加圧固定床ガス化を用いたバイオマスの気液燃料への転換
Conversion from biomass to gas and liquid fuel by pressurized fixed bed gasification○学 大嶋 祐史（千葉大） 正 中込 秀樹（千葉大）
正 安田 肇（産総研） 鈴木 善三（産総研）
Yuji Oshima and Hideki Nakagome, Chiba University
Hajime Yasuda and Yoshizo Suzuki, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)In this study, white pellets and Palm Kernel Shell (PKS) are gasified in a fixed-bed gasifier, using air as thegasification agent. Experiments were conducted at 0.1MPa, 0.4MPa, and 0.8MPa. Temperatures of fivepoints inside the gasifier were measured and product gas distribution was analyzed during the experiments.
Until now, CO2 has been produced much more than in the ideal gasification condition. Produced gas
composition changed periodically, and continued to change in a certain range for hours. In a pressurized
condition, H2/CO ratio showed to increasing tendency.
Key Words: Biomass, Gasification, BTL
１．はじめに近年、DME 等のクリーンな次世代燃料への注目が高まっているが、現状では石炭や天然ガスなどの化石資源を原料としたものが多く、これをカーボンニュートラルなバイオ
マ ス に 置 き 換 え る こ と が 期 待 さ れ る 。 BTL(Biomass ToLiquid) プロセスでは後流の合成工程は多くの場合加圧下で行われるため、バイオマスガス化を加圧で行えば圧縮動力削減等の利点がある。また、ガス化の際に生成される CH4White pellet
Palm Kernel Shell（PKS）
Fig. 1. Raw materials
等の可燃性ガスやタールを発電等に利用すれば、バイオマスのエネルギーを一層有効に利用できる。そこで、本研究2.3 実験方法
では加圧固定床ガス化装置を製作し実験を行い、反応条件ガス化炉底へ原料を一定量供給し堆積層を形成した後、がガス化性能に与える影響を調べた。
炉底部の着火ヒータに通電し、燃焼・ガス化反応を開始した。ガス化剤には O2 と N2 の混合ガスを使用し、酸素濃度
２．実験方法を 10%～21%とした。なお、水蒸気は使用しなかった。
2.1 装置
放熱抑制のため、実験中はガス化炉外周の電気ヒータをアップドラフト固定床方式のガス化炉を採用、製作し、使用した。ヒータ部の温度は炉内温度と同程度になるよう実験に使用した 1)。この方式のガス化炉はタールが比較的制御した。
多く発生するが、構造が簡単、高効率、低コスト、制御が生成ガスはタールフィルタ、およびダストフィルタを通容易などの優れた特長を持ち、世界的にも多くの実績があ過させた後、マイクロガスクロマトグラフにより H2、CO、る。炉内では、底部からガス化剤を流入することにより、CO2、 CH4 濃度を分析した。
高さ方向で下から順に燃焼層、ガス化層、熱分解層、乾燥層を形成する。酸化反応熱が原料の乾燥・熱分解に有効に３．実験結果および考察利用されるため、下部に高温域、上部に低温域を形成し、3.1 PKS 使用時の炉内温度と生成ガス組成生成ガス出口温度が低い。顕熱損失が小さい特徴を持ち小0.15MPa で原料とガス化剤を連続供給したときの炉内温規模でも高効率を実現できるため、分散型のバイオマスガ度の時間変化と N2 を除いた生成ガス組成の時間変化をそス化に適する。
れぞれ Fig. 2、Fig. 3 に示す。いずれも横軸は着火からの時ガス化炉を加圧容器に格納することにより最大 1MPa ま間とした。
での実験が可能である。本研究では 0.1～0.8MPa に設定し原料の PKS 供給速度は約 15g/分から約 60g/分の範囲で調た。
節し、酸素濃度を 18～21%、ガス化剤流量は 20～50NL/分
また、炉の内径が 150mm と実炉と比較して小さく放熱がの範囲で調節した。
相対的に大きいため、反応炉の外周に電気ヒータを備えた。
炉内の温度は 5 箇所の熱電対（JIS-K）で測定した。結果
は Fig. 2 中の TC1～TC5 で表し、炉底部からの距離は
TC1=10mm 、 TC2=50mm 、 TC3=115mm 、 TC4=460mm 、TC5=1008mm である。
2.2 原料
原料は、国内産針葉樹のホワイトペレット（φ6×10～25mm 程度）またはパームカーネルシェル（PKS、3～25mm程度）を使用した。Fig. 1 に使用した原料の外観写真を示す。
Fig. 2. Temperature change inside the gasifier (PKS)0.1MPa で原料としてホワイトペレットを使用した際のN2 を除いた生成ガス組成を Fig. 4 に示す。
生成ガスの組成を見ると、CO2 濃度が CO 濃度の 2～3 倍の値を示し、H2 濃度は CO よりさらに低いことから燃焼反応が優勢で、目標とするガス化反応の実現には至っていな
い。ガス化剤および原料の定量連続供給を約 4 時間行ったが、この傾向は改善しなかった。
ホワイトペレットを使用した実験では、原料や反応残渣のブリッジ（棚つり）とこれに伴うガスの偏流が実験後に確認され、水平な反応層の形成が実現できなかった。

Fig. 3. Change in product distribution during PKS gasification
Fig. 2 に示されるように、着火から約 20 分で TC1 は 800℃以上、TC2 は 600℃以上となった。また、TC3 は約 50 分か
らの約 70 分までの間に約 200℃から約 700℃に上昇した。
着火から約 70 分以降は、炉内の温度分布はほぼ安定に維持された。
生成ガス組成を Fig. 3 に示した。着火直後から約 20 分間
CO2 の濃度が上昇し、その後減少に転じ、着火後 60 分頃に20％程度の値を示した。CO、H2 は着火後 60 分頃まで上昇傾向を示し、CO は約 45％、H2 は約 15％に達した。着火後に燃焼層が形成された後、次第にガス化層が形成されていったものと推定される。
開始から 60 分までは、原料供給速度を約 15g/分とし、60 分から原料層高を保つため、段階的に増加させ 85 分に約 60g/分とした。開始から 100 分までは 40NL/分の空気を供給し、100 分から 50NL/分とした。125 分まではこれらの条件を保った。その結果、60 分から 125 分までの間 H2 の濃度は約 15％、CO の濃度は約 45％を安定して維持した。
H2/CO 比の平均値は、60 分から 125 分までの間で約 0.3 となった。
125 分以降、ガス化剤流量を一定に保ったまま酸素濃度を 21％から 18%に低下させ、130 分から原料供給速度を約50g/分に減少させたところ、実験終了まで CO および CO2の濃度は増加、H2 の濃度は減少した。
CH4 濃度の値は実験開始直後から終了までおおむね 5％から 10％までの間で安定して推移した。
3.2 ホワイトペレット使用時の生成ガス組成

3.2 加圧による H2/CO 比の変化
Fig. 5 に、ホワイトペレットを使用し、加圧条件として炉内圧力を 0.4MPa、0.8MPa の 2 条件で実験を行った時の生成ガスの H2/CO 比を計算し、0.1MPa の場合と合わせて示した。いずれの値も、それぞれの条件において、生成ガ
ス組成より反応が安定化したと判断される時間帯の CO、
H2 の測定値を平均し算出した。
Fig. 5 に示すように、炉内圧力の上昇に伴い H2/CO 比が上昇する傾向を示した。ただし、いずれの実験においてもFig. 4 と同様に CO2 濃度が高かったため、真にガス化条件での比較とは言い難い。
なお、原料としてホワイトペレットで実験を進めた後、PKS を採用したため、今後は PKS を用いて加圧による検討を行う予定である。

Fig. 5. Effect of pressure on H 2/CO ratio
４．結言
2 種類の木質バイオマスを使用し加圧固定床ガス化装置により実験を行った結果、数時間に渡って安定して生成ガスが得られた。
ホワイトペレットを使用した実験では、加圧条件でH2/CO 比への影響が示唆された。しかし、PKS と異なりガス化より燃焼優勢の反応となった。
今後は原料に PKS を使用し、加圧下での反応挙動のより詳細な把握、解明に取り組む予定である。
参考文献
1) 安田ら,「BTL を指向した木質バイオマスの加圧固定床
ガス化」,第 7 回バイオマス科学会議, Pa-220 (2012)

Fig. 4. Change in product distribution during gasification ofwhite pellet