JP5603477B1

JP5603477B1 - 連続炭化装置

Info

Publication number: JP5603477B1
Application number: JP2013235544A
Authority: JP
Inventors: 敬一小鷹
Original assignee: 株式会社アイエムティ
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: JP2015052096A

Abstract

【課題】木質バイオマス原料からバイオマス炭を得るに際し、内熱型の低エネルギーコスト性と、回転炉型の高生産性の両方を一定程度併せて具備せしめる装置を提供すること。
【解決手段】以下を備える、木質バイオマス原料を炭化してバイオマス炭を連続的に製造するための装置：
（ａ）木質バイオマス原料を自燃せしめて炭化し、バイオマス炭を生成する炭化部；
（ｂ）前記炭化部と外部との通気を遮断する炉体部；
（ｃ）前記炉体部の外から該炭化部の下方に位置する原料部に、木質バイオマス原料を連続的に送致する送致部；
（ｄ）前記炭化部の上方に設けられ、前記炭化部内に外部から空気を送り込む送風部；及び
（ｅ）前記送致部と連結していて、前記木質バイオマス原料及び生成されたバイオマス炭が載置される載置部。
【選択図】図１

Description

本発明は木質バイオマスを原料とするバイオマス炭を製造するための連続炭化装置に関する。

太陽光発電用粗シリコンの製造用木炭の需要増大、リチウム電池の電極用木炭の需要増大に伴って、木炭の需要が増大している。しかしながら、木炭を製造するために自然木を伐採することは環境保護の点から好ましくない。

一方、ヤシ殻はアブラヤシから取るヤシ油の残渣であり、有効な用途がないため廃棄物として放置されることが多い。しかしながら、廃棄・放置されるヤシ殻を炭化して炭として供給することにより、上記の木炭の供給不足を補える可能性がある。ヤシ殻に限らず、他のバイオマス原料もバイオマス炭に変えることにより上記需要を満たす資材となり得る。

かかる観点の下、本発明者らは平成２３年１０月２４日出願の特許願（出願人「有限会社美炭産業」発明の名称「ＰＫＳ製炭炉」）においてヤシ殻の炭化に内熱型バッチ式装置を開示した。

再表２００９−０４７９２号公報

内熱型バッチ式装置は、大きさが一般的に小さいヤシ殻を炉に入れたり、炭化した炭粒を取り出したりする工程が煩雑である場合があり、また、装置が大型であるため、内熱の温度管理に一定の技術・機構を要し生産性に改善の余地がある。

一方、生産性を上げるための装置として一般的な回転炉（ロータリーキルン）型装置がある。しかしながら従来の回転炉式装置は、炭化エネルギーを外熱で得て、キルン内に導くものであるところ、キルンの径が大きくエネルギーコストが高くなり経済的に成り立ち難い。

すなわち、木質バイオマス原料からバイオマス炭を得るに際し、内熱型の低エネルギーコスト性と、回転炉型の高生産性の両方を一定程度併せて具備せしめることに対する継続的な需要が存在していた。本発明は上記課題、すなわち木質バイオマス原料からバイオマス炭を得るに際し、内熱型の低エネルギーコスト性と、回転炉型の高生産性の両方を一定程度併せて具備せしめる装置を提供することを課題とした。

上記課題に鑑み検討を重ねた結果、本発明者は、驚くべきことに、従来の装置とはまったく異なる発想に基づく新たな構成を具備する装置により上記課題が解決することを見出し、さらに研究を進めた結果本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、少なくとも以下の各発明に関する：
[１]
以下を備える、木質バイオマス原料を炭化してバイオマス炭を連続的に製造するための装置：
（ａ）木質バイオマス原料を自燃せしめて炭化し、バイオマス炭を生成する炭化部；
（ｂ）前記炭化部と外部との通気を遮断する炉体部；
（ｃ）前記炉体部の外から該炭化部の下方に位置する原料部に、木質バイオマス原料を連続的に送致する送致部；
（ｄ）前記炭化部の上方に設けられ、前記炭化部内に外部から空気を送り込む送風部；及び
（ｅ）前記送致部と連結していて、前記木質バイオマス原料及び生成されたバイオマス炭が載置される載置部。

[２]
送致部が略鉛直方向に設けられたスクリューを含む前記[１]に記載の装置。
[３]
送致部が、前記略鉛直方向に設けられたスクリューと連結され、略水平方向に設けられたキルンをさらに含む前記[２]に記載の装置。
[４]
載置部が、前記略鉛直方向に設けられたキルンと連結された板状体である前記[２]又は[３]記載の装置。
[５]
送風部がブロワーである前記[１]〜[４]のいずれかに記載の装置。

[６]
木質バイオマス原料がＰＫＳ、木質ペレット状バイオマス原料又は木質チップ状バイオマス原料である、前記[１]〜[５]のいずれかに記載の装置。
[７]
除去部により取り除かれたバイオマス炭を保持する保持部をさらに具備する前記[１]〜[６]いずれかに記載の装置。
[８]
保持部が、炭化部より下方に設けられた水槽である前記[７]に記載の装置。
[９]
原料を下から連続で押し上げて供給する原料部をさらに有する前記[１]〜[８]のいずれかに記載の装置。
[１０]
炭化した炭粒が、原料供給の押上げの力で押されて炭化部から出て、水冷却部に落下して冷却される構造を具備する前記[１]〜[９]のいずれかに記載の装置。

[１１]
冷却で水冷却部の底に溜った炭粒を取り出すための取出しコンベアーを具備する前記[１０]に記載の装置。
[１２]
炉体部に炭化反応を継続させる重油バーナーを付属する構造を具備する前記[１]〜[１１]のいずれかに記載の装置。
[１３]
炭化反応の乾留ガスを回収するパイプを具備する前記[１]〜[１２]のいずれかに記載の装置。
［１４］
炭化部においてバイオマス原料を自燃させ、乾留ガスを発生させるための火種を供給する、炭化部と異なる燃焼部をさらに具備する、前記[１]〜[１３]のいずれかに記載の装置。
［１５］
以下を含む木質バイオマス原料を炭化してバイオマス炭を連続的に製造する方法：
（ａ’）バイオマス炭を生成する炭化部において、木質バイオマス原料を自燃せしめて炭化する工程；
（ｂ’）炉体部により、前記炭化部と外部との通気を遮断する工程；
（ｃ’）送致部により、前記炉体部の外から該炭化部の下方に位置する原料部に木質バイオマス原料を連続的に送致する工程；
（ｄ’）前記炭化部の上方に設けられた送風部により、前記炭化部内に外部から空気を送り込む工程；及び
（ｅ’）前記木質バイオマス原料及び生成されたバイオマス炭を、前記送致部と連結している載置部に載置する工程。

本発明の装置は内熱型の特徴である原料の一部を燃焼させる方法を使い、その周りの原料を炭化反応させるところの炭化部を具備する。
また本発明の装置の態様として、以下の各手段を具備する態様を例示することができる。
・炭化部へ向けて原料を自動で供給する手段。
・炭化反応が終わって炭粒になったものに対する反応を停止せしめる手段。

本発明によれば、木質バイオマス原料からバイオマス炭を得るに際し、内熱型の低エネルギーコスト性と、回転炉型の高生産性の両方を併せて達成し得る装置が提供される。
さらに本発明の装置のある態様においては、以下のそれぞれの効果も奏される：
・内熱のため自燃焼量が少なくなり、製品の歩留まりが向上する。また、エネルギーコストも大幅に低減される。
・原料である木質バイオマスが自動で炉へ送り込まれるので作業性が向上する。
・製品の炭粒も自動で排出されるので作業性がさらに向上する。

本発明の装置の及び方法の一態様を、該装置の機能とともに示す図である。実線矢印は、木質バイオマス原料及び生成されたバイオマス炭の動きを概念的に示す。点線矢印は、乾留ガスの動きを概念的に示す。本発明の装置の及び方法の他の一態様を示す図である。「Ｍ」はモーターを示す。

以下に、本発明の装置及び該装置を用いてバイオマス炭を製造する方法についてさらに説明する。
本発明の装置は、下記のものであればその他の構成についてとくに限定されない：
（ａ）木質バイオマス原料を自燃せしめて炭化し、バイオマス炭を生成する炭化部；
（ｂ）前記炭化部と外部との通気を遮断する炉体部；
（ｃ）前記炉体部の外から該炭化部の下方に位置する原料部に、木質バイオマス原料を連続的に送致する送致部；及び
（ｄ）前記炭化部の上方に設けられ、前記炭化部内に外部から空気を送り込む送風部；及び
（ｅ）前記送致部と連結していて、前記木質バイオマス原料及び生成されたバイオマス炭が載置される載置部。
なお、本明細書において、「木質バイオマス原料」の語を「バイオマス原料」あるいは「原料」等に省略して記載することがある。また、本明細書において、「バイオマス炭」の語を「炭」等に省略して記載することがある。

まず、本発明の装置を用いたバイオマス炭製造の工程、及び本発明の製造方法の概略を示す。
本発明の装置においては、外気遮断と熱遮断のため炉体部により炭化反応部（本明細書において「炭化反応部」ということもある）、原料部等の全体が覆われている。バイオマス炭の原料である木質バイオマス原料が原料部を経て炭化部の載置部へ載置されると、該木質バイオマス原料は重油バーナー等の着火手段により着火される。該着火の前又は後に空気ブロワー等によって外部から必要量の空気が炉体部内に送り込まれる。木質バイオマス原料が燃え始めると（乾留による炭化反応の開始）、新たなバイオマス原料が炭化部に供給されるとともに、炉体内の温度が炭化反応が継続される温度まで昇温される。

炭化反応の開始が確認されたら着火手段は停止し、外部からの空気の量を自燃焼（自燃）が継続する程度の量に絞り込んで効率のよい炭化反応の条件に設定し、バイオマス炭の製造が行われる。
炉体部内の炭化反応部に送致部により原料が新たに送り込まれる。すでに炭化反応している炭化反応部の熱エネルギーの一部を受けて、新たに送り込まれた前記原料が炭化反応を始める。製造されたバイオマス炭及び製造されたバイオマス炭は、前記炭化部の載置部から、新たに供給される原料に加えられた外力により炭化部から順次取り除かれる。したがって原料を送り込み続けることにより、炭化反応によるバイオマス炭の製造、製造されたバイオマス炭の除去及び新たな原料の供給が連続して行われ、バイオマス炭の連続的な製造が可能になる
以上が本発明の装置を用いたバイオマス炭製造の工程の概略である。

本発明の装置及び製造方法においては、バイオマス原料の炭化が原料粒のそれぞれに対して均一な条件で行われるため、生成されたバイオマス炭の質が均一であり高い歩留りが達成されるのである。

本発明の装置及び製造方法について、以下においてさらに説明する。
炭化反応を維持継続するため、本発明の装置は、ブロワーのような送風部を具備するところ、必要に応じて、空気を少量供給する手段をさらに備えることは好ましい。

原料の水分が部分的に多くて、炭化反応が低下した場合、バーナーによって重油等を燃焼して炭化反応を上げることは好ましい。炭化反応を開始する際の初期着火も同様にバーナーによって行ってよい。バーナーの個数は限定されず、１個、２個、３個、４個、５個又は６個であってよい。複数個のバーナーを、間隔を空けて配置することは好ましい。
着火バーナー及び空気ブロアー兼用部を具備する本発明の装置も好ましい。

原料は送致部により原料部を経て炭化部に送致されるところ、該送致部として略鉛直方向に設けられた押上げ手段、たとえば押上げスクリューを用いてよい。この場合新たな原料は、該押上げスクリューによって下から反応部へ押上げられ、原料部から炭化部の載置部へ運搬・載置される。異常時には、スクリューを逆転して供給原料を下げ、原料を下げると共にシャッターによって炭化反応部と原料部とを遮断・隔離することができる。

原料の供給を上からパイプ等を通じて炭化反応部へ押し出して行うことも出来る。その場合、異常時や停止の原料供給の遮断は前記の方法とは異なる方法により行われる。
木質バイオマス原料を押上げスクリューの回転によって上方へ移動させる場合、スクリューと連結された回転する板状体を具備する本発明の装置は好ましい。
前記押上げスクリューは根元へ押し込まれたバイオマス原料をスクリューの回転によって上方へ移動させる。炭化部へ載置されたバイオマス原料は重油バーナー等の着火手段により着火される。その後、空気ブロワーによって、自燃に必要最小限の量の空気が炉体内部に送り込まれる。

木質バイオマス原料が着火して燃え出したら、押上げスクリュー、及び場合によっては他の供給スクリューを回転して木質バイオマス原料を炭化部へ連続的に供給するとともに、炉体内の温度を炭化反応が継続する温度まで充分上昇させる。
炭化反応によって生成される乾留ガスを回収する乾留ガス回収手段を具備する本発明の装置は、作業性が向上するため好ましい。また、原料である木質バイオマスが自動で炉体内部へ送り込まれる本発明の装置も、作業性が向上するため好ましい。

炭化反応の開始が確認されたら着火手段は停止し、空気ブロワーの量を自燃焼（自燃）が継続する程度の最小量に絞り込んで、最も効率のよい炭化反応の条件に設定し、バイオマス炭が製造される。この時、炭化反応の速度にバイオマス原料の供給量が同期するように、バイオマス原料の供給量を調整することは好ましい。すなわち、バイオマス原料の供給量をバイオマス炭の製造に最適な量になるように調整することは好ましい。

炭化反応部で原料の炭化が進み、炭化の終わった高温の炭粒は、新たなバイオマス原料が集積している原料部を外側から覆う状態に位置する。したがって、原料部に加えられるキルンからの外力に押されて、前記炭粒を載置部の周縁に堆積せしめ、反応部の周縁部から落下するようにすることは好ましい。

本発明の装置のうち、周縁部から落下した高温の炭粒が保持される保持部をさらに具備するものは好ましい。かかる保持部として、内部に水を有する水槽を具備し、そこへ水没することで反応熱が瞬時に奪われ炭化反応が停止して常温の炭粒とする本発明の装置は好ましい。

水槽の底に滞った炭粒は所定の量になると具備された取り出しコンベアー等で排出され、天日乾燥等で炭製品となる。

本発明の装置において、原料ストック部と上昇スクリューとをさらに具備し、かかる原料ストック部と上昇スクリューとの間が、前記上昇スクリューと連結され、略水平方向に設けられた、送致部としての供給スクリューによって接続され、該上昇スクリューの根元に供給スクリューによってバイオマス原料を押込むものは好ましい。

なお、製鉄や非鉄金属の精錬工程において用いられる石炭コークス等の炭素源においては、その成分として含有されている炭素量が多く、揮発成分（ＶＭ：Volatile Matter）が少ないことが求められる（特許文献１）。本発明の装置又は方法によれば、さまざまな種類のバイオマス炭を製造することができるところ、たとえばヤシ殻炭に要求される物性であるＶＭ：１０％以下のものばかりでなく、ＶＭが７％以下のバイオマス炭も製造される。
なお、ヤシ殻炭は製鉄または非鉄金属の精錬の工程における炭素源として、石炭コークスに代替し得る資材として有用であることが明らかとなり、その利用が進められている。ヤシ殻のうち、ココヤシのヤシ殻は比較的炭素分が多い一方、アブラ椰子（オイルパーム）のヤシ殻（ＰＫＳ＝Palm Kernel Shell）は炭素分が少なく揮発成分が多い。これらいずれのヤシ殻からも、本発明の装置又は製造方法を用いることにより、種々のヤシ殻炭を製造することができる。

本発明の装置又は製造方法によれば、種々のバイオマス炭を高い歩留りで、製造することができる。本発明の装置又は製造方法によれば、従来のロータリーキルン型装置と比較して、製造されるバイオマス炭の歩留りは約１．３場合以上高い。また、製造条件を最適化することにより、上記歩留りは約１．５倍にまで高めることが可能である。
本発明の装置を用いてバイオマス炭を製造するに際して、用いられるバイオマス原料の種類は限定されず、上記のとおりヤシ殻のほか、木質ペレット状バイオマス原料及び木質チップ状バイオマス原料も本発明の装置又は製造方法において好適に用いられる。

また、本発明の装置又は製造方法において用いられるバイオマス原料の粒度や水分含量は限定されない。本発明の装置において、バイオマス原料の粒度や水分含量に応じて、スクリューの回転速度及び原料の押し出し速度を調節することができるものは好ましい。
本発明の装置又は製造方法によれば、一旦バイオマス原料の自燃状態を達成すれば、１０日間にわたり連続してバイオマス炭を製造することが可能である。本発明の装置及び製造方法のうち、各部の動作をコンピュータで管理し、自動化したものは好ましい。
本発明の装置のうち、炭化部においてバイオマス原料を自燃させ、乾留ガスを発生させるための火種を供給する、炭化部と異なる燃焼部をさらに具備する装置は好ましい。炭化部におけるバイオマス原料の自燃、及び乾留ガスを発生が、炭化部の温度の維持・制御により一層厳密になされるためである。

本発明の装置及び製造方法について、図面を参照しながらさらに詳細に説明を行う。
図１は本発明の機能を表すための連続炭化装置の断面構造図である。

図１において、符号１は炉体、２は炭化部、３は原料部、４は炭化粒、５は水冷却部、６は取り出しコンベアー、７は押上げスクリュー、８は供給スクリュー、９は原料ストック部、１０は乾留ガス回収パイプ、１１は空気ブロワー、１２は重油バーナー、１３は予備ダクトを、それぞれ示す。
なお以下においては木質バイオマス原料としてヤシ殻を用いた例を示すが、本発明における木質バイオマス原料はヤシ殻に限定されず例えば木質ペレット状木質バイオマス原料及び木質チップ状木質バイオマス原料も好適に用いられる。すなわち、以下の記載はあくまで本発明について説明するための例にすぎないのであって、いかなる意味においても本発明を限定するものではない。

１炉体は外気と熱を遮断するもので、熱遮断のため内面は耐火セメント張りとなっている。

ヤシ殻の原料は９原料ストック部へ一時保管され、そのストック用タンクの下部口から８供給スクリューヘ落下してスクリューの回転で７押上げスクリューの根元へ押し込まれる。

７押上げスクリューは根元へ押し込まれたヤシ殻原料をスクリューの回転によって上方へ移動させ、３原料部から２炭化部へ載置して一時停止する。

２炭化部へ載置した原料ヤシ殻を１２重油バーナー点火で着火する。その際１１空気ブロワーによって必要最小限の空気を送り込む。

原料ヤシ殻が着火して燃え出すと、押上げスクリュー、供給スクリューを回転して原料を炭化部へ供給して、１炉体内の温度を炭化反応が継続する温度まで充分上昇させる。

１３予備ダクトより内部を監視して炭化反応が始まったら、１２重油バーナーは停止して、１１空気ブロワーの量を自燃焼が継続する最小に絞りこんで、最も効率のよい炭化反応の条件に設定する。また、原料の供給量も最適な量になるように調整する。

以上の操作で連続炭化装置の運転状態となる。製品の炭粒は６取り出しコンベアーを適時運転して外へ取り出す。

連続炭化装置の停止に際しては、１１空気ブロワーの停止、各スクリューの停止によって炭化反応を停止する。１３予備ダクトより内部を観察して炭化反応率が低下したら、押上げスクリューを逆転して原料を引き下げ、炭化部との間に耐熱性の遮断板（図示しない）を外部から操作して挿入し、熱を遮断して停止が完了する。

図２は本発明の装置の及び方法の他の一態様を示す。本態様においては２炭化反応部と別個に１５燃焼部が設けられる。また、１４着火バーナー及び空気ブロアー兼用部を具備する。
本態様においては、１５燃焼部にも火種となるバイオマス原料が連続的に供給される。したがって本態様においては、２炭化反応部におけるバイオマス原料の自燃、及び乾留ガスを発生が、３炭化部の温度の維持・制御により一層厳密になされるため好ましい。

本発明によれば、木質バイオマス原料からバイオマス炭を得るに際し、内熱型の低エネルギーコスト性と、回転炉型の高生産性の両方を一定程度併せて具備した装置が提供される。したがって本発明は、バイオマス炭生産業及びその関連産業の発展に寄与するところ大である。

１炉体部
２炭化部
３原料部
４炭化粒（バイオマス炭）
５水冷却部（水槽）
６取出しコンベアー
７押上げスクリュー（送致部）
８供給スクリュー（送致部）
９原料ストック部
１０乾留ガス回収パイプ
１１空気ブロワー（送風部）
１２重油バーナー
１３予備ダクト
１４着火バーナー及び空気ブロアー兼用部
１５燃焼部

Claims

（ａ）木質バイオマス原料を、炉体部により外部との通気を遮断された炭化部に、回転して前記木質バイオマス原料を押し上げる送致部により下から押し上げて連続的に送致し、炭化部内の載置部に載置し、
（ｂ）炭化部の上方に設けられ、炭化部内に外部から空気を送り込む送風部により、前記木質バイオマス原料の自燃に必要な量の空気を前記載置された木質バイオマス原料に供給して前記木質バイオマス原料を自燃せしめ炭化してバイオマス炭を製造するとともに、送致部により木質バイオマス原料が炭化部に新たに送り込まれ、前記製造されたバイオマス炭が前記新たに送り込まれた木質バイオマス原料の外側を覆う状態に位置せしめられ、
（ｃ）前記製造されたバイオマス炭は、前記新たに送り込まれた木質バイオマス原料に送致部により加えられた外力により炭化部から順次落下して取り除かれるとともに、すでに炭化反応している炭化部の熱エネルギーの一部を受けて前記新たに送り込まれた木質バイオマス原料が炭化反応を始めて、
炭化反応によるバイオマス炭の製造及び製造されたバイオマス炭の除去ならびに新たな原料の供給が連続して行われ、バイオマス炭の連続的な製造が行われる、木質バイオマス原料を炭化してバイオマス炭を連続的に製造するための装置。
送致部が略鉛直方向に設けられたスクリューを含む請求項１に記載の装置。
送致部が、前記略鉛直方向に設けられたスクリューと連結され、略水平方向に設けられたキルンをさらに含む請求項２に記載の装置。
載置部が、前記略鉛直方向に設けられたスクリューと連結された板状体である請求項２又は３に記載の装置。
送風部がブロワーである請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
木質バイオマス原料がＰＫＳ、木質ペレット状バイオマス原料又は木質チップ状バイオマス原料である、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
除去部により炭化部から取り除かれたバイオマス炭を保持する保持部をさらに具備する請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
保持部が、炭化部より下方に設けられた水槽である請求項７に記載の装置。
炭化した炭粒が、原料供給の押上げの力で押されて炭化部から出て、水冷却部に落下して冷却される構造を具備する請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
冷却で水冷却部の底に溜った炭粒を取り出すための取出しコンベアーを具備する請求項９に記載の装置。
炉体部に炭化反応を継続させる重油バーナーを付属する構造を具備する請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
炭化反応の乾留ガスを回収するパイプを具備する請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
炭化部においてバイオマス原料を自燃させ、乾留ガスを発生させるための火種を供給する、炭化部と異なる燃焼部をさらに具備する、請求項１〜１２のいずれかに記載の装置。
木質バイオマス原料の炭化反応の速度に新たなバイオマス原料の供給量が同期するように、新たなバイオマス原料の供給量を調整する、請求項１〜１３のいずれかに記載の装置。