JP4997546B2 - Supercritical water biomass gasifier and system including the same - Google Patents

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Description

本発明は、超臨界水によりバイオマスをガス化する流動層反応器、及びそれを含むシステムに関する。   The present invention relates to a fluidized bed reactor for gasifying biomass with supercritical water, and a system including the same.
近年、植物又はその廃材、家畜排泄物、生ゴミ、食品廃棄物、下水汚泥などのバイオマスを原料としたエネルギー変換技術の開発がなされている。バイオマスを原料としたエネルギー変換技術としては、例えば、微生物によりバイオマスを発酵させて燃料ガスを生成する方法、バイオマスに含まれる水を利用して加圧熱水処理を行い、燃料ガスを生成する方法などが知られており、後者の改良方法としては、触媒を用いてウェット・バイオマス(含水性バイオマス)を超臨界水でガス化し、水素やメタン等の燃料ガスを生成する方法が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。
特表平11−502891号公報 特開2002−105466号公報 特開2002−105467号公報
In recent years, energy conversion technology using biomass such as plants or waste materials thereof, livestock excrement, food waste, food waste, and sewage sludge has been developed. As an energy conversion technology using biomass as a raw material, for example, a method of fermenting biomass with microorganisms to generate fuel gas, a method of generating pressurized fuel water using water contained in biomass, and generating fuel gas As the latter improvement method, a method of gasifying wet biomass (hydrous biomass) with supercritical water using a catalyst to generate fuel gas such as hydrogen and methane is known. (For example, see Patent Documents 1 to 3).
Japanese National Patent Publication No. 11-502891 JP 2002-105466 A JP 2002-105467 A
しかしながら、これまでに知られている超臨界水ガス化技術は、燃料ガスの生成効率の面で必ずしも満足できるものではなく、バイオマスから燃料ガスをより効率的に生成することができる技術の開発が求められている。   However, the supercritical water gasification technology known so far is not always satisfactory in terms of the generation efficiency of fuel gas, and the development of a technology that can generate fuel gas more efficiently from biomass has been developed. It has been demanded.
そこで、本発明は、バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することが可能な超臨界水ガス化技術を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the supercritical water gasification technique which can produce | generate fuel gas, such as methane and hydrogen, more efficiently from biomass.
上記課題を解決するために、本発明に係る、超臨界水によるバイオマスガス化システムは、非金属系触媒の存在下において、バイオマスを100〜250℃の範囲内の温度、及び0.1〜4MPaの範囲内の圧力の条件下で熱水処理する前処理装置と、前記前処理装置において熱水処理することにより得られた、前記非金属系触媒を含む前記バイオマスのスラリー体を、374℃以上の温度、及び22.1MPa以上の圧力の条件下で水熱処理する流動層反応器と、を備え、前記流動層反応器は、前記流動層反応器内に前記スラリー体を下方から導入する導入口と、前記流動層反応器において水熱処理することにより生成された生成ガス及び灰分、並びに、前記非金属系触媒及び水を上方から前記流動層反応器外に排出する排出口と、前記スラリー体の導入により前記流動層反応器内に流動層を形成する流動媒体と、前記導入口から導入した前記スラリー体を、前記流動層の下方で分散させる分散部と、を備え、前記流動媒体は、前記スラリー体の導入速度では排出されない形状で構成されている。   In order to solve the above-described problems, a biomass gasification system using supercritical water according to the present invention has a biomass temperature of 100 to 250 ° C. and 0.1 to 4 MPa in the presence of a nonmetallic catalyst. And a biomass slurry containing the nonmetallic catalyst obtained by hydrothermal treatment in the pretreatment apparatus under the condition of pressure within a range of 374 ° C. or higher. And a fluidized bed reactor that performs hydrothermal treatment under conditions of a pressure of 22.1 MPa or more, and the fluidized bed reactor introduces the slurry into the fluidized bed reactor from below. A product gas and ash generated by hydrothermal treatment in the fluidized bed reactor, a discharge port for discharging the non-metallic catalyst and water from above to the fluidized bed reactor, and the soot. A fluidized medium that forms a fluidized bed in the fluidized bed reactor by introducing a Lie body; and a dispersion unit that disperses the slurry introduced from the inlet under the fluidized bed. Is formed in a shape that is not discharged at the introduction speed of the slurry body.
上述のシステムは、前記流動層反応器から排出された、前記生成ガス、前記灰分、前記非金属系触媒、及び前記水を、前記生成ガスと、前記灰分、前記非金属系触媒、及び水を含む混合液とに分離する気液分離装置をさらに備えていてもよい。さらに、上述のシステムは、前記混合液中の前記非金属系触媒を回収する手段をさらに備えていてもよい。   The system described above includes the product gas, the ash, the nonmetallic catalyst, and the water discharged from the fluidized bed reactor, the product gas, the ash, the nonmetallic catalyst, and water. You may further provide the gas-liquid separation apparatus isolate | separated into the liquid mixture containing. Furthermore, the above-described system may further include means for recovering the nonmetallic catalyst in the mixed solution.
また、上述のシステムは、前記生成ガスの一部を利用して前記流動層反応器を加熱する加熱装置、前記前処理装置で熱水処理する前記バイオマスをあらかじめ破砕する破砕機などをさらに備えていてもよい。   The system described above further includes a heating device that heats the fluidized bed reactor using a part of the product gas, a crusher that crushes the biomass that is hydrothermally treated in the pretreatment device, and the like. May be.
さらに、上述のシステムは、前記流動層反応器において水熱処理される前記スラリー体を前記流動層反応器に供給する手段と、前記排出口から排出された、前記生成ガス、前記灰分、前記非金属系触媒、及び水を含む排出物の熱を利用して、前記流動層反応器に供給される前記スラリー体を予熱する熱交換器と、をさらに含むこととしてもよい。また、上述のシステムは、前記前処理装置において熱水処理される前記バイオマスを前記前処理装置に供給する手段と、前記スラリー体の熱を利用して、前記前処理装置に供給される前記バイオマスを予熱する熱交換器と、をさらに含むこととしてもよい。さらに、上述のシステムは、前記前処理装置において熱水処理される前記バイオマスを前記前処理装置に供給する手段と、前記排出口から排出された、前記生成ガス、前記灰分、前記非金属系触媒、及び水を含む排出物の熱を利用して、前記前処理装置に供給される前記バイオマスを予熱する熱交換器と、をさらに含むこととしてもよい。   Furthermore, the system described above includes means for supplying the slurry body hydrothermally treated in the fluidized bed reactor to the fluidized bed reactor, and the product gas, the ash content, and the nonmetal discharged from the outlet. It is good also as a heat exchanger which preheats the said slurry body supplied to the said fluidized bed reactor using the heat | fever of the waste containing a system catalyst and water. Further, the system described above is configured to supply the biomass to be subjected to hydrothermal treatment in the pretreatment device to the pretreatment device and the biomass to be supplied to the pretreatment device using heat of the slurry body. It is good also as including the heat exchanger which pre-heats. Furthermore, the system described above includes means for supplying the biomass to be subjected to hydrothermal treatment in the pretreatment device to the pretreatment device, the produced gas, the ash content, and the nonmetallic catalyst discharged from the discharge port. And a heat exchanger that preheats the biomass supplied to the pretreatment device by using the heat of the discharge containing water.
なお、前記前処理装置での熱水処理は、所定の圧力及び当該圧力における水の飽和温度の条件下で行うことが好ましく、前記流動層反応器での水熱処理は、600℃の温度、及び25MPaの圧力の条件下で行うことが好ましい。   The hydrothermal treatment in the pretreatment device is preferably performed under conditions of a predetermined pressure and a saturation temperature of water at the pressure, and the hydrothermal treatment in the fluidized bed reactor is performed at a temperature of 600 ° C. It is preferable to carry out under the condition of a pressure of 25 MPa.
また、本発明に係る超臨界水バイオマスガス化装置は、超臨界水によりバイオマスをガス化する装置であって、前記装置内に非金属系触媒を含む前記バイオマスのスラリー体を下方から導入する導入口と、前記装置内で前記スラリー体を、374℃以上の温度、及び22.1MPa以上の圧力の条件下で水熱処理することにより生成された生成ガス及び灰分、並びに、前記非金属系触媒及び水を上方から前記装置外に排出する排出口と、前記スラリー体の導入により前記装置内に流動層を形成する流動媒体と、前記導入口から導入した前記スラリー体を、前記流動層の下方で分散させる分散部と、を備え、前記流動媒体は、前記スラリー体の導入速度では排出されない形状で構成されている。   Further, the supercritical water biomass gasification apparatus according to the present invention is an apparatus for gasifying biomass with supercritical water, and introduces the biomass slurry containing non-metallic catalyst into the apparatus from below. And a product gas and an ash produced by hydrothermally treating the slurry body in the apparatus at a temperature of 374 ° C. or higher and a pressure of 22.1 MPa or higher, and the nonmetallic catalyst and A discharge port for discharging water from above to the outside of the apparatus, a fluid medium for forming a fluidized bed in the apparatus by introduction of the slurry body, and the slurry body introduced from the inlet are disposed below the fluidized bed. A dispersion section that disperses the fluid medium, and the fluid medium has a shape that is not discharged at the introduction speed of the slurry body.
なお、前記水熱処理は、600℃の温度、及び25MPaの圧力の条件下で行うことが好ましい。   The hydrothermal treatment is preferably performed under conditions of a temperature of 600 ° C. and a pressure of 25 MPa.
前記流動媒体は、例えば、アルミナボールなどである。前記分散部は、例えば、アルミナボールを積み重ねることによって形成した層であってもよい。前記非金属系触媒としては、例えば、活性炭などを用いることができる。前記活性炭は、粉末状であって、その平均粒径が200μm以下であるものを用いることが好ましい。   The fluid medium is, for example, an alumina ball. The dispersion part may be a layer formed by stacking alumina balls, for example. As the non-metallic catalyst, for example, activated carbon can be used. The activated carbon is preferably in a powder form and has an average particle size of 200 μm or less.
本発明によれば、バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することが可能な超臨界水ガス化技術を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the supercritical water gasification technique which can produce | generate fuel gas, such as methane and hydrogen, more efficiently from biomass can be provided.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
==本発明の超臨界水によるバイオマスガス化システムの全体構成==
図1は、本発明の一実施形態として説明する超臨界水によるバイオマスガス化システムの概略構成を示す図である。図1に示すように、本発明に係る超臨界水によるバイオマスガス化システム(以下、単に「システム」と称する。)100は、破砕ポンプ10、水タンク11、モーノポンプ20、第一熱交換器30、第二熱交換器31、前処理装置40、スラリー供給装置50、流動層反応器60、クーラー70、減圧器71、気液分離器80、ガスタンク81、固液分離器82、バーナー90などを備える。
== Overall Configuration of Biomass Gasification System Using Supercritical Water of the Present Invention ==
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a biomass gasification system using supercritical water described as an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a biomass gasification system (hereinafter simply referred to as “system”) 100 using supercritical water according to the present invention includes a crushing pump 10, a water tank 11, a Mono pump 20, and a first heat exchanger 30. , Second heat exchanger 31, pretreatment device 40, slurry supply device 50, fluidized bed reactor 60, cooler 70, decompressor 71, gas-liquid separator 80, gas tank 81, solid-liquid separator 82, burner 90, etc. Prepare.
前処理装置40は、バイオマスのスラリー体を形成させる装置である。このバイオマスのスラリー体の形成は、非金属系触媒の存在下において、バイオマスを100〜250℃の範囲内の温度、及び0.1〜4MPaの範囲内の圧力の条件下で熱水処理することにより行われる。   The pretreatment device 40 is a device for forming a biomass slurry. The biomass slurry is formed by hydrothermal treatment of biomass in the presence of a nonmetallic catalyst under conditions of a temperature in the range of 100 to 250 ° C. and a pressure in the range of 0.1 to 4 MPa. Is done.
モーノポンプ20は、所定の含水率に調製された、非金属系触媒、バイオマス、及び水を含む混合液を前処理装置40に移送する装置である。   The MONO pump 20 is a device that transfers a mixed solution containing a nonmetallic catalyst, biomass, and water, prepared to a predetermined moisture content, to the pretreatment device 40.
破砕ポンプ10は、前処理装置40で熱水処理されるバイオマスをあらかじめ均一な大きさ(好ましくは平均粒径が500μm以下、より好ましくは平均粒径が300μm以下)に破砕しながら、モーノポンプ20へ移送する装置である。破砕ポンプ10によって破砕されたバイオマスは、非金属系触媒とともにモーノポンプ20に移送される。   The crushing pump 10 crushes the biomass hydrothermally treated by the pretreatment device 40 in advance to a uniform size (preferably an average particle size of 500 μm or less, more preferably an average particle size of 300 μm or less). It is a device to transfer. The biomass crushed by the crushing pump 10 is transferred to the MONO pump 20 together with the nonmetallic catalyst.
水タンク11は、破砕ポンプ10によって破砕されたバイオマスと非金属系触媒との混合物に混合させる水を貯水する容器である。この水タンク11から水が供給されて、破砕ポンプ10によって破砕されたバイオマスと非金属系触媒との混合物と混合することにより、所定の含水率に調製された混合液が作製される。   The water tank 11 is a container for storing water to be mixed with a mixture of biomass crushed by the crushing pump 10 and a nonmetallic catalyst. Water is supplied from the water tank 11 and mixed with a mixture of the biomass crushed by the crushing pump 10 and the nonmetallic catalyst, whereby a mixed liquid prepared to have a predetermined moisture content is produced.
流動層反応器60は、超臨界水によりバイオマスをガス化する装置である。この超臨界水によるバイオマスのガス化は、前処理装置40において熱水処理された、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体を、前記非金属系触媒を利用して、374℃以上の温度、及び22.1MPa以上の圧力の条件下で水熱処理することにより行われる。このようにスラリー体を超臨界水により処理することにより、バイオマスが分解して水素ガス、メタン、エタン、エチレン等の燃料ガスが生成される。   The fluidized bed reactor 60 is a device that gasifies biomass with supercritical water. Biomass gasification with this supercritical water is a process of hydrothermally treating the biomass slurry containing a nonmetallic catalyst in the pretreatment device 40 at a temperature of 374 ° C. or higher using the nonmetallic catalyst. And hydrothermal treatment under conditions of a pressure of 22.1 MPa or more. By treating the slurry body with supercritical water in this way, biomass is decomposed and fuel gas such as hydrogen gas, methane, ethane, and ethylene is generated.
図2に本発明の一実施形態として説明する流動層反応器60の概略構成図を示す。図2に示すように、流動層反応器60は、装置60内に非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体を下方から導入する導入口210と、装置60内で前記スラリー体を、374℃以上の温度、及び22.1MPa以上の圧力の条件下で水熱処理することにより生成された燃料ガスを含む生成ガス及び灰分、並びに、非金属系触媒及び水(超臨界水)を上方から装置60外に排出する排出口220と、スラリー体の導入により装置60内に流動層を形成する流動媒体230と、導入口210から導入したスラリー体を流動層の下方で分散させる分散部240と、を備えている。   FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of a fluidized bed reactor 60 described as one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the fluidized bed reactor 60 includes an inlet 210 for introducing a biomass slurry body containing a nonmetallic catalyst into the apparatus 60 from below, and the slurry body within the apparatus 60 at 374 ° C. or higher. The generated gas containing fuel gas and ash produced by hydrothermal treatment under the temperature of 22.1 MPa or higher, and the ash, and the nonmetallic catalyst and water (supercritical water) from above the apparatus 60 A discharge port 220 for discharging the fluid, a fluid medium 230 for forming a fluidized bed in the apparatus 60 by introduction of the slurry body, and a dispersion unit 240 for dispersing the slurry material introduced from the inlet 210 below the fluidized bed. ing.
前記流動媒体230は、スラリー体の導入速度では排出されない形状、例えば、導入口210からスラリー体を導入する速度では流動層を形成するが、排出口220から排出できない重さや、排出口220にメッシュ状のプレートが設置されている場合には、当該プレートの網目より大きさなどで構成されている。前記流動媒体230としては、超臨界状態でも粒径が壊れにくい媒体であれば特に制限されるものではないが、例えば、アルミナボール、ジルコニアボール、シリカボールなどの媒体を挙げることができる。   The fluid medium 230 has a shape that is not discharged at the introduction speed of the slurry body, for example, a fluidized bed is formed at the speed at which the slurry body is introduced from the introduction port 210, but the weight that cannot be discharged from the discharge port 220, In the case where a plate-like plate is installed, the plate has a size larger than the mesh of the plate. The fluid medium 230 is not particularly limited as long as the particle diameter is not easily broken even in a supercritical state, and examples thereof include media such as alumina balls, zirconia balls, and silica balls.
分散部240としては、例えば、流動層反応器などで用いられる既知の分散板であってもよいが、スラリー体の目詰まりにより圧力が増加するのを防ぐために、スラリー体を導入する速度では流動しない形状で構成された球状媒体(例えば、アルミナボールなどの球状媒体)を積み重ねることにより形成した層であることが好ましい。   The dispersion unit 240 may be, for example, a known dispersion plate used in a fluidized bed reactor or the like. However, in order to prevent an increase in pressure due to clogging of the slurry body, the dispersion part 240 flows at a speed at which the slurry body is introduced. It is preferable that the layer is formed by stacking spherical media (for example, spherical media such as alumina balls) configured in a shape that does not.
以上のような流動層反応器60により、導入口210から導入したスラリー体を、それに含まれる非金属系触媒を利用して超臨界水によるガス化を行い、これにより生成された生成ガス(燃料ガスを含む)及び灰分、並びに、非金属系触媒及び水(超臨界水)などの流動媒体230より軽く、径が小さな物質を排出口220から排出することができるようになる。本発明に係る流動層反応器60は、このような構成により、流動層反応器内60に灰分や非金属系触媒などが堆積するのを抑制することができるようになり、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体を連続的に超臨界水によりガス化する処理を行うことが可能となる。   Using the fluidized bed reactor 60 as described above, the slurry introduced from the inlet 210 is gasified with supercritical water using a non-metallic catalyst contained therein, and the generated gas (fuel) Gas) and ash, and non-metallic catalyst and water (supercritical water) such as water (supercritical water) can be discharged from the discharge port 220. With such a configuration, the fluidized bed reactor 60 according to the present invention can suppress accumulation of ash, nonmetallic catalyst, and the like in the fluidized bed reactor 60. It becomes possible to perform a process of continuously gasifying the contained slurry body of biomass with supercritical water.
スラリー供給装置50は、前処理装置40において熱水処理を行うことにより得られた、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体を流動層反応器60に供給する装置である。スラリー供給装置50は、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体を供給できる装置であれば特に制限されるものではなく、例えば、高圧ポンプやモーノポンプなどを用いることができる。   The slurry supply device 50 is a device that supplies a biomass slurry containing a nonmetallic catalyst, obtained by performing hydrothermal treatment in the pretreatment device 40, to the fluidized bed reactor 60. The slurry supply device 50 is not particularly limited as long as it is a device that can supply a biomass slurry including a nonmetallic catalyst. For example, a high-pressure pump or a Mono pump can be used.
クーラー70は、流動層反応器60から排出される排出物を冷却する装置である。流動層反応器60から排出される排出物には、爆発性の燃料ガス(例えば、水素、メタン、エタン、エチレンなど)や水蒸気(超臨界水)等が含まれているので、危険性を低減させたり、水蒸気を水に変換させたりする目的でクーラー70を本発明のシステム100に設けることとしている。なお、本実施の形態においては、流動層反応器60から排出された排出物を冷却する装置としてクーラー70を例に挙げて説明したが、流動層反応器60から排出された排出物を冷却することができる装置であればどのような装置を用いることとしてもよい。   The cooler 70 is a device that cools the discharge discharged from the fluidized bed reactor 60. The exhaust discharged from the fluidized bed reactor 60 contains explosive fuel gas (for example, hydrogen, methane, ethane, ethylene, etc.), water vapor (supercritical water), etc., thus reducing the risk. The cooler 70 is provided in the system 100 of the present invention for the purpose of causing the water vapor to be converted into water. In the present embodiment, the cooler 70 has been described as an example of a device for cooling the discharge discharged from the fluidized bed reactor 60. However, the discharge discharged from the fluidized bed reactor 60 is cooled. Any device can be used as long as it can be used.
減圧器71は、流動層反応器60から排出される排出物中の生成ガスなどの圧力を減圧する装置である。これにより、生成ガスの高圧による危険性を未然に防止することができるようになる。   The decompressor 71 is a device that reduces the pressure of the product gas or the like in the exhaust discharged from the fluidized bed reactor 60. As a result, the danger of the product gas due to the high pressure can be prevented beforehand.
気液分離器80は、流動層反応器60の排出口220から排出された排出物を気体成分(生成ガス)と液体成分(灰分、非金属系触媒、及び水を含む混合液)とに分離する装置である。気液分離器80は、例えば、セパレーター等の既存の気液分離器を用いることができる。   The gas-liquid separator 80 separates the effluent discharged from the outlet 220 of the fluidized bed reactor 60 into a gas component (product gas) and a liquid component (mixed liquid containing ash, nonmetallic catalyst, and water). It is a device to do. As the gas-liquid separator 80, for example, an existing gas-liquid separator such as a separator can be used.
ガスタンク81は、気液分離器80によって分離された気体成分(生成ガス)を貯える容器(好ましくは耐圧容器)である。バーナー90は、ガスタンク81に貯えられた生成ガス(燃料ガス)の一部を利用して流動層反応器60を加熱する装置である。なお、本実施の形態においては、流動層反応器60を加熱する装置としてバーナー90を例に挙げて説明したが、流動層反応器60を加熱することができる装置であればどのような装置を用いることとしてもよい。   The gas tank 81 is a container (preferably a pressure resistant container) that stores the gas component (product gas) separated by the gas-liquid separator 80. The burner 90 is a device that heats the fluidized bed reactor 60 using a part of the product gas (fuel gas) stored in the gas tank 81. In the present embodiment, the burner 90 is described as an example of a device for heating the fluidized bed reactor 60. However, any device that can heat the fluidized bed reactor 60 is used. It may be used.
固液分離器82は、気液分離器80によって分離された、灰分、非金属系触媒、及び水を含む混合液を固体成分と液体成分とに分離する既存の装置であってもよいし、混合液中の灰分、非金属系触媒、及び水をそれぞれ分離する装置であってもよい。図3に、本発明の一実施形態として説明する、混合液中の灰分、非金属系触媒、及び水をそれぞれ分離する固液分離器82の概略構成図を示す。なお、本実施の形態においては、非金属系触媒が、灰より沈降速度(終端速度)が遅い活性炭である場合について説明する。   The solid-liquid separator 82 may be an existing device that separates the mixed liquid containing the ash, the nonmetallic catalyst, and water separated by the gas-liquid separator 80 into a solid component and a liquid component, The apparatus which isolate | separates the ash in a liquid mixture, a nonmetallic catalyst, and water may be sufficient, respectively. In FIG. 3, the schematic block diagram of the solid-liquid separator 82 which isolate | separates the ash content in a liquid mixture, a nonmetallic catalyst, and water each demonstrated as one Embodiment of this invention is shown. In the present embodiment, the case where the nonmetallic catalyst is activated carbon having a lower sedimentation rate (termination rate) than ash will be described.
図3に示すように、固液分離器82は、混合液注入部310、水槽320、循環ポンプ330、供給管340、灰受入部350、バルブ360,361,370などを備える。   As shown in FIG. 3, the solid-liquid separator 82 includes a mixed liquid injection unit 310, a water tank 320, a circulation pump 330, a supply pipe 340, an ash receiving unit 350, valves 360, 361, and 370.
混合液注入部310は、気液分離器80から灰分、活性炭、及び水を含む混合液を注入する管である。水槽320は、混合液注入部310から注入した混合液中の灰分や活性炭をゆっくりと沈降させるための水を入れておく容器である。水槽320は、混合液注入部310から注入した混合液中の灰分を沈降させて水槽320から排出させる排出口321、混合液中の活性炭を受け入れる活性炭受部322,323、水槽320において浮遊した灰や活性炭などの浮遊物を水とともに排出する排水口324などを備える。   The mixed liquid injection unit 310 is a tube for injecting a mixed liquid containing ash, activated carbon, and water from the gas-liquid separator 80. The water tank 320 is a container in which water for slowly settling ash and activated carbon in the liquid mixture injected from the liquid mixture injection unit 310 is placed. The water tank 320 has a discharge port 321 for allowing the ash content in the liquid mixture injected from the liquid mixture injection section 310 to settle and discharge it from the water tank 320, an activated carbon receiving part 322 323 for receiving activated carbon in the liquid mixture, And a drain outlet 324 for discharging floating substances such as activated carbon with water.
灰受入部350は、排出口321から沈降した灰分を受け入れ容器である。循環ポンプ330は、水槽320中の水を循環させるポンプである。供給管340は、循環ポンプ330によって循環される水を排出口321を介して水槽320に導入する配管である。なお、循環ポンプ330によって循環される水は、活性炭の沈降速度より速く、灰の沈降速度より遅い流速で排出口321から水槽320に供給される。これにより、混合液注入部310から注入された混合液中の灰分は、排出口321を通って灰受入部350に沈降するが、混合液注入部310から注入された混合液中の活性炭は、排出口321を通過することなく活性炭受部322,323に移動する。   The ash receiving unit 350 is a container that receives the ash that has settled from the discharge port 321. The circulation pump 330 is a pump that circulates the water in the water tank 320. The supply pipe 340 is a pipe that introduces water circulated by the circulation pump 330 into the water tank 320 through the discharge port 321. The water circulated by the circulation pump 330 is supplied from the discharge port 321 to the water tank 320 at a flow rate that is faster than the sedimentation rate of activated carbon and slower than the sedimentation rate of ash. Thereby, the ash in the mixed liquid injected from the mixed liquid injection unit 310 settles in the ash receiving unit 350 through the discharge port 321, but the activated carbon in the mixed liquid injected from the mixed liquid injection unit 310 is It moves to the activated carbon receiving parts 322 and 323 without passing through the discharge port 321.
なお、本実施の形態においては、活性炭受部322,323には、当該受部322,323に溜まった活性炭を回収できるように、活性炭の粒子より細かいメッシュで構成された籠325,326が設けられており、灰受入部350には、当該受入部350に溜まった灰を回収できるように、灰の粒子より細かいメッシュで構成された籠351が設けられている。   In the present embodiment, the activated carbon receiving portions 322 and 323 are provided with ridges 325 and 326 made of finer mesh than the activated carbon particles so that the activated carbon collected in the receiving portions 322 and 323 can be collected. The ash receiving part 350 is provided with a ridge 351 made of a mesh finer than the ash particles so that the ash collected in the receiving part 350 can be collected.
バルブ360,361は、水槽320の水を排出する弁である。気液分離器80から注入された混合液中の灰分と活性炭とを分離した後に、当該バルブ360,361によって水槽320の水を排水することにより、籠325,326に溜まった活性炭を回収することができる。また、バルブ370は、灰受入部350の水を排水する弁である。気液分離器80から注入された混合液中の灰分と活性炭とを分離した後に、当該バルブ370によって灰受入部350の水を排水することにより、籠351に溜まった灰を回収することができる。   The valves 360 and 361 are valves that discharge water from the water tank 320. After separating the ash and activated carbon in the mixed liquid injected from the gas-liquid separator 80, the activated carbon accumulated in the tanks 325 and 326 is recovered by draining the water in the water tank 320 through the valves 360 and 361. Can do. The valve 370 is a valve for draining water from the ash receiving unit 350. After separating the ash and activated carbon in the liquid mixture injected from the gas-liquid separator 80, the ash collected in the tub 351 can be recovered by draining the water in the ash receiving part 350 by the valve 370. .
以上のような固液分離器82を本発明のシステム100に備えることにより、混合液を固体成分と液体成分とに分離するだけでなく、固体成分である灰分と非金属系触媒とを分離することができ、非金属系触媒を回収することが可能となる。これにより、回収した非金属系触媒を再利用できる。   By providing the above-described solid-liquid separator 82 in the system 100 of the present invention, not only the mixed liquid is separated into the solid component and the liquid component, but also the ash that is the solid component and the nonmetallic catalyst are separated. And non-metallic catalyst can be recovered. Thereby, the recovered nonmetallic catalyst can be reused.
なお、本発明に係るシステム100に、気液分離器80によって分離された、灰分、非金属系触媒、及び水を含む混合液を固体成分と液体成分とに分離する固液分離器82を備える場合には、分離した固体成分中の灰分と非金属系触媒とを分離する装置(例えば、篩分け装置など)を本発明に係るシステム100にさらに備えることとしてもよい。これにより、各反応に利用した非金属系触媒を回収して再利用することが可能となる。   Note that the system 100 according to the present invention includes a solid-liquid separator 82 that separates a mixed liquid containing ash, a nonmetallic catalyst, and water separated by the gas-liquid separator 80 into a solid component and a liquid component. In this case, the system 100 according to the present invention may further include a device (for example, a sieving device) that separates the ash content in the separated solid component from the nonmetallic catalyst. Thereby, the nonmetallic catalyst used for each reaction can be recovered and reused.
第一熱交換器30は、前処理装置40によって熱水処理することにより得られた、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体の熱を利用して、モーノポンプ20から前処理装置40に供給されるバイオマス等を予熱する装置である。   The first heat exchanger 30 is supplied from the MONO pump 20 to the pretreatment device 40 using the heat of the biomass slurry containing the nonmetallic catalyst obtained by the hydrothermal treatment by the pretreatment device 40. This device preheats biomass.
第二熱交換器31は、流動層反応器60から排出される排出物の熱を利用して、スラリー供給装置50から流動層反応器60に導入する、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体を予熱する装置である。   The second heat exchanger 31 uses the heat of the exhaust discharged from the fluidized bed reactor 60 to introduce biomass slurry containing a nonmetallic catalyst, which is introduced into the fluidized bed reactor 60 from the slurry supply device 50. This is a device for preheating.
これらのように、本発明のシステム100に熱交換器30,31を設けることにより、エネルギーを有効に利用することができるので、低エネルギー・低コストでバイオマスから燃料ガスを生成することができるようになる。また、各装置40,60での加熱時間が短縮されるのでバイオマスから燃料ガスの生成を効率的に行うことができるようになる。従って、熱交換器30,31を備えたシステム100は、経済性に優れているといえる。   As described above, by providing the heat exchangers 30 and 31 in the system 100 of the present invention, energy can be used effectively, so that fuel gas can be generated from biomass at low energy and low cost. become. Moreover, since the heating time in each apparatus 40 and 60 is shortened, fuel gas can be efficiently generated from biomass. Therefore, it can be said that the system 100 including the heat exchangers 30 and 31 is excellent in economic efficiency.
なお、本実施の形態においては、流動層反応器60から排出される排出物の熱を利用して上記スラリー体を予熱する第二熱交換器31を本発明のシステム100に備えることとしているが、流動層反応器60から排出される排出物の熱を利用して、モーノポンプ20から前処理装置40に供給されるバイオマス等を予熱する熱交換器を本発明のシステム100に備えることとしてもよい。   In the present embodiment, the system 100 of the present invention includes the second heat exchanger 31 that preheats the slurry using the heat of the exhaust discharged from the fluidized bed reactor 60. The system 100 of the present invention may be provided with a heat exchanger that preheats biomass or the like supplied from the mono pump 20 to the pretreatment device 40 using the heat of the exhaust discharged from the fluidized bed reactor 60. .
以上のように、本発明に係るシステム100に上述のような流動層反応器60を備えることにより、バイオマスを超臨界水によりガス化することにより得られる灰分(残渣)が流動層反応器60内に溜まることがなくなるので、バイオマスの超臨界水によるガス化処理を連続的に行うことが可能となり、バイオマスから燃料ガスをより効率的に生成することができるようになる。   As described above, by providing the fluidized bed reactor 60 as described above in the system 100 according to the present invention, ash (residue) obtained by gasifying biomass with supercritical water is contained in the fluidized bed reactor 60. Therefore, it is possible to continuously perform the gasification treatment of biomass with supercritical water, and to generate fuel gas from biomass more efficiently.
また、あらかじめバイオマスを熱水処理する前処理装置40を本発明に係るシステム100に備えることにより、バイオマスを高分子から低分子に分解することができるので、流動層反応器60において処理されるバイオマスと水や非金属系触媒との接触効率を高め、チャーやタールの発生を防止するとともにバイオマスから燃料ガスを効率よく生成することができるようになる。   Moreover, since biomass can be decomposed | disassembled into a low molecule from a polymer by providing the system 100 which concerns on this invention with the pre-processing apparatus 40 which carries out the hydrothermal treatment of biomass beforehand, the biomass processed in the fluidized bed reactor 60 The contact efficiency between water and water or non-metallic catalysts is increased, char and tar are prevented from being generated, and fuel gas can be efficiently generated from biomass.
さらに、前処理装置40においてバイオマスを熱水処理することにより流動性に優れたバイオマスのスラリー体を形成させることができるので、既存の高圧ポンプやモーノポンプ等のスラリー供給装置50を用いることにより上記スラリー体を流動層反応器60に供給することができるようになり、流動層反応器60への供給においてバイオマスによる機器や配管等の目詰まりを防止することが可能となる。   Furthermore, since the biomass slurry body excellent in fluidity can be formed by hydrothermally treating the biomass in the pretreatment device 40, the slurry can be obtained by using the slurry supply device 50 such as an existing high-pressure pump or a Mono pump. The body can be supplied to the fluidized bed reactor 60, and clogging of equipment, piping and the like due to biomass can be prevented in the supply to the fluidized bed reactor 60.
また、本発明に係るシステム100により、前処理装置40での熱水処理において用いた非金属系触媒を、流動層反応器60での水熱反応においても利用することができるので、触媒の消費を削減することができるようになる。   In addition, the non-metallic catalyst used in the hydrothermal treatment in the pretreatment device 40 can be used in the hydrothermal reaction in the fluidized bed reactor 60 by the system 100 according to the present invention. Can be reduced.
さらに、本発明に係るシステム100に、クーラー70、減圧器71、気液分離器80などを備えることにより、流動層反応器60から排出される排出物から燃料ガスを含む生成ガスを安全に回収することができるようになる。   Furthermore, by providing the system 100 according to the present invention with the cooler 70, the pressure reducer 71, the gas-liquid separator 80, etc., the produced gas containing the fuel gas can be safely recovered from the exhaust gas discharged from the fluidized bed reactor 60. Will be able to.
また、本発明に係るシステム100にバイオマスを破砕する装置(破砕ポンプ10)を備えることによりバイオマスをあらかじめ破砕することができるので、バイオマスのスラリー化やガス化の効率を高めることができるようになる。   In addition, since the biomass can be crushed in advance by providing the system 100 according to the present invention with a device (crushing pump 10) for crushing biomass, it is possible to increase the efficiency of biomass slurrying and gasification. .
さらに、本発明に係るシステム100により得られた燃料ガスを用いて、ガスエンジンによる発電を行うことで電力と排熱を得ることができるので、石炭、石油等の化石燃料の省資源化を図ることが可能になる。   Furthermore, since electric power and exhaust heat can be obtained by performing power generation with a gas engine using the fuel gas obtained by the system 100 according to the present invention, resource saving of fossil fuels such as coal and oil is achieved. It becomes possible.
なお、本実施の形態においては、非金属系触媒とバイオマスとを最初から混合した混合物を破砕ポンプ10によって処理し、モーノポンプ20により前処理装置40に供給することとしているが、非金属系触媒はバイオマスとは別に前処理装置40に供給することとしてもよいが、破砕ポンプ10で処理した後から前処理装置40で処理する前の間において、バイオマスと混合して前処理装置40に供給することとしてもよい。   In the present embodiment, the mixture obtained by mixing the nonmetallic catalyst and the biomass from the beginning is processed by the crushing pump 10 and supplied to the pretreatment device 40 by the MONO pump 20, but the nonmetallic catalyst is Although it is good also as supplying to the pre-processing apparatus 40 separately from biomass, before processing with the pre-processing apparatus 40 after processing with the crushing pump 10, mixing with biomass and supplying to the pre-processing apparatus 40 It is good.
また、本実施の形態においては、前処理装置40において熱水処理された、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体を、スラリー供給装置50を用いて流動層反応器60に直接供給することとしているが、流動層反応器60に供給する前に前記スラリー体を加熱装置(例えば、ヒーター等)によって予熱することとしてもよい。   In the present embodiment, the biomass slurry containing the non-metallic catalyst that has been hydrothermally treated in the pretreatment device 40 is directly supplied to the fluidized bed reactor 60 using the slurry supply device 50. However, the slurry body may be preheated by a heating device (for example, a heater or the like) before being supplied to the fluidized bed reactor 60.
==超臨界水によるバイオマスガス化方法==
次に、本実施の一形態として、バイオマスから燃料ガスを生成する方法について説明する。
== Biomass gasification method using supercritical water ==
Next, as one embodiment of the present invention, a method for generating fuel gas from biomass will be described.
まず、バイオマスと非金属系触媒とを混合した混合物中のバイオマスは、破砕ポンプ10により破砕されながら、非金属系触媒とともにモーノポンプ20に移送される。破砕ポンプ10により破砕されたバイオマスと非金属系触媒との混合物は、モーノポンプ20に移送される際に、水タンク11から供給される水と混合し、バイオマスの超臨界水によるガス化の効率を高めることができる所定の含水率(好ましくは70〜95wt%)に調製される。   First, the biomass in the mixture obtained by mixing the biomass and the nonmetallic catalyst is transferred to the mono pump 20 together with the nonmetallic catalyst while being crushed by the crushing pump 10. When the mixture of the biomass crushed by the crushing pump 10 and the non-metallic catalyst is transferred to the MONO pump 20, it is mixed with water supplied from the water tank 11 to increase the gasification efficiency of the biomass with supercritical water. It is prepared to a predetermined moisture content (preferably 70 to 95 wt%) that can be increased.
所定の含水率に調製された、非金属系触媒、バイオマス、及び水を含む混合液は、モーノポンプ20により第一熱交換器30を通って前処理装置40に移送される。前処理装置40に供給されたバイオマスは、バイオマスとともに供給された非金属系触媒の存在下で、所定の圧力及び所定の温度の条件下で熱水処理される。   A mixed liquid containing a nonmetallic catalyst, biomass, and water prepared to a predetermined moisture content is transferred to the pretreatment device 40 through the first heat exchanger 30 by the MONO pump 20. The biomass supplied to the pretreatment device 40 is hydrothermally treated under conditions of a predetermined pressure and a predetermined temperature in the presence of a nonmetallic catalyst supplied together with the biomass.
なお、熱水処理の条件としては、100〜250℃の範囲内の温度であって、0.1〜4MPaの範囲内の圧力下であれば特に制限されるものではないが、バイオマスを高分子から低分子へと分解する処理の効率の観点から、これらの範囲内の圧力下における水の飽和温度であることが好ましく、さらに省エネルギーの観点から、179.8℃の温度及び1.0MPaの圧力下であることが特に好ましい。ここで、熱水処理を100℃〜250℃の範囲内の温度で行うこととしたのは、100℃未満ではバイオマスの分解反応率が低く、250℃を超えるとタールやチャーの発生が懸念されるからである。また、熱水処理を0.1〜4MPaの範囲内の圧力で行うこととしたのは、0.1MPa未満ではバイオマスの分解反応率が低く、4MPaより高い圧力をかけても分解反応率に与える影響はそれ程ないのではないかと考えたためである。   The conditions for the hydrothermal treatment are not particularly limited as long as the temperature is in the range of 100 to 250 ° C. and the pressure is in the range of 0.1 to 4 MPa. From the viewpoint of the efficiency of the treatment of decomposing into low molecules, it is preferably the saturation temperature of water under a pressure within these ranges, and from the viewpoint of energy saving, a temperature of 179.8 ° C. and a pressure of 1.0 MPa It is particularly preferred that Here, the hydrothermal treatment is performed at a temperature within the range of 100 ° C. to 250 ° C. The biomass decomposition reaction rate is low below 100 ° C., and if it exceeds 250 ° C., generation of tar and char is concerned. This is because that. In addition, the hydrothermal treatment is performed at a pressure within the range of 0.1 to 4 MPa because the decomposition reaction rate of biomass is low below 0.1 MPa, and the decomposition reaction rate is given even when a pressure higher than 4 MPa is applied. This is because it was thought that there was not much influence.
このようにバイオマスを非金属系触媒の存在下で熱水処理することにより、バイオマスを高分子から低分子に効率よく分解することができるようになる。   Thus, biomass can be efficiently decomposed from a polymer to a low molecule by hydrothermal treatment of the biomass in the presence of a nonmetallic catalyst.
上述のようにして得られた、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体は、第一熱交換器30でモーノポンプ20から前処理装置40に供給される混合液に熱を提供し、スラリー供給装置50に供給される。スラリー供給装置50に供給された、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体は、スラリー供給装置50により第二熱交換器31を通って流動層反応器60に移送される。   The biomass slurry body containing the nonmetallic catalyst obtained as described above provides heat to the mixed solution supplied from the MONO pump 20 to the pretreatment device 40 by the first heat exchanger 30, and the slurry supply device. 50. The biomass slurry body containing the nonmetallic catalyst supplied to the slurry supply device 50 is transferred to the fluidized bed reactor 60 through the second heat exchanger 31 by the slurry supply device 50.
流動層反応器60に移送されたバイオマスのスラリー体は、流動層反応器60の導入口210から導入され、バイオマスとともに移送された非金属系触媒の存在下で、所定の圧力及び所定の温度の条件下で水熱処理される。水熱処理の条件としては、374℃以上の温度で、かつ、22.1MPa以上の圧力下であれば特に制限されるものではないが、タールやチャーの発生を抑制するとともに反応効率を高めることができる温度(600℃)及び圧力(25〜35MPaの範囲内)下で行うことが好ましく、機器の負担や劣化防止、さらには省エネルギーの観点から、600℃,25MPaで行うことが特に好ましい。なお、バイオマスから変換された燃料ガス中の成分の比を制御したい場合には、これらの温度及び圧力の条件を調節するとともに、流体密度や反応時間(流動層反応器60内でのバイオマスの滞留時間)を制御することにより可能となる。   The biomass slurry transferred to the fluidized bed reactor 60 is introduced from the inlet 210 of the fluidized bed reactor 60 and has a predetermined pressure and a predetermined temperature in the presence of the nonmetallic catalyst transferred with the biomass. Hydrothermally treated under conditions. The conditions for the hydrothermal treatment are not particularly limited as long as the temperature is 374 ° C. or higher and the pressure is 22.1 MPa or higher, but the generation of tar and char is suppressed and the reaction efficiency is increased. It is preferable to carry out under the temperature (600 degreeC) and pressure (within the range of 25-35 MPa) which can be performed, and it is especially preferable to carry out at 600 degreeC and 25 MPa from a viewpoint of the burden of equipment, deterioration prevention, and energy saving. In addition, when controlling the ratio of the components in the fuel gas converted from biomass, the temperature and pressure conditions are adjusted, and the fluid density and reaction time (retention of biomass in the fluidized bed reactor 60) are adjusted. This is possible by controlling the time).
このようにバイオマスのスラリー体を超臨界水で反応させることにより、バイオマスのスラリー体から燃焼ガスを生成することが可能になる。また、バイオマスを予め高分子から低分子化させることにより、水や非金属系触媒との接触効率を高めることができ、さらには、バイオマスのガス化反応時間を短縮させることができるので、バイオマスのスラリー体から水素ガス、メタン、エタン、エチレン等の燃料ガスをより効率的に生成することができるようになる。   Thus, by reacting the biomass slurry body with supercritical water, it becomes possible to generate combustion gas from the biomass slurry body. In addition, by reducing the biomass from a polymer in advance, the contact efficiency with water or a non-metallic catalyst can be increased, and furthermore, the gasification reaction time of the biomass can be shortened. Fuel gas such as hydrogen gas, methane, ethane, and ethylene can be generated more efficiently from the slurry body.
流動層反応器60内でバイオマスのスラリー体を水熱処理することにより生成された生成ガス及び灰分、並びに、非金属系触媒及び水(超臨界水)は、流動層反応器60の排出口220から排出される。これらの排出物は、第二熱交換器31において、スラリー供給装置50から流動層反応器60に供給される、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体に熱を提供し、クーラー70及び減圧器71によって冷却・減圧され、気液分離器80に供給される。気液分離器80に供給された上記排出物は、燃料ガスを含む生成ガス(気体成分)と、灰分、非金属系触媒、及び水を含む混合液(液体成分)とに分離され、生成ガスはガスタンク81に貯えられ、混合液は固液分離器82により灰分、非金属系触媒、及び水にそれぞれ分離される。   The product gas and ash produced by hydrothermally treating the biomass slurry in the fluidized bed reactor 60 and the nonmetallic catalyst and water (supercritical water) are discharged from the outlet 220 of the fluidized bed reactor 60. Discharged. These exhausts provide heat to the biomass slurry body containing the nonmetallic catalyst, which is supplied from the slurry supply device 50 to the fluidized bed reactor 60 in the second heat exchanger 31, and is supplied with a cooler 70 and a decompressor. It is cooled and depressurized by 71 and supplied to the gas-liquid separator 80. The exhaust gas supplied to the gas-liquid separator 80 is separated into a product gas (gas component) containing fuel gas and a mixed solution (liquid component) containing ash, a non-metallic catalyst, and water, and the product gas Is stored in the gas tank 81, and the mixed solution is separated into ash, non-metallic catalyst, and water by the solid-liquid separator 82.
なお、本実施の形態において用いられる非金属系触媒としては、例えば、活性炭、ゼオライトなどを挙げることができる。このように、アルカリ金属系触媒ではなく、非金属系触媒を用いることにより、アルカリ金属系触媒が引き起こす機器や配管等の腐食による劣化を防止することができ、システム100の長期使用が実現可能となる。また、アルカリ金属系触媒を中和する処理工程も不要となり、作業性の効率を高めることができるようになる。上記非金属系触媒としては、平均粒径200μm以下の粉末を用いることが好ましく、多孔質であることがより好ましい。このような非金属系触媒を用いることにより、表面積を増やして反応効率を高めるとともに、非金属系触媒によるシステム100内の機器、配管等の目詰まりを防止することができる。なお、本実施の形態において用いられる非金属系触媒は、乾燥状態のバイオマスとの質量比(非金属系触媒:バイオマス)で1:5〜20:1の範囲内であることが好ましく、バイオマスのガス化効率が高い1:2〜20:1の範囲内であることが特に好ましい。   In addition, as a nonmetallic catalyst used in this Embodiment, activated carbon, a zeolite, etc. can be mentioned, for example. Thus, by using a non-metallic catalyst instead of an alkali metal-based catalyst, it is possible to prevent deterioration due to corrosion of equipment or piping caused by the alkali metal-based catalyst, and long-term use of the system 100 can be realized. Become. In addition, a processing step for neutralizing the alkali metal catalyst is not required, and the efficiency of workability can be improved. As the non-metallic catalyst, it is preferable to use a powder having an average particle size of 200 μm or less, and more preferably porous. By using such a nonmetallic catalyst, it is possible to increase the surface area and increase the reaction efficiency, and to prevent clogging of equipment, piping and the like in the system 100 due to the nonmetallic catalyst. In addition, it is preferable that the nonmetallic catalyst used in this Embodiment is in the range of 1: 5-20: 1 by mass ratio (nonmetallic catalyst: biomass) with dry biomass, The gasification efficiency is particularly preferably in the range of 1: 2 to 20: 1.
また、本実施の形態において処理されるバイオマスが砂等の異物を含む排水汚泥や糞尿等である場合には、前処理装置40においてバイオマスを熱水処理する前後に、公知の分離技術(例えば、ストレイナーを用いた分離法、沈殿層を用いた分離法)によってバイオマスに含まれる砂等の異物を取り除くこととしてもよい。これにより、砂等の異物によって生じるトラブルを防止することができるようになる。   Further, when the biomass to be treated in the present embodiment is wastewater sludge or manure containing foreign matters such as sand, before and after the hot water treatment of the biomass in the pretreatment device 40, a known separation technique (for example, It is also possible to remove foreign substances such as sand contained in the biomass by a separation method using a strainer or a separation method using a sediment layer. As a result, troubles caused by foreign matters such as sand can be prevented.
以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. These examples are for explaining the present invention, and do not limit the scope of the present invention.
[実施例1]
含水率90%のジャガイモペースト100質量部に、粒径100μmの活性炭を30質量部、又は60質量部加えて撹拌混合し、高圧ポンプにより流動層反応器に圧入し、500℃,25MPaの条件下で1時間、超臨界水による反応を行った。また、対照実験として、活性炭を添加しないで同様に超臨界水によるガス化反応を行った。その結果、活性炭を添加しない場合には、二酸化炭素に換算してガス化率が20%以下であるのに対し、活性炭を30質量部添加した場合には、ガス化率が30%と上昇することが明らかになった。また、活性炭を60質量部と増量させた場合には、ガス化率が60%とさらに上昇することが明らかになった。
[Example 1]
30 parts by mass or 60 parts by mass of activated carbon having a particle size of 100 μm is added to 100 parts by mass of a potato paste having a water content of 90%, and the mixture is stirred and mixed. The reaction with supercritical water was carried out for 1 hour. As a control experiment, a gasification reaction with supercritical water was similarly performed without adding activated carbon. As a result, when no activated carbon is added, the gasification rate is 20% or less in terms of carbon dioxide, whereas when 30 parts by mass of activated carbon is added, the gasification rate increases to 30%. It became clear. It was also found that when the amount of activated carbon was increased to 60 parts by mass, the gasification rate further increased to 60%.
[実施例2]
次に、水80質量部、セルロース粉末20質量部、及び平均粒径100μmの活性炭20質量部を撹拌混合してスラリーを調製した。その後、攪拌機を備えた167mlのオートクレーブにスラリー40mlを注入し、圧力25MPaで撹拌しながら400℃まで温度上昇させて1時間保持して超臨界水によるガス化反応を行った。反応後、室温まで冷却し、生成ガスを回収して炭素ガス化率を求めた。また、対照実験として、活性炭を添加せずに同様の処理を行った。その結果、活性炭を添加しない場合には炭素ガス化率が10%であるのに対し、活性炭を添加した場合には炭素ガス化率が30%と上昇することが明らかになった。
[Example 2]
Next, 80 parts by mass of water, 20 parts by mass of cellulose powder, and 20 parts by mass of activated carbon having an average particle size of 100 μm were stirred and mixed to prepare a slurry. Thereafter, 40 ml of the slurry was poured into a 167 ml autoclave equipped with a stirrer, and the temperature was raised to 400 ° C. while stirring at a pressure of 25 MPa and held for 1 hour to perform a gasification reaction with supercritical water. After the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature, and the product gas was recovered to determine the carbon gasification rate. As a control experiment, the same treatment was performed without adding activated carbon. As a result, it was found that the carbon gasification rate was 10% when no activated carbon was added, whereas the carbon gasification rate increased to 30% when activated carbon was added.
以上のことから、非金属系触媒の添加によりガス化効率を高めるとともに、増量添加によってさらにガス化効率を高めることができることが明らかになった。また、活性炭を含むバイオマスのスラリー体を流動層反応器に供給しても、スラリー体に含まれる活性炭が触媒として作用し、バイオマスのガス化を効率よく行うことができることが示された。   From the above, it has been clarified that the gasification efficiency can be increased by the addition of the nonmetallic catalyst and the gasification efficiency can be further increased by the addition of the increased amount. Further, it was shown that even when a biomass slurry containing activated carbon is supplied to the fluidized bed reactor, the activated carbon contained in the slurry acts as a catalyst, and the biomass can be efficiently gasified.
[実施例3]
図2に示すように、導入口210及び排出口220を設けた流動層反応器60(φ12.3mm×2400mm)の下方に分散板(網)を備え、平均粒径が1mmのアルミナボールを流動媒体として設置した。この流動層反応器60に、バイオマス(灰)や非金属系触媒の代わりにアルミナ粒子(平均粒径が180〜250μm、あるいは、平均粒径が250〜300μm)を水に混合した混合液を、アルミナ粒子が飛び出し、流動媒体であるアルミナボールが飛び出さない流量(0.19m/s〜0.60m/s)で導入口210から導入し、排出口220から排出されたアルミナ粒子を回収した。
[Example 3]
As shown in FIG. 2, a dispersion plate (net) is provided below a fluidized bed reactor 60 (φ12.3 mm × 2400 mm) provided with an inlet 210 and an outlet 220, and alumina balls having an average particle diameter of 1 mm are fluidized. Installed as a medium. In this fluidized bed reactor 60, instead of biomass (ash) or a non-metallic catalyst, a mixed liquid in which alumina particles (average particle size is 180 to 250 μm, or average particle size is 250 to 300 μm) is mixed with water, Alumina particles were ejected and introduced from the inlet 210 at a flow rate (0.19 m / s to 0.60 m / s) at which the alumina ball as the fluid medium did not eject, and the alumina particles discharged from the outlet 220 were collected.
その結果、平均粒径が180〜250μmのアルミナ粒子を流動層反応器60に導入した場合には97.5%のアルミナ粒子を回収することができ、平均粒径が250〜300μmのアルミナ粒子を流動層反応器60に導入した場合には98.9%のアルミナ粒子を回収することができることがわかった。このことから、上述のような流動層反応器60に、非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体(平均粒径が300μm以下)を所定の流量(例えば、流動媒体が排出口から飛び出さない最大流量)で導入口210から導入しながら、所定の温度及び所定の圧力下で水熱反応を行うことにより、生成された生成ガスや灰分、並びに、非金属系触媒や水(超臨界水)を排出口220から排出できることが示された。   As a result, when alumina particles having an average particle size of 180 to 250 μm are introduced into the fluidized bed reactor 60, 97.5% alumina particles can be recovered, and alumina particles having an average particle size of 250 to 300 μm are recovered. When introduced into the fluidized bed reactor 60, it was found that 98.9% alumina particles could be recovered. From this, a biomass slurry containing a nonmetallic catalyst (average particle size of 300 μm or less) is supplied to the fluidized bed reactor 60 as described above at a predetermined flow rate (for example, the maximum at which the fluidized medium does not jump out from the discharge port). The generated product gas and ash as well as the nonmetallic catalyst and water (supercritical water) are obtained by performing a hydrothermal reaction at a predetermined temperature and a predetermined pressure while being introduced from the inlet 210 at a flow rate). It was shown that it can be discharged from the outlet 220.
本発明の一実施形態として説明する超臨界水によるバイオマスガス化システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the biomass gasification system by the supercritical water demonstrated as one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態として説明する流動層反応器の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fluidized bed reactor demonstrated as one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態として説明する固液分離器の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the solid-liquid separator demonstrated as one Embodiment of this invention.
符号の説明Explanation of symbols
10 破砕ポンプ 11 水タンク
20 モーノポンプ 30 第一熱交換器
31 第二熱交換器 40 前処理装置
50 スラリー供給装置 60 流動層反応器
70 クーラー 71 減圧器
80 気液分離器 81 ガスタンク
82 固液分離器 90 バーナー
100 超臨界水によるバイオマスガス化システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Crushing pump 11 Water tank 20 Mono pump 30 1st heat exchanger 31 2nd heat exchanger 40 Pretreatment apparatus 50 Slurry supply apparatus 60 Fluidized bed reactor 70 Cooler 71 Depressurizer 80 Gas-liquid separator 81 Gas tank 82 Solid-liquid separator 90 Burner 100 Biomass gasification system using supercritical water

Claims (18)

  1. 非金属系触媒の存在下において、バイオマスを100〜250℃の範囲内の温度、及び0.1〜4MPaの範囲内の圧力の条件下で熱水処理する前処理装置と、
    前記前処理装置において熱水処理することにより得られた、前記非金属系触媒を含む前記バイオマスのスラリー体を、374℃以上の温度、及び22.1MPa以上の圧力の条件下で水熱処理する流動層反応器と、
    を備え、
    前記流動層反応器は、
    前記流動層反応器内に前記スラリー体を下方から導入する導入口と、
    前記流動層反応器において水熱処理することにより生成された生成ガス及び灰分、並びに、前記非金属系触媒及び水を上方から前記流動層反応器外に排出する排出口と、
    前記スラリー体の導入により前記流動層反応器内に流動層を形成する流動媒体と、
    前記導入口から導入した前記スラリー体を、前記流動層の下方で分散させる分散部と、
    を備え、
    前記流動媒体は、前記スラリー体の導入速度では排出されない形状で構成されており、
    前記分散部を、アルミナボールを積み重ねることにより形成することを特徴とする超臨界水によるバイオマスガス化システム。
    A pretreatment apparatus for hydrothermally treating biomass in the presence of a nonmetallic catalyst under conditions of a temperature in the range of 100 to 250 ° C and a pressure in the range of 0.1 to 4 MPa;
    Fluid obtained by hydrothermally treating the biomass slurry containing the nonmetallic catalyst obtained by hydrothermal treatment in the pretreatment apparatus under conditions of a temperature of 374 ° C. or higher and a pressure of 22.1 MPa or higher A bed reactor,
    With
    The fluidized bed reactor is
    An inlet for introducing the slurry body into the fluidized bed reactor from below;
    A product gas and ash produced by hydrothermal treatment in the fluidized bed reactor, and a discharge port for discharging the non-metallic catalyst and water from above to the fluidized bed reactor;
    A fluidized medium that forms a fluidized bed in the fluidized bed reactor by introducing the slurry body;
    A dispersion part for dispersing the slurry introduced from the introduction port below the fluidized bed;
    With
    The fluid medium is configured in a shape that is not discharged at the introduction speed of the slurry body ,
    Wherein the dispersing section, biomass gasification system according to supercritical water characterized that you formed by stacking alumina balls.
  2. 前記流動層反応器から排出された、前記生成ガス、前記灰分、前記非金属系触媒、及び前記水を、前記生成ガスと、前記灰分、前記非金属系触媒、及び水を含む混合液とに分離する気液分離装置をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のシステム。   The product gas, the ash content, the nonmetallic catalyst, and the water discharged from the fluidized bed reactor are mixed into the product gas and a mixed solution containing the ash content, the nonmetallic catalyst, and water. The system according to claim 1, further comprising a gas-liquid separator for separating.
  3. 前記混合液中の前記非金属系触媒を回収する手段をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載のシステム。   The system according to claim 2, further comprising means for recovering the nonmetallic catalyst in the mixed solution.
  4. 前記生成ガスの一部を利用して前記流動層反応器を加熱する加熱装置をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のシステム。   The system according to claim 1, further comprising a heating device that heats the fluidized bed reactor using a part of the product gas.
  5. 前記前処理装置で熱水処理する前記バイオマスをあらかじめ破砕する破砕機をさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のシステム。   The system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a crusher that crushes in advance the biomass to be hydrothermally treated by the pretreatment device.
  6. 前記流動層反応器において水熱処理される前記スラリー体を前記流動層反応器に供給する手段と、
    前記排出口から排出された、前記生成ガス、前記灰分、前記非金属系触媒、及び水を含む排出物の熱を利用して、前記流動層反応器に供給される前記スラリー体を予熱する熱交換器と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のシステム。
    Means for supplying the slurry body hydrothermally treated in the fluidized bed reactor to the fluidized bed reactor;
    Heat that preheats the slurry body supplied to the fluidized bed reactor using heat of the exhaust gas containing the product gas, the ash, the nonmetallic catalyst, and water discharged from the discharge port. An exchange,
    The system according to claim 1, further comprising:
  7. 前記前処理装置において熱水処理される前記バイオマスを前記前処理装置に供給する手段と、
    前記スラリー体の熱を利用して、前記前処理装置に供給される前記バイオマスを予熱する熱交換器と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のシステム。
    Means for supplying the biomass to be subjected to hydrothermal treatment in the pretreatment device to the pretreatment device;
    A heat exchanger that preheats the biomass supplied to the pretreatment device using the heat of the slurry body;
    The system according to claim 1, further comprising:
  8. 前記前処理装置において熱水処理される前記バイオマスを前記前処理装置に供給する手段と、
    前記排出口から排出された、前記生成ガス、前記灰分、前記非金属系触媒、及び水を含む排出物の熱を利用して、前記前処理装置に供給される前記バイオマスを予熱する熱交換器と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のシステム。
    Means for supplying the biomass to be subjected to hydrothermal treatment in the pretreatment device to the pretreatment device;
    A heat exchanger that preheats the biomass supplied to the pretreatment device using the heat of the exhaust gas containing the product gas, the ash, the nonmetallic catalyst, and water discharged from the discharge port. When,
    The system according to claim 1, further comprising:
  9. 前記前処理装置での熱水処理を、所定の圧力及び当該圧力における水の飽和温度の条件下で行うことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のシステム。   The system according to claim 1, wherein the hot water treatment in the pretreatment apparatus is performed under conditions of a predetermined pressure and a saturation temperature of water at the pressure.
  10. 前記流動媒体が、アルミナボールであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のシステム。   The system according to claim 1, wherein the fluid medium is an alumina ball.
  11. 前記非金属系触媒が、活性炭であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のシステム。 A system according to any one of claims 1 to 10, wherein the non-metallic catalyst, characterized in that activated carbon.
  12. 前記活性炭が、平均粒径200μm以下の粉末であることを特徴とする請求項11に記載のシステム。 The system according to claim 11 , wherein the activated carbon is a powder having an average particle size of 200 μm or less.
  13. 前記流動層反応器での水熱処理を、600℃の温度、及び25MPaの圧力の条件下で行うことを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載のシステム。 A system according to any one of claims 1 to 12, wherein the hydrothermal treatment in a fluidized bed reactor, and carrying out under the conditions of 600 ° C. temperature, and pressure of 25 MPa.
  14. 超臨界水によりバイオマスをガス化する超臨界水バイオマスガス化装置であって、
    前記装置内に非金属系触媒を含む前記バイオマスのスラリー体を下方から導入する導入口と、
    前記装置内で前記スラリー体を、374℃以上の温度、及び22.1MPa以上の圧力の条件下で水熱処理することにより生成された生成ガス及び灰分、並びに、前記非金属系触媒及び水を上方から前記装置外に排出する排出口と、
    前記スラリー体の導入により前記装置内に流動層を形成する流動媒体と、
    前記導入口から導入した前記スラリー体を、前記流動層の下方で分散させる分散部と、
    を備え、
    前記流動媒体は、前記スラリー体の導入速度では排出されない形状で構成されており、
    前記分散部を、アルミナボールを積み重ねることにより形成することを特徴とする超臨界水バイオマスガス化装置。
    A supercritical water biomass gasifier that gasifies biomass with supercritical water,
    An inlet for introducing the biomass slurry containing the nonmetallic catalyst into the apparatus from below;
    Inside the apparatus, the slurry body is hydrothermally treated under conditions of a temperature of 374 ° C. or higher and a pressure of 22.1 MPa or higher, and the generated gas and ash, and the nonmetallic catalyst and water are moved upward. A discharge port for discharging from the device to the outside,
    A fluidized medium that forms a fluidized bed in the apparatus by introducing the slurry body;
    A dispersion part for dispersing the slurry introduced from the introduction port below the fluidized bed;
    With
    The fluid medium is configured in a shape that is not discharged at the introduction speed of the slurry body ,
    The dispersing portion, supercritical water biomass gasification apparatus characterized that you formed by stacking alumina balls.
  15. 前記流動媒体が、アルミナボールであることを特徴とする請求項14に記載の装置。 The apparatus of claim 14 , wherein the fluid medium is an alumina ball.
  16. 前記非金属系触媒が、活性炭であることを特徴とする請求項14又は15に記載の装置。 The apparatus according to claim 14 or 15 , wherein the nonmetallic catalyst is activated carbon.
  17. 前記活性炭が、平均粒径200μm以下の粉末であることを特徴とする請求項16に記載のシステム。 The system according to claim 16 , wherein the activated carbon is a powder having an average particle size of 200 μm or less.
  18. 前記水熱処理を、600℃の温度、及び25MPaの圧力の条件下で行うことを特徴とする請求項1417のいずれかに記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 14 to 17 , wherein the hydrothermal treatment is performed under conditions of a temperature of 600 ° C and a pressure of 25MPa.
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