JP5501652B2

JP5501652B2 - 竪型炉吹き込み用バイオマス炭の製造方法

Info

Publication number: JP5501652B2
Application number: JP2009103620A
Authority: JP
Inventors: 啓二戸村; 敏彦岩▲崎▼; 展夫高須
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: JP2010254748A

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に関し、特に高炉吹き込み用に用いるバイオマス炭の製造方法に関する。

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。

また、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）を製造して燃料として再利用する技術も知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方で、銑鉄を製造する高炉においては、鉄鉱石などの鉄源と熱源としてコークスが原料として用いられており、補助燃料として微粉炭が使用されている。高炉の羽口から熱風と共に安価な微粉炭を吹き込むことで、高価なコークスの使用量を削減することができる。この微粉炭として上記のようなバイオマス炭を用いることで、ＣＯ₂排出量削減に貢献できることになる。

特開２００３−２１３２７３号公報

しかし、高炉等の竪型炉の吹き込み用の微粉炭の替わりにバイオマス炭を用いる場合、バイオマス炭の原料であるバイオマスの種類によっては、カリウムやナトリウムなどが含まれている場合があり問題である。すなわち、バイオマス中に、カリウムやナトリウムなどが含まれている場合、それらがバイオマス炭（炭化物）中にも残存して、バイオマス炭を竪型炉吹き込み用微粉炭（竪型炉用還元材）として使用する場合に、カリウムやナトリウムなどが、例えば竪型炉内に滞留して、通気性の悪化を招くなどの悪影響が懸念される。

また、バイオマス中に、シリコンが含まれ、灰分の塩基度が低い場合には、竪型炉内での灰分の滓化が不十分となり、炉内の通気性の悪化を招くなどの悪影響が懸念される。

また、単位量あたりのバイオマスから得られる炭化物量、即ち炭化収率を向上させることが求められている。

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、バイオマスがカリウムやナトリウムなどのアルカリ金属を含有する場合であってもアルカリ金属含有量の低いバイオマス炭を製造でき、バイオマスがシリコンを含み灰分の塩基度が低い場合であっても竪型炉で好適に使用でき、バイオマス炭の炭化収率が高い、竪型炉吹き込み用バイオマス炭の製造方法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）バイオマスを乾留してバイオマス炭を製造する際に、
前記バイオマスにカルシウムを添加し、該添加後のバイオマスを乾留することを特徴とする竪型炉吹き込み用バイオマス炭の製造方法。
（２）カルシウム含有水によりバイオマスを洗浄することで、バイオマスにカルシウムを添加することを特徴とする、（１）に記載の竪型炉吹き込み用バイオマス炭の製造方法。
（３）蒸気を用いて加圧処理したバイオマスにカルシウムを添加することを特徴とする（１）または（２）に記載の竪型炉吹き込み用バイオマス炭の製造方法。
（４）酸洗処理したバイオマスにカルシウムを添加することを特徴とする（１）または（２）に記載の竪型炉吹き込み用バイオマス炭の製造方法。

本発明によれば、バイオマスがカリウムやナトリウムなどのアルカリ金属を含有する場合であっても、アルカリ金属含有量の低いバイオマス炭を製造できる。また、バイオマスがアルカリ金属を含有する場合であっても、バイオマスがシリコンを含み灰分の塩基度が低い場合であっても、竪型炉で使用する際に竪型炉の通気性の悪化を招くことが無い。さらに、製造されるバイオマス炭の収率が向上する。

これによりアルカリ金属を含有するバイオマスや灰分の塩基度が低いバイオマスであっても、乾留して高炉吹き込み用バイオマス炭として用いることができ、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。

本発明では、バイオマスにカルシウム（Ｃａ）を添加し、その後乾留することで、高炉吹き込み用のバイオマス炭を製造する。

カルシウムの添加方法としては、例えば、カルシウム含有水をバイオマスに散布することや、カルシウム含有水にバイオマスを浸漬することなどによりバイオマスを洗浄することによって行なうことができる。これにより、バイオマスの洗浄を同時に行なうことができ、効率的である。バイオマスを洗浄するにあたり、アルカリ金属を含まず、カルシウムを高濃度に含むカルシウム含有水（例えば、水酸化カルシウム水溶液）で洗浄すると、バイオマスからのアルカリ金属の溶出と、バイオマスへのカルシウム添加が効率よく進む。他のカルシウム源としては、石灰石、ドロマイトなどが挙げられる。また、溶液を用いる方法に限らず、これらバイオマス源の固体粉末をバイオマスに振り掛けることでも、カルシウムを添加することができる。

蒸気加圧したバイオマスに、カルシウムを添加し、その後乾留することが好ましい。蒸気加圧によりバイオマスが軟化し、細胞膜の破壊が起こり、カリウム含有量の低減が促され、カルシウム添加の効果が向上する。蒸気加圧処理は、例えば、密閉した処理槽に蒸気を導入するなどして行なうことができる。

または、バイオマスを酸洗処理後に、カルシウムを添加し、その後乾留することが好ましい。酸としては、硫酸水溶液を用いることが好ましい。酸洗により、細胞膜の破壊が起こり、カリウム含有量の低減が促され、カルシウム添加の効果が向上する。

一方で、バイオマスにはシリコンを高濃度に含むものが多くあり、例えば、ドライベースで、パームオイルの副産物であるパームヤシの空果房（ＥＦＢ）にシリコンには約０．９ｍａｓｓ％、パームヤシの実の周辺の繊維部（Ｆｉｂｒｅ）には２ｍａｓｓ％、パームヤシの実の殻（Ｓｈｅｌｌ）にシリコンには約１ｍａｓｓ％含まれる。一方、カルシウムについては、ＥＦＢには０．１ｍａｓｓ％、Ｆｉｂｒｅには０．４ｍａｓｓ％、Ｓｈｅｌｌには０．１ｍａｓｓ％しか含まれておらず、したがってこれらバイオマスの灰分の塩基度（質量％比でＣａＯ／ＳｉＯ_２）は非常に低い。塩基度が低い微粉炭を高炉に吹き込む場合、微粉炭にカルシウムを添加すると微粉炭の塩基度が上がり滓化を促進して通気性を向上させる効果が期待されるため、カルシウムを添加して製造したバイオマス炭は、高炉内での滓化を促し通気性を向上させる効果があることが期待される。

また、アルカリ土類金属やアルカリ金属にはバイオマスの熱分解反応における触媒効果があるため、バイオマスにアルカリ土類金属であるカルシウムを添加することで、バイオマス炭の炭化収率の向上も期待される。

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、上記のバイオマスの中でも特に、カリウムやナトリウムなどのアルカリ金属を高濃度で含有するバイオマスを原料としてバイオマス炭を製造する場合に用いることが好ましい。また、本発明では、上記のバイオマスの中でも特に、シリコン含有量が多く、カルシウム含有量が少ないバイオマスを原料としてバイオマス炭を製造する場合に用いることが好ましい。カリウムやナトリウムなどのアルカリ金属を高濃度で含有するバイオマスとしては、パームオイルの副産物であるパームヤシの空果房（ＥＦＢ）、パームヤシの実の周辺の繊維部（Ｆｉｂｒｅ）、パームヤシの実の殻（Ｓｈｅｌｌ）、パームヤシの幹（Ｔｒｕｎｋ）等がある。シリコン含有量が多く、カルシウム含有量が少ないバイオマスとしては、パームヤシの空果房（ＥＦＢ）、パームヤシの実の周辺の繊維部（Ｆｉｂｒｅ）、パームヤシの実の殻（Ｓｈｅｌｌ）、パームヤシの幹（Ｔｒｕｎｋ）等がある。ＥＦＢは、オイルを含んだ果実をはがした果房茎部であり、カリウムを２〜３ｍａｓｓ％（ドライベース）を含有することが知られている。

上記のようなバイオマスを、空気（酸素）の供給を遮断または制限して加熱することで乾留して、バイオマス炭が製造される。乾留は、４００〜８００℃で行なうことが好ましい。乾留炉としては、例えば、シャフト炉等の竪型炉を用いることができる。

パームヤシの空果房（ＥＦＢ）を用いて、Ｎｏ．１〜６のバイオマス炭の製造試験を行なった。

ＥＦＢの洗浄処理として、水による洗浄、酸による洗浄、およびカルシウム含有水による洗浄を実施した。ここでは、酸として１ｍａｓｓ％濃度の硫酸水を用いた。また、ここでは、カルシウム含有水として、水酸化カルシウムと水の混合水（水酸化カルシウム１質量部に対して水１００質量部）を用いた。洗浄は、ＥＦＢの乾燥質量の１０倍の洗浄液を用いて両者を混合し、１０分間攪拌して実施した。

炭化は、洗浄処理を施した（或いは施していない）ＥＦＢを、乾留炉で窒素ガス雰囲気５００℃で加熱して、炭化物（バイオマス炭）を製造し、炭化物収率と、炭化物に残留した（炭化物中）カリウム、シリコン、カルシウム濃度を測定した。炭化物収率は、炭化物質量をバイオマス質量で割った値とし、ドライベースとした。炭化物中カリウム、シリコン、カルシウム濃度もドライベースとした。

試験Ｎｏ．６については洗浄処理前に蒸気加圧処理を行なった。

製造した炭化物を微粉炭と同程度の粒径７５μｍ以下、９０ｍａｓｓ％以上に粉砕して、試験高炉の羽口から吹き込み、試験高炉の通気性を観測した。各試験条件と、測定結果を表１に示す。炭化物残留濃度はｍａｓｓ％である。

洗浄処理を実施しなかった試験Ｎｏ．１および水による洗浄を実施した試験Ｎｏ．２では、炭化物のカリウム（Ｋ）濃度が高く、シリコン（Ｓｉ）濃度が高くカルシウム（Ｃａ）濃度が低いため灰分の塩基度が低く、高炉の通気性も低下した。

酸洗浄を実施した試験Ｎｏ．３では、炭化物のカリウム（Ｋ）濃度は低下したものの、シリコン（Ｓｉ）濃度が高くカルシウム（Ｃａ）濃度が低いため灰分の塩基度が低く、高炉の通気性も低下した。

一方で、カルシウム含有水による洗浄処理を行なった試験Ｎｏ．４〜６では、試験Ｎｏ．１に比較して炭化物のカリウム（Ｋ）濃度が低下し、カルシウム（Ｃａ）濃度が増加することで灰分の塩基度も向上し、炭化物の収率も向上した。

特に、カルシウム含有水による洗浄処理前に酸洗浄を行なったＮｏ．５、カルシウム含有水による洗浄処理前に蒸気加圧処理を行なったＮｏ．６では、Ｋ濃度が１ｍａｓｓ％未満となり、カルシウム濃度が増加することで灰分の塩基度も向上し、高炉の通気性も向上した。

試験Ｎｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．６の炭化物の灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）を計算すると、それぞれ１．０、１．５、２．０であった。一方、試験Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３の炭化物の灰分の塩基度はいずれも０．１であった

Claims

バイオマスを乾留してバイオマス炭を製造する際に、
カルシウム含有水によりバイオマスを洗浄することで、前記バイオマスにカルシウムを添加し、該添加後のバイオマスを乾留することを特徴とする竪型炉吹き込み用バイオマス炭の製造方法。
蒸気を用いて加圧処理したバイオマスにカルシウムを添加することを特徴とする請求項１に記載の竪型炉吹き込み用バイオマス炭の製造方法。
酸洗処理したバイオマスにカルシウムを添加することを特徴とする請求項１に記載の竪型炉吹き込み用バイオマス炭の製造方法。