JP2012224677A - 湿潤バイオマスの炭化処理システム及び炭化処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部から実質的にエネルギーを投入することなくエネルギー的に自立した湿潤バイオマスの炭化処理システム及び炭化処理方法の提供を目的とする。
【解決手段】 湿潤バイオマスを好気性発酵により乾燥させることで乾燥バイオマスを得る手段と、前記乾燥バイオマスを乾留する炭化炉と、前記炭化炉から炭化物を回収する手段と当該炭化炉から発生した揮発成分を燃焼させる燃焼炉と、前記燃焼炉にて発生した熱風を前記炭化炉の間接加熱源として利用することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、含水率の高い有機系廃棄物である湿潤バイオマスの炭化処理システム及び炭化処理方法に関し、特に実質的に外部エネルギーが不要なエネルギー自立型の炭化処理システム及び炭化処理方法に係る。

カーボン・ニュートラルな新エネルギーとしてバイオマスの資源利用が検討されている。
バイオマスには含水率の低い林業系の木質廃材、稲わら、麦わら、トウモロコシ、もみ殻等の農業系廃材及び建築廃材等の乾燥系バイオマスと、
含水率が５０質量％以上と高い、茶かす、コーヒーかす等の食品加工残渣、食品廃棄物、家畜糞尿、漁業残渣及び下水汚泥等の湿潤系バイオマスに区分される。
乾燥系バイオマスは水分が低く、直接的な燃焼や炭化処理が比較的容易であるのに対して、水分の高い湿潤系バイオマスは乾燥工程を経た後でないと上記のようなエネルギー利用ができないために、これまで乾燥のためのエネルギー消費が多くバイオマスとしての資源利用価値が小さかった。
そこで、高水分であることを積極的に利用すべくメタン発酵（特許文献１）や堆肥化が検討されている。
しかし、メタン発酵は処理設備に多大な費用がかかるのみならず、消化液及び残渣物の利用方法が問題であった。
また、堆肥化は需要の時期が限られるだけでなく、処理時間が長い、広い処理スペースが必要、臭気が発生するといった問題があった。

特許文献２は、湿潤バイオマスを好気性の微生物で発酵分解させることで水分３８％以下に乾燥させる技術を開示するが、炭化炉と組み合せたものでなく、また、好気性発酵についても同公報に開示する装置は高価であり、本願の発明者でもある大隈修らは、簡単な設備で容易な乾燥バイオマスの製造方法を先に提案している（特許文献３）。

特開２０１０−１４９０７９号公報 特開２００９−０６２５３１号公報 特願２０１０−０５７１６３号

本発明は、外部から実質的にエネルギーを投入することなくエネルギー的に自立した湿潤バイオマスの炭化処理システム及び炭化処理方法の提供を目的とする。

本発明に係る炭化処理システムは、湿潤バイオマスを好気性発酵により乾燥させることで乾燥バイオマスを得る手段と、前記乾燥バイオマスを乾留する炭化炉と、前記炭化炉から炭化物を回収する手段と当該炭化炉から発生した揮発成分を燃焼させる燃焼炉と、
前記燃焼炉にて発生した熱風を前記炭化炉の間接加熱源として利用することを特徴とする。
ここで、前記炭化炉は、熱分解温度３５０〜５００℃の低温炭化炉であるのが好ましく、さらに、前記炭化炉は、間接加熱型ロータリーキルン炉であるのが好ましい。

燃焼炉は、下部に水冷式の灰排出装置を設けると下にたまる灰を炉外に取り出すことができ、連続操業が容易になる。

本発明では、揮発成分の発熱量が多く、一段燃焼では高温になり過ぎる場合があり、その場合には一次と二次とに分けてエアーを供給する二段燃焼炉であってよい。
燃焼温度が高いとＮＯ_Ｘが発生しやすくなるからである。

本発明に用いる湿潤バイオマスは、含水率が５０〜９０質量％の高水分の有機系廃棄物であれば特に限定はないが、例としては食品加工残渣物、食品廃棄物、家畜糞尿、漁業残渣、下水及び排水汚泥等が挙げられる。
本発明に用いる湿潤バイオマスの好気性発酵による乾燥方法は、以下全て質量％で含水率４０％以下、好ましくは２５〜３５％、さらに望ましくは２６〜３２％になる方法であれば、公知の好気性微生物を用いることができるが、特許文献３に記載した方法を取り込むのが好ましい。
例えば、湿潤バイオマスに嵩密度０．１〜０．４の木材、樹皮、茎、及び果皮等の副資材を容積比で０．５〜４倍、好ましくは２〜３倍混合し、２〜４ｍの高さに堆積山を形成し、通風パイプ等を介して湿潤バイオマス１ｍ^３当たり、０．５〜２ｍ^３／時間の空気を送る。
発酵中は６０〜８０℃に保ちバイオマスの内部温度が４０〜５０℃に低下したら、水分量が４０％以下に乾燥されている。
乾燥後は篩分けにより副資材を回収し、再利用できる。
参考に、図２に浄化センターから入手した汚泥に木質チップを混合し、好気性発酵による水分の経時変化を調査した結果を示した。
図２は、好気性発酵した４ロットの汚泥の水分含有率の変化をそれぞれ示す。
概ね、３０日目位で水分含有率が３０％近くになる。

本発明は、上記で得られた乾燥バイオマスを乾留により炭化する点に特徴があり、特に熱分解温度３５０〜５００℃の乾留条件となる炭化炉を組み合せたことにより、この炭化炉から発生する揮発成分が多くのタール分を含み燃料として有用であり、ドライ原料に対して揮発成分とタール成分とを合せた分解発生率５０〜６０％の乾燥バイオマスを用いるとエネルギー的に自立した炭化システムとなった。
従来は、５００℃超〜６００℃の比較的高温にて熱分解するのが一般的であった。
ところが、本発明者が調査した結果、図３に上記の方法で得られた乾燥バイオマスの熱分解による重量変化（有機成分のみの無水無灰基準による重量変化）を示し、図４にその時の発生ガス（非凝縮性）の分析結果を示すように３５０〜４００℃から急激に揮発分が発生し、４００℃〜５００℃の間でタール成分が揮発していた。
さらに詳細に説明すると、汚泥をそのまま熱分解した場合に発生するタール成分よりも汚泥を好気性発酵した乾燥バイオマスを熱分解した場合に発生するタール成分の方が低沸点成分の割合が多く、発酵により軽質なタールの生成が促進されることが明らかになった。
また、熱分解温度（炭化温度）による炭化物及び全タール分の発生割合を調査すると、３００〜３５０℃では炭化物の割合が多く、タール分が少ないことから未分解物が多いことが分かり、４００℃以上〜５００℃では全タール分の割合が多く相対的に炭化物の割合が少なかった。
そこで、この範囲で乾留すればタール成分を燃料として有効に利用し、乾留の熱源に用いることでエネルギー的に自立が成立した。

従って本発明に係る湿潤バイオマスの炭化処理方法は、含水率５０〜９０質量％の廃棄物系湿潤バイオマスを好気性発酵させることで含水率４０質量％以下の乾燥バイオマスにするステップと、熱分解温度３５０〜５００℃の範囲にて乾留するステップとを有し、乾留時に発生する揮発成分を燃焼させて得られた熱風を乾留の熱源に用いることを特徴とする。

ここでエネルギー的に自立させるには、乾燥バイオマスは原料としての高位発熱量が３，７００ｋｃａｌ／ｋｇ以上、好ましくは３，８００ｋｃａｌ／ｋｇ以上がよく、例えば湿潤バイオマスに牛糞を用いて乾燥バイオマスを得ても高位発熱量が３，７００ｋｃａｌ／ｋｇ以下と低い場合には約３，０００ｋｃａｌ／ｋｇレベルになる場合がある。
その場合には、おが粉、木屑、乾燥系有機廃棄物等の有機系副資材を混合して高位発熱量を３，７００ｋｃａｌ／ｋｇ以上に調整するのがよい。

本発明に係る炭化処理システムにあっては、湿潤バイオマスを好気性発酵することで外部エネルギーをほとんど使用することなく乾燥でき、乾留で発生する揮発成分を燃料に用いた燃焼ガスを炭化炉の熱源として利用できるのでエネルギー的に自立したシステム及び処理方法となる。

本発明に係る炭化処理システムの構成例を示す。 湿潤バイオマスを好気性発酵させた際の水分含有率の経時変化を示す。 湿潤バイオマスを好気性発酵させた乾燥バイオマスの熱分解による重量変化を示す。 乾燥バイオマスの熱分解時の発生ガス成分の変化を示す。 好気性発酵材と炭化装置で得られた炭化物の物性比較表を示す。

本発明に係る湿潤バイオマスの炭化処理システムのフロー例を以下説明する。
湿潤バイオマスは水分含有率が質量にて５０％以上有する。
例えば、下水又は排水汚泥はフィルタープレス後の水分含有率は７５〜８５％である。
また、食品残渣物は６０〜９０％の水分含有率である。
これらの湿潤バイオマスに木質チップ等の副資材を混合する。
一定量の堆積山を形成し、定期的に切り返しを行い、好気性発酵を促進する。
堆積山の内部は発酵熱で８０℃を越え、水分が蒸発する。
発酵開始から、３５〜６０日間位で水分含有率４０％以下の乾燥バイオマスになる。
乾燥が終了すると篩分けにより副資材と乾燥バイオマスに分離する。

このようにして得られた乾燥バイオマスの炭化処理装置の例を図１に示す。
炭化処理装置は３５０〜５００℃熱分解条件にて乾留でき、その際に発生した揮発成分を回収し、燃焼炉で燃焼させることで得られた熱風を炭化炉の外熱に利用できるものであれば炭化炉の方式及び構造に限定はない。
図１は、連続的に炭化処理できるロータリーキルン式の炭化炉（炭化装置）の例を示す。

炭化炉１０は原料の供給側よりも炭化物排出側が１〜３度下に傾斜した回転キルン１１を有する。
回転キルン１１は、ローラーで回転支持されたつば部１５ａ、１５ｂを有し、図示を省略した電動機を用いて回転キルン１１が回転制御される。
回転キルン１１は、原料の供給側隔壁１４ａ及び炭化物の排出側隔壁１４ｂにて回転摺接可能な状態で、外部と遮断されている。
また、回転キルン１１の外周側には加熱用の熱風がふき込まれる外周加熱室１２を有し、回転キルン１１の内部には円筒又は多角形筒の加熱筒１３を有する。
回転キルン１１の加熱に用いられる熱風は、回転キルン１１の炉内１１ａで発生した揮発成分をこの回転キルン１１の排出側隔壁１４ｂ付近に設けた揮発成分排出口１６を介して配管により揮発成分供給口２０ｂを経由して燃焼炉２０に送り込まれ、そこで発生した燃焼ガスを用いる。
燃焼炉２０は、下部に水冷式の自動スクリューからなる灰の排出装置２０ｃを有し、揮発成分の燃焼により発生した灰が排出口２０ｄから炉外に排出される。
また、燃焼時のＮＯ_Ｘ発生を抑えるべく、一次燃焼用のエアー供給ファン２４ａと二次燃焼用のエアー供給ファン２４ｂを有する二段燃焼炉になっている。
次に、炭化処理の流れに沿って周辺装置の構成を説明する。
湿潤バイオマスを好気性発酵させた原料（乾燥バイオマス）をホッパー１に投入する。
ホッパー１に投入された原料はコンベアー１ａ等を介して供給装置２に移送され、フィーダ２ａを介して回転キルン１１の炉内１１ａに供給される。
炭化炉１０の操業開始時は、燃焼炉２０に燃料タンク２３に貯留したＡ重油等の燃料をポンプ２２を用いてメインバーナー２１に供給し、エアーを一次ファン２４ａ及び二次ファン２４ｂにて送り込みながら燃焼させる。
なお、図１の例では補助ポンプ２２ａ及び補助バーナー２１ａを設けた例になっている。
燃焼炉２０により発生した熱風（燃焼ガス）Ｇ_１は外周加熱室１２に原料の供給側からふき込まれ回転キルン１１を外周側から加熱する。
外周加熱室１２に吹き込まれた熱風は、炭化物排出側から加熱筒１３の炭化物排出側に配管を介して供給される（Ｇ_２）。
加熱筒１３を通過する熱風にて原材料を主に幅射熱によって、内側から加熱する。
加熱された乾燥バイオマスは水分が水蒸気として放出され、さらに、３５０〜５００℃の範囲で加熱されることで有機物が熱分解し揮発成分が排出側隔壁付近に設けた揮発成分排出口１６から配管により燃焼炉２０に送り込まれる。
揮発成分の取り出し口を排出側隔壁付近に設けたので、炉内１１ａが排出側まで水蒸気が充満しているので、炉内１１ａに外部の空気が入り込む恐れがなくなる。
揮発成分には水蒸気の他に多くの燃焼性ガス及びタール成分Ｆが含まれる。
これらの燃焼性成分Ｆが燃焼炉にて燃焼し始めると、メインバーナー２１を停止し、補助バーナー２１ａに切り換える。
燃焼ガス温度センサー２０ａの測定データに基づいて補助バーナー２１ａを徐々に絞り込む。
従来一般的に乾留条件として採用している熱分解条件を６００℃付近に設定すると、補助バーナー２１ａの使用を止めることができなかったが、熱分解条件を３５０〜５００℃の範囲に制御すると補助バーナー２１ａを完全に止めて炭化炉の操業が可能であり、Ａ重油等の外部燃料が全く不要であった。
なお、エネルギー的に自立させるには乾燥バイオマスの原料としての発熱量も重要であり、後述する。

燃焼炉２０はダイオキシンの発生を防止すべく炉内温度を８００℃以上にし、燃焼ガスが２秒以上滞留するように設定し、外周加熱室１２及び加熱筒１３を経由し、乾留に使用された後のガスＧ_３は水冷熱交換器３１にて冷却され、減温塔３２に送り込まれる（Ｇ_４）。
なお、水冷熱交換器３１にて得られた温水は、暖房用等のエネルギーとして使用可能である。
減温塔３２にて減温されたガスＧ_５は必要に応じて消石灰等により中和され、バグフィルタ３３にて固体微粒子を除去したガスＧ６は誘引ファン３４等を用いて煙突３５から大気中に放出される。

一方、回転キルン１１の炉内１１ａでは回転キルン１１の回転中心が排出側が下になるように傾斜しているので、この回転により原料が排出側に移動しながら乾留が進行する。
乾留が進行し、得られた炭化物Ｃは炭化物排出口１７から排出され、水冷式搬出コンベア３及びコンベア４等を経由してヤード５に炭化物Ｃが貯留される。

次に、乾燥バイオマスに有するエネルギーのみで操業できるエネルギー自立条件にて炭化処理した実施例について説明する。
水分含有率約８０質量％の下水汚泥（湿潤バイオマス）に木質チップ（副資材）を混合し、２〜４ｍの堆積山を形成し、底部から送風し、好気性発酵を行い、７〜１０日毎に切り返しを行った。
約２ヶ月後に乾燥バイオマスと木質チップを篩分けし、乾燥バイオマスの水分量を測定したら、水分含有率３１．３％であった。
また、臭気も発生していなかった。
なお、回収した木質チップは副資材として再利用する。
このようにして得られた乾燥バイオマス（炭化原料）１，０００ｋｇを１，０００ｋｇ／ｈの速度で図１に示したロータリーキルン式炭化炉に投入した。
定常状態では、炭化温度（熱分解温度）４３０℃に設定した。
その結果、定常状態でＡ重油の使用は全く不要であった。
得られた炭化物収量は、３５３ｋｇであったことから乾燥ベースの収率は５０．６％となる。
図５に、炭化原料に用いた好気性発酵材（乾燥バイオマス）と上記にて得られた炭化物の物性を比較した表を示す。
表中、炭化物の水分は、冷却及び発火防止の為に水を噴霧したので参考値である。
また、灰分及び揮発分は無水ベースの値である。

上記実施例では、湿潤バイオマスに下水汚泥を用いたが、エネルギー的に自立させるには乾燥バイオマスの原料としての発熱量が重要であると推定される。
そこで、下水汚泥を好気性発酵により堆肥状に充分に乾燥させたものにセルロース系の廃棄物を混合したもの及び牛糞を乾燥させたものをそれぞれ約１，０００ｋｇ／ｈを投入し、炭化処理の操業実験をした。

操業実験に用いた原料

この結果から、湿潤バイオマスを好気性発酵させた乾燥バイオマスの高位発熱量が実験５の３，２５０〜３，５００ｋｃａｌ／ｋｇではＡ重油による補助燃料が必要であり、実験３の３，４２０〜３，６５０ｋｃａｌ／ｋｇでは補助燃料が不要であったものの、操業が不安定であった。
これに対して実験１は安定であり、高位発熱量が３，７００ｋｃａｌ／ｋｇ以上であると安定したエネルギー自立操業が可能であることが明らかになった。
また、実験４の牛糞堆肥の場合に高位発熱量が３，０１７ｋｃａｌ／ｋｇと低いためにＡ重油の補助燃料が必要であった。
そこで、牛糞におが粉及び木屑を混合し、高位発熱量が３，７００ｋｃａｌ／ｋｇ以上になるように調整し、同様操業実験を行うとエネルギー的に自立可能であった。

本発明に係るシステムは、エネルギー的に自立型のシステムとなり従来の乾燥材処理する炭化処理に比較して外部エネルギー消費及びＣＯ_２排出量を大幅に削減でき、低炭素社会へ大きく貢献できると思われる。

１０ 炭化炉
１１ 回転キルン
１１ａ 炉内
１２ 外周加熱室
１３ 加熱筒
１４ａ 供給側隔壁
１４ｂ 排出側隔壁
２０ 燃焼炉

Claims (13)

1. 湿潤バイオマスを好気性発酵により乾燥させることで乾燥バイオマスを得る手段と、
   前記乾燥バイオマスを乾留する炭化炉と、
   前記炭化炉から炭化物を回収する手段と当該炭化炉から発生した揮発成分を燃焼させる燃焼炉と、
   前記燃焼炉にて発生した熱風を前記炭化炉の間接加熱源として利用することを特徴とする湿潤バイオマスの炭化処理システム。
2. 前記炭化炉は、熱分解温度３５０〜５００℃の低温炭化炉であることを特徴とする請求項１記載の湿潤バイオマスの炭化処理システム。
3. 前記炭化炉は、間接加熱型ロータリーキルン炉であることを特徴とする請求項１又は２記載の湿潤バイオマスの炭化処理システム。
4. 前記燃焼炉は、下部に水冷式の灰排出装置を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の湿潤バイオマスの炭化処理システム。
5. 前記燃焼炉は、一次と二次とに分けてエアーを供給する二段燃焼炉であることを特徴とする請求項４記載の湿潤バイオマスの炭化処理システム。
6. 請求項１〜５のいずれかの炭化処理システムを用いて、含水率５０〜９０質量％の廃棄物系湿潤バイオマスを好気性発酵させることで含水率４０質量％以下の乾燥バイオマスにするステップと、
   熱分解温度３５０〜５００℃の範囲にて乾留するステップとを有し、
   乾留時に発生する揮発成分を燃焼させて得られた熱風を乾留の熱源に用いることを特徴とする湿潤バイオマスの炭化処理方法。
7. 前記乾燥バイオマスは、含水率が２５〜３５％であることを特徴とする請求項６記載の湿潤バイオマスの炭化処理方法。
8. 前記乾燥バイオマスは、含水率が２６〜３２％であることを特徴とする請求項７記載の湿潤バイオマスの炭化処理方法。
9. 前記乾燥バイオマスは、原料としての高位発熱量が３，７００ｋｃａｌ／ｋｇ以上であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の湿潤バイオマスの炭化処理方法。
10. 前記乾燥バイオマスは、原料としての高位発熱量が３，８００ｋｃａｌ／ｋｇ以上であることを特徴とする請求項９記載の湿潤バイオマスの炭化処理方法。
11. 前記乾燥バイオマスに有機系副資材を混合することで、原料としての高位発熱量が３，７００ｋｃａｌ／ｋｇ以上又は３，８００ｋｃａｌ／ｋｇ以上に調整することを特徴とする請求項９又は１０記載の湿潤バイオマスの炭化処理方法。
12. 廃棄物系湿潤バイオマスに容積比で０．５〜４倍の副資材を混合して好気性発酵させることを特徴とする請求項６記載の湿潤バイオマスの炭化処理方法。
13. 廃棄物系湿潤バイオマスに容積比で２〜３倍の副資材を混合して好気性発酵させることを特徴とする請求項１２記載の湿潤バイオマスの炭化処理方法。