JP2018162382A

JP2018162382A - 燃料用木質スラリーの製造方法及び燃料用木質スラリーの使用方法

Info

Publication number: JP2018162382A
Application number: JP2017060252A
Authority: JP
Inventors: 和彦土居; Kazuhiko Doi; 真人田渕; Masato Tabuchi
Original assignee: EIWA SHOJI KK; NIPPON TEXA KK
Current assignee: EIWA SHOJI KK; NIPPON TEXA KK
Priority date: 2017-03-26
Filing date: 2017-03-26
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-03-26
Also published as: JP6823768B2

Abstract

【課題】燃焼用木質スラリーにおいて、製造コストを削減しつつ輸送管理の負担を軽減し、燃焼効率を高める。【解決手段】燃料用木質スラリー３６は、燃焼炉９１において石炭８１を粉砕した微粉炭８４と併せて使用される。燃料用木質スラリー３６は、含水率が４０％以上の木質材料１２の製造工程１と、木質材料１２を芯温が−５℃に到達するまでに１０分間以上を要するように冷却して凍結させる凍結工程２と、凍結した木質材料１２の芯温が−５℃以下−１５℃以上の状態で粉砕処理して燃料用木質スラリー３６にする粉砕工程３とを経て製造される。【選択図】図１

Description

本発明は燃料用木質スラリーの製造方法及び燃料用木質スラリーの使用方法に関し、特に石炭焚き蒸気ボイラーにおいて使用される燃料用木質スラリーの製造方法及び燃料用木質スラリーの使用方法に関する。

近年、温暖化対策の観点から二酸化炭素（ＣＯ_２）排出量の削減要請が高まっている。石炭焚き蒸気ボイラーを用いる石炭火力発電では、石油火力発電又はＬＮＧ火力発電と比べて多くのＣＯ_２を排出するため、バイオマス燃料と石炭とを併用するバイオマス混燃方式によりＣＯ_２排出量を削減するようにしている。バイオマス燃料は、光合成に起因する有機物であって、木質類、農作物、草木類、厨芥類などがある。石炭火力発電で用いられるバイオマス燃料には木質系バイオマス燃料である木質チップが代表的であるが、国内での林地残材や間伐材の利用は回収・輸送コストが高く、近年海外からの輸入が増加している。

石炭焚き蒸気ボイラーにおいて用いられる石炭は、燃焼効率を上げるために石炭粉砕機でミリ単位以下まで粉砕して微粉炭とする。木質バイオマス燃料として用いられる木質チップは、材料となる木材等をインパクトミル等で細かく粉砕し、ペレタイザー等の造粒機でペレット状に圧縮し、木質ペレットの状態で輸送管理される。発電所に輸送された後、木質ペレットを再度粉砕して微細な木質チップとして微粉炭と混合し、燃焼用空気に載せてバーナで燃焼させている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−１８０４７６号公報

従来の木質系バイオマス燃料では、木質チップをペレット状にすることによりエネルギー密度を高めて輸送管理を容易にしているが、燃焼炉において燃焼させる前に再び粉砕機で細かくしなければならず製造コストがかかっていた。また、木質チップは微細であるほど混焼性、着火性及び燃焼性が高まり燃焼効率が良くなるため、より細かく微粉末化できる木質チップの製造方法が求められていた。さらに、木材を細かく粉砕する動力は、石炭を微粉炭とするための動力よりもはるかに大きな粉砕動力が必要となるため、木質チップの製造コストが高くなっていた。

そこで、本発明は製造コストを削減しつつ輸送管理がし易い燃料用木質スラリーの製造方法、及び燃焼効率の良い燃料用木質スラリーの使用方法を提供することを目的とする。

本発明のうち第１の発明に係る燃料用木質スラリーの製造方法は、石炭を粉砕した微粉炭と併せて使用する燃料用木質スラリーの製造方法であって、含水率が４０％以上の木質材料を用意する工程と、前記木質材料を、芯温が−５℃に到達するまでに１０分間以上を要するように冷却して凍結させる工程と、凍結した前記木質材料の芯温が−５℃以下−１５℃以上の状態で粉砕処理する工程と、を備えることを特徴としている。

また、第２の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法は、前記第１の発明に係る燃料用木質スラリーの製造方法によって製造された燃料用木質スラリーを含水率３０％以下まで乾燥させて木質チップにする工程と、前記木質チップと前記微粉炭とを併せて燃焼炉で燃焼させる工程と、を備えることを特徴としている。

さらに、第３の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法は、前記第２の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法であって、前記木質チップと前記微粉炭とを混合させて混合燃料にして前記燃焼炉で燃焼させることを特徴としている。

また、第３の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法は、前記第２又は第３の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法であって、前記燃焼炉の排熱によって前記燃料用木質スラリーを加熱して乾燥させることを特徴としている。

さらに、第５の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法は、前記第１の発明に係る燃料用木質スラリーの製造方法によって製造された燃料用木質スラリーと前記微粉炭とを併せて燃焼炉で燃焼させることを特徴としている。

本発明によれば、次のような効果が得られる。
前記の第１の発明に係る燃料用木質スラリーの製造方法によれば、木質材料を芯温が−５℃に到達するまでに１０分間以上を要するように比較的ゆっくりと冷却して凍結させるため、凍結速度が遅い緩慢凍結となり、木質材料の内部に含まれる水分が凍結する際に氷結晶が肥大して木質材料の繊維を切断したり細胞壁を壊したりする。そのため、次工程の粉砕処理では木質材料が脆くなっており、粉砕機の負荷が低い状態でより微細な木質チップを含む燃料用木質スラリーを製造することができる。
かかる微細な木質チップを含む燃料用木質スラリーは、乾燥させて微粉炭と併せて燃焼させる際に、混焼性、着火性及び燃焼性を向上させることができる。さらに、木質材料の粉砕処理の際の粉砕機の負荷が低くなることにより、燃料用木質スラリーの製造コストを従来の混焼用木質燃料の製造コストよりも削減でき、さらに、削減された動力相当の二酸化炭素排出量を低減できるといった相乗効果を奏する。

また、粉砕処理は芯温が−５℃以下の状態で行うため、粉砕する際に発生する熱によって凍結した木質材料が溶けることを抑制でき、凍結した状態のまま粉砕処理を行うことができる。そのため、木質材料をより確実に微細に粉砕することができる。
さらに、粉砕処理は、芯温が−１５℃以上の状態で行われるため、木質材料が過度に硬く凍結することがなく粉砕機の負荷低減が可能となり、燃料用木質スラリーの製造コストを削減できる。
また、スラリー状の燃料用木質スラリーとすることにより、木質チップをペレット化する場合と異なり輸送先で粉砕機を用いて再度粉砕するという工程が不要になるため、工程の効率化によりコストを削減することができる。さらに、燃料用木質スラリーは、スラリーポンプでの搬送やタンクローリーでの運搬が可能となり、搬送・輸送の効率化を図りコストを削減することができ、さらに、搬送・輸送の効率化分の二酸化炭素排出量を低減できるといった相乗効果を奏する。

前記の第２の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法によれば、第１の発明に係る燃料用木質スラリーを含水率３０％以下まで乾燥させた木質チップを用いているため、水分が少ない微細な木質チップと微粉炭とが一緒に燃焼することとなり、着火性及び燃焼性を向上させることができる。

前記の第３の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法によれば、含水率３０％まで乾燥させた木質チップと微細炭とを混合させて混合燃料にするため、混合燃料の状態で燃焼炉に供給することができるので、木質チップ専用の供給口が設けられていない従来の石炭専用の燃焼炉に対しても適用することができる。

前記の第４の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法によれば、燃料用木質スラリーの乾燥を、燃焼炉の排熱を利用した加熱により行うため、燃料用木質スラリーの乾燥に必要なエネルギーコストを削減することができる。さらに、燃料用木質スラリーの乾燥に必要なエネルギー相当の二酸化炭素排出量を低減できるといった相乗効果を奏する。

前記の第５の発明に係る燃料用木質スラリーの使用方法によれば、第１の発明に係る燃料用木質スラリーと微粉炭とを直接混合させて混合燃料としているため、燃料用木質スラリーを乾燥させる工程が不要となり、少ない工程で微細な木質チップを含む混合燃料を得ることができる。これにより、混合燃料の製造コストを削減することができる。

本願発明の実施の形態に係る燃料用木質スラリーの製造方法及び使用方法のフロー図である。図１に示した燃料用木質スラリーの製造方法及び使用方法のフローチャートである。

本発明の実施の形態に係る燃料用木質スラリーの製造方法を図１及び図２に基づき説明する。燃料用木質スラリーの製造方法は、図２に示すＳ１乃至Ｓ３から構成される。燃料用木質スラリーは、石炭火力発電などに使用する石炭焚き蒸気ボイラーの燃焼炉で石炭を粉砕した微粉炭と併せて燃焼されるバイオマス燃料である。
図１に示すように、製造工程１では、バイオマス燃料の一例である木材１１を所定の厚さで切断し、木質材料１２とする。本実施の形態では、木材１１には含水率が４０％以上であるスギを用いる。
含水率とは、木材に含まれる水分量が、水を除いた木材そのものの重量に対してどの程度含まれているかを示す数値である。含水率は、乾燥後の水分を全く含んでいない木材の重さをＷｏとし、乾燥前の水分を含んだ状態の木材の重さをＷｕとすると、以下の式により表される。

ここで、含水率が４０％以下の木材を用いる場合には、当該木材を水に浸潤させることにより含水率を向上させればよい。その際に、浸潤させる水として１０℃以下の冷水を用いると、木材の芯温を低下させ、次工程の凍結工程２の冷却エネルギーを低減できる。
また、木材の含水率は２５０％以下であることが望ましい。したがって、木材の含水率が２５０％を超える場合には、自然蒸発による放散又は乾燥工程によって含水率を２５０％以下まで下げればよい。
含水率が４０％以下の木材を用いると、後述する凍結工程２で緩慢凍結によって木質材料の繊維を切断したり細胞壁を壊したりする効果を十分に得ることができない場合がある。
また、含水率が２５０％を超える木材を用いると、後述の乾燥工程６において乾燥に長時間を要したり、十分に乾燥せずに燃焼効率を低下させたりするおそれがある。

製造工程１では、保持ローラ１３によって保持された状態でベルトコンベヤ１４によって搬送されてきた木材１１は、所定の位置で停止され、切断刃１５によって所定の厚みに切断される。かかる製造工程１は、図２のＳ１に相当する。木質材料１２は、厚みが５ｍｍ程度であって直径が５０ｍｍ程度であることが望ましい。木質材料１２の形状については、後述の凍結工程２及び粉砕工程３を考慮して、任意の形状を選択することができる。

凍結工程２では、木質材料１２を冷凍庫２１内で、芯温が−５℃に到達するまでに１０分間以上を要するように冷却して緩慢凍結させる。
ここで、芯温とは、木質材料の略中心部の温度であり、例えば、木質材料１２の径方向における略中央部であって、かつ厚み方向における略中央部の温度をいう。また、緩慢凍結とは、凍結速度を遅くすることで生成する氷結晶を大きくする凍結方法である。
凍結速度が遅い緩慢凍結の場合、外部からの冷却によって最初に木質材料１２の細胞外に氷結晶が形成されて、細胞外凍結が起きる。細胞内腔に液体として存在する水分は、細胞膜を通して外に引き出されて氷結晶に達し、氷結晶が成長する。同時に細胞壁内や細胞間隙に存在する水分子も氷結晶に達することとなる。これによって、水分が失われた細胞が収縮すると同時に、成長した結晶によって細胞壁に物理的な力が作用し、それらが壊される。同時に、木質材料１２を構成する繊維などについても肥大した氷結晶によって切断される。

木質材料１２の細胞壁及び繊維等を氷結晶によって破壊するためには、芯温が−５℃に到達するまでに１０分間以上を要するようにゆっくりと冷却する必要がある。より望ましくは、芯温が−５℃に到達するまでに３０分間以上を要するように冷却する。
木質材料１２の芯温が−５℃に到達するまでの時間が１０分間未満の場合には、凍結速度が速い急速凍結となって、氷結晶が細胞内と細胞外とで同時に生成されるため、氷結晶の成長が抑制され、細胞壁及び繊維等が氷結晶によって破壊されることなくそのまま維持されてしまう。かかる凍結工程２は、図２のＳ２に相当する。

なお、冷凍庫２１に載置される木質材料１２の形状にばらつきがあると、小さい木質材料１２の芯温は急速に低下してしまい緩慢凍結とならないため、各木質材料１２の形状は略同一あることが望ましい。木材１１の形状は様々であるため、例えば、木材１１の径が大きい場合には木質材料１２の厚みを薄くし、木材１１の径が小さい場合には木質材料１２の厚みを厚くしてもよい。これにより、冷凍庫２１内の木質材料１２を略均等に緩慢凍結させることができる。

本実施形態の冷凍庫２１は機械式冷凍機であるが、例えば、凍結工程２を石炭火力発電所の敷地内で行う場合には冷媒として液体窒素を用いてもよい。石炭火力発電所においては、空気を分解して得られた酸素を用いて微粉炭などの燃料を効率良く燃焼させている。このとき、余剰となった窒素を液体窒素として冷凍庫２１の冷媒として用いることにより、冷却エネルギーを削減することができる。また、木質材料１２の芯温をセンサ等で検知して管理しつつ、液体窒素を二次冷媒としても木質材料１２に吹き付けて冷却してもよい。

粉砕工程３では、凍結した木質材料１２を芯温が−５℃以下−１５℃以上の状態で粉砕機３１により粉砕処理する。粉砕機３１の雰囲気温度は、木質材料１２の芯温が−５℃以下−１５℃以上となるように設定されている。
凍結した木質材料１２の芯温が−５℃以上の状態で粉砕処理を行うと、粉砕される際の摩擦熱によって木質材料１２の温度が上昇して溶融してしまい、細かく粉砕すること困難になる。また、芯温が−１５℃以下だと木質材料１２が過度に硬化し、粉砕機３１の負荷が高くなって製造コストの上昇の原因となる。なお、芯温を−５℃以下−１５℃以上に保持するために、凍結工程２と同様に冷媒として液体窒素を用いてもよい。
本実施の形態では、粉砕機３１としてスーパーオガナイザー（株式会社御池鐵工所）を用いることができる。かかる粉砕工程３は、図２のＳ３に相当する。

凍結した木質材料１２は、ピンチローラー３２で固定されたままベルトコンベヤ３３によって運搬され、回転刃３４Ａと固定刃３４Ｂとによって細かく粉砕される。木質材料１２は、凍結工程２の緩慢凍結によって細胞壁及び繊維が氷結晶によって破壊されているため、粉砕機３１の回転刃３４Ａと固定刃３４Ｂの間隙を狭くすることで、粒径１ｍｍ程度まで細かく粉砕されてシャーベット状の凍結チップ３５になり、それが溶融することでスラリー状の燃料用木質スラリー３６となる。
なお、木材１１の含水率が比較的低い場合などで、スラリー状とならなかった場合には、搬送・輸送の容易化のために水分を加えてもよい。

次に、燃料用木質スラリー３６の使用方法について、図１及び図２に基づいて説明する。燃料用木質スラリー３６の使用方法は、図２に示すＳ４乃至Ｓ８から構成される。

輸送工程４において、燃料用木質スラリー３６は、第１スラリーポンプ４１によってタンクローリー４２まで搬送される。かかる輸送工程４は、図２のＳ４に相当する。燃料用木質スラリー３６に含まれる木質チップは、凍結工程２によって細胞壁が破壊されて脆くなっているため、ポンプ搬送などの際に木質チップ同士で接触することにより、さらに細かくなる場合がある。タンクローリー４２までのポンプ搬送とタンクローリー４２での輸送は、いずれも常温で行えばよい。

貯蔵工程５では、タンクローリー４２によって輸送された燃料用木質スラリー３６を石炭火力発電所の敷地内に設けられた貯蔵タンク５１に貯蔵する。かかる貯蔵工程５は、図２のＳ５に相当する。石炭火力発電所の敷地内で凍結工程２及び粉砕工程３を行う場合には、第１スラリーポンプ４１で直接貯蔵タンク５１に搬送してもよい。貯蔵タンク５１の燃料用木質スラリー３６は、第２スラリーポンプ５２によって熱交換器６１に運ばれる。

乾燥工程６では、第２スラリーポンプ５２によって運ばれた燃料用木質スラリー３６を、燃焼炉９１の排熱を利用した熱交換器６１によって含水率３０％以下、より好ましくは１０％以下まで乾燥させる。そうすることで、燃料用木質スラリー３６の水分が蒸発して微細な木質チップ６２となる。本実施形態のように、燃焼炉９１の排熱を利用して燃料用木質スラリー３６を加熱して乾燥させれば、木質チップ６２の製造コストを削減することができる。かかる乾燥工程６は、図２のＳ６に相当する。

混合工程７では、木質チップ６２と微粉炭８４とを混合器７１内で混合し、混合燃料とする。微粉炭８４は粒径１ｍｍ程度であって、微粉炭製造工程８において、石炭８１を粉砕機８２の回転刃８３で粉砕することによって製造される。木質チップ６２は、サイクロン７２によって捕集され、混合器７１に供給される。かかる混合工程７は、図２のＳ７に相当する。

燃焼工程９では、混合器７１で木質チップ６２と微粉炭８４とが混合された混合燃料が、燃焼用空気と共に燃焼炉９１のバーナ部に供給される。混合燃料に含まれる木質チップ６２は、粒径１ｍｍ程度と微細であるため、着火性及び燃焼性に優れており、安定して継続的に混合燃料の燃焼が可能となる。これにより、ボイラー９２の高圧蒸気がタービン９３に供給され発電機９４が駆動される。燃焼炉９１の排熱は、熱交換器６１によって吸熱され、燃料用木質スラリー３６を加熱して水分を蒸発させて乾燥させることに利用される。

上述した燃料用木質スラリー３６の製造方法によると、木質材料１２を、その芯温が−５℃に到達するまでに１０分間以上を要するように比較的ゆっくりと冷却して凍結させるため、凍結速度が遅い緩慢凍結となり、木質材料１２の内部に含まれる水分が凍結する際に氷結晶が肥大して、木質材料１２の繊維を切断したり細胞壁を壊したりする。そのため次工程の粉砕工程３では、木質材料１２が脆くなっており、粉砕機３１の負荷が低い状態で、より微細な木質チップ６２を含む燃料用木質スラリー３６を製造することができる。

得られた燃料用木質スラリー３６には微細な木質チップ６２が含まれるので、乾燥させて木質チップ６２と微粉炭８４とを混合して燃焼させる際に着火性及び燃焼性を向上させることができる。さらに、粉砕機３１の負荷が低くなることにより、燃料用木質スラリー３６の製造コストを削減できる。

また、粉砕工程３は芯温が−５℃以下の状態で行われるため、粉砕する際に発生する熱によって凍結した木質材料１２が溶けることを抑制でき、木質材料１２を凍結した状態のまま粉砕することで、より確実に微細に粉砕することができる。
さらに、粉砕工程３は、芯温が−１５℃以上の状態で行われるため、木質材料１２が過度に硬く凍結することがなく粉砕機３１の負荷低減が可能となり、燃料用木質スラリーの製造コストを削減できる。

また、スラリー状の燃料用木質スラリー３６は、従来のように木質チップをペレット化する場合と異なり、石炭火力発電所内で粉砕機を用いて再度粉砕するという工程が不要になるため、工程の効率化によりコストを削減することができる。さらに、燃料用木質スラリー３６は、第１スラリーポンプ４１及び第２スラリーポンプ５２での搬送やタンクローリー４２での運搬が可能となり、輸送の効率化によるコスト削減を図ることができる。

上述した燃料用木質スラリーの使用方法によると、燃料用木質スラリー３６を乾燥させた木質チップ６２を用いるため、微細な木質チップ６２と微粉炭８４とが一緒に燃焼することとなり、着火性及び燃焼性を向上させることができる。
また、燃料用木質スラリー３６の含水率を３０％以下、より好ましくは１０％以下まで乾燥させることにより、より燃焼性を高めることができる。
さらに、燃料用木質スラリー３６を燃焼炉９１の排熱を利用して乾燥させれば、木質チップ６２の製造コストを削減することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
上述の実施の形態では、貯蔵工程５の後に乾燥工程６を経て混合工程７で微粉炭８４と木質チップ６２とが混合され混合燃料とされていたが、他の実施形態では、貯蔵工程５の後の乾燥工程６を省略し、燃料用木質スラリー３６が直接混合器７１に供給され、微粉炭８４と混合されて混合燃料とされる。その後、燃料用木質スラリー３６と微粉炭８４とが混合された混合燃料は、燃焼工程９で燃焼炉９１に供給される。

かかる燃料用木質スラリーの使用方法によると、燃料用木質スラリー３６と微粉炭８４とを直接混合させて混合燃料としているため、燃料用木質スラリー３６を乾燥させる乾燥工程６が不要となり、少ない工程で微細な木質チップ６２を含む混合燃料を得ることができる。これにより、混合燃料の製造コストを削減でき、さらに、不要となった乾燥工程６に要していたエネルギー相当の二酸化炭素排出量を低減できるといった相乗効果を奏する。

本発明による燃料用木質スラリーの製造方法及び燃料用木質スラリーの使用方法は、上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。

また、上述の実施の形態では木材１１としてスギを用いたが、ヒノキ、マツ、トドマツ、エゾマツ、ベイヒノキ、コベツガ、ポプラ、アカシヤ、又は建築用の端材などを用いてもよい。

さらに、上述の実施の形態では、木質チップと微粉炭とを混合させた混合燃料を燃焼炉に供給したが、これに限定されない。例えば、木質チップと微粉炭とを別系統で燃焼炉に供給して燃焼させてもよい。

また、上述の実施の形態では機械式冷凍機の冷凍庫２１を用いたが、これに限定されない。例えば、−２０℃〜−３０℃程度のエタノールに浸漬又はシャワリングすることによって木質材料１２を凍結させてもよい。

本願発明に係る燃料用木質スラリーの製造方法及び燃料用木質スラリーの使用方法は、石炭火力発電のバイオマス混焼方式における産業分野において利用される。

１製造工程
２凍結工程
３粉砕工程
６乾燥工程
７混合工程
９燃焼工程
１２木質材料
３５凍結チップ
３６燃料用木質スラリー
６２木質チップ
８４微粉炭
９１燃焼炉

Claims

石炭を粉砕した微粉炭と併せて使用する燃料用木質スラリーの製造方法であって、
含水率が４０％以上の木質材料を用意する工程と、
前記木質材料を、芯温が−５℃に到達するまでに１０分間以上を要するように冷却して凍結させる工程と、
凍結した前記木質材料の芯温が−５℃以下−１５℃以上の状態で粉砕処理する工程と、を備えることを特徴とする燃料用木質スラリーの製造方法。
請求項１に記載の燃料用木質スラリーの製造方法によって製造された燃料用木質スラリーを含水率３０％以下まで乾燥させて木質チップにする工程と、
前記木質チップと前記微粉炭とを併せて燃焼炉で燃焼させる工程と、を備えることを特徴とする燃料用木質スラリーの使用方法。
前記木質チップと前記微粉炭とを混合させて混合燃料にして前記燃焼炉で燃焼させることを特徴とする請求項２に記載の燃料用木質スラリーの使用方法。
前記燃焼炉の排熱によって前記燃料用木質スラリーを加熱して乾燥させることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料用木質スラリーの使用方法。
請求項１に記載の燃料用木質スラリーの製造方法によって製造された燃料用木質スラリーと前記微粉炭とを併せて燃焼炉で燃焼させることを特徴とする燃料用木質スラリーの使用方法。