セラミックフィルタおよびそのセラミックフィルタを用いたシステム
【課題】合成ガスを利用するシステムにおける装置構成を簡略にすることができ、しかもエネルギー効率の向上を図ることができるセラミックフィルタおよびそのセラミックフィルタを用いたシステムを提供する。
【解決手段】本発明のセラミックフィルタは、少なくともタールを分解する触媒が担持されている。本発明のセラミックフィルタを例えばガスエンジン発電システムに用いる場合、本発明のセラミックフィルタ（２３）にガス化炉（２１）から発生したガスを通すことによって、排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、排気ガス中に含まれるタールを分解し、チャーおよびタールが除去された合成ガスをガスエンジン（２６）に供給する。
【解決手段】本発明のセラミックフィルタは、少なくともタールを分解する触媒が担持されている。本発明のセラミックフィルタを例えばガスエンジン発電システムに用いる場合、本発明のセラミックフィルタ（２３）にガス化炉（２１）から発生したガスを通すことによって、排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、排気ガス中に含まれるタールを分解し、チャーおよびタールが除去された合成ガスをガスエンジン（２６）に供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化炉から出たガス中の有害物質を除くためのセラミックフィルタおよびそのセラミックフィルタを用いたシステムに関し、特には、石油、石炭、廃棄物、バイオマス等をガス化炉で処理した際に発生する合成ガスを、ガス化発電装置（ガスエンジン、燃料電池等）、合成ガス液化装置（ＦＴ合成等）等に使用できるように処理することに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油、石炭、廃棄物、バイオマス等からＨ２、ＣＯを主成分とする合成ガスを生成し、このガスを発電、液化油生成等に利用するシステムが種々知られている（非特許文献１、２）。
【０００３】
図７および８は、上記システムの概略を図示するフローシートであり、図７には、このようなシステムにおいて共通する合成ガス生成および清浄化のための構成が示され、図８には、図７に示す構成により清浄化された合成ガスを利用するシステム（ａ）（ｂ）（ｃ）がそれぞれ図示されており、（ａ）はガスエンジン発電システム、（ｂ）は燃料電池発電システム、（ｃ）は合成ガス油化システムである。
【０００４】
上記システムでは、まず、図７に示すように、石油、石炭、廃棄物、バイオマス等の合成ガス源が、固定床、流動床、ロータリーキルン等のガス化炉（１）内に導入され、ここで、空気存在下に導入された前記の合成ガス源を加熱することにより、ＣＯ、Ｈ２を主成分とする合成ガスが生成する。
【０００５】
しかしながら、上記のように生成される合成ガス中には、ＣＯおよびＨ２の他に、タール、チャー等の後の各システムでの使用に際して有害となる成分が含まれている。
【０００６】
タールは、これがガス中含まれていると、バグフィルタやガスエンジンの吸気系等に付着し、微量の付着物を核にして成長し、さらには、成長した付着物が付着した部分で固化し、ガスの流れを閉塞する等により安定した運転の継続が妨げられるに至る。
【０００７】
チャーや灰は、これがガス中に含まれていると、生成されたガスの使用に際して機器のつまりの原因になるので、予め除去しておく必要がある。
【０００８】
上記システムにおいては、図７に示されるように、ガスの流れ方向の上流側から、改質炉（２）、ガス冷却器（３）、バグフィルタ（４）が設けられており、これらを順次に合成ガスが通過していくことによって上記各有害成分が除去される。
【０００９】
タールの除去は、改質炉（２）において、タールを部分燃焼させることにより行われる。ここでの部分燃焼は、水蒸気を含む空気または酸素が導入された条件下に行われる。また、合成ガスを燃料電池システムのために適用する場合には、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８等の炭化水素類が存在していると、これがセルに析出することにより安定運転が阻害される要因となるので、ここでのタールの除去と並んで、Ｃ２Ｈ６等の炭化水素を部分燃焼により除去する処理が行われる。
【００１０】
チャーや灰および改質炉（２）で分解されなかった少量のタールの除去は、バグフィルタ（４）にて、これを集塵することにより行われる。しかしながら、改質炉（２）から出た合成ガスは高温であり、そのままの温度では、バグフィルタ（４）に通すことができないので、バグフィルタ（４）の前流側には、合成ガスを冷却するためのガス冷却器（３）が設置されており、ここで、合成ガスは２００℃程度まで冷却される。
【００１１】
図８（ａ）に示すガスエンジン発電システムでは、清浄にされた合成ガスは、誘引送風機（Induced Draft Fan：ＩＤＦ）（５）によってガスエンジン（６）に供給され、ガスエンジン（６）内での合成ガスの燃焼によりガスエンジン（６）を駆動し、このガスエンジン（６）の駆動によって生じたエネルギーは発電機（７）によって電気エネルギーに変換される。ガスエンジン（６）にて発生した熱は外部に放散される。発生した電気は図示しない電線を介して使用に供される。発電処理後のガスエンジン（６）から出るガスは、煙突（８）を介して外部に排出される。
【００１２】
図８（ｂ）に示す燃料電池発電システムでは、合成ガスは、誘引送風機（５）によってガス洗浄装置（９）に通され、ここで、さらなるガス洗浄操作が行われる。この処理により、ガス中に微量に残留するタール、チャー、灰等が除去される。ガス洗浄装置（９）から出たガスは、ガス再加熱器（１０）により再加熱され、次いで、溶融炭酸塩形燃料電池（Ni-based porous molten carbonate fuel cell，以下、ＭＣＦＣと称する）（１１）に導入され、ＭＣＦＣ（１１）内において、供給された合成ガスに基づいて熱と電気が発生する。発生した熱は外部に放散される。発生した電気は図示しない電線を介して使用に供される。また、ＭＣＦＣ（１１）に導入されたガスは、ＭＣＦＣ（１１）での反応により水になり、これは図示を省略する排水路を介して外部に排出される。
【００１３】
図８（ｃ）に示す合成ガス油化システムでは、合成ガスは、誘引送風機（５）によってガス洗浄装置（９）に通され、ここで、さらなるガス洗浄操作が行われる。この処理により、ガス中に微量に残留するタール、チャー、灰等が除去される。ガス洗浄装置（９）から出たガスは、フィッシャー・トロプシュ（Fischer-Tropsche，以下、ＦＴと称する）合成装置（１２）に導入される。ＦＴ合成装置（１２）では、液化触媒の存在下かつ加圧条件下に、導入された合成ガスの液化反応が行われ、これにより、ガソリン、ディーゼル油、ジメチルエーテル（Di-Methyl Ether：ＤＭＥ）等の液化ガスが生成する。他のガス成分は必要であれば適当な処理がなされた後、排気される。
【００１４】
しかしながら、上記の合成ガスを利用するシステムには、以下に示すような問題点が挙げられる。
【００１５】
（ａ）改質炉（２）は、合成ガス中に含まれるタールおよび燃料電池システムに用いる場合にはＣ２Ｈ６等の炭化水素を除去するために設けられるものであるが、タール等を除くためにこのような余分な構成要素を含んでいることにより、上記システムが大掛かりなものになる。また、改質炉（２）を駆動するために多大なエネルギーを要する。さらに、改質炉（２）によるタール等の除去は、部分燃焼により行うものであるが、このような部分燃焼による方法では、合成ガス中のＨ２およびＣＯの一部までが改質炉内において燃焼されてしまうことになり、合成ガスの有効利用の点でも改質炉に代わる除去方法が望まれている。また、改質炉（２）によるタールおよび炭化水素類（Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６等）の除去は完全なものではなく、燃料電池発電システムでは、ＭＣＦＣ（１１）に合成ガスが導入される前に再度ガス洗浄操作を行わなければならない。したがって、より完全にタールおよび炭化水素類を除去するためにも改質炉（２）に代わる手段が望まれる。
【００１６】
（ｂ）燃料電池発電システムに合成ガスを用いる場合、ＭＣＦＣ（１１）に導入される際の合成ガスの最適温度は６５０℃程度である。他方、バグフィルタ（４）によりチャーを除去するためには、合成ガスの温度は２００℃程度でなければならない。結果として、改質炉（２）から出た高温の合成ガスをバグフィルタ（４）に導入するために一旦ガス冷却器（３）で２００℃まで低下させた後、ＭＣＦＣ（１１）に導入するために、バグフィルタ（４）から出たガスを再度ガス再加熱器（１０）により６５０℃程度まで温度を上昇させなければならず、極めてエネルギー効率が悪い操作手順になっている。したがって、エネルギー効率の点からバグフィルタを他の適切な除去手段に置き換えることが望まれる。
【非特許文献１】社団法人日本伝熱学会編，「環境と省エネルギーのためのエネルギー新技術大系」，（株）エヌ・ティー・エス発行，２００３年，第２刷，ｐ６２４
【非特許文献２】小澤政弘、“燃料電池とバイオマス（２）”、電機、２００４年３月、［平成１８年２月２２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jema-net.or.jp/Japanese/denki/2004/de-0403/p09-12.pdf#search='MCFC＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記種々の問題点を解決するためになされたものであり、合成ガスを利用するシステムにおける装置構成を簡略にすることができ、しかもエネルギー効率の向上を図ることができるセラミックフィルタおよびそのセラミックフィルタを用いたシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明のセラミックフィルタは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたものである。
【００１９】
上記本発明のセラミックフィルタにおいて、前記触媒はアルミナ担体に酸化ニッケルが担持されてなるものであることが好ましい。
【００２０】
上記本発明のセラミックフィルタにおいて、前記触媒はさらに酸化カルシウムを担持するものであることが好ましい。
【００２１】
本発明のガスエンジン発電システムは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生したガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、チャーおよびタールが除去された合成ガスをガスエンジンに供給するものである。
【００２２】
本発明の燃料電池発電システムは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生したガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、かつ、改質炉にて炭化水素を除去して、チャー、タールおよび炭化水素が除去された合成ガスを燃料電池装置に供給するものである。
【００２３】
本発明の合成ガス油化システムは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生した排気ガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、かつ、改質炉にてタールを分解して、チャーおよびタールが除去された合成ガスをＦＴ合成装置に供給するものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のセラミックフィルタは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたものであるので、合成ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、同ガス中に含まれるタールを分解するので、ダストおよびタールの両方を処理することができ、しかも、耐熱性を有するので、従来のシステムで必要であった改質炉、冷却器を省略することができ、当然、これらの駆動に要するエネルギーも省略することができ、ガス発電、燃料電池発電および合成ガス油化の各システムに好適に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明のセラミックフィルタおよびそのセラミックフィルタを用いたシステムについて詳細に説明する。
【００２６】
（セラミックフィルタ）
本発明のセラミックフィルタは、少なくともタールを分解し、さらには炭化水素も分解する触媒（以下、タール等分解触媒と称する）が担持されてなるものである。
【００２７】
本発明のセラミックフィルタを構成するセラミックは、タール等分解触媒を担持することができるものであればいかなる材料を用いてもよいが、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化チタン、炭化チタン等の非酸化物セラミック、アルミナ、コージェライト、ムライト、シリカ、ジルコニア、チタニア等の酸化物セラミック等を挙げることができる。これらのうち、アルミナが特に好ましい。
【００２８】
上記セラミックに担持されるタール等分解触媒は、炭化水素およびタールを分解可能なものであればいかなるものを用いてもよいが、例えば、ＲｈＣｌ等のＲｈ系、ＮｉＯ等のＮｉ系の金属が挙げられる。本発明に関する触媒は単独種の金属を用いても２種以上を組み合わせた複数種の金属を用いてもよい。さらに、本発明に関する触媒は、上記金属に加え、ＣａＯ、ＣｅＯ２をさらに担持していてもよい。
【００２９】
本発明のセラミックフィルタは、下記（ｉ）〜（ｉｉｉ）のいずれかを実施することにより作製される：
（ｉ）粒子状の触媒金属を上記のセラミック材料に添加し、これらを混ぜ合わせた後、得られた混合物をフィルタの形状に成型し、これを焼成することにより作製する；
（ｉｉ）触媒を粉体状にし、これを、セラミックファイバでバグ状等に成型したものに保持させる；
（ｉｉｉ）触媒を粉体状にし、これをセラミックファイバに保持させ、その後、これをバグ状等に成型する。
【００３０】
粉体状の触媒金属は、触媒金属自体の形態であってもよいし、アルミナ等の担体に担持されたような形態であってもよい。また、本発明のセラミックフィルタを（ｉ）により作製する場合の好適な焼成温度は、１０００〜１２００℃である。このようにして作製されるセラミックフィルタは、ガス化炉から出てくる合成ガス中に含まれるチャーを捕集することができるような多孔性を有する。
【００３１】
本発明のセラミックフィルタは、ガス化炉からの合成ガス中に含まれるチャーを捕集することができ、さらには、タールを分解し、さらに炭化水素を分解する触媒を担持しているので、チャーの捕集と同時にタールおよび炭化水素を分解することができる。結果として、本発明のセラミックフィルタを通された後の合成ガスは、チャー、タールおよび炭化水素が除去された清浄なものとなる。また、本発明のセラミックフィルタは、セラミックからなり耐熱性を有するので、従来のバグフィルタとは異なり、ガス化炉から出てくる高温の合成ガスを冷却することなく、そのままセラミックフィルタに通してもよい。
【００３２】
次に、上記のセラミックフィルタを用いた合成ガス適用システムについて具体的に説明する
（ガスエンジン発電システム）
図１は、本発明のガスエンジン発電システムを説明するフローシートである。
【００３３】
本システムでは、まず、石油、石炭、廃棄物、バイオマス等の合成ガス源が、ガス化炉（２１）に導入され、ガス化炉（２１）内において、押込送風機（２２）によって空気等の酸素含有気体を導入しつつ合成ガス源を加熱する。これにより、ＣＯ、Ｈ２を主成分とする合成ガスが生成する。ここで、ガス化炉（２１）は、合成ガスを生成させるために当業者によって使用され得るあらゆる種類の炉が用いられてよく、このような用途に用いられる炉としては、例えば、固定床、流動床、ロータリーキルン等が挙げられる。
【００３４】
次に、ガス化炉（２１）にて生成した合成ガスは、本発明のセラミックフィルタ（２３）に通される。セラミックフィルタ（２３）は、上記のようにタール等分解触媒を担持しているので、合成ガスがセラミックフィルタを通過する際に、合成ガス中のチャーが捕集されると共に、合成ガス中のタールが分解される。結果として、セラミックフィルタ（２３）を通過した後の合成ガスは、チャーおよびタールが除去されて清浄化される。
【００３５】
セラミックフィルタ（２３）を通過した後の合成ガスは、ガス冷却器（２４）に通されて、ここで、例えば４０〜８０℃に冷却される。
【００３６】
ガス冷却器（２４）から出た合成ガスは、誘引送風機（２５）を経て、ガスエンジン（２６）に供給される。ガスエンジン（２６）に合成ガスが供給されると、合成ガスの燃焼によりガスエンジン（２６）が駆動される。そして、このガスエンジン（２６）の駆動はガスエンジン（２６）に接続された発電機（２７）によって電気エネルギーに変換される。ガスエンジン（２６）での発電に用いられた後に生じたガスは、煙突（２８）を介して外部に排出される。また、ガスエンジンの駆動の際に発生する熱は、外部に放散される。
【００３７】
図１と図７および図８（ａ）を比較して明らかなように、以上の本発明のガス発電システムは、従来のガス発電システムとは異なり、ガス化炉（２１）からの合成ガス中に含まれるチャーおよびタールを、セラミックフィルタ（２３）に通すことによって除去しているので、タールを除去するための改質炉を別途設ける必要がなく、当然、従来改質炉を駆動するために必要であったエネルギー負荷を省略することができる。さらには、改質炉で行っていた部分燃焼を行う必要もないので、合成ガスの一部が部分燃焼のために消費されることもなく、合成ガスの使用効率も良好である。
【００３８】
（燃料電池発電システム）
図２は、本発明の燃料電池システムを説明するフローシートである。なお、既に説明した図１のガス発電システムと同一の構成については同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。また、同一の作用についても簡略して説明する。
【００３９】
本システムにおいて、まず、石炭、バイオマス、有機系廃棄物、石油等の水素源をガス化炉（２１）に導入し、押込送風機（２２）によって空気等を導入しつつガス化炉内の水素源を加熱することにより、合成ガスが生成する。
【００４０】
次に、ガス化炉（２１）にて生成した合成ガスは、改質炉（３１）に導入される。ガス化炉（２１）で生成した合成ガスは、ＣＯ、Ｈ２の主成分の他、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８等の炭化水素も含んでおり、これは、ＭＣＦＣ（３２）の安定的な運転の妨げの原因となるため、このような炭化水素を部分燃焼させることによりこれらを除去することが本システムでの改質炉（３１）の役割である。改質炉（３１）での炭化水素の部分燃焼は、水蒸気を含む空気または酸素が導入された条件下に行われる。
【００４１】
次に、改質炉（３１）から出た合成ガスは、本発明のセラミックフィルタ（２３）に通され、合成ガス中のタールおよびチャーが除去され清浄化される。
【００４２】
セラミックフィルタ（２３）を通過した後の合成ガスは、ＭＣＦＣ（３２）に導入され、ＭＣＦＣ（３２）の駆動により、供給された合成ガスから熱と電気が発生する。発生した熱は外部に放散される。発生した電気は図示しない電線を介して使用に供される。また、ＭＣＦＣ（３２）に導入されたガスは、ＭＣＦＣ（３２）での反応により水になり、これは図示を省略する排水路を介して外部に排出される。
【００４３】
図２と図７および図８（ｂ）を比較することにより、本発明の燃料電池発電システムにより得られる効果を説明する。
【００４４】
まず、本システムおよび従来のシステムのいずれにおいても、ガス化炉（１、２１）から出たガスは、改質炉（２、３１）に通されている。しかしながら、従来のシステムにおける改質炉（２）が合成ガス中のタールおよび炭化水素を除去するために設けられているのに対して、本システムでは、タールはセラミックフィルタ（２３）にて除去することができるので、本システムにおける改質炉（３１）は、合成ガス中の炭化水素を除去することを主目的とする。したがって、本システムでは、炭化水素だけを部分燃焼させればよいので、従来のシステムに比較して改質炉（３１）の負荷を大幅に軽減することができる。したがって、改質炉（３１）をより小型かつ簡単な構成のものにしてもよい。また、部分燃焼を少なくすることができるので、Ｈ２の収率を向上させることができる。
【００４５】
また、従来のシステムでは、合成ガスをバグフィルタ（４）に通すために、ガス冷却器（３）により一旦合成ガスを冷却し、その後、バグフィルタ（４）を通過した後の合成ガスに対して、再度、ＭＣＦＣ（１１）に適した高温にするためにガス再加熱器（１０）により再加熱を行っているが、本システムにおけるセラミックフィルタ（２３）は耐熱性を有するので、このようなガス冷却器（３）を設置する必要がなく、高温のままセラミックフィルタ（２３）に通し、セラミックフィルタ（２３）を通過した合成ガスは、再加熱器で再加熱する必要なくそのまま高温を維持してＭＣＦＣ（３２）に導入される。したがって、本システムにおいては、一旦冷却した後に再度加熱するというようなエネルギー効率の悪い操作を必要としない。
【００４６】
さらに、従来のシステムでは、改質炉のみによってＭＣＦＣへ供給するために充分な炭化水素、タールを除去（分解）することができないが、本システムにおいては、上記のセラミックフィルタ（２３）を使用することによって、ＭＣＦＣへ供給するのに充分なタールの分解およびダスト除去が可能となるため、ガス洗浄装置を設けることが不要となる。
【００４７】
（合成ガス液化システム）
図３は、本発明の合成ガス液化システムを説明するフローシートである。なお、既に説明した図１および図２の各システムと同一の構成については同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。また、作用が同一である部分も説明を簡略化する。
【００４８】
本システムでは、石炭、バイオマス、有機系廃棄物、石油等の水素源をガス化炉（２１）に導入し、押込送風機（２２）によって空気等を導入しつつガス化炉（２１）内の合成ガス源を加熱することにより合成ガスが生成する。
【００４９】
次に、ガス化炉（２１）にて生成した合成ガスは、改質炉（３１）に導入される。ガス化炉（２１）で生成した合成ガスは、タールを含んでおり、これが、ＦＴ合成装置（４２）内の液化触媒を被毒し液化燃料を得る際の妨げとなるため、タールを完全に除去するために、本システムでは多段にわたってタールを除去する処理を行っている。本システムにおける改質炉（２１）は、合成ガス中のタールを部分燃焼することによりこれを除去しており、ここでの処理が、タール除去操作の第１段目の処理である。
【００５０】
次に、改質炉（２１）から出た合成ガスは、セラミックフィルタ（２３）に通され、合成ガス中のタールおよびチャーが除去される。セラミックフィルタ（２３）に担持されるタール分解触媒によるタールの分解が、第２段目のタール処理である。
【００５１】
セラミックフィルタ（２３）を通過した後の合成ガスは、ガス洗浄装置（４１）に導入され、タールが除去される。ここでのガス洗浄が第３段目のタール除去である。このように３段にわたるタール除去処理により合成ガス中のタールは完全に除去される。
【００５２】
ガス洗浄装置（４１）から出た合成ガスは、ＦＴ合成装置（４２）に導入される。ＦＴ合成装置（４２）では、例えば、鉄、コバルト等の液化触媒の存在下に、導入された合成ガスを加圧した条件下に液化反応が行われ、これにより、ガソリン、ディーゼル油、ＤＭＥ等の液化ガスが生成する。液化しない他のガス成分は必要に応じて他の適当な処理がなされた後、排気される。
【００５３】
図３と図７および図８（ｃ）を比較することにより、本発明の合成ガス液化システムにより得られる効果を説明する。
【００５４】
まず、本システムおよび従来のシステムのいずれにおいても、ガス化炉（１、２１）から出たガスは、改質炉（２、３１）に通されている。しかしながら、従来のシステムでは、改質炉（２）のみによってタールを除去しているのに対して、本システムでは、セラミックフィルタ（２３）においてもタールを除去している。したがって、本システムでは、改質炉（３１）で完全にタールを除去できなくても、セラミックフィルタ（２３）においてもタールを除去することができるので、従来のシステムに比較して改質炉（３１）の負荷を大幅に軽減することができる。したがって、改質炉（３１）を小型かつ簡単な構成のものにしてもよい。また、部分燃焼に要するエネルギーが軽減されるので、合成ガスの収率が向上する。結果として液体燃料の収率も向上する。
【００５５】
さらに、従来のシステムでは、合成ガスをバグフィルタ（４）に通すために、ガス冷却器（３）により合成ガスを冷却している。これに対して、本システムでは、セラミックフィルタ（２３）が耐熱性を有するので、このようなガス冷却器（２３）を設置する必要がない。したがって、本システムは、ガス冷却器を設置する必要がない分従来に比べて大掛かりにならず、さらには、ガス冷却に要するエネルギーを省略することもできる。
【００５６】
（実施例）
次に、実際に本発明のセラミックフィルタを用いて合成ガスからのタールおよびチャーの除去効果を確認したので、このことについて説明する。
【００５７】
（１）タールを分解するための触媒として、ＩＳＯＰ触媒（ズードケミー触媒社製）を用いた。この触媒は、本発明者らが別途行った分析によると、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を７４．０重量％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を５．９０重量％、酸化ニッケルを１９．４重量％含有していた。
【００５８】
（２）高温集塵セラミックフィルタ（イソフィル，イソライト工業社製）を図４に示す有底円筒状に成型した後、これに粉砕したＩＳＯＰ触媒を保持させ、タール分解性の触媒を担持したセラミックフィルタ（５４）を得た。このセラミックフィルタ（５４）の外径Ａは４０ｍｍ程度、内径Ｂは２６ｍｍ程度、長さＣは１４９ｍｍ程度であり、約６．５〜８．５ｍｍの厚さを有している。触媒は、主としてフィルタの内壁側に存在している。
【００５９】
（３）市販の木質ペレットを粉砕し、これを試験サンプルとした。この試験サンプルの成分組成および元素組成を別途分析した。結果を下記表１に示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】
（４）図５に示す熱分解発生ガス量測定装置により上記（３）により得られた試験サンプルを熱分解し、熱分解発生ガス量を測定した。その試験操作は下記の通りである。
【００６２】
ａ）水平に配された反応管（５０）の上流部に冷却管（５１）が外装され、下流部に円筒状の電気炉（５３）が外装されている。冷却水により冷却される冷却管（５１）内に上記（２）の試験サンプルを入れた試料皿（５２）を装入し、合成ガス発生場である電気炉（５３）内の後端部に上記（２）により作製されたセラミックフィルタ（５４）を配置した。冷却管（５１）および電気炉（５３）が外装された反応管（５１）内にアルゴンガスを０．５Ｌ／分の流量で流すことにより、系内をアルゴンガスで置換し還元雰囲気とした。また、電気炉（５３）を起動し、電気炉内の加熱を始める。電気炉内の温度は温度制御計（ＴＣ）（５５）により制御した。
【００６３】
ｃ）次にアルゴンガスの通気を停止させ、系内が常圧となるのをマノメータ（５６）により確認した後、ガス入出を制御するバルブ（５７）を閉じた。
【００６４】
ｄ）反応管（５０）内の試料皿（５２）を電気炉（５３）の長さ中央まで押し込み、試験サンプルの熱分解を開始させた。
【００６５】
ｅ）発生する熱分解ガスを水溜（５８）に導入した。このとき、系内の圧力が常圧を保ように水溜下端側面のコック（５９）を開け、水をメスシリンダー（６０）に抜き出した。
【００６６】
ｆ）試験サンプルの熱分解を１５分にわたり行い、その後、電気炉（５３）を停止させ、試料皿（５２）を冷却管（５１）の所まで戻し、再びアルゴンガスを通気しながら、これを冷却した。
【００６７】
ｇ）１５分間にわたる熱分解中の水の排出量を熱分解発生ガス量とした。
【００６８】
結果は、下記表３に示す。
【００６９】
（５）次に、熱分解ガスの組成を計測するために、図６に示す装置を用いて上記（３）の試料サンプルの熱分解を行い、電気炉（５３）を通過した後の熱分解ガスを回収し、これを分析した。なお、簡単のため、図５と同一の構成については同一の参照符号を用いた。その実験操作は下記の通りである。
【００７０】
ａ）上記（３）の試料サンプルを約２ｇ入れた試料皿（５２）を反応管（５０）内の冷却管（５１）の所まで装入し、アルゴンガスを０．５Ｌ／分の流量で通気し、系内をアルゴンガスで置換し管内を還元雰囲気とした。また電気炉（５３）を起動して電気炉（５３）内の加熱を開始した。電気炉内の温度はＴＣ（５５）によって制御した。
【００７１】
ｂ）アルゴンガスの通気を停止させ、系内が常圧となるのをマノメータ（５６）で確認し、ガス排出のバルブ（５７）を閉じ、後段テドラーバッグ（６３）へのコック（６４）を開いた。
【００７２】
ｃ）反応管（５０）内の試料皿（５２）を電気炉（５３）の長さ中央まで押し込み、試料サンプルの熱分解を、制御された温度（６００、７００、８００、９００℃）で１５分にわたり行った。
【００７３】
ｄ）１５分間にわたる熱分解後に、電気炉（５３）を停止させ、試料皿を反応管（５０）内の冷却管（５１）の所まで戻した。
【００７４】
ｅ）アルゴンガスを溜めておいた前段テドラーバック（６１）から注射器（６２）により３Ｌのアルゴンガスを流し込み、系内に残存する熱分解ガスを全て後段テドラーバック（６３）にて回収させ、系内をアルゴンガスで置換した。なお、本系において３Ｌのアルゴンガスにより系内のガスの全量が置換されることは、予備実験により確認している。
【００７５】
ｆ）後段テドラーバッグ（６３）内のガスについて、ガスクロマトグラフによりガス組成を分析した。その分析条件は、表２の通りである。
【００７６】
【表２】
【００７７】
上記により得られたガスクロマトグラフによる分析結果を下記表に示す。表３はガス発生量、表４はガス組成比、表５は熱分解収支をそれぞれ示している。また、参考のため、セラミックフィルタを使用しない場合およびタール等分解触媒を担持させていないセラミックフィルタを使用した場合について得られた結果を併せて示す。
【００７８】
各表について、（ａ）は、セラミックフィルタを使用しない場合、（ｂ）は、タール等分解触媒を担持させていないセラミックフィルタを使用した場合、（ｃ）は、タール等分解触媒を担持させたセラミックフィルタを使用した場合を示している。
【００７９】
【表３】
【００８０】
表３から明らかなように、（ｃ）の場合には、他の場合に比較してガス発生量が増加した。また、（ｂ）の場合にＣ２以上のガスの発生が確認できるのに対して、（ｃ）の場合には、Ｃ２以上のガスの発生が見られなかった。さらに、Ｈ２の量が大幅に増加していた。
【００８１】
【表４】
【００８２】
表４から明らかなように、ガス発生量と同様に、触媒が存在しない（ａ）および（ｂ）の場合には、Ｃ２以上のガスが発生しているが、触媒を担持させた（ｃ）の場合には、各温度ともＣ２以上のガスが分解されているために存在しておらず、また、Ｈ２の組成比率が大幅に増加していることが分かる。
【００８３】
【表５】
【００８４】
表５には、上記装置による熱分解反応によって生じた各成分の割合を示す。なお、表中の成分のうち、チャーおよびタールはセラミックフィルタで捕集された測定値であり、他の成分は後段テドラーバッグに回収された成分の値である。表５から明らかなように、すべての温度において触媒を担持させた（ｃ）の場合にガス割合が増加しており、タールの割合が大幅に減少していることが分かる。また、７００℃において、最も顕著にガス割合が増加している。これは、ＩＳＯＰ触媒の使用温度条件が７００℃であることから最も触媒の活性が高かったためであると考えられる。
【００８５】
上記各実施例により得られた結果に基づいて、以下の知見が得られた。
【００８６】
１）全ての温度条件においてタール分解触媒により、タールが分解されている。
【００８７】
２）触媒を担持させた場合では、ガス発生量は、他の場合に比較して、１．５３〜１．９４倍に増加した。
【００８８】
３）触媒を担持された場合では、ガス中のＨ２の割合は、他の場合に比較して、１．９９〜２．６５倍に増加した。
【００８９】
４）熱分解収支の計算の結果、発生するガスの割合は、触媒を担持させた場合には、他の場合に比較して１．１９〜１．５９倍に増加した。一方で、タールと水分の割合は、０．１６〜０．７１倍と大幅に減少した。特に、７００℃で行った場合にはタールおよび水分の割合が０．１６倍と大きく減少した。このような高い活性が得られたことは、ＩＳＯＰ触媒のメーカー推奨使用温度が７００℃付近であることと一致している。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明のガスエンジン発電システムを説明するフローシートである。
【図２】本発明の燃料電池システムを説明するフローシートである。
【図３】本発明の合成ガス液化システムを説明するフローシートである。
【図４】実施例に使用したセラミックフィルタの構造を示す図である。
【図５】実施例での熱分解発生量の測定に使用した熱分解発生ガス量測定装置を示す構成図である。
【図６】実施例での熱分解ガスのガス量およびガス組成の測定に使用した熱分解発生ガス量測定装置を示す構成図である。
【図７】従来のシステムのうち、各システムに共通する合成ガス生成および清浄化のための構成を示すフローシートである。
【図８】従来のシステムのうち、清浄化された合成ガスを利用するシステムの構成を示すフローシートであり、（ａ）はガスエンジン発電システム、（ｂ）は燃料電池発電システム、（ｃ）は合成ガス油化システムである。
【符号の説明】
【００９１】
２１ ガス化炉
２２ 押込送風機
２３ セラミックフィルタ
２４ ガス冷却器
２５ 誘引送風機
２６ ガスエンジン
２７ 発電機
２８ 煙突
３１ 改質炉
３２ ＭＣＦＣ
４１ ガス洗浄装置
４２ ＦＴ合成装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化炉から出たガス中の有害物質を除くためのセラミックフィルタおよびそのセラミックフィルタを用いたシステムに関し、特には、石油、石炭、廃棄物、バイオマス等をガス化炉で処理した際に発生する合成ガスを、ガス化発電装置（ガスエンジン、燃料電池等）、合成ガス液化装置（ＦＴ合成等）等に使用できるように処理することに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油、石炭、廃棄物、バイオマス等からＨ２、ＣＯを主成分とする合成ガスを生成し、このガスを発電、液化油生成等に利用するシステムが種々知られている（非特許文献１、２）。
【０００３】
図７および８は、上記システムの概略を図示するフローシートであり、図７には、このようなシステムにおいて共通する合成ガス生成および清浄化のための構成が示され、図８には、図７に示す構成により清浄化された合成ガスを利用するシステム（ａ）（ｂ）（ｃ）がそれぞれ図示されており、（ａ）はガスエンジン発電システム、（ｂ）は燃料電池発電システム、（ｃ）は合成ガス油化システムである。
【０００４】
上記システムでは、まず、図７に示すように、石油、石炭、廃棄物、バイオマス等の合成ガス源が、固定床、流動床、ロータリーキルン等のガス化炉（１）内に導入され、ここで、空気存在下に導入された前記の合成ガス源を加熱することにより、ＣＯ、Ｈ２を主成分とする合成ガスが生成する。
【０００５】
しかしながら、上記のように生成される合成ガス中には、ＣＯおよびＨ２の他に、タール、チャー等の後の各システムでの使用に際して有害となる成分が含まれている。
【０００６】
タールは、これがガス中含まれていると、バグフィルタやガスエンジンの吸気系等に付着し、微量の付着物を核にして成長し、さらには、成長した付着物が付着した部分で固化し、ガスの流れを閉塞する等により安定した運転の継続が妨げられるに至る。
【０００７】
チャーや灰は、これがガス中に含まれていると、生成されたガスの使用に際して機器のつまりの原因になるので、予め除去しておく必要がある。
【０００８】
上記システムにおいては、図７に示されるように、ガスの流れ方向の上流側から、改質炉（２）、ガス冷却器（３）、バグフィルタ（４）が設けられており、これらを順次に合成ガスが通過していくことによって上記各有害成分が除去される。
【０００９】
タールの除去は、改質炉（２）において、タールを部分燃焼させることにより行われる。ここでの部分燃焼は、水蒸気を含む空気または酸素が導入された条件下に行われる。また、合成ガスを燃料電池システムのために適用する場合には、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８等の炭化水素類が存在していると、これがセルに析出することにより安定運転が阻害される要因となるので、ここでのタールの除去と並んで、Ｃ２Ｈ６等の炭化水素を部分燃焼により除去する処理が行われる。
【００１０】
チャーや灰および改質炉（２）で分解されなかった少量のタールの除去は、バグフィルタ（４）にて、これを集塵することにより行われる。しかしながら、改質炉（２）から出た合成ガスは高温であり、そのままの温度では、バグフィルタ（４）に通すことができないので、バグフィルタ（４）の前流側には、合成ガスを冷却するためのガス冷却器（３）が設置されており、ここで、合成ガスは２００℃程度まで冷却される。
【００１１】
図８（ａ）に示すガスエンジン発電システムでは、清浄にされた合成ガスは、誘引送風機（Induced Draft Fan：ＩＤＦ）（５）によってガスエンジン（６）に供給され、ガスエンジン（６）内での合成ガスの燃焼によりガスエンジン（６）を駆動し、このガスエンジン（６）の駆動によって生じたエネルギーは発電機（７）によって電気エネルギーに変換される。ガスエンジン（６）にて発生した熱は外部に放散される。発生した電気は図示しない電線を介して使用に供される。発電処理後のガスエンジン（６）から出るガスは、煙突（８）を介して外部に排出される。
【００１２】
図８（ｂ）に示す燃料電池発電システムでは、合成ガスは、誘引送風機（５）によってガス洗浄装置（９）に通され、ここで、さらなるガス洗浄操作が行われる。この処理により、ガス中に微量に残留するタール、チャー、灰等が除去される。ガス洗浄装置（９）から出たガスは、ガス再加熱器（１０）により再加熱され、次いで、溶融炭酸塩形燃料電池（Ni-based porous molten carbonate fuel cell，以下、ＭＣＦＣと称する）（１１）に導入され、ＭＣＦＣ（１１）内において、供給された合成ガスに基づいて熱と電気が発生する。発生した熱は外部に放散される。発生した電気は図示しない電線を介して使用に供される。また、ＭＣＦＣ（１１）に導入されたガスは、ＭＣＦＣ（１１）での反応により水になり、これは図示を省略する排水路を介して外部に排出される。
【００１３】
図８（ｃ）に示す合成ガス油化システムでは、合成ガスは、誘引送風機（５）によってガス洗浄装置（９）に通され、ここで、さらなるガス洗浄操作が行われる。この処理により、ガス中に微量に残留するタール、チャー、灰等が除去される。ガス洗浄装置（９）から出たガスは、フィッシャー・トロプシュ（Fischer-Tropsche，以下、ＦＴと称する）合成装置（１２）に導入される。ＦＴ合成装置（１２）では、液化触媒の存在下かつ加圧条件下に、導入された合成ガスの液化反応が行われ、これにより、ガソリン、ディーゼル油、ジメチルエーテル（Di-Methyl Ether：ＤＭＥ）等の液化ガスが生成する。他のガス成分は必要であれば適当な処理がなされた後、排気される。
【００１４】
しかしながら、上記の合成ガスを利用するシステムには、以下に示すような問題点が挙げられる。
【００１５】
（ａ）改質炉（２）は、合成ガス中に含まれるタールおよび燃料電池システムに用いる場合にはＣ２Ｈ６等の炭化水素を除去するために設けられるものであるが、タール等を除くためにこのような余分な構成要素を含んでいることにより、上記システムが大掛かりなものになる。また、改質炉（２）を駆動するために多大なエネルギーを要する。さらに、改質炉（２）によるタール等の除去は、部分燃焼により行うものであるが、このような部分燃焼による方法では、合成ガス中のＨ２およびＣＯの一部までが改質炉内において燃焼されてしまうことになり、合成ガスの有効利用の点でも改質炉に代わる除去方法が望まれている。また、改質炉（２）によるタールおよび炭化水素類（Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６等）の除去は完全なものではなく、燃料電池発電システムでは、ＭＣＦＣ（１１）に合成ガスが導入される前に再度ガス洗浄操作を行わなければならない。したがって、より完全にタールおよび炭化水素類を除去するためにも改質炉（２）に代わる手段が望まれる。
【００１６】
（ｂ）燃料電池発電システムに合成ガスを用いる場合、ＭＣＦＣ（１１）に導入される際の合成ガスの最適温度は６５０℃程度である。他方、バグフィルタ（４）によりチャーを除去するためには、合成ガスの温度は２００℃程度でなければならない。結果として、改質炉（２）から出た高温の合成ガスをバグフィルタ（４）に導入するために一旦ガス冷却器（３）で２００℃まで低下させた後、ＭＣＦＣ（１１）に導入するために、バグフィルタ（４）から出たガスを再度ガス再加熱器（１０）により６５０℃程度まで温度を上昇させなければならず、極めてエネルギー効率が悪い操作手順になっている。したがって、エネルギー効率の点からバグフィルタを他の適切な除去手段に置き換えることが望まれる。
【非特許文献１】社団法人日本伝熱学会編，「環境と省エネルギーのためのエネルギー新技術大系」，（株）エヌ・ティー・エス発行，２００３年，第２刷，ｐ６２４
【非特許文献２】小澤政弘、“燃料電池とバイオマス（２）”、電機、２００４年３月、［平成１８年２月２２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jema-net.or.jp/Japanese/denki/2004/de-0403/p09-12.pdf#search='MCFC＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記種々の問題点を解決するためになされたものであり、合成ガスを利用するシステムにおける装置構成を簡略にすることができ、しかもエネルギー効率の向上を図ることができるセラミックフィルタおよびそのセラミックフィルタを用いたシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明のセラミックフィルタは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたものである。
【００１９】
上記本発明のセラミックフィルタにおいて、前記触媒はアルミナ担体に酸化ニッケルが担持されてなるものであることが好ましい。
【００２０】
上記本発明のセラミックフィルタにおいて、前記触媒はさらに酸化カルシウムを担持するものであることが好ましい。
【００２１】
本発明のガスエンジン発電システムは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生したガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、チャーおよびタールが除去された合成ガスをガスエンジンに供給するものである。
【００２２】
本発明の燃料電池発電システムは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生したガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、かつ、改質炉にて炭化水素を除去して、チャー、タールおよび炭化水素が除去された合成ガスを燃料電池装置に供給するものである。
【００２３】
本発明の合成ガス油化システムは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生した排気ガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、かつ、改質炉にてタールを分解して、チャーおよびタールが除去された合成ガスをＦＴ合成装置に供給するものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のセラミックフィルタは、少なくともタールを分解する触媒が担持されたものであるので、合成ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、同ガス中に含まれるタールを分解するので、ダストおよびタールの両方を処理することができ、しかも、耐熱性を有するので、従来のシステムで必要であった改質炉、冷却器を省略することができ、当然、これらの駆動に要するエネルギーも省略することができ、ガス発電、燃料電池発電および合成ガス油化の各システムに好適に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明のセラミックフィルタおよびそのセラミックフィルタを用いたシステムについて詳細に説明する。
【００２６】
（セラミックフィルタ）
本発明のセラミックフィルタは、少なくともタールを分解し、さらには炭化水素も分解する触媒（以下、タール等分解触媒と称する）が担持されてなるものである。
【００２７】
本発明のセラミックフィルタを構成するセラミックは、タール等分解触媒を担持することができるものであればいかなる材料を用いてもよいが、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化チタン、炭化チタン等の非酸化物セラミック、アルミナ、コージェライト、ムライト、シリカ、ジルコニア、チタニア等の酸化物セラミック等を挙げることができる。これらのうち、アルミナが特に好ましい。
【００２８】
上記セラミックに担持されるタール等分解触媒は、炭化水素およびタールを分解可能なものであればいかなるものを用いてもよいが、例えば、ＲｈＣｌ等のＲｈ系、ＮｉＯ等のＮｉ系の金属が挙げられる。本発明に関する触媒は単独種の金属を用いても２種以上を組み合わせた複数種の金属を用いてもよい。さらに、本発明に関する触媒は、上記金属に加え、ＣａＯ、ＣｅＯ２をさらに担持していてもよい。
【００２９】
本発明のセラミックフィルタは、下記（ｉ）〜（ｉｉｉ）のいずれかを実施することにより作製される：
（ｉ）粒子状の触媒金属を上記のセラミック材料に添加し、これらを混ぜ合わせた後、得られた混合物をフィルタの形状に成型し、これを焼成することにより作製する；
（ｉｉ）触媒を粉体状にし、これを、セラミックファイバでバグ状等に成型したものに保持させる；
（ｉｉｉ）触媒を粉体状にし、これをセラミックファイバに保持させ、その後、これをバグ状等に成型する。
【００３０】
粉体状の触媒金属は、触媒金属自体の形態であってもよいし、アルミナ等の担体に担持されたような形態であってもよい。また、本発明のセラミックフィルタを（ｉ）により作製する場合の好適な焼成温度は、１０００〜１２００℃である。このようにして作製されるセラミックフィルタは、ガス化炉から出てくる合成ガス中に含まれるチャーを捕集することができるような多孔性を有する。
【００３１】
本発明のセラミックフィルタは、ガス化炉からの合成ガス中に含まれるチャーを捕集することができ、さらには、タールを分解し、さらに炭化水素を分解する触媒を担持しているので、チャーの捕集と同時にタールおよび炭化水素を分解することができる。結果として、本発明のセラミックフィルタを通された後の合成ガスは、チャー、タールおよび炭化水素が除去された清浄なものとなる。また、本発明のセラミックフィルタは、セラミックからなり耐熱性を有するので、従来のバグフィルタとは異なり、ガス化炉から出てくる高温の合成ガスを冷却することなく、そのままセラミックフィルタに通してもよい。
【００３２】
次に、上記のセラミックフィルタを用いた合成ガス適用システムについて具体的に説明する
（ガスエンジン発電システム）
図１は、本発明のガスエンジン発電システムを説明するフローシートである。
【００３３】
本システムでは、まず、石油、石炭、廃棄物、バイオマス等の合成ガス源が、ガス化炉（２１）に導入され、ガス化炉（２１）内において、押込送風機（２２）によって空気等の酸素含有気体を導入しつつ合成ガス源を加熱する。これにより、ＣＯ、Ｈ２を主成分とする合成ガスが生成する。ここで、ガス化炉（２１）は、合成ガスを生成させるために当業者によって使用され得るあらゆる種類の炉が用いられてよく、このような用途に用いられる炉としては、例えば、固定床、流動床、ロータリーキルン等が挙げられる。
【００３４】
次に、ガス化炉（２１）にて生成した合成ガスは、本発明のセラミックフィルタ（２３）に通される。セラミックフィルタ（２３）は、上記のようにタール等分解触媒を担持しているので、合成ガスがセラミックフィルタを通過する際に、合成ガス中のチャーが捕集されると共に、合成ガス中のタールが分解される。結果として、セラミックフィルタ（２３）を通過した後の合成ガスは、チャーおよびタールが除去されて清浄化される。
【００３５】
セラミックフィルタ（２３）を通過した後の合成ガスは、ガス冷却器（２４）に通されて、ここで、例えば４０〜８０℃に冷却される。
【００３６】
ガス冷却器（２４）から出た合成ガスは、誘引送風機（２５）を経て、ガスエンジン（２６）に供給される。ガスエンジン（２６）に合成ガスが供給されると、合成ガスの燃焼によりガスエンジン（２６）が駆動される。そして、このガスエンジン（２６）の駆動はガスエンジン（２６）に接続された発電機（２７）によって電気エネルギーに変換される。ガスエンジン（２６）での発電に用いられた後に生じたガスは、煙突（２８）を介して外部に排出される。また、ガスエンジンの駆動の際に発生する熱は、外部に放散される。
【００３７】
図１と図７および図８（ａ）を比較して明らかなように、以上の本発明のガス発電システムは、従来のガス発電システムとは異なり、ガス化炉（２１）からの合成ガス中に含まれるチャーおよびタールを、セラミックフィルタ（２３）に通すことによって除去しているので、タールを除去するための改質炉を別途設ける必要がなく、当然、従来改質炉を駆動するために必要であったエネルギー負荷を省略することができる。さらには、改質炉で行っていた部分燃焼を行う必要もないので、合成ガスの一部が部分燃焼のために消費されることもなく、合成ガスの使用効率も良好である。
【００３８】
（燃料電池発電システム）
図２は、本発明の燃料電池システムを説明するフローシートである。なお、既に説明した図１のガス発電システムと同一の構成については同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。また、同一の作用についても簡略して説明する。
【００３９】
本システムにおいて、まず、石炭、バイオマス、有機系廃棄物、石油等の水素源をガス化炉（２１）に導入し、押込送風機（２２）によって空気等を導入しつつガス化炉内の水素源を加熱することにより、合成ガスが生成する。
【００４０】
次に、ガス化炉（２１）にて生成した合成ガスは、改質炉（３１）に導入される。ガス化炉（２１）で生成した合成ガスは、ＣＯ、Ｈ２の主成分の他、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８等の炭化水素も含んでおり、これは、ＭＣＦＣ（３２）の安定的な運転の妨げの原因となるため、このような炭化水素を部分燃焼させることによりこれらを除去することが本システムでの改質炉（３１）の役割である。改質炉（３１）での炭化水素の部分燃焼は、水蒸気を含む空気または酸素が導入された条件下に行われる。
【００４１】
次に、改質炉（３１）から出た合成ガスは、本発明のセラミックフィルタ（２３）に通され、合成ガス中のタールおよびチャーが除去され清浄化される。
【００４２】
セラミックフィルタ（２３）を通過した後の合成ガスは、ＭＣＦＣ（３２）に導入され、ＭＣＦＣ（３２）の駆動により、供給された合成ガスから熱と電気が発生する。発生した熱は外部に放散される。発生した電気は図示しない電線を介して使用に供される。また、ＭＣＦＣ（３２）に導入されたガスは、ＭＣＦＣ（３２）での反応により水になり、これは図示を省略する排水路を介して外部に排出される。
【００４３】
図２と図７および図８（ｂ）を比較することにより、本発明の燃料電池発電システムにより得られる効果を説明する。
【００４４】
まず、本システムおよび従来のシステムのいずれにおいても、ガス化炉（１、２１）から出たガスは、改質炉（２、３１）に通されている。しかしながら、従来のシステムにおける改質炉（２）が合成ガス中のタールおよび炭化水素を除去するために設けられているのに対して、本システムでは、タールはセラミックフィルタ（２３）にて除去することができるので、本システムにおける改質炉（３１）は、合成ガス中の炭化水素を除去することを主目的とする。したがって、本システムでは、炭化水素だけを部分燃焼させればよいので、従来のシステムに比較して改質炉（３１）の負荷を大幅に軽減することができる。したがって、改質炉（３１）をより小型かつ簡単な構成のものにしてもよい。また、部分燃焼を少なくすることができるので、Ｈ２の収率を向上させることができる。
【００４５】
また、従来のシステムでは、合成ガスをバグフィルタ（４）に通すために、ガス冷却器（３）により一旦合成ガスを冷却し、その後、バグフィルタ（４）を通過した後の合成ガスに対して、再度、ＭＣＦＣ（１１）に適した高温にするためにガス再加熱器（１０）により再加熱を行っているが、本システムにおけるセラミックフィルタ（２３）は耐熱性を有するので、このようなガス冷却器（３）を設置する必要がなく、高温のままセラミックフィルタ（２３）に通し、セラミックフィルタ（２３）を通過した合成ガスは、再加熱器で再加熱する必要なくそのまま高温を維持してＭＣＦＣ（３２）に導入される。したがって、本システムにおいては、一旦冷却した後に再度加熱するというようなエネルギー効率の悪い操作を必要としない。
【００４６】
さらに、従来のシステムでは、改質炉のみによってＭＣＦＣへ供給するために充分な炭化水素、タールを除去（分解）することができないが、本システムにおいては、上記のセラミックフィルタ（２３）を使用することによって、ＭＣＦＣへ供給するのに充分なタールの分解およびダスト除去が可能となるため、ガス洗浄装置を設けることが不要となる。
【００４７】
（合成ガス液化システム）
図３は、本発明の合成ガス液化システムを説明するフローシートである。なお、既に説明した図１および図２の各システムと同一の構成については同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。また、作用が同一である部分も説明を簡略化する。
【００４８】
本システムでは、石炭、バイオマス、有機系廃棄物、石油等の水素源をガス化炉（２１）に導入し、押込送風機（２２）によって空気等を導入しつつガス化炉（２１）内の合成ガス源を加熱することにより合成ガスが生成する。
【００４９】
次に、ガス化炉（２１）にて生成した合成ガスは、改質炉（３１）に導入される。ガス化炉（２１）で生成した合成ガスは、タールを含んでおり、これが、ＦＴ合成装置（４２）内の液化触媒を被毒し液化燃料を得る際の妨げとなるため、タールを完全に除去するために、本システムでは多段にわたってタールを除去する処理を行っている。本システムにおける改質炉（２１）は、合成ガス中のタールを部分燃焼することによりこれを除去しており、ここでの処理が、タール除去操作の第１段目の処理である。
【００５０】
次に、改質炉（２１）から出た合成ガスは、セラミックフィルタ（２３）に通され、合成ガス中のタールおよびチャーが除去される。セラミックフィルタ（２３）に担持されるタール分解触媒によるタールの分解が、第２段目のタール処理である。
【００５１】
セラミックフィルタ（２３）を通過した後の合成ガスは、ガス洗浄装置（４１）に導入され、タールが除去される。ここでのガス洗浄が第３段目のタール除去である。このように３段にわたるタール除去処理により合成ガス中のタールは完全に除去される。
【００５２】
ガス洗浄装置（４１）から出た合成ガスは、ＦＴ合成装置（４２）に導入される。ＦＴ合成装置（４２）では、例えば、鉄、コバルト等の液化触媒の存在下に、導入された合成ガスを加圧した条件下に液化反応が行われ、これにより、ガソリン、ディーゼル油、ＤＭＥ等の液化ガスが生成する。液化しない他のガス成分は必要に応じて他の適当な処理がなされた後、排気される。
【００５３】
図３と図７および図８（ｃ）を比較することにより、本発明の合成ガス液化システムにより得られる効果を説明する。
【００５４】
まず、本システムおよび従来のシステムのいずれにおいても、ガス化炉（１、２１）から出たガスは、改質炉（２、３１）に通されている。しかしながら、従来のシステムでは、改質炉（２）のみによってタールを除去しているのに対して、本システムでは、セラミックフィルタ（２３）においてもタールを除去している。したがって、本システムでは、改質炉（３１）で完全にタールを除去できなくても、セラミックフィルタ（２３）においてもタールを除去することができるので、従来のシステムに比較して改質炉（３１）の負荷を大幅に軽減することができる。したがって、改質炉（３１）を小型かつ簡単な構成のものにしてもよい。また、部分燃焼に要するエネルギーが軽減されるので、合成ガスの収率が向上する。結果として液体燃料の収率も向上する。
【００５５】
さらに、従来のシステムでは、合成ガスをバグフィルタ（４）に通すために、ガス冷却器（３）により合成ガスを冷却している。これに対して、本システムでは、セラミックフィルタ（２３）が耐熱性を有するので、このようなガス冷却器（２３）を設置する必要がない。したがって、本システムは、ガス冷却器を設置する必要がない分従来に比べて大掛かりにならず、さらには、ガス冷却に要するエネルギーを省略することもできる。
【００５６】
（実施例）
次に、実際に本発明のセラミックフィルタを用いて合成ガスからのタールおよびチャーの除去効果を確認したので、このことについて説明する。
【００５７】
（１）タールを分解するための触媒として、ＩＳＯＰ触媒（ズードケミー触媒社製）を用いた。この触媒は、本発明者らが別途行った分析によると、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を７４．０重量％、酸化カルシウム（ＣａＯ）を５．９０重量％、酸化ニッケルを１９．４重量％含有していた。
【００５８】
（２）高温集塵セラミックフィルタ（イソフィル，イソライト工業社製）を図４に示す有底円筒状に成型した後、これに粉砕したＩＳＯＰ触媒を保持させ、タール分解性の触媒を担持したセラミックフィルタ（５４）を得た。このセラミックフィルタ（５４）の外径Ａは４０ｍｍ程度、内径Ｂは２６ｍｍ程度、長さＣは１４９ｍｍ程度であり、約６．５〜８．５ｍｍの厚さを有している。触媒は、主としてフィルタの内壁側に存在している。
【００５９】
（３）市販の木質ペレットを粉砕し、これを試験サンプルとした。この試験サンプルの成分組成および元素組成を別途分析した。結果を下記表１に示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】
（４）図５に示す熱分解発生ガス量測定装置により上記（３）により得られた試験サンプルを熱分解し、熱分解発生ガス量を測定した。その試験操作は下記の通りである。
【００６２】
ａ）水平に配された反応管（５０）の上流部に冷却管（５１）が外装され、下流部に円筒状の電気炉（５３）が外装されている。冷却水により冷却される冷却管（５１）内に上記（２）の試験サンプルを入れた試料皿（５２）を装入し、合成ガス発生場である電気炉（５３）内の後端部に上記（２）により作製されたセラミックフィルタ（５４）を配置した。冷却管（５１）および電気炉（５３）が外装された反応管（５１）内にアルゴンガスを０．５Ｌ／分の流量で流すことにより、系内をアルゴンガスで置換し還元雰囲気とした。また、電気炉（５３）を起動し、電気炉内の加熱を始める。電気炉内の温度は温度制御計（ＴＣ）（５５）により制御した。
【００６３】
ｃ）次にアルゴンガスの通気を停止させ、系内が常圧となるのをマノメータ（５６）により確認した後、ガス入出を制御するバルブ（５７）を閉じた。
【００６４】
ｄ）反応管（５０）内の試料皿（５２）を電気炉（５３）の長さ中央まで押し込み、試験サンプルの熱分解を開始させた。
【００６５】
ｅ）発生する熱分解ガスを水溜（５８）に導入した。このとき、系内の圧力が常圧を保ように水溜下端側面のコック（５９）を開け、水をメスシリンダー（６０）に抜き出した。
【００６６】
ｆ）試験サンプルの熱分解を１５分にわたり行い、その後、電気炉（５３）を停止させ、試料皿（５２）を冷却管（５１）の所まで戻し、再びアルゴンガスを通気しながら、これを冷却した。
【００６７】
ｇ）１５分間にわたる熱分解中の水の排出量を熱分解発生ガス量とした。
【００６８】
結果は、下記表３に示す。
【００６９】
（５）次に、熱分解ガスの組成を計測するために、図６に示す装置を用いて上記（３）の試料サンプルの熱分解を行い、電気炉（５３）を通過した後の熱分解ガスを回収し、これを分析した。なお、簡単のため、図５と同一の構成については同一の参照符号を用いた。その実験操作は下記の通りである。
【００７０】
ａ）上記（３）の試料サンプルを約２ｇ入れた試料皿（５２）を反応管（５０）内の冷却管（５１）の所まで装入し、アルゴンガスを０．５Ｌ／分の流量で通気し、系内をアルゴンガスで置換し管内を還元雰囲気とした。また電気炉（５３）を起動して電気炉（５３）内の加熱を開始した。電気炉内の温度はＴＣ（５５）によって制御した。
【００７１】
ｂ）アルゴンガスの通気を停止させ、系内が常圧となるのをマノメータ（５６）で確認し、ガス排出のバルブ（５７）を閉じ、後段テドラーバッグ（６３）へのコック（６４）を開いた。
【００７２】
ｃ）反応管（５０）内の試料皿（５２）を電気炉（５３）の長さ中央まで押し込み、試料サンプルの熱分解を、制御された温度（６００、７００、８００、９００℃）で１５分にわたり行った。
【００７３】
ｄ）１５分間にわたる熱分解後に、電気炉（５３）を停止させ、試料皿を反応管（５０）内の冷却管（５１）の所まで戻した。
【００７４】
ｅ）アルゴンガスを溜めておいた前段テドラーバック（６１）から注射器（６２）により３Ｌのアルゴンガスを流し込み、系内に残存する熱分解ガスを全て後段テドラーバック（６３）にて回収させ、系内をアルゴンガスで置換した。なお、本系において３Ｌのアルゴンガスにより系内のガスの全量が置換されることは、予備実験により確認している。
【００７５】
ｆ）後段テドラーバッグ（６３）内のガスについて、ガスクロマトグラフによりガス組成を分析した。その分析条件は、表２の通りである。
【００７６】
【表２】
【００７７】
上記により得られたガスクロマトグラフによる分析結果を下記表に示す。表３はガス発生量、表４はガス組成比、表５は熱分解収支をそれぞれ示している。また、参考のため、セラミックフィルタを使用しない場合およびタール等分解触媒を担持させていないセラミックフィルタを使用した場合について得られた結果を併せて示す。
【００７８】
各表について、（ａ）は、セラミックフィルタを使用しない場合、（ｂ）は、タール等分解触媒を担持させていないセラミックフィルタを使用した場合、（ｃ）は、タール等分解触媒を担持させたセラミックフィルタを使用した場合を示している。
【００７９】
【表３】
【００８０】
表３から明らかなように、（ｃ）の場合には、他の場合に比較してガス発生量が増加した。また、（ｂ）の場合にＣ２以上のガスの発生が確認できるのに対して、（ｃ）の場合には、Ｃ２以上のガスの発生が見られなかった。さらに、Ｈ２の量が大幅に増加していた。
【００８１】
【表４】
【００８２】
表４から明らかなように、ガス発生量と同様に、触媒が存在しない（ａ）および（ｂ）の場合には、Ｃ２以上のガスが発生しているが、触媒を担持させた（ｃ）の場合には、各温度ともＣ２以上のガスが分解されているために存在しておらず、また、Ｈ２の組成比率が大幅に増加していることが分かる。
【００８３】
【表５】
【００８４】
表５には、上記装置による熱分解反応によって生じた各成分の割合を示す。なお、表中の成分のうち、チャーおよびタールはセラミックフィルタで捕集された測定値であり、他の成分は後段テドラーバッグに回収された成分の値である。表５から明らかなように、すべての温度において触媒を担持させた（ｃ）の場合にガス割合が増加しており、タールの割合が大幅に減少していることが分かる。また、７００℃において、最も顕著にガス割合が増加している。これは、ＩＳＯＰ触媒の使用温度条件が７００℃であることから最も触媒の活性が高かったためであると考えられる。
【００８５】
上記各実施例により得られた結果に基づいて、以下の知見が得られた。
【００８６】
１）全ての温度条件においてタール分解触媒により、タールが分解されている。
【００８７】
２）触媒を担持させた場合では、ガス発生量は、他の場合に比較して、１．５３〜１．９４倍に増加した。
【００８８】
３）触媒を担持された場合では、ガス中のＨ２の割合は、他の場合に比較して、１．９９〜２．６５倍に増加した。
【００８９】
４）熱分解収支の計算の結果、発生するガスの割合は、触媒を担持させた場合には、他の場合に比較して１．１９〜１．５９倍に増加した。一方で、タールと水分の割合は、０．１６〜０．７１倍と大幅に減少した。特に、７００℃で行った場合にはタールおよび水分の割合が０．１６倍と大きく減少した。このような高い活性が得られたことは、ＩＳＯＰ触媒のメーカー推奨使用温度が７００℃付近であることと一致している。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明のガスエンジン発電システムを説明するフローシートである。
【図２】本発明の燃料電池システムを説明するフローシートである。
【図３】本発明の合成ガス液化システムを説明するフローシートである。
【図４】実施例に使用したセラミックフィルタの構造を示す図である。
【図５】実施例での熱分解発生量の測定に使用した熱分解発生ガス量測定装置を示す構成図である。
【図６】実施例での熱分解ガスのガス量およびガス組成の測定に使用した熱分解発生ガス量測定装置を示す構成図である。
【図７】従来のシステムのうち、各システムに共通する合成ガス生成および清浄化のための構成を示すフローシートである。
【図８】従来のシステムのうち、清浄化された合成ガスを利用するシステムの構成を示すフローシートであり、（ａ）はガスエンジン発電システム、（ｂ）は燃料電池発電システム、（ｃ）は合成ガス油化システムである。
【符号の説明】
【００９１】
２１ ガス化炉
２２ 押込送風機
２３ セラミックフィルタ
２４ ガス冷却器
２５ 誘引送風機
２６ ガスエンジン
２７ 発電機
２８ 煙突
３１ 改質炉
３２ ＭＣＦＣ
４１ ガス洗浄装置
４２ ＦＴ合成装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタ。
【請求項２】
前記触媒はアルミナ担体に酸化ニッケルが担持されてなる、請求項１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項３】
前記触媒はさらに酸化カルシウムを担持する、請求項２に記載のセラミックフィルタ。
【請求項４】
少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生したガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、チャーおよびタールが除去された合成ガスをガスエンジンに供給するガスエンジン発電システム。
【請求項５】
少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生したガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、かつ、改質炉にて炭化水素を除去して、チャー、タールおよび炭化水素が除去された合成ガスを燃料電池装置に供給する燃料電池発電システム。
【請求項６】
少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生した排気ガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、かつ、改質炉にてタールを分解して、チャーおよびタールが除去された合成ガスをＦＴ合成装置に供給する合成ガス油化システム。
【請求項１】
少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタ。
【請求項２】
前記触媒はアルミナ担体に酸化ニッケルが担持されてなる、請求項１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項３】
前記触媒はさらに酸化カルシウムを担持する、請求項２に記載のセラミックフィルタ。
【請求項４】
少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生したガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、チャーおよびタールが除去された合成ガスをガスエンジンに供給するガスエンジン発電システム。
【請求項５】
少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生したガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、かつ、改質炉にて炭化水素を除去して、チャー、タールおよび炭化水素が除去された合成ガスを燃料電池装置に供給する燃料電池発電システム。
【請求項６】
少なくともタールを分解する触媒が担持されたセラミックフィルタを有し、該セラミックフィルタにガス化炉から発生した排気ガスを通すことによって、該排気ガス中に含まれるダストを集塵すると同時に、該排気ガス中に含まれるタールを分解し、かつ、改質炉にてタールを分解して、チャーおよびタールが除去された合成ガスをＦＴ合成装置に供給する合成ガス油化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−２３７１３５（Ｐ２００７−２３７１３５Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６６９１３（Ｐ２００６−６６９１３）
【出願日】平成１８年３月１３日（２００６．３．１３）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１３日（２００６．３．１３）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
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