JP7449325B2 - 燃料製造システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料製造システムに関する。より詳しくは、バイオマス原料と再生可能エネルギとに基づいて液体燃料を製造する燃料製造システムに関する。

近年、化石燃料の代替として、再生可能エネルギによって発電した電力によって生成した水素とバイオマスや工場から排出される二酸化炭素等の炭素源とを原材料とした電気合成燃料が注目されている。

バイオマスを原料としてメタノールやガソリン等の液体燃料を製造する一般的な手順は以下の通りである。すなわち、所定の前処理を経たバイオマス原料をガス化炉内で水や酸素と共にガス化させ、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化工程と、生成された合成ガスを洗浄しタールを取り除く洗浄工程と、洗浄工程を経た合成ガスのＨ_２／ＣＯ比を製造しようとする液体燃料に応じた目標比に調整するＨ_２／ＣＯ比調整工程と、Ｈ_２／ＣＯ比調整工程を経た合成ガスから硫黄成分を取り除く脱硫工程と、脱硫工程を経た合成ガスから液体燃料を製造する燃料製造工程と、を経てバイオマス原料から液体燃料が製造される。

特開２０２１－１４７５０４号公報

ガス化炉の熱源としては、基本的に空気が導入されている。熱源として空気を用いる場合、内燃式のガス化炉においては、最終生成ガスの単位体積当たりの熱量が低減することになり、外燃式のガス化炉においては、排ガス回収時に窒素を分離する工程が必要になる。熱源として酸素を用いる場合、酸素ボンベを使う方法や空気を分離する方法があるが、いずれも高額であり、かつ多くのエネルギを必要とする。

また、水電解による水素生成時に副生成物として酸素が発生するところ、この副生成物としての酸素の利用手段がなく、廃棄されているのが現状である。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、システム全体で効率化を図ることができる燃料製造システムを提供することを目的とする。

（１） 本発明に係る燃料製造システム（例えば、後述の燃料製造システム１）は、バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造システムであって、バイオマス原料から合成ガスを生成するガス化炉（例えば、後述するガス化炉３０）と、前記ガス化炉によって生成された合成ガスから硫黄成分を除去する脱硫装置（例えば、後述する脱硫装置３６）と、前記脱硫装置によって硫黄成分が除去された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置（例えば、後述する液体燃料製造装置４）と、再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から酸素を生成する電解装置（例えば、後述する電解装置６０）と、前記電解装置によって生成された酸素を貯留する酸素タンク（例えば、後述する酸素タンク６６）と、前記電解装置によって生成された酸素を前記酸素タンクに充填する酸素充填装置（例えば、後述する酸素充填ポンプ６５）と、前記ガス化炉を含む酸素利用手段（例えば、後述するガス化炉３０、脱硫装置３６、液体燃料製造装置４）に前記酸素タンクに貯留された酸素を供給する酸素供給装置（例えば、後述する酸素供給装置３３）と、を備え、前記酸素タンクに貯留される酸素の量が第１所定量以上で、かつ、前記酸素充填装置が前記酸素タンクに充填する酸素の量が前記酸素タンクから前記酸素利用手段に供給される酸素の量以上の場合に、前記酸素タンクに貯留される酸素を、前記ガス化炉の熱源として用いると共に、前記脱硫装置の酸化剤及び前記液体燃料製造装置の熱源のうち少なくとも一方として用い、前記酸素タンクに貯留される酸素の量が前記第１所定量未満の場合に、前記酸素タンクに貯留される酸素を、前記ガス化炉のみの熱源として用いる。

（２） （１）の燃料製造システムにおいて、前記酸素タンクに貯留される酸素の量が前記第１所定量と比較して少ない第２所定量以下で、前記酸素充填装置が前記酸素タンクに充填する酸素の量が前記酸素タンクから前記酸素利用手段に供給される酸素の量以下で、前記ガス化炉の熱源として用いられる酸素が不足する場合に、前記ガス化炉の熱源として空気を用いることが好ましい。

本発明によれば、システム全体で効率化を図ることができる燃料製造システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料製造システムの構成を示す図である。 酸素・空気供給処理の具体的な手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料製造システム１について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料製造システム１の構成を示す図である。燃料製造システム１は、バイオマス原料を供給するバイオマス原料供給装置２と、バイオマス原料供給装置２から供給されるバイオマス原料をガス化し水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成するガス化装置３と、ガス化装置３から供給される合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置４と、再生可能エネルギを用いて発電する発電設備５と、発電設備５において発電された電力によって水から水素及び酸素を生成し、生成した水素及び酸素をガス化装置３に供給する水素・酸素生成供給装置６と、ガス化装置３、発電設備５及び水素・酸素生成供給装置６を制御する制御装置７と、を備え、これらによってバイオマス原料から液体燃料を製造する。

バイオマス原料供給装置２は、籾穀、バガス、及び木材等のバイオマス原料に所定の前処理を施すと共に、この前処理を経たバイオマス原料を、原料供給路２０を介してガス化装置３のガス化炉３０へ供給する。ここでバイオマス原料に対する前処理には、例えば、原料を乾燥させる乾燥工程や、原料を粉砕する粉砕工程等が含まれる。

ガス化装置３は、原料供給路２０を介して供給されるバイオマス原料をガス化するガス化炉３０と、ガス化炉３０の内部の状態を検出する複数のセンサによって構成されるガス化炉センサ群３１と、ガス化炉３０内に水を供給する水供給装置３２と、ガス化炉３０内に酸素又は空気を供給する酸素供給装置３３と、ガス化炉３０を加熱する加熱装置３４と、ガス化炉３０から排出される合成ガスを洗浄するスクラバ３５と、スクラバ３５によって洗浄された合成ガスから硫黄成分を除去し、液体燃料製造装置４に供給する脱硫装置３６と、を備える。

水供給装置３２は、図示しない水タンクに貯留された水をガス化炉３０内へ供給する。酸素供給装置３３は、酸素利用手段であるガス化炉３０、脱硫装置３６及び液体燃料製造装置４、並びに後述する酸素ボンベ６８に、後述する酸素タンク６６に貯留された酸素を供給する。加熱装置３４は、図示しない燃料タンクから供給される燃料や図示しない電源から供給される電力を消費することにより、ガス化炉３０を加熱する。

水供給装置３２からガス化炉３０内への水供給量、酸素供給装置３３からガス化炉３０内への酸素供給量及び空気供給量、酸素供給装置３３から脱硫装置３６内への酸素供給量、酸素供給装置３３から液体燃料製造装置４内への酸素供給量、酸素供給装置３３から酸素ボンベ６８内への酸素供給量、並びに加熱装置３４からガス化炉３０への投入熱量は、制御装置７によって制御される。

なお本実施形態に係る燃料製造システム１では、後述の水素・酸素生成供給装置６からガス化炉３０内又は原料供給路２０内に水素を供給することにより、水供給装置３２からガス化炉３０内へ水を積極的に供給する必要がなくなる場合がある。この場合、燃料製造システム１から水供給装置３２を除くこともできる。

バイオマス原料が投入されたガス化炉３０内に、以上のような水供給装置３２、酸素供給装置３３、及び加熱装置３４によって、水、酸素、熱量等を投入すると、ガス化炉３０内では、例えば下記式（１－１）～（１－５）に示すような計１０種類のガス化反応及びその逆反応が進行し、水素と一酸化炭素とを含む合成ガスが生成される。

ガス化炉センサ群３１は、例えば、ガス化炉３０内の圧力を検出する圧力センサ、ガス化炉３０内の温度を検出する温度センサ、ガス化炉３０内における合成ガスの水素と一酸化炭素との比に相当するＨ_２／ＣＯ比を検出するＨ_２／ＣＯセンサ、及びガス化炉３０内の二酸化炭素を検出するＣＯ_２センサ等によって構成される。ガス化炉センサ群３１を構成するこれらセンサの検出信号は、制御装置７へ送信される。

脱硫装置３６内に、酸素供給装置３３、スクラバ３５、及び図示しない石灰石供給装置によって、酸素、合成ガス、石灰石等を投入すると、脱硫装置３６内では、例えば下記式（２－１）に示す脱硫反応、及び下記式（２－２）に示す酸化反応が進行し、合成ガスから硫黄成分が除去され、石膏が生成される。ここで生成された石膏は、売却することも可能である。
ＳＯ_２＋ＣａＣＯ_３＋０．５Ｈ_２Ｏ→ＣａＳＯ_３・０．５Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２ （２－１）
ＣａＳＯ_３・０．５Ｈ_２Ｏ＋０．５Ｏ_２＋１．５Ｈ_２Ｏ→ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ （２－２）

ガス化装置３は、上記式（１－１）～（１－５）に示すガス化反応及びその逆反応によって生成される合成ガスに、後述の水素・酸素生成供給装置６から供給される水素を混合することにより、合成ガスのＨ_２／ＣＯ比を製造しようとする液体燃料に応じた所定の目標比（例えば、メタノールを製造する場合、Ｈ_２／ＣＯ比の目標比は２）に調整した後、この合成ガスを液体燃料製造装置４へ供給する。

液体燃料製造装置４は、メタノール合成装置、ＭＴＧ（Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｔｏ Ｇａｓｏｌｉｎｅ）合成装置、ＦＴ（Ｆｉｓｃｈｅｒ Ｔｒｏｐｓｃｈ）合成装置、及びアップグレーディング装置等を備え、これらを用いることによって、ガス化装置３において所定のＨ_２／ＣＯ比に調整された合成ガスからメタノールやガソリン等の液体燃料を製造する。

発電設備５は、再生可能エネルギである風力によって発電する風力発電設備や、再生可能エネルギである太陽光によって発電する太陽光発電設備等によって構成される。発電設備５は、水素・酸素生成供給装置６に接続されており、風力発電設備や太陽光発電設備等において再生可能エネルギを用いて発電した電力は、水素・酸素生成供給装置６に供給することができる。また、発電設備５は、商用電力網８とも接続されている。このため発電設備５において発電した電力の一部又は全ては、商用電力網８に供給し、電力会社に売電することも可能となっている。

水素・酸素生成供給装置６は、電解装置６０と、水素充填ポンプ６１と、水素タンク６２と、圧力センサ６３と、水素供給ポンプ６４と、酸素充填ポンプ６５と、酸素タンク６６と、圧力センサ６７と、酸素ボンベ６８と、を備える。この水素・酸素生成供給装置６は、発電設備５から供給される電力によって水素及び酸素を生成し、生成した水素をガス化装置３へ供給すると共に、生成した酸素を酸素利用手段であるガス化装置３（ガス化炉３０、脱硫装置３６）及び液体燃料製造装置４、並びに酸素ボンベ６８に供給する。

電解装置６０は、発電設備５と接続されており、発電設備５から供給される電力によって水から電気分解によって水素及び酸素を生成する。また電解装置６０は、商用電力網８とも接続されている。このため電解装置６０は、発電設備５から供給される電力だけでなく、電力会社から買電することにより商用電力網８から供給される電力によって水素及び酸素を生成することも可能となっている。電解装置６０による水素生成量及び酸素生成量は制御装置７によって制御される。

水素充填ポンプ６１は、電解装置６０によって生成された水素を圧縮し、水素タンク６２内に充填する。水素充填ポンプ６１による水素充填量は制御装置７によって制御される。水素タンク６２は、水素充填ポンプ６１によって圧縮された水素を貯留する。圧力センサ６３は、水素タンク６２のタンク内圧を検出し、検出信号を制御装置７へ送信する。水素タンク６２内の水素残量は、圧力センサ６３の検出信号に基づいて制御装置７によって算出される。従って本実施形態において、水素タンク６２内の水素残量を取得する水素残量取得手段は、圧力センサ６３及び制御装置７によって構成される。

水素供給ポンプ６４は、水素タンク６２に貯留された水素をガス化装置３のガス化炉３０内に供給する。水素供給ポンプ６４からガス化炉３０内への水素供給量は制御装置７によって制御される。なお図１には、水素タンク６２に貯留された水素を水素供給ポンプ６４によってガス化炉３０内に供給する場合について説明するが、本発明はこれに限らない。水素タンク６２に貯留された水素は、ガス化炉３０より上流側、より具体的にはバイオマス原料の原料供給路２０内に供給してもよい。

酸素充填ポンプ６５は、電解装置６０によって生成された酸素を圧縮し、酸素タンク６６内に充填する。酸素充填ポンプ６５による酸素充填量は制御装置７によって制御される。酸素タンク６６は、酸素充填ポンプ６５によって圧縮された酸素を貯留する。圧力センサ６７は、酸素タンク６６のタンク内圧を検出し、検出信号を制御装置７へ送信する。酸素タンク６６内の酸素残量は、圧力センサ６７の検出信号に基づいて制御装置７によって算出される。従って本実施形態において、酸素タンク６６内の酸素残量を取得する酸素残量取得手段は、圧力センサ６７及び制御装置７によって構成される。

制御装置７は、ガス化炉センサ群３１からの検出信号、水素タンク６２の圧力センサ６３からの検出信号、及び酸素タンク６６の圧力センサ６７からの検出信号等に基づいて、水供給装置３２による水供給量、酸素供給装置３３によるガス化炉３０内への酸素供給量及び空気供給量、酸素供給装置３３から脱硫装置３６内への酸素供給量、酸素供給装置３３から液体燃料製造装置４内への酸素供給量、酸素供給装置３３から酸素ボンベ６８内への酸素供給量、加熱装置３４による投入熱量、電解装置６０による水素生成量及び酸素生成量、水素充填ポンプ６１による水素充填量、水素供給ポンプ６４による水素供給量、並びに酸素充填ポンプ６５による酸素充填量を制御するコンピュータである。制御装置７によって酸素供給量及び空気供給量を制御する具体的な手順については、図２を参照しながら説明する。

図２は、酸素・空気供給処理の具体的な手順を示すフローチャートである。酸素タンク６６に貯留される酸素の量が第１所定量以上（例えば、満タン）で、かつ、酸素タンク６６に流入する酸素の量が酸素タンク６６から流出する酸素の量以上である場合、つまり酸素充填ポンプ６５が酸素タンク６６に充填する酸素の量が酸素タンク６６からガス化炉３０を含む酸素利用手段に供給される酸素の量以上の場合（ステップＳ１でＹＥＳの場合）に、制御装置７は、酸素タンク６６に貯留される酸素を、ガス化炉３０に供給すると共に、脱硫装置３６及び液体燃料製造装置４に供給するように制御する（ステップＳ２）。この場合において、酸素タンク６６から供給される酸素の量に余剰があるときは、制御装置７は、酸素タンク６６に貯留される酸素を、酸素ボンベ６８に供給する。

すなわち、燃料製造システム１は、酸素タンク６６に貯留される酸素の量が第１所定量以上（例えば、満タン）で、かつ、酸素充填ポンプ６５が酸素タンク６６に充填する酸素の量が酸素タンク６６からガス化炉３０を含む酸素利用手段に供給される酸素の量以上の場合（ステップＳ１でＹＥＳの場合）に、酸素タンク６６に貯留される酸素を、ガス化炉３０の熱源として用いると共に、脱硫装置３６の酸化剤及び液体燃料製造装置４の熱源として用いる（ステップＳ２）。

一方、酸素タンク６６に貯留される酸素の量が第１所定量未満の場合（ステップＳ１でＮＯの場合）に、制御装置７は、酸素タンク６６に貯留される酸素を、ガス化炉３０のみに供給するように制御する（ステップＳ３）。

すなわち、燃料製造システム１は、酸素タンク６６に貯留される酸素の量が第１所定量未満の場合（ステップＳ１でＮＯの場合）に、酸素タンク６６に貯留される酸素を、ガス化炉３０のみの熱源として用いる（ステップＳ３）。

また、酸素タンク６６に貯留される酸素の量が第１所定量と比較して少ない第２所定量以下（例えば、空タンク）で、酸素充填ポンプ６５が酸素タンク６６に充填する酸素の量が酸素タンク６６からガス化炉３０を含む酸素利用手段に供給される酸素の量以下で、かつ、ガス化炉３０の熱源として用いられる酸素が不足する場合（ステップＳ４でＹＥＳの場合）に、制御装置７は、酸素タンク６６に貯留される酸素に加え、空気を、ガス化炉３０に供給するように制御する（ステップＳ５）。ここで、酸素充填ポンプ６５が酸素タンク６６に充填する酸素の量が酸素タンク６６からガス化炉３０を含む酸素利用手段に供給される酸素の量以下である場合とは、上述のステップＳ１と同様に、酸素タンク６６に流入する酸素の量が酸素タンク６６から流出する酸素の量以上である場合である。

すなわち、燃料製造システム１は、酸素タンク６６に貯留される酸素の量が第２所定量以下（例えば、空タンク）で、酸素充填ポンプ６５が酸素タンク６６に充填する酸素の量が酸素タンク６６からガス化炉３０を含む酸素利用手段に供給される酸素の量以下で、かつ、ガス化炉３０の熱源として用いられる酸素が不足する場合（ステップＳ４でＹＥＳの場合）に、ガス化炉３０の熱源として空気を用いる（ステップＳ５）。

本実施形態に係る燃料製造システム１によれば、システム全体で効率化を図ることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

例えば、上記実施形態では、酸素タンク６６に貯留される酸素の量が第１所定量以上（満タン）で、かつ、酸素充填ポンプ６５が酸素タンク６６に充填する酸素の量が酸素タンク６６からガス化炉３０を含む酸素利用手段に供給される酸素の量以上の場合（ステップＳ１でＹＥＳの場合）に、酸素タンク６６に貯留される酸素を、ガス化炉３０の熱源として用いると共に、脱硫装置３６の酸化剤及び液体燃料製造装置４の熱源の双方として用いるとき（ステップＳ２のとき）を例に説明したが、本発明はこれに限定されず、ステップＳ１でＹＥＳの場合に、ガス化炉３０の熱源として用いると共に、酸素タンク６６に貯留される酸素を、脱硫装置３６の酸化剤及び液体燃料製造装置４の熱源のうち少なくとも一方として用いるものであってもよい。

１ 燃料製造システム
２ バイオマス原料供給装置
２０ 原料供給路
３ ガス化装置
３０ ガス化炉
３１ ガス化炉センサ群
３２ 水供給装置
３３ 酸素供給装置
３４ 加熱装置
３５ スクラバ
３６ 脱硫装置
４ 液体燃料製造装置
５ 発電設備
６ 水素・酸素生成供給装置
６１ 水素充填ポンプ
６２ 水素タンク
６３ 圧力センサ
６４ 水素供給ポンプ
６５ 酸素充填ポンプ（酸素充填装置）
６６ 酸素タンク
６７ 圧力センサ
６８ 酸素ボンベ
７ 制御装置
８ 商用電力網

Claims (2)

1. バイオマス原料から液体燃料を製造する燃料製造システムであって、
   バイオマス原料から合成ガスを生成するガス化炉と、
   前記ガス化炉によって生成された合成ガスから硫黄成分を除去して酸化剤により石膏を生成する脱硫装置と、
   前記脱硫装置によって硫黄成分が除去された合成ガスから液体燃料を製造する液体燃料製造装置と、
   再生可能エネルギを用いて発電した電力によって水から酸素及び水素を生成する電解装置と、
   前記電解装置によって生成された酸素を貯留する酸素タンクと、
   前記電解装置によって生成された水素を貯留する水素タンクと、
   前記電解装置によって生成された酸素を前記酸素タンクに充填する酸素充填装置と、
   前記ガス化炉を含む酸素利用手段に前記酸素タンクに貯留された酸素を供給する酸素供給装置と、
   前記電解装置によって生成された水素を前記水素タンクに充填する水素充填装置と、
   前記ガス化炉を含む水素利用手段に前記水素タンクに貯留された水素を供給する水素供給装置と、を備え、
   前記酸素タンクに貯留される酸素の量が第１所定量以上で、かつ、前記酸素充填装置が前記酸素タンクに充填する酸素の量が前記酸素タンクから前記酸素利用手段に供給される酸素の量以上の場合に、前記酸素タンクに貯留される酸素を、前記ガス化炉の熱源として用いると共に、前記脱硫装置の酸化剤及び前記液体燃料製造装置の熱源のうち少なくとも一方として用い、
   前記酸素タンクに貯留される酸素の量が前記第１所定量未満の場合に、前記酸素タンクに貯留される酸素を、前記ガス化炉のみの熱源として用いる、燃料製造システム。
2. 前記酸素タンクに貯留される酸素の量が前記第１所定量と比較して少ない第２所定量以下で、前記酸素充填装置が前記酸素タンクに充填する酸素の量が前記酸素タンクから前記酸素利用手段に供給される酸素の量以下で、かつ、前記ガス化炉の熱源として用いられる酸素が不足する場合に、前記ガス化炉の熱源として空気を用いる、請求項１に記載の燃料製造システム。

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