JP7516474B2 - 燃料製造システム及び燃料製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料製造システム及び燃料製造方法に関する。より詳しくは、バイオマス原料と再生可能エネルギとに基づいて液体燃料を製造する燃料製造システム及び燃料製造方法に関する。
近年、化石燃料の代替として、再生可能エネルギによって発電した電力によって生成した水素とバイオマスや工場から排出される二酸化炭素等の炭素源とを原材料とした電気合成燃料が注目されている。
バイオマスを原料としてメタノールやガソリン等の液体燃料を製造する一般的な手順は以下の通りである。すなわち、所定の前処理を経たバイオマス原料をガス化炉内で水や酸素とともにガス化させ、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化工程と、生成された合成ガスを洗浄しタールを取り除く洗浄工程と、洗浄工程を経た合成ガスのH2/CO比を製造しようとする液体燃料に応じた目標比に調整するH2/CO比調整工程と、H2/CO比調整工程を経た合成ガスから硫黄成分を取り除く脱硫工程と、脱硫工程を経た合成ガスから液体燃料を製造する燃料製造工程と、を経てバイオマス原料から液体燃料が製造される。
ここでガス化工程を経て生成される合成ガスのH2/COは、多くの場合目標比に到達しておらず水素が不足している状態となっている。特許文献1には、再生可能エネルギを用いて水から水素を生成する電解装置によって生成された水素を、ガス化炉内又はバイオマス原料の原料供給路内に供給することで、ガス化炉から排出される合成ガスのH2/CO比を調整する技術が記載されている。特許文献1に記載の技術によれば、燃料製造システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制することができる。
ところで、ガス化炉の運転条件によっては供給した水素が副生成物の生成に消費される割合が増加する場合があり、更なる燃料の製造効率の向上が求められている。
本発明は、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、水素供給による合成ガス組成の調整を効率的に行うことができる燃料製造システム及び燃料製造方法を提供することを目的とする。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。
(1) バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造システム(例えば、後述の燃料製造システム1)であって、バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化炉(例えば、後述のガス化炉30)と、前記ガス化炉によって生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置(例えば、後述の液体燃料製造装置4)と、前記ガス化炉内及び前記ガス化炉に至るバイオマス原料の原料供給路(例えば、後述の原料供給路20)内を含む原料供給領域(例えば、後述の原料供給領域A)又は前記ガス化炉から合成ガスが排出される合成ガス排出領域(例えば、後述の合成ガス排出領域B)に水素を供給する水素供給装置(例えば、後述の水素供給ポンプ64)と、前記ガス化炉の温度を検出する温度検出部(例えば、後述の温度センサ312)と、前記温度検出部により検出された温度に基づいて、前記水素供給装置による水素供給箇所を前記原料供給領域と前記合成ガス排出領域とに切り替える制御装置(例えば、後述の制御装置7)と、を備える燃料製造システム。
(2) 再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から水素を生成する電解装置(例えば、後述の電解装置60)を更に備え、記水素供給装置は、前記電解装置によって生成された水素を前記原料供給領域又は前記合成ガス排出領域に供給する(1)に記載の燃料製造システム。
(3) 前記制御装置は、前記温度検出部により検出された温度が所定値以下のときに、前記水素供給装置による水素供給箇所を前記原料供給領域から前記合成ガス排出領域に切り替える(1)又は2に記載の燃料製造システム。
(4) 前記制御装置は、前記水素供給装置による水素供給量を制御し、前記合成ガス排出領域を流通する合成ガスのH2/CO比を調整する(1)~(3)のいずれかに記載の燃料製造システム。
(5) バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造方法であって、バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスをガス化炉で生成する合成ガス生成工程と、合成ガス生成工程で生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造工程と、前記ガス化炉内及び前記ガス化炉に至るバイオマス原料の原料供給路内を含む原料供給領域又は前記ガス化炉から合成ガスが排出される合成ガス排出領域に水素を供給する水素供給工程と、前記ガス化炉の温度を検出する温度検出工程と、前記温度検出工程で検出された温度に基づいて、前記水素供給工程における水素供給箇所を前記原料供給領域と前記合成ガス排出領域とに切り替える切替工程と、を含む燃料製造方法。
本発明によれば、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、水素供給による合成ガス組成の調整を効率的に行うことができる。
以下、本発明の一実施形態に係る燃料製造システム1について図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る燃料製造システム1の構成を示す図である。図2は本実施形態に係る燃料製造システム1の制御装置7の機能ブロック図である。燃料製造システム1は、バイオマス原料を供給するバイオマス原料供給装置2と、バイオマス原料供給装置2から供給されるバイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化装置3と、ガス化装置3から供給される合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置4と、再生可能エネルギを用いて発電する発電設備5と、発電設備5において発電された電力によって水から水素を生成し、生成した水素をガス化装置3に供給する水素生成供給装置6と、ガス化装置3、発電設備5及び水素生成供給装置6を制御する制御装置7と、を備え、これらによってバイオマス原料から液体燃料を製造する。
バイオマス原料供給装置2は、籾殻、バガス、及び木材等のバイオマス原料に所定の前処理を施すとともに、この前処理を経たバイオマス原料を、原料供給路20を介してガス化装置3のガス化炉30へ供給する。ここでバイオマス原料に対する前処理には、例えば、原料を乾燥させる乾燥工程や、原料を粉砕する粉砕工程等が含まれる。なお、本明細書では、ガス化炉30内及び原料供給路20内を原料供給領域Aという。
ガス化装置3は、原料供給路20を介して供給されるバイオマス原料をガス化するガス化炉30と、ガス化炉30の内部の状態を検出する複数のセンサによって構成されるガス化炉センサ群31と、ガス化炉30内に水を供給する水供給装置32と、ガス化炉30内に酸素を供給する酸素供給装置33と、ガス化炉30を加熱する加熱装置34と、ガス化炉30から排出される合成ガスを洗浄するスクラバ35と、スクラバ35によって洗浄された合成ガスから硫黄成分を除去し、液体燃料製造装置4に供給する脱硫装置36と、炉外H2/COセンサ37と、を備える。ガス化炉30から排出される合成ガスは、合成ガス流通路80を介して液体燃料製造装置40に供給される。合成ガス流通路80は、ガス化炉30とスクラバ35とを連通する第1合成ガス流通路81と、スクラバ35と脱硫装置36とを連通する第2合成ガス流通路82と、脱硫装置36と液体燃料製造装置40とを連通する第3合成ガス流通路83とを有する。なお、本明細書では、第1合成ガス流通路81内と、スクラバ35内と、第2合成ガス流通路82内と、脱硫装置36内と、第3合成ガス流通路83内とを含む領域、即ちガス化炉30から合成ガスが排出される領域を合成ガス排出領域Bという。
水供給装置32は、図示しない水タンクに貯留された水をガス化炉30内へ供給する。酸素供給装置33は、図示しない酸素タンクに貯留された酸素をガス化炉30内へ供給する。加熱装置34は、図示しない燃料タンクから供給される燃料や図示しない電源から供給される電力を消費することにより、ガス化炉30を加熱する。水供給装置32からガス化炉30内への水供給量、酸素供給装置33からガス化炉30内への酸素供給量、及び加熱装置34からガス化炉30への投入熱量は、制御装置7によって制御される。なお本実施形態に係る燃料製造システム1では、後述の水素生成供給装置6から原料供給領域Aに水素を供給することにより、水供給装置32からガス化炉30内へ水を積極的に供給する必要がなくなる場合がある。
バイオマス原料が投入されたガス化炉30内に、以上のような水供給装置32、酸素供給装置33、加熱装置34、及び水素生成供給装置6によって水、酸素、水素、熱量等を投入すると、ガス化炉30内では、例えば下記式(1-1)~(1-8)に示すような複数種類のガス化反応及びその逆反応が進行し、水素と一酸化炭素と二酸化炭素とメタン等の副生成物を含む合成ガスが生成される。
ガス化炉センサ群31は、例えば、ガス化炉30内の圧力を検出する圧力センサ63、ガス化炉30内の温度を検出する温度センサ312、ガス化炉30内の二酸化炭素を検出するCO2センサ、ガス化炉30内の一酸化炭素を検出するCOセンサ、ガス化炉30内における合成ガスの水素と一酸化炭素との比に相当するH2/CO比を検出する炉内H2/COセンサ311等によって構成される。COセンサは、例えばガス化炉30内の一酸化炭素を検知する定電位電解式センサ等によって構成される。ガス化炉センサ群31を構成するこれらセンサの検出信号は、制御装置7へ送信される。
炉外H2/COセンサ37は、合成ガス排出領域B内に設けられ、合成ガス排出領域B内を流れる合成ガスのH2/CO比を検出する。炉外H2/COセンサ37は、第1合成ガス流通路81内、第2合成ガス流通路82内及び第3合成ガス流通路83内の少なくとも何れかに設けられ、合成ガス流通路80内を流れる合成ガスのH2/CO比を検出する。本実施形態では、炉外H2/COセンサ37は、第1合成ガス流通路81内に設けられているが、第2合成ガス流通路82内に設けられていてもよく、第3合成ガス流通路83内に設けられていてもよい。
ガス化装置3は、上記式(1-1)~(1-8)に示すガス化反応及びその逆反応によって生成される合成ガスに、後述の水素生成供給装置6から供給される水素を混合することにより、合成ガスのH2/CO比を製造しようとする液体燃料に応じた所定の目標値に調整した後、この合成ガスを液体燃料製造装置4へ供給する。
液体燃料製造装置4は、メタノール合成装置、MTG(Methanol To Gasoline)合成装置、FT(Fischer Tropsch)合成装置、及びアップグレーディング装置等を備え、これらを用いることによって、ガス化装置3において所定のH2/CO比に調整された合成ガスからメタノールやガソリン等の液体燃料を製造する。
発電設備5は、再生可能エネルギである風力によって発電する風力発電設備や、再生可能エネルギである太陽光によって発電する太陽光発電設備等によって構成される。発電設備5は、水素生成供給装置6に接続されており、風力発電設備や太陽光発電設備等において再生可能エネルギを用いて発電した電力を、水素生成供給装置6に供給することができる。また発電設備5は、商用電力網8とも接続されている。このため発電設備5において発電した電力の一部又は全ては、商用電力網8に供給し、電力会社に売電することも可能となっている。
水素生成供給装置6は、電解装置60と、水素充填ポンプ61と、水素タンク62と、圧力センサ63と、水素供給装置としての水素供給ポンプ64と、を備え、これらを用いることによって発電設備5から供給される電力によって水素を生成し、生成した水素をガス化装置3へ供給する。
電解装置60は、発電設備5と接続されており、発電設備5から供給される電力によって水から電気分解によって水素を生成する。また電解装置60は、商用電力網8とも接続されている。このため電解装置60は、発電設備5から供給される電力だけでなく、電力会社から買電することにより商用電力網8から供給される電力によって水素を生成することも可能となっている。電解装置60による水素生成量は制御装置7によって制御される。
水素充填ポンプ61は、電解装置60によって生成された水素を圧縮し、水素タンク62内に充填する。水素充填ポンプ61による水素充填量は制御装置7によって制御される。水素タンク62は、水素充填ポンプ61によって圧縮された水素を貯留する。圧力センサ63は、水素タンク62のタンク内圧を検出し、検出信号を制御装置7へ送信する。水素タンク62内の水素残量は、圧力センサ63の検出信号に基づいて制御装置7によって算出される。従って本実施形態において、水素タンク62内の水素残量を取得する水素残量取得手段は、圧力センサ63及び制御装置7によって構成される。
水素供給ポンプ64は、水素タンク62に貯留された水素をガス化装置3に供給する。水素供給ポンプ64は、水素供給路65を介して水素タンク62に貯留された水素を原料供給領域A又は合成ガス排出領域Bに供給する。原料供給領域Aにおける水素供給ポンプ64による水素供給箇所は、例えば原料供給路20内であってもよく、ガス化炉30内であってもよい。本実施形態では、原料供給領域Aにおける水素供給箇所はガス化炉30内である。合成ガス排出領域Bにおける水素供給ポンプ64による水素供給箇所は、例えば第1合成ガス流通路81内であってもよく、第2合成ガス流通路82内であってもよく、第3合成ガス流通路83内であってもよく、スクラバ35内であってもよく、脱硫装置36内であってもよい。本実施形態では、合成ガス排出領域Bにおける水素供給箇所は第1合成ガス流通路81内である。
水素供給路65は、水素供給ポンプ64とガス化炉30との間を水素が流通可能に接続する第1水素供給路651と、流路切替弁653を介して第1水素供給路651から分岐し、水素が流通可能であり、第1合成ガス流通路81に接続される第2水素供給路652と、を有する。流路切替弁653は、内部に設けられた複数の弁の開閉状態を制御することにより、流路の開閉や切り替えを行う機器である。即ち、水素供給ポンプ64からの水素供給箇所は、流路切替弁653の弁の開閉動作を制御することにより、ガス化炉30内と、第1合成ガス流通路81内とに切り替えられる。
制御装置7は、ガス化炉センサ群31、圧力センサ63等の各種センサからの検出信号等に基づいて、水供給装置32による水供給量、酸素供給装置33による酸素供給量、加熱装置34による投入熱量、電解装置60による水素生成量、及び水素充填ポンプ61による水素充填量を制御するコンピュータである。また制御装置7はガス化炉センサ群31や炉外H2/COセンサ37等の各種センサからの検出信号等に基づいて、水素供給ポンプ64からガス化装置3への水素供給量を制御するとともに、水素供給ポンプ64からガス化装置3における水素供給箇所を切り替える水素供給処理を実行する。制御装置7が実行する水素供給処理については後述する。
次に、ガス化炉30内に水素を供給した場合のガス化率やガス化炉30内のガス組成等に対する影響について説明する。
まず、水素供給によるガス化炉30内のガス化率の影響について図3及び図4を参照しながら説明する。
図3及び図4は、ガス化炉30に供給される導入ガス中の水素濃度[mol%]と、ガス化炉30における炭素ベースで算出したガス化率[%]と、副生成物であるタール及びチャーの生成量[g]との関係を示す図である。図3及び図4において実線は水素供給によるガス化率を示し、一点鎖線はタールの生成量を示し、二点鎖線はチャーの生成量を示している。図3に示す結果は、ガス化炉30内の温度が900℃、S/Cが3の条件下でシミュレーションを行うことによって得られる。図4に示す結果は、ガス化炉30内の温度が700℃、S/Cが3の条件下でシミュレーションを行うことによって得られる。
一方、ガス化炉30の運転条件によっては、水素供給によりガス化炉30のガス化率が低下する場合がある。
一方、ガス化炉30の運転条件によっては、水素供給によりガス化炉30のガス化率が低下する場合がある。
図4に示すように、ガス化炉30内の温度が700℃である場合、導入ガス中の水素濃度が大きくなるに従って、ガス化率が低下し、チャー及びタールの生成量が増加する。一方で、図3に示すように、ガス化炉30内の温度が900℃である場合、導入ガス中の水素濃度に関わらず、高いガス化率が得られ、チャー及びタールの生成量の変化が見られない。これは、ガス化炉30内が高温であり、ガス化が十分に進んでいるので、水素供給によるガス化抑制の影響が小さく抑えられているためである。図3及び図4に示す結果から、水素供給による影響は、ガス化炉30の運転条件に応じて異なることが確認できる。また、ガス化炉30を低温で運転した場合、水素供給によりガス化炉30のガス化率が低下する傾向であることが確認できる。
次に、水素供給による合成ガスのガス組成への影響について図5及び図6を参照しながら説明する。
図5は、ガス化炉30に供給される導入ガス中の水素濃度[mol%]と、ガス化炉30で生成される合成ガス中の各種ガスの濃度[mol%]との関係を示す図である。図5において実線は合成ガス中の一酸化炭素の濃度を示し、一点鎖線は合成ガス中の二酸化炭素の濃度を示し、二点鎖線は合成ガス中のメタンの濃度を示し、間隔の長い破線は合成ガス中のC2化合物の濃度を示し、間隔の短い破線は合成ガス中のC3化合物の濃度を示している。図6は、ガス化炉30に供給される導入ガス中の水素濃度[mol%]と、ガス化炉30で生成される各種ガスの量[mol]との関係を示す図である。図5及び図6に示す結果は、ガス化炉30内の温度が700℃、S/Cが3の条件下でシミュレーションを行うことによって得られる。
図5に示すように、ガス化炉30への水素供給により、合成ガス中の二酸化炭素の割合が小さくなるとともに、一酸化炭素の割合が大きくなることが確認できる。これは、上記式(1-6)に示す逆水性ガスシフト反応によるものであると考えられる。この逆水性ガスシフト反応により、ガス化炉30内に水素を供給すると、二酸化炭素が減少するとともに一酸化炭素が増加する。これにより、ガス化炉30における二酸化炭素の発生量を抑制することができる。
一方で、図6に示すように、水素供給に伴うガス化炉30内における絶対量としての一酸化炭素の変化は少ないことが確認できる。図5及び図6に示すように、ガス化炉30への水素供給量の増加とともに、ガス化炉30内におけるメタン生成量が増加し、C2化合物も微増していることが確認できる。即ち、700℃等の低温条件下では、ガス化炉30に水素を供給しても一酸化炭素の代わりにメタンやタール、チャー等の副生成物が増加する。これは、上記式(1-6)の逆水性ガスシフト反応により得られた一酸化炭素の一部がガス化炉30に供給された水素と反応し、メタンが得られる上記式(1-7)に化学反応によるものである。また上記式(1-8)に示すように、ガス化炉30内の二酸化炭素も供給された水素と反応し、メタンが生成される。即ち、ガス化炉30を低温で運転させた場合、ガス化炉30へ水素供給を行っても、二酸化炭素量は減少するものの、一酸化炭素の増加量が少なく、燃料収率が低いメタンやタール、チャー等の副生成物の生成に水素が消費されるので燃料収率の向上に寄与しない。これに対して本実施形態では、水素供給による燃料の製造効率の向上を目的とし、ガス化炉30内の温度に基づいて、水素供給箇所を原料供給領域Aからガス化炉30の下流側であり、副生成物を生成する反応が起こらない合成ガス排出領域Bに切り替える水素供給処理を行っている。
次に、水素供給処理を実行する制御装置7のハードウェアの構成について説明する。図2に示すように制御装置7は、通信部71と、記憶部72と、処理部70と、を備える。
通信部71は、ガス化炉センサ群31、炉外H2/COセンサ37、電解装置60、水素供給ポンプ64、流路切替弁653等の他の装置との間で行う通信を制御する。通信部71は、これらの装置との間で検出信号や制御信号等を送受信する。
記憶部72は、ハードウェア群を制御装置7として機能させるための各種プログラム、及び各種データなどの記憶領域であり、ROM、RAM、フラッシュメモリ、半導体ドライブ(SSD)又はハードウェア(HDD)などで構成することができる。具体的には、記憶部72は、本実施形態の各機能を処理部70に実行させるためのプログラム、水素供給処理の制御プログラム、製造する液体燃料の種類やその製造装置に応じて適したH2/CO比の目標値、後述する第1切替判定値及び第2切替判定値等が記憶される。
処理部70は、プロセッサによって構成される演算装置であり、記憶部72から各種プログラム、データを読み込んで所定のデータ処理を実行する。プロセッサは、例えば、CPU(central processing unit)、MPU(micro processing unit)、SoC(system on a chip)、DSP(digital signal processor)、GPU(graphics processing unit)、VPU(vision processing unit)、ASIC(application specific integrated circuit)、PLD(programmable logic device)又はFPGA(field-programmable gate array)等である。
次に、燃料製造システム1における水素供給処理を実行するための制御装置7の処理部70の機能的構成について図1及び図2を参照しながら説明する。処理部70は、図2に示すように、炉内H2/CO情報取得部701と、炉外H2/CO情報取得部702と、温度情報取得部703と、水素供給量調整部704と、水素供給箇所切替部705と、を備える。
炉内H2/CO情報取得部701は、炉内H2/COセンサ311によって検出されたガス化炉30内のH2/CO比を示す炉内H2/CO情報を取得する処理を実行する。炉内H2/CO情報取得部701は、通信部71を介して炉内H2/COセンサ311からの検出信号を受信することで炉内H2/CO情報を取得する。
炉外H2/CO情報取得部702は、炉外H2/COセンサ37によって検出された合成ガス排出領域B内の合成ガスのH2/CO比を示す炉外H2/CO情報を取得する処理を実行する。炉外H2/CO情報取得部702は、通信部71を介して炉外H2/COセンサ37からの検出信号を受信することで炉外H2/CO情報を取得する。
温度情報取得部703は、温度センサ312によって検出されたガス化炉30内の温度を示す温度情報を取得する処理を実行する。温度情報取得部703は、通信部71を介して温度センサ312からの検出信号を受信することで温度情報を取得する。
水素供給量調整部704は、水素供給ポンプ64の駆動を制御して、ガス化装置3に供給する水素供給量を調整する処理を実行する。水素供給量調整部704は、炉内H2/CO情報や炉外H2/CO情報に基づいて、ガス化装置3への水素の供給の停止又は水素供給量の増減を行う処理を実行する。水素供給量調整部704は、例えばH2/CO比が所定の目標値未満である場合に水素供給量を増加させてもよく、H2/CO比が所定の目標値を超える場合に水素の供給を停止してもよい。合成ガスのH2/CO比の目標値は、製造する液体燃料の種類やその製造装置に応じて適した値に設定してもよい。例えばFT合成やメタノール合成により液体燃料を製造する場合、合成ガスのH2/CO比の目標値を2としてもよい。
水素供給箇所切替部705は、流路切替弁653の開閉動作を制御して、ガス化装置3における水素供給箇所を切り替える処理を実行する。水素供給箇所切替部705は、温度情報取得部703によって取得された温度情報に基づいて、水素供給ポンプ64による水素供給箇所を原料供給領域Aと合成ガス排出領域Bとに切り替える。本実施形態では、水素供給箇所切替部705は、水素供給ポンプ64による水素供給箇所をガス化炉30内と、第1合成ガス流通路81内とに切り替える。例えば水素供給箇所切替部705は、ガス化炉30内の温度が所定値以下のときに、水素供給箇所をガス化炉30内から第1合成ガス流通路81内に切り替えてもよい。
次に、制御装置7の処理部70が実行する水素供給処理の一例について図7及び図8を参照しながら説明する。図7は、燃料製造システム1の制御装置7の処理部70が実行する水素供給処理のうち水素供給箇所が原料供給領域Aである場合の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図8は、燃料製造システム1の制御装置7の処理部70が実行する水素供給処理のうち水素供給箇所が合成ガス排出領域B内である場合の処理の流れの一例を示すフローチャートである。水素供給処理は、例えば制御装置7を含む燃料製造システム1が起動し、液体燃料の製造を開始したタイミングで開始される。なお、水素供給処理の開始時には、水素供給ポンプ64による水素供給箇所はガス化炉30内に設定され、水素供給量は所定の初期値に設定される。
図7に示すように、ステップS11において、炉内H2/CO情報取得部701は、炉内H2/COセンサ311によって検出されたガス化炉30内のH2/CO比を示す炉内H2/CO情報を取得する。
ステップS12において、水素供給量調整部704は、ステップS11で取得した炉内H2/CO情報と記憶部72から抽出した目標値とを比較して、ガス化炉30内のH2/CO比が目標値未満であるか否かを判定する。水素供給量調整部704は、ガス化炉30内のH2/CO比が目標値以上であると判定した場合(ステップS12でNO)、処理をステップS13に移行する。そして、水素供給量調整部704は、ステップS13において、水素供給ポンプ64からガス化炉30への水素の供給を停止し、処理をステップS11に戻す。一方で、水素供給量調整部704は、ガス化炉30内のH2/CO比が目標値未満であると判定した場合(ステップS12でYES)、処理をステップS14に移行する。
ステップS14において、水素供給量調整部704は、水素供給ポンプ64からガス化炉30への水素供給量を増加する。
ステップS15において、温度情報取得部703は、ガス化炉30内の温度を示す温度情報を取得する。
ステップS16において、水素供給箇所切替部705は、ステップS15で取得した温度情報が示すガス化炉30内の温度が所定値である第1切替判定値よりも大きいか否かを判定する。水素供給箇所切替部705は、ガス化炉30内の温度が第1切替判定値以下であると判定した場合(ステップS16でNO)、処理をステップS17に移行する。そして、ステップS17において、水素供給量調整部704は、水素供給量を初期値に戻し、処理をステップS18に移行する。ステップS18において、水素供給箇所切替部705は、流路切替弁653の開閉動作を制御して、水素供給ポンプ64による水素供給箇所をガス化炉30内からガス化炉30よりも下流側の第1合成ガス流通路81に切り替える。水素供給箇所が第1合成ガス流通路81である場合の処理の流れについては後述する。一方で、水素供給箇所切替部705は、ガス化炉30内の温度が第1切替判定値を超えると判定した場合(ステップS16でYEs)、処理をステップS19に移行する。
ステップS19において、炉内H2/CO情報取得部701は、炉内H2/CO情報を取得する。
ステップS20において、水素供給量調整部704は、ステップS19で取得した炉内H2/CO情報と記憶部72から抽出した目標値とを比較して、ガス化炉30内のH2/CO比が目標値未満であるか否かを判定する。水素供給量調整部704は、ガス化炉30内のH2/CO比が目標値未満であると判定した場合(ステップS20でYES)、処理をステップS14に戻す。一方で、水素供給量調整部704は、ガス化炉30内のH2/CO比が目標値以上であると判定した場合(ステップS20でNO)、処理をステップS20に移行する。
ステップS21において、水素供給量調整部704は、ステップS19で取得した炉内H2/CO情報と記憶部72から抽出した目標値とを比較して、ガス化炉30内のH2/CO比が目標値と等しいか否かを判定する。水素供給量調整部704は、ガス化炉30内のH2/CO比が目標値と異なると判定した場合(ステップS21でNO)、処理をステップS22に移行する。そして、ステップS22において、水素供給量調整部704は、水素供給量を初期値に戻した後に、処理をステップS23に移行する。一方で、水素供給量調整部704は、ガス化炉30内のH2/CO比が目標値と等しいと判定した場合(ステップS20でYES)、ステップS22を介さずに処理をステップS23に移行する。
ステップS23において、処理部70は、水素供給量を変更しない定常運転により水素供給処理を実行し、所定の期間経過後にステップS11からの処理を繰り返す。
次に、ステップS18で水素導入箇所を第1合成ガス流通路81内に切り替えた後に、処理部70が実行する水素供給処理の流れの一例について図8を参照しながら説明する。
図7に示すように、ステップS31において、炉外H2/CO情報取得部702は、炉外H2/COセンサ37によって検出された第1合成ガス流通路81内のH2/CO比を示す炉外H2/CO情報を取得する。
ステップS32において、水素供給量調整部704は、ステップS31で取得した炉外H2/CO情報と記憶部72から抽出した目標値とを比較して、第1合成ガス流通路81内のH2/CO比が目標値以下であるか否かを判定する。水素供給量調整部704は、第1合成ガス流通路81のH2/CO比が目標値を超えると判定した場合(ステップS32でNO)、処理をステップS33に移行する。そして、水素供給量調整部704は、ステップS33において、水素供給ポンプ64から第1合成ガス流通路81内への水素の供給を停止し、処理をステップS36に移行する。一方で、水素供給量調整部704は、第1合成ガス流通路81内のH2/CO比が目標値以下であると判定した場合(ステップS32でYES)、処理をステップS34に移行する。
ステップS34において、水素供給量調整部704は、ステップS31で取得した炉外H2/CO情報と記憶部72から抽出した目標値とを比較して、第1合成ガス流通路81内のH2/CO比が目標値と等しいか否かを判定する。水素供給量調整部704は、第1合成ガス流通路81内のH2/CO比が目標値と異なると判定した場合(ステップS34でNO)、処理をステップS35に移行する。そして、ステップS35において、水素供給量調整部704は、水素供給量を増加し、処理をステップS36に移行する。一方で、水素供給量調整部704は、第1合成ガス流通路81内のH2/CO比が目標値と等しいと判定した場合(ステップS34でYES)、ステップS35を介さずに処理をステップS36に移行する。
ステップS36において、温度情報取得部703は、ガス化炉30内の温度を示す温度情報を取得する。
ステップS37において、水素供給箇所切替部705は、ステップS36で取得した温度情報が示すガス化炉30内の温度が所定値である第2切替判定値よりも大きいか否かを判定する。水素供給箇所切替部705は、ガス化炉30の温度が第2切替判定値未満であると判定した場合(ステップS37でNO)、処理をステップS31に戻す。一方で、水素供給箇所切替部705は、ガス化炉30の温度が第2切替判定値を超えると判定した場合(ステップS37でYES)、処理をステップS38に移行する。なお、図8に示す例では、第2切替判定値を第1切替判定値よりも高い値に設定しているが、第1切替判定値と第2切替判定値が等しくてもよい。
ステップS38において、水素供給箇所切替部705は、流路切替弁653の開閉動作を制御して、水素供給ポンプ64による水素供給箇所を第1合成ガス流通路81内からガス化炉30内に切り替える。そして、処理部70は、処理を図7に示すステップS11に戻す。
本実施形態に係る燃料製造システム1によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態に係る燃料製造システム1は、バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造システム1であって、バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化炉30と、ガス化炉30によって生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置4と、再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から水素を生成する電解装置60と、電解装置60によって生成された水素を、ガス化炉30内及びガス化炉30に至るバイオマス原料の原料供給路20内を含む原料供給領域A又はガス化炉30から合成ガスが排出される合成ガス排出領域Bに供給する水素供給ポンプ64と、ガス化炉30の温度を検出する温度センサ312と、温度センサ312により検出された温度に基づいて、水素供給ポンプ64による水素供給箇所を原料供給領域Aと合成ガス排出領域Bとに切り替える制御装置7と、を備える。
ここで、図3~図6に示す例で上述したように、ガス化炉30に水素を供給することで二酸化炭素の発生量を抑制できるものの、ガス化炉30内の温度が低い場合、供給した水素が副生成物生成に消費され、燃料収率の高い一酸化炭素の増加量が減少する傾向にある。これに対して、燃料製造システム1では、ガス化炉30の温度に基づいて、水素供給箇所をガス化炉30に水素が供給される原料供給領域Aとガス化炉30よりも下流側の合成ガス排出領域Bとに切り替える。これにより、例えばガス化炉30内の温度が高いときに水素供給箇所を原料供給領域Aに設定して合成ガスのH2/CO比を調整しつつガス化炉30内で発生する二酸化炭素量を抑え、ガス化炉30の温度が低いときに水素供給箇所をガス化炉30よりも下流側に切り替えることができる。即ち、ガス化炉30への水素供給による一酸化炭素の生成効率が低下し、副生成物の生成量が増加する場合に、水素供給箇所を副生成物の生成が起こらないガス化炉30よりも下流側に切り替え、H2/CO比の調整のみに水素を使用することができる。よって、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、液体燃料製造装置に供給される合成ガス組成の水素供給による調整を効率的に行うことができる。また副生成物の発生量も抑制できるので、処理コストも低減できる。したがって、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、水素供給による燃料製造効率の向上効果を最大化することができる。
また本実施形態に係る燃料製造システム1は、再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から水素を生成する電解装置60を更に備え、水素供給ポンプ64は、電解装置60によって生成された水素を原料供給領域A又は合成ガス排出領域Bに供給する。これにより、システム全体での二酸化炭素の発生量をより抑制できる。
また本実施形態に係る燃料製造システム1において、制御装置7は、温度センサ312により検出された温度が所定値以下のときに、水素供給ポンプ64による水素供給箇所を原料供給領域Aから合成ガス排出領域Bに切り替える。これにより、水素をガス化炉30に供給することで合成ガス組成の調整と二酸化炭素の発生量の抑制を行い、温度が低くなった場合に、合成ガス組成の調整のみに水素を使用するように切り替えることができる。よって、ガス化炉30から発生する二酸化炭素量を抑制しつつ、水素供給による合成ガス組成の調整を効率的に行うことができる。
また本実施形態に係る燃料製造システム1において、制御装置7は、水素供給ポンプ64による水素供給量を制御し、合成ガス排出領域Bを流通する合成ガスのH2/CO比を調整する。これにより、水素供給箇所をガス化炉30よりも下流側に切り替えた場合であっても、より確実に所望のH2/CO比の合成ガスを液体燃料製造装置4に供給することができる。
また本実施形態に係る燃料製造方法は、バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造方法であって、バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスをガス化炉30で生成する合成ガス生成工程と、合成ガス生成工程で生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造工程と、ガス化炉30内及びガス化炉30に至るバイオマス原料の原料供給路20内を含む原料供給領域A又はガス化炉30から合成ガスが排出される合成ガス排出領域Bに水素を供給する水素供給工程と、ガス化炉30の温度を検出する温度検出工程と、温度検出工程で検出された温度に基づいて、水素供給工程における水素供給箇所を原料供給領域Aと合成ガス排出領域Bとに切り替える切替工程と、を含む。これにより、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、液体燃料の製造に用いられる合成ガスの組成の水素供給による調整を効率的に行うことができる。また副生成物の発生量も抑制できるので、処理コストも低減できる。したがって、システム全体での二酸化炭素の発生量を抑制しつつ、水素供給による燃料製造効率の向上効果を最大化することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
1 燃料製造システム
4 液体燃料製造装置
7 制御装置
20 原料供給路
30 ガス化炉
60 電解装置
64 水素供給ポンプ(水素供給装置)
312 温度センサ(温度検出部)
A 原料供給領域
B 合成ガス排出領域
4 液体燃料製造装置
7 制御装置
20 原料供給路
30 ガス化炉
60 電解装置
64 水素供給ポンプ(水素供給装置)
312 温度センサ(温度検出部)
A 原料供給領域
B 合成ガス排出領域
Claims (5)
- バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造システムであって、
バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化炉と、
前記ガス化炉によって生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置と、
前記ガス化炉内及び前記ガス化炉に至るバイオマス原料の原料供給路内を含む原料供給領域又は前記ガス化炉から合成ガスが排出される合成ガス排出領域に水素を供給する水素供給装置と、
前記ガス化炉の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部により検出された温度に基づいて、前記水素供給装置による水素供給箇所を前記原料供給領域と前記合成ガス排出領域とに切り替える制御装置と、を備える燃料製造システム。 - 再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から水素を生成する電解装置を更に備え、
前記水素供給装置は、前記電解装置によって生成された水素を前記原料供給領域又は前記合成ガス排出領域に供給する請求項1に記載の燃料製造システム。 - 前記制御装置は、前記温度検出部により検出された温度が所定値以下のときに、前記水素供給装置による水素供給箇所を前記原料供給領域から前記合成ガス排出領域に切り替える請求項1に記載の燃料製造システム。
- 前記制御装置は、前記水素供給装置による水素供給量を制御し、前記合成ガス排出領域を流通する合成ガスのH2/CO比を調整する請求項1~3のいずれかに記載の燃料製造システム。
- バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造方法であって、
バイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスをガス化炉で生成する合成ガス生成工程と、
合成ガス生成工程で生成された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造工程と、
前記ガス化炉内及び前記ガス化炉に至るバイオマス原料の原料供給路内を含む原料供給領域又は前記ガス化炉から合成ガスが排出される合成ガス排出領域に水素を供給する水素供給工程と、
前記ガス化炉の温度を検出する温度検出工程と、
前記温度検出工程で検出された温度に基づいて、前記水素供給工程における水素供給箇所を前記原料供給領域と前記合成ガス排出領域とに切り替える切替工程と、を含む燃料製造方法。
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