JP2011189268A

JP2011189268A - 乾燥バイオマスの製造方法

Info

Publication number: JP2011189268A
Application number: JP2010057163A
Authority: JP
Inventors: Osamu Okuma; 修大隈; Motoharu Nakamura; 元治中村; Yasuyuki Fukunaga; 泰幸福永; Yoshio Adachi; 義男足立
Original assignee: SHIRATAKI YUKI SANGYO KK; New Industry Research Organization NIRO
Current assignee: SHIRATAKI YUKI SANGYO KK; New Industry Research Organization NIRO
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】従来のものよりも優れた、湿潤バイオマスの乾燥方法を提供することを課題とする。
【解決手段】湿潤バイオマスを副資材と混合した状態で好気性発酵させる工程を含む、乾燥バイオマスの製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、乾燥バイオマスの製造方法に関する。

再生可能な生物由来の有機性資源（化石資源を除く）はバイオマスと呼ばれ、各種産業資源として再利用されている。

バイオマスのうち、下水汚泥等の排水汚泥、茶かす及びコーヒーかす等の食品残渣、並びに牛糞、鶏糞及び豚糞等の家畜糞尿等をはじめとする、水分が多くかつ固体状のものは湿潤バイオマスと呼ばれる。現在、これら湿潤バイオマスは堆肥化することにより再利用されている（非特許文献１）。しかしながら堆肥の需要には限界があるため、けっきょく一部が再利用されるに止まり、その多くは焼却されているのが現状である。

これはエネルギー再利用効率の点で問題がある。また、湿潤バイオマスを焼却することによるCO₂排出や水環境汚染等の各種汚染も問題となっている。そのため、湿潤バイオマスの堆肥化に代わる新たな再利用方法の開発が行われており、固形燃料化や炭化等が提案されている。

ところが、湿潤バイオマスは含水量が高く、このままエネルギー源として利用しようとすると多くの熱量が水分の蒸発潜熱として消費されることとなる。このように、湿潤バイオマスをエネルギー源として利用するにあたっては、前処理として湿潤バイオマスを乾燥することが必要である。

しかしながら、湿潤バイオマスは含水量が高いため、化石燃料等の他のエネルギー源を利用して乾燥しようとするとエネルギー収支がマイナスとなってしまうことが多い。これらの手法にはエネルギー再利用効率の点で問題があった。また、発電所や工場等の廃熱を利用して同様に乾燥することによりエネルギー収支を改善しようとする試みもなされている。しかしながら、これら廃熱は比較的低温であり、これを利用して含水量の高い湿潤バイオマスを乾燥しようとすると大規模な設備が必要となり、設置や運営にかかるコストが大きくなってしまうという問題があった。しかも、湿潤バイオマスは経時的に腐敗が進行し、臭気が発生する。このため腐敗や臭気発生が進行しないうちに迅速に乾燥処理を完了する必要がある。前述の廃熱は輸送可能な範囲に限界があるため、廃熱が発生する場所と湿潤バイオマスが発生する場所とが離間している場合には、湿潤バイオマスのほうを廃熱発生場所の近郊まで輸送する必要がある。このため、腐敗や臭気発生が進行しないうちに迅速に乾燥処理を完了することが難しいという問題もあった。

有機廃棄物資源化大事典（有機質資源化推進会議、（社）農山漁村文化協会）ｐｐ.７〜29、ｐｐ.141〜164

本発明は、従来のものよりも優れた、湿潤バイオマスの乾燥方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、湿潤バイオマスの新たな乾燥方法について鋭意検討を行い、特定の条件下で発酵熱を生じさせ、これを利用することにより従来の諸問題点を解決しうることを見出した。

本発明はかかる知見に基づきさらに検討を重ねた結果完成されたものであり、下記に掲げるものである。
［項１］
（Ａ）湿潤バイオマスを副資材と混合した状態で好気性発酵させる工程
を含む、乾燥バイオマスの製造方法。
［項２］
さらに、
（Ｂ）前記工程（Ａ）で得られた湿潤バイオマス及び乾燥バイオマスの混合物を篩目3〜6mmで篩い分けすることにより、篩上産物として再生副資材を、篩下産物として乾燥バイオマスをそれぞれ得る工程
を含む、項１に記載の製造方法。
［項３］
さらに、
（Ｃ）前記工程（Ｂ）で得られた再生副資材を副資材として前記工程（Ａ）及び（Ｂ）を繰り返す工程
を含む、項２に記載の製造方法。
［項４］
前記湿潤バイオマスが含水率50〜90重量％のバイオマスである、項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
［項５］
前記湿潤バイオマスが排水汚泥、食品残渣、及び家畜糞尿からなる群より選択される少なくとも１種である、項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
［項６］
前記乾燥バイオマスが水分40重量％以下のバイオマスである、項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
［項７］
前記副資材が最大径10〜100mmの副資材である、項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
［項８］
前記副資材が嵩密度0.1〜0.4の副資材である、請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
［項９］
前記工程（Ａ）において温度を60〜80℃にて20日以上維持する、項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
［項１０］
前記工程（Ａ）において湿潤バイオマスを副資材と混合したものを2〜4mの高さに積み上げた状態で好気性発酵させる、項１〜９のいずれかに記載の製造方法。

本発明の乾燥バイオマスの製造方法を用いると、湿潤バイオマスを原料として、従来の方法に比べてより高いエネルギー効率で、かつより低コストで乾燥バイオマスを得ることができる。

本発明の乾燥バイオマスの製造方法を使用して得られた乾燥バイオマスは、エネルギー再利用効率及びコストの点で優れている。これを利用することで従来廃棄していたエネルギーの有効活用につなげることができる。

本発明の製造方法は、次の通りである。
（Ａ）湿潤バイオマスを副資材と混合した状態で好気性発酵させる工程
を含む、乾燥バイオマスの製造方法。

本発明の製造方法は、さらに
（Ｂ）前記工程（Ａ）で得られた湿潤バイオマス及び乾燥バイオマスの混合物を篩目3〜10mで篩い分けすることにより、篩上産物として再生副資材を、篩下産物として乾燥バイオマスをそれぞれ得る工程
を含んでいてもよい。

また、本発明の製造方法は、さらに
（Ｃ）前記工程（Ｂ）で得られた再生副資材を副資材として前記工程（Ａ）及び（Ｂ）を繰り返す工程
を含んでいてもよい。

１．工程（Ａ）
工程（Ａ）は、湿潤バイオマスを副資材と混合した状態で好気性発酵させる工程である。

湿潤バイオマスとは、水分が多くかつ固体状のバイオマスである。

本発明において使用する湿潤バイオマスとしては、限定されないが、含水率50〜90重量％のバイオマスが好ましく、水分75〜85重量％のバイオマスがより好ましい。

湿潤バイオマスの例としては、限定されないが、排水汚泥、食品残渣、及び家畜糞尿等が挙げられる。

湿潤バイオマスの具体例としては、限定されないが、排水汚泥として下水汚泥等、食品残渣として茶かす及びコーヒーかす、野菜くず、総菜加工くず等の食品加工残渣、その他の廃棄される食品等、並びに家畜糞尿として牛糞、鶏糞及び豚糞等が挙げられる。

これらを単独で用いてもよいし、複数種のものを組み合わせて用いてもよい。

これらの湿潤バイオマスを混合して用いる場合は、乾物（完全に水分を除いた値）として、灰分（燃焼後に残る無機物）が40重量％以下となるように混合する。このとき灰分は少ない方が好ましい。なお、通常の下水汚泥は、灰分が乾物の20〜40重量％である。

乾燥バイオマスとは、水分が少なくかつ粉状（粒状）であり、篩分けが可能な状態のバイオマスである。

本発明において取得される乾燥バイオマスとしては、限定されないが、水分40重量％以下のバイオマスであれば好ましく、水分40重量％以下、かつ灰分が乾物に対して40重量％以下のバイオマスであればより好ましい。また、本発明において取得される乾燥バイオマスとしては、限定されないが、水分25〜35重量％のバイオマスであれば好ましい。また、灰分は少ないほど好ましい。

副資材とは、湿潤バイオマスと混合することにより空隙率を高めるために使用される材である。本発明で使用する副資材としては、限定されないが、最大径10〜100mmの副資材であれば好ましく、最大径30〜60mmの副資材であればより好ましい。

本発明で使用する副資材としては、限定されないが、嵩密度0.1〜0.4の副資材であれば好ましく、嵩密度0.15〜0.25の副資材であればより好ましい。

本発明で使用する副資材としては、限定されないが、例えば、植物由来のものが挙げられる。

本発明で使用する植物由来の副資材の例としては、限定されないが、例えば、木材、樹皮、茎、及び果皮等が挙げられる。

本発明で使用する植物由来の副資材の具体例としては、限定されないが、例えば、木材として木質チップ及び木材加工くず、樹皮としてバーク等、及び茎として稲藁等が挙げられる。

本発明で使用する副資材としては、これらを単独で用いてもよいし、複数種のものを組み合わせて用いてもよい。

湿潤バイオマスを副資材と混合した状態とは、湿潤バイオマス中に副資材を投入した後に、例えばショベル等の重機あるいは専用の攪拌機等を用いて撹拌した状態をいう。

湿潤バイオマスを副資材と混合する比率としては、特に限定されないが、容積比で湿潤バイオマス１に対して１〜4、好ましくは2〜3の副資材を混合することが好ましい。

好気性発酵は、湿潤バイオマスと副資材を適切に混合し、適切な堆積山を形成すれば、自動的に開始させることができる。

好気性発酵は、特に限定されないが、10〜30日間行わせるのが好ましく、15〜20日間行わせるのがより好ましい。特に限定されないが、この間バイオマス中の温度を60〜80℃に保つのが好ましく、70〜75℃に保つのがより好ましい。

好気性発酵が進行するにつれてバイオマス内部の温度は通常低下する。バイオマス内部の温度が50〜60℃にまで低下してきたら、その後さらに好気性発酵を10〜30日間継続するのが好ましく、15〜20日間継続するのがより好ましい。通常は、その後にバイオマス内部の温度が40〜50℃にまで低下したら、乾燥バイオマスの製造を終了する。

水分が40重量％以下、好ましくは30〜35％になれば、さらに別の工程（Ｂ）等に進んでもよい。

好気性発酵は、特に限定されないが、湿潤バイオマスを副資材と混合したものを2〜4mの高さに積み上げた状態で行うのが好ましく、2.5〜3.5mの高さに積み上げた状態で行うのがより好ましい。このように積み上げることによって、好気性発酵がより進行する。特に限定されないが、略台形となるように積み上げるのが好ましい。

好気性発酵の間、特に限定されないが、好ましくは、定期的にバイオマスを5〜10間に一度、より好ましくは7〜8日間に一度、切り返しを行う。本発明において「切り返し」とは、バイオマスの内側部分を外気と接触させることをいい、具体的な例としては、積み上げられたバイオマスを外側部分から順に少量ずつ別の場所にまで移動し、その場所で再び同様の形状に積み上げ直すことによって行うことができる。この移動は、例えば、ショベル等を用いて行うことができる。この切り返しにより、バイオマス中に籠っている水蒸気や熱気が外気に放出され、それと同時にバイオマスの内部が露出して空気に触れることになる。このため、好気性発酵による乾燥作用が促進される。

好気性発酵は、特に限定されないが、通常は湿潤バイオマス中に一定量空気を通風することによって行うことができる。空気を通風する条件は、特に限定されないが、好気姓発酵がより進行するという点では、通風量が、湿潤バイオマス1 m³あたり0.5〜2m³／時間であれば好ましく、1.0〜1.5m³／時間であればより好ましい。

空気を通風する具体的な方法としては、特に限定されないが、例えば、孔を複数設けてなる通風パイプを湿潤バイオマス中に通し、かかる通風パイプに空気を通風することにより前述の各孔から空気を噴出させて湿潤バイオマス中に空気を通風することができる。

通風パイプとしては、特に限定されないが、できるだけ均一に通風することが好ましく、最低でも1ｍ²に1個、好ましくは0.2ｍ²に1個、通風孔を設けることが好ましい。

通風量が少なく不均一で空気が届かない部分があると、嫌気性発酵が起こり、アンモニア等の悪臭が発生する。また、多すぎると発酵による温度上昇が小さく水分の蒸発が進まない。したがって、均一に空気を送る必要がある。

２．工程（Ｂ）
工程（Ｂ）は、前記工程（Ａ）で得られた湿潤バイオマス及び乾燥バイオマスの混合物を篩目3〜6mmで篩い分けすることにより、篩上産物として再生副資材を、篩下産物として乾燥バイオマスをそれぞれ得る工程である。

再生副資材とは、工程（Ａ）でいったん使用した後にさらに工程（Ｃ）で再利用される副資材のことをいう。再生副資材をこのようにして得るためには、空隙率を保持し良好な通風状態を維持するため、大きな木質チップを使用するのが好ましい。

工程（Ａ）の好気性発酵によって、湿潤バイオマスの一部が乾燥されて乾燥バイオマスが生じる。工程（Ｂ）は、その結果得られる湿潤バイオマス及び乾燥バイオマスの混合物を篩い分けることにより湿潤バイオマス及び乾燥バイオマスを分離する工程である。

篩い分けは、篩目3〜10mmで行う。また、篩目5〜6mmで行うのがより好ましい。

篩い分けは、前述の篩目を有する篩を用いることにより行うことができる。特に限定されないが、例えばステンレス製の篩を用いることができる。例えば、振動分別トロンメルのような装置を用いることもできる。

３．工程（Ｃ）
工程（Ｃ）は、前記工程（Ｂ）で得られた再生副資材を副資材として前記工程（Ａ）及び（Ｂ）を繰り返す工程である。

先述の通り、工程（Ａ）において好気性発酵が進行するにつれてバイオマス内部の温度は通常低下する。バイオマス内部の温度が40〜50℃にまで低下してきたら、その後さらに好気性発酵を10〜20日間継続するのが好ましく、15〜20日間継続するのがより好ましい。通常は、その後に工程（Ａ）を終了し、乾燥バイオマスを得ることができる。または、その後さらに工程（Ｂ）を行って乾燥バイオマスを得てもよい。バイオマス内部の温度が30℃以下にまで低下しなければ、乾燥バイオマスの製造を終了しなくてもよく、さらに別の工程（Ｂ）等に進んでもよい。

以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。

実施例１．
湿潤バイオマス（下水汚泥、水分80％）を副資材（木質チップ、嵩密度0.18）と容積１：２で混合し、20m^３で高さ1mの山をつくり、空気の通風量を混合物1m^３あたり、0.5、1、2、3m^３／時間として、それぞれ1週間に一度切り返しを行い、50日乾燥を行った。その結果、通風量を2m^３／時間としたものでも容積はあまり減少せず、温度も最初60℃まで上がったものの、それ以上は上昇せずに徐々に低下した。水分も65％までしか減少せず、篩分けもできなかった。

容積が小さく山の高さも低いため、発酵熱の放散が大きく、通風量を変えても、発酵温度が充分に上がらず、乾燥が進行しなかったものとみられる。

実施例２．
湿潤バイオマス（下水汚泥、水分80％）を副資材（木質チップ、嵩密度0.18）と容積１：２で混合し、55m^３で高さ2mの山をつくり、空気の通風量を混合物1m^３あたり、0.5、1、2、3m^３／時間として、それぞれ1週間に一度切り返しを行い、50日乾燥を行った。その結果、容積は約70％に減少し、温度も最初70℃をこえたものの、10日程度で徐々に低下し、50日の処理では、水分も45％までしか減少しなかった。そのため、篩分けには50日以降に、さらに通風乾燥が必要であり、篩目6mmでの篩分けも容易ではなかった。

容積が大きくなり、風量1〜2m^３で温度が上がるが、体積がまだ小さく、温度を維持できなかった。温度低下が起こりやすくなっているが、50日では篩分けが容易な水分までは乾燥が進んでいなかった。

実施例３．
湿潤バイオマス（下水汚泥、水分80％）を副資材（木質チップ、嵩密度0.18）と容積１：２で混合し、150m^３で高さ3mの山をつくり、空気の通風量を混合物1m^３あたり、0.5、1、2、3 m^３／時間として、それぞれ1週間に一度切り返しを行い、50日乾燥を行った。その結果、通風量0.5〜1ｍ容積は約60％に減少し、温度も最初70℃以上を20日以上維持することができた。50日の処理で、水分も32％まで減少し、6mmの篩目で容易に篩分けすることができた。篩上生産物を容積で約2/3回収し、副資材として再利用することが可能になった。

堆積山の高さと容積が充分であったため、発酵熱が充分発生し、必要な温度を保つことができた。山が大きいため通風量は減少気味であるが、切り返しを適切に実施することで、充分な乾燥が実現できた。

実施例４．
湿潤バイオマス（下水汚泥、水分80％）を再生副資材と容積１：２で混合し、110ｍ^３で高さ2.5mの山をつくり、空気の通風量を混合物1m^３あたり、0.5、1、2、3m^３／時間として、それぞれ1週間に一度切り返しを行い、50日乾燥を行った。その結果、通風量0.5〜1mで容積は約60％に減少し、温度も最初70℃以上を20日以上維持することができた。50日の処理で、水分も34％まで減少し、6mmの篩目で容易に篩分けすることができた。篩上生産物を容積で約2/3回収し、副資材として再利用することが可能になった。

再生副資材であっても、適切に混合し堆積するとともに通風することで、発酵が進行し、乾燥が進むことがわかった。

Claims

（Ａ）湿潤バイオマスを副資材と混合した状態で好気性発酵させる工程
を含む、乾燥バイオマスの製造方法。
さらに、
（Ｂ）前記工程（Ａ）で得られた湿潤バイオマス及び乾燥バイオマスの混合物を篩目3〜6mmで篩い分けすることにより、篩上産物として再生副資材を、篩下産物として乾燥バイオマスをそれぞれ得る工程
を含む、請求項１に記載の製造方法。
さらに、
（Ｃ）前記工程（Ｂ）で得られた再生副資材を副資材として前記工程（Ａ）及び（Ｂ）を繰り返す工程
を含む、請求項２に記載の製造方法。
前記湿潤バイオマスが含水率50〜90重量％のバイオマスである、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
前記湿潤バイオマスが排水汚泥、食品残渣、及び家畜糞尿からなる群より選択される少なくとも１種である、請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
前記乾燥バイオマスが含水率40重量％以下のバイオマスである、請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
前記副資材が最大径10〜100mmの副資材である、請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
前記副資材が嵩密度0.1〜0.4の副資材である、請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
前記工程（Ａ）において温度を60〜80℃にて20日以上維持する、請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
前記工程（Ａ）において湿潤バイオマスを副資材と混合したものを2〜4mの高さに積み上げた状態で好気性発酵させる、請求項１〜９のいずれかに記載の製造方法。