JP5572855B2 - Biomass gasification reforming catalyst and method for producing synthesis gas using the same - Google Patents

Biomass gasification reforming catalyst and method for producing synthesis gas using the same Download PDF

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Description

本発明は、改質触媒及びこれを用いた合成ガスの製造方法に関し、詳しくは、高い活性、高い選択性を備える改質触媒、更には、高い炭素の燃焼活性、耐熱性、及び易還元性を備える改質触媒、並びに該触媒を用いた合成ガスの製造方法に関する。   The present invention relates to a reforming catalyst and a method for producing synthesis gas using the same, and more specifically, a reforming catalyst having high activity and high selectivity, and further, high carbon combustion activity, heat resistance, and easy reduction. And a synthesis gas production method using the catalyst.

バイオマス(Biomass)は、生物量を物質量で表現すること全般に対して広義に用いられる生態学上の用語である。近年では生物由来資源の意味でも使われており、バイオマスを用いた燃料はバイオ燃料(Biofuel)などとも呼ばれている。このようなバイオマス(「原料バイオマス」とも称する。)は、その利用方法の一つとして、ガス化してバイオ燃料として利用する方法がある。   Biomass is an ecological term that is used in a broad sense for the overall expression of biomass in terms of substance. In recent years, it is also used in the meaning of biological resources, and fuel using biomass is also called biofuel. Such a biomass (also referred to as “raw material biomass”) includes a method of gasifying it and using it as biofuel.

一般にバイオマスのガス化においては、そのガス化温度がより低温になるにつれ高分子の炭化水素であるタールの生成量が増加し、一方、ガス化温度が高いほど低分子化されて水素及び炭素の生成量が増加する傾向にある。したがって、バイオマスをガス化する方法としては、空気/酸素をガス化剤とした部分酸化により、1000℃程度の高温でガス化を行い、タールの生成を抑制する方法が一般的に利用されている。   In general, in biomass gasification, as the gasification temperature becomes lower, the amount of tar, which is a high molecular weight hydrocarbon, increases. On the other hand, the higher the gasification temperature, the lower the molecular weight. The generation amount tends to increase. Therefore, as a method for gasifying biomass, a method is generally used in which gasification is performed at a high temperature of about 1000 ° C. by partial oxidation using air / oxygen as a gasifying agent to suppress tar formation. .

このため、一般的なバイオマスのガス化では、バイオマス自体が熱源の燃料として利用される割合が多く、具体的には4〜6割近くが反応に必要な熱を得るための熱源として燃やされているため、バイオマスからの合成ガスの収率は低下する。なお、ガス化剤に空気を用いた場合は、空気中に含まれる約8割の窒素によって合成ガスが希釈され、よりエネルギー密度の低い合成ガスになる。   For this reason, in general gasification of biomass, biomass itself is often used as a heat source fuel. Specifically, nearly 40 to 60% is burned as a heat source for obtaining heat necessary for the reaction. As a result, the yield of synthesis gas from biomass decreases. When air is used as the gasifying agent, the synthesis gas is diluted with about 80% of nitrogen contained in the air, resulting in a synthesis gas having a lower energy density.

したがって、高い収率で合成ガスを得るためには、より低温でガス化を行う必要があるが、低温でガス化を行うと前述のようにタールの生成により合成ガスの収率が低下してしまうほか、生成したタールや固体炭素が配管や反応炉へ付着しプロセスそのものにも悪影響を与えるという問題がある。   Therefore, in order to obtain synthesis gas with a high yield, it is necessary to perform gasification at a lower temperature. However, if gasification is performed at a low temperature, the yield of synthesis gas decreases due to the generation of tar as described above. In addition, there is a problem that the generated tar and solid carbon adhere to the piping and the reaction furnace and adversely affect the process itself.

そこで、低温でバイオマスからより高い収率で合成ガスを製造するためには触媒を用いることが解決方法として考えられる。しかし、触媒を用いた場合でも、合成ガス中にタールが生成してしまい、合成ガスの収率が低下するほか、触媒上へタールが付着し活性点を減少させ、触媒の性能が低下することや、あるいは、触媒上への炭素析出により失活することもある。そのため、タールの生成と炭素の析出を最大限抑制し、高転換率(タール改質の高選択性)を可能とし、更に、低コスト、且つ、高寿命な触媒の開発が期待された。   Therefore, the use of a catalyst is considered as a solution for producing synthesis gas from biomass at a low temperature and at a higher yield. However, even when a catalyst is used, tar is generated in the synthesis gas, resulting in a decrease in the synthesis gas yield. In addition, the tar adheres to the catalyst, reducing the active sites, resulting in a decrease in catalyst performance. Or, it may be deactivated by carbon deposition on the catalyst. Therefore, it was expected to develop a catalyst that suppresses tar generation and carbon deposition to the maximum, enables a high conversion rate (high selectivity for tar reforming), and has a low cost and a long life.

バイオマスのガス化触媒はメタンなどの改質触媒と異なり、原料が高分子の炭化水素化合物であるため、炭素の析出を完全に除去することはほぼ不可能である。このため、長期間交換せずに使用するためには、触媒の再生工程が不可欠であり、再生が可能で、更に、機能を維持する高寿命、高活性な触媒の開発が必要となる。それゆえに、タールの生成と炭素析出を最大限抑制し、且つ高転換率を可能とすることに加え、触媒上へ付着したタール及び析出した炭素の燃焼除去によって触媒の再生を図る際に、高温になることへの対策である耐熱性を有する触媒が望まれていた。さらには、耐熱性とともに、前記燃焼による再生がより低温で行えるよう高い炭素の燃焼活性と、その燃焼による金属酸化によって引き起る失活を還元によって再生を容易に行うための易還元性を有する触媒が望まれていた。   Unlike a reforming catalyst such as methane, the gasification catalyst for biomass is almost impossible to completely remove carbon deposition because the raw material is a high molecular weight hydrocarbon compound. For this reason, in order to use the catalyst without replacement for a long period of time, a catalyst regeneration step is indispensable, and it is necessary to develop a catalyst that can be regenerated and has a long life and high activity that maintains its function. Therefore, in addition to maximizing tar generation and carbon deposition and enabling a high conversion rate, when regenerating the catalyst by combustion removal of tar and deposited carbon deposited on the catalyst, There has been a demand for a catalyst having heat resistance, which is a countermeasure against the problem. Furthermore, in addition to heat resistance, it has high carbon combustion activity so that regeneration by combustion can be performed at a lower temperature, and easy reducibility to easily perform regeneration by reduction of deactivation caused by metal oxidation due to the combustion. A catalyst was desired.

ところで、従来から種々の改質触媒が提案されている。例えば、特表2005−529744号公報では、活性および/または選択性を制御することができる触媒の提供を目的として、担持触媒の総重量をベースとして、(i)特定量のコバルト、ニッケルまたはそれらの混合物;(ii)特定量の、特定の金属類から選択される少なくとも1つの促進剤;および(iii)特定量の炭素を不活性担体上に含有するフィッシャー‐トロプシュ合成触媒または触媒前駆体等が開示されている。   By the way, conventionally, various reforming catalysts have been proposed. For example, in JP 2005-529744 A, for the purpose of providing a catalyst capable of controlling the activity and / or selectivity, based on the total weight of the supported catalyst, (i) a specific amount of cobalt, nickel or the like (Ii) a specific amount of at least one promoter selected from specific metals; and (iii) a Fischer-Tropsch synthesis catalyst or catalyst precursor containing a specific amount of carbon on an inert support, etc. Is disclosed.

また、特表2007−532305号公報では、水素を炭化水素燃料から水蒸気改質処理で製造するために使用できる触媒の提供を目的として、アルカリ土類金属ヘキサアルミネートを特定量以上含み、特定量以上の表面積を有する触媒担体等が開示されている。   Moreover, in Japanese translations of PCT publication No. 2007-532305, for the purpose of providing a catalyst that can be used for producing hydrogen from a hydrocarbon fuel by steam reforming treatment, the alkaline earth metal hexaaluminate is contained in a specific amount or more. A catalyst carrier or the like having the above surface area is disclosed.

しかしながら、これら従来技術の触媒は、いずれもガソリン、灯油、ディーゼル油等の炭化水素を対象とするものであり、バイオマスからより高い収率で合成ガスを製造するための触媒としては開示がされていない。   However, these prior art catalysts are all intended for hydrocarbons such as gasoline, kerosene, diesel oil, etc., and have not been disclosed as catalysts for producing synthesis gas from biomass in higher yields. Absent.

特表2005−529744号公報JP 2005-529744 A 特表2007−532305号公報Special table 2007-532305 gazette

本発明は、バイオマスからより高い収率で合成ガスを製造するための、高い耐熱性を備える改質触媒を提供することを目的とする。また、本発明は、炭素の燃焼除去によって触媒の再生を図る際に高温になることへの対策である耐熱性ともに、前記燃焼による再生がより低温で行えるよう高い炭素の燃焼活性と、その燃焼による金属酸化によって引き起る失活の還元による再生を容易に行うための易還元性を備える改質触媒を提供することを他の目的とする。   An object of the present invention is to provide a reforming catalyst having high heat resistance for producing synthesis gas from biomass at a higher yield. In addition, the present invention has a high carbon combustion activity so that the regeneration by the combustion can be performed at a lower temperature, as well as heat resistance, which is a countermeasure against a high temperature when the catalyst is regenerated by removing the carbon by combustion, and its combustion Another object of the present invention is to provide a reforming catalyst having easy reducibility for facilitating regeneration by reduction of deactivation caused by metal oxidation due to.

本発明は以下の構成からなる発明を提供することにより、本発明の目的を達成したものである。   The present invention achieves the object of the present invention by providing an invention having the following configuration.

バイオマスを原料として改質反応を介して合成ガスを得る際に用いられる改質触媒であって、アルカリ土類金属アルミネートを少なくとも含む改質触媒。   A reforming catalyst that is used when biomass is used as a raw material to obtain synthesis gas through a reforming reaction, and includes at least an alkaline earth metal aluminate.

上記改質触媒であって、前記アルカリ土類金属アルミネートに併せて、ニッケル(Ni)を少なくとも含む、改質触媒。   A reforming catalyst, comprising at least nickel (Ni) in addition to the alkaline earth metal aluminate.

上記改質触媒であって、前記アルカリ土類金属アルミネート及びニッケルに併せて、鉄(Fe)を少なくとも含む、改質触媒。   A reforming catalyst, comprising at least iron (Fe) in combination with the alkaline earth metal aluminate and nickel.

上記改質触媒であって、前記アルカリ土類金属アルミネート、ニッケル、鉄に併せて、白金(Pt)を少なくとも含む、改質触媒。   The reforming catalyst, comprising at least platinum (Pt) in addition to the alkaline earth metal aluminate, nickel, and iron.

上記改質触媒であって、前記アルカリ土類金属アルミネートが、バリウムヘキサアルミネート(BaAl1219)である、改質触媒。 The reforming catalyst, wherein the alkaline earth metal aluminate is barium hexaaluminate (BaAl 12 O 19 ).

上記改質触媒であって、前記バイオマスが、農業系バイオマスである、改質触媒。   The reforming catalyst, wherein the biomass is agricultural biomass.

上記改質触媒であって、前記バイオマスが、木質系バイオマスである、改質触媒。   The reforming catalyst, wherein the biomass is woody biomass.

上記改質触媒であって、これが水蒸気改質触媒である、改質触媒。   A reforming catalyst, wherein the reforming catalyst is a steam reforming catalyst.

更に、バイオマスを原料とし、触媒を用いて改質反応により水素と一酸化炭素を生成する合成ガスの製造方法であって、前記触媒として、上記何れかの改質触媒を用いる、合成ガスの製造方法。   Furthermore, it is a method for producing a synthesis gas using biomass as a raw material and generating hydrogen and carbon monoxide by a reforming reaction using a catalyst, wherein the synthesis gas is produced using any one of the above reforming catalysts as the catalyst. Method.

前記合成ガスの製造方法であって、前記合成ガスの製造方法において用いる触媒が水蒸気改質触媒である、合成ガスの製造方法。   The method for producing synthesis gas, wherein the catalyst used in the method for producing synthesis gas is a steam reforming catalyst.

前記合成ガスの製造方法であって、前記バイオマスを熱化学的に分解及び部分酸化反応させ、水素、一酸化炭素、タール分、炭素分及び灰分の生成物を得る部分酸化工程と、前記灰分以外の前記生成物を前記触媒に導入しこれらを前記部分酸化工程で得られた熱を利用して改質する改質工程と、を含む、合成ガスの製造方法。   A method for producing the synthesis gas, wherein the biomass is thermochemically decomposed and partially oxidized to obtain a product of hydrogen, carbon monoxide, tar content, carbon content and ash content, and other than the ash content A reforming step of introducing the product into the catalyst and reforming them using heat obtained in the partial oxidation step.

前記合成ガスの製造方法であって、前記改質工程は、前記灰分以外の前記生成物を水蒸気と反応させる水蒸気改質反応による水蒸気改質工程を含む、合成ガスの製造方法。   The method for producing synthesis gas, wherein the reforming step includes a steam reforming step by a steam reforming reaction in which the product other than the ash is reacted with steam.

前記合成ガスの製造方法であって、前記部分酸化工程、前記改質工程、及び、前記水蒸気改質工程に必要な熱の少なくとも一部が外熱によって供給される、合成ガスの製造方法。   A method for producing a synthesis gas, wherein at least part of heat required for the partial oxidation step, the reforming step, and the steam reforming step is supplied by external heat.

前記部分酸化工程、改質工程及び水蒸気改質工程は、300〜1100℃の温度範囲で行う、合成ガスの製造方法。   The partial oxidation step, the reforming step, and the steam reforming step are a synthesis gas production method that is performed in a temperature range of 300 to 1100 ° C.

上記によれば、バイオマスからより高い収率で合成ガスを製造するための、高い活性、高い選択性を有する改質触媒が提供される。また、高い燃焼活性、耐熱性、及び易還元性を備える水蒸気改質触媒も提供される。さらに、バイオマスを原料としてより高い収率で合成ガスが得られる合成ガスの製造方法が提供される。   According to the above, a reforming catalyst having high activity and high selectivity for producing synthesis gas from biomass at a higher yield is provided. Further, a steam reforming catalyst having high combustion activity, heat resistance, and easy reduction is also provided. Furthermore, a method for producing a synthesis gas is provided that can produce a synthesis gas with a higher yield using biomass as a raw material.

バイオマスガス化のための本実施例に係る改質触媒の性能を評価する装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the apparatus which evaluates the performance of the reforming catalyst which concerns on the present Example for biomass gasification.

次に本発明をその好ましい実施形態に基づいて、さらに詳細に説明する。   Next, the present invention will be described in more detail based on preferred embodiments thereof.

本発明の改質触媒は、既述の通り、バイオマスを原料として改質反応を介して合成ガス(Syngas)を得る際に用いられるものであって、アルカリ土類金属アルミネートを少なくとも含むものである。本発明の改質触媒は、かかる構成からなるものであるため、従来の触媒に比して高い耐熱性を備えるものとなる。   As described above, the reforming catalyst of the present invention is used when obtaining synthesis gas (Syngas) through a reforming reaction using biomass as a raw material, and contains at least an alkaline earth metal aluminate. Since the reforming catalyst of the present invention has such a configuration, it has higher heat resistance than conventional catalysts.

本発明に用いられるアルカリ土類金属アルミネートとしては、例えば、バリウムヘキサアルミネート(BaAl1219)、マグネシウムヘキサアルミネート、ストロンチウムヘキサアルミネート、カルシウムヘキサアルミネート、マグネシウムカルシウムヘキサアルミネート等が挙げられる。 Examples of the alkaline earth metal aluminate used in the present invention include barium hexaaluminate (BaAl 12 O 19 ), magnesium hexaaluminate, strontium hexaaluminate, calcium hexaaluminate, magnesium calcium hexaaluminate and the like. It is done.

特に、改質触媒の耐熱性をより向上できる点で、バリウムヘキサアルミネート (BaAl1219)が好ましい。バリウムヘキサアルミネートを担体として、金属を担持し高温焼成した場合には、アルミナ(Al)を用いた場合に比して表面積の減少率が小さく、高い比表面積を有しており、バリウムヘキサアルミネートの特異な表面による効果がある。つまり、バリウムヘキサアルミネートを担体として用いた場合、高温条件でもシンタリングが抑制される耐熱性が高い触媒担体となる。 In particular, barium hexaaluminate (BaAl 12 O 19 ) is preferable because it can further improve the heat resistance of the reforming catalyst. When barium hexaaluminate is used as a carrier and a metal is supported and fired at a high temperature, the reduction rate of the surface area is smaller than when alumina (Al 2 O 3 ) is used, and the surface area has a high specific surface area. The effect is due to the unique surface of barium hexaaluminate. That is, when barium hexaaluminate is used as a carrier, it becomes a catalyst carrier with high heat resistance in which sintering is suppressed even under high temperature conditions.

また、本発明の改質触媒においては、その構成成分として、金属アルミネートとともに、ニッケル(Ni)を少なくとも含むことが好ましい。本発明において、ニッケルを併用することで、バリウムヘキサアルミネートの効果を維持しつつ、よりタール改質の選択性を向上させることができる。また、ニッケルは安価に入手できる点でも、改質触媒の作製に有用である。   Moreover, in the reforming catalyst of this invention, it is preferable that nickel (Ni) is included as a structural component with a metal aluminate at least. In the present invention, by using nickel together, the selectivity of tar modification can be further improved while maintaining the effect of barium hexaaluminate. Nickel is also useful for producing a reforming catalyst because it can be obtained at low cost.

改質触媒の構成成分としてニッケルを用いる場合、ニッケルの含有量は、改質触媒に対して、1〜25質量%の範囲内とすることが好ましい。これは1質量%未満の場合ではニッケルを用いることによる触媒活性が十分発揮されないので好ましくない。また、25質量%超の場合は、ニッケルの担体表面上での分散度が低くなり、結果的に高い触媒活性が発揮されないので好ましくない。   When nickel is used as a component of the reforming catalyst, the nickel content is preferably in the range of 1 to 25% by mass with respect to the reforming catalyst. This is not preferable in the case of less than 1% by mass because the catalytic activity due to the use of nickel is not sufficiently exhibited. On the other hand, if it exceeds 25% by mass, the degree of dispersion of nickel on the surface of the carrier will be low, and as a result, high catalytic activity will not be exhibited.

また、本発明の改質触媒においては、その構成成分として、バリウムヘキサアルミネート及びニッケルとともに、鉄を少なくとも含むことがさらに好ましい。   Further, in the reforming catalyst of the present invention, it is further preferable that at least iron is included as a constituent component together with barium hexaaluminate and nickel.

本発明において、バリウムヘキサアルミネート及びニッケルとともに鉄を併用することで、ニッケルの凝集を抑制し、ニッケルの金属分散度が向上することで、活性点が多く保たれタールの改質能を高めることができる。また、触媒上に付着したタール及び析出した炭素を燃焼除去する燃焼活性も向上させることができ、より低い温度での触媒の再生を可能にする。   In the present invention, by using iron together with barium hexaaluminate and nickel, agglomeration of nickel is suppressed, and the metal dispersion degree of nickel is improved, so that many active sites are maintained and tar reforming ability is improved. Can do. In addition, the combustion activity of burning and removing tar and deposited carbon adhering to the catalyst can be improved, and the catalyst can be regenerated at a lower temperature.

改質触媒の構成成分として鉄を用いる場合、鉄の使用量は、ニッケル:鉄のモル比が10:1〜1:3の範囲内となるようにすることが好ましい。これはニッケル:鉄のモル比が10:1より鉄の添加量が少ない場合では ニッケルの凝集を抑制する効果が十分発揮されないので好ましくない。また、ニッケル:鉄のモル比が1:3より鉄の添加量が多い場合は、鉄によってニッケル上の活性点が被覆されてしまい、ニッケルの改質活性が十分発揮されないので好ましくない。   When iron is used as a component of the reforming catalyst, the amount of iron used is preferably such that the molar ratio of nickel: iron is within the range of 10: 1 to 1: 3. This is not preferable when the molar ratio of nickel: iron is less than 10: 1 because the effect of suppressing the aggregation of nickel is not sufficiently exhibited. Further, when the molar ratio of nickel: iron is larger than 1: 3, the active sites on nickel are covered with iron, and the nickel reforming activity is not sufficiently exhibited, which is not preferable.

また、本発明の改質触媒においては、その構成成分として、バリウムヘキサアルミネート、ニッケル、及び鉄とともに、白金を少なくとも含むことがさらに一層好ましい。   Further, in the reforming catalyst of the present invention, it is even more preferable that at least platinum is contained as a constituent component together with barium hexaaluminate, nickel, and iron.

本発明において、バリウムヘキサアルミネート、ニッケル、及び鉄とともに、白金を併用することで、白金の還元の容易さから、他の金属よりも先に還元された白金上で水素の解離吸着が起こるため水素の誘導時期を縮めることができる。   In the present invention, by using platinum together with barium hexaaluminate, nickel, and iron, dissociative adsorption of hydrogen occurs on platinum reduced earlier than other metals because of the ease of reduction of platinum. The induction period of hydrogen can be shortened.

改質触媒の構成成分として白金を用いる場合、白金の使用量は、改質触媒に対して、0.01〜1.0質量%の範囲内とすることが好ましい。   When using platinum as a structural component of the reforming catalyst, the amount of platinum used is preferably in the range of 0.01 to 1.0 mass% with respect to the reforming catalyst.

本発明の改質触媒においては、前述した構成成分のほか、本発明の効果を損なわない範囲で、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、マンガン(Mn)、セリウム(Ce)、パラジウム(Pd)等の通常公知の改質触媒の構成成分を含むこともできる。特に、ニッケルに替わるまたは併用する触媒種としてコバルト、ルテニウム、ロジウムがあり、鉄に替わるまたは併用するものとしてマンガン、セリウムがあり、白金に替わるまたは併用するものとしてロジウム、ルテニウム、パラジウムがあり、ニッケル、鉄及び白金それぞれと同様の効果が得られる点で好ましく挙げられる。   In the reforming catalyst of the present invention, in addition to the components described above, cobalt (Co), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), manganese (Mn), cerium (Ce) as long as the effects of the present invention are not impaired. In addition, a component of a generally known reforming catalyst such as palladium (Pd) can also be included. In particular, there are cobalt, ruthenium and rhodium as catalyst types that can be used in place of or in combination with nickel, manganese and cerium that can be used in place of or in combination with iron, and rhodium, ruthenium, and palladium that can be used in place of or in combination with platinum. , Preferably in terms of obtaining the same effect as each of iron and platinum.

なお、触媒の形状はここでは記載しないが、ハニカム状、リング状、円柱状などいずれの触媒形状でもよい。   Although the shape of the catalyst is not described here, any catalyst shape such as a honeycomb shape, a ring shape, or a column shape may be used.

本発明の改質触媒が使用される合成ガスの製造方法においては、バイオマスが原料とされ、かかる原料のバイオマスとしては、例えば、Cで表されるもので、特に制限されるものではないが、稲藁や麦藁等の藁類、籾殻、草本類などの農業系バイオマス、または、林地残材、製材所廃材、剪定枝、果樹剪定枝、建築解体廃材、新増築廃材などの木質系バイオマス等が好ましい。 In the method for producing synthesis gas in which the reforming catalyst of the present invention is used, biomass is used as a raw material, and the biomass of the raw material is represented by, for example, C x H y O z and is particularly limited. Agricultural biomass such as rice straw and wheat straw, rice husks, herbs, etc., or remaining forest land, sawmill waste, pruned branches, fruit tree pruned branches, building demolition waste, new extension waste, etc. Woody biomass is preferred.

特に、稲藁や麦藁などの藁、籾殻等の農業系バイオマスは、破砕などの前処理に必要なエネルギーを低減出来るため、より好ましい。   In particular, rice biomass such as rice straw and wheat straw, and agricultural biomass such as rice husks are more preferable because energy required for pretreatment such as crushing can be reduced.

本発明のバイオマスを原料とし、触媒を用いて改質反応により水素と一酸化炭素を生成する合成ガスの製造方法においては、触媒として、前述した改質触媒を用いている。このような改質触媒を用いることで、原料のバイオマスから得られる合成ガスの収率を高めることができ、所望の合成ガスを得ることができる。   In the method for producing synthesis gas using the biomass of the present invention as a raw material and producing hydrogen and carbon monoxide by a reforming reaction using the catalyst, the above-described reforming catalyst is used as the catalyst. By using such a reforming catalyst, the yield of synthesis gas obtained from raw material biomass can be increased, and a desired synthesis gas can be obtained.

本発明に係る合成ガスの製造方法の一実施形態として、下記の工程(1)と(2)、すなわち、
(1)バイオマスを熱化学的に分解及び部分酸化反応させ、水素、一酸化炭素、タール分、炭素分、灰分及び熱を得る部分酸化工程
(2)前記部分酸化工程で得られた灰分以外の生成物を前述した改質触媒に導入し、当該工程で得られた熱を利用して前記生成物を水蒸気と反応させる改質工程
を含む方法が挙げられる。
As one embodiment of the method for producing synthesis gas according to the present invention, the following steps (1) and (2), that is,
(1) A partial oxidation step in which biomass is decomposed thermochemically and partially oxidized to obtain hydrogen, carbon monoxide, tar content, carbon content, ash content and heat (2) Other than the ash content obtained in the partial oxidation step Examples include a method including a reforming step of introducing a product into the above-described reforming catalyst and reacting the product with water vapor using heat obtained in the step.

前記(1)の部分酸化反応は、例えば、純酸素、酸素富化空気、又は空気等の酸化ガス化剤を用いて行うことができる。なお、「酸素富化空気」は、酸素富化膜やPSA(Pressure Swing Adsorption)を用いた公知の技術で得られる酸素分圧の高い気体である。   The partial oxidation reaction (1) can be performed using an oxidizing gasifying agent such as pure oxygen, oxygen-enriched air, or air. The “oxygen-enriched air” is a gas having a high oxygen partial pressure obtained by a known technique using an oxygen-enriched film or PSA (Pressure Swing Adsorption).

前記(2)の改質工程では、300〜1100℃の温度範囲で行うことが好ましく、500〜700℃の温度範囲となるようにして水素(H)及び一酸化炭素(CO)を生成することがさらに好ましい。改質をかかる温度範囲で行うことで、より低い温度で部分酸化を行うことができ、原料のバイオマスの燃焼量を低減できて、結果として、高い収率で且つH/CO比率の高い合成ガスを得ることができる。 The reforming step (2) is preferably performed in a temperature range of 300 to 1100 ° C., and hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) are generated in a temperature range of 500 to 700 ° C. More preferably. By carrying out the reforming in such a temperature range, partial oxidation can be performed at a lower temperature, the amount of combustion of the raw material biomass can be reduced, and as a result, synthesis with a high yield and a high H 2 / CO ratio Gas can be obtained.

以下に実施例および比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はかかる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 and comparative examples, but the present invention is not limited to such examples.

1.触媒調製 1. Catalyst preparation

[BaAl1219担体調製法]
(BaO)0.14(Al230.86となるようにアルミナ(Al23,表面積:100m/g)とBaCOを物理的に混合した。これを1400℃で12時間、焼成し、放冷した後、400kgf/cm の圧力でプレスしタブレット状に成型した。これを乳鉢で適当に粉砕し、ふるいを用いて粒径を177〜590μmに整粒し、BaAl1219を作製した。
[BaAl 12 O 19 carrier preparation method]
Alumina (Al 2 O 3 , surface area: 100 m 2 / g) and BaCO 3 were physically mixed so that (BaO) 0.14 (Al 2 O 3 ) 0.86 . This was fired at 1400 ° C. for 12 hours, allowed to cool, and then pressed at a pressure of 400 kgf / cm 2 to form a tablet. This was pulverized appropriately in a mortar, and the particle size was adjusted to 177 to 590 μm using a sieve to prepare BaAl 12 O 19 .

[Ni 4、12質量%−BaAl1219触媒調製法]
上記で得られたBaAl1219にNiの含有量がそれぞれ4質量%、12質量%になるように硝酸ニッケル(Ni(NO・6HO)を用いて水溶液を調製し、含浸法にてニッケルを担持した。500℃で3時間焼成した。
[Ni 4, 12% by mass—BaAl 12 O 19 catalyst preparation method]
Prepare an aqueous solution using nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) so that the content of Ni is 4 mass% and 12 mass%, respectively, in the BaAl 12 O 19 obtained above, and impregnation Nickel was supported by the method. Firing was performed at 500 ° C. for 3 hours.

[Ni 4、12質量%、Fe/BaAl1219触媒調製法]
上記で得られたBaAl1219にNiの含有量がそれぞれ4質量%、12質量%、かつNi:Feのモル比が4:1になるように硝酸ニッケル(Ni(NO・6HO)及び硝酸鉄(Fe(NO・9HO)を用いて水溶液を調製し、含浸法にてニッケル及び鉄を担持した。500℃で3時間焼成した。
[Ni 4, 12% by mass, Fe / BaAl 12 O 19 catalyst preparation method]
BaAl 12 O 19 on the content, respectively 4 wt% of Ni obtained above, 12 weight%, and Ni: the molar ratio of Fe 4: 1 to become as nickel nitrate (Ni (NO 3) 2 · 6H An aqueous solution was prepared using 2 O) and iron nitrate (Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O), and nickel and iron were supported by an impregnation method. Firing was performed at 500 ° C. for 3 hours.

[Pt 0.1質量%、Ni 12質量%、Fe/BaAl1219触媒調製法]
上記で得られたBaAl1219にNiの含有量が12質量%に、かつNi:Feのモル比が4:1になるように硝酸ニッケル(Ni(NO・6HO)及び硝酸鉄(Fe(NO・9HO)を用いて水溶液を調製し、含浸法にてニッケル及び鉄を担持した。500℃で3時間焼成した。次にPtの含有量が0.1質量%になるようにジアミノ亜硝酸白金((NH2Pt(NO2)を用いて水溶液を調製し、含浸法にて白金を担持した。500℃で3時間焼成した。
[Pt 0.1% by mass, Ni 12% by mass, Fe / BaAl 12 O 19 catalyst preparation method]
In the BaAl 12 O 19 obtained above, nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) and a Ni content of 12% by mass and a Ni: Fe molar ratio of 4: 1 and An aqueous solution was prepared using iron nitrate (Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O), and nickel and iron were supported by an impregnation method. Firing was performed at 500 ° C. for 3 hours. Next, an aqueous solution was prepared using platinum diaminonitrite ((NH 3 ) 2 Pt (NO 2 ) 2 ) so that the Pt content was 0.1% by mass, and platinum was supported by an impregnation method. Firing was performed at 500 ° C. for 3 hours.

2.評価方法
図1に示された装置を用いて、バイオマスのガス化実験を行い、バイオマスガス化のための触媒の性能を評価した。本実施例の評価に用いた装置の概念図を図1に示す。
2. Evaluation method
Using the apparatus shown in FIG. 1, biomass gasification experiments were conducted to evaluate the performance of the catalyst for biomass gasification. The conceptual diagram of the apparatus used for evaluation of a present Example is shown in FIG.

図1において、1が熱分解部であり、熱分解部1とタール改質部2との分散板兼連通路8、ガス注入口4、5、6等を有する。2がタール改質部であり、熱分解部1とタール改質部2の分散板兼連通路8、合成ガス排出口12を有する。なお、分散板兼連通路8は、触媒粒子を支持した上でガスを流通させるためのものである。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a thermal decomposition section, which includes a dispersion plate / communication passage 8 between the thermal decomposition section 1 and the tar reforming section 2, gas injection ports 4, 5, 6 and the like. Reference numeral 2 denotes a tar reforming section, which includes a dispersion plate / communication passage 8 and a synthesis gas discharge port 12 for the thermal decomposition section 1 and the tar reforming section 2. The dispersion plate / communication passage 8 is for flowing gas after supporting the catalyst particles.

次に、バイオマスから合成ガスの生成までの過程を順を追って説明する。まず、原料のバイオマスを、例えば、図1のガス注入口3から供給する。供給されたバイオマスは、そのまま、又は一旦バイオマスフィーダー7においてバイオマス供給槽に蓄積された後、熱分解部1へ供給される。熱分解部1では、300〜1100℃の温度範囲で、0.1〜10秒、好ましくは、500〜700℃の温度範囲で、0.2〜2秒、バイオマスが熱分解される。これによって、バイオマスは、固体炭素、灰分などからなる固体成分9と、ガス状のタールなどからなる気体成分とに分離される。ここで、タールが気体成分となる温度に調節することは重要である。気体成分であれば、固体炭素などの固体成分9と分離して、別個に合成ガスを生成するタール改質部2へと導入することが可能だからである。   Next, the process from biomass to synthesis gas generation will be described in order. First, raw material biomass is supplied from, for example, the gas inlet 3 of FIG. The supplied biomass is supplied to the pyrolysis unit 1 as it is or after it is once accumulated in the biomass supply tank in the biomass feeder 7. In the pyrolysis section 1, the biomass is pyrolyzed in the temperature range of 300 to 1100 ° C. for 0.1 to 10 seconds, preferably in the temperature range of 500 to 700 ° C. for 0.2 to 2 seconds. As a result, the biomass is separated into a solid component 9 made of solid carbon, ash and the like, and a gas component made of gaseous tar and the like. Here, it is important to adjust the temperature so that tar becomes a gas component. This is because if it is a gas component, it can be separated from the solid component 9 such as solid carbon and separately introduced into the tar reforming section 2 that generates synthesis gas.

ガス状のタール等の分離された気体成分は、例えば、ガス注入口3、5、6などからのガスの流れに従って、場合によっては、空気、酸素、水蒸気などともに、分散板兼連通路8を通じて、タール改質部2へと導入される。   The separated gas component such as gaseous tar is, for example, along with the flow of gas from the gas injection ports 3, 5, 6, etc. The tar reforming unit 2 is introduced.

なお、分散板兼連通路8は、どのような形状であってもよいが、タール改質部2の触媒10が、タール改質部2外へ流出しないようにする。例えば、熱分解部1からタール改質部2へ下方となるような構成としてもよい。タール改質部2では、分離された気体成分と水蒸気とが、触媒10存在下で反応し、合成ガスを生成する。合成ガスは、合成ガス排出口12から排出される。   Although the dispersion plate / communication passage 8 may have any shape, the catalyst 10 of the tar reforming unit 2 is prevented from flowing out of the tar reforming unit 2. For example, it is good also as a structure which becomes below from the thermal decomposition part 1 to the tar reforming part 2. FIG. In the tar reforming unit 2, the separated gas component and water vapor react in the presence of the catalyst 10 to generate synthesis gas. The synthesis gas is discharged from the synthesis gas outlet 12.

ガス化に供したバイオマスは、水分10.4%、C 48.9%、H 6.59%、O 44.0%、N 0.14%、S 0.01%、Cl 0.05%、灰分 0.36%の組成で構成される杉を主成分とした木材をふるいで177μm以下に整粒したもの(木材粉)を用い、また、供した触媒10は、表1に示す左列の5つのもので、それぞれ水素気流下で還元処理を行ったものを用いた。還元処理は500℃で30分間で行った。   The biomass subjected to gasification is 10.4% moisture, 48.9% C, 6.59% H, 44.0% O, 0.14% N, 0.01% S, 0.05% Cl, A timber composed mainly of cedar composed of ash content of 0.36% is used to make a sized particle of 177 μm or less (wood powder). The catalyst 10 provided is shown in the left column of Table 1. Five of these were used which were each subjected to reduction treatment under a hydrogen stream. The reduction treatment was performed at 500 ° C. for 30 minutes.

図1の装置において、触媒10の触媒量を約1gとし、バイオマスとしての木材粉を60mg/min(2328μmol/min)としてバイオマスフィーダー7から供給し、ガス注入口5から供給する水蒸気を20μl/minとし、ガス注入口3から30ml/min、ガス注入口6から30ml/minの窒素をそれぞれ供給しガス化を行った。図1の装置における反応管の周囲に付した電気炉(図示せず)による外熱により反応温度を650℃、600℃、550℃の3パターンとし、反応時間は15分とし、バイオマス供給開始から1分後に生成ガスのサンプリングを開始し、GC−TCD、FIDを用いて生成した合成ガス12中のCO,H,CO,CHの生成速度(μmol・min−1)、炭素転換率(%−C)をそれぞれ測定した。 In the apparatus of FIG. 1, the catalyst amount of the catalyst 10 is about 1 g, wood powder as biomass is supplied from the biomass feeder 7 as 60 mg / min (2328 μmol / min), and water vapor supplied from the gas inlet 5 is 20 μl / min. Then, gasification was performed by supplying 30 ml / min of nitrogen from the gas inlet 3 and 30 ml / min of nitrogen from the gas inlet 6. The reaction temperature is set to three patterns of 650 ° C., 600 ° C. and 550 ° C. by external heat from an electric furnace (not shown) attached to the periphery of the reaction tube in the apparatus of FIG. After 1 minute, sampling of the product gas was started, and the production rate (μmol · min −1 ) and carbon conversion rate of CO, H 2 , CO 2 , and CH 4 in the synthesis gas 12 produced using GC-TCD and FID (% -C) was measured respectively.

なお、炭素転換率の算出方法は、
炭素転換率(%−C)=(CO+CO+CH+2×C炭化水素生成速度)/(バイオマス中の炭素の供給速度)×100
である。
The calculation method of carbon conversion rate is
Carbon conversion rate (% -C) = (CO + CO 2 + CH 4 + 2 × C 2 hydrocarbon production rate) / (carbon supply rate in biomass) × 100
It is.

15分の反応時間経過後、600℃に安定化させ、ガス注入口4より酸素を導入し、触媒10上に付着した炭素を燃焼させ、次にガス注入口6から酸素を導入し、反応管の堆積板11上に堆積した固体炭素を燃焼させ、GC−TCDを用いて燃焼ガス中の二酸化炭素を1分ごと測定し、これらそれぞれの量から触媒上へ析出した炭素収率(%−C)、固体炭素収率(%−C)を算出した。また、タール収率(%−C)も算出した。
なお、触媒上へ析出した炭素収率をコーク収率と定義して実施例の結果を記載した。
After the reaction time of 15 minutes has elapsed, the temperature is stabilized at 600 ° C., oxygen is introduced from the gas inlet 4, the carbon adhering to the catalyst 10 is combusted, oxygen is then introduced from the gas inlet 6, and the reaction tube The solid carbon deposited on the deposition plate 11 was burned, carbon dioxide in the combustion gas was measured every minute using GC-TCD, and the carbon yield deposited on the catalyst from each amount (% -C ), And the solid carbon yield (% -C) was calculated. The tar yield (% -C) was also calculated.
The carbon yield deposited on the catalyst was defined as the coke yield, and the results of the examples were described.

なお、タール収率の算出方法は、
タール収率(%−C)=100−炭素転換率−コーク収率−固体炭素収率
である。
The tar yield calculation method is as follows:
Tar yield (% -C) = 100-carbon conversion-coke yield-solid carbon yield.

以上の結果を表1に示す。 なお、表1における各触媒の欄において、上段は反応温度650℃の結果を示し、中段は反応温度600℃の結果を示し、下段は反応温度550℃の結果を示す。   The results are shown in Table 1. In the column of each catalyst in Table 1, the upper part shows the result at a reaction temperature of 650 ° C., the middle part shows the result at a reaction temperature of 600 ° C., and the lower part shows the result at a reaction temperature of 550 ° C.

表1に示す結果から明らかなように、改質反応における触媒として、バリウムアルミネート(BaAl1219)を含む触媒(表1の下3つの触媒)を使用した場合(実施例)は、アルミナ(Al)を含む触媒(表1の上2つの触媒)を使用した場合(比較例)に比して、コーク量とタール量は減少し、炭素転換率は増加し、合成ガス (CO+H)の収率は高くなる傾向にあることが判る。 As is apparent from the results shown in Table 1, when a catalyst (bottom three catalysts in Table 1) containing barium aluminate (BaAl 12 O 19 ) was used as a catalyst in the reforming reaction (Example), alumina was used. Compared to the case where a catalyst containing (Al 2 O 3 ) (the upper two catalysts in Table 1) is used (comparative example), the amount of coke and tar are reduced, the carbon conversion rate is increased, and the synthesis gas ( It can be seen that the yield of CO + H 2 ) tends to be high.

本発明は、バイオマスからより高い収率で合成ガスを製造するための、高い耐熱性を備える改質触媒として、産業上の利用可能性を有する。また、本発明は、炭素の燃焼除去によって触媒の再生を図る際に高温になることへの対策である耐熱性ともに、前記燃焼による再生がより低温で行えるよう高い炭素の燃焼活性と、その燃焼による金属酸化によって引き起る失活の還元による再生を容易に行うための易還元性を備える水蒸気改質触媒として、また、バイオマスを原料としてより高い収率で合成ガスが得られる合成ガスの製造方法として、産業上の利用可能性を有する。   The present invention has industrial applicability as a reforming catalyst having high heat resistance for producing synthesis gas from biomass at a higher yield. In addition, the present invention has a high carbon combustion activity so that the regeneration by the combustion can be performed at a lower temperature, as well as heat resistance, which is a countermeasure against a high temperature when the catalyst is regenerated by removing the carbon by combustion, and its combustion As a steam reforming catalyst with easy reducibility to facilitate regeneration by reduction of deactivation caused by metal oxidation by, and synthesis gas production with higher yield from biomass as raw material As a method, it has industrial applicability.

1 熱分解部
2 タール改質部
3 ガス注入口
4 ガス注入口
5 ガス注入口
6 ガス注入口
7 バイオマスフィーダー
8 分散板兼連通路
9 固体成分
10 触媒
11 堆積板
12 合成ガス排出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermal decomposition part 2 Tar reforming part 3 Gas inlet 4 Gas inlet 5 Gas inlet 6 Gas inlet 7 Biomass feeder 8 Dispersion plate and communication path 9 Solid component 10 Catalyst 11 Deposit plate 12 Syngas outlet

Claims (11)

バイオマスを熱化学的に分解及び部分酸化反応させて得られた水素、一酸化炭素、タール分、炭素分及び灰分の生成物の前記灰分以外を導入し水蒸気と反応させる水蒸気改質触媒であって、
バリウムヘキサアルミネートにニッケルとともに鉄を併用させて、付着したタール及び析出した炭素の燃焼除去による再生を可能としたことを特徴とするバイオマスガス化改質触媒。
A steam reforming catalyst that introduces hydrogen, carbon monoxide, tar content, carbon content and ash content products other than the ash content obtained by thermochemically decomposing and partially oxidizing the biomass and reacting with steam. ,
A biomass gasification reforming catalyst characterized by using iron together with nickel in barium hexaaluminate to enable regeneration by burning and removing attached tar and precipitated carbon.
ニッケル:鉄のモル比が10:1〜1:3の範囲内であることを特徴とする請求項1記載のバイオマスガス化改質触媒。   The biomass gasification reforming catalyst according to claim 1, wherein the molar ratio of nickel: iron is in the range of 10: 1 to 1: 3. ニッケルを1〜25質量%の範囲内で含むことを特徴とする請求項2記載のバイオマスガス化改質触媒。   The biomass gasification reforming catalyst according to claim 2, comprising nickel in the range of 1 to 25 mass%. バイオマスを熱化学的に分解及び部分酸化反応させて得られた水素、一酸化炭素、タール分、炭素分及び灰分の生成物の前記灰分以外を導入し水蒸気と反応させる水蒸気改質触媒であって、
バリウムヘキサアルミネートにニッケルとともに鉄及び白金を併用させて、付着したタール及び析出した炭素の燃焼除去による再生を可能としたことを特徴とするバイオマスガス化改質触媒。
A steam reforming catalyst that introduces hydrogen, carbon monoxide, tar content, carbon content and ash content products other than the ash content obtained by thermochemically decomposing and partially oxidizing the biomass and reacting with steam. ,
Barium with nickel hexaaluminate by combination of iron and platinum, deposited tar and features and to Luba Iomasugasu of reforming catalysts that due precipitated burn off carbon and enabling reproduction.
白金を0.01〜1.0質量%の範囲内で含むことを特徴とする請求項4記載のバイオマスガス化改質触媒。   The biomass gasification reforming catalyst according to claim 4, wherein platinum is contained within a range of 0.01 to 1.0 mass%. 前記バイオマスが、農業系バイオマスであることを特徴とする請求項1乃至5のうちの1つに記載のバイオマスガス化改質触媒。   The biomass gasification reforming catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the biomass is agricultural biomass. 前記バイオマスが、木質系バイオマスであることを特徴とする請求項1乃至5のうちの1つに記載のバイオマスガス化改質触媒。   The biomass gasification reforming catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the biomass is woody biomass. 前記バイオマスを熱化学的に分解及び部分酸化反応させ、水素、一酸化炭素、タール分、炭素分及び灰分の生成物を得る部分酸化工程と、
前記灰分以外の前記生成物を導入し水蒸気と反応させる水蒸気改質工程と、を含み、
前記水蒸気改質工程は、前記請求項1乃至5のうちの1つからなるバイオマスガス化改質触媒の存在下で反応させることを特徴とする合成ガスの製造方法。
A partial oxidation step in which the biomass is thermochemically decomposed and partially oxidized to obtain products of hydrogen, carbon monoxide, tar, carbon and ash;
A steam reforming step of introducing the product other than the ash and reacting with steam,
The method for producing synthesis gas, wherein the steam reforming step is caused to react in the presence of a biomass gasification reforming catalyst comprising one of claims 1 to 5.
前記水蒸気改質工程は、前記部分酸化工程で得られた熱を利用する工程であることを特徴とする請求項8記載の合成ガスの製造方法。   The method for producing synthesis gas according to claim 8, wherein the steam reforming step is a step of using heat obtained in the partial oxidation step. 前記部分酸化工程、及び、前記水蒸気改質工程に必要な熱の少なくとも一部が外熱によって供給されることを特徴とする請求項8又は9に記載の合成ガスの製造方法。   The method for producing synthesis gas according to claim 8 or 9, wherein at least part of heat necessary for the partial oxidation step and the steam reforming step is supplied by external heat. 前記部分酸化工程、及び水蒸気改質工程は、300〜1100℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項8乃至10のうちの1つに記載の合成ガスの製造方法。
The method for producing a synthesis gas according to claim 8, wherein the partial oxidation step and the steam reforming step are performed in a temperature range of 300 to 1100 ° C.
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