JP5039996B2 - 固体燃料の製造方法、及び固体燃料 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスを加熱して固体燃料を製造する固体燃料の製造方法、及び固体燃料に関する。

化石燃料の枯渇が懸念される中、バイオマスを新エネルギ源として有効利用する試みが注目されている。平成１４年には「新エネルギ利用等の促進に関する特別措置法」が改正され、国内の電気事業者等は、将来的に新エネルギを基準規定量以上利用することが義務づけられている。

新エネルギ源として認知された「バイオマス」は生物資源の総称であり、農業系（麦藁、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系（製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系（家畜廃棄物等）、水産系（水産加工残滓等）、食品系（コーヒー粕、ビール粕、おから等）、廃棄物系（生ゴミ、建築廃材等）、汚泥系（下水汚泥、し尿汚泥等）等に分類される。バイオマスは大量のものを容易に入手可能であり、特に建築廃材や間伐材等の木質バイオマスは、再生可能なエネルギ資源として注目されている。

しかし、バイオマスは一般に水分を多く含み、よって燃料としてそのまま利用する場合には発熱量が小さく、ハンドリングの観点からは好ましくない。水分を除去する工程を実行して固体燃料化することも検討されているが（例えば、特許文献１参照）、従来の方法では収率が悪い。したがって、大量に存在するバイオマスを、高い収率で経済的に固体燃料に転換する方法の開発が強く要望されている。
特開平４−２２４８８８号公報

本発明は、発熱量の高い固体燃料を高い収率で経済的に得ることができる固体燃料製造方法、及びそのような固体燃料を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る固定燃料の製造方法は、架橋促進剤をバイオマスに添加する工程と、前記架橋促進剤を添加された前記バイオマスを加熱する工程とを実行して固体燃料を製造する方法において、前記バイオマスを加熱する工程において前記バイオマスの温度が２００℃以上３５０℃以下に達した場合その温度を一定時間維持する工程を備えたことを特徴とする。また、前記一定温度を維持する時間は、３０分以上９０分以下であるのが好ましい。また、前記架橋促進剤は、マグネシウム化合物、カルシウム化合物、銅化合物、アルミニウム化合物、及び鉄化合物の中の少なくとも１つ又はこれらの組み合わせとすることができる。

また、本発明の一態様に係る固体燃料は、炭素含有率が８４〜８７重量％、酸素含有率が６〜１０重量％であり、架橋促進剤を成分として含むことを特徴とする。

本発明によれば、架橋促進剤を添加するという簡単な方法により、発熱量の高い固体燃料を高い収率で経済的に得ることができる固体燃料製造方法、及びそのような固体燃料を提供することが可能になる。さらに、バイオマスエネルギー転換で配管閉塞などの問題となるタールを抑制することが可能になる。そして、結果としてバイオマスを大量に有効利用することが可能となる。これにより、地球温暖化防止、森林の保全、廃棄物処理場の延命化に寄与することができる。

以下、本発明の実施の形態の固体燃料の製造方法を、図面を参照して詳細に説明する。この固体燃料の製造方法は、主に次の（Ｓ１）〜（Ｓ３）の工程を含む。
（Ｓ１）架橋促進剤をバイオマスに添加する
（Ｓ２）架橋促進剤を添加されたバイオマスを所定の昇温速度で加熱する
（Ｓ３）Ｓ２によりバイオマスの温度が一定温度に達した場合その一定温度を所定時間維持する
なお、（Ｓ２）、（Ｓ３）の工程は、必要に応じて１回以上繰り返してもよい。以下、各工程につき説明する。

（Ｓ１）の工程（架橋促進剤をバイオマスに添加する）において用いる架橋促進剤は、バイオマスに含まれるセルロース等の水酸基に作用し、分子間での水酸基同士の縮合、脱水を促進させるものをいう。分子間の架橋を促進させることにより、加熱後に得られる固体燃料の収率を向上させることができる。例えばマグネシウム化合物、カルシウム化合物、銅化合物、アルミニウム化合物、又は鉄化合物及びこれらの組み合わせを用いることができる。カルシウム化合物の具体例としては、酸化カルシウムや水酸化カルシウムが挙げられる。また、マグネシウム化合物としては、酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムが挙げられる。その中でもマグネシウム化合物、特に水酸化マグネシウムが好適である。次のようなサイクルを循環させるのに好適であると考えられるためである。
（ｉ）水酸化マグネシウムが脱水して酸化マグネシウムが生成される。
（ｉｉ）この酸化マグネシウムによって、バイオマスセルロース中の水酸基が分子間脱水縮合する。
（ｉｉｉ）この分子間脱水縮合の際生成される水酸化マグネシウムが脱水して酸化マグネシウムとなり、（ｉｉ）で述べた分子間脱水縮合に更に寄与する。

なお、バイオマスと架橋促進剤の総重量に対する架橋促進剤の配合率は、経済性の観点から０を超え３０質量％以下、好ましくは１０〜２０質量％である。また、ここでのバイオマスは、農業系（麦藁、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系（製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系（家畜廃棄物等）、水産系（水産加工残滓等）、食品系（コーヒー粕、ビール粕、おから等）、廃棄物系（生ゴミ、建築廃材等）、汚泥系（下水汚泥、し尿汚泥等）など、様々なものが対象となり、特定のものに限定されるものではない。

次に、（Ｓ２）の工程（架橋促進剤を添加されたバイオマスを所定の昇温速度で加熱する）を説明する。昇温速度は、常温（約２０℃）程度から昇温させる場合、昇温速度が急激になるとタール発生が促進されることや、総合加熱時間を考慮し、例えば２０℃／分以下、特に５〜２０℃／分程度が好適であるが、特にこれに限定されるものではない。このような昇温速度により、バイオマスの温度が２００℃以上３５０℃以下、例えば２９０℃まで達した場合、次の（Ｓ３）の工程に移行する。この（Ｓ２）の工程では、前記架橋促進剤及び前記バイオマスのみを熱媒体油等の熱媒体を混合させずに加熱するので、その分全体の工程をシンプルにすることができる。なお、加熱手段としては、外熱式ロータリーキルンや内熱式ロータリーキルンなどが挙げられる。また、加熱時における系内の酸素濃度は、１０容量％以下、好ましくは１容量％である。

次に（Ｓ３）の工程（バイオマスの温度が一定温度に達した場合その一定温度を所定時間維持する）を説明する。（Ｓ２）の工程により、バイオマスの温度がある所定温度、例えば２９０℃に達した場合、その所定温度を一定時間維持する。この所定温度は、前記サイクルが好適に行われ且つ熱エネルギーの消費を抑制する観点から、２００℃以上３５０℃以下が好ましい。２００℃未満ではセルロース中の水酸基の脱水架橋反応が十分に進行せず、また３５０℃を超えると脱水架橋が十分に進行する前にタール生成が激しくなるため好ましい態様とは言えない。２００℃〜３５０℃の範囲において、脱水架橋を発達させ、続く高温度域におけるタール生成を抑制することができる。また、維持する時間は、バイオマスの種類や所望の固体燃料の発熱量に応じて適宜変更される。維持する時間が短ければ、所望の発熱量を有する固体燃料を得ることが困難になり、また長ければ経済的に有利な方法とはいえない。従って、維持する時間は３０〜９０分程度が好ましい。２００℃〜３５０℃、好ましくは２９０℃において一定温度を維持することにより、発熱量が高い燃料を得ることができる理由としては、前述の水酸化マグネシウムの脱水とバイオマスセルロース中の水酸基の分子間内脱水縮合とのサイクルが好適に行われるためであると推定される。

（Ｓ３）の実行後、例えば２０℃／分の昇温速度でもう一度（Ｓ２）の工程を実行し、例えば５００℃まで加熱する。これにより発熱量が高い固体燃料を得ることができる。尚、最終到達温度は５００℃に限定されるものではなく、例えば５００℃に満たない温度まで加熱するのでもよいし、また５００℃を超える温度まで加熱することも可能である。ただし、５００℃を超えて加熱しても、得られる固体燃料の組成は殆ど変化せず、逆に熱エネルギの浪費となるので、あまり高い温度まで加熱することは好ましい態様とは言えない。

次に、実施例を示すことにより、本発明を更に詳細に説明する。ただし、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。

バイオマスとしてのヒノキ材を、予め図示しない粉砕機によって５１０μｍの篩を通過する粒径になるよう粉砕した。その後これを７０℃の雰囲気中で６時間乾燥させ、これをデシケータで保管した。この乾燥・保管後のヒノキ材を、水酸化マグネシウムとすり鉢を用いて混合した。混合後の総重量に対する水酸化マグネシウムの重量比が２０％となるよう、混合を行った。そして、図２に示すように加熱炉１１中のバイオマス保持部１３に、すり鉢で混合後のヒノキ材と水酸化マグネシウム（合計の重量２ｍｇ）を保持させた。バイオマス保持部１３は、熱重量測定装置の一部をなす白金セルであり、錘１４と天秤機構１５とにより加熱炉１１中に宙吊り状態で配置させた。

この状態において、加熱炉１１の中に高純度窒素（Ｎ_２）を上部及び下部から０．１ＭＰａの圧力、５０ｍｌ／分の流量で流通させながら（流入した窒素ガスは、排気ダクト１６から排出される）、電気炉１２を用いて２０℃／分の昇温速度で２９０℃までヒノキ材を加熱した。なお、加熱中において、天秤機構１５における錘１４の位置を監視することにより、バイオマスとしてのヒノキ材の重量変化を測定した。この温度変化に対するこの重量変化を、図３のグラフに示す。太線の曲線が本実施例における重量変化を示している。

図３のグラフの縦軸には、この測定された重量から水酸化マグネシウムの重量、及びヒノキ材中に含有される灰成分を差し引いた値を、元のバイオマス（ヒノキ材）の重量（乾燥後）で割った値（以下、これを無水無灰基準の熱重量比という）をプロットした。なお、水酸化マグネシウムの重量については、水酸化マグネシウムのみを同じ昇温プロファイルで加熱し、その場合の重量変化を同様の要領で予め測定しておいた。

加熱炉１１内の温度が２９０℃に達したら、この温度を１時間の間保持した。これにより、ヒノキに含まれるセルロースの脱水縮合が進行し、ヒノキ材の熱重量比は、図３のグラフに示すように、０．６０程度にまで減少した。

１時間の経過後、再び２０℃／分の昇温速度で５００℃まで加熱した。途中、４００℃における熱重量比は、およそ０．３３０となった。

図３には、比較例１〜３における熱重量比の変化を示している。

比較例１は、同量のヒノキ材を、水酸化マグネシウムを添加せず、且つ一定温度に達した場合にその一定温度を維持する工程を実施せずに５００℃まで加熱した例である。この場合、４００℃における熱重量比は０．２２０となった（下記の表１参照）。

比較例２は、同量のヒノキ材を、重量比１０％の水酸化マグネシウムを添加し、しかし一定温度に達した場合にその一定温度を一定時間維持する工程を実施せずに５００℃まで加熱した例である。この場合、４００℃における熱重量比は０．２４０となった。

比較例３は、同量のヒノキ材を、重量比２０％の水酸化マグネシウムを添加し、しかし一定温度に達した場合にその一定温度を一定時間維持する工程を実施せずに５００℃まで加熱した例である。この場合、４００℃における熱重量比は０．２７０となった。

いずれの比較例でも、４００℃における熱重量比は本実施例に比べ低く、本発明の工程の有用性が実証された。

表２は、比較例１及び本実施例において得られる固体燃料の含有元素の含有割合（元素分析値）を示している。本実施例においては、炭素含有量、水素含有量が比較例１に比して大きくなっており、本発明により発熱量の高い固体燃料が得られることが実証された。固体燃料の発熱量を、デュロンの式（ＨＨＶ［ＭＪ／ｋｇ］＝３３．８Ｃ＋１４４．２（Ｈ−Ｏ／７．９４））を用いて求めると、本実施例の固体燃料の発熱量は３４．３１ＭＪ／ｋｇであった。これに対し、比較例１で得られた固体燃料の発熱量は３０．３３ＭＪ／ｋｇであった。本実施例と略同様の様々な条件で得られた固体燃料は、炭素含有率が８４〜８７重量％、酸素含有率が６〜１０重量％、発熱量が３３〜３６ＭＪ／Ｋｇであった。従って、本発明によれば、高品位炭である瀝青炭レベルの発熱量を有する固体燃料を、バイオマスから簡便な方法により得られることがわかる。

本発明の実施の形態に係る固体燃料の製造方法の実施手順を示す。 本発明の実施例において用いた装置の概略構成を示す。 本発明の実施例、及びその比較例における炉内の温度変化に伴う熱重量比の変化を示すグラフである。

符号の説明

１１・・・加熱炉、 １２・・・電気炉、 １３・・・バイオマス保持部、 １４・・・錘、 １５・・・天秤機構、 １６・・・排気ダクト。

Claims (6)

1. 架橋促進剤をバイオマスに添加する工程と、
   前記架橋促進剤を添加された前記バイオマスを加熱する工程とを実行して固体燃料を製造する方法において、
   前記バイオマスを加熱する工程において前記バイオマスの温度が２００℃以上３５０℃以下に達した場合その温度を一定時間維持する工程を備え、
   前記架橋促進剤は、マグネシウム化合物、銅化合物、及びアルミニウム化合物の中の少なくとも１つ又はこれらの組み合わせであること
   を特徴とする固体燃料の製造方法。
2. 前記温度を維持する時間は、３０分以上９０分以下である請求項１に記載の固体燃料の製造方法。
3. 前記加熱する工程は、前記架橋促進剤及び前記バイオマスのみを熱媒体を用いることなく加熱することを特徴とする請求項１又は２いずれか１項に記載の固体燃料の製造方法。
4. 請求項１に記載の方法により得られる固体燃料であって、
   炭素含有率が８４〜８７重量％、酸素含有率が６〜１０重量％であり、前記架橋促進剤を成分として含むことを特徴とする固体燃料。
5. 発熱量が３３〜３６ＭＪ／Ｋｇである請求項４記載の固体燃料。
6. 前記バイオマスと前記架橋促進剤の総質量に対する前記架橋促進剤の添加率は、１０〜２０質量％であることを特徴とする請求項４記載の固体燃料。

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