JP5582985B2 - 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 - Google Patents

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２００８−２２２８７７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。
特に、吸着剤（バイオマスチャー、活性炭等）は、吸着容量だけ吸着した後は、吸着能力が低下するので、交換（廃棄）あるいは再生する必要がある。
生成ガスからの液体燃料合成においては、一般的にタール成分と呼ばれる沸点２００℃以上の炭化水素（重質ハイドロカーボン）に加え、軽質（沸点２００℃以下）であっても例えばベンゼン等の不飽和炭化水素も除去する提案がある（特許文献３）が、以下の課題がある。

１） 重質ハイドロカーボンに比べ不飽和軽質ハイドロカーボンは数倍乃至数十倍量含まれており、吸着剤が短時間で破過するため、再生利用の頻度が増加する、という問題がある。
２） この際、軽質ハイドロカーボンは脱着が比較的容易であるが、重質ハイドロカーボンは脱着しにくいため、重質及び軽質ハイドロカーボンを含むガス化ガスを吸着させた場合、吸着剤の再生が困難である、という問題がある。
３） 生成ガス中の軽質ハイドロカーボンは相当量の熱量を有しており、除去することによりバイオマスエネルギーをガスに変換した際のエネルギーの損失となり、エネルギー転換率の低下となる、という問題がある。

そこで、生成ガスから重質及び軽質ハイドロカーボンを含むタール成分の効率的な除去方法の出現が切望されている。

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重質及び軽質ハイドロカーボンを含むタール成分を効率的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ガス化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を吸着及び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てなる第１のタール除去塔と、第１のタール除去塔の後流側に設けられ、前記生成ガスに残存する軽質ハイドロカーボンを吸着及び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てなる第２のタール除去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、第２のタール除去塔を複数並列に設け、流路を交互に切替え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、第１又は２の発明において、第２のタール除去塔に充填されたチャー付着バイオマス粒子の充填層を再生する再生手段を有し、流路を交互に切替えつつ、一方を再生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４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、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得るバイオマス・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５の発明は、バイオマスがバイオマスガス化炉でガス化され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を第１のタール除去塔で吸着及び除去した後、第１のタール除去塔の後流側に設けた第２のタール除去塔で前記生成ガスに残存する軽質ハイドロカーボンを、前記チャー付着バイオマス粒子を用いて吸着及び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。

第６の発明は、第５の発明において、第２のタール除去塔を複数並列に設け、流路を交互に切替えつつ軽質ハイドロカーボンを吸着及び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、タール成分を吸着するタール除去手段を第１のタール除去塔と第２のタール除去塔との２段構成とし、前段の第１のタール除去塔において、重質ハイドロカーボンを吸着し、後段の第２のタール除去塔で軽質ハイドロカーボンを吸着させるようにして、重質及び軽質ハイドロカーボンを含むタール成分の効率的な除去が可能となる。

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、実施例１に係る他のバイオマスガス化システムの概略図である。 図３は、実施例２に係るバイオマスガス化システムの概略図である。 図４は、ガス中のベンゼン濃度とタール除去塔を通過する経過時間との関係図である。 図５は、ガス中のナフタレン濃度とタール除去塔を通過する経過時間との関係図である。

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２は、実施例１に係る他の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１０Ａ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中のタール成分を吸着・除去する第１のタール除去塔１９と、第１のタール除去塔１９の後流側に設けられ、生成ガス１４中に残存する軽質ハイドロカーボンを吸着・除去する第２のタール除去塔４１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。

本発明では、タール成分を吸着するタール除去手段を第１のタール除去塔１９と第２のタール除去塔４１との２段構成とし、前段の第１のタール除去塔１９において、重質ハイドロカーボンを吸着し、後段の第２のタール除去塔４１で軽質ハイドロカーボンを吸着させるようにしている。
ここで、第１のタール除去塔１９及び第２のタール除去塔４１でタール成分を吸着・除去する充填剤としては、例えば活性炭、活性炭素繊維又はバイオマスチャー等を用いるようにしている。

本発明で重質ハイドロカーボンとは、タール成分の内、例えばナフタレン、アントラセン等の炭素原子数が１０以上の高分子炭化水素化合物をいう。また、軽質ハイドロカーボンとは、タール成分の内、例えばベンゼン、トルエン、キシレン等の炭素原子数が１０未満の低分子炭化水素化合物をいう。

後段の第２のタール除去塔４１のタール吸着剤層は、軽質ハイドロカーボンを吸着し、吸着性能が低下した後に、例えば水蒸気による加熱等により再生させ、再利用を図ることができる。
なお、再生により脱離した軽質ハイドロカーボンガスは、ガス化炉１３又はバイオマス乾燥用の熱風炉（図示せず）に再投入して、熱源として再利用することができる。

バイオマス１１をガス化した生成ガス１４中に含まれる重質ハイドロカーボンは、軽質ハイドロカーボンに比べその濃度が低いので、前段の第１のタール除去塔１９のタール吸着剤層では、軽質ハイドロカーボンを吸着可能の容量だけ吸着して破過したとしても、重質ハイドロカーボンを吸着する容量がある限り、重質ハイドロカーボンを吸着除去可能である。

後段の第２のタール除去塔４１のタール吸着剤層では、前段の第１のタール除去塔１９を通過してきた残留タール分である軽質ハイドロカーボンを吸着するようにしている。
なお、生成ガス１４中の軽質ハイドロカーボンはその濃度が高く、第２のタール除去塔４１のタール吸着剤層は比較的早く破過するが、 軽質ハイドロカーボンは脱着が容易なため、脱着・再生して繰り返し利用することができる。

図４は、ガス中のベンゼン濃度とタール除去塔を通過する経過時間との関係図である。図５は、ガス中のナフタレン濃度とタール除去塔を通過する経過時間との関係図である。
図４は、ガス中にベンゼン（１，０００ｐｐｍ）のみの場合と、ベンゼン（１，０００ｐｐｍ）にＨ₂Ｓを添加（３０ｐｐｍ）した場合と、ベンゼン（１，０００ｐｐｍ）にＨ₂Ｓを添加（３０ｐｐｍ）すると共に、ナフタレンを添加（８０ｐｐｍ）した場合の破過状態を示している。吸着剤は活性炭を用いた。
図５は、ガス中にナフタレン（８０ｐｐｍ）のみの場合と、ナフタレン（８０ｐｐｍ）にＨ₂Ｓを添加（３０ｐｐｍ）した場合と、ナフタレン（８０ｐｐｍ）にＨ₂Ｓを添加（３０ｐｐｍ）すると共に、ベンゼン（１，０００ｐｐｍ）を添加した場合の破過状態を示している。吸着剤は活性炭を用いた。
図４に示すように、ベンゼンの破過曲線では、約３０分で破過が発生し、５０分を経過すると飽和状態となった。
これに対し、図５に示すように、ナフタレンの場合では、ベンゼンが共存していても、ナフタレンの破過は２００分を経過した後に発生し、飽和になるまでは４８０分も要した。

この結果、前段の第１のタール除去塔１９でタール成分を除去する場合でも、ナフタレン等の重質タール成分を吸着・除去する場合においては、その破過時間が長いので、連続しての重質のタール成分を除去することができる。
これに対し、前段の第１のタール除去塔１９での軽質のタール成分の破過時間は短いものの、後流側に第２のタール除去塔４１を設置しているので、残存する軽質のタール成分の吸着除去が可能となる。

この際、図２に示すバイオマスガス化システム１０Ｂに示すように、２台の第２のタール除去塔４１Ａ、４１Ｂを並列に設置し、その前後に設けた弁Ｖ₁及びＶ₂、弁Ｖ₃及びＶ₄を交互に開閉し、一方の第２のタール除去塔４１Ａでタール成分を吸着除去している間に、他方の第２のタール除去塔４１Ｂで蒸気４２を導入して再生するようにしてもよい。

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３は、実施例２に係るバイオマスガス化システムの概略図である。
図３に示すように、バイオマスガス化システム１０Ｃは、図２に示すバイオマスガス化システム１０Ｂにおいて、バイオマス・チャー混合器３３を設けている。

本実施例では、第１のタール除去塔１９及び第２のタール除去塔４１Ａ、４１Ｂに充填される吸着剤として、チャー３０を付着したチャー付着バイオマス粒子３１を用いている。

この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とをバイオマス・チャー混合器３３により混合している。

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１１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３０を付着させている。
なお、チャー３０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３０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３０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、第１のタール除去塔１９及び第２のタール除去塔４１Ａ、４１Ｂ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、第１のタール除去塔１９及び第２のタール除去塔４１Ａ、４１Ｂ内に充填することで、圧力損失を低減したチャー付着バイオマス粒子３１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。

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、バイオマスガス化炉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。

この第１のタール除去塔１９及び第２のタール除去塔４１Ａ、４１Ｂ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付着バイオマス粒子３１（使用済みチャー付着バイオマス粒子）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、第１のタール除去塔１９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１１が分解して再利用することができなくなるからである。

精製ガス２０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）の精製塔を用いて所望の規定量となるように精製精度の向上を図るようにしてもよい。

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中のタール成分を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。

１０Ａ〜１０Ｃ 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
１９ 第１のタール除去塔
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
４１、４１Ａ、４１Ｂ 第２のタール除去塔

Claims (6)

1. 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ガス化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を吸着及び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てなる第１のタール除去塔と、
   第１のタール除去塔の後流側に設けられ、前記生成ガスに残存する軽質ハイドロカーボンを吸着及び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てなる第２のタール除去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。
2. 請求項１において、
   第２のタール除去塔を複数並列に設け、流路を交互に切替えることを特徴とするバイオマスガス化システム。
3. 請求項１又は２において、
   第２のタール除去塔に充填されたチャー付着バイオマス粒子の充填層を再生する再生手段を有し、流路を交互に切替えつつ、一方を再生することを特徴とするバイオマスガス化システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
   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得るバイオマス・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。
5. バイオマスがバイオマスガス化炉でガス化され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を第１のタール除去塔で吸着及び除去した後、
   第１のタール除去塔の後流側に設けた第２のタール除去塔で前記生成ガスに残存する軽質ハイドロカーボンを、前記チャー付着バイオマス粒子を用いて吸着及び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。
6. 請求項５において、
   第２のタール除去塔を複数並列に設け、流路を交互に切替えつつ軽質ハイドロカーボンを吸着及び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。

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