JP2021138931A - Method for gasifying biomass - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイオマスのガス化方法に関する。より詳細には、水蒸気をガス化剤としてバイオマスをガス化して、低温で高発熱量のガスを得る際に、タールの生成を抑制しながら、効率よくガス化する方法に関する。 The present invention relates to a method for gasifying biomass. More specifically, the present invention relates to a method of efficiently gasifying biomass while suppressing the formation of tar when gasifying biomass using water vapor as a gasifying agent to obtain a gas having a high calorific value at a low temperature.
近年、化石燃料の燃焼に伴う二酸化炭素が地球温暖化の原因となっていると指摘されており、燃焼利用しても大気中の二酸化炭素の純増につながらないカーボンニュートラル燃料に注目が集まっている。バイオマスは、その生育過程で大気中の二酸化炭素を吸収しているので、燃焼利用しても大気中の二酸化炭素の純増につながらないカーボンニュートラル燃料とみなすことができる。バイオマスの中でも、特に農業残渣系のバイオマス、例えば、パーム油を得る過程で発生するパームヤシ空果房、サトウキビ搾汁後の残渣であるバガスなどは、食糧用途との競合がないことから、特に有効活用が期待されている。 In recent years, it has been pointed out that carbon dioxide associated with the combustion of fossil fuels is a cause of global warming, and carbon-neutral fuels, which do not lead to a net increase in carbon dioxide in the atmosphere even when used for combustion, are attracting attention. Since biomass absorbs carbon dioxide in the atmosphere during its growth process, it can be regarded as a carbon-neutral fuel that does not lead to a net increase in carbon dioxide in the atmosphere even if it is used for combustion. Among the biomass, especially agricultural residue-based biomass, for example, palm palm empty fruit bunch generated in the process of obtaining palm oil, bagasse which is the residue after sugarcane juice squeezing, etc. are particularly effective because they do not compete with food applications. It is expected to be used.
一方で、バイオマスの活用においては、一般に固体であることから液体や気体の化石燃料と比較して取り扱いにくいこと、水分を多く含むため質量当たりのエネルギー密度が低いこと、かさ密度が低いために体積当たりのエネルギー密度も低いこと、腐敗や変質が起こりやすく長距離輸送や長期の保存に適さないこと、などの問題がある。 On the other hand, when using biomass, it is generally solid and difficult to handle compared to liquid or gaseous fossil fuels, it contains a lot of water and has a low energy density per mass, and it has a low bulk density, so it is volumetric. There are problems such as low energy density per hit, susceptibility to decay and alteration, and unsuitability for long-distance transportation and long-term storage.
バイオマスをガス化して水素やメタンなどの可燃性ガスに変換する技術は、バイオマスの利用における上記の課題を解決でき、大きな意義がある。 The technology of gasifying biomass and converting it into flammable gas such as hydrogen and methane can solve the above-mentioned problems in the use of biomass, and is of great significance.
バイオマスは、炭素質の固体という観点で石炭と類似しており、そのガス化にも、基本的に石炭のガス化と同様の技術、すなわち酸素(空気)や水蒸気などをガス化剤として高温でガス化する方法が適用できると考えられる。 Biomass is similar to coal in terms of carbonaceous solids, and its gasification is basically the same technology as coal gasification, that is, oxygen (air) and water vapor are used as gasifying agents at high temperatures. It is considered that the method of gasification can be applied.
炭素質固体のガス化反応は、一般に吸熱反応であるので、酸素を酸化剤として添加し、燃焼反応による発熱でガス化の吸熱を賄いながら反応する部分燃焼ガス化を比較的高温(例えば1000℃以上)で行うと、ガス化が速やかに進行して有利である。 Since the gasification reaction of a carbonaceous solid is generally an endothermic reaction, partial combustion gasification that reacts while adding oxygen as an oxidizing agent and covering the endothermic heat of gasification by the heat generated by the combustion reaction is performed at a relatively high temperature (for example, 1000 ° C.). If it is carried out in the above), gasification will proceed rapidly, which is advantageous.
一方で、ガス化剤として酸素を用いるには、高価な空気分離設備が必要となることが課題となる。一方、ガス化剤として空気を用いる場合には、生成ガスが多量の窒素を含むため、極めて低熱量のガスしか得られないという課題がある。 On the other hand, in order to use oxygen as a gasifying agent, there is a problem that an expensive air separation facility is required. On the other hand, when air is used as the gasifying agent, there is a problem that only a gas having an extremely low calorific value can be obtained because the produced gas contains a large amount of nitrogen.
水蒸気をガス化剤とするガス化では、高価な空気分離設備を用いることなく、高熱量のガス化ガスを得ることができる。一方で、水蒸気をガス化剤とする場合、酸素によるガス化と比較すると反応速度が遅い点が課題となる。 In gasification using water vapor as a gasifying agent, it is possible to obtain a gasified gas having a high calorific value without using an expensive air separation facility. On the other hand, when water vapor is used as a gasifying agent, the problem is that the reaction rate is slower than that of gasification by oxygen.
特許文献1には、低温熱分解および高温ガス化によりバイオマスから合成ガスを生成する方法であって、該方法は過熱水蒸気を酸化剤およびエネルギキャリアとして使用して、バイオマスの熱分解およびガス化を異なる温度で行い、最終的にクリーンな合成ガスを生成するものであり、1)前記バイオマスを粉砕し、該バイオマスを熱分解炉へ送り込む一方で、低温過熱水蒸気を前記熱分解炉へ噴霧し、前記熱分解炉を500〜800℃の作動温度に制御し、熱分解反応のために前記バイオマスを前記低温過熱水蒸気と接触させて、粗合成ガスおよびコークスを含む灰を生成する工程と、2)前記灰を冷却して、前記コークスを前記灰から分離する工程と、3)前記粗合成ガスおよび前記コークスをガス化炉へ搬送し、高温過熱水蒸気を前記ガス化炉へ噴霧し、該ガス化炉を1200〜1600℃の作動温度に制御し、ガス化反応を行うために前記バイオマスを前記高温過熱水蒸気と接触させて一次合成ガスを生成する工程と、4)クリーンな合成ガスを得るために、前記一次合成ガスに冷却、除塵、脱酸、および乾燥を行う工程とを含む方法が開示されている。 Patent Document 1 describes a method of producing a syngas from biomass by low-temperature thermal decomposition and high-temperature gasification, in which superheated steam is used as an oxidizing agent and an energy carrier to thermally decompose and gasify the biomass. It is carried out at different temperatures to finally produce clean syngas. 1) The biomass is crushed and sent to a thermal decomposition furnace while low temperature superheated steam is sprayed onto the thermal decomposition furnace. A step of controlling the thermal decomposition furnace to an operating temperature of 500 to 800 ° C. and bringing the biomass into contact with the low-temperature superheated steam for a thermal decomposition reaction to produce ash containing crude syngas and coke, and 2). The step of cooling the ash and separating the coke from the ash, and 3) transporting the crude syngas and the coke to a gasification furnace, spraying high-temperature superheated steam into the gasification furnace, and gasifying the ash. In order to control the operating temperature of the furnace to 1200 to 1600 ° C. and bring the biomass into contact with the high-temperature superheated steam to generate a primary syngas in order to carry out a gasification reaction, and 4) to obtain a clean syngas. , A method including a step of cooling, dust removing, degasifying, and drying the primary synthetic gas is disclosed.
この方法では、バイオマスをまず500〜800℃の熱分解炉で分解して、粗合成ガスおよびコークスを含む灰を得て、この段階でガス化しなかったコークスはさらに1200〜1600℃のガス化炉でガス化されるように構成されているので、水蒸気をガス化剤としても十分な反応速度が得られるものと考えられる。一方で、ガス化炉の運転温度は1200〜1600℃という極めて高い温度であり、この温度を維持するためには高温の水蒸気を多量に必要とすると推測され、ガス化のエネルギー効率に課題がある。 In this method, the biomass is first decomposed in a pyrolysis furnace at 500 to 800 ° C. to obtain ash containing crude syngas and coke, and the coke that was not gasified at this stage is further gasified in a gasification furnace at 1200 to 1600 ° C. Since it is configured to be gasified with, it is considered that a sufficient reaction rate can be obtained even if water vapor is used as a gasifying agent. On the other hand, the operating temperature of the gasification furnace is an extremely high temperature of 1200 to 1600 ° C., and it is presumed that a large amount of high-temperature steam is required to maintain this temperature, and there is a problem in the energy efficiency of gasification. ..
水蒸気をガス化剤として、比較的低温で炭素質材料のガス化を行う方法として、触媒を用いるガス化が知られている。特許文献2には、704℃(1300°F)における瀝青炭の水蒸気ガス化における、K、NaおよびCaの効果が示されている。非特許文献1には、水酸化カルシウム触媒を用いた各種石炭の水蒸気ガス化を600〜700℃で行った結果が示されている。特許文献3には、650℃〜700℃において、水蒸気をガス化剤として褐炭をガス化する際の触媒の効果が示されており、KあるいはCa+Naを触媒として添加した場合、ガス化が著しく促進されることが示されている。 Gasification using a catalyst is known as a method for gasifying a carbonaceous material at a relatively low temperature using water vapor as a gasifying agent. Patent Document 2 shows the effects of K, Na and Ca on steam gasification of bituminous coal at 704 ° C. (1300 ° F.). Non-Patent Document 1 shows the results of steam gasification of various coals using a calcium hydroxide catalyst at 600 to 700 ° C. Patent Document 3 shows the effect of a catalyst when gasifying brown coal using water vapor as a gasifying agent at 650 ° C to 700 ° C, and when K or Ca + Na is added as a catalyst, gasification is remarkably promoted. It has been shown to be done.
水蒸気をガス化剤として、例えば700℃程度の比較的低温でガス化を行うと、1000℃以上の高温でガス化を行う場合と比較して、比較的低温であるため耐熱性の制約が小さいことから設備コストが安価になること、放熱ロスが少ないために効率が高くなることがメリットとなる。加えて、1000℃以上の高温でガス化を行うと一酸化炭素を主成分とするガスが得られるのに対し、700℃程度の低温では水素が主成分となるほか、メタンも含まれるようになって、ガス化の効率が高まるメリットがある。 When water vapor is used as a gasifying agent and gasified at a relatively low temperature of, for example, about 700 ° C., the heat resistance is less restricted because the temperature is relatively low as compared with the case of gasifying at a high temperature of 1000 ° C. or higher. Therefore, there are merits that the equipment cost is low and the efficiency is high because the heat dissipation loss is small. In addition, when gasification is performed at a high temperature of 1000 ° C or higher, a gas containing carbon monoxide as the main component can be obtained, whereas at a low temperature of about 700 ° C, hydrogen is the main component and methane is also contained. Therefore, there is a merit that the efficiency of gasification is increased.
これは以下の理由による。炭素のガス化反応(反応式1)は比較的大きな吸熱反応である。一酸化炭素は、毒性が高く、通常そのままの形では燃料として利用できないので、COシフト反応(反応式2)により水素に変換することが安全の観点から望まれる。また都市ガス原料として利用する場合には、メタン化反応(反応式3)により、より安全なメタンに変換する。
C+H2O(g)→CO+H2 ΔH=+131.3kJ/mol(吸熱)(1)
CO+H2O(g)→CO2+H2 ΔH=−41.1kJ/mol(発熱)(2)
CO+3H2→CH4+H2O(g) ΔH=−206.2kJ/mol(発熱)(3)
This is due to the following reasons. The carbon gasification reaction (reaction formula 1) is a relatively large endothermic reaction. Since carbon monoxide is highly toxic and cannot normally be used as a fuel in its original form, it is desired from the viewpoint of safety to convert it into hydrogen by a CO shift reaction (reaction formula 2). When used as a raw material for city gas, it is converted to safer methane by a methanation reaction (reaction formula 3).
C + H 2 O (g) → CO + H 2 ΔH = + 131.3 kJ / mol (endothermic) (1)
CO + H 2 O (g) → CO 2 + H 2 ΔH = -41.1 kJ / mol (heat generation) (2)
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (g) ΔH = -206.2 kJ / mol (heat generation) (3)
COシフト反応もメタン化反応も発熱反応であるため、高温でガス化して一酸化炭素を主成分とするガスを得た場合には、これより低い温度で進行するCOシフト反応やメタン化反応で発生した熱は、吸熱反応であるガス化反応の熱源に利用することができない。 Since both the CO shift reaction and the methanation reaction are exothermic reactions, if gasification is performed at a high temperature to obtain a gas containing carbon monoxide as the main component, the CO shift reaction or methanation reaction that proceeds at a lower temperature will occur. The generated heat cannot be used as a heat source for the gasification reaction, which is an endothermic reaction.
700℃程度の低温でガス化して、水素やメタンを多く含むガスを得る場合には、炭素のガス化に伴う吸熱の一部を、COシフト反応およびメタン化反応による発熱が賄うことになるため、本質的に高効率なガス化が可能である。 When gasifying at a low temperature of about 700 ° C. to obtain a gas containing a large amount of hydrogen and methane, part of the endothermic heat associated with the gasification of carbon is covered by the heat generated by the CO shift reaction and the methaneization reaction. In essence, highly efficient gasification is possible.
水蒸気をガス化剤として、700℃程度の低温でガス化を行うことには、上記のようなメリットがあるが、一方で多量のタールの生成を伴い、生成したガスの活用が困難になったり、ガス化プラントの運転に支障となったりするなどの問題を生じることが知られている(例えば、非特許文献2)。 Gasification using water vapor as a gasifying agent at a low temperature of about 700 ° C has the above-mentioned merits, but on the other hand, a large amount of tar is generated, which makes it difficult to utilize the generated gas. , It is known that problems such as hindrance to the operation of the gasification plant occur (for example, Non-Patent Document 2).
特許文献4には、バイオマス燃料を熱分解して炭化物を生成させる炭化機と、前記炭化物をガス化する高温ガス化部であるコンバスタおよび前記炭化物の生成時に揮発したタール分を含む可燃性の熱分解ガスの改質を行うガス改質部であるリダクタを有する2段式のガス化炉とを有するバイオマス炭化・ガス化システムにおいて、前記炭化機から前記ガス化炉の前記コンバスタに供給される前記炭化物と前記リダクタから排出される生成ガスとを接触させるタール吸着手段を有することを特徴とするバイオマス炭化・ガス化システムが開示されている。 Pat. In a biomass carbonization / gasification system having a two-stage gasification furnace having a reducer which is a gas reforming unit for reforming decomposition gas, the carbonizer supplies the combustor of the gasification furnace. A biomass carbonization / gasification system is disclosed, which comprises a tar adsorbing means for bringing carbonized matter into contact with a product gas discharged from the reducer.
このシステムでは、ガス化により得られたガスを、バイオマス燃料を熱分解して生成した炭化物に接触させて、タールを炭化物に吸着させることで、生成ガス中のタール分を低減している。しかし、この文献には、炭化機や高温ガス化部の運転条件の詳細が記載されていない。また、ガス化剤は酸素を含むガスとされていることから、部分燃焼ガス化に関わる技術と推定される。 In this system, the gas obtained by gasification is brought into contact with carbides produced by thermally decomposing biomass fuel, and tar is adsorbed on the carbides to reduce the tar content in the produced gas. However, this document does not describe the details of the operating conditions of the carbonizer and the high temperature gasifier. In addition, since the gasifying agent is a gas containing oxygen, it is presumed to be a technology related to partial combustion gasification.
特許文献5には、多孔質流動媒体にガス化触媒成分が担持された触媒であって、バイオマスの熱分解過程において生じるタールの分解および水蒸気改質反応を促進し、水素および一酸化炭素をはじめとする低分子気体の生成量を増加させることのできる触媒が開示されている。ガス化触媒成分は、ナトリウムなどのアルカリ金属が好ましいことも開示されている。この触媒は、バイオマスを流動床でガス化する際に、流動媒体として添加されることが想定されている。この方法では、気体状態で触媒に接触しうるタールの分解は促進されるものの、固体であるバイオマスのガス化の促進は期待しがたい。また、流動による摩耗によって触媒は消費されていくので、経済的にも有利とは言えない。 Patent Document 5 describes a catalyst in which a gasification catalyst component is carried in a porous fluid medium, which promotes the decomposition of tar and the steam reforming reaction that occur in the thermal decomposition process of biomass, and includes hydrogen and carbon monoxide. A catalyst capable of increasing the amount of low molecular weight gas produced is disclosed. It is also disclosed that the gasification catalyst component is preferably an alkali metal such as sodium. This catalyst is expected to be added as a fluidized medium when gasifying biomass in a fluidized bed. Although this method promotes the decomposition of tar that can come into contact with the catalyst in a gaseous state, it is difficult to expect the promotion of gasification of solid biomass. Moreover, since the catalyst is consumed by wear due to flow, it cannot be said to be economically advantageous.
ガス化炉出口に触媒を設置して、タールを水蒸気改質する技術についても多くの提案がなされている(例えば特許文献6)が、バイオマスをガス化したガスには、タール以外にも種々の物質、例えば硫黄化合物などが含まれるため、触媒を長期に安定して使用することは難しく、劣化した触媒の交換にかかるコストが多大となる恐れがある。 Many proposals have been made for a technique for steam reforming tar by installing a catalyst at the gasification furnace outlet (for example, Patent Document 6), but various gases other than tar are used for gasifying biomass. Since a substance such as a sulfur compound is contained, it is difficult to use the catalyst stably for a long period of time, and the cost for replacing the deteriorated catalyst may become large.
以上のように、水蒸気をガス化剤として、タールの発生を抑制しつつ、600℃以上800℃以下の比較的低い温度でバイオマスを効率よくガス化するバイオマスのガス化プロセスは、未だ確立されていないのが実情である。 As described above, a biomass gasification process for efficiently gasifying biomass at a relatively low temperature of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower while suppressing the generation of tar using water vapor as a gasifying agent has not yet been established. The reality is that there is no such thing.
本発明の目的は、上記の従来技術に鑑み、水蒸気をガス化剤とするバイオマスのガス化において、タールの発生を抑制しつつ、600℃以上800℃以下の比較的低い温度でバイオマスを効率よくガス化するバイオマスのガス化方法を提供することにある。 In view of the above-mentioned prior art, an object of the present invention is to efficiently gasify biomass at a relatively low temperature of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower while suppressing tar generation in gasification of biomass using water vapor as a gasifying agent. The purpose is to provide a method for gasifying biomass to be gasified.
本発明に係るバイオマスのガス化方法の特徴構成は、バイオマスに、少なくともカリウムおよびカルシウムの一方または双方を含む触媒成分の水溶液を含浸して、前記触媒成分を担持した触媒担持バイオマスを得る触媒担持工程と、酸素を実質的に含まない不活性雰囲気下で前記触媒担持バイオマスを300℃以上350℃以下に加熱して半炭化処理された前記触媒担持バイオマスを得る半炭化工程と、前記半炭化処理された前記触媒担持バイオマスを、600℃以上800℃以下の温度条件下で水蒸気を含むガス化剤と接触させるガス化工程と、を含み、前記ガス化工程によって得られる生成ガスが、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、およびメタンを含む点にある。 The characteristic configuration of the method for gasifying biomass according to the present invention is a catalyst-supporting step of impregnating biomass with an aqueous solution of a catalyst component containing at least one or both of potassium and calcium to obtain a catalyst-supporting biomass bearing the catalyst component. A semi-carbonization step of heating the catalyst-supporting biomass to 300 ° C. or higher and 350 ° C. or lower to obtain the semi-carbonized biomass in an inert atmosphere containing substantially no oxygen, and the semi-carbonization treatment. A gasification step of contacting the catalyst-supported biomass with a gasifying agent containing water vapor under a temperature condition of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower is included, and the produced gas obtained by the gasification step is hydrogen or monoxide. It contains carbon, carbonization, and methane.
上記の構成によれば、バイオマスに、少なくともカリウムおよびカルシウムの一方または双方を含む触媒成分が含浸担持される。触媒成分の作用により、600℃以上800℃以下の温度条件下であっても、水蒸気をガス化剤として、十分な速度でガス化が進行する。 According to the above configuration, the biomass is impregnated and supported with a catalytic component containing at least one or both of potassium and calcium. Due to the action of the catalyst component, gasification proceeds at a sufficient rate using water vapor as a gasifying agent even under temperature conditions of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
また、上記の構成によれば、水蒸気を含むガスにバイオマスを接触させてガス化するに先立って、触媒成分を担持した触媒担持バイオマスを300℃以上350℃以下に加熱して半炭化処理を行い、半炭化処理された触媒担持バイオマスとする。この半炭化処理を行うことで、バイオマス中の揮発分の少なくとも一部が揮発するとともに、残る揮発分もガス化時にタールを生成し難い成分に変化する。この際にタールは発生するが、発生する領域の温度がガス化炉に比べて低いため、処理が容易であり、ガス化炉の運転を阻害することもない。 Further, according to the above configuration, prior to contacting the biomass with the gas containing water vapor to gasify it, the catalyst-supported biomass carrying the catalyst component is heated to 300 ° C. or higher and 350 ° C. or lower to perform semi-carbonization treatment. , Semi-carbonized catalyst-supported biomass. By performing this semi-carbonization treatment, at least a part of the volatile matter in the biomass is volatilized, and the remaining volatile matter is also changed to a component which is difficult to generate tar at the time of gasification. At this time, tar is generated, but since the temperature of the generated region is lower than that of the gasifier, the treatment is easy and the operation of the gasifier is not hindered.
さらに、上記の構成によれば、上記の半炭化処理された触媒担持バイオマスに、600℃以上800℃以下の温度条件下で水蒸気を含むガス化剤を接触させる。これにより、半炭化処理された触媒担持バイオマスはガス化して、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、およびメタンを含む生成ガスが得られる。 Further, according to the above configuration, the semi-carbonized catalyst-supported biomass is brought into contact with a gasifying agent containing water vapor under a temperature condition of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. As a result, the semi-carbonized catalyst-supported biomass is gasified to obtain a produced gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and methane.
したがって、上記の構成によれば、水蒸気をガス化剤とするバイオマスのガス化において、タールの発生を抑制しつつ、600℃以上800℃以下の比較的低い温度でバイオマスを効率よくガス化するので、高い効率で経済的にバイオマスをガス化することができる。 Therefore, according to the above configuration, in the gasification of biomass using water vapor as a gasifying agent, the biomass is efficiently gasified at a relatively low temperature of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower while suppressing the generation of tar. Biomass can be gasified economically with high efficiency.
以下、本発明の好適な態様について説明する。ただし、以下に記載する好適な態様例によって、本発明の範囲が限定されるわけではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the scope of the present invention is not limited by the preferred embodiments described below.
本発明に係るバイオマスのガス化方法のさらなる特徴構成は、前記触媒担持工程において、前記バイオマスに対する質量比が1%以上5%以下のカリウム、前記バイオマスに対する質量比が1%以上5%以下のカルシウム、または、前記バイオマスに対する質量比が合計で2%以上10%以下のカリウムおよびカルシウム、を担持する点にある。 A further characteristic configuration of the method for gasifying biomass according to the present invention is that potassium having a mass ratio of 1% or more and 5% or less with respect to the biomass and calcium having a mass ratio of 1% or more and 5% or less with respect to the biomass in the catalyst supporting step. Or, it carries potassium and calcium having a total mass ratio of 2% or more and 10% or less with respect to the biomass.
この構成によれば、ガス化を促進する効果が得られやすく、かつ費用対効果が高い。 According to this configuration, the effect of promoting gasification can be easily obtained, and the cost effectiveness is high.
本発明に係るバイオマスのガス化方法のさらなる特徴構成は、前記触媒担持工程に供するバイオマスは、工業分析法による恒湿水分が20%以下である点にある。 A further characteristic configuration of the biomass gasification method according to the present invention is that the biomass used in the catalyst-supporting step has a constant humidity moisture content of 20% or less according to an industrial analysis method.
この構成によれば、半炭化工程においてバイオマスの乾燥に消費されるエネルギーが小さくなるため、ガス化の効率が高まりやすい。 According to this configuration, the energy consumed for drying the biomass in the semi-carbonization step is reduced, so that the efficiency of gasification tends to increase.
本発明に係るバイオマスのガス化方法のさらなる特徴構成は、前記触媒担持工程に供するバイオマスは、工業分析法による灰分が10質量%以下である点にある。 A further characteristic configuration of the biomass gasification method according to the present invention is that the biomass used in the catalyst-supporting step has an ash content of 10% by mass or less according to an industrial analysis method.
この構成によれば、ガス化炉への灰分の蓄積を抑制できるので、ガス化炉のエネルギー効率が低下しにくい。 According to this configuration, the accumulation of ash in the gasifier can be suppressed, so that the energy efficiency of the gasifier is unlikely to decrease.
本発明に係るバイオマスのガス化方法のさらなる特徴構成は、前記触媒担持工程に供するバイオマスは、工業分析法による固定炭素が10%以上30%以下である点にある。 A further characteristic configuration of the biomass gasification method according to the present invention is that the biomass used in the catalyst-supporting step contains 10% or more and 30% or less of fixed carbon according to an industrial analysis method.
この構成によれば、タールの発生を抑制しやすく、かつガス化速度が速くなりやすい。 According to this configuration, it is easy to suppress the generation of tar and the gasification rate is likely to be high.
本発明に係るバイオマスのガス化方法のさらなる特徴構成は、前記半炭化工程より先に、前記触媒担持バイオマスを水分含有量が15%以下になるまで乾燥させる乾燥工程をさらに含む点にある。 A further characteristic configuration of the method for gasifying biomass according to the present invention is that it further includes a drying step of drying the catalyst-supported biomass until the water content becomes 15% or less, prior to the semi-carbonization step.
この構成によれば、半炭化工程において、バイオマスの乾燥のためのエネルギー消費を抑制しうる。 According to this configuration, the energy consumption for drying the biomass can be suppressed in the semi-carbonization step.
本発明に係るバイオマスのガス化方法のさらなる特徴構成は、前記ガス化工程は、0.5MPa以上の圧力で実施される点にある。 A further characteristic configuration of the biomass gasification method according to the present invention is that the gasification step is carried out at a pressure of 0.5 MPa or more.
この構成によれば、メタン化反応の平衡が生成系に有利になるので、メタンが得られやすい。 According to this configuration, the equilibrium of the methanation reaction is advantageous for the generating system, so that methane can be easily obtained.
本発明に係るバイオマスのガス化方法のさらなる特徴構成は、前記ガス化工程は、前記触媒担持バイオマス中の炭素原子の物質量Cに対する前記水蒸気Sのモル比であるS/C比が、1以上10以下である点にある。 A further characteristic configuration of the biomass gasification method according to the present invention is that in the gasification step, the S / C ratio, which is the molar ratio of the water vapor S to the substance amount C of carbon atoms in the catalyst-supported biomass, is 1 or more. The point is that it is 10 or less.
この構成によれば、ガス化反応が十分な速度で進行しやすく、かつ水蒸気を生成するために必要なエネルギー量を抑制しやすい。また、メタンの水蒸気改質反応を抑制しうるので、メタンが得られやすい。 According to this configuration, the gasification reaction can easily proceed at a sufficient speed, and the amount of energy required to generate water vapor can be easily suppressed. Moreover, since the steam reforming reaction of methane can be suppressed, methane can be easily obtained.
本発明のさらなる特徴と利点は、以下の例示的かつ非限定的な実施形態の説明によってより明確になるであろう。 Further features and advantages of the present invention will be further clarified by the following illustration of exemplary and non-limiting embodiments.
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施形態に係るバイオマスのガス化方法は、バイオマスに少なくともカリウムおよびカルシウムの一方または双方を含む触媒成分を担持する触媒担持工程と、触媒担持バイオマスを加熱して半炭化処理された触媒担持バイオマスを得る半炭化工程と、半炭化処理された触媒担持バイオマスをガス化するガス化工程と、を含む。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The method for gasifying biomass according to the present embodiment includes a catalyst-supporting step of supporting a catalyst component containing at least one or both of potassium and calcium in the biomass, and a catalyst-supporting biomass in which the catalyst-supporting biomass is heated and semi-carbonized. The semi-carbonized step of obtaining and the gasification step of gasifying the semi-carbonized catalyst-supported biomass are included.
〔バイオマス〕
本実施形態のバイオマスのガス化方法が対象とするバイオマスに特段の制限はないが、好ましくは、工業分析法による恒湿水分が20%以下であることが好ましい。恒湿水分が上記の範囲内であると、半炭化工程においてバイオマスの乾燥に消費されるエネルギーが小さくなるため、ガス化の効率が高まりやすい。
〔biomass〕
There is no particular limitation on the target biomass of the biomass gasification method of the present embodiment, but it is preferable that the constant moisture content according to the industrial analysis method is 20% or less. When the constant humidity moisture is within the above range, the energy consumed for drying the biomass in the semi-carbonization step becomes small, so that the efficiency of gasification tends to increase.
また、本実施形態のバイオマスのガス化方法が対象とするバイオマスは、工業分析法による灰分が10質量%以下であることが好ましい。灰分が上記の範囲内であると、ガス化炉への灰分の蓄積を抑制できるので、ガス化炉のエネルギー効率が低下しにくい。 Further, the biomass targeted by the biomass gasification method of the present embodiment preferably has an ash content of 10% by mass or less according to an industrial analysis method. When the ash content is within the above range, the accumulation of ash content in the gasification furnace can be suppressed, so that the energy efficiency of the gasification furnace is unlikely to decrease.
加えて、本実施形態のバイオマスのガス化方法が対象とするバイオマスは、工業分析法による固定炭素が10%以上30%以下であることが望ましい。固定炭素が10%以上であると、タールの発生を抑制しやすい。また、固定炭素が30%以下であると、ガス化速度が速くなりやすい。 In addition, it is desirable that the biomass targeted by the biomass gasification method of the present embodiment contains 10% or more and 30% or less of fixed carbon according to the industrial analysis method. When the fixed carbon content is 10% or more, it is easy to suppress the generation of tar. Further, when the fixed carbon content is 30% or less, the gasification rate tends to be high.
このようなバイオマスとして、パームヤシ空果房、バガス、トウモロコシ穂軸、間伐材、製材などの際に発生する木屑などがあげられるが、これらに限定されない。 Examples of such biomass include, but are not limited to, palm palm empty fruit bunches, bagasse, corn cobs, thinned wood, and wood chips generated during sawing.
バイオマスの形状や大きさは、触媒担持設備および半炭化設備に送入できる限り制約はない。一般的にバイオマスを破砕するには大きなエネルギーが必要となるが、半炭化後は脆くなり、破砕に要するエネルギーも小さくなるため、半炭化処理する前の破砕処理は通常不要である。 The shape and size of the biomass are not restricted as long as they can be delivered to the catalyst-supporting equipment and the semi-carbonized equipment. Generally, a large amount of energy is required to crush biomass, but since it becomes brittle after semi-carbonization and the energy required for crushing is also small, crushing treatment before semi-carbonization treatment is usually unnecessary.
〔触媒担持工程〕
本実施形態のバイオマスのガス化方法では、まず、触媒担持工程を実施する。触媒担持工程では、バイオマスに触媒を担持する。触媒成分は、少なくともカリウム(K)およびカルシウム(Ca)の一方または双方を含む。
[Catalyst support step]
In the method for gasifying biomass of the present embodiment, first, a catalyst supporting step is carried out. In the catalyst loading step, the catalyst is supported on the biomass. The catalytic component contains at least one or both of potassium (K) and calcium (Ca).
ここで、触媒成分の担持量は、カリウムおよびカルシウムの少なくとも一つの金属についての担持量が、バイオマス(乾燥質量)に対する当該金属の質量比で1%以上5%以下とするのが好ましい。カリウムおよびカルシウムの少なくとも一つの金属について、バイオマスに対する当該金属の担持量が1%以上であると、ガス化を促進する効果が得られやすい。また、カリウムおよびカルシウムの少なくとも一つの金属について、バイオマスに対する当該金属が5%以下であると、費用対効果が良い。バイオマスに対する金属の担持量は、カリウムおよびカルシウムの少なくとも一つの金属について、1%以上4%以下とするのがより好ましく、1%以上3%以下とするのがさらに好ましい。 Here, the supported amount of the catalyst component is preferably such that the supported amount of potassium and calcium for at least one metal is 1% or more and 5% or less in terms of the mass ratio of the metal to the biomass (dry mass). For at least one metal of potassium and calcium, when the amount of the metal supported on the biomass is 1% or more, the effect of promoting gasification is likely to be obtained. Further, for at least one metal of potassium and calcium, it is cost-effective when the metal is 5% or less of the biomass. The amount of the metal supported on the biomass is more preferably 1% or more and 4% or less, and further preferably 1% or more and 3% or less for at least one metal of potassium and calcium.
また、触媒成分がカリウムおよびカルシウムの双方を含む場合は、カリウムおよびカルシウムの双方に対して上記の好適な担持量が適用される。すなわち、この場合、触媒成分の担持量は、バイオマスに対するカリウムの質量比で1%以上5%以下かつカルシウムの質量比で1%以上5%以下とするのが好ましい。さらに、カリウムおよびカルシウムの担持量の合計が、バイオマスに対する質量比で2%以上10%以下になるようにするのが好ましい。 When the catalyst component contains both potassium and calcium, the above-mentioned suitable loading amount is applied to both potassium and calcium. That is, in this case, the amount of the catalyst component supported is preferably 1% or more and 5% or less in terms of the mass ratio of potassium to biomass and 1% or more and 5% or less in terms of the mass ratio of calcium. Further, it is preferable that the total amount of potassium and calcium supported is 2% or more and 10% or less in terms of mass ratio with respect to biomass.
また、本実施形態においてバイオマスに担持する触媒は、カリウムおよびカルシウムの少なくとも一つのほかに、鉄(Fe)、ナトリウム(Na)などを含んでもよい。カリウムおよびカルシウム以外の成分を担持する場合は、バイオマス(乾燥質量)に対するカリウムおよびカルシウム以外の各成分の質量について、それぞれ1%以上5%以下とするのが好ましく、1%以上4%以下とするのがさらに好ましく、1.5%以上3%以下とするのが特に好ましい。 Further, in the present embodiment, the catalyst supported on the biomass may contain iron (Fe), sodium (Na) and the like in addition to at least one of potassium and calcium. When supporting components other than potassium and calcium, the mass of each component other than potassium and calcium with respect to the biomass (dry mass) is preferably 1% or more and 5% or less, respectively, and 1% or more and 4% or less. Is more preferable, and 1.5% or more and 3% or less is particularly preferable.
担持は、含浸法により行うことができる。触媒成分の水溶性塩(例えば、硝酸カリウム、硝酸カルシウム、硝酸鉄(III)など)を溶解した水溶液を調製し、これにバイオマスを浸漬し、乾燥することにより触媒を担持する。触媒成分を均一に担持できる限り、バイオマスに、前記の水溶液を噴霧したり、振り掛けたりする方法で担持してもよい。触媒を担持したバイオマスは、空気中または不活性ガス中で、水分含有量が15%以下になるまで乾燥する乾燥工程の後に、続く半炭化工程に供することが好ましい。乾燥工程における乾燥条件は、たとえば、60℃以上150℃以下、1時間以上12時間未満の条件でありうる。なお、乾燥後の水分含有量は、10%以下であることがより好ましい。また、乾燥温度は、より好ましくは100℃以上120℃以下であり、乾燥時間は、より好ましくは1時間以上3時間未満である。 The support can be carried out by an impregnation method. An aqueous solution prepared by dissolving a water-soluble salt of a catalyst component (for example, potassium nitrate, calcium nitrate, iron (III) nitrate, etc.) is prepared, and biomass is dipped in the aqueous solution and dried to support the catalyst. As long as the catalyst component can be uniformly supported, the biomass may be supported by a method of spraying or sprinkling the above-mentioned aqueous solution. The catalyst-supported biomass is preferably subjected to a semi-carbonization step following a drying step in which the catalyst is dried in air or in an inert gas until the water content is 15% or less. The drying conditions in the drying step can be, for example, 60 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, and 1 hour or more and less than 12 hours. The water content after drying is more preferably 10% or less. The drying temperature is more preferably 100 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, and the drying time is more preferably 1 hour or longer and less than 3 hours.
〔半炭化工程〕
本実施形態のバイオマスのガス化方法では、次に、酸素を実質的に含まない不活性雰囲気下で、触媒担持工程で得られた触媒担持バイオマスを300℃以上350℃以下に加熱して半炭化処理された触媒担持バイオマスを得る半炭化工程を実施する。
[Semi-carbonization process]
In the biomass gasification method of the present embodiment, the catalyst-supported biomass obtained in the catalyst-supporting step is then heated to 300 ° C. or higher and 350 ° C. or lower to be semi-carbonized in an inert atmosphere that does not substantially contain oxygen. A semi-carbonization step is carried out to obtain the treated catalyst-supported biomass.
ここで、「酸素を実質的に含まない不活性雰囲気」とは、例えば窒素ガス雰囲気でありうるが、燃焼排ガスのように微量の酸素を含むガスの雰囲気であっても、バイオマスが半炭化工程中に燃焼して失われることがない限りは使用できる。 Here, the “inert atmosphere substantially free of oxygen” may be, for example, a nitrogen gas atmosphere, but even in an atmosphere of a gas containing a trace amount of oxygen such as combustion exhaust gas, the biomass is a semi-carbonized step. It can be used as long as it is not burned and lost.
半炭化工程に供する半炭化設備は特に限定されないが、例えばロータリーキルンのような回転式の炉でありうる。半炭化工程は、回分式に実施してもよいし、連続式に実施してもよい。 The semi-carbonization equipment used in the semi-carbonization step is not particularly limited, but may be a rotary furnace such as a rotary kiln. The semi-carbonization step may be carried out in a batch manner or in a continuous manner.
半炭化工程では、バイオマスからタールが放出されるため、炉内から一定流量でガスを抜き出し、空気を混ぜて燃焼させ、再び炉内に戻すことにより、発生したタールを半炭化の熱源として有効に活用することができる。この際、酸素濃度が低く、気相燃焼が困難な場合は、触媒燃焼を用いることもでき、必要に応じて炉内に触媒を設けてもよい。 In the semi-carbonization process, tar is released from the biomass, so by extracting gas from the furnace at a constant flow rate, mixing it with air, burning it, and returning it to the furnace again, the generated tar is effectively used as a heat source for semi-carbonization. It can be utilized. At this time, if the oxygen concentration is low and gas phase combustion is difficult, catalyst combustion may be used, and a catalyst may be provided in the furnace if necessary.
〔ガス化工程〕
本実施形態のバイオマスのガス化方法では、次に、ガス化工程を実施する。ガス化工程では、半炭化工程で得られた、半炭化処理された触媒担持バイオマスを、600℃以上800℃以下の温度条件下で水蒸気を含むガス化剤と接触させることで、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、およびメタンを含む生成ガスを得る。ガス化温度が600℃より低い場合、高活性な触媒を用いても実用的な速度でガス化することが困難になる。一方、ガス化温度が800℃よりも高い場合、設備コストがかさむほか、生成ガスに一酸化炭素が多く含まれるようになり、ガス化の効率が低下する。
[Gasification process]
In the biomass gasification method of the present embodiment, a gasification step is then carried out. In the gasification step, the semi-carbonized catalyst-supported biomass obtained in the semi-carbonization step is brought into contact with a gasifying agent containing water vapor under a temperature condition of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower to cause hydrogen and monoxide. Obtain a produced gas containing carbon, carbon dioxide, and methane. When the gasification temperature is lower than 600 ° C., it becomes difficult to gasify at a practical rate even if a highly active catalyst is used. On the other hand, when the gasification temperature is higher than 800 ° C., the equipment cost increases and the produced gas contains a large amount of carbon monoxide, which lowers the gasification efficiency.
前記の温度にガス化炉の内部温度を維持する方法として、ガス化炉に送入する水蒸気の温度を十分に高い温度(例えば1000℃)にする方法と、ガス化炉の外部から加熱する(外熱式ガス化炉)とする方法がある。本発明のバイオマスのガス化方法では、従来の技術よりも低い温度でガス化を行うため、外熱式のガス化炉とすることも容易である。 As a method of maintaining the internal temperature of the gasification furnace at the above temperature, a method of raising the temperature of the steam sent into the gasification furnace to a sufficiently high temperature (for example, 1000 ° C.) and a method of heating from the outside of the gasification furnace (for example). There is a method of using an external heat gasification furnace). In the method for gasifying biomass of the present invention, gasification is performed at a temperature lower than that of the conventional technique, so that it is easy to use an external heat type gasification furnace.
ガス化は、例えば流動床式ガス化炉を用いると、半炭化処理された触媒担持バイオマスおよび水蒸気を連続的に投入し、生成ガスを連続的に抜き出しながら行うことができる。 Gasification can be carried out, for example, by using a fluidized bed gasification furnace, in which semi-carbonized catalyst-supported biomass and steam are continuously charged and the produced gas is continuously extracted.
ガス化反応の圧力は、特に制限はないが、高圧ほど平衡的にメタン生成が有利となる。したがって、メタン生成を目的とする場合は、好ましくは0.5MPa以上、より好ましくは1MPa以上とする。 The pressure of the gasification reaction is not particularly limited, but the higher the pressure, the more advantageous the methane production in equilibrium. Therefore, when the purpose is to generate methane, it is preferably 0.5 MPa or more, more preferably 1 MPa or more.
本実施形態において、半炭化処理された触媒担持バイオマス中の炭素原子の物質量Cに対する水蒸気(水)Sのモル比(S/C比)が、1以上10以下であることが好ましい。S/C比が1以上であると、ガス化反応が十分な速度で進行しやすい。また、S/C比が10以下であると、水蒸気を生成するために必要なエネルギー量を抑制しやすい。なお、メタン生成を目的とする場合には、メタンの水蒸気改質反応(反応式4および反応式5)を抑制する観点からも、S/C比が10以下であることが好ましい。水蒸気が多く存在する反応系では、メタンの水蒸気改質反応の平衡が生成系に有利になるためである。S/C比は、1以上5以下であることがより好ましく、1.5以上4以下であることがさらに好ましい。
CH4+2H2O(g)→4H2+CO2 ΔH=+165.0kJ/mol(吸熱)(4)
CH4+H2O(g)→3H2+CO ΔH=+206.2kJ/mol(吸熱)(5)
In the present embodiment, the molar ratio (S / C ratio) of water vapor (water) S to the amount of substance C of carbon atoms in the semi-carbonized catalyst-supported biomass is preferably 1 or more and 10 or less. When the S / C ratio is 1 or more, the gasification reaction tends to proceed at a sufficient speed. Further, when the S / C ratio is 10 or less, it is easy to suppress the amount of energy required to generate water vapor. When the purpose is to produce methane, the S / C ratio is preferably 10 or less from the viewpoint of suppressing the steam reforming reaction of methane (reaction formula 4 and reaction formula 5). This is because in a reaction system in which a large amount of water vapor is present, the equilibrium of the steam reforming reaction of methane is advantageous for the generating system. The S / C ratio is more preferably 1 or more and 5 or less, and further preferably 1.5 or more and 4 or less.
CH 4 + 2H 2 O (g) → 4H 2 + CO 2 ΔH = + 165.0 kJ / mol (endothermic) (4)
CH 4 + H 2 O (g) → 3H 2 + CO ΔH = + 206.2 kJ / mol (endothermic) (5)
〔生成物〕
本実施形態に係るバイオマスのガス化方法によれば、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、およびメタンを含む生成ガスが得られる。
[Product]
According to the method for gasifying biomass according to the present embodiment, a produced gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and methane can be obtained.
なお、上記実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 The configurations disclosed in the above embodiments can be applied in combination with the configurations disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction, and the embodiments disclosed in the present specification are By way of example, the embodiment of the present invention is not limited to this, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
以下、実施例を示し、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
〔バイオマス〕
試験に供するバイオマスとして、マレーシア産のパームやし空果房(EFB)を用いた。このEFBの工業分析結果は、水分9.4%(恒湿基準、質量比)、揮発分78.1%、固定炭素19.8%、灰分2.1%(いずれも乾燥EFB基準、質量比)であった。灰分の主な成分は、K:0.72%、Si:0.25%、Ca:0.06%、Mg:0.06%(金属換算)であった。また、無水無灰基準の元素組成は、C:43.5%、H:6.3%、N:0.21%、S:0.03%であった。
〔biomass〕
As the biomass to be used for the test, Malaysian palm palm empty fruit bunch (EFB) was used. The results of this industrial analysis of EFB are: moisture 9.4% (constant humidity standard, mass ratio), volatile content 78.1%, fixed carbon 19.8%, ash content 2.1% (all dry EFB standard, mass ratio). )Met. The main components of the ash content were K: 0.72%, Si: 0.25%, Ca: 0.06%, and Mg: 0.06% (metal equivalent). The elemental composition based on anhydrous ashlessness was C: 43.5%, H: 6.3%, N: 0.21%, and S: 0.03%.
〔試験装置および試験方法〕
後述する各試料のガス化試験は、流動床反応器を用いて行った。流動床反応器はステンレス製で、流動部の内径は23.2mm、高さ60mm、容積25mLであり、その上部はテーパー状に内径が拡大して内径42.6mmとなっており、流動部と合わせて高さ210mmの部分までが所定温度に加熱されるようになっている。反応器の底部のステンレスフィルターを介して、水蒸気および窒素の混合ガスがガス化剤として導入される。一方、反応器の上部にはスクリューフィーダーが備えられており、試料が連続的に導入される。スクリューフィーダー部への結露を防止するため、スクリューフィーダー部にも少量の窒素ガスが導入されるように構成されている。ガス化して生成したガスは、氷水(2段)およびドライアイス(1段)のトラップを経て、流量計およびガスクロマトグラフに導入され、分析される。なおここで、窒素は正確な生成ガスの分析を行うため、実験上の都合から導入しているものであって、実際のガス化プラントの運転で必要なものではない。
[Test equipment and test method]
The gasification test of each sample described later was carried out using a fluidized bed reactor. The fluidized bed reactor is made of stainless steel, and the inner diameter of the fluidized bed is 23.2 mm, the height is 60 mm, and the volume is 25 mL. In total, up to a portion having a height of 210 mm is heated to a predetermined temperature. A mixed gas of water vapor and nitrogen is introduced as a gasifying agent through a stainless steel filter at the bottom of the reactor. On the other hand, a screw feeder is provided on the upper part of the reactor, and the sample is continuously introduced. In order to prevent dew condensation on the screw feeder portion, a small amount of nitrogen gas is also introduced into the screw feeder portion. The gas produced by gasification is introduced into a flow meter and a gas chromatograph through a trap of ice water (2nd stage) and dry ice (1st stage) and analyzed. Here, nitrogen is introduced for experimental reasons in order to perform accurate analysis of the produced gas, and is not necessary for the actual operation of the gasification plant.
〔試料調製およびガス化率の評価〕
以下に示すように試料A〜Iを調製し、ガス化率の評価を行った。なお、試料A、C、D、およびF〜Iは、本発明の実施例である。また、上記の他の試料BおよびEは、本発明の比較例である。
[Sample preparation and evaluation of gasification rate]
Samples A to I were prepared as shown below, and the gasification rate was evaluated. Samples A, C, D, and FI are examples of the present invention. Further, the other samples B and E described above are comparative examples of the present invention.
《試料A》
上記のEFBを長さ数cmに切断し、さらにミキサーで粉砕して、53〜1000μmに分級した。これを空気中107℃で一晩乾燥したものに、乾燥EFBに対する質量比で2%に相当するカリウムを含む硝酸カリウム水溶液を混合して、よく混ぜ合わせ、80℃で減圧乾燥し、さらに107℃で減圧乾燥して、カリウム担持EFBを得た。
<< Sample A >>
The above EFB was cut into several cm in length, further pulverized with a mixer, and classified into 53 to 1000 μm. This was dried overnight at 107 ° C. in the air, mixed with an aqueous potassium nitrate solution containing potassium corresponding to 2% by mass ratio to the dried EFB, mixed well, dried under reduced pressure at 80 ° C., and further dried at 107 ° C. Drying under reduced pressure gave potassium-supported EFB.
このカリウム担持EFBを、窒素流通下で、300℃で2時間保持して半炭化処理を行って試料Aを得た。半炭化収率(カリウム担持EFBの仕込み量に対して得られた試料の割合を意味する。以下でも同様とする。)は31%であった。試料Aの元素組成は、C:62.2%、H:3.53%、N:1.04%、S:0.06%(含水率7.9%の恒湿ベース)であった。試料Aを酸分解したのち、ICP分析によって担持量を定量した。試料Aのカリウム含有量は8.1%(試料に含有されるカリウムの、試料全体に対する質量比を意味する。以下でも同様とする。)であった。 This potassium-supported EFB was held at 300 ° C. for 2 hours under nitrogen flow and subjected to semi-carbonization treatment to obtain Sample A. The semi-carbonized yield (meaning the ratio of the obtained sample to the charged amount of potassium-supported EFB. The same shall apply hereinafter) was 31%. The elemental composition of Sample A was C: 62.2%, H: 3.53%, N: 1.04%, S: 0.06% (constant humidity base with a water content of 7.9%). After acid decomposition of sample A, the amount supported was quantified by ICP analysis. The potassium content of sample A was 8.1% (meaning the mass ratio of potassium contained in the sample to the entire sample. The same shall apply hereinafter).
試料Aを用いて、流動床でのガス化試験を行った。反応管内部温度を700℃に制御して、試料Aを毎分20.5mg(炭素の供給速度として1.070mmol/分)の投入速度で150分間連続して流動床反応器に投入した。ガス化剤として、水を40.0mg/分の流量で、窒素40mL/分と混合して導入した。またスクリューフィーダー部からも窒素50mL/分を導入した。水は試料の投入終了後引き続いて60分投入を継続した。また窒素は水の投入後もさらに反応管内のガスの置換が完了するまで流通し、ガス化したガスをすべて回収した。表1に示すように、生成ガスは、水素262mmol、一酸化炭素(CO)58.7mmol、二酸化炭素(CO2)71.1mmol、メタン3.7mmol、C2(エタンおよびエチレン)0.2mmol、C3(プロパンおよびプロピレン)0.1mmolを含んでいた。炭素基準のガス化率は83.6%であった。なお、この試験でのS/C比(〔試料中の水分およびガス化剤として供給された水蒸気〕/〔試料中の炭素〕のモル比。以下でも同様とする。)は2.99であった。また、トラップからは0.05gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は2.4%となった。 A gasification test on a fluidized bed was performed using sample A. The temperature inside the reaction tube was controlled to 700 ° C., and Sample A was continuously charged into the fluidized bed reactor at a charging rate of 20.5 mg / min (1.070 mmol / min as the carbon supply rate) for 150 minutes. As a gasifying agent, water was introduced at a flow rate of 40.0 mg / min by mixing with 40 mL / min of nitrogen. In addition, 50 mL / min of nitrogen was introduced from the screw feeder section. Water was continuously added for 60 minutes after the completion of the addition of the sample. In addition, nitrogen was circulated even after the addition of water until the replacement of the gas in the reaction tube was completed, and all the gasified gas was recovered. As shown in Table 1, the produced gases are hydrogen 262 mmol, carbon monoxide (CO) 58.7 mmol, carbon dioxide (CO 2 ) 71.1 mmol, methane 3.7 mmol, C2 (ethane and ethylene) 0.2 mmol, C3. It contained 0.1 mmol (propane and propylene). The carbon-based gasification rate was 83.6%. The S / C ratio in this test ([water vapor in the sample and water vapor supplied as a gasifying agent] / [carbon in the sample] molar ratio. The same shall apply hereinafter) was 2.99. rice field. In addition, 0.05 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 2.4%.
《試料B》
上記のEFBを、窒素流通下で、300℃で2時間保持して半炭化処理を行い試料Bとした。半炭化収率は41%であった。試料Bの元素組成は、C:70.4%、H:4.82%、N:0.79%、S:0.05%(含水率2.3%の恒湿ベース)であった。試料Bのカリウム含有量は2.4%であった。
<< Sample B >>
The above EFB was held at 300 ° C. for 2 hours under nitrogen flow and subjected to semi-carbonization treatment to obtain Sample B. The semi-carbonized yield was 41%. The elemental composition of Sample B was C: 70.4%, H: 4.82%, N: 0.79%, S: 0.05% (constant humidity base with a water content of 2.3%). The potassium content of sample B was 2.4%.
試料Bを用いて、試料Aの場合と同様の手順で流動床でのガス化試験を行った。反応管内部温度を700℃に制御して、試料Bを毎分43.5mg(炭素の供給速度として2.560mmol/分)の投入速度で150分間連続して流動床反応器に投入した。ガス化剤として、水を95.0mg/分の流量で、窒素40mL/分と混合して導入した。またスクリューフィーダー部からも窒素50mL/分を導入した。水は試料の投入終了後引き続いて60分投入を継続した。また窒素は水の投入後もさらに反応管内のガスの置換が完了するまで流通し、ガス化したガスをすべて回収した。表1に示すように、生成ガスは、水素326mmol、一酸化炭素(CO)48.0mmol、二酸化炭素(CO2)144mmol、メタン17.1mmol、C2(エタンおよびエチレン)4.0mmol、C3(プロパンおよびプロピレン)1.0mmolを含んでいた。炭素基準のガス化率は57.4%であった。なお、この試験でのS/C比は2.91であった。また、トラップからは0.15gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は2.9%となった。 Using sample B, a gasification test was performed on a fluidized bed in the same procedure as for sample A. The temperature inside the reaction tube was controlled to 700 ° C., and Sample B was continuously charged into the fluidized bed reactor at a charging rate of 43.5 mg / min (2.560 mmol / min as the carbon supply rate) for 150 minutes. As a gasifying agent, water was introduced at a flow rate of 95.0 mg / min by mixing with 40 mL / min of nitrogen. In addition, 50 mL / min of nitrogen was introduced from the screw feeder section. Water was continuously added for 60 minutes after the completion of the addition of the sample. In addition, nitrogen was circulated even after the addition of water until the replacement of the gas in the reaction tube was completed, and all the gasified gas was recovered. As shown in Table 1, the produced gases are 326 mmol of hydrogen, 48.0 mmol of carbon monoxide (CO), 144 mmol of carbon dioxide (CO 2 ), 17.1 mmol of methane, 4.0 mmol of C2 (ethane and ethylene), and C3 (propane). And propylene) 1.0 mmol. The carbon-based gasification rate was 57.4%. The S / C ratio in this test was 2.91. In addition, 0.15 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 2.9%.
《試料C》
半炭化温度を350℃としたほかは、試料Aと同様にして試料Cを得た。半炭化収率は31%であった。試料Cの元素組成は、C:63.4%、H:3.36%、N:0.99%、S:0.02%(含水率10.6%の恒湿ベース)であった。試料Cを酸分解したのち、ICP分析によって担持量を定量した。試料Cのカリウム含有量は7.9%(試料に含有されるカリウムの、試料全体に対する質量比;以下でも同じ)であった。
<< Sample C >>
Sample C was obtained in the same manner as in Sample A except that the semi-carbonization temperature was set to 350 ° C. The semi-carbonized yield was 31%. The elemental composition of Sample C was C: 63.4%, H: 3.36%, N: 0.99%, S: 0.02% (constant humidity base with a water content of 10.6%). After acid decomposition of Sample C, the amount supported was quantified by ICP analysis. The potassium content of sample C was 7.9% (mass ratio of potassium contained in the sample to the whole sample; the same applies hereinafter).
試料Cを用いて、試料Aの場合と同様の手順で流動床でのガス化試験を行った。反応管内部温度を700℃に制御して、試料Cを毎分28.5mg(炭素の供給速度として1.556mmol/分)の投入速度で150分間連続して流動床反応器に投入した。ガス化剤として、水を59.0mg/分の流量で、窒素40mL/分と混合して導入した。またスクリューフィーダー部からも窒素67mL/分を導入した。水は試料の投入終了後引き続いて60分投入を継続した。また窒素は水の投入後もさらに反応管内のガスの置換が完了するまで流通し、ガス化したガスをすべて回収した。表1に示すように、生成ガスは、水素343mmol、一酸化炭素(CO)80.8mmol、二酸化炭素(CO2)129mmol、メタン3.9mmol、C2(エタンおよびエチレン)0.2mmol、C3(プロパンおよびプロピレン)0.04mmolを含んでいた(表1では「C−1」と記した。)。炭素基準のガス化率は91.9%であった。なお、この試験でのS/C比は3.03であった。また、トラップからは0.02gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は0.8%となった。 Using sample C, a gasification test was performed on a fluidized bed in the same procedure as for sample A. The temperature inside the reaction tube was controlled to 700 ° C., and Sample C was continuously charged into the fluidized bed reactor at a charging rate of 28.5 mg / min (1.556 mmol / min as the carbon supply rate) for 150 minutes. As a gasifying agent, water was introduced at a flow rate of 59.0 mg / min by mixing with 40 mL / min of nitrogen. In addition, 67 mL / min of nitrogen was introduced from the screw feeder section. Water was continuously added for 60 minutes after the completion of the addition of the sample. In addition, nitrogen was circulated even after the addition of water until the replacement of the gas in the reaction tube was completed, and all the gasified gas was recovered. As shown in Table 1, the produced gases are hydrogen 343 mmol, carbon monoxide (CO) 80.8 mmol, carbon dioxide (CO 2 ) 129 mmol, methane 3.9 mmol, C2 (ethane and ethylene) 0.2 mmol, and C3 (propane). And propylene) contained 0.04 mmol (denoted as "C-1" in Table 1). The carbon-based gasification rate was 91.9%. The S / C ratio in this test was 3.03. In addition, 0.02 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 0.8%.
また、試料Cを用いて、ガス化におけるS/C比が生成ガスの組成に与える影響を検討した。試料Cの投入速度を毎分27.2mg(炭素の供給速度として1.461mmol/分)、ガス化剤としての水の投入速度を33.0mg/分の流量とした。この試験でのS/C比は1.85であった。表1に示すように、生成ガスは、水素249mmol、一酸化炭素(CO)82.1mmol、二酸化炭素(CO2)82.2mmol、メタン3.9mmol、C2(エタンおよびエチレン)0.2mmol、C3(プロパンおよびプロピレン)0.1mmolを含んでいた(表1では「C−2」と記した。)。炭素基準のガス化率は77.0%であった。また、トラップからは0.02gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は0.7%となった。 In addition, using sample C, the effect of the S / C ratio in gasification on the composition of the produced gas was examined. The input rate of sample C was 27.2 mg / min (1.461 mmol / min as the carbon supply rate), and the input rate of water as a gasifying agent was 33.0 mg / min. The S / C ratio in this test was 1.85. As shown in Table 1, the produced gases are hydrogen 249 mmol, carbon monoxide (CO) 82.1 mmol, carbon dioxide (CO 2 ) 82.2 mmol, methane 3.9 mmol, C2 (ethane and ethylene) 0.2 mmol, C3. It contained 0.1 mmol (propane and propylene) (denoted as "C-2" in Table 1). The carbon-based gasification rate was 77.0%. In addition, 0.02 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 0.7%.
《試料D》
カリウムの担持量を乾燥EFBに対する質量比で5%としたほかは、試料Aと同様にして試料Dを得た。半炭化収率は32%であった。試料Dの元素組成は、C:57.6%、H:2.65%、N:1.36%、S:0.01%(含水率10.8%の恒湿ベース)であった。試料Dのカリウム含有量は13.0%であった。
<< Sample D >>
Sample D was obtained in the same manner as in Sample A, except that the amount of potassium supported was 5% in terms of mass ratio to dry EFB. The semi-carbonized yield was 32%. The elemental composition of Sample D was C: 57.6%, H: 2.65%, N: 1.36%, S: 0.01% (constant humidity base with a water content of 10.8%). The potassium content of sample D was 13.0%.
試料Dを用いて、試料Aの場合と同様の手順で流動床でのガス化試験を行った。反応管内部温度を700℃に制御して、試料Dを毎分18.9mg(炭素の供給速度として0.896mmol/分)の投入速度で150分間連続して流動床反応器に投入した。ガス化剤として、水を28.0mg/分の流量で、窒素40mL/分と混合して導入した。またスクリューフィーダー部からも窒素50mL/分を導入した。水は試料の投入終了後引き続いて60分投入を継続した。また窒素は水の投入後もさらに反応管内のガスの置換が完了するまで流通し、ガス化したガスをすべて回収した。表1に示すように、生成ガスは、水素180mmol、一酸化炭素(CO)51.7mmol、二酸化炭素(CO2)61.6mmol、メタン0.7mmol、C2(エタンおよびエチレン)0.02mmol、C3(プロパンおよびプロピレン)0.1mmolを含んでいた。炭素基準のガス化率は85.0%であった。なお、この試験でのS/C比は2.57であった。また、トラップからは0.03gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は1.7%となった。 Using Sample D, a gasification test was performed on a fluidized bed in the same procedure as for Sample A. The temperature inside the reaction tube was controlled to 700 ° C., and Sample D was continuously charged into the fluidized bed reactor at a charging rate of 18.9 mg / min (0.896 mmol / min as the carbon supply rate) for 150 minutes. As a gasifying agent, water was introduced at a flow rate of 28.0 mg / min by mixing with 40 mL / min of nitrogen. In addition, 50 mL / min of nitrogen was introduced from the screw feeder section. Water was continuously added for 60 minutes after the completion of the addition of the sample. In addition, nitrogen was circulated even after the addition of water until the replacement of the gas in the reaction tube was completed, and all the gasified gas was recovered. As shown in Table 1, the produced gases are 180 mmol of hydrogen, 51.7 mmol of carbon monoxide (CO), 61.6 mmol of carbon dioxide (CO 2 ), 0.7 mmol of methane, 0.02 mmol of C2 (ethane and ethylene), and C3. It contained 0.1 mmol (propane and propylene). The carbon-based gasification rate was 85.0%. The S / C ratio in this test was 2.57. In addition, 0.03 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 1.7%.
《試料E》
半炭化温度を250℃としたほかは、試料Aと同様にして試料Eを得た。半炭化収率は71%であった。試料Eの元素組成は、C:50.3%、H:5.54%、N:1.21%、S:0.04%(含水率3.1%の恒湿ベース)であった。試料Eのカリウム含有量は3.8%であった。
<< Sample E >>
Sample E was obtained in the same manner as Sample A except that the semi-carbonization temperature was set to 250 ° C. The semi-carbonized yield was 71%. The elemental composition of Sample E was C: 50.3%, H: 5.54%, N: 1.21%, S: 0.04% (constant humidity base with a water content of 3.1%). The potassium content of sample E was 3.8%.
試料Eを用いて、試料Aの場合と同様の手順で流動床でのガス化試験を行った。反応管内部温度を700℃に制御して、試料Eを毎分49.3mg(炭素の供給速度として2.068mmol/分)の投入速度で150分間連続して流動床反応器に投入した。ガス化剤として、水を77.0mg/分の流量で、窒素40mL/分と混合して導入した。またスクリューフィーダー部からも窒素67mL/分を導入した。水は試料の投入終了後引き続いて60分投入を継続した。また窒素は水の投入後もさらに反応管内のガスの置換が完了するまで流通し、ガス化したガスをすべて回収した。表1に示すように、生成ガスは、水素270mmol、一酸化炭素(CO)67.7mmol、二酸化炭素(CO2)123mmol、メタン17.1mmol、C2(エタンおよびエチレン)7.0mmol、C3(プロパンおよびプロピレン)1.7mmolを含んでいた。炭素基準のガス化率は73.3%であった。なお、この試験でのS/C比は2.93であった。また、トラップからは0.29gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は7.2%となった。 Using sample E, a gasification test was performed on a fluidized bed in the same procedure as for sample A. The temperature inside the reaction tube was controlled to 700 ° C., and Sample E was continuously charged into the fluidized bed reactor at a charging rate of 49.3 mg / min (2.068 mmol / min as the carbon supply rate) for 150 minutes. As a gasifying agent, water was introduced at a flow rate of 77.0 mg / min mixed with nitrogen at 40 mL / min. In addition, 67 mL / min of nitrogen was introduced from the screw feeder section. Water was continuously added for 60 minutes after the completion of the addition of the sample. In addition, nitrogen was circulated even after the addition of water until the replacement of the gas in the reaction tube was completed, and all the gasified gas was recovered. As shown in Table 1, the produced gases are hydrogen 270 mmol, carbon monoxide (CO) 67.7 mmol, carbon dioxide (CO 2 ) 123 mmol, methane 17.1 mmol, C2 (ethane and ethylene) 7.0 mmol, and C3 (propane). And propylene) 1.7 mmol. The carbon-based gasification rate was 73.3%. The S / C ratio in this test was 2.93. In addition, 0.29 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 7.2%.
《試料F》
硝酸カリウム水溶液に代えて、乾燥EFBに対する質量比で2%に相当するカルシウムを含む硝酸カルシウム水溶液を用いたほかは、試料Aと同様にして試料Fを得た。半炭化収率は36%であった。試料Fの元素組成は、C:65.4%、H:3.60%、N:1.45%、S:0.02%(含水率5.1%の恒湿ベース)であった。試料Fのカルシウム含有量は4.8%、カリウム含有量は1.9%であった。
<< Sample F >>
Sample F was obtained in the same manner as in Sample A, except that a calcium nitrate aqueous solution containing calcium corresponding to 2% by mass ratio to dry EFB was used instead of the potassium nitrate aqueous solution. The semi-carbonized yield was 36%. The elemental composition of Sample F was C: 65.4%, H: 3.60%, N: 1.45%, S: 0.02% (constant humidity base with a water content of 5.1%). The calcium content of sample F was 4.8% and the potassium content was 1.9%.
試料Fを用いて、試料Aの場合と同様の手順で流動床でのガス化試験を行った。反応管内部温度を700℃に制御して、試料Eを毎分41.3mg(炭素の供給速度として2.373mmol/分)の投入速度で150分間連続して流動床反応器に投入した。ガス化剤として、水を90.8mg/分の流量で、窒素40mL/分と混合して導入した。またスクリューフィーダー部からも窒素50mL/分を導入した。水は試料の投入終了後引き続いて60分投入を継続した。また窒素は水の投入後もさらに反応管内のガスの置換が完了するまで流通し、ガス化したガスをすべて回収した。表1に示すように、生成ガスは、水素528mmol、一酸化炭素(CO)103mmol、二酸化炭素(CO2)201mmol、メタン10.5mmol、C2(エタンおよびエチレン)1.2mmolを含んでいた。炭素基準のガス化率は89.0%であった。なお、この試験でのS/C比は3.01であった。また、トラップからは0.013gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は0.3%となった。 Using sample F, a gasification test was performed on a fluidized bed in the same procedure as for sample A. The temperature inside the reaction tube was controlled to 700 ° C., and the sample E was continuously charged into the fluidized bed reactor at a charging rate of 41.3 mg / min (2.373 mmol / min as the carbon supply rate) for 150 minutes. As a gasifying agent, water was introduced at a flow rate of 90.8 mg / min by mixing with 40 mL / min of nitrogen. In addition, 50 mL / min of nitrogen was introduced from the screw feeder section. Water was continuously added for 60 minutes after the completion of the addition of the sample. In addition, nitrogen was circulated even after the addition of water until the replacement of the gas in the reaction tube was completed, and all the gasified gas was recovered. As shown in Table 1, the produced gas contained 528 mmol of hydrogen, 103 mmol of carbon monoxide (CO), 201 mmol of carbon dioxide (CO 2 ), 10.5 mmol of methane, and 1.2 mmol of C2 (ethane and ethylene). The carbon-based gasification rate was 89.0%. The S / C ratio in this test was 3.01. In addition, 0.013 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 0.3%.
《試料G》
硝酸カリウム水溶液に代えて、乾燥EFBに対する質量比でカリウムとカルシウムのそれぞれを2%含む硝酸カリウムと硝酸カルシウムの混合水溶液を用いたほかは、試料Aと同様にして試料Gを得た。半炭化収率は33%であった。試料Gの元素組成は、C:59.1%、H:2.66%、N:1.50%、S:0.02%(含水率6.3%の恒湿ベース)であった。試料Gのカリウム含有量は7.4%、カルシウム含有量は4.8%であった。
<< Sample G >>
Sample G was obtained in the same manner as in Sample A, except that a mixed aqueous solution of potassium nitrate and calcium nitrate containing 2% each of potassium and calcium in terms of mass ratio to dry EFB was used instead of the aqueous potassium nitrate solution. The semi-carbonized yield was 33%. The elemental composition of Sample G was C: 59.1%, H: 2.66%, N: 1.50%, S: 0.02% (constant humidity base with a water content of 6.3%). The potassium content of sample G was 7.4% and the calcium content was 4.8%.
試料Gを用いて、試料Aの場合と同様の手順で流動床でのガス化試験を行った。反応管内部温度を700℃に制御して、試料Gを毎分48.8mg(炭素の供給速度として2.567mmol/分)の投入速度で150分間連続して流動床反応器に投入した。ガス化剤として、水を98.3mg/分の流量で、窒素40mL/分と混合して導入した。またスクリューフィーダー部からも窒素50mL/分を導入した。水は試料の投入終了後引き続いて60分投入を継続した。また窒素は水の投入後もさらに反応管内のガスの置換が完了するまで流通し、ガス化したガスをすべて回収した。表1に示すように、生成ガスは、水素586mmol、一酸化炭素(CO)142mmol、二酸化炭素(CO2)209mmol、メタン5.5mmol、C2(エタンおよびエチレン)0.2mmolを含んでいた。炭素基準のガス化率は92.8%であった。なお、この試験でのS/C比は3.04であった。また、トラップからは0.003gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は0.1%となった。 Using sample G, a gasification test was performed on a fluidized bed in the same procedure as for sample A. The temperature inside the reaction tube was controlled to 700 ° C., and the sample G was continuously charged into the fluidized bed reactor at a charging rate of 48.8 mg / min (2.567 mmol / min as the carbon supply rate) for 150 minutes. As a gasifying agent, water was introduced at a flow rate of 98.3 mg / min by mixing with 40 mL / min of nitrogen. In addition, 50 mL / min of nitrogen was introduced from the screw feeder section. Water was continuously added for 60 minutes after the completion of the addition of the sample. In addition, nitrogen was circulated even after the addition of water until the replacement of the gas in the reaction tube was completed, and all the gasified gas was recovered. As shown in Table 1, the produced gas contained 586 mmol of hydrogen, 142 mmol of carbon monoxide (CO), 209 mmol of carbon dioxide (CO 2 ), 5.5 mmol of methane, and 0.2 mmol of C2 (ethane and ethylene). The carbon-based gasification rate was 92.8%. The S / C ratio in this test was 3.04. In addition, 0.003 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 0.1%.
また、試料Gを用いて、ガス化温度がガス化率と生成ガスの組成に与える影響を検討した。反応管内部温度を650℃に制御し、試料Gの投入速度を毎分44.9mg(炭素の供給速度として2.360mmol/分)、ガス化剤としての水の投入速度を88.2mg/分の流量とした。この試験でのS/C比は2.98であった。表1に示すように、生成ガスは、水素460mmol、一酸化炭素(CO)69.2mmol、二酸化炭素(CO2)190mmol、メタン5.1mmol、C2(エタンおよびエチレン)0.2mmolを含んでいた(表1では「G−2」と記した。)。炭素基準のガス化率は74.7%であった。また、トラップからは0.009gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は0.2%となった。 Moreover, using the sample G, the influence of the gasification temperature on the gasification rate and the composition of the produced gas was examined. The internal temperature of the reaction tube is controlled to 650 ° C., the charging rate of sample G is 44.9 mg / min (carbon supply rate: 2.360 mmol / min), and the charging rate of water as a gasifying agent is 88.2 mg / min. The flow rate was set to. The S / C ratio in this test was 2.98. As shown in Table 1, the produced gas contained 460 mmol of hydrogen, 69.2 mmol of carbon monoxide (CO), 190 mmol of carbon dioxide (CO 2 ), 5.1 mmol of methane, and 0.2 mmol of C2 (ethane and ethylene). (In Table 1, it is described as "G-2"). The carbon-based gasification rate was 74.7%. In addition, 0.009 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 0.2%.
また、反応管内部温度を750℃に制御し、試料Gの投入速度を毎分46.7mg(炭素の供給速度として2.454mmol/分)、ガス化剤としての水の投入速度を97.3mg/分の流量とした。この試験でのS/C比は3.14であった。表1に示すように、生成ガスは、水素557mmol、一酸化炭素(CO)160mmol、二酸化炭素(CO2)190mmol、メタン3.6mmol、C2(エタンおよびエチレン)0.2mmolを含んでいた(表1では「G−3」と記した。)。炭素基準のガス化率は96.0%であった。また、トラップからは0.003gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は0.1%となった Further, the internal temperature of the reaction tube was controlled to 750 ° C., the charging rate of sample G was 46.7 mg / min (2.454 mmol / min as the carbon supply rate), and the charging rate of water as a gasifying agent was 97.3 mg. The flow rate was / minute. The S / C ratio in this test was 3.14. As shown in Table 1, the produced gas contained 557 mmol of hydrogen, 160 mmol of carbon monoxide (CO), 190 mmol of carbon dioxide (CO 2 ), 3.6 mmol of methane, and 0.2 mmol of C2 (ethane and ethylene) (Table). In 1, it was described as "G-3"). The carbon-based gasification rate was 96.0%. In addition, 0.003 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 0.1%.
《試料H》
半炭化温度を350℃としたほかは、試料Gと同様にして試料Hを得た。半炭化収率は32%であった。試料の元素組成は、C:58.3%、H:2.68%、N:1.39%、S:0.01%(含水率6.9%の恒湿ベース)であった。試料Hのカリウム含有量は7.0%、カルシウム含有量は4.9%であった。
<< Sample H >>
Sample H was obtained in the same manner as in Sample G except that the semi-carbonization temperature was set to 350 ° C. The semi-carbonized yield was 32%. The elemental composition of the sample was C: 58.3%, H: 2.68%, N: 1.39%, S: 0.01% (constant humidity base with a water content of 6.9%). The potassium content of sample H was 7.0% and the calcium content was 4.9%.
試料Hを用いて、試料Aの場合と同様の手順で流動床でのガス化試験を行った。反応管内部温度を700℃に制御して、試料Hを毎分67.4mg(炭素の供給速度として3.520mmol/分)の投入速度で150分間連続して流動床反応器に投入した。ガス化剤として、水を122.0mg/分の流量で、窒素40mL/分と混合して導入した。またスクリューフィーダー部からも窒素50mL/分を導入した。水は試料の投入終了後引き続いて60分投入を継続した。また窒素は水の投入後もさらに反応管内のガスの置換が完了するまで流通し、ガス化したガスをすべて回収した。表1に示すように、生成ガスは、水素780mmol、一酸化炭素(CO)183mmol、二酸化炭素(CO2)285mmol、メタン7.4mmol、C2(エタンおよびエチレン)0.2mmolを含んでいた。炭素基準のガス化率は90.2%であった。なお、この試験でのS/C比は2.77であった。また、トラップからは0.001gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は0.02%となった。 Using sample H, a gasification test was performed on a fluidized bed in the same procedure as for sample A. The temperature inside the reaction tube was controlled to 700 ° C., and the sample H was continuously charged into the fluidized bed reactor at a charging rate of 67.4 mg / min (3.520 mmol / min as the carbon supply rate) for 150 minutes. As a gasifying agent, water was introduced at a flow rate of 122.0 mg / min by mixing with 40 mL / min of nitrogen. In addition, 50 mL / min of nitrogen was introduced from the screw feeder section. Water was continuously added for 60 minutes after the completion of the addition of the sample. In addition, nitrogen was circulated even after the addition of water until the replacement of the gas in the reaction tube was completed, and all the gasified gas was recovered. As shown in Table 1, the produced gas contained 780 mmol of hydrogen, 183 mmol of carbon monoxide (CO), 285 mmol of carbon dioxide (CO 2 ), 7.4 mmol of methane, and 0.2 mmol of C2 (ethane and ethylene). The carbon-based gasification rate was 90.2%. The S / C ratio in this test was 2.77. In addition, 0.001 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 0.02%.
《試料I》
硝酸カリウム水溶液に代えて、乾燥EFBに対する質量比でカリウムと鉄のそれぞれを2%含む硝酸カリウムと硝酸鉄(III)の混合水溶液を用いたほかは、試料Aと同様にして試料Iを得た。半炭化収率は38%であった。試料Iの元素組成は、C:62.2%、H:3.74%、N:1.35%、S:0.01%(含水率3.1%の恒湿ベース)であった。試料Iのカリウム含有量は6.7%、鉄含有量は3.8%であった。
<< Sample I >>
Sample I was obtained in the same manner as in Sample A, except that a mixed aqueous solution of potassium nitrate and iron (III) nitrate containing 2% each of potassium and iron in terms of mass ratio to dry EFB was used instead of the aqueous potassium nitrate solution. The semi-carbonized yield was 38%. The elemental composition of Sample I was C: 62.2%, H: 3.74%, N: 1.35%, S: 0.01% (constant humidity base with a water content of 3.1%). The potassium content of Sample I was 6.7% and the iron content was 3.8%.
試料Iを用いて、試料Aの場合と同様の手順で流動床でのガス化試験を行った。反応管内部温度を700℃に制御して、試料Iを毎分34.3mg(炭素の供給速度として1.834mmol/分)の投入速度で150分間連続して流動床反応器に投入した。ガス化剤として、水を73.0mg/分の流量で、窒素40mL/分と混合して導入した。またスクリューフィーダー部からも窒素50mL/分を導入した。水は試料の投入終了後引き続いて60分投入を継続した。また窒素は水の投入後もさらに反応管内のガスの置換が完了するまで流通し、ガス化したガスをすべて回収した。表1に示すように、生成ガスは、水素393mmol、一酸化炭素(CO)88.8mmol、二酸化炭素(CO2)153mmol、メタン5.9mmol、C2(エタンおよびエチレン)1.2mmol、C3(プロパンおよびプロピレン)0.1mmolを含んでいた。炭素基準のガス化率は90.9%であった。なお、この試験でのS/C比は3.13であった。また、トラップからは0.012gのタールが回収された。タールの組成をC1H1と仮定して炭素換算すると、炭素基準のタール収率は0.3%となった。 Using Sample I, a gasification test was performed on a fluidized bed in the same procedure as for Sample A. The temperature inside the reaction tube was controlled to 700 ° C., and Sample I was continuously charged into the fluidized bed reactor at a charging rate of 34.3 mg / min (1.834 mmol / min as the carbon supply rate) for 150 minutes. As a gasifying agent, water was introduced at a flow rate of 73.0 mg / min by mixing with 40 mL / min of nitrogen. In addition, 50 mL / min of nitrogen was introduced from the screw feeder section. Water was continuously added for 60 minutes after the completion of the addition of the sample. In addition, nitrogen was circulated even after the addition of water until the replacement of the gas in the reaction tube was completed, and all the gasified gas was recovered. As shown in Table 1, the produced gases are hydrogen 393 mmol, carbon monoxide (CO) 88.8 mmol, carbon dioxide (CO 2 ) 153 mmol, methane 5.9 mmol, C2 (ethane and ethylene) 1.2 mmol, and C3 (propane). And propylene) 0.1 mmol. The carbon-based gasification rate was 90.9%. The S / C ratio in this test was 3.13. In addition, 0.012 g of tar was recovered from the trap. When the tar composition was assumed to be C1H1 and converted to carbon, the tar yield based on carbon was 0.3%.
〔結果〕
本発明の方法に従い、バイオマスに少なくともカリウムおよびカルシウムの一方または双方を触媒として担持して、300℃以上350℃以下で半炭化したのち、水蒸気を用いて700℃でガス化した場合には、77.0〜91.9%という高いガス化率が得られるとともに、タール収率は0.3〜2.4%程度と低く抑制することができた(試料A、C、D、およびF)。また、バイオマスにカリウムおよびカルシウムの両方を触媒として担持して、300℃以上350℃以下で半炭化したのち、水蒸気を用いて700℃でガス化した場合には、ガス化率が高まるとともに、タール収率が0.1%以下まで低減された(試料GおよびH)。バイオマスに、カリウムに加えて鉄を触媒として担持しても、カリウム単独の場合と比較すると、ガス化率は向上し、タール収率は低下した(試料I)。
〔result〕
According to the method of the present invention, when at least one or both of potassium and calcium are supported on the biomass as a catalyst, semi-carbonized at 300 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, and then gasified at 700 ° C. using steam, 77. A high gasification rate of .0 to 91.9% was obtained, and the tar yield could be suppressed as low as about 0.3 to 2.4% (Samples A, C, D, and F). Further, when both potassium and calcium are supported on the biomass as a catalyst, semi-carbonized at 300 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, and then gasified at 700 ° C. using steam, the gasification rate increases and tar is added. The yield was reduced to 0.1% or less (Samples G and H). Even if iron was supported on the biomass as a catalyst in addition to potassium, the gasification rate was improved and the tar yield was decreased as compared with the case of potassium alone (Sample I).
一方、半炭化温度が250℃と低い試料Eでは、ガス化率が73.3%とやや低くなったほか、タール収率は7.2%と実施例と比較すると3倍以上となった。 On the other hand, in sample E having a low semi-carbonization temperature of 250 ° C., the gasification rate was slightly low at 73.3%, and the tar yield was 7.2%, which was more than three times that of the examples.
また、300℃で半炭化を行ったもののカリウムおよびカルシウムのいずれも担持されていない試料Bでは、ガス化率は、57.4%と、触媒を担持した場合と比較して大幅に低くなった上に、タール収率は2.9%と実施例と比較して高くなった。 Further, in the sample B which was semi-carbonized at 300 ° C. but did not support either potassium or calcium, the gasification rate was 57.4%, which was significantly lower than that in the case where the catalyst was supported. Above, the tar yield was 2.9%, which was higher than that of the examples.
また、ガス化温度については、650℃(G−2)、700℃(G−1)、750℃(G−3)と高めるにつれ、ガス化率が向上した。一方で、生成したガスに含まれる(水素)/(一酸化炭素)のモル比は、650℃、700℃、750℃について、6.6、4.1、3.5と低下した。生成したガスが一酸化炭素を多く含むと、生成したガスを最終的に水素あるいはメタンに変換する場合には、COシフト反応に伴う発熱分だけ、エネルギー効率が低下することになることから、タールの発生を抑制しつつ、バイオマスを効率よくガス化する観点では、ガス化温度は700℃付近が好ましいといえる。 Further, as the gasification temperature was raised to 650 ° C. (G-2), 700 ° C. (G-1), and 750 ° C. (G-3), the gasification rate was improved. On the other hand, the molar ratio of (hydrogen) / (carbon monoxide) contained in the produced gas decreased to 6.6, 4.1, and 3.5 at 650 ° C, 700 ° C, and 750 ° C. If the generated gas contains a large amount of carbon monoxide, the energy efficiency will decrease by the amount of heat generated by the CO shift reaction when the generated gas is finally converted to hydrogen or methane. From the viewpoint of efficiently gasifying biomass while suppressing the generation of methane, it can be said that the gasification temperature is preferably around 700 ° C.
以上の結果から、本発明の方法に従い、バイオマスに少なくともカリウムおよびカルシウムの一方または双方を触媒として担持して、300℃以上350℃以下で半炭化したのち、水蒸気でガス化した場合には、水蒸気をガス化剤とするバイオマスのガス化において、タールの発生を抑制しつつ、600℃以上800℃以下の比較的低い温度でバイオマスを効率よくガス化できることが明らかである。
From the above results, according to the method of the present invention, when at least one or both of potassium and calcium are supported on the biomass as a catalyst, semi-carbonized at 300 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, and then gasified with water vapor, water vapor is generated. In the gasification of biomass using the above as a gasifying agent, it is clear that the biomass can be efficiently gasified at a relatively low temperature of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower while suppressing the generation of tar.
Claims (8)
酸素を実質的に含まない不活性雰囲気下で前記触媒担持バイオマスを300℃以上350℃以下に加熱して半炭化処理された前記触媒担持バイオマスを得る半炭化工程と、
前記半炭化処理された前記触媒担持バイオマスを、600℃以上800℃以下の温度条件下で水蒸気を含むガス化剤と接触させるガス化工程と、を含み、
前記ガス化工程によって得られる生成ガスが、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、およびメタンを含むバイオマスのガス化方法。 A catalyst-supporting step of impregnating biomass with an aqueous solution of a catalyst component containing at least one or both of potassium and calcium to obtain a catalyst-supporting biomass supporting the catalyst component.
A semi-carbonization step of heating the catalyst-supported biomass to 300 ° C. or higher and 350 ° C. or lower in an inert atmosphere containing substantially no oxygen to obtain the semi-carbonized biomass.
The semi-carbonized step of gasifying the catalyst-supported biomass with a gasifying agent containing water vapor under a temperature condition of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower is included.
A method for gasifying biomass in which the produced gas obtained by the gasification step contains hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and methane.
前記バイオマスに対する質量比が1%以上5%以下のカリウム、
前記バイオマスに対する質量比が1%以上5%以下のカルシウム、または、
前記バイオマスに対する質量比が合計で2%以上10%以下のカリウムおよびカルシウム、を担持する請求項1に記載のバイオマスのガス化方法。 In the catalyst supporting step,
Potassium having a mass ratio of 1% or more and 5% or less to the biomass,
Calcium having a mass ratio of 1% or more and 5% or less to the biomass, or
The method for gasifying biomass according to claim 1, wherein potassium and calcium having a total mass ratio of 2% or more and 10% or less with respect to the biomass are supported.
The gasification step according to any one of claims 1 to 7, wherein the S / C ratio, which is the molar ratio of the water vapor S to the substance amount C of carbon atoms in the catalyst-supported biomass, is 1 or more and 10 or less. The method for gasifying biomass according to the description.
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