成果報告書詳細
管理番号20120000001225
タイトル平成22?平成23年度 バイオマスエネルギー技術研究開発 戦略的次世代バイオマスエネルギー利用技術開発事業(次世代技術開発) 反応空間制御による高度バイオマス熱分解技術の研究開発
公開日2013/3/20
報告書年度2010 - 2011
委託先名JFEエンジニアリング株式会社 国立大学法人九州大学
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約タイトル: バイオマスエネルギー技術研究開発/戦略的次世代バイオマスエネルギー利用技術開発事業(次世代技術開発)/反応空間制御による高度バイオマス熱分解技術の研究開発 平成22?23年度成果報告書
食料と競合せず、賦存量も多い木質系・草本系バイオマスの利活用をよりいっそう進めるには、扱いやすく付加価値の高い燃料形態に、低コストで変換することが必須である。 バイオマスを熱分解することで、炭・タール・可燃ガスが得られるが、従来の熱分解技術はエネルギー収率やコストに課題がある場合が多く普及は限定的で、技術的にも重質タールによるタールトラブルの克服は難題であった。そこで、バイオマスタールの高い反応性に着目し、熱分解時に発生するタール蒸気の反応を促進させ、タールの軽質化を進めるとともに、タールの炭化反応(化学気相析出・共炭化)を促すことで有用な炭化物の収率を高める技術を提案し、研究開発を実施した。特に、シンプルな構造でありながら発生タールを炉内に封じ込め、気固接触と実質的な滞留時間を稼ぐことで前記反応を促進できる移動層熱分解炉の開発を実施した。
気固間の物理化学相互作用を制御する高度熱分解法の研究開発では、移動層熱分解炉を実験室規模で模擬し、炉内で生じる現象(熱分解、タール収着、共炭化)や生成物分布を調査、理解するための試験手法を開発し、さらに生成バイオオイルの性状分析を行ない、本提案プロセスで流出する凝縮成分が、タールとバイオマスおよびチャーとの相互作用により、その一部が炭化物へと転換するため、重質成分が少ないこと、ベンチプラント生成タールの加熱残渣が5 %程度であることなどを明らかにした。加えて、ベンチ試験で得られたタールおよび木酢液に含まれる化合物をGC/MSで詳細に分析し、90種類以上の化合物を同定、(半)定量し、用途開発にむけた基礎知見を得た。また、本提案プロセスの実規模プラントの設計、操作条件の最適化を支援するための熱流体解析技術を開発した。
ベンチスケール移動層熱分解炉を用いた熱分解技術の研究開発は、具体的な反応装置の形態を明確化することを目的として実施し、下記の成果を得た。
○ ベンチスケール移動層熱分解実験炉を試作し、安定に運転できることを実証した。
○ 気固間の物理化学相互作用を制御する高度熱分解法の研究開発の成果を反映させ、ベンチスケール移動層熱分解炉により、熱分解時に発生するタール蒸気の反応を促進させ、タールの軽質化を進めるとともに、タールの炭化反応(化学気相析出・共炭化)を促すことで有用な炭化物の収率を高めることができることを明らかにした。発電や製鉄に使用できる石炭(微粉炭)レベルの炭化物を収率40wt%以上(ドライベース)で製造できることを確認した。
○ 得られる炭化物が、一般的なバイオマス炭化物に比べてブリケット化特性に優れることを見出し、高価値な炭化物として利用できる可能性を示した。
○ 得られるタール(副生オイル)は重質タールをほとんど含まない軽質でハンドリング性の良い物性となり、高価値な燃料として利用できる見通しを得た。
以上のように、熱分解時に発生するタール蒸気の反応を促進させ、タールの軽質化を進めるとともに、タールの炭化反応(化学気相析出・共炭化)を促すことで有用な炭化物の収率を高める技術の基礎を確立した。
英文要約Title: Research and development of advanced biomass pyrolysis technology by intensifying char/volatile interactions (FY2010-FY2011) Final Report
This collaborative research between JFE Engineering Corporation and Kyushu University is aiming at developing a pyrolysis technology of biomass which enables us to maximize charcoal yields and to make tar lighter. Our strategy in obtaining a high yield of charcoal from biomass pyrolysis is to facilitate co-carbonization of biomass and volatiles, in particular tar, derived from biomass pyrolysis by intensifying char/biomass and tar interactions inside the reactor. Moving-bed pyrolyzer is one of the most promising reactors to realize the co-carbonization extensively. The major purpose of this project is thus to design the reactor and develop operation technologies towards developing an efficient conversion process of biomass resources. The project consists of two major parts; the first one is a fundamental research by using a lab-scale simulated moving bed reactor and another one is to develop a bench scale up-draft biomass pyrolyzer. The outputs of this project can be summarized as followings;
1. A laboratory scale simulated moving bed reactor has been developed. The reactor consists of a number of serially connected fixed bed reactors. Biomass particles can be packed in each fixed bed reactor and the serially connected fixed bed reactors can be lifted from the bottom of the electric furnace at a controlled moving rate. Using this reactor, it is possible to evaluate several processes included in the biomass pyrolysis at up-draft moving bed reactor such as volatile release, tar sorption in/on biomass, tar reforming at charcoal surface, and co-carbonization of biomass/char and tar. The fundamental knowledge accumulated with these simulated experiments towards maximizing the charcoal yields as well as minimizing the heavy tar yields provided guidelines useful for operating the bench-scale pilot plant. The analysis of light oil produced as a by-product was also performed to get qualitative/quantitative insights into the chemical composition towards the practical application. Numerical simulation with computational fluid dynamics and chemistry model was also conducted for the pyrolyzer and the biogas combustor to support scaling-up and commercialization of the proposed process.
2. A bench scale up-draft moving bed pyrolyzer has been designed and constructed. The bench scale pyrolyzer was demonstrated successfully with stable operation. It was confirmed that the bench scale pyrolyzer can produce charcoal in more than 40% yield from biomass, and the yield was superior to the conventional technology.
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