JP5584647B2 - バイオマスの半炭化燃料の製造装置と製造方法、及び半炭化燃料を用いた発電システム - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスを使用する半炭化燃料の製造装置と製造方法、及び半炭化燃料を用いた発電システムに係る。

農業、林業等で生じたもみ、わら、間伐材や、廃木材等の植物系廃棄物からなるバイオマスは、その成分としてセルロース、リグニン等の繊維質を多く含む。また、バイオマス中の水分含有量は、通常、約２０％以上と石炭等の他の燃料と比べて高い。

植物系廃棄物からなるバイオマス（以下、単に「バイオマス」と記す）は、近年、石炭に代表される固体燃料の代替燃料として、ボイラ等の熱源への利用が検討されている。バイオマスを燃料として使用すると、バイオマス由来のＣＯ_２は再び植物により固定化されるため、ＣＯ_２フリーとみなせる。さらに、廃棄物の処理が簡素化されることや、石炭の使用量が減ることにより、ＣＯ_２の排出量を低減できる。

バイオマスを固体燃料として使用するにあたり、主な課題が２つある。１つは、水分含有量が多い点である。水分含有量が多いと、発熱量の低下、輸送費の上昇、さらに微生物の働きの進行による自然発火の可能性の増大というデメリットがある。このため、バイオマスは、長距離の輸送や長期間の保管に適さない。

もう１つの課題は、主成分が繊維質で構成されているため、粉砕性が低い点である。一般に、石炭の粉砕では、硬い材料で構成されたローラやボール等で石炭を加圧粉砕する方法が用いられる。この加圧粉砕する方法は、大量処理に向き、経済的とされる。しかし、バイオマスは、石炭に比べ柔らかく繊維質を多く含むため、上記の加圧粉砕方法では微細化がし難く、必要動力に対する微粒化度合いを示す粉砕効率が低い。このため、石炭と同様に大量粉砕することが困難であった。また、バイオマスを石炭と混焼させる場合も、石炭粉砕用の粉砕機に投入できるバイオマスの量は、数パーセント程度に留まる。

上記の課題に対応する方法の１つに、バイオマスを温度３００℃程度、酸素１０％未満の雰囲気で熱分解させて半炭化燃料を製造する方法、いわゆる半炭化方法がある。半炭化方法の一例は、特許文献１、２に記載されている。

この方法は、バイオマスを酸素濃度が低く温度が３００℃程度の雰囲気で熱分解させることで、水分を除去し、リグニンやセルロースから成る繊維質を分解する。このため、熱分解後の固体燃料は、水分含有量が低下し、単位質量当たりの発熱量が増加する。繊維質が分解し、炭素を主体とした成分となるため、加圧粉砕が容易となる。また、３００℃程度と低温での熱分解のため、固体燃料中に揮発分が一部残留し、着火性も石炭と同等となる。

特開２００５−２３９９０７号公報 ＷＯ２００５／０５６７２３号

特許文献１、２に記載のバイオマスの半炭化燃料の製造方法では、何れもバイオマスを熱分解する際の熱源につき、各々、特徴をもたせている。

特許文献１に記載の技術では、セメント焼成設備から発生する排ガスを利用することで、半炭化に必要な熱源を確保している。すなわち、半炭化燃料の製造装置の外部に設けたセメント焼成設備を燃焼設備とし、この燃焼設備で発生する高温の排ガスを利用することを前提としている。このように、半炭化燃料の製造装置の外部に熱源を設けることは、装置の規模や製作コストが増大し、装置の設置上、大きな制約となる。

これに対し、特許文献２に記載の技術では、半炭化に必要な熱源として、バイオマス自身の熱分解ガスを利用する。バイオマスが生成するガスを利用するため、外部からの熱供給を削減でき、半炭化燃料の製造装置の運転コストを低減できる。また、特許文献１に記載の技術と異なり、半炭化燃料の製造装置は、熱源の設置による制約を受けない。

しかしながら、特許文献２に記載の技術では、熱分解ガスを高発熱量で利用するために、熱分解ガスの一部を熱媒体として装置内に循環させる。熱分解ガスは、温度が低下するとその成分が凝縮し、タールや凝縮水として装置の配管等に付着する。配管に付着したタールは、除去するために装置を長期にわたり停止する必要があり、運転の障害となる。

また、装置の隔壁や伝熱面、配管にタールや凝縮水等が付着すると、これらの付着物に含まれる成分が隔壁や伝熱面、配管に付着して成長し、流路を縮小、閉塞するなど、運転上の障害となる。

本発明は、外部に熱源を設ける必要がなく、配管へのタールや凝縮水等の付着を抑制することが可能なバイオマスの半炭化燃料の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

本発明によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置は、下記のような特徴を有する。

バイオマスを加熱して乾燥させる乾燥装置と、前記乾燥装置で乾燥させた前記バイオマスを熱分解する熱分解装置と、前記乾燥装置と前記熱分解装置に加熱用の熱を供給する燃焼装置とを備える。前記熱分解装置は、前記燃焼装置で発生した燃焼排ガスの一部が供給され、供給された前記燃焼排ガスを前記バイオマスと直接混合することで、前記バイオマスを加熱して熱分解し、発生した熱分解ガスと加熱に用いた前記燃焼排ガスとの混合気体を前記燃焼装置に供給するように構成される。前記燃焼装置は、燃焼用空気が供給され、供給された前記混合気体を燃焼し、前記燃焼排ガスを発生するように構成される。

本発明によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置及び製造方法では、外部に熱源を設ける必要がなく、配管へのタールや凝縮水の付着を抑制することが可能である。

本発明の第１の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の構成図。 本発明の第２の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の構成図。 本発明の第３の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の構成図。 本発明の第３の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の変形例を示す構成図。 本発明の第３の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の別の変形例を示す構成図。 本発明の実施形態による発電システムの構成図。

本発明によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置及び製造方法の主な特徴を述べる。以下では、バイオマスの半炭化燃料の製造装置のことを、単に「製造装置」と記す。また、バイオマスの半炭化燃料の製造方法のことを、単に「製造方法」と記す。

本発明による製造装置は、もみ、わら、間伐材や、廃木材等の植物系廃棄物からなるバイオマス（以下、「原料バイオマス」と記す）を加熱して乾燥させる乾燥装置と、乾燥装置で乾燥させたバイオマス（以下、「乾燥バイオマス」と記す）を熱分解する熱分解装置と、乾燥装置と熱分解装置に加熱用の熱を供給する燃焼装置とを備える。

熱分解装置には、燃焼装置で発生した燃焼排ガス（以下、「排ガス」と記す）の一部が供給される。熱分解装置は、供給された排ガスを乾燥バイオマスと直接混合することで、乾燥バイオマスを加熱して熱分解する。乾燥バイオマスの熱分解で発生した熱分解ガスと加熱に用いた排ガスとの混合気体（以下、単に「混合気体」と記す）は、燃焼装置に供給されて燃焼する。

燃焼装置は、燃焼用空気が供給され、供給された混合気体を燃焼し、排ガスを発生する。燃焼装置に、表面に触媒成分が担持された燃焼器を用いることも可能である。

乾燥装置は、原料バイオマスの乾燥の際に発生する気体成分（以下、「乾燥分離ガス」と記す）を燃焼装置に供給することが望ましい。

好ましくは、混合気体を熱分解装置から燃焼装置に供給するエゼクタ装置を備える。エゼクタ装置は、乾燥分離ガスと燃焼用空気の少なくとも一方を駆動源として利用する。

さらに好ましくは、燃焼装置を複数備える。燃焼装置の各々には、混合気体と燃焼用空気が供給される。燃焼装置のうち、一部の燃焼装置で発生した排ガスを熱分解装置に供給し、残りの燃焼装置で発生した排ガスを乾燥装置に供給する。このとき、熱分解装置に供給される排ガスの酸素濃度が、乾燥装置に供給される排ガスの酸素濃度よりも低くなるように設定するのが望ましい。

本発明による製造装置及び製造方法では、バイオマスの半炭化に必要な熱源としてバイオマス自身（バイオマスの熱分解ガス）を利用するので、外部に熱源（燃焼装置）を設ける必要がない。バイオマスの熱分解は、通常、温度３００℃程度、酸素濃度１０％以下の雰囲気で実施する。本発明による製造装置及び製造方法では、熱分解装置の内部で乾燥バイオマスと排ガスを直接混合して、乾燥バイオマスを加熱する直接加熱方式を用いる。直接加熱方式は、伝熱効率が他の伝熱媒体を利用する間接加熱方式に比べて高く、熱分解装置の伝熱面積や容積を小さくできる。また、熱が他に逃げにくく、熱効率が高い。

バイオマスの熱分解成分は、その一部は蒸気圧が低く、温度が低下すると凝縮し、液体や固体となり、いわゆるタールや凝縮水となる。タールや凝縮水が隔壁や伝熱面に付着すると、これらの付着物に含まれる成分が隔壁や伝熱面、配管に付着して成長し、流路を縮小、閉塞するなど、運転上の障害となる。直接加熱方式を採用することにより、温度が低下し易い伝熱面の面積や容積を小さくでき、配管の長さも短くできるので、タールや凝縮水の付着を抑制することができ、運転上の障害が発生し難くなる。

さらに、熱分解装置で発生した熱分解ガスを排ガスと共に燃焼装置に送り、燃焼させる。このため、燃焼装置にて他の燃料の使用を削減でき、燃料代を削減できる。

熱分解装置から燃焼装置に供給される混合気体は、排ガスを含むため、発熱量が低い。燃焼装置に、表面に触媒成分が担持された燃焼器を使用する触媒燃焼法を採用すると、発熱量の低い混合気体に対し、触媒作用にて燃焼反応を促進できるので、安定燃焼に望ましい。また、一般に触媒は、１０００℃以上の高温となるとその触媒作用をもたらす成分が揮発または反応し、その活性が低下することが知られている。本発明による製造装置及び製造方法の燃焼装置は、排ガスを含む発熱量の低い混合気体を燃焼させるため、触媒の表面で１０００℃以上の高温部が生成し難く、触媒燃焼法に適する。

さらに、乾燥装置から排出される乾燥分離ガスは、主成分がバイオマスから分離された水分であるが、蒸気圧の高い可燃性ガスや臭気成分等を含む。この乾燥分離ガスを燃焼装置に供給することで、燃焼反応により臭気成分を分解できる。また、可燃性ガスの反応熱を有効利用することができる。

本発明による製造装置では、空気等を駆動源とするエゼクタ装置を用いるのが望ましい。エゼクタ装置を用いると、混合気体を燃焼装置に送るのに、送風機等の回転部が不要である。このため、混合気体は、流路やエゼクタ装置を構成する隔壁以外には、固体と接触する部分がない。

前述したように、タールや凝縮水が隔壁等に付着すると、流路を縮小、閉塞するなど、製造装置の運転上の障害となる。製造装置に送風機等の回転部がある場合は、回転部にタールや凝縮水が付着すると、振動等が生じてさらなる悪影響を与える。また、回転部は、通常、冷却が必要であり、温度３００℃程度の混合気体を流すには特別な冷却機構が必要となる。

本発明による製造装置は、エゼクタ装置を用いることで混合気体の流路に回転部分がなくなるため、流路やエゼクタ装置を構成する隔壁を保温してこの隔壁へのタールや凝縮水の付着を防止すれば、製造装置へのタールや凝縮水の付着を抑制することが可能となる。また、エゼクタ装置の駆動源として用いる空気は、燃焼装置にて混合気体の支燃ガスとして利用される。エゼクタ装置にて、空気と混合気体の混合が促進されるため、燃焼装置の内部で局所的な高温が発生するのを抑制することが可能となる。

本発明による製造装置及び製造方法では、複数の燃焼装置を備えるのが望ましい。複数の燃焼装置において、排出される排ガスの酸素濃度を変え、排ガスの温度を変更する。

酸素濃度の低い排ガスは、余剰な空気が少なく、温度が高い。このため、発熱量の低い混合気体を燃料として利用した場合でも、燃焼装置から排出される排ガスは、酸素濃度が低いと約６００℃程度と高い温度になり、熱分解装置に供給するのに適した温度となる。さらに、酸素濃度が低いので、熱分解装置の内部における原料バイオマスの異常燃焼といった運転上の障害をもたらす可能性が低くなる。

また、酸素濃度の高い排ガスは、温度が低いものの、排ガス量を増加することができる。このため、温度１００〜２００℃程度の熱源を必要とする乾燥装置に適する。特に、ロータリーキルン等の外熱式の乾燥装置に対して排ガスを供給し、伝熱後の排ガスを煙突から製造装置外に排出すると、排ガスのガス量が多いため、温度の低下が少なくなる。このため、排ガス中の水分の凝縮に伴う配管や乾燥装置等の材料の腐食を抑制できる。

また、製造装置から排出される排ガスは酸素濃度が高いので、排ガス中に含まれる未燃分は、酸素と反応し易くなる。排ガス中に含まれる未燃分は酸素と反応することで減少するので、製造装置から排出される未燃分を低減できる。

以下に、本発明の第１の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の一例を示す。

図１は、第１の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の構成図である。製造装置は、主要な構成機器として、乾燥装置１０、熱分解装置１１、ペレット製造装置１２、燃焼装置１３、及び煙突２１を備える。これらの機器は、ダクト１４〜１９、２４、２５で接続される。なお、図１において、機器を接続する線のうち、太線は原料バイオマスを起源とする固形物の流れを示し、細線は空気や排ガス等の気体成分の流れを示す。

もみ、わら、間伐材や、廃木材等の植物系廃棄物からなる原料バイオマス１は、乾燥装置１０にて加熱されて乾燥され、水分を分離した乾燥バイオマス２と原料バイオマスの乾燥の際に生成する気体成分（以下、「乾燥分離ガス」と記す）３となる。乾燥バイオマス２は、熱分解装置１１にて温度約３００℃、酸素濃度１０％以下の雰囲気で加熱され、熱分解し、いわゆる半炭化処理がされる。

半炭化処理後のバイオマス（以下、「半炭化燃料」と記す）４は、一般に水分が５％以下、発熱量は石炭並みである。このため、原料バイオマス１に比べて、長期間の保管でも微生物による変質が生じ難く、輸送コストも低い。さらに、半炭化処理にてバイオマスの一成分であるリグニンやセルロース等の繊維質が分解され、炭素を主体とした成分となる。半炭化燃料４は、石炭と同様に加圧粉砕が容易となり、粉砕性が向上し、石炭と同等の粉砕効率となる。また、３００℃程度と低温での熱分解のため、固体燃料中に揮発分が一部残留し、着火性も石炭と同等となる。このため、半炭化燃料４は、石炭と同様にボイラ等の熱源として利用できる。

一般に、粉体状の半炭化燃料４は、ハンドリング性を向上させるため、ペレット製造装置１２にて数センチメートル角程度のペレット（以下、「半炭化ペレット燃料」と記す）５に加工して、製造装置から出荷される。

乾燥装置１０や熱分解装置１１の熱源は、燃焼装置１３で生成する燃焼排ガス（以下、単に「排ガス」と記す）６が用いられる。燃焼装置１３は、ダクト１４〜１６、１９、２４を介して乾燥装置１０及び熱分解装置１１と接続する。排ガス６は、燃焼装置１３からダクト１４、１５を介して熱分解装置１１に供給される排ガス６ａと、燃焼装置１３からダクト１４、１６を介して乾燥装置１０に供給される排ガス６ｂとに分けられる。

熱分解装置１１では、排ガス６ａと乾燥バイオマス２とを直接混合する。乾燥バイオマス２は、排ガス６ａにより加熱され、熱分解されて、熱分解ガスを発生する。この熱分解ガスと排ガス６ａは、混合気体７として、熱分解装置１１から排出される。

熱分解ガスと排ガス６ａの混合気体７は、ダクト２４と送風機２０を介して燃焼装置１３に供給され、燃焼装置１３の熱源となる。バイオマス（乾燥バイオマス２）から生成された熱分解ガスを燃焼装置１３の熱源として利用することで、他の燃料の使用量を減らすことができ、製品である半炭化ペレット燃料５の製造コストを抑制できる。このとき、排ガス６ａの供給量にもよるが、混合気体７の発熱量は、約４ＭＪ／ｍ３ｎと天然ガス（低位発熱量約４０ＭＪ／ｍ３ｎ）に比べて低い。

乾燥装置１０に供給される排ガス６ｂのうち大部分は、乾燥装置１０の外部に供給し、隔壁を隔てて熱交換させる間接伝熱で原料バイオマス１と熱交換させる。間接伝熱で熱交換させると、乾燥分離ガス３のガス量を低減できる。また、乾燥装置１０に供給される排ガス６ｂのうち一部は、乾燥装置１０の内部に供給することが望ましい。排ガス６ｂを供給することで、乾燥装置１０の内部の酸素濃度を低下させ、自然発火等の運転上の障害の発生を抑制できる。

乾燥装置１０で熱交換させた排ガス６ｂは、ダクト１７、１８を通り、煙突２１から製造装置外に排出される。また、燃焼装置１３で生成した排ガス６の一部は、直接、ダクト１８を通して煙突２１から排出することも可能である。

乾燥装置１０で生成した乾燥分離ガス３は、原料バイオマス１から生成した水分を主成分とし、一部、蒸気圧の高い熱分解成分や臭気成分を含む。このため、ダクト１９と送風機２２、２０を介して、乾燥分離ガス３を燃焼装置１３に送り、燃焼させることが望ましい。乾燥分離ガス３を燃焼させることで、熱分解成分の燃焼熱を利用し、臭気成分を分解できる。

なお、図１に示す製造装置では図示しないが、ダクト１９の途中にガス冷却器を設け、乾燥分離ガス３中の水分の一部を除去することも可能である。乾燥分離ガス３から水分を除去することで、燃焼装置１３での燃焼温度を高めることができる。

燃焼装置１３には、燃焼用空気８も供給される。燃焼用空気８は、送風機２３で昇圧され、一部はダクト２５を介して送風機２０に送られ、一部は燃料装置１３とダクト１４に送られる。燃焼装置１３の下流のダクト１４に燃焼用空気８を送ることで、排ガス６の温度を調節させることが可能である。

第１の実施形態に示す製造装置では、熱分解装置１１の内部で乾燥バイオマス２と排ガス６を直接混合して、乾燥バイオマス２を加熱する直接加熱方式を用いる。直接加熱方式は、伝熱効率が他の伝熱媒体を利用する間接加熱方式に比べて高く、熱分解装置の伝熱面積や容積を小さくできる。また、熱が他に逃げにくく、熱効率が高い。

バイオマスの熱分解成分は、その一部は蒸気圧が低く、温度が低下すると凝縮し、液体や固体となり、いわゆるタールや凝縮水となる。タールや凝縮水が隔壁や伝熱面に付着すると、これらの付着物に含まれる成分が隔壁や伝熱面、配管に付着して成長し、流路を縮小、閉塞するなど、運転上の障害となる。直接加熱方式を採用することにより、温度が低下し易い伝熱面の面積や容積を小さくでき、配管の長さも短くできるので、タールや凝縮水の付着を抑制することができ、運転上の障害が発生し難くなる。

このため、伝熱効率が他の伝熱媒体を利用する場合に比べて高くなり、熱分解装置１１の伝熱面積や容積を小さくできる。また、直接、伝熱するため、熱が他に逃げにくく、熱効率が高い。さらに、熱分解装置１１で発生した熱分解ガス（乾燥バイオマス２から発生したガス）を、排ガス６ａと共に混合気体７として燃焼装置１３に送り、燃焼させる。このため、燃焼装置１３にて他の燃料の使用を削減でき、燃料代を削減できる。

第１の実施形態による製造装置の燃焼装置１３には、触媒燃焼方法を採用する燃焼器（以下、「触媒燃焼器」と記す）を用いるのが好ましい。触媒燃焼器では、表面に担持された触媒成分が燃焼反応を促進する。このため、燃焼装置１３に触媒燃焼器を用いると、燃料の発熱量が、熱分解装置１１から供給される混合気体７のように低い場合でも、安定燃焼を維持し易い。また、一般に触媒は、１０００℃以上の高温となるとその触媒成分が揮発または反応し、その活性が低下することが知られている。本実施形態による製造装置及び製造方法では、排ガス６ａを含む発熱量の低い混合気体７を燃焼させるため、触媒の表面で１０００℃以上の高温部が生成し難く、触媒成分を長期にわたり使用することができる。

なお、燃焼装置１３に触媒燃焼器を用いず、低発熱量のガスに対応したバーナを用いて燃焼させることも可能である。

なお、図１に示す第１の実施形態による製造装置では、固体物の移送に係る供給機や、気体成分の流量の調整に用いるダンパ等の図示を省いているが、これらが実際には設置され、固体物の移送量や気体成分の流量を調整することは自明である。また、図示していないが、燃焼装置には、起動用や助燃用の燃料を供給する系統を設けることも可能である。

また、熱分解装置１１での熱分解温度は、原料バイオマス１の性状や、製品である半炭化ペレット燃料５に要求される性状により変わるが、一般にバイオマス中の繊維質の分解が可能な温度である２５０〜３５０℃程度となる。

以下に、本発明の第２の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の一例を示す。

図２は、第２の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の構成図である。図２において、図１と同一の符号は、第１の実施形態と同一または共通する要素を示し、これらの要素については説明を省略する。図２でも、機器を接続する線のうち、太線は原料バイオマスを起源とする固形物の流れを示し、細線は空気や排ガス等の気体成分の流れを示す。また、固体物の移送に係る供給機や、気体成分の流量の調整に用いるダンパ等の図示を省いている。図示していないが、燃焼装置には、起動用や助燃用の燃料を供給する系統を設けることも可能である。

本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、熱分解装置１１と燃焼装置１３を接続するダクトにエゼクタ装置３０が設置され、熱分解装置１１から排出された混合気体７を燃焼装置１３に供給するのに、エゼクタ装置３０を使用している点である。エゼクタ装置３０は、内部に高速の気流を生じさせることで、ベルヌーイの定理により低い圧力を誘起し、この低圧によりガスを吸引する装置である。エゼクタ装置３０の駆動源としては、燃焼用空気８や乾燥分離ガス３を、送風機２２で昇圧して用いる。燃焼用空気８と乾燥分離ガス３のどちらか一方を駆動源としても用いてもよいし、燃焼用空気８と乾燥分離ガス３の両方を駆動源としても用いてもよい。

エゼクタ装置３０では、昇圧された燃焼用空気８や乾燥分離ガス３が高速気流で噴出し、混合気体７を巻き込む。このようにして燃焼用空気８と混合気体７は混合が促進され、空気と燃料とが均一に混合した気体として燃焼装置１３に供給される。このため、燃焼装置１３の中では、燃料の不均一な分布に起因する局所的な高温部や低温部が形成され難い。このため、高温部で生じ易い、空気中の窒素が起源となる窒素酸化物の生成や、低温部で生じ易い、未燃焼の一酸化炭素の生成を抑制できる。

さらに、エゼクタ装置３０を用いることで、送風機等の回転部を有することなく、混合気体７を燃焼装置１３に送ることが可能である。このため、混合気体７は、流路（ダクト２４）やエゼクタ装置３０を構成する隔壁以外には、固体と接触する部分がない。

混合気体７中のバイオマスの熱分解ガスの成分の一部は、蒸気圧が低く、温度が低下すると凝縮して液体や固体となり、いわゆるタールや凝縮水となる。タールや凝縮水が隔壁等に付着すると、流路を縮小、閉塞するなど、製造装置の運転上の障害となる。特に、送風機等の回転部にタールが付着すると、振動等を生じる。また、回転部は、通常、冷却が必要であるので、温度３００℃程度の混合気体を流すには、特別な冷却機構が必要となる。

本実施形態による製造装置では、エゼクタ装置３０を用いることで混合気体７の流路に回転部が不要である。このため、流路やエゼクタ装置を構成する隔壁を保温してこの隔壁へのタールや凝縮水の付着を防止すれば、製造装置へのタールや凝縮水の付着を抑制することが可能となる。従って、タールや凝縮水という付着物を除去するために長期にわたり停止することなく、製造装置を運転することが可能となる。

以下に、本発明の第３の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の一例を示す。

図３は、第３の実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の構成図である。図３において、図２と同一の符号は、第２の実施形態と同一または共通する要素を示し、これらの要素については説明を省略する。図３でも、機器を接続する線のうち、太線は原料バイオマスを起源とする固形物の流れを示し、細線は空気や排ガス等の気体成分の流れを示す。また、固体物の移送に係る供給機や、気体成分の流量の調整に用いるダンパ等の図示を省いている。図示していないが、燃焼装置には、起動用や助燃用の燃料を供給する系統を設けることも可能である。

本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、燃焼装置を複数備える点である。本実施形態による製造装置は、図３に示すように、２つの燃焼装置４０、４１を備える。燃焼装置４１は、排ガスの流れについて、燃焼装置４０の下流側に設けられる。さらに、本実施形態による製造装置は、２つのガス分析計５３、５４を備える。ガス分析計５３は、燃焼装置４０から排出される排ガス５０を通すダクト１５に設けられ、ガス分析計５４は、燃焼装置４１から排出される排ガス５１を通すダクト１６に設けられる。

燃焼装置４０は、エゼクタ装置３０から供給された混合気体７と燃焼用空気８を燃焼し、排ガス５０を排出する。排ガス５０の一部は、熱分解装置１１に供給され、残りは燃焼装置４１に供給される。

燃焼装置４１は、燃焼装置４０から供給された排ガス５０の一部と送風機２３で供給された燃焼用空気８を燃焼し、排ガス５１を排出する。排ガス５１は、一部が乾燥装置１０に供給され、残りの一部が煙突２１から製造装置の外部に排出される。また、燃焼装置４１には、乾燥装置１０から出た乾燥分離ガス３が、送風機２２を介して供給される。

ガス分析計５３、５４は、排ガス５０、５１の酸素濃度をそれぞれ測定する。測定した排ガス５０、５１の酸素濃度を基に、燃焼装置４０、４１に入る燃焼用空気８の流量を調整することができる。

燃焼装置４０から出た排ガス５０は、燃焼装置４１から出た排ガス５１よりも、酸素濃度が低くなるように設定する。すなわち、熱分解装置１１に供給される排ガス５０は、乾燥装置１０に供給される排ガス５１よりも、酸素濃度が低くなるようにする。酸素濃度は、例えば、排ガス５０は０〜２％で、排ガス５１は３〜８％とし、排ガス５０と排ガス５１で１％以上の酸素濃度差をもたせることが望ましい。排ガス５０と排ガス５１の酸素濃度は、送風機２３で供給された燃焼用空気８の供給量で調節する。

酸素濃度が低い排ガス５０は、余剰な空気が少なく、温度が比較的高い。このため、温度３００℃程度での熱分解が必要な熱分解装置１１に適する温度となる。また、酸素濃度が低いので、熱分解装置１１内での自然発火等により、運転に障害を与えることが少ない。

酸素濃度が高い排ガス５１は、空気が多く混合しているため、ガス量が多く、温度が比較的低い。このため、乾燥装置１０には、低温のガスを大量に供給することができる。さらに、乾燥装置１０の内部に局所的な高温部が発生するのを抑制しながら、熱伝達に伴う排ガス５１の温度の低下を少なくできる。このため、乾燥装置１０内の低温部分で乾燥分離ガス３が再び凝縮し、水分となることを抑制できる。乾燥装置１０内で凝縮水分が発生すると、乾燥バイオマス２同士を固着させ、運転を妨げる可能性があるが、本実施形態による装置構成では、この可能性が少なくなる。

また、煙突２１から製造装置外に排出される排ガスは、酸素濃度が高い排ガス５１である。排ガス５１に含まれている未燃分は、酸素と反応し易く、酸素と反応することで減少する。従って、煙突２１から製造装置外に排出される排ガス中の未燃分を低減できる。

乾燥装置１０から出た乾燥分離ガス３は、水分を多く含むため、燃焼温度が低下する。乾燥分離ガス３は、燃焼装置４１に供給するが、燃焼装置４０には供給しない。このため、燃焼装置４０で生成して熱分解装置１１と燃焼装置４１に供給する排ガス５０の温度は高くなる。従って、熱分解装置１１に高温の排ガス５０を供給できると共に、燃焼装置４１にて乾燥分離ガス３内の臭気成分などの処理が可能となる。

なお、燃焼装置４０、４１に触媒燃焼器を用いる場合には、燃焼装置４０には高温での運用が可能な耐熱性の高い触媒を使用し、燃焼装置４１には水蒸気を多く含むガスに対応した耐水蒸気性の高い触媒を使用することが望ましい。具体的には、例えば、燃焼装置４０には、温度８００℃以上で使用可能な触媒を使用し、燃焼装置４１には、水蒸気量が全体のガス量に対する質量比で５％以上で使用可能な触媒を使用することが望ましい。

図４は、本実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の変形例を示す構成図である。図４において、図３と同一の符号は、図３と同一の要素を示し、これらの要素については説明を省略する。図３に示した製造装置では、燃焼装置４０から出た排ガス５０の一部を燃焼装置４１に供給しているが、図４に示す製造装置のように、熱分解装置１１から出た混合気体７をエゼクタ装置３０の下流で分岐し、燃焼装置４０、４１に個々に供給することも可能である。

図４に示すように混合気体７を分岐し、燃焼装置４０、４１に個々に供給することで、燃焼装置４１に入る燃焼ガス（混合気体７）の発熱量は、図３に示した構成の製造装置よりも高くなる。このため、燃焼装置４１に触媒燃焼器を用いず、バーナを用いて燃焼させる場合は、図４に示した構成をとると、燃焼装置４１内での局所的な燃焼温度が高まるので、安定燃焼を維持し易くなる。

一方、燃焼装置４１に触媒燃焼器を用いる場合は、図３に示した構成のように、燃焼装置４０から出た排ガス５０の一部を、燃焼装置４１の燃焼ガスとした方が好ましい。燃焼装置４１に入る燃焼ガス（排ガス５０の一部）は発熱量が低く、燃焼装置４１内での局所的な高温部ができにくく燃焼温度が平滑化されるため、触媒の耐久性維持に望ましい。

図３、図４に示した製造装置では２つの燃焼装置４０、４１を備えているが、燃焼装置の数は、２つに限られず、３つ以上でもよい。一例として、燃焼装置を３つ備えた製造装置を図５に示す。

図５は、本実施形態によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置の別の変形例を示す構成図である。図５において、図３と同一の符号は、図３と同一の要素を示し、これらの要素については説明を省略する。図５に示す製造装置は、３つの燃焼装置４０、４１、４２を備える。燃焼装置４１は、排ガスの流れについて、燃焼装置４０の下流側に設けられ、燃焼装置４２は、燃焼装置４１の下流側に設けられる。さらに、図５に示す製造装置は、３つのガス分析計５３、５４、５５を備える。ガス分析計５３は、燃焼装置４０から排出される排ガス５０を通すダクト１５に設けられ、ガス分析計５４は、燃焼装置４１から排出される排ガス５１を通すダクト１６に設けられ、ガス分析計５５は、燃焼装置４２から排出される排ガス５２を通すダクト１６に設けられる。

燃焼装置４２は、燃焼装置４１から供給された排ガス５１の一部と送風機２３で供給された燃焼用空気８を燃焼し、排ガス５２を排出する。排ガス５１の一部は、乾燥装置１０の内部に供給される。排ガス５２は、一部が乾燥装置１０の外部に供給され、残りの一部が煙突２１から製造装置の外部に排出される。また、燃焼装置４２には、乾燥装置１０から出た乾燥分離ガス３が、送風機２２を介して供給される。

ガス分析計５３〜５５は、排ガス５０〜５２の酸素濃度をそれぞれ測定する。測定した排ガス５０〜５２の酸素濃度を基に、燃焼装置４０〜４２に入る燃焼用空気８の流量を調整することができる。

図３に示した製造装置と同様に、図５に示した製造装置でも、下流側にある燃焼装置（乾燥装置１０に排ガスを供給する燃焼装置４１、４２）からは酸素濃度の高い排ガスが排出されるように、排ガス５０〜５２の酸素濃度を設定する。すなわち、熱分解装置１１に供給される排ガス５０は、乾燥装置１０に供給される排ガス５１、５２よりも、酸素濃度が低くなるようにする。これにより、燃焼装置４２からは酸素濃度の高い排ガス５２が排出され、排ガス５２は、煙突２１から製造装置の外部に排出することができる。

燃焼装置を４つ以上備えた製造装置でも、図３〜５と同様に燃焼装置を設置し、各々の燃焼装置から排出される排ガスの酸素濃度を設定することができる。従って、熱分解装置１１に供給される排ガスの酸素濃度が、乾燥装置１０に供給される排ガスの酸素濃度よりも低くなるように設定して、下流側にある燃焼装置（乾燥装置１０に排ガスを供給する燃焼装置）からは、酸素濃度の高い排ガスが排出されるようにすることが可能である。

燃焼装置を複数設け、各々の燃焼装置から排出される排ガスの酸素濃度を設定し、酸素濃度の高い排ガスを煙突２１から製造装置の外部に出すことで、排ガス中の未燃分と酸素との反応を促進し、製造装置外へ排出される未燃分を低減することができる。

なお、図３から図５ではいずれもガス分析計５３〜５４で排ガス中の酸素濃度を測定し、その測定した酸素濃度を元に、燃焼用空気８の流量を調節する場合について説明したが、ガス分析計を用いないで燃焼装置出口の酸素濃度差を持たせることもできる。

例えば、燃焼装置に入る燃焼用空気８と混合気体７、排ガス５０等の流量を測定し、燃焼装置毎の流量差を設けることができる。また、例えば図３のように燃焼装置４０から出た排ガス５０の一部を燃焼装置４１に導入する場合、燃焼装置４１で燃焼用空気８が混合するため、排ガス５１の酸素濃度は排ガス５０の酸素濃度より高くなる。このため、燃焼装置４１に入る排ガス５０と燃焼用空気８の流量比率を調整することで、燃焼装置４０と４１から出る排ガス５０と５１の酸素濃度差を設定できる。

以下に、本発明の実施形態による半炭化燃料を用いた発電システムの一例を示す。

図６は、本実施形態による発電システムの構成図である。発電システムは、バイオマスの半炭化燃料の製造装置６２と、発電所６５を有する。製造装置６２は、本発明によるバイオマスの半炭化燃料の製造装置である。発電所６５は、燃料として、製造装置６２で製造した半炭化燃料を含む固体燃料を利用する。

バイオマス６０は、トラック等の収集手段６１により製造装置６２に集められる。製造装置６２は、バイオマス６０を熱分解して半炭化燃料６３を製造する。このとき、半炭化燃料６３を直径１ｃｍ程度のペレット状に圧縮すると、粉末状のものよりも飛散し難く、燃料としてのハンドリング性が高まる。

半炭化燃料６３は、船等の輸送手段６４にて発電所６５に輸送する。発電所６５では、半炭化燃料６３を石炭等と共に発電の燃料として利用する。

本発明の実施形態による半炭化燃料を用いた発電システムでは、半炭化燃料６３を利用することで、石炭の利用量を削減できる。半炭化燃料６３は、バイオマス由来であり、バイオマス由来のＣＯ_２は再び植物により固定化されるため、ＣＯ_２フリーとみなせる。さらに、廃棄物の処理が簡素化されることや、石炭の使用量が減ることにより、発電所６５のＣＯ_２の排出量を低減できる。

１…原料バイオマス、２…乾燥バイオマス、３…乾燥分離ガス、４…半炭化燃料、５…半炭化ペレット燃料、６，６ａ，６ｂ…排ガス（燃焼排ガス）、７…混合気体（熱分解ガスと排ガスの混合気体）、８…燃焼用空気、１０…乾燥装置、１１…熱分解装置、１２…ペレット製造装置、１３…燃焼装置、１４〜１９，２４，２５…ダクト、２０，２２，２３…送風機、２１…煙突、３０…エゼクタ装置、４０，４１，４２…燃焼装置、５０，５１，５２…排ガス、５３，５４，５５…ガス分析計、６０…バイオマス、６１…収集手段、６２…バイオマスの半炭化燃料の製造装置、６３…半炭化燃料、６４…輸送手段、６５…発電所。

Claims (8)

1. バイオマスを加熱して乾燥させる乾燥装置と、前記乾燥装置で乾燥させた前記バイオマスを熱分解する熱分解装置と、前記乾燥装置と前記熱分解装置に加熱用の熱を供給する燃焼装置とを備えるバイオマスの半炭化燃料の製造装置において、
   前記乾燥装置は、前記燃焼装置で発生した燃焼排ガスの一部が供給され、供給された前記燃焼排ガスのうち、一部を前記バイオマスと直接混合し、残りを間接伝熱で前記バイオマスと熱交換させ、発生したガスを前記燃焼装置に供給し、
   前記熱分解装置は、前記燃焼装置で発生した前記燃焼排ガスの一部が供給され、供給された前記燃焼排ガスを前記バイオマスと直接混合することで、前記バイオマスを加熱して熱分解し、発生した熱分解ガスと加熱に用いた前記燃焼排ガスとの混合気体を前記燃焼装置に供給し、
   前記燃焼装置は、燃焼用空気が供給され、前記熱分解装置から供給された前記混合気体と前記乾燥装置から供給された前記ガスとを燃焼し、前記燃焼排ガスを発生する、
   ことを特徴とするバイオマスの半炭化燃料の製造装置。
2. バイオマスを加熱して乾燥させる乾燥装置と、前記乾燥装置で乾燥させた前記バイオマスを熱分解する熱分解装置と、前記乾燥装置と前記熱分解装置に加熱用の熱を供給する燃焼装置とを備えるバイオマスの半炭化燃料の製造装置において、
   前記熱分解装置は、前記燃焼装置で発生した燃焼排ガスの一部が供給され、供給された前記燃焼排ガスを前記バイオマスと直接混合することで、前記バイオマスを加熱して熱分解し、発生した熱分解ガスと加熱に用いた前記燃焼排ガスとの混合気体を前記燃焼装置に供給し、
   前記燃焼装置を複数備え、複数の前記燃焼装置は、排ガスの流れについて自らの上流側にある前記燃焼装置から前記燃焼排ガスが供給され、自らの下流側にある前記燃焼装置に前記燃焼排ガスを供給し、
   最も上流側にある前記燃焼装置は、燃焼用空気が供給され、前記熱分解装置から供給された前記混合気体を燃焼し、前記燃焼排ガスを発生し、発生した前記燃焼排ガスのうち一部を前記熱分解装置に供給し、
   最も上流側にある前記燃焼装置より下流側にある前記燃焼装置は、燃焼用空気が供給され、前記熱分解装置から供給された前記混合気体を燃焼し、前記燃焼排ガスを発生し、発生した前記燃焼排ガスのうち一部を前記乾燥装置に供給することを特徴とするバイオマスの半炭化燃料の製造装置。
3. 請求項２に記載のバイオマスの半炭化燃料の製造装置において、
   前記熱分解装置に前記燃焼排ガスを供給する前記燃焼装置には、温度８００℃以上で使用可能な触媒を使用した燃焼器を用いるバイオマスの半炭化燃料の製造装置。
4. 請求項２に記載のバイオマスの半炭化燃料の製造装置において、
   前記乾燥装置に前記燃焼排ガスを供給する前記燃焼装置は、前記乾燥装置で発生したガスが供給され、供給されたこのガスを燃焼するバイオマスの半炭化燃料の製造装置。
5. 請求項４に記載のバイオマスの半炭化燃料の製造装置において、
   前記乾燥装置に前記燃焼排ガスを供給する前記燃焼装置には、水蒸気量が全体のガス量に対する質量比で５％以上で使用可能な触媒を使用した燃焼器を用いるバイオマスの半炭化燃料の製造装置。
6. バイオマスを加熱して乾燥させる乾燥工程と、前記乾燥工程で乾燥させた前記バイオマスを熱分解する熱分解工程と、前記乾燥工程と前記熱分解工程に用いる熱を生成する燃焼工程とを備えるバイオマスの半炭化燃料の製造方法において、
   前記乾燥工程は、前記燃焼工程で発生した燃焼排ガスの一部を使用し、使用する前記燃焼排ガスのうち、一部を前記バイオマスと直接混合し、残りを間接伝熱で前記バイオマスと熱交換させ、
   前記熱分解工程は、前記燃焼工程で発生した前記燃焼排ガスの一部を前記バイオマスと直接混合することで、前記バイオマスを加熱して熱分解し、発生した熱分解ガスと加熱に用いた前記燃焼排ガスとを混合して混合気体を生成し、
   前記燃焼工程は、燃焼用空気と前記熱分解工程で生成した前記混合気体と前記乾燥工程で発生したガスとを燃焼し、発生した前記燃焼排ガスのうち、一部を前記熱分解工程に使用し、残りを前記乾燥工程に使用し、
   前記熱分解工程で使用する前記燃焼排ガスの酸素濃度を、前記乾燥工程で使用する前記燃焼排ガスの酸素濃度よりも低く設定する、
   ことを特徴とするバイオマスの半炭化燃料の製造方法。
7. 燃料として、請求項１から５の何れか１項に記載のバイオマスの半炭化燃料の製造装置で製造した半炭化燃料を用いることを特徴とする発電システム。
8. 燃料として、請求項６に記載のバイオマスの半炭化燃料の製造方法により製造した半炭化燃料を用いることを特徴とする発電システム。

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