JP2021134999A - 二酸化炭素排出量抑制発電方法 - Google Patents

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正彦 阿部
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【課題】廃棄プラスチック等を燃焼させて発電を行う場合に二酸化炭素の排出量を少量に抑えて発電することができ、化石燃料の代替として廃棄プラスチック等を燃料とした発電を効率的にしかも二酸化炭素の排出を大きく低減させて実行することができ、これにより化石燃料の消費の低減を図ることができ、環境に優しく、経済的波及効果も大きい二酸化炭素排出量抑制発電方法を提供すること。【解決手段】廃棄プラスチックおよび木質ペレットの少なくとも一方からなる燃料素材を燃焼させて発電を行う二酸化炭素排出量抑制発電方法であって、前記燃料素材は二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を含んでいることを特徴とする。【選択図】図1

Description

本発明は、二酸化炭素排出量抑制発電方法に係り、廃棄プラスチック等を燃焼させて発電を行う場合に二酸化炭素の排出量を少量に抑えて発電するのに好適な二酸化炭素排出量抑制発電方法に関する。
近年プラスチックの有効利用を図るために、廃棄プラスチックを燃焼させて発電を実行する発電システムが提言されている(特許文献1参照)。
しかしながら、従来の廃棄プラスチックを燃焼させて発電を実行する場合には、多量の二酸化炭素が排出されるので、特別な装置を設置してその二酸化炭素を低減させることが提案されている(特許文献2および特許文献3参照)。
特開2003−166709号公報 特開2011−230066号公報 特開2015−199042号公報 再表2011−037238号公報(特許第6170652号) 特開2013−122020号公報(特許第6060451号) 特開2017−155239号公報(特許第6487483号)
本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、廃棄プラスチック等を燃焼させて発電を行う場合に二酸化炭素の排出量を少量に抑えて発電することができ、化石燃料の代替として廃棄プラスチック等を燃料とした発電を効率的にしかも二酸化炭素の排出を大きく低減させて実行することができ、これにより化石燃料の消費の低減を図ることができ、環境に優しく、経済的波及効果も大きい二酸化炭素排出量抑制発電方法を提供することを目的とする。
前記の課題を解決するために、本発明の二酸化炭素排出量抑制発電方法は廃棄プラスチックおよび木質ペレットの少なくとも一方からなる燃料素材を燃焼させて発電を行う二酸化炭素排出量抑制発電方法であって、前記燃料素材は二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を含んでいることを特徴とする。
前記木質ペレットは廃棄されたキノコの培地を原料として形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を含んでいる燃料素材を燃焼させるので、燃焼に伴う二酸化炭素の排出量を大きく抑制して発電を行うことができる。
本発明を実施する発電システムのブロック図 本発明の実施に利用する培地を原料とする木質ボードの曲げ強度特性を示す特性図 本発明の実施に利用する培地を原料とする木質ボードの添加剤の種類に応じた曲げ強度特性と関係を示す特性図
以下、本発明の実施の形態について、図1〜図3について詳細に説明する。
本発明の二酸化炭素排出量抑制発電方法においては、廃棄プラスチックおよび木質ペレットの少なくとも一方からなる燃料素材を燃焼させて発電を行うに当たり、燃料素材が二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を含んでいることが肝要である。
廃棄プラスチックは、プラスチック製品や端材等が廃棄されたプラスチックの総称であり、その主たる原材料としてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、PET、塩化ビニル樹脂等があげられる。
木質ペレットは、キノコの生産に使用される培地のおがくずを原料とする物であり、製造方法等を後述する。
このような燃料素材に含有させられる二酸化炭素排出量削減樹脂組成物としては、本出願人が提案している二酸化炭素排出量削減樹脂組成物(特許文献4〜6参照)を用いるとよい。
具体的には、特許文献4によれば、二酸化炭素排出量削減樹脂組成物は、二酸化炭素を化学的または物理的に吸着する物質からなる二酸化炭素吸収剤と前記二酸化炭素吸収剤を樹脂中に効率良く分散できる物質からなる分散助剤と分散溶媒との混合物を超臨界流体処理または超音波照射処理による分散処理後、前記樹脂に添加してなる二酸化炭素排出量削減樹脂組成物であって、前記混合物は、二酸化炭素吸収剤としての非晶質アルミノシリケートを100重量部と、当該二酸化炭素吸収剤100重量部に対して分散助剤としての12−ヒドロキシステアリン酸カルシウムまたはホスファチジルコリンを0.1〜10重量部と、分散溶媒としてのイオン交換水を20重量部とを混合して形成され、前記超臨界流体処理は、前記二酸化炭素吸収剤と前記分散助剤と分散溶媒との混合物を、温度が臨界温度30.98℃から120℃で圧力が臨界圧力7.3773MPa以上の超臨界状態にある二酸化炭素からなる超臨界流体に1分から12時間暴露することにより前記二酸化炭素吸収剤の分散性を向上させる処理であり、前記超音波照射処理は、前記二酸化炭素吸収剤と前記分散助剤と分散溶媒との混合物に対して、15KHzから60KHzの周波数、75Wから600Wの強度の超音波を5分間から60分間照射することにより前記二酸化炭素吸収剤の分散性を向上させる処理であり、前記分散処理後の混合物の前記樹脂への添加処理は、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、塩化ビニル系樹脂およびポリスチレン系樹脂から選ばれる少なくとも1つからなる樹脂100重量部に対して、前記分散処理後の混合物を0.1〜40重量部添加させる処理であることを特徴とする。
また、特許文献5によれば、二酸化炭素排出量削減樹脂組成物は、二酸化炭素吸収剤と、ポリオレフィン系樹脂の結晶核剤とを内包するように超臨界逆相蒸発法によって形成されたリポソームをポリオレフィン系樹脂に添加して二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を製造することを特徴とする二酸化炭素排出量削減樹脂組成物の製造方法であって、前記リポソームは、リン脂質に対して互いに等重量の前記二酸化炭素吸収剤と前記ポリオレフィン系樹脂の結晶核剤とからなる総合添加核剤の添加量を3〜7%として前記超臨界逆相蒸発法によって形成されており、前記超臨界逆相蒸発法は、前記二酸化炭素吸収剤と前記結晶核剤とイオン交換水との混合物を、温度が臨界温度30.98℃以上で圧力が臨界圧力7.3773MPa以上の超臨界状態にある二酸化炭素と攪拌混合することにより前記リポソーム内に前記二酸化炭素吸収剤と、前記結晶核剤とを内包する処理であることを特徴とする二酸化炭素排出量削減樹脂組成物の製造方法によって製造されたものである。
また、特許文献6によれば、二酸化炭素排出量削減樹脂組成物は、二酸化炭素を化学的または物理的に吸着する物質からなる二酸化炭素吸収剤と前記二酸化炭素吸収剤を樹脂中に効率良く分散できる物質からなる分散助剤と分散溶媒との混合物を攪拌処理による分散処理後、前記樹脂に添加してなる二酸化炭素排出量削減樹脂組成物の製造方法であって、前記混合物を、二酸化炭素吸収剤としての非晶質アルミノシリケートを100重量部と、当該二酸化炭素吸収剤100重量部に対して分散助剤としての12−ヒドロキシステアリン酸カルシウムまたはホスファチジルコリンを0.1〜10重量部と、分散溶媒としてのイオン交換水を20重量部とを混合して形成し、前記攪拌処理を、前記二酸化炭素吸収剤と前記分散助剤と分散溶媒との混合物を、温度が40℃から80℃で、回転速度が1000rpmから20000rpmで、5分から60分の攪拌時間に亘って攪拌することにより前記二酸化炭素吸収剤の分散性を向上させるように処理し、前記分散処理後の混合物の前記樹脂への添加処理を、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、塩化ビニル系樹脂およびポリスチレン系樹脂から選ばれる少なくとも1つからなる樹脂100重量部に対して、前記分散処理後の混合物を0.1〜40重量部添加させて行うことを特徴とする二酸化炭素排出量削減樹脂組成物の製造方法によって製造されたものである。
このような二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を含んでいる燃料素材の1種である廃棄プラスチックは、燃焼されると二酸化炭素排出量削減樹脂組成物の作用効果によって、含まれない場合に排出される二酸化炭素の排出量が60%抑制されて40%の排出量に低減される。
図1は、本発明の二酸化炭素排出量抑制発電方法を実行する発電システムを示している。
この発電システムによる本発明の実施による発電方法を説明する。
先ず、燃料素材として廃棄プラスチックを利用する場合を説明する。
廃棄プラスチックPには所定量例えば、3〜10重量%の二酸化炭素排出量削減樹脂組成物が含有されており、燃焼可能な状態に事前処理された後に、ストーカ焼却炉1のゴミホッパ(図示せず)投入される。ストーカ焼却炉1においては廃棄プラスチックPがストーカ(図示せず)上を移動されながら燃焼し、発生した熱エネルギHEが廃熱および排ガスと共にボイラ(熱交換機)2に送られる。このストーカ焼却炉1内において廃棄プラスチックPが燃焼されると、二酸化炭素排出量削減樹脂組成物の作用効果によって、含まれない場合に排出される二酸化炭素の排出量が60%抑制されて40%の排出量に低減される。ボイラ2においては熱エネルギHEと水Wとが熱交換されて、一方の水は蒸気Sとなって取り出されて発電機3の蒸気タービン(図示せず)を回転させて発電に供された後に排出され、他方の熱エネルギHEは水と熱交換されて低エネルギとなって排出される。発電機3からは電力Eが出力される。
このように本発明によれば、廃棄プラスチックPを燃焼させて発電を行う場合に、二酸化炭素の排出量を少量に抑えて発電することができ、化石燃料の代替として廃棄プラスチックを燃料とした発電を効率的にしかも二酸化炭素の排出量を大きく低減させて発電することができ、これにより化石燃料の消費の低減を図ることができ、環境に優しく、経済的波及効果も大きいものとなる。
次に、本発明の効果を、現在の化石燃料を使用した発電を本発明によって代替した場合について数値化して検証する。
<発電燃料について>
化石燃料である一般石炭の1kg当たりの発熱量は6203kcalであり、廃棄プラスチックの主たるポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンの1kg当たりの平均の発熱量は10337kcalであるので、化石燃料による発電を廃棄プラスチックによる代替が可能である。
現在の火力発電に用いられている1年当たりの化石燃料は、一般石炭が236万t、液化天然ガス(LNG)が97万t、石油が130万tで合計463万tである。
また、現在の燃料代替可能プラスチックの1年当たりの使用量は、低密度ポリエチレンが131万t、高密度ポリエチレンが73万t、ポリプロピレンが47万t、ポリスチレン(GP・HI)が47万t、塩化ビニル樹脂が105万tで合計585万tである。これらの燃料代替可能プラスチックに対して廃棄率を低密度ポリエチレンが80%、高密度ポリエチレンが60%、ポリプロピレンが60%、ポリスチレン(GP・HI)が80%、塩化ビニル樹脂が30%と見込んで、廃棄プラスチック量を推定すると合計355万tである。
従って、化石燃料に対する廃棄プラスチックによる可能代替率は77%である。
<二酸化炭素排出量について>
火力発電所における化石燃料を燃焼させた場合に排出される1年間の二酸化炭素排出量は、1kg当たりの二酸化炭素排出量が、一般石炭で2.409kg−CO、液化天然ガス(LNG)で2.409kg−CO、石油で2.409kg−COであるので(出展:特定排出者の事業活動に伴う温室効果ガスの排出量の算定に関する省令・経済産業省・環境省)、合計115億3800万kg−COである。
前記の化石燃料に代替可能な総量が355万tの廃棄プラスチックを燃焼させた場合に排出される1年間の二酸化炭素排出量は、1kg当たりの二酸化炭素排出量が、低密度ポリエチレンで1.24kg−CO、高密度ポリエチレンで0.91kg−CO、ポリプロピレンで1.03kg−CO、ポリスチレン(GP・HI)で2.44kg−CO、塩化ビニル樹脂で1.36kg−COであるので(出展:化学経済研究所 基礎素材のエネルギー解析調査報告書)、合計44億5150万kg−COである。
従って、火力発電所の1年間に利用される化石燃料を廃棄プラスチックに代替すると、それぞれの二酸化炭素排出量の差である77億8650万kg−COの二酸化炭素の排出を抑制することができ、二酸化炭素排出量抑制率は約62%となる。
更に、本発明によって355万tの廃棄プラスチックの全量を二酸化炭素排出量削減樹脂組成物が含まれている廃棄プラスチックに代替すると、合計44億5150万kg−COである二酸化炭素排出量が更に60%に相当する26億7090万kg−COが削減されて合計17億8060万kg−COと低減されることとなる。但し、355万tの廃棄プラスチックに添加される二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を生産する際に発生される二酸化炭素量は5341万kg−COであるので、本発明によって削減される二酸化炭素排出量は26億1749万kg−COとなり、本発明によって排出される二酸化炭素排出量は18億3401万kg−COとなる。
これにより、火力発電所の1年間に利用される化石燃料を二酸化炭素排出量削減樹脂組成物が含まれている廃棄プラスチックに代替すると、それぞれの二酸化炭素排出量の差である97億0399万kg−COの二酸化炭素の排出を抑制することができ、二酸化炭素排出量抑制率は約84%となる。
<発電の燃費について>
現在の合計463万tの化石燃料の輸入額は約1898億円である。
代替の廃棄プラスチックの合計355万tの金額は、現在の一般の回収は無償が大多数であるので、0円である。但し、産業廃棄物は有償である。
前記の代替廃棄プラスチックの不足分の化石燃料約108万tに相当する一般石炭の輸入額は約443億円である。
従って、現在の化石燃料による火力発電に必要な燃料費1898億円を、本発明によって廃棄プラスチックによる代替に伴う無償分と不足分の化石燃料の購入に必要な費用の443億円によってまかなうことができ、合計1455億円の燃費削減を果たすことができる。
更に、代替の廃棄プラスチックの合計355万tを無償としないで、200円/kgで購入すると仮定すると、購入額は7億1000万円となり、前記の燃費削減分は約1448億円となる。
この燃費削減分約1448億円は、現在の世帯の電気料金(電気料金:27円/1kwh、世帯の使用量:555kwh/月、4人家族)に換算すると約959万世帯分の1ヶ月当たりの電気料金に相当する。
本発明を実施するために、廃棄プラスチックが有償で回収されることになると、企業は端材等の廃棄プラスチックを処分する費用が無料となり、しかも当該企業および個人は廃棄プラスチックを有償で売却することができる。例えば、200円/kgは耐圧ペットボトル(31.1g/本)の約32本分/kgに相当する。
<自然環境について>
本発明によれば、廃棄プラスチックを発電に利用することができるので、街中、山間部、河川等への廃棄プラスチックの廃棄の根絶と、環境の美化に貢献することができ、費用対効果以上の効果を生み出すことができる。
次に、燃料素材として木質チップを利用する場合を説明する。
<木質チップの原材料および発電燃料について>
長野県は培地を使用したキノコの生産が日本一であるが、そのキノコ生産に使用される培地であるおがくずは、一日あたり300tが廃棄されている。この廃棄された培地は、腐敗することから大量のメタンガスが発生する恐れがあり、その再利用が喫緊の課題であった。
そこで、本発明者らは、廃棄されたキノコの培地の由来はおがくずであることに着目し、その培地(以下、「培地」という)を洗浄し、乾燥することで、バイオ燃料として利用可能とすることを見いだし、更に、培地をバイオ燃料として利用する場合には、二酸化炭素の発生を抑制して温暖化防止に貢献するために前記二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を含有させることにより発電燃料として利用可能とすることを見いだした。更に、発電燃料として利用する前に建材等の木質素材としての利用可能性も見いだした。
<燃料素材について>
培地を燃料素材として利用する形態として、廃棄プラスチック、培地および二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を用いる形態1、培地および二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を用いる形態2ある。
先ず、一方の廃棄プラスチック、培地および二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を用いる形態1においては、主たる体積を占める培地を51%と廃棄プラスチックを49%とするとともに混練りして燃料素材にした。培地は、おがくずを洗浄後に乾燥させて作成した。また、二酸化炭素排出量削減樹脂組成物は、廃棄プラスチックおよび培地の一方若しくは双方に所定量予め含有させておく。
本形態1の燃料素材は、保有する熱量(kcal)が平均7000kcalであり、化石燃料の一般炭6203kcalを越えており、化石燃料による発電を代替するが可能である。
次に、本形態1による木質ペレット(燃料素材)の製造方法を説明する。
第1工程
廃棄された培地であるおがくずの汚れを落とすために、洗濯機に水30Lと培地3kg、弱アルカリ洗剤10ccを入れ、約80分低速で攪拌しながら浸け置きしてから洗う。
第2工程
悪臭を消すために、攪拌機を設置した容器に、水40Lと食器用漂白剤500mgを入れて攪拌した水に、第1工程で洗浄した培地を約60分程度低速で攪拌しながら浸け置きする。
第3工程
洗濯機に水40Lと第2工程で洗浄した培地を約45分洗浄してから脱水する。
第4工程
第3工程で脱水された培地を60℃の回転式乾燥機に入れて、約100分乾燥させる。
第5工程
第4工程で乾燥した培地の水分値は、2〜10%以内、(好ましくは、4〜5%)の培地に、廃棄プラスチック49%と乾燥培地51%を混ぜ合わせ、単軸押出機(好ましくは2軸押出機)で、120℃の温度で混練した木質ペレットを作製して、廃棄プラスチックの燃料とする。廃棄プラスチックPには所定量例えば、3〜10重量%の二酸化炭素排出量削減樹脂組成物が含有されている。第4工程で水分量を2〜10%とされた乾燥した培地には所定量例えば、3〜10重量%の二酸化炭素排出量削減樹脂組成物が含有されている。
次に、他方の廃棄培地および二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を用いる形態においては、主たる体積を占める培地に対して二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を所定量予め含有させておく。
次に、本形態2による木質ペレット(燃料素材)の製造方法を説明する。
第1工程
木質ペレット作製の工程は、前記形態1の第1工程と同様にして実行される。
第2工程
悪臭を消すために、攪拌機を設置した容器に、水40Lと食器用漂白剤700mgを入れて攪拌した水に、第1工程で洗浄した培地を約120分程度低速で攪拌しながら浸け置きする。
第3工程
洗濯機に水50Lと第2工程で洗浄した培地を約70分洗浄してから脱水する。
第4工程
第3工程で脱水された培地を100℃の回転式乾燥機に入れて、約150分乾燥させた。
第5工程
第4工程で乾燥した培地の水分値は、0〜5%以下、(好ましくは、2%以下)の培地に、粘着剤(ヤマト糊、木工用ボンド、シール・ラベル用粘着剤)、またはRtai社製コババインダを20〜40wt%(好ましくは30wt%)とセルロース同士を化学結合させる添加剤A、B、C等(約10wt%)を用いて混ぜ合わせ、熱プレス機の治具(ボードの大きさにより異なる)に対して、均等に入れ、加熱温度は100℃〜200℃(好ましくは、150℃が良い)で加熱しながら、1000tトンのプレス機で5〜15分(好ましくは10分)プレスする。第4工程で水分量を0〜5%以下とされた乾燥した培地には所定量例えば、3〜10重量%の二酸化炭素排出量削減樹脂組成物が含有されている。ここで、添加剤Aは粘着強化材で完成される木質ペレットの強度向上を図る物であり、燃え難い材質であるオルトケイ酸テトラエチル、ケイ酸テトラエチル、テトラエトキシシラン、テトラエチルオルトシランより選択した素材(本形態2の比較例としてオルトケイ酸テトラエチルを用いた)からなる。添加材Bは添加剤Aと同様の物であり、本形態2の比較例としてケイ酸テトラエチルを用いた。添加剤Cは完成される木質ペレットの吸湿性の阻害を図るとともに耐水性を向上させる物であり、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素系樹脂(3〜15wt%(本形態2においてはフッ素系を3%添加した))等の混合物からなる。
第6工程
第5工程で作製されたボードを取出して、冷風扇を用いて冷却して培地由来の木質ボードを製造する。
本態様2の木質ボードの特性(図2および図3参照)
図2に示すように、第6工程で冷却された廃棄培地を応用した本態様2の木質ボードを、コババインダの使用量を15%と30%とした、通常の木粉集積ボード、籾分集積ボード、本態様2の木質ボード、ウッドダストボード、並びに市販の中密度繊維板(MDF)と曲げ強度について比較すると、コババインダの使用量を30%とした本形態2の木質ボードは通常の木粉ボード、籾分ボードおよびウッドダストボードより優れており、MDFの6割程度の曲げ強度を備えており、MDFと同等の質感が得られた。図2および図3に示すように、添加剤Cを加えて作製された本形態2の木質ボード(コババインダの使用量を15%)は、耐水性、強度向上(ハイヒールかかとの突起で踏んでも凹まない)とも通常の木粉集積ボードに比して、優位性が見られた。
前記と同様の技術を用いて、ボードとしての応用の可能性がある材料には、農業で廃棄される稲藁、籾などでもボードの作製をできる。
<発電と自然環境について>
本発明によれば、廃棄物である廃棄プラスチックおよび培地を主たる成分としている形態1および形態2の燃料素材を発電に利用することができるので、街中、山間部、河川等への廃棄プラスチックおよび培地の廃棄の根絶と、環境の美化に貢献することができ、費用対効果以上の効果を生み出すことができる。更に、形態2においては、廃材とされる前には建材等として利用することもできるので、新たな用途を提供することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られず、必要に応じて変更することができる。例えば、ストーカ焼却炉、ボイラ、発電機等は既存の設備または新設の設備であってもよい。
1 ストーカ焼却炉
2 ボイラ
3 発電機

Claims (2)

  1. 廃棄プラスチックおよび木質ペレットの少なくとも一方からなる燃料素材を燃焼させて発電を行う二酸化炭素排出量抑制発電方法であって、前記燃料素材は二酸化炭素排出量削減樹脂組成物を含んでいることを特徴とする二酸化炭素排出量抑制発電方法。
  2. 前記木質ペレットは廃棄されたキノコの培地を原料として形成されていることを特徴とする二酸化炭素排出量抑制発電方法。
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