その場接触分解によるバイオオイル高効率アップグレーディング法の開発と機構解明

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24651080
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 則永 行庸 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (00312679)
• キーワード: バイオマス / 急速熱分解 / バイオオイル / 接触改質

研究概要

前年度、スギ急速熱分解生成物のその場接触改質実験を実施し、スギを芳香族化合物へ高効率転換することに成功した。加えてゼオライト骨格構造や組成が生成物分布に及ぼす影響についての知見を得、HZSM-5を用いたとき、バイオマスを最も選択的に芳香族へと転換できることも見出している。
本年度は、転換機構の更なる詳細検討を目的に、木質バイオマス構成成分であるセルロース、リグニン、キシランをそれぞれ試料に用いた接触改質実験を実施した。その結果、セルロース急速熱分解生成物の接触改質において芳香族化合物収率が最大の32%に達することが分かった。スギの約60%がセルロースで構成されていることから、スギ急速熱分解生成物の接触改質実験において著しく増加した芳香族化合物はセルロースの分解に起因することを明らかにした。
さらに、セルロースの熱分解主要生成物であるレボグルコサンを試料に用いた接触改質実験でも、セルロース同様に芳香族への選択的転換が認められた。レボグルコサンの熱分解では、フランが多量に生成するが、フランは接触改質によって殆どが転換したことより、フランが芳香族に至る重要な前駆体であると考えた。
そこで、我々が提案している素反応からなるバイオマス転換反応速度モデルに基づいて芳香族への転換反応経路について検討した。その結果、フランの分解で生じるプロピンやプロパジエンを含むアルキンが重要な芳香族前駆体であることが予想された。しかしこれらの生成を本反応系において実験的に確認した例はなく、アルキンやジエンの生成特性を詳細に調査した。その結果、アセチレン、プロピン、シクロペンタジエンは触媒量が少ない領域すなわち接触時間の短い領域で高い収率を示した後、触媒量の増加に伴い減少することを明らかにした。アルキンやジエン炭化水素化合物が触媒上でも、芳香族化合物生成の中間体として重要な役割を果たしていることを初めて見出した。

研究成果

• [雑誌論文] バイオマス熱化学反応の理解と予測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 則永行庸
  • 雑誌名: 化学工学 巻: Vol.77(9) ページ: 646-649
  • URL: http://www.scej.org/kagakukogaku_shi/index.html
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimation of Enthalpy of Bio-oil Vapor and Heat Required for Pyrolysis of Biomass. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yang, H., Kudo, S., Kuo, H.-P., Norinaga, K., Mori, A., Masek, O., Hayashi, J.-I.
  • 雑誌名: Energy Fuels 巻: 27 ページ: 2675-2686
  • DOI: 10.1021/ef400199z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detailed Analysis of Residual Volatiles in Chars from the Pyrolysis of Biomass and Lignite. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yang, H., Kudo, S., Hazeyama, S., Norinaga, K., Masek, O., Hayashi, J.-I.
  • 雑誌名: Energy Fuels 巻: 27 ページ: 3209-3223
  • DOI: 10.1021/ef4001192
  • 査読あり
• [学会発表] Experimental investigations for the reaction pathways leading to aromatic hydrocarbons in in-situ reforming of products derived from fast pyrolysis of biomass over zeolite catalysts
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Uemura, Kudo Shinji, Hayashi Jun-ichiro, Koyo Norinaga
  • 学会等名: The 26th International Symposium on Chemical Engineering
  • 発表場所: Pusan, Korea
• [学会発表] Experimental Investigation for the Conversion Characteristics of Products from Fast Pyrolysis of Biomass to Aromatic Compounds over Zeolite Catalyst
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Uemura, Koyo Norinaga, Kudo Shinji, Hayashi Jun-ichiro, Hisahiro Einaga
  • 学会等名: 第12回日中 石炭・Ｃ１化学シンポジウム
  • 発表場所: Fukuoka, Japan
• [学会発表] ゼオライト触媒を用いたバイオマス急速熱分解生成物のin-situ接触改質特性および反応機構
  • 著者名/発表者名: 上村 和大, 則永 行庸, 工藤 真二, 林 潤一郎, 永長 久寛
  • 学会等名: 第22回日本エネルギー学会大会
  • 発表場所: 新宿，東京（工学院大学）
• [学会発表] Toward better understanding of thermochemical conversion of solid fuels
  • 著者名/発表者名: Koyo Norinaga
  • 学会等名: Seminar at Deutsches Biomasseforschungszentrum
  • 発表場所: Leipzig, Germany
  • 招待講演
• [備考] 研究室グループ ホームページ
  • URL: http://www.carbonres.com/
• [備考] 研究成果公表Web Page （則永行庸）
  • URL: http://www.cm.kyushu-u.ac.jp/hayashi/kn/norinaga_jap.html
• [備考] 九州大学 研究所情報 （則永行庸）
  • URL: http://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K003438/