NEDO 「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」/

「ABC(Advanced Biomass Co‐gasification)次世代バイオマス液体燃料製造システム技術の開発」

2014.7.24

一般財団法人 石炭エネルギーセンター

技術開発部 林 石英

1

平成25年度JCOAＬ事業成果報告会

研究開発の目的：

（１）バイオマスと補助石炭の共ガス化で、ガス化炉運転の安定化を図り、熱効率を向上。

（２）三塔式CaO媒体CFBガス技術でガス化、メタンやタール等改質、脱硫、H2/CO比調整を

同時促進し、簡易ガス精製（水洗浄・脱塵）のみで、合成ガスとしてBTL設備に提供。

（３）少量軽質タール、硫黄に耐え、安価な新FT合成触媒によるBTL設備を開発。

（４）合理的なガス化、FT合成のシステムマッチング、油製造効率の最大化。

油燃料製造

>50%

本提案システムの基本構成と技術開発項目

ＢＴＬ設備ガス化設備

（２） CaO 熱媒体循環流動層ガス化炉

（ガス化＋改質＋炉内脱硫+H2/CO比調整）

（１）バイオマス＋補助石炭(入熱基準1割以下）

ガス洗浄脱塵、

洗浄水

（３）耐タール耐硫黄ＦＴ合成

効率

洗浄排水

高温排ガス

生成ガスH2S < 10ppm軽質タール<0.5g/m3

H2/CO比=1-2

無排水処理

水蒸気（熱）

合成ガス

水蒸気

空気

バイオマス乾燥

事業の目的、概要

オフガス（メタン、プロパン、・・・）

（４）2

CaOを媒体とする三塔式循環流動層ガス化システム

１．石炭補助燃料として、バイオマスガス化安定化、効率アップ

２．CaOを媒体とする三塔流動層によるタール、炭化水素改質

ガス化塔反応：

(1)  Biomass(Coal) + H2O → CO+H2+CH4+CnHm (tar)+ CO2+Char

(2)  CO2 + CaO→  CaCO3

(3)  H2S + CaO →  CaS

改質塔反応：

(1)  CH4 + CnHm(tar) +H2O →  CO + H2

燃焼塔反応：

(1) Char + O2 →  CO2

(2) CaS + O2 →  CaSO4 

合成ガス(H2, CO,・・・）

液体燃料

オフガス、重質残渣(CH4, ・・・CnHm)

ガス洗浄

液体燃料合成

CaSO4, フライアッシュ

ガス化塔

媒体（CaO）、CaSO4

水蒸気、or CO2

ライザー

バイオマス石炭CaOベース媒体

空気or O2

クリーンガス

排ガス

850～1000℃

650～850℃

排ガスサイクロン

媒体サイクロン

ガス化ガス(H2, CO, CH4, ・・・CnHm)

媒体CaO

燃焼塔

媒体CaO

850～1000℃

改質塔

ボトムアッシュ

or 

ＣaOを媒体とする

三塔式循環流動層によるバイオマス/石炭共ガス化の概念

3

平成２５年度実施内容

１．ガス化プロセス解析による石炭補助燃料の最適化、ガス化

冷ガス効率向上の検討

２．バイオマス、石炭ガス化実験によるCaOのタール改質効果の検証

4

ケース１ ケース２ ケース３

ガス化熱の提供方式

補助燃料をバイオマスと共ガス化して、チャーを燃やす

補助燃料を直接に燃やす 補助燃料がなくて、生成ガスの一部を燃やす

概念図

冷ガス効率

加熱燃料（a）

（x）バイオマス

（ｙ）

補助燃料（a）

バイオマス（ｙ） （x）（x）

バイオマス

（ｙ）

（a）

（a+b）（b）

x - aηc= yxηc= y + a

x x -ay+a y

x + bηc= y + a + bx +b x y+a+b y +a >>

石炭補助燃料によるガス化冷ガス効率向上の原理

１． ガス化プロセス解析による石炭補助燃料の最適化、ガス化冷ガス効率向上の検討

5

燃焼塔

改質塔

ガス化塔

空気

水蒸気

燃焼排ガス生成ガス(H2, CO)

バイオマス/石炭

H2とCO燃料として利用

CO AL J4

PQ COA L

49

CO AL1

QCOAL1

6

13

39

48Q

SY NTA R

CA CO3-C

7

1

CA O

CO AL2

QCOAL2

20

22

HE AT-G AS

44Q

CO 2-N2 CO 2-N2-2

38

3

8 PRODUCT

18

10

3435Q

14

11

BIO MA SS 4

PQ COA LN

56Q

54

SY NGA S

50

AIR-1

12

CA CO3FED

15

Q

INP H2O

9Q

33

24Q

Q

45Q

R Y I E L D

B1

GA SIF IER

CY CLO N1

CY CLO N2

CO MBUST

B5

S E P

B2

B13

DU P L

CO PY

DUPL

CO PY2

Q

D U P L

CO PY3

RE FORMER

R Y I E L D

B1N

Q

D U P L

CO PY5

DUPL

CO PY4

B3

Q B4

CY CLO N3

B10

B12

RGIB BS

B14

B6

H2ODRY

B7

H2ODRY2

B15

B16

G- SEP

石炭供給

バイオマス供給

改質

ガス化

燃焼

ガス化生成ガス

燃料ガス

最適石炭補助率解析モデルの作製

基本プロセス考え方：① チャー燃焼塔で燃やし、熱媒体によって

熱をガス化と改質反応に提供

② 足りない熱は生成ガスの一部をリサイクル アスペンモデル作製：

１． ガス化プロセス解析による石炭補助燃料の最適化、ガス化冷ガス効率向上の検討

6

工業分析[ wt%]

水分 揮発分 固定炭素 灰分 バイオマス分析値

31 82.2 17.5 0.3

元素分析[wt%]

C H O N Cl S Ash

51.5 6.1 42.1 0.1 0.1 0.1 0.3

工業分析[ wt%]

水分 揮発分 固定炭素 灰分 石炭分析値

8.8 46.4 48.35 5.25

元素分析[wt%]

C H O N Cl S Ash

66.76 4.68 22.84 0.34 0 0.13 5.25

発熱量(HHV)：2870 kcal/kg

発熱量(HHV)：6526 kcal/kg

解析に使うバイオマスと石炭の分析値

１． ガス化プロセス解析による石炭補助燃料の最適化、ガス化冷ガス効率向上の検討

7

最適石炭補助率解析結果の一例

１． ガス化プロセス解析による石炭補助燃料の最適化、ガス化冷ガス効率向上の検討

8

単位合成ガス当たり実際CO2排出量

0.60 kg-CO2/Nm3-(H2+CO)） 0.56 kg-CO2/Nm3-(H2+CO)

２．バイオマス、石炭ガス化実験によるCaOのタール改質効果の検証

水蒸気、N2

熱電対 流動層

CaO粒子流動層

供給機

バイオマス/石炭、N2

凝縮器

生成ガス分析

熱電対

電気炉

風冷ゾーン

上段：改質炉石英ガラス製内径：30mm

下段：ガス化炉石英ガラス製内径:30mm

1500mm

500mm

バイオマス/石炭供給

揮発分、タール

実験装置と実験条件

風冷ゾン

実験条件：

反応器温度：上段：950℃、下段：800℃

バイオマス/石炭供給速度： 60 g/h

水蒸気供給量： 1 g/min

N2供給量： 1.5L/min

ガス組成分析、液TOC分析 9

風冷ゾーン

凝縮器

バイオマス供給開始後、約3分タール発生、配管つまりで停止

バイオマス供給開始後、約58分タール発生なし、連続供給時間約1時間（計画停止）

上段にCaO粒子無し(ブランク) 上段にCaO粒子有り(100g)(a) (b)

上段にCaO粒子無し(ブランク) 上段にCaO粒子有り(100g)石炭供給開始後、約数分後にタール発生、配管つまりで停止

石炭供給開始後、約180分、タール発生なし、連続供給時間約3時間(計画停止)

風冷ゾーン

凝縮器

(a) (b)

CaOなし、バイオマス供給3分後

CaOあり、バイオマス供給６０分後

CaOなし、石炭供給数分後

CaOあり、石炭供給180分後

２．バイオマス、石炭ガス化実験によるCaOのタール改質効果の検証

CaOによるタール改質効果の実験、目視結果

10

0

10

20

30

40

50

60

70

100 110 120 130 140 150 160 170 180Time [min]

バイオマスの元素分析値：C: 50.79%, H: 5.83%, O: 43.06%

石炭の元素分析値：C 81.6%, H 4.94%, O 12.28%

H2

CO

0

10

20

30

40

50

60

70

50 60 70 80 90 100 110Time [min]

Gas

pro

duct

s [

% ]

Gas

pro

duct

s [

% ]

H2

CO

C: 75.79%, H: 4.79%, O: 11.95%

バイオマス 石炭

２．バイオマス、石炭ガス化実験によるCaOのタール改質効果の検証

CaOによるタール改質効果の実験、生成ガス組成

CH4

CO2

CH4

CO2

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（軽質タール中のC:Hモール比約1:1と仮定）

生成ガス当たりタール発生量＝

生成液体中カーボン含有量☓13/12/(生成ガス量)/1000

＝0.556☓13/12/(105/1000)= 5.73 mg/m3

バイオマス供給速度

実験時間 トータル石炭供給量

ガス生成量 トータルガス生成量

1g/min 2.5 h 150 g 0.7 L/min 105 L

バイオマス供給量とガス生成量

気液分離タンク

氷水 液体窒素＃１

液体窒素＃２

トータル回収量

TOC分析値 カーボン回収重さ

3.5 mL 2.7 mL 1.7 mL 0.4 mL 8.3 mL 67 mg/L 0.556 mg

回収液体量とカーボン含有量

凝縮瓶と気液分離タンク

石炭供給速度 実験時間 トータル石炭供給量

ガス生成量 トータルガス生成量

1g/min 1.5 h 90 g 1 L/min 90 L

石炭供給量とガス生成量

凝縮瓶と気液分離タンク

氷水 液体窒素＃１

液体窒素＃２

トータル回収量

TOC分析値 カーボン回収重さ

なし 2.5 mL 0.1 mL 0.3 mL 2.9 mL 51mg/L 0.148 mg

回収液体料とカーボン含有量

(軽質タール中のC：Hは1:1と仮定すると)

生成ガス当たりタール発生約量=

(0.148/12*13)/(90/1000)  =  1.8mg/m3

・バイオマスガス化の生成ガス中の残留軽質タール

5.6 mg/m3

・ 石炭ガス化の生成ガス中の残留軽質タール

1.8 mg/m3

２．バイオマス、石炭ガス化実験によるCaOのタール改質効果の検証

CaOによるタール改質効果の実験、

生成ガス中のタール含有量

12

今後の計画、三塔式循環流動層の運転研究、スケールアップ

装置の概念図 三塔式装置の写真

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約４ｍ高さ

※ ＣaOを媒体とする三塔式循環流動層を用いたバイオマス/石炭共ガス化によって、

バイオマスの高効率ガス化とタール低減を実現できることを確認できた。

※ 石炭を補助燃料としてバイオマスと共ガス化することで、原料性状の安定化を図る

ことだけではなく、ガス化プロセスの熱収支安定性を確保できることで、ガス化冷ガス効

率が十数％向上し、単位生成ガス当たりCO2発生量が減少することを解析によって明ら

かにした。

※ CaO粒子を用いた流動層改質炉の条件で、バイオマス/石炭ガス化から発生した難

分解炭化水素、タールの水蒸気改質を実験的に検討した結果として、ガス化生成ガス

中の残留タールは以下にとおり確認できた。

バイオマスガス化約： 5.6 mg/m3

石炭ガス化約： 1.8 mg/m3

※ 今後、三塔式循環流動層の運転研究、スケールアップ研究を計画している。

まとめ

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謝辞：

この成果は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の

委託業務から得られたものです。ここに、NEDOに感謝の意を表します。