成果報告書詳細
管理番号20140000000196
タイトル平成23-24年度成果報告書 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) 高温燃料ガス中における超燃焼を用いたBTLプロセス用ガス改質装置の研究開発
公開日2014/6/24
報告書年度2011 - 2012
委託先名中外炉工業株式会社 国立大学法人大阪大学大学院工学研究科
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約開発項目:平成23年度-平成24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) 高温燃料ガス中における超燃焼を用いたBTLプロセス用ガス改質装置の研究開発」

本研究開発においては、BTL(Biomass to Liquid)プロセスによるバイオ燃料製造技術の一つであるバイオマスのガス化合成プロセスにおいて、高温燃料ガスの部分燃焼改質時における水蒸気による酸化剤の希釈を適用したガス改質装置の研究開発を行った。

ガス改質器の現象を模擬したモデルを用いて,ガス改質器内部の燃焼に対する詳細素反応数値計算を行った。燃焼領域における水蒸気濃度の上昇とともにガス温度が低下し、水素の生成量が減少した。このことから、発生炉ガスの改質過程における水素の生成には各素反応の反応速度に及ぼすガス温度の影響が大きく、水素の生成量を増加させるためには、部分燃焼領域における発熱量とガス組成に応じた適切な温度場を実現するための適当な水蒸気の供給量が存在することが示された。一方で、発生炉ガス中に水蒸気が全く含まれない場合と比較すると、水素が生成される素反応の進行が促進され、水素が消費される素反応の進行が抑制されることで、水蒸気の存在によって水素の生成量が増加する効果が確認された。また、水素の生成には、メタンやタール分に代表される炭化水素からのHラジカルによる水素引き抜き反応に起因することが明らかとなった。

実機のガス改質器を模擬したラボスケール実験装置を用いて、酸化剤中に水蒸気を供給する実験を行い、燃焼器直前までのガス加熱器で予熱された模擬ガスおよび燃焼後の模擬ガスに対するガス成分分析によって、燃焼部と滞留部におけるガス組成の変化を独立して検討した。その結果、滞留部の影響と比較して、燃焼部における発生炉ガスの部分燃焼によるH2/CO比の上昇が顕著であることが分かった。すなわち、炭化水素の水蒸気改質反応は燃焼部で主に起きていると言える。
さらに、水蒸気供給によるガス改質効果について考察を行うことにより、H2/CO比の観点から考えると酸化剤への水蒸気供給量が最も多い(水蒸気供給量:酸素の50 vol%)条件において、水素のモル流量の観点から考えると酸化剤に水蒸気を供給しない条件が適切であることが分かった。水蒸気とすすの輻射による逆拡散火炎へのエネルギー移動が起こり、燃焼状態に変化が生じた(超燃焼)。逆拡散火炎は通常の燃焼状態から低輝度燃焼状態に変化した。酸化剤への水蒸気供給量が最も多い条件において低輝度燃焼状態に遷移しやすいことが分かった。
なお、実機への適用を考える際には、対象となる実機に固有の滞留時間を制約条件とした上で、その滞留時間内で有意な生成量を持つような反応速度を維持できるある程度高温の条件でありながら、平衡組成において水素のモル流量が少なくならないような条件を検討していく必要がある。

上記の実験装置における実験結果より、高温の滞留部におけるガス改質効果と比較して燃焼部におけるガス改質効果がより大きいことが分かった。このことから、逆拡散火炎の火炎形態に大きな影響を及ぼす燃料と酸化剤の混合方法に特化した滞留部を備えない実験装置を用いた実験を行い、ガス改質効果に対する検討を行った。その結果、CO2の増加を抑えてFT合成反応に有効なH2とCOを短時間かつ効率的に増加させることができる燃料と酸化剤の混合方法を実現する酸化剤供給ノズル形状を提案した。今回の検討によって提案された燃料と酸化剤の混合方法に着目した酸化剤供給ノズル形状を採用することにより、従来のガス改質システムに比べて燃焼部を小型化しながらも、従来システムとほぼ同等もしくはそれ以上のBTL回収量が得られる可能性が示唆された。
英文要約Title:R&D of Gas Reformer Applied Local Reactions between High Temperature Pyrolysis Gas, Oxidizer and Steam

In this project, the gasification and the synthesis process of woody biomass in the BTL (Biomass to Liquid) process has been investigated. Especially, we conducted research and development of the partial combustion type gas reformer applied the dilution of an oxidizer by steam to reform a composition of a producer gas from woody biomass to be appropriate to the liquid fuel synthesis.
An elementary reaction analysis with two types of reactor models on combustion phenomena in a gas reformer has been conducted. Results showed that H2 production decreased with the increase in the steam concentration of the oxidizer because of the decrease in temperature of the reaction area. This fact showed that the optimum supply amount of steam to form the optimum temperature field in partial combustion area existed since gas temperature had large effects on H2 production by affecting elementary reactions involved in H2 production. On the other hand, in no steam supply condition (there is neither steam on the fuel side nor the oxidizer side), elementary reactions to produce H2 were inhibited and elementary reactions to consume H2 were promoted compared in steam supply conditions involving the condition in which the equivalent steam amount to moisture of woody biomass is supplied. In addition, H2 production can stem largely from H abstraction reactions by H radical from hydrocarbons such as methane and tar components.
To comprehend effects of supply amount of steam to the oxidizer and partial combustion of the model producer gas on the composition of the model producer gas, the experimental analysis of gas composition with the test gas reformer has been conducted. Results showed that H2/CO ratio increased by preheating of the model producer gas, by combustion reaction and with increasing steam supply. It can be understood from the results that the increase in H2/CO ratio mainly stemmed from the steam reforming by partial combustion. H2/CO ratio showed the maximum value in the condition of the largest amount of steam supply in this experiment: steam is 50 vol% of oxygen in the oxidizer. Contrarily, steam supply to the oxidizer has insignificant impact on H2 production of reformed model producer gas by partial combustion. In the partial combustion region, an inversed diffusion flame with low luminescence (mild combustion) was often observed under the condition in which the amount of steam supply was large. In terms of the development of actual gas reformers, residence time of reformed gas in gas reformer is subject to the restriction of size of actual gas reformers. It is required to achieve the temperature condition to support high H2/CO ratio and H2 production in the restriction of the residence time.
From the experimental results noted above, larger gas reforming effect was achieved in the combustion section as compared to in the high-temperature residence section. The investigation into gas reforming effect was conducted by using experimental apparatus without the residence section that specialized for mixing of fuel and oxidizer. As a result, it was proposed that oxidizer supply nozzle shape to implement the appropriate mixing of fuel and oxidizer that can quickly increase CO and H2 and suppress an increase in CO2 which is conductive to FT synthesis reaction. By employing the oxidizer supply nozzle shape proposed by the previous research, it is suggested that either equaling or surpassing BTL yield can be obtained compared to the conventional partial combustion type gas reformer while downsizing the gas reformer.
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