焼酎残渣の高温高圧ガス化におけるタール閉塞対策

研究レポート
焼酎残渣の高温高圧ガス化における
タール閉塞対策
エネルギア総合研究所　再生可能エネルギー利用技術担当　和田　泰孝
尾山　圭二
1
まえがき
（１）含水性バイオマス
我が国の1次エネルギー供給量は原油換算で570
百万kL（2010年度）である。この約5％程度のバ
イオマス資源が国内で発生し，4分の3程度は有効
活用されているが，未利用分が1次エネルギーの約
1.3％，原油換算で7.4百万kLに相当する。図1に未
利用バイオマス資源を示す［1］。この約半分が食品廃
棄物・家畜排泄物・下水汚泥といった廃水＝含水性
バイオマスである。これらは高い含水率ゆえに不燃
であり，利用可能程度まで脱水・乾燥処理するには
コストがかさむため，低コストな活用技術の開発が
求められている。写真1に研究に使用している含水
性バイオマス「麦焼酎の蒸留残渣」を示す。
超臨界水ガス化技術の概念を示す。水自身が反応物
なので脱水や乾燥が不要，熱回収により高いシステ
ム効率が望める，短時間で有機物を完全に分解可能，
［11］
‒
等の特徴から世界中で研究が進められている［5］
。
当担当は，国内の再生可能エネルギーの有効活用の
観点から研究を進めている。
図２　超臨界水ガス化技術の概念
図１　日本国内の未利用バイオマス賦存量
（３）本研究における課題
ガス化触媒である活性炭を原料に懸濁させた触媒
懸濁スラリーを用いることを提案し［12］［13］，主原料
として採卵鶏糞を用い1t−wet/dの高温高圧ガス化
パイロット試験装置による実証試験を行ってきた。
採卵鶏糞は灰分（無機固形物）を多く含んでおり，
二重管式熱交換器のジャケット側（内管と外管の間）
で閉塞が発生した［14］。灰分に対する有効な対策が
得られず，灰分の少ない焼酎残渣を原料として選
定し評価を行った［15］。しかし二重管式熱交換器の
チューブ側（内管）でタールによる閉塞が発生し試
験装置を停止している［16］。
今回タール閉塞対策の検討を行ったので結果［17］
について報告する。
2
写真１　麦焼酎の蒸留残渣
（２）超臨界水ガス化技術
高温高圧の超臨界水が持つ高い化学反応性を利用
すると，含水性バイオマス中の有機物を分解して清
浄化し，かつ，燃料ガスが製造できる［2］‒［4］。図2に
Page 4
高温高圧ガス化試験装置
図3に高温高圧ガス化パイロット試験装置のフ
ローを示す［18］。
ガス化原料は高圧ポンプで23.7MPaに昇圧され，
熱交換器・加熱器で600℃へ加熱されて超臨界状態
となる。ガス化反応器内で有機物の分解とガス化が
進行し1∼2分程度で完全にガス化する。気液分離器
で清浄化された廃水と燃料ガスが分離され，燃料は
ガスタンクに貯留され廃水は排出される。なお，燃
料ガスの主成分は水素・メタン・一酸化炭素・二酸
化炭素である。
エネルギア総研レビュー　No.35
焼酎残渣の高温高圧ガス化におけるタール閉塞対策
表１　試験条件
項目
Run（試番）
活性炭添加率
焼酎残渣固形分
活性炭／焼酎残渣
スラリ−流量
試験時間
反応器温度
反応器圧力
単位
−
wt％−wet
wt％−wet
−
L/min
［h：m］
℃
MPa
活性炭の閉塞抑制効果確認試験
23-7 24-2 24-1 23-3 24-5
0
0.5
1.0
2.5
5.0
5.0
4.0
4.0
5.0
5.0
0
0.125 0.25
0.5
1.0
0.76
8：17 4：30 4：04 6：07 6：09
600
23.7
表２　ガス化原料（麦焼酎残渣）成分分析結果
図３　パイロット試験装置と二重管式熱交換器
3
試験内容および結果
二重管式熱交換器チューブ側のタール対策とし
て，
「ガス化反応触媒である活性炭添加によるター
ル生成反応の抑制」と「水洗によるタール洗浄」を
検討した。効果を確認するため，活性炭添加率を変
化させる「活性炭の閉塞抑制効果確認試験」および
水洗運転を行う「タール洗浄効果確認試験」の2種
類の試験を実施した。
（１）活性炭の閉塞抑制効果確認試験
活性炭添加率を0％，0.5％，1.0％，2.5％，5.0％
と変化させ，熱交換器チューブ側の圧力損失の推移
により効果を確認した。表1に試験条件を示す。
なお，表2に示す麦焼酎残渣の成分分析結果から，
試験に使用した麦焼酎残渣に大きな差異はないこと
を確認している。
図4が試験結果である。各試験条件の熱交換器
チューブ側の圧力損失を示しており活性炭濃度が高
いほど圧力損失の上昇が抑制されていることが分か
る。活性炭添加率2.5％および5.0％でタール閉塞の
抑制が可能と考えられる。
図5は熱交換器ジャケット側の結果である。灰分
や活性炭粗大化物による閉塞が懸念されたが，活性
炭添加率5.0％でも圧力損失の上昇は0.2MPa以下
で安定し，閉塞の兆候はなかった。
エネルギア総研レビュー　No.35
項目
単位
C
H
N
S
P
CI
K
Ca
水分
灰分
HHV
真密度
wt％−dry
wt％−dry
wt％−dry
wt％−dry
wt％−dry
wt％−dry
wt％−dry
wt％−dry
wt％−wet
wt％−dry
MJ/kg−dry
kg/m3−dry
Run23-7
Run24-2
Run24-1
Run24-5
50.1
6.74
4.72
0.33
1.62
0.28
0.90
0.18
93.2
3.57
22.4
1,420
Run23-3
50.7
6.62
4.48
0.34
0.78
0.25
0.89
0.09
88.7
3.73
22.4
1,400
図4　活性炭の閉塞抑制効果確認試験結果
（熱交換器チューブ）
図5　活性炭の閉塞抑制効果確認試験結果
（熱交換器ジャケット）
Page 5
研究レポート
（２）タール洗浄効果確認試験
焼酎残渣を5.0％含むガス化原料を3時間ガス化運
転を行い，水に切り換え1時間装置内を水洗し，再
度切り換えてガス化原料を3時間通液ガス化する運
転パターンで試験を行った。熱交換器チューブ内の
タール洗浄効果は，試験中の圧力損失の推移で確認
した。試験条件を表3に示す。
表３　試験条件
項目
単位
タール洗浄効果確認試験
Run（試番）
−
24-3
活性炭添加率
wt％−wet
1.0
焼酎残渣固形分
wt％−wet
5.0
活性炭／焼酎残渣
−
0.2
スラリ−流量
L/mint
0.76
3hガス化→1h水洗→3hガス化
試験時間
［h：m］
反応器温度
℃
600
反応器圧力
MPa
23.7
表４　ガス化原料（麦焼酎残渣）成分分析結果
（３）24時間連続ガス化試験結果
これまでの試験結果から，タール閉塞対策として
適切な濃度の活性炭添加が有効であると判断した。本
技術の実用化には，大型装置で長時間安定的にガス化
処理を継続できることが不可欠である。そこで24時
間連続ガス化試験を行い上記対策の効果を確認した。
表５　試験条件
項目
単位
53.2
Run（試番）
−
wt％−wet
2.5
wt％−wet
5.0
項目
単位
Run24-4
C
wt％−dry
24時間連続ガス化試験
24-6
24-7
H
wt％−dry
6.89
活性炭添加率
N
wt％−dry
4.47
焼酎残渣固形分
S
wt％−dry
0.34
活性炭／焼酎残渣
−
0.5
P
wt％−dry
0.57
スラリ−流量
L/mint
0.76
CI
wt％−dry
0.21
K
wt％−dry
0.58
Ca
wt％−dry
0.06
水分
wt％−wet
87.0
灰分
wt％−dry
2.76
HHV
MJ/kg−dry
23.1
真密度
kg/m3-dry
1,420
なお表4に示す麦焼酎残渣の成分分析結果から，試
験に使用した麦焼酎残渣は他の試験の残渣と大きな差
異がないことを確認した。
図6にタール洗浄効果確認試験の結果を示す。残念
ながら水洗終了直後から圧力損失が上昇しており，洗
浄効果は確認できなかった。水洗終了直後，洗浄水に
より活性炭が希釈されガス化触媒の効果が低下して
タールが生成やすい状況となってタールが生成したと
推測する。なお本試験の活性炭添加率は1.0％と低濃
度のため，水洗前からタールが生成され機内に滞留し
ていたと考えられる。その上で洗浄中に活性炭が希釈
されるため，原料切替後にタールが更に生成して急速
に圧力損失が上昇したと考えられる。
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図6　タール洗浄効果確認試験結果
試験時間
［h：m］
反応器温度
℃
600
反応器圧力
MPa
23.7
17：48
7：07
活性炭の添加率は，実用化時のコストを考慮し，ガ
ス化原料である麦焼酎残渣固形分5.0％と同濃度濃度
比＝1/1（活性炭5.0％）ではなく，半分の濃度濃度
比＝1/2（2.5％）を選択した。試験条件を表5に示す。
なお表6に示す麦焼酎残渣の成分分析結果から，使用
した麦焼酎残渣は他の試験の残渣と大きな差異がない
ことを確認した。
図7に24時間ガス化運転試験結果を示す。
試験は2回行った。
Run24-6では約18時間の連続運転に成功した。
チューブ側の圧力損失は12時間安定的に推移してい
る。それ以降，ゆっくりとした上昇が観察されたが
17時間後自然に回復している。残念ながら機器故障
により17時間48分で試験中断したが，24時間以上連
続運転が可能であると推察された。
しかしRun24-7では，5時間後に瞬時閉塞した。直
後に自然回復したが，除々に圧力損失が上昇したため
エネルギア総研レビュー　No.35
焼酎残渣の高温高圧ガス化におけるタール閉塞対策
7時間後に試験を中断した。試験後の管内観察結果か
ら，タール閉塞と確認している。
表6　ガス化原料（麦焼酎残渣）成分分析結果
項目
単位
Run24-6
C
wt％−dry
51.0
Run24-7
49.9
H
wt％−dry
6.57
6.82
N
wt％−dry
4.91
5.04
S
wt％−dry
0.34
0.31
P
wt％−dry
0.66
0.90
CI
wt％−dry
0.22
0.22
K
wt％−dry
0.60
0.73
Ca
wt％−dry
0.07
0.11
水分
wt％−wet
87.2
87.9
灰分
wt％−dry
3.10
4.10
HHV
MJ/kg−dry
22.8
19.5
真密度
kg/m3-dry
1,420
1,420
（４）考　察
超臨界水ガス化反応において，炭水化物，脂質，
タンパク質，繊維質等の物質ごとで反応性に大きな
差異があることが報告されている。Run24-6はガ
ス化原料に二条麦焼酎残渣を，Run24-7は六条麦
焼酎残渣を使用した。元素分析は両者で差がなかっ
たが，物質の差異の影響を受けた可能性が考えられ
る。今後，栄養項目分析を行い確認する予定である。
また，添加する活性炭を増やす（例：麦焼酎残渣
固形分と同濃度とする。濃度比＝1/1，活性炭添加
率5.0％）ことも今後検討する。
なおRun24-7試験後の管内を観察し，閉塞部の
タール滞留状態が確認できた。これを受け，タール
の滞留を防いで下流へ押し流す対策を検討した。対
策工事を計画し，すでに一部終了している。
4
まとめ
焼酎残渣は現在廃棄物処理されており，処理コス
トが高いため，本技術を実用化する際に事業採算性
が見込める。しかしながら実用化にあたっては，ター
ル閉塞等の課題解決と大型装置による長時間連続安
定運転の実現が必要不可欠である。その後は，実用
規模装置の実証試験や無人運転等を事業フィールド
にて検証する必要もある。
これらの課題は，公的補助金を活用しながら研究
テーマ「含水性バイオマスのエネルギー変換技術」
の中で解決に取り組んで行く。
エネルギア総研レビュー　No.35
図7　24時間ガス化運転試験結果
謝　辞
麦焼酎残渣を提供して頂いた中国醸造株式会社の
関係者の方々に感謝の意を表します。
［参照資料］
1）平成22年12月経済産業省資源エネルギー庁「再生可能
エネルギーの全量買取制度について」
2） Y. Matsumura et al.，Biomass and Bioenergy，
29，269-292（2005）
3） Y. Matsumura et al.，J. Jpn. Petrol. Inst.，56，
1-10（2013）
4） A. A. Peterson et al.，Energy Environ. Sci.，1，
32-65（2008）
5） D.C. Elliott et al.， Ind. Eng. Chem. Res.， 32，
1542-1548（1993）
，
6） A. Kruse et al.，J. Supercrit. Fluids，53，64-71
（2010）
7） M. J. Antal et al.，Ind. Eng. Chem. Res.，39，
4040-4053（2000）
8） M. Watanabe et al.，Biomass Bioenergy，22，
405-410（2002）
9） P. D’Jesús et al.，Ind. Eng. Chem. Res.，44，
9071-9077（2005）
10）S. R. A. Kersten et al.，Ind. Eng. Chem. Res.，45，
4169-4177（2006）
11）S. Stucki et al.，Energy Environ. Sci.，2，535-541
（2009）
12）X. Xu et al.，Ind. Eng. Chem. Res.，35，25222530（1996）
13）A. Nakamura et al.，J. Chem. Eng. Jpn.，41（5），
433-440（2008）
14）中村他，第20回日本エネルギー学会大会講演要旨集，
198-199（2011）
15) 尾山，エネルギア総研レビュー第29号，2-6（2012）
16) 和田他，第21回日本エネルギー学会大会講演要旨集，
3-07-4（2011）
17) Y. Wada et al.，The EU BC&E 2013 Proceedings，
887-890（2013）
18) A. Nakamura et al.，J. Chem. Eng. Jpn.，41，
817‒828（2008）
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