CN108699467A - 植物性生物燃料改性方法和系统 - Google Patents
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Abstract
即使使植物内部的碱成分(钾等)溶出，当植物内部的硅或二氧化硅等高熔融温度物质极微量时也存在不能充分改善灰的软化、熔融温度的情况。本发明的目的在于，提供一种兼顾削减植物内部的碱成分和确保灰的软化、熔融温度的植物性生物燃料改性方法和系统。将植物微粒化，将微粒化后的上述植物浸渍在常压的水中而使肥料成分溶出，将在常压的水中浸渍后的上述植物脱水，向上述脱水后的植物中加入高熔融温度物质。
Description
技术领域
本发明涉及植物性生物燃料改性方法和系统。
背景技术
在将油棕空果穗等生物质作为锅炉燃料在燃烧炉中燃烧时，由于含有钾等碱金属而产生问题。已经提出了除去该碱金属的技术。
专利文献1记载了一种植物性生物燃料改性方法，其将竹等植物微粒化，将微粒化后的植物浸渍在常压的水中而使肥料成分溶出，将在常压的水中浸渍后的竹脱水。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第5753959号公报
发明内容
发明要解决的课题
即使利用这种改性方法使植物内部的碱成分(钾等)溶出，当植物内部的硅或二氧化硅等高熔融温度物质极微量时，也存在不能充分改善灰的软化、熔融温度的情况。
本发明的目的在于，提供一种兼顾削减植物内部的碱成分和确保灰的软化、熔融温度的植物性生物燃料改性方法和系统。
用于解决课题的方案
本发明的特征在于，将植物微粒化，将微粒化后的上述植物浸渍在常压的水中而使肥料成分溶出，将在常压的水中浸渍后的上述植物脱水，向上述脱水后的植物中加入高熔融温度物质。
发明效果
根据本发明，能够提供一种兼顾削减植物内部的碱成分和确保灰的软化、熔融温度的植物性生物燃料改性方法和系统。
附图说明
图1示出参考例的系统。
图2示出参考例的整体构成。
图3示出参考例的溶出装置。
图4示出改性系统启动方法。
图5示出改性系统停止方法。
图6示出长时间改性参考例的整体构成。
图7示出将生物质浸渍在水中时的残留浓度的时间推移。
图8示出将孟宗竹浸渍在水中时的残留浓度的时间推移。
图9示出孟宗竹的改性结果。
图10示出使来自竹燃料的废弃物为0的周期的例子。
图11示出灰中二氧化硅浓度低的竹子的改性比较结果。
图12示出二氧化硅等的置换、输送方法。
具体实施方式
即使利用专利文献1等的方法使植物内部的碱成分(钾等)溶出，当植物内部的硅或二氧化硅等的高熔融温度物质极微量时，也存在不能充分改善灰的软化、熔融温度的情况。
例如，就九州的孟宗竹而言，灰分1.5％中的主要成分为二氧化硅13.9％、氧化钾41.9％、氧化磷17％，灰的软化温度为970℃，熔融温度为1020℃。通过对该竹进行改性，灰分降至0.66％，但灰的主要成分为二氧化硅47.1％、氧化钾20％、氧化磷7.4％，即使以重量基准计使80％的钾溶出，灰的软化温度为820℃，熔融温度为1010℃，是完全没有改善的结果。这是由于，虽然钾等溶出，但植物本身的二氧化硅成分少，因此得不到充分的改性效果。
这种情况下，如果用二氧化硅或碳酸钙等来置换灰分中所减少的部分(1.5-0.66＝0.84％)则表现出改性效果。
为了确认而实施了置换试验，结果，对于改性前的灰量1.12％、软化温度700℃、熔融温度740℃而改性后的灰分0.62％、软化温度930℃、熔融温度1000℃的情况，通过将作为灰减量部分的0.5％用二氧化硅置换，从而灰的软化温度变为1475℃、熔融温度变为1495℃。
另外，即使不添加二氧化硅而是添加碳酸钙0.5％左右，灰的软化温度也上升到1460℃，能够实现了改性。
另一方面，还考虑了未进行改性等、而是从最初就混入二氧化硅使软化温度上升的方案，但此时没有使钾减少，二氧化硅的混入相对于燃料需要为10％左右。另外，在未改性的情况下，为氯浓度高的状态。
就氯浓度的目标值0.1％以下而言，燃烧废气中的氯气体浓度50ppm以下成为基准，即使混合二氧化硅，废气中的氯浓度也不变。例如，为了使经试验确认的孟宗竹的氯浓度0.3％达到0.1％以下、使废气中的氯气浓度达到50ppm以下，需要混合为竹的3倍的无氯燃料，这可以说是不现实的(参照图11)。图11示出灰中二氧化硅浓度低的竹的改性比较结果。将难以改性的竹的一例示于图11，最初的2列仅对原料进行溶出而不进行温度改善、此后的3列为通过溶出+置换进行了改善的结果。作为添加物的碳酸钙通过燃烧而成为氧化钙。二氧化硅、氧化钙的成分增加时标记了下划线。
实施例1
即使向竹碎片中混入二氧化硅或碳酸钙(分解成氧化钙)，也需要避免碎片与二氧化硅分离。另外，需要将竹的改性物运输到锅炉侧的燃料筒仓。作为同时解决这些的方法的例子，在图12中示出本实施例的高熔融温度物质的置换、输送方法。
图12示出与后述的图2中的连接脱水装置14和颗粒储存筒仓17的输送系统相当的部分的一例。例如，示出设置在图2中的脱水装置14和颗粒制造装置15之间的装置的一例。从改性装置40经由脱水装置14而供给的竹碎片经由输送管41向燃料碎片筒仓43供给。在燃料碎片筒仓43的入口具备袋式过滤器42。为了输送竹碎片，例如使用利用锅炉设备的冷凝器冷却空气的输送叶片38。从输送叶片和竹碎片供给口之间供给来自涂敷材料筒仓39的涂敷材料。例如，吹入竹的重量的1％左右。作为涂敷材料，使用二氧化硅成分超过90％的硅藻土、硅砂、碳酸钙等高熔融温度物质。如果竹碎片的改性所需的高熔融温度物质为例如碳酸钙，则为竹碎片的重量的0.3～0.5％左右即充分，因此可以说附着在竹碎片的切断面的程度即充分。
为了通过空气输送将改性物运输至燃料碎片筒仓且避免竹的粉尘发生飞散而使用袋式过滤器。通过在袋式过滤器的滤布的纤维上预先涂敷作为涂敷材料的、二氧化硅成分超过90％的硅藻土、硅砂或碳酸钙等，从而可以利用袋式过滤器而使高熔融温度物质附着于竹碎片。
袋式过滤器的涂敷材料由于要求微细的粒径且多孔的形状而附着在竹碎片的表面、纤维间等且不易分离。竹碎片(竹粒)碰撞袋式过滤器的滤布并落入燃料碎片筒仓。在碰撞袋式过滤器时，附着在滤布的纤维间的高熔融温度物质附着到竹粒表面、并且高熔融温度物质本身也部分从滤布剥离、落下，在燃料碎片筒仓内部附着于竹粒子，从而高熔融温度物质被加入。
如本实施例所示，通过向作为脱水后的植物的竹碎片加入作为高熔融温度物质的涂敷材料，从而能够兼顾削减植物内部的碱成分和确保灰的软化、熔融温度。对于确保灰的软化、熔融温度而言，高熔融温度物质中所含的二氧化硅、氧化钙在发挥作用。
在本实施例中，高熔融温度物质是指在超过1500℃的温度熔融的物质。二氧化硅在1650±75℃时熔融。碳酸钙分解成生石灰(CaO)，在2613℃时熔融。由后者的例子可知，在本实施例中，高熔融温度物质包括如碳酸钙这样在燃烧时分解成CaO、从而成为高熔融温度物质的物质。氧化钾(K2O)为450℃，因此通过置换为超过1500℃的物质而使得软化、熔融温度上升。
在本实施例中，高熔融温度物质在竹碎片的输送工序中被加入，在连接脱水装置和筒仓的路径上使用涂敷材料筒仓39作为置换装置。
需要说明的是，在本实施例中，作为设置在图2中的脱水装置14和颗粒制造装置15之间的装置进行了说明，但也可以从燃料碎片筒仓43中如图10所示那样将改性物作为燃料移送到锅炉侧。
[参考例]
以下对作为参考例的、专利文献1的植物性生物燃料改性方法进行说明。专利文献1中说明了如下方案：为了能够利用未利用生物质，将影响燃烧后的腐蚀、灰性状的物质预先分离，并且由于分离出的物质是植物成长必需的物质，因此作为肥料再次返回生物质田地或森林，从而能够持续供给生物燃料。
[参考例1]
短时间改性的实例(用热水进行的改性)
使用图1～3来说明本发明的参考例。
原料生物质被投入接收料斗1内，在微粒化装置2中被微粒化。希望基本上尽可能地使其变细。如果考虑只用颗粒制造装置15颗粒化，则会裁断至适于作为燃料的尺寸(直径50～100mm程度)，但希望使其变得比该尺寸细，即微粒化至使粒径(粒子的直径)达到平均50mm以下的尺寸。考虑到溶出效率，更希望微粒化至平均10mm以下的尺寸。
微粒化后的生物质落向供给料斗3。供给料斗3的水平用供给料斗水平计4来监视，水平高则停止微粒化装置2。另一方面，如果水平降低，变为低水平，则启动微粒化装置2。溶出装置6内部有溶出装置螺杆28，以一定转速运转，以规定时间在溶出装置内利用热水进行生物质的氯和碱成分的溶出。另外，溶出装置6内装有水，通过蒸气流量调整阀8用蒸气加温，使得借助温度变送器7的内部温度达到一定。通过该加温，溶出装置6内的水变为热水。
通过蒸气流量调整阀8后的蒸气进入溶出装置蒸气夹套29内而将溶出装置内壁27加热，从而使溶出装置6内的液体温度上升。另一方面，在溶出装置6内的液体温度过度上升的情况下，旋紧蒸气流量调整阀8而控制在规定温度内。离开溶出装置蒸气夹套29的蒸气或冷凝水再次返回到蒸气供给装置侧。
微粒化后的生物质用旋转送料器5向溶出装置6供给。当投入生物质使得溶出装置6内的液体的水平上升时，流到溢流液管26中而经由溢流管30被送到脱水装置14。另一方面，在水平降低的情况下，通过溶出水水平变送器12而打开溶出水水平调整阀11，通过将溶出液罐20中的溶液供给到溶出装置6的溶出水水平调整系统而供给到溶出装置6，从而使水平升高。用氯/钾浓度变送器10监视溶出装置内的液体，在氯或钾上升至规定浓度以上的情况下，打开浓度调整阀9，用工业用水稀释，使溶出装置6内液体的氯、钾的浓度降低至规定值。
另外，为了进行溶出装置内部的生物质搅拌而高效地进行溶出，装入装置内的溶出液和工业用水的喷嘴做成与溶出液注入喷嘴25相同的形状，将停滞在溶出装置内壁27下部的生物质卷起而进行搅拌。
被运送至溶出装置6的出口侧的生物质通过生物质排出口33，在溶出装置排出旋转送料器13被定量化，与溶液一起被送到脱水装置14。为了使溶出装置6内部的生物质不停滞地流到生物质排出口33，在两侧设置生物质引导板34，防止溶出装置6内部的生物质停滞。
用脱水装置14脱水后的生物质成为水分25％以下的状况，用颗粒制造装置15生成数厘米的颗粒。制造的颗粒通过斗式输送机16被储存在颗粒储存筒仓17中。输送用密闭型卡车19定期地进行输送，此时从出料阀门18装罐。
另一方面，离开脱水装置14的溶液被储存在溶出液罐20中。在溶出液罐20出口有溶出液泵21，加压后借助溶出水水平调整阀11而用于调整溶出装置6的水平，用溶出液罐水平变送器22得知水平上升时，通过溶出液罐水平调整阀23，使得溶出液被供给到肥料设备。
图4、5示出参考例的改性系统启动、停止的流程图。
首先，为了启动本装置，打开浓度调整阀9使工业用水充入溶出装置6中并达到规定水平。此时浓度调整阀9确保充水开度为一定开度，如果达到规定水平则关闭。如果溶出装置6内部的溶液达到规定水平，则蒸气流量调整阀8缓慢打开至规定开度，对溶出装置蒸气夹套29内部填充高温蒸气，从而使溶出装置6内溶液的温度缓缓上升。
如果溶液达到规定温度，则暂时关闭蒸气流量调整阀8，进入系统加温的步骤。首先，溶出液泵21启动，时限后脱水装置14启动，之后溶出装置排出旋转送料器13开始运转。当溶出装置排出旋转送料器13开始运转时，溶出装置6内的溶液被排出，因此溶出水水平调整阀11打开，调整水平。溶出装置6内的溶液水平发生急剧降低时，浓度调整阀9打开，进行提高溶液水平的动作。
另外，由于溶液温度也降低，蒸气流量调整阀8进行开动作，控制溶液温度。需要说明的是，本参考例由于仅高效地提取出与放热量无关的物质，因此还有放热量变化少的优点。
另一方面，由于在系统加温一结束就开始启动改性系统，因此事先将微粒化后的生物质供给到供给料斗3，因此微粒化装置2成为自动运转模式。在供给料斗3内的生物质水平低的情况下，微粒化装置2运转，将生物质填充到供给料斗3。
就系统加温结束的判断而言，当蒸气流量调整阀8达到10％开度以下时，判断为不需要大量的加温蒸气的状况，从而结束加温。如果系统加温结束，则溶出装置6和旋转送料器5开始运转，开始生物质的改性。
另外，如果生物质开始供给，则改性后的生物质从脱水装置14排出，因而颗粒制造装置15和斗式输送机16运转，改性并颗粒化后的生物质被供给到颗粒储存筒仓17。
继续运转，当生物质的投入部分和溶液浓度上升时，浓度调整阀9打开，稀释浓度，因此体系内的溶液增加。在增加了的情况下，由于溶出液罐20水平上升，一旦达到规定值以上则位于溶出液泵21出口的溶出液罐水平调整阀23打开，向肥料设备供给溶出液。
在停止改性系统的情况下，若不事先排出体系内的生物质，则再启动时有可能因为堵塞、粘结而发生不能启动的情况，因此用以下的方法停止。
当输入停止指令时，微粒化装置2强制停止，使生物质向供给料斗3的供给停止。停止指令的时限后，旋转送料器5停止。该时限是如下设定的：事先测定从通常运转的微粒化装置2停止水平至供给料斗3内的生物质全部被排出的时间，将该时限设为该时间加1分钟。旋转送料器5停止后，溶出装置6和溶出装置排出旋转送料器13运转，在溶出装置内部的生物质排出为止的时间上再加5分钟的时间时自动停止。
另一方面，在该5分钟前的时点，生物质几乎都被排出，从而浓度调整阀9、蒸气流量调整阀8和溶出水水平调整阀11强制关闭。
由于溶出装置6和溶出装置排出旋转送料器13停止，向脱水装置14供给的生物质消失，因此时限后停止。之后，颗粒制造装置15和斗式输送机16分别时限后停止。
关于溶出液泵21，由于溶出液罐水平调整阀23完全关闭，如果继续20分钟则体系内的溶液不会返回罐内，因此使溶出液泵21停止，改性系统会停止结束。
[参考例2]
长时间改性的实例(用水进行的改性)
图6示出长时间改性的参考例的整体构成。与参考例1主要的区别在于不使用热水而是用水(凉水)进行溶出。图6中，与图2共同的部分标注相同的符号，与参考例1共同的部分省略说明。
对于能够浸渍于水中而高效地溶出氯和碱成分的植物性生物质而言，稍微需要一些时间但耗能少的本构成是节能的。
溶出装置6内部有溶出装置螺杆28，以一定转速运转，以规定时间在溶出装置内利用水进行生物质的氯和碱成分的溶出。
用脱水装置14脱水后的生物质为了达到水分25％以下的状况而被送到干燥装置35进行干燥。此时的热源是蒸气，用干燥蒸气调整阀37进行控制而使干燥装置出口温度变送器36的温度达到规定值。干燥后的生物质用颗粒制造装置15生成数厘米的颗粒。
以上说明的各参考例的生物燃料的改性系统具有：将作为原料的植物微粒化的微粒化装置2、在大气压环境下使水溶性物质从用微粒化装置2微粒化后的植物中溶出的溶出装置6、将从溶出装置6排出的植物脱水的脱水装置14、储存用脱水装置14脱水后的植物的颗粒储存筒仓17、和储存从脱水装置14排出的溶液的溶出液罐20。
将植物微粒化，将微粒化后的植物浸渍在常压的水中，将在常压的水中浸渍后的植物脱水，将脱水后的植物用作燃料，将通过脱水得到的溶液用作肥料，由此可以提供不需要高压环境，以简单的手法就能够除去钾、氯的生物燃料的改性装置、方法。
用图7示出将生物质浸渍在水中时的残留浓度的时间推移。图7的(a)的图表是将棕榈椰子(日语：パーム椰子)空果穗(EFB)微粒化至20mm以下后的图表，图7的(b)的图表是孟宗竹碎片的图表。左侧图表分别是浸渍于热水的图表，右侧图表是浸渍于水的图表。关于各个图表的纵轴，左侧是残留钾浓度，右侧是残留氯浓度，横轴是时间的经过。
由右侧的图表可知，(如果微粒化)即使仅浸渍于水中，也可以使钾、氯充分地溶出。还可知，如果浸渍于热水，比用水的情况更高效地使钾、氯溶出。
图8表示将孟宗竹浸渍于水中后的、氯和钾的残留浓度的时间推移。图8的(a)表示浸渍于热水的情况，图8的(b)表示浸渍于常温水中的结果。左侧图表的纵轴表示氯浓度，右侧图表的纵轴表示钾浓度，横轴表示浸渍的时间。各个图表中示出了粒径6mm以下的碎片与粒径150μm以下的粉末的对比数据。
例如，由图8的钾浓度的推移可以读取以下内容：在6mm碎片的情况下0.1％是下限值，但制成150μm粉末时0.05％是下限。即，可以说充分的微粒化不仅仅加快溶出速度，而且还有使溶出量本身增多的效果。
图9中，关于作为孟宗竹的改性结果的氯浓度、钾浓度、放热量、灰软化温度、灰熔融温度、灰的流动温度，示出了改性前和改性后的数值。
即使能够使碱成分大量地溶出，但如果甚至使二氧化硅等软化温度高的物质也同样地溶出，则结果是灰的软化温度不上升，变得不适于作为燃料。图9所示的改性结果是软化温度、熔融温度、流动温度全部上升，达到1100℃以上，可知成为适用于燃料的性状。
[参考例3]
图10示出使来自竹燃料的废弃物为0的周期的参考例。用微粒化装置微粒化后的竹在改性装置中被分为残渣、肥料原料、竹残料碎片(端部、叶、小枝等的破碎物)。
残渣被锅炉的排热干燥后，作为燃料被供给到锅炉。残渣中没有被供给到锅炉的部分进行颗粒化等，能够作为生物燃料而出售。
肥料原料和竹残料碎片与从锅炉排出的灰一起被放入搅拌器，加工成液体肥料。作为液体肥料，只要氮、磷酸、钾这三要素中的二要素以上的合计为8％以上的浓度即可，本例满足该条件。
在本参考例中，投入微粒化装置的全部竹用作燃料或肥料。即，来自竹的废弃物为零。如果将得到的液体肥料用于竹的培育，则可以形成循环周期。
符号说明
1：接收料斗，2：微粒化装置，3：供给料斗，4：供给料斗水平计，5：旋转送料器，6：溶出装置，7：温度变送器，8：蒸气流量调整阀，9：浓度调整阀，10：氯、钾浓度变送器，11：溶出水水平调整阀，12：溶出水水平变送器，13：溶出装置排出旋转送料器，14：脱水装置，15：颗粒制造装置，16：斗式输送机，17：颗粒储存筒仓，18：出料阀门，19：输送用密闭型卡车，20：溶出液罐，21：溶出液泵，22：溶出液罐水平变送器，23：溶出液罐水平调整阀，24：溶出水水平调整液集管，25：溶出液注入喷嘴，26：溢流液管，27：溶出装置内壁，28：溶出装置螺杆，29：溶出装置蒸气夹套，30：溢流管，31：工业用水注入集管，32：生物质投入口，33：生物质排出口，34：生物质引导板，35：干燥装置，36：干燥装置出口温度变送器，37：干燥蒸气调整阀、、38：输送叶片，39：涂敷材料筒仓，40：改性装置，41：输送管，42：袋式过滤器，43：燃料碎片筒仓。
Claims (8)
1.一种植物性生物燃料改性方法，其特征在于，
将植物微粒化，将微粒化后的所述植物浸渍在常压的水中而使肥料成分溶出，将在常压的水中浸渍后的所述植物脱水，向所述脱水后的植物加入在超过1500℃的温度下熔融的高熔融温度物质。
2.根据权利要求1所述的植物性生物燃料改性方法，其中，
所述高熔融温度物质为二氧化硅或氧化钙。
3.根据权利要求1所述的植物性生物燃料改性方法，其中，
所述高熔融温度物质在所述脱水后的植物的输送工序中被加入。
4.根据权利要求1所述的植物性生物燃料改性方法，其中，
所述高熔融温度物质以补足所述所溶出的肥料成分中所含的灰分的量被加入。
5.根据权利要求1所述的植物性生物燃料改性方法，其中，
所述植物为竹。
6.一种植物性生物燃料改性系统，其具有：
将植物微粒化的微粒化装置；
在大气压环境下使水溶性物质从用所述微粒化装置微粒化后的植物中溶出的溶出装置；
将从所述溶出装置排出的所述植物脱水的脱水装置；
向用所述脱水装置脱水后的所述植物加入在超过1500℃的温度下熔融的高熔融温度物质的置换装置；
储存通过所述置换装置加入了所述高熔融温度物质的所述植物的筒仓；和
储存从所述脱水装置排出的溶液的溶出液罐。
7.根据权利要求6所述的植物性生物燃料改性系统，其中，
所述置换装置连接在连接所述脱水装置和所述筒仓的路径上。
8.一种植物性生物燃料改性系统，其具有：
将植物微粒化的微粒化装置；
在大气压环境下使水溶性物质从用所述微粒化装置微粒化后的植物中溶出的溶出装置；
将从所述溶出装置排出的所述植物脱水的脱水装置；
向用所述脱水装置脱水后的所述植物中加入在超过1500℃的温度下熔融的高熔融温度物质的置换装置；
具备作为所述置换装置起作用的袋式过滤器、且储存通过所述置换装置加入了所述高熔融温度物质的所述植物的筒仓；和
储存从所述脱水装置排出的溶液的溶出液罐，
所述袋式过滤器的涂敷材料包含所述高熔融温度物质从而使所述袋式过滤器作为所述置换装置起作用，所述涂敷材料附着在所述袋式过滤器的纤维间。
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