ガス化

ガス化は、バイオマスまたは化石燃料ベースの炭素質材料を、窒素(N ₂ )、一酸化炭素(CO)、水素(H ₂ )、二酸化炭素(CO ₂ ) を主な成分とするガスに変換するプロセスです。これは、反応中に存在する酸素および/または蒸気の量を制御することにより、原料を燃焼させずに高温 (通常 >700 °C) で反応させることによって実現されます。結果として生じるガス混合物は、合成ガス(合成ガスから) または生産ガスと呼ばれ、ガスの大部分を構成する H ₂と CO の可燃性のため、それ自体が燃料です。結果として生じるガスのその後の燃焼から電力を得ることができ、ガス化された化合物がバイオマス原料から得られた場合は再生可能エネルギー源と見なされます。 ^{[1] [2] [3] [4]}

ガス化の利点は、合成ガスは高温で燃焼できるため、カルノーの法則で定義される効率の熱力学的上限が高くなり、元の原料を直接燃焼させるよりも効率的であることです。合成ガスは燃料電池の水素源としても使用できますが、ほとんどのガス化システムで生成される合成ガスは、低温燃料電池での使用に適したものにするために、汚染物質やCOやCO ₂などの他のガスを除去するための追加の処理と改質が必要です。一方、高温固体酸化物燃料電池は、 H ₂、CO、CO ₂、蒸気、メタンの混合物を直接受け入れることができます。 ^[5]

合成ガスは、ガスエンジンで直接燃焼してメタノールや水素を生産するか、フィッシャー・トロプシュ法で合成燃料に変換するのが最も一般的です。一部の物質では、ガス化は埋め立てや焼却の代替手段となり、メタンや粒子状物質などの大気汚染物質の排出を削減できます。一部のガス化プロセスは、塩化物やカリウムなどの腐食性の灰分を精製して、問題のある原料からクリーンなガスを生産することを目指しています。化石燃料のガス化は現在、発電のために産業規模で広く使用されています。ガス化では、燃焼よりもSO _xやNO _xなどの汚染物質の発生が少なくなります。^[6]

19世紀初頭から、ガス化による産業規模でのエネルギー生産が行われてきました。当初は石炭と泥炭をガス化して照明や調理用の都市ガスを生産していました。1807年1月28日、ロンドンのポール・メルに最初の公共街灯が設置され、すぐに普及してほとんどの工業都市に商業用ガス照明を供給しましたが、19世紀末に電気照明に置き換えられました^{[7] 。ガス化と合成ガスは}高炉で使用され続け、さらに重要なことに、1920年代から使用されている合成化学物質の製造に使用されました。数千の場所で有毒な残留物が残りました。いくつかの場所は修復されましたが、他の場所はまだ汚染されています。^[8]

2度の世界大戦、特に第二次世界大戦中は、石油不足のため、ガス化燃料の必要性が再燃した。^[9] ガス発生器はガソジェネまたはガゾジェネと呼ばれ、ヨーロッパでは自動車の動力源として使われていた。1945年までには、ガス化燃料で動くトラック、バス、農業機械が登場した。世界中で900万台近くの自動車がガス発生装置で動いていたと推定されている。

もう一つの例は、ベトナム語で「石炭車」を意味するシェタン（ Xe than）というミニバスを改造したもので、ガソリンの代わりに石炭で走るように改造されたものである。この改造は、ガソリンが不足していた補助金支給期間中にベトナムで再び人気を博した。ガソリンが再び広く入手できるようになった ドイモイ時代には、シェタンはあまり一般的ではなくなった。

ガス化装置では、炭素質材料はいくつかの異なるプロセスを経ます。

1. 脱水または乾燥プロセスは、約 100 °C で発生します。通常、結果として生じる蒸気はガス流に混合され、その後の化学反応、特に温度が十分に高い場合は水ガス反応に関与する可能性があります (ステップ #5 を参照) 。
2. 熱分解（または揮発分除去）プロセスは、約 200～300 °C で発生します。揮発分が放出され、炭化物が生成され、石炭の最大 70% の重量損失が発生します。このプロセスは炭素質材料の特性に依存し、炭化物の構造と組成を決定し、その後ガス化反応が行われます。
3. 燃焼プロセスは、揮発性生成物と一部の炭化物が酸素と反応して主に二酸化炭素と少量の一酸化炭素を形成し、その後のガス化反応に熱を供給するときに発生します。Cを炭素含有有機化合物とすると、ここでの基本反応は C + O ₂ → CO ₂です。
4. ガス化プロセスは、炭化物が蒸気および二酸化炭素と反応して、C + H ₂ O → H ₂ + CO および C + CO ₂ → 2CO の反応により一酸化炭素と水素を生成するときに発生します。
5. さらに、可逆的なガス相水ガスシフト反応は、ガス化炉内の温度で非常に速く平衡に達します。これにより、一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素、水素の濃度がバランスされます：CO + H ₂ O ⇌ CO ₂ + H ₂。

本質的には、限られた量の酸素または空気がリアクターに導入され、一部の有機物質が「燃焼」して二酸化炭素とエネルギーが生成され、これが第 2 の反応を引き起こし、さらに有機物質が水素と追加の二酸化炭素に変換されます。生成された一酸化炭素と有機物質からの残留水が反応してメタンと過剰な二酸化炭素が形成されると、さらに反応が起こります (4CO + 2H ₂ O → CH ₄ + 3CO ₂ )。この第 3 の反応は、反応性ガスと有機物質の滞留時間、および熱と圧力が増加するリアクターでより多く発生します。より高度なリアクターでは、反応速度を向上させるために触媒が使用され、一定の滞留時間でシステムを反応平衡に近づけます。

現在、商業的に利用可能なガス化装置には、向流固定床、並流固定床、流動床、同伴流、プラズマ、フリーラジカルなど、いくつかの種類があります。^{[1] [10] [11] [12]}

炭素質燃料（石炭やバイオマスなど）の固定床で、その中を「ガス化剤」（蒸気、酸素、空気）が向流構成で流れる。^[13]灰は乾燥状態で除去されるか、スラグとして除去される。スラグガス化炉は蒸気と炭素の比率が低く、^[14]灰の溶融温度よりも高い温度に達する。ガス化炉の性質上、燃料は高い機械的強度を持ち、理想的には非固結性でなければならないため、透過性床を形成できるが、最近の開発によりこれらの制限はある程度緩和されている。^[要出典]このタイプのガス化炉のスループットは比較的低い。ガス出口の温度が比較的低いため、熱効率は高い。しかし、これは通常の動作温度ではタールとメタンの生成がかなり多いことを意味するため、生成ガスは使用前に徹底的に洗浄する必要がある。タールは反応器にリサイクルできる。

籾殻などの微細で密度の低いバイオマスをガス化する場合には、ファンで反応器に空気を送り込む必要がある。これにより、1000℃にも達する非常に高いガス化温度が発生する。ガス化ゾーンの上には、微細で高温の炭化物の層が形成され、ガスがこの層に吹き込まれると、ほとんどの複雑な炭化水素が水素と一酸化炭素の単純な成分に分解される。^[15]

向流型に似ていますが、ガス化剤ガスは燃料と並流構成で流れます (下向き、そのため「ダウン ドラフト ガス化装置」と呼ばれます)。少量の燃料を燃焼させるか、外部熱源から熱をベッドの上部に加える必要があります。生成されたガスは高温でガス化装置から排出され、この熱のほとんどはベッドの上部に追加されたガス化剤に伝達されるため、向流型と同等のエネルギー効率が得られます。この構成ではすべてのタールが熱い炭化ベッドを通過する必要があるため、タール レベルは向流型よりもはるかに低くなります。

燃料は酸素と蒸気または空気で流動化されます。灰は乾式または非流動化する重い凝集体として除去されます。乾式灰ガス化炉の温度は比較的低いため、燃料は反応性が高くなければなりません。特に低品位の石炭が適しています。凝集型ガス化炉は温度がわずかに高く、高品位の石炭に適しています。燃料スループットは固定床よりも高くなりますが、噴流流ガス化炉ほど高くはありません。炭素質物質の簸流化により、変換効率はかなり低くなる可能性があります。固体のリサイクルまたはその後の燃焼を使用して、変換率を高めることができます。流動床ガス化炉は、スラグガス化炉の壁を損傷するほど腐食性の高い灰を形成する燃料に最も役立ちます。バイオマス燃料には一般に高レベルの腐食性灰が含まれています。

流動床ガス化装置は、流動状態の不活性床材料を使用して、ガス化装置内の熱とバイオマスの分布を強化します。流動状態では、表面流体速度は、床の重量に逆らって床材料を持ち上げるために必要な最小流動化速度よりも大きくなります。流動床ガス化装置は、バブリング流動床 (BFB)、循環流動床 (CFB)、および二重流動床 (DFB) ガス化装置に分類されます。

乾燥した粉砕固体、霧状の液体燃料、または燃料スラリーは、並流で酸素（まれに空気）とガス化されます。ガス化反応は、非常に細かい粒子の密集した雲の中で起こります。このタイプのガス化装置では、動作温度が高く、石炭粒子が互いに十分に分離されているため、ほとんどの石炭が適しています。

高温高圧は、より高いスループットを達成できることも意味しますが、既存の技術でガスを浄化する前にガスを冷却する必要があるため、熱効率はやや低くなります。また、高温は、生成ガスにタールやメタンが存在しないことも意味しますが、他のタイプのガス化装置よりも酸素の必要量が多くなります。すべての噴流流ガス化装置は、動作温度が灰の溶融温度をはるかに上回っているため、灰の大部分をスラグとして除去します。

灰のごく一部は、非常に細かい乾燥フライアッシュまたは黒色のフライアッシュスラリーとして生成されます。一部の燃料、特に特定の種類のバイオマスは、ガス化炉の外壁を保護するセラミックの内壁を腐食させるスラグを形成することがあります。ただし、一部の噴流型ガス化炉にはセラミックの内壁がなく、部分的に固化したスラグで覆われた水または蒸気で冷却された内壁があります。これらのタイプのガス化炉は、腐食性のスラグの影響を受けません。

燃料の中には、灰の融解温度が非常に高いものがあります。この場合、ガス化の前に、主に石灰石が燃料と混合されます。融解温度を下げるには、通常、少量の石灰石を加えるだけで十分です。燃料粒子は、他のタイプのガス化装置よりもはるかに小さくする必要があります。つまり、燃料を粉砕する必要があり、他のタイプのガス化装置よりもいくらか多くのエネルギーが必要です。噴流流ガス化に関連するエネルギー消費量の大部分は、燃料の粉砕ではなく、ガス化に使用する酸素の生成です。

プラズマガス化装置では、高電圧電流がトーチに供給され、高温のアークが生成されます。無機残留物はガラスのような物質として回収されます。

ガス化装置で使用する原料にはさまざまな種類があり、それぞれサイズ、形状、嵩密度、水分含有量、エネルギー含有量、化学組成、灰の溶融特性、これらすべての特性の均質性など、さまざまな特性があります。石炭と石油コークスは、世界中の多くの大規模ガス化プラントで主要な原料として使用されています。さらに、さまざまなバイオマスや廃棄物由来の原料をガス化することができ、木質ペレットやチップ、廃木材、プラスチック、アルミニウム、都市固形廃棄物（MSW）、廃棄物固形燃料（RDF）、農業廃棄物や産業廃棄物、下水汚泥、スイッチグラス、廃棄された種子トウモロコシ、トウモロコシの茎葉、その他の作物残渣がすべて使用されています。^[1]

Chemrecは黒液をガス化するプロセスを開発した。^[17]

廃棄物のガス化には焼却に比べていくつかの利点があります。

• 燃焼後の大量の排ガスの代わりに、合成ガスに対して必要な大規模な排ガス洗浄を行うことができる。
• エンジンやガスタービンで電力を生成することもできますが、これは焼却で使用される蒸気サイクルよりもはるかに安価で効率的です。燃料電池も使用できる可能性がありますが、これにはガスの純度に関するかなり厳しい要件があります。
• 合成ガスの化学処理（ガスから液体への変換）により、電気の代わりに他の合成燃料が生成される場合があります。
• いくつかのガス化プロセスでは、重金属を含む灰を非常に高温で処理し、ガラス状で化学的に安定した形で放出します。

廃棄物ガス化技術の大きな課題は、許容できる（プラスの）総電力効率を達成することです。合成ガスを電力に変換する高い効率は、廃棄物の前処理、大量の純酸素（ガス化剤としてよく使用される）の消費、およびガス洗浄における大きな電力消費によって相殺されます。プロセスを実際に実装するときに明らかになるもう 1 つの課題は、プラントのサービス間隔を長くして、リアクターの洗浄のために数か月ごとにプラントを停止する必要がないようにすることです。

環境保護活動家はガス化を「偽装焼却」と呼び、この技術は空気の質と公衆衛生にとって依然として危険であると主張している。焼却炉代替案世界同盟によると、「2003年以来、ガス化技術の使用を希望する廃棄物処理施設の多数の提案は、プロジェクト提案者の主張が主要な主張に対する国民と政府の精査に耐えられなかったため、最終的な運用承認を受けることができなかった」という。^[18] 2009年から2011年までオタワで稼働していた施設の1つでは、その3年間で29件の「排出事故」と13件の「流出」が発生した。また、稼働できたのは約25％の時間だけだった。^[19]

廃棄物のガス化プロセスはいくつか提案されているが、まだ建設されテストされたものはほとんどなく、実際の廃棄物を処理するプラントとして実装されているものはほんの一握りであり、ほとんどの場合、化石燃料と組み合わせて使用​​されています。^[20]

1つの工場（千葉県、サーモセレクトプロセス^[21]を使用）は2000年から天然ガスと精製酸素を使用して産業廃棄物を処理していますが、このプロセスによる正味のエネルギー生産はまだ文書化されていません。

2007年、Ze-genはマサチューセッツ州ニューベッドフォードに廃棄物ガス化実証施設を建設した。この施設は、液体金属ガス化法を用いて特定の非MSW廃棄物のガス化を実証するために設計された。^{[22]この施設は、}マサチューセッツ州アトルボロで同様のプラントを建設する計画が国民の広範な反対により棚上げされた後に建設された。^[23]現在、Ze-genは廃止されたようで、同社のウェブサイトは2014年に削除された。^[24]

また、米国では2011年にパイロジェネシス・カナダ社が納入したプラズマシステムがフロリダ州ハールバートフィールド特殊作戦司令部空軍基地で都市固形廃棄物、有害廃棄物、生物医学的廃棄物のガス化に試験された。建設費740万ドルのこの施設は閉鎖され、 ^[25] 2013年5月に政府の清算オークションで売却された。^{[26] [27]} 開始価格は25ドルだった。落札価格は封印された。

2022年12月、ネバダ州リノにシエラバイオ燃料工場がオープンし、埋立地の廃棄物を合成原油に変換するようになりました。^[28]

合成ガスは、熱の生成や機械的および電気的動力の生成に使用できます。他の気体燃料と同様に、生成ガスは固体燃料に比べて電力レベルをより細かく制御できるため、より効率的でクリーンな操作が可能になります。

合成ガスは、液体燃料や化学物質へのさらなる処理にも使用できます。

ガス化炉は、オーブン、炉、ボイラーなどの既存のガス燃料装置に後付けできるため、熱用途に柔軟な選択肢を提供し、合成ガスが化石燃料に取って代わる可能性があります。合成ガスの発熱量は通常、約 4～10 MJ/m ³です。

現在、工業規模のガス化は主に石炭などの化石燃料から発電するために使用されており、合成ガスはガスタービンで燃焼されます。ガス化は、燃料電池用のメタンと水素を生成する可能性のある、ガス化複合発電 ( IGCC ) を使用して電気、アンモニア、液体燃料 (石油) を生産するために工業的にも使用されています。IGCC は、従来の技術と比較して、より効率的な_CO2回収方法でもあります。IGCC の実証プラントは 1970 年代初頭から稼働しており、1990 年代に建設されたプラントのいくつかは現在、商業サービスに入っています。

木材資源が持続可能な小規模ビジネスや建築用途では、250～1000kWeの新規ゼロカーボンバイオマスガス化プラントがヨーロッパに設置されており、木材からタールフリーの合成ガスを生成し、熱回収機能付き発電機に接続された往復エンジンで燃焼させます。このタイプのプラントは、木質バイオマスCHPユニットと呼ばれることが多いですが、バイオマス処理、燃料供給、ガス化、ガス洗浄、廃棄物処理、発電、熱回収の7つの異なるプロセスを備えたプラントです。^[29]

ディーゼルエンジンは、発生ガスを使用してデュアル燃料モードで運転できます。高負荷時には80％以上、通常の負荷変動時には70～80％のディーゼル代替が容易に達成できます。^[30] 火花点火エンジンと固体酸化物燃料電池は、 100％のガス化ガスで作動できます。^{[31] [32] [33]}エンジンからの機械的エネルギーは、例えば灌漑用の水ポンプを駆動したり、発電用のオルタネーターと結合したりするために使用できます。

小規模のガス化装置は 100 年以上前から存在していますが、すぐに使用できる機械を入手できる場所はほとんどありませんでした。小規模の装置は、通常、DIYプロジェクトです。ただし、現在、米国では、いくつかの企業が小型エンジンを稼働させるガス化装置を提供しています。

原理的には、バイオマスやプラスチック廃棄物など、ほぼすべての有機材料からガス化を進めることができます。生成された合成ガスは燃焼できます。あるいは、合成ガスが十分にクリーンであれば、ガスエンジン、ガスタービン、さらには燃料電池での発電に使用したり、メタノール脱水によってジメチルエーテル（DME）、サバティエ反応によるメタン、またはフィッシャー・トロプシュ法によるディーゼルのような合成燃料に効率的に変換したりできます。多くのガス化プロセスでは、金属や鉱物など、入力材料の無機成分のほとんどが灰に保持されます。一部のガス化プロセス（スラグガス化）では、この灰は浸出特性の低いガラス状の固体の形をしていますが、スラグガス化での正味の発電量は低く（マイナスになることもあります）、コストが高くなります。

最終的な燃料の形態にかかわらず、ガス化自体とその後の処理では、二酸化炭素などの温室効果ガスが直接排出されたり閉じ込められたりすることはありません。ただし、ガス化および合成ガス変換プロセスでの電力消費は大きく、間接的に_CO2排出を引き起こす可能性があります。スラグ化およびプラズマガス化では、電力消費が合成ガスからの電力生産量を上回ることもあります。

合成ガスまたは派生燃料の燃焼では、元の燃料を直接燃焼した場合に排出されるのとまったく同じ量の二酸化炭素が排出されます。バイオマスのガス化と燃焼は、再生可能エネルギー経済において重要な役割を果たす可能性があります。バイオマス生産では、ガス化と燃焼で排出されるのと同じ量の CO2 が大気から除去されるからです_。バイオガスやバイオディーゼルなどの他のバイオ燃料技術はカーボンニュートラルですが、ガス化は原理的に、より多様な入力材料で実行でき、より多様な出力燃料を生産するために使用できます。

現在、産業規模のバイオマスガス化プラントはいくつかある。2008年以来、スウェーデンのスヴェンリュンガではバイオマスガス化プラントが最大14MWの発電を行っており_{、スヴェンリュンガの産業と住民にそれぞれプロセス蒸気と}地域暖房を供給している。ガス化炉は、 CCAやクレオソートを含浸させた廃木材やその他のリサイクル木材などのバイオマス燃料を使用して、現場で燃焼する合成ガスを生成する。 ^{[34] [35]}

実証プロジェクトの例には次のようなものがあります。

• スウェーデンのヨーテボリにあるGoBiGasプロジェクトの32MWの二重流動床ガス化は、森林残渣から約20MWの代替天然ガスを生産し、2014年12月から天然ガスグリッドに供給してきました。^[36]このプラントは、技術的および経済的問題により、2018年4月に永久に閉鎖されました。ヨーテボリ・エナジーは、このプラントに1億7500万ユーロを投資しており、新しい投資家にプラントを売却するための集中的な試みが1年にわたって失敗していました。^[37]
• オーストリア再生可能エネルギーネットワーク^[38]の施設には、 GEイェンバッハ往復ガスエンジン^[39]を使用して生産された2MWの電力と、木材チップから生成された4MWの熱^{[40]を2001年以来}ギュッシング市に供給してきた二重流動床ガス化プラントが含まれています。このプラントは2015年に廃止されました。^[41]
• 英国スウィンドンのゴーグリーンガス社のパイロットプラントは、廃棄物原料から50kWのメタン生産を実証した。このプロジェクトは、廃木材と廃棄物由来燃料から年間22GWhの送電網品質の天然ガスを生成することを目指した2500万ポンドの商業施設の建設を促し、2018年に完成する予定である。^[42]
• ピテオにあるケムレックのパイロットプラントでは、黒液の噴流ガス化から3MWのクリーンな合成ガスを生産した。^[17]このプラントは2016年に財政問題により永久に閉鎖された^[43]
• 高温ウィンクラー（HTW）は加圧循環流動床ガス化プロセスです。1990年代、HTWは低品位石炭や様々な形態のバイオマス、木材、廃棄物燃料（RDF）、都市固形廃棄物（MSW）など、さまざまな原料でテストされました。最後のHTW施設は2002年に永久に閉鎖されました。2015年以来、ダルムシュタット大学の0.1 t/hパイロットユニットでプロセスのテストが継続されており、アムステルダムとロッテルダムでは再設計されたフルスケールユニットが提案されています^{[44] [45]}

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• 「バイオマスガス化プロセス」
• 「ガス化技術協議会」は 2016 年 1 月 20 日にWayback Machineにアーカイブされました
• 「バイオマスの熱ガス化、国際エネルギー機関」
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