(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】P2023074185
(43)【公開日】2023-05-29
(54)【発明の名称】流動層装置
(51)【国際特許分類】
C10J 3/54 20060101AFI20230522BHJP
B01J 8/24 20060101ALI20230522BHJP
F23C 10/26 20060101ALI20230522BHJP
F23G 5/30 20060101ALI20230522BHJP
【ＦＩ】
C10J3/54 L
B01J8/24 301
F23C10/26
F23G5/30 J
F23G5/30 Q
F23G5/30 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021187003
(22)【出願日】2021-11-17
(71)【出願人】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大原 宏明
【テーマコード（参考）】
3K064
4G070
【Ｆターム（参考）】
3K064AB01
3K064AC01
3K064AD05
3K064AF02
4G070AA01
4G070AB06
4G070BA02
4G070BA08
4G070BB32
4G070CA07
4G070CA10
4G070CA13
4G070CB19
4G070CB25
4G070DA05
4G070DA12
4G070DA16
(57)【要約】
【課題】硫黄化合物の発生を回避して、流動媒体の凝集を抑制する。
【解決手段】流動層装置１００は、第１の粒径分布で表される粒径を有する流動媒体Ｆを加熱する燃焼炉１１０と、燃焼炉１１０から供給された固気混合物を、第１の粒径分布の最頻値未満の分離閾値以上の粒径を有する固形物と、分離閾値未満の粒径を有する固形物および燃焼排ガスＥＸとに分離するサイクロン１２０と、サイクロン１２０と燃焼炉１１０とを接続する接続流路１３０と、燃焼炉１１０または接続流路１３０に固体原料Ｒを供給する原料供給部１５０と、カルシウムおよびアルミニウムのうちのいずれか一方または両方を含み、少なくとも一部が燃焼炉１１０において分離閾値未満の粒径となる防止剤Ａを、接続流路１３０に供給する防止剤供給部１６０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】流動層装置１００は、第１の粒径分布で表される粒径を有する流動媒体Ｆを加熱する燃焼炉１１０と、燃焼炉１１０から供給された固気混合物を、第１の粒径分布の最頻値未満の分離閾値以上の粒径を有する固形物と、分離閾値未満の粒径を有する固形物および燃焼排ガスＥＸとに分離するサイクロン１２０と、サイクロン１２０と燃焼炉１１０とを接続する接続流路１３０と、燃焼炉１１０または接続流路１３０に固体原料Ｒを供給する原料供給部１５０と、カルシウムおよびアルミニウムのうちのいずれか一方または両方を含み、少なくとも一部が燃焼炉１１０において分離閾値未満の粒径となる防止剤Ａを、接続流路１３０に供給する防止剤供給部１６０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の粒径分布で表される粒径を有する流動媒体を加熱する燃焼炉と、
前記燃焼炉から供給された固気混合物を、前記第１の粒径分布の最頻値未満の分離閾値以上の粒径を有する固形物と、前記分離閾値未満の粒径を有する固形物および燃焼排ガスとに分離するサイクロンと、
前記サイクロンと前記燃焼炉とを接続する接続流路と、
前記燃焼炉または前記接続流路に固体原料を供給する原料供給部と、
カルシウムおよびアルミニウムのうちのいずれか一方または両方を含み、少なくとも一部が前記燃焼炉において前記分離閾値未満の粒径となる防止剤を、前記接続流路に供給する防止剤供給部と、
を備える、流動層装置。
前記燃焼炉から供給された固気混合物を、前記第１の粒径分布の最頻値未満の分離閾値以上の粒径を有する固形物と、前記分離閾値未満の粒径を有する固形物および燃焼排ガスとに分離するサイクロンと、
前記サイクロンと前記燃焼炉とを接続する接続流路と、
前記燃焼炉または前記接続流路に固体原料を供給する原料供給部と、
カルシウムおよびアルミニウムのうちのいずれか一方または両方を含み、少なくとも一部が前記燃焼炉において前記分離閾値未満の粒径となる防止剤を、前記接続流路に供給する防止剤供給部と、
を備える、流動層装置。
【請求項2】
前記接続流路において、前記防止剤は、第２の粒径分布で表される粒径を有し、
前記第２の粒径分布の最頻値は、前記第１の粒径分布の最頻値の２９％以上５０％以下である、請求項１に記載の流動層装置。
前記第２の粒径分布の最頻値は、前記第１の粒径分布の最頻値の２９％以上５０％以下である、請求項１に記載の流動層装置。
【請求項3】
前記防止剤供給部は、２０μｍ以上１ｍｍ以下の前記防止剤を供給する、請求項１または２に記載の流動層装置。
【請求項4】
前記接続流路は、前記流動媒体の流動層が形成されるシールポットを有し、
前記防止剤供給部は、前記シールポットに前記防止剤を供給する、請求項１から３のいずれか１項に記載の流動層装置。
前記防止剤供給部は、前記シールポットに前記防止剤を供給する、請求項１から３のいずれか１項に記載の流動層装置。
【請求項5】
前記接続流路は、ガス化炉を有し、
前記シールポットは、前記ガス化炉と前記燃焼炉との間に設けられ、
前記原料供給部は、前記ガス化炉に前記固体原料を供給する、請求項４に記載の流動層装置。
前記シールポットは、前記ガス化炉と前記燃焼炉との間に設けられ、
前記原料供給部は、前記ガス化炉に前記固体原料を供給する、請求項４に記載の流動層装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、流動層装置に関する。
【背景技術】
【0002】
７００℃以上９００℃以下の低温の流動層で、バイオマス、石炭等の固体原料をガス化する流動層ガス化炉が開発されている。流動層ガス化炉は、ガス化槽と、流動化ガス供給部とを含む。ガス化槽は、流動媒体を収容する。流動化ガス供給部は、ガス化槽の底部から流動化ガスを導入する。これにより、ガス化槽内において流動媒体の流動層が形成される。そして、流動層が形成されたガス化槽に固体原料が供給されると、流動層（流動媒体）が有する熱で固体原料がガス化される。
【0003】
流動層ガス化炉で用いられる流動媒体として、一般的に、珪砂が採用される。このため、固体原料にアルカリ金属が含まれていると、珪砂に含まれるシリカ（ＳｉＯ２）が、アルカリ金属と反応し、８００℃程度で溶融する複合酸化物が生成される。したがって、ガス化槽内において複合酸化物が溶融し、溶融した複合酸化物によって流動媒体が凝集（アグロメレーション）してしまう。そうすると、流動媒体が流動不良を起こし、流動層が形成されなくなったり、ガス化槽自体およびガス化槽に接続された機器等が凝集した流動媒体で閉塞されたりするおそれがある。
【0004】
そこで、ガス化槽に供給する前に、バイオマスを硫酸水で洗浄して、バイオマスからアルカリ金属を取り除く技術が開発されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１０－２７０３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、上記特許文献１のような硫酸水で洗浄する技術では、硫酸等の硫黄成分がバイオマスに随伴されてガス化槽に供給されてしまう。このため、ガス化槽において硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の硫黄化合物が生成される。硫黄化合物は、腐食の原因となる。したがって、ガス化槽やガス化槽の後段の設備において、硫黄化合物を取り除くための専用の装置が必要となる。
【0007】
本開示は、このような課題に鑑み、硫黄化合物の発生を回避して、流動媒体の凝集を抑制することが可能な流動層装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る流動層装置は、第１の粒径分布で表される粒径を有する流動媒体を加熱する燃焼炉と、燃焼炉から供給された固気混合物を、第１の粒径分布の最頻値未満の分離閾値以上の粒径を有する固形物と、分離閾値未満の粒径を有する固形物および燃焼排ガスとに分離するサイクロンと、サイクロンと燃焼炉とを接続する接続流路と、燃焼炉または接続流路に固体原料を供給する原料供給部と、カルシウムおよびアルミニウムのうちのいずれか一方または両方を含み、少なくとも一部が燃焼炉において分離閾値未満の粒径となる防止剤を、接続流路に供給する防止剤供給部と、を備える。
【0009】
また、接続流路において、防止剤は、第２の粒径分布で表される粒径を有し、第２の粒径分布の最頻値は、第１の粒径分布の最頻値の２９％以上５０％以下であってもよい。
【0010】
また、防止剤供給部は、２０μｍ以上１ｍｍ以下の防止剤を供給してもよい。
【0011】
また、接続流路は、流動媒体の流動層が形成されるシールポットを有し、防止剤供給部は、シールポットに防止剤を供給してもよい。
【0012】
また、接続流路は、ガス化炉を有し、シールポットは、ガス化炉と燃焼炉との間に設けられ、原料供給部は、ガス化炉に固体原料を供給してもよい。
【発明の効果】
【0013】
本開示によれば、硫黄化合物の発生を回避して、流動媒体の凝集を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。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ついては、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0016】
［流動層装置１００］
図１は、本実施形態にかかる流動層装置１００を説明する図である。なお、図１中、実線の矢印は、固体原料Ｒ、流動媒体Ｆ、防止剤Ａ等の固形物の流れを示す。また、図１中、破線の矢印は、燃焼排ガスＥＸ、ガス化ガスＧＧ、流動化ガスＲＧ等の気体の流れを示す。
図１は、本実施形態にかかる流動層装置１００を説明する図である。なお、図１中、実線の矢印は、固体原料Ｒ、流動媒体Ｆ、防止剤Ａ等の固形物の流れを示す。また、図１中、破線の矢印は、燃焼排ガスＥＸ、ガス化ガスＧＧ、流動化ガスＲＧ等の気体の流れを示す。
【0017】
図１に示すように、流動層装置１００は、燃焼炉１１０と、第１配管１１２と、サイクロン１２０と、接続流路１３０と、熱交換器１４０と、脱塵装置１４２と、原料供給部１５０と、防止剤供給部１６０とを含む。
【0018】
本実施形態において、流動層装置１００は、循環流動層式ガス化システムであり、燃焼炉１１０、第１配管１１２、サイクロン１２０、接続流路１３０に、流動媒体Ｆを熱媒体として循環させている。
【0019】
流動媒体Ｆは、第１の粒径分布で表される粒径を有する。第１の粒径分布は、最頻値が、例えば、４００μｍ以上７００μｍ以下の範囲内の値となる分布である。流動媒体Ｆは、珪砂で構成される。なお、流動媒体Ｆは、珪砂に加えて、ドロマイトおよびカンラン石のうちのいずれか一方または両方を含んでもよい。
【0020】
燃焼炉１１０は、筒形状である。燃焼炉１１０の上部には、第１配管１１２が接続される。燃焼炉１１０の下部には、後述する接続流路１３０の第５配管２３２が接続される。燃焼炉１１０には、第５配管２３２を通じて、後述する接続流路１３０のガス化炉２２０から未燃チャーＣおよび流動媒体Ｆが導入される。燃焼炉１１０は、未燃チャーＣ（燃料）を空気で燃焼させて、流動媒体Ｆを９００℃以上１０００℃以下に加熱する。なお、熱量が不足する場合、燃焼炉１１０には、外部燃料または熱ガス等が補給される。
【0021】
第１配管１１２は、燃焼炉１１０の上部と、後述するサイクロン１２０とを接続する。燃焼炉１１０において加熱された流動媒体Ｆおよび燃焼排ガスＥＸは、第１配管１１２を通じて、サイクロン１２０に送出される。
【0022】
サイクロン１２０は、本体１２２と、入口１２４と、上部出口１２６と、下部出口１２８とを含む。本体１２２は、筒形状である。本体１２２の少なくとも一部は、例えば、鉛直下方に向かうに従って径が漸減する円錐形状である。入口１２４は、本体１２２の側面に形成される。入口１２４には、第１配管１１２を介して、燃焼炉１１０が接続される。
【0023】
上部出口１２６は、本体１２２における入口１２４の上方に設けられる。本実施形態において上部出口１２６は、本体１２２の上面に形成される。下部出口１２８は、本体１２２における入口１２４の下方に設けられる。本実施形態において下部出口１２８は、本体１２２の底面に形成される。
【0024】
サイクロン１２０は、入口１２４を通じて、燃焼炉１１０から供給された固気混合物を固気分離する。サイクロン１２０は、固気混合物を、分離閾値以上の粒径を有する固形物と、分離閾値未満の粒径を有する固形物および燃焼排ガスＥＸとに分離する。分離閾値は、上記第１の粒径分布の最頻値（４００μｍ以上７００μｍ以下）未満の値である。分離閾値は、例えば、１５０μｍである。
【0025】
詳しくは後述するが、固気混合物には、流動媒体Ｆ、防止剤Ａ、ケイ酸塩Ｓ、および、燃焼排ガスＥＸが含まれる。そして、分離閾値以上の粒径を有する固形物には、流動媒体Ｆ、防止剤Ａ、および、ケイ酸塩Ｓが含まれる。また、分離閾値未満の粒径を有する固形物には、ケイ酸塩Ｓが含まれる。
【0026】
したがって、サイクロン１２０によって分離された燃焼排ガスＥＸおよびケイ酸塩Ｓは、上部出口１２６を通じて熱交換器１４０に送出される。つまり、サイクロン１２０によって、ケイ酸塩Ｓは、燃焼排ガスＥＸとともに、流動媒体Ｆの循環経路から取り除かれる。そして、燃焼排ガスＥＸおよびケイ酸塩Ｓは、熱交換器１４０によって熱交換される。熱交換器１４０は、例えば、ボイラである。そして、熱交換器１４０によって熱交換された、燃焼排ガスＥＸおよびケイ酸塩Ｓは、脱塵装置１４２によって燃焼排ガスＥＸと、ケイ酸塩Ｓとに分離される。
【0027】
一方、サイクロン１２０によって分離された高温の流動媒体Ｆ、防止剤Ａ、および、ケイ酸塩Ｓは、接続流路１３０を通じて、燃焼炉１１０に導入される。接続流路１３０は、サイクロン１２０の下部出口１２８と燃焼炉１１０の下部とを接続する。
【0028】
本実施形態において、接続流路１３０は、第２配管２０２と、第１シールポット２１０と、第３配管２１２と、ガス化炉２２０と、第４配管２２２と、第２シールポット２３０と、第５配管２３２とを含む。
【0029】
第２配管２０２は、サイクロン１２０の下部出口１２８と第１シールポット２１０とを接続する。
【0030】
第１シールポット２１０（ループシール）は、第２配管２０２を通じてサイクロン１２０から導入された流動媒体Ｆを流動化し、流動層を形成する。
【0031】
図２は、第１シールポット２１０を説明する図である。第１シールポット２１０は、収容槽２１０ａと、風箱２１０ｂと、ブロワ２１０ｃとを含む。
【0032】
収容槽２１０ａは、サイクロン１２０から導入された流動媒体Ｆを収容する。収容槽２１０ａの天井には、入口２１０ｄが形成されている。入口２１０ｄには、第２配管２０２が接続される。また、収容槽２１０ａの側面には、出口２１０ｅが形成されている。出口２１０ｅには、第３配管２１２が接続される。また、本実施形態において、収容槽２１０ａの底面は、複数の孔が形成された分散板で構成される。
【0033】
収容槽２１０ａ内には、天井から鉛直下方に延在した仕切板２１０ｆが設けられている。仕切板２１０ｆは、収容槽２１０ａ内を、領域２１０ｇと領域２１０ｈとに区画する。領域２１０ｇは、入口２１０ｄが形成される領域である。領域２１０ｈは、出口２１０ｅが形成される領域である。また、仕切板２１０ｆの先端は、出口２１０ｅの下端より鉛直下方まで延在している。仕切板２１０ｆを備える構成により、サイクロン１２０からガス化炉２２０への燃焼排ガスＥＸの流入およびガス化炉２２０からサイクロン１２０へのガス化ガスＧＧの流入を防止することができる。
【0034】
風箱２１０ｂは、収容槽２１０ａの下方に設けられる。ブロワ２１０ｃは、風箱２１０ｂに流動化ガスＲＧを導入する。流動化ガスＲＧは、例えば、水蒸気および窒素のうちのいずれか一方または両方である。風箱２１０ｂに導入された流動化ガスＲＧは、収容槽２１０ａの底面（分散板）から当該収容槽２１０ａ内に導入される。
【0035】
ブロワ２１０ｃの吐出側は、風箱２１０ｂに接続される。ブロワ２１０ｃは、収容槽２１０ａ内に流動媒体Ｆの流動層を形成可能な流速で、流動化ガスＲＧを風箱２１０ｂに導入する。したがって、第２配管２０２を通じてサイクロン１２０から導入された高温の流動媒体Ｆは、流動化ガスＲＧによって流動化し、収容槽２１０ａ内において流動層（例えば、気泡流動層）が形成される。
【0036】
そして、サイクロン１２０からのさらなる流動媒体Ｆの導入に伴って、流動層の鉛直方向の位置が高くなると、流動媒体Ｆは、出口２１０ｅの下端をオーバーフローし、第３配管２１２を通じてガス化炉２２０へ導入される。
【0037】
図１に戻って説明すると、ガス化炉２２０は、例えば、気泡流動層ガス化炉である。ガス化炉２２０は、サイクロン１２０から導入された高温の流動媒体Ｆを、流動化ガスＲＧによって流動化する。流動化ガスＲＧは、水蒸気および窒素のうちのいずれか一方または両方である。以下、流動化ガスＲＧが水蒸気である場合を例に挙げる。
【0038】
本実施形態において、ガス化炉２２０は、ガス化槽２２０ａと、流動化ガス導入部２２０ｂとを含む。ガス化槽２２０ａは、流動媒体Ｆおよび固体原料Ｒを収容する。本実施形態において、ガス化槽２２０ａの底面は、複数の孔が形成された分散板で構成される。
【0039】
流動化ガス導入部２２０ｂは、ガス化槽２２０ａに水蒸気を導入する。流動化ガス導入部２２０ｂは、風箱２２０ｃと、ブロワ２２０ｄとを含む。風箱２２０ｃは、ガス化槽２２０ａの下方に設けられる。ブロワ２２０ｄは、風箱２２０ｃに水蒸気を導入する。風箱２２０ｃに導入された水蒸気は、ガス化槽２２０ａの底面（分散板）から当該ガス化槽２２０ａ内に導入される。ブロワ２２０ｄの吐出側は、風箱２２０ｃに接続される。ブロワ２２０ｄは、ガス化槽２２０ａ内に流動媒体Ｆの流動層を形成可能な流速で、水蒸気を風箱２２０ｃに導入する。したがって、サイクロン１２０から導入された高温の流動媒体Ｆは、水蒸気によって流動化し、ガス化槽２２０ａ内において流動層（例えば、気泡流動層）が形成される。
【0040】
原料供給部１５０は、固体原料Ｒをガス化槽２２０ａに供給する。固体原料Ｒは、例えば、バイオマスである。バイオマスは、木質系バイオマス、草本系バイオマスおよび、廃棄物系バイオマスのうちのいずれか１または複数である。木質系バイオマスは、例えば、木材チップ、おがくず、樹皮等である。また、草本系バイオマスは、例えば、麦わら、稲わら等である。廃棄物系バイオマスは、例えば、パーム椰子からパーム油を生産した結果生じる空果房（ＥＦＢ：Empty Fruit Bunch）、パーム椰子殻（ＰＫＳ：Palm Kernel Shell）等である。また、固体原料Ｒは、バイオマスに加えて石炭を含んでもよい。石炭は、無煙炭、半無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、および、褐炭のうちのいずれか１または複数である。
【0041】
ガス化炉２２０は、流動層（流動媒体Ｆ）が有する７００℃以上９００℃以下の熱、および、水蒸気で、原料供給部１５０によって供給された固体原料Ｒをガス化（水蒸気ガス化）させて、ガス化ガスＧＧを生成する。ガス化炉２２０で生成されたガス化ガスＧＧは、後段の精製装置に導入される。精製装置は、ガス化ガスＧＧを精製する。
【0042】
ガス化炉２２０において流動化された流動媒体Ｆは、第４配管２２２を通じて第２シールポット２３０に導入される。第４配管２２２は、ガス化槽２２０ａと第２シールポット２３０とを接続する。
【0043】
第２シールポット２３０（ループシール）は、第４配管２２２を通じてガス化炉２２０から導入された流動媒体Ｆを流動化し、流動層を形成する。第２シールポット２３０は、ガス化炉２２０から燃焼炉１１０へのガス化ガスＧＧの流入および燃焼炉１１０からガス化炉２２０への燃焼排ガスＥＸの流入を防止する。第２シールポット２３０の構成は、上記第１シールポット２１０と実質的に等しいため、ここでは、詳細な説明を省略する。第２シールポット２３０からオーバーフローした流動媒体Ｆは、第５配管２３２を通じて燃焼炉１１０に戻される。
【0044】
このように、本実施形態にかかる流動層装置１００において、流動媒体Ｆは、燃焼炉１１０、第１配管１１２、サイクロン１２０、第２配管２０２、第１シールポット２１０、第３配管２１２、ガス化炉２２０、第４配管２２２、第２シールポット２３０、第５配管２３２を、この順に移動し、再度燃焼炉１１０に導入されることにより、これらを循環することとなる。
【0045】
なお、燃焼炉１１０には、第５配管２３２を通じて、ガス化炉２２０において固体原料Ｒがガス化した後に残留した原料の残渣（未燃チャーＣ）が導入される。したがって、ガス化炉２２０から燃焼炉１１０に導入される未燃チャーＣが、燃焼炉１１０において燃料として利用される。
【0046】
上記したように、流動媒体Ｆは、燃焼炉１１０で９００℃以上１０００℃以下に加熱され、ガス化炉２２０で７００℃以上９００℃以下の流動媒体Ｆの流動層が形成される。そして、ガス化炉２２０に固体原料Ｒが投入されて、ガス化ガスＧＧが生成される。
【0047】
ここで、固体原料Ｒにアルカリ金属（例えば、ナトリウム、カリウム）が含まれていると、燃焼炉１１０およびガス化炉２２０において、流動媒体Ｆを構成する珪砂に含まれるシリカ（ＳｉＯ２）とアルカリ金属とが反応して、複合酸化物が生成される。アルカリ金属は、バイオマスに含まれる。
【0048】
図３は、流動媒体Ｆの温度と複合酸化物の発生率とを説明する図である。図３中、横軸は、流動媒体Ｆの温度［℃］を示す。図３中、縦軸は、複合酸化物の発生率［％］を示す。また、図３中、四角は、固体原料Ｒが褐炭である場合を示す。図３中、丸は、固体原料Ｒが木質系バイオマスである場合を示す。図３中、三角は、固体原料ＲがＥＦＢである場合を示す。なお、図３では、流動媒体Ｆと固体原料Ｒとが１：１で混合された場合を示す。
【0049】
褐炭には、例えば、酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）が１質量％程度含まれ、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）が１質量％程度含まれる。図３に示すように、固体原料Ｒが褐炭である場合、６００℃以上７００以下の範囲において、複合酸化物の発生率は０％である。また、７００℃超１１００℃以下の範囲において、複合酸化物の発生率が漸増する。８００℃における複合酸化物の発生率は、１５％程度である。９００℃における複合酸化物の発生率は、５０％程度である。１０００℃における複合酸化物の発生率は、７５％程度である。１１００℃における複合酸化物の発生率は、８０％程度である。１１００℃超１２００℃以下の範囲において、複合酸化物の発生率は、８０％程度に維持される。
【0050】
したがって、褐炭をガス化炉２２０でガス化する場合には、ガス化炉２２０の温度範囲である７００℃以上９００℃以下において、複合酸化物の発生率を０％以上５０％以下の範囲に抑えることができる。
【0051】
一方、木質系バイオマスには、例えば、酸化カリウムが１５質量％程度含まれ、酸化ナトリウムが、５質量％程度含まれる。図３に示すように、固体原料Ｒが木質系バイオマスである場合、６００℃以上１０００℃以下の範囲において、複合酸化物の発生率が漸増する。また、６００℃における複合酸化物の発生率は、０％である。７００℃における複合酸化物の発生率は、１５％程度である。８００℃における複合酸化物の発生率は、３０％程度である。９００℃における複合酸化物の発生率は、５０％程度である。１０００℃における複合酸化物の発生率は、６０％程度である。１０００℃超１２００℃以下の範囲において、複合酸化物の発生率は、６０％程度に維持される。
【0052】
したがって、木質系バイオマスをガス化炉２２０でガス化する場合には、ガス化炉２２０の温度範囲である７００℃以上９００℃以下において、複合酸化物の発生率が１５％以上５０％以下となってしまう。
【0053】
また、ＥＦＢには、例えば、酸化カリウムが２０質量％程度含まれ、酸化ナトリウムが１質量％程度含まれる。図３に示すように、固体原料ＲがＥＦＢである場合、６００℃以上１０００℃以下の範囲において、複合酸化物の発生率が漸増する。また、６００℃における複合酸化物の発生率は、１０％程度である。７００℃における複合酸化物の発生率は、２５％程度である。８００℃における複合酸化物の発生率は、４０％程度である。９００℃における複合酸化物の発生率は、６０％程度である。１０００℃における複合酸化物の発生率は、８０％程度である。１０００℃超１２００℃以下の範囲において、複合酸化物の発生率は、８０％程度に維持される。
【0054】
したがって、ＥＦＢをガス化炉２２０でガス化する場合には、ガス化炉２２０の温度範囲である７００℃以上９００℃以下において、複合酸化物の発生率が２５％以上６０％以下となってしまう。
【0055】
このように、木質系バイオマス、ＥＦＢといったバイオマスをガス化炉２２０においてガス化する場合、褐炭とは異なり、７００℃以上８００℃以下の範囲において複合酸化物が発生する。つまり、バイオマスをガス化する場合、褐炭をガス化する場合よりも低温で複合酸化物が生成される。
【0056】
複合酸化物は、７００℃程度で溶融する。したがって、ガス化炉２２０において、流動媒体Ｆは、溶融した複合酸化物によって被覆されることになる。
【0057】
【0058】
したがって、ガス化炉２２０、燃焼炉１１０等において、流動媒体Ｆの表面に付着した複合酸化物により、流動媒体Ｆ同士が凝集してしまう。流動媒体Ｆが凝集すると、流動媒体Ｆが流動不良を起こし、第１シールポット２１０、ガス化炉２２０、第２シールポット２３０において流動層が形成されなくなったり、第２配管２０２、第１シールポット２１０、第３配管２１２、ガス化炉２２０、第４配管２２２、第２シールポット２３０、第５配管２３２が凝集した流動媒体Ｆで閉塞されたりするおそれがある。
【0059】
そこで、本実施形態に係る流動層装置１００は、防止剤供給部１６０を備える。図１に戻って説明すると、防止剤供給部１６０は、防止剤Ａを第２シールポット２３０に供給する。なお、本実施形態において、防止剤供給部１６０は、第２シールポット２３０のうち、第４配管２２２が接続される入口を含む領域に防止剤Ａを供給する。防止剤供給部１６０は、例えば、スクリューフィーダ、または、水素パージ機構で構成される。
【0060】
また、防止剤供給部１６０は、原料供給部１５０によって供給される固体原料Ｒに含まれるアルカリ金属の含有量の５倍以上１０倍以下の重量の防止剤Ａを供給する。なお、固体原料Ｒに含まれるアルカリ金属の含有量は、予め測定される。
【0061】
防止剤Ａは、カルシウムおよびアルミニウムのうちのいずれか一方または両方を含む。防止剤Ａは、例えば、石灰石、消石灰、ドロマイト、カンラン石、ボーキサイト等の鉱物である。防止剤Ａとして鉱物を採用することにより、防止剤Ａに要するコストを低減することができる。
【0062】
防止剤Ａは、アルカリ金属および珪砂と反応する。その結果、ケイ酸塩Ｓが生成される。例えば、防止剤Ａがカルシウムを含む場合、下記式（１）に示す反応が進行する。そして、ケイ酸カルシウムカリウム（Ｋ１－ｎＣａｎＳｉＯ）が生成される。また、防止剤Ａがアルミニウムを含む場合、下記式（２）に示す反応が進行する。そして、ケイ酸アルミニウムカリウム（Ｋ１－２ｎ／３Ａｌ２ｎ／３ＳｉＯ）が生成される。
４Ｋ＋ＣａＯ＋３ＳｉＯ２＋Ｏ２ → Ｋ４ＣａＳｉ３Ｏ９ …式（１）
２Ｋ＋Ａｌ２Ｏ３＋４ＳｉＯ２＋１／２Ｏ２ → Ｋ２Ａｌ２Ｓｉ４Ｏ１２ …式（２）
４Ｋ＋ＣａＯ＋３ＳｉＯ２＋Ｏ２ → Ｋ４ＣａＳｉ３Ｏ９ …式（１）
２Ｋ＋Ａｌ２Ｏ３＋４ＳｉＯ２＋１／２Ｏ２ → Ｋ２Ａｌ２Ｓｉ４Ｏ１２ …式（２）
【0063】
したがって、防止剤Ａが、固体原料Ｒから生じた灰分に含まれるアルカリ金属を取り込んで、ケイ酸塩Ｓが生成されることにより、複合酸化物の生成を抑制することができる。また、防止剤Ａが、複合酸化物に含まれるアルカリ金属を取り込んで、ケイ酸塩Ｓが生成されることにより、複合酸化物を低減することが可能となる。
【0064】
ケイ酸カルシウムカリウム、ケイ酸アルミニウムカリウム等のケイ酸塩Ｓの融点は、ケイ酸カリウムの融点（１１００℃以下）よりも高い。ケイ酸塩Ｓの融点は、例えば、１４００℃以上である。したがって、防止剤供給部１６０が防止剤Ａを供給することにより、複合酸化物の生成を抑制し、また、複合酸化物を低減して、流動媒体Ｆの凝集を抑制することが可能となる。
【0065】
また、防止剤供給部１６０は、流動媒体Ｆの流動層が形成される第２シールポット２３０に防止剤Ａを供給する。つまり、流動媒体Ｆの流動層に防止剤Ａが供給されることになる。したがって、防止剤Ａと流動媒体Ｆとを効率よく混合することが可能となる。これにより、流動媒体Ｆの表面に付着した複合酸化物や固体原料Ｒから生じた灰分に含まれるアルカリ金属と、防止剤Ａとの接触頻度を増加させることができ、アルカリ金属を効率よくケイ酸塩Ｓに変換することが可能となる。
【0066】
また、防止剤Ａは、第２シールポット２３０において、流動媒体Ｆと混合される。これにより、防止剤Ａは、流動媒体Ｆと衝突することになる。そうすると、防止剤Ａの少なくとも一部は、砕けて粒径が小さくなる。このため、防止剤供給部１６０は、防止剤Ａの少なくとも一部が、燃焼炉１１０において上記分離閾値未満となる粒径の防止剤Ａを供給する。
【0067】
これにより、砕けて粒径が小さくなった防止剤Ａと反応することで生成されるケイ酸塩Ｓの少なくとも一部を、サイクロン１２０によって流動媒体Ｆから分離することができる。したがって、ケイ酸塩Ｓを、燃焼排ガスＥＸに随伴させて、上部出口１２６から外部に廃棄することが可能となる。つまり、固体原料Ｒに含まれるアルカリ金属は、防止剤Ａによってケイ酸塩となり、サイクロン１２０によって、流動媒体Ｆの循環経路から外部に廃棄される。
【0068】
具体的に説明すると、第２シールポット２３０（接続流路１３０）において、防止剤Ａは、第２の粒径分布で表される粒径を有する。図５は、流動媒体Ｆおよび防止剤Ａの粒径分布を説明する図である。図５中、横軸は、粒径［μｍ］を示す。図５中、縦軸は、体積基準頻度［％］を示す。また、図５中、破線および一点鎖線は、流動媒体Ｆの粒径分布、つまり、第１の粒径分布を示す。図５中、実線は、防止剤Ａの粒径分布、つまり、第２の粒径分布を示す。
【0069】
図５に示すように、第１の粒径分布は、最頻値が、４００μｍ以上７００μｍ以下の範囲内の値となる分布である。例えば、破線で示す第１の粒径分布の最頻値は、４３０μｍ程度である。また、一点鎖線で示す第１の粒径分布の最頻値は、６５０μｍｍ程度である。また、実線で示す第２の粒径分布の最頻値は、１９０μｍ程度である。つまり、第２の粒径分布の最頻値は、第１の粒径分布の最頻値の２９％以上５０％以下である。
【0070】
したがって、サイクロン１２０において、ケイ酸塩Ｓ（防止剤Ａ）と流動媒体Ｆとを効率よく分離することができる。
【0071】
また、アルカリ金属との反応性を向上させるために、防止剤Ａの比表面積は、大きい方が好ましい。つまり、防止剤Ａの粒径は小さい方が好ましい。しかし、防止剤Ａの粒径が小さすぎると、第２シールポット２３０において飛散してしまい、流動媒体Ｆと混合されなくなってしまう。
【0072】
このため、防止剤供給部１６０は、２０μｍ以上の防止剤Ａを供給する。これにより、第２シールポット２３０において防止剤Ａが飛散してしまう事態を回避することができ、防止剤Ａと流動媒体Ｆとを混合することが可能となる。これにより、流動媒体Ｆの表面に付着した複合酸化物や固体原料Ｒから生じた灰分に含まれるアルカリ金属と、防止剤Ａとの接触頻度を増加させることができ、アルカリ金属を効率よくケイ酸塩Ｓに変換することが可能となる。
【0073】
また、防止剤Ａの粒径が大きすぎると、第２シールポット２３０において流動化されなくなってしまう。そこで、防止剤供給部１６０は、１０００μｍ以下の防止剤Ａを供給する。これにより、第２シールポット２３０において、防止剤Ａを流動化させることができる。したがって、分離閾値以上の粒径を有する防止剤Ａを、第２シールポット２３０、第５配管２３２、燃焼炉１１０、第１配管１１２、サイクロン１２０、第２配管２０２、第１シールポット２１０、第３配管２１２、ガス化炉２２０に循環させることができる。このため、循環過程において、流動媒体Ｆおよび灰分と、防止剤Ａとを接触させることができ、アルカリ金属を効率よくケイ酸塩Ｓに変換することが可能となる。
【0074】
なお、分離閾値以上の防止剤Ａであっても、流動媒体Ｆと衝突することにより、破砕され、粒径が小さくなる。このため、最終的に、防止剤Ａは、サイクロン１２０によって分離され、燃焼排ガスＥＸとともに外部に廃棄されることになる。
【0075】
以上説明したように、本実施形態に係る流動層装置１００は、防止剤供給部１６０を備える。これにより、流動層装置１００は、硫黄化合物の発生を回避して、流動媒体Ｆの凝集を抑制することが可能となる。
【0076】
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【0077】
例えば、上述した実施形態において、防止剤供給部１６０は、第２シールポット２３０のうち、第４配管２２２が接続される入口を含む領域に防止剤Ａを供給する場合を例に挙げた。これにより、第２シールポット２３０における防止剤Ａの滞留時間を長くすることができ、配分および流動媒体Ｆと、防止剤Ａとの接触時間を長くすることが可能となる。しかし、防止剤供給部１６０は、第２シールポット２３０のうち、第５配管２３２が接続される出口を含む領域に防止剤Ａを供給してもよい。この場合、防止剤供給部１６０は、スクリューフィーダ等のマテリアルシール、または、水素パージ機構を省略することができる。
【0078】
また、上記実施形態において、防止剤供給部１６０が第２シールポット２３０に防止剤Ａを供給する場合を例に挙げた。しかし、防止剤供給部１６０は、第１シールポット２１０およびガス化炉２２０のうちのいずれか一方または両方に防止剤Ａを供給してもよい。この場合であっても、流動媒体Ｆの流動層に防止剤Ａを供給することができる。したがって、防止剤Ａと流動媒体Ｆとを効率よく混合することが可能となる。これにより、流動媒体Ｆの表面に付着した複合酸化物や固体原料Ｒから生じた灰分に含まれるアルカリ金属と、防止剤Ａとの接触頻度を増加させることができ、アルカリ金属を効率よくケイ酸塩Ｓに変換することが可能となる。
【0079】
また、上記実施形態において、接続流路１３０がガス化炉２２０を備える場合を例に挙げた。しかし、ガス化炉２２０は、必須の構成ではない。流動層装置がガス化炉２２０を備えない場合、防止剤供給部１６０は、接続流路１３０に防止剤Ａを供給する。これにより、硫黄化合物の発生を回避して、流動媒体Ｆの凝集を抑制することが可能となる。
【0080】
また、上記実施形態において、防止剤Ａが、鉱物である場合を例に挙げた。しかし、防止剤Ａは、カルシウムおよびアルミニウムのうちのいずれか一方または両方を少なくとも含んでいれば、鉱物でなくてもよい。
【0081】
本開示は、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」、目標１３「気候変動とその影響に立ち向かうため、緊急対策を取る」および目標１５「森林の持続可能な管理、砂漠化への対処、土地劣化の阻止および逆転、ならびに生物多様性損失の阻止を図る」に貢献することができる。
【符号の説明】
【0082】
１００ 流動層装置
１１０ 燃焼炉
１２０ サイクロン
１２４ 入口
１２６ 上部出口
１２８ 下部出口
１３０ 接続流路
１５０ 原料供給部
１６０ 防止剤供給部
２１０ 第１シールポット（シールポット）
２２０ ガス化炉
２３０ 第２シールポット（シールポット）
１１０ 燃焼炉
１２０ サイクロン
１２４ 入口
１２６ 上部出口
１２８ 下部出口
１３０ 接続流路
１５０ 原料供給部
１６０ 防止剤供給部
２１０ 第１シールポット（シールポット）
２２０ ガス化炉
２３０ 第２シールポット（シールポット）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】