JP5582984B2

JP5582984B2 - バイオマスガス化システム及びバイオマスガス化ガスの精製方法

Info

Publication number: JP5582984B2
Application number: JP2010264405A
Authority: JP
Inventors: 猛甘利; 崇山元; 啓吾松本; 克彦篠田; 勝仁桐木平
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: JP2012111911A

Description

本発明は、バイオマスガス化システム及びバイオマスガス化ガスの精製方法に関する。

一般にバイオマスとは、農業生産物又は副産物、木材、植物等の生物体をいう。これらは、太陽光、空気、水、土壌等の作用により生育されるため、無限に生産が可能である。また、前記バイオマスは生育過程において、光合成により大気中から二酸化炭素を吸収するため、該バイオマスを生産することは大気中の二酸化炭素量の低減にもつながる。これらの理由から、前記バイオマスをガス化して燃料用のガスを生成するバイオマスガス化技術は、地球環境に好ましい技術として知られている。

ところで、前記バイオマスを原料として生成したガスには、ガス化チャー、タール成分、硫化水素等が含まれるため、そのままでは合成触媒を利用した液体燃料や、燃料電池へのエネルギー源を合成する為のガスとしての利用、及び該ガスを高度に精製する触媒への導入には適さない。そのため、従来においては、除塵装置やガス精製装置によって、前記ガス化チャー、タール成分、硫化水素等を除去すべく工夫している。

例えば、特許文献１及び特許文献２においては、バイオマスを炉本体内に供給するバイオマス供給手段と、酸素又は酸素と水蒸気の混合物からなる燃焼用の酸化剤を前記炉本体内に供給する酸化剤供給手段とを備えてなるバイオマスガス化炉と、該バイオマスガス化炉でガス化した生成ガスの粉塵を除去する除塵装置と、除塵されたガスを冷却する冷却器と、該冷却したガスを精製するガス精製部を備えたバイオマスガス化システムが開示されている。

前記バイオマスガス化ガスのガス精製手段は、バイオマスを一時的に保持しており、該ガス精製部内に、冷却器を通過した冷却生成ガスを通過させ、ここで冷却生成ガスに含まれるタール成分を吸着させ、精製ガスとし、タール成分を吸着したタール吸着バイオマスを搬送手段により、バイオマス供給手段に搬送するようにしている。

特開２００４−３４６２８５号公報（段落００４７，００４８，図１等）特開２００８−２４７５２号公報（段落００１７，図１等）特開２００６−３３５８２２号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示された発明では、前記精製ガス中に含まれるタール成分濃度が高く、合成触媒を利用した液体燃料や、燃料電池へのエネルギー源を合成する為のガスとして利用し、また該ガスを高度に精製する触媒に導入するには、その精製が不十分であるという問題があった。また、バイオマス粒子には硫化水素を吸着する能力がないことから、前記精製ガス中に含まれるＨ₂Ｓ濃度も、ガスタービン及び燃料電池等に利用し、また該ガスを高度に精製する触媒に導入する際の問題となっていた。

また、バイオマス燃料製造コスト低減のために、吸着剤の使用量の低減や、装置の小型化等の課題がある。
従来より、吸着剤にはプラント副生物であるバイオマスチャーが有する吸着能を利用する提案がある（特許文献３）が、以下のような問題がある。

１）バイオマスチャーは微粉であるため、微粉バイオマスチャーをそのまま吸着塔に充填すると圧力損失が大きい、という問題がある。
２）バイオマスチャーは微粉であるため、吸着塔に充填し、通ガスした際に充填層をガスが均一に通過せず（チャネリング現象）、バイオマスチャーとガスを十分に接触させることが困難である、という問題がある。
３）脱硫剤にＺｎＯを用いる際には、３００℃程度の反応温度が必要であり、かつタール成分は除去できないので、別途タール除去装置が必要となるという問題がある。

そこで、バイオマスガス化ガスからタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去することが切望されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、バイオマスをガス化して生成したガス化ガス中のタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去することのできるバイオマスガス化システム及びバイオマスガス化精製方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、バイオマスをガス化するバイオマスガス化炉と、該バイオマスガス化炉で生成されたガス化ガスである生成ガス中に含まれるバイオマスチャーを除去する除塵手段と、前記生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、除塵及び冷却された前記生成ガス中のタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去するバイオマスチャーを付着したチャー付着バイオマス粒子を充填した吸着塔とを具備することを特徴とするバイオマスガス化システムにある。

第２の発明は、第１の発明において、バイオマス原料粉砕物と前記バイオマスチャーとを混合し、前記チャー付着バイオマス粒子を製造するバイオマス・チャー混合器を有することを特徴とするバイオマスガス化システムにある。

第３の発明は、バイオマスをバイオマスガス化炉でガス化したガス化ガスである生成ガス中のバイオマスチャーを除塵し、該除塵されたバイオマスチャーを用いて、バイオマス粉砕物と混合してチャー付着バイオマス粒子とし、該チャー付着バイオマス粒子を用いて、前記生成ガス中のタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去することを特徴とするバイオマスガス化ガスの精製方法にある。

本発明によれば、チャーを付着したバイオマス粒子を用い、吸着塔内に充填することで、圧力損失を低減したバイオマスチャーの充填層を形成できる。この充填層によりタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去することが可能となる。

図１は、実施例１に係るバイオマスガス化システムの概略図である。図２は、圧力損失の低減効果を示す図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係るバイオマスガス化システムについて、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係るバイオマスガス化システムの概略図である。
図１に示すように、バイオマスガス化システム１０は、バイオマス供給装置１２により供給されたバイオマス１１をガス化するバイオマスガス化炉１３と、該バイオマスガス化炉１３で生成されたガス化ガスである生成ガス１４中に含まれるバイオマスガス化チャー（以下、「チャー」という）３０を除去する第１の除塵手段１５と、該チャー３０が除去された生成ガス１４を冷却する生成ガス冷却器１６と、冷却後の生成ガス１４中の粉塵を除塵する第２の除塵手段１７と、第２の除塵手段１７で除塵された生成ガス１４中のタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去するチャー３０を付着したチャー付着バイオマス粒子３１を充填した吸着塔１８と、残存するタール成分等の不純物をさらに除去し、精製ガス２０を得るガス精製塔１９とを具備する。なお、本実施例では、冷却器１６の前後に第１の除塵手段１５及び第２の除塵手段１７を設けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、チャー及び粉塵量や、除塵装置の集塵性能によっては、いずれかの除塵手段を設ける必要はない。

バイオマス供給装置１２の前流側には、バイオマス原料２１を受け入れるバイオマスホッパ２２と、受け入れたバイオマス原料２１を所定粒径（例えば１〜５ｍｍ）に粉砕するバイオマス粉砕機２３と、粉砕されたバイオマス粉砕物２１Ａを乾燥してバイオマス乾燥物２１Ｂとするバイオマス乾燥機２４とが設置されている。なお、バイオマス乾燥物２１Ｂがバイオマスガス化炉１３に供給されるバイオマス１１となる。

バイオマス原料２１は、生産又は廃棄されたバイオマスを粉砕・乾燥したものを用いる。バイオマスとは、農業生産物又は副産物、木材、植物等の生物体をいい、例えば、スイートソルガム、ネピアグラス、スピルリナ等が用いられている。
このバイオマス原料２１を熱分解して生成ガスを得る際に、その熱分解によって生じる生成ガス中に含まれる有機物をタール成分といい、その主成分は芳香族成分である。

また、バイオマスガス化炉１３には、酸素又は酸素と水蒸気との混合物からなる燃焼用の酸化剤２５を炉本体内に供給する酸化剤供給手段２６を有している。

本実施例の吸着塔１８に充填されるチャー３０を付着したチャー付着バイオマス粒子３１は、バイオマス粉砕機２３で粉砕された一部の粉砕物２１Ａと、チャーホッパ３２で捕集したチャー３０とを混合するバイオマス・チャー混合器３３が設置され、両者を混合している。

バイオマスチャー３０はバイオマスガス化炉１３でバイオマスを熱分解し、ガス化ガスを生成した残渣をいい、微粉であるので、バイオマス・チャー混合器３３により混合し、バイオマス粒子の表面にチャーを付着させている。
なお、チャーを付着させるにはバイオマス・チャー混合器３３に限定されるものではなく、チャーを搬送する途中でバイオマス粒子を添加して、チャー付着バイオマス粒子３１を得るようにしてもよい。
いずれにしても、バイオマス粒子である粉砕物２１Ａがチャー３０の担体として機能して、チャー同士が圧密されることを防止している。

混合されたチャー付着バイオマス粒子３１は、吸着塔１８に充填され、充填層を形成する。
このように、チャー３０を付着したチャー付着バイオマス粒子３１を用い、吸着塔１８内に充填することで、圧力損失を低減したバイオマスチャーの充填層を形成できる。この充填層により生成ガス１４中のタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去することが可能となる。

図２は、圧力損失の低減効果を示す図である。
図２に示すように、バイオマスチャーのみでは、圧力損失が高い（バイオマス原料の１８０倍）ものであったが、チャー付着バイオマス粒子とすることで、圧力損失は小さい（バイオマス原料のみの３．５倍）ものとすることができる。

また、チャー単独で充填する場合には、通ガスした際に充填層をガスが均一に通過しないいわゆるチャネリング現象が発生するが、本発明によれば、バイオマス粒子の存在でチャンネリング現象が発生せず、バイオマスチャーとガスを十分に接触させることができる。

［試験例］
チャー３０を付着したバイオマス粒子３１を充填した充填塔（試験例）と単なるバイオマス粒子のみを充填した充填塔（比較例）とを用いて、吸着塔１８の入口と出口とのガス中のＨ₂Ｓ成分とタール成分の濃度を計測した。
その計測の結果を表１に示す。ここで、流速は３００Ｌ／ｈ、ガス温度は４３℃で試験した。

表１に示すように、試験例の吸着塔は、Ｈ₂Ｓ成分の場合では、その濃度が３０ｐｐｍであったものが、１０ｐｐｍに減少した。また、タール成分の場合では、その濃度が３００ｍｇ／Ｎｍ³であったものが、５．７ｍｇ／Ｎｍ³に減少した。
これに対し、比較例の吸着塔は、Ｈ₂Ｓ成分の場合では、その濃度が３０ｐｐｍであったものが、３０ｐｐｍと全く減少できなかった。また、タール成分の場合では、その濃度が３００ｍｇ／Ｎｍ³であったものが、１８０ｍｇ／Ｎｍ³までしか減少できなかった。

バイオマスチャー（チャー）３０は、バイオマスガス化システムにおいて、水蒸気存在雰囲気下によってガス化した際に副生するチャーであって、第１の除塵手段（サイクロン、フィルター等）１５や生成ガス冷却器１６で捕集されたバイオマスチャーを利用している。
バイオマス粉砕物２１Ａは、ガス化炉１３の投入用に数ミリに粉砕されたものの一部を用いている。

ここで、バイオマス粉砕物２１Ａとチャー３０との混合物において、チャー３０の混合割合は、５〜５０重量％とするのが好ましい。

この吸着塔１８で、生成ガス１４中のタール成分及び硫黄化合物の多成分の除去に寄与したチャー３０が付着されたバイオマス粒子３１は、バイオマスガス化炉１３内に供給して生成ガス１４の原料に再利用することができる。

また、吸着塔１８の入り口温度は、通常は第２の除塵手段１７で１００℃以下に冷却されているが、本発明はこれに限定されず、例えば２００℃以下とすることができる。これは、２００℃を超える温度域では、バイオマスが分解して再利用することができなくなるからである。

ガス化の原料として容易に入手可能なバイオマス粒子を用い、捕集されたチャー３０を付着させて充填した吸着塔１８とすることで、圧力損失を低減したバイオマスチャーの充填層を形成できる。この充填層によりタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去可能となる。

また、従来のように、バイオマスチャーを単独に充填した吸着塔のように、通ガスした際に充填層をガスが均一に通過しないチャネリング現象も発生することができず、バイオマス粒子に付着しているバイオマスチャー３０と生成ガス１４との接触が均一となる。

精製ガス２０を得るガス精製塔１９は、例えばＺｎＯ等の脱硫剤やタール成分をさらに除去するプレリフォーミング触媒（例えばＮｉ系触媒、Ｒｕ系触媒等）を用いて精製精度を向上させるようにしている。

以上述べたように、本発明に係るバイオマスガス化システム及びバイオマスガス化ガスの精製方法によれば、バイオマスガス化炉１３でガス化された生成ガス１４中のタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去することができるので、精製ガス２０は、ガスタービン並びに燃料電池等への利用が可能となると共に、ガス化ガスを原料とする各種化学製品の製造の際における触媒被毒を解消することができる。
よって、得られた精製ガス２０は、ガス中のＨ₂とＣＯガスの組成を調整することで、アンモニア、メタノール（又はジメチルエーテル）等の化成品の製造用のガスとして利用することができる。

以上のように、本発明に係るバイオマスガス化システム及びバイオマスガス化ガスの精製方法は、バイオマスガス化により生成されるガスの純度を向上させるのに有用であり、特に、ガスタービン及び燃料電池等に利用し、又は精製ガスを用いて液体燃料等の化成品を製造するのに適している。

１０バイオマスガス化システム
１１バイオマス
１２バイオマス供給装置
１３バイオマスガス化炉
１４生成ガス
１５第１の除塵手段
１６生成ガス冷却器
１７第２の除塵手段
１８吸着塔
１９ガス精製塔
２０精製ガス
３０バイオマスチャー（チャー）
３１チャー付着バイオマス粒子

Claims

バイオマスをガス化するバイオマスガス化炉と、
該バイオマスガス化炉で生成されたガス化ガスである生成ガス中に含まれるバイオマスチャーを除去する除塵手段と、
前記生成ガスを冷却する生成ガス冷却器と、
除塵及び冷却された前記生成ガス中のタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去するバイオマスチャーを付着したチャー付着バイオマス粒子を充填した吸着塔とを具備することを特徴とするバイオマスガス化システム。
請求項１において、
バイオマス原料粉砕物と前記バイオマスチャーとを混合し、前記チャー付着バイオマス粒子を製造するバイオマス・チャー混合器を有することを特徴とするバイオマスガス化システム。
バイオマスをバイオマスガス化炉でガス化したガス化ガスである生成ガス中のバイオマスチャーを除塵し、該除塵されたバイオマスチャーを用いて、バイオマス粉砕物と混合してチャー付着バイオマス粒子とし、
該チャー付着バイオマス粒子を用いて、前記生成ガス中のタール成分及び硫黄化合物の多成分を同時に除去することを特徴とするバイオマスガス化ガスの精製方法。