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地域エネルギー供給のための廃棄物系バイオマスのガス化/多段触媒変換プロセスの開発(平成 24年度)
Development of waste biomass gasification and multi-stage catalytic gas conversion processes for providing regional energy

予算区分
BE 環境-推進費(補助金)
研究課題コード
0406BE818
開始/終了年度
2012~2014年
キーワード(日本語)
ガス化,改質,触媒,ガス変換,エネルギー回収,廃棄物系バイオマス
キーワード(英語)
gasification, reforming, catalyst, gas conversion, energy recovery, waste biomass

研究概要

地域的に偏在する廃棄物系バイオマスをエネルギー等として有効に利用するためには、水素(H2)、一酸化炭素(CO)およびメタン(CH4)等を回収できる分散型の高効率ガス化および改質技術の確立が期待される。しかし、従来の同技術は、1200℃以上の高温で改質を行うため効率に限界がある。本研究では、廃棄物および震災廃棄物として排出されるバイオマスをガス化し、改質するプロセスを中核に、H2、COとともに多量に発生する二酸化炭素(CO2)をガス化後段の各温度領域で段階的に効率よく触媒変換し、燃料および化学合成原料化が可能なCOおよびCH4を回収する実用性の高いガス化/多段触媒変換プロセスを開発することを目的とする。
研究方法は、まず、従来の工業的方法より安価に酸素を得る技術を開発し、この酸素を主たるガス化剤とした比較的低温条件(750〜800℃)でのガス化反応を行う。後段における改質およびタール分解を効率的に行うため、被毒物質への耐久性に優れ、長期使用に耐える安価な合金触媒を開発・実用化する。すなわち、1) ガス温度600〜800℃において新規触媒系を用いたCO2のCOへの選択的還元反応を行い、さらにその後熱回収を行った後、2) 350〜400℃においてCOおよび残存CO2からCH4へのメタン化触媒反応を高効率で行い得るプロセスとする。このガス変換工程では、ニッケル(Ni)を主たる有効成分としてこれを高分散かつ強固に結合・担持させる、従来にない新規担体の開発を行う。各要素技術とも、初年度の基礎的検討から応用の段階に至るまで研究を展開し、小規模実験装置と実際のバイオマス試料を用いてガス化における主要ガス成分およびタール等副次成分の生成特性を定量的に明らかにし、一方、モデル物質を用いて個別触媒反応の開発と最適化を進める。最適な触媒系を開発した後、実際のガス化ガスへの適用性を試験し、実用性を確立することとする。
以上の各単位プロセスを組み合わせることにより、廃棄物系バイオマスのガス化-改質から各種ガス成分を高効率・高ポテンシャルで回収することを可能とするのに加え、開発プロセスの具体的な地域への適用性をライフサイクル的に評価し、CO2の排出を極力抑制可能な低炭素型社会の形成に資するシステムを提示することで政策貢献が可能と考える。

研究の性格

  • 主たるもの:応用科学研究
  • 従たるもの:技術開発・評価

全体計画

サブテーマを4つ設ける。1)ガス化/多段触媒変換プロセスおよび総合システム設計、2)第一触媒変換プロセス(第一段改質器用耐被毒タール成分改質触媒の開発)、3)第二触媒変換プロセス(逆シフトおよびメタン化プロセス)および4)地域施策への適用評価である。初年度は、要素技術に関する基本的性能の開発について取り組み、第2年度は基本性能の開発成果に立脚した要素技術の最適化を重点として研究を進捗させる。最終年度は、必要な最適化を継続し、要素技術をパッケージとして完成させるとともに、システムとしての統合をはかり、地域施策への技術システムの適用性を実証・評価する。

今年度の研究概要

サブテーマ(1)ガス化/多段触媒変換プロセスおよび総合システム設計に関しては、廃棄物系バイオマスから高効率にH2およびCO等へ変換可能でタールを抑制するガス化/多段触媒変換プロセスの予備的設計、および固体電解質を用いた電気化学的酸素透過システムを開発するため、安定化ジルコニア、ランタンガレートなどの電解質のスクリーニングを行う。その方法は、バイオマスや石炭等のガス化炉開発に関する最新の研究をレビューし、その知見に基づいて異なるタイプの反応器についての予備的設計、および安定化ジルコニアやランタンガレートなどの電解質に適切な電極触媒(アノードおよびカソード)を複合させた電気化学システムの設計・試作によって行う。ガス化炉内への設置を前提とし800℃程度で十分な酸素透過の得られる電解質と電極の組み合わせおよび複合化手法を選択する。要求される酸素透過量に対して温度域が十分でない場合、スクリーニングの対象を溶融炭酸塩にまで拡張する。
次に、サブテーマ(2)第一触媒変換プロセス(第一段改質器用耐被毒タール成分改質触媒の開発)に関しては、タール成分に対応できる可能性のある合金を絞り込むことを目標に、部分酸化ガス化成分、とくにタール成分に対応できる可能性のある合金に絞り込むため、タールモデルの化合物を用いた反応のスクリーニングを行う。
サブテーマ(3)第二触媒変換プロセス(逆シフトおよびメタン化プロセス)に関しては、比較的高温での逆シフト反応および低温でのメタン化反応各々に最適となるメソポーラスシリカ担体ニッケル触媒系(NiO-SBA-15触媒)の調製方法を新規開発し、調製触媒系のキャラクタリゼーションにより構造特性を決定し、さらにガス変換反応への適用性を初期評価することを目標に、メソポーラスシリカ担体を合成した後Niを担持して触媒を得るポスト合成法と、両者を同時に混合して触媒合成を行う直接合成法とに関し、X線回折(XRD)、表面構造解析、透過型電子顕微鏡観察等による調製触媒のキャラクタリゼーションにより構造形成上の効果を比較し、さらに逆シフト反応およびメタン化反応の効率に基づく評価を行う。
最後にサブテーマ(4)地域施策への適用評価に関しては、埼玉県を対象とし各地域における廃棄物系バイオマスの排出特性および処理構造を明らかにすることを目標に、各自治体へのアンケート調査、ヒアリング調査、ごみ組成調査を行い、各地域の廃棄物系バイオマスの排出特性および処理構造を明らかにする。さらに、その結果に基づき、具体的なガス化/多段触媒プロセス導入シナリオを作成する。さらに、GISを用いた収集運搬評価のために、埼玉県内の道路情報を取得し、幹線道路の特定をする。

外部との連携

名古屋大学、埼玉県環境科学国際センター

関連する研究課題
  • 0 : 資源循環・廃棄物研究分野における研究課題

課題代表者

川本 克也

担当者

  • 魯 保旺