JP7089809B2 - Multi-stage hydrogen generation method - Google Patents
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本発明は、多段式水素発生装置に関するものである。 The present invention relates to a multi-stage hydrogen generator.
石炭を効率良くガス化して効率の高い発電方法として石炭ガス化複合化火力発電がある([非特許文献1]参照)。 There is integrated coal gasification combined cycle thermal power generation as a highly efficient power generation method for efficiently gasifying coal (see [Non-Patent Document 1]).
水素の需要は高まっている。内燃機関の燃料・化学品の原料・発電・製鉄など。しかし、製造方式は主にメタンガスの高温分解と水の電気分解であり、コストが高い。メタンガスは化石燃料のため、二酸化炭素の発生源になってしまうし、地球温暖化効果は二酸化炭素の25倍もある化合物([非特許文献4]参照)である。すなわち、メタンとは 温室効果ガスである。そこで、石炭やバイオマスの高温スチーム分解も研究されている。しかし、発生するガスは多種類で、そのため、追加の二酸化炭素化工程も必要になっている。また、少量でも石炭やバイオマスに含まれている硫黄化合物や窒素化合物がガス化によって硫黄酸化物や窒素酸化物になるため、その除去装置が必要になっている。その分離工程は複雑となり、コストが高くなってしまう。本発明では処理量が大幅に減る。 The demand for hydrogen is increasing. Fuel for internal combustion engines, raw materials for chemicals, power generation, iron making, etc. However, the manufacturing method is mainly high temperature decomposition of methane gas and electrolysis of water, and the cost is high. Since methane gas is a fossil fuel, it becomes a source of carbon dioxide, and its global warming effect is 25 times that of carbon dioxide (see [Non-Patent Document 4]). That is, methane is a greenhouse gas. Therefore, high-temperature steam decomposition of coal and biomass is also being studied. However, there are many types of gas generated, which requires an additional carbon dioxide conversion process. In addition, even a small amount of sulfur compounds and nitrogen compounds contained in coal and biomass becomes sulfur oxides and nitrogen oxides by gasification, so a device for removing them is required. The separation process is complicated and costly. In the present invention, the amount of processing is significantly reduced.
[特許文献1]には水素製造方法及びシステムが記載されている。
しかし、[特許文献1]の方法では低品位石炭やバイオマスの水蒸気ガス化の後、ガスを冷却してから触媒を使用して一酸化炭素のスチームによる二酸化炭素化を行っている。水素を製造するためには何段階もの工程を必要とする。また、ガス化の温度を1000°C以上にするために空気を深冷分離した酸素を使用しているので、コストアップになる。また、石炭やバイオマス中に含まれている硫黄や窒素の酸化物の除去装置が述べられていない。低品位炭を使用しても水素単価は下がらないと予想される。ただ、水素製造や二酸化炭素の処理について近年の技術状況については良く調べてある。二酸化炭素と水素の分離方法についても詳しく述べている。本発明でも得られた水性ガスの用途によっては、二酸化炭素と水素の分離を必要とする時は、装置に組み込むこともあり得る。
[Patent Document 1] describes a hydrogen production method and a system.
However, in the method of [Patent Document 1], after steam gasification of low-grade coal or biomass, the gas is cooled and then carbon monoxide is converted into carbon dioxide by steam using a catalyst. Many steps are required to produce hydrogen. In addition, since oxygen obtained by deeply cooling and separating air is used in order to raise the gasification temperature to 1000 ° C. or higher, the cost increases. In addition, a device for removing sulfur and nitrogen oxides contained in coal and biomass is not described. It is expected that the unit price of hydrogen will not decrease even if low-grade coal is used. However, the recent technological status of hydrogen production and carbon dioxide treatment has been thoroughly investigated. It also details how to separate carbon dioxide and hydrogen. Depending on the use of the water gas obtained in the present invention, it may be incorporated into an apparatus when carbon dioxide and hydrogen need to be separated.
[非特許文献1]には石炭ガス化複合発電プラント(IGCC)が記載されている。
しかし、[非特許文献1]の方法では性能の良い噴流式ガス化炉を使用していても一段でのガス化のため複雑な後処理が必要になっている。ただ、ガス化炉を出たガスは脱硫装置を通してガスタービン発電機に供給しているのに、石炭中に含まれているはずの窒素の酸化物除去装置が書かれていない。その上、ガスタービン発電機では1000°C以上で空気と燃焼させているので、窒素酸化物は発生しているはずなのにその除去装置が書かれていない。省略しているのか気になるところだ。
[Non-Patent Document 1] describes an integrated coal gasification combined cycle (IGCC).
However, in the method of [Non-Patent Document 1], even if a jet gasification furnace having good performance is used, complicated post-treatment is required for gasification in one stage. However, although the gas leaving the gasifier is supplied to the gas turbine generator through the desulfurization device, the nitrogen oxide removal device that should be contained in the coal is not written. Moreover, since the gas turbine generator burns with air at 1000 ° C or higher, nitrogen oxides should have been generated, but the removal device is not written. I'm wondering if it's omitted.
[非特許文献2]には間伐材を原料とした木炭から水性ガスを発生させて、非エンジン式発電及び地域内利活用システムを構築する事について記載されている。
しかし、[非特許文献2]の方法では間伐材を木炭化した後、別の装置に移して一段で加熱と水性ガスの発生を行うため、COの発生は避けられない。よって、CO2化への反応装置も必要になっている。また、木炭にする時、通常は加熱した時の熱と可燃性ガスを大気中に方出しているので、間伐材の持っているエネルギーの何10パーセントもロスしてしまう。本発明ならロスがわずかでほとんど利用できる。
[Non-Patent Document 2] describes the construction of a non-engine power generation and regional utilization system by generating water gas from charcoal made from thinned wood.
However, in the method of [Non-Patent Document 2], after the thinned wood is charcoalized, it is transferred to another device for heating and water gas generation in one stage, so that CO generation is unavoidable. Therefore, a reaction device for CO2 conversion is also required. Also, when making charcoal, the heat and flammable gas that is normally heated are released into the atmosphere, so tens of percent of the energy possessed by the thinned wood is lost. With the present invention, there is little loss and most of it can be used.
電源事業本部のレポート「非特許文献3」高温水蒸気を用いた未利用資源からの水素製造技術の研究でも、バイオマスなどを一段でガス化しているため、追加でCOからCO2にする装置が必要になっている。1000°C以上の高温スチーム発生にLPGなどの燃料を利用しており、木屑や廃プラスチックから水素製造するなら、スタートアップのみの利用にとどめて、分解ガスの一部を利用すれば、二酸化炭素の発生を抑える事になる。
Report of the Power Supply Business Headquarters "Non-Patent
上記のいずれの場合も原料を一段でガス化する装置のため、ガスを利用する前にCOをCO2化し、脱硫・脱硝などいくつかの装置も必要になっている。 In any of the above cases, since the raw material is gasified in one stage, some devices such as desulfurization and denitration are required by converting CO into CO2 before using the gas.
水素の利用はいくらでもある。内燃機関の燃料・化学品の原料・発電・製鉄など。水の電気分解やメタンガスの分解ではコストが高いので、社会的にも困っている。石炭や石油を使えば二酸化炭素の排出になり、世界的に困っている。バイオマス(主に樹木)を利用し植林すれば、二酸化炭素の排出にならない。 There is no limit to the use of hydrogen. Fuel for internal combustion engines, raw materials for chemicals, power generation, iron making, etc. The cost of electrolyzing water and decomposing methane gas is high, which is a social problem. If coal or oil is used, carbon dioxide will be emitted, which is a global problem. If you plant trees using biomass (mainly trees), you will not emit carbon dioxide.
2017年の天然ガス化学、石油化学、石炭化学 日本の石油化学と、それを取り巻く米国や中東の 天然ガス化学、中国の現代的石炭化学について最近のトピックスをまとめた報告
そこで、二酸化炭素からのメタノール合成が工業化されにくい可能性が高い。
また、価格の安い石炭を使用しても
Also, even if you use cheap coal
バイオマスや石炭のスチームによるガス化が検討され、一部実用化されているが、純度の高い水素を製造するためにはいくつもの装置を使う必要性がある。連続操業にこだわり、一段でガス化し、多種類の化合物を発生させているため、ガス精製や水素の高純度化にいくつもの装置を必要としている。さらに従来の連続的ガス化方法では装置の一部に『異常反応・配管詰まり・異常加熱等々』の異常を生じた時、安定操業へのコントロールが困難になり易い。最悪、操業停止に追い込まれる。 Gasification by steam of biomass and coal has been studied and partly put into practical use, but it is necessary to use a number of devices to produce high-purity hydrogen. Since we are particular about continuous operation and gasify in one stage to generate various kinds of compounds, we need a number of devices for gas purification and high purification of hydrogen. Furthermore, in the conventional continuous gasification method, when an abnormality such as "abnormal reaction, pipe clogging, abnormal heating, etc." occurs in a part of the device, it tends to be difficult to control stable operation. In the worst case, it is forced to stop operations.
本発明では、水素の高純度化を容易にするために、敢えて石炭やバイオマスを乾留してから水性ガス化反応を行っている。その上、回文式反応装置を複数利用する事により、一定量の水素が連続的に発生させられる。よって、水素を集めるまでは、複数の同じ装置で操業するため、『異常反応・配管詰まり・異常加熱等々』の異常を生じた時でも異常を起こした装置を切り離し、修理すれば良い。そのため、安定的な操業が行い易い装置であり、システムである。さらに、水素を高純度に精製する前のガス成分は二酸化炭素と過剰なスチームと水素だけなので、精製が容易である。よって、本発明では、従来のガス化からの水素システムの精製工程の一部がすでに組み込まれているようなシステムである。 In the present invention, in order to facilitate the purification of hydrogen, the water gasification reaction is carried out after carbonization of coal or biomass. Moreover, by using a plurality of palindromic reactors, a certain amount of hydrogen is continuously generated. Therefore, until hydrogen is collected, multiple devices are operated in the same device, so even if an abnormality such as "abnormal reaction, pipe clogging, abnormal heating, etc." occurs, the device that caused the abnormality should be disconnected and repaired. Therefore, it is a device and a system that facilitates stable operation. Furthermore, since the only gas components before hydrogen is purified to high purity are carbon dioxide, excess steam, and hydrogen, purification is easy. Therefore, in the present invention, it is a system in which a part of the purification process of the hydrogen system from the conventional gasification is already incorporated.
すなわち、加熱炉と炭化・水性ガス化炉が隣り合わせに組み合わせた装置が複数ある水素発生装置を提供する。両側の加熱炉から1000°C以上の熱で数時間以上かけて炭化・水性ガス化炉内のバイオマスや石炭を加熱して、揮発分をほぼ100パーセント分離する。すると炭素成分がほぼ100パーセントの炭化物が残るので、二段階目の反応として、高温スチームを圧入し、水性ガス化反応を行わせる。スチームを過剰に入れると、COが発生してもCO2になり、H2を発生する。結果的にC+2H2O=CO2+2H2 という反応式のように二酸化炭素と水素の発生になり、過剰なスチームがH2Oのガスとして残るだけである。あとバイオマスや石炭の灰分が少量残る。 That is, the present invention provides a hydrogen generator having a plurality of devices in which a heating furnace and a carbonization / water gas furnace are combined side by side. The biomass and coal in the carbonization / water gasification furnace are heated from the heating furnaces on both sides with heat of 1000 ° C or higher for several hours or longer to separate almost 100% of the volatile matter. Then, since carbide having almost 100% of carbon component remains, high temperature steam is injected as a second step reaction to carry out an aqueous gasification reaction. If excessive steam is added, even if CO is generated, it becomes CO2 and H2 is generated. As a result, carbon dioxide and hydrogen are generated as in the reaction formula of C + 2H2O = CO2 + 2H2, and excess steam remains as H2O gas. Also, a small amount of biomass and coal ash remains.
本発明は、さらに、炭化・水性ガス化炉に上下二段以上スチーム吹込みパイプなどを有し、固形可燃物(石炭やバイオマス)を乾留してもタールなどが装置内に残らなくした上記装置を提供する。一般的に可燃性固形物を加熱して揮発分を蒸発させる時は高沸点のタールなどが排出部や配管に付着する例が多い。そこで、高温スチームを圧入して、低沸点物に分解し、ガス化する。そして、バイオマスや石炭からの揮発分はすべて炭化・水性ガス化炉外に取り出す。 The present invention further has the above-mentioned apparatus in which the carbonization / water gasification furnace is provided with steam blowing pipes in two or more stages above and below, and tar or the like does not remain in the apparatus even if solid combustibles (coal or biomass) are carbonized. I will provide a. Generally, when combustible solids are heated to evaporate volatile components, tar having a high boiling point often adheres to discharge parts and pipes. Therefore, high-temperature steam is press-fitted to decompose it into a low boiling point substance and gasify it. Then, all the volatile matter from biomass and coal is taken out of the carbonization / water gasification furnace.
本発明は、さらに、スチーム吹込みパイプなどに空気を送り込めるようにパイプをつないである。すなわち、水性化ガス発生時の吸熱反応により、炉の温度が下がり過ぎた時、空気を吹き込み、炭化物を燃焼させ、炉内温度の温度を上昇させる。そして、水性ガス反応が進み易いようにした上記装置を提供する。 The present invention further connects pipes so that air can be sent to a steam blowing pipe or the like. That is, when the temperature of the furnace drops too much due to the endothermic reaction when the aqueous gas is generated, air is blown to burn the charcoal and the temperature inside the furnace is raised. Then, the above-mentioned apparatus which facilitates the progress of the water gas reaction is provided.
すなわち、本発明では、バイオマスや石炭を乾留し、ほぼ炭素だけにしてから、同じ炉に過剰なスチームを供給し、水性ガス化反応を行わせる。すると、CO2とH2と余剰のスチームだけになり、水素の分離が容易となる。熱効率を格段に良くするために加熱炉と炭化・水性ガス化炉をサンドイッチ型に組み合わせる。排ガス処理は乾留ガスを燃焼させたガスだけで済む。バイオマスや石炭は少量でもタンパク質やアミノ酸を含むため、化学構造的に窒素や硫黄が含まれる
操業中は、バイオマスを1000°C近くまで加熱し、可燃性ガスを分離し、そのガスを燃焼させ、加熱炉の熱源にする。十分に炭化した石炭やバイオマスに高温スチームを過剰に圧入すると、水性ガスが発生することは既知のことである
よって、トースターの加熱部分が何段もつながった装置になる。バイオマスを使用すれば、二酸化炭素発生とは換算されない。日本には森林に切り倒されたままの樹木が大量に放置されている。
よって、本発明では二酸化炭素発生対策にもなる。
以下、添付の図面を用いて本発明の装置のヒトツの実施例を説明する。
Therefore, it becomes a device in which the heating parts of the toaster are connected in multiple stages. If biomass is used, it is not converted to carbon dioxide generation. A large number of trees that have been cut down in the forest are left in Japan.
Therefore, in the present invention, it is also a measure against carbon dioxide generation.
Hereinafter, examples of the apparatus of the present invention, Hitotsu, will be described with reference to the accompanying drawings.
炭化・水性ガス化炉201~250~に石炭やバイオマスチップなどは炉の上部から充填する。丸太のように大きい樹木などは横から挿入しても良い。加熱炉からの熱で乾留ガスが発生しなくなったら、スチームを過剰に圧入する。乾留ガスは加熱炉の燃料として使用。排ガスは高温なので、高温スチーム発生に利用して発電すれば良い。
Coal, biomass chips, etc. are filled from the upper part of the carbonization /
図1を参照して本発明方法の原理を説明する。
加熱炉101~150~と炭化・水性ガス化炉201~250~が交互にサンドイッチ型に並んでいる。それぞれの炭化・水性ガス化炉から集めた乾留ガスは乾留ガスタンクに集めた後、それぞれの加熱炉に供給し、燃焼ガスとして利用する。加熱炉はスタートアップの時のみ外部から可燃性ガスを供給するが、通常は乾留ガスのみで操業でき、供給するバイオマスや石炭と操業条件によっては乾留ガスが余る。
The principle of the method of the present invention will be described with reference to FIG.
101~151~ 加熱炉
201~250~ 炭化・水性ガス化炉
1 各加熱炉で乾留ガスを燃焼させた後の排ガスを集めるパイプ
2出 各炭化・水性ガス化炉の乾留ガスを集めるパイプ
2入 2出で集めた乾留ガスを貯めておいたタンクから、ガスを加熱炉に送るパイプ
3 各炭化・水性ガス化炉で発生させた水性ガスを集めるパイプ
4 水性ガス化反応のために炭化・水性ガス化炉に圧入する高温スチームを送るパイプ
5 各炭化・水性ガス化炉に空気を吹き込むためのパイプ
○ 開閉バルブ
11 各加熱炉で乾留ガスを燃焼させた後の排ガス流量を調節する。操業中はほぼ開放
12 各炭化・水性ガス化炉から乾留ガスが出なくなったら閉める。
13 スチームを供給する時開ける。
14 乾留ガスを加熱炉に供給する時の流量を調節する
15 炭化・水性ガス化炉の乾留中は閉め、乾留ガスの流出を防ぎ、乾留終了後に水性ガスを取り出す時開ける。
16 乾留中で炭化・水性ガス化炉上部にスチームを供給する時、開ける。すると、高温加圧スチームがパイプの穴から吹き出る。
17 水性ガス化反応のため、炭化・水性ガス化炉下部にスチームを供給する時開ける。すると、高温加圧スチームがパイプの穴から吹き出る。
18 炭化・水性ガス化炉の温度が下がり過ぎた時、炭化物を燃焼させて加熱するために、炉内に空気を吹き込む時に開ける。
101-151 ~ Heating furnace 201-250 ~ Carbonized / water-based
13 Open when supplying steam.
14 Adjust the flow rate when supplying dry distillation gas to the heating furnace. 15 Close the carbonization / water gas furnace during dry distillation to prevent the outflow of dry distillation gas, and open it when taking out the aqueous gas after carbonization is completed.
16 Open when steam is supplied to the upper part of the carbonization / water gas furnace during carbonization. Then, high-temperature pressurized steam blows out from the hole in the pipe.
17 Open when steam is supplied to the lower part of the carbonization / water gasification furnace for the water gasification reaction. Then, high-temperature pressurized steam blows out from the hole in the pipe.
18 When the temperature of the carbonization / water gas furnace drops too low, it is opened when air is blown into the furnace to burn and heat the carbonized material.
加熱炉101~105~は耐火レンガが一般的であるが1000°C以下で操業できるなら耐熱鋼でも良い。炭化・水性ガス化炉201~205~は1000°C以下での操業になるので、耐熱鋼で十分である。
Refractory bricks are generally used for the
加熱炉101~150~のサイズ。厚さは0,20m~0,80m厚過ぎると加熱効率が悪くなる。幅は3m~20mサイズが大きい方が生産量を増やせるが、炉の温度を均一にするのが難しくなる。そして、保守点検が大変になる。高さは3m~10m。幅と同じ理由で大き過ぎない方が良い。 Heating furnaces 101-150-size. If the thickness is too thick from 0.20 m to 0.80 m, the heating efficiency will deteriorate. Larger widths of 3m to 20m can increase production, but it is difficult to make the temperature of the furnace uniform. And maintenance and inspection become difficult. The height is 3m to 10m. It should not be too large for the same reason as the width.
炭化・水性ガス化炉201~250~の厚さは0,20m~1,0m、もっと厚みがあっても良いが乾留時の熱伝導のためには薄いほうが良い。 The thickness of the carbonization / water gas furnace 201-250-is 0,20 m-1.0 m, and it may be thicker, but it is better to be thinner for heat conduction during carbonization.
石炭化・水性ガス化炉201~250~に石炭やバイオマス(主に樹木)を充填し、水性ガス化を何回か繰り返すと灰が溜まるので、押し出す。 Coalization / water gasification furnaces 201-250-are filled with coal and biomass (mainly trees), and when water gasification is repeated several times, ash accumulates and is extruded.
炭化・水性ガス化炉201~250~に丸太を利用する時は、炉の底を格子状にして下に落とすようにする。
When using logs for carbonization /
前記のうちどちらの炭化・水性ガス化炉にするかは設置場所の状況による。 Which of the above carbonization / water gas furnaces to use depends on the situation of the installation location.
本発明では石炭以外にバイオマス(主に樹木)が効率的に利用出来る。本発明では炭素分の大部分を水素にするため、コークスなどの炭素分のみの燃焼よりも熱量が増える。
本発明では、価格の安い石炭を使用しても
メタノール合成
従来は CO+2H2=CH3OH
二酸化炭素利用 CO2+3H2=CH3OH+H2O
水素をより多く必要とするので、水素価格がメタノール価格に大きく影響する。
Methanol synthesis Conventionally CO + 2H2 = CH3OH
Use of carbon dioxide CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O
Hydrogen prices have a significant impact on methanol prices as they require more hydrogen.
本発明では炭素でH2Oを分解するので、COが含まれる条件にするか、すべてCO2まで反応させるかの違いだけである。不純物の分離が不要のため、メタノール合成条件によっては水性ガス化反応の途中でメタノール合成工程に送っても良い。本発明では必要とした熱をスチーム発生に利用して発電できるので、メタノール合成はコストダウンの可能性が高い。 In the present invention, H2O is decomposed by carbon, so the only difference is whether the conditions include CO or all reactions to CO2. Since it is not necessary to separate impurities, it may be sent to the methanol synthesis step during the water gasification reaction depending on the methanol synthesis conditions. In the present invention, the required heat can be used for steam generation to generate electricity, so that methanol synthesis has a high possibility of cost reduction.
メタノールはF1レースの燃料として利用されたこともあり、価格さえ下がれば、ガソリンの代替燃料として利用可能である。 Methanol has also been used as a fuel for F1 racing and can be used as an alternative fuel to gasoline if the price goes down.
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