特開 2023-110663 ガス化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023110663

(43)【公開日】2023-08-09

(54)【発明の名称】ガス化装置

(51)【国際特許分類】

   C10J 3/20 20060101AFI20230802BHJP

   C10J 3/02 20060101ALI20230802BHJP

【ＦＩ】

C10J3/20

C10J3/02 M

C10J3/02 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022012248

(22)【出願日】2022-01-28

(71)【出願人】

【識別番号】306039120

【氏名又は名称】ＤＯＷＡサーモテック株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(71)【出願人】

【識別番号】000216025

【氏名又は名称】鉄建建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101557

【弁理士】

【氏名又は名称】萩原 康司

(74)【代理人】

【識別番号】100096389

【弁理士】

【氏名又は名称】金本 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100167634

【弁理士】

【氏名又は名称】扇田 尚紀

(74)【代理人】

【識別番号】100187849

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 隆史

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 和也

(72)【発明者】

【氏名】徐 思豪

(72)【発明者】

【氏名】藤原 稔

(72)【発明者】

【氏名】松本 秀行

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 茂雄

(72)【発明者】

【氏名】皆川 豊

(57)【要約】

【課題】木質チップのガス化処理時に熱分解帯、燃焼帯および還元帯が形成されるガス化装置において、燃焼帯に貯留する木質チップの燃焼を促進する。
【解決手段】木質チップＳをガス化するガス化装置１において、反応容器２と、原料供給路１３と、テーパ容器２０と、ガス供給機構３０と、を設け、ガス化装置１は、木質チップＳのガス化処理の際に、熱分解帯Ｔ１と、燃焼帯Ｔ２と、還元帯Ｔ３が形成されるように構成され、テーパ容器２０の下端は、原料供給路１３の上端に接続され、テーパ容器２０は、燃焼帯Ｔ２に対応する領域に設けられた複数のスリットと、テーパ部２０ａと、を有し、ガス供給機構３０は、テーパ容器２０の外側から供給される燃焼促進ガスを、スリットを介してテーパ容器２０の内側に供給する構成を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

木質チップをガス化するガス化装置であって、
前記木質チップのガス化処理が行われる反応容器と、
前記反応容器の底部に配置された原料供給路と、
前記反応容器の内部に設けられたテーパ容器と、
前記木質チップの燃焼を促進させる燃焼促進ガスを供給するガス供給機構と、を備え、
前記ガス化装置は、前記木質チップのガス化処理の際に、熱分解帯と、燃焼帯と、還元帯が形成されるように構成され、
前記テーパ容器の下端は、前記原料供給路の上端に接続され、
前記テーパ容器は、
前記木質チップが貯留する円錐台状または角錐台状のテーパ部と、
前記燃焼帯に対応する領域に設けられた複数の開口部と、を有し、
前記テーパ部は、該テーパ部の下端から上端に向かって横断面積が増加し、
前記ガス供給機構は、前記テーパ容器の外側から供給される前記燃焼促進ガスを、前記開口部を介して前記テーパ容器の内側に供給する構成を有する、ガス化装置。

【請求項2】

木質チップをガス化するガス化装置であって、
前記木質チップのガス化処理が行われる反応容器と、
前記反応容器の底部に配置された原料供給路と、
前記反応容器の内部に設けられたテーパ容器と、
前記木質チップの燃焼を促進させる燃焼促進ガスを供給するガス供給機構と、を備え、
前記ガス化装置は、前記木質チップのガス化処理の際に、熱分解帯と、燃焼帯と、還元帯が形成されるように構成され、
前記テーパ容器の下端は、前記原料供給路の上端に接続され、
前記テーパ容器は、
前記木質チップが貯留する円錐台状または角錐台状のテーパ部と、
複数の開口部と、を有し、
前記開口部は、前記反応容器内の底面から天井面までの高さをＨとしたときに、０．２５Ｈ～０．６０Ｈの範囲内に形成され、
前記テーパ部は、該テーパ部の下端から上端に向かって横断面積が増加し、
前記ガス供給機構は、前記テーパ容器の外側から供給される前記燃焼促進ガスを、前記開口部を介して前記テーパ容器の内側に供給する構成を有する、ガス化装置。

【請求項3】

前記ガス供給機構は、
前記反応容器に接続されたガス供給管と
前記テーパ容器の外側に設けられたガス流路と、を備え、
前記ガス流路は、前記反応容器と前記ガス供給管との接続位置から、前記開口部の形成位置まで延びている、請求項１または２に記載のガス化装置。

【請求項4】

前記テーパ容器は、環状に形成された中空のガス貯留部を有し、
前記ガス供給機構は、前記ガス貯留部に接続されたガス供給管を有し、
前記開口部は、前記ガス貯留部に形成されている、請求項１または２に記載のガス化装置。

【請求項5】

前記テーパ容器は、前記テーパ部の上端に環状平面部を有し、
前記ガス貯留部は、前記環状平面部の上に配置されている、請求項４に記載のガス化装置。

【請求項6】

前記テーパ部の開き角度は、３０～９０°である、請求項１～５のいずれか一項に記載のガス化装置。

【請求項7】

前記テーパ部は、円錐台状に形成され、
前記開口部は、スリットであり、
前記スリットは、前記テーパ部の上面視において、該テーパ部の半径方向に延伸し、かつ、該テーパ部の周方向に沿って間隔をおいて複数形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のガス化装置。

【請求項8】

前記テーパ部の周方向において隣り合う２つの前記スリットの中心線同士のなす角は、５～９０°である、請求項７に記載のガス化装置。

【請求項9】

前記複数の開口部が直線状に配置されることで形成された開口部群を有し、
前記テーパ部は、円錐台状に形成され、
前記開口部群は、前記テーパ部の上面視において、該テーパ部の半径方向に延伸し、かつ、該テーパ部の周方向に沿って間隔をおいて複数形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のガス化装置。

【請求項10】

前記テーパ部の周方向において隣り合う２つの前記開口部群の中心線同士のなす角は、５～９０°である、請求項９に記載のガス化装置。

【請求項11】

前記ガス供給機構を制御する制御部を備え、
前記燃焼促進ガスは、空気であり、
前記制御部は、前記反応容器内の前記木質チップを酸化させるために供給する空気量Ａ₁と、前記反応容器内の前記木質チップを完全に酸化させるために必要な理論空気量Ａ₀との空気比（Ａ₁／Ａ₀）が０．４０～０．９０となるように、前記燃焼促進ガスを供給する制御を実行するように構成されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載のガス化装置。

【請求項12】

木質チップをガス化するガス処理方法であって、
前記木質チップのガス化処理が行われる反応容器と、
前記反応容器の内部に設けられたテーパ容器と、を備えたガス化装置を用いて、
前記反応容器の下方から前記テーパ容器の下端部に供給された前記木質チップの熱分解反応を生じさせる熱分解帯と、
前記木質チップから生じたガスの酸化反応を生じさせる燃焼帯と、
前記木質チップから生じたガスの還元反応を生じさせる還元帯と、を形成して前記木質チップをガス化する際に、
前記テーパ容器に形成された複数の開口部から前記燃焼帯に燃焼促進ガスを供給しながら、前記木質チップをガス化する、ガス化処理方法。

【請求項13】

前記燃焼促進ガスは、空気であり、
前記反応容器内の前記木質チップを酸化させるために供給する空気量Ａ₁と、前記反応容器内の前記木質チップを完全に酸化させるために必要な理論空気量Ａ₀との空気比（Ａ₁／Ａ₀）が０．４０～０．９０となるように、前記燃焼促進ガスを供給する、請求項１２に記載のガス化処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、木質チップをガス化するガス化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、化石燃料の枯渇や地球温暖化、エネルギー源の外国依存リスクなどの問題に対処するため、自然エネルギーや再生可能エネルギーの利用が世界的に進んでいる。再生可能エネルギーの中には、間伐材などの木材を利用して作られる木質バイオマスエネルギーがあり、日本などの森林地帯が多い地域における新エネルギーとして注目されている。また、木質バイオマスエネルギーは、エネルギー自給の観点や、非常時においても安定供給可能なエネルギーという観点でメリットの多いエネルギーである。

【0003】

そのような木質バイオマスエネルギーを高効率に利用するための方法として、間伐材などの木質チップをバイオマス原料として燃焼させ、それによって生じる可燃性ガスを発電用の燃料として用いる木質バイオマス発電が知られている。バイオマス原料を燃焼させてガス化するバイオマスガス化炉として、特許文献１および特許文献２には、炉の底部から供給される原料を燃焼させ、炉の上部から可燃性ガスを取り出す炉が開示されている。

【0004】

特許文献１には、半炭化処理された木質チップを投入する投入機構と、木質チップをガス化する反応塔とで構成された、木質チップをガス化するガス化装置が開示されている。このガス化装置においては、反応塔の下方から上方に向かって、熱分解帯Ｔ１と、燃焼帯Ｔ２と、還元帯Ｔ３の３つの層が形成される。なお、熱分解帯Ｔ１とは、半炭化木質チップを熱分解させる層であり、燃焼帯Ｔ２とは、熱分解で生じたガスを酸化反応させる層であり、還元帯Ｔ３とは、熱分解で生じたガスを還元反応させて発電などに利用される生成ガス（一酸化炭素や水素）を発生させる層である。半炭化処理された木質チップのガス化処理時においては、燃焼帯Ｔ２で発生した燃焼熱が熱分解帯Ｔ１と還元帯Ｔ３に伝達されることで、反応塔内部における木質チップの熱分解反応、酸化反応、還元反応が進む。

【0005】

特許文献２には、第１ガス化ステージの底部にターンテーブルが設けられ、その直上に、原料を下方より受け入れる容器が設けられた反応炉が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２１－１０９９０７号公報

【特許文献2】特公平６－０３１３４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載のガス化装置においては、反応塔の底部に連結されたガス化剤供給管（第１供給管）から、反応塔の内部に向けてガス化剤（空気および水蒸気）を供給することによって、木質チップの燃焼促進を図っている。

【0008】

しかしながら、本発明者らがガス化剤の流れについて検討したところ、反応塔の底部から供給されたガス化剤の大半が、熱分解帯Ｔ１で消費され、燃焼帯Ｔ２にはガス化剤が十分に拡散しないという知見が得られた。それによって、燃焼帯Ｔ２における酸化反応が促進されず、燃焼帯Ｔ２の温度が目標温度に対して低下することが判明した。

【0009】

燃焼帯Ｔ２の温度が目標温度よりも低い場合、燃焼帯Ｔ２から、熱分解帯Ｔ１と還元帯Ｔ３に対して伝達する熱量が低下し、熱分解帯Ｔ１と還元帯Ｔ３の温度も目標温度より低くなる。これにより、反応塔内部における熱分解反応、酸化反応、還元反応が生じ難くなり、単位時間あたりの生成ガスの発生量が低下することになる。この場合、バイオマス発電の発電量も低下する。

【0010】

上記問題の対処法として、燃焼帯Ｔ２の補助加熱を行い、燃焼帯Ｔ２における木質チップの燃焼を促進することも考えられるが、木質チップのガス化処理中に補助加熱を続けることは、エネルギー効率の低下を招く。したがって、燃焼帯Ｔ２における木質チップの燃焼を促進させるための他の手段が必要となるが、従来技術ではそのような手段が存在しなかった。

【0011】

なお、特許文献２に記載の反応炉は、熱分解帯、燃焼帯、還元帯の３層の領域が形成される装置構造ではない。すなわち、特許文献２には、上述した熱分解帯、燃焼帯、還元帯の３層の領域が形成されるガス化装置における燃焼帯の木質チップの燃焼を促進させる手段は開示されていない。

【0012】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、木質チップのガス化処理時に熱分解帯、燃焼帯および還元帯が形成されるガス化装置において、燃焼帯に貯留する木質チップの燃焼を促進することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決する本発明は、木質チップをガス化するガス化装置であって、前記木質チップのガス化処理が行われる反応容器と、前記反応容器の底部に配置された原料供給路と、前記反応容器の内部に設けられたテーパ容器と、前記木質チップの燃焼を促進させる燃焼促進ガスを供給するガス供給機構と、を備え、前記ガス化装置は、前記木質チップのガス化処理の際に、熱分解帯と、燃焼帯と、還元帯が形成されるように構成され、前記テーパ容器の下端は、前記原料供給路の上端に接続され、前記テーパ容器は、前記木質チップが貯留する円錐台状または角錐台状のテーパ部と、前記燃焼帯に対応する領域に設けられた複数の開口部と、を有し、前記テーパ部は、該テーパ部の下端から上端に向かって横断面積が増加し、前記ガス供給機構は、前記テーパ容器の外側から供給される前記燃焼促進ガスを、前記開口部を介して前記テーパ容器の内側に供給する構成を有することを特徴としている。

【0014】

別の観点による本発明は、木質チップをガス化するガス化装置であって、前記木質チップのガス化処理が行われる反応容器と、前記反応容器の底部に配置された原料供給路と、前記反応容器の内部に設けられたテーパ容器と、前記木質チップの燃焼を促進させる燃焼促進ガスを供給するガス供給機構と、を備え、前記ガス化装置は、前記木質チップのガス化処理の際に、熱分解帯と、燃焼帯と、還元帯が形成されるように構成され、前記テーパ容器の下端は、前記原料供給路の上端に接続され、前記テーパ容器は、前記木質チップが貯留する円錐台状または角錐台状のテーパ部と、複数の開口部と、を有し、前記開口部は、前記反応容器内の底面から天井面までの高さをＨとしたときに、０．２５Ｈ～０．６０Ｈの範囲内に形成され、前記テーパ部は、該テーパ部の下端から上端に向かって横断面積が増加し、前記ガス供給機構は、前記テーパ容器の外側から供給される前記燃焼促進ガスを、前記開口部を介して前記テーパ容器の内側に供給する構成を有することを特徴としている。

【0015】

また、別の観点による本発明は、木質チップをガス化するガス処理方法であって、前記木質チップのガス化処理が行われる反応容器と、前記反応容器の内部に設けられたテーパ容器と、を備えたガス化装置を用いて、前記反応容器の下方から前記テーパ容器の下端部に供給された前記木質チップの熱分解反応を生じさせる熱分解帯と、前記木質チップから生じたガスの酸化反応を生じさせる燃焼帯と、前記木質チップから生じたガスの還元反応を生じさせる還元帯と、を形成して前記木質チップをガス化する際に、前記テーパ容器に形成された複数の開口部から前記燃焼帯に燃焼促進ガスを供給しながら、前記木質チップをガス化することを特徴としている。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、木質チップのガス化処理時に熱分解帯、燃焼帯および還元帯が形成されるガス化装置において、燃焼帯に貯留する木質チップの燃焼を促進することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態に係るガス化装置の概略構成を示す説明図である。

【図2】テーパ容器の形状を模式的に示した斜視図である。

【図3】テーパ容器の上面図である。

【図4】図３のＡ－Ａ断面を示す図である。

【図5】開口部の配置例を説明するためのテーパ容器の上面図である。

【図6】開口部の形状例を示す図である。

【図7】開口部群について説明するためのテーパ容器の上面図である。

【図8】開口部群における開口部の配置例を示す図である。

【図9】テーパ容器の開き角度を説明するための図である。

【図10】テーパ容器の形状例を示す図である。

【図11】第２実施形態に係るガス化装置の概略構成を示す説明図である。

【図12】テーパ容器の上面図である。

【図13】図１２のＢ－Ｂ断面を示す図である。

【図14】燃焼実験におけるガス化装置の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。なお、図中の白抜き矢印は、後述する燃焼促進ガスの流れを示している。

【0019】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るガス化装置の概略構成を示す説明図である。本実施形態に係るガス化装置１は、バイオマス原料として木質チップを用い、この木質チップの熱分解反応、酸化反応、還元反応を生じさせてガス化し、発生した生成ガス（例えば一酸化炭素や水素など）を上方から回収するアップドラフト方式の装置である。以下、ガス化装置１の構成の概略について説明するが、公知のアップドラフト方式の装置構成を適用可能である部分については、装置構成の説明を省略することがある。

【0020】

なお、ガス化処理によって得られる生成ガスの生産効率を高める観点では、木質チップは、半炭化処理されていることが好ましい。木質チップの半炭化処理とは、酸素の供給量を制限した状態、または遮断した状態の容器に水蒸気を供給した雰囲気下において所定の温度（２００～３５０℃）で木質チップを加熱し、木質チップの水分含有量を調整する処理である。半炭化処理された木質チップは、木質チップの水分含有量が４～１２質量％であって、好ましくは６～１０質量％、さらに好ましくは７～９質量％である。

【0021】

ガス化装置１は、木質チップＳのガス化処理が行われる反応容器２と、反応容器２の内面に設けられた断熱材３と、断熱材３の内方に設けられたテーパ容器２０を備えている。また、ガス化装置１は、反応容器２の内部温度を上昇させるヒータ４と、反応容器２の内部で発生した生成ガスを外部に放出するための放出管５と、反応容器２の底部から木質チップＳを供給する原料供給機構１０を備えている。

【0022】

反応容器２は、略円筒状の縦型容器である。この反応容器２の内部においては、木質チップＳをガス化させる際に、熱分解帯Ｔ１と、燃焼帯Ｔ２と、還元帯Ｔ３の３つの層が下方から上方に向かってこの順で形成される。

【0023】

なお、反応容器２およびテーパ容器２０の形状や材質、大きさ等は、後述するガス化処理を実施可能であれば、特に限定されない。反応容器２の形状は、円筒状に限定されず、例えば角筒状であってもよい。また、反応容器２の大きさは、例えば全長（高さ方向の長さ）が１２００～１８００ｍｍ、直径が５００～１８００ｍｍである。テーパ容器２０の材質は、例えばステンレス鋼、炭素鋼、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、レンガ等が採用され得る。形状加工の容易性および耐熱性の観点からは、テーパ容器２０の材質としてステンレス鋼を用いることが好ましい。加えて、テーパ容器２０は、例えば内側表面にカロライジング処理などのコーティングが施されてもよい。

【0024】

上記の熱分解帯Ｔ１は、燃焼帯Ｔ２から熱を受け取ることで木質チップＳの熱分解反応が生じる層である。燃焼帯Ｔ２は、木質チップＳを酸化反応させて熱分解帯Ｔ１と還元帯Ｔ３に熱を与える層である。還元帯Ｔ３は、燃焼帯Ｔ２から熱を受け取ることで木質チップＳから発生したガスの還元反応が生じ、一酸化炭素や水素ガスなどの生成ガスが生じる層である。

【0025】

ガス化処理中の熱分解帯Ｔ１の温度は、例えば４５０℃未満であり、燃焼帯Ｔ２の温度は、例えば４５０～６００℃であり、還元帯Ｔ３の温度は、例えば６５０℃以上である。なお、生成ガスの生産効率を高める観点からは、ガス化処理中の還元帯Ｔ３の温度は、８００℃以下であることが好ましい。

【0026】

断熱材３は、反応容器２やテーパ容器２０の形状等によって必要に応じて設けられる。本実施形態では、反応容器２内の天井面２ａおよび側面２ｂの全体と、底面２ｃの一部領域に配置されている。この断熱材３の下部においては、後述するテーパ容器２０のテーパ部２０ａに対向する部分に傾斜部３ａが形成されていて、この断熱材３の傾斜部３ａとテーパ容器２０のテーパ部２０ａは略平行な状態にある。これらの傾斜部３ａとテーパ部２０ａは、互いに接触しておらず、間隔が空いている。また、断熱材３の傾斜部３ａの上端には、後述するテーパ容器２０の環状平面部２０ｂが載る平面部３ｂが形成されている。

【0027】

ヒータ４は、木質チップＳのガス化処理を開始する際に、反応容器２の内部温度を高め、燃焼帯Ｔ２の温度を所定の温度（例えば４５０～６００℃）まで昇温させる装置である。ヒータ４は、燃焼帯Ｔ２が所定の温度に到達した後に停止する。その後のガス化処理の熱源は、燃焼帯Ｔ２の酸化反応で発生する燃焼熱となり、この燃焼熱が熱分解帯Ｔ１および還元帯Ｔ３に伝達される。これにより、反応容器２に供給される木質チップＳの熱分解反応、および木質チップＳから生じたガスの酸化反応と還元反応が自動的に進む。

【0028】

本明細書における熱分解反応、酸化反応および還元反応は、以下の反応式で示される反応である。

【0029】

【化1】

【0030】

なお、ヒータ４は、燃焼帯Ｔ２を昇温させるための手段の一例である。このため、公知の昇温手段などの他の手段で燃焼帯Ｔ２を昇温させることができれば、ヒータ４を設けなくてもよい。例えばヒータ４に代えて、燃焼帯Ｔ２にある木質チップＳの点火を行う点火装置（図示せず）を設けてもよい。

【0031】

放出管５は、反応容器２の内部で発生した生成ガス（例えば一酸化炭素や水素など）を外部に放出するための管であり、反応容器２の上部に設けられている。放出管５から放出された生成ガスは、図示しない生成ガス貯留部に送られ、例えばバイオマス発電用の燃料として用いられる。

【0032】

原料供給機構１０は、木質チップＳが投入される投入部１１と、投入部１１に投入された木質チップＳを搬送する搬送路１２と、搬送路１２で搬送された木質チップＳを反応容器２の底部に供給するための原料供給路１３を有する。

【0033】

投入部１１は、ホッパー１４と、ホッパー１４の下端に接続された投入路１５を有する。投入路１５は、反応容器２の高さ方向に延伸する形状であり、投入路１５の内部にはホッパー１４に投入された木質チップＳが貯留する。搬送路１２は、水平方向に延伸する形状であり、投入路１５の下端に接続されている。原料供給路１３は、反応容器２の高さ方向に延伸する形状であり、原料供給路１３の上面には、反応容器２に向けて木質チップＳを供給するための供給口（図示せず）が形成されている。搬送路１２および原料供給路１３の内部には、それぞれスクリュー１６、１７が設けられ、例えばモータなどの回転駆動源によって回転する。

【0034】

上記構成の原料供給機構１０によれば、投入部１１に投入された木質チップＳが搬送路１２を介して原料供給路１３に搬送され、原料供給路１３の内部のスクリュー１７によって木質チップＳが上方に押し出される。

【0035】

次に、本実施形態に係るテーパ容器２０について説明する。図２は、テーパ容器の形状を模式的に示した斜視図である。図３は、テーパ容器の上面図である。図４は、図３のＡ－Ａ断面を示す図である。なお、図４では断熱材３の図示が省略されている。

【0036】

テーパ容器２０は、円錐台状のテーパ部２０ａを有する容器であって、テーパ容器２０の上端と下端は開口している。テーパ部２０ａは、テーパ部２０ａの下端から上端に向かって拡径するように形成されている。換言すると、テーパ部２０ａは、テーパ部２０ａの下端から上端に向かって横断面積（テーパ容器２０の軸心Ｃに垂直な切断面の面積）が増加するように形成されている。

【0037】

図３および図４に示すように、テーパ部２０ａの上端には、環状平面部２０ｂが形成されている。環状平面部２０ｂの周縁には、テーパ容器２０の軸心Ｃに平行であって、上方に延伸する壁面部２０ｃが形成されている。図１に示すように、テーパ容器２０の環状平面部２０ｂは、断熱材３の平面部３ｂの上に載せられ、テーパ容器２０の壁面部２０ｃは、断熱材３の側壁内面に接している。

【0038】

テーパ部２０ａの下端は、反応容器２の底面２ｃから下方に突出し、前述の原料供給路１３の上端に接続されている。これにより、原料供給路１３から供給される木質チップＳがテーパ部２０ａの下端から供給され、テーパ容器２０の内側が木質チップＳで満たされる。なお、ガス化処理が行われている間は、スクリュー１６、１７が一定のサイクルで回転動作を行い、単位時間あたり一定量の木質チップＳが供給され続ける。

【0039】

なお、テーパ部２０ａの下端の内径は、原料供給路１３の上端の内径と同一であることが好ましい。これにより、原料供給路１３からテーパ部２０ａに供給された木質チップＳを、テーパ部２０ａ内で滞留させることなく上方に押し上げることができる。例えばテーパ部２０ａの下端の内径が原料供給路１３の上端の内径よりも大きい場合には、テーパ部２０ａの下端に底面を設ける必要があり、その底面とテーパ部の下端の間に角部が存在することになる。その場合、テーパ部内に供給された木質チップＳが角部に滞留し、滞留した木質チップＳの周囲では温度分布に乱れが生じる。したがって、そのような角部が形成されないように、テーパ部２０ａの下端の内径は、原料供給路１３の上端の内径と同一であることが好ましい。

【0040】

図３および図４に示すように、テーパ容器２０には、開口部２１が形成されている。この開口部２１は、木質チップＳのガス化処理時に形成される燃焼帯Ｔ２に対応する領域の高さに形成されている。なお、熱分解帯Ｔ１、燃焼帯Ｔ２および還元帯Ｔ３の各層の領域の大きさは、反応容器２の形状やテーパ容器２０の形状などの装置構成に応じて異なるが、当業者であれば、ガス化装置の構成から各層の領域の大きさを推定することが可能である。すなわち、当業者であれば、開口部が形成されたテーパ容器を有するガス化装置において、その開口部が燃焼帯Ｔ２に対応する領域の高さに形成されているか否かを判別することができる。

【0041】

上述のように、燃焼帯Ｔ２の形成領域は、ガス化装置の構成に応じて異なるが、開口部２１は、例えば反応容器２内の底面２ｃから天井面２ａまでの高さをＨとしたときに、０．２５Ｈ（０．２５×Ｈ）～０．６０Ｈ（０．６０×Ｈ）の範囲内に形成される。換言すると、開口部２１の下端から上端までの領域は、０．２５Ｈ～０．６０Ｈの範囲内に位置している。また、この数値範囲内に形成された開口部２１は、ガス化処理時に形成される燃焼帯Ｔ２の高さに位置する。

【0042】

上記数値範囲は、０．５５Ｈ以下であることが好ましく、より好ましくは０．５０Ｈ以下である。

【0043】

本実施形態に係る開口部２１は、スリット２１ａである。このスリット２１ａは、テーパ部２０ａの上端近傍に形成され、テーパ部２０ａと環状平面部２０ｂの境界に跨るようにして、図３に示すテーパ容器２０の上面視においてテーパ部２０ａの半径方向に延伸している。

【0044】

スリット２１ａは、テーパ容器２０の周方向に間隔をおいて複数設けられている。燃焼帯Ｔ２における木質チップＳをより均一に燃焼させる観点では、隣り合う２つのスリット２１ａの中心線（長軸方向の中心線）同士のなす角θ₁は、５～９０°であることが好ましく、より好ましくは５～３０°である。燃焼帯Ｔ２内にある木質チップＳを均一に燃焼させることができれば、反応容器２内における熱分解反応、酸化反応および還元反応を安定させることができ、反応容器２内における原料温度および雰囲気温度を所定温度内に維持しやすくなる。

【0045】

なお、スリット２１ａの数は、隣り合う２つのスリット２１ａの中心線同士のなす角θ₁の設定に応じて適宜変更される。また、図５に示すように、テーパ容器２０の周方向において隣り合う各々のスリット２１ａは、テーパ容器２０の半径方向における位置が互いに異なるように千鳥状に配置されてもよい。さらに、スリット２１ａの形状は、本実施形態で説明された形状に限定されない。例えばスリット２１ａは、テーパ容器２０の周方向に沿って円弧状に形成されてもよい。

【0046】

また、開口部２１は、スリット２１ａに限定されず、テーパ容器２０に貯留する木質チップＳが開口部２１から落下しない形状の穴であればよい。例えば開口部２１は、図６（ａ）に示すような丸穴や、図６（ｂ）に示すような角穴、図６（ｃ）に示すようなジグザグ状の穴であってもよい。あるいは、開口部２１は、図６（ｄ）に示すような開口部２１の下端から上端に向かって幅が漸減する形状の穴や、図６（ｅ）に示すような開口部２１の下端から上端に向かって幅が漸増する形状の穴であってもよい。

【0047】

また、図７に示すように、複数の開口部２１を直線状に配置することによって、開口部２１が連なる開口部群Ｇが設けられてもよい。このような開口部群Ｇは、前述したスリット２１ａのように機能すると推察される。

【0048】

図７に示す開口部群Ｇは、テーパ部２０ａの上面視において、テーパ部２０ａの半径方向に延伸し、テーパ部２０ａの周方向に沿って間隔をおいて複数配置されている。この例においては、前述のスリット２１ａの場合と同様に、木質チップＳをより均一に燃焼させる観点では、隣り合う２つのスリット２１ａの中心線（各開口部２１の穴中心を結ぶ直線）同士のなす角θ₁は、５～９０°であることが好ましく、より好ましくは５～３０°である。

【0049】

なお、図７に示す開口部群Ｇは、図８（ａ）に示すように開口部２１としての丸穴２１ｂが一直線状に配置されているが、例えば図８（ｂ）に示すように、丸穴２１ｂは、開口部群Ｇ内において千鳥配置されてもよい。すなわち、開口部群Ｇに含まれる各々の開口部２１は、厳密に直線状に配置されなくてもよく、「開口部２１が直線状に配置されることで形成された開口部群Ｇ」には、開口部２１が図８（ｂ）のように配置された形態も含まれる。また、開口部群Ｇに含まれる開口部２１の形状は、丸穴２１ｂに限定されない。さらに、複数の開口部群Ｇは、図５のように千鳥配置されてもよい。

【0050】

図９に示すように、テーパ容器２０のテーパ部２０ａの開き角度θ₂は、９０°以下であることが好ましい。開き角度θ₂の下限は特に限定されないが、テーパ容器２０内の木質チップＳの貯留空間を拡大して生産ガスの生成量を増大させる観点からは、開き角度θ₂は、３０°以上であることが好ましい。なお、開き角度θ₂とは、テーパ容器２０を軸心Ｃに沿って切断したときの、切断面内における対向するテーパ部２０ａ同士のなす角である。

【0051】

なお、テーパ部２０ａの形状は、円錐台状に限定されず、四角錐台などの角錐台状であってもよい。また、図１０に示すように、テーパ部２０ａの形成位置は、テーパ容器２０の下端でなくてもよい。

【0052】

次に、燃焼帯Ｔ２に貯留する木質チップＳに燃焼促進ガスを供給するガス供給機構３０について説明する。なお、燃焼促進ガスとは、例えば空気であるが、木質チップＳの燃焼を促進させることが可能であれば、ガスの種類は特に限定されない。

【0053】

ガス供給機構３０は、燃焼促進ガスの供給源となるガスボンベなどのガス供給源３１と、ガス供給源３１に接続された配管３２と、配管３２に接続されたガス供給管３３を備えている。

【0054】

ガス供給管３３は、反応容器２の底部に接続されていて、反応容器２の周方向に沿って複数設けられている。これらのガス供給管３３から供給される燃焼促進ガスは、反応容器２の内側、かつ、テーパ容器２０の外側に供給される。本実施形態においては、断熱材３の傾斜部３ａとテーパ容器２０のテーパ部２０ａとの間に隙間が形成されていて、この隙間が燃焼促進ガスのガス流路３４となる。

【0055】

ガス流路３４は、反応容器２とガス供給管３３の接続位置から、スリット２１ａの形成位置まで延びている。このガス流路３４は、テーパ部２０ａの外周面に沿って形成された環状空間であって、ガス供給管３３から供給された燃焼促進ガスは、その空間内を流れる。そして、その空間から、スリット２１ａを介してテーパ容器２０の外側から内側に向けて燃焼促進ガスが供給される。前述のようにスリット２１ａは、テーパ容器２０の燃焼帯Ｔ２に対応する領域に形成されていることから、スリット２１ａを通る燃焼促進ガスは、燃焼帯Ｔ２に貯留する木質チップＳに供給される。

【0056】

ガス供給機構３０の説明は以上の通りであるが、ガス供給機構３０の構成は本実施形態で説明された構成に限定されない。例えばガス供給管３３は、反応容器２の側壁部に接続されてもよい。この場合であっても、ガス供給管３３からガス流路３４に燃焼促進ガスを供給することができれば、スリット２１ａを介して燃焼帯Ｔ２に燃焼促進ガスを供給することができる。

【0057】

図１に示すように、反応容器２の側壁部には、燃焼帯Ｔ２の温度を測定する温度センサ４０が設けられている。この温度センサ４０によって、ガス化処理中の燃焼帯Ｔ２の温度が監視される。なお、図示はしていないが、ガス化装置１は、熱分解帯Ｔ１や還元帯Ｔ３の温度を測定する温度センサや、テーパ容器２０に貯留する木質チップＳの貯留量を測定するセンサなどの各種センサが設けられている。

【0058】

ガス化装置１は、原料供給機構１０やガス供給機構３０などを制御する制御部１００を備えている。制御部１００は、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、各種センサから得られた情報等に基づいてガス化装置１におけるガス化処理を制御する各種のプログラムが格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御部１００にインストールされたものであってもよい。

【0059】

制御部１００は、温度センサ４０で測定された燃焼帯Ｔ２の温度に基づいて燃焼促進ガスの流量を調節する制御を行う。例えば燃焼帯Ｔ２の測定温度が目標温度に対して低下した場合には、制御部１００が出力される制御信号に基づいてガス供給源３１のバルブの開度が調節され、燃焼促進ガスの流量が増加する。

【0060】

また、燃焼促進ガスが空気である場合、制御部１００は、反応容器２内の木質チップＳを酸化させるために供給する空気量Ａ₁と、反応容器２内の木質チップＳを完全に酸化させるために必要な理論空気量Ａ₀との空気比（Ａ₁／Ａ₀）が０．４０～０．９０となるように、空気の供給量を調節する制御を行う。なお、理論空気量Ａ₀を算出する際には、使用する木質チップＳの炭素含有量および水素含有量を予め測定しておき、それらの測定値を用いて理論空気量Ａ₀を算出する。

【0061】

なお、以上の例では、制御部１００によって反応容器２内への空気供給量の自動調節が行われているが、この自動調節は実施されなくてもよい。例えば原料投入量の設定値に基づき、空気比（Ａ₁／Ａ₀）が０．４０～０．９０となるように空気量を設定し、ここで設定された量の空気をガス化処理の間に供給し続けてもよい。

【0062】

空気比（Ａ₁／Ａ₀）は、好ましくは０．４５以上であり、より好ましくは０．５０以上である。

【0063】

以上、本実施形態に係るガス化装置１について説明した。このガス化装置１においては、テーパ容器２０の、燃焼帯Ｔ２に対応する領域にスリット２１ａが形成され、そのスリット２１ａを介して燃焼帯Ｔ２に局所的に燃焼促進ガスを供給することができる。このため、燃焼帯Ｔ２における木質チップＳの燃焼が促進され、燃焼帯Ｔ２から、熱分解帯Ｔ１と還元帯Ｔ３への熱量の供給を安定させることができる。これにより、ガス化処理中の熱分解帯Ｔ１、燃焼帯Ｔ２および還元帯Ｔ３の各層内の温度変動が抑制され、木質チップＳの熱分解反応と、木質チップＳから生じたガスの酸化反応および還元反応が安定的に起こる。その結果、生成ガスの発生量を増加させることができ、バイオマス発電の発電量も増加させることができる。

【0064】

また、燃焼帯Ｔ２への燃焼促進ガスの供給によって燃焼帯Ｔ２を昇温させることができるため、従来のガス化装置で必要になる燃焼帯Ｔ２の補助加熱用ヒータが不要となる。すなわち、本実施形態に係るガス化装置１によれば、エネルギー効率を改善し、バイオマス発電における発電効率を高めることが可能となる。

【0065】

＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態に係るガス化装置１の概略構成を示す説明図である。図１２は、テーパ容器の上面図である。図１３は、図１２のＢ－Ｂ断面を示す図である。なお、本実施形態に係るガス化装置１の構成のうち、第１実施形態で説明したガス化装置と同様の構成である部分については説明を省略する。

【0066】

本実施形態に係るテーパ容器２０は、環状に形成された中空のガス貯留部２２を有する。ガス貯留部２２は、燃焼帯Ｔ２に対応する領域に設けられていて、本実施形態においては、テーパ容器２０の環状平面部２０ｂの上にガス貯留部２２が設けられている。なお、ガス貯留部２２の断面形状は、本実施形態のような矩形状に限定されない。

【0067】

ガス貯留部２２の内周面には、開口部２１として、テーパ容器２０の高さ方向に延びるスリット２１ａが形成され、スリット２１ａは、テーパ容器２０の周方向に沿って間隔をおいて複数設けられている。これらのスリット２１ａは、第１実施形態と同様に、燃焼帯Ｔ２に対応する領域の高さに位置している。詳述すると、スリット２１ａは、第１実施形態と同様に、反応容器２内の底面２ｃから天井面２ａまでの高さをＨとしたときに、０．２５Ｈ～０．６０Ｈの範囲内に形成されている。

【0068】

なお、本実施形態のように、燃焼帯Ｔ２に対して燃焼促進ガスが水平方向に供給される場合、上記数値範囲は、好ましくは０．２７Ｈ以上、より好ましくは０．３０Ｈ以上、さらに好ましくは０．３５Ｈ以上である。一方、上記数値範囲は、０．５５Ｈ以下であることが好ましく、より好ましくは０．５０Ｈ以下である。

【0069】

燃焼促進ガスを供給するガス供給管３３は、ガス貯留部２２に接続されている。このため、ガス供給管３３から燃焼促進ガスが供給される際には、ガス貯留部２２に燃焼促進ガスが流入してガス貯留部２２の内部空間に拡散する。そして、ガス貯留部２２内に燃焼促進ガスが充填されて、ガス貯留部２２の内圧が十分に大きくなると、燃焼促進ガスがスリット２１ａを通り燃焼帯Ｔ２に向けて噴出する。

【0070】

本実施形態に係るガス化装置１においては、ガス供給管３３から供給される燃焼促進ガスが、ガス貯留部２２に充填され、ガス貯留部２２の内部圧力と外部圧力との差によってスリット２１ａから燃焼促進ガスが噴出する。そのため、スリット２１ａから噴出する燃焼促進ガスの流量がテーパ容器２０の周方向において均一になりやすい。すなわち、燃焼帯Ｔ２において、木質チップＳをより均一に燃焼させることができる。

【0071】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0072】

例えば燃焼帯Ｔ２に局所的に燃焼促進ガスを供給する手段は、第１実施形態で説明した構成と第２実施形態で説明した構成を組み合わせて実現されてもよい。

【実施例0073】

図１４に示す実験炉１を用い、木質チップの燃焼実験を実施した。実験炉１は、前述の第１実施形態におけるガス化装置に対応した構成である。

【0074】

具体的には、円筒状の反応容器２の内部に円錐台状のテーパ容器２０が設けられ、テーパ容器２０の下端は、原料供給路１３の上端に接続されている。また、反応容器２の底面から供給された燃焼促進ガスとしての空気を、テーパ容器２０の上端部からテーパ容器２０の内側に供給するためのスリット２１ａも形成されている。このスリット２１ａは、テーパ容器２０の、燃焼帯Ｔ２に対応する領域に設けられている。詳述すると、反応容器２内の底面から天井面までの高さをＨとしたときに、スリット２１ａの下端は、０．３０Ｈの高さに、スリット２１ａの上端は、０．３９Ｈの高さに形成されている。

【0075】

また、熱電対式の温度センサＴＲ１～ＴＲ４が反応容器２の側壁部に設置されている。温度センサＴＲ１は、燃焼実験中の熱分解帯の温度を測定し、温度センサＴＲ２、ＴＲ３は、燃焼実験中の燃焼帯の温度を測定し、温度センサＴＲ４は、燃焼実験中の還元帯の温度を測定する。

【0076】

燃焼実験の実験方法は次の通りである。まず、木質チップを２．６ｋｇ／ｈで供給しながら、温度センサＴＲ４による測定温度が７００℃になるまでヒータを作動させる。そして、測定温度が７００℃に到達した後にヒータを停止し、その後の９０分間の温度変化を監視する。また、燃焼実験中は、反応容器内の木質チップを酸化させるために供給する空気量Ａ₁と、木質チップを完全に酸化させるために必要な理論空気量Ａ₀との空気比（Ａ₁／Ａ₀）が０．５０となるようにスリット２１ａに空気を供給する。以上の条件で実施した燃焼実験の結果を以下の表１に示す。

【0077】

【表1】

【0078】

表１に示すように、温度センサＴＲ１で測定される熱分解帯の平均温度、温度センサＴＲ２、ＴＲ３で測定される燃焼帯の平均温度、および温度センサＴＲ４で測定される還元帯の平均温度は、いずれも目標温度との差が±３０℃以内である。この結果によれば、燃焼帯への空気供給が促進されることによって、反応容器内における熱分解反応、酸化反応および還元反応が安定的に発生していることがわかる。

【産業上の利用可能性】

【0079】

本発明は、木質チップのガス化処理に適用することができる。

【符号の説明】

【0080】

１ ガス化装置
２ 反応容器
２ａ 天井面
２ｂ 側面
２ｃ 底面
３ 断熱材
３ａ 傾斜部
３ｂ 平面部
４ ヒータ
５ 放出管
１０ 原料供給機構
１１ 投入部
１２ 搬送路
１３ 原料供給路
１４ ホッパー
１５ 投入路
１６ スクリュー
１７ スクリュー
２０ テーパ容器
２０ａ テーパ部
２０ｂ 環状平面部
２０ｃ 壁面部
２１ 開口部
２１ａ スリット
２１ｂ 丸穴
２２ ガス貯留部
３０ ガス供給機構
３１ ガス供給源
３２ 配管
３３ ガス供給管
３４ ガス流路
４０ 温度センサ
１００ 制御部
Ｃ テーパ容器の軸心
Ｇ 開口部群
Ｓ 木質チップ
θ₁ スリットの間隔角度
θ₂ テーパ容器の開き角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】