(57)【要約】【課題】  ガス燃料とするための生成ガス中のタールとチャーの発生を従来以上に抑制して、エネルギー転換効率を向上することができる、超臨界水ガス化装置を提供すること。【解決手段】超臨界水ガス化装置は、液状化装置８の出口および気液分離装置３６に排水ライン３８に接続する溶液成分分析計５２によってスラリーおよび排水の成分分析を行って制御装置５１に信号を伝送し、気液分離装置３６の出口に接続するガス成分分析計４１によって生成ガスの成分分析を行って制御装置５１に信号を伝送し、同時にこれらのデータはデータ解析装置に送られて、また各装置の影響因子である温度、圧力などの運転条件をパラメーターとして、エネルギー転換効率などの評価指標を最適化するための手法を取り入れた構成とする。【選択図】  図１
2007046027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラント性能に係わる評価指標をパラメーターの一つを独立変数として得られたデータを近似式で表し、この近似式の一次偏微分値をグラフ表示するデータ解析装置を備えたことを特徴とする超臨界水ガス化装置
【請求項２】
データ解析装置で求めた評価指標の一次偏微分値のグラフ表示データをこの装置から制御装置に伝送して、パラメーターの値が制限範囲内で評価指標が最大化（あるいは最小化）する値を特定することを特徴とする超臨界水ガス化装置
【請求項３】
データ解析装置で得られた解析結果を制御装置に伝送して、運転制御に反映することを特徴とする超臨界水ガス化装置
【請求項４】
液状化装置出口に溶液成分分析を行うための分析計を設けることを特徴とする超臨界水ガス化装置
【請求項５】
固液分離装置の排水ラインに溶液成分分析を行うための分析計を設けることを特徴とする超臨界水ガス化装置
【請求項６】
固液分離装置の出口ラインにガス成分分析を行うための分析計を設けることを特徴とする超臨界水ガス化装置
【請求項７】
液状化装置の入口圧力を計測して原料供給ポンプ下流に位置する圧力調整弁によって液状化装置入口圧力を所定の圧力に調整することを特徴とする超臨界水ガス化装置
【請求項８】
液状化装置上流側の熱交換器において、反応装置側のガス化反応水ラインにバイパスラインを有して、このバイパスラインにバイパス弁を有することを特徴とする超臨界水ガス化装置
【請求項９】
バイパス弁によって液状化装置入口温度を所定の温度に調整することを特徴とする超臨界水ガス化装置
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、超臨界水を用いたガス化に係り、特に、バイオマスを原料としたガス生成過程におけるタール、チャーの発生を効果的に抑制して水素リッチなクリーンなガスを生成し、かつガス化転換効率を高めるための超臨界水ガス化装置に関する。
【背景技術】  バイオマスを超臨界水ガス化装置によってガス化する場合、プロセス内の各装置における運転条件は、予め定められた所定の値に設定して運用されている。しかしながら、この装置には、バイオマス原料の液状化処理に始まって、ガス化のための昇温、昇圧過程を経て、反応装置でのガス化を行い、その後、ガス化反応水の冷却過程を経て、チャーの分離と二酸化炭素の吸収による除去を行い、更に減圧によって気液分離を行い、ガスを生成している。このようにバイオマスの超臨界水ガス化は多様な過程を経るために、プロセスの制御だけでは、ガスのクリーン化や転換効率の向上に対して限界がある。その対応として、プラント性能を向上させるためのデータ解析装置を取り入れた例は見られない。
【発明が解決しようとする課題】
バイオマスを超臨界水ガス化装置を使ってガス化すると水素リッチで一酸化炭素、メタンなどを含むガスが生成される。この生成ガスを発電装置に供給するなどのエネルギー源として使用する、あるいは化学工業における原料として使用するなどの利用法があるが、次のような課題がる。
１．バイオマス種は、森林、農業、漁業系など供給源が変わると、成分や形態が著しく異なり、ガス化の条件が異なる。
２．液状化装置によってスラリー化する場合、原料成分やサイズはもちろん、温度、圧力および昇温速度や滞留時間などの多くのパラメーターの影響を受けて、その生成物は大きく異なる。生成物によっては、ガス化に際してタールやチャーの生成出発物質となる可能性がある。このタールやチャーは利用系において極めて有害であると同時に、ガス化転換効率を低下させる要因ともなる。そのため、タールやチャーの発生を極力抑制する必要がある。木質系バイオマスの基本成分であるセルロースを温度２００℃前後、圧力１ＭＰａの条件で液状化処理を行うと、加水分解によるセロビオースなどの多糖とグルコースおよびその異性体である単糖、そして５−ＨＭＦなどの熱分解生成物が見られるが、タールやチャー発生の原因成分を特定するまでにはいたっていない。
３．ガス化反応装置内での反応は、供給されるスラリーの成分を始め、超臨界水条件である温度、圧力や昇温速度や滞留時間など、液状化装置と同様多くのパラメーターの影響を受け、ガス化生成成分が大きく異なる。ガス成分として、水素リッチで、かつ二酸化炭素の割合が少ないことが望ましい。従って、液状化の前処理段階から連続的な処理の中で多くのパラメーターに依存するため、原料成分に変動がある場合など、パラメーターを特定することは困難である。
【課題を解決するための手段】
本願発明者らが上記課題について鋭意検討した結果、バイオマスの超臨界水ガス化で得られる生成ガスが水素リッチガスであり、かつタールおよびチャーの発生抑制のための液状化処理やガス化反応における課題を解決できることを見出し、本発明に至った。すなわち、本願で特許請求される発明は、以下の通りである。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明を図を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の超臨界水ガス化装置のシステムの構成を示す説明図である。図において水にバイオマスを混合したバイオマス水１を供給するための供給ポンプ２とこのバイオマス水１を加熱するための熱交換器Ａ４とその後流側に液状化装置８が設置されており、液状化装置入口には温度計７と圧力計８が、そして液状化装置出口には液体成分計測ライン１０が設けられている。その後方に液状化した流体を搬送するためのスラリーポンプ１１があり、圧力調整弁１２の後にスラリー加熱のための熱交換器Ｂ１３が設けられており、更に加熱器１５が設置されている。加熱器１５には、生成ガスの一部を分岐して供給する加熱器用ガスライン４３が接続されて、燃料として供給されている。
加熱されたスラリーは反応装置入口ライン１６を通って反応装置１９に供給される。この装置の入口には、圧力計１７と温度計１８が設けられている。ガス化反応した流体は、スラリーおよびバイオマス水の加熱のための熱交換器Ｂ１３と熱交換Ａ４を通過する構成となっている。熱交換器Ａ４にはバイパスライン２２と流量調整弁Ｂ２４が設置され、熱交換器Ｂ出口ライン２１のバイパス分岐後に流量調整弁Ａ２３が設置されている。熱交換器Ａ４の後方には冷却器２６があり、常温の水を供給して流量調整弁５６で水量を調整する。冷却器出口に圧力計５７と温度計５８が設けられている。その後方に固液分離器２８があり、チャー２９を排出する。固液分離器出口ライン３０を経て二酸化炭素吸収器３１が設置されており、水供給ライン３２によって高圧水が供給され、ガス化反応水中の二酸化炭素を吸収して、吸収排水ライン３３を通って排出される。二酸化炭素吸収器３１の後方に減圧弁３４があり、減圧された流体は気液分離器３６に導かれる。ここで気液の分離が行われ、液体は排出ライン３８を通って排出される。気液分離器入口には、圧力計６１と温度計６２が設けられている。気液分離機出口に接続する生成ガスライン３７には、生成ガス成分計測ライン４０が設けられ、ガス成分分析計４１に導かれている。また、その後方に生成ガス流量計６５が設けられている。この生成ガスライン３７は生成ガス利用ライン４２と加熱器用ライン４３に分岐されている。
溶液成分分析計５２は溶液成分制御ライン４９を、ガス成分分析計４１はガス成分制御ライン５０を介して、制御装置５１と接続している。また、液状化装置入口ライン５に設けられた圧力計６と温度計７、および反応装置入口ライン１６に設けられた圧力計１７と温度計１８、および冷却器出口ラインに設けられた圧力計５７と温度計５８、および減圧ライン３５に設けられた圧力計６１と温度計６２の信号はそれぞれの制御ライン４８、４７、５４，５５，６０，５９、６４，６３を介して制御装置５１と接続している。さらに制御装置５１はデータ解析装置５３と接続している。
図２は、本発明の超臨界水ガス化装置のプロセスを示す説明図である。図は、バイオマスの供給から液状化処理、ガス化反応、減温・減圧、固液分離、二酸化炭素吸収、気液分離、ガス生成およびガス利用のプロセスを示している。このプロセスにおいて、液状化処理を行う場合の影響因子として、バイオマスの原料種、サイズおよびバイオマス／水供給量比や高温高圧水の温度、圧力条件、そして昇温速度、滞留時間などがある。これらの影響因子は、インプット（バイオマスの原料種、サイズに関して）あるいはプラント運転での信号として制御装置に伝送される。液状化処理によって生成したスラリーの成分は、同様に信号として制御装置に伝送される。ガス化反応過程での影響因子として、液状化処理後のスラリー成分や超臨界水の温度、圧力条件、そして昇温速度、滞留時間などがある。これらの運転での信号も制御装置に伝送される。ガス化反応水の冷却過程で固液分離、二酸化炭素吸収の影響因子として、ガス化反応水の成分と温度、圧力がある。温度、圧力の信号は制御装置に伝送される。また、減圧過程での気液分離の影響因子としてガス化反応水の成分と温度、圧力がある。温度、圧力の信号は制御装置に伝送される。気液分離によって生成するガス成分と排水溶液成分に関する信号が制御装置に伝送される。制御装置に伝送された信号は、データ解析装置に送られる。液状化、ガス化、固液分離・二酸化炭素吸収および気液分離の影響因子の各因子をパラメーターとするデータ処理を行う。データ解析における評価指標として、ガス成分割合、ガス発熱量、ガス化転換効率、タール発生率、チャー発生率および加熱器エネルギー消費率がある。
【作用】
図１において本発明の超臨界水ガス化装置は上述のように構成されているため、バイオマス水１は供給ポンプ２によって装置側に供給される。この際、液状化装置８に供給されるバイオマス水の温度と圧力の条件が、液状化の特性に大きく影響するため、液状化装置入口でのバイオマス水の温度と圧力を所定の値に維持する必要がある。そのため、液状化装置入口ライン５に設けられた温度計７と圧力計６で計測され、そのラインの圧力は圧力調整弁３によって所定のレベルに調整される。バイオマス水の温度は熱交換器Ａ４を通過することによって加熱され、その温度は熱交換器Ｂ出口ライン２１と熱交換器Ａバイパスライン２２に設けられた流量調整弁Ｂ２４およびこれと逆作動の流量調整弁Ａ２３を調整することによって、所定の温度に調整される。液状化したスラリーの成分は、ガス化装置でのガス化特性に大きく影響するので、その成分を溶液成分分析計５２によって計測を行う。液状化したスラリーはスラリーポンプ１１によって昇圧されて、その下流に位置する圧力調整弁１２によってガス化装置１９で要求される所定の圧力になる圧力調整される。またスラリーの温度を所定の温度まで上昇させるために熱交換器Ｂ１３によって昇温する。この昇温には、ガス化装置１９から送出されるガス化反応水を高温熱源としている。熱交換器Ａ４に付いても同様であり、ガス化装置１９の温度レベルを維持するために消費されるエネルギーを出来る限り最小化することを意図している。熱交換器Ｂ１３を出たスラリーは加熱器１５によって更に昇温される。ガス化装置１９の入口圧力は圧力調整弁１２によって調整され、同入口温度は加熱器１５に供給されるガス燃料流量をガス燃料調整弁４４によって調整される。加熱器１５に供給される空気４５は、ガス燃料と比例制御されており、燃焼排ガス４６は大気中に排出される。ガス化装置１９に導かれたスラリーは温度計１８、圧力計１７による計測の基で所定の温度、圧力条件に設定されて超臨界水状態を実現してガス化反応に供される。ガス化反応水は前述の熱交換器Ｂ１３および同Ａ４を通過してスラリーおよびバイオマス水に熱供給を行って昇温に寄与した後、冷却器２６に導かれて、その出口ラインに設けられた温度計、圧力計によって計測された温度、圧力まで減温、減圧される。ガス化反応水は固液分離器２８に導かれて、チャー２９は系外に排出される。ガス化成分として、水素、一酸化炭素、メタンおよび二酸化炭素があり、前三者は燃料あるいは化学原料として有効に利用できるが、二酸化炭素はガスの発熱量を低下させる成分で、これを除去することは利用面で得策である。そのため、固液分離したガス化反応水をそのまま気液分離する前に二酸化炭素を除去する必要がある。そのために高圧水吸収法を使用する場合、二酸化炭素吸収器３１に高圧水３２を供給して、二酸化炭素を吸収させて、系外に排出３３する。二酸化炭素は単独で取り出せるので、各種用途あるいは、固定化に対応できる。二酸化炭素が除去されたガス化反応水は更に減圧弁３４によって減圧される。このとき、所定の温度、圧力となるよう温度計、圧力計で計測された値に基いて制御され、気液分離器３６に導かれて、ガス成分と水に分離される。水は排出ライン３８を通って系外に排出され、このとき、水中の溶解成分が分析計５２によって計測されその信号が制御装置５１に送られる。生成ガスは流量計６５で流量計測された後、ガスの利用ラインに送られ、一部加熱器１５の燃料に供される。制御装置５１に接続されたデータ解析装置５３にデータが転送される。
図２において本発明の超臨界水ガス化装置は上述のようなプロセスを構成しているため、液状化処理、ガス化反応、固液分離・二酸化炭素吸収、気液分離のプロセスにおける運転中のデータが制御装置を介してデータ解析装置に取り込まれる。データ解析装置において、評価指標を従属変数、各プロセスにおけるパラメーターを独立変数とする関数として、各パラメーターの値をプラント運転の中で所定の値を中心に変化させ、得られた評価指標とパラメーターとの関係を近似式で表し、この近似式の一次偏微分の値をグラフ表示させる。評価指標とパラメーターとの関係は、極大値を持つ関数、極小値を持つ関数、および単純増加、単純減少の関数に分けることができる。例えば、極大値を持つ関数の一次偏微分の値は、パラメーターの値が増加するにつれて、減少傾向を示し、プラスの値から０を経てマイナスの値に変化する。評価指標として、極大値を取ることが望ましい場合は、一次偏微分の値が０を示すパラメーターの値が運転の条件として適していることになる。
一つのパラメーターの変化に対する全評価指標の傾向を解析することによって、パラメーターの影響を把握することができる。評価指標に対して予め下限あるいは上限を設定しておき、この範囲に入るパラメーターの値の探索と更に改善する方向のパラメーターの値を求める。この様な操作を、全てのパラメーターに対して実行して、データ解析装置で得られた結果を制御装置に伝送して、プラント運転の最適制御を果たすことができる。
【発明の効果】
データ解析装置にてガス化装置の基本性能であるガス成分割合、ガス発熱量、エネルギー転換効率、タール発生率、チャー発生率、加熱器エネルギー消費率を各種パラメーターに対する傾向を解析する。これによって、液状化処理条件であるバイオマス水の温度、圧力および保持時間などの各種影響因子やガス化条件、二酸化炭素吸収条件および気液分離条件に関する各種パラメーターによる変化状況と性能改善のためのデータ提供を行う。このデータ提供を基に、ガス化装置の基本性能に対する最適化を図るために制御装置に指令を出し、最適制御を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の超臨界水ガス化装置のシステム構成を示す説明図である。
【図２】  本発明の超臨界水ガス化装置のプロセスを示すフロー図である。
【符号の説明】
１  バイオマス水、  ２  バイオマス水供給ポンプ、  ３  圧力調整弁、  ４  熱交換器Ａ、  ５  液状化装置入口ライン、  ６  液状化装置入口圧力計、  ７  液状化装置入口温度計、  ８  液状化装置、  ９  液状化装置出口ライン、  １０  液状化装置出口溶液成分計測ライン、  １１  スラリーポンプ、  １２  圧力調整弁、  １３  熱交換器Ｂ、  １４  熱交換器Ｂ出口ライン、  １５  加熱器、  １６  反応装置入口ライン、  １７  反応装置入口圧力計、  １８  反応装置入口温度計、  １９  反応装置、  ２０  反応装置出口ライン、  ２１  熱交換器Ｂ出口ライン、  ２２  熱交換器Ａバイパスライン、  ２３  流量調整弁Ａ、  ２４  流量調整弁Ｂ、  ２５  熱交換器Ａ出口ライン、  ２６  冷却器、  ２７  冷却水、  ２８  固液分離器、  ２９  チャー、  ３０  固液分離器出口ライン、  ３１  二酸化炭素吸収器、  ３２  水供給ライン、  ３３  吸収水排水ライン、  ３４  減圧弁、  ３５  減圧ライン、  ３６  気液分離器、  ３７  生成ガスライン、  ３８  排水ライン、３９  排水ライン溶液成分計測ライン、  ４０  生成ガス成分計測ライン、  ４１  ガス成分分析計、  ４２  生成ガス利用ライン、  ４３  加熱器用ガスライン、  ４４  ガス流量調整弁、  ４５  加熱器用空気ライン、  ４６  排気ガス、  ４７  液状化装置入口温度制御ライン、  ４８  液状化装置入口圧力制御ライン、  ４９  溶液成分制御ライン、  ５０  生成ガス成分制御ライン、  ５１  制御装置、  ５２  溶液成分分析計、  ５３  傾向解析装置、  ５４  反応装置入口圧力制御ライン、  ５５  反応装置入口温度制御ライン  ５６  冷却水量調製弁、  ５７  冷却器出口圧力計、  ５８  冷却器出口温度計、  ５９  冷却器出口温度制御ライン、  ６０  冷却器出口圧力制御ライン、  ６１  気液分離機入口圧力計、  ６２  気液分離機入口温度計、  ６３  気液分離機入口温度制御ライン、  ６４  気液分離機入口圧力制御ライン、  ６５  生成ガス流量計
【図１】
2007046027.tif 000003
【図２】
2007046027.tif 000004