高温水蒸気を用いた廃棄物からの水素リッチガス生成システムに関する研究開発

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本年度は、高温水蒸気ガス化プロセスの最適な運転条件や設計の指針を得ることを目的として、固相の反応モデル作成、固定層上向きガス化炉の数値解析を行った。固相反応の反応速度では、従来の研究であまり注目されていない、比較的大きなバイオマス粒子の固相反応について反応速度の定式化を行った。熱分解では、直径20-30mmの円柱形バイオマス粒子を用いて高温水蒸気流における重量変化および粒子中心の温度変化を計測した。みかけの反応速度は、粒子内および粒子表面での熱移動の影響を含む未反応核モデルに基づいて定式化した。Biot数と粒子中心の昇温速度の観察から、粒径が20mmでは粒子表面での熱伝達の影響を、粒径30mmでは粒子内部での熱伝導の影響をより強く受けていることが分かった。チャーガス化については、直径14.4mmおよび21.2mmの球状チャー粒子を用いて熱重量計における水蒸気ガス化速度を計測した。粉砕チャーの水蒸気ガス化速度と比較を行い、チャー大粒子のみかけの反応速度は粒子内物質拡散の影響を強く受けていることがわかった。ガス化反応中のチャー粒子の変化を簡易化した粒子反応モデルを作成した。有効係数(みかけの反応速度と真の反応速度の比)の式を、粒子反応モデルに基づいて修正し、粒子内物質拡散の影響を表せることを示した。次に、高温水蒸気ガス化における上向き固定層ガス化炉の数値モデルを作成し、解析を行なった。ガス化炉内の固定層は、熱分解層とチャーガス化層、反応は起こらず気相と固相との熱交換が起こる層に分けられた。ガス化炉下部から供給された高温水蒸気は固相との熱交換に伴い急激に温度が低下し、タール分解などの気相反応は観察されなかった。そのため、生成ガス組成は固相反応の影響を強く受た。水蒸気温度や水蒸気比などの運転条件の違いは主にガス化炉底部での固相温度に影響を及ぼし、チャーガス化の進行度合の違いによって生成ガス組成が決定されることが分かった。