JP6020951B1 - ガス化システム、及びガス化システムにおけるガス化方法 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、バイオマスを効率よくガス化することにある。本発明は、ガス化原料であるバイオマスを調製したスラリー体が流れる低温流路３６と、超臨界状態の高温流体が導入されると共に、導入された高温流体が低温流路３６のスラリー体と熱交換されながら流れる高温流路３７とを備える熱交換器３１と、熱交換器３１により昇温されたスラリー体をさらに加熱してスラリー体を超臨界状態でありガス化が可能な温度にするガス化反応器３３と、超臨界状態であるスラリー体を高温流体として高温流路３７に導入する導入路３５とを備えるガス化システム１０であって、導入路３５の途中に設けられ、超臨界状態であるスラリー体を加圧して高温流路３７に導入する加圧装置３８を備える。

Description

本発明は、バイオマスを原料として調製して生成するスラリー体を、超臨界状態で分解処理して燃料ガスを生成するガス化システム、及びガス化方法に関する。

超臨界状態でバイオマスを分解処理して燃料ガスを得るガス化装置が知られている。例えば、特許文献１には、非金属系触媒を含んだバイオマスのスラリー体を温度３７４℃以上、圧力２２．１ＭＰａ以上の条件下で水熱処理し、生成された生成ガスを利用して発電装置で発電し、発電装置からの排熱を利用してスラリー体を加熱するバイオマスガス化発電システムが記載されている。

特開２００８−２４６３４３号公報

図７は、一般的なバイオマスガス化発電システムを説明する図である。同図に示すように、このガス化システム２は、熱交換器３、加熱器４、及びガス化反応器５を含んで構成される。これら各部の中で、熱交換器３は、スラリー体を加熱する装置である。このスラリー体は、例えば、焼酎残渣、採卵鶏糞、汚泥等のバイオマスに、水及び活性炭（触媒）を加えて混合することで調製される。加熱器４は、熱交換器３で加熱されたスラリー体をガス化反応温度（スラリー体がガス化する（ガス化が可能となる）温度）まで昇温する装置である。ガス化反応器５は、このスラリー体をガス化反応温度で一定に保持する装置である。ガス化反応が完了した流体は、その後気液分離され、気体分が燃料ガスとして利用される。

ここで、熱交換器３としては、例えば二重管式熱交換器が用いられる。図８は、この二重管式熱交換器が備える二重管６の構成を説明する図である。同図に示すように、二重管６では、内側の配管７の内側に低温流路８が区画され、外側の配管９と内側の配管７の間に高温流路１１が区画されている。低温流路８には、スラリー体１３が流通される。一方、高温流路１１には、スラリー体１３と熱交換される高温流体１４が、スラリー体１３とは反対方向に流通される。そして、低温流路８の導入口１２から導入されたスラリー体１３は、高温流体１４と熱交換しながら加熱され、排出口１５から排出される。

図９は、この二重管６を備えた熱交換器３における、スラリー体１３の温度の変化、及び高温流体１４の温度の変化の一例を示した図である。この図において、縦軸は流体の温度を示し、横軸は二重管６の距離を示している。二重管６の距離について補足すると、この二重管６の距離は、内側の配管７における導入口１２の位置を０とし、排出口１５の位置を１００として表した場合の、導入口１２からの距離である。

図９に示すように、常温で導入口１２に導入されたスラリー体１３は昇温されるが、熱交換器３の中間部分１６（スラリー体１３の温度が約３８０℃となり、導入口１２からの距離が約３０〜約７０までの部分）においては、スラリー体１３の昇温速度が極めて遅いことが分かる。同様に、高温流体１４についても中間部分１６においては温度変化が殆ど見られず、その温度はスラリー体１３とほぼ同じである約３８０℃となっている。

このように、中間部分１６における低温流体１３と高温流体１４の温度変化が、他の部分に比べて小さくなっている理由は、中間部分１６におけるスラリー体１３及び高温流体１４の定圧比熱が高くなっているためと考えられる。

すなわち、熱交換器３の内部圧力は高圧（例えば２５ＭＰａ）であるが、このような高圧下ではスラリー体１３や高温流体１４の定圧比熱は臨界温度付近（約３８０℃）において特異的に高いピーク値をとることが知られている。なお、実際には高温流体１４の定圧比熱は二重管６における圧力損失のためスラリー体１３の定圧比熱よりも少し低い温度でピークとなる。このため、中間部分１６ではスラリー体１３と高温流体１４との間の温度差が減少して単位面積当たりの交換熱量も減少する事で、スラリー体１３が昇温されにくい状態となっている。つまり、低圧の高温流体から高圧の低温流体へ熱交換する場合は、図９の中間部分１６に示すような、低圧の高温流体の擬臨界点近傍の温度域から高圧の低温流体の擬臨界点近傍の温度域の範囲において、低圧の高温流体と高圧の低温流体の温度差が微小となり、単位伝熱面積当たりの交換熱量が減少する。

また、この中間部分１６では、バイオマスの成分に由来するタールが生成され易いことが知られている。生成されたタールは、内側の配管７の内壁に付着して当該配管の内面を覆うので、熱通過を妨げ、交換熱量をさらに減少させる原因となっている。

本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、バイオマスのガス化を効率よく行うためのガス化システム、及びガス化システムにおけるガス化方法を提供することにある。

前述の目的を達成するため、本発明は、ガス化原料であるバイオマスを調製したスラリー体が流れる低温流路と、超臨界状態の高温流体が導入されると共に、前記導入された高温流体が前記低温流路のスラリー体と熱交換されながら流れる高温流路とを備える熱交換器と、前記熱交換器により昇温された前記スラリー体をさらに加熱して前記スラリー体を超臨界状態でありガス化が可能な温度にするガス化反応器と、前記超臨界状態であるスラリー体を前記高温流体として前記高温流路に導入する導入路とを備えるガス化システムであって、前記導入路の途中に設けられ、前記超臨界状態であるスラリー体を加圧して前記高温流路に導入する加圧装置を備える。

本発明のガス化システムによれば、加圧装置によって高温流体が加圧されるので、熱交換器を流れる高温流体の定圧比熱がピークとなる擬臨界点の温度を上げることができる。これに伴い、スラリー体との熱交換において、単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大させることが出来る。その結果、低温流体の温度がタールの発生し易い温度に停滞してしまう時間を短縮できる。このため、スラリー体を加熱する際におけるタールの発生を抑制でき、バイオマスのガス化を効率よく行うことができる。また本システムによれば、単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大させることが出来るので、同じ交換熱量でれあれば熱交換器を小型化することが出来る。

前述のガス化システムにおいて、前記高温流路は、前記高温流体が導入される導入口側の第１高温流路と、前記高温流体が排出される排出口側の第２高温流路とに分けて構成され、前記第１高温流路の下流端に連通され、亜臨界状態の前記高温流体を前記熱交換器から取り出す高温流体取得流路と、前記高温流体取得流路を通じて送出された前記高温流体から燃料ガスを分離する気液分離器と、タービンを備え、前記気液分離器で分離された前記燃料ガスの圧力によって前記タービンを回転させる動力装置と、前記第２高温流路の上流端に連通され、前記気液分離器で前記燃料ガスが分離された後の前記高温流体を前記熱交換器へ返送する高温流体返送流路とを備えることが好ましい。

このガス化システムでは、二重管式熱交換器の途中（第１高温流路の下流端）から取り出された亜臨界状態の高温流体から気体（燃料ガス）が分離される。そして、分離された燃料ガスの圧力によって動力装置のタービンが回転される。また、燃料ガスが分離された後の高温流体が熱交換器の途中（第２高温流路の上流端）へ返送される。このように、高温流体から分離された燃料ガスの圧力を、動力装置の動力として利用できる。さらに、燃料ガスが分離された後の高温流体が熱交換に用いられるので、燃料ガスよりも単位体積当たりの比熱が大きい液体分の比率が高温流体において高くなり、高温流体の液体と低温流体とが熱交換を行う伝熱面積を増大することが出来るため、単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大することができる。その結果、高温流体が有するエネルギーを有効に利用することができる。

また、本発明は、ガス化原料であるバイオマスを調製したスラリー体が流れる低温流路と、超臨界状態の高温流体が導入されると共に、導入された高温流体が前記低温流路のスラリー体と熱交換されながら流れる高温流路とを備える二重管式の熱交換器と、前記熱交換器により昇温された前記スラリー体をさらに加熱して前記スラリー体を超臨界状態でありガス化が可能な温度にするガス化反応器と、前記超臨界状態であるスラリー体を前記高温流体として前記高温流路に導入する導入路とを備えるガス化システムであって、前記高温流路は、前記高温流体が導入される導入口側の第１高温流路と、前記高温流体が排出される排出口側の第２高温流路とに分けて構成され、前記第１高温流路の下流端に連通され、前記高温流体を前記熱交換器から取り出す高温流体取得流路と、前記高温流体取得流路により取り出した前記高温流体を加圧する加圧装置と、前記第２高温流路の上流端に連通され、前記加圧装置で加圧された前記高温流体を前記熱交換器へ返送する高温流体返送路と、を備える。

本発明のガス化システムによれば、二重管式熱交換器の途中（第１高温流路の下流端）から取り出された高温流体が加圧装置によって加圧される。そして、加圧された高温流体が熱交換器の途中（第２高温流路の上流端）へ返送される。加圧装置での加圧により、第２高温流路を流れる高温流体の定圧比熱がピークとなる擬臨界点の温度を上げることができる。これに伴い、第２高温流路でのスラリー体との熱交換において、単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大させることが出来る。その結果、低温流体の温度がタールの発生し易い温度に停滞してしまう時間を短縮できる。その結果、スラリー体を加熱する際におけるタールの発生を抑制でき、バイオマスのガス化を効率よく行うことができる。また本システムによれば、単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大させることが出来るので、同じ交換熱量であれば熱交換器を小型化することが出来る。

前述のガス化システムにおいて、前記高温流体取得流路の途中に設けられ、亜臨界状態の前記高温流体から燃料ガスを分離する気液分離器と、タービンを備え、前記気液分離器で分離された燃料ガスの圧力によって前記タービンを回転させる動力装置とを備え、前記加圧装置は、前記気液分離器で前記燃料ガスが分離された後の前記高温流体を加圧することが好ましい。

このガス化システムでは、亜臨界状態の高温流体から燃料ガスが分離される。そして、分離された燃料ガスの圧力によって動力装置のタービンが回転される。また、燃料ガスが分離された後の高温流体が加圧装置によって加圧された後、熱交換器の途中へ返送される。加圧装置での加圧により、第２高温流路を流れる高温流体の定圧比熱がピークとなる擬臨界点の温度を上げることができる。これに伴い、第２高温流路でのスラリー体との熱交換において、単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大させることが出来る。その結果、低温流体の温度がタールの発生し易い温度に停滞してしまう時間を短縮できる。また、燃料ガスよりも比熱が大きい液体分の比率が高温流体において高くなり、高温流体の液体と低温流体とが熱交換を行う伝熱面積を増大することが出来るため、単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大することが出来る。

前述のガス化システムにおいて、前記動力装置は、前記タービンを回転させた後の燃料ガスを燃焼させる燃焼装置を備え、燃焼後の気体によって前記タービンをさらに回転させることが好ましい。

このガス化システムでは、気液分離器で分離された燃料ガスを燃焼させてタービンをさらに回転させているので、高温流体が有するエネルギーを有効に利用ができる。

また、本発明は、ガス化原料であるバイオマスを調製したスラリー体が流れる低温流路と、超臨界状態の高温流体が導入されると共に、前記導入された高温流体が前記低温流路のスラリー体と熱交換されながら流れる高温流路とを備える二重管式の熱交換器と、前記熱交換器により昇温された前記スラリー体をさらに加熱して前記スラリー体を超臨界状態でありガス化が可能な温度にするガス化反応器と、前記超臨界状態であるスラリー体を前記高温流体として前記高温流路に導入する導入路とを備えるガス化システムにおけるガス化方法であって、前記超臨界状態のスラリー体を前記導入路の途中で加圧し、加圧後の前記スラリー体を前記高温流路に導入する。

また、本発明は、ガス化原料であるバイオマスを調製したスラリー体が流れる低温流路と、超臨界状態の高温流体が導入されると共に、導入された高温流体が前記低温流路のスラリー体と熱交換されながら流れる高温流路とを備える二重管式の熱交換器と、前記熱交換器により昇温された前記スラリー体をさらに加熱して前記スラリー体を超臨界状態でありガス化が可能な温度にするガス化反応器と、前記超臨界状態であるスラリー体を前記高温流体として前記高温流路に導入する導入路とを備えるガス化システムにおけるガス化方法であって、前記高温流路を、前記高温流体が導入される導入口側の第１高温流路と、前記高温流体が排出される排出口側の第２高温流路とに分けて構成し、前記第１高温流路の下流端から、亜臨界状態の前記高温流体を前記熱交換器の外部に取り出し、前記取り出した前記高温流体を加圧した後に、前記第２高温流路の上流端から前記熱交換器の内部に返送する。

本発明によれば、ガス化システム、及びガス化システムのガス化方法において、バイオマスを効率よくガス化することができる。

第１実施形態に係るガス化システムの構成を説明する図である。 温度、圧力、及び定圧比熱の関係を示した図である。 高温流体の定圧比熱曲線を示すグラフである。 第２実施形態に係るガス化システムを説明する図である。 第３実施形態に係るガス化システムを説明する図である。 第４実施形態に係るガス化システムを説明する図である。 一般的な超臨界ガス化システムを説明する図である。 二重管式熱交換器における二重管の構成を説明する図である。 二重管式熱交換器における高温流体及びスラリー体の温度変化を例示した図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。まず、第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るガス化システム１０の構成を説明する図である。このガス化システム１０では、焼酎残渣、採卵鶏糞、汚泥等の原料であるバイオマスからスラリー体を調製し、調製したスラリー体を加熱及び加圧することによって燃焼ガスを生成する。同図に示すように、ガス化システム１０は、原料調製部２０、熱処理部３０、及びガス処理部４０を有する。

原料調製部２０は、バイオマスからスラリー体を調製する部分である。原料調製部２０は、調製タンク２１、粉砕機２２、供給ポンプ２３、及び熱交換器導入ポンプ２４を備える。

調製タンク２１は、バイオマスと、水と、活性炭（非金属系触媒の一種）を混合するための容器である。この調製タンク２１では、バイオマス、水、及び、活性炭が混合された混合物が調製される。活性炭は、例えば平均粒径２００μｍ以下の多孔質の粒子を用いる。なお、バイオマスと、水と、活性炭の混合割合は、バイオマスの種類、量、含水率などに応じて適宜調節される。

粉砕機２２は、調製タンク２１で調製された混合物の固形分を破砕し、均一な大きさ（好ましくは平均粒径が５００μｍ以下、より好ましくは平均粒径が３００μｍ以下）にするための装置である。この粉砕機２２で処理されることにより、混合物はスラリー状のスラリー体となる。

供給ポンプ２３は、粉砕機２２から排出されたスラリー体を熱交換器導入ポンプ２４に供給する。熱交換器導入ポンプ２４は、供給ポンプから送られてきたスラリー体を加圧して熱処理部３０に供給する。この熱交換器導入ポンプ２４により、スラリー体は０．１〜４ＭＰａ程度まで加圧される。

熱処理部３０は、原料調製部２０で調製されたスラリー体を加熱し、ガス化する部分である。この熱処理部３０は、熱交換器３１、加熱器３２、ガス化反応器３３、高温流体用加圧装置３４を備える。

熱交換器３１は、原料調製部２０から送出されたスラリー体とガス化反応器３３から送出された高温流体（以下、処理後流体ともいう。後述。）との間で熱交換をさせるための装置である。この熱交換器３１は、二重管式熱交換器であり、低温流路３６と高温流路３７を備える。なお、図示の都合で、図１では二重管を簡略化して記載している。そして、低温流路３６には原料調製部２０から送られてきたスラリー体が流通され、高温流路３７にはガス化反応器３３から送出された高温流体が流通される。

低温流路３６を流れるスラリー体は、高温流路３７を流れる処理後流体から放出された熱を吸収することで温度が上昇する。反対に、高温流路３７を流れる処理後流体は、放熱によって温度が下降する。本実施形態において、スラリー体の熱交換器３１への導入温度は常温であり、熱交換器３１からの排出温度は約４５０℃である。一方、処理後流体の熱交換器３１への導入温度は約６００℃であり、熱交換器３１からの排出温度は約１２０℃である。

加熱器３２は、熱交換器３１から送られてくるスラリー体を加熱する装置である。加熱器３２は燃焼装置３２ａを備えている。燃焼装置３２ａは、プロパンガス等の液化石油ガスや空気に、ガス処理部４０から送られてくる燃料ガスを導入して燃焼させ、スラリー体を加熱する。これにより、加熱器３２に導入されたスラリー体は、例えば約６００℃程度までに昇温される。昇温されたスラリー体は、ガス化反応器３３に送出される。

ガス化反応器３３は、加熱器３２から送られてきたスラリー体を超臨界状態であるガス化反応温度（スラリー体がガス化する（ガス化が可能となる）温度）で一定に保持し、スラリー体に含まれる有機物を水熱処理する装置である。ガス化反応器３３は燃焼装置３３ａを備えている。燃焼装置３３ａは、液化石油ガスや空気に、ガス処理部４０から送られてくる燃料ガスを導入して燃焼させ、スラリー体を水熱処理する。この水熱処理においてスラリー体は、例えば６００℃、２５ＭＰａの条件下で、１〜２分間にわたって水熱処理される。

水熱処理されガス化反応が完了したスラリー体は超臨界状態である高温流体となり（処理後流体）、導入路３５を通じて熱交換器３１の高温流路３７に導入される。そして、本実施形態では、導入路３５の途中に高温流体用加圧装置３４が設けられている。この高温流体用加圧装置３４は、ガス化反応器３２から送られてきた処理後流体をさらに加圧し、熱交換器３１（高温流路３７）に導入する装置である。この高温流体用加圧装置３４については、後で説明する。

ガス処理部４０は、熱交換器３１から送出された処理後流体から燃料ガスを取り出す部分である。このガス処理部４０は、減圧機構４１、冷却機構４２、気液分離器４３、及びガスタンク４４を備える。

減圧機構４１は、熱交換器３１から送出された処理後流体を減圧する装置である。冷却機構４２は、減圧機構４１から送られてきた処理後流体を冷却する装置である。気液分離器４３は、冷却機構４２で冷却された処理後流体を、液体（活性炭や灰分を含む液体）と、気体（水素やメタン等の燃料ガス）とに分離する装置である。このうち液体は排液として処理され、気体はガスタンク４４に送られる。

ガスタンク４４は、気液分離器４３で分離した気体を貯留する容器である。ガスタンク４４に貯留された気体の一部は、加熱器３２、及びガス化反応器３３に供給され、燃料ガスとして消費される。なお、この燃料ガスは、発電や動力源として用いることもできる。

次に、高温流体用加圧装置３４（以下、単に加圧装置３４という）について説明する。この加圧装置３４は、ガス化反応器３３から送出された超臨界状態の高温流体（処理後流体）を、さらに加圧して熱交換器３１に導入させるために設けられたものであり、例えばプランジャー式や遠心式や軸流式などの加圧装置によって構成される。

高温流体のさらなる加圧は、熱交換器３１での熱交換効率を向上させるために行っている。そこで、この加圧によって熱交換効率が向上する理由について説明する。図２は、水における温度、圧力、及び定圧比熱の関係を示すグラフである。このグラフより、超高圧の下で水は、特定の温度範囲において定圧比熱が特異的に高くなることが判る。例えば、圧力が２４ＭＰａであれば、３８０℃にて定圧比熱が急激に高くなっている。また、２４ＭＰａから圧力をさらに高めることで、定圧比熱のピーク値が低下するとともに、ピークに対応する温度が高温側にシフトすることも判る。

そして、水を主たる成分として含む高温流体もまた同様の特性を有している。ここで、図３は、高温流体の定圧比熱曲線を示すグラフであり、横軸が温度、縦軸が定圧比熱である。そして、或る圧力Ｐ１における定圧比熱曲線６１と、この圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２における定圧比熱曲線６２が描かれている。

圧力Ｐ１の高温流体について説明する。この高温流体では、定圧比熱曲線６１に示すように、６００℃（導入温度Ｔ０）から温度Ｔ５までの間に亘って定圧比熱に大きな変化は見られない。その後、温度Ｔ３までの間は、温度が下がる程に定圧比熱の値が徐々に大きくなっている。さらに、臨界温度Ｔ１までの間は、温度が下がる程に定圧比熱の値が急激に上昇している。そして、臨界温度Ｔ１での定圧比熱は、ピーク値であるＣｐ１を示している。この臨界温度Ｔ１を越えると、定圧比熱は急激に低下し、最終的には導入温度Ｔ０の定圧比熱と同程度の値を示す。

次に、圧力Ｐ２の高温流体について説明する。この高温流体では、定圧比熱曲線６２に示すように、６００℃から温度Ｔ６までの間に亘って定圧比熱に大きな変化は見られない。その後、温度Ｔ４までの間は、温度が下がる程に定圧比熱の値が徐々に大きくなっている。さらに、臨界温度Ｔ２までの間は、温度が下がる程に定圧比熱の値が急激に上昇している。そして、臨界温度Ｔ２での定圧比熱は、ピーク値であるＣｐ２を示している。臨界温度Ｔ２を越えると、定圧比熱は急激に低下し、最終的には導入温度Ｔ０の定圧比熱と同程度の値を示す。

ここで、温度Ｔ６、温度Ｔ４、温度Ｔ２はそれぞれ、温度Ｔ５、温度Ｔ３、温度Ｔ１よりも多少高い温度である。また、定圧比熱Ｃｐ２は、定圧比熱Ｃｐ１よりも低い値になっている。高温流体の圧力をＰ１からＰ２に上昇させることで、定圧比熱がピークとなる擬臨界温度をＴ１からＴ２へ上昇させることができることがわかる。また、Ｔ２以上の温度域において定圧比熱曲線６２が示す圧力が高い流体の定圧比熱は常に定圧比熱曲線６１が示す圧力が低い流体の定圧比熱より高いことがわかる。これらは、高い圧力の流体は低い圧力の流体よりも、同じ温度であれば多くの熱量を持つことを示している。これによって、所定量の熱量を低圧の流体へ放出した後の高圧の高温流体の温度は、低圧の流体よりも高い温度を保つことが出来る。

その結果、熱交換器３１での熱交換において、高温流体（処理後流体）の温度がタールの発生し易い温度（３８０℃付近）に停滞してしまう時間を短縮できる。これに伴い、スラリー体についてもこの温度域に停滞し難くなるので、タールの発生を抑制できる。その結果、バイオマスのガス化を効率よく行うことができる。また、スラリー体が速やかに加熱されることから、熱交換器３１を構成する二重管の長さを、従来の装置よりも短くできる。つまり、伝熱面積を小さくして小型化できる。

なお、図２のグラフを参照すると、加圧装置３４によって高温流体の圧力を２５ＭＰａから２６ＭＰａまで上昇させることで、定圧比熱がピークとなる擬臨界点の温度を高くできることが理解できる。

次に、図４を参照し、第２実施形態について説明する。同図に示すように、この第２実施形態でも、ガス化システム１０は、原料調製部２０、熱処理部３０、及びガス処理部４０を備える。これらのうち、原料調製部２０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

本実施形態の熱処理部３０は、熱交換器３１、加熱器３２、ガス化反応器３３、気液分離器３８、亜臨界高温流体用加圧装置５８、減圧機構５１、及び冷却機構５２を備える。これらのうち、加熱器３２、及びガス化反応器３３は、第１実施形態と同様に構成されているので説明を省略する。

熱交換器３１は、二重管を備える二重管式熱交換器であり、原料調製部２０から送られてきたスラリー体が流通する低温流路３６と、ガス化反応器３３から導入される、当該ガス化反応器３３で生成された高温流体（処理後流体）が流通する高温流路３７とを備える。そして、高温流路３７は、高温流体が導入される導入口側の第１高温流路３７ａと、高温流体が排出される排出口側の第２高温流路３７ｂとに分けて構成されている。

第１高温流路３７ａの下流端には、高温流体取得流路５３の上流端が連通され、第２高温流路３７ｂの上流端には、高温流体返送路５４の下流端が連通されている。そして、高温流体取得流路５３の下流端と高温流体返送路５４の上流端との間には、気液分離器３８が設けられている。この気液分離器３８は、高温流体取得流路５３から流れ込んだ高温流体を気液分離し、液体分（燃料ガスが分離された後の高温流体）を高温流体返送路５４に送出する。また、気液分離器３８は、気体分（燃料ガス）をガス処理部４０に送出する。さらに、高温流体返送路５４の途中には、亜臨界高温流体用加圧装置５８（以下、単に加圧装置５８という）が設けられている。

減圧機構５１は、第２高温流路３７ｂから排出された高温流体（処理後流体）を減圧する装置であり、第２高温流路３７ｂと配管を通じて連通されている。冷却機構５２は、減圧機構５１から送られてきた処理後流体を冷却する装置であり、減圧機構５１と配管を通じて連通されている。この冷却機構５２にはバルブ付きの排出管が設けられている。

ガス処理部４０は、タービン装置４６、流量調節機構４５、及びガスタンク４４を備える。

タービン装置４６は動力装置に相当し、気液分離器３８で分離された気体（燃料ガス）の圧力を利用してタービン４６ａを回転させる。タービン４６ａの回転軸は、発電機Ｇの回転軸と連結されている。このため、発電機Ｇは、タービン４６ａの回転によって発電を行う。

流量調節機構４５は、タービン装置４６で仕事を終えた燃料ガスの、ガスタンク４４への流量を調節する。流量調節機構４５により流量が調節された燃料ガスは、ガスタンク４４に送られる。ガスタンク４４は、送られた燃料ガスを貯留する。そして、ガスタンク４４に貯留された燃料ガスの一部は、加熱器３２やガス化反応器３３の燃料として消費される。

本実施形態のガス化システム１０では、第１高温流路３７ａでの熱交換によって亜臨界状態になった高温流体（処理後流体）が、高温流体取得流路５３を通じて熱交換器３１の外部に取り出される。取り出された高温流体は気液分離器３８に流入され、燃料ガスが分離される。燃料ガスが分離された高温流体は、高温流体返送路５４に送出される。その後、高温流体は、加圧装置５８によって加圧され、第２高温流路３７ｂに導入される。すなわち、燃料ガスが分離され、加圧された高温流体が熱交換器３１に返送されている。

第２高温流路３７ｂで高温流体は、低温流路３６を流れるスラリー体と熱交換をするが、高温流体の圧力が高められていることから、定圧比熱がピークとなる擬臨界点の温度を上げることができる。これにより、低温流体の温度がタールの発生し易い温度に停滞し難くなる。さらに、燃料ガスが分離されていることから、高温流体における液分の比率を高めることができる。これらより、スラリー体を速やかに加熱することができ、タールの発生を抑制できる。

熱交換器３１（第２高温流路３７ｂ）から排出された高温流体は、減圧機構５１および冷却機構５２に導入される。これらの減圧機構５１および冷却機構５２により、高温流体は常温常圧程度まで減圧、冷却される。この冷却された液体（活性炭や灰分を含む液体）は排液として処理される。

このように、本実施形態のガス化システム１０では、熱交換器３１の第１高温流路３７ａに導入された高温流体を、第１高温流路３７ａの下流端から熱交換器３１の外部へ取り出している。そして、燃料ガスを分離した後の高温流体を加圧し、第２高温流路３７ｂの上流端から熱交換器３１の内部へ戻している。これにより、熱交換器３１における高温流体の定圧比熱がピークとなる擬臨界点温度を高くすることができる。その結果、熱交換器３１における単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大させることができる。また、スラリー体の加熱に際し、タールの発生を抑制することができる。その結果、タール付着による熱交換器３１における熱抵抗の増大を抑制し、熱通過率の低下を防ぐことができる。

また、このガス化システム１０では、高温流体から分離された燃料ガスの圧力を利用してタービン装置４６が有するタービン４６ａを回転させ、発電機Ｇに発電を行わせているので、燃料ガスが有する圧力のエネルギーを有効に利用することができる。さらに、タービン装置４６での仕事を終えた燃料ガスをガスタンク４４に貯留し、燃料として使用しているので、この点でもエネルギーを有効に利用することができる。

次に、図５を参照し、第３実施形態について説明する。同図に示すように、この第３実施形態でも、ガス化システム１０は、原料調製部２０、熱処理部３０、及びガス処理部４０を備える。

この第３実施形態では、第２実施形態と同様に、熱交換器３１の高温流路３７を第１高温流路３７ａと第２高温流路３７ｂに分けて構成している。そして、高温流体取得流路５３と高温流体返送路５４の間に、気液分離器３８を設けている。また、この第３実施形態では、第１実施形態と同様に、導入路３５の途中に加圧装置３４を設けている。これに伴い、第２実施形態では設けられていた加圧装置５８を、この第３実施形態では無くしている。

本実施形態のガス化システム１０では、高温流体取得流路５３を通じて亜臨界状態の高温流体（処理後流体）を熱交換器３１の外部に取り出し、気液分離器３８で燃料ガスを分離した後の高温流体を熱交換器３１に返送している。このガス化システム１０でも、加圧装置３４によって高温流体が加圧されているので、定圧比熱がピークとなる擬臨界点温度を上げることができる。その結果、高温流体とスラリー体との温度差を大きく保ち単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大させるため、熱交換器３１における単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大させることができる。そして、スラリー体の加熱に際し、タールの発生を抑制することができる。その結果、タール付着による熱交換器３１における熱抵抗の増大を抑制し、熱通過率の低下を防ぐことができる。

次に、図６を参照し、第４実施形態について説明する。同図に示すように、この第４実施形態でも、ガス化システム１０は、原料調製部２０、熱処理部３０、及びガス処理部４０を備える。

この第４実施形態では、第２実施形態と同様に、熱交換器３１の高温流路３７を第１高温流路３７ａと第２高温流路３７ｂに分けて構成している。そして、高温流体取得流路５３と高温流体返送路５４の間に気液分離器３８を設け、高温流体返送路５４の途中に加圧装置５８を設けている。一方、第４実施形態では、タービン装置４６に加え、燃焼装置４７を設けている点、及び、ガスタンク４４と流量調節機構４５を無くしている点で、第２実施形態と相違している。

燃焼装置４７は、タービン装置４６での仕事を終えた燃料ガスを空気とともに燃焼させている。そして、燃焼によって生じた高圧の排ガスをタービン装置４６に導入し、タービン４６ａを回転させている。すなわち、タービン装置４６と燃焼装置４７によってガスタービンが構成されている。そして、タービン４６ａの回転軸には、発電機Ｇの回転軸が連結されている。このため、タービン４６ａの回転により、発電機Ｇに発電を行わせることができる。

この第４実施形態では、タービン４６ａを、燃料ガスの圧力と排ガスの圧力によって回転させているので、燃料ガスが持つエネルギーを電力として有効に活用できる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

例えば、バイオマスの原料は、焼酎残渣以外であってもよく、例えば、採卵鶏糞、下水汚泥他の含水性バイオマスでもよい。

また、上記の各実施形態では、スラリー体を生成する際に水や触媒を混合することとしたが、これらは混合しなくてもよい。

例えば、図４の第２実施形態において、気液分離器３８を無くし、高温流体取得流路５３を流れてきた高温流体（処理後流体）を加圧装置５８で加圧し、加圧された高温流体を、高温流体返送路５４を通じて返送するようにしてもよい。この場合、ガス処理部４０は、図１の第１実施形態のように構成される。

この構成では、加圧装置５８での加圧により、第２高温流路３７ｂを流れる高温流体の定圧比熱がピークとなる擬臨界点温度を上げることができる。これに伴い、第２高温流路３７ｂでのスラリー体との熱交換において、温度差を大きく保ち単位伝熱面積当たりの交換熱量を増大させるため、高温流体の温度がタールの発生し易い温度に停滞してしまう時間を短縮できる。その結果、スラリー体を加熱する際におけるタールの発生を抑制でき、バイオマスのガス化を効率よく行うことができる。

また、図５の第３実施形態のガス化システム１０に燃焼装置４７を設け、タービン装置４６のタービン４６ａを、燃料ガスの圧力と排ガスの圧力によって回転させてもよい。この場合、ガス処理部４０は、図６の第４実施形態のように構成される。

２…ガス化システム、３…熱交換器、４…加熱器、５…ガス化反応器、６…二重管、７…内側の配管、８…低温流路、９…外側の配管、１０…ガス化システム、１１…高温流路、１２…導入口、１３…スラリー体、１４…高温流体、１５…排出口、１６…中間部分、２０…原料調製部、２１…調製タンク、２２…粉砕機、２３…供給ポンプ、２４…熱交換器導入ポンプ、３０…熱処理部、３１…熱交換器、３２…加熱器、３２ａ…燃焼装置、３３…ガス化反応器、３３ａ…燃焼装置、３４…高温流体用加圧装置、３５…導入路、３６…低温流路、３７…高温流路、３７ａ…第１高温流路、３７ｂ…第２高温流路、３８…気液分離器、３９…排出口、４０…ガス処理部、４１…減圧機構、４２…冷却機構、４３…気液分離器、４４…ガスタンク、４５…流量調節機構、４６…タービン装置、４６ａ…タービン、４７…燃焼装置、５１…減圧機構、５２…冷却機構、５３…高温流体取得流路、５４…高温流体返送路、５８…亜臨界高温流体用加圧装置、６１…第１定圧比熱曲線、６２…第２定圧比熱曲線

Claims (7)

1. ガス化原料であるバイオマスを調製したスラリー体が流れる低温流路と、超臨界状態の高温流体が導入されると共に、前記導入された高温流体が前記低温流路のスラリー体と熱交換されながら流れる高温流路とを備える熱交換器と、
   前記熱交換器により昇温された前記スラリー体をさらに加熱して前記スラリー体を超臨界状態でありガス化が可能な温度にするガス化反応器と、
   前記超臨界状態であるスラリー体を前記高温流体として前記高温流路に導入する導入路とを備えるガス化システムであって、
   前記導入路の途中に設けられ、前記超臨界状態であるスラリー体を加圧して前記高温流路に導入する加圧装置を備える
   ガス化システム。
2. 前記高温流路は、前記高温流体が導入される導入口側の第１高温流路と、前記高温流体が排出される排出口側の第２高温流路とに分けて構成され、
   前記第１高温流路の下流端に連通され、亜臨界状態の前記高温流体を前記熱交換器から取り出す高温流体取得流路と、
   前記高温流体取得流路を通じて送出された前記高温流体から燃料ガスを分離する気液分離器と、
   タービンを備え、前記気液分離器で分離された前記燃料ガスの圧力によって前記タービンを回転させる動力装置と、
   前記第２高温流路の上流端に連通され、前記気液分離器で前記燃料ガスが分離された後の前記高温流体を前記熱交換器へ返送する高温流体返送流路と
   を備える、請求項１に記載のガス化システム。
3. ガス化原料であるバイオマスを調製したスラリー体が流れる低温流路と、超臨界状態の高温流体が導入されると共に、導入された高温流体が前記低温流路のスラリー体と熱交換されながら流れる高温流路とを備える二重管式の熱交換器と、
   前記熱交換器により昇温された前記スラリー体をさらに加熱して前記スラリー体を超臨界状態でありガス化が可能な温度にするガス化反応器と、
   前記超臨界状態であるスラリー体を前記高温流体として前記高温流路に導入する導入路とを備えるガス化システムであって、
   前記高温流路は、前記高温流体が導入される導入口側の第１高温流路と、前記高温流体が排出される排出口側の第２高温流路とに分けて構成され、
   前記第１高温流路の下流端に連通され、前記高温流体を前記熱交換器から取り出す高温流体取得流路と、
   前記高温流体取得流路により取り出した前記高温流体を加圧する加圧装置と、
   前記第２高温流路の上流端に連通され、前記加圧装置で加圧された前記高温流体を前記熱交換器へ返送する高温流体返送路と、
   を備える、ガス化システム。
4. 前記高温流体取得流路の途中に設けられ、亜臨界状態の前記高温流体から燃料ガスを分離する気液分離器と、
   タービンを備え、前記気液分離器で分離された燃料ガスの圧力によって前記タービンを回転させる動力装置とを備え、
   前記加圧装置は、前記気液分離器で前記燃料ガスが分離された後の前記高温流体を加圧する、請求項３に記載のガス化システム。
5. 前記動力装置は、前記タービンを回転させた後の燃料ガスを燃焼させる燃焼装置を備え、燃焼後の気体によって前記タービンをさらに回転させる、請求項２又は４に記載のガス化システム。
6. ガス化原料であるバイオマスを調製したスラリー体が流れる低温流路と、超臨界状態の高温流体が導入されると共に、前記導入された高温流体が前記低温流路のスラリー体と熱交換されながら流れる高温流路とを備える二重管式の熱交換器と、
   前記熱交換器により昇温された前記スラリー体をさらに加熱して前記スラリー体を超臨界状態でありガス化が可能な温度にするガス化反応器と、
   前記超臨界状態であるスラリー体を前記高温流体として前記高温流路に導入する導入路とを備えるガス化システムにおけるガス化方法であって、
   前記超臨界状態のスラリー体を前記導入路の途中で加圧し、
   加圧後の前記スラリー体を前記高温流路に導入する、ガス化方法。
7. ガス化原料であるバイオマスを調製したスラリー体が流れる低温流路と、超臨界状態の高温流体が導入されると共に、導入された高温流体が前記低温流路のスラリー体と熱交換されながら流れる高温流路とを備える二重管式の熱交換器と、
   前記熱交換器により昇温された前記スラリー体をさらに加熱して前記スラリー体を超臨界状態でありガス化が可能な温度にするガス化反応器と、
   前記超臨界状態であるスラリー体を前記高温流体として前記高温流路に導入する導入路とを備えるガス化システムにおけるガス化方法であって、
   前記高温流路を、前記高温流体が導入される導入口側の第１高温流路と、前記高温流体が排出される排出口側の第２高温流路とに分けて構成し、
   前記第１高温流路の下流端から、亜臨界状態の前記高温流体を前記熱交換器の外部に取り出し、
   前記取り出した前記高温流体を加圧した後に、前記第２高温流路の上流端から前記熱交換器の内部に返送する、ガス化方法。