JP2006026474A

JP2006026474A - 木質系バイオマスの粉砕及び破砕処理方法並びにガス化処理方法

Info

Publication number: JP2006026474A
Application number: JP2004205760A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hashimoto; 茂橋本; Takafumi Kawamura; 隆文河村; Masakazu Nakamura; 正和中村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】加熱温度、加熱時間を範囲限定することで、木質系バイオマス原料の粉砕性を向上する方法、および竹の破砕性、解繊性を向上する処理方法を提供する。
【解決手段】木質系バイオマス原料を２４０℃以上３００℃以下の温度で１５分以上９０分以下の時間熱分解処理した後に粉砕することで粉化を押さえながら破砕性を向上する方法、また、竹を１７０℃以上２２０℃以下の温度で１５分以上１２０分以下の時間熱分解処理した後に破砕し、繊維方向強度を保ったまま、繊維間強度を弱める方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、木質系バイオマス原料を破砕する方法又は粉砕処理する方法、及び当該処理後のバイオマスをガス化して熱回収や可燃性ガスを生成するガス化処理方法に関する。

地球温暖化問題への対応は、新エネルギ−の開発・実用化、低二酸化炭素発生エネルギーへのシフト、原子力比率の向上、既存一次エネルギーの効率的かつ合理的利用、未利用エネルギーや廃棄物エネルギーの利用等で進められている。特にバイオマスはカーボンニュートラルであり、地球温暖化防止京都会議（ＣＯＰ３；The 3rd Session of the Conference of the Party）での国際公約を達成する意味でも積極的に使用して石油、石炭等を代替すべき資源であるといえる。バイオマスとは生物量の総称であり、ＦＡＯ（国連食糧農業機関）によれば、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系（家畜廃棄物）、水産系（水産加工残滓）、廃棄物系（生ゴミ、ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Refused Derived Fuel）、庭木、建設廃材、下水汚泥）等に分類される。この中にあって本発明において取り扱う木質系バイオマスは、製材廃材、除間伐材、薪炭林等（林業系バイオマス）と、庭木、建設廃材（廃棄物系バイオマス）等の木材繊維質をもつものであり、主に杉、松、檜等家屋や家具に使用される木材と竹をさす。

木質系バイオマスを利用する方法としては、従来からの燃料利用（単純燃焼）や乾留利用（炭生成＋乾留液利用）が知られているが、低エネルギー密度、高水分の木質系バイオマスでの経済性成立が困難であるため、近年、効率的なエネルギー転換利用技術が提案され始めている。

例えば、木質系バイオマスをガス化炉にて部分酸化又は燃焼して高温の部分酸化ガス又は燃焼ガスとし、ガス化後の高温となったガスの熱を回収利用する方法や、燃料ガスや化学原料として使用する方法が提案されている。

特許文献１には、ガス化炉とその後段に熱分解炉とを有する石炭ガス化装置を用いて、従来の石炭に替えて木質系バイオマスを原料に利用し、木質系バイオマス原料及び熱分解炉で生成したバイオマスチャ−をガス化炉に供給し、酸化剤（酸素及び水蒸気）との反応により約１５００℃程度の高温ガスを発生し、この高温ガスと木質系バイオマス原料を熱分解炉に供給し、熱分解ガスとバイオマスチャ−（ガス化剤として前記ガス化炉に供給）を生成する方法が開示されている。

このガス化装置を用いた木質系バイオマス原料のガス化方法では、従来の石炭原料を用いた場合と同程度の反応性を確保するために、熱分解炉及びガス化炉に吹き込む木質系バイオマス原料を通常数ｍｍ以下の粒度に微粉砕する必要があるが、廃木材や竹などの木質系バイオマスが、石炭などに比べて繊維質が多く弾力性が高いために破砕性や粉砕性が非常に悪く、粉砕に係る生産性が低く処理コストも高いという問題があった。

そこで特許文献２には、ハンマークラッシャー等で粗粉砕をした後の粒度１０ｍｍ程度の粗粒とした木質系バイオマス原料を熱分解炉に供給し、熱分解によりバイオマスチャ−を生成した後、この粉砕性が良好なバイオマスチャ−を粉砕し、ガス化炉に供給することにより、生産性が低い粒度数ｍｍ以下の微細粒子への直接粉砕を省略する方法が開示されている。しかしながら、この方法においても木質系バイオマス原料を粒度１０ｍｍ以下に粗粉砕処理する際の粉砕性低下に伴う処理効率悪化は存在しており、それに付随する粉砕装置の維持費用、粉砕処理費用の増加の問題を低減することはなされていない。

また、特許文献３では、酸素欠乏雰囲気（酸素濃度１％以下）中でのバイオマス加熱により、圧密性の良好な半炭化圧密燃料前駆体の製造方法を記載している。タールを一部残して乾燥、脱水を行うことで、加圧成型時に成形性、形態保持性の良好な燃料成形用原料を作製する。この方法では、加熱温度を規定しているが、リグニンを一部熱分解してタールとし成型時にバインダーとして利用するための、残存タール量調整のための温度であり、破砕性の向上については記載も示唆も無い。

ところで、木質系バイオマスの中でも、竹は日本全土に広く分布し、成長の早い植物である。他の植物と比較して繊維方向強度が高い、中空構造、等の特徴があり、その特徴を活かした工芸品等の少量高付加価値製品（例えば竹細工の民芸品、扇子・うちわの骨、箒、花器等）は存在するが、大量利用は少なく、宅地造成、森林整備等で大量に排出された場合には処理が困難になっている。それは、杉等に比べても繊維方向強度と繊維間強度の差が大きく破砕しにくいこと、また中空構造により見かけ密度が低く、搬送効率、処理効率が低いことが原因となっている。竹の繊維方向強度を活かして利用する方法もあるが、あくまで少量を、専門技術を持った職人が利用するにとどまっており、強度を保ったまま繊維を簡単に分離することができれば、適用範囲が拡大する。

特開２００３−１１３３８０号公報特開２００３−２６１８８４号公報特開２００３−２０６４９０号公報

木質系バイオマスを、ガス化炉に投入するために行う前処理の粉砕工程は、通常、長さが最大で数ｍ程度の廃材等を、先ず２軸破砕機にて１０〜２０ｃｍ程度の長さに事前破砕し、その後、チッパーやハンマーミル等の粗粉砕機にて１０ｍｍ以下に粗粉砕する。更にその後、ジェットミルやインパクトミル等の微粉砕機にて０．１〜数ｍｍに微粉砕してこれを上述した炉へ気流搬送等で投入する。この際、粗粉砕機及び微粉砕機の生産性が非常に悪く、例えばハンマーミルでは、石炭を粗粉砕するのに比べて、２〜３倍以上の時間と動力を要する。そのため、生産性が悪く且つ処理コストも高いという問題があった。

竹に関しては、上記２軸破砕機、粗粉砕機でも小片化が難しく、もっぱらチェーンソー等ののこぎり、ナタ等による手作業にて繊維と垂直方向に適当なサイズに切断後、利用されている。切削タイプの破砕機であれば破砕対応可能だが、そろえて投入する等、機械を使用するにしても手作業的な作業効率の低い作業を必要とするため、大量の竹の使用には最適とは言えない。そのため、竹林伐採により大量の廃竹が生じた場合には、その大部分が放置され、処理される場合でも焼却や埋め立てが主流であり、再利用されていない問題があった。

本発明は、上述した問題点を鑑みて、木質系バイオマスの破砕性及び粉砕性の改善、向上を主課題とするものである。

本発明では、木質系バイオマス原料の特性を利用して破砕、粉砕処理することで、破砕性、粉砕性向上による従来プロセスの高効率化、低コスト化と、新規用途の開拓を狙う。この中で燃料、ガス化用の木質系バイオマスの破砕性、粉砕性向上に関しては、単に繊維質が残存しない様に過度に処理することではなく、最低限のエネルギーで、質のそろった粒子とすることを意味する。即ち破砕、粉砕動力の最小限化と、過度の破砕、粉砕による微粉率上昇を原因とした貯留時分級による不均一搬送・供給、棚吊り、閉塞等の新たに発生するトラブル防止、粒度分布拡大によるガス化、燃焼反応の不均一化の防止が重要である。更に竹においては、単に破砕性を向上させるだけでなく、その後の利用を考慮して、竹の長手方向の繊維形状は保ったまま、長手方向と直角方向の解繊維性を向上させることも必要となる。

本発明は、上記課題を解決するものであり、木質系バイオマスをガス化原料用に処理効率良く、低動力で粉砕可能な方法と、竹用に、繊維間結合のみ弱め、繊維方向の強度を保ったまま分離可能とする破砕方法の２点を主眼として構成される。その要旨とするところは、以下の通りである。

（１）木質系バイオマスを、２４０℃以上３００℃以下の温度で１５分以上９０分以下の時間熱分解した後に粉砕することを特徴とする木質系バイオマスの粉砕処理方法。

（２）竹を、１７０℃以上２２０℃以下の温度で１５分以上１２０分以下の時間熱分解した後に破砕することを特徴とする、木質系バイオマスの破砕処理方法。

（３）請求項１記載の粉砕処理後における木質系バイオマスの固形物を、部分酸化または燃焼してガス化することを特徴とする木質系バイオマスのガス化処理方法。

（４）請求項１記載の粉砕処理後における木質系バイオマスの固形物を、部分酸化または燃焼してガス化した後、更に前記固形物を加えて熱分解し、可燃性ガスを生成することを特徴とする木質系バイオマスのガス化処理方法。

（５）請求項１記載の熱分解により発生した粉砕処理時ガス、又は請求項２記載の熱分解により発生した破砕処理時ガス、請求項３記載の部分酸化により発生した部分酸化ガス、請求項４記載の可燃性ガスの１種又は２種以上を、ガスエンジンの燃料として使用することを特徴とする木質系バイオマスのガス化処理方法。

尚、本明細書に記載の「破砕」「粗粉砕」「粉砕」の用語は、竹以外の木質系バイオマスを、数ｍｍ程度の粉状まで砕く場合を「粉砕」、１０ｍｍ程度の粉状まで砕く場合を「粗粉砕」、それよりも粗く砕く場合を「破砕」と呼んでいるが、竹の場合、竹を長手方向の繊維形状を保ったまま砕くことを「破砕」と呼び、その他のバイオマスを数ｍｍ以下〜１０ｍｍ程度までくだく場合を「粉砕」と呼んで、両者の処理を区別するために使い分けている。

本発明によれば、従来、破砕、粉砕特性が非常に悪かった木質系バイオマスの破砕性、粉砕性を向上することができる。
そのため、粉砕した木質系バイオマスをガス化して熱及び可燃性ガスを回収するプロセスの生産性向上、コスト低減が可能となる。これは、必要以上の微粉砕をしないことによる粉砕工程の低動力化、また微粉が多いことによる搬送時、貯留時の粉体トラブルか回避できることによる。

更に、破砕、粉砕処理、ガス化処理の際に発生する破砕処理時ガス、粉砕処理時ガス、熱分解時ガス、部分酸化ガス、可燃性ガスの少なくとも１種又は２種以上を、発電用燃料として、あるいは製品、製品原料として有効利用できる。

また、竹については、長手方向の繊維形状及び強度を残しながら、長手方向の繊維と直角方向においては破砕性を向上し解繊性を容易にすることにより、工芸品用の安価な材料として使用でき、また解繊後、必要に応じて更に炭化及び黒鉛化処理して、炭素繊維として利用可能となる。

本発明により、カーボンニュートラル資源であるバイオマスの更なる有効利用が可能になり、資源リサイクル化及びＣＯ２量排出量の削減を促進できるなど、技術的のみならず経済的、政策的な効果は非常に大きい。
以下、本発明について具体的に説明する。

本発明で使用する木質系バイオマスは、製材廃材、除間伐材、薪炭林等（林業系バイオマス）と、庭木、建設廃材（廃棄物系バイオマス）等の、木材繊維質を持つものであり、主に杉、松、檜、ラワン、チーク等家屋や家具に使用される木材と、竹をさす。

本発明の第１の実施形態では、事前に２軸破砕機等にて１０〜２０ｃｍ程度の長さに切断された木質系バイオマスを、ロータリーキルン、固定床炉、移動床炉、シャフト型炉等の加熱設備に供給し、バイオマスが燃焼しない雰囲気下で２４０℃〜３００℃にて１５分以上９０分以下加熱する。

加熱時の温度は、２４０℃よりも低いと破砕性、粉砕性が向上せず、３００℃よりも高いと破砕、粉砕時にサブミクロンオーダーの微粉量が増大し、粉体の取扱いが難しく、粉体トラブルを生じ易くなるため好ましくない。また、加熱温度が高いと、加熱設備の操業コストも増大してしまう。

加熱時間は、上記温度範囲において、１５分よりも短いと破砕性、粉砕性が向上せず、９０分よりも長いとサブミクロンオーダーの微粉量が増大するため、好ましくない。

加熱時の雰囲気はバイオマスが燃焼しない雰囲気であれば良く、不活性ガス雰囲気や還元性雰囲気（一酸化炭素、水素等）は勿論のこと、加熱設備内に原料と一緒に同伴されるガス量のレベルであればバイオマスの加熱により生じる熱分解ガスの発生量の方が多いため、酸化性雰囲気（空気、酸素富化空気等）でも構わない。炉の状態により原料投入時の同伴空気や侵入空気等が多い場合は、プロセスで生じる燃焼ガス等のプロセス生成ガスを導入することで、加熱設備内でのバイオマスの燃焼を防止することもできる。

２４０℃〜３００℃にて１５分〜９０分の間加熱された木質系バイオマスは、熱分解により、固形物と粉砕処理時ガス（ガス及びタール）になる。生じた固形物は破砕性、粉砕性が向上しており、ハンマーミル等の粗粉砕機や、インパクトミル等の微粉砕機を使用して、短時間で数mm以下〜１０mm程度まで簡単に粉砕できるようになる。また、サブミクロンオーダーの微粉量も数〜３０質量％以下と少なく、搬送及び貯留時の粉体トラブルを回避することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態では木質系バイオマスの中でも竹を対象とし、竹林等で伐採されて現地にてチェーンソー等で事前に数１０ｃｍ〜数ｍ程度に切断された竹を、そのまま、又は投入装置等の制約や加熱効率の向上の面から必要よっては所定の長さに切断して、ロータリーキルン、固定床炉、移動床炉、シャフト型炉等の加熱設備に供給し、バイオマスが燃焼しない雰囲気下で１７０℃〜２２０℃にて１５分以上１２０分以下加熱する。

加熱時の温度は、１７０℃よりも低いと繊維方向（竹の長手方向）と直角方向の解繊性（解繊維性ともいう）が向上せず、２２０℃よりも高いと、繊維方向の破砕性、粉砕性も向上してしまい、長手方向の繊維形状を保てなくなるため、好ましくない。

加熱時間は、上記温度範囲において、１５分よりも短いと解繊性が向上せず、１２０分よりも長いと繊維方向の破砕性、粉砕性も向上してしまい、好ましくない。

加熱時の雰囲気は、実施形態１と同様にバイオマスが燃焼しない雰囲気であれば良い。
また、竹は節を持つため、現地又は工場にて少なくとも片側には節を持たないように（開放するように）切断しておくことが好ましい。これにより加熱された雰囲気ガスが竹の内部にも対流及び拡散し、竹の熱分解の均一性が向上し、強度の均一性も向上する。

１７０℃〜２２０℃にて１５分〜１２０分の間加熱された木質系バイオマスである竹は、熱分解により、固形物と破砕処理時ガス（ガス及びタール）になる。生じた固形物は解繊性が向上しており、ハンマーミルやボールミル等を使用して、繊維方向と直角方向に簡単に解繊できるようになる。また、繊維方向の破砕性、粉砕性は向上しないため、長手方向の繊維形状を保ち、長繊維としての有効利用が可能となる。

本発明の主眼は、木質系バイオマスの加熱時の性状変化を利用することであり、その変化は以下の特性を利用することにある。

木質系バイオマスは、ほとんどの部分がセルロース、ヘミセルロース、リグニンに分類され、セルロースが40〜55質量％、ヘミセルロースが25質量％、リグニンが20〜35質量％を占める。図１にその概念図を示すが、これらの役割を柱にたとえると、セルロース＝鉄骨、ヘミセルロース＝鉄筋、リグニン＝コンクリートとなる。繊維方向強度（引っ張り、圧縮）は主にセルロースによって、繊維間強度は主にヘミセルロースによって、全体強度と靱性は主にリグニンによって発現する。これら構成要素は熱分解特性が異なり、セルロースの熱分解温度は240〜280℃、ヘミセルロースの熱分解温度は180℃前後、リグニンの熱分解温度は300〜420℃である。

本発明の内、第１の実施形態に係る発明は、木質系バイオマスのセルロース及びヘミセルロースをほぼ熱分解し、リグニンを残すことで、粉砕性を改善しながら炭化物の極端な微粉化を防ぐものであり、第２の実施形態に係る発明は、竹のヘミセルロースのみを熱分解することで繊維方向に分離しやすくするものである。

図２に、第１の実施形態に係る木質系バイオマスの加熱温度、加熱時間と圧縮強度、重量減少との関係を示す。

試験装置には、加熱装置として加熱・乾燥機（電気炉）を使用し、試験雰囲気は空気とした。圧縮強度試験器は10t引張（圧縮）疲労試験器を使用し、荷重／断面積で強度を算出した。測定条件としては、荷重速度を2mm/min、測定数を3検体/1水準、断面積については、杉材はノギスによる寸法の計測値から算出し、竹材は画像処理から平均断面積を算出した。圧縮強度の測定は全て室温にて行っている。

第１の実施形態に係る木質系バイオマスとしては標準的な建材原料である杉を選んだ。破砕性の指標としては圧縮強度（20mm×20mm×40mmHの角材を切り出し、繊維と直角方向に圧縮）を測定した。図２には、セルロースの熱分解温度範囲、セルロースの重量減少範囲も合わせて示した（ヘミセルロースが先ず熱分解して質量が約２５％減少した後にセルロースの重量が減少する）。下半分は熱分解温度に対する圧縮強度、上半分は熱分解温度に対する熱分解重量減少である。圧縮強度の具体的到達目標は過去例がないが、石炭と比較して破砕動力が杉材で２倍以上かかることから、初期値の１／２以下が必要と考えられる。240℃以上の温度で強度が大幅に低下し、かつ15分以上の熱分解時間で圧縮強度が１／２〜１／３になっていることがわかる。このとき5分程度の加熱では効果が小さいこと、120分の熱分解時間あるいは300℃を超える熱分解温度では、ともにセルロースの重量減少範囲を超える重量減少があるため、リグニン分まで熱分解していることがわかった。

熱分解後の固形物は、強度が低下しているため、衝撃タイプのハンマーミル等の簡易、安価な粉砕機により、粗粉砕から微粉砕まで1工程で粉砕することができる。以下の表１に、加熱処理後に衝撃（小規模のためボールミルで破砕）を与えたときの粉化度合い（100μm粒子以下の質量比率）を示した。図２との関係から、微粉量はリグニンの熱分解で増加していると推定される。粉化率の許容範囲としては、発明者らの調査によれば、数mm粒子が主体の粉体で、100μm以下の微粉が重量で３割を超えると、供給ホッパー内での棚吊りや搬送中の脈動や閉塞等の粉体トラブルが起こりやすくなること、後段であるガス化、燃焼のバラツキ（微粒子が優先的に反応し、大粒子の未反応分が多くなる）が生じることから、30質量％以下の粉化率が許容範囲と考えられる。この尺度からは、240℃以上で120分、350℃で５分以上の条件は好ましくないことがわかる。従って、粉砕性（圧縮強度）と微粉化の条件と合わせ、240℃以上300℃以下の温度で、15分以上90分以下の時間の加熱処理が好ましいことが判る。なお、これらは松、檜、ラワン、チークにおいてもほぼ同様であった。

第２の実施形態に係る木質系バイオマスの竹に関しては、杉、松、檜等とは挙動が異なる。図３に竹の加熱温度、加熱時間と圧縮強度、重量減少との関係を示す。破砕性の指標としては、杉と同じく圧縮強度（φ20mm×40mmHの竹材を切り出し、繊維と直角方向に圧縮）を杉と同様の条件で測定した。図３には、ヘミセルロースの熱分解温度範囲、ヘミセルロースの重量減少範囲も合わせて示した。下半分は熱分解温度に対する圧縮強度、上半分は熱分解温度に対する熱分解重量減少である。圧縮強度は１２０℃程度からヘミセルロース熱分解開始温度程度までは増加し（杉と逆）、ヘミセルロース熱分解開始後に強度低下する。他のバイオマスと比べヘミセルロース強度が弱い（繊維方向に裂け易い）が、分子内脱水により一時的にヘミセルロース構造が変化し、強度が増加するものと推定される。長手方向の繊維形状を利用した竹の利用を想定した場合、例えば、工芸品や、あるいは炭素繊維を製造するための原料等を想定した場合、長手方向の繊維強度は残したまま繊維方向以外の部分を熱分解できれば都合がよい。この条件を満たすのは、強度的には170℃以上220℃以下で120分以下、180分で170℃の条件となる。

この中で、180分の条件は加熱コスト、限定される温度範囲等条件が厳しく、また、170℃以上220℃以下でも5分の場合解織性が悪いので、好ましい範囲としては170℃以上220℃以下で１5分以上120分以下となる。温度上限については、物性上は、セルロース分解温度未満（240℃未満）であれば問題ないが、試験値による確実な値として220℃以下とした。

図４に、200℃、30分の加熱処理をした竹を、表１のボールミル条件で処理した後のものを示す。図５は350℃、180分の加熱条件で同じボールミル処理をしたものを示す。比較として、図６に、原料（未加熱処理竹）物をボールミル処理したものを示した。200℃、30分条件では繊維がきれいに残り、繊維間結合が弱くなったことがわかる。このとき粉もほとんど見られなかった（直径100μm未満の微粉は1質量％以下）。350℃、180分の加熱条件ではほぼ全量粉化した（直径100μm未満の微粉は９５質量％以上）。

次に、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態３及び４を説明する。
実施形態３は実施形態１により粉砕したバイオマスの固形物をガス化の原料として用いるものである。図７は、電力製造（発電）を主目的としたガス化による可燃性ガス製造プロセスの一例を模式化した図である。

図７においては、２軸破砕機等により事前破砕された原料１は、加熱処理設備２（例えばロータリーキルン、固定床炉、移動床炉、シャフト型炉等の炭化物を製造する加熱設備）に供給され、２４０℃〜３００℃で１５分〜９０分の間、加熱処理される。加熱時の雰囲気は、木質系バイオマスが燃焼しない雰囲気であればよい。加熱された原料１は熱分解により固形物３と粉砕処理時ガス（ガス及びタール）４ａになり、固形物３は粉砕機５（ハンマーミル、インパクトミル等）で数mm程度まで微破砕され、酸素や酸素＋蒸気により、ガス化炉６内で、1200〜1600℃でガス化（部分酸化）され、部分酸化ガス４ｂとなる。ガス化された部分酸化ガスは粉砕処理時ガス（ガス及びタール）４ａと混合されて、可燃性ガス４ｃとなり、ガスエンジン７で燃焼され、発電機８を経た電力９になる。ガスエンジン７から排出される高温ガス１０は熱回収設備１１（たとえばボイラー）で熱回収され、熱及び電力１２として使用される。熱回収後のガスは排ガス１３として放散される。また、本プロセスをさらに高度に利用する方法として、点線で示した工程が考えられる。即ち、原料を乾燥機１４で一次乾燥する（水分分離によるガス発熱量増加）方法および、ガスエンジン７からの高温ガス１０を加熱処理設備２、乾燥機１４の熱源とする方法である。ガスエンジン７＋熱回収設備１１を例として示したのは、現段階で、最も効率や対タール性が期待できるためであり、たとえばガスエンジン７の代わりにガスタービンや単純なガス燃焼設備を用いても問題はない。また、ガス化の際、部分酸化せずに完全燃焼させても良い、その場合は、ガスエンジン７は使用できず、熱回収設備１１により燃焼ガスのエネルギーを回収する。加熱処理設備２は、たとえばキルンや移動床型炉、シャフト型炉であり、高温ガス１０を直接接触あるいは間接的に熱交換することで２４０℃以上３００℃以下の温度に上昇させる設備である。

また、実施形態３の別の例として、木質系バイオマスの固形物を部分酸化又は燃焼してガス化した後に、その高温なガスの熱を利用して、更に実施形態１で粉砕処理した木質系バイオマスの固形物を加えて熱分解し、可燃性ガスを生成することも可能である。この場合は、ガス化炉の後段に熱分解炉を設けて、両炉に粉砕処理した木質系バイオマスの固形物を投入し、ガス化炉にて1200〜1600℃の高温ガス化した部分酸化ガス又は燃焼ガス顕熱を用いて熱分解する。このとき、熱分解炉への投入量を調整することで、５００〜１１００℃で熱分解し、ガス及びタール並びにチャーを生成する。各生成物は、可燃性ガスや化学原料、固形燃料として利用可能となる。

実施形態４は、実施形態２により破砕した竹の固形物を製品化し、実施形態２の破砕処理の際に発生する破砕処理時ガスをガスエンジン用の燃料として用いるものである。図２にそのプロセスの１例を示す。

図８においては、事前破砕された原料１（この場合竹）は、加熱処理設備２（図７での説明と同様、例えばロータリーキルン、固定床炉、移動床炉、シャフト型炉等の炭化物を製造する加熱設備）に供給され、１７０℃以上２２０℃以下で１５分〜９０分の間、加熱処理される。加熱時の雰囲気は、竹が燃焼しない雰囲気であれば良い。加熱された原料１は固形物３と破砕処理時ガス（ガス及びタール）４になり、固形物は一次処理設備１５（例えばハンマー等打撃系の破砕機や、二つの回転するロール上で衝撃、振動により繊維を分ける装置）で処理され、一次製品１６（各種サイズの竹ひご状繊維、箒状集合物他）あるいはさらに処理されて二次製品１７（一次製品を同じ長さに切り分けたもの；楊枝状、鉛筆状、針状他）になる。本製品は工芸品へ使用することに限らず、必要に応じて更に炭化処理や黒鉛化処理を行い、炭素繊維として活用することもできる。通常のＰＡＮ系又はピッチ系の炭素繊維に比べて、長さの制約があることや径の均一性に劣る面もあるが、プラスチックやコンクリートの炭素繊維強化材（ＣＦＲＰやＣＦＲＣ用）としては充分に適用が可能である。

更に、図８では燃焼を想定した効率的利用の目的で、図７と類似のプロセスを付属させている。破砕処理時ガス（ガス及びタール）４は、ガスエンジン７で燃焼され、発電機８を経た電力９になる。ガスエンジン７から排出される高温ガス１０は熱回収設備１１（たとえばボイラー）で熱回収され、熱及び電力１２として使用される。熱回収後のガスは排ガス１３として放散される。また、本プロセスをさらに高度に利用する方法として、点線で示した工程が考えられる。即ち、原料を乾燥機１４で一次乾燥する（水分分離によるガス発熱量増加）方法および、ガスエンジン７からの高温ガス１０を加熱処理設備２、乾燥機１４の熱源とする方法である。

実施例１
ロータリーキルンに木材チップ（杉；皮を除去した建設用木材を２軸破砕機で破砕。刃幅は200mm）を100kg/h（dryベース）で投入。LPG燃焼による外熱で壁面近傍雰囲気温度を250℃〜280℃とした（具体的にはキルン出口ガス温度を280℃以下にするよう外熱LPG量で制御）。雰囲気は空気で、特に強制的な送風はしていない。この条件で、キルン平均滞留時間４５分（投入から排出まで。昇温時間約５分も含む）で処理した。その結果、固形物（炭化物を含む）は39.5kg/hで発生した。ちなみにガス及びタール（粉砕処理時ガス）合計量は60.5kg/h（dryベース、対原料60.5質量％）であった。固形物は全量ハンマーミルにて2mmメッシュのスクリーン通過物をガス化用に製造した。比較例とした未処理の木材では同一粉砕条件で8kg/hの粉砕能力しか出ず、繊維によるスクリーンの目詰まりを生じたが、実施例では固形物は約50kg/hで目詰まりもなかった。

固形物のガス化は、固形物40kg/h投入、酸素40Nm³/hでの部分酸化によるガス化を実施し、1500℃で安定してガス化できた。部分酸化ガス発熱量は2,000kcal/Nm³（HHV、dry）で、キルンによる熱分解で発生した粉砕処理時ガス（発熱量は約3500kcal/Nm³（HHV、dry））と混合して、2800kcal/Nm³（HHV、dry）の可燃性ガスが製造できた。

本実施例では生成ガスの燃焼利用先として既存工業用ガス燃料ラインへ投入し、混合利用（混合率は５体積％程度）したが、燃料に関するトラブルは皆無であった。ガスエンジンへの適用には、発熱量（一般的に実用化レベルのガスエンジン用低発熱量ガスは1000〜2000kcal/Nm³）、ガス成分が問題になるが、本ガスの発熱量は2800kcal/Nm³と充分であり、バイオマスを用いた実証機として稼働しているベルナモ（スウェーデン）プラント等での海外実績（1000〜1100Mcal/Nm³）もあり、ガスエンジン適用には問題ないと言える。

実施例２
ロータリーキルンに竹（原木を切削型２軸破砕機で破砕。刃幅は200mm）を100kg/h（dryベース）で投入。LPG燃焼による外熱で壁面近傍雰囲気温度を190℃〜200℃とした（具体的にはキルン出口ガス温度を200℃以下にするよう外熱LPG量で制御）。雰囲気は空気で、特に強制的な送風はしていない。この条件で、キルン平均滞留時間４５分（投入から排出まで。昇温時間約５分も含む）で処理した。その結果、固形物は73kg/h発生した。ちなみにガス及びタール（破砕処理時ガス）合計量は27kg/h（dryベース、対原料27質量％）であった。固形物は全量二つの逆回転するロール上で衝撃、振動を受け、解繊されてロール間（今回は2mm）を通過するサイズになった繊維が下方に落下することにより繊維サイズを整えた。同時に発生する粉は繊維の落下先に1mmメッシュの網を用意することで繊維と粉を分離した。繊維は全長150mm〜200mm、φ１〜２mmを主体としており、さらに30mm程度に切断して長さをそろえ、繊維強化プラスチック用の強化繊維として使用した。炭素繊維並み利用が可能であった。キルンによる熱分解で発生した破砕処理時ガス（発熱量は約3500kcal/Nm3（HHV、dry））は、実施例１より更に高発熱量であり、ガスエンジンでの使用も問題無いと言える。

木質系バイオマスの構造を示す概念図である。木質系バイオマス原料（杉）の加熱温度及び加熱時間に対する圧縮強度及び熱分解重量減少の関係を示す図である。竹の加熱温度及び加熱時間に対する圧縮強度及び熱分解重量減少の関係を示す図である。本発明に係る、破砕処理した竹の解繊性を示す写真である。過度な温度、加熱時間で破砕処理した竹の微粉化した写真である（比較用）。原料竹を加熱処理せずに破砕した後の写真である（比較用）。本発明に係る第３の実施形態の一例である、粉砕処理して生じた木質系バイオマスの固形物をガス化の原料として使用し、電力製造（発電）を主目的とした可燃性ガス製造プロセスを示す模式図である。本発明に係る第４の実施形態の一例である、破砕処理して生じた木質系バイオマスである竹の固形物を利用した製品製造プロセスと、破砕処理時ガスをガスエンジン用の燃料として使用するプロセスを示す模式図である。

符号の説明

１原料
２加熱処理設備
３固形物
４ａ粉砕処理時ガス（ガス及びタール）、破砕処理時ガス（ガス及びタール）
４ｂ部分酸化ガス
４ｃ可燃性ガス
５粉砕機
６ガス化炉
７ガスエンジン
８発電機
９電力
１０高温ガス
１１熱回収設備
１２熱及び電力
１３排ガス
１４乾燥機
１５一次処理設備（破砕機）
１６一次製品
１７二次製品

Claims

木質系バイオマスを、２４０℃以上３００℃以下の温度で１５分以上９０分以下の時間熱分解した後に粉砕することを特徴とする木質系バイオマスの粉砕処理方法。
竹を、１７０℃以上２２０℃以下の温度で１５分以上１２０分以下の時間熱分解した後に破砕することを特徴とする木質系バイオマスの破砕処理方法。
請求項１記載の粉砕処理後における木質系バイオマスの固形物を、部分酸化または燃焼してガス化することを特徴とする木質系バイオマスのガス化処理方法。
請求項１記載の粉砕処理後における木質系バイオマスの固形物を、部分酸化または燃焼してガス化した後、更に前記固形物を加えて熱分解し、可燃性ガスを生成することを特徴とする木質系バイオマスのガス化処理方法。
請求項１記載の熱分解により発生した粉砕処理時ガス、又は請求項２記載の熱分解により発生した破砕処理時ガス、請求項３記載の部分酸化により発生した部分酸化ガス、請求項４記載の可燃性ガスの１種又は２種以上を、ガスエンジンの燃料として使用することを特徴とする木質系バイオマスのガス化処理方法。