JP2018030921A

JP2018030921A - 高エネルギー効率で木質バイオマスからエネルギーとともに高品質炭素材を得るための方法

Info

Publication number: JP2018030921A
Application number: JP2016162647A
Authority: JP
Inventors: 芳信林; Yoshinobu Hayashi; 裕之片山; Hiroyuki Katayama
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-03-01

Abstract

【課題】木質バイオマスを原料として、高効率でエネルギーを得るとともにあわせて高品質炭素材も製造する。
【解決手段】木質バイオマスのガス化のプロセスにおいて、（１−１）ガス化に用いる空気の１部を、ガス化によって得られた高温ガスと間接的に接触させて加熱する、（１−２）ガス化に用いる空気の１部を、ガスを燃焼して得られた高温排ガスと間接的に接触させて加熱する、（２）その加熱された空気を木質バイオマスのガス化時に固体分として副生した炭素を主として含むものに直接接触させて共存している炭化水素分を分解する、（３）その加熱された空気と炭化水素を含むガスをガス化炉に空気の１部として加えるの４つの工程を、以下のいずれかの方式で組み合わせる。
ケースＡ；（１−１）、（２）、（３）
ケースＢ；（１−２）、（２）、（３）
ケースＣ；（１−１）、（１−２）、（２）、（３）
【選択図】図１

Description

本発明は、木質バイオマスを原料として、高効率でエネルギーを得るとともにあわせて高品質炭素材も製造するための方法に関する。

木質バイオマスは、Ｃ，Ｈ，Ｏ分を主成分とする有機物であり、古来、（１）適度に乾燥してから薪などとして完全燃焼させて熱として利用する方法や、（２）空気供給量を調整して炭化させ、炭として利用する方法などが使われてきた。近年、木質バイオマスのより進んだ利用方法として、ガス化してガスをエネルギーとして利用する方法も用いられるようになっているが、その場合に、タール分や炭素分が副生するので、それにどのように対応するかが課題である。特許文献１には、ガス化の温度を高めるとタールの分解は進むが、プロセスを必要以上に高温化させず、生成ガスに含まれる気相状態のタール分を除去できる方法として、粒子を充填しガスを流通させる容器と冷却部を備えて、タールを凝縮させて粒子に付着させてその粒子を取り出すことによるタール分を除去する方法が示されている。しかし、その方法では生成ガスに固体炭素分が含まれている場合には問題は解決できない。特許文献２には、有機物を熱分解してガスおよび残渣に分離した後、ガス中のタールは熱分解し、一方、熱分解残渣は堆積させ、この堆積層の中にタール分を熱分解した後のガスを通してガス化する方法が示されている。この方法では、特別な堆積層を作って反応させることが必要であり工程が複雑になるという問題がある。燃焼によって生成した炭酸ガス分と、固体炭素を含む煤やダスト、あるいは炭素と水素を含むタール分を反応させて、炭酸ガス発生量を少なくするとともに、可燃ガス分を生成させることが考えられるが、それに対して実用的な方法は示されていない。
本発明は、これらの問題を解決して、木質バイオマスを主原料として、発熱量の高いガスと、高品質の炭素材を、加熱・冷却を繰り返すことなく、効率的に製造するための方法に関する。

特開２００２−６１６４８号公報特開２００８−１７４６５４号公報

本発明は、木質バイオマスを主原料としエネルギー源として使いやすい燃料ガス、副生物として高品質の炭素材を得るための方法に関する。

本発明の課題を解決するための具体的手段の第１は、木質バイオマスのガス化のプロセスにおいて、（１−１）ガス化に用いる空気の１部を、ガス化によって得られた高温ガスと間接的に接触させて加熱し、（２）その加熱された空気の１部を木質バイオマスのガス化時に固体分として副生した炭素を主として含むものに直接接触させて共存している炭化水素分を分解させ、（３）その加熱された空気と炭化水素を含むガスをガス化炉に空気の１部として加えることである。

本発明の課題を解決するための具体的手段の第２は、木質バイオマスをガス化およびそのガスを燃焼してエネルギー化する工程において、（１−２）ガス化に用いる空気の１部を、ガスを燃焼して得られた高温排ガスと間接的に接触させて加熱し、（２）その加熱された空気の１部を木質バイオマスのガス化時に固体分として生成した炭素を主として含むものに直接接触させて炭化水素分を分解させ、（３）その加熱された空気と炭化水素を含むガスをガス化炉に空気の１部として加えることである。

本発明の課題を解決するための具体的手段の第３は、木質バイオマスをガス化およびそのガスを燃焼してエネルギー化する工程において、（１−１）ガス化に用いる空気の１部を、ガス化によって得られた高温ガスと間接的に接触させて加熱し、（１−２）そのガスを、ガスを燃焼して得られた高温排ガスと間接的に接触させて加熱し、（２）その加熱された空気の１部を木質バイオマスのガス化時に固体分として生成した炭素を主として含むものに直接接触させて炭化水素分を分解させ、（３）その加熱された空気と炭化水素を含むガスをガス化炉に空気の１部として加えることである。

０００５〜０００７の方法によって、有効利用されていなかったガスの顕熱を利用して空気の温度を高め（０００５においては、ガス化生成ガスの顕熱を利用、０００６においては、燃料ガスを燃焼して得られた排ガスの顕熱の利用、０００７においては、ガス化生成ガスと、燃料ガスを燃焼して得られた排ガスの両方の顕熱の利用）、効果として（Ａ）その高温空気をバイオマスのガス化時に固体分として生成した炭化水素分と接触させてタール分をガス化して取り除き、（Ｂ）炭化水素分を含んだガスをガス化炉に吹き込むことで、生成ガスの発熱量を上げることができる。すなわち、プロセスの排熱をタール分の分解・ガス化に用いて操業安定化、副生する炭素分の品質向上を可能にし、また、生成ガスの含熱量を上げることができる。

本発明のシステム図を示す。

木質バイオマスをエネルギーとして利用するプロセスとして従来、用いられてきたものは、原料とするバイマスに酸化材として空気を加え（図のＰ）部分酸化してガス化し（Ａ），ガス化しなかった炭素分と灰分をガス相から分離し（Ｍ）、得られたガスは燃焼してエネルギー発電などに有効利用し（Ｃ）、排ガスを放散する（Ｄ）というものである。そのプロセスでは、熱効率は４０〜１５％の範囲にあり、高いものではなかった。またＭで分離された炭素分には、炭化水素分（タール分）などが付着しているので、炭素分として有効利用するためには、別途、付着物を分離する工程が必要であった。熱効率を上げるためには、ガス化炉に吹き込む空気の１部を、ガス化ａｎｄ／ｏｒ燃焼後の高温ガスと間接的に接触させて予熱する方法が用いられることもあるが、その熱をガス化時の副生した炭化水素分（タール分）の改質に有効利用した先行例は見られない。

本発明で原料とする木質バイオマスとは、樹木、竹、草などの未利用系、木材の廃棄物、茸類の栽培に用いた廃菌床などの廃棄物系などのバイオマス原料である。本発明はこの炭素、水素を含む固体可燃物に、主として空気からなる酸化性を反応させて（図のＰ）部分酸化してガス化し（図のＡ）、未燃炭素や灰分を分離して（図のＭ），得られた可燃性ガスを後続の工程でエネルギーとして用いる（図のＣ）システムにおいて、ガス化に副生する炭素分，灰分の問題（図のＭ）を解決し、副生物として高品質の炭素分を得る（図のＮ）とともに、システムの熱効率を上げるとともに、副生する炭素水素分の問題を解決して安定操業を行うための方法に関する。

そのためには、まず、バイオマスのガス化のために用いる空気の１部を、本プロセスで発生する高温ガスと間接的に接触させて予熱する。それに用いる本プロセスで発生する高温ガスとしては、「（１）ガス化によって生成した可燃ガス」（図のＥ）、「（２）生成した可燃ガスを燃焼して得られ排ガス」（図のＦ）、「（１）と（２）の両方」の３つのケースから選択できる。なお、「（１）と（２）の両方」を用いる場合は、ガスの温度は、「（２）生成した可燃ガスを燃焼して得られ排ガス」の方が「（１）ガス化によって生成した可燃ガス」よりも高いので、空気は，まず、「（１）ガス化によって生成した可燃ガス」と間接的に接触させ、ついで、「（２）生成した可燃ガスを燃焼して得られ排ガス」と間接的に接触させることによって熱の利用効率を上げることができる。なお、この工程に用いる空気の量は、間接接触後の空気の温度が、５００〜９００℃の範囲になるよう選択する。本発明の特徴は、この予熱された空気の１部を、ガス化工程で副生した炭分（これにはタール分が付着している）、灰分と直接接触させることである（図のＪ）。残りの予熱空気はガス化炉に吹き込まれる。付着していたタール分はこの高温の空気と接触して酸化されてガス化する。これによって得られるガスは、空気を主成分としてガス状の可燃性ガスを含んだ高温のものであって（図のＫ）、これが、バイオマスのガス化炉に吹き込まれる（図のＬ）。なお、バイオマスのガス化工程に必要な空気の量を調整は、予熱しない空気を加えることによって調整される（図のＰ）。

バイオマスのガス化に用いる空気を、高温排ガスと間接的に接触させて廃熱を回収すること自体は先行例があるが、本発明の特色は、この予熱された空気を、ガス化工程で副生した炭およびそれに付着したタールと反応させて、炭を浄化するとともに、タールなどからと生じた可燃ガスを空気とともにガス化工程に吹き込むことで、プロセスの発生ガスに加えていることである。

ガス化炉は、固定床型である。植物系バイオマス原料は木質のチップである。原料のチップは、２０〜４５％の水分を含有している。このチップを約４００ｋｇ／ｈの割合でガス化炉に供給した。この装置での本発明での操業条件と、比較になる従来型の操業条件は次の通りである。
・比較となる操業条件；ガス化炉に供給するガスは、通常の空気であるが、その全量を高温のガス化ガス、およびこのガスを用いて発電を行った後の排ガスに間接的に接触させて予熱してから、ガス化炉に吹き込んだ。
・本発明での実施条件（その１）；ガス化炉に供給する空気の４５％を、ガス化生成ガスと間接的に接触させて加熱し、そのガスの１／５ガス化ガスから分離されたタールが付着した炭および灰の混合物に直接・接触させてから、ガス化炉に吹き込んだ（残りの４／５は直接ガス化炉へ吹き込んだ。（さらにガス化に必要な空気は予熱なしでガス化炉に供給）。
・本発明での実施条件（その２）；ガス化炉に供給する空気の５６％を、このガスを用いて発電を行った後の排ガスに間接的に接触させて予熱してそのガスの１／６をガス化ガスから分離されたタールが付着した炭および灰の混合物に直接・接触させてから、ガス化炉に吹き込んだ（残りの５／６は直接ガス化炉へ吹き込んだ。（さらにガス化に必要な空気は予熱なしでガス化炉に供給）。
・本発明での実施条件（その３）；ガス化炉に供給する空気の９０％を、このガスを用いて発電を行った後の排ガスに間接的に接触させて、ついで予熱してそのガスの１／１０をガス化ガスから分離されたタールが付着した炭および灰の混合物に直接・接触させてから、ガス化炉に吹き込んだ（残りの５／６は直接ガス化炉へ吹き込んだ。（さらにガス化に必要な空気は予熱なしでガス化炉に供給）。
この試験結果は次の通りであった。
ガス化ガスから分離した固体分は、比較となる試験条件の場合は、タール分が付着して、燃焼に用いるしか使い道はなかったが、本発明の試験条件（その１、その２、その３）の場合は、タール分による付着の問題がなく、水で灰分を分離すると、炭素材として有効に利用できるようになった。

本発明の方法は、各種バイオマスの原料としてそれをガス化してエネルギーとして用いるシステムにおいて、安定操業を実施、副生する炭素分の品質向上、総合的なエネルギー効率の向上を可能にするための方法として利用することができる。

Claims

木質バイオマスのガス化のプロセスにおいて、（１−１）ガス化に用いる空気の１部を、ガス化によって得られた高温ガスと間接的に接触させて加熱し、（２）その加熱された空気を木質バイオマスのガス化時に固体分として副生した炭素を主として含むものに直接接触させて共存している炭化水素分を分解させ、（３）その加熱された空気と炭化水素を含むガスをガス化炉に空気の１部として加えることを特徴とする高エネルギー効率で木質バイオマスからエネルギーとともに高品質炭素材を得るための方法。
木質バイオマスをガス化およびそのガスを燃焼してエネルギー化する工程において、（１−２）ガス化に用いる空気の１部を、ガスを燃焼して得られた高温排ガスと間接的に接触させて加熱し、（２）その加熱された空気を木質バイオマスのガス化時に固体分として生成した炭素を主として含むものに直接接触させて炭化水素分を分解させ、（３）その加熱された空気と炭化水素を含むガスをガス化炉に空気の１部として加える
ことを特徴とする高エネルギー効率で木質バイオマスからエネルギーとともに高品質炭素材を得るための方法。
木質バイオマスをガス化およびそのガスを燃焼してエネルギー化する工程において、（１−１）ガス化に用いる空気の１部を、ガス化によって得られた高温ガスと間接的に接触させて加熱し、（１−２）そのガスを、ガスを燃焼して得られた高温排ガスと間接的に接触させて加熱し、（２）その加熱された空気を木質バイオマスのガス化時に固体分として生成した炭素を主として含むものに直接接触させて炭化水素分を分解させ、（３）その加熱された空気と炭化水素を含むガスをガス化炉に空気の１部として加えることを特徴とする高エネルギー効率で木質バイオマスからエネルギーとともに高品質炭素材を得るための方法。