JP2015524504A - バイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法および装置 - Google Patents

バイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 バイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法および装置を提供する。【解決手段】 具体的には二酸化炭素をガス化剤として、バイオマス等の固体燃料を高品質の合成ガスにガス化する。合成ガスの二酸化炭素気体を回収し、後続の工程で生成された二酸化炭素気体を利用して全体工程でガス化循環を行なう方法および装置である。システム全体において温室効果ガスである二酸化炭素の排出をゼロにするという目的を達成する。酸素を消費せず、高品質の合成ガスが生成され、冷媒ガス効率が高く、操作が簡単であり、システム全体における温室効果ガスである二酸化炭素の排出をゼロにするという顕著な利点を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス原料のガス化利用分野に関し、特に、バイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法および装置に関する。
地球温暖化に対する国民の懸念が高まるにつれ、温室効果ガスの排出低減が世界各国からより一層注目されるようになった。例えば、米国のGEエネルギ・環境研究会社、米国の排出ゼロ同盟、および日本の新エネルギ総合開発機構等は、排出ゼロのエネルギシステムの概念を提案している。
従来では、温室効果ガスの排出ゼロ問題を解決する主な方法として、二酸化炭素反応物を、化学反応により炭素を含む化学物質に転化することにより、排出ゼロの目的を達成している。特許文献１では、CO2を回収する化学的発電ポリジェネレーションエネルギシステムおよび方法を開示している。回収された工業排気中のCO2の一部に有酸素ガス化循環を行うことにより合成ガスを抽出し、別の一部のCO2に天然ガスを加えて改質反応を行い、最終的にジメチルエーテルまたはエタノールを抽出する。この方法は、CO2を再利用するものであるが、酸素のガス化を必要とすることから、ガス化工程におけるCO2の転化量には制限があり、また、大部分のCO2は天然ガス改質反応により転化されることから、酸素や天然ガスを消費するとともに、工程フローが複雑になるという問題がある。
中国特許公告第１０２０６０６６２号
本発明の目的は、バイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法および装置を提供することにある。本発明によれば、燃料転化率が高く、酸素消費がなく、工程フローが単純であり、且つ、システム全体による温室効果ガスの二酸化炭素の排出量を略ゼロにするという顕著な効果がもたらされる。
上記目的を達成するために、本発明はバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法であって、CO2をガス化剤としてバイオマス燃料のガス化を行うことにより合成ガスを生成し、この合成ガスを利用して合成油製品を生産して、全体的な無酸素ガス化循環方法を実現する。本方法は、以下の工程を含む。
1) ガス化工程：合成ガスに含まれるCO2を回収し、後続の工程で生成されたCO2をガス化剤として利用し、外部補助エネルギ源の作用下でバイオマス燃料に強力ガス化反応を生じさせて、CO、CO2、CH4、H2、H2O、H2S、COSを主要成分とする高温合成ガスを生成する工程。
2) 冷却工程：生成された高温合成ガスを二段階熱交換器に導入して冷却処理を行い、一次熱交換器では前記ガス化剤CO2を冷却媒体として利用してガス化剤CO2を予熱し、二次熱交換器では水を冷媒として利用して、副生成物として水蒸気を得る工程。
3) 洗浄工程：二段階熱交換により冷却された合成ガスをサイクロン除塵およびガス洗浄塔に送って洗浄処理を行い、更に冷却されたクリーンな合成ガスを得る工程。
4) 変換反応工程：得られたクリーンな合成ガスおよび上記副生成物の水蒸気に水性ガスシフト反応を行い、その中のCOをH2およびCO2に転化させて、クリーンな合成ガスの品質を触媒合成反応で要求されるH2/CO比範囲に調質する工程。
5) 脱硫工程：調質後のクリーンな合成ガスに脱硫処理を行い、その中のH2SおよびCOSを除去する工程。
6) 合成ガス脱炭工程：脱硫後のクリーンな合成ガスに脱炭処理を行い、その中のCO2を分離させる工程。
7) 触媒合成工程：脱硫脱炭後のクリーンな合成ガスを使用して、触媒的変換反応を行うことにより、合成油製品を合成するとともに、CO2に富む排気を生成する工程。
8) 排気脱炭工程：生成された排気に脱炭処理を行い、その中のCO2を分離して、温室効果ガスを含まない余剰物を直接或いは処理後に外部に排出する工程。
9) ガス化剤循環工程：工程６および工程８で分離されたCO2を工程２の一次熱交換器の冷却媒体に作り変えて、高温合成ガスを冷却し、ガス化剤CO2を予熱するとともに、工程１のガス化反応で再利用することにより、循環によって最終的に方法全体で温室効果ガスの排出ゼロを達成する工程。
好適には、前記工程１において、ガス化反応温度は600〜1300℃であり、高温合成ガスの出口温度は700〜1100℃である。前記工程１において、ガス化反応温度は850〜1250℃であり、高温合成ガスの出口温度は850〜1100℃である。
更に、前記工程１において、外部補助エネルギ源はプラズマトーチ、マイクロ波エネルギ、太陽エネルギ、レーザエネルギ、電気誘導エネルギ、或いはそれらの組合せであり、外部補助エネルギ源は、単位時間当たりで炉に送り込まれる原料の合計エネルギの10〜30％を占める。
また更に、前記工程１において、外部補助エネルギ源は、単位時間当たりで炉に送り込まれる原料の合計エネルギの15〜20％を占める。
更に、前記工程１において、ガス化剤CO2の消費量と単位標準状態での合成ガス収量の比は0.36〜0.51である。前記工程１において、バイオマス燃料の粒径は50mm未満であり、ガス化剤CO2の噴出口流速は30〜60m/sである。前記工程２において、一次熱交換器を介して、ガス化剤CO2は350〜600℃に予熱される。
好適には、前記工程４において、調質されたクリーンな合成ガスの成分は、H2／COが２：１である。
上記方法を実現するように構成されるバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化装置であって、ガス化炉と、余熱熱交換器と、余熱ボイラと、サイクロン除塵器と、ガス洗浄塔と、変換反応塔と、脱硫塔と、合成ガス脱炭塔と、触媒合成塔と、排気脱炭塔を含み、以下を特徴とする。
前記ガス化炉の合成ガス出口は余熱熱交換器の熱媒体入口と連結される。前記余熱熱交換器の熱媒体出口は余熱ボイラの熱源入口と連結される。前記余熱ボイラの熱源出口はサイクロン除塵器のガス入口と連結される。前記サイクロン除塵器のガス出口はガス洗浄塔の入口と連結される。前記ガス洗浄塔の出口は、圧縮器を介して、変換反応塔のガス入口と連結される。前記余熱ボイラの蒸気出口は変換反応塔の蒸気入口と連結される。
前記変換反応塔のガス出口は脱硫塔の入口と連結される。前記脱硫塔の出口は合成ガス脱炭塔の入口と連結される。前記合成ガス脱炭塔の出口は触媒合成塔の原料入口と連結される。前記触媒合成塔の副産物出口は排気脱炭塔の排気入口と連結される。前記排気脱炭塔および合成ガス脱炭塔のCO2出口はともに余熱熱交換器の冷媒入口と連結され、前記余熱熱交換器の冷媒出口はガス化炉のガス化剤入口と連結される。
好適には、前記排気脱炭塔および合成ガス脱炭塔のCO2出口はともにガスホルダの入口と連結される。前記ガスホルダの出口はブロワを介して余熱熱交換器の冷媒入口と連結される。
更に、前記ガスホルダの入口はまた、始動か焼炉のCO2出口と連結される。
また更に、前記ガス化炉の内室下部には空気分配板が設けられる。前記空気分配板下方の炉壁には主要ガス化剤入口が設けられる。前記空気分配板上方の炉壁には補助ガス化剤入口が設けられる。前記補助ガス化剤入口上方の炉壁には外部補助エネルギ入口が設けられる。前記余熱熱交換器の冷媒出口はニ路に分かれており、一方は主要ガス化剤入口と連結され、もう一方は補助ガス化剤入口と連結される。
第１に、二酸化炭素をシステム全体で循環させることから、システム全体では温室効果ガスの排出がゼロであり、酸素の消費がゼロである。
第２に、十分に結合されたバイオマス燃料独自の特性により、ガス化工程では二酸化炭素をガス化剤として、無酸素ガス化とされることから、炭素源が補給され、燃料消費が節約され、燃料の転化率が改善され、有効気体含有量が増加する。
第３に、原料の粒径に対する特殊な要件がないので、単に破砕すればよく、複雑な処理を必要とせず、経済性が良好である。
第４に、外部熱源を使用して補助熱エネルギを供給するので、充分に統合された様々な形態のエネルギ源により、エネルギ源の総合的な利用が可能となる。
本発明のバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化装置の構造図である。 図１のガス化炉の構造図である。 図２のA−A線視断面図である。
以下、添付の図面と併せて、本発明の具体的な実施例を更に詳細に説明する。
図に示すのはバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化装置であって、主にガス化炉1と、余熱熱交換器2と、余熱ボイラ3と、サイクロン除塵器4と、ガス洗浄塔5と、変換反応塔7と、脱硫塔8と、合成ガス脱炭塔9と、触媒合成塔10と、排気脱炭塔11等の組合せからなる。ガス化炉1の頂部には合成ガス出口18が設けられ、ガス化炉1の底部にはスラグ排出口21が設けられる。ガス化炉中部外壁には供給入口17が設けられ、供給入口17は供給装置22と連結される。ガス化炉1の内室下部には空気分配板19が設けられ、空気分配板19の下方の炉壁には主要ガス化剤入口20が設けられ、空気分配板19の上方の炉壁には補助ガス化剤入口16が設けられ、補助ガス化剤入口の上方の炉壁には外部補助エネルギ入口15が設けられる。
ガス化炉1の合成ガス出口18は余熱熱交換器2の熱媒体入口と連結される。余熱熱交換器2の熱媒体出口は余熱ボイラ3の熱源入口と連結される。余熱ボイラ3の熱源出口はサイクロン除塵器4のガス入口と連結される。サイクロン除塵器4のガス出口はガス洗浄塔5の入口と連結される。ガス洗浄塔5の出口は圧縮器6を介して変換反応塔7のガス入口と連結される。余熱ボイラ3の蒸気出口は変換反応塔7の蒸気入口と連結される。
変換反応塔7のガス出口は脱硫塔8の入口と連結される。脱硫塔8の出口は合成ガス脱炭塔9の入口と連越される。合成ガス脱炭塔9の出口は触媒合成塔10の原料入口と連結される。触媒合成塔10の副産物出口は排気脱炭塔11の排気入口と連結される。排気脱炭塔11および合成ガス脱炭塔9のCO2出口は共に、余熱熱交換器2の冷媒入口と連結される。余熱熱交換器2の冷媒出口はニ路に分かれており、一方は主要ガス化剤入口20と連結され、他方は補助ガス化剤入口16と連結される。
排気脱炭塔11および合成ガス脱炭塔9のCO2出口は共に、ガスホルダ12の入口と連結される。ガスホルダ12の出口はブロワ13を介して余熱熱交換器2の冷媒入口と連結される。ガスホルダ12の入口は起動か焼炉32のCO2出口と連結される。
本発明において、バイオマス等の固体燃料14は先ず、供給装置22から供給入口17を介してガス化炉1に送られる。循環するガス化剤CO2はブロワ13に流入する。ガス化剤CO2はニ路に分かれ、一方は主要ガス化剤入口20から、空気分配板19を介してガス化炉に導入され、他方は補助ガス化剤入口16からガス化炉1に導入される。同時に、外部補助エネルギ入口15から熱エネルギがガス化炉に導入される。炉内において高温で反応が行われ、最初に熱分解ガス化が行われて、主にCO、CO2、CH4、H2および半成コークスが生成される。炉内の反応温度は600〜1600℃に制御され、高温下で主に半成コークスはCO2気体とガス化反応し、ガス化反応速度は高速であり、主な反応はC＋CO2＝2CO＋Qである。
一例としてもみ殻では、1Nm3の合成ガスを基準として、補助エネルギ量は入口燃料全体の15〜25％を占め、反応温度は800℃で、必要とされる循環CO2量は0.51Nm3、バイオマス量は0.48Kg、出口合成ガスの体積成分はCOが50〜55％、CO2が22〜28％、H2が6〜12％である。
高温合成ガス30はガス化炉1の合成ガス出口18から排出され、燃料コールドスラグ25はスラグ排出口21からスラグ冷却器23を経て排出される。
ガス化炉反応温度は600〜1300℃に、好適には850〜1250℃に制御される。合成ガス出口温度は800〜1100℃の範囲内に制御される。ガス化工程では、原料のキャリアガスおよびスイープガスのいずれでも循環CO2気体を利用する。外部導入エネルギは原料処理エネルギの15〜30％を占める。外部エネルギ源型式は、例えば、プラズマトーチ、マイクロ波エネルギ、太陽エネルギ、レーザエネルギ、電気誘導エネルギを含み、熱エネルギに変換が可能ないずれの型式のエネルギ源であってよい。ガス化剤CO2の循環量は、炉温度および燃料状況に従って調整されてよい。ガス化炉内で空気分配板を通過するガス化剤の噴出口流速は、燃料の粒径に従って制御されてよく、好適には、燃料の粒径は50mm未満の範囲にあり、風速は30〜60m/sである。ガス化炉の始動運転時には、始動か焼炉32を利用して、石灰石33をか焼することにより、高純度のCO2気体を抽出して始動ガスとして作用させる。本方法の最適な作用効果を達成し、全体性能要件を充分に満たすために、反応床温度は正確に制御され、プラズマ出力およびCO2供給量は実時間制御される。合成ガス出口に載置される監視ユニットにより、上記の重要パラメータは制御され、又は連動制御が行われて、完全自動操作とすることにより、システムの安定的な運転が確実に行われる。
高温合成ガス30は次に余熱熱交換器2に導入され、ガス化剤のCO2気体29と熱交換する。従って、ガス化剤が予熱されることにより、ガス化炉の変換効率が改善される。一次冷却後に、高温合成ガスは余熱ボイラ3に導入され冷却されて、副産物の水蒸気24が生成される。ニ段階冷却後に、合成ガスはサイクロン除塵器4およびガス洗浄塔5に流入し、更に合成ガスの冷却および除塵が行われる。分離されたフライアッシュ26は回収され排出される。予熱されたCO2は温度が350〜600℃となる。
冷却、洗浄が行われた合成ガスは圧縮器6で圧縮されてから、変換反応塔7に導入され、変換塔7内で合成ガスの調質処理が行われ、主要反応は水性ガスシフト反応であり、その中の蒸気24は余熱ボイラ3からのものであり、全体工程において物質が合理的に利用される。
調質された合成ガスは脱硫塔8および合成ガス脱炭塔9に導入され、脱硫および脱炭処理が行われる。合成ガス脱炭塔9からのクリーンな合成ガスは触媒合成塔10に流入する。合成ガス脱炭塔9で分離されたCO2気体29は、残留圧力の助けを得てガスホルダ12に流入する。
触媒合成塔10内の合成ガスは、合成反応を介して合成油製品27に変換され、同時に合成排気28が生成される。
合成排気28は排気脱炭塔11に導入され、塔内でCO2気体29が分離される。温室効果ガスがない排ガス31は処理されてから外部に排出される。従って、本発明方法では、全体工程において温室効果ガスの排出がゼロとなる。
合成ガス脱炭塔9および排気脱炭塔11で分離されたCO2気体29はいずれもガスホルダ12に導入され、ブロワ13を介してガス化炉1の主要ガス化剤入口20および補助ガス化剤入口16に送られることにより、次のガス化サイクルが開始する。
１ ガス化炉
２ 余熱熱交換器
３ 余熱ボイラ
４ サイクロン除塵器
５ ガス洗浄塔
６ 圧縮器
７ 変換反応塔
８ 脱硫塔
９ 合成ガス脱炭塔
１０ 触媒合成塔
１１ 排気脱炭塔
１２ ガスホルダ
１３ ブロワ
１４ 燃料
１５ 外部補助エネルギ入口
１６ 補助ガス化剤入口
１７ 供給入口
１８ 合成ガス出口
１９ 空気分配板
２０ 主要ガス化剤入口
２１ スラグ排出口
２２ 供給装置
２３ スラグ冷却器
２４ 蒸気
２５ コールドスラグ
２６ フライアッシュ
２７ 合成油製品
２８ 合成排気
２９ CO2気体
３０ 合成ガス
３１ 排ガス
３２ 起動か焼炉
３３ 石灰石

Claims (13)

  1. バイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法であって、CO2をガス化剤として使用して、バイオマス燃料をガス化させることにより合成ガスを生成し、且つ、合成ガスを利用して合成油製品を生成することにより、無酸素でのガス化循環を全体で可能にするものであり、
    1）合成ガスに含まれるCO2を回収し、後続の工程で生成されたCO2をガス化剤として利用し、外部補助エネルギ源の作用下でバイオマス燃料に強力ガス化反応を生じさせて、CO、CO2、CH4、H2、H2O、H2S、COSを主要成分とする高温合成ガスを生成するガス化工程と、
    2）生成された高温合成ガスに二段階熱交換器を介して冷却処理を行い、一次熱交換器では前記ガス化剤CO2を冷却媒体として利用して、ガス化剤としてのCO2を予熱し、前記二次熱交換器では水を冷媒として利用して副産物として水蒸気を得る冷却工程と、
    3）二段階熱交換により冷却された合成ガスをサイクロン除塵およびガス洗浄塔に送って洗浄処理を行い、更に冷却されたクリーンな合成ガスを得る洗浄工程と、
    4）得られたクリーンな合成ガスおよび上記副生成物の水蒸気に水性ガスシフト反応を行い、その中のCOをH2およびCO2に転化させて、クリーンな合成ガスの品質を触媒合成反応で要求されるH2/CO比範囲に調質する変換反応工程と、
    5）調質後のクリーンな合成ガスに脱硫処理を行い、その中のH2SおよびCOSを除去する脱硫工程と、
    6）脱硫後のクリーンな合成ガスに脱炭処理を行い、その中のCO2を分離する合成ガス脱炭工程と、
    7）脱硫および脱炭後のクリーンな合成ガスに触媒変換反応を行い、合成油製品およびCO2に富む排気を生成する触媒合成工程と、
    8）生成された排気に脱炭処理を行い、その中のCO2を分離するとともに、温室効果ガスが存在しない排ガスを直接又は処理後に外部に排出する排気脱炭工程と、
    9）前記工程６および工程８で分離されたCO2を工程２の一次熱交換器に冷却媒体として導入し、高温合成ガスの冷却によりガス化剤CO2を予熱し、工程１のガス化反応で再利用することにより、循環によって最終的に方法全体で温室効果ガスの排出ゼロを達成するガス化剤循環工程と
    を含む方法。
  2. 前記工程１において、ガス化反応温度は600〜1300℃であり、高温合成ガス出口温度は700〜1100℃である、請求項１のバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法。
  3. 前記工程１において、ガス化反応温度は850〜1250℃であり、高温合成ガス出口温度は850〜1100℃である、請求項１のバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法。
  4. 前記工程１において、前記外部補助エネルギ源はプラズマトーチ、マイクロ波エネルギ、太陽エネルギ、レーザエネルギ、電気誘導エネルギ、またはそれらの組合せであり、前記外部補助エネルギ源は単位時間当たりで炉に供給される原料の合計エネルギの10〜30％を占める、請求項１乃至３のいずれかのバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法。
  5. 前記工程１において、前記外部補助エネルギ源は単位時間当たりで炉に供給される原料の合計エネルギの15〜20％を占める、無酸素でバイオマス燃料のガス化からの二酸化炭素を循環させる請求項４のバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法。
  6. 前記工程１において、ガス化剤CO2の消費量と単位標準状態での合成ガス収量の比は0.36〜0.51である、請求項１乃至３のいずれかのバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法。
  7. 前記工程１において、バイオマス燃料の粒径は50mm未満であり、ガス化剤CO2の噴出口流速は30〜60m/sである、請求項１乃至３のいずれかのバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法。
  8. 前記工程２において、一次熱交換器を通過するガス化剤CO2は350〜600℃に予熱される、請求項１乃至３のいずれかのバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法。
  9. 前記工程４において、調質されたクリーンな合成ガスの成分はH2/COが２：１である、請求項１のバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化方法。
  10. 請求項１の方法を使用するように構成されるバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化システムであって、ガス化炉(1)と、余熱熱交換器(2)と、余熱ボイラ(3)と、サイクロン除塵器(4)と、ガス洗浄塔(5)と、変換反応塔(7)と、脱硫塔(8)と、合成ガス脱炭塔(9)と、触媒合成塔(10)と、排気脱炭塔(11)とを含み、
    前記ガス化炉(1)の合成ガス出口(18)は前記余熱熱交換器(2)の熱媒体入口と連結され、前記余熱熱交換器(2)の熱媒体出口は前記余熱ボイラ(3)の熱源入口と連結され、前記余熱ボイラ(3)の熱源出口は前記サイクロン除塵器(4)のガス入口と連結され、前記サイクロン除塵器(4)のガス出口は前記ガス洗浄塔(5)の入口と連結され、前記ガス洗浄塔(5)の出口は圧縮器(6)を介して前記変換反応塔(7)のガス入口と連結され、前記余熱ボイラ(3)の蒸気出口は前記変換反応塔(7)の蒸気入口と連結されており、
    前記変換反応塔(7)の蒸気出口は脱硫塔(8)の入口と連結され、前記脱硫塔(8)の出口は合成ガス脱炭塔(9)の入口と連結され、前記合成ガス脱炭塔(9)の出口は触媒合成塔(10)の原料入口と連結され、前記触媒合成塔(10)の副産物出口は排気脱炭塔(11)の排気入口と連結され、前記排気脱炭塔(11)および合成ガス脱炭塔(9)のCO2出口はいずれも余熱熱交換器(2)の冷媒入口と連結され、前記余熱熱交換器(2)の冷媒出口はガス化(1)のガス化剤入口と連結される
    システム。
  11. 前記排気脱炭塔(11)および合成ガス脱炭塔(9)のCO2出口はいずれもガスホルダ(12)の入口と連結され、前記ガスホルダ(12)の出口はブロワ(13)を介して余熱熱交換器(2)の冷媒入口と連結される、請求項１０のバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化システム。
  12. 前記ガスホルダ(12)の入口は始動か焼炉(32)のCO2出口と連結される、請求項１１のバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化システム。
  13. 前記ガス化炉(1)の内室下部に空気分配板(19)設けられ、前記空気分配板(19)の下方の炉壁には主要ガス化剤入口(20)が設けられ、前記空気分配板(19)の上方の炉壁には補助ガス化剤入口(16)が設けられ、前記補助ガス化剤入口(16)の上方の炉壁には外部補助エネルギ入口(15)が設けられ、前記余熱熱交換器(2)の冷媒出口は二路に分かれ、一方は主要ガス化剤入口(20)と連結され、他方は補助ガス化剤入口(16)と連結される、請求項１０乃至１２のいずれかのバイオマス燃料の二酸化炭素の循環による無酸素ガス化システム。
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