バイオマスガス化技術の効率化に向けた新型ガス化炉の設計プロジェクト Design project of new-style gasified furnace for the efficiency of biomass gasification technology 応用生体工学研究室 13ME201 岩田脩平指導教員藤野毅准教授関連組織株式会社高橋製作所 In recent years, the technology to produce energy gas by making gas out of biomass materials has been getting attention because of issues such as reduction of CO2 and fossil resources. However, it is a problem that trouble by tar and produced gas are low in calories. The purpose of this project is to design and evaluate a new type of gasification furnace to produce gas containing high-calorie hydrogen than normal without getting tar inside the furnace. 1. プロジェクト概要近年、ＣＯ2 の排出削減や化石資源の問題からバイオマスをガス化することによりエネルギー用ガスを製造する技術が注目されている。しかし、タールによるトラブルや生成ガスが低カロリーである事が問題である。本プロジェクトの目的はタールがガス化炉内に混入せず、高カロリーな水素を従来と比べ多く含むガスを生成することの出来る新型ガス化炉設備を設計・評価することにある。ガス化反応により水素成分がリッチな生成ガス(理論上水素 60%)が発生する。これまでに開発されてきた水性ガスの発生するガス化炉の水素濃度は約 20~40％ほどである。 2. 装置概略図 2.1 にＴＳハイブリッドバイオマス発電設備フローを示す。この設備ではタールの発生を完全に抑制するために二段階ガス化方式 1)が採用されており、炭化炉と熱分解ガス化炉を分けた構成になっている。チップ化された原料のバイオマスは乾燥器に入り、含水率を 15~20%ほどに調節してから縦型流下式連続高速炭化炉に投入され、高炭素密度状態の炭化物になり排出される。ガス化炉に入った炭化物から水性図 2.1 ＴＳハイブリッドバイオマス発電設備フロー表 2.1 既存水性ガス発生炉の水素濃度一例会社/団体名中外炉工業中国電力化学繊維研究所進捗段階水素濃度備考実証実験段階 40% ロータリーキルン式試験段階 25% 水素製造専門実証試験 25% 小型流動床 2.1 縦型流下式連続高速炭化炉木質バイオマスを加熱すると 110℃付近で水分が蒸発し、ヘミセルロースが約 200 ～260℃,セルロースは 240～340℃,リグニンは 280～500℃で分解する。対象の試料により組成が異なるのですべてに当てはまるわけではないが、モデル式の一つを下記に示す。この熱分解反応はすべてのバイオマス原料において同様に生じ、従来型の炭化物には多くのタールが含まれる。現在、日本で多く用いられている炭化装置は炉の熱効率が高いロータリー方式であり、原料を約 1 時間滞留し、その間 450℃程度で加熱され炭として排出される。それに対して縦型流下式連続高速炭化炉は伝統的な炭の製造方法である炭窯式に基づいて設計されており、炭化のみならず精錬作業を行う事で高い炭素密度を実現できる。図 2.2 に縦型流下式連続高速炭化炉の概略図を示す。炭化炉は直径 1m,高さ 2.5m のステンレス製円筒本体を備え、上部から乾燥したバイオマスを投入する。炭化炉本体上部には熱分解中のバイオマスから発生する可燃性ガスを燃焼させる燃焼ゾーン(800~1,000℃)があり、タール分はここで燃焼処理され、燃焼排ガスは後述の熱分解ガス化炉の熱源にされる。炭化炉下部には本体の内径よりも小さな蓄熱体を配置し、蓄熱体上部と炭化炉本体の側壁によって構成される空間にてバイオマスを燃焼させる燃焼炭化ゾーン、その燃焼熱によりさらなる高温で炭化する精錬ゾーン、および不燃状態を作り炭化物を消火する不燃ゾーンの３つのゾーンにより構成される。また、蓄熱体は図 2.3 に示すように内壁と空気供給口を備えた外壁を有する二重構造であり、間に形成された予備加熱室を介して空気を燃焼炭化ゾーン、精錬ゾーンに供給する。予備加熱室はバイオマスの燃焼熱により高温状態となっており、蓄熱体本体はターンテーブルにより常に回転しているため高温の空気を万遍なく供給でき、これにより燃焼温度を均一にでき、精錬時間を調節する事で炭の含有率を上げる事が出来る。また、ターンテーブルの回転により消火ゾーンにおいて炭化物は適度に粉砕され、粒径の調節が出来る。なお、本炭化炉は運転の初期において灯油の投入により原料を燃焼させる必要があるが、一度燃焼が安定するとその後、連続的に投下される原料により自動的に燃焼熱が得られるため外部燃料は不要となる。電力もターンテーブルの回転のみなのでほとんど使用しない。図 2.2 縦型流下式連続高速炭化炉の概略図 2.3 蓄熱体断面(赤い矢印は空気の流れ) こうして生成された水性ガス中のガス組成は理論上 H2:60%,CO:20%,CO2:20%とされ本ガス化炉では炭化炉において高密度の炭素が得られるため理論値に近い水素が得られると期待される。同様に水性ガスを得る既存の方法では高くとも水素 40%)2 程度であり、本システムの優れた点であるといえる。また、本システムでは、前述の炭化炉において発生する燃焼排ガスをガス化炉の熱源として利用するが、燃焼排ガスと水性ガス発生管が異なるために微量のタールが発生しても混ざらない構造となっている。炉内では吸熱反応とシフト反応を繰り返す。写真 1 縦型流下式連続高速炭化炉(実証機) 熱分解ガス化炉 2.2 熱分解ガス化炉前述炭化炉で十分に炭化が進んだ原料は次に熱分解ガス化炉に運ばれる。そこで水蒸気をガス化剤として炭化物から水性ガスを生成する。熱分解ガス化炉内では周りの熱を吸収して、その熱を反応に使う第一段階の反応として吸熱反応、 C+H2O → CO+H2 (4) が生じ、炉内が高温状態であるためにシフト反応として CO+H2O → CO2+H2 (5) が生じる(図 2.4)。図 2.4 熱分解ガス化炉内の反応プロセス概略図 4.灰化が終了したら灰化容器を取り出し、最初は冷たい金属板の上で 10 分間、次にデシケーター中で 15-20 分間冷却する。 5.冷却後、直ちに質量を 0.1mg まではかる。 = × 100 (6) Aad:試料中の灰分(%) M1:灰化後の容器と試料の質量(g) M2:容器の質量(g) M0:試料の測りとり量(g) 写真 2 熱分解ガス化炉(実証機) 3 実証実験結果実証実験は原料処理 200kg/h の規模で設備を建設し様々な原料で行った。以下にその結果を炭化炉・ガス化炉別にまとめる 3.1 縦型流下式連続高速炭化炉の実証実験結果と考察実証炭化炉では各原料で 20%前後の炭化物収率（投入原料に対する炭化物の重量）が得られ、CHN コーダー(ヤナコー社製 MT-5)による各種炭化物の元素分析結果 (炭化炉内温度 900~1,000℃)ではいずれも 80%以上の高い炭素含有量を示した(表 3.1)。ここで、灰分は JIS M 8812 石炭類及びコークス類―工業分析方法に基づき、以下の手順で測定している。 1.あらかじめ恒量にしてある灰化容器に試料をはかりとり、薄く広げる。 2.室温の電気炉の、あらかじめ確認してある均熱帯に灰化容器を挿入する。 3.炉の扉を少し開け電気炉に通電し、約 60 分かけて 500℃まで昇温し、その後 30-60 分かけて 815℃まで昇温して恒量となるまで 815±10℃に保持する。※保持時間は通常１時間。また、炉内温度が炭化にどのように影響するかを調べるためにターンテーブルの回転速度を調節しながら徐々に炉内温度を上げていき逐次炭化物を取り出し元素分析を行った(表 3.2 と表 3.3)。この結果、林地残材・建築廃材ともに水素と窒素の割合は炉内温度によって変化なく、炭素割合は増加し、灰分の割合はいったん上昇後、 900~1,000℃の高温付近で大きく減少する傾向があることが分かった。さらに、広葉樹と針葉樹のチップおよび炭化物についてその灰分の分析を蛍光 X 線分析装置 (Philips 社製 PW2400)で行ったところ、チップでは広葉樹、針葉樹共に K が 10% 前後で広葉樹は Ca が針葉樹は Ar の割合が多い(図 3.1)。木の主成分はセミロース、ヘミセルロース、リグニンの 3 種類であり、樹種によらずこの３つで 90%に達する。副成分としてはカリウム、カルシウムなどの無機成分が多く含まれ、一般的に広葉樹の方が無機成分は多く含まれる。また、Ar は空気中に約 1%存在する元素であり樹木内部にも空気と共に含まれており、測定結果に影響したものと考えられる。炭化物では広葉樹で主成分として Ca が約 54%、針葉樹では Fe が約 41%含まれる事が分かった(図 3.2)。広葉樹・針葉樹共に K、Ca の割合が少し減少し、Fe をはじめとした金属元素の割合が増えている。これは炭化の過程で反応に寄与することなく残った事と、炭化の過程で木材中の空気が抜け、アルゴンの割合が大きく下がったために相対的に割合が上がったものと思われる。表 3.1 炭化物の元素分析結果炭素(％）灰分(％) 水素(％) 窒素(％) 広葉樹炭 85.4 7.1 0.1 0.6 針葉樹炭 86.7 3.6 1.1 0.6 建築廃材炭 87.3 7.4 0 0.8 パームヤシ炭 81.2 10.7 0.4 0.4 ペレット炭(マレーシア産) 84.7 5.8 0.9 0.7 表 3.2 林地残材の炉内温度変化による炭化影響林地残材炭700℃ 炭800℃ 炭900℃ 炭1000℃ 炭1100℃ Ｃ (%) 49.54 74.35 76.61 73.98 83.04 86.28 Ｈ (%) 6.13 0.24 0.55 1.52 0.53 0.43 Ｎ (%) 0.24 0.44 0.53 0.33 0.31 0.21 灰分 (%) 0.65 14.1 15.19 10.71 4.64 6.16 表 3.3 建設廃材の炉内温度変化による炭化影響建設廃材炭700℃ 炭800℃ 炭900℃ 炭1000℃ 炭1100℃ Ｃ (%) 49 73.2 84.21 85.71 87.27 85.86 Ｈ (%) 5.98 1.17 1.18 0.74 0 0 Ｎ (%) 0.41 0.65 0.87 0.84 0.84 0.77 灰分 (%) 0.94 19.89 6.68 8.05 7.43 7.86 図 3.1 広葉樹・針葉樹チップの灰分分析結果 (単位%) 図 3.2 広葉樹・針葉樹炭化物の灰分分析結果 (単位%) 3.2 熱分解ガス化炉の実証実験結果と考察実証実験の結果、ガスクロマトグラフによる分析により発生した水性ガス中に水素が約 60%含まれる事を確認した。また 200kg/h の投入量で水素が約 80Nm3/h 発生し、その水性ガスによって約 80kwh の発電を行うことが出来た。炭化物収率 15.5%、熱分解ガス化炉の反応効率 60%で当初想定していた水素発生量は 86.84Nm3/h、発電量は 100.702kwh だったので水素に関しては理論値の約 92%と近い発生量を確認できたが、発電量は 79% と落ち込んだ。水素の発生量に対して発電量が 13%近く下がったのは発電に使用したガスタービンエンジンの発電効率が想定より低く出たためだと思われる。水性ガスは水素と一酸化炭素が主成分である(発熱量約 1,000kcal/Nm3)なものなので、発電として利用していくためにはガスタービンエンジンのチューニングもしくは蒸気タービンと組み合わせた複合型の発電システムを考える必要があるとこの結果からも考えられる。表 3.4 広葉樹チップのガス化実験結果 4 まとめと今後の課題実証実験の結果、縦型流下式連続高速炭化炉を用いて木質バイオマスを高い純度で炭化出来きた(図 4.1 にて炭化物の元素分析結果から高位発熱量を求め、既存の化石資源と比較した。本炭化炉で製造された炭の優れた発熱量がわかる)。その炭化物を用いて熱分解ガス化炉より理論値に近い水素発生量を確認した。また、実証炉系内にタールの発生は認められず、運転初期に必要とされる灯油の量も 40L 前後と長期運用の場合にメンテナンスが容易かつ、環境負荷が少ないことも確認できた。しかし、いくつか課題も見えたのでそれら課題と考えうる解決方法を表 4.1 にまとめた。まず、ガス化炉排気ガスの利用は熱の有効利用を考えるうえで非常に重要である。今回の実証機で生産されるガス化炉排ガスはガス温度 650 ℃ 、ガス容積約 826Nm3/h、熱量約 160,000kcal/h にもなる。この排ガスは原料の乾燥に利用するとして考えてはいるが、今回の実証実験ではその実験は行わなかった。含水率 50%の木材を 20%に乾燥する際に必要となる熱量は 184kcal/kg13)なので 200kg/h の原料を乾燥させることを考えると必要量は約 37,000kcal/h である。つまり原料の乾燥に利用するものと仮定しても約 122,000kcal/h もの熱量が余るのである。この利用法として、蒸気タービンを併用し発電効率を上げる事は有益であると考えられるが、建設コストおよび維持管理費がかさむ為、慎重な検討が必要となる。また、水素の発生量と発電効率の向上のためには炭化物収率を上げる事も重要である。従来の知見より炭化温度が高くなるほど炭化収率は下がる傾向にある。炭化効率を落とさず、炭化収率を理論値に近づけるためには炭化炉の温度をこまめに調節していく必要があるが、現状ではターンテーブルの回転速度と吹き込む空気量を現場スタッフの方が手作業により調節しながら温度を調整しており、細やかな調節は難しい。ターンテーブルの回転数と空気流入量について細かくデータを揃え、最適な条件を見極める必要がある。次に本システムは純度の高い炭にさえできれば、木質バイオマス以外の廃棄物系バイオマスから水素製造及び発電を行う事が可能であるため、多様な組成を持つバイオマスへの対応として今回行ってきた木質系バイオマスと同様に炭化物や出力ガス成分の検証が必要である。なお、本システムは炭化炉での処理温度が 1,000℃であり、タールをはじめとした各種不純物の除去やアスベストなどの毒性部室の無毒化を実証しており農業系バイオマス(稲わら、籾殻)だけでなく水分の調節さえできれば畜産系バイオマス(ブロイラー鶏糞、豚糞など)も無臭で処理し有効活用する事が出来る。図 4.1 各種炭と原料の高位発熱量比較表 4.1 課題と想定される解決方法課題解決方法ガス化炉排気ガスの有効利用高含水率バイオマスの乾燥利用及び蒸気ガスタービンの併設による発電効率の改善炭化物収率の向上炭化炉内温度の細かな調整方法を確立炭化炉とガス化炉間の熱需要加熱水蒸気の温度制御によるガス化炉内温最適化度制御木質バイオマス以外への対応様々な種類のバイオマスに対して製造される水性ガスの特性把握により制御因子をつかむ発電効率の改善ガスタービンの低カロリー用チューニング及び蒸気ガスタービンの併設参考文献 1) 小島康夫：木質系廃棄物利用による気体燃料生産,ケミカル・エンジニアリング,PP.135-139,2008 2) 谷口美希,西山明雄,笹内護一：ロータリーキルンを用いたバイオマスガス化システムの現状と展望,日本エネルギー学会誌 91(10),pp1024-1029