JP2010241936A - 炭化燃料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カーボンニュートラルでありながらも、従来、処分に困っていた下水汚泥等の高水分率バイオマスと低水分率バイオマスから化石燃料の代替となり得る炭化燃料を製造する方法及びその方法を実施するのに適した装置を提案することを目的とする。
【解決手段】低水分率バイオマス１を乾留して第１工程炭化燃料４と乾留ガス３とする第1炭化工程と、高水分率バイオマス５を第１炭化工程で得られた乾留ガス３を燃焼させて得られる高温の燃焼排気ガスの熱により乾燥させて乾燥バイオマス６とする乾燥工程と、乾燥工程で得られた乾燥バイオマス６を乾留して第２工程炭化燃料７とする第２炭化工程とからなることを特徴とする炭化燃料の製造方法により上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、従来、有効に利用することが難しかったバイオマスを有効利用し高カロリーの炭化燃料を製造する方法に関する。

バイオマスとは「再生可能な生物由来の有機性資源で、化石資源を除いたもの」と農林水産省のホームページでは定義されている。さらにバイオマスとは、地球に降り注ぐ太陽のエネルギーを使って無機物である水と二酸化炭素から生物が光合成によって生成した有機物であり、ライフサイクルの中で生命と太陽エネルギーがある限り持続的に再生可能な資源であるとされている。

京都議定書が発効したことにより、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素等の温室効果ガスの排出量の削減は重要な政策課題となり、化石燃料への依存から脱却し、温室効果の少ない次世代燃料の開発が急務となっている。前述のバイオマスは化石燃料に代わる燃料として注目されている。

代表的なバイオマスとしては木材が挙げられる。植物は生長の過程で、光合成により大気中の二酸化炭素を同化しグルコースを合成し、合成されたグルコースは、植物体中でデンプンとして保存されたり、細胞壁を構成するセルロースやその他多糖類として植物体内に貯蔵される。従って、植物は二酸化炭素の貯蔵庫とも言うことができ、木材、わらなどの植物を燃やすなどした場合、蓄積された糖類が燃焼して二酸化炭素が大気中に一時に開放されてしまう。しかし、植物の１個体が発芽、成長して刈り取られ燃料とされるまでに吸収する二酸化炭素の量と燃焼により大気中に排出される二酸化炭素の量は理論上、プラスマイナスゼロ（このように二酸化炭素の収支がプラスマイナスゼロであることをカーボンニュートラルという）となるため、木材を燃料として使用すること自体はなんら大気中の二酸化炭素濃度を上昇させる行為とは言えない。

カーボンニュートラルなバイオマスとしては他にも、家畜排泄物、食品廃棄物、下水汚泥、間伐木材、建築廃材などがあるが、いずれも低カロリー、高含水比である等、燃料として利用するには不十分な面もある。特に下水汚泥等に関して言えば、含水率が８０％であると言われ、その水分を気化させるために必要なエネルギーは莫大なものであり、燃料としての有効利用を阻む要因となっている。この欠点を解決するために種々の検討がなされており、例えば以下の特許文献１から３のような技術がある。

特許文献１には高水分率の廃棄物を９００℃前後の高温ガスで、含水分を蒸化して資源化させるシステムと、そのための円筒・円錐回転炭化装置が提案されている。

また、特許文献２には食品残渣や水処理汚泥など高水分率であり、かつフミン質等の有機物質を含む高含水物と乾燥された木チップ・モミガラ・紙類等の乾燥可燃物とを耐熱メッシュベルト上に積層して５００〜８００℃の強熱ゾーンにおいて可燃物に着火させて、急速に水分を脱水させた後、汚泥中の有機質に着火させて、自己発熱用ゾーンで燻焼炭化させる焼成炉が提案されている。

特許文献３にはセメント焼成設備を利用して高水分率の有機性廃棄物を処理する方法において、廃棄物加熱装置内で有機性廃棄物を熱油で脱水もしくは炭化した後、石炭ミルで粉砕することによって粉末燃料とすることを特徴とする有機物の処理方法が提案されている。

特開２００３-８２３５８号（［０００１］） 特開２００４-３３７８０６号（要約） 特開２００５-２００５２７９５０１号（要約）

本発明はカーボンニュートラルでありながらも、従来処分に困っていた下水汚泥等の高水分率バイオマスと低水分率バイオマスから化石燃料の代替となり得る高カロリーの炭化燃料を製造する方法を提供することを目的とする。さらに高水分率バイオマス、低水分率バイオマスの処分に使用され、ただ浪費されるだけであったエネルギーの一部を高カロリーの炭化燃料として回収することも本発明の目的である。

前述のように、下水汚泥や家畜糞尿などの高水分率バイオマスを炭化して燃料として有効利用することが求められているが、水分の蒸発分離に莫大なエネルギーが必要であることから有効利用が遅れている。例えば、大阪府内に賦存するバイオマスを炭素換算したデータによれば、産業廃棄物、一般産業廃棄物、農業系の廃棄物、森林系の廃棄物の総量における産業廃棄物の占める割合は８２.８％であり、産業廃棄物の上位３位は順に建設発生木材、下水汚泥、樹皮・木屑である。これら上位３点のバイオマス資源としての利活用率は４８.５％であって、平成１４年に策定された「２１世紀の大阪府下水道」によれば、汚泥利活用目標値は２０１０年度にて５０％、２０２５年にて１００％となっている。一方で、建築用発生木材について言えば、その目標利活用率は平成２２年にて９５％となっており、未だ不十分であると言わざるを得ない。

下水汚泥の有効利用を妨げてきた要因の一つとして、下水汚泥の高い含水率が挙げられる。つまり、バイオマスを乾燥・燃焼して炭化物燃料を製造する場合、炭化物原料を製造するのに必要なエネルギーは小さいことが望まれるが、下水汚泥の場合、その含水率は７８％前後であって、まず、汚泥に含まれる水分を蒸発、乾燥させるために莫大なエネルギーを要するため、下水汚泥の有効利用が妨げられてきたのである。もちろん、外部から多量のエネルギーを与え、下水汚泥を乾燥させた後、さらに熱を加えて炭化燃料としてもよいが、二酸化炭素の大気中への放出量低下という観点から化石燃料の代替燃料とはなり得ないし、コスト低減の観点からも実用化は難しいと思われる。

上記の先行技術においても下水汚泥等の高水分率バイオマスの燃料化について有効な方法は見当たらない。例えば、上述の特許文献１では高水分率である廃棄物の炭化方法及び装置が提案されているが、乾燥に必要なエネルギーの供給源については言及されておらず、高水分率である廃棄物を炭化させるための装置が開示されているに過ぎない。

また、特許文献２では高水分率の汚泥を脱水し燻焼炭化させる焼成炉が示されている。これは高含水汚泥の乾燥と乾燥可燃物の燃焼を同時に行う方法であるが、木チップ、モミガラ、紙類等の乾燥可燃物の上に耐熱メッシュベルトを介して高水分率の汚泥を積層してそのまま燃焼することによって高水分率バイオマスを燻焼炭化させるものである。乾燥可燃物の上に耐熱メッシュベルトを介して高水分率の汚泥を積層したのでは乾燥可燃物が湿気てしまい効率的でない。

一方、特許文献３ではセメント焼成設備を利用して、セメント焼成工程からの熱エネルギーを高水分率の有機物の乾燥に利用するものが提案されているが、高水分率バイオマスを炭化する装置を設置する場所が限られ、汎用性に劣るという問題がある。

本発明は低水分率バイオマスを乾留して第１工程炭化燃料と乾留ガスとする第1炭化工程と、高水分率バイオマスを第１炭化工程で得られた乾留ガスを燃焼させて得られる高温の燃焼排気ガスの熱により乾燥させて乾燥バイオマスとする乾燥工程と、乾燥工程で得られた乾燥バイオマスを乾留して第２工程炭化燃料とする第２炭化工程とからなることを特徴とする炭化燃料の製造方法により上記課題を解決する。第1炭化工程では低水分率バイオマスの乾留によって乾留ガスを生じさせる。この乾留ガスは可燃性でありその燃焼により熱エネルギーを発生する。ここで下水汚泥、家畜糞尿などの高水分率バイオマスは炭化に先立ち、まず多量に含まれる水分を蒸発させる必要がある。本発明では、低水分率バイオマスを炭化燃料する際に副生する乾留ガスを高水分率バイオマスの水分蒸発に有効利用したものである。換言するならば、余剰エネルギーが発生する第１炭化工程と、エネルギーが不足し外部からのエネルギーの導入が高水分率バイオマスの乾燥に必要な第２炭化工程を組み合わせることで、追加のエネルギーをインプットしないで、高カロリーの炭化燃料を製造する方法である。

本発明における低水分率バイオマスとは含水率５０％以下、より好ましくは４０％以下、特に好ましくは３０％以下のバイオマスのことを言い、乾燥バイオマスとは少なくとも含水率５０％以下まで乾燥されたバイオマスのことを言う。低水分率バイオマスとしては、端材、木材の研磨カス等の建築廃材、剪定された街路樹の枝、樹皮、木屑、落葉等が該当し、含水率５０％以下のものが小さなエネルギーで炭化することができるので好ましい。なお、含水率５０％を超えるようなバイオマスであっても、天日干し等により含水率を５０％以下に調整すれば、本発明の低水分率バイオマスとして利用できることは勿論であるが、初めから含水率の低いバイオマスを利用するほうが簡便である。また、乾留ガスとは不揮発性の固体有機物を空気を断ったまま強熱して熱分解して生じる分解生成物の内、揮発性のガスのことを言い、メタン、水、二酸化炭素、可燃性ガス、揮発性の有機物等を含むものである。この乾留ガスは容易に着火し炎を出して燃える。

第１炭化工程の低水分率バイオマスと乾燥工程で得られる乾燥バイオマスは混合されて同時に乾留されるように、単一の炭化炉で乾留を行ってもよいし、第１炭化工程の低水分率バイオマスと乾燥工程の乾燥バイオマスは別々に乾留されるように、２以上の炭化炉で第１炭化工程の乾留と、第２炭化工程の乾留を独立に行うようにしてもよい。

別々の炭化炉で第１炭化工程（低水分率バイオマスの炭化）の乾留と第２炭化工程（高水分率バイオマスの炭化）の乾留を行う場合、第１炭化工程により得られる第１工程炭化燃料の燃焼熱は５,０００〜８，０００ｋｃａｌ／ｋｇと比較的高いのに対して、第２炭化工程により得られる第２工程炭化燃料の燃焼熱は２,０００〜３,５００ｋｃａｌ／ｋｇと比較的低く燃料としてはやや劣る。

そこで、本発明の炭化燃料の製造方法で製造される第１工程炭化燃料と第２工程炭化燃料を混合すれば、熱量の低い第１工程炭化燃料の欠点を補って約４,５００ｋｃａｌ／ｋｇの平均化された高カロリーの炭化燃料を安定的に得ることができる。勿論、第１工程炭化燃料と第２工程炭化燃料のそれぞれについて需要がある場合は、混合せずにそのまま燃料として使用すればよい。

また、第１炭化工程と第２炭化工程を単一の炭化炉で行ってもよい。すなわち、低水分率バイオマスを乾留して炭化燃料と乾留ガスとする炭化工程と、高水分率バイオマスを前記炭化工程で得られた乾留ガスを燃焼させて得られる高温の燃焼排気ガスの熱により乾燥して乾燥バイオマスとする乾燥工程とからなる炭化燃料の製造方法であって、乾燥工程で得られた乾燥バイオマスを前記炭化工程の低水分率バイオマスと混合して一緒に乾留することにより、高水分率バイオマスから製造される炭化燃料の熱量を低水分率バイオマスから製造される炭化燃料で補うことを特徴とする炭化燃料の製造方法である。この製造方法によれば、低水分率バイオマスに由来する炭化燃料（第１工程炭化燃料）と高水分率バイオマスに由来する炭化燃料（第２工程炭化燃料）が混合された炭化燃料（約４５００ｋｃａｌ／ｋｇ）を得ることができるので簡便であるといる利点がある。

低水分率バイオマスとしては、含水率が低く乾留に要するエネルギーが小さいものであればどのようなものでも構わないが廃棄された木質のバイオマス（建築廃材、剪定された街路樹の枝、樹皮、木屑、落葉）が安価で簡単に入手できるので好ましい。廃棄木質バイオマスは上述のように多量に生じる産業廃棄物であって、入手しやすく、カーボンニュートラルなバイオマスであって、かつ再生可能な資源である。また、廃棄木質バイオマスを乾留により炭化させる過程で、可燃性の木ガスが発生するので、廃棄木質バイオマスから炭化燃料を作るのと同時に、可燃性ガスとしてエネルギーを取り出すことができる。

高水分率バイオマスとは、含水率が高く、乾燥するのに大きなエネルギーのインプットを必要とするものを指すが、下水汚泥が代表的なものである。高水分率バイオマスの目安は水分率が５０％以上であることである。高水分率バイオマスとしては家畜の糞尿、海底又は湖底のヘドロ、残飯、生ゴミなど水を多量に含み、かつ炭素を含むものが挙げられる。特に下水汚泥に関しては従来、海洋投棄や最終処分場にて濃縮、脱水前処理、脱水され、焼却や溶融されて埋め立て処理されていたが、２００７年には海洋投棄が禁止され、また埋め立て処分地にも限りがあり、効率的なリサイクル方法が切望されている。上述のように大阪府では産業廃棄物の内、その排出量は上位２位を占めており、効率的なリサイクル方法の確立は急務である。下水汚泥は約７８％の水分を含むが、上述の木ガスを燃焼することにより得られる熱エネルギーで、この水分を蒸発、乾燥させれば、廃棄木質バイオマスを炭化燃料にしつつ、下水汚泥を乾燥することができ、一石二鳥となるのである。

本発明の高カロリーの炭化燃料の製造方法を実施する装置の一例としては、低水分率バイオマスを乾留する第1炭化炉と、該第1炭化炉から排出される乾留ガスを燃焼させる燃焼室と、該燃焼室にて発生した高温の燃焼排気ガスを熱源として用いて高水分率バイオマスを乾燥する乾燥炉と、該乾燥炉にて乾燥された高水分率バイオマスを前記第１炭化炉に送り込む移送手段とからなり、高水分率バイオマスと低水分率バイオマスは第１炭化炉中で同時に乾留される炭化燃料の製造装置が挙げられる。

また、低水分率バイオマスを乾留する第1炭化炉と、該第１炭化炉から排出される乾留ガスを燃焼させる燃焼室と、該燃焼室にて発生した高温の燃焼排気ガスを熱源として用いて高水分率バイオマスを乾燥する乾燥炉と、該乾燥炉にて乾燥された高水分率バイオマスを第２炭化炉に送り込む移送手段とからなり、高水分率バイオマスと低水分率バイオマスは別々の炭化炉中で並行して乾留される炭化燃料の製造装置としてもよい。

上記の燃焼排気ガスは直接、活性汚泥に接触させて乾燥させてもよいし、熱交換器や乾燥容器を覆うジャケット中に燃焼排気ガスを通して間接的に活性汚泥を加熱してもよい。

本発明の炭化燃料の製造方法によれば約４,０００〜５,０００ｋｃａｌ／ｋｇの燃焼熱を有する炭化燃料が得られる。下水汚泥炭化物由来の炭化燃料の熱量は２,０００〜３,５００ｋｃaｌ／ｋｇであることを考えると、より実用的な炭化燃料と言える。

焼却処分されることが主であった建築廃材等の低水分率バイオマスと、埋め立てや海洋投棄により処分されていた下水汚泥等の高水分率バイオマスと組み合わせて炭化することにより、従来、炭化燃料の原料としては不適であった下水汚泥等の高水分率バイオマスを高カロリーな炭化燃料の原料とすることが可能になる。

従来の下水汚泥等の高水分率バイオマスにより製造される炭化物は２,０００〜３,５００ｋｃａｌ／ｋｇという比較的低い燃焼熱しか発生することができなかったが、高水分率バイオマスの乾留によって発生する乾留によって高水分率バイオマスを乾燥バイオマスに乾燥して、該乾燥バイオマスと低水分率バイオマスと混合して炭化することによって、４,０００〜５,０００ｋｃａｌ／ｋｇの燃焼熱を有する高カロリーな炭化燃料を得ることができる。

本発明の炭化燃料の製造方法によって、カーボンニュートラルでありながら燃料として有効利用できなかった高水分率バイオマスから化石燃料の代替となり得る高カロリーな炭化燃料を製造することが可能になる。

本発明の炭化燃料の製造方法の原料となる建築廃材等の低水分率バイオマス及び下水汚泥等の高水分率バイオマスは処分に困るほど存在するため、極めて安価に高カロリーな炭化燃料を製造することができる。

本発明の炭化燃料の製造方法の一実施例を示したフローチャートである。 本発明の炭化燃料の製造方法の別実施例を示したフローチャートである。

以下、本発明の実施例を図示しながら具体的に説明する。図１は本発明の炭化燃料の製造方法の一実施例を示したフローチャートである。図２は本発明の炭化燃料の製造方法の別実施例を示したフローチャートである。

図１に示される炭化燃料の製造方法は、炭化工程を第１炭化工程と第２炭化工程に分けて行い、低水分率バイオマス１に由来する第１工程炭化燃料４と高水分率バイオマス５に由来する第２工程炭化燃料７とする方法である。具体的には、建築廃材、樹皮、木屑などの低水分率バイオマス１を還元雰囲気下の炭化炉で乾留２を行い乾留ガス３と第１工程炭化燃料４とする（第１炭化工程）。第１炭化工程で得られた乾留ガス３は第２炭化工程にて下水汚泥、家畜の屎尿などの高水分率バイオマス５を乾燥して乾燥バイオマス６とするエネルギー源として使用される。乾留ガス３は第１炭化炉で発生次第、順次燃焼室に移送して燃焼する。燃焼により生じた熱エネルギーにより乾燥室に溜めてある高水分率バイオマス５の水分を蒸発させる。乾燥により高水分率バイオマス５を乾燥バイオマス６とし、第２炭化炉にて第1炭化行程とは独立して乾留９を行い第２工程炭化燃料７とする（第２炭化行程）。第1工程炭化燃料４は約５,０００〜８,０００ｋｃａｌ／ｋｇの熱量を有するのに対して、第２工程炭化燃料７は２,０００〜３,５００ｋｃａｌ／ｋｇの熱量を有するため、高カロリーと低カロリーの燃料の需要に応じて、別々に燃料としてもよいし、図１に示されるように第1工程炭化燃料４と、第２工程炭化燃料７を混合して約４０００〜５,０００ｋｃａｌ／ｇの熱量を有する炭化燃料８としてもよい。

また、第１工程炭化燃料と第２工程炭化燃料が予め混合された炭化燃料８のみが必要な場合は、図２に示されるフローチャートのように、低水分率バイオマスを炭化する炭化行程で得られた乾留ガス３により高水分率バイオマス５を乾燥バイオマス６に乾燥した後、炭化行程の炭化が行われている第１炭化炉に乾燥バイオマス６を移送手段により移送、混合して低水分率バイオマス１と乾燥バイオマス５の乾留を同時に行えば、簡便に第１工程炭化燃料と第工程炭化燃料が混合された炭化燃料８を得ることができる。

以下、実施例にてさらに具体的に説明する。

[実施例１]
本発明の炭化燃料の製造方法により、炭化燃料の製造を行った。高水分率バイオマスとしては下水汚泥（水分率７８％）を１,０００ｋｇ、低水分率バイオマスとしては建築廃材（水分率１５％）を５００ｋｇ用いた。なお、乾留は乾燥バイオマスと低水分率バイオマスを単一の炭化炉にて混合し、同時に乾留する方法により乾留した（図２の製造方法）。この製造方法により得られた炭化燃料の熱量は表１にまとめたとおりである。

[実施例２]
低水分率バイオマスとしての建築廃材（水分率１５％）の使用量をやや減じた（３２０ｋｇ）他は、実施例１と同様の条件により炭化燃料の製造を行った。この製造方法により得られた炭化燃料の熱量は表１にまとめたとおりである。

[実施例３]
低水分率バイオマスとしての建築廃材（水分率１５％）の使用量をやや減じた（３００ｋｇ）他は、実施例１と同様の条件により炭化燃料の製造を行った。この製造方法により得られた炭化燃料の熱量は表１にまとめたとおりである。

[実施例４]
本発明の炭化燃料の製造装置を用いて、炭化燃料の製造を行った。高水分率バイオマスとしては下水汚泥（水分率７８％）を１,０００ｋｇ、低水分率バイオマスとしては建築廃材（水分率１５％）を５００ｋｇ用いた。なお、第1炭化工程と第２炭化工程の炭化反応は第1炭化炉と第２炭化炉を備えた装置を使用して、別々に乾留を行った（図１の製造方法）。この製造方法により得られた炭化燃料の熱量は表１にまとめたとおりである。

[実施例５]
低水分率バイオマスとしての建築廃材（水分率１５％）の使用量をやや減じた（３２０ｋｇ）他は、実施例１と同様の条件により炭化燃料の製造を行った。この製造方法により得られた炭化燃料の熱量は表１にまとめたとおりである。

[実施例６]
低水分率バイオマスとしての建築廃材（水分率１５％）の使用量をやや減じた（３００ｋｇ）他は、実施例１と同様の条件により炭化燃料の製造を行った。この製造方法により得られた炭化燃料の熱量は表１にまとめたとおりである。

[比較例１]
低水分率バイオマスとしての建築廃材（水分率１５％）の使用量を減じた（２５０ｋｇ）他は、実施例１と同様の条件により炭化燃料の製造を行った。しかし、この配合比では高水分率バイオマスの乾燥が十分ではなくペースト状となり、高水分率バイオマスから炭化燃料を製造することができなかった。

[比較例２]
低水分率バイオマスとしての建築廃材（水分率１５％）の使用量を減じた（１５０ｋｇ）他は、実施例１と同様の条件により炭化燃料の製造を行った。しかし、この配合比では高水分率バイオマスの乾燥が十分ではなくペースト状になり、高水分率バイオマスから炭化燃料を製造することができなかった。

[比較例３]
低水分率バイオマスとしての吸水した建築廃材（水分率１５％）の使用量を減じた（１００Ｋｇ）他は、実施例１と同様の条件により炭化燃料の製造を行った。しかし、この配合比では高水分率バイオマスの乾燥が十分ではなく水分過多の状態であり、高水分率バイオマスから炭化燃料を製造することができなかった。

表１に示すように、本発明の炭化燃料の製造方法によれば、４,０００〜５,０００ｋｃaｌ／ｋｇの炭化燃料を高水分率バイオマスから製造することができることがわかる。

１ 低水分率バイオマス
２ 乾留（実施例１）
３ 乾留ガス
４ 第１工程炭化燃料
５ 高水分率バイオマス
６ 乾燥バイオマス
７ 第２工程炭化燃料
８ 炭化燃料
９ 乾留（実施例２）

Claims (5)

1. 低水分率バイオマスを乾留して第１工程炭化燃料と乾留ガスとする第1炭化工程と、高水分率バイオマスを第１炭化工程で得られた乾留ガスを燃焼させて得られる高温の燃焼排気ガスの熱により乾燥させて乾燥バイオマスとする乾燥工程と、乾燥工程で得られた乾燥バイオマスを乾留して第２工程炭化燃料とする第２炭化工程とからなることを特徴とする炭化燃料の製造方法。
2. 第１工程炭化燃料と第２工程炭化燃料を混合して、高水分率バイオマスから製造される第２工程炭化燃料の熱量を低水分率バイオマスから製造される第１工程炭化燃料で補った請求項１記載の炭化燃料の製造方法。
3. 低水分率バイオマスを乾留して炭化燃料と乾留ガスとする炭化工程と、高水分率バイオマスを前記炭化工程で得られた乾留ガスを燃焼させて得られる高温の燃焼排気ガスの熱により乾燥して乾燥バイオマスとする乾燥工程とからなる炭化燃料の製造方法であって、
   乾燥工程で得られた乾燥バイオマスを前記炭化工程の低水分率バイオマスと混合して一緒に乾留することにより、高水分率バイオマスから製造される炭化燃料の熱量を低水分率バイオマスから製造される炭化燃料で補うことを特徴とする炭化燃料の製造方法。
4. 低水分率バイオマスが廃棄木質バイオマスである請求項１乃至３のいずれか記載の炭化燃料の製造方法。
5. 高水分率バイオマスが下水汚泥である請求項１乃至３のいずれか記載の炭化燃料の製造方法。

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