JP4385375B2

JP4385375B2 - 高含水バイオマスのエネルギー回収方法及び装置

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Publication number: JP4385375B2
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Inventors: 俊之日野
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Description

本発明は高含水バイオマスのエネルギー回収方法及び装置に関し、とくに高含水バイオマスをバイオマス燃料と蒸留水とに分けた上でその燃料と蒸留水とによりエネルギーを回収する方法及び装置に関する。

バイオマスは光合成により太陽エネルギーを蓄えた生物体を構成する有機物であり、その形態は薪等の固形燃料から生ごみ、下水汚泥等の流動性廃棄物に至るまで多様であり、その種類も動物性・植物性等多岐にわたる。地球上における現在のバイオマス存在量は約２兆トンとされ、石油・石炭の埋蔵量に匹敵すると考えられており、更に毎年約２千億トンが光合成により再生産されている。

わが国におけるバイオマスの利用量は、石油や石炭といった化石燃料に比べると圧倒的に少ない。しかし、化石燃料の有限性が認識されるにつれ、その代替エネルギーとしての重要性に注目が集まっている。またバイオマスは、たとえ燃焼により二酸化炭素（C0₂）を一旦大気中に放散させても、同量のバイオマスを再生産すれば、再生産バイオマスが同量の大気中C0₂を吸収・固定するため大気のカーボン汚染を生じないという特質（カーボン・ニュートラル特質）を持つ。このためバイオマスは、地球温暖化対策において大気のカーボン汚染が生じない重要なエネルギー源として位置付けられている。従来のバイオマスからエネルギーを取り出す技術は、研究開発段階のものを含めると、以下の（ａ）〜（ｃ）のように整理することができる。

（ａ）直接燃焼
例えばボイラーで直接バイオマスを燃焼して水蒸気を発生させ、蒸気タービンと発電機とを駆動して発電する方法である。直接燃焼によるエネルギー回収の一例を示す非特許文献１は、図９に示すように、製材屑40aやバークヤード（樹皮）40b等のバイオマスをボイラー41で直接に燃焼し、蒸気タービン42を介して出力5.7MWの発電機37を駆動し、工場内乾燥設備43、空冷復水器44、給水塔45、ボイラー41への給水加熱器46、純水装置52等が付属した発電設備を開示している。但しこの発電設備は、暖房燃料の多様性確保のために設けたバイオマス（製材屑40a・樹皮40b等）を利用するものであり、発電コスト抑制のため出力増大を図るには燃料集荷上の困難があるとされる。

（ｂ）熱化学的転換
固形のバイオマスを熱分解や超臨界水熱分解によりガス燃料化、液体燃料化、バイオディーゼル燃料化して利用する方法である。バイオマスの熱化学的転換時におけるダイオキシンの発生量は少なく、ガス化や液化により発電方式の選択の幅が広がり、蒸気タービン駆動発電以外にガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン、スターリングエンジン、燃料電池等が使用可能になる。非特許文献２は、図１０に示すように、バイオマスの熱化学的転換の一例である廃棄物熱分解ガス化用STAR-MEETシステムを開示する。図示例では、廃棄物40cを熱分解ガス化・改質装置30の熱分解ガス化炉38に投入し、比較的低い温度で熱分解によりガス化する。

図１０の方法では、熱分解ガス中にCO（一酸化炭素）やH₂（水素）等の可燃性ガスに加えてタール分や煤等の可燃分が含まれており、タール分は冷却すると凝固するため、熱分解ガスをそのまま冷却・洗浄することは困難である。そこで熱分解ガスを改質器39へ導き水蒸気と反応させることにより、以下の反応によってタール分や煤等をCOとH₂とへ改質する。しかし、これらの反応には800℃程度以上の高温が必要であり、100℃の水蒸気の注入のみでは改質反応を起こせない。そこで高温水蒸気／空気加熱器48から水蒸気と酸素又は空気との混合気体を改質器39へ送り、これらの発熱反応の改質に必要な熱エネルギーを供給する。

C＋CO₂→2CO …………………………………………………………………(1)
C＋H₂O→CO＋H₂ ………………………………………………………………(2)
C_nH_m＋nH₂O→nCO＋（n＋m/2）H₂ ……………………………………………(3)
C＋O₂→CO₂ ……………………………………………………………………(4)
C＋（1/2）O₂→CO ……………………………………………………………(5)

図１０において改質ガスは、廃熱回収ボイラー49を経て一旦冷却の後、ガス洗浄器50でイオウ、塩素、煤塵、重金属等の環境汚染物質を除去し、精製燃料ガス51とする。この燃料ガス51は、工業炉やボイラーあるいは内燃機関（熱機関）53（ディーゼルエンジン、ガスエンジン、ガスタービン等）を含むプロセス加熱や発電等の様々な用途に利用できる。廃熱回収ボイラー49で生成される水蒸気は、高温水蒸気／空気加熱器48へ送られ、空気と混ぜて1,000℃に加熱して改質反応に使用するほか、廃棄物の予備乾燥等にも使用できる。

（ｃ）生物化学的転換
例えば、メタン発酵、エタノール発酵又は水素発酵によりバイオマスをガス燃料化する方法であり、熱化学的転換と同様な効果が得られる。生物化学的転換によるエネルギー回収の一例を示す特許文献１のメタン発酵システムは、生ごみを粒状体に切断の上スラリーとし、この生ごみ粒状体を更に微粉砕機により粉砕する。その微粉砕機からのスラリーの取入口と消化液の流出口と加熱器とを有し且つ内部に嫌気性微生物を保有する嫌気処理槽を設け、微粉砕生ごみをその処理槽により嫌気処理する。また、嫌気処理槽内の上部空間と加熱器とに連通するガスホルダーを設け、微生物による生ごみスラリー分解反応で生じるメタンガス又は他の可燃ガスを収集し、これら可燃ガスを発電手段により電力に変換する。このシステムは、嫌気処理槽の生ごみ分解効率を前記微粉砕で向上させると共に発電手段の出力を高効率燃料電池等の使用により増大させることにより、システム内の所要駆動力、即ち生ごみ粒状体の破砕機の駆動力、及び前記スラリー・消化液・生成ガス等の移送動力を前記発電手段の出力で賄うことができる。更に、余剰電力を外部へ供給する可能性も見込まれる。

以上説明したバイオマスエネルギー回収技術の適用に当り、回収対象バイオマスの水分含有量に留意する必要がある。即ちバイオマスには、木質系に代表される水分が少なく乾燥物に近いもの（以下、低含水バイオマスと呼ぶ。）と、生ごみ・下水汚泥・家畜糞尿等の水分を多量に含むバイオマス（以下、高含水バイオマスと呼ぶ。）とがある。低含水と高含水との区分は明確ではないが、燃焼に対する適不適の観点から、一応の目安として、含水率（水分質量の全バイオマス質量（水分質量＋乾燥質量）に対する比）が約30％未満のものを低含水、30〜40％以上のものを高含水として取り扱うことができる。

低含水バイオマスは、従来の直接燃焼による蒸気タービン発電のほか、基本的に熱化学的転換及び生物化学的転換の何れにも適宜に利用できる。これに対して高含水バイオマスに対する主な適用技術は、現在のところメタン発酵等の生物化学的転換のみである。超臨界水熱分解は高含水バイオマスのこの限界の打破を目的とするが、未だ基礎研究段階にある。要するに現状では、図１１に示すように低含水バイオマス３では燃焼（ボイラー）41を介する蒸気タービン駆動の発電・熱利用55、高含水バイオマス１ではメタン発酵（装置）36を介するバイオガス駆動の発電・熱利用56が代表的技術であり、低含水バイオマス３と高含水バイオマス１とで全く別のエネルギー転換方式となっている。このため、単一の設備で含水率の大小に拘わらず広範囲に亘る各種バイオマスを処理することは困難であり、バイオマスエネルギー利用の普及上の障害になっている。

渡邊裕「森林・木質系バイオマスによる発電・熱供給事業の採算性と今後の市場展望」バイオマスエネルギーの特性とエネルギー変換・利用技術（第５講）、株式会社技術情報センター、2002年4月30日発行、p157 吉川邦夫「マイクロガスタービンによる高効率廃棄物発電の可能性」マイクロガスタービンの開発動向と将来展望（第３講）、株式会社技術情報センター、2001年1月31日発行、p64 日野俊之「水蒸気ヒートポンプによる省エネルギー蒸発脱水技術」、第17回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス講演論文集、2001年1月25〜26日、691-696頁特許第３１５９３００号公報特許第３１４７１４２号公報特開平１１−２５７６２２号公報特開２００１−１１６４５７号公報

しかし、従来の高含水バイオマスのメタン発酵によるエネルギー転換には、処理速度が遅い問題点がある。メタン発酵に要する発酵槽内の平均滞留時間は中温法（30〜37℃）では20〜30日、高温法（50〜57℃）でも７日以上必要である（特許文献１、段落0014参照）。例えば毎日出される生ごみをこの速度で処理するためには、大きな反応容器（嫌気処理槽）が必要になり、設備費が嵩む。

また高含水バイオマスのメタン発酵には、メタンヘのエネルギー転換率がバイオマスの種類により相異し、生ごみ等では高いが、家畜糞尿や繊維質等では低く、油脂はこの種の転換に適しない等の問題点もある。高含水バイオマスとして扱われる各種バイオマス全体では、平均エネルギー転換率が現在利用可能な技術で約50％程度とされており、回収エネルギーのコストに係わるエネルギー転換率に関してはなお改善の余地があるといわざるを得ない。更に、ポンプ類や加温装置等付帯設備のエネルギー消費量が多い、発酵排液（消化液）と残さ（消化汚泥）との処理が必要である等の問題点もある。

こうした問題の幾つかは研究開発による改善が期待できるが、生物化学的な処理には本来的に反応速度の限界がある。メタン発酵への適合性について、バイオマスが木質であるか又は生ごみその他の非木質であるか等の組成に応じて異なるので、予め適不適を判断し分別する必要もある。更に従来技術では図１１に示すように、エネルギー回収対象バイオマスが有する含水量の多寡によって、高含水バイオマス１の場合にはメタン発酵36利用のエネルギー転換方式とし、低含水バイオマス３の場合にはメタン発酵36以外の全く別な方式とする二本立てになっており、設備も二系統が必要とされる問題点がある。

従って本発明の目的は、処理速度が速い高含水バイオマスのエネルギー回収方法及び装置を提供することにある。

本発明者は、高含水バイオマス１の脱水処理の省エネルギー化と高速化とに注目した。高含水バイオマス１を短時間で効率良く脱水して低含水バイオマス３とすることができれば、低含水バイオマス３の比較的速いエネルギー回収を、高含水バイオマス１のエネルギー回収と統合して利用し易くできるはずである。

特許文献２は、高含水バイオマス１から効率良く高速脱水する水蒸気ヒートポンプ脱水（Steam Heat Pump Dehydration、SHPD）技術の動作原理を開示する。また非特許文献３は、水蒸気ヒートポンプ脱水（以下、SHPD乾燥ということがある。）装置を用い、焼酎粕の無水材料成分に対し約９倍の水分を含む501.95kgの試料に約６時間の脱水処理を施し、その水分を無水材料の約13％（0.13倍）まで低下させた実験結果を記載する。この脱水により蒸発させた水蒸気量は445.1kgであり、その水蒸気量の蒸発熱1.0235GJ（284.3kWh）と蒸発に要した水蒸気ヒートポンプの圧縮機電力39.3kWhとから成績係数COP（Coefficient of Performance）を7.23と算出している。このことは焼酎粕の脱水を、水分の蒸発潜熱に相当する熱量の供給ではなく、ヒートポンプを用いその蒸発潜熱の約1/7に相当する圧縮機仕事によって達成できることを意味する。即ち、SHPD乾燥によれば高含水バイオマス１を迅速にしかも効率良く脱水することができる。

例えば特許文献１のメタン発酵は、生ごみの高含水バイオマスを燃料電池用の燃料ガスへ変換するのに７日以上の発酵槽滞留時間を要したことを記載する。高含水バイオマスから燃料ガスへの変換時間の長さと高含水バイオマスの脱水時間の長さとを直接に比較することには無理があるが、本発明者はSHPD乾燥装置の乾燥速度に注目した。迅速に乾燥できれば乾燥設備の大型化を防ぎ、ひいてはバイオマスからのエネルギー回収コストの抑制が期待できる。

更に本発明者は、SHPD乾燥装置から吐出される凝縮水が実質的に蒸留水であり、ミネラル分を含まないため、工業的な有用性が高い点に注目した。従来のバイオマスエネルギー回収手法は、確かに生物体由来のバイオマス構成有機物からエネルギーを抽出するものの、バイオマスに含まれる水分はエネルギー抽出過程で種々の処理を受け、再利用について検討することなく環境に散逸されるか又は排水処理の対象とされている。例えば特許文献３は水分含有率の高い廃棄物を乾燥して水分含有率を低くしてから熱分解炉へ供給して処理する方法を開示するが、やはり廃棄物に含まれる水を乾燥時に環境に散逸させている。他方、発電その他のエネルギー発生過程は高純度の水を必要とする例が多い。例えば非特許文献１及び２に記載のバイオマス利用発電設備及び熱分解ガス化設備は、ボイラー用水や改質反応物質として蒸留水程度の純水を必要とする。

SHPD乾燥装置の凝縮水は、高含水バイオマスの水分を一旦気化の後、凝縮させたものであって高温であり且つミネラル分を含まない蒸留水である。通常の水は、カルシウムイオンやマグネシウムイオン等のミネラル分を含んでいる。そのため、通常の水をボイラー用水に使うと、水蒸気の発生によりミネラル分が濃縮してボイラー内面にスケール（缶石）を生成し、熱伝達を阻害し、場合によってはボイラーの損傷に至ることがある。これを防ぐために、逆浸透膜やイオン交換樹脂等を用いた純水製造装置が使われる。SHPD乾燥装置から得られる蒸留水を用いれば、こうした純水製造装置を不要にし、もしくはその運転コストを大幅に下げることができる。この蒸留水を発電設備又は熱分解ガス化設備での用水として使うことは、これらの設備において純水装置で製造したり、別途調達していた蒸留水程度の純水をSHPD乾燥装置の生成物で置き換えることを意味し、運転コストの削減など資源・経済上重要な意味を有する。

なお、高含水バイオマスの種類によっては、SHPD乾燥装置からの蒸留水に揮発性有機物が含まれることもあるが、実用的には差し支えない場合が多く、また必要であれば水中酸化処理や吸着等により簡易に除去できるものである。量的にも、（蒸留水程度の）純水の使用量に比較して高含水バイオマスからの蒸留水量は十分に多いため、問題はない。しかも、バイオマスに含まれる水分を環境中に散逸させずに再利用することは、環境負荷低減の観点からも望ましい。本発明は、こうした知見に基づく研究開発の結果、完成に至ったものである。

図１及び図２の実施例を参照するに、本発明の高含水バイオマス１のエネルギー回収方法は、高含水バイオマス１を気密断熱容器11に入れ水蒸気圧縮機12により容器11の内部からバイオマス１の水分を連続的に気化・吸引し、気化水分を圧縮機12により断熱的に圧縮して昇圧昇温し、昇圧水蒸気を容器11内部と熱的に結合した水蒸気凝縮器13へ通して容器11内部のバイオマス１と熱交換させ、容器11内部の水分を蒸発させると共に昇圧水蒸気を凝縮して蒸留水４として排出させることにより、高含水バイオマス１を低含水のバイオマス燃料33と蒸留水４とに分離し、バイオマス燃料33を蒸留水４使用の熱分解ガス改質反応により燃料ガス51へ変換すると共にその燃料ガス51によりガス駆動原動機又は燃料電池53を駆動して動力６及び排熱７を出力し、その動力６の一部で水蒸気圧縮機12を駆動すると共にその排熱７の一部で気密断熱容器11を予熱又は追炊きすることによりエネルギー及び水に関して自足的に高含水バイオマス１からエネルギーを回収してなるものである。圧縮機12による断熱的に圧縮をポリトロープ圧縮によって行なってもよい。好ましくは、容器11の内部から水分を気化・吸入する水蒸気圧縮機12の吸入端部位における水蒸気条件を絶対圧力で50kPa以上にして大気圧以下とし、圧縮機12の吐出側の水蒸気条件を大気圧以上とする。

また図１及び図２の実施例を参照するに、本発明による高含水バイオマスのエネルギー回収装置は、高含水バイオマス１の投入口19とバイオマス燃料33の取出口20とを有する気密断熱容器11、容器11の内部に臨む吸入口を有し且つ吸入口からの水蒸気を圧縮する水蒸気圧縮機12、及び圧縮機12の吐出口に連なり且つ容器11の内部との熱交換部を有し吐出口からの水蒸気を凝縮する水蒸気凝縮器13を有し、高含水バイオマス１を脱水後の低含水のバイオマス燃料33と蒸留水４とに分離する脱水装置２；バイオマス燃料33を蒸留水４使用の熱分解ガス改質反応により燃料ガス51へ変換する熱分解ガス化・改質装置30とその燃料ガス51により駆動されて動力６を出力する原動機又は燃料電池53とを含む動力発生装置５；原動機又は燃料電池53の動力６の一部分を脱水装置２の水蒸気圧縮機12へ戻して駆動する動力線８；並びに原動機又は燃料電池の排熱７の一部を脱水装置２の気密断熱容器11へ戻して予熱又は追炊きする熱戻し線９を備え、エネルギー及び水に関して自足的に高含水バイオマス１からエネルギーを回収してなるものである。

本発明の高含水バイオマスのエネルギー回収方法及び装置は、高含水バイオマスの水分をSHPD乾燥装置により脱水して低含水のバイオマス燃料と蒸留水とに分離し、そのバイオマス燃料を蒸留水使用の熱分解ガス改質反応により燃料ガスへ変換すると共にその燃料ガスによりガス駆動原動機又は燃料電池を駆動して動力及び排熱を出力し、その動力の一部で水蒸気圧縮機を駆動すると共に排熱の一部で気密断熱容器を予熱又は追炊きすることによりエネルギー及び水に関して自足的に高含水バイオマスからエネルギーを回収するので、次の顕著な効果を奏する。

（イ）メタン発酵の日又は週オーダーの処理時間に比し、SHPD乾燥装置の処理時間は時間オーダーであるため、エネルギー回収処理の迅速化・低コスト化、設備の小型化・低コスト化が可能である。
（ロ）SHPD乾燥装置によりバイオマス燃料化するので、メタン発酵よりも高効率で高含水バイオマスからエネルギーを回収することができる。
（ハ）高含水バイオマスに混入した紙やプラスチック類等の異物の分別除去を必要とせず、排液（消化液）や残渣（消化汚泥）も発生しないので、メタン発酵法よりもランニングコストが小さく経済的である。
（ニ）従って、従来はメタン発酵以外に手段がないとされていた高含水バイオマスのエネルギー化に新たな選択肢を提供するものといえる。

（ホ）高含水バイオマスをバイオマス燃料と蒸留水とに分離し、その両者を動力発生に有効に利用できるので、環境負荷が小さい技術である。
（へ）蒸留水を動力発生に利用することができるので、高含水バイオマスからエネルギー及び水に関して自足的なエネルギー回収システムの構築が期待できる。
（ト）高含水バイオマスの低含水化により、同一のエネルギー回収システムで木質等の低含水バイオマスと混合して処理することが可能となり、高・低両含水バイオマスのエネルギー回収設備の一本化と経済性改善が達成できる。
（チ）都市部での生ごみ・厨芥・食品産業廃棄物・下水汚泥・古紙等、郊外での農業廃棄物・水生植物・建設廃材等、山間部での林業廃材・畜産廃棄物等、漁村部での漁業廃棄物等、様々な高含水バイオマスのエネルギー回収の普及と利用促進とに寄与することができる。

図１は本発明装置の構成ブロック図の概略を示し、図２は本発明に用いる水蒸気ヒートポンプ脱水装置（SHPD乾燥装置）２の基本構成を示す。SHPD乾燥装置２の原理や運転法は、本発明者が開示した特許文献２等に詳述されている。原理上の要点は、被乾燥物を100℃近くまで予熱した後、被乾燥物から発生した水蒸気を昇圧して飽和温度を上げ、被乾燥物との熱交換により凝縮させ、この凝縮潜熱で被乾燥物を加熱することにある。

図示例のSHPD乾燥装置２は、高含水バイオマス１の投入口19とバイオマス燃料の取出口20とが穿たれた気密断熱容器11と、水蒸気圧縮機12と、水蒸気凝縮器13と、スチームトラップ14とを有する。水蒸気圧縮機12は容器11の内部に臨む吸入口を有し、圧縮機12の吐出口は容器11の内部と熱交換する水蒸気凝縮器13に連結されている。気密断熱容器11に高含水バイオマス１を投入して例えば95℃程度まで予熱すると、水蒸気圧縮機12の吸入端部位に接続された容器11内では84kPa程度の減圧状態で高含水バイオマス１の水分が沸騰する。このままでは蒸発潜熱が奪われるためバイオマス１の温度は急速に低下するが、圧縮機12の吐出水蒸気を凝縮器13へ送り、例えば110℃、143kPaでバイオマス１との熱交換により液化させることにより、凝縮潜熱を高含水バイオマス１の加熱に再利用することができる。但し、水蒸気圧縮機12の吸入側及び吐出側の圧力はこの例に限らず、吐出側の水蒸気条件（容器11内の圧力）を絶対圧力で50kPa以上にして大気圧以下とし、吐出側の水蒸気条件（凝縮器13の圧力）を大気圧以上とすればよい。容器11内の圧力は安全性の見地からも大気圧より低く、凝縮器13の圧力は排水ポンプ等を省略する目的からも大気圧より高いことが望ましい。

図示例のSHPD乾燥装置２では凝縮圧力が大気圧より高いため、スチームトラップ14から蒸留水（凝縮水）４を自発的に流出し、不凝縮性ガス（空気等）はここから分岐する配管を経由して排出弁（図示せず）から自発的に排気する。すなわちSHPD乾燥装置２は、高含水バイオマス１を脱水後の低含水のバイオマス燃料33と蒸留水４とに分離する。容器11の内部と連通する抽気装置15により不凝縮性ガスを抽気すると共に、容器11の内部圧力の異常時に水蒸気を外部へ排気する安全弁を設けることもできる。図示例では、撹拌手段の一例として、気密断熱容器11の頂部に設けた減速機付き電動機16により回転軸17と撹拌翼18とを回転させ、容器11内のバイオマス１を撹拌し水蒸気23の発生と移動とを推進する。

但し、SHPD乾燥装置２の構成は図２の例に限定されない。例えば特許文献４に記載のように、水蒸気凝縮器13を撹拌翼18に組込むことにより伝熱面積（バイオマス１との熱交換するための面積）を大きくすることができる。乾燥装置２の成績係数COPを上げるためには、伝熱面積を大きくして凝縮と沸騰の温度差（圧力差）を小さくすることが重要である。また、図２のSHPD乾燥装置２は回分（バッチ）式であるが、上記と同じ原理であれば連続式（図示せず）でもよい。SHPD乾燥装置２の脱水処理によって高含水バイオマス１を低含水のバイオマス燃料33と蒸留水４とに分離すれば、バイオマス１から回収するエネルギーの転換や発電の方式に対する選択肢の広がりを大幅に拡大し、広範囲に亘る各種方式の利用が可能になる。

動力発生装置５の一例は、例えば図９に示すように、バイオマス燃料33（製材屑40aやバークヤード40b）を燃料とするバイオガス燃料焚きのボイラー41で水蒸気を生成し、その水蒸気の作動媒体により原動機としての蒸気タービン42及び発電機37を駆動して電力6a（即ち図１の動力６）を出力するものである。この場合に蒸留水４は、動力発生装置５における用水として給水塔45に投入し、例えばボイラー41又は動力発生装置５のNOx低減装置等多方面に有効利用できる。また動力発生装置５は、ボイラー41からの抽出蒸気、背圧蒸気、冷却水（図示せず）により熱７（図１参照）を出力する。必要に応じ動力発生装置５が出力する動力６及び熱７の一部分を、所内動力線８及び熱戻し線９（図１参照）を介して水蒸気ヒートポンプ脱水装置２の所定動力及び予熱と追炊きとして使うことができる。

好ましくは動力発生装置５として、燃料33から動力６への変換に当って適用性に優れた熱分解ガス化・改質装置30と内燃機関（熱機関）53との組み合わせを用いる（図１０参照）。すなわち、バイオマス燃料33を図１０の熱分解ガス化炉38に投入し、これを熱分解・改質して燃料ガス51を発生し、その燃料ガス51によりガス駆動原動機としての内燃機関（熱機関）53、例えばガスエンジン、マイクロガスタービン等を介して発電機37又は他の動力機械を駆動してエネルギー（動力）６を出力する。また、SHPD乾燥装置２からの凝縮水４は実質的に蒸留水なので、これをガス改質（水性ガス化）器39用の廃熱回収ボイラー49に対する補給水に用いれば、軟水化装置の消耗材料（イオン交換樹脂等）を節約できる。

熱分解ガス化・改質装置30は、バイオマス燃料33を還元雰囲気下で熱分解してガス化させる技術である。更に、発生ガスを高温水蒸気と高温空気とを用いて改質すればCO（一酸化炭素）とH₂（水素）を多量に含む混合ガスを得ることができる。このようにして燃料ガス51が得られれば、ガスエンジン、マイクロガスタービン等の内燃機関やスターリングエンジン等の外燃機関である熱機関53をガス駆動原動機として使った発電装置（発電機37）を動かすことや、さらなる改質により水素を得て燃料電池（図示せず）を動かすことも可能になる。そして将来的には、SOFC（固体酸化物型燃料電池）とガスタービンとの組み合わせにより、発電効率を60〜70％に高める技術開発も意図されている。また、改質過程で得られるCO（一酸化炭素）とH₂（水素）を多量に含む混合ガスから、メタノールやジメチルエーテル(DME)等の燃料を製造することも可能になる。

SHPD乾燥装置２による脱水工程と熱分解ガス化・改質装置30利用の動力発生工程との組み合わせにも種々の補完関係を含め得る。例えば、熱分解ガス化利用の内燃機関式発電装置からなる動力発生装置５の排熱（熱７）を利用してSHPD乾燥装置２の気密断熱容器11の予熱と追い炊きとを行い、動力発生装置５の出力電力（動力６）でSHPD乾燥装置２の水蒸気圧縮機12と撹拌用電動機16とを駆動することができる。

図１におけるSHPD乾燥装置２と動力発生装置５とは、必ずしも同一場所に設置しなくともよい。距離的に離れた場合には動力発生装置５の排熱をSHPD乾燥装置２で利用することは困難であるが、SHPD乾燥装置２のバイオマス燃料33及び蒸留水４を動力発生装置５で利用することや動力発生装置５の動力６（電力）をSHPD乾燥装置２で利用することは可能である。ただし、必ずしも利用する必要はない。分離した場合でも、SHPD乾燥装置２によるバイオマス燃料33は脱水され減量化・減容化されているので、貯蔵や搬送におけるハンドリング性を大幅に改善できる本発明の利点が認められる。なお、バイオマスの性状やサイズに応じて、図１の高含水バイオマス１、SHPD乾燥装置２、動力発生装置５の工程の前後に、破砕工程や圧密（圧縮）工程を適宜追加してもよい。

［エネルギーバランスの数値例］
本発明の特徴を明らかにするため、本発明のように高含水バイオマス１の水分をSHPD乾燥装置２により僅かのエネルギー消費で脱水すれば、バイオマスエネルギーの経済的回収が可能になること、及び他の従来の脱水方法を使ったのでは経済的回収が困難であることを、図４〜８に示すエネルギーバランスの数値例により説明する。図４において、高含水バイオマス１の水分31（＝含有水の質量／（バイオマス乾物32の質量＋含有水の質量））を80％、すなわち初期の水分質量を乾物質量の４倍（含水率400％）とする。バイオマス乾物32の高位発熱量（high heat value、HHV）を18.8MJ/kg（4,500kca1/kg）と想定すれば、1,000kgの高含水バイオマス１は200kgの乾物32を含むため、その高位発熱量HHVは3,760MJとなる。

（Ａ）高含水バイオマスを燃焼する場合
図４は、高含水バイオマス１を直接燃焼する場合のエネルギーバランスを示す。計算上では、この例の乾物200kgの高位発熱量HHV＝3,760MJは水分800kgの蒸発熱量2,058MJを上回り、差引き1,702MJの発熱量となる。しかし、乾物32の４倍の水分31を有するバイオマス１の点火及び燃焼維持は困難であり、通常は助燃料を必要とする。固定床炉、移動床（ストーカ）炉、流動床炉、ロータリーキルン等の燃焼炉を用いてもこの困難性は解決し難い。しかも燃焼温度は上がらず不完全燃焼となり易く、煙や悪臭が多量に発生するため実用には適しない。

（Ｂ）従来の乾燥装置を用いた場合
図５は、高含水バイオマス１の脱水に従来の乾燥技術（熱風乾燥、伝導乾燥、真空乾燥、マイクロウェーブ乾燥等）を用いてバイオマス燃料33を得る場合のエネルギーバランスを示す。例えば、初期水分80％の高含水バイオマス1,000kgを従来の乾燥技術によって水分20％まで蒸発脱水する。乾燥用蒸気ボイラー34により、25℃から100℃まで2,743MJで加熱する過程の効率を80％、更に伝導式乾燥機35により2,058MJで乾燥する過程の効率を75％（一般的な値は50％以下）とすれば、その乾燥に3,429MJが必要になる。他方、この状態でバイオマス燃料33に水分50kgが残っており、その燃焼時に蒸発潜熱として129MJが消費されるため、バイオマス燃料33から回収可能なエネルギー量（発熱量）は3,631MJとなる。バイオマス燃料33を得るための従来技術の乾燥に要するこの熱量3,429MJは、バイオマス燃料33の発熱量3,631MJを僅かに下回るが、伝導式乾燥機35では撹拌動力や冷却塔のファンやポンプ動力が必要なことを考えると最終的にはマイナスである。従って、この場合も経済性は全く成り立たない。

（Ｃ）メタン発酵の場合
図６は、高含水バイオマス１からメタン発酵でエネルギーを回収する場合のエネルギーバランスを示す。高含水バイオマス１からメタンガスへの平均的な転換率を50％と仮定すると、メタンガスに転換されるエネルギーは1,880MJになる。更に、メタンガスを用いた発電機37の発電効率を35％と仮定すると、電力658MJ（183kWh）、排熱量1,222MJが得られる。メタン発酵装置36ではポンプ類や加熱器にエネルギーを要するが、客観的なデータが得られないため、ここでは割り引かないことにする。

（Ｄ）SHPD乾燥装置の場合
図７は、高含水バイオマス１からSHPD乾燥装置２を用いてエネルギーを回収する場合のエネルギーバランスを示す。水分80％の高含水バイオマス１をSHPD乾燥装置２により水分20％まで脱水すると、水分残量50kg（20％＝50／（200＋50））のバイオマス燃料33が得られる。従って、バイオマス燃料33をボイラー41で燃焼するときに、水分50kgの蒸発潜熱129MJが消費されるので、発熱量は3,631MJに減少する。メタン発酵の場合と同様に発電機37の発電効率を35％と仮定すると、このバイオマス燃料33からの発電量（電力）は353kWhとなり、排熱量は2,360MJとなる。次に、得られたエネルギーからSHPD乾燥装置２の運転に必要な電力と予熱を差し引く。SHPD乾燥装置２の運転に要する電力量の計算根拠として、本発明者による試作装置の実測値からCOP（成績係数；水分の蒸発潜熱量を消費電力で除した値）として10を用いる。水分750kgの100℃における蒸発潜熱量は1,692MJ（469kWh）であるため、消費電力量はCOPの値10で除して47kWhとなる。また高含水バイオマス1,000kgを室温25℃から100℃まで予熱する熱量として約236MJを要する。差し引くと、利用可能電力が306（＝353−47）kWh、利用可能な熱量は2,360MJとなり、メタン発酵の場合の183kWhよりも明らかに多量のエネルギーを回収できる。

（Ｅ）SHPD乾燥装置と熱分解ガス化・改質装置とを組み合わせた場合
図８は、動力発生装置５を熱分解ガス化・改質装置30とし、SHPD乾燥装置２と熱分解ガス化・改質装置30とを組み合わせた場合の高含水バイオマス１からのエネルギーバランスを示す。SHPD乾燥装置２と熱分解ガス化・改質装置30との組み合わせの冷ガス効率を75％とし、熱機関53・発電機37の組み合わせの発電効率を35％としても、メタン発酵の場合の183kWhよりも多くのエネルギー227（＝274−47）kWhを回収できる。ここに、冷ガス効率とは、生成ガス中に含まれる可燃ガスのHHVをガス化に使われた原料のHHVで除した値である。

上述した各エネルギーバランスの数値例から次のような結論を導き出すことができる。すなわち（Ａ）高含水バイオマスをそのまま燃焼するだけで他の回収処理を施さずにエネルギーを有効に回収するのは困難であり（図４参照）、（Ｂ）高含水バイオマスを伝導伝熱式で脱水する回収処理は、伝導伝熱式に加える（脱水に必要な）熱量と回収できる熱量との差が小さくエネルギー損失を招くおそれさえあり有効回収が不可能であり（図５参照）、（Ｃ）メタン発酵による回収処理ではエネルギーの有効回収ができるものの数日以上の時間を要する（図６参照）。これに対し（Ｄ）SHPD乾燥による回収処理を施せばメタン発酵よりもエネルギー回収効率が高く、しかも蒸留水も回収できる（図７参照）。（Ｅ）SHPD乾燥の回収処理と熱分解ガス化・改質処理とを組み合わせた場合でも、エネルギーの高効率回収が可能である（図８参照）。

更に、高含水バイオマスに対する従来の主力エネルギー回収技術であるメタン発酵に対し、本発明で使うSHPD乾燥装置２の脱水時間は数時間から10数時間であり、反応時間が一桁から二桁短いため、処理時間や装置・設備コストも大幅に低減できる。また、SHPD乾燥装置２で脱水後のバイオマス燃料33に熱化学的転換を施せば、バイオマスが保有するエネルギーの大部分を取り出すことが可能である。更に、図６には表わしていないが、メタン発酵では発酵装置36からの排液（消化液）に対する処理が必要であるのに対し、本発明では排液処理が不要であり、蒸留水４を動力発生装置５で有効に利用するので、エネルギー回収効率の更なる向上が期待できる。本発明においても例えば熱化学的転換後に灰が残るが、メタン発酵の排液（消化液）や残さ（消化汚泥）に比し少量であるためその処理は容易である。しかも、本発明では高含水バイオマス１の構成物の厳密な分別は不要であり、プラスチック等の異物が混入しても問題を生じない。従って、本発明のSHPD乾燥装置２利用による高含水バイオマスのエネルギー回収方法は、メタン発酵に比しエネルギー回収効率を格段に向上できることが分かる。

本発明によれば、SHPD乾燥装置２により高含水バイオマス１から迅速に且つ高効率でエネルギーを回収することができる。メタン発酵によってもエネルギー回収は可能であるが、SHPD乾燥装置２よりもエネルギー効率が低く、しかも時間がかかる。SHPD乾燥装置２以外の脱水装置、即ち燃焼、熱風乾燥、伝導乾燥、真空乾燥、マイクロウェーブ乾燥等を使用した場合は、高含水バイオマス１からの有効なエネルギー回収は難しい。高含水バイオマス１から回収したバイオマス燃料33は蒸気発生ボイラー41、熱機関53、発熱手段、熱分解ガス化・改質装置30等の動力発生装置５により動力６に変換でき、高含水バイオマス１から回収した蒸留水４を動力発生装置５の用水として有効に利用できるので、本発明によりエネルギー及び水の自足的なエネルギー回収システムが実現できる。

こうして、本発明の目的である「処理速度が速い高含水バイオマスのエネルギー回収方法及び装置」の提供が達成される。

図３は、図１の実施例における高含水バイオマス１利用の動力発生装置５に２つの入力部を設け、一方の入力部を高含水バイオマス１用のSHPD乾燥装置２の出力であるバイオマス燃料33及び蒸留水４に接続し、他方の入力部を別途供給される低含水バイオマス３に接続した構成例を示す。従来は、高含水バイオマス１からのエネルギー回収手段が実質上メタン発酵に限られていたので、発電設備は必然的にガス燃料のものとなり、木質等の低含水バイオマス３をその発電設備に接続することは困難であった。図３の実施例によれば、単独の動力発生装置５を、従来個別に扱われてきた二つのエネルギー源、即ち高含水バイオマス１と低含水バイオマス３とに共通に利用し、貯留施設及び機材の合理化を図ることができる。

本発明によれば、高含水バイオマス１の水分31をSHPD乾燥装置２によって脱水して低含水バイオマス３化し、メタン発酵以外に選択肢がないとされていた高含水バイオマス１のエネルギー回収に新たな選択肢を提供することができる。例えば、高含水バイオマス１をSHPD乾燥装置２によって他の低含水バイオマス３と同程度の含水率まで乾燥させれば、図３のシステム構成により、低含水バイオマス３と高含水バイオマス１との両者から単独の動力発生装置５でエネルギーを回収することができる。これによりエネルギー転換と発電設備とを一本化し、バイオマスエネルギー回収の経済性を改善できる。

本発明の一実施例の構成を示すブロック図である。本発明で使う水蒸気ヒートポンプ脱水装置の説明図である。高含水バイオマスと低含水バイオマスとの統合エネルギー回収装置の構成を示すブロック図である。高含水バイオマスを燃焼してエネルギー回収する場合のエネルギーバランス数値例の図式的説明図である。従来の乾燥装置を用いて高含水バイオマスからバイオマス燃料を得る場合のエネルギーバランス数値例である。メタン発酵により高含水バイオマスからエネルギー回収する場合のエネルギーバランス数値例である。 SHPD乾燥装置を用いて高含水バイオマスからエネルギー回収する場合のエネルギーバランス数値例である。 SHPD乾燥装置と熱分解ガス化・改質装置との組み合わせを使って高含水バイオマスからエネルギー回収する場合のエネルギーバランス数値例である。従来の低含水バイオマスからのエネルギー回収型発電装置の図式的ブロック図である。従来の熱分解ガス化・改質装置の構成を示すブロック図である。従来の低含水バイオマス及び高含水バイオマスからそれぞれエネルギーを回収する別系統の発電・熱利用装置のブロック図である。

符号の説明

１…高含水バイオマス
２…水蒸気ヒートポンプ脱水装置（SHPD乾燥装置）
３…低含水バイオマス４…蒸留水（凝縮水）
５…動力発生装置６…動力（エネルギー）
6a…電力
７…熱８…所内動力線
９…熱戻し線 11…気密断熱容器
12…水蒸気圧縮機 13…水蒸気凝縮器
14…スチームトラップ 15…抽気装置
16…電動機 17…回転軸
18…撹拌翼 19…投入口
20…取出口 21…予熱・追焚き用水蒸気
22…開閉弁 23…水蒸気
29…火力発電設備
30…熱分解ガス化・改質装置
31…水分 32…乾物
33…バイオマス燃料 34…乾燥用蒸気ボイラー
35…伝熱式乾燥機 36…メタン発酵装置
37…発電機 38…熱分解ガス化炉
39…改質器 40a…製材屑
40b…バークヤード（樹皮）
40c…廃棄物
41…ボイラー（燃焼） 42…蒸気タービン
43…工場内乾燥設備 44…空冷復水器
45…給水塔 46…給水加熱器
48…高温水蒸気／空気加熱器
49…廃熱回収ボイラー 50…ガス洗浄器
51…燃料ガス 52…純水装置
53…熱機関（内燃機関）
55…蒸気タービン駆動の発電・熱利用
56…バイオガス駆動の発電・熱利用

Claims

高含水バイオマスを気密断熱容器に入れ水蒸気圧縮機により当該容器の内部から前記バイオマスの水分を連続的に気化・吸引し、気化水分を前記圧縮機により断熱的に圧縮して昇圧昇温し、昇圧水蒸気を前記容器内部と熱的に結合した水蒸気凝縮器へ通して前記容器内部のバイオマスと熱交換させ、前記容器内部の水分を蒸発させると共に昇圧水蒸気を凝縮して蒸留水として排出することにより、高含水バイオマスを低含水のバイオマス燃料と蒸留水とに分離し、前記バイオマス燃料を前記蒸留水使用の熱分解ガス改質反応により燃料ガスへ変換すると共にその燃料ガスによりガス駆動原動機又は燃料電池を駆動して動力及び排熱を出力し、その動力の一部で前記水蒸気圧縮機を駆動すると共にその排熱の一部で前記気密断熱容器を予熱又は追炊きすることによりエネルギー及び水に関して自足的に高含水バイオマスからエネルギーを回収してなる高含水バイオマスのエネルギー回収方法。
請求項１の方法において、前記断熱的な圧縮をポリトロープ圧縮としてなる高含水バイオマスのエネルギー回収方法。
請求項１又は２の方法において、前記高含水バイオマスを未乾燥の動植物材、生ごみ、家畜糞尿、及び有機性汚泥からなる群の何れかとしてなる高含水バイオマスのエネルギー回収方法。
請求項１から３の何れかの方法において、前記気密断熱容器に前記高含水バイオマスの撹拌手段を設け、前記動力により水蒸気圧縮機及び撹拌手段を駆動してなる高含水バイオマスのエネルギー回収方法。
請求項１から４の何れかの方法において、前記容器内の水蒸気圧縮機の吸入端部位における水蒸気条件を絶対圧力で50kPa以上にして大気圧以下とし、前記水蒸気圧縮機の吐出側の水蒸気条件を大気圧以上としてなる高含水バイオマスのエネルギー回収方法。
高含水バイオマスの投入口とバイオマス燃料の取出口とを有する気密断熱容器、当該容器の内部に臨む吸入口を有し且つ該吸入口からの水蒸気を圧縮する水蒸気圧縮機、及び当該圧縮機の吐出口に連なり且つ前記容器の内部との熱交換部を有し前記吐出口からの水蒸気を凝縮する水蒸気凝縮器を有し、前記高含水バイオマスを脱水後の低含水のバイオマス燃料と蒸留水とに分離する脱水装置；前記バイオマス燃料を前記蒸留水使用の熱分解ガス改質反応により燃料ガスへ変換する熱分解ガス化・改質装置とその燃料ガスにより駆動されて動力を出力する原動機又は燃料電池とを含む動力発生装置；前記原動機又は燃料電池の動力の一部分を脱水装置の水蒸気圧縮機へ戻して駆動する動力線；並びに前記原動機又は燃料電池の排熱の一部を脱水装置の気密断熱容器へ戻して予熱又は追炊きする熱戻し線を備え、エネルギー及び水に関して自足的に高含水バイオマスからエネルギーを回収してなる高含水バイオマスのエネルギー回収装置。