CN101107344B - 生物量固态物及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种也可以作为煤焦的代替燃料和材料原料利用的生物量固态物及其制造方法。其为将起因于光合成的生物量原料加热·加压成形而形成的半炭化前或者半炭化固态物，是最高压缩强度为60～200MPa和发热量为18～23MJ/kg的生物量固态物，以及生物量固态物的制造方法，该方法具备粉碎起因于光合成的生物量原料的工序、在圆筒中填充已粉碎的生物量原料的工序、在已填充原料的筒中装填加压活塞的工序、在加热原料的同时用加压活塞进行加压成形的工序、使加热·加压维持一定时间而得到半炭化前或者半炭化固态物的工序、使半炭化前或者半炭化固态物维持加压进行冷却的工序、以及取出已冷却的半炭化前或者半炭化固态物进行干燥的工序，筒内径和加压活塞的外径是大致相同的。

Description

生物量固态物及其制造方法
技术领域
本发明涉及生物量固态物及其制造方法，更详细地说，涉及也可以作为煤焦的代替燃料及作为原材料利用的生物量固态物及其制造方法。
再者，本发明中的所谓最高压缩强度(MPa)，表示基于木材的压缩试验法(JISZ2111)的标准的硬度程度。
背景技术
近年来，地球环境问题正变得越来越深刻，根据在先前的气候变动框架条约第3次缔约国会议(COP3)采纳的京都议定书的温室效应气体的削减及将来预测的化石燃料的枯竭，确保一次能量资源及清洁且可再生的能源的开发正成为急迫任务。
作为上述问题的解决对策，现在生物量正引人注目。
但是，未加工的生物量，因为原材料内部的空隙率非常高，所以是膨松的，输送效率非常差，而且也有发热量少这样的问题，因此希望开发向附加值高的物质转换的技术。
另一方面，由于最近中国急速的钢铁需要，煤焦的成本急速上升，显著地压迫了日本的铸件或者钢铁制造厂的经营。这起因于煤焦的国内生产缺乏，大部分依赖于中国生产。
鉴于这种实际情况，在铸件制造或炼铁中，迫切希望开发以能够代替煤焦的数％～数十％程度的生物量作为原料的高硬度固体燃料，在削减燃料成本的同时，利用生物量的碳中性(carbon-neutral)性质削减温室效应气体。
另外，当代替煤焦时，不降低粗金属锭的品质也是重要的。
作为用于热利用生物量的技术，除了以往众所周知的炭化物的烧成以外，可举出颗粒制造技术(例如参照下述专利文献1)、复合材(ォガラィト)制造技术(例如参照下述专利文献2)。
颗粒或复合材是利用蒸发过程(100℃)使木质内部所含的自由水脱水，提高输送性和燃烧性的压实燃料。
另外，最近分别公布了：为了效率良好地得到炭化物而将原料细片化并炭化的制造技术(例如参照下述专利文献3)、以高能收率制造容积能量密度和重量能量密度比木炭高的固体燃料的技术(例如参照下述专利文献4)、用于更提高木质生物量的能量输送特性的半炭化压实燃料(Bio-Carbonized-Densified-Fuel)(以下，称为BCDF)制造技术(例如参照下述专利文献5)。
BCDF是除了使木质内部所含的自由水脱水外，还使纤维素等所含的化学的结合水的一部分脱水，进一步改善输送性和燃烧性的压实燃料。
利用上述专利文献1至5的公开技术的固体燃料都是将焦点放在为了将木质生物量作为热源而利用的热能收率的提高上。
但是，由这些现有技术产生的木质系生物量固体燃料，与煤焦相比，还难以说具有足够的发热量，再有关于硬度性能也不充分，因此在铸件制造或炼铁中，当和煤焦混烧时，无法承受炉内环境，而发生破坏/燃烧，难以发挥作为代替煤焦的功能。
另外，在生物量中，存在与木质系生物量相比，水分量多、空隙大等，不太适合作为固体燃料利用，在未利用的状态下处理的生物量，例如草木系生物量(草、向日葵等)或食品废弃物系生物量(豆腐渣、稻壳等)，正在探索用于有效利用这样的生物量的技术。
专利文献1：特开昭52-101202号公报
专利文献2：实公平8-8085号公报
专利文献3：特开2004-43517号公报
专利文献4：特开2003-213273号公报
专利文献5：特开2003-206490号公报
发明内容
本发明是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于，提供一种也可作为煤焦的代替燃料和作为材料原料利用的生物量固态物及其制造方法。
本发明的一个实施方案提供生物量固态物，其特征在于，由通过一边以大致密闭状态加热起因于光合成的生物量原料一边进行加压成形而形成的半炭化或者半炭化前固态物构成。半炭化固态物是通过在不释放可燃气体或者液体的情况下炭化生物量原料而制备的，半炭化前是指变成半炭化固态物之前的状态。半炭化前或者半炭化固态物的最高压缩强度是60～200MPa，发热量是18～23MJ/kg。
在本发明的另一实施方案中，所述半炭化前或者半炭化固态物的表观比重是1.2～1.38。
在本发明的另一实施方案中，生物量固态物由炭化物组成，所述炭化物通过进一步将半炭化前或者半炭化固态物一边加热一边加压成形而形成。
本发明的另一实施方案提供生物量固态物，其中半炭化前或者半炭化固态物是通过将起因于光合成的生物量原料与金属粒子混合，然后将得到的混合物一边加热一边加压成形而形成的。
本发明的另一实施方案提供生物量固态物，其由半炭化前或者半炭化固态物构成，所述半炭化前或者半炭化固态物通过混合起因于光合成的生物量原料和由生物量等构成的颗粒状炭化物，然后将得到的混合物一边加热一边加压成形而形成的。
本发明的另一实施方案提供生物量固态物，其由半炭化前或者半炭化固态物构成，所述半炭化前或者半炭化固态物通过混合起因于光合成的生物量原料和由生物量等构成并且被内还原成灰分的物质的灰分，然后将得到的混合物一边加热一边加压成形而形成的。
本发明的另一实施方案提供生物量固态物的制造方法，包括：粉碎起因于光合成的生物量原料的工序；将该粉碎后的生物量原料填充到筒中的工序；在该填充了生物量原料的筒的空心中插入加压活塞，使得可以用所述加压活塞向所述粉碎后的生物量原料施加压力的工序；在加热所述生物量原料的同时用可滑动地插入筒中的所述加压活塞向该原料施加压力进行加压成形的工序；使作为所述生物量原料的主成分的木质素、纤维素及半纤维素中的半纤维素热分解，同时保持纤维素及木质素的骨架且使其低温反应，来得到半炭化或者半炭化前固态物的工序；一边维持该半炭化前或者半炭化固态物的加压成形压力一边进行冷却以获得冷却后的固态物的工序；以及取出该冷却后的固态物进行干燥的工序。
在本发明的另一实施方案中，将加热和加压成形所述生物量原料时由其产生的蒸气和气化组分通过插入筒中的所述加压活塞留在所述筒内。
在本发明的另一实施方案中，所述的筒是圆柱形容器，并且所述加压活塞是可滑动地配合到圆柱形容器的空心中的圆柱体。
在本发明的另一实施方案中，所述粉碎后的生物量原料的粒径是3mm以下。
在本发明的另一实施方案中，所述加热中的温度条件是115～230℃，所述加压成形中的压力条件是8～25MPa。
在本发明的另一实施方案中，在将所述粉碎后的生物量原料填充到筒中的阶段添加金属粒子。
在本发明的另一实施方案中，在将所述粉碎后的生物量原料填充到筒中的阶段添加由生物量等构成的颗粒状炭化物。
在本发明的另一实施方案中，在将所述粉碎后的生物量原料填充到筒中的阶段添加由生物量等构成并且被还原成灰分的物质的灰分。
本发明的另一实施方案提供由本发明的生物量固态物制造炭化的生物量固态物的方法，包括：加热如上获得生物量固态物，维持加热温度和压力条件一定时间进行所述生物量固态物的炭化来得到炭化的生物量固态物，一边维持所述压力一边冷却该炭化的生物量固态物来得到冷却后的炭化物。
在本发明的另一实施方案中，所述加热中的温度条件是250～350℃，加热所述生物量固态物时所处的压力条件是8～16MPa。
发明效果
本发明的生物量固态物，由于最高压缩强度是60～200MPa和发热量是18～23MJ/kg，所以在铸件制造或者炼铁中，具有作为能够在炉内和煤焦混烧的煤焦代替燃料的功能成为可能。另外，由于最高压缩强度是60～200MPa，所以具有作为用于多种应用目的的原材料的功能成为可能。
根据本发明，由于半炭化前或者半炭化固态物的表观比重是1.2～1.38，所以和生物量原料的真比重1.4没有大的差别，即几乎不存在内部空隙，因此，能够使每单位体积的炭比率大致达到最大。另外，输送性也最大限度地提高。
根据本发明，由于再次边加热半炭化前或者半炭化固态物边加压成形，所以能够以短时间得到备长炭程度的固体燃烧特性。
根据本发明，由于在起因于光合成的生物量原料中添加金属粒子，所以能够效率良好地接受外部加热，实现半炭化前或者半炭化固态物的均质成形。另外，加入到原料中并因此包含在生物煤焦中的金属粒子在铸件制造或者炼铁中被熔化成熔液。因此，通过预先调节的金属与生物量原料的混合比例添加金属粒子，可以实现铸铁或者炼铁中的成分的调节。
根据本发明，由于在起因于光合成的生物量原料中添加由生物量等构成的颗粒状炭化物，所以每单位重量和单位体积的炭比率变高，能够得到燃烧持续时间和发热量的提高。即，固体表面燃烧特性的提高成为可能。
根据本发明，由于在起因于光合成的生物量原料中添加由生物量等构成并且被还原成灰分的物质的灰分，所以在铸件制造或者炼铁中，能够在不使发热量变化的情况下调整熔液中的硅(silicon)成分的含有比率。
根据本发明，由于加热·加压成形是通过将粉碎后的生物量原料填充到模制筒中并且用加压活塞向所述原料施加压力而进行的，所述加压活塞可滑动地插入筒的空心中，筒和活塞的内周和外周之间的间隙小，所以在加热·加压成形时，能够使从生物量原料中产生的水蒸气和气化成分留在所述筒内部，所述生物量原料的过热水蒸气改性成为可能。由此，能够得到具有高硬度和高发热量的半炭化前或者半炭化固态物。另外，该固态物，例如还可以作为桩、斜面板等的原材料加以利用。
由于粉碎后的生物量原料的粒径是3mm以下，所以能够在筒中均匀地填充所述生物量原料。
由于加热中的温度条件是115～230℃、加压成形中的压力条件是8～25MPa，所以不需要过度的加工能量，能够得到具有高硬度和高发热量的半炭化前或者半炭化固态物。
根据本发明，由于在筒中填充粉碎后的生物量原料的阶段添加金属粒子，所以能够效率良好地接受外部加热，能够得到均质地成形的半炭化前或者半炭化固态物。另外，能够得到将原来煤焦中所含的元素或者新元素熔解的同时可形成熔液的半炭化前或者半炭化固态物。
根据本发明，由于在筒中填充粉碎后的生物量原料的阶段添加由生物量等构成的炭化物，所以能够得到燃烧持续时间和发热量提高的半炭化前或者半炭化固态物。
根据本发明，由于在筒中填充粉碎后的生物量原料的阶段添加由生物量等构成并且被还原成灰分的物质的灰分，所以在铸件制造或者炼铁中，能够得到在不使发热量变化的情况下可调整熔液中的硅(silicon)成分含有比率的半炭化前或者半炭化固态物。
根据本发明，由于具备在大气开放下加热所述冷却及干燥后的半炭化前或者半炭化固态物的同时进行加压成形的工序、使该加热及加压维持一定时间来得到炭化物的工序，所以在短时间内能够得到备长炭程度的炭化物。
在这种情况下，由于加热中的温度条件是250～350℃、所述加压成形中的压力条件是8～16MPa，所以在短时间内能够得到没有炭化不匀、密接性高的炭化物。
附图说明
图1是表示本发明的生物焦炭的外观一例的立体图。
图2是表示本发明的生物焦炭的制造工序的概略流程图。
图3是表示作为化铁炉用代替焦炭利用本发明的生物焦炭时的化铁炉型熔融炉的概略断面图。
图4是表示作为化铁炉用代替焦炭利用本发明的生物焦炭时的化铁炉型熔融炉的特性的图。
图5是表示作为化铁炉用代替焦炭利用本发明的生物焦炭时的化铁炉型熔融炉的局部切开外观立体图。
图中：1-生物焦炭；14-底焦；16-焦炭料批；17-煤焦。
具体实施方式
以下，边参照附图边说明本发明的生物量固态物(以下，称为生物焦炭)及其制造方法。图1表示本发明的生物焦炭1的外观的一例。
本发明的生物焦炭1，以起因于光合成的全生物量作为原料对象。作为起因于光合成的生物量，例如可举出木质类、草本类、农作物类、厨房垃圾类等生物量。
作为木质类，可例示出作为树木、枯叶或者其废弃物的林地残渣、剪枝剪叶材、漂流的木材、纸等。
作为草本类，可例示出洋麻、向日葵的茎等。
作为农作物类，可例示出大叶茎(ォォバ茎)、芝麻茎、甘薯(芋づる)、稻壳等非食部位。
作为厨房垃圾类，可例示出咖啡糟、茶壳、豆腐渣等。
这些生物量，以纤维素、半纤维素和木质素作为主成分构成。
该生物量的主成分在大气压下的耐热性，首先在100℃左右大部分的自由水通过蒸发而脱水，按木质素(280～550℃)＞纤维素(240～400℃)＞半纤维素(180～300℃)的顺序，各自在该温度以上变色、分解或者软化、气化、进而发热而进行炭化。
这里，纤维素具有明确的秩序正确的结合结构，是在具有聚合度2000～15000的高度上结晶化的链状聚合物，因此在生物量全体的硬度性能上担负重要的作用。
木质素也具有极复杂的三维结合结构，因此对硬度性能的贡献度高。
另一方面，半纤维素聚合度是50～200，比纤维素小，具有支链结构，因此硬度贡献度小。
本发明发现，针对结构上脆、耐热性弱的半纤维素，使半纤维素热分解而体现出粘结效果，纤维素和木质素在保持骨架的状态下压实，体现出热固化反应，提高固体表面燃烧特性，由此能够制造非常硬、燃烧特性优良的固态物，即生物焦炭。
热固化反应，通过在木质素等中所含的苯酚性的高分子间诱发反应活性点而进行。
这能够如下证实，根据从原料中加入甲酚而制成的生物焦炭中抽取的木质素-甲酚反应物的H1-NMR分析，能够确认在木质素分子中甲酚的存在，即木质素和甲酚发生反应，甲酚被导入木质素分子中。
由此，在苯酚间发生热固化反应，形成比较均质、牢固的分子间网。
另外，通过材料的调合能够使该热固化反应活跃化，使加工成形温度达到10～60℃，甚至更低。
由此，能够在不使生物量炭化的情况下在低温下引起热固化反应，可实现固体燃烧时能够代替煤焦的燃烧特性。
图2是表示本发明的生物焦炭的制造工序的概略流程图。以下，边参照图2边详细地说明生物焦炭的制造方法。
如图2所示，生物焦炭的制造大致经过三个工序完成。
工序1，将生物量粉碎至3mm以下。
工序2，在115～230℃的范围内加热在工序1中粉碎的生物量，与此同时在8～25MPa的范围内边控制压力边成形。
工序3，将工序2中的加热和加压状态保持10～20分钟。
此后，以加压状态冷却，在取出后进行干燥，完成生物焦炭。
更详细地说明上述制造工序。
作为生物焦炭的原料的生物量，在原有的状态下空隙非常大、受热表面积小，因而不适合加热·加压成形。因此，为了进行均质的成形，首先利用粉碎机等粉碎装置将生物量粉碎。此时，可以粉碎成粉碎后的生物量的粒径为3mm以下、优选是0.1mm以下。
由此，在成形用筒(后述)中填充生物量时，松密度提高、均匀的填充成为可能，在加热成形中生物量间的接触提高，成形后的硬度也提高。
接着，为了加热·加压成形已粉碎的生物量，填充在气缸等成形用筒中，此后，装填加压用活塞。
在成形用筒或者加压用活塞的形状中，虽然没有特别指定，但更优选断面是圆形状。由此，在成形中，在成形用筒或者加压用活塞中即使产生少量扭曲，也能够维持成形工序。
在此，由于成形用筒的内径和加压用活塞的外径是大致相同的，所以在加热·加压成形时，能够将从生物量产生的水蒸气和气化成分留在成形用筒的内部，生物量的过热水蒸气改性成为可能，能够得到具有高硬度和高发热量的生物焦炭。
以上的初期填充后，如上所述，在115～230℃、8～25MPa的条件下，进行生物量的加热和加压成形，使该加热·加压状态保持10～20分钟左右。
作为加热方法，例如可以覆盖成形用筒的外周而设置电炉等的加热装置，通过成形用筒加热生物量。另外，加压成形利用上述的加压用活塞进行。作为加压方法，可以利用液压千斤顶等加压装置进行机械加压，但需要注意的是，由于生物量原料中所含的水分量有某些不同，而存在在筒内部产生的蒸汽压超过由活塞产生的加压压力的情况。
在此，通过在上述的条件下进行加热·加压成形，可以不需要过度的加工能量，就能够得到具有高硬度和高发热量的生物焦炭。
这起因于，通过在115～230℃的温度条件下进行加热，半纤维素发生热分解，在成形用筒内部产生的过热水蒸气的作用下，纤维素和木质素在保持其骨架的状态下在低温下发生反应，通过和压实效果相乘地作用，硬度进一步增加。
更优选的是，希望在加热温度是180℃～230℃的范围、加压是12～19MPa的范围内进行成形。
此后，在维持加压状态的情况下，进行30～60分钟左右的冷却，直至生物焦炭成为40～50℃以下，此后，从成形用筒中取出生物焦炭。如果在比该温度高的温度下取出生物焦炭或者没有维持加压，则由半纤维素产生的粘结效果降低。另外，作为冷却方法，优选利用大气的自然冷却。这是因为，冷却时间若太短，在表面就会产生细裂纹等，成为使硬度降低的原因。
另外，对于刚从成形用筒取出的生物焦炭来说，制造时，在接近于密闭即大致真空状态下成形，因此，以重量比计5～10％的水蒸气发生再冷凝。通过干燥使其脱水，就能够谋求硬度的提高。
作为干燥的方法，没有特别的限制，例如可举出在大气中放置进行自然干燥或者在80～100℃左右的恒温室内进行干燥的方法。
经以上的工序制成的生物焦炭，具有显示出比重1.2～1.38、最高压缩强度60～200MPa、发热量1g～23MJ/kg的物性值的硬度·燃烧性都优良的性能，例如与未加工的木质生物量是表观比重约0.4～0.6、发热量约17MJ/kg、最高压缩强度约30MPa的相比，已知在发热量和硬度方面格外地优良。
另外，与煤焦的物性值为表观比重约1.85、最高压缩强度约15MPa、发热量约29MJ/kg的相比，本发明的生物焦炭具有燃烧性·硬度均不逊色的性能。
另外，本发明的生物焦炭，以表观比重1.2～1.38形成，和生物量的真比重1.4没有大的差别。由此，本发明的生物焦炭几乎不存在内部空隙，因此能够使每单位体积的炭比率大致达到最大，得到大致最大的热能发生量约30GJ/m3。另外，其输送性也最大限度地提高。
接着，以下叙述有关本发明的生物焦炭及其制造方法的变更例。再者，以下列举的变更例，不进行制造工序本身的变更，仅进行对原料的变更。
作为第一变更例，在作为原料的生物量中添加金属粒子，进行加热·加压成形。
作为金属粒子，可例示出Fe(铁)、Ni(镍)、Cu(铜)、Mn(锰)等。
金属粒子的粒径，越细越好，优选混入约3mm以下(更优选是0.1mm以下)的金属粒子。如在先前的制造工序中所述，这是为了在成形时，在成形用筒中进行均质的填充的同时，使金属粒子对原料的生物量普遍接触。
由此制成的生物焦炭，除了最高压缩强度是60～200MPa、发热量是1～23MJ/kg以外，显示出表观比重为1.3～6.0的物性值。
该生物焦炭，由于原料中所含的金属粒子的存在，所以效率良好地接受从外部加热的热，促进生物量间的接触反应，因此能够实现偏差少的均质加工。另外，这与成形后的压缩强度的提高相关。
另外，原材料中所含的金属粒子，在铸件制造和炼铁中，有可能在溶解的同时形成熔融金属。
以往，铸件和钢铁根据使用的用途，所要求的特性不同，因此在制造的最终阶段需要进行必要的成分调整处理(例如转炉处理等)，由于对在生物量中添加的金属粒子预先进行调整配合，所以在能够省略该处理工序的同时，削减成本成为可能。
作为第二变更例，在作为原料的生物量中添加由生物量等构成的炭化物进行加热·加压成形。
生物焦炭，从生物化学的观点出发，按重量比例，成分中碳成分是40～50％左右，因此，作为溶解能的固体表面反应产生的炭燃烧特性与煤焦相比，劣化50～60％左右。这对发热量、发热温度的评价不会带来影响，但与发热持续时间相关。
作为此对策，在原料的生物量中混合(包入)由生物量等构成的炭化物(发热量33～42MJ/kg)，成形生物焦炭。
由此，每单位重量和单位体积的炭比率变高，能够得到燃烧持续时间和发热量的提高。即，固体表面燃烧特性的提高成为可能。
由生物量等构成的炭化物的形状，优选是粉碎成3mm以下(优选是0.1mm以下)的炭粉。
该炭化物不只限于生物量，即使由来自化石资源的废弃物制作的炭粉等也能适合使用。
由以上制成的炭化物混合型生物焦炭，显示出最高压缩强度是60～200MPa、发热量是18～27MJ/kg、表观比重是1.3～1.4的物性值。
由此，例如若以50％重量比例混入生物量炭粉，则生物焦炭的炭比率提高75％左右，发热量为24.5MJ/kg提高15％左右的同时，燃烧持续时间也提高。
作为第三变更例，在作为原料的生物量中添加由生物量等构成的灰分，进行加热·加压成形。
作为灰分的原料，例如可举出被废弃的蔬菜食品、未涂布CCA(铬、铜、砷)的建筑废材、绝热材料等。
在铸件制造和炼铁中，为了作为成分调整添加硅(silicon)成分，进行作为Fe-Si和煤焦一起投入等的处理。原料的生物量，虽然在其成分中含有硅(silicon)成分，但在其中添加由生物量等构成的灰分，通过进行加热·加压成形，在铸件制造和炼铁中，不使生物焦炭具有的发热量或硬度降低，能够调整硅(silicon)成分的含有比率。
作为第四变更例，在作为原料的生物量中添加大量含有天然硫磺成分等的生物量，进行加热·加压成形。
在生物量中，有起因于木质素亚磺酸等的光合成的硫磺成分或磷成分等按照体积比例含有10％以上的生物量。这取决于生物量生育的土壤中大量含有硫磺成分或磷成分等。
已上述，以往，铸件或者钢铁根据使用的用途，所要求的特性不同，因此，有必要在制造的最终阶段进行必要的成分调整处理，硫磺成分、磷成分等也不例外。
因此，在作为原料的生物量中以相同粒径添加该按体积比含有10％以上的天然硫磺成分等的生物量，进行加热·加压成形，在铸件制造或者炼铁中，能够在不使生物焦炭中具有的发热量或硬度降低的情况下，调整生物焦炭中的硫磺成分等的含有比率。这由于不使用化石燃料中本来含有的硫磺成分、磷成分等，而混合天然的添加剂，因此，同时具有对自然环境给予的负荷少的益处。
再者，在有需要多量的硫磺成分等的铸件制造等的情况下，仅以多量含有该天然硫磺成分等的生物量作为原料，就可以制造生物焦炭。
从以上看，本发明的生物焦炭，在铸件制造和炼铁中作为化铁炉、高炉中的热源·还原剂等使用是可能的，另外，有效地利用高压缩强度等特性，作为材料原料的使用也是可能的。此时，为了能够适应各种用途，本发明的生物焦炭，直至直径0.1～250mm、高度1～1000mm左右的成形是可能的。
这里首先作为煤焦代替生物焦炭的使用例，关于化铁炉用代替焦炭的利用加以说明。
在图3中表示化铁炉型熔融炉2的概略断面图，其特性示于图4中，化铁炉型熔融炉2的部分切口外观图示于图5中。
图3和图5中所示的化铁炉型熔融炉2是外面用钢板3覆盖、内面用耐火砖4形成的纵长的有底圆筒形状的炉，在上方有装入口5，在炉底附近有金属液出炉口6和出渣口7。在装入口5的下方设置有用于载置装入作业者的装入作业床8。另外，在金属液出炉口6的稍上方设置有和送风管9及风箱10连通连接的风口11。再有，在炉底12设置有门13。
在使用这样的化铁炉型熔融炉2制造铸件或钢铁时，首先在炉底12部分敷设底焦14，在其上载设粗金属锭15和焦炭料批(追込コ一クス)16。此时，粗金属锭15和焦炭料批16要交错地形成层，而且在各层间要形成间隙。
这里，在底焦14和焦炭料批16的双方中，将本发明的生物焦炭1以数～50％的范围和煤焦17混合使用。
图4(a)是表示炉内的温度分布的图。
炉内中的温度，其分布为随着向下方，配置粗金属锭15和焦炭料批16的上方区域(A)从约500℃缓慢上升至约1000℃、在配置底焦14的下方区域(B)急剧地上升至约1800℃后下降至约1600℃。
图4(b)的左侧，是根据粗金属锭15的状态将炉内区分的图。
如图所示，粗金属锭15和焦炭料批16交错地载设的炉的上方部分形成粗金属锭15被预热的预热带，在和其下的底焦14的边界附近形成粗金属锭15熔解的熔解带，敷设底焦14而温度达到峰值的炉的下方部分形成已熔解的粗金属锭15过热的过热带，风口11的下方的炉底部分形成金属熔液18积存的积液带。
在预热带，焦炭形成燃烧气体或者空气通过的空隙，但本发明的生物焦炭1具有煤焦17的大约10倍左右的压缩强度，因而对从上方施加的加重不发生破坏而能够形成空隙。
图4(b)的右侧是根据焦炭和炉内气体的反应将炉内区分的图。
上述的熔解带和过热带，如图所示，被区分成还原带和氧化带。
具体地说，熔解带和过热带的上方区域成为还原带，过热带的下方区域成为氧化带。
还原带是由氧化带中的燃烧反应产生的CO2，不言而喻是通过生物焦炭1气化而形成的还原区域，更详细地说明，通过生物焦炭1的纤维素和木质素发生热分解而气化(产生CO、H2等)来形成。即，表示生物焦炭1即使作为还原剂也有效果。
这样的还原区域，即，发生生物焦炭1的气化的区域，在炉内的底焦14上方部分产生的理由取决于，在还原气氛下在生物量被加热的情况下，用发热反应发生气化，进而进行自气化反应。
氧化带是气氛达到600℃以上的过热带，是生物焦炭1完全气化或者氧化燃烧而成为灰分的区域，生成熔解粗金属锭15的热源。
这样的氧化区域，即，发生生物焦炭1的完全气化或者氧化燃烧的区域在炉内的底焦14下方部分产生的理由取决于，通过风口11从炉下方吹入的空气引起的燃烧反应的产生。
在此，说明生物焦炭1的燃烧特性。
煤焦17的发热量放出约29MJ/kg的温度一定的发热量。与此相对，生物焦炭1是18～23MJ/kg，和煤焦17相比稍微低，但伴随由气化·炭化工序引起的重量变化，在发热温度和发热量上看到变化。
首先，在常温～250℃，只是被加热，不发生发热反应。
在250～600℃，一边通过生物量的气化排出CO、H2等气体成分一边进行发热，处于全体的发热温度稍微降低的倾向。
但是，在600℃以上，通过固体表面反应发生炭燃烧，能够得到与煤焦17匹敌的发热温度，可得到在瞬间超过煤焦17、与煤燃烧匹敌的33～42MJ/kg左右的发热量。
因此，在600℃以上的气氛中，能够发挥作为熔解能的代替生物焦炭1的实际价值。
以下，关于使用如上所述构成的化铁炉型熔融炉2的铸件或者钢铁的制造工序加以说明。
首先，从化铁炉型熔融炉2的装入口5投入粗金属锭15，以及作为焦炭料批16以适当的比例投入煤焦17和本发明的生物焦炭1，例如在全焦炭中生物焦炭1为数～50％，像图3和图5所示地形成其内部。
接着，若边从风口11送空气边加热炉内，则还原带的底焦14发生气化，产生挥发气体而形成还原区域，氧化带的底焦14完全气化或者氧化燃烧。
伴随这样的处于炉内下方区域的底焦14的气化或者氧化燃烧，交错地设置在炉的上方部分的粗金属锭15和焦炭料批16一边被预热一边要崩落向下方移动。
并且，已向下方移动的粗金属锭，在从氧化带中的焦炭产生的热的作用下发生熔解，利用从风口11供给的空气还原后，从金属液出炉口6作为金属熔液18而被取出。
金属熔液18，根据在上述的生物焦炭1的高温区的燃烧特性，不比由以往的煤焦燃烧得到的金属熔液温度逊色，或者能够以更高温得到。
再者，本发明的生物焦炭，在制造初期阶段进行成分调整是可能的，因此，没有必要使用转炉等进行成分调整。由此，全制造工序的省略化及伴随省略的成本的削减成为可能。
如上所述，本发明的生物焦炭，在铸件制造或炼铁中，代替煤焦的数～50％左右使用是可能的，即使在此情况下，也能够得到和使用煤焦时相同或者其以上的效果。
另外，本发明的生物焦炭，能够以比较简单的构成制成，因此相对煤焦，能够实现低成本。
再有，能够达到由代替煤焦而产生的地球环境负荷的降低。
下面，关于作为本发明的生物焦炭的材料原料的利用例加以说明。
存在于身边的生物量的资源量庞大，且不断生产，因此食品残渣或河流占地的草等的利用价值缺乏的生物量，多作为垃圾处理，不得不进行填埋或焚烧处理等。
若专注于生物量通过光合成来固定炭或构筑秩序正确的组织结构等，则通过有效地利用其特性，向材料原料的转换，具有级联结构的持续的循环，即零放出的构筑成为可能。
本发明的生物焦炭，具有比铁高的最高压缩强度60～200MPa，另外，食品残渣或河流占地的草等也能够作为原料利用，因此作为材料原料的利用价值非常高。
作为材料原料，可例示出庭院栅栏·园艺桩·钉等桩状体、杯子垫斜面及遮断壁用板等板体。
再者，以本发明的生物焦炭作为桩状体利用时，相应的耐冲击力就成为必要，因此，例如更优先采取在原料的生物量中添加金属粒子使生物量间的反应性提高，或者有效地利用生物量的纤维性而添加已粗粉碎的生物量，使连续性提高等手段。
按照以上，能够有效地利用以往未利用的原封不动地处理的生物量，可显示出将给人体带来恶劣影响的塑料等化学物质构成的物品能够代替为由可持续地循环的生物量资源构成的物品的方向性。
再者，作为材料原料利用的生物焦炭，作为热源的利用当然是可能的，因此，作为材料的使用如果结束，则例如炭粉化，混合在生物焦炭中，级联利用即可。另外，因为在自然中原封不动地腐朽，所以自然归化也是可能的。
接着，说明本发明的生物焦炭的进一步的利用例。
扩大上述的生物焦炭的制造方法，以短时间进行高硬度的炭化物的制造。
在大气开放下，再将生物焦炭加热·加压成形。将加热条件设定在250～350℃，将加压条件设定在8～16MPa，将重量收率维持在10～30％左右进行制造。
由此，能够以短时间得到大致100％的炭化物。
这里，通过将加热条件设定在250～350℃、将加压条件设定在8～16MPa，由此没有炭化不匀，能够以短时间得到密接力高的炭化物。
在该制造方法中，生物焦炭在产生气化和发热反应的同时，随着进行炭化，持续发生重量减少，在达到完全炭化的时刻能够得到作为炭的固态物。若使用刚伐倒的树，以相同的设定条件进行炭化，则由于加压效果气化急剧地进行，作为炭未固态化而仅得到灰分。
按照以上得到的炭化物具有30～35MJ/kg的发热量，与木炭相比，转换成高硬度的固态物，具有作为接近备长炭(備長炭)的热源的固体燃烧特性成为可能。
实施例
以下，列举实施例，详细地说明本发明的生物焦炭及其制造方法。
(实施例1)
用粉碎机(松下电工公司制)将杉木的锯末粉碎至0.1mm左右。
将该粉碎物放入自制的成形用筒(直径40mm×高度250mm的圆柱形本体)中，装填加压用活塞，在210℃、16MPa附近一边同时控制加热·加压一边保持10分钟。
此后，边维持加压状态边进行60分钟放冷，取出生物焦炭，进行了大气干燥。
制成的生物焦炭的性状，显示出最高压缩强度约100MPa、发热量约21MJ/kg。
(实施例2)
除了将加热温度设定为180℃以外，进行和实施例1相同的处理，得到了生物焦炭。
得到的生物焦炭的性状，显示出最高压缩强度约80MPa、发热量约20MJ/kg。
(实施例3)
除了将加热温度设定为220℃以外，进行和实施例1相同的处理，得到了生物焦炭。
得到的生物焦炭的性状，显示出最高压缩强度约120MPa、发热量约23MJ/kg。
(实施例4)
除了使用直径20mm的成形用筒、将加热温度设定为220℃、加压压力设定为20MPa以外，进行和实施例1相同的处理，得到了生物焦炭。
得到的生物焦炭的性状，显示出最高压缩强度约200MPa、发热量约23MJ/kg。
(实施例5)
除了以柏树皮作为成形材料以外，进行和实施例1相同的处理，得到了生物焦炭。
柏树皮比杉木的锯末容易固态化，另外，得到的生物焦炭的性状，显示出发热量约21MJ/kg、最高压缩强度约100MPa。
(实施例6)
除了以杉木锯末10％·树皮90％作为成形材料，在115℃、21MPa附近一边同时控制加热·加压一边保持15分钟以外，进行和实施例1相同的处理，得到了生物焦炭。
得到的生物焦炭的性状，显示出发热量约21MJ/kg、最高压缩强度约83MPa。利用树皮中所含的苯酚性高的高分子、多酚等能够使加工成形温度下降至50℃附近。
(比较例1)
除了将加热温度设定为240℃以外，进行和实施例1相同的处理，但没有能够全炭化且固态化。
从上述实施例和比较例可知，在加热温度是115℃～230℃时，得到了发热量、最高压缩强度都优良的生物焦炭。但是，在加热温度超过230℃时，炭化和气化急剧地进行，没有能够得到生物焦炭。
因此，由于在230℃至240℃的极少的温度差下，炭化和气化急剧地进行，所以，将合适的温度范围的上限设定为230℃。
使用最高压缩强度约100MPa、发热量约21MJ/kg的生物焦炭，用炉内径300mm的实机化铁炉(ナニヮ炉机研究所所有)进行了煤焦代替证实实验。
(实施例7)
用生物焦炭代替全焦炭中的10％，进行了化铁炉作业。
作为作业状态，可知和利用100％煤焦的作业没有大差别，能够得到金属熔液。
作业后的铸铁的拉伸试验显示出120～160MPa的值。
(实施例8)
在用生物焦炭代替全焦炭中的50％时，得到了和实施例4大致相同的结果。
由此，即使用生物焦炭代替全焦炭中的50％，证实了也能够进行和100％煤焦作业没有变化的作业。
(实施例9)
对于最高压缩强度约100MPa、发热量约21MJ/kg的生物焦炭，再在大气压下，在300℃、8MPa附近一边同时控制加热·加压一边保持20分钟。
由此得到的也可以称为人工备长炭的炭化物，显示出重量收率约20％、发热量约34MJ/kg。
(实施例10)
以河流占地的草作为成形材料，将加压用活塞的加压面加工成圆锥孔状，进行和实施例1相同条件的处理，得到了桩状体。
得到的桩状体的性状，显示出最高压缩强度约80MPa。
产业上的可利用性
本发明可以作为煤焦代替燃料和材料原料及其制造方法适当利用。

Claims (16)

1.一种生物量固态物，其特征在于，
由一边以由成形用筒及装填于该成形用筒的加压用活塞形成的大致密闭状态加热起因于光合成的生物量原料从而使从所述生物量原料产生的水蒸气和气化成分留在内部，一边进行加压成形，使作为该生物量原料的主成分的木质素、纤维素及半纤维素中的半纤维素热分解，同时保持纤维素及木质素的骨架且使其低温反应而形成的半炭化或者半炭化前固态物构成，
所述半炭化或者半炭化前固态物的最高压缩强度是60～200MPa，发热量是18～23MJ／kg。
2.根据权利要求1所述的生物量固态物，其特征在于，
所述半炭化或者半炭化前固态物的表观比重是1.2～1.38。
3.一种炭化生物量固态物，其特征在于，
是对于一边以由成形用筒及装填于该成形用筒的加压用活塞形成的大致密闭状态加热起因于光合成的生物量原料从而使从所述生物量原料产生的水蒸气和气化成分留在内部，一边进行加压成形，使作为该生物量原料的主成分的木质素、纤维素及半纤维素中的半纤维素热分解，同时保持纤维素及木质素的骨架且使其低温反应而形成的最高压缩强度是60～200MPa及发热量是18～23MJ／kg的半炭化或者半炭化前固态物，在大气开放下再次一边加热一边加压成形而形成的。
4.一种生物量固态物，其特征在于，
由一边以由成形用筒及装填于该成形用筒的加压用活塞形成的大致密闭状态加热在起因于光合成的生物量原料中添加金属粒子的物质从而使从所述生物量原料产生的水蒸气和气化成分留在内部，一边加压成形，使作为该生物量原料的主成分的木质素、纤维素及半纤维素中的半纤维素热分解，同时保持纤维素及木质素的骨架且使其低温反应而形成的半炭化或者半炭化前固态物构成，所述半炭化或者半炭化前固态物的最高压缩强度是60～200MPa，发热量是1～23MJ／kg。
5.一种生物量固态物，其特征在于，
由一边以由成形用筒及装填于该成形用筒的加压用活塞形成的大致密闭状态加热在起因于光合成的生物量原料中添加由生物量构成的炭化物的物质从而使从所述生物量原料产生的水蒸气和气化成分留在内部，一边加压成形，使作为该生物量原料的主成分的木质素、纤维素及半纤维素中的半纤维素热分解，同时保持纤维素及木质素的骨架且使其低温反应而形成的半炭化或者半炭化前固态物构成，所述半炭化或者半炭化前固态物的最高压缩强度是60～200MPa，发热量是18～27MJ/kg。
6.一种生物量固态物，其特征在于，
由一边以由成形用筒及装填于该成形用筒的加压用活塞形成的大致密闭状态加热在起因于光合成的生物量原料中添加由生物量构成并且被还原成灰的灰分的物质从而使从所述生物量原料产生的水蒸气和气化成分留在内部，一边加压成形，使作为该生物量原料的主成分的木质素、纤维素及半纤维素中的半纤维素热分解，同时保持纤维素及木质素的骨架且使其低温反应而形成的半炭化或者半炭化前固态物构成，所述半炭化或者半炭化前固态物的最高压缩强度是60～200MPa，发热量是18～23MJ/kg。
7.一种生物量固态物的制造方法，其包括：
粉碎起因于光合成的生物量原料的工序；
将该粉碎后的生物量原料填充到筒中的工序；
在该填充了粉碎后的生物量原料的筒中插入加压活塞，使得可以用所述加压活塞向所述粉碎后的生物量原料施加压力的工序；
在大致密闭状态加热所述生物量原料从而使从所述生物量原料产生的水蒸气和气化成分留在筒的内部的同时，用可滑动地插入筒中的所述加压活塞向所述生物量原料施加压力进行加压成形的工序；
使作为所述生物量原料的主成分的木质素、纤维素及半纤维素中的半纤维素热分解，同时保持纤维素及木质素的骨架且使其低温反应，来得到半炭化或者半炭化前固态物的工序；
一边维持该半炭化前或者半炭化固态物的加压成形压力一边进行冷却以获得冷却后的固态物的工序；以及
取出该冷却后的固态物进行干燥的工序。
8.根据权利要求7所述的生物量固态物的制造方法，其特征在于，
将加热和加压成形所述生物量原料时由其产生的蒸气和气化组分通过插入筒中的所述加压活塞留在所述筒内。
9.根据权利要求7所述的生物量固态物的制造方法，其特征在于，
所述的筒是圆柱形容器，并且所述加压活塞是可滑动地配合到圆柱形容器的空心中的圆柱体。
10.根据权利要求7所述的生物量固态物的制造方法，其特征在于，
所述粉碎后的生物量原料的粒径是3mm以下。
11.根据权利要求7所述的生物量固态物的制造方法，其特征在于，
加热温度是115～230℃，并且所述加压成形中的压力是8～25MPa。
12.根据权利要求7所述的生物量固态物的制造方法，其特征在于，
在将所述粉碎后的生物量原料填充到筒中的阶段添加金属粒子。
13.根据权利要求7所述的生物量固态物的制造方法，其特征在于，
在将所述粉碎后的生物量原料填充到筒中的阶段添加由生物量构成的炭化物。
14.根据权利要求7所述的生物量固态物的制造方法，其特征在于，
在将所述粉碎后的生物量原料填充到筒中的阶段添加由生物量构成并且被还原成灰分的物质的灰分。
15.一种由权利要求7所述的方法获得的生物量固态物制造炭化的生物量固态物的方法，其特征在于，包括：
在大气开放下加热由权利要求7所述的方法获得的生物量固态物的工序；
维持加热温度和压力条件一定时间进行所述生物量固态物的炭化来得到炭化的生物量固态物的工序；
一边维持所述压力一边冷却该炭化的生物量固态物来得到冷却后的炭化物的工序；以及
取出该冷却后的炭化物进行干燥的工序。
16.根据权利要求15所述的制造炭化的生物量固态物的方法，其特征在于，
加热温度是250～350℃，并且加热所述生物量固态物时所处的压力条件是8～16MPa。
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