バイオマスを基軸とした小規模分散型熱電併給を可能にする小型ガス化システムの開発

• Project/Area Number: 23K23727
• Project/Area Number (Other): 22H02462 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 41040:Agricultural environmental engineering and agricultural information engineering-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 岩渕 和則 北海道大学, 農学研究院, 教授 (00193764)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000)
• Keywords: 再生可能エネルギー / ガス化 / バイオマス

Outline of Research at the Start

小型バイオマスガス化装置はバイオマス収集運搬エネルギーが削減可能なバイオマス発生源（森林圏や農畜産圏など未利用バイオマス発生源）近傍への持ち運びや設置が可能になり、また家庭レベルまでの小型化は年間一千万トン発生する家庭ごみをゼロにし、かつ燃料化による発電にも資することになる。本研究は、小型化したガス化反応装置の安定的稼働かつガス化効率の高い反応の実現を目指し、小型ガス化熱電併給装置開発の基礎試験を行い、実現可能性を検討する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は科学的根拠に基づいてガス化炉・ガス化原料を設計・開発することで、小型ガス化システムが抱える諸課題を解消し、小型ガス化熱電 併給システムの実現可能性について検討することを目的としている。
先ず、固定床ダウンドラフト式ガス化炉を基本にした設計および開発を進める。原料投入はガス化炉上部から行われ、ガス化反応による原料の分解および上部からの原料の自重によって原料は下降していく。ガス化炉の設計にあたり最初に検討すべきはガス化炉の内径を決定することである。ガス化炉内径が大きくなるほど、原料の詰まるリスクが低くなり、ガス化炉の高さも低くなるため装置全体の省スペース化に寄与する。ただし内径長の増加は水平方向の均一な燃焼性と温度の均一性確保が難しくなる。また試料の閉塞リスクは原料や炉の物理性に関わるため、原料の物性を考慮した離散要素法を使い原料粒子挙動解析を適宜導入して原料の安定供給と安定燃焼を達成できる小型化と最適化を行う。この際、装置特有の数値ではなく、科学技術としてより普遍性を備えた最適化を目指す。また、ガス化炉径に加えて、効果的な燃焼による小型でも高温を維持可能な断熱性、空気口孔径など細かな技術的課題も含めて熱化学反応を考慮した数値計算によるモデルベース実験と試行を組み合わせて、断熱装置等を考慮した熱損失抑制を踏まえて開発することになる。
これまでガス分析装置を購入し、ガス化炉の設計および開発を進め、計画通りに発注を予定していたが、国際情勢不安定の影響により、ガス化炉の部品調達ができず、2023年度に改めて発注し、ガス化炉性能試験を行うことになった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

昨年度2022年度に、固定床ダウンドラフト式ガス化炉を基本にした設計および開発を進め、計画通りに発注を予定していたが、国際情勢不安定の影響により、部品調達ができず、結果的にガス化炉納品が昨年度中に間に合わないことがわかり、2023年度に改めて発注し、ガス化炉性能試験を行うことになった。昨年度よりガス分析装置を購入し、設計についても準備してきたため、現時点でようやく設計した開発炉が納品されたところである。
2023年度の実験計画は、昨年度に実施出来なかった下記の（１）を早急に行い、かつ当初より2023年度に予定していた次項に述べる（２）以降の計画を遂行する。
（１）数値実験で得られた設計により試作したガス化炉による原料輸送、反応炉内閉塞リスク回避、安定した燃焼、燃焼後残さの取り出し輸送等の確認

Strategy for Future Research Activity

2023年度の実験計画は、昨年度に実施出来なかった計画を実施し、かつ予定していた（２）の計画を遂行する。
（１）数値実験で得られた設計により試作したガス化炉による原料輸送、反応炉内閉塞リスク回避、安定した燃焼、燃焼後残さの取り出し輸送等の確認
（２）安定したガス化プロセスを実現するにはガス化システムに適した原料を用いる必要がある。原料投入から灰の排出までスムーズに流れるような大きさ・形状であること、タール発生や飛灰、環境汚染物質排出リスクの低い燃料特性を有することが求められる。そこで
(２－１) ガス化炉内での流動性を担保する原料物性の検討:ガス化原料の大きさや形状、密度、炉内壁との摩擦係数など
(２－２)ガス化原料製造条件の決定:ガス化原料として木質バイオマス、草本系バイオマス、廃棄物系バイオマス、およびそれらの炭化物を対象とした検討。炭化物は、タール発生予防効果の検証に利用する。また、バイオマス種の違いに関しては、特に灰分率が大きく影響すると考えられ、灰分率が高い原料は飛灰やPMなどの環境汚染物質排出のリスクが高くなる。ガス化試験を通して小型ガス化に適したガス化原料を規格化する。