成果報告書詳細
管理番号20160000000369
タイトル平成24年度-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) 水熱処理とゼオライト触媒反応による高品質バイオ燃料製造プロセスの研究開発
公開日2016/8/5
報告書年度2012 - 2015
委託先名国立大学法人鹿児島大学 千代田化工建設株式会社
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約本研究開発は、サトウキビを原料とする製糖工程との複合化を基礎に、バガスなどの製糖副生物を高品質バイオ燃料に転換する技術の開発とバイオマス利用モデルの構築を目的としている。本プロセスは、バガスや廃糖蜜の水熱反応および廃糖蜜からのカリウム分離回収により低分子の含酸素化合物の水溶液を得る前処理技術と、この含酸素化合物水溶液を濃縮して触媒反応を行う改質反応技術とを組み合わせた新規プロセスであり、芳香族炭化水素を主成分とする高品質な炭化水素系バイオ燃料を製造するものである。本プロセスの実現性を示すために、製糖工場から入手した実バガスを原料に、水熱から改質まで一貫処理を実施し、期待した通り芳香族を主成分とする炭化水素系バイオ燃料油の取得に成功した。また、廃糖蜜からもバイオ燃料油の生産が可能であることを示した。プロセス全体を最適化するため、各工程での基礎データ取得および最適化検討を実施した。水熱処理工程では、省エネルギー化のために水/バイオマス比の低減および低温化を目指した。そのために各種酸触媒の添加効果、粉砕処理等による原料の粒径依存性を検討し、目標とする含酸素化合物収率を達成しつつ、水/バイオマス比=10、温度:240℃であった条件を、それぞれ5-7、180℃まで最適化することに成功した。廃糖蜜の利用を想定し、硫酸添加・中和法による廃糖蜜からのカリウム回収方法を確立した。水熱処理後の濃縮工程では吸脱着による濃縮を検討した。各種ゼオライトを用いて水熱処理後の主生成物である酢酸およびフルフラールに対する吸着および脱離特性を検討し、最適なゼオライトを選定した。また、脱離挙動を詳細に検討し、脱離操作前に低温乾燥することで含酸素化合物をロスすることなく極めて高濃度まで濃縮可能であることを見出した。さらに吸着‐脱離操作を数回繰り返すことで、脱離回収率が飛躍的に向上することを見出し、これは繰り返し使用により脱離しにくい強い吸着点が消失するためであることを明らかとした。改質反応工程では、最適な反応条件を選定するために各反応因子が与える影響を詳細に検討し、反応モデルを樹立し、ワンパスでのバイオ燃料油収率26wt%を達成した。また、循環流動層への適用を想定し、劣化と触媒上カーボンの関係を整理するとともに、改質-再生繰り返し運転が可能であることを示した。得られたバイオ燃料油の成分を詳細に検討し、バイオ燃料油を既存の化石燃料に添加した場合の性状および燃焼特性を評価した。その結果、重油および軽油のいずれの場合においても20wt%まで添加可能であることが明らかとなった。各工程での成果を基にプロセスフローダイアグラムを作成し、設計用データを基に物質収支及びエネルギーバランスを考慮しながら各操作条件および運転方法を決定し、全体最適化を実施した。その結果、目標を上回るエネルギー収支:1.8、エネルギー回収率:0.6を達成するプロセスを構築した。さらにエネルギー自立型のプロセスを提案し、これによる地域密着型バイオマス利用モデルを提言した。将来的に高収量品種のサトウキビが普及し、葉の部分を全量回収利用することが可能となれば、離島における内燃力発電所で消費される化石燃料の約10%をバイオ燃料で代替することが期待される。
英文要約Title : Project to Develop Next-generation Technology for Strategic Utilization of Biomass Energy. Development of Biomass Conversion Process for Producing High-quality Biofuel Using Hydrothermal Pretreatment and Catalytic Reforming with Zeolite (FY2012-FY2015) Final Report

In order to support the diversification of energy sources and reduce dependence on fossil fuels, we aim to develop a biomass conversion process producing high-quality bio-fuel based on a biomass utilization model integrated with sugar production processes. The bio-fuel is produced by catalytic reforming of oxygen-containing compounds (OCCs), which are supplied from hydrothermal treatment of bagasse and/or molasses. We have succeeded in obtaining real bio-fuel sample those main component was BTX aromatics from bagasse supplied from sugar plant, and also confirmed that the produced bio-fuel could be blended at the ratio of around 20% into the conventional diesel fuel. Annual bio-fuel production amount is expected to be equivalent to ca. 10% of fossil fuels consumed for the power plant in the remote island in Japan if high yielding sugar cane would be grown popularly and most of leaves would be accumulated for utilization. In order to develop the sustainable process, the fundamental engineering data and optimaized conditions were examined at each section such as pretreatment by hydorothermal treatment, concentration by adsorption and reforming using zeolite catalyst. For example, saving energy at the hydrothermal treatment was achieved by decreasing water/bagasse ratio from 10 to 5-7, and temperature from 240oC to 180oC with high yield of OCCs from hemicellulose of bagasse. The simulator to design the concentration section by adsorption, drying and desorption was established, and operating conditions were optimized. As for reforming section to produce aromatics from OCCs, the effects of reaction factors on the performance such as product yield and the amount of coke formation have been studied in detail, and the condition to achieve the highest yield of bio-oil was determined and discussed based on proposed reaction model. In order to discuss the application of circulating fluidized bed reactor for the reforming precess, the continual catalytic performance was demonstrated by repeating reforming and regeneration reaction. Based on the fundamental engineering data and simulators from each section, a general process flow diagram (PFD) was drawn, and total optimization was examined from viewpoints of materal and energy balance including energy requirement. As a result, we have designed bio-oil producing process from bagasse with the energy yield and recorvery rate of 1.8 and 0.6, respectively.
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