JP2015196732A

JP2015196732A - 固体燃料の製造方法及び固体燃料

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Publication number: JP2015196732A
Application number: JP2014074289A
Authority: JP
Inventors: 宏新倉; Hiroshi Niikura; 友紀川真田; Yuki Kawamata; 小野　裕司; Yuji Ono; 裕司小野
Original assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd; Jujo Paper Co Ltd
Current assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd; Jujo Paper Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-11-09
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP6357836B2

Abstract

【課題】木質系バイオマスを原料として、物質収率及び熱量収率が高く、石炭と同等の粉砕性を有し石炭と混合して粉砕処理して微粉炭ボイラーの燃料として使用できる固体燃料の製造方法を提供する。【解決手段】木質系バイオマスを酸素濃度１０％以下で、かつ温度１７０〜３５０℃の条件下で焙焼し、得られた焙焼物に滑剤、好ましくステアリン酸塩を添加し、嵩密度（ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）０．５ｇ／ｃｍ３以上に高密度化処理することを特徴とする固体燃料を製造する。高密度化処理の際の消費電力量を低減できる。【選択図】なし

Description

本発明は、バイオマスを焙焼（torrefaction）することによって得られる固体燃料の製造方法に関する。

近年、化石燃料の枯渇化及びＣＯ_２排出による地球温暖化への対策として、バイオマスを原料とする燃料の利用が検討されている。一般にバイオマスとは、エネルギー源又は工業原料として利用することのできる生物体で、代表的なものは木材、建築廃材、農産廃棄物等である。従来よりバイオマスを有効利用する方法が各種提案されている。その中でも、バイオマスを低コストで以って高付加価値物に転換できる有用な方法として、バイオマスを炭化して固体燃料を製造する方法がある。これは、バイオマスを炭化炉に投入して酸素欠乏雰囲気下で所定時間加熱して炭化処理し、固体燃料を製造するものである。

このようにして製造された固体燃料は、発電設備や焼却設備等の燃焼設備の燃料に用いられるが、この場合、燃焼効率を向上させるために固体燃料を細かく粉砕して微粉燃料として用いることがある。固体燃料は単独であるいは石炭と混合して粉砕されるが、バイオマスのうち木質系バイオマスは大部分が繊維質であるため、粉砕性が悪く、燃焼効率の低下、粉砕機の運転性低下等の問題があった。

特許文献１には、材廃材、間伐材、庭木、建築廃材等の木質系バイオマスを240℃以上300℃以下の温度で、15分以上90分以下の時間で熱分解した後に粉砕する方法が開示されている。加熱温度が240℃より低い温度であると破砕性、粉砕性が向上せず、300℃よりも高い温度であると破砕、粉砕時にサブミクロンオーダーの微粉量が増大して粉体トラブルを生じ易くなるため好ましくないとしている。

また、特許文献２には穀類、実、種子を含むバイオマスを酸素濃度1〜5％、処理温度350〜400℃で30〜90分加熱して炭化処理することで、石炭と同等の粉砕性を有する固体燃料を製造する方法が開示されている。

特開2006−26474号公報特開2009−191085号公報

しかしながら、上記方法で製造された炭化物は、物質収率及び熱量収率が低く、石炭に比較すると粉砕性が不十分であり、石炭と混合して粉砕処理して微粉炭ボイラーの燃料として使用することが困難である。また、炭化物は嵩密度が低いので、取扱いや輸送コストの低減のために、ペレット状に成型する等の高密度化処理を行うが、その際の消費電力量の削減も課題である。

本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、木質系バイオマスを原料として、酸素濃度１０％以下で、かつ温度１７０〜３５０℃の条件下で焙焼（torrefaction）し、得られた焙焼物に滑材を添加し、嵩密度０．５ｇ／ｃｍ^３以上に高密度化処理することにより、石炭と同等の粉砕性を有する固体燃料が製造できること見出した。また、滑材を添加することによって、高密度化処理する際の消費電力を低減できる。

本発明の製造方法にて得られる固体燃料は、物質収率、熱量収率が高く、さらに石炭と同等の粉砕性を有し、高密度であるため、石炭と混合して粉砕処理して微粉炭ボイラーの燃料として高い比率で混炭して使用することできる。高密度化処理する際の消費電力を低減できる。

本発明において、原料として木質系バイオマスを使用する。木質系バイオマスとしては、木材チップ、樹皮（バーク）、おが屑、鋸屑等が挙げられる。これらの木質系バイオマスはあまり利用されることなく、廃棄されることが多いのが現状である。特に、樹皮を原料として焙焼した場合、木部のチップと比較して良好な性質を有する固形燃料が得られることが判明した。樹皮は木部と比較するとヘミセルロースの含有量が少ないので、焙焼した後の物質収率が高くなる。樹種は広葉樹、針葉樹のいずれも使用できる。

本発明において、木質系バイオマスは０．１〜１００ｍｍのサイズに粉砕された粉砕物を使用することが好ましく、０．１〜５０ｍｍのサイズのものを使用することがさらに好ましい。なお、本発明において、木質系バイオマス粉砕物のサイズとは、篩い分け器の円形の穴の大きさによって篩い分けされたものである。木質系バイオマスを粉砕するための装置としては、ナイフ切削型バイオマス燃料用チッパーで粉砕処理することが好ましい。

本発明における焙焼（torrefaction）とは、低酸素雰囲気下で、所謂炭化処理よりも低い温度で加熱する処理のことである。通常の木材の炭化処理の温度は４００〜７００℃であるが、焙焼はより低い温度で行われる。焙焼を行うことによって、その出発原料よりも高いエネルギー密度を有する固体燃料が得られる。

本発明における焙焼の処理条件は、酸素濃度１０％以下で、温度１７０〜３５０℃である。酸素濃度が１０％を超えると物質収率、熱量収率が低下する。また、温度が１７０℃未満では後述する粉砕性が不十分であり、３５０℃を超えると物質収率、熱量収率が低下する。温度は２００〜３２０℃が好ましく、さらに２４０〜３００℃がさらに好ましい。ヘミセルロースは２７０℃付近で熱分解が顕著になるのに対して、セルロースは３５５℃付近、リグニンは３６５℃付近で熱分解が顕著になるので、焙焼の処理温度を１７０〜３５０℃とすることで、ヘミセルロースを優先的に熱分解して、物質収率と粉砕性を両立できる固体燃料を製造することが可能になると推察される。

本発明において、焙焼処理を行うための装置は特に限定されないが、ロータリーキルン、竪型炉が好ましい。なお、酸素濃度を１０％以下に調整するため装置内を窒素等の不活性ガスで置換することが好ましい。処理時間は１５〜１８０分が好ましい。

本発明で得られる固体燃料は原料に対して物質収率で６０〜９０％、熱量収率で７０〜９５％である。また、粉砕性の指標であるＪＩＳＭ８８０１：２００４に規定のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）は３０以上が好ましく、４０以上がさらに好ましい。ＨＧＩが高くなるほど、粉砕され易いことを示している。ＨＧＩが３０〜７０の範囲であれば、石炭と混合して粉砕処理することが可能となる。石炭のＨＧＩは通常４０〜７０であるので、本発明で得られた固体燃料は石炭と同等の粉砕性を有している。

本発明において、焙焼物１００質量部に対して滑剤を０．５〜１０質量部を添加することが必要である。この範囲で滑剤を添加することにより、後述する高密度化処理において消費電力使用量を低減できる。滑剤としては、流動パラフィン、パラフィンワックス等の炭化水素系滑剤、ステアリン酸、オレイン酸アンモニウム等の脂肪酸系滑剤、ステアリルアルコール、多価アルコール等の高級アルコール系滑剤、ステアリン酸アミド、オレイン酸アミド、エチレンビスステアリン酸アミド等の脂肪酸アマイド系滑剤、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸系滑剤、ステアリン酸モノグリセリド、ステアリン酸ブチル、ソルビタンエステル、グリセリンエステル等のエステル系滑剤、カルボキシメチルセルロース及びその誘導体、等を挙げる事ができる。これらの中では、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等のステアリン酸塩が好ましく、ステアリン酸カルシウムが特に好ましい。

本発明における高密度化処理とは、焙焼された木質系バイオマスの粉砕物状の出発原料（焙焼物）をブリケットやペレット状に成型する処理のことを意味する。成型処理を行うことによって、嵩密度を大幅に高めることができる。高密度化処理する前の焙焼物の嵩密度は０．０１ｇ／ｃｍ^３〜０．３ｇ／ｃｍ^３程度であり、高密度化処理後の固体燃料の嵩密度は０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．０ｇ／ｃｍ^３である。高密度化処理することにより、固体燃料として微粉炭ボイラーで燃焼させる際、石炭との混合比率を上昇させることができ、また、燃料の輸送コストを削減することができる。

本発明において高密度化処理を行うための装置は特に限定されていないが、ブリケッター（北川鉄工所（株）製）、リングダイ式ペレタイザー（ＣＰＭ（株）製）、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）製）等が望ましい。

高密度化処理後の固体燃料の嵩密度は、０．５ｇ／ｃｍ^３以上とすることが必要で、好ましくは０．６ｇ／ｃｍ^３以上にすることが好ましい。嵩密度が０．５ｇ／ｃｍ^３未満であると固体燃料を燃料として微粉炭ボイラーで燃焼させる際、石炭との混合比率をあまり大きくすることが不可能なため、本発明の効果を最大限に得ることができない。

本発明における高密度化の処理条件は、水分を１０〜５０％とすることが好ましい。水分が１０％より少ないとブリケッターやペレタイザーの内部で閉塞が発生し、安定した成型物の製造ができない。水分が５０％を超えると成型することが困難で、粉体状またはペースト状で排出される。

本発明において、焙焼物１００質量部に対してバインダーを０〜５０質量部添加してもよい。バインダーは特に限定されていないが、有機高分子（リグニンなど）、無機高分子（アクリル酸アミドなど）、農業残渣（ふすま（小麦粉製造時に発生する残渣）など）等が望ましい。木質系バイオマスを効率よく有効利用することを目的としている観点から、バインダー添加部数は少ない方が望ましく、０〜５０質量部、より好ましくは０〜２０質量部が望ましい。ただし、５０質量部以上添加しても高密度化が不可能であるというわけではない。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。なお、実施例、比較例中の％は特に断らない限り質量％を示す。

［実施例１］
杉のチップをナイフ切削型バイオマス燃料用チッパー（緑産（株）製、Wood Hacker MEGA360DL）にて粉砕処理した。粉砕後、７０ｍｍのスクリーンを通過した樹皮を原料として、乾燥機で１２０℃、１０分間乾燥処理を行った。続いて大型キルン型炭化炉を用い、窒素パージして、焙焼温度３１０℃、滞留時間３０分で焙焼を行って生成物を得た。得られた生成物の水分を３０％に調整し、生成物の固形分に対してステアリン酸カルシウムを１％となるように添加した。続いて、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）社製、ディスクペレッターＦ−５／１１−１７５型）にてダイ穴直径５ｍｍ、ダイ厚さ２０ｍｍのフラットダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。なお、嵩密度の測定方法は、ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従った。

［実施例２］
実施例１と同様にして得た生成物の固形分に対してステアリン酸カルシウムを５％となるように添加した以外は、実施例１と同様にして高密度化処理を行い、嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。
［比較例１］
ステアリン酸カルシウムを添加しない以外は、実施例１と同様にして生成物を得て、水分調整後、高密度化処理を行ったところ、嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

表１に示されるようにステアリン酸カルシウムを添加した実施例１〜２の固体燃料は高密度化処理の際の消費電力を削減することが可能である。

Claims

木質系バイオマスを酸素濃度１０％以下で、かつ温度１７０〜３５０℃の条件下で焙焼し、得られた焙焼物に滑剤を添加し、嵩密度（ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）０．５ｇ／ｃｍ^３以上に高密度化処理することを特徴とする固体燃料の製造方法。
焙焼物１００質量部に対して滑剤を０．５〜１０質量部を添加する請求項１記載の固体燃料の製造方法。
滑剤がステアリン酸塩である請求項１ないし２記載の固体燃料の製造方法。