JP2003206490A

JP2003206490A - バイオマス半炭化圧密燃料前駆体およびバイオマス半炭化圧密燃料の製造方法

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Publication number: JP2003206490A
Application number: JP2002005476A
Authority: JP
Inventors: Takako Honjo; 孝子本庄; Hiroshi Sano; 寛佐野
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2003-07-22
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: JP3837490B2

Abstract

(57)【要約】【課題】多種多様な形態を呈するバイオマスを原料とし
て、エネルギー密度およびエネルギー収率が高く、輸送
性に優れたバイオマス変換燃料を製造する技術を提供す
ることを主な目的とする。【解決手段】酸素欠乏雰囲気中においてバイオマスを20
0〜500℃で加熱することを特徴とするバイオマス半炭化
圧密燃料前駆体の製造方法、および、得られたバイオマ
ス半炭化圧密燃料前駆体を加圧下に成形することを特徴
とするバイオマス半炭化圧密燃料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、木、草、枝葉或い
はその廃棄物である林地残渣、製材残渣、剪定・葉刈り
材、古紙などのバイオマスを原料とする半炭化圧密燃料
（Bio-carbonizeddensified fuel；以下「BCDF」と略記
する）の前駆体およびBCDFの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】将来的に予測されている化石燃料の枯
渇、大気中CO₂濃度の上昇を一因とする地球温暖化現象
などを考慮して、再生可能なエネルギー源としてのバイ
オマスの利用拡大が望まれている。

【０００３】燃料として利用可能なバイオマスは、森林
系バイオマス、農業系バイオマス、回収廃棄物系バイオ
マスなどである。現在、バイオマスは、主として薪、柴
などの乾燥物或いはオガライト、オガ炭、木炭などの完
全炭化物の形態で、その一部が使用されているに過ぎな
い。バイオマスの過半量を占める森林系および農業系の
バイオマス(以下「農林系バイオマス」という)は、その
ままでは空隙率が非常に高く(嵩高で)、輸送が困難であ
り、かつ重量当りのエネルギー密度が低いので、市場性
は非常に低い。

【０００４】また、近年大きな問題となっているバイオ
マスの一例として、いわゆる町柴(都市部における樹木
の剪定・葉刈り廃棄物を主とする)がある。従来、町柴
の処理は、野焼き、埋め立てなどにより行われている
が、煙害の発生、埋め立て処分地の不足などにより、新
たな処理手法或いは新たな有効利用方法を見出す必要に
迫られている。同様な問題は、果樹栽培において発生す
るいわゆる村柴についても生じており、その解決策の確
立が求められている。

【０００５】従来、圧密化バイオマス系燃料としては、
上記のオガライト、ペレット状のBDF(Bio-densified-fu
el)、豆炭状のCDF（Carbonized-densified-fuel:いわゆ
る「タドン」）などが知られている。

【０００６】オガライトは、乾燥したオガクズを約1t/c
m²の圧力で棒状に加圧しながら、表面を約150℃に加熱
成型した薪状の成形燃料である。オガライトは、その性
質上、水分を吸収すると容易に崩壊し、また微生物によ
り比較的容易に分解されるので、保存性が低い。さらに
は、多量の化合水を含むので、重量当りのエネルギー密
度も、未加工のバイオマスと同様に低い。

【０００７】ペレット状のBDFは、例えば、ウーデック
スともよばれ、製材所で発生するオガクズを水分含量7%
程度で高圧加圧して製造される。しかしながら、これ
も、原料の含水量が多かったり、不純物が混入したりし
ていると、ペレット化が困難になる。また、BDF自体
も、吸湿すると、崩壊して、オガクズに戻ってしまうと
いう難点がある。

【０００８】豆炭状のCDF(タドン)は、重量当りのエネ
ルギー密度は高いものの、炭化時の損失が大きいので、
原料基準のエネルギー収率は低い。さらに、圧密化して
も炭化物の内部隔壁の強度が高いので、圧密化保持のた
めにバインダー添加を必要とし、可塑性が乏しく、十分
に圧密化された高強度の製品が得られないという難点が
ある。

【０００９】従って、各種のバイオマスを質的に変換し
て、重量当りのエネルギー密度が高く、空隙率が低く、
高強度で、輸送性に優れた新規な高効率燃料(高度の圧
密化燃料)を得る技術の確立が求められている。

【００１０】概念としての圧密化燃料には、すでにペレ
ット状のBDFと豆炭状のCDFとがあるので、さらに両者の
中間的な半炭化段階のBCDFがあってもよい。一般に、多
様な発生源に由来するバイオマス混合物は、圧密化しに
くく、可塑性が乏しいため、高エネルギー密度の圧密化
燃料を得るためには、バインダーの添加が好まれる。し
かしながら、例えば、木材廃材粉砕物にリサイクル原料
として廃プラスチックを添加し、加圧して、圧密化燃料
を製造する場合には、得られた燃料が可塑剤などの添加
物に由来する有害物を含むことになり、またプラスチッ
クス成分が塩素を含む場合には、燃料の燃焼時にダイオ
キシンなどの有害成分を発生させる危険性があるので、
実用化には障害がある。

【００１１】さらに、バイオマスを可塑化成形する方法
としては、マイクロ波を照射して加熱成形する方法或い
は水蒸気を用いて加熱成形する方法（例えば、棚橋光
彦、「圧縮成型によるバイオマスボードの作成と針葉樹
及び心材成分の高圧水蒸気蒸留法の開発」、第10回日本
エネルギー学会大会、5-21(2001)）が知られている。し
かしながら、マイクロ波加熱成形方法は、膨大なエネル
ギーを必要とするので、燃料の製造方法としては、経済
性に劣る。水蒸気熱加熱成形方法の場合には、180℃ま
での加熱・圧密によりバイオマス系ボードを作る技術が
すでに公知である。しかしながら、この方法では、バイ
オマス成分であるセルロースやヘミセルロースの脱水が
殆ど十分に進行していないので、ボードは、塑性変形を
生じてはいるものの、大量の化合水を保持している。従
って、この方法をバイオマスの燃料化技術として見た場
合には、重量当たりのエネルギー密度の向上は、全く達
成されず、高エネルギー密度化への有効な手段といえな
い。

【００１２】BCDFは、上記の問題点を克服するための有
望な技術であると期待できるが、その具体的な製造方法
は、確立されてはいない。すなわち、半炭化段階のBCDF
は、吸湿しても崩壊せず、高エネルギー密度で、輸送性
に優れた性状を有するペレット状燃料となりうると予測
されているが、その製造方法についての具体的な条件な
どは、明らかにされていない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、多
種多様な発生源に由来するバイオマスを原料として、原
料よりもエネルギー密度が高く、かつ木炭よりもエネル
ギー収率が高く、輸送性に優れたバイオマス変換燃料を
製造する技術を提供することを主な目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の様な
技術の現状に鑑みて鋭意研究を進めた結果、バイオマス
系の半炭化圧密燃料（BCDF）を製造するに際し、予めバ
イオマスの部分炭化物(BCDF前駆体)を調製した後、この
前駆体を用いてBCDFを製造することにより、上記の目的
を達成しうることを見出した。

【００１５】すなわち、本発明は、下記のバイオマス半
炭化圧密燃料前駆体およびバイオマス半炭化圧密燃料の
製造方法を提供するものである。１．酸素欠乏雰囲気中においてバイオマスを200〜500℃
で加熱することを特徴とするバイオマス半炭化圧密燃料
前駆体の製造方法。２．バイオマスを250〜400℃で加熱する上記項１に記載
の方法。３．バイオマス半炭化圧密燃料前駆体重量の1〜5％に相
当するタール分を残存させる上記項１に記載の方法。４．酸素欠乏雰囲気が、酸素濃度1％以下の酸素含有雰
囲気或いは不活性ガス雰囲気である上記項1に記載の方
法。５．上記項１〜４のいずれかに記載の方法により得られ
たバイオマス半炭化圧密燃料前駆体を加圧下に成形する
ことを特徴とするバイオマス半炭化圧密燃料の製造方
法。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明が処理対象とするバイオマ
スは、特に限定されるものではなく、木、草、枝葉或い
はその廃棄物である林地残渣、製材残渣、剪定・葉刈り
材、古紙などが例示される。処理に際しては、必要に応
じて、適宜の寸法に切断、裁断、予備成形などを行う。
その形態は、ブロック、フレーク状、チップ状、シート
状など任意のものを使用することが出来る。

【００１７】バイオマスが、大過剰の水分を含む場合
(濡れている場合など)には、予め乾燥した後、加熱処理
に供することが好ましい。

【００１８】バイオマスの主成分は、セルロース、ヘミ
セルロースおよびリグニン(アルキル基などの側鎖を有
する芳香族化合物の縮合体)である。本発明によるBCDF
前駆体製造においては、主に易分解性のセルロースおよ
びヘミセルロースの分解による脱水により、重量当たり
のエネルギー密度を大幅に増大させるとともに、主に難
分解性のリグニンの熱分解生成物である木タールなどの
不完全分解性の有機成分をできるだけ多く残存させるこ
とを目指している。すなわち、本発明は、タール或いは
タール前駆物質を粘結成分として残留させる点におい
て、木炭製造技術とは、本質的に異なる。

【００１９】本発明方法において、原料バイオマスを酸
素欠乏雰囲気(本発明において、「酸素欠乏雰囲気」と
は、酸素濃度1％以下の低酸素濃度雰囲気、例えば燃焼
排ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気などの無酸素雰囲気を
意味する)中で昇温加熱すると、バイオマスは、まず110
〜150℃の温度で完全乾燥されて自由水分を失った後、
セルロースおよびヘミセルロースが、約200〜250℃で脱
水分解し始めて、原料のエネルギー密度を次第に増大さ
せる。これに対し、リグニンの熱分解脱水物である木タ
ールを残存させるためには、加熱温度を500℃以下に抑
えることが望ましい。この様に、分子内水分の脱離率を
より高めることとリグニン由来の有機成分をより多く残
存させることは、トレードオフの関係になっている。

【００２０】特に、リグニンの熱分解物である木タール
は、BCDF前駆体からBCDFを製造するに際し、バインダー
および可塑剤としての機能を発揮するのみならず、BCDF
前駆体およびBCDFに防腐性および保存性を付与するとと
もに、BCDFのエネルギー収率を高めるという極めて重要
な効果を発揮する。

【００２１】一般に、原料バイオマスの加熱温度が低す
ぎる場合には、脱水が十分に行われないのに対し、木炭
化における様に加熱温度が高すぎる場合には、炭素骨格
の配置換え、すなわち芳香環化による炭化と側鎖の有機
物のガス化とが生じて、重量が漸減し、また燃焼性のガ
ス(水素、メタン、一酸化炭素など)の放出によって、原
料自体が保有する熱量も、次第に失われる。

【００２２】バイオマス熱分解処理時の雰囲気中の酸素
濃度は、低い程好ましいが、密閉性処理容器内に少量の
酸素が存在していても、速やかに全て消費されるので、
1％以下であれば、障害とはならない。

【００２３】従って、本発明においては、バイオマスの
発生源などにより変わりうるが、上記のトレードオフの
関係を考慮して、酸素欠乏雰囲気中バイオマスを200〜5
00℃程度(より好ましくは250〜400℃程度)の温度域にお
いて加熱することにより、十分な脱水を行うとともに、
BCDF前駆体重量の1〜5％程度に相当するタール分を残存
させることが好ましい。この温度範囲での加熱によれ
ば、脱水による大きい重量減少を生じるが、その大部分
は化合水の離脱によるものであり、熱量の大部分は維持
されているので、化合水の離脱に対応して、加熱生成物
であるBCDF前駆体重量のカロリー／重量密度が増大す
る。

【００２４】なお、実際のBCDF前駆体の製造に際して
は、加熱炉内部の温度分布、原料バイオマスの種類、仕
込み量、形状などによって、原料バイオマス全体で、反
応が均一に進行しないことがあるので、温度差を±10℃
以下とする厳密な温度制御を追求することは、実務上困
難である。この様な場合には、全体としての反応の均一
性を出来るだけ確保しつつ、熱分解による脱水が進行
し、かつ所定重量のタール分が残存する様に、上記温度
範囲内で、昇温速度を調整したり、或いは加熱温度を段
階的に変動させても良い。或いは、さらに加熱時間を調
整しても良い。

【００２５】本発明によるBCDF前駆体は、特に限定され
るものではないが、例えば、2〜200MPa程度(より好まし
くは5〜100MPa程度)の加圧下に所定の寸法に成形するこ
とにより、BCDFとすることが出来る。

【００２６】

【発明の効果】本発明方法によれば、多種多様な植物に
由来する原料バイオマスから、従来の各種バイオマス系
燃料製造方法に比して、エネルギー成分の揮発損失を抑
制して、高いエネルギー収率で、しかもバイオマス原料
よりも高エネルギー密度の半炭化物を得て、輸送性およ
び保全性に優れた高効率燃料を得ることが出来る。

【００２７】すなわち、本発明により得られたBCDF前駆
体は、親水性が低く、バインダーとなる木タールを多量
に含み、可塑性に優れているので、これを圧縮成形する
ことにより、容易に高強度のBCDFに変換させることが出
来る。

【００２８】得られるBCDFは、体積あたりのエネルギー
密度および重量あたりのエネルギー収率が高く、輸送
性、保型性、保存性、貯蔵性などに優れているので、バ
イオマス原料に比して、市場商品としての利用価値が極
めて高い。

【００２９】また、BCDF前駆体自体も、防腐性、防水性
などに優れているので、そのまま長期間保存することが
出来る。

【００３０】

【実施例】以下に実施例および比較例を示し、本発明の
特徴とするところにより一層明らかにする。実施例１原料バイオマスとして、1〜5mm大にカットした剪定材を
120℃で6時間乾燥した後、2gを秤量し、密閉容器内のア
ルゴン雰囲気中250℃で30分間加熱することにより、重
量収率約95.5％、エネルギー収率約98％で褐色の部分炭
化物(BCDF前駆体)を得た。この加熱処理により、重量当
たりのエネルギー密度は約5％向上した。また、タール
分に相当するベンゼン抽出分は、約2％であった。

【００３１】得られたBCDF前駆体を約100MPaで加圧成形
したところ、安定な圧密体としてのペレット状BCDFが得
られた。このBCDFを水中に浸漬放置したところ、半日後
に崩壊した。実施例２原料バイオマスとして1〜5mm大にカットした剪定材を12
0℃で6時間乾燥した後、4gを秤量し、密閉容器内のアル
ゴン雰囲気中350℃で30分間加熱することにより、重量
収率約43.4％、エネルギー収率約75％で黒色の部分炭化
物(BCDF前駆体)を得た。この加熱処理により、重量当た
りのエネルギー密度は約73％向上した。また、タール分
に相当するベンゼン抽出分は、約4％であった。

【００３２】得られたBCDF前駆体を約100MPaで加圧成形
したところ、安定な圧密体としてのペレット状のBCDFが
得られたが、ペレットの角部が少し崩れた。このBCDFを
水中に浸漬放置したところ、1週間後にも当初の形態を
維持していた。比較例１原料バイオマスとして1〜5mm大にカットした剪定材を12
0℃で6時間乾燥した後、4gを秤量し、密閉容器内のアル
ゴン雰囲気中550℃で30分間加熱することにより、重量
収率約28．8％、エネルギー収率約35％で黒色の部分炭
化物(BCDF前駆体)を得た。この際、容器出口には部分炭
化物から分離した多量のタール分が付着していた。この
加熱処理により、重量当たりのエネルギー密度は約22％
向上した。部分炭化物中のタール分に相当するベンゼン
抽出分は、0.5％以下であった。得られたBCDF前駆体を
約100MPaで加圧成形した後、型から取り出したところ、
取り出し時に成型物が崩壊した。

フロントページの続きＦターム(参考） 4D004 AA12 AB01 BA03 CA14 CA26 DA02 DA06 DA10 4H012 JA03 4H015 AA01 AA12 AA13 AB01 BA01 BA13 BB03 BB05 CA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素欠乏雰囲気中においてバイオマスを20
0〜500℃で加熱することを特徴とするバイオマス半炭化
圧密燃料前駆体の製造方法。
【請求項２】バイオマスを250〜400℃で加熱する請求項
1に記載の方法。
【請求項３】バイオマス半炭化圧密燃料前駆体重量の1
〜5%に相当するタール分を残存させる請求項1に記載の
方法。
【請求項４】酸素欠乏雰囲気が、酸素濃度1％以下の酸
素含有雰囲気或いは不活性ガス雰囲気である請求項1に
記載の方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の方法によ
り得られたバイオマス半炭化圧密燃料前駆体を加圧下に
成形することを特徴とするバイオマス半炭化圧密燃料の
製造方法。