JP2008274108A

JP2008274108A - バイオコークス製造装置及び方法

Info

Publication number: JP2008274108A
Application number: JP2007119268A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Kawami; 佳正川見; Jun Sato; 佐藤　　淳; Tamio Ida; 民男井田
Original assignee: Kinki University; Mitsubishi Heavy Industries Environmental Engineering Co Ltd
Current assignee: Kinki University; Mitsubishi Heavy Industries Environmental Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-11-13
Also published as: US8460515B2; EP2143780A4; US20100162618A1; EP2143780A1; CN102015977B; CN102015977A; WO2008136475A1

Abstract

【課題】バイオコークスを効率的に大量生産することを可能としたバイオコークスの製造装置及び方法を提供する。
【解決手段】水分調整されたバイオマス粉砕物を、反応容器１内にて加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造する装置であって、反応容器１は、バイオマス粉砕物を炭化させることなくそのヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、前記加圧範囲まで加圧する加圧手段と、該加圧状態で前記温度範囲まで加熱する加熱手段と、この状態を保持した後に冷却する冷却手段とを有し、反応容器１が複数設けられるとともに、これらの反応容器の上方に粉砕物搬送コンベア２０が設けられ、該コンベアに接続管４を介して複数の反応容器が夫々接続されており、接続管４には、反応容器への粉砕物投入タイミングに従って所定量のバイオマス粉砕物を投入する粉砕物投入手段が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、バイオマスを原料としたバイオコークスの製造技術に関し、特に石炭コークスの代替燃料として効果的に利用可能であるバイオコークスを工業的に大量生産することを可能としたバイオコークス製造装置及び方法に関する。

近年、地球温暖化の観点からＣＯ_２排出の削減が推進されている。特に、ボイラ発電等の燃焼設備においては、燃料として石炭や重油等の化石燃料が用いられることが多いが、この化石燃料は、ＣＯ_２排出の問題から地球温暖化の原因となり、地球環境保全の見地からその使用が規制されつつある。また化石燃料の枯渇化の観点からもこれに代替するエネルギー資源の開発、実用化が求められている。
そこで、化石燃料の代替として、バイオマスを用いた燃料の利用促進が図られている。バイオマスとは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスがある。このバイオマスを燃料化処理することにより、バイオマスをエネルギー源又は工業原料として有効に利用することができる。

バイオマスを燃料化する方法としては、バイオマスを乾燥させて燃料化する方法、加圧して燃料ペレット化する方法、炭化、乾留させて燃料化する方法等が知られている。しかし、バイオマスを乾燥させるのみでは、空隙率が大きくみかけ比重が低くなるため、輸送や貯留が困難であり、長距離輸送や貯留して使用する燃料としては有効とはいえない。
一方、バイオマスを燃料ペレット化する方法は、特許文献１（特公昭６１−２７４３５号公報）に開示されている。この方法は、細断された有機繊維材料の含水量を１６〜２８％に調節し、これをダイス内で圧縮して乾燥し燃料ペレットを製造するようにしている。
また、バイオマスを乾留して燃料化する方法は、特許文献２（特開２００３−２０６４９０号公報）等に開示されている。この方法は、酸素欠乏雰囲気中において、バイオマスを２００〜５００℃、好適には２５０〜４００℃で加熱して、バイオマス半炭化圧密燃料前駆体を製造する方法となっている。

特公昭６１−２７４３５号公報特開２００３−２０６４９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載される方法では、圧縮成形を行うことによりバイオマスを燃料化しているが、生成した燃料ペレットは水分量が多いため発熱量が低く、燃料としては適していない。
また、特許文献２等に記載されるように乾留によりバイオマスを燃料化する方法では、加工処理を施さないバイオマスに比べると燃料として価値が高いものとなっているが、やはり石炭コークスに比べてみかけ比重が低く、発熱量が低い。さらに、石炭コークスに比べて硬度が低いため、石炭コークスの代替として利用するには不十分である。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、バイオコークスを効率的に大量生産することを可能としたバイオコークスの製造装置及び方法を提供することを目的とする。

近年、石炭コークスの代替として、バイオコークスが研究されている。
バイオコークスは、バイオマス原料を加圧、加熱した状態で一定時間保持した後、冷却することにより製造される。加圧、加熱条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲に設定する。これにより以下の反応機構が成立し、高硬度で高発熱量を有するバイオコークスが製造できる。
その反応機構は、上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物のヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、反応容器内に発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できるものである。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。

図７に、バイオコークスの物性値を他の燃料と比較した表を示す。尚、この表は実験的に得られた数値を記載しているのみであり、本発明はこの数値に限定されるものではない。
この表に示されるように、バイオコークスは、みかけ比重１．２〜１．３８、最高圧縮強度６０〜２００ＭＰａ、発熱量１８〜２３ＭＪ／ｋｇの物性値を示す硬度、燃焼性ともに優れた性能を有しており、未加工の木質バイオマスが、みかけ比重約０．４〜０．６、発熱量約１７ＭＪ／ｋｇ、最高圧縮強度約３０ＭＰａであるのと比べると、発熱量及び硬度の点において格段に優れていることが判る。また、石炭コークスの物性値である、みかけ比重約１．８５、最高圧縮強度約１５ＭＰａ、発熱量約２９ＭＪ／ｋｇに比しても、バイオコークスは燃焼性、硬度とも遜色ない性能を有する。
従って、バイオコークスは石炭コークスの代替として有効な燃料であるとともに、マテリアル素材としての利用価値も高い。

しかし、このバイオコークスは未だ実験段階にとどまっており、反応容器にバイオマス粉砕物を人手で充填して一つの反応容器でバッチ的に製造しているのが実状であった。
そこで本発明は、上記したバイオコークスを効率的に製造する装置及び方法を提案する。

本発明は、所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を、反応容器内にて加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造装置であって、
前記反応容器は、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、前記圧力範囲まで加圧する加圧手段と、前記温度範囲まで加熱する加熱手段と、前記加圧及び加熱した状態で一定時間保持した後に冷却する冷却手段と、該冷却した後に、生成されたバイオコークスを排出する排出手段とを有しており、
前記反応容器が複数設けられるとともに、これらの反応容器の上方に前記バイオマス粉砕物が搬送される粉砕物搬送路が設けられ、該粉砕物搬送路に接続管を介して前記複数の反応容器が夫々接続されており、
前記接続管には、前記反応容器への粉砕物投入タイミングに従って前記粉砕物搬送路から所定量のバイオマス粉砕物を投入する粉砕物投入手段が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、石炭コークスの代替として利用可能なバイオコークスを効率的に製造可能である。即ち、複数の反応容器を設置することにより連続した処理が可能となり、バイオコークスを工業的に大量生産することができるようになる。
また、粉砕物搬送路によりバイオマス粉砕物を搬送させ、複数の反応容器に対して必要に応じてバイオマス粉砕物を投入する構成とすることにより、粉砕機や粉砕物ホッパ等の大型の供給装置を固定設置することができるとともに、受入側の反応容器も移動させることなく固定設置することができるため、装置の簡素化及び小型化が図れる。

また、前記複数の反応容器が直線状に配設された反応系列を少なくとも２系列以上備えており、前記粉砕物搬送路が、前記反応系列に沿って直線状に設置されるとともに、その端部にて隣接する系列と連結して循環路を形成していることを特徴とする。
このように、複数の反応容器を直線状に配置するとともに、これに沿って粉砕物搬送路を直線状に配置してバイオマス粉砕物を循環させる構成とすることにより、装置の設置面積を小さくでき省スペース化が図れる。
また前記粉砕物搬送路は、密閉系のパイプ状コンベアであることが好適であり、これにより流動的な粉砕物であっても確実に搬送することが可能で、且つ密閉系であるため粉砕物が飛散することを防止できる。

さらに、前記粉砕物投入手段は、前記接続管の垂直方向に異なる位置に設けられ前記投入タイミングに従って開閉駆動される上部ゲート及び下部ゲートと、これらのゲート間に設けられバイオマス粉砕物の量を検出する位置検出センサとからなり、
前記検出されたバイオマス粉砕物の量に基づいて前記上部ゲート及び前記下部ゲートを開閉制御し、前記反応容器内へのバイオマス粉砕物の投入量及び投入タイミングを調整することを特徴とする。
このように、バイオマス粉砕物の投入手段を、位置検出センサを具備した二重ゲート構造とし、該位置検出センサにより検出したバイオマス粉砕物量に基づいてゲートを開閉制御して投入量を調整する構成とすることにより、簡単な構成でもって、所定量のバイオマス粉砕物を正確な投入タイミングで反応容器内に投入することが可能となる。

また、前記粉砕物投入手段は、前記反応容器の底部に配設された重量センサと、該重量センサにて検出されたバイオマス粉砕物の重量に基づいて、前記反応容器内へのバイオマス粉砕物の投入量を調整する投入量調整手段とからなることを特徴とする。
このように、バイオマス粉砕物の投入手段として、重量センサにより検出した重量に基づいて投入量を調整する構成とすることにより、上記した発明と同様に、簡単な構成でもって、所定量のバイオマス粉砕物を反応容器内に投入することが可能となる。

さらにまた、前記反応容器が二重管構造を有し、内筒内にはバイオマス粉砕物が投入され、内筒と外筒の間には熱媒若しくは冷媒が通流する冷熱媒通路が設けられており、
前記冷熱媒通路は、熱媒を加温する熱媒回路と、冷却水により冷媒を冷却する熱交換器を備えた冷媒回路とに夫々接続され、
前記冷媒回路の前記熱交換器より上流側に、冷媒を水の沸点以下まで冷却する容積を有する冷媒タンクを設けたことを特徴とする。
本発明によれば、冷媒回路の熱交換器に供給する冷却水が沸騰することを防止し、安全に且つ円滑に運転を行うことが可能となるとともに、冷却水量を最小限として運転することが可能となる。

また、方法の発明として、所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を、反応容器内にて加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造方法であって、
前記反応容器が複数設置されるとともに前記バイオマス粉砕物を搬送する粉砕物搬送路が設けられ、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が予め設定されており、
夫々の反応容器にてバイオマス粉砕物を前記圧力範囲及び前記温度範囲に加圧、加熱した状態で一定時間保持した後冷却し、生成したバイオコークスを排出する一連の処理工程が行われ、該処理工程における粉砕物投入タイミングに従って前記粉砕物搬送路から該当する反応容器に所定量のバイオマス粉砕物を投入するようにしたことを特徴とする。

これにより、上記した装置発明と同様の効果を得ることが可能である。
尚、反応容器における加熱工程と加圧工程は、同時に開始してもよいし、その開始時期をずらしてもよい。即ち、加熱と加圧を同時に開始してこの加熱・加圧状態を保持する場合と、加圧後に加熱して保持する場合と、加熱後に加圧して保持する場合の全てを含む。

さらに、前記反応容器の処理工程にて、前記加熱は前記反応容器への熱媒の供給により行われ、前記冷却は冷媒の供給により行われるようにし、
前記複数の反応容器にて、少なくとも前記加熱及び前記冷却のタイミングを反応容器毎に異ならせたことを特徴とする。
このように、複数の反応容器にて処理工程が時間差を以って行われ、熱媒若しくは冷媒の供給タイミングを反応容器毎に異ならせることにより、熱媒回路及び冷媒回路における負荷を軽減することができ、冷熱媒回路を小型化することが可能となる。

以上記載のごとく本発明によれば、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量を有するバイオコークスを、効率的に大量生産することが可能となる。
また、バイオマス粉砕物を粉砕物搬送路に流しながら必要に応じて反応容器に供給する構成とすることにより、粉砕機や粉砕物ホッパ等の大型の供給装置、及び受入側の複数の反応容器を固定設置することができ、装置の簡素化及び小型化が可能となる。
さらに、二重ゲート構造または重量センサを有する粉砕物投入手段を設けることにより、簡単な構成でもって、所定量のバイオマス粉砕物を正確な投入タイミングで反応容器内に投入することが可能となる。
さらにまた、反応容器を冷熱媒により加熱、冷却するようにし、冷媒を供給する冷媒回路の熱交換器より上流側に、冷媒を水の沸点以下まで冷却する容積を有する冷媒タンクを設けることにより、熱交換器の冷却水が沸騰することを防止し、安全で円滑な運転が可能となるとともに、冷却水量を最小限として運転可能である。
また、複数の反応容器にて、熱媒若しくは冷媒の供給タイミングを反応容器毎に異ならせることにより、熱媒回路及び冷媒回路における負荷を軽減することができ、冷熱媒回路を小型化することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図、図２は図１に示したバイオコークス製造装置の側断面図、図３は本実施例の粉砕物搬送装置を示す斜視図、図４は本実施例の粉砕物搬送装置の内部構造を示す図、図５は本実施例の反応容器を示す側断面図、図６は本実施例の冷熱媒回路を含む機器系統図である。
本実施例において、バイオコークスの原料となるバイオマスは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスであり、例えば、廃木材、間伐材、剪定枝、植物、農業廃棄物、コーヒー粕や茶粕等の厨芥廃棄物等が挙げられる。

本実施例では、バイオマスを予め所定の含水率になるように水分調整するとともに、所定粒径以下まで粉砕する前処理を行ったバイオマス粉砕物を原料としている。
本実施例のバイオコークス装置は、このバイオマス粉砕物を所定の圧力、温度条件にて加圧、加熱して一定時間保持した後、冷却することによりバイオコークスを製造するものである。上記した圧力、温度条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲とする。即ち、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲である。

まず、図１及び図２を参照して、本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成を説明する。
バイオコークス製造装置の主要構成は、バイオマス粉砕物が投入され上記した反応を行ってバイオコークスを製造する反応容器１と、該反応容器１に投入するバイオマス粉砕物を搬送する粉砕物搬送コンベア２０と、該粉砕物搬送コンベア２０を駆動するコンベア駆動装置２１と、該粉砕物搬送コンベア２０に前処理後のバイオマス粉砕物を投入する粉砕物ホッパ２２と、前記反応容器１から排出されたバイオコークス製品を搬送する製品コンベア２３とからなる。

前記反応容器１は複数設置されており、その上方に粉砕物搬送コンベア２０が設けられている。本実施例では、複数の反応容器１を直線状に配設した反応系列を並列に２つ設けて、該反応系列に沿って粉砕物搬送コンベア２０を直線状に配設している。さらに、該粉砕物搬送コンベア２０の端部を、隣接する系列と連結して循環路を形成しており、コンベア駆動装置２１によりこのコンベア２０を循環駆動するようになっている。そして、粉砕物搬送コンベアの一端側に粉砕物ホッパ２２が設けられ、コンベア２０内のバイオマス粉砕物の供給及び排出を行っている。

図３及び図４に、粉砕物搬送コンベア２０の具体的な構成例を示す。本構成例では、粉砕物搬送コンベア２０として密閉系のパイプ状コンベアを用いている。
図４にパイプ状コンベアの内部構成を示す。このコンベア２０は、筒状のケーシング２０１と、該ケーシング２０１内に挿通されたチェーン２０２と、該チェーン２０２に固定され、ケーシング２０１の軸方向に対して略垂直断面上にケーシング２０１内部を仕切るごとく設けられた複数のブレード２０３とを有する。コンベア２０の駆動時には、駆動装置２１によりチェーン２０２が移動し、これに伴ってブレード２０３が移動する。ブレード２０３間に供給されたバイオマス粉砕物は、ブレード２０３に押されるようにしてケーシング２０１内を搬送されるようになっている。

図３に示すように、粉砕物搬送コンベア２０には、粉砕物ホッパ２２に該当する位置に粉砕物供給部２１ａと、粉砕物排出部２１ｂが設けられており、該粉砕物供給部２１ａにて所定量のバイオマス粉砕物を粉砕物ホッパ２２よりコンベア内に供給し、粉砕物排出部２１ｂにてコンベア中に残存するバイオマス粉砕物を排出するようになっている。このような粉砕物搬送コンベア２０を用いることにより、流動的な粉砕物であっても確実に搬送することが可能で、且つ密閉系であるため粉砕物が飛散することを防止できる。
また、粉砕物搬送コンベア２０にて、反応容器１に該当する位置には、バイオマス粉砕物を反応容器１へ投入するための開口（不図示）が設けられており、粉砕物搬送コンベア２０に対して複数の反応容器１が、図２に示される接続管４を介して接続されている。

図５に、反応容器１の具体的な構成例を示す。同図に示されるように、反応容器１は、バイオマス粉砕物が投入される円筒形の反応シリンダ２を有し、該反応シリンダ２と粉砕物搬送コンベア２０とが接続管４により接続されている。接続管４は垂直方向に延設されるが、反応シリンダ２の中心軸からずれた位置に設置されており、該接続管４の下方と反応シリンダ２の上部開口とは連結部７にて連結されている。この接続管４の上部は、水平方向に延設される粉砕物搬送路２０に接続され、該粉砕物搬送路２０内を搬送されるバイオマス粉砕物が、適宜接続管４内に供給されるようになっている。

さらに、この接続管４には、バイオマス粉砕物を所定量だけ反応シリンダ２内に適宜投入するための粉砕物投入手段を具備する。粉砕物投入手段は、接続管４の垂直方向に対して異なる位置に設けられた上部ゲート５Ａ及び下部ゲート５Ｂと、これらのゲート間に設置された位置検出センサ６ａ、６ｂとからなる。
前記上部ゲート５Ａ及び下部ゲート５Ｂは、不図示の制御装置により開閉駆動される。上部ゲート５Ａと下部ゲート５Ｂの間には、バイオマス粉砕物の量を検出する位置検出センサ６ａ、６ｂが設けられている。本実施例では、該位置検出センサは垂直方向に対して異なる位置に２つ設けられているが、ゲート間に充填されたバイオマス粉砕物の量を検出できる数、位置であればこの構成は特に限定されない。

粉砕物投入手段は、反応容器１への粉砕物投入タイミングに従って動作するようになっている。即ち、反応シリンダ２における加圧、加熱工程の前に、まず下部ゲート５Ｂを閉じるとともに上部ゲート５Ａを開放し、粉砕物搬送路２０からバイオマス粉砕物を下部ゲート５Ｂ上に落下させる。粉砕物が下部ゲート５Ｂ上に堆積したら、この堆積量を位置検出センサ６ａ、６ｂにより検出する。上方に位置する位置検出センサ６ａまで粉砕物が堆積したことを検出したら、上部ゲート５Ａを閉じて、下部ゲート５Ｂを開放する。これにより、所定量のバイオマス粉砕物が反応シリンダ２内に投入されることとなる。尚、反応シリンダ２内にて反応処理が行われている最中にこの動作を行って、次の反応処理に用いられるバイオマス粉砕物を準備しておき、シリンダ内の反応が終了してバイオコークスが排出されたら直ぐに下部ゲート５Ｂを開放してバイオマス粉砕物を投入することが好ましく、これにより操作時間の短縮化が図れる。

また、別の粉砕物投入手段として、反応容器１の底部に重量センサ（不図示）を配設した構成としてもよい。この場合、該重量センサにて検出されたバイオマス粉砕物の重量に基づいて、反応容器１内へのバイオマス粉砕物の投入量を調整する。投入量の調整は、例えば、粉砕物搬送路２０と接続管４の間にゲートを設け、該ゲートの開閉操作により行うようにする。

前記反応シリンダ２の上方には、該シリンダ２内のバイオマス粉砕物を所定圧力まで加圧する加圧手段を備える。この加圧手段は、加圧用油圧シリンダ８と、該油圧シリンダ８により往復動される加圧ピストン９とからなる。これらは反応シリンダ２と同軸上に配置される。加圧ピストン９は、反応シリンダ２の底面までを可動範囲とすることが好ましい。該加圧ピストン９は、所定時間だけこの加圧状態を保持できる構成となっている。

さらに、前記反応シリンダ２は、内容物を所定温度まで加熱する加熱手段と、加熱後に冷却する冷却手段とを備える。この加熱手段及び冷却手段は、同一の温度調整手段としてもよい。本実施例では、温度調整手段として、反応シリンダ２にジャケットを設けた二重管構造とし、内筒と外筒の間に冷熱媒通路３を設けた構成としている。冷熱媒通路３には、熱媒若しくは冷媒（以後、冷熱媒と称する）が通流し、該冷熱媒によりシリンダ内筒に充填されたバイオマス粉砕物に熱エネルギを与えるようになっている。冷熱媒通路３の下方側には冷熱媒入口３ａが設けられ、上方側には冷熱媒出口３ｂが設けられている。これらの冷熱媒入口３ａ及び冷熱媒出口３ｂは、後述する冷熱媒回路に接続されている（図６参照）。

さらにまた、前記反応シリンダ２の底面には、内容物を排出するための排出装置１０が設けられている。該排出装置１０は、反応シリンダ２の底面開口を封止する底面蓋部１１と、該底面蓋部１１を水平方向に移動させる押出しピストン１２と、該押出しピストンを駆動する排出用油圧シリンダ１３とから構成される。この排出装置１０は、反応シリンダ２内にて冷却工程が終了した後に、押出しピストン１２により底面蓋部１１を移動させて反応シリンダ２の底面開口を開放し、シリンダ内のバイオコークス２を落下させて排出するようになっている。排出時には、加圧ピストン９により上方からバイオコークスを押出して落下させてもよい。

排出したバイオコークスは、図１及び図２に示される製品コンベア２３上に載置され、搬送される。製品コンベア２３は、反応容器１の直下に設けてもよいし、本実施例に示すように、２つの反応系列の間に設置して、各反応容器１から落下するバイオコークスを傾斜面２４により製品コンベア２３上に導くようにしてもよい。

上記した構成を有するバイオコークス製造装置の作用につき、操作方法を含めて説明する。尚、ここで記載する温度、圧力、含水率、大きさ等の数値範囲は、本装置における好適な一例であるが、これに限定されるものではない。
まず、原料となるバイオマス粉砕物の前処理として、バイオマスの含水率を５〜１０％に乾燥させる水分調整を行い、該乾燥したバイオマスを粒子径３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下に粉砕する。また、バイオマスの種類によっては乾燥・粉砕後に調湿する物もある。これにより、バイオマスを反応シリンダ２に充填する際、嵩密度が向上し均質な充填が可能となり、加熱成形においてバイオマス間の接触が高まり、成形後の硬度も向上する。
粉砕したバイオマスを粉砕物ホッパ２２に投入する。粉砕物ホッパ２２に貯留されたバイオマス粉砕物を、粉砕物搬送コンベア２０に適宜供給する。バイオマス粉砕物は、粉砕物搬送コンベア２０内を循環しながら搬送される。

そして、粉砕物搬送コンベア２０から、必要に応じて所定量のバイオマス粉砕物を接続管４を介して反応容器１内に投入する。反応シリンダ２内にバイオマス粉砕物が充填されたら、加圧用シリンダ８にて加圧ピストン９を駆動し、該加圧ピストン９により反応シリンダ２内のバイオマス粉砕物を８〜２５ＭＰａに加圧して圧縮する。同時に、反応シリンダ２の冷熱媒通路３に熱媒を通流し、シリンダ２内のバイオマス粉砕物を１１５〜２３０℃に加熱する。このとき、予め反応シリンダ２内を加熱しておいてから加圧してもよいし、逆に加圧してから加熱してもよく、ほぼ同時に加熱と加圧を行うようにする。
上記した温度、圧力、及び含水率は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンが熱分解又は熱硬化反応が誘起される範囲に設定される。言い換えれば、バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する範囲である。ここで含水率は、シリンダ内にて水分が亜臨界状態を形成するのに十分な範囲となっている。

反応シリンダ２内のバイオマス粉砕物は、上記した加圧、加熱状態を一定時間保持する。例えば、シリンダ径が５０ｍｍの場合、保持時間は１０〜２０分間で、１５０ｍｍの場合は３０〜６０分間とする。
上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物の成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、反応シリンダ内に発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できる。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。

反応終了後に、反応シリンダ２の冷熱媒通路３から熱媒を抜き、冷媒を通流させる。尚、本実施例において、熱媒としてはシリコンオイル、スチームが好適に用いられ、冷媒としてはシリコンオイル、水、或いは空気が好適に用いられる。シリンダ２内の加圧状態を維持した状態で、冷媒により５０℃以下、好適には４０℃以下になるまで冷却する。尚、この温度より高い温度でバイオコークスを取り出すと、ヘミセルロースによる接着効果が低下するため、冷却した後に排出するようにする。
そして、冷却後に排出用油圧シリンダ１３により押出しピストン１２を駆動して、反応シリンダ２の底面蓋部１１を開放し、加圧ピストン９により上方から内容物を押出して排出する。
排出された内容物はバイオコークス製品であり、該バイオコークス製品は、製品コンベア２３にて搬送して回収する。

本実施例のバイオコークス製造装置及び方法を用いることにより、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量のバイオコークスを効率的に製造することが可能となる。また、本実施例にて製造されたバイオコークスは、鋳物製造或いは製鉄において、キュポラ、高炉における熱源・還元剤等として利用可能であり、また発電用ボイラー燃料、消石灰等の焼成燃料等の燃料需要にも利用可能であり、更に高い圧縮強度等の特性を活かして、マテリアル素材としての使用も可能である。

即ち、本実施例によれば、複数の反応容器１を設置することにより連続稼動することが可能となり、バイオコークスを工業的に大量生産することができるようになる。
また、複数の反応容器１に対して、粉砕物搬送コンベア２によりバイオマス粉砕物を循環させ、必要に応じて該当する反応容器１に投入する構成とすることにより、粉砕機や粉砕物ホッパ２２等の大型の供給装置、及び受入側の複数の反応容器１を固定設置することができ、装置の簡素化が図れる。
また、複数の反応容器１を直線状に近接配置するとともに、これに沿って粉砕物搬送コンベア２を直線状に配置して循環させる構成とすることにより、装置の設置面積を小さくでき省スペース化が可能となる。

さらに、バイオマス粉砕物の投入手段として、位置検出センサ６ａ、６ｂを具備した二重ゲート構造とし、該位置検出センサにより検出したバイオマス粉砕物量に基づいてゲートを開閉制御して投入量を調整する構成とすることにより、簡単な構成でもって、所定量のバイオマス粉砕物を正確な投入タイミングで反応容器１内に投入することが可能となる。
同様に、バイオマス粉砕物の投入手段として、反応シリンダ２の底部に設けた重量センサによりシリンダ内の粉砕物重量を検出し、これに基づいて投入量を調整する構成とすることにより、簡単な構成でもって、所定量のバイオマス粉砕物を反応容器１内に投入することが可能となる。

また、本実施例において、反応容器１の上下面の少なくとも何れか一方に、熱伝導性の高い金属材料を用いることが好ましい。具体的には、加圧ピストン９及び／又は底面蓋部１１に高熱伝導性の金属材料を用いる。この金属材料としては、銅、銀が好適に用いられる。このとき高熱伝導性材料は、反応シリンダ２の外周に接触するように配置する。
これは、反応容器１の径が大きいと、外部ジャケットからの熱伝達のみでは内部まで充分に熱が伝わり難い。
そこで本構成を採用することにより、反応シリンダ２の外周側からのみでなく、上下方向からも熱エネルギが伝達されることとなり熱伝達効率が向上し、バイオマス粉砕物の反応が促進され、反応時間の短縮化が図れる。延いては、装置を小型化することもできる。

次に、図６を参照して、本実施例の冷熱媒回路の一例につき説明する。本実施例のバイオコークス製造装置では、反応シリンダ２の加熱と冷却を切り替える手段を具備した温度調整手段が必須構成となる。従って、図６に示すような冷熱媒回路を設けることにより、熱効率が高く且つ安全性の高い温度調整手段とすることができる。尚、本実施例では一例として、冷媒及び熱媒にシリコンオイルを用いた場合につき説明する。

本実施例にて、反応シリンダ２の冷熱媒入口３ａと出口３ｂは、同図に示される冷熱媒回路３０に夫々接続されている。該冷熱媒回路３０は、冷媒回路と熱媒回路とが組み合わされた構成となっている。冷熱媒出口３ｂは、冷熱媒排出ライン４１に接続され、該排出ライン４１上の三方バルブ４５を介して熱媒戻りライン４２と、冷媒戻りライン４３に分岐している。
熱媒戻りライン４２は熱媒タンク３１に接続されている。該熱媒タンク３１は、加熱器３１ａと、撹拌機３１ｂを具備しており、冷却された熱媒を昇温するようになっている。必要に応じてＮ_２ボンベからＮ_２ガスが供給されるようにし、タンク内を不活性雰囲気に保持して安全性を確保することが好ましい。熱媒タンク３１の出口側は、三方バルブ４６を介して冷熱媒供給ライン４０に接続されている。
このような構成を用いて、反応容器１の加熱時には、三方バルブ４５、４６により熱媒タンク３１側に熱媒が循環するようにし、熱媒タンク３１、冷熱媒供給ライン４０、冷熱媒通路３（反応シリンダ２）、冷熱媒排出ライン４１、熱媒戻りライン４２からなる熱媒回路を形成する。

冷媒戻りライン４３は、冷媒熱交換器３６に接続されている。該冷媒熱交換器３６は、上水等の冷却水と冷媒とを熱交換し、冷媒を冷却する構成となっている。
さらに、本実施例の特徴的な構成として、冷媒戻りライン４３の冷媒熱交換器３６より上流側に、冷媒タンク３５を設けた構成としている。この冷媒タンク３５は、少なくとも冷媒温度を水の沸点以下、好適には８０℃以下まで冷却する能力を有するものとする。本実施例では、上記温度まで冷却するための容積を有する冷媒タンク３５とする。さらに、冷媒タンク３５は、撹拌機３５ａを具備することが好ましく、これにより冷却能力を向上させる。

このような構成を用いて、反応容器１の冷却時には、三方バルブ４５、４６を冷媒タンク３５側に切り替えて、該冷媒タンク３５側に冷媒が循環するようにし、冷媒タンク３５、冷媒熱交換器３６、冷熱媒供給ライン４０、冷熱媒通路３（反応シリンダ２）、冷熱媒排出ライン４１、冷媒戻りライン４３からなる冷媒回路を形成する。

本実施例では、反応シリンダ２の加熱時の温度が１１５〜２３０℃と高温であり、冷熱媒の切り替え時に冷媒熱交換器３６に高温の冷熱媒が導入される可能性がある。これにより冷媒熱交換器３６の冷却水が沸騰してしまい、装置の故障等の不具合が発生する惧れがある。冷媒熱交換器３６の設計条件により冷却水が沸騰しないような構成とすることも可能であるが、その場合冷却水流量を増大したり加圧したりする必要があり、効率的でない。
従って、本実施例のごとく、冷媒熱交換器３６の上流側に、冷媒を沸騰温度以下まで冷却する能力、好適には容積を有する冷媒タンク３５を設けることにより、冷媒熱交換器３６の冷却水が沸騰することを防止し、安全で円滑な運転が可能となるとともに、冷却水量を最小限として運転可能である。

また、本実施例では、複数の反応容器１における処理工程のうち、少なくとも加熱工程と冷却工程のタイミングを反応容器毎に異ならせることが好ましい。即ち、一の反応容器にて加熱工程が行われている時に、他の反応容器では冷却工程を行うようにする。
このように、熱媒若しくは冷媒の供給タイミングを反応容器毎に異ならせることにより、熱媒回路及び冷媒回路における負荷を軽減することができ、冷熱媒回路を小型化することが可能となる。

本実施例に係るバイオコークス製造装置及び方法を用いることにより、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量のバイオコークスを効率的に製造することが可能となる。また、本実施例にて製造されたバイオコークスは、鋳物製造或いは製鉄において、キュポラ、高炉における熱源・還元剤等として利用可能であり、また高い圧縮強度等の特性を活かして、マテリアル素材としての使用も可能である。

本発明の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図である。図１に示したバイオコークス製造装置の側断面図である。本実施例の粉砕物搬送装置を示す斜視図である。本実施例の粉砕物搬送装置の内部構造を示す図である。本実施例の反応容器を示す側断面図である。本実施例の冷熱媒回路を含む機器系統図である。バイオコークスの物性値を比較する表である。

符号の説明

１反応容器
２反応シリンダ
３冷熱媒通路
４接続管
５Ａ上部ゲート
５Ｂ下部ゲート
６ａ、６ｂ位置検出センサ
８加圧用油圧シリンダ
９加圧ピストン
１０排出装置
１１底面蓋部
２０粉砕物搬送コンベア
２３製品コンベア
３１熱媒タンク
３５冷媒タンク
４０冷熱媒供給ライン
４１冷熱媒排出ライン
４２熱媒戻りライン
４３冷媒戻りライン

Claims

所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を、反応容器内にて加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造装置であって、
前記反応容器は、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、前記圧力範囲まで加圧する加圧手段と、前記温度範囲まで加熱する加熱手段と、前記加圧及び加熱した状態で一定時間保持した後に冷却する冷却手段と、該冷却した後に、生成されたバイオコークスを排出する排出手段とを有しており、
前記反応容器が複数設けられるとともに、これらの反応容器の上方に前記バイオマス粉砕物が搬送される粉砕物搬送路が設けられ、該粉砕物搬送路に接続管を介して前記複数の反応容器が夫々接続されており、
前記接続管には、前記反応容器への粉砕物投入タイミングに従って前記粉砕物搬送路から所定量のバイオマス粉砕物を投入する粉砕物投入手段が設けられていることを特徴とするバイオコークス製造装置。
前記複数の反応容器が直線状に配設された反応系列を少なくとも２系列以上備えており、前記粉砕物搬送路が、前記反応系列に沿って直線状に設置されるとともに、その端部にて隣接する系列と連結して循環路を形成していることを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。
前記粉砕物投入手段は、前記接続管の垂直方向に異なる位置に設けられ前記投入タイミングに従って開閉駆動される上部ゲート及び下部ゲートと、これらのゲート間に設けられバイオマス粉砕物の量を検出する位置検出センサとからなり、
前記検出されたバイオマス粉砕物の量に基づいて前記上部ゲート及び前記下部ゲートを開閉制御し、前記反応容器内へのバイオマス粉砕物の投入量及び投入タイミングを調整することを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。
前記粉砕物投入手段は、前記反応容器の底部に配設された重量センサと、該重量センサにて検出されたバイオマス粉砕物の重量に基づいて、前記反応容器内へのバイオマス粉砕物の投入量を調整する投入量調整手段とからなることを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。
前記反応容器が二重管構造を有し、内筒内にはバイオマス粉砕物が投入され、内筒と外筒の間には熱媒若しくは冷媒が通流する冷熱媒通路が設けられており、
前記冷熱媒通路は、熱媒を加温する熱媒回路と、冷却水により冷媒を冷却する熱交換器を備えた冷媒回路とに夫々接続され、
前記冷媒回路の前記熱交換器より上流側に、冷媒を水の沸点以下まで冷却する容積を有する冷媒タンクを設けたことを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。
所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を、反応容器内にて加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造方法であって、
前記反応容器が複数設置されるとともに前記バイオマス粉砕物を搬送する粉砕物搬送路が設けられ、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が予め設定されており、
夫々の反応容器にてバイオマス粉砕物を前記圧力範囲及び前記温度範囲に加圧、加熱した状態で一定時間保持した後冷却し、生成したバイオコークスを排出する一連の処理工程が行われ、該処理工程における粉砕物投入タイミングに従って前記粉砕物搬送路から該当する反応容器に所定量のバイオマス粉砕物を投入するようにしたことを特徴とするバイオマス製造方法。
前記反応容器の処理工程にて、前記加熱は前記反応容器への熱媒の供給により行われ、前記冷却は冷媒の供給により行われるようにし、
前記複数の反応容器にて、少なくとも前記加熱及び前記冷却のタイミングを反応容器毎に異ならせたことを特徴とする請求項６記載のバイオマス製造方法。