JP5079920B2 - 水素ガス製造装置 - Google Patents
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Description
C+2H2O→2H2+CO2+74.8MJ(発生熱量)・・・(1)
C+0.25C2H5OH+4.75H2O+289.5MJ(必要入熱)→3.5H2+1.5CO2+2H2O+604.5MJ(発生熱量)・・・(2)
このように発生熱量は加えるべき熱量の約2倍であるため、スタートアップ時のみ外部からの熱が必要だが、定常運転では外部からの熱は不要である。
2C+0.25C2H5OH+4.75H2O→5.5H2+2.5CO2・・・(3)
上記の式(3)の反応により生成された水素と二酸化炭素とは高温(1870℃)になるために、反応器・熱交換器23aには下部から冷却水(50℃)が導入され、反応器・熱交換器23a内を通過して熱交換により水蒸気となり、上部から外部に排出される。なお、この水蒸気は、後述する水蒸気ドラム50(図8)に供給することにより再利用可能である。
C12H24O10+14H2O+K2CO3→26H2+12CO2・・・(4)
C12H22O11+C2H5OH+19H2O+K2CO3→30H2+14CO2+3H2O・・・(5)
C6H8O3+9H2O→13H2+6CO2・・・(6)
C50H74O34→2C(木炭)+6.33C6H8O3(木タール)+5CO2+5CO+11.7H2・・・(7)
CO+H2O→CO2+H2・・・(8)
C50H74O34(木材)+[0.25C2H5OH+4.75H2O](発酵生成エタノール)+62H2O→104.5H2+50.5CO2・・・(9)
a)安価な原料から高価な水素ガス(H2)が製造できる。そのうちのほとんどの割合を占めるのが木質系バイオマスと水である。
b)原料も含めて、すべてバイオマスと水であるため製造ガス中に硫黄(S)分を全く含まない(脱硫設備不要)。
c)この水素製造プロセスの木炭炉(炭化炉)は製鉄所のコークス炉と同じであるため、設計が簡単にできる。発生ガス処理設備設計も同様である。
d)現在休止中のバイオエタノール製造プラントを活用できる。
e)休耕田を活用できる。発酵生成エタノールの原料は糖質原料であるサトウキビ,テンサイ等及びデンプン質原料であるトウモロコシ、小麦、米等。
f)雇用の創出ができる。林業、農業、工鉱業の雇用の創出ができる。
g)消費も含め経済が活性化する。林業、農業、鉱工業とほとんどの産業が活性化する。
h)廃バイオマス(廃木材等)及び廃水を利用できる。すなわちHがかなりの割合で入っていれば良い。原料中に一部廃プラスチック等でも可。
i)木タールは現在稼動中の”タール蒸留”と同様、付加価値の高い石炭酸(フェノール)等及び炭素繊維の原料であるピッチの製造も可能である。すなわち、石炭化学ならぬ木質系バイオマス化学への展開も可能である。
j)森林火災の防止にも役立つ。米国を含めた海外では大きな面積にわたって森林が火災にあっている。前もって樹木を伐採しておけば環境問題、エネルギー問題及び森林火災問題は解決できるはずである。
k)H2Oが循環するだけで、系内のH2Oは増加する。原料の水以外の原料中の水素(H)と酸素(O)からH2Oを生成することができる。
l)発電所と結びつければ、H2Oをメークアップする必要がない。(9)式の62kmolの水は、104.5kmolの水素(H2+0.5O2→H2O)から確保できる。
m)離島用発電プラントにはぴったりである。森林、バイオマス(サトウキビ等)及び水が豊富である。現在の発電コストより小さくしかもCO2ゼロエミッションである。
さらに化学工場、ガス充填所、水素ステーション、研究所・大学・試験機関でも使用可能である。
例えば、図1の機器構成ならばコンパクト化が可能であり、自動車に載せることが十分可能である。
自動車には、水分炭素混合液体タンク、水素ガス製造部及び燃料電池部を搭載すればよい。現在の自動車のエンジンルームに水素ガス製造部と燃料電池部は十分納まる。現在のハイブリッド車あるいは電気自動車のモータは各四つのホイールに組みこまれている。水分炭素混合液体タンクは現在の燃料タンクのサイズで十分である。
自動車とは、バス、トラック、乗用車、建設機械、農業用機械、林業用機械などが考えられる。他に、本発明は、船舶用(潜水艦を含む)、航空用(飛行機、ヘリ等)のガスエンジン及び燃料電池(PEFC等)にも適用することができる。
さらに、本発明は宇宙用にも適用することができる。”H2O”のうちの”O”が反応に使われるために、反応(燃焼)用エアーが約3割程少なくすみ、エンジンを3割小さくすることができる。すなわち、重量を軽くできるため燃費の向上にも役立つ。
空気のないところを飛ぶロケットに適用可能で、現在のロケットは液体水素ボンベと液体酸素ボンベを搭載して推進している。たまに水素あるいは酸素が漏れて大事故になっている。これに対して、本発明の場合、液体酸素量は現在の7割ですむし、その分軽くできる。液体水素ボンベはなくなり、代わりに水分炭素混合液体タンクとなるので、ロケット全体の重量は軽くなり、かつより低コストとなる。水分炭素混合液体は加熱しない限り水素発生はないため、より安全である。ロケット内の発電も、製造した水素を使用することで燃料電池(PEFC)で行うことができる。
液体水素タンクと水分炭素混合液体タンクとの比較を行う。
液体水素及び水分炭素混合液体のそれぞれの密度(kg/m3)は以下のとおりである。
液体水素:70.8kg/m3@−253℃(20K)
水分炭素混合液体:1,000kg/m3@15℃(288K)
水分炭素混合液体の中のH2Oのモル数は、1000/18=55.6kmol
H2O=H2+0.5O2
H2OとH2のモル数は等しいので、H2のモル数は同じ55.6kmol
H2の分子量は、2kg/kmolなので、H2の質量は、2×55.6=111kg。すなわち、同じ1m3で、液体水素の質量は70.8kg、水分炭素混合液体は111kgであり、その比率は70.8/111=0.638
したがって、タンクの容量を63.8%に小型化することができる。
また、水分炭素混合液体タンクの設計圧力はほぼ常圧(1.1気圧)なので安価なタンク材質が使用でき、かつ蒸発器が不要となるので、低コストで製造することができる。
水素重量割合について考察すると、現在、DOE(米国エネルギー省)の水素ガス(H2)の水素吸蔵物の重量割合の目標値は5%である。水分炭素混合液体のそれは、111/1000=0.111=11.1%とDOE目標値の2倍以上である。
(2)水素ガスを製造する水素ガス製造装置において、水分を含有する水分含有液体と、粉体状の糖原料とを混合して水分糖原料混合液体を製造する水分糖原料混合液体製造部と、上記水分糖原料混合液体製造部で製造された水分糖原料混合液体を加熱して蒸気化し反応させて水素ガスを発生させる水素ガス製造部と、を備えるようにしている。
(3)水素ガスを製造する水素ガス製造装置において、水分を含有する水分含有液体と、粉体状の炭素を含有する粉体状炭素含有物と、粉体状の糖原料とを混合して水分炭素糖原料混合液体を製造する水分炭素糖原料混合液体製造部と、上記水分炭素糖原料混合液体製造部で製造された水分炭素糖原料混合液体を加熱して蒸気化し反応させて水素ガスを発生させる水素ガス製造部と、を備えるようにしている。
(4)水素ガスを製造する水素ガス製造装置において、木タールと水蒸気とを混合して木タール蒸気混合体を製造する木タール蒸気混合体製造部と、上記木タール蒸気混合体製造部で製造された木タール蒸気混合体を加熱し反応させて水素ガスを発生させる水素ガス製造部と、を備えるようにしている。
(5)水素ガスを製造する水素ガス製造装置において、バイオマスを加熱して熱分解させ、水素と二酸化炭素と一酸化炭素とを生成する炭化炉と、上記炭化炉から導入された一酸化炭素と、供給された水蒸気とを反応させて二酸化炭素と水素に変換し、上記炭化炉から導入された水素および二酸化炭素とともに、水素ガスユーザ側に送出するシフト反応部と、を備えるようにしている。
(6)水素ガスを製造する水素ガス製造システムにおいて、バイオマスを加熱して熱分解させ、水素、二酸化炭素および一酸化炭素の各ガス、木炭、並びに木タールを生成する炭化炉と、上記炭化炉から導入された一酸化炭素と、供給された水とを反応させて二酸化炭素と水素とに変換し、上記炭化炉から導入された水素および二酸化炭素とともに、水素ガスユーザ側に送出するシフト反応部と、を備えた水素ガス製造装置と、上記炭化炉で生成された木炭の粉砕物を粉体状炭素含有物として使用する、(1)に記載の水素ガス製造装置と、上記炭化炉で生成された木タールを使用する、(4)に記載の水素ガス製造装置と、を備えるようにしている。
(7)水素ガスを製造する水素ガス製造方法において、水分を含有する水分含有液体と、炭素を含有する粉体状炭素含有物とを混合して水分炭素混合液体を製造し、上記水分炭素混合液体を加熱して蒸気化し反応させて水素ガスを発生させるようにした。
(8)水素ガスを製造する水素ガス製造方法において、水分を含有する水分含有液体と、粉体状の糖原料とを混合して水分糖原料混合液体を製造し、上記水分糖原料混合液体を加熱して蒸気化し反応させて水素ガスを発生させるようにした。
(9)水素ガスを製造する水素ガス製造方法において、水分を含有する水分含有液体と、粉体状の炭素を含有する粉体状炭素含有物と、粉体状の糖原料とを混合して水分炭素糖原料混合液体を製造し、上記水分炭素糖原料混合液体を加熱して蒸気化し反応させて水素ガスを発生させるようにした。
(10)水素ガスを製造する水素ガス製造方法において、木タールと水蒸気とを混合して水素ガスを発生させるようにした。
(11)水素ガスを製造する水素ガス製造方法において、木質系バイオマスを加熱して熱分解させ、水素と二酸化炭素と一酸化炭素とを生成するとともに、上記一酸化炭素は、供給された水とを反応させて二酸化炭素と水素に変換するようにした。
1A 水分糖原料混合液体製造部
1B 水分炭素糖原料混合液体製造部
1C 木タール蒸気混合体製造部
2 水素ガス製造部
2A 水素ガス製造部
2B 水素ガス製造部
2C 水素ガス製造部
3 炭化炉
4 シフト反応部
10 水素ガス製造装置
10A 水素ガス製造装置
10B 水素ガス製造装置
10C 水素ガス製造装置
10D 水素ガス製造装置
11 ホッパー
12 粉砕機
13 水タンク
14 ポンプ
15 混合機
16 発酵生成エタノールタンク
17 発酵生成エタノール製造プラント
21 ポンプ
22 加熱蒸発器
23 反応器
23a 反応器・熱交換器
24 冷却・凝縮器
26 凝縮水タンク
27 脱炭酸部
28 ガスホルダー
29 ガスホルダー
30 木炭炉
31 混合機
32 ポンプ
33 加熱蒸発器
34 冷却・凝縮器
35 凝縮水タンク
36 反応器
37 ガスホルダー
38 脱炭酸部
39 ガスホルダー
40 シフト反応器
41 冷却器
42 ガスホルダー
43 脱炭酸部
44 ガスホルダー
45 冷却器
50 水蒸気ドラム
100 水素ガス製造装置
100A 水素ガス製造装置
100S 水素ガス製造システム
101 水分炭素混合液体製造部
101A 水分炭素混合液体製造部
201 水素ガス製造部
201A 水素ガス製造部
Claims (2)
- 水素ガスを製造する水素ガス製造装置において、
木質系バイオマスを水分の供給無しで加熱して熱分解させ、水素と二酸化炭素と一酸化炭素とを生成し、また木タールを製造する木炭炉と、
上記木炭炉から導入された一酸化炭素と、供給された水蒸気とを反応させて二酸化炭素と水素に変換し、上記木炭炉から導入された水素および二酸化炭素とともに、水素ガスユーザ側に送出するシフト反応部と、
上記木炭炉において製造された木タールと水蒸気と発酵生成エタノールとを混合して木タール蒸気エタノール混合体を製造する木タール蒸気エタノール混合体製造部と、
上記木タール蒸気エタノール混合体製造部で製造された木タール蒸気エタノール混合体を加熱し反応させて水素ガスを発生させ、水素ガスユーザ側へ送出する反応部と、
を備えることを特徴とする水素ガス製造装置。 - 上記木質系バイオマスは、伐採材、間伐材、製材、木屑、木質チップ、プレナーくず、建設廃材、木枠、製材残材、製材廃材、紙・パルプ工場の黒液、製紙工場廃材・スラッジ、都市の木質廃棄物、および植木・果樹剪定枝の何れかである、請求項1に記載の水素ガス製造装置。
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