JP2007070166A - Method and apparatus for producing raw material gas for producing carbon nanomaterial - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー、フラーレンなど各種のカーボンナノ材料を製造する際に、目的とする性状のカーボンナノ材料の製造に応じたガス成分の原料ガスを、炭素源であるバイオマスから直接的にかつ効率よく製造することが可能なカーボンナノ材料製造用の原料ガス製造方法およびその装置に関する。 In the present invention, when various types of carbon nanomaterials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and fullerenes are produced, the raw material gas of the gas component according to the production of the carbon nanomaterial having the target property is obtained from biomass as a carbon source. The present invention relates to a raw material gas production method for producing carbon nanomaterial that can be directly and efficiently produced, and an apparatus therefor.
フラーレンやカーボンナノファイバー、そしてカーボンナノチューブ(以下、総称してカーボンナノ材料という)は、自然界に存在しているが、これを不純物などの中から高純度で分離抽出することは至難である。中でも、カーボンナノチューブは優れた物性を備えていて、これを目的物質として工業的に大量生産するための開発が盛んに行われている。炭素含有物質を出発物質として、カーボンナノチューブを製造する方法については、例えば特許文献1および2が知られている。
Fullerenes, carbon nanofibers, and carbon nanotubes (hereinafter collectively referred to as carbon nanomaterials) exist in nature, but it is very difficult to separate and extract them with high purity from impurities. Among them, carbon nanotubes have excellent physical properties, and development for mass production industrially using these as target substances has been actively conducted. For example,
特許文献1では、ほとんど非晶質のカーボン質の堆積無く、非常に質の良い細い黒鉛質のカーボンナノチューブを収率良く得るために、非晶質メタロシリケートを支持体とし、その支持体に金属が担持されている触媒と炭素含有化合物を500〜1200℃で接触させてカーボンナノチューブを製造する、さらに、結晶質無多孔のメタロシリケートを支持体とし、その支持体結晶表面に金属が担持されている触媒と炭素含有化合物を500〜1200℃で接触させてカーボンナノチューブを製造するようにしている。また、特許文献2では、細く層数の少ないカーボンナノチューブを、大量かつ簡易に高収率、高選択的に製造可能にするカーボンナノチューブの製造方法を提供するために、気体状フラーレン分子と金属元素または金属元素を含む合金とを温度400〜1200℃で接触させるようにしている。
ところで、カーボンナノ材料の製造に用いられる原料はガス形態の場合が多く、この原料ガスについては、製造するカーボンナノ材料の種類や品質等に合わせて予め調整しておくことが必要であり、例えば上述したいずれの特許文献にあっても、ガス状の各種炭素含有化合物にキャリアガスなどを加え、また触媒活性のために水素なども加えてこれらを混合するようにしていて、このように成分を調整した原料ガスを予め作成しておく必要があった。 By the way, the raw material used for the production of the carbon nanomaterial is often in the form of a gas, and for this raw material gas, it is necessary to adjust in advance according to the type and quality of the carbon nanomaterial to be produced. In any of the above-mentioned patent documents, a carrier gas or the like is added to various gaseous carbon-containing compounds, and hydrogen or the like is added for catalytic activity to mix them. It was necessary to prepare the adjusted source gas in advance.
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー、フラーレンなど各種のカーボンナノ材料を製造する際に、目的とする性状のカーボンナノ材料の製造に応じたガス成分の原料ガスを、炭素源であるバイオマスから直接的にかつ効率よく製造することが可能なカーボンナノ材料製造用の原料ガス製造方法およびその装置を提供することを目的とする。 The present invention was devised in view of the above-described conventional problems, and when producing various carbon nanomaterials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, fullerenes, etc. Another object of the present invention is to provide a raw material gas production method for producing carbon nanomaterials and an apparatus therefor that can directly and efficiently produce a raw material gas of a gas component from biomass as a carbon source.
本発明にかかるカーボンナノ材料製造用の原料ガス製造方法は、カーボンナノ材料の製造装置に供給する、炭素含有化合物ガスを主体とする原料ガスを、間接加熱によるバイオマスのガス化処理によって生成することを特徴とする。 A raw material gas production method for producing a carbon nanomaterial according to the present invention is to produce a raw material gas mainly composed of a carbon-containing compound gas supplied to a carbon nanomaterial production apparatus by gasification treatment of biomass by indirect heating. It is characterized by.
前記ガス化処理を、前記バイオマスを熱分解させる熱分解ガス化処理とすることが好ましい。 The gasification treatment is preferably a pyrolysis gasification treatment for thermally decomposing the biomass.
前記バイオマスから得られて、製造されるカーボンナノ材料の性状を変化させる前記原料ガスのガス成分を、前記ガス化処理の条件を変更することで調整することが好ましい。 It is preferable to adjust the gas component of the raw material gas, which is obtained from the biomass and changes the properties of the carbon nanomaterial to be manufactured, by changing the conditions of the gasification treatment.
前記ガス化処理の条件が、加熱温度や水蒸気量であることが好ましい。 The gasification treatment condition is preferably a heating temperature or a water vapor amount.
前記ガス化処理を、外熱式ロータリーキルンで行うことが好ましい。 The gasification treatment is preferably performed with an externally heated rotary kiln.
前記バイオマスが木質バイオマスであることが好ましい。 The biomass is preferably woody biomass.
前記ガス化処理で生成された前記原料ガスを、前記製造装置に供給する前に、該原料ガスから、カーボンナノ材料の製造を阻害する物質を除去するガス精製処理を行うことが好ましい。 Before supplying the raw material gas generated by the gasification treatment to the production apparatus, it is preferable to perform a gas purification treatment for removing substances that inhibit the production of the carbon nanomaterial from the raw material gas.
前記ガス精製処理は、前記原料ガスを加熱して改質する改質処理を含むことが好ましい。 It is preferable that the gas purification process includes a reforming process in which the raw material gas is heated and reformed.
前記ガス改質処理では、前記原料ガスの酸素濃度を100ppm以下とすることが望ましい。 In the gas reforming treatment, it is desirable that the oxygen concentration of the source gas is 100 ppm or less.
前記ガス精製処理は、前記原料ガスから除湿する除湿処理を含むことが好ましい。 The gas purification process preferably includes a dehumidification process for dehumidifying the source gas.
前記除湿処理では、前記原料ガスの水分を2000ppm以下とすることが望ましい。 In the dehumidification treatment, it is desirable that the water content of the source gas is 2000 ppm or less.
精製した前記原料ガスのうち、前記製造装置で消費されない余剰分を他のプロセスに供給することが好ましい。 Of the purified source gas, it is preferable to supply the surplus that is not consumed by the manufacturing apparatus to another process.
前記カーボンナノ材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、フラーレンから選ばれる少なくとも一つを含む。 The carbon nanomaterial includes at least one selected from carbon nanotubes, carbon nanofibers, and fullerenes.
また、本発明にかかるカーボンナノ材料製造用の原料ガス製造装置は、カーボンナノ材料の製造装置に供給する、炭素含有化合物ガスを主体とする原料ガスを生成するために、間接加熱によりバイオマスをガス化処理する間接加熱装置を備えたことを特徴とする。 Moreover, the raw material gas production apparatus for producing carbon nanomaterials according to the present invention is configured to produce biomass gas by indirect heating in order to produce a raw material gas mainly composed of a carbon-containing compound gas supplied to the production apparatus for carbon nanomaterials. It is characterized by having an indirect heating device for performing the chemical conversion treatment.
前記製造装置が、化学蒸着法によりカーボンナノ材料を製造する装置であることが好ましい。 The production apparatus is preferably an apparatus for producing a carbon nanomaterial by a chemical vapor deposition method.
前記間接加熱装置は、前記バイオマスから得られて、製造されるカーボンナノ材料の性状を変化させる前記原料ガスのガス成分を調整するために、ガス化処理の条件を変更する処理条件変更手段を備えることが好ましい。 The indirect heating device includes a processing condition changing unit that changes a gasification processing condition in order to adjust a gas component of the raw material gas that is obtained from the biomass and changes a property of a carbon nanomaterial to be manufactured. It is preferable.
前記処理条件変更手段が、前記間接加熱装置の加熱温度や水蒸気量をガス化処理の条件として、これらを変更することが好ましい。 It is preferable that the processing condition changing means change the heating temperature and water vapor amount of the indirect heating apparatus as conditions for gasification processing.
本発明にかかるカーボンナノ材料製造用の原料ガス製造方法およびその装置にあっては、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー、フラーレンなど各種のカーボンナノ材料を製造する際に、目的とする性状のカーボンナノ材料の製造に応じたガス成分の原料ガスを、炭素源であるバイオマスから直接的にかつ効率よく製造することができる。 In the raw material gas production method and apparatus for producing carbon nanomaterials according to the present invention, when producing various carbon nanomaterials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, fullerenes, etc. The raw material gas of the gas component according to the production of can be produced directly and efficiently from biomass which is a carbon source.
以下に、本発明にかかるカーボンナノ材料製造用の原料ガス製造方法およびその装置の好適な一実施形態を、添付図面に従って詳細に説明する。本実施形態にかかるカーボンナノ材料製造用の原料ガス製造方法およびその装置は基本的には、図1〜図3に示すように、カーボンナノ材料の製造装置である合成炉3に供給する、炭素含有化合物ガスを主体とする原料ガスを、間接加熱によるバイオマスのガス化処理によって生成するようになっており、そのために間接加熱によりバイオマスをガス化処理する間接加熱装置1を備える。本実施形態の説明にあっては、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー、フラーレンを総称してカーボンナノ材料という。
Hereinafter, a preferred embodiment of a raw material gas production method and apparatus for producing a carbon nanomaterial according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The raw material gas production method and its apparatus for producing carbon nanomaterials according to the present embodiment are basically carbon supplied to a
カーボンナノ材料の製造装置としては、各種の装置が知られていて、例えば化学蒸着法(CVD法)によって原料ガスを蒸着させてカーボンナノ材料を製造する合成炉3を挙げることができる。化学蒸着法の中で、特に触媒を利用した触媒化学蒸着法(CCVD法)では、合成炉3内に、炭素含有化合物ガスを主体とする原料ガスを導入して、金属を担持している触媒と原料ガスとを接触させると、炭素原子が金属に吸着されて成長し、これによりカーボンナノ材料を製造することができる。バイオマスは、化石燃料を除いた生物由来の有機性資源をいい、その意味でどのようなものであってもよいが、特に品質が安定していて安価な木質バイオマスを使用することが好ましい。
As a carbon nanomaterial manufacturing apparatus, various apparatuses are known. For example, a
バイオマスのガス化処理について説明すると、有機物に火種を近づけ高温な状態に置くと、可燃ガス(炭素Cを含む還元ガス)が発生する。その可燃ガスが酸素のある雰囲気中で可燃温度範囲にあると燃焼(酸化)し、さらにその熱で有機物を可燃ガス化するということを繰り返しながら燃焼反応は継続する。バイオマスのガス化は、バイオマスを、燃焼反応が生じる前のガス化状態にすることをいう。 Explaining the gasification treatment of biomass, combustible gas (reducing gas containing carbon C) is generated when a fire type is brought close to organic matter and placed in a high temperature state. When the combustible gas is in a combustible temperature range in an atmosphere containing oxygen, combustion (oxidation) is performed, and further, the combustion reaction is continued while repeating the conversion of the organic matter into combustible gas by the heat. Biomass gasification refers to bringing biomass into a gasification state before combustion reaction occurs.
バイオマスをガス化処理する方法としては、空気によるガス化や、酸素によるガス化が知られているが、本実施形態にあっては間接加熱によるガス化を行う。この間接加熱によるガス化は、無酸素雰囲気の高温領域(例えば、600〜900℃)でバイオマスを蒸し焼きにしてガス化する方法で、中位発熱量(2500〜4000kcal/Nm3)のガスを得ることができる。バイオマス自身を燃焼させることによってガス化に必要な熱源を得るものではなく、別の熱源を使用するので、この熱源を制御することで、バイオマスをガス化させるガス化温度をコントロールすることができる。 As a method for gasifying biomass, gasification with air and gasification with oxygen are known. In this embodiment, gasification by indirect heating is performed. This gasification by indirect heating is a method in which biomass is steamed and gasified in a high-temperature region (for example, 600 to 900 ° C.) in an oxygen-free atmosphere, and a medium heating value (2500 to 4000 kcal / Nm 3 ) gas is obtained. be able to. A heat source necessary for gasification is not obtained by burning biomass itself, but another heat source is used. By controlling this heat source, the gasification temperature at which biomass is gasified can be controlled.
また、ガス化処理については、バイオマスを熱分解させる熱分解ガス化処理とすることが好ましい。バイオマスを容器に入れて火をつけるとともに、空気や酸素を供給すると、バイオマスは燃焼反応を起こす。空気量等が多いと、バイオマスは完全に燃焼してしまい、バイオマス中の有機成分は二酸化炭素および水になってしまう。これに対し、熱分解ガス化処理では、空気量を絞るなどして不完全燃焼状態とし、これにより一酸化炭素を主体とした可燃ガスを得ることができる。この際のバイオマス(CnHmOp)の熱分解反応は概略、次のようになる。
CnHmOp+aO2+bH2O→cCO+dCO2+eH2+CxHy
この際添加されるO2やH2Oはガス化剤と呼ばれ、バイオマス自身にも含まれている。上記反応を、素反応に振り分けると、主に次の各反応からなる。
(1)燃焼 :C+O2→CO2
H2+1/2O2→H2O(ガス)
(2)部分酸化 :C+1/2O2→CO
(3)発生ガス化:C+CO2→2CO
(4)水性ガス化:C+H2O(ガス)→CO+H2
(5)水素化 :C+2H2→CH4
(6)シフト反応:CO+H2O(ガス)→CO2+H2
(7)メタン化 :CO+3H2→CH4+H2O(ガス)
(8)水蒸気改質:CH4+H2O(ガス)→CO+3H2
(1)と(2)は、発熱反応であるが、その他の反応は吸熱反応、もしくは発熱反応であっても高温下で進行するものである。
The gasification treatment is preferably a pyrolysis gasification treatment in which biomass is thermally decomposed. When biomass is put in a container and ignited and air and oxygen are supplied, the biomass undergoes a combustion reaction. When the amount of air is large, the biomass is completely burned, and the organic components in the biomass are carbon dioxide and water. On the other hand, in the pyrolysis gasification treatment, an incomplete combustion state is achieved by, for example, reducing the amount of air, whereby a combustible gas mainly composed of carbon monoxide can be obtained. The thermal decomposition reaction of biomass (C n H m O p ) at this time is roughly as follows.
C n H m O p + aO 2 + bH 2 O → cCO + dCO 2 + eH 2 + C x H y
O 2 and H 2 O added at this time are called gasifying agents and are also contained in the biomass itself. When the above reaction is divided into elementary reactions, it consists mainly of the following reactions.
(1) Combustion: C + O 2 → CO 2
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (gas)
(2) Partial oxidation: C + 1 / 2O 2 → CO
(3) Generated gas: C + CO 2 → 2CO
(4) Water gasification: C + H 2 O (gas) → CO + H 2
(5) Hydrogenation: C + 2H 2 → CH 4
(6) Shift reaction: CO + H 2 O (gas) → CO 2 + H 2
(7) Methanation: CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (gas)
(8) Steam reforming: CH 4 + H 2 O (gas) → CO + 3H 2
(1) and (2) are exothermic reactions, but other reactions are endothermic or exothermic, and proceed at high temperatures.
このようにバイオマスを熱分解ガス化処理すれば、炭素含有化合物ガスを主体とした原料ガスを生成することができる。この処理で生ずる水蒸気は、水性ガス化やシフト反応、水蒸気改質などの各反応を促進し、また水素は、カーボンナノ材料を触媒化学蒸着法で製造する際に用いられる触媒の活性に役立つ。 When biomass is pyrolyzed and gasified in this way, a raw material gas mainly composed of a carbon-containing compound gas can be generated. The water vapor generated by this treatment promotes various reactions such as water gasification, shift reaction, and steam reforming, and hydrogen is useful for the activity of the catalyst used when the carbon nanomaterial is produced by catalytic chemical vapor deposition.
カーボンナノ材料の製造では、原料ガスに含まれる炭素含有化合物ガス、具体的には一酸化炭素やメタンなどの量、あるいはこれらの成分比に応じて、カーボンナノチューブが得られるか、カーボンナノファイバーが得られるかなど、そしてまた単層であるか多層であるかなど、得られるカーボンナノ材料の性状、すなわち種類や品質が異なることが知られている。間接加熱による熱分解ガス化処理では、ガス化処理の条件を変更することで、上記(1)〜(8)の反応によって生成される原料ガス中のガス成分、すなわち一酸化炭素やメタンなどの量、もしくは割合が変化する。例えば、ガス化処理の条件のうち、加熱温度や水蒸気量によって、原料ガス中のガス成分を、目的とするカーボンナノ材料の製造に好ましいものにコントロールできることがわかった。この点について、以下に説明する。 In the production of carbon nanomaterials, depending on the amount of carbon-containing compound gas contained in the raw material gas, specifically the amount of carbon monoxide or methane, or the ratio of these components, carbon nanotubes can be obtained, or carbon nanofibers can be produced. It is known that the properties, that is, the type and quality of the obtained carbon nanomaterials differ depending on whether it is obtained and whether it is a single layer or a multilayer. In the pyrolysis gasification process by indirect heating, the gas components in the raw material gas produced by the reactions (1) to (8) above, that is, carbon monoxide, methane, etc., are changed by changing the conditions of the gasification process. The amount or ratio changes. For example, it has been found that the gas component in the raw material gas can be controlled to be preferable for the production of the target carbon nanomaterial, depending on the heating temperature and the amount of water vapor, among the gasification treatment conditions. This point will be described below.
間接加熱によるガス化処理であって、それが熱分解ガス化処理であり、ガス化処理の条件を任意にコントロールすることが可能で、そのうち少なくとも加熱温度や水蒸気量の条件を変更することができる間接加熱装置1としては、例えば図2に示した外熱式ロータリーキルン5を用いることができる。この外熱式ロータリーキルン5は主に、横置きに配置された中空筒体状の反応筒6と、反応筒6の外側を取り囲んで横置きに配置された中空筒体状のチャンバー7と、ガス化処理条件を変更するための処理条件変更手段としてのコントローラ8とから構成される。反応筒6は、チャンバー7に対し相対回転自在に設けられ、回転駆動される。反応筒6は、投入口6aから排出口6bに向かって僅かに傾斜させて配置される。また反応筒6は、無酸素状態が得られるように、外部に対し密閉可能に構成される。チャンバー7には、内部に熱媒が供給され、チャンバー7はこの熱媒によって反応筒6を加熱する。
It is a gasification process by indirect heating, which is a pyrolysis gasification process, and it is possible to arbitrarily control the conditions of the gasification process, and at least the conditions of the heating temperature and the amount of water vapor can be changed. As the
そして、投入口6aから反応筒6内にバイオマスが投入され、バイオマスは傾斜された反応筒6内を、当該反応筒6の回転で撹拌されながら移動しつつ、チャンバー7内に供給される熱媒によって間接加熱され、この間接加熱によってバイオマスから生成された原料ガスと残さであるチャーが排出口6bから排出される。チャーは、チャンバー7に供給される熱媒を昇温させるための燃料として使用される。
Then, the biomass is charged into the reaction cylinder 6 from the charging
外熱式ロータリーキルン5では、接触伝熱となるので熱伝達係数が高く、バイオマスを効率よくガス化することができる。チャンバー7の熱媒温度を調節することで、ガス化温度を所望の温度にコントロールすることができる。また、バイオマスをすばやくガス化温度にまで昇温することができるため、タールの発生量も抑制できる。また、横型の回転炉形式であるため、原料となるバイオマスの形状に対する制約が少なく、竹や樹皮などの繊維質で絡みやすい原料も処理することができる。さらに、高温の燃焼部分がないため、クリンカの生成なども起こらず、安定した操業を行うことができる。
In the external heat
処理条件変更手段であるコントローラ8は、チャンバー7に供給される熱媒量やその温度を調節して反応筒6、ひいてはバイオマスの加熱温度を調節する。また、図2中、矢印Mで示すように、チャンバー7への熱媒供給位置を当該チャンバー7の長さ方向や周方向で変更する制御を行うようにしてもよい。これら熱媒量やその温度によって加熱温度を直接変更調節できるとともに、さらには熱媒供給位置の調節により、反応筒6の長さ方向にガス化温度(温度勾配)も調節することができ、このようにして同じ設備であっても、加熱温度というガス化処理条件を種々様々に変更することができて、炭素含有化合物ガスを様々な成分比、あるいは量で含む原料ガスを生成することができる。
The
またコントローラ8は、反応筒6に接続した蒸気配管9を介して、反応筒6内に水蒸気を送り込んだり、あるいはバイオマスから発生する水蒸気を反応筒6から抜き出したりして、反応筒6内の水蒸気量を調節する。このようにして水蒸気量を変更することによっても、反応筒6内での熱分解ガス化処理をコントロールすることができ、生成される原料ガス中の炭素含有化合物ガスの成分比や量を調節することができる。さらに、外熱式ロータリーキルン5によるガス化処理の変更条件としては、反応筒6の回転速度を変更したり、投入口6aおよび排出口6bの密封時間を変更することによって、反応筒6内でのバイオマスの滞留時間を調整することも可能で、これによりガス収率を変化させることができる。
Further, the
外熱式ロータリーキルン5では、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、並びに水素を主体とし、その他の炭素含有化合物ガスを含む原料ガスが生成される。具体的には、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、酸素、水、塩化水素、硫化水素、シアン化水素、アンモニア、アミン類、リン化水素などが含まれる。さらに原料ガスには、ばいじん、タール分などが含まれる。実験例によれば、表1に示すように、ガス化温度、水蒸気量(原料水分を含む)に応じて、原料ガスの組成が変化している。
In the externally heated
表1から理解できるように、熱分解ガス化処理では、ガス化温度を高くする(350℃→550℃参照)と、水素、一酸化炭素、メタンの各濃度が増加し、二酸化炭素の濃度は低くなる。また、水分量(水蒸気量)が多いほど、水素濃度を高く確保できる傾向があり、水分量によって一酸化炭素、二酸化炭素、メタンの成分比は変化する。一般に、カーボンナノチューブの製造にあっては、炭化水素や一酸化炭素の多い条件を作り出すことができれば、カーボンナノチューブの生成量は増加し、多層化する。また、水素濃度が高いほど、触媒が活性化され、カーボンナノチューブの生成量を増加させることができる。すなわち、原料ガスの成分調整により、単層のカーボンナノチューブや、多層のカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、フラーレンを作り分けることができる。 As can be understood from Table 1, in the pyrolysis gasification treatment, when the gasification temperature is increased (see 350 ° C. → 550 ° C.), the concentrations of hydrogen, carbon monoxide, and methane increase, and the concentration of carbon dioxide is Lower. Moreover, there exists a tendency which can ensure a high hydrogen concentration, so that there is much moisture content (water vapor content), and the component ratio of carbon monoxide, a carbon dioxide, and methane changes with moisture content. In general, in the production of carbon nanotubes, if conditions with a large amount of hydrocarbons and carbon monoxide can be created, the amount of carbon nanotubes produced will increase and become multi-layered. In addition, the higher the hydrogen concentration, the more the catalyst is activated and the amount of carbon nanotubes generated can be increased. In other words, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanofibers, and fullerenes can be produced separately by adjusting the components of the source gas.
このようにして間接加熱装置1としての外熱式ロータリーキルン5で熱分解ガス化処理によりガス化されて、バイオマスから生成された炭素含有化合物ガスを主体とする原料ガスは、カーボンナノ材料の製造装置である合成炉3に供給される前に、カーボンナノ材料の製造を阻害する物質を除去するガス精製装置2に送られて、ガス精製処理される。原料ガス中にはそのままでは、上述したように、例えば、酸素、水、アンモニア、硫化水素、タール、ばいじんなど、カーボンナノ材料の製造を阻害する物質が含まれている。
Thus, the raw material gas mainly composed of carbon-containing compound gas generated from biomass by gasification by pyrolysis gasification in the external heating
ガス精製処理は図3に示すように、原料ガスを高温に加熱して改質する改質処理と、改質処理後の原料ガスを冷却するガス冷却処理と、原料ガスを洗浄するための通水処理と、原料ガスから除湿する除湿処理と、原料ガスから除塵する除塵処理とを行うようになっていて、そのために、加熱装置などを備える改質装置10、水散布装置などを備えるガス冷却装置11、ガスを水に通して洗浄する通水装置12、除湿剤や吸着剤を備える除湿装置13、並びにフィルタを備える除塵装置14を備える。
As shown in FIG. 3, the gas purification process includes a reforming process in which the source gas is heated and reformed, a gas cooling process in which the reformed source gas is cooled, and a process for cleaning the source gas. A water treatment, a dehumidifying process for dehumidifying the raw material gas, and a dust removing process for removing the dust from the raw material gas are performed. For this purpose, gas reforming including a
改質処理では、純酸素を供給して原料ガスを部分燃焼させることにより原料ガスを高温に加熱し、これによりタール分を分解処理する。また微量に含まれている酸素を燃焼させて除去する。この改質処理に伴い、原料ガスは、水性ガス化反応やシフト反応がさらに進行し、水素や一酸化炭素、二酸化炭素の成分比が変化する。ガス冷却処理では、ガスを冷却し、それにより除湿を行う。通水処理では、比較的大きなばいじんを除去するとともに、原料ガスの冷却も行って除湿する。また、微量に残存しているタールを凝集除去する。さらに、カーボンナノ材料の製造装置の触媒に好ましくない、水溶性の触媒被毒物質の除去も行う。 In the reforming process, pure oxygen is supplied and the raw material gas is partially burned to heat the raw material gas to a high temperature, thereby decomposing the tar. It also removes oxygen contained in trace amounts by burning it. With this reforming process, the raw material gas undergoes further water gasification reaction and shift reaction, and the component ratio of hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide changes. In the gas cooling process, the gas is cooled and dehumidified. In the water flow treatment, relatively large dust is removed and the raw material gas is cooled to dehumidify. Moreover, the tar remaining in a minute amount is agglomerated and removed. Furthermore, removal of a water-soluble catalyst poison that is not preferable for the catalyst of the carbon nanomaterial production apparatus is also performed.
除湿処理では、除湿剤による水分除去を行う。さらに、吸着剤を用いることで、微量に含まれるガス態の触媒被毒物質を吸着除去する。除塵処理では、物理的フィルタにより、ばいじんを除去する。このガス精製処理では、カーボンナノ材料の製造装置に用いられる触媒の劣化を防止する観点から、水分量は2000ppm以下、酸素濃度は、100ppm以下とすることが好ましい。 In the dehumidifying process, moisture is removed by a dehumidifying agent. Furthermore, by using an adsorbent, a gaseous catalyst poisoning substance contained in a trace amount is adsorbed and removed. In the dust removal treatment, dust is removed by a physical filter. In this gas purification treatment, it is preferable that the water content is 2000 ppm or less and the oxygen concentration is 100 ppm or less from the viewpoint of preventing deterioration of the catalyst used in the carbon nanomaterial production apparatus.
以上のようにしてガス精製処理が施された原料ガスは、合成炉3などのカーボンナノ材料の製造装置に供給される。上述したようにガス化処理のコントロールが可能な間接加熱装置1による間接加熱により、生物由来のバイオマスをそのまま用いることによって、製造されるカーボンナノ材料の性状を種々変化させることが可能な、様々なガス成分に調整された原料ガスを直接的に製造できるので、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー、フラーレンなど各種のカーボンナノ材料を製造する際に、目的とする性状のカーボンナノ材料の製造に応じたガス成分の原料ガスを効率よく製造することができ、これをカーボンナノ材料の製造装置に供給することで、単層もしくは多層のカーボンナノチューブやカーボンナノファイバー、フラーレンなど、目的とする性状のカーボンナノ材料を効率よく製造することができる。
The raw material gas subjected to the gas purification process as described above is supplied to a carbon nanomaterial manufacturing apparatus such as the
そしてまた、カーボンナノ材料の製造装置に送り込まれた原料ガスで余剰分については、他の利用プロセス4に供給される。原料ガスは可燃ガスであることから、熱源として利用して発電を行ったり、水素利用、ジメチルエーテルの製造など、エネルギー生産、工業原料への変換など、他のプロセスにきわめて有効に利用することができる。
The surplus of the raw material gas sent to the carbon nanomaterial manufacturing apparatus is supplied to another
以上説明したように、本実施形態にかかるカーボンナノ材料製造用の原料ガス製造方法およびその装置にあっては、バイオマスを出発物質としてカーボンナノ材料を製造することができる。そして、間接加熱、そしてまた熱分解ガス化処理によれば、ガス化条件を変更することが可能であり、当該ガス化条件を変更することによってバイオマスを起源とする原料ガス中のガス組成を任意に変更することが可能であって、目的のカーボンナノ材料に合わせた原料ガスをバイオマスから直接的に効率よく製造することができる。 As described above, in the raw material gas production method and apparatus for producing carbon nanomaterials according to this embodiment, carbon nanomaterials can be produced using biomass as a starting material. Then, according to indirect heating and also pyrolysis gasification treatment, it is possible to change the gasification conditions, and by changing the gasification conditions, the gas composition in the raw material gas originating from biomass can be arbitrarily set The raw material gas matched to the target carbon nanomaterial can be directly and efficiently produced from biomass.
外熱式ロータリーキルンを使用し、ガス化炉温度700℃で木質バイオマスを間接加熱して熱分解ガス化した。得られた原料ガスを1150℃まで加熱して改質処理した。その後、通水・除湿処理し、さらにフィルタによるばいじん除去を行った。その後さらに2次除湿した。以上のガス精製処理により、酸素濃度100ppm以下、水分2000ppm以下、アンモニア、硫化水素については、1ppm以下、タール、ばいじんについては、検出限界以下とした。ガス精製処理後の原料ガスをカーボンナノチューブの製造装置に供給し、原料ガス流量100〜150ml/分、合成温度650℃、反応時間5分として、CCVD法によりカーボンナノチューブを製造することができた。 Using an externally heated rotary kiln, the woody biomass was indirectly heated at a gasification furnace temperature of 700 ° C. to be pyrolyzed and gasified. The obtained raw material gas was heated to 1150 ° C. and reformed. Thereafter, water was passed through and dehumidified, and dust was removed with a filter. Thereafter, secondary dehumidification was further performed. By the above gas purification treatment, the oxygen concentration was 100 ppm or less, the water content was 2000 ppm or less, ammonia and hydrogen sulfide were 1 ppm or less, and tar and dust were set to the detection limit or less. The raw material gas after the gas purification treatment was supplied to the carbon nanotube production apparatus, and the carbon nanotubes were produced by the CCVD method at a raw material gas flow rate of 100 to 150 ml / min, a synthesis temperature of 650 ° C., and a reaction time of 5 minutes.
ガス化炉温度を830℃とし、得られた原料ガスを1150℃まで加熱して改質処理した場合、主な4つの成分として、水素52.6%、一酸化炭素10.9%、メタン3.3%、二酸化炭素21.3%が得られた。
When the gasifier temperature is set to 830 ° C. and the obtained raw material gas is heated to 1150 ° C. for reforming treatment, the main four components are hydrogen 52.6%, carbon monoxide 10.9%,
本発明は、バイオマスを単にガス化処理すれば、カーボンナノ材料の製造装置に供給可能な炭素含有化合物ガスを含む原料ガスを生成することが可能であることを前提として、ガス化処理条件をコントロールすることができる間接加熱により、予め調整して準備しておくべき原料ガスを、バイオマスから直接的に得ることができるという、きわめて優れた効果を奏する。 The present invention controls gasification processing conditions on the premise that a raw material gas containing a carbon-containing compound gas that can be supplied to a carbon nanomaterial manufacturing apparatus can be generated by simply gasifying biomass. By the indirect heating that can be performed, the raw material gas that should be adjusted and prepared in advance can be obtained directly from the biomass.
1 間接加熱装置
3 合成炉
4 利用プロセス
5 外熱式ロータリーキルン
8 コントローラ
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