ガス化炉と燃焼炉(ボイラー)、熱分解炉との違い?

ガス化炉(装置)は、原料(木質、バイオマス、廃棄物、他)を熱化学的な分解処理により、主に固体原料(液体・気体原料も可)を気体のガス燃料へと効率的に変換する熱分解・ガス変換処理法です。当初、原料は原則固体ですが、温度の上昇に伴い、水分蒸発、続いて凡そ250℃以上で原料の半炭化/炭化が進み、合成ガス量は徐々に増加します(600℃~)。逆にバイオ油(高沸点成分)量の割合は徐々に減少します。合成ガス成分も低中温時はメタン、エタン、酸類,等も比較的多く含まれますが、温度上昇に伴いガス化分解領域(700℃以上)では、これら成分は徐々に再分解・減少し、高温域(1000℃以上)では水素成分が最大化し(ガス量も)、Tar油留分は殆ど分解され消滅(Tar-Free)します。

一方、合成ガスの主成分でもあるCOガスは、水分(蒸気)量、反応諸条件(酸化・還元)、等に影響されますが、温度上昇に伴い通常減少します(ガス化温度700~720℃でH2/CO=1.0 前後)。下記テーブルは発電用途向けに、特に着目し、バイオマス(含む廃棄物類)原料の各種熱変換・処理方式を簡単に纏め、その主な差異を締めてあります。

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先ずは【熱分解処理タイプ】と【発電機】との関係説明です。

発電機の回転エネルギーを(最終的に)蒸気タービン駆動力で得る燃焼炉(項目-1&2の蒸気ボイラー)、合成ガス(水素/CO・N2/CO2,他)をガスエンジン(高熱量ガスならガスタービンも)発電の他、水素製造、化学合成用途でも使える炭化炉+蒸気改質炉構成の2段(2-Step)ガス化蒸気改質炉(Steam-Reforming)(項目-3)、熱分解炉(低中温、500℃前後)により、得られるバイオ油・酸類(Bio-Oil)を使い、油ボイラー蒸気発電を、或いは油ガスタービン発電を行う低中温・熱分解炉(項目-4)、合成ガスエンジン(ガスタービン)発電を主に行う高温熱分解炉、及び熱分解ガス化炉 (項目-5&6)とに分類します。炉タイプにより、合成ガス(水素、CO、CH4,CO2,N2等)割合もガス発生量も、及びバイオ油(Tar)の成分も量もも異なる各熱分解ガス化炉タイプが存在します。

項目-3の蒸気改質装置(Steam-Reforming)を除いた炭化炉(中低温)単独では、その名前の様に固体燃料(炭化/半炭化、Bio-Coal)の製造( https://biofuels.co.jp/page40-2.html )が主目的であり、石炭炊き蒸気ボイラーの混焼用・炭化燃料(石炭代替)、或いはガス化原料用(チップ・ペレット代替の半炭化原料)等の用途向けとなります。(半)炭化燃料は、特にバイオマス原料を海外から輸入し利用する場合、チップ・ペレット材に比べ多々優れた特性があります(撥水性、高発熱量、Tar副生なし、容易な再粉砕性/ブリケット化)。同様に項目-4は、主にBio-Oil製造用であり(Bio-Oil収率の最大化を目指す高性能Fast-Pyrolysis熱分解法もあり:https://www.btg-bioliquids.com/our-technology/ )、合成燃料の製造が主目的です。発電用途の例は、限定的ですが、重油ボイラー混焼用、特殊な(腐食対策済)ガスタービンであれば、燃料用途にも使えます。上記添付テーブルの【空気/蒸気供給量】の補足説明です。バイオマス(木質、廃棄物、廃プラ等)原料(A)に対し、化学的に必要当量(以上)の空気(酸素、酸化金属等の酸化剤)(B)を供給し、原料の部分燃焼(酸化反応)による高温状態下、バイオマス原料を同一炉内で熱分解⇒液化(油化)⇒気化(熱分解ガス化)し、その気体燃料(合成ガス)を(ほゞ完全)燃焼させる場合を燃焼ボイラー(項目-1)と言い、理想的には熱エネルギー+灰+排ガス(CO2,H2O,N2)等が得られます。その改良型である合成ガス製造とガスボイラー燃焼を別工程に分割し最適化した方式(項目-2)です。

同様にBを(完全に)遮断した状況で、外部加熱(外部電力・燃料、内部ガス・バイオ油の燃焼熱等)による高温度下、熱分解を行う方式が熱分解炉(項目-3、4,5)です。項目-5【(超)高温熱分解炉】では、特に合成ガスの主成分は高濃度水素、Tar-Freeでもあり、項目-3&4の様に【熱分解(Pyrolysis)炉】と云わず、ガス化(Gasification)炉、或いは熱分解ガス化(Pyrolysis-Gasification)炉とも云いガス化炉と特に区別しない場合もあります。

因みに、米国エネルギー省は、次の様にガス化を定義しています。

「炭素質材料の化学変換を通じて合成ガス(燃料、化学物質、または電力の生産に使用できる汎用品)を生産することを目的として設計および運用されるプロセス技術」

 (The US Department of Energy defines gasification as “ A process technology that is designed and operated for the purpose of producing synthesis gas( a commodity which can be used to produce fuels,chemicals or power) through the chemical conversion of carbonaceus materials”)

尚、バイオマス原料(代表としてグルコースはC6H12O6)は、その分子内に酸素分が含まれますので、極少量の燃焼=酸化・発熱反応(その結果、CO,CO2,H2Oの副生)が起こります。廃プラ原料(例、ポリエチレン:CnH2n+2)は酸素分を高分子内に含まず、自己酸化反応は全く発生しません。何れも同じ類似熱分解メカニズムですが、違いは反応温度と合成ガス量、タール油量、炭の量、品質等です。項目-6のガス化(炉)は、通常Bを制限した状態下での熱(化学ガス)分解法であり、部分燃焼による高温・ガス化熱分解状態となります。項目-2は、前工程のガス化炉(項目-6)+後工程のガス燃焼炉(ガスボイラー)(項目-1)との組み合わせ法です。ガス化の化学反応は何れも酸化(部分燃焼)・還元素反応の多数組み合わせた化学反応です。ここでは説明を省略します。必要性があれば、下記のPMXガス化装置の説明書【ガス化の理論の概要】( https://www.biofuels.co.jp/PMX日本語製品カタログ.pdf )、他の文献情報を参照下さい。

 ガス化と熱分解は、空気(酸素)供給量の有無、或いは供給量の差異であり、空気供給量を(ほゞ)完全に遮断すれば、熱分解(Pyrolysis)反応が起こり、充分供給すれば、燃焼反応(Incination)となり、その中間が通常のガス化(Gasification)反応です。燃焼(ボイラー)の様に固体燃料から熱エネルギーを1段で直接得る代わりに、ガス化は使い易い合成ガス燃料の製造を行う1段、エンジン等でエネルギーを最終利用する2段エネルギー変換法とも云えます。

纏めですが、合成ガス(Syngas)の製造はガス化の項目-6、蒸気を加え合成ガスを製造する項目-3(蒸気改質炉)、及び 項目-5の(超)高温熱分解炉(高濃度水素を含む合成ガス)等、がガス化分解操作の中心ですが、項目-4(通常は液体燃料化、合成ガスも一部)でも多少の合成ガスは製造可能です。直接燃焼方式の項目-1は、蒸気熱利用(発電)、或いは蒸気タービン発電用途であり、項目-2は、2段燃焼(ガス化+ガス燃焼ボイラー)方式であり、通常のボイラー燃焼炉方式の改良型です。ガス化炉に加え、別と合成ガス・ボイラーが必要ですが、主用途は燃焼ボイラーと同じで蒸気発生(+発電)です。ガス精製設備が含まず(微粉・炭除去のサイクロン設備は含む)、ガス化エンジン(ガスタービン)発電、水素製造等の用途利用は出来ません。

尚、原料、規模、用途等によって異なる各種ガス化装置の紹介は、下記を参照ください。

合同会社バイオ燃料:最新・最高冷ガス化効率・超高発電効率・Tar-Free/No-Tarのバイオマス・ガス化発電装置とその最善の解決トータル・ソリュション提供 (biofuels.co.jp)

では、また。。。。
Joe.H
 
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