JP2009286932A - バイオマスガス化装置及びその方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンパクトであって、原料バイオマスから高い収率で合成ガスを得ることの出来るバイオマスガス化装置及びその方法を提供する。
【解決手段】原料バイオマスを部分酸化させて得られた生成ガスを水蒸気改質させて合成ガスを得るためのバイオマスガス化装置（１）である。原料バイオマスを落下させながら酸化ガス化剤と反応させて生成ガスを生じさせるための第１反応容器（１０）と、第１反応容器（１０）内の原料バイオマスの落下流路Ｆに向けて酸化ガス化剤を導くためのガス化剤供給管（４０）と、第１反応容器（１０）内にあって生成ガスを水蒸気とともにその内部に導いて合成ガスを得るための第２反応容器（２０）と、第２反応容器（２０）に水蒸気を供給するための水蒸気供給管（１５）と、を含む。ここで、伝熱隔壁によって第１反応容器内の空間と画定された第２反応容器内の反応空間に改質触媒（２５）を装填しこの反応空間を原料バイオマスの落下流路Ｆ内に配置する。
【選択図】 図２
【解決手段】原料バイオマスを部分酸化させて得られた生成ガスを水蒸気改質させて合成ガスを得るためのバイオマスガス化装置（１）である。原料バイオマスを落下させながら酸化ガス化剤と反応させて生成ガスを生じさせるための第１反応容器（１０）と、第１反応容器（１０）内の原料バイオマスの落下流路Ｆに向けて酸化ガス化剤を導くためのガス化剤供給管（４０）と、第１反応容器（１０）内にあって生成ガスを水蒸気とともにその内部に導いて合成ガスを得るための第２反応容器（２０）と、第２反応容器（２０）に水蒸気を供給するための水蒸気供給管（１５）と、を含む。ここで、伝熱隔壁によって第１反応容器内の空間と画定された第２反応容器内の反応空間に改質触媒（２５）を装填しこの反応空間を原料バイオマスの落下流路Ｆ内に配置する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、原料バイオマスから合成ガスを得るためのバイオマスガス化装置及びその方法に関し、特に、原料バイオマスを部分酸化させて得られた生成ガスを水蒸気改質させて合成ガスを得るためのバイオマスガス化装置及びその方法に関する。
バイオマス（Ｂｉｏｍａｓｓ）は、生物量を物質量で表現すること全般に対して広義に用いられる生態学上の用語である。近年では生物由来資源の意味でも使われており、バイオマスを用いた燃料はバイオ燃料（Ｂｉｏｆｕｅｌ）などとも呼ばれている。
ところで、１９９７年１２月に地球温暖化の防止のために温暖化ガスの排出量削減を目的とした京都議定書が採択され、特に、温暖化ガスの１つである二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量の削減が大きな課題とされている。このような中、ＣＯ２を光合成によって取り込んで成長する植物を由来とした植物バイオ燃料（植物バイオマス）が注目されている。植物バイオ燃料は、これを燃焼させてＣＯ２を排出したとしても、ライフサイクルの中でトータルとしてカーボンニュートラルであるとされる。故に、社会活動に不可欠な燃料の燃焼におけるＣＯ２量低減に大きく寄与する。
このようなバイオマス（「原料バイオマス」とも称する。）から得られたバイオ燃料については多くの利用方法が提案されている。
例えば、原料バイオマスを用いて製造されたエタノールは、ガソリンに混合されたり、またエチル・ターシャリー・ブチル・エーテル（ＥＴＢＥ）に変換された後にガソリンに混合して利用される。また、原料バイオマスとしての動植物油をメチルエステル化して得られる脂肪酸メチルエステル（ＦＡＭＥ）は、ディーゼル燃料として単独若しくは軽油と混合して利用される。
一方、原料バイオマスをガス化して利用する方法も提案されている。例えば、原料バイオマスをガス化して得られる合成ガスは、フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成によって炭化水素化合物を経てアップグレーディング技術でさまざまな油種とされ得る。また、合成ガスを燃料としてガスエンジンやガスタービンに供給して発電を行うことも出来る。
ここで原料バイオマスを空気、酸素（Ｏ２）又は水蒸気、若しくは、これらの組み合わせなどからなる酸化ガス化剤を用いてガス化すると、水素（Ｈ２）一酸化炭素（ＣＯ）及びＣＯ２等からなる合成ガスと、炭化水素であるタールや、炭素分であるチャー、灰分などが同時に生成する。このときガス化温度が低いと、タールを多く生成して合成ガスの収率が低下する。また、タールはチャーなどとともに配管や反応炉に付着しやすく装置の運転が難しくなる。一方、ガス化温度が高いと、高分子炭化水素であるタールをＨ２及びＣに熱分解できて好ましいが、高温を維持するために原料バイオマスの４〜６割を熱源として燃焼消費してしまう。結果として、合成ガスの収率が低下してしまう。
例えば、特許文献１では、各種原料バイオマスから高い収率で合成ガスを得ることの出来るガス化システムが開示されている。特に、Ｈ２／ＣＯ比率を２よりも高めて、メタノール合成の原料の製造に適したシステムを開示している。Ｏ２又はこれと水蒸気の混合物からなる燃焼酸化剤とともにガス化炉に供給された原料バイオマスは、８００〜１０００℃の高温でＨ２、ＣＯ及びＣＯ２の生成ガスや、ＣＨ４等の炭化水素にガス化される。続く、後段のスチームリフォーミングでは、ＣＨ４等の炭化水素がニッケル等の触媒の下で、Ｈ２及びＣＯに水蒸気改質される。さらに、ＣＯシフト反応装置によってＣＯをＣＯ２へ変換させて、Ｈ２／ＣＯ比率の調整を行っている。ここで、ガス化を良好に進行させるためには、ガス化炉の温度を８００〜１０００℃の高温に維持しなければならず、高温の合成ガスの有する熱量の有効利用によって、水蒸気を４００〜５００℃程度に加熱してからガス化炉に導入することを開示している。
また、特許文献２では、ガス化炉内で生成される生成ガスの温度に応じて、燃焼酸化剤であるＯ２と水蒸気の混合物の比率を変化させて、ガス化炉内の局所的な高温部の発生を抑制し、これによりクリンカの発生を抑制し得ることを開示している。その一方で、生成ガスの温度をタールが付着しない程度の温度以上に維持して、ガス化を良好に進行させ得ることも開示している。
特開２００１−２４０８７８号公報
特開２００７−１６９５１５号公報
原料バイオマスからの合成ガスの収率が低下すると、所定量の合成ガスを得るために装置容量を大きくする必要が生じる。また、特許文献１のように、部分酸化反応と水蒸気改質反応を組み合わせても、得られる合成ガスにおいてＨ２／ＣＯ比率が２よりも小さければ、この比率を調整するためのシフト反応装置を更に設けなければならず、装置が大型化してしまう。
本発明は上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、コンパクトであって、原料バイオマスから高い収率で合成ガスを得ることの出来るバイオマスガス化装置及びその方法の提供である。
本発明によるバイオマスガス化装置は、原料バイオマスを部分酸化させて得られた生成ガスを水蒸気改質させて合成ガスを得るためのバイオマスガス化装置であって、前記原料バイオマスを落下させながら酸化ガス化剤と反応させて生成ガスを生じさせるための第１反応容器と、前記第１反応容器内の前記原料バイオマスの落下流路に向けて前記酸化ガス化剤を導くためのガス化剤供給管と、前記第１反応容器内にあって前記生成ガスを水蒸気とともにその内部に導いて前記合成ガスを得るための第２反応容器と、前記第２反応容器に前記水蒸気を供給するための水蒸気供給管と、からなり、伝熱隔壁によって前記第１反応容器内の空間と画定された前記第２反応容器内の反応空間に改質触媒を装填し前記反応空間を前記原料バイオマスの落下流路内に配置することを特徴とする。
上記構成によれば、原料バイオマスを落下させながら酸化ガス化剤と効率よく反応させてタール分を多く含む水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び二酸化炭素（ＣＯ２）等の生成ガスを得られるので、原料バイオマスの燃焼を抑えつつ、部分酸化のための熱を安定して得ることが出来る。つまり、原料バイオマスの損失が少ないから、高い収率で揮発性成分及びガス成分を得ることが出来る。また、揮発性成分であるタール分の改質を水蒸気改質反応で行うため、この水蒸気改質反応だけで合成ガスにおける高いＨ２／ＣＯ比率を達成し得る。シフト反応装置などを必要としないから、装置をコンパクトに出来る。なお、さらに高い水素の比率を必要とする場合にあっては、シフト反応装置を付随させてもよい。また、第１反応容器における部分酸化反応で生ずる熱を第２反応容器における水蒸気改質反応に安定して供給出来るため、さらに高い収率で合成ガスを得ることが出来る。
更に、前記第２反応容器の開口端部は、前記水蒸気供給管の開口端部と対向していることを特徴としてもよい。かかる構成によれば、水蒸気の流れによって第２反応容器内に生成ガスだけを導き得るので、固体成分の付着による改質触媒の性能低下を防止できる。
更に、前記第１反応容器、前記第２反応容器及び前記水蒸気供給管は同一の鉛直軸線上に配置されていることを特徴としてもよい。かかる構成によれば、第１反応容器内の固体成分の第２反応容器及び水蒸気供給管への付着を防止できるとともに、装置をコンパクトにできる。
ここで、前記酸化ガス化剤は、純酸素、酸素富化空気、又は空気であることを特徴としてもよい。空気中の窒素は得られる合成ガスの希釈ガスとなってしまうため、酸化ガス化剤は酸素であることが好ましい。しかしながら、酸化剤としての空気を大量供給して原料バイオマスを燃焼させ、１０００℃以上で反応させる従来のバイオマスガス化法よりも収率が高い本発明によれば、空気を用いても依然として従来法以上の高い収率で合成ガスを得られる。なお、「酸素富化空気」は、酸素富化膜やＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）を用いた公知の技術で得られる酸素分の高い気体である。
また、本発明によるバイオマスガス化方法は、原料バイオマスを部分酸化させて得られたタール分を多く含む水素（Ｈ２）一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）等生成ガスを水蒸気改質させて合成ガスを得るためのバイオマスガス化方法であって、前記原料バイオマスを第１反応容器内にて落下させるステップと、前記原料バイオマスの落下流路に向けて前記酸化ガス化剤を導くステップと、前記原料バイオマスを落下させながら前記酸化ガス化剤と反応して生じた生成ガスを水蒸気とともに前記第１反応容器内の第２反応容器の内部に導いて前記合成ガスを得る水蒸気改質ステップとからなり、伝熱隔壁によって前記第１反応容器内の空間と画定された前記第２反応容器内の反応空間に改質触媒を装填し、前記反応空間を前記原料バイオマスの落下流路内に配置して、部分酸化ステップで生ずる熱を水蒸気改質ステップに利用することを特徴とする。
上記方法によれば、原料バイオマスを落下させながら酸化ガス化剤と効率よく反応させ得るので、原料バイオマスの燃焼を抑えつつ、部分酸化のための熱を安定して得ることが出来る。つまり、原料バイオマスの損失が少ないから、高い収率でタール分を多く含む水素（Ｈ２）一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）等のガス成分を得ることが出来る。また、揮発性成分であるタール分及び低級の炭化水素の改質を水蒸気改質反応で行うため、この水蒸気改質反応だけで合成ガスにおける高いＨ２／ＣＯ比率を達成し得る。また、シフト反応装置などを必要としないから、装置をコンパクトに出来る。また、第１反応容器における部分酸化反応で生ずる熱を第２反応容器における水蒸気改質反応に安定して供給出来るため、さらに高い収率で合成ガスを得ることが出来る。
更に、前記部分酸化ステップは、生じた固体成分を落下させてガス成分と分離するステップを含むことを特徴としてもよい。かかる方法によれば、第１反応容器内の固体成分の第２反応容器内部への混入を防止出来る。
更に、前記水蒸気改質ステップは、５００〜９００℃、好ましくは５００〜７００℃の温度範囲となるようにして水素及び一酸化炭素を生成することを特徴としてもよい。かかる方法によれば、より低い温度で部分酸化を行うことが出来て、原料バイオマスの燃焼量を低減できるのである。結果として、高い収率で且つＨ２／ＣＯ比率の高い合成ガスを得ることが出来る。
更に、前記酸化ガス化剤は、純酸素、酸素富化空気、又は空気であることを特徴としてもよい。上記したように高い収率で合成ガスを得ることが出来るので、酸化剤ガスを空気として窒素のような希釈ガスが含まれたとしても、依然として高い収率で合成ガスを得られる。また、必要な場合には合成ガスの熱量やアップグレーディング技術に対応して、希釈ガスの分離工程を加えても良い。
まず、本発明によるバイオマスガス化装置及びその方法における化学反応について説明する。
図１に示すように、第１段階の化学反応Ｒ１において、例えば、ＣｘＨｙＯｚで表される原料バイオマスは、純酸素、酸素富化空気、又は空気からなる酸化ガス化剤を与えながらガス化される。詳細には、反応式（１）で表される熱分解、及び、反応式（２）で表される部分酸化を同時に生ずる。また、反応式（３）〜（６）についても生じ得る。その結果、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及びタールを含む揮発性の炭化水素からなる気体成分が生成し、これとあわせて、チャーや灰分などの固体成分が生成する。
化学反応Ｒ１に続く、第２段階の化学反応Ｒ２において、化学反応Ｒ１で得られた気体成分のうち、タールなどの炭化水素（例えばＣａＨｂＯｃ）は、水蒸気とともに触媒の存在下で水蒸気改質される。詳細には、反応式（７）で表される水蒸気改質反応を生じる。また、反応式（８）で表される部分酸化や、反応式（９）のようなシフト反応も一部生じ得る。これにより、さらに水素、一酸化炭素及び二酸化炭素が生成する。
第１段階の化学反応Ｒ１及び第２段階の化学反応Ｒ２で生成した水素、一酸化炭素及び二酸化炭素からなる合成ガスは、適宜、公知の方法で利用され得る。例えば、フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成によって炭化水素化合物を経てアップグレーディング技術でさまざまな油種とされ得る。また、合成ガスを燃料としてガスエンジンやガスタービンに供給して発電を行うことも出来る。
ところで、上記した第１段階の化学反応Ｒ１及び第２段階の化学反応Ｒ２において、原料の水素含量によって部分酸化反応及び水蒸気改質反応は異なる。しかしながら、第１段階の化学反応Ｒ１に関して、重質残渣油のガス化などを例とすると、部分酸化反応は、炭素に注目して、
Ｃ＋（１／２）Ｏ２ ⇔ ＣＯ＋１２３ｋＪ／ｍｏｌ
と表せるように、発熱反応である。また、第２段階の化学反応Ｒ２に関して、第１段階の化学反応Ｒ１と同様に、重質残渣油のガス化を例とすると、水蒸気改質反応は、炭素に注目して、
Ｃ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ＣＯ ＋Ｈ２−１１９ｋＪ／ｍｏｌ
と表せるように、吸熱反応である。このような１つの例からもわかるように、第１段階の化学反応Ｒ１における部分酸化反応で生ずる熱を第２段階の化学反応Ｒ２における水蒸気改質反応に利用できると、全体のエネルギー効率を向上させられるのである。これにより、水蒸気（Ｈ２Ｏ）に由来する水素をも得ることが出来るから、Ｈ２／ＣＯ比率を高め得る。特に、上記したフィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成や、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、メタノールの液体合成に好適とされる合成ガスにおけるＨ２／ＣＯ比率＞２を達成し得るのである。
Ｃ＋（１／２）Ｏ２ ⇔ ＣＯ＋１２３ｋＪ／ｍｏｌ
と表せるように、発熱反応である。また、第２段階の化学反応Ｒ２に関して、第１段階の化学反応Ｒ１と同様に、重質残渣油のガス化を例とすると、水蒸気改質反応は、炭素に注目して、
Ｃ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ＣＯ ＋Ｈ２−１１９ｋＪ／ｍｏｌ
と表せるように、吸熱反応である。このような１つの例からもわかるように、第１段階の化学反応Ｒ１における部分酸化反応で生ずる熱を第２段階の化学反応Ｒ２における水蒸気改質反応に利用できると、全体のエネルギー効率を向上させられるのである。これにより、水蒸気（Ｈ２Ｏ）に由来する水素をも得ることが出来るから、Ｈ２／ＣＯ比率を高め得る。特に、上記したフィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成や、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、メタノールの液体合成に好適とされる合成ガスにおけるＨ２／ＣＯ比率＞２を達成し得るのである。
次に、本発明によるバイオマスガス化装置１について説明する。
図２に示すように、反応容器１０は、円筒状又は角筒状などの中空容器である。反応容器１０は、上端部を蓋部１０ａで閉塞されており、また下端部近傍には断面積を減じるように漏斗状に傾斜した傾斜部１０ｂが設けられている。傾斜部１０ｂの位置及び傾斜形状等により、後述する原料バイオマスの落下流路Ｆを変化させ得る。さらに傾斜部１０ｂの底部中央には、後述する原料バイオマスのガス化によって生じる固体成分を収集するための堆積槽１０ｃが設けられている。なお、堆積槽１０ｃには、この中に堆積した固体成分を取り出すための図示しない取り出し口が設けられている。
水蒸気供給管１５は、反応容器１０の中心軸線Ｍに沿って上方へ向けて伸びており、上方端部の開口１５ａから水蒸気を反応容器１０内部に導入する。開口１５ａは、反応容器１０の傾斜部１０ｂの側方に位置している。
また、反応容器１０の中心軸線Ｍに沿って、蓋部１０を貫通するようにして筒状反応容器２０が垂下している。筒状反応容器２０の下方端部の開口２０ａは、水蒸気供給管１５の開口１５ａと離間して対向している。
ここで、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、筒状反応容器２０の開口２０ａ近傍における先端部２０ｂは、伝熱隔壁として第１反応容器１０内の空間とその内部とを分離している。特に、図３（ａ）に示すように、先端部２０ｂで画定される空間内には、担体がアルミナ等からなる球状若しくは不定型状の顆粒状の触媒２５が充填されている。これとともに開口２０ａには、気体を透過するように貫通穴を多数設けた格子板２５ａなどが嵌め込まれて、触媒２５が落下しないようになっている。格子板２５ａは気体のみが透過するような構造であれば、多孔質セラミックス板などを適宜、用い得る。触媒２５は、公知の水蒸気改質金属触媒、又は、部分酸化金属触媒等を与えられ、これは、例えば、ニッケル、ルテニウム、ロジウムなどを用いた改質、酸化性能を有するものであればよい。また、複数の触媒を使用してもよい。
なお、図３（ｂ）に示すように触媒２５は、円柱型や押し出し形状のペレット状であって、ガスが透過可能な多孔質体からなるものであってもよい。更に、図３（ｃ）に示すように、筒状反応容器２０の先端部２０ｂが略鉛直に配置されているときなどは、触媒２５を筒状反応容器２０の開口２０ａよりも外側に突出するように取り付けて、この中を水蒸気及びガスがより透過しやすくしても良い。なお、触媒２５の担体は、アルミナに限定するものでなく、例えばシリカ、あるいはシリカ、アルミナなど複数からなるものを使用することが出来る。
更に、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、水蒸気を導入するための水蒸気供給管１５は、筒状反応容器２０内に配置されて、その開口１５ａを触媒２５の近傍、若しくは、埋設してしまって水蒸気を確実に触媒２５内部に導くようにしても良い。また、図４（ｃ）に示すように、筒状反応容器２０の開口２０ａから触媒２５の内部に挿入、若しくは、筒状反応容器２０の一部をなすように設けても良い。
再び、図２を参照すると、蓋部１０ａにはこれを貫通するようにして、反応容器１０内に破砕された原料バイオマスを落下させながら導入するための原料バイオマス供給管３５が取り付けられている。更に、反応容器１０の側壁には、原料バイオマスの落下流路Ｆに向けて、純酸素、酸素富化空気、又は空気からなる酸化ガス化剤を導くガス化剤供給管４０が設けられている。なお、図２では、ガス化剤供給管４０は、２箇所にのみ設けるように示されているが、適宜、所定箇所に設けられ、１箇所であっても、また複数箇所に設けられていてもよい。
次に、上記した本発明によるバイオマスガス化装置１におけるバイオマスガス化方法について説明する。
原料バイオマスは、破砕されて原料バイオマス供給管３５から反応容器１０内に投入される。ここで原料バイオマスはこれに限定されるものではないが、破砕などの前処理の容易な稲藁、麦わら等のソフトバイオマスや、スギ等の木質バイオマスが好ましい。特に、ソフトバイオマスは、前処理に必要なエネルギーを低減出来るため好ましい。なお、原料バイオマスの粒径が大であると、部分酸化反応及び熱分解反応の効率が下がり、チャーの生成量が増加して水素、一酸化炭素、二酸化炭素を主成分とする合成ガスの収率を低下させてしまう。故に、適宜、原料バイオマスの破砕粒径を調整して原料バイオマス供給管３５に導かれる。
原料バイオマス供給管３５から反応容器１０内に投入された破砕された原料バイオマスは、筒状反応容器２０の側面を包絡するようにして落下する落下流路Ｆを形成する。落下流路Ｆを形成するために、図示しないコンベアやふるいを反応容器１０内の蓋部１０ａ近傍に設けることも出来る。また、筒状反応容器２０の外側に落下流路Ｆの流れを制御するとともに、伝熱効率を向上させるフィンなどを設置しても良い。
一方、酸素や空気などの酸化ガス化剤をガス化剤供給管４０から反応容器１０内に導入する。原料バイオマスの落下流路Ｆに酸化ガス化剤が供給されると、原料バイオマスが落下流路Ｆ内を落下しながらその一部が燃焼し、部分酸化反応及び熱分解反応を生じて反応ガスを生成する（図１の化学反応Ｒ１を参照）。反応ガスは、タールを含む揮発性の炭化水素及び水素、一酸化炭素、二酸化炭素などからなる。一方、同時に、チャーや灰分などの固体成分を生成する。このとき、原料バイオマスが落下しながらばらけるので、ゴミやチャー、灰分などの固体成分がすみやかに分離できる。故に、酸化ガス化剤と原料バイオマスとが効率よく反応して生成ガスを得られて、原料バイオマスの燃焼が少なくとも部分酸化のための熱を安定して得ることが出来るのである。
なお、酸化ガス化剤の噴射圧力及び噴射方向によって、原料バイオマスの落下流路Ｆを変化させ得るので、適宜、ガス化剤供給管４０の位置などが調整され得る。
ところで、原料バイオマスは、落下流路Ｆを落下しながら、気体成分である生成ガスと固体成分とに分離され、固体成分は自重によって反応容器１０の底部の堆積槽１０ｃ内に落下していく。一方、気体成分は、水蒸気供給管１５の開口１５ａから吐出される水蒸気に巻き込まれるようにして、触媒２５へ仕向けられ、図示しない改質触媒に接触する。
ここで、触媒２５は、伝熱隔壁としての筒状反応容器２０の先端部２０ｂによってその側部を覆われているから、原料バイオマスの落下流路Ｆ内に配置されていても、未燃焼の原料バイオマスや固体成分をその多孔質部に詰まらせてしまうことがない。仮に、これらが触媒２５に付着してしまったとしても、水蒸気供給管１５から所定の圧力を掛けた水蒸気を触媒２５に向けて吹き付けることができて、クリーニングが可能である。
更に、触媒２５は、原料バイオマスの落下流路Ｆ内に配置されているから、原料バイオマスの部分酸化及び熱分解による熱がこれに与えられる。つまり、筒状反応容器２０の触媒２５では、気体成分中のタールと炭化水素が熱を与えられながら水素、一酸化炭素及び二酸化炭素に水蒸気改質される（図１の化学反応Ｒ２参照）。この水蒸気改質によって得られた水素、一酸化炭素及び二酸化炭素からなる合成ガスは、筒状反応容器２０を介して反応容器１０の外部に取り出されて、適宜、公知の利用法で使用され得る。
ここで、原料バイオマスは、Ｃ１．０〜１．５Ｈ２Ｏ０．７〜１．１のように表され、１つの例としてＣ６Ｈ１０Ｏ５で表される。反応熱Ｑｎ＞０とすると、
熱分解反応：
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５ → ５ＣＯ＋５Ｈ２＋Ｃ−Ｑ１（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５ → ５ＣＯ＋ＣＨ４＋３Ｈ２−Ｑ２（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５ → ３ＣＯ＋ＣＯ２＋２ＣＨ４＋Ｈ２＋Ｑ３（発熱）
部分酸化反応：
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋１／２Ｏ２ → ６ＣＯ＋５Ｈ２−Ｑ４（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋Ｏ２ → ５ＣＯ＋ＣＯ２＋５Ｈ２＋Ｑ５（発熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋２Ｏ２ → ３ＣＯ＋３ＣＯ２＋５Ｈ２＋Ｑ６（発熱）
水蒸気改質反応：
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋Ｈ２Ｏ → ６ＣＯ＋６Ｈ２−Ｑ７（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋３Ｈ２Ｏ → ４ＣＯ＋２ＣＯ２＋８Ｈ２−Ｑ８（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋７Ｈ２Ｏ → ６ＣＯ＋１２Ｈ２−Ｑ９（吸熱）
と表すことが出来る。つまり、熱分解反応、部分酸化反応及び水蒸気改質反応は、いくつかの化学反応から構成され、どの化学反応が支配的になるかは、温度（熱供給量）、ガス化剤の量、水の量、及び、原料バイオマスの組成などによって決定される。換言すれば、これらを制御することで化学反応を制御できる。また、実用上、反応速度をなるべく高めて化学反応の進行を促進させることが好ましい。触媒はかかる効果を与える。
熱分解反応：
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５ → ５ＣＯ＋５Ｈ２＋Ｃ−Ｑ１（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５ → ５ＣＯ＋ＣＨ４＋３Ｈ２−Ｑ２（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５ → ３ＣＯ＋ＣＯ２＋２ＣＨ４＋Ｈ２＋Ｑ３（発熱）
部分酸化反応：
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋１／２Ｏ２ → ６ＣＯ＋５Ｈ２−Ｑ４（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋Ｏ２ → ５ＣＯ＋ＣＯ２＋５Ｈ２＋Ｑ５（発熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋２Ｏ２ → ３ＣＯ＋３ＣＯ２＋５Ｈ２＋Ｑ６（発熱）
水蒸気改質反応：
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋Ｈ２Ｏ → ６ＣＯ＋６Ｈ２−Ｑ７（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋３Ｈ２Ｏ → ４ＣＯ＋２ＣＯ２＋８Ｈ２−Ｑ８（吸熱）
Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋７Ｈ２Ｏ → ６ＣＯ＋１２Ｈ２−Ｑ９（吸熱）
と表すことが出来る。つまり、熱分解反応、部分酸化反応及び水蒸気改質反応は、いくつかの化学反応から構成され、どの化学反応が支配的になるかは、温度（熱供給量）、ガス化剤の量、水の量、及び、原料バイオマスの組成などによって決定される。換言すれば、これらを制御することで化学反応を制御できる。また、実用上、反応速度をなるべく高めて化学反応の進行を促進させることが好ましい。触媒はかかる効果を与える。
例えば、ガス化剤供給管４０の位置や酸化ガス化剤の噴射方向を変化させると、Ｏ２の供給量を変化させ得るから、特に、部分酸化反応の化学反応を制御できる。故に、原料落下流路Ｆに沿った温度分布を変化させ得る。また、酸化ガス化剤の温度を変化させても原料落下流路Ｆに沿った温度分布を制御できる。つまり、触媒２５における部分酸化反応及び熱分解反応による熱の供給量を調整できるので、結果として、水蒸気改質反応を制御できる。
次に、上記した本発明の１つの実施例における装置の運転の詳細検討結果について説明する。
５ｍｍ以下に破砕した稲藁及び籾殻の混合物を原料バイオマス供給管３５から反応容器１０内に４０ｋｇ／ｈの量で投入した。一方、ガス化剤供給管４０から酸素を反応容器１０内に導入した。連続運転に至ると、反応容器１０内の温度は６００〜８００℃程度に維持された。この状態で、水蒸気供給管１５から供給される水蒸気量をＨ２Ｏ／Ｃ比率を３〜３．５程度で変化させると、筒状反応容器２０から取り出される合成ガスにおいて、一酸化炭素が約１５００〜２０００ｌ／ｈ、水素が約３０００〜４０００ｌ／ｈほどの間で変化して得られた。すなわち、Ｈ２／ＣＯ比を２以上に高めることが出来た。なお、酸素に替えて酸素富化空気を用いても、同様に高いＨ２／ＣＯ比を得られた。
かかる実施例では、原料バイオマスの７０〜９０％がガス化されている計算となる。通常のガス化プロセスでは原料バイオマスの６０％程度を燃焼させて反応に必要な熱エネルギーを得ている。一方、本実施例では反応容器１０内の維持温度が低くとも、高い収率で合成ガスを得ることができる。換言すれば、原料バイオマスの１０〜３０％程度を燃焼させるだけで合成ガスを得るための熱エネルギーを得ることが出来るから、高い収率で合成ガスを得ることが出来る。
以上、本実施例によれば、高い収率で合成ガスを得ることが出来る。また、装置をコンパクトにすることが出来る。更に、合成ガスにおいて高いＨ２／ＣＯ比率、特にこれを２よりも大きくすることが出来る。
以上、本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例を述べたが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、各部位の形状や、反応容器、触媒等の材料も適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことが出来るであろう。
１０ 反応容器
１０ａ 反応容器蓋部
１０ｂ 反応容器傾斜部
１０ｃ 堆積槽
１５ 水蒸気供給管
１５ａ 水蒸気供給管開口部
２０ 筒状反応容器
２０ａ 筒状反応容器開口
２０ｂ 筒状反応容器先端部
２５ 触媒
２５ａ 格子板
３５ 原料バイオマス供給管
３５ａ 原料バイオマス供給管開口部
４０ ガス化剤供給管
Ｆ 原料バイオマス落下流路
Ｍ 中心軸線
１０ａ 反応容器蓋部
１０ｂ 反応容器傾斜部
１０ｃ 堆積槽
１５ 水蒸気供給管
１５ａ 水蒸気供給管開口部
２０ 筒状反応容器
２０ａ 筒状反応容器開口
２０ｂ 筒状反応容器先端部
２５ 触媒
２５ａ 格子板
３５ 原料バイオマス供給管
３５ａ 原料バイオマス供給管開口部
４０ ガス化剤供給管
Ｆ 原料バイオマス落下流路
Ｍ 中心軸線
Claims (8)
- 原料バイオマスを部分酸化させて得られた生成ガスを水蒸気改質させて合成ガスを得るためのバイオマスガス化装置であって、
前記原料バイオマスを落下させながら酸化ガス化剤と反応させて生成ガスを生じさせるための第１反応容器と、
前記第１反応容器内の前記原料バイオマスの落下流路に向けて前記酸化ガス化剤を導くためのガス化剤供給管と、
前記第１反応容器内にあって前記生成ガスを水蒸気とともにその内部に導いて前記合成ガスを得るための第２反応容器と、
前記第２反応容器に前記水蒸気を供給するための水蒸気供給管と、からなり、
伝熱隔壁によって前記第１反応容器内の空間と画定された前記第２反応容器内の反応空間に改質触媒を装填し前記反応空間を前記原料バイオマスの落下流路内に配置することを特徴とするバイオマスガス化装置。 - 前記第２反応容器の開口端部は、前記水蒸気供給管の開口端部と対向していることを特徴とする請求項１記載のバイオマスガス化装置。
- 前記第１反応容器、前記第２反応容器及び前記水蒸気供給管は、同一の鉛直軸線上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオマスガス化装置。
- 前記酸化ガス化剤は、純酸素、酸素富化空気又は空気であることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載のバイオマスガス化装置。
- 原料バイオマスを部分酸化させて得られた生成ガスを水蒸気改質させて合成ガスを得るためのバイオマスガス化方法であって、
前記原料バイオマスを第１反応容器内にて落下させるステップと、
前記原料バイオマスの落下流路に向けて前記酸化ガス化剤を導くステップと、
前記原料バイオマスを落下させながら前記酸化ガス化剤と反応して生じた生成ガスを水蒸気とともに前記第１反応容器内の第２反応容器の内部に導いて前記合成ガスを得る水蒸気改質ステップと、からなり、
伝熱隔壁によって前記第１反応容器内の空間と画定された前記第２反応容器内の反応空間に改質触媒を装填し、前記反応空間を前記原料バイオマスの落下流路内に配置して、部分酸化ステップで生ずる熱を水蒸気改質ステップに利用することを特徴とするバイオマスガス化方法。 - 前記部分酸化ステップは、生じた固体成分を落下させてガス成分と分離するステップを含むことを特徴とする請求項５記載のバイオマスガス化方法。
- 前記水蒸気改質ステップは、５００〜９００℃の温度範囲となるようにして水素及び一酸化炭素を生成することを特徴とする請求項５又は６記載のバイオマスガス化方法。
- 前記酸化ガス化剤は、純酸素、酸素富化空気又は空気であることを特徴とする請求項５乃至７のうちの１つに記載のバイオマスガス化方法。
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