炭素質固体ナノ細孔表面における芳香族分子の熱化学と資源変換プロセスへの応用

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並行流二段流動層バイオマス水蒸気ガス化プロセスを想定し,実験室規模の流動層反応器を用いてバイオマス水蒸気ガス化実験をおこない,その実験結果を元に熱・物質収支に基づいたシミュレーションを行い想定ガス化プロセスが熱的に自立可能であるかを評価した。スギおよびサトウキビバガスをバイオマス試料とし,700〜850℃に保持した多孔質アルミナ粒子流動層に連続供給した。バイオマス試料は流動層内で迅速に熱分解しチャーおよび揮発成分を生成し,チャーは流動層内に蓄積するいっぽうで揮発成分は多孔質アルミナ表面においてガスおよびコークへと改質した。多孔質構造を持つ炭素がタールの改質に対して非常に高い活性を示す事は昨年度の研究から明らかになっており,多孔質アルミナをテンプレートとして表面析出コーク量が増加するにつれて特に3環以上の芳香族化合物収率が減少し,炭素基準収率で0.01%以下に低減できた。これはタールの改質生成物であるコークがタールを自触媒的に改質することを示す結果である。多孔質アルミナに蓄積するコークは最終的に細孔を閉塞し失活するが,燃焼して再生が容易である。コークおよびチャーの燃焼により生成する熱を,多孔質アルミナを熱媒体として水蒸気ガス化に必要な熱として供給する並行流二段流動層バイオマスガス化プロセスでは,コークおよびチャー燃焼による発熱量と水蒸気ガス化の吸熱量のバランスが,プロセス全体の効率を左右する。上記流動層反応器におけるバイオマスガス化実験の結果を元に,熱・物質収支に基づくシミュレーションを行った。改質温度が高く水蒸気バイオマス比が低い場合,チャーおよびコークのガス化か進行し,コークおよびチャーの燃焼による発熱量が水蒸気ガス化の吸熱量を下回り,吸熱を補えなくなるが,生成ガスの一部を燃焼して吸熱を補うことによりプロセスの冷ガス効率を約80%に保ちながら,熱的に自立が可能であることを示した。