JP2019137717A

JP2019137717A - タール成分の処理方法および装置

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Publication number: JP2019137717A
Application number: JP2018019302A
Authority: JP
Inventors: 村上　高広; Takahiro Murakami; 高広村上; 肇安田; Hajime Yasuda
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-08-22

Abstract

【課題】タールに含まれる中・高分子成分を好適に分解し得るタール成分の処理方法および装置を提供する。【解決手段】炭化水素系の燃料Ｆから生成された合成ガスＧを導入するタール処理部３と、タール処理部３に設置され、合成ガスＧに含まれるタール中の分子量３００以上の中・高分子成分を分子量３００未満の低分子に分解するタール処理触媒７を備える。タール処理部３においては、６００℃以上１０００℃以下でタールＴ中の中・高分子成分を分解する。タール処理触媒７を構成する物質は、多孔質アルミナ、石灰石、ニッケル、ドロマイト、ゼオライト、カオリナイトから選択される物質とする。【選択図】図１

Description

本発明は、合成ガスに含まれるタールの成分を処理するための方法および装置に関する。

近年、エネルギー資源として、埋蔵量が豊富で安価な褐炭を利用することが提案されている。低品位炭である褐炭は、無煙炭や瀝青炭といった高品位炭と比較して発熱量が低いうえ、揮発成分が多くハンドリングが難しいため、これまで利用があまり進められてこなかった。しかし近年では、燃料中の成分を水素や一酸化炭素といった合成ガス（ガス化ガス）として取り出すガス化技術の開発が進んでおり、褐炭からでも高効率でエネルギーを取り出すことができるようになってきている。

ガス化反応を行う装置の一種として、流動層ガス化炉が挙げられる。流動層ガス化炉は、燃料や流動媒体（硅砂等）を流動化ガス（水蒸気や空気、酸素等）で流動させる装置である。流動層炉内では、燃料と流動化ガスとが均一な反応場で高効率に接触し、燃料のガス化反応が進行する。国内においては、水蒸気を用いて燃料をガス化させる流動層ガス化炉と、ガス化反応を経た残渣を燃焼させる燃焼炉とを組み合わせた二塔式の流動層ガス化炉が開発されている（例えば、下記特許文献１参照）。燃料としては、石炭のほか、バイオマスやごみ、下水汚泥等を使用することができる場合もある。

特開２０１５−１５５５０６号公報

流動層ガス化炉で合成ガスを生成する場合、６００〜１０００℃前後の比較的低温でガス化反応を行う。このため、合成ガス中にタールが発生しやすく、ガス化炉の後段の冷却過程において、凝集したタールが配管内に付着して配管を閉塞してしまうことが懸念される。したがって、流動層ガス化炉を安定して連続運転するためには、合成ガス中のタールに対し、分解や改質、あるいはガス化といった処理を行う必要がある。

タールは種々の成分によって構成されるが、分子量が大きい成分ほどガス化しにくい傾向がある。このため、特に分子量の大きい成分について、効率良く処理する技術が求められていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、合成ガスに含まれるタールの中・高分子成分を好適に分解し得るタール成分の処理方法および装置を提供しようとするものである。

本発明は、炭化水素系の燃料から生成された合成ガスをタール処理触媒に接触させ、合成ガスに含まれるタール中の分子量３００以上の中・高分子成分を分子量３００未満の低分子に分解するタール分解処理工程を含む、タール成分の処理方法にかかるものである。

本発明のタール成分の処理方法の前記タール分解処理工程においては、６００℃以上１０００℃以下でタール中の中・高分子成分を分解することが好ましい。

本発明のタール成分の処理方法の前記タール分解処理工程において、前記タール処理触媒を構成する物質は、多孔質アルミナ、石灰石、ニッケル、ドロマイト、ゼオライト、カオリナイトから選択することができる。

本発明のタール成分の処理方法の燃料から合成ガスを生成する合成ガスの生成工程において、燃料と熱媒体と流動化ガスにより流動層を形成し、６００℃以上１０００℃以下で合成ガスを生成することができる。

本発明のタール成分の処理方法においては、燃料として褐炭を用いることができる。

また、本発明は、炭化水素系の燃料から生成された合成ガスを導入するタール処理部と、前記タール処理部に設置され、合成ガスに含まれるタール中の分子量３００以上の中・高分子成分を分子量３００未満の低分子に分解するタール処理触媒を備えたタール成分の処理装置にかかるものである。

本発明のタール成分の処理装置の前記タール処理部においては、６００℃以上１０００℃以下でタール中の中・高分子成分を分解することが好ましい。

本発明のタール成分の処理装置において、前記タール処理触媒を構成する物質は、多孔質アルミナ、石灰石、ニッケル、ドロマイト、ゼオライト、カオリナイトから選択される物質とすることができる。

本発明のタール成分の処理装置は、燃料と熱媒体と流動化ガスにより流動層を形成し、６００℃以上１０００℃以下で合成ガスを生成するガス化部を備えることができる。

本発明のタール成分の処理装置においては、燃料として褐炭を用いることができる。

本発明のタール成分の処理方法および装置によれば、タールに含まれる中・高分子成分を好適に分解し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施によるタール処理装置の一例（実験機）を示す概要図である。流動層ガス化装置の参考例を示す概要図である。水蒸気ガス化により生成した合成ガスにおけるタール成分の分子量分布をＦＤ−ＭＳにより測定した結果を示すグラフである。水蒸気ガス化により生成され、タール分解処理を経た合成ガスにおけるタール成分の分子量分布をＦＤ−ＭＳにより測定した結果を示すグラフである。熱分解により生成した合成ガスにおけるタール成分の分子量分布をＦＤ−ＭＳにより測定した結果を示すグラフである。熱分解により生成され、タール分解処理を経た合成ガスにおけるタール成分の分子量分布をＦＤ−ＭＳにより測定した結果を示すグラフである。本発明の実施によるタール処理装置の別の一例（実機）を示す概要図である。本発明の実施によるタール処理方法の手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は実験室規模の流動層ガス化装置に対して本発明を適用したタール処理装置を示している。ガス化塔１の内部は、下段のガス化部２と、上段のタール処理部３とに区画されている。ガス化部２には熱媒体Ｓが投入されており、ここに燃料Ｆおよび流動化ガスＡが導入されて流動層４が形成される。熱媒体Ｓとしては、例えば硅砂が用いられる。燃料Ｆとしては、例えば褐炭等の石炭が導入されるが、その他の炭化水素系燃料、例えばバイオマスや下水汚泥等を用いることもできる。流動化ガスＡとしては、水蒸気、空気、窒素といった気体が導入される。熱媒体Ｓと燃料Ｆが混在するガス化部２に対し、下部の分散板５を通して流動化ガスＡを導入し、流動層４を形成しつつ加熱することで、燃料Ｆを原料として合成ガスＧを得る仕組みである。

ガス化部２で生成された合成ガスＧは、上方に位置するタール処理部３を通ってガス化塔１の上方から抜き出される。タール処理部３は、下方のガス化部２と分散板６によって区分され、内部にタール処理触媒７が設置されている。ガス化部２で生成された合成ガスＧは、分散板６からタール処理部３に導入され、タール処理触媒７を通過してガス化塔１から抜き出されることになる。

本実施例では、ガス化部２とタール処理部３とが一個のガス化塔１の下段および上段として一体に構成されており、ガス化部２とタール処理部３を含む内部空間の全体が８５０℃前後に保たれている。

タール処理触媒７は、ガス化部２で生成された合成ガスＧに含まれるタールと適当な温度にて接触することで、タール中の中・高分子成分を低分子に分解する触媒であり、例えば多孔質アルミナ、石灰石、ニッケル、ドロマイト、ゼオライト、カオリナイト等の物質から選択される。この他に、タール処理触媒７の素材としては、タール中の中・高分子成分を低分子に分解する性質を持つ物質を適宜採用して良い。

上述の温度（８５０℃）は、ガス化部２において合成ガスＧを生成するのに適した温度であり、また、タール処理部３においてタール処理触媒７によりタールの中・高分子成分を分解するのに適した温度である。尚、ガス化部２およびタール処理部３の温度は、燃料Ｆや流動化ガスＡの種類、合成ガスＧの成分等に応じて適宜変更して良い。ガス化部２、タール処理部３の好適な温度は、例えば６００℃以上１０００℃以下、より好適には例えば８００℃以上９００℃以下である。また、ガス化部２とタール処理部３を互いに異なる温度に設定しても良い。

ガス化塔１から抜き出された合成ガスＧは、後段のタール捕集部８で冷却され、含まれるタールＴが凝集されて捕集される。タールＴが捕集された後の合成ガスＧは、さらにフィルタ９を通して不純物を除去されて下流へ流れる。１０は得られた合成ガスＧの組成をガスクロマトグラフ等により分析する分析計、１１は合成ガスＧの流れを駆動するファンである。

また、図２は本発明のタール処理装置の比較対象としての流動層ガス化装置の参考例である。基本的な構成は図１に示す本実施例のタール処理装置と同様であるが、ガス化塔１２の構成が本実施例におけるガス化塔１とは異なっており、タール処理部３を備えていない。つまり、本参考例の流動層ガス化装置においては、ガス化部２で生成された合成ガスＧはタール処理部３（図１参照）を通らずに下流へ抜き出される。

図２に示す参考例の流動層ガス化装置において、ガス化塔１２から抜き出された合成ガスＧに含まれるタールＴの成分を分析した。ガス化部２に燃料Ｆとして褐炭を、流動化ガスＡとして水蒸気をそれぞれ導入し、温度を８５０℃として水蒸気ガス化により合成ガスＧを生成した。

参考例において、タール捕集部８に捕集されたタールＴの分析結果を図３に示す。図３は、捕集されたタールＴの成分の分子量分布を電解脱離イオン化質量分析（ＦＤ−ＭＳ）により測定した結果を示している。横軸のｍ／ｚはイオンの質量を統一原子質量単位及びイオンの電荷数で割った値であり、ほぼ分子の分子量を示す。ＦＤ−ＭＳによれば、タールＴの成分の分子量はおおむね１００〜６００程度の範囲に分布しており、特に分子量３００前後の成分の分子数が最も多く検出された。

次に、図１に示す本実施例のタール処理装置において、ガス化塔１から抜き出された合成ガスＧに含まれるタールＴの成分を分析した。ガス化部２に燃料Ｆとして褐炭を、流動化ガスＡとして水蒸気をそれぞれ導入し、温度を８５０℃として水蒸気ガス化により合成ガスＧを生成した。

タール処理部３には、多孔質アルミナからなるタール処理触媒７を配置した。タール処理部３の温度は８５０℃とした。

本実施例において、タール捕集部８に捕集されたタールＴのＦＤ−ＭＳによる分析結果を図４に示す。タールＴの成分は、ほぼ分子量３００以下の範囲に分布している。すなわち、ガス化部２で生成した合成ガスＧをタール処理部３に通し、タール処理触媒７に接触させることにより、タールＴ中に含まれる分子量３００以上の中・高分子成分の大部分が分子量３００未満の低分子化合物に分解されたことを示している。

水蒸気ガス化により生成した合成ガスＧのほか、熱分解により生成した合成ガスＧについても、タール処理触媒７によりタールＴの中・高分子成分を分解できることを確認した。まず、図２に示す参考例の流動層ガス化装置において、ガス化部２に燃料Ｆとして褐炭を、流動化ガスＡとして窒素をそれぞれ導入し、温度を８５０℃として熱分解により合成ガスＧを生成した。

このとき捕集されたタールＴの成分の分子量分布をＦＤ−ＭＳにより分析した結果を図５に示す。タールＴの成分は、主に分子量２００〜６００程度の範囲に分布しており、特に分子量３００前後の成分の分子数が最も多く検出された。

本実施例のタール処理装置（図１参照）においても、同様の条件で熱分解により合成ガスＧを生成した。ガス化部２に燃料Ｆとして褐炭を、流動化ガスＡとして窒素をそれぞれ導入し、温度を８５０℃として合成ガスＧを生成した。

このとき捕集されたタールＴの成分の分子量分布をＦＤ−ＭＳにより分析した結果を図６に示す。成分のほとんどは分子量２００〜３００程度の範囲で検出され、分子量３００以上の成分は大幅に減少していた。熱分解により生成した合成ガスＧに関しても、タール処理触媒７に接触させることでタールＴに含まれる中・高分子成分を低分子に分解できることが確認された。

このように、本実施例のタール処理装置によれば、合成ガスＧをタール処理触媒７に接触させて所定の温度条件にて反応させることにより、合成ガスＧに含まれるタールＴの中・高分子成分を効果的に分解し、低分子成分に改質することができる。分子量３００未満の低分子成分は、ガスクロマトグラフ質量分析（ＧＣ／ＭＳ）のような簡単な方法で成分を分析することができるので、タールＴを構成する成分を特定し、処理を行う上で必要な情報を取得する手間が少なく済む。また、低分子量の物質は、別途触媒等によってガス化処理を行う場合、ガス化しやすい。

また、捕集したタールＴから特定の低分子成分を抽出すれば、他の用途に転用することもできる。例えば、アントラセンであれば染料として、ベンゼンであれば基礎化学の原料として利用できる。さらに、タール処理触媒７として用いる物質の種類や量、ガス化部２やタール処理部３における温度や圧力の条件、合成ガスＧの生成速度、燃料Ｆの種類等を適宜調整することにより、タールＴに含まれる成分を制御することができれば、特定の有用な低分子化合物を取り出す装置としてタール処理装置を運用することも可能となる。

図７は流動層ガス化装置に対して本発明のタール処理装置を適用した場合に想定される実機の構成の一例（別の実施例）を示している。図７に示す別の実施例では、図１に示す実施例（実験機）とは異なり、ガス化部としてのガス化炉２２と、タール処理部としての触媒塔２３とが別々に設けられている。内部に熱媒体Ｓを投入されたガス化炉２２には燃料Ｆおよび流動化ガスＡが導入され、流動層４が形成される。ガス化炉２２で生成された合成ガスＧは、ガス化炉２２から抜き出されて後段の触媒塔２３に導入される。触媒塔２３内にはタール処理触媒７が配置されており、合成ガスＧ中のタールに含まれる中・高分子成分は触媒塔２３を通る間に分解されて低分子に改質される。

ガス化炉２２は、合成ガスＧを生成するのに適した温度、例えば８５０℃で運転される。また、触媒塔２３は、タール処理触媒７によりタールの中・高分子成分を分解するのに適した温度、例えば８５０℃で運転される。ガス化炉２２、および触媒塔２３の温度は、燃料Ｆや流動化ガスＡの種類、合成ガスＧの成分等に応じて適宜変更して良い。ガス化炉２２、触媒塔２３の好適な温度は、例えば６００℃以上１０００℃以下、より好適には例えば８００℃以上９００℃以下である。また、ガス化炉２２と触媒塔２３を互いに異なる温度に設定しても良い。

触媒塔２３においてタールの中・高分子成分を分解された合成ガスＧは、触媒塔２３の後段に設置された冷却塔２４で冷却された後、浄化装置２５、濾過装置２６によって低分子成分のタールを除去され、より純度の高い合成ガスとして使用される。浄化装置２５は、例えばスクラバ等と称される装置であり、合成ガスＧに対して水等の溶媒Ｗを噴射し、合成ガスＧに含まれる粒子を除去する。濾過装置２６は、例えば活性炭等の吸着剤を備えた装置であり、合成ガスＧに含まれる微細な粒子がここで吸着除去される。尚、低分子成分のタールを他の用途に転用する場合には、触媒塔２３の後段で取り出すこともできる。

図１や図７に示す如きタール処理装置によるタール処理の手順は、例えば図８に示すフローチャートにまとめることができる。ステップＳ１の合成ガスの生成工程では、ガス化部２（図１参照）やガス化炉２２（図７参照）にて燃料Ｆから合成ガスＧが生成される。次に、ステップＳ２のタール分解処理工程において、合成ガスＧがタール処理部３（図１参照）や触媒塔２３（図７参照）に通され、タール処理触媒７により中・高分子成分が分解され、低分子成分に改質される。続いて、ステップＳ３のガス冷却工程では、タール捕集部８（図１参照）や冷却塔２４（図７参照）に合成ガスＧが通されて冷却される。さらに、ステップＳ４の浄化工程では、フィルタ９（図１参照）や浄化装置２５、濾過装置２６（図７参照）に合成ガスＧが通され、主として低分子成分からなるタールが処理され、不純物を除去される。

以上のように、上記実施例のタール成分の処理方法は、炭化水素系の燃料Ｆから生成された合成ガスＧをタール処理触媒７に接触させ、合成ガスＧに含まれるタールＴ中の分子量３００以上の中・高分子成分を分子量３００未満の低分子に分解するタール分解処理工程（ステップＳ２）を含む。

また、上記各実施例のタール成分の処理装置は、炭化水素系の燃料Ｆから生成された合成ガスＧを導入するタール処理部３（触媒塔２３）と、タール処理部３（触媒塔２３）に設置され、合成ガスＧに含まれるタールＴ中の分子量３００以上の中・高分子成分を分子量３００未満の低分子に分解するタール処理触媒７を備えている。このようにすれば、合成ガスＧをタール処理触媒７と接触させることにより、タールＴ中に含まれる中・高分子成分を分解することができる。

上記各実施例のタール成分の処理方法および装置では、タール分解処理工程（ステップＳ２）およびタール処理部３（触媒塔２３）において、６００℃以上１０００℃以下でタールＴ中の中・高分子成分を分解することができ、このようにすれば、タールＴ中の中・高分子成分をより効率的に分解することができる。

上記各実施例のタール成分の処理方法および装置では、タール分解処理工程（ステップＳ２）およびタール処理部３（触媒塔２３）において、タール処理触媒７を構成する物質を多孔質アルミナ、石灰石、ニッケル、ドロマイト、ゼオライト、カオリナイトから選択される物質とすることができ、このようにすれば、タールＴ中の中・高分子成分を一層効率的に分解することができる。

上記各実施例のタール成分の処理方法および装置では、燃料Ｆから合成ガスＧを生成する合成ガスＧの生成工程（ステップＳ１）およびガス化部２（ガス化炉２２）において、燃料Ｆと熱媒体Ｓと流動化ガスＡにより流動層４を形成し、６００℃以上１０００℃以下で合成ガスＧを生成するようにしている。６００℃以上１０００℃以下の条件で流動層４により生成された合成ガスＧに関し、タールＴ中の中・高分子成分を効率良く分解することができる。

また、上記各実施例のタール成分の処理方法および装置においては、燃料Ｆとして褐炭を用いることができる。

したがって、上記本実施例によれば、タールに含まれる中・高分子成分を好適に分解し得る。

尚、本発明のタール成分の処理方法および装置は、上述の実施例にのみ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内において種々変更を加え得ることは勿論である。

２ガス化部
３タール処理部
４流動層
７タール処理触媒
２２ガス化部（ガス化炉）
２３タール処理部（触媒塔）
Ａ流動化ガス
Ｆ燃料
Ｇ合成ガス
Ｓ熱媒体
Ｔタール

Claims

炭化水素系の燃料から生成された合成ガスをタール処理触媒に接触させ、合成ガスに含まれるタール中の分子量３００以上の中・高分子成分を分子量３００未満の低分子に分解するタール分解処理工程を含む、タール成分の処理方法。
前記タール分解処理工程においては、６００℃以上１０００℃以下でタール中の中・高分子成分が分解される、請求項１に記載のタール成分の処理方法。
前記タール分解処理工程において、前記タール処理触媒を構成する物質は、多孔質アルミナ、石灰石、ニッケル、ドロマイト、ゼオライト、カオリナイトから選択される、請求項１または２に記載のタール成分の処理方法。
燃料から合成ガスを生成する合成ガスの生成工程において、燃料と熱媒体と流動化ガスにより流動層が形成され、６００℃以上１０００℃以下で合成ガスが生成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のタール成分の処理方法。
燃料として褐炭を用いる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタール成分の処理方法。
炭化水素系の燃料から生成された合成ガスを導入するタール処理部と、
前記タール処理部に設置され、合成ガスに含まれるタール中の分子量３００以上の中・高分子成分を分子量３００未満の低分子に分解するタール処理触媒を備えたタール成分の処理装置。
前記タール処理部においては、６００℃以上１０００℃以下でタール中の中・高分子成分が分解される、請求項６に記載のタール成分の処理理装置。
前記タール処理触媒を構成する物質は、多孔質アルミナ、石灰石、ニッケル、ドロマイト、ゼオライト、カオリナイトから選択される物質である、請求項６または７に記載のタール成分の処理理装置。
燃料と熱媒体と流動化ガスにより流動層を形成し、６００℃以上１０００℃以下で合成ガスを生成するガス化部を備えた、請求項６〜８のいずれか一項に記載のタール成分の処理装置。
燃料として褐炭を用いる、請求項６〜９のいずれか一項に記載のタール成分の処理装置。