成果報告書詳細
管理番号20160000000373
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(実用化技術開発) 「木質バイオマスのガス化によるSNG製造技術の研究開発」
公開日2016/7/13
報告書年度2012 - 2015
委託先名株式会社IHI 日立造船株式会社
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約本事業では、高濃度のガス化ガスが得られる二塔式ガス化炉と、常圧で高い転換率を達成可能なメタネーション触媒プロセスとを組み合わせることで、木質バイオマスのガス化により高効率にSNG(Synthetic Natural Gas)を製造する技術の開発を実施するにあたり、3つの技術課題に取り組んだ。
1.二塔式ガス化炉のバイオマス用最適化
目標である冷ガス効率75%達成可能な条件を、各種試験およびプロセス計算により明確にした。褐炭時の設計と比べ、ガス化炉で69%、燃焼炉で30%小型化可能となる条件を明確にし、バイオマス用設計基準を構築できた。バークを含まないホワイトペレットだけでなく、バークを含む最も汎用性の高いチップやバークペレットでのパイロット炉規模での試験評価により、それらが本ガス化システムにて使用可能であることを確認できた。
2.高効率タール改質炉の開発
 1,300℃の高温域でタールを分解する手法はタール低減手法のひとつだが、その高温のシンガスからセラミック蓄熱体で熱回収し、その熱でシンガスを予熱するリジェネ方式を開発した。パイロット炉での試験評価により、目標のタール改質率99%を達成した。平成26年度より、リジェネ方式よりも更に酸素消費量を低減できる高効率なタール低減手法として、触媒方式を考案し開発を実施した。パイロット炉での試験評価により、目標のタール改質率99.5%を上回る99.9%の性能を達成するとともに、100時間連続運転評価により長時間運転可能な運用手法を明確にできた。触媒の硫黄に対する耐久性についてはラボ試験で評価し、8,000時間以上性能が劣化しないことを確認した。また、リジェネ方式に比べ供給酸素量を低減できタール改質率も高いことから、水素割合が増加することも確認され、メタネーション反応にも適していることがわかった。
3.バイオマスガス化ガス用メタネーションプロセスの開発
本研究開発では、ジルコニアに担持したNi触媒(Ni/ZrO2触媒)を用いてシンガスのメタン転換を、様々な規模の反応装置を用いて試みた。反応装置は2基の反応塔で構成され、反応は段数を2段階で行った。水蒸気を40%含む38 Nm3/hのシンガスを用いて実証を行った結果、開発目標とする70 %以上の熱量変換効率で、主成分をメタンとする高熱量ガスに転換することを達成した。また、シンガス中に含まれる硫化物やタール成分に対する触媒の耐久性について評価を試みた結果、一般的なNi触媒よりもそれらに対する耐性が比較的高いことが示唆された。これらの結果から、メタン転換技術の早期実用化に十分期待できる。パイロット炉におけるメタネーション試験の結果をもとに、ASPEN PLUSによる熱・物質バランスを計算評価した結果、触媒式タール改質炉と膜分離技術の組み合わせにより、メタン濃度99%以上のSNGを製造可能である見込みを得た。また、東南アジアでのバイオマスガス化によるSNG製造に関する市場調査を実施した結果も踏まえた事業性の評価を行った結果、東南アジアで商用化の場合、イニシャルコスト投資回収年数を20年以内とするには、SNG買取価格75円/Nm3以上が事業成立可能条件となる試算結果を得た。
これらの成果により、3つの技術課題をクリア可能となることを確認し、提案のプロセスの実現可能性を明確にすることができた。
英文要約Title: Project to Develop Next-generation Technology for Strategic Utilization of Biomass Energy, SNG Production from Woody biomass Using Gasification Process (FY2012-FY2015) Final Report

The aim of this R&D project is to establish an effective SNG production process from woody biomass by combining dual fluidized bed gasification with a novel methanation process under atmospheric pressure. Three technical issues have been developed in this project.
1. Optimization of gasifier for biomass
The conditions for achieving the goal of 75% cold gas efficiency have been identified by experimental and process simulation analyses. Compared to the design for lignite usage, the furnace size was reduced by 69%, the combustor size by 30%; the design criteria for biomass treatment have been established. Pilot scale experiments revealed the applicability of bark pellets and most common woody chips for use in the proposed gasification system.
2. Development of highly efficient tar reformer
In this project, a novel tar reformer using highly efficient heat regeneration was developed and 99% tar reforming performance was achieved in pilot scale experiments. Development of catalytic reforming with lower oxygen consumption than heat regeneration reforming has been commenced in 2014. Pilot scale experiments proved 99.9% tar reforming, exceeding the performance of heat generation reformers; operational conditions for long-term operation have been established. Resistance behavior of the catalyst against sulfur was evaluated by laboratory scale experiments, and the results showed that tar reforming performance did not deteriorate during 8,000 hours. Catalytic reforming can yield high hydrogen concentration in the syngas.
3. Development of process for syngas methanation
In the present study, the methane conversion of the synthesized gas was performed by various scales of reaction apparatus using Ni catalyst supported on ZrO2(Ni/ZrO2 catalyst). The reaction was carried out with using 2 stages of the methanation reactor. A demonstration was performed with 38 Nm3/h of the synthesized gas including 40% of steam, subsequently, the synthesized gas could be converted to high-caloric gas comprised mainly of methane with over 70% of a caloric conversion efficiency. In addition, the results of durability test with sulfuric compounds or tar as a contaminant, which are including the synthesized gas indicated that, Ni/ZrO2 catalyst has relatively higher durability than commercial Ni catalysts. These results indicate, a practical usage of this technology of methane conversion can be expected.
Process simulations using ASPEN PLUS based on methanation experiments in a pilot scale facility were conducted. The results showed that the combination of catalytic tar reforming and membrane separation can yield methane purer than 99%.
Market investigation regarding SNG production using biomass gasification in Southeast Asia showed that payback period of initial costs could be less than 20 years if the SNG price exceeded 75 yen/Nm3.
These results showed that three R&D issues could be cleared; therefore the possibility of proposed process could be clarified.
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