JP2003213273A

JP2003213273A - 高発熱量炭化物の製造法

Info

Publication number: JP2003213273A
Application number: JP2002013594A
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: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2003-07-30
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP3760228B2

Abstract

(57)【要約】【課題】バイオマスを原料として、高いエネルギー収率
で、木炭よりも容積エネルギー密度および重量エネルギ
ー密度の高い固形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】バイオマスを加熱乾留することにより得ら
れる炭化物に対し、加熱時に発生する揮発分を循環吸収
させることを特徴とする高発熱量炭化物の製造法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原料を超え、かつ
木炭をも超えるエネルギー密度の高い高発熱量と木炭を
超える高エネルギー収率とを発揮する炭化物の製造方法
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、化石燃料に対する依存度を低下させる
ために、再生可能なエネルギー源であるバイオマスを、
エネルギー収率が高く、かつエネルギー密度の高い燃料
に変換する新しい技術が求められている。従来、バイオ
マスを原料とする木炭の製造方法は、簡単な加熱乾留設
備を用いて、低カロリーのバイオマス（約4.5Gcal/t・
乾物）のエネルギーを高密度化（約8Gcal/t・木炭）さ
せることができるので、低発熱量のバイオマス起源のエ
ネルギー輸送性および貯蔵性を改善させる技術として、
一応認知されている。すなわち、木炭製造方法は、他の
バイオマス変換法、例えば、ガス化法、液化法などが、
バイオマス生産地点に建設することが困難である大型の
プラントを必要とし、しかもエネルギー収率が必ずしも
高くはないという難点を有しているのに対して、大きな
利点を有している。しかしながら、既存のバイオマス木
炭化技術には、次の様な難点がある。先ず、バイオマス
の加熱炭化物である木炭においては、炭化過程で発生す
る揮発分が外界へ放出されるので、原料に対する炭化物
の収率は、重量基準で20%程度、エネルギー基準で40%弱
に留まり、原料バイオマスエネルギーの大きな損失を伴
う。木炭自体の重量当たりカロリー(重量エネルギー密
度)は、白炭で約7.5Gcal/t、黒炭で約8Gcal/tであり、
油類の10Gcal/tに比して、著しく低いわけではない。し
かしながら、木炭は、空隙率が大きいために、容積当た
りカロリー(容積エネルギー密度)では、2〜4Gcal/m³と
著しく低く、油類の約9Gcal/m³には遠く及ばないので、
燃料としての輸送性にいちじるしく劣る。換言すれば、
従来のバイオマスの加熱乾留による燃料製造技術に求め
られていながら、未だ実現していない特性は、主に次の
３点に要約される(以下それぞれを要求特性(1)、(2)お
よび(3)という)。 (1)エネルギー収率の向上：これを達成するためには、
バイオマス重量の半分近くを占める揮発分の喪失防止あ
るいは取り込みが必要である。しかしながら、本来、木
炭は、“バイオマスから加熱乾留により揮発分を除去し
た固体残留物”として観念され或いは定義されているの
で、従来の手法により、エネルギー収率の飛躍的な向上
をはかることは、困難である。 (2)容積エネルギー密度の増大：原理的には、得られた
木炭を圧密化することにより、容積エネルギー密度を改
善することは、可能である。しかしながら、木炭は、粘
着性成分含有量が少ないため、木炭から生成した圧密炭
は、もろく、強度的に不安定である。この様な欠点を解
消して、形状的・強度的に安定したバイオペレット(タ
ドンなどの成形炭)を得るためには、木炭に糊剤を配合
した後、成形する操作が必要であり、製造コストが高く
なる。 (3)重量エネルギー密度の増大：また、仮に上記の圧密
化処理を行ったとしても、重量エネルギー密度の増大
は、達成されない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、バ
イオマスを原料として、高いエネルギー収率で、木炭よ
りも容積エネルギー密度および重量エネルギー密度の高
い固形燃料を製造する技術を提供することを主な目的と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来技術の
問題点ならびに上記要求特性(1)、(2)および(3)に留意
しつつ、研究を重ねてきた。その過程において、従来の
木炭製造においては、バイオマスの加熱時に揮散して、
失われていた揮発分を炭化物に循環吸収させることを着
想した。しかしながら、バイオマスの加熱処理により生
成される炭化物と揮発分(主として水分と揮発性有機物
とからなる)とを低温で、例えば常温で接触させる場合
には、炭化物が揮発分中の木酢液などの主成分である水
分を大量に吸着するので、その重量当りの発熱量は激減
する。これに対し、両生成物をあまり高温で接触させる
場合には、炭化物への有機性揮発分の吸着が十分に行わ
れなかったり、或いは吸着された有機性揮発分が炭化物
から再度揮発して、所望量の揮発分を炭化物に保持させ
ることができないことが判明した。換言すれば、炭化物
と揮発分との接触操作により、前者に後者を保持させる
ためには、水分の吸着を抑制しつつ、かつ炭化物内に有
機性揮発分を選択的に残留させるための適切な温度域が
あることを示唆する事実が明らかとなった。本発明者
は、上記の様な知見に基づいて、バイオマスを加熱乾留
した後、相互に分離した炭化物と揮発分との接触を行う
温度につき、さらに研究を進めた。先ず、低温側に関し
て、(1)炭化物と揮発分との接触を100℃付近で行う場合
には、炭化物重量の30〜60％程度にも達する大量の水分
が吸着されること、(2)110℃付近から吸着水分量が激減
し始めること、(3)120℃以上においては、水分の吸着は
殆ど生じなくなることを見出した。

【０００５】一方、高温側に関して、(1)500℃或いはそ
れ以上の温度では、赤熱した炭化物から揮発分が盛んに
放出されるので、この様な高温度域で揮発分を接触させ
ても、その吸着は全く望めないこと、(2)400℃では、外
部からの揮発分の取り込みは殆ど認められないこと、
(3)350℃以下になると、揮発分中の高沸点成分であるタ
ールなどが吸収され始めること、(4)木酢液の有機性主
成分である酢酸(沸点=117.8℃)は、沸点よりも若干高い
温度(120〜140℃程度)でも、炭化物に吸着されることな
どを見出した。

【０００６】以上の結果から、本発明者は、バイオマス
を原料として、加熱乾留により、高発熱量炭化物を効率
良く製造するためには、生成した揮発分の形態に応じ
て、炭化物と揮発分との接触を特定の温度範囲で行うこ
とが望ましいことを見出した。

【０００７】すなわち、本発明は、下記のバイオマスを
原料とする高発熱量炭化物の製造方法を提供する。１．バイオマスを加熱乾留することにより得られる炭化
物に対し、加熱時に発生する揮発分を循環吸収させるこ
とを特徴とする高発熱量炭化物の製造法。２．バイオマスを200〜500℃で加熱乾留することにより
得られる炭化物に対し、加熱時に発生する揮発分を循環
吸収させる上記項１に記載の高発熱量炭化物の製造法。３．バイオマスを加熱乾留することにより得られる炭化
物と揮発分とを分離回収した後、冷却により生成した液
状揮発分に120〜350℃の炭化物を浸積して、揮発分を吸
収させる上記項１に記載の高発熱量炭化物の製造法。４．バイオマスを加熱乾留することにより得られる炭化
物と揮発分とを分離回収した後、ガス状揮発分に250℃
以下に冷却した炭化物を接触させて、水より高沸点の揮
発分を吸収させる上記項１に記載の高発熱量炭化物の製
造法。５．バイオマスを加熱乾留するに際し、加熱初期に発生
する水蒸気を、炉内雰囲気と混合させることなく加熱装
置外に排出して、実質的に水蒸気により希釈されていな
いガス状で回収し、これに250℃以下に冷却した炭化物
を接触させて、水より高沸点の揮発分を吸収させる上記
項１に記載の高発熱量炭化物の製造法。６．バイオマスを加熱乾留することにより得られる炭化
物と揮発分とを分離回収し、冷却した揮発分に冷却した
炭化物を接触させた後、120〜350℃で加熱することによ
り水分を除去する請求項１に記載の高発熱量炭化物の製
造法。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明においては、バイオマスを
加熱乾留することにより、炭化物と揮発分とを生成させ
た後、揮発分中の有効成分(主として木酢液と木タール
からなる)を炭化物に循環吸収させる。バイオマスの加
熱乾留は、常法に従って行えば良く、実質的に大気を遮
断した状態で、200〜500℃程度(より好ましくは250〜35
0℃程度)の温度で行う。

【０００９】本発明において使用するバイオマスは、加
熱乾留により炭化物と揮発分とを生成する植物系材料で
ある限り、限定されない。より具体的には、木、製材残
渣、林地残渣、草、枝葉(剪定材、葉苅材など)、古紙な
どが例示される。なお、以下においては、説明を簡略化
するために、伐採木を加熱乾留し、炭化物と揮発分とを
生成させる事例を想定して説明を行う。本発明によれ
ば、揮発分に含まれる有機性の有効成分を炭化物に循環
吸収させることにより、「エネルギー収率の向上」とい
う前記要求特性(1)が充足される。特に、油分である木
タールなどを選択的に炭化物に含浸させることにより、
炭化物の発熱量を油類の発熱量(約10000kcal/kg)に近づ
けることができるので、「重量エネルギー密度の増大」
という前記要求特性(3)が得られる。また、有機性の有
効成分を含浸させた炭化物を、公知のバイオペレットと
同様に、圧密化することにより、「容積エネルギー密度
の増大」という前記要求特性(2)を達成することができ
る。この場合には、揮発分に含まれる有機性の有効成分
の粘着性により、圧密炭の成形性および形状安定性が改
善される。本発明によるバイオマスの加熱乾留により生
成する揮発分の主成分は、水分、木ガス、木酢液および
木タールである。これらの成分中、炭化物に循環吸収さ
せることにより、炭化物の発熱量増大、圧密炭の安定化
などに寄与する“有効成分”は、木酢液と木タールであ
る。炭化物に接触吸着させるための有効成分は、冷却前
の蒸気の形態であっても、或いはいったん冷却した液体
の形態であっても、良い。

【００１０】炭化物の性状は、上記の木酢液および木タ
ールを吸着しうる細孔を有する限り、特に限定されな
い。例えば、500℃を超える高温域での加熱により形成
され、有機揮発分の少ない炭化物(黒炭、白炭などの木
炭)および500℃以下の比較的低温域での加熱により形成
され、有機揮発分を多量に含有する半炭化物のいずれで
あっても良い。但し、実質的に炭化が進行していない20
0℃以下の熱処理バイオマスは、有機揮発分を吸着すべ
き細孔を殆ど有していないので、本発明では、使用する
ことはできない。また、本発明の目的である高エネルギ
ー収率を達成するためには、一度徹底的に有機揮発分を
揮発させた木炭に対し有機揮発分を再度吸着させること
は不利であり、半炭化物に対し有機揮発分を再度吸着さ
せることが、より合理的である。

【００１１】本発明は、以下に詳述するバッチ方式およ
び連続方式のいずれの方式によっても、実施出来る。１．バッチ法この方法の一態様においては、バイオマスの加熱乾留を
行った後、揮発分を冷却し、木酢液/木タール液状混合
物を分離回収する。次いで、まだ冷却していない中高温
の炭化物または半炭化物に対し、液状混合物を流下或い
は滴下させることにより、炭化物または半炭化物と液状
混合物とを接触させて、水よりも高沸点の有機成分を炭
化物または半炭化物に吸着させる。この接触操作におい
ては、吸着の最終段階における炭化物または半炭化物の
温度が、120℃を下回らないように、留意する必要があ
る。この温度が120℃未満となる場合には、炭化物また
は半炭化物への水分の吸着が始まり、110℃以下となる
場合には、水分の吸着量が急増する。一般に、木材乾留
時の収率(重量)は、樹種による相違はあまりなく、炭化
物が約25%であり、木酢液/木タール混合物が約50%であ
るので、熱的バランスなどを考慮して、炭化物と液状混
合物との接触開始温度は、許容下限値の120℃よりはか
なり高めに、より具体的には200〜500℃程度に設定する
ことが好ましい。

【００１２】バッチ法における他の一態様として、木酢
液/木タール液状混合物を沸騰させて、その気体と炭化
物とを接触させることができる場合には、接触操作開始
時の炭化物の温度は、約200〜300℃というより低い温度
域であっても良い。

【００１３】さらに、バッチ法における他の一態様とし
て、半炭化物に対して、木酢液/木タール液状混合物を
接触させることができる。バイオマスを原料して半炭化
物を製造する場合には、半炭化物と木酢液/木タール混
合物の収率が、いずれも約40%とほぼ等しい。従って、
半炭化物と液状混合物との接触開始温度が約200〜400
℃、接触最終温度が約200℃となる様に、設定する。

【００１４】さらにまた、炭化物の場合と同様に、木酢
液/木タール液状混合物を沸騰させて、その気体と半炭
化物とを接触させることができる場合には、接触操作開
始時の半炭化物の温度は、あまり制約されず、接触最終
温度が約200℃となる様に設定することが重要である。
また、冷却した炭化物或いは半炭化物に木酢液/木ター
ル液状混合物を含浸させた後、120〜350℃程度(より好
ましくは125〜180℃程度)で乾燥することによっても、
水分が選択的に除去されるので、実質的に水分を含まな
い本発明による高発熱量炭化物が得られる。 II．連続法この方法においては、バイオマスの加熱乾留時に発生す
る揮発分を冷却することなく、蒸気として回収し、これ
と約250〜120℃に冷却した炭化物または半炭化物とを接
触させる。この場合には、炭化物または半炭化物には、
水よりも高沸点の揮発分のみが吸収される。図１は、連
続法において使用する乾留炉の一例の概要を示す模式的
な断面図である。この連続方式による乾留炉は、原料BM
(バイオマス)の処理段階に対応して、乾燥部、乾留部、
冷却部、接触部および送出部を備えており、それぞれの
段階は、シャッターａ、ｂ、ｃおよびｄにより遮断する
ことが可能である。なお、図１中の種々の段階における
温度条件は、原料BMの寸法、乾燥度などに応じて適宜選
択されるものであり、単なる例示である。原料BMは、乾
留炉の乾燥部に導入され、110〜130℃程度の温度におい
て、乾燥される。この乾燥処理により、湿潤水分が除去
される。次いで、乾燥されたBMは、シャッターａが開か
れた状態で、乾留部に導入された後、シャッターａが閉
じられた状態で、例えば、200〜400℃程度の温度で乾留
される。ここで発生した揮発分(例えば、400〜300℃程
度)は、その最大発生部位で抜き出して、後述するよう
に、実質的に冷却による析出を生じさせることなく、冷
却温炭化物と接触させるために、誘導路を経て接触部に
供給される。次いで、乾留炭化物は、シャッターｂが開
かれた状態で、冷却部に導入された後、シャッターｂが
閉じられた状態で、所定の温度(例えば、120〜250℃程
度)まで、冷却される。冷却された乾留炭化物は、シャ
ッターｃが開かれた状態で、接触部に導入された後、シ
ャッターｃおよびｄが閉じられた状態で、前述の高温揮
発分と接触して、有機性揮発分を吸着する。この様にし
て接触部で得られた高発熱量炭化物は、シャッターｄを
開いて、乾留炉外に送出される。高沸点の有機性揮発分
が炭化物上に析出した後のガス(例えば、150℃程度)
は、主として水蒸気と木ガスからなっているので、これ
を排気孔から乾留炉外に取り出す。この排ガスは、水蒸
気を凝縮除去した後、乾留炉の加熱燃料などとして用い
ることができる。乾留炉内部に設置する複数個のシャッ
ターは、それぞれ配置された位置に応じて種々の機能を
発揮する。例えば、シャッターａは、乾燥部での昇温初
期に大量に放出される水蒸気を乾留部で発生する有機性
揮発分と混合させないように、順方向へのガス移動を制
御する機能を発揮する。また、シャッターｂおよびｃ
は、冷却部および接触部からのガスが乾留部へ逆流する
ことを防止する機能を発揮する。さらに、シャッターｄ
は、接触部に送給された高温揮発分が順方向に流出する
ことを防止する。

【００１５】なお、乾留部で発生する揮発分が少ない場
合には、乾留部と接触部とを連絡する高温揮発分誘導路
内に送風機を設置し、間欠的に吸引操作を行うことによ
り、高温の揮発分をまとめて、冷却した乾留炭化物へ誘
導して接触させることも、できる。

【００１６】上記の手法により得られた高発熱量炭化物
をさらに公知の方法により圧密化処理に供する場合に
は、重量エネルギー密度を高めた圧密炭が得られる。

【００１７】

【実施例】以下に実施例を示し、本発明の特徴とすると
ころをより一層明らかにする。実施例１通常の炭焼き炉から回収した木酢液/木タール混合液中
に、生成した木炭（黒炭）を漬した後、120℃で熱風乾
燥して、高エネルギー収率で高発熱量炭(8.5Gcal/m³)を
得た。原料バイオマスに対するエネルギー収率は、黒炭
の30%に比して、40〜55%と向上した。実施例２外熱式の炭焼き炉において、炉温を250〜500℃に制御し
て半炭化物を得た。原料バイオマスに対するエネルギー
収率は、約45%であった。次に回収した木酢液/木タール
混合液を、未冷却の半炭化物堆積物(約300〜400℃)中に
注入し、生成した水蒸気は放出した。得られた揮発分含
浸炭のエネルギー収率は、約65%であった．実施例３外熱式の連続炭化炉において、バイオマスの乾留後120
℃に冷却した炭化物を排出する直前に、揮発分を接触さ
せ、吸着させた。揮発分は、炭化炉の中央部から抜き出
して、蒸気の形態で冷却炭化物へ導いた。大部分の水蒸
気は、高温のため炭化物に吸着されることなく、揮散し
た。得られた揮発分含浸炭のエネルギー収率は、約60%
であった。実施例４実施例３と同様な炉において、原料バイオマスの昇温初
期に大量に放出される水蒸気を炉内シャッターによって
炉内雰囲気と混合することを妨げつつ、間欠的に炉外へ
排出した。炭化炉の中央部から抜き出した揮発分は、有
機分濃度が十分に高く、水蒸気濃度が70％以下となり、
ガス容積が小さく、炭化物に吸着され易くなっていた。
得られた揮発分含浸炭のエネルギー収率は、約65%であ
った。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、剪定材、間伐材、製材
残渣などにより代表される種々の廃棄系バイオマスを、
高いエネルギー収率と高い重量当たり発熱量とを確保し
た炭化物燃料に変換させることにより、高効率燃料とし
て活用することが可能となる。より具体的には、本発明
によれば、バイオマスの加熱生成物である炭化物に同じ
く加熱生成物である有機揮発分を還元吸収させることが
できるので、理論的には、木ガス以外のすべての有機揮
発分を回収することにより、80%以上のエネルギー収率
を達成しうる。実用的には、木酢液、木タールなどによ
るエネルギーロスは避けられないが、それでも60%前後
の高エネルギー収率を得ることは容易である。本発明に
よる生成物は、高いエネルギー収率と高い重量当たり発
熱量とを確保した炭化物であり、かつ安定しているの
で、貯蔵性、輸送性などに優れている。従って、本発明
によれば、木炭に比べて、バイオマス資源をより高度に
活用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の一実施例において使用するバイオ
マスの連続炭化炉の概要を示す図面である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バイオマスを加熱乾留することにより得ら
れる炭化物に対し、加熱時に発生する揮発分を循環吸収
させることを特徴とする高発熱量炭化物の製造法。
【請求項２】バイオマスを200〜500℃で加熱乾留するこ
とにより得られる炭化物に対し、加熱時に発生する揮発
分を循環吸収させる請求項１に記載の高発熱量炭化物の
製造法。
【請求項３】バイオマスを加熱乾留することにより得ら
れる炭化物と揮発分とを分離回収した後、冷却により生
成した液状揮発分に120〜350℃の炭化物を浸積して、揮
発分を吸収させる請求項１に記載の高発熱量炭化物の製
造法。
【請求項４】バイオマスを加熱乾留することにより得ら
れる炭化物と揮発分とを分離回収した後、ガス状の揮発
分に250℃以下に冷却した炭化物を接触させて、水より
高沸点の揮発分を吸収させる請求項１に記載の高発熱量
炭化物の製造法。
【請求項５】バイオマスを加熱乾留するに際し、加熱初
期に発生する水蒸気を、炉内雰囲気と混合させることな
く加熱装置外に排出して、実質的に水蒸気により希釈さ
れていない揮発分をガス状で回収し、これに250℃以下
に冷却した炭化物を接触させて、水より高沸点の揮発分
を吸収させる請求項１に記載の高発熱量炭化物の製造
法。
【請求項６】バイオマスを加熱乾留することにより得ら
れる炭化物と揮発分とを分離回収し、冷却した揮発分に
冷却した炭化物を接触させた後、120〜350℃で加熱する
ことにより水分を除去する請求項１に記載の高発熱量炭
化物の製造法。