JP7516474B2 - 燃料製造システム及び燃料製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料製造システム及び燃料製造方法に関する。より詳しくは、バイオマス原料と再生可能エネルギとに基づいて液体燃料を製造する燃料製造システム及び燃料製造方法に関する。
近年、化石燃料の代替として、再生可能エネルギによって発電した電力によって生成した水素とバイオマスや工場から排出される二酸化炭素等の炭素源とを原材料とした電気合成燃料が注目されている。
バイオマスを原料としてメタノールやガソリン等の液体燃料を製造する一般的な手順は以下の通りである。すなわち、所定の前処理を経たバイオマス原料をガス化炉内で水や酸素とともにガス化させ、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化工程と、生成された合成ガスを洗浄しタールを取り除く洗浄工程と、洗浄工程を経た合成ガスのＨ２／ＣＯ比を製造しようとする液体燃料に応じた目標比に調整するＨ２／ＣＯ比調整工程と、Ｈ２／ＣＯ比調整工程を経た合成ガスから硫黄成分を取り除く脱硫工程と、脱硫工程を経た合成ガスから液体燃料を製造する燃料製造工程と、を経てバイオマス原料から液体燃料が製造される。
ここでガス化工程を経て生成される合成ガスのＨ２／ＣＯは、多くの場合目標比に到達しておらず水素が不足している状態となっている。特許文献１には、再生可能エネルギを用いて水から水素を生成する電解装置によって生成された水素を、ガス化炉内又はバイオマス原料の原料供給路内に供給することで、ガス化炉から排出される合成ガスのＨ２／ＣＯ比を調整する技術が記載されている。特許文献１に記載の技術によれば、燃料製造システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制することができる。
特開２０２１－１４７５０４号公報
ところで、ガス化炉の運転条件によっては供給した水素が副生成物の生成に消費される割合が増加する場合があり、更なる燃料の製造効率の向上が求められている。
本発明は、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、水素供給による合成ガス組成の調整を効率的に行うことができる燃料製造システム及び燃料製造方法を提供することを目的とする。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。
（１） バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造システム（例えば、後述の燃料製造システム１）であって、バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化炉（例えば、後述のガス化炉３０）と、前記ガス化炉によって生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置（例えば、後述の液体燃料製造装置４）と、前記ガス化炉内及び前記ガス化炉に至るバイオマス原料の原料供給路（例えば、後述の原料供給路２０）内を含む原料供給領域（例えば、後述の原料供給領域Ａ）又は前記ガス化炉から合成ガスが排出される合成ガス排出領域（例えば、後述の合成ガス排出領域Ｂ）に水素を供給する水素供給装置（例えば、後述の水素供給ポンプ６４）と、前記ガス化炉の温度を検出する温度検出部（例えば、後述の温度センサ３１２）と、前記温度検出部により検出された温度に基づいて、前記水素供給装置による水素供給箇所を前記原料供給領域と前記合成ガス排出領域とに切り替える制御装置（例えば、後述の制御装置７）と、を備える燃料製造システム。
（２） 再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から水素を生成する電解装置（例えば、後述の電解装置６０）を更に備え、記水素供給装置は、前記電解装置によって生成された水素を前記原料供給領域又は前記合成ガス排出領域に供給する（１）に記載の燃料製造システム。
（３） 前記制御装置は、前記温度検出部により検出された温度が所定値以下のときに、前記水素供給装置による水素供給箇所を前記原料供給領域から前記合成ガス排出領域に切り替える（１）又は２に記載の燃料製造システム。
（４） 前記制御装置は、前記水素供給装置による水素供給量を制御し、前記合成ガス排出領域を流通する合成ガスのＨ２／ＣＯ比を調整する（１）～（３）のいずれかに記載の燃料製造システム。
（５） バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造方法であって、バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスをガス化炉で生成する合成ガス生成工程と、合成ガス生成工程で生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造工程と、前記ガス化炉内及び前記ガス化炉に至るバイオマス原料の原料供給路内を含む原料供給領域又は前記ガス化炉から合成ガスが排出される合成ガス排出領域に水素を供給する水素供給工程と、前記ガス化炉の温度を検出する温度検出工程と、前記温度検出工程で検出された温度に基づいて、前記水素供給工程における水素供給箇所を前記原料供給領域と前記合成ガス排出領域とに切り替える切替工程と、を含む燃料製造方法。
本発明によれば、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、水素供給による合成ガス組成の調整を効率的に行うことができる。
本発明の一実施形態に係る燃料製造システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る燃料製造システムの制御装置の機能ブロック図である。 ９００℃のガス化炉に供給する導入ガス中の水素濃度と、ガス化炉におけるガス化率とタール及びチャーの生成量との関係を示す図である。 ７００℃のガス化炉に供給する導入ガス中の水素濃度と、ガス化炉におけるガス化率とタール及びチャーの生成量との関係を示す図である。 ７００℃のガス化炉に供給される導入ガス中の水素濃度と、ガス化炉で生成される合成ガス中の各種ガスの濃度との関係を示す図である。 ７００℃のガス化炉に供給される導入ガス中の水素濃度と、ガス化炉で生成される各種ガスの量との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る燃料製造システムの制御装置が実行する水素供給処理のうち水素供給箇所が原料供給領域である場合の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料製造システムの制御装置が実行する水素供給処理のうち水素供給箇所が合成ガス排出領域である場合の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態に係る燃料製造システム１について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料製造システム１の構成を示す図である。図２は本実施形態に係る燃料製造システム１の制御装置７の機能ブロック図である。燃料製造システム１は、バイオマス原料を供給するバイオマス原料供給装置２と、バイオマス原料供給装置２から供給されるバイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化装置３と、ガス化装置３から供給される合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置４と、再生可能エネルギを用いて発電する発電設備５と、発電設備５において発電された電力によって水から水素を生成し、生成した水素をガス化装置３に供給する水素生成供給装置６と、ガス化装置３、発電設備５及び水素生成供給装置６を制御する制御装置７と、を備え、これらによってバイオマス原料から液体燃料を製造する。
バイオマス原料供給装置２は、籾殻、バガス、及び木材等のバイオマス原料に所定の前処理を施すとともに、この前処理を経たバイオマス原料を、原料供給路２０を介してガス化装置３のガス化炉３０へ供給する。ここでバイオマス原料に対する前処理には、例えば、原料を乾燥させる乾燥工程や、原料を粉砕する粉砕工程等が含まれる。なお、本明細書では、ガス化炉３０内及び原料供給路２０内を原料供給領域Ａという。
ガス化装置３は、原料供給路２０を介して供給されるバイオマス原料をガス化するガス化炉３０と、ガス化炉３０の内部の状態を検出する複数のセンサによって構成されるガス化炉センサ群３１と、ガス化炉３０内に水を供給する水供給装置３２と、ガス化炉３０内に酸素を供給する酸素供給装置３３と、ガス化炉３０を加熱する加熱装置３４と、ガス化炉３０から排出される合成ガスを洗浄するスクラバ３５と、スクラバ３５によって洗浄された合成ガスから硫黄成分を除去し、液体燃料製造装置４に供給する脱硫装置３６と、炉外Ｈ２／ＣＯセンサ３７と、を備える。ガス化炉３０から排出される合成ガスは、合成ガス流通路８０を介して液体燃料製造装置４０に供給される。合成ガス流通路８０は、ガス化炉３０とスクラバ３５とを連通する第１合成ガス流通路８１と、スクラバ３５と脱硫装置３６とを連通する第２合成ガス流通路８２と、脱硫装置３６と液体燃料製造装置４０とを連通する第３合成ガス流通路８３とを有する。なお、本明細書では、第１合成ガス流通路８１内と、スクラバ３５内と、第２合成ガス流通路８２内と、脱硫装置３６内と、第３合成ガス流通路８３内とを含む領域、即ちガス化炉３０から合成ガスが排出される領域を合成ガス排出領域Ｂという。
水供給装置３２は、図示しない水タンクに貯留された水をガス化炉３０内へ供給する。酸素供給装置３３は、図示しない酸素タンクに貯留された酸素をガス化炉３０内へ供給する。加熱装置３４は、図示しない燃料タンクから供給される燃料や図示しない電源から供給される電力を消費することにより、ガス化炉３０を加熱する。水供給装置３２からガス化炉３０内への水供給量、酸素供給装置３３からガス化炉３０内への酸素供給量、及び加熱装置３４からガス化炉３０への投入熱量は、制御装置７によって制御される。なお本実施形態に係る燃料製造システム１では、後述の水素生成供給装置６から原料供給領域Ａに水素を供給することにより、水供給装置３２からガス化炉３０内へ水を積極的に供給する必要がなくなる場合がある。
バイオマス原料が投入されたガス化炉３０内に、以上のような水供給装置３２、酸素供給装置３３、加熱装置３４、及び水素生成供給装置６によって水、酸素、水素、熱量等を投入すると、ガス化炉３０内では、例えば下記式（１－１）～（１－８）に示すような複数種類のガス化反応及びその逆反応が進行し、水素と一酸化炭素と二酸化炭素とメタン等の副生成物を含む合成ガスが生成される。
Figure 0007516474000001
ガス化炉センサ群３１は、例えば、ガス化炉３０内の圧力を検出する圧力センサ６３、ガス化炉３０内の温度を検出する温度センサ３１２、ガス化炉３０内の二酸化炭素を検出するＣＯ２センサ、ガス化炉３０内の一酸化炭素を検出するＣＯセンサ、ガス化炉３０内における合成ガスの水素と一酸化炭素との比に相当するＨ２／ＣＯ比を検出する炉内Ｈ２／ＣＯセンサ３１１等によって構成される。ＣＯセンサは、例えばガス化炉３０内の一酸化炭素を検知する定電位電解式センサ等によって構成される。ガス化炉センサ群３１を構成するこれらセンサの検出信号は、制御装置７へ送信される。
炉外Ｈ２／ＣＯセンサ３７は、合成ガス排出領域Ｂ内に設けられ、合成ガス排出領域Ｂ内を流れる合成ガスのＨ２／ＣＯ比を検出する。炉外Ｈ２／ＣＯセンサ３７は、第１合成ガス流通路８１内、第２合成ガス流通路８２内及び第３合成ガス流通路８３内の少なくとも何れかに設けられ、合成ガス流通路８０内を流れる合成ガスのＨ２／ＣＯ比を検出する。本実施形態では、炉外Ｈ２／ＣＯセンサ３７は、第１合成ガス流通路８１内に設けられているが、第２合成ガス流通路８２内に設けられていてもよく、第３合成ガス流通路８３内に設けられていてもよい。
ガス化装置３は、上記式（１－１）～（１－８）に示すガス化反応及びその逆反応によって生成される合成ガスに、後述の水素生成供給装置６から供給される水素を混合することにより、合成ガスのＨ２／ＣＯ比を製造しようとする液体燃料に応じた所定の目標値に調整した後、この合成ガスを液体燃料製造装置４へ供給する。
液体燃料製造装置４は、メタノール合成装置、ＭＴＧ（Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｔｏ Ｇａｓｏｌｉｎｅ）合成装置、ＦＴ（Ｆｉｓｃｈｅｒ Ｔｒｏｐｓｃｈ）合成装置、及びアップグレーディング装置等を備え、これらを用いることによって、ガス化装置３において所定のＨ２／ＣＯ比に調整された合成ガスからメタノールやガソリン等の液体燃料を製造する。
発電設備５は、再生可能エネルギである風力によって発電する風力発電設備や、再生可能エネルギである太陽光によって発電する太陽光発電設備等によって構成される。発電設備５は、水素生成供給装置６に接続されており、風力発電設備や太陽光発電設備等において再生可能エネルギを用いて発電した電力を、水素生成供給装置６に供給することができる。また発電設備５は、商用電力網８とも接続されている。このため発電設備５において発電した電力の一部又は全ては、商用電力網８に供給し、電力会社に売電することも可能となっている。
水素生成供給装置６は、電解装置６０と、水素充填ポンプ６１と、水素タンク６２と、圧力センサ６３と、水素供給装置としての水素供給ポンプ６４と、を備え、これらを用いることによって発電設備５から供給される電力によって水素を生成し、生成した水素をガス化装置３へ供給する。
電解装置６０は、発電設備５と接続されており、発電設備５から供給される電力によって水から電気分解によって水素を生成する。また電解装置６０は、商用電力網８とも接続されている。このため電解装置６０は、発電設備５から供給される電力だけでなく、電力会社から買電することにより商用電力網８から供給される電力によって水素を生成することも可能となっている。電解装置６０による水素生成量は制御装置７によって制御される。
水素充填ポンプ６１は、電解装置６０によって生成された水素を圧縮し、水素タンク６２内に充填する。水素充填ポンプ６１による水素充填量は制御装置７によって制御される。水素タンク６２は、水素充填ポンプ６１によって圧縮された水素を貯留する。圧力センサ６３は、水素タンク６２のタンク内圧を検出し、検出信号を制御装置７へ送信する。水素タンク６２内の水素残量は、圧力センサ６３の検出信号に基づいて制御装置７によって算出される。従って本実施形態において、水素タンク６２内の水素残量を取得する水素残量取得手段は、圧力センサ６３及び制御装置７によって構成される。
水素供給ポンプ６４は、水素タンク６２に貯留された水素をガス化装置３に供給する。水素供給ポンプ６４は、水素供給路６５を介して水素タンク６２に貯留された水素を原料供給領域Ａ又は合成ガス排出領域Ｂに供給する。原料供給領域Ａにおける水素供給ポンプ６４による水素供給箇所は、例えば原料供給路２０内であってもよく、ガス化炉３０内であってもよい。本実施形態では、原料供給領域Ａにおける水素供給箇所はガス化炉３０内である。合成ガス排出領域Ｂにおける水素供給ポンプ６４による水素供給箇所は、例えば第１合成ガス流通路８１内であってもよく、第２合成ガス流通路８２内であってもよく、第３合成ガス流通路８３内であってもよく、スクラバ３５内であってもよく、脱硫装置３６内であってもよい。本実施形態では、合成ガス排出領域Ｂにおける水素供給箇所は第１合成ガス流通路８１内である。
水素供給路６５は、水素供給ポンプ６４とガス化炉３０との間を水素が流通可能に接続する第１水素供給路６５１と、流路切替弁６５３を介して第１水素供給路６５１から分岐し、水素が流通可能であり、第１合成ガス流通路８１に接続される第２水素供給路６５２と、を有する。流路切替弁６５３は、内部に設けられた複数の弁の開閉状態を制御することにより、流路の開閉や切り替えを行う機器である。即ち、水素供給ポンプ６４からの水素供給箇所は、流路切替弁６５３の弁の開閉動作を制御することにより、ガス化炉３０内と、第１合成ガス流通路８１内とに切り替えられる。
制御装置７は、ガス化炉センサ群３１、圧力センサ６３等の各種センサからの検出信号等に基づいて、水供給装置３２による水供給量、酸素供給装置３３による酸素供給量、加熱装置３４による投入熱量、電解装置６０による水素生成量、及び水素充填ポンプ６１による水素充填量を制御するコンピュータである。また制御装置７はガス化炉センサ群３１や炉外Ｈ２／ＣＯセンサ３７等の各種センサからの検出信号等に基づいて、水素供給ポンプ６４からガス化装置３への水素供給量を制御するとともに、水素供給ポンプ６４からガス化装置３における水素供給箇所を切り替える水素供給処理を実行する。制御装置７が実行する水素供給処理については後述する。
次に、ガス化炉３０内に水素を供給した場合のガス化率やガス化炉３０内のガス組成等に対する影響について説明する。
まず、水素供給によるガス化炉３０内のガス化率の影響について図３及び図４を参照しながら説明する。
図３及び図４は、ガス化炉３０に供給される導入ガス中の水素濃度［ｍｏｌ％］と、ガス化炉３０における炭素ベースで算出したガス化率［％］と、副生成物であるタール及びチャーの生成量［ｇ］との関係を示す図である。図３及び図４において実線は水素供給によるガス化率を示し、一点鎖線はタールの生成量を示し、二点鎖線はチャーの生成量を示している。図３に示す結果は、ガス化炉３０内の温度が９００℃、Ｓ／Ｃが３の条件下でシミュレーションを行うことによって得られる。図４に示す結果は、ガス化炉３０内の温度が７００℃、Ｓ／Ｃが３の条件下でシミュレーションを行うことによって得られる。
一方、ガス化炉３０の運転条件によっては、水素供給によりガス化炉３０のガス化率が低下する場合がある。
図４に示すように、ガス化炉３０内の温度が７００℃である場合、導入ガス中の水素濃度が大きくなるに従って、ガス化率が低下し、チャー及びタールの生成量が増加する。一方で、図３に示すように、ガス化炉３０内の温度が９００℃である場合、導入ガス中の水素濃度に関わらず、高いガス化率が得られ、チャー及びタールの生成量の変化が見られない。これは、ガス化炉３０内が高温であり、ガス化が十分に進んでいるので、水素供給によるガス化抑制の影響が小さく抑えられているためである。図３及び図４に示す結果から、水素供給による影響は、ガス化炉３０の運転条件に応じて異なることが確認できる。また、ガス化炉３０を低温で運転した場合、水素供給によりガス化炉３０のガス化率が低下する傾向であることが確認できる。
次に、水素供給による合成ガスのガス組成への影響について図５及び図６を参照しながら説明する。
図５は、ガス化炉３０に供給される導入ガス中の水素濃度［ｍｏｌ％］と、ガス化炉３０で生成される合成ガス中の各種ガスの濃度［ｍｏｌ％］との関係を示す図である。図５において実線は合成ガス中の一酸化炭素の濃度を示し、一点鎖線は合成ガス中の二酸化炭素の濃度を示し、二点鎖線は合成ガス中のメタンの濃度を示し、間隔の長い破線は合成ガス中のＣ２化合物の濃度を示し、間隔の短い破線は合成ガス中のＣ３化合物の濃度を示している。図６は、ガス化炉３０に供給される導入ガス中の水素濃度［ｍｏｌ％］と、ガス化炉３０で生成される各種ガスの量［ｍｏｌ］との関係を示す図である。図５及び図６に示す結果は、ガス化炉３０内の温度が７００℃、Ｓ／Ｃが３の条件下でシミュレーションを行うことによって得られる。
図５に示すように、ガス化炉３０への水素供給により、合成ガス中の二酸化炭素の割合が小さくなるとともに、一酸化炭素の割合が大きくなることが確認できる。これは、上記式（１－６）に示す逆水性ガスシフト反応によるものであると考えられる。この逆水性ガスシフト反応により、ガス化炉３０内に水素を供給すると、二酸化炭素が減少するとともに一酸化炭素が増加する。これにより、ガス化炉３０における二酸化炭素の発生量を抑制することができる。
一方で、図６に示すように、水素供給に伴うガス化炉３０内における絶対量としての一酸化炭素の変化は少ないことが確認できる。図５及び図６に示すように、ガス化炉３０への水素供給量の増加とともに、ガス化炉３０内におけるメタン生成量が増加し、Ｃ２化合物も微増していることが確認できる。即ち、７００℃等の低温条件下では、ガス化炉３０に水素を供給しても一酸化炭素の代わりにメタンやタール、チャー等の副生成物が増加する。これは、上記式（１－６）の逆水性ガスシフト反応により得られた一酸化炭素の一部がガス化炉３０に供給された水素と反応し、メタンが得られる上記式（１－７）に化学反応によるものである。また上記式（１－８）に示すように、ガス化炉３０内の二酸化炭素も供給された水素と反応し、メタンが生成される。即ち、ガス化炉３０を低温で運転させた場合、ガス化炉３０へ水素供給を行っても、二酸化炭素量は減少するものの、一酸化炭素の増加量が少なく、燃料収率が低いメタンやタール、チャー等の副生成物の生成に水素が消費されるので燃料収率の向上に寄与しない。これに対して本実施形態では、水素供給による燃料の製造効率の向上を目的とし、ガス化炉３０内の温度に基づいて、水素供給箇所を原料供給領域Ａからガス化炉３０の下流側であり、副生成物を生成する反応が起こらない合成ガス排出領域Ｂに切り替える水素供給処理を行っている。
次に、水素供給処理を実行する制御装置７のハードウェアの構成について説明する。図２に示すように制御装置７は、通信部７１と、記憶部７２と、処理部７０と、を備える。
通信部７１は、ガス化炉センサ群３１、炉外Ｈ２／ＣＯセンサ３７、電解装置６０、水素供給ポンプ６４、流路切替弁６５３等の他の装置との間で行う通信を制御する。通信部７１は、これらの装置との間で検出信号や制御信号等を送受信する。
記憶部７２は、ハードウェア群を制御装置７として機能させるための各種プログラム、及び各種データなどの記憶領域であり、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、半導体ドライブ（ＳＳＤ）又はハードウェア（ＨＤＤ）などで構成することができる。具体的には、記憶部７２は、本実施形態の各機能を処理部７０に実行させるためのプログラム、水素供給処理の制御プログラム、製造する液体燃料の種類やその製造装置に応じて適したＨ２／ＣＯ比の目標値、後述する第１切替判定値及び第２切替判定値等が記憶される。
処理部７０は、プロセッサによって構成される演算装置であり、記憶部７２から各種プログラム、データを読み込んで所定のデータ処理を実行する。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）、ＭＰＵ（micro processing unit）、ＳｏＣ（system on a chip）、ＤＳＰ（digital signal processor）、ＧＰＵ（graphics processing unit）、ＶＰＵ（vision processing unit）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＰＬＤ（programmable logic device）又はＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等である。
次に、燃料製造システム１における水素供給処理を実行するための制御装置７の処理部７０の機能的構成について図１及び図２を参照しながら説明する。処理部７０は、図２に示すように、炉内Ｈ２／ＣＯ情報取得部７０１と、炉外Ｈ２／ＣＯ情報取得部７０２と、温度情報取得部７０３と、水素供給量調整部７０４と、水素供給箇所切替部７０５と、を備える。
炉内Ｈ２／ＣＯ情報取得部７０１は、炉内Ｈ２／ＣＯセンサ３１１によって検出されたガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比を示す炉内Ｈ２／ＣＯ情報を取得する処理を実行する。炉内Ｈ２／ＣＯ情報取得部７０１は、通信部７１を介して炉内Ｈ２／ＣＯセンサ３１１からの検出信号を受信することで炉内Ｈ２／ＣＯ情報を取得する。
炉外Ｈ２／ＣＯ情報取得部７０２は、炉外Ｈ２／ＣＯセンサ３７によって検出された合成ガス排出領域Ｂ内の合成ガスのＨ２／ＣＯ比を示す炉外Ｈ２／ＣＯ情報を取得する処理を実行する。炉外Ｈ２／ＣＯ情報取得部７０２は、通信部７１を介して炉外Ｈ２／ＣＯセンサ３７からの検出信号を受信することで炉外Ｈ２／ＣＯ情報を取得する。
温度情報取得部７０３は、温度センサ３１２によって検出されたガス化炉３０内の温度を示す温度情報を取得する処理を実行する。温度情報取得部７０３は、通信部７１を介して温度センサ３１２からの検出信号を受信することで温度情報を取得する。
水素供給量調整部７０４は、水素供給ポンプ６４の駆動を制御して、ガス化装置３に供給する水素供給量を調整する処理を実行する。水素供給量調整部７０４は、炉内Ｈ２／ＣＯ情報や炉外Ｈ２／ＣＯ情報に基づいて、ガス化装置３への水素の供給の停止又は水素供給量の増減を行う処理を実行する。水素供給量調整部７０４は、例えばＨ２／ＣＯ比が所定の目標値未満である場合に水素供給量を増加させてもよく、Ｈ２／ＣＯ比が所定の目標値を超える場合に水素の供給を停止してもよい。合成ガスのＨ２／ＣＯ比の目標値は、製造する液体燃料の種類やその製造装置に応じて適した値に設定してもよい。例えばＦＴ合成やメタノール合成により液体燃料を製造する場合、合成ガスのＨ２／ＣＯ比の目標値を２としてもよい。
水素供給箇所切替部７０５は、流路切替弁６５３の開閉動作を制御して、ガス化装置３における水素供給箇所を切り替える処理を実行する。水素供給箇所切替部７０５は、温度情報取得部７０３によって取得された温度情報に基づいて、水素供給ポンプ６４による水素供給箇所を原料供給領域Ａと合成ガス排出領域Ｂとに切り替える。本実施形態では、水素供給箇所切替部７０５は、水素供給ポンプ６４による水素供給箇所をガス化炉３０内と、第１合成ガス流通路８１内とに切り替える。例えば水素供給箇所切替部７０５は、ガス化炉３０内の温度が所定値以下のときに、水素供給箇所をガス化炉３０内から第１合成ガス流通路８１内に切り替えてもよい。
次に、制御装置７の処理部７０が実行する水素供給処理の一例について図７及び図８を参照しながら説明する。図７は、燃料製造システム１の制御装置７の処理部７０が実行する水素供給処理のうち水素供給箇所が原料供給領域Ａである場合の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図８は、燃料製造システム１の制御装置７の処理部７０が実行する水素供給処理のうち水素供給箇所が合成ガス排出領域Ｂ内である場合の処理の流れの一例を示すフローチャートである。水素供給処理は、例えば制御装置７を含む燃料製造システム１が起動し、液体燃料の製造を開始したタイミングで開始される。なお、水素供給処理の開始時には、水素供給ポンプ６４による水素供給箇所はガス化炉３０内に設定され、水素供給量は所定の初期値に設定される。
図７に示すように、ステップＳ１１において、炉内Ｈ２／ＣＯ情報取得部７０１は、炉内Ｈ２／ＣＯセンサ３１１によって検出されたガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比を示す炉内Ｈ２／ＣＯ情報を取得する。
ステップＳ１２において、水素供給量調整部７０４は、ステップＳ１１で取得した炉内Ｈ２／ＣＯ情報と記憶部７２から抽出した目標値とを比較して、ガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比が目標値未満であるか否かを判定する。水素供給量調整部７０４は、ガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比が目標値以上であると判定した場合（ステップＳ１２でＮＯ）、処理をステップＳ１３に移行する。そして、水素供給量調整部７０４は、ステップＳ１３において、水素供給ポンプ６４からガス化炉３０への水素の供給を停止し、処理をステップＳ１１に戻す。一方で、水素供給量調整部７０４は、ガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比が目標値未満であると判定した場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、処理をステップＳ１４に移行する。
ステップＳ１４において、水素供給量調整部７０４は、水素供給ポンプ６４からガス化炉３０への水素供給量を増加する。
ステップＳ１５において、温度情報取得部７０３は、ガス化炉３０内の温度を示す温度情報を取得する。
ステップＳ１６において、水素供給箇所切替部７０５は、ステップＳ１５で取得した温度情報が示すガス化炉３０内の温度が所定値である第１切替判定値よりも大きいか否かを判定する。水素供給箇所切替部７０５は、ガス化炉３０内の温度が第１切替判定値以下であると判定した場合（ステップＳ１６でＮＯ）、処理をステップＳ１７に移行する。そして、ステップＳ１７において、水素供給量調整部７０４は、水素供給量を初期値に戻し、処理をステップＳ１８に移行する。ステップＳ１８において、水素供給箇所切替部７０５は、流路切替弁６５３の開閉動作を制御して、水素供給ポンプ６４による水素供給箇所をガス化炉３０内からガス化炉３０よりも下流側の第１合成ガス流通路８１に切り替える。水素供給箇所が第１合成ガス流通路８１である場合の処理の流れについては後述する。一方で、水素供給箇所切替部７０５は、ガス化炉３０内の温度が第１切替判定値を超えると判定した場合（ステップＳ１６でＹＥｓ）、処理をステップＳ１９に移行する。
ステップＳ１９において、炉内Ｈ２／ＣＯ情報取得部７０１は、炉内Ｈ２／ＣＯ情報を取得する。
ステップＳ２０において、水素供給量調整部７０４は、ステップＳ１９で取得した炉内Ｈ２／ＣＯ情報と記憶部７２から抽出した目標値とを比較して、ガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比が目標値未満であるか否かを判定する。水素供給量調整部７０４は、ガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比が目標値未満であると判定した場合（ステップＳ２０でＹＥＳ）、処理をステップＳ１４に戻す。一方で、水素供給量調整部７０４は、ガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比が目標値以上であると判定した場合（ステップＳ２０でＮＯ）、処理をステップＳ２０に移行する。
ステップＳ２１において、水素供給量調整部７０４は、ステップＳ１９で取得した炉内Ｈ２／ＣＯ情報と記憶部７２から抽出した目標値とを比較して、ガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比が目標値と等しいか否かを判定する。水素供給量調整部７０４は、ガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比が目標値と異なると判定した場合（ステップＳ２１でＮＯ）、処理をステップＳ２２に移行する。そして、ステップＳ２２において、水素供給量調整部７０４は、水素供給量を初期値に戻した後に、処理をステップＳ２３に移行する。一方で、水素供給量調整部７０４は、ガス化炉３０内のＨ２／ＣＯ比が目標値と等しいと判定した場合（ステップＳ２０でＹＥＳ）、ステップＳ２２を介さずに処理をステップＳ２３に移行する。
ステップＳ２３において、処理部７０は、水素供給量を変更しない定常運転により水素供給処理を実行し、所定の期間経過後にステップＳ１１からの処理を繰り返す。
次に、ステップＳ１８で水素導入箇所を第１合成ガス流通路８１内に切り替えた後に、処理部７０が実行する水素供給処理の流れの一例について図８を参照しながら説明する。
図７に示すように、ステップＳ３１において、炉外Ｈ２／ＣＯ情報取得部７０２は、炉外Ｈ２／ＣＯセンサ３７によって検出された第１合成ガス流通路８１内のＨ２／ＣＯ比を示す炉外Ｈ２／ＣＯ情報を取得する。
ステップＳ３２において、水素供給量調整部７０４は、ステップＳ３１で取得した炉外Ｈ２／ＣＯ情報と記憶部７２から抽出した目標値とを比較して、第１合成ガス流通路８１内のＨ２／ＣＯ比が目標値以下であるか否かを判定する。水素供給量調整部７０４は、第１合成ガス流通路８１のＨ２／ＣＯ比が目標値を超えると判定した場合（ステップＳ３２でＮＯ）、処理をステップＳ３３に移行する。そして、水素供給量調整部７０４は、ステップＳ３３において、水素供給ポンプ６４から第１合成ガス流通路８１内への水素の供給を停止し、処理をステップＳ３６に移行する。一方で、水素供給量調整部７０４は、第１合成ガス流通路８１内のＨ２／ＣＯ比が目標値以下であると判定した場合（ステップＳ３２でＹＥＳ）、処理をステップＳ３４に移行する。
ステップＳ３４において、水素供給量調整部７０４は、ステップＳ３１で取得した炉外Ｈ２／ＣＯ情報と記憶部７２から抽出した目標値とを比較して、第１合成ガス流通路８１内のＨ２／ＣＯ比が目標値と等しいか否かを判定する。水素供給量調整部７０４は、第１合成ガス流通路８１内のＨ２／ＣＯ比が目標値と異なると判定した場合（ステップＳ３４でＮＯ）、処理をステップＳ３５に移行する。そして、ステップＳ３５において、水素供給量調整部７０４は、水素供給量を増加し、処理をステップＳ３６に移行する。一方で、水素供給量調整部７０４は、第１合成ガス流通路８１内のＨ２／ＣＯ比が目標値と等しいと判定した場合（ステップＳ３４でＹＥＳ）、ステップＳ３５を介さずに処理をステップＳ３６に移行する。
ステップＳ３６において、温度情報取得部７０３は、ガス化炉３０内の温度を示す温度情報を取得する。
ステップＳ３７において、水素供給箇所切替部７０５は、ステップＳ３６で取得した温度情報が示すガス化炉３０内の温度が所定値である第２切替判定値よりも大きいか否かを判定する。水素供給箇所切替部７０５は、ガス化炉３０の温度が第２切替判定値未満であると判定した場合（ステップＳ３７でＮＯ）、処理をステップＳ３１に戻す。一方で、水素供給箇所切替部７０５は、ガス化炉３０の温度が第２切替判定値を超えると判定した場合（ステップＳ３７でＹＥＳ）、処理をステップＳ３８に移行する。なお、図８に示す例では、第２切替判定値を第１切替判定値よりも高い値に設定しているが、第１切替判定値と第２切替判定値が等しくてもよい。
ステップＳ３８において、水素供給箇所切替部７０５は、流路切替弁６５３の開閉動作を制御して、水素供給ポンプ６４による水素供給箇所を第１合成ガス流通路８１内からガス化炉３０内に切り替える。そして、処理部７０は、処理を図７に示すステップＳ１１に戻す。
本実施形態に係る燃料製造システム１によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態に係る燃料製造システム１は、バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造システム１であって、バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化炉３０と、ガス化炉３０によって生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置４と、再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から水素を生成する電解装置６０と、電解装置６０によって生成された水素を、ガス化炉３０内及びガス化炉３０に至るバイオマス原料の原料供給路２０内を含む原料供給領域Ａ又はガス化炉３０から合成ガスが排出される合成ガス排出領域Ｂに供給する水素供給ポンプ６４と、ガス化炉３０の温度を検出する温度センサ３１２と、温度センサ３１２により検出された温度に基づいて、水素供給ポンプ６４による水素供給箇所を原料供給領域Ａと合成ガス排出領域Ｂとに切り替える制御装置７と、を備える。
ここで、図３～図６に示す例で上述したように、ガス化炉３０に水素を供給することで二酸化炭素の発生量を抑制できるものの、ガス化炉３０内の温度が低い場合、供給した水素が副生成物生成に消費され、燃料収率の高い一酸化炭素の増加量が減少する傾向にある。これに対して、燃料製造システム１では、ガス化炉３０の温度に基づいて、水素供給箇所をガス化炉３０に水素が供給される原料供給領域Ａとガス化炉３０よりも下流側の合成ガス排出領域Ｂとに切り替える。これにより、例えばガス化炉３０内の温度が高いときに水素供給箇所を原料供給領域Ａに設定して合成ガスのＨ２／ＣＯ比を調整しつつガス化炉３０内で発生する二酸化炭素量を抑え、ガス化炉３０の温度が低いときに水素供給箇所をガス化炉３０よりも下流側に切り替えることができる。即ち、ガス化炉３０への水素供給による一酸化炭素の生成効率が低下し、副生成物の生成量が増加する場合に、水素供給箇所を副生成物の生成が起こらないガス化炉３０よりも下流側に切り替え、Ｈ２／ＣＯ比の調整のみに水素を使用することができる。よって、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、液体燃料製造装置に供給される合成ガス組成の水素供給による調整を効率的に行うことができる。また副生成物の発生量も抑制できるので、処理コストも低減できる。したがって、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、水素供給による燃料製造効率の向上効果を最大化することができる。
また本実施形態に係る燃料製造システム１は、再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から水素を生成する電解装置６０を更に備え、水素供給ポンプ６４は、電解装置６０によって生成された水素を原料供給領域Ａ又は合成ガス排出領域Ｂに供給する。これにより、システム全体での二酸化炭素の発生量をより抑制できる。
また本実施形態に係る燃料製造システム１において、制御装置７は、温度センサ３１２により検出された温度が所定値以下のときに、水素供給ポンプ６４による水素供給箇所を原料供給領域Ａから合成ガス排出領域Ｂに切り替える。これにより、水素をガス化炉３０に供給することで合成ガス組成の調整と二酸化炭素の発生量の抑制を行い、温度が低くなった場合に、合成ガス組成の調整のみに水素を使用するように切り替えることができる。よって、ガス化炉３０から発生する二酸化炭素量を抑制しつつ、水素供給による合成ガス組成の調整を効率的に行うことができる。
また本実施形態に係る燃料製造システム１において、制御装置７は、水素供給ポンプ６４による水素供給量を制御し、合成ガス排出領域Ｂを流通する合成ガスのＨ２／ＣＯ比を調整する。これにより、水素供給箇所をガス化炉３０よりも下流側に切り替えた場合であっても、より確実に所望のＨ２／ＣＯ比の合成ガスを液体燃料製造装置４に供給することができる。
また本実施形態に係る燃料製造方法は、バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造方法であって、バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスをガス化炉３０で生成する合成ガス生成工程と、合成ガス生成工程で生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造工程と、ガス化炉３０内及びガス化炉３０に至るバイオマス原料の原料供給路２０内を含む原料供給領域Ａ又はガス化炉３０から合成ガスが排出される合成ガス排出領域Ｂに水素を供給する水素供給工程と、ガス化炉３０の温度を検出する温度検出工程と、温度検出工程で検出された温度に基づいて、水素供給工程における水素供給箇所を原料供給領域Ａと合成ガス排出領域Ｂとに切り替える切替工程と、を含む。これにより、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、液体燃料の製造に用いられる合成ガスの組成の水素供給による調整を効率的に行うことができる。また副生成物の発生量も抑制できるので、処理コストも低減できる。したがって、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、水素供給による燃料製造効率の向上効果を最大化することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
１ 燃料製造システム
４ 液体燃料製造装置
７ 制御装置
２０ 原料供給路
３０ ガス化炉
６０ 電解装置
６４ 水素供給ポンプ（水素供給装置）
３１２ 温度センサ（温度検出部）
Ａ 原料供給領域
Ｂ 合成ガス排出領域

Claims (5)

  1. バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造システムであって、
    バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化炉と、
    前記ガス化炉によって生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置と、
    前記ガス化炉内及び前記ガス化炉に至るバイオマス原料の原料供給路内を含む原料供給領域又は前記ガス化炉から合成ガスが排出される合成ガス排出領域に水素を供給する水素供給装置と、
    前記ガス化炉の温度を検出する温度検出部と、
    前記温度検出部により検出された温度に基づいて、前記水素供給装置による水素供給箇所を前記原料供給領域と前記合成ガス排出領域とに切り替える制御装置と、を備える燃料製造システム。
  2. 再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から水素を生成する電解装置を更に備え、
    前記水素供給装置は、前記電解装置によって生成された水素を前記原料供給領域又は前記合成ガス排出領域に供給する請求項１に記載の燃料製造システム。
  3. 前記制御装置は、前記温度検出部により検出された温度が所定値以下のときに、前記水素供給装置による水素供給箇所を前記原料供給領域から前記合成ガス排出領域に切り替える請求項１に記載の燃料製造システム。
  4. 前記制御装置は、前記水素供給装置による水素供給量を制御し、前記合成ガス排出領域を流通する合成ガスのＨ２／ＣＯ比を調整する請求項１～３のいずれかに記載の燃料製造システム。
  5. バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造方法であって、
    バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスをガス化炉で生成する合成ガス生成工程と、
    合成ガス生成工程で生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造工程と、
    前記ガス化炉内及び前記ガス化炉に至るバイオマス原料の原料供給路内を含む原料供給領域又は前記ガス化炉から合成ガスが排出される合成ガス排出領域に水素を供給する水素供給工程と、
    前記ガス化炉の温度を検出する温度検出工程と、
    前記温度検出工程で検出された温度に基づいて、前記水素供給工程における水素供給箇所を前記原料供給領域と前記合成ガス排出領域とに切り替える切替工程と、を含む燃料製造方法。
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