木質バイオマス発電講座（第２回 小型バイオマスガス化発電について)

前回は小型ガス化発電の日本における普及状況とガス化技術の概要について述べた。今回は日本で実際に稼働している代表的なガス化装置を紹介したい。

図１に直近で導入されている2000kW未満のバイオマスガス化炉の技術導入国と炉のタイプの内訳を示す。ドイツを中心にした欧州製が９割を占め、炉のタイプでは前回紹介したダウンドラフトタイプが2/3を占めている。残念ながら国産は数えるほどしかないが、これはＦＩＴという売電事業を対象としている中で、実績の豊富な欧州製を導入することで確実な事業化ができると考えていることからきている。

図１　日本に導入されている小型バイオマスガス化炉の内訳²⁾

1. 代表的なダウンドラフト式ガス化発電装置
   ここではフィンランドの小型ガス化発電装置であるVolter社のものを紹介する。発電量40kWと小型ながら、日本では計画中も含めて５０基を超える装置が導入されており、世界では累積で200基程度の普及が2020年に見込まれている。このクラスのガス化発電装置では2004年に設立された独のSpanner社のものが世界的に大ヒットし、欧州を中心に700基を超える装置が稼働しているが、欧州では小型バイオマス発電市場を対象とした後発メーカが次から次に参入し、Volter社もその一つである。Volterは2014年から販売活動を開始しているが、後発であるがゆえに先発のSpannerをよく研究しており、最近の欧州ではSpannerからVolterへの乗り換えもあると聞く。新興市場である日本ではすでにSpannerの倍近い導入量になっている。
   写真１にSpannerとVolterのガス化発電装置を示す。最大の特徴はフィンランドらしい美しいパッケージである。ガス化装置と発電用ガスエンジンが別置きのSpannerと異なり、Volterは１つのパッケージ中にガス化装置とエンジンを一体化したユニット構造である。メイン機種の発電量はそれぞれ49kWと40kWであり、日本では売電時に低圧連系が可能な50kW未満ということも受け入れられやすい点である。

2. Volterの仕組み
   Volter40の装置フローを図.2 に示す。発電出力は40kW、熱出力は100kW（温水）であり、約1トン／日の乾燥木チップを消費する。前述したようにガス化、ガス冷却、ガス精製、ガスエンジン発電機および制御装置が１つのケーシングにすべて収まっている。装置の主な構成とその特長は次の通りである。
   ①燃料チップはガス化炉頂上部へフィーダーにより供給され、炉頂部のおロータリーバルブを介してガス化炉内に投入される。
   ②燃料位置検出センサーがガス化炉トップに設置されており、燃料の木チップは常にその位置まで充填されることで供給量が制御されている。
   ③ガス化炉は直径200mmのステンレス製の円筒であり、空気は炉底部に設置されたエアノズルから供給されるダウンドラフト式である。炉底部は稼働式の火格子となっており、間欠自動で廻る。
   ④温度監視ポイントは炉頂部と、炉底部の還元帯の2カ所のみであり、シンプルな構成となっている。
   ⑤ガス化後に生じるチャー灰はガス化炉底および1次クーラー後に設けられた逆洗付きのバグフィルターで回収され、炉外のバケットに自動排出される。
   ⑥装置の立上げ立下げ時は、ガスが十分にクリーンな状態ではないため、ガスエンジンには送らず、オフガスとして自動的に屋外に放散する。この切替えはガス化炉底温度のみで自動判断し、900℃以上で放散ラインからメインラインに切り替える。
   ⑦ガスライン系はガスエンジンによる吸引力ですべて負圧に制御されている。またガス化炉底への空気供給もガス化炉内の負圧と外部大気圧との差圧による自然吸気であり、空気ファンはない。電力消費の多いファン類がないことで、内部消費電力が抑制されており40kW発電時のそれはわずか2kWである。
   ⑧ガスエンジンはオットーサイクルであり、400Vの誘導発電機によりインバーターを介して系統電力と連系する。

3. 海外製ガス化炉用チップの留意点
   海外製のガス化炉は現地市場に流通している木質チップ（欧州の場合は松、トウヒなど）を対象としているが、日本の場合はスギ、ヒノキチップを燃料にする場合がほとんどである。したがってこの性状の違いを十分に検証し、海外メーカとの事前協議は必須である．表1に国内に導入されている海外各メーカのカタログに燃料チップの仕様が記載されているものをまとめて示す。

表1 海外ガス化発電メーカの燃料チップ仕様2)

表１から次のことが言える：
1)小出力ガス化炉が許容するチップサイズは小さい
2)大出力ガス化炉ではチップサイズも大きくなる
3)粉末状の燃料は望ましくない
4)サイズ管理のための篩分け機がガス化炉前段に付属しているものと附属していないものがある
5)チップ許容含水率は概ね 10～15％と非常に乾いている
6)チップのかさ比重に関する記載がないものがある図3に代表的な燃料チップ材の気乾比重を示す。 日本の代表的な針葉樹のスギは欧州のトウヒに比べると約２割軽いことがわかるが、これはスギチップのガス化においてガス化炉に投入できるエネルギー密度が欧州のそれよりも低いということを意味する。すなわち水分率が同じチップで、時間当たりの重量ベース消費量は同じとしても、日本の場合の容積ベースのチップ使用量は欧州より多くなる。

筆者らが国内に商用導入されているVolter40(仕様上の許容チップ水分率15%)で試験を行ったところ、水分率７％まで乾燥させると安定した運転が可能となった。スギチップの水分率を減らすことで容積当りのガス化炉投入エネルギー密度を欧州の仕様と合わせることができ仕様上の性能を発揮できることがわかった。
日本に導入されたガス化炉が安定稼動しない例が散見する最大の理由は，水分率とかさ比重のミスマッチであると考えている。
また燃料チップのサイズについては，指定サイズ内に収めるための篩い分けは必須である。

4. まとめ
   ２回に渡り、日本における小型ガス化発電装置の現状について解説したが、バイオマスのガス化発電は、単に発電装置の性能だけでなく、バイオマス燃料の前処理が重要である。特に日本のスギを主体とした木質燃料で欧州と同様の性能を出すことは難しいということは弊所に相談に来られる人にも口を酸っぱくして言っている。それでも燃料とのミスマッチで当初の予定していた稼働率を実現できていない日本のガス化発電装置は多い。今回は紙面の関係で述べなかったが、規格燃料である木質ペレットを燃料とするガス化発電装置も数多く普及しており、これはこれで日本のスギ特有の成分上の問題を抱えている。また別の機会をいただければこの点についても報告したいと思う。
   バイオマスは自然に由来する燃料であるがゆえの難しさがあるが、その点を克服すれば、扱いやすい燃料であり、一定の規格化が必要であると考えている。

参考文献
１） 福士健太郎、他「40kW小規模パッケージ型木質バイオマスガス化発電装置導入の実際」第12回バイオマス科学会議予稿集O-1　日本エネルギー学会
２） 笹内謙一、他「バイオマスガス化発電のための燃料規格の定量化について」第14回バイオマス科学会議予稿集1-3　日本エネルギー学会

（大阪技術振興協会誌　2020年9月号に寄稿したものから転載）