JP2015040275A - 木炭スラリー燃料、その製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発熱量を有し、運搬及び貯蔵等が容易であり、且つボイラーやディーゼルエンジン等にも利用可能な木炭スラリー燃料、その製造方法及びその製造装置を提供する。【解決手段】木炭にスラリー化するための液体を混合して木炭スラリー燃料を製造する木炭スラリー燃料製造方法であって、木炭ｃを粉砕する粉砕ステップと、粉砕された木炭ｃに、疎水性を有する表面改質剤を添加し、木炭ｃの表面に被膜を形成し、改質木炭ｃ１を生成する表面改質ステップと、改質木炭ｃ１にスラリー化するための液体を混合し、木炭スラリー燃料ｓを生成するスラリー化ステップと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、木材等のバイオマスを熱分解して得られる燃料から生成する木炭スラリー燃料と、この燃料を製造する製造方法及びその製造装置に関するものである。

従来、木質系バイオマスの熱分解により、燃料を得る熱分解プロセスが実施されている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１には、バイオマスの熱分解により生じた熱分解ガスから、液体燃料を製造する製造方法が開示されている。図３に、熱分解プロセスで得られる燃料の概略を示す。熱分解プロセスでは、バイオマスが熱分解反応炉２０で熱分解され、その生成物として、気体燃料である熱分解ガスｇと、液体燃料である熱分解タールｔ及び木酢液ｐと、固体燃料である木炭ｃが得られる。

ここで、木材等のバイオマスは、バイオマス全体の重量に対する水分の重量の割合（以下、含水率という）が約５０％である。この水分は木酢液ｐと共に回収される。また、熱分解プロセスで得られる木炭ｃの発熱量は、約３０．０ＭＪ／ｋｇである。この木炭ｃは、例えば石灰や太陽電池等の製造に用いられる焼成炉で、コークス等の代用燃料として使用可能である。以上より、廃材等の木質系バイオマスから燃料を得ることができていた。

しかし、上記の熱分解プロセスは、いくつかの問題点を有している。第１に、熱分解プロセスで得られた木炭ｃの輸送が困難であるという問題を有している。これは、木炭ｃが、乾燥し揮発分が多く、自然発火する可能性が高いからである。そのため、木炭ｃの十分な利用が進んでいない。

第２に、木炭ｃの自然発火を防止するために水をかけて運搬等を行った場合、木炭ｃを燃料として使用する際の発熱量が低下してしまうという問題を有している。これは、木炭ｃのエネルギーが、水を気化させるために消費されてしまうからである。

第３に、木酢液の処理が困難であるという問題を有している。この木酢液は、有機酸等の有機物を４〜８％程度含んでいるためＣＯＤ（化学的酸素要求量）が数万ｐｐｍと高く、且つ熱分解プロセスで生成量される量が多いからである。例えば、熱分解プロセスの廃熱を利用して木酢液を濃縮する方法が考えられるが、木酢液の含水率は約９２〜９６％であり、多大なエネルギーが必要となり、現実的ではない。また、木酢液を濃縮する過程で、濃縮タールの固着による伝熱性の低下や、蒸発した水分に含まれる有機物による大気汚染等が生じる可能性がある。更に、熱分解プロセスの廃熱を他の分野で有効利用し、熱分解プロセスにおけるエネルギー効率を向上することも不可能となる。

以上より、熱分解プロセスによる燃料の製造、及びこの燃料の利用が十分に進んでいない。

特開２０１０−７７４１０号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、高い発熱量を有し、運搬及び貯蔵等が容易であり、且つボイラーやディーゼルエンジン等にも利用可能な木炭スラリー燃料、その製造方法及びその製造装置を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る木炭スラリー燃料製造方法は、木炭にスラリー化するための液体を混合して木炭スラリー燃料を製造する木炭スラリー燃料製造方法であって、木炭を粉砕する粉砕ステップと、粉砕された該木炭に、疎水性を有する表面改質剤を添加し、該木炭の表面に被膜を形成し、改質木炭を生成する表面改質ステップと、該改質木炭にスラリー化するための液体を混合し、木炭スラリー燃料を生成するスラリー化ステップと、を有することを特徴とする。

この構成により、高い発熱量を有し、固形分（木炭）の沈降及び分離が少なく、運搬及び貯蔵等が容易であり、且つボイラーやディーゼルエンジン等にも利用可能な木炭スラリー燃料を製造することができる。

上記の木炭スラリー燃料製造方法において、前記スラリー化するための液体が、木酢液及び水を含んでいることを特徴とする。この構成により、例えば熱分解プロセスにより生じる木酢液を含む大量の水を効率的に処理することが可能となる。また、木炭スラリー燃料の発熱量を向上することができる。

上記の木炭スラリー燃料製造方法において、前記スラリー化するための液体が、熱分解タールを含んでいることを特徴とする。この構成により、更に木炭スラリー燃料の発熱量を向上することができる。

上記の目的を達成するための本発明に係る木炭スラリー燃料製造装置は、木炭にスラリー化するための液体を混合して木炭スラリー燃料を製造する木炭スラリー燃料製造装置であって、該木炭スラリー燃料製造装置が、該木炭を粉砕する粉砕装置と、該粉砕装置で粉砕された該木炭の表面改質を行う表面改質装置と、該表面改質装置により表面改質されて生成された改質木炭とスラリー化するための液体を混合して木炭スラリー燃料を生成するスラリー化装置と、を有しており、該表面改質に使用する表面改質剤が疎水性を有していることを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。

上記の目的を達成するための本発明に係る木炭スラリー燃料は、木炭にスラリー化するための液体を混合して製造された木炭スラリー燃料であって、該木炭スラリー燃料が、３０ｗ％以上７０ｗ％以下の固形分濃度を有し、且つ高位発熱量が１０．０ＭＪ／ｋｇ以上２５．０ＭＪ／ｋｇ以下であり、且つ温度３００Ｋにおける粘度が１００ｍＰａ・ｓ以上１００００ｍＰａ・ｓ以下となることを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係る木炭スラリー燃料、その製造方法及びその製造装置によれば、高い発熱量を有し、運搬及び貯蔵等が容易であり、且つボイラーやディーゼルエンジン等にも利用可能な木炭スラリー燃料、その製造方法及びその製造装置を提供することができる。

本発明に係る実施の形態の木炭スラリー燃料製造装置の概略図である。 木炭粒子の表面の概略図である。 従来の熱分解プロセスにおける生成物を示した概略図である。

以下、本発明に係る実施の形態の木炭スラリー燃料、木炭スラリー燃料の製造方法及びその装置について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明の実施の形態の木炭スラ
リー燃料製造装置１の概略図を示す。木炭スラリー燃料製造装置１は、木炭を粉砕する粉砕装置２と、粉砕装置２で粉砕された木炭の表面改質を行う表面改質装置３と、表面改質装置３により表面改質されて生成された改質木炭とスラリー化するための液体を混合して木炭スラリー燃料を生成するスラリー化装置４と、を有している。

また、木炭スラリー燃料製造装置１は、表面改質剤を貯蔵する表面改質剤タンク５と、スラリー化するための液体を貯蔵する液体タンク６と、木炭スラリー燃料を貯蔵する木炭スラリー燃料タンク７と、を有している。

この表面改質剤タンク５には、熱分解プロセスで生成された熱分解タール、別途準備された石油系の重油、軽油又はこれらの混合物等の疎水性を有する表面改質剤が貯蔵されている。また、液体タンク６には、スラリー化するための液体として熱分解プロセスで生成された木酢液を含む水や、熱分解タール、別途供給される添加剤ａ（分散剤、安定剤）等を含む液体が貯蔵されている。ここで、このスラリー化するための液体は、水を主体とするものである。このスラリー化するための液体は、例えば木酢液であり、９０〜９８ｗ％の水に対して２〜１０ｗ％の有機物を含む木酢液で構成することができる。また、スラリー化するための液体は、上記の混合液１００重量部に対して１〜６５重量部の熱分解タール又は重油又はその混合物を添加して構成してもよい。更に、スラリー化するための液体は、上記の混合液１００重量部に対して１〜３重量部の分散剤及び安定剤等を添加して構成してもよい。 上記の表面改質装置３は、木炭の表面改質を行う機能を有するものであり、例えば、横型又は縦型の高せん断力撹拌装置やニーダーと呼ばれる混練機等で構成することができる。また、スラリー化装置４は、木炭とスラリー化するための液体とを混合する機能を有する物であり、例えば、複数の分割された部屋を有する高せん断力撹拌装置を、複数多段に設置して構成された一体型の横型の高せん断力撹拌装置や、同様に構成された縦型の高せん断力撹拌装置等で構成することができる。また、液体タンク６及び木炭スラリー燃料タンク７には、貯蔵された液体の分離等を回避するための混合翼１０を設置することが望ましい。

次に、木炭スラリー燃料製造装置１の作動について説明する。まず、熱分解プロセスで得られた乾燥木炭を、粉砕装置２で粉砕する（粉砕ステップ）。このとき、木炭は、一定の粒度分布を有するように微粉砕され、具体的には、平均粒径が例えば５〜３０μｍ、望ましくは１０〜２５μｍ程度となるように微粉砕される。微粉砕された木炭ｃは、表面改質装置３に送られる。

次に、表面改質装置３に送られた木炭ｃに、疎水性を有する表面改質剤を添加し、木炭ｃの表面に被膜を形成し、改質木炭ｃ１を生成する（表面改質ステップ）。表面改質剤は、表面改質剤タンク５から表面改質装置３に供給される。この表面改質剤として、熱分解プロセスで得られた熱分解タールｔを利用することが可能である。また、表面改質剤として、別途準備されたより疎水性の高い重油、軽油、又は熱分解タールｔと重油等との混合物等を利用してもよく、他の疎水性を有する油等を利用してもよい。ここで、表面改質ステップにおいては、表面改質装置３が発生させるせん断力の大きさ及び表面改質剤の投入量により、油膜（被膜）の厚み及び広がりを制御している。

次に、スラリー化装置４に送られた改質木炭ｃ１と、スラリー化するための液体を混合し、木炭スラリー燃料ｓを生成する（スラリー化ステップ）。

スラリー化するための液体は、液体タンク６からポンプ９を介してスラリー化装置４に供給される。このスラリー化するための液体は、熱分解プロセスで得られた木酢液ｐを含むように構成されることが望ましい。また、スラリー化するための液体は、熱分解プロセスで得られた熱分解タールｔを含むように構成されてもよい。以上のステップにより、木炭スラリー燃料ｓは製造される。

図２に、木炭粒子の表面の概略図を示す。図２左方に示すように、木炭粒子１５は、複数の空隙１６を有している。そのため、表面改質ステップを経ずに、木炭に木酢液、熱分解タール及び水等のスラリー化するための液体を混合（スラリー化ステップ）すると、図２の中央に示すように、空隙１６に水等が流れ込み水膜１７を形成する。木炭は、その性質上、空隙１６が非常に多いため、スラリー化ステップにより製造された木炭スラリー燃料ｓの固形分濃度を向上することが困難となる。その結果、木炭スラリー燃料の単位重量当たりの発熱量を向上することが困難となり、燃料としての使用が不利になる。

そこで、本発明では表面改質ステップを行う構成とした。この表面改質ステップを行うと、図２右方に示すように、熱分解タール等の表面改質剤が木炭粒子１５の表面に油膜１８を形成する。この油膜１８により、木炭粒子１５は、後のスラリー化ステップで水等と混合されたとしても、その空隙１６に水等を取り込まない。そのため、木炭スラリー燃料ｓの固形分濃度を向上させ、燃料として十分な発熱量を有するように構成することができる。

上記の構成により、木炭スラリー燃料製造装置１は、以下の作用効果を得ることができる。第１に、木炭ｃを燃料として十分且つ容易に活用することが可能となる。これは、木炭スラリー燃料製造装置１が、木炭ｃから、自然発火を防止可能であり且つ輸送及び貯蔵等が容易な木炭スラリー燃料ｓを製造できるからである。

第２に、木炭ｃをボイラーやディーゼルエンジン等の燃料として利用することが可能となる。これは、木炭スラリー燃料製造装置１により、木炭ｃから、液体燃料である木炭スラリー燃料ｓを製造できるからである。また、木炭スラリー燃料製造装置１は、表面改質ステップにより、木炭スラリー燃料の固形分濃度を向上させ、高い発熱量を有する液体燃料を製造できるからである。具体的には、木炭スラリー燃料製造装置１により製造された木炭スラリー燃料ｓは、１０．０ＭＪ／ｋｇ以上の発熱量、好ましくは１６．０ＭＪ／ｋｇ以上の発熱量を有する。更に、表面改質ステップを経て製造された木炭スラリー燃料ｓは、非ニュートン流体であり、固形分（木炭）の沈降及び分離の少ないスラリー燃料となるため、燃料としての取り扱いが容易となる。以上より、木炭スラリー燃料ｓは、ボイラー用液体燃料やディーゼルエンジン用液体燃料として利用可能となる。

第３に、熱分解プロセスで発生する木酢液の処理が容易となる。これは、木炭ｃをスラリー化するための液体として、水を多く含む木酢液ｐを利用することができるからである。そのため、排水処理や廃熱を利用した濃縮等を行わなければならない木酢液ｐの量を、低減することができる。また、木酢液ｐは燃料としての発熱量を有しているため、スラリー化するための液体として水のみを利用する場合に比べ、木炭スラリー燃料ｓの発熱量を向上し、液体燃料としての品質を向上することができる。

なお、液体タンク６に、添加剤ａを供給するように構成してもよい。この添加剤ａとして、静電気的反発効果や立体反発効果によって、木炭の微粒子をスラリー中に分散させる効果を有する分散剤や、スラリー中の木炭の微粒子の沈降を防止して安定化するための安定剤等を利用することが望ましい。具体的には、分散剤として、アニオン系の界面活性剤等が利用できる。また、安定剤として、カルボキシメチルセルロースや、キサンタンガム等が利用できる。

また、表面改質装置３は、乾式混合方式を採用することができる。この乾式混合方式は、表面改質装置３において、約９９ｗ％の乾燥木炭ｃと０．５〜３．０ｗ％の表面改質剤、好ましくは約１．０％の表面改質剤を含むように混合することが望ましい。これにより、木炭ｃの表面は、親水性から疎水性に転換される。

更に、表面改質装置３は、前述の横型又は縦型の高せん断力撹拌装置やニーダーと呼ばれる混練機等で構成されることが望ましい。これにより、木炭表面への表面改質剤の分散及び混合が促進されるからである。また、スラリー化装置４は、複数の部屋を分割して高せん断力撹拌装置を複数多段に設置した一体型の横型高せん断力撹拌装置で構成されることが望ましい。これにより、木炭とスラリー化するための液体等との混合状態を、より押し出し流れに近づけて短時間でのスラリー化を実現することが可能となるからである。

次に、木炭スラリー燃料製造装置１で製造される木炭スラリー燃料ｓの性状について説明する。本発明の木炭スラリー燃料ｓは、固形分濃度が、３０〜７０ｗ％であり、望ましくは３５〜７０ｗ％とする。この木炭スラリー燃料ｓは、固形分濃度が３０ｗ％より小さいと、発熱量が不足し、ボイラーやディーゼルエンジン等の液体燃料として使用することができない。また、木炭スラリー燃料は、固形分濃度が高いほど発熱量が大きく燃料として優れることになるが、利用する対象によりその粘度や発熱量を調整する目的で熱分解タール等の液体が添加される。具体的には、例えばディーゼルエンジンの燃料として利用する場合は、固形分濃度を約４０〜７０ｗ％とし、ボイラー等で使用する場合には、約３５〜６０ｗ％とすることが望ましい。

ここで、このスラリー化するための液体は、水を主成分とするものである。このスラリー化するための液体は、例えば木酢液であり、９０〜９８ｗ％の水に対して２〜１０ｗ％の有機物を含む木酢液で構成することができる。また、スラリー化するための液体は、上記の混合液１００重量部に対して１〜６５重量部の熱分解タール又は重油又はその混合物を添加して構成してもよい。更に、スラリー化するための液体は、上記の混合液１００重量部に対して１〜３重量部の分散剤及び安定剤等の添加剤を添加して構成してもよい。なお、スラリー化するための液体は、水を主成分とする混合液に、上記の熱分解タール等及び添加剤の両方を加えて構成してもよい。

加えて、本発明の木炭スラリー燃料ｓは、温度が室温程度（３００Ｋ）の場合に、粘度が約１００〜１００００ｍＰａ・ｓとなる。更に、木炭スラリー燃料ｓは、熱量計で高位発熱量（総発熱量）を測定した場合、１０．０〜２５．０ＭＪ／ｋｇの発熱量、望ましくは１６．０〜２５．０ＭＪ／ｋｇの発熱量を有するように製造される。加えて、木炭スラリー燃料ｓは、表面改質ステップにより、固形分（木炭）の沈降分離の少ない非ニュートン流体スラリーとなる。 つまり、本発明の木炭スラリー燃料は、以下の試験により同定することができる。第１の試験として、木炭スラリーの固形分濃度の測定を行う。具体的には、まず、木炭スラリー燃料の重量Ｍを測定する。その後、溶剤を添加して減圧濾過して固形分を分離して乾燥させ乾燥重量Ｍ’を測定する。このとき、乾燥重量Ｍ’が重量Ｍの３０〜７０ｗ％となり、望ましくは３５〜７０ｗ％となる。

第２の試験として、熱量計で高位発熱量（総発熱量）の測定を行う。このとき、木炭スラリー燃料の高位発熱量は、１０．０〜２５．０ＭＪ／ｋｇ、望ましくは１６．０〜２５．０ＭＪ／ｋｇとなる。

第３の試験として、木炭スラリー燃料の粘度を測定する。このとき、木炭スラリー燃料の粘度は、室温（３００Ｋ）の場合に、１００〜１００００ｍＰａ・ｓとなる。
本発明の木炭スラリー燃料は、上記の３つの試験の全てにおいて、上記の値を満足するものである。

以上、本発明により十分な発熱量を有し且つ取扱いが容易な木炭スラリー燃料ｓを提供することが可能となる。特に、熱分解プロセスに、木炭スラリー燃料製造装置を併設する構成により、熱分解プロセスにより生じる木炭ｃ、熱分解タールｔ、木酢液ｐ及び水等を
効率的に利用し、木炭スラリー燃料ｓを製造することが可能となる。なお、本発明の木炭スラリー燃料製造装置及び製造方法は、熱分解プロセスと独立して利用することも可能である。つまり、熱分解プロセスで生じた木炭等以外の原料を利用し、木炭スラリー燃料ｓを製造することも可能である。

１ 木炭スラリー燃料製造装置
２ 粉砕装置
３ 表面改質装置
４ スラリー化装置
５ 表面改質剤タンク
６ 液体タンク
７ 木炭スラリー燃料タンク
ｃ 木炭
ｃ１ 改質木炭
ｔ 熱分解タール
ｐ 木酢液
ｓ 木炭スラリー燃料

Claims (5)

1. 木炭にスラリー化するための液体を混合して木炭スラリー燃料を製造する木炭スラリー燃料製造方法であって、
   木炭を粉砕する粉砕ステップと、
   粉砕された該木炭に、疎水性を有する表面改質剤を添加し、該木炭の表面に被膜を形成し、改質木炭を生成する表面改質ステップと、
   該改質木炭にスラリー化するための液体を混合し、木炭スラリー燃料を生成するスラリー化ステップと、を有することを特徴とする木炭スラリー燃料製造方法。
2. 前記スラリー化するための液体が、木酢液及び水を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の木炭スラリー燃料製造方法。
3. 前記スラリー化するための液体が、熱分解タールを含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の木炭スラリー燃料製造方法。
4. 木炭にスラリー化するための液体を混合して木炭スラリー燃料を製造する木炭スラリー燃料製造装置であって、
   該木炭スラリー燃料製造装置が、該木炭を粉砕する粉砕装置と、該粉砕装置で粉砕された該木炭の表面改質を行う表面改質装置と、該表面改質装置により表面改質されて生成された改質木炭とスラリー化するための液体を混合して木炭スラリー燃料を生成するスラリー化装置と、を有しており、
   該表面改質に使用する表面改質剤が疎水性を有していることを特徴とする木炭スラリー燃料製造装置。
5. 木炭にスラリー化するための液体を混合して製造された木炭スラリー燃料であって、
   該木炭スラリー燃料が、３０ｗ％以上７０ｗ％以下の固形分濃度を有し、且つ高位発熱量が１０．０ＭＪ／ｋｇ以上２５．０ＭＪ／ｋｇ以下であり、且つ温度３００Ｋにおける粘度が５００ｍＰａ・ｓ以上２０００ｍＰａ・ｓ以下となることを特徴とする木炭スラリー燃料。

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