JP2004339360A - バイオマス処理法とその装置及び該処理法により得られた流動燃料 - Google Patents
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Abstract
【課題】バイオマスを熱分解後の固形分としても合成ガスとしても有効利用を図り、トータル処理コストの低減及び有価物としての有効利用を図る。
【解決手段】粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得、該多孔質炭化物を下流側の目的に応じて所定粒度に粉砕して該炭化物を利用して目的物を製造するもので、前記熱分解ガスの改質空間温度を８００〜１１００℃に設定するとともに、前記多孔質炭化物を０．５〜５ｍｍ粒度に調整して前記改質空間内に投入すれば、多孔質炭化物の賦活を行うことが出来、前記多孔質炭化物を０．５ｍｍ未満粒度に調整して前記改質空間内に投入して多孔質炭化物のガス化を行う。
【選択図】 図１
【解決手段】粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得、該多孔質炭化物を下流側の目的に応じて所定粒度に粉砕して該炭化物を利用して目的物を製造するもので、前記熱分解ガスの改質空間温度を８００〜１１００℃に設定するとともに、前記多孔質炭化物を０．５〜５ｍｍ粒度に調整して前記改質空間内に投入すれば、多孔質炭化物の賦活を行うことが出来、前記多孔質炭化物を０．５ｍｍ未満粒度に調整して前記改質空間内に投入して多孔質炭化物のガス化を行う。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、間伐材、流木材、剪定材、建築廃材などの木材チップ、雑草、牧草、砂糖きびなどの草本系物、籾殻、牛糞、その他の木質系系バイオマス原料を炭化させた後、発電、活性炭の製造等の所定の目的に使用させるバイオマス処理方法とその装置及び該処理法により得られた流動燃料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人類の生活や社会の進歩を支えるために、エネルギーや資源は不可欠であるが、環境保全を図りながらエネルギー・資源を確保する必要性が強く認識されており、太陽エネルギーが形をかえて貯蓄されたバイオマスを利用する技術、即ち、再生可能なバイオマス資源をエネルギー、工業原材料等に変換するバイオマス変換技術が注目されている。例えば、大気中の二酸化炭素（ＣＯ２）濃度は年間１．８ｐｐｍの割合で増加しており、ＣＯ２濃度上昇による地球温暖化の進行が問題になっている。大気中のＣＯ２は光合成反応によりバイオマスとして固定されるが、バイオマスをそのまま放置すると腐敗により再びＣＯ２やメタンとして大気中に戻る。この大気中の再入を防止するためにバイオマスの処理方法が種々提案されている。
【０００３】
従来のバイオマス処理方法としては、例えば発酵法や熱水分解法等によるアルコール転換方法が提案されているが、前者の発酵法は、糖分とでんぷん質しか原料とならず、発酵時間がかかるので大量の発酵タンクを設置する必要があると共に、後者の熱水分解法では高温・高圧・低収率、という問題がある。また、共に供給したバイオマスの残渣物が多く発生し、バイオマスの利用率が低いという問題もある。
【０００４】
一方、バイオマスをガス化する場合においては、例えば固定床或いは流動床等のガス化炉等を用いるようにしていたが、バイオマスの粒子の表面のみが反応し、内部まで均一に反応しないことにより、タールが発生し、生成したガス化ガスは、Ｈ２、ＣＯが少ないため、メタノール合成の原料とならない。また、上記発生したタールが炉内へ付着すると共に、後流側に設置する機器等への付着等が起こり、運転に不具合を来す、という問題がある。
【０００５】
そこで、従来においては、酸素を多量に供給することで高温で燃焼することとしたが、この場合部分的に１２００℃を超える高温域が形成され、ガスにならずに、バイオマス自身が燃焼し、スート化してしまうという問題がある。
【０００６】
かかる欠点を解消するために、特開平１１−２８６６９２号（特許文献１）において、前記バイオマス原料を、予め３０ｃｍ未満、好ましくは１５ｃｍ未満、より好ましくは５ｃｍ未満の粒子サイズにサイズを減少した後、該サイズ減少したバイオマス物質を３５０〜６５０℃の温度で熱分解に供し、（ａ）外部から導入した酸素リッチガスおよび場合に応じてスチームの影響下に、該熱分解の過程で放出されたガスを、凝縮させることなく、１１００〜１６００℃の温度でクラッキング（改質）処理に供し、（ｃ）該熱分解の過程で遊離された残渣を０．５〜１．５バールの圧力下、１２００〜１７００℃の温度でガス化し、気化させ、または場合に応じて、還元性条件の下で溶融させ、（ｄ）段階（ｃ）で得られた溶融スラグまたは金属濃縮物を廃棄し、または場合に応じて回収し、（ｅ）段階（ｂ）および（ｃ）の過程で得られた生成物ガスを併せるか、または併せずに、ガスクリーニングに供する技術が提案されている。
【０００７】
しかしながらかかる従来技術は、熱分解の過程で放出されたガスを、凝縮させることなく、１１００〜１６００℃の温度でクラッキング処理に供したり、熱分解の過程で遊離された残渣を１２００〜１７００℃の温度でガス化し、気化させ、または場合に応じて、還元性条件の下で溶融させるという高温処理工程が必要であり、結果として処理工程の大型化と耐熱性を必要とし、装置全体の高コスト化につながる。
【０００８】
バイオマスからメタノール等の有効な合成ガスを、小規模な装置で、効率よく作り出すことのできるバイオマスのガス化方法及び装置として特開２００３−４９１７７号（特許文献２）に示す技術が提案されている。
【０００９】
かかる技術は、バイオマス燃料を燃焼ガス化炉内の熱分解ゾーンで燃焼して熱分解ガスＣＨ化を行い、この熱分解ガスＣＨを前記熱分解ゾーンの下方位置の燃焼層ゾーンに吸引して高温の水蒸気と空気の混合気に反応させて酸化し、さらに、その下方の還元層、改質層で改質ガスを得、この改質ガスから灰分と未反応タール分を除去して精製ガスを得る。また、精製ガスを得た後に、通過する精製ガスの潜熱による改質層ゾーンへ供給する水蒸気と空気を加熱してエネルギーを有効利用するものであるが、ガスの改質は１０００℃前後の温度場で水蒸気を供給してＨ２、ＣＯ主体の汎用ガスに改質する高温仕様となるため燃焼ガス化炉が熱分解炉と一体の改質炉として構成しても炉自体のコストが嵩む欠点があった。
【００１０】
又、熱分解ゾーンと改質ゾーンを一体化しているために、燃焼ガス化炉内の温度が８００〜１０００℃と高い状態で空気を導入してガス改質を図るために、熱分解で分解された固形炭化分が改質ゾーン側に落下し、改質ゾーン側で燃焼に寄与してしまうものであるためにバイオマスの炭化物としての固形分の有効利用につながらない。
特にバイオマスから生成されるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）やメタン若しくはＣＯは、これに対応する燃料ガスとしての天然ガスが安いので、バイオマス処理システムでは単に合成ガスを作って発電しても経済的に対応できないのみならず、化石燃料としての天然ガスの方がブタンやプロパンを含むために高カロリーであり、一方、前記したバイオマスから生成されるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）やメタン若しくはＣＯは炭素基が一つであるために、高カロリーとなり得ず、このため通常のボイラー式発電機の利用が困難であり、工業的にも汎用性が大きくない。
【００１１】
なお、木質系バイオマスの代表的な利活用システムとしては、直接燃焼発電システム等の適用が検討されているが、発電効率は送電端で１０〜１５％程度であり、高いエネルギー転換効率が望めず、また、化石燃料代替としてのＣＯ２増加抑制効果はあるものの直接的なＣＯ２削減にはつながらない。
又、木質系バイオマスの代表的な利用システムとして、炭化・ガス化してガスは燃焼しボイラー等で熱回収すると共に炭化物は燃焼等に利用するシステムがあるが、炭化物は嵩張るため、燃料として外部利用する場合輸送コストが嵩むと共に灰塵等のハンドリング上の問題があった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−２８６６９２号
【特許文献２】
特開２００３−４９１７７号
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、バイオマスを熱分解後の固形分としても合成ガスとしても有効利用を図り、トータル処理コストの低減及び有価物としての有効利用を図ったバイオマス処理方法とその装置を提供することにある。
本発明の他の目的はバイオマスの熱分解で得られた炭化物の有効利用を図るとともにそのハンドリング性の向上を図ったバイオマス処理方法とその装置及び該処理法により得られた流動燃料を提供することにある。
本発明の他の目的は、バイオマスから生成されるメタン若しくはＣＯ等の低カロリーガスを有効に利用して円滑且つ高効率な発電を可能にしたバイオマス処理方法とその装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明の第１の発明は、粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得、該多孔質炭化物を下流側の目的に応じて所定粒度に粉砕して該炭化物を利用して目的物を製造することを特徴とするバイオマス処理法にある。
この場合に、前記熱分解ガスの改質空間温度を８００〜１１００℃に設定するとともに、前記多孔質炭化物０．５〜５ｍｍ粒度に調整して前記改質空間内に投入すれば、多孔質炭化物の賦活を行うことが出来、前記多孔質炭化物を０．５ｍｍ未満粒度に調整して前記改質空間内に投入して多孔質炭化物のガス化を行うがことが出来る。
従ってかかる発明によれば固体燃料としての炭化物Ｃ（化石燃料代替利用）、環境浄化に利用の活性炭ＡＣ、及び発電エネルギの３種が、粉砕機での炭化物Ｃの粒度調整によりその生成量と配分割合を需要に応じて自在に調整出来、特に改質賦活炉の温度条件は炭化物を活性炭化する賦活温度条件を兼ねることが可能であり、水蒸気量、炭化物粒度を調整することにより、炭化物のガス化率（活性炭収率）を制御できるのみならず、分解ガスを高カロリーガスに改質（水蒸気改質）し、ガスエンジン（発電効率３６％）により発電することにより高効率にエネルギー転換可能であり、ＣＯ２の直接削減にもつながる独自の炭化・ガス改質発電システムとして、経済的で広く社会に受け入れられる木質系バイオマスの利用システムを確立出来る。
【００１５】
そしてかかる発明は、好適には粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得る炭化装置と、該多孔質炭化物を下流側の目的に応じて所定粒度に粉砕する粉砕装置と、前記熱分解ガスの改質を行うとともに該改質空間内に前記粉砕多孔質炭化物を投入して賦活を行う改質賦活炉とを備えて構成され、この場合前記粉砕装置が、目的製造物に応じて前記多孔質炭化物を所定粒度に調整可能な粉砕装置であることがよく、又前記改質賦活炉の炉内温度を８００〜１１００℃に設定するとともに、前記炉内の熱分解ガス導入口の下方に多孔質炭化物の導入口を設けることにより改質と賦活が円滑に行われる。
【００１６】
又、前記改質賦活炉により改質された改質ガスによって駆動されるガスエンジン発電装置若しくは燃料電池型発電装置を設けるのがよい。
特に前記改質ガスには炭化物Ｃの賦活により生成したガスも含むために、数千Ｋｃａｌ／ｋｇの高カロリーガスを得ることが出来、更にガスエンジン（発電効率３６％）により発電することにより高効率にエネルギー転換が可能であり、送電端効率は２０〜２５％が見込める。
又、前記改質ガスにはＨ２成分も多く含むために、燃料電池型発電装置に有効利用が可能である。
又、本発明は、前記熱分解ガスを冷却分離して得た液状成分を前記多孔質炭化物を粉砕して得た粉砕多孔質炭化物に混合して流動燃料を製造すれば、高カロリーでハンドリング性のよい燃料を得ることが出来る。
【００１７】
このような発明の具体的な構成として粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得る炭化装置と、該炭化装置より得た熱分解ガスを冷却し液状成分を分離する冷却手段と、前記多孔質炭化物を粉砕する粉砕手段と、前記冷却手段より分離された液状成分を前記粉砕多孔質炭化物に混合して流動燃料を得る手段とを備えて構成される。
この場合に前記冷却手段の冷却温度が、高沸点成分の凝縮点以下で且つ１００℃以上に設定されているのがよい。
これにより熱分解ガスＣＨ中の水蒸気が凝縮せずに、改質賦活炉に供給する水蒸気の補完が出来るのみならず、分離された液状成分側に水分が混ざらずに、後記する流動燃料としての利用が可能となる。
【００１８】
そしてこのような流動燃料は、前記炭化装置に設けた専用バーナに供給することにより、炭化工程の熱源として、改質ガスを熱源として用いることなく、生産物としての改質ガスの回収率が低下する等の問題の解決が出来る。
【００１９】
又、本発明は粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得る炭化装置と、前記熱分解ガスをＦＣＣ廃触媒を流動媒体として改質を行う循環流動層炉と、前記ＦＣＣ廃触媒の再生を行う再生炉を備え、前記循環流動層炉と再生炉の炉内温度がいずれも１０００℃以下であることを特徴とする。
かかる発明によれば前記夫々の炉の流動媒体はＦＣＣの廃触媒を利用して改質炉は触媒存在下で行うので温度条件を７００〜８００℃前後の低温領域で行うことができ、改質炉の低コスト化が図れるとともに、前記改質触媒はＦＣＣ廃触媒を活用するので低コスト処理が可能であり、循環流動層は攪拌効果が大きく、反応速度が大きくなるので、設備のコンパクト化が図れる。
又、前記炭化装置は、ロータリキルンを用いることにより、機械的な強制攪拌により３００〜６００℃の低温度でも改質が可能となる。
【００２０】
又、本発明は粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得、該熱分解ガスを冷却分離して得られた液状成分と前記多孔質炭化物を粉砕した粉砕多孔質炭化物を混合して得られた流動燃料としても特定できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は間伐材、流木材、剪定材、建築廃材などの木材チップ、雑草、牧草、砂糖きびなどの草本系物、籾殻、牛糞、その他の木質系バイオマス原料の炭化・発電システムの全体フローを示す基本システムフロー図である。
図１において、１は木質系バイオマス原料の粗破砕機で、打撃式のハンマーミルや鋸歯等のカッタ若しくは粉砕機等を利用して木質系バイオマスを１００ｍｍ篩いメッシュ以下、好ましくは２０〜８０ｍｍ篩いメッシュ程度に粗破砕する。
この場合、木質系バイオマス原料は延性を有するため粉砕され難く、１０〜２０ｍｍ篩いメッシュ以下では粉砕コストが幾何級数的に大きくなるのみならず、後記する活性炭ＡＣとしての有効利用が図れない。
又、１００ｍｍ篩いメッシュ以上では後記する３００〜６００℃前後での低温のロータリキルン３で攪拌した場合に表面のみ熱分解して内部まで熱分解することは出来ない。
さてこのような粗破砕機１は必ずしも炭化・発電システムの隣接地域に置く必要はなく、該システムと離れた木材集積場等においてもよい。
例えば森林などの計画的伐採地域では、森林涵養機能が正常に機能するように多年的な森林計画が遂行される地域では、この計画に基づき林木の主伐、間伐が行われており、伐採した木質系バイオマスを回収している。このような地域では木材が集積される水源周辺地域の製材所に粗破砕機１を配設する場合もある。
又、工場及び一般家屋などからは製材廃材、建築廃材においてもこれらの現場に粗破砕機１を設置して粗破砕を行うのがよい。
【００２２】
そしてこのように木材集積地側で粗破砕を行ったバイオマスはトラック等の輸送手段を用いて処理システムに送られる。又は処理システムに隣接して粗破砕機１を設置した場合は、バケットコンベヤやクレーンにより粗破砕バイオマス集積場２に収納され、つり上げクレーンを介してロータリキルン３側のホッパに投入して前記粗破砕バイオマスを酸素不足状態で熱分解させて炭化物と熱分解ガスＣＨを生成させる。
このようなロータリキルン３は熱分解ドラム３ａとその周囲に熱ガスが流通する外殻３ｂを有し、前記外殻３ｂにはバーナ４０で加熱された熱ガスが導入され、内殻側の熱分解ドラム３ａ内を３００℃〜６００℃に維持される。
【００２３】
熱分解ドラム３ａは、その回転により粗破砕バイオマスを加熱攪拌しながら熱分解ガスＣＨと炭化物Ｃが生成し，熱分解ガスＣＨは改質賦活炉５に送られ，炭化物Ｃは固体燃料として利用するか若しくは粉砕機４で所定粒度に粉砕した後、改質賦活炉５に供給して賦活を行う。
より具体的に説明するに、ロータリキルン３ではＣｎＨｍＯ１からなる木質系セルローズを酸素不足下で３００〜６００℃の加熱、より好ましくは４００〜５００℃の加熱により炭化水素系の熱分解ガスＣＨと炭化物Ｃに分解される。
ここで下限を３００℃に限定したのは、これより低い温度では熱分解が困難であるのみならず、熱分解して生成されるタール分が蒸発せずに、熱分解ドラム３ａ内壁に付着してしまう恐れがあるからである。
又、６００℃以上の加熱では、熱分解ドラム３ａに耐熱材料を用いなければならず、コストアップにつながるのみならず、後記するように炭化物Ｃを賦活する際の吸着孔の生成がこれ以上の温度では孔が目つぶれして好ましい活性炭ＡＣが形成できないためである。
【００２４】
改質賦活炉５は、底部が先細の円筒ドーム状をなし、炉頂部より前記熱分解ガスＣＨとともに、酸素Ｏ２と水蒸気Ｈ２Ｏを導入して約８００〜１１００℃、好ましくは９００〜１０００℃で改質を行うとともに、その炉途中位置より所定粒度に粉砕した炭化物Ｃを投入し、該粉砕炭化物Ｃの賦活を行い、活性炭ＡＣの製造を行う。
熱分解ガスＣＨの改質は、酸素不足下で炭化水素を燃焼して生成されたＣＯを水蒸気とともに、高温のガス化反応場に供給することにより、水蒸気は当該雰囲気に晒されて高温（約９００℃程度）になり、高温となった水蒸気により、（炭化水素）＋Ｈ２Ｏ←→ＣＯ＋Ｈ２というＣＯシフト反応が右辺側へ進み、Ｈ２濃度を向上することができる。
すなわち改質賦活炉５の上部の還元ゾーンでは、酸素が奪われ、さらに、この還元層ゾーンの下方の改質層ゾーンでは、以下の反応で、タール分をＣＯとＨ２へと改質する。
Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ、Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ …１）
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２・ｍ）Ｈ２ …２）
これらの反応は、８００℃程度以上の高温でなければ起こらず、しかも、吸熱反応であるため、水蒸気に酸素を混ぜて、次の反応によって改質に必要なエネルギーを供給する。
Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２ …３）
Ｃ＋１／２・Ｏ２→ＣＯ …４）
【００２５】
そして更に前記粉砕機４で所定粒度に粉砕された炭化物Ｃを前記改質賦活炉空間の途中の還元ゾーンより下方に導入することにより炭化物Ｃが水蒸気と反応して活性炭ＡＣの製造、即ち賦活が可能となる。
即ち図４に示すように、前記粉砕炭化物Ｃは、粗破砕バイオマス（Ａ）をロータローキルン３によって３００〜６００℃、好ましくは４００〜５００℃で蒸し焼き状態で炭化することにより多孔質状態（Ｂ）になり、更に前記改質賦活炉５で酸素不足状態で水蒸気とともに、８００〜１０００℃の温度で熱処理を行うことにより、前記多孔質部分が水性ガス化（Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２）、（Ｃ）に示す活性炭ＡＣの製造が可能となる。この熱処理は賦活と呼ばれ、これによって原料の炭素骨格が壊れていき、微細な孔が生じるような状態を作り出す。
このような賦活温度を８００〜１１００℃、好ましくは９００〜１０００℃の温度で製造が可能である。従って前記改質賦活炉５の温度を１１００℃以上にすることは炉の耐火構造が厳しくなるので改質賦活炉５内温度は、８００〜１１００℃、好ましくは、９００〜１０００℃の温度範囲に設定するのがよい。
又、賦活を中心に考えるならば、改質賦活炉５の頂部からの水蒸気供給と、炭化物導入路５ａ側からも賦活を行う炭素の水性ガス化反応場に直接水蒸気を供給するようにしてもよい。
【００２６】
又、改質賦活炉５の１０００℃の温度で改質と賦活処理を行う場合に、投入される炭化物Ｃの粒度が小さいと表面積が大きくなるために、Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２の反応が大きく進み、活性炭ＡＣの歩留まりが極端に低下するため投入炭化物Ｃの粒度が問題となる。
そこでロータリキルン３によって蒸し焼き状態で炭化した多孔質炭化物Ｃを前もって０．５ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍに粉砕したものを前記改質賦活炉５に投入して１０００℃の温度で改質と賦活処理を行った後、サイクロン９で固気分離を行って得た活性炭ＡＣの取得比を調べてみたところ、粒度０．５ｍｍでは０％で、ほとんど炭化物Ｃの１００％が「Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２」の反応が進みＣＯ／Ｈ２ガスが多く製造されることがわかり、又粒度５ｍｍでは５０％、１０ｍｍでは６０％の活性炭ＡＣが製造されることが理解された。
又、粒度が１５ｍｍ以上では表面積の大幅な低下により性能のよいＡＣ化が出来ないことも実験で確かめられた。
【００２７】
そして前記改質賦活炉５で製造されたＣＯ／Ｈ２ガスは、サイクロン９で固気分離した後、ガス精製器６でＨ２Ｓ等の微量有害ガスを分離し、さらに除塵した後、不図示のガスホルダーに貯留し、ガスエンジン発電機７に供給して高効率発電を行う。
ガスエンジン発電機７は、ボイラーを用いた蒸気タービン型の発電機と異なり、ＣＯ／Ｈ２ガスでも十分に燃焼発電が可能である。特に本実施例によれば改質賦活炉５で炭化物Ｃを加え、粒度０．５ｍｍでは１００％ＣＯ／Ｈ２ガスが生成され、又粒度５ｍｍでも５０％ＣＯ／Ｈ２ガスが生成されるために、通常の改質炉に加えて、カロリー数が増加し、数千ｋｃａｌ／ｋｇの熱量を得ることが出来る。
【００２８】
なお、前記精製ＣＯ／Ｈ２ガスは前記ロータリキルン３のバーナ４０の燃料として用いてもよく、更にガスエンジン発電機７の排気ガスは４００〜５００℃前後の温度があるために、直接ロータリキルン３の加熱用熱源として利用してもよい。なお、８は排気塔である。
【００２９】
従って本実施例においては、粉砕機４での炭化物Ｃの粒度調整行う制御機１０の制御により、固体燃料としての炭化物Ｃ（化石燃料代替利用）、環境浄化に利用の活性炭ＡＣ、及び発電エネルギーの３種が、粉砕機４での炭化物Ｃの粒度調整によりその生成量と配分割合を需要に応じて自在に調整出来る。
即ち、粉砕機４の粒度を０．５ｍｍ以下に設定した場合は、１００ｍｍ以下に粗破砕した木質系バイオマスをロータリキルン３で、３００〜６００℃の温度で炭化し、分解ガスは改質賦活炉５に供給する。炭化物Ｃは粉砕機４で０．５ｍｍ以下の微粉にして改質賦活炉５に供給する。改質賦活炉５では、１０００℃前後の温度条件にて、水蒸気を供給し、分解ガス及び炭化物Ｃ微粉を全てＨ２、ＣＯ等の汎用燃料ガスに改質出来、該改質ガスは、サイクロン９で固気分離した後、ガス精製器６でＨ２Ｓ等の微量有害ガスを分離し、さらに除塵した後、ガスホルダーに貯留し、ガスエンジン発電機７に供給して高効率発電を行うことができる。
【００３０】
一方活性炭ＡＣの需要がある場合は、粉砕機４の粒度を０．５〜５ｍｍに設定することにより、改質賦活炉５での炭化物Ｃの水性ガス化反応を制御し、サイクロン９で固気分離することにより、炭化物Ｃを活性炭ＡＣとして回収することができるので、バイオマス炭化物Ｃを活性炭ＡＣとして炭素を固定化しＣＯ２が直接削減出来る。
なお、改質炉温度条件は炭化物Ｃを活性炭化する賦活温度条件をも満たすことが必要であり、更にこれに加えて炭化物Ｃ粒度や改質賦活炉に供給する水蒸気量や酸化ガスを調整することにより、炭化物Ｃのガス化率（活性炭収率）を制御できる。
又、発電用燃料ガスには炭化物Ｃの賦活により生成したガスも含むために、数千ｋｃａｌ／ｋｇの高カロリーガスを得ることが出来、更にガスエンジン（発電効率３６％）により発電することにより高効率にエネルギー転換が可能であり、送電端効率は２０〜２５％が見込める。
【００３１】
従って本実施例によれば、ガス改質炉と炭化物Ｃ賦活炉を一体化し設備簡素化させるとともに炭化物Ｃの粒度調整可能な粉砕機４を設けたために、効率良く活性炭化またはガス化が可能となる。
又、粒度調整若しくは改質賦活炉５の温度調整により炭化物Ｃの活性炭化／ガス化比率の調整が容易で、需要に応じたシステム構築が可能となる。
又、本実施例は粗破砕されたバイオマスの炭化処理工程と粉砕工程により、バイオマスを先ず分解ガスと炭化物Ｃに変換した後、前記炭化物Ｃを粉砕処理することにより、賦活またはガス化速度が著しく向上するとともに、炭化処理後のバイオマスは、原料バイオマスの２０〜３０％に減量化し、かつ脆化するので粉砕容易であり、粉砕工程を設けたことによるコストアップは微少である。
更に粉砕した炭化物Ｃを分解ガスと共に改質炉（賦活炉）に導入することで、ガス改質と炭化物賦活処理（活性炭化）が同時に実施可能となり設備簡素化が実現する。
【００３２】
なお、前記ロータリキルン３の炭化（熱分解）炉より発生した熱分解ガスＣＨは、５００℃前後の温度で改質賦活炉５に導くが、前記１）２）の改質反応式は吸熱反応であるため、水蒸気に酸素を混ぜて、その酸化反応熱により改質に必要なエネルギーを供給するが、改質炉は賦活を兼用しているために、改質温度を１１００℃以上にあげることは炉耐火構造が厳しくなるため得策ではない。
このためタール分のような高分子構造の高沸点成分は前もって除去しておいた方がよい。
【００３３】
図２はかかる点の工夫をした他の実施例で、前記ロータリキルン３の炭化（熱分解）炉と改質賦活炉５との間の熱分解ガスＣＨ経路途中に冷却用熱交換器１１を介在させ、前記熱分解ガスを冷却し液状物とガス状成分に分離・回収することにより、前記タール等の高分子構造の高沸点成分を前もって除去することが出来る。
そしてこの場合に前記冷却用熱交換器１１の温度はタール分の凝縮点以下であればよいが、１００℃以上に設定することにより、熱分解ガスＣＨ中の水蒸気が凝縮せずに、改質炉に供給する水蒸気の補完が出来るのみならず、タール分側に水分が混ざらずに、後記する流動燃料としての利用が可能となる。
【００３４】
即ち、前記ロータリキルン３の炭化（熱分解）炉より発生した炭化物Ｃは釘等の混入をさけるために、磁選機若しくは渦流選別機１２によるアルミニウム選別をした後、粉砕機１３で所定粒度に粉砕して前記タール分と混合して流動燃料を得る。かかる流動燃料を用いてロータリキルン３の加熱用の熱ガスを得るバーナ４０の燃料に用いてもよい。
このように構成すれば、炭化工程の熱源として、改質ガスを燃焼して熱源に用いていたが、生産物としての改質ガスの回収率が低下する等の問題の解決が出来る。
又、活性炭賦活用の粉砕炭化物Ｃについても前もって水と混合して、水スラリーとした上で改質賦活炉５に供給すればノズル等を用いて均一な分散状態で改質賦活炉５に供給するようにしてもよい。
【００３５】
さて前記第１及び第２の実施例において、熱分解ガスの改質は１０００℃前後の温度場で水蒸気を供給してＨ２、ＣＯ主体の汎用ガスに改質するが、高温仕様となるため改質炉のコストが嵩む。
そこで第３の実施例は、図３に示すように、ロータリキルン３からなる炭化炉の後段に、流動ガスとして水蒸気を供給するとともに、ＦＣＣ触媒を流動媒体とした循環流動層式の改質炉２１を設けるとともに、改質炉２１には触媒の再生炉２２を付帯する。
【００３６】
さて、ＦＣＣ等の石油系炭化水素の接触分解触媒には、従来からゼオライトをアルミナ等のマトリックス成分に分散させて調製したものが最も一般的に使用されている。ところが、上記したように原油が重質化するにつれて、重質炭化水素類をより効率よく有効に分解できるようにリフレッシュな触媒を必要とし、ＦＣＣの廃触媒が発生する。この廃触媒は直前までプロセス内で使用されていたものであり、未だ十分な触媒活性を有している。そこで本発明はこの廃触媒を利用して改質温度の低下を図っている。
【００３７】
即ちロータリキルン３で熱分解された熱分解ガスＣＨは、ガス流路３１より直接、または、ガス流路３２を介して冷却用熱交換器１１に導入され、該冷却用熱交換器１１でタール分を除去した後、流動層式の改質炉２１に導入される。このとき、ガス流路３１、３２の両方を備え、適宜選択的に使い分ける構成としても良いし、または、がス流路３１、３２のどちらか一方のみを備える構成としても良い。該改質炉２１は底部の分散板より酸素と水蒸気を供給し、一方流動媒体としてＦＣＣ等の石油系炭化水素の接触分解触媒の廃触媒を触媒再生炉２２より供給し、循環流動層を形成する。
そして前記循環流動層改質炉で改質された、改質ガスとＦＣＣ流動媒体は、サイクロン２３で固気分離し、分離したＦＣＣ廃触媒を触媒再生炉２２に導入する。
触媒再生炉２２はバブリング式の気泡流動床で構成され、底部の分散板より空気若しくは酸素富化空気を供給し８００〜９００℃でＦＣＣ触媒に付着したチャーを燃焼させて再生処理を行う。
【００３８】
従って本実施例によれば、流動媒体はＦＣＣの廃触媒を利用することにより改質炉２１を触媒存在下で行うので温度条件を７００〜８００℃前後の低温領域で行うことができ、改質炉２１の低コスト化が図れる。
又、触媒はＦＣＣ廃触媒を活用するので低コスト処理が可能であり、循環流動層は攪拌効果が大きく、反応速度が大きくなるので、設備のコンパクト化が図れる。
【００３９】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、バイオマスを熱分解後の固形分としても合成ガスとしても有効利用を図り、トータル処理コストの低減及び有価物としての有効利用を図ることができる。
又、本発明は、炭化処理装置より得られた多孔質炭化物を熱分解ガスより分離した液状回収物と共に燃焼スラリーとすることで貯蔵及び輸送の容易な液状燃料として利用できるようになる。
更に本発明は、バイオマスから生成されるメタン若しくはＣＯ等の低カロリガスを有効に利用して円滑且つ高効率な発電を可能にする。
これによりエネルギー転換効率が高く、更にはＣＯ２の直接削減にもつながる独自の炭化・ガス改質発電システムを開発し、経済的で広く社会に受け入れられる木質系バイオマスの利用システムを確立出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】木質系バイオマス原料の炭化・発電システムの全体フローを示す本発明の基本実施例のシステムフロー図である。
【図２】木質系バイオマス原料の炭化・発電システムの全体フローを示す本発明の第２実施例のシステムフロー図である。
【図３】炭化炉の後段に、ＦＣＣ触媒を流動媒体とした循環流動層式の改質炉を設けるとともに、改質炉には触媒の再生炉を付帯した本発明の第３実施例のシステムフロー図である。
【図４】炭化処理から賦活処理までの作用図である。
【符号の説明】
１ 木質系バイオマス原料の粗破砕機
３ ロータリキルン
４、１３ 粉砕機
５ 改質賦活炉
６ ガス精製器
７ ガスエンジン発電機
１１ 冷却用熱交換器
２１ 循環流動層式の改質炉
２２ 触媒再生炉
【発明の属する技術分野】
本発明は、間伐材、流木材、剪定材、建築廃材などの木材チップ、雑草、牧草、砂糖きびなどの草本系物、籾殻、牛糞、その他の木質系系バイオマス原料を炭化させた後、発電、活性炭の製造等の所定の目的に使用させるバイオマス処理方法とその装置及び該処理法により得られた流動燃料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人類の生活や社会の進歩を支えるために、エネルギーや資源は不可欠であるが、環境保全を図りながらエネルギー・資源を確保する必要性が強く認識されており、太陽エネルギーが形をかえて貯蓄されたバイオマスを利用する技術、即ち、再生可能なバイオマス資源をエネルギー、工業原材料等に変換するバイオマス変換技術が注目されている。例えば、大気中の二酸化炭素（ＣＯ２）濃度は年間１．８ｐｐｍの割合で増加しており、ＣＯ２濃度上昇による地球温暖化の進行が問題になっている。大気中のＣＯ２は光合成反応によりバイオマスとして固定されるが、バイオマスをそのまま放置すると腐敗により再びＣＯ２やメタンとして大気中に戻る。この大気中の再入を防止するためにバイオマスの処理方法が種々提案されている。
【０００３】
従来のバイオマス処理方法としては、例えば発酵法や熱水分解法等によるアルコール転換方法が提案されているが、前者の発酵法は、糖分とでんぷん質しか原料とならず、発酵時間がかかるので大量の発酵タンクを設置する必要があると共に、後者の熱水分解法では高温・高圧・低収率、という問題がある。また、共に供給したバイオマスの残渣物が多く発生し、バイオマスの利用率が低いという問題もある。
【０００４】
一方、バイオマスをガス化する場合においては、例えば固定床或いは流動床等のガス化炉等を用いるようにしていたが、バイオマスの粒子の表面のみが反応し、内部まで均一に反応しないことにより、タールが発生し、生成したガス化ガスは、Ｈ２、ＣＯが少ないため、メタノール合成の原料とならない。また、上記発生したタールが炉内へ付着すると共に、後流側に設置する機器等への付着等が起こり、運転に不具合を来す、という問題がある。
【０００５】
そこで、従来においては、酸素を多量に供給することで高温で燃焼することとしたが、この場合部分的に１２００℃を超える高温域が形成され、ガスにならずに、バイオマス自身が燃焼し、スート化してしまうという問題がある。
【０００６】
かかる欠点を解消するために、特開平１１−２８６６９２号（特許文献１）において、前記バイオマス原料を、予め３０ｃｍ未満、好ましくは１５ｃｍ未満、より好ましくは５ｃｍ未満の粒子サイズにサイズを減少した後、該サイズ減少したバイオマス物質を３５０〜６５０℃の温度で熱分解に供し、（ａ）外部から導入した酸素リッチガスおよび場合に応じてスチームの影響下に、該熱分解の過程で放出されたガスを、凝縮させることなく、１１００〜１６００℃の温度でクラッキング（改質）処理に供し、（ｃ）該熱分解の過程で遊離された残渣を０．５〜１．５バールの圧力下、１２００〜１７００℃の温度でガス化し、気化させ、または場合に応じて、還元性条件の下で溶融させ、（ｄ）段階（ｃ）で得られた溶融スラグまたは金属濃縮物を廃棄し、または場合に応じて回収し、（ｅ）段階（ｂ）および（ｃ）の過程で得られた生成物ガスを併せるか、または併せずに、ガスクリーニングに供する技術が提案されている。
【０００７】
しかしながらかかる従来技術は、熱分解の過程で放出されたガスを、凝縮させることなく、１１００〜１６００℃の温度でクラッキング処理に供したり、熱分解の過程で遊離された残渣を１２００〜１７００℃の温度でガス化し、気化させ、または場合に応じて、還元性条件の下で溶融させるという高温処理工程が必要であり、結果として処理工程の大型化と耐熱性を必要とし、装置全体の高コスト化につながる。
【０００８】
バイオマスからメタノール等の有効な合成ガスを、小規模な装置で、効率よく作り出すことのできるバイオマスのガス化方法及び装置として特開２００３−４９１７７号（特許文献２）に示す技術が提案されている。
【０００９】
かかる技術は、バイオマス燃料を燃焼ガス化炉内の熱分解ゾーンで燃焼して熱分解ガスＣＨ化を行い、この熱分解ガスＣＨを前記熱分解ゾーンの下方位置の燃焼層ゾーンに吸引して高温の水蒸気と空気の混合気に反応させて酸化し、さらに、その下方の還元層、改質層で改質ガスを得、この改質ガスから灰分と未反応タール分を除去して精製ガスを得る。また、精製ガスを得た後に、通過する精製ガスの潜熱による改質層ゾーンへ供給する水蒸気と空気を加熱してエネルギーを有効利用するものであるが、ガスの改質は１０００℃前後の温度場で水蒸気を供給してＨ２、ＣＯ主体の汎用ガスに改質する高温仕様となるため燃焼ガス化炉が熱分解炉と一体の改質炉として構成しても炉自体のコストが嵩む欠点があった。
【００１０】
又、熱分解ゾーンと改質ゾーンを一体化しているために、燃焼ガス化炉内の温度が８００〜１０００℃と高い状態で空気を導入してガス改質を図るために、熱分解で分解された固形炭化分が改質ゾーン側に落下し、改質ゾーン側で燃焼に寄与してしまうものであるためにバイオマスの炭化物としての固形分の有効利用につながらない。
特にバイオマスから生成されるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）やメタン若しくはＣＯは、これに対応する燃料ガスとしての天然ガスが安いので、バイオマス処理システムでは単に合成ガスを作って発電しても経済的に対応できないのみならず、化石燃料としての天然ガスの方がブタンやプロパンを含むために高カロリーであり、一方、前記したバイオマスから生成されるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）やメタン若しくはＣＯは炭素基が一つであるために、高カロリーとなり得ず、このため通常のボイラー式発電機の利用が困難であり、工業的にも汎用性が大きくない。
【００１１】
なお、木質系バイオマスの代表的な利活用システムとしては、直接燃焼発電システム等の適用が検討されているが、発電効率は送電端で１０〜１５％程度であり、高いエネルギー転換効率が望めず、また、化石燃料代替としてのＣＯ２増加抑制効果はあるものの直接的なＣＯ２削減にはつながらない。
又、木質系バイオマスの代表的な利用システムとして、炭化・ガス化してガスは燃焼しボイラー等で熱回収すると共に炭化物は燃焼等に利用するシステムがあるが、炭化物は嵩張るため、燃料として外部利用する場合輸送コストが嵩むと共に灰塵等のハンドリング上の問題があった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−２８６６９２号
【特許文献２】
特開２００３−４９１７７号
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、バイオマスを熱分解後の固形分としても合成ガスとしても有効利用を図り、トータル処理コストの低減及び有価物としての有効利用を図ったバイオマス処理方法とその装置を提供することにある。
本発明の他の目的はバイオマスの熱分解で得られた炭化物の有効利用を図るとともにそのハンドリング性の向上を図ったバイオマス処理方法とその装置及び該処理法により得られた流動燃料を提供することにある。
本発明の他の目的は、バイオマスから生成されるメタン若しくはＣＯ等の低カロリーガスを有効に利用して円滑且つ高効率な発電を可能にしたバイオマス処理方法とその装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明の第１の発明は、粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得、該多孔質炭化物を下流側の目的に応じて所定粒度に粉砕して該炭化物を利用して目的物を製造することを特徴とするバイオマス処理法にある。
この場合に、前記熱分解ガスの改質空間温度を８００〜１１００℃に設定するとともに、前記多孔質炭化物０．５〜５ｍｍ粒度に調整して前記改質空間内に投入すれば、多孔質炭化物の賦活を行うことが出来、前記多孔質炭化物を０．５ｍｍ未満粒度に調整して前記改質空間内に投入して多孔質炭化物のガス化を行うがことが出来る。
従ってかかる発明によれば固体燃料としての炭化物Ｃ（化石燃料代替利用）、環境浄化に利用の活性炭ＡＣ、及び発電エネルギの３種が、粉砕機での炭化物Ｃの粒度調整によりその生成量と配分割合を需要に応じて自在に調整出来、特に改質賦活炉の温度条件は炭化物を活性炭化する賦活温度条件を兼ねることが可能であり、水蒸気量、炭化物粒度を調整することにより、炭化物のガス化率（活性炭収率）を制御できるのみならず、分解ガスを高カロリーガスに改質（水蒸気改質）し、ガスエンジン（発電効率３６％）により発電することにより高効率にエネルギー転換可能であり、ＣＯ２の直接削減にもつながる独自の炭化・ガス改質発電システムとして、経済的で広く社会に受け入れられる木質系バイオマスの利用システムを確立出来る。
【００１５】
そしてかかる発明は、好適には粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得る炭化装置と、該多孔質炭化物を下流側の目的に応じて所定粒度に粉砕する粉砕装置と、前記熱分解ガスの改質を行うとともに該改質空間内に前記粉砕多孔質炭化物を投入して賦活を行う改質賦活炉とを備えて構成され、この場合前記粉砕装置が、目的製造物に応じて前記多孔質炭化物を所定粒度に調整可能な粉砕装置であることがよく、又前記改質賦活炉の炉内温度を８００〜１１００℃に設定するとともに、前記炉内の熱分解ガス導入口の下方に多孔質炭化物の導入口を設けることにより改質と賦活が円滑に行われる。
【００１６】
又、前記改質賦活炉により改質された改質ガスによって駆動されるガスエンジン発電装置若しくは燃料電池型発電装置を設けるのがよい。
特に前記改質ガスには炭化物Ｃの賦活により生成したガスも含むために、数千Ｋｃａｌ／ｋｇの高カロリーガスを得ることが出来、更にガスエンジン（発電効率３６％）により発電することにより高効率にエネルギー転換が可能であり、送電端効率は２０〜２５％が見込める。
又、前記改質ガスにはＨ２成分も多く含むために、燃料電池型発電装置に有効利用が可能である。
又、本発明は、前記熱分解ガスを冷却分離して得た液状成分を前記多孔質炭化物を粉砕して得た粉砕多孔質炭化物に混合して流動燃料を製造すれば、高カロリーでハンドリング性のよい燃料を得ることが出来る。
【００１７】
このような発明の具体的な構成として粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得る炭化装置と、該炭化装置より得た熱分解ガスを冷却し液状成分を分離する冷却手段と、前記多孔質炭化物を粉砕する粉砕手段と、前記冷却手段より分離された液状成分を前記粉砕多孔質炭化物に混合して流動燃料を得る手段とを備えて構成される。
この場合に前記冷却手段の冷却温度が、高沸点成分の凝縮点以下で且つ１００℃以上に設定されているのがよい。
これにより熱分解ガスＣＨ中の水蒸気が凝縮せずに、改質賦活炉に供給する水蒸気の補完が出来るのみならず、分離された液状成分側に水分が混ざらずに、後記する流動燃料としての利用が可能となる。
【００１８】
そしてこのような流動燃料は、前記炭化装置に設けた専用バーナに供給することにより、炭化工程の熱源として、改質ガスを熱源として用いることなく、生産物としての改質ガスの回収率が低下する等の問題の解決が出来る。
【００１９】
又、本発明は粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得る炭化装置と、前記熱分解ガスをＦＣＣ廃触媒を流動媒体として改質を行う循環流動層炉と、前記ＦＣＣ廃触媒の再生を行う再生炉を備え、前記循環流動層炉と再生炉の炉内温度がいずれも１０００℃以下であることを特徴とする。
かかる発明によれば前記夫々の炉の流動媒体はＦＣＣの廃触媒を利用して改質炉は触媒存在下で行うので温度条件を７００〜８００℃前後の低温領域で行うことができ、改質炉の低コスト化が図れるとともに、前記改質触媒はＦＣＣ廃触媒を活用するので低コスト処理が可能であり、循環流動層は攪拌効果が大きく、反応速度が大きくなるので、設備のコンパクト化が図れる。
又、前記炭化装置は、ロータリキルンを用いることにより、機械的な強制攪拌により３００〜６００℃の低温度でも改質が可能となる。
【００２０】
又、本発明は粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得、該熱分解ガスを冷却分離して得られた液状成分と前記多孔質炭化物を粉砕した粉砕多孔質炭化物を混合して得られた流動燃料としても特定できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は間伐材、流木材、剪定材、建築廃材などの木材チップ、雑草、牧草、砂糖きびなどの草本系物、籾殻、牛糞、その他の木質系バイオマス原料の炭化・発電システムの全体フローを示す基本システムフロー図である。
図１において、１は木質系バイオマス原料の粗破砕機で、打撃式のハンマーミルや鋸歯等のカッタ若しくは粉砕機等を利用して木質系バイオマスを１００ｍｍ篩いメッシュ以下、好ましくは２０〜８０ｍｍ篩いメッシュ程度に粗破砕する。
この場合、木質系バイオマス原料は延性を有するため粉砕され難く、１０〜２０ｍｍ篩いメッシュ以下では粉砕コストが幾何級数的に大きくなるのみならず、後記する活性炭ＡＣとしての有効利用が図れない。
又、１００ｍｍ篩いメッシュ以上では後記する３００〜６００℃前後での低温のロータリキルン３で攪拌した場合に表面のみ熱分解して内部まで熱分解することは出来ない。
さてこのような粗破砕機１は必ずしも炭化・発電システムの隣接地域に置く必要はなく、該システムと離れた木材集積場等においてもよい。
例えば森林などの計画的伐採地域では、森林涵養機能が正常に機能するように多年的な森林計画が遂行される地域では、この計画に基づき林木の主伐、間伐が行われており、伐採した木質系バイオマスを回収している。このような地域では木材が集積される水源周辺地域の製材所に粗破砕機１を配設する場合もある。
又、工場及び一般家屋などからは製材廃材、建築廃材においてもこれらの現場に粗破砕機１を設置して粗破砕を行うのがよい。
【００２２】
そしてこのように木材集積地側で粗破砕を行ったバイオマスはトラック等の輸送手段を用いて処理システムに送られる。又は処理システムに隣接して粗破砕機１を設置した場合は、バケットコンベヤやクレーンにより粗破砕バイオマス集積場２に収納され、つり上げクレーンを介してロータリキルン３側のホッパに投入して前記粗破砕バイオマスを酸素不足状態で熱分解させて炭化物と熱分解ガスＣＨを生成させる。
このようなロータリキルン３は熱分解ドラム３ａとその周囲に熱ガスが流通する外殻３ｂを有し、前記外殻３ｂにはバーナ４０で加熱された熱ガスが導入され、内殻側の熱分解ドラム３ａ内を３００℃〜６００℃に維持される。
【００２３】
熱分解ドラム３ａは、その回転により粗破砕バイオマスを加熱攪拌しながら熱分解ガスＣＨと炭化物Ｃが生成し，熱分解ガスＣＨは改質賦活炉５に送られ，炭化物Ｃは固体燃料として利用するか若しくは粉砕機４で所定粒度に粉砕した後、改質賦活炉５に供給して賦活を行う。
より具体的に説明するに、ロータリキルン３ではＣｎＨｍＯ１からなる木質系セルローズを酸素不足下で３００〜６００℃の加熱、より好ましくは４００〜５００℃の加熱により炭化水素系の熱分解ガスＣＨと炭化物Ｃに分解される。
ここで下限を３００℃に限定したのは、これより低い温度では熱分解が困難であるのみならず、熱分解して生成されるタール分が蒸発せずに、熱分解ドラム３ａ内壁に付着してしまう恐れがあるからである。
又、６００℃以上の加熱では、熱分解ドラム３ａに耐熱材料を用いなければならず、コストアップにつながるのみならず、後記するように炭化物Ｃを賦活する際の吸着孔の生成がこれ以上の温度では孔が目つぶれして好ましい活性炭ＡＣが形成できないためである。
【００２４】
改質賦活炉５は、底部が先細の円筒ドーム状をなし、炉頂部より前記熱分解ガスＣＨとともに、酸素Ｏ２と水蒸気Ｈ２Ｏを導入して約８００〜１１００℃、好ましくは９００〜１０００℃で改質を行うとともに、その炉途中位置より所定粒度に粉砕した炭化物Ｃを投入し、該粉砕炭化物Ｃの賦活を行い、活性炭ＡＣの製造を行う。
熱分解ガスＣＨの改質は、酸素不足下で炭化水素を燃焼して生成されたＣＯを水蒸気とともに、高温のガス化反応場に供給することにより、水蒸気は当該雰囲気に晒されて高温（約９００℃程度）になり、高温となった水蒸気により、（炭化水素）＋Ｈ２Ｏ←→ＣＯ＋Ｈ２というＣＯシフト反応が右辺側へ進み、Ｈ２濃度を向上することができる。
すなわち改質賦活炉５の上部の還元ゾーンでは、酸素が奪われ、さらに、この還元層ゾーンの下方の改質層ゾーンでは、以下の反応で、タール分をＣＯとＨ２へと改質する。
Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ、Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ …１）
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２・ｍ）Ｈ２ …２）
これらの反応は、８００℃程度以上の高温でなければ起こらず、しかも、吸熱反応であるため、水蒸気に酸素を混ぜて、次の反応によって改質に必要なエネルギーを供給する。
Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２ …３）
Ｃ＋１／２・Ｏ２→ＣＯ …４）
【００２５】
そして更に前記粉砕機４で所定粒度に粉砕された炭化物Ｃを前記改質賦活炉空間の途中の還元ゾーンより下方に導入することにより炭化物Ｃが水蒸気と反応して活性炭ＡＣの製造、即ち賦活が可能となる。
即ち図４に示すように、前記粉砕炭化物Ｃは、粗破砕バイオマス（Ａ）をロータローキルン３によって３００〜６００℃、好ましくは４００〜５００℃で蒸し焼き状態で炭化することにより多孔質状態（Ｂ）になり、更に前記改質賦活炉５で酸素不足状態で水蒸気とともに、８００〜１０００℃の温度で熱処理を行うことにより、前記多孔質部分が水性ガス化（Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２）、（Ｃ）に示す活性炭ＡＣの製造が可能となる。この熱処理は賦活と呼ばれ、これによって原料の炭素骨格が壊れていき、微細な孔が生じるような状態を作り出す。
このような賦活温度を８００〜１１００℃、好ましくは９００〜１０００℃の温度で製造が可能である。従って前記改質賦活炉５の温度を１１００℃以上にすることは炉の耐火構造が厳しくなるので改質賦活炉５内温度は、８００〜１１００℃、好ましくは、９００〜１０００℃の温度範囲に設定するのがよい。
又、賦活を中心に考えるならば、改質賦活炉５の頂部からの水蒸気供給と、炭化物導入路５ａ側からも賦活を行う炭素の水性ガス化反応場に直接水蒸気を供給するようにしてもよい。
【００２６】
又、改質賦活炉５の１０００℃の温度で改質と賦活処理を行う場合に、投入される炭化物Ｃの粒度が小さいと表面積が大きくなるために、Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２の反応が大きく進み、活性炭ＡＣの歩留まりが極端に低下するため投入炭化物Ｃの粒度が問題となる。
そこでロータリキルン３によって蒸し焼き状態で炭化した多孔質炭化物Ｃを前もって０．５ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍに粉砕したものを前記改質賦活炉５に投入して１０００℃の温度で改質と賦活処理を行った後、サイクロン９で固気分離を行って得た活性炭ＡＣの取得比を調べてみたところ、粒度０．５ｍｍでは０％で、ほとんど炭化物Ｃの１００％が「Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２」の反応が進みＣＯ／Ｈ２ガスが多く製造されることがわかり、又粒度５ｍｍでは５０％、１０ｍｍでは６０％の活性炭ＡＣが製造されることが理解された。
又、粒度が１５ｍｍ以上では表面積の大幅な低下により性能のよいＡＣ化が出来ないことも実験で確かめられた。
【００２７】
そして前記改質賦活炉５で製造されたＣＯ／Ｈ２ガスは、サイクロン９で固気分離した後、ガス精製器６でＨ２Ｓ等の微量有害ガスを分離し、さらに除塵した後、不図示のガスホルダーに貯留し、ガスエンジン発電機７に供給して高効率発電を行う。
ガスエンジン発電機７は、ボイラーを用いた蒸気タービン型の発電機と異なり、ＣＯ／Ｈ２ガスでも十分に燃焼発電が可能である。特に本実施例によれば改質賦活炉５で炭化物Ｃを加え、粒度０．５ｍｍでは１００％ＣＯ／Ｈ２ガスが生成され、又粒度５ｍｍでも５０％ＣＯ／Ｈ２ガスが生成されるために、通常の改質炉に加えて、カロリー数が増加し、数千ｋｃａｌ／ｋｇの熱量を得ることが出来る。
【００２８】
なお、前記精製ＣＯ／Ｈ２ガスは前記ロータリキルン３のバーナ４０の燃料として用いてもよく、更にガスエンジン発電機７の排気ガスは４００〜５００℃前後の温度があるために、直接ロータリキルン３の加熱用熱源として利用してもよい。なお、８は排気塔である。
【００２９】
従って本実施例においては、粉砕機４での炭化物Ｃの粒度調整行う制御機１０の制御により、固体燃料としての炭化物Ｃ（化石燃料代替利用）、環境浄化に利用の活性炭ＡＣ、及び発電エネルギーの３種が、粉砕機４での炭化物Ｃの粒度調整によりその生成量と配分割合を需要に応じて自在に調整出来る。
即ち、粉砕機４の粒度を０．５ｍｍ以下に設定した場合は、１００ｍｍ以下に粗破砕した木質系バイオマスをロータリキルン３で、３００〜６００℃の温度で炭化し、分解ガスは改質賦活炉５に供給する。炭化物Ｃは粉砕機４で０．５ｍｍ以下の微粉にして改質賦活炉５に供給する。改質賦活炉５では、１０００℃前後の温度条件にて、水蒸気を供給し、分解ガス及び炭化物Ｃ微粉を全てＨ２、ＣＯ等の汎用燃料ガスに改質出来、該改質ガスは、サイクロン９で固気分離した後、ガス精製器６でＨ２Ｓ等の微量有害ガスを分離し、さらに除塵した後、ガスホルダーに貯留し、ガスエンジン発電機７に供給して高効率発電を行うことができる。
【００３０】
一方活性炭ＡＣの需要がある場合は、粉砕機４の粒度を０．５〜５ｍｍに設定することにより、改質賦活炉５での炭化物Ｃの水性ガス化反応を制御し、サイクロン９で固気分離することにより、炭化物Ｃを活性炭ＡＣとして回収することができるので、バイオマス炭化物Ｃを活性炭ＡＣとして炭素を固定化しＣＯ２が直接削減出来る。
なお、改質炉温度条件は炭化物Ｃを活性炭化する賦活温度条件をも満たすことが必要であり、更にこれに加えて炭化物Ｃ粒度や改質賦活炉に供給する水蒸気量や酸化ガスを調整することにより、炭化物Ｃのガス化率（活性炭収率）を制御できる。
又、発電用燃料ガスには炭化物Ｃの賦活により生成したガスも含むために、数千ｋｃａｌ／ｋｇの高カロリーガスを得ることが出来、更にガスエンジン（発電効率３６％）により発電することにより高効率にエネルギー転換が可能であり、送電端効率は２０〜２５％が見込める。
【００３１】
従って本実施例によれば、ガス改質炉と炭化物Ｃ賦活炉を一体化し設備簡素化させるとともに炭化物Ｃの粒度調整可能な粉砕機４を設けたために、効率良く活性炭化またはガス化が可能となる。
又、粒度調整若しくは改質賦活炉５の温度調整により炭化物Ｃの活性炭化／ガス化比率の調整が容易で、需要に応じたシステム構築が可能となる。
又、本実施例は粗破砕されたバイオマスの炭化処理工程と粉砕工程により、バイオマスを先ず分解ガスと炭化物Ｃに変換した後、前記炭化物Ｃを粉砕処理することにより、賦活またはガス化速度が著しく向上するとともに、炭化処理後のバイオマスは、原料バイオマスの２０〜３０％に減量化し、かつ脆化するので粉砕容易であり、粉砕工程を設けたことによるコストアップは微少である。
更に粉砕した炭化物Ｃを分解ガスと共に改質炉（賦活炉）に導入することで、ガス改質と炭化物賦活処理（活性炭化）が同時に実施可能となり設備簡素化が実現する。
【００３２】
なお、前記ロータリキルン３の炭化（熱分解）炉より発生した熱分解ガスＣＨは、５００℃前後の温度で改質賦活炉５に導くが、前記１）２）の改質反応式は吸熱反応であるため、水蒸気に酸素を混ぜて、その酸化反応熱により改質に必要なエネルギーを供給するが、改質炉は賦活を兼用しているために、改質温度を１１００℃以上にあげることは炉耐火構造が厳しくなるため得策ではない。
このためタール分のような高分子構造の高沸点成分は前もって除去しておいた方がよい。
【００３３】
図２はかかる点の工夫をした他の実施例で、前記ロータリキルン３の炭化（熱分解）炉と改質賦活炉５との間の熱分解ガスＣＨ経路途中に冷却用熱交換器１１を介在させ、前記熱分解ガスを冷却し液状物とガス状成分に分離・回収することにより、前記タール等の高分子構造の高沸点成分を前もって除去することが出来る。
そしてこの場合に前記冷却用熱交換器１１の温度はタール分の凝縮点以下であればよいが、１００℃以上に設定することにより、熱分解ガスＣＨ中の水蒸気が凝縮せずに、改質炉に供給する水蒸気の補完が出来るのみならず、タール分側に水分が混ざらずに、後記する流動燃料としての利用が可能となる。
【００３４】
即ち、前記ロータリキルン３の炭化（熱分解）炉より発生した炭化物Ｃは釘等の混入をさけるために、磁選機若しくは渦流選別機１２によるアルミニウム選別をした後、粉砕機１３で所定粒度に粉砕して前記タール分と混合して流動燃料を得る。かかる流動燃料を用いてロータリキルン３の加熱用の熱ガスを得るバーナ４０の燃料に用いてもよい。
このように構成すれば、炭化工程の熱源として、改質ガスを燃焼して熱源に用いていたが、生産物としての改質ガスの回収率が低下する等の問題の解決が出来る。
又、活性炭賦活用の粉砕炭化物Ｃについても前もって水と混合して、水スラリーとした上で改質賦活炉５に供給すればノズル等を用いて均一な分散状態で改質賦活炉５に供給するようにしてもよい。
【００３５】
さて前記第１及び第２の実施例において、熱分解ガスの改質は１０００℃前後の温度場で水蒸気を供給してＨ２、ＣＯ主体の汎用ガスに改質するが、高温仕様となるため改質炉のコストが嵩む。
そこで第３の実施例は、図３に示すように、ロータリキルン３からなる炭化炉の後段に、流動ガスとして水蒸気を供給するとともに、ＦＣＣ触媒を流動媒体とした循環流動層式の改質炉２１を設けるとともに、改質炉２１には触媒の再生炉２２を付帯する。
【００３６】
さて、ＦＣＣ等の石油系炭化水素の接触分解触媒には、従来からゼオライトをアルミナ等のマトリックス成分に分散させて調製したものが最も一般的に使用されている。ところが、上記したように原油が重質化するにつれて、重質炭化水素類をより効率よく有効に分解できるようにリフレッシュな触媒を必要とし、ＦＣＣの廃触媒が発生する。この廃触媒は直前までプロセス内で使用されていたものであり、未だ十分な触媒活性を有している。そこで本発明はこの廃触媒を利用して改質温度の低下を図っている。
【００３７】
即ちロータリキルン３で熱分解された熱分解ガスＣＨは、ガス流路３１より直接、または、ガス流路３２を介して冷却用熱交換器１１に導入され、該冷却用熱交換器１１でタール分を除去した後、流動層式の改質炉２１に導入される。このとき、ガス流路３１、３２の両方を備え、適宜選択的に使い分ける構成としても良いし、または、がス流路３１、３２のどちらか一方のみを備える構成としても良い。該改質炉２１は底部の分散板より酸素と水蒸気を供給し、一方流動媒体としてＦＣＣ等の石油系炭化水素の接触分解触媒の廃触媒を触媒再生炉２２より供給し、循環流動層を形成する。
そして前記循環流動層改質炉で改質された、改質ガスとＦＣＣ流動媒体は、サイクロン２３で固気分離し、分離したＦＣＣ廃触媒を触媒再生炉２２に導入する。
触媒再生炉２２はバブリング式の気泡流動床で構成され、底部の分散板より空気若しくは酸素富化空気を供給し８００〜９００℃でＦＣＣ触媒に付着したチャーを燃焼させて再生処理を行う。
【００３８】
従って本実施例によれば、流動媒体はＦＣＣの廃触媒を利用することにより改質炉２１を触媒存在下で行うので温度条件を７００〜８００℃前後の低温領域で行うことができ、改質炉２１の低コスト化が図れる。
又、触媒はＦＣＣ廃触媒を活用するので低コスト処理が可能であり、循環流動層は攪拌効果が大きく、反応速度が大きくなるので、設備のコンパクト化が図れる。
【００３９】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、バイオマスを熱分解後の固形分としても合成ガスとしても有効利用を図り、トータル処理コストの低減及び有価物としての有効利用を図ることができる。
又、本発明は、炭化処理装置より得られた多孔質炭化物を熱分解ガスより分離した液状回収物と共に燃焼スラリーとすることで貯蔵及び輸送の容易な液状燃料として利用できるようになる。
更に本発明は、バイオマスから生成されるメタン若しくはＣＯ等の低カロリガスを有効に利用して円滑且つ高効率な発電を可能にする。
これによりエネルギー転換効率が高く、更にはＣＯ２の直接削減にもつながる独自の炭化・ガス改質発電システムを開発し、経済的で広く社会に受け入れられる木質系バイオマスの利用システムを確立出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】木質系バイオマス原料の炭化・発電システムの全体フローを示す本発明の基本実施例のシステムフロー図である。
【図２】木質系バイオマス原料の炭化・発電システムの全体フローを示す本発明の第２実施例のシステムフロー図である。
【図３】炭化炉の後段に、ＦＣＣ触媒を流動媒体とした循環流動層式の改質炉を設けるとともに、改質炉には触媒の再生炉を付帯した本発明の第３実施例のシステムフロー図である。
【図４】炭化処理から賦活処理までの作用図である。
【符号の説明】
１ 木質系バイオマス原料の粗破砕機
３ ロータリキルン
４、１３ 粉砕機
５ 改質賦活炉
６ ガス精製器
７ ガスエンジン発電機
１１ 冷却用熱交換器
２１ 循環流動層式の改質炉
２２ 触媒再生炉
Claims (14)
- 粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得、該多孔質炭化物を下流側の目的に応じて所定粒度に粉砕して該炭化物を利用して目的物を製造することを特徴とするバイオマス処理法。
- 前記熱分解ガスの改質空間温度を８００〜１１００℃に設定するとともに、前記多孔質炭化物を０．５〜５ｍｍ粒度に調整して前記改質空間内に投入して多孔質炭化物の賦活を行うことを特徴とする請求項１記載のバイオマス処理法。
- 前記熱分解ガスの改質空間温度を８００〜１１００℃に設定するとともに、前記多孔質炭化物を０．５ｍｍ未満粒度に調整して前記改質空間内に投入して多孔質炭化物のガス化を行うことを特徴とする請求項１記載のバイオマス処理法。
- 前記熱分解ガスを冷却して得た液状成分を前記多孔質炭化物を粉砕して得た粉砕多孔質炭化物に混合して流動燃料を製造することを特徴とする請求項１記載のバイオマス処理法。
- 粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得る炭化装置と、該多孔質炭化物を下流側の目的に応じて所定粒度に粉砕する粉砕装置と、前記熱分解ガスの改質を行うとともに該改質空間内に前記粉砕多孔質炭化物を投入して賦活を行う改質賦活炉とを備えてなることを特徴とするバイオマス処理装置。
- 前記粉砕装置が、目的製造物に応じて前記多孔質炭化物を所定粒度に調整可能な粉砕装置であることを特徴とする請求項５記載のバイオマス処理装置。
- 前記改質賦活炉の炉内温度を８００〜１１００℃に設定するとともに、前記炉内の熱分解ガス導入口の下方に多孔質炭化物の導入口を設けたことを特徴とする請求項５記載のバイオマス処理装置。
- 前記改質賦活炉により改質された改質ガスによって駆動されるガスエンジン発電装置若しくは燃料電池型発電装置を設けたことを特徴とする請求項５記載のバイオマス処理装置。
- 粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得る炭化装置と、該炭化装置より得た熱分解ガスを冷却して液状成分を得る冷却手段と、前記多孔質炭化物を粉砕する粉砕手段と、前記冷却手段より分離された液状成分を前記粉砕多孔質炭化物に混合して流動燃料を得る手段とを備えてなることを特徴とするバイオマス処理装置。
- 前記冷却手段の冷却温度が、高沸点成分の凝縮点以下で且つ１００℃以上に設定されている請求項９記載のバイオマス処理装置。
- 前記炭化装置が前記流動燃料により燃焼される専用バーナを備えている請求項９記載のバイオマス処理装置。
- 粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得る炭化装置と、前記熱分解ガスをＦＣＣ廃触媒を流動媒体として改質を行う循環流動層炉と、前記ＦＣＣ廃触媒の再生を行う再生炉を備え、前記循環流動層炉と再生炉の炉内温度がいずれも１０００℃以下であることを特徴とするバイオマス処理装置。
- 前記炭化装置がロータリキルンである請求項５、９若しくは１２記載のバイオマス処理装置。
- 粗破砕した木質系バイオマス原料を３００〜６００℃の温度で炭化処理して熱分解ガスとともに多孔質炭化物を得、該熱分解ガスを冷却分離して得られた液状成分と前記多孔質炭化物を粉砕した粉砕多孔質炭化物を混合して得られたことを特徴とする流動燃料。
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