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平成26年度電気･情報関係学会北海道支部連合大会
平成26年10月25日(土) 北海道科学大学
放電物理・電気材料・半導体・デバイス 60
弱電離気体プラズマの解析(CXIX)
パックトベッド放電を用いた
石炭地下ガス化による生産ガスの脱硫
Studies on weakly ionized gas plasma (CXIX)
Desulfurization of production gas by underground coal gasification
using a packed-bed dielectric barrier discharge
高橋一弘
佐藤孝紀
伊藤秀範
板倉賢一 (室蘭工業大学)
Kazuhiro Takahashi, Kohki Satoh, Hidenori Itoh and Ken-ichi Itakura (Muroran Institute of Technology)
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
背景および目的
Air or O2
石炭地下ガス化（UCG: Underground Coal Gasification)
UCG gas
地下の炭層に抗井を掘削し，石炭資源を原位置で
燃焼させ，生産ガスを回収する技術
出典: Linc energy
UCG gas composition (Angren UCG Station, Uzbekistan)[1]
Molecule
N2
CO2
H2
CO
CH4
O2
H2S
CnHm
Content rate [%]
56.0
19.5
16.2
5.0
1.9
0.7
0.6
0.2
エネルギー源としての利用には脱硫が不可欠
脱硫技術
・乾式法
・湿式法
・放電プラズマ法
目的
放電プラズマを用いたUCGガスの脱硫
 パックトベッド放電による模擬UCGガスの循環処理
 充填材料にガラス(SiO2)，アナターゼ型の二酸化チタン(TiO2)および
これらを混合させたものを用いたときの脱硫率および生成物を調査
[1] 板倉賢一：石炭地下ガス化の将来展望，エネルギーチャレンジセミナー in Hokkaido (2008)
実験装置および実験条件
ネオン変圧器
放電電力: 23 W(SiO2), 15 W(TiO2)
20 W (mix: SiO2/TiO2)
rod（f 2 mm)
130 mm
glass tube(f 22×20 mm)
mesh 充填材料
SiO2(f 3 mm)
TiO2(f 3.2 mm)
mix(SiO2/TiO2 = 50/50%)
 ガス混合比: N2/CO2/H2/H2S = 64.1/19.7/15.5/0.7%
 ガス循環流量: 10 L/min
 サンプリング時間：0, 30, 60, 90, 120 min
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
FTIRによる生成物の特定
(充填材料：SiO2)
5.0
absorbance [a.u.]
4.0
before discharge
after discharge
(120 min, 165 kJ)
CO2
CO2
3.0
2.0
SO2
CO
1.0
COS
0.0
3000
2500
2000
1500
-1
wavenumber [cm ]
1000
500
模擬UCGガスの分解によってCO, COS, SO2が生成される
(SiO2 only)
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
GCMSによる生成物の特定
(充填材料：SiO2)
6
1.0x10
intensity [a.u.]
0.8
N2, CO2
before discharge
after discharge (30 min, 48 kJ)
H2O
0.6
H2S
CS2
0.4
0.2
0.0
1.0
1.5
2.0
3.5
3.0
2.5
retention time [min]
4.0
4.5
5.0
模擬UCGガスの分解によってCS2が生成される
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
模擬UCGガスの濃度
SiO 2
TiO 2
mix
0.6
0.4
0.2
0.0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
20
CO2
25
concentration [%]
0.8
30
H2S
concentration [%]
concentration [%]
1.0
20
15
10
5
0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
H2
15
10
5
0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
H2Sの分解効率
SiO2 (er = 7.5) > mix > TiO2 (er = 31)
 充填材料の種類にかかわらず，H2の分解なしに脱硫可能
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OF TECHNOLOGY
生成物の濃度
1.0
1000
SO2
SiO 2
TiO 2
mix
0.6
concentration [ppm]
concentration [%]
CO
0.8
0.4
0.2
0.0
0
50
100
150
energy [kJ]
800
600
400
200
0
0
200
0.5
1.0x10
200
50
100
150
energy [kJ]
200
CS2
0.8
peak area
0.4
intensity [a.u.]
100
150
energy [kJ]
5
COS
0.3
0.2
0.1
0.0
0
50
0.6
0.4
0.2
50
100
150
energy [kJ]
200
0.0
0
 TiO2の光触媒作用はSO2の生成の抑制に寄与
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OF TECHNOLOGY
放電前後のリアクタの様子
充填材料：SiO2
outlet
放電前
放電120分後
充填材料：TiO2
inlet
outlet
放電前
inlet
放電120分後
充填材料SiO2 ：黄色がかった白色の堆積
充填材料TiO2 ：TiO2が赤褐色に変化
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マスバランスの見積もり方
(充填材料：SiO2)
硫黄 or 炭素原子数 [%S or %C]
気相中の各物質の分子1個が有する硫黄または炭素原子数 × 各物質の濃度[%]
硫黄原子
炭素原子
30
H2S
SO2
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
number of C atoms [%C]
number of S atoms [%S]
1.0
CO2
CO
20
10
0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
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硫黄および炭素原子のマスバランス
充填材料
SiO2/TiO2
0.6
0.4
75%
0.2
0.0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
30
CO2
CO
20
10
0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
1.0
number of S atoms [%S]
0.8
充填材料
TiO2
0.8
0.6
48%
0.4
0.2
0.0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
30
number of C atoms [%C]
H2S
SO2
number of S atoms [%S]
1.0
number of C atoms [%C]
炭素原子
number of C atoms [%C]
硫黄原子
number of S atoms [%S]
充填材料
SiO2
20
10
0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
1.0
0.8
0.6
12%
0.4
0.2
0.0
0
50
100
150
energy [kJ]
200
50
100
150
energy [kJ]
200
30
20
10
0
0
硫黄原子の一部は電極や充填材料，リアクタ内壁に堆積する
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OF TECHNOLOGY
まとめ
充填材料にガラスボール(SiO2)，光触媒効果を有するアナターゼ型二酸
化チタンボール(TiO2)およびこれらを混合したもの(mix)を用いたパックト
ベッド放電により模擬UCGガス(N2-CO2-H2-H2S混合ガス)の循環処理を
行い，模擬UCGガスおよび生成物の濃度を調査した
 充填材料の種類によらず，エネルギー源であるH2の分解なしに放電で
H2Sを分解できる
 模擬UCGガス中のH2Sの分解効率は，SiO2 > mix > TiO2の順に高い
 模擬UCGガスの分解における生成物は以下の通りである
CO, COS, CS2, SO2(SiO2 only)
 本研究の脱硫率は以下の通りである
75% (SiO2) > 48% (mix) > 12% (TiO2)
充填材料の混合割合および混合方法を変化させることで
効果的な脱硫（高脱硫率，SO2非生成）が可能
MURORAN INSTITUTE
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