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再表2016-135979超臨界水ガス化システムおよびガス化方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2016年9月1日
【発行日】2017年4月27日
(54)【発明の名称】超臨界水ガス化システムおよびガス化方法
(51)【国際特許分類】
   C10J 3/02 20060101AFI20170407BHJP
   C10J 3/80 20060101ALI20170407BHJP
   C10J 3/78 20060101ALI20170407BHJP
【FI】
   C10J3/02 H
   C10J3/80
   C10J3/78
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】19
【出願番号】特願2016-544171(P2016-544171)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2015年2月27日
(11)【特許番号】特許第6070906号(P6070906)
(45)【特許公報発行日】2017年2月1日
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US
(71)【出願人】
【識別番号】000211307
【氏名又は名称】中国電力株式会社
【住所又は居所】広島県広島市中区小町4番33号
(71)【出願人】
【識別番号】504136568
【氏名又は名称】国立大学法人広島大学
【住所又は居所】広島県東広島市鏡山1丁目3番2号
(71)【出願人】
【識別番号】596133119
【氏名又は名称】中電プラント株式会社
【住所又は居所】広島県広島市南区出汐2丁目3番18号
(71)【出願人】
【識別番号】592148878
【氏名又は名称】株式会社東洋高圧
【住所又は居所】広島県広島市西区楠木町2丁目1番22号
(74)【代理人】
【識別番号】110000176
【氏名又は名称】一色国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】和田 泰孝
【住所又は居所】広島県広島市中区小町4番33号 中国電力株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】松村 幸彦
【住所又は居所】広島県東広島市鏡山1丁目3番2号 国立大学法人広島大学内
(72)【発明者】
【氏名】川井 良文
【住所又は居所】広島県広島市南区出汐2丁目3番18号 中電プラント株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】野口 琢史
【住所又は居所】広島県広島市西区楠木町2丁目1番22号 株式会社東洋高圧内
(57)【要約】
本発明では、バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理するガス化反応器141と、ガス化反応器141で超臨界水によりガス化処理される前にスラリー体を予熱する熱交換器130とを備え、超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する超臨界圧ボイラ140(180)を設け、熱交換器130は、超臨界圧ボイラ140(180)から排出される蒸気を利用してスラリー体を予熱する。これにより、熱交換器130にて含水性バイオマスを含むスラリー体を、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して予熱することで熱交換器130をコンパクト化し、タールやチャーの生成を抑制して、熱交換器130の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理するガス化反応器と、前記ガス化反応器で超臨界水によりガス化処理される前に前記スラリー体を予熱する熱交換器と、を備える超臨界水ガス化システムであって、
超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部を設け、
前記熱交換器は、前記加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする超臨界水ガス化システム。
【請求項2】
前記熱交換器は複数設けられ、当該複数の熱交換器のうちの少なくとも一つの熱交換器では、前記スラリー体を予熱した後の前記蒸気を利用して、前記ガス化反応器によって生成される生成物を冷却することを特徴とする請求項1に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項3】
前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
前記超臨界圧ボイラの燃焼を利用して前記ガス化反応器を加熱することを特徴とする請求項1または2に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項4】
前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
前記超臨界圧ボイラから排出される前記蒸気の熱を利用して前記ガス化反応器を加熱することを特徴とする請求項1または2に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項5】
前記加熱部は、
前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラと、
前記ガス化反応器を加熱する反応器用ボイラと、
を備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項6】
前記超臨界圧ボイラは、
前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項7】
バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理する工程と、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に前記スラリー体を熱交換器にて予熱する工程と、を備える超臨界水ガス化方法であって、
前記熱交換器は、超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする超臨界水ガス化方法。
【請求項8】
請求項2〜5のいずれか一項に記載の超臨界水ガス化システムを用いた超臨界水ガス化方法であって、
前記超臨界圧ボイラは、
前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することを特徴とする請求項7に記載の臨界水ガス化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バイオマスに水および触媒を添加して調整されたスラリー体を、超臨界状態で分解処理して燃料ガスを生成する超臨界水ガス化システムおよびガス化方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、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該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ガス化システムが開発されている(例えば、特許文献1および2参照)。
【0003】
ここで、一般的なバイオマスによるガス化システムは、熱交換器・加熱器およびガス化反応器等を含んで構成され、加水分解によって有機物を水素・メタン・エタン・一酸化炭素・二酸化炭素等にガス化する。例えば、熱交換器は、スラリー状のスラリー体を加熱する装置である。このスラリー体は、焼酎残渣・採卵鶏糞・汚泥等のバイオマスに、水および活性炭(触媒)を加えて混合することで調整される。加熱器は、熱交換機で加熱されたスラリー体をガス化反応温度である600℃まで昇温する装置である。ガス化反応器は、このスラリー体を水熱処理して有機物をガス化し、超臨界状態の高温流体にする装置である。超臨界状態となった流体は、その後気液分離され、気体分が燃料ガスとして利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2007−271146号公報
【特許文献2】特開2009−242697号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述のような超臨界水ガス化システムにおいては、ガス化の際に触媒として使用される非金属触媒(例えば、活性炭)の微細粉末やガス化の際に生成されるタール・チャーなどによって二重管式熱交換器の二重管における外管と内管との間に閉塞が生じる場合がある。
【0006】
具体的に、例えば、ガス化反応後の処理後流体は、全長約100mの二重管式熱交換器において、スラリー体と熱交換することにより、約600℃から約120℃へ水温が下がる。その後、さらに冷却して気水分離することでガスと排水に分離される。そして、ガスは燃料として使用し、余剰ガスはタンクへ蓄圧して別途使用する。
【0007】
このとき、かかる二重管式熱交換器では、処理後流体の熱を原料の加熱に利用している。ところが、二重管式熱交換器の中間部分では、水物性の関係から温度差が小さくなるため熱交換が非効率になる。これは、原料圧力が処理後流体圧力より高圧となるため、原料擬臨界点温度が処理後流体擬臨界点温度より高くなるが、水は擬臨界点において定圧比熱が最大となるため、熱交換器内の大きな範囲において処理後流体と原料の温度差が小さくなり、熱交換が進まないことが原因である。
【0008】
また、熱交換器は、高温高圧に耐え得るために、高価な材料の厚肉配管を用いて、法的規制をクリヤした技士が溶接を行うことから高価である。従って、極力小型の熱交換器を用いて、効率よく温度上昇させたい要望がある。例えば、全長の長い熱交換器の場合、温度上昇に時間が掛かる。そして、中温部・高温部でタールやチャーが生成されるため、ここでの反応時間が長くなるとタールの生成量が増大し、ひいては熱交換器出口で配管が閉塞するリスクを上昇させる原因となってしまう問題があった。
【0009】
そこで、本発明者等は、上述したスラリー体が熱交換器において目詰まりを起こすことに起因した流路の閉塞を防止すること、およびガス化効率の向上の観点から、このスラリー体を、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して予熱することに着目した。
【0010】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱交換器にて含水性バイオマスを含むスラリー体を、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して予熱することで熱交換器をコンパクト化し、タールやチャーの生成を抑制して、熱交換器の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる超臨界水ガス化システムおよびガス化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記課題を解決するために、本発明に係る超臨界水ガス化システムは、
バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理するガス化反応器と、前記ガス化反応器で超臨界水によりガス化処理される前に前記スラリー体を予熱する熱交換器と、を備える超臨界水ガス化システムであって、
超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部を設け、
前記熱交換器は、前記加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする。
【0012】
また、本発明に係る超臨界水ガス化システムは、
前記熱交換器が複数設けられ、当該複数の熱交換器のうちの少なくとも一つの熱交換器では、前記スラリー体を予熱した後の前記蒸気を利用して、前記ガス化反応器によって生成される生成物を冷却することとしてもよい。
【0013】
前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
前記超臨界圧ボイラの燃焼を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。
【0014】
前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
前記超臨界圧ボイラから排出される前記蒸気の熱を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。
【0015】
前記加熱部は、
前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラと、
前記ガス化反応器を加熱する反応器用ボイラと、
を備えていることとしてもよい。
【0016】
前記超臨界圧ボイラは、
前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することとしてもよい。
【0017】
また、本発明に係る超臨界水ガス化方法は、
バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理する工程と、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に前記スラリー体を熱交換器にて予熱する工程と、を備える超臨界水ガス化方法であって、
前記熱交換器は、超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする。
【0018】
このとき、前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、前記超臨界圧ボイラの燃焼を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。また、前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、前記超臨界圧ボイラから排出される前記蒸気の熱を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。さらに、前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラと、前記ガス化反応器を加熱する反応器用ボイラと、を備えていることとしてもよい。
【0019】
なお、熱交換器での予熱処理は、反応器での水熱処理を考慮して、600℃の温度、および25MPaの圧力の条件下で行うことが好ましい。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、熱交換器にて含水性バイオマスを含むスラリー体を、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して予熱することで熱交換器をコンパクト化し、タールやチャーの生成を抑制して、熱交換器の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる超臨界水ガス化システムおよびガス化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
図1】本発明の一実施形態として説明する超臨界水ガス化システムの概略構成を示す図である。
図2】本発明の他の実施形態として説明する超臨界水ガス化システムの概略構成を示す図である。
図3】本発明の他の実施形態として説明する超臨界水ガス化システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の好ましい実施形態を、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。
【0023】
==本発明に係る超臨界水ガス化システムの全体構成==
図1は、本発明の一実施形態として説明する超臨界水ガス化システムの概略構成を示す図である。図1に示すように、本発明に係る超臨界水ガス化システム(以下、適宜、単に「システム」と称する場合がある。)は、調整タンク100、破砕機110、供給ポンプ120、第一熱交換器130、第二熱交換器131、第三熱交換器132、超臨界圧ボイラ140、ガス化反応器141、過熱器142、ボイラ水冷壁143、給水ポンプ150、蒸気タービン160、復水器161、気液分離器170、ガスタンク171、触媒回収器172などを備えており、供給ポンプ120と第一熱交換器130の間、第一熱交換器130とガス化反応器141の間、ガス化反応器141と第二熱交換器131の間、および、第二熱交換器131と第三熱交換器132の間は、それぞれ配管によって接続されている。
【0024】
なお、本実施形態の場合、ガス化反応器141は、含水性バイオマスに水や非金属系触媒を加えて混合し調整したスラリー体を超臨界水でガス化処理するものであり、少なくとも第一熱交換器(すなわち、ガス化反応器141で超臨界水によりガス化処理される前にスラリー体を予熱する熱交換器としての第一熱交換器130)は、二重管式熱交換器で構成されている場合について述べるが、本発明はこれに限ることはない。
【0025】
調整タンク100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。本システムにおいて処理されるスラリー体は、調整タンク100に投入された含水性バイオマスおよび非金属系触媒、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、上記非金属系触媒としては、例えば、活性炭、ゼオライト、これらの混合物などを用いることができるが、平均粒径200μm以下の粉末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。
【0026】
破砕機110は、調整タンク100で調製したスラリー体中のバイオマスを破砕して、バイオマスを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。なお、スラリー体としてバイオマスのスラリー体を混合させる場合には、本システムに破砕機110を設けなくてもよい。
【0027】
加熱部としての超臨界圧ボイラ140は、後述するガス化反応器141を含んで構成され、自身の燃焼を熱源としてガス化反応器141を加熱すると共に、供給ポンプ150から供給される水を加熱することによって発生する、超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を後述する第一熱交換器130へと供給する。
【0028】
ガス化反応器141は、調整タンク100で調製したスラリー体または破砕機110でバイオマスを破砕したスラリー体に懸濁させた非金属系触媒を触媒として、スラリー体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、前述の非金属系触媒を利用して、374℃以上の温度、及び22.1MPa以上の圧力の条件下で行うことができるが、タールやチャーの発生を抑制するとともに炭素ガス化率を高めることができる温度及び圧力下(600℃以上、25〜35MPaの範囲内)で行うことが好ましい。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。
【0029】
また、ガス化反応器141は、その内部温度、外部温度または加温温度を測定する温度測定装置と、ガス化反応器141の内部温度、加熱温度または加圧圧力を測定するための圧力測定装置と(共に図示せず)、を備えることが好ましい。
【0030】
なお、本実施形態においては、ガス化反応器141がコイル状の配管を燃焼ガスで加温する場合について説明する。かかる管状反応器を用いた場合、前後の配管(すなわち、第一熱交換器130と連結する配管、および、第二熱交換器131と連結する配管)に比べて、太さを太くすることで、反応時間を一定時間確保できるようにすることができる利点がある。なお、ガス化反応器としては、これに限定されるものではなく、前述の条件下でバイオマスを含むスラリー体を水熱処理することができる装置であれば特に制限されるものではない。ガス化反応器としては、この他、流動層反応器等がある。
【0031】
二重管式熱交換器として構成される第一熱交換器130は、超臨界圧ボイラ140から供給される超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気(この場合、600℃の温度、および25MPaの圧力の条件下からなる蒸気)の熱を利用して、ガス化反応器141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したスラリー体を所定の温度(この場合、600℃)まで予め加熱(予熱)する装置である。
【0032】
ここで、従来の二重管式熱交換器では、その中間部分において、水物性の関係から温度差が小さくなる(すなわち、原料圧力が処理後流体の圧力より高圧となるため、原料擬臨界点温度が処理後流体の擬臨界点温度より高くなるが、水は擬臨界点において定圧比熱が最大となるため、熱交換器内の大きな範囲において処理後流体と原料の温度差が小さくなる)ため、単位伝熱面積当たりの交換熱量が小さくなり、熱交換が非効率になる場合があった。
【0033】
また、従来の二重管式熱交換器では、熱交換効率を上げるべく全長が長く形成されていたことから温度上昇に時間が掛かり、中温部・高温部でタールやチャーが生成され、更にはここでの反応時間が長くなることに起因してタールの生成量が増大し、ひいては熱交換器内やその出口で配管が閉塞する場合があった。
【0034】
そこで、本システムでは、第一熱交換器130において、超臨界圧ボイラ140から供給される超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気(この場合、600℃の温度、および25MPaの圧力の条件下からなる蒸気)を利用して、上記スラリー体を予熱するようにした。すなわち、第一熱交換器130は、ガス化反応器141に供給されるスラリー体を、当該ガス化反応器141で超臨界水によりガス化処理される前に600℃まで予熱する。
【0035】
具体的には、図示省略するが、第一熱交換器130における二重管は既存の二重管式熱交換器と同様に、外管と内管とから構成されており、前記スラリー体が内管内の流路を流れ、前記蒸気が外管と内管との間の流路を流れる。すなわち、内管内の流路に上記スラリー体が流れてガス化反応器141に供給され、外管と内管との間の流路に対して、スラリー体が流れる方向とは逆方向に、上記蒸気が流れて第二熱交換器131に供給されるように、第一熱交換器130が本システムに設けられている。
【0036】
このように、第一熱交換器130において、超臨界圧ボイラ140から供給される超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して、上記スラリー体を予熱することにより、第一熱交換器130を従来に比して大幅にコンパクト化することができる。また、タールやチャーの生成を抑制して、第一熱交換器130の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができるようになっている。
【0037】
冷却器として機能する第二熱交換器131は、第一熱交換器130を介してガス化反応器141から供給される排出物を冷却するための装置である。この第二熱交換器131では、上記排出物を600℃の温度の条件下から、150℃〜200℃の温度の条件下にまで冷却する。また、同様に冷却器として機能する第三熱交換器132は、第二熱交換器131から供給される排出物を冷却するための装置である。この第三熱交換器132では、上記排出物を150℃〜200℃の温度の条件下から、ほぼ常温の条件下にまで冷却する。
【0038】
減圧装置133は、第三熱交換器132と気液分離器170との間に配設され、ガス化反応器141から第二熱交換器131および第三熱交換器132を介して排出される排出物を25MPa程度の圧力から、ほぼ大気圧の条件下にまで減圧する。本システムでは、ガス化反応器141から排出される排出物には、可燃性の高い燃料ガス(例えば、水素、メタン、エタン、エチレンなど)や水蒸気(超臨界水)等の生成ガスが含まれているので、冷却し減圧する事で、危険性を低減させたり、水蒸気を水に変換させたりする役目を果たすようになっている。
【0039】
なお、本実施形態においては、ガス化反応器141から排出された排出物を冷却する装置として第二熱交換器131や第三熱交換器132を例に挙げて説明したが、ガス化反応器141から排出された排出物を冷却することができる装置であればどのような装置を用いてもよい。かかる冷却器としては、第二熱交換器131や第三熱交換器132に限ることはなく、この他、例えば、クーラーなどであってもよい。また、減圧器としても同様に、減圧装置133に限ることはない。
【0040】
また、前述の熱交換器も向流式に限ることは無く、例えば、並流式でも良い。さらに、二重管式熱交換器に限ることは無く、例えば、スパイラル式やプレート式の熱交換器でも良い。
【0041】
以上のように、本システムに第一〜第三熱交換器130〜132を備えることにより、エネルギーを有効に利用できるので、低エネルギー・低コストで含水性バイオマスから燃料ガスを生成できるようになる。また、第一熱交換器130を備えることにより、ガス化反応器141での加熱時間が大幅に短縮されるので、含水性バイオマスから燃料ガスの生成を効率的に行うことができる。従って、少なくとも第一熱交換器130を備えた本システムは(第二熱交換器131および第三熱交換器132を含んだ場合は更に)、経済性に優れているといえる。
【0042】
気液分離器170は、ガス化反応器141,第二熱交換器131および第三熱交換器132を順次介して供給された排出物を、燃料ガス等の生成ガスを含む気体成分と、水または灰分およ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。この気液分離器170としては、セパレーター等の既存の気液分離器を用いることができる。
【0043】
ガスタンク171は、気液分離器170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。
【0044】
超臨界圧ボイラ140内に配置された過熱器142は、給水ポンプ150から送られ水冷壁143で加熱された蒸気や第2熱交換器で加熱された蒸気の温度を、ガスタンク171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(LPG等)の、酸素を含むガス中での燃焼熱を使って、更に上昇させるための熱交換用の配管群である。また、超臨界圧ボイラ140は、ガスタンク171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(LPG等)の、酸素を含むガス中での燃焼熱を使って加熱された前述の蒸気によって第一熱交換器130を加熱することで、含水性バイオマスに非金属系触媒を懸濁したスラリー体を所定の温度(この場合、600℃)まで予め加熱する装置である。なお、超臨界圧ボイラ140の燃料は、ガス燃料に限ることは無く、石炭や木質バイオマスなどの固体燃料や重油や軽油などの液体燃料でも良い。
【0045】
供給ポンプ120は、調整タンク100で調製したスラリー体または破砕機110でバイオマスを破砕したスラリー体を第一熱交換器130に供給する装置である。スラリー体は、第一熱交換器130(二重管の内管内の流路)を介してガス化反応器141に供給される。供給ポンプ120は、例えば、高圧ピストンポンプやダイアフラムポンプなどを用いることができる。
【0046】
蒸気タービン160は、例えば、不図示の火力発電所におけるボイラ内に配設され、本システム(具体的には、超臨界圧ボイラ140内の過熱器142)と伝熱管を介して接続されている。そして、超臨界圧ボイラ140から排出される前記蒸気の熱、ガス化反応器141で前記スラリー体を燃焼することにより生じた熱、または第一熱交換器130および第二熱交換器131を順次介して過熱器142から供給される前記蒸気の熱などを利用して伝熱管内に蒸気を発生させることで、蒸気タービン160を回転させ、この蒸気タービン160と同軸に接続される不図示の発電機が稼動することで発電する。蒸気タービン160を回転させた後の蒸気は、復水器161により復水にされ、第三熱交換器132を通り、再び復水器161内へ導かれる。
【0047】
なお、本実施形態では図示省略しているが、本システムに、ガスタンク171に貯えられた生成ガス(燃料ガス)を燃料として利用することで発電する発電装置を備えるようにしてもよい。この場合、発電装置は、例えば、ガスエンジン(レシプロエンジン、ロータリーエンジン)、蒸気タービン、スターリングエンジン、燃料電池などの既存の装置を広く適用できる。
【0048】
また、本システムに予め含水性バイオマスを熱水処理する前処理装置を備えることにより、バイオマスを高分子から低分子に分解することができるので、ガス化反応器141において処理されるバイオマスと水や非金属系触媒との接触効率を高め、チャーやタールの発生の更なる抑制が可能となると共に、バイオマスから燃料ガスを効率よく生成することが可能になる。
【0049】
さらに、本システムに、第二,第三熱交換器131,132、気液分離器170などを備えることにより、ガス化反応器141から排出される排出物から燃料ガスを含む生成ガスを安全に回収することができるようになる。
【0050】
また、本システムに、バイオマスを破砕する破砕機110を備えることにより、バイオマスを予め破砕することができるので、バイオマスのスラリー化やガス化の効率を高めることができるようになる。
【0051】
さらに、本システムにより得られた燃料ガスを用いて、ガスエンジンによる発電を行うことにより、電力と排熱を得ることができるので、石炭、石油等の化石燃料の省資源化を図ることが可能になる。
【0052】
さらに、本システムにおける第一熱交換器130とガス化反応器141との間に加熱器(不図示)を設け、第一熱交換器130からガス化反応器141へと移送されるスラリー体を加熱(予熱)することで、当該スラリー体の温度低下や昇温不足などにより600℃に満たない状態を未然に回避し、ガス化反応器141に対してスラリー体を確実に600℃の状態で移送するようにしても良い。
【0053】
以上、説明したように、本システムは、含水性バイオマスを含むスラリー体を懸濁させたスラリー体を超臨界水でガス化処理するガス化反応器141と、ガス化反応器141で超臨界水によりガス化処理される前に前記スラリー体を予熱する第一熱交換器130と、を備えており、超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部として超臨界圧ボイラ140を設け、第一熱交換器130は、超臨界圧ボイラ140から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することにより、第一熱交換器130を従来に比してコンパクト化することができると共に、タールやチャーの生成を抑制して、第一熱交換器130の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる。
【0054】
なお、加熱部としては、前述の蒸気を排出する超臨界圧ボイラ140を備え、超臨界圧ボイラ140は、ガス化反応器141を含んで構成され、当該超臨界圧ボイラ140の燃焼を利用してガス化反応器141を加熱することとしてもよい。この場合、ガス化反応器141を加熱する加熱手段を別体で設ける必要がなく、システム全体として構成の簡略化を図ることができる。
【0055】
また、加熱部としては、例えば、図1との対応部分に同一符号を付した図2に示すように、前述の蒸気を排出する超臨界圧ボイラ180を備えており、当該超臨界圧ボイラ180から排出される前述の蒸気の熱を利用して、加熱部(すなわち、超臨界圧ボイラ180)とは別体で設けられたガス化反応器141を加熱することとしてもよい。このとき、ガス化反応器141には、超臨界圧ボイラ180から蒸気を供給されるコイル状の加熱用配管などが、当該ガス化反応器141の外部(外周面)または内部(内周面)に配設されることが好ましい。この場合、超臨界圧ボイラ180から排出される超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を熱源として有効利用できるので、ガス化反応器141を効率よく加熱することが可能となる。
【0056】
さらに、加熱部としては、例えば、図1との対応部分に同一符号を付した図3に示すように、前述の蒸気を排出する超臨界圧ボイラ180と、ガス化反応器141を加熱する反応器用バーナ144と、を備えていることとしてもよい。この場合、ガス化反応器141を加熱する反応器用バーナ144を備えることから、超臨界圧ボイラ180によって排出される超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を第一熱交換器130における予熱にのみで利用するので、蒸気の使用量を減らすことができる。
【0057】
しかも、超臨界圧ボイラ140,180は、前述のガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することとしてもよい。この場合、ガス化処理によって生成された生成ガスを有効利用できるため、省エネルギー化を図ることができる。なお、ここでは便宜上、図示を省略するが、図2及び図3に示す超臨界圧ボイラ180は、超臨界圧ボイラ140と同様に過熱器・水冷壁・バーナを備えて構成されている。
【0058】
さらに、本システムは、第一熱交換器130にてスラリー体を予熱した後の前述の蒸気を第二熱交換器131に供給して利用することで、ガス化処理によって生成された生成物を冷却することとしてもよい。
【0059】
なお、第一熱交換器130での予熱処理は、ガス化反応器141での水熱処理を考慮して、600℃の温度、および25MPaの圧力の条件下で行うことが好ましい。
【0060】
==超臨界水によるバイオマスガス化方法==
次に、本実施の一形態として、バイオマスとバイオマスに含まれる水との供給量を調節しながら、バイオマスを超臨界水でガス化する方法について説明する。
【0061】
まず、調整タンク100でバイオマスと非金属系触媒と水を混合した混合物を調製する(調整工程)。非金属系触媒とバイオマス(乾燥状態のバイオマス)との質量比としては、1:5〜20:1の範囲内であることが好ましく、バイオマスのガス化効率が高い1:2〜20:1の範囲内であることが特に好ましい。また、混合する水の量は、バイオマスの含水率が70〜95wt%となるように調整することが好ましい。これにより、バイオマスの超臨界水によるガス化効率を高めることができる。
【0062】
前述のように、バイオマスに混合させる非金属系触媒と水の量を調整して、これらを混合した混合物や混合前のバイオマスは破砕機110で破砕された後(破砕工程)、供給ポンプ120により第一熱交換器130に移送される。第一熱交換器130に供給された非金属系触媒を含むバイオマスのスラリー体は、第一熱交換器130で超臨界圧ボイラ140から供給される前述の蒸気から熱が提供され、所定の温度(600℃)まで予熱された後、ガス化反応器141に移送される(予熱工程)。なお、第一熱交換器130とガス化反応器141との間に加熱器(不図示)を設け、第一熱交換器130から移送されるスラリー体をより確実に600℃まで加熱(予熱)するようにしても良い。
【0063】
ガス化反応器141に供給されたバイオマスのスラリー体は、所定の圧力および所定の温度の条件下で水熱処理される(反応工程)。水熱処理の条件としては、374℃以上の温度で、かつ、22.1MPa以上の圧力下であれば特に制限されるものではないが、タールやチャーの発生を抑制するとともに反応効率を高めることができる温度(600℃)および圧力(25〜35MPaの範囲内)下で行うことが好ましく、機器の負担や劣化防止、さらには省エネルギーの観点から、600℃,25MPaで行うことが特に好ましい。なお、バイオマスから変換された燃料ガス中の成分の比を制御したい場合には、これらの温度および圧力の条件を調節するとともに、流体密度や反応時間(ガス化反応器141内でのバイオマスの滞留時間)を制御することにより可能となる。
【0064】
このようにバイオマスのスラリー体を超臨界水で反応させることにより、バイオマスのスラリー体から燃焼ガスを生成することが可能になる。また、バイオマスを予め高分子から低分子化させることにより、水や非金属系触媒との接触効率を高めることができ、さらには、バイオマスのガス化反応時間を短縮させることができるので、バイオマスのスラリー体から水素ガス、メタン、エタン、エチレン等の燃料ガスをより効率的に生成することができるようになる。
【0065】
ガス化反応器141内でバイオマスのスラリー体を水熱処理することにより生成された生成ガスなどは、ガス化反応器141から排出される。この排出物は、第二熱交換器131において、第一熱交換器130から供給される前述の蒸気に熱を提供することで冷却され、第三熱交換器132において更に冷却された後、減圧装置133で減圧され、気液分離器170へと移送される。気液分離器170に供給された排出物は、燃料ガスを含む生成ガス(気体成分)と、水、あるいは、水、灰分、非金属系触媒等を含む混合液(液体成分)とに分離され、生成ガスはガスタンク171に貯えられる。なお、気液分離器170によって分離された混合液に、水以外の灰分や非金属系触媒などが含まれている場合には、混合液を触媒回収器172によって灰分、非金属系触媒、および、水にそれぞれ分離し、非金属系触媒を回収してもよい。これにより、非金属系触媒を再利用することができるようになる。
【0066】
ガスタンク171に貯えられた生成ガス(燃料ガス)は、超臨界圧ボイラ140や過熱器142に供給される。超臨界圧ボイラ140,過熱器142は、供給された生成ガスを燃料として、例えば、酸素を含むガス中で燃焼して、給水ポンプ150からの水や、ガス化反応器141を加熱する。このとき、超臨界圧ボイラ140にて発生した超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気は、第一熱交換器130に供給されることで、含水性バイオマスのスラリー体を所定温度(600℃)まで予熱する。
【0067】
また、ボイラ内に設置されたバーナにより生成ガスを燃料として、例えば、酸素を含むガス中で燃焼することによって得られた排ガスは、ガス化反応器141に供給されてスラリー体に熱を提供する。ガス化反応器141に熱を提供した排ガス、および、ボイラ内に設置されたバーナにより生成ガスを燃料として、例えば、酸素を含むガス中で燃焼することによって得られた排ガスは、超臨界圧ボイラ140から排出される。
【0068】
一方、第一熱交換器130において前述のスラリー体を予熱した後、第二熱交換器131に供給された蒸気は、ガス化反応器141にて生成された生成物から熱を吸収することで、当該生成物を冷却させた後、過熱器142を介して蒸気タービン160に供給され、当該蒸気タービン160を起動させる。
【0069】
なお、本実施形態において用いられる非金属系触媒としては、例えば、活性炭、ゼオライト、これらの混合物などを挙げることができる。このように、アルカリ触媒ではなく、非金属系触媒を用いることにより、アルカリ触媒が引き起こす機器や配管等の腐食による劣化を防止することができ、本システムの長期使用が実現可能となる。また、アルカリ触媒を中和する処理工程も不要となり、作業性の効率を高めることができるようになる。上記非金属系触媒としては、平均粒径200μm以下の粉末を用いることが好ましく、多孔質であることがより好ましい。このような非金属系触媒を用いることにより、表面積を増やして反応効率を高めるとともに、非金属系触媒による本システム内の機器、配管等の目詰まりを防止することができる。
【0070】
また、本実施形態において処理されるバイオマスが砂等の異物を含む排水汚泥や糞尿等である場合には、第一熱交換器130において予熱処理する前に、公知の分離技術(例えば、ストレイナーを用いた分離法、沈殿層を用いた分離法)によってバイオマスに含まれる砂等の異物を取り除いてもよい。これにより、砂等の異物によって生じるトラブルを防止することができるようになる。
【0071】
さらに、上述した予熱工程では、第一熱交換器130において、超臨界圧ボイラ140から供給される超臨界水ガス化系統圧力以上の高圧の蒸気を利用して、上記スラリー体を予熱することにより、第一熱交換器130を従来に比して大幅にコンパクト化することができる。また、タールやチャーの生成を抑制して、第一熱交換器130の配管が閉塞されることを回避でき、含水性バイオマスからメタンや水素などの燃料ガスをより効率的に生成することができる。
【実施例】
【0072】
以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【0073】
[実施例1]
水97.6質量部、鶏糞2質量部、及び粒径20μmの活性炭0.4質量部を撹拌混合し、180℃,1.1MPaの条件下で熱水処理したバイオマスのスラリー体を、高圧ポンプにより管型反応器に圧入し、600℃,25MPaの条件下で、超臨界水による反応を行った。また、対照実験として、活性炭を添加しないで同様に超臨界水によるガス化反応を行った。その結果、活性炭を添加しない場合には、炭素ガス化率が73%であるのに対し、活性炭を0.4質量部添加した場合には、炭素ガス化率が88%と上昇することが明らかになった。
【0074】
[実施例2]
次に、水80質量部、セルロース粉末20質量部、及び平均粒径100μmの活性炭20質量部を撹拌混合してスラリーを調製した。その後、攪拌機を備えた167mlのオートクレーブにスラリー40mlを注入し、圧力25MPaで撹拌しながら400℃まで温度上昇させて1時間保持して超臨界水によるガス化反応を行った。反応後、室温まで冷却し、生成ガスを回収して炭素ガス化率を求めた。また、対照実験として、活性炭を添加せずに同様の処理を行った。その結果、活性炭を添加しない場合には炭素ガス化率が10%であるのに対し、活性炭を添加した場合には炭素ガス化率が30%と上昇することが明らかになった。
以上のことから、活性炭等の非金属系触媒の添加によりバイオマスのガス化効率を高めることができることが明らかになった。
【符号の説明】
【0075】
100 調整タンク 110 破砕機
120 供給ポンプ 130 第一熱交換器(熱交換器)
131 第二熱交換器 132 第三熱交換器
133 減圧装置 140 超臨界圧ボイラ(加熱部)
141 ガス化反応器 142 過熱器
143 水冷壁 144 反応器用バーナ
150 給水ポンプ 160 蒸気タービン
161 復水器 170 気液分離器
171 ガスタンク 172 触媒回収器
180 超臨界圧ボイラ(加熱部)
図1
図2
図3

【手続補正書】
【提出日】2016年10月12日
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理するガス化反応器と、前記ガス化反応器で超臨界水によりガス化処理される前に前記スラリー体を予熱する熱交換器と、を備える超臨界水ガス化システムであって、
超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部を設け、
前記熱交換器は、前記加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする超臨界水ガス化システム。
【請求項2】
前記スラリー体を予熱した後の前記蒸気を利用して、前記ガス化反応器によって生成される生成物を冷却する熱交換器を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項3】
前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
前記超臨界圧ボイラの燃焼を利用して前記ガス化反応器を加熱することを特徴とする請求項1または2に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項4】
前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、
前記超臨界圧ボイラから排出される前記蒸気の熱を利用して前記ガス化反応器を加熱することを特徴とする請求項1または2に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項5】
前記加熱部は、
前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラと、
前記ガス化反応器を加熱する反応器用ボイラと、
を備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項6】
前記超臨界圧ボイラは、
前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の超臨界水ガス化システム。
【請求項7】
バイオマスを含む原料から生成されたスラリー体を超臨界水でガス化処理する工程と、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に前記スラリー体を熱交換器にて予熱する工程と、を備える超臨界水ガス化方法であって、
前記熱交換器は、超臨界水ガス化系統圧力以上の圧力の蒸気を排出する加熱部から排出される前記蒸気を利用して前記スラリー体を予熱することを特徴とする超臨界水ガス化方法。
【請求項8】
前記加熱部は、
前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することを特徴とする請求項7に記載の超臨界水ガス化方法。
【請求項9】
請求項2に記載の超臨界水ガス化システムを用いることを特徴とする請求項8に記載の超臨界水ガス化方法。
【請求項10】
請求項〜5のいずれか一項に記載の超臨界水ガス化システムを用いた超臨界水ガス化方法であって、
前記超臨界圧ボイラは、
前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することを特徴とする請求項7に記載の超臨界水ガス化方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0012
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0012】
また、本発明に係る超臨界水ガス化システムは、
前記スラリー体を予熱した後の前記蒸気を利用して、前記ガス化反応器によって生成される生成物を冷却する熱交換器を更に備えることとしてもよい。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0018
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0018】
このとき、前記加熱部は、前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することとしてもよく、前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、前記超臨界圧ボイラの燃焼を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。また、前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラを備えており、前記超臨界圧ボイラから排出される前記蒸気の熱を利用して前記ガス化反応器を加熱することとしてもよい。さらに、前記加熱部は、前記蒸気を排出する超臨界圧ボイラと、前記ガス化反応器を加熱する反応器用ボイラと、を備えていることとしてもよい。た、前記超臨界圧ボイラは、前記ガス化処理によって生成された生成物から抽出される生成ガスを燃料として使用することとしてもよい。
【国際調査報告】