JP2012092246A - バイオマスの油化方法及びそれを用いたバイオマス油化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 バイオマスに油脂を混合する混合工程と、混合工程で得られたバイオマス混合物を接触分解炉に収容された分解触媒上に供給する供給工程と、バイオマス混合物と分解触媒を加熱攪拌する接触分解工程と、接触分解により生成された分解ガスを冷却して分解油として回収する液化工程と、を備えた構成を有している。
【選択図】図1
Description
(特許文献2)には、「大気圧以上15気圧未満で250℃〜400℃の分解炉を用い、石油系有機溶剤と木質バイオマスを混合し熱分解することにより、液体燃料を製造する製造方法及び製造装置」が開示されている。
(1)(特許文献1)に開示の技術は、分解物の回収が目的であるため、分解ガスの分留工程が多く、分解ガスを分留するだけであるので、分解物から回収される液体燃料の量は原料に依存するという課題を有していた。また、熱分解なので、分解物としてタールやカルボン酸留分が多く油分の回収率が少ないという課題を有していた。
(2)(特許文献2)に開示の技術は、高沸点の石油系有機溶剤を原料の1〜10重量倍用いるために、取扱いの安全性に欠けると共に、その回収や再生に多大の設備と労力、エネルギーを要しランニングコストが上昇するという課題を有していた。
本発明の請求項1に記載のバイオマス油化方法は、バイオマスに油脂を混合する混合工程と、前記混合工程で得られたバイオマス混合物を接触分解炉に収容された分解触媒上に供給する供給工程と、前記バイオマス混合物と前記分解触媒を加熱攪拌する接触分解工程と、接触分解により生成された分解ガスを冷却して分解油として回収する液化工程と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
(1)加熱された高温の分解触媒にバイオマス混合物を接触混合させると、短時間に接触分解を起こしガス化する。この分解ガスを系外に取り出して急冷すると液化して分解油となる。この接触分解時に、触媒の作用により脱炭酸反応が起るため、酸素濃度が下がり発熱量の高い分解油が得られる。
(2)バイオマスに油脂を混合すると、油脂がバイオマス表面を覆い内部まで浸透するので、熱伝導率の低いバイオマスの熱伝導率が高くなり、接触分解速度を上げることができる。
(3)バイオマスに油脂を混合すると、バイオマス表面を油脂が覆い内部まで浸透するので、比重の軽い木屑や竹粉等粉粒体や建築廃材の破砕物等のバイオマス粒子の重量が増し、分解触媒と混ざり易くなり、分解反応を円滑に進めることができる。
(4)バイオマスに油脂を混合することで、バイオマス中のセルロースやたんぱく質等が油脂に抽出されながら表面から直ちに接触分解反応が起こると推測され、分解ガスは直ちに反応炉外へ排出されるため、熱重合等を起こすことなく分解油が多量に得られる。
(5)バイオマス及び油脂の接触分解における脱炭酸反応により生成する水素も、バイオマスの分解を促し、液体燃料の回収率を大幅に増すことができると考えられる。
また、混合工程においては、バイオマスに油脂を噴霧,噴射,滴下,散布等しながら混合することが好ましい。これは、バイオマスの比重が小さいため、油脂にバイオマスを供給した場合、混合し難いためである。
油脂は、バイオマスと混合させる前に、室温〜100℃に予熱することもできる。特に、冬季や寒冷地等では、流動性が増すため、バイオマスとの混合を容易にすることができる。
この構成により、請求項1で得られる作用に加え以下の作用が得られる。
(1)油脂の混合比が10〜50重量%なので、建築廃材の木片(10cm以下)から大鋸屑等まで、油脂で表面を覆うことができる。
(2)バイオマスに対する油脂の混合比率が少なくて良いため、廃食油や動物油等の油脂を安定して得ることができない地域でも、安定した運転が可能である。
この構成により、請求項1又は2で得られる作用に加え以下の作用が得られる。
(1)触媒効果によって分解ガスの熱重合が抑制され、軽質化された分解油が得られる。
(2)触媒効果によって分解油中の酸素含有量が脱炭酸反応により減少し、前記分解油の発熱量が高くなる。
この構成により、請求項1乃至3の内いずれか1で得られる作用に加え以下の作用が得られる。
(1)分解炉の加熱温度は350〜500℃なので、投入されたバイオマス混合物は高温の分解触媒と接触混合するため、直ちに接触分解が進行するので反応速度が速く、分解までの処理時間が短いため高い生産性でバイオ燃料を製造できる。
(2)炉内温度が350℃〜500℃に調節されているので、分解生成ガスは分解炉内で熱重合等の二次反応が少なく、分解油の回収率が高い。
この構成により、以下の作用が得られる。
(1)装置の構成が簡素であるため低コストでバイオ燃料を製造することが可能であると共に装置を小型化出来るので、バイオマスの生産拠点や必要とされる場所に低コストで簡単に設置することができ、地産地消に適した分散型のエネルギー供給システムを構築することができる。
なお、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1におけるバイオマス油化装置の構成図である。1はバイオマス油化装置、3は原料バイオマスを装置に供給するバイオマス供給部、4はバイオマスに油脂を混合する混合機、5は油脂を混合機4へ供給する油脂供給部、6は混合機4に取り付けられた混合羽根、7は混合機4で混合されたバイオマス混合物が投入されるバイオマスホッパー、8はバイオマスホッパー7の下部に設置されたスクリューフィーダー、9はスクリューフィーダー8から供給されたバイオマス混合物と分解触媒の接触分解を行う分解炉、10は分解触媒を加熱する加熱部、11は分解炉9中のバイオマス混合物及び分解触媒を撹拌する撹拌機、12は撹拌機11に取り付けられた撹拌羽根、14は分解炉9に配設された分解ガスを炉外へ排出するための分解ガス排出部、15は分解ガス排出部14に一端が接続された分解ガス管、16は分解ガスを冷却する分解ガス管15の他端が接続された冷却部、18は冷却部16により冷却され液体となった分解油を回収する分解油貯留槽、19は冷却部16に配設された分解ガス中の低分子ガスをトラップするガスホルダー、20はガスホルダー19に設けられた低分子ガスを着火燃焼させるフレアスタック、21は分解炉9に残る残渣を排出する残渣排出口である。実施例において用いたバイオマス油化装置は、サイズ奥行1000mm,幅2000mm,高さ2000mm,分解炉はΦ300×1000mmであって、処理能力は5〜15kg/hである。
(実施例1)(比較例1)
実施の形態1で説明したバイオマス油化装置を用い、原料バイオマスとして粒径1mm程度(嵩密度:0.1g/cm3)の製材所の木屑(含水率10%)を準備して、接触分解を行った。混合する油脂は廃食油を準備した。分解触媒にはFCC廃触媒(流動接触分解装置で使用された合成ゼオライト系の固体酸触媒を再生したもの。粒径40〜80μm)を準備した。原料は実施例1が木屑21kgと廃食油9kgを用いた。実施例1において油脂は30重量%の混合比になるように木屑と混合され、バイオマス混合物はスクリューフィーダーを用いて150〜250g/minの投入速度で、加熱温度は450℃に調節された分解炉へ連続投入した。投入されたバイオマス混合物を、分解炉に40容量%充填された分解触媒とともに攪拌機によって攪拌速度3rpmの速度で機械的に攪拌し、接触分解した。運転時間は3時間で、原料の供給が終わった10分後を接触分解の終了とした。接触分解により生成した分解ガスは、ガス冷却部により冷却・液化し、油分貯留槽に回収した。液化されない低分子ガスはフレアスタックにより着火燃焼させた。
比較例1において、原料は木屑30kgとし廃食油を混合しなかった以外は、実施例1と同様にした。
原料バイオマスとして竹粉(含水率10重量%)を準備し、油脂として廃食油を準備した。実施例2は竹粉21kgと油脂9kg,比較例2は竹粉30kgとし油脂を混合しなかった。実施例2においては油脂を30重量%の混合比で竹粉と混合される以外は実施例1と同様にした。
JIS K−0061(化学製品の密度及び比重測定方法)基づき密度を、JIS K−2283(原油及び石油製品−動粘度試験方法及び粘度指数算出方法)基づき粘度を、JIS K−2275(原油及び石油製品−水分試験方法)基づき含水率を、JIS K−2279(原油及び石油製品−発熱量試験方法及び計算による推定方法)基づき発熱量を測定した。その結果を表1に示す。
尚、分解液の収率は分解液重量/原料重量である。
尚、実施例2の分解油を分留したところ、300℃留出液の密度は0.8g/cm3であった。
実施例1の結果に基づき、油脂の混合比を増やし、分解油の収率や物性の確認を行った。実施例3において原料バイオマスに実施例1と同じ木屑を使用し、油脂に廃食油を準備した。実施例3は木屑15kgと油脂15kgとした。実施例3において木屑が油脂と50重量%の混合比で混合される以外は実施例1と同様にした。
実施例2の結果に基づき、油脂の混合比を増やし、分解液の収率や物性の確認を行った。実施例4においてバイオマスに実施例2と同じ竹粉を使用し、油脂に廃食油を準備した。実施例4は竹粉15kgと油脂15kgとし、油脂を50重量%の混合比で竹粉と混合される以外は実施例2と同様にした。
その結果を表4及び表5に示す。
また、表5より、原料を竹粉とした場合の分解油の炭素の含有率は、実施例2が79.8%、実施例4が80.8%であった。これにより、実施例1同様に実施例2及び4における分解油の発熱量が高い理由が示された。酸素の含有率は、実施例2が9.5%、実施例4が8.2%であった。このことから、木屑を原料とした場合と同様、酸素を含む有機物が含有している可能性があると推測される。
原料中の油分が少ない原料バイオマスとして、搾油後の粕である粒径0.2mm程度の米糠粕(油分1重量%)を準備した。油脂として廃食油を準備した。実施例5では米糠粕24kgと油脂が6kgとした。比較例5では米糠粕30kgとし、油脂を混合しなかった。実施例5において油脂が20重量%の混合比で米糠粕と混合される以外は実施例1と同様にした。図6に、実施例5及び比較例5の分解油の収率を示す。
原料バイオマスとして粒径1mm程度の大豆粕(油分1重量%)、油脂として廃食油 を準備した。実施例6では大豆粕27kgと油脂3kgとした。比較例6では大豆粕30kgとし、油脂を混合しなかった。実施例6において油脂が10重量%の混合比で大豆粕に混合される以外は実施例1と同様にした。図7に、実施例6及び比較例6の分解油の収率を示す。
その結果、分解油は煙及び臭気が発生することなく良好に燃えた。
その結果を図8に示す。図8より明らかなように、得られる分解油の80重量%程度が灯軽油及び重油成分であった。さらに、蒸留試験後の釜残として20重量%以上が残っていることから、分解油には分子量が400以上の炭化水素も含まれていると推測される。
以上のことから、蒸留試験においても、本発明による接触分解で得られた分解油が、優れたバイオ液体燃料といえることが示された。
3 バイオマス供給部
4 混合機
5 油脂供給部
6 混合羽根
7 バイオマスホッパー
8 スクリューフィーダー
9 分解炉
10 加熱部
11 撹拌機
12 撹拌羽根
14 分解ガス排出部
15 分解ガス管
16 冷却部
18 分解油貯留槽
19 ガスホルダー
20 フレアスタック
21 残渣排出口
Claims (5)
- バイオマスに油脂を混合する混合工程と、前記混合工程で得られたバイオマス混合物を接触分解炉に収容された分解触媒上に供給する供給工程と、前記バイオマス混合物と前記分解触媒を加熱攪拌する接触分解工程と、接触分解により生成された分解ガスを冷却して分解油として回収する液化工程と、を備えていることを特徴とするバイオマス油化方法。
- 前記バイオマス混合物の全量に対して、前記油脂の割合が10〜50重量%であることを特徴とする請求項1に記載のバイオマス油化方法。
- 前記分解触媒が、FCC触媒、FCC廃触媒、活性白土、酸性白土、シリカ、活性炭、コークス、活性コークス、アルカリ土類金属等の金属酸化物又は金属炭酸塩、γ−アルミナ、合成シリカアルミナ、ゼオライト、セピオライト、ジルコニウム・タングステン、固体燐酸等、及びこれらの混合物の内いずれか1以上を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のバイオマス油化方法。
- 前記分解炉の炉内温度が350℃〜500℃に調節されていることを特徴とする請求項1乃至3の内いずれか1に記載のバイオマス油化方法。
- 請求項1乃至4の内いずれか1に記載のバイオマス油化方法に用いるバイオマス油化装置であって、前記油脂と前記バイオマスを混合する混合部と、前記混合部で混合された前記バイオマス混合物を分解炉に供給する供給器と、供給される前記バイオマス混合物を接触分解する粒粉状の前記分解触媒が収容される前記分解炉と、前記分解炉を加熱する加熱部と、前記分解炉に配設され分解ガスを液化する冷却部と、を備えていることを特徴とするバイオマス油化装置。
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