JP2010006911A - Method for producing gasification catalyst-supporting coal utilizing biomass ash - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はバイオマス灰を利用したガス化触媒担持石炭の製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、バイオマス灰を利用して石炭ガス化に供するのに好適な高触媒活性を有する石炭を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing gasification catalyst-supporting coal using biomass ash. More specifically, the present invention relates to a method for producing coal having high catalytic activity suitable for use in biomass gasification using biomass ash.
石炭ガス化複合発電は、高効率且つ環境性に優れた発電システムとして早期実用化が期待されている。近年、この石炭ガス化複合発電の実用化に向けて、種々の研究が行われている。 Coal gasification combined power generation is expected to be put to practical use as a highly efficient and environmentally friendly power generation system. In recent years, various studies have been conducted for practical application of this coal gasification combined power generation.
このような研究の一つとして、石炭にガス化触媒を担持させて石炭のガス化反応性を高めることにより、ガス化温度の低温化を図ってエネルギー変換効率を向上させる試みがなされている。例えば特許文献1では、アルカリ金属の水酸化物、炭酸塩もしくは塩化物、アルカリ土類金属の炭酸塩もしくは塩化物、並びに遷移金属の塩化物等をガス化触媒物質とし、これらのガス化触媒物質を溶解した水溶液を石炭粒子に含浸させ乾燥させることにより、触媒物質を石炭粒子に担持させて、石炭ガス化温度の低温化を図ることが提案されている。 As one of such studies, an attempt has been made to improve the energy conversion efficiency by reducing the gasification temperature by increasing the gasification reactivity of coal by supporting the gasification catalyst on the coal. For example, in Patent Document 1, alkali metal hydroxides, carbonates or chlorides, alkaline earth metal carbonates or chlorides, and transition metal chlorides are used as gasification catalyst materials. It has been proposed that a coal gas is impregnated in a coal solution and dried to allow the catalyst material to be supported on the coal particle to lower the coal gasification temperature.
また、非特許文献1では、炭酸ナトリウムや炭酸カリウム、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等の水溶液を石炭に含浸させ乾燥させることにより、ナトリウムやカリウムをガス化触媒として石炭に担持させる技術が開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a technique in which sodium or potassium is supported on coal as a gasification catalyst by impregnating and drying an aqueous solution of sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide, or the like. ing.
さらに、非特許文献1では、水に水酸化カルシウムを溶解して水酸化カルシウム水溶液を得、この水溶液に石炭を含浸させ乾燥させることにより、カルシウムをガス化触媒として石炭に担持させる技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1や非特許文献1において開示されている技術のように、ナトリウムやカリウム、カルシウムを含む工業用試薬をガス化触媒として利用した場合、ガス化触媒担持石炭の製造にかかるコストが上昇し、その結果として石炭ガス化発電にかかるコストが上昇してしまう問題がある。 However, when an industrial reagent containing sodium, potassium, or calcium is used as a gasification catalyst, as in the technology disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the cost for producing the gasification catalyst-supporting coal is high. As a result, the cost of coal gasification power generation increases.
また、水酸化カルシウム水溶液に石炭を含浸させ乾燥させることにより石炭にカルシウムを担持させる非特許文献1に開示された方法では、カルシウムを極少量しか石炭に担持することができず、石炭の触媒活性の大幅な向上は見込めない。 In addition, in the method disclosed in Non-Patent Document 1 in which calcium is supported by impregnating and drying a calcium hydroxide aqueous solution, only a very small amount of calcium can be supported on the coal. Is not expected to improve significantly.
即ち、石炭ガス化発電の普及に向けて、石炭ガス化発電にかかるコストを低減しながらも高触媒活性を有する石炭を製造する技術の確立が望まれている。 That is, for the spread of coal gasification power generation, establishment of a technique for producing coal having high catalytic activity while reducing the cost of coal gasification power generation is desired.
そこで、本発明は、ガス化触媒担持石炭の製造にかかるコストを低減しながらも、ガス化触媒を石炭に高濃度に担持することのできるガス化触媒担持石炭の製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a gasification catalyst-carrying coal that can carry a gasification catalyst on coal at a high concentration while reducing the cost for producing the gasification catalyst-carrying coal. And
かかる課題を解決するため、本願発明者は、水酸化カルシウム水溶液を用いた非特許文献1の方法によりカルシウムを石炭に高濃度に担持できない原因は、水酸化カルシウムの水に対する溶解度が1.6g/L(20℃)と非常に低いことにあると考え、水酸化カルシウムを高濃度に溶解する液体について検討を行った。その結果、草本系のバイオマス原料である竹や籾殻を炭化処理する際に発生する酸性のバイオマス水溶性液に対する水酸化カルシウムの溶解度が水に対する溶解度と比較して非常に高いことを見出した。 In order to solve such a problem, the inventor of the present application is unable to support calcium in coal at a high concentration by the method of Non-Patent Document 1 using an aqueous calcium hydroxide solution because the solubility of calcium hydroxide in water is 1.6 g / L (20 ° C.) is considered to be very low, and a liquid that dissolves calcium hydroxide at a high concentration was examined. As a result, it has been found that the solubility of calcium hydroxide in an acidic biomass aqueous solution generated when carbonizing bamboo or rice husks, which are herbaceous biomass materials, is very high compared to the solubility in water.
次に、本願発明者は、水酸化カルシウムのような工業用試薬に代わるガス化触媒抽出源について種々検討した。その結果、バイオマスの灰を上記酸性のバイオマス水溶性液と接触させて、バイオマスの灰に含まれる成分を溶解した後、このバイオマス水溶性液を微粉炭と接触させてガス化触媒担持微粉炭を製造したところ、原炭と比較してガス化反応速度が向上することを見出した。そこでさらに種々検討した結果、実験に使用したバイオマス灰には、ナトリウム、カリウム及びカルシウムのうちの少なくともいずれかのガス化触媒元素が含まれていることが判明し、ナトリウム、カリウム及びカルシウムのうちの少なくともいずれかを含むバイオマスの灰をガス化触媒抽出源として利用できることを知見し、本願発明に至った。 Next, the inventor of the present application has studied various gasification catalyst extraction sources in place of industrial reagents such as calcium hydroxide. As a result, the biomass ash is brought into contact with the acidic biomass water-soluble liquid to dissolve the components contained in the biomass ash, and then the biomass water-soluble liquid is brought into contact with the pulverized coal to produce the gasification catalyst-supported pulverized coal. As a result of the production, it was found that the gasification reaction rate was improved as compared with raw coal. As a result of further various studies, it was found that the biomass ash used in the experiment contained at least one gasification catalyst element of sodium, potassium and calcium. The present inventors have found that biomass ash containing at least one of them can be used as a gasification catalyst extraction source, leading to the present invention.
かかる知見に基づく請求項1に記載のガス化触媒担持石炭の製造方法は、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣のうちの少なくともいずれかを炭化処理する際に発生する酸性のバイオマス水溶性液と、石炭のガス化触媒として機能するナトリウム、カリウム及びカルシウムのうちの少なくともいずれかのガス化触媒元素を含むバイオマス灰とを準備し、バイオマス水溶性液とバイオマス灰とを接触させてバイオマス灰に含まれるガス化触媒元素をバイオマス水溶性液に溶解し、バイオマス水溶性液を石炭と接触させて石炭にガス化触媒元素を担持するようにしている。 The method for producing a gasification catalyst-supporting coal according to claim 1 based on such knowledge is an acid generated when carbonizing at least one of a woody biomass raw material, a herbaceous biomass raw material, and a plant-derived food residue. A biomass water-soluble liquid and a biomass ash containing a gasification catalyst element of at least one of sodium, potassium and calcium that function as a coal gasification catalyst, and contacting the biomass water-soluble liquid and the biomass ash The gasification catalyst element contained in the biomass ash is dissolved in the biomass water-soluble liquid, and the biomass water-soluble liquid is brought into contact with the coal so that the gasification catalyst element is supported on the coal.
木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣のうちの少なくともいずれかを炭化処理する際に発生する酸性のバイオマス水溶性液には、バイオマス灰に含まれるナトリウム、カリウム及びカルシウムのうちの少なくともいずれかのガス化触媒元素が高濃度に溶解する。したがって、ガス化触媒を高濃度に溶解したバイオマス水溶性液を石炭と接触させて、ガス化触媒が高濃度に分散担持された石炭を製造することができる。 The acidic biomass aqueous solution generated when carbonizing at least one of the woody biomass raw material, the herbaceous biomass raw material and the plant-derived food residue includes sodium, potassium and calcium contained in the biomass ash. At least one of the gasification catalyst elements is dissolved at a high concentration. Therefore, the biomass water-soluble liquid in which the gasification catalyst is dissolved at a high concentration is brought into contact with the coal to produce coal in which the gasification catalyst is dispersed and supported at a high concentration.
また、請求項2に記載のガス化触媒含有溶液は、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣のうちの少なくともいずれかを炭化処理する際に発生する酸性のバイオマス水溶性液に、石炭のガス化触媒として機能するナトリウム、カリウム及びカルシウムのうちの少なくともいずれかのガス化触媒元素を含むバイオマス灰のガス化触媒元素が溶解されているものである。したがって、このガス化触媒含有溶液によれば、ガス化触媒元素が溶液中に高濃度に溶解している。 The gasification catalyst-containing solution according to claim 2 is an acidic biomass water-soluble liquid generated when carbonizing at least one of a woody biomass raw material, a herbaceous biomass raw material, and a plant-derived food residue. In addition, a biomass ash gasification catalyst element containing at least one gasification catalyst element of sodium, potassium, and calcium that functions as a coal gasification catalyst is dissolved. Therefore, according to this gasification catalyst-containing solution, the gasification catalyst element is dissolved in the solution at a high concentration.
請求項1に記載のガス化触媒担持石炭の製造方法によれば、ガス化触媒元素が高濃度に分散担持された触媒活性の高い石炭を製造することが可能となる。しかも、バイオマス灰という廃棄物に含まれるガス化触媒元素を利用するようにしているので、ガス化触媒元素を含む工業用試薬を利用してガス化触媒担持石炭を製造する場合と比較して格段に低コストにガス化触媒担持石炭を製造することができる。また、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣といった天然由来の原料から得られたバイオマス水溶性液を溶解媒体として用いているので、環境汚染を引き起こすことなく低コストにガス化触媒担持石炭を製造することができる。 According to the method for producing gasified catalyst-carrying coal according to claim 1, it is possible to produce coal having high catalytic activity in which the gasified catalyst element is dispersed and supported in a high concentration. Moreover, since the gasification catalyst element contained in the waste called biomass ash is used, it is markedly different from the case of producing gasification catalyst-supporting coal using an industrial reagent containing the gasification catalyst element. In addition, the gasification catalyst-supporting coal can be produced at a low cost. In addition, it uses biomass water-soluble liquid obtained from natural raw materials such as woody biomass, herbaceous biomass, and plant-derived food residues as a dissolution medium, so it can be gasified at low cost without causing environmental pollution. Catalyst-supporting coal can be produced.
請求項2に記載のガス化触媒含有溶液によれば、ガス化触媒元素が溶液中に高濃度に溶解しているので、このガス化触媒含有溶液を石炭と接触させた後に乾燥させるだけで、ガス化触媒元素が高濃度且つ安定に担持されたガス化触媒担持石炭を得ることが可能となる。 According to the gasification catalyst-containing solution according to claim 2, since the gasification catalyst element is dissolved in the solution at a high concentration, the gasification catalyst-containing solution is simply dried after contacting the coal with the coal, It becomes possible to obtain gasification catalyst-supporting coal in which the gasification catalyst element is stably supported at a high concentration.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
本発明のガス化触媒担持石炭の製造方法は、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣のうちの少なくともいずれかを炭化処理する際に発生する酸性のバイオマス水溶性液と、石炭のガス化触媒として機能するナトリウム、カリウム及びカルシウムのうちの少なくともいずれかのガス化触媒元素を含むバイオマス灰とを準備し、バイオマス水溶性液とバイオマス灰とを接触させてバイオマス灰に含まれるガス化触媒元素をバイオマス水溶性液に溶解し、バイオマス水溶性液を石炭と接触させて石炭にガス化触媒元素を担持するようにしている。 The method for producing a gasification catalyst-supporting coal of the present invention includes an acidic biomass water-soluble liquid generated when carbonizing at least one of a woody biomass raw material, a herbaceous biomass raw material, and a plant-derived food residue; A biomass ash containing a gasification catalyst element of at least one of sodium, potassium, and calcium that functions as a coal gasification catalyst is prepared, and the biomass ash is contained in the biomass ash by contacting the biomass water-soluble liquid with the biomass ash. A gasification catalyst element is dissolved in a biomass water-soluble liquid, and the biomass water-soluble liquid is brought into contact with coal so that the gasification catalyst element is supported on the coal.
つまり、本発明のガス化触媒担持石炭の製造方法は、酸性のバイオマス水溶性液に石炭のガス化触媒として機能する元素を溶解させてガス化触媒含有溶液を調製し、ガス化触媒含有溶液を石炭と接触させることによって、ガス化触媒含有溶液に溶解しているガス化触媒元素を石炭に分散担持し、ガス化触媒担持石炭を得るものである。 That is, in the method for producing a gasification catalyst-supporting coal of the present invention, an element that functions as a coal gasification catalyst is dissolved in an acidic biomass aqueous solution to prepare a gasification catalyst-containing solution. By contacting with coal, the gasification catalyst element dissolved in the gasification catalyst-containing solution is dispersed and supported on the coal to obtain the gasification catalyst-supporting coal.
本発明に使用される木質系バイオマス原料としては、例えば、おがくず、樹皮、チップ、が挙げられる。より具体的には、杉チップ、杉バークなどが挙げられるが、酸性のバイオマス水溶性液が得られる木質系バイオマス原料であれば、これらに限定されない。 Examples of the woody biomass material used in the present invention include sawdust, bark, and chips. More specifically, cedar chips, cedar bark and the like can be mentioned, but the woody biomass raw material from which an acidic biomass water-soluble liquid can be obtained is not limited thereto.
本発明に使用される草本系バイオマス原料としては、例えば、竹、籾殻、サトウキビ、稲わら、お茶滓が挙げられるが、酸性のバイオマス水溶性液が得られる草本系バイオマス原料であれば、これらに限定されない。 Examples of the herbaceous biomass raw material used in the present invention include bamboo, rice husk, sugar cane, rice straw, and rice bowl, but if it is a herbaceous biomass raw material from which an acidic biomass aqueous solution can be obtained, It is not limited.
本発明に使用される植物由来の食品残渣としては、例えば、果実皮等の果実残渣、コーヒー焙煎滓等の植物種子由来の残渣が挙げられるが、酸性のバイオマス水溶性液が得られる植物由来の食品残渣であれば、これらに限定されない。 Examples of plant-derived food residues used in the present invention include fruit residues such as fruit peels, and residue derived from plant seeds such as roasted coffee coffee, but derived from plants from which an acidic biomass aqueous solution can be obtained. If it is food residue of, it will not be limited to these.
また、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣のいずれかを炭化処理して得られる酸性のバイオマス水溶性液の少なくとも1種類を用いれば本発明の効果が奏されるのは勿論のこと、2種類以上組み合わせて用いるようにしてもよい。また、酸性のバイオマス水溶性液を採取する際に、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣のうちの2種類以上を同時に炭化処理して、酸性のバイオマス水溶性液を採取するようにしてもよい。尚、以下の説明では、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣を総称して「バイオマス原料」と呼ぶこととする。 Moreover, the effect of the present invention can be achieved by using at least one kind of acidic biomass water-soluble liquid obtained by carbonizing any of woody biomass raw material, herbaceous biomass raw material and plant-derived food residue. Of course, two or more types may be used in combination. In addition, when collecting acidic biomass water-soluble liquid, two or more of woody biomass raw material, herbaceous biomass raw material and plant-derived food residue are simultaneously carbonized to collect acidic biomass water-soluble liquid You may make it do. In the following description, the woody biomass material, the herbaceous biomass material and the plant-derived food residue are collectively referred to as “biomass material”.
酸性のバイオマス水溶性液は、バイオマス原料を炭化処理する際に発生するガスを回収することにより得られる。但し、バイオマス原料を炭化処理した際に発生する成分には、水溶性液体成分と、水に不溶性の粘度の高い重質成分(例えば、タール類等)とが含まれており、水溶性液体成分はガスの状態で発生する。このガス状の水溶性液体成分を凝集・捕捉することによって、酸性のバイオマス水溶性液を得ることができる。ここで、酸性のバイオマス水溶性液にタール類等の粘度の高い重質成分が含まれていると、酸性のバイオマス水溶性液を石炭(微粉炭)と接触させて乾燥させたときに、石炭が凝集して塊状となりやすくなり、ガス化炉内への石炭の供給に不都合が生じる虞がある。したがって、粘度の高い重質成分は、酸性のバイオマス水溶性液から分離する必要がある。以下、酸性のバイオマス水溶性液を回収する方法について図1に基づいて説明する。 An acidic biomass water-soluble liquid is obtained by recovering a gas generated when carbonizing a biomass raw material. However, the components generated when the biomass raw material is carbonized include a water-soluble liquid component and a heavy component (for example, tars) that is insoluble in water and has a high viscosity. Occurs in a gas state. An acidic biomass water-soluble liquid can be obtained by aggregating and capturing the gaseous water-soluble liquid component. Here, if the acidic biomass water-soluble liquid contains heavy components with high viscosity such as tars, when the acidic biomass water-soluble liquid is brought into contact with coal (pulverized coal) and dried, the coal Are likely to agglomerate and form a lump, which may cause inconvenience in the supply of coal into the gasification furnace. Therefore, heavy components with high viscosity need to be separated from the acidic biomass aqueous solution. Hereinafter, a method for recovering an acidic biomass aqueous solution will be described with reference to FIG.
図1に示すバイオマス水溶性液収集分離システム1は、大まかには、炉心管3を有する電気炉2と、第一容器4と、第二容器5とにより構成される。そして、炉心管3と第一容器4とが配管7により連結され、第一容器4と第二容器5とが配管8により連結されている。 A biomass water-soluble liquid collecting / separating system 1 shown in FIG. 1 is roughly composed of an electric furnace 2 having a furnace core tube 3, a first container 4, and a second container 5. The core tube 3 and the first container 4 are connected by a pipe 7, and the first container 4 and the second container 5 are connected by a pipe 8.
炉心管3を有する電気炉2では、バイオマス原料の炭化処理が行われる。バイオマス原料は無酸素条件下、例えば不活性ガス雰囲気中で300℃以上に加熱すると熱分解(炭化)する。この際に酸性のバイオマス水溶性成分のガスが発生する。 In the electric furnace 2 having the furnace core tube 3, the biomass raw material is carbonized. A biomass raw material is thermally decomposed (carbonized) when heated to 300 ° C. or higher in an oxygen-free condition, for example, in an inert gas atmosphere. At this time, an acidic biomass water-soluble component gas is generated.
不活性ガスとしては、Ar等の希ガスや窒素ガス(N2)を用いることができるが、コストの面を考慮すると窒素ガスを用いることが好適である。 As the inert gas, a rare gas such as Ar or nitrogen gas (N 2 ) can be used, but it is preferable to use nitrogen gas in view of cost.
ここで、バイオマス原料の炭化処理の際の加熱温度の上限値については、500℃とすればバイオマス原料の熱分解が完全に完了するが、400℃〜450℃の温度範囲でバイオマス原料の熱分解はほとんど完了するので、酸性のバイオマス水溶性液を得る目的であれば、400℃〜450℃の温度範囲まで加熱すれば十分である。加熱時間については、炉内に装入されるバイオマス原料の量により適宜選択することができる。また、加熱方法については、電気炉の温度を室温として原料を装入した後、電気炉の温度を徐々に上げるようにしてもよいが、炉内の温度を400℃〜450℃に保って加熱することがより好適である。この場合には、電気炉の昇温に要する時間を短縮して生産性を向上させることができる。 Here, about the upper limit of the heating temperature in the carbonization treatment of the biomass raw material, if it is set to 500 ° C., the thermal decomposition of the biomass raw material is completely completed, but the thermal decomposition of the biomass raw material in the temperature range of 400 ° C. to 450 ° C. Is almost completed, it is sufficient to heat to a temperature range of 400 ° C. to 450 ° C. for the purpose of obtaining an acidic biomass aqueous solution. About a heating time, it can select suitably by the quantity of the biomass raw material charged in a furnace. As for the heating method, the temperature of the electric furnace may be gradually raised after the temperature of the electric furnace is set to room temperature, and then the temperature in the furnace is kept at 400 ° C. to 450 ° C. for heating. More preferably. In this case, productivity can be improved by shortening the time required to raise the temperature of the electric furnace.
本実施形態において、バイオマス原料の熱分解装置は、炉心管3の形状を縦型とし、炉心管3の内部には、炉心管3に投入されるバイオマス原料を通過させることなく、バイオマス原料から発生するガスを十分に通過させ得る貫通孔を有する多孔板12を設けるようにしている。そして、電気炉2で炉心管3内を加熱しながら、不活性ガスを炉心管3の上部から供給することによって、熱分解の際に発生するガスが、配管7から第一容器4に向かって強制排気されるようにしている。 In the present embodiment, the biomass raw material pyrolysis apparatus has a vertical shape as the shape of the core tube 3, and is generated from the biomass material without passing the biomass material charged into the core tube 3 into the core tube 3. The perforated plate 12 having a through hole through which a gas to be sufficiently passed can be provided. Then, while the inside of the core tube 3 is heated by the electric furnace 2, the inert gas is supplied from the upper part of the core tube 3, so that the gas generated during the pyrolysis is directed from the pipe 7 toward the first container 4. It is forced to exhaust.
このように、炉心管3を縦型とし、配管7を第一容器4に対して下向きに配置することによって、熱分解の際に発生するガス等の成分が配管7から排出される前に配管7に付着して凝集するのを防ぐことができ、また、仮に配管7に付着して凝集したとしても、凝集物を第一容器4に重力により落下させて回収することができる。したがって、バイオマス原料を炭化処理することにより発生する成分を無駄なく回収して、酸性のバイオマス水溶性液の収量を高めることができる。 As described above, the furnace tube 3 is a vertical type, and the pipe 7 is disposed downward with respect to the first container 4, so that the components such as the gas generated during the thermal decomposition are discharged before the pipe 7 is discharged. 7 and can be prevented from agglomerating, and even if it adheres to the pipe 7 and agglomerates, the agglomerate can be dropped into the first container 4 by gravity and collected. Therefore, the components generated by carbonizing the biomass raw material can be recovered without waste, and the yield of the acidic biomass aqueous solution can be increased.
但し、バイオマス原料の熱分解装置は上記形態に限定されるものではなく、炉心管の形状を横型とした水平式電気炉や、300〜500℃で使用できる一般的な乾燥装置や、カーボナイザーなどを用いた場合にも、上記形態と比較して酸性のバイオマス水溶性液の収量が若干低下してしまうものの、酸性のバイオマス水溶性液を得ることは可能である。また、加熱方法についても、電気炉による加熱に限定されるものではなく、石炭ガス化発電システムの排熱を供給して、熱分解処理にかかる熱源を確保するようにしても良い。また、バイオマス水溶性液収集分離システム1において第二容器5から排気されるガスを燃料として熱源を確保するようにしてもよい。 However, the biomass raw material pyrolysis apparatus is not limited to the above form, a horizontal electric furnace having a horizontal shape of the furnace core tube, a general drying apparatus that can be used at 300 to 500 ° C., a carbonizer, etc. Even in the case where is used, it is possible to obtain an acidic biomass water-soluble liquid although the yield of the acidic biomass water-soluble liquid is slightly reduced as compared with the above-described embodiment. Further, the heating method is not limited to heating by an electric furnace, and exhaust heat from the coal gasification power generation system may be supplied to secure a heat source for the thermal decomposition process. Further, in the biomass water-soluble liquid collection / separation system 1, a heat source may be secured by using a gas exhausted from the second container 5 as a fuel.
配管7からの排出物は第一容器4に導入される。第一容器4は、保温ヒータ14により保温されている。保温ヒーター14の温度は、熱電対16により制御される。具体的には、配管7からの排出物に含まれるタール類等の重質成分と固形物とを捕捉でき、且つ、水分が蒸発する温度、例えば配管8の導入部近傍の温度を100℃〜110℃に設定する。これにより、配管7からの排出物に含まれるタール類等の重質成分と固形物とが第一容器4に回収されて、第一容器4に回収されなかったガス状の排出物と、第一容器4に一旦回収された成分のうち保温ヒータ14の設定温度で蒸発する成分とが配管8に導入される。 Exhaust from the pipe 7 is introduced into the first container 4. The first container 4 is kept warm by a warming heater 14. The temperature of the heat retaining heater 14 is controlled by a thermocouple 16. Specifically, heavy components such as tars and solids contained in the discharge from the pipe 7 can be captured, and the temperature at which moisture evaporates, for example, the temperature in the vicinity of the introduction portion of the pipe 8 is 100 ° C. to Set to 110 ° C. As a result, heavy components such as tars and solids contained in the discharge from the pipe 7 are collected in the first container 4, and the gaseous discharge that has not been collected in the first container 4, Of the components once collected in one container 4, the component that evaporates at the set temperature of the heat retaining heater 14 is introduced into the pipe 8.
尚、このように第一容器4に回収されるタール類等の重質成分と固形物から水分を十分に取り除くことによって、タール類等の重質成分と固形物の燃料としてのエネルギー密度を高めることができる。したがって、燃焼発電やボイラーの燃料として利用するのに好適なものとできると共に、輸送にかかるコストを低減し、ハンドリング性を向上させることも可能となる。 In addition, the energy density as a fuel of heavy components, such as tars, and solid matter is raised by fully removing moisture from heavy components, such as tars, and solid matter collected by the first container 4 in this way. be able to. Therefore, it can be suitable for use as a fuel for combustion power generation and boilers, and it is also possible to reduce transportation costs and improve handling.
配管8からの排出物は、第二容器5に導入される。配管8には水循環方式の冷却装置15(例えば、リービッヒ冷却器)が備えられ、第一容器4に回収されなかったガス状の排出物と、第一容器4に一旦回収された成分のうち保温ヒータ14の設定温度で蒸発する成分とが冷却されることによって、第二容器5に凝集物が回収される。この凝集物が酸性のバイオマス水溶性液である。尚、本実施形態では、配管8に冷却装置を備えるようにしているが、この形態に限定されるものではなく、第二容器5自体を冷却することによって、凝集物を捕捉して回収するようにしてもよい。また、配管8からのガス状の排出物を回収するための冷却温度は、0℃〜室温とすればよいが、この範囲よりもさらに冷却温度を低くして配管8からの排出物を回収するようにしてもよい。 Exhaust from the pipe 8 is introduced into the second container 5. The pipe 8 is provided with a water circulation type cooling device 15 (for example, a Liebig cooler), which keeps the temperature of the gaseous effluent not recovered in the first container 4 and the components once recovered in the first container 4. Aggregates are collected in the second container 5 by cooling the component that evaporates at the set temperature of the heater 14. This aggregate is an acidic biomass aqueous solution. In the present embodiment, the pipe 8 is provided with a cooling device, but the present invention is not limited to this configuration, and the second container 5 itself is cooled to capture and collect aggregates. It may be. Moreover, the cooling temperature for recovering the gaseous emission from the pipe 8 may be 0 ° C. to room temperature, but the cooling temperature is lower than this range to recover the discharge from the pipe 8. You may do it.
第二容器5に回収されなかったガスは、燃料ガスとして石炭ガス化発電に供するようにしてもよい。また、上記したように、バイオマス原料の炭化処理の熱源用の燃料として用いるようにしてもよい。この場合は、バイオマス原料の炭化処理にかかるコストを節減して、バイオマス水溶性液の製造にかかるコストを低減することができる。 The gas that has not been collected in the second container 5 may be used as fuel gas for coal gasification power generation. Further, as described above, it may be used as a fuel for a heat source for carbonization treatment of a biomass raw material. In this case, the cost for carbonization treatment of the biomass raw material can be reduced, and the cost for manufacturing the biomass water-soluble liquid can be reduced.
尚、本実施形態では、第一容器4と第二容器5とを備えて、第一容器4に固形物やタール類等の重質成分を回収し、第二容器5に酸性のバイオマス水溶性液を回収するようにしているが、この形態に限定されるものではない。例えば、第一容器4のみを備えて、第一容器4を0℃〜室温に冷却することにより、固形物やタール類等の重質成分と共に酸性のバイオマス水溶性液を第一容器4に回収し、回収物に固液分離処理と液液抽出処理を施して酸性のバイオマス水溶性液を分離回収するようにしてもよい。 In this embodiment, the first container 4 and the second container 5 are provided, heavy components such as solids and tars are collected in the first container 4, and acidic biomass water-soluble in the second container 5. Although the liquid is collected, the present invention is not limited to this form. For example, only the first container 4 is provided, and the first container 4 is cooled to 0 ° C. to room temperature, so that an acidic biomass aqueous solution is recovered in the first container 4 together with heavy components such as solids and tars. Then, the recovered product may be subjected to a solid-liquid separation process and a liquid-liquid extraction process to separate and recover an acidic biomass aqueous solution.
尚、バイオマス水溶性液の回収方法は、上記方法に限定されるものではなく、木炭やバイオオイルの製造プロセスにおいて回収される酢液類の水溶性副生成物を用いることもできる。 In addition, the collection method of biomass water-soluble liquid is not limited to the said method, The water-soluble by-product of the vinegars collect | recovered in the manufacturing process of charcoal or bio-oil can also be used.
採取されたバイオマス水溶性液には、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)を高濃度に溶解させることができる。水酸化カルシウムの溶解能力について一例を挙げると、水酸化カルシウムの水に対する溶解度は1.6g/L(20℃)であるのに対し、竹と籾殻から得られたpH2〜3のバイオマス水溶性液に対する溶解度は少なくとも20g/L(20℃)であった。つまり、水に対する溶解度よりも少なくとも10倍以上もの水酸化カルシウム溶解能を有していることになる。バイオマス水溶性液のこの特性を利用することで、ガス化触媒元素を石炭に高濃度且つ均一に担持することができる。 Calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) can be dissolved in a high concentration in the collected biomass water-soluble liquid. As an example of the solubility of calcium hydroxide, the solubility of calcium hydroxide in water is 1.6 g / L (20 ° C.), whereas the aqueous biomass solution with a pH of 2-3 obtained from bamboo and rice husks. The solubility in was at least 20 g / L (20 ° C.). In other words, it has a calcium hydroxide solubility of at least 10 times the solubility in water. By utilizing this characteristic of the biomass water-soluble liquid, the gasification catalyst element can be uniformly supported on the coal at a high concentration.
バイオマス水溶性液の酸性度については、pH7未満であれば、水よりもガス化触媒元素であるナトリウム、カリウム及びカルシウムの溶解度が高いので、1.6g/Lを超える量の水酸化カルシウムを溶解することができ、カルシウムを石炭に高濃度に担持することができる。そして、pHをさらに低いものとすることで、カルシウムの溶解度をさらに高めて、カルシウムを石炭にさらに高濃度に担持することができる。したがって、バイオマス水溶性液は、pH7未満で且つpHができるだけ低いものを用いることが好ましいと言えるが、竹と籾殻から得られたpH2〜3の水酸化カルシウムのバイオマス水溶性液を用いることで、ガス化反応速度の向上が十分に見込めることが本発明者の実験により確認されたことから、pHが2〜3のバイオマス水溶性液を用いれば十分に本発明の効果が得られる。 As for the acidity of the aqueous biomass solution, if the pH is less than 7, the solubility of sodium, potassium and calcium, which are gasification catalyst elements, is higher than that of water, so dissolve calcium hydroxide in an amount exceeding 1.6 g / L. Calcium can be supported on coal at a high concentration. And by further lowering the pH, the solubility of calcium can be further increased, and calcium can be supported on coal at a higher concentration. Therefore, it can be said that it is preferable to use a biomass water-soluble liquid having a pH lower than 7 and a pH as low as possible, but by using a biomass water-soluble liquid of calcium hydroxide having a pH of 2 to 3 obtained from bamboo and rice husk, Since it has been confirmed by experiments of the inventor that the gasification reaction rate can be sufficiently improved, the effect of the present invention can be sufficiently obtained by using a biomass water-soluble liquid having a pH of 2 to 3.
本発明で使用されるバイオマス灰は、石炭のガス化触媒として機能するナトリウム、カリウム及びカルシウムのうちの少なくともいずれかのガス化触媒元素を含むものとしている。そして、このバイオマス灰を酸性のバイオマス水溶性液と接触させることによって、バイオマス灰に含まれているガス化触媒元素を溶解させ、これをガス化触媒として石炭に担持させる。 The biomass ash used in the present invention includes a gasification catalyst element of at least one of sodium, potassium, and calcium that functions as a coal gasification catalyst. Then, the biomass ash is brought into contact with an acidic biomass aqueous solution to dissolve the gasification catalyst element contained in the biomass ash, and this is supported on coal as a gasification catalyst.
バイオマス灰としては、バイオマス原料をガス化する際に得られる灰、例えば流動床や固定床のガス化炉で得られるものを用いることができるが、これに限定されるものではなく、例えばバイオマス原料を焼却処理して得られるバイオマス灰を用いることもできる。但し、バイオマス原料にかかる熱が高すぎると、ガス化触媒元素が揮発して減少してしまうので、ガス化触媒元素が揮発して減少しない範囲で加熱されたバイオマス灰を用いることが好ましい。 As the biomass ash, ash obtained when gasifying the biomass raw material, for example, one obtained in a fluidized bed or fixed bed gasification furnace can be used, but is not limited thereto. Biomass ash obtained by incineration can also be used. However, if the heat applied to the biomass raw material is too high, the gasification catalyst element volatilizes and decreases. Therefore, it is preferable to use biomass ash heated within a range in which the gasification catalyst element does not volatilize and decrease.
本願発明者等は、組成の異なる5種のバイオマス灰α1〜α5(表1参照)について検討を行ったところ、全てのバイオマス灰において、ガス化反応速度の向上が見られ、その効果は、バイオマス灰α5で最も大きく、α4、α3、α2、α1の順に小さくなった。尚、表1において、ndとは、未定量であることを意味している。 The inventors of the present application have examined five types of biomass ash α1 to α5 (see Table 1) having different compositions. As a result, in all the biomass ash, an improvement in the gasification reaction rate was observed. It was the largest in ash α5, and decreased in the order of α4, α3, α2, and α1. In Table 1, nd means unquantified.
このことから、バイオマス灰にガス化触媒元素であるナトリウム、カリウムおよびカルシウムが存在すれば、酸性のバイオマス水溶性液により抽出し石炭に担持させることによって、ガス化反応速度を向上させる効果が期待できる。そして、その効果は、ガス化触媒元素の含有量を高めることによって向上させることができると考えられるが、その中でも、特にカリウムの含有量を高めることによって、ガス化反応速度の向上効果が得られやすいことがわかる。例えば、バイオマス灰のカリウム含有量に着目した場合、ガス化反応速度を高めるためには、2.7wt%以上とすることが好ましく、13wt%以上とすることがより好ましく、18wt%以上とすることがさらに好ましく、27wt%以上とすることがなお好ましく、59wt%以上とすることがさらになお好ましい。 From this, if the biomass ash contains gasification catalyst elements such as sodium, potassium, and calcium, an effect of improving the gasification reaction rate can be expected by extracting with an acidic biomass aqueous solution and supporting it on coal. . And, it is considered that the effect can be improved by increasing the content of the gasification catalyst element. Among them, particularly, the effect of improving the gasification reaction rate can be obtained by increasing the content of potassium. It turns out that it is easy. For example, when focusing on the potassium content of biomass ash, in order to increase the gasification reaction rate, it is preferably 2.7 wt% or more, more preferably 13 wt% or more, and 18 wt% or more. Is more preferably 27 wt% or more, and still more preferably 59 wt% or more.
尚、ガス化触媒抽出源として使用できるバイオマス灰は上記組成のもの限定されるものではなく、酸性のバイオマス水溶性液にガス化触媒元素が溶解し得る各種バイオマス灰を使用することができる。酸性のガス化触媒抽出源として使用できるバイオマス灰は、バイオマス水溶性液に溶解したときに、酸性のバイオマス水溶性液のpHを高める作用がある。したがって、バイオマス灰を酸性のバイオマス水溶性液に溶解し、バイオマス灰の溶解前後における酸性のバイオマス水溶性液のpH値の変化を測定することで、ガス化触媒抽出源として使用可能なバイオマス灰か否かを判定することができる。つまり、種々の組成比を有するバイオマス灰を酸性のバイオマス水溶性液に溶解してpH値の変化を測定することによって、ガス化触媒抽出源として使用可能なバイオマス灰の組成比の傾向を把握することが可能となる。また、バイオマス灰には、石炭灰も含まれる。つまり、ガス化触媒元素の化合物の含有量が多い石炭灰もまた、ガス化触媒抽出源として使用することができる。 The biomass ash that can be used as the gasification catalyst extraction source is not limited to the above composition, and various biomass ash that can dissolve the gasification catalyst element in an acidic biomass water-soluble liquid can be used. Biomass ash that can be used as an acidic gasification catalyst extraction source has the effect of increasing the pH of an acidic biomass aqueous solution when dissolved in the biomass aqueous solution. Therefore, the biomass ash is dissolved in an acidic biomass aqueous solution and the change in the pH value of the acidic biomass aqueous solution before and after the dissolution of the biomass ash is measured. It can be determined whether or not. In other words, by grasping the biomass ash having various composition ratios in an acidic biomass aqueous solution and measuring the change in pH value, the tendency of the composition ratio of biomass ash that can be used as a gasification catalyst extraction source is grasped. It becomes possible. Biomass ash includes coal ash. That is, coal ash having a high gasification catalyst element compound content can also be used as a gasification catalyst extraction source.
ここで、カルシウムがガス化触媒として担持されている石炭を燃焼あるいはガス化すると、石炭に担持されているカルシウムから酸化カルシウム(CaO)と炭酸カルシウム(CaCO3)とが生成される。本発明者の実験によれば、カルシウムがガス化触媒として担持されている石炭の燃焼後あるいはガス化後の灰をバイオマス水溶性液と接触させることで、このカルシウムを回収できることが確認されたことから、酸化カルシウムや炭酸カルシウムをバイオマス水溶性液に溶解させてカルシウム担持石炭を得ることができる。即ち、バイオマス灰に含まれているカルシウムが酸化カルシウムや炭酸カルシウムの形態であったとしても、カルシウムをバイオマス水溶性液に溶解させてカルシウム担持石炭を得ることが可能である。また、ナトリウム化合物やカリウム化合物についても、酸性のバイオマス水溶性液中に十分に溶解してガス化触媒として再利用することが可能である。 Here, when coal in which calcium is supported as a gasification catalyst is burned or gasified, calcium oxide (CaO) and calcium carbonate (CaCO 3 ) are generated from the calcium supported in the coal. According to the experiments of the present inventors, it was confirmed that this calcium can be recovered by contacting the ash after combustion or after gasification of coal in which calcium is supported as a gasification catalyst with a biomass aqueous solution. Therefore, calcium-supporting coal can be obtained by dissolving calcium oxide or calcium carbonate in a biomass water-soluble liquid. That is, even if the calcium contained in the biomass ash is in the form of calcium oxide or calcium carbonate, it is possible to obtain calcium-supporting coal by dissolving calcium in the biomass water-soluble liquid. Further, sodium compounds and potassium compounds can be sufficiently dissolved in an acidic biomass aqueous solution and reused as a gasification catalyst.
ガス化触媒元素を担持させるための原料石炭としては、石炭ガス化発電に供される一般的な微粉炭を使用することができ、石炭種は特に限定されない。また、平均粒径が100μm以下の微粉炭を使用することがガス化触媒元素を高濃度に分散担持する上で好適ではあるが、この平均粒径範囲の微粉炭に限定されるものではない。 As raw material coal for carrying | supporting a gasification catalyst element, the general pulverized coal with which coal gasification power generation is used can be used, and coal type is not specifically limited. Although it is preferable to use pulverized coal having an average particle size of 100 μm or less in order to disperse and carry the gasification catalyst element at a high concentration, the pulverized coal is not limited to pulverized coal having this average particle size range.
石炭へのガス化触媒元素の担持は、本発明のガス化触媒含有溶液に石炭を接触させることにより行うことができる。ガス化触媒含有溶液とは、石炭のガス化触媒として機能するナトリウム、カリウム及びカルシウムのうちの少なくともいずれかのガス化触媒元素を含み、且つバイオマス水溶性液へのガス化触媒元素の溶解を阻害する量のシリカを含有しないバイオマス灰のガス化触媒元素を溶解したバイオマス水溶性液である。この接触は、例えば、本発明のガス化触媒含有溶液を含浸液として、この含浸液に石炭を浸漬することにより行うことができる。 The gasification catalyst element can be supported on the coal by bringing the coal into contact with the gasification catalyst-containing solution of the present invention. The gasification catalyst-containing solution contains at least one of the gasification catalyst elements of sodium, potassium, and calcium that functions as a coal gasification catalyst, and inhibits the dissolution of the gasification catalyst element in the biomass aqueous solution. It is a biomass water-soluble liquid in which the gasification catalyst element of biomass ash not containing silica is dissolved. This contact can be performed, for example, by immersing coal in the impregnating liquid using the gasification catalyst-containing solution of the present invention as the impregnating liquid.
含浸液への石炭の浸漬は、ガス化処理に供される石炭の全量に対して行うことが好ましい。この場合には、ガス化触媒元素が高濃度に、且つガス化処理に供される石炭の全量に担持されて、ガス化炉の操作条件を安定に保つことができる。また、石炭ガス化処理に供される石炭のうちの一部のみを含浸液に浸漬して、石炭全量に対するガス化触媒元素担持量の平均値を高めるようにすることも可能である。ただし、この場合には、ガス化炉の操作条件を安定に保つ観点から、ガス化触媒担持炭とガス化触媒非担持炭とを均一に混合することが好ましい。また、バイオマス水溶性液の原液を水で希釈してから石炭全量を含浸液に浸漬して、石炭の全量にガス化触媒元素を担持することも可能である。 It is preferable to immerse the coal in the impregnation liquid with respect to the total amount of coal to be subjected to the gasification treatment. In this case, the gasification catalyst element is supported at a high concentration and the total amount of coal to be subjected to the gasification treatment, so that the operating conditions of the gasification furnace can be kept stable. It is also possible to immerse only a part of the coal subjected to the coal gasification treatment in the impregnating liquid so as to increase the average value of the amount of gasification catalyst element supported relative to the total amount of coal. However, in this case, it is preferable to uniformly mix the gasification catalyst-supported coal and the gasification catalyst-unsupported coal from the viewpoint of stably maintaining the operating conditions of the gasification furnace. It is also possible to dilute the stock solution of the biomass water-soluble liquid with water and then immerse the entire amount of coal in the impregnating solution to carry the gasification catalyst element on the entire amount of coal.
含浸液は、石炭の全量とほぼ等しい体積量とすることで、後の乾燥工程で必要となる熱量を抑えることができる。また、石炭の全量に対する含浸液の量を多めにして浸漬処理を行い、余剰分の含浸液ごと乾燥処理することで、乾燥工程で必要となる熱量は増加するが、石炭に担持されるガス化触媒元素の量を増やすことが可能である。 By setting the impregnating liquid to a volume amount substantially equal to the total amount of coal, the amount of heat required in the subsequent drying step can be suppressed. In addition, a large amount of impregnation liquid with respect to the total amount of coal is subjected to immersion treatment, and the entire amount of impregnation liquid is dried to increase the amount of heat required for the drying process. It is possible to increase the amount of catalytic element.
尚、バイオマス水溶性液を含浸液とすることで、石炭の濡れ性が十分に確保される。したがって、石炭の表面全体に含浸液が接触してガス化触媒元素を十分に担持させることができる。 In addition, the wettability of coal is fully ensured by using a biomass water-soluble liquid as an impregnation liquid. Therefore, the impregnation liquid can be brought into contact with the entire surface of the coal to fully support the gasification catalyst element.
ここで、含浸液に石炭を接触させる方法は、含浸液に石炭を浸漬する方法に限定されるものではない。例えば、含浸液を石炭に向流接触させる方法を採用してもよい。 Here, the method of bringing coal into contact with the impregnating liquid is not limited to the method of immersing coal in the impregnating liquid. For example, you may employ | adopt the method of making an impregnation liquid contact-flow-contact with coal.
含浸液を石炭に含浸させた後、乾燥処理を行う。この処理は例えば100℃以上の温度で加熱することにより行う。尚、触媒性能を最大限に発揮させて石炭ガス化処理の低温化を図る観点からは、乾燥処理により石炭中に含まれる水分をできるだけ除去することが好ましいが、石炭ガス化処理の低温化の効果が奏される範囲であれば、石炭中に水分が残留していてもよい。 After impregnating the impregnating liquid into the coal, a drying process is performed. This treatment is performed, for example, by heating at a temperature of 100 ° C. or higher. In order to maximize the catalyst performance and lower the coal gasification process, it is preferable to remove moisture contained in the coal as much as possible by the drying process. As long as the effect is achieved, moisture may remain in the coal.
石炭へのガス化触媒元素の担持は、石炭中のイオン交換性官能基であるカルボキシル基(−COOH基)や水酸基(−OH基)等にガス化触媒元素が結合することにより起こる。したがって、これらのイオン交換性官能基が消失する前、つまり、石炭を250℃以上で加熱する前に石炭へのガス化触媒元素の担持を行うようにする。これらのイオン交換性官能基が消失するとガス化触媒元素が石炭に担持され難くなり、触媒活性の向上が図り難くなる。 The gasification catalyst element is supported on the coal when the gasification catalyst element is bonded to a carboxyl group (—COOH group), a hydroxyl group (—OH group), or the like, which is an ion-exchange functional group in coal. Therefore, before these ion-exchange functional groups disappear, that is, before the coal is heated at 250 ° C. or higher, the gasification catalyst element is supported on the coal. When these ion-exchange functional groups disappear, it becomes difficult for the gasification catalyst element to be supported on the coal, and it becomes difficult to improve the catalytic activity.
尚、本発明の効果は、酸性度の高い液体をガス化触媒元素の溶解媒体として用いたことのみから奏されるものではなく、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣のうちの少なくとも1つを炭化処理する際に発生する酸性のバイオマス水溶性液を用いることにより奏される特有の効果である。即ち、本発明者は、水よりも酸性度の高い液体をガス化触媒元素の溶解媒体として使用することで、ガス化触媒元素を高濃度に溶解させることができると考えた。但し、硫酸や硝酸のような無機酸を使用すると、ガス化触媒担持石炭を石炭ガス化に供した際に、硫黄酸化物や窒素酸化物が生成される虞があり、これを処理するための手段が必要になる。そこで、水よりも酸性度が高いpH4〜5の酢酸をガス化触媒元素の溶解媒体として使用することを考え、検討を行ったところ、予想に反する結果が得られた。即ち、ガス化触媒元素であるカルシウムの溶解媒体として水を使用した場合よりも、酢酸を使用した場合の方がむしろ触媒活性が低くなることが確認された。 The effect of the present invention is not achieved only by using a liquid with high acidity as a dissolution medium for the gasification catalyst element. It is not a woody biomass raw material, a herbaceous biomass raw material, or a plant-derived food residue. This is a unique effect produced by using an acidic biomass aqueous solution generated when carbonizing at least one of them. That is, the present inventor considered that the gasification catalyst element can be dissolved at a high concentration by using a liquid having a higher acidity than water as a dissolution medium for the gasification catalyst element. However, when an inorganic acid such as sulfuric acid or nitric acid is used, when the gasification catalyst-supporting coal is subjected to coal gasification, sulfur oxide or nitrogen oxide may be generated. Means are needed. Then, when it considered and examined using acetic acid of pH 4-5 whose acidity is higher than water as a dissolution medium of a gasification catalyst element, the result contrary to expectation was obtained. That is, it was confirmed that the catalytic activity is lower when acetic acid is used than when water is used as a dissolution medium for calcium which is a gasification catalyst element.
このことから、本発明の効果は、バイオマス水溶性液のガス化触媒元素の溶解能の高さのみから奏されるものではなく、バイオマス水溶性液に含まれる成分がガス化触媒元素を石炭に安定に担持することができる作用と相俟って奏される効果であると考えられる。つまり、バイオマス水溶性液に含まれる酢酸とは別の1種以上の成分がガス化触媒元素を石炭に安定に担持することに何らかの影響を及ぼしているものと考えられる。しかも、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣のうちの少なくとも1つを炭化処理する際に発生する酸性のバイオマス水溶性液を用いることで、工業用の酸性試薬等を用いる場合と比較して大幅なコストダウンを図ることが可能となる。 From this, the effect of the present invention is not only due to the high solubility of the gasification catalyst element of the biomass water-soluble liquid, but the components contained in the biomass water-soluble liquid are converted from the gasification catalyst element to coal. It is considered that this effect is combined with the action that can be stably supported. That is, it is considered that one or more components other than acetic acid contained in the biomass water-soluble liquid have some influence on stably supporting the gasification catalyst element on coal. Moreover, by using an acidic biomass aqueous solution generated when carbonizing at least one of a woody biomass raw material, a herbaceous biomass raw material and a plant-derived food residue, an industrial acidic reagent or the like is used. Compared to the case, the cost can be greatly reduced.
また、バイオマス水溶性液は、石炭自体が有している触媒成分(灰成分)を溶け込ませて、この触媒成分を石炭表面に再担持する機能を有しており、この機能も相俟って優れたガス化反応速度向上効果が得られているものと考えられる。 In addition, the biomass water-soluble liquid has a function of dissolving the catalyst component (ash component) of the coal itself and re-supporting the catalyst component on the coal surface. It is considered that an excellent gasification reaction rate improvement effect is obtained.
尚、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、オートクレーブを用いたバッチ式の水熱反応に木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣を供することにより得られる反応生成液物を液液分離して得られた水溶性成分をカルシウム源物質の溶解媒体として使用することも可能である。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, a water-soluble component obtained by liquid-liquid separation of a reaction product liquid obtained by subjecting a woody biomass raw material, a herbaceous biomass raw material and a plant-derived food residue to a batch-type hydrothermal reaction using an autoclave Can also be used as a dissolution medium for the calcium source material.
以下実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
草本系バイオマス原料から得られるバイオマス水溶性液に水酸化カルシウムを溶解した含浸液を用いてガス化触媒担持石炭を製造した場合について、各種検討を行った。
Example 1
Various studies were conducted on the production of coal with gasification catalyst using an impregnating solution obtained by dissolving calcium hydroxide in an aqueous biomass solution obtained from a herbaceous biomass raw material.
(1)草本系バイオマス原料からのバイオマス水溶性液の収集分離
草本系バイオマス原料からのバイオマス水溶性液の収集分離は図10に示すバイオマス水溶性液収集分離システム1aにより行った。
(1) Collection and separation of biomass water-soluble liquid from herbaceous biomass raw material Collection and separation of biomass water-soluble liquid from herbaceous biomass raw material were performed by a biomass water-soluble liquid collection and separation system 1a shown in FIG.
図10に示すバイオマス水溶性液収集分離システム1aは、横型の炉心管3を有する水平式電気炉2と、第一容器4と、第二容器5と、第三容器6とにより構成した。第一容器4は炉心管3から発生したガスを凝集物として捕捉するものであり、氷槽4’に設置した。第二容器5は、第一容器4を通過したガスを凝集物として捕捉するものであり、ドライアイスメタノール槽5’に設置した。第三容器6は、第二容器5を通過したガスを第三容器6内に入れた氷水にバブリングして捕捉するものである。炉心管3と第一容器4、第一容器4と第二容器5、第二容器5と第三容器6とは、それぞれ、配管7,8,9により連結した。 The biomass water-soluble liquid collecting / separating system 1a shown in FIG. 10 is composed of a horizontal electric furnace 2 having a horizontal furnace core tube 3, a first container 4, a second container 5, and a third container 6. The first container 4 captures the gas generated from the furnace core tube 3 as agglomerates and was installed in the ice bath 4 '. The second container 5 captures the gas that has passed through the first container 4 as an agglomerate, and was installed in the dry ice methanol tank 5 '. The third container 6 captures the gas that has passed through the second container 5 by bubbling it into ice water contained in the third container 6. The core tube 3 and the first container 4, the first container 4 and the second container 5, and the second container 5 and the third container 6 were connected by pipes 7, 8, and 9, respectively.
本実施例では、草本系の植物由来バイオマス原料である竹(日本産)並びに籾殻(日本産)の粉末を用いて竹由来のバイオマス水溶性液と籾殻由来のバイオマス水溶性液をそれぞれ生成した。原料である竹の粉末10gを電気炉2の炉心管3内に装入した。電気炉2の昇温速度は6℃/minとし、初期温度を室温として、500℃まで昇温した。炉心管3をアルゴン雰囲気(流量1000cc/min)として、バイオマス原料粉末を炭化処理した。炭化処理中に発生したガスは氷槽4’内に設置された第一容器4並びにドライアイス−メタノール槽5’内に設置された第二容器5に捕捉し、固体成分やタール等の重質成分を除いて竹由来のバイオマス水溶性液として実験に供した。更に第三容器6の中の氷水にガスをバブリングし、第一容器4と第二容器5で捕捉されなかった低沸点の有機成分を捕捉し、これをバブリング液として実験に供した。同様に、籾殻の粉末10gを原料として、バイオマス水溶性液を得、これを籾殻由来のバイオマス水溶性液として実験に供した。 In this example, bamboo-derived biomass water-soluble liquid and rice husk-derived biomass water-soluble liquid were generated using powders of bamboo (produced in Japan) and rice husk (produced in Japan), which are herbaceous plant-derived biomass raw materials. 10 g of bamboo powder as a raw material was charged into the core tube 3 of the electric furnace 2. The temperature increase rate of the electric furnace 2 was 6 ° C./min, the initial temperature was room temperature, and the temperature was increased to 500 ° C. The biomass raw material powder was carbonized by setting the furnace tube 3 to an argon atmosphere (flow rate 1000 cc / min). The gas generated during the carbonization process is captured in the first container 4 installed in the ice tank 4 ′ and the second container 5 installed in the dry ice-methanol tank 5 ′, and is heavy such as solid components and tar. Except for the components, it was subjected to the experiment as a biomass-derived aqueous solution derived from bamboo. Further, a gas was bubbled into the ice water in the third container 6 to capture low boiling point organic components not captured by the first container 4 and the second container 5, and this was used as a bubbling liquid for the experiment. Similarly, a biomass water-soluble liquid was obtained using 10 g of rice husk powder as a raw material, and this was subjected to experiments as a biomass water-soluble liquid derived from rice husk.
これらのバイオマス水溶性液のpHは2〜3であった。また、これらのバイオマス水溶性液への水酸化カルシウムの溶解度は少なくとも20g/L以上であることが確認された。水酸化カルシウムの水への溶解度は1.6g/L(20℃)であることから、バイオマス水溶性液への水酸化カルシウムの溶解度は水への溶解度の10倍以上であることが明らかとなった。このことから、ガス化触媒として機能する元素であるナトリウム、カリウム及びカルシウムを高濃度に溶解できることが明らかとなった。 The pH of these biomass aqueous solutions was 2-3. Moreover, it was confirmed that the solubility of calcium hydroxide in these biomass aqueous solutions is at least 20 g / L or more. Since the solubility of calcium hydroxide in water is 1.6 g / L (20 ° C.), it becomes clear that the solubility of calcium hydroxide in the biomass water-soluble liquid is 10 times or more the solubility in water. It was. From this, it became clear that sodium, potassium, and calcium, which are elements that function as a gasification catalyst, can be dissolved at a high concentration.
(2)石炭へのカルシウム担持及びチャー調製
含浸法によりカルシウムを担持した石炭をチャー調製し、以降の実験に供するためのチャーA〜Hを得た。表2に本実施例で用いた微粉炭の炭種と含浸液の組成を示す。ここで、表2における「カルシウム溶解媒体」とは、水酸化カルシウムを溶解する液を意味している。カルシウム溶解媒体の量はすべて1mlとした。また、本実施例では、微粉炭の濡れ性を高めるためにメタノールを約10体積%添加した。含浸液に浸漬する微粉炭量は100mgとした。含浸処理後の微粉炭は107℃で乾燥させた後、赤外電気炉に装入し、アルゴン雰囲気下(流量200cc/min)、600℃/minの昇温速度で900℃まで昇温後、1分間保持して乾留することによりチャー調製を行い、ガス化反応初期に起こる熱分解反応である気相−気相反応を予め行わせて、ガス化反応全体において律速反応となるガス化剤とチャーとの気相−固相反応のみを以降の実験で測定できるようにした。また、参照試料として、含浸処理していない微粉炭β1と微粉炭β3をチャー調製し、それぞれチャーI、チャーJを得た。尚、本実施例では、微粉炭の濡れ性を高めるためにメタノールを添加したが、後に本願発明者が検討を行ったところ、メタノール等の有機溶媒を添加して微粉炭の濡れ性を高める処理を行わなくても、バイオマス水溶性液単独で十分に微粉炭の濡れ性が確保できることが明らかとなった。したがって、石炭の濡れ性を高めるためにメタノール等の有機溶媒を添加を行う必要はない。
(2) Calcium loading and char preparation on coal Char was prepared from coal carrying calcium by impregnation method, and chars A to H for use in subsequent experiments were obtained. Table 2 shows the coal type of the pulverized coal used in this example and the composition of the impregnation liquid. Here, “calcium dissolution medium” in Table 2 means a solution for dissolving calcium hydroxide. The amount of calcium dissolution medium was all 1 ml. In this example, about 10% by volume of methanol was added in order to improve the wettability of pulverized coal. The amount of pulverized coal immersed in the impregnation liquid was 100 mg. The pulverized coal after the impregnation treatment is dried at 107 ° C., and then charged into an infrared electric furnace, heated in an argon atmosphere (flow rate 200 cc / min) at a heating rate of 600 ° C./min to 900 ° C., A gasification agent is prepared by carrying out char preparation by holding for 1 minute and subjecting to dry distillation, and preliminarily performing a gas phase-gas phase reaction, which is a thermal decomposition reaction that occurs in the early stage of the gasification reaction, to be a rate-limiting reaction in the entire gasification reaction Only gas phase-solid phase reaction with char could be measured in subsequent experiments. Further, as a reference sample, char was prepared from pulverized coal β1 and pulverized coal β3 which were not impregnated, and Char I and Char J were obtained, respectively. In this example, methanol was added to improve the wettability of pulverized coal, but the inventors of the present application later examined, and a process for increasing the wettability of pulverized coal by adding an organic solvent such as methanol. Even if it does not perform, it became clear that wettability of pulverized coal can be sufficiently secured with the biomass water-soluble liquid alone. Therefore, it is not necessary to add an organic solvent such as methanol in order to increase the wettability of coal.
微粉炭β1と微粉炭β3の灰分組成を表3に示す。また、以降の実施例で使用する微粉炭β2の灰分組成も表3に示す。 Table 3 shows the ash composition of pulverized coal β1 and pulverized coal β3. Table 3 also shows the ash content of pulverized coal β2 used in the following examples.
(3)チャーのガス化反応速度測定
チャーのガス化反応速度の測定は、上皿式熱天秤(装置名:TGA−DTA2000S、マック・サイエンス社製)を用いて定温測定法により行った。5mmφのセル中にチャーを5mg装入し、アルゴン雰囲気下(450cc/min)、昇温速度15℃/minで850℃まで昇温した。そして、850℃に維持したまま、アルゴンの供給を止めて、炭酸ガスを450cc/minで供給し、100%のガス化剤濃度でチャーのガス化を進行させて、時刻Tにおけるチャーの重量減少量をモニタリングした。
(3) Char gasification reaction rate measurement The char gasification reaction rate was measured by a constant temperature measurement method using a pan-type thermobalance (device name: TGA-DTA2000S, manufactured by Mac Science). 5 mg of char was charged into a 5 mmφ cell, and the temperature was raised to 850 ° C. at an increase rate of 15 ° C./min in an argon atmosphere (450 cc / min). Then, while maintaining the temperature at 850 ° C., the supply of argon is stopped, the carbon dioxide gas is supplied at 450 cc / min, and the gasification of the char is progressed at a gasifying agent concentration of 100%. The amount was monitored.
ガス化反応率xとガス化反応速度rは図2に示すTG曲線により定義した。即ち、重量減少が始まった時刻T1から重量減少が見られなくなった時間T2までの重量減少量をW0とし、各時刻Tでの重量減少量をWとした。そして、ガス化反応率xは数式1により求めた。ガス化反応速度rは、数式2に示す反応率の時間微分より求めた。
[数式1]x=W/W0
[数式2]r=dx/dt=(dW/dt)/W0
The gasification reaction rate x and the gasification reaction rate r were defined by the TG curve shown in FIG. That is, the weight reduction amount from the time T1 when the weight reduction started to the time T2 when the weight reduction was no longer observed was set as W0, and the weight reduction amount at each time T was set as W. And the gasification reaction rate x was calculated | required by Numerical formula 1. The gasification reaction rate r was determined from the time derivative of the reaction rate shown in Equation 2.
[Formula 1] x = W / W 0
[Formula 2] r = dx / dt = (dW / dt) / W 0
(4)カルシウム溶解媒体によるガス化性能への影響の検討
チャーA、F、G、H及びIのガス化反応速度測定を行い、カルシウム溶解媒体によるガス化性能への影響について検討を行った。結果を図3に示す。aはチャーI(含浸処理なし)、bはチャーF(カルシウム溶解媒体:酢酸)、cはチャーG(カルシウム溶解媒体:バブリング液)、dはチャーH(カルシウム溶解媒体:水)、eはチャーA(カルシウム溶解媒体:竹由来バイオマス水溶性液)の測定結果を示している。また、ガス化反応速度rを比較し易くするため、図4に反応時間Tに対するガス化反応率xを示す。反応終了までに要した時間が最も短かったのがeであり、次いで、c、d、b、aとなった。この結果から、竹由来バイオマス水溶性液をカルシウム溶解媒体として使用した場合は、原炭と比較して3〜4倍程度ガス化反応速度が速くなることが確認された。また、水をカルシウム溶解媒体として使用した場合と比較しても2倍程度ガス化反応速度が速くなることが確認された。さらに、カルシウム溶解媒体として酢酸を使用した場合には、水をカルシウム溶解媒体として使用した場合よりもガス化反応速度が遅くなることが確認された。この原因の一つとして、以下のことが考えられる。即ち、カルシウム溶解媒体として酢酸を用いてカルシウム担持石炭を製造した際、乾燥処理に用いた容器の内壁に白い付着物が確認された。これは、水酸化カルシウムと酢酸が反応して生成した酢酸カルシウムのカルシウム溶解媒体への溶解度が、乾燥処理の際の温度上昇に伴って減少し、さらに、乾燥処理の際の温度上昇により何らかの化学反応が生じてカルシウムが析出することにより、乾燥後の石炭へのカルシウム実担持量が水をカルシウム溶解媒体として用いた場合よりも低かったことに起因するものと考えられる。以上の結果から、カルシウム溶解媒体として竹由来バイオマス水溶性液を使用した場合、最も触媒活性を向上させることが可能なことが示された。また、カルシウム溶解媒体として酢酸を使用した場合には、水をカルシウム溶解媒体として使用した場合よりもガス化反応速度が遅くなることが確認されたことから、カルシウム溶解媒体として単に酸性度の高い液体を用いるだけでは石炭の触媒活性を高めることができないことが明らかとなった。即ち、酸性のバイオマス水溶性液をガス化触媒元素の溶解媒体として用いることによって、バイオマス灰に含まれるナトリウム、カリウム及びカルシウムを石炭に高濃度且つ安定に担持して、石炭の触媒活性が高められることが明らかとなった。
(4) Examination of influence on gasification performance by calcium dissolution medium The gasification reaction rate of char A, F, G, H and I was measured, and the influence on the gasification performance by the calcium dissolution medium was examined. The results are shown in FIG. a is char I (no impregnation treatment), b is char F (calcium dissolution medium: acetic acid), c is char G (calcium dissolution medium: bubbling solution), d is char H (calcium dissolution medium: water), e is char The measurement result of A (calcium dissolution medium: bamboo-derived biomass aqueous solution) is shown. Further, in order to facilitate comparison of the gasification reaction rate r, FIG. 4 shows the gasification reaction rate x with respect to the reaction time T. E took the shortest time to complete the reaction, followed by c, d, b and a. From this result, it was confirmed that when bamboo-derived biomass water-soluble liquid was used as a calcium dissolution medium, the gasification reaction rate was about 3 to 4 times faster than raw coal. In addition, it was confirmed that the gasification reaction rate was about twice as fast as when water was used as the calcium dissolution medium. Furthermore, it was confirmed that when acetic acid was used as the calcium dissolution medium, the gasification reaction rate was slower than when water was used as the calcium dissolution medium. One possible cause is as follows. That is, when calcium-supporting coal was produced using acetic acid as a calcium dissolution medium, white deposits were confirmed on the inner wall of the container used for the drying treatment. This is because the solubility of calcium acetate produced by the reaction of calcium hydroxide and acetic acid in the calcium dissolution medium decreases as the temperature rises during the drying process. It is considered that this is due to the fact that the amount of calcium supported on the coal after drying was lower than when water was used as the calcium dissolution medium due to precipitation of calcium caused by the reaction. From the above results, it was shown that when the bamboo-derived biomass aqueous solution is used as the calcium dissolution medium, the catalytic activity can be improved most. In addition, when acetic acid was used as the calcium dissolution medium, it was confirmed that the gasification reaction rate was slower than when water was used as the calcium dissolution medium. It has been clarified that the catalytic activity of coal cannot be increased only by using. That is, by using an acidic biomass aqueous solution as a gasification catalyst element dissolution medium, sodium, potassium and calcium contained in biomass ash are stably supported on coal at a high concentration, and the catalytic activity of coal is enhanced. It became clear.
(5)石炭へのカルシウム担持量によるガス化性能への影響の検討
チャーB、C、D及びJのガス化反応速度測定を行い、水酸化カルシウム添加量によるガス化性能への影響について検討を行った。結果を図5に示す。aはチャーJ(水酸化カルシウム添加無し)、bはチャーB(水酸化カルシウム5mg添加)、cはチャーC(水酸化カルシウム10mg添加)、dはチャーD(水酸化カルシウム20mg添加)の測定結果を示している。水酸化カルシウムの添加量の増加に伴って、チャーのガス化反応速度も向上し、水酸化カルシウム20mg添加した場合に至っては、原炭と比較して4倍程度ガス化反応速度が速くなることが確認された。このことから、バイオマス灰に含まれているガス化触媒元素が多ければ、その分だけ触媒活性を高め易くなり、また、使用するバイオマス灰の量を多くしてガス化触媒元素のバイオマス水溶性液への溶解量を高めることによって、触媒活性を高めることができることが明らかとなった。
(5) Examination of the influence on the gasification performance by the amount of calcium loaded on the coal Measure the gasification reaction rate of Char B, C, D and J and examine the influence on the gasification performance by the amount of calcium hydroxide added. went. The results are shown in FIG. a is char J (no calcium hydroxide added), b is char B (calcium hydroxide 5 mg added), c is char C (calcium hydroxide 10 mg added), d is char D (calcium hydroxide 20 mg added). Is shown. As the amount of calcium hydroxide added increases, the gasification reaction rate of char also improves, and when 20 mg of calcium hydroxide is added, the gasification reaction rate is about four times faster than that of raw coal. Was confirmed. Therefore, if the gasification catalyst element contained in the biomass ash is large, it becomes easier to increase the catalytic activity, and the amount of biomass ash to be used can be increased to increase the biomass water-soluble liquid of the gasification catalyst element. It has been clarified that the catalytic activity can be increased by increasing the amount dissolved in the catalyst.
(6)バイオマス原料種によるガス化性能への影響の検討
チャーA及びEのガス化反応速度測定を行い、バイオマス原料種によるガス化性能への影響について検討を行った。結果を図6に示す。aはチャーA(カルシウム溶解媒体:竹由来バイオマス水溶性液)、bはチャーE(カルシウム溶解媒体:籾殻由来バイオマス水溶性液)の測定結果を示している。aとbの結果から、草本系バイオマス原料である竹と籾殻のどちらを用いても、両者のガス化反応速度に差異が見られないことが確認された。
(6) Examination of the effect of biomass raw material species on gasification performance The gasification reaction rates of Char A and E were measured, and the influence of biomass raw material species on gasification performance was examined. The results are shown in FIG. a shows the measurement result of char A (calcium dissolution medium: bamboo-derived biomass water-soluble liquid), and b shows the measurement result of char E (calcium dissolution medium: rice husk-derived biomass water-soluble liquid). From the results of a and b, it was confirmed that no difference was observed in the gasification reaction rate between either the herbaceous biomass raw material bamboo or rice husk.
(7)カルシウム担持炭の生成灰からのカルシウムの回収及び再生利用の検討
1mlの竹由来バイオマス水溶性液に10mgの水酸化カルシウムを溶解させ、この溶液に100mgの微粉炭β3を加え含浸処理した後、107℃で乾燥後空気中で燃焼させた。燃焼後の生成灰全量を1mlの竹由来バイオマス水溶性液に加え、さらに100mgの微粉炭β3を加え含浸処理し、107℃で乾燥後チャー調製を行った。チャー調製は上記(2)と同条件で行った。この二次カルシウム担持チャーのガス化反応性をチャーCのガス化反応性と比較した。結果を図7に示す。aはチャーJ、bは二次カルシウム担持チャー、cはチャーCの測定結果を示している。bとcの測定結果を比較すると、ガス化反応性にほとんど差が見られなかったことから、石炭の燃焼灰からガス化触媒として担持されていたカルシウムの全量を回収して再利用できることが明らかとなった。
(7) Examination of recovery and recycling of calcium from generated ash of calcium-supporting coal 10 mg of calcium hydroxide was dissolved in 1 ml of bamboo-derived biomass aqueous solution, and 100 mg of pulverized coal β3 was added to this solution and impregnated. Thereafter, it was dried at 107 ° C. and burned in air. The total amount of the generated ash after combustion was added to 1 ml of bamboo-derived biomass aqueous solution, and further impregnated with 100 mg of pulverized coal β3, dried at 107 ° C., and then char was prepared. Char preparation was performed under the same conditions as in (2) above. The gasification reactivity of this secondary calcium-supported char was compared with the gasification reactivity of char C. The results are shown in FIG. a is char J, b is a secondary calcium-supporting char, and c is the char C measurement result. Comparing the measurement results of b and c, since there was almost no difference in gasification reactivity, it was clear that the total amount of calcium supported as a gasification catalyst could be recovered and reused from coal combustion ash It became.
石炭にガス化触媒として担持されているカルシウムは、燃焼反応あるいはガス化反応により、酸化カルシウムと炭酸カルシウムに形態が変化する。したがって、石炭にガス化触媒として担持されているカルシウムは、酸化カルシウムと炭酸カルシウムの形態でカルシウム溶解媒体である竹由来バイオマス水溶性液に溶解したと考えられる。このことから、バイオマス灰中にカルシウムが酸化カルシウムや炭酸カルシウムの形態で存在していても、カルシウムをバイオマス水溶性液に溶解させてガス化触媒として石炭に担持させることが可能であることが明らかとなった。尚、ナトリウム化合物やカリウム化合物は、一般的に水に易溶であることから、ナトリウムやカリウムがバイオマス灰中においてどのような形態をとっていたとしても、酸性のバイオマス溶液中には十分に溶解してガス化触媒として利用することが可能である。 The form of calcium supported on coal as a gasification catalyst changes into calcium oxide and calcium carbonate by a combustion reaction or a gasification reaction. Therefore, it is considered that calcium supported on coal as a gasification catalyst was dissolved in bamboo-derived biomass aqueous solution as a calcium dissolution medium in the form of calcium oxide and calcium carbonate. From this, it is clear that even if calcium is present in biomass ash in the form of calcium oxide or calcium carbonate, it can be dissolved in biomass water-soluble liquid and supported on coal as a gasification catalyst. It became. In addition, since sodium compounds and potassium compounds are generally readily soluble in water, no matter what form sodium or potassium is in the biomass ash, it is sufficiently soluble in acidic biomass solutions. Thus, it can be used as a gasification catalyst.
(実施例2)
木質系バイオマス原料から得られるバイオマス水溶性液に水酸化カルシウムを溶解した含浸液を用いてガス化触媒担持石炭を製造した場合について、各種検討を行った。
(Example 2)
Various studies were conducted on the production of coal with gasification catalyst using an impregnation solution in which calcium hydroxide was dissolved in a biomass water-soluble solution obtained from a woody biomass raw material.
(1)木質系バイオマス原料と植物由来の食品残渣からのバイオマス水溶性液の収集分離
木質系バイオマス原料からのバイオマス水溶性液の収集分離は図11に示すバイオマス水溶性液収集分離システム1bにより行った。
(1) Collection and separation of biomass water-soluble liquid from woody biomass raw material and plant-derived food residue Collection and separation of biomass water-soluble liquid from woody biomass raw material is performed by biomass water-soluble liquid collection and separation system 1b shown in FIG. It was.
図11に示すバイオマス水溶性液収集分離システム1bは、図1に示すバイオマス水溶性液収集分離システムとほぼ同様の構成を採っているが、第二容器5の後段に第三容器6を備えている点で図1に示すバイオマス水溶性液収集分離システムとはその構成を異にしている。即ち、炉心管3を有する電気炉2と、第一容器4と、第二容器5と、第三容器6とにより構成され、炉心管3と第一容器4、第一容器4と第二容器5、第二容器5と第三容器6とは、それぞれ、配管7,8,9により連結されている。 The biomass water-soluble liquid collection / separation system 1b shown in FIG. 11 has substantially the same configuration as the biomass water-soluble liquid collection / separation system shown in FIG. The configuration differs from the biomass water-soluble liquid collection and separation system shown in FIG. That is, the electric furnace 2 having the core tube 3, the first container 4, the second container 5, and the third container 6 are configured, and the core tube 3, the first container 4, the first container 4, and the second container are formed. 5, The 2nd container 5 and the 3rd container 6 are connected by piping 7,8,9, respectively.
炉心管3の形状は縦型とし、炉心管3の内部には、複数の貫通孔を有する多孔板(目皿)12と石英ウール13とを配置して、炉心管3に投入されるバイオマス原料が炉心管3内で保持されるようにした。そして、不活性ガスを炉心管3の上部から供給することによって、炭化処理の際に発生するガスが、配管7から第一容器4に向かって強制排気されるようにした。 The shape of the core tube 3 is a vertical type, and inside the core tube 3, a porous plate (eye plate) 12 having a plurality of through holes and quartz wool 13 are arranged, and the biomass raw material to be fed into the core tube 3 Was held in the core tube 3. Then, by supplying an inert gas from the upper part of the furnace core tube 3, the gas generated during the carbonization treatment is forcibly exhausted from the pipe 7 toward the first container 4.
配管7からの排出物は第一容器4に導入されるようにして、第一容器4を保温ヒータ14により保温した。保温ヒーター14の温度は、熱電対16により制御し、配管8の導入部近傍の温度を100℃〜110℃に設定した。これにより、配管7からの排出物に含まれるタール類等の重質成分と固形物とを第一容器4に回収し、第一容器4に回収されなかったガス状の排出物と、第一容器4に一旦回収された成分のうち保温ヒータ14の設定温度で蒸発する成分とが配管8に導入されるようにした。 The discharge from the pipe 7 was introduced into the first container 4, and the first container 4 was kept warm by the heat retaining heater 14. The temperature of the heat retaining heater 14 was controlled by the thermocouple 16, and the temperature in the vicinity of the introduction portion of the pipe 8 was set to 100 ° C. to 110 ° C. As a result, heavy components such as tars and solids contained in the discharge from the pipe 7 are collected in the first container 4, and the gaseous discharge that has not been collected in the first container 4 and the first Among the components once collected in the container 4, the components that evaporate at the set temperature of the heat retaining heater 14 are introduced into the pipe 8.
配管8からの排出物は、第二容器5に導入されるようにした。配管8には水循環方式の冷却装置であるリービッヒ冷却器15を備えて、第一容器4に回収されなかったガス状の排出物と、第一容器4に一旦回収された成分のうち保温ヒータ14の設定温度で蒸発する成分とを冷却して、第二容器5に凝集物を回収した。 The discharge from the pipe 8 was introduced into the second container 5. The pipe 8 is provided with a Liebig cooler 15 that is a water circulation type cooling device, and the heat-retaining heater 14 among the gaseous effluents not recovered in the first container 4 and the components once recovered in the first container 4. The components that evaporate at the set temperature were cooled, and aggregates were collected in the second container 5.
配管9には、第二容器5で回収されなかった低沸点の有機成分が導入されるようにした。第三容器6には水を入れておき、配管9から排出されるガスをバブリングすることによって、低沸点の有機成分を回収するようにした。 A low boiling point organic component that was not recovered in the second container 5 was introduced into the pipe 9. Water was put in the third container 6 and the low-boiling organic components were recovered by bubbling the gas discharged from the pipe 9.
本実施例では、木質系のバイオマス原料である杉チップ(日本産)、杉バーク(日本産)並びにオレンジ皮を用いて杉チップ由来のバイオマス水溶性液、杉バーク由来のバイオマス水溶性液及びオレンジ皮由来のバイオマス水溶性液をそれぞれ生成した。原料である杉チップ10gを電気炉2の炉心管3内に投入した。尚、杉チップの投入は、電気炉2の炉内温度を500℃に設定した状態で行った。炉心管3を窒素雰囲気(流量1000cc/min)として、バイオマス原料粉末を炭化処理した。炭化処理中に発生したガスは第一容器4と第二容器5と第三容器6とに回収し、第二容器5に回収された凝集物を杉チップ由来のバイオマス水溶性液として使用した。 In this example, cedar chips (produced in Japan), cedar bark (produced in Japan), which are woody biomass materials, and orange peel are used as a biomass water-soluble liquid derived from cedar chips, a biomass water-soluble liquid derived from cedar bark and orange Each of the peel-derived biomass water-soluble liquids was produced. 10 g of cedar chips as a raw material was put into the furnace core tube 3 of the electric furnace 2. The cedar chips were charged in a state where the furnace temperature of the electric furnace 2 was set to 500 ° C. The biomass raw material powder was carbonized by setting the furnace tube 3 to a nitrogen atmosphere (flow rate 1000 cc / min). The gas generated during the carbonization treatment was collected in the first container 4, the second container 5, and the third container 6, and the aggregate collected in the second container 5 was used as a biomass water-soluble liquid derived from cedar chips.
同様に、杉バーク10gを原料として杉バーク由来のバイオマス水溶性液を得、オレンジ皮10gを原料としてオレンジ皮由来のバイオマス水溶性液を得た。これらのバイオマス水溶性液のpHは2〜3であった。また、これらのバイオマス水溶性液への水酸化カルシウムの溶解度は少なくとも20g/L以上であることが確認された。水酸化カルシウムの水への溶解度は1.6g/L(20℃)であることから、バイオマス水溶性液への水酸化カルシウムの溶解度は水への溶解度の10倍以上であることが明らかとなった。つまり、木質系のバイオマス原料を用いた場合や、植物由来の食品残渣を用いた場合であっても、草本系のバイオマス原料を用いた場合と同様の性質を有するバイオマス水溶性液が得られることが確認された。 Similarly, a cedar bark-derived biomass water-soluble liquid was obtained using 10 g of cedar bark as a raw material, and an orange peel-derived biomass water-soluble liquid was obtained using 10 g of orange peel. The pH of these biomass aqueous solutions was 2-3. Moreover, it was confirmed that the solubility of calcium hydroxide in these biomass aqueous solutions is at least 20 g / L or more. Since the solubility of calcium hydroxide in water is 1.6 g / L (20 ° C.), it becomes clear that the solubility of calcium hydroxide in the biomass water-soluble liquid is 10 times or more the solubility in water. It was. In other words, even when using woody biomass raw materials or using plant-derived food residues, a biomass water-soluble liquid having the same properties as when using herbaceous biomass raw materials can be obtained. Was confirmed.
(2)石炭へのカルシウム担持及びチャー調製
含浸法によりカルシウムを担持した石炭をチャー調製し、以降の実験に供するためのチャーK〜Mを得た。表4に本実施例で用いた微粉炭の炭種と含浸液の組成を示す。カルシウム溶解媒体の量はすべて1mlとした。また、本実施例では、微粉炭の濡れ性が十分に確保できたので、微粉炭の濡れ性を高めるためのメタノールの添加は行わなかった。含浸液に浸漬する微粉炭量は100mgとした。含浸処理後の微粉炭は107℃で乾燥させた後、赤外電気炉に装入し、アルゴン雰囲気下(流量200cc/min)、600℃/minの昇温速度で900℃まで昇温後、1分間保持して乾留することによりチャー調製を行い、ガス化反応初期に起こる熱分解反応である気相−気相反応を予め行わせて、ガス化反応全体において律速反応となるガス化剤とチャーとの気相−固相反応のみを以降の実験で測定できるようにした。
(2) Calcium loading and char preparation on coal Char was prepared from coal carrying calcium by an impregnation method to obtain chars K to M for use in subsequent experiments. Table 4 shows the coal type of the pulverized coal used in this example and the composition of the impregnation liquid. The amount of calcium dissolution medium was all 1 ml. Further, in this example, the wettability of the pulverized coal was sufficiently secured, so methanol was not added to improve the wettability of the pulverized coal. The amount of pulverized coal immersed in the impregnation liquid was 100 mg. The pulverized coal after the impregnation treatment is dried at 107 ° C., and then charged into an infrared electric furnace, heated in an argon atmosphere (flow rate 200 cc / min) at a heating rate of 600 ° C./min to 900 ° C., A gasification agent is prepared by carrying out char preparation by holding for 1 minute and subjecting to dry distillation, and preliminarily performing a gas phase-gas phase reaction, which is a thermal decomposition reaction that occurs in the early stage of the gasification reaction, to be a rate-limiting reaction in the entire gasification reaction Only gas phase-solid phase reaction with char could be measured in subsequent experiments.
(3)チャーのガス化反応速度測定
実施例1と同様の方法により行った。
(3) Measurement of char gasification reaction rate The same method as in Example 1 was used.
(4)バイオマス原料種によるガス化性能への影響の検討
チャーK〜Mについてガス化反応速度測定を行い、バイオマス原料種によるガス化性能への影響について検討を行った。結果を図8に示す。図8において、aはチャーK(カルシウム溶解媒体:杉チップ由来バイオマス水溶性液)、bはチャーL(カルシウム溶解媒体:杉バーク由来バイオマス水溶性液)、cはチャーM(カルシウム溶解媒体:オレンジ皮由来バイオマス水溶性液)の測定結果を示している。また、d〜fは実施例1で得られた結果であり、a〜cの測定結果と比較する為に図8に掲載した。即ち、dはチャーA(カルシウム溶解媒体:竹由来バイオマス水溶性液)、eはチャーE(カルシウム溶解媒体:籾殻由来バイオマス水溶性液)、fはチャーI(含浸処理なし)の測定結果である。
(4) Examination of the influence on the gasification performance by the biomass raw material species The gasification reaction rate was measured for the chars K to M, and the influence on the gasification performance by the biomass raw material species was examined. The results are shown in FIG. In FIG. 8, a is char K (calcium dissolution medium: cedar chip-derived biomass water-soluble liquid), b is char L (calcium dissolution medium: cedar bark-derived biomass water-soluble liquid), and c is char M (calcium dissolution medium: orange). The measurement result of the skin-derived biomass aqueous solution) is shown. D to f are the results obtained in Example 1 and are shown in FIG. 8 for comparison with the measurement results of a to c. That is, d is a measurement result of char A (calcium dissolution medium: bamboo-derived biomass water-soluble liquid), e is char E (calcium dissolution medium: rice husk-derived biomass water-soluble liquid), and f is a measurement result of char I (no impregnation treatment). .
図8に示す結果から、杉チップ由来バイオマス水溶性液、杉バーク由来バイオマス水溶性液及びオレンジ皮由来バイオマス水溶性液のガス化反応速度と、竹由来バイオマス水溶性液及び籾殻由来バイオマス水溶性液のガス化反応速度との間には、ほとんど差が見られなかった。したがって、木質系バイオマス原料と果実皮等の植物由来の食品残渣から得られるバイオマス水溶性液を用いた場合にも、草本系バイオマス原料から得られるバイオマス水溶性液を用いた場合と同様の効果が得られることが明らかとなった。 From the results shown in FIG. 8, from the cedar chip-derived biomass aqueous solution, the cedar bark-derived biomass aqueous solution and the orange peel-derived biomass aqueous solution, the bamboo-derived biomass aqueous solution and the rice husk-derived biomass aqueous solution. There was almost no difference in the gasification reaction rate. Therefore, even when using a biomass water-soluble liquid obtained from a woody biomass raw material and a plant-derived food residue such as fruit skin, the same effect as when using a biomass water-soluble liquid obtained from a herbaceous biomass raw material is obtained. It became clear that it was obtained.
(実施例3)
バイオマス灰として、表1のα4の灰とα1の灰を用い、ガス化触媒担持石炭の製造試験を行って、その性能を評価した。
(Example 3)
As biomass ash, α4 ash and α1 ash in Table 1 were used, and a production test of gasification catalyst-supported coal was conducted to evaluate its performance.
尚、実験に使用したバイオマス灰は820℃で灰化して使用したものであり、以降の実験においても同様の処理によって得られたバイオマス灰を使用した。 The biomass ash used in the experiment was ashed at 820 ° C., and the biomass ash obtained by the same treatment was used in the subsequent experiments.
α4の灰20mgに、実施例2で得られた杉チップ由来のバイオマス水溶性液を1ml加え、5分間超音波照射した後、孔径が0.2μmのフィルターで固液分離した。この濾液に、微粉炭β1または微粉炭β2を加えて含浸処理した後、107℃で乾燥後にチャー調整をおこなった。チャー調整は、実施例1と同様の方法で行った。 To 20 mg of α4 ash, 1 ml of the biomass water-soluble liquid derived from cedar chips obtained in Example 2 was added and subjected to ultrasonic irradiation for 5 minutes, followed by solid-liquid separation with a filter having a pore size of 0.2 μm. The filtrate was impregnated by adding pulverized coal β1 or pulverized coal β2, and then dried at 107 ° C. to adjust the char. Char adjustment was performed in the same manner as in Example 1.
チャー調整した試料のガス化反応速度測定を行い、ガス化触媒抽出源としてα4の灰を用いた場合のガス化性能への影響について検討を行った。結果を図12に示す。aはα4の灰を用いてガス化触媒を担持した微粉炭β1チャーの測定結果を示し、bはα4の灰を用いてガス化触媒を担持した微粉炭β2チャーの測定結果を示し、cはガス化触媒を担持していない微粉炭β1チャーの測定結果を示し、dはガス化触媒を担持していない微粉炭β2チャーの測定結果を示している。また、ガス化反応速度rを比較し易くするため、図13に反応時間Tに対するガス化反応率xを示す。 The gasification reaction rate of the char-adjusted sample was measured, and the influence on the gasification performance when α4 ash was used as the gasification catalyst extraction source was examined. The results are shown in FIG. a shows the measurement result of the pulverized coal β1 char carrying the gasification catalyst using α4 ash, b shows the measurement result of the pulverized coal β2 char carrying the gasification catalyst using α4 ash, c The measurement result of the pulverized coal β1 char not supporting the gasification catalyst is shown, and d shows the measurement result of the pulverized coal β2 char not supporting the gasification catalyst. Further, in order to facilitate comparison of the gasification reaction rate r, FIG. 13 shows the gasification reaction rate x with respect to the reaction time T.
この結果から、α4の灰を用いてガス化触媒を担持した微粉炭β1チャー及びα4の灰を用いてガス化触媒を担持した微粉炭β2チャーのガス化反応速度は、原炭と比較して8〜10倍向上することが確認された。 From this result, the gasification reaction rates of pulverized coal β1 char carrying a gasification catalyst using α4 ash and pulverized coal β2 char carrying a gasification catalyst using α4 ash are compared with those of raw coal. It was confirmed that it was improved 8 to 10 times.
また、バイオマス灰として、α1の灰を用いて同様の実験を行ったところ、ガス化反応速度の向上効果が得られるものの、その効果はα4の灰を用いた場合と比較して小さいことが確認された。 Moreover, when the same experiment was conducted using α1 ash as biomass ash, an effect of improving the gasification reaction rate was obtained, but it was confirmed that the effect was smaller than when α4 ash was used. It was done.
尚、α4の灰をバイオマス水溶性液に添加したときには、バイオマス水溶性液のpH値は大きく上昇したが、α1の灰をバイオマス水溶性液に添加したときには、バイオマス水溶性液のpH値がそれほど大きくは変動しなかった。このことから、バイオマス水溶性液のpH値の変動が、ガス化触媒抽出源としての効果が優れているか否かを判定する基準となり得ることがわかった。 When the α4 ash was added to the biomass water-soluble liquid, the pH value of the biomass water-soluble liquid was greatly increased. However, when the α1 ash was added to the biomass water-soluble liquid, the pH value of the biomass water-soluble liquid was not so high. It did not fluctuate greatly. From this, it was found that the fluctuation of the pH value of the biomass water-soluble liquid can be a criterion for determining whether or not the effect as a gasification catalyst extraction source is excellent.
各種バイオマス灰に含まれる無機成分を分析した結果は表1に示した通りである。尚、この分析は原子吸光法およびICP発光分析法により行った。 The results of analysis of inorganic components contained in various biomass ash are as shown in Table 1. This analysis was performed by atomic absorption method and ICP emission analysis method.
表1に示されるように、α4の灰は、α1の灰と比較してガス化触媒元素が多く含まれていたため、ガス化触媒として機能するNa、K及びCaがバイオマス水溶性液へ溶出され易く、その結果として、ガス化反応速度を向上させる効果が高かったものと考えられる。 As shown in Table 1, since α4 ash contained more gasification catalyst elements than α1 ash, Na, K, and Ca that function as gasification catalysts were eluted into the biomass water-soluble liquid. As a result, it is considered that the effect of improving the gasification reaction rate was high.
(実施例4)
籾殻由来バイオマス水溶性液と杉チップ由来バイオマス水溶性液とを用いて、バイオマス水溶性液そのものが石炭に与える影響について検討した。
Example 4
Using the rice husk-derived biomass water-soluble liquid and the cedar chip-derived biomass water-soluble liquid, the influence of the biomass water-soluble liquid itself on coal was examined.
杉チップ由来バイオマス水溶性液は実施例2で得られたものを使用した。籾殻由来バイオマス水溶性液は図11に示すバイオマス水溶性液収集分離システム1bを用い、杉チップ由来バイオマス水溶性液と同様の方法で得られたものを使用した。 The cedar chip-derived biomass aqueous solution used was obtained in Example 2. The rice husk-derived biomass water-soluble liquid was obtained by using the biomass water-soluble liquid collection and separation system 1b shown in FIG.
籾殻由来バイオマス水溶性液0.5mlに対し、微粉炭100mgを加えて、一晩(12時間)含浸した後、107℃で乾燥して、実施例1の(2)と同様の方法でチャー調製を行った。杉チップ由来バイオマス水溶性液についても同様の処理を行った。籾殻由来バイオマス水溶性液を用いて得られたチャーを試料Xと呼び、杉チップ由来バイオマス水溶性液を用いて得られたチャーを試料Yと呼ぶ。尚、微粉炭はβ1を使用した。 100 mg of pulverized coal is added to 0.5 ml of the rice husk-derived biomass aqueous solution, impregnated overnight (12 hours), dried at 107 ° C., and prepared in the same manner as (2) of Example 1 Went. The same treatment was performed for the cedar chip-derived biomass aqueous solution. Char obtained using the rice husk-derived biomass water-soluble liquid is referred to as sample X, and char obtained using the cedar chip-derived biomass water-soluble liquid is referred to as sample Y. Note that β1 was used as pulverized coal.
また、籾殻をバイオマス原料とし、図11に示すバイオマス水溶性液収集分離システム1’を用いて第一容器4〜第三容器6に回収される凝集物すべてを回収し、これを107℃で乾燥して、実施例1の(2)と同様の方法でチャー調製を行った。このチャーを試料Zと呼ぶ。 Moreover, the rice husk is used as a biomass raw material, and all the aggregates collected in the first container 4 to the third container 6 are collected using the biomass water-soluble liquid collecting / separating system 1 ′ shown in FIG. 11 and dried at 107 ° C. Then, char was prepared in the same manner as in Example 1 (2). This char is called Sample Z.
試料X〜Zについて、実施例1と同様の方法によりガス化反応速度の測定を行った。測定結果を図9に示す。尚、図9には比較試料として未処理の微粉炭β1チャーのガス化反応速度を測定した結果を試料Aとして掲載した。 For samples X to Z, the gasification reaction rate was measured by the same method as in Example 1. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 9, the result of measuring the gasification reaction rate of untreated pulverized coal β1 char as a comparative sample is shown as sample A.
図9に示す結果から、バイオマス水溶性液により微粉炭を含浸するだけで、未処理の微粉炭チャーと比較してガス化反応速度が2倍程度向上することが明らかとなった。ここで、籾殻のみから調製したチャーである試料Zについては、未処理の微粉炭チャーよりもガス化反応速度が遅かったことから、バイオマス水溶性液に含まれる成分そのものがガス化反応速度を高める要因にはなっていないことが考えられた。 From the results shown in FIG. 9, it has been clarified that the gasification reaction rate is improved about twice as much as that of the untreated pulverized coal char only by impregnating the pulverized coal with the aqueous biomass solution. Here, for sample Z, which is char prepared from rice husks alone, the gasification reaction rate was slower than that of untreated pulverized coal char, so the components themselves contained in the biomass water-soluble liquid increase the gasification reaction rate. It was thought that it was not a factor.
したがって、バイオマス水溶性液によりガス化反応速度が高まる要因は以下のように考えることができる。即ち、バイオマス水溶性液に微粉炭を含浸した際に、微粉炭自体に含まれる触媒成分がバイオマス水溶性液に溶け出し、この触媒成分が微粉炭表面に再担持されることによって、ガス化反応速度が高まったものと考えられる。即ち、木質系バイオマス原料、草本系バイオマス原料及び植物由来の食品残渣のうちの少なくともいずれかを炭化処理する際に発生する酸性のバイオマス水溶性液と、石炭とを接触させることによって、酸性のバイオマス水溶性液に石炭自体が有しているガス化触媒元素を溶け込ませ、これを担持することによってガス化触媒担持石炭の製造することもできる。 Therefore, the factors that increase the gasification reaction rate by the biomass aqueous solution can be considered as follows. That is, when the biomass water-soluble liquid is impregnated with pulverized coal, the catalyst component contained in the pulverized coal itself is dissolved in the biomass water-soluble liquid, and this catalyst component is re-supported on the surface of the pulverized coal, thereby causing a gasification reaction. It is thought that the speed has increased. That is, acidic biomass is brought into contact with coal by contacting an acidic biomass aqueous solution generated when carbonizing at least one of a woody biomass raw material, a herbaceous biomass raw material, and a plant-derived food residue. It is also possible to produce a gasification catalyst-supporting coal by dissolving a gasification catalyst element contained in the coal itself in an aqueous solution and supporting it.
以上、本発明によれば、バイオマス水溶性液にガス化触媒元素を高濃度に溶解させて微粉炭にガス化触媒元素を高濃度に担持させる効果と、微粉炭自体が有している触媒成分がバイオマス水溶性液に溶け込んで、この触媒成分が微粉炭表面に再担持される効果とが相俟って、優れたガス化反応速度向上効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the gasification catalyst element is dissolved in the biomass water-soluble liquid at a high concentration so that the gasification catalyst element is supported at a high concentration on the pulverized coal, and the catalyst component possessed by the pulverized coal itself. In combination with the effect that the catalyst component is re-supported on the surface of the pulverized coal by dissolving in the biomass water-soluble liquid, an excellent gasification reaction rate improvement effect is obtained.
ここで、本実施例で使用した微粉炭β1の灰成分の組成は、表3に示したように、酸化カルシウムが主成分であることがわかった。また、X線回折の結果から、原炭に含まれるカルシウム化合物は炭酸カルシウムであることが判明した。このことから、バイオマス水溶性液を石炭と接触させることにより、石炭中の炭酸カルシウムが溶解し、微粉炭表面にカルシウムを高度に分散させ、触媒効果が得られたものと考えられる。 Here, as shown in Table 3, the composition of the ash component of the pulverized coal β1 used in the present example was found to be mainly composed of calcium oxide. Further, from the results of X-ray diffraction, it was found that the calcium compound contained in the raw coal was calcium carbonate. From this, it is considered that by bringing the biomass water-soluble liquid into contact with coal, calcium carbonate in the coal is dissolved, and calcium is highly dispersed on the surface of the pulverized coal, thereby obtaining a catalytic effect.
(実施例5)
バイオマス灰として、表1のα4の灰を用い、α4の灰と接触させたバイオマス水溶性液に微粉炭を含浸させる時間がガス化反応速度に与える影響について検討した。
(Example 5)
As the biomass ash, α4 ash of Table 1 was used, and the influence of the time for impregnating pulverized coal in the biomass water-soluble liquid brought into contact with α4 ash on the gasification reaction rate was examined.
α4の灰40mgに、実施例2で得られた杉チップ由来のバイオマス水溶性液を1ml加え、5分間超音波照射した後、孔径が0.2μmのフィルターで固液分離した。次に、200mgの微粉炭β2にこの濾液0.2mlを加え含浸し、含浸開始直後に107℃で乾燥した試料1と含浸から5時間後に107℃で乾燥した試料2を準備した。そして、試料1及び試料2を実施例1と同様の方法でチャー調整した。 1 ml of the biomass water solution derived from cedar chips obtained in Example 2 was added to 40 mg of α4 ash, and after ultrasonic irradiation for 5 minutes, solid-liquid separation was performed with a filter having a pore size of 0.2 μm. Next, 200 mg of pulverized coal β2 was impregnated with 0.2 ml of the filtrate, and Sample 1 dried at 107 ° C. immediately after the start of impregnation and Sample 2 dried at 107 ° C. 5 hours after impregnation were prepared. Samples 1 and 2 were subjected to char adjustment in the same manner as in Example 1.
チャー調整した試料のガス化反応速度測定を行い、含浸時間に対するガス化反応速度の影響について検討した。結果を図14に示す。この結果から、ガス化反応速度が向上する効果は、含浸時間には依存しないことが明らかとなり、含浸直後に微粉炭を乾燥させることで、十分なガス化反応速度向上効果が得られ、ガス化触媒担持石炭を迅速に製造できることが明らかとなった。 The gasification rate of the char-adjusted sample was measured, and the influence of the gasification rate on the impregnation time was investigated. The results are shown in FIG. From this result, it is clear that the effect of increasing the gasification reaction rate does not depend on the impregnation time, and by drying the pulverized coal immediately after impregnation, a sufficient gasification reaction rate improvement effect can be obtained, It became clear that catalyst-supporting coal could be produced quickly.
(実施例6)
バイオマス灰として、表1のα1〜α5の灰を用い、ガス化触媒担持石炭の製造試験を行って、その性能を評価した。
(Example 6)
Using the ash of α1 to α5 in Table 1 as biomass ash, a production test of gasification catalyst-carrying coal was conducted to evaluate its performance.
各種バイオマス灰20mgに、実施例2で得られた杉チップ由来のバイオマス水溶性液を1ml加え、5分間超音波照射した後、孔径が0.2μmのフィルターで固液分離した。この濾液に、微粉炭β2を加えて含浸処理した後、107℃で乾燥後にチャー調整をおこなった。チャー調整は、実施例1と同様の方法で行った。 To 20 mg of various biomass ash, 1 ml of the biomass water-soluble liquid derived from cedar chips obtained in Example 2 was added and subjected to ultrasonic irradiation for 5 minutes, followed by solid-liquid separation with a filter having a pore size of 0.2 μm. The filtrate was impregnated with pulverized coal β2 and dried at 107 ° C., and then char was adjusted. Char adjustment was performed in the same manner as in Example 1.
チャー調整した試料のガス化反応速度測定を行い、ガス化触媒抽出源として各種バイオマス灰を用いた場合のガス化性能への影響について検討を行った。結果を図15に示す。図15において、「R」は、バイオマス灰とバイオマス水溶性液とを接触させて得られた溶液に微粉炭β2を含浸した場合のガス化反応速度(rash=dx/dtx=0.5)と、バイオマス灰とバイオマス水溶性液とを接触させていない溶液に微粉炭β2を含浸した場合のガス化反応速度(rraw=dx/dtx=0.5)との比である。 The gasification rate of the char-adjusted sample was measured, and the effect on the gasification performance when using various biomass ash as the gasification catalyst extraction source was investigated. The results are shown in FIG. In FIG. 15, “R” is the gasification reaction rate (r ash = dx / dt x = 0.5 ) when the solution obtained by bringing biomass ash into contact with the biomass aqueous solution is impregnated with pulverized coal β2. The ratio of the gasification reaction rate (r raw = dx / dt x = 0.5 ) when impregnating pulverized coal β2 into a solution in which the biomass ash and the biomass water-soluble liquid are not in contact with each other.
この結果から、α1〜α5のいずれの灰を用いた場合においても、原炭を用いた場合と比較してガス化反応速度を高める効果があることが明らかとなった。そして、その効果は、α5が最も高く、α4、α3、α2、α1の順に小さくなることが明らかとなった。 From this result, it became clear that any ash of α1 to α5 has an effect of increasing the gasification reaction rate as compared with the case of using raw coal. And it became clear that the effect is the highest in α5 and decreases in the order of α4, α3, α2, and α1.
ここで、α1〜α5の灰に含まれるガス化触媒元素であるカルシウム、ナトリウム及びカリウムについて、その酸化物の総含有量を計算したところ、α1が3.92wt%、α2が71.66wt%、α3が41.59wt%、α4が43.07wt%、α5が61.56wt%であり、図15の結果とは一致しなかった。 Here, for calcium, sodium and potassium, which are gasification catalyst elements contained in the ash of α1 to α5, the total content of the oxides was calculated, α1 was 3.92 wt%, α2 was 71.66 wt%, α3 was 41.59 wt%, α4 was 43.07 wt%, and α5 was 61.56 wt%, which did not match the results of FIG.
この結果は、以下のように考えることができる。即ち、カルシウムは、ナトリウム及びカリウムと比較して触媒効果が低く、ガス化触媒元素のうち、カルシウムの占める割合の大きいα2については、ガス化触媒元素の総含有量が最も多いにも関わらず、ガス化反応速度の向上効果がα3、α4、α5よりも小さかったものと考えられる。 This result can be considered as follows. That is, calcium has a lower catalytic effect than sodium and potassium, and among the gasification catalyst elements, α2 having a large proportion of calcium, although the total content of gasification catalyst elements is the highest, It is thought that the effect of improving the gasification reaction rate was smaller than α3, α4, and α5.
また、α3とα4についても、ガス化触媒元素の総含有量に大きな差が見られないにも関わらず、ガス化反応速度の向上効果においては明確に差が見られた理由についても、α3において、カルシウムの占める割合が大きかったことに起因するものと考えられる。 In addition, regarding α3 and α4, although there is no significant difference in the total content of gasification catalyst elements, there is a clear difference in the effect of improving the gasification reaction rate in α3. This is considered to be due to the large proportion of calcium.
(実施例7)
α4及びα5の灰からの触媒成分の抽出効果について、水とバイオマス水溶性液を用いて比較実験を行った。
(Example 7)
About the extraction effect of the catalyst component from the ash of α4 and α5, a comparative experiment was conducted using water and an aqueous biomass solution.
α4またはα5の灰20mgに、実施例2で得られた杉チップ由来のバイオマス水溶性液または水を1ml加え、5分間超音波照射した後、孔径が0.2μmのフィルターで固液分離した。この濾液に、微粉炭β2を加えて含浸処理した後、107℃で乾燥後にチャー調整をおこなった。チャー調整は、実施例1と同様の方法で行った。 To 20 mg of α4 or α5 ash, 1 ml of the biomass water-soluble liquid derived from cedar chips or water obtained in Example 2 was added and subjected to ultrasonic irradiation for 5 minutes, followed by solid-liquid separation with a filter having a pore size of 0.2 μm. The filtrate was impregnated with pulverized coal β2 and dried at 107 ° C., and then char was adjusted. Char adjustment was performed in the same manner as in Example 1.
チャー調整した試料のガス化反応速度測定を行い、水及びバイオマス水溶性液を用いた場合の触媒成分抽出効果について検討した。結果を図16に示す。水を用いた場合には、ガス化反応速度の向上効果が十分なものとならず、また、α4とα5の灰を用いた場合のガス化反応速度の差が得られなかった。つまり、水はガス化触媒成分を溶解させる能力が低く、水が飽和状態となってガス化触媒成分が溶解しなくなり、結果として、α4とα5の灰に含まれるガス化触媒成分が残存した結果として、ガス化反応速度向上効果が十分に得られなかったものと考えられる。 The gasification reaction rate of the char-adjusted sample was measured, and the extraction effect of catalyst components in the case of using water and biomass aqueous solution was investigated. The results are shown in FIG. When water was used, the effect of improving the gasification reaction rate was not sufficient, and the difference in gasification reaction rate when using α4 and α5 ash was not obtained. That is, water has a low ability to dissolve the gasification catalyst component, the water is saturated and the gasification catalyst component does not dissolve, and as a result, the gasification catalyst component contained in the ash of α4 and α5 remains. It is considered that the effect of improving the gasification reaction rate was not sufficiently obtained.
これに対し、バイオマス水溶性液を用いた場合には、α4とα5の灰に含まれるガス化触媒成分を十分に溶解させて抽出することができ、結果として優れたガス化反応速度向上効果が得られたものと考えられる。 On the other hand, when the biomass water-soluble liquid is used, the gasification catalyst component contained in the ash of α4 and α5 can be sufficiently dissolved and extracted, resulting in an excellent gasification reaction rate improvement effect. It is thought that it was obtained.
また、α5の灰については、シリカが26.7wt%含まれていたことから、灰の調整過程において、シリカとガス化触媒元素との化合物が生成され、これにより、水にはガス化触媒元素が十分に溶解しなかったものと考えられるが、バイオマス水溶性液を溶解媒体として用いた場合には、α4の灰を用いた場合と比較して、高いガス化反応速度向上効果が得られた。このことから、灰の調整過程において、シリカとガス化触媒元素との化合物が生成されたとしても、バイオマス水溶性液を溶解媒体として用いることによって、バイオマス灰からガス化触媒元素を確実に抽出できることが明らかとなった。 In addition, since the α5 ash contained 26.7 wt% of silica, a compound of silica and a gasification catalyst element was generated in the ash adjustment process, and thereby the gasification catalyst element was contained in water. However, when the biomass water-soluble liquid was used as the dissolution medium, a higher gasification reaction rate improvement effect was obtained compared to the case where α4 ash was used. . From this, even if a compound of silica and a gasification catalyst element is generated in the ash adjustment process, the gasification catalyst element can be reliably extracted from the biomass ash by using the biomass water-soluble liquid as a dissolution medium. Became clear.
Claims (2)
前記バイオマス水溶性液と前記バイオマス灰とを接触させて前記バイオマス灰に含まれる前記ガス化触媒元素を前記バイオマス水溶性液に溶解し、前記バイオマス水溶性液を石炭と接触させて前記石炭に前記ガス化触媒元素を担持することを特徴とするガス化触媒担持石炭の製造方法。 Acidic biomass water-soluble liquid generated when carbonizing at least one of woody biomass raw material, herbaceous biomass raw material and plant-derived food residue, and sodium, potassium and calcium that function as coal gasification catalysts A biomass ash containing a gasification catalyst element of at least one of
The biomass water-soluble liquid is brought into contact with the biomass ash to dissolve the gasification catalyst element contained in the biomass ash in the biomass water-soluble liquid, and the biomass water-soluble liquid is brought into contact with coal to the coal. A process for producing a gasification catalyst-supporting coal, characterized by supporting a gasification catalyst element.
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