JP2010163509A - バイオマス燃料の製造方法及びバイオマス燃料 - Google Patents

Abstract

【課題】１９５℃以下の低温域の排ガスを利用した場合においても、燃焼効率を十分に確保することができるバイオマス燃料を製造することが可能なバイオマス燃料の製造方法、及び、このバイオマス燃料の製造方法により得られたバイオマス燃料を提供する。
【解決手段】本発明のバイオマス燃料の製造方法は、乾燥粉砕機２３にバイオマス系廃棄物を供給するとともに、温度が８０℃以上かつ１９５℃以下の低温の燃焼排ガスを導入し、バイオマス系廃棄物を低温の燃焼排ガスにより乾燥すると同時に粉砕し、長軸の長さが１ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含むバイオマス系微粒子とし、このバイオマス系微粒子を含む燃焼排ガスをサイクロン２５に導入し、バイオマス系微粒子を燃焼排ガスから分離し捕集する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス燃料の製造方法及びバイオマス燃料に関し、更に詳しくは、セメント焼成設備、ボイラ、発電設備等から排出される１９５℃以下の低温排ガスを、乾燥熱源として利用することが可能なバイオマス燃料の製造方法、及び、木屑等のバイオマス系廃棄物を粉砕及び乾燥することにより、エネルギー源として有効利用することが可能なバイオマス燃料に関するものである。

従来、セメント焼成設備等の熱エネルギーを利用する施設においては、セメントキルン、仮焼炉、クリンカクーラ等から大量の燃焼排ガスが排出される。
この燃焼排ガスのうち、概ね４００℃以上の高温域の排ガスは、ボイラの節炭器や原料の乾燥熱源として有効利用されており、また、概ね２００℃を超えかつ４００℃未満の中温域の排ガスは、オイルショック後のエネルギー利用技術の研究開発の進展により、排熱発電や乾燥用熱源として有効利用されるようになってきている。

一方、木材や鶏糞等のバイオマス系廃棄物を熱エネルギーとして有効利用する技術としては、例えば、竪型ローラミル等の竪型粉砕機にセメント焼成設備のクリンカクーラから排出される２５０℃〜５００℃の排ガスを導入し、この竪型粉砕機にてバイオマス系廃棄物を乾燥・粉砕する方法（特許文献１）、木材等のバイオマス系廃棄物と石炭とを同時に乾燥・粉砕し、その後、粗粒部分と微粒部分とに分級する方法（特許文献２）、鶏糞を、セメント焼成設備のクリンカクーラから排出される２５０℃〜５００℃の高温ガスを用いて、その含水率を４０％以下に調整した後、セメント焼成設備に投入して燃焼させる方法（特許文献３）、石炭等の燃焼により発生した３００℃以上の燃焼排ガスを用いて、バイオマス燃料を乾燥させる方法（特許文献４）、木材の破砕物を、セメント製造設備の排熱を利用して２００℃〜３００℃の加熱温度にて加熱処理し、その後、粉砕処理する方法（特許文献５）等が提案されている。

特開２００３−２６８３９４号公報 特開２００６−２７３９７０号公報 特開２００６−１７５３５６号公報 特開２００５−２９１５２６号公報 特許第３９２９３７１号公報

ところで、上述した従来のバイオマス系廃棄物を熱エネルギーとして利用する技術では、得られたバイオマス燃料の燃焼効率を確保するために乾燥処理を行っているが、この乾燥に用いられる排ガスの温度は２００℃〜５００℃と高温である。
このように、例えば、１９５℃以下の低温域の排ガス、特に１００℃以下の低温域の排ガスは、熱源として殆ど利用されておらず、また、利用する場合、この排ガスの温度を高めるために化石燃料の燃焼熱を用いることもあり、バイオマス燃料としての効果を損なう虞があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、１９５℃以下の低温域の排ガスを利用した場合においても、燃焼効率を十分に確保することができるバイオマス燃料を製造することが可能なバイオマス燃料の製造方法、及び、このバイオマス燃料の製造方法により得られたバイオマス燃料を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、バイオマス系廃棄物を粉砕してバイオマス系微粒子とし、このバイオマス系微粒子を１９５℃以下の低温排ガスを用いて乾燥することとすれば、バイオマス系微粒子の粒度を細かくすることで、従来、熱源として利用されてこなかった１９５℃以下の低温域の排ガス、特に１００℃以下の低温域の排ガスを熱源として有効利用することができ、得られたバイオマス燃料の燃焼効率を良好に確保することができることを見出し、本発明を提案することに至った。

すなわち、本発明のバイオマス燃料の製造方法は、バイオマス系廃棄物を粉砕してバイオマス系微粒子とし、このバイオマス系微粒子を８０℃以上かつ１９５℃以下の低温排ガスを用いて乾燥することを特徴とする。

前記バイオマス系微粒子は、長軸の長さが１ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含むことが好ましい。
前記粉砕及び前記乾燥を同時に行うことが好ましい。
前記低温排ガスは、セメント焼成設備、ボイラ、発電設備のうちいずれか１つ以上から排出される低温排ガスであることが好ましい。
前記低温排ガスの含水率は２５質量％以下であることが好ましい。

本発明のバイオマス燃料は、バイオマス系廃棄物を粉砕し、８０℃以上かつ１９５℃以下の低温排ガスを用いて乾燥してなるバイオマス燃料であって、長軸の長さが１ｍｍ以下のバイオマス系微粒子を７０質量％以上含有してなることを特徴とする。

本発明のバイオマス燃料の製造方法によれば、バイオマス系廃棄物を粉砕してバイオマス系微粒子とし、このバイオマス系微粒子を８０℃以上かつ１９５℃以下の低温排ガスを用いて乾燥するので、従来、熱源として利用されてこなかった１９５℃以下の低温域の排ガスを熱源として有効利用することができ、燃焼効率が良好なバイオマス燃料を容易に得ることができる。
また、８０℃以上かつ１９５℃以下の低温排ガスを利用することで、従来、乾燥に利用されていた２００℃〜５００℃の温度域の排ガスを、より熱効率の高い廃熱発電等に有効利用することができる。したがって、排ガスの有する熱エネルギーの総合的な有効利用を推進することができる。

本発明のバイオマス燃料によれば、長軸の長さが１ｍｍ以下のバイオマス系微粒子を７０質量％以上含有したので、バイオマス燃料としての燃焼効率を向上させることができる。したがって、燃焼効率が良好なバイオマス燃料を提供することができる。

本発明の一実施形態のバイオマス燃料の製造設備を備えたセメント製造設備を示す模式図である。 バイオマス燃料における乾燥雰囲気の違いによる含水率と乾燥時間との関係を示す図である。 バイオマス燃料におけるバイオマス系微粒子の大きさの違いによる含水率と乾燥時間との関係を示す図である。

本発明のバイオマス燃料の製造方法及びバイオマス燃料を実施するための形態について、図面に基づき説明する。
なお、本形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態のバイオマス燃料の製造設備を備えたセメント製造設備を示す模式図であり、破砕した廃木材もしくは木屑等のバイオマス系廃棄物を粉砕してバイオマス系微粒子とし、このバイオマス系微粒子をセメント製造設備から排出される８０℃以上かつ１９５℃以下の低温排ガスを用いて乾燥し、得られたバイオマス燃料をセメント製造設備のロータリーキルンに投入して燃焼利用するセメント製造設備の例である。

図において、１はセメント原料を乾燥・粉砕する原料ミル、２はセメント原料粉を分離するサイクロン（分離捕集装置）、３はセメント原料貯蔵庫、４はロータリーキルン、５はクリンカクーラ、６は仮焼炉、７は複数段のサイクロン７ａ〜７ｄからなるサスペンションプレヒータ、８、９はバーナー、１０は電気集塵機、１１は排気煙突、１２はセメント原料供給ライン、１３はセメント原料粉供給ライン、１４はセメントクリンカ搬送ラインである。

また、２１はバイオマス燃料の製造設備であり、バイオマス系廃棄物貯蔵庫２２と、このバイオマス系廃棄物貯蔵庫２２から供給されるバイオマス系廃棄物の乾燥及び粉砕を同時に行いバイオマス系乾燥微粒子とする乾燥粉砕機２３と、この乾燥粉砕機２３にサイクロン２及び電気集塵機１０を通過した低温の燃焼排ガス（低温排ガス）を乾燥用として導入する燃焼排ガスライン２４と、この乾燥・粉砕されたバイオマス系乾燥微粒子を排ガスから分離し捕集するサイクロン（分離捕集装置）２５と、この分離捕集されたバイオマス系乾燥微粒子を貯留ビン（図示略）に一旦保管し、この貯留ビンから定量を切り出し空気輸送にてロータリーキルン４、仮焼炉６のいずれか一方または双方に輸送するバイオマス燃料供給ライン２６と、これらバイオマス系廃棄物貯蔵庫２２〜バイオマス燃料供給ライン２６におけるバイオマス系廃棄物の供給、乾燥及び粉砕、輸送等を制御する制御装置（図示略）とにより構成されている。

また、３１は廃熱発電設備であり、ロータリーキルン４及び仮焼炉６から排出される燃焼排ガスをサスペンションプレヒータ７を介して導入し熱交換を行う熱交換器３２と、熱交換器３２から供給される廃熱を用いて発電する発電機３３とにより構成されている。この熱交換器３２にて熱交換により温度が低下した低温の燃焼排ガスは、一部が原料ミル１に送られ、残りが電気集塵機１０に送られて、その一部がバイオマス燃料の製造設備２１にて有効利用され、残りは排気煙突１１から排出される。

乾燥粉砕機２３としては、バイオマス系廃棄物の乾燥及び粉砕を同時に行うことが可能な竪型ローラミルを用いることが好ましいが、バイオマス系廃棄物の乾燥及び粉砕を個別に行う場合には、バイオマス系廃棄物の粉砕を行う破砕機や乾式ボールミルと、粉砕により得られたバイオマス系微粒子を乾燥する乾燥機とを組み合わせてもよい。
特に、木材や木屑等のバイオマス系廃棄物が水分を含む場合、あるいは複数種のバイオマス系廃棄物を混合して粉砕する場合等では、乾燥と粉砕が同時に可能な竪型ローラミルを用いることが好ましい。

この乾燥粉砕機２３には、必要に応じてバイオマス系微粒子を所定の粒子径にて粗粒部分と微粒部分とに分級する分級機、例えば、振動篩等の振動式分級機、遠心式分級機等を設けてもよい。
なお、サイクロン２５によりバイオマス系乾燥微粒子から分離された排ガスは、クリンカクーラ５を冷却するために再利用される。

次に、このセメント製造設備を用いたバイオマス燃料の製造方法及びバイオマス燃料について説明する。
ここでは、ロータリーキルン４及び仮焼炉６から排出される燃焼排ガスは、サスペンションプレヒータ７を通過した段階では２５０℃〜５００℃の高温であるから、この高温の燃焼排ガスを有効利用するために、まず廃熱発電を行い、次いで、廃熱発電後に原料ミル１、サイクロン２及び電気集塵機１０を通過して８０℃以上かつ１９５℃以下の低温になった燃焼排ガス（低温排ガス）を用いてバイオマス燃料を作製する。

ここで用いられるバイオマス系廃棄物としては、特に限定はされないが、建築廃材（廃木材）を破砕してなる木材チップ、木屑等の木質系廃棄物の他、バルプスラッジ、バイオマス系の汚泥等も使用することが可能である。
特に、木材チップや木屑等の木質系廃棄物は、取り扱いの容易さ、燃料とした場合の均質性等の理由により好ましいので、ここでは、木屑を用いることとする。

まず、ロータリーキルン４及び仮焼炉６から排出される燃焼排ガスをサスペンションプレヒータ７を介して熱交換器３２に導入し、この熱交換器３２にて高温の燃焼排ガスと低温の熱媒体との間で熱交換を行う。
この熱交換により高温となった熱媒体は、熱交換器３２から発電機３３に送られ、この熱媒体が有する廃熱を用いて発電を行う。
この熱交換器３２にて熱交換により温度が低下した低温の燃焼排ガスは、一部が原料ミル１に送られてセメント原料の乾燥に用いられ、サイクロン２及び電気集塵機１０を経由して排気煙突１から外部へ排出される。
一方、サイクロン２及び電気集塵機１０を経由することで温度が１９５℃以下にまで低下した低温の燃焼排ガスの一部を、バイオマス燃料の製造設備２１に送る。

バイオマス燃料の製造設備２１では、乾燥粉砕機２３に、バイオマス系廃棄物貯蔵庫２２からバイオマス系廃棄物を所定量供給するとともに、電気集塵機１０を経由して温度が８０℃以上かつ１９５℃以下に低下した低温の燃焼排ガスを導入する。
ここで、低温の燃焼排ガスの温度を８０℃以上かつ１９５℃以下と限定した理由は、温度が８０℃を下回ると、木質系廃棄物を燃料として使用可能な程度までに乾燥させるのに長時間必要となるために、非効率的となるからである。なお、温度が１９５℃を超える燃焼排ガスは、廃熱発電等にて有効利用することが好ましいが、木質系廃棄物を乾燥させるのに使用してもかまわない。

この燃焼排ガスの含水率は、特に制限されないが、バイオマス系廃棄物を粉砕して得られたバイオマス系微粒子を十分に乾燥することを考慮すると、２５質量％以下が好ましい。
また、クリンカクーラ５から排出されるクーラ排ガスは、温度が８０℃以上かつ１９５℃以下、含水率が１５質量％程度であり、バイオマス系廃棄物の乾燥にそのまま用いることができるので好ましい。

この乾燥粉砕機２３では、バイオマス系廃棄物を燃焼排ガスにより乾燥すると同時に粉砕し、バイオマス系微粒子とする。
このバイオマス系微粒子の大きさは、このバイオマス系微粒子がバーナー９によりロータリーキルン４に供給されて完全燃焼されることを考慮すると、長軸の長さが１ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含むことが好ましく、９０質量％以上含むことがより好ましい。
また、燃焼性評価により、バイオマス系微粒子が、長軸の長さが１ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含むことにより、良好な燃焼性を確保することができるとの知見を得た。

次いで、このバイオマス系微粒子を含む低温の燃焼排ガスをサイクロン２５導入し、バイオマス系微粒子を燃焼排ガスから分離し捕集する。
以上により、長軸の長さが１ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含み、含水率が１０質量％以下のバイオマス燃料が得られる。

このようにして得られたバイオマス燃料は、バイオマス燃料供給ライン２６にてロータリーキルン４、仮焼炉６のいずれか一方または双方に空気輸送される。
ロータリーキルン４に空気輸送する場合には、一旦キルン燃料供給ビン（図示略）に貯留された後、空気輸送にてロータリーキルン４のバーナー９に供給され、ロータリーキルン４内にて燃焼され、燃料として有効利用される。
一方、仮焼炉６に空気輸送する場合には、バーナー８から仮焼炉６内に噴出することにより、この仮焼炉６内に９００℃以上の温度の燃焼フレームが形成され、燃料として有効に使用される。

以上説明したように、本実施形態のバイオマス燃料の製造方法によれば、乾燥粉砕機２３に、バイオマス系廃棄物と、サイクロン２及び電気集塵機１０を通過した８０℃以上かつ１９５℃以下の低温の燃焼排ガスとを導入し、この低温の燃焼排ガスを用いてバイオマス系廃棄物を乾燥し、同時に粉砕するので、長軸の長さが１ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含み、含水率が１０質量％以下のバイオマス燃料を容易に得ることができる。

さらに、２００℃〜５００℃の高温の燃焼排ガスを用いて廃熱発電を行い、次いで、この廃熱発電後に電気集塵機１０から取り出した８０℃以上かつ１９５℃以下の低温の燃焼排ガスを用いてバイオマス燃料を作製するので、２００℃〜５００℃の温度域の排ガスをより熱効率の高い廃熱発電に有効利用することができ、従来ではそのまま系外に排出されていた８０℃以上かつ１９５℃以下の低温の燃焼排ガスをバイオマス燃料の製造に有効利用することができる。したがって、燃焼排ガスの有する熱エネルギーの総合的な有効利用を推進することができる。

本実施形態のバイオマス燃料によれば、長軸の長さが１ｍｍ以下のバイオマス系微粒子を７０質量％以上含有し、含水率を１０質量％以下としたので、燃焼効率が良好なバイオマス燃料を提供することができる。

以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例によって何ら制限されるものではない。

「実施例」
竪型ローラミルに、長軸の長さが概ね１０ｍｍ以下、含水率が２３質量％の木屑を投入するとともに、温度が９０℃、含水率が２０質量％の乾燥用空気を導入して、この木屑を乾燥及び粉砕し、木屑微粒子を主成分とする実施例１のバイオマス燃料を得た。
このバイオマス燃料は、長軸の長さが１ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含んでおり、その含水率は９質量％であった。

図２は、バイオマス燃料における乾燥雰囲気の違いによる含水率と乾燥時間との関係を示す図である。
ここでは、長軸長さが概ね１０ｍｍ以下、含水率が２３質量％の木屑を各５ｇづつ、（１）８０℃、４２％ＲＨの恒温恒湿槽中、（２）８０℃の乾燥器中、（３）６５℃、８０％ＲＨの恒温恒湿槽中、の各々の条件下にて乾燥したときの経過時間毎の含水率を測定した。

図２によれば、８０℃、４２％ＲＨの恒温恒湿槽中、及び８０℃の乾燥器中、のいずれの場合においても、２０分静置後に含水率が３質量％以下となり、８０℃、４２％ＲＨの恒温恒湿槽中にても十分に乾燥させることができることが分かった。
一方、６５℃、８０％ＲＨの恒温恒湿槽中にて乾燥させた場合、３０分以上静置しても含水率が１０質量％以上で飽和した状態となり、十分に乾燥させることができないことが分かった。

図３は、バイオマス燃料におけるバイオマス系微粒子の大きさの違いによる含水率と乾燥時間との関係を示す図である。
ここでは、長軸長さが概ね１０ｍｍ以下、含水率が２３質量％の木屑を、篩にて次の４種類（１）４ｍｍを超えかつ１０ｍｍ以下、（２）２ｍｍを超えかつ４ｍｍ以下、（３）０．５ｍｍを超えかつ２ｍｍ以下、（４）０．５ｍｍ以下、に篩分けし、これらのうち（１）〜（３）の３種類各々から１０ｇづつ採取し、次いで、採取した各サンプルを恒温恒湿槽内の８０℃、４２％ＲＨの雰囲気中に静置し、経過時間毎の含水率を測定した。

図３によれば、粒子の大きさが小さくなるほど、含水率の低下、すなわち乾燥が進み易いことが分かった。また、４ｍｍを超えかつ１０ｍｍ以下の最も粗いバイオマス系微粒子においても、１０分静置後には含水率が５質量％となり、その後徐々に含水率が低下していくことが分かった。

１ 原料ミル
２ サイクロン
３ セメント原料貯蔵庫
４ ロータリーキルン
５ クリンカクーラ
６ 仮焼炉
７ サスペンションプレヒータ
７ａ〜７ｄ サイクロン
８、９ バーナー
１０ 電気集塵機
１１ 排気煙突
１２ セメント原料供給ライン
１３ セメント原料粉供給ライン
１４ セメントクリンカ搬送ライン
２１ バイオマス燃料の製造設備
２２ バイオマス系廃棄物貯蔵庫
２３ 乾燥粉砕機
２４ 燃焼排ガスライン
２５ サイクロン
２６ バイオマス燃料供給ライン
３１ 廃熱発電設備
３２ 熱交換器
３３ 発電機

Claims (6)

1. バイオマス系廃棄物を粉砕してバイオマス系微粒子とし、このバイオマス系微粒子を８０℃以上かつ１９５℃以下の低温排ガスを用いて乾燥することを特徴とするバイオマス燃料の製造方法。
2. 前記バイオマス系微粒子は、長軸の長さが１ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含むことを特徴とする請求項１記載のバイオマス燃料の製造方法。
3. 前記粉砕及び前記乾燥を同時に行うことを特徴とする請求項１または２記載のバイオマス燃料の製造方法。
4. 前記低温排ガスは、セメント焼成設備、ボイラ、発電設備のうちいずれか１つ以上から排出される低温排ガスであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のバイオマス燃料の製造方法。
5. 前記低温排ガスの含水率は２５質量％以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載のバイオマス燃料の製造方法。
6. バイオマス系廃棄物を粉砕し、８０℃以上かつ１９５℃以下の低温排ガスを用いて乾燥してなるバイオマス燃料であって、
   長軸の長さが１ｍｍ以下のバイオマス系微粒子を７０質量％以上含有してなることを特徴とするバイオマス燃料。

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