JP2006257351A - Gasification gas aftertreatment catalyst reactor, system using the catalyst reactor, and gasification gas aftertreatment method - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡単な構成にしてエネルギー効率を殆ど低下させることなく且つ低コストでガス化ガス中の不飽和炭化水素を除去可能なガス化ガス後処理用触媒反応器及び該触媒反応器を用いたシステム並びにガス化ガス後処理方法を提供する。
【解決手段】 ガス化ガス後処理用触媒反応器(20)にはバイオマスや廃棄物のガス化炉により生成されるガス化ガス中の不飽和炭化水素の水添反応に対して活性な成分を有する水添触媒(22)を充填するようにした。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To use a catalytic reactor for gasification gas aftertreatment capable of removing unsaturated hydrocarbons in gasification gas with a simple structure and hardly reducing energy efficiency, and using the catalyst reactor A system and gasification gas aftertreatment method are provided.
[MEANS FOR SOLVING PROBLEMS] A catalytic reactor (20) for aftertreatment of gasification gas contains a component active for hydrogenation reaction of unsaturated hydrocarbons in gasification gas produced by a biomass or waste gasification furnace. The hydrogenation catalyst having (22) was charged.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、バイオマスや廃棄物から生成したガス化ガスの後処理を行うガス化ガス後処理用触媒反応器及び該触媒反応器を用いたシステム並びにガス化ガス後処理方法に関する。 The present invention relates to a gasification gas aftertreatment catalyst reactor that performs aftertreatment of gasification gas generated from biomass or waste, a system using the catalyst reactor, and a gasification gas aftertreatment method.
近年、バイオマスや廃棄物を熱分解や部分酸化法によりガス化し、ガスエンジン、ガスタービン及び燃料電池向けの発電燃料として使用する試みが行われている。未利用のバイオマスや廃棄物を燃料として用いた燃料電池発電システムは、高い発電効率を期待でき、エネルギー資源や環境保全の立場からも、ますますその重要性が増している。特に、燃料電池を用いた発電システムは、窒素酸化物等の有害物質の排出量が少なく、中小型の分散電源から大型の発電システムまで、効率良く発電を行うことが可能であり、今度の普及が期待されている。 In recent years, attempts have been made to gasify biomass and waste by pyrolysis or partial oxidation and use them as power generation fuel for gas engines, gas turbines, and fuel cells. Fuel cell power generation systems using unused biomass and waste as fuel can be expected to have high power generation efficiency, and are becoming increasingly important from the standpoint of energy resources and environmental conservation. In particular, power generation systems using fuel cells have low emissions of toxic substances such as nitrogen oxides and can efficiently generate power from small to medium distributed power sources to large power generation systems. Is expected.
上記発電以外には、ガス化により生成した水素、一酸化炭素、二酸化炭素を、触媒を用いて化学的に変換し、メタノール、ジメチルエーテル、LPG、GTL燃料等の液体燃料として利用する方法が検討されている。
バイオマスや廃棄物等のガス化反応は、水蒸気を用いたガス化の場合、一般には以下のように表わすことができる。
In addition to the above power generation, a method of chemically converting hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide generated by gasification using a catalyst and using it as a liquid fuel such as methanol, dimethyl ether, LPG, GTL fuel, etc. has been studied. ing.
The gasification reaction of biomass, waste, etc. can be generally expressed as follows in the case of gasification using steam.
CnHm+nH2O → (m/2+n)H2+nCO
nCO+nH2O → nH2+nCO2
即ち、水蒸気を用いたガス化の場合には、バイオマス成分(CnHm)と水蒸気との反応により水素及び一酸化炭素が生成される。また、水蒸気の存在により、一部の一酸化炭素はシフト反応により二酸化炭素に変換される。
CnHm + nH 2 O → (m / 2 + n) H 2 + nCO
nCO + nH 2 O → nH 2 + nCO 2
That is, in the case of gasification using water vapor, hydrogen and carbon monoxide are generated by the reaction between the biomass component (CnHm) and the water vapor. Further, due to the presence of water vapor, a part of carbon monoxide is converted into carbon dioxide by a shift reaction.
また、部分酸化反応によるガス化反応では、バイオマス成分(CnHm)と酸素との反応により水素及び一酸化炭素が生成される。
CnHm+n/2 O2 → m/2 H2+nCO
但し、ガス化反応は複雑で、ガス化の方式、温度、圧力等のガス化条件により様々な成分がガス化ガス中に含まれ、それらの成分濃度も様々である。例えば、バイオマスをガス化した場合には、主成分として、水素、一酸化炭素、二酸化炭素の他に、メタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水素や、ガス化の方式によっては分子量の大きいタール分等が生成される場合もある。また、微量成分として、アセチレン(C2H2)やオレフィン系炭化水素であるエチレン(C2H4)等の不飽和炭化水素や芳香族炭化水素であるベンゼン(C6H6)等が含まれる。
Moreover, in the gasification reaction by partial oxidation reaction, hydrogen and carbon monoxide are produced | generated by reaction of a biomass component (CnHm) and oxygen.
CnHm + n / 2 O 2 → m / 2 H 2 + nCO
However, the gasification reaction is complicated, and various components are included in the gasification gas depending on gasification conditions such as the gasification method, temperature, and pressure, and the component concentrations thereof are also various. For example, when biomass is gasified, in addition to hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide as main components, paraffinic hydrocarbons such as methane, ethane, and propane, and tar having a high molecular weight depending on the gasification method Minutes may be generated. Also included as trace components are acetylene (C 2 H 2 ), unsaturated hydrocarbons such as ethylene (C 2 H 4 ), which is an olefinic hydrocarbon, and benzene (C 6 H 6 ), which is an aromatic hydrocarbon. It is.
このように、バイオマスや廃棄物のガス化では、ガス化ガス中の主成分、微量成分の濃度は、ガス化の方式や条件により異なり、ガス化ガスを使用する目的に合わせて最適なガス化方法を選定する必要がある。また、ガス化ガスを使用する目的に合わせ、ガス化ガスの洗浄や特定成分の除去を行う必要もある。
例えば、ガス化ガスを燃料電池の燃料として用いる場合には、ガス化ガス中に存在するメタン等の炭化水素を改質触媒を用いて改質する必要がある。また、ガス化ガスの熱量を調整するために、ガス化ガスを都市ガス、天然ガス等の燃料と混合して使用する場合には、やはりガス化ガスを改質触媒を用いて処理する必要がある。
As described above, in the gasification of biomass and waste, the concentrations of the main component and trace components in the gasification gas vary depending on the gasification method and conditions, and optimal gasification according to the purpose of using the gasification gas. It is necessary to select a method. In addition, it is necessary to clean the gasification gas and remove specific components in accordance with the purpose of using the gasification gas.
For example, when gasified gas is used as fuel for a fuel cell, it is necessary to reform hydrocarbons such as methane present in the gasified gas using a reforming catalyst. In addition, in order to adjust the calorific value of the gasification gas, when the gasification gas is mixed with a fuel such as city gas or natural gas, it is necessary to treat the gasification gas with a reforming catalyst. is there.
メタン等の炭化水素の水蒸気改質のためには、通常、ニッケルを活性金属の主成分とした触媒が使用される。しかしながら、この際、ガス化ガス中に不飽和炭化水素が存在していると、たとえ不飽和炭化水素が微量であったとしても、水蒸気改質触媒上で炭素析出が進行し、析出した炭素が触媒層内のガス流路を塞ぎ、改質器の圧損上昇や閉塞を招くおそれがある。また、炭素析出はペレット状に形成された触媒ペレットの内部でも進行することから、触媒ペレットを崩壊させ、粉化させ、触媒層の圧損上昇や閉塞を加速させるおそれもある。このように触媒層の圧損上昇や閉塞が生起されると、例えばガス化ガスを燃料電池発電システムに用いる場合、短期間のうちに燃料電池発電システムの発電効率が低下するおそれがあり好ましいことではない。 For steam reforming of hydrocarbons such as methane, a catalyst having nickel as a main component of an active metal is usually used. However, at this time, if unsaturated hydrocarbons are present in the gasification gas, carbon deposition proceeds on the steam reforming catalyst even if the amount of unsaturated hydrocarbons is very small. The gas flow path in the catalyst layer may be blocked, leading to an increase in pressure loss or blockage of the reformer. Further, since carbon deposition proceeds even inside the catalyst pellets formed in a pellet form, the catalyst pellets may be collapsed and pulverized, which may accelerate the pressure loss increase and blockage of the catalyst layer. In this way, when the pressure loss increase or blockage of the catalyst layer occurs, for example, when gasified gas is used in the fuel cell power generation system, the power generation efficiency of the fuel cell power generation system may be reduced in a short period of time. Absent.
さらに、ガス化ガスを燃料電池発電システムに用いる場合には、ガス化ガスを改質器を通さずに直接燃料電池の燃料として供給した場合も同様の問題が生じ得る。即ち、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cells)や固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxides Fuel Cells)では、燃料電極としてニッケル系の電極触媒が使用されているが、不飽和炭化水素成分が燃料電極室に供給された場合、電極触媒上で炭素析出や電極そのものの粉化が起こり、上記同様に圧損上昇やガス流路の閉塞が懸念される。 Further, when gasified gas is used in a fuel cell power generation system, the same problem may occur when gasified gas is supplied directly as fuel for the fuel cell without passing through the reformer. In other words, molten carbonate fuel cells (MCFCs) and solid oxide fuel cells (SOFCs) use nickel-based electrode catalysts as fuel electrodes, but they are unsaturated. When the hydrocarbon component is supplied to the fuel electrode chamber, carbon deposition or pulverization of the electrode itself occurs on the electrode catalyst, and there is a concern that the pressure loss increases or the gas flow path is blocked as described above.
また、ガス化ガスからメタノール、ジメチルエーテル、LPG、GTL燃料等の液体燃料を合成する場合には、ガス化ガス中の炭化水素成分やガス化ガスに混合された炭化水素成分を一旦改質器で改質し、水素、一酸化炭素を主成分としたガス化ガスに変換する必要があるが、この場合においても、上記同様、微量の不飽和炭化水素成分による改質触媒上での炭素析出や触媒ペレットの崩壊が懸念される。 Also, when synthesizing liquid fuel such as methanol, dimethyl ether, LPG, GTL fuel, etc. from gasified gas, the hydrocarbon component in the gasified gas and the hydrocarbon component mixed in the gasified gas are once used in the reformer. It is necessary to reform and convert it into a gasification gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide. In this case as well, as described above, There is concern about the collapse of the catalyst pellets.
このようなことから、例えば部分酸化法によるガス化を行った場合において、酸素、若しくは空気の吹き込み量を増やすことにより不飽和炭化水素成分の濃度を低下させることが考えられる。しかしながら、このように酸素、若しくは空気の吹き込み量を増やした場合には、可燃性ガスである水素、一酸化炭素、メタン等の濃度も同時に減少してしまい、燃料として使用できるカロリーが低下するという問題がある。このことはエネルギー効率が極めて重要な燃料電池発電システムにおいては望ましいことではない。 For this reason, for example, when gasification is performed by the partial oxidation method, it is conceivable to reduce the concentration of the unsaturated hydrocarbon component by increasing the amount of oxygen or air blown. However, when the amount of oxygen or air blown is increased in this way, the concentration of combustible gases such as hydrogen, carbon monoxide, and methane also decreases at the same time, reducing the calories that can be used as fuel. There's a problem. This is not desirable in fuel cell power generation systems where energy efficiency is critical.
そこで、廃棄物の熱分解ガス化ガスを燃料電池向けの燃料として使用する方法として、例えばガス化ガスから水素を分離して使用する方法が提案されている(特許文献1参照)。この方法を用いれば、原理的には不飽和炭化水素等の不純物を含まない水素のみを取り出して燃料として使用することが可能である。
また、ガス化ガス中のタール分の除去を目的としたものとして、ガス化ガスを冷却・洗浄してタール分を除去する他に、タール分を含むガス化ガスを高温改質器に導入し、タール分を高温で分解除去する方法が提案されている(特許文献2、3、4参照)。この方法を用いれば、ガス化ガス中のタール分の除去を行う過程で微量の不飽和炭化水素成分をも分解除去することが可能と考えられる。
For the purpose of removing the tar content in the gasification gas, the gasification gas is cooled and washed to remove the tar content, and a gasification gas containing the tar content is introduced into the high-temperature reformer. A method for decomposing and removing the tar content at a high temperature has been proposed (see Patent Documents 2, 3, and 4). If this method is used, it is considered possible to decompose and remove a trace amount of unsaturated hydrocarbon components in the process of removing the tar content in the gasification gas.
しかしながら、上記特許文献1に開示される方法は、ガス化ガスからの水素分離に掛かるエネルギー消費が大きく、コストも嵩み実用的なものとは言い難い。
また、上記特許文献2、3、4に開示される方法の場合には、ガス化ガスを高温改質器に導入しなければならず、微量の不飽和炭化水素分の除去をエネルギー効率を下げずに行うことができないという欠点があり、やはり実用的なものとは言い難い。
However, the method disclosed in Patent Document 1 consumes a large amount of energy for hydrogen separation from the gasification gas, is expensive, and is not practical.
In the case of the methods disclosed in Patent Documents 2, 3, and 4, the gasification gas must be introduced into the high-temperature reformer, and the removal of a minute amount of unsaturated hydrocarbons reduces the energy efficiency. It is difficult to say that it is practical.
これより、例えばガス化ガスを燃料電池の燃料として使用する場合においても、これまでも種々の燃料電池発電システムが開発されているところ、現時点ではエネルギー効率、コストの面で実用的なシステムを提供するには至っていない。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡単な構成にしてエネルギー効率を殆ど低下させることなく且つ低コストでガス化ガス中の不飽和炭化水素を除去可能なガス化ガス後処理用触媒反応器及び該触媒反応器を用いたシステム並びにガス化ガス後処理方法を提供することにある。
Thus, for example, even when gasified gas is used as fuel for fuel cells, various fuel cell power generation systems have been developed so far, and at present, practical systems are provided in terms of energy efficiency and cost. It has not been done.
The present invention has been made to solve such problems, and the object of the present invention is to provide unsaturated carbonization in a gasification gas at a low cost with almost no reduction in energy efficiency with a simple configuration. It is an object of the present invention to provide a gasification gas aftertreatment catalyst reactor capable of removing hydrogen, a system using the catalyst reactor, and a gasification gas aftertreatment method.
上記した目的を達成するため、不飽和炭化水素を選択的に除去するための方策について鋭意検討を行った結果、触媒を用いた除去方法がエネルギー効率的、コスト的にみて最も適しており、特に不飽和炭化水素の水添反応(水素添加)に活性な成分を有する水添触媒を用いることで、ガス化ガス中にもともと含まれる水素を使用して、効率良く不飽和炭化水素の除去が可能であることを見出した。 In order to achieve the above-mentioned purpose, as a result of intensive investigations on measures for selectively removing unsaturated hydrocarbons, a removal method using a catalyst is most suitable in terms of energy efficiency and cost, especially By using a hydrogenation catalyst that has an active component in the hydrogenation reaction (hydrogenation) of unsaturated hydrocarbons, it is possible to efficiently remove unsaturated hydrocarbons using hydrogen originally contained in the gasification gas. I found out.
このような見知に基づき、請求項1のガス化ガス後処理用触媒反応器では、ガス化ガス中の不飽和炭化水素の水添反応に対して活性な成分を有する水添触媒を備えたことを特徴とする。
これより、水添触媒によって不飽和炭化水素の水添反応がガス化ガス中にもともと含まれる水素を使用して促進され、ガス化ガス中の不飽和炭化水素が良好に除去される。
Based on such knowledge, the catalytic reactor for gasification gas aftertreatment according to claim 1 includes a hydrogenation catalyst having a component active for hydrogenation reaction of unsaturated hydrocarbons in the gasification gas. It is characterized by that.
As a result, the hydrogenation reaction of the unsaturated hydrocarbon is promoted by the hydrogenation catalyst using the hydrogen originally contained in the gasification gas, and the unsaturated hydrocarbon in the gasification gas is favorably removed.
即ち、代表的な不飽和炭化水素成分はアセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)であるが、アセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)が以下の水添反応によりエタンにまで良好に転化される。
C2H2+2H2 → C2H6
C2H4+H2 → C2H6
この際、当該触媒反応器は低温から良好に触媒作用を発揮するため、ガス化ガスの再加熱や反応器の加熱に要するエネルギーは最小限に抑えられる。
That is, typical unsaturated hydrocarbon components are acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ), but acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ) are hydrogenated as follows. The reaction successfully converts to ethane.
C 2 H 2 + 2H 2 → C 2 H 6
C 2 H 4 + H 2 → C 2 H 6
At this time, since the catalytic reactor exhibits a good catalytic action from a low temperature, the energy required for reheating the gasification gas and heating the reactor can be minimized.
また、常圧においても加圧下においても良好に不飽和炭化水素成分が除去されるので、ガス化ガスの昇圧に掛かるエネルギーは不要である。
さらに、空塔速度に拘わらず良好に不飽和炭化水素成分が除去されるので、反応器本体は小型で済み、省スペース化が図られる。
そして、このようにアセチレン及びエチレンがエタンに転化されると、エタンは飽和炭化水素であるため、ガス化ガスを例えばニッケルを主成分とする改質触媒や燃料電池の電極に給送しても、通常考えられる運転条件であれば改質触媒や燃料電池電極上で炭素析出や触媒及び電極の崩壊が進行することは殆どない。
Further, since the unsaturated hydrocarbon component is removed satisfactorily both at normal pressure and under pressure, energy for boosting the gasification gas is unnecessary.
Further, since the unsaturated hydrocarbon component is satisfactorily removed regardless of the superficial velocity, the reactor main body can be small and space can be saved.
When acetylene and ethylene are converted to ethane in this way, since ethane is a saturated hydrocarbon, even if gasified gas is fed to, for example, a reforming catalyst mainly composed of nickel or an electrode of a fuel cell. Under normal operating conditions, carbon deposition and catalyst / electrode collapse hardly progress on the reforming catalyst or fuel cell electrode.
請求項2のガス化ガス後処理用触媒反応器では、請求項1において、前記水添触媒が、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、銅、マンガン、クロム及びバナジウムのうちの少なくとも一つを前記活性な成分として有し、アルミナ、シリカ、チタニア及びジルコニアのいずれかの担体に担持されてなることを特徴とする。
これより、特殊な成分(活性金属等)を必要としなくても、不飽和炭化水素以外の副反応である一酸化炭素や二酸化炭素のメタン化反応(メタネーション)の進行を抑制しつつ、触媒反応器が簡単に構成される。
The catalytic reactor for aftertreatment of gasification gas according to claim 2, wherein the hydrogenation catalyst is characterized in that at least one of palladium, platinum, ruthenium, rhodium, copper, manganese, chromium and vanadium is activated. And is supported on any one of alumina, silica, titania and zirconia.
As a result, even if no special component (active metal, etc.) is required, the catalyst can suppress the progress of methanation of carbon monoxide and carbon dioxide (methanation), which is a side reaction other than unsaturated hydrocarbons. The reactor is easily configured.
請求項3のガス化ガス後処理用触媒反応器では、請求項1または2において、さらに、前記水添触媒の温度を所定の温度範囲に調節する温度調節手段を備えることを特徴とする。
これより、水添触媒の温度を所定の温度範囲に調節することで、水添反応が効率よく促進される。
According to a third aspect of the present invention, there is provided the catalytic reactor for aftertreatment of gasification gas according to the first or second aspect, further comprising temperature adjusting means for adjusting the temperature of the hydrogenation catalyst to a predetermined temperature range.
Accordingly, the hydrogenation reaction is efficiently promoted by adjusting the temperature of the hydrogenation catalyst to a predetermined temperature range.
例えば、水添触媒の温度が約400℃を越えると、上記メタン化反応(メタネーション)が副反応として進行する傾向にあるところ、水添触媒の温度をできるだけ約400℃未満の所定の温度範囲(例えば、80〜300℃)に調節することで当該副反応の進行が抑制される。
請求項4のガス化システムでは、バイオマスや廃棄物からガス化ガスを生成するガス化炉と、前記ガス化炉で生成されたガス化ガスの流路に設けられた請求項1乃至3のいずれか記載のガス化ガス後処理用触媒反応器とを備えたことを特徴とする。
For example, when the temperature of the hydrogenation catalyst exceeds about 400 ° C., the methanation reaction (methanation) tends to proceed as a side reaction, so that the temperature of the hydrogenation catalyst is within a predetermined temperature range of less than about 400 ° C. as much as possible. By adjusting to (for example, 80 to 300 ° C.), the progress of the side reaction is suppressed.
The gasification system according to claim 4 is provided in a gasification furnace that generates gasification gas from biomass or waste, and a gasification gas flow path generated in the gasification furnace. And a catalytic reactor for gasification gas aftertreatment as described above.
これより、バイオマスや廃棄物を利用したガス化ガス中の不飽和炭化水素が良好に除去され、効率のよいガス化システムが実現される。
請求項5の燃料電池発電システムでは、ガス化ガスの流路に設けられた請求項1乃至3のいずれか記載のガス化ガス後処理用触媒反応器と、前記ガス化ガスの流路に前記ガス化ガス後処理用触媒反応器の下流に位置して設けられ、ガス化ガスの改質を行う改質触媒装置と、該ガス化ガス後処理用触媒反応器により後処理され且つ前記改質触媒装置により改質されたガス化ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備えたことを特徴とする。
As a result, unsaturated hydrocarbons in the gasification gas using biomass and waste are well removed, and an efficient gasification system is realized.
In the fuel cell power generation system according to claim 5, the gasification gas aftertreatment catalyst reactor according to any one of claims 1 to 3 provided in a gasification gas flow path, and the gasification gas flow path in the gasification gas flow path. A reforming catalyst device provided downstream of the catalytic reactor for gasification gas aftertreatment and reforming the gasification gas; and the reforming after-treatment by the catalytic reactor for gasification gas aftertreatment and the reforming And a fuel cell that generates power using the gasified gas reformed by the catalyst device.
これより、改質触媒や燃料電池電極上での炭素析出や触媒及び電極の崩壊の進行が防止され、効率のよい燃料電池発電システムが実現される。
請求項6の化学変換システムでは、ガス化ガスの流路に設けられた請求項1乃至3のいずれか記載のガス化ガス後処理用触媒反応器と、前記ガス化ガスの流路に前記ガス化ガス後処理用触媒反応器の下流に位置して設けられ、ガス化ガスの改質を行う改質触媒装置と、該ガス化ガス後処理用触媒反応器により後処理され且つ前記改質触媒装置により改質されたガス化ガスを液体燃料に変換する化学変換器とを備えたことを特徴とする。
As a result, the progress of carbon deposition on the reforming catalyst and the fuel cell electrode and the collapse of the catalyst and the electrode are prevented, and an efficient fuel cell power generation system is realized.
6. The chemical conversion system according to
これより、改質触媒での炭素析出や触媒の崩壊の進行が防止され、効率のよい化学変換システムが実現される。
請求項7のガス化ガス後処理方法では、バイオマスや廃棄物から生成されるガス化ガス中の不飽和炭化水素を該不飽和炭化水素の水添反応に対して活性な成分を有する水添触媒により除去することを特徴とする。
As a result, the progress of carbon deposition and catalyst collapse in the reforming catalyst is prevented, and an efficient chemical conversion system is realized.
8. The gasification gas aftertreatment method according to claim 7, wherein the unsaturated hydrocarbon in the gasification gas generated from biomass or waste has a component active for hydrogenation reaction of the unsaturated hydrocarbon. It removes by.
これより、バイオマスや廃棄物を利用してガス化を行うと不飽和炭化水素が比較的多く含まれる傾向にあるが、ガス化ガスを不飽和炭化水素の水添反応に対して活性な成分を有する水添触媒に通すことで、ガス化ガス中の不飽和炭化水素が良好に除去され、ガス化ガスを例えばニッケルを主成分とする改質触媒や燃料電池の電極に給送しても、改質触媒や燃料電池電極上での炭素析出や触媒及び電極の崩壊の進行が防止される。 As a result, gasification using biomass and waste tends to contain a relatively large amount of unsaturated hydrocarbons, but the gasification gas contains components that are active against the hydrogenation reaction of unsaturated hydrocarbons. Unsaturated hydrocarbons in the gasification gas are satisfactorily removed by passing through the hydrogenation catalyst having, even if the gasification gas is fed to, for example, a reforming catalyst mainly composed of nickel or an electrode of a fuel cell, The progress of carbon deposition on the reforming catalyst and the fuel cell electrode and the collapse of the catalyst and the electrode are prevented.
請求項8のガス化ガス後処理方法では、請求項7において、前記水添触媒が、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、銅、マンガン、クロム及びバナジウムのうちの少なくとも一つを前記活性な成分として有し、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア及びジルコニアのいずれかの担体に担持されてなることを特徴とする。
これより、水添触媒に特殊な成分(活性金属等)を必要としなくても、副反応であるメタン化反応(メタネーション)の進行を抑制しつつ、ガス化ガス中の不飽和炭化水素が良好に除去される。
The gasification gas aftertreatment method according to claim 8, wherein the hydrogenation catalyst is at least one of palladium, platinum, ruthenium, rhodium, copper, manganese, chromium and vanadium as the active component. And supported on any one of alumina, silica, titania, ceria and zirconia.
As a result, the unsaturated hydrocarbon in the gasification gas can be suppressed while suppressing the progress of the methanation reaction (methanation), which is a side reaction, without requiring a special component (active metal, etc.) for the hydrogenation catalyst. Removed well.
請求項9のガス化ガス後処理方法では、請求項7または8において、さらに、前記水添触媒の温度を所定の温度範囲に調節することを特徴とする。
これより、水添触媒の温度を所定の温度範囲に調節することで、水添反応が効率よく促進され、特に副反応であるメタン化反応(メタネーション)の進行が抑制される。
The gasification gas aftertreatment method according to a ninth aspect is characterized in that, in the seventh or eighth aspect, the temperature of the hydrogenation catalyst is adjusted to a predetermined temperature range.
Thus, by adjusting the temperature of the hydrogenation catalyst to a predetermined temperature range, the hydrogenation reaction is efficiently promoted, and in particular, the progress of the methanation reaction (methanation), which is a side reaction, is suppressed.
請求項1のガス化ガス後処理用触媒反応器によれば、加熱や加圧等の追加のエネルギー投入を最小限に抑え、追加の水素を必要とせず且つ反応器本体の小型化を図りながら、ガス化ガス中の不飽和炭化水素を簡単な構成にして高効率且つ低コストで除去でき、ガス化ガスを例えばニッケルを主成分とする改質触媒や燃料電池の電極に給送しても、改質触媒や燃料電池電極上における炭素析出や触媒及び電極の崩壊を防ぎ、改質触媒や燃料電池の性能低下を効率よく防止することができる。 According to the catalytic reactor for aftertreatment of gasified gas according to claim 1, the additional energy input such as heating and pressurization is minimized, no additional hydrogen is required, and the reactor main body is downsized. Unsaturated hydrocarbons in the gasification gas can be removed with a simple structure with high efficiency and at low cost, and even if the gasification gas is fed to, for example, a reforming catalyst mainly composed of nickel or an electrode of a fuel cell Further, it is possible to prevent carbon deposition on the reforming catalyst and the fuel cell electrode and collapse of the catalyst and the electrode, and efficiently prevent the performance degradation of the reforming catalyst and the fuel cell.
請求項2のガス化ガス後処理用触媒反応器によれば、特殊な成分(活性金属等)を必要とせず、副反応であるメタン化反応(メタネーション)の進行を抑制しつつ、触媒反応器を簡単に構成することができる。
請求項3のガス化ガス後処理用触媒反応器によれば、水添触媒の温度を所定の温度範囲に調節することで、水添反応を効率よく促進でき、特に副反応であるメタン化反応(メタネーション)の進行を抑制することができる。
According to the catalytic reactor for aftertreatment of gasified gas according to claim 2, the catalytic reaction is carried out while suppressing the progress of the methanation reaction (methanation) which is a side reaction without requiring a special component (active metal or the like). The device can be configured easily.
According to the catalytic reactor for gasification gas aftertreatment according to claim 3, the hydrogenation reaction can be efficiently promoted by adjusting the temperature of the hydrogenation catalyst to a predetermined temperature range, and in particular, a methanation reaction which is a side reaction. The progress of (methanation) can be suppressed.
請求項4のガス化システムによれば、バイオマスや廃棄物を有効利用を図りながら、ガス化ガス中の不飽和炭化水素を簡単な構成にして高効率且つ低コストで除去でき、効率のよいガス化システムを実現することができる。
請求項5の燃料電池発電システムによれば、ガス化ガス中の不飽和炭化水素を簡単な構成にして高効率且つ低コストで除去し、改質触媒や燃料電池電極上における炭素析出や触媒及び電極の崩壊を防いで改質触媒や燃料電池の性能低下を効率よく防止することができ、発電効率の高い燃料電池発電システムを実現することができる。
According to the gasification system of claim 4, it is possible to remove unsaturated hydrocarbons in the gasification gas with a simple configuration while efficiently utilizing biomass and waste, and to remove the hydrocarbons efficiently and at low cost. System can be realized.
According to the fuel cell power generation system of claim 5, the unsaturated hydrocarbon in the gasification gas is removed with high efficiency and at a low cost with a simple structure, carbon deposition on the reforming catalyst and the fuel cell electrode, By preventing the electrode from collapsing, it is possible to efficiently prevent the performance degradation of the reforming catalyst and the fuel cell, and a fuel cell power generation system with high power generation efficiency can be realized.
請求項6の化学変換システムによれば、ガス化ガス中の不飽和炭化水素を簡単な構成にして高効率且つ低コストで除去し、改質触媒における炭素析出や触媒の崩壊を効率よく防止することができ、変換効率の高い化学変換システムを実現することができる。
請求項7のガス化ガスの後処理方法によれば、バイオマスや廃棄物の有効利用を図りながら、ガス化ガス中の不飽和炭化水素を簡単な構成にして高効率且つ低コストで除去できる。
According to the chemical conversion system of
According to the aftertreatment method of the gasified gas according to the seventh aspect, unsaturated hydrocarbons in the gasified gas can be removed with high efficiency and at a low cost with a simple configuration while effectively utilizing biomass and waste.
請求項8のガス化ガスの後処理方法によれば、水添触媒に特殊な成分(活性金属等)を必要としなくても、副反応であるメタン化反応(メタネーション)の進行を抑制しつつ、ガス化ガス中の不飽和炭化水素を高効率且つ低コストで除去できる。
請求項9のガス化ガスの後処理方法によれば、水添触媒の温度を所定の温度範囲に調節することで、水添反応を効率よく促進でき、特に副反応であるメタン化反応(メタネーション)の進行を抑制することができる。
According to the aftertreatment method of the gasification gas according to claim 8, the progress of the methanation reaction (methanation), which is a side reaction, is suppressed even if a special component (active metal, etc.) is not required for the hydrogenation catalyst. Meanwhile, unsaturated hydrocarbons in the gasification gas can be removed with high efficiency and low cost.
According to the aftertreatment method of the gasified gas according to claim 9, the hydrogenation reaction can be efficiently promoted by adjusting the temperature of the hydrogenation catalyst to a predetermined temperature range, and in particular, a methanation reaction (metathesis) which is a side reaction. Nation) can be suppressed.
以下、本発明に係るガス化ガス後処理用触媒反応器及び該触媒反応器を用いたシステム並びにガス化ガス後処理方法の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1には、本発明に係るガス化ガス後処理用触媒反応器を用いたシステムの一例として当該触媒反応器を備えたガス化システムを含む燃料電池発電システムが概略的に示されており、以下当該燃料電池発電システムの構成について説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a gasification gas aftertreatment catalyst reactor, a system using the catalyst reactor, and a gasification gas aftertreatment method according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 schematically shows a fuel cell power generation system including a gasification system equipped with the catalytic reactor as an example of a system using the catalytic reactor for gasification gas aftertreatment according to the present invention. The configuration of the fuel cell power generation system will be described below.
燃料電池発電システムは、主としてガス化炉10、改質器30及び燃料電池40から構成されている。
ガス化炉10は、バイオマスや廃棄物等の固体燃料を熱分解によりガス化してガス化ガスを生成する装置である。ガス化炉10は種々のものが知られており、ここでは詳細については説明を省略する。
The fuel cell power generation system mainly includes a
The
ガス化炉10で生成されるガス化ガスには水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)等を主成分として含んでおり、当該ガス化ガスは改質器30に給送される。
改質器30は、内部に改質触媒32を有し、水蒸気(H2O)を供給することにより、ガス化炉10で生成されたメタン(CH4)を以下の改質反応によって水素(H2)及び一酸化炭素(CO)に転化させる触媒装置である。
The gasification gas generated in the
The
CH4+H2O → 3H2+CO
これにより、ガス化ガス中のメタンが利用価値の高い水素及び一酸化炭素に良好に転化される。
改質触媒32としては、ここではニッケル(Ni)を活性金属の主成分としたペレット触媒が一般的に採用されるが、ハニカム構造の担体に触媒を担持した構造のものであってもよい。
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO
Thereby, methane in gasification gas is satisfactorily converted into hydrogen and carbon monoxide having high utility value.
Here, as the reforming
そして、改質器30を通過したガス化ガスは、燃料電池40の燃料電極室の電極触媒に給送され、ガス化ガス中の水素(H2)や一酸化炭素(CO)が燃料電池の燃料として使用されて発電が行われる。
燃料電池40としては、燃料電極としてニッケル(Ni)系の電極触媒を使用した溶融炭酸塩形燃料電池(上記MCFC)や固体酸化物形燃料電池(上記SOFC)が一般に使用される。なお、これらの燃料電池については公知であり、詳細についてはここでは説明を省略する。
The gasified gas that has passed through the
As the
ところで、ガス化炉10でバイオマスや廃棄物等の固体燃料から生成されるガス化ガスには、微量成分としてアセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)をも含んでいる。しかしながら、これらアセチレンやエチレン等の不飽和炭化水素は、上述したように、ニッケル(Ni)を活性金属の主成分とした触媒上や触媒内部で炭素析出を生じさせ、析出した炭素が触媒層内のガス流路を塞いだり、或いは触媒ペレットを崩壊させて粉化させたりして改質器30の圧損上昇や閉塞を招くおそれがある。同様に、燃料電池40のニッケル(Ni)系の電極触媒上や電極内部で炭素析出を生じさせ、やはり析出した炭素や電極の粉化により圧損上昇やガス流路の閉塞を招くおそれがある。
Incidentally, the gasification gas produced from a solid fuel such as biomass and waste in the
このようなことから、ガス化ガスの流路には、これらアセチレンやエチレン等の不飽和炭化水素を除去すべく、即ち不飽和炭化水素を水添反応(水素添加)により飽和炭化水素とすべく、ガス化炉10と改質器30との間に位置して本発明に係る水添反応器(ガス化ガス後処理用触媒反応器)20が介装されている。
水添反応器20は、その内部に水添触媒22、即ち不飽和炭化水素の水添反応に活性な活性金属を有する触媒が充填されて構成されている。水添触媒22としては、目的とする不飽和炭化水素の水添反応を選択的に進行可能である一方、当該水添反応以外の副反応、例えば以下のような一酸化炭素(CO)や二酸化炭素(CO2)のメタン化反応(メタネーション)を生じさせないような触媒が適用される。
For this reason, in the gasification gas flow path, these unsaturated hydrocarbons such as acetylene and ethylene should be removed, that is, unsaturated hydrocarbons should be converted to saturated hydrocarbons by hydrogenation reaction (hydrogenation). The hydrogenation reactor (catalyst reactor for aftertreatment of gasification gas) 20 according to the present invention is interposed between the
The
CO+3H2 → CH4+H2O
CO2+4H2 → CH4+2H2O
このように副反応を生じさせない触媒を採用するのは、当該副反応が発熱反応であり、生起されると触媒層の全体或いは一部の温度が著しく上昇して炭化水素成分の熱分解が起こり、抑制したいはずの炭素析出等が却って誘発されてしまうおそれがあるからである。
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O
The use of a catalyst that does not cause a side reaction in this way is an exothermic reaction, and when it occurs, the temperature of the whole or a part of the catalyst layer is remarkably increased and thermal decomposition of hydrocarbon components occurs. This is because, for example, carbon deposition that should be suppressed may be induced instead.
このような触媒としては、パラジウム(Pd)、白金(Pt)等を活性金属として有し、アルミナ、チタニア、セリア、ジルコニア等の担体に担持されたものが好適である。
しかしながら、これらに限定されるものではなく、水添触媒22は、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)及びバナジウム(V)のうちの少なくとも一つを活性金属として有し、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア及びジルコニアのいずれかの担体に担持されたものであればよい。
As such a catalyst, a catalyst having palladium (Pd), platinum (Pt) or the like as an active metal and supported on a carrier such as alumina, titania, ceria, zirconia or the like is preferable.
However, the
なお、水添触媒22についてもペレット触媒が一般的に採用されるが、タブレット状のもの、或いはハニカム構造の担体に触媒を担持した構造のものであってもよい。
また、水添反応器20には、水添触媒22の温度を調節する温度調節装置(温度調節手段、サーモスタット付電気ヒータ等)が設けられている。これにより、水添触媒22の温度が所定の温度範囲に調節され、水添触媒22が水添反応を円滑に進行可能な状態に保持される。ここに、所定の温度範囲は、炭化水素成分の熱分解による炭素析出を抑制できる温度範囲であればよく、例えば室温から600℃であればよいが、安定した水添反応を確保すること及び副反応である上記メタン化反応(メタネーション)が約400℃以上で生起されることを考慮すると、好ましくは80℃〜300℃の範囲であるのがよい。
In addition, although the pellet catalyst is generally employed for the
The
なお、水添反応器20をガス化炉20に近づけるようにすれば水添触媒22の温度を良好に昇温させることができ効果的である。
これにより、アセチレン(C2H2)やエチレン(C2H4)等の不飽和炭化水素が水添反応器20において以下の水添反応によりエタン(C2H6)、即ち飽和炭化水素に良好に転化される。
If the
As a result, unsaturated hydrocarbons such as acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ) are converted into ethane (C 2 H 6 ), that is, saturated hydrocarbons in the
C2H2+2H2 → C2H6
C2H4+H2 → C2H6
なお、水添反応においては、ガス化ガス中に含有されている水素がそのまま使用されることになるが、必要に応じて水添反応器20の上流部分から追加の水素を注入することも可能である。
C 2 H 2 + 2H 2 → C 2 H 6
C 2 H 4 + H 2 → C 2 H 6
In the hydrogenation reaction, hydrogen contained in the gasification gas is used as it is, but additional hydrogen can be injected from the upstream portion of the
そして、このように水添反応によりエタン(C2H6)が生成されると、当該エタンは、改質器30において、上記メタン(CH4)と同様に以下の改質反応によって水素(H2)及び一酸化炭素(CO)に転化され、燃料電池40の燃料として有効に使用される。
C2H6+2H2O → 5H2+2CO
以下、実施例1乃至5及び比較例1、2に基づき、本発明に係るガス化ガス後処理用触媒反応器及び該触媒反応器を用いたシステム並びにガス化ガス後処理方法の作用及び効果について説明する。
When ethane (C 2 H 6 ) is generated by the hydrogenation reaction in this way, the ethane is converted into hydrogen (H) by the following reforming reaction in the
C 2 H 6 + 2H 2 O → 5H 2 + 2CO
Hereinafter, based on Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, the action and effect of the gasification gas aftertreatment catalyst reactor according to the present invention, the system using the catalyst reactor, and the gasification gas aftertreatment method explain.
[実施例1]
水添触媒としてパラジウム(Pd)を担持したアルミナ触媒を使用し、当該アルミナ触媒に、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)及び窒素(N2)を主成分とするガス中に不飽和炭化水素であるアセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)がそれぞれ3350ppm、4620ppm含まれるガス化ガスを流した場合の触媒層温度(平均温度)と触媒層出口でのガス組成(濃度)との関係を図2及び図3に示す。このとき、水添触媒を充填した反応器圧力は200kPa(G)であり、空塔速度は2900/hrである。また、ガス組成の分析は、不飽和炭化水素の微量分析が可能なFID(Flame Ionization Detector)を検出器とするガスクロマトグラフ分析計とガス化ガス主成分である水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、窒素の分析を感度良く実施できるTCD(Thermal Conductivity Detector)を検出器とするガスクロマトグラフ分析計を使用して実施した。
[Example 1]
An alumina catalyst supporting palladium (Pd) is used as a hydrogenation catalyst, and hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ) and nitrogen ( Catalyst layer temperature when gasified gas containing 3350 ppm and 4620 ppm of acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ), which are unsaturated hydrocarbons, flows in a gas mainly containing N 2 ) The relationship between (average temperature) and the gas composition (concentration) at the catalyst layer outlet is shown in FIGS. At this time, the pressure of the reactor filled with the hydrogenation catalyst is 200 kPa (G), and the superficial velocity is 2900 / hr. Gas composition analysis includes a gas chromatograph analyzer using a FID (Flame Ionization Detector) capable of analyzing traces of unsaturated hydrocarbons, and hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, which are the main components of the gasification gas, The analysis was carried out using a gas chromatograph analyzer using a TCD (Thermal Conductivity Detector) capable of analyzing methane and nitrogen with high sensitivity.
図2に示すアセチレン(C2H2)、エチレン(C2H4)、エタン(C2H6)濃度と触媒層温度との関係より、本触媒上では、アセチレン、エチレンのエタンヘの水添反応が効率良く進行していることがわかる。水添反応の進行は、触媒層の温度が低温から高温になるに従い、アセチレンのエチレンヘの水添反応、エチレンのエタンヘの水添反応の順に進行する。 From the relationship between the acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ) and ethane (C 2 H 6 ) concentrations shown in FIG. 2 and the catalyst layer temperature, hydrogenation of acetylene and ethylene to ethane was carried out on this catalyst. It can be seen that the reaction proceeds efficiently. The progress of the hydrogenation reaction proceeds in the order of the hydrogenation reaction of acetylene to ethylene and the hydrogenation reaction of ethylene to ethane as the temperature of the catalyst layer increases from low to high.
図3に示す水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)濃度と触媒層温度の関係より、これらのガス成分の濃度は、入口ガス組成(inを付記)とほぼ同一であることがわかる。即ち、本触媒上では、アセチレン、エチレンの水添反応は進行するものの、広い温度範囲にわたってメタン化反応等の副反応は進行しない。 From the relationship between the hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and methane (CH 4 ) concentrations shown in FIG. 3 and the catalyst layer temperature, the concentration of these gas components is determined by the inlet gas composition ( It can be seen that it is almost the same as “in”. That is, although the hydrogenation reaction of acetylene and ethylene proceeds on this catalyst, side reactions such as methanation reactions do not proceed over a wide temperature range.
[実施例2]
水添触媒として実施例1と同じアルミナ触媒を使用し、当該アルミナ触媒に、上記主成分からなるガス中にアセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)がそれぞれ335ppm、462ppm含まれるガス化ガスを流した場合の触媒層温度(平均温度)と触媒層出口でのガス組成(濃度)との関係を図4に示す。このとき、水添触媒を充填した反応器圧力は200kPa(G)であり、空塔速度は2900/hrである。
[Example 2]
As the hydrogenation catalyst, the same alumina catalyst as in Example 1 was used, and the alumina catalyst contained 335 ppm and 462 ppm of acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ), respectively, in the gas composed of the main components. FIG. 4 shows the relationship between the catalyst layer temperature (average temperature) and the gas composition (concentration) at the catalyst layer outlet when the gasification gas is flowed. At this time, the pressure of the reactor filled with the hydrogenation catalyst is 200 kPa (G), and the superficial velocity is 2900 / hr.
図4に示すアセチレン(C2H2)、エチレン(C2H4)、エタン(C2H6)濃度と触媒層温度の関係より、本触媒上では、アセチレン、エチレンが低濃度であっても、アセチレン、エチレンのエタンヘの水添反応が効率良く進行することがわかる。また、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)濃度と触媒層温度の関係において広い温度範囲にわたってメタン化反応等の副反応が進行しない点は実施例1の場合と同様である。 From the relationship between the acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ) and ethane (C 2 H 6 ) concentrations shown in FIG. 4 and the catalyst layer temperature, acetylene and ethylene are low in concentration on this catalyst. It can also be seen that the hydrogenation reaction of acetylene and ethylene to ethane proceeds efficiently. In addition, side reactions such as methanation reaction do not proceed over a wide temperature range in the relationship between hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ) concentration and catalyst layer temperature. Is the same as in the first embodiment.
[実施例3]
水添触媒として実施例1及び2と同じアルミナ触媒を使用し、当該アルミナ触媒に、上記主成分からなるガス中にアセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)がそれぞれ3350ppm、4620ppm含まれるガス化ガスを流した場合の、水添触媒を充填した反応器内の圧力と触媒層出口でのガス組成(濃度)との関係を図5に示す。このとき、水添触媒の温度は200℃である。
図5に示すアセチレン(C2H2)、エチレン(C2H4)、エタン(C2H6)濃度と反応器圧力の関係より、アセチレン、エチレンのエタンヘの水添反応は、反応器内の圧力に拘わらず効率良く進行することがわかる。
[Example 3]
The same alumina catalyst as in Examples 1 and 2 was used as a hydrogenation catalyst, and acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ) in the gas composed of the above main components were 3350 ppm and 4620 ppm, respectively. FIG. 5 shows the relationship between the pressure in the reactor filled with the hydrogenation catalyst and the gas composition (concentration) at the catalyst layer outlet when the gasification gas contained is flowed. At this time, the temperature of the hydrogenation catalyst is 200 ° C.
From the relationship between the acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ) concentration and reactor pressure shown in FIG. 5, the hydrogenation reaction of acetylene and ethylene to ethane It can be seen that the process proceeds efficiently regardless of the pressure.
[実施例4]
水添触媒として実施例1、2及び3と同じアルミナ触媒を使用し、当該アルミナ触媒に、水蒸気を含むガス化ガスを流した場合の触媒層温度(平均温度)と触媒層出口でのガス組成(濃度)との関係を図6及び図7に示す。水蒸気の濃度は、ガス化ガスに含まれる水蒸気濃度として十分に高い25%とした。このときのガス化ガス中に含まれるアセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)の濃度はそれぞれ335ppm、462ppmとし、水添触媒を充填した反応器の圧力は0kPa(G)(常圧)、空塔速度は1935/hrとした。
[Example 4]
The same alumina catalyst as in Examples 1, 2 and 3 was used as the hydrogenation catalyst, and the gas composition at the catalyst layer outlet when the gasified gas containing water vapor was passed through the alumina catalyst and the catalyst layer outlet. The relationship with (concentration) is shown in FIGS. The concentration of water vapor was 25%, which is sufficiently high as the water vapor concentration contained in the gasification gas. At this time, the concentrations of acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ) contained in the gasification gas were 335 ppm and 462 ppm, respectively, and the pressure of the reactor filled with the hydrogenation catalyst was 0 kPa (G) ( Normal pressure), the superficial velocity was 1935 / hr.
図6に示すアセチレン(C2H2)、エチレン(C2H4)、エタン(C2H6)濃度と触媒層温度の関係より、本触媒上では、水蒸気が多量に含まれるガス化ガスであっても、また空塔速度が小さい場合であっても、効率良くアセチレン、エチレンのエタンヘの水添反応を進行させることができる。
図7に示す水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)濃度と触媒層温度の関係より、これらのガス成分の濃度は、いずれの温度においても触媒層入口の濃度と同一の値を示し、水蒸気が存在する場合においても、また空塔速度が小さい場合においても、メタン化反応等の副反応は進行しないことがわかる。
From the relationship between the acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ) and ethane (C 2 H 6 ) concentrations shown in FIG. 6 and the catalyst layer temperature, a gasified gas containing a large amount of water vapor on the catalyst. Even when the superficial velocity is low, the hydrogenation reaction of acetylene and ethylene to ethane can proceed efficiently.
From the relationship between the hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and methane (CH 4 ) concentrations shown in FIG. 7 and the catalyst layer temperature, the concentrations of these gas components are at any temperature. Shows the same value as the concentration at the inlet of the catalyst layer, and it can be seen that side reactions such as methanation do not proceed even in the presence of water vapor or when the superficial velocity is low.
[実施例5]
水添触媒としてパラジウム(Pd)と白金(Pt)をともにアルミナ担体上に担持したアルミナ触媒を使用し、当該アルミナ触媒に、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)を主成分とするガス中に不飽和炭化水素であるアセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)がそれぞれ335ppm、462ppm含まれるガス化ガスを流した場合の触媒層温度(平均温度)と触媒層出口でのガス組成(濃度)との関係を図8及び図9に示す。なお、このときの水添触媒を充填した反応器の圧力は0kPa(G)(常圧)であり、空塔速度は2900/hrである。
[Example 5]
As a hydrogenation catalyst, an alumina catalyst in which both palladium (Pd) and platinum (Pt) are supported on an alumina carrier is used, and hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) is used as the alumina catalyst. ), Gasified gas containing 335 ppm and 462 ppm of acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ), which are unsaturated hydrocarbons, in a gas mainly composed of methane (CH 4 ) 8 and 9 show the relationship between the catalyst layer temperature (average temperature) and the gas composition (concentration) at the catalyst layer outlet. At this time, the pressure of the reactor filled with the hydrogenation catalyst is 0 kPa (G) (normal pressure), and the superficial velocity is 2900 / hr.
図8に示すアセチレン(C2H2)、エチレン(C2H4)、エタン(C2H6)濃度と触媒層温度の関係より、白金(Pt)を加えた本触媒上においても、アセチレン、エチレンのエタンヘの水添反応は、効率良く進行していることがわかる。
図9に示す水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)濃度と触媒層温度の関係より、本触媒上においても、広い温度範囲にわたってメタン化反応等の副反応は進行しないことがわかる。
From the relationship between the acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ) concentration and catalyst layer temperature shown in FIG. It can be seen that the hydrogenation reaction of ethylene to ethane proceeds efficiently.
From the relationship between the hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ) concentration and catalyst layer temperature shown in FIG. It can be seen that side reactions such as reactions do not proceed.
[比較例1]
比較例1として、水添触媒を充填せずに、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)を主成分とするガス中に不飽和炭化水素であるアセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)がそれぞれ3350ppm、4620ppm含まれるガス化ガスを反応器に流した場合の反応器温度(平均温度)と反応器出口でのガス組成(濃度)との関係を図10に示す。このとき、ガス化ガス中には水蒸気は存在せず(ドライ)、反応器の圧力は0kPa(G)(常圧)である。
[Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, unsaturated carbonization is performed in a gas mainly containing hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), and methane (CH 4 ) without being charged with a hydrogenation catalyst. Reactor temperature (average temperature) and gas at the outlet of the reactor when gasified gas containing 3350 ppm and 4620 ppm of acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ), which are hydrogen, is flowed to the reactor, respectively. The relationship with the composition (concentration) is shown in FIG. At this time, water vapor does not exist in the gasification gas (dry), and the pressure of the reactor is 0 kPa (G) (normal pressure).
図10に示すように、反応器の温度が上昇するとアセチレン濃度は徐々に減少し、一方でエチレン濃度が上昇する。このことから、アセチレンからエチレンヘの水添反応が一部進行していることがわかる。しかしながら、アセチレンの大部分をエチレンに転換するには、200℃以上の温度が必要であり、水添触媒を使用した場合に比べ、反応の効率が低く、より高い反応温度が必要であることがわかる。また、全ての温度範囲にわたりエタン(C2H6)の発生は認められず、触媒が存在しない場合には、水添反応は、エチレンまでで終了し、不飽和炭化水素の除去という観点からは甚だ不十分であるといえる。 As shown in FIG. 10, as the reactor temperature increases, the acetylene concentration gradually decreases while the ethylene concentration increases. This shows that the hydrogenation reaction from acetylene to ethylene partially proceeds. However, in order to convert most of the acetylene to ethylene, a temperature of 200 ° C. or higher is required, and the reaction efficiency is lower than when a hydrogenation catalyst is used, and a higher reaction temperature is required. Recognize. Also, generation of ethane (C 2 H 6 ) is not observed over the entire temperature range, and when no catalyst is present, the hydrogenation reaction is completed up to ethylene, from the viewpoint of removing unsaturated hydrocarbons. It can be said that it is insufficient.
[比較例2]
比較例2として、比較例1と同様に、水添触媒を充填せずに、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)を主成分とするガス中に不飽和炭化水素であるアセチレン(C2H2)及びエチレン(C2H4)がそれぞれ3350ppm、4620ppm含まれるガス化ガスを反応器に流した場合の反応器温度(平均温度)と反応器出口でのガス組成(濃度)との関係を図11に示す。但し、比較例2では、ガス化ガス中に水蒸気を25%含んでいる(ウェット)。
[Comparative Example 2]
As Comparative Example 2, as in Comparative Example 1, hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), and methane (CH 4 ) were used as the main components without charging the hydrogenation catalyst. Temperature (average temperature) when gasified gas containing 3350 ppm and 4620 ppm of acetylene (C 2 H 2 ) and ethylene (C 2 H 4 ), which are unsaturated hydrocarbons, in the gas to be fed to the reactor 11 shows the relationship between the gas composition and the gas composition (concentration) at the reactor outlet. However, in Comparative Example 2, the gasified gas contains 25% of water vapor (wet).
図11に示すように、水蒸気を含むガス化ガスを流した場合においても、比較例1と同様に、水添反応はエチレンまでしか進行せず、その効率も、水添触媒を使用した場合に比べると極めて低いものであることがわかる。また、比較例1と同様に、全ての温度範囲にわたりエタン(C2H6)は生成されず、エチレンが残留し、ガス化ガス中の不飽和炭化水素分の除去という観点からはやはり不十分なものである。 As shown in FIG. 11, even when a gasification gas containing water vapor is flowed, as in Comparative Example 1, the hydrogenation reaction proceeds only to ethylene, and its efficiency is also improved when a hydrogenation catalyst is used. It can be seen that it is extremely low. Similarly to Comparative Example 1, ethane (C 2 H 6 ) is not generated over the entire temperature range, ethylene remains, and it is still insufficient from the viewpoint of removing unsaturated hydrocarbons in the gasification gas. It is a thing.
以上説明したように、本発明に係るガス化ガス後処理用触媒反応器及び該触媒反応器を用いたシステム並びにガス化ガス後処理方法によれば、水添反応器20の水添触媒22によってアセチレン(C2H2)やエチレン(C2H4)等の不飽和炭化水素の水添反応をガス化ガス中にもともと含まれる水素を使用してメタン化反応(メタネーション)の発生もなく促進でき、ガス化ガス中のこれらアセチレンやエチレン等の不飽和炭化水素を濃度に拘わらず、また水蒸気の存否に拘わらず良好に除去することができる。即ち、アセチレン(C2H2)やエチレン(C2H4)等の不飽和炭化水素を飽和炭化水素であるエタン(C2H6)に良好に転化することができる。
As described above, according to the catalytic reactor for gasification gas aftertreatment according to the present invention, the system using the catalyst reactor, and the gasification gas aftertreatment method, the
また、この際、水添触媒22は低温から良好に触媒作用を発揮するため、水添触媒22は温度調節手段によって所定の温度範囲に調節されて触媒性能が好適に維持されるものの、ガス化ガスの再加熱や反応器の加熱に要するエネルギーを最小限に抑えることができる。
また、常圧においても加圧下においても良好に不飽和炭化水素成分を除去でき、ガス化ガスの昇圧に要するエネルギーを一切排除することができる。
At this time, since the
Further, the unsaturated hydrocarbon component can be removed satisfactorily both at normal pressure and under pressure, and energy required for pressurization of the gasification gas can be completely eliminated.
さらに、空塔速度に拘わらず良好に不飽和炭化水素成分を除去できるため、水添反応器20を小型にでき、省スペース化を図ることができ、ガス化炉20内に装填することも可能である。
これより、バイオマスや廃棄物の有効利用を図りながら、ガス化ガス中のアセチレン、エチレン等の不飽和炭化水素を簡単な構成にして高効率且つ低コストで除去することができ、効率のよいガス化システムを実現することができる。
Furthermore, since unsaturated hydrocarbon components can be removed satisfactorily regardless of the superficial velocity, the
As a result, it is possible to remove unsaturated hydrocarbons such as acetylene and ethylene in the gasification gas with a simple structure and efficiently and at low cost while effectively utilizing biomass and waste. System can be realized.
そして、このようにアセチレンやエチレン等の不飽和炭化水素が飽和炭化水素であるエタンに転化されると、ガス化ガスをニッケル(Ni)を主成分とする上記改質器30の触媒や燃料電池40の電極触媒に給送しても、通常考えられる運転条件であればこれら改質器30の触媒や燃料電池40の電極触媒において炭素析出や触媒及び電極の崩壊が進行することが抑制され、改質器30や燃料電池40の性能低下を効率よく防止することができ、発電効率の高い燃料電池発電システムを構築することができる。
When the unsaturated hydrocarbon such as acetylene or ethylene is converted into ethane, which is a saturated hydrocarbon, the gasification gas is a catalyst or fuel cell of the
また、図示しないが、ガス化ガスを液体燃料に変換する化学変換システムに水添反応器20を用いた場合においても、通常考えられる運転条件であれば改質器30の触媒において炭素析出や触媒の崩壊が進行することが抑制され、改質器30の性能低下を効率よく防止することができ、変換効率の高い化学変換システムを構築することができる。
Although not shown, even when the
10 ガス化炉
20 水添反応器
22 水添触媒
30 改質器
32 改質触媒
40 燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ガス化炉で生成されたガス化ガスの流路に設けられた請求項1乃至3のいずれか記載のガス化ガス後処理用触媒反応器と、
を備えたことを特徴とするガス化システム。 A gasification furnace that generates gasification gas from biomass and waste;
The catalytic reactor for gasification gas post-treatment according to any one of claims 1 to 3, provided in a flow path of gasification gas generated in the gasification furnace,
A gasification system comprising:
前記ガス化ガスの流路に前記ガス化ガス後処理用触媒反応器の下流に位置して設けられ、ガス化ガスの改質を行う改質触媒装置と、
該ガス化ガス後処理用触媒反応器により後処理され且つ前記改質触媒装置により改質されたガス化ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。 A catalytic reactor for gasification gas aftertreatment according to any one of claims 1 to 3, provided in a gasification gas flow path,
A reforming catalyst device provided in the gasification gas flow path downstream of the gasification gas aftertreatment catalyst reactor, and reforming the gasification gas;
A fuel cell that generates power using the gasification gas that has been post-treated by the gasification gas post-treatment catalytic reactor and reformed by the reforming catalyst device;
A fuel cell power generation system comprising:
前記ガス化ガスの流路に前記ガス化ガス後処理用触媒反応器の下流に位置して設けられ、ガス化ガスの改質を行う改質触媒装置と、
該ガス化ガス後処理用触媒反応器により後処理され且つ前記改質触媒装置により改質されたガス化ガスを液体燃料に変換する化学変換器と、
を備えたことを特徴とする化学変換システム。 A catalytic reactor for gasification gas aftertreatment according to any one of claims 1 to 3, provided in a gasification gas flow path,
A reforming catalyst device provided in the gasification gas flow path downstream of the gasification gas aftertreatment catalyst reactor, and reforming the gasification gas;
A chemical converter for converting the gasification gas after-treated by the gasification gas after-treatment catalyst reactor and reformed by the reforming catalyst device into liquid fuel;
A chemical conversion system characterized by comprising:
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