ガス化方法及びガス化装置
【課題】噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して燃料や化学原料として使用される生成ガスを得るガス化方法及びガス化装置において、タールによる配管トラブルを発生することなく、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することで、ガス化装置全体として生成ガスの発熱量を増加させるガス化方法及びガス化装置を提供する。
【解決手段】気流搬送により噴流床ガス化炉１３０に供給されたバイオマスをガス化して生成ガスを得るガス化装置１００において、搬送ガスとして使用する生成ガスを、冷却後の生成ガスの温度よりも高い温度に維持された状態で搬送ガス供給装置１２０に供給し、搬送ガス供給装置１２０は、生成ガスの一部又は全部を搬送ガスとして使用するガス化装置１００及びこの装置１００を用いたガス化方法。
【解決手段】気流搬送により噴流床ガス化炉１３０に供給されたバイオマスをガス化して生成ガスを得るガス化装置１００において、搬送ガスとして使用する生成ガスを、冷却後の生成ガスの温度よりも高い温度に維持された状態で搬送ガス供給装置１２０に供給し、搬送ガス供給装置１２０は、生成ガスの一部又は全部を搬送ガスとして使用するガス化装置１００及びこの装置１００を用いたガス化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化方法及びガス化装置に関し、特に、噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して燃料や化学原料として使用される生成ガスを得るガス化方法及びガス化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石資源燃料（例えば、石炭、石油、天然ガス、灯油、軽油、重油等）の高騰、地球温暖化問題等を背景に、バイオマスのエネルギーとしての利用を目指した開発が活発になってきている。
【０００３】
バイオマスは、炭素や水素を豊富に含むことから、化石資源燃料の代わりにバイオマスを使用し、化石資源燃料の使用量を削減しようとするものである。しかし、バイオマスには酸素が多く含まれること、水分含有率が高いことから、化石資源燃料に比べ、単位質量当たりの発熱量が低い劣質な燃料であり、また、前処理（乾燥や破砕）負荷が高い（高設備費、高操業コスト）。そのため、バイオマスの導入には社会的意義（企業姿勢、二酸化炭素削減圧力等）や補助金等（設備補助、ＲＰＳメリット）のドライビングフォースが前提となる。その上で、バイオマスを化石資源燃料の代わりに使用する技術が経済的に成り立つために、高効率や低コスト（低設備費、低操業コスト）を達成できる技術の開発が進められている。
【０００４】
バイオマスをガスエネルギーに転換する技術（熱分解、部分燃焼）としては、固定床プロセス、移動床プロセス、流動床プロセス、噴流床プロセスやそれらの組み合わせプロセスがある。しかし、前述の高効率を達成するためには、総合的に熱ロスの少ないプロセス、あるいは熱を回収可能なプロセスである必要があり、低温で十分反応を進めるか、高温で放散熱を低く抑えるかが技術のキーである。分解反応自体は低温ほど転換効率が良い傾向を示すが、低温では反応速度が低下し、反応に時間がかかったり（反応器が大きくなる）、未反応物が増えたりすることで、全体としては効率が必ずしも向上するわけではない。また、熱分解残渣は、ガス化するには燃焼、部分燃焼等を行う必要があり、高温場が発生してしまう。
【０００５】
例えば、特許文献１では、バイオマスを噴流床ガス化してメタノールを製造するプロセスが提案されている。噴流床ガス化は、石炭を原料として発達してきた技術であるが、短時間で一酸化炭素、水素までのガス化反応が可能であり（反応時間は数秒、移動床では数時間、流動床では数十分）、また、加圧による容積を減少させる効果が大きいため、コンパクト化により表面積を減少させることで、放散熱の大幅低下を望むことができる。特に、石炭を使用すると、１５００〜１６００℃の反応温度が必要であるのに対し、バイオマスを使用すると、１０００〜１２００℃の反応温度で済むこともあり、高効率ガス転換が期待できる技術の代表格である。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２９６９７５号公報
【特許文献２】特開２００４−３４５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、化石資源燃料に比べ単位重量あたりの発熱量が低い劣質な燃料であるバイオマス原料を使用する場合には、高効率化、低コスト化が必須となる。しかし、乾燥、粉砕等の前処理が重要な要素である原料が大多数を占め、石炭等と比べて設備コストが増加するため、低コスト化が困難である場合がほとんどである。従って、バイオマス原料を使用するためには、高効率化を図る技術を開発する必要があるため、本発明者らは噴流床ガス化技術を選択し、一層の高効率化を模索した。
【０００８】
噴流床ガス化は、原料を反応容器（ガス化炉）で酸素等と部分燃焼反応させ、一酸化炭素、水素、メタンを中心とした可燃性ガスを生成する技術であるが、この技術において高効率化を図るためには、総合的に熱ロスの少ないプロセスである必要がある。そのためには、低温で十分反応を進めるか、及び、高温で放散熱を低く抑えるかが技術のキーである。ここで、ガス化反応自体は低温ほど炭化水素が多くなり、生成ガス発熱量が増加する一方で、低温では反応速度が低下し、反応に時間がかかったり（反応器が大きくなる）、未反応物が増えたりすることで生成ガス量が低下し、全体としては効率が必ずしも向上するわけではない、という問題がある。
【０００９】
このような問題の改善策の一つとして、例えば、特許文献２では、廃プラスチックを原料として噴流床ガス化してメタノールを製造するプロセスにおいて、生成ガスの一部を搬送ガスに置き換え、全体として生成ガスの発熱量を増加させる方法が提案されている。
【００１０】
しかしながら、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用する場合においては、生成ガス中のタールの量や質が大きく影響してしまう、という問題があった。すなわち、生成ガス中のタールが凝縮することにより、差圧上昇や配管の閉塞等の配管トラブルが生じる場合がある。特に、バイオマスのガス化により生じるタールは、特許文献２におけるようなプラスチックのガス化により生じるタールと比べ、凝縮時の性状が非常に悪く、配管トラブルを引き起こしやすい。そのため、バイオマスを利用する場合には、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することは困難とされ、実用例は無い。
【００１１】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して燃料や化学原料として使用される生成ガスを得るガス化方法及びガス化装置において、タールによる配管トラブルを発生することなく、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することで、ガス化装置全体として生成ガスの発熱量を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、生成ガスからタールを分留するための冷却工程後の生成ガスを、冷却後の生成ガスの温度よりも高い状態で搬送ガスとして使用することにより、タールの凝縮による配管トラブルを発生することなく、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することで、ガス化装置全体として生成ガスの発熱量を増加させることができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させるに至った。
【００１３】
このように、生成ガスからタールを分留するための冷却工程後の生成ガスを、冷却後の生成ガスの温度よりも高い状態で搬送ガスとして使用することにより、冷却工程後の生成ガス中に微量に残存したタールの凝縮を抑制することができるようになるため、タール凝縮による配管トラブルを防止することができる。
【００１４】
すなわち、本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１） バイオマスを噴流床ガス化炉へ気流搬送する搬送工程と、前記気流搬送されたバイオマスを、前記噴流床ガス化炉内でガス化して生成ガスを生成するガス化工程と、前記生成ガスを冷却する冷却工程と、を含み、前記搬送工程では、前記冷却工程後の前記生成ガスの一部又は全部を前記気流搬送の際の搬送ガスとして使用し、前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却工程後の前記生成ガスの温度よりも高くすることを特徴とする、ガス化方法。
（２） 前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却工程後の前記生成ガスの温度よりも３度以上高くすることを特徴とする、（１）に記載のガス化方法。
（３） バイオマスを気流搬送により噴流床ガス化炉に供給し、前記噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して生成ガスを生成するガス化装置において、原料としてのバイオマスを前記噴流床ガス化炉に供給する原料供給装置と、前記気流搬送の際の搬送ガスを供給する搬送ガス供給装置と、前記生成ガスを冷却する冷却装置と、前記冷却装置前記冷却装置により冷却された前記生成ガスを保温又は加熱する温度制御装置と、を備え、前記冷却装置により冷却された前記生成ガスの一部又は全部は、前記温度制御装置により、前記冷却後の前記生成ガスの温度よりも高い温度に維持された状態で、前記搬送ガス供給装置に供給され、前記搬送ガス供給装置は、前記生成ガスの一部又は全部を前記搬送ガスとして使用することを特徴とする、ガス化装置。
（４） 前記温度制御部は、前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却後の前記生成ガスの温度よりも３度以上高い温度に維持することを特徴とする、（３）に記載のガス化装置。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して燃料や化学原料として使用される生成ガスを得るガス化方法及びガス化装置において、タールによる配管トラブルを発生することなく、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することで、ガス化装置全体として生成ガスの発熱量を増加させることできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
［一般的なガス化装置の構成及び動作］
本発明の一実施形態に係るガス化装置について説明するのに先立ち、まず、図２に基づいて、一般的なガス化装置の構成及び動作について説明する。なお、図２は、一般的なガス化装置１０の構成を示す説明図である。
【００１８】
ガス化装置１０は、原料としてのバイオマスをガス化して燃料や化学原料となるガスを製造する装置であり、バイオマスがガス化して得られる生成ガスは、例えば、燃焼バーナ、化学合成（酢酸合成、アルコール合成等）装置、水素分離装置等の一酸化炭素及び水素を主としたガスの一般的な利用に供される。このガス化装置１０は、具体的には、図２に示すように、主に、原料供給装置１１と、搬送ガス供給装置１２と、噴流床ガス化炉１３と、冷却装置１４と、昇圧装置１５と、を有する。
【００１９】
原料供給装置１１は、原料としてのバイオマスを噴流床ガス化炉１３に供給する。
【００２０】
搬送ガス供給装置１２は、バイオマスを搬送する搬送ガスを噴流床ガス化炉１３に供給する。このガス化装置１０においては、搬送ガスとして、装置立ち上げ時には窒素や蒸気等のガスを使用し、バイオマスをガス化して生成ガスが発生した後は生成ガスの一部又は全部を使用する。原料供給装置１１から供給されたバイオマス原料は、この搬送ガス供給装置１２から供給される搬送ガスにより気流搬送され、噴流床ガス化炉１３に供給される。
【００２１】
噴流床ガス化炉１３は、その内部でバイオマスを燃焼させ、部分酸化反応により水素及び一酸化炭素を主成分とする生成ガスを発生させる。この噴流床ガス化炉１３の内部では、原料供給装置１１から供給されたバイオマス原料と外部から供給された酸化剤により部分酸化反応（発熱反応）が起こり、その反応熱により噴流床ガス化炉１３内部の温度を１０００〜１２００℃に保つことができる。なお、部分酸化反応を均一に制御することにより、原料であるバイオマスの完全燃焼分を適正に制御することが可能である。
【００２２】
なお、噴流床ガス化炉１３から発生した生成ガスは、部分酸化反応により発生した、一酸化炭素、水素、二酸化炭素、水蒸気、窒素、メタン等の炭化水素を主体としたガスであり、一酸化炭素、水素、メタン等の炭化水素の構成比（体積比）に各々の発熱量を乗じて計算される発熱量を有する可燃ガスである。
【００２３】
冷却装置１４は、生成ガス中に含まれるタールや軽油等の成分を除去するために、噴流床ガス化炉１３から発生した高温の生成ガスを冷却する。冷却装置１４により冷却された後の生成ガスの温度は、生成ガスの使用目的により異なるが、通常は、常温近傍から２００℃程度の温度とされる。冷却後の生成ガスの温度が低いほど、冷却装置１４の冷却能力や設備規模が過大となる。特に、常温近傍にするためには、チラー等のエネルギーを多く使用する冷却装置が必要となる。一方、冷却後の生成ガスの温度が高いほど、生成ガス中に残留するタールや軽油等の量が多くなる。ただし、生成ガスの温度を常温近傍まで低下させたとしても、一部のタールが残留し、タールは完全には除去されない。
【００２４】
昇圧装置１５は、冷却装置１４で冷却された生成ガスを噴流床ガス化炉１３に供給するため、噴流床ガス化炉１３の圧力以上に昇圧される。昇圧装置１５で昇圧された生成ガスの一部は搬送ガス供給装置１２に供給され、残りの生成ガスは、製品ガスとして後段に設置された設備で使用される。後段に設置された設備とは、例えば、燃焼バーナ、化学合成（酢酸合成、アルコール合成等）装置、水素分離装置等の、一酸化炭素と水素を主体としたガスを利用する設備である。なお、冷却装置１４で冷却された生成ガスを噴流床ガス化炉１３に供給することができれば、必ずしも昇圧装置１５を設けなくてもよい。
【００２５】
ところで、上述した一般的なガス化装置１０において、噴流床ガス化炉１３で発生した生成ガスの一部を搬送ガスとして使用する場合には、生成ガス中のタールの量や質が大きく影響してしまう、という問題があった。すなわち、生成ガス中のタールが凝縮することにより、差圧上昇や配管の閉塞等の配管トラブルが生じる場合がある。具体的には、例えば、除害（塩酸やアンモニア等の水溶性ガスを水スプレー等で除去すること）で除去し切れないタール（主にミスト状のタール）が、生成ガスの温度が低下する部分（温度低下部）や流路の狭窄部（例えば、流量調節弁近傍、ガス合流部近傍等）で凝縮し、蓄積してしまう場合がある。
【００２６】
特に、バイオマスのガス化により生じるタールは、特許文献２におけるようなプラスチックのガス化により生じるタールと比べ、凝縮時の性状が非常に悪く、配管トラブルを引き起こしやすい。これは、バイオマスの原料構造と熱分解特性により、バイオマスから発生するタールが主に芳香族系タールで構成されるためである。すなわち、廃プラスチックから発生する脂肪族系タールを主体としたタールが、幅広い種類のタール分布を持って発生するのに比べ、バイオマスから発生する芳香族系タールを主体としたタールは、芳香族間の切れやすい位置で切れるため、ある程度の生成物の偏りと、その生成物の特性が悪影響を起こすのである。このような芳香族系タールの中でも、ナフタレン類は、昇華特性を持つため温度に敏感であり、温度低下部で一気に析出（固体化）してしまい易い。また、ナフタレン以外の芳香族類も凝縮時に急激に粘性が高くなるものが多いため、バイオマスを利用する場合には、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することは困難とされ、実用例は無い。
【００２７】
なお、タールの発生を避ける方法の一つとして、操業対策がある。具体的には、バイオマスにおけるガス化反応時に、高温（例えば、木材では、通常のガス化反応時の反応温度の範囲は１０００〜１２００℃であり、高温とは１２００℃近傍あるいはそれ以上を指す）でガス化反応を行い、熱による分解反応で発生するタールを低減する方法等がある。しかし、高温でガス化反応を行った結果、放散熱が高くなることで効率が低下する要因となり、搬送ガスを生成ガスで置換することによる効率向上効果を打ち消してしまう。そのため、通常、上記操業対策は、効率向上の目的では採用されない。
【００２８】
そこで、以下に説明する本発明の一実施形態においては、噴流床ガス化炉から発生した生成ガスを冷却装置により冷却した後に、当該冷却後の生成ガスの一部を噴流床ガス化炉に供給する間において、生成ガスの温度を冷却装置による冷却後の温度よりも高い温度に制御する装置（温度制御装置）を設ける方法により、タールの凝縮による配管トラブルの発生を防止できるようにしている。
【００２９】
上記の方法により、冷却装置による冷却後の生成ガス中に微量に残存したタールの凝縮を抑制することができるようになるため、タール凝縮による配管トラブルを防止することができる。
【００３０】
従って、タールの凝縮による配管トラブルを発生することなく、生成ガスの一部を搬送ガスとして使用することができるので、ガス化装置全体として生成ガスの発熱量を増加させることができる。以下、本発明の一実施形態において、上記の方法について詳細に説明する。
【００３１】
［本発明の一実施形態］
（ガス化装置１００の構成）
図１に基づいて、本発明の一実施形態に係るガス化装置の構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係るガス化装置１００の構成を示す説明図である。
【００３２】
ガス化装置１００は、原料としてのバイオマスをガス化して燃料や化学原料となるガスを製造する装置であり、バイオマスがガス化して得られる生成ガスは、例えば、燃焼バーナ、化学合成（酢酸合成、アルコール合成等）装置、水素分離装置等の一酸化炭素及び水素を主としたガスの一般的な利用に供される。このガス化装置１００は、具体的には、図１に示すように、主に、原料供給装置１１０と、搬送ガス供給装置１２０と、噴流床ガス化炉１３０と、冷却装置１４０と、昇圧装置１５０と、温度制御装置１６０と、温度測定装置１７０と、を有する。
【００３３】
原料供給装置１１０は、原料としてのバイオマスを噴流床ガス化炉１３０に供給する。なお、本実施形態におけるバイオマスとは、具体的には、例えば、農業系バイオマス（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系バイオマス（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系バイオマス（家畜廃棄物）、水産系バイオマス（水産加工残滓）、廃棄物系バイオマス（生ゴミ、ゴミ固形化燃料（ＲＤＦ：Ｒｅｆｕｓｅｄ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｆｕｅｌ）、庭木、建設廃材、下水汚泥等）などを指す。
【００３４】
搬送ガス供給装置１２０は、バイオマスを搬送する搬送ガスを噴流床ガス化炉１３０に供給する。このガス化装置１００においては、搬送ガスとして、装置立ち上げ時には窒素や蒸気等のガスを使用し、バイオマスをガス化して生成ガスが発生した後は生成ガスの一部又は全部を使用する。原料供給装置１１０から供給されたバイオマス原料は、この搬送ガス供給装置１２０から供給される搬送ガスにより気流搬送され、噴流床ガス化炉１３０に供給される。
【００３５】
ここで、詳しくは後述するが、本実施形態に係るガス化装置１００では、生成ガスの一部又は全部を搬送ガスとして使用する際に起こる可能性があるタールの凝縮による配管トラブルを防止するために、温度制御装置１６０を設けている。
【００３６】
噴流床ガス化炉１３０は、その内部でバイオマスを燃焼させ、部分酸化反応により水素及び一酸化炭素を主成分とする生成ガスを発生させる。この噴流床ガス化炉１３０の内部では、原料供給装置１１０から供給されたバイオマス原料と外部から供給された酸化剤により部分酸化反応（発熱反応）が起こり、その反応熱により噴流床ガス化炉１３０内部の温度を１０００〜１２００℃に保つことができる。なお、通常のガス化反応においては、酸化剤として、例えば、酸素含有ガス、酸素含有ガスと水蒸気の混合ガス等を使用することができる。また、部分酸化反応を均一に制御することにより、原料であるバイオマスの完全燃焼分を適正に制御することが可能である。
【００３７】
なお、噴流床ガス化炉１３０から発生した生成ガスは、部分酸化反応により発生した、一酸化炭素、水素、二酸化炭素、水蒸気、窒素、メタン等の炭化水素を主体としたガスであり、一酸化炭素、水素、メタン等の炭化水素の構成比（体積比）に各々の発熱量を乗じて計算される発熱量を有する可燃ガスである。
【００３８】
冷却装置１４０は、生成ガス中に含まれるタールや軽油等の成分を除去するために、噴流床ガス化炉１３０から発生した高温の生成ガスを冷却する。冷却装置１４０により冷却された後の生成ガスの温度は、生成ガスの使用目的により異なるが、通常は、常温近傍から２００℃程度の温度とされる。冷却後の生成ガスの温度が低いほど、冷却装置１４０の冷却能力や設備規模が過大となる。特に、常温近傍にするためには、チラー等のエネルギーを多く使用する冷却装置が必要となる。一方、冷却後の生成ガスの温度が高いほど、生成ガス中に残留するタールや軽油等の量が多くなる。ただし、生成ガスの温度を常温近傍まで低下させたとしても、一部のタールが残留し、タールは完全には除去されない。
【００３９】
昇圧装置１５０は、冷却装置１４０で冷却された生成ガスを噴流床ガス化炉１３０に供給するため、噴流床ガス化炉１３０の圧力以上に昇圧される。昇圧装置１５０で昇圧された生成ガスの一部は搬送ガス供給装置１２０に供給され、残りの生成ガスは、製品ガスとして後段に設置された設備で使用される。後段に設置された設備とは、例えば、燃焼バーナ、化学合成（酢酸合成、アルコール合成等）装置、水素分離装置等の、一酸化炭素と水素を主体としたガスを利用する設備である。なお、冷却装置１４０で冷却された生成ガスを噴流床ガス化炉１３０に供給することができれば、必ずしも昇圧装置１５０を設けなくてもよい。
【００４０】
ところで、本実施形態では、冷却装置１４０により冷却された生成ガスの一部又は全部を搬送ガス供給装置１２０に供給し、搬送ガスの一部又は全部の代替として使用している。ここで、生成ガス中には発熱量を下げる方向に影響するガスとして、二酸化炭素、水蒸気、窒素がある。しかし、そのうち二酸化炭素及び水蒸気については、噴流床ガス化炉１３０内の温度を決めると、シフト反応の平衡定数に従った組成に落ち着くため、発熱量を意図的に大きく変化させる操作因子とはならない。すなわち、「ＣＯ２＋Ｈ２⇔ＣＯ＋Ｈ２Ｏ」という平衡反応において、各濃度を［ＣＯ２］、［Ｈ２］、［ＣＯ］、［Ｈ２Ｏ］とした場合に、Ｋ＝（［ＣＯ２］・［Ｈ２］）／（［ＣＯ］・［Ｈ２Ｏ］）で定めるＫの値が一定になるので、発熱量は反応温度に依存することとなる。また、水蒸気は、冷却装置１４０による冷却の過程で凝縮することから、冷却装置１４０以降においては、基本的にはその時点の温度における飽和蒸気圧に相当する分が生成ガス中に残存することになる。
【００４１】
従って、発熱量を下げる方向に影響するガスのうち、二酸化炭素と水蒸気を除いた残りの窒素に着目する。窒素源としては、搬送ガスとして使用される窒素、酸化剤として空気を使用した場合の空気中に含まれる窒素、バイオマス中に含まれる窒素、パージ用の窒素等があり、量的には搬送ガス及び酸化剤がほとんどを占める。特に、酸化剤として酸素を使用した場合には、搬送ガスとして使用した窒素が窒素源のほとんどになる。窒素は、ガス化反応にほとんど関与しないことから、噴流床ガス化炉１３０で昇温され、冷却装置１４０で冷却されるという過程を経ることで、ガス化プロセス全体の効率を低下させている。すなわち、窒素の昇温に必要なエネルギーが増加することにより、同じガス化温度まで昇温するために酸素比を上げる（完全燃焼に近い操業で発熱量を増やす）必要があり、結果として可燃分であるＣＯ、Ｈ２が減少することとなる。また、冷却装置１４０による冷却時に熱回収を行う（例えば、ボイラを使用して熱回収を行う）にしても、回収効率が１００％にはならないため、熱ロスが生じることとなる。
【００４２】
そこで、本実施形態に係るガス化装置１００では、搬送ガスの一部又は全部を生成ガスで代替することにより、ガス化装置１００全体として使用する窒素量を減少させ、窒素ガスの無駄な昇温や冷却における熱ロスを減少させることできる。さらに加えて、搬送ガスとして、窒素の代わりに可燃性ガスである生成ガスを噴流床ガス化炉１３０に吹き込むため、単位原料あたりの投入熱量を上昇させることができ、その結果、化石資源燃料のような高発熱量の原料を使用することと同じ効果を得ることができる。このように、搬送ガスとして生成ガスの一部又は全部を使用することにより、窒素ガスの無駄な昇温や冷却における熱ロスを減少させることできるとともに、単位原料あたりの投入熱量を上昇させることができるので、同じガス化温度まで昇温するための酸素比を低下させることができ、生成ガスの発熱量を高くすることができる。
【００４３】
ただし、このように搬送ガスの一部又は全部を生成ガスで代替するためには、上述したように、タールの凝縮による配管トラブルを防止する必要がある。例えば、生成ガスの温度が低下した場合、生成ガス中のタール濃度によってはタールが凝縮し、配管等に付着及び蓄積することで、配管中を流れるガス量の低下が生じ、最悪閉塞に至る場合もある。そのため、本実施形態では、生成ガスを搬送ガスとして使用するに当たり、生成ガス中に微量に残存するタールを原因とした配管トラブルを防止するために、温度制御装置１６０に断熱機能や、必要に応じて加熱機能を持たせることにより、冷却後の生成ガスを加熱又は保温している。
【００４４】
本実施形態では、温度制御装置１６０は、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置１５０による冷却後の温度以下に低下しないように制御している。特に、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置１４０による冷却後の生成ガスの温度よりも３度以上高くすることが好ましい。これは、本発明者らが、ガス化反応時の生成ガス発生量の変動幅（原料供給における変動）や冷却時の温度制御の変動幅等を思慮し、後述する実施例で示す試験にて確認した結果に基づくものである。この試験の結果、本発明者らは、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置１４０による冷却後の生成ガスの温度よりも３度以上高くすることにより、タールの凝縮による配管閉塞等のトラブルを非常に良好に防止できることを見出している。
【００４５】
なお、冷却装置１４０による冷却以後の生成ガス温度は、通常は常温以上の場合が多く、配管を移動する際に熱放散により温度が低下するケースがほとんどであるため、温度制御装置１６０として加熱装置を使用することが多い。ただし、生成ガスが昇圧装置１５０により昇圧されると、生成ガスの温度が若干上昇するため、昇圧装置１５０から搬送ガス供給装置１２０を経由して噴流床ガス化炉１３０までの間においては、加熱装置ではなく、保温装置を設置すれば足りる場合もある。
【００４６】
温度制御装置１６０はまた、タールの凝縮による配管トラブルを防止するという観点から、冷却装置１４０から昇圧装置１５０までの区間、昇圧装置１５０から搬送ガス供給装置１２０までの区間、搬送ガス供給装置１２０から噴流床ガス化炉１３０までの区間に設けられている。ただし、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置１５０による冷却後の温度以下に低下させないようにすることができれば、必ずしも上記区間の全てに温度制御装置１６０を設けなくてもよい。一方、生成ガスの温度が低下することを防ぐという目的から、設備自体の放熱も考えられる場合には、原料供給装置１１０、昇圧装置１５０や搬送ガス供給装置１２０自体を、必要に応じ加熱又は保温してもよい。
【００４７】
また、生成ガスの温度低下を防ぐために、例えば、温度測定装置１７０を配置することで常に温度管理をすることも有効である。図１では、冷却装置１４０から昇圧装置１５０までの区間、昇圧装置１５０から搬送ガス供給装置１２０までの区間、搬送ガス供給装置１２０から噴流床ガス化炉１３０までの区間にそれぞれ１箇所ずつ、計３箇所に設置した例を示している。さらに、無人操業を考えた場合には、温度測定装置１７０の温度値に基づいて、温度制御装置１６０（この場合は加熱機能付き）を制御して、必要温度を保つようにすることもできる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態に係るガス化装置１００によれば、ガス化炉の仕様を変更することなく、また、タールによる配管トラブルが無く、発生する生成ガスの発熱量を上昇させることが可能となる。すなわち、同じ原料を同じ量使用する場合に、取り出せる生成ガスの発熱量が増加することになり、ガス化装置全体としての総合効率の向上や、使用する酸素量の低減等が可能となる。
【００４９】
（ガス化方法）
以上、本実施形態に係るガス化装置１００の構成について説明したが、以下、このような構成を有するガス化装置１００を利用した本実施形態に係るガス化方法について説明する。
【００５０】
本実施形態に係るガス化方法は、原料バイオマスを噴流床ガス化炉１３０へ気流搬送する搬送工程と、気流搬送されたバイオマスを、噴流床ガス化炉１３０内でガス化して生成ガスを発生させるガス化工程と、噴流床ガス化炉１３０から発生した生成ガスを冷却する冷却工程と、を含む。
【００５１】
本実施形態に係るガス化方法では、上記搬送工程において、冷却工程後の生成ガスの一部又は全部を気流搬送の際の搬送ガスとして使用する。ただし、この場合には、上述したように、冷却工程後に生成ガス中に微量に残存するタールが凝縮することによる配管トラブルが発生する場合がある。そこで、本実施形態に係るガス化方法は、この搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却工程後の生成ガスの温度よりも高くするように制御する。
【００５２】
この生成ガスの温度制御の方法については、上述したガス化装置１００の説明で詳細に述べたので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００５３】
また、本実施形態に係るガス化方法では、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却工程後の生成ガスの温度よりも３度以上高くするように制御することが好ましい。これについても、上述したように、本発明者らが行った試験により得られた知見であり、詳細は、下記の実施例で述べる。
【００５４】
以上のような本実施形態に係るガス化方法によれば、タールによる配管トラブルが無く、発生する生成ガスの発熱量を上昇させることが可能となる。すなわち、同じ原料を同じ量使用する場合に、取り出せる生成ガスの発熱量が増加することになり、ガス化反応のプロセス全体としての総合効率の向上や、使用する酸素量の低減等が可能となる。
【実施例】
【００５５】
次に、実施例を示しながら、本発明をさらに具体的に説明する。
【００５６】
（実施例）
本実施例では、原料バイオマスとして、水分：１４質量％、炭素：４８質量％−ｄｒｙ、水素：６質量％−ｄｒｙ、酸素：４４質量％−ｄｒｙを含む木質チップを使用した。また、気流搬送用の原料バイオマスの前処理として、５ｍｍ以下の粒径となるまで破砕し、篩い分けと乾燥を実施した。試験条件は、バイオマスの平均供給量が１７０ｋｇ／ｈｒとなる条件で実施した。また、ガス化装置立ち上げ初期においては窒素を搬送ガスとして用いて搬送を行っており、その条件は、搬送ガスとしての窒素の流量を１０８Ｎｍ３／ｈとした。酸化剤としては酸素を使用し、その流量を６０Ｎｍ３／ｈとした。噴流床ガス化炉の温度は１１０７℃とした。このとき発生した生成ガスの組成は、Ｈ２：１７体積％、ＣＯ：２６体積％、ＣＯ２：１８体積％、ＣＨ４：０．７体積％であり、生成ガスの発熱量は５．３ＭＪ／Ｎｍ３−ｄｒｙであった。以上のような条件で、搬送ガス（流量：５０Ｎｍ３／ｈ）を生成ガスの一部で置換すると、噴流床ガス化炉の温度が１１００℃とほぼ同じ条件で、搬送ガスとしての窒素の流量が６７Ｎｍ３／ｈ、搬送ガスとしての生成ガスの流量が５０Ｎｍ３／ｈ、酸化剤としての酸素の流量が５５Ｎｍ３／ｈとなった。このとき発生した生成ガスの組成は、Ｈ２：１９体積％、ＣＯ：３２体積％、ＣＯ２：１８体積％、ＣＨ４：１．０体積％であり、生成ガスの発熱量は６．４ＭＪ／Ｎｍ３−ｄｒｙであった。すなわち、生成ガスの発熱量としては１．１ＭＪ／Ｎｍ３−ｄｒｙ増加し、酸素量としては５Ｎｍ３／ｈ低減した。
【００５７】
また、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置の後段に設置した温度測定装置で測定し、この温度が冷却装置における生成ガスの温度より高くなるよう加熱した場合の閉塞、搬送性に関する試験結果を表１に示した。表１に示すように、３℃未満の加熱の場合、条件によっては配管閉塞が発生する可能性があったが、３℃以上の温度差では配管トラブルは皆無であった。なお、比較例として、プラスチックを原料とした場合のガス化において（ガス化温度はプラスチック用の１４００℃）、同様の検討を実施したが、プラスチックでは温度差が無くてもトラブルは発生しなかった。
【００５８】
【表１】
【００５９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な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内において、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発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス化装置の構成を示す説明図である。
【図２】一般的なガス化装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００ ガス化装置
１１０ 原料供給装置
１２０ 搬送ガス供給装置
１３０ 噴流床ガス化炉
１４０ 冷却装置
１５０ 昇圧装置
１６０ 温度制御装置
１７０ 温度測定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化方法及びガス化装置に関し、特に、噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して燃料や化学原料として使用される生成ガスを得るガス化方法及びガス化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石資源燃料（例えば、石炭、石油、天然ガス、灯油、軽油、重油等）の高騰、地球温暖化問題等を背景に、バイオマスのエネルギーとしての利用を目指した開発が活発になってきている。
【０００３】
バイオマスは、炭素や水素を豊富に含むことから、化石資源燃料の代わりにバイオマスを使用し、化石資源燃料の使用量を削減しようとするものである。しかし、バイオマスには酸素が多く含まれること、水分含有率が高いことから、化石資源燃料に比べ、単位質量当たりの発熱量が低い劣質な燃料であり、また、前処理（乾燥や破砕）負荷が高い（高設備費、高操業コスト）。そのため、バイオマスの導入には社会的意義（企業姿勢、二酸化炭素削減圧力等）や補助金等（設備補助、ＲＰＳメリット）のドライビングフォースが前提となる。その上で、バイオマスを化石資源燃料の代わりに使用する技術が経済的に成り立つために、高効率や低コスト（低設備費、低操業コスト）を達成できる技術の開発が進められている。
【０００４】
バイオマスをガスエネルギーに転換する技術（熱分解、部分燃焼）としては、固定床プロセス、移動床プロセス、流動床プロセス、噴流床プロセスやそれらの組み合わせプロセスがある。しかし、前述の高効率を達成するためには、総合的に熱ロスの少ないプロセス、あるいは熱を回収可能なプロセスである必要があり、低温で十分反応を進めるか、高温で放散熱を低く抑えるかが技術のキーである。分解反応自体は低温ほど転換効率が良い傾向を示すが、低温では反応速度が低下し、反応に時間がかかったり（反応器が大きくなる）、未反応物が増えたりすることで、全体としては効率が必ずしも向上するわけではない。また、熱分解残渣は、ガス化するには燃焼、部分燃焼等を行う必要があり、高温場が発生してしまう。
【０００５】
例えば、特許文献１では、バイオマスを噴流床ガス化してメタノールを製造するプロセスが提案されている。噴流床ガス化は、石炭を原料として発達してきた技術であるが、短時間で一酸化炭素、水素までのガス化反応が可能であり（反応時間は数秒、移動床では数時間、流動床では数十分）、また、加圧による容積を減少させる効果が大きいため、コンパクト化により表面積を減少させることで、放散熱の大幅低下を望むことができる。特に、石炭を使用すると、１５００〜１６００℃の反応温度が必要であるのに対し、バイオマスを使用すると、１０００〜１２００℃の反応温度で済むこともあり、高効率ガス転換が期待できる技術の代表格である。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２９６９７５号公報
【特許文献２】特開２００４−３４５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、化石資源燃料に比べ単位重量あたりの発熱量が低い劣質な燃料であるバイオマス原料を使用する場合には、高効率化、低コスト化が必須となる。しかし、乾燥、粉砕等の前処理が重要な要素である原料が大多数を占め、石炭等と比べて設備コストが増加するため、低コスト化が困難である場合がほとんどである。従って、バイオマス原料を使用するためには、高効率化を図る技術を開発する必要があるため、本発明者らは噴流床ガス化技術を選択し、一層の高効率化を模索した。
【０００８】
噴流床ガス化は、原料を反応容器（ガス化炉）で酸素等と部分燃焼反応させ、一酸化炭素、水素、メタンを中心とした可燃性ガスを生成する技術であるが、この技術において高効率化を図るためには、総合的に熱ロスの少ないプロセスである必要がある。そのためには、低温で十分反応を進めるか、及び、高温で放散熱を低く抑えるかが技術のキーである。ここで、ガス化反応自体は低温ほど炭化水素が多くなり、生成ガス発熱量が増加する一方で、低温では反応速度が低下し、反応に時間がかかったり（反応器が大きくなる）、未反応物が増えたりすることで生成ガス量が低下し、全体としては効率が必ずしも向上するわけではない、という問題がある。
【０００９】
このような問題の改善策の一つとして、例えば、特許文献２では、廃プラスチックを原料として噴流床ガス化してメタノールを製造するプロセスにおいて、生成ガスの一部を搬送ガスに置き換え、全体として生成ガスの発熱量を増加させる方法が提案されている。
【００１０】
しかしながら、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用する場合においては、生成ガス中のタールの量や質が大きく影響してしまう、という問題があった。すなわち、生成ガス中のタールが凝縮することにより、差圧上昇や配管の閉塞等の配管トラブルが生じる場合がある。特に、バイオマスのガス化により生じるタールは、特許文献２におけるようなプラスチックのガス化により生じるタールと比べ、凝縮時の性状が非常に悪く、配管トラブルを引き起こしやすい。そのため、バイオマスを利用する場合には、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することは困難とされ、実用例は無い。
【００１１】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して燃料や化学原料として使用される生成ガスを得るガス化方法及びガス化装置において、タールによる配管トラブルを発生することなく、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することで、ガス化装置全体として生成ガスの発熱量を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、生成ガスからタールを分留するための冷却工程後の生成ガスを、冷却後の生成ガスの温度よりも高い状態で搬送ガスとして使用することにより、タールの凝縮による配管トラブルを発生することなく、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することで、ガス化装置全体として生成ガスの発熱量を増加させることができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させるに至った。
【００１３】
このように、生成ガスからタールを分留するための冷却工程後の生成ガスを、冷却後の生成ガスの温度よりも高い状態で搬送ガスとして使用することにより、冷却工程後の生成ガス中に微量に残存したタールの凝縮を抑制することができるようになるため、タール凝縮による配管トラブルを防止することができる。
【００１４】
すなわち、本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１） バイオマスを噴流床ガス化炉へ気流搬送する搬送工程と、前記気流搬送されたバイオマスを、前記噴流床ガス化炉内でガス化して生成ガスを生成するガス化工程と、前記生成ガスを冷却する冷却工程と、を含み、前記搬送工程では、前記冷却工程後の前記生成ガスの一部又は全部を前記気流搬送の際の搬送ガスとして使用し、前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却工程後の前記生成ガスの温度よりも高くすることを特徴とする、ガス化方法。
（２） 前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却工程後の前記生成ガスの温度よりも３度以上高くすることを特徴とする、（１）に記載のガス化方法。
（３） バイオマスを気流搬送により噴流床ガス化炉に供給し、前記噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して生成ガスを生成するガス化装置において、原料としてのバイオマスを前記噴流床ガス化炉に供給する原料供給装置と、前記気流搬送の際の搬送ガスを供給する搬送ガス供給装置と、前記生成ガスを冷却する冷却装置と、前記冷却装置前記冷却装置により冷却された前記生成ガスを保温又は加熱する温度制御装置と、を備え、前記冷却装置により冷却された前記生成ガスの一部又は全部は、前記温度制御装置により、前記冷却後の前記生成ガスの温度よりも高い温度に維持された状態で、前記搬送ガス供給装置に供給され、前記搬送ガス供給装置は、前記生成ガスの一部又は全部を前記搬送ガスとして使用することを特徴とする、ガス化装置。
（４） 前記温度制御部は、前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却後の前記生成ガスの温度よりも３度以上高い温度に維持することを特徴とする、（３）に記載のガス化装置。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して燃料や化学原料として使用される生成ガスを得るガス化方法及びガス化装置において、タールによる配管トラブルを発生することなく、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することで、ガス化装置全体として生成ガスの発熱量を増加させることできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
［一般的なガス化装置の構成及び動作］
本発明の一実施形態に係るガス化装置について説明するのに先立ち、まず、図２に基づいて、一般的なガス化装置の構成及び動作について説明する。なお、図２は、一般的なガス化装置１０の構成を示す説明図である。
【００１８】
ガス化装置１０は、原料としてのバイオマスをガス化して燃料や化学原料となるガスを製造する装置であり、バイオマスがガス化して得られる生成ガスは、例えば、燃焼バーナ、化学合成（酢酸合成、アルコール合成等）装置、水素分離装置等の一酸化炭素及び水素を主としたガスの一般的な利用に供される。このガス化装置１０は、具体的には、図２に示すように、主に、原料供給装置１１と、搬送ガス供給装置１２と、噴流床ガス化炉１３と、冷却装置１４と、昇圧装置１５と、を有する。
【００１９】
原料供給装置１１は、原料としてのバイオマスを噴流床ガス化炉１３に供給する。
【００２０】
搬送ガス供給装置１２は、バイオマスを搬送する搬送ガスを噴流床ガス化炉１３に供給する。このガス化装置１０においては、搬送ガスとして、装置立ち上げ時には窒素や蒸気等のガスを使用し、バイオマスをガス化して生成ガスが発生した後は生成ガスの一部又は全部を使用する。原料供給装置１１から供給されたバイオマス原料は、この搬送ガス供給装置１２から供給される搬送ガスにより気流搬送され、噴流床ガス化炉１３に供給される。
【００２１】
噴流床ガス化炉１３は、その内部でバイオマスを燃焼させ、部分酸化反応により水素及び一酸化炭素を主成分とする生成ガスを発生させる。この噴流床ガス化炉１３の内部では、原料供給装置１１から供給されたバイオマス原料と外部から供給された酸化剤により部分酸化反応（発熱反応）が起こり、その反応熱により噴流床ガス化炉１３内部の温度を１０００〜１２００℃に保つことができる。なお、部分酸化反応を均一に制御することにより、原料であるバイオマスの完全燃焼分を適正に制御することが可能である。
【００２２】
なお、噴流床ガス化炉１３から発生した生成ガスは、部分酸化反応により発生した、一酸化炭素、水素、二酸化炭素、水蒸気、窒素、メタン等の炭化水素を主体としたガスであり、一酸化炭素、水素、メタン等の炭化水素の構成比（体積比）に各々の発熱量を乗じて計算される発熱量を有する可燃ガスである。
【００２３】
冷却装置１４は、生成ガス中に含まれるタールや軽油等の成分を除去するために、噴流床ガス化炉１３から発生した高温の生成ガスを冷却する。冷却装置１４により冷却された後の生成ガスの温度は、生成ガスの使用目的により異なるが、通常は、常温近傍から２００℃程度の温度とされる。冷却後の生成ガスの温度が低いほど、冷却装置１４の冷却能力や設備規模が過大となる。特に、常温近傍にするためには、チラー等のエネルギーを多く使用する冷却装置が必要となる。一方、冷却後の生成ガスの温度が高いほど、生成ガス中に残留するタールや軽油等の量が多くなる。ただし、生成ガスの温度を常温近傍まで低下させたとしても、一部のタールが残留し、タールは完全には除去されない。
【００２４】
昇圧装置１５は、冷却装置１４で冷却された生成ガスを噴流床ガス化炉１３に供給するため、噴流床ガス化炉１３の圧力以上に昇圧される。昇圧装置１５で昇圧された生成ガスの一部は搬送ガス供給装置１２に供給され、残りの生成ガスは、製品ガスとして後段に設置された設備で使用される。後段に設置された設備とは、例えば、燃焼バーナ、化学合成（酢酸合成、アルコール合成等）装置、水素分離装置等の、一酸化炭素と水素を主体としたガスを利用する設備である。なお、冷却装置１４で冷却された生成ガスを噴流床ガス化炉１３に供給することができれば、必ずしも昇圧装置１５を設けなくてもよい。
【００２５】
ところで、上述した一般的なガス化装置１０において、噴流床ガス化炉１３で発生した生成ガスの一部を搬送ガスとして使用する場合には、生成ガス中のタールの量や質が大きく影響してしまう、という問題があった。すなわち、生成ガス中のタールが凝縮することにより、差圧上昇や配管の閉塞等の配管トラブルが生じる場合がある。具体的には、例えば、除害（塩酸やアンモニア等の水溶性ガスを水スプレー等で除去すること）で除去し切れないタール（主にミスト状のタール）が、生成ガスの温度が低下する部分（温度低下部）や流路の狭窄部（例えば、流量調節弁近傍、ガス合流部近傍等）で凝縮し、蓄積してしまう場合がある。
【００２６】
特に、バイオマスのガス化により生じるタールは、特許文献２におけるようなプラスチックのガス化により生じるタールと比べ、凝縮時の性状が非常に悪く、配管トラブルを引き起こしやすい。これは、バイオマスの原料構造と熱分解特性により、バイオマスから発生するタールが主に芳香族系タールで構成されるためである。すなわち、廃プラスチックから発生する脂肪族系タールを主体としたタールが、幅広い種類のタール分布を持って発生するのに比べ、バイオマスから発生する芳香族系タールを主体としたタールは、芳香族間の切れやすい位置で切れるため、ある程度の生成物の偏りと、その生成物の特性が悪影響を起こすのである。このような芳香族系タールの中でも、ナフタレン類は、昇華特性を持つため温度に敏感であり、温度低下部で一気に析出（固体化）してしまい易い。また、ナフタレン以外の芳香族類も凝縮時に急激に粘性が高くなるものが多いため、バイオマスを利用する場合には、生成ガスの一部を搬送ガスとして利用することは困難とされ、実用例は無い。
【００２７】
なお、タールの発生を避ける方法の一つとして、操業対策がある。具体的には、バイオマスにおけるガス化反応時に、高温（例えば、木材では、通常のガス化反応時の反応温度の範囲は１０００〜１２００℃であり、高温とは１２００℃近傍あるいはそれ以上を指す）でガス化反応を行い、熱による分解反応で発生するタールを低減する方法等がある。しかし、高温でガス化反応を行った結果、放散熱が高くなることで効率が低下する要因となり、搬送ガスを生成ガスで置換することによる効率向上効果を打ち消してしまう。そのため、通常、上記操業対策は、効率向上の目的では採用されない。
【００２８】
そこで、以下に説明する本発明の一実施形態においては、噴流床ガス化炉から発生した生成ガスを冷却装置により冷却した後に、当該冷却後の生成ガスの一部を噴流床ガス化炉に供給する間において、生成ガスの温度を冷却装置による冷却後の温度よりも高い温度に制御する装置（温度制御装置）を設ける方法により、タールの凝縮による配管トラブルの発生を防止できるようにしている。
【００２９】
上記の方法により、冷却装置による冷却後の生成ガス中に微量に残存したタールの凝縮を抑制することができるようになるため、タール凝縮による配管トラブルを防止することができる。
【００３０】
従って、タールの凝縮による配管トラブルを発生することなく、生成ガスの一部を搬送ガスとして使用することができるので、ガス化装置全体として生成ガスの発熱量を増加させることができる。以下、本発明の一実施形態において、上記の方法について詳細に説明する。
【００３１】
［本発明の一実施形態］
（ガス化装置１００の構成）
図１に基づいて、本発明の一実施形態に係るガス化装置の構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係るガス化装置１００の構成を示す説明図である。
【００３２】
ガス化装置１００は、原料としてのバイオマスをガス化して燃料や化学原料となるガスを製造する装置であり、バイオマスがガス化して得られる生成ガスは、例えば、燃焼バーナ、化学合成（酢酸合成、アルコール合成等）装置、水素分離装置等の一酸化炭素及び水素を主としたガスの一般的な利用に供される。このガス化装置１００は、具体的には、図１に示すように、主に、原料供給装置１１０と、搬送ガス供給装置１２０と、噴流床ガス化炉１３０と、冷却装置１４０と、昇圧装置１５０と、温度制御装置１６０と、温度測定装置１７０と、を有する。
【００３３】
原料供給装置１１０は、原料としてのバイオマスを噴流床ガス化炉１３０に供給する。なお、本実施形態におけるバイオマスとは、具体的には、例えば、農業系バイオマス（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系バイオマス（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系バイオマス（家畜廃棄物）、水産系バイオマス（水産加工残滓）、廃棄物系バイオマス（生ゴミ、ゴミ固形化燃料（ＲＤＦ：Ｒｅｆｕｓｅｄ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｆｕｅｌ）、庭木、建設廃材、下水汚泥等）などを指す。
【００３４】
搬送ガス供給装置１２０は、バイオマスを搬送する搬送ガスを噴流床ガス化炉１３０に供給する。このガス化装置１００においては、搬送ガスとして、装置立ち上げ時には窒素や蒸気等のガスを使用し、バイオマスをガス化して生成ガスが発生した後は生成ガスの一部又は全部を使用する。原料供給装置１１０から供給されたバイオマス原料は、この搬送ガス供給装置１２０から供給される搬送ガスにより気流搬送され、噴流床ガス化炉１３０に供給される。
【００３５】
ここで、詳しくは後述するが、本実施形態に係るガス化装置１００では、生成ガスの一部又は全部を搬送ガスとして使用する際に起こる可能性があるタールの凝縮による配管トラブルを防止するために、温度制御装置１６０を設けている。
【００３６】
噴流床ガス化炉１３０は、その内部でバイオマスを燃焼させ、部分酸化反応により水素及び一酸化炭素を主成分とする生成ガスを発生させる。この噴流床ガス化炉１３０の内部では、原料供給装置１１０から供給されたバイオマス原料と外部から供給された酸化剤により部分酸化反応（発熱反応）が起こり、その反応熱により噴流床ガス化炉１３０内部の温度を１０００〜１２００℃に保つことができる。なお、通常のガス化反応においては、酸化剤として、例えば、酸素含有ガス、酸素含有ガスと水蒸気の混合ガス等を使用することができる。また、部分酸化反応を均一に制御することにより、原料であるバイオマスの完全燃焼分を適正に制御することが可能である。
【００３７】
なお、噴流床ガス化炉１３０から発生した生成ガスは、部分酸化反応により発生した、一酸化炭素、水素、二酸化炭素、水蒸気、窒素、メタン等の炭化水素を主体としたガスであり、一酸化炭素、水素、メタン等の炭化水素の構成比（体積比）に各々の発熱量を乗じて計算される発熱量を有する可燃ガスである。
【００３８】
冷却装置１４０は、生成ガス中に含まれるタールや軽油等の成分を除去するために、噴流床ガス化炉１３０から発生した高温の生成ガスを冷却する。冷却装置１４０により冷却された後の生成ガスの温度は、生成ガスの使用目的により異なるが、通常は、常温近傍から２００℃程度の温度とされる。冷却後の生成ガスの温度が低いほど、冷却装置１４０の冷却能力や設備規模が過大となる。特に、常温近傍にするためには、チラー等のエネルギーを多く使用する冷却装置が必要となる。一方、冷却後の生成ガスの温度が高いほど、生成ガス中に残留するタールや軽油等の量が多くなる。ただし、生成ガスの温度を常温近傍まで低下させたとしても、一部のタールが残留し、タールは完全には除去されない。
【００３９】
昇圧装置１５０は、冷却装置１４０で冷却された生成ガスを噴流床ガス化炉１３０に供給するため、噴流床ガス化炉１３０の圧力以上に昇圧される。昇圧装置１５０で昇圧された生成ガスの一部は搬送ガス供給装置１２０に供給され、残りの生成ガスは、製品ガスとして後段に設置された設備で使用される。後段に設置された設備とは、例えば、燃焼バーナ、化学合成（酢酸合成、アルコール合成等）装置、水素分離装置等の、一酸化炭素と水素を主体としたガスを利用する設備である。なお、冷却装置１４０で冷却された生成ガスを噴流床ガス化炉１３０に供給することができれば、必ずしも昇圧装置１５０を設けなくてもよい。
【００４０】
ところで、本実施形態では、冷却装置１４０により冷却された生成ガスの一部又は全部を搬送ガス供給装置１２０に供給し、搬送ガスの一部又は全部の代替として使用している。ここで、生成ガス中には発熱量を下げる方向に影響するガスとして、二酸化炭素、水蒸気、窒素がある。しかし、そのうち二酸化炭素及び水蒸気については、噴流床ガス化炉１３０内の温度を決めると、シフト反応の平衡定数に従った組成に落ち着くため、発熱量を意図的に大きく変化させる操作因子とはならない。すなわち、「ＣＯ２＋Ｈ２⇔ＣＯ＋Ｈ２Ｏ」という平衡反応において、各濃度を［ＣＯ２］、［Ｈ２］、［ＣＯ］、［Ｈ２Ｏ］とした場合に、Ｋ＝（［ＣＯ２］・［Ｈ２］）／（［ＣＯ］・［Ｈ２Ｏ］）で定めるＫの値が一定になるので、発熱量は反応温度に依存することとなる。また、水蒸気は、冷却装置１４０による冷却の過程で凝縮することから、冷却装置１４０以降においては、基本的にはその時点の温度における飽和蒸気圧に相当する分が生成ガス中に残存することになる。
【００４１】
従って、発熱量を下げる方向に影響するガスのうち、二酸化炭素と水蒸気を除いた残りの窒素に着目する。窒素源としては、搬送ガスとして使用される窒素、酸化剤として空気を使用した場合の空気中に含まれる窒素、バイオマス中に含まれる窒素、パージ用の窒素等があり、量的には搬送ガス及び酸化剤がほとんどを占める。特に、酸化剤として酸素を使用した場合には、搬送ガスとして使用した窒素が窒素源のほとんどになる。窒素は、ガス化反応にほとんど関与しないことから、噴流床ガス化炉１３０で昇温され、冷却装置１４０で冷却されるという過程を経ることで、ガス化プロセス全体の効率を低下させている。すなわち、窒素の昇温に必要なエネルギーが増加することにより、同じガス化温度まで昇温するために酸素比を上げる（完全燃焼に近い操業で発熱量を増やす）必要があり、結果として可燃分であるＣＯ、Ｈ２が減少することとなる。また、冷却装置１４０による冷却時に熱回収を行う（例えば、ボイラを使用して熱回収を行う）にしても、回収効率が１００％にはならないため、熱ロスが生じることとなる。
【００４２】
そこで、本実施形態に係るガス化装置１００では、搬送ガスの一部又は全部を生成ガスで代替することにより、ガス化装置１００全体として使用する窒素量を減少させ、窒素ガスの無駄な昇温や冷却における熱ロスを減少させることできる。さらに加えて、搬送ガスとして、窒素の代わりに可燃性ガスである生成ガスを噴流床ガス化炉１３０に吹き込むため、単位原料あたりの投入熱量を上昇させることができ、その結果、化石資源燃料のような高発熱量の原料を使用することと同じ効果を得ることができる。このように、搬送ガスとして生成ガスの一部又は全部を使用することにより、窒素ガスの無駄な昇温や冷却における熱ロスを減少させることできるとともに、単位原料あたりの投入熱量を上昇させることができるので、同じガス化温度まで昇温するための酸素比を低下させることができ、生成ガスの発熱量を高くすることができる。
【００４３】
ただし、このように搬送ガスの一部又は全部を生成ガスで代替するためには、上述したように、タールの凝縮による配管トラブルを防止する必要がある。例えば、生成ガスの温度が低下した場合、生成ガス中のタール濃度によってはタールが凝縮し、配管等に付着及び蓄積することで、配管中を流れるガス量の低下が生じ、最悪閉塞に至る場合もある。そのため、本実施形態では、生成ガスを搬送ガスとして使用するに当たり、生成ガス中に微量に残存するタールを原因とした配管トラブルを防止するために、温度制御装置１６０に断熱機能や、必要に応じて加熱機能を持たせることにより、冷却後の生成ガスを加熱又は保温している。
【００４４】
本実施形態では、温度制御装置１６０は、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置１５０による冷却後の温度以下に低下しないように制御している。特に、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置１４０による冷却後の生成ガスの温度よりも３度以上高くすることが好ましい。これは、本発明者らが、ガス化反応時の生成ガス発生量の変動幅（原料供給における変動）や冷却時の温度制御の変動幅等を思慮し、後述する実施例で示す試験にて確認した結果に基づくものである。この試験の結果、本発明者らは、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置１４０による冷却後の生成ガスの温度よりも３度以上高くすることにより、タールの凝縮による配管閉塞等のトラブルを非常に良好に防止できることを見出している。
【００４５】
なお、冷却装置１４０による冷却以後の生成ガス温度は、通常は常温以上の場合が多く、配管を移動する際に熱放散により温度が低下するケースがほとんどであるため、温度制御装置１６０として加熱装置を使用することが多い。ただし、生成ガスが昇圧装置１５０により昇圧されると、生成ガスの温度が若干上昇するため、昇圧装置１５０から搬送ガス供給装置１２０を経由して噴流床ガス化炉１３０までの間においては、加熱装置ではなく、保温装置を設置すれば足りる場合もある。
【００４６】
温度制御装置１６０はまた、タールの凝縮による配管トラブルを防止するという観点から、冷却装置１４０から昇圧装置１５０までの区間、昇圧装置１５０から搬送ガス供給装置１２０までの区間、搬送ガス供給装置１２０から噴流床ガス化炉１３０までの区間に設けられている。ただし、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置１５０による冷却後の温度以下に低下させないようにすることができれば、必ずしも上記区間の全てに温度制御装置１６０を設けなくてもよい。一方、生成ガスの温度が低下することを防ぐという目的から、設備自体の放熱も考えられる場合には、原料供給装置１１０、昇圧装置１５０や搬送ガス供給装置１２０自体を、必要に応じ加熱又は保温してもよい。
【００４７】
また、生成ガスの温度低下を防ぐために、例えば、温度測定装置１７０を配置することで常に温度管理をすることも有効である。図１では、冷却装置１４０から昇圧装置１５０までの区間、昇圧装置１５０から搬送ガス供給装置１２０までの区間、搬送ガス供給装置１２０から噴流床ガス化炉１３０までの区間にそれぞれ１箇所ずつ、計３箇所に設置した例を示している。さらに、無人操業を考えた場合には、温度測定装置１７０の温度値に基づいて、温度制御装置１６０（この場合は加熱機能付き）を制御して、必要温度を保つようにすることもできる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態に係るガス化装置１００によれば、ガス化炉の仕様を変更することなく、また、タールによる配管トラブルが無く、発生する生成ガスの発熱量を上昇させることが可能となる。すなわち、同じ原料を同じ量使用する場合に、取り出せる生成ガスの発熱量が増加することになり、ガス化装置全体としての総合効率の向上や、使用する酸素量の低減等が可能となる。
【００４９】
（ガス化方法）
以上、本実施形態に係るガス化装置１００の構成について説明したが、以下、このような構成を有するガス化装置１００を利用した本実施形態に係るガス化方法について説明する。
【００５０】
本実施形態に係るガス化方法は、原料バイオマスを噴流床ガス化炉１３０へ気流搬送する搬送工程と、気流搬送されたバイオマスを、噴流床ガス化炉１３０内でガス化して生成ガスを発生させるガス化工程と、噴流床ガス化炉１３０から発生した生成ガスを冷却する冷却工程と、を含む。
【００５１】
本実施形態に係るガス化方法では、上記搬送工程において、冷却工程後の生成ガスの一部又は全部を気流搬送の際の搬送ガスとして使用する。ただし、この場合には、上述したように、冷却工程後に生成ガス中に微量に残存するタールが凝縮することによる配管トラブルが発生する場合がある。そこで、本実施形態に係るガス化方法は、この搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却工程後の生成ガスの温度よりも高くするように制御する。
【００５２】
この生成ガスの温度制御の方法については、上述したガス化装置１００の説明で詳細に述べたので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００５３】
また、本実施形態に係るガス化方法では、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却工程後の生成ガスの温度よりも３度以上高くするように制御することが好ましい。これについても、上述したように、本発明者らが行った試験により得られた知見であり、詳細は、下記の実施例で述べる。
【００５４】
以上のような本実施形態に係るガス化方法によれば、タールによる配管トラブルが無く、発生する生成ガスの発熱量を上昇させることが可能となる。すなわち、同じ原料を同じ量使用する場合に、取り出せる生成ガスの発熱量が増加することになり、ガス化反応のプロセス全体としての総合効率の向上や、使用する酸素量の低減等が可能となる。
【実施例】
【００５５】
次に、実施例を示しながら、本発明をさらに具体的に説明する。
【００５６】
（実施例）
本実施例では、原料バイオマスとして、水分：１４質量％、炭素：４８質量％−ｄｒｙ、水素：６質量％−ｄｒｙ、酸素：４４質量％−ｄｒｙを含む木質チップを使用した。また、気流搬送用の原料バイオマスの前処理として、５ｍｍ以下の粒径となるまで破砕し、篩い分けと乾燥を実施した。試験条件は、バイオマスの平均供給量が１７０ｋｇ／ｈｒとなる条件で実施した。また、ガス化装置立ち上げ初期においては窒素を搬送ガスとして用いて搬送を行っており、その条件は、搬送ガスとしての窒素の流量を１０８Ｎｍ３／ｈとした。酸化剤としては酸素を使用し、その流量を６０Ｎｍ３／ｈとした。噴流床ガス化炉の温度は１１０７℃とした。このとき発生した生成ガスの組成は、Ｈ２：１７体積％、ＣＯ：２６体積％、ＣＯ２：１８体積％、ＣＨ４：０．７体積％であり、生成ガスの発熱量は５．３ＭＪ／Ｎｍ３−ｄｒｙであった。以上のような条件で、搬送ガス（流量：５０Ｎｍ３／ｈ）を生成ガスの一部で置換すると、噴流床ガス化炉の温度が１１００℃とほぼ同じ条件で、搬送ガスとしての窒素の流量が６７Ｎｍ３／ｈ、搬送ガスとしての生成ガスの流量が５０Ｎｍ３／ｈ、酸化剤としての酸素の流量が５５Ｎｍ３／ｈとなった。このとき発生した生成ガスの組成は、Ｈ２：１９体積％、ＣＯ：３２体積％、ＣＯ２：１８体積％、ＣＨ４：１．０体積％であり、生成ガスの発熱量は６．４ＭＪ／Ｎｍ３−ｄｒｙであった。すなわち、生成ガスの発熱量としては１．１ＭＪ／Ｎｍ３−ｄｒｙ増加し、酸素量としては５Ｎｍ３／ｈ低減した。
【００５７】
また、搬送ガスとして使用する生成ガスの温度を、冷却装置の後段に設置した温度測定装置で測定し、この温度が冷却装置における生成ガスの温度より高くなるよう加熱した場合の閉塞、搬送性に関する試験結果を表１に示した。表１に示すように、３℃未満の加熱の場合、条件によっては配管閉塞が発生する可能性があったが、３℃以上の温度差では配管トラブルは皆無であった。なお、比較例として、プラスチックを原料とした場合のガス化において（ガス化温度はプラスチック用の１４００℃）、同様の検討を実施したが、プラスチックでは温度差が無くてもトラブルは発生しなかった。
【００５８】
【表１】
【００５９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な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内において、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発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス化装置の構成を示す説明図である。
【図２】一般的なガス化装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００ ガス化装置
１１０ 原料供給装置
１２０ 搬送ガス供給装置
１３０ 噴流床ガス化炉
１４０ 冷却装置
１５０ 昇圧装置
１６０ 温度制御装置
１７０ 温度測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを噴流床ガス化炉へ気流搬送する搬送工程と、
前記気流搬送されたバイオマスを、前記噴流床ガス化炉内でガス化して生成ガスを生成するガス化工程と、
前記生成ガスを冷却する冷却工程と、
を含み、
前記搬送工程では、前記冷却工程後の前記生成ガスの一部又は全部を前記気流搬送の際の搬送ガスとして使用し、
前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却工程後の前記生成ガスの温度よりも高くすることを特徴とする、ガス化方法。
【請求項２】
前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却工程後の前記生成ガスの温度よりも３度以上高くすることを特徴とする、請求項１に記載のガス化方法。
【請求項３】
バイオマスを気流搬送により噴流床ガス化炉に供給し、前記噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して生成ガスを生成するガス化装置において、
原料としてのバイオマスを前記噴流床ガス化炉に供給する原料供給装置と、
前記気流搬送の際の搬送ガスを供給する搬送ガス供給装置と、
前記生成ガスを冷却する冷却装置と、
前記冷却装置により冷却された前記生成ガスを保温又は加熱する温度制御装置と、
を備え、
前記冷却装置により冷却された前記生成ガスの一部又は全部は、前記温度制御装置により、前記冷却後の前記生成ガスの温度よりも高い温度に維持された状態で、前記搬送ガス供給装置に供給され、
前記搬送ガス供給装置は、前記生成ガスの一部又は全部を前記搬送ガスとして使用することを特徴とする、ガス化装置。
【請求項４】
前記温度制御部は、前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却後の前記生成ガスの温度よりも３度以上高い温度に維持することを特徴とする、請求項３に記載のガス化装置。
【請求項１】
バイオマスを噴流床ガス化炉へ気流搬送する搬送工程と、
前記気流搬送されたバイオマスを、前記噴流床ガス化炉内でガス化して生成ガスを生成するガス化工程と、
前記生成ガスを冷却する冷却工程と、
を含み、
前記搬送工程では、前記冷却工程後の前記生成ガスの一部又は全部を前記気流搬送の際の搬送ガスとして使用し、
前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却工程後の前記生成ガスの温度よりも高くすることを特徴とする、ガス化方法。
【請求項２】
前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却工程後の前記生成ガスの温度よりも３度以上高くすることを特徴とする、請求項１に記載のガス化方法。
【請求項３】
バイオマスを気流搬送により噴流床ガス化炉に供給し、前記噴流床ガス化炉内でバイオマスをガス化して生成ガスを生成するガス化装置において、
原料としてのバイオマスを前記噴流床ガス化炉に供給する原料供給装置と、
前記気流搬送の際の搬送ガスを供給する搬送ガス供給装置と、
前記生成ガスを冷却する冷却装置と、
前記冷却装置により冷却された前記生成ガスを保温又は加熱する温度制御装置と、
を備え、
前記冷却装置により冷却された前記生成ガスの一部又は全部は、前記温度制御装置により、前記冷却後の前記生成ガスの温度よりも高い温度に維持された状態で、前記搬送ガス供給装置に供給され、
前記搬送ガス供給装置は、前記生成ガスの一部又は全部を前記搬送ガスとして使用することを特徴とする、ガス化装置。
【請求項４】
前記温度制御部は、前記搬送ガスとして使用する前記生成ガスの温度を、前記冷却後の前記生成ガスの温度よりも３度以上高い温度に維持することを特徴とする、請求項３に記載のガス化装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２５６４９０（Ｐ２００９−２５６４９０Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０８１７０（Ｐ２００８−１０８１７０）
【出願日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
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