成果報告書詳細
管理番号20150000000408
タイトル平成25年度-平成26年度成果報告書 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) 下水汚泥からの革新的な高純度水素直接製造プロセスの研究開発
公開日2015/9/1
報告書年度2013 - 2014
委託先名国立大学法人東北大学 株式会社大和三光製作所
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約東日本大震災後のエネルギー安定供給、地球温暖化を抑制するため低炭素社会ならびに日本再興戦略に位置づけられている水素社会の実現が強く望まれている。これら三つの要求を満たすエネルギー源としては、膨大に存在し、かつカーボンニュートラルであるバイオマスが挙げられ、特にインフラにより必然的に集積し、再資源化率の低い下水汚泥が有望である。
これまでに、下水汚泥に水酸化物を混合し、この混合物を加熱することによって水素が生成することを回分式試験によって明らかにした。本研究開発では、ガス化剤と触媒の混合量の最適化と反応機構の解明を図るとともに、連続式試験機の設計と製作を行ない、操作条件が水素生成に及ぼす影響を最適化し、スケールアップ因子の明確化をする。
下水汚泥から水素を製造する連続式試験機を設計・製作し、連続的に水素を製造することに世界で初めて成功した。水素製造におよぼす混合物量ならびに操作因子の影響について検討した。水酸化ニッケルの混合量が増加すると水素の発生量が増加し、一方、水酸化カルシウムに関しては、水素発生量を最大にする混合量が存在する。これらの結果にもとづき、連続式試験機において、加熱温度、試料の滞留時間が水素発生量におよぼす影響について検討した。加熱温度の上昇ならびに保有堰を設けることにより滞留時間を増加させると水素の発生量が増加する。また、混合物の投入量を減少させるとより滞留時間が長くなり、水素の発生量が増加する。固体残渣の循環利用により、水素製造コスト、エネルギー回収率において、当初の目標を達成した。二酸化炭素の排出量も現状のプロセスよりも削減できることが判明した。
下水汚泥からの水素生成反応メカニズムについて、セルロース、ポリビニルやポリエチレンを用いて、カルシウム、ニッケル、マグネシウム、リチウムなど種々元素の酸化物と水酸化物を添加し、各条件での水素発生の挙動を調べた。下水汚泥と水酸化物が直接固相反応している経路と下水汚泥がガス化し、メタンが生成する反応経路が考えられる。それらの反応経路で生成した一酸化炭素が水性ガスシフト反応により、水素が生成したものと推察される。
英文要約We had proposed a new approach to produce hydrogen from biomass based on a solid state reaction between biomass and hydroxide additives at relatively low temperature below 600 degrees. This approach has been found to be applicable to other materials, such as biomass waste of sludge as well as plastic wastes. To further evaluate the feasibility of this new process particularly from economical stance, a scale-up plant test is needed. Sewage sludge has been chosen as a target sample because it is already available in accumulation and not yet developed as resources for other purposes. This research covers optimization of additives, reaction mechanism identification, design and production of continuous system, clarification of operation parameters as well as factors for scale-up.
It is known by laboratory experiment that hydrogen generation occurs with heating the mixed sample of sewage sludge with additives of hydroxide nickel and calcium. TG-MS analysis has shown clearly that hydrogen generation occurs around 400~600 degrees from the ground mixture of sewage sludge and additives. Detailed experiments with various added amounts of both hydroxides have been conducted and hydrogen yields have been obtained. It is interesting to note that, with both raw and dried sewage sludge samples, at less addition of nickel hydroxide, hydrogen yields increase with the less addition of calcium hydroxide. This is suggesting it is possible to produce hydrogen at relatively low cost by decreasing addition of both hydroxides.
XRD analyses have shown the formation of calcium carbonate as well as nickel oxide and nickel metal in the solid residues after heating for hydrogen generation. Together with the gaseous compositions of hydrogen and carbon dioxide, reaction mechanism has been discussed based on the reaction between part of organic and hydroxide or water. Investigations on mechanism for hydrogen occurrence were performed with wider ranges with uses of cellulose, polyethylene with several oxides and hydroxides. The results suggest the existence of catalytic effects on the surfaces of oxides as well as the carbonate formations.
Pilot tests in a manufactured furnace were conducted with raw sewage sludge sample, and continuous occurrence of hydrogen was confirmed. Hydrogen production costs and the energy recovery rate were achieved the initial target. Emissions of carbon dioxide was also found to be reduced than the current process.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る