JP2010100813A - バイオコークス製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマス原料の加熱又は冷却を迅速に行い、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装置を提案する。
【解決手段】反応容器２内のバイオマス細粒体を加圧しながら温度調整手段にて加熱し、得られた半炭化或いは半炭化前固形物を冷却するバイオコークス製造装置１において、前記温度調整手段は、反応容器外周に形成された冷熱媒通路４と、該冷熱媒通路４に接続され夫々独立した熱媒循環ライン３１と冷媒循環ライン３６と、該熱媒循環ライン３１又は冷媒循環ライン３６を切り替える切替手段４１、４２、５３、５４とを備え、熱媒循環ライン３１と冷媒循環ライン３６上の夫々に、冷熱媒通路入口側の圧力を一定にする圧力制御弁３４、３８が設けられるとともに、冷熱媒通路出口側の冷熱媒流量を一定にする流量制御弁５１が設けられている。
【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製造するためのバイオコークス製造装置に関する。

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、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、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、大気中のＣＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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１．２〜１．５２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。

特公昭６１−２７４３５号公報 特開２００３−２０６４９０号公報 特許第４０８８９３３号公報

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、バイオコークスの製造において、バイオマス原料の加熱と冷却を迅速に行うことが求められており、この温度制御に時間がかかると連続運転する際に生産性が低下してしまうという懸念があった。
そこで本発明は、バイオマス原料の加熱又は冷却を迅速に行い、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装置を提案する。

上記の課題を解決するために、本発明は、バイオマス細粒体が充填される反応容器と、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、前記反応容器内の加熱又は冷却を行う温度調整手段と、を備え、
前記反応容器内のバイオマス細粒体を、略密状態にて前記加圧体で加圧しながら前記温度調整手段により加熱し、該反応容器内に生成された半炭化或いは半炭化前固形物を前記温度調整手段により冷却するバイオコークス製造装置において、
前記温度調整手段は、前記反応容器の外周に形成された冷熱媒通路と、前記冷熱媒通路に接続された熱媒循環ライン及び冷媒循環ラインと、を備え、
前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインとが冷熱媒切替弁を介して夫々独立して設けられ、
前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインは夫々、前記反応容器へ熱媒又は冷媒を供給する上流母管と、前記反応容器から熱媒又は冷媒を回収する下流母管とが接続されてなり、
前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインの夫々には、前記上流母管と下流母管の間に該上流母管の圧力を一定に維持する圧力制御弁が設けられるとともに、前記冷熱媒通路の出口側に冷熱媒流量を一定に維持する流量制御弁が設けられることを特徴とする。

本発明は、反応容器内を加熱又は冷却する温度調整手段として、反応容器外周に形成された冷熱媒通路に熱媒又は冷媒を通流させる手段とすることにより、バイオマス細粒体の加熱又は冷却を迅速に行え、また加熱から冷却、冷却から加熱への切替が円滑に行える。
さらに、夫々独立した熱媒循環ラインと冷媒循環ラインを設けて、冷熱媒通路の上流側に冷熱媒圧力を一定にする圧力制御弁を設置し、また上流母管と下流母管の間に上流母管の冷熱媒流量を一定にする流量制御弁を設置することにより、安定した冷熱媒循環システムを形成することができ、反応容器内を安定的に温度調整することが可能となる。

また、複数の前記反応容器の冷熱媒通路を直列に連結した反応容器セットを備え、
前記反応容器セットが複数基設けられ、前記複数の反応容器セットは夫々、最も上流側に位置する反応容器の冷熱媒通路入口側が前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインの上流母管に接続され、前記反応容器セットの最も下流側の冷熱媒通路出口側が前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインの下流母管に接続されることを特徴とする。
このように、複数の反応容器セットでは、反応容器を直列に連結することにより切替バルブや配管等の装置構成を簡素化できる。また、複数の反応容器セットを熱媒循環ライン及び冷媒循環ラインに並列に接続することにより、処理能力の向上が可能となる。このとき、複数の反応容器セットを並列に接続することで冷熱媒の流量や圧力が不均一になる惧れがあるが、本発明では圧力制御弁が上流母管の冷熱媒の圧力を安定化させ、各反応容器セットの冷熱媒出口の流量制御弁が流量を安定化させる構成となっているため、複数の反応容器セット及び各セットの反応容器を略均一な条件に温度調整することが可能となる。

また、好適には、前記複数の反応容器セットのうち、一部の反応容器セットを前記熱媒循環ラインに接続すると同時に他の反応容器セットを前記冷媒循環ラインに接続するようにしたことを特徴とする。
これにより、熱媒と冷媒が常時循環することとなり、熱効率を向上させることが可能となる。
さらに、前記複数の反応容器の冷熱媒通路の全てに熱媒又は冷媒（以下、冷熱媒と称する）が通流した状態で、該冷熱媒通路に通流する冷熱媒量の１／３以上の冷熱媒が前記熱媒循環ライン又は前記冷媒循環ラインに残留するように冷熱媒循環量を設定したことを特徴とする。
これにより、熱媒循環ライン又は冷媒循環ライン上流側の温度を安定させることが可能となる。

また、有底筒状の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手段により加熱しながら加圧体にて加圧成形した後、冷却してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造方法において、
前記反応容器内のバイオマス細粒体を加圧した状態で、前記反応容器の外周に形成された冷熱媒通路に熱媒循環ラインの上流母管から熱媒を供給し冷熱媒通路通過後に下流母管に排出して反応容器を加熱した後、該熱媒循環ラインを冷熱媒切替弁により冷媒循環ラインに切り替えて、前記冷熱媒通路に冷媒循環ラインの上流母管から冷媒を供給し冷熱媒通路通過後に下流母管に排出して反応容器を冷却するようにし、
前記冷熱媒の通流時に、前記上流母管と下流母管の間に設置された圧力制御弁により前記上流母管の冷熱媒圧力を一定に維持するとともに、冷熱媒出口側の流量を流量制御弁により一定に維持することを特徴とする。

さらに、複数の前記反応容器の冷熱媒通路を直列に連結した反応容器セットを備え、
前記反応容器セットが複数基設けられ、前記複数の反応容器セットでは夫々、前記熱媒循環ライン又は前記冷媒循環ラインの上流母管から送給される冷熱媒を最も上流側に位置する反応容器の冷熱媒通路に供給し、最も下流側に位置する反応容器の冷熱媒通路から排出される冷熱媒を前記熱媒循環ライン又は前記冷媒循環ラインの下流母管で回収することを特徴とする。

本発明は、反応容器内を加熱又は冷却する温度調整手段として、反応容器外周に形成された冷熱媒通路に熱媒又は冷媒を通流させる手段とすることにより、バイオマス細粒体の加熱又は冷却を迅速に行え、また加熱から冷却、冷却から加熱への切替が円滑に行える。
さらに、夫々独立した熱媒循環ラインと冷媒循環ラインを設けて、冷熱媒通路の上流側に冷熱媒圧力を一定にする圧力制御弁を設置し、また上流母管と下流母管の間に上流母管の冷熱媒流量を一定にする流量制御弁を設置することにより、安定した冷熱媒循環システムを形成することができ、反応容器内を安定的に温度調整することが可能となる。

また、複数の反応容器セットでは、反応容器を直列に連結することにより切替バルブや配管等の装置構成を簡素化できる。また、複数の反応容器セットを熱媒循環ライン及び冷媒循環ラインに並列に接続することにより、処理能力の向上が可能となる。このとき、複数の反応容器セットを並列に接続することで冷熱媒の流量や圧力が不均一になる惧れがあるが、本発明では圧力制御弁が上流母管の冷熱媒の圧力を安定化させ、各反応容器セットの冷熱媒出口の流量制御弁が流量を安定化させる構成となっているため、複数の反応容器セット及び各セットの反応容器を略均一な条件に温度調整することが可能となる。
また、複数の反応容器セットのうち、一部の反応容器セットを熱媒循環ラインに接続すると同時に他の反応容器セットを前記冷媒循環ラインに接続することにより、熱媒と冷媒が常時循環することとなり、熱効率を向上させることが可能となる。
さらにまた、複数の反応容器の冷熱媒通路の全てに通流する冷熱媒の１／３以上が熱媒循環ライン又は冷媒循環ラインに残留するように冷熱媒循環量を設定することにより、熱媒循環ライン又は冷媒循環ライン上流側の温度を安定させることが可能となる。

本発明の実施形態に係るバイオコークス製造装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る冷熱媒循環ラインを備えたバイオコークス製造装置のシステム構成図である。 本発明の実施形態に係るバイオコークス製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る充填工程の動作を説明する図である。 本発明の実施形態に係る反応工程の動作を説明する図である。 本発明の実施形態に係る排出工程の動作を説明する図である。 バイオコークスの物性値を比較する表である。

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。

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又は冷却する温度調整手段を備える。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。

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。

前記反応容器２が備える加圧手段は、加圧シリンダ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。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。

前記反応容器２が備える温度調整手段は、反応容器２の外周に熱媒又は冷媒（以下、冷熱媒と称する）を通流して内容物を加熱又は冷却する手段とする。
反応容器２は、外周にジャケットが設けられた二重管構造となっており、内筒と外筒の間に冷熱媒通路４が設けられている。冷熱媒通路４には、冷熱媒が通流し、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、後述する冷熱媒循環ラインに接続されている（図２参照）。冷熱媒通路４、冷熱媒入口４ａ、冷熱媒出口４ｂ、冷熱媒循環ラインを含み、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システムと称する。

上記した加圧用油圧機構８、排出用油圧機構１０及び冷熱媒循環システムは、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。

ここで、冷熱媒循環システムの具体的構成につき、図２を参照して以下に説明する。図２は、本発明の実施形態に係る冷熱媒循環ラインを備えたバイオコークス製造装置のシステム構成図である。
本実施形態では、反応容器２の温度制御に用いられる冷熱媒循環システム３０において、熱媒、冷媒の独立した循環ラインを夫々形成するとともに、循環ライン上流側の圧力安定手段と、各反応容器の冷熱媒出口に流量制御手段と、を設けた構成としている。

バイオコークス製造装置１は複数設けられ、各バイオコークス製造装置１の原料供給部１４は、円環状に配設された搬送コンベア２８に接続されている。該搬送コンベア２８には、サイロ２１、２２からバイオマス細粒体１１が供給される。該搬送コンベア２８上を搬送されるバイオマス細粒体１１は、原料供給部１４を介してバイオコークス製造装置１のホッパ３から反応容器２に投入される。このとき、供給量調整手段２３によって、ホッパ３に投入されるバイオマス細粒体１１の供給量が調整される。一方、バイオコークス製造装置１から排出されたバイオコークス１９は、ベルトコンベア２５により搬送される。
バイオコークス製造装置１が備える反応容器２は複数設けられ、複数の反応容器２の冷熱媒通路４が直列に接続されている。この冷熱媒通路４が直列に接続された複数の反応容器２と、これらの付随する原料供給部１４、搬送コンベア２８、後述する各バルブ、流量制御弁５１等を反応容器セットと呼ぶ。

また、バイオコークス製造装置１の冷熱媒通路４には、熱媒循環ライン３１と、冷媒循環ライン３６が接続されている。熱媒循環ライン３１と冷媒循環ライン３６は夫々独立した回路を形成している。熱媒循環ライン３１は、反応容器２へ熱媒を供給する上流母管３１ａと、反応容器２を通過して排出される熱媒を回収する下流母管３１ｂとが接続された構成となっている。同様に、冷媒循環ライン３６は、反応容器２へ冷媒を供給する上流母管３６ａと、反応容器２を通過して排出される冷媒を回収する下流母管３６ｂとが接続された構成となっている。そして、熱媒循環ライン３１と冷媒循環ライン３６の夫々には、上記した反応容器セット２００、３００、・・・が並列に複数接続されている。

熱媒循環ライン３１上には、熱媒を加熱する加熱手段３２が設けられるとともに、第１反応容器セット２００の冷熱媒入口に接続された熱媒循環ライン３１の上流母管３１ａの熱媒圧力を一定にする圧力制御バルブ３４が設けられている。該圧力制御バルブ３４は、熱媒循環ライン３１の上流母管３１ａの熱媒圧力を検出し、所定の圧力になるようにバルブ開度を制御する。同様に、冷媒循環ライン３６上には、冷媒を冷却する冷却手段３７が設けられるとともに、第１反応容器セット２００の冷熱媒入口に接続された冷媒循環ライン３６の上流母管３６ａの冷媒圧力を一定にする圧力制御バルブ３８が設けられている。該圧力制御バルブ３８は、冷媒循環ライン３６の上流母管３６ａの冷媒圧力を検出し、所定の圧力になるようにバルブ開度を制御する。
熱媒循環ライン３１又は冷媒循環ライン３６と冷熱媒通路４の入口側接続部には、夫々切替バルブ４１、４２が設けられており、反応容器２の加熱、冷却の切り替えに応じて切替バルブ４１、４２が開閉制御される。

複数のバイオコークス製造装置１において、冷熱媒通路４は直列に接続されている。即ち、一のバイオコークス製造装置１の冷熱媒通路４を通過した冷熱媒は、次のバイオコークス製造装置１の冷熱媒通路４に送給される。
全ての冷熱媒通路４を通過して排出された冷熱媒は、流量制御手段に送られる。該流量制御手段は、冷熱媒通路４の出口側における冷熱媒流量を一定にするもので、冷熱媒流量を調整する流量制御弁５１と、流量を検出する流量計５２とを備えている。また、冷熱媒通路４から熱媒循環ライン３１に接続される通路上には切替バルブ５３が設けられ、冷熱媒通路６から冷媒循環ライン３６に接続される通路上には切替バルブ５４が設けられており、上記した冷熱媒通路４の入口側に設けられた切替バルブ４１、４２と連動して開閉制御される。

このようなシステムにおいて、反応容器２を加熱する時は、制御装置１００（図１参照）により冷熱媒通路４入口側の熱媒切替バルブ４１を開、冷媒切替バルブ４２を閉に制御するとともに、冷熱媒通路４出口側の熱媒切替バルブ５３を開、冷媒切替バルブ５４を閉に制御し、加熱手段３２で所定の温度範囲まで加熱されるとともに、圧力制御バルブ３４により圧力が一定に維持された熱媒を、熱媒循環ライン３１の上流母管３１ａから各反応容器セット２００、３００、・・・の冷熱媒通路４に供給する。最上流に位置する反応容器２の冷熱媒通路４を通流した熱媒は、直列に接続された次の反応容器２の冷熱媒通路４を通流し、最後尾の反応容器４を通流した熱媒は、熱媒循環ライン３１の下流母管３１ｂに戻される。このとき、流量制御手段により熱媒流量が一定に維持され、これにより各反応容器２の温度変化が安定する。

反応容器２を加熱から冷却に切り替える時は、制御装置１００により冷熱媒通路４入口側の熱媒切替バルブ４１を閉、冷媒切替バルブ４２を開に制御するとともに、冷熱媒通路４出口側の熱媒切替バルブ５３を閉、冷媒切替バルブ５４を開に制御し、冷却手段３７で冷却されるとともに、圧力制御バルブ３８により圧力が一定に維持された冷媒を、冷媒循環ライン３６の上流母管３６ａから反応容器２の冷熱媒通路４に供給する。直列に配置される冷熱媒通路４を通過した後、流量制御手段により冷媒流量が一定となるよう制御され冷媒循環ライン３６の下流母管３６ｂに戻される。

本実施形態によれば、反応容器２内を加熱又は冷却する温度調整手段として、反応容器外周に形成された冷熱媒通路４に熱媒又は冷媒を通流させる手段とすることにより、バイオマス細粒体１１の加熱又は冷却を迅速に行え、また加熱から冷却、冷却から加熱への切替が円滑に行える。
また、夫々独立した熱媒循環ライン３１と冷媒循環ライン３６を設けて、熱媒循環ライン３１の上流母管３１ａと下流母管３１ｂの間、及び冷媒循環ライン３６の上流母管３６ａと下流母管３６ｂの間に冷熱媒圧力を一定にする圧力制御弁３４、３８を設置し、また各反応容器セット２００、３００、・・・の最も下流側に位置する反応容器出口側に冷熱媒流量を一定にする流量制御弁５１を設置することにより、安定した冷熱媒循環システムを形成することができ、反応容器２内を安定的に温度調整することが可能となる。

さらに、複数の反応容器セット２００、３００、・・・では、反応容器２を直列に連結することにより切替バルブや配管等の装置構成を簡素化できる。また、複数の反応容器セット２００、３００、・・・を熱媒循環ライン３１及び冷媒循環ライン３６に並列に接続することにより、処理能力の向上が可能となる。このとき、複数の反応容器セット２００、３００、・・・を並列に接続することで冷熱媒の流量や圧力が不均一になる惧れがあるが、本実施形態では圧力制御弁３４、３８が上流母管３１ａ、３６ａの冷熱媒の圧力を安定化させ、各反応容器セット２００、３００、・・・の冷熱媒出口の流量制御弁５１が流量を安定化させる構成となっているため、複数の反応容器セット２００、３００、・・・及び各セットの反応容器２を略均一な条件に温度調整することが可能となる。
また、複数の反応容器セット２００、３００、・・・のうち、一部の反応容器セットを熱媒循環ライン３１に接続すると同時に他の反応容器セットを前記冷媒循環ライン３６に接続することにより、熱媒と冷媒が常時循環することとなり、熱効率を向上させることが可能となる。
さらにまた、複数の反応容器２の冷熱媒通路４の全てに通流する冷熱媒の１／３以上が熱媒循環ライン３１又は冷媒循環ライン３６に残留するように冷熱媒循環量を設定することが好ましく、これにより、熱媒循環ライン３１又は冷媒循環ライン３６上流側の温度を安定させることが可能となる

次に、図３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、及び冷熱媒循環システムを起動させ（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、Ｘ_０＝０に設定する。このとき、図４（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Ｈ_０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４（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Ｐ_１とする。この時、カウンタ１０１の充填回数を＋１増加させて、Ｘ_０＝Ｘ_０＋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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１は１４ＭＰａとし、所定時間は１０秒とする。

一方、加圧シリンダ７の油圧Ｐが所定圧力Ｐ_１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４（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Ｈ_１以上であるか否か（Ｈ≧Ｈ_１）を判断する（Ｓ８）。

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Ｈ_０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Ｈ_０から目的とする高さ設定値Ｈ_１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Ｔ_１とする。そして検出された下降時間Ｔが指定時間Ｔ_１以下であるか否か（Ｔ≦Ｔ_１）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。

反応容器２内の充填位置Ｈが充填目的位置Ｈ_１に到達していない場合（Ｈ＜Ｈ_１）、若しくは加圧シリンダ７の下降時間Ｔが指定時間Ｔ_１より長い場合（Ｔ＞Ｔ_１）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Ｐ_１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４（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４（iv）に示すように、加圧シリンダ７の油圧Ｐが所定圧力Ｐ_１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Ｈ_１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。

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Ｘ_０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Ｘ_０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Ｘ_０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Ｘ_０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。

反応工程では、図５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Ｐ_２（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Ｐ_２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Ｐ_２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。

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システム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。

排出工程では、図６（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６（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）、到達した場合には底面蓋部９を閉鎖するとともに（Ｓ２２）、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を上昇端まで移動させる（Ｓ２３）。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（Ｓ２４）、運転を終了する（Ｓ２５）。停止命令が入力されていない場合には（Ｓ２４）、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。

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及び冷熱媒循環システム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。

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。

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
８、１０ 油圧機構
９ 底面蓋部
１１ バイオマス細粒体
３０ 冷熱媒循環システム
３１ 熱媒循環ライン
３１ａ 上流母管
３１ｂ 下流母管
３２ 熱媒加熱手段
３６ 冷媒循環ライン
３６ａ 上流母管
３６ｂ 下流母管
３７ 冷媒冷却手段
３４、３８ 圧力制御バルブ
４１、４２ 切替バルブ
５１ 流量制御弁
５３、５４ 切替バルブ
１００ 制御装置
２００ 第１反応容器セット
３００ 第２反応容器セット

Claims (6)

1. バイオマス細粒体が充填される反応容器と、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、前記反応容器内の加熱又は冷却を行う温度調整手段と、を備え、
   前記反応容器内のバイオマス細粒体を、略密状態にて前記加圧体で加圧しながら前記温度調整手段により加熱し、該反応容器内に生成された半炭化或いは半炭化前固形物を前記温度調整手段により冷却するバイオコークス製造装置において、
   前記温度調整手段は、前記反応容器の外周に形成された冷熱媒通路と、前記冷熱媒通路に接続された熱媒循環ライン及び冷媒循環ラインと、を備え、
   前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインとが冷熱媒切替弁を介して夫々独立して設けられ、
   前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインは夫々、前記反応容器へ熱媒又は冷媒を供給する上流母管と、前記反応容器から熱媒又は冷媒を回収する下流母管とが接続されてなり、
   前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインの夫々には、前記上流母管と下流母管の間に該上流母管の圧力を一定に維持する圧力制御弁が設けられるとともに、前記冷熱媒通路の出口側に冷熱媒流量を一定に維持する流量制御弁が設けられることを特徴とするバイオコークス製造装置。
2. 複数の前記反応容器の冷熱媒通路を直列に連結した反応容器セットを備え、
   前記反応容器セットが複数基設けられ、前記複数の反応容器セットは夫々、最も上流側に位置する反応容器の冷熱媒通路入口側が前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインの上流母管に接続され、前記反応容器セットの最も下流側の冷熱媒通路出口側が前記熱媒循環ラインと前記冷媒循環ラインの下流母管に接続され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。
3. 前記複数の反応容器セットのうち、一部の反応容器セットを前記熱媒循環ラインに接続すると同時に他の反応容器セットを前記冷媒循環ラインに接続するようにしたことを特徴とする請求項１若しくは２記載のバイオコークス製造装置。
4. 前記複数の反応容器の冷熱媒通路の全てに熱媒又は冷媒（以下、冷熱媒と称する）が通流した状態で、該冷熱媒通路に通流する冷熱媒量の１／３以上の冷熱媒が前記熱媒循環ライン又は前記冷媒循環ラインに残留するように冷熱媒循環量を設定したことを特徴とする請求項２記載のバイオコークス製造装置。
5. 有底筒状の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手段により加熱しながら加圧体にて加圧成形した後、冷却してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造方法において、
   前記反応容器内のバイオマス細粒体を加圧した状態で、前記反応容器の外周に形成された冷熱媒通路に熱媒循環ラインの上流母管から熱媒を供給し冷熱媒通路通過後に下流母管に排出して反応容器を加熱した後、該熱媒循環ラインを冷熱媒切替弁により冷媒循環ラインに切り替えて、前記冷熱媒通路に冷媒循環ラインの上流母管から冷媒を供給し冷熱媒通路通過後に下流母管に排出して反応容器を冷却するようにし、
   前記冷熱媒の通流時に、前記上流母管と下流母管の間に設置された圧力制御弁により前記上流母管の冷熱媒圧力を一定に維持するとともに、冷熱媒出口側の流量を流量制御弁により一定に維持することを特徴とするバイオコークス製造方法。
6. 複数の前記反応容器の冷熱媒通路を直列に連結した反応容器セットを備え、
   前記反応容器セットが複数基設けられ、前記複数の反応容器セットでは夫々、前記熱媒循環ライン又は前記冷媒循環ラインの上流母管から送給される冷熱媒を最も上流側に位置する反応容器の冷熱媒通路に供給し、最も下流側に位置する反応容器の冷熱媒通路から排出される冷熱媒を前記熱媒循環ライン又は前記冷媒循環ラインの下流母管で回収することを特徴とする請求項５記載のバイオコークス製造方法。

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