JP2005053771A - 水素製造方法及び水素製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】全体として、環境に優しく、低コストで水素を製造する方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】高温乾留システムによって得られたコークス炉ガスのような乾留ガスを水素分離システムによって、水素と、実質的に水素を含まない脱水素乾留ガスとに分離し、高温乾留のためのエネルギー源として、この脱水素乾留ガスと、メタン発酵システムによって得られたバイオガスとを用いて高温乾留システムを駆動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素製造方法、及び水素製造システムに関する。

近年、石油・石炭・天然ガスなどの化石燃料の使用量が急増し、化石燃料の燃焼による大気汚染・ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘによる酸性雨、大気中のＣＯ_２濃度の増大、などの問題が生じている。これらの問題を解決するため、クリーンなエネルギーの開発・実用化が進められており、その一つが、水素エネルギーの利用である。

水素は、そのまま燃焼させると熱エネルギーに、内燃機関を用いると機械エネルギーに、酸素と反応させると燃焼電池で電気エネルギーに変換できる。そのいかなる過程の燃焼反応でも、水素からは水が生じ、ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘなどの問題になる他の気体を生じない。

このような水素の製造法は、（１）石油（ナフサ）や天然ガスなど炭素質原料からの水蒸気改質法、重質油や石炭などの部分酸化法、及びメタノールからの水蒸気改質法（２）電気分解法、熱化学分解法及び太陽光利用分解法など、水からの製造法、の２種に大別される（例えば、非特許文献１参照）。

その中で、現在、ほとんどの水素は、化石燃料の水蒸気改質法で製造されているため、水素エネルギーがクリーンであっても、水素の製造に多量の化石燃料が使用され、化石燃料を多量に使用しなければならないことや、その際二酸化炭素が多量に排出されることなどの環境問題が存在する。
大角泰章著「水素利用技術」アグネ技術センター、２００２年５月２０日、ｐ．７−１７

一方、製鉄においては、石炭を１０００℃前後で乾留すると、液状成分タールとコークス炉ガスが発生し、コークスが得られるのであるが、このガスの成分中約５５％が水素であり、残りは、メタンガスが２０〜３０％、一酸化炭素が６〜１２％含まれている。このコークス炉ガスから、ＰＳＡ精製法を用いて水素を精製・分離すると、９９．９９９９％の高純度な水素が得られる。この水素は化学原料、外販圧縮水素として用いられており、残ったコークス炉ガスは、再び乾留用エネルギーとして用いられるが、乾留のための全てのエネルギーを賄いきれない。

そこで、本発明は、環境に優しく、低コストで、石炭の乾留のためのエネルギーを補填し、全体として、環境に優しく、低コストで水素を製造する方法およびそのシステムを提供することを目的としてなされた。

本発明の水素製造方法は、メタン発酵システムによって得られたバイオガスと、実質的に水素を含まない脱水素乾留ガスとをエネルギー源として用いて高温乾留システムを駆動する工程と、前記高温乾留システムによって得られた乾留ガスを水素分離システムによって、水素と、前記脱水素乾留ガスとに分離する工程と、を含む。

上記水素製造方法において、前記高温乾留システムが低含水性有機廃棄物を乾留し炭化物を生成する工程を含んでもよい。また、前記メタン発酵システムが、炭化物が混合された高含水性有機性廃棄物をメタン発酵することにより、前記バイオガスを生成する工程を含んでもよい。この際、前記高温乾留システムが、前記炭化物を生成してもよい。

さらに、本発明に係る水素製造方法は、メタン発酵システムによって得られたバイオガスと、実質的に水素を含まない脱水素コークス炉ガスとをエネルギー源として用いて高温乾留システムを駆動する工程と、高温乾留システムによって得られたコークス炉ガスを水素分離システムによって、水素と、脱水素コークス炉ガスとに分離する工程と、を含んでもよい。

本発明の水素製造システムは、バイオガスを生成するメタン発酵システムと、前記バイオガスと、実質的に水素を含まない脱水素乾留ガスとをエネルギー源として駆動し、乾留ガスを生成する高温乾留システムと前記乾留ガスを、水素と、前記脱水素乾留ガスとに分離する水素分離システムと、を含む。

上記水素製造システムにおいて、前記高温乾留システムが炭化物を生成し、前記メタン発酵システムが、有機性廃棄物に前記炭化物を混合した有機性混合物を用いてメタン発酵してもよい。この際、前記炭化物が木炭であってもよい。

さらに、本発明に係る水素製造システムは、バイオガスを生成するメタン発酵システムと、前記バイオガスと、実質的に水素を含まない脱水素コークス炉ガスとをエネルギー源として駆動し、コークス炉ガスを生成する高温乾留システムと前記コークス炉ガスを、水素と、前記脱水素コークス炉ガスとに分離する水素分離システムとを含んでもよい。

本発明によると、全体として、環境に優しく、低コストで水素を製造する方法およびそのシステムを提供することができる。

本発明の目的、特徴、利点及びそのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであろう。以下に記載される発明の実施の形態及び具体的な実施例などは、本発明の好ましい態様を示すものであり、例示または説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図並びに範囲内で、本明細書に記した記載に基づき、様々な改変並びに修飾ができることは、当業者には明らかである。

例えば、乾式メタン発酵槽やコークス炉の構造、形状、材質、付属の装置等は、下記実施例に記載の物に限られず、本発明の趣旨を満たす全ての変形例を含む。また、各の構成要素を組み合わせてできる実施形態でもよい。

以下、図を参照しながら、本発明を詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
まず、本実施の形態にかかる水素製造システムの全体構成を述べる。
本実施の形態の水素製造システムは、図１に示すように、メタン発酵システム１０及び残渣処理システム１２、コ・ジェネレーションシステム１４、高温乾留システム１６、ガス貯蔵・供給システム１８、水素分離システム２０、及び水素貯蔵・供給システム２２を含む。

メタン発酵システム１０は、メタン発酵槽とそれに付帯した様々な設備とから成る。メタン発酵槽は乾式でも湿式でも良いが、乾式が好ましい。乾式メタン発酵槽内での発酵方式としては、一度に発酵させる量だけ有機廃棄物を投入し、発酵が終わると全ての発酵残渣を除去し、また新しく有機廃棄物を投入するバッチ方式や、連続的に処理前の有機廃棄物を投入するが、全てを混合させつつ発酵させる完全混合方式や、発酵槽を細長くし、長軸方向の両端に、それぞれ処理前の有機廃棄物投入口と発酵残渣排出口とを設け、投入口から毎日一定量の有機廃棄物を加えることにより、毎日一定量の発酵残渣が排出口から押し出されるようにするPlug-flow方式等がある。Plug-flow方式は、バッチ方式より、設置スペースが節約でき、また、完全混合方式とは違い、発酵時間の異なる有機廃棄物は別々に処理されるため、発酵時間によって異なる菌相の存在を可能にする。

このメタン発酵システム１０で生じた発酵残渣を処理するために、残渣処理システム１２が設けられ、発酵残渣を堆肥あるいは液肥などにする。メタン発酵システムで生じたバイオガス（メタンガス及び炭酸ガス）は、ガス貯蔵・供給システム１８に送られ、そこで一旦貯蔵される。

このバイオガスの一部は、高温乾留システム１６における乾留用エネルギーに用いられる。このことは、バイオマスエネルギーの利用方法を広げるのに役立つ。また、このように、化石資源由来のエネルギーを用いる代わりにバイオマスエネルギーを用いることにより、地球温暖化などの防止に貢献できる。

残りのバイオガスは、燃料用ガスとしてコ・ジェネレーションシステム１４に送られる。そこから、一部はメタン発酵システム１０の加温エネルギーに用いられ、残りは、電力エネルギーなど、他のエネルギーに変換されて用いられる。

高温乾留システム１６は、コークス炉とそれに付帯した様々な設備とから成る。高温乾留炉としては、コークス炉以外にも、小型ムロ型コークス炉や水平レトルト釜などでもよい。このように、水素製造に石炭の高温乾留を用いることによって、可採年数が２００年以上と長期であり、かつ地域偏在性の小さい石炭の活用を図ることができる。

高温乾留システム１６から生じたコークス炉ガスから水素を分離するため、水素分離システム２０を設ける。そこでは、例えばＰＳＡ精製法などの水素分離方法により、コークス炉ガスから高純度の水素ガスを分離できる。分離された水素ガスは、水素貯蔵・供給システム２２に送られ、圧縮水素や液化水素として、貯蔵される。そして、水素エネルギーの必要に応じて、供給される。

一方、水素が分離されて残ったコークス炉ガスは、上記のガス貯蔵・供給システム１８に送られ、そこで、必要に応じて補填されるメタン発酵システム１０で生じたバイオガスとともに、乾留用エネルギーとして使用される。

メタン発酵システム１０によるバイオガスの生成は、環境に優しいだけでなく、コスト面でも非常に有利であるので、全体として、水素製造のコストは大幅に低下する。

＝＝メタン発酵システム１０におけるバイオガスの生成＝＝
本実施の形態では、Plug-flow方式を行う縦型発酵槽１００を用いるが、横型でも良く、他の方式を採用していてもよい。

Plug-flow方式を行う縦型発酵槽１００では、発酵槽上部に廃棄物投入口１０２を設け、下部に排出口１０４を設けることにより、投入された有機廃棄物は重力によって排出口に押し出されるため、廃棄物の流れを生じさせるための動力源は必要ない。また、反応温度は、用いるメタン菌種によって、３７℃前後または５５℃前後で行われるが、５５℃前後で反応を行う方が、メタン細菌以外の菌の増殖が抑えられるため、メタン発生の効率がよい。

そこで、Plug-flow方式を行う縦型発酵槽１００において、以下のようにメタン発酵を行う。まず、未処理の有機廃棄物を適当な大きさに粉砕し、麦藁、おがくず、米糠、剪定枝、古紙などの含水率調整材や、嫌気性細菌の種菌としての発酵残渣と混合する。発酵槽１００の壁の中に、加温装置として温水管１０６を配管し、この温水管１０６内に、適切な温度の水を流すことにより、発酵槽１００を加温し、一定の温度に保持する。別のやり方として、加温装置を設けない場合、この混合有機廃棄物に高温の蒸気を吹き込むことにより５５℃に加温した後、発酵槽１００に投入してもよい。この有機廃棄物の加温のためのエネルギーは、コ・ジェネレーションシステム１４から得られる。

投入された有機廃棄物は、最初の数日間は、酸生成に供される。即ち、様々な通性嫌気性菌によって、有機廃棄物内の糖などの炭水化物はアルコールや低分子の有機酸に、脂肪は脂肪酸に、タンパク質はアミノ酸等に分解される。その後、分解産物であるアルコールや有機酸から、メタン細菌によってメタンが生成される。生成されたメタンは、二酸化炭素などと共に、槽上部に設けられたバイオガス排出口１０８から槽外部に排出され、集気される。図２に示すように、発酵槽内部において、有機廃棄物内を収容する収容部の上部に、空間を確保し、有機廃棄物内でメタン発酵により発生したメタンガスが、より安定に上部の空間に排出されるように、メタンガスを導くためのガス通路として、多孔パイプ１１０を有機廃棄物に埋設してもよい。

メタン発酵槽１００には、有機廃棄物毎日一定量投入すると、発酵槽１００内の有機廃棄物が例えば２５日分滞留し、投入量と排出量が平衡に達した後は、毎日、投入した分に相当する有機廃棄物を排出する。

＝＝高温乾留システム１６におけるコークス炉ガスの生成＝＝
まず、溶鉱炉用や鋳物用などの用途に従って、それに適する灰分、強度、粒度、硫黄分、反応性などの性状を持つように、数種の石炭を適切な割合で配合する。例えば、高い強度を必要とする場合は輸入強粘結炭や、強度の他に密度や塊度を必要とする場合は無煙炭や石油コークスを配合する。

この配合石炭を衝撃式粉砕器、ハンマーミル、ディスインテグレータ等を用いて、約３ｍｍ以下の石炭塊が８５〜９５％になるように粉砕する。粉砕する際、より均一になるようにするため、予め各種の石炭をそれぞれ粉砕してから、配合しても良い。

コークス炉３００及び付帯設備の一例を、図３に示す。調整された石炭は、炉団上を移動する挿入車３０２によって、炉頂から挿入される。燃焼室３０４を構成する各加熱炎道（フリュー）は１０００〜１３００℃の内で、なるべく一定の温度を保つようにする。温度の揺れは、±５０℃以内が好ましい。この加熱のためのエネルギーは、コークス炉ガスから水素を分離して残った脱水素コークス炉ガスを用いるが、不足する分は、メタン発酵システムによって生成され、ガス貯蔵・供給システムに貯蔵されたバイオガスを用いる。

コークス化の完了する時間（焼成時間）は、炉幅とフリュー温度で決まる。ガスの発生が無くなると、炉室両端の扉をはずし、押出機３０６でコークスを消火車３０８に排出し、散水消火する。

この焼成中に発生したコークス炉ガスは、タール蒸気と共に、炭化室３１０の一端に設けられた上昇管３１２を通って、炉外に放出される。タールが冷却分離された後、コークス炉ガスは、精製装置（図示せず）に送られる。
精製装置として、例えば、アンモニア飽和器、軽油吸収塔、脱硫器などを通過させることによって、最終的なコークス炉ガスとする。

＜実施の形態２＞
本実施の形態の水素製造システムは、図４に示すように、実施の形態１の各システムに加え、生ゴミなどの高含水率有機性廃棄物に炭化物を混合させる混合装置３０、及び低含水率有機性廃棄物の前処理システム３２を備える。

本実施の形態のシステムにおいては、高温乾留システム１６における水素製造に、化石資源由来のエネルギーである石炭の代わりに、例えば木質系廃棄物（廃木材、流木、間伐材など）のような低含水率有機廃棄物というバイオマスエネルギーを用いる。低含水率有機廃棄物を前処理システム３２でチップ化などの前処理をした後、高温乾留システム１６で高温乾留することにより、乾留ガスを得る。その乾留ガスから、水素分離システム２０を用いて水素を単離する。分離された水素ガスは、水素貯蔵・供給システム２２に送られ、圧縮水素や液化水素として、貯蔵される。そして、水素エネルギーの必要に応じて、供給される。特に木質系廃棄物を高温乾留することによって得られる乾留ガスは水素の含有質が高いので、本システムを効率よく運転することができる。実質的に水素を含まない脱水素された乾留ガスはガス貯蔵・供給システム１８に送られ、そこで、必要に応じて補填されるメタン発酵システム１０で生じたバイオガスとともに、乾留用エネルギーとして使用される。

また、低含水率有機廃棄物を高温乾留して得られる炭化物は、メタン発酵における含水率調整材あるいは窒素濃度調整材として用いることができる。従って、混合装置３０において、処理対象の有機廃棄物に適量の上記炭化物を混合することで、メタン発酵システム１０における含水率や窒素濃度を調整することができる。

高含水率有機廃棄物を、上記炭化物と共にメタン発酵すると、発酵残渣として、炭化物の混入した堆肥が得られる。発酵の際に炭化物として木炭を加えると、木炭混入堆肥が得られるが、木炭は通気性を良くし、土壌改良的機能があるため、木炭の混入は堆肥を非常に有用なものにする。

このように、水素製造にバイオマスエネルギーを用いることによって、システム全体に様々な有用性が与えられるのみならず、水素の製造コストを大幅に下げることができる。

なお、本実施の形態における、メタン発酵システム１０におけるバイオガスの生成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態１にかかる水素製造システムの全体構成を示す図である。 実施の形態１にかかるメタン発酵槽の一例の全体構成を示す図である。 実施の形態１にかかるコークス炉及び付帯設備の一例の全体構成を示す図である。 実施の形態２にかかる水素製造システムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１０ 乾式メタン発酵システム
１２ 残渣処理システム
１４ コ・ジェネレーションシステム
１６ 高温乾留システム
１８ ガス貯蔵・供給システム
２０ 水素分離システム
２２ 水素貯蔵・供給システム
３０ 混合装置
３２ 前処理システム

Claims (9)

1. メタン発酵システムによって得られたバイオガスと、実質的に水素を含まない脱水素乾留ガスとをエネルギー源として用いて高温乾留システムを駆動する工程と、
   前記高温乾留システムによって得られた乾留ガスを水素分離システムによって、水素と、前記脱水素乾留ガスとに分離する工程と、
   を含む水素製造方法。
2. 前記高温乾留システムが低含水性有機廃棄物を乾留し炭化物を生成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の水素製造方法。
3. 前記メタン発酵システムが、炭化物が混合された高含水性有機性廃棄物をメタン発酵することにより、前記バイオガスを生成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の水素製造方法。
4. 前記高温乾留システムが、前記炭化物を生成する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の水素製造方法。
5. メタン発酵システムによって得られたバイオガスと、実質的に水素を含まない脱水素コークス炉ガスとをエネルギー源として用いて高温乾留システムを駆動する工程と、
   前記高温乾留システムによって得られたコークス炉ガスを水素分離システムによって、水素と、前記脱水素コークス炉ガスとに分離する工程と、
   を含む水素製造方法。
6. バイオガスを生成するメタン発酵システムと、
   前記バイオガスと、実質的に水素を含まない脱水素乾留ガスとをエネルギー源として駆動し、乾留ガスを生成する高温乾留システムと
   前記乾留ガスを、水素と、前記脱水素乾留ガスとに分離する水素分離システムと、
   を含む水素製造システム。
7. 前記高温乾留システムが炭化物を生成し、
   前記メタン発酵システムが、有機性廃棄物に前記炭化物を混合した有機性混合物を用いてメタン発酵することを特徴とする請求項６に記載の水素製造システム。
8. 前記炭化物が木炭であることを特徴とする請求項７に記載の水素製造システム。
9. バイオガスを生成するメタン発酵システムと、
   前記バイオガスと、実質的に水素を含まない脱水素コークス炉ガスとをエネルギー源として駆動し、コークス炉ガスを生成する高温乾留システムと
   前記コークス炉ガスを、水素と、前記脱水素コークス炉ガスとに分離する水素分離システムと、
   を含む水素製造システム。