JP4394989B2 - 木質系バイオマスを用いた高炉用コークスの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、製鉄業における高炉用コークスの製造方法に関し、特に、木質系バイオマスを用いたコークスの製造方法に関するものである。
現在、地球環境保全の観点から、バイオマス資源を積極的に利用する技術の開発が求められている。
ＦＡＯ（国際食糧農業機関）によれば、バイオマスとは生物量の総称であり、林業系（製材廃棄物、除間伐材、薪炭林、製紙廃棄物等）、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）畜産系（家畜廃棄物）、水産系（水産加工残滓）、廃棄物系（生ごみ、ＲＤＦ（ごみ固形化燃料；Refused Derived Fuel）、庭木、建設廃材、下水汚泥）等に分類される。
これらのバイオマスのうち、特に、利用可能な林業系の木質系バイオマスの発生量は、１年間に約２千百万ｔ〜５千万ｔの規模と想定される。
木質系バイオマスを利用する方法として、従来から、木質系バイオマスを乾留炉で乾留し、得られる油分を木酢液等として利用する方法が知られている。
例えば、特許文献１には、木質系バイオマスを、炭化炉で、酸素の少ない状態で炭化して薫煙を発生させ、薫煙に含まれる有機物成分を冷却液化することにより、沸点の異なる複数の有機物成分を同時に分留する方法が開示されている。この方法は、木質系バイオマスを熱分解して発生ガスから化学原料として利用価値の高い、例えば、酢酸、アルコール類、フェノール類などの有機物成分を留出製造する方法である。
一方、木質系バイオマスを熱分解及びガス化して発電用などの可燃性ガスとするとともに発生した熱回収を行う、いわゆるコジェネレーション利用技術が提案されている。
例えば、特許文献２等には、熱分解炉とガス化炉からなる石炭ガス化装置を用いて、従来の石炭に替えて、木質系バイオマスを原料に利用し、木質系バイオマス原料及び熱分解炉で生成したバイオマスチャ−をガス化炉に供給し、酸化剤（酸素及び水蒸気）との反応により、約１５００℃の高温ガスを発生し、この高温ガスと木質系バイオマス原料を熱分解炉に供給し、熱分解ガスとバイオマスチャ−（ガス化剤として前記ガス化炉に供給）を生成する方法が提案されている。
このガス化装置を用いた木質系バイオマス原料のガス化方法では、従来の石炭原料を用いた場合と同程度の反応性を確保するために、熱分解炉及びガス化炉に吹き込む木質系バイオマス原料を、１ｍｍ以下の粒度に微粉砕する必要がある。
しかし、廃木材や竹などの木質系バイオマスは、石炭などに比べて繊維質が多く弾力性が高いために、粉砕性が非常に悪いという問題点があり、特許文献２では、粒度１０ｍｍ以下の粗粉砕をした後、更に、粒度数ｍｍ以下の微粉砕処理する方法を行っている。
本発明者が調査した結果、木質系バイオマスをガス化する場合は、廃木材の処理費用の約３０〜４０％が木材チップの粉砕処理及び破砕機械の維持費などの粉砕処理にかかる費用であることが判明した。
これに対して、特許文献３では、粗粉砕をした後の粒度が１０ｍｍ以下の粗粒の木質系バイオマス原料を熱分解炉に供給し、熱分解によりバイオマスチャ−を生成した後、このバイオマスチャ−を粉砕し、ガス化炉に供給する方法が開示されている。
この方法は、粒度数ｍｍ以下への微細粉砕処理を省略する方法であるが、この方法でも、木質系バイオマス原料を粒度１０ｍｍ以下に粗粉砕処理する際における、粉砕性の低下に伴う処理効率の低下、及び、破砕装置の維持費用、破砕処理費用の増加等の問題を解消することはできない。
また、特許文献２及び３に開示する木質系バイオマス原料の処理方法は、木質系バイオマス原料を１５００℃以上の高温でガス化し、可燃性ガス及び熱として回収する処理方法であり、化学工業原料として利用価値の高い油分を生成し、利用することができない処理方法である。
近年、地球規模で、温暖化問題への対応が進められており、この中で、特に、バイオマスは、カーボンニュートラルであり、気候変動枠組条約締結国会議（ＣＯＰ３〜ＣＯＰ６、ＣＯＰ；The Conference Of the Party）での国際公約を達成するための石油、石炭などの代替資源として積極的な使用が望まれている。
また、木質系バイオマス資源を利用価値の高い化学工業用原料として有効利用することが可能な木質系バイオマスのリサイクル処理方法の開発が求められている。
上記従来技術の実情に鑑みて、本発明は、木質系バイオマス原料の破砕性を向上すると同時に、化学原料として利用価値の高い油分を生成し、回収できる木質系バイオマス原料の破砕方法、及び、木質系バイオマスを利用した高炉用コークスの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するものであり、その要旨とするところは、以下の通りである。
（１）木質系バイオマス原料を１５０〜４００℃で加熱処理し、かつ該加熱処理において水蒸気を添加し、該木質系バイオマス原料から熱分解により生成した油分を分離、回収し、残部の木質系バイオマス原料を、所定粒度に粉砕した後、石炭と該木質系バイオマスとを混合してコークス炉に装入して乾留し、コークスを製造することを特徴とする木質系バイオマスを用いたコークスの製造方法。
（２）前記熱分解により生成した油分が、アセトール、プロピオン酸メチル、フェノール類及びクレゾール類のうちの１種又は２種以上からなることを特徴とする前記（１）記載の木質系バイオマスを用いた高炉用コークスの製造方法。
本発明によれば、従来、粉砕性が非常に悪く、粉砕処理が困難であった木質系バイオマスの破砕性を向上し、また、木質系バイオマスから、熱分解により、付加価値の高い油分を生成できるので、木質系バイオマスを、高炉用コークスの製造用原料、又は、熱及びコークス製造用の燃料として有効利用可能な木質系バイオマスを利用した高炉用コークスの製造方法を提供することができる。
そして、本発明により、カーボンニュートラル資源であるバイオマスを有効に利用して、資源リサイクル化及びＣＯ2量の削減を実現できるなど、技術的な効果のみならず、経済的な効果が非常に大きい。
以下、本発明について、具体的に説明する。
先ず、本発明において、バイオマスとは、以下のＦＡＯ（国連食糧農業機関）の定義に準じて定義される。
先ず、本発明において、バイオマスとは、以下のＦＡＯ（国連食糧農業機関）の定義に準じて定義される。
ＦＡＯ（国連食糧農業機関）によれば、バイオマスとは生物量の総称であり、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系（家畜廃棄物）、水産系（水産加工残滓）、廃棄物系（生ごみ、ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Refused Derived Fuel）、庭木、建設廃材、下水汚泥）等に分類される。
本発明では、これらのバイオマスのうち、特に、１年間に約２千百万ｔ〜５千万ｔの規模で排出されている、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）バイオマス（以下「木質系バイオマス」という。）を対象とし、コークス製造用原料として有効活用するものである。
次に、図面を参照しながら、本発明の実施態様を説明する。
図１は、本発明に係る、木質系バイオマスを利用した高炉用コークスの製造プロセスの一例を示す図である。
木質系バイオマス原料は、乾燥機１に供給され、所定水分量（好ましくは５〜３０％）になるまで乾燥された後、加熱処理機２に供給され、１５０〜４００℃の温度で加熱処理される。この加熱処理において、熱分解して生成した油分は分離、回収されて、化学原料として利用される。
また、加熱処理されて強度が低下した木質系バイオマス原料は、粉砕機３に供給され、数ｍｍ程度の所定粒度に粉砕処理される。粉砕処理された木質系バイオマス原料は、石炭混合機４で石炭と混合された後、コークス炉５に装入されて、炉温約１１００〜１２００℃程度の高温で乾留され、高炉用コークス、ガス、油分を製造する原料として使用される。
なお、図１の説明では、木質系バイオマス原料を乾燥機１で所定水分量（好ましくは５
〜３０％）に乾燥する場合を例に説明したが、木質系バイオマス原料の含有水分量が少ない木質系バイオマス原料を用いる場合には、乾燥機１で乾燥せずに、直接、加熱処理機２で加熱してもよい。
〜３０％）に乾燥する場合を例に説明したが、木質系バイオマス原料の含有水分量が少ない木質系バイオマス原料を用いる場合には、乾燥機１で乾燥せずに、直接、加熱処理機２で加熱してもよい。
加熱処理機２で木質系バイオマス原料を１５０〜４００℃に加熱した際に発生する油分及び発生ガスを、ガス冷却器６で冷却することによって、油分回収装置７で油分を回収する。加熱処理機２で発生したガスは、コークス燃料混合装置８によってコークス燃料供給装置9に送られ、コークス炉燃料ガスと混合されて、コークス炉５に送られる。
本発明において、粉砕処理の前に行う、木質系バイオマス原料の加熱処理における加熱温度は１５０〜４００℃とする必要がある。即ち、本発明において、木質系バイオマス原料の加熱温度と破壊強度との関係は、粉砕性が非常に悪く、粉砕処理が困難な木質系バイオマス原料の破砕性を向上せしめる点、及び、油分の効率的回収の点で重要である。
ここで、図２に、木質系バイオマス原料（木材）の加熱温度と破壊強度との関係を示す。
木質系バイオマス原料の加熱温度の上昇とともに、その破壊強度は低下する。加熱温度が１５０℃以上となると、熱分解反応と炭化反応が進行し、機械的強度が著しく低下し、脆性破壊が起こることが判明した。
また、図３に、木質系バイオマス原料（木材）の加熱処理において、木質系バイオマス原料（木材）に水蒸気を添加した場合における加熱温度と破壊強度との関係を示す。この図からも、加熱温度が１５０℃以上となると、熱分解反応と炭化反応が進行し、機械的強度が著しく低下し、脆性破壊が起こることが解かる。
それ故、本発明では、木質系バイオマス原料をガス化炉等のガス化設備に供給し、ガス化処理における反応性を確保するとともに、粒度：数ｍｍ程度に木質系バイオマス原料を粉砕処理する場合の破砕性を十分向上せしめるために、木質系バイオマス原料の加熱処理における加熱温度の下限を１５０℃とする。
次に、図４に、木質系バイオマス原料の加熱温度と、熱分解して生成した油分の発生割合との関係を示す。この図から、加熱温度が１５０℃以上で、油分の発生割合は増加し始めて、加熱温度４００℃で、油分が５％程度発生することが解かる。
本発明者の調査によれば、木質系バイオマス原料の加熱過程では、先ず、バイオマス中のセルロースやリグニン等に由来する低分子成分（即ち、軽質成分）からなる油分が生成する。これらの主要成分のうち、ヘミセルロースが、最も熱に対して不安定であるため、約１８０℃の温度で熱分解を始める。
次いで、セルロースが２４０℃で、リグニンが２８０℃で熱分解を始めるが、上記低分子成分（即ち、軽質成分）からなる油分組成は、アセトール（沸点約１４５℃）、プロピオン酸メチル（沸点１４０．８℃）やフェノール類（沸点約１８２℃）、クレゾール類（沸点約２０３℃）等である。
本発明では、木質系バイオマス原料の加熱処理において、熱分解により生成したアセトール、プロピオン酸メチル、フェノール及びクレゾールのうちの１種又は２種以上からなる油分を分離、回収して、付加価値の高い化学原料として利用することができる。
また、木質系バイオマスの加熱処理において、木質系バイオマス中のこれらの低分子成分が揮発する結果、木質系バイオマスの破壊強度を低下させることが可能となる。
更に、図５に、木質系バイオマス原料の加熱温度と熱分解による質量減少率との関係を示す。この図から、木質系バイオマス原料の加熱温度が３００℃以上となると熱分解反応による低分子成分からなる油分生成量が増加し、加熱温度が４００℃を超えると、炭化反応が急激に進むことが解かる。
本発明では、木質系バイオマス原料の加熱温度が４００℃を超えると、加熱処理後の木質系バイオマス原料をガス化処理する際のガス化効率が低下することから、４００℃以下に加熱することが好ましい。
以上の理由から、本発明では、木質系バイオマスを粉砕処理する前に行う加熱処理における加熱温度は、１５０〜４００℃とした。
また、前記加熱処理において上記加熱温度の条件の下で、更に、水蒸気を添加することは（図３、参照）、木質系バイオマスの熱分解反応とともに進行する炭化反応を抑制することができ、前記の低分子成分からなる油分の熱分解による生成を促進しつつ、炭化を抑制して、木質系バイオマスの破壊強度を低下させることが可能となるため好ましい。
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
（実施例）
図１に示すコークス製造プロセスを用いて、杉の廃材を木質系バイオマス原料とし、乾燥機１により、原料中の水分量が３０％になるまで乾燥した後に、加熱処理機２により、表１に示す加熱温度、水蒸気添加有無条件で加熱処理をした後、破砕機３により、粒度が１０ｍｍ以下になるように破砕処理を行った。
図１に示すコークス製造プロセスを用いて、杉の廃材を木質系バイオマス原料とし、乾燥機１により、原料中の水分量が３０％になるまで乾燥した後に、加熱処理機２により、表１に示す加熱温度、水蒸気添加有無条件で加熱処理をした後、破砕機３により、粒度が１０ｍｍ以下になるように破砕処理を行った。
実機のコークス炉の乾留挙動をシミュレートできるコース乾留試験装置（以下「コークス試験装置」と記載する。）を用いて、粉砕処理した木質系バイオマス原料を石炭に添加した場合における乾留挙動、製品への転換収率を調査した、
粉砕した木質系バイオマス原料を、石炭に対して質量比で2％混合した後、コークス炉５に装入して、１２００℃で18時間乾留を行った。
粉砕した木質系バイオマス原料を、石炭に対して質量比で2％混合した後、コークス炉５に装入して、１２００℃で18時間乾留を行った。
表１には、木質系バイオマス原料の加熱処理後の破壊強度（ＭＰａ）、加熱処理で発生した油分の回収率（質量％、）、及び、コークス炉でコークスとして回収したコークス転換収率（質量％）を示す。
表１中、Ｎｏ．１〜４は、本発明が規定する範囲内の条件で加熱処理した発明例であり、いずれの場合も、木質系バイオマス原料の破壊強度は、８ＭＰａ以下となり、常温での破壊強度（１５ＭＰａ）に比べ、充分に低下し、粉砕性を著しく向上せしめることができた。
また、これら発明例の中で、加熱処理において水蒸気を添加した発明例３及び４は、水蒸気を添加しない発明例１及び２に比べて、熱分解における炭化反応を抑制できたため、ガス化処理におけるガス化収率が高い結果となった。
一方、Ｎｏ．５〜７は、本発明で規定する範囲から外れた条件で加熱処理した比較例である。Ｎｏ．５は、木質系バイオマス原料の加熱処理をしていないため、破壊強度が高く、その結果、粉砕処理時の処理効率が悪くて消費エネルギーが高く、粉砕処理コストを増加させる結果となった。
Ｎｏ．６は、木質系バイオマス原料の加熱処理温度が低過ぎるため、破壊強度を十分に低下させることができず、粉砕処理時の処理効率が悪くて消費エネルギーが高く、粉砕処理コストを増加させる結果となった。
Ｎｏ．７は、バイオマス原料の加熱処理温度が高過ぎるため破壊強度は十分低くなったものの、コークス炉におけるコークス転換収率が低下する結果となった。
前述したように、本発明によれば、木質系バイオマスを高炉用コークスの製造用原料、又は、熱及びコークス製造用の燃料として有効利用可能な木質系バイオマスを利用した高炉用コークスの製造方法を提供することができる。そして、本発明により、カーボンニュートラル資源であるバイオマスを有効に利用して、資源リサイクル化及びＣＯ2量の削減を実現できるなど、技術的な効果のみならず、経済的な効果が非常に大きい。 したがって、本発明は、産業上の利用可能性が極めて高いものである。
１…乾燥機
２…加熱処理機
３…破砕機
４…石炭混合機
５…コークス炉
６…ガス冷却器
７…油分回収装置
８…コークス燃料混合装置
９…コークス燃料供給装置
２…加熱処理機
３…破砕機
４…石炭混合機
５…コークス炉
６…ガス冷却器
７…油分回収装置
８…コークス燃料混合装置
９…コークス燃料供給装置
Claims (2)
- 木質系バイオマス原料を３００超〜４００℃で加熱処理し、かつ該加熱処理において水蒸気を添加し、該木質系バイオマス原料から熱分解により生成した油分を分離、回収し、残部の木質系バイオマス原料を、所定粒度に粉砕した後、石炭と該木質系バイオマスとを混合してコークス炉に装入して乾留し、コークスを製造することを特徴とする木質系バイオマスを用いたコークスの製造方法。
- 前記熱分解により生成した油分が、アセトール、プロピオン酸メチル、フェノール類及びクレゾール類のうちの１種又は２種以上からなることを特徴とする請求項１記載の木質系バイオマスを用いた高炉用コークスの製造方法。
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