JP4085161B2 - 高含水バイオマスから炭化物を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、生ゴミ・下水汚泥・アルコール発酵残渣などの含水率の高いバイオマスから炭化に必要な原料の乾燥を行わずに炭化物を製造するための方法に関するものであり、その利用分野は、生ゴミや下水汚泥、さらには、アルコール発酵残渣・畜産廃棄物などの各種高含水バイオマスから炭化物製造に利用できる省エネルギープロセスである。

近年、化石燃料代替エネルギー源としてバイオマスの利用に注目が集まっている。中でも生ゴミ・下水汚泥などの含水率の高いバイオマスおよび有機性廃棄物は、その処理問題と合わせて有効利用が求められている。

生ゴミ・下水汚泥などのバイオマスは、含水率が高いため、有効的に利用を目指すためには、乾燥工程が必要となり多くのエネルギーを必要とする問題点を抱えている。

バイオマスの有効利用法の１つとして、該バイオマスから炭化物を製造する方法が知られている。

木材や木質廃棄物など比較的含水率の低いバイオマスを炭化する方法としては、常圧還元雰囲気下、６００℃以上の高温で炭化物を製造するのが一般的な方法である。一方、生ゴミ・下水汚泥などの高含水バイオマスの炭化方法は、バイオマスを乾燥後、通常の炭化処理を行うことが一般的である。この後者の方法では、バイオマス中の水を乾燥させる必要が生じるため、多くのエネルギーが消費され、簡易で省エネルギー型のプロセスが求められている。

特開平５−５１５８６号公報あるいは特開平９−２４１００１などでは、高温・高圧容器内でアルカリ触媒あるいは金属触媒などの存在下、生ゴミあるいはセルロースなどを加温・加圧することによりオイルあるいはガス成分を回収する方法が示されているが、炭化物を回収するための記載はない。

特開平２００３−５４９２６号公報では、廃木材などから炭化物の製造方法が示されている。この方法は、還元雰囲気下、７００〜１０００℃の範囲で温度を調整して木材を炭化させる方法である。この方法は、乾燥している原料に有効である。また、７００℃以上という高い炭化温度が必要とされる。

特開２００１−１４５８６９号公報（特許文献１）あるいは特開２０００−１９７８９８号公報（特許文献２）などには、生ゴミあるいは、汚泥などの高含水バイオマスおよび有機性廃棄物からの炭化物製造方法が示されている。しかし、これらの方法は、炭化処理を行う前に原料の水分を脱水乾燥させる必要があるプロセスである。

特開２００１−１４５８６９号公報 特開２０００−１９７８９８号公報

本発明は、高含水バイオマスからその乾燥を必要とすることなく、さらに比較的低い温度領域で、短時間・省エネルギー型の方法により炭化物を製造する方法を提供することをその課題とする。

本発明によれば、少なくとも５０％の含水率を有する高含水バイオマスから炭化物を製造する方法であって、該高含水バイオマスを、非酸化性ガスの雰囲気で、反応時圧力１−１５０気圧において１００〜４００℃に加熱することを特徴とする炭化物の製造方法が提供される。

本発明は、生ゴミ・下水汚泥など高含水バイオマスを乾燥することなく、比較的低い温度領域で、短時問加熱する省エネルギー的な方法により炭化物を簡便に製造することができる。

本発明で用いる高含水バイオマスは、その含水率が５０％以上、好ましくは７０％以上のものであり、その含水率の上限値は通常９９％程度である。
このような高含水バイオマスには、各種の物質、例えば、生ゴミ、下水汚泥、各種発酵残渣（アルコール発酵残渣、焼酎発酵残渣、しょう油発酵残渣、ビール発酵残渣等）、各種畜産廃棄物、各種バガス（サトウキビバガス、ブドウバガス等）が包含される。

本発明を好ましく実施するには、先ず、該高含水バイオマスを密閉容器内に充填する。この場合、触媒等の使用は特に必要とされない。

次に、容器を密閉後、窒素ガスや炭酸ガス等の非酸化性ガスを用いて容器内の空気を除去し、容器内を非酸化性条件に保持する。この場合、容器内雰囲気中の酸素濃度は５モル％以下、好ましくは１モル％以下である。また、該容器内の圧力（初期圧）は、１〜５０気圧、好ましくは２０〜３０気圧に調整する。

次いで、該容器内の高含水バイマスを、１００〜４００℃、好ましくは２００〜３５０℃に加熱し、該高含水バイオマスを炭化される。この場合、その炭化反応時の圧力は、１〜１５０気圧、好ましくは５０〜１５０気圧に調整するのがよい。この場合の加熱反応時の圧力は、該バイオマス中に含まれる水分の飽和水蒸気圧に対応させるのが一般的である。

高含水バイオマスの炭化反応時間は、通常、５〜１２０分、好ましくは１０〜６０分である。

本発明の方法は、バッチ方式や連続方式（流通方式）のいずれの方式により実施することができる。

次に、本発明を図面を参照にしながら詳述する。
図１は本発明の実施に用いる装置系統図の１例を示す。
図１において、１は反応容器、２は電気炉、３は撹拌器、４は窒素ガスボンベ、６、９はバルブ、ｐは圧力センサー、Ｔは温度センサーを示す。

図１の装置系統図に従って高含水バイオマスを炭化するには、先ず、高含水バイオマスを反応容器１に充填する。この場合、バイオマスは、あらかじめ切断ないし破砕しておくのが好ましい。その寸法は、最長径の長さで、５〜５０ｍｍ、好ましくは１〜１０ｍｍ程度である。また、バイオマスは、ペレット等の成形物に成形しておくことも好ましい。

該高含水バイオマスの充填後、該容器を密閉し、次いで該ボンベ４からＮ_２ガスを、ライン５、バルブ６、ライン７を通して容器１内に導入した後、ライン８、バルブ９、ライン１０を通して容器から排出させる。これによって容器内の空気をＮ_２ガスで置換する。

容器内の圧力は、第１バルブ６及び第２バルブ９により調整することができる。容器内温度は電気炉２により調整することができる。

高含水バイオマスを加熱炭化する場合、水蒸気、ＣＯ_２等のガス状物と、水相、オイル（タール状物）等の液状物と、固体状の炭化物とからなる炭化反応生成物が得られる。生成した炭化物は、ガス状物及び液状物から分離回収することができる。

本発明を実施する場合、反応容器内の水蒸気等のガス状物は、必要に応じ、ライン８、バルブ９、ライン１０を通して排出することができる。

次に本発明を実施例により詳述する。

実施例１
通常の内容量１００ｍｌのステンレス製オートクレーブに、モデル生ゴミ２０ｇ（キャベツ：１２ｇ・ご飯：４ｇ・バター：１ｇ・煮干：１ｇ・貝殻：２ｇ）を投入する。表１に、用いたモデル生ゴミの特性を示す。オートクレーブを密閉後、窒素ガスによりオートクレーブ内の空気を除去し、初気圧２０気圧にまで加圧する。ヒーターによりオートクレーブを１５０〜３５０℃にまで加温した。指定温度に到達後は、直ちに冷却し、生成ガスを回収後、オートクレーブを開ける。２５０℃の条件での０．５時間保持および３５０℃の条件で、１時間保持も併せて行った。得られた混合物を濾過することにより固体分として炭化物が得られる。表２に得られた成分の収率（有機物ベース）を示す。

得られた固体分（炭化物）の元素組成表を表３に示す。温度の上昇とともに固形分中の炭素含有率が高くなり炭化の進行が見られる。

比較例
従来法の炭化を行うため、モデル生ゴミ２０ｇを還元雰囲気下、窒素ガスを１００ｍｌ／ｍｉｎの流速で流しながら６００℃まで加温し、その温度で1時間保持した。得られた固体成分は、収率３０．２％であった。また、元素組成を分析したところ、Ｃ：６９．６％、Ｈ：２．２％、Ｎ：３．６％、Ｏ：２４．６％の炭化物であった。

本発明を実施する場合の装置系統図の１例を示す。

符号の説明

１ 反応容器
２ 電気炉
３ 撹拌器
４ 窒素ガスボンベ
６、９ バルブ
Ｐ 圧力センサー
Ｔ 温度センサー

Claims (1)

1. ７０％以上の含水率を有する高含水バイオマスから炭化物を製造する方法であって、該高含水バイオマスを、乾燥することなく、密閉された非酸化性ガスの雰囲気下で、初期圧を２０〜３０気圧に調整した後、１００〜４００℃に加熱することを特徴とする炭化物の製造方法。

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