JP5283663B2 - バイオマスの脱水装置及び脱水方法 - Google Patents

Description

本発明は、洗浄後のバイオマス原料を脱水する装置及び方法に関するものである。

バガス、麦わら、稲わら、パーム残渣等のバイオマスは、家畜飼料として利用されるほか、アルコール等の工業原料としても使用される。現地で得られるこれらのバイオマス原料には砂利等の異物が多く混入しており、機器の摩耗防止のため、処理工程の初期において洗浄により異物が除去される。バイオマス原料の洗浄は、通常、バイオマスに水を加えて撹拌し、砂利等を含む繊維質の絡まりをほぐすことによって行われる。大量の水分を含む洗浄後のバイオマスは、後の工程の前にその水分を減じるために脱水を行う必要がある。

従来、バイオマスの脱水は、スクリーン、トロンメル等によって行われてきた。しかし、スクリーン、トロンメルの目が粗ければ、原料として有用なピスも濾液と共に排出されてしまい、バイオマスの収率が低下する、という問題があった。また、目を細かくすると、繊維質による閉塞を起こしやすく、別途閉塞除去手段を設けるか、定期的に濾材の交換・洗浄を行う必要があった。

特許文献１には、スクリュー型脱水機において、回転スクリーンの内部に設置されたスクリューのブレードがスクリーン内壁に接触する構造となっており、スクリーンよりスクリューが高速で回転することにより、ブレードがスクレーピング効果を奏し、スクリーンのパルプによる閉塞を解消する、というセルフクリーニング機能を有するパルプの脱水機が記載されている。しかし、このような脱水機を使用すると、ブレードとスクリーンの接触により摩耗が生じやすく、ブレードまたはスクリーンの頻回の交換を要する、という問題が想定される。

特開２０００−５００１８９号公報

発明が解決しようとする主たる課題は、繊維質による濾材の閉塞の影響を受けることなく、効率的にバイオマスの脱水を行う脱水装置及び方法を提供することにある。

この課題を解決した本発明は、次のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
半円状断面の底面を有する脱水処理槽と、前記底面内部に近接するスクリューとを備えたバイオマスの脱水装置であって、
前記脱水処理槽の底面に濾材からなる脱水濾過部が形成され、
前記スクリューのブレードの周縁より凹む複数の切欠または前記周縁より突出する複数の突起が形成され、かつ、前記切欠内又は突起間内にバイオマスが入り込むように構成され、
前記切欠に対するブレードの周縁または前記突起の先端と前記脱水濾過部との間に隙間が設けられ、
前記脱水処理槽の一方端部より供給されたバイオマスが、スクリューの回転により他方端部より排出されるとともに、脱水処理されるように構成された、
ことを特徴とするバイオマスの脱水装置。

（作用効果）
バイオマス脱水装置としてスクリュー型脱水装置を使用することにより、バイオマスの脱水と同時に運搬をすることが可能であり、かつ連続的な運転が可能である。スクリュー型脱水装置は、脱水処理槽の底面を半円状とし、底面がスクリューブレードに近接する構成とする。

本発明は、スクリューブレードに切欠または突起を設ける構成とした。このような脱水装置にバイオマスを投入し、スクリューを回転させることで、前記切欠または突起の間にバイオマスの繊維質が入り込み、残存する。運転を継続することで、ブレード周縁部に残存するバイオマスが、ブレードの回転と共に、脱水処理槽底面を擦るようになる。脱水処理槽底面にパンチングメタル、ウェッジワイヤー等の脱水濾過部を配することで、脱水濾過部のスクリューブレードに近接する部分は、スクリューの回転により常にバイオマスの繊維質が接触し、当該部分に付着した閉塞の要因となる繊維質を擦りとるように濾材から取り除くことができる。

ブレードを脱水濾過部に接触させて脱水濾過部の閉塞を取り除く方法は特許文献１にも開示されているが、この方法では、ブレード自体を脱水濾過部に積極的に接触させる構成であるため、ブレード周縁部や脱水濾過部の摩耗が生じやすい。本発明において、スクリュー部分の脱水濾過部に接触する部分の多くは、柔軟なバイオマスが入り込んだ部分であり、硬質の素材と比して脱水濾過部の摩耗による損傷を小さくすることが可能である。ブレード周縁部に形成されたバイオマスの塊が脱水濾過部との摩擦により崩壊しても、新たにバイオマスが入り込んで塊を形成するため、部材の交換等を要するものではない。また、繊維質で脱水濾過部を擦りとることにより、ブレード自体で擦りとるよりも高い閉塞物の除去効果を奏することが可能である。
本発明は、このように、セルフクリーニング機能を有する脱水装置を提供するものである。

＜請求項２記載の発明＞
前記切欠に対するブレードの周縁または前記突起の先端と前記脱水濾過部との間の隙間が２．０〜３．０ｍｍである請求項１記載のバイオマス脱水装置。

＜請求項３記載の発明＞
前記脱水処理槽が傾斜しており、傾斜下端部よりバイオマスを供給し、傾斜上端部よりバイオマスを排出するように構成された、請求項１または２記載のバイオマス脱水装置。

（作用効果）
スクリュー型脱水装置の多くは横型であり、重力により水分を装置下部に落下させるとともに、スクリューの回転により材料を圧縮させることにより、材料の脱水を行う。しかし、本発明における脱水材料であるバイオマスは比重が低く、横型の脱水装置では脱水処理槽内上方に偏在してしまい、スクリューによる脱水及び圧縮が効率よく行われにくい。脱水処理槽を傾斜させ、下方から上方へバイオマスを送ることにより、脱水効率を向上させることができる。

＜請求項４記載の発明＞
前記脱水濾過部は、前記脱水処理槽の底面のスクリュー近接部位に部分的に配される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオマス脱水装置。

（作用効果）
通常、スクリュー型脱水装置の底部は、全面的または部分的に脱水濾過部を有するが、装置底部のスクリューブレードに近接する部分にのみ部分的に脱水濾過部を配する構成とすることで、脱水濾過部の閉塞の大部分を取り除くことが可能となる。

＜請求項５記載の発明＞
前記スクリューのブレードの切欠の半径方向の長さはスクリュー外径の２．５〜８．０％であり、切欠部分の円周方向の長さの合計は円周の２０％以上であり、切欠は等間隔に配され、切欠の数は、一周当たり４〜５０個である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオマスの脱水装置。

（作用効果）
スクリューブレードに切欠を設ける場合、その数及び大きさを本発明に規定するように構成することで、スクリューによる撹拌、搬送の能率を保持しながら、ブレード周縁部にバイオマスを効率よく入り込ませ、繊維質の塊を形成させることができる。

＜請求項６記載の発明＞
前記スクリューのブレードの突起の半径方向の長さがスクリュー外径の２．５〜８．０％であり、突起の円周方向の長さの合計は円周の２０％以上であり、突起は等間隔に配され、突起の数は、一周当たり４〜５０個である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオマスの脱水装置。

＜請求項７記載の発明＞
半円状断面の底面を有する脱水処理槽と、前記底面内部に近接するスクリューとを備えたバイオマスの脱水装置を使用するバイオマスの脱水方法であって、
前記脱水処理槽の底面に濾材からなる脱水濾過部を配し、
前記スクリューのブレードの周縁より凹む複数の切欠または前記周縁より突出する複数の突起を形成し、かつ、前記切欠内又は突起間内にバイオマスが入り込むように構成し、
前記スクリューブレードの周縁と前記脱水濾過部との間に隙間を設け、
前記脱水処理槽の一方端部よりバイオマスを供給し、スクリューの回転により他方端部より排出することにより脱水処理を行い、
前記脱水処理過程で、前記切欠内または前記突起間内にバイオマスを入り込ませ、前記脱水濾過部の付着物を擦りとることを特徴とするバイオマスの脱水方法。

本発明によれば、セルフクリーニング機能を奏することで、繊維質による濾材の閉塞の影響を受けることなく、効率的にバイオマスの脱水を行うことが可能な装置、及び当該装置を使用したバイオマスの脱水方法を提供することが可能である。

バイオマス処理工程のフロー図である。 本発明に係るバイオマス脱水装置の一例の正面図である。 図２の脱水装置の底部濾過溝の底面図である。 図２の脱水装置の底部濾過溝の正面図である。 図２の横断面図である。 図５の破線囲繞部Ｂの拡大図である。 図６の他の形態例である。（Ａ）切欠部が矩形状の形態、（Ｂ）切欠部がＶ字状の形態、（Ｃ）突起部を有する形態。 バイオマスが入り込んだ切欠部の構造の概略図である。（Ａ）切欠部斜視図、（Ｂ）切欠部正面図。

図１に、バイオマス処理工程の概略を示す。バガス等のバイオマスは、洗浄工程により、砂、小石等の異物と分離され、脱水工程により洗浄工程で添加された水分の多くが除去される。脱水後のバイオマスは、スクリューフィーダー、ピストンフィーダー等の輸送手段で輸送され、糖化工程に供される。糖化工程では、バイオマスの主成分であるセルロース等の加水分解による糖化、または酵素糖化が行われる。糖化された原料は、さらに発酵によりエタノール等の有機燃料や有機酸等に加工される。本発明は、上記工程のうち、バイオマスの脱水工程に係る装置及び方法に関するものである。

本発明におけるバイオマスとは、バガス、麦わら、稲わら、パーム残渣、コーンストーバー、パーム椰子残渣、キャッサバ残渣、木片、木質廃材、ジュート、ケナフ、古紙等のソフトバイオマスを指すものとする。具体的には、表１に示す性質のバイオマスについて、特に好適に本発明を適用することができる。

図２に本発明に係るバイオマス脱水装置の一例を示す。図２中の実線矢印はバイオマスの流れ、破線矢印は水の流れを示す。バイオマス脱水装置１の脱水処理槽１１は、水平方向より１０〜４５度、より好適には１５〜３５度傾斜させることが好ましい。洗浄後のバイオマスは、傾斜した脱水処理槽の下方端部に設けられた投入口１２より、脱水処理槽１１に投入される。

脱水処理槽１１の底部には、半円状の断面を有する底部濾過溝１３が配される。スクリューシャフト１５が脱水処理槽１１の長手方向にほぼ平行になるように、スクリュー１４が脱水処理槽１１に配される。投入されたバイオマスは、駆動ローラ１７を介したスクリューシャフト１５及びスクリューブレード１６の回転により脱水されながら脱水処理槽１１の上方端部まで移動し、排出口１８より排出され、次工程に供される。一方、バイオマスに含まれる水分は、重力により底部濾過溝１３を通過して下部カバー１９内に落下し、排水ドレイン２０より排出される。

底部濾過溝１３の底面図を図３に、正面図を図４に示す。底部濾過溝１３の素材としては、ステンレス鋼などの十分な剛性を有する金属材料の使用が好ましい。底部濾過溝１３は、その全面を脱水濾過部としてもよく、またスクリューブレードの近接部分に部分的に脱水濾過部３１を配してもよい。具体的には、図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示すような、底部濾過溝１３の幅方向中央部分にのみ脱水濾過部３１を設ける形態、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すような、始端側にのみ脱水濾過部３１を設ける形態等とすることができる。

脱水濾過部３１は、多数の孔を配してパンチングメタルとするか、もしくは、当該部分にウェッジワイヤー、ワイヤーメッシュ等の公知の濾材を取り付けることができる。濾材としては、バイオマスの摩擦に対する強度を要するため、特にパンチングメタルまたはウェッジワイヤーの使用が好ましい。脱水濾過部をパンチングメタルとする場合、その孔径は０．５〜３．０ｍｍ、特に１．０〜２．０ｍｍとすることが好ましい。また、ウェッジワイヤーを取り付ける場合には、ワイヤーの素材はステンレス鋼などの十分な剛性を有する金属材料とし、スロットサイズを０．５〜３．０ｍｍ、特に１．０〜２．０ｍｍとすることが好ましい。

図５に脱水処理機１の横断面図を示す。さらに、スクリュー１４及び底部濾過溝１３を含む破線囲繞部Ｂの拡大図を図６に示す。半円状の断面を有する底部濾過溝１３の半円のほぼ中心に、スクリューシャフト１５の回転軸が位置するように、スクリュー１４が設置される。スクリューブレード１６の周縁末端（周縁に突起を設ける場合は突起頂点）と底部濾過溝１３との距離ｄは、２．０〜３．０ｍｍ程度とするのが好ましい。

図示例において、スクリューブレード１６は、その周縁部に複数の半円形の切欠部６１を有する。切欠部間の間隔は、隣接する切欠部となす中心角θ１が７〜９０度、特に１５〜２０度となるようにすることが好ましい。つまり、一周当たり４〜５０個の切欠部６１を設けることが好ましい。切欠部６１のブレードの半径方向の長さｃは、ブレード外径の２．５〜８．０％、特に３．５〜６．５％とすることが好ましい。また、切欠部６１のブレード円周方向の長さｅの合計が、円周の２０％以上、特に５０％以上とすることが好ましい。切欠部６１の大きさが大きすぎればスクリュー脱水の効果を奏しにくくなり、また、小さすぎれば、バイオマスは入り込みにくく、本発明の目的たるセルフクリーニング機能を奏しにくくなる。

切欠部にバイオマスが入り込んだ状態の概略図を図８に示す。図示例のように、繊維質８０は、切欠部６１の表裏を貫通するように入り込み（図８（Ａ））、切欠部を閉塞するようにして残存する（図８（Ｂ））。図８（Ａ）において、繊維質は便宜的に実物より大幅に太く示し、断面の形状を均一なものとして示しているが、実際は細く、断面は不定形で大きさもまばらである。繊維質は、切欠部６１を閉塞するのみならず、スクリューの切欠部以外の部分と濾過溝１３との間にも詰まることがある。

スクリューブレード１６の形態の他の例を図７に示す。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、切欠部６１の形状は矩形状やＶ字状等の形状より適宜選択することができる。また、図７（Ｃ）に示すように、ブレード周縁部に突起部７１を設ける形態としてもよい。図示例における突起部７１は丸ピン状の形状を例示しているが、その形状は丸ピン状に限定されず、角柱状、錐状等の形状を適宜使用することができる。

突起部を設ける場合、突起部７１間の間隔は、隣接する突起部となす中心角θ２が７〜９０度、特に１５〜２０度となるようにすることが好ましい。つまり、一周当たり４〜５０個の突起部７１を設けることが好ましい。突起部７１の半径方向の長さはブレード外径の２．５〜８．０％、特に３．５〜６．５％とすることが好ましい。また、突起部７１のブレード円周方向の長さの合計は、円周の２０％以上、特に５０％以上とすることが好ましい。

１…バイオマス脱水装置、１１…脱水処理槽、１２…バイオマス投入口、１３…底部濾過溝、１４…スクリュー、１５…スクリューシャフト、１６…スクリューブレード、１７…駆動ローラ、１８…バイオマス排出口、１９…下部カバー、２０…排水ドレイン、３１…脱水濾過部、６１…切欠部、７１…突起部。

Claims (7)

1. 半円状断面の底面を有する脱水処理槽と、前記底面内部に近接するスクリューとを備えたバイオマスの脱水装置であって、
   前記脱水処理槽の底面に濾材からなる脱水濾過部が形成され、
   前記スクリューのブレードの周縁より凹む複数の切欠または前記周縁より突出する複数の突起が形成され、かつ、前記切欠内又は突起間内にバイオマスが入り込むように構成され、
   前記切欠に対するブレードの周縁または前記突起の先端と前記脱水濾過部との間に隙間が設けられ、
   前記脱水処理槽の一方端部より供給されたバイオマスが、スクリューの回転により他方端部より排出されるとともに、脱水処理されるように構成された、
   ことを特徴とするバイオマスの脱水装置。
2. 前記切欠に対するブレードの周縁または前記突起の先端と前記脱水濾過部との間の隙間が２．０〜３．０ｍｍである請求項１記載のバイオマス脱水装置。
3. 前記脱水処理槽が傾斜しており、傾斜下端部よりバイオマスを供給し、傾斜上端部よりバイオマスを排出するように構成された、請求項１または２記載のバイオマス脱水装置。
4. 前記脱水濾過部は、前記脱水処理槽の底面のスクリュー近接部位に部分的に配される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオマス脱水装置。
5. 前記スクリューのブレードの切欠の半径方向の長さはスクリュー外径の２．５〜８．０％であり、切欠部分の円周方向の長さの合計は円周の２０％以上であり、切欠は等間隔に配され、切欠の数は、一周当たり４〜５０個である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオマスの脱水装置。
6. 前記スクリューのブレードの突起の半径方向の長さがスクリュー外径の２．５〜８．０％であり、突起の円周方向の長さの合計は円周の２０％以上であり、突起は等間隔に配され、突起の数は、一周当たり４〜５０個である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオマスの脱水装置。
7. 半円状断面の底面を有する脱水処理槽と、前記底面内部に近接するスクリューとを備えたバイオマスの脱水装置を使用するバイオマスの脱水方法であって、
   前記脱水処理槽の底面に濾材からなる脱水濾過部を配し、
   前記スクリューのブレードの周縁より凹む複数の切欠または前記周縁より突出する複数の突起を形成し、かつ、前記切欠内又は突起間内にバイオマスが入り込むように構成し、
   前記スクリューブレードの周縁と前記脱水濾過部との間に隙間を設け、
   前記脱水処理槽の一方端部よりバイオマスを供給し、スクリューの回転により他方端部より排出することにより脱水処理を行い、
   前記脱水処理過程で、前記切欠内または前記突起間内にバイオマスを入り込ませ、前記脱水濾過部の付着物を擦りとることを特徴とするバイオマスの脱水方法。

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