JP7661749B2 - タール除去フィルタ及びフィルタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、木質バイオマスを高温加熱することで生成される可燃性ガスに含まれるタールを除去するタール除去フィルタ及びフィルタ装置に関する。

動植物由来の再利用可能な有機性のエネルギー資源であるバイオマスは、ＣＯ_２抑制に係る地球温暖化防止や循環社会の構築に寄与するものとして注目されている。近年では、バイオマスの有効利用、特に、木質バイオマスに対するエネルギー利用に関する研究開発が積極的に進められている。

木質バイオマスは、例えば、間伐材、製材後の端材などの廃材、公園や植物園から出る剪定、刈込みで生ずる木屑、家屋の解体作業から出る木材などである。このような木質バイオマスは、再生可能な資源であり、地球環境保全の面でも優れた資源である。したがって、木質バイオマスの利用は、化石燃料の使用を抑制し、同時に、二酸化炭素の削減や地球温暖化を抑制する。

木質バイオマスを用いたバイオマス発電システムとして、例えば、木質バイオマスをボイラーなどにより直接燃焼し、燃焼時の熱で発生する高圧の蒸気を用いてタービンを回転させて発電を行う方式（直接燃焼方式）が挙げられる。また、バイオマス発電システムとして、例えば、木質バイオマスをガス化炉において加熱分解により生成される可燃性ガス（燃料ガス）を燃料としてエンジンを駆動させて発電を行う方式（ガス化方式）もある。

上述したように、直接燃焼方式の発電システムは、木質バイオマスを燃焼させたときの熱により発生した高圧の蒸気を用いてタービンを回転させるシステムである。このため、直接燃焼方式の発電システムは、システム全体が小規模であればあるほど放熱の影響が大きくなり、発電効率が悪いという欠点がある。一方、ガス化方式の発電システムは、加熱分解により発生する可燃性ガスの発生量に応じて発電出力を制御できるので、安定したエンジン稼働が可能となる。したがって、例えば、アップドラフト式ガス化炉等のガス化方式の発電システムは、直接燃焼方式の発電システムに比べて効率が良く、システム全体を小規模とすることが可能となる。

上述したガス化方式の発電システムにおいて、木質バイオマスの加熱分解により生成される可燃性ガスは、高分子の炭化水素であるタールを含んでいる。タールは、高温ではガス状であるが、低温になると凝集する性格を有する。したがって、可燃性ガスに含まれるタールは、ガスエンジンに送り込まれる過程で、配管の内部や、ファンなどに付着する。例えば、タールの付着量が多いと、ファンの回転が停止する可能性もあることから、タールの発生は、発電システム全体の発電性能を低下させることになる。また、ガス化方式の発電システム（ガス化発電設備）では、可燃性ガス（生成ガス）中のタールは、安定した操業にも悪影響を及ぼしている。特に、ブースターファンやガスエンジンの清掃時には、設備の停止に伴い、発電出力が抑制されるため、清掃頻度が多くなると所望の発電量が得られないためである。

そこで、例えば、ガス化発電システムでは、ガス冷却器や湿式電気集塵機などの他に、ＨＥＰＡフィルタ（高性能エアフィルタ：High Efficiency Particulate Air Filter）を用いて、排気ガスや可燃性ガスに含まれるタールを除去している（例えば、特許文献１参照）。

また、出願人は、おがくずを充填したソーダストフィルタ（おがくずフィルタ）を開発し、当該ソーダストフィルタ（おがくずフィルタ）を用いることによって、ブースターファンの清掃頻度を大きく低減させることに成功した。さらに、出願人がおがくずを充填したソーダストフィルタ（おがくずフィルタ）を用いたところ、ガスエンジンのターボ（ターボチャージャー）の清掃頻度を低下させる大きな変化も見られた（例えば、図１０参照）。なお、ソーダストとは、おがくずの意味である。

特開２００１－９０５１０号公報

しかしながら、さらに清掃頻度を低下させ、設備の停止時間を回避して、バイオマス発電システムでの発電効率を増加させることが求められている。

そこで、本件開示は、おがくずよりもガス状のタールの除去性能が良いフィルタ充填材を用いることにより、ガスエンジンのターボ及びブースターファンの清掃頻度を従来よりも低減させ、バイオマス発電システムの発電効率を従来よりも向上させることを目的とする。

一態様に係るタール除去フィルタは、上面及び下面が開口された扁平筒形状の枠体と、 枠体の内部に詰められた充填材と、枠体の上面の開口部分に設けられる上部金網と、枠体の下面の開口部分に設けられ、少なくとも、充填材の大きさよりも細かい網目を有する下部金網とを備え、充填材は、消石灰、又はくん炭であることを特徴とする。

なお、一態様に係るタール除去フィルタにおいて、充填材は、ガスに含まれるタールが付着して固化された後に金網から取り外されて、木質チップとともに、ガス化炉に投入されてもよい。

一態様に係るフィルタ装置は、上面及び下面が開口された扁平筒形状の枠体と、枠体の内部に詰められた充填材と、枠体の上面の開口部分に設けられる上部金網と、枠体の下面の開口部分に設けられ、少なくとも、充填材の大きさよりも細かい網目を有する下部金網とを有するタール除去フィルタと、タール除去フィルタが着脱自在に保持され、ガスが流れる方向に対して平行に且つ所定の間隔を空けて複数配置される棚段と、隣接する２つの棚段の間をガスが流れる方向に対して傾斜させて仕切る整流板とを有するフィルタ設置枠とを備え、充填材は、消石灰、活性炭、又はくん炭のいずれかであることを特徴とする。

なお、一態様に係るフィルタ装置において、フィルタ設置枠を内部に有する装置本体をさらに備え、棚段は、上下方向に且つ所定の間隔を空けて複数配置され、整流板は、隣接する上下２つの棚段の間を装置本体の内部に送り込まれたガスの下流側に向けて下り傾斜させて仕切ってもよい。

また、一態様に係るフィルタ装置において、充填材は、ガスに含まれるタールが付着して固化された後に金網から取り外されて、木質チップとともに、ガス化炉に投入されてもよい。

本件開示によれば、おがくずよりもガス状のタールの除去性能が良いフィルタ充填材を用いることにより、ガスエンジンのターボ及びブースターファンの清掃頻度を従来よりも低減させ、バイオマス発電システムの発電効率を従来よりも向上させることができる。

バイオマス発電システムの一つであるガス化発電システムの一実施形態を模式的に示す図である。 図１に示すフィルタ装置の一例を示す図である。 図２に示すタール除去フィルタの一例を示す図である。 図１から図３に示すタール除去フィルタに充填する充填材の性能試験の概要を示す図である。 図４に示す性能試験に用いた充填材の概要を示す図である。 図４に示す性能試験の結果を示す図である。 図５に示す充填材（トレイ）の試験前後の状態を示す図である。 比較例としてタール除去フィルタに充填する充填材におがくずを用いた場合の性能確認の概要を示す図である。 図８に示す性能確認の結果（１）を示す図である。 図８に示す性能確認の結果（２）を示す図である。

以下、本件開示のタール除去フィルタ、フィルタ装置、及びバイオマス発電システムの実施形態について、図面を用いて説明する。

＜一実施形態＞
図１は、バイオマス発電システムの一つであるガス化方式の発電システム（以下、「ガス化発電システム」と称する。）１の一実施形態を模式的に示す図である。

図１に示すように、本実施形態のガス化発電システム１は、ガス化炉１２に投入される木質バイオマスを高温加熱することで可燃性ガス（燃料ガス）２４を生成し、生成した可燃性ガス２４を燃料としてガスエンジン１８を駆動させて発電を行うシステムである。なお、ガス化炉１２に投入される木質バイオマスとして、木質チップ２１（ペレットを含む）が挙げられる。木質チップ２１は、間伐材、製材後の端材や廃材、公園や植物園から出る剪定、刈込みで生ずる木屑、家屋の解体作業から出る木材等を不図示の破砕棟で砕いたものである。

図１に示すように、ガス化発電システム１は、ホッパー１１と、ガス化炉１２と、生成ガス冷却器１３と、湿式電気集塵機１４とを有する。また、ガス化発電システム１は、フィルタ装置１５と、ブースターファン１６と、ＨＥＰＡフィルタ１７と、ガスエンジン１８と、熱交換器１９と、排気塔２０とを有する。

ホッパー１１は、ガス化炉１２に投入される木質チップ２１を貯留する装置である。なお、ホッパー１１の内部に貯留される木質チップ２１は、コンベヤ装置１１ａによりガス化炉１２に向けて搬送され、ガス化炉１２の上方から、ガス化炉１２の内部に投入される。

ガス化炉１２は、炉内温度（言い換えればガス化温度）が所定の温度範囲となるように炉内で保持される。ガス化炉１２は、例えば、固定床、移動床、流動床、噴流床などの炉の形式や、直接加熱（直接ガス化方式）と間接加熱（間接ガス化方式）の加熱の方法がある。したがって、ガス化炉１２は、使用条件に基づいて、炉の形式と加熱の方法とが組み合わされたものを使用する。

ガス化炉１２は、上方から木質チップ２１を投入する一方で、下方に設けた吹込口からガス化剤２３を炉の内部に送り込む。なお、ガス化剤２３は、例えば、空気・酸素・水蒸気などの混合物である。なお、ガス化剤２３は、温水２８で予熱された後、ガス化炉１２に送り込まれる。

ガス化炉１２では、炉の上部から投入される木質チップ２１と、炉の下部から投入されるガス化剤２３とが熱反応（熱分解）し、可燃性ガス（一酸化炭素、二酸化炭素、水素、メタンなど）２４と、チャー（灰）とを生成される。ここで、ガス化炉１２の内部で生成される可燃性ガス２４は、タール分や炭素微粒子を多く同伴している。この可燃性ガス２４は、ガス化炉１２の上部から、生成ガス冷却器１３に送り出される。

生成ガス冷却器１３は、ガス化炉１２から送り出される可燃性ガス２４を、２つの生成ガス冷却器１３ａ，１３ｂを用いて冷却する。可燃性ガス２４の冷却の過程で、可燃性ガス２４から、水分やタール２５（木タールと木酢液）が除去される。ここで、ガス化炉１２から生成ガス冷却器１３に向けて送り出された可燃性ガス２４の温度は、例えば７５℃である。生成ガス冷却器１３が有する１つ目の生成ガス冷却器１３ａにおいて、可燃性ガス２４は、例えば５５℃まで冷却され、２つ目の生成ガス冷却器１３ｂにおいて、さらに、例えば３５℃まで冷却される。

湿式電気集塵機１４は、生成ガス冷却器１３で冷却された可燃性ガス２４に残留するタール２５および水分を捕集する装置である。

フィルタ装置１５は、可燃性ガス２４に含まれるタール２５を除去する。なお、フィルタ装置１５の詳細については、後述する。

ブースターファン１６（以下、「ファン１６」とも称する。）は、湿式電気集塵機１４からの可燃性ガス２４を引き込み、ＨＥＰＡフィルタ１７に向けて送り出す。ファン１６により後段側に送り出された可燃性ガス２４は、ファン１６による送り出しの過程で加圧される。その結果、ファン１６により湿式電気集塵機１４から引き込まれた可燃性ガス２４の温度は、例えば３５℃であるが、ファン１６から送り出される可燃性ガス２４の温度は、ファン１６による加圧により、例えば６５℃まで加温される。

ＨＥＰＡフィルタ１７は、空気中からゴミ、塵埃などを取り除き、清浄空気にする目的で使用するエアフィルタの一種である。ＨＥＰＡフィルタ１７は、主に直径１～１０μｍ以下のガラス繊維でできている。ここで、ＨＥＰＡフィルタ１７は、一般に水濡れに弱いため、可燃性ガス２４の温度が低いファン１６の上流には配置することができない。一方、ファン１６の下流は、断熱圧縮効果により、可燃性ガス２４の温度が例えば６５℃であるため、ファン１６の上流よりも可燃性ガス２４の温度が高く、相対湿度が低いため、ＨＥＰＡフィルタ１７を配置することが可能である。このため、本実施形態では、ファン１６の上流にフィルタ装置１５が配置され、ファン１６の下流にＨＥＰＡフィルタ１７が配置されている。

ガスエンジン１８は、フィルタ装置１５及びＨＥＰＡフィルタ１７によりタール２５が除去された可燃性ガス２４を燃料として駆動することで発電を行う装置である。

熱交換器１９は、ガスエンジン１８からの排気ガス２７と、循環される温水２８との間で熱交換を行う装置である。

排気塔２０は、ガスエンジン１８からの排気ガス２７を排出する煙突である。

可燃性ガス２４は、木質バイオマスの一例である木質チップ２１とガス化剤２３とを用いてガス化炉１２にて生成されたガスである。ここで、可燃性ガス２４は、図１で符号２４を付した矢印に示すように流れる。可燃性ガス２４は、生成直後は高温であり、タール２５や水分を多く含んでいる。可燃性ガス２４は、生成ガス冷却器１３、湿式電気集塵機１４を経由することで、冷却され、また、タール２５と水分とを含んだタール含有水２６を除去する。湿式電気集塵機１４から送り出された可燃性ガス２４は、フィルタ装置１５を通過し、ファン１６により加圧された状態でＨＥＰＡフィルタ１７に到達する。可燃性ガス２４は、フィルタ装置１５及びＨＥＰＡフィルタ１７を通過するときに、タール２５が除去される。フィルタ装置１５及びＨＥＰＡフィルタ１７を通過した可燃性ガス２４は、清浄なガスとなってガスエンジン１８に送り込まれる。

タール２５は、炭化水素・フェノール類・酢酸などが含まれるものであり、有機物質の熱分解によって得られる、粘り気のある黒から褐色の油状の液体である。

タール含有水２６は、主に木質チップ２１に含まれる水分と、水蒸気改質用に供給する加湿水と、タール２５とから構成される。タール含有水２６は、木質チップ２１に含まれる水分と、水蒸気改質に使用されなかった水蒸気とが、生成ガス冷却器１３と湿式電気集塵機１４とで凝縮されて可燃性ガス２４から分離され、タール２５とともに排出されたものである。なお、排出されたタール含有水２６は、重質タールと軽質タールとに比重分離され、重質タールは、不図示のタール燃焼装置の重質タールバーナーで燃焼焼却され、軽質タールは、熱交換等された後、不図示のタール燃焼装置で燃焼焼却される。

排気ガス２７は、ガスエンジン１８から排出されるものである。排気ガス２７は、熱交換器１９によって熱交換された後、排気塔２０から排出される。

温水２８は、ガスエンジン１８からの排気ガス２７で熱交換されたものであり、ガス化炉１２で使用するガス化剤２３の余熱や、不図示のタール燃焼装置における空気の余熱等に利用される。

次に、図２を用いて、フィルタ装置１５について説明する。図２は、図１に示すフィルタ装置１５の一例を示す図である。

図２に示すように、フィルタ装置１５は、装置本体３１と、フィルタ設置枠３３と、扉３４と、複数のタール除去フィルタ３５とを有する。

装置本体３１は、例えば直方体状であり、上面に可燃性ガス２４が流入する流入口３６と、可燃性ガス２４が送り出される送出口３７とを有する。ここで、フィルタ装置１５の装置本体３１の下部にはタール２５が溜まるため、下面に流入口３６と送出口３７とを有した場合には、タール２５が流入口３６と送出口３７とを伝って下方の設備のメンテナンスを行う必要が生じてしまう。このため、流入口３６と送出口３７とは、装置本体３１の上部に設けられる。しかしながら、下部に溜まるタール２５の影響を受けない位置であれば、流入口３６と送出口３７とを設ける位置は、装置本体３１の上部に限定する必要はない。また、装置本体３１は、複数のタール除去フィルタ３５が設置されるフィルタ設置枠３３を有し、フィルタ設置枠３３の上流側及び下流側に、装置本体３１内部を清掃する、又は複数のタール除去フィルタ３５を交換する等の作業スペースを有する。

フィルタ設置枠３３は、装置本体３１の内部において、流入口３６と送出口３７との間の領域に設置される。つまり、装置本体３１の内部において、流入口３６又は送出口３７の下方には、上述した作業スペースが設けられる。この作業スペースは、フィルタ装置１５により可燃性ガス２４中のタール２５を除去する過程では、可燃性ガス２４が流れる空間となる。この空間を設けることで、装置本体３１の内部に流入した可燃性ガス２４が、フィルタ設置枠３３の棚段４１に保持したタール除去フィルタ３５に満遍なく行き渡る。なお、装置本体３１は、その内部において、作業スペースを省いて、流入口３６から流入する可燃性ガス２４がフィルタ設置枠３３の棚段４１に保持したタール除去フィルタ３５に直接案内される構成を有してもよい。

フィルタ設置枠３３は、複数のタール除去フィルタ３５を上下方向に所定間隔を空けて保持する。本実施形態では、タール除去フィルタ３５がフィルタ設置枠に６段保持されている。フィルタ設置枠３３は、上面及び図中左右側面が開口されている。フィルタ設置枠３３は、複数の棚段４１と、上下２つの棚段４１の間に配置される整流板４２とを有する。

棚段４１は、タール除去フィルタ３５を着脱自在に保持する。つまり、各棚段４１に保持されるタール除去フィルタ３５は、交換可能である。

整流板４２は、上下２つの棚段４１のうち、上部に位置する棚段４１の手前（図２中左側端部）側から、下部に位置する棚段４１の奥（図２中右側端部）側に向けて下り傾斜する板材である。したがって、フィルタ設置枠３３の各棚段４１にタール除去フィルタ３５が設置されている場合、装置本体３１の流入口３６から流入する可燃性ガス２４は、フィルタ設置枠３３の各整流板４２により整流される。これにより、可燃性ガス２４は、棚段４１に保持したタール除去フィルタ３５を上から下に向けて通過する。その過程で、可燃性ガス２４に含まれるタール２５が除去される。フィルタ設置枠３３の幅、高さ、奥行きは、例えば、幅×高さ×奥行き＝６１０ｍｍ×６１０ｍｍ×３００ｍｍである。また、フィルタ設置枠３３の重さは、例えば、約３５ｋｇである。

扉３４は、作業者が装置本体３１内部を清掃する、又は複数のタール除去フィルタ３５を交換する場合に開閉される。

次に、図３を用いて、タール除去フィルタ３５の構成について説明する。図３は、図２に示すタール除去フィルタ３５の一例を示す図である。

図３に示すように、タール除去フィルタ３５は、水平方向に扁平な直方体状（トレイ状）である。なお、タール除去フィルタ３５の形状は、直方体状には限られず、水平方向に扁平な形状であれば設置場所の状態によっては他の形状でもよい。

タール除去フィルタ３５は、枠体５１と、上部金網５２と、下部金網５３と、充填材５４とを有する。

枠体５１は、上面及び下面が開口された枠形状（扁平筒形状）である。枠体５１の幅、高さ、奥行きは、例えば、幅×高さ×奥行き＝６１０ｍｍ×４０ｍｍ×３００ｍｍである。枠体５１は、その一辺に、把持部５２ａを有する。把持部５２ａは、タール除去フィルタ３５を棚段４１から引き出す際に把持される。

上部金網５２は、枠体５１の上面の開口部分に配置される。なお、上部金網５２は、網目の大きさが例えば１０ｍｍ×１０ｍｍのクリンプ金網である。ここで、上部金網５２は、一端が枠体５１に対して水平方向に軸支されて、他端が上下方向に開閉可能に保持されるものであってもよいし、枠体５１から着脱可能なものであってもよい。

下部金網５３は、枠体５１の下面の開口部分に配置される。下部金網５３は、網目の大きさが、例えば、２０ｍｍ×２０ｍｍのクリンプ金網５３ａと、２０メッシュの金網５３ｂとを有する。なお、２０メッシュの金網５３ｂの材質は、例えば、ステンレスである。下部金網５３は、例えば、下方から、クリンプ金網５３ａ、金網５３ｂの順で積層された状態で、枠体５１の下面の開口部分に配置される。なお、下部金網５３は、枠体５１と一体成型されたものでもよいし、枠体５１から着脱可能であってもよい。

充填材５４は、後述のとおり、石灰石６１と、消石灰６２と、活性炭６３と、くん炭６４とを用いる。充填材５４は、下部金網５３を保持した枠体５１の内部に満遍なく詰められる。なお、枠体５１の内部に詰められる充填材５４の高さは、例えば、枠体５１の高さである４０ｍｍ又はそれ以下となる。従来、充填材５４としておがくず６５を用いていたときの枠体５１の高さは２０ｍｍであった。今回、枠体５１の高さを４０ｍｍとすることで、枠体５１の高さが２０ｍｍのときと比べて、より多くの充填材５４を詰めることができるため、より多くのガス状のタール２５を除去することができる。

上述したように、下部金網５３は、クリンプ金網５３ａの上方に２０メッシュの金網５３ｂを積層したものである。一方、充填材５４は、例えば１０メッシュの篩にかけて残った２ｍｍ角程度又はそれ以上の大きさである。一般に、２０メッシュの金網の網目（目開き）は、最大でも１ｍｍ×１ｍｍ程度なので、枠体５１の内部に詰められた充填材５４は、下部金網５３の網目よりも大きく、下部金網５３から落下することは無い。なお、少なくとも充填材５４の大きさが下部金網５３の網目の大きさよりも大きければよいため、充填材５４の大きさが下部金網５３の網目の大きさよりも明らかに大きい場合は、充填材５４は充填する前に篩にかけなくてもよい。また、下部金網５３は、２枚の金網を積層したものには限られず、１枚の金網であっても、３枚以上の金網を積層したものであってもよい。

このような構成のタール除去フィルタ３５は、扁平なトレイ状である。したがって、フィルタ装置１５を通過する可燃性ガス２４が接触する面積は、十分に確保される。また、タール除去フィルタ３５として、上記の充填材５４を用いることで、可燃性ガス２４に含まれるタールは、タール除去フィルタ３５を通過する際に充填材５４に付着し、フィルタ通過後の可燃性ガス２４からタール２５が除去される。なお、タール除去フィルタ３５を扁平なトレイ状とすることで、タール２５が充填材５４に付着しても、圧力損失を抑制することができる。

＜性能試験＞
次に、本実施形態のタール除去フィルタ３５を用いた性能試験について説明する。

図４は、図１から図３に示すタール除去フィルタ３５に充填する充填材５４の性能試験の概要を示す図である。なお、以下の性能試験の説明において、図１から図３に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

出願人は、図２に示すフィルタ装置１５を用いて、充填材５４の性能試験を行った。性能試験に用いたフィルタ装置１５は、図２と同一の構成を有し、棚段４１を６段有している。それぞれの棚段４１にタール除去フィルタ３５を配置したため、６段のタール除去フィルタ３５が配置された。性能試験に用いたタール除去フィルタ３５は、図３と同一の構成を有し、幅×高さ×奥行き＝６１０ｍｍ×４０ｍｍ×３００ｍｍの枠体５１に上部金網５２と下部金網５３が配置されている。すなわち、枠体５１の高さは４０ｍｍであり、充填材５４を詰め込み可能な容積はおよそ４３．２Ｌとなった。

性能試験では、図４に示す６段のそれぞれのタール除去フィルタ３５に、充填材５４を充填して、入口のガス状のタール２５（「ガス状タール２５」とも称する。）の濃度と、出口のガス状タール２５の濃度とをそれぞれ測定した。そして、各充填材５４において、入口のガス状タール２５の濃度と出口のガス状タール２５の濃度との差から、何％ガス状タールが除去されたかを測定した。測定は、充填材５４を充填してから、２時間後、５時間後、及び２４時間後に行われた。

図５は、図４に示す性能試験に用いた充填材５４の概要を示す図である。性能試験には、充填材５４として、石灰石６１と、消石灰６２と、活性炭６３と、くん炭６４とが使用された。なお、比較例として、不図示のおがくず６５も使用された。

石灰石６１は、鉱物である方解石・霰石、あるいは岩石である石灰岩・結晶質石灰岩（大理石）を、資源として扱うときの鉱石名または商品名である。石灰石６１は、炭酸カルシウムＣａＣＯ_３で表されるカルシウムの炭酸塩である。図５によれば、石灰石６１は、粒径が５～１３ｍｍで、１回の必要量、言い換えると１台のフィルタ装置１５に必要な１回の充填量は５６ｋｇであり、１回の必要量の参考価格は３，１００円であった。

消石灰６２は、元々は石灰石からできたものであり、石灰石を砕いたものを炉で焼成し、加水して消化・熟成させたものである。消石灰６２は、水酸化カルシウムＣａ（ＯＨ）_２で表されるカルシウムの水酸化物である。図５によれば、消石灰６２は、粒径が２～５ｍｍで、１回の必要量は４３ｋｇであり、１回の必要量の参考価格は１，５００円であった。

活性炭６３は、吸着効率を高めるために化学的または物理的な処理（活性化、賦活）を施した多孔質の炭素を主な成分とする物質である。活性炭６３は、大部分の炭素の他、酸素、水素、カルシウムなどからなる多孔質の物質であり、多孔質であるために、体積の割に広い表面積を持つため、多くの物質を吸着する性質がある。このため、活性炭６３は、脱臭や水質浄化や有害物質吸着除去などに用いられる。図５によれば、活性炭６３は、粒径が８ｍｍで、１回の必要量は２２ｋｇであり、１回の必要量の参考価格は２８，０００円であった。

くん炭６４は、もみ殻や木屑を蒸し焼きにして炭化させたものであり、多孔性で通気性がよく、土壌改良材として用いられる。くん炭６４は、米を精米するときに出る本来捨てられるもみ殻を使うため、低コストで作成することが可能である。くん炭６４は、農協や、ホームセンター、農業資材を取り扱っている店舗で販売されていることが多い。なお、もみ殻（籾殻）とは、籾（籾米）の最も外側にある皮の部分のことである。図５によれば、くん炭６４は、粒径が１．７ｍｍ以上で、１回の必要量は４ｋｇであり、１回の必要量の参考価格は１，２００円であった。

不図示のおがくず６５は、不図示のチップ破砕棟で間伐材等の木材から木質チップ２１を製造する際に発生するものである。おがくず６５は、ナフタレンやフェナントレンなど、タール２５に含まれる炭化水素を吸着する性質を有することが知られている。おがくず６５は、例えば１０メッシュの篩にかけて残った２ｍｍ角程度の大きさのものが用いられた。なお、おがくず６５は、本来、木質チップ２１の製造時に発生する廃棄物であるため、おがくず６５には、コストは掛かっていない。

図６は、図４に示す性能試験の結果を示す図である。図６は、図５に示す各充填材５４及び不図示のおがくず６５について、２時間経過後の充填材のガス状タール２５の除去比を表している。図６において、縦軸は、ガス状タール２５の除去比であり、横軸は、各充填材を示す。図６は、図５に示す各充填材５４を充填してから、２時間経過後のおがくず６５のガス状タール２５の除去量を１とした場合の各充填材５４の除去比を示している。

図６に示すとおり、２時間経過後において、おがくず６５のガス状タール２５の除去量を１とした場合、石灰石６１も１であり、ガス状タール２５の除去量は、おがくず６５とほぼ同量であった。一方、消石灰６２は、約１．５であり、充填材５４として、おがくず６５よりも１．５倍優れた性能を示した。また、一般に除去率が良いとされている活性炭６３は、約１．９であり、充填材５４として、おがくず６５よりも約２倍優れた性能を示した。そして、くん炭６４は、約３．３となり、充填材５４として、おがくず６５よりも３倍以上も優れた性能を示し、性能試験で用いられた充填材５４の中では、際立って高い性能を示した。

図７は、図５に示す充填材（トレイ）の試験前後の状態を示す図である。図７において、左から、石灰石６１、消石灰６２、活性炭６３、及びくん炭６４についての試験前後の状態を示すものであり、上段は、試験前の充填材５４の状態を示す。また、中段は、試験後のトレイ（上部金網５２を取り外し充填材５４を取り除いたタール除去フィルタ３５の下部金網５３の上面）の状態を示し、下段は、圧力損失（及び２４時間後の圧力損失）を示す。なお、比較例として用いられたおがくず６５は図示していない。

図７に示すとおり、石灰石６１を充填材５４として用いたタール除去フィルタ３５は、試験後のトレイがかなり汚れている。これは、図６に示すように、石灰石６１はおがくず６５とガス状タール２５の除去性能が同等ではあるが、石灰石６１によっては、ガス状と粒子状のタール２５がその他の充填材５４よりも除去されなかったためと考えられる。そして、その結果、図７に示すように、トレイの枠体５１や下部金網５３にタール２５がこびりついてしまったのではないかと考えられる。石灰石６１の圧力損失は、１３０～１５０Ｐａであるが、２４時間後においても１５０Ｐａであり、圧力損失は、ほとんど変わらなかった。

消石灰６２を充填材５４として用いたタール除去フィルタ３５は、試験後のトレイは、比較的綺麗であるものの、縁が汚れている。これは、消石灰６２によって、ガス状と粒子状のタール２５が除去されてはいるものの、除去しきれずにトレイの枠体５１や下部金網５３の縁にタール２５が付着してしまったものであると考えられる。但し、消石灰６２の圧力損失は、３１０～３３０Ｐａであるが、２４時間後においては、２２１０Ｐａとなり、圧力損失が非常に高い数値となってしまった。ここで、消石灰６２は、アルカリ性であるが、タール２５の成分は、木質バイオマスのガス化後のガス中に含まれる液体粒子に酢酸などの酸成分と一緒に含まれているものである。液体粒子に含まれるタール２５を除去する原理は、アルカリ性の消石灰６２と酸性の液体粒子との化学的な中和反応を期待したものであるため、圧力損失が高まったのは、消石灰６２が中和反応により溶解し、充填材５４同士が固着したためと考えられる。

活性炭６３を充填材５４として用いたタール除去フィルタ３５は、試験後のトレイは、かなり綺麗である。これは、活性炭６３によって、ガス状と粒子状のタール２５がかなり除去され、トレイの枠体５１や下部金網５３には、タール２５はほとんど付着しなかったためであると考えられる。活性炭６３の圧力損失は、１９０～２００Ｐａであるが、２４時間後においても２００Ｐａであり、圧力損失は、ほとんど変わらなかった。

くん炭６４を充填材５４として用いたタール除去フィルタ３５は、試験後のトレイは、かなり綺麗である。これは、くん炭６４によって、ガス状と粒子状のタール２５がかなり除去され、トレイの枠体５１や下部金網５３には、タール２５はほとんど付着しなかったためであると考えられる。くん炭６４の圧力損失は、２９０～３１０Ｐａであり、２４時間後においては、３３０Ｐａであったため、圧力損失の数値が若干高くなったものの、大きな差は無かった。

上記の出願人の性能試験の結果により、図６に示すガス状タール２５の除去比の結果において、充填材５４としてくん炭６４を充填した場合、他の充填材５４を充填した場合と比較して、際立って最も良好な結果を示した。また、くん炭６４は、図５に示す表から、最も軽量で、最も安価な充填材５４である。また、図７に示す表から、トレイの汚れもほとんどなく、圧力損失もほとんど変わらない。このため、本実施形態のタール除去フィルタ３５を有するフィルタ装置１５において、充填材５４として最も優れているのはくん炭６４であることが分かった。

また、図６に示すガス状タール２５の除去比の結果において、充填材５４として活性炭６３を充填した場合、くん炭６４には及ばないものの、他の充填材５４と比べて良好な結果を示している。また、活性炭６３は、図５に示す表から、価格は高価ではあるものの、比較的軽量な充填材５４である。また、図７に示す表から、トレイの汚れもほとんどなく、圧力損失もほとんど変わらない。このため、本実施形態のタール除去フィルタ３５を有するフィルタ装置１５において、性能はくん炭６４には及ばず、価格が高価であることが難点ではあるものの、活性炭６３も十分充填材５４として用いることができることが分かった。

また、図６に示すガス状タール２５の除去比の結果において、充填材５４として消石灰６２を充填した場合、おがくず６５や石灰石６１よりも良好な結果を示している。また、消石灰６２は、図５に示す表から、重量は若干重たいものの、価格は安価である。また、図７に示す表から、トレイは縁が汚れる程度である。但し、２４時間後の圧力損失が非常に高い数値となっている。このため、本実施形態のタール除去フィルタ３５を有するフィルタ装置１５において、重量が若干重たく、圧力損失に難点があるものの、性能としては、消石灰６２も十分充填材５４として用いることができることが分かった。

一方、図６に示すガス状タール２５の除去比の結果において、充填材５４として石灰石６１を充填した場合、おがくず６５と結果はほとんど変わらなかった。また、石灰石６１は、図５に示す表から、価格は若干高価であり、重量も重たい。また、図７に示す表から、圧力損失はほとんど変わらないものの、トレイはかなり汚れている。このため、本実施形態のタール除去フィルタ３５を有するフィルタ装置１５において、おがくず６５の代わりに石灰石６１を充填材５４として用いることは難しいことが分かった。

＜おがくずを用いた場合＞
次に、比較例として、タール除去フィルタの充填材５４としておがくずを用いた場合の性能確認について説明する。

図８は、比較例としてタール除去フィルタ３５’に充填する充填材５４におがくず６５を用いた場合の性能確認の概要を示す図である。なお、以下の性能試験の説明において、図１から図３に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

出願人は、図８に示すフィルタ装置１５’を用いて、充填材５４としておがくず６５を用いた場合の性能確認を行った。上述のとおり、木質チップ２１の製造時に発生するおがくず６５は、タール２５を吸着する性質を有するため、出願人は、おがくず６５を充填材５４として用いて性能確認を行った。図８に示すとおり、タール２５を含むガスは、おがくず６５を通過して後段へと流れるため、おがくず６５でタール２５が、吸着・除去される。

図８に示すフィルタ装置１５’において、タール除去フィルタ３５’における枠体５１の高さは２０ｍｍである。そして、フィルタ装置１５’は、棚段４１を７段有している。それぞれの棚段４１にタール除去フィルタ３５’を配置したため、７段のタール除去フィルタ３５’が配置された。図８に示す性能確認に用いたタール除去フィルタ３５’は、幅×高さ×奥行き＝６１０ｍｍ×２０ｍｍ×３００ｍｍの枠体５１に上部金網５２と下部金網５３が配置されている。

出願人は、図１に示すガス化発電システム１において、１５に示す位置に、図８に示すフィルタ装置１５’を設置してガス化発電システム１を運転し、タール除去フィルタ３５’としての性能と、清掃頻度及び発電量の変化とを確認した。

図９は、図８に示す性能確認の結果（１）を示す図である。図９では、おがくず６５を充填材５４として用いた場合のタール除去フィルタ３５’としての性能を確認した結果である。

図９において、おがくず６５の、左から、使用前、２日経過、及び４日経過の、上から、タールの付着状況、色差（ΔＥ）、タール付着量（ｇ－ｔａｒ／ｇ－ｓａｗｄｕｓｔ）、及び圧力損失（Ｐａ）が示されている。なお、色差ΔＥは、色空間上の２点間距離（サンプル試料と白紙との差）であり、圧力損失は、参考として、ＨＥＰＡフィルタが２７０Ｐａである。以下、一部単位を省略して記載する。

使用前のおがくず６５は、タール２５が付着しておらず綺麗な木の色である。そして、使用前のおがくず６５の色差は６１であり、圧力損失は１２０であった。

２日経過のおがくず６５は、タール２５が少し付着したためこげ茶色になっていた。そして、２日経過のおがくず６５は、色差は７６であり、タール付着量は０．４７ｇ－ｔａｒ／ｇ－ｓａｗｄｕｓｔであり、圧力損失は１２０であった。

４日経過のおがくず６５は、タール２５が多く付着したため黒くなっていた。そして、４日経過のおがくず６５は、色差は８４であり、タール付着量は０．９１ｇ－ｔａｒ／ｇ－ｓａｗｄｕｓｔであり、圧力損失は１３０であった。

上記の性能確認の結果から、日数が経過するにつれて、色差、タール吸着量が増加しており、タールの吸着を確認することができた。また、圧力損失についても、ＨＥＰＡフィルタの初期圧力損失が２７０Ｐａであるのに対して、１２０～１３０ＰａとＨＥＰＡフィルタよりも低い値で安定して運転されたことが確認できた。この結果から、おがくず６５を充填材５４として用いたタール除去フィルタ３５’によれば、タール２５の除去が可能であり、圧力損失において、ＨＥＰＡフィルタよりも優位であることが分かった。

図１０は、図８に示す性能確認の結果（２）を示す図である。図１０の左側は、図１に示すガス化発電システム１において、１５に示す位置に、図８に示すフィルタ装置１５’を設置する前の清掃頻度（上段）と発電量（下段）とを示す。図１０の右側は、図１に示すガス化発電システム１において、１５に示す位置に、図８に示すフィルタ装置１５’を設置した後の清掃頻度（上段）と発電量（下段）とを示す。

図１０の上段の表において、タール２５の清掃を行った日が○印で示されている。フィルタ装置１５’を設置する前の清掃頻度を示す左側では、ガスエンジン１８は、毎週清掃が行われており、ブースターファン１６は、４週間に１回清掃が行われている。一方、フィルタ装置１５’を設置した後の清掃頻度を示す右側では、ガスエンジン１８は、約２週間に１回清掃が行われており、ブースターファン１６は、約１２週間に１回清掃が行われている。このため、おがくず６５を充填材５４として用いたタール除去フィルタ３５’が配置されたフィルタ装置１５’を設置したことで、ガスエンジン１８及びブースターファン１６のいずれも清掃頻度が減少したことが確認できた。

図１０の下段のグラフにおいて、１日の発電量が示されている。縦軸が１日当たりの発電量であり、横軸が日付である。グラフが高いほど、その日の発電量が多いことになる。例えば、グラフ中の最大値は、ガス化発電システム１がフル稼働して、最大発電量まで発電したことを示している。すなわち、グラフの占有する面積が大きいほど、発電量が多いことになる。発電量が多ければ、その分収入も多くなるため、発電効率を上げることは、プラントにとって重要課題である。この点、おがくず６５を充填材５４として用いたタール除去フィルタ３５’が配置されたフィルタ装置１５’を設置したことで、ガス化発電システム１の清掃頻度が減り、フル稼働する時間が長くなったため、発電量が増加したことが確認できた。なお、下段の左右両グラフの中央付近の発電量が少ないのは、ガス化発電システム１において本発明とは関連のない設備のメンテナンスを行った関係で、数日間稼働を停止したことによるものである。

＜一実施形態の作用効果＞
以上、図１から図７に示す実施形態によれば、タール除去フィルタ３５の充填材５４として、消石灰６２、活性炭６３、又はくん炭６４を用いれば、これらを用いないよりも多くのガス状のタール２５を除去することができる。

また、図８から図１０に示す性能確認の結果から、おがくず６５を充填材５４として用いたタール除去フィルタ３５’を用いることで、これを用いない場合よりも、タール２５を多く除去できることが分かった。そして、これにより、ガス化発電システム１の清掃頻度が減少し、発電量が増加することが分かった。

一方、図４から図７に示す性能試験の結果から、図１から図７で説明した実施形態で充填材５４として用いた消石灰６２、活性炭６３、及びくん炭６４は、おがくず６５よりもガス状のタール２５の除去性能が良好であることが分かった。このため、タール除去フィルタ３５の充填材５４としておがくず６５に変えて消石灰６２、活性炭６３、又はくん炭６４を用いれば、上記の図８から図１０に示す結果よりも良好にガス状のタール２５を除去することができる。

このため、図１から図７で説明した実施形態によれば、おがくず６５よりもガス状のタール２５の除去性能が良いフィルタ充填材５４を用いることにより、ガスエンジン１８のターボ及びブースターファン１６の清掃頻度を従来よりも低減させることができる。これにより、ガス化発電システム１における発電効率を従来よりも向上させることができる。すなわち、タール除去フィルタ３５の充填材５４として消石灰６２、活性炭６３、又はくん炭６４を用いれば、充填材５４としておがくず６５を用いたときよりもガス化発電システム１の清掃頻度を低減させることができ、発電効率を向上させることができる。

＜実施形態の補足事項＞
以上、図１から図７に示す実施形態によれば、ファン１６の上流にフィルタ装置１５が設けられている。しかし、ＨＥＰＡフィルタ１７に代えて、又はＨＥＰＡフィルタ１７と併用してファン１６の下流にもフィルタ装置１５が設けられてもよい。また、フィルタ装置１５は、直列又は並列に複数設けられてもよい。これにより、ファン１６やＨＥＰＡフィルタ１７やガスエンジン１８の清掃等のメンテナンス頻度がさらに低減され、一層発電効率を向上させることができる。

なお、図１から図７に示した実施形態では、タール除去フィルタ３５を複数有するフィルタ装置１５を、ガスエンジン１８を用いたバイオマス発電システムに利用することについて説明したが、これには限られない。フィルタ装置１５は、ガスタービンを用いたバイオマス発電システムに用いてもよい。この場合も、図１から図７に示した実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、図１から図７に示した実施形態では、消石灰６２、活性炭６３、又はくん炭６４のいずれかを用いていたが、これらを２つ以上用いてもよい。あるいは、フィルタ装置１５が、直列又は並列に複数設けられ、それぞれのフィルタ装置１５に、消石灰６２、活性炭６３、又はくん炭６４のうちのそれぞれ別の充填材５４を１つ又は２つ以上用いてもよい。

また、図１から図７に示した実施形態では、消石灰６２、活性炭６３、又はくん炭６４のいずれかを用いていたが、おがくず６５を充填材５４として用いたものを併用してもよい。あるいは、消石灰６２、活性炭６３、又はくん炭６４が用いられたフィルタ装置１５とおがくず６５を用いたフィルタ装置１５’とを、直列又は並列に複数併用してもよい。

また、タール２５は、元々は木質バイオマスであるため、発熱量を有するものであるが、配管等に付着して問題を起こすものであるため、設備の定期点検時に除去されて燃焼焼却処分していたものである。図１から図７に示すタール除去フィルタ３５では、タール２５は充填材５４に付着してブリケット状に固化される。したがって、ブリケット状に固化されたタール２５及び充填材５４は、タール除去フィルタ３５のトレイ（タール除去フィルタ３５の下部金網５３）から取り外されて、木質チップ２１とともにガス化炉１２の燃料として投入することができる。

なお、タール２５が充填材５４に付着したときにブリケット状に固化されない場合は、ブリケットマシーン等でブリケット状にして木質チップ２１とともにガス化炉１２の燃料として投入してもよい。これにより、結果的に、廃棄物である充填材５４の量を抑制することができ、また、タール２５もガス化炉１２の燃料として再利用することができる。その結果、図１から図７に示す充填材５４を用いたタール除去フィルタ３５を用いることで、バイオマス発電システムにおいて、従来よりも、廃棄物の量を抑制させることができるとともに、発電効率を向上させることができる。

また、タール除去フィルタ３５を有するフィルタ装置１５が用いられる施設は、ガス化発電システム１を始めとするバイオマス発電システムに限られない。例えば、タール除去フィルタ３５を有するフィルタ装置１５は、ごみ、汚泥、又は木材等の有機物を炭化炉で熱分解した際に、炭化物とともにタール２５を有するガスが発生するような炭化の施設に用いられてもよい。また、自動車会社の実験施設等であって、エンジン排ガスを燃焼してＶＯＣ（揮発性有機化合物：Volatile Organic Compounds）を除去する際にタール２５が発生するような施設などに用いられてもよい。すなわち、タール除去フィルタ３５を有するフィルタ装置１５は、タール２５を排出する施設であれば、バイオマス発電システムに限らず他の施設やシステムでも用いることが可能である。

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。

１…ガス化発電システム；１１…ホッパー；１２…ガス化炉；１３…生成ガス冷却器；１４…湿式電気集塵機；１５，１５’…フィルタ装置；１６…ブースターファン（ファン）；１７…ＨＥＰＡフィルタ；１８…ガスエンジン；１９…熱交換器；２０…排気塔；２１…木質チップ；２３…ガス化剤；２４…可燃性ガス（燃料ガス）；２５…タール；２６…タール含有水；２７…排気ガス；２８…温水；３１…装置本体；３３…フィルタ設置枠；３４…扉；３５、３５’…タール除去フィルタ；３６…流入口；３７…送出口；４１…棚段；４２…整流板；５１…枠体；５２…上部金網；５２ａ…把持部；５３…下部金網；５３ａ…クリンプ金網；５３ｂ…金網；５４…充填材；６１…石灰石；６２…消石灰；６３…活性炭；６４…くん炭；６５…おがくず

Claims (5)

1. 上面及び下面が開口された扁平筒形状の枠体と、
   前記枠体の内部に詰められた充填材と、
   前記枠体の上面の開口部分に設けられる上部金網と、
   前記枠体の下面の開口部分に設けられ、少なくとも、前記充填材の大きさよりも細かい網目を有する下部金網と
   を備え、
   前記充填材は、消石灰、又はくん炭である
   ことを特徴とするタール除去フィルタ。
2. 請求項１に記載のタール除去フィルタにおいて、
   前記充填材は、ガスに含まれるタールが付着して固化された後に金網から取り外されて、木質チップとともに、ガス化炉に投入される
   ことを特徴とするタール除去フィルタ。
3. 上面及び下面が開口された扁平筒形状の枠体と、前記枠体の内部に詰められた充填材と、前記枠体の上面の開口部分に設けられる上部金網と、前記枠体の下面の開口部分に設けられ、少なくとも、前記充填材の大きさよりも細かい網目を有する下部金網とを有するタール除去フィルタと、
   前記タール除去フィルタが着脱自在に保持され、ガスが流れる方向に対して平行に且つ所定の間隔を空けて複数配置される棚段と、隣接する２つの前記棚段の間を前記ガスが流れる方向に対して傾斜させて仕切る整流板とを有するフィルタ設置枠と
   を備え、
   前記充填材は、消石灰、活性炭、又はくん炭のいずれかである
   ことを特徴とするフィルタ装置。
4. 請求項３に記載のフィルタ装置において、
   前記フィルタ設置枠を内部に有する装置本体をさらに備え、
   前記棚段は、上下方向に且つ所定の間隔を空けて複数配置され、
   前記整流板は、隣接する上下２つの前記棚段の間を前記装置本体の内部に送り込まれた前記ガスの下流側に向けて下り傾斜させて仕切る
   ことを特徴とするフィルタ装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載のフィルタ装置において、
   前記充填材は、ガスに含まれるタールが付着して固化された後に金網から取り外されて、木質チップとともに、ガス化炉に投入される
   ことを特徴とするフィルタ装置。

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