成果報告書詳細
管理番号20160000000335
タイトル平成24年度ー平成27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) バイオマスから高品位液体燃料を製造する水蒸気ー水添ハイブリッドガス化液体燃料製造プロセスの研究開発
公開日2016/7/13
報告書年度2012 - 2015
委託先名国立大学法人群馬大学 株式会社キンセイ産業
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約 本研究プロジェクトでは、バイオマスからタールと水素リッチガスを生産する3室内部循環流動層と後段につづく水添ガス化反応プロセスによる液体燃料製造プロセスの開発を行った。まず、流動層間の粒子循環を独立に制御するための方法論を確立した上で、粒子循環を独立制御可能な2t/日規模の3室内部循環流動層ならびにベンチスケール水添ガス化試験装置を製作し、試験運転を通じてプロセスの改善を進める(WP1)のと同時に、有害元素挙動(WP3)および液体燃料の評価(WP5)を行った。3ー4年目では、WP1で明らかとなった課題に対応したトータルシステム試験設備の製作と試験運転(WP2)、回収された液体燃料の評価(WP5)および触媒の改善検討(WP4)を通じて、商用イメージを確立した。各ワークパッケージ(WP)の成果は以下のとおり。
 WP1を通じて、独立した3つの反応装置間で流動媒体を循環させて、熱分解炉で発生したチャーを燃焼炉へ移動させて燃焼させ、得られた熱を熱分解炉およびガス化炉へ移動させることのできる3室内部循環流動層技術を確立した。ベンチスケール水添ガス化反応装置を用いてバイオマスタールから液体燃料の生成が可能であることを示した。3室内部循環流動層と水添ガス化を連結したトータル試験の結果、トータルプロセスとして改善すべき点を明確化した。
 WP2を通じて、WP1の問題点を解決し、安定的に連続運転が可能なトータル試験システムを建設し、運転試験を行った。80kg-biomass(含水率7%)/h (1.7t-dry/d)での連続タール製造運転を確認した後、40kg-biomass(含水率7%)/h (0.9t-dry/d)での模擬トータル運転試験を行った。模擬トータル試験では、粒子循環系(ループシール)を窒素ガスで運転しながら、すべてのプロセスを同時に稼働させる試験であり、窒素ガスにより水素リッチガスが希釈されるため、水添ガス化炉へは模擬ガスを導入して行う試験である。模擬トータル試験では、重質タール供給系の不安定性のために定量的な評価ができなかったものの、同時に進めていたベンチスケール試験で得られた液体燃料と同等の燃料が回収できた。水素ガス濃度を高めるための熱分解ガス循環実験(ループシール駆動に熱分解ガスを使用した試験)を60kg-biomass(含水率7%)/h (1.3t-dry/d)で実施し、タールと水素濃度50%以上の水素リッチガスの併産が可能であることを示した。以上の結果をふまえて、トータル試験運転を5回実施した。しかし、トータル試験では、水添ガス化炉やオフガス燃焼炉の変動により、ループシール制御ガスの流量調整が著しく困難になる事例が発生し、プロジェクト期限内でこの問題の解決ができなかった。これらの結果をふまえて、当初予定の性能を達成するための、プロセス改善方法を提案した。
 ベンチスケール試験から得られた液体燃料回収率は30%(炭素換算)であり、WP2で得られたデータと併せて試算したエネルギー回収率で約10%であった。当初計画の25%よりは低いものの、回収されたオイルは酸素含有率10%、水分2%以下で、概ね当初予定の性状のものが得られる。
 WP3を通じて、硫黄の流入は改質触媒、水添ガス化触媒ともに大きな問題ではないことを明らかにした。豚糞コンポストおよび鶏糞コンポストは、熱分解過程で塩素化合物の放出が少なく、ハイブリッドプロセスにおいて混合利用可能であると判断された。
 WP5において、WP1およびWP4で生産された液体燃料を噴霧燃焼させ、比較的良好な燃焼挙動をしめすことを確認した。灯油との混合も可能で、混合燃料も良好な燃焼となることを示した。
英文要約Title: Bio-energy Technology Development Strategic Development of Next-generation Bioenergy Utilization Technology, Development of Steam/Hydrogenation Hybrid Process for High Grade Oil Production from Biomass
(FY2012-FY2015) Final Report

Liquid fuel production process developments of three compartment internal circulating fluidized beds (3CICFBs) for tar and hydrogen rich gas productions and a hydrogenation process following 3CICFBs were conducted in this project. In first two years, particle circulation control scheme was primarily established. Based on the scheme, 2t-biomass/d 3CICFBs demonstration plant and a bench scale hydrogenation reactor were constructed to carry out the process operation experiments for process improvements (WP1). Observation of undesirable elements in feedstocks (WP3) and evaluation of product oil (WP5) were simultaneously carried out. Next two years, total system demonstration plant was constructed based on the results of WP1 to test the demonstration plant (WP2). Through evaluation of product oil (WP5) and improvements of catalysts (WP4), commercialization of the process was considered. Outcomes from each WP were described below.
Through WP1, individual particle circulation between each pair of reactors in 3C-ICFBs which can deliver heat from combustor to pyrolizer and gasifier was established to produce tar in pyrolizer, syngas in gasifier and heat in combustor from char delivered from pyrolizer. From experiments by bench scale hydrogenation reactor, liquid fuel production from bio-oil produced in pyrolizer was also confirmed. Items for process improvements found through the experiments were summarized for WP2.
In WP2, a total process demonstration plant improved by the results of WP1 was constructed to have total system experiments. First, tar production experiments were successfully carried out in 80 kg-biomass (moist. 7 wt%)/d (1.7 t-dry/d). A pseudo-total system experiments was then carried out in 80 kg-biomass (moist. 7 wt%)/d (1.7 t-dry/d).
The pseudo-total system experiments is simultaneous operation of all of the processes in the plant with particle circulation by nitrogen operation. In the experiments, syngas concentration was low by nitrogen dilution, so that simulant gas was introduced into a hydrogenation reactor instead of syngas. Hydrogenated oil was obtained in the experiments to have similar quality of that produced by bench scale reactor. To concentrate hydrogen in syngas, particle circulation control by pyrolysis gas from pyrolizer was carried out in 60 kg-biomass (moist. 7 wt%)/d (1.3 t-dry/d) to confirm that the process could produce hydrogen more than 50 vol%. Total system experiments were carried out in 5 times. However, no liquid fuel was obtained because pressure fluctuations in a hydrogenation reactor and/or an off-gas combustor influence stability of gas velocities for particle circulation control to become out of control. Those problem could not be solved in the project period.
From the results of bench scale experiments liquid fuel yield from heavy tar was 30% as carbon. Predicted energy recovery by liquid fuel from biomass was around 10% in HHV by process calculation based on the experimental data.
In WP3, sulfur contained in feedstock was found to be little problem for catalysts deactivation. Composts from pig feces and chicken droppings had a low emission of chlorine at low temperature corresponding to the pyrolytic temperature in the hybrid process so that feedstock mixing with wood and composts could be acceptable.
In WP5, produced oil in WP1 and WP4 was evaluated by an atomizing combustor to show good combustion characteristics. Produced oil can be mixed with kerosene to be a good fuel for burner.
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