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WO2018037481A1 - バイオマス熱分解ガスからの水素回収方法 - Google Patents

バイオマス熱分解ガスからの水素回収方法 Download PDF

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WO2018037481A1
WO2018037481A1 PCT/JP2016/074542 JP2016074542W WO2018037481A1 WO 2018037481 A1 WO2018037481 A1 WO 2018037481A1 JP 2016074542 W JP2016074542 W JP 2016074542W WO 2018037481 A1 WO2018037481 A1 WO 2018037481A1
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WO
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gas
hydrogen
carbon dioxide
adsorption tower
pressure
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Application number
PCT/JP2016/074542
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English (en)
French (fr)
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堂脇　清志
片山　昇
堂脇　直城
亀山　光男
Original Assignee
株式会社ジャパンブルーエナジー
学校法人東京理科大学
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Filing date
Publication date
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Priority to EP16914155.3A priority patent/EP3505492A4/en
Priority to AU2016420899A priority patent/AU2016420899B2/en
Priority to PCT/JP2016/074542 priority patent/WO2018037481A1/ja
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Priority to TW105137815A priority patent/TWI764876B/zh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for recovering hydrogen from biomass pyrolysis gas. More specifically, the present invention relates to a method for purifying and recovering hydrogen from pyrolysis gas obtained by heat-treating biomass, and simultaneously purifying the purified hydrogen, for example, using hydrogen as fuel.
  • the present invention relates to a method for storing a hydrogen storage container in a container that can be used as it is as a hydrogen storage container of a device equipped with a fuel cell.
  • the term “pyrolysis gas” includes not only the pyrolysis gas obtained by heat-treating the above biomass but also a gas obtained by further steam reforming the pyrolysis gas.
  • a lithium ion battery is used as the power source.
  • the performance of lithium ion batteries has been improved.
  • As a measure for extending the usage time of a portable terminal device there is an increase in the performance of a lithium ion battery.
  • a portable terminal in which a small fuel cell and a hydrogen storage container (for example, a cartridge) are integrated.
  • Power supply devices are also being developed and marketed.
  • hydrogen storage containers containers such as hydrogen storage alloys, carbon / porous materials, inorganic complex materials, and organic chemical hydrides have been studied. Thus, in recent years, hydrogen has been attracting attention in various industries, and its demand is expected to increase greatly.
  • Conventionally known methods for producing hydrogen include, for example, a method for separating and recovering hydrogen from coke oven gas, a method for separating and recovering hydrogen from blast furnace gas, and hydrogen from naphtha reformed gas generated in petroleum refining complexes. Examples thereof include a method for separating and collecting, a method for separating and collecting hydrogen generated from a salt electric field, and a method for producing hydrogen by electrolysis of water. Recently, techniques such as a method for separating and recovering hydrogen from methanol reformed gas or a method for separating and recovering hydrogen from natural gas and methane gas reforming have been established and put into practical use.
  • Recent new efforts include a method for producing hydrogen from algae using hydrogen-fermenting bacteria, electrolysis of water using power generated from solar power, wind power, and small hydropower, called Power to Gas.
  • a method for producing hydrogen, a method for separating and recovering hydrogen obtained from pyrolysis gas of biomass, and the like have been proposed and partially verified.
  • Hydrogen storage technology and transport technology include filling and storing and transporting high-pressure gas cylinders, and hydrogenating organic solvents such as naphthalene or toluene.
  • organic solvents such as naphthalene or toluene.
  • naphthalene is tetralin
  • toluene is methyl.
  • a method of transporting as cyclohexane and chemically separating it into naphthalene and hydrogen, or toluene and hydrogen, respectively, at a customer's site and using hydrogen has been proposed.
  • the obtained hydrogen is used as another gas, for example, a hydrocarbon gas such as carbon dioxide, carbon monoxide, methane, or toluene, naphthalene. It is necessary to separate and collect from the etc.
  • a hydrocarbon gas such as carbon dioxide, carbon monoxide, methane, or toluene, naphthalene.
  • a gas separation method for blast furnace gas containing carbon dioxide, nitrogen, hydrogen and carbon monoxide wherein the adsorption capacity of carbon dioxide is the largest, and the adsorption capacity of hydrogen is larger than the adsorption capacities of carbon monoxide and nitrogen.
  • PSA Pressure Swing Adsorption
  • a method for separating blast furnace gas in which hydrogen is mainly recovered as a non-adsorbed gas is disclosed (Patent Document 1).
  • a one-stage PSA separation method and apparatus having three adsorption towers are used, and thereby carbon dioxide and hydrogen are separated from blast furnace gas.
  • This method is a one-stage system, and the pressure is relatively low at 300 kPa, but the hydrogen concentration in the recovered gas is not as high as 60 to 70%.
  • a hydrogen production apparatus including a return unit for returning and a carbon dioxide extraction unit for extracting a carbon dioxide rich gas from the reforming reaction tube by decompressing the reforming reaction tube (Patent Document 2).
  • a hydrogen-containing gas is produced by a reformer using hydrocarbon as a raw material, and the produced hydrogen-containing gas is separated into hydrogen and a concentrated impurity gas in which gas components other than hydrogen are concentrated by a hydrogen purifier (PSA).
  • PSA hydrogen purifier
  • a hydrogen production apparatus for recovering the produced hydrogen as high-purity hydrogen the combustible component in the concentrated impurity gas is burned by a combustion apparatus, and carbon dioxide in the combustion gas is removed by a decarbonation apparatus
  • Patent Document 3 A method for reducing carbon dioxide emission in the apparatus is disclosed (Patent Document 3).
  • a carbon dioxide adsorbent for example, a calcium oxide adsorbent
  • a carbon dioxide adsorbent is filled in the decarboxylation device, and carbon dioxide can be adsorbed and removed, but the adsorbed carbon dioxide cannot be reused.
  • the adsorbent after use can be reused as a cement solidifying material, but there is a problem that it cannot be reused as an adsorbent.
  • Natural gas in the form of liquefied natural gas is steam reformed into hydrogen-rich reformed gas, and hydrogen is separated and purified from this reformed gas, mainly off-gas containing combustibles separated in the hydrogen purification process.
  • pure oxygen or a high-concentration separated by deep cooling using liquefied cold heat of liquefied natural gas as an oxidant for off-gas combustion in the reforming process Introduce oxygen and increase the concentration of carbon dioxide in the flue gas generated by this combustion, easily separate and recover the carbon dioxide from the flue gas in liquid state, and precool the separated and purified hydrogen with liquefied natural gas
  • this hydrogen is liquefied by cooling with liquefied nitrogen obtained by cryogenic air separation, and the liquefied natural gas after being used for precooling of hydrogen is used for liquefying carbon dioxide, thereby reforming the hydrogen.
  • Liquefaction characterized by being supplied to O 2 hydrogen production methods involving recovery has been disclosed (
  • Hydrogen production and carbon dioxide recovery method for producing hydrogen from carbon-containing fuel and recovering carbon dioxide, and hydrogen-containing gas production process for reforming carbon-containing fuel to obtain hydrogen-containing gas containing hydrogen and carbon dioxide Separating the hydrogen-containing gas into a first hydrogen-enriched gas, which is a gas enriched with hydrogen, and a PSA offgas, which is a gas enriched with components other than hydrogen, using a pressure swing adsorption device; PSA process: using a carbon dioxide separation membrane, the PSA off-gas is separated from carbon dioxide-enriched gas, which is a gas enriched with carbon dioxide, and carbon dioxide, which is a gas enriched with components other than carbon dioxide A carbon dioxide membrane separation step for separating into a membrane off gas; and using a hydrogen separation membrane, the carbon dioxide separation membrane off gas is converted into a second hydrogen-enriched gas, which is a hydrogen-enriched gas, and hydrogen Hydrogen production and carbon dioxide recovery process comprising a hydrogen membrane separation step of the outer component is separated into a hydrogen separation membrane off-gas is a gas enriched is disclosed (P
  • Patent Document 6 A method for purifying hydrogen gas containing an impure gas using a hydrogen storage alloy has been proposed (Patent Document 6).
  • hydrogen gas containing impurities is supplied to the hydrogen storage alloy to store the hydrogen gas, and after removing the impurities, the hydrogen storage alloy is heated to release hydrogen. Operation is also required.
  • a hydrogen storage / release process for recovering hydrogen from off-gas from the second removal process, and the high-purity hydrogen and the hydrogen from the hydrogen storage / release process are washed for regeneration of the adsorbent in the above process.
  • Patent Document 7 There has been proposed a method of using it as a gas and a gas for boosting an adsorption tower (Patent Document 7). This method is intended to reduce the loss of product hydrogen and to recover high purity hydrogen from the reformed gas at a high recovery rate.
  • the hydrogen stored in the hydrogen storage alloy is used for regeneration of the adsorbent, the amount of hydrogen recovered must be low. Further, the hydrogen release temperature from the hydrogen storage alloy is as high as 200 ° C.
  • Japanese Patent No. 5647388 Japanese Patent No. 5134252 JP 2004-292240 A Japanese Patent No. 3670229 Japanese Patent No. 5039408 Japanese Patent No. 3898754 Japanese Patent No. 5690165 International Publication No. 2015/011826 International application JP2015 / 080452 Japanese Patent No. 4246456 Japanese Patent No. 5463050
  • the present invention uses a relatively low pressure from a pyrolysis gas obtained by heat treating biomass to adsorb and remove hydrocarbon gases such as carbon dioxide, carbon monoxide, methane, etc. Can be efficiently recovered, and at the same time, the recovered high-concentration hydrogen gas can be used as it is as a predetermined container, preferably as a hydrogen storage container for a device equipped with a fuel cell using hydrogen as a fuel.
  • the present invention provides a hydrogen recovery method that can be stored in a cartridge-type container.
  • the above prior art is a method for separating and recovering hydrogen and carbon dioxide from a mixed gas containing hydrogen and a hydrocarbon gas such as carbon dioxide, carbon monoxide, and methane.
  • a separation device a plurality of adsorption towers are used.
  • a so-called multi-column single-stage adsorption separation type PSA apparatus that is installed in parallel and used is used.
  • an adsorbent or a separation membrane is separately used in combination.
  • hydrogen can be separated and recovered at a relatively low pressure, but the concentration of hydrogen in the recovered gas cannot be said to be sufficiently high.
  • the present inventors are a method for recovering hydrogen from a pyrolysis gas obtained by heat-treating biomass, and adsorbing and removing carbon dioxide from the pyrolysis gas under pressure. Then, the first purification stage for purifying the pyrolysis gas, and the purified gas obtained from the first purification stage are further pressurized while maintaining the pressure in the first purification stage, and from the purified gas under pressure Including a second purification stage for recovering hydrogen from the purified gas by adsorption and removal of a gas other than hydrogen, and recovering the carbon dioxide adsorbed and removed in the first purification stage.
  • Patent Document 8 proposes a hydrogen recovery method according to this method, it is possible to recover a high concentration of hydrogen from biomass pyrolysis gas at a relatively low pressure.
  • the inventors of the present invention preferably use a so-called multi-column two-stage adsorption separation type PSA apparatus for hydrogen recovery, even if the pressure in the second purification stage is not more than the pressure in the first purification stage. Even if the pressure in both the first purification stage and the second purification stage is set to a low pressure of 0.15 MPa or more and 0.6 MPa or less, hydrocarbon gas such as carbon dioxide, carbon monoxide and methane from biomass pyrolysis gas And the like, and it has been found that a gas having a high hydrogen concentration can be recovered (Patent Document 9). According to this method, compared to the method described in Patent Document 8, it is possible to recover a high concentration of hydrogen from biomass pyrolysis gas at a lower pressure, which is more efficient and economical. Operation is possible.
  • a container filled with a hydrogen storage alloy is formed into a cartridge type that can be used as it is as a hydrogen storage container of a device equipped with a fuel cell using hydrogen as a fuel
  • the container storing hydrogen can be used as it is for a predetermined use. Therefore, the present invention has been completed by finding that it can be streamlined from hydrogen purification to use extremely efficiently.
  • the present invention (1) A method for recovering hydrogen from a pyrolysis gas obtained by heat-treating biomass, wherein a gas mainly containing carbon dioxide is adsorbed and removed from the pyrolysis gas under pressure.
  • the first purification stage to be purified and the purified gas obtained from the first purification stage are further subjected to adsorption and removal of a gas containing carbon dioxide under pressure from the purified gas at a pressure equal to or lower than the pressure in the first purification stage.
  • (3) The device according to (2) above, wherein the device equipped with the fuel cell using hydrogen as a fuel is selected from the group consisting of an automobile, a backup power source, a radio, a mobile phone, an unmanned aircraft, and a home thermoelectric supply system.
  • the hydrogen storage alloy is one or more selected from the group consisting of LaNi 5 , LaNi 4.7 Al 0.3 , TiFe 0.9 Mn 0.1 , MmNi 4.15 Fe 0.35 , CaNi 5 , TiCrV, and Lm—Ni alloy.
  • the hydrogen recovery method includes two or more containers filled with a hydrogen storage alloy.
  • hydrogen in a gas mainly containing hydrogen recovered from the second purification stage The hydrogen storage alloy in the container filled with the hydrogen storage alloy is stored and stored in the container, and then switched to the other container filled with the hydrogen storage alloy to mainly contain hydrogen. While storing the hydrogen in the hydrogen storage alloy and storing it in the container, the one container that has already completed the storage of hydrogen is removed and replaced with a container filled with a new hydrogen storage alloy.
  • the hydrogen recovery method according to any one of (1) to (7) above, wherein hydrogen storage is continued.
  • the hydrogen storage stage comprises 2 to 5 containers filled with a hydrogen storage alloy
  • the container filled with the hydrogen storage alloy is provided with equipment capable of cooling and / or heating.
  • the method according to any one of (18) The pressure in the first purification stage is 0.2 MPa or more and 0.6 MPa or less, and the pressure in the second purification stage is 0.2 MPa or more and 0.6 MPa or less. (16) The method according to any one of (19) The pressure in the first purification stage is 0.2 MPa or more and 0.6 MPa or less, and the pressure in the second purification stage is 0.2 MPa or more and 0.5 MPa or less. (16) The method according to any one of (20) The method according to any one of (1) to (19) above, wherein the temperatures in the first purification stage, the second purification stage, and the hydrogen storage stage are all in the range of 0 to 100 ° C.
  • Collection method (25) The hydrogen according to any one of (1) to (23), wherein a differential pressure between the pressure in the first purification stage and the pressure in the second purification stage is 0 to 0.4 MPa. Collection method, (26) The hydrogen according to any one of (1) to (23), wherein a differential pressure between the pressure in the first purification stage and the pressure in the second purification stage is 0 to 0.3 MPa. Collection method, (27) The hydrogen according to any one of (1) to (23), wherein a pressure difference between the pressure in the first purification stage and the pressure in the second purification stage is 0 to 0.2 MPa.
  • Collection method The hydrogen according to any one of (1) to (23), wherein a differential pressure between the pressure in the first purification stage and the pressure in the second purification stage is 0 to 0.1 MPa.
  • Collection method, (29) The first purification stage includes two or more adsorption towers. Here, in one adsorption tower, a gas mainly containing carbon dioxide is adsorbed and removed to purify the pyrolysis gas, and then the other While switching to one adsorption tower and purifying the pyrolysis gas by adsorbing and removing the gas mainly containing carbon dioxide, it was adsorbed and removed in the one adsorption tower that had already adsorbed and removed the gas mainly containing carbon dioxide.
  • the hydrogen recovery method according to any one of (1) to (28) above, wherein a gas mainly containing carbon dioxide is desorbed and recovered by reducing the pressure in the adsorption tower, (30)
  • the second purification stage includes two or more adsorption towers.
  • the gas containing carbon dioxide is adsorbed and removed, and the pyrolysis purified in the first purification stage.
  • the gas is further refined, then switched to another adsorption tower, the gas containing carbon dioxide is adsorbed and removed, and the pyrolysis gas purified in the first purification stage is further purified, while already carbon dioxide.
  • Hydrogen recovery method according to (32) The method according to any one of (1) to (31) above, wherein the second purification step comprises 2 to 5 adsorption towers, (33) The method according to any one of (1) to (32) above, wherein each of the first purification stage and the second purification stage is constituted by a pressure fluctuation adsorption (PSA) apparatus, (34)
  • PSA pressure fluctuation adsorption
  • One or more adsorbents selected from the group consisting of imogolite, amorphous aluminum silicate, activated carbon, zeolite and activated alumina are used for adsorbing and removing the gas mainly containing carbon dioxide in the first purification step.
  • the hydrogen recovery method of the present invention is capable of recovering a high concentration of hydrogen gas using a relatively low pressure, and in addition, special substances or devices such as those used in the prior art, such as adsorption Since it is not necessary to combine the agent, the separation membrane, etc., not only the operation cost such as the power consumption can be greatly reduced but also the device cost can be greatly reduced. In addition, since the operation pressure is low, the safety in operation can be significantly increased. Moreover, since the power consumption can be reduced as a whole, it can also contribute to the reduction of the amount of carbon dioxide generated indirectly.
  • hydrogen storage can be used as it is as a hydrogen storage container of a device equipped with a fuel cell. Since it is performed in a cartridge-type container, it is possible to recover and store hydrogen and use it very efficiently.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall flow of the hydrogen recovery method of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of an embodiment of a hydrogen purification storage apparatus (first purification stage, second purification stage, and hydrogen storage stage) that can be used in the hydrogen recovery method of the present invention.
  • the hydrogen recovery method of the present invention includes a first purification stage in which a gas mainly containing carbon dioxide is adsorbed and removed from a pyrolysis gas obtained by heat-treating biomass, and a purified gas obtained in the first purification stage.
  • biomass (a) is charged into a biomass heat treatment stage (III) (heat treatment apparatus) to generate pyrolysis gas (b).
  • the pyrolysis gas (b) may be a gas obtained by further steam reforming a pyrolysis gas obtained by heat-treating biomass, that is, a reformed gas.
  • the generated pyrolysis gas (b) is charged into the first purification stage (I), where a gas (e) mainly containing carbon dioxide contained in the pyrolysis gas (b),
  • a gas (e) mainly containing carbon dioxide contained in the pyrolysis gas (b) For example, gas containing mainly carbon dioxide and other carbon monoxide, methane, hydrogen, and the like is adsorbed and removed by the adsorbent.
  • the purified gas from which the gas (e) mainly containing carbon dioxide (e) is removed hereinafter sometimes referred to as “first purified gas”) (c) is then charged into the second purification stage (II).
  • a gas (f) containing carbon dioxide for example, a gas containing hydrogen, carbon dioxide and methane, and optionally carbon monoxide is adsorbed and removed by the adsorbent.
  • the gas (e) mainly containing carbon dioxide adsorbed in the first purification stage (I) and the gas (f) containing carbon dioxide adsorbed in the second purification stage (II) are adsorbents. It is desorbed and collected separately.
  • the gas mainly containing hydrogen from which the gas mainly containing carbon dioxide (e) and the gas containing carbon dioxide (f) have been removed hereinafter sometimes referred to as “second purified gas”.
  • the hydrogen storage stage (IV) is charged.
  • the hydrogen storage stage off-gas contains the largest amount of carbon dioxide by volume in the gas, and may contain methane, and trace amounts of hydrogen and carbon monoxide.
  • first, mainly carbon dioxide (gas mainly containing carbon dioxide) is adsorbed and removed from the biomass pyrolysis gas. Also, moisture in the biomass pyrolysis gas can be adsorbed and removed.
  • the adsorption removal is performed under pressure.
  • the upper limit of the pressure is preferably 0.6 MPa, more preferably 0.5 MPa, and the lower limit is preferably 0.15 MPa, more preferably 0.2 MPa. If it is less than the said minimum, since the adsorption capacity of adsorption agent falls, it is not preferable. Even below the lower limit, it is possible to adsorb and desorb a gas mainly containing carbon dioxide.
  • the operation temperature in the first purification stage that is, the operation temperature for simultaneously adsorbing hydrocarbon gases such as carbon dioxide, carbon monoxide and methane is preferably 0 to 100 ° C., more preferably 10 to 40 ° C. is there.
  • the operation is usually performed at ambient temperature.
  • the adsorbent in the first purification stage is preferably one or more selected from the group consisting of imogolite, amorphous aluminum silicate, activated carbon, zeolite and activated alumina, more preferably imogolite, amorphous aluminum silicate.
  • One or more selected from the group consisting of acid salts, activated carbon and zeolite are used. These can be used as a single layer or by stacking a plurality of them. More preferably, a single layer of imogolite or a single layer of amorphous aluminum silicate is used.
  • the amorphous aluminum silicate a synthetic amorphous aluminum silicate (synthetic imogolite) is preferably used as the synthetic amorphous aluminum silicate.
  • a commercially available product for example, Haskray (registered trademark) manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd. can be used.
  • the first purification stage 30 to 80% by volume of carbon dioxide present in the biomass pyrolysis gas can be removed.
  • 20 to 40% by volume of carbon dioxide is present in the biomass pyrolysis gas, and therefore, the volume of carbon dioxide present in the biomass pyrolysis gas is reduced to about 5 by purification in the first purification stage. It can be reduced to ⁇ 35% by volume.
  • carbon dioxide and other gases gas mainly containing carbon dioxide
  • the first purification stage is preferably constituted by a pressure fluctuation adsorption (PSA) device.
  • the adsorption tower (PSA adsorption tower) filled with the adsorbent is preferably provided with 2 or more towers, more preferably 2 to 5 towers.
  • One method is a so-called continuous method.
  • the biomass pyrolysis gas is pressurized to the above pressure and continuously circulated through the one adsorption tower for a predetermined time while being maintained at the same pressure.
  • a gas mainly containing carbon dioxide In the adsorption tower, a gas mainly containing carbon dioxide, and Optionally, water is adsorbed and removed by the adsorbent, and unadsorbed gas, ie, purified gas, is continuously removed.
  • the biomass pyrolysis gas is continuously circulated for a predetermined time in the same manner as described above, and the gas mainly containing carbon dioxide is adsorbed in the other adsorption tower.
  • the purified gas is continuously removed.
  • the one adsorption tower that has already completed the adsorption operation is depressurized, and the gas mainly containing adsorbed carbon dioxide is desorbed and recovered. Thereafter, in the one adsorption tower, if necessary, the adsorbent is regenerated and the biomass pyrolysis gas is circulated again. These operations are sequentially repeated.
  • the switching from the one adsorption tower to the other adsorption tower is performed by reducing the decrease time (breakthrough time) of the adsorption capacity of carbon dioxide or the like by the adsorbent packed in the one adsorption tower. Considering this, it is performed in a time within a range where the adsorption capacity does not decrease. The time depends on the amount of biomass pyrolysis gas and the amount of carbon dioxide and the like in the biomass, the capacity of the adsorption tower, the kind and amount of the adsorbent packed therein, and usually 2 to 30. About a minute.
  • the time is usually measured by measuring the carbon dioxide concentration in the first purified gas after removal and the carbon dioxide concentration in the gas recovered by adsorption removal in the first purification stage, and removing the first purified gas after removal. It is experimentally determined in advance so that the concentration of carbon dioxide therein is minimized.
  • the hydrogen or carbon dioxide concentration in the first purified gas flowing out from the adsorption tower is measured continuously or intermittently, and when the hydrogen concentration in the first purified gas falls below a predetermined value, or When the carbon concentration exceeds a predetermined value, switching from one adsorption tower to another adsorption tower can be performed.
  • the carbon dioxide mainly adsorbed and removed is mainly contained in the one adsorption tower in which the gas mainly containing carbon dioxide is already adsorbed and removed.
  • the gas is recovered by desorption from the adsorbent by reducing the pressure in the tower, preferably to approximately atmospheric pressure.
  • Biomass pyrolysis gas is pressurized and packed in one adsorption tower at the pressure described above, and held at the pressure for a predetermined time.
  • a gas mainly containing carbon dioxide and optionally water is adsorbed. It is adsorbed and removed by the agent.
  • the biomass pyrolysis gas is charged and held for a predetermined time, and the gas mainly containing carbon dioxide is adsorbed in the other adsorption tower. Removed.
  • the one adsorption tower that has already completed the adsorption operation is depressurized to a predetermined pressure, and unadsorbed gas, that is, purified gas is taken out. Thereafter, the one adsorption tower is further depressurized, and the adsorbed gas mainly containing carbon dioxide is desorbed and recovered. Thereafter, in the one adsorption tower, the adsorbent is regenerated if necessary, and the biomass pyrolysis gas is filled and held again. These operations are sequentially repeated.
  • the switching from the one adsorption tower to the other adsorption tower involves the adsorption capacity of carbon dioxide or the like by the adsorbent packed in one adsorption tower and the heat of the filled biomass.
  • the packed adsorbent is carried out in a sufficient time to adsorb carbon dioxide and the like. The time depends on the amount of the biomass pyrolysis gas charged and the amount of carbon dioxide therein, the capacity of the adsorption tower, the kind and amount of the adsorbent packed therein, etc., but usually 2-30. About a minute.
  • the time is usually measured by measuring the carbon dioxide concentration in the first purified gas after adsorption removal and the carbon dioxide concentration in the gas recovered by adsorption removal in the first purification stage, and the first purification after removal. It is experimentally determined in advance so that the concentration of carbon dioxide in the gas is minimized.
  • the hydrogen or carbon dioxide concentration in the gas in the adsorption tower is measured continuously or intermittently. When the hydrogen concentration in the gas in the adsorption tower exceeds a predetermined value, or the carbon dioxide concentration is predetermined. When the value becomes less than the value, switching from one adsorption tower to another adsorption tower can be performed.
  • the pressure in one adsorption tower is reduced to a predetermined pressure, and unadsorbed gas, that is, purified gas is taken out from the one adsorption tower.
  • the predetermined pressure is such that the adsorbed and removed gas such as carbon dioxide is not desorbed in consideration of the type of adsorbent filled, the pore volume and specific surface area, the maximum pressure during the adsorption operation, and the operation temperature.
  • the range is determined experimentally in advance. Usually, it is about 0.15 to 0.3 MPa.
  • the gas mainly containing carbon dioxide adsorbed and removed is desorbed from the adsorbent and recovered.
  • the purified gas (first purified gas) obtained from the first purification stage is subjected to the second purification while the pressure in the first purification stage is maintained or the pressure is reduced below the pressure. Charged to the stage.
  • a container is provided between the first purification stage and the second purification stage, and the first purified gas is decompressed at one end, preferably 0.1 to 0.3 MPa, more preferably 0.1 to 0.00.
  • the pressure can be reduced to 2 MPa, and then the pressure can be increased again by a pressurizing device, for example, a compressor, and charged into the second purification stage.
  • a gas containing carbon dioxide for example, a gas containing hydrogen, carbon dioxide and methane, and optionally carbon monoxide is adsorbed and removed from the first purified gas. Moreover, if sulfur compound gas, nitrogen compound gas, etc. are contained, these will also be adsorbed and removed.
  • the adsorption removal of the gas containing carbon dioxide in the second purification stage is performed under pressure.
  • the upper limit of the pressure is preferably 0.6 MPa, more preferably 0.5 MPa, and the lower limit is preferably 0.15 MPa, more preferably 0.2 MPa. If it is less than the said minimum, since the adsorption capacity of adsorption agent falls, it is not preferable.
  • the differential pressure between the pressure for adsorbing and removing the gas mainly containing carbon dioxide in the first purification stage and the pressure for adsorbing and removing the gas containing carbon dioxide in the second purification stage is preferably 0 to 0.45 MPa.
  • the pressure is preferably 0 to 0.4 MPa, more preferably 0 to 0.3 MPa, and most preferably 0 to 0.1 MPa. By adopting such a pressure difference, gas adsorption and removal in the first purification stage and the second purification stage can be efficiently performed.
  • the operation temperature in the second purification stage is the same as the operation temperature in the first purification stage, preferably 0 to 100 ° C., more preferably 10 to 40 ° C.
  • the second purification stage is usually performed at ambient temperature.
  • one or more selected from the group consisting of imogolite, amorphous aluminum silicate, activated carbon, activated alumina and zeolite is preferably used. These can be used in a single layer or a plurality of layers. More preferably, a single layer of activated carbon or zeolite is used.
  • the second purification stage preferably consists of a conventional hydrogen pressure fluctuation adsorption (hydrogen PSA) apparatus used to recover high purity hydrogen.
  • the adsorption tower (hydrogen PSA adsorption tower) filled with the adsorbent is preferably provided with 2 or more towers, more preferably 2 to 5 towers.
  • the continuous method there are two types of methods, the continuous method and the semi-continuous method, as in the operation method in the first purification stage.
  • Operations such as adsorption operation and adsorption tower switching in the continuous method and semi-continuous method are both carried out in the same manner as described in the first purification stage.
  • hydrogen having a purity of 90% by volume or more can be recovered by combining the first purification stage and the second purification stage as described above.
  • the purified gas (second purified gas) obtained from the second purification stage is maintained at the pressure in the second purification stage, or is pressurized above the pressure or below the pressure.
  • a container is provided between the second purification stage and the hydrogen storage stage, and the second purified gas is decompressed at one end, preferably 0.1 to 0.3 MPa, more preferably 0.1 to 0.2 MPa. It is also possible to reduce the pressure to a hydrogen storage stage and then pressurize it again with a pressurizing device such as a compressor.
  • the hydrogen storage stage In the hydrogen storage stage, almost only hydrogen contained in the second purified gas is stored and stored in the hydrogen storage alloy, and a gas containing carbon dioxide (hydrogen storage stage off-gas) is discharged. Occlusion of hydrogen into the hydrogen storage alloy in the hydrogen storage stage is performed under pressure.
  • the pressure depends on the hydrogen gas dissociation equilibrium pressure of the hydrogen storage alloy to be used, but the upper limit is preferably 0.6 MPa, more preferably 0.5 MPa, and the lower limit is preferably 0.15 MPa, more Preferably it is 0.2 MPa. If it is less than the said minimum, since the storage capacity of a hydrogen storage alloy falls, it is not preferable. On the other hand, exceeding the upper limit is not preferable because a large amount of power is required for pressurization.
  • the operating temperature in the hydrogen storage stage is the same as the operating temperature in the first and second purification stages, preferably 0 to 100 ° C., more preferably 10 to 40 ° C.
  • the hydrogen storage stage is usually performed at ambient temperature.
  • the hydrogen storage alloy filled in the container in the hydrogen storage stage is not limited, but preferably, an alloy capable of storing and releasing hydrogen at room temperature is used.
  • Examples include LaNi 5 , LaNi 4.7 Al 0.3 , TiFe 0.9 Mn 0.1 , MmNi 4.15 Fe 0.35 , CaNi 5 , TiCrV, Lm—Ni-based alloy, and the like, and preferably LaNi that can occlude and release hydrogen at room temperature.
  • 5 CaNi 5 , TiCrV, Lm—Ni alloy and the like.
  • Mm means misch metal
  • Lm means lantern rich misch metal.
  • the continuous method there are two types of operation methods, the continuous method and the semi-continuous method, as in the operation methods in the first and second purification stages.
  • a continuous process is used.
  • the second purified gas is pressurized to the above pressure and continuously circulated through the one container filled with the hydrogen storage alloy while maintaining the same pressure for a predetermined time.
  • the container filled with the alloy almost only hydrogen is occluded in the hydrogen occlusion alloy, and the gas not occluded, that is, the hydrogen occlusion stage off-gas mainly composed of carbon dioxide is separated from the hydrogen and continuously taken out.
  • the second purified gas is switched to another container filled with the hydrogen storage alloy, and the second purified gas is continuously circulated for a predetermined time in the same manner as described above.
  • the hydrogen storage stage off-gas mainly stored in hydrogen storage alloy and mainly composed of carbon dioxide, is separated from hydrogen and continuously taken out. In this way, almost only hydrogen in the second purified gas is stored in the hydrogen storage alloy and stored in the container.
  • the container in which the occlusion of hydrogen has been completed can be recovered by reducing the pressure and releasing the occluded hydrogen. Continuous operation can be continued by repeating these operations sequentially.
  • the time is within a range in which the storage capacity does not decrease.
  • the time depends on the processing amount of the second purified gas and the amount of hydrogen therein, the capacity of the container, the type and amount of the hydrogen storage alloy filled therein, and is usually about 1 to 30 minutes. It is.
  • the time is usually measured by measuring the hydrogen concentration in the hydrogen storage stage off-gas after storing hydrogen, and the hydrogen concentration in the gas stored and recovered in the hydrogen storage alloy in the hydrogen storage stage. It is experimentally determined in advance so as to minimize the hydrogen concentration therein.
  • the hydrogen and / or carbon dioxide concentration in the hydrogen storage stage off-gas flowing out from the container filled with the hydrogen storage alloy is measured continuously or intermittently, and the hydrogen concentration in the hydrogen storage stage off-gas is a predetermined value.
  • the hydrogen concentration in the hydrogen storage stage off-gas is a predetermined value.
  • switching from one container to another container can also be carried out.
  • the hydrogen stored in the one container that has already completed the storage of hydrogen in the hydrogen storage alloy is recovered from the hydrogen storage alloy by reducing the internal pressure of the container to preferably about atmospheric pressure.
  • the continuous method described above is suitable for using hydrogen stored in a container filled with a hydrogen storage alloy in situ, that is, in the vicinity of an apparatus for carrying out the method of the present invention.
  • a container filled with the hydrogen storage alloy since the container filled with the hydrogen storage alloy does not move while installed in the apparatus, it is usually preferable to use a tower-type container.
  • the hydrogen stored in one end in the container filled with the hydrogen storage alloy is immediately taken out and transferred by piping or the like for use.
  • the container filled with the hydrogen storage alloy is formed into a cartridge type that can be used as it is as a hydrogen storage container of a device equipped with a fuel cell using hydrogen as a fuel.
  • the storage of hydrogen in the hydrogen storage alloy is completed, and the container in which hydrogen is stored is removed from the apparatus without being depressurized, and then a container filled with a new hydrogen storage alloy is attached. Exchanged. In this way, continuous operation of the apparatus is performed.
  • the container in which the removed hydrogen is stored is used for a predetermined application immediately or after being stored.
  • the container filled with the hydrogen storage alloy is designed to have the same shape as the hydrogen storage container of the device on which the fuel cell is mounted. Examples of devices equipped with fuel cells include automobiles, backup power supplies, wireless devices, mobile phones such as smartphones, unmanned aircraft such as drones, and home thermoelectric supply systems.
  • a method and apparatus for producing pyrolysis gas (b) by heat treating biomass (a) is known.
  • biomass such as organic waste is heated at 500 to 600 ° C. in a non-oxidizing atmosphere
  • the generated pyrolysis gas is mixed with steam at 900 to 1,000 ° C.
  • the resulting reformed gas is A method of purifying and recovering hydrogen (Patent Document 10), heating organic waste at 400 to 700 ° C. in a non-oxidizing atmosphere, and mixing the generated pyrolysis gas with steam at 700 to 1,000 ° C.
  • Patent Document 10 A method of purifying and recovering hydrogen
  • the reforming of the reformed gas is maintained at 400 to 700 ° C.
  • the reformed gas is passed through the layer containing the molded body, and then the obtained gas is further maintained from zinc oxide, iron oxide, calcium oxide and these molded bodies maintained at 350 to 500 ° C.
  • the organic gas is characterized in that it is passed through a layer containing one or more substances selected from the group, and then the refined reformed gas is passed through the shift reaction catalyst layer at 200 to 500 ° C.
  • a method for gasifying a system waste (Patent Document 11) or the like can be used.
  • the pyrolysis gas (b) the pyrolysis gas obtained in the above-mentioned method and the like before reforming with steam can be used, but the pyrolysis gas is steam reformed to increase the hydrogen concentration.
  • the biomass (a) is not particularly limited as long as it is described in Patent Documents 9 and 10, but for example, waste material generated from palm trees (empty fruit bunches: EFB, EFB) Fiber, palm kernel shell), coconut shell, coconut shell, waste material generated from Jatropha tree, unused waste wood generated from forest, sawmill waste material generated from sawmill, waste paper, rice straw, rice husk, food factory Food residue, algae, sewage sludge, organic sludge, etc.
  • a purification step for other substances can be further included within the range not impairing the effects of the present invention.
  • a process for adsorbing and removing a radioactive substance such as cesium is provided prior to the first purification step of adsorbing and removing carbon dioxide according to the present invention. You can also. Thereby, it can be used also for recovery of hydrogen from biomass containing radioactive waste and the like.
  • biomass raw materials used in the examples are as follows.
  • pencil manufacturing waste wood manufactured by Hokusei Pencil Co., Ltd., derived from Incense Cedar produced in California, USA
  • the pencil manufacturing waste wood was in the form of sawdust.
  • Table 1 shows the properties of the pencil production waste wood.
  • Example 1 For pyrolysis and gas reforming of biomass raw material, a cylindrical quartz tube having a diameter of 50 mm and a height of 500 mm is used as a pyrolysis reactor, and a cylinder having a diameter of 50 mm and a height of 500 mm is used. A stainless steel tube was used as the reforming reactor. About 1 gram (dry weight) of the pencil production waste wood is charged into the pyrolysis reactor, and the pencil production waste wood is pyrolyzed at a temperature of 550 ° C. while circulating argon gas at 50 ml / min. Processing was carried out.
  • the total amount of the pyrolysis gas obtained is fed into the reforming reactor, and at the same time, distilled water is supplied in an amount of 0.04 ml / min to the heating zone of the reforming reactor to evaporate the steam.
  • the pyrolysis gas was reformed at a temperature of 950 ° C.
  • 8.25 liters (0 ° C., 1 atm standard) of a mixed gas of argon gas and reformed gas was obtained.
  • the reformed gas was 3.18 liters and the argon gas was 5.07 liters.
  • the mixed gas was analyzed using gas chromatography [Shimadzu GC-14A (trademark), carrier gas: argon].
  • the composition of the reformed gas contained in the mixed gas is as shown in Table 2 below, the hydrogen concentration is 61.42% by volume, while the carbon dioxide concentration is 23.02% by volume.
  • the carbon oxide concentration was 8.89% by volume and the methane concentration was 6.67% by volume.
  • argon is used as a carrier gas, so that argon in the mixed gas subjected to the analysis is not detected.
  • the gas purification test which collect
  • the hydrogen recovery and storage device shown in FIG. 2 was used.
  • the first purification stage (A) four adsorption towers (11, 12, 13, 14) were connected in parallel and used. All of the four adsorption towers were made of stainless steel (SUS304), and all of them were cylindrical with an inner diameter of 40 mm and a height of 300 mm.
  • Each adsorption tower was packed with about 60 grams of synthetic imogolite (Hasclay GIII (trademark) manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd.) as an adsorbent.
  • the synthetic imogolite used had a pore volume of 1 cm 3 / g and a specific surface area of about 500 m 2 / g.
  • each adsorption tower was filled with about 120 g of activated carbon (activated carbon white X2M (trademark) manufactured by Nippon Envirotech Co., Ltd.) as an adsorbent.
  • activated carbon activated carbon white X2M (trademark) manufactured by Nippon Envirotech Co., Ltd.
  • adsorption towers (101, 102, 103, 104) were connected in parallel.
  • the material, dimensions, and shape of these adsorption towers were made of stainless steel (SUS304), and all were cylindrical with an inner diameter of 10 mm and a height of 40 mm.
  • SUS304 stainless steel
  • Each adsorption tower was equipped with an outer cylinder and a pipe through which cooling water or warm water could be circulated.
  • Each adsorption tower was filled with about 100 grams of a hydrogen storage alloy Lm-Ni alloy (hydrogen storage alloy manufactured by Nippon Heavy Chemical Industries, Ltd.) as an adsorbent.
  • Intermediate tanks (31) and (32) were installed.
  • natural rubber gas bags having an internal volume of 10 liters were used as the intermediate tanks (31) and (32).
  • the pyrolysis-modified gas obtained by heat-treating and modifying the pencil-manufactured waste wood was charged into the first adsorption tower (11) of the first purification stage (A).
  • the inlet valve (VI11) of the first adsorption tower (11) was opened, and the outlet valve (VO11) and the adsorption gas extraction valve (VM11) were closed.
  • the reformed gas after pyrolysis was charged by the compressor (10) so that the pressure in the first adsorption tower (11) was 0.5 MPa.
  • the amount of mixed gas charged was about 2.56 liters (0 ° C., 1 atm).
  • the inlet valve (VI11) was closed, and in this state, the first adsorption tower (11) was held for 5 minutes to adsorb a gas mainly containing carbon dioxide.
  • the outlet valve (VO11) was opened, the pressure in the first adsorption tower (11) was reduced to 0.2 MPa, and the outlet valve (VO11) was closed.
  • the extracted first purified gas (L1) was introduced into the intermediate tank (31).
  • the adsorption gas extraction valve (VM11) was opened, the pressure in the first adsorption tower (11) was reduced to 0.1 MPa, and the adsorption gas extraction valve (VM11) was closed.
  • the extracted gas mainly containing carbon dioxide was recovered as the first purification stage off-gas (L2).
  • argon gas was introduced into and discharged from the cleaning gas inlet and outlet (not shown) into the first adsorption tower (11) to regenerate the adsorbent.
  • the pressure in the first adsorption tower (11) becomes 0.5 MPa and the inlet valve (VI12) of the second adsorption tower (12) is opened almost simultaneously with closing the inlet valve (VI11).
  • the compressor (10) is subjected to thermal decomposition so that the pressure in the second adsorption tower (12) becomes 0.5 MPa.
  • the same operation as that of the first adsorption tower (11) was performed in the second adsorption tower (12).
  • the gas after purification in the first purification stage (A) was analyzed using gas chromatography [Shimadzu GC-14A (trademark), carrier gas: argon]. As shown in Table 3, the hydrogen concentration increased to 89.70% by volume, while the carbon dioxide concentration decreased to 7.97% by volume. Further, the first purification stage off-gas (L2) mainly containing carbon dioxide was analyzed using gas chromatography [GC-14A (trademark) manufactured by Shimadzu Corporation, carrier gas: argon], and as shown in Table 4 below. The carbon dioxide concentration was 51.07% by volume, and hydrogen, carbon monoxide and methane were detected at 48.93% by volume.
  • purification stage (A) was introduce
  • the first purified gas (L1) was charged into the first adsorption tower (21) of the second purification stage (B).
  • the inlet valve (VI21) of the first adsorption tower (21) was opened, and the outlet valve (VO21) and the adsorption gas extraction valve (VM21) were closed.
  • the first purified gas (L1) was charged by the compressor (20) so that the pressure in the first adsorption tower (21) was 0.4 MPa.
  • the inlet valve (VI21) was closed, and in this state, the first adsorption tower (21) was held for 5 minutes to adsorb a gas containing carbon dioxide.
  • the outlet valve (VO21) was opened, the pressure in the first adsorption tower (21) was reduced to 0.2 MPa, the outlet valve (VO21) was closed, and the second purified gas (L3) was extracted. .
  • the adsorption gas extraction valve (VM21) was opened, the pressure in the first adsorption tower (21) was reduced to 0.1 MPa, and the adsorption gas extraction valve (VM21) was closed.
  • the extracted gas containing carbon dioxide was recovered as the second purification stage off-gas (L4).
  • argon gas was introduced into and discharged from the cleaning gas inlet and outlet (not shown) into the first adsorption tower (21) to regenerate the adsorbent.
  • the pressure in the first adsorption tower (21) becomes 0.4 MPa and the inlet valve (VI22) of the second adsorption tower (22) is opened almost simultaneously with closing the inlet valve (VI21).
  • the first refining is performed by the compressor (20) so that the pressure in the second adsorption tower (22) becomes 0.4 MPa.
  • Gas (L1) was charged, and the same operation as the first adsorption tower (21) was performed in the second adsorption tower (22).
  • the gas after purification in the second purification stage (B) was analyzed using gas chromatography [Shimadzu Corporation GC-14A (trademark), carrier gas: argon]. As shown in Table 5, the hydrogen concentration increased to 91.78% by volume, while the carbon dioxide concentration decreased to 6.61% by volume. Further, the second purification stage off-gas (L4) containing carbon dioxide was analyzed using gas chromatography [Shimadzu Corporation GC-14A (trademark), carrier gas: argon], as shown in Table 6 below. The carbon dioxide concentration was 10.44% by volume, and hydrogen, carbon monoxide and the like were detected at about 89.56% by volume.
  • the gas after purification in the second purification stage (B) (second purified gas (L3)) was introduced into the intermediate tank (32), where the pressure was reduced to approximately 0.1 MPa.
  • the second purified gas (L3) was charged into the first adsorption tower (101) of the hydrogen storage stage (C).
  • the inlet valve (VI31) of the first adsorption tower (101) was opened, and the outlet valve (VO31) and the occluded gas extraction valve (VM31) were closed.
  • the second purified gas (L3) was charged by the compressor (30) so that the pressure in the first adsorption tower (101) was 0.5 MPa.
  • the occluded gas extraction valve (VM31) is slightly opened and the second purified gas (L3) at a flow rate of about 0.08 liter / min.
  • the first adsorption tower (101) Since heat is generated during hydrogen storage, the first adsorption tower (101) is cooled by passing cooling water at about 20 ° C. through a pipe provided in the outer cylinder of the first adsorption tower (101). In this state, the first adsorption tower (101) is held for 5 minutes, and while storing hydrogen, a gas containing methane and carbon dioxide is extracted through the storage gas extraction valve (VM31) to obtain a hydrogen storage stage off gas (L6). It was. Thereafter, the occlusion gas extraction valve (VM31) was closed, the inlet valve (VI31) was closed, and the operation of occluding hydrogen in the hydrogen storage alloy filled in the first adsorption tower (101) was completed. Next, the outlet valve (VO31) is opened, the pressure in the first adsorption tower (101) is reduced to 0.1 MPa, the outlet valve (VO31) is closed, and the gas occluded in the hydrogen storage alloy (L5 ) Was recovered.
  • VM31 storage gas extraction valve
  • the gas after purification in the hydrogen storage stage (C), that is, the gas (L5) stored in the hydrogen storage alloy is analyzed using gas chromatography [GC-14A (trademark) manufactured by Shimadzu Corporation, carrier gas: argon].
  • GC-14A gas chromatography
  • the hydrogen concentration increased to 99.97% by volume, while the carbon dioxide concentration decreased to 0.03% by volume.
  • the hydrogen storage stage off-gas (L6) containing carbon dioxide was analyzed using gas chromatography [GC-14A (trademark), manufactured by Shimadzu Corporation, carrier gas: argon], as shown in Table 8 below.
  • the carbon dioxide concentration was 79.58% by volume, and hydrogen, carbon monoxide and the like were detected at about 20.42% by volume.
  • Table 9 shows the gas of each stream when hydrogen was recovered by treating 100 liters of the pyrolyzed reformed gas obtained by heat-treating and modifying the pencil-manufactured waste wood obtained as described above. It shows the amount.
  • the unit of each number in Table 9 is liters. 41.89 liters of the second purified gas (L3) could be recovered from 100 liters of the reformed gas supplied, and the recovery rate was about 42% by volume.
  • 61.42 liters of hydrogen was contained in the reformed gas, of which 38.51 liters can be recovered, and 38.50 liters of purified hydrogen can be recovered through a hydrogen storage stage. I was able to. The recovery rate was about 63% by volume.
  • Example 1 as one embodiment of the present invention, a hydrogen storage alloy filled in an adsorption tower in the hydrogen storage stage, that is, the first, second, third, and fourth adsorption towers (101, 102, 103, 104).
  • the gas occluded in was continuously taken out on the spot.
  • the adsorption tower in the hydrogen storage stage is made an exchangeable type, for example, hydrogen is stored in the hydrogen storage alloy in the first, second, third, fourth adsorption tower (101, 102, 103, 104).
  • the operation can be continued by replacing with a new adsorption tower in which hydrogen is not stored.
  • the adsorption tower in which hydrogen is stored in the hydrogen storage alloy can be used as it is by moving to the vicinity of equipment using high-purity hydrogen.
  • the adsorption tower itself has the same shape as the hydrogen storage container of equipment equipped with a fuel cell that uses hydrogen as fuel, and the adsorption tower itself that stores hydrogen is directly equipped with a fuel cell that uses hydrogen as fuel. It is also possible to use it as a hydrogen storage container for such equipment.
  • the hydrogen recovery method of the present invention can recover a high concentration of hydrogen gas using a relatively low pressure, not only can the operation cost and the equipment cost be greatly reduced, but also the safety in operation is remarkably increased. Can be increased.
  • the recovered high-concentration hydrogen gas can be stored in a predetermined container, in particular, a cartridge-type container that can be used as it is as a hydrogen storage container for equipment equipped with a fuel cell that uses hydrogen as a fuel. It is possible to efficiently recover and store hydrogen and use it. Therefore, it is expected that the hydrogen recovery method of the present invention will be greatly used for hydrogen recovery from pyrolysis gas obtained by heat treating biomass in the future.

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Abstract

本発明は、バイオマス熱分解ガスから、比較的低い圧力下に二酸化炭素等の炭化水素ガスを吸着除去して、高濃度水素ガスを効率よく回収することができるばかりではなく、同時に、回収した高濃度水素ガスを、好ましくは、燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として、そのまま使用可能なカートリッジ形式の容器に貯蔵し得る、水素回収方法を提供する。本発明は、バイオマス熱分解ガスを精製する第１精製段階、及び、得た精製ガスを、第１精製段階における圧力以下の圧力で精製することにより、水素を含むガスを回収する第２精製段階を含み、第２精製段階から回収された、水素を含むガスを、水素吸蔵合金が充填された上記所定の容器に供給して、高純度水素を貯蔵する水素貯蔵段階を更に含む水素回収方法である。

Description

バイオマス熱分解ガスからの水素回収方法
本発明は、バイオマス熱分解ガスからの水素回収方法に関し、更に詳しくは、バイオマスを熱処理することにより得られる熱分解ガスから水素を精製して回収し、同時に精製した水素を、例えば、水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として、そのまま使用可能な容器に貯蔵する方法に関する。本発明において、「熱分解ガス」と言うときは、上記のバイオマスを熱処理して得られる熱分解ガスのみならず、該熱分解ガスを、更にスチーム改質して得られるガスを含む。
近年、燃料電池を応用した製品が普及し始めており、その一つとして、固体高分子型燃料電池を活用した家庭用熱電気供給システムが挙げられる。また、その他の例としては、燃料電池自動車が挙げられる。それに伴って、水素の製造技術、貯蔵技術及び輸送技術の研究開発が活発化してきている。
一方、携帯電話やスマートフォンのような携帯端末機器も普及してきている。その電源としては、リチウムイオンバッテリーが使用されている。そして、該携帯端末の電池寿命の長寿命化を図るためにリチウムイオン電池の高性能化が推進されている。携帯端末機器の使用時間を延長するための方策としてリチウムイオン電池の高性能化が挙げられるが、それ以外の方法として、小型燃料電池と水素貯蔵容器（例えば、カートリッジ）とを一体化した携帯端末電源用機器も開発され、市場化されようとしている。その水素貯蔵容器として、水素吸蔵合金や、炭素・多孔性材料、無機錯体系材料、有機ケミカルハイドライド等の容器が研究されている。このように、近年、水素は種々の産業において注目されつつあり、その需要は大きく増大することが予想されている。
従来から知られている水素を製造する方法としては、例えば、コークス炉ガスから水素を分離回収する方法、高炉ガスから水素を分離回収する方法、石油精製コンビナートで発生するナフサ改質ガスから水素を分離回収する方法、塩電界から発生する水素を分離回収する方法、水の電気分解により水素を製造する方法等が挙げられる。また、最近では、メタノール改質ガスから水素を分離回収する方法、あるいは天然ガス及びメタンガス改質から水素を分離回収する方法等の技術が確立し実用化されている。
最近の新しい取り組みとしては、水素発酵菌を使用した藻類による水素製造方法、パワートゥガス（Ｐｏｗｅｒ　ｔｏ　Ｇａｓ）と呼ばれる太陽光発電、風力発電及び小水力発電からの電力を利用した水の電気分解による水素製造方法、並びに、バイオマスの熱分解ガスにより得られた水素の分離回収方法等が提案されており、一部実証化されている。
水素の貯蔵技術及び輸送技術としては、高圧ガスボンベに充填して貯蔵、輸送する方法、及び、ナフタレン又はトルエン等の有機溶剤を水素化して、例えば、ナフタレンであればテトラリンとして、トルエンであればメチルシクロヘキサンとして輸送し、需要先で、夫々、ナフタレンと水素、又は、トルエンと水素とに化学的に分離して、水素を使用する方法等が提案されている。
上記のような水素を製造する方法においては、水の電気分解以外の方法では、得られた水素を他のガス、例えば、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素ガス、又はトルエン、ナフタレン等から分離回収する必要がある。そして、このような水素ガスを他のガスから分離回収する方法が種々提案されている。
二酸化炭素、窒素、水素及び一酸化炭素を含む高炉ガスについてのガス分離方法であって、二酸化炭素の吸着容量が最も大きく、かつ水素の吸着容量が一酸化炭素及び窒素の各々の吸着容量よりも小さい吸着剤、例えば、活性炭が充填された複数の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法、例えば、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）により、高圧状態で、高炉ガス中の主として二酸化炭素を上記の吸着剤に吸着させ、非吸着ガスとして、主として水素を回収する高炉ガスの分離方法が開示されている（特許文献１）。実施例においては、３塔の吸着塔を備えた、１段階方式のＰＳＡによる分離方法及びその装置が使用されており、そして、それにより高炉ガスからの二酸化炭素及び水素の分離が実施されている。該方法は１段階方式であり、圧力は３００ｋＰａと比較的低いものの、回収されたガス中の水素濃度は６０～７０％と高いものではなかった。
炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒と、二酸化炭素吸収剤とを内蔵する改質反応管と、前記改質反応管に原料ガスを供給する供給部と、　前記改質反応管から出力される改質ガスを、水素濃度を高めた製品ガスと、非水素成分の濃度を高めたオフガスとに分離する精製部と、前記精製部からオフガスを前記供給部へ戻す戻し部と、前記改質反応管を減圧することにより前記改質反応管から二酸化炭素リッチガスを取り出す二酸化炭素取り出し部とを有することを特徴とする水素製造装置が開示されている（特許文献２）。この装置は、改質反応により生成する二酸化炭素を改質反応管内部で吸着させることにより、二酸化炭素濃度を低減させて、改質ガス中の水素を高濃度化させるものである。そのために、改質反応管内に二酸化炭素吸収材を充填する必要があり、かつ、該二酸化炭素吸収材を再生するために改質反応管を高温にする必要があった。
炭化水素を原料として改質装置により水素含有ガスを製造し、製造された水素含有ガスを水素精製装置（ＰＳＡ）により水素と水素以外のガス成分が濃縮された濃縮不純物ガスとに分離し、分離した水素を高純度水素として回収する水素製造装置において、前記濃縮不純物ガス中の可燃性成分を燃焼装置により燃焼し、燃焼ガス中の二酸化炭素を脱炭酸装置により除去することを特徴とする水素製造装置における二酸化炭素排出量の低減方法が開示されている（特許文献３）。ここで、脱炭酸装置には二酸化炭素吸着剤、例えば、酸化カルシウム吸着剤が充填されており、二酸化炭素を吸着除去することはできるが、吸着した二酸化炭素の再利用ができない。加えて、使用後の吸着剤はセメント固化材料として再利用は可能であるが、吸着剤としての再利用ができないという問題があった。
液化天然ガスを供給形態とする天然ガスを水蒸気改質して水素に富む改質ガスとし、この改質ガスから水素を分離精製し、水素の精製工程で分離された可燃物を含むオフガスを主燃料として改質工程での燃焼加熱に用いる水素製造方法において、改質工程でのオフガス燃焼のための酸化剤として、液化天然ガスの液化冷熱を利用して深冷分離した純酸素又は高濃度の酸素を導入し、この燃焼で発生する燃焼排ガス中の炭酸ガスを高濃度にして、燃焼排ガスから炭酸ガスを容易に液体状態で分離・回収し、分離精製された水素を液化天然ガスで予冷却した後、この水素を深冷空気分離で得られた液化窒素で冷却して液化し、水素の予冷却に用いた後の液化天然ガスを炭酸ガスの液化に利用して、水素の改質工程に供給することを特徴とする液化ＣＯ２回収を伴う水素製造方法が開示されている（特許文献４）。この方法は液化天然ガスを気化させる際に発生する冷熱を利用するため、使用場所が限定されるという問題があった。
含炭素燃料から水素を製造するとともに二酸化炭素を回収する水素製造および二酸化炭素回収方法であって、含炭素燃料を改質して水素と二酸化炭素を含有する水素含有ガスを得る水素含有ガス製造工程；圧力スウィング吸着装置を用いて、該水素含有ガスを、水素が富化されたガスである第一の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスであるＰＳＡオフガスとに分離するＰＳＡ工程；二酸化炭素分離膜を用いて、該ＰＳＡオフガスを、二酸化炭素が富化されたガスである二酸化炭素富化ガスと、二酸化炭素以外の成分が富化されたガスである二酸化炭素分離膜オフガスとに分離する二酸化炭素膜分離工程；および、水素分離膜を用いて、該二酸化炭素分離膜オフガスを、水素が富化されたガスである第二の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスである水素分離膜オフガスとに分離する水素膜分離工程を有する水素製造および二酸化炭素回収方法が開示されている（特許文献５）。該方法は、１段階方式のＰＳＡによる分離方法及びその装置を使用するものであり、そして、ＰＳＡから排出されたオフガスを、更に、二酸化炭素分離膜、次いで、水素分離膜を使用して分離することにより、水素富化ガスと水素以外の成分が富化されたガスに分離するものである。
不純ガスを含む水素ガスを、水素吸蔵合金を用いて高純度化する方法が提案されている（特許文献６）。該方法は、水素吸蔵合金に不純物を含む水素ガスを供給して水素ガスを吸蔵させ、不純物を除去したのち、水素吸蔵合金を加熱して水素を放出するものであり、圧力変化だけでなく加熱操作も必要となる。また、改質ガスからＣＯを除去する第１の除去工程と、得られたＣＯ除去ガスからＣＯ以外の不要ガスを除去する第２の除去工程と、得られた高純度水素をバッファタンクに貯蔵する一時貯蔵工程と、第２の除去工程からのオフガスから水素を回収する水素吸蔵放出工程を備え、上記の高純度水素及び水素吸蔵放出工程からの水素を、上記工程の吸着剤の再生用洗浄ガス及び吸着塔の昇圧用ガスとして使用する方法が提案されている（特許文献７）。該方法は、製品水素の損失を低減するとともに、改質ガスから高い回収率で高純度水素を回収しようとするものである。しかし、該方法においては、水素吸蔵合金に吸蔵した水素は吸着剤の再生用に使用されることから、回収される水素量はどうしても低いものとならざるを得ない。また、水素吸蔵合金からの水素放出温度は２００℃という高い温度を使用している。
特許第５６４７３８８号公報 特許第５１３４２５２号公報 特開２００４－２９２２４０号公報 特許第３６７０２２９号公報 特許第５０３９４０８号公報 特許第３８９７８５４号公報 特許第５６９０１６５号公報 国際公開第２０１５／０１１８２６号 国際出願ＪＰ２０１５／０８０４５２号 特許第４２４６４５６号公報 特許第５４６３０５０号公報
本発明は、バイオマスを熱処理することにより得た熱分解ガスから、比較的低い圧力を使用して、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素ガスを吸着除去して、高濃度の水素ガスを効率よく回収することができるばかりではなく、同時に、回収した高濃度の水素ガスを所定の容器、好ましくは、水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として、そのまま使用可能なカートリッジ形式の容器に貯蔵し得る、水素回収方法を提供するものである。
上記の従来技術は、水素と、二酸化炭素、一酸化炭素及びメタン等の炭化水素ガスとを含む混合ガスから、水素及び二酸化炭素を分離回収する方法であり、分離装置としては、吸着塔を複数並列に設置して使用する、いわゆる多塔式一段吸着分離方式のＰＳＡ装置を使用するものである。更に、二酸化炭素の分離又は除去を促進するために、該ＰＳＡ装置に加えて、別途、吸着剤又は分離膜を組み合わせて使用するものである。上記の多塔式一段吸着分離方式のＰＳＡ装置では、比較的低い圧力で水素を分離回収することはできるが、回収されたガス中の水素濃度は十分に高いものとは言えなかった。また、圧力をあまり高くしたのでは、操業及び装置コストが増大するのみならず、操業の安全性の面からも好ましいものとは言えなかった。そこで、水素濃度を高めるために、吸着剤又は分離膜を組み合わせて使用することが考えられたが、これでは、やはりコスト高を生じ好ましいものとは言えなかった。
上記問題を解決するために、本発明者らは、バイオマスを熱処理することにより得た熱分解ガスから水素を回収する方法であって、上記熱分解ガスから、加圧下において二酸化炭素を吸着除去して、該熱分解ガスを精製する第１精製段階、及び、第１精製段階から得た精製ガスを、第１精製段階における圧力を維持したまま更に昇圧して、該精製ガスから、加圧下において水素以外のガスを吸着除去して更に精製することにより、該精製ガスから水素を回収する第２精製段階を含み、かつ、上記第１精製段階において吸着除去した二酸化炭素を回収することを特徴とする水素回収方法を、既に出願した（特許文献８）。該方法によれば、比較的低い圧力で、バイオマス熱分解ガスから、高濃度の水素を回収することが可能である。
更に本発明者らは、上記のような、いわゆる多塔式二段吸着分離方式のＰＳＡ装置による水素回収方法について、第２精製段階における圧力を、第１精製段階における圧力以下としても、好ましくは、第１精製段階及び第２精製段階の両者の圧力を、０．１５ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下という低い圧力にしても、バイオマス熱分解ガスから、二酸化炭素、一酸化炭素及びメタン等の炭化水素ガス等を良好に分離することができて、高い水素濃度を有するガスを回収し得ることを見出し、既に出願した（特許文献９）。該方法によれば、上記特許文献８記載の方法に比べて、更に低い圧力で、バイオマス熱分解ガスから、高濃度の水素を回収することが可能であることから、より効率的かつ経済的な操業が可能である。
本発明者らは、これら特許文献８及び９記載の方法を更に改良すべく、更なる検討を試みた。その結果、バイオマス熱分解ガスを精製して水素を回収するばかりではなく、高濃度水素の回収と同時に貯蔵を実施できれば、水素の回収と貯蔵並びにその利用をより効率的に行うことができるのではないかと考えた。しかし、従来のように高圧ガスボンベに貯蔵するのでは取扱いが容易ではない。そこで、本発明者らは、水素吸蔵合金を使用して、水素吸蔵合金を充填した容器に水素を貯蔵することに思い至った。好ましくは、水素吸蔵合金を充填した容器を、水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として、そのまま使用可能なカートリッジ形式すれば、水素を貯蔵した容器を、そのまま、所定の用途において使用可能なことから、著しく効率的に、水素の精製から使用までをストリームライン化し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、
（１）バイオマスを熱処理することにより得た熱分解ガスから水素を回収する方法であって、上記熱分解ガスから、加圧下において二酸化炭素を主として含むガスを吸着除去して、該熱分解ガスを精製する第１精製段階、及び、第１精製段階から得た精製ガスを、第１精製段階における圧力以下の圧力で、該精製ガスから、加圧下において二酸化炭素を含むガスを更に吸着除去して精製することにより、該精製ガスから水素を主として含むガスを回収する第２精製段階を含み、かつ、第２精製段階から回収された、水素を主として含むガスを、水素吸蔵合金が充填された容器に供給して、該容器中に高純度水素を貯蔵する水素貯蔵段階を更に含むことを特徴とする水素回収方法である。
好ましい態様として、
（２）上記の水素吸蔵合金が充填された容器が、水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として、そのまま使用可能なカートリッジ形式である、上記（１）記載の水素回収方法、
（３）上記の水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器が、自動車、バックアップ電源、無線機、携帯電話機、無人航空機及び家庭用熱電気供給システムより成る群から選ばれる、上記（２）記載の水素回収方法、
（４）上記水素吸蔵合金が、ＬａＮｉ５、ＬａＮｉ4.7Al0.3、TiFe 0.9Mn0.1、MmＮｉ4.15Fe0.35、ＣａＮｉ５、ＴｉＣｒＶ及びLm-Ni系合金より成る群から選ばれる一つ以上である、上記（１）～（３）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（５）上記水素貯蔵段階における圧力が、０．１５ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下である、上記（１）～（４）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（６）上記水素貯蔵段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下である、上記（１）～（４）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（７）上記水素貯蔵段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下である、上記（１）～（４）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（８）上記水素貯蔵段階が、２器以上の、水素吸蔵合金が充填された容器を備えており、ここで、第２精製段階から回収された、水素を主として含むガス中の水素を、一の、水素吸蔵合金が充填された容器中の水素吸蔵合金に吸蔵せしめて、該容器に貯蔵し、次いで、他の一の、水素吸蔵合金が充填された容器に切り替えて、水素を主として含むガス中の水素を該水素吸蔵合金に吸蔵せしめて、該容器に貯蔵しつつ、既に、水素の貯蔵を完了した上記の一の容器を取り除いて、新たな水素吸蔵合金が充填された容器と交換することにより、水素の貯蔵を継続する、上記（１）～（７）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（９）上記水素貯蔵段階が、２～５器の、水素吸蔵合金が充填された容器を備える、上記（１）～（８）のいずれか一つに記載の方法、
（１０）上記の水素吸蔵合金が充填された容器が、冷却及び／又は加熱可能な設備を備える、上記（１）～（９）のいずれか一つに記載の方法、
（１１）上記第１精製段階における圧力が、０．１５ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下である、上記（１）～（１０）のいずれか一つに記載の方法、
（１２）上記第１精製段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下である、上記（１）～（１０）のいずれか一つに記載の方法、
（１３）上記第１精製段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下である、上記（１）～（１０）のいずれか一つに記載の方法、
（１４）上記第２精製段階における圧力が、０．１５ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下である、上記（１）～（１３）のいずれか一つに記載の方法、
（１５）上記第２精製段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下である、上記（１）～（１３）のいずれか一つに記載の方法、
（１６）上記第２精製段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下である、上記（１）～（１３）のいずれか一つに記載の方法、
（１７）上記第１精製段階における圧力が、０．１５ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下であり、かつ、上記第２精製段階における圧力が、０．１５ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下である、上記（１）～（１６）のいずれか一つに記載の方法、
（１８）上記第１精製段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下であり、かつ、上記第２精製段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下である、上記（１）～（１６）のいずれか一つに記載の方法、
（１９）上記第１精製段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下であり、かつ、上記第２精製段階における圧力が、０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下である、上記（１）～（１６）のいずれか一つに記載の方法、
（２０）上記第１精製段階、第２精製段階及び水素貯蔵段階における温度が、いずれも、０～１００℃の範囲である、上記（１）～（１９）のいずれか一つに記載の方法、
（２１）上記第１精製段階、第２精製段階及び水素貯蔵段階における温度が、いずれも、１０～４０℃の範囲である、上記（１）～（１９）のいずれか一つに記載の方法、
（２２）上記第１精製段階、第２精製段階及び水素貯蔵段階における温度が、いずれも、環境温度である、上記（１）～（１９）のいずれか一つに記載の方法、
（２３）上記第１精製段階において吸着除去した二酸化炭素を主として含むガスを回収する、上記（１）～（２２）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（２４）上記第１精製段階における圧力と、上記第２精製段階における圧力との差圧が、０～０．４５ＭＰａである、上記（１）～（２３）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（２５）上記第１精製段階における圧力と、上記第２精製段階における圧力との差圧が、０～０．４ＭＰａである、上記（１）～（２３）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（２６）上記第１精製段階における圧力と、上記第２精製段階における圧力との差圧が、０～０．３ＭＰａである、上記（１）～（２３）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（２７）上記第１精製段階における圧力と、上記第２精製段階における圧力との差圧が、０～０．２ＭＰａである、上記（１）～（２３）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（２８）上記第１精製段階における圧力と、上記第２精製段階における圧力との差圧が、０～０．１ＭＰａである、上記（１）～（２３）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（２９）上記第１精製段階が２塔以上の吸着塔を備えており、ここで、一の吸着塔において、二酸化炭素を主として含むガスを吸着除去して熱分解ガスを精製し、次いで、他の一の吸着塔に切り替えて、二酸化炭素を主として含むガスを吸着除去して熱分解ガスを精製しつつ、既に、二酸化炭素を主として含むガスを吸着除去した上記一の吸着塔において、吸着除去した二酸化炭素を主として含むガスを、吸着塔内の圧力を低下させることにより脱着回収する、上記（１）～（２８）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（３０）上記第１精製段階が２～５塔の吸着塔を備える、上記（１）～（２９）のいずれか一つに記載の方法、
（３１）上記第２精製段階が２塔以上の吸着塔を備えており、ここで、一の吸着塔において、二酸化炭素を含むガスを吸着除去して、第１精製段階において精製された熱分解ガスを更に精製し、次いで、他の一の吸着塔に切り替えて、二酸化炭素を含むガスを吸着除去して、第１精製段階において精製された熱分解ガスを更に精製しつつ、既に、二酸化炭素を含むガスを吸着除去した上記一の吸着塔において、吸着除去した二酸化炭素を含むガスを、吸着塔内の圧力を低下させることにより脱着回収する、上記（１）～（３０）のいずれか一つに記載の水素回収方法、
（３２）上記第２精製段階が２～５塔の吸着塔を備える、上記（１）～（３１）のいずれか一つに記載の方法、
（３３）上記第１精製段階及び第２精製段階が、いずれも圧力変動吸着（ＰＳＡ）装置により構成される、上記（１）～（３２）のいずれか一つに記載の方法、
（３４）上記第１精製段階において二酸化炭素を主として含むガスの吸着除去に使用する吸着剤が、イモゴライト、非晶質アルミニウムケイ酸塩、活性炭、ゼオライト及び活性アルミナより成る群から選ばれる１つ以上である、上記（１）～（３３）のいずれか一つに記載の方法、
（３５）上記第１精製段階において二酸化炭素を主として含むガスの吸着除去に使用する吸着剤が、イモゴライトである、上記（１）～（３３）のいずれか一つに記載の方法、
（３６）上記第２精製段階において二酸化炭素を含むガスの吸着除去に使用する吸着剤が、イモゴライト、非晶質アルミニウムケイ酸塩、活性炭、ゼオライト及び活性アルミナより成る群から選ばれる１つ以上である、上記（１）～（３５）のいずれか一つに記載の方法、
（３７）上記第２精製段階において二酸化炭素を含むガスの吸着除去に使用する吸着剤が、活性炭又はゼオライトである、上記（１）～（３５）のいずれか一つに記載の方法、
（３８）上記第２精製段階において吸着除去される二酸化炭素を含むガスが、水素、二酸化炭素及びメタンを含むガスである、上記（１）～（３７）のいずれか一つに記載の方法、
（３９）上記熱分解ガスが、バイオマスを熱処理することにより得た熱分解ガスを、更に、スチーム改質して得たガスを包含する、上記（１）～（３８）のいずれか一つに記載の方法
を挙げることができる。
本発明の水素回収方法は、比較的低い圧力を使用して、高濃度の水素ガスを回収することができ、加えて、従来技術において使用していたような特殊な物質又は装置、例えば、吸着剤、分離膜等を組み合わせる必要がないことから、消費電力量等の操業コストを大幅に削減し得るばかりではなく、装置コストの大幅な削減にも寄与し得る。加えて、操作圧力が低いことから、操業における安全性を著しく高めることができる。また、全体として消費電力量を低減し得ることから、間接的に二酸化炭素の発生量の軽減にも貢献することができる。とりわけ、本発明の水素回収方法においては、水素の回収と貯蔵とを同時に実施することから、また、好ましくは、水素の貯蔵を、燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として、そのまま使用可能なカートリッジ形式の容器に行うことから、極めて効率的に水素の回収と貯蔵並びにその利用を図ることができる。
図１は、本発明の水素回収方法の全体フローを示した概略図である。 図２は、本発明の水素回収方法に使用し得る水素精製貯蔵装置（第１精製段階、第２精製段階及び水素貯蔵段階）の一実施態様の概略図である。
本発明の水素回収方法は、バイオマスを熱処理することにより得た熱分解ガスから、二酸化炭素を主として含むガスを吸着除去する第１精製段階、及び、第１精製段階で得た精製ガスから、二酸化炭素を含むガスを吸着除去する第２精製段階、並びに、第２精製段階から回収された、水素を主として含むガスから、高純度水素を水素吸蔵合金に吸蔵せしめて貯蔵する水素貯蔵段階を含む。図１に示すように、バイオマス（ａ）がバイオマス熱処理段階（ＩＩＩ）（熱処理装置）に装入されて熱分解ガス（ｂ）が生成される。ここで、熱分解ガス（ｂ）は、バイオマスを熱処理することにより得た熱分解ガスを、更に、スチーム改質して得たガス、即ち、改質ガスであってもよい。次いで、生成された熱分解ガス（ｂ）が、第１精製段階（Ｉ）に装入されて、ここで、該熱分解ガス（ｂ）中に含まれる二酸化炭素を主として含むガス（ｅ）、例えば、主として二酸化炭素を含み、その他、一酸化炭素、メタン及び水素等を含むガスが、吸着剤により吸着されて除去される。二酸化炭素を主として含むガス（ｅ）が除去された精製ガス（以下、「第１精製ガス」と言うことがある。）（ｃ）は、次いで、第２精製段階（ＩＩ）に装入されて、ここでは、二酸化炭素を含むガス（ｆ）、例えば、水素、二酸化炭素及びメタン、任意的に一酸化炭素等を含むガスが吸着剤により吸着除去される。一方、第１精製段階（Ｉ）において吸着された、二酸化炭素を主として含むガス（ｅ）、及び、第２精製段階（ＩＩ）において吸着された、二酸化炭素を含むガス（ｆ）は、吸着剤から脱着されて別途回収される。二酸化炭素を主として含むガス（ｅ）及び二酸化炭素を含むガス（ｆ）が除去された、水素を主として含むガス（以下、「第２精製ガス」と言うことがある。）（ｄ）は、次いで、水素貯蔵段階（ＩＶ）に装入されて、ここでは、ほぼ水素のみが水素吸蔵合金に吸蔵されて高純度水素（ｈ）が貯蔵され、二酸化炭素を含む排ガス（以下、「水素吸蔵段階オフガス」と言うことがある。）（ｇ）が排出される。ここで、二酸化炭素を主として含むガス（ｅ）とは、該ガス中に体積比で二酸化炭素を最も多く含むガスを言い、二酸化炭素以外には、一酸化炭素、メタン及び水素を含み、その他、硫化水素及び硫化カルボニル等の硫黄化合物ガス、窒素化合物ガス等を含むこともある。二酸化炭素を含むガス（ｆ）とは、水素、二酸化炭素及びメタンを含むガスであり、その他、一酸化炭素、硫黄化合物ガス、窒素化合物ガス等を含むこともある。また、水素吸蔵段階オフガス（ｇ）は、該ガス中に体積比で二酸化炭素を最も多く含み、その他、メタン、並びに、微量の水素及び一酸化炭素を含むことがある。
第１精製段階においては、バイオマス熱分解ガスから、まず、主として二酸化炭素（二酸化炭素を主として含むガス）が吸着除去される。また、バイオマス熱分解ガス中の水分も吸着除去され得る。該吸着除去は加圧下において実行される。該圧力は、上限が、好ましくは０．６ＭＰａであり、より好ましくは０．５ＭＰａであり、下限が、好ましくは０．１５ＭＰａ、より好ましくは０．２ＭＰａである。上記下限未満では、吸着剤の吸着能力が低下するため好ましくない。また、上記下限未満においても、二酸化炭素を主として含むガスの吸着及び脱着は可能ではあるが、吸着能力が低下するため多量の吸着剤を必要とすることから、吸着層が過大となる。一方、上記上限を超えては、加圧に多大な動力を必要とするため好ましくない。また、第１精製段階における操作温度、即ち、二酸化炭素、一酸化炭素及びメタン等の炭化水素ガスを同時に吸着せしめる操作温度は、好ましくは０～１００℃であり、より好ましくは１０～４０℃である。該操作は、通常、環境温度で実行される。
第１精製段階における吸着剤としては、好ましくは、イモゴライト、非晶質アルミニウムケイ酸塩、活性炭、ゼオライト及び活性アルミナより成る群から選ばれる１つ以上、より好ましくは、イモゴライト、非晶質アルミニウムケイ酸塩、活性炭及びゼオライトより成る群から選ばれる１つ以上が使用される。これらを単独層として、又は、複数積層して使用することができる。更に好ましくは、イモゴライトの単独層、又は、非晶質アルミニウムケイ酸塩の単独層が使用される。ここで、非晶質アルミニウムケイ酸塩としては、好ましくは、合成非晶質アルミニウムケイ酸塩（合成イモゴライト）が使用される。合成非晶質アルミニウムケイ酸塩としては、市販品、例えば、戸田工業株式会社製ハスクレイ（登録商標）を使用することができる。
第１精製段階においては、バイオマス熱分解ガス中に存在する二酸化炭素の３０～８０体積％を除去することができる。通常、バイオマス熱分解ガス中には、二酸化炭素は２０～４０体積％存在していることから、第１精製段階における精製により、バイオマス熱分解ガス中に存在している二酸化炭素の体積を約５～３５体積％に減らすことができる。このようにして、第１精製段階において吸着除去された二酸化炭素及びその他のガス（二酸化炭素を主として含むガス）は、塔内圧力を常圧まで低下させることにより、吸着剤から脱着されて回収される。
第１精製段階は、好ましくは圧力変動吸着（ＰＳＡ）装置により構成されている。第１精製段階においては、上記吸着剤が充填されている吸着塔（ＰＳＡ吸着塔）が、好ましくは２塔以上、より好ましくは２～５塔備えられている。
第１精製段階における操作方法としては、主として下記の２種類が挙げられる。一の方法として、いわゆる連続法が挙げられる。バイオマス熱分解ガスが、上記圧力に加圧されて、同一の圧力に保持されたまま、一の吸着塔に所定時間連続的に流通され、該吸着塔において、二酸化炭素を主として含むガス、及び、任意的に水が吸着剤に吸着されて除去され、未吸着のガス、即ち、精製ガスが連続的に取り出される。次いで、他の一の吸着塔に切り替えられて、上記と同様に、バイオマス熱分解ガスが所定時間連続的に流通されて、該他の一の吸着塔において、二酸化炭素を主として含むガスが吸着されて除去され、精製ガスが連続的に取り出される。その際、既に吸着操作が終了している上記一の吸着塔が減圧されて、吸着されている二酸化炭素を主として含むガスが脱着されて回収される。その後、該一の吸着塔は、必要なら吸着剤が再生されて、再度、バイオマス熱分解ガスが流通される。これらの操作が順次繰り返される方法である。
上記の連続法において、上記の一の吸着塔から他の一の吸着塔への切り替えは、一の吸着塔に充填された吸着剤による二酸化炭素等の吸着能力の低下時間（破過時間）を考慮して、該吸着能力が低下しない範囲内の時間で行われる。該時間は、バイオマス熱分解ガスの処理量及びその中の二酸化炭素等の量、吸着塔の容量、その中に充填されている吸着剤の種類及び量等に依存するが、通常、２～３０分間程度である。該時間は、通常、除去後の第１精製ガス中の二酸化炭素濃度、及び、第１精製段階で吸着除去して回収されたガス中の二酸化炭素濃度を測定し、除去後の第１精製ガス中の二酸化炭素濃度が最小になるように、予め、実験的に決定される。あるいは又は加えて、吸着塔から流出する第１精製ガス中の水素又は二酸化炭素濃度を連続的又は断続的に測定し、第１精製ガス中の水素濃度が所定値未満になった時、あるいは二酸化炭素濃度が所定値を超えた時に、一の吸着塔から他の一の吸着塔への切り替えを実施することもできる。次いで、他の一の吸着塔へのバイオマス熱分解ガスの装入が開始された後、既に、二酸化炭素を主として含むガスを吸着除去した上記一の吸着塔において、吸着除去した二酸化炭素を主として含むガスを、塔内圧力を、好ましくは略大気圧まで低下させることにより吸着剤から脱着して回収する。
他の一の方法としては、いわゆる半連続法が挙げられる。バイオマス熱分解ガスが、一の吸着塔に上記圧力に加圧されて充填され、該圧力で所定時間保持されて、該吸着塔において、二酸化炭素を主として含むガス、及び、任意的に水が吸着剤に吸着されて除去される。次いで、他の一の吸着塔に切り替えられて、上記と同様に、バイオマス熱分解ガスが充填及び所定時間保持されて、該他の一の吸着塔において、二酸化炭素を主として含むガスが吸着されて除去される。他の一の吸着塔に切り替えられた後、既に吸着操作が終了している上記一の吸着塔が所定圧力まで減圧されて、未吸着のガス、即ち、精製ガスが取り出される。その後、更に、上記一の吸着塔が減圧されて、吸着されている二酸化炭素を主として含むガスが、脱着されて回収される。その後、該一の吸着塔は、必要なら吸着剤が再生されて、再度、バイオマス熱分解ガスが充填及び保持される。これらの操作が順次繰り返される方法である。
上記の半連続法においては、上記の一の吸着塔から他の一の吸着塔への切り替えは、一の吸着塔に充填された吸着剤による二酸化炭素等の吸着能力と、充填されたバイオマス熱分解ガス中の二酸化炭素等の量との関係を考慮して、充填された吸着剤が、二酸化炭素等を吸着するために十分な時間で実施される。該時間は、バイオマス熱分解ガスの充填量及びその中の二酸化炭素等の量、吸着塔の容量、その中に充填されている吸着剤の種類及び量等に依存するが、通常、２～３０分間程度である。該時間は、通常、吸着除去後の第１精製ガス中の二酸化炭素濃度、及び、第１精製段階で吸着除去して回収されたガス中の二酸化炭素濃度を測定し、除去後の第１精製ガス中の二酸化炭素濃度が最小になるように、予め、実験的に決定される。あるいは又は加えて、吸着塔内のガス中の水素又は二酸化炭素濃度を連続的又は断続的に測定し、吸着塔内のガス中の水素濃度が所定値を超えた時、あるいは二酸化炭素濃度が所定値未満になった時に、一の吸着塔から他の一の吸着塔への切り替えを実施することもできる。次いで、一の吸着塔における吸着操作が終了した後、一の吸着塔の圧力が所定圧力に減圧されて、未吸着のガス、即ち、精製ガスが一の吸着塔から取り出される。該所定圧力は、充填した吸着剤の種類、細孔容積及び比表面積等、吸着操作時の最大圧力、並びに、操作温度等を考慮して、既に吸着除去された二酸化炭素等のガスが脱着されない範囲で、予め、実験的に決定される。通常、０．１５～０．３ＭＰａ程度である。次いで、該一の吸着塔の塔内圧力を、好ましくは略大気圧まで低下させることにより、吸着除去された二酸化炭素を主として含むガスを吸着剤から脱着して回収する。
上記のようにして、第１精製段階から得られた精製ガス（第１精製ガス）は、第１精製段階における上記圧力が維持されたまま、又は、上記圧力以下に減圧されて、第２精製段階へと装入される。この際、第１精製段階と第２精製段階との間に容器を設けて、一端、第１精製ガスを減圧し、好ましくは０．１～０．３ＭＰａ、より好ましくは０．１～０．２ＭＰａに減圧し、次いで、加圧装置、例えば、コンプレッサーにより、再度昇圧して、第２精製段階へと装入することもできる。
第２精製段階においては、第１精製ガスから、二酸化炭素を含むガス、例えば、水素、二酸化炭素及びメタン、任意的に一酸化炭素等を含むガスが吸着除去される。また、硫黄化合物ガス、窒素化合物ガス等が含まれていれば、これらも吸着除去される。第２精製段階における二酸化炭素を含むガスの吸着除去は、加圧下で実行される。該圧力は、上限が、好ましくは０．６ＭＰａであり、より好ましくは０．５ＭＰａであり、下限が、好ましくは０．１５ＭＰａ、より好ましくは０．２ＭＰａである。上記下限未満では、吸着剤の吸着能力が低下するため好ましくない。また、上記下限未満においても、水素以外のガス、例えば、主としてメタン、一酸化炭素等の吸着及び脱着は可能ではあるが、吸着能力が低下するため多量の吸着剤を必要とすることから、吸着層が過大となる。一方、上記上限を超えては、加圧に多大な動力を必要とするため好ましくない。上記の第１精製段階において二酸化炭素を主として含むガスを吸着除去する圧力と、第２精製段階において二酸化炭素を含むガスを吸着除去する圧力との差圧は、好ましくは０～０．４５ＭＰａ、より好ましくは０～０．４ＭＰａ、更に好ましくは０～０．３ＭＰａ、最も好ましくは０～０．１ＭＰａである。このような圧力差を採ることにより、第１精製段階及び第２精製段階におけるガスの吸着除去を効率的に実施することができる。また、第２精製段階の操作温度は、第１精製段階の操作温度と同一であり、好ましくは０～１００℃であり、より好ましくは１０～４０℃である。第２精製段階は、通常、環境温度で実行される。
第２精製段階における吸着剤としては、好ましくは、イモゴライト、非晶質アルミニウムケイ酸塩、活性炭、活性アルミナ及びゼオライトより成る群から選ばれる１つ以上が使用される。これらを単独層、又は、複数積層して使用することができる。より好ましくは、活性炭又はゼオライトの単独層が使用される。
第２精製段階は、好ましくは、高純度水素を回収するために使用される通常の水素圧力変動吸着（水素ＰＳＡ）装置により構成されている。第２精製段階においては、上記吸着剤が充填されている吸着塔（水素ＰＳＡ吸着塔）が、好ましくは２塔以上、より好ましくは２～５塔備えられている。
第２精製段階における操作方法も、第１精製段階における操作方法と同じく連続法及び半連続法の２種類が挙げられる。連続法及び半連続法における吸着操作及び吸着塔の切り替え等の操作は、いずれも上記の第１精製段階において記載した操作と同様にして実施される。
本発明の水素回収方法においては、上記のように第１精製段階及び第２精製段階を組み合わせることにより、９０体積％以上の純度を持つ水素を回収することができる。
上記のようにして、第２精製段階から得られた精製ガス（第２精製ガス）は、第２精製段階における上記圧力が維持されたまま、又は、上記圧力以上に加圧され若しくは上記圧力以下に減圧されて、水素貯蔵段階へと装入される。この際、第２精製段階と水素貯蔵段階との間に容器を設けて、一端、第２精製ガスを減圧し、好ましくは０．１～０．３ＭＰａ、より好ましくは０．１～０．２ＭＰａに減圧し、次いで、加圧装置、例えば、コンプレッサーにより、再度昇圧して、水素貯蔵段階へと装入することもできる。
水素貯蔵段階においては、第２精製ガス中に含まれるほぼ水素のみが水素吸蔵合金に吸蔵されて貯蔵され、二酸化炭素を含むガス（水素吸蔵段階オフガス）が排出される。水素貯蔵段階における水素の水素吸蔵合金への吸蔵は、加圧下で実行される。該圧力は、使用する水素吸蔵合金の水素ガス解離平衡圧に依存するが、上限が、好ましくは０．６ＭＰａであり、より好ましくは０．５ＭＰａであり、下限が、好ましくは０．１５ＭＰａ、より好ましくは０．２ＭＰａである。上記下限未満では、水素吸蔵合金の吸蔵能力が低下するため好ましくない。一方、上記上限を超えては、加圧に多大な動力を必要とするため好ましくない。また、水素貯蔵段階の操作温度は、第１及び第２精製段階の操作温度と同一であり、好ましくは０～１００℃であり、より好ましくは１０～４０℃である。水素貯蔵段階は、通常、環境温度で実行される。
水素貯蔵段階において容器中に充填される水素吸蔵合金には、特に制限はないが、好ましくは、常温で水素を吸蔵しかつ放出し得るものが使用される。例えば、ＬａＮｉ５、ＬａＮｉ4.7Al0.3、TiFe 0.9Mn0.1、MmＮｉ4.15Fe0.35、ＣａＮｉ５、ＴｉＣｒＶ、Lm-Ni系合金等が挙げられ、好ましくは、常温で水素を吸蔵しかつ放出し得る、ＬａＮｉ５、ＣａＮｉ５、ＴｉＣｒＶ、Lm-Ni系合金等が挙げられる。これらを単独層、又は、複数積層して使用することができる。より好ましくは、Lm-Ni系合金の単独層が使用される。ここで、Mmはミッシュメタルを意味し、Lmはランタンリッチミッシュメタルを意味する。
水素貯蔵段階における操作方法も、第１及び第２精製段階における操作方法と同じく連続法及び半連続法の２種類が挙げられる。好ましくは、連続法が使用される。連続法においては、第２精製ガスが、上記圧力に加圧されて、同一の圧力に保持されたまま、水素吸蔵合金が充填された一の容器に所定時間連続的に流通され、該水素吸蔵合金が充填された容器において、ほぼ水素のみが水素吸蔵合金に吸蔵され、吸蔵されなかったガス、即ち、二酸化炭素を主体とする水素吸蔵段階オフガスが水素から分離されて、連続的に取り出される。次いで、水素吸蔵合金が充填された他の一の容器に切り替えられて、上記と同様に、第２精製ガスが所定時間連続的に流通されて、該他の一の容器において、ほぼ水素のみが水素吸蔵合金に吸蔵され、二酸化炭素を主体とする水素吸蔵段階オフガスが水素から分離されて、連続的に取り出される。このようにして、第２精製ガス中のほぼ水素のみが水素吸蔵合金に吸蔵されて該容器中に貯蔵される。水素の吸蔵が完了した容器は減圧されて、吸蔵された水素を放出することにより回収することができる。これらの操作を順次繰り返すことにより連続操作を継続することができる。
上記の連続法において、上記の水素吸蔵合金が充填された一の容器から、水素吸蔵合金が充填された他の一の容器への切り替えは、一の容器に充填された水素吸蔵合金による水素の吸蔵能力の低下時間を考慮して、該吸蔵能力が低下しない範囲内の時間で行われる。該時間は、第２精製ガスの処理量及びその中の水素の量、容器の容量、その中に充填されている水素吸蔵合金の種類及び量等に依存するが、通常、１～３０分間程度である。該時間は、通常、水素を吸蔵した後の水素吸蔵段階オフガス中の水素濃度、及び、水素吸蔵段階で水素吸蔵合金に吸蔵されて回収されたガス中の水素濃度を測定し、水素吸蔵段階オフガス中の水素濃度が最小になるように、予め、実験的に決定される。あるいは又は加えて、水素吸蔵合金が充填された容器から流出する水素吸蔵段階オフガス中の水素及び／又は二酸化炭素濃度を連続的又は断続的に測定し、水素吸蔵段階オフガス中の水素濃度が所定値以上になった時、あるいは二酸化炭素濃度が所定値以下になったときに、一の容器から他の一の容器への切り替えを実施することもできる。次いで、水素吸蔵合金が充填された他の一の容器への第２精製ガスの装入が開始された後、既に、水素吸蔵合金に水素の吸蔵を完了した上記一の容器において、吸蔵した水素を、容器内圧力を、好ましくは略大気圧まで低下させることにより水素吸蔵合金から放出せしめて回収する。
上記において説明した連続法においては、水素吸蔵合金が充填された容器に貯蔵された水素を、その場で、即ち、本発明の方法を実施する装置の近隣で使用する場合に適している。かかる場合には、水素吸蔵合金が充填された容器は、装置中に設置したままで移動することがないことから、通常、塔式の容器が使用されることが好ましい。水素吸蔵合金が充填された容器に、一端貯蔵された水素は、直ちに取り出されて、配管等で移送されて使用される。より好ましくは、水素吸蔵合金が充填された容器は、水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として、そのまま使用可能なカートリッジ形式にされる。かかる場合においては、水素吸蔵合金に水素の吸蔵が完了して、水素が貯蔵された容器は、減圧されることなく装置から取り外され、次いで、新しい水素吸蔵合金が充填された容器が取り付けられて交換される。このようにして、装置の連続操作が実行される。そして、取り外された水素が貯蔵された容器は、直ちに、又は、保管された後、所定の用途に使用される。水素吸蔵合金が充填された容器は、燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器と同一の形状等に設計される。燃料電池を搭載した機器としては、例えば、自動車、バックアップ電源、無線機、スマートフォン等の携帯電話機、ドローン等の無人航空機、及び、家庭用熱電気供給システム等が挙げられる。
バイオマス（ａ）を熱処理して熱分解ガス（ｂ）を製造する方法及び装置は公知である。例えば、有機系廃棄物等のバイオマスを非酸化性雰囲気下において５００～６００℃で加熱し、発生した熱分解ガスを９００～１，０００℃でスチームと混合せしめ、次いで、得た改質ガスを精製して水素を回収する方法（特許文献１０）、有機系廃棄物を非酸化性雰囲気下において４００～７００℃で加熱し、発生した熱分解ガスを７００～１，０００℃でスチームと混合せしめ、次いで、得た改質ガスを精製して水素含有ガスを製造する有機系廃棄物のガス化方法において、改質ガスの精製が、４００～７００℃に保持された、アルミニウム酸化物及び／又はその成形体を含む層に改質ガスを通過させ、次いで、得られたガスを、更に、３５０～５００℃に保持された、亜鉛酸化物、鉄酸化物、カルシウム酸化物及びこれらの成形体より成る群から選ばれる一つ以上の物質を含む層に通過させることにより実施され、次いで、精製後の改質ガスが、２００～５００℃でシフト反応触媒層を通過されることを特徴とする有機系廃棄物のガス化方法（特許文献１１）等を使用することができる。熱分解ガス（ｂ）としては、上記方法等において得られた、スチームによる改質前の熱分解ガスを使用することができるが、該熱分解ガスをスチーム改質してより水素濃度を高くしたガスを使用することが好ましい。ここで、バイオマス（ａ）としては、特許文献９及び１０に記載されているものであれば特に制限されるものではないが、例えば、パームの木から発生する廃材（エンプティーフルーツバンチ：ＥＦＢ、ＥＦＢファイバー、パームカーネルシェル）、ココナッツシェル、やし殻、ジャトロファの木から発生する廃材、森林から発生する未利用廃木材、製材工場から発生する製材所廃材、古紙、稲わら、もみ殻、食品工場から発生する食品残渣、藻類、下水汚泥、有機汚泥等が挙げられる。
本発明における水素回収方法においては、本発明の効果を損なわない範囲で、更に、他の物質の精製工程をも含めることができる。例えば、バイオマスとして、セシウム等の放射性物質を含むものを使用した際には、本発明の二酸化炭素を吸着除去する第１精製段階に先立って、セシウム等の放射性物質を吸着除去する工程を設けることもできる。これにより、放射性廃棄物等を含むバイオマスからの水素の回収にも使用することができる。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。
実施例において使用したバイオマス原料は、下記の通りである。
バイオマス原料としては、鉛筆製造廃木材（北星鉛筆株式会社製、アメリカ合衆国カリフォルニア州産インセンスシダー由来のもの）を使用した。該鉛筆製造廃木材は、おが粉状の形状であった。該鉛筆製造廃木材の性状を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
表１中、工業分析値は、ＪＩＳ　Ｍ８８１２に準拠して測定したものであり、元素分析値は、ＪＩＳ　Ｍ８８１９に準拠して測定したものである。但し、元素分析値中、硫黄及び塩素は、燃焼－イオンクロマトグラフ法［燃焼部：株式会社三菱化学アナリテック製Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｑｕｉｃｋ　Ｆｕｍａｃｅ　ＡＱＦ－１００（商標）、ガス吸収部：株式会社三菱化学アナリテック製Ｇａｓ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｒ　Ｕｎｉｔｅ　ＧＡ－１００（商標）、検出部：ＤＩＯＮＥＸ社製イオンクロマトグラフ　Ｉｏｎ　Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＩＣＳ－１０００（商標）］で測定したものである。なお、酸素は、１００質量％から酸素以外の元素量を差し引いて算出したものである。また、低位発熱量は、ＪＩＳ　Ｍ８８１４に準拠して測定したものである。ここで、全ての値は乾燥基準で算出したものである。
（実施例１）
バイオマス原料の熱分解及びガス改質には、直径：５０ミリメートル、高さ：５００ミリメートルの円筒状石英管を熱分解反応器として使用し、かつ、直径：５０ミリメートル、高さ：５００ミリメートルの円筒状ステンレス製管を改質反応器として使用した。上記熱分解反応器に、約１グラム（乾燥重量）の上記鉛筆製造廃木材を装入し、アルゴンガスを５０ミリリットル／分で流通しつつ、５５０℃の温度で上記鉛筆製造廃木材の熱分解処理を実施した。次いで、得られた熱分解ガスの全量を上記改質反応器に送り込み、同時に、蒸留水を０．０４ミリリットル／分の量で上記改質反応器の加熱ゾーンに供給して蒸発させることにより水蒸気とし、９５０℃の温度で熱分解ガスの改質を実施した。これによりアルゴンガスと改質ガスとの混合ガスが８．２５リットル（０℃、１ａｔｍ基準）得られた。ここで、該混合ガス中、改質ガスが３．１８リットルであり、アルゴンガスが５．０７リットルであった。該混合ガスをガスクロマトグラフィー［島津製作所製ＧＣ－１４Ａ（商標）、キャリアーガス：アルゴン］を使用して分析した。該混合ガス中に含まれる改質ガスの組成は、下記の表２に示す通りであり、水素濃度は６１．４２体積％であり、一方、二酸化炭素濃度は２３．０２体積％であり、一酸化炭素濃度は８．８９体積％であり、メタン濃度は６．６７体積％であった。上記ガスクロマトグラフィーによる分析においては、キャリアーガスとしてアルゴンを使用していることから、分析に供した混合ガス中のアルゴンは検出されない。次いで、上記のようにして得られた熱分解後の改質ガスを使用して水素ガスを回収するガス精製試験を実施した。また、上記改質ガスの製造は、下記において説明するガス精製試験を十分に実施し得るガス量を得るべく繰り返して実施された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
水素回収貯蔵装置としては、図２に示したものを使用した。第１精製段階（Ａ）においては、４塔の吸着塔（１１，１２，１３，１４）を並列に接続して使用した。４塔の吸着塔はいずれもステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製であり、いずれも内径４０ミリメートル、高さ３００ミリメートルの円筒形であった。各吸着塔には、夫々、吸着剤として合成イモゴライト（戸田工業株式会社製ハスクレイＧＩＩＩ（商標））約６０グラムを充填した。使用した合成イモゴライトの細孔容積は１ｃｍ３／ｇであり、比表面積は約５００ｍ２／ｇであった。
第２精製段階（Ｂ）おいては、４塔の吸着塔（２１，２２，２３，２４）を並列に接続して使用した。これらの吸着塔の材質並びに寸法及び形状は、第１精製段階（Ａ）において使用した吸着塔と同一とした。各吸着塔には、夫々、吸着剤として、活性炭（株式会社日本エンバイロテック製活性炭白鷺Ｘ２Ｍ（商標））約１２０グラムを充填した。
水素貯蔵段階（C）おいては、４塔の吸着塔（１０１，１０２，１０３，１０４）を並列に接続して使用した。これらの吸着塔の材質並びに寸法及び形状は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製であり、いずれも内径１０ミリメートル、高さ４０ミリメートルの円筒形であった。各吸着塔には、外筒及びその中に冷却水又は加温水を循環できる配管を備え付けた。各吸着塔には、夫々、吸着剤として、水素吸蔵合金Ｌｍ－Ｎｉ系合金（日本重化学工業株式会社製水素吸蔵合金）約１００グラムを充填した。
図２に示したように、第１精製段階（Ａ）と第２精製段階（Ｂ）との間、及び、第２精製段階（Ｂ）と水素貯蔵段階（C）との間に、夫々、中間タンク（３１）及び（３２）を設置した。本実施例では、該中間タンク（３１）及び（３２）としては、内容積１０リットルの天然ゴム製のガス袋を使用した。
上記のように、鉛筆製造廃木材を熱処理及び改質して得られた、熱分解後の改質ガスを、第１精製段階（Ａ）の第１吸着塔（１１）に装入した。まず、第１吸着塔（１１）の入口バルブ（ＶＩ１１）を開とし、出口バルブ（ＶＯ１１）及び吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ１１）を閉とした。この際、第２吸着塔（１２）、第３吸着塔（１３）及び第４吸着塔（１４）の入口バルブ（ＶＩ１２，ＶＩ１３，ＶＩ１４）、出口バルブ（ＶＯ１２，ＶＯ１３，ＶＯ１４）及び吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ１２，ＶＭ１３，ＶＭ１４）の全てを閉とした。コンプレッサー（１０）により、第１吸着塔（１１）内の圧力が０．５ＭＰａとなるように、熱分解後の改質ガスを装入した。装入された混合ガス量は約２．５６リットル（０℃、１ａｔｍ）であった。次いで、入口バルブ（ＶＩ１１）を閉として、この状態で、第１吸着塔（１１）を５分間保持し、二酸化炭素を主として含むガスを吸着させた。次いで、出口バルブ（ＶＯ１１）を開として、第１吸着塔（１１）内の圧力が０．２ＭＰａとなるまで減圧し、出口バルブ（ＶＯ１１）を閉とした。抜き出した第１精製ガス（Ｌ１）を中間タンク（３１）に導入した。次いで、吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ１１）を開として、第１吸着塔（１１）内の圧力が０．１ＭＰａとなるまで減圧し、吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ１１）を閉とした。抜き出した二酸化炭素を主として含むガスを第１精製段階オフガス（Ｌ２）として回収した。次いで、第１吸着塔（１１）内にアルゴンガスが、洗浄ガス導入口及び排出口（図示せず）から導入、排出されて吸着剤が再生された。
上記の操作において、第１吸着塔（１１）内の圧力が０．５ＭＰａとなり、入口バルブ（ＶＩ１１）を閉とするのとほぼ同時に、第２吸着塔（１２）の入口バルブ（ＶＩ１２）を開とし、出口バルブ（ＶＯ１２）及び吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ１２）を閉とした状態において、コンプレッサー（１０）により、第２吸着塔（１２）内の圧力が０．５ＭＰａとなるように、熱分解後の改質ガスを装入し、第１吸着塔（１１）と同一の操作を第２吸着塔（１２）において実施した。以後、第３吸着塔（１３）、第４吸着塔（１４）、再び、第１吸着塔（１１）、第２吸着塔（１２）と同一の操作を順次繰り返して、ほぼ連続的に第１精製段階（Ａ）でのガス精製を継続した。これらの操作は全て環境温度において実施した。
第１精製段階（Ａ）における精製後のガス（第１精製ガス（Ｌ１））をガスクロマトグラフィー［島津製作所製ＧＣ－１４Ａ（商標）、キャリアーガス：アルゴン］を使用して分析したところ、下記の表３に示す通りであり、水素濃度は８９．７０体積％に上昇しており、一方、二酸化炭素濃度は７．９７体積％に低下していた。また、二酸化炭素を主として含む第１精製段階オフガス（Ｌ２）をガスクロマトグラフィー［島津製作所製ＧＣ－１４Ａ（商標）、キャリアーガス：アルゴン］を使用して分析したところ、下記の表４に示す通りであり、二酸化炭素濃度は５１．０７体積％であり、その他、水素、一酸化炭素及びメタンが４８．９３体積％で検出された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
第１精製段階（Ａ）から抜き出された第１精製ガス（Ｌ１）は、中間タンク（３１）に導入され、ここで、ほぼ０．１ＭＰａまで減圧された。次いで、該第１精製ガス（Ｌ１）を、第２精製段階（Ｂ）の第１吸着塔（２１）に装入した。まず、第１吸着塔（２１）の入口バルブ（ＶＩ２１）を開とし、出口バルブ（ＶＯ２１）及び吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ２１）を閉とした。この際、第２吸着塔（２２）、第３吸着塔（２３）及び第４吸着塔（２４）の入口バルブ（ＶＩ２２，ＶＩ２３，ＶＩ２４）、出口バルブ（ＶＯ２２，ＶＯ２３，ＶＯ２４）及び吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ２２，ＶＭ２３，ＶＭ２４）の全てを閉とした。コンプレッサー（２０）により、第１吸着塔（２１）内の圧力が０．４ＭＰａとなるように、第１精製ガス（Ｌ１）を装入した。次いで、入口バルブ（ＶＩ２１）を閉として、この状態で、第１吸着塔（２１）を５分間保持し、二酸化炭素を含むガスを吸着させた。次いで、出口バルブ（ＶＯ２１）を開として、第１吸着塔（２１）内の圧力が０．２ＭＰａとなるまで減圧し、出口バルブ（ＶＯ２１）を閉として、第２精製ガス（Ｌ３）を抜き出した。次いで、吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ２１）を開として、第１吸着塔（２１）内の圧力が０．１ＭＰａとなるまで減圧し、吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ２１）を閉とした。抜き出した二酸化炭素を含むガスを第２精製段階オフガス（Ｌ４）として回収した。次いで、第１吸着塔（２１）内にアルゴンガスが、洗浄ガス導入口及び排出口（図示せず）から導入、排出されて吸着剤が再生された。
上記の操作において、第１吸着塔（２１）内の圧力が０．４ＭＰａとなり、入口バルブ（ＶＩ２１）を閉とするのとほぼ同時に、第２吸着塔（２２）の入口バルブ（ＶＩ２２）を開とし、出口バルブ（ＶＯ２２）及び吸着ガス抜出しバルブ（ＶＭ２２）を閉とした状態において、コンプレッサー（２０）により、第２吸着塔（２２）内の圧力が０．４ＭＰａとなるように、第１精製ガス（Ｌ１）を装入し、第１吸着塔（２１）と同一の操作を第２吸着塔（２２）において実施した。以後、第３吸着塔（２３）、第４吸着塔（２４）、再び、第１吸着塔（２１）、第２吸着塔（２２）と同一の操作を順次繰り返して、ほぼ連続的に第２精製段階（Ｂ）でのガス精製を継続した。これらの操作は全て環境温度において実施した。
第２精製段階（Ｂ）における精製後のガス（第２精製ガス（Ｌ３））をガスクロマトグラフィー［島津製作所製ＧＣ－１４Ａ（商標）、キャリアーガス：アルゴン］を使用して分析したところ、下記の表５に示す通りであり、水素濃度は９１．７８体積％に上昇しており、一方、二酸化炭素濃度は６．６１体積％に低下していた。また、二酸化炭素を含む第２精製段階オフガス（Ｌ４）をガスクロマトグラフィー［島津製作所製ＧＣ－１４Ａ（商標）、キャリアーガス：アルゴン］を使用して分析したところ、下記の表６に示す通りであり、二酸化炭素濃度は１０．４４体積％であり、その他、水素、一酸化炭素等が約８９．５６体積％で検出された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
第２精製段階（Ｂ）における精製後のガス（第２精製ガス（Ｌ３））は中間タンク（３２）に導入され、ここで、ほぼ０．１ＭＰａまで減圧された。次いで、該第２精製ガス（Ｌ３）を、水素貯蔵段階（C）の第１吸着塔（１０１）に装入した。まず、第１吸着塔（１０１）の入口バルブ（ＶＩ３１）を開とし、出口バルブ（ＶＯ３１）及び吸蔵ガス抜出しバルブ（ＶＭ３１）を閉とした。この際、第２吸着塔（１０２）、第３吸着塔（１０３）及び第４吸着塔（１０４）の入口バルブ（ＶＩ３２，ＶＩ３３，ＶＩ３４）、出口バルブ（ＶＯ３２，ＶＯ３３，ＶＯ３４）及び吸蔵ガス抜出しバルブ（ＶＭ３２，ＶＭ３３，ＶＭ３４）の全てを閉とした。コンプレッサー（３０）により、第１吸着塔（１０１）内の圧力が０．５ＭＰａとなるように、第２精製ガス（Ｌ３）を装入した。次いで、第１吸着塔（１０１）内の圧力を０．５ＭＰａに維持しながら、吸蔵ガス抜出しバルブ（ＶＭ３１）を微開にして約０．０８リットル／分の流量で、第２精製ガス（Ｌ３）を流通させつつ第１吸着塔（１０１）に水素を吸蔵させた。水素吸蔵中は発熱するため、約２０℃の冷却水を第１吸着塔（１０１）の外筒中に備えられた配管に通すことにより、第１吸着塔（１０１）を冷却した。この状態で、第１吸着塔（１０１）を５分間保持し、水素を吸蔵させつつ、メタンや二酸化炭素を含むガスを吸蔵ガス抜出しバルブ（ＶＭ３１）を通して抜き出し、水素吸蔵段階オフガス（Ｌ６）を得た。その後、吸蔵ガス抜出しバルブ（ＶＭ３１）を閉とした後、入口バルブ（ＶＩ３１）を閉とし、第１吸着塔（１０１）内に充填した水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる操作を終了した。次いで、出口バルブ（ＶＯ３１）を開として、第１吸着塔（１０１）内の圧力が０．１ＭＰａとなるまで減圧し、出口バルブ（ＶＯ３１）を閉として、水素吸蔵合金に吸蔵させたガス（Ｌ５）を回収した。
上記の操作において、第１吸着塔（１０１）の入口バルブ（ＶＩ３１）を閉とするのとほぼ同時に、第２吸着塔（１０２）の入口バルブ（ＶＩ３２）を開とし、出口バルブ（ＶＯ３２）及び吸蔵ガス抜出しバルブ（ＶＭ３２）を閉とした状態において、コンプレッサー（３０）により、第２吸着塔（１０２）内の圧力が０．５ＭＰａとなるように、第２精製ガス（L３）を装入し、第１吸着塔（１０１）と同一の操作を第２吸着塔（１０２）において実施した。以後、第３吸着塔（１０３）、第４吸着塔（１０４）、再び、第１吸着塔（１０１）、第２吸着塔（１０２）と同一の操作を順次繰り返して、ほぼ連続的に水素貯蔵段階（C）での水素ガスの吸蔵を継続した。これらの操作は全て環境温度において実施した。
水素貯蔵段階（C）における精製後のガス、即ち、水素吸蔵合金に吸蔵させたガス（Ｌ５）をガスクロマトグラフィー［島津製作所製ＧＣ－１４Ａ（商標）、キャリアーガス：アルゴン］を使用して分析したところ、下記の表７に示す通りであり、水素濃度は９９．９７体積％に上昇しており、一方、二酸化炭素濃度は０．０３体積％に低下していた。また、二酸化炭素を含む水素吸蔵段階オフガス（Ｌ６）をガスクロマトグラフィー［島津製作所製ＧＣ－１４Ａ（商標）、キャリアーガス：アルゴン］を使用して分析したところ、下記の表８に示す通りであり、二酸化炭素濃度は７９．５８体積％であり、その他、水素、一酸化炭素等が約２０．４２体積％で検出された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
表９は、上記のようにして得た、鉛筆製造廃木材を熱処理及び改質して得られた熱分解後の改質ガスの１００リットルを処理して水素を回収したときの各ストリームのガスの量を示したものである。ここで、表９中の各数字の単位はリットルである。供給した改質ガス１００リットルに対して、第二精製ガス（Ｌ３）を４１．８９リットル回収することができ、その回収率は約４２体積％であった。また、改質ガス中に水素は６１．４２リットル含まれていたが、そのうちの３８．５１リットルを回収することができ、更に、水素吸蔵段階を経て、精製した水素３８．５０リットル回収することができた。その回収率は約６３体積％であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
上記の実施例１では、本発明の一実施態様として、水素吸蔵段階の吸着塔、即ち、第１，２，３，４吸着塔（１０１，１０２，１０３，１０４）内に充填した水素吸蔵合金に吸蔵させたガスを、その場で連続的に取り出した。該実施態様は、高純度水素を使用する設備の近隣に、本発明の方法を実施する装置を設置する場合に有効である。他の実施態様として、水素吸蔵段階の吸着塔を交換可能タイプにして、例えば、第１，２，３，４吸着塔（１０１，１０２，１０３，１０４）内の水素吸蔵合金に水素が貯蔵された後、順次、水素が貯蔵されていない新しい吸着塔と交換して操業を継続することもできる。水素吸蔵合金に水素が貯蔵された吸着塔は、そのまま、高純度水素を使用する設備の近隣に移動して使用することができる。また、吸着塔自体を、水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器と同一の形状等とし、水素が貯蔵された吸着塔自体を、そのまま、水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として使用することも可能である。
本発明の水素回収方法は、比較的低い圧力を使用して、高濃度の水素ガスを回収し得ることから、操業コスト及び装置コストを大幅に削減し得るのみならず、操業における安全性を著しく高めることができる。加えて、回収した高濃度の水素ガスを所定の容器、とりわけ、水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として、そのまま使用可能なカートリッジ形式の容器に貯蔵し得ることから、極めて効率的に水素の回収と貯蔵並びにその利用を図ることができる。故に、本発明の水素回収方法は、今後、バイオマスを熱処理することにより得た熱分解ガスからの水素回収に大いに利用されることが期待される。
Ｉ　　第１精製段階
ＩＩ　　第２精製段階
ＩＩＩ　バイオマス熱処理段階
ＩＶ　水素貯蔵段階
ａ　バイオマス
ｂ　熱分解ガス
ｃ　第1精製ガス
ｄ　第２精製ガス（水素を主として含むガス）
ｅ　二酸化炭素を主として含むガス
ｆ　二酸化炭素を含むガス
ｇ　水素吸蔵段階オフガス
ｈ　水素吸蔵合金に吸蔵させたガス（高純度水素）
Ａ　第１精製段階
Ｂ　第２精製段階
Ｃ　水素貯蔵段階
Ｌ１　第１精製ガス
Ｌ２　二酸化炭素を主として含む第１精製段階オフガス
Ｌ３　第２精製ガス
Ｌ４　二酸化炭素を含む第２精製段階オフガス
Ｌ５　水素吸蔵合金に吸蔵させたガス（高純度水素）
Ｌ６　水素吸蔵段階オフガス
１０　第１精製段階のコンプレッサー
１１　第１精製段階の第１吸着塔
１２　第１精製段階の第２吸着塔
１３　第１精製段階の第３吸着塔
１４　第１精製段階の第４吸着塔
ＶＩ１１　第１吸着塔入口バルブ
ＶＩ１２　第２吸着塔入口バルブ
ＶＩ１３　第３吸着塔入口バルブ
ＶＩ１４　第４吸着塔入口バルブ
ＶＯ１１　第１吸着塔出口バルブ
ＶＯ１２　第２吸着塔出口バルブ
ＶＯ１３　第３吸着塔出口バルブ
ＶＯ１４　第４吸着塔出口バルブ
ＶＭ１１　第１吸着塔吸着ガス抜出しバルブ
ＶＭ１２　第２吸着塔吸着ガス抜出しバルブ
ＶＭ１３　第３吸着塔吸着ガス抜出しバルブ
ＶＭ１４　第４吸着塔吸着ガス抜出しバルブ
２０　第２精製段階のコンプレッサー
２１　第２精製段階の第１吸着塔
２２　第２精製段階の第２吸着塔
２３　第２精製段階の第３吸着塔
２４　第２精製段階の第４吸着塔
ＶＩ２１　第１吸着塔入口バルブ
ＶＩ２２　第２吸着塔入口バルブ
ＶＩ２３　第３吸着塔入口バルブ
ＶＩ２４　第４吸着塔入口バルブ
ＶＯ２１　第１吸着塔出口バルブ
ＶＯ２２　第２吸着塔出口バルブ
ＶＯ２３　第３吸着塔出口バルブ
ＶＯ２４　第４吸着塔出口バルブ
ＶＭ２１　第１吸着塔吸着ガス抜出しバルブ
ＶＭ２２　第２吸着塔吸着ガス抜出しバルブ
ＶＭ２３　第３吸着塔吸着ガス抜出しバルブ
ＶＭ２４　第４吸着塔吸着ガス抜出しバルブ
３１　中間タンク
３２　中間タンク
３０　水素吸蔵段階のコンプレッサー
１０１　水素吸蔵段階の第１吸着塔
１０２　水素吸蔵段階の第２吸着塔
１０３　水素吸蔵段階の第３吸着塔
１０４　水素吸蔵段階の第４吸着塔
ＶＩ３１　第１吸着塔入口バルブ
ＶＩ３２　第２吸着塔入口バルブ
ＶＩ３３　第３吸着塔入口バルブ
ＶＩ３４　第４吸着塔入口バルブ
ＶＯ３１　第１吸着塔出口バルブ
ＶＯ３２　第２吸着塔出口バルブ
ＶＯ３３　第３吸着塔出口バルブ
ＶＯ３４　第４吸着塔出口バルブ
ＶＭ３１　第１吸着塔吸蔵ガス抜出しバルブ
ＶＭ３２　第２吸着塔吸蔵ガス抜出しバルブ
ＶＭ３３　第３吸着塔吸蔵ガス抜出しバルブ
ＶＭ３４　第４吸着塔吸蔵ガス抜出しバルブ

Claims (6)

  1. バイオマスを熱処理することにより得た熱分解ガスから水素を回収する方法であって、上記熱分解ガスから、加圧下において二酸化炭素を主として含むガスを吸着除去して、該熱分解ガスを精製する第１精製段階、及び、第１精製段階から得た精製ガスを、第１精製段階における圧力以下の圧力で、該精製ガスから、加圧下において二酸化炭素を含むガスを更に吸着除去して精製することにより、該精製ガスから水素を主として含むガスを回収する第２精製段階を含み、かつ、第２精製段階から回収された、水素を主として含むガスを、水素吸蔵合金が充填された容器に供給して、該容器中に高純度水素を貯蔵する水素貯蔵段階を更に含むことを特徴とする水素回収方法。
  2. 上記の水素吸蔵合金が充填された容器が、水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器の水素貯蔵容器として、そのまま使用可能なカートリッジ形式である、請求項１記載の水素回収方法。
  3. 上記の水素を燃料とする燃料電池を搭載した機器が、自動車、バックアップ電源、無線機、携帯電話機、無人航空機及び家庭用熱電気供給システムより成る群から選ばれる、請求項２記載の水素回収方法。
  4. 上記第１精製段階、第２精製段階及び水素貯蔵段階における圧力が、いずれも、０．１５ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下の範囲内である、請求項１～３のいずれか一つに記載の水素回収方法。
  5. 上記第１精製段階における圧力と、上記第２精製段階における圧力との差圧が、０～０．３ＭＰａである、請求項１～４のいずれか一つに記載の水素回収方法。
  6. 上記熱分解ガスが、バイオマスを熱処理することにより得た熱分解ガスを、更に、スチーム改質して得たガスを包含する、請求項１～５のいずれか一つに記載の方法。
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