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バイオマス流動接触分解反応における粘土触媒の活性因子の検討

孫, 燕 ソン, エン Sun, Yan 群馬大学

2020.03.24

概要

インドネシアでは、現在エネルギー需要が増加する一方で、石油資源の枯渇が懸念されている。他方で、バイオマス資源の賦存量が膨大であるが、現地に適合した技術がなく、その利活用が進んでない。そのため、インドネシアにおいて持続的な利用、開発が可能なバイオマス接触分解ガス化を実現することは意義が大きい。本論文は、インドネシアにおいて低コストで実現可能な粘土をタール分解触媒として利用する流動接触バイオマスガス化技術の確立を目指し、インドネシアで調達可能な粘土のバイオマスガス化特性を調査し、接触分解ガス化に好適な粘土のスクリーニングを行うとともに、粘土のもつ様々な物性がバイオマスガス化に及ぼす影響を把握することが目的である。

学位論文は 5 つの章からなり、第 1 章の序論では、本論文の背景および研究目的を示すと共に、論文の構成を記述した。

第 2 章では、粘土粒子を流動媒体とするバイオマス流動触媒分解反応の可能性に着目して、インドネシアで調達した粘土を利用したラボスケールガス化実験を行った。入手した 9 種類のインドネシア産粘土による接触分解ガス化では、珪砂と比較して、バイオマスからタールへの転換率(炭素基準)を 30 ポイント程度低減(平均 42wt%→平均 12wt%)できることを明らかにした。また、同時に、ガスへの転換率も 5 ポイント程度増加させることができた。この結果は、市販の活性白土と比べても、タール転換率は同程度であり、良好なタール除去が可能である ことが示された。一方で、ガスへの転換率は 10 ポイント程度低い結果となったが、これは流動媒体付着物の増加が要因であった。以上の結果より、現地で収集しやすく安価な粘土粒子は、低コスガス化触媒として有効であると結論付けられた。一方で、粘土粒子ごとに生成物収量が異なることも明らかとなった。その要因を調査するために粘土粒子の物性と生成物収量の関係について検討を行ったが、定量的な評価は困難であった。

第 3 章では、バイオマス流動接触分解反応実験で得られた生成物のデータと使用した粘土の物性データを用いて、統計学的手法を用いて両者の因果関係についての解析を行った。バイオマスガス化生成物の因子分析では、5 つの生成物の生成量について、2 因子で全体の約 82%を説明できた。現象を支配する 2 つの因子は、「粘土粒子による揮発生成物の吸着性」ならびに「粘土粒子に吸着された揮発生成物のコーキング反応性」と考えられた。粘土物性の因子分析では、11 項目の粘土物性について、4 因子で全体の約 90%が説明できた。粘土粒子の物性値がガス化生成物の生成量におよぼす影響を定量化し比較した結果、ガスの収率向上には、Fe 含有量の増加、Al 含有量の増加、Mg 含有量の減少および K 含有量の減少、 Ti 含有量の増加及び比表面積増加の順に高い影響度を持つことが分かった。具体的に、Fe含有量の影響度を 1 として、Al 含有量の影響度が 0.6、Mg 含有量は 0.55、Mg およびK 含有量、Ti 含有量及び比表面積は 0.5 程度であった。それ以外の物性からの影響度が 0.3 未満である。一方で、タールの削減には酸量の増加および細孔径および細孔容積の増加の順に高い影響を持つことが分かった。重質タールの削減に対する酸量の影響度を 1 として、Al 含有量の影響度は 0.5、それ以外の物性は全て 0.3 以下であった。水溶性物質の削減には、酸量の影響度を 1 として、Al 含有量の影響度が 0.8 あった。

実際の循環流動層ガス化プロセスでは、ガス化炉と燃焼炉の間で粒子を循環させ、連続ガス化を行う。そのため、酸化・還元サイクルの繰り返しによって、粘土粒子の劣化具合を確認する必要がある。第 4 章では、循環流動層ガス化実験を摸擬して、バイオマス熱分解ガス化と流動媒体完全燃焼を交互に繰り返す実験を行った。試験時間の関係で、25 回までの酸化・還元サイクル実験にとどまっているが、実験の範囲内で生成物に大きい変化は見られなかった。循環回数増加に伴って、わずかに CO 生成量が低下し、CO2 と H2 の生成量が増加する傾向が見られたため、顕著ではないもののガス化炉内シフト反応(CO+H2O(g)→ CO2+H2)が起こりやすくなっていることが予想された。

第 5 章の総括では、本論文のまとめと今後の展開を記述した。本研究では多変量解析法を用い、詳細な反応過程ではなく、熱分解反応全体の包括的な反応過程の理解、バイオマスの接触ガス化反応における生成物の粘土物性からの推測、さらにバイオマス流動接触分解反応に適正的な粘土の選定を行った。今後の展開として、多変量解析手法による流動接触分解反応のアプローチを検討した上で、粘土粒子の物性データを増やして因子分析の解釈を充実することが求められた。

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