JP2018030920A

JP2018030920A - 廃棄物系バイオマスを高温で酸化して熱源として利用するための方法

Info

Publication number: JP2018030920A
Application number: JP2016162645A
Authority: JP
Inventors: 芳信林; Yoshinobu Hayashi; 裕之片山; Hiroyuki Katayama
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-03-01

Abstract

【課題】廃棄物系バイオマスを主原料としてガス化炉あるいは燃焼炉で必要とされる強度をもつペレットあるいはブリケットを製造できるようにして、廃棄物系バイオマスをバイオマスエネルギー源として有効利用するための方法に関する。
【解決手段】竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分の１つあるいは２つ以上を粉砕し、廃棄物系バイオマスに重量比で５〜４５％加えて混合し、ペレットあるいはブリケットに成形する。さらにブリケット成形のために用いる金枠を加熱して温度が８０〜１８０℃にする。あるいは、竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分の１つあるいは２つ以上を粉砕し、廃棄物系バイオマスに混合したものを、マイクロ波で加熱してからブリケットに成形する。
【選択図】なし

Description

本発明は、かさ比重が小さく、また水分含有量が多い廃棄物系バイオマスを、木質バイオマスなどとともに、高温で酸化して熱源として利用するための方法に関する。

今日の人類にとって重要な課題は、埋蔵量が限られた化石燃料の使用を節減すること、およびエネルギー化に伴う二酸化炭酸ガスの排出量を減らして地球温暖化および気候変動を抑制することである。そのためには、これまで木質バイオマスなどは燃焼やガス化などの乾式法で、一方、家畜糞、汚泥、廃菌床などの嵩比重が小さく、水分含有量が高い廃棄物系のものは堆肥化のほかに、メタン発酵法などの湿式法でエネルギー化する方法が考えられてきた。その例として、例えば、特許文献１には、廃菌床を加圧熱水と接触させて有効成分を抽出する方法が示されている。特許文献２には竹の粉砕物に廃菌床を加えて発酵させて堆肥を作る方法が示されているが、廃菌床が木質の場合には含まれているリグニンのために好ましくないと述べられている。特許文献３には、刈り草と廃菌床を粉砕して堆肥化して、廃土の土質改良に用いる方法が示されている。特許文献４には、廃菌床を炭化して空気清浄化材に利用する方法が示されている。しかし、地域で分散して発生する各種のバイオマス資源をエネルギー化する方法として２つ以上の方式の設備を設置して対応することは経済的でない場合が多い。これが地域分散型のバイオマスのエネルギー源としてしての利用が進まない原因の１つである。本発明は、各種のバイオマス資源を、木質バイオマスのエネルギー利用法として用いられている「ガス化＋ガスの発電などのエネルギー利用のプロセス」に、併せて用いることができるようにしようとするものである。

特開２００７−１５１４２４号公報特開２００７−１６１５０１号公報特開２００７−６３４３８号公報特開２００４−７５４１７号公報

本発明は、廃棄物系バイオマスを木質バイオマスなどとともにエネルギー源として有効利用、すなわち加熱してガス化あるいは直接燃焼してエネルギーを効率的に取り出し、残った灰分もミネラル分を含有する土壌添加剤などとして利用できるようにするために、廃棄物系バイオマスを十分な強度を持つペレットやブリケットに成形するための方法に関する。

本発明の課題を解決するための具体的手段の第１は、竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分のうちの１つあるいは２つ以上を粉砕し、廃棄物系バイオマス混合物に重量比で５〜４５％（乾燥状態を想定して計算）加えて混合し、ペレットあるいはブリケットに成形することである。

具体的手段の第２は、０００５において、ブリケット成形のために用いる金型を加熱して温度が８０〜１８０℃にすることである。

具体的手段の第３は、０００５において、竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分のうちの１つあるいは２つ以上を粉砕し、廃棄物系バイオマスに混合したものを、マイクロ波で加熱してからブリケットに成形することである。

０００５の方法によって、廃棄物系バイオマスに加えたものの形状面からの効果によって廃棄物系バイオマスを主成分とするペレットあるいはブリケット時の成形性が改善される。また、０００６あるいは０００７の方法によって、添加したものに含まれるリグニンの加熱による軟化と冷却による硬化の効果によって、廃棄物系バイオマスを主成分とするブリケット時の成形性が改善される。

本発明が処理の対象とするのは、廃棄物系のバイオマスであって、木質バイオマスに比べて、大きさが小さく、水分含有量が高く、かさ比重が小さく、強度が小さいもので、従来の考え方では堆肥やメタン発酵の原料とされてきたものである。本発明では、これらのバイオマスを、ペレットあるいはブリケットに成形して、高温のガス化炉、あるいは燃焼炉に装入して安定したガス化あるいは燃焼を行えるようにする。ガス化や燃焼の場合に原料が粉になると、ガスとともに飛散する。ガスの中の粉を循環使用する循環型流動床法もあるが、負荷変動に敏感で制御がむつかしいという問題がある。したがって固定床型をはじめとする各種のガス化炉や燃焼炉で安定して使用できるようにするためには、成形物をある値以上の強度を有したものにすることが必要である。そのための条件の１例は、１ｍの高さから落下させた時の粉化率が５％以下にすることである。原料を成形する方法としては、ペレット法とブリケット法がある。ペレット法は単位重量あたり大きな力を加えて粉状物を圧縮、摩擦して発熱させて、含まれているリグニンを軟化、溶融して成形し、冷えた時の硬化を利用して強度の大きい成形物を得るものである。この場合は、サイズが例えば直径８ｍｍ以下という小さいものに限られる。強度は大きいが、サイズが小さいために成形物の製造速度が小さく、製造費負担が大きくなるという問題がある。一方、ブリケット法はスクリューコンベアなどを通してよく混錬したものを金型の中で圧縮して固める。例えば、直径５０〜８０ｍｍ、厚さが１０〜５０ｍｍのものが得られる。ペレット法に比べて、製造時の摩擦発熱量は少なく温度上昇は少なく、成型物の強度は主として原料の中の繊維組織の絡みによって得られる。したがって、ブリケット成型物の強度は、ペレット成型物に比べて劣るが、適正な条件で成形されると、本発明が目的とする、ガス化炉あるいは燃焼炉の原料として用いることが可能になる。通常の木質材料ではそれが可能である。

一方、本発明が対象とする廃棄物系バイオマスは、家畜糞、汚泥、廃菌床などの嵩比重が小さく、水分含有量が高いものである。これらを単独に、あるいは混合したものを原料としてペレット法あるいはブリケット法で成形した場合には、いずれも必要な強度が得られないという問題がある。その理由は、含まれているリグニンが少なく、ペレットの場合には温度があがっても軟化、溶融、接着、固化する機能が小さいので、十分な強度上昇が起きにくい。また、含まれている繊維部分が少ないので、通常の方法でブリケットしても必要な強度が出ない。

このような廃棄物系バイオマスを原料として用いて、ペレットあるいはブリケットの強度を上げるための第１の方法は、竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分の１つあるいは２つ以上を粉砕して、これを廃棄物系バイオマスやその混合物に加えて混合することである。竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分はマテリアルとして使われている比率が少なく、有効利用が望まれるものであるが、成分的にリグニンの含有量が高く、ミクロ的には繊維組織が多量に含まれている。したがって、本発明では、これを廃棄物系の原料に加えて成形性の向上に有効利用する。竹は、竹林などから伐採、切断したもの、樹木の樹皮を含む部分や枝の部分は、木材加工工場からの発生物、林地残材、剪定枝などが原料である。これを長さが１０ｍｍ以下、断面積が１ｍｍ２以下になるように破砕、粉砕し、廃菌床に混合攪拌する。混合する割合は、竹、樹木の種類、原料とする廃棄物系バイオマスの種類などに依存するが、竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分の１つあるいは２つ以上の粉砕物の量が全体重量の５〜４５％になるように廃棄物系バイオマス原料に加える。なお、この配合量は、以下、いずれも両者が乾燥状態を想定しての計算値である。例えば竹の粉砕物単独を廃棄物系のバイオマス原料に加えてペレットを製造する場合は５〜１０％、ブリケットを製造する場合は７〜２５％、竹と樹木の配合割合が１：１のものを廃棄物系バイオマスに加えてペレットを製造する場合は、８〜１５％、ブリケットを製造する場合には１１〜４５％である。廃棄物系バイオマスは２５％以上の水分を含んでいる場合が多いので混合物の水分含有量を２０％以下になるように乾燥処理する。そしてこの乾燥後の混合物をペレットにする時はペレット機によって成形し加工時の発熱によって温度が８０℃以上になるようにして、混合物の中に含まれているリグニンを軟化、溶融し、冷却時に硬化させてペレットの強度を確保する。一方、混合物をブリケットにする時は、ブリケット成形機、たとえばスクリューコンベアで混合と圧縮を行ったものを金枠に押し込む方法で行われる。この場合に、温度は、リグニンの軟化に必要な８０℃以上には上昇しないので、ブリケットの強度向上は主として添加物の繊維組織の働きによって行われる。得られたペレットやブリケットはそれぞれ単独、あるいは他の木材チップ類などと合わせて、ガス化炉や燃焼炉に供給される。ガス化炉では空気などの酸化性ガスを吹き込んでバイオマスの部分燃焼をおこなって、ＣＯ，Ｈ２、ＣＨ₄などの可燃性ガス成分を含んだガスを生成する。炉内の温度は７２０〜８５０℃に保って安定した部分燃焼を行うことによって、タール分生成を抑制しつつガス化を行える。この安定操業には、供給されるバイオマス原料が安定した形状であることが重要で、廃棄物系バイオマス利用の場合には粉化防止が必要である。なお、ガス化に伴って灰分が分離する。得られたガスは、冷却して水分を除去した後、ボイラーで燃焼して蒸気や熱湯を製造したり、発電用のエネルギー源に用いることができる。一方、燃焼炉に供給した場合には、空気などの酸化性ガスを供給して完全燃焼して発生した高温ガスを直接利用したり、熱で蒸気や熱湯を作って利用する。これらの利用を行った後の排出ガスが例えば１５０℃以上であって、余熱をもっているので、廃棄物系バイオマス原料乾燥などに用いることができる。

本発明の第２の方法は、主原料である廃棄物系バイオマス原料に添加する竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分の１つあるいは２つ以上の粉砕物の割合を減らして、ガス化炉あるいは燃焼炉で必要な強度のブリケットを製造するためのものである。竹、樹木の樹皮を含む部分や枝の部分の原料の粉砕までは、００１１で述べたのと同じである。この第２の方法では、例えば竹の粉砕物単独を廃棄物系バイオマスに加える場合には５〜２０％、竹と樹木の配合割合が１：１のものを廃棄物系バイオマスに加える場合には８〜３０％にする。混合および乾燥までは００１１で述べたのと同じである。この混合物をブリケットにする方法は００１１で述べた方法とほとんど同じであるが、この第２の方法で異なる点は、金型が、それに溶接したパイプ中に蒸気を通す、あるいは通電によって８０〜１８０℃に加熱されることである。これによって金型に近い部分の圧縮物は加熱され、リグニンの軟化、溶融が進み、これが成型物の強度向上に貢献する。８０℃以上にするのはリグニンの軟化に必要であり、１８０℃を超えないようにするのは、発火などのトラブルを防止するためである。得られたブリケットをガス化炉や燃焼炉に供給して、ガス化したり熱を発生させたり、余熱を利用したりする方法は００１１で述べたのと同じである。

本発明の第３の方法は、主原料である廃棄物系バイオマス原料に添加する竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分の１つあるいは２つ以上の粉砕物の割合をさらに減らして、ガス化炉あるいは燃焼炉で必要な強度のブリケットを製造するためのものである。竹、樹木の樹皮を含む部分や枝の部分の原料の粉砕までは、００１１で述べたのと同じである。この方法では、例えば竹の粉砕物単独を廃菌床に加える場合には５〜１５％、竹と樹木の配合割合が１：１のものを廃菌床に加える場合には８〜２０％にする。混合および乾燥までは００１１で述べたのと同じである。この第３の方法では、混合物にマイクロ波をあてて混合物を内部から加熱する。加熱温度は１００〜１８０℃の範囲にあることが望ましい。１００℃以上にするのは、後続のブリケット化の時点でリグニンの軟化、溶融に必要な８０℃以上に保つためであり、一方、１８０℃以下にするのは発火を防止するためである。用いるマイクロ波の周波数としては、例えば２．４５ＧＨｚのものを用いることができる。以後のブリケット化の方法は００１１に述べた通りである。この第３の方法で、第１や第２の方法に比べて少ない、竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分の１つあるいは２つ以上の粉砕物の配合量で、後続のガス化炉や燃焼炉で必要な成形物の強度が得られる理由は、成型物の内部までリグニンの軟化、溶融が起こる温度にまで昇温されているので、それによる成形物の強度上昇がおこりからである。なお、第３の方法で得られた混合物を、００１２に述べた加熱金型を用いてブリケットすることによってさらに安定した強度上昇を図ることもできる。得られたブリケットをガス化炉や燃焼炉に供給して、ガス化したり熱を発生させたり、余熱を利用したりする方法は００１２で述べたのと同じである。

廃棄物系バイオマスをガス化あるいは燃焼した時に固体分として灰分が分離回収される。この灰分は、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯのような主成分のほかに、Ｋ，Ｍｇ，Ｂａ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｕ．Ｚｎなどの成分を含有している。後者はミネラル類と呼ばれるものであるが、廃棄物系バイオマスに含まれていたものに加えて、補助栄養源として加えたミネラル成分に起因するものである。これらは栽培土壌に添加すると有効である。ただし、ガス化あるいは燃焼が不安定であると、灰分には作物に有害な成分が含まれ、栽培土壌に添加することが好ましくない場合がある。本発明では、ガス化あるいは燃焼を安定に行えるようにペレットやブリケットの強度向上策を講じているので、得られる灰分はこのような問題を生じない。

竹５０％と、樹皮を含む木材片を重量で５０％ずつ配合して、長さ１０ｍｍ以下、断面積１ｍｍ２以下に粉砕した。得られたものの水分含有量は３５％であった。これを家畜糞の１次乾燥物に加えて混合した。粉砕物の比率を６％とした、なお、この比率は、両者が乾燥状態を想定しての計算値である。これを、１２０℃の高温ガスで乾燥して、全体の水分含有量を１５％にした。これを、ペレット機にかけて、直径８ｍｍのペレットにした。得られたペレットを、１ｍの高さから落下させた時の１ｍｍ以下の粉化率は０．１％以下であった。これをストーブの燃料として用いて、通常の木質ペレットと変わらない安定した燃焼を行うことができた。

竹を長さ１０ｍｍ以下、断面積０．１ｍｍ²以下に粉砕した。得られたものの水分含有量は３５％であった。これを家畜糞、汚泥の１次乾燥物の混合物（重量比は１：１）（水分含有量４５％）に加えて混合した。粉砕物の比率を３５％にした。なお、この比率は、乾燥状態を想定して計算したものである。これを、１２０℃の高温ガスで乾燥して、全体の水分含有量を１５％にした。これを、ブリケット機にかけて、直径５０ｍｍ、厚さ２０〜４０ｍｍのブリケットにした。得られたペレットを、１ｍの高さから落下させた時の１ｍｍ以下の粉化率は３％以下であった。これを、他の樹木のチップと１：１の割合で、固定床型ガス化炉（原料供給速度；８ｔ／日、エネルギー出力１ＭＷ）に供給して空気で部分燃焼して７２０〜７５０℃に保ちながらガス化し、ＣＯ：約２４％、Ｈ２：約２０％、ＣＨ４：１〜３％、残りＮ２のガスを、タール発生のトラブルなく安定して製造できた。ガスはボイラーで燃焼して熱水を得てキノコ栽培室の冷、暖房用の熱源として利用した。また、燃焼廃ガスは、混合物およびチップの乾燥に使用した。なお、ガス化時に発生した灰分は、使用原料の約１，５％で、粒状にして畑に撒布し、トマトなどの連作障害を防止できた。

竹を７０％、樹皮を含む木材片３０％からなる混合物を、長さ１０ｍｍ以下、断面積０．１ｍｍ２以下に粉砕した。得られたものの水分含有量は４０％であった。これを家畜糞、汚泥の１次乾燥物の混合物（重量比は１：２）（水分含有量４８％）に加えて混合した。粉砕物の比率を３５％にした。粉砕物の比率を１５％にした。これを、１２０℃の高温ガスで乾燥して、全体の水分含有量を１５％にした。これを、金型が溶接したパイプを介しての蒸気で約１４０℃の加熱されたブリケット機にかけて、直径５０ｍｍ、厚さ２０〜４０ｍｍのブリケットにした。得られたペレットを、１ｍの高さから落下させた時の１ｍｍ以下の粉化率は２％以下であった。これを、００１６と同じ固定床型ガス化炉（原料供給速度；８ｔ／日、エネルギー出力１ＭＷ）に供給して空気で部分燃焼して７２０〜７５０℃に保ちながらガス化し、ＣＯ：約２４％、Ｈ₂：約２０％、ＣＨ₄：１〜３％、残りＮ₂のガスを、タール発生のトラブルなく安定して製造できた。ガスはボイラーで燃焼して熱水を得てキノコ栽培室の冷暖房用の熱源として利用した。また、燃焼廃ガスは、混合物およびチップの乾燥に使用した。灰分の利用は００１６と同じである。

竹を８０％、剪定枝２０％からなる混合物を、長さ１０ｍｍ以下、断面積１ｍｍ２以下に粉砕した。得られたものの水分含有量は４５％であった。これに家畜糞、汚泥の１次乾燥物の混合物（重量比は１：２）（水分含有量４８％）に加えて混合した。混合物中の破砕物は比率を８％にした（乾燥状態を想定しての計算値）。これを、１２０℃の高温ガスで乾燥して、全体の水分含有量を１５％にした。これを、２．４５ＧＨｚのマイクロ波をあてて、約１２０℃に加熱したのち、００１７と同じ方法でブリケット化した。得られたペレットを、１ｍの高さから落下させた時の１ｍｍ以下の粉化率は０．５％以下であった。これを、００１６と同じ固定床型ガス化炉（原料供給速度；８ｔ／日、エネルギー出力１ＭＷ）に供給して空気で部分燃焼して７２０〜７５０℃に保ちながらガス化し、ＣＯ：約２４％、Ｈ２：約２０％、ＣＨ４：１〜３％、残りＮ２のガスを、タール発生のトラブルなく安定して製造できた。ガスはボイラーで燃焼して熱水を得てキノコ栽培室の冷暖房用の熱源として利用した。また、燃焼廃ガスは、混合物およびチップの乾燥に使用した。灰分の利用は００１７と同じである。

本発明の方法は、対象原料が廃棄物系バイオマスだけでなく、草、落ち葉、木粉などをバイオマスエネルギー源として有効利用するためにペレットやブリケットに成形する場合にも用いることができる。

Claims

竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分の１つあるいは２つ以上を粉砕し、廃棄物系バイオマス混合物に重量比（乾燥状態を想定して計算）で５〜４５％加えて混合し、ペレットあるいはブリケットに成形することを特徴とする廃棄物系バイオマスのバイオマスエネルギー源としての利用方法。
請求項１において、ブリケット成形のために用いる金型を加熱して温度が８０〜１８０℃にすることを特徴とする廃棄物系バイオマスのバイオマスエネルギー源としての利用方法。
請求項１又は請求項２において、竹、樹木の樹皮を含む部分、枝の部分の１つあるいは２つ以上を粉砕し、廃棄物系バイオマスに混合したものを、マイクロ波で加熱してからブリケットに成形することを特徴とする廃棄物系バイオマスのバイオマスエネルギー源としての利用方法。