JP5501644B2 - バイオマス炭の製造方法およびこれに用いるバイオマス炭の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスを炭化してバイオマス炭を製造する方法およびこれに用いるバイオマス炭の製造装置に関する。

昨今、地球温暖化防止の観点からＣＯ₂排出量削減が緊急の課題である。ＣＯ₂排出量削減の方法として、インプットの炭素量を削減する、アウトプットのＣＯ₂を回収する、従来の石炭・石油等をカーボンフリーの炭素源に代替する等の技術開発が行われている。カーボンフリーの炭素源としてはバイオマスが知られている。バイオマスとしては、建築家屋の解体で発生する木材廃棄物、製材所発生の木質系廃棄物、森林等での剪定廃棄物、農業系廃棄物などがある。その処理利用方法としては、埋立て、放置、焼却、燃料等が主なものである。また、燃料利用を目的としたバイオ燃料作物も知られている。

一方で、このようなバイオマスを熱分解して可燃性ガスや炭化物（バイオマス炭）を製造して再利用する技術も知られている。

特許文献１には、バイオマスを加熱乾留することにより得られる炭化物に対し、加熱時に発生する揮発分を循環吸収させて高発熱量炭化物を製造する方法が記載されている。この方法によれば、木炭よりも容積エネルギー密度および重量エネルギー密度の高い固形燃料が製造できるとされている。加熱生成物である有機揮発分を炭化物に還元吸収させる具体的な方法としては、揮発分と炭化物とを分離回収し、冷却して液状化した揮発分に炭化物を浸積して揮発分を吸収させる方法や、外熱式の連続炭化炉において、バイオマスを乾留し、揮発分を炭化炉の中央部から抜き出して、冷却した炭化物が炭化炉から排出される直前に揮発分を接触させ、吸着させる方法が記載されている。

特許文献２には、有機廃棄物を外熱式ロータリーキルンで熱分解して炭化物を得る固体燃料の製造方法が記載されている。また特許文献３には、有機物を燃焼用空気の非供給下で熱分解して無定形炭素（炭化物）を生成し、熱分解途上の有機物から発生する可燃性ガスと気体状のタールとを含む未処理ガスを、高温で無定形炭素に流通させて、タールをほぼ完全に熱分解してタールが除去された処理ガスを得る有機物の処理方法が記載されている。特許文献２においては熱分解炉としてロータリーキルンを用い、ロータリーキルンの出口付近で有機物の熱分解で発生したガスを炭化物に接触させてタールの分解を行なうものである。

バイオマスを乾留、あるいは熱分解して炭化物を得るためには、上記のように炭化炉が使用される。運転方式、炉の形式や形状などで、バッチ方式、連続式に分類され、ロータリーキルン方式、流動層方式等による各種の炉が炭化炉として使用されている。

また加熱方式としてはバイオマス乾留により得られる発生ガス、タールを燃焼させ、バイオマスを直接加熱する方式と、ロータリーキルン等のように間接加熱する方式がある。

特開２００３−２１３２７３号公報 特開２００８−１８４５３１号公報 特許第３７８１３７９号公報

ロータリーキルン型の炭化炉は運転が容易であり、原料の形状に制約が少ないことから、バイオマス等を炭化して炭化物を製造するために用いるのに好適である。ロータリーキルン内で内容物を加熱して炭化すると、乾留による熱分解により、炭化物の生成と同時にガス、タール等も発生する。これらのガスやタールも有効利用することは可能であるので、特許文献３に記載の技術のように、積極的にガス化を促進する場合もあるが、炭化物の製造という観点では、ガスやタールが発生することで炭化物の収率が低下することになる。特許文献３に記載のように１０００℃近い温度でタールを熱分解すると、ほとんどがガスに転化し、タールから得られる炭化物の収率はせいぜい数ｍａｓｓ％である。

炭化物であるバイオマス炭の収率を向上させるために、上記の特許文献１に記載のようにバイオマスの炭化時に発生するタールやガスを炭化物に吸収させる方法がある。特許文献１には、分離回収した揮発分を冷却した液状揮発分に、やはり分離回収した炭化物を浸積して揮発分を吸収させる方法が記載されているが、それを実現するための具体的な装置が示されていない。特に、連続的に炭化物を製造する方法においては、前記揮発分を前記炭化物に効率的に接触させることは容易ではなく、実現させるためには装置が非常に複雑なものになり、液状揮発分を吸収させる方法は現実的ではない。

一方、ロータリーキルン型の炭化炉では、常に原料或いはその炭化物が炉内壁に接触しながら転がり、移動するため、一般に炭化物の粉化が起きる。粉化した炭化物の多くはガス流れにのり炉外へ排出されてしまうので、これを回収するために集塵機などを適用することが考えられるが、コスト高になり、集塵して分離した粉状の炭化物を安全にハンドリングすることも容易ではない。集塵して分離した粉状の炭化物を、燃焼して熱源にすることも可能であるが、炭化物の収率を低減させる結果となるので好ましくない。

一方、炭化物の製造おいて、製造された炭化物を安全に冷却して製品とすることが必要であり、炭化工程直後の高温炭化物を効率的に冷却する手段が求められている。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、ロータリーキルンを用いてバイオマスを炭化してバイオマス炭を製造する際に、発生するタールを炭化物に接触させて回収することでバイオマス炭の収率向上が実現でき、かつ粉化して炉外に排出された炭化物も効率的に回収しバイオマス炭の収率低減を防止し、かつ製造された炭化物を効率的に冷却することが可能な、バイオマス炭の製造方法およびこれに用いるバイオマス炭の製造装置を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）ロータリーキルンを用いてバイオマスを炭化してバイオマス炭を製造する方法であって、
前記ロータリーキルンから排出される前記炭化の際に発生するタールを含有する排出ガスの少なくとも一部を冷却し、前記ロータリーキルンから排出されたバイオマス炭に接触させて、前記タールの少なくとも一部を前記バイオマス炭に付着させることを特徴とするバイオマス炭の製造方法。
（２）バイオマスを炭化するロータリーキルンと、
前記ロータリーキルンから排出されるガスを冷却する冷却機と、
前記ロータリーキルンからの排出ガスを前記冷却機に供給するガス流路と、
ロータリーキルンから排出されるバイオマス炭の充填槽と、
前記冷却機からの排出ガスを前記充填槽に供給するガス流路とを備えることを特徴とする、バイオマス炭の製造装置。

本発明によれば、ロータリーキルンを用いて、バイオマスを炭化してバイオマス炭を効率的に製造することができ、発生するタールを回収することでバイオマス炭の収率向上が可能となり、バイオマス炭が粉化することによるバイオマス炭の収率低下が防止でき、かつ安全に炭化後のバイオマス炭を冷却することが可能となる。

また、タールが有効利用され、タール処理の負担も軽減する。乾留生成物を軽質化でき、排ガス処理工程も軽減可能となる。また、粉化したバイオマス炭の処理が不要となる。これにより、バイオマスの再利用が促進されて、ＣＯ₂排出量削減に貢献できる。

本発明のバイオマス炭の製造装置の一実施形態を示す図。

バイオマスとは、ある一定量集積した動植物資源とこれを起源とする廃棄物の総称（ただし、化石資源を除く）であり、本発明で用いるバイオマスには、農業系、林業系、畜産系、水産系、廃棄物系等の、熱分解して炭化物を生成するあらゆるバイオマスを用いることができる。有効発熱量の高いバイオマスを用いることが好ましく、木質系バイオマスを用いることが好ましい。木質系バイオマスとしては、パルプ黒液、チップダスト等の製紙副産物、樹皮、のこ屑等の製材副産物、枝、葉、梢、端尺材等の林地残材、スギ、ヒノキ、マツ類等の除間伐材、食用菌類の廃ホダ木等の特用林産からのもの、シイ、コナラ、マツ等の薪炭林、ヤナギ、ポプラ、ユーカリ、マツ等の短伐期林業等の林業系バイオマスや、市町村の街路樹、個人宅の庭木等の剪定枝条等の一般廃棄物や、国や県の街路樹、企業の庭木等の剪定枝条、建設・建築廃材等の産業廃棄物等が挙げられる。農業系バイオマスに分類される、廃棄物・副産物を発生源とする籾殻、麦わら、稲わら、サトウキビカス、パームヤシ等や、エネルギー作物を発生源とする米糠、菜種、大豆等の農業系バイオマスの一部も木質系バイオマスとして好適に用いることができる。

本発明では、炭化炉としてロータリーキルンを用いてバイオマスを炭化して、炭化物であるバイオマス炭を製造する。ロータリーキルンには外熱式と内熱式があるが、燃焼用の空気が直接炭化物に触れない点で外熱式の方が好ましい。外熱式ロータリーキルンは回転炉の一種であり、一端に原料の供給口を、他端に炭化物の排出口を有する内筒と、内筒の外側に同心状に配置した外筒との間に、加熱流路を形成し、外筒と内筒を一体で回転できるようにした熱分解キルン炉を、供給口側よりも排出口側が僅かに低くなるように傾斜させて横向きに配置し、駆動装置により低速で回転するようにしたものである。外熱式は、炭化炉内に酸素を投入しないため、炭化物の回収率が良いという特徴がある。

バイオマスを炭化する際の炭化とは、空気（酸素）の供給を遮断または制限して加熱し、気体（木ガスとも呼ばれる）、液体（タール）、固体（炭）の生成物を得る技術を言う。加熱温度、加熱時間を変化させることで、得られる気体、液体、固体の成分や割合が変化する。本発明では炭化の際に発生する排出ガス中のタールを気体とともに回収し、そのタールの少なくとも一部を製造されたバイオマス炭に接触させて、回収したタールの少なくとも一部をバイオマス炭に付着させる。排出ガスを冷却してからバイオマス炭に供給してタールをバイオマスに接触させることで、製造されたバイオマス炭の冷却を同時に行なうことができ、効率的である。これによりタールがバイオマス炭として回収され、バイオマスの収率が向上する。また、ロータリーキルン内で粉化したバイオマス炭の少なくとも一部を製造されたバイオマス炭の充填層を通過させて、粉化した炭化物の少なくとも一部を前記充填層内にて回収することで、バイオマス炭の収率低下を防止する。

炭化の際に発生する排出ガス中のタールを分離機を用いて分離して、タールのみをロータリーキルンから排出されたバイオマス炭に付着させることも可能である。一般的に、バイオマスを熱分解して得られるタールとは、熱分解して得られる液体を言うものであるが、分離機を用いて得られるタールは、バイオマスを熱分解して得られる液体を静置あるいは蒸留によって褐色透明な液（酢液）を分離して除いた黒褐色の高粘性の液状物である。

冷却されて、低温化した排出ガスである冷却ガスを用いて、バイオマス炭を冷却する際にはロータリーキルンの下流側にバイオマス炭の充填槽を設置することが好ましく、バイオマス炭の充填槽内にバイオマス炭の充填層を形成し、該充填層内に冷却ガスを流通させる。充填層の下部から冷却ガスを流通させても、上部から流通させても良い。冷却ガス中のタールおよび粉化炭化物とバイオマス炭との接触時間が長くなるように、充填層からの冷却ガスの排出位置を調整することが好ましい。バイオマス炭は冷却されると共に、冷却ガス中のタールが付着し、粉化炭化物が捕集され、さらにバイオマス炭の収率が向上する。

バイオマス炭の充填層に供給する冷却ガスには、外部発生のタールを追加することも可能である。外部発生のタールとしては、炭化する余地のある、バイオマス由来のタールを用いることが好ましく、バイオマスを７００℃以下で熱分解して発生するタールを用いることが特に好ましい。

バイオマス炭を冷却した後の冷却ガスは、燃料として用いることや、別途燃焼機等で燃焼させてロータリーキルンの熱源として用いる他、廃ガスとして、熱回収などに利用することができる。バイオマス炭を冷却した後の冷却ガスには粉化炭化物が含まれていないので、別途燃焼機等で燃焼させる場合もその燃焼性が高く効率的である。

本発明の一実施形態を図１を用いて説明する。

外熱式のロータリーキルン炉である炭化炉１０では、原料１が炭化され、炭化物３と排出ガス４が排出される。ロータリーキルン炉１０には、その一端側から原料１が供給され、他端から炭化物３が排出される。

炭化炉１０で発生した排出ガス４を、冷却器１５を経て冷却させ、冷却ガス５として炭化物充填槽１２に供給する。

冷却ガス５にはタールおよび粉化炭化物が含まれ、なおかつ低温であるため、炭化物充填槽１２において炭化物３の冷却と炭化物収率向上に寄与できる。

原料１の形態としては、熱伝達に支障が生じないような形態であることが好ましく、ロータリーキルンの操業上は粒径１〜２００ｍｍ程度が主体とするのが好ましく、バイオマス炭の充填層の操業上はそのガス流通に支障が生じないような形態、すなわち５ｍｍ〜２００ｍｍ程度が主体（９０ｍａｓｓ％以上）の大きさの塊状物とすることが好ましい。なお、ここでの粒径は、２００ｍｍ以下とは目開きが２００ｍｍの篩を通過する篩下であり、５ｍｍ以上とは目開きが５ｍｍの篩の篩上の状態を言う。

ロータリーキルン内での炭化温度は３００〜７００℃程度とする。温度が低すぎると炭化が十分に進まず、高すぎると炭化物の収率が低下する上に、設備がコスト高になるためである。好ましくは４００〜７００℃であり、更に好ましくは４００〜６００℃である。

原料１の含水率が高い場合は、あらかじめ乾燥してから炭化炉１０に供給することが好ましい。

上記の本発明方法に用いる装置としては、ロータリーキルンを用いてバイオマスを炭化してバイオマス炭を製造する装置であって、ロータリーキルンと、前記ロータリーキルンから排出される炭化の際に発生する排出ガスを冷却する冷却機と、前記ロータリーキルンからの排出ガスを前記冷却機に供給するガス流路と、前記ロータリーキルンから排出されるバイオマス炭の充填槽と、前記冷却機で冷却された排出ガスの少なくとも一部を前記充填槽に供給するガス流路と、を備えるバイオマス炭の製造装置を用いることができる。ここでのガス流路は、それぞれの装置を結ぶ配管（ダクト、煙道）等であれば良い。ロータリーキルンからの排ガスを冷却機に供給する配管の設置位置は、適宜設置することができる。また、冷却された排出ガスを充填槽に供給する配管（ダクト、煙道）の充填槽側の設置位置は、充填槽の上部または下部に設置する。充填槽から廃ガスを排出する配管（ダクト、煙道）は、排出ガスを供給する配管が充填槽の上部の場合は下部に、下部の場合は上部として、冷却ガス中のタールおよび粉化炭化物とバイオマス炭との接触時間ができるだけ長くなるようにすることが好ましい。

図１において、固体を工程間にて移動するには、ガス気密性の高いスクリューフィーダやロータリーフィーダを用いることができる。これにより、ガス流れと固体流れとをそれぞれをより効率的に制御することが可能となり、前述したタールおよび粉化炭化物と炭化物充填層との接触がより効果的なものとなる。具体的には、炭化炉１０へ原料１を送る箇所、炭化炉１０から充填槽１２に炭化物を送る箇所、および充填槽１２から炭化物を排出する箇所に、ガス気密性の高いスクリューフィーダやロータリーフィーダを用いることができる。

図１に示すものと同様の設備を用いて、バイオマスを乾留して、バイオマス炭を製造する試験を行った。

排出ガス４を冷却機１５で冷却して、バイオマス炭の充填槽１２の冷熱源に用いた場合（本発明例）と、バイオマス炭の充填槽１２の冷熱源に低温の窒素ガスを用いた場合（比較例）とで、冷却炭化物６の収率を比較した。

原料１として、パーム油を生成する過程で発生するアブラヤシの空果房（ＥＦＢ）からなるバイオマス系の残渣を用いた。ＥＦＢの含水率は２０ｍａｓｓ％であった。ロータリーキルン１０の炭化温度は５５０℃とした。冷却温度も、本発明例と比較例とで同一とした。

（本発明例）排出ガス４を冷却機１５に送ったところ、冷却機１５では、排出ガス５は１５０℃まで冷却された。冷却ガス５はバイオマス炭の充填槽１２に送られ、バイオマス炭３を冷却させた。乾燥ベースの原料１の質量流量を１としたとき、炭化物に付着したタールの質量流量は０．０６、炭化物に付着した炭化物粉の質量流量は０．０２であった。

乾燥ベースの原料１の質量流量を１としたとき、製造された冷却炭化物６の質量流量は０．２８であった。すなわち、乾燥ベースでの炭化物の収率は２８%であった。

（比較例）次に、排出ガス４は、そのまま燃焼させ、バイオマス炭の充填槽１２に循環させずに、窒素ガスを用いてバイオマス炭の充填槽１２内の炭化物の冷却を行なった。

乾燥ベースの原料１の質量流量を１としたとき、製造された冷却炭化物６の質量流量は０．２４であった。すなわち、乾燥ベースでの炭化物の収率は２４%であった。

本発明方法を用い、排出ガスをバイオマス炭の冷却に用いることで、炭化物収率が向上した。

１ 原料
３ 炭化物
４ 排出ガス
５ 冷却ガス
６ 冷却炭化物
７ 廃ガス
１０ 炭化炉（ロータリーキルン炉）
１２ 炭化物充填槽（バイオマス炭の充填槽）
１５ 冷却機

Claims (2)

1. ロータリーキルンを用いてバイオマスを炭化してバイオマス炭を製造する方法であって、
   前記ロータリーキルンから排出される前記炭化の際に発生するタールを含有する排出ガスの少なくとも一部を冷却し、前記ロータリーキルンから排出された、バイオマス炭の充填槽内のバイオマス炭に接触させて、前記タールの少なくとも一部を前記バイオマス炭に付着させることを特徴とするバイオマス炭の製造方法。
2. バイオマスを炭化するロータリーキルンと、
   前記ロータリーキルンから排出されるガスを冷却する冷却機と、
   前記ロータリーキルンからの排出ガスを前記冷却機に供給するガス流路と、
   前記ロータリーキルンから排出されるバイオマス炭の充填槽と、
   前記冷却機からの排出ガスを前記充填槽に供給するガス流路とを備えることを特徴とする、バイオマス炭の製造装置。

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