JP6338080B2 - 超臨界水によるバイオマスガス化システム - Google Patents

Description

本発明は、タール等の発生を抑制して詰まりを防止することが可能な超臨界水によるバイオマスガス化システムに関する。

従来、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等の熱を利用して、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によるバイオマスガス化システムが開発されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

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によるバイオマスガス化システムでは、二重管式熱交換器において、含水性バイオマス又はバイオマスのスラリー体を超臨界水でガス化することによって得られた生成物等の熱を利用して、超臨界水でガス化される含水性バイオマス又はバイオマスのスラリー体を加熱する際にタール等が生成され、二重管の管内に詰りが生じる場合がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、二重管式熱交換器において、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等の熱を利用して、超臨界水でガス化される含水性バイオマス又はバイオマスのスラリー体を加熱する際に、タール等の発生を抑制し、もって二重管の管内における詰まりを防止することが可能な超臨界水によるバイオマスガス化システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、含水性バイオマスに懸濁させた非金属系触媒を触媒として、バイオマスを超臨界水でガス化処理するガス化反応器と、ガス化反応器にて生成された生成ガス及び灰分、並びに前記非金属系触媒が水に懸濁され、かつガス化反応器から排出される混合物の熱を利用して、ガス化反応器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させた懸濁液を予熱する二重管式熱交換器と、を備える超臨界水によるバイオマスガス化システムを用いて、システム内の圧力を２７ＭＰａ以上に調整して、上記懸濁液の代わりにおよそ３０℃の水を二重管式熱交換器における二重管の内管内の流路に、上記混合物の代わりにおよそ６００℃に加熱された水を二重管の外管と内管との間の流路に、それぞれ逆方向に供給して熱交換を行った場合、システム内の圧力を２３ＭＰａで調整して熱交換を行った場合に比べて、二重管の内管内に供給した水がタール発生温度である３８０℃近辺（より具体的には、３５０〜４００℃の温度範囲）で保持される時間（滞留時間）が短くなることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る超臨界水によるバイオマスガス化システムは、含水性バイオマス又はバイオマスのスラリー体に懸濁させた非金属系触媒を触媒として、前記バイオマスを超臨界水でガス化処理するガス化反応器と、前記ガス化反応器にて生成された生成ガス及び灰分、並びに前記非金属系触媒が水に懸濁され、前記ガス化反応器から排出される６００℃の混合物と、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記含水性バイオマス又は前記バイオマスのスラリー体に前記非金属系触媒を懸濁させた懸濁液とを熱交換させることにより前記懸濁液を予熱する二重管式熱交換器と、を備える超臨界水によるバイオマスガス化システムにおいて、前記システム内の圧力を２７ＭＰａ以上６０ＭＰａ以下の範囲内に調整することを含む。

なお、上記超臨界水によるバイオマスガス化システムにおける上記ガス化反応器でのガス化処理は、６００℃以上の温度で行ってもよい。

本発明によれば、二重管式熱交換器において、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等の熱を利用して、超臨界水でガス化される含水性バイオマス又はバイオマスのスラリー体を加熱する際に、タール等の発生を抑制し、もって二重管の管内における詰まりを防止することが可能な超臨界水によるバイオマスガス化システムを提供することができる。

本発明の一実施形態において、超臨界水によるバイオマスガス化システムの概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態において、二重管式熱交換器における二重管の概略構成を示す図である。 本発明の一実施例において、二重管式熱交換器の圧力を２３ＭＰａに調整し、二重管の内管内におよそ３０℃の水を、外管と内管との間におよそ６００℃の水を、それぞれ逆方向で供給して熱交換させた場合の、二重管の各地点における各流体の温度を測定した結果を示す図である。 本発明の一実施例において、二重管式熱交換器の圧力を２７．５ＭＰａに調整し、二重管の内管内におよそ３０℃の水を、外管と内管との間におよそ６００℃の水を、それぞれ逆方向で供給して熱交換させた場合の、二重管の各地点における各流体の温度を測定した結果を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態につき、添付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。

図１は、本発明の一実施形態として説明する、超臨界水によるバイオマスガス化システム（以下、単に「システム」と称する。）の概略構成を示す図である。図１に示すように、システム１００は、調整タンク１０、破砕機２０、供給ポンプ３０、二重管式熱交換器４０、ガス化反応器５０、冷却器６０、減圧器７０、気液分離器８０、ガスタンク９０などを備えており、供給ポンプ３０と二重管式熱交換器４０、二重管式熱交換器４０とガス化反応器５０、及びガス化反応器５０と熱交換器４０は、それぞれ配管によって接続されており、二重管式熱交換器４０とガス化反応器５０との内部の圧力を２７ＭＰａ以上に調整されている。

調整タンク１０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。システム１００へ送液するガス化原料は、調整タンク１０に投入された含水性バイオマス及び非金属系触媒、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（あるいはバイオマス溶液）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、上記非金属系触媒は、例えば、活性炭、ゼオライトなどである。非金属系触媒としては、平均粒径２００μｍ以下の粒子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２０は、調整タンク１０で調製したガス化原料（懸濁液）中のバイオマスを破砕して、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。

ガス化反応器５０は、破砕機２０でバイオマスを破砕した懸濁液に懸濁させた非金属系触媒を触媒として、懸濁液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、前記非金属系触媒を利用して、例えば、６００℃以上の温度の超臨界水によってバイオマスを水熱処理することにより行われる。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。

供給ポンプ３０は、ガス化反応器５０に破砕機２０でバイオマスを破砕した懸濁液を供給する装置である。供給ポンプ３０は、バイオマスを破砕した懸濁液を供給できる装置であれば特に制限されるものではなく、例えば、高圧ポンプやモーノポンプなどを用いることができる。

二重管式熱交換器４０は、ガス化反応器５０において超臨界水によりガス化処理することにより生成された生成ガス及び灰分、並びに非金属系触媒が水に懸濁され、かつ、ガス化反応器５０から排出される排出物（混合物）の熱を利用して、ガス化反応器５０で超臨界水によりガス化処理されるバイオマスを破砕した懸濁液を予熱する装置である。二重管式熱交換器４０における二重管４１は、図２に示すように、外管４２と内管４３とから構成されており、上記混合物及び上記懸濁液のうち一方が内管４３内の流路を流れ、他方が外管４２と内管４３との間の流路を流れる。なお、本実施の形態及び本実施例においては、内管４３内の流路に上記懸濁液が流れ、外管４２と内管４３との間の流路に上記混合物が流れるように設定している。

冷却器６０は、ガス化反応器５０から排出された排出物（生成ガス、灰分及び非金属系触媒が水に懸濁された混合物）を冷却するための装置である。冷却器６０は、例えば、クーラーなどである。
減圧器７０は、ガス化反応器５０から排出された排出物の圧力を減圧する装置である。

気液分離器８０は、ガス化反応器５０から排出された排出物を、生成ガス（燃料ガス等）を含む気体成分と、灰分及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。
ガスタンク９０は、気液分離器８０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。

加熱器５１は、ガスタンク９０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（例えば、ＬＰＧなど）を燃焼してガス化反応器５０を加熱し、バイオマスを粉砕した懸濁液を所定の温度に加熱する装置である。加熱器５１は、例えば、バーナーなどの、燃料ガスを燃焼して加熱する既存の装置である。

なお、本実施の形態においては、二重管式熱交換器４０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等の熱を利用して、超臨界水でガス化される含水性バイオマスに非金属系触媒を懸濁させた懸濁液を加熱する際に、二重管４１の内管４３において、該懸濁液がタール発生温度である３８０℃近辺（より具体的には、３５０〜４００℃の温度範囲）で保持される時間（滞留時間）が短くなるようにしてタール等の発生を抑制し、もって二重管４１の管内、特に外管４２と内管４３との間の流路においてタール等による詰まりを防止するために、二重管式熱交換器４０とガス化反応器５０との内部の圧力を２７ＭＰａ以上に調整することとしているが、市販の一般的な機器を用いる場合には、その機器が耐え得ることができる圧力、例えば、３５ＭＰａ未満の圧力に調整することが好ましい。なお、二重管式熱交換器４０とガス化反応器５０が、３５ＭＰａより大きく６０ＭＰａ以下の圧力に耐え得る材料で構成されている場合には、これらの圧力で調整してもよい。

また、本実施の形態においては、調整タンク１０で含水性バイオマス（あるいはバイオマスの溶液）に非金属系触媒を懸濁した懸濁液を、供給ポンプ３０により二重管式熱交換器４０に供給しているが、供給ポンプ３０で供給する直前に、非金属系触媒を、破砕機２０で破砕した含水性バイオマス（あるいはバイオマスの溶液）に懸濁し、二重管式熱交換器４０に供給してもよい。

さらに、本実施の形態において、供給ポンプ３０から二重管式熱交換器４０に供給する、含水性バイオマスに非金属系触媒を懸濁した懸濁液を、タールが発生しない温度（例えば、３５０℃程度）まで、あらかじめ予熱する予熱器を別途設けてもよい。これにより、ガス化反応器５０に供給する上記懸濁液の加熱を迅速に行うことが可能となる。

上述の二重管式熱交換器４０とガス化反応器５０とを備えるシステム１００を用いて、二重管４１の外管４２と内管４３との間の流路における出口の圧力を２３ＭＰａ又は２７．５ＭＰａになるように調整して、二重管４１の内管４３内の流路におよそ３０℃の水を供給し、二重管４１の外管４２と内管４３との間の流路に対して、内管４３内を流れる流体の進行方向とは逆方向に、ガス化反応器５０でおよそ６００℃に加熱された水を供給して熱交換を実施し、二重管４１の各地点における、内管４３内の流体の温度及び外管４２と内管４３との間における流体の温度を測定した。なお、水の流量は０．７６Ｌ／ｍｉｎとした。二重管４１としては、内管４３の内径が８ｍｍ、内管４３の厚さが３ｍｍ、外管４２の内径が１３ｍｍ、外管４２の厚さが４ｍｍ、及び長さが１００ｍであって、内管４３及び外管４２がそれぞれＳＵＳ３１６ＴＰＳから構成されたものを用いた。また、内管４３内の流路の入口、あるいは外管４２と内管４３との間における流路の出口を０ｍとして各地点における流体の温度を測定した。それらの結果を図３及び図４に示す。

図３に示すように、外管４２と内管４３との間における流路の出口の圧力が２３ＭＰａである場合には、二重管４１の内管４３内に供給した水がタール発生温度である３８０℃付近（３５０〜４００℃の温度範囲）で保持される距離及び時間（時間は、３７５℃、２３ＭＰａにおける水の比重４４７．５９を用いて計算）は、それぞれ５４ｍ及び６８．６秒であった。これに対して、外管４２と内管４３との間における流路の出口の圧力が２７．５ＭＰａである場合には、図４に示すように、二重管４１の内管４３内に供給した水がタール発生温度である３８０℃付近（３５０〜４００℃の温度範囲）で保持される距離及び時間（時間は、３７５℃、２７．５ＭＰａにおける水の比重５３６．６２を用いて計算）は、それぞれ３６ｍ及び５４．８秒であった。このことから、システム１００内の圧力、すなわち、二重管式熱交換器４０とガス化反応器５０との内部の圧力を２７ＭＰａ以上に調整することにより、システム内の圧力を２３ＭＰａで調整した場合に比べ、二重管４１の内管４３に供給した水がタール発生温度である３８０℃近辺（より具体的には、３５０〜４００℃の温度範囲）で保持される時間（滞留時間）が短くなることが明らかになるとともに、タール等の発生を抑制でき、もって二重管４１の管内、特に外管４２と内管４３との間の流路においてタール等による詰まりを防止できることが示された。

１０ 調整タンク、２０ 破砕機、３０ 供給ポンプ、４０ 二重管式熱交換器、４１ 二重管、４２ 外管、４３ 内管、５０ ガス化反応器、５１ 加熱器、６０ 冷却器、７０ 減圧器、８０ 気液分離器、９０ ガスタンク、１００ 超臨界水によるバイオマスガス化システム

Claims (2)

1. 含水性バイオマス又はバイオマスのスラリー体に懸濁させた非金属系触媒を触媒として、前記バイオマスを超臨界水でガス化処理するガス化反応器と、
   前記ガス化反応器にて生成された生成ガス及び灰分、並びに前記非金属系触媒が水に懸濁され、前記ガス化反応器から排出される６００℃の混合物と、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記含水性バイオマス又は前記バイオマスのスラリー体に前記非金属系触媒を懸濁させた懸濁液とを熱交換させることにより前記懸濁液を予熱する二重管式熱交換器と、
   を備える超臨界水によるバイオマスガス化システムにおいて、
   前記二重管式熱交換器内の圧力を２７ＭＰａ以上６０ＭＰａ以下の範囲内に調整することを特徴とする超臨界水によるバイオマスガス化システム。
2. 前記ガス化反応器におけるガス化処理を６００℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項１に記載の超臨界水によるバイオマスガス化システム。

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