特開 2024-95041 バイオマスガス化炉、液体燃料製造設備、及びバイオマスガス化炉の運転方法

(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】P2024095041

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】バイオマスガス化炉、液体燃料製造設備、及びバイオマスガス化炉の運転方法

(51)【国際特許分類】

   C10J 3/48 20060101AFI20240703BHJP

   C10J 3/46 20060101ALI20240703BHJP

   C10G 2/00 20060101ALI20240703BHJP

【ＦＩ】

C10J3/48

C10J3/46 J

C10G2/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022212040

(22)【出願日】2022-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100140914

【弁理士】

【氏名又は名称】三苫 貴織

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】山内 康弘

(72)【発明者】

【氏名】松井 直也

(72)【発明者】

【氏名】松本 啓吾

(72)【発明者】

【氏名】藤井 篤

【テーマコード（参考）】

4H129

【Ｆターム（参考）】

4H129AA01

4H129BA12

4H129BB07

4H129BC45

4H129KA15

4H129NA21

4H129NA43

(57)【要約】

【課題】ガス化炉本体の内壁に固着するクリンカを抑制することができるバイオマスガス化炉を提供する。
【解決手段】鉛直方向に中心軸線ＣＬを有する筒体とされ、内部でバイオマス原料をガス化するガス化炉本体２と、バイオマス原料をガス化炉本体２の内部に投入するスクリューフィーダ３と、スクリューフィーダ３よりも下方に設けられ、中心軸線ＣＬの周りに旋回流が形成されるようにガス化剤をガス化炉本体２の内部に投入するガス化剤投入管５と、を備えている。
【選択図】図２Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉛直方向に中心軸線を有する筒体とされ、内部でバイオマス原料をガス化するガス化炉本体と、
バイオマス原料を前記ガス化炉本体の内部に投入するバイオマス原料投入部と、
前記バイオマス原料投入部よりも下方に設けられ、前記中心軸線の周りに旋回流が形成されるようにガス化剤を前記ガス化炉本体の内部に投入するガス化剤投入部と、
を備えているバイオマスガス化炉。

【請求項2】

前記ガス化剤投入部は、前記バイオマス原料投入部の高さ位置における水平面の全体においてガス流速の鉛直方向上向きの成分が０ｍ／ｓ以上となるように旋回流を形成する請求項１に記載のバイオマスガス化炉。

【請求項3】

前記ガス化剤投入部は、投入位置と前記中心軸線とを通る基準線に対して５°以上５０°以下の角度を有してガス化剤を投入する請求項１に記載のバイオマスガス化炉。

【請求項4】

前記ガス化剤投入部によって形成される旋回流のスワール数が、０．１以上０．２５以下とされている請求項１に記載のバイオマスガス化炉。

【請求項5】

請求項１から４のいずれかに記載されたバイオマスガス化炉と、
前記ガス化炉で生成した生成ガスの少なくとも一部から液体燃料を合成する液体燃料合成設備と、
を備えている液体燃料製造設備。

【請求項6】

鉛直方向に中心軸線を有する筒体とされ、内部でバイオマス原料をガス化するガス化炉本体と、
バイオマス原料を前記ガス化炉本体の内部に投入するバイオマス原料投入部と、
前記バイオマス原料投入部よりも下方に設けられ、ガス化剤を前記ガス化炉本体の内部に投入するガス化剤投入部と、を備えたバイオマスガス化炉の運転方法であって、
前記ガス化剤投入部によって、前記中心軸線の周りに旋回流を形成するバイオマスガス化炉の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、バイオマスガス化炉、液体燃料製造設備、及びバイオマスガス化炉の運転方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１のように、ガス化炉として、石炭をミルで砕いて分級した微粉炭燃料をガス化炉内に供給し、微粉炭燃料を部分燃焼させてガス化することで、可燃性ガスを生成するガス化設備が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－４１７８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、地球温暖化対策の一手段としてバイオマス原料の利用が注目されている。バイオマス原料をガス化するバイオマスガス化炉では、ガス化剤としてガス化炉の下部から酸素と水蒸気をガス化炉に投入し、バイオマス原料を酸素で部分燃焼して約１２００℃に加熱し、この際に発生する熱量でバイオマス原料のガス化反応熱を賄う。ガス化反応したガス化ガスは平衡反応である水蒸気とＣＯのシフト反応によって水素を生成し、ガス化炉出口で水素、ＣＯを主成分とするガス化ガスを生成する。

【0005】

ガス化炉に投入されるバイオマス原料の灰軟化点がガス化炉内の最高温度よりも低い場合、炉内で灰が溶融して炉内の内壁部に固着してクリンカとなり、クリンカが増大した場合にはガス化炉が閉塞するおそれがある。

【0006】

なお、特許文献１のような石炭を用いたガス化炉は、一般に、灰はガス化炉内で溶融させ、炉壁を伝わってガス化炉底部の排出部から排出する湿式炉が用いられる。しかし、バイオマス原料を用いるバイオマスガス化炉の場合、石炭より灰分が少ないことから、灰はガス化炉内で溶融させることなく、固体のままガス化炉の後流側に配置された集塵装置でガス化ガスから分離する乾式炉が用いられる。したがって、灰の処理について、湿式炉である石炭ガス化炉と同様の技術思想を乾式炉であるバイオマスガス化炉にそのまま用いることができない。

【0007】

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガス化炉本体の内壁に固着するクリンカを抑制することができるバイオマスガス化炉、液体燃料製造設備、及びバイオマスガス化炉の運転方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示のバイオマスガス化炉は、鉛直方向に中心軸線を有する筒体とされ、内部でバイオマス原料をガス化するガス化炉本体と、バイオマス原料を前記ガス化炉本体の内部に投入するバイオマス原料投入部と、前記バイオマス原料投入部よりも下方に設けられ、前記中心軸線の周りに旋回流が形成されるようにガス化剤を前記ガス化炉本体の内部に投入するガス化剤投入部と、を備えている。

【0009】

本開示の液体燃料製造設備は、上記のバイオマスガス化炉と、前記ガス化炉で生成した生成ガスの少なくとも一部から液体燃料を合成する液体燃料合成設備と、を備えている。

【0010】

本開示のバイオマスガス化炉の運転方法は、鉛直方向に中心軸線を有する筒体とされ、内部でバイオマス原料をガス化するガス化炉本体と、バイオマス原料を前記ガス化炉本体の内部に投入するバイオマス原料投入部と、前記バイオマス原料投入部よりも下方に設けられ、ガス化剤を前記ガス化炉本体の内部に投入するガス化剤投入部と、を備えたバイオマスガス化炉の運転方法であって、前記ガス化剤投入部によって、前記中心軸線の周りに旋回流を形成する。

【発明の効果】

【0011】

ガス化炉本体の内壁に固着するクリンカを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示の一実施形態である液体燃料製造設備を示した概略構成図である。

【図2A】ガス化炉本体の下部を示した正面図である。

【図2B】図２Ａのガス化剤投入管の高さ位置における断面図である。

【図3】ガス化剤投入部の投入方向を示した横断面図である。

【図4A】参考例の温度分布を示した概略図である。

【図4B】図２Ａの実施形態の温度分布を示した概略図である。

【図5A】参考例のガス流れを示した概略図である。

【図5B】図２Ａの実施形態のガス流れを示した概略図である。

【図6】傾斜角度ごとに微粉粒子の最大粒子径に対するスワール比を示したグラフである。

【図7A】参考例の作用効果を示した概略図である。

【図7B】図２Ａの実施形態の作用効果を示した概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１には、本開示の一実施形態に係る液体燃料製造設備１０が示されている。
以降の説明では、上方とは鉛直上側の方向を、上部や上面などの“上”とは鉛直上側の部分を示している。また同様に“下”とは鉛直下側の部分を示すものであり、鉛直方向は厳密ではなく誤差を含むものである。

【0014】

本実施形態に係る液体燃料製造設備１０は、酸素及び水蒸気をガス化剤として用いるガス化炉１を備えている。ガス化炉１では、バイオマス原料から可燃性ガス（生成ガス）を生成する。

【0015】

液体燃料製造設備１０は、ガス化炉１で生成した生成ガスを、ガス精製設備１６で精製した後、液体燃料合成設備１７に、液体燃料合成の原料として供給する。ガス化炉１に供給する原料としては、例えば、間伐材、廃材木、流木、バーク、ペーパスラッジ、農業残渣等の木質系バイオマス原料が用いられる。

【0016】

液体燃料製造設備１０は、バイオマス原料供給設備１１と、ガス化炉１と、灰回収設備１５と、ガス精製設備１６と、液体燃料合成設備１７とを備えている。

【0017】

バイオマス原料供給設備１１は、粉砕前のバイオマス原料が供給され、ミル（図示略）などで粉砕することで、細かい粒子状に粉砕した原料を製造する。バイオマス原料供給設備１１で製造された粒子状の原料は、スクリューフィーダ３（バイオマス原料投入部）によって、ガス化炉１へ供給される。

【0018】

ガス化炉１は、鉛直方向に中心軸線を有する筒体とされたガス化炉本体２を備えている。ガス化炉本体２の内部には、バイオマス原料供給設備１１で製造された粒子状の原料が供給される。

【0019】

空気分離設備４２は、大気中の空気から酸素を分離生成するものであり、ガス化炉本体２に向けて酸素を供給する酸素供給ライン４７が接続されている。また、酸素供給ライン４７には、水蒸気が流通する水蒸気供給ライン４６が接続されている。空気分離設備４２によって分離された酸素は、酸素供給ライン４７を流通することで、ガス化炉１においてガス化剤として利用される。また、ガス化炉本体２にはガス化剤として水蒸気供給ライン４６から水蒸気が供給される。

【0020】

ガス化炉１では、ガス化炉本体２の内部に供給された粒子状の原料が、酸素によって部分燃焼し、水蒸気との水性シフト反応を経て、水素と一酸化炭素を含む生成ガスを生成する。

【0021】

ガス化炉１には、灰回収設備１５に向けて生成ガスを供給する第１生成ガスライン４９が接続されており、灰を含む生成ガスが排出可能となっている。この場合、第１生成ガスライン４９に生成ガスクーラ（図示せず）を設けることで、生成ガスを所定温度まで冷却してから灰回収設備１５に供給してもよい。

【0022】

灰回収設備１５は、集塵装置５１を備えている。この場合、集塵装置５１は、１つまたは複数のサイクロンやポーラスフィルタにより構成され、ガス化炉１で生成された生成ガスに含有する灰を分離することができる。そして、灰が分離された生成ガスは、第２生成ガスライン５３を通してガス精製設備１６に送られる。生成ガスから分離された灰は、例えばホッパ（図示せず）等に送られて一時的に貯留される。

【0023】

ガス精製設備１６は、灰回収設備１５により灰が分離された生成ガスに対して、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物を取り除くことで、ガス精製を行うものである。そして、ガス精製設備１６は、生成ガスを精製して液体燃料合成設備１７に供給する。

【0024】

液体燃料合成設備１７は、ガス精製設備１６で精製された生成ガスを原料にメタノールやアンモニア等の液体燃料を製造するものである。

【0025】

次に、本実施形態の液体燃料製造設備１０の動作について説明する。
液体燃料製造設備１０において、バイオマス原料供給設備１１にバイオマス原料が供給されると、バイオマス原料は、バイオマス原料供給設備１１のミルにおいて粒子状に粉砕される。バイオマス原料供給設備１１で製造された粒子状の原料は、原料供給ライン１２を流通し、スクリューフィーダ３を介してガス化炉１に供給される。

【0026】

ガス化炉１では、供給された粒子状の原料が酸素によって部分燃焼し、水蒸気による水性シフト反応を経て、生成ガスを生成する。そして、生成ガスは、ガス化炉１から第１生成ガスライン４９を通って排出され、灰回収設備１５に送られる。

【0027】

灰回収設備１５にて、生成ガスは、まず、集塵装置５１に供給されることで、生成ガスに含有する微粒の灰が分離される。そして、灰が分離された生成ガスは、第２生成ガスライン５３を通してガス精製設備１６に送られる。一方、生成ガスから分離した微粒の灰は、例えば、ホッパ（図示せず）等に送られて一時的に貯留された後、系外に排出される。

【0028】

灰回収設備１５によって灰が分離された生成ガスは、ガス精製設備１６にて、硫黄化合物や窒素化合物などの不純物が取り除かれてガス精製され液体燃料合成設備１７に送られる。液体燃料合成設備１７では、精製ガスを原料としてメタノールやアンモニア等の液体燃料が製造される。

【0029】

次に、図２Ａ及び図２Ｂを用いて、ガス化炉１に対するバイオマス原料及びガス化剤の供給について具体的に説明する。図２Ａには、ガス化炉１のガス化炉本体２の下方が示されている。ガス化炉１は、バイオマス原料から発生した灰をガス化炉本体２内で溶融させることなく、固体のままガス化炉１の後流側に配置された灰回収設備１５の集塵装置５１でガス化ガスから分離する乾式炉とされている。

【0030】

図２Ａに示すように、ガス化炉本体２は、鉛直方向に延在する中心軸線ＣＬを有する筒形状とされている。ガス化炉本体２は、バイオマス原料の部分燃焼及びガス化が主として行われる本体部２ａと、本体部２ａの下端に接続されて下方に向かって漸次縮径された第１テーパ部２ｂと、第１テーパ部２ｂの下端に接続されて一定の径を有する第１筒部２ｃと、第１筒部２ｃの下端に接続されて下方に向かって漸次縮径された第２テーパ部２ｄと、第２テーパ部２ｄの下端に接続されて一定の径を有する第２筒部２ｅとを備えている。したがって、ガス化炉本体２内を流れるガスの流路面積は、第２筒部２ｅ、第１筒部２ｃ、本体部２ａの順に大きくなる。

【0031】

原料供給ライン１２は、スクリューフィーダ（バイオマス原料投入部）３に接続されている。スクリューフィーダ３は、電動モータ３ａによって回転駆動され、図示しない制御部によって指令された回転数で回転する。これにより、所定量の原料（粉砕されたバイオマス原料）がガス化炉本体２内に供給される。スクリューフィーダ３の外周には、冷却ジャケット３ｂが設けられており、供給前の原料の過熱等を防止する。

【0032】

スクリューフィーダ３は、第１筒部２ｃに接続されており、略水平方向に向かって原料を投入する。スクリューフィーダ３は図示のように１つでも、あるいは複数でも良い。なお、原料の供給方法としては、スクリューフィーダ３に代えて、気流搬送等の他の投入方法であっても良い。

【0033】

スクリューフィーダ３の下方に、ガス化剤投入管（ガス化剤投入部）５が設けられている。ガス化剤投入管５は、第２筒部２ｅに設けられている。ガス化剤投入管５は複数設けられているのが好ましく、本実施形態では図２Ｂのように第２筒部２ｅの周方向に等角度間隔で４つ設けられている。各ガス化剤投入管５は、図２Ａのように同じ高さ位置に設けられている。ガス化剤投入管５からは、空気分離設備４２（図１参照）から導かれた酸素と水蒸気がガス化炉本体２の内部に供給される。

【0034】

図２Ｂに示すように、ガス化剤投入管５は、水平面内で、中心軸線ＣＬに対して傾斜した方向にガス化剤（酸素及び水蒸気）を投入する。４つの各ガス化剤投入管５の傾斜角度は同じである。これにより、中心軸線ＣＬ周りに旋回流が形成される。

【0035】

図３には、ガス化剤投入管５の傾斜角度αが示されている。同図に示されているように、傾斜角度αは、ガス化剤投入管５の投入中心位置５ａと中心軸線ＣＬとを結ぶ基準線ＢＳに対してなす角度である。ここで、ガス化剤投入管５の投入中心位置５ａとは、ガス化剤投入管５を構成する配管の横断面における中心位置でかつ、第２筒部２ｅと交差する位置を意味する。傾斜角度αは、５°以上５０°以下とされる。
傾斜角度αで投入されたガス化剤は、矢印Ａ１に示す方向に流速Ｕφで噴射され、仮想円半径ｒの旋回流を形成する。なお、図３において符号Ｒｔは第２筒部２ｅの半径（中心軸線ＣＬから炉壁（内壁）までの距離）を示す。

【0036】

次に、ガス化剤投入管５から投入されるガス化剤によって形成される旋回流のスワール数Ｓｗについて検討する。
旋回力の強さに関する無次元数であるスワール数Ｓｗは以下の式（１）で表される。
Ｓｗ＝Ｇφ／（Ｇｔ×Ｒｔ） ・・・（１）
ここで、Ｇφは角運動量流量を示し、Ｇｔは中心軸線ＣＬ方向運動量流量を示し、Ｒｔは投入場所のガス化炉半径を示す。

【0037】

スワール数Ｓｗを０．２とした場合のガス化炉本体２内のガス化状況を、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamic）を用いて計算したものを図４Ａ及び図４Ｂに示す。ＣＦＤでは、流速と温度の両方を考慮に入れて計算している。

【0038】

図４Ａは比較例を示し、図４Ｂは本実施形態を示す。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、（ａ）はガス化炉本体２の正面視及び側面視における温度分布を示し、（ｂ）は（ａ）に示したＡ－Ａの高さ位置における横断面の温度分布である。Ａ－Ａの高さ位置は、スクリューフィーダ３によって原料粒子を投入する高さ位置に相当する。

【0039】

比較例（図４Ａ）は、ガス化剤投入管５の傾斜角度αを０°とした場合である。したがって、比較例では旋回流を形成しない。比較例のガス化炉内温度分布では、ガス化炉本体２のＡ－Ａ断面上面視（図４Ａの（ｂ））では炉壁（内壁）近傍に高温部（黒い部分）が発生しており、灰軟化点が１２００℃以下のバイオマス燃料では炉壁近傍で灰が溶融し、壁面に灰が付着する。

【0040】

これに対して、図４Ｂに示した本実施形態のガス化炉１では、ガス化炉本体２のＡ－Ａ断面上面視（図４Ｂの（ｂ））では中央部に高温部が発生しているが、炉壁（内壁）近傍には高温部が無いことが分かる。このため、灰軟化点が１２００℃以下のバイオマス燃料でも炉壁近傍の温度が低いため炉壁近傍で灰が融解しにくく、炉壁への灰の付着を防ぐことができる。

【0041】

図５Ａ及び図５Ｂには、ガス化剤投入管５から投入されるガス化剤によって形成された旋回流の強さに応じて、ガス化炉本体２の内部の流れが変化する様子が示されている。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、左図はガス化炉本体２を正面視したときのガス流れを示し、右図はＢ－Ｂ断面及びＣ－Ｃ断面におけるガス流れの鉛直方向流速（鉛直方向上向きの速度を正の値とする）を示している。Ｂ－Ｂ断面及びＣ－Ｃ断面は、スクリューフィーダ３によって原料粒子を投入する高さ位置に相当する。

【0042】

図５Ａは参考例であり、スワール数Ｓｗが０．２５よりも大きい比較的強い旋回をかけた場合を示し、ガス化炉本体２の中央領域に下方へ向かう逆流領域が発生する。

【0043】

図５Ｂは本実施形態であり、スワール数Ｓｗが０．１以上０．２５以下の比較的弱い旋回の場合を示し、ガス化炉本体２の中央領域に下方へ向かう逆流領域が発生しない。

【0044】

図５Ａのようにガス化炉本体２内でガス化剤を投入して比較的強い旋回をかけると、原料粒子を投入するバイオマス投入部における水平面内において逆流領域ができてガス化剤とバイオマス燃料が混合する現象が発生する。一方で、図５Ｂのような比較的弱い旋回では、水平面内において逆流領域ができないためにバイオマス投入部では流速が０ｍ／ｓ以上の、逆流のない旋回流れが生じることが分かる。図５Ａのように逆流領域が生じると炉壁近傍までガス化反応後の高温ガスが上方から回り込む（図４Ａ参照）が、図５Ｂでは逆流領域がないことで、ガス化剤（５００℃程度）が旋回流となって炉壁近傍を流れる。このために図４Ｂで示したように炉壁近傍は温度が低くなっている。以上から、ガス化剤投入管５から投入されるガス化剤によって形成される旋回流は、スワール数Ｓｗが０．１以上０．２５以下の比較的弱いものが好ましい。

【0045】

次に、ガス化剤投入管５の傾斜角度αについて検討する。
式（１）で示した角運動量流量Ｇφは、傾斜角度α（図３参照）が大きいほどガス化剤投入方向（図３の矢印Ａ１）を接線とする円（仮想円と呼ぶ）の半径ｒが大きくなるため、大きくなる。

【0046】

仮想円の半径ｒは式（２）で表すことができる。
ｒ＝Ｒｔ×ｓｉｎα ・・・（２）

【0047】

角運動量流量Ｇφは式（３）で表される。
Ｇφ＝（４ヶ所）×（ガス化剤投入管５の１ヶ所あたりの運動量）×（仮想円の半径ｒ）
＝４×ｍφ×ｕφ×Ｒｔ×ｓｉｎα ・・・（３）
ここで、ｍφはガス化剤投入配管１本あたりの質量流量を示し、ｕφはガス化剤投入流速（図３参照）を示す。

【0048】

ガス化炉鉛直方向の運動量は式（４）で表される。
Ｇｔ＝（ガス化炉本体２の下部の鉛直方向の運動量）
＝ｍｔ×Ｕｔ ・・・（４）
ここで、ｍｔはガス化炉本体２の下部の質量流量を示し、Ｕｔはガス化炉本体２の下部のガス化剤の吹き上げ流速を示す。なお、式（４）において、ガス化炉本体２の下部とは、具体的には第２筒部２ｅ（図２）の位置を意味する。

【0049】

吹き上げ流速Ｕｔは、バイオマス投入部におけるガス化剤の鉛直方向の流速が、供給するバイオマス粒子（粒子状の原料）の略全量を浮遊させるために必要な最大粒子終末速度（バイオマス粒子に含まれる最大径の粒子を浮遊させるためのガス流速）以上となるように決めているため、最大粒子径の関数となる。質量流量ｍｔは、ガス化に必要な酸素量と水蒸気量の合計となる。したがって、式（１）、式（３）、式（４）の関係から、スワール数Ｓｗは、バイオマス粒子の最大粒子径と傾斜角度αを用いて求められる。

【0050】

図６には、傾斜角度αをパラメータとして、供給するバイオマス粒子の最大粒子径とスワール数Ｓｗの関係が示されている。同図において、横軸はバイオマス粒子の最大粒子径［ｍｍ］を示し、縦軸はスワール数Ｓｗを示す。

【0051】

バイオマス粒子の最大粒子径が小さいほどバイオマス燃料を砕くミルの動力が大きくなるので、バイオマス粒子の最大粒子径は５ｍｍ以上、好ましくは７ｍｍ以上、さらに好ましくは８ｍｍ以上とするのが良い。そうすると、図６から、ガス化剤投入管５からガス化剤が投入される傾斜角度αは５°以上とすることが好ましく、スワール数Ｓｗを比較的弱い旋回が生じる０．１以上０．２５以下にするには、傾斜角度αは５０°以下とするのが好ましい。また、傾斜角度αが５０°を超えると製作が困難となり、コストが増加するおそれがある。

【0052】

次に、図７Ａ及び図７Ｂを用いて、図４Ａのように旋回が無い場合（参考例）と図４Ｂのように旋回がある場合（本実施形態）の作用効果の違いについて考察する。図７Ａ及び図７Ｂにおいて、左上図は図４Ａの（ｂ）及び図４Ｂの（ｂ）に相当し、右上図は左上図に示した中心位置Ｚ１及び炉壁位置Ｚ２における原料粒子（黒丸）の密度を模した図であり、下図は中心位置Ｚ１から炉壁位置Ｚ２にかけて流量Ｑ、温度Ｔ、流速ｕ、密度ρを示したグラフである。

【0053】

図７Ａのように旋回が無い場合には、ガス化炉本体２に投入された原料粒子は対向する壁面に向かって落下していくために、ガス化炉本体２内の粒子密度は炉壁側のほうが高くなる。原料粒子量が多い領域（炉壁側）は、原料粒子の部分燃焼によってガス温度が上昇するので炉壁近傍の温度は上昇する。ガス化剤のガス化炉本体２の中心軸線ＣＬ方向の流量は、温度が高い炉壁側の方が熱膨張によってガス容積が増えるため流速が上がるので、中心軸線ＣＬ方向の流速も中心部に比べ大きくなる。

【0054】

これに対して、図７Ｂに示した本実施形態のように比較的弱い旋回をかけた場合には、原料粒子は旋回に乗ってガス化炉本体２の横断面方向の分布が均一化する。このため、原料粒子の部分燃焼による発熱量もガス化炉本体２の横断面方向では均一化する。一方、旋回によって周方向のガス化剤の流量成分が生じており、かつ炉壁近傍の方が流速は速い。このため、炉壁近傍は温度が低いガス化剤流量が中央付近より多く、ガス温度は中央付近より低下する。
このような作用によって、比較的弱い旋回をかけることでガス化炉本体２内のガス温度を炉壁部で低くすることができる。

【0055】

なお、スワール数Ｓｗが０．２５を超えた比較的強い旋回の場合には、中央部分に逆流した流れが生じる（図５Ａ参照）。このため、ガス化炉本体２の炉壁近傍を流れるガス化剤の流量が相対的に減ることになる。このため、本実施形態のように炉壁近傍のガス流れによって温度を下げるという効果が減少し、結果として炉壁近傍の温度が上がると考えられる。

【0056】

本実施形態において、ガス化炉本体２の炉壁近傍とは、炉壁から少なくとも０．１Ｒｔ以内を意味する。
ガス化炉本体２の炉壁近傍よりも中央部に発生する高温領域は、ガス化炉本体２の中心軸線ＣＬから少なくとも０．２Ｒｔ以内を意味する。

【0057】

以上説明した本実施形態の作用効果は以下の通りである。
ガス化剤投入管５によってガス化炉本体２の内部を流れるガスに旋回流が形成される。旋回流を形成することによって、ガス化炉本体２の内壁面に沿う周方向のガス流れが形成されることによって、スクリューフィーダ３から投入された原料粒子（バイオマス燃料）が炉壁近傍で部分燃焼することを抑制できる。これにより、炉壁近傍でバイオマス燃料が部分燃焼し、燃焼温度よりも低い融点を有するバイオマス燃料の灰分が溶融して炉壁にクリンカが固着してしまうことを可及的に回避できる。

【0058】

旋回流が強い場合には、バイオマス燃料を投入するスクリューフィーダ３の高さ位置における水平面において、中心軸線ＣＬを含む中央領域で鉛直方向下方に向かう逆流が生じるおそれがある。そこで、前記水平面の全体においてガス流速の鉛直方向成分が０ｍ／ｓ以上となるように、ガス化剤投入部によって旋回流を形成することとした。これにより、中央領域における逆流によって、炉壁近傍のガス流速が相対的に低下して温度が上昇することを可及的に防止することができる。

【0059】

原料粒子の投入中心位置５ａと中心軸線ＣＬとを通る基準線ＢＳに対して５°以上５０°以下の傾斜角度αを有してガス化剤を投入することによって、中央領域で逆流が生じない所望の範囲の旋回流の強さを得ることができる。

【0060】

ガス化剤投入管５によって形成される旋回流のスワール数Ｓｗを０．１以上０．２５以下とすることによって、中央領域で逆流が生じない所望の範囲の旋回流の強さを得ることができる。

【0061】

なお、本開示のガス化炉１は、本実施形態に示した液体燃料合成用に限らず、所望の化学物質を得る化学プラント用ガス化炉や発電用のガス化炉にも適用可能である。

【0062】

以上説明した各実施形態に記載のバイオマスガス化炉、ガス化複合発電設備、及びバイオマスガス化炉の運転方法は、例えば以下のように把握される。

【0063】

本開示の第１態様に係るバイオマスガス化炉は、鉛直方向に中心軸線（ＣＬ）を有する筒体とされ、内部でバイオマス燃料をガス化するガス化炉本体（２）と、バイオマス燃料を前記ガス化炉本体（２）の内部に投入するバイオマス燃料投入部（３）と、前記バイオマス燃料投入部（５）よりも下方に設けられ、前記中心軸線（ＣＬ）の周りに旋回流が形成されるようにガス化剤を前記ガス化炉本体（２）の内部に投入するガス化剤投入部（５）と、を備えている。

【0064】

ガス化剤投入部によってガス化炉本体の内部を流れるガスに旋回流が形成される。旋回流を形成することによって、ガス化炉本体の内壁面に沿う周方向のガス流れが形成されることによって、バイオマス燃料投入部から投入されたバイオマス燃料が内壁面近傍で部分燃焼することを抑制できる。これにより、内壁面近傍でバイオマス燃料が部分燃焼し、燃焼温度よりも低い融点を有するバイオマス燃料の灰分が溶融して内壁面にクリンカが固着してしまうことを可及的に回避できる。
バイオマス燃料としては、例えば、間伐材、廃材木、流木等の木質系バイオマス燃料を用いることができる。
ガス化剤としては、例えば、酸素（又は空気）、水蒸気等が用いられる。

【0065】

本開示の第２態様に係るバイオマスガス化炉では、前記第１態様において、前記ガス化剤投入部（５）は、前記バイオマス燃料投入部（３）の高さ位置における水平面の全体においてガス流速の鉛直方向成分が０ｍ／ｓ以上となるように旋回流を形成する。

【0066】

旋回流が強い場合には、バイオマス燃料投入部の高さ位置における水平面において、中心軸線を含む中央領域で鉛直方向下方に向かう逆流が生じるおそれがある。そこで、前記水平面の全体においてガス流速の鉛直方向成分が０ｍ／ｓ以上となるように、ガス化剤投入部によって旋回流を形成することとした。これにより、中央領域における逆流によって、内壁面近傍のガス流速が相対的に低下して温度が上昇することを可及的に防止することができる。

【0067】

本開示の第３態様に係るバイオマスガス化炉では、前記第１態様又は前記第２態様において、前記ガス化剤投入部（５）は、投入位置（５ａ）と前記中心軸線（ＣＬ）とを通る基準線（ＢＳ）に対して５°以上５０°以下の角度（α）を有してガス化剤を投入する。

【0068】

投入位置と中心軸線とを通る基準線に対して５°以上５０°以下の角度を有してガス化剤を投入することによって、中央領域で逆流が生じない所望の範囲の旋回流の強さを得ることができる。

【0069】

本開示の第４態様に係るバイオマスガス化炉では、前記第１態様から前記第３態様のいずれかにおいて、前記ガス化剤投入部（５）によって形成される旋回流のスワール数（Ｓｗ）が、０．１以上０．２５以下とされている。

【0070】

ガス化剤投入部によって形成される旋回流のスワール数を０．１以上０．２５以下とすることによって、中央領域で逆流が生じない所望の範囲の旋回流の強さを得ることができる。

【0071】

本開示の一態様に係る液体燃料製造設備（１０）は、前記第１態様から前記第４態様のいずれかに記載されたバイオマスガス化炉と、前記ガス化炉で生成した生成ガスの少なくとも一部から液体燃料を合成する液体燃料合成設備と、を備えている。

【0072】

本開示の一態様に係るバイオマスガス化炉の運転方法は、鉛直方向に中心軸線（ＣＬ）を有する筒体とされ、内部でバイオマス燃料をガス化するガス化炉本体（２）と、バイオマス燃料を前記ガス化炉本体（２）の内部に投入するバイオマス燃料投入部（３）と、前記バイオマス燃料投入部（３）よりも下方に設けられ、ガス化剤を前記ガス化炉本体（２）の内部に投入するガス化剤投入部（５）と、を備えたバイオマスガス化炉の運転方法であって、前記ガス化剤投入部（５）によって、前記中心軸線の周りに旋回流を形成する。

【符号の説明】

【0073】

１ ガス化炉
２ ガス化炉本体
２ａ 本体部
２ｂ 第１テーパ部
２ｃ 第１筒部
２ｄ 第２テーパ部
２ｅ 第２筒部
３ スクリューフィーダ（バイオマス原料投入部）
３ａ 電動モータ
３ｂ 冷却ジャケット
５ ガス化剤投入管（ガス化剤投入部）
５ａ 投入中心位置
１０ 液体燃料製造設備
１１ バイオマス原料供給設備
１２ 原料供給ライン
１５ 灰回収設備
１６ ガス精製設備
１７ 液体燃料合成設備
４２ 空気分離設備
４６ 水蒸気供給ライン
４７ 酸素供給ライン
４９ 第１生成ガスライン
５１ 集塵装置
５３ 第２生成ガスライン

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】