JP2019206684A - バイオマス燃料の製造方法及びバイオマス燃料 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態で使用する植物由来バイオマスについては、特に限定はされないが、植物由来のバイオマスであることが好ましい。植物由来のバイオマスとは、植物由来の有機物資源をいい、木材、乾燥草木、農業系や林業系の廃棄物が含まれる。当該バイオマスは典型的にはセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを主成分とする。
本実施形態では、まず、上述したようなバイオマス原料を炭化処理に供する。本実施形態の炭化処理は湿式炭化であり、水熱炭化処理または水蒸気炭化処理である。
本実施形態における洗浄工程では、上記炭化処理で得られる処理物が洗浄器に投入されて、洗浄液によって洗浄される。洗浄液としては、特に限定はなく、工場用水や水道水などの水を使用することができる。用いる洗浄液の量は、バイオマス炭化処理物重量(ドライベース)の2〜25倍程度であることが望ましい。洗浄時間は処理量などによって適宜設定できるが、例えば、10〜60分間程度洗浄すればよい。
本実施形態における脱水工程は、上記炭化処理で得られる処理物、もしくは、上記洗浄工程を経た後の処理物を、脱水する工程である。具体的な脱水手段としては、例えば、遠心脱水または圧搾脱水などが挙げられる。
前記洗浄工程および/または脱水工程の後、必要に応じて、得られるバイオマス燃料を乾燥する工程を実施してもよい。乾燥手段については特に限定はなく、例えば、天日乾燥の場合は1日から数日、乾燥機を用いる場合は80℃〜150℃の温度で30〜120分間程度乾燥させることができる。さらに、本実施形態の製造方法には、バイオマス燃料をペレット化するなど適度な形状に成型する工程が含まれていてもよい。なお、ペレット化する具体的な手段としては特に限定はなく、公知の手法で本実施形態のバイオマス燃料をペレット化することができる。
得られるバイオマス燃料は、様々な場面で燃料として使用できる。本実施形態の製造方法によって得られるバイオマス燃料はカリウム含有量が少ないため、溶融塩腐食などによって炉内が損傷することを抑制することができる。
(実施例1)
〔バイオマスの水熱炭化処理〕
バイオマス原料として、パーム油産業残渣であるEFB(アブラヤシ空果房、カリウム濃度約1.4%)を用いて、以下の条件の水熱炭化処理を行った。
・仕込み:乾燥EFB/水=150g/4000gの割合で内容積5Lの加圧濾過オートクレーブ(株式会社東洋高圧社製、設計圧力29.4MPa、設計温度500℃)に仕込み
、窒素置換のあと、0.5MPaの窒素で封入した。
・処理:200℃(試料部温度)まで昇温し、200℃で30分間保持した後、冷却し常温に戻した。200℃保持中の処理容器内圧力は1.6MPaであった。
・回収:オートクレーブ内の処理後EFBを回収し、重量を測定した。回収時には、軽く液切りをした。得られたEFB炭化物の分析サンプルを酸溶解し、原子吸光分析法によってカリウム濃度を求めたところ0.51質量%であった。
以下の方法で、EFB炭化物の遠心脱水を行った。
・以下に示す試料を大寸遠沈管(50mmφ×100mmH;196mL)に入れた。
底:3mmφ程度のアルミナボール 50mL程度
上:濡れた処理後EFB 約5g
(アルミナボールとEFBの間にPTFEろ紙を挟んだ。)
・回転数1000rpm(遠心力145Gに換算)で遠心分離し、1分間保持した。
・遠心分離後、迅速に試料を取り出し、重量を測定した。
・最終的に、遠心分離後EFBを減圧下で120℃にて2時間乾燥し、その乾燥重量を求めた。また、乾燥後試料中のカリウム濃度を上記と同じ方法で測定した。
・含水率−wb(wet base;%)=
(サンプル重量−サンプル絶乾重量)/サンプル重量×100
・含水率−db(dry base;%)=
(サンプル重量−サンプル絶乾重量)/サンプル絶乾重量×100
得られた各含水率およびカリウム濃度を表1に示す。
遠心脱水の遠心力を、回転数3100rpm(遠心力1400Gに換算)に変更した以外は、実施例1と同様にして各含水率およびカリウム濃度を求めた。結果を表1に示す。
遠心脱水の代わりに下記に示す圧搾脱水を行った以外は実施例1と同様にして、試料を得た。
一軸加圧成型機を用いて、下記条件でEFB炭化物の脱水工程を行った。
・濡れた処理後EFBを大ダイス(30mmφ×600mmH;42mL)に入れた。
・圧搾圧0.22トン/cm2で1分間保持した。
・圧力開放後、試料を取り出し、重量を測定する。
・最終的に、加圧後EFBを減圧下で120℃にて2時間乾燥し、その乾燥重量を求め、上記と同様にして含水率を計算した。また、乾燥後試料中のカリウム濃度を上記と同じ方法で測定した。得られた各含水率およびカリウム濃度を表1に示す。
圧搾脱水の圧搾圧を、1.50トン/cm2に変更した以外は、実施例3と同様にして各含水率およびカリウム濃度を求めた。結果を表1に示す。
脱水工程の代わりに下記に示す洗浄工程を行った以外は実施例1と同様にして、試料を得た。
水熱炭化処理で得られたEFB炭化物を3Lビーカーに入れ、水1800gを加え、30分浸漬した。浸漬後、SUSメッシュフィルターでろ過し、ろ残EFB炭化物を得た。
実施例1と同様にしてEFB水熱炭化物を得て、実施例5と同様の洗浄工程を行った後、実施例1と同じ遠心脱水を行い、試料を得た。そして、得られたEFB炭化物の含水率及びカリウム濃度を実施例1と同様にして求めた。結果を表1に示す。
遠心脱水の遠心力を、回転数3100rpm(遠心力1400Gに換算)に変更した以外は、実施例6と同様にして各含水率およびカリウム濃度を求めた。結果を表1に示す。
実施例1と同様にしてEFB水熱炭化物を得て、実施例5と同様の洗浄工程を行った後、実施例3と同様の圧搾脱水を行い、試料を得た。そして、得られたEFB炭化物の含水率及びカリウム濃度を実施例1と同様にして求めた。結果を表1に示す。
圧搾脱水の圧搾圧を、1.50トン/cm2に変更した以外は、実施例8と同様にして各含水率およびカリウム濃度を求めた。結果を表1に示す。
実施例1と同様の水熱炭化処理を行ったEFB水熱炭化物を、そのまま洗浄工程も脱水工程も行うことなく、試料として用いた。当該EFB炭化物の含水率及びカリウム濃度を実施例1と同様にして求めた。結果を表1に示す。
表2に各実施例および比較例における水熱炭化処理後の各処理と脱水または洗浄処理後の含水率、及び最終的なカリウム濃度を示した。
本発明の水熱炭化処理(脱アルカリ処理)を行ったバイオマス燃料(EFB炭化物)の自然発火性を検証した。
(実施例10)
バイオマス原料として、パーム油産業残渣であるEFB(アブラヤシ空果房、カリウム濃度約1.4%)を用いて、以下の条件の水熱炭化処理を行った。
・仕込み:乾燥EFB/水=500g/8000gの割合で内容積13Lの加圧濾過オートクレーブ(株式会社東洋高圧社製)に仕込み、窒素置換のあと、0.5MPaの窒素で封入した。
・処理:200℃(試料部温度)まで昇温し、200℃で30分間保持した後、冷却し常温に戻した。200℃保持中の処理容器内圧力は、約2.5MPaであった。
・回収:オートクレーブ内の処理後EFBを回収し、重量を測定した。回収時には、軽く液切りをした。
その後、以下(1)〜(3)の順でEFB水熱炭化物の水洗浄と脱水を実施した。
(1)圧搾脱水(1回目): EFB水熱炭化物(約1500g−wb)を圧搾用の袋に入れ、圧搾機(アズワン、1−7607−01 HGS−01)を用いて、ある程度脱水した。
(2)水洗浄:15Lの容器に、圧搾脱水(1回目)後のEFB水熱炭化物と蒸留水( 約8000g)を投入し、軽くかき混ぜ、約30分放置した後、EFB水熱炭化物を回収した。
(3)圧搾脱水(2回目):水洗浄後のEFB水熱炭化物を、(1)と同じ要領で脱水した。
得られたEFB炭化物を約5日間天日乾燥させた後、含水率及びカリウム濃度を実施例1と同様にして求めた。
小型乾留炉(アイメックス株式会社製、型式:IMC−ASH−103型)を用いて、260℃乾式炭化を行った。
・仕込み:石英容器1個当たり約120gのEFBペレットを仕込んだ。
・サンプルを充填した石英容器4個を設置した黒鉛製ルツボを小型乾留炉内に設置後、窒素を2L/分で流通させ、全体を窒素置換し、その後、炉温を5℃/分で昇温し炭化反応を開始した。サンプル温度が所定の目的温度(260℃)の−10℃に達した時点から60分経過後、小型乾留炉ヒータを切り、容器を冷却させ反応を停止した。
・カリウム濃度は実施例1と同様にして求めた。
上記実施例10および比較例2〜3の試料について、OCRの測定を行った。具体的には、各試料約50gを容器に入れて密封し、一定時間(1〜2時間)後の容器内の酸素量を測定した。そして、酸素の消費量、試料重量、時間からOCR値を算出した。OCR値の単位は、「mg−O2/g/日」であり、これは試料1gが1日に消費する酸素量を示す。測定は、約24時間ごとに、5〜7日間(試料の活性が低下するまで)行った。なお、測定時以外は、試料を40℃、RH95%の恒温恒湿槽で保管した。また、本試験でいう「酸素の消費量」とは、酸化と吸着により減少した空気中の酸素のことをいう。
結果を、図1に示す。
図1のグラフから明らかなように、本発明の方法で脱アルカリ処理を行った実施例10では、一般的に使用されている一般炭よりも低い自然発火性を示した。これにより、本発明の製造方法によって得られるバイオマス燃料では、自然発火を抑制できることが示された。
実施例10で得たEFB水熱炭化物をペレット化し、ペレット強度が高いことを確認した。本試験では、I型ドラム強度をペレット強度の指標とした。
・I型ドラム(φ130×700の円筒、吉田製作所製)に、ペレットサンプル(4mmふるい上)を約200g投入・封印し、I型ドラムを20rpmで600回転させた。
・回転終了後に回収したサンプルを、3.35 mm篩いで分級し、初期投入重量に対する3.35mm篩い上重量の割合(百分率)をIDI600 3.35として示す。
結果を表2及び図2に、市販の木質ペレット及び上記比較例2で得た乾式炭化ペレットを用いて行った同試験の結果とともに示す。
通常、一般的な未処理の木質ペレットのIDI600 3.35は93〜96であるので、表2および図2の結果より、本発明の製造方法によって得られるバイオマス燃料は木質ペレットと同程度にペレッド強度が非常に高いことも確認できた。
Claims (11)
- バイオマスからバイオマス燃料を製造する方法であって、
バイオマスを水熱炭化処理または水蒸気炭化処理する工程、及び
得られる処理物を洗浄する工程及び脱水する工程のうち少なくとも一方を含む、バイオマス燃料の製造方法。 - 洗浄する工程及び脱水する工程の両方を含む、請求項1に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記脱水する工程が、遠心脱水または圧搾脱水である、請求項1または2に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記遠心脱水における遠心力が140〜1500Gである、請求項3に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記圧搾脱水における圧搾圧が0.20〜1.60トン/cm2である、請求項3に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記水熱炭化処理が160〜250℃の加圧熱水中で行われる、請求項1〜5のいずれかに記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記水蒸気炭化処理が160〜250℃の飽和水蒸気中で行われる、請求項1〜5のいずれかに記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 得られるバイオマス燃料が、自然発火性評価指標である酸素消費速度(燃料製造直後)が1mg−O2/g/日以下であるバイオマス燃料である、請求項1〜7のいずれかに記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 水熱炭化処理または水蒸気炭化処理されたバイオマスを、140〜1500Gの遠心力で遠心脱水することによって得られるバイオマス燃料であって、自然発火性評価指標である酸素消費速度(燃料製造直後)が1mg−O2/g/日以下である、バイオマス燃料。
- 水熱炭化処理または水蒸気炭化処理されたバイオマスを、0.20〜1.60トン/cm2の圧搾圧で圧搾脱水することによって得られるバイオマス燃料であって、自然発火性評価指標である酸素消費速度(燃料製造直後)が1mg−O2/g/日以下である、バイオマス燃料。
- I型ドラム強度試験で得られるIDI600 3.35(ペレット強度の指標)の値が93.5%以上である、請求項9または10に記載のバイオマス燃料。
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