JP5136831B2 - バイオマスから炭化水素を製造する装置 - Google Patents

バイオマスから炭化水素を製造する装置 Download PDF

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Description

本発明は、草木等のバイオマスを原料として生成した水素や一酸化炭素を反応物とし、生成物として炭化水素系の液体又は気体を合成する装置に係り、特に炭化水素の合成方法としてフィッシャー・トロプシュ法（以下、ＦＴ法と称す）を利用した炭化水素の製造装置に関するものである。
従来、液体の炭化水素を合成するＦＴ法による石油代替合成燃料の合成は、天然ガスを部分燃焼させたり、或いは水蒸気を石炭で還元することによって得た水素と一酸化炭素を、高温、高圧下で触媒反応させることによってなされていた。このＦＴ法によれば、石油資源が枯渇した場合や高騰した際には、ＦＴ法で天然ガスや石炭から一時的に石油代替燃料を合成することができるということからも様々な検討や改良、調製が成されてきた。
ところが、従来のＦＴ法による炭化水素燃料の合成方法及び合成装置では、非常に大きな圧力を必要とする上、高圧の要求に伴って装置が大型化してしまうという問題を呈していた。
他方、近年、再生可能資源の利用が強く求められるようになると共に、これに伴ってバイオマスのエネルギー利用の必要性が強く認識されるに至った。これは、石油代替燃料として、天然ガスや石炭の直接利用或いは先述のＦＴ法を用いた天然ガスや石炭からの合成燃料は一定の有用性が認められるものの、二酸化炭素の放出に起因する地球温暖化や再生可能性などの観点から依然として大きな課題を残しているのに対し、バイオマスのエネルギー利用にあっては、炭素循環に基づく再生可能性や量的可能性という観点からも期待が大きいということによっている。
このような期待に応えるべく、これまでに本発明者等は、特許文献１や特許文献２に開示したバイオマスを原料や燃料として水素や一酸化炭素を生成するためのバイオマスのガス化装置や高温燃焼ガスの発生装置の開発を進行させてきている。
しかしながら、特許文献１などの従来のバイオマスガス化装置では、バイオマス原料から水素や一酸化炭素を得ることが量的にも質的にも困難であったこともあり、これまでバイオマスを原料として得た水素や一酸化炭素を反応物としつつ、ＦＴ法を用いることによって液体又は気体の炭化水素燃料を合成する装置は皆無であった。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、草木等のバイオマスを原料として生成した水素と一酸化炭素とを反応物とし、小型で且つ低圧でありながら高い収率で、生成物としての液体乃至気体の炭化水素燃料を合成することができる、バイオマスから炭化水素を製造する装置を提供することを目的とする。
本発明のバイオマスから炭化水素を製造する装置は、バイオマスを原料及び燃料として水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスを生成するバイオマスガス化装置と、このバイオマスガス化装置によって生成した該混合ガスを加圧する加圧手段と、該混合ガスを適温に調整するための温度調整手段と、該加圧手段によって加圧されつつ該温度調整手段によって適宜の温度に保たれた混合ガスを反応物として所定の触媒反応をさせることによって生成物として炭化水素を得るための触媒と、この触媒を配設して成り適宜の圧力と温度にした混合ガスを該触媒に接触させて所定の触媒反応をさせるための反応室と、該触媒反応によって生成した炭化水素を液化するための液化手段と、この液化手段によって液化した液化炭化水素を回収するための回収手段とからなる。
反応室は、混合ガスを導入する導入口と、該反応室内において触媒反応したことによって生成した炭化水素と未反応の該混合ガスとを排出する排出口とを備え、該導入口から該排出口に至る経路上に触媒が配設されて成ることを特徴としている。
反応室は、該反応室の上部に混合ガスを導入する導入口を有し、該反応室の下部に、該反応室内において該混合ガスが触媒反応したことによって生成した炭化水素と未反応分の該混合ガスとを排出する排出口を有し、且つ、該導入口から上記排出口に至る経路上に前記触媒が配設されて成り、該反応室が複数配設され、最上流に位置する反応室の導入口はバイオマスガス化装置によって生成された混合ガスを導入し得るように該バイオマスガス化装置に連通され、該最上流に位置する反応室の排出口は該反応室の直下流に位置する反応室の導入口に連通し、以下、直上流に位置する反応室の排出口が、その直下流に位置する反応室の導入口に連通するように構成されることを特徴としている。
液化手段は、上流側に導入口を、下流側に未反応分の混合ガスを排出するための排出口と、液化した炭化水素を抽出する抽出口とを有する液化室と、この液化室を冷却するための冷却手段とを備え、導入口が該液化室の上流側に位置する反応室の排出口に連通し、該排出口が該液化室の下流側に位置する反応室の導入口に連通することを特徴としている。
液化した炭化水素を回収する回収手段は、複数の液化室の各抽出口に連通したパイプラインを含み、該パイプラインはその経路上に配設されたバルブによって開閉自在に構成されたものであることを特徴としている。
混合ガスを反応室内に導入するための導入口の上流側には、該反応室内に該混合ガスを導入する事前に該混合ガスを所定の温度に調整するための温度調整手段を介在させることを特徴としている。
反応室は、恒温室内温度調節手段によって所定の温度に調整された空気を取り入れるための空気取入口と空気を排出するための空気排出口とを有して成る、断熱材によって画成されて構成される恒温室の内部に配設されることを特徴としている。
触媒は、鉄、銅から選択される一方又は両方の物質の単体又は化合物を基本触媒とすると共に、マグネシウム、カルシウム、コバルト、ニッケル、カリウム、ナトリウムから選択される一つ以上の物質を助勢触媒として付加し、且つ、ゼオライト、アルミナ、シリカから選択される一つ以上の物質の単体又は化合物を担持させて成ることを特徴としている。
バイオマスガス化装置は、断熱性を有する壁材によって画成されて成る断熱室と、この断熱室内に熱伝導性を有する壁材によって画成され且つ直径約２ｃｍ以下に粗粉砕された原料バイオマスを内部に導入する原料バイオマス導入手段と過熱水蒸気を内部に導入する過熱水蒸気導入手段とを有するガス化反応室と、該断熱室と該ガス化反応室との間の空間に燃焼高温ガスを供給する燃焼高温ガス発生装置とを備え、該ガス化反応室内に導入した原料バイオマスと過熱水蒸気とを、該ガス化反応室を成す熱伝導を有する壁材を介して、該燃焼高温ガス発生装置から該断熱室と該ガス化反応室との間の空間に供給された燃焼高温ガスによって加熱し、該原料バイオマスと該過熱水蒸気とを吸熱反応させることによって、水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスを生成するように構成されることを特徴としている。
燃焼高温ガス発生装置は、燃料バイオマスを完全燃焼させることによって８００℃以上の温度の燃焼高温ガスを発生させ、発生させた該燃焼高温ガスを断熱室とガス化反応室との間の空間に供給することを特徴としている。
本発明のバイオマスから炭化水素を製造する装置は、複数の反応室を直列に連結して段階的に未反応分の混合ガスを触媒反応させるように構成したことによって、比較的低圧であるにも拘わらず、高い収率で炭化水素を得ることが可能であるという効果がある。
また、本発明は、反応室の温度維持を、簡便な方法で温度制御し得る恒温室の内部に該反応室を配設して行なうように構成したことによって、単純な構成でありながらも簡便に温度維持が可能となり、装置の複雑化を招くことなく、メンテナンスも容易で実用性が高く、バイオマスから炭化水素を製造する装置全体としての運転上の信頼性を向上させることができるという効果がある。
また、本発明においては、外部から隔壁を介して熱供給して原料バイオマスと過熱水蒸気とを反応させる方式のバイオマスガス化装置を採用することによって、高効率にバイオマスをガス化することが可能となり、それによって安定した生成量の水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスを得ることができるという効果がある。
更に、再生可能型のエネルギによる水の電気分解によって得た水素を、バイオマスガス化装置から得られる水素と一酸化炭素を主成分とする混合ガスに補填するようにしたことによって、原料バイオマスからの炭化水素の収量を著しく増加させることができるという効果がある。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面（図１乃至図５）を参照しながら詳細に説明する。
まず、バイオマスから炭化水素を製造する方法について、簡単に説明する。
粉状乃至チップ状にしたバイオマスを原料として、この原料バイオマスを８００℃以上に加熱すると共に８００℃以上の水蒸気と接触させることによって水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスを生成し、このバイオマス由来の該混合ガスを反応物とし、この反応物をＦＴ法によって炭化水素に転換し後、液化することによって、液体炭化水素系の合成燃料を得るものである。
具体的には、バイオマス由来の水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスから液体炭化水素を合成する方法は、該混合ガスを１５０℃乃至３００℃にすると共に、３ＭＰａ未満の圧力をかけて、所定の触媒に接触させ、化１に代表されるような所定の触媒反応をさせることによって、該水素と一酸化炭素とを気相の炭化水素に転換し、その気相炭化水素を水や空気等の冷媒物質との間で熱交換することによって冷却して液体の炭化水素を得るものである。
触媒は、鉄、銅から選択される一方又は両方の物質の単体又は化合物を基本触媒とすると共に、マグネシウム、カルシウム、コバルト、ニッケル、カリウム、ナトリウムから選択される一つ以上の物質の単体又は化合物を助勢触媒として付加し、且つ、ゼオライト、アルミナ、シリカから選択される一つ以上の物質を担持させて構成される。
例えば、触媒としては、従来公知のＦＴ触媒と、ゼオライト等の固体酸触媒とを複合させて触媒を構成したものを用いることが可能であり、この場合、触媒反応としては、水素と一酸化炭素とから成る混合ガスが先ず、該ＦＴ触媒上において反応して重質炭化水素が生成する。
次いで、この重質炭化水素は、隣接する固体酸触媒上において分解し、より軽質な分岐炭化水素になる。このような構成の触媒によれば、水素と一酸化炭素とからなる混合ガスから炭化水素を合成することができる上、従来問題となっていたＦＴ触媒上で蓄積してしまうワックスの分解除去が自動的になされ、触媒の失活やワックスによる混合ガスの拡散失速を抑制することができるという利点もある。
前記ＦＴ触媒は、予め空気中において２００℃で２時間乾燥させたシリカゲルに硝酸コバルトをincipient wetness法で含浸させた後、１２０℃で１２時間乾燥させ、その後、４００℃で２時間焼成することによって調整して所要のコバルト担持量のコバルト系ＦＴ触媒を得ることが可能である。また、所定量の硝酸鉄、硝酸銅、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウムを水５００ｍＬに溶解させて、この溶液と２０ｇ／５００ｍＬに調整した炭酸ナトリウム水溶液とを、６０℃、ｐｈ８に調整してある５００ｍＬの水に、同時に攪拌しながら滴下し沈殿物を生成させ、全て溶液を滴下した後、更に１時間攪拌してから沈殿物を濾過し、蒸留水で洗浄して乾燥し、４００℃で時間焼成することで鉄系ＦＴ触媒を調整して得ることも可能である。
更に、上述のようなゼオライトとＦＴ触媒とを複合して成る複合触媒は、先に調整した前記コバルトＦＴ触媒と、ゼオライトとを混合しつつ、テトラエチルオルトシリケート、硝酸アルミニウム、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、水、エタノールを用いてゾル前駆溶液を調整し、これをオートクレーブに入れて１８０℃で水熱合成することによって調整して得ることが可能である。また、先に調整した前記鉄系ＦＴ触媒と、ゼオライトとを混合した後、一軸成形機で６００ｋｇｆ／ｃｍ２の成形圧で２０分間加圧することによって得ることが可能である。そして、これらコバルト系ＦＴ触媒とゼオライト系触媒とを複合して成るコバルト系複合触媒と、鉄系ＦＴ触媒とゼオライト系触媒とを複合して成る鉄系複合触媒とを混合して複合的に触媒として用いてもよい。
また、前記混合ガスを、前記触媒に接触させ、所定の触媒反応によって炭化水素に転換する方法は、単一の段階だけで行なってもよいが、より好ましくは、バイオマス由来の水素と一酸化炭素とを主成分として成る混合ガスを、先ず第一の段階として触媒に接触させて所定の反応によって炭化水素に転換しつつ、この段階を経た後、第一段階において残留した未反応分の混合ガスを再び前記触媒と同等の触媒に接触させて上記触媒反応によって炭化水素に転換するという第二段階を経て、更に、その後、同様の段階を第三段階、第四段階というように、予め設定された所定数段階経るようにして、混合ガスに対して繰り返し所定の触媒反応を施し、段階的に未反応分の混合ガスを炭化水素に転換しつつ、該混合ガスの量を減少させるようにする。
なお、バイオマス以外の再生可能型エネルギーの動力によって水を電気分解して得られた水素を、上記バイオマス由来の混合ガスに補填するようにしてもよく、この場合、原料バイオマス当たりの炭化水素の収量を著しく向上させることが可能となる。
以下に本発明のバイオマスから炭化水素を製造する方法を具体的に実施するための装置を説明する。
本実施形態におけるバイオマスから炭化水素を製造するための装置１は、図１に示すように、原料バイオマスＭＢとこの原料バイオマスＭＢのガス化用の過熱水蒸気Ｓ、及び、燃料バイオマスＦＢとこの燃料バイオマスＦＢの燃焼用の空気Ａとを供給して、水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスＧを生成するバイオマスガス化装置１０１と、このバイオマスガス化装置１０１によって生成した混合ガスＧを精製するクリーンアップ手段２０１と、クリーンアップされた混合ガスＧを一時的に貯留するガスタンク３０１と、混合ガスＧを加圧する加圧ポンプ４０１と、加圧された混合ガスＧを炭化水素に転換するための炭化水素合成装置５０１とを備える。
バイオマスガス化装置１０１は、図２乃至図４に示すように、内外の熱の出入りを遮断するための断熱室１１０と、この断熱室１１０内に配設されるガス化反応室１２０と、このガス化反応室１２０内に直径約２ｃｍ以下に粗粉砕された原料バイオマスＭＢを導入するための原料バイオマス導入手段１３０と、該ガス化反応室１２０内に過熱水蒸気Ｓを導入するための過熱水蒸気導入手段１４０と、断熱室１１０とガス化反応室１２０との間の空間に燃焼高温ガスＢを供給する燃焼高温ガス発生装置１５０とを備える。
ガス化反応室１２０内の適当な高さ位置には、上下に連通した複数の貫通穴を有し該ガス化反応室１２０内を上下に画成する多穴体１２１が配設される。またガス化反応室１２０には、該ガス化反応室１２０内に生じた灰分を外部に排出するための灰分排出手段１２２と、該ガス化反応室１２０内において生成した水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスＧを外部に排出するための混合ガス排出手段１２３とを備える。
断熱室１１０は、その内外の熱の出入りを遮断するためのものであり、特に該断熱室１１０の内側を高温にして所要の温度、好ましくは８００℃以上に保持することが出来るように構成される。断熱室１１０は、従来公知の断熱材を利用して構成することが出来、該断熱室１１０内に配設されるガス化反応室１２０を囲繞することが出来るものであればよく、形状や大きさ等は適宜設定することが可能であるが該断熱室１１０の内面と該ガス化反応室１２０の外面との間に間隙を持たせて、該間隙に燃焼高温ガス発生装置１５０によって発生させた燃焼高温ガスＢを導入してガス化反応室１２０をその壁外から加熱することができるようにする。
断熱室１１０には、原料バイオマス導入手段１３０や過熱水蒸気導入手段１４０、混合ガス排出手段１２３或いは灰分排出手段１２２を該断熱室１１０の外部に繋げるための内外に連通した連通口を、それぞれ原料バイオマス導入手段１３０、過熱水蒸気導入手段１４０、混合ガス排出手段１２３、灰分排出手段１２２等に密接させて熱が洩れないように形成する。
また、断熱室１１０には、その内外に連通した燃焼高温ガス導入口１１１と、燃焼高温ガス排出口１１２とを形成し、燃焼高温ガス発生装置１５０から該断熱室１１０内に燃焼高温ガスＢを供給したり、或いは排出したりすることが出来るように構成する。
ガス化反応室１２０は、熱伝導性の壁材で画成されて成り、その内部に所定の容積及び表面積のガス化空間１２４を有し、該ガス化反応室１２０を構成する該壁材の外面は断熱室１１０の壁面によって囲繞される。このガス化反応室１２０には、外部から該ガス化反応室１２０内に原料バイオマスＭＢを導入するための原料バイオマス導入口１２５と、外部から該ガス化反応室１２０内に過熱水蒸気Ｓを導入するための過熱水蒸気導入口１２６とが形成され、それぞれ原料バイオマス導入手段１３０、過熱水蒸気導入手段１４０に連結され、原料バイオマスＭＢと過熱水蒸気Ｓとを、該ガス化反応室１２０内に導入することが出来るように構成される。
原料バイオマス導入口１２５は、ガス化反応室１２０の上部に形成され、該原料バイオマス導入口１２５を通じて外部から該ガス化反応室１２０内に導入される原料バイオマスＭＢが、該ガス化反応室１２０内において落下し、その落下過程においてガス化することが出来るように構成される。
過熱水蒸気導入口１２６は、ガス化反応室１２０の下部に形成され、該過熱水蒸気導入口１２６を通じて外部から該ガス化反応室１２０内に導入される過熱水蒸気Ｓが、該ガス化反応室１２０内において上昇流として導入することが出来るように構成される。
また、ガス化反応室１２０には、その内部において生成した混合ガスＧを該ガス化反応室１２０から排出するための混合ガス排出口１２７と、該ガス化反応室１２０内において原料バイオマスＭＢと過熱水蒸気Ｓとのガス化に伴って微量ながら生じた灰分を排出するための灰分排出口１２８とを有し、それぞれ混合ガス排出手段１２３、灰分排出手段１２２に連結され、該ガス化反応室１２０内において生成した混合ガスＧや灰分を外部に排出することが出来るように構成される。
混合ガス排出口１２７は、ガス化反応室１２０の側面の適当な高さ位置、好ましくは、多穴体１２１の配設高さ位置よりも上部位置に形成される。これに対して、灰分排出口１２８は、ガス化反応室１２０の底部に形成し、多穴体１２１よりも下側であり且つ灰分の堆積時には自重で落下して外部に取り出すことが出来るように構成される。
ガス化反応室１２０を成す壁材は、熱伝導性や耐熱性や熱衝撃性に優れた素材から成り、該ガス化反応室１２０の外部から内部に熱を伝達し易くすると共に、所要の温度や温度変化に耐え得るように構成する。ガス化反応室１２０内のガス化空間１２４の容積及び形状は、所要のガス化処理量に応じて適宜設定することが可能であるが、該ガス化空間１２４はガス化の対象である原料バイオマスＭＢを適宜量存在させることが出来る大きさ及び形状の空間に設定する。ガス化反応室１２０内の表面積は、所要のガス化処理量に応じて適宜設定することが可能である。
ガス化反応室１２０内は、上下方向の適当な高さ位置に配設される適当な厚さの多穴体１２１によって上下に画成される。この多穴体１２１は、所要の高温に耐え得る金属若しくはセラミックス製で全体として略板状を成し、その上下に貫通した多数の貫通穴を有して成る。この貫通穴の大きさは、水蒸気が難なく通過し得、未ガス化状態の原料バイオマスＭＢが通過し難い程度の直径に設定することが好ましい。また、多穴体１２１は、若干水平から傾斜させて配設してもよい。
原料バイオマス導入手段１３０は、ガス化反応室１２０に形成される原料バイオマス導入口１２５に連通し、断熱室１１０に形成される連通口を通して該断熱室１１０の外部までほぼ垂直に延出した所定の内径及び長さの、耐熱素材から成るパイプと、この上端に出口が連結され、ほぼ水平に延びたスクリュを内装して成るスクリュフィーダ１３１と、このスクリュフィーダ１３１に原料バイオマスＭＢを供給するためのホッパ１３２とを備える。
このスクリュフィーダ１３１は、ほぼ水平方向に所定の長さ延びた円筒体と、この円筒体の内部に回転自在に内装される該円筒体とほぼ同等の長さを有するスクリュと、このスクリュの一端に配設され、該スクリュを駆動するアクチュエータとを備える。アクチュエータを配設した逆側の先端部付近には、スクリュの回動によって送給された原料バイオマスＭＢをスクリュフィーダ１３１から排出するための出口が円筒体に形成され、該円筒体における該アクチュエータ付近の上部には、ホッパ１３２から該原料バイオマスＭＢを該スクリュフィーダ１３１に取り込むための入口が形成されるて成る。勿論、ホッパ１３２は、この入口に連設される。
過熱水蒸気導入手段１４０は、ガス化反応室１２０に形成される過熱水蒸気導入口１２６に連通し、断熱室１１０に形成される連通口を通して該断熱室１１０の外部まで延出した所定の内径及び長さの、耐熱性及び耐水蒸気性を有する素材から成るパイプを備える。このパイプの下流には、断熱室１１０から排出される燃焼高温ガスＢを熱源として水を加熱することで生成する過熱水蒸気Ｓを得るためのボイラ１４１を連結して、過熱水蒸気Ｓをガス化反応室１２０に導入する事前に予め加熱して過熱水蒸気Ｓとすることが好ましい。ボイラ１４１を経由した燃焼高温ガスＢは、ファンモータ１４２を介して煙突１４３から外部に排気する。
混合ガス排出手段１２３は、ガス化反応室１２０に形成される混合ガス排出口１２７に連通し、断熱室１１０に形成される連通口を通して断熱室１１０の外部まで延出した所定の内径及び長さの、耐熱性や耐食性を有する素材から成るパイプを備える。このパイプの下流には、生成された混合ガスを精製するクリーンアップ手段２０１を連結する。
灰分排出手段１２２は、ガス化反応室１２０に形成される灰分排出口１２８に連通し、断熱室に形成される連通口を通して該断熱室１１０の外部まで延出した所定の内径及び長さの、耐熱性を有する素材から成るパイプを備える。このパイプの下流には、該パイプを自在に開閉し得、該パイプにおけるガス化反応室１２０内外の連通状態を開通状態にしたり、不通状態にしたりするためのバルブを配設することが好ましい。
燃焼高温ガス発生装置１５０は、図４に示すように、内部に高さ方向のほぼ中央部に火格子１５１が配設されて成る縦型に形成される燃焼炉１５２と、この燃焼炉１５２内に導入する空気Ａを予熱するための空気予熱器１５３とを備える。
燃焼炉１５２は、火格子１５１の上部に位置する上部燃焼室１５４と、火格子１５１の下部に位置する底部燃焼室１５５とを有する。燃焼炉１５２は、その上部に粗粉砕された燃料バイオマスＦＢをその内部に導入するための燃料バイオマス導入口１５６と、上部燃焼室１５４に導入した燃料バイオマスＦＢを燃焼させるための空気Ａ１を吹き込むように導入するための第一の空気導入口１５７とを有する。燃焼炉１５２の高さ方向のほぼ中央部には、その内部に配設された火格子１５１内に空気Ａ２を導入しつつ該火格子１５１から該空気Ａ２を噴出させるための第二の空気導入口１５８が形成され、燃焼しつつ落下して来る燃料バイオマスＦＢを更に高効率に燃焼させるように構成される。燃焼炉１５２の底部付近には、火格子１５１を通過して降下して底部燃焼室１５５内に流下して来た燃焼高温ガスＢを更に完全燃焼させるための空気Ａ３を底部燃焼室１５５内に導入する第三の空気導入口１５９が形成され、導入された空気Ａ３が燃焼炉１５２内において略水平方向に噴出するように構成される。底部燃焼室１５５の側壁には、第三の空気導入口１５９に対向する位置にほぼ完全燃焼した燃焼高温ガスＢを送出するための燃焼高温ガス送出口１６０が形成される。燃焼炉１５２の底部には、燃料バイオマスＦＢの燃焼滓である灰分を溜めるための灰溜１６１が形成される。
火格子１５１は、その内部に第二の空気導入口１５８から導入された空気Ａ２が流通し得る流路を有する金属製の格子状を成し、該格子状の火格子１５１の上下両表面には、複数の空気噴出口が形成され、第二の空気導入口１５８から導入された空気Ａ２が上下方向に噴出するように構成される。
空気予熱器１５３は、燃焼高温ガス発生装置１５０によって発生した燃焼高温ガスＢの一部を利用することによって、第一の空気導入口１５７や第二の空気導入口１５８や第三の空気導入口１５９から燃焼炉１５２内に導入する空気Ａを予め４５０℃まで加熱することができるように構成される。
クリーンアップ手段２０１は、図２に示すように、熱交換器２０２と、サイクロン２０３と、水噴霧器２０４とを備え、これらを直列的に連結して、混合ガスＧをそれら熱交換器２０２、サイクロン２０３、水噴霧器２０４内を通過させることで、熱交換器２０２において余分な熱を熱交換によって回収しつつ除熱し、これを通過した混合ガスＧに微量ながらも混在する灰分や煤、タール或いは水分をサイクロン２０３と水噴霧器２０４で除去して精製するようにする。これら熱交換器２０２やサイクロン２０３、水噴霧器２０４等の一連の混合ガス精製手段の最下流部には、精製した混合ガスＧを一時的に貯留するガスタンク３０１を連結する。
ガスタンク３０１は、図２に示すように、クリーンアップ手段２０１を通過して精製された水素と一酸化炭素を主成分とする混合ガスＧを一時的に貯留することができるように構成され、精製された混合ガスＧをその内部に導入するための精製混合ガス導入口３０２と、該ガスタンク３０１の下流に連結される加圧ポンプ４０１に混合ガスＧを送出するための混合ガス送出口３０３と、炭化水素合成装置５０１において最後まで未反応で残留した未反応分の混合ガスＧを再び該ガスタンク３０１内に導入する混合ガス再導入口３０４とを備える。
加圧ポンプ４０１は、図２に示すように、その直ぐ上流に連結されるガスタンク３０１の混合ガス送出口３０３に連結されて該ガスタンク３０１から一時的に貯留していた混合ガスＧを流下させつつ、この混合ガスＧを所要の圧力まで加圧することができるように構成され、所要圧力に加圧した混合ガスＧを、該加圧ポンプ４０１の直ぐ下流に連結される炭化水素合成装置５０１に送給することができるように構成される。
炭化水素合成装置５０１は、図５に示すように、加圧ポンプ４０１によって所要の圧力に加圧された混合ガスＧを導入する加圧混合ガス導入口５１０と、導入された混合ガスＧを適温に調整するための温度調整手段５２０と、加圧ポンプ４０１によって加圧されつつ温度調整手段５２０によって適宜の温度に保たれた混合ガスＧを反応物として上記説明の如くの所定の触媒反応をさせることによって生成物として炭化水素を得るための触媒５３１を配設して成り、適宜の圧力と温度にした混合ガスＧを該触媒５３１に接触させて所定の触媒反応をさせるための反応室５３０と、所定の触媒反応によって生成した炭化水素を液化するための液化手段５４０と、この液化手段５４０によって液化した液化炭化水素を回収するための回収手段５５０とを備える。
温度調整手段５２０は、恒温室５２１と、この恒温室５２１内の温度を調整するための恒温室温度調整装置５２２とを備える。恒温室５２１は、断熱材で画成されて所定の容積を有し、その内部に加圧ポンプ４０１によって加圧された混合ガスＧを導入するための加圧混合ガス導入口５１０と、恒温室温度調整装置５２２によって所要の温度に制御された温度制御空気ＴＡを導入する温度制御空気導入口５２３と、恒温室５２１内に導入されて該恒温室５２１内を流下した温度制御空気ＴＡを該恒温室５２１の外部に排出するための温度制御空気排出口５２４とを有する。恒温室５２１内には、互いに同等の第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅが配設され、これら第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅが一括的に所要の温度に保持することができるように構成される。
恒温室温度調整装置５２２は、高温ガスを導入する高温ガス導入ライン５２５と、空気導入ライン５２６と、この空気導入ライン５２６から導入した空気を、前記高温ガス導入ライン５２５から導入した高温ガスとを間接的或いは直接的に接触させて所要の温度に制御して温度制御空気ＴＡを生成し、生成した温度制御空気ＴＡを恒温室５２１内に送給する温度制御空気送給ライン５２７とを備える。恒温室５２１内温度は、この恒温室温度調整装置５２２によって生成された適宜温度の温度制御空気ＴＡを、適宜量該恒温室５２１内に送給すると共に、温度制御空気ＴＡを恒温室５２１内から排出してフローにすることによって所要の温度に保持することができるように構成される。これによって、恒温室５２１内に導入される混合ガスＧや、恒温室５２１内に配設される第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅの温度を所要の温度に保持することができるようになっている。尚、高温ガスは、バイオマスガス化装置等から排出された燃焼高温ガスＢを用いることができる。
第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅは、それぞれ所定の圧力に加圧された混合ガスＧを、所定の温度にして該第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅの内部に導入する第一乃至第五の混合ガス導入ライン５３２ａ，５３２ｂ，５３２ｃ，５３２ｄ，５３２ｅに連結される第一乃至第五の混合ガス導入口５３３ａ，５３３ｂ，５３３ｃ，５３３ｄ，５３３ｅと、該第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅ内部に導入された混合ガスＧに所定の触媒反応をさせるために該第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅ内に配設される触媒５３１と、該第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅ内を流下した未反応分の混合ガスＧや触媒反応によって生成した炭化水素を外部に排出する排出ライン５３４ａ，５３４ｂ，５３４ｃ，５３４ｄ，５３４ｅとを有する。尚、触媒５３１としては、上記説明の触媒５３１を用いることができる。
第一乃至第五の混合ガス導入ライン５３２ａ，５３２ｂ，５３２ｃ，５３２ｄ，５３２ｅは、混合ガスＧを恒温室５２１内に導入された温度制御空気ＴＡと間接的に接触させて、反応室５３０に導入する事前に該混合ガスＧを所要の温度に調整するための第一乃至第五の温度調整部５３５ａ，５３５ｂ，５３５ｃ，５３５ｄ，５３５ｅを備え、第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅにそれぞれ導入する事前に混合ガスＧを所要の温度に調整することができるように構成される。
第一乃至第五の反応室５３０は、直列的に連結され、より上流側から下流側に流下する未反応分の混合ガスＧを段階的に触媒反応させて炭化水素に転換すると共に、未反応分の混合ガスＧ量を減少させるように構成される。
本実施形態の炭化水素合成装置５０１においては、加圧混合ガス導入口５１０は、第一の混合ガス導入ライン５３２ａを介して第一の反応室５３０ａに連結され、この第一の反応室５３０ａは、その下流に連結される第一の液化室５４１ａとその更に下流に連結される第二の混合ガス導入ライン５３２ｂとを介して第二の反応室５３０ｂに連結される。そして、第二の反応室５３０ｂは、その下流に連結される第二の液化室５４１ｂとその更に下流に連結される第三の混合ガス導入ライン５３２ｃとを介して第三の反応室５３０ｃに連結される。同様に、第三の反応室５３０ｃは、その下流に連結される第三の液化室５４１ｃとその更に下流に連結される第四の混合ガス導入ライン５３２ｄとを介して第四の反応室５３０ｄに連結され、第四の反応室５３０ｄは、その下流に連結される第四の液化室５４１ｄとその更に下流に連結される第五の混合ガス導入ライン５３２ｅとを介して第五の反応室５３０ｅに連結されるという五段階の第一乃至第五の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅが設定されている。ここで、反応室の設定段階数は五段階に設定されているが、勿論、五段階に限定されるものではなく、適宜の段階数に設定することが可能である。
第五の反応室５３０ｅ内において生成した炭化水素と未反応分の混合ガスＧとを排出する該第五の反応室５３０ｅの排出ライン５３４ｅの下流には、第五の液化室５４１ｅが連結される。
液化手段５４０は、冷却水Ｗを導入するための冷却水導入ライン５４２と、該冷却水Ｗを排出するための冷却水排出ライン５４３とを有し、且つ、内部に導入した冷却水Ｗを収容し得る冷却槽５４４を備える。冷却槽５４４の内部には、第一の液化室５４１ａと、第二の液化室５４１ｂと、第三の液化室５４１ｃと、第四の液化室５４１ｄと、第五の液化室５４１ｅとが配設され、該冷却槽５４４内を流下する冷却水Ｗによって、これら第一乃至第五の液化室５４１ａ，５４１ｂ，５４１ｃ，５４１ｄ，５４１ｅを一括的に冷却することができるように構成される。
第一乃至第四の液化室５４１ａ，５４１ｂ，５４１ｃ，５４１ｄは、互いに同等に構成されるものであり、それぞれ直ぐ上流に連結される第一乃至第四の反応室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，から流下して来る未反応分の混合ガスＧと生成した炭化水素とを導入する導入ライン５４５ａ，５４５ｂ，５４５ｃ，５４５ｄと、第一乃至第四の液化室５４１ａ，５４１ｂ，５４１ｃ，５４１ｄ内において冷却されて液化した炭化水素を排出する液化炭化水素排出口５４６ａ，５４６ｂ，５４６ｃ，５４６ｄと、冷却されつつもガス状の混合ガスＧを直ぐ下流に連結される混合ガス導入ライン５３２ｂ，５３２ｃ，５３２ｄ，５３２ｅに対して排気する冷却混合ガス排出口５４７ａ，５４７ｂ，５４７ｃ，５４７ｄとを有する。
第五の液化室５４１ｅは、その直ぐ上流に連結される第五の反応室５３０ｅから流下して来る未反応分の混合ガスＧと生成した炭化水素とを、該第五の液化室５４１ｅの内部に導入するための導入ライン５４５ｅと、該第五の液化室５４１ｅ内において冷却されて液化した炭化水素を排出する液化炭化水素排出口５４６ｅと、冷却されつつも最終的に未反応分として残留したガス状の混合ガスＧを排出する最終的未反応分混合ガス排出口５４７ｅとを有する。この最終的未反応分混合ガス排出口１２７は、循環ライン５４８を介してガスタンク３０１の混合ガス再導入口３０４に連結され、最終的な未反応分の混合ガスＧを再びガスタンク３０１に収容して循環させることができるように構成される。
液化手段５４０によって液化された液化炭化水素は、集合管状に構成された回収手段５５０によって回収される。この回収手段５５０は、第一乃至第五の各液化室５３０ａ，５３０ｂ，５３０ｃ，５３０ｄ，５３０ｅの液化炭化水素排出口５４６ａ，５４６ｂ，５４６ｃ，５４６ｄ，５４６ｅにそれぞれ連結される第一の回収管５５１ａと、第二の回収管５５１ｂと、第三の回収管５５１ｃと、第四の回収管５５１ｄ、第五の回収管５５１ｅと、これら第一乃至第五の回収管５５１ａ，５５１ｂ，５５１ｃ，５５１ｄ，５５１ｅが連結される液化炭化水素抽出管５５２と、この液化炭化水素抽出管５５２の最下流部に配設されるバルブ５５３とを備え、全体として集合管状に構成され、液化した炭化水素を該バルブ５５３の開閉操作によって適宜取り出し得るように構成される。
本発明のバイオマスから炭化水素を製造する方法及び装置１は以上説明したように構成されるものであるが、その主旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施することができる。
バイオマスから炭化水素を製造する装置全体の構成を示す概略図である。 バイオマスガス化装置の全体的な構成を示す概略図である。 バイオマスのガス化装置の主要部であって、混合ガスを生成するための装置の構成を示す図である。 燃焼恒高温ガス発生装置の構成を示す図である。 炭化水素合成装置及び液化手段及び回収手段の構成を示す図である。
符号の説明
１ バイオマスから炭化水素を製造するための装置
１０１ バイオマスガス化装置
１１０ 断熱室
１１１ 燃焼高温ガス導入口
１１２ 燃焼高温ガス排出口
１２０ ガス化反応室
１２１ 多穴体
１２２ 灰分排出手段
１２３ 混合ガス排出手段
１２４ ガス化空間
１２５ 原料バイオマス導入口
１２６ 過熱水蒸気導入口
１２７ 混合ガス排出口
１２８ 灰分排出口
１３０ 原料バイオマス導入手段
１３１ スクリュフィーダ
１３２ ホッパ
１４０ 過熱水蒸気導入手段
１４１ ボイラ
１４２ ファンモータ
１４３ 煙突
１５０ 燃焼高温ガス発生装置
１５１ 火格子
１５２ 燃焼炉
１５３ 空気予熱器
１５４ 上部燃焼室
１５５ 底部燃焼室
１５６ 燃料バイオマス導入口
１５７ 第一の空気導入口
１５８ 第二の空気導入口
１５９ 第三の空気導入口
１６０ 燃焼高温ガス送出口
１６１ 灰溜
２０１ クリーンアップ手段
２０２ 熱交換器
２０３ サイクロン
２０４ 水噴霧器
３０１ ガスタンク
３０２ 精製混合ガス導入口
３０３ 混合ガス送出口
３０４ 混合ガス再導入口
４０１ 加圧ポンプ
５０１ 炭化水素合成装置
５１０ 加圧混合ガス導入口
５２０ 温度調整手段
５２１ 恒温室
５２２ 恒温室温度調整装置
５２３ 温度制御空気導入口
５２４ 温度制御空気排出口
５２５ 高温ガス導入ライン
５２６ 空気導入ライン
５２７ 温度制御空気送給ライン
５３０ａ 第一の反応室
５３０ｂ 第二の反応室
５３０ｃ 第三の反応室
５３０ｄ 第四の反応室
５３０ｅ 第五の反応室
５３１ 触媒
５３２ａ 第一の混合ガス導入ライン
５３２ｂ 第二の混合ガス導入ライン
５３２ｃ 第三の混合ガス導入ライン
５３２ｄ 第四の混合ガス導入ライン
５３２ｅ 第五の混合ガス導入ライン
５３３ａ 混合ガス導入口
５３３ｂ 混合ガス導入口
５３３ｃ 混合ガス導入口
５３３ｄ 混合ガス導入口
５３３ｅ 混合ガス導入口
５３４ａ 排出ライン
５３４ｂ 排出ライン
５３４ｃ 排出ライン
５３４ｄ 排出ライン
５３４ｅ 排出ライン
５３５ａ 温度調整部
５３５ｂ 温度調整部
５３５ｃ 温度調整部
５３５ｄ 温度調整部
５３５ｅ 温度調整部
５４０ 液化手段
５４１ａ 第一の液化室
５４１ｂ 第二の液化室
５４１ｃ 第三の液化室
５４１ｄ 第四の液化室
５４１ｅ 第五の液化室
５４２ 冷却水導入ライン
５４３ 冷却水排出ライン
５４４ 冷却槽
５４５ａ 導入ライン
５４５ｂ 導入ライン
５４５ｃ 導入ライン
５４５ｄ 導入ライン
５４５ｅ 導入ライン
５４６ａ 液化炭化水素排出口
５４６ｂ 液化炭化水素排出口
５４６ｃ 液化炭化水素排出口
５４６ｄ 液化炭化水素排出口
５４６ｅ 液化炭化水素排出口
５４７ａ 冷却混合ガス排出口
５４７ｂ 冷却混合ガス排出口
５４７ｃ 冷却混合ガス排出口
５４７ｄ 冷却混合ガス排出口
５４７ｅ 最終的未反応分混合ガス排出口
５４８ 循環ライン
５５０ 回収手段
５５１ａ 第一の回収管
５５１ｂ 第二の回収管
５５１ｃ 第三の回収管
５５１ｄ 第四の回収管
５５１ｅ 第五の回収管
５５２ 液化炭化水素抽出管
５５３ バルブ
Ａ 空気
Ａ１ 空気
Ａ２ 空気
Ａ３ 空気
Ｂ 燃焼高温ガス
ＦＢ 燃料バイオマス
Ｇ 混合ガス
ＭＢ 原料バイオマス
Ｓ 過熱水蒸気
ＴＡ 温度制御空気
Ｗ 冷却水

Claims (4)

  1. バイオマスを原料及び燃料として水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスを生成するバイオマスガス化装置と、上記混合ガスを加圧する加圧手段と、該混合ガスを適温に調整するための温度調整手段と、上記加圧手段によって加圧されつつ上記温度調整手段によって適宜の温度に保たれた混合ガスを触媒反応をさせて炭化水素を得るための触媒と、該触媒を配設して成る反応室と、生成した炭化水素を液化するための液化手段と、液化した液化炭化水素を回収するための回収手段とからなり、
    上記反応室は、恒温室内温度調節手段によって所定の温度に調整された空気を取り入れるための空気取入口と空気を排出するための空気排出口とを有して成り、断熱材によって画成されて構成される恒温室の内部に配設されることを特徴とする、バイオマスから炭化水素を製造する装置。
  2. 前記触媒が、鉄、銅から選択される一方又は両方の物質の単体又は化合物を基本触媒とすると共に、マグネシウム、カルシウム、コバルト、ニッケル、カリウム、ナトリウムから選択される一つ以上の物質の単体又は化合物を助勢触媒として付加し、且つ、ゼオライト、アルミナ、シリカから選択される一つ以上の物質を担持させて成ることを特徴とする、請求項１に記載のバイオマスから炭化水素を製造する装置。
  3. 前記バイオマスガス化装置は、断熱性を有する壁材によって画成されて成る断熱室と、この断熱室内に熱伝導性を有する壁材によって画成され且つ直径約２ｃｍ以下に粗粉砕された原料バイオマスを内部に導入する原料バイオマス導入手段と過熱水蒸気を内部に導入する過熱水蒸気導入手段とを有するガス化反応室と、上記断熱室と上記ガス化反応室との間の空間に燃焼高温ガスを供給する燃焼高温ガス発生装置とを備え、該ガス化反応室内に導入した原料バイオマスと過熱水蒸気とを、該ガス化反応室を成す熱伝導性を有する壁材を介して、該燃焼高温ガス発生装置から該断熱室と該ガス化反応室との間の空間に供給された上記燃焼高温ガスによって加熱し、該原料バイオマスと該過熱水蒸気とを吸熱反応させることによって、水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスを生成するように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバイオマスから炭化水素を製造する装置。
  4. 前記燃焼高温ガス発生装置は、燃料バイオマスを完全燃焼させることによって８００℃以上の温度の前記燃焼高温ガスを発生させ、発生させた該燃焼高温ガスを前記断熱室と前記ガス化反応室との間の空間に供給することを特徴とする、請求項３に記載のバイオマスから炭化水素を製造する装置。
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