JP5158751B2 - バイオコークス製造装置及び製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光合成を起因とするバイオマスを原料とし、石炭コークスの代替燃料としても利用可能であるバイオコークスの製造装置及びその方法に関する。
近年、大気中の二酸化炭素濃度の上昇を一因とする地球温暖化現象や、将来的に予測されている化石燃料の枯渇などを考慮して、バイオマスという再生可能でクリーンなエネルギー源が注目されている。
一般にバイオマスとは、再生可能な生物由来の有機性資源のうち化石資源を除いたものをいい、このバイオマスを炭化ガス化処理することで熱、電力、炭化物等の有価物の回収が可能となり、また廃棄物としてのバイオマスを処理できるので、環境の浄化にも役立つ。さらに、バイオマスは有機物であるため、燃焼すると二酸化炭素を発生するが、この二酸化炭素は、バイオマスが成長過程において光合成によって大気中から吸収した二酸化炭素に由来するので、大気中の二酸化炭素を増加させていないと考えられる。このことはカーボンニュートラルと呼ばれている。従って、近年大気中の二酸化炭素濃度上昇による地球温度化の進行が問題となっているため、バイオマスの活用が要望されている。
一方、昨今の中国における急速な鉄鋼需要により、石炭コークスのコストが急上昇し、日本の鋳物又は鉄鋼メーカーの経営を圧迫している。従って、鋳物製造又は製鉄において、石炭コークスの一部を代替することができる高硬度固形燃料を開発し、燃料コストを削減するとともに、バイオマスのカーボンニュートラルな性質によって地球温暖化現象の一因となっている大気中の二酸化炭素濃度の増加を抑えることが切望されている。
そこで、バイオマスを燃料化する方法として、例えば特許文献１にバイオマス水スラリーの製造方法が、また特許文献２には生ゴミ、下水道汚泥等を燃料化する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１及び２に記載の発明は何れもバイオマスを固形燃料化する技術ではなく、石炭コークス代替として利用することはできない。
しかしながら、特許文献１及び２に記載の発明は何れもバイオマスを固形燃料化する技術ではなく、石炭コークス代替として利用することはできない。
また、バイオマスを固形燃料化する技術として、特許文献３にペレット製造技術が開示されている。
しかしながら、特許文献３に開示された方法では、製造されたペレットを石炭コークス代替として使用するためには、材料の含水量が多いため製造されたペレットが充分な発熱量を有しておらず、また製造されたペレットには空隙が存在するため、ペレット内への空気（酸素）の拡散が生じ、燃焼時間が短く、粉体バイオマス間の結合が無いため、十分な硬度を有していない物である。
従って、石炭コークス代替として使用することは困難である。
しかしながら、特許文献３に開示された方法では、製造されたペレットを石炭コークス代替として使用するためには、材料の含水量が多いため製造されたペレットが充分な発熱量を有しておらず、また製造されたペレットには空隙が存在するため、ペレット内への空気（酸素）の拡散が生じ、燃焼時間が短く、粉体バイオマス間の結合が無いため、十分な硬度を有していない物である。
従って、石炭コークス代替として使用することは困難である。
また、その他のバイオマスを固形燃料化する技術としては、原料を細片化して炭化させる製造技術（特許文献４）、高いエネルギー収率で木炭よりも容積エネルギー密度及び重量エネルギー密度の高い固形燃料を製造する技術（特許文献５）、木質バイオマスエネルギー輸送特性をより高めるための半炭化圧密燃料製造技術（特許文献６）が開示されているが、これら特許文献４〜６の何れの技術によって得られる固形燃料も、石炭コークスに比して充分な発熱量を有しているとはいい難く、更に硬度性能についても充分ではないため、石炭コークス代替として使用することは困難である。
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、光合成を起因とするバイオマスを原料とし、石炭コークスの代替燃料として利用可能であるバイオコークスの製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明のバイオコークス製造装置は、
光合成を起因とするバイオマス原料を粉砕する粉砕手段と、前記バイオマス原料を前記粉砕手段によって粉砕して得られるバイオマス粉砕物を、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解して接着効果を発現する温度範囲まで加熱する加熱手段と、前記加熱手段によって加熱した状態で、前記バイオマス粉砕物を、前記バイオマス粉砕物中のリグニンが熱硬化反応を発現する圧力範囲まで加圧して保持する加圧手段と、前記加圧手段によって加圧状態を保持した後に、前記バイオマス粉砕物を冷却する冷却手段と、前記バイオマス粉砕物を前記加熱手段で加熱する区域の出口端の中心部の温度を測定する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に応じて前記熱硬化反応の反応終点を判断し、前記反応終点の判断結果に基づいて前記加熱手段による加熱から前記冷却手段による冷却へ移行するタイミングを調節する調節手段とを備えることを特徴とする。
温度検出手段は特に限定されるものではなく、温度が検知できれば何でもよく、例えば放射温度計、熱電対などが利用できる。
光合成を起因とするバイオマス原料を粉砕する粉砕手段と、前記バイオマス原料を前記粉砕手段によって粉砕して得られるバイオマス粉砕物を、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解して接着効果を発現する温度範囲まで加熱する加熱手段と、前記加熱手段によって加熱した状態で、前記バイオマス粉砕物を、前記バイオマス粉砕物中のリグニンが熱硬化反応を発現する圧力範囲まで加圧して保持する加圧手段と、前記加圧手段によって加圧状態を保持した後に、前記バイオマス粉砕物を冷却する冷却手段と、前記バイオマス粉砕物を前記加熱手段で加熱する区域の出口端の中心部の温度を測定する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に応じて前記熱硬化反応の反応終点を判断し、前記反応終点の判断結果に基づいて前記加熱手段による加熱から前記冷却手段による冷却へ移行するタイミングを調節する調節手段とを備えることを特徴とする。
温度検出手段は特に限定されるものではなく、温度が検知できれば何でもよく、例えば放射温度計、熱電対などが利用できる。
このとき、過剰なプロセスエネルギーを必要とせず、バイオコークスを得るためには、加熱手段における温度条件を１１５〜２３０℃、加圧手段における圧力条件を８〜２５ＭＰａとすることが好ましく、加熱温度条件を１８０〜２３０℃、加圧圧力条件を１２〜１９ＭＰａとすることがさらに好ましい。この加熱温度及び加圧圧力条件を一定時間保持することでバイオコークスを得ることができる。この加熱温度及び加圧圧力の保持は、前記温度検出手段の温度検出結果によって反応終点を判断し、反応終点に達する以降まで維持する。
さらに、前記加圧手段は、前記バイオマス粉砕物を投入するピストン式押出装置を有し、前記加熱手段及び冷却手段をピストン式押出装置の押出上流から順に設け、前記温度検出手段を加熱手段の最下流に設け、前記調節手段は、前記ピストン式押出装置の押出速度を調節することにより前記タイミングを調節することを特徴とする。
また、充填容器であって、前記充填容器を貫通する複数の充填部を有する充填容器と、前記充填容器の充填部に、前記バイオマス粉砕物を充填する充填手段とを更に備え、
前記加圧手段は、前記充填容器の複数の充填部に充填されたバイオマス粉砕物を押し出して、前記充填部に充填された前記バイオマス粉砕物が押し出される方向に設けた前記加熱手段及び冷却手段へ順に移動させ、前記温度検出手段を前記バイオマス粉砕物が押し出される方向にて前記加熱手段の最下流に設け、前記調節手段は、前記充填手段による前記バイオマス粉砕物の押し出し速度を調節することにより前記タイミングを調節することを特徴とする。
前記加圧手段は、前記充填容器の複数の充填部に充填されたバイオマス粉砕物を押し出して、前記充填部に充填された前記バイオマス粉砕物が押し出される方向に設けた前記加熱手段及び冷却手段へ順に移動させ、前記温度検出手段を前記バイオマス粉砕物が押し出される方向にて前記加熱手段の最下流に設け、前記調節手段は、前記充填手段による前記バイオマス粉砕物の押し出し速度を調節することにより前記タイミングを調節することを特徴とする。
また、円状に配置される複数の反応容器であって、前記加圧手段、前記加熱手段、前記冷却手段、及び、前記冷却手段によって冷却された後の内容物を排出する排出手段を有する反応容器に、前記バイオマス粉砕物を充填する充填手段と、前記複数の反応容器を円状の経路に沿って回転させる回転手段とを更に備え、前記回転手段によって前記複数の反応容器を回転させながら、前記反応容器が１周する前に、前記充填手段による充填、前記加熱手段による加熱、前記加圧手段による加圧、前記冷却手段による冷却、及び、前記排出手段よる排出を行うようにしたことを特徴とする。
さらにまた、反応容器に前記バイオマス粉砕物を充填する充填手段を更に備え、前記加熱手段及び前記冷却手段は、前記反応容器に設けられ、熱媒及び冷媒の何れも流通させることのできるジャケットを有し、前記加圧手段は、前記反応容器内の前記バイオマス粉砕物を加圧するピストンを有し、前記温度検出手段は、前記ピストンから最も遠くなる前記反応容器の端に設けられ、前記調節手段は、前記ジャケットの流通媒体を前記熱媒から前記冷媒へ切り替えることにより前記タイミングを調節することを特徴とする。
また、上記課題を解決するため本発明のバイオコークス製造方法は、
光合成を起因とするバイオマス原料を粉砕する粉砕し、
前記バイオマス原料を粉砕して得られるバイオマス粉砕物を、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解して接着効果を発現する温度範囲まで加熱する加熱するとともに、前記バイオマス粉砕物中のリグニンが熱硬化反応を発現する圧力範囲まで加圧し、
加圧状態を保持した後に、前記バイオマス粉砕物を冷却するバイオコークス製造方法において、
前記バイオマス粉砕物を加熱する区域の出口端の中心部の温度を測定し、
前記温度測定の検出結果に応じて前記熱硬化反応の反応終点を判断し、前記反応終点の判断結果に基づいて加熱から冷却へ移行するタイミングを調節することを特徴とする。
また、上記課題を解決するため本発明のバイオコークス製造方法は、
光合成を起因とするバイオマス原料を粉砕する粉砕し、
前記バイオマス原料を粉砕して得られるバイオマス粉砕物を、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解して接着効果を発現する温度範囲まで加熱する加熱するとともに、前記バイオマス粉砕物中のリグニンが熱硬化反応を発現する圧力範囲まで加圧し、
加圧状態を保持した後に、前記バイオマス粉砕物を冷却するバイオコークス製造方法において、
前記バイオマス粉砕物を加熱する区域の出口端の中心部の温度を測定し、
前記温度測定の検出結果に応じて前記熱硬化反応の反応終点を判断し、前記反応終点の判断結果に基づいて加熱から冷却へ移行するタイミングを調節することを特徴とする。
本発明のバイオコークス製造装置を用いることによって、最高圧縮強度６０〜２００ＭＰａ、発熱量１８〜２３ＭＪ／ｋｇ及びかさ比重１．４程度であり、石炭コークスの代替燃料として利用可能であるバイオコークスを製造することができる。
また、前記加熱手段で加熱し、加圧手段で加圧した状態の保持時間が短いと、反応が完全に終了せずに製造されるバイオコークスの強度が不充分なものとなって製品品質に課題が残り、一方前記保持時間が長いと、反応は終了するため製品品質には課題は残らないもののバイオコークスを製造するための生産時間が必要以上に長くなるが、
前記加熱手段で加熱している区域の出口端に温度検出手段を備え、該温度検出結果に応じて反応終点を判断し加熱から冷却への移行するタイミングを調節することで、反応が完全に終了するまで前記加熱・加圧状態を保持できるため品質の安定したバイオコークスを製造することができ、また反応終点を判断して冷却へ移行することで加熱・加圧状態を保持する時間を最小限に押えることができる。
前記加熱手段で加熱している区域の出口端に温度検出手段を備え、該温度検出結果に応じて反応終点を判断し加熱から冷却への移行するタイミングを調節することで、反応が完全に終了するまで前記加熱・加圧状態を保持できるため品質の安定したバイオコークスを製造することができ、また反応終点を判断して冷却へ移行することで加熱・加圧状態を保持する時間を最小限に押えることができる。
本発明に係るバイオコークス製造装置及び方法において用いる原料のバイオマスは、光合成に起因するバイオマス原料であればよく、例えば木質類、草本類、農作物類、厨芥類等のバイオマスを挙げることができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は、実施例１に係るバイオコークス製造装置の該略図である。
原料のバイオマスを含水率５〜１０％に調湿した後、バイオマスを粒子径が３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下になるようにミキサー等の粉砕手段によって粉砕し、受入ホッパ２３へ投入する。
バイオマスはそのままの状態では空隙が非常に大きいこと、受熱表面積が小さいため、加熱加工には適さず、均質な加工を行うために受入ホッパ２３へ投入する前に粉砕しておくことは重要である。
原料のバイオマスを含水率５〜１０％に調湿した後、バイオマスを粒子径が３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下になるようにミキサー等の粉砕手段によって粉砕し、受入ホッパ２３へ投入する。
バイオマスはそのままの状態では空隙が非常に大きいこと、受熱表面積が小さいため、加熱加工には適さず、均質な加工を行うために受入ホッパ２３へ投入する前に粉砕しておくことは重要である。
受入ホッパ２３に投入されたバイオマス原料は、スクリュー押出機２１及び２２によって、ピストン２０を備えたピストン式押出装置１０内に送られる。ピストン式押出装置１０内は加熱反応部１１、冷却部１２及び圧力調整部１３の３つの部位から構成されている。
ピストン式押出装置１０内ではピストン２０によって原料バイオマスを押し出すとともに、圧力調整部１３に設けた油圧シリンダ２５の圧力をＰＩＣ２４によって押出ピストン１８のトルクをコントロールして８〜２５ＭＰａ、より好ましくは１２〜１９ＭＰａとなるように調節している。
ピストン式押出装置１０内ではピストン２０によって原料バイオマスを押し出すとともに、圧力調整部１３に設けた油圧シリンダ２５の圧力をＰＩＣ２４によって押出ピストン１８のトルクをコントロールして８〜２５ＭＰａ、より好ましくは１２〜１９ＭＰａとなるように調節している。
ピストン式押出装置１０に送られたバイオマス原料は、まず加熱反応部１１に入る。加熱反応部では１１５〜２３０℃、より好ましくは１８０〜２３０℃にバイオマス原料を加熱する。本実施例においては加熱反応部１１における加熱は、電気ヒータ１４を用いて加熱反応部１１のシリンダ外表面が１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）となるようにＴＩＣ１６で熱源１５を調節しているが、加熱反応部１１の外表面を１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）に加熱することができればどのような方法でもよく、例えば加熱反応部１１のシリンダを１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）に温度調整されたオイルバス内を通す、加熱反応部１１のシリンダ外周にジャケットを設け、ジャケットに１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）に温度調整された熱媒（例えばシリコンオイル、スチーム、高圧加熱水）を流通させる、といった方法でもよい。
つまり、加熱反応部１１では、１１５〜２３０℃、８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１８０〜２３０℃、１２〜１９ＭＰａ）の条件でバイオマスの加熱及び加圧成型が行われている。
つまり、加熱反応部１１では、１１５〜２３０℃、８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１８０〜２３０℃、１２〜１９ＭＰａ）の条件でバイオマスの加熱及び加圧成型が行われている。
前記条件で加熱・加圧成型を行うことにより、高硬度かつ高発熱量を有するバイオコークスを得ることができる。これは、１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）の温度条件で加熱を行うことにより、バイオマス原料の主成分の１つであるヘミセルロースが熱分解し、ピストン式押出装置１０内に発生する過剰水蒸気によりリグニンがその骨格を保持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、より硬度が増すことに起因している。
さらに本発明に特徴的な構成として、加熱反応部１１出口端に赤外放射温度計１９を設け、加熱反応部１１出口端であり且つシリンダ中心部の温度を測定できるようにし、この位置の温度結果に応じてピストン２０の押し出し速度を調整することができるようにしている。このことで、加熱反応部１１の滞留時間、すなわち加熱及び加圧された状態の保持時間の最適化が可能となり、生産性の向上に繋がるとともに、安定した品質の製品ができる。
加熱反応部１１で加熱・加圧成型を行った後、前記ピストン２０により加熱反応部１１で製造されたバイオコークスを押し出し、冷却部１２に移動させる。冷却部１２では４０〜５０℃以下にバイオマス原料を冷却する。冷却部１２における冷却は、本実施例においては、送風機１７を用いて風冷しているが、冷却部１２の外表面を４０〜５０℃以下に冷却することができればどのような方法でもよく、例えば冷却部１２のシリンダ外周にジャケットを設け、ジャケットに４０〜５０℃に温度調整された冷媒を流通させる、といった方法でもよい。冷却温度はこの温度よりも冷却温度が高いとヘミセルロースによる接着効果が低下し、硬度の低下の原因となる。
また、冷却時間は３０〜６０分程度かけることが好ましい。急速に冷却すると製造されたバイオコークス表面にひび割れ等が生じ、硬度の低下の原因となるからである。
また、冷却時間は３０〜６０分程度かけることが好ましい。急速に冷却すると製造されたバイオコークス表面にひび割れ等が生じ、硬度の低下の原因となるからである。
冷却部１２で冷却を行った後、前記ピストン２０により冷却部１２で冷却されたバイオコークスは圧力調整部１３を経て、ピストン式押出装置１０の出口端に設けたカッター２６で必要な大きさに切断されてバイオコークス製品となる。
図２は、実施例２に係るバイオコークス製造装置の該略図である。
バイオマスを含水率５〜１０％に調湿した後、バイオマスを粒子径が３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下になるようにミキサー等の粉砕手段によって粉砕し、受入ホッパ３３へ投入する。
バイオマスはそのままの状態では空隙が非常に大きいこと、受熱表面積が小さいため、加熱加工には適さず、均質な加工を行うために受入ホッパ３３へ投入する前に粉砕しておくことは重要である。
バイオマスを含水率５〜１０％に調湿した後、バイオマスを粒子径が３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下になるようにミキサー等の粉砕手段によって粉砕し、受入ホッパ３３へ投入する。
バイオマスはそのままの状態では空隙が非常に大きいこと、受熱表面積が小さいため、加熱加工には適さず、均質な加工を行うために受入ホッパ３３へ投入する前に粉砕しておくことは重要である。
受入ホッパ３３に投入されたバイオマス原料は、スクリュー押出機３３ａによって、原料充填カートリッジ３１の２つの充填部３１ａ及び３１ｂに充填される。本実施例においては原料充填カートリッジ３１は２つの充填部を有しているが、１つの原料充填カートリッジが有する充填部の個数は特に限定されない。原料を充填された原料充填カートリッジ３１は２つのマルチピストン３２及び３４を有するマルチ油圧システムへセットされる。
マルチ油圧システム内は２つのマルチピストン３２及び３４のうちマルチピストン３４を固定し、マルチピストン３２を移動させることによって、マルチピストン３２に設けたシリンダ３２ａ、３２ｂでそれぞれ前記原料充填カートリッジ３１の２つの充填部３１ａ、３１ｂに充填された原料バイオマスを押し出すことができるように構成されている。そして、入口側のマルチピストン３２の圧力を８〜２５ＭＰａ、より好ましくは１２〜１９ＭＰａとなるようにＰＩＣ４３で調整し、さらにマルチ油圧システム中のバイオマス原料を押し出す際には出口側のマルチピストン３４と入口側のマルチピストンの差圧が０．１〜１．０ＭＰａであり、入口側のマルチピストン３２の圧力よりも出口側のマルチピストンの圧力が低くなるように出口側のマルチピストンの圧力をＰＩＣ４２及びΔＰＩＣ４４で調節し、マルチ油圧システム中のバイオマス原料を押し出さずに滞留させるときには出口側のマルチピストン３４と入口側のマルチピストン３２の差圧が０となるように出口側のマルチピストンの圧力をＰＩＣ４２及びΔＰＩＣ４４で調節する。
マルチ油圧システム内は２つのマルチピストン３２及び３４のうちマルチピストン３４を固定し、マルチピストン３２を移動させることによって、マルチピストン３２に設けたシリンダ３２ａ、３２ｂでそれぞれ前記原料充填カートリッジ３１の２つの充填部３１ａ、３１ｂに充填された原料バイオマスを押し出すことができるように構成されている。そして、入口側のマルチピストン３２の圧力を８〜２５ＭＰａ、より好ましくは１２〜１９ＭＰａとなるようにＰＩＣ４３で調整し、さらにマルチ油圧システム中のバイオマス原料を押し出す際には出口側のマルチピストン３４と入口側のマルチピストンの差圧が０．１〜１．０ＭＰａであり、入口側のマルチピストン３２の圧力よりも出口側のマルチピストンの圧力が低くなるように出口側のマルチピストンの圧力をＰＩＣ４２及びΔＰＩＣ４４で調節し、マルチ油圧システム中のバイオマス原料を押し出さずに滞留させるときには出口側のマルチピストン３４と入口側のマルチピストン３２の差圧が０となるように出口側のマルチピストンの圧力をＰＩＣ４２及びΔＰＩＣ４４で調節する。
原料カートリッジ３１の充填部３１ａ及び３１ｂに充填されたバイオマス原料は、それぞれ前記シリンダ３２ａ及び３２ｂで押し出され、まずオイルバス３５内の通路に入る。オイルバス３５では１１５〜２３０℃、より好ましくは１８０〜２３０℃にバイオマス原料を加熱する。オイルバス３５内のオイルの温度の調整は、オイルバス３５のオイルを連続的にオイル加温槽３６へ抜き出し、オイル加温槽内の温度が１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）となるようにＴＩＣ３７によってオイル加温槽３６内を加温するヒータ３９の熱源３８を調整して行っている。本実施例においてはオイルバスを用いて１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）となるように調節しているが、１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）に加熱することができればどのような方法でもよい。
つまり、オイルバス３５内の通路では、１１５〜２３０℃、８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１８０〜２３０℃、１２〜１９ＭＰａ）の条件でバイオマスの加熱及び加圧成型が行われている。
つまり、オイルバス３５内の通路では、１１５〜２３０℃、８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１８０〜２３０℃、１２〜１９ＭＰａ）の条件でバイオマスの加熱及び加圧成型が行われている。
前記条件で加熱・加圧成型を行うことにより、高硬度かつ高発熱量を有するバイオコークスを得ることができる。これは、１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）の温度条件で加熱を行うことにより、バイオマス原料の主成分の１つであるヘミセルロースが熱分解し、通路内に発生する過剰水蒸気によりリグニンがその骨格を保持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、より硬度が増すことに起因している。
さらに本発明に特徴的な構成として、オイルバス３５部分の出口端に温度検出端を設け、オイルバス３５部出口端であり且つバイオマス通路中心部の温度を測定できるようにし、この位置の温度結果に応じて出口側のマルチピストン３４と入口側のマルチピストン３２の差圧を調整して押し出し速度を調整することで、オイルバス３５部分の滞留時間を最適化することが可能となり、生産性の向上に繋がるとともに、安定した品質の製品ができる。
オイルバス３５内の通路で加熱・加圧成型を行った後、前記ピストン３２及び３４により製造されたバイオコークスを押し出し、送風機４１により冷却される部分に移動させる。送風機４１で４０〜５０℃以下にバイオマス原料を冷却する。本実施例においては、送風機４１を用いて風冷しているが、４０〜５０℃以下に冷却することができればどのような方法でもよい。冷却温度はこの温度よりも冷却温度が高いとヘミセルロースによる接着効果が低下し、硬度の低下の原因となる。
また、冷却時間は３０〜６０分程度かけることが好ましい。急速に冷却すると製造されたバイオコークス表面にひび割れ等が生じ、硬度の低下の原因となるからである。
また、冷却時間は３０〜６０分程度かけることが好ましい。急速に冷却すると製造されたバイオコークス表面にひび割れ等が生じ、硬度の低下の原因となるからである。
送風機４１で冷却された後、前記ピストン３２及び３４により押し出されてバイオコークス製品となる。
図３は、実施例３に係るバイオコークス製造装置の該略図である。
バイオマスを含水率５〜１０％に調湿した後、バイオマスを粒子径が３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下になるようにミキサー等の粉砕手段によって粉砕し、受入ホッパ５３へ投入する。また、バイオマスの種類によっては乾燥・粉砕後に調湿する物もある。
バイオマスはそのままの状態では空隙が非常に大きいこと、受熱表面積が小さいため、加熱加工には適さず、均質な加工を行うために受入ホッパ５３へ投入する前に粉砕しておくことは重要である。
バイオマスを含水率５〜１０％に調湿した後、バイオマスを粒子径が３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下になるようにミキサー等の粉砕手段によって粉砕し、受入ホッパ５３へ投入する。また、バイオマスの種類によっては乾燥・粉砕後に調湿する物もある。
バイオマスはそのままの状態では空隙が非常に大きいこと、受熱表面積が小さいため、加熱加工には適さず、均質な加工を行うために受入ホッパ５３へ投入する前に粉砕しておくことは重要である。
受入ホッパ５３に投入されたバイオマスは、圧縮成型機５２によってかさ密度０．９〜１．０の円柱状のペレットに成型される。
前記円柱状ペレットに成型されたバイオマス原料は、マジックハンド５４によって圧縮反応機５１に円形状に配置された５０個の反応容器７０のうちの１つに投入される。
図５は前記反応容器７０周辺の側面図である。前記円柱状ペレットに成型されたバイオマスは、反応容器７０内に投入され、上部油圧シリンダ７１によって８〜２５ＭＰａ、よりこのましくは１２〜１９ＭＰａに加圧・圧縮される。反応容器７０及び上部油圧シリンダ７１は、前記８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１２〜１９ＭＰａ）の加圧状態を保ったまま回転し、加熱反応工程５６に移動する。加熱反応工程５６における加熱は、反応容器７０の外部に設けたジャケット７９に媒体供給管８１ａより熱媒を連続的に供給し、媒体排出管８２ａより熱媒を連続的に排出することによって１１５℃〜２３０℃、より好ましくは１８０〜２３０℃に加熱する。ここで、ジャケット７９からの熱を反応容器内部へ伝達しやすくするため、上部シリンダ７１の下部及び反応容器７０下部に例えば銀、銅等の熱伝導率の高い金属板７７、７８を設けることが好ましい。
つまり、加熱反応工程５６では、１１５〜２３０℃、８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１８０〜２３０℃、１２〜１９ＭＰａ）の条件でバイオマスの加熱及び加圧成型が行われている。
図５は前記反応容器７０周辺の側面図である。前記円柱状ペレットに成型されたバイオマスは、反応容器７０内に投入され、上部油圧シリンダ７１によって８〜２５ＭＰａ、よりこのましくは１２〜１９ＭＰａに加圧・圧縮される。反応容器７０及び上部油圧シリンダ７１は、前記８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１２〜１９ＭＰａ）の加圧状態を保ったまま回転し、加熱反応工程５６に移動する。加熱反応工程５６における加熱は、反応容器７０の外部に設けたジャケット７９に媒体供給管８１ａより熱媒を連続的に供給し、媒体排出管８２ａより熱媒を連続的に排出することによって１１５℃〜２３０℃、より好ましくは１８０〜２３０℃に加熱する。ここで、ジャケット７９からの熱を反応容器内部へ伝達しやすくするため、上部シリンダ７１の下部及び反応容器７０下部に例えば銀、銅等の熱伝導率の高い金属板７７、７８を設けることが好ましい。
つまり、加熱反応工程５６では、１１５〜２３０℃、８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１８０〜２３０℃、１２〜１９ＭＰａ）の条件でバイオマスの加熱及び加圧成型が行われている。
前記条件で加熱・加圧成型を行うことにより、高硬度かつ高発熱量を有するバイオコークスを得ることができる。これは、１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）の温度条件で加熱を行うことにより、バイオマス原料の主成分の１つであるヘミセルロースが熱分解し、反応容器７０内に発生する過剰水蒸気によりリグニンがその骨格を保持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、より硬度が増すことに起因している。
さらに本発明に特徴的な構成として、反応容器下端に温度検出端８３を設け、反応容器下端であり且つシリンダ中心部の温度を測定できるようにし、この位置の温度結果に応じて反応容器の回転速度を最適化することにより、加熱反応部５６に反応容器７０が位置している時間の最適化が可能となり、生産性の向上に繋がる。
加熱反応工程５６で加熱・加圧成型を行った後、反応容器は前記８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１２〜１９ＭＰａ）の加圧状態を保ったままさらに回転し、冷却工程５７に移動する。なお、加熱反応工程５６と冷却工程５７の間に加熱又は冷却の何れも行わない断熱部を設けてもよい。冷却工程５７における冷却は、前記加熱反応工程５６と同様に、反応容器７０の外部に設けたジャケット７９に媒体供給管８１ａより冷媒を連続的に供給し、媒体排出管８２ａより冷媒を連続的に排出することによって４０℃〜５０℃以下に冷却する。この温度よりも冷却温度が高いとヘミセルロースによる接着効果が低下し、硬度の低下の原因となる。
また、冷却時間は３０〜６０分程度かけることが好ましい。急速に冷却すると製造されたバイオコークス表面にひび割れ等が生じ、硬度の低下の原因となるからである。
また、冷却時間は３０〜６０分程度かけることが好ましい。急速に冷却すると製造されたバイオコークス表面にひび割れ等が生じ、硬度の低下の原因となるからである。
冷却工程５７で冷却を行った後、反応容器７０はさらに回転し、製品排出コンベア５５の位置へ移動し、反応容器７０の下部を開け、上部油圧シリンダ７１によって反応容器７０の下部に位置する製品排出コンベア５５へ製造された円柱ペレット状のバイオコークスを押し出して排出し、製品排出コンベア５５によって荷造り・出荷等の後工程へ排出される。
図４は、実施例４に係るバイオコークス製造装置の該略図である。
バイオマスを含水率５〜１０％に調湿した後、バイオマスを粒子径が３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下になるようにミキサー等の粉砕手段によって粉砕し、受入ホッパ６１へ投入する。
バイオマスはそのままの状態では空隙が非常に大きいこと、受熱表面積が小さいため、加熱加工には適さず、均質な加工を行うために受入ホッパ６１へ投入する前に粉砕しておくことは重要である。
バイオマスを含水率５〜１０％に調湿した後、バイオマスを粒子径が３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下になるようにミキサー等の粉砕手段によって粉砕し、受入ホッパ６１へ投入する。
バイオマスはそのままの状態では空隙が非常に大きいこと、受熱表面積が小さいため、加熱加工には適さず、均質な加工を行うために受入ホッパ６１へ投入する前に粉砕しておくことは重要である。
受入ホッパ６１に投入されたバイオマス原料は、搬送路６４上を移動し、原料投入口６２より反応容器７０へ投入される。搬送路６４はバイオマス原料が外部に露出しないように密閉系のパイプ状コンベアとすることが好ましい。
反応容器については前記実施例３と同じものを用いるので、図５を用いて説明する。
反応容器７０へバイオマス原料を投入する場合、まず上部ゲート７６ｂを開放する。まず上部ゲート７６ｂを開け、搬送路６４から原料投入口６２を通してバイオマス粉砕物を原料投入容器７３に、バイオマス粉砕物の位置を検出する位置検出センサ７４の位置まで投入する。その後上部ゲート７６ｂを閉じ、下部ゲート７６を開放することで一定量のバイオマス粉砕物を反応容器に充填することができる。
反応容器については前記実施例３と同じものを用いるので、図５を用いて説明する。
反応容器７０へバイオマス原料を投入する場合、まず上部ゲート７６ｂを開放する。まず上部ゲート７６ｂを開け、搬送路６４から原料投入口６２を通してバイオマス粉砕物を原料投入容器７３に、バイオマス粉砕物の位置を検出する位置検出センサ７４の位置まで投入する。その後上部ゲート７６ｂを閉じ、下部ゲート７６を開放することで一定量のバイオマス粉砕物を反応容器に充填することができる。
反応容器７０内に投入されたバイオマス原料は、上部油圧シリンダ７１によって８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１２〜１９ＭＰａ）に加圧・圧縮される。反応容器７０及び上部油圧シリンダ７１は、前記８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１２〜１９ＭＰａ）の加圧状態を保ったまま、反応容器７０の外部に設けたジャケット７９に媒体供給管８１ａより熱媒を連続的に供給し、媒体排出管８２ａより熱媒を連続的に排出することによって１１５℃〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）に加熱する。ここで、ジャケット７９からの熱を反応容器内部へ伝達しやすくするため、上部シリンダ７１の下部及び反応容器７０下部に例えば銀、銅等の熱伝導率の高い金属板７７、７８を設けることが好ましい。
つまり、加熱反応工程５６では、１１５〜２３０℃、８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１８０〜２３０℃、１２〜１９ＭＰａ）の条件でバイオマスの加熱及び加圧成型が行われている。
つまり、加熱反応工程５６では、１１５〜２３０℃、８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１８０〜２３０℃、１２〜１９ＭＰａ）の条件でバイオマスの加熱及び加圧成型が行われている。
前記条件で加熱・加圧成型を行うことにより、高硬度かつ高発熱量を有するバイオコークスを得ることができる。これは、１１５〜２３０℃（より好ましくは１８０〜２３０℃）の温度条件で加熱を行うことにより、バイオマス原料の主成分の１つであるヘミセルロースが熱分解し、反応容器７０内に発生する過剰水蒸気によりリグニンがその骨格を保持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、より硬度が増すことに起因している。
さらに本発明に特徴的な構成として、反応容器下端に温度検出端８３を設け、反応容器下端であり且つシリンダ中心部の温度を測定できるようにし、この位置の温度結果に応じて反応容器の回転速度を最適化することにより、加熱時間の最適化が可能となり、生産性の向上に繋がる。
加熱・加圧成型を行った後、反応容器は前記８〜２５ＭＰａ（より好ましくは１２〜１９ＭＰａ）の加圧状態を保ったまま前記ジャケット内の熱媒を全て冷媒に入れ替えて４０℃〜５０℃以下に冷却する。この温度よりも冷却温度が高いとヘミセルロースによる接着効果が低下し、硬度の低下の原因となる。
また、冷却時間は３０〜６０分程度かけることが好ましい。急速に冷却すると製造されたバイオコークス表面にひび割れ等が生じ、硬度の低下の原因となるからである。
また、冷却時間は３０〜６０分程度かけることが好ましい。急速に冷却すると製造されたバイオコークス表面にひび割れ等が生じ、硬度の低下の原因となるからである。
冷却を行った後、反応容器７０の下部を開け、上部油圧シリンダ７１によって反応容器７０の下部に円柱ペレット状のバイオコークスを押し出して排出し、製品となる。
本発明により、石炭コークス代替燃料となる安定した品質のバイオコークスを短時間で製造する装置及びその方法として好適に利用することができる。
１０ ピストン式押出装置
１１ 加熱反応部
１２ 冷却部
１３ 圧力調整部
１９ 赤外放射温度計
３１ 原料充填カートリッジ
３１ａ 充填部
３３ａ スクリュー押出機
３２、３４ マルチピストン
３５ オイルバス
４１ 送風機
５６ 加熱反応部
５７ 冷却部
７０ 反応容器
７１ 上部油圧シリンダ
７９ ジャケット
８３ 温度検出端
１１ 加熱反応部
１２ 冷却部
１３ 圧力調整部
１９ 赤外放射温度計
３１ 原料充填カートリッジ
３１ａ 充填部
３３ａ スクリュー押出機
３２、３４ マルチピストン
３５ オイルバス
４１ 送風機
５６ 加熱反応部
５７ 冷却部
７０ 反応容器
７１ 上部油圧シリンダ
７９ ジャケット
８３ 温度検出端
Claims (6)
- 光合成を起因とするバイオマス原料を粉砕する粉砕手段と、
前記バイオマス原料を前記粉砕手段によって粉砕して得られるバイオマス粉砕物を、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解して接着効果を発現する温度範囲まで加熱する加熱手段と、
前記加熱手段によって加熱した状態で、前記バイオマス粉砕物を、前記バイオマス粉砕物中のリグニンが熱硬化反応を発現する圧力範囲まで加圧して保持する加圧手段と、
前記加圧手段によって加圧状態を保持した後に、前記バイオマス粉砕物を冷却する冷却手段と、
前記バイオマス粉砕物を前記加熱手段で加熱する区域の出口端の中心部の温度を測定する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出結果に応じて前記熱硬化反応の反応終点を判断し、前記反応終点の判断結果に基づいて前記加熱手段による加熱から前記冷却手段による冷却へ移行するタイミングを調節する調節手段と
を備えることを特徴とするバイオコークス製造装置。 - 前記加圧手段は、前記バイオマス粉砕物を投入するピストン式押出装置を有し、
前記加熱手段及び冷却手段を前記ピストン式押出装置の押出上流から順に設け、
前記温度検出手段を前記加熱手段の最下流に設け、
前記調節手段は、前記ピストン式押出装置の押出速度を調節することにより前記タイミングを調節することを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。 - 充填容器であって、前記充填容器を貫通する複数の充填部を有する充填容器と、
前記充填容器の充填部に、前記バイオマス粉砕物を充填する充填手段と、
前記加圧手段は、前記充填容器の複数の充填部に充填された前記バイオマス粉砕物を押し出して、前記充填部に充填された前記バイオマス粉砕物が押し出される方向に設けた前記加熱手段及び冷却手段へ順に移動させ、
前記温度検出手段を前記バイオマス粉砕物が押し出される方向にて前記加熱手段の最下流に設け、
前記調節手段は、前記充填手段による前記バイオマス粉砕物の押し出し速度を調節することにより前記タイミングを調節することを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。 - 円状に配置される複数の反応容器であって、前記加圧手段、前記加熱手段、前記冷却手段、及び、前記冷却手段によって冷却された後の内容物を排出する排出手段を有する反応容器に、前記バイオマス粉砕物を充填する充填手段と、
前記複数の反応容器を円状の経路に沿って回転させる回転手段とを更に備え、
前記回転手段によって前記複数の反応容器を回転させながら、前記反応容器が１周する前に、前記充填手段による充填、前記加熱手段による加熱、前記加圧手段による加圧、前記冷却手段による冷却、及び、前記排出手段による排出を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。 - 反応容器に前記バイオマス粉砕物を充填する充填手段を更に備え、
前記加熱手段及び前記冷却手段は、前記反応容器に設けられ、熱媒及び冷媒の何れも流通させることのできるジャケットを有し、
前記加圧手段は、前記反応容器内の前記バイオマス粉砕物を加圧するピストンを有し、
前記温度検出手段は、前記ピストンから最も遠くなる前記反応容器の端に設けられ、
前記調節手段は、前記ジャケットの流通媒体を前記熱媒から前記冷媒へ切り替えることにより前記タイミングを調節することを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。 - 光合成を起因とするバイオマス原料を粉砕する粉砕し、
前記バイオマス原料を粉砕して得られるバイオマス粉砕物を、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解して接着効果を発現する温度範囲まで加熱する加熱するとともに、前記バイオマス粉砕物中のリグニンが熱硬化反応を発現する圧力範囲まで加圧し、
加圧状態を保持した後に、前記バイオマス粉砕物を冷却するバイオコークス製造方法において、
前記バイオマス粉砕物を加熱する区域の出口端の中心部の温度を測定し、
前記温度測定の検出結果に応じて前記熱硬化反応の反応終点を判断し、前記反応終点の判断結果に基づいて加熱から冷却へ移行するタイミングを調節することを特徴とするバイオコークス製造方法。
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