JP6165287B1 - バイオマス改質システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】工業上実現可能な効率レベルでのバイオマス改質システム及び方法の提案。【解決手段】草本系バイオマスＢ１をチッパー３で微粒化し、微粒化した草本系バイオマスを溶出槽９で常圧の水に浸し、草本系バイオマスを脱水器１７で脱水し、脱水水Ｗ２と脱水チップＢ２に分離して抽出するとともに、高濃度カリウムを含む脱水水Ｗ２として抽出する第１のプロセスと、脱水チップＢ２に炭酸カルシウムを混ぜる第２のプロセスと、脱水水Ｗ２を、炭酸カルシウムを混ぜた脱水チップの一部を燃焼させて乾燥させ、肥料を固体として抽出する第３のプロセスとを含んで構成されるバイオマス改質システム。【選択図】図１
Description
本発明は、バイオマスとして、例えば竹を用いて燃料や肥料に改質するバイオマス改質システムおよびその運用方法に係り、特に効率性を重視したバイオマス改質システムおよび方法に関する。
近年、バイオマスを用いて燃料（エネルギー）を確保し、あるいはバイオマスから肥料などを生成するという観点から、多くの検討がなされている。例えば特許文献１では、バイオマスとして例えば竹について、竹を燃料に改質し、さらには竹から肥料を得ることを可能とする「植物性バイオ燃料改質方法、システム及び生産方法」が提案されている。
具体的には特許文献１には「竹を粒径６ｍｍ以下まで微粒化し、微粒化した竹を常圧の水に浸し、常圧の水に浸した前記竹を脱水し、脱水された前記竹を燃料として利用し、脱水により得られた溶液を肥料として利用する植物性バイオ燃料の改質方法」が提案されている。
なお、竹は身近な存在であり、昔から民生用を中心に広く利用されているが、工業的利用のために燃料としてみたときには、ほとんど利用されていないのが実態である。この理由としては、竹は灰中のカリウム濃度が高く、灰の軟化温度が９００℃以下となりボイラで燃焼させると灰の塊であるクリンカが発生し最悪閉塞などの弊害が発生すること、また塩素も含んでおり燃焼により塩化溶融塩腐食が発生することなどがあげられ、竹が本来有する特質である成長が早く多量に生息している点が存在するにも拘わらず、工業的な燃料としての利用は皆無であるといってよい状況である。
上記特許文献１に記載の手法によれば、竹に含まれるカリウムなどは肥料とされ、竹そのものは燃料とすることが可能であり、燃料である竹を燃焼させても燃焼温度が９００℃以上にできるため、灰の塊であるクリンカが発生し最悪閉塞などの弊害が発生するといった事態を避けることが可能である。
然しながら特許文献１は、竹を微粒化し、微粒化した竹を常圧の水に浸し、竹を脱水し、脱水された竹を燃料として利用し、脱水により得られた溶液を肥料として利用する方法が記載されているのみであって、具体的に工業化するうえでの課題及び対策を明確にしたバイオマス改質システムおよびその運用方法を提案したものではない。
確かに特許文献１に記載の手法は、燃料化といった意味では十分な技術であるが、溶出物を如何に肥料化するのか、また竹に対して必要な水量は単純に１０倍となれば液肥又は乾燥用肥料にするにも多量の水分を蒸発させる必要がある。このエネルギーは多量であり改質した燃料の数十％の消費が予想される。
以上のことから本発明においては、特許文献１の手法をさらに進展させて、工業上実現可能な効率レベルでのバイオマス改質システムおよび方法を提案することを目的としている。
以上のことから本発明においては、草本系バイオマスを微粒化し、微粒化した草本系バイオマスを常圧の水に浸し、草本系バイオマスを脱水し、脱水水と脱水チップに分離するとともに、高濃度カリウムを含む脱水水を得る第１の系統と、脱水チップに高溶融点物質を混ぜる第２の系統と、脱水水を、高溶融点物質を混ぜた脱水チップの一部を燃焼させて乾燥させ、肥料を固体として得る第３の系統とを含んで構成されたことを特徴とするバイオマス改質システムとしたものである。
また本発明は、草本系バイオマスを微粒化し、微粒化した草本系バイオマスを常圧の水に浸し、草本系バイオマスを脱水し、高濃度カリウムを含む脱水水と脱水チップに分離し、脱水チップに炭酸カルシウムを混ぜ、脱水水を、炭酸カルシウムを混ぜた脱水チップの一部を燃焼させて乾燥させ、肥料を固体として得ることを特徴とするバイオマス改質方法としたものである。
本発明によれば、工業上実現可能な効率レベルでのバイオマス改質システムおよび方法が実現できる。
本発明の実施例によれば、未利用バイオマスの改質で発生する溶出液中のカリウムなどの肥料成分を高濃度化し、更に溶出液自体も減少させ最適化することで、多量の熱を使うことなく肥料化が可能となる。
例えば竹から改質燃料を作り、その溶出液を本発明の手法で肥料化できれば再び肥料として竹林に戻すことで太陽と水さえあれば半永久的に植物を育て燃料を回収するバイオマス循環社会の形成が可能となる。
本発明の実施例について図面を用いて説明する。
まず、本発明で採用可能な草本系バイオマスを明らかにしておく。これらは特許文献１に例示されたものが採用可能であり、具体的には以下のようなものである。
これらは例えば、空果房（ＥＦＢ）、果肉ファイバー、パーム椰子の剪定枝、パーム椰子の古木（トランク）、又はファルカタの殻、樹皮（バーク）、ファルカタの剪定枝、ファルカタの古木、或いはユーカリ、アカシア、アブラギリ、マングローブの樹皮（バーク）、木質チップ取得後の心材、剪定枝、或いはバナナの空果房、バナナの剪定枝、バナナの葉、バナナの古木、又はパイナップル、竹類など。褐炭、泥炭、亜瀝青炭など塩基成分の高い物にも適用可能となる。更に藻などの水中植物類、野菜などであるが、以後の説明では竹の例で説明する。
なお、パーム椰子の実はパームオイルを取った後に残る殻と外殻をバイオ燃料として一般に使用されているが、実が生っている房の部分は塩素の含有量が高く且つ灰の溶融温度が低いことで燃料として使用されず野積みで放置されている。灰の溶融温度が低い原因は灰中のカリウム含有量が２０−３０％と高いことによるものである。
また、竹などは塩素分が高いなど、再生可能燃料として使用したいが、塩素分とナトリウム、カリウムが高く、使用不可能な未利用バイオマスは沢山ある。これらのバイオマスは炭化処理、酸液による不純物溶出などの方法で改質しようと試みられているが、単独で使用（燃焼状態での専焼）出来る状態まで改質できていない。
本発明のバイオマス改質システムは、３つのプロセスにより構成されている。なお以下の説明では、上記した草本系バイオマスを用いた例として、竹の場合を例示しているが、その他の草本系バイオマスであってもチップ化されて投入されるものであれば、以下の３つのプロセスには大きな変更なく採用が可能である。
第１のプロセスは、竹を脱水チップと脱水水に分離するものであって、「竹を微粒化し、微粒化した竹を常圧の水に浸し、竹を脱水し、脱水水と脱水チップに分離するとともに、脱水水を高濃度カリウム液として得る」ものである。
第２のプロセスは、脱水チップに係り、必要に応じて溶融温度が高い置換材として炭酸カルシウムによる改質処理を施すものである。
第３のプロセスは、脱水水に係り、高濃度カリウム液を含む脱水水を、脱水チップの一部を燃料として乾燥させて、固体として得るものである。
図１に本発明の第１のプロセスに係る系統図を示している。第１のプロセスＰＲ１に対する外部からの入力は、竹Ｂ１と工業用水Ｗ１と循環水Ｗ３であり、第１のプロセスＰＲ１から外部への出力は、脱水水Ｗ２と脱水チップＢ２と循環水Ｗ３である。
このうち、竹Ｂ１が脱水チップＢ２になる過程について説明すると以下のようである。まず、竹Ｂ１は竹供給フィーダ２で竹チッパー３に入り、細断される。細断されチップ状になった竹Ｂ１は竹チップサイロ４に貯留される。竹チップサイロ４にはレベル計５が設置されており、規定レベル以上になると竹供給フィーダ２のスピードを減速し、チップ量を調整する。
一方、循環水タンクＴ１に溜められた水は循環水ポンプＰ１により給水ラインＬ１を介して溶出槽９に送られるが、その途中に竹チップサイロ４の下部に取り付けられたジェットパルジョンポンプＰ２を通過する。この際竹チップサイロ４は負圧となり、竹チップサイロ４より排出された竹チップは水流により溶出槽９へと運ばれる。
溶出槽９内には入り口部に滞留装置１０が設置されている。滞留装置１０は、滞留することにより竹Ｂ１の塩素、カリウムが十分水と接触し溶出するための滞留時間を取る装置である。滞留装置１０を出た溶液と竹チップは溶出槽９内の攪拌機１１で攪拌されながら、竹チップの自重で槽下部へと沈降する。なお、溶液は常用オーバフローラインＬ２を通過して再び循環水タンクＴ１へと戻る。
溶出槽９の下部に沈降した竹Ｂ１は、スクリューフィーダ１６で切り出され、脱水器１７へと送られ、遠心分離機能により、脱水されたチップ（脱水チップＢ２）と脱水水Ｗ２に分けられる。
以上が、竹Ｂ１が脱水チップＢ２になる過程である。次に、もう一つの外部からの入力である工業用水Ｗ１について説明する。
先の説明において、竹チップを脱水器１７に投入するためには、ある程度の流動状態が必要であり、且つ沈降していた竹チップＢ１が持っている水分のカリウム、塩素濃度は高いため流動とすすぎを行うためのリンス水を投入する必要がある。このリンス水は、工業用水Ｗ１からの補給を兼ねたリンス水水量調節弁１８で供給される水と、脱水水Ｗ２がリンス水タンクＴ２に流れ、リンス水循環ポンプＰ３によりリンス水循環弁２１を経由して再び脱水器１７の入り口に戻される水の合計である。このように、工業用水Ｗ１は、最初の段階ではリンス水として使用される。なお後述するように、第１のプロセスＰＲ１における水のプロセスは基本的に閉ループを形成しており、外部には溶出液タンクＴ３から脱水水Ｗ２としてのみ排出される。工業用水Ｗ１は、中長期的には、この脱水水Ｗ２としての排出量にみあう補給水としての位置づけのものである。
次に、第１のプロセスＰＲ１から外部へ出力される脱水水Ｗ２について説明する。この前提として、第１のプロセスＰＲ１における水のプロセスが基本的に閉ループを形成していることについて、これは給水ラインＬ１と常用オーバフローラインＬ２により形成されている。一部においては、リンス水タンクＴ２と脱水器１７の間で小ループを形成し、あるいはリンス水タンクＴ２と循環水タンクＴ１の間にリンス水抜出弁２３によるラインを形成することはあるが、基本的には閉ループを形成している。
これにより、一次的にはリンス水タンクＴ２内にリンス水と共に導かれた竹Ｂ１の塩素、カリウム成分は、上記閉ループ内の循環により中長期的には濃度を増していくことになる。濃度を増した循環水は、適宜濃度を監視しながら溶出液タンクＴ３に導かれる。例えば、給水ラインＬ１の途中には循環水カリウム計１２が設置されており、通過する循環水が規定濃度以上の場合は循環水抜き取り弁１３により溶出液タンクＴ３へと移送する。なお、循環水抜き取り弁１３は、カリウム濃度と共に循環水タンクＴ１のレベルをレベル計５４により監視し、規定値以上の場合は規定値になるよう循環水を抜き取る機能を併せ持つものであってもよい。また、溶出液タンクＴ３には溶出槽９の水位レベルが異常に上昇した際、外部に排出させないよう非常用オーバフローラインＬ３が設置されており、このルートからも循環水が溶出液タンクＴ３に導かれている。
なお、第１のプロセスＰＲ１における上記以外の主な機能は以下のようである。例えば、リンス水タンクＴ２にはレベル計２２が設置されており、規定レベル以上になればリンス水抜出弁２３で循環水タンクＴ１に排出し、循環水として利用する。また、循環水タンクＴ１にはレベルが低下すれば直接工業用水Ｗ１を注入する循環水タンク水位調節弁２５が設置されている。リンス水タンクＴ２も同様に規定レベル以下になれば工業用水から直接タンク内に水を注入するリンス水タンク水位調節弁２４がある。
図２に本発明の第２のプロセスに係る系統図を示している。第２のプロセスＰＲ２に対する外部からの入力は、図１の第１のプロセスＰＲ１からの脱水チップＢ２と、後述する図３の第１のプロセスからの搬送用空気Ａ１であり、第２のプロセスＰＲ２から外部への出力は、改質燃料Ｂ３、Ｂ４と、燃焼用空気Ａ２である。
図１の第１のプロセスＰＲ１における脱水器１７からの脱水チップＢ２は、第２のプロセスＰＲ２内の竹脱水チップサイロ２６内に運ばれ、蓄積されている。竹脱水チップサイロ２６にはレベル計５３が設置されており、この信号で図１の第１のプロセスＰＲ１における竹チップサイロ４より排出される量と、スクリューフィーダ１６で脱水する竹チップ量を制御している。図２には、レベル計５３のみを記載し、図１の竹チップサイロ４より排出される量と、スクリューフィーダ１６で脱水する竹チップ量を制御するための制御装置の記載を省略している。
図２の空気ラインＬＡ１には、竹脱水チップの輸送用に暖められた搬送用空気Ａ１が導入されており、竹チップテーブルフィーダ３３を介して竹脱水チップサイロ２６内に蓄積されている脱水チップＢ２が、竹チップバグフィルター２９へと送られる。また空気ラインＬＡ１には、炭酸カルシウムサイロ３４に溜められた炭酸カルシウムが、炭酸カルシウムサイロ３４下部に設置された炭酸カルシウムテーブルフィーダ３５を介して、竹チップテーブルフィーダ３３の速度に見合う量が、投入されている。これにより炭酸カルシウムが混入された状態の脱水チップＢ２が竹チップバグフィルター２９に送られている。なお図２の実施例では炭酸カルシウムを混入する例を記載し説明しているが、基本的に１５００℃以上で溶融する高溶融点物質であれば炭酸カルシウム以外であってもよい。これらは例えばシリカ、珪藻土、生石灰などである。なお、炭酸カルシウムの融点は１５００℃よりも低いが、炭酸カルシウムは熱分解して生石灰（ＣａＯ）となりＣａＯは２６１３℃で溶融する。また、珪藻土はシリカが主成分であり、シリカの融点は１６５０±７５℃である。高溶融点物質を混入する理由について後述する。
空気ラインＬＡ１で示した輸送空気配管内部では、炭酸カルシウムと竹の脱水チップＢ２が接触し、竹チップ表面に炭酸カルシウムが付着する。更にエアヒーターで加温された搬送用空気Ａ１により、同時に脱水チップＢ２の水分も除外され、乾燥される。係る状態で竹チップバグフィルター２９に投入された脱水チップＢ２と炭酸カルシウムは、竹チップバグフィルター２９のろ布上で更に接触して、竹チップ表面に炭酸カルシウムが付着する。また炭酸カルシウムの一部は、ろ布のコーティング材となりろ布上に残る。
竹チップバグフィルター２９で捕集され、表面に炭酸カルシウムが付着した竹チップは、竹燃料チップサイロ３６に一旦貯留される。竹燃料チップサイロ３６の下部には改質燃料払い出しロータ３８と、竹燃料チップ供給ロータ３７が設けられている。このうち、改質燃料払い出しロータ３８の出口は、例えば改質燃料フレコンなどにより製品としての改質燃料Ｂ３を払い出す。改質燃料払い出しロータ３８は、レベル計３９の信号で、レベルが規定値以上になれば回転して改質燃料Ｂ３を排出し、竹燃料チップサイロ３６のレベルを下げる。
竹燃料チップ供給ロータ３７からは、図３の第３のプロセスに対して、乾燥された竹燃料チップである改質燃料Ｂ４が燃料として供給される。また竹チップバグフィルター２９内の空気は、輸送ファン３０により吸い出され、燃焼用空気Ａ２として、図３の第３のプロセス内の乾燥炉へ供給される。これは竹には乳酸菌があり、チップにすると醗酵が始まり長く置くと腐敗によるカビなども発生し悪臭を放つ性質があることから、臭気対策の意味でも大気に燃焼用空気Ａ２を放出せず、炉内に入れることで臭気を熱分解する目的のものである。
なお輸送ファン３０は、空気輸送の際に空気圧力で竹脱水チップサイロ２６、竹燃料チップサイロ３６内に逆流しないように、輸送空気配管内が負圧になるように輸送用空気圧力計５５により制御されている。また必ず負圧になるように輸送用空気圧力計５５の手前には輸送用空気オリフィス５６を取り付けている。
図３に本発明の第３のプロセスに係る系統図を示している。第３のプロセスＰＲ３に対する外部からの入力は、外部空気Ａ３、図２の第２のプロセスＰＲ２からの乾燥された竹燃料チップである改質燃料Ｂ４と、燃焼用空気Ａ２、図１の第１のプロセスからの脱水水Ｗ２であり、第３のプロセスＰＲ３から外部への出力は、改質肥料Ｄ、排出空気Ａ４、搬送用空気Ａ１である。
第３のプロセスは、乾燥炉３１を主体に構成されている。乾燥炉３１には、燃焼用に使用される空気である燃焼用空気Ａ２や外部空気Ａ３と、燃料としての乾燥された竹燃料チップである改質燃料Ｂ４と、乾燥の対象である脱水水Ｗ２が投入されている。このうちいまだ説明されていないのは、空気Ａ３の系統である。この系統は外気Ａ３を大気吸い込み弁６１、押し込みファン２７、加熱用エアヒーター２８、燃焼用空気調整弁３２などにより構成された空気ラインＬＡ２であり、空気ラインＬＡ２の一部から図２の第２のプロセスに向かう搬送用空気Ａ１の空気ラインＬＡ１を分岐している。
耐火材で構成された乾燥炉３１には、下部のストーカ部から乾燥、燃焼用に使用される空気である燃焼用空気Ａ２と外部空気Ａ３を導入し、燃料としての乾燥された竹燃料チップである改質燃料Ｂ４を燃焼させている。乾燥炉３１に形成された燃焼通路内にはスプレノズル４３が設置されており、溶出液スプレ調整弁４２により調整された量の脱水水Ｗ２が、燃焼による高温ガス中に噴霧上に投入されている。
高温の排出ガスは、その後肥料バグフィルター４７に導かれて冷却される。この排ガス冷却過程で溶出液中の細かな竹の粉及び溶出液中のカリウム、塩素、リンなどはイオンから塩化カリウムなどになり、竹の粉などと共に肥料バグフィルター４７で捕集される。肥料バグフィルター４７の下部には肥料抜き出しロータ５８が設置され、肥料Ｄが肥料フレコン４８へ投入される。また燃焼排ガス中の灰成分も、同様に捕集される。乾燥炉３１の炉底には燃焼で発生する灰を抜き出す炉底灰抜き出しロータ５７が設置されており、定期的に抜き出された灰も肥料Ｄとして肥料フレコン４８へと投入される。
以上説明した第３のプロセスＰＲ３における肥料回収を有効に行わせるために、プロセスＰＲ１−ＰＲ３の各所は、以下のように制御されるのが望ましい。
例えば脱水水Ｗ２を制御することに関して以下のようにするのがよい。乾燥炉３１内で燃焼後の高温排ガスは炉内に設置されたスプレノズル４３から、溶出液ポンプ４１（図１）より供給された脱水水Ｗ２を噴霧することで排ガスが冷却されることから、バグフィルター入り口温度計４４で排ガス温度を計測し規定温度となるように溶出液スプレ調節弁４２で脱水水Ｗ２の流量を制御する。
例えば改質燃料Ｂ４を制御することに関して以下のようにするのがよい。まず、図１の溶出液タンクＴ３に設置されているレベル計１５の信号Ｓａは、竹燃料チップ供給ロータ３７に対して回転数制御信号Ｓａ１に変換されて送られ、レベル計１５が規定値以上の場合、竹燃料チップ供給ロータ３７の回転数を上げて竹燃料チップ供給量を増加させる。これにより乾燥炉３１に供給される改質燃料Ｂ４が増加することで排ガス量は増加し、バグフィルター入り口温度を上げる方向に作用する。この状態でバグフィルター入り口温度を規定値にするにはスプレノズル４３に供給される溶出液Ｗ２の量を増やすことになることから、結果として溶出液タンクＴ３のレベルは下がることになる。逆にレベル計１５の指示が規定値より低い場合は竹燃料チップ供給ロータ３７の回転数を低下することで燃焼量が低下し溶液流量Ｗ２を下げる結果となる。
例えば乾燥、燃焼用に使用される空気である燃焼用空気Ａ２や外部空気Ａ３を調整することに関して以下のようにするのがよい。ここでも図１の溶出液タンクＴ３に設置されているレベル計１５の信号Ｓａを用いるのがよい。レベル系１５の信号Ｓａは、燃焼用空気調整弁３２に対する先行制御信号Ｓａ２として作成、印加され、燃焼用空気中の酸素濃度を計測する酸素濃度計４５の信号と、空気流量計４６の信号との組み合わせで適正な空気量を先行的に制御するのがよい。
以上、乾燥炉３１に投入される３要素（脱水水Ｗ２、改質燃料Ｂ４、燃焼用に使用される空気である燃焼用空気Ａ２や外部空気Ａ３）についての推奨される制御方式について説明した。
なお、上記主要素の制御以外の構成及び制御について以下に述べておく。まず、肥料バグフィルター４７を出た排ガスは、エアヒーター２８を通過後、溶液ヒータ４９で図１の循環水Ｗ３と熱交換する。この溶液ヒータ４９は図１の循環水ポンプＰ１からの循環水Ｗ３の一部を抜き取り排ガスで加熱し再び循環水タンクＴ１へと戻すものである。温められた循環水Ｗ３を再び循環水タンクＴ１に戻すことで寒冷地における凍結防止を図ることができ、また循環水Ｗ３を温めることで竹チップより溶出するカリウムなどを効率よく得ることができる。
溶液ヒータ４９の入り口出口には溶液ヒータ温度調節弁５０が設けられており、ヒータ出口温度計５１による温度制御が実行されている。これによれば、制御値以下になれば溶液ヒータ温度調整弁５０が開き溶液ヒータ４９を通過する溶液を減少させることでヒータ出口温度計５１の排ガス温度を上昇させる。一方温度制御値異常であれば溶液ヒータ温度調整弁５０が閉じられ、溶液ヒータ４９への溶液通過量を増加させる。
その後、溶液ヒータ４９を出た排ガスは、誘引ファン５２に入り煙突へと送られるが誘引ファン５２は炉圧計６０の信号で回転数を制御されており炉圧を常に負圧になるようコントロールされている。
上述したとおり竹はチップにすると乳酸菌により醗酵が始まり異臭が発生する。従ってチップ後のサイロ、タンクなどのベント部からは臭気が発生する可能性があることから、押し込みファン２７の入り口にはベントマニュホールド５９が設けられ、各タンク、サイロなどよりのベントを接続している。このベントマニュホールド５９は密閉ではなく、一部を大気開放にしており各タンク、サイロの内部圧力変動があった際、外部に臭気が出ない程度の負圧になっている。ベントマニュホールド５９の内部が一定の負圧以下になると、大気吸い込み弁６１の弁体が負圧により開き、負圧が規定以下に下がらないように大気より空気を吸い込む。負圧が下がり過ぎるとタンクレベルが変動し、且つ密閉にするとタンク内のレベル変動によりタンク間で脈動が発生するなどの弊害が発生する。このため大気吸い込み弁６１を設けている。
本発明に係るバイオマス改質システムは、基本的に以上のように構成されている。また、このシステムでは、上記したような制御を実行するのがよい。本発明において、上記のように構成し、制御することの有用性について、以下具体的なデータを用いて説明する。
まず図４は、溶出液の再利用データを示す。これは、竹のカリウム溶出液を６回再利用した場合の液中カリウム濃度の挙動データを示している。ここでは、横軸に再利用回数、縦軸に当該再利用回数の時の水量（ｍｌ）、竹量（ｇ）、希釈（倍）、カリウム濃度（ｍｇ／ｌ）をそれぞれ示している。これは、竹重量の６倍の水で溶出し、その溶出した溶液を再利用し新たな竹で溶出した後再び再利用を繰り返した試験結果である。
この結果によれば、１回の溶出で約１０００（ｍｇ／ｌ）のカリウム（Ｋ）濃度が上昇することが判るが、６回の再利用ではカリウム濃度は飽和せず比例関係で上昇している。この竹のカリウム含有量は０．７９％であり、７９００（ｍｇ／ｌ）分が竹に含まれるとした場合再利用で水中に溶出する量は最大約半分の３９５０（ｍｇ／ｌ）の筈だが、そうとは成らないで、それ以上の溶出がある。このことから竹のカリウム濃度の差により飽和点は異なるはずだが循環水により溶出液の再利用は可能であることが判る。
図５は、溶出した竹の水分７０％以上の状態で、遠心脱水器１７にて脱水した結果を示す。ここでは、孟宗竹について脱水後含有率（恒温槽）と脱水後状況を示している。この結果によれば、脱水することで約４０％まで水分低下し、パラパラな状態である。これは木質生チップと同等の水分であり、脱水のみで燃料としての利用が可能となることを意味している。従って溶出液をそのまま液肥料として利用できる農場などがあれば乾燥炉３１などの付帯設備は不要に成ると理解できる。
図６は、１回溶出した場合の脱水溶液を乾燥させ蒸留残渣物とその内部に肥料成分であるカリウム（Ｋ）りん（Ｐ）窒素（Ｎ）がどれほど存在するかを孟宗竹と真竹で分析した結果である。この結果によれば、孟宗竹、真竹いずれの素材であっても、蒸留残渣物は１（ｌ）あたり約８ｇ存在し、その残渣物内にカリウムは約３％存在する。りん、窒素は微量だが、図４で示したとおり溶液は最低でも６回は使用可能であり、このカリウム濃度は単純に最低でも６倍の濃度と成る。肥料の定義はカリウム、りん、窒素の合計が６％を超えることであり、約３％のカリウムが６倍の１８％となるため十分に肥料となりえることを示している。
図７は、竹チップ原料、溶出のみでの分析結果及び高溶融点物質であるシリカ及び炭酸カルシウム（炭カル）を溶出後に竹チップに添加した場合の孟宗竹、真竹及び海外の２種類の竹分析結果を示す。
ここでは、素材として横軸に孟宗竹、真竹、海外竹１、海外竹２を取り上げている。また縦軸に評価項目として、高位発熱量、全水分、気乾試料水分、灰分、塩素、カリウムを取り上げている。また、灰温度の条件について軟化点、溶融点、流動点に係る温度を記載している。さらに横軸に判定基準を記載している。この表では、各素材について原料の時と、改質後での評価項目ごとの相違が、数値により表されている。なお改質の欄は、さらに、溶出のみのとき、シリカを０．５％添加時、シリカを１％添加時、炭酸カルシウムを０．５％添加時に分けて記載している。
この結果によれば、改質前の原料の竹では、木質バイオマスと同等と評価される判定値（塩素濃度０．１％以下、及び灰の軟化温度１１００℃以上）に対して、判定値を超えている。このことは、木質バイオマスと同等の燃焼が行えないことを意味している。かろうじて、海外竹２の塩素濃度が判定値以下になっているのみである。なお図７において、太枠で囲む部分が判定値以上の部分であり、燃焼に不適当な要因である。
改質後の状態として、まず溶出のみ行った場合の分析結果を見ると、海外竹２種類は判定基準内となり、問題なく燃焼可能となるが、孟宗竹、真竹では塩素濃度に問題ないが灰の軟化温度は基準値以下である。
これに対し、この状態からさらに孟宗竹でシリカを０．５％と１％添加した場合と炭酸カルシウムを０．５％添加した場合のデータでは、灰の軟化温度も判定基準値を満足することが判る。同様に真竹ではシリカを１％添加することで灰の軟化温度は判定値を満足している。
図７には、無機質成分の合計である灰分を分析して表記している。これによれば、孟宗竹の原料灰分は１．１％であり、溶出後の灰分は０．６％となりカリウム類が溶出することで灰分が減少している。この状態から０．５％のシリカを添加すると、灰分は１．１％の原料と同等の灰分となる。すなわち添加物はカリウムなどが溶出した分を補うための置換材ともいえる。
図８は竹の灰溶融温度と灰中のシリカ（ＳｉＯ２）と酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）の比率の関係を示している。横軸が灰中のシリカ（ＳｉＯ２）と酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）の比率であり、縦軸が竹の灰溶融温度である。この図において、横軸の灰中のシリカ（ＳｉＯ ２ ）と酸化カリウム（Ｋ ２ Ｏ）の比率は、１５％から９５％の範囲を示しているが、例えば３５％とはＫ ２ Ｏは６５％でＳｉＯ ２ が３５％となることを示している。
図９は、ＳｉＯ２とＫ２Ｏの共晶現象の関係を示すものである。灰中にＫ２Ｏが少量存在すると、灰の溶融温度は加重平均以下の点まで大幅に低下する、図９に示すＳｉＯ ２ とＫ ２ Ｏの共晶現象と同様な共晶現象が発生することが公知である。竹の灰成分にカリウムが多いことから、図９に示す線図を指標にして各種竹の灰溶融温度と灰中のシリカと酸化カリウムの比率との関係を纏めたものが図８である。
図８に戻り、孟宗竹、真竹、海外竹１、海外竹２をそれぞれ改質後と改質途中などの点をプロットし、図９の共晶温度特性の線を点線で併記した。結果、文献値と同等ではないが、近い特性の灰の溶融温度特性であり、ＳｉＯ２比率が３０−７０％の間ではＫ２Ｏ濃度が変動しても灰の溶融温度に変化が無いことが判る。また竹の種類に関係なくほぼ同じ線上に分布していることもわかる。また、ＳｉＯ２比率７０％以上では急激に溶融温度は上昇する。すなわち偏極点が７０％付近に存在していることが判る。
図１０は同様の手法で縦軸を灰の溶融温度から軟化温度で再整理したものである。またここでは、軟化温度も竹の種類に関係なく同一線上となるため、同じ記号で整理し、多項近似線を引いている。図１０に示す通り、灰の軟化温度もＳｉＯ２比率７０％付近で偏極点がある。
一方、判定値である灰の軟化温度１１００℃以上のＳｉＯ２比率はほぼ８０％の位置であり、これに改質燃料としての品質を確保し、植物自体の成分バラツキ、改質燃料製造過程のバラツキなどを考慮すると９０％付近まで改質する必要があることが判る。
竹の種類によっては、竹に含まれるケイ素成分は０．２５％で有ったのに対して、今回の孟宗竹のケイ素は０．０５％と一桁低い値であり、これが酸化しシリカになるが、極めて低い濃度であった。特許文献１では、このような種類の竹の存在を想定しておらず、溶出だけで十分と捉えていたが、本発明によりこのような竹であっても燃焼可能な素材に改質することが可能になった。
またカリウムを濃縮することにより、使用するエネルギー量を少なくできるので、脱水チップの一部を乾燥用の燃料に転用することができる。このことは、脱水チップと乾燥肥料を、ともに高い効率で分離できることを意味している。
Ａ１：搬送用空気
Ａ２：燃焼用空気
Ａ３：外部空気
Ａ４：排出空気
Ｂ１：竹
Ｂ２：脱水チップ
Ｂ３，Ｂ４：改質燃料
Ｄ：改質肥料
Ｌ１：給水ライン
Ｌ２：常用オーバフローライン
Ｌ３：非常用オーバフローライン
ＬＡ１：空気ライン
ＬＡ２：空気ライン
Ｐ１：循環水ポンプ
Ｐ２：ジェットパルジョンポンプ
Ｐ３：リンス水循環ポンプ
ＰＲ１：第１のプロセス
ＰＲ２：第２のプロセス
ＰＲ３：第３のプロセス
Ｔ１：循環水タンク
Ｔ２：リンス水タンク
Ｔ３：溶出液タンク
Ｗ１：工業用水
Ｗ２：脱水水
Ｗ３：循環水
２：竹フィーダ
３：竹チッパー
４：竹チップサイロ
５：レベル計
９：溶出槽
１０：滞留装置
１２：循環水カリウム計
１３：循環水抜き取り弁
１６：スクリューフィーダ
１７：脱水器
１８：リンス水水量調節弁
２１：リンス水循環弁
２３：リンス水抜出弁
２４：リンス水タンク水位調節弁
２５：循環水タンク水位調節弁
２６：竹脱水チップサイロ
２７：押し込みファン
２８：加熱用エアヒーター
２９：竹チップバグフィルター
３１：乾燥炉
３２：燃焼用空気調整弁
３３：竹チップテーブルフィーダ
３４：炭酸カルシウムサイロ
３５：炭酸カルシウムテーブルフィーダ
３６：竹燃料チップサイロ
３７：竹燃料チップ供給ロータ
３８：改質燃料払い出しロータ
４２：溶出液スプレ調整弁
４３：スプレノズル
４７：肥料バグフィルター
４８：肥料フレコン
５３：レベル計
５４：レベル計
５５：輸送用空気圧力計
５６：輸送用空気オリフィス
５７：炉底灰抜き出しロータ
５８：肥料抜き出しロータ
６１：大気吸い込み弁
Ａ２：燃焼用空気
Ａ３：外部空気
Ａ４：排出空気
Ｂ１：竹
Ｂ２：脱水チップ
Ｂ３，Ｂ４：改質燃料
Ｄ：改質肥料
Ｌ１：給水ライン
Ｌ２：常用オーバフローライン
Ｌ３：非常用オーバフローライン
ＬＡ１：空気ライン
ＬＡ２：空気ライン
Ｐ１：循環水ポンプ
Ｐ２：ジェットパルジョンポンプ
Ｐ３：リンス水循環ポンプ
ＰＲ１：第１のプロセス
ＰＲ２：第２のプロセス
ＰＲ３：第３のプロセス
Ｔ１：循環水タンク
Ｔ２：リンス水タンク
Ｔ３：溶出液タンク
Ｗ１：工業用水
Ｗ２：脱水水
Ｗ３：循環水
２：竹フィーダ
３：竹チッパー
４：竹チップサイロ
５：レベル計
９：溶出槽
１０：滞留装置
１２：循環水カリウム計
１３：循環水抜き取り弁
１６：スクリューフィーダ
１７：脱水器
１８：リンス水水量調節弁
２１：リンス水循環弁
２３：リンス水抜出弁
２４：リンス水タンク水位調節弁
２５：循環水タンク水位調節弁
２６：竹脱水チップサイロ
２７：押し込みファン
２８：加熱用エアヒーター
２９：竹チップバグフィルター
３１：乾燥炉
３２：燃焼用空気調整弁
３３：竹チップテーブルフィーダ
３４：炭酸カルシウムサイロ
３５：炭酸カルシウムテーブルフィーダ
３６：竹燃料チップサイロ
３７：竹燃料チップ供給ロータ
３８：改質燃料払い出しロータ
４２：溶出液スプレ調整弁
４３：スプレノズル
４７：肥料バグフィルター
４８：肥料フレコン
５３：レベル計
５４：レベル計
５５：輸送用空気圧力計
５６：輸送用空気オリフィス
５７：炉底灰抜き出しロータ
５８：肥料抜き出しロータ
６１：大気吸い込み弁
Claims (12)
- 草本系バイオマスを微粒化し、微粒化した草本系バイオマスを常圧の水に浸し、草本系バイオマスを遠心分離機能により脱水し、脱水水と脱水チップに分離するとともに、前記脱水水を前記常圧の水として再利用することによりカリウム濃度を高めた脱水水を得る第１の系統と、
前記脱水チップに炭酸カルシウム、生石灰、シリカ及び珪藻土の何れかからなる高溶融点物質を混ぜる第２の系統と、
前記脱水水を、前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップの一部を燃焼させて乾燥させ、肥料を固体として得る第３の系統とを含んで構成されたことを特徴とするバイオマス改質システム。 - 請求項１に記載のバイオマス改質システムであって、
前記第１の系統は、微粒化した草本系バイオマスを水中で滞留攪拌させる滞留装置と、滞留装置からの微粒化した草本系バイオマスを遠心分離機能により脱水して前記脱水水と前記脱水チップに分離する脱水器と、該脱水器からの前記脱水水を前記滞留装置に循環させる水循環系統とを備えて構成されたことを特徴とするバイオマス改質システム。 - 請求項１または請求項２に記載のバイオマス改質システムであって、
前記第２の系統は、前記脱水チップと前記高溶融点物質を空気搬送して第１のバグフィルターに導き、該第１のバグフィルターにおいて前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップを取り出すとともに、搬送空気を導く第１の空気ラインを備えていることを特徴とするバイオマス改質システム。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のバイオマス改質システムであって、
前記第３の系統は、前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップを燃料とする乾燥炉を含み、該乾燥炉の煙道に前記脱水水を噴霧して第２のバグフィルターに導き、該第２のバグフィルターにおいて肥料を固体として得ることを特徴とするバイオマス改質システム。 - 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のバイオマス改質システムであって、
前記脱水水のカリウム濃度を計測して、前記第３の系統に導くことを特徴とするバイオマス改質システム。 - 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のバイオマス改質システムであって、
前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップの燃焼による燃焼ガスの温度に応じて、乾燥させる前記脱水水の量を定めることを特徴とするバイオマス改質システム。 - 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のバイオマス改質システムであって、
前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップは空気搬送されるとともに、空気搬送のための空気搬送ラインによる空気循環系統を形成することを特徴とするバイオマス改質システム。 - 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のバイオマス改質システムであって、
前記脱水水は温度管理されていることを特徴とするバイオマス改質システム。 - 微粒化した草本系バイオマスを水中で滞留攪拌させる滞留装置と、滞留装置からの微粒化した草本系バイオマスを遠心分離機能により脱水して脱水水と脱水チップに分離する脱水器と、該脱水器からの前記脱水水を前記滞留装置に循環させる水循環系統とを備える第１の系統と、
前記脱水チップと炭酸カルシウム、生石灰、シリカ及び珪藻土の何れかからなる高溶融点物質を空気搬送して第１のバグフィルターに導き、該第１のバグフィルターにおいて前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップを取り出す第２の系統と、
前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップを燃料とする乾燥炉の煙道に前記脱水水を噴霧して第２のバグフィルターに導き、該第２のバグフィルターにおいて肥料を固体として得る第３の系統を備えることを特徴とするバイオマス改質システム。 - 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のバイオマス改質システムであって、
前記高溶融点物質は、炭酸カルシウムであることを特徴とするバイオマス改質システム。 - 草本系バイオマスを微粒化し、微粒化した草本系バイオマスを常圧の水に浸し、草本系バイオマスを遠心分離機能により脱水し、脱水水と脱水チップに分離するとともに、前記脱水水を前記常圧の水として再利用することによりカリウム濃度を高めた脱水水を得て、前記脱水チップに炭酸カルシウム、生石灰、シリカ及び珪藻土の何れかからなる高溶融点物質を混ぜ、前記脱水水を、前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップの一部を燃焼させて乾燥させ、肥料を固体として得ることを特徴とするバイオマス改質方法。
- 微粒化した草本系バイオマスを水中で滞留攪拌させる滞留装置からの微粒化した草本系バイオマスを、脱水器において遠心分離機能により脱水して脱水水と脱水チップに分離し、該脱水器からの前記脱水水を前記滞留装置に循環させ、
前記脱水チップと炭酸カルシウム、生石灰、シリカ及び珪藻土の何れかからなる高溶融点物質を空気搬送して第１のバグフィルターにおいて前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップを取り出し、
前記高溶融点物質を混ぜた前記脱水チップを燃料とする乾燥炉の煙道に前記脱水水を噴霧し、第２のバグフィルターにおいて肥料を固体として得ることを特徴とするバイオマス改質方法。
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