JP2012046729A - 繊維状バイオマスからの炭化物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】廃棄物溶融炉の廃棄物の溶融熱源となるコークスの代替となる十分な強度を得ることができる炭化物を繊維状バイオマスから製造する方法を提供する。
【解決手段】繊維状バイオマス（パームヤシ残渣）を破砕機で破砕し、破砕した繊維状バイオマスを乾燥機で乾燥し、乾燥した繊維状バイオマスからペレットなどの造粒物を製造し、製造した造粒物から中空筒状の成型物を成型機で加熱加圧成型し、得られた中空筒状の成型物を炭化して炭化物を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パームヤシ残渣等の繊維状バイオマスから炭化物を製造する方法に関する。特に、本発明は、シャフト炉式の廃棄物溶融炉において廃棄物の溶融熱源とすることのできる炭化物をパームヤシ残渣等の繊維状バイオマスから製造する方法に関する。

一般廃棄物・産業廃棄物、あるいはそれらを乾燥、焼却、破砕処理等によって得られた処理物、これらを一度埋め立て処理後、再度掘り起こした土砂分を含む埋め立てごみ等の廃棄物を処理する方法として、これらの廃棄物をシャフト炉式の廃棄物溶融炉で溶融処理してスラグ、メタルとして再資源化する方法が実施されている。

シャフト炉式の廃棄物溶融炉について図１１を参照して説明すると、その炉本体１は、シャフト部１ａと、下部の朝顔部５と、炉底部１０からなる。炉底部１０には燃焼・溶融帯用の下段羽口３が設けられており、その上方には熱分解帯用の複数段の上段羽口２が設けられている。下段羽口３からは酸素又は酸素富化空気を供給し、上段羽口２からは燃焼支持ガスとして空気を供給する。

炉本体１の上部には、処理対象となる廃棄物、助燃剤としてのコークス、塩基度調整剤としての石灰石等を炉内に装入するためのシール弁を備えた装入装置１１が設けられている。炉本体１の下端部には、廃棄物を溶融処理した後のスラグ、メタルを排出する出滓口１３が設けられている。

上記構成において、炉内に装入された廃棄物１ｂは、炉本体１の上層から乾燥・予熱帯６（約３００〜４００℃）、熱分解帯７（約３００〜１０００℃）、燃焼・溶融帯８（約１７００〜１８００℃）を通過して溶融処理される。

下段羽口３から供給した酸素又は酸素富化空気によってコークス４や廃棄物の熱分解残渣１４を高温で燃焼し、溶融熱源とする。一方、上段羽口２からは空気を供給して主に廃棄物の熱分解残渣１４を燃焼し、発生したガスで廃棄物の乾燥・予熱及び熱分解を行う。溶融した廃棄物はスラグ、メタルを溶融物として出滓口１３より排出される。

発生した高温のガスは、炉本体内の廃棄物の充填層を対向流として上昇し、炉本体上部の排ガス管１２から燃焼室へ導入されて燃焼される。その燃焼排ガスは、排ガス管を通ってボイラーへ導入され、熱が回収された後、減温塔で温度を調整して集じん機に通され、さらには、触媒反応塔で有害物質を除去した後、煙突から排出される。

このように、シャフト炉式の廃棄物溶融炉ではコークスを使用する。しかし、地球温暖化防止の観点から、化石燃料に由来するＣＯ_２排出量の削減が求められており、化石燃料の使用量を削減するニーズが高まってきている。発電の1次エネルギーとしては、太陽光、風力、原子力等の様々な手段が開発されているが、産業用コークスについては代替物の開発及び実用化が進んでいない。そのため、現状では石炭を原料としたコークスの使用が必須となっているが、シャフト炉式の廃棄物溶融炉においてもコークス使用量の削減が求められている。

その削減策の一つとして、石炭を原料とするコークスを、バイオマスを原料とする塊状燃料で代替することが提案されている。例えば、特許文献１では、バイオマスとして平均粒径１ｍｍ以下の木材粉（オガクズ）を乾燥し水分１０質量％以下とした原料を加熱加圧成型して中空筒状の固形物とし、その固形物を乾留した炭化物をコークスの代わりに使用することが提案されている。しかしながら、近年、木材粉の発生量が減少し、その安定的な調達が困難になっている。

一方、未利用バイオマスとしてのパームヤシ残渣は多量に発生している。パームヤシ残渣は、野積みされて発酵したり、焼却されたりと、十分な活用が出来ておらず、木材粉に代わる炭化物原料としての適用可能性がある。しかしながら、パームヤシ残渣などの繊維状バイオマスは、木材粉と違い加熱加圧成型しても十分な強度を得ることが出来ず、コークス代替物としての利用が困難であった。

助燃剤として溶融炉の上部から装入されるコークスは、概ね塊状のまま炉本体１を下降し、炉底部において高温火格子を形成して溶融熱源となる。従って、強度が十分でない炭化物を溶融炉に装入した場合は、炉底部に到達するまでに粉々になってしまうので、炉底部で高温火格子を形成するためには装入量を増やさなくてはならず、場合によっては溶融炉の運転ができなくなる。

特開２００７−９３０６９号公報

そこで、本発明は、廃棄物溶融炉の廃棄物の溶融熱源となるコークスの代替となる十分な強度を得ることができる炭化物を繊維状バイオマスから製造する方法を提供するものである。

本発明は、繊維状バイオマスを破砕し、破砕した繊維状バイオマスを乾燥し、乾燥した繊維状バイオマスから造粒物を製造し、製造した造粒物から中空筒状の成型物を加熱加圧成型し、得られた中空筒状の成型物を炭化することを特徴とする。

繊維状バイオマスは含水率が高いので、造粒物を製造する前には乾燥させておく必要がある。また、乾燥時には比表面積を大きくとることが必要なことから、乾燥前に破砕することが望ましい。この場合、破砕寸法は、１０ｍｍ〜５０ｍｍとすることが望ましい。

製造する造粒物はペレットであり、外形が概ね円柱状であることが好ましい。但し、造粒物の形状が制限されることはなく、タブレット、立方形状、球形状などであってもよい。

また、繊維状バイオマスでは原料が細い繊維状であることから内部での圧縮力が不均一となり、圧縮力を十分にかけることが出来ずに十分な成型強度、成型密度を得ることができない。しかしながら、ペレット等の造粒物にすることで原料に対し成型機内部での成型圧力を均等かつ高くかけることができ、成型性が上がり、容易に成型出来るとともに、高密度で品質の良い成型物を得ることができる。このようにして得られた成型物を炭化することで密度が高く、強度の高い炭化物を得ることができる。

本発明に用いる繊維状バイオマスは、パームオイルの製造過程で発生する廃棄物である空果房（ＥＦＢ：Empty Fruit Bunch）、バイオエタノールの製造過程で発生する固形残渣、及びサトウキビのしぼりかすなどである。従来、パームオイル残渣のような繊維状バイオマスは廃棄処分されるか、せいぜい有機肥料として利用されているに過ぎなかった。この繊維状バイオマスは、廃棄物として多量に発生することから、本発明により廃棄物の有効利用が可能となる。

繊維状バイオマスの含水率は高く、そのままでは利用できないので乾燥させる。造粒（例えばペレットを製造する）前の含水率を１０質量％〜２０質量％とすることで成型品の品質を保つことができる。含水率が１０質量％よりも低い場合には、造粒機（例えばペレット製造装置）内部で摩擦が発生しなくなり、造粒が出来なくなる。一方で、含水率が２０質量％を超えると成型時の熱で水分が急激に膨張し成型物が破裂し成型が十分に出来ない。

繊維状バイオマスは、乾燥後に０．５ｍｍ〜１０ｍｍにまで粉砕してから造粒するのが好ましい。繊維状バイオマスの粉砕寸法を０．５ｍｍ〜１０ｍｍとすることにより、比表面積を十分にとることができ、リグニンの抽出が可能になる。なお、粉砕寸法を０．５ｍｍ未満とすると粉砕動力が大きくなるため現実的ではない。また、繊維状バイオマスの粉砕を乾燥前に行うと、含水率が高い場合に粉砕が十分に出来ず、比表面積を十分にとることが出来ない場合がある。

また、繊維状バイオマスの繊維の長さが造粒物の最大寸法より長い場合には造粒物を切断する際に繊維が切断されず、引き抜かれることにより造粒物が粉化し、成型物の品質を確保できなくなる。成型物の品質を確保し、さらに加熱後の圧潰強度が２５００Ｎ以上である炭化物を製造するためには造粒物の粉化率が０．８質量％以下であることが好ましい。なお、前記「粉化率」とは、４ｍｍ篩上の造粒物２０００ｇをビニール袋に詰め、２０００ｍｍの高さからコンクリート床に４回落下させた後の４ｍｍ篩下質量の初期質量に対する割合を意味する。

造粒物としてのペレットの好ましい長さは１０〜３０ｍｍであるため、粉砕された繊維状バイオマスの繊維の長さは０．５〜１０ｍｍが好ましい。ペレットの断面の直径若しくはペレットの断面の対角線の長さを、中空筒状の成型物の中空部の内径（ｄ）と成型物の外接円の直径（Ｄ）の差（Ｄ−ｄ）の１／１０〜１／２の範囲に製造する。ペレットの径若しくは対角線の長さを成型機の押し出し部の最小寸法（＝中空筒状成型物の中空部の内径（ｄ）と成型物の外接円の直径（Ｄ）の差（Ｄ−ｄ））の１／１０〜１／２とすることで、成型時に押し出し部の側壁からの力の伝達が十分あり、押し出し抵抗によって十分な圧縮力を得ることが可能となり、成型品の比重、強度が十分に高くなる。１／１０未満では粒子間の力の伝達が不十分で未造粒時に比べて物理的な特牲が向上せず、成型品の品質が十分でない。また、造粒物の寸法が１／２を超えると押し出し部で閉塞が発生し、成型機が安定して運転できない。

また、製造された造粒物の成型機での加熱加圧成型は、１５０℃〜２５０℃で行うのが好ましく、２００℃〜２５０℃であることが更に好ましい。成型時の温度を１５０℃〜２５０℃とすることで、十分な強度の成型物を得ることが出来、結果としてコークスの代替えとなり得る強度の炭化物を製造することが出来る。成型温度が１５０℃未満の場合は、バインダーとなるリグニンの軟化、溶出が十分に出来ず、成型が十分に進まない。また、成型温度が２５０℃を超えると被成型原料が熱分解、揮発するため、成型圧力が不十分となり、成型が十分でない。

中空筒状の成型物を、外接円の直径（Ｄ）が３０〜８０ｍｍ、成型物の中空部の内径（ｄ）が１０〜４０ｍｍ、ｄ／Ｄが０．１〜０．５の範囲になるように成型する。これによって成型時に被成型原料に均一な圧力がかかり、かつ、成型物の肉厚が適切になる。

成型物の炭化は６００〜１２００℃の温度範囲で行う。これにより、得られた炭化物の性状が高炉コークスの性状と近くなり、廃棄物溶融炉の炉底部の高温雰囲気でも高温火格子を形成可能で、安定した運転が可能となる。

破砕した繊維状バイオマスを乾燥し、乾燥した繊維状バイオマスのうち、一部で造粒物を製造し、残りの乾燥した繊維状バイオマスと造粒物を混合し、この混合物を加熱加圧成型してもよい。造粒物の製造工程では動力を多く必要とすることから、造粒物の割合を減らすことで、効率のよい製造が可能となる。造粒物の混合割合は、５０質量％以上とする。造粒物の割合が５０％未満では成型物の品質が十分ではない。

また、繊維状バイオマスを破砕する前に、粗破砕をするようにしてもよい。この場合、粗破砕の寸法は、５０ｍｍ〜２００ｍｍとなるように破砕することが望ましい。

本発明によれば、繊維状バイオマスをペレット等の造粒物にすることにより、加熱加圧成型が容易となり、密度、強度が高い炭化物を製造することが出来る。

繊維状バイオマスから製造した炭化物をシャフト炉式の廃棄物溶融炉においてコークスの代わりに使用することで、コークス使用量を削減することができ、化石燃料に由来するＣＯ_２排出量の削減を図ることができる。

本発明に係る炭化物の製造工程を示す図である。 本発明に係る炭化物の別の製造工程を示す図である。 本発明に係る炭化物のさらに別の製造工程を示す図である。 本発明に係る炭化物の製造設備を示す図である。 主要な工程における繊維状バイオマスの状態の一例を示す撮影図である。 本発明で使用する成型機の例を示す図である。 本発明による中空筒状の炭化物の断面形状を示す図である。 成型温度と炭化物の圧潰強度の関係を示すグラフである。 成型温度と成型物の見掛密度の関係を示すグラフである。 造粒物の粉化率と炭化物の圧潰強度の関係を示すグラフである。 廃棄物溶融処理設備の概略図である。

本発明の好ましい実施形態は、シャフト炉式の廃棄物溶融炉において廃棄物の溶融熱源とする炭化物を繊維状バイオマスから製造する方法であって、図1に示すように、繊維状バイオマスを破砕機で破砕し、破砕した繊維状バイオマスを乾燥機で乾燥し、乾燥した繊維状バイオマスを粉砕し、粉砕した繊維状バイオマスを原料にして造粒機で造粒物を製造し、造粒物を原料にして成型機で加熱加圧成型して中空筒状の成型物にする。造粒物としてはペレットが好ましく、この場合、ペレット製造装置を造粒機として用いる。その後、乾留炉などの炭化装置で成型物を炭化することによって炭化物を得る。このように製造された炭化物は、廃棄物溶融炉において廃棄物の溶融熱源に利用する。

また、図２に示すように、繊維状バイオマスを粗破砕機で粗破砕し、その後に粉砕機で粉砕するようにしてもよい。すなわち、破砕工程を２段階で行うようにする。粗破砕工程では、５０ｍｍ〜２００ｍｍとなるように破砕し、次の破砕工程で１０〜５０ｍｍの長さとなるように破砕する。その後は、図１の実施形態と同様に、乾燥機で乾燥し、乾燥した繊維状バイオマスを粉砕し、粉砕した繊維状バイオマスからペレットなどの造粒物を製造し、造粒物を成型機で成型物にしてもよい。

また、図３に示すように、破砕機で破砕した繊維状バイオマスを乾燥機で乾燥し、乾燥した繊維状バイオマスを粉砕し、粉砕された繊維状バイオマスのうちの一部でペレット等の造粒物を製造し、造粒しない残りの粉砕された繊維状バイオマスと造粒物を混合して、この混合物を成型機で成型してもよい。この場合、造粒物の混合割合を５０質量％以上とするのが好ましい。

以下、繊維状バイオマスとしてパームヤシ残渣を用い、図１に示した工程で炭化物を製造する実施例について説明する。図４は、本実施例に用いたシステムの概略構成図である。図５は、主要な工程における繊維状バイオマスの状態の一例を示す撮影図である。

図４において、繊維状バイオマス（例えば、図５（ａ）のパームヤシ残渣）をプレス１５によって含水率３０〜５０質量％まで脱水する。図４には、プレス１５の好ましい一例としてスクリュープレス式の脱水機を示している。

脱水後の繊維状バイオマスはコンベア１６によって破砕機としてのカッター１７まで搬送し、カッター１７によって１０〜５０ｍｍ程度の長さとなるように破砕する。破砕機としては、回転刃と固定刃によって被処理物を破砕するカッターを用いることができる。

破砕後の繊維状バイオマスは乾燥工程に送られる。乾燥炉１８からの熱風を利用し、ロータリードライヤー１９内で破砕後の繊維状バイオマスを乾燥させる。すなわち、ロータリードライヤー１９の回転胴体１９ａの一端側に繊維状バイオマスを投入し、回転胴体１９ａによって繊維状バイオマスを撹拌しながら熱風に曝すことによって乾燥させる。回転胴体１９ａは、傾斜配置されており、繊維状バイオマスは、回転胴体１９ａの内部で撹拌されながら他端側に移送される。

回転胴体１９ａの他端側の出口から排出された繊維状バイオマスは、さらに高圧ターボファン２０によってサイクロンセパレータ２１まで気流搬送される。この気流搬送の過程においても繊維状バイオマスは乾燥される。最終的には、含水率１０〜２０質量％程度まで乾燥させる。

乾燥後の繊維状バイオマスは、サイクロンセパレータ２１によって捕集され、サイクロンセパレータ２１下部の定量切出装置２２から排出され、粉砕機２３によって０．５〜１０ｍｍの長さとなるように粉砕される。粉砕機２３は、固定刃と回転する粉砕刃によって被処理物を粉砕する（図５（ｂ）参照）。

粉砕後の繊維状バイオマスはペレット製造装置２４で平均径０．５〜１０ｍｍ、長さ１０〜３０ｍｍのペレットが製造される。ペレット製造装置２４は、多数の円筒形の小孔を持つダイスと圧縮ローラからなり、繊維状バイオマスは圧縮ローラで小孔に押し込まれてペレットに成型される（図５（ｃ）参照）。

ペレットは成型機２５に投入されて成型され（図５（ｄ）参照）、成型物は乾留炉２６で乾留する（図５（ｅ）参照）。成型機２５として、例えば、図６に示す乾式のスクリュー型押出成型機を使用し、繊維状バイオマス原料をスクリュー２５ａでダイス２５ｂに送り込み、ダイス２５ｂをヒータ２５ｃによって１５０℃〜２５０℃に加熱して中空筒状に成型する。中空筒状の成型物の断面形状については、中空部の内径（ｄ）と成型物の外接円の直径（Ｄ）が適切な範囲にあれば、図７（ａ）に示す円形をはじめ、（ｂ）の四角形、（ｃ）の六角形、（ｄ）の三角形などであってもよい。

ペレットの断面が円形の場合はその直径、断面が多角形の場合はその対角線の長さ若しくは外接円の直径を、中空筒状の成型物の中空部の内径（ｄ）と成型物の外接円の直径（Ｄ）の差（Ｄ−ｄ）の１／１０〜１／２の範囲になるようにする。この中空筒状の成型物の具体的な形状は、その断面形状が、外径３０〜８０ｍｍで内部に直径１０〜４０ｍｍの空胴を持ち、外径をＤ、内径をｄとするとｄ／Ｄが０．１〜０．５の範囲にある中空筒状とした。また、乾留炉２６による乾留温度は６００〜１２００℃の範囲とした。

表1はペレット化の有無による成型性の評価を示す。すなわち、ペレットに成型する工程を有する本実施例と、ペレットに成型する工程を有しないこと以外は本実施例と同様の工程で炭化物を製造した比較例との比較によって成型性を評価した。

破砕・粉砕のみでペレットにしない場合は、成型機２５で成型することは可能ではあるが、成型機２５の出口から押し出されるとすぐに折れたり崩れたりして品質が安定しない。すなわち、ペレット化しない場合は実質的に成型できないと言える。これに対して、成型前にペレットにした場合には、成型が容易で所望の成型サイズの成型物を得ることができ、非常に高い品質が得られた。

表２はペレットの成型サイズと成型性の評価を示すものである。
１／１０〜１／２の範囲において、成型が容易で、良好な品質が得られる。

また、図８は、成型機２５の成型温度を１３０℃、１５０℃、２００℃、２２５℃、２５０℃、２７５℃にして成型物を製造し、乾留炉２６で炭化することによって得られた炭化物の圧潰強度（Ｎ）を示す。ここでいう圧潰強度（Ｎ）とは、廃棄物溶融炉内の温度条件を考慮して、１０００℃の空気中に３０分曝露した後の圧潰強度である。図８に示す試験結果から明らかなように、成型機２５での成型温度を１５０℃〜２５０℃、更に好ましくは２００℃〜２５０℃とすることにより、高い強度の炭化物が得られる。何故なら、図９に示されるように、成型温度を２００℃〜２５０℃とすることにより、見掛密度（ｇ／ｍＬ）の高い成型物が得られるからである。

コークスの代替えとなり得る炭化物の圧潰強度は１０００（Ｎ）以上であるが、廃棄物溶融炉をより良好に運転するには２５００（Ｎ）以上であることが望ましい。また、図１０は、ペレットの粉化率と炭化物の圧潰強度（Ｎ）の相関関係を示す。炭化物の圧潰強度（２５００（Ｎ））を基準とし、粉化率が０．７８質量％、０．２０質量％、１．８４質量％のときの炭化物の圧潰強度を相対的に示すと共に、近似線を記載している。図１０の試験結果に基づけば、２５００（Ｎ）以上の圧潰強度を達成するための粉化率は０．８質量％以下である。

以上の工程により、繊維状バイオマスからコークスの代替となる炭化物、すなわちシャフト炉式の廃棄物溶融炉において廃棄物の溶融熱源とすることができる炭化物を製造することができる。具体的には、１０００℃の空気中に３０分曝露する場合の曝露前後の質量減少が３０％以内であり、かつ曝露後の圧潰強度が１０００Ｎ以上かつ揮発分が２０質量％以下、かつ真比重が１．２〜２．０ｇ／ｃｍ^３の範囲にある炭化物を製造することができる。

１：廃棄物溶融炉の炉本体 １ａ：シャフト部
１ｂ：廃棄物 ２：上段羽口
３：下段羽口 ４：コークス
５：朝顔部 ６：乾燥・予熱帯
７：熱分解帯 ８：燃焼・溶融帯
９：炭化物 １０：炉底部
１１：装入装置 １２：排ガス管
１３：出滓口 １４：熱分解残渣
１５：プレス １６：コンベア
１７：カッター １８：乾燥炉
１９：ロータリードライヤー ２０：高圧ターボファン
２１：サイクロンセパレータ ２２：定量切出装置
２３：粉砕機 ２４：ペレット製造装置
２５：成型機 ２５ａ：スクリュー
２５ｂ：ダイス ２５ｃ：ヒータ
２６：乾留炉

Claims (13)

1. 繊維状バイオマスを破砕し、破砕した繊維状バイオマスを乾燥し、乾燥した繊維状バイオマスから造粒物を製造し、製造した造粒物から中空筒状の成型物を加熱加圧成型し、得られた中空筒状の成型物を炭化することを特徴とする炭化物の製造方法。
2. 前記繊維状バイオマスがパームオイルの製造過程で発生する廃棄物である空果房、バイオエタノールの製造過程で発生する固形残渣、又はサトウキビのしぼりかすであることを特徴とする請求項１に記載の炭化物の製造方法。
3. 前記繊維状バイオマスを含水率１０質量％〜２０質量％まで乾燥した後に造粒物を製造することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化物の製造方法。
4. 前記繊維状バイオマスを乾燥後に０．５ｍｍ〜１０ｍｍにまで粉砕することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭化物の製造方法。
5. 前記造粒物がペレットであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炭化物の製造方法。
6. 前記ペレットの断面の直径若しくはペレットの断面の対角線の長さを、中空筒状の成型物の中空部の内径（ｄ）と成型物の外接円の直径（Ｄ）の差（Ｄ−ｄ）の１／１０〜１／２の範囲に製造することを特徴とする請求項５に記載の炭化物の製造方法。
7. 前記造粒物を１５０℃〜２５０℃で加熱加圧成型することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の炭化物の製造方法。
8. 前記中空筒状の成型物を、外接円の直径（Ｄ）が３０〜８０ｍｍ、成型物の中空部の内径（ｄ）が１０〜４０ｍｍ、ｄ／Ｄが０．１〜０．５の範囲になるように成型することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の炭化物の製造方法。
9. 前記炭化を６００〜１２００℃の範囲で行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の炭化物の製造方法。
10. 前記破砕した繊維状バイオマスを乾燥し、乾燥した繊維状バイオマスのうち、一部で造粒物を製造し、残りの乾燥した繊維状バイオマスと造粒物を混合し、混合物を成型することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の炭化物の製造方法。
11. 造粒物の混合割合が、５０質量％以上であることを特徴とする請求項１０に記載の炭化物の製造方法。
12. 粉化率が０．８質量％以下の造粒物を加熱加圧成型することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の炭化物の製造方法。
13. 前記炭化物は廃棄物溶融炉に装入される助燃剤であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の炭化物の製造方法。