JP2018002793A - 木質のガス化 - Google Patents

Abstract

【課題】木質のガス化時の未燃焼により発生する木質成分も可能な限り大部分ガス化することができる装置及び方法の提供。【解決手段】ガス化器１の上部領域中へガス化される材料が供給され、中央領域に空気の形態で酸素が供給され、下部領域の固定床リアクター中でガス化される装置であり、ガス化器１の最下部領域から生成物ガスライン６を介して生成ガスが引き抜かれ、高温ガスフィルター２の下部領域中へ導入され、フィルターカートリッジ７で粒子、灰及び異物のような固形物が分離され、清浄なガスが清浄ガスライン８を介して排出され、残留する固形物を排除するために高温ガスフィルター２の底部領域に取り出し部１０が設けられている装置であり、収率を高めるために、高温ガスフィルター２のフィルター底部１３と取り出し部１０との間に、空気の形態の酸素がライン１２を介して供給される。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念及び請求項３の上位概念及び国際公開第９５／２４５９１号パンフレット（特許文献１）に相当する木質又はその他の炭素含有材料をガス化する装置及び方法に関する。

この文献は、複合サイクル発電プラントのための流動床を開示しており、反応器が二次空気の供給とその反応器内において異なる高さで開口している三次空気供給を有することが提供されている。

米国特許出願公開第２００８／０１２７８２４ Ａ１号明細書（特許文献２）は、窒素−空気混合物を用いて行われる酸素の供給によって未燃焼物質が燃焼される、石炭ガス化プラントの再生フィルターを開示している。

それに類似して、米国特許第６，０７７，４９０号明細書（特許文献３）は、二つフィルターカートリッジの利用を企図している。

従来技術に対して、一般に、次のことが実行できる：
木質は、化学的に三つの主要成分から構成されている：
−セルロース
−ヘミセルロース
−リグニン
−残部

セルロース
全ての木質の植物の主成分は、約５０％のセルロースから構成されている。セルロースは、いくつかのグルコース単位からなる鎖状構造の分子である。セルロースの本来の構成成分は、セロビオース、二糖類である。

ヘミセルロース
ヘミセルロースは高分子の炭水化物からなり、その構成成分は、ペントース及びヘキソースから構成される。ヘミセルロースは、セルロースと同様に多糖類である。

リグニン
木質の第三の成分は、そのマッスに基づいて約２５〜３０％が、フェニルプロパン単位からなるポリマーであるリグニンである。

残部
セルロース、ヘミセルロース、そしてリグニンの他に、木質中には脂肪、樹脂、テルペン、色素及びタンニン並びに鉱物成分が存在する。

元素組成
木質の分子式：
Ｃ_６．１Ｈ_９Ｏ_４．２ （１．２）
比較の家庭用砂糖：
Ｃ_１２Ｈ_２２Ｏ_１１ （２．２）

熱−化学的変換
熱−化学的な仕上げ工程（ガス化）により、固体のバイオエネルギー源は、第一のラインにおいて、熱の流入下でガス状の第二のエネルギー源に変換される。ガス化の際、バイオマスは高温で可能な限り完全に可燃性ガス（すなわち、いわゆる合成ガス）に変換される。そのために、そのプロセスに当量未満の酸素含有ガス化剤（空気）が供給され、それによって、バイオマス中に含有される炭素を一酸化炭素に変換できる。同時に、投入した材料の部分的な燃焼によって必要なプロセス熱が提供さるため、ガス化プロセスをいつでも起こすことができる（自己熱ガス化）。発生する低カロリーガスは、バナーに熱を供給するために、そして、エンジン又はガスタービンにおいて流体の流れを発生させるために使用される。

直流の固定床ガス化
この種類のガス化の場合、固形物粒子（木質）は、ガス流によって移動しない。燃料は、床の形態のキャブレターを通って移動する。ガス化の残滓は、キャブレターの下部領域に受容される。燃料及びガスは、同じ経路を進む。

加熱及び乾燥
第一の相は、木質が外側から内部までゆっくり加熱されることを特徴とする。遊離する水は、水蒸気の形態で送られる。このプロセスは、吸熱性である（エネルギーを要する）。

脱気及び熱分解（Ｐｙｒｏｌｙｓｅ）
熱分解相又は熱分解ゾーンにおける温度は、２００℃〜４００℃で移動する。この温度において、酸素（Ｏ２）及び水素（Ｈ２）は脱気される。前章で述べたように、木質の構成成分はこの相でガス化される。熱分解の際、セルロース及びヘミセルロースから、二酸化炭素（ＣＯ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）並びに酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、アセトン（Ｃ３Ｈ６Ｏ）、フェノール（Ｃ６Ｈ５ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）が生じる。その熱分解の際に生じた長鎖の炭化水素はタールと呼ばれる。

リグニンの熱分解の際、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）及び芳香族炭化水素（例えば、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６））が生じる。

その熱分解の固形物として、木炭が生じる。

酸化
乾燥、熱分解及び還元に必要なエネルギーは、このゾーンで形成される。炭素及び水素はエネルギー供給下で燃焼する（吸熱）。このゾーンでは、６５０℃〜１１００℃で温度が移動し、そして、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ及びＣＨ_４が生じる（以下を参照。符号なし）が生じる。

還元
還元ゾーンでは、燃焼ガスの発生が可能である。この場合、固体の炭素の本来のガス化が起こる。この還元ゾーンでは、その前の過程の酸化で生じた中間生成物であるＣＯ２及びＨ２Ｏが、赤く燃える木炭に還元される。その際に、ＣＯ、Ｈ２及び高級炭化水素が発生する。これは、約１１００〜６５０℃で行われる。

その還元は、優勢な温度に依存して進行する。その際、水素と炭素のメタンへの変換は４００℃〜６００℃で急激に減少する。１０００℃を越える温度の場合、メタンはもはや形成されない。Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応は高温で達成され、一酸化炭素の良好な収率が得られる。この反応は比較的ゆっくり進行する。

ＣＯの生成と高級炭化水素の生成との間で、温度依存性とは逆の傾向がある。さらに、水素の生成は、メタン形成のために後退する。二つの成分は、熱の価値を高める。高い水素含有量は、エンジンのノッキング問題を高める。アンチノックのメタンは良好な燃料ガスであるが、高いメタン含有量がもたらすガスの生成に対して、そのガスが高い含有量のタールを有する事態を招く。

ガス化プロセスの過程
最初に、熱供給により木質が加熱され、そして、その際に、ガス化物質中に存在する水が蒸発する。必要とされる熱量は、その際に生じる炭化ガスの部分燃焼と、炭素及び水素の酸化によって発生する。

そのようにして得られた木炭は、炭素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水の酸化及び還元のための反応面として利用される。ここで、木炭を小さくする、すなわち、その粒子の表面積を大きくすることで、反応速度が高まる。

ここで、反応ゾーンを全体として見ると、還元及び酸化を同時に進行させなければならないことは明らかである。木炭による二酸化炭素の還元が吸熱的であるため、温度は、下部から上部に向かって低下し、それによって反応が次第に静まっていく。還元ゾーンと酸化ゾーンとの間には明確な境界はない。

その酸化ゾーンにおいて、炭素の燃焼によりＣＯ_２になると推測される。というのも、該ゾーンにおける１０００〜１３００℃の支配的な高い温度では、ＣＯ_２の耐性がもはや与えられないからである。

その後、一酸化炭素の一部は酸素の存在下に燃焼してＣＯ_２になるべきである。しかしながら、これは高い温度なので安定ではなく、赤く燃える炭素においてＣＯに還元される。酸素が完全に使い果たされる場合、ＣＯはそれ以上燃焼せず、その濃度において、低くなり続ける温度にもかかわらず安定したままである。しかしながら、それについて結局考慮すれば、最初にＣＯ_２が存在するため、この場合でもまた還元反応から開始することを考慮しなければならない。

上述の過程から明らかなように、可燃性及び不燃性のガスからの混合物のガス化により、該混合物は次のように分解される：

１．可燃性ガス：
・一酸化炭素 ＣＯ
・水素 Ｈ_２
・メタン ＣＨ_４
・高分子量炭化水素化合物

２．不燃性ガス：
・二酸化炭素 ＣＯ_２
・窒素 Ｎ_２
・水蒸気 Ｈ_２Ｏ
・少量の酸素 Ｏ_２

プロセスの実施、滞留時間、温度及び燃料の種類、粒度及び湿度は、木質ガスの組成に影響を及ぼす。典型的に、木質のための加熱量は、３．５〜５．５ＭＪ／ｍ３の規模にあり、そのため、木質ガスはリーンガスである。

国際公開第９５／２４５９１号パンフレット

出発材料の５〜１０重量％が、灰分としてではあるが、主としてガス化されない木質残滓として存在しており、かつ、適切に処分されなければならないため、経済的にも生態学的にもその点に関心が持たれており、これは、従来技術による木質のガス化時の未燃焼により発生する木質成分も同様に、可能な限り大部分がガス化されるべきである。このことは、本発明の課題でもある。

本発明は、請求項１の特徴部分に示された特徴を有する装置及び請求項３の特徴部分に示された特徴を有する方法によってこの課題を解決する。言い換えると：ガス発生器の底部領域においてガス化されずに付随的に生じた木炭を、少なくともその大部分を、ガス流体流により下流に設けられた高温ガスフィルターへ移送する。これは、かつてより周知のバルク輸送時と同様に、圧気輸送の技術により、流体流の速度を適切に選択することによって遂行できる。高温ガスフィルターでは、木炭、並びに炭塵及びそれに伴う灰分が、好ましくはフィルターカートリッジであるフィルターの表面で分離される。フィルターにおける圧力損失に依存して、フィルターカートリッジに、酸素（大抵は、空気の形態）が可能な限り激しく上流に向かって導入され、それによって、そのフィルターカートリッジでは、フィルターケークが割れて飛散し、そして圧力上昇及び温度により有利に働き、第二のガス化工程が行われ、それによって、もたらされた木炭又は微粉炭のはるかに圧倒的な部分がガス化される。依然としてガス化されていない部分は、フィルターの下方部分に−またもや、好ましくは空気の形態で−供給される酸素によって最終的にガス化される。事前に不明な場合に装置の構造及び装置の操作を容易に決定するのが容易なプロセスパラメータに依存して、鉱物灰分への木質ガス化は、本質的に完全に遂行することができる。

図１は、本発明の装置を概略的に示している。

唯一の図からなる図面において、本発明の装置は、単に概略的に示されている。その場合、図上の構成要素のうち本発明とは文脈において因果関係のないものは省略した。特に、多数の計測器、制御機器及び遮断機器、操舵機、使用者のためのベアリング、乾燥手段、最終的な生成物ガス精製及び変換などの装置の上流及び下流の部材は、木質ガス化の装置の分野の当業者には周知であり、更なる説明は、本発明に関連して必要ではない。

本発明の装置は、本発明に不可欠な要素及び部材−計測器等がない場合でさえ−この単一の図に概略的に示されている。これらは、本質的に次を有する：ガス化器１及び高温ガスフィルター２。木質チップ、木質ペレット、石炭などは、図示しない貯蔵バンカーから、供給３を介してガス化器１にその頭部から適切に供給され、そして、従来技術から知られているそれらにおいて、冒頭に述べた、乾燥、膨潤、酸化及び還元の工程を経て、その際、符号４で示す下部領域において、ライン及び分配器５を介して空気が適切に供給される。典型的な、木質ガス化器は均質な流体流で駆動する固定床を備える。その下部領域では、酸化後に還元が行われ、そして未燃焼部分及び灰分が生成物ガスと共に、ライン６を介してガス化器の底部領域において引き抜かれ、そして、高温ガスフィルター２の中央領域に導入される。

高温ガスフィルター２のこの下部領域では、フィルター底部１３から下方に向かってフィルターカートリッジ７が突出している。フィルターカートリッジは、ある特定の状況下において十分である場合でさえ、連続運転のために、必須ではないが、少なくとも二つのそのようなフィルターカートリッジ７を設けるのが有利である。フィルターカートリッジを介して、生成ガスが通過して集まり、高温ガスフィルター２の上部領域中へ到達し、ここで、純粋ガスと呼ばれる生成物が純粋ガスライン８を介して引き抜かれ、そしてさらなる加工又は使用に供給される。

フィルターカートリッジ７は、加圧空気供給器９に調節可能に接続されており、これらは、過圧下のそれらの純粋ガス面上を、該加圧空気供給を使って断続的に設定するのに使用でき、それにより、それらの粗製ガス面上に蓄積したフィルターケーをばらばらにして少なくとも部分的にガス化させることができる。高温ガスフィルター２の下部領域には、ガス化されなかった成分のための取り出し部１０及び対応する灰分容器１１が設けられる。

本発明によれば、今や、ライン１２を介して例えば、空気の形態で、場合によっては加熱及び／又は乾燥した酸素が、フィルター底部１３の下半分の領域（例えば、フィルターカートリッジの下端部）に供給され、それによって、高温ガスフィルター２の粗製ガス領域において、依然としてガス化されていない木質成分の極めて完全なガス化がさらに進行する。

このように、木質の依然としてガス化されていない部分は、本質的に鉱物の灰分に還元することができ、これは、環境のためにも、また、経済的な観点においても非常に注目すべき効果をもたらす：従来技術においては、投入された燃料の５〜１０重量％がガス化できず、そして、それ故、適切な廃棄物処理が必要である；本発明によって、その割合が、投入された燃料の１重量％未満に抑えられ、それにより、９０％〜９５％の収率が本発明によって９９％に増大し、それに加えて、それまでに発生していた廃棄物の１０〜２０％に低減される！対照的に、それと比較して、ライン６への輸送を強化するための無視できるほどの超過費用及び反応空気を、ライン１２を介して高温ガスフィルター２に吹き込むための費用も決定的に重要ではない。

本発明は、図示した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。したがって、大型の装置の場合、保守の場合においてさえ連続運転が達成できるよう、いくつかのガス化器及び／又はいくつかの高温ガスフィルターを適切に互いに組合せることができる。出発材料の性質及び生成物流へのフィードバックの可能性に依存して、増やされたラインにおいてさえ重過ぎる木質成分のためのガス化器に、そのような部分のための、後に該ガス化器にフィードバックさせるか又は廃棄させる排出装置を設けることが可能である。

本発明は、高温ガスフィルターにおいて反応だけが妨害されないか、又はフィルター過程の他の実施形態に妨害されない限り、本発明の方法又は装置を異なる別の形態と組み合わせることができる。

第二のガス化工程を高温ガスフィルターで遂行することによって、そこの状態条件は、材料を変更又は適合させることが必要になるようには本質的に変更されることがないため、従来の高温ガスフィルターの場合に当業者が想定する全ての部品及び材料が使用できる。

供給ライン１２のノズル又はその他の開口部が高温ガスフィルター２中へ進入する高さは、フィルターカートリッジ７が存在する場合、その下端が適切である。そこでは、フィルターケークが割れて飛散する場合、全材料が集まり、問題のない運転の間と同様に、依然としてガス化されていない材料も同様に集まる。過圧及び体積流量のような運転パラメーターは、いくつかの実験によって容易に決定される。種々異なる材料がガス化され、それが、特定の状況下で有利な場合、個別に、又はグループで供給できるノズルが、様々な高さで設けられる。

また、ノズルを斜めに配置することによって、特別な流体流パターンが得られ、それによって、ガス化がさらに進行する。

要約すると、本発明は炭化水素含有材料、特に木質を、ガス化器１によりガス化するための装置であり、該ガス化器に、その上部領域中にガス化すべき材料を供給し、そして、大抵空気の形態の酸素が該ガス化器の中央領域に供給され、そして、該ガス化器の下部領域中では、固定床中で該材料の大部分がガス化され、その際、該ガス化器１の下部領域から生成ガスが生成ガスライン６を介して引き抜かれ、そして、高温ガスフィルター２の下部領域中へ導入され、そこでは、好ましくはフィルターカートリッジ７を備えたフィルターを介して供給され、ガス化されなかった粒子、灰分及び異物のような固形物が分離される一方で、純粋ガスがそこを通って到達し、そして、純粋ガスライン８を介して輸送され、その際、該高温ガスフィルター２の底部領域中に残存する固形物を排除するために、これを取り出し部１０が設けられる、と言える。その際、該高温ガスフィルター２には、その中央高さの領域に、フィルター底部１３と取り出し部１０との間でライン１２を介して、好ましくは空気の形態の酸素が供給される。

本発明は、炭化水素含有材料、特に、木質を、ガス化器１及びその生成物流における下流にある高温ガスフィルター２により、ガス化する方法にも関し、その際、生成物流における該フィルターの前に、該高温ガスフィルター２に、好ましくは空気の形態の酸素が供給され、そしてそれにより、さらなるガス化過程が行われる。

材料に関する“大部分”という語は、５０重量％超、好ましくは８０重量％超、特に好ましくは９５重量％超を意味し；、リアクター、フィルター、構造物又は装置、又は、より一般的には対象物の“下方の領域”は、全体の高さの下半分、特に下の４分の１を意味し、“最下部領域”という語は、下から４分の１、特には、もっと小さい部分を意味し；そして、“中心領域”という語は、全体の高さの中央の３分の１を意味する。これらの指標の全ては、“上”、“下”、“前”、“後ろ”等も同様に、それらが一般的に有する意味であり、その意図した位置で観察された対象物に適用されることに留意すべきである。

“本質的に”という語は、本明細書及び特許請求の範囲において、物理的に可能な場合に、所与の値から１０％の逸脱であること、そして、それが下向きと上向きの両方があり、そうでない場合にのみ意味のある方向で区切られる。

０１ キャブレター
０２ ホットエアフィルター
０３ フィーダー
０４ 取付部品
０５ 分配器
０６ 生成物ライン
０７ フィルターカートリッジ
０８ 純粋ガスライン
０９ 加圧空気供給器
１０ 取り出し部
１１ 灰分容器
１２ 供給ライン
１３ フィルター底部

Claims (3)

1. 炭素含有材料、特に、木質をガス化するためのガス化器（１）を備えた装置であり、該ガス化器の上部領域中へガス化する材料が、そして、その中央領域に、大抵は空気の形態で酸素が供給され、そして、その下部領域において固定床リアクター中で大部分がガス化される、該装置であり、その際、該ガス化器（１）の最下部領域から、生成物ガスライン（６）を介して生成ガスが引き抜かれ、高温ガスフィルター（２）の下部領域中へ導入され、そこへは、好ましくはフィルターカートリッジ（７）を備えたフィルターを介して供給され、ガス化されなかった粒子、灰及び異物のような固形物が分離される一方で、清浄なガスはそれを通過して清浄ガスライン（８）を介して排出され、その際、残留する固形物を排出するために該ホットガスフィルター（２）の底部領域に取り出し部（１０）が設けられている、該装置であって、
   該高温ガスフィルター（２）のフィルター底部（１３）と、取り出し部（１０）との間の、該フィルターの中間の高さ領域に、ライン（１２）を介して好ましくは空気の形態で酸素が供給されることを特徴とする、上記の装置。
2. 前記生成物ライン（６）における移動（Ｚｕｇ）が、例えば、ブロワーにより、ガス化器中でガス化しなかった粒子を、本質的に、高温ガスフィルター（２）中へ一緒に伴って移動するように強化されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. ガス化器（１）及びその生成物流の下流の高温ガスフィルター（２）を用いて炭素含有材料、特に、木質をガス化する方法であって、前記フィルターの前の生成物流中の高温ガスフィルター（２）に、好ましくは空気の形態で酸素が供給され、そしてそれにより、さらなるガス化過程が行われることを特徴とする、上記の方法。

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