JP5517095B2 - バイオマス液化物からの水溶性タールと非水溶性タールの回収装置およびその回収方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスを急速熱分解して得られた熱分解生成物に含まれる液化物を回収する装置および該液化物を回収する方法に関するものである。

地球温暖化の防止対策として、バイオマスエネルギーの有効利用に注目が集まっている。バイオマスエネルギーの中でも植物由来のバイオマスエネルギーは、植物の成長過程で光合成により二酸化炭素から変換された炭素資源を有効利用できるため、資源のライフサイクルの観点からすると大気中の二酸化炭素の増加につながらない、いわゆる、カーボンニュートラルという性質をもつ。

化石資源ではない、再生可能な、生物由来の有機性資源をバイオマスと呼ぶ。バイオマスは太陽エネルギーを使い、水と二酸化炭素から生物が生成するものなので、持続的に再生可能な資源である。バイオマスは有機物であるため、燃焼させると二酸化炭素が排出される。しかし、これに含まれる炭素は、そのバイオマスが成長過程で光合成により大気中から吸収した二酸化炭素に由来するので、バイオマスを使用しても全体として見れば大気中の二酸化炭素量を増加させていないと考えてよいとされる。この性質をカーボンニュートラルと呼ぶ。バイオマスは林業系（製材廃棄物、間伐材、製紙廃棄物等）、農業系（稲わら、麦わら、サトウキビ糠、米糠、草木等）、畜産系（家畜廃棄物等）、水産系（水産加工残滓等）、廃棄物系（生ごみ、庭木、建築廃材、下水汚泥等）等に分類される。

近年、地球温暖化問題に関連してバイオマスエネルギーの役割が強調されている。バイオマスからのエネルギー回収、転換として、バイオマスを熱分解してガス燃料、タールなどを製造することが開発検討されている。

特許文献１には、バイオマスを急速熱分解することにより、該バイオマスを、ガスと、タールと、固定炭素を主体としたチャーとを生成するバイオマス熱分解方法が開示されている。上記急速熱分解により生成された該ガス、タールおよびチャーの混合物たる熱分解生成物は、まず、バイオマスを急速熱分解する熱分解反応部よりも下流に設けられた固気分離部でチャーのみが分離され、次に、さらに下流に設けられた気液分離器でタールとガスとに分離されることとしている。
特開２００３−２６８３９０号公報

バイオマスを急速熱分解して得られる熱分解生成物に含まれるタールには、軽質の水溶性タールおよび重質の非水溶性タールの二種類のタールが含まれている。該非水溶性タールは該水溶性タールよりも比重が大きいので、上記タールがある程度の期間放置されると、水溶性タールを含む水溶性相が上層、非水溶性タールを含む非水溶性相が下層となって二層に相分離される。二つの層は通常の撹拌程度では容易に均一相とされない。該上層の水溶性タールと該下層の非水溶性タールは粘度や燃焼特性が異なっているので、このように二種類のタールが相分離した状態のままでは、該タールを安定した燃料として利用することができない。

また、上層を形成する上記水溶性相は、該水溶性相に水分が含まれていること、そして水溶性タールを構成する分子に酸素原子を多く含んでいることに起因して発熱量が低い。また、該酸素原子は活性が高い官能基に含まれているので、上記水溶性タールは重合しやすい。すなわち、該水溶性タールは経時的に重質化しやすい。このように水溶性タールが重質化する結果、該水溶性タールの燃料としての質が低下する。

一方、下層を形成する上記非水溶性相は、非水溶性タールを構成する分子における酸素原子の含有量が少ないので、発熱量が比較的高く、経時的な重質化も進みにくい。したがって、非水溶性タールは水溶性タールよりも燃料として良質である。

上記特許文献１では、上記液分離器において、水溶性タールと非水溶性タールが混合された状態でタールがガスから分離される。この分離されたタールは、その後何ら処理がされていないので、既述したように、いずれ水溶性相と非水溶性相に相分離するため、二種類のタールが分離した状態のままでは、タールを安定した燃料として利用することができない。さらに、水溶性相に含まれる水溶性タールは経時的に重質化した結果、該水溶性タールの粘度が高くなり該水溶性タールの燃料としての質が低下する。重質化した水溶性タールは、下層である非水溶性相に沈下して、該下層にてさらに重合するため、非水溶性相のタールの燃料としての質が低下する。

本発明は、このような事情に鑑み、水溶性タールの経時的な重質化を抑制し、水溶性タールおよび非水溶性タールの両方の燃料としての質を維持したまま該水溶性タールおよび非水溶性タールを回収するバイオマス液化物回収装置および回収方法を提供することを目的とする。

＜第一発明＞
本発明に係るバイオマス液化物回収装置は、バイオマスを急速熱分解して得られた熱分解生成物に含まれる液化物を回収する。

かかるバイオマス液化物回収装置において、本発明は、液化物を水溶性タールと該水溶性タールよりも比重が大きい非水溶性タールとに比重分離する比重分離部と、上記非水溶性タールから比重分離された上記水溶性タールに重合禁止剤を添加する重合禁止剤添加部と、上記重合禁止剤が添加された水溶性タールと非水溶性タールとを別けて回収する回収部とを備えることを特徴としている。

上記バイオマス液化物回収装置では、比重分離部が液化物を水溶性タールと非水溶性タールを上下二層に比重分離し、分離して得られた該水溶性タールに重合禁止剤添加部が重合禁止剤を添加するので、水溶性タールの重合ひいては該水溶性タールの重質化が抑制される。この結果、水溶性タールの変質が抑制される。さらに、水溶性タールと非水溶性タールとを別けて回収するので、これらを個別に利用することができる。

＜第二発明＞
本発明に係るバイオマス液化物回収方法では、バイオマスを急速熱分解して得られた熱分解生成物に含まれる液化物を回収する。

かかるバイオマス液化物回収方法において、本発明は、液化物を水溶性タールと該水溶性タールよりも比重が大きい非水溶性タールとに比重分離する比重分離工程と、上記非水溶性タールから比重分離された上記水溶性タールに重合禁止剤を添加する重合禁止剤添加工程と、上記重合禁止剤が添加された水溶性タールと非水溶性タールとを別けて回収する回収工程とを備えることを特徴としている。

本発明では、以上のように、比重分離された水溶性タールには重合禁止剤が添加されるので、水溶性タールの重合ひいては該水溶性タールの重質化が抑制される。したがって、水溶性タールの変質が抑制され、該水溶性タールの燃料としての質の低下を回避することができる。この結果、水溶性タールおよび非水溶性タールの両方の燃料としての質を維持したまま該水溶性タールおよび非水溶性タールを回収することが可能となる。

以下、添付図面にもとづき、本発明の一実施形態を説明する。

図１は、本実施形態に係るバイオマス液化物回収装置の構成を示すブロック図である。該バイオマス液化物回収装置は、バイオマスを急速熱分解する急速熱分解部１０と、該急速熱分解部１０に原料としてのバイオマスを供給するバイオマス供給部２０と、急速熱分解部１０で生成された熱分解生成物を熱分解生成ガス（気体）、チャーなどの固体物、タール（液体）に分離する気固液分離部３０と、該気固液分離部３０で分離されたタールを処理するタール処理部４０と、上記気固液分離部３０で分離された熱分解生成ガスおよび上記タール処理部４０で生成された水蒸気を洗浄して精製ガスを生成する洗浄部５０とを有している。

急速熱分解部１０は、既述したようにバイオマス供給部２０から供給された原料としてのバイオマスを急速熱分解する。該急速熱分解部１０は、例えば、気流層熱分解装置を用いて５００〜７５０℃程度まで昇温した不活性ガス雰囲気で該不活性ガスの顕熱によりバイオマスを急速に昇温して短時間加熱して急速に熱分解させる構成とすることができる。また、バイオマス供給部２０は、例えば、ロータリーフィーダーと気流搬送の組み合わせや、スクリューフィーダー等によって構成されている。

気固液分離部３０は、急速熱分解部１０で生成された固体と気体（熱分解生成ガスとガス状タール）の混合物である熱分解生成物から固体物である主としてチャーを分離する固体物分離部３１と、該熱分解生成物中の気体を冷却し該気体から主としてタールを含む液化物を凝縮させて分離する間接急冷部３２と、該間接急冷部３２で液化物が分離された気体中にミスト状に存在する主としてタールを含む液化物をさらに分離させて熱分解生成ガスを生成するデミスタ３３と、該間接急冷部３２およびデミスタ３３で得られた液化物から主として不純物たる残留固体物を分離する残留固体物分離部３４とを有している。

上記固体物分離部３１は、例えば、遠心力で固体物たるチャーを分離する公知のサイクロンセパレータで構成されている。また、間接急冷部３２は、直列に接続された二つの水冷サイクロン３２Ａ，３２Ｂで構成されている。本実施形態では、該間接急冷部３２は、水冷サイクロンで構成されていることとしたが、これに代えて、多管型熱交換器で構成されてもよい。

デミスタ３３は、直列に接続された二つのデミスタ３３Ａ，３３Ｂで構成されている。各デミスタ３３Ａ，３３Ｂは、内部に衝突板（図示せず）等を有しており、間接急冷部３２から得られた気体を該衝突板に衝突させて、該気体中にミスト状で存在していたタールを液滴として付着させることにより、該気体から液化物として分離する。該液化物が分離された気体は熱分解生成ガスとして洗浄部５０へ送られる。また、間接急冷部３２およびデミスタ３３で分離された液化物は、残留固体物分離部３４へ送られる。残留固体物分離部３４は、該液化物を濾過するストレーナとして構成されており、該液化物をタール（液体）と上記固体分離部３１で分離しきれなかった主として不純物たる残留固体物とに分離する。

タール処理部４０は、残留固体物分離部３４で分離されたタールを後述の比重分離部４２へ送るポンプ４１と、該ポンプ４１から送られたタールを軽質の水溶性タールと重質の非水溶性タールとに比重分離する比重分離部４２と、該水溶性タールに重合禁止剤を添加する重合禁止剤供給部４３と、該水溶性タールから該水溶性タールに含まれている水分を除去する加熱脱水部４４と、上記比重分離部４２で分離された非水溶性タールおよび加熱脱水部４４で水分が除去された水溶性タールを回収する回収部４５とを有している。

上記比重分離部４２は、下流へ向けて下がる方へ傾斜し間隔をもって配された複数のコルゲート板４２Ａを有しており、各コルゲート板４２Ａ上に沿って流下するタールは軽質の水溶性タールと重質の非水溶性タールとに比重分離しながら下流へ流れる。該比重分離部４２には、コルゲート板４２Ａよりも下流側に上下方向に延びる隔壁４２Ｂが設けられている。該隔壁４２Ｂは、上下二箇所にタール排出口４２Ｃ，４２Ｄが形成されており、上側の排出口４２Ｃからは水溶性タールが排出され、下側の排出口４２Ｄからは非水溶性タールが排出されるようになっている。

重合禁止剤供給部４３は、上記比重分離部４２の上側の排出口４２Ｃから排出された水溶性タールに重合禁止剤を添加する。該重合禁止剤としては、例えば、粉末状のヒドロキノンやヒドロキノン誘導体が用いられる。

加熱脱水部４４は、上記重合禁止剤が添加された水溶性タールを受けてこれを加熱して該水溶性タールに含まれている水分を蒸発させて水蒸気を発生させる熱交換部４６と、該熱交換部４６で発生した該水蒸気を除去する気液分離部４７とを有している。上記熱交換部４６は、内部にスチーム等の加熱流体が流通する加熱管４６Ａを有しており、上記重合禁止剤が添加された水溶性タールを該加熱管４６Ａにより約１００度に加熱して、該水溶性タールに含まれている水分を蒸発させる。該水分を除去する気液分離部４７は、例えば、公知のフラッシュセパレータで構成されている。

回収部４５は、水溶性タールを貯留する水溶性タール４８と、非水溶性タールを貯留する非水溶性タールタンク４９とを有している。水溶性タールタンク４８は、上記加熱脱水部４４の気液分離部４７で水蒸気が除去された水溶性タールを貯留する。また、該非水溶性タールタンク４９は、上記比重分離部４２の下側の排出口４２Ｄから排出される非水溶性タールを貯留する。

洗浄部５０は、デミスタ３３で分離された熱分解生成ガスおよび上記気液分離部４７で除去された水蒸気を洗浄液で洗浄し、燃料として利用可能な精製ガスと、水に酸性ガス成分や低沸点のタール成分等が混ざった廃液とに分離する。該洗浄部５０は、例えば、該洗浄部５０の上部から下方へ向けて洗浄液としての水を散水して被洗浄物を洗浄する公知のスクラバーで構成されている。

このような構成を有する本実施形態に係るバイオマス液化物回収装置では、以下の要領で水溶性タールおよび非水溶性タールを回収する。

まず、原料であるバイオマスがバイオマス供給部２０から急速熱分解部１０に供給される。該急速熱分解部１０では、該バイオマスが急速熱分解されて熱分解生成物が生成される。該熱分解生成物は、チャーからなる固体物と、主として熱分解生成ガスおよび気化したタールから成る気体を含んでいる。該熱分解生成物は固体物分離部３１で固体物と気体に分離される。分離された該固体物、すなわちチャーは燃焼させることにより熱源として利用可能である。

固体物分離部３１で分離された気体は、間接急冷部３２で冷却され主としてタールを含む液化物を凝縮させて、主として熱分解生成ガスを含む気体とに分離される。さらに、液化物が分離された該気体は、デミスタによって、該気体中にミスト状に存在するタールが液滴化されて液化物として分離される。間接急冷部３２およびデミスタ３３で分離された液化物は、残留固体物分離部３４で残留固体物が除去される。該残留固体物が除去された液化物、すなわちタールはポンプ４１へ送られる。

ポンプ４１は、残留固体物分離部３４から送られたタールを比重分離部４２へ供給する。該タールは、該比重分離部４２にて複数のコルゲート板４２Ａに沿って該コルゲート板４２Ａの間隙を下流へ向けて流れながら、軽質の水溶性タールと重質の非水溶性タールとに比重分離する。この比重分離の結果、該タールは、水溶性タールからなる上層と非水溶性タールからなる下層との二層に分離される。そして、二層に分離したタールは、上記コルゲート板４２Ａの間隙を通過した後、上層の水溶性タールが浮上し、下層の非水溶性タールが沈下することによって完全に分離する。該水溶性タールは比重分離部４２の上側の排出口４２Ｃから排出され、該非水溶性タールは下側の排出口４２Ｄから排出される。

上記比重分離部４２の上側の排出口４２Ｃから排出された水溶性タールには、重合禁止剤添加部４３によって重合禁止剤が添加される。該重合禁止剤が添加されると、水溶性タール分子内に発生したラジカルを該重合禁止剤がトラップし、ラジカルおよび酸素原子を含む活性の高い官能基が関与して生ずる水溶性タールの重合が抑制される。この結果、加熱脱水部４４で水溶性タールから水分を除去する際や貯留中の水溶性タールの重質化による変質が抑制され、該水溶性タールの燃料としての質の低下を回避することが可能となる。重合禁止剤の添加率は、加熱脱水条件や貯留期間により調整するが、水溶性タール重量に対して０．１〜１ｗｔ％程度とすることが好ましい。

重合禁止剤が添加された水溶性タールは、加熱脱水部４４の熱交換部４６で約１００度に加熱され、該水溶性タールに含まれている水分が蒸発され気泡状の水蒸気になる。そして、気液分離部４７にて水溶性タールから該気泡状の水蒸気が除去される。このように加熱脱水部４４で水溶性タールから水分を除去することにより、水溶性タールの発熱量が高くなり、水溶性タールの燃料としての質が向上する。

気液分離部４７で水分が除去された水溶性タールは、回収部４５の水溶性タールタンク４８に貯留される。水溶性タールには重合禁止剤が含まれているため、貯留中の重質化による変質が抑制され、該水溶性タールの燃料としての質の低下を回避することが可能である。また、比重分離部４２の下側の排出口４２Ｄから排出された非水溶性タールは、非水溶性タールタンク４９に貯留される。水溶性タールおよび非水溶性タールは、それぞれ単独で液体燃料や化学品原料、すなわちバイオマス液化油として利用することが可能である。

デミスタ３３で分離された熱分解生成ガスは、上記加熱脱水部４４の気液分離部４７で除去された水分、すなわち水蒸気とともに洗浄部５０で洗浄され、精製ガスと廃液とに分離される。該精製ガスは、気体燃料として利用することが可能である。

本実施形態では、重合禁止剤添加部４３が比重分離部４２で非水溶性タールから比重分離された水溶性タールに重合禁止剤を添加することにより、該水溶性タールの重合ひいては該水溶性タールの重質化が抑制される。したがって、水溶性タールの変質が抑制され、該水溶性タールの燃料としての質の低下を回避することができる。この結果、水溶性タールおよび非水溶性タールの両方の燃料としての質を維持したまま該水溶性タールおよび非水溶性タールを回収することができる。

実施形態に係るバイオマス液化物回収装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

４２ 比重分離部
４３ 重合禁止剤添加部
４５ 回収部
４８ 水溶性タールタンク
４９ 非水溶性タールタンク

Claims (2)

1. バイオマスを５００〜７５０℃の不活性ガス雰囲気で急速熱分解して得られる熱分解生成物に含まれるバイオマス液化物から水溶性タールと非水溶性タールを燃料として回収する装置において、
   熱分解生成物を熱分解生成ガスと液化物と固体物とに分離する気固液分離部と、
   該気固液分離部にて分離された上記液化物を、水溶性タールと該水溶性タールよりも比重が大きい非水溶性タールとに比重分離する比重分離部と、
   該比重分離部にて比重分離された上記水溶性タールに重合禁止剤を添加する重合禁止剤添加部と、
   上記重合禁止剤が添加された水溶性タールを加熱し該水溶性タールに含まれている水分を除去し発熱量を高める加熱脱水部と、
   加熱脱水部で水分が除去された水溶性タールと比重分離部で分離された非水溶性タールとを別けて回収する回収部とを備え、
   重合禁止剤添加部は、重合禁止剤の添加率を加熱脱水条件と貯留期間に基づき調整して水溶性タールに添加することを特徴とするバイオマス液化物からの水溶性タールと非水溶性タールの回収装置。
2. バイオマスを５００〜７５０℃の不活性ガス雰囲気で急速熱分解して得られる熱分解生成物に含まれるバイオマス液化物から水溶性タールと非水溶性タールを燃料として回収する方法において、
   熱分解生成物を熱分解生成ガスと液化物と固体物とに分離する気固液分離工程と、
   該気固液分離工程にて分離された上記液化物を、水溶性タールと該水溶性タールよりも比重が大きい非水溶性タールとに比重分離する比重分離工程と、
   該比重分離工程にて比重分離された上記水溶性タールに重合禁止剤を添加する重合禁止剤添加工程と、
   上記重合禁止剤が添加された水溶性タールを加熱し該水溶性タールに含まれている水分を除去し発熱量を高める加熱脱水工程と、
   加熱脱水工程で水分が除去された水溶性タールと比重分離工程で分離された非水溶性タールとを別けて回収する回収工程とを備え、
   重合禁止剤添加工程にて、重合禁止剤の添加率を加熱脱水条件と貯留期間に基づき調整して水溶性タールに添加することを特徴とするバイオマス液化物からの水溶性タールと非水溶性タールの回収方法。

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