JP2010100809A - Biocoke production process and production apparatus - Google Patents
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Abstract
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製造するためのバイオコークス製造方法及び製造装置に関する。 The present invention relates to a technology for producing bio-coke using biomass as a raw material, and more particularly to a bio-coke production method and a production apparatus for producing bio-coke that can be effectively used as an alternative fuel for coal coke.
近年、地球温暖化の観点からCO2排出の削減が推進されている。特に、製鉄業界に於いて鋳造炉(キュウポラ炉)や高炉などでは、主たる燃料や還元剤に化石燃料である石炭コークスが用いられている。また、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。この化石燃料は、CO2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。 In recent years, CO 2 emission reduction has been promoted from the viewpoint of global warming. In particular, in the steel industry, coal coke, which is a fossil fuel, is used as the main fuel and reducing agent in casting furnaces (cupola furnaces) and blast furnaces. In combustion equipment such as boiler power generation, fossil fuels such as coal and heavy oil are often used as fuel. This fossil fuel causes global warming due to the problem of CO 2 emission, and its use is being regulated from the viewpoint of global environmental conservation. In addition, from the viewpoint of depletion of fossil fuels, the development and commercialization of alternative energy resources are required.
そこで、化石燃料の代替として、大気中のCO2量に影響を与えない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、農作物に基づく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し地球環境保全に貢献することができる。
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、乾留させて固体及び液体の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。
Therefore, as an alternative to fossil fuels, the use of fuel using biomass that does not affect the amount of CO 2 in the atmosphere is being promoted. Biomass is an organic substance resulting from photosynthesis, and includes biomass such as wood, vegetation, agricultural products, and moss based on agricultural products. By converting this biomass into a fuel, it is possible to effectively use the biomass as an energy source or industrial raw material and contribute to global environmental conservation.
As a method of converting biomass into fuel, a method of drying biomass into fuel, a method of pressurizing to form fuel pellets, a method of carbonizing and carbonizing to solidify and liquid fuel, and the like are known. However, simply drying the biomass makes it difficult to transport and store because the porosity is large and the specific gravity is low, so it cannot be said that it is effective as a fuel for long-distance transport or storage.
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。
On the other hand, a method for converting biomass into fuel pellets is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 61-27435). In this method, the water content of the chopped organic fiber material is adjusted to 16 to 28%, and this is compressed in a die and dried to produce fuel pellets.
Further, a method for carbonizing biomass to produce fuel is disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-206490) and the like. This method is a method in which biomass is heated at 200 to 500 ° C., preferably 250 to 400 ° C. in an oxygen-deficient atmosphere to produce a biomass semi-carbonized consolidated fuel precursor.
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。
However, in the method described in
In addition, as described in
そこで、近年石炭コークスの代替として、特許文献3(特許第4088933号公報)に基づく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に、加圧を維持した状態で冷却することにより製造される。加圧、加熱条件は、バイオマス細粒体中の主成分であるリグニン、セルロース及びヘミセルロースのうち、ヘミセルロースを熱分解させると共にセルロース及びリグニンの骨格を保持しつつ低温反応させて半炭化或いは半炭化前固形物を得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、高硬度で高圧密されたバイオコークスが製造できる。
In recent years, bio-coke based on Patent Document 3 (Japanese Patent No. 4088933) has been studied as an alternative to coal coke.
Bio-coke is produced by holding a biomass raw material under pressure and heating for a certain period of time and then cooling it while maintaining the pressure. The pressurization and heating conditions are as follows: before the semi-carbonization or semi-carbonization of the main components in the biomass fine particles, the lignin, cellulose and hemicellulose are subjected to low temperature reaction while thermally decomposing hemicellulose and retaining the skeleton of cellulose and lignin. Set the pressure range and temperature range to obtain solids. As a result, the following reaction mechanism is established, and high-hardness and high-pressure dense bio-coke can be produced.
その反応機構は、上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス細粒体の繊維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、バイオマス細粒体に含まれる自由水がこの加圧、加熱条件下での作用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、高硬度で高圧密された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。 The reaction mechanism is that the reaction is performed under the above-described conditions, so that the hemicellulose, which is the fiber component of the biomass fine particles, is thermally decomposed to develop an adhesive effect, and the free water contained in the biomass fine particles is subjected to this pressurization and heating. The lignin reacts at a low temperature while maintaining its skeleton by the action under the conditions, and acts synergistically with the compaction effect, whereby high-hardness and high-pressure compacted bio-coke can be produced. The thermosetting reaction proceeds when a reactive site is induced between phenolic polymers contained in lignin and the like.
図10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1.2〜1.52に高圧密され、最高圧縮強度20〜200MPa、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。
FIG. 10 shows a table comparing the physical properties of bio-coke with other fuels. Note that this table only describes experimentally obtained numerical values, and the present invention is not limited to these numerical values.
As shown in this table, bio-coke is densely packed with an apparent specific gravity of 1.2 to 1.52, and has a maximum compressive strength of 20 to 200 MPa and a physical property value of a calorific value of 18 to 23 MJ / kg, both in hardness and combustibility. It has excellent performance, and its raw woody biomass has an apparent specific gravity of about 0.4 to 0.6, a calorific value of about 17 MJ / kg, and a maximum compressive strength of about 30 MPa. It can be seen that this is far superior. Further, even when compared with physical properties of coal coke, apparent specific gravity of about 1.85, maximum compressive strength of about 15 MPa, and calorific value of about 29 MJ / kg, bio-coke has performance comparable to that of combustibility and hardness. Therefore, bio-coke is an effective fuel as an alternative to coal-coke and has a high utility value as a material material.
しかしながら、バイオコークスは未だ研究段階であり、特許文献3には加圧手段や加熱、冷却手段等の具体的な装置構成やその制御については開示されておらず、バイオコークスを短時間で且つ効率的に製造する技術については言及されていなかった。
また、バイオマス原料に水分が多く含まれる場合、加圧中にバイオマスからガスが発生し、この発生したガスがバイオコークスに内包され、製造されたバイオコークスが破損したり品質低下する惧れがあった。
そこで本発明は、バイオコークスにガスが内包され破損することを防止するとともに、バイオコークスを短時間で且つ効率的に製造することを可能としたバイオコークス製造方法及び装置を提案する。
However, bio-coke is still in the research stage, and
In addition, when the biomass raw material contains a lot of moisture, gas is generated from the biomass during pressurization, and the generated gas is encapsulated in the bio-coke, so that the produced bio-coke may be damaged or the quality may be deteriorated. It was.
Therefore, the present invention proposes a bio-coke production method and apparatus that can prevent gas from being included in the bio-coke and breakage, and that can produce the bio-coke in a short time and efficiently.
上記の課題を解決するために、本発明は、有底筒状の反応容器にバイオマス細粒体を充填する充填工程と、前記反応容器に充填したバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形する反応工程と、を備えたバイオコークス製造方法において、
前記反応工程にて、前記反応容器内を上下摺動する加圧体により前記圧力範囲となるようにバイオマス細粒体を加圧し、この加圧時に、前記加圧体を駆動する流体圧シリンダの背圧を検知し、該検知した背圧が予め設定された許容範囲よりも大きい場合、前記加圧体を上昇させてバイオマス細粒体のガス抜きを行うことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention includes a filling step of filling a bottomed cylindrical reaction vessel with biomass fine particles, and semi-carbonizing the biomass fine particles filled into the reaction vessel in a substantially dense state. Alternatively, in a bio-coke production method comprising: a reaction step of pressure molding while heating in a temperature range and a pressure range to obtain a semi-carbonized solid product,
In the reaction step, the biomass fine particles are pressurized so as to be in the pressure range by a pressurizing body that slides up and down in the reaction vessel, and at this pressurization, a fluid pressure cylinder that drives the pressurizing body Back pressure is detected, and when the detected back pressure is larger than a preset allowable range, the pressurized body is raised to degas the biomass fine particles.
本発明では、流体圧シリンダの背圧発生を検知し、検知された背圧が予め設定された許容範囲より大きい場合には、加圧成形されているバイオマス細粒体中にガスが発生して背圧が上昇したものと判断し、加圧体を上昇させてガス抜き処理を行うようにしている。これにより、製造されたバイオコークスにガスが内包されて破損することを防止し、割れが少なく高品質のバイオコークスが製造可能となる。 In the present invention, when the back pressure generation of the fluid pressure cylinder is detected, and the detected back pressure is larger than a preset allowable range, gas is generated in the biomass granule that is pressure-molded. It is determined that the back pressure has increased, and the pressurizing body is raised to perform the degassing process. Thereby, it is possible to prevent gas from being included in the manufactured bio-coke and to break it, and it is possible to manufacture high-quality bio-coke with few cracks.
また、前記加圧体の上昇時間を計測し、該計測された時間が所定の設定時間を経過したら前記加圧体を再度下降させ、前記加圧体の圧力を前記圧力範囲に戻すことを特徴とする。
このように、所定の設定時間経過後に加圧体を下降して通常運転を再開させることにより、ガス抜き処理を終えた後に円滑に通常運転に戻ることが可能となる。
Further, the rising time of the pressure body is measured, and when the measured time has passed a predetermined set time, the pressure body is lowered again to return the pressure of the pressure body to the pressure range. And
In this manner, by lowering the pressure body after a predetermined set time has elapsed and restarting the normal operation, it is possible to smoothly return to the normal operation after the degassing process.
さらに、前記充填工程では、前記反応容器にバイオマス細粒体を投入した後、前記反応容器の上部から前記加圧体を下降させ該加圧体により前記圧力範囲より低圧でバイオマス細粒体を充填時加圧することを特徴とする。
バイオマスは細粒体状で反応容器に投入されるため嵩密度が低く、そのままの状態だと反応容器の容積を大きくしなければならないが、本構成のように充填工程にて加圧体により低圧で充填時加圧を行うことで、より多くのバイオマス細粒体を投入することが可能となり、反応容器の小型化が可能となる。
Further, in the filling step, after the biomass fine particles are charged into the reaction vessel, the pressurized body is lowered from the upper part of the reaction vessel and filled with the biomass fine particles at a pressure lower than the pressure range by the pressurized body. It is characterized by pressurizing.
Biomass is in the form of fine particles and is charged into the reaction vessel, so the bulk density is low. If it is left as it is, the volume of the reaction vessel must be increased. By performing the pressurization at the time of filling, it becomes possible to introduce more biomass fine particles, and the reaction vessel can be miniaturized.
また、バイオマス細粒体が充填される有底筒状の反応容器と、前記反応容器内のバイオマス細粒体を加圧する加圧体と、前記バイオマス細粒体を加熱する加熱手段と、前記バイオマス細粒体を略密状態にて前記加熱手段と前記加圧体により半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形して得られた成形体を冷却する冷却手段と、を備えたバイオコークス製造装置において、
前記加圧体を駆動する流体圧シリンダの背圧を検知する背圧検知手段と、前記加圧体の圧力制御を行う制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記背圧検知手段で検知された背圧が予め設定された許容範囲よりも大きい場合、前記加圧体を上昇させる制御を行うことを特徴とする。
Also, a bottomed cylindrical reaction vessel filled with biomass fine particles, a pressure body that pressurizes the biomass fine particles in the reaction vessel, a heating means that heats the biomass fine particles, and the biomass Cooling the molded body obtained by pressure molding while heating the fine granules in a substantially dense state while heating in the temperature range and pressure range to obtain a semi-carbonized or pre-semi-carbonized solid by the heating means and the pressure body. In a bio-coke production apparatus comprising a cooling means,
A back pressure detecting means for detecting a back pressure of a fluid pressure cylinder for driving the pressurizing body, and a control device for controlling the pressure of the pressurizing body,
When the back pressure detected by the back pressure detecting means is larger than a preset allowable range, the control device performs control to raise the pressurizing body.
また、前記制御装置は、前記加圧体の上昇時間を計測するタイマを備え、該タイマにより計測された時間が所定の設定時間を経過したら前記加圧体を再度下降させて該加圧体の圧力を前記圧力範囲に戻す制御を行うことを特徴とする。
さらに、前記流体圧シリンダの作動流体の給排を制御する電磁制御弁と、該電磁制御弁と前記加圧シリンダの背圧室の間の作動流体通路に配置される逆止弁と、を備え、
前記背圧検知手段は、前記逆止弁の圧力を検知する手段であることを特徴とする。
さらにまた、前記制御装置は、前記バイオマス細粒体に付与する加圧力を、前記圧力範囲より低圧で前記バイオマス細粒体を充填時加圧する第1の圧力段階と前記充填時加圧したバイオマス細粒体を前記圧力範囲で加圧する第2の圧力段階とに圧力制御するとともに、
前記加圧体の第2の圧力段階にて前記加熱手段を作動させ、半炭化或いは半炭化前固形物が生成した後に前記加熱手段から前記冷却手段に切り替える制御を行なうことを特徴とする。
Further, the control device includes a timer for measuring the rising time of the pressurizing body, and when the time measured by the timer has passed a predetermined set time, the pressurizing body is lowered again to Control is performed to return the pressure to the pressure range.
And an electromagnetic control valve for controlling supply and discharge of the working fluid of the fluid pressure cylinder, and a check valve disposed in a working fluid passage between the electromagnetic control valve and a back pressure chamber of the pressurizing cylinder. ,
The back pressure detecting means is means for detecting the pressure of the check valve.
Furthermore, the control device is configured to apply a pressure applied to the biomass fine particles at a pressure lower than the pressure range at the time of filling the biomass fine particles at the time of filling and the biomass fine particles pressurized at the time of filling. While controlling the pressure to a second pressure stage that pressurizes the granules in the pressure range,
The heating means is operated at the second pressure stage of the pressurizing body, and control is performed to switch from the heating means to the cooling means after the semi-carbonized or semi-carbonized solid is generated.
本発明は、流体圧シリンダの背圧発生を検知し、検知された背圧が予め設定された許容範囲より大きい場合には、加圧成形されているバイオマス細粒体中にガスが発生して背圧が上昇したものと判断し、加圧体を上昇させてガス抜き処理を行うようにしている。これにより、製造されたバイオコークスにガスが内包されて破損することを防止し、割れが少なく高品質のバイオコークスが製造可能となる。
また、加圧体を上昇させたら所定の設定時間経過後に加圧体を下降して通常運転を再開させることにより、ガス抜き処理を終えた後に円滑に通常運転に戻ることが可能となる。
さらに、充填工程にて加圧体により低圧で充填時加圧を行うことで、より多くのバイオマス細粒体を投入することが可能となり、反応容器の小型化が可能となる。
The present invention detects the occurrence of back pressure in the fluid pressure cylinder, and if the detected back pressure is larger than a preset allowable range, gas is generated in the biomass granules that are pressure-molded. It is determined that the back pressure has increased, and the pressurizing body is raised to perform the degassing process. As a result, it is possible to prevent gas from being included in the manufactured bio-coke and break it, and it is possible to manufacture high-quality bio-coke with few cracks.
Further, when the pressurizing body is raised, the pressurizing body is lowered after a predetermined set time has elapsed and normal operation is resumed, so that it is possible to smoothly return to normal operation after the degassing process is completed.
Furthermore, by performing pressurization at a low pressure with a pressurized body in the filling step, it becomes possible to introduce more biomass fine particles, and the reaction vessel can be miniaturized.
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の種類、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、単なる説明例にすぎない。
本実施形態において、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、コーヒー滓や茶滓等の厨芥廃棄物等が挙げられる。
本実施形態では、必要に応じて所定の含水率になるように水分調整されたバイオマス細粒体を原料としている。バイオマス細粒体は、茶滓やコーヒー滓等のように小粒径のバイオマスをそのまま用いてもよいし、廃木材等の大粒径のバイオマスを予め所定粒径以下まで粉砕したものであってもよい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the types of components described in this embodiment, the relative arrangement thereof, and the like are not merely intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples, unless otherwise specified.
In the present embodiment, the biomass that is the raw material for bio-coke is an organic substance resulting from photosynthesis, and is biomass such as wood, plants, crops, and moss. For example, waste wood, thinned wood, pruned branches, etc. , Plants, agricultural waste, and coffee waste such as coffee and tea.
In the present embodiment, biomass fine particles whose water content is adjusted so as to have a predetermined moisture content as required are used as raw materials. The biomass fine granule may be a small particle size biomass such as a teacup or coffee koji, or may be obtained by previously pulverizing a large particle size biomass such as waste wood to a predetermined particle size or less. Also good.
まず、図1を参照して、本実施形態に係るバイオコークス製造装置の全体構成を説明する。
図1に示すように、バイオコークス製造装置1はバイオマス細粒体11が投入される円筒形の反応容器2を有している。該反応容器2の上部にはバイオマス細粒体11を受け入れる漏斗状のホッパ3が設けられ、下端には成形されたバイオコークスを排出する排出部5が設けられている。また、反応容器2は、内容物を所定温度まで加熱する加熱手段と、加熱後に内容物を冷却する冷却手段とを備える。さらに、反応容器2の上方には、該シリンダ2内のバイオマス細粒体11を所定圧力まで加圧する加圧手段が設けられている。さらにまた、加圧ピストン6の上下方向の位置を加圧ピストン6の伸び量で検出する位置センサ20が設けられていることが好ましい。
First, with reference to FIG. 1, the whole structure of the bio-coke manufacturing apparatus which concerns on this embodiment is demonstrated.
As shown in FIG. 1, the
次いで、各装置、部位の詳細な構成を以下に記載する。
前記反応容器2の上部に設けられたホッパ3は、該ホッパ3にバイオマス細粒体11を供給する原料供給部(不図示)を備えている。該原料供給部は、バイオマス細粒体11を定量計量してホッパ3に投入する装置であってもよいし、又はバイオマス細粒体11をホッパ3に連続投入する装置であってもよい。
前記反応容器2の排出部5は反応容器2の径と同一径の開口からなり、その下方には該排出部5を開閉する排出装置が設けられている。該排出装置は、排出部5を封止する底面蓋部9と、該底面蓋部9を水平方向にスライドさせて排出部5の封止、開放を制御する排出用油圧機構10とから構成される。この排出装置は、反応容器2内にて反応工程が終了した後に、油圧機構10を駆動させ底面蓋部9をスライドさせて排出部5を開放し、シリンダ2内のバイオコークスを落下させて排出するようになっている。
Next, the detailed configuration of each device and part will be described below.
The
The
前記反応容器2が備える加圧手段は、流体圧シリンダ(以下、加圧シリンダと称する)7により駆動されて反応容器2の内周面を上下摺動する加圧ピストン(加圧体)6と、該加圧シリンダ7内の作動油の給排を制御する加圧用油圧機構8とからなる(図2参照)。加圧ピストン6及び加圧シリンダ7は、反応容器2と同軸上に配置される。加圧ピストン6は、反応容器2の底面付近まで下降する。該加圧ピストン6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。
The pressure means provided in the
図2に、加圧用油圧機構の油圧回路図の一例を示す。加圧シリンダ7に供給される作動油は、ポンプ77によりタンク76から汲み上げられ、電磁弁78により供給量を制御されて加圧シリンダ7に供給される。該電磁弁78は制御装置100により開度制御され、この開度に基づいて加圧ピストン6の圧力値が調整されるようになっている。加圧ピストン6の圧力段階は、バイオマス細粒体11を反応させて半炭化或いは半炭化前固形物を得る圧力範囲より低圧で、バイオマス細粒体11を充填時加圧する第1の圧力段階P1と、充填時加圧したバイオマス細粒体11を前記圧力範囲で加圧する第2の圧力段階P2と、の少なくとも2段階を有する。
また、電磁弁78と加圧シリンダ7の間の作動油通路には逆止弁71、72が設けられている。このうち、電磁弁78と加圧シリンダ7の背圧室7aの間の作動油通路に配置された逆止弁72の作動油圧力が圧力検知センサ75によって背圧として検知され、制御装置100に入力される。ここで検知された背圧は、後述するガス抜き処理に用いられる。
FIG. 2 shows an example of a hydraulic circuit diagram of the pressurizing hydraulic mechanism. The hydraulic oil supplied to the pressurizing cylinder 7 is pumped up from the
In addition,
図1に戻り、前記反応容器2が備える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。本実施形態では、温度調整手段として、反応容器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4を設けた構成としている。冷熱媒通路4には、熱媒若しくは冷媒(以後、冷熱媒と称する)が通流し、該冷熱媒による伝熱によりシリンダ内筒に充填されたバイオマス細粒体11に熱エネルギの授受を行うようになっている。冷熱媒通路4の下方側には冷熱媒入口4aが設けられ、上方側には冷熱媒出口4bが設けられている。これらの冷熱媒入口4a及び冷熱媒出口4bは、後述する冷熱媒回路に接続されている(図3参照)。冷熱媒通路4、冷熱媒入口4a、冷熱媒出口4b、冷熱媒回路を含み、冷熱媒の切り替えにより反応容器2の温度制御を行う機構を冷熱媒循環機構と称する。
Returning to FIG. 1, the heating means and the cooling means provided in the
図3を参照して、冷熱媒循環機構が備える冷熱媒回路30の一例につき説明する。この冷熱媒回路30を用いることにより、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可能であるが、もちろん他の構成の冷熱媒回路を用いてもよい。この冷熱媒回路30では、冷媒及び熱媒にシリコンオイルを用いることが好ましい。
反応容器2の冷熱媒入口4aと出口4b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4b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N2ボンベからN2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2の加熱時には、三方バルブ45、46を制御することにより熱媒タンク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4(反応容器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。
With reference to FIG. 3, an example of the cooling
The cooling
The heat
Using such a configuration, when the
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、好適には冷媒戻りライン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。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、これにより冷媒タンク35出口の冷媒温度変化を軽減し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2の冷却時には、三方バルブ45、46を制御することにより冷媒タンク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4(反応容器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。
このように、反応容器2内のバイオマス細粒体11の加熱手段、冷却手段として、冷熱媒回路30を備えた冷熱媒循環機構を用いることにより、バイオマス細粒体11の加熱又は冷却が迅速に行え、また加熱から冷却への切替を円滑に行うことが可能となる。
The
Furthermore, a
Using such a configuration, when the
As described above, by using the cooling medium circulation mechanism including the cooling
図1に戻り、上記した加圧用油圧機構8、排出用油圧機構10及び冷熱媒循環機構は、制御装置100により制御される。該制御装置100は、中央処理装置
(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。さらに、制御装置100は、加圧用油圧機構8の加圧ピストン6の充填回数等をカウントするカウンタ101、所定の制御における継続時間を計測するタイマ102を備えている。
Returning to FIG. 1, the pressurizing
上記した構成を備えるバイオコークス製造装置1にて、反応容器2内にバイオマス細粒体11を充填して充填時加圧する充填工程を行った後、バイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形して一定時間保持し、加圧を維持した状態で冷却する反応工程を行い、バイオコークスを製造する。前記温度範囲、圧力範囲は、バイオマス細粒体中の主成分であるリグニン、セルロース及びヘミセルロースのうち、ヘミセルロースを熱分解させると共にセルロース及びリグニンの骨格を保持しつつ低温反応させて半炭化或いは半炭化前固形物を得る圧力範囲及び温度範囲とする。即ち、前記バイオマス細粒体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温度範囲及び圧力範囲である。
In the
本実施形態は、前記反応工程において、加圧シリンダ7の背圧を検知し、該検知した背圧が予め設定された許容範囲よりも大きい場合に、加圧ピストン6を上昇させてバイオマス細粒体11をガス抜きするガス抜き処理を行うようになっている。
図4は本発明の実施形態に係るガス抜き処理を備えた反応工程のフローチャート、図5は本発明の実施形態に係るガス抜き処理の動作を説明する図である。
In the present embodiment, in the reaction step, the back pressure of the pressure cylinder 7 is detected, and when the detected back pressure is larger than a preset allowable range, the
FIG. 4 is a flowchart of a reaction process including the degassing process according to the embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the degassing process according to the embodiment of the present invention.
図4を参照して、加圧シリンダ7を高圧にて下降側に駆動し、図5(i)に示すように加圧ピストン6を下降させ(S13)、反応容器2の冷熱媒通路4へ熱媒の循環を開始し(S14)、バイオマス細粒体11を反応させる。このとき、圧力検知センサ75(図2参照)により加圧シリンダ7の背圧を検知し、加圧シリンダ圧pが予め設定された許容圧力p1以上となるか否かを監視する(S30)。加圧シリンダ圧pが許容圧力p1未満である場合は、熱媒循環及び加圧シリンダ圧pを前記圧力範囲に維持し、通常運転を続行うする。
Referring to FIG. 4, the pressurizing cylinder 7 is driven to the lower side at a high pressure, and the
一方、加圧シリンダ圧pが所定圧力p1以上である場合は、加圧中のバイオマス細粒体11内に異常な反応により発生したガスが溜まり圧力が上昇しているものと推測し、ガス抜き処理を行う。ガス抜き処理は、図5(ii)に示すように加圧ピストン6を僅かに上昇させ(S31)、所定時間だけ保持してガス抜きを行った後、図5(iii)に示すように再度加圧ピストン6を下降して前記圧力範囲まで戻す(S32)。加圧ピストン6を上昇させた時に、制御装置100のタイマ102により経過時間を計測し、該計測された時間が所定の設定時間を経過したら加圧ピストン6を再度下降させるとよい。具体的には、前記設定時間を30秒〜90秒、好適には60秒程度とする。また、加圧ピストン6の上昇量は30〜60mm、好適には50mm程度とする。さらにまた、背圧の許容圧力p1は、18MPaとすることが好ましい。
On the other hand, if the pressing cylinder pressure p is a predetermined pressure p 1 or more, and assumed that the gas reservoir pressure generated by
反応工程では加圧シリンダ7の背圧を常時監視しておき、検知された背圧が許容範囲を超えたらその都度ガス抜き処理を行うようにする。
このように本実施形態によれば、加圧シリンダ7の背圧発生を検知し、検知された背圧が予め設定された許容範囲より大きい場合には、加圧成形されているバイオマス細粒体11中にガスが発生して背圧が上昇したものと判断し、加圧ピストン6を上昇させてガス抜き処理を行う。これにより、製造されたバイオコークスにガスが内包されて破損することを防止し、割れが少なく高品質のバイオコークスが製造可能となる。
In the reaction process, the back pressure of the pressurizing cylinder 7 is constantly monitored, and when the detected back pressure exceeds the allowable range, the degassing process is performed each time.
As described above, according to this embodiment, when the back pressure generation of the pressure cylinder 7 is detected and the detected back pressure is larger than a preset allowable range, the biomass fine particles that are pressure-molded 11, it is determined that gas has been generated and the back pressure has increased, and the
次に、図6を参照して、バイオコークス製造方法の全工程のフローを説明する。
まず、充填工程において、制御装置100により充填操作を起動させる(S1)。これは、加圧用油圧機構8や排出用油圧機構10を含む各油圧機構、及び冷熱媒循環機構を起動させ(S2)、カウンタ101の充填回数をリセットする(S3)。即ち、充填回数をX(回)とすると、X0=0に設定する。このとき、図7(i)に示すように、加圧ピストン6は反応容器2上部の初期位置H0に設定しておく。
そして、原料であるバイオマス細粒体11をホッパ部3より反応容器2内に投入する(S4)。バイオマス細粒体11を投入後、図7(ii)に示すように、加圧用油圧機構8により加圧シリンダ7を低圧で下降側に駆動して加圧ピストン6を下降させる(S5)。低圧下降時の圧力は、後述する反応工程の圧力より低い第1の圧力段階P1とする。この時、カウンタ101の充填回数を+1増加させて、X0=X0+1とする(S6)。低圧下降時に制御装置100では、加圧シリンダ7の油圧Pが予め設定された所定圧力P1より大きいか否かを監視する(S7)。加圧シリンダ7の油圧Pが所定圧力P1以下の状態にて、タイマ102にて計測される加圧時間が予め設定された所定時間以上経過した場合は、S5に戻り再度加圧シリンダ7を下降側に駆動する。好適には、充填時加圧を行う第1段階の圧力P1は14MPaとし、所定時間は10秒とする。
Next, the flow of all the steps of the bio-coke manufacturing method will be described with reference to FIG.
First, in the filling process, the filling operation is started by the control device 100 (S1). This starts each hydraulic mechanism including the pressurizing
And the biomass
一方、加圧シリンダ7の油圧Pが所定圧力P1より大きい状態で所定時間以上経過した場合は、次いで反応容器2内のバイオマス細粒体11の充填量を検出する。これは、バイオコークスを目的とする大きさに成型するために行われる。
バイオマス細粒体11の充填量検出は以下のように行う。
図7(ii)に示すように、位置センサ20により下降時の加圧ピストン6の高さ方向位置Hを検出する。そして、検出された高さ方向位置Hが、目的とする高さ設定値H1以上であるか否か(H≧H1)を判断する(S8)。
On the other hand, the hydraulic pressure P of the pressure cylinder 7 is if older than a predetermined time at a predetermined pressure P 1 is greater than the state, then it detects the filling amount of biomass granulates 11 in the
The filling amount detection of the
As shown in FIG. 7 (ii), the
また、バイオマス細粒体11の充填量検出の別の方法として、加圧ピストン6が初期位置H0から加圧時の高さ方向位置Hまで下降する下降時間Tをタイマ102により検出して充填量を推定するようにしてもよい。この場合、予め初期位置H0から目的とする高さ設定値H1までの加圧ピストン6の下降時間を取得しておき、これを指定時間T1とする。そして検出された下降時間Tが指定時間T1以下であるか否か(T≦T1)を判断する(S8)。
このように、位置センサ20又は加圧ピストン6の下降時間Tを用いることにより、簡単にバイオマス細粒体11の充填量を検出することが可能となる。特に、位置センサ20を用いる場合は精度の高い検出が可能となり、下降時間Tを用いる場合は装置を安価にできる。
Another method of loading detection of
As described above, by using the descent time T of the
反応容器2内の充填位置Hが充填目的位置H1に到達していない場合(H<H1)、若しくは加圧シリンダ7の下降時間Tが指定時間T1より長い場合(T>T1)は、充填量が不足していると判断し、加圧シリンダ7を上昇側に駆動し(S11)、加圧シリンダ7の油圧Pが所定圧力P1より大きいか否かを判断し(S12)、大きい場合にはS11に戻りさらに加圧シリンダ7を上昇側に駆動し、小さい場合には図7(iii)に示すように再度バイオマス細粒体11を投入して(S4)、S4以降の加圧シリンダ7の充填工程を繰り返し行う。この操作は、図7(iv)に示すように、加圧シリンダ7の油圧Pが所定圧力P1より大きく、且つバイオマス細粒体11の充填量が予め設定された充填量設定値H1以上となったら終了する。
上記したように充填工程を行うことにより、反応容器2にバイオマス細粒体11を投入する際に予め計量する必要がなく、一定の大きさのバイオコークスを得ることが可能となる。また、バイオマスは細粒体状で反応容器2に投入されるため嵩密度が低く、そのままの状態だと反応容器2の容積を大きくしなければならないが、充填工程にて加圧ピストン6により低圧で充填時加圧を行うことで、より多くのバイオマス細粒体11を投入することが可能となり、反応容器2の小型化が可能となる。
When the filling position H in the
By performing the filling step as described above, it is not necessary to measure the
S8にて反応容器2内のバイオマス細粒体11が目的とする充填量に達していると検出された場合には、カウンタ101にてカウントされる充填回数X0が所定の充填回数Xa未満であるか否かを判断し(S9)、充填回数X0が所定の充填回数Xa未満である場合には、加圧ピストン6が反応容器2の入口付近に引っかかるなどの異常が発生した事により加圧ピストン6が適切に下降しなかったものと推測し、装置を停止する(S10)。充填回数X0が所定の充填回数Xa以上である場合には、反応工程に移行する。このように、カウンタ101にて充填回数X0をカウントすることにより、充填時加圧における異常を簡単に且つリアルタイムで把握することが可能となる。
If the
反応工程では、図8に示すように、加圧シリンダ7を高圧にて下降側に駆動して加圧ピストン6を下降させ(S13)、バイオマス細粒体11を反応させるために必要とされる所定の圧力範囲P2(第2の圧力段階)で該バイオマス細粒体11を加圧する。また、熱媒を反応容器2の冷熱媒通路4に循環させ所定の温度範囲でバイオマス細粒体11を加熱する(S14)。所定の圧力範囲P2は、上記したようにバイオマス細粒体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。好適には、圧力範囲P2を8〜25MPa、温度範囲を115〜230℃とする。反応容器2内のバイオマス細粒体11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。
In the reaction step, as shown in FIG. 8, the pressure cylinder 7 is driven to the lower side at a high pressure to lower the pressure piston 6 (S13), and is required for reacting the
このとき、図4及び図5に示したガス抜き処理(※1)を行う。ガス抜き処理については上記したため、ここでは説明を省略する。
そして、タイマ102にて熱媒循環時間が終了したか否かを判断し(S15)、終了したら冷熱媒循環機構を熱媒から冷媒に切り替えて、冷熱媒通路4への冷媒循環を開始する(S16)。同様にタイマ102にて冷媒循環時間が終了したか否かを判断し(S17)、終了したら冷媒循環を停止し、排出工程に移行する。
At this time, the degassing process (* 1) shown in FIGS. 4 and 5 is performed. Since the degassing process has been described above, the description thereof is omitted here.
Then, it is determined whether or not the heat medium circulation time has ended in the timer 102 (S15). When the heat medium circulation time has ended, the cooling medium circulation mechanism is switched from the heating medium to the refrigerant, and the refrigerant circulation to the cooling medium passage 4 is started ( S16). Similarly, it is determined by the
排出工程では、図9(i)に示すように、加圧シリンダ7の高圧を抜き(S18)排出用油圧機構10を駆動して底面蓋部9をスライドして排出部5を開放する(S19)。次いで、図9(ii)に示すように加圧シリンダ7を低圧で下降側に駆動させ、反応容器2内に製造されたバイオコークス19を加圧ピストン6により押出し排出する(S20)。これにより、反応容器2内に圧密して形成されたバイオコークス19を容易に排出可能となる。
このとき、位置センサ20により検出される加圧ピストン6の位置が下降端位置まで到達したか否かを判断し(S21)、到達した場合には加圧シリンダ7を低圧で上昇側に駆動させ加圧ピストン6を上昇させる(S22)とともに底面蓋部9を閉鎖し(S23)、加圧ピストン6を上昇端まで移動させる(S24)。そして、制御装置100に通常運転停止命令が入力された場合には(S25)、運転を終了する(S26)。停止命令が入力されていない場合には(S25)、S3まで戻り、充填回数をリセットした後、原料投入(S4)移行のステップを繰り返し行う。
In the discharging step, as shown in FIG. 9 (i), the high pressure of the pressurizing cylinder 7 is removed (S18), the discharging
At this time, it is determined whether or not the position of the
上記したように本実施形態では、充填工程にて、先ず加圧ピストン6を低圧の第1の圧力段階で作動させてバイオマス細粒体11の充填時加圧を行い、次いで反応工程で加圧ピストン6の圧力を上昇させるとともにこれに連動させて冷熱媒通路4に熱媒を通流させ、反応容器2内でバイオマス細粒体11を略密閉状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲(第2の圧力段階)で加圧しながら加熱し、所定時間保持した後に、加圧状態は保持したまま冷熱媒通路4を熱媒から冷媒に切り替えて冷却を行い、バイオコークス成形体19を製造するようにしている。このように、制御装置100により加圧用油圧機構8、排出用油圧機構10及び冷熱媒循環機構を連動させて制御することにより、短時間で且つ効率的にバイオコークスを製造することが可能となる。
As described above, in the present embodiment, in the filling step, first, the
本実施形態に係るバイオコークス製造装置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密度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、本実施形態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、キュポラ炉、高炉等における熱源・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。 By using the bio-coke production apparatus according to this embodiment, it is possible to efficiently produce high-hardness and high-density bio-coke that can be used as an alternative to coal coke. In addition, the bio-coke produced in the present embodiment can be used as a heat source / reducing agent in a cupola furnace, a blast furnace, etc. in casting production or iron production, and also as a fired fuel such as boiler fuel for power generation and slaked lime. It can also be used for fuel demand, and can be used as a material material by utilizing characteristics such as higher compressive strength.
1 バイオコークス製造装置
2 反応容器
4 冷熱媒通路
6 加圧ピストン(加圧体)
7 加圧シリンダ
8、10 油圧機構
9 底面蓋部
11 バイオマス細粒体
20 位置センサ
30 冷熱媒回路
75 圧力検知センサ
100 制御装置
101 カウンタ
102 タイマ
DESCRIPTION OF
7
Claims (7)
前記反応工程にて、前記反応容器内を上下摺動する加圧体により前記圧力範囲となるようにバイオマス細粒体を加圧し、この加圧時に、前記加圧体を駆動する流体圧シリンダの背圧を検知し、該検知した背圧が予め設定された許容範囲よりも大きい場合、前記加圧体を上昇させてバイオマス細粒体のガス抜きを行うことを特徴とするバイオコークス製造方法。 A filling step of filling the bottomed cylindrical reaction vessel with the biomass fine particles, and a temperature range and a pressure range in which the biomass fine particles filled in the reaction vessel are semi-carbonized or pre-semi-carbonized to obtain a solid before semi-carbonization. In the bio-coke manufacturing method, comprising a reaction step of pressure molding while heating at
In the reaction step, the biomass fine particles are pressurized so as to be in the pressure range by a pressurizing body that slides up and down in the reaction vessel, and at this pressurization, a fluid pressure cylinder that drives the pressurizing body A method for producing bio-coke, wherein a back pressure is detected, and when the detected back pressure is larger than a preset allowable range, the pressurized body is raised to degas the biomass fine particles.
前記加圧体を駆動する流体圧シリンダの背圧を検知する背圧検知手段と、前記加圧体の圧力制御を行う制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記背圧検知手段で検知された背圧が予め設定された許容範囲よりも大きい場合、前記加圧体を上昇させる制御を行うことを特徴とするバイオコークス製造装置。 A bottomed cylindrical reaction vessel filled with biomass fine particles, a pressure body for pressurizing the biomass fine particles in the reaction vessel, a heating means for heating the biomass fine particles, and the biomass fine particles Cooling means for cooling a molded body obtained by pressure molding while heating in a temperature range and a pressure range to obtain a semi-carbonized or semi-carbonized solid body by the heating means and the pressure body in a substantially dense state In a bio-coke production apparatus comprising:
A back pressure detecting means for detecting a back pressure of a fluid pressure cylinder for driving the pressurizing body, and a control device for controlling the pressure of the pressurizing body,
The said control apparatus performs the control which raises the said pressurization body, when the back pressure detected by the said back pressure detection means is larger than the preset tolerance | permissible_range, The bio-coke manufacturing apparatus characterized by the above-mentioned.
前記背圧検知手段は、前記逆止弁の圧力を検知する手段であることを特徴とする請求項4記載のバイオコークス製造装置。 An electromagnetic control valve for controlling supply and discharge of the working fluid to and from the fluid pressure cylinder, and a check valve disposed in a working fluid passage between the electromagnetic control valve and a back pressure chamber of the fluid pressure cylinder,
The bio-coke manufacturing apparatus according to claim 4, wherein the back pressure detection means is means for detecting the pressure of the check valve.
前記加圧体の第2の圧力段階にて前記加熱手段を作動させ、半炭化或いは半炭化前固形物が生成した後に前記加熱手段から前記冷却手段に切り替える制御を行なうことを特徴とする請求項4記載のバイオコークス製造装置。 The control device includes a first pressure stage in which the pressure applied to the biomass fine particles is pressurized when filling the biomass fine particles at a pressure lower than the pressure range and the biomass fine particles pressurized during the filling. While controlling the pressure to the second pressure stage to pressurize in the pressure range,
The heating means is operated in a second pressure stage of the pressurizing body, and control is performed to switch from the heating means to the cooling means after the semi-carbonized or pre-semi-carbonized solid is generated. 4. The bio-coke production apparatus according to 4.
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