(57)【要約】【課題】例えば石炭やバイオマス等の有機物を用いてガス化した際に発生するタール成分を除去することのできるタール成分除去装置及び方法、ガス化システムを提供する。【解決手段】ガス化システム１０は、石炭やバイオマス等の燃料１１をガス化するガス化炉１２と、該ガス化炉１２で生成されたガス化ガスである生成ガス１３中に含まれるチャー１５を除去する除塵手段１４と、該チャー１５が除去された生成ガス１３中に含まれるタール成分を捕捉する第１及び第２のタール除去手段１６Ａ、１６Ｂと、タールが除去された生成ガス１３を精製して精製ガス１８とするガス精製手段１９とを具備する。第１のタール除去手段１６Ａと第のタール除去手段１６Ｂとを併設しており、これらを交互に用いて、連続してタールの除去が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タールを含むガスを導入し、活性炭素繊維にタールを捕捉させる活性炭素繊維浄化部と、
活性炭素繊維を加熱処理する加熱処理部と、
加熱処理した活性炭素繊維を水蒸気酸化処理して再生する水蒸気酸再生処理部とを具備することを特徴とするタール成分除去装置。
【請求項２】
請求項１において、
加熱処理部の温度が４００℃〜８５０℃であり、
水蒸気酸化処理部の処理温度が６５０℃〜８５０℃であることを特徴とするタール成分除去装置。
【請求項３】
タールを含むガスを導入し、活性炭素繊維にタールを捕捉させる活性炭素繊維浄化部と、
活性炭素繊維を加熱処理する加熱処理部と、
加熱処理した活性炭素繊維をアルカリ触媒処理して再生するアルカリ触媒再生処理部とを具備することを特徴とするタール成分除去装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
活性炭素繊維にナノファイバを有することを特徴とするタール成分除去装置。
【請求項５】
タールを含むガスを導入し、活性炭素繊維にタールを捕捉させ、
その後、タールを捕捉した活性炭素繊維を加熱処理し、
次いで、加熱処理した活性炭素繊維を水蒸気酸化処理して活性炭素繊維を再生することを特徴とするタール成分除去方法。
【請求項６】
請求項５において、
加熱処理部の温度が４００℃〜８５０℃であり、
水蒸気酸化処理部の処理温度が６５０℃〜８５０℃であることを特徴とするタール成分除去方法。
【請求項７】
タールを含むガスを導入し、活性炭素繊維にタールを捕捉させ、
その後、タールを捕捉した活性炭素繊維を加熱処理し、
次いで、加熱処理した活性炭素繊維をアルカリ触媒処理して活性炭素繊維を再生することを特徴とするタール成分除去方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一つにおいて、
活性炭素繊維にナノファイバを有することを特徴とするタール成分除去方法。
【請求項９】
有機原料をガス化して生成ガスを得るガス化炉と、
生成ガス中に含まれるタール除去する請求項１乃至４のいずれか一つのタール成分除去装置とを具備することを特徴とするガス化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タール成分除去方法及び除去装置、ガス化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、石炭やバイオマス等の有機原料をガス化炉でガス化して生成したガス中には、ガス化チャー、タール成分等が含まれるため、そのままでは合成触媒を利用した液体燃料や、燃料電池へのエネルギー源を合成する為のガスとしての利用、及び該ガスを高度に精製する触媒への導入には適さない。そのため、従来においては、除塵装置やガス精製装置によって、前記ガス化チャー、タール成分等を除去すべく工夫している。
【０００３】
例えば、特許文献１及び特許文献２においては、バイオマスを炉本体内に供給するバイオマス供給手段と、酸素又は酸素と水蒸気の混合物からなる燃焼用の酸化剤を前記炉本体内に供給する酸化剤供給手段とを備えてなるバイオマスガス化炉と、該バイオマスガス化炉でガス化した生成ガスの粉塵を除去する除塵装置と、除塵されたガスを冷却する冷却器と、該冷却したガスを精製するガス精製部を備えたバイオマスガス化システムが開示されている。
【０００４】
前記バイオマスガス化ガスのガス精製手段は、バイオマスを一時的に保持しており、該ガス精製部内に、冷却器を通過した冷却生成ガスを通過させ、ここで冷却生成ガスに含まれるタール成分を吸着させ、精製ガスとし、タール成分を吸着したタール吸着バイオマスを搬送手段により、バイオマス供給手段に搬送するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４６２８５号公報（段落００４７，００４８，図１等）
【特許文献２】特開２００８−２４７５２号公報（段落００１７，図１等）
【特許文献３】特開２００６−３３５８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示された発明では、前記精製ガス中に含まれるタール成分濃度が高く、合成触媒を利用した液体燃料や、燃料電池へのエネルギー源を合成する為のガスとして利用し、また該ガスを高度に精製する触媒に導入するには、その精製が不十分であるという問題があった。また、バイオマス粒子には硫化水素を吸着する能力に乏しいことから、前記精製ガス中に含まれるＨ2Ｓ濃度も、ガスタービン及び燃料電池等に利用し、また該ガスを高度に精製する触媒に導入する際の問題となっていた。
【０００７】
また、バイオマス燃料製造コスト低減のために、吸着剤の使用量の低減や、装置の小型化等の課題がある。
従来、吸着剤にはプラント副生物であるバイオマスチャーが有する吸着能を利用する提案がある（特許文献３）が、以下のような問題がある。
【０００８】
１）  バイオマスチャーは微粉であるため、微粉バイオマスチャーをそのまま吸着塔に充填すると圧力損失が大きい、という問題がある。
２）  バイオマスチャーは微粉であるため、吸着塔に充填し、通ガスした際に充填層をガスが均一に通過せず（チャネリング現象）、バイオマスチャーとガスを十分に接触させることが困難である、という問題がある。
３）  脱硫剤にＺｎＯを用いる際には、３００℃程度の反応温度が必要であり、かつタール成分は除去できないので、別途タール除去装置が必要となるという問題がある。
【０００９】
また、バイオマスチャーの代わりに、活性炭を用いることも提案できるが、タール成分を吸着した活性炭は、廃棄処理として燃焼処理することとなり、その燃焼処理費用及び設備に費用がかかると共に、活性炭が使い捨てとなり、タール成分処理におけるランニングコストがかかるという問題がある。
【００１０】
そこで、バイオマスガス化ガスからタール成分を除去する安価なタール成分除去装置の出現が切望されている。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、例えば石炭やバイオマス等の有機物を用いてガス化した際に発生するタール成分を除去することのできるタール成分除去装置及び方法、ガス化システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、タールを含むガスを導入し、活性炭素繊維にタールを捕捉させる活性炭素繊維浄化部と、活性炭素繊維を加熱処理する加熱処理部と、加熱処理した活性炭素繊維を水蒸気酸化処理して再生する水蒸気酸再生処理部とを具備することを特徴とするタール成分除去装置にある。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、加熱処理部の温度が４００℃〜８５０℃であり、水蒸気酸化処理部の処理温度が６５０℃〜８５０℃であることを特徴とするタール成分除去装置にある。
【００１４】
第３の発明は、タールを含むガスを導入し、活性炭素繊維にタールを捕捉させる活性炭素繊維浄化部と、活性炭素繊維を加熱処理する加熱処理部と、加熱処理した活性炭素繊維をアルカリ触媒処理して再生するアルカリ触媒再生処理部とを具備することを特徴とするタール成分除去装置にある。
【００１５】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、活性炭素繊維にナノファイバを有することを特徴とするタール成分除去装置にある。
【００１６】
第５の発明は、タールを含むガスを導入し、活性炭素繊維にタールを捕捉させ、その後、タールを捕捉した活性炭素繊維を加熱処理し、次いで、加熱処理した活性炭素繊維を水蒸気酸化処理して活性炭素繊維を再生することを特徴とするタール成分除去方法にある。
【００１７】
第６の発明は、第５の発明において、加熱処理部の温度が４００℃〜８５０℃であり、水蒸気酸化処理部の処理温度が６５０℃〜８５０℃であることを特徴とするタール成分除去方法にある。
【００１８】
第７の発明は、タールを含むガスを導入し、活性炭素繊維にタールを捕捉させ、その後、タールを捕捉した活性炭素繊維を加熱処理し、次いで、加熱処理した活性炭素繊維をアルカリ触媒処理して活性炭素繊維を再生することを特徴とするタール成分除去方法にある。
【００１９】
第８の発明は、第５乃至７のいずれか一つの発明において、活性炭素繊維にナノファイバを有することを特徴とするタール成分除去方法にある。
【００２０】
第９の発明は、有機原料をガス化して生成ガスを得るガス化炉と、生成ガス中に含まれるタール除去する第１乃至４のいずれか一つのタール成分除去装置とを具備することを特徴とするガス化システムにある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、タールを含むガスを導入し、活性炭素繊維にタールを捕捉させる活性炭素繊維浄化部と、活性炭素繊維を加熱処理する加熱処理部と、加熱処理した活性炭素繊維を水蒸気酸化処理して再生する水蒸気酸再生処理部とを具備するので、タールを捕捉した活性炭素繊維の再利用を図ることができ、タール除去におけるランニングコストの低廉化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、実施例に係るガス化システムの概略図である。
【図２】図２は、タール除去手段の構成図である。
【図３−１】図３−１は、活性炭素繊維の構造模式図である。
【図３−２】図３−２は、活性炭の構造模式図である。
【図３−３】図３−３は、ナノファイバを有する活性炭素繊維の構造模式図である。
【図４】図４は、活性炭素繊維にナフタレンが捕捉される状態、加熱処理及び水蒸気酸化処理の工程図である。
【図５】図５は、活性炭素繊維にナフタレンが捕捉される状態、加熱処理及び水蒸気酸化処理の工程図である。
【図６】図６は、活性炭素繊維からなる浄化部材の概略図である。
【図７】図７は、タール除去手段を用いたタール捕捉の切替のマップ図である。
【図８−１】図８−１は、第１のタール除去手段で生成ガス中のタールを捕集している状態を示す図である。
【図８−２】図８−２は第２のタール除去手段の装置本体に触媒溶液を供給している状態を示す図である。活性炭の構造模式図である。
【図９】図９は、捕捉されたタールに対する触媒燃焼の作用機構の概念を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００２４】
本発明による実施例に係るバイオマスガス化システムについて、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係るバイオマスガス化システムの概略図である。
図１に示すように、ガス化システム１０は、石炭やバイオマス等の原料１１をガス化するガス化炉１２と、該ガス化炉１２で生成されたガス化ガスである生成ガス１３中に含まれるチャー１５を除去する除塵手段１４と、該チャー１５が除去された生成ガス１３中に含まれるタール成分を捕捉する第１及び第２のタール除去手段１６Ａ、１６Ｂと、タールが除去された生成ガス１３を精製して精製ガス１８とするガス精製手段１９とを具備する。なお、本実施例では、第１のタール除去手段１６Ａと第２のタール除去手段１６Ｂとを併設しており、これらを交互に用いて、連続してタールの除去を可能としている。
また、この第１及び第２のタール除去手段１６Ａ、１６Ｂには、水蒸気酸化のための水蒸気１７を供給するようにしている。
【００２５】
第１及び第２のタール除去手段１６Ａ、１６Ｂには、図２に示すように活性炭素繊維状株２１が充填されている。
【００２６】
図３−１は、活性炭素繊維の構造模式図であり、図３−２は活性炭の構造模式図である。図３−３は、ナノファイバを有する活性炭素繊維の構造模式図である。
図３−１に示すように、活性炭素繊維（Ａｃｔｉｖｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ；ＡＣＦ）１００は、一般にその表面に微細なミクロポア１０１が存在し、その繊維径は１〜２０μｍ、比表面積が７００〜２５００ｍ2／ｇ、外表面積０．２〜２．０ｍ2／ｇ、ミクロポアの細孔直径が２ｎｍ以下のものをいう。
よって、タール成分であるナフタレンはミクロポア１０１内には侵入せずに、活性炭素繊維の外表面に捕捉される。
本発明では、この外表面に捕捉されたナフタレンを加熱処理して炭化し、その後水蒸気酸化により炭素の塊は炭素塊痕として、再生するようにしている。
【００２７】
これに対し、図３−２に示すように、活性炭２００は、マクロポア２０２の奥にミクロポア２０１が存在するので、マクロポア２０２に侵入した結果、再生できずに、焼却処理することとなる。
【００２８】
また、図３−３に示すように、表面にナノファイバ１０２を成長させた活性炭素繊維１００を用いて、活性炭素繊維の表面及びナノファイバ１０２にナフタレンを捕捉させるようにしてもよい。
【００２９】
図４及び図５は活性炭素繊維にナフタレンが捕捉される状態、加熱処理及び水蒸気酸化処理の工程図である。
本実施例に係るタール成分除去装置１６Ａ、１６Ｂは、図２に示すように、タールを含む生成ガス１３を導入し、生成ガス１３中のタールを捕捉させる活性炭素繊維浄化部２２と、活性炭素繊維を加熱処理する加熱処理部であるヒータ２２と、加熱処理した活性炭素繊維に水蒸気１７を導入して水蒸気酸化処理して再生する水蒸気酸再生処理部とを具備するものである。
なお、タールの捕集、加熱処理及び水蒸気酸化処理は第１及び第２のタール除去手段１６Ａ、１６Ｂの装置本体２０内で全て実施される。
【００３０】
先ず、弁Ｖ1及びＶ2を開放して、生成ガス１３を装置本体２０内に全量導入し、活性炭素繊維浄化部２１の活性炭素繊維の表面にタールを捕捉する。
タールの捕捉が十分になされた場合には、後流側に設置したタールセンサ２３により確認される。
【００３１】
その後、タールセンサ２３により第１のタール除去手段１６Ａでのタールの捕捉状態から、第２のタール成分除去装置１６Ｂ側に流路を切り替え、タール成分の捕捉を継続する。
【００３２】
次いで、第１のタール成分除去装置１６Ａの前後の弁Ｖ1、Ｖ2を閉じ、ヒータ２１により内部を加熱する。
生成ガス１３はガス化ガスの場合、還元雰囲気ガスであるので、還元状態での加熱が進行し、活性炭素繊維の炭素の構成状態により、活性炭素繊維の表面に異方性炭素１１０Ａ又は等方性炭素１１０Ｂが成長する（図４、図５参照）。
【００３３】
加熱処理後、Ｖ5を開き、水蒸気１７を導入して、加熱処理して水蒸気酸化処理を行い、炭素を水蒸気賦活させる。
【００３４】
活性炭素繊維の炭素の構成状態により成長した炭素が異方性の場合には、図４に示すようなランダムな炭素配列となり、活性炭素繊維の表面には炭素塊１１１が残る。
【００３５】
これに対し、等方性の場合には、図５に示すように、等方性炭素が成長するので、規則性がある炭素配列となり、活性炭素繊維の表面には炭素の残滓１１２が残る。
【００３６】
いずれの場合においても、活性炭素繊維は再生処理され、次のタール除去に備えることとなる。
【００３７】
また、タール除去手段に充填される活性炭素繊維からなるタール除去部材は、平板状のものや、平板状シートと波板状シートとを接合した断面三角形の空間通路を有するもの等を例示することができる。
【００３８】
図６は活性炭素繊維からなる浄化部材の概略図である。
図６に示すように、平板状の平板活性炭素繊維シート４１と波板状の波板活性炭素繊維シート４２とから構成され、これらが交互に積層してなり、これらの間に形成される直線状の空間が通路４３となり、該通路４３がガス通過の軸方向に延びた状態になっている。
平板活性炭素繊維シート４１及び波板活性炭素繊維シート４２は板状であると共に、上記波板活性炭素繊維シート４２は、さらに例えばコルゲータ等を用いて波型に成型されている。また、波板状とする以外に、例えばハニカム形状等、生成ガスが活性炭素繊維シートに対して平行に通過する形状に成形するようにしてもよい。
【００３９】
精製ガス１８を得るガス精製手段１９は、例えばＺｎＯ等の脱硫剤やタール成分をさらに除去するプレリフォーミング触媒（例えばＮｉ系触媒、Ｒｕ系触媒等）を用いて精製精度を向上させるようにしている。
【００４０】
また再生処理として、水蒸気酸化処理以外に、アルカリ金属又はアルカリ土類金属等のアルカリ触媒を用いた触媒燃焼によりタール成分を燃焼除去するようにしてもよい。
【００４１】
このアルカリ触媒によるタール成分の除去及び再生は次のようにして行う。
第１のタール除去手段１６Ａと第２のタール除去手段１６Ｂとで生成ガス１３中のタール成分を交互に捕集し、一方の第１のタール除去手段１６Ａでタール成分を捕集している間に、他方の第２のタール除去手段１６Ｂで捕集したタールを触媒溶液に浸漬し、付着して乾燥させ、その後触媒が付着したタールを触媒燃焼分解するようにしている。
【００４２】
図７は、タール除去手段を用いたタール捕捉の切替のマップ図である。図７に示すように、第１のタール除去手段１６Ａで生成ガス１３中のタールを捕集するには、生成ガス１３を通気させる（Ｓ−２００）。その間、第２のタール除去手段１６Ｂでは、それ以前において捕集したタールに触媒溶液３１を付着させるために、先ず触媒溶液３１を供給する。この触媒溶液３１の供給の前に通気しているときには排ガスは高温であるので、一度、冷却させる（Ｓ−２０１）。その後１００℃以下になったら、触媒溶液３１を供給する（Ｓ−２０２）。そして、触媒溶液３１を排出し（Ｓ−２０３）、冷却・乾燥手段（図示せず）により、乾燥する（Ｓ−２０４）。
【００４３】
この操作を繰返すことにより、一定時間経過した後、活性炭素繊維浄化部２１により捕捉したタールに触媒を付着させ、その後、生成ガス１３の顕熱により触媒燃焼させることで、タールを分解除去することができる。なお、生成ガス１３の導入の代わりに必要に応じて別途ヒータ等の外部熱源を用いることもできる。
【００４４】
切替のタイミングは、タールセンサでの計測や、あらかじめ決められた浄化部２１の所定の圧力損失に達した場合に切替える方法や、ある一定時間生成ガス１３を通過させた後に、切替える方法等があるが、特に限定されるものではない。
【００４５】
一例として第１のタール除去手段１６Ａで生成ガス１３中のタールを捕集する場合について説明する。
図８−１は第１のタール除去手段１６Ａで生成ガス１３中のタール３０を捕集している状態を示し、図８−２は第２のタール除去手段１６Ｂの装置本体２０に触媒溶液３１を供給している状態を示している。
図８−１の状態においては、生成ガス１３はガスラインＬ1を通過して第１のタール除去手段１６Ａへ導入され、ここで内部に設けられた浄化部２１でタール３０が捕捉されており、ガスラインＬ2に介装された触媒溶液３１の供給ラインＬ11に介装されたバルブＶ11、Ｖ12が閉塞されている。
【００４６】
一方、図８−２の状態では、第２のタール除去手段１６Ｂの浄化部２１内には、既に捕捉されたタール３０が付着しており、このタール３０に触媒タンク（図示せず）より触媒溶液３１を供給して、第２のタール除去手段１６Ｂ内を充満させ、タール３０の周囲に触媒を付着させる。
【００４７】
図９は、捕捉されたタール３０に対する触媒燃焼の作用機構の概念を示す図である。
図９に示すように、活性炭素繊維１００の表面に付着したタール３０は、触媒溶液３１が供給されると、そのタール３０の表面が触媒溶液３１により覆われる。その後、冷却空気が供給されて乾燥が進行すると触媒がタール３０の内部にも浸透する。また、内部に侵入した触媒溶液３１も乾燥し、触媒活性を示す成分が微粒子内部に均一に残留する。その後、高温の生成ガス１３の導入を行い、生成ガス１３の温度（約３００℃）でゆっくり触媒燃焼が進行することになる。この触媒燃焼によりタール３０の表面のみならず内部においても触媒作用が働き、タール３０の完全燃焼が可能となる。
【００４８】
この結果、従来のようにヒータ等を用いることなく、しかも低温領域（３００℃程度）において、タール３０を燃焼処理することになる。
よって、生成ガス１３中のタールが捕捉され触媒燃焼がなされることを連続的に行うことで、ガス化ガスの浄化及び活性炭素繊維の再生が可能となる。
【００４９】
ここで、本発明で触媒とは、炭酸カリウム，炭酸ナトリウム等のＮａ，Ｋ等のアルカリ金属，アルカリ土類金属のうち少なくとも一種を含むものである。また、アルカリ触媒として海水を利用することもできる。また、アルカリ金属或いはアルカリ土類金属の少なくとも１種を海水中に添加するようにしてもよい。
【００５０】
本発明ではアルカリ触媒溶液を用いて浸漬する以外に、タール３０の表面を覆うように噴霧等することにより、当該触媒を均一に配置させるようにしてもよい。
【００５１】
以上述べたように、本発明に係るタール成分除去装置及び方法によれば、例えば石炭やバイオマス等の有機化合物を燃料としてガス化炉１２でガス化された生成ガス１３中のタール成分の効率的な除去と再生とができるので、精製ガス１８は、ガスタービン並びに燃料電池等への利用が可能となると共に、ガス化ガスを原料とする各種化学製品の製造の際における触媒被毒を解消することができる。
よって、得られた精製ガス１８は、ガス中のＨ2 とＣＯガスの組成を調整することで、アンモニア、メタノール（又はジメチルエーテル）等の化成品の製造用のガスとして利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ガス化システム
１１  原料
１２  ガス化炉
１３  生成ガス
１６Ａ  第１のタール除去手段
１６Ｂ  第２のタール除去手段
１７  水蒸気
１８  精製ガス
１９  ガス精製手段
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図９】
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