JP2010100815A - 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9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. 9 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、バイオマス原料を加熱しながら高圧で加圧成形するため、圧縮成形された成形体が反応容器から排出し難いという問題があった。これを解消するため、加熱後の冷却時間を長くし成形体を収縮させて排出することが行われていたが、この場合、冷却時間を通常の2倍以上確保しなければならず、生産性が低下してしまうという問題があった。
そこで本発明は、圧縮成形されたバイオコークスを反応容器から容易に排出可能で、またバイオコークスを短時間で且つ効率的に製造することが可能である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
Further, since the biomass raw material is pressure-molded at a high pressure while being heated, there is a problem that it is difficult to discharge the compression-molded molded body from the reaction vessel. In order to solve this problem, the cooling time after heating is lengthened and the compact is shrunk and discharged, but in this case, the cooling time must be ensured twice or more as usual, and productivity is increased. There was a problem that would decrease.
Therefore, the present invention proposes a bio-coke production method and apparatus that can easily discharge compressed bio-coke from a reaction vessel and can produce bio-coke in a short time and efficiently.
上記の課題を解決するために、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しながら加圧成形した後、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、
前記バイオマス細粒体を、反応容器上部から挿入した加圧体により前記圧力範囲にて加圧するとともに加熱手段により前記温度範囲に加熱して保持した後、前記加熱手段から冷却手段に切り替えて前記反応容器内に生成された成形体を冷却し、
前記加圧体の圧力を低下させて前記反応容器の底部を開放し、前記加圧体を下降させて前記開放した底部より成形体を押出し排出するようにし、
前記成形体の排出時、前記加圧体の位置を検出し、該加圧体が最下端に到達していない場合に前記成形体の排出詰まりと判断し、前記冷却手段から前記加熱手段に切り替えることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the biomass fine particles packed in a bottomed cylindrical reaction vessel are pressurized while being heated in a temperature range and a pressure range to obtain a semi-carbonized or semi-pre-carbonized solid in a substantially dense state. In the bio-coke production method for producing a bio-coke molded body by cooling after molding,
The biomass fine granule is pressurized in the pressure range by a pressurizing body inserted from the upper part of the reaction vessel and heated and held in the temperature range by a heating means, and then the reaction is switched from the heating means to the cooling means. Cool the molded body produced in the container,
Lowering the pressure of the pressure body to open the bottom of the reaction vessel, lowering the pressure body to extrude and discharge the molded body from the opened bottom,
When the molded body is discharged, the position of the pressure body is detected, and when the pressure body does not reach the lowermost end, it is determined that the molded body is discharged, and the cooling means is switched to the heating means. It is characterized by that.
本発明は、反応容器内に生成された成形体を加圧体により押出し排出するようにし、このとき加圧体の位置を検出し、加圧体が最下端に到達していない場合には成形体の排出詰まりが発生したものと判断して、冷却手段から加熱手段に切り替えて反応容器を加熱し、膨張させることによって成形体を簡単に排出することが可能となる。これにより冷却時間及び排出時間の短縮化が図れ、生産性を向上させることが可能となる。 In the present invention, the molded body generated in the reaction vessel is extruded and discharged by the pressurized body. At this time, the position of the pressurized body is detected, and when the pressurized body has not reached the lowest end, the molded body is molded. It is determined that the discharge blockage of the body has occurred, and the molded body can be easily discharged by switching from the cooling means to the heating means to heat and expand the reaction vessel. Thereby, the cooling time and the discharge time can be shortened, and the productivity can be improved.
また、前記加熱手段と前記冷却手段が、前記反応容器の外周に形成された冷熱媒流路に熱媒又は冷媒を通流させてバイオマス細粒体を加熱又は冷却する冷熱媒循環手段であり、
前記成形体の排出詰まりと判断された時に、前記冷熱媒通路に通流させていた冷媒を熱媒に切り替えることを特徴とする。
このように、前記加熱手段と前記冷却手段として冷熱媒循環手段を用いることにより、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ため、排出時間の短縮化が促進できる。
Further, the heating means and the cooling means are cooling medium circulating means for heating or cooling the biomass fine particles by passing a heating medium or a refrigerant through a cooling medium passage formed on the outer periphery of the reaction vessel,
When it is determined that the compact is discharged and clogged, the refrigerant that has been passed through the cooling medium passage is switched to the heating medium.
Thus, by using a cooling medium circulating means as the heating means and the cooling means, it is possible to quickly heat or cool the biomass fine particles, and to smoothly switch from heating to cooling and from cooling to heating. Shortening the discharge time can be promoted.
さらに、前記加熱手段に切り替えた後、前記加圧体が最下端に到達したことを検出したら前記反応容器の底部を閉止し前記加熱手段を維持した状態で次のバイオマス細粒体の充填を開始することを特徴とする。
このように、成形体を排出した後、熱媒循環を継続した状態で充填工程に移行することが好ましく、これにより排出時の冷却と昇温の工程が不要となり反応時間の短縮による生産性向上が達成できる。
Further, after switching to the heating means, when it is detected that the pressurized body has reached the lowest end, the bottom of the reaction vessel is closed and the next biomass fine particle is charged while the heating means is maintained. It is characterized by doing.
In this way, after discharging the compact, it is preferable to move to the filling process while continuing the heat medium circulation, which eliminates the need for cooling and heating processes during discharge and improves productivity by shortening the reaction time. Can be achieved.
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、
前記加圧体の高さ方向位置を検出する位置検出手段と、
前記加圧体の圧力制御と、前記加熱手段と前記冷却手段の切り替え制御と、前記反応容器の底部の開閉制御を行う制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記反応容器内の成形体を排出する際に該反応容器の底部を開放し、開放時に前記位置検出手段にて前記加圧体が最下端に到達していないと検出された場合に前記成形体の排出詰まりと判断し、前記冷却手段から前記加熱手段に切り替え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,
Position detecting means for detecting a height direction position of the pressurizing body;
A control device that performs pressure control of the pressurizing body, switching control of the heating means and the cooling means, and opening and closing control of the bottom of the reaction vessel,
The controller opens the bottom of the reaction container when discharging the molded body in the reaction container, and when the opening is opened, the position detecting means detects that the pressurizing body has not reached the lowest end. In this case, it is determined that the compact is discharged, and control is performed to switch from the cooling means to the heating means.
さらに、前記加熱手段と前記冷却手段が、前記反応容器の外周に形成された冷熱媒流路に熱媒又は冷媒を通流させて前記バイオマス細粒体を加熱又は冷却する冷熱媒循環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、前記冷却手段から前記加熱手段に切り替えた後、前記位置検出手段にて前記加圧体が最下端に到達したことを検出したら前記反応容器の底部を閉止する制御を行ない次のバイオマス細粒体の充填を開始することを特徴とする。
Further, the heating means and the cooling means are cooling medium circulation means for heating or cooling the biomass fine particles by passing a heating medium or a refrigerant through a cooling medium passage formed on the outer periphery of the reaction vessel. It is characterized by that.
Furthermore, the control device performs control for closing the bottom of the reaction vessel when the position detecting means detects that the pressurizing body has reached the lowest end after switching from the cooling means to the heating means. It is characterized by starting the filling of the next biomass fine particles.
本発明は、反応容器内に生成された成形体を加圧体により押出し排出するようにし、このとき加圧体の位置を検出し、加圧体が最下端に到達していない場合には成形体の排出詰まりが発生したものと判断して、冷却手段から加熱手段に切り替えて反応容器を加熱し、膨張させることによって成形体を簡単に排出することが可能となる。これにより冷却時間及び排出時間の短縮化が図れ、生産性を向上させることが可能となる。
また、前記加熱手段と前記冷却手段として冷熱媒循環手段を用いることにより、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ため、排出時間の短縮化が促進できる。
さらにまた、成形体を排出した後、熱媒循環を継続した状態で充填工程に移行することにより、排出時の冷却と昇温の工程が不要となり反応時間の短縮による生産性向上が達成できる。
In the present invention, the molded body generated in the reaction vessel is extruded and discharged by the pressurized body. At this time, the position of the pressurized body is detected, and when the pressurized body has not reached the lowest end, the molded body is molded. It is determined that the discharge blockage of the body has occurred, and the molded body can be easily discharged by switching from the cooling means to the heating means to heat and expand the reaction vessel. As a result, the cooling time and the discharge time can be shortened, and the productivity can be improved.
Further, by using a cooling medium circulating means as the heating means and the cooling means, the biomass fine particles can be heated or cooled quickly, and the switching from heating to cooling and from cooling to heating can be performed smoothly. Shortening of time can be promoted.
Furthermore, after the molded body is discharged, the process of the heating medium circulation is continued and then the filling process is performed, so that the cooling and temperature raising steps are not required at the time of discharging, and productivity can be improved by shortening the reaction time.
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、加圧手段が備える加圧ピストン6の高さ方向の位置を加圧ピストン6の伸び量から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移動させて排出部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をスライド移動させて排出部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、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(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、所定時間だけ加圧状態を保持できる構成となっている。
The pressurizing 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。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るようになっている。
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、冷却から加熱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 hydraulic mechanism 8, the discharging
上記した構成を備えるバイオコークス製造装置1では、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11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してバイオコークス成形体を生成する反応工程を行い、最後に反応容器2内に生成されたバイオコークス成形体を排出する排出工程を行う。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、前記排出工程において、反応容器2からバイオコークス成形体が排出されない場合に、反応容器2を加熱して膨張させ、バイオコークス成形体が円滑に排出されるようにしている。
図4は本発明の実施形態に係る排出工程のフローチャート、図5は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。
In the present embodiment, when the bio-coke compact is not discharged from the
FIG. 4 is a flowchart of the discharging process according to the embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the discharging process according to the embodiment of the present invention.
図4を参照して、排出工程において、図5(i)に示すように加圧シリンダ7の高圧を抜き(S18)、図5(ii)に示すように排出用油圧機構10を駆動して底面蓋部9をスライド移動して排出部5を開放する(S19)。次いで、加圧シリンダ7を低圧で下降側に駆動させ、反応容器2内に生成されたバイオコークス成形体19を加圧ピストン6により押出し排出する(S20)。
このとき、位置センサ20により加圧ピストン6の高さ方向位置を検出し、該検出されが加圧ピストン6の位置が下降端位置まで到達したか否かを判断し(S40)、加圧ピストン6が下降端まで到達していない場合は、バイオコークス成形体10の排出詰まりが生じているものと判断し、冷熱媒通路4に通流している冷媒を熱媒に切り替えて該熱媒を循環させ反応容器2を加熱する(S41)。反応容器2を加熱することによって反応容器2は僅かに膨張する。これにより、図5(iii)に示すようにシリンダ内のバイオコークス成形体19が円滑に排出される。
Referring to FIG. 4, in the discharging process, the high pressure of the pressure cylinder 7 is removed as shown in FIG. 5 (i) (S18), and the discharging
At this time, the
さらに、位置センサ20により加圧ピストン6の位置を検出し、該加圧ピストン6が最下端位置となったら、バイオコークス成形体19が排出されたものと判断する。このとき、制御装置100にて、熱媒を循環を維持した状態で次のバイオマス細粒体の充填を行なうように指令する加熱継続命令が入力されているか否かを判断し(S42)、加熱継続命令が有る場合には熱媒循環を維持しながら加圧シリンダ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)。
一方、加熱継続命令が無い場合には、冷熱媒通路4に通流している熱媒を冷媒に切り替えて反応容器2を冷却し(S43)、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)。このように、排出工程にて成形体を排出した後に、一旦熱媒から冷媒に切り替えてもよい。
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(S25)。停止命令が入力されていない場合には(S25)、充填工程に戻る。このとき、上記と同様に加熱継続命令が有るか否かを判断し(S27)、加熱継続命令が無い場合には(※2)で示される冷熱媒循環機構起動(S2)に戻り、熱媒継続命令が有る場合には(※3)で示される充填回数リセット(S3)に戻る。
Further, the position of the
On the other hand, when there is no heating continuation command, the heating medium flowing through the cooling medium passage 4 is switched to the refrigerant to cool the reaction vessel 2 (S43), the
When a normal operation stop command is input to the control device 100 (S25), the operation is terminated (S25). When the stop command is not input (S25), the process returns to the filling process. At this time, it is determined whether or not there is a heating continuation command in the same manner as described above (S27). If there is no heating continuation command, the process returns to the start of the cooling medium circulation mechanism (S2) indicated by (* 2). If there is a continuation command, the process returns to the filling number reset (S3) indicated by (* 3).
本実施形態によれば、バイオコークス成形体19の排出時に加圧ピストン6の位置を検出し、該加圧ピストン6が最下端に到達していない場合にはバイオコークス成形体19の排出詰まりが発生したと判断し、冷却手段から加熱手段に切り替えて反応容器2を加熱し、膨張させることによってバイオコークス成形体19を簡単に排出することが可能となる。これにより冷却時間及び排出時間の短縮化が図れ、生産性を向上させることが可能となる。また、排出工程にて成形体を排出した後、熱媒循環を継続した状態で充填工程に移行することが好ましく、これにより排出時の冷却と昇温の工程が不要となり反応時間の短縮による生産性向上が達成できる。
According to this embodiment, when the biocoke molded
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。上記した図4の工程は、図6中の※1の部分に挿入される。
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. The above-described process of FIG. 4 is inserted into the portion * 1 in 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 hydraulic mechanism 8 and the discharge
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。
次いで、排出工程を行うが、排出工程は上記した図4及び図5にて説明したため省略する。
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
Next, a discharging process is performed. Since the discharging process has been described with reference to FIGS.
この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、最後に排出工程にて加圧ピストン6を低圧で下降させてバイオコークス成形体19を押出し排出し、バイオコークス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, 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
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7
Claims (6)
前記バイオマス細粒体を、反応容器上部から挿入した加圧体により前記圧力範囲にて加圧するとともに加熱手段により前記温度範囲に加熱して保持した後、前記加熱手段から冷却手段に切り替えて前記反応容器内に生成された成形体を冷却し、
前記加圧体の圧力を低下させて前記反応容器の底部を開放し、前記加圧体を下降させて前記開放した底部より成形体を押出し排出するようにし、
前記成形体の排出時、前記加圧体の位置を検出し、該加圧体が最下端に到達していない場合に前記成形体の排出詰まりと判断し、前記冷却手段から前記加熱手段に切り替えることを特徴とするバイオコークス製造方法。 Bio-coke after pressure molding while heating in the temperature range and pressure range to obtain semi-carbonized or semi-pre-carbonized solids in the densely packed biomass granules in a bottomed cylindrical reaction vessel In the bio-coke production method for producing a molded body,
The biomass fine granule is pressurized in the pressure range by a pressurizing body inserted from the upper part of the reaction vessel and heated and held in the temperature range by a heating means, and then the reaction is switched from the heating means to the cooling means. Cool the molded body produced in the container,
Lowering the pressure of the pressure body to open the bottom of the reaction vessel, lowering the pressure body to extrude and discharge the molded body from the opened bottom,
When the molded body is discharged, the position of the pressure body is detected, and when the pressure body does not reach the lowermost end, it is determined that the molded body is discharged, and the cooling means is switched to the heating means. The bio-coke manufacturing method characterized by the above-mentioned.
前記成形体の排出詰まりと判断された時に、前記冷熱媒通路に通流させていた冷媒を熱媒に切り替え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方法。 The heating means and the cooling means are cooling medium circulating means for heating or cooling the biomass fine particles by passing a heating medium or a refrigerant through a cooling medium passage formed on the outer periphery of the reaction vessel,
The bio-coke manufacturing method according to claim 1, wherein when it is determined that the molded body is clogged, the refrigerant that has been passed through the cooling medium passage is switched to the heating medium.
前記加圧体の高さ方向位置を検出する位置検出手段と、
前記加圧体の圧力制御と、前記加熱手段と前記冷却手段の切り替え制御と、前記反応容器の底部の開閉制御を行う制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記反応容器内の成形体を排出する際に該反応容器の底部を開放し、開放時に前記位置検出手段にて前記加圧体が最下端に到達していないと検出された場合に前記成形体の排出詰まりと判断し、前記冷却手段から前記加熱手段に切り替え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:
Position detecting means for detecting a height direction position of the pressing body;
A control device that performs pressure control of the pressurizing body, switching control of the heating means and the cooling means, and opening and closing control of the bottom of the reaction vessel,
The controller opens the bottom of the reaction container when discharging the molded body in the reaction container, and when the opening is opened, the position detecting means detects that the pressurizing body has not reached the lowest end. In this case, the bio-coke producing apparatus is characterized in that it is determined that the compact is discharged and the control is switched from the cooling means to the heating means.
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