成果報告書詳細
管理番号20150000000769
タイトル平成24年度ー平成25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) ABC(Advanced Biomass Coーgasification) 次世代バイオマス液体燃料製造システム技術の開発
公開日2016/3/1
報告書年度2012 - 2013
委託先名一般財団法人石炭エネルギーセンター 国立大学法人岐阜大学
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成24年度ー平成25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) 「ABC(Advanced Biomass Co-gasification)次世代バイオマス液体燃料製造システム技術の開発」

 本研究開発では補助燃料によってバイオマス原料性状及びガス化熱収支の安定化、三塔式循環流動層ガス化炉によってガス化、タール改質、炉内脱硫及びH2/CO比の調整、少量の軽質タール及び硫黄に耐えるFT合成触媒の開発で、経済的にバイオマスから燃料油を製造する目的として、以下の主要課題に対する研究開発を実施した。

(1)三塔式循環流動層バイオマスガス化技術開発
 CaO粒子によるタール改質効果を検討した結果、模擬タールがグアイアコール、1メチールナフタレン、トルエンの順で改質し易いこと、改質温度は800℃以上であること、CaO粒子表面でタールがまず炭素質を析出して、さらにCaOの触媒作用で炭素質がガス化することを明らかにした。
 下段ではバイオマス/石炭の熱分解・ガス化、上段では発生したタールの改質の試験を行った。上段にCaO粒子がある場合には殆どのタールが改質され、バイオマスの場合に< 5.73mg/m3-生成ガス、石炭の場合に<1.8mg/m3-生成ガスとなることを達成した。
 石炭ガス化、チャー燃焼反応器、タール改質で構成される小型三塔式循環流動層を試作し、ホットで媒体の三塔間循環流動条件を検討した。燃焼塔と改質塔の排ガス圧の制御が三塔式の循環にとって最も重要であること、高温で粒子輸送に必要な100kg/m3s以上の能力が出ることを確認した。

(2)耐タール、耐硫黄の液化触媒の開発
 少量の軽質タールあるいはH2Sが存在しても通常のFT合成が進行し、且つ低コストのFT合成触媒の開発を目的として、Co系触媒に低コストなCaをモディファイした。調製したCaモディファイ触媒はCaが均等に分散しており、Coベース触媒とほぼ同等なBET比表面積、全細孔容積、平均細孔直径であることを確認した。スラリー層触媒寿命評価装置を用いて1ppmのH2Sによる触媒の耐硫黄性能試験を行い、CO転換率およびC5+選択率ともに、ベース触媒よりモディファイ触媒の方が高いことが確認できた。

(3)プロセス評価ツールによるトータルシステムの構成、効率アップ、経済性の検討
 Aspenを用いて三塔式循環流動層ガス化・FT合成システム検討した。石炭の補助燃効果として、バイオマスだけでガス化の場合には、冷ガス効率が約51%と低くなるが、石炭/バイオマス供給比が0.12になる共ガス化の場合、冷ガス効率が約65.9%まで上昇させられることがわかった。また、FT合成のオフガスをリサイクルする場合の合成油製造効率は53.89%と開発目標である50%を達成した。経済性検討も同ツールを用いて検討し、バイオマス調達価格が5,000円/t以下で開発目標である65円/Lを達成できる事を確認した。
英文要約Title: Report for FY2012 - 2013 Period: Research and Development of Biomass Energy Technologies; Development of Strategic, Next-Generation Technologies for Biomass Energy Use (next-generation technology development); and Development of Advanced Biomass Co-gasification (ABC), a Next-Generation Technology for Biomass Liquid Fuel Production Systems

 Research and development looked at the use of supplementary fuel to stabilize biomass raw material performance and the gasification heat balance, and focused on the key topics described below with the aim of achieving the economically viable manufacture of fuel oil from biomass through the use of three-tower circulating fluidized bed gasification, tar reforming, in-furnace desulfurization and control of the H2/CO ratio as well as the development of a Fischer-Tropsch (FT) synthesis catalyst that can be utilized even in the presence of small quantities of light tar and sulfur.

(i) Development of Technology for Three-Tower Circulating Fluidized Bed Gasification of Biomass
 Investigation into the use of CaO particles for tar reforming determined that the reforming of tar-like material is easiest for guaiacol, followed by 1-methylnaphthalene and then toluene; that the reforming temperature is 800°C or more; and that the tar first deposits as carbon material on the surface of the CaO particles and this carbon material then gasifies through the catalytic action of CaO.
 Thermal decomposition and gasification of biomass and coal were performed in the lower stage and reforming of the resulting tar in the upper stage. Almost all the tar was reformed when CaO particles were present in the upper stage, with < 5.73 mg per cubic meter of produced gas in the case of biomass and < 1.8 mg in the case of coal.
 A small prototype three-tower circulating fluidized bed comprising coal gasification, a char combustion reactor, and tar reforming was built to investigate the three-tower circulating flow conditions for hot material. The results indicated that control of the pressure of exhaust gas from the combustion tower and reforming tower is the most important factor in three-tower circulation, and that the 100kg/m3s or higher capability needed for particle transport at high temperature could be achieved.

(ii) Development of Liquefaction Catalyst Able to Tolerate Tar and Sulfur
 Low-cost Ca was used to modify a Co-based catalyst with the aim of developing a low-cost FT synthesis catalyst that allows FT synthesis to proceed normally even in the presence of small quantities of light tar or H2S. The Ca-modified catalyst produced was found to have uniformly distributed Ca, with BET specific surface area, total pore volume, and mean pore diameter roughly equivalent to that of the Co-based catalyst. The ability of the catalysts to tolerate sulfur was tested in the presence of 1 ppm of H2S using a slurry bed apparatus for evaluating catalyst life. The results showed that the modified catalyst had better CO conversion ratio and C5+ selectivity than the base catalyst.

(iii) Use of process evaluation tool to assess total system configuration, efficiency improvements, and economics
 The Aspen software was used to study three-tower circulating fluidized bed gasification and the FT synthesis system. Looking at the benefits of coal as a supplementary fuel, it was found that, whereas gasification of biomass only had a low cold gas efficiency of approximately 51%, co-gasification with coal and biomass supplied in the ratio 0.12:1 raised the cold gas efficiency to approximately 65.9%. When the FT synthesis off-gas was recycled, the synthetic fuel production efficiency was 53.89%, exceeding the development target of 50%. The software was also used to study the economics of the process, finding that the development target of 65 yen/L could be achieved at a biomass procurement cost of 5,000 yen/t or less.
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