JP5830142B2 - バイオマスを用いて水素ガスを生成するための装置 - Google Patents

Description

本発明はバイオマスから水素を生成するための装置に関し、その装置により遂行される工程はバイオマスの乾燥、バイオマスのガス化およびその後のガス処理の工程からなる。

ガス発生器、ガス洗浄および熱回収に基づくこの新規なバイオマスのガス化を遂行するための装置は、いかなる公知の技術的解決策よりも効率的であり、中規模（地域社会）から大規模（産業）まで使用できる。

バイオマスのガス化は「グリーン」エネルギの重要な資源である。これは主に大気中に二酸化炭素を再生し排出しないという可能性に負うものである。水素は燃焼時のいかなる排出も生成しないエネルギ担体である。水素は自動車、産業および発電に好適な燃料である。

バイオマス（木材）をガス化するための最も有効な手段を見出すことは、世界中で進行中の事業である。ガス化の最も初期のものはガス化と同時に蒸気と電気が得られるボイラから来ている。この手段は蒸気の生成を除いて熱の発生と再生に焦点が当てられている。

特開平４−９６９９５号から、高エネルギーガスを生産するための手段が知られていることは明らかであり、この生産はコークス炉ガスと転炉ガスの混合物から出発する。酸素ガスがこの混合物に加えられる。次段階でメタンガスが生産される。高エネルギーガスの生産の最終段階において、窒素ガス成分は深冷分離により取り除かれる。

特開平４−９６９９５号公報

本発明の最も重要な目的は、バイオマスの形態の再生可能な原材料から水素ガスを生成するための装置を提供することである。

本発明の別の目的は、燃焼ガスから窒素を除去することにある。

本発明のまた別の目的は、清浄化されるガス、すなわち、窒素を取り除かれるガスを減少することにある。

本発明のさらに別の目的は、処理中に多くの熱交換工程を実現することである。

少なくとも本発明の主たる目的は、添付の独立請求項に特徴付けられた特色を有する装置によって実現される。本発明の好ましい実施の形態は従属請求項に画定される。

図１は本発明による装置のフロー図を示し、その装置を形成するユニットを図式的に示す。 図２は本発明による水素濃縮物とガスを分離するための好適な実施例のフロー図を示し、水素濃縮物とガスの分離を実現する装置を形成するユニットを図式的に示す。

本発明の好適な実施例について、以下、添付の図面を参照して説明する。

図１は、バイオマスの形態の再生可能な原材料から水素ガスを生成する装置を形成する多くのユニットが図式的に示されている。装置のユニットを相互に繋ぐ導管、パイプなどは詳細には説明または図示されていない。導管、パイプなどは、それらの機能を実現する、すなわち、装置のユニット間でガスおよび固体を移送するように適宜に設計されている。

本装置はバイオマスのための貯蔵ユニット１を備える。バイオマスは、通常、木または、特にこの目的のために生育されて収穫される収穫物或いはパルプや紙またはその他の産業からの副産物のいずれかである。貯蔵ユニット１は、加熱された窒素の流れがバイオマスを乾燥するために貯蔵ユニットを通過できるように設計される。バイオマスは、その発熱量が低くそして使用する前に乾燥を必要とする非常に高位の水（湿気）を確かに有して収穫されるので、燃料としてはある種の欠点を有する。多くの副産物はより容易に扱えるように（乾燥の前および後に）ペレット化される。また、木をコークスにすることにより純粋なエネルギー源を得ることも可能である。

本装置はまた、熱分解チャンバ５および再燃焼チャンバ６を順々に備えた反応器ユニット３を備え、前記両チャンバは、通常、セラミック・ライニングを装備されている。本装置はまた、反応器ユニット３の再燃焼チャンバ６に連結される第１リジェネレータ装置７を備える。第１リジェネレータ装置７の目的は、非常に高い温度、すなわち、１５００−１６００℃の値で熱交換することである。通常、リジェネレータはセラミック材料からなる。第１リジェネレータ装置７はまた、本発明の装置に含まれる蒸発器９と連結される。第１リジェネレータ装置７と蒸発器９は共に第１熱交換手段を形成する。蒸発器９は、本発明による装置の一部をまた形成するガス洗浄器と連結される。

送風機８が第２リジェネレータ装置１５と連結され、該送風機８は本発明による装置の一部を形成する。第２リジェネレータ装置１５はまた、熱交換装置４を介して熱分解チャンバ５に結合され、それにより加熱された空気からの熱は送風機８から熱分解チャンバ５に供給され、そして残りの熱は貯蔵ユニット１のバイオマスを乾燥して行く。この第２リジェネレータ装置１５から熱交換装置４を介して熱分解チャンバ５に流れる空気は、貯蔵ユニット１の乾燥中、粒子に沿って運ばれそして反応ユニット３の再燃焼チャンバ６における燃焼のためにできるだけガス化する。

ガス洗浄器２８および２９と蒸発器９の後には、回転ファン１１が設けられ、この回転ファン１１は本発明による装置の一部である。かくして、ガス洗浄器２８および２９は回転ファン１と連結され、続いて回転ファン１１は蒸発器９および第１リジェネレータ装置７と連結される。

本発明の装置はまた、反応器ユニット３の燃焼チャンバ５に連結された還元シャフト１２を備える。還元シャフト１２は複数の部屋１３Ａ−１３Ｃに分割され、各部屋１３Ａ−１３Ｃは還元工程を遂行する。セラミック・バルブ（図示なし）が燃焼チャンバ５から還元シャフト１２へのコークス燃料の移送を制御する。還元シャフト１２の底部にスラグ・ポケット１４があり、残された灰やスラグがそこに集められる。

反応器ユニット３および還元シャフト１２に近接して、燃焼チャンバ５および還元シャフト１２に共に連結された第２リジェネレータ１５の形態の第２熱交換手段がある。第２リジェネレータ１５は本発明の装置に含まれる。第２リジェネレータ１５はまた圧縮機１７に連結され、この圧縮機１７は本発明の装置に含まれる。送風機８は第２リジェネレータ１５に空気を送り込む一方、圧縮機１７は第２リジェネレータ１５から合成ガスＳを吸引する。

反応ユニット３からの排出ガスは、触媒反応器２１に結合され、そして洗浄システムにまた含まれるサイクロン２０からなる洗浄システムを通過する。触媒反応器２１は、好ましくは静電気集塵装置である第１フィルタ２８に結合された蒸発器９に結合され、この第１フィルタ２８は洗浄システムに含まれる。第１フィルタ２８は、洗浄システムに含まれるスクラバ２９に結合される。

図２は、ガス分離および水性ガス反応器ユニットをより詳細に示している。ガス分離および水性ガス反応器ユニットに含まれる圧縮機１７が、ガス分離および水性ガス反応器ユニットに含まれる第２フィルタ２３に結合される。第２フィルタ２３は機械的なフィルタであるのが好ましい。第２フィルタ２３は、ガス分離および水性ガス反応器ユニットの一部であるタンク２４に連結される。タンク２４は過剰圧力を保持するように適合され、この過剰圧力は、通常、０．７−１．１ＭＰａ（７−１１ｂａｒ）程度の値である。タンク２４は、ガス分離および水性ガス反応器ユニットの一部であるメンブレン２５に連結される。メンブレン２５において、出発ガス流は一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ₂とに分離される。メンブレン２５は水性ガスシフト反応器ＷＧＳに接続され、そこにおいて残りの一酸化炭素は、上昇された圧力および温度の下で蒸気と触媒活性反応させられ、そうして残りの一酸化炭素は蒸気により水素と二酸化炭素に酸化される。この反応は好ましくは２つの異なった触媒を用いる２つの異なった温度段階で生じ、そして一酸化炭素を水素と二酸化炭素を生成する反応に余すところなく変換させる。ガスは通常ＰＳＡ（圧力変動吸着）方式における吸収法により分離され、高純度および高度の分離で２つの完全に分離された流れになる。

図１は本発明の装置によって遂行される工程をフロー図によって述べている。本発明の概念は第１段階において高カロリー値を有する合成ガスＳ（Ｈ₂／ＣＯ）を生産するようにバイオマスをガス化することであり、そこにおいて過熱蒸気が合成ガスＳ（Ｈ₂／ＣＯ）に還元される。図１のプロセスのフロー図は本発明の装置によって遂行される工程が連続的に稼動する状態を述べている。しかしながら、実際には、この工程を遂行するためには、バイオマスおよび装置の冷段階からプロセスを進める必要がある。これはガス燃焼装置を用いて行われるのが好ましい。この燃焼装置は予熱されて燃焼チャンパ５のセラミックライニングおよび還元シャフト１２にエネルギを蓄える。この予熱は温度定値が到達されるまで（１０００℃以上）行われ、処理過程はそれ自身のエネルギ需要に合致する。予熱燃料はガス質であるのが好ましい。実際には、装置を十分に予熱するいかなる所望の燃料も使用できる。

本発明の装置により実施される連続工程は図１および２のフロー図を参照して以下に説明される。

第１段階において、バイオマスは加熱された空気を流入することで乾燥され、加熱空気は後述するような本装置の実施工程における燃焼段階へ移動する。所望のバイオマスは反応ユニット３の熱分解ユニット６に入れられる。このことは図１に矢印Ｂで示されている。燃焼段階のための予熱された空気はバイオマスを乾燥するために大容量を有する。水蒸気を貯めることができ、そして後述するような還元段階で用いられる。

第２段階は反応ユニット３で行われ、そこにおいて最初に熱分解、次いで燃焼（酸化）がセラミック絶縁チャンバ５および６で生じる。送風機８および第２リジェネレータ１５からの予熱空気は、最初に熱分解を推進するように燃料を加熱し、揮発性物質を取り除きそしてコークス残渣（第３段階で使用される）および可燃性ガスを生成するように燃料を部分的に燃焼する。軽い可燃物質はまず加熱空気で熱分解され、炭素（コークス）のみが残るまで不完全燃焼される。第１送風機８および第２リジェネレータ装置１５からの予熱空気を注入することにより、再燃焼チャンバ６でガスの燃焼が完遂され、そこにおいて過熱空気がすべてのガスおよび揮発性物質を完全に燃焼する。この空気は再生手段により、発生した合成ガスＳから加熱される。燃焼工程は、発生する酸素を一定のレベルに維持し、温度を１５００−１６００℃に維持することより調節される。この燃焼は、第３段階に入るまで、炭素の主要部を反応中のままにする。重質成分（タール）および複合体成分（芳香族化合物）は再燃焼チャンバ６において高温で分離でき、元素ＣＯ₂およびＨ₂Ｏの形体で排出段階になる。

再燃焼チャンバ６から出るガス（ＣＯ₂、Ｎ₂およびＨ₂Ｏ）は、１６００℃以上の温度を有するのが好ましい。これらの発生ガスは、第１リジェネレータ装置７を通過し、そこにおいて熱交換が行われる、すなわち、発生ガスが、好ましくは２５０−３００℃に冷却される一方、蒸発器９からの水蒸気は、好ましくは約１５００℃まで加熱される。蒸気の処理は後により詳細に説明する。

冷却された発生ガス（ＣＯ₂、Ｎ₂およびＨ₂Ｏ）は蒸発器９を通って、好ましくは約１５０℃へとさらに冷却が行われ、そして蒸発器９からの発生ガス（ＣＯ₂、Ｎ₂およびＨ₂Ｏ）はガス洗浄器２８および２９へ流れる。

ガス洗浄器２８および２９において、発生する排出ガスは粒子および排出物を排除され、そこで（ＮＯx、ＳＯx）を規制する。

第１熱交換器７から出る排出ガス（ＣＯ₂、Ｎ₂およびＨ₂Ｏ）は、発生ガス（ＣＯ₂、Ｎ₂およびＨ₂Ｏ）から粗粒材料を取り除くためにサイクロン２０を通過する。次いで、発生ガス（ＣＯ₂、Ｎ₂およびＨ₂Ｏ）は触媒反応器２１を通り、蒸発器９を通り、［そして］第１フィルタ／電気的フィルタ２８を通る。触媒反応器は燃焼物からすべてのＮＯxを捕捉する。触媒反応を稼動するには温度を２５０℃に保持してアンモニア（ＮＨ₄）を加える必要がある。ＮＯxの除去が完了すると、純粋窒素と水の流れだけが残る。静電気集塵装置２８はすべての粒子を燃焼物から捕捉する。次いで、発生した排出ガス（ＣＯ₂、Ｎ₂およびＨ₂Ｏ）は乾燥機１へ行き、流入するバイオマスの乾燥に用いられる。

合成ガスＳは第２リジェネレータ１５を通過し、そしてタンク２４に到達する前に、適度な過剰圧力が使われる機械的フィルタ２３を通過した後、圧縮機１７で圧縮される。圧縮された合成ガスＳはタンク２４からメンブラン２５を通過し、そこで発生ガス（ＣＯおよびＨ₂）は純粋水素と純粋一酸化炭素に高圧下で分離される。一酸化炭素（ＣＯ）は合成ガスの約５０％を作る一方、水素（Ｈ₂）はその残部を形成する。

水がポンプ２に供給され、蒸発器９により昇温されてガス相（蒸気）になる。このガスは第１リジェネレータ装置７を通過し、そこで温度が好ましくは約１５００℃のレベルまで実質的に昇温される。加熱された蒸気は次いで還元シャフト１２で還元作用を受ける。この還元はいくつかの段階で実施され、各還元段階は各還元区画１３Ａ〜１３Ｃで行われる。

この工程において、加熱蒸気は、還元シャフト１２の中で最も低い区画である第１還元区画１３Ａでの第１還元段階中に還元される。第１還元区画１３Ａにおいて蒸気は燃焼チャンバ５からのコークス燃料と反応し、このコークス燃料は還元シャフト１２を通って降ろされる。この点においてコークス燃料が前述の還元区画のすべてを通過した後、コークス燃料は還元シャフト１２の還元区画１３Ａ〜１３Ｃを通過して移動する間に消耗されることに注目されたい。しかしながら、Ｈ₂Ｏの容量が相対的に高いので、還元区画１３Ａ内のコークス燃料は蒸気の好適な還元を実現する、すなわち、還元の結果が合成ガスＳを部分的に還元されるように用意される。

蒸気が第１還元段階で処理されたとき、すなわち、還元区画１３Ａを通過したとき、部分的に還元された合成ガスＳは第１リジェネレータ装置７に戻される。部分的に還元された合成ガスＳは再び第１リジェネレータ装置７通過し、部分的に還元された合成ガスＳの温度は１５００℃のレベルに上昇される。加熱された、部分的に還元された合成ガスＳは再び還元を受ける。このことは、部分的に還元された合成ガスＳを第２還元区画１３Ｂを通過させ、そこにおいて還元区画１３Ａに関連して述べたのと同様な還元が生じる。コークス燃料は第２還元区画１３Ｂにおいて還元区画１３Ａと比較して少なく消耗されるので、部分的に還元された合成ガスＳ中のＨ₂Ｏのガス含有量が第１還元段階中よりも低いときであっても第２還元区画１３Ｂにおいて好適な還元が生じる。第２還元区画１３Ｂを離れた、部分的に還元された合成ガスＳは、第１リジェネレータ装置７のために再使用される。部分的に還元された合成ガスＳは、部分的に還元された合成ガスＳが第１リジェネレータ装置７を通過するとき、好ましくは約１５００℃に再び温度上昇を受ける。

還元処理はさらに別の還元段階で継続する。図１に示す本装置はさらに別の還元区画１３Ｃを有する。このことは、上述と同様な手段でさらに別の還元段階が実施されることを意味する。

各還元段階間での部分的に還元された合成ガスＳの過熱により、反応のための推進力は十分であり、Ｈ₂ＯのほとんどすべてはＣＯとＨ₂に還元される。

部分的に還元された合成ガスＳが最後の還元段階を通過したとき、部分的に還元された合成ガスＳは完全に還元された合成ガスＳとなり、第２リジェネレータ１５を介して吸引され、合成ガスＳを冷却する。合成ガスＳはＣＯとＨ₂の混合物を形成する。このガスは、例えば、フィッシャー・トロプシュ（Fischer-Tropsch）処理または同様な手段により、液体バイオ燃料へさらに精製することができる。

合成ガスＳは圧縮機１７で圧縮され、フィルタ２３で浄化されそしてメンブラン２５を介して水素の流れ（Ｈ₂）と一酸化炭素の流れ（ＣＯ）に分離される。この水素は産出製品の半分である。一酸化炭素の流れは水と共に水性ガスシフト反応器ＷＧＳに通される。一酸化炭素（ＣＯ）は水流中で酸素と反応することにより二酸化炭素に変換され、次いで水素となる。高温および低温で水性ガスシフト反応させることにより、ガスの変換はほとんど完全に行われる。２つのガスは好ましくは圧力変動吸着（ＰＳＡ）により２つの分離された流れに分けられ、そこでは二酸化炭素は未処理製品であり、水素は製品流の他の半分を形成する。

処理効果を維持するために段階間の希釈をできるだけ低く維持する必要がある。燃焼ガスが還元段階に入ると、窒素を用いて希釈し、産出製品のカロリー量を減少する。このことは本装置にとって全容量を達成するためにガスおよび圧力の調整を必要とし、圧力調整がこれについてのキーである。

本システムおける圧力は乾燥、燃焼および還元の３つの段階間の希釈を最小限にするように用いられる。このことはまた、３つの段階間で固体の物質移動が始まったときに必要である。このため、これら２つの段階間ガスの移動を最小にするために、還元チャンバにより次続される燃焼チャンバ（段階２）における圧力が最低である。乾燥は、誤って加熱ガスが逃げてしまうのを防止するためにほかの２つの段階より高い圧力を有する。

従来のガス製造ジェネレータと比較した本発明の装置の効果を次の表１に示す。
表１： 本発明と従来のガス製造ジェネレータの比較データ

〔本発明の好適な変形形態〕
酸素を加えて再燃焼段階を強めることにより、本装置をさらに改善することが可能である。還元段階で必要な熱に対して発生ガスの熱負荷を合わせることが必要である。ＣＯ₂のより高い濃度はガス洗浄までの結果であり、より低い物質移動の洗浄を幾分より容易にかつよりエネルギ効率のよい洗浄を可能にする。

図１に示された装置の実施形態は３つの還元チャンバを有する。しかしながら、本発明の範囲内で還元チャンバの数は３つよりも多くまたは少なくし得る。一般的に、還元チャンバの数は２より少なく或いは５より多くはない。

上述した装置において、発生ガスを洗浄するのに膜技術が用いられる。しかしながら、その他のガス分離技術も本発明の範囲内で適用できる。

分子篩い（英語では、圧力変動吸着（ＰＳＡ））は互換性のある手段であり、ガス流から窒素を分離するようにガスが加圧下でゼオライトおよび活性炭に給送される。この工程によるガス洗浄は洗浄する前に分離されるように水を必要とし、この工程では還元段階における処理にこの水を復元することが必要である。

洗浄ユニットの第１フィルタ／電気的フィルタ２８の代わりとして、集めた塵を燃焼チャンバ５に戻すことができる。

上述した本発明の装置において、主として周囲圧力下で駆動される装置として提示した。より大きなユニットで建設される場合、圧力を増大することが可能であり、それにより本装置全体でより大きな密度を達成できる。実際には、このことは、製造ユニット当り少ない鉄鋼および耐火材料であること、すなわち、合成ガスユニット当りより低い投資で製造されることを意味している。

本装置にとって最も重要な変化はファンおよびブロワが圧縮機およびタービンに必要であることである。反応ユニット３は圧力容器からなる。全パイプラインは実際の圧力に適合しなければならない。リジェネレータはより圧力安全確保を必要とし、ガス洗浄装置は変更されねばならない。

環境へのより低い排出のために、空気は流れ込むバイオマスの乾燥に用いることができる。空気はそのとき再燃焼段階から流れ出る排出ガスまたはバイオマスのガス化からの合成ガスにより加熱される。次いで、乾燥段階で発生した粒子およびガスは再燃焼段階で燃焼される。

２ ポンプ
３ 反応ユニット
５ 燃焼チャンバ
６ 再燃焼チャンバ
７ 第１リジェネレータ装置
８ 第１送風機
９ 蒸発器
１２ 還元シャフト
１３Ａ〜１３Ｃ 還元区画
１５ 第２リジェネレータ
１７ 圧縮機
２０ サイクロン
２１ 触媒反応器
２３ 機械的フィルタ
２４ タンク
２５ メンブラン
２８，２９ ガス洗浄器
Ｓ 合成ガス

Claims (4)

1. 貯蔵ユニット（１）とバイオマスの熱分解および熱分解ガスの燃焼を実施する反応ユニット（３）とを含む、バイオマスから水素（Ｈ₂）を製造するための方法を実施するための装置であって、
   水（Ｈ ₂ Ｏ（ｌ））を蒸発するための手段（９）を含む、反応ユニット（３）から出るガス（ＣＯ₂、Ｎ₂およびＨ₂Ｏ）を受容する第１熱交換手段（７、９）と、
   第１熱交換手段（７、９）で冷却された発生ガス（ＣＯ₂、Ｎ₂およびＨ₂Ｏ）を受容するガス洗浄ユニット（２１、２８、２９）と、
   第１熱交換手段（７、９）に水蒸気（Ｈ₂Ｏ（ｇ））を供給するための手段（２）と、
   合成ガス（Ｓ）を得るために水蒸気（Ｈ₂Ｏ（ｇ））のいくつかの段階で還元を行うように反応ユニット（３）に接続された還元シャフト（１２）と、
   水蒸気を一酸化炭素（ＣＯ）で還元させて二酸化炭素（ＣＯ ₂ ）の形体を伴う水素（Ｈ ₂ ）にするように合成ガス（Ｓ）のガス分離を行う水性ガスシフト反応器（ＷＧＳ）と、
   水素（Ｈ₂）と二酸化炭素（ＣＯ₂）に分離するための手段と
   をまた含む、装置。
2. 第１熱交換手段は第１リジェネレータ装置（７）を含む、請求項１に記載の装置。
3. 第２熱交換手段は第２リジェネレータ（１５）を含む、請求項１または２に記載の装置。
4. 還元シャフト（１２）は少なくとも２つの還元区画（１３Ａから１３Ｃ）を含む、請求項１、２または３に記載の装置。

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