JP2005305249A - 連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法及びその装置並びに処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】 環境に優しいバイオマス処理方法であって、連続的にバイオマスを処理して化学原料を回収すると共に、装置の運転に必要なエネルギーを自給できる連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法とその装置；バイオマス発生場所で、オンサイト方式で処理するバイオマス過熱水蒸気処理システムを提供。
【解決手段】 原料であるバイオマスを過熱水蒸気と反応させ、有機物・水混合蒸気と炭化物を生成する工程と、この有機物・水混合蒸気を過熱水蒸気反応炉から導出し熱交換して有機物水溶液とする工程と、炭化物を燃焼炉に燃料として導入する工程と、この燃焼炉から発生した高温燃焼ガスを過熱水蒸気反応炉を覆う加熱ジャケットに導入する工程とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、バイオマスを過熱水蒸気で処理して連続的に化学原料にする方法及びその装置並びに処理システムに関するものである。

もみがらや間伐材、製材残材等の農林系バイオマス資源は、それぞれ農地、林地、製材所ごとに発生する未利用資源である。これらは良質な有機資源であり、適切に処理することにより、エネルギー、燃料、化学原料等に変換できるものである。
現在、欧米を中心として実用化されている農林系未利用バイオマスの処理装置は、これらの資源を一箇所に集積して集中的な処理を行う大型プラントが主流となっている。

しかしながら、これらの農林系未利用バイオマス資源は、その発生密度が低いため、一箇所に集積して集中的な処理を行う場合には、広範囲から資源を回収せざるを得ない。このため、回収エネルギーやそれに伴う人件費、保管費用等を考慮すると、輸送コストの高い我が国では採算性が上がりにくいという問題がある。
また、バイオマスにはシリカ等の各種無機栄養物質が多量に含まれているため、このバイオマスを産地から運び出すと、農地・林地からこれらの栄養物質を運び出すことになり、地力・生産性を低下させる原因となる問題もある。

したがって、我が国では、バイオマス資源をその発生場所で処理・減容化し、必要な有機物質のみを回収・運搬した上で、さらに無機栄養物質は現地に還元するという方法が適している。しかし、このようなシステムを構築するために、バイオマス発生場所ごとにリファイナリー装置を設置するのはプロセス管理や有閑期の面から現実的ではない。それよりは、装置そのものをトラック等に積載し、バイオマスの発生場所に発生時期に併せて搬送して、処理するポータプル型リファイナリー装置を用いるのが適している。

また、従来のバイオマス処理方法では、酸触媒又はアルカリ触媒を使用するのが一般的である。しかし、酸触媒又はアルカリ触媒を使用すると、排水処理の問題や我が国の法令による規制も問題となる。そこで、本発明者らは、酸触媒又はアルカリ触媒を使用せず、高温高圧水によるバイオマスの無触媒処理方法を提案している（例えば、非特許文献１参照）。

また、常圧の過熱水蒸気を用いて回分式により、有機性廃棄物等の有機物を炭化して炭化物を製造する方法とその装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
Ｋ．Ｍｏｃｈｉｄｚｕｋｉ，Ａ．Ｓａｋｏｄａ，Ｍ．Ｓｕｚｕｋｉ，"Ｔｈｅｒｍｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ"，３４８，２０００，ｐ．６９−７６ 特開２００２−８０８５４号公報

しかしながら、非特許文献１に係る処理方法にあっては、高圧水を使用するため、耐圧性を考慮して装置は肉厚で重量の大きいものになり、この装置をバイオマス発生場所に持ち運んで使用するのは困難であるという問題があった。

特許文献１に係る常圧過熱水蒸気を使用する方法によれば、この問題は解決できるが、この特許文献１に係る装置は、有機性廃棄物の炭化を目的としたものであり、バイオマスから有用な工業化学原料を連続的に回収し、エネルギーを自給することまでは考慮していない問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、環境に優しいバイオマス処理方法であって、連続的にバイオマスを処理して化学原料を回収すると共に、装置の運転に必要なエネルギーを自給できる連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法とその装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、バイオマス発生場所で、オンサイト方式で処理するバイオマス過熱水蒸気処理システムを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、原料であるバイオマスを過熱水蒸気で処理し連続的に化学原料とする方法であって、原料であるバイオマスを過熱水蒸気と反応させ、有機物・水混合蒸気と炭化物を生成する工程と、この有機物・水混合蒸気を過熱水蒸気反応炉から導出し、熱交換して有機物水溶液とする工程と、前記炭化物を、燃焼炉に燃料として導入する工程と、この燃焼炉から発生した高温燃焼ガスを、前記過熱水蒸気反応炉を覆う加熱ジャケットに導入する工程とを有することを特徴とする連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法である。

請求項２にかかる発明は、前記有機物水溶液を逆浸透膜分離法により、逆浸透膜濃縮液と逆浸透膜透過液とにする工程と、この逆浸透膜濃縮液を浸透気化膜分離法により、化学原料と浸透気化膜保持液とにする工程と、この逆浸透膜透過液と浸透気化膜保持液を吸着分離法により、吸着処理水とする工程と、この吸着処理水を、前記燃焼炉内に設けたボイラー及びスーパーヒーターで過熱して過熱水蒸気とする工程とを有することを特徴とする請求項１記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法である。

請求項３にかかる発明は、前記有機物・水混合蒸気を、精油成分とフェノール類及びフルフラール類とに分別して導出する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法である。

請求項４にかかる発明は、前記有機物・水混合蒸気から、タール成分を除去する工程を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法である。

請求項５にかかる発明は、原料であるバイオマスを過熱水蒸気で処理し連続的に化学原料にする装置であって、原料であるバイオマスを過熱水蒸気と反応させ、有機物・水混合蒸気と炭化物を生成する過熱水蒸気反応炉と、この有機物・水混合蒸気を熱交換して有機物水溶液とする熱交換凝縮器と、前記炭化物を燃料にして過熱水蒸気を発生させる燃焼炉と、前記過熱水蒸気反応炉を加温・保温するため、これを覆うように設けられた加熱ジャケットとから構成されることを特徴とする連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置である。

請求項６にかかる発明は、前記過熱水蒸気反応炉に、バイオマスを連続的に搬送するスクリューフィーダーと、前記炭化物を排出する炭化物排出口とを設け、前記燃焼炉に、水を蒸気にするボイラーと、この蒸気をさらに過熱して過熱水蒸気とするスーパーヒーターとを設けたことを特徴とする請求項５記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置である。

請求項７にかかる発明は、前記熱交換凝縮器の後段に、逆浸透膜分離器と、浸透気化膜分離器と、吸着分離器とを設けたことを特徴とする請求項５又は６に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置である。

請求項８にかかる発明は、前記熱交換凝縮器に接続する有機物・水混合蒸気導出口を、前記過熱水蒸気反応炉の上流側及び下流側に各々設けたことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置である。

請求項９にかかる発明は、前記熱交換凝縮器の内部、上流側、及び下流側のいずれかに、タール成分を除去するフィルター又はスクラバーを設けたことを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置である。

請求項１０にかかる発明は、請求項５〜９のいずれか一項に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置を、原料であるバイオマス発生場所に搬送して、バイオマスをオンサイト方式で処理することを特徴とするバイオマス過熱水蒸気処理システムである。

本発明の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法によれば、無触媒でバイオマスを処理するため、環境に優しい処理方法となる。

また、本発明の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法とその装置によれば、連続的にバイオマスを処理して化学原料を回収できると共に、この装置の運転に必要なエネルギーを自給することができる。

また、本発明のバイオマス過熱水蒸気処理システムによれば、ポータブルなこの装置をバイオマス発生場所に搬送し、発生場所で処理を行うことにより、オンサイト方式で処理することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置の概略図である。本実施形態の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置１は、過熱水蒸気反応炉２と、この過熱水蒸気反応炉２を覆う加熱ジャケット５，５と、熱交換凝縮器３，３と、燃焼炉４と、逆浸透膜分離器６，６と、浸透気化膜分離器７，７と、吸着分離器８とから概略構成されている。

この過熱水蒸気反応炉２は、二連式反応炉からなり、原料であるバイオマスを過熱水蒸気と反応させ、有機物・水混合蒸気と炭化物を生成するものである。この過熱水蒸気反応炉２には、原料であるバイオマスを連続的に供給するバイオマス供給口１０と、このバイオマス供給口１０に設けたゲート弁１３と、バイオマスが炭化して発生した炭化物を排出する炭化物排出口１１と、この炭化物排出口１１に設けたゲート弁１３と、バイオマスと過熱水蒸気が反応して発生した有機物・水混合蒸気を導出する導出口１４，１４と、バイオマスを連続的に搬送するスクリューフィーダー１２，１２とが備えられている。

このスクリューフィーダー１２，１２は、過熱水蒸気反応炉２の上流側と下流側に各々設けられており、これらが互いに上流側と下流側で逆方向に回転することにより、投入された原料バイオマスを、バイオマス供給側から炭化物排出側に向けて搬送するようになっている。バイオマスの搬送にスクリューフィーダーを用いることにより、グラインダー等によるバイオマスの前処理を行うことなく原料を連続的に搬送供給することができる。

また、バイオマス供給口１０と炭化物排出口１１には各々ゲート弁１３，１３が設けられていて、このゲート弁１３，１３は、原料の供給・炭化物の排出に連動して開閉するようになっている。また、このゲート弁１３，１３は、バイオマス供給口１０と炭化物排出口１１からの有機物・水混合蒸気の漏洩を防止できるように二重構造となっている。このようなゲート弁としては、二重のナイフゲート弁が好ましい。バイオマス供給口１０と炭化物排出口１１に、ゲート弁１３，１３を設けることで、有機物・水混合蒸気の外部への漏洩を防止し、最終製品となる化学原料の収率を向上させることができる。
また、炭化物排出口１１は、燃焼炉４の燃料供給口１７と接続していて、スクリューフィーダー１２で送られてきた炭化物を、連続的に燃料供給口１７に投入できるようになっている。

また、この過熱水蒸気反応炉２には、後述するスーパーヒーター１６から過熱水蒸気を供給する配管が接続している。この過熱水蒸気供給配管は、過熱水蒸気反応炉２の上流側と下流側に各々設けてもよい。過熱水蒸気は、過熱水蒸気反応炉２内でバイオマスと反応し、バイオマスを炭化させると共に、有用な有機物成分を溶解して有機物・水混合蒸気となる。この有機物・水混合蒸気は、過熱水蒸気反応炉２の上流側と下流側の各々中央に１つづつ設けられた有機物・水混合蒸気導出口１４，１４から分別導出され、別々の熱交換凝縮器３，３に導入される。この有機物・水混合蒸気導出口１４，１４は、複数でなく１つであってもかまわないし、中央から離れた位置に設けてもよい。

この過熱水蒸気反応炉２の外側は、加熱ジャケット５，５で覆われており、この加熱ジャケット５，５には燃焼炉４で発生した高温燃焼ガスを導入して過熱水蒸気反応炉２の加温と保温ができるようになっている。

燃焼炉４には、過熱水蒸気反応炉２の炭化物排出口１１から排出された炭化物を燃焼炉４内に供給する燃料供給口１７と、水を蒸気にするボイラー１５と、この蒸気を過熱して過熱水蒸気とするスーパーヒーター１６とが設けられている。このような燃焼炉としては、火格子型、流動床型等が挙げられる。そのなかでも、灰分を採取する点から、火格子型が好ましい。
また、この燃焼炉４には、燃焼炉４内に空気を送るための空気吹込ファン１８と、ボイラー１５に供給する水として、通常の蒸留水の他に吸着分離器８から精製した吸着処理水を利用するための配管が接続している。この燃焼炉４で発生した熱で、ボイラー１５及びスーパーヒーター１６に導入された蒸気を加熱し、また発生した高温燃焼ガスを過熱水蒸気反応炉２を覆う加熱ジャケット５，５に送り、過熱水蒸気反応炉２を加温・保温している。

過熱水蒸気反応炉２に設けられた有機物・水混合蒸気導出口１４，１４の後段には、熱交換凝縮器３，３が接続している。この熱交換凝縮器３，３は、さらにバルブを介して後段の逆浸透膜分離器６，６に接続している。導出した有機物・水混合蒸気は、後述する吸着処理水と熱交換凝縮器３，３で熱交換して、冷却凝縮され有機物水溶液に変換される。
この熱交換凝縮器３，３の内部、上流側、及び下流側のいずれかに、有機物水溶液からタール成分を除去するためのフィルター又はスクラバー（図示せず）を設けてもよい。有機物・水混合蒸気が凝縮して有機物水溶液となる際に、不溶性成分はタール成分として熱交換凝縮器の内部、上流側、及び下流側のいずれかに付着し、配管詰まりの原因となるため、フィルター又はスクラバーを設けることにより、このタール成分を除去することができる。

逆浸透膜分離器６，６には、有機物成分を濃縮した逆浸透膜濃縮液を取り出す配管と、水分を含んだ逆浸透膜透過液を取り出す配管が接続している。この逆浸透膜濃縮液を取り出す配管は、後段の浸透気化膜分離器７，７に接続している。一方、逆浸透膜透過液を取り出す配管は吸着分離器８に接続している。
この逆浸透膜分離器６，６のセルには、逆浸透膜が配置されていて、有機物水溶液を加圧導入することにより、９０〜１００％の阻止率で、有機物成分を濃縮することができる。このような逆浸透膜としては、例えば、ポリアミド膜、ポリスルホン膜が好ましい。

逆浸透膜分離器６，６の後段には、逆浸透膜濃縮液中の有機物成分をさらに濃縮するための浸透気化膜分離器７，７が設けられている。この浸透気化膜分離器７のセルには、浸透気化膜（パーベーパレーション膜）が配置されていて、有機相と水相の二成分からなる透過分離液を採取することができる。このような浸透気化膜としては、例えば、シリコン膜、ブチルゴム膜が好ましい。
また、二成分からなる透過分離液のうち、有機相は粗フェノール・フルフラール液を主とする化学原料であり、最終製品として採取される。また、水相である浸透気化膜保持液の方は、前述の逆浸透膜透過液と合流して、吸着分離器８に送られる。

吸着分離器８は、主成分が水である逆浸透膜透過液と浸透気化膜保持液から、残留する低濃度の有機物成分を除去し、吸着処理水を精製するためのものであり、逆浸透膜透過液と浸透気化膜保持液の配管に接続している。この吸着分離器８内部には吸着層として活性炭、活性白土等が配置されている。
この吸着分離器８の後段は、熱交換凝縮器３と予熱器９に接続していて、最終的には燃焼炉４のボイラー１５に接続している。吸着処理水は、熱交換凝縮器３で前述の有機物・水混合蒸気と熱交換した後、予熱器９で加熱ジャケット５，５から排出した中温燃焼ガスと熱交換して温水となり、ボイラー１５に導入される。

本実施形態の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置は、その寸法が２〜３ｍ幅、４〜５ｍ長さ、３〜４ｍ高さ程度であり、常圧過熱水蒸気を使用するため、過熱水蒸気反応炉の肉厚も薄く、３〜９トンと軽量である。このため、この装置はトラック等で載荷できるポータブルなもので、山間部等のバイオマス発生場所にも容易に搬送し、設置することができる。

図２に、本発明の実施形態に係る連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置における物質の流れを示したフローチャートを示す。本発明の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法は、原料であるバイオマスを過熱水蒸気と反応させ、有機物・水混合蒸気と炭化物を生成する工程と、この有機物・水混合蒸気を過熱水蒸気反応炉から導出し、熱交換して有機物水溶液とする工程と、前記炭化物を、燃焼炉に燃料として導入する工程と、この燃焼炉から発生した高温燃焼ガスを、前記過熱水蒸気反応炉を覆う加熱ジャケットに導入する工程とから構成されている。
さらに、この有機物水溶液を逆浸透膜分離法により、逆浸透膜濃縮液と逆浸透膜透過液とにする工程と、この逆浸透膜濃縮液を浸透気化膜分離法により、化学原料と浸透気化膜保持液とにする工程と、この逆浸透膜透過液と浸透気化膜保持液を吸着分離法により、吸着処理水とする工程と、この吸着処理水を、前記燃焼炉内に設けたボイラー及びスーパーヒーターで過熱して過熱水蒸気とする工程とを設けてもよい。

以下に、図１及び図２を参考に、本発明の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法について説明する。
原料であるもみがら、間伐材、製材残材等の農林系バイオマスは、チップ状にされてバイオマス供給口１０から連続的に過熱水蒸気反応炉２に投入される。このバイオマスは、スクリューフィーダー１２，１２により、過熱水蒸気反応炉２内を上流側から下流側へ連続的に搬送されながら２５０〜５００℃、好ましくは３００〜４００℃、最も好ましくは３１０〜３７０℃の常圧過熱水蒸気と５〜６０分、好ましくは１０〜３０分反応し、乾燥して炭化物となる。この時、発生した化学原料となるフェノール類及びフルフラール類等の有機物成分は過熱水蒸気に溶解して、有機物・水混合蒸気に変換される。
過熱水蒸気反応炉２の温度を上記範囲とするのは、２５０℃未満であると反応が不充分となり、有機物水溶液中の有機物成分が減少するからであり、一方、５００℃を超えると、炭化が進行し過ぎ固形分収率が減少するからである。また、バイオマスと過熱水蒸気の反応炉内での滞留時間が５分未満であると、反応が不充分となり、有機物水溶液中の有機物成分が減少するからであり、一方、６０分を越えると、反応が進行し過ぎて、このプロセスから連続回収しにくいタール成分や非凝縮性ガス成分が増加すると共に、固形分収率が減少するからである。

過熱水蒸気反応炉２に導入する過熱水蒸気の供給速度は、原料バイオマスの投入速度に対し、１〜４倍、好ましくは２〜４倍である。過熱水蒸気供給速度が少ないと、バイオマスがすべて燃焼してしまうからであり、一方、多すぎると過熱水蒸気作成に伴うエネルギーの増大並びに有機物水溶液の濃度減少による後段の濃縮・分離プロセスへの負荷が増大するからである。また、過熱水蒸気反応炉２内の圧力は、常圧過熱水蒸気を用いるため、バイオマス供給口１０付近で１．１気圧、炭化物排出口１１付近で１．２気圧程度である。

過熱水蒸気反応炉２内で生成した炭化物は、炭化物排出口１１を経由して、燃焼炉４の燃料供給口１７に搬送され、燃焼炉４の燃料として導入される。
この炭化物を燃焼炉の燃料に利用することにより、装置運転開始時の補助燃料（プロパンガス等）を除いて、外部からのエネルギー供給が不要となり、エネルギーを自給することができる。
また、この炭化物は燃焼により固形分のもろさが上昇しているため、燃料に用いると燃焼効率の増加や燃焼時の無煙化が図れ、環境に優しい処理方法となる。

炭化物を燃焼させて残った残留灰分は、取り出してバイオマス発生場所である現地に還元することが好ましい。この灰分を還元することにより、地力・生産性の低下を防止することができる。

過熱水蒸気反応炉２内の反応で発生した有機物・水混合蒸気は、過熱水蒸気反応炉２の上流側と下流側の各々中央に１つづつ設けられた導出口１４，１４から導出され、熱交換凝縮器３，３に導入される。この時、例えば、上流側の温度を１００〜１５０℃に制御して、有機物・水混合蒸気を導出すると、木材中の精油成分（エッセンシャルオイル）を分別採取することができ、下流側の温度を熱分解反応の起こる２５０〜４００℃に制御して、有機物・水混合蒸気を導出すると、フェノール類を分別採取することができる。

有機物・水混合蒸気は、熱交換凝縮器３，３で熱交換して凝縮し、フェノール類及びフルフラール類を含んだ有機物水溶液となる。上述したように、熱交換凝縮器３，３の内部、上流側、及び下流側のいずれかにフィルター（図示せず）を設けて、有機物水溶液からタール成分を除去するのが好ましい。タール成分を除去することで、配管詰まりを防止し、余分なメンテナンスを省くことができる。
また、有機物水溶液に過飽和となったフェノール類及びフルフラール類の一部は、タール成分中に溶解するため、フィルターで除去したタール成分をさらに高温高圧水で処理することにより、フェノール類の回収率を向上させることができる。

採取した有機物水溶液は、フェノール類及びフルフラール類といった有機物成分を含有しているものの、その濃度は低く、このまま輸送に供したのではコスト高となる。そのため、有機物成分を濃縮し減容化するのが望ましい。この濃縮は２段階で行われる。まず、有機物水溶液は、逆浸透膜分離器６，６により、有機物を含んだ逆浸透膜濃縮液と水を含んだ逆浸透膜透過液に分離される。次いで、この逆浸透膜濃縮液は浸透気化膜分離器７，７により、化学原料である粗フェノール・フルフラール液と浸透気化膜保持液に分離される。フェノール類及びフルフラール類はプラスチック・溶剤の原材料として利用される。

逆浸透膜透過液と浸透気化膜保持液は、主成分が水であるため、吸着分離器８で低濃度の有機物成分を除去・精製して、吸着処理水になる。この吸着処理水は、熱交換凝縮器３と予熱器９を通過して加温された後、過熱水蒸気として再利用できるようボイラー１５に導入される。なお、装置運転開始時には、通常の蒸留水をボイラー１５に導入し、運転途中から吸着処理水に切替えて運転してもよい。吸着処理水を過熱水蒸気として再利用することにより、装置運転開始時の水を除いて、外部からの水供給が不要となり、エネルギーを自給することができる。

燃焼炉４内に導入された水は、ボイラー１５で水蒸気まで加熱された後、スーパーヒーター６でさらに過熱されて、過熱水蒸気となり、過熱水蒸気反応炉２へ導入される。水を２段階で過熱することにより、効率よく過熱水蒸気とすることができる。
また、燃焼炉４で炭化物の燃焼により発生した高温燃焼ガスは、加熱ジャケット５，５に送られ、過熱水蒸気反応炉２の加温・保温に利用される。加熱ジャケットを用いてこ高温燃焼ガスで過熱水蒸気反応炉を加温・保温することにより、熱エネルギーを有効に利用し、装置全体の省エネルギー化が図れる。

本発明では、バイオマスの処理に無触媒である常圧過熱水蒸気を用いるため、酸触媒やアルカリ触媒における中和処理は不要となり、環境に優しい処理方法となる。また、高圧水ではなく常圧の過熱水蒸気を用いることにより、過熱水蒸気反応炉の肉厚を薄くでき、装置を軽量化できるため、ポータブルな装置とすることができる。

また、本発明の方法及び装置は、物質（原料と生成物）、熱、水の流れが循環しているため、外部から供給するエネルギーを極力少なくした効率のよいものである。

また、本発明のバイオマス過熱水蒸気処理システムは、上記装置をバイオマス発生場所に搬送して、バイオマスをオンサイト方式で処理するものである。間伐材、製材残材等のバイオマスは山間部で発生するが、１年中発生するものではない。したがって、このような場所に処理装置を恒久的に設置するのではなく、搬送可能なポータブルな装置を必要な時期のみ設置するのが望ましい。また、このような山間部では、装置運転に必要なエネルギーを供給するためのインフラ（電気、水）を整備するのも困難であるため、エネルギーを自給できるのが望ましい。このバイオマス過熱水蒸気処理システムでは、ポータブルでエネルギーを自給できる本発明の装置を用いることにより、バイオマス発生場所でオンサイト方式で処理することができる。

以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。

［実施例１］
〈滞留時間の影響〉
杉の芯材を原料として、過熱水蒸気反応炉の滞留時間の生成物に対する影響を調べた。滞留時間は１５分、３０分、４５分、及び６０分とした。燃焼炉の温度は４５０℃、過熱水蒸気供給速度は１２〜１５ｋｇ／ｈｒ、杉の供給速度は５〜９ｋｇ／ｈｒとした。この時の過熱水蒸気反応炉内の温度は３４０〜３６０℃であった。生成物はＴＯＣで測定した。生成物の炭素基準の収率を図３に示す。滞留時間の増加に伴い、炭化物及び有機物水溶液成分の収率が減少した。これは、反応時間の長時間化により、プロセスから連続回収しにくいタール成分や非凝縮性ガス成分が増加したためである。
図３から、有機物水溶液成分の収率が最大となるのは、滞留時間１５分の場合である。このときの炭素基準収量は、炭化物が６１％、有機物水溶液成分が２０％、残りがロスであった。このロスの１割程度はタール成分とＣＯ、ＣＯ_２のような非凝縮性ガス成分であった。
図４には有機物水溶液成分中の各成分の化学分析の結果を示す。フェノール類、メタノールは、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）で、レボグルコサン、フルフラール類、有機酸、グリコールアルデヒドは液体クロマトグラフィー（ＬＣ）で測定した。滞留時間１５分の場合の各生成物の収率（炭素基準による）は、グリコールアルデヒドが３．０％、酢酸等の有機酸が３．７％、レボグルコサンが０．９％、フルフラール類が０．９％、フェノール類が０．８％、メタノールが０．５％であった。

［実施例２］
〈温度の影響〉
杉の芯材を原料として、過熱水蒸気反応炉の平均温度の生成物に対する影響を調べた。過熱水蒸気反応炉温度を調整するため、燃焼炉の温度を３５０℃、４００℃、４５０℃、及び５００℃に設定した。この時、過熱水蒸気反応炉の平均温度はそれぞれ２５６℃、３１２℃、３４１℃、及び３６８℃であった。また、滞留時間は３０分、過熱水蒸気供給速度は１４〜１９ｋｇ／ｈｒ、杉の供給速度は５〜６ｋｇ／ｈｒとした。実施例１と同様に、ＴＯＣ、ＧＣ、ＬＣで生成物を分析した。生成物の炭素基準の収率を図５に、有機物水溶液成分中の各成分の化学分析結果を図６に各々示す。
図５から、過熱水蒸気反応炉の平均温度２５６℃で炭化物収率が７１％と最大になったが、有機物水溶液成分の収率は最低であった。一方、反応炉温度が３１２、３４１、３６８℃の場合では、炭化物収率、有機物水溶液成分の収率に各々大きな差は見られず、炭化物収率は２７〜４６％、有機物水溶液成分の収率は１８〜２１％と良好であった。
また、図６から、グリコールアルデヒド、有機酸、レボグルコサン、フルフラール類、フェノール類、メタノールの収率（炭素基準）は、温度上昇とともに増加した。３６８℃の場合では、グリコールアルデヒドが２．４％、有機酸が４．１％、レボグルコサンが０．９％、フルフラール類が１．１％、フェノール類が２．２％、メタノールが２．５％であった。

［実施例３］
〈過熱水蒸気供給速度の影響〉
杉の芯材を原料として、過熱水蒸気供給速度の生成物に対する影響を調べた。過熱水蒸気供給速度は、３．９ｋｇ／ｈｒ、１４．４ｋｇ／ｈｒ、１７．７ｋｇ／ｈｒとした。この時、燃焼炉の温度は４５０℃、滞留時間は３０分、杉の供給速度は５〜６ｋｇ／ｈｒに設定した。この時の過熱水蒸気反応炉内の温度は３３０〜３５０℃であった。実施例１と同様に、ＴＯＣ、ＧＣ、ＬＣで生成物を分析した。生成物の炭素基準の収率を図７に、有機物水溶液成分中の各成分の化学分析結果を図８に各々示す。
図７から、水蒸気供給速度が１７．７ｋｇ／ｈｒの場合に、炭化物収率が６１％、有機物水溶液成分の収率が２６％と共に最大となった。
また、図８から、グリコールアルデヒド、有機酸、レボグルコサン、フルフラール類、フェノール類、メタノールの収率（炭素基準）は、水蒸気供給速度の上昇とともに増加した。水蒸気供給速度が１７．７ｋｇ／ｈｒの場合では、グリコールアルデヒドが４．１％、有機酸が４．４％、レボグルコサンが０．９％、フルフラール類が１．０％、フェノール類が０．９％、メタノールが０．５％であった。

［実施例４］
〈炭化物の燃料利用〉
杉及び竹の連続過熱水蒸気処理により得られた炭化物を、燃焼炉の燃料供給口に配置した炭化物供給機より４５ｋｇ／ｈｒの速度で、燃焼炉に投入した。
炭化物投入を行わない場合には、燃焼炉の温度を４００℃に保つために、プロパンガスを５．１ｍ^３／ｈｒで供給する必要があったが、炭化物を投入することにより、燃焼炉内の温度は平均４５０℃（４００〜５４０℃）まで上昇し、プロパンガスの使用量は０．２ｍ^３／ｈｒに低下した。また、過熱水蒸気反応炉の温度は、炭化物投入前は３２３℃であったが、３４０℃まで上昇した。
なお、プロパンガスを若干必要としたのは、一時的な温度低下に対して燃焼炉内に設置したサーモスタットが作動したためであり、実質的にはプロパンガスを使用しなくとも炭化物のみで運転可能なことが確認された。

［実施例５］
〈逆浸透膜分離〉
原料バイオマスの連続過熱水蒸気処理によって得られた有機炭素濃度（ＴＯＣ濃度）２０，５２０ｍｇ／Ｌ（炭素基準）の有機物水溶液を、攪拌型平膜テストセル（日東電工製、Ｃ−４０Ｂ、容量３２０ｍＬ，内径７５ｍｍ、有効膜面積３８．５ｃｍ^２）を用い、４ＭＰａに窒素加圧して分離を行った。分離膜には、ポリアミド膜（日東電工製、ＮＴＲ−７５９ＨＲ）を用いて、室温（２８℃）、攪拌速度４００ｒｐｍで逆浸透濃縮した。透過流束は２９２Ｌ／（ｍ^２・ｄａｙ）で、阻止率は全有機炭素成分の９５％であった。

［実施例６］
〈浸透気化膜分離〉
原料バイオマスの連続過熱水蒸気処理によって得られた有機炭素濃度（ＴＯＣ濃度）７５，０００ｍｇ／Ｌ（炭素基準）の有機物水溶液（フルフラール類１，２３０ｍｇ／Ｌ、フェノール類１８８ｍｇ／Ｌ、グアヤコール９１２ｍｇ／Ｌ、メチルグアヤコール１，２２０ｍｇ／Ｌ、エチルグアヤコール１７２ｍｇ／Ｌを含む。）を、膜厚２００μｍのシリコン膜を用いて、４０〜１２０℃で浸透気化分離した。
透過液は有機相と水相の二成分に分かれ、このうち有機相の全有機炭素濃度（ＴＯＣ濃度）は６０５，０００ｍｇ／Ｌ（フルフラール類７５，４００ｍｇ／Ｌ、フェノール類４，９６０ｍｇ／Ｌ、グアヤコール５７，２００ｍｇ／Ｌ、メチルグアヤコール４６，０００ｍｇ／Ｌ、エチルグアヤコール１３，６００ｍｇ／Ｌ)であった。
実施例５と実施例６の結果から、有機物水溶液から化学原料を減容化できることが確認された。

以上の結果から、本発明によれば、無触媒でバイオマスを連続的に処理して化学原料を回収・減容化でき、装置の運転に必要なエネルギーを自給できることが確認された。

本発明の実施形態に係る連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置における物質の流れを示したフローチャートである。 実施例１における生成物の炭素基準の収率を表したグラフである。 実施例１における有機物水溶液成分中の各成分の化学分析結果を表したグラフである。 実施例２における生成物の炭素基準の収率を表したグラフである。 実施例２における有機物水溶液成分中の各成分の化学分析結果を表したグラフである。 実施例３における生成物の炭素基準の収率を表したグラフである。 実施例３における有機物水溶液成分中の各成分の化学分析結果を表したグラフである。

符号の説明

１ 連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置
２ 過熱水蒸気反応炉
３ 熱交換凝縮器
４ 燃焼炉
５ 加熱ジャケット
６ 逆浸透膜分離器
７ 浸透気化膜分離器
８ 吸着分離器
１１ 炭化物排出口
１２ スクリューフィーダー
１５ ボイラー
１６ スーパーヒーター

Claims (10)

1. 原料であるバイオマスを過熱水蒸気で処理し連続的に化学原料とする方法であって、
   原料であるバイオマスを過熱水蒸気と反応させ、有機物・水混合蒸気と炭化物を生成する工程と、
   この有機物・水混合蒸気を過熱水蒸気反応炉から導出し、熱交換して有機物水溶液とする工程と、
   前記炭化物を、燃焼炉に燃料として導入する工程と、
   この燃焼炉から発生した高温燃焼ガスを、前記過熱水蒸気反応炉を覆う加熱ジャケットに導入する工程とを有することを特徴とする連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法。
2. 前記有機物水溶液を逆浸透膜分離法により、逆浸透膜濃縮液と逆浸透膜透過液とにする工程と、
   この逆浸透膜濃縮液を浸透気化膜分離法により、化学原料と浸透気化膜保持液とにする工程と、
   この逆浸透膜透過液と浸透気化膜保持液を吸着分離法により、吸着処理水とする工程と、
   この吸着処理水を、前記燃焼炉内に設けたボイラー及びスーパーヒーターで過熱して過熱水蒸気とする工程とを有することを特徴とする請求項１記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法。
3. 前記有機物・水混合蒸気を、精油成分とフェノール類及びフルフラール類とに分別して導出する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法。
4. 前記有機物・水混合蒸気から、タール成分を除去する工程を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化方法。
5. 原料であるバイオマスを過熱水蒸気で処理し連続的に化学原料にする装置であって、
   原料であるバイオマスを過熱水蒸気と反応させ、有機物・水混合蒸気と炭化物を生成する過熱水蒸気反応炉と、
   この有機物・水混合蒸気を熱交換して有機物水溶液とする熱交換凝縮器と、
   前記炭化物を燃料にして過熱水蒸気を発生させる燃焼炉と、
   前記過熱水蒸気反応炉を加温・保温するため、これを覆うように設けられた加熱ジャケットとから構成されることを特徴とする連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置。
6. 前記過熱水蒸気反応炉に、バイオマスを連続的に搬送するスクリューフィーダーと、前記炭化物を排出する炭化物排出口とを設け、
   前記燃焼炉に、水を蒸気にするボイラーと、この蒸気をさらに過熱して過熱水蒸気とするスーパーヒーターとを設けたことを特徴とする請求項５記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置。
7. 前記熱交換凝縮器の後段に、逆浸透膜分離器と、浸透気化膜分離器と、吸着分離器とを設けたことを特徴とする請求項５又は６に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置。
8. 前記熱交換凝縮器に接続する有機物・水混合蒸気導出口を、前記過熱水蒸気反応炉の上流側及び下流側に各々設けたことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置。
9. 前記熱交換凝縮器の内部、上流側、及び下流側のいずれかに、タール成分を除去するフィルター又はスクラバーを設けたことを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置。
10. 請求項５〜９のいずれか一項に記載の連続式バイオマス過熱水蒸気処理化学原料化装置を、原料であるバイオマス発生場所に搬送して、バイオマスをオンサイト方式で処理することを特徴とするバイオマス過熱水蒸気処理システム。
    
    
    

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