ガス化というと、”石炭ガス化(複合発電)”、”バイオマスガス化”や”ガス化溶融炉”などの専門用語がよく使われています。

ガス化とは・・・

このガス化は、石炭などの固体燃料や原油残渣などの液体燃料から、合成ガス、都市ガス、燃料ガスなどを製造する反応(技術)の総称です。


一方、天然ガスやナフサから水素やアンモニアおよびメタノール用の合成ガスを製造する技術を特に改質(reforming)と言っており、石油精製分野や肥料プラントなどで数多く採用されています。

ガス化技術

部分酸化法と水蒸気改質法

水素の製造に限定しますと、ガス化反応器の運転条件は、圧力が0.2~8MPa、温度が700~1400℃と高温高圧であり、この中で以下に示す反応のどれかが、単独あるいは複数で進行しています。

  1. 水蒸気改質および水性ガス反応:炭化水素の炭素とスチームの酸素が反応して、水素やCO+CO2を生成する。
  2. 部分燃焼:部分酸化(partial oxidation)とも呼ばれ、原料である炭化水素が部分燃焼する。

水蒸気改質反応:CH4 + H2O = CO + 3H2
水性ガス化反応(CO転化):CO + H2O = H2 + CO2

工業的には天然ガスを原料として粗ガスを製造する技術を水蒸気改質法と言い、石炭などの固体燃料や原油残渣などの液体燃料を原料として酸素などの酸化剤を使用して粗ガスを製造する技術を部分酸化法と言っています。ただし、部分酸化法でも水蒸気改質反応やCO転化反応は進行しています。

粗ガスとは水素やCO+CO2などを主成分とするガスを指し、合成ガス(H2+CO2)や水素ガスを製品とする場合には、CO2やN2を除去してガス組成を調整したり、微量な不純物(H2S,COS,HCl)を除去しなければならない。前者をガス精製といい、後者を脱硫という。

この部分酸化法も水蒸気改質法も水素を含む粗ガスを製造する技術です。
この両者の大きな違いは、粗ガスを作る際に部分酸化法では触媒を使いませんが、改質では水蒸気改質触媒を使用します。

部分酸化法の場合には原料である石炭などの固体燃料や原油残渣を加熱し(気化するまで加熱する必要はない)、その後、スチーム+酸化剤(空気もしくは酸素)と混合させて高温条件下(約1300℃)の反応器に投入し、部分的に燃焼させながら水素を主成分とする粗ガスを製造します。つまり、外部から熱を与える必要がない内部燃焼が本技術の柱になっています。

一方、水蒸気改質法の場合には原料である天然ガスを数百度まで加熱し、その後、スチームと混合させて改質管(触媒が充填されている)に供給します。この改質管は改質炉内に直立に配置されており、その周囲にて燃料を燃やして外部から加熱します。改質管内部の温度は約900℃近くまでになり、水蒸気改質反応やCO転化反応により水素を主成分とする粗ガスを製造します。

これ以外に、石炭の乾留やエチレンプラントのナフサ分解などで採用されている「熱分解(thermal cracking)」やガソリン成分の収率を増加させるために採用されている「水素化分解(hydrocracking)」などもガス化技術の範疇に入ります。

水蒸気改質触媒

なぜ改質では触媒を使用しているのか、なぜ、部分酸化法では触媒を使用しないのか。
もともと1930年代にガス化技術としては水蒸気改質法が発明され工業化された。当初は改質触媒の寿命も短かったようであるが、取扱が容易な天然ガスの普及と、改質触媒の触媒毒である硫黄の除去技術(脱硫)が発達したお陰で改質触媒の寿命も延び、水素だけでなくアンモニアやメタノールなどの合成ガスの製造に適用され成功した。

部分酸化法はそれより遅く1950年代に発達した技術で、触媒を使用せず原料に対する柔軟性があることから、H/C比が小さい重質油や残渣油などの硫黄分を多く含む原料のガス化に使用されてきた。
そのために、部分酸化法による合成ガスあるいは水素ガスの製造では、ガス化工程の下流に脱硫工程が設置され、その下流には水蒸気改質工程と同じく精製工程が設置される。