JP2010242035A

JP2010242035A - バイオマス炭の製造方法

Info

Publication number: JP2010242035A
Application number: JP2009095386A
Authority: JP
Inventors: Minoru Asanuma; 稔浅沼; Hidekazu Tsuruta; 秀和鶴田; Teruo Fujibayashi; 晃夫藤林
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】バイオマスを乾留してバイオマス炭を製造する際に、バイオマス炭の収率を向上可能な、バイオマス炭の製造方法を提供すること。
【解決手段】バイオマスａを乾留してバイオマス炭ｉを製造する際に、バイオマスを１次乾留して１次バイオマス炭ｂと乾留生成物とを得る工程と、前記乾留生成物からタールｅを分離する工程と、１次バイオマス炭ｂに分離したタールｅを混合して混合物ｇを得る工程と、混合物ｇを造粒して造粒物ｈを得る工程と、造粒物ｈを２次乾留して造粒物中タールｅの炭素分を造粒物中１次バイオマス炭ｂに付着析出させたバイオマス炭ｉを得る工程と、からなることを特徴とするバイオマス炭の製造方法を用いる。乾留生成物からガスｃを分離し、該分離したガスを燃焼した燃焼ガスｊ１、ｊ２を乾留の熱源として用いることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマスを乾留により熱分解し、バイオマス炭を製造するための方法に関する。

昨今、地球温暖化防止の観点からＣＯ₂排出量削減が緊急の課題である。ＣＯ₂排出量削減の方法として、インプットの炭素量を削減する、アウトプットのＣＯ₂を回収する、従来の石炭・石油等をカーボンフリーの炭素源に代替する等の技術開発が行われている。カーボンフリーの炭素源としてはバイオマスが知られている。バイオマスとしては、建築家屋の解体で発生する木材廃棄物、製材所発生の木質系廃棄物、森林等での剪定廃棄物、農業系廃棄物などがある。その処理利用方法としては、埋立て、放置、焼却、燃料等が主なものである。

一方、鉄鋼業において、特に製銑工程は石炭を還元材として鉄鉱石を還元するプロセスである。また、製鋼工程では精練に必要な熱を石炭等で供給している。従って、鉄鋼業では炭素源の使用が必須である。一方、バイオマスは炭素、酸素、水素から構成されているが、そのもの自体は高含水率、低廃熱量（例えば、水分１５ｍａｓｓ％、発熱量１６．２ＭＪ／ｋｇ−乾燥基準）であり、直接製鉄プロセスで使用することは効率面で有利とはいえない。そのため、バイオマスを乾留し、脱水、脱炭酸等の処理を施し、水分を除去、発熱量を高めて製鉄プロセスで使用する方法がある。乾留により脱水、脱ガス（脱炭酸、脱メタン、タール発生等）が起き、バイオマス中の炭素分が、ガスおよびタール分として発生するため、固体として残留する炭素分（バイオマス炭）は少ない。製鉄プロセスで石炭代替として、このような乾留後に固体として残留する炭素分をバイオマス炭として効率よく利用するためには、高収率でバイオマス炭を製造する必要がある。

バイオマスを乾留（あるいは熱分解）する方法としては、従来、バッチ方式（例えば、特許文献１、２参照。）、ロータリーキルン方式（例えば、特許文献３参照。）、流動層方式等の各種の炉を用いる方法が知られている。

また加熱熱源としてはバイオマス乾留により得られる発生ガス、タールを燃焼させ、その燃焼熱を熱源とすることが知られている。加熱の方式としては、バイオマスを前記燃焼ガスなどの高温ガスで直接加熱する方式（熱風循環式）や、ロータリーキルン等のように炉外部から間接加熱する方式（外熱式）、炉内部で発生ガスを燃焼させ直接加熱する方式（内熱式）がある。

特許文献１に記載のバッチ方式においては、箱状炉の炉体の中に木材を充填し、発生ガスを別途燃焼装置で燃焼させ、箱状炉に供給する。木材全体の温度を７００℃以上まで上げて炭化の促進を行う。特許文献２においては、バッチ方式の炉は原料供給口および炭の排出口を有する箱型の炉本体と、該本体内に設置された炭化室からなり、木材は炭化室内に充填される。炉本体の上部空間に空気を吹き込み、木材乾留で発生した可燃ガスを燃焼させ、燃焼ガスを炉本体と炭化室の間に流し、炭化室の煉瓦を介して炭化室内の木材が４００〜８００℃で乾留される。

ロータリーキルン方式である特許文献３においては、ロータリーキルンまたはロータリードライヤーで木材を３００〜１０００℃、酸素濃度１０％以下で加熱し、加熱で発生するガスを前記ロータリーキルンまたは前記ロータリードライヤーと連結した燃焼炉で燃焼させる。尚、燃焼炉のガス吹込口がロータリーキルンまたはロータリードライヤーのガス排出口よりも高い位置に設置され、加熱で発生したガスの燃焼を８００〜１０００℃で行い、ロータリーキルンまたはロータリードライヤーの両端の胴体部とマントル部の間隙に吸気流入防止用の覆いを設置し、ロータリーキルンまたはロータリードライヤーの加熱物取り出し口が二重ダンパー構造であることが記載されている。

上記の特許文献１〜３等に記載の従来技術においては、以下の（ａ）〜（ｄ）の課題がある。

（ａ）バッチ方式およびロータリーキルン方式とも加熱温度、雰囲気条件等を制御することでのみバイオマスを炭化する方法である。炭化されたバイオマス（バイオマス炭）の収率は、バッチ方式で約２５ｍａｓｓ%、ロータリーキルン方式で約２０ｍａｓｓ%であり、それ以上にバイオマス炭の収率を向上させることは難しい。

（ｂ）発生するガスおよびタールを燃焼させ、バイオマスの乾留の熱源とすると、ガスやタール分はバイオマス炭として回収できない。発生するタールは積極的にバイオマス炭に変換することが望ましい。

（ｃ）特許文献１、２のバッチ方式においては、連続プロセスでないため、炭化に５時間以上を要し、経済的でない。

（ｄ）バイオマス乾留生成物中には、軽質ガス以外に木酢および重質炭化水素（タール）成分も発生し、タール成分を完全燃焼するためには空気比、温度等の管理が必要となる。また、燃焼処理を行わず、乾留生成物を別途利用するためにはタール除去等の排ガス処理が必要となる。

このような課題を有する従来の技術では、積極的にバイオマス炭の収率を向上させることは困難である。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、バイオマスを乾留してバイオマス炭を製造する際に、バイオマス炭の収率を向上可能な、バイオマス炭の製造方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）バイオマスを乾留してバイオマス炭を製造する際に、バイオマスを１次乾留して１次バイオマス炭と乾留生成物とを得る工程と、前記乾留生成物からタールを分離する工程と、前記１次バイオマス炭に前記分離したタールを混合して混合物を得る工程と、前記混合物を造粒して造粒物を得る工程と、前記造粒物を２次乾留して前記造粒物中タールの炭素分を前記造粒物中１次バイオマス炭に付着析出させたバイオマス炭を得る工程と、からなることを特徴とするバイオマス炭の製造方法。
（２）乾留生成物からガスを分離し、該分離したガスを燃焼した燃焼ガスを乾留の熱源として用いることを特徴とする（１）に記載のバイオマス炭の製造方法。

本発明によれば、バイオマスを乾留して製造されるバイオマス炭の収率を向上させることが可能となる。製造されるバイオマス炭の品質も向上する。また、乾留生成物を軽質化でき、排ガス処理工程も軽減可能となる。これにより、製鉄プロセス、特に製銑工程でのバイオマスによる石炭代替量の増加が期待できる。

本発明の一実施形態の説明図。本発明の他の一実施形態の説明図。

本発明では、バイオマス乾留時（１次乾留時）に発生する乾留生成物（ガス、タール、水分）からタールを分離し、１次乾留により得られた１次バイオマス炭に混合し、１次バイオマス炭・タール混合物をさらに２次乾留により、タール中の炭素を１次バイオマス炭上に析出させたバイオマス炭（２次バイオマス炭に相当）を得ることができる。これにより、バイオマス乾留時の発生タールを最小とし、バイオマス炭の収率を向上させることができる。本発明で得られたバイオマス炭はタール等がそのまま付着しているのとは異なり乾留（コーキング化）して炭素の状態として付着しているため、酸素含有率が低く、発熱量が高くなり、揮発分が少なく、反応性が低く発火性も低下して安全性が高まり、高品質であり、製鉄プロセス、特に製銑、製鋼工程、焼結炉における炭材として好適に利用することができる。

バイオマスとは、ある一定量集積した動植物資源とこれを起源とする廃棄物の総称（ただし、化石資源を除く）であり、本発明で用いるバイオマスには、農業系、林業系、畜産系、水産系、廃棄物系等の、熱分解して炭化物を生成するあらゆるバイオマスを用いることができる。有効発熱量の高いバイオマスを用いることが好ましく、木質系バイオマスを用いることが好ましい。木質系バイオマスとしては、パルプ黒液、チップダスト等の製紙副産物、樹皮、のこ屑等の製材副産物、枝、葉、梢、端尺材等の林地残材、スギ、ヒノキ、マツ類等の除間伐材、食用菌類の廃ホダ木等の特用林産からのもの、シイ、コナラ、マツ等の薪炭林、ヤナギ、ポプラ、ユーカリ、マツ等の短伐期林業等の林業系バイオマスや、市町村の街路樹、個人宅の庭木等の剪定枝条等の一般廃棄物や、国や県の街路樹、企業の庭木等の剪定枝条、建設・建築廃材等の産業廃棄物等が挙げられる。農業系バイオマスに分類される、廃棄物・副産物を発生源とする籾殻、麦わら、稲わら、サトウキビカス、パームヤシ等や、エネルギー作物を発生源とする米糠、菜種、大豆等の農業系バイオマスの一部も木質系バイオマスとして好適に用いることができる。

また、バイオマスの乾留とは、バイオマスの熱分解であり、空気（酸素）の供給を遮断または制限して加熱し、気体（木ガスとも呼ばれる）、液体（タール）、固体（炭）の生成物を得る技術である。バイオマスを熱分解して得られる液体を静置あるいは蒸留によって褐色透明な液（酢液）を分離して除いた黒褐色の高粘性の液状物をタールと呼ぶ場合もあるが、本発明ではタールと酢液とが混合された状態の液体をタールと呼ぶ。

本発明の一実施形態を図１を用いて説明する。１は１次乾留炉、２はタール、水分の分離装置、３は１次バイオマス炭とタールの混合装置、４は造粒装置、５は１次バイオマス炭・タール混合物の２次乾留炉、６は１次乾留炉および２次乾留炉より発生する発生ガスの燃焼装置を示す。バイオマスａは図示しない供給装置により１次乾留炉１に供給され、１次バイオマス炭ｂと１次乾留生成物（発生ガス、タール、水分）を生成する（バイオマスを１次乾留して１次バイオマス炭と乾留生成物とを得る工程である。）。１次乾留生成物は発生ガスｃ１とタール・水分ｄ１に分離され、発生ガスｃ１は燃焼装置６に、タール・水分ｄ１は分離装置２に供給される。分離装置２により分離されたタールｅは混合装置３に供給され、１次バイオマス炭ｂと混合される（乾留生成物からタールを分離する工程と、１次バイオマスに分離したタールを混合して混合物を得る工程である。）。１次バイオマス炭およびタールの混合物ｇは造粒装置４に供給され造粒物ｈとなる（混合物を造粒して造粒物を得る工程である。）。１次バイオマス炭およびタールの混合物の造粒物ｈは２次乾留炉５に、図示していない供給装置により供給される。２次乾留炉５内では乾留により造粒物ｈは１次バイオマス炭上にタール中の炭素が析出した状態の２次バイオマス炭ｉとなる（造粒物を２次乾留してタール中の炭素分を１次バイオマス炭に付着析出させたバイオマス炭を得る工程）。炭素が析出したバイオマス炭である２次バイオマス炭ｉは２次乾留炉５より排出され、バイオマス炭として、製鉄プロセス７等に利用される。一方、２次乾留炉５より発生した２次乾留生成物（発生ガス、タール、水分）は１次乾留生成物（発生ガス、タール、水分）と同様に分離され、発生ガスｃ２は燃焼装置６へ、タール・水分ｄ２は分離装置２に供給される。燃焼装置６に供給された発生ガスｃは燃焼され、燃焼ガスｊ１、ｊ２が１次乾留炉１および２次乾留炉５の熱源として利用される。また、必要に応じて燃焼装置６には補助燃料ｋ（重油等）が使用される。

１次バイオマス炭への炭素析出は、まずタールが１次バイオマス炭に吸着し、続いて吸着したタールが脱水素し、炭素析出する。そのため、１次バイオマス炭の比表面積、細孔容積、平均細孔径が重要となる。比表面積および細孔容積が充分に大きくても、平均細孔径が小さい場合にはタールは細孔内に侵入せず、吸着量が少ない。１次乾留炉１内においても発生したタールの１次バイオマス炭への吸着が起こるが、発生ガス量が多く、タールの吸着を阻害する。また、乾留生成物には水分もあり、吸着したタールのガス化反応が起こり、炭素析出を阻害する。従って、乾留生成物よりガス及び水分を除去して、タールのみを１次バイオマス炭と混合することが効果的である。タールと水分の分離については一般的に使用されている油水分離装置を用いればよい。

１次バイオマス炭とタールの混合装置３は、水平円筒型混合機、Ｖ型混合機、リボン型混合機、撹拌型混合機等（例えば、非特許文献１参照。）のように一般的に使用されている混合装置を用いればよい。高速で撹拌する撹拌型混合機が好適である。高速で撹拌することにより、タールの粘性を低下させ、１次バイオマス炭の細孔内にタールを吸着しやすくする。

１次乾留炉１で得られた１次バイオマス炭およびタールの混合物ｇは造粒装置４で造粒されるが、これは２次乾留炉５において所定の処理時間を確保するために粒径を整粒する必要があるためである。また、１次乾留炉１で乾留された１次バイオマス炭ｂは、乾留過程で粉体となる場合もあり、次工程でのハンドリング等を考慮して造粒される。造粒方法はロータリーキルン方式、転動造粒方式、成型機方式等を用いればよく、成型機を用いる場合は押し出し成型でも、ダブルロールタイプの成型機でも適宜利用可能である。造粒（あるいは成型による造粒）により、粒子密度が増加し、混合されたタールが粒子より揮発しにくくなり、炭化収率を向上させる効果もある。

バイオマスの乾留温度はバイオマスの脱水および乾留生成物が生成する温度範囲であればよく、１次バイオマス炭の比表面積１０ｍ²／ｇ以上となる４５０〜８００℃の範囲であればよい。バイオマス炭の収率を考慮すると、４５０〜７００℃で乾留することが、より好ましい。

２次乾留炉５の温度は２次乾留炉５で１次バイオマス炭が乾留しない条件であり、１次乾留炉１と同等の温度範囲が好ましい。

１次乾留炉１はバイオマスを乾留できるものであればよく、通常のバッチ式、ロータリーキルン式、竪型炉等を用いることができる。連続プロセスとして採用可能なロータリーキルン式を用いることが好ましい。

２次乾留炉５は１次バイオマス炭に付着したタールを乾留させればよく、通常のバッチ式、ロータリーキルン式、竪型炉等を用いることができる。連続プロセスとして採用可能なロータリーキルン式を用いることが好ましい。

１次乾留炉１ならびに２次乾留炉５の加熱方法は基本的には発生ガスｃを燃焼し、加熱して行なうが、補助燃料ｋとして重油、プロパン等の燃料ガスを燃焼させ加熱ガスとして用いてもよい。また、燃料ガスを燃焼させる方法以外に、電気加熱により加熱してもよい。電気加熱の場合であれば１次乾留炉１および２次乾留炉５をそれぞれ分割して温度制御することが可能である。

図２を用いて、本発明の他の一実施形態を説明する。図１における１次乾留炉１および２次乾留炉５がロータリーキルンの場合である。

図２において、１次乾留炉であるロータリーキルン炉２０の装置本体２１は、外管２２と内管２３とで構成されている。この内管２３は外管２２の内部長手方向に外管２２と同芯状に配置されている。そして、内管２３の内部がバイオマスの通路（処理空間）２４を構成し、また外管２２と内管２３の間の空間が加熱ガスの通路（加熱ガス空間）２５を構成している。

図２の装置を用いてバイオマスを乾留する際には、図示しない破砕装置にて事前に破砕され、バイオマスａをロータリーキルン装置本体２１の一端側より材料供給用のスクリューフィーダー２９を介して処理空間２４に供給する。加熱ガス（燃焼ガス）ｊ１は熱風導管３１を介して加熱ガス空間２５に供給される。２７は被処理材の定量供給装置、２８、３０は駆動モータ、３２は加熱ガスの排出口、２６は処理された被処理材及び発生ガスの排出口を示す。

加熱ガス空間２５に供給された加熱ガスｊ１は内管２３の全体を加熱し、その管壁を通じてバイオマスａが加熱され、乾留される。加熱ガス空間２５を流れた加熱ガスはロータリーキルン装置本体２１の他端側の排出口３２から排出される。

一方、内管２３内部の処理空間２４に供給されたバイオマスａは内管２３の回転によって混合されながら処理空間２４を移送されつつ加熱され、乾留され、１次バイオマス炭ｂとなるとともに乾留ガス・タール・水を発生する。発生した乾留ガス・タール・水ｎ１は分離装置７０により、それぞれ分離される。１次バイオマス炭ｂは一旦、ホッパ４０に貯蔵され、ミキサー４１に供給される。分離されたタールｅはタールホッパ４３に一旦貯蔵され、ミキサー４１に供給され、１次バイオマス炭ｂと混合される。１次バイオマス炭およびタールの混合物ｇは造粒装置９０により造粒物ｈに成型され、ロータリーキルン炉（２次乾留炉）５０に供給され、付着したタールの乾留が起こり２次バイオマス炭ｉとなる。ロータリーキルン炉５０で発生したガス・タール・水ｎ２はロータリーキルン炉２０から排出されるガス・タール・水ｎ１と同様に分離され、それぞれ使用される。

このようにして造粒物を２次乾留してタール中の炭素分を１次バイオマスに付着析出させたバイオマス炭を得る工程での加熱・乾留処理が完了した２次バイオマス炭ｉはロータリーキルン装置本体５０の処理された被処理材及び発生ガスの排出口５６から排出される。

ロータリーキルン炉２０および５０から排出された１次バイオマス炭ｂおよび２次バイオマス炭ｉは図示しない冷却装置により、それぞれ冷却され回収される。冷却方法は発火等の安全性を考慮して不活性ガスを用いる方法が好ましく、発火しない温度範囲まで冷却すればよく、２００℃以下であればよい。より好ましくは１００℃以下に冷却する。

分離装置７０で分離された発生ガスｃは燃焼装置８０で燃焼され、燃焼ガスｊはロータリーキルン２０および５０の加熱ガスｊ１、ｊ２として利用される。

上記において２次バイオマス炭として記載されたバイオマス炭が、本発明のバイオマスを乾留して製造する高収率で高品質のバイオマス炭に相当する。

特開平０３−１２２１９１号公報特開２００７−１４６０１６号公報特開２００２−２４１７６２号公報

粉体工学会編「粉体工学便覧」日刊工業新聞社、１９８６年、ｐ．６１０

図２に示すものと同様の設備を用いて、バイオマスの乾留（１次乾留）ならびに１次バイオマス、タール混合物の乾留（２次乾留）試験を行った。但し、ロータリーキルン炉２０および５０の加熱方法は３分割の電気加熱とした。１次乾留に用いたロータリーキルン炉２０は内径１５ｃｍ、長さ１．０ｍ、傾斜角１度であり、乾留時間はロータリーキルン回転数を１．５ｒｐｍとし、約５０分とした。２次乾留に用いたロータリーキルン炉５０は内径１０ｃｍ、長さ０．６ｍ、傾斜角１度であり、乾留時間はロータリーキルン回転数を１．５ｒｐｍとし、約４５分とした。バイオマスとしては３ｍｍ〜１０ｍｍに粉砕分級した杉を用いた。使用したバイオマスの組成を表１に示す。

ロータリーキルン炉２０へのバイオマス供給速度は１．０ｋｇ／ｈとし、１次バイオマス炭、ガス、タール、水分をロータリーキルン炉２０より回収し、得られた１次バイオマス炭とタールを攪拌機により２分間撹拌して混合した。さらに、得られた混合物をカップ容量１８ｍｌのダブルロール成型機に送り、造粒後、ロータリーキルン炉５０に供給した。

試験条件を表２に示すように変化させて、Ｎｏ．１〜５の試験を行い、製造されたバイオマス炭、ガス、タール、水分の収率を測定した。結果を表２に併せて示す。Ｎｏ．５は１次バイオマス炭とタールを混合後、ダブルロール成型機で造粒せずにそのまま、ロータリーキルン炉５０に供給し、乾留を行った。

表２によれば、ロータリーキルン炉５０を用いて、１次バイオマス、タール造粒物を乾留することで、１次バイオマス炭の段階に比べて、バイオマス炭の収率が向上することが分かる。Ｎｏ．５でも、１次バイオマス炭に比べて、バイオマス炭の収率は向上したが、造粒されていないため、混合したタールと１次バイオマス炭の接触が不十分であるとともに、１次バイオマス炭細孔への吸着（圧入）が不十分であり、Ｎｏ．１〜４に比較して収率が上がらなかった。

１１次乾留炉
２分離装置
３混合装置
４造粒装置
５２次乾留炉
６燃焼装置
７製鉄プロセス
２０ロータリーキルン炉（１次乾留炉）
２１ロータリーキルン装置本体
２２外管
２３内管
２４バイオマスの通路（処理空間）
２５加熱ガスの通路（加熱ガス空間）
２６処理された被処理材及び発生ガスの排出口
２７被処理材の定量供給装置
２８駆動モータ、
２９スクリューフィーダー
３０駆動モータ
３１熱風導管
３２加熱ガスの排出口
４０ホッパ
４１ミキサー
４２モーター
４３タールホッパ
４４ポンプ
４５フィーダー
５０ロータリーキルン炉（２次乾留炉）
５１ロータリーキルン装置本体
５６処理された被処理材及び発生ガスの排出口
７０分離装置
９０造粒装置
８０燃焼装置
ａバイオマス
ｂ１次バイオマス炭
ｃ（ｃ１、ｃ２）発生ガス
ｄ（ｄ１、ｄ２）タール・水分
ｅタール
ｆ水分
ｇ１次バイオマス炭およびタールの混合物
ｈ造粒物
ｉ２次バイオマス炭
ｊ（ｊ１、ｊ２）燃焼ガス（加熱ガス）
ｋ補助燃料
ｎ（ｎ１、ｎ２）発生ガス・タール・水
ｏ空気

Claims

バイオマスを乾留してバイオマス炭を製造する際に、バイオマスを１次乾留して１次バイオマス炭と乾留生成物とを得る工程と、前記乾留生成物からタールを分離する工程と、前記１次バイオマス炭に前記分離したタールを混合して混合物を得る工程と、前記混合物を造粒して造粒物を得る工程と、前記造粒物を２次乾留して前記造粒物中タールの炭素分を前記造粒物中１次バイオマス炭に付着析出させたバイオマス炭を得る工程と、からなることを特徴とするバイオマス炭の製造方法。
乾留生成物からガスを分離し、該分離したガスを燃焼した燃焼ガスを乾留の熱源として用いることを特徴とする請求項１に記載のバイオマス炭の製造方法。