料中のカリウムのモル量で除した値が０．４６になるように添加したバイオマス燃料を初期条件に、図５は同じく表１の灰分組成に対してアルミナの量を増加させた値を初期条件とし、図３と同様の熱力学的平衡計算ソフトウェアを用いて計算したものである。

【0024】

図４と図３を比較すると、９００℃―９５０℃で発生していた炭酸カリウムの融液は発生せず、バイオマス燃料中のカリウムがアルミニウムと反応し、ＫＡｌＯ_２が発生していることがわかる。即ち、上述した通り、ガス化雰囲気における炭酸カリウムが発生する状態を、添加したクリンカ生成抑制剤中のアルミニウムとカリウムとの化合物が発生する状態になっていることがわかる。

【0025】

図５に示すように、本願発明に係るクリンカ生成抑制剤の一例として酸化アルミニウム、即ちアルミナの添加量が増えるほど、即ちアルミナ中のアルミニウムのモル量をバイオマス燃料中のカリウムのモル量で除した値が大きくなるほど、ガス化時に発生する炭酸カリウムの融液の最大量（ピーク時の割合）が減少する。また、バイオマス燃料中のカリウムのモル量に対するアルミナ中のアルミニウムのモル量の比が０．２８程度になると、炭酸カリウムの融液の割合は、ほとんどゼロとなる（即ち、少なくとも平衡状態において、炭酸カリウムの融液がほとんど発生しなくなる）。

【0026】

以上の結果から、バイオマス燃料に対して、夫々本願発明に係るクリンカ生成抑制剤の一例として、アルミナを添加した場合、クリンカ５０の主成分が炭酸カリウムの融液であることを考えるとクリンカ５０を抑制する効果が得られることが分かる。また、バイオマス燃料含有カリウムとアルミニウムを反応させることにより炭酸カリウムの融液の発生を抑制させることから、アルミナの他に、水酸化アルミニウムやアルミニウム元素を含む粘土鉱物（例えば、カオリン、ドロマイト等）を添加した場合でも同様の効果が得られる。更に、これらのクリンカ生成抑制剤を単一で添加してもよいし、複数混合して添加することも可能である。

【0027】

また、バイオマス燃料中の灰分組成、特にカリウムは、樹種やサンプル箇所によって大きく異なる。例えば、表２に４つの異なるサンプル箇所におけるスギサンプル、ドイツ産トウヒの酸化物換算した灰分組成重量割合を示す。酸化カリウムの重量割合から分かる通り、同種のスギでも酸化カリウムの量にばらつきがあることがわかる。本願出願人らによれば、本願発明が有効となるバイオマス燃料のカリウムを酸化物換算した酸化カリウムの重量割合は、２０ｗｔ％以上であることがわかっている。例えば、表２中のスギサンプルＡ、Ｂを用いてガス化炉１０を運転した場合、クリンカの発生によるガス化反応の阻害が問題になっており、本願発明技術が有効になるが、スギサンプルＣについては、本願発明技術を適用しなくともガス化炉のクリンカの発生によるガス化反応の阻害は問題にならなかった。また、表２からもわかる通り、バイオマス燃料として利用される日本の木材、例えば、スギは、他の地域の木材、例えば欧州のトウヒ、と比較してカリウム化合物の含有量が多いことが知られており、本願発明がスギに対して特に有効であることがわかっている。

【0028】

【表2】

【0029】

＜クリンカ抑制効果＞
次に、バイオマスにクリンカ生成抑制剤を添加することによって得られるクリンカ抑制効果について、図６から図９を参照してより具体的に説明する。図６は、バイオマス燃料にクリンカ生成抑制剤を添加した場合の、クリンカの発生速度の違いを示す表である。図７は、ガス化炉の連続運転時間と、累積クリンカ発生量との関係を示すマップである。図８は、バイオマス燃料に対するアルミナ添加量とクリンカ発生速度との関係を示すマップである。図９は、添加前後の炉内残渣物の蛍光Ｘ線解析による元素組成を示す表である。

【0030】

図６に示すように、本願発明者による実験によれば、バイオマス燃料にクリンカ生成抑制剤を添加しなかった場合、ガス化炉１０を１６６時間連続運転させると、クリンカ５０が７７．３ｋｇ生ずるという結果が得られている。即ち、運転１時間あたり０．４７ｋｇのクリンカ５０が発生する。

【0031】

一方で、バイオマス燃料に水酸化アルミニウムを添加した場合、ガス化炉１０を７１５時間連続運転させても、クリンカ５０は１６.６ｋｇしか生じないという結果が得られている。即ち、運転１時間あたりのクリンカ発生量は、０．０２３ｋｇまで抑制されている。また、バイオマス燃料に水酸化アルミニウムを添加した場合、ガス化炉１０を１２１９時間、即ち約７週間も連続運転させることができた。この際のクリンカ５０の発生量は、５７．７ｋｇ、即ち、運転１時間あたりのクリンカ発生量は、０．０４７ｋｇまで抑制されている。即ち、クリンカ生成抑制剤を添加しない場合と比べて、クリンカ５０の発生速度が１／１０のオーダーにまで抑制されている。このように、クリンカ生成抑制剤を添加することで確実にクリンカ５０の発生を抑制できることが分かっている。

【0032】

図７に示すように、本実施形態に係るバイオマス燃料は、ガス化炉１０を用いた複数回の実験によっても、クリンカ５０を抑制する効果があることが証明されている。具体的には、バイオマス燃料にクリンカ生成抑制剤を添加しない場合（即ち、比較例に係るバイオマス燃料を用いた場合）、ガス化炉１０の連続運転時間に応じてクリンカ５０の発生量も累積して増えていく傾向が明らかである。一方で、バイオマス燃料にアルミナ又は水酸化アルミニウムを添加した場合（即ち、本実施形態に係るバイオマス燃料を用いた場合）、クリンカ生成抑制剤を添加しない場合と比べると、クリンカ５０の発生速度は極めて抑制されている。

【0033】

図８に示すように、アルミナ又は水酸化アルミニウムの添加量を増加させていく、即ちクリンカ生成抑制剤中のアルミニウムのモル量と木質バイオマス燃料中のカリウムのモル量の比を大きくしていくと、クリンカ発生速度が指数関数的に減少していることが分かる（図の縦軸は対数軸である）。本願発明者らの実験によれば、ガス化炉１０においては、クリンカが約８５ｋｇ発生するとガス化反応が阻害されやすいことがわかっており、ガス化炉１０の理想的な連続稼働時間である６５０時間以上を達成するには、クリンカ生成速度が０．１３ｋｇ／時間であればよいとわかっている。（図１０中の点Ａ）。

【0034】

しかし、より安定的なガス化炉の連続運転を行うには、クリンカが約２５ｋｇ発生するまでに抑えられるとよく、クリンカ生成速度が０．０４ｋｇ／時間である必要があるとわかっている。即ち、クリンカ生成抑制剤は、クリンカ５０のガス化が阻害されずに連続運転するためには、クリンカ生成抑制剤中のアルミニウムのモル量と木質バイオマス燃料中のカリウムのモル量の比が０．２５以上、より安定的に連続運転するためには０．９以上になるように木質バイオマス燃料にクリンカ生成抑制剤を添加すればよい。

【0035】

図９に示すように、水酸化アルミニウムを添加しなかった場合と添加した場合とでは、ガス化炉１０の運転後における炉内の残渣物（チャー、クリンカ、及びフライアッシュ）の元素組成に明らかな違いが生ずる。なお、ここでの「チャー」とはガス炉１０における還元ゾーン（図１参照）に存在し、バイオマス燃料が炭化したものである。また、「フライアッシュ」とは、同じく還元ゾーンにおいて、チャーが還元反応によりガス化され、粉状になったものが発生ガスともに炉外に排出されるものである。

【0036】

水酸化アルミニウムを添加せずに運転した場合、チャー、クリンカにおける酸化物換算表示のカリウム化合物（Ｋ_２Ｏ）の含有量が多く、フライアッシュが比較的少なくなっている。一方、水酸化アルミニウムを添加して運転した場合、水酸化アルミニウムを添加した分、チャーに含まれるアルミニウムの量が多くなっており、カリウムの量は多少減っているものの変わらず多い。一方で、クリンカ中のカリウム含有量は大幅に少なくなっている。また、フライアッシュのカリウム含有量が増えていることが分かる。このことから、クリンカの主成分である炭酸カリウムの発生が抑制されることで、カリウム分がクリンカにならず、フライアッシュとしてそのまま、炉外に排出されていることが分かる。

【0037】

以上説明したように本実施形態に係る木質バイオマス燃料によれば、木質バイオマス燃料中のカリウムの含有量に応じてクリンカ生成抑制剤が添加されていることで、ガス化炉１０におけるクリンカ５０の発生（より具体的には、ガス化雰囲気における炭酸カリウムの融液に由来するクリンカ５０の発生）を効果的に抑制することができる。特に、カリウム化合物の含有量の多い原料から製造されるバイオマス燃料については、ガス化雰囲気において発生する炭酸カリウムの融液の量が多くなるため、バイオマス燃料のカリウムを酸化物換算した酸化カリウムの重量割合が２０ｗｔ％以上の木質バイオマス原料を用いた場合、本実施形態の技術的効果は顕著に発揮される。

【0038】

＜バイオマス燃料の製造方法＞
次に、バイオマス燃料の製造方法について、図１０を参照して説明する。図１０は、実施形態に係るバイオマス燃料の製造方法の流れを示すフローチャートである。

【0039】

図１０に示すように、バイオマス燃料の製造時には、調達されたバイオマス原料（即ち、バイオマス燃料の原料）に対して（ステップＳ１１）、燃料加工プロセス（即ち、バイオマス原料をバイオマス燃料に加工するためのプロセス）を実行する（ステップＳ１２）。例えばバイオマス燃料は、ペレット、ブリケットとして加工される。その後、加工されたバイオマス燃料は、ガス化炉に投入されることになる（ステップＳ１３）。

【0040】

ここで本実施形態では特に、燃料加工プロセス時、クリンカ生成抑制剤を添加する（ステップＳ１４）。例えば、バイオマス燃料がペレットやブリケットである場合には、固着成形時にバイオマス原料に対して、一定の比率でクリンカ生成抑制剤を投入するようにすればよい。

【0041】

＜実施例＞
次に、本実施形態に係るバイオマス燃料の製造方法の具体的な実施例として、アルミナ又は水酸化アルミニウムを添加したペレットの製造方法について、図１１を参照して説明する。図１１は、アルミナ及び水酸化アルミニウム添加ペレットの製造フローを示すフローチャートである。

【0042】

図１１に示すようにバイオマス燃料としてのペレットを製造する際には、まず、バイオマス燃料として調達された原木を（ステップＳ２１）、おが粉製造機でおが粉化し（ステップＳ２２）、原料の含水率が１０％前後となるまで乾燥させる（ステップＳ２３）。続いて、乾燥させたおが粉を造粒機に投入しペレット化を行う（ステップＳ２４）。その後、ペレット化されたものをクーラーで冷却し（ステップＳ２５）、ふるい機にかけることで（ステップＳ２６）、所定の長さのペレットが製造される。バイオマス燃料は、この状態でガス化炉に投入されることになる（ステップＳ２７）。

【0043】

本実施例では、おが粉化した原料を乾燥させた後、造粒する前のタイミングでアルミナ又は水酸化アルミニウムを添加する（ステップＳ２８）。より具体的には、造粒機前のおが粉コンベアラインにおいて、アルミナ又は水酸化アルミニウムを添加する。なお、アルミナ及び水酸化アルミニウムは、造粒機に投入されるおが粉の量に対して、一定の比率で投入する。このようにしてアルミナ又は水酸化アルミニウムを添加すれば、フィーダーを用いて投入量が制御できるため、添加量を自由に設定することができる。

【0044】

＜バイオマス燃料のガス化方法＞
次にバイオマス燃料のガス化方法について説明する。上述したバイオマス燃料製造方法により製造された木質バイオマス燃料を、ガス化炉１０を例とする上向き固気並流方式を含む、固定床・固気移動床方式のガス化炉において、いわゆる熱分解、部分酸化、還元ゾーンを含む工程を経て、１０００℃以下のガス化雰囲気下でガス化させる方法のことである。

【0045】

特に炭酸カリウムの融液が９００℃から９５０℃付近で発生することから、主なガス化領域温度が１０００℃以下であるガス化炉について、顕著にクリンカ抑制効果が発揮される。部分酸化ゾーン等おいて、微視的には１０００℃を超える場合があるが、そのようなガス化炉も主なガス化領域温度が１０００℃以下であるガス化炉に含まれるものとする。

【0046】

＜付記＞
以上説明した実施形態から導き出される発明の各種態様を以下に説明する。

【0047】

（付記１）
付記１に記載の成形燃料は、ＩＳＯ１８１２２：２０１５に準拠した灰化方法で得られる灰分の組成の酸化物換算で算出したときに、酸化カリウムが２０ｗｔ％以上となる木質バイオマス原料からなり、固定床方式または固気移動床方式のガス化炉で用いられる成形燃料であって、１０００℃以下のガス化雰囲気となる領域においてカリウム含有化合物と反応する含酸素アルミニウム化合物を含み、液相の炭酸カリウムの生成を抑制することによりクリンカの生成を抑制するクリンカ生成抑制剤を前記木質バイオマス原料中のカリウム量に応じて設定された量だけ含有する。

【0048】

付記１に記載の成形燃料によれば、液相の炭酸カリウムの生成を抑制することにより、ガス化炉におけるクリンカの生成を抑制することができる。特に、クリンカ生成抑制剤は、木質バイオマス原料中のカリウム量に応じて設定された量だけ含有されているため、カリウムに由来するクリンカを効果的に抑制することができる。

【0049】

（付記２）
付記２に記載の成形燃料は、前記クリンカ生成抑制剤中のＡｌのモル量を前記木質バイオマス原料中のＫのモル量で除した値が０．２５以上である。

【0050】

付記２に記載の成形燃料によれば、クリンカ生成抑制剤のＡｌのモル量と、木質バイオマス原料中のＫのモル量との割合が適切に調整されているため、より効果的にクリンカを抑制することができる。

【0051】

（付記３）
付記３に記載の成形燃料は、前記クリンカ生成抑制剤中のＡｌのモル量を前記木質バイオマス原料中のＫのモル量で除した値が０．９以上である。

【0052】

付記３に記載の成形燃料によれば、クリンカ生成抑制剤のＡｌのモル量と、木質バイオマス原料中のＫのモル量との割合が適切に調整されているため、より効果的にクリンカを抑制することができる。

【0053】

（付記４）
付記４に記載の成形燃料は、前記含酸素アルミニウム化合物は、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムまたは粘土鉱物のうち、少なくとも１つからなる。

【0054】

本願発明者らの研究よれば、含酸素アルミニウム化合物として、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムまたは粘土鉱物の少なくとも１つを用いることで、好適にクリンカを抑制できることが判明している。

【0055】

（付記５）
付記５に記載の成形燃料は、前記木質バイオマス原料は、主成分がスギである。

【0056】

本願発明者らの研究よれば、バイオマス燃料として利用されるスギ（特に、日本のスギ）は、相対的にカリウム化合物の含有量が多いことが分かっている。このため、スギを主成分とする場合には、クリンカ生成抑制剤を含有させることで極めて有益な効果が得られる。

【0057】

（付記６）
付記６に記載の成形燃料は、ペレットに成形されている。

【0058】

ペレットに成形された成形燃料は、製造及び取り扱いが容易であり、ガス化炉においてガス化させるのに適している。

【0059】

（付記７）
付記７に記載の成形燃料は、前記ガス化炉は、固気移動床式のガス化炉である。

【0060】

付記７に記載の成形燃料によれば、固気移動床式のガス化炉におけるクリンカの発生を好適に抑制することが可能である。

【0061】

（付記８）
付記８に記載の成形燃料の製造方法は、 ＩＳＯ１８１２２：２０１５に準拠した灰化方法で得られる灰分の組成を酸化物換算で算出したときに、酸化カリウムが２０ｗｔ％以上となる木質バイオマス原料からなり、固定床方式または固気移動床方式のガス化炉で用いられる成形燃料の製造方法であって、 前記木質バイオマス原料に、液相の炭酸カリウムの生成を抑制することにより１０００℃以下のガス化雰囲気となる領域におけるクリンカの生成を抑制するクリンカ生成抑制剤を木質バイオマス原料中のカリウム量に応じて設定された量だけ添加、混合する工程と、 前記木質バイオマス原料と前記クリンカ生成抑制剤との混合物を成形する工程と、を含んでおり、前記クリンカ生成抑制剤は、前記ガス化雰囲気において、カリウムを主成分とするカリウム含有化合物と反応する含酸素アルミニウム化合物からなる。

【0062】

付記８に記載の成形燃料の製造方法によれば、カリウムに由来するクリンカの生成を抑制可能な成形燃料を製造することが可能である。

【0063】

（付記９）
付記９に記載の成形燃料の製造方法は、前記クリンカ生成抑制剤中のＡｌのモル量を前記木質バイオマス原料中のＫのモル量で除した値が０．２５以上である。

【0064】

付記９に記載の成形燃料の製造方法によれば、クリンカ生成抑制剤のＡｌのモル量と、木質バイオマス原料中のＫのモル量との割合が適切に調整されるため、より効果的にクリンカを抑制することができる。

【0065】

（付記１０）
付記１０に記載の成形燃料の製造方法は、前記クリンカ生成抑制剤中のＡｌのモル量を前記木質バイオマス原料中のＫのモル量で除した値が０．９以上である。

【0066】

付記１０に記載の成形燃料の製造方法によれば、クリンカ生成抑制剤のＡｌのモル量と、木質バイオマス原料中のＫのモル量との割合が適切に調整されるため、より効果的にクリンカを抑制することができる。

【0067】

（付記１１）
付記１１に記載の成形燃料の製造方法は、前記含酸素アルミニウム化合物は、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムまたは粘土鉱物のうち、少なくとも１つからなる。

【0068】

本願発明者らの研究よれば、含酸素アルミニウム化合物として、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムまたは粘土鉱物の少なくとも１つを用いることで、好適にクリンカを抑制できることが判明している。

【0069】

（付記１２）
付記１２に記載の成形燃料の製造方法は、前記木質バイオマス原料は、主成分がスギである。

【0070】

本願発明者らの研究よれば、バイオマス燃料として利用されるスギ（特に、日本のスギ）は、相対的にカリウム化合物の含有量が多いことが分かっている。このため、スギを主成分とする場合には、クリンカ生成抑制剤を含有させることで極めて有益な効果が得られる。

【0071】

（付記１３）
付記１３に記載の成形燃料の製造方法は、前記木質バイオマス原料と前記クリンカ生成抑制剤との混合物を、ペレットに成形する。

【0072】

ペレットに成形された成形燃料は、製造及び取り扱いが容易であり、ガス化炉においてガス化させるのに適している。

【0073】

（付記１４）
付記１４に記載の成形燃料の製造方法は、前記ガス化炉は、固気移動床式のガス化炉である。

【0074】

付記１４に記載の成形燃料の製造方法によれば、固気移動床式のガス化炉におけるクリンカの発生を好適に抑制可能な成形燃料を製造することが可能である。

【0075】

（付記１５）
付記１５に記載の成形燃料のガス化方法は、付記８ないし付記１４のいずれか１項に記載の成形燃料の製造方法により製造された成形燃料を用意する工程と、前記成形燃料を１０００℃以下のガス化雰囲気下でガス化する工程と、を含む。

【0076】

付記１５に記載の成形燃料のガス化方法によれば、ガス化する工程において発生するクリンカを効果的に抑制することが可能である。

【0077】

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う成形燃料、成形燃料の製造方法及びガス化方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0078】

１０ ガス化炉
５０ クリンカ

【要約】

【課題】ガス化装置における炭酸カリウムの融液が生成要因のクリンカの発生を抑制する。
【解決手段】成形燃料は、ＩＳＯ１８１２２：２０１５に準拠した灰化方法で得られる灰分の組成の酸化物換算で算出したときに、酸化カリウムが２０ｗｔ％以上となる木質バイオマス原料からなり、主なガス化領域が１０００℃以下である固定床方式または固気移動床方式のガス化炉（１０）で用いられる。成形燃料は、ガス化雰囲気において、カリウム含有化合物と反応する含酸素アルミニウム化合物を含み、液相の炭酸カリウムの生成を抑制することによりクリンカ（５０）の生成を抑制するクリンカ生成抑制剤を木質バイオマス原料中のカリウム量に応じて設定された量だけ含有する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】