JP2009057497A - ガス化方法、ガス生成装置及びガス化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タールを除去したガスの生成、及びチャーの迅速なガス化を実現するガス化方法、ガス生成装置及びガス化装置を提供する。
【解決手段】まず、石炭又はバイオマス等の炭素系固体燃料を４５０℃以上で加熱することにより、炭素系固体燃料は気相成分とチャーとに熱分解する。気相成分は、水素及び一酸化炭素等を含んだガスとタールとからなる。次に、気相成分を、６００℃〜８００℃で活性化チャーに接触させることにより、タールを分解するコーキングを行う。活性化チャーの表面でタールがガスとコークとに分解され、活性化チャーの表面にはコークが析出し、炭素担持体が生成される。次に、チャー及び炭素担持体に水蒸気を含むガスを接触させ、水素及び一酸化炭素を含むガスを生成するガス化を行う。ガス化によりチャー及び炭素担持体の表面が侵食されて活性化チャーが生成され、コーキングで再利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素系の固体燃料をガス化するガス化方法、ガス生成装置及びガス化装置に関する。

従来、将来のエネルギー利用技術として、石炭、生物由来の有機物であるバイオマス、又は有機質の廃棄物等の炭素系の固体燃料を、水素、一酸化炭素、又は低級の炭化水素等の可燃性ガスへ変換する「ガス化」、並びにこの可燃性ガスを利用した「ガスタービン発電」、「ガスエンジン発電」及び「燃料電池発電」の技術が研究・開発されている。

ガス化技術の性能を評価する際には、「原料である固体燃料の化学エネルギーに対する生成可燃性ガスの化学エネルギーの割合」を表す「冷ガス効率」が最も重要な指標のひとつとして用いられる。固体燃料と反応して固体燃料をガス化するガス化剤には、水蒸気、空気、窒素＋空気、酸素、水蒸気＋空気、又は水蒸気＋酸素等が用いられる。水蒸気のみをガス化剤とする場合は、水蒸気を酸化剤とするガス化所謂水蒸気ガス化の反応が吸熱反応であるので、反応器を外部から加熱する必要がある。生成した可燃性ガスの一部を利用して反応器を加熱する場合は、冷ガス効率がその分低下する。酸素又は空気を水蒸気に加えたガス化剤を用いた場合は、吸熱反応である水蒸気ガス化と発熱反応である燃焼とが反応器内で発生する。この場合は、燃焼の寄与が大きいほど反応温度が高くなるものの冷ガス効率が低下し、一方、水蒸気ガス化の寄与が大きいほど冷ガス効率が高くなるものの、反応温度が低くなって反応速度が低下する。

実際の固体燃料のガス化では、まず固体燃料の熱分解が進行し、これにより揮発成分が気相へ放出されると共に、チャーと呼ばれる固体の炭状物質が生成される。放出された揮発成分は、非凝縮性の軽質ガス及びタールと呼ばれる重質な化合物群の蒸気から構成される。タールは常温では液体又は固体となる物質であり、ガスがタールを含んでいる場合は、その分だけガス生成量が少なくなるだけでなく、ガスを利用する装置をタールが汚染する等の種々のトラブルが発生する、又はトラブルを防止するための処理設備が必要となるという問題がある。従って、固体燃料のガス化では、生成したガスに含まれるタールを軽質ガスに改質する必要がある。

タールの改質は、８００℃程度の低温では反応が遅く、数秒以内で完結するには至らない。このため、従来、タールの改質には１１００℃以上の高温が必要であると考えられていた。このような高温反応場を実現するためには、酸素又は空気の過剰投入が必要となり、その結果、冷ガス効率だけでなく、生成した可燃性ガスの単位体積あたりの発熱量もが低下してしまう。触媒を利用して８００℃程度の低温でタールを改質する試みもなされているものの、触媒としてドロマイト、オリビン又は酸化鉄等の安価な天然鉱物を用いた場合は改質の程度が十分でない。また触媒としてニッケル系合成触媒等の高価な高活性触媒を用いた場合は、改質の程度は十分であるものの、可燃性ガスの原料に含まれる微量の塩素、硫黄又はアルカリ金属等による被毒のために触媒の失活が早晩発生し、また触媒の活性が高いほどタールからの炭素析出（コーキング）のために同様に失活が発生する。このような状況のなか、タールを分解する活性が高く、失活や被毒等の問題を回避できるタール分解材、触媒の開発が望まれている。非特許文献１には、ゼオライト又は活性アルミナ等の多孔質粒子にタールを付着させることによってガス中のタール濃度を低減させる技術が開示されている。
ナミオカ(T.Namioka)、他３名，「ハイ タール リダクション ウィズ ポーラス パーティクルズ フォア ロー テンペラチュア バイオマス ガスフィケイション(High Tar Reduction with Porous Particles for Low Temperature Biomass Gasification)：エフェクツ オブ ポーラス パーティクルズ オン タール アンド ガス イールズ デュリング ソーダスト パイロリシス (Effects of Porous Particles on Tar and Gas Yields during Sawdust Pyrolysis)」、ジャーナル オブ ケミカル エンジニアリング オブ ジャパン(Journal of Chemical Engineering of Japan)、２００３年、第３６巻、第１２号、ｐ．１４４０−１４４８

また固体燃料の熱分解において揮発成分と共に生成するチャーのガス化、とりわけ水蒸気ガス化においては、タール又は炭化水素ガスが気相中に高濃度で存在すると、これら気相成分によるガス化阻害効果によってガス化が極めて遅速化するか又は事実上進行しない。阻害効果には二種類あり、ひとつはタール及び炭化水素に由来する活性水素のチャー表面への吸着である。チャーがガス化するためには水蒸気がチャー表面に吸着する必要があるが、活性水素がチャー表面に吸着すると、水蒸気の吸着を阻害することとなる。またもうひとつの阻害効果は、タール及び炭化水素自身がチャー表面に吸着し、炭素化合物として析出することである。タール及び炭化水素がチャー表面で炭化物として析出する反応はコーキングと呼ばれ、コーキングの速度がチャーのガス化速度よりも大きいと、チャーのガス化は実質的には進行しなくなる。

上述のように、固体燃料のガス化を行う際に、冷ガス効率の高いガス化、即ち水蒸気の消費量が高く酸素の消費量が低い低温ガス化を行うためには、従来法では難しいタールの分解消去を可能とする安価な分解材を開発する必要がある。また固体燃料の熱分解の際に生成されるチャーのガス化については、ガス化を阻害するタール及び炭化水素とチャーとを切り離した上でチャーをガス化する方法を開発する必要がある。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、炭素系の固体燃料をガス化する際に、タールを分解するためにチャーの表面におけるコーキングを積極的に利用することによって、タールを除去したガスの生成、及びチャーの迅速なガス化を実現するガス化方法、ガス生成装置及びガス化装置を提供することにある。

本発明に係るガス化方法は、有機物をガス化する方法において、有機物を４５０℃以上で加熱することにより、前記有機物を気相成分と炭状固体とに熱分解し、比表面積及び細孔容積を前記炭状固体よりも増大させた多孔質の炭状物質、又は前記炭状固体と前記多孔質の炭状物質との混合物に、熱分解によって発生した気相成分を接触させることにより、前記炭状固体又は前記多孔質の炭状物質の表面に炭素質の固体が析出した炭素担持体を生成し、前記多孔質の炭状物質又は前記炭状固体と前記多孔質の炭状物質との混合物に前記気相成分を接触させた後のガスを回収することを特徴とする。

本発明に係るガス化方法は、前記炭状固体及び／又は前記炭素担持体に７００℃以上で水蒸気を含むガスを接触させ、発生する水素又は一酸化炭素を含むガスを回収することを特徴とする。

本発明に係るガス化方法は、前記多孔質の炭状物質は、前記炭状固体及び／又は前記炭素担持体に７００℃以上で水蒸気を含むガスを接触させた後に残る固体物質であることを特徴とする。

本発明に係るガス生成装置は、有機物の熱分解によりガスを生成するガス生成装置において、有機物を４５０℃以上で熱分解する手段と、該手段によって生成した気相成分及び炭状固体を回収する手段と、該手段が回収した前記気相成分を、比表面積及び細孔容積を前記炭状固体よりも増大させた多孔質の炭状物質、又は前記炭状固体と前記多孔質の炭状物質との混合物が集積した集積物に浸透させる手段と、前記集積物に前記気相成分が浸透することによって前記炭状固体又は前記多孔質の炭状物質の表面に炭素質の固体が析出した炭素担持体を回収する手段と、前記気相成分を前記集積物に浸透させた後のガスを回収する手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係るガス化装置は、有機物をガス化するガス化装置において、本発明のガス化方法で生成される炭状固体及び／又は炭素担持体が集積した集積物に、温度が７００℃以上の水蒸気を含むガスを接触させる手段と、該手段により発生した水素又は一酸化炭素を含むガスを回収する手段と、前記炭状固体及び／又は前記炭素担持体に７００℃以上で水蒸気を含むガスを接触させた後に残る多孔質の炭状物質を回収する手段とを備えることを特徴とする。

本発明においては、石炭又はバイオマス等の有機物を気相成分と炭状固体であるチャーとに熱分解し、比表面積及び細孔容積をチャーよりも増大させた多孔質の炭状物質、又はチャーと多孔質の炭状物質との混合物に気相成分を接触させ、接触後のガスを回収する。気相成分に含まれるタールは、チャー又は多孔質の炭状物質の表面でガスと炭素質の固体とに分解し、チャー又は多孔質の炭状物質は表面に炭素質の固体が析出した炭素担持体となる。

また本発明においては、チャー及び／又は炭素担持体に水蒸気を含むガスを接触させることによって、チャー及び／又は炭素担持体のガス化を行い、ガス化により発生した水素又は一酸化炭素を含む可燃性のガスを回収する。

また本発明においては、チャー及び／又は炭素担持体を完全にはガス化させず、チャー及び／又は炭素担持体が部分的にガス化して比表面積及び細孔容積が増大した多孔質の炭状物質を生成し、生成した多孔質の炭状物質をタールの分解に利用する。

本発明にあっては、有機物を熱分解した気相成分に含まれるタールを、多孔質の炭状物質を用いて分解するので、タールが効果的に除去されて燃料としての利用が容易なガスを生成することができる。

また本発明にあっては、生成されたチャー及び炭素担持体からはタールが発生しないので、タールによるガス化阻害が起こらず、チャー及び炭素担持体を迅速にガス化し、水素又は一酸化炭素を含む可燃性のガスを効率的に生産することができる。

また本発明にあっては、チャー及び炭素担持体のガス化後に残った多孔質の炭状物質は、比表面積及び細孔容積が増大し、タールを分解する活性が高いので、タールの分解に利用することが可能であり、多孔質の炭状物質をリサイクルしながら有機物を効率的にガス化することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、本発明のガス化方法の概要を示す概念図である。本発明では、まず、石炭、バイオマス、又は有機質の廃棄物等の炭素系固体燃料を４５０℃以上で加熱することにより、炭素系固体燃料は、気相成分と炭状の固体であるチャーとに熱分解する。気相成分は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び低級炭化水素ガス等を含んだガスと、常温まで冷却すると液体又は固体になる凝縮性化合物とからなる。ここでの凝縮性とは、常温・常圧で液体又は固体になる性質という程度の意味である。この凝縮性化合物は、一般にタールと呼ばれる。固体炭素系資源を熱分解した際に生成するタールには芳香族化合物が含まれる。これらの化合物のうち、１分子あたり１個の芳香族環を持つベンゼン、トルエン及びキシレン等のアルキルベンゼン類は、配管閉塞等のトラブルやガスエンジン運転のトラブルの原因とならないため、タールには含められないことが多い。但し、１個の芳香族環を持つ化合物であってもフェノールのような高沸点の化合物はタールに分類される。２個以上の芳香族環を持つ化合物は全てタールに分類される。気相成分は冷却されない状態では、常温では液体とならない非凝縮性のガスにタールの蒸気が含まれた状態となっている。

本発明では、次に、ガス及びタールからなる気相成分を、６００℃〜８００℃で、比表面積及び細孔容積をチャーよりも増大させた多孔質の炭状物質である活性化チャーに接触させることにより、タールをコークと呼ばれる炭素質の固体に分解するコーキングの処理を行う。活性化チャーは、比表面積及び細孔容積を増大させることでチャーがより多孔質化し、表面上でタールを分解するための活性が向上されたものである。コーキングの処理では、活性化チャーの細孔内等の表面に気相成分中のタールが吸着し、活性化チャー表面での分解作用によりタールはガスとコークとに分解され、ガスは気相成分中に残り、コークは活性化チャーの表面に析出する。このコーキングの処理により、下流にタール処理専用の工程を設置する必要がなく、ガスエンジン等のガス燃焼器の運転トラブルを生じることのない低濃度以下にまでタールが消去され、実質的にタールを含まないガスが生成される。ガスエンジンが許容できるタールの上限濃度は、一般には１００ｍｇ−ｔａｒ／Ｎｍ³ 程度であると言われている。またコーキングの処理では、活性化チャーの表面にコークが析出することにより、活性化チャーの活性は失われ、活性化チャーの表面にコークが析出した炭素担持体が生成される。なお、タールからコークを析出させる物質としては、活性化チャーとチャーとの混合物を用いてもよい。チャーは活性化チャーに比べるとタールを分解する能力は劣るものの、活性化チャーと同様にタールを分解し、チャーの表面にコークが析出した炭素担持体となることができる。

これまでの熱分解及びコーキングの処理では、チャー、炭素担持体、及びタールを含まない非凝縮性のガスを併産する。これらの生成物の内、非凝縮性のガスは、ガスエンジン又はガスタービン等を用いて燃焼し、電力及び／又は熱に変換することができ、また水蒸気改質用触媒等を用いて炭化水素を含まない合成ガスへも変換することができる。またチャー及び炭素担持体は、更に加熱してもタールを一切発生しない、即ちタールフリーの性質を持つ高品位固体燃料であり、両者を区別することなく混合して利用することができる。

本発明では、次に、チャー及び炭素担持体を、水蒸気、水蒸気＋空気、又は水蒸気＋酸素等を酸化剤（ガス化剤）としてガス化し、水素及び一酸化炭素を主成分とする可燃性のガスを生成するガス化の処理を行う。チャー及び炭素担持体からはタールが一切発生せず、また、炭化水素ガスもほとんど生成しないので、タールを処理する設備が必要でないばかりでなく、ガス化を行うガス化反応器においては、タール及び炭化水素によるガス化阻害が起こらないために、低温で迅速なガス化が可能である。このガス化の処理では、チャー及び炭素担持体をすべてガス化する必要がなく、可燃性ガスに加えて、活性炭と類似の物性を有する活性化チャーを併産することができる。チャー及び炭素担持体は、ガス化の処理によって、表面に析出したコーク又は表面物質がガス化し、比表面積及び細孔容積が増大し、多孔質の活性化チャーが生成される。ここで生成された活性化チャーは、コーキングの処理で用いるものである。

ガス化の処理におけるガスと活性化チャーとの生成割合は、ガス化温度、ガス化剤の組成、供給速度、並びにチャー及び炭素担持体のガス化反応器内における滞留時間によって制御できる。ガス化によって生成した可燃性のガスは、ガスエンジン、ガスタービン、又は燃料電池等を用い、電力及び／又は熱に変換することができる。活性化チャーは、ガス化に供する前のチャー又は炭素担持体よりも大きな比表面積及び細孔容積を有するので、コーキングの処理において有効に利用することができる。つまり、チャーから活性化チャーを製造することができ、また炭素担持体を活性化チャーに再生することができる。

図２は、本発明のガス生成装置の構成例を示す模式的断面図である。ガス生成装置は、炭素系固体燃料の熱分解を行う分解反応器１１、及びコーキングの処理を行うコーキング反応器２１を備える。分解反応器１１は、中空円筒状に構成されており、一端には分解反応器１１内に炭素系固体燃料を供給するホッパ１４が結合されており、分解反応器１１内の一端から他端まで搬送スクリュー１３が設けられている。搬送スクリュー１３は、分解反応器１１と同軸の回転軸周りに螺旋状の羽根を設けた構成となっている。搬送スクリュー１３は、回転軸を中心にして回転することにより、分解反応器１１内の一端に供給された炭素系固体燃料を他端へ搬送する。分解反応器１１は略水平の姿勢で炉１２内を貫通して設置されている。炉１２は、本発明で生成したガスの一部を燃焼させた熱供給、電気加熱、ガスエンジン若しくはガスタービンの廃熱による加熱、又はこれらを組み合わせた方法で分解反応器１１内を４５０〜６００℃に加熱する。分解反応器１１の他端には、熱分解によって炭素系固体燃料から生成した気相成分をコーキング反応器２１へ導く配管１５と、炭素系固体燃料から生成したチャーを回収する回収器１６とが設けられている。分解反応器１１の構成としては、スクリューコンベア型の構成を示したが、これは一例であって、ロータリーキルン型又は移動層型（アップドラフト型、ダウンドラフト型）の構成であってもよい。

コーキング反応器２１には、上側に、活性化チャーを供給するホッパ２３が粒子供給機２４を介して設けられている。粒子供給機２４の動作により、ホッパ２３から活性化チャーが供給され、コーキング反応器２１内に活性化チャーが集積する。コーキング反応器２１は、炉２２内に配置されている。炉２２は、本発明で生成したガスの一部を燃焼させた熱供給、電気加熱、ガスエンジン若しくはガスタービンの廃熱による加熱、又はこれらを組み合わせた方法でコーキング反応器２１内を６００〜８００℃に加熱する。コーキング反応器２１内の活性化チャーは炉２２によって適宜加熱される。またコーキング反応器２１の下部には、配管１５が接続されている。配管１５は、断熱材で覆われるか、又は加熱手段を備える等、管内を流れる気相成分を保温する構成となっている。炭素系固体燃料の熱分解によって発生した気相成分は、分解反応器１１から配管１５を通ってコーキング反応器２１内に流入する。コーキング反応器２１は、反応器内の下部に、多数のガス噴出孔を有する環状管を設け、この環状管に配管１５が接続された構成とする等、配管１５から流入した気相成分が活性化チャーの集積物にほぼ満遍なく浸透する構成となっている。活性化チャーの集積物に気相成分が浸透することによって、炭素担持体が生成される。更にコーキング反応器２１には、上側に、生成したガスを回収するガス回収管２７が接続されており、下側に粒子排出機２６が設けられている。粒子排出機２６の下方には炭素担持体を回収する回収器２５が設けられている。

なお分解反応器１１及びコーキング反応器２１は、内部に挿入した伝熱管に熱風を供給することによって内部を加熱する構成であってもよい。またコーキング反応器２１は、若干量の空気又は酸素を投入して内部で部分燃焼反応を進行させ、反応熱によって内部を加熱する構成であってもよい。

以上の構成でなるガス生成装置では、搬送スクリュー１３の回転によって、炭素系固体燃料が連続的に分解反応器１１内に供給され、炭素系固体燃料は分解反応器１１を搬送されながら加熱され、炭素系固体燃料が気相成分とチャーとに熱分解する反応が連続的に行われる。発生した気相成分は配管１５でコーキング反応器２１内へ供給される。チャーは搬送スクリュー１３によって分解反応器１１内の他端まで搬送された上で回収器１６に回収される。搬送スクリュー１３の回転速度を調整することにより、炭素系固体燃料の供給レート、並びに気相成分及びチャーの生成レートを調整することができる。

またコーキング反応器２１では、粒子供給機２４によって活性化チャーが連続的にコーキング反応器２１内に供給され、粒子排出機２６によって炭素担持体が連続的にコーキング反応器２１内から排出される。従って、コーキング反応器２１内には活性化チャーの移動層が形成される。活性化チャーの供給速度及び排出速度は、移動層の高さがある範囲内に収まるようにそれぞれ調節する。このとき、ガス生成装置で生成されるガス中のタール濃度がガスのスペックとして定められた上限値未満となるのに十分な移動層高を維持する必要がある。

配管１５を通って分解反応器１１から供給される気相成分が活性化チャーの移動層に浸透することによって、気相成分に含まれるタールが分解してコークが活性化チャーの表面に析出し、炭素担持体が生成される。生成した炭素担持体は、粒子排出機２６によってコーキング反応器２１から排出されて回収器２５に回収される。また気相成分に含まれるタールが分解された非凝縮性のガスは、ガス回収管２７によってコーキング反応器２１から回収される。回収されたガスは、図示しない脱塵用のサイクロン又はフィルタを経由して図示しない冷却塔で水分を除去し、ガスエンジン等で利用できる精製燃料ガスとなる。なお、コーキング反応器２１内へは、回収器１６に回収されたチャーを活性化チャーと共にホッパ２３から供給することも可能である。チャーは活性化チャーと同様にタールを分解し、表面にコークが析出して炭素担持体となる。このようにして、図２に示すガス生成装置を用いることにより、タールを含まない非凝縮性のガス、炭素担持体、及びチャーを連続的に製造することが可能となる。

なお、図２には、炭素系固体燃料を熱分解した気相成分とチャーとを分離して回収する構成のガス生成装置を示したが、本発明のガス生成装置の構成はこれに限るものではなく、気相成分とチャーとを分離せずに回収する構成であってもよい。即ち、ガス生成装置は、配管１５及び回収器１６を備えておらず、分解反応器１１がコーキング反応器２１に直結している形態であってもよい。この形態の場合は、分解反応器１１から気相成分及びチャーがコーキング反応器２１へ供給され、ホッパ２３から活性化チャーが供給され、コーキング反応器２１内には活性化チャー及びチャーの混合物からなる移動層が形成され、コーキングの処理が行われる。

図３は、本発明のガス化装置の構成例の一部分を示す模式的断面図である。ガス化反応器３１には、上側に、炭素担持体及びチャーを供給するホッパ３２が粒子供給機３３を介して設けられている。粒子供給機３３の動作により、ホッパ３２から炭素担持体及びチャーが供給され、ガス化反応器３１内に炭素担持体及びチャーが集積する。ガス化反応器３１の下部には、ガス化反応器３１へ水蒸気を含む酸化剤ガスを供給する配管が接続されている。酸化剤ガスは、水蒸気、水蒸気＋空気又は水蒸気＋酸素である。

酸化剤ガスが水蒸気のみの場合、ガス化反応器３１は外部から加熱される構成となっている。ガス化反応器３１は、本発明で生成したガスの一部を燃焼させた熱供給、電気加熱、ガスエンジン若しくはガスタービンの廃熱による加熱、又はこれらを組み合わせた方法で加熱される。また酸化剤ガスが空気又は酸素を含む場合は、ガス化反応器３１内で吸熱反応である水蒸気ガス化と発熱反応である燃焼とが反応器内で発生し、水蒸気と酸素との消費速度の比によってガス化反応器３１内の温度が決まる。水蒸気と酸素との比は、ガス化反応器３１内の温度が例えば８００〜９００℃の範囲内に収まるように設定する。ガス化反応器３１は、ガス化反応器３１からの熱放散を最小にするために保温構造となっている。

ガス化反応器３１内は、供給された酸化剤ガスが炭素担持体及びチャーの集積物にほぼ万遍なく接触できる構成となっている。炭素担持体及びチャー集積物に酸化剤ガスが接触することによって、水蒸気ガス化の反応が起こり、水素及び一酸化炭素を主成分とする可燃性のガスが生成される。ガス化反応器３１の上側には、サイクロン３６が接続され、サイクロン３６を経由して可燃性のガス及び未反応水蒸気を回収する回収管３７が接続されている。更にガス化反応器３１の下側には、粒子排出機３５が設けられ、粒子排出機３５の下方には活性化チャーを回収する回収器３４が設けられている。

以上の構成でなるガス化装置では、粒子供給機３３によって炭素担持体及びチャーが連続的にガス化反応器３１内に供給され、粒子排出機３５によって活性化チャーが連続的にガス化反応器３１内から排出される。従って、ガス化反応器３１内には炭素担持体及びチャーの移動層が形成される。ガス化反応器３１内に水蒸気を含む酸化剤ガスが供給され、炭素を主成分とする炭素担持体及びチャーに酸化剤ガスが接触することにより、水蒸気と炭素との間で水蒸気ガス化の反応が起こり、水素ガス及び一酸化炭素を主成分とする可燃性のガスが発生する。発生したガスはサイクロン３６を経由して回収管３７によって回収される。サイクロン３６は、ガス及び未反応水蒸気に含まれるチャーの微紛及び灰を補足・回収する。図示していないものの、必要であれば、サイクロン３６の下流に除塵用フィルタを設置し、サイクロン３６では回収されない微粉を捕捉する構成としてもよい。回収管３７の下流には水蒸気を凝縮するための図示しない乾燥機を設置し、生成したガスを乾燥する。得られた可燃性のガスは、ガスエンジン、ガスタービン又は燃料電池用の燃料として利用することができる。なお、生成したガスを燃料電池に供給する場合は、ガスの冷却及び水蒸気凝縮は必要ない場合があるが、その一方で、ガスに含まれる硫化水素を除去する必要がある。

また酸化剤ガスが接触した炭素担持体及びチャーは、表面の炭素がガス化されて活性化チャーとなり、回収器３４に回収される。ガス化反応器３１で完全にガス化が行われた場合は、炭素担持体及びチャーに含まれる炭素は完全にガス化され、炭素担持体及びチャーは灰となる。炭素担持体及びチャーの供給速度及び排出速度を調整し、完全にガス化が行われていない状態で排出されるようにすることにより、炭素担持体及びチャーの一部がガス化することによって表面が侵食され、比表面積及び細孔容積が大幅に増大した多孔質の炭状物質、即ち活性化チャーが生成される。生成された活性化チャーは、図２に示したガス生成装置で利用することができる。

次に、活性化チャーのタール分解材としての能力を確認するために行った実験を説明する。図４は、実験に用いた実験装置の一部を示す概略図である。径の異なる２種類の反応管を同心に備えた２重構造の反応管４１を用い、内管の下流にはワイヤメッシュ４２を設け、内管内及び内管と外管との間を気体が通流する構成とした。炭素系固体燃料の例としてマツおが粉の試料を用い、内管には上流からマツおが粉の粒子及び窒素ガスが流入し、流入したマツおが粉の粒子がワイヤメッシュ４２上に集積するように構成してある。また内管と外管との間には酸化剤ガスとして水蒸気が流入する構成とした。更に反応管４１内のワイヤメッシュ４２の下流に分散板４３を設け、分散板４３上に活性化チャーの充填層を設けた。マツおが粉の粒子がワイヤメッシュ４２上に集積した部分を熱分解ゾーンとし、活性化チャーの充填層の部分をタール分解ゾーンとする。熱分解ゾーンは５００℃に加熱し、タール分解ゾーンは８００℃に加熱するように構成した。

実験では、粒子径０．７〜１．２ｍｍのマツおが粉を０．０７ｇ／分の速度で定常供給した。熱分解ゾーンでは、マツおが粉が熱分解し、気相成分とチャーとが生成される。チャーはワイヤメッシュ４２上に残存し、気相成分は窒素ガスと共にワイヤメッシュ４２を通過してタール分解ゾーンへ連続的に導入される。タール分解ゾーンでは、粒子径０．１５〜０．２５ｍｍの活性化チャーを０．９ｇ充填した。熱分解ゾーンから流入する気相成分及び窒素ガスは、水蒸気と混合してからタール分解ゾーンに導入される。気相成分、窒素ガス及び水蒸気が混合した混合ガス中の水蒸気濃度は１６ｖｏｌ％とした。また活性化チャーの充填層内にガスが滞留する時間は３０ミリ秒であった。気相成分中のタールは、活性化チャーの充填層を通過する間にガスとコークとに分解する。実験では、タール分解ゾーンを通過したガスを全量回収し、同定・定量した。析出したコーク量は、実験前後での活性化チャーの炭素量の差から決定した。

図５は、実験結果を説明する説明図である。図中の数値は、炭素基準で生成物の相対量を示す。即ち、１００のマツおが粉から熱分解により９．５のガスと６５のタールとが生成され、このガス及びタールが５０の活性化チャーの充填層に供給された。この実験におけるタールは、ベンゼン、トルエン及びキシレン以外の全ての芳香族化合物である。タール分解ゾーンからは６０．５の非凝縮性のガスが流出する一方で、タール分解ゾーンを通過したガスからはタールは全く検出されなかった。このときの検出下限は炭素量０．００１であり、タールの量は０．００１未満であることが明らかである。熱分解で生成した６５のタールは、５１のガスと１４のコークとに分解し、コークは活性化チャーの表面に析出した。コークの析出により、活性化チャーは炭素担持体となり、比表面積は２，３１０ｍ² ／ｇから１，２６０ｍ² ／ｇへ減少し、細孔容積は０．７５ｍｌ／ｇから０．４３ｍｌ／ｇへ減少した。このように、接触時間が３０ミリ秒という短い時間であっても、活性化チャーはタールを完全に分解することができることが明らかとなった。

また比較実験として、活性化チャーの代わりに珪砂粒子を用いた実験を行った。珪砂粒子はタール分解活性が低いと考えられている。この実験の場合は、タール分解ゾーンの下流にタールが流出し、１００のマツおが粉に対して流出したタールの量は２．４であった。活性化チャーのタール分解材としての能力の優位性が明らかである。

図６及び図７は、本発明のガス化方法を用いて炭素系固体燃料をガス化する際の生成物の収量例を説明する説明図である。図６は原料として木質バイオマス（日本産スギチップ；５ｍｍ角×厚さ２ｍｍ）を用いた場合を示し、図７は原料として石炭（豪州褐炭；粒子径３〜４ｍｍ）を用いた場合を示している。熱分解で生成するガス、タールおよびチャーの収量は、実験室規模のスクリューコンベア型連続熱分解反応器を用いて行った熱分解実験の結果に基づき、他の数値は実験結果に基づいて仮定したものである。図６に示すように、木質バイオマスを５５０℃で熱分解すると、２０のガス、４５のタール及び３５のチャーが生成される。４５のタールは、コーキングにより１５のコークと３０のガスとに分解される。この際に、５０の活性化チャーとチャーをタール分解材として使用し、合計で１００の炭素担持体及びチャーのうち、５０をガス化し、５０を活性化チャーとすることを仮定している。タールを分解するために５０の活性化チャー及び３５のチャーで十分であるのならば、活性化チャーをリサイクルさせながらタールフリーのガスを製造することが可能となる。

また図７に示すように、石炭を原料とした場合は、生成されるタールの量が少なくなり、石炭を６００℃で熱分解すると、１５のガス、２０のタール及び６５のチャーが生成される。２０のタールは、コーキングにより１０のコークと１０のガスとに分解される。コーキングでは４５の活性化チャーを用い、合計で１２０の炭素担持体及びチャーのうち、７５をガス化し、４５を活性化チャーとする。石炭からはタールの生成量が少なくチャーの生成量が多いので、活性化チャーのリサイクル量を少なくすることができる。以上のように、原料としてどのような炭素系固体燃料を利用した場合であっても、活性化チャーの必要リサイクル量が明らかとなれば、１００の原料から、コーキングで生成されるガスとガス化で精製されるガスとを合わせて収量が１００のタールフリーのガスを製造することが可能となる。

本発明のガス化方法の概要を示す概念図である。 本発明のガス生成装置の構成例を示す模式的断面図である。 本発明のガス化装置の構成例の一部分を示す模式的断面図である。 実験に用いた実験装置の一部を示す概略図である。 実験結果を説明する説明図である。 本発明のガス化方法を用いて炭素系固体燃料をガス化する際の生成物の収量例を説明する説明図である。 本発明のガス化方法を用いて炭素系固体燃料をガス化する際の生成物の収量例を説明する説明図である。

符号の説明

１１ 分解反応器
１５ 配管
１６ 回収器
２１ コーキング反応器
２５ 回収器
２７ ガス回収管
３１ ガス化反応器
３４ 回収器
３７ 回収管

Claims (5)

1. 有機物をガス化する方法において、
   有機物を４５０℃以上で加熱することにより、前記有機物を気相成分と炭状固体とに熱分解し、
   比表面積及び細孔容積を前記炭状固体よりも増大させた多孔質の炭状物質、又は前記炭状固体と前記多孔質の炭状物質との混合物に、熱分解によって発生した気相成分を接触させることにより、前記炭状固体又は前記多孔質の炭状物質の表面に炭素質の固体が析出した炭素担持体を生成し、
   前記多孔質の炭状物質又は前記炭状固体と前記多孔質の炭状物質との混合物に前記気相成分を接触させた後のガスを回収すること
   を特徴とするガス化方法。
2. 前記炭状固体及び／又は前記炭素担持体に７００℃以上で水蒸気を含むガスを接触させ、
   発生する水素又は一酸化炭素を含むガスを回収すること
   を特徴とする請求項１に記載のガス化方法。
3. 前記多孔質の炭状物質は、前記炭状固体及び／又は前記炭素担持体に７００℃以上で水蒸気を含むガスを接触させた後に残る固体物質であること
   を特徴とする請求項２に記載のガス化方法。
4. 有機物の熱分解によりガスを生成するガス生成装置において、
   有機物を４５０℃以上で熱分解する手段と、
   該手段によって生成した気相成分及び炭状固体を回収する手段と、
   該手段が回収した前記気相成分を、比表面積及び細孔容積を前記炭状固体よりも増大させた多孔質の炭状物質、又は前記炭状固体と前記多孔質の炭状物質との混合物が集積した集積物に浸透させる手段と、
   前記集積物に前記気相成分が浸透することによって前記炭状固体又は前記多孔質の炭状物質の表面に炭素質の固体が析出した炭素担持体を回収する手段と、
   前記気相成分を前記集積物に浸透させた後のガスを回収する手段と
   を備えることを特徴とするガス生成装置。
5. 有機物をガス化するガス化装置において、
   請求項１に記載のガス化方法で生成される炭状固体及び／又は炭素担持体が集積した集積物に、温度が７００℃以上の水蒸気を含むガスを接触させる手段と、
   該手段により発生した水素又は一酸化炭素を含むガスを回収する手段と、
   前記炭状固体及び／又は前記炭素担持体に７００℃以上で水蒸気を含むガスを接触させた後に残る多孔質の炭状物質を回収する手段と
   を備えることを特徴とするガス化装置。

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