JP2013036009A

JP2013036009A - バイオマスの熱分解装置及び熱分解方法

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Publication number: JP2013036009A
Application number: JP2011175729A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Okuyama; 契一奥山; Shigeki Fujiwara; 茂樹藤原; Yasuhiro Miyakoshi; 靖宏宮越
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-08-11
Also published as: JP5656022B2

Abstract

【課題】粘度の低いタールを多く製造できるバイオマス熱分解装置及び方法を提供することを課題とする。
【解決手段】熱分解炉１内の乾燥領域の層厚を、熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方の層に与えるために必要な乾燥領域の層厚の下限以上とするとともに、乾燥領域においてバイオマスを乾燥させるとともに、熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように乾燥領域の層厚の上限以下に調整するように設定されている乾燥領域層厚調整手段と、可燃ガス生成量及びタール生成量の調整手段７，８とを有し、該乾燥領域層厚調整手段は、バイオマス供給量調整装置２とガス化剤供給量調整装置７，８を有し、可燃ガス生成量とタール生成量の調整手段は、空気供給量と水蒸気供給量を調整し、熱分解炉から取り出される可燃ガス量とタール量を調整可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱分解炉でバイオマスからガスとタールを生成するバイオマスの熱分解装置及び熱分解方法に関する。

製木材端材、樹皮、木屑、間伐材など林産資源に由来する木質系バイオマス（単にバイオマスという）をガス化し、生成ガスを、例えばガスエンジンの燃料として供給する竪型のガス化炉（熱分解装置）が非特許文献１に開示されている。このガス化炉ではバイオマスをガス化炉の上部から供給し、ガス化炉内にバイオマスが堆積した充填移動層を形成する。この充填移動層は上部から乾燥領域、熱分解領域、還元領域、酸化領域を形成するようになり、ガス化反応の進行に応じてバイオマスは充填移動層上部から下部へと下降する。また、このガス化炉には下部からガス化剤として水蒸気と空気が供給されており、ガス化炉内でガス流れは、ガス化炉の下部から上部へ向けて上記充填移動層内を流れ、生成ガスはガス化炉上部のガス排出口から取り出される。

ガス化炉の上部から供給されたバイオマスは、ガス化炉内の充填移動層で生成したガスの熱により乾燥されて乾燥領域を上部に形成する。この乾燥領域から下降したバイオマスは熱分解領域で熱分解され、ＣＨ_４、ＣＯ、Ｈ_２等の可燃ガスと、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ガス状タール等の生成ガスと、固定炭素を生じる。可燃ガスとＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ガス状タール等の生成ガスは上昇し、固定炭素が下降する。熱分解領域から下降した固定炭素は還元領域でガス化剤としての水蒸気やＣＯ_２とガス化反応してＣＯ、Ｈ_２を生成し、ＣＯ、Ｈ_２は充填移動層内を上昇する。還元領域の下方の酸化領域では、還元領域から下降した残存する固定炭素、液状タール、未熱分解バイオマスが空気により部分酸化・燃焼され、ガス化反応、熱分解、乾燥に必要な熱を発生し、燃焼ガスは熱を伴い上昇する。充填移動層の下部から燃焼灰が外部へ排出される。

また、バイオマスを熱分解してタールを取り出し、重油代替燃料などに利用することが検討されており、バイオマスを熱分解してタールを製造する場合に、タール収率の高い方法として気流層熱分解装置（特許文献１）や流動層熱分解装置（特許文献２）による急速熱分解プロセスが知られている。

ＪＦＥエンジニアリング社カタログ（カタログ番号：ＣＡ３０４７）「JFE-フェルント式木質バイオマスガス化発電システム」ＪＦＥエンジニアリング株式会社発行、２００４年

特開２０１０−１１６５３６特許第４３７１４３３号

しかしながら、特許文献１そして特許文献２によるプロセスでは、得られるタールの粘度が高いため、タール回収装置での閉塞トラブルを生じたり、利用プロセスでの送液等の取扱いが難しかった。また、非特許文献１の充填移動層ガス化炉からは、副生成物としてタールが得られるが、そのタール収率（原料バイオマスの乾燥重量に対する生成タール重量の比率）は５〜７％程度と低く、タール生成能力の点で十分でなかった。

特許文献１そして特許文献２によるプロセスはバイオマスから主にタールを生成することを目的とし、非特許文献１の充填移動層ガス化炉は可燃ガスを生成することを目的としており、特許文献１，２そして非特許文献１では、バイオマスから可燃ガスとタールとの両方をそれぞれ利用が容易な程度の収率で生成することが困難であった。さらに、バイオマスから生成する可燃ガスとタールの比率を需要ニーズに合わせて変更することもできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、バイオマスからタールを高いタール収率で製造することができ、さらに、粘度の低いタールを多く製造することができ、さらに、バイオマスから生成する可燃ガスとタールの比率を変更可能とするバイオマスの熱分解装置及び熱分解方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、非特許文献１の方法では、熱分解領域で生成し乾燥領域に上昇したガス状タール又はミスト状タールは乾燥領域で冷却され凝縮して液状タールになり又は凝集され大粒径液状タールとなり、バイオマスに付着するなどして、捕捉されて、バイオマスが下降するとともに熱分解領域に戻される。このように、乾燥領域において熱分解領域で生成したタールの大部分が捕捉されるため、熱分解炉の上部から生成ガスとともに排出されるタールが少なく、タール収率は５〜７％程度と低くなっていることを見出した。

本発明者らは、非特許文献１のバイオマスのガス化炉を用いてタール収率を向上させるように検討を行った結果、充填移動層の層高を低下させ、かつ炉下部から投入するガス化剤流量を増加させることにより、非特許文献１の方法では５〜７％であったタール収率を２０％まで増加させることができた。これは気流層熱分解炉により得られるタール収率に匹敵し、かつ大幅に低い粘度のタールが得られた。

発明者らは、この検討結果を考察し、充填移動層の層高を低下させ、かつ炉下部から投入するガス化剤流量を増加させることにより、タールの大部分を捕捉する乾燥領域の層厚を小さくするようにして、乾燥領域において熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させることができることを見出した。すなわち、乾燥領域の層厚をできるだけ小さくすることがタール収率を向上させるために効果的である。一方、乾燥領域の層厚を小さくする場合に、熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方に与えるために必要な層厚の下限があることも確認した。ここで、バイオマスの棚吊りとは、熱分解途中のバイオマスや熱分解残渣が炉内壁に融着し、棚を吊ったような状態になることをいい、棚吊りが生じると、バイオマスの下降や炉内ガスの流通に支障が生じ、安定した運転ができなくなる問題が生じる。乾燥領域の層厚が過小であると、熱分解領域のバイオマスを下降させる圧力が不足し、バイオマスや熱分解残渣が滞留し棚吊りが発生するリスクが生じる。

このような経緯のもとで、課題の解決のために、本発明は、次のごとくの構成の装置についての第一発明そして方法についての第二発明に至った。

＜第一発明（装置発明）＞
竪型の熱分解炉の上部から炉内にバイオマスを供給して、供給されたバイオマスを乾燥する乾燥領域、バイオマスを熱分解してガスとタールを生成する熱分解領域、熱分解により発生した固定炭素をガス化する還元領域そして未燃の固定炭素及びバイオマスを部分酸化してガス化反応に必要な熱を発生する酸化領域を上部から下部に向って有するバイオマスの充填移動層を熱分解炉内に形成し、該熱分解炉の下部からガス化剤を供給し、充填移動層の降下するバイオマスを、上昇するガス化剤と向流接触させ熱分解させて生成ガスとタールを得る熱分解炉を備えるバイオマス熱分解装置において、
乾燥領域の層厚を、熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方の層に与えるために必要な乾燥領域の層厚の下限以上とするとともに、乾燥領域においてバイオマスを乾燥させるとともに、熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように乾燥領域の層厚の上限以下に調整するように設定されている乾燥領域層厚調整手段と、可燃ガス生成量及びタール生成量の調整手段とを有し、該乾燥領域層厚調整手段は、バイオマス供給量調整装置とガス化剤供給量調整装置を有し、
上記バイオマス供給量調整装置は、熱分解炉へのバイオマス供給量を調整し、ガス化剤供給量調整装置によるガス化剤供給量の調整と協働して、充填移動層の層高を調整し、乾燥領域層厚を所定範囲に調整するように設定されており、ガス化剤供給量調整装置は、ガス化剤供給量を調整し、バイオマス供給量調整装置によるバイオマス供給量の調整と協働して、充填移動層の層高を調整し、乾燥領域層厚を所定範囲に調整するように設定されており、さらに、可燃ガス生成量及びタール生成量の調整手段は、空気供給量と水蒸気供給量を調整し、熱分解炉から取り出される可燃ガス量とタール量を調整可能とすることを特徴とするバイオマスの熱分解装置。

かかる本発明では、タール収率を向上させるための乾燥領域層厚調整と可燃ガス生成量とタール生成量の比率の調整が次のごとくなされる。

＜乾燥領域層厚調整＞
本発明において、乾燥領域の層厚が下限より小さいと、熱分解領域のバイオマスを下降させる圧力が不足し、熱分解途中のバイオマスやバイオマス熱分解残渣が滞留し炉壁に融着しやがて棚つりが生じ、バイオマスの熱分解が円滑に進まず、乾燥領域の層厚が上限より大きいと、熱分解領域で生成したガス状タール又はミスト状タールが乾燥領域で冷却され凝縮して液状タールになり又は凝集され大粒径液状タールとなり、バイオマスに付着するなどしてタールの大部分が捕捉され、熱分解炉から排出されるタール量が少なくなる。したがって、本発明では、上記上限と下限の間となるように、層厚が調整される。

本発明において、乾燥領域層厚調整手段は、バイオマス供給量調整装置とガス化剤供給量調整装置を有していて、これらにより乾燥領域の層厚を調整する。

上記バイオマス供給量調整装置は、バイオマス供給量を調整して充填移動層の層高を調整し、さらに、乾燥領域層厚を熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方の層に与えるために必要な乾燥領域の層厚の下限以上とするとともに、乾燥領域においてバイオマスを乾燥させるとともに、熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように乾燥領域の層厚の上限以下に調整する。このように乾燥領域の層厚を調整することは、充填移動層熱分解装置を主にガス発生させるガス化装置として用いる場合に比べて、充填移動層の層高を低くし、乾燥領域の層厚を低減することに相当する。また、ガス化剤供給量調整装置は、乾燥領域層厚を熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方の層に与えるために必要な乾燥領域の層厚の下限以上とするとともに、乾燥領域においてバイオマスを乾燥させるとともに、熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように乾燥領域の層厚の上限以下に調整する。このように乾燥領域の層厚を調整することは、充填移動層熱分解装置を主にガス発生させるガス化装置として用いる場合に比べて、ガス化剤供給量を増加させて、熱分解領域、還元領域、酸化領域の層厚を増加させ、その結果、乾燥領域層厚を低減するように調整することに相当する。

上記バイオマス供給量調整装置そしてガス化剤供給量調整装置により、乾燥領域の層厚を適切な範囲とすることにより、熱分解領域で生成し乾燥領域に上昇したガス状又はミスト状のタールは、乾燥領域で凝縮して液状になり又は凝集され捕捉されて熱分解領域に戻されることがなく、ガス状又はミスト状のまま乾燥領域を通過し、熱分解炉の上部から排出される。

＜可燃ガス生成量とタール生成量の比率の調整＞
この可燃ガス生成量とタール生成量の比率を所望値とする調整は、バイオマス供給量とガス化剤供給量（例えば、空気供給量と水蒸気供給量）との調整により得られた、上記乾燥領域層厚調整時に設定された乾燥領域層厚範囲を維持したまま、可燃ガス生成量とタール生成量の調整手段を操作することにより行われる。すなわち、上記乾燥領域層厚範囲を確保する上記空気供給量と水蒸気供給量の範囲を維持するようにして、さらに、この空気供給量と水蒸気供給量を調整することで、所望の可燃ガス生成量とタール生成量の比率を得る。

本発明において、ガス化剤は、さらに、熱分解炉から取り出される可燃ガスの一部を循環して供給する循環可燃ガスを含み、ガス化剤供給量調整装置は、空気供給量と水蒸気供給量と循環可燃ガス供給量を調整し、熱分解炉から排出される可燃ガス量とタール量を調整可能とすることができる。こうすることで、熱分解炉から取り出される可燃ガスの高位発熱量を低下させることなく、可燃ガス量とタール量を調整できる。

本発明において、ガス化剤は、不活性ガスを含み、ガス化剤供給量調整装置は、空気供給量と水蒸気供給量と不活性ガス供給量を調整し、熱分解炉から排出される可燃ガス量とタール量を調整可能とすることができる。こうすることで、熱分解炉から取り出されるガスから分離する水分の増加を抑制して、可燃ガス量とタール量を調整できる。

＜第二発明（方法発明）＞
竪型の熱分解炉の上部から炉内にバイオマスを供給して、供給されたバイオマスを乾燥する乾燥領域、バイオマスを熱分解してガスとタールを生成する熱分解領域、熱分解により発生した固定炭素をガス化する還元領域そして未燃の固定炭素及びバイオマスを部分酸化してガス化反応に必要な熱を発生する酸化領域を上部から下部に向って有するバイオマスの充填移動層を熱分解炉内に形成し、該熱分解炉の下部からガス化剤を供給し、充填移動層の降下するバイオマスを、上昇するガス化剤と向流接触させ熱分解させて生成ガスとタールを得る熱分解炉を備えるバイオマス熱分解方法において、
乾燥領域の層厚を、熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方の層に与えるために必要な乾燥領域の層厚の下限以上とするとともに、乾燥領域においてバイオマスを乾燥させるとともに、熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように乾燥領域の層厚の上限以下に調整するように、熱分解炉へのバイオマス供給量の調整とガス化剤供給量の調整とを相俟って行うことで、充填移動層の層高を調整し、乾燥領域層厚を所定範囲に調整し、さらに、空気供給量と水蒸気供給量を調整して熱分解炉から取り出される可燃ガス量とタール量を調整することを特徴とするバイオマスの熱分解方法。

この第二発明においても、乾燥領域の層厚の調整、そして可燃ガス生成量とタール生成量との比率の調整は、第一発明の場合と同様に、バイオマス供給量の調整やガス化剤供給量の調整、そして空気供給量と水蒸気供給量の調整によってそれぞれ行われる。

本発明は、以上のように、バイオマスの充填移動層の上部における乾燥領域の層厚を、熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方の層に与えるために必要な乾燥領域の層厚の下限以上とするとともに、乾燥領域でバイオマスを乾燥させるとともに、熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように乾燥領域の層厚の上限以下に調整することとしたので、タールを高い収率で生成することができ、さらに、乾燥領域で凝縮温度の低いタールすなわち粘度の低いタールを選択的に通過させることとしたので、粘度の低いタールを最大限得ることができ、さらには、上記層厚の範囲を確保するガス化剤供給量の範囲を維持しつつ熱分解炉への空気供給量と水蒸気供給量を調整することで、得られる可燃ガス量とタール量の比率を所望のものとするバイオマス熱分解装置そして方法を提供できる。

本発明の一実施形態装置の概要構成図である。

図１は、本発明の一実施形態としてのバイオマス熱分解装置の概要構成図である。

図１において、符号１は竪型炉として形成された熱分解炉である。熱分解炉１の上部には、ホッパ等に貯留されているバイオマスをロータリバルブ等の切出し装置で切り出して搬送コンベア等により搬送し炉内の上部空間へバイオマスを供給するバイオマス供給装置２が接続されていると共に、上記上部空間から生成ガスを排出するガス排出口３が設けられている。該ガス排出口３には、冷却器４が接続され、そして該冷却器４には比重分離器５が接続されている。上記冷却器４は、ガス排出口３からの生成ガスを受け、冷却媒体との熱交換により該生成ガスを冷却するようになっており、冷却により、液状分としてのタールおよび水と、冷却後も残存するガス分としての可燃ガスとに気液分離するようになっている。また、この冷却器４に接続されている比重分離器５は、例えば遠心分離器であり、冷却器４から受けたタールおよび水を、比重差によって、軽質タールと水と、重質タールとに分離するようになっている。

また、本実施形態装置では、熱分解炉１のガス排出口３からの生成ガスが上記冷却器４にて冷却されて気液分離され、そのガス分が可燃ガスとして取り出される該可燃ガスの一部がブロワ９を経て熱分解炉の下部へ供給されるようになっている。

上記熱分解炉１は、その下部からガス化剤として空気そして水蒸気を受けるようになっている。炉下部には、加湿器６が接続されており、空気がブロワ７によりそして水蒸気がブロワ８により加湿器６に送られて互いに混合されて、該加湿器６から炉下部に送入される。

本実施形態装置では、好ましい形態として、炉内のバイオマスの充填移動層の温度及び充填移動層から出たガスの温度を検知するための温度センサが炉壁に上下にわたり分布配置されている。さらにバイオマスの充填移動層の層高を計測する層高センサが設置されている。この温度センサと層高センサの出力をもって、後述のバイオマス供給量調整装置とガス化剤供給量調整装置から成る乾燥領域層厚調整装置を作動させるようになっている。本実施形態では、上記バイオマス供給装置２がバイオマスの切り出し量を調整して切り出すロータリバルブなどのバイオマス供給量調整装置（図示せず）を備えていて、熱分解炉１へのバイオマス供給量を調整できるようになっている。また、空気を送風するブロワ７と水蒸気を送風するブロワ８とが、ガス化剤供給量調整装置として設置され、ガス化剤としての空気そして水蒸気の供給量を調整できるようになっている。空気及び水蒸気を送風するダクトにダンパを設け、ダンパの開度により供給量を調整するようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、選択的に、ブロワ１０により不活性ガス、例えば窒素を、上記加湿器６からの空気と水蒸気の混合気と共に、炉下部に送入されるようになっている。

かかる構成の本実施形態装置では、次の要領でバイオマスを熱分解しタールを得る。

＜熱分解炉＞
バイオマス供給装置２により、熱分解炉１に、バイオマスが該熱分解炉１の上部から供給されると、熱分解炉１内にバイオマスが堆積した充填移動層が形成される。この充填移動層は上部から乾燥領域、熱分解領域、還元領域、酸化領域を形成するようになり、熱分解反応の進行に応じてバイオマスは充填移動層上部から下部へと下降する。各領域での好適な温度は、乾燥領域で８０〜１００℃、熱分解領域で１５０〜８００℃、還元領域で８００〜１１００℃、そして酸化領域で１１００〜１３００℃である。

熱分解炉１の下部からは、ガス化剤としてブロワ７，８で圧送された空気と水蒸気が加湿器６で混合された後炉内に供給され、混合気は熱分解炉１内を下部から上部へ酸化領域、還元領域、熱分解領域へと上昇する。酸化領域で固定炭素、液状タール、未熱分解バイオマスが混合気により部分酸化・燃焼され、ガス化反応、熱分解、乾燥に必要な熱を発生し、燃焼ガスはこの熱を伴い充填移動層内を上昇する。還元領域で燃焼ガスの熱によりバイオマスが熱分解され、バイオマスから生成された生成ガスは上部のガス排出口３から取り出される。

熱分解炉１の上部から供給され該熱分解炉１内で充填移動層を形成するバイオマスは、生成したガスの熱により乾燥されて乾燥領域を該充填移動層の上部に形成する。この乾燥領域から下降したバイオマスは熱分解領域で熱分解され、ＣＨ_４、ＣＯ、Ｈ_２等の可燃ガスと、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ガス状タール等の生成ガスと、固定炭素を生じる。可燃ガスとＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ガス状タール等の生成ガスは充填移動層内を上昇し、固定炭素は下降する。熱分解領域から下降した固定炭素、液状タール、未熱分解バイオマスは還元領域でガス化剤としての水蒸気やＣＯ_２とガス化反応してＣＯ、Ｈ_２を生成し、生成されたＣＯ、Ｈ_２は充填移動層内を上昇する。還元領域の下方に形成されている酸化領域では、還元領域から下降した残存する固定炭素、液状タール、未熱分解バイオマスが空気により部分酸化・燃焼され、ガス化反応、熱分解、乾燥に必要な熱を発生し、燃焼ガスは熱を伴い充填移動層内を上昇し熱分解領域でのバイオマスの熱分解のための熱を供給する。充填移動層の下部からは燃焼灰が外部へ排出される。

＜乾燥領域の層厚の調整＞
所定のバイオマス熱分解処理量（単位時間当りの量）はガス化剤の供給量で規定され、所定の処理量が設定される。これに対応して充填移動層の高さが設定されると、これに見合った乾燥領域の高さが設定され、そして乾燥領域の層厚の上下限範囲（標準層厚の範囲）が設定される。

熱分解炉の炉壁には、上下方向に温度センサが分布配置されており、高さ方向での充填移動層の温度分布が得られる。また、層高センサから充填移動層上面の位置（層高）が得られる。その温度分布と層高から、既述した８０〜１００℃の範囲が乾燥領域として認識される。かくして、乾燥領域の層厚を検出する。この検出層厚を上記標準層厚の範囲と比較し、検出層厚が標準層厚範囲内となるように、乾燥領域層厚調整装置としてのバイオマス供給量調整装置そしてガス化剤供給量調整装置を調整操作する。すなわち、乾燥領域の層厚を、熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方に与えるために必要な標準層厚の下限以上とするとともに、乾燥領域においてバイオマスを乾燥させ、かつ、熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように上限以下に調整する。乾燥領域の層厚が上記下限より小さいと、バイオマスを熱分解領域から還元領域へ下降させる圧力が不足し、バイオマスが熱分解領域に滞留し熱分解途中のバイオマスやバイオマスの熱分解残渣が炉壁に融着し棚吊りが生じて熱分解炉の運転に問題が生じるからである。

かかる調整において、乾燥領域の検出層厚が標準層厚範囲よりも大きかったり（あるいは、乾燥領域の上面高さ、すなわち充填移動層の高さが高すぎたり）する場合には、バイオマス供給調整装置を操作してバイオマス供給量を減じ、これで十分でないときには、ガス化剤供給量調整装置をも操作してガス化剤供給量を増加させて乾燥領域の層厚を上限以下とする。

このように、上記バイオマス供給量調整装置により、バイオマス供給量を調整し充填移動層の層高を調整するか、又は乾燥領域層厚を調整するが、バイオマスの熱分解炉の運転立上げ時には、予め定めた充填移動層の層高となるようにバイオマスを供給し充填移動層を形成し、立上げ運転が終了し定常運転に移行した後は、予め定めた充填移動層の層高を維持し、乾燥領域層厚を好ましい層厚とするようにバイオマス供給量を調整する。

また、ガス化剤供給量調整装置によっては、ガス化剤供給量を増加させて、熱分解領域、還元領域、酸化領域の層厚を増加させることで、その結果、乾燥領域層厚を低減し好ましい層厚とするように調整する。

かくして、熱分解領域で生成し乾燥領域に上昇したガス状又はミスト状タールの大部分は、乾燥領域で凝縮して液状タールになったり又は凝集され大粒径液状タールになることはなく、そのため捕捉されて熱分解領域に戻されることがなく、ガス状又はミスト状のまま乾燥領域を通過し、熱分解炉から排出される。ガス化剤供給量を増加させると、乾燥領域層厚を低減させ捕捉されるタール量を低減させ、タール収率が向上するが、過剰にガス化剤供給量を増加させると、炉内ガス上昇速度の増加により充填移動層を構成するバイオマス等の下方への均一な移動を妨げ、やがて炉内ガスの偏流や棚つりが生じるので、棚つりが生じるガス流量以下の流量に調整する。

乾燥領域の温度に関しては、バイオマス供給量調整装置によりバイオマス供給量を調整すること及び／又はガス化剤供給量調整装置によりガス化剤供給量を調整することにより、該乾燥領域の温度を８０℃以上１００℃以下、さらに好ましくは８０℃以上９０℃以下に維持する。このように乾燥領域の温度を維持することにより、高沸点で粘度の高い高分子量タールは凝縮され、常温で投入され充填層上部を覆うバイオマスがこの凝縮した高分子量タールのフィルターとなり、高分子量タールが捕捉されるため、ガス排出口から排出されるタールにこの粘度の高いタールが含まれる比率は少なくなる。そのため得られたタールは低粘度である。これにより粘度の高いタールによるトラブルを回避できる。また、充填移動層の高さを低くし乾燥領域の層厚を熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように調整して、タールを高い収率で得るようにする際に、該乾燥領域の温度を上記の範囲に維持することにより、得られるタールを低粘度のタールとし、低粘度のタールを高い収率で得ることができる。

このようにして、本実施形態の竪型の熱分解炉で得られるタールの動粘度は、約１００ｍｍ^２／ｓ（５０℃）であり、気流層反応器で得られるタールの５００〜１０００ｍｍ^２／ｓ（５０℃）と比較し１／５以下の値となって低粘度であるため取り扱いやすい。

本実施形態では、ガス化剤供給量調整装置は、熱分解炉内の内容物の不存在時にガス化剤が熱分解炉内を１０００℃で上昇するとしたときの空塔ガス線速度を４０〜６０ｃｍ／ｓの範囲に設定することがより好ましい。この範囲の下限より低いと乾燥領域の層厚をタールの大部分を通過させるように小さくした際に、層高が低くなりすぎて標準層厚の下限以下となり棚つりが生じることがある。また、この範囲の上限より高いと充填移動層を構成するバイオマス等の下方への均一な移動を妨げ、やがて炉内ガスの偏流や棚つりが生じる。

＜可燃ガス生成量とタール生成量の調整＞
このように、本実施形態では、乾燥領域層厚調整手段は、バイオマス供給量調整装置とガス化剤供給量調整装置を有していて、これらを既述のごとく調整して、乾燥領域の層厚を上限と下限の範囲に維持する。

上記バイオマス供給量調整装置は、熱分解炉へのバイオマス供給量を調整し、ガス化剤供給量調整装置によるガス化剤供給量の調整と協働して、充填移動層の層高を調整し、乾燥領域層厚を適切な範囲に調整する。そして、ガス化剤供給量調整装置は、ガス化剤供給量を調整し、バイオマス供給量調整装置によるバイオマス供給量の調整と協働して、充填移動層の層高を調整し、乾燥領域層厚を適切な範囲に調整するとともに、本実施形態では、次のごとく、可燃ガス量とタール生成量の調整手段により、空気供給量と水蒸気供給量を調整することで、熱分解炉から取り出される可燃ガス量とタール量をも調整可能としている。この調整手段による空気供給量と水蒸気供給量の調整は、既述の乾燥領域の層厚を上限と下限の範囲に保つように設定された乾燥領域層厚調整手段のガス化剤供給調整装置により設定されたガス化剤としての空気そして水蒸気の供給量範囲を維持したまま、その範囲内で行われる。この空気そして水蒸気の供給量の調整により生成される可燃ガス量とタール量をも調整できるようになることの作動原理は、次のごとくである。

（１）空気供給量と水蒸気供給量の調整
充填移動層の層高を低下させ、空気供給量と水蒸気供給量の合計であるガス化剤供給量を、上記乾燥領域層厚の上限と下限の範囲を維持するガス化剤供給量の範囲内で増加させることにより、熱分解領域、還元領域、酸化領域の層厚を増加させ、その結果、タールの大部分を捕捉する乾燥領域の層厚を小さくすることにより、乾燥領域において熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させることができ、タール収量、タール収率を増加させることができる。

この場合、上述の層厚調整のための操作に加えて、さらに、空気供給量を増減せず水蒸気供給量を増加する操作を行うと、可燃ガス生成量を増減させずタール収量を増加させることができる。空気供給量を増加させるとバイオマスの熱分解反応を促進させ可燃ガス生成量が増加する。そして可燃ガス生成量は空気供給量にほぼ比例して増加する。

バイオマスの酸化剤としては空気が支配的であり、水蒸気は１０００℃を超える高温の領域で酸化剤として機能するが、１０００℃より低い領域では不活性ガスのように振舞う。また、水蒸気を供給することは、熱分解炉下部で過剰に高温となり熱分解残渣が炉壁に融着するなどクリンカが生じることを防ぐために冷却のために供給する目的もある。

空気供給量を増減せず水蒸気供給量を増加すると、バイオマスの熱分解を促進する空気供給量が変わらないため可燃ガス生成量を変えずに、合計ガス供給量を増加することにより乾燥領域でタールが捕捉される比率を低減し熱分解炉外へのタールの取り出しを促進し、可燃ガス生成量を増減させずタール収量、タール収率を増加させることができる。

（２）空気供給量と水蒸気供給量と循環可燃ガス供給量の調整
本実施形態では、図１に示されるように、熱分解炉１から取り出される可燃ガスの一部を循環してブロワ９により熱分解炉１の下部へ循環可燃ガスとしてさらに用いてもよい。循環可燃ガスは、空気と水蒸気の混合気を送風する配管とは別の配管により熱分解炉１の下部へ供給され、可燃ガスと混合気との合流部を設けないようにして燃焼を回避している。

（１）のように水蒸気供給量を増加すると、充填移動層下部でシフト反応（ＣＯ+Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２+Ｈ_２）により生成ガスに含まれるＣＯ_２濃度が増加し、生成された可燃ガスの単位体積当たりの発熱量が低下する。そこで、熱分解炉から取り出される可燃ガスの一部を循環して循環可燃ガスとして熱分解炉下部から供給するようにし、空気供給量と水蒸気供給量と循環可燃ガス供給量を調整すると、水蒸気供給と循環可燃ガス供給により、乾燥領域でタールが捕捉される比率を低減し熱分解炉外へのタールの取り出しを促進し、タール収量、タール収率を増加させることができるとともに、水蒸気供給量をむやみに増加させることがないため可燃ガスの発熱量の低下を抑制できる。

また、（１）のように水蒸気供給量を増加すると、後述の冷却器で熱分解炉から取り出されるガスを冷却して生じる凝縮水量が増加し排水処理量が増加し排水処理の負荷が増大するが、循環可燃ガスを用いることにより排水処理量の増加を抑制できる。

（３）空気供給量と水蒸気供給量と不活性ガス供給量の調整
本実施形態では、図１にて破線で示されるごとく、ブロワ１０を経て、不活性ガス、例えば窒素を熱分解炉下部へ供給すると、水蒸気供給と不活性ガス供給により、乾燥領域でタールが捕捉される比率を低減し熱分解炉外へのタールの取り出しを促進し、タール収量、タール収率を増加させることができる。

（１）のように水蒸気供給量を増加すると、冷却器で熱分解炉から取り出されるガスを冷却して生じる凝縮水量が増加し排水処理量が増加し排水処理の負荷が増大するが、不活性ガスを用いることにより排水処理量の増加を抑制できる。

＜生成ガスの処理＞
このようにして、熱分解炉１で生成されガス排出口３から取り出された生成ガスは、冷却器４にもたらされ、冷却によってタールと水分が凝集されて気液分離される。液状分は比重分離器５へ送られ、凝集によって残った生成ガス分は可燃ガスとして冷却器４から送り出され燃料等の使用に供される。一方、液状分は含水タールであり、比重分離器５で比重差によって含水軟質タールと重質タールに分離された後にそれぞれ取り出される。重質タール（非水溶性タール）はＣ重油の代替燃料として利用可能である。

以下、本実施形態装置を用いた実施例を比較例と共に示す。

各実施例では、竪型の熱分解炉内の充填移動層の高さを、この熱分解炉を用いて行う通常のガス化操業の際の充填移動層の高さの６０％程度となるようにバイオマス供給量を調整した。比較例に示されるような通常のガス化操業の際の充填移動層の高さが３．２ｍであるのに対して実施例１〜４ではその６０％となる１．９ｍとし、乾燥領域層厚も減じた状態で、バイオマス供給量、ガス化剤供給量そして空塔ガス線速度を種々変えて実施した。その結果は、表１に示す通りの高いタール収量、タール収率そして可燃ガスとタールとの高位発熱量分配を得た。

［比較例］
充填移動層ガス化装置（炉内径３００ｍｍ）において、ガス化操業を行う際の充填移動層の層高３．２ｍ、乾燥領域の層厚２．２ｍとした。乾燥領域で生成したタールの大部分が捕捉され、取り出されるタールのタール収率は４．２ｗｔ％であった。

［実施例１］
充填移動層の層高を比較例の６０％の１．９ｍに低下させ、乾燥領域の層厚を比較例の４０％程度である０．９ｍに小さくし、バイオマス供給量、空気供給量、水蒸気供給量を比較例より増加させる。乾燥領域の層厚を小さくし、空気と水蒸気の合計であるガス化剤供給量を増加することにより、乾燥領域でタールの大部分を通過させ、タール収率を１４．２ｗｔ％と、比較例の３．４倍に増加できた。

［実施例２］
実施例１に対して空気供給量、水蒸気供給量を１０％増加させると、タール収量と可燃ガス生成量が増加し、タール収率を１６．４ｗｔ％と、比較例の３．９倍に増加できた。
また、空気供給量を増加させることにより、バイオマスの熱分解反応を促進させタール収量と可燃ガス生成量を増加させる効果があった。

［実施例３］
実施例１に対してバイオマス供給量を変えず、空気供給量を変えず、水蒸気供給量を２５０％に増加させ、ガス化剤供給量を１．２６倍に増加すると、タール収量と可燃ガス生成量が増加し、タール収率を１８．５ｗｔ％と、比較例の４．４倍に増加できた。また、空気供給量を変えず、水蒸気供給量を増加させることにより、可燃ガス生成量をほぼ変化させずに、タール収量を増加させタール収率を増加させることができた。高位発熱量の分配を、実施例１では可燃ガス：タールの比率が４４：１９であるところ、実施例３では４２：２５とタールの比率を高くしバイオマスからタールをより多く生成することができた。

［実施例４］
実施例１に対してバイオマス供給量を変えず、空気供給量を変えず、水蒸気供給量を１／２に減少し、循環可燃ガスを供給し、ガス化剤供給量を１．２６倍に増加すると、タール収量が増加し、タール収率を１８ｗｔ％と、比較例の４．３倍に増加できた。また、空気供給量を変えず、水蒸気と循環可燃ガスを供給し、合計ガス供給量を増加させることにより、可燃ガス生成量をほぼ変化させずに、タール収量を増加させタール収率を増加させることができた。高位発熱量の分配を、実施例１では可燃ガス：タールの比率が４４：１９であるところ、実施例４では４３：２５とタールの比率を高くしバイオマスからタールをより多く生成することができた。

［実施例５］
実施例１に対してバイオマス供給量を変えず、空気供給量を変えず、水蒸気供給量を１／２に減少し、窒素ガスを供給し、ガス化剤供給量を１．２６倍に増加すると、タール収量が増加し、タール収率を１７．６ｗｔ％と、比較例の４．２倍に増加できた。また、空気供給量を変えず、水蒸気と窒素ガスを供給し、合計ガス供給量を増加させることにより、タール収量を増加させタール収率を増加させることができた。高位発熱量の分配を、実施例１では可燃ガス：タールの比率が４４：１９であるところ、実施例４では４３：２４とタールの比率を高くしバイオマスからタールをより多く生成することができた。

１熱分解炉
２バイオマス供給量調整装置（バイオマス供給装置）
７ガス化剤供給量調整装置（可燃ガス量とタール生成量の調整手段）（空気ブロワ）
８ガス化剤供給量調整装置（可燃ガス量とタール生成量の調整手段）（水蒸気ブロワ）

Claims

竪型の熱分解炉の上部から炉内にバイオマスを供給して、供給されたバイオマスを乾燥する乾燥領域、バイオマスを熱分解してガスとタールを生成する熱分解領域、熱分解により発生した固定炭素をガス化する還元領域そして未燃の固定炭素及びバイオマスを部分酸化してガス化反応に必要な熱を発生する酸化領域を上部から下部に向って有するバイオマスの充填移動層を熱分解炉内に形成し、該熱分解炉の下部からガス化剤を供給し、充填移動層の降下するバイオマスを、上昇するガス化剤と向流接触させ熱分解させて生成ガスとタールを得る熱分解炉を備えるバイオマス熱分解装置において、
乾燥領域の層厚を、熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方の層に与えるために必要な乾燥領域の層厚の下限以上とするとともに、乾燥領域においてバイオマスを乾燥させるとともに、熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように乾燥領域の層厚の上限以下に調整するように設定されている乾燥領域層厚調整手段と、可燃ガス生成量及びタール生成量の調整手段とを有し、該乾燥領域層厚調整手段は、バイオマス供給量調整装置とガス化剤供給量調整装置を有し、
上記バイオマス供給量調整装置は、熱分解炉へのバイオマス供給量を調整し、ガス化剤供給量調整装置によるガス化剤供給量の調整と協働して、充填移動層の層高を調整し、乾燥領域層厚を所定範囲に調整するように設定されており、ガス化剤供給量調整装置は、ガス化剤供給量を調整し、バイオマス供給量調整装置によるバイオマス供給量の調整と協働して、充填移動層の層高を調整し、乾燥領域層厚を所定範囲に調整するように設定されており、さらに、可燃ガス生成量及びタール生成量の調整手段は、空気供給量と水蒸気供給量を調整し、熱分解炉から取り出される可燃ガス量とタール量を調整可能とすることを特徴とするバイオマスの熱分解装置。
ガス化剤は、熱分解炉から取り出される可燃ガスの一部を循環して供給する循環可燃ガスを含み、ガス化剤供給量調整装置は、空気供給量と水蒸気供給量と循環可燃ガス供給量を調整し、熱分解炉から排出される可燃ガス量とタール量を調整可能であることとする請求項１に記載のバイオマスの熱分解装置。
ガス化剤は、不活性ガスを含み、ガス化剤供給量調整装置は、空気供給量と水蒸気供給量と不活性ガス供給量を調整し、熱分解炉から排出される可燃ガス量とタール量を調整可能であることとする請求項１に記載のバイオマスの熱分解装置。
竪型の熱分解炉の上部から炉内にバイオマスを供給して、供給されたバイオマスを乾燥する乾燥領域、バイオマスを熱分解してガスとタールを生成する熱分解領域、熱分解により発生した固定炭素をガス化する還元領域そして未燃の固定炭素及びバイオマスを部分酸化してガス化反応に必要な熱を発生する酸化領域を上部から下部に向って有するバイオマスの充填移動層を熱分解炉内に形成し、該熱分解炉の下部からガス化剤を供給し、充填移動層の降下するバイオマスを、上昇するガス化剤と向流接触させ熱分解させて生成ガスとタールを得る熱分解炉を備えるバイオマス熱分解方法において、
乾燥領域の層厚を、熱分解領域におけるバイオマスの棚吊りの発生を抑制するために十分な圧力を下方の層に与えるために必要な乾燥領域の層厚の下限以上とするとともに、乾燥領域においてバイオマスを乾燥させるとともに、熱分解領域で生成したタールの大部分を通過させるように乾燥領域の層厚の上限以下に調整するように、熱分解炉へのバイオマス供給量の調整とガス化剤供給量の調整とを相俟って行うことで、充填移動層の層高を調整し、乾燥領域層厚を所定範囲に調整し、さらに、空気供給量と水蒸気供給量を調整して熱分解炉から取り出される可燃ガス量とタール量を調整することを特徴とするバイオマスの熱分解方法。
ガス化剤は、熱分解炉から取り出される可燃ガスの一部を循環して供給する循環可燃ガスを含み、空気供給量と水蒸気供給量と循環可燃ガス供給量を調整して熱分解炉から排出される可燃ガス量とタール量を調整することとする請求項４に記載のバイオマスの熱分解方法。
ガス化剤は、不活性ガスを含み、空気供給量と水蒸気供給量と不活性ガス供給量を調整して熱分解炉から排出される可燃ガス量とタール量を調整することとする請求項４に記載のバイオマスの熱分解方法。