ガス化プロセスによるバイオマス資源からの燃料製造

平成２４年７月２０日

東京理科大学 理工学部

教授 堂脇 清志

1

H24新技術説明会資料

1.1 背景～車社会への低炭素燃料の導入～

2

CO2排出量の削減 石油依存体質の脱却

ガソリンや軽油に替わる輸送用液体燃料 エタノール，MeOH， DME等の導入への期待

運輸部門の動向

再生可能エネルギーであるバイオマスを輸送用液体燃料あるいはに転換するBTLの導入は、運輸部門からのCO2削減と石油依存体質の脱却の有効な手段になり得る

・GTL：Gas to Liquid 天然ガスを改質して得られるCO及びH2を主成分とする合成ガスからの合成

・BTL：Biomass to Liquid バイオマスのガス化で得られる合成ガスからのMeOHやDMEなどの液体燃料製造 燃料使用時のCO2排出量が0とみなせる

・PM(粒子状物質)やSOxの排出が無い ・ガソリンや軽油と物性が似ており既存のインフラや内燃機関エンジンへ利用できる

輸送用液体燃料(MeOH，DME)

製造法

1.2 想定されるエネルギーパス 物流業界における代替燃料

○燃料合成側 •MeOH製造→MeO添加BDF（エステル化） •MeOH経由DME

•運輸部門の87.8%が自動車

•営業用トラック •自家用トラック 運輸部門の34.1%

トラック燃料の可能性

携帯機器燃料の可能性

IT機器への代替燃料（その他の事例）

代替軽油としてのDMEトラックの開発

FCの搭載

MeOH利用

DMFC携帯電話（既開発）

FCスマートフォンの開発

電源コンディショナ＋スーパーキャパシタ

μPEFC

1.3 LCAによる評価の必要性

4

本研究では、原料供給からエネルギー変換プロセス”、最終的に利用（運輸部門または通信部門）までのエネルギーパスを勘案し、本研究では、エネルギー変換におけるBTL（MeOHとDMEに着目）生産量とCO2原単位の関係を検討する。

・バイオマスの利用

CO2原単位の削減方策

LCA視点

・高エネルギー変換 技術の選択

・原料調達（プランテーション，廃材回収etc.） ・原料調整（乾燥度合，原料の大きさ） ・輸送手段（トラック（積載率），船etc.）

↓ ・持続可能な供給（施肥，土地利用変化etc.）

・BTL燃料

＜原料供給プロセス＞ ＜エネルギー変換プロセス＞ ・所内動力の低減（圧力，温度） ・外部エネルギー投入量の低減（電力，熱）

↓ ・生産量（大）＋CO2排出量（小）の実現

1.4 BTLに関する課題と既存研究

5

化石燃料に比べて高コスト→新たなシステムの開発

国内の広く薄いバイオマス資源→小規模での導入が現実的

燃料製造時の環境負荷が高い→効率のUP，低炭素外部燃料の投入量？

BTLの課題

プラント規模を考慮したBio-DME製造に関するLCA(比護ら、2008)

消費電力の44%、CO2排出量の27%を占める加圧動力の動力削減 MeOH合成では、直接法によるDME合成よりも高効率が期待できる 豊富なオフガスを所内動力(熱源)へ利用するシステムとし、外部エネルギー投入量を抑える 低圧合成とすることによる設備の低コスト化

小規模でのガス発電設備の併設はコスト的に難しく、オフガスの有効活用ができていない

BTLに関する既存研究

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

min max ave min max ave

Chipping Transportationdrying Auxiliary PowerFuel Transportation

ガス化:BTプロセス10t/day DME製造(間接法)

ガス化:加圧型流動床50t/day DME製造(直接法)

Bio-DME製造にかかるCO2排出量

CO

2排出量

[g-C

O2/M

J-D

ME]

低コスト省電力化に繋がる低圧MeOH合成の検討

1.5 Blue Towerプロセスの利用

Blue Towerプロセス(BTプロセス) 熱分解炉、改質炉、予熱炉の3つの炉から成る間接加熱方式のガス化炉

15t-dry/dayの商用プラントを目途とした実証プラントが稼働中（H2製造） 小規模でも中規模以上のプラントと同等の高効率でのガス化が可能 生成されるガスのH2:CO比が2:1→MeOHやDMEの合成に繋がる。

福岡県大牟田市のBTプロセス実証プラント

a. Molar fraction of reforming gases (H2 conc. 52.3 Vol.% at 950deg.C, ex. C. Japonica )

b. Material balance due to the experimental results (S/C=1.0, M.C.=20wt.%, 950 deg.C).

004.0343.0482.0686.235

2

2242

2069.0677.23495.43078.31

NOHCNH1011.6N029.0

OH694.21CO796.8CH255.0CO508.14H946.29OH078.31NOHC

+×++

++++→+

−

c．Measurement of syngas /decomposed gases

Biomass sample

Experimental furnace (max. Temp.: 1,050 C)

Process simulator による解析

○プロセスベース -収量・効率 -所内動力

-外部エネルギー投入量etc.

※冷ガス効率：87.3LHV-%

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

(dry-basis)

H2 COCH4 CO2NH3 H2ON2

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

Syngas

H2 COCH4 CO2NH3 H2ON2

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

CO converted

H2 COCH4 CO2NH3 H2ON2

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

(dry-basis)

H2 COCH4 CO2NH3 H2ON2

Fluidized bed gasifier (partial oxidation)

15

0.000

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

Syngas

H2 COCH4 CO2H2S NH3H2O N2Ar

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

CO converted gas

H2 COCH4 CO2H2S NH3H2O N2Ar

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

(dry-basis)

H2 COCH4 CO2H2S NH3H2O N2Ar

BT gasifier (pyrolysis)

H2:CO=1:1

H2:CO=2:1

H2とCOの高濃度化と濃度コントロールの可能性

粘土鉱物によるCO2吸着 （実験的な検証の実施中）

＜流動床ガス化炉＞ • 部分酸化方式（H2:CO＝1:1，ガス化剤

中のN2の割合が大きい） • 比較的大きな規模である。 • 加圧型のタイプもある。 • 合成面からは有利であるが、規模が大き

いことによる原料収集の問題がある。 ＜BTガス化炉＞ • 還元雰囲気炉（H2:CO＝2:1でさらに高

濃度化のポテンシャルがある。） • 分散型で小さい。 • 反応圧が大気圧であるため、液体合成

では、低圧下の技術が必要である。

1.6 なぜBlue Tower（BT)なのか？

1.7 ＢＴプロセスに関する知的財産権 ＜知的財産関連＞ 1. 有機性廃棄物からの水素回収方法，出願日：平成14年8月27日，出願人：株式会社

日本計画機構，発明者：堂脇直城，堂脇清志，亀山光男，特許認定（日本国出願番号：特願2002-247811，日本国公開番号：特開2004‐83340，特許番号第4246456号，特許査定通知 認証日：平成21年1月16日）

2. 有機性廃棄物のガス化装置，出願日：平成15年11月12日，出願人：相村建設株式会

社，発明者：相澤吉久，笠原康一，太田剛，堂脇清志，特許認定（日本国出願番号：特願2003-382798，日本国公開番号：特開2005‐146056，特許番号第4363960号，特許査定通知 認証日：平成21年8月28日）

3. 有機系廃棄物のガス化方法，出願日：平成21年2月12日，出願人：株式会社日本計画機構，発明者： 堂脇直城、亀山光男、上内恒、小倉伸介、磯崎忠造、堂脇清志，特許出願（日本国出願番： 特願2009-029257）

※株式会社日本計画機構は平成24年5月1日より、株式会社ジャパンブルーエナジーとなっています。

1.8 ＢＴプロセスに関する研究実績 ＜科学研究費補助金＞ 1. 逆有償の有機系廃棄物からの水素製造に関する実用化研究（基盤研究（B），2007.4

～2010.3 ） ＜共同研究等実績＞ 1. ブルータワープロセス（BTプロセス）試験データの解析研究（共同研究，2008.10～

2009.3） 2. 熱媒体の流動特性に関する研究（共同研究，2010.4～2010.9） 3. バイオマスガス化合成ガスに対する改質特性に関する研究（共同研究，2010.10～

2011.3） 4. 緑と水の環境技術革命プロジェクト事業（農林水産省環境バイオマス政策課），委託

テーマ：ブルータワー技術の基礎研究並びに原材料の分析・評価及びLCA（受託研究，2010.12～2011.3）

5. BTプロセスHCの熱伝特性試験に関する研究（受託研究，2010.12～2011.3） 6. 管理型廃棄物処分処理場におけるエネルギー高度化利用に関する予備調査（受託

研究，2011.2～2011.3） 7. ブルータワープロセス（BTプロセス）の物質収支の解析的研究（共同研究，2011.7～

2012.3） 8. BTプロセスを利用したバイオ水素製造に係る水分除去ならびにCO2吸着による高効

率生産システムに確立のための基礎研究（共同研究，2011.10～2012.3） 9. 実用時のCO2排出量を考慮したトラック輸送に関するLCA（共同研究，2011.11～

2015.3）

1.9 想定するBTL燃料

10

MeOH反応式： CO + 2H2 ↔ CH3OH + 90.77kJ/mol (4)

DME合成反応

• 一般的には5MPa前後の圧力で合成されるが、本研究では高圧ガス保安法に触れない1MPaの低圧下での合成について実験値を基に検討する

複数段（１MPa以内）の合成を行うことを想定する。→バイオマス補助燃料及び加圧動力低減に伴うCO2原単位の低減を目指す。

MeOH 合成反応： CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O −56.33 kJ/mol (1) MeOH脱水反応： 2CH3OH ↔ CH3OCH3 + H2O −21.255 kJ/mol (2) シフト反応： CO + H2O ↔ H2 + CO2 −40.9kJ/mol (3)

MeOH合成反応

• 文献値（W.-Z. Lu et al. / Chemical Engineering Science 59 (2004) 5455-5464）を用いた評価を実施

• 3つの合成反応を考慮した設計を行う。→副産物としてのMeOHの考慮 現状の高圧下の合成を想定する。→バイオマス補助燃料及び副産物収量によるCO2原単位の低減を目指す。

2. これまでの検証内容 a. バイオマスのガス化にBTプロセスを利用した場合のガスを

原料とする低圧MeOH合成実験

b. 実験データを基に低圧Bio-MeOH製造システムのプロセス

設計の実施

c. 文献値によるBio-DME製造システムのプロセス設計の実施（一部実験データを使用）

d. BTL燃料のCO2原単位低減の効果

11

低圧条件でのMeOH収量の把握 圧力と温度がMeOH収量に与える影響を把握する

低圧条件では複数段のMeOH合成を想定

バイオマス補助燃料の投入の効果

反応式（1）の代わりに、反応式（4）（実験による平衡定数）を用いた場合の検討

3. MeOH合成実験

12

実験条件

投入ガス BTガス

反応圧力 1~2.5MPa

反応温度 150~225℃

触媒 1.0g

加熱時間 120分

加圧時間 120分

ガス種類 ガス組成[%]CO 27.33%CH4 0.51%CO2 16.01%N2 0.11%H2 56.05%

原料として利用するBTガスの組成

MeOHは常温で液体のため検出できない

実験前後でのC及びHバランスからMeOH生成量を推算

・原料としてBTプロセスで生成されるガスを模擬した標準ガス(BTガス)を利用 ・圧力と温度条件を変えて実験 ・MeOH合成触媒としてCu/Zn/Al系触媒を共沈法により作成

MeOH反応器（容量150ml）

Pipe Heater

H2ガス投入口(50mlシリンジ使用)

真空ポンプ

排気

Ar

反応ガス取出口（1mℓシリンジ使用）

ガス回収管

GC-2014BTガス

触媒(Cu/Zn/Al) 1.0g

MeOH合成実験装置概要

4. 実験結果

13

反応温度とMeOH転換率の関係(圧力1MPa）

MeOH合成の温度依存性の把握

当該条件でのMeOH合成では175℃でMeOH転換率8.7%が最適条件

多段合成におけるMeOH転換率 (反応温度175℃、圧力1MPa)

圧力1.0MPa、合成段数3段のケースでMeOH転換率は16.0%程度になる 低圧下でも複数回の合成を行うことで一定のMeOH収率を確保できる

]/)[(]/)[(

2 hmolCOHInputhmolMeOHOutputMeOH

+=転換率※

多段MeOH合成による転換率の変化

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

150 175 200 225 250

MeO

H転換

率[%

]

反応温度[℃]

1MPa実験値 1MPa理論値 1MPa 1回(文献値)1MPa 2回 1.5MPa 2回 1MPa 3回1.5MPa 3回

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

150 175 200 225 250

MeO

H転換

率[%

]

反応温度[℃]

1MPa実験値 1MPa理論値 1MPa 1回(文献値)

：MeOH合成効率を示す指標

平衡定数

14

種別 利用先 CO2原単位 [g-CO2/MJ] 単位発熱量

バイオマス プラントへの主原料・補助動力（チップ化＋輸送を考慮） 0.0 13.6 MJ/kg (含水率20%)

軽油 原料輸送・原料乾燥 74.4 38.2 MJ/L

電力 バイオマスのチップ化・プラント内の所内動力(圧縮動力等) 115.8 8.6MJ/kWh （1次ベース）

当該BTLシステムのバウンダリ

Feedstock(Japanese Cedar)

Transportation(10t truck)

BT Gasifier(12 t-dry/d)Diesel Oil/

Electricity

CO2CO2

Fuel (DME/MeOH)

Synthesizer

Exhaust Gas

Pre-processing

Uncertainties on the transportation distance and the moisture content of raw material (Biomass material).

Dryer

Energy conversion

Auxiliary Feedstock(Japanese Cedar)

Electricity

Diesel Oil

Chipping

Diesel Oil

Electricity

Thermal energy

Syngas OffgasChar

Thermal energy

15

製造エネルギー：DME＋MeOH（副産物），1段（高圧），補助バイオマスあり

Single-stage MeOH synthesizing system

Diesel

ElectricityBiomass feedstock

(Main)

Biomass Feedstock(auxiliary)

Transportation(Truck)

Chopped material

Dryer

Pre-heater

Reformer

Pyrolyzer Combuster

Gas-cleanerDME synthesizer(5MPa,250 deg.C)

Distillation

Exhaust

DME

Drain

Feedstock

Water

BT-BLT production system (Case: DME in single-stage synthesis w auxiliary feedstock)

BT plant

Feedstock flow

Heat carrier flow

Syngas flow

Exhaust gas flow

Water flow

Off-gas flowDME/MeOH flow

Input flow

MeOH

(by-product)

16

製造エネルギー：DME＋MeOH（副産物），1段（高圧），補助バイオマスなし

Single-stage MeOH synthesizing system

Diesel

ElectricityBiomass feedstock

(Main)

Biomass Feedstock(auxiliary)

Transportation(Truck)

Chopped material

Dryer

Pre-heater

Reformer

Pyrolyzer Combuster

Gas-cleanerDME synthesizer(5MPa,250 deg.C)

Distillation

Exhaust

DME

Drain

Feedstock

Water

BT-BLT production system (Case: DME in single-stage synthesis w/o auxiliary feedstock)

BT plant

Feedstock flow

Heat carrier flow

Syngas flow

Exhaust gas flow

Water flow

Off-gas flowDME/MeOH flow

Input flow

MeOH

(by-product)

17

製造エネルギー：MeOH，1段（高圧），補助バイオマスあり

Single-stage MeOH synthesizing system

Diesel

ElectricityBiomass feedstock

(Main)

Biomass Feedstock(auxiliary)

Transportation(Truck)

Chopped material

Dryer

Pre-heater

Reformer

Pyrolyzer Combuster

Gas-cleanerMeOH synthesizer(3MPa,170 deg.C)

Distillation

Exhaust

MeOH

Drain

Feedstock

Water

BT-BLT production system (Case: MeOH in single-stage synthesis w auxiliary feedstock)

BT plant

Feedstock flow

Heat carrier flow

Syngas flow

Exhaust gas flow

Water flow

Off-gas flowMeOH flow

Input flow

18

製造エネルギー：MeOH，1段（高圧），補助バイオマスなし

Single-stage MeOH synthesizing system

Diesel

ElectricityBiomass feedstock

(Main)

Biomass Feedstock(auxiliary)

Transportation(Truck)

Chopped material

Dryer

Pre-heater

Reformer

Pyrolyzer Combuster

Gas-cleanerMeOH synthesizer(3MPa,170 deg.C)

Distillation

Exhaust

MeOH

Drain

Feedstock

Water

BT-BLT production system (Case: MeOH in single-stage synthesis w/o auxiliary feedstock)

BT plant

Feedstock flow

Heat carrier flow

Syngas flow

Exhaust gas flow

Water flow

Off-gas flowMeOH flow

Input flow

19

製造エネルギー：MeOH，3段（低圧），補助バイオマスあり

Multi-stages MeOH synthesizing system

Diesel

ElectricityBiomass feedstock

(Main)

Biomass Feedstock(auxiliary)

Transportation(Truck)

Chopped material

Dryer

Pre-heater

Reformer

Pyrolyzer Combuster

Gas-cleaner

MeOH synthesizer(1MPa, 170deg.C)

MeOH synthesizer(1MPa, 170deg.C)

MeOH synthesizer(1MPa, 170deg.C)

Distillation

Exhaust

MeOH

Drain

Feedstock

Water

BT-BLT production system (Case: MeOH in multi-stages synthesis w auxiliary feedstock)

BT plant

Feedstock flow

Heat carrier flow

Syngas flow

Exhaust gas flow

Water flow

Off-gas flowMeOH flow

Input flow

20

製造エネルギー：MeOH，3段（低圧），補助バイオマスなし

Multi-stages MeOH synthesizing system

Diesel

ElectricityBiomass feedstock

(Main)

Biomass Feedstock(auxiliary)

Transportation(Truck)

Chopped material

Dryer

Pre-heater

Reformer

Pyrolyzer Combuster

Gas-cleaner

MeOH synthesizer(1MPa, 170deg.C)

MeOH synthesizer(1MPa, 170deg.C)

MeOH synthesizer(1MPa, 170deg.C)

Distillation

Exhaust

MeOH

Drain

Feedstock

Water

BT-BLT production system (Case: MeOH in multi-stages synthesis w/o auxiliary feedstock)

BT plant

Feedstock flow

Heat carrier flow

Syngas flow

Exhaust gas flow

Water flow

Off-gas flowMeOH flow

Input flow

4.8 システム条件の整理

21

Gasifier type Scale [t-dry/d]

Transportation range [km] BTL systhesis Operation condition Auxiliary power

Fluidized bed (Air-blow)

40 5-150 DME 3MPa,240°C H2:CO=1:1

w Steam Turbine (electricity)

Fluidized bed (Oxygen-blow)

w Steam Turbine (electricity)

Blue Tower 12 5-50

DME (+MeOH)

5MPa+1 stage,250°C H2:CO=2:1

w Biomass (2.6 t-dry/d) +Conv. Electricity

DME (+MeOH)

5MPa+1 stage,250°C H2:CO=2:1

w/o Biomass +Conv. Electricity

MeOH 3MPa+1 stage,170°C H2:CO=2:1

w Biomass (1.7 t-dry/d) +Conv. Electricity

MeOH 3MPa+1 stage,170°C H2:CO=2:1

w/o Biomass +Conv. Electricity

MeOH (Multi stage)

1MPa+3 stages,170°C H2:CO=2:1

w Biomass (3.3 t-dry/d) +Conv. Electricity

MeOH (Multi stage)

1MPa+3 stages,170°C H2:CO=2:1

w/o Biomass +Conv. Electricity

★反応条件とバイオマス補助燃料の有無の検討を行う。

5.1 エネルギー効率の結果

22

0.0%

20.0%

40.0%

60.0%

Fluidized-bed(Air)

Fluidized-bed(Oxygen)

BT-DME wBiomass

BT-DME w/oBiomass

BT-MeOH wBiomass

BT-MeOHw/o Biomass

BT-MeOH(3stages)

w Biomass

BT-MeOH(3stages)

w/o Biomass

Net

ene

rgy

effic

ienc

y [%

-LH

V]

Addition of feedstock as auxiliary fuel

By product (MeOH) 8.5t/h

(42.8%)

By product (MeOH) 5.7t/h

(35.0%)

Blue Tower system→←Fluidized bed system

分散型（小型）のシステムへの効率の低下が見られる。 補助燃料の追加は、エネルギー効率の向上させることになる（高圧化の場合）。 MeOHの低圧化は、大きなエネルギー効率の低下には繋がらない。 DMEは、液化条件の制約で、低圧化は難しい。

5.2 エネルギー収支比vs.CO2排出量

23

補助バイオマス原料の追加は、エネルギー収支比を低下させる場合がある。 一方で、CO2原単位は低減させることができる。→MeOHの低圧合成のメリットがある。 分散型の特性として、化石燃料由来のMeOHやDMEについては、原料の収集や性状により、エネルギー収支比及びCO2原単位が悪くなる傾向がある。

0.00

40.00

80.00

120.00

160.00

200.00

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500

CO

2in

tens

ity [g

-CO

2/MJ-

fuel

]

Energy intensity [MJ/MJ-fuel]

Fluidized-bed (Air) Fluidized-bed (Oxygen)BT-DME w Biomass BT-MeOH w BiomassBT-DME w/o Biomass BT-MeOH w/o BiomassBT-MeOH (3stages) w Biomass BT-MeOH (3stages) w/o BiomassDME(NG origin) MeOH(NG origin)

Scale up

Note: Additional biomass feedstock is considered, and in the energy intensity of DME, MeOH as by-product is included.

6. 結論と今後の課題

24

LCAの観点からBTL燃料（MeOH／DME）の製造については、低圧多段合成はメリットがある。

付加価値の高い燃料を作ること、すなわち、熱補完のための補助燃料としてのバイオマス原料の追加は、CO2削減効果もあり、また、コスト的にも有利になる可能性がある。 今後の課題として、MeOHや DME合成の更なる実験による性

能把握、製造規模の違い及び燃料特性についての把握が必要である。

Product Scale-up Low pressure synthesis

Additional biomass feedstock By-product

DME × N/A ○ MeOH

MeOH × ○ ○(High press.case) ×(Low press.case) N/A

Table 評価結果（まとめ）

7. 企業への期待

25

BT合成ガスを燃料とするMeOHあるいはDME製造のR&Dを実施したいところ（赤点線部分）。 技術的なポイント ①低圧燃料合成（これまでは、MeOHについては実験室レベルの基本的な検証のみ） ②合成ガス性状に対する燃料仕様の確立（不純物を含む）

8. お問い合わせ先

26

学校法人 東京理科大学 科学技術交流センター（承認TLO) ○コーディネーター 知財部門マネージャー（弁理士） 平野 智 E-mail： hirano_satoru@admin.tus.ac.jp ○技術移転部門 主事補 鵜澤 真治 E-mail： uzawa_masaharu@admin.tus.ac.jp 〒162－8601 東京都新宿区神楽坂一丁目3番地 電話 : 03-5225-1089 FAX : 03-5228-1265