WO2016135979A1 - 超臨界水ガス化システムおよびガス化方法 - Google Patents

超臨界水ガス化システムおよびガス化方法 Download PDF

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WO2016135979A1
WO2016135979A1 PCT/JP2015/055984 JP2015055984W WO2016135979A1 WO 2016135979 A1 WO2016135979 A1 WO 2016135979A1 JP 2015055984 W JP2015055984 W JP 2015055984W WO 2016135979 A1 WO2016135979 A1 WO 2016135979A1
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gasification
heat exchanger
supercritical
supercritical water
steam
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PCT/JP2015/055984
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French (fr)
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泰孝 和田
幸彦 松村
良文 川井
琢史 野口
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中国電力株式会社
国立大学法人広島大学
中電プラント株式会社
株式会社東洋高圧
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
    • C10J3/78—High-pressure apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/54—Improvements relating to the production of bulk chemicals using solvents, e.g. supercritical solvents or ionic liquids

Definitions

  • the present invention relates to a supercritical water gasification system and a gasification method in which a slurry body prepared by adding water and a catalyst to biomass is decomposed in a supercritical state to generate fuel gas.
  • a general biomass gasification system includes a heat exchanger, a heater, a gasification reactor, and the like, and organic substances are converted into hydrogen, methane, ethane, carbon monoxide, carbon dioxide, etc. by hydrolysis.
  • Gasify
  • a heat exchanger is a device that heats a slurry-like slurry body. This slurry body is adjusted by adding water and activated carbon (catalyst) to biomass such as shochu residue, egg-collecting chicken manure, and sludge and mixing them.
  • the heater is a device that raises the temperature of the slurry heated by the heat exchanger to a gasification reaction temperature of 600 ° C.
  • the gasification reactor is a device that hydrothermally processes the slurry to gasify the organic matter to produce a supercritical high-temperature fluid. The fluid in the supercritical state is then separated into gas and liquid, and the gas component is used as fuel gas.
  • the post-treatment fluid after the gasification reaction is subjected to heat exchange with the slurry body in a double tube heat exchanger having a total length of about 100 m, so that the water temperature is lowered from about 600 ° C. to about 120 ° C. Thereafter, it is further cooled and separated into gas and waste water by air-water separation.
  • the gas is used as fuel, and the surplus gas is accumulated in the tank and used separately.
  • the heat of the processed fluid is used for heating the raw material.
  • the temperature difference becomes small due to the relationship between water properties, and heat exchange becomes inefficient. This is because the raw material pressure is higher than the post-treatment fluid pressure, so the raw material pseudocritical point temperature is higher than the post-treatment fluid pseudocritical point temperature. This is because the temperature difference between the processed fluid and the raw material becomes small in a large range in the vessel, and heat exchange does not proceed.
  • heat exchangers are expensive because they can withstand high temperatures and pressures and are welded by engineers who have cleared legal regulations using thick piping made of expensive materials. Therefore, there is a desire to increase the temperature efficiently using a heat exchanger as small as possible. For example, in the case of a heat exchanger having a long overall length, it takes time to increase the temperature. And since tar and char are generated in the middle temperature part and the high temperature part, if the reaction time here becomes longer, the amount of tar generated increases, which in turn increases the risk of the piping being blocked at the outlet of the heat exchanger. There was a problem.
  • this slurry body as a supercritical fluid from the viewpoint of preventing clogging of the flow path due to clogging of the slurry body in the heat exchanger and improving gasification efficiency.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and heat is obtained by preheating a slurry body containing hydrous biomass using a high-pressure steam higher than the supercritical water gasification system pressure in a heat exchanger. It is possible to reduce the size of the exchanger, suppress the generation of tar and char, avoid clogging the piping of the heat exchanger, and more efficiently generate fuel gas such as methane and hydrogen from hydrous biomass
  • An object of the present invention is to provide a supercritical water gasification system and a gasification method that can be used.
  • a supercritical water gasification system is: A gasification reactor that gasifies the slurry body generated from the raw material containing biomass with supercritical water, and heat exchange that preheats the slurry body before being gasified with supercritical water in the gasification reactor.
  • a supercritical water gasification system comprising: A heating unit is provided to discharge steam at a pressure higher than the supercritical water gasification system pressure, The heat exchanger preheats the slurry body using the steam discharged from the heating unit.
  • the supercritical water gasification system is: A plurality of the heat exchangers are provided, and at least one of the plurality of heat exchangers is generated by the gasification reactor using the steam after preheating the slurry body.
  • the product may be cooled.
  • the heating unit includes a supercritical pressure boiler that discharges the steam,
  • the gasification reactor may be heated using combustion of the supercritical pressure boiler.
  • the heating unit includes a supercritical pressure boiler that discharges the steam,
  • the gasification reactor may be heated using the heat of the steam discharged from the supercritical pressure boiler.
  • the heating unit is A supercritical pressure boiler for discharging the steam; A reactor boiler for heating the gasification reactor; It is good also as having.
  • the supercritical pressure boiler is The product gas extracted from the product produced by the gasification process may be used as a fuel.
  • the supercritical water gasification method comprises: Gasifying the slurry produced from the raw material containing biomass with supercritical water, and preheating the slurry with a heat exchanger before gasifying with supercritical water in the gasification reactor
  • a supercritical water gasification method comprising: The heat exchanger preheats the slurry body using the steam discharged from a heating unit that discharges steam having a pressure equal to or higher than the supercritical water gasification system pressure.
  • the heating unit may include a supercritical pressure boiler that discharges the steam, and the gasification reactor may be heated using combustion of the supercritical pressure boiler.
  • the heating unit may include a supercritical pressure boiler that discharges the steam, and may heat the gasification reactor using heat of the steam discharged from the supercritical pressure boiler.
  • the heating unit may include a supercritical pressure boiler that discharges the steam, and a reactor boiler that heats the gasification reactor.
  • the pre-heat treatment in the heat exchanger is preferably performed under conditions of a temperature of 600 ° C. and a pressure of 25 MPa in consideration of hydrothermal treatment in the reactor.
  • the heat exchanger is compacted by preheating the slurry containing water-containing biomass in the heat exchanger using high-pressure steam higher than the supercritical water gasification system pressure, and tar and char Supercritical water gasification system and gas that can suppress the generation of water, avoid clogging of the heat exchanger piping, and more efficiently generate fuel gas such as methane and hydrogen from hydrous biomass Can be provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a supercritical water gasification system described as an embodiment of the present invention.
  • the supercritical water gasification system according to the present invention includes a regulating tank 100, a crusher 110, a supply pump 120, a first heat Exchanger 130, second heat exchanger 131, third heat exchanger 132, supercritical pressure boiler 140, gasification reactor 141, superheater 142, boiler water cooling wall 143, feed water pump 150, steam turbine 160, condenser 161, a gas-liquid separator 170, a gas tank 171, a catalyst recovery unit 172, and the like.
  • the conversion reactor 141 and the second heat exchanger 131 and the second heat exchanger 131 and the third heat exchanger 132 are connected by pipes, respectively.
  • the gasification reactor 141 gasifies the slurry body prepared by adding water and a non-metallic catalyst to water-containing biomass and mixing them with supercritical water.
  • the heat exchanger (that is, the first heat exchanger 130 as a heat exchanger for preheating the slurry body before being gasified by supercritical water in the gasification reactor 141) is a double-tube heat exchanger. Although the case where it comprises is described, this invention is not limited to this.
  • the adjustment tank 100 is a tank that mixes hydrous biomass (may be a slurry of biomass, the same applies hereinafter), a non-metallic catalyst, water, and the like.
  • the slurry body to be treated in this system is a mixture of the hydrous biomass and non-metallic catalyst introduced into the adjustment tank 100, and water, if necessary, to suspend the non-metallic catalyst on the hydrous biomass. Prepared by becoming cloudy.
  • pouring of water is suitably performed according to the moisture content of biomass.
  • the hydrous biomass is, for example, shochu residue, egg-collected chicken droppings, sludge, and the like.
  • non-metallic catalyst for example, activated carbon, zeolite, a mixture thereof, or the like can be used, but it is preferable to use a powder having an average particle size of 200 ⁇ m or less, and porous particles having an average particle size of 200 ⁇ m or less. It is more preferable to use
  • the crusher 110 crushes the biomass in the slurry body prepared in the adjustment tank 100 so that the biomass has a uniform size in advance (preferably the average particle size is 500 ⁇ m or less, more preferably the average particle size is 300 ⁇ m or less). It is a device for. In addition, when mixing the slurry body of biomass as a slurry body, it is not necessary to provide the crusher 110 in this system.
  • the supercritical pressure boiler 140 as a heating unit is configured to include a gasification reactor 141 described later, and heats the gasification reactor 141 using its own combustion as a heat source and heats water supplied from the supply pump 150.
  • high-pressure steam that is higher than the supercritical water gasification system pressure is supplied to the first heat exchanger 130 described later.
  • the gasification reactor 141 gasifies the biomass in the slurry body with supercritical water using a non-metallic catalyst suspended in the slurry body prepared in the adjustment tank 100 or the slurry body crushed in the crusher 110 as a catalyst. It is a device to convert. Gasification of biomass with supercritical water can be performed under the conditions of a temperature of 374 ° C. or higher and a pressure of 22.1 MPa or higher using the above-mentioned nonmetallic catalyst. It is preferable to carry out at a temperature and pressure (600 ° C. or more, within a range of 25 to 35 MPa) that can suppress and increase the carbon gasification rate. By treating the biomass with supercritical water in this way, the biomass can be decomposed and a fuel gas such as hydrogen gas, methane, ethane, or ethylene can be generated.
  • a fuel gas such as hydrogen gas, methane, ethane, or ethylene can be generated.
  • the gasification reactor 141 includes a temperature measurement device that measures the internal temperature, external temperature, or heating temperature, and a pressure measurement device that measures the internal temperature, heating temperature, or pressurized pressure of the gasification reactor 141. (Both not shown).
  • the gasification reactor 141 heats a coiled pipe with combustion gas.
  • the thickness is increased compared to the front and rear pipes (that is, the pipe connected to the first heat exchanger 130 and the pipe connected to the second heat exchanger 131).
  • the reaction time can be secured for a certain time.
  • a gasification reactor it is not limited to this, If it is an apparatus which can hydrothermally heat the slurry body containing biomass on the above-mentioned conditions, it will not restrict
  • Other gasification reactors include fluidized bed reactors.
  • the first heat exchanger 130 configured as a double-pipe heat exchanger has high-pressure steam (in this case, a temperature of 600 ° C.) higher than the supercritical water gasification system pressure supplied from the supercritical pressure boiler 140.
  • the temperature difference is small in the middle part due to the relationship of water properties (that is, the raw material pressure becomes higher than the pressure of the treated fluid, so that the raw material pseudocritical point The temperature becomes higher than the pseudocritical point temperature of the treated fluid, but water has the largest constant-pressure specific heat at the pseudocritical point, so the temperature difference between the treated fluid and the raw material becomes small in a large range in the heat exchanger)
  • the amount of heat exchanged per unit heat transfer area becomes small, and heat exchange becomes inefficient.
  • the first heat exchanger 130 in the first heat exchanger 130, high-pressure steam higher than the supercritical water gasification system pressure supplied from the supercritical pressure boiler 140 (in this case, a temperature of 600 ° C. and a pressure of 25 MPa)
  • the slurry body was preheated using the steam from below. That is, the first heat exchanger 130 preheats the slurry supplied to the gasification reactor 141 to 600 ° C. before being gasified with supercritical water in the gasification reactor 141.
  • the double pipe in the first heat exchanger 130 is composed of an outer pipe and an inner pipe in the same manner as the existing double pipe heat exchanger,
  • the steam flows through the flow path in the inner pipe, and the steam flows through the flow path between the outer pipe and the inner pipe. That is, the slurry body flows through the flow path in the inner pipe and is supplied to the gasification reactor 141.
  • the flow path between the outer pipe and the inner pipe is opposite to the direction in which the slurry body flows,
  • a first heat exchanger 130 is provided in the system so that steam flows and is supplied to the second heat exchanger 131.
  • the slurry body is preheated using the high-pressure steam that is higher than the supercritical water gasification system pressure supplied from the supercritical pressure boiler 140, so that the first heat
  • the exchanger 130 can be greatly downsized as compared with the conventional case. Moreover, generation
  • the second heat exchanger 131 functioning as a cooler is a device for cooling the discharge supplied from the gasification reactor 141 via the first heat exchanger 130.
  • the discharged matter is cooled from a temperature condition of 600 ° C. to a temperature condition of 150 ° C. to 200 ° C.
  • the third heat exchanger 132 that functions as a cooler is a device for cooling the discharged matter supplied from the second heat exchanger 131.
  • the discharged matter is cooled from a temperature condition of 150 ° C. to 200 ° C. to a condition at a normal temperature.
  • the decompression device 133 is disposed between the third heat exchanger 132 and the gas-liquid separator 170 and is discharged from the gasification reactor 141 through the second heat exchanger 131 and the third heat exchanger 132.
  • the discharged material is depressurized from a pressure of about 25 MPa to a substantially atmospheric pressure condition.
  • the exhaust gas discharged from the gasification reactor 141 includes a product gas such as highly flammable fuel gas (for example, hydrogen, methane, ethane, ethylene) or water vapor (supercritical water). Therefore, by cooling and reducing the pressure, it plays a role of reducing the danger and converting water vapor into water.
  • the second heat exchanger 131 and the third heat exchanger 132 have been described as examples of the apparatus for cooling the exhaust discharged from the gasification reactor 141. Any device may be used as long as it can cool the discharge discharged from 141. Such a cooler is not limited to the second heat exchanger 131 or the third heat exchanger 132, but may be a cooler, for example. Similarly, the decompressor is not limited to the decompressor 133.
  • the above-described heat exchanger is not limited to the countercurrent type, and may be, for example, a cocurrent type.
  • the heat exchanger is not limited to a double tube heat exchanger, and may be, for example, a spiral type or plate type heat exchanger.
  • the present system including at least the first heat exchanger 130 (when the second heat exchanger 131 and the third heat exchanger 132 are included) is excellent in economic efficiency.
  • the gas-liquid separator 170 converts the exhaust gas supplied through the gasification reactor 141, the second heat exchanger 131, and the third heat exchanger 132 in order into a gaseous component containing a product gas such as fuel gas, Alternatively, the apparatus separates the ash and the nonmetallic catalyst into liquid components suspended in water.
  • this gas-liquid separator 170 an existing gas-liquid separator such as a separator can be used.
  • the gas tank 171 is a container (preferably a pressure-resistant container) that stores a gas component (product gas) separated by the gas-liquid separator 170.
  • the superheater 142 arranged in the supercritical pressure boiler 140 was stored in the gas tank 171 with the temperature of the steam sent from the feed water pump 150 and heated by the water cooling wall 143 or the steam heated by the second heat exchanger. It is a pipe group for heat exchange for further raising the combustion heat in a gas containing oxygen, such as a part of generated gas (fuel gas) or fuel gas (LPG or the like). Further, the supercritical pressure boiler 140 is heated by using the combustion heat in a gas containing oxygen, such as a part of the generated gas (fuel gas) stored in the gas tank 171 or the fuel gas (LPG or the like).
  • the fuel of the supercritical pressure boiler 140 is not limited to gas fuel, but may be solid fuel such as coal or woody biomass, or liquid fuel such as heavy oil or light oil.
  • the supply pump 120 is a device that supplies the first heat exchanger 130 with the slurry body prepared in the adjustment tank 100 or the slurry body with the biomass crushed by the crusher 110.
  • the slurry body is supplied to the gasification reactor 141 through the first heat exchanger 130 (the flow path in the inner pipe of the double pipe).
  • a high-pressure piston pump or a diaphragm pump can be used as the supply pump 120.
  • the steam turbine 160 is disposed, for example, in a boiler in a thermal power plant (not shown), and is connected to the present system (specifically, the superheater 142 in the supercritical pressure boiler 140) via a heat transfer tube. . Then, heat of the steam discharged from the supercritical pressure boiler 140, heat generated by burning the slurry body in the gasification reactor 141, or the first heat exchanger 130 and the second heat exchanger 131 are sequentially applied. The steam is generated in the heat transfer tube using the heat of the steam supplied from the superheater 142 via the steam turbine 160, and the power generation (not shown) connected coaxially with the steam turbine 160 is rotated. Power is generated when the machine is in operation. The steam after rotating the steam turbine 160 is condensed by the condenser 161, passes through the third heat exchanger 132, and is led again into the condenser 161.
  • this system may be provided with a power generation device that generates power by using the generated gas (fuel gas) stored in the gas tank 171 as fuel.
  • a power generation device for example, existing devices such as a gas engine (reciprocating engine, rotary engine), a steam turbine, a Stirling engine, and a fuel cell can be widely applied.
  • the biomass can be decomposed from a high molecular weight to a low molecular weight by providing a pretreatment device for hydrothermal treatment of hydrous biomass in advance in this system, the biomass and water to be treated in the gasification reactor 141
  • the contact efficiency with the non-metallic catalyst can be increased, and further generation of char and tar can be suppressed, and fuel gas can be efficiently generated from biomass.
  • the generated gas containing the fuel gas can be safely discharged from the exhaust gas discharged from the gasification reactor 141. It can be recovered.
  • the biomass can be crushed in advance, so that the efficiency of biomass slurrying and gasification can be increased.
  • a heater (not shown) is provided between the first heat exchanger 130 and the gasification reactor 141 in this system, and the slurry body transferred from the first heat exchanger 130 to the gasification reactor 141 is provided.
  • heating preheating
  • this system includes a gasification reactor 141 for gasifying a slurry body in which a slurry body containing hydrous biomass is suspended with supercritical water, and the gasification reactor 141 for supercritical water.
  • the first heat exchanger 130 is made more compact than the conventional one by preheating the slurry body using the steam discharged from the supercritical pressure boiler 140.
  • the generation of tar and char can be suppressed and the piping of the first heat exchanger 130 can be prevented from being blocked, and fuel gas such as methane and hydrogen can be generated more efficiently from the hydrous biomass. It can be.
  • the heating unit includes a supercritical pressure boiler 140 that discharges the above-described steam.
  • the supercritical pressure boiler 140 includes a gasification reactor 141 and uses combustion of the supercritical pressure boiler 140.
  • the gasification reactor 141 may be heated. In this case, it is not necessary to separately provide a heating means for heating the gasification reactor 141, and the configuration of the entire system can be simplified.
  • the heating part as shown in FIG. 2 which attached
  • the said supercritical pressure boiler 180 The gasification reactor 141 provided separately from the heating unit (that is, the supercritical pressure boiler 180) may be heated using the heat of the steam discharged from the steam generator.
  • the gasification reactor 141 is provided with a coil-shaped heating pipe supplied with steam from the supercritical pressure boiler 180, either outside (outer peripheral surface) or inside (inner peripheral surface) of the gasification reactor 141. It is preferable to arrange
  • the heating unit for example, as shown in FIG. 3 where the same reference numerals are given to the corresponding parts to FIG. 1, the above-described supercritical pressure boiler 180 for discharging the steam and the reaction for heating the gasification reactor 141 are used. It is good also as providing the dexterous burner 144. In this case, since the reactor burner 144 for heating the gasification reactor 141 is provided, steam having a pressure equal to or higher than the supercritical water gasification system pressure discharged by the supercritical pressure boiler 180 is preheated in the first heat exchanger 130. Since it is used only for the above, the amount of steam used can be reduced.
  • the supercritical pressure boilers 140 and 180 may use the generated gas extracted from the product generated by the gasification process as a fuel. In this case, since the generated gas generated by the gasification process can be effectively used, energy saving can be achieved.
  • the supercritical pressure boiler 180 shown in FIG.2 and FIG.3 is comprised including the superheater, the water cooling wall, and the burner similarly to the supercritical pressure boiler 140. FIG.
  • this system supplies the above-mentioned steam after preheating the slurry body in the first heat exchanger 130 to the second heat exchanger 131, and uses the product generated by the gasification process. It is good also as cooling.
  • the preheat treatment in the first heat exchanger 130 is preferably performed under conditions of a temperature of 600 ° C. and a pressure of 25 MPa in consideration of the hydrothermal treatment in the gasification reactor 141.
  • a mixture in which biomass, a nonmetallic catalyst and water are mixed is prepared in the adjustment tank 100 (adjustment process).
  • the mass ratio of the non-metallic catalyst to the biomass (dry biomass) is preferably in the range of 1: 5 to 20: 1, and the biomass gasification efficiency is high: 1: 2 to 20: 1 It is particularly preferable that it is within the range.
  • the amount of water to be mixed is preferably adjusted so that the moisture content of the biomass is 70 to 95 wt%. Thereby, the gasification efficiency by the supercritical water of biomass can be improved.
  • the feed pump 120 It is transferred to the first heat exchanger 130.
  • the biomass slurry containing the nonmetallic catalyst supplied to the first heat exchanger 130 is supplied with heat from the steam supplied from the supercritical pressure boiler 140 in the first heat exchanger 130, and has a predetermined temperature. After being preheated to (600 ° C.), it is transferred to the gasification reactor 141 (preheating step).
  • a heater (not shown) is provided between the first heat exchanger 130 and the gasification reactor 141, and the slurry transferred from the first heat exchanger 130 is more reliably heated to 600 ° C. (preheating). You may make it do.
  • the biomass slurry supplied to the gasification reactor 141 is hydrothermally treated under conditions of a predetermined pressure and a predetermined temperature (reaction process).
  • the conditions for the hydrothermal treatment are not particularly limited as long as the temperature is 374 ° C. or higher and the pressure is 22.1 MPa or higher, but the generation of tar and char is suppressed and the reaction efficiency is increased. It is preferably carried out at a temperature (600 ° C.) and a pressure (within a range of 25 to 35 MPa), and it is particularly preferred to carry out at 600 ° C. and 25 MPa from the viewpoints of burden on equipment, prevention of deterioration, and energy saving.
  • the temperature and pressure conditions are adjusted, and the fluid density and reaction time (retention of biomass in the gasification reactor 141) are adjusted. This is possible by controlling the time).
  • combustion gas can be generated from the biomass slurry.
  • the contact efficiency with water or a non-metallic catalyst can be increased, and furthermore, the gasification reaction time of the biomass can be shortened.
  • Fuel gas such as hydrogen gas, methane, ethane, and ethylene can be generated more efficiently from the slurry body.
  • the product gas generated by hydrothermally treating the biomass slurry in the gasification reactor 141 is discharged from the gasification reactor 141.
  • This exhaust is cooled in the second heat exchanger 131 by providing heat to the steam supplied from the first heat exchanger 130, and further cooled in the third heat exchanger 132, and then the reduced pressure.
  • the pressure is reduced by the apparatus 133, and the liquid is transferred to the gas-liquid separator 170.
  • the exhaust gas supplied to the gas-liquid separator 170 is separated into a product gas (gas component) containing fuel gas and water or a mixed solution (liquid component) containing water, ash, non-metallic catalyst, etc.
  • the generated gas is stored in the gas tank 171.
  • the mixed liquid separated by the gas-liquid separator 170 contains ash other than water, a nonmetallic catalyst, or the like
  • the mixed liquid is ashed by the catalyst recovery unit 172, the nonmetallic catalyst, and Alternatively, it may be separated into water and the nonmetallic catalyst may be recovered. Thereby, it becomes possible to reuse the nonmetallic catalyst.
  • the generated gas (fuel gas) stored in the gas tank 171 is supplied to the supercritical pressure boiler 140 and the superheater 142.
  • the supercritical pressure boiler 140 and the superheater 142 combust in the gas containing oxygen, for example, using the supplied generated gas as fuel, and heat the water from the feed water pump 150 and the gasification reactor 141.
  • the steam having a pressure equal to or higher than the supercritical water gasification system pressure generated in the supercritical pressure boiler 140 is supplied to the first heat exchanger 130, so that the hydrous biomass slurry body has a predetermined temperature (600). Preheat to °C).
  • the exhaust gas obtained by burning the produced gas as fuel with a burner installed in the boiler, for example, in a gas containing oxygen is supplied to the gasification reactor 141 to provide heat to the slurry body.
  • the exhaust gas that has provided heat to the gasification reactor 141, and the exhaust gas obtained by burning the product gas in a gas containing oxygen, for example, by a burner installed in the boiler, for example, is a supercritical pressure boiler. 140 is discharged.
  • the steam supplied to the second heat exchanger 131 absorbs heat from the product generated in the gasification reactor 141. After the product is cooled, the product is supplied to the steam turbine 160 via the superheater 142 to start the steam turbine 160.
  • nonmetallic catalyst used in this embodiment activated carbon, a zeolite, a mixture thereof, etc. can be mentioned, for example.
  • a non-metallic catalyst instead of an alkali catalyst, it is possible to prevent deterioration due to corrosion of equipment or piping caused by the alkali catalyst, and it is possible to realize long-term use of this system.
  • a processing step for neutralizing the alkali catalyst is not required, and the efficiency of workability can be improved.
  • the non-metallic catalyst it is preferable to use a powder having an average particle size of 200 ⁇ m or less, and more preferably porous. By using such a non-metallic catalyst, the surface area can be increased to increase the reaction efficiency, and the non-metallic catalyst can prevent clogging of equipment, piping, etc. in the system.
  • the biomass to be treated in the present embodiment is wastewater sludge or manure containing foreign substances such as sand
  • a known separation technique for example, a strainer
  • Foreign substances such as sand contained in the biomass may be removed by a separation method using a separation method or a separation method using a precipitation layer. As a result, troubles caused by foreign matters such as sand can be prevented.
  • the slurry body is preheated using high-pressure steam higher than the supercritical water gasification system pressure supplied from the supercritical pressure boiler 140.
  • the first heat exchanger 130 can be greatly reduced in size as compared with the conventional one. Moreover, generation
  • Example 1 A biomass slurry obtained by stirring and mixing 97.6 parts by mass of water, 2 parts by mass of chicken dung, and 0.4 parts by mass of activated carbon having a particle size of 20 ⁇ m and hydrothermally treated at 180 ° C. and 1.1 MPa, was pressed into a tubular reactor, and a reaction with supercritical water was performed under conditions of 600 ° C. and 25 MPa. As a control experiment, a gasification reaction with supercritical water was similarly performed without adding activated carbon. As a result, it is clear that the carbon gasification rate is 73% when no activated carbon is added, whereas the carbon gasification rate increases to 88% when 0.4 parts by mass of activated carbon is added. Became.
  • Example 2 Next, 80 parts by mass of water, 20 parts by mass of cellulose powder, and 20 parts by mass of activated carbon having an average particle size of 100 ⁇ m were stirred and mixed to prepare a slurry. Thereafter, 40 ml of the slurry was poured into a 167 ml autoclave equipped with a stirrer, and the temperature was raised to 400 ° C. while stirring at a pressure of 25 MPa and held for 1 hour to perform a gasification reaction with supercritical water. After the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature, and the product gas was recovered to determine the carbon gasification rate. As a control experiment, the same treatment was performed without adding activated carbon.
  • Adjustment tank 110 crusher 120 supply pump 130 first heat exchanger (heat exchanger) 131 Second heat exchanger 132 Third heat exchanger 133 Pressure reducing device 140 Supercritical pressure boiler (heating unit) 141 Gasification Reactor 142 Superheater 143 Water Cooling Wall 144 Reactor Burner 150 Feed Water Pump 160 Steam Turbine 161 Condenser 170 Gas-Liquid Separator 171 Gas Tank 172 Catalyst Recovery Unit 180 Supercritical Pressure Boiler (Heating Section)

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Abstract

本発明では、バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理するガス化反応器１４１と、ガス化反応器１４１で超臨界水によりガス化処理される前にスラリー体を予熱する熱交換器１３０とを備え、超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する超臨界圧ボイラ１４０（１８０）を設け、熱交換器１３０は、超臨界圧ボイラ１４０（１８０）から排出される蒸気を利用してスラリー体を予熱する。これにより、熱交換器１３０にて含水性バイオマスを含むスラリー体を、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して予熱することで熱交換器１３０をコンパクト化し、タールやチャーの生成を抑制して、熱交換器１３０の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる。

Description

超臨界水ガス化システムおよびガス化方法
　本発明は、バイオマスに水および触媒を添加して調整されたスラリー体を、超臨界状態で分解処理して燃料ガスを生成する超臨界水ガス化システムおよびガス化方法に関する。
　近年、含水性バイオマス（焼酎残渣、採卵鶏糞等）を超臨界水でガス化する技術において、バイオマスを超臨界水でガス化することによって得られた生成物の熱を利用して、超臨界水でガス化される含水性バイオマス又は該バイオマスのスラリー体を加熱する二重管式熱交換器を備えた超臨界水ガス化システムが開発されている（例えば、特許文献１および２参照）。
　ここで、一般的なバイオマスによるガス化システムは、熱交換器・加熱器およびガス化反応器等を含んで構成され、加水分解によって有機物を水素・メタン・エタン・一酸化炭素・二酸化炭素等にガス化する。例えば、熱交換器は、スラリー状のスラリー体を加熱する装置である。このスラリー体は、焼酎残渣・採卵鶏糞・汚泥等のバイオマスに、水および活性炭（触媒）を加えて混合することで調整される。加熱器は、熱交換機で加熱されたスラリー体をガス化反応温度である６００℃まで昇温する装置である。ガス化反応器は、このスラリー体を水熱処理して有機物をガス化し、超臨界状態の高温流体にする装置である。超臨界状態となった流体は、その後気液分離され、気体分が燃料ガスとして利用される。
特開２００７－２７１１４６号公報 特開２００９－２４２６９７号公報
　しかしながら、上述のような超臨界水ガス化システムにおいては、ガス化の際に触媒として使用される非金属触媒（例えば、活性炭）の微細粉末やガス化の際に生成されるタール・チャーなどによって二重管式熱交換器の二重管における外管と内管との間に閉塞が生じる場合がある。
　具体的に、例えば、ガス化反応後の処理後流体は、全長約１００ｍの二重管式熱交換器において、スラリー体と熱交換することにより、約６００℃から約１２０℃へ水温が下がる。その後、さらに冷却して気水分離することでガスと排水に分離される。そして、ガスは燃料として使用し、余剰ガスはタンクへ蓄圧して別途使用する。
　このとき、かかる二重管式熱交換器では、処理後流体の熱を原料の加熱に利用している。ところが、二重管式熱交換器の中間部分では、水物性の関係から温度差が小さくなるため熱交換が非効率になる。これは、原料圧力が処理後流体圧力より高圧となるため、原料擬臨界点温度が処理後流体擬臨界点温度より高くなるが、水は擬臨界点において定圧比熱が最大となるため、熱交換器内の大きな範囲において処理後流体と原料の温度差が小さくなり、熱交換が進まないことが原因である。
　また、熱交換器は、高温高圧に耐え得るために、高価な材料の厚肉配管を用いて、法的規制をクリヤした技士が溶接を行うことから高価である。従って、極力小型の熱交換器を用いて、効率よく温度上昇させたい要望がある。例えば、全長の長い熱交換器の場合、温度上昇に時間が掛かる。そして、中温部・高温部でタールやチャーが生成されるため、ここでの反応時間が長くなるとタールの生成量が増大し、ひいては熱交換器出口で配管が閉塞するリスクを上昇させる原因となってしまう問題があった。
　そこで、本発明者等は、上述したスラリー体が熱交換器において目詰まりを起こすことに起因した流路の閉塞を防止すること、およびガス化効率の向上の観点から、このスラリー体を、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して予熱することに着目した。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱交換器にて含水性バイオマスを含むスラリー体を、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して予熱することで熱交換器をコンパクト化し、タールやチャーの生成を抑制して、熱交換器の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる超臨界水ガス化システムおよびガス化方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係る超臨界水ガス化システムは、
　バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理するガス化反応器と、前記ガス化反応器で超臨界水によりガス化処理される前に前記スラリー体を予熱する熱交換器と、を備える超臨界水ガス化システムであって、
　超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部を設け、
　前記熱交換器は、前記加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする。
　また、本発明に係る超臨界水ガス化システムは、
　前記熱交換器が複数設けられ、当該複数の熱交換器のうちの少なくとも一つの熱交換器では、前記スラリー体を予熱した後の前記蒸気を利用して、前記ガス化反応器によって生成される生成物を冷却することとしてもよい。
　前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
　前記超臨界圧ボイラの燃焼を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。
　前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
　前記超臨界圧ボイラから排出される前記蒸気の熱を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。
　前記加熱部は、
　前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラと、
　前記ガス化反応器を加熱する反応器用ボイラと、
を備えていることとしてもよい。
　前記超臨界圧ボイラは、
　前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することとしてもよい。
　また、本発明に係る超臨界水ガス化方法は、
　バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理する工程と、前記ガス化反応器で超臨界水によりガス化処理される前に前記スラリー体を熱交換器にて予熱する工程と、を備える超臨界水ガス化方法であって、
　前記熱交換器は、超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする。
　このとき、前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、前記超臨界圧ボイラの燃焼を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。また、前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、前記超臨界圧ボイラから排出される前記蒸気の熱を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。さらに、前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラと、前記ガス化反応器を加熱する反応器用ボイラと、を備えていることとしてもよい。
　なお、熱交換器での予熱処理は、反応器での水熱処理を考慮して、６００℃の温度、および２５ＭＰａの圧力の条件下で行うことが好ましい。
　本発明によれば、熱交換器にて含水性バイオマスを含むスラリー体を、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して予熱することで熱交換器をコンパクト化し、タールやチャーの生成を抑制して、熱交換器の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる超臨界水ガス化システムおよびガス化方法を提供することができる。
本発明の一実施形態として説明する超臨界水ガス化システムの概略構成を示す図である。 本発明の他の実施形態として説明する超臨界水ガス化システムの概略構成を示す図である。 本発明の他の実施形態として説明する超臨界水ガス化システムの概略構成を示す図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明の目的、特徴、利点、及びそのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであり、本明細書の記載から、当業者であれば、容易に本発明を再現できる。以下に記載された発明の実施の形態及び図面等は、本発明の好ましい実施態様を示すものであり、例示又は説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図ならびに範囲内で、本明細書の記載に基づき、様々に修飾ができることは、当業者にとって明らかである。
＝＝本発明に係る超臨界水ガス化システムの全体構成＝＝
　図１は、本発明の一実施形態として説明する超臨界水ガス化システムの概略構成を示す図である。図１に示すように、本発明に係る超臨界水ガス化システム（以下、適宜、単に「システム」と称する場合がある。）は、調整タンク１００、破砕機１１０、供給ポンプ１２０、第一熱交換器１３０、第二熱交換器１３１、第三熱交換器１３２、超臨界圧ボイラ１４０、ガス化反応器１４１、過熱器１４２、ボイラ水冷壁１４３、給水ポンプ１５０、蒸気タービン１６０、復水器１６１、気液分離器１７０、ガスタンク１７１、触媒回収器１７２などを備えており、供給ポンプ１２０と第一熱交換器１３０の間、第一熱交換器１３０とガス化反応器１４１の間、ガス化反応器１４１と第二熱交換器１３１の間、および、第二熱交換器１３１と第三熱交換器１３２の間は、それぞれ配管によって接続されている。
　なお、本実施形態の場合、ガス化反応器１４１は、含水性バイオマスに水や非金属系触媒を加えて混合し調整したスラリー体を超臨界水でガス化処理するものであり、少なくとも第一熱交換器（すなわち、ガス化反応器１４１で超臨界水によりガス化処理される前にスラリー体を予熱する熱交換器としての第一熱交換器１３０）は、二重管式熱交換器で構成されている場合について述べるが、本発明はこれに限ることはない。
　調整タンク１００は、含水性バイオマス（バイオマスのスラリー体であってもよい。以下、同じ。）、非金属系触媒、水などを混合するタンクである。本システムにおいて処理されるスラリー体は、調整タンク１００に投入された含水性バイオマスおよび非金属系触媒、並びに必要に応じて投入された水を混合して、含水性バイオマスに非金属系触媒を懸濁することにより調製される。なお、水の投入は、バイオマスの含水率に応じて適宜行われる。上記含水性バイオマスは、例えば、焼酎残渣、採卵鶏糞、汚泥などである。また、上記非金属系触媒としては、例えば、活性炭、ゼオライト、これらの混合物などを用いることができるが、平均粒径２００μｍ以下の粉末を用いることが好ましく、平均粒径２００μｍ以下の多孔質の粒子を用いることがより好ましい。
　破砕機１１０は、調整タンク１００で調製したスラリー体中のバイオマスを破砕して、バイオマスをあらかじめ均一な大きさ（好ましくは平均粒径が５００μｍ以下、より好ましくは平均粒径が３００μｍ以下）にするための装置である。なお、スラリー体としてバイオマスのスラリー体を混合させる場合には、本システムに破砕機１１０を設けなくてもよい。
　加熱部としての超臨界圧ボイラ１４０は、後述するガス化反応器１４１を含んで構成され、自身の燃焼を熱源としてガス化反応器１４１を加熱すると共に、供給ポンプ１５０から供給される水を加熱することによって発生する、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を後述する第一熱交換器１３０へと供給する。
　ガス化反応器１４１は、調整タンク１００で調製したスラリー体または破砕機１１０でバイオマスを破砕したスラリー体に懸濁させた非金属系触媒を触媒として、スラリー体中のバイオマスを超臨界水でガス化する装置である。バイオマスの超臨界水によるガス化は、前述の非金属系触媒を利用して、３７４℃以上の温度、及び２２．１ＭＰａ以上の圧力の条件下で行うことができるが、タールやチャーの発生を抑制するとともに炭素ガス化率を高めることができる温度及び圧力下（６００℃以上、２５～３５ＭＰａの範囲内）で行うことが好ましい。このようにバイオマスを超臨界水で処理することにより、バイオマスを分解し、水素ガス、メタン、エタン、エチレン等の燃料ガスを生成することができる。
　また、ガス化反応器１４１は、その内部温度、外部温度または加温温度を測定する温度測定装置と、ガス化反応器１４１の内部温度、加熱温度または加圧圧力を測定するための圧力測定装置と（共に図示せず）、を備えることが好ましい。
　なお、本実施形態においては、ガス化反応器１４１がコイル状の配管を燃焼ガスで加温する場合について説明する。かかる管状反応器を用いた場合、前後の配管（すなわち、第一熱交換器１３０と連結する配管、および、第二熱交換器１３１と連結する配管）に比べて、太さを太くすることで、反応時間を一定時間確保できるようにすることができる利点がある。なお、ガス化反応器としては、これに限定されるものではなく、前述の条件下でバイオマスを含むスラリー体を水熱処理することができる装置であれば特に制限されるものではない。ガス化反応器としては、この他、流動層反応器等がある。
　二重管式熱交換器として構成される第一熱交換器１３０は、超臨界圧ボイラ１４０から供給される超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気（この場合、６００℃の温度、および２５ＭＰａの圧力の条件下からなる蒸気）の熱を利用して、ガス化反応器１４１で超臨界水によりガス化処理される含水性バイオマスに非金属系触媒を懸濁したスラリー体を所定の温度（この場合、６００℃）まで予め加熱（予熱）する装置である。
　ここで、従来の二重管式熱交換器では、その中間部分において、水物性の関係から温度差が小さくなる（すなわち、原料圧力が処理後流体の圧力より高圧となるため、原料擬臨界点温度が処理後流体の擬臨界点温度より高くなるが、水は擬臨界点において定圧比熱が最大となるため、熱交換器内の大きな範囲において処理後流体と原料の温度差が小さくなる）ため、単位伝熱面積当たりの交換熱量が小さくなり、熱交換が非効率になる場合があった。
　また、従来の二重管式熱交換器では、熱交換効率を上げるべく全長が長く形成されていたことから温度上昇に時間が掛かり、中温部・高温部でタールやチャーが生成され、更にはここでの反応時間が長くなることに起因してタールの生成量が増大し、ひいては熱交換器内やその出口で配管が閉塞する場合があった。
　そこで、本システムでは、第一熱交換器１３０において、超臨界圧ボイラ１４０から供給される超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気（この場合、６００℃の温度、および２５ＭＰａの圧力の条件下からなる蒸気）を利用して、上記スラリー体を予熱するようにした。すなわち、第一熱交換器１３０は、ガス化反応器１４１に供給されるスラリー体を、当該ガス化反応器１４１で超臨界水によりガス化処理される前に６００℃まで予熱する。
　具体的には、図示省略するが、第一熱交換器１３０における二重管は既存の二重管式熱交換器と同様に、外管と内管とから構成されており、前記スラリー体が内管内の流路を流れ、前記蒸気が外管と内管との間の流路を流れる。すなわち、内管内の流路に上記スラリー体が流れてガス化反応器１４１に供給され、外管と内管との間の流路に対して、スラリー体が流れる方向とは逆方向に、上記蒸気が流れて第二熱交換器１３１に供給されるように、第一熱交換器１３０が本システムに設けられている。
　このように、第一熱交換器１３０において、超臨界圧ボイラ１４０から供給される超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して、上記スラリー体を予熱することにより、第一熱交換器１３０を従来に比して大幅にコンパクト化することができる。また、タールやチャーの生成を抑制して、第一熱交換器１３０の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができるようになっている。
　冷却器として機能する第二熱交換器１３１は、第一熱交換器１３０を介してガス化反応器１４１から供給される排出物を冷却するための装置である。この第二熱交換器１３１では、上記排出物を６００℃の温度の条件下から、１５０℃～２００℃の温度の条件下にまで冷却する。また、同様に冷却器として機能する第三熱交換器１３２は、第二熱交換器１３１から供給される排出物を冷却するための装置である。この第三熱交換器１３２では、上記排出物を１５０℃～２００℃の温度の条件下から、ほぼ常温の条件下にまで冷却する。
　減圧装置１３３は、第三熱交換器１３２と気液分離器１７０との間に配設され、ガス化反応器１４１から第二熱交換器１３１および第三熱交換器１３２を介して排出される排出物を２５ＭＰａ程度の圧力から、ほぼ大気圧の条件下にまで減圧する。本システムでは、ガス化反応器１４１から排出される排出物には、可燃性の高い燃料ガス（例えば、水素、メタン、エタン、エチレンなど）や水蒸気（超臨界水）等の生成ガスが含まれているので、冷却し減圧する事で、危険性を低減させたり、水蒸気を水に変換させたりする役目を果たすようになっている。
　なお、本実施形態においては、ガス化反応器１４１から排出された排出物を冷却する装置として第二熱交換器１３１や第三熱交換器１３２を例に挙げて説明したが、ガス化反応器１４１から排出された排出物を冷却することができる装置であればどのような装置を用いてもよい。かかる冷却器としては、第二熱交換器１３１や第三熱交換器１３２に限ることはなく、この他、例えば、クーラーなどであってもよい。また、減圧器としても同様に、減圧装置１３３に限ることはない。
　また、前述の熱交換器も向流式に限ることは無く、例えば、並流式でも良い。さらに、二重管式熱交換器に限ることは無く、例えば、スパイラル式やプレート式の熱交換器でも良い。
　以上のように、本システムに第一～第三熱交換器１３０～１３２を備えることにより、エネルギーを有効に利用できるので、低エネルギー・低コストで含水性バイオマスから燃料ガスを生成できるようになる。また、第一熱交換器１３０を備えることにより、ガス化反応器１４１での加熱時間が大幅に短縮されるので、含水性バイオマスから燃料ガスの生成を効率的に行うことができる。従って、少なくとも第一熱交換器１３０を備えた本システムは（第二熱交換器１３１および第三熱交換器１３２を含んだ場合は更に）、経済性に優れているといえる。
　気液分離器１７０は、ガス化反応器１４１，第二熱交換器１３１および第三熱交換器１３２を順次介して供給された排出物を、燃料ガス等の生成ガスを含む気体成分と、水または灰分および非金属系触媒が水に懸濁された液体成分とに分離する装置である。この気液分離器１７０としては、セパレーター等の既存の気液分離器を用いることができる。
　ガスタンク１７１は、気液分離器１７０によって分離された気体成分（生成ガス）を貯える容器（好ましくは耐圧容器）である。
　超臨界圧ボイラ１４０内に配置された過熱器１４２は、給水ポンプ１５０から送られ水冷壁１４３で加熱された蒸気や第２熱交換器で加熱された蒸気の温度を、ガスタンク１７１に貯えられた生成ガス（燃料ガス）の一部あるいは燃料ガス（ＬＰＧ等）の、酸素を含むガス中での燃焼熱を使って、更に上昇させるための熱交換用の配管群である。また、超臨界圧ボイラ１４０は、ガスタンク１７１に貯えられた生成ガス（燃料ガス）の一部あるいは燃料ガス（ＬＰＧ等）の、酸素を含むガス中での燃焼熱を使って加熱された前述の蒸気によって第一熱交換器１３０を加熱することで、含水性バイオマスに非金属系触媒を懸濁したスラリー体を所定の温度（この場合、６００℃）まで予め加熱する装置である。なお、超臨界圧ボイラ１４０の燃料は、ガス燃料に限ることは無く、石炭や木質バイオマスなどの固体燃料や重油や軽油などの液体燃料でも良い。
　供給ポンプ１２０は、調整タンク１００で調製したスラリー体または破砕機１１０でバイオマスを破砕したスラリー体を第一熱交換器１３０に供給する装置である。スラリー体は、第一熱交換器１３０（二重管の内管内の流路）を介してガス化反応器１４１に供給される。供給ポンプ１２０は、例えば、高圧ピストンポンプやダイアフラムポンプなどを用いることができる。
　蒸気タービン１６０は、例えば、不図示の火力発電所におけるボイラ内に配設され、本システム（具体的には、超臨界圧ボイラ１４０内の過熱器１４２）と伝熱管を介して接続されている。そして、超臨界圧ボイラ１４０から排出される前記蒸気の熱、ガス化反応器１４１で前記スラリー体を燃焼することにより生じた熱、または第一熱交換器１３０および第二熱交換器１３１を順次介して過熱器１４２から供給される前記蒸気の熱などを利用して伝熱管内に蒸気を発生させることで、蒸気タービン１６０を回転させ、この蒸気タービン１６０と同軸に接続される不図示の発電機が稼動することで発電する。蒸気タービン１６０を回転させた後の蒸気は、復水器１６１により復水にされ、第三熱交換器１３２を通り、再び復水器１６１内へ導かれる。
　なお、本実施形態では図示省略しているが、本システムに、ガスタンク１７１に貯えられた生成ガス（燃料ガス）を燃料として利用することで発電する発電装置を備えるようにしてもよい。この場合、発電装置は、例えば、ガスエンジン（レシプロエンジン、ロータリーエンジン）、蒸気タービン、スターリングエンジン、燃料電池などの既存の装置を広く適用できる。
　また、本システムに予め含水性バイオマスを熱水処理する前処理装置を備えることにより、バイオマスを高分子から低分子に分解することができるので、ガス化反応器１４１において処理されるバイオマスと水や非金属系触媒との接触効率を高め、チャーやタールの発生の更なる抑制が可能となると共に、バイオマスから燃料ガスを効率よく生成することが可能になる。
　さらに、本システムに、第二，第三熱交換器１３１，１３２、気液分離器１７０などを備えることにより、ガス化反応器１４１から排出される排出物から燃料ガスを含む生成ガスを安全に回収することができるようになる。
　また、本システムに、バイオマスを破砕する破砕機１１０を備えることにより、バイオマスを予め破砕することができるので、バイオマスのスラリー化やガス化の効率を高めることができるようになる。
　さらに、本システムにより得られた燃料ガスを用いて、ガスエンジンによる発電を行うことにより、電力と排熱を得ることができるので、石炭、石油等の化石燃料の省資源化を図ることが可能になる。
　さらに、本システムにおける第一熱交換器１３０とガス化反応器１４１との間に加熱器（不図示）を設け、第一熱交換器１３０からガス化反応器１４１へと移送されるスラリー体を加熱（予熱）することで、当該スラリー体の温度低下や昇温不足などにより６００℃に満たない状態を未然に回避し、ガス化反応器１４１に対してスラリー体を確実に６００℃の状態で移送するようにしても良い。
　以上、説明したように、本システムは、含水性バイオマスを含むスラリー体を懸濁させたスラリー体を超臨界水でガス化処理するガス化反応器１４１と、ガス化反応器１４１で超臨界水によりガス化処理される前に前記スラリー体を予熱する第一熱交換器１３０と、を備えており、超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部として超臨界圧ボイラ１４０を設け、第一熱交換器１３０は、超臨界圧ボイラ１４０から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することにより、第一熱交換器１３０を従来に比してコンパクト化することができると共に、タールやチャーの生成を抑制して、第一熱交換器１３０の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる。
　なお、加熱部としては、前述の蒸気を排出する超臨界圧ボイラ１４０を備え、超臨界圧ボイラ１４０は、ガス化反応器１４１を含んで構成され、当該超臨界圧ボイラ１４０の燃焼を利用してガス化反応器１４１を加熱することとしてもよい。この場合、ガス化反応器１４１を加熱する加熱手段を別体で設ける必要がなく、システム全体として構成の簡略化を図ることができる。
　また、加熱部としては、例えば、図１との対応部分に同一符号を付した図２に示すように、前述の蒸気を排出する超臨界圧ボイラ１８０を備えており、当該超臨界圧ボイラ１８０から排出される前述の蒸気の熱を利用して、加熱部（すなわち、超臨界圧ボイラ１８０）とは別体で設けられたガス化反応器１４１を加熱することとしてもよい。このとき、ガス化反応器１４１には、超臨界圧ボイラ１８０から蒸気を供給されるコイル状の加熱用配管などが、当該ガス化反応器１４１の外部（外周面）または内部（内周面）に配設されることが好ましい。この場合、超臨界圧ボイラ１８０から排出される超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を熱源として有効利用できるので、ガス化反応器１４１を効率よく加熱することが可能となる。
　さらに、加熱部としては、例えば、図１との対応部分に同一符号を付した図３に示すように、前述の蒸気を排出する超臨界圧ボイラ１８０と、ガス化反応器１４１を加熱する反応器用バーナ１４４と、を備えていることとしてもよい。この場合、ガス化反応器１４１を加熱する反応器用バーナ１４４を備えることから、超臨界圧ボイラ１８０によって排出される超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を第一熱交換器１３０における予熱にのみで利用するので、蒸気の使用量を減らすことができる。
　しかも、超臨界圧ボイラ１４０，１８０は、前述のガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することとしてもよい。この場合、ガス化処理によって生成された生成ガスを有効利用できるため、省エネルギー化を図ることができる。なお、ここでは便宜上、図示を省略するが、図２及び図３に示す超臨界圧ボイラ１８０は、超臨界圧ボイラ１４０と同様に過熱器・水冷壁・バーナを備えて構成されている。
　さらに、本システムは、第一熱交換器１３０にてスラリー体を予熱した後の前述の蒸気を第二熱交換器１３１に供給して利用することで、ガス化処理によって生成された生成物を冷却することとしてもよい。
　なお、第一熱交換器１３０での予熱処理は、ガス化反応器１４１での水熱処理を考慮して、６００℃の温度、および２５ＭＰａの圧力の条件下で行うことが好ましい。
＝＝超臨界水によるバイオマスガス化方法＝＝
　次に、本実施の一形態として、バイオマスとバイオマスに含まれる水との供給量を調節しながら、バイオマスを超臨界水でガス化する方法について説明する。
　まず、調整タンク１００でバイオマスと非金属系触媒と水を混合した混合物を調製する（調整工程）。非金属系触媒とバイオマス（乾燥状態のバイオマス）との質量比としては、１：５～２０：１の範囲内であることが好ましく、バイオマスのガス化効率が高い１：２～２０：１の範囲内であることが特に好ましい。また、混合する水の量は、バイオマスの含水率が７０～９５ｗｔ％となるように調整することが好ましい。これにより、バイオマスの超臨界水によるガス化効率を高めることができる。
　前述のように、バイオマスに混合させる非金属系触媒と水の量を調整して、これらを混合した混合物や混合前のバイオマスは破砕機１１０で破砕された後（破砕工程）、供給ポンプ１２０により第一熱交換器１３０に移送される。第一熱交換器１３０に供給された非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体は、第一熱交換器１３０で超臨界圧ボイラ１４０から供給される前述の蒸気から熱が提供され、所定の温度（６００℃）まで予熱された後、ガス化反応器１４１に移送される（予熱工程）。なお、第一熱交換器１３０とガス化反応器１４１との間に加熱器（不図示）を設け、第一熱交換器１３０から移送されるスラリー体をより確実に６００℃まで加熱（予熱）するようにしても良い。
　ガス化反応器１４１に供給されたバイオマスのスラリー体は、所定の圧力および所定の温度の条件下で水熱処理される（反応工程）。水熱処理の条件としては、３７４℃以上の温度で、かつ、２２．１ＭＰａ以上の圧力下であれば特に制限されるものではないが、タールやチャーの発生を抑制するとともに反応効率を高めることができる温度（６００℃）および圧力（２５～３５ＭＰａの範囲内）下で行うことが好ましく、機器の負担や劣化防止、さらには省エネルギーの観点から、６００℃，２５ＭＰａで行うことが特に好ましい。なお、バイオマスから変換された燃料ガス中の成分の比を制御したい場合には、これらの温度および圧力の条件を調節するとともに、流体密度や反応時間（ガス化反応器１４１内でのバイオマスの滞留時間）を制御することにより可能となる。
　このようにバイオマスのスラリー体を超臨界水で反応させることにより、バイオマスのスラリー体から燃焼ガスを生成することが可能になる。また、バイオマスを予め高分子から低分子化させることにより、水や非金属系触媒との接触効率を高めることができ、さらには、バイオマスのガス化反応時間を短縮させることができるので、バイオマスのスラリー体から水素ガス、メタン、エタン、エチレン等の燃料ガスをより効率的に生成することができるようになる。
　ガス化反応器１４１内でバイオマスのスラリー体を水熱処理することにより生成された生成ガスなどは、ガス化反応器１４１から排出される。この排出物は、第二熱交換器１３１において、第一熱交換器１３０から供給される前述の蒸気に熱を提供することで冷却され、第三熱交換器１３２において更に冷却された後、減圧装置１３３で減圧され、気液分離器１７０へと移送される。気液分離器１７０に供給された排出物は、燃料ガスを含む生成ガス（気体成分）と、水、あるいは、水、灰分、非金属系触媒等を含む混合液（液体成分）とに分離され、生成ガスはガスタンク１７１に貯えられる。なお、気液分離器１７０によって分離された混合液に、水以外の灰分や非金属系触媒などが含まれている場合には、混合液を触媒回収器１７２によって灰分、非金属系触媒、および、水にそれぞれ分離し、非金属系触媒を回収してもよい。これにより、非金属系触媒を再利用することができるようになる。
　ガスタンク１７１に貯えられた生成ガス（燃料ガス）は、超臨界圧ボイラ１４０や過熱器１４２に供給される。超臨界圧ボイラ１４０，過熱器１４２は、供給された生成ガスを燃料として、例えば、酸素を含むガス中で燃焼して、給水ポンプ１５０からの水や、ガス化反応器１４１を加熱する。このとき、超臨界圧ボイラ１４０にて発生した超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気は、第一熱交換器１３０に供給されることで、含水性バイオマスのスラリー体を所定温度（６００℃）まで予熱する。
　また、ボイラ内に設置されたバーナにより生成ガスを燃料として、例えば、酸素を含むガス中で燃焼することによって得られた排ガスは、ガス化反応器１４１に供給されてスラリー体に熱を提供する。ガス化反応器１４１に熱を提供した排ガス、および、ボイラ内に設置されたバーナにより生成ガスを燃料として、例えば、酸素を含むガス中で燃焼することによって得られた排ガスは、超臨界圧ボイラ１４０から排出される。
　一方、第一熱交換器１３０において前述のスラリー体を予熱した後、第二熱交換器１３１に供給された蒸気は、ガス化反応器１４１にて生成された生成物から熱を吸収することで、当該生成物を冷却させた後、過熱器１４２を介して蒸気タービン１６０に供給され、当該蒸気タービン１６０を起動させる。
　なお、本実施形態において用いられる非金属系触媒としては、例えば、活性炭、ゼオライト、これらの混合物などを挙げることができる。このように、アルカリ触媒ではなく、非金属系触媒を用いることにより、アルカリ触媒が引き起こす機器や配管等の腐食による劣化を防止することができ、本システムの長期使用が実現可能となる。また、アルカリ触媒を中和する処理工程も不要となり、作業性の効率を高めることができるようになる。上記非金属系触媒としては、平均粒径２００μｍ以下の粉末を用いることが好ましく、多孔質であることがより好ましい。このような非金属系触媒を用いることにより、表面積を増やして反応効率を高めるとともに、非金属系触媒による本システム内の機器、配管等の目詰まりを防止することができる。
　また、本実施形態において処理されるバイオマスが砂等の異物を含む排水汚泥や糞尿等である場合には、第一熱交換器１３０において予熱処理する前に、公知の分離技術（例えば、ストレイナーを用いた分離法、沈殿層を用いた分離法）によってバイオマスに含まれる砂等の異物を取り除いてもよい。これにより、砂等の異物によって生じるトラブルを防止することができるようになる。
　さらに、上述した予熱工程では、第一熱交換器１３０において、超臨界圧ボイラ１４０から供給される超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して、上記スラリー体を予熱することにより、第一熱交換器１３０を従来に比して大幅にコンパクト化することができる。また、タールやチャーの生成を抑制して、第一熱交換器１３０の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる。
　以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
［実施例１］
　水９７．６質量部、鶏糞２質量部、及び粒径２０μｍの活性炭０．４質量部を撹拌混合し、１８０℃，１．１ＭＰａの条件下で熱水処理したバイオマスのスラリー体を、高圧ポンプにより管型反応器に圧入し、６００℃，２５ＭＰａの条件下で、超臨界水による反応を行った。また、対照実験として、活性炭を添加しないで同様に超臨界水によるガス化反応を行った。その結果、活性炭を添加しない場合には、炭素ガス化率が７３％であるのに対し、活性炭を０．４質量部添加した場合には、炭素ガス化率が８８％と上昇することが明らかになった。
［実施例２］
　次に、水８０質量部、セルロース粉末２０質量部、及び平均粒径１００μｍの活性炭２０質量部を撹拌混合してスラリーを調製した。その後、攪拌機を備えた１６７ｍｌのオートクレーブにスラリー４０ｍｌを注入し、圧力２５ＭＰａで撹拌しながら４００℃まで温度上昇させて１時間保持して超臨界水によるガス化反応を行った。反応後、室温まで冷却し、生成ガスを回収して炭素ガス化率を求めた。また、対照実験として、活性炭を添加せずに同様の処理を行った。その結果、活性炭を添加しない場合には炭素ガス化率が１０％であるのに対し、活性炭を添加した場合には炭素ガス化率が３０％と上昇することが明らかになった。
　以上のことから、活性炭等の非金属系触媒の添加によりバイオマスのガス化効率を高めることができることが明らかになった。
　１００　調整タンク　　　　　　　　１１０　破砕機
　１２０　供給ポンプ　　　　　　　　１３０　第一熱交換器（熱交換器）
　１３１　第二熱交換器　　　　　　　１３２　第三熱交換器
　１３３　減圧装置　　　　　　　　　１４０　超臨界圧ボイラ（加熱部）
　１４１　ガス化反応器　　　　　　　１４２　過熱器
　１４３　水冷壁　　　　　　　　　　１４４　反応器用バーナ
　１５０　給水ポンプ　　　　　　　　１６０　蒸気タービン
　１６１　復水器　　　　　　　　　　１７０　気液分離器
　１７１　ガスタンク　　　　　　　　１７２　触媒回収器
　１８０　超臨界圧ボイラ（加熱部）
 

Claims (8)

  1. 　バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理するガス化反応器と、前記ガス化反応器で超臨界水によりガス化処理される前に前記スラリー体を予熱する熱交換器と、を備える超臨界水ガス化システムであって、
    　超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部を設け、
    　前記熱交換器は、前記加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする超臨界水ガス化システム。
  2. 　前記熱交換器は複数設けられ、当該複数の熱交換器のうちの少なくとも一つの熱交換器では、前記スラリー体を予熱した後の前記蒸気を利用して、前記ガス化反応器によって生成される生成物を冷却することを特徴とする請求項１に記載の超臨界水ガス化システム。
  3. 　前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
    　前記超臨界圧ボイラの燃焼を利用して前記ガス化反応器を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の超臨界水ガス化システム。
  4. 　前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
    　前記超臨界圧ボイラから排出される前記蒸気の熱を利用して前記ガス化反応器を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の超臨界水ガス化システム。
  5. 　前記加熱部は、
    　前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラと、
    　前記ガス化反応器を加熱する反応器用ボイラと、
    を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の超臨界水ガス化システム。
  6. 　前記超臨界圧ボイラは、
    　前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することを特徴とする請求項３～５のいずれか一項に記載の超臨界水ガス化システム。
  7. 　バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理する工程と、前記ガス化反応器で超臨界水によりガス化処理される前に前記スラリー体を熱交換器にて予熱する工程と、を備える超臨界水ガス化方法であって、
    　前記熱交換器は、超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする超臨界水ガス化方法。
  8. 　請求項２～５のいずれか一項に記載の超臨界水ガス化システムを用いた超臨界水ガス化方法であって、
    　前記超臨界圧ボイラは、
    　前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することを特徴とする請求項７に記載の臨界水ガス化方法。
     
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