JP2004168608A

JP2004168608A - 木質系バイオマスから活性炭を得るシステム

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Publication number: JP2004168608A
Application number: JP2002337679A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kazama; 健風間; Tomoji Nakamura; 友二中村; Masafumi Domyo; 雅史道明; Hitoshi Ota; 等太田
Original assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Current assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】運用性に優れた木質系バイオマスから活性炭を得るシステムとする。
【解決手段】木質系バイオマスＢの炭化及び賦活を切り替えて行う炭化・賦活処理手段１と、この炭化・賦活処理手段１に所定量の木質系バイオマスＢを自動供給する供給手段２，３と、炭化・賦活処理手段１において発生した乾留ガスＧ１を燃焼する燃焼手段６と、この燃焼手段６において発生した排ガスＧ３の除塵を行う除塵手段８，９と、を備える。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、木質系バイオマスから活性炭を得るシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、資源の有効利用を図るために、製材残材、建築廃材、ダム・河川の流木などの木質系バイオマスを炭化し、得られた炭化物をエネルギー源として利用することがなされている。しかしながら、木質系バイオマスをエネルギー源として利用するのみでは、その利用量が限られてくる。そこで、さらなる用途が模索され、現在では、かかる炭化物を賦活して、活性炭とし、土壌改良材や、融雪材、調湿材、吸着材などとして利用する試みがなされている。
【０００３】
そして、木質系バイオマスから活性炭を得る従来のシステムとしては、以下に示すものがあった。
まず、図１の（１）に示すような、炭化装置１０１と賦活装置１０２とが別個独立に設けられたシステム１００である。このシステム１００では、木質系バイオマスＢを適宜乾燥するなどした後、炭化装置１０１に供給し、得られた炭化物Ｔを賦活装置１０２に移送し、活性炭Ａを得る。
また、図１の（２）に示すような、横長のロータリーキルン２０１が設けられたシステム２００もあった。このシステム２００では、木質系バイオマスＢをロータリーキルン２０１内で搬送しつつ、その搬送過程において、連続的に炭化・賦活して活性炭Ａを得る。
【０００４】
さらに、図１の（３）に示すような、反応炉３０１が設けられたシステム３００もあった。このシステム３００では、木質系バイオマスＢを反応炉３０１に炉頂部から連続的に供給する。木質系バイオマスＢは、反応炉３０１内において、下方へ移動し、この移動に際して、炭化・賦活させられ、もって活性炭Ａとなる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開平１１‐２７８８２２号公報（第５図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、システム１００及びシステム２００は、炭化及び賦活装置を別個独立に設けることになるため、あるいは横長のロータリーキルンを設けることになるため、広い設備配置スペースが必要となる。したがって、本システムを導入・運用するうえで、大きな障害となる。
また、システム３００は、広い設備配置スペースは必要とならないものの、炭化と賦活とが同時並行的に行われ続けることになるため、処理時間や処理温度などの炭化及び賦活条件を各別に確実に設定することができない。したがって、得られる活性炭の品質（例えば、比表面積、水蒸気吸着能力、ヨウ素吸着性能など。）が十分なものとはならず、これまた本システムを導入・運用する上での障害となる。
さらに、本システムを導入・運用するにあたっては、設備配置スペースや得られる活性炭の品質の問題だけではなく、例えば、得られる活性炭の商品価値やシステムを運用するためのエネルギー使用量なども重要な考慮要素となってくる。しかしながら、現在のところ、これらの事項が十分に検討・解決されたシステムは、開発されるにいたっていない。
【０００６】
そこで、本発明の主たる課題は、運用性に優れた木質系バイオマスから活性炭を得るシステムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明は、次のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
木質系バイオマスから活性炭を得るシステムであって、
木質系バイオマスの炭化及び賦活を切り替えて行う炭化・賦活処理手段と、この炭化・賦活処理手段に所定量の木質系バイオマスを自動供給する供給手段と、前記炭化・賦活処理手段において発生した乾留ガスを燃焼する燃焼手段と、この燃焼手段において発生した排ガスの除塵を行う除塵手段と、が備えられていることを特徴とする木質系バイオマスから活性炭を得るシステム。
【０００８】
＜請求項２記載の発明＞
炭化・賦活処理手段において得られた活性炭をその大きさによって篩い分ける篩い分け手段が備えられている、請求項１記載の木質系バイオマスから活性炭を得るシステム。
【０００９】
＜請求項３記載の発明＞
炭化・賦活処理手段が、木質系バイオマスが供給される箱体と、この箱体を外部から熱風で加熱する加熱手段と、を有するものとされ、
除塵手段が、排ガスに清浄液を接触させる方式のものとされ、
除塵した排ガスが、大気中へ排気されるに先立って、前記加熱に利用後の熱風を混入されるようにした、請求項１又は請求項２記載の木質系バイオマスから活性炭を得るシステム。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
〈木質系バイオマス〉
本発明の原料となる木質系バイオマスとは、木質由来のバイオマスである。木質の主要成分であるリグノセルロースを含む木質バイオマスと、リグノセルロースを含まない古紙、黒液、製紙工場排水汚泥などと、を含む。上記木質バイオマスは、森林バイオマス、製材残材、建築廃材、ダム・河川の流木、街路樹剪定枝、造園業・果樹園から発生する剪定枝などを含む。上記森林バイオマスは、林地残材、間伐材、未利用樹、短周期伐採木材、伐根材などを含む。
間伐材とは、人工林において林分の混み具合に応じて、目的とする樹種の個体密度を調整する作業（間伐）に伴って発生する材（素材）である。林地残材とは、主伐、間伐、除伐に伴って発生する素材（丸太）以外の材であり、末木、枝条などを含む。未利用樹には、例えば、かつて薪炭林として利用されていたが現在は利用されていない広葉樹林などが含まれる（里山林、旧薪炭林などともいう。）。この他にも、未利用樹には、素材生産を目的として植林された針葉樹の人工林が、除伐、間伐をされずに放置され、もやし状態となっているものをも含む。製材残材、建築廃材とは、素材を加工する過程で発生した廃材である。製材業、木材加工業で発生する木質バイオマスが製材残材、建築業、建設業、家屋解体業で発生する木質バイオマスが建築廃材である。製材残材には、チップ、背板、端材、おがくず、バークなどがある。建築廃材には、建築物の建設時に発生する建設時廃材と、建築物の解体時に発生する解体時廃材とがある。
【００１１】
〈供給手段〉
本実施の形態に係るシステムのプロセスフローを、図２に示した。
本発明のシステムは、所定量の木質系バイオマスを後述する炭化・賦活処理手段に自動供給する供給手段を有する。木質系バイオマスの供給を自動とすることにより、設備稼働のための人員が削減され、効果的な運用が可能となる。この供給手段は、その形態が特に限定されるものではないが、以下に示す本実施形態のものを推奨する。
本実施形態の供給手段においては、まず、所定量の木質系バイオマスＢを、管などの搬送路４１を介して、切出し装置２のホッパー２Ａ内に供給する。このホッパー２Ａには、本実施の形態におけるロードセル２Ｒのような計量手段を取り付けておくとよい。ロードセル２Ｒなどの計量手段を取り付けておくと、供給された木質系バイオマスＢの計量が可能となり、１回に供給される木質系バイオマスの量を所定量に確実に設定することができる。
【００１２】
ホッパー２Ａ内の木質系バイオマスＢは、コンベア３の基端に備わるホッパー３Ａ内に切り出す。ホッパー３Ａ内に切り出された木質系バイオマスＢは、コンベア３によって上方に搬送される。コンベア３の先端まで搬送された木質系バイオマスＢは、炭化及び賦活を切り替えて行う炭化・賦活処理手段１の箱体１Ｃ（密閉構造）内に供給される。
【００１３】
〈炭化・賦活処理手段〉
炭化・賦活処理手段１において、木質系バイオマスＢは、炭化され、次いで、賦活される。本発明において、炭化・賦活処理手段は、木質系バイオマスＢを炭化及び賦活することができるものであり、これらの処理を「切り替えて（同じ場所（領域）において、炭化と賦活とがなされることになる。）」行うことができるものである。炭化装置及び賦活装置を別個独立に設けず、炭化及び賦活を切り替えて行う炭化・賦活処理手段１を設けるので、広い設備配置スペースが必要とならない。また、炭化及び賦活を同時並行的に行わず、切り替えて行うので、処理時間や処理温度などの炭化及び賦活条件を各別に設定することができ、得られる活性炭の品質を向上させることができる。
【００１４】
炭化・賦活処理手段１としては、特に、密閉型のロータリーキルン（外熱式）を使用するのが好ましい。回転による攪拌作用により、活性炭の品質が均一化するためである。
【００１５】
本発明のシステムにおいては、炭化及び賦活に際して、木質系バイオマスＢを加熱するために、例えば円筒状の箱体１Ｃを外部から熱風で加熱する加熱手段が、備えられている。加熱手段は、その形態が特に限定されるものではないが、以下に示す本実施形態のものを推奨する。
本実施の形態においては、加熱手段として、箱体１Ｃの外壁周りに取り付けられた、外筒１Ａが備えられている。また、この外筒１Ａには、適宜の数の、本実施の形態では、２つの、熱風炉１Ｂ，１Ｂが取り付けられている。この熱風炉１Ｂ，１Ｂには、供給路４２を介してブロワ６０からの空気Ｃが、供給路４３を介して灯油Ｒが、供給路４４を介して液化石油ガス（ＬＰＧ）が、供給路４５を介して圧縮空気が、供給される。熱風炉１Ｂ，１Ｂで発生した熱風は、外筒１Ａ内に送られる。箱体１Ｃ内の温度は、かかる熱風の温度や流通量によって、設定することができる。ただし、本システムにおいては、炭化終了後、箱体１Ｃ内の温度を昇温させ賦活するのが好ましい。本実施の形態において、この昇温は、熱風炉１Ｂ，１Ｂ内に供給する灯油Ｒの量を多くすることにより、行うことができる。なお、本システムにおいて、ＬＰＧは、着火時に使用する。
【００１６】
本炭化・賦活処理手段１においては、賦活に際して、輸送管４６及びこの輸送管４６から分岐する分岐管４６Ａを介して送られてきた水Ｗが、水蒸気として噴射供給される（水Ｗは、箱体１Ｃ内で水蒸気となる。）。これにより、炭化物に微孔が形成され、活性炭Ａが得られる。
【００１７】
なお、箱体１Ｃ内には、輸送管４７を介して窒素ガスＮを供給することができるようになっている。かかる窒素ガスＮは、運転開始前に箱体１Ｃ内に溜まっている空気等をパージ（追い出す）するために、あるいは賦活時に発生する乾留ガスをパージするために、使用する。
【００１８】
〈活性炭冷却手段〉
炭化及び賦活により得られた活性炭Ａは、箱体１Ｃ内からスクリューコンベア４内に排出される。スクリューコンベア４内において、活性炭Ａは、搬送されつつ、冷却される。この冷却は、スクリューコンベア４の周壁周りに設けられた外部ジャケット４Ａ内に冷媒たる水Ｗを通すことによって、なされる。外部ジャケット４Ａ内において、活性炭Ａの冷却により温度が上昇した水Ｗは、輸送管４８を介して、冷媒冷却装置７２に送られ、冷却（空冷）される。冷却された冷媒は、輸送管４９を介して、再度、外部ジャケット４Ａ内に供給され、冷却の用に供される。なお、冷媒冷却装置７２には、輸送管５０を介して、冷媒たる水Ｗが補給される。
【００１９】
〈篩い分け手段〉
スクリューコンベア４内において、冷却された活性炭Ａは、活性炭搬送コンベア５１を介して、篩い分け手段５に送られる。この篩い分け手段５は、その内部に所定の枚数の、本実施の形態では２枚の篩が備えられている。これら篩の目の大きさを変えることにより、活性炭Ａは、その大きさによって篩い分けされる。本実施の形態では、上側の篩は、その目が５００μｍ（３２メッシュ）と、下側の篩は、その目が２１０μｍ（６５メッシュ）とされている。したがって、篩い分け手段５内の上段には、５００μｍ超の活性炭Ａ１が、中段には、２１０μｍ超〜５００μｍ以下の活性炭Ａ２が、下段には、２１０μｍ以下の活性炭Ａ３が回収される。篩い分け手段５によって活性炭Ａの篩い分けを行うことにより、各用途に適した大きさの活性炭Ａを回収することが可能となり、その利用価値が高くなる。例えば、本実施の形態では、上段で回収された活性炭Ａ１（５００μｍ超）を農地改良等の土壌改良材や融雪材などに、中段で回収された活性炭Ａ２（２１０μｍ超〜５００μｍ以下）を品質の良い調湿材や、吸着材などに、下段で回収された活性炭Ａ３（２１０μｍ以下）を建材の副資材や、造粒後排ガス処理材（ダイオキシン等の吸着）などに利用することができる。篩い分け手段５で回収された活性炭Ａは、そのまま貯留することも（Ａ１，Ａ３）、適宜造粒などしてから貯留することも（Ａ２）できる。
【００２０】
〈燃焼手段〉
ところで、炭化・賦活処理手段１においては、木質系バイオマスＢの炭化・賦活にともなって、乾留ガスＧ１が発生する。本実施の形態において、この乾留ガスＧ１は、排気管５２を介して、燃焼手段たるバーナー６Ａの備わる燃焼炉６に送られる。この燃焼炉６には、供給管５３を介してブロワ６１から空気Ｃが送り込まれ、乾留ガスＧ１の燃焼がなされる。この燃焼は、バーナー６Ａによって、点火され、助燃される。この点火、助燃に利用されるバーナー６Ａには、供給路４３から分岐する分岐管４３Ａを介して灯油Ｒが、供給路４４から分岐する分岐管４４Ａを介してＬＰＧが、供給路４５を介して圧縮空気が、供給管５３から分岐する分岐管５３Ａを介してブロワ６１から空気Ｃが、それぞれ供給される。これらの供給に関して、その供給量は、適宜調節するのが好ましい。燃焼炉６に送られてくる乾留ガスＧ１の量は、時間とともに変化するので（例えば、炭化時よりも賦活時の方が多くなる。もちろん、炭化時、賦活時それぞれにおいても、一定ではない。）、供給量を調節し、燃焼を安定させる（例えば、炉内温度を約８５０℃にする。）ためである。
【００２１】
以上の供給量の調節方法は、特に限定されない。ただし、乾留ガスＧ１の確実な燃焼という観点からは、本実施の形態のようにするのが好ましい。
すなわち、後述する排気管５４の途中に排ガスＧ３の温度を検出するセンサーＣ１を設け、このセンサーＣ１による検出信号をケーブルＫ１を介して、分岐管４３Ａの途中に設けられたセンサーＣ２に送信する。そして、この受信信号をもとに、分岐管４３Ａの途中に設けられたバルブＶを調節して、バーナー６Ａに供給する灯油Ｒの量を調節する。また、センサーＣ２の受信信号をケーブルＫ２を介して、分岐管５３Ａの途中に設けられたセンサーＣ３に送信する。そして、この受信信号をもとに、分岐管５３Ａの途中に設けられたバルブＶを調節して、バーナー６Ａに供給する空気Ｃの量を調節する。さらに、本実施の形態では、先のセンサーＣ１による検出信号により、ケーブルＫ３を介してつながる供給管５３の途中に設けられたバルブＶを調節することができる。したがって、このバルブＶと、先の分岐管５３Ａの途中に設けられたバルブＶとにより、燃焼炉６に供給する空気Ｃの量を調節することができる。
【００２２】
乾留ガスＧ１の燃焼により発生した排ガスＧ３は、排気管５４を介して、熱交換器７に送られる。この熱交換器７には、先の空気Ｃの供給管５３と接続された、接続管５５及び５６が接続されている。ブロワ６１からの空気Ｃは、接続管５５を介して、熱交換器７に送られ、排ガスＧ３の熱エネルギーによって、加熱される（熱エネルギーの回収）。加熱された空気Ｃは、接続管５６を介して、供給管５３に戻される。空気Ｃをどの程度加熱するか（熱交換するか）は、供給管５３の途中に設けられたセンサーＣ４によって空気の温度を検出し、この検出値に基づいてバルブＶを調節することにより、行うことができる。
【００２３】
〈除塵手段〉
熱エネルギーを回収された排ガスＧ３は、この排ガスＧ３に清浄液を接触させて除塵する方式の除塵手段に送られる。この除塵手段は、その形態が特に限定されるものではないが、本実施の形態のベンチュリースクラバー８とスプレー塔９とでなるものを推奨する。
【００２４】
この本形態の除塵手段においては、まず、熱エネルギーが回収された排ガスＧ３は、排気管５７を介して、ベンチュリースクラバー８に送られ、除塵（洗浄）される。除塵された排ガスＧ３は、排気管５８を介して、スプレー塔９に送られ、再度除塵される。再度除塵された排ガスＧ３は、スプレー塔９の上部に備わる煙突１０を介して、大気中に排気される。
【００２５】
なお、ベンチュリースクラバー８及びスプレー塔９における清浄液たる水Ｗは、以下のような流れになっている。
すなわち、水Ｗは、輸送管４６を介して、スプレー塔９内に噴射供給される。この噴射供給により、スプレー塔９の底部に溜まった水Ｗは、いったんスプレー塔９外に抜き出され、その一部は、移送管５９Ａを介して、再度スプレー塔９内に噴射供給され、その一部は、移送管５９Ｂを介して、ベンチュリースクラバー８に供給され、残部は、移送管５９Ｃを介して、系外に排出される。この系外に排出する水Ｗの量は、スプレー塔９に設けられたセンサーＣ５により、スプレー塔９の底部に溜まった水Ｗのレベル（水面高さ）を検出し、この検出値に基づいて、移送管５９Ｃの途中に設けられたバルブＶを調節することにより、行う。
【００２６】
本システムは、運用性に優れているので、大量・長期に渡り運用され、環境に与える影響が大きくなりうるが、以上の燃焼・除塵を行うことにより、かかる影響は、ほぼ皆無となる。
【００２７】
〈その他〉
ところで、本実施の形態では、先述したように炭化・賦活処理手段１の外筒１Ａ内に、熱風を供給することにより、木質系バイオマスＢを加熱する。そして、かかる熱風は、木質系バイオマスＢの加熱に利用後も、なお熱エネルギーを有する。そこで、この熱エネルギーを更に利用する。すなわち、熱風排ガスＧ２を排気管８１を介して、煙突１０に供給し、排ガスＧ３に混入する。これにより、ベンチュリースクラバー８及びスプレー塔９を通過するに際して、清浄液たる水Ｗと接触して冷却された排ガスＧ３（例えば、約２２０〜５９０℃であった排ガスＧ３が、約８０℃にまで低下する。）の温度が上昇する。したがって、排ガスＧ３を煙突１０から大気中に排出しても、白煙が生じることがない。
【００２８】
以上に関して、本実施の形態においては、熱風排ガスＧ２を煙突１０に供給するに先立って、かかる熱風排ガスＧ２中に空気Ａを混入している。これは、熱風排ガスＧ２は、例えば、約８５０〜９５０℃と大変に高温であるので、温度を下げて、ブロワ等の機器を保護するためである。本実施の形態では、約２０℃の空気を混入し、混合ガスＧ＋Ａの温度を約４００℃にしている。
【００２９】
また、本実施の形態においては、排ガスＧ３を煙突１０下側部から抜き出し、煙突１０外部に設けられたブロワ６２を介して再度煙突１０中間部に戻している。ブロワ６２を設けたのは、排ガスＧ３は、ベンチュリースクラバー８及びスプレー塔９の通過により、除塵され、また約８０℃まで温度低下しているため、安定運転が可能であることによる。また、外部に設けたのは、ブロワ６２保護・補修容易性の観点からである。
【００３０】
〈回分式処理〉
以上で説明した本システムの運用にあたっては、炭化・賦活処理手段１の箱体１Ｃ内に、所定量の木質系バイオマスＢを供給し、所定時間炭化及び賦活した後、自然冷却する回分式作業とするのが好ましい。特に、木質系バイオマスＢの供給から賦活までが６〜１０時間、特に８時間となるように、設定するのが好ましい。この６〜１０時間サイクルとすると、例えば、始業時に木質系バイオマスＢの供給を行うと、終業時に賦活処理までが終了することになる。したがって、場合により監視する作業を必要とする炭化・賦活が就業時間中になされるとの利点、及び就業時間外において活性炭Ａが自然冷却されることになりスクリューコンベア４の負荷が減少するとの利点、を有する。このことは、従たる業として、活性炭の製造を行うことが可能となることを意味する。
【００３１】
本発明者らが運用実験を行ったところによると、図３に示す約７．５時間サイクルでの運用は、作業の効率化、設備負担の低減という観点からして、大変優れた運用方法となることがわかった。もちろん、得られた活性炭の品質も優れたものであった。なお、経過時間について、０〜１．５ｈｒは、前回分の活性炭排出・木質系バイオマスの供給作業、０．５〜４ｈｒは、処理装置内昇温作業、４〜５ｈｒは、炭化作業、５〜５．５ｈｒは、処理装置内昇温作業、５．５〜７．５ｈｒは、賦活作業である。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明し、本発明のシステムにより得られる活性炭は、その品質も優れたものとなることを明らかにする。
木質系バイオマスとしては、木片チップを利用した。炭化・賦活処理手段としては、ロータリーキルン（外熱型）を利用した。ロータリーキルンの主な仕様は、主寸法「直径１５０ｃｍ×７２０Ｌ、灼熱部容量１２．７Ｌ」、回転数「１〜１０ｒｐｍ」、傾斜「１〜５％」、加熱方式「電気ヒータ（３分割温度調整型）」であった。木片チップの供給は、手投入とした。賦活には、水蒸気を利用した。活性炭の品質を判断するために、ＢＥＴ比表面積（ｍ^２／ｇ）と、水蒸気吸着能力（質量％）と、を測定した。結果を表１に、実施例として示した。なお、炭化及び賦活を連続的に行う従来の形態（図１の（３）参照）によった場合を比較例として示した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、運用性に優れた木質系バイオマスから活性炭を得るシステムとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の方法の説明図である。
【図２】本実施の形態のプロセスフロー図である。
【図３】運用実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…炭化・賦活処理手段、２…切出し装置、３…コンベア、４…スクリューコンベア、５…篩い分け手段、６…燃焼炉、７…熱交換器、８…ベンチュリースクラバー、９…スプレー塔、１００，２００，３００…従来の設備、１０１…炭化装置、１０２…賦活装置、２０１…横長のロータリーキルン、３０１…反応炉、Ａ…活性炭、Ｂ…木質系バイオマス、Ｃ…空気、Ｇ１〜３…ガス、Ｒ…灯油、Ｔ…炭化物、Ｗ…水。

Claims

木質系バイオマスから活性炭を得るシステムであって、
木質系バイオマスの炭化及び賦活を切り替えて行う炭化・賦活処理手段と、この炭化・賦活処理手段に所定量の木質系バイオマスを自動供給する供給手段と、前記炭化・賦活処理手段において発生した乾留ガスを燃焼する燃焼手段と、この燃焼手段において発生した排ガスの除塵を行う除塵手段と、が備えられていることを特徴とする木質系バイオマスから活性炭を得るシステム。
炭化・賦活処理手段において得られた活性炭をその大きさによって篩い分ける篩い分け手段が備えられている、請求項１記載の木質系バイオマスから活性炭を得るシステム。
炭化・賦活処理手段が、木質系バイオマスが供給される箱体と、この箱体を外部から熱風で加熱する加熱手段と、を有するものとされ、
除塵手段が、排ガスに清浄液を接触させる方式のものとされ、
除塵した排ガスが、大気中へ排気されるに先立って、前記加熱に利用後の熱風を混入されるようにした、請求項１又は請求項２記載の木質系バイオマスから活性炭を得るシステム。