JP6319093B2 - バイオマス固体燃料 - Google Patents
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Description
本発明は、木質系及び草本系のバイオマス固体燃料に関する。
従来、植物系原料を水蒸気爆砕処理し、ペレット等に減容固化する技術が開示されている（特許文献１）。また、水蒸気爆砕されたバイオマス固形物を燃料として利用する技術も開示されている（特許文献２）。さらに、リグニン含有バイオマスに水蒸気処理（爆砕）を行って成形しやすくする技術も開示されている（特許文献３）。加えて、非特許文献１では蒸煮・爆砕後のバイオマスではヘミセルロースが水に可溶となる点、非特許文献２では水蒸気爆砕を行ったバイオマス固形燃料を貯蔵する際、排水におけるＣＯＤ（化学的酸素要求量）が問題となる点が記載されている。
志水一允：「木質系資源の蒸煮・爆砕処理」１１１５ページ右上段、紙パ技協誌、第４２巻第１２号、昭和６３（１９８８）年１２月
Raziyeh Khodayari：「Vattenfall strategy and experiences on co-firing of biomass and coal」、Presentation atIEA Clean Coal Conference 27 March 2012
上述のとおりバイオマス固体燃料においては、固形燃料のハンドリング性、とりわけ貯蔵時における雨水等の水分により有機成分（タール）が溶出し排水のＣＯＤが増加するとともに、搬送時の粉化といった問題がある。しかしながら上記特許文献１および２にあっては、これらの問題および対策については記載されていない。また特許文献３は成形物の燃料化については言及がない。さらに、排水中のＣＯＤが増加した場合、排水の浄化設備を別途設ける必要があるためコストアップの要因となるが、非特許文献１，２では爆砕後のバイオマスでは有機成分が水に溶解しやすく、排水のＣＯＤが増大する、という課題が記載されているものの、この課題を解決する手段については記載も示唆もない。
本発明はこの問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、貯蔵時の排水におけるＣＯＤを低減しつつ粉化を低減し、貯蔵時のハンドリング性を向上させることにある。
本発明のバイオマス固体燃料は、
バイオマスを水蒸気爆砕した後成形して塊状物とし、この塊状物を加熱して得られるバイオマス固体燃料であって、
燃料比が０．２〜２．５、無水ベース高位発熱量が５０００〜７５００（ｋｃａｌ／ｋｇ）、酸素Ｏと炭素Ｃのモル比Ｏ／Ｃが０．１〜０．６、水素Ｈと炭素Ｃのモル比Ｈ／Ｃが０．５〜１．３５であることを特徴とする。
バイオマスを水蒸気爆砕した後成形して塊状物とし、この塊状物を加熱して得られるバイオマス固体燃料であって、
燃料比が０．２〜２．５、無水ベース高位発熱量が５０００〜７５００（ｋｃａｌ／ｋｇ）、酸素Ｏと炭素Ｃのモル比Ｏ／Ｃが０．１〜０．６、水素Ｈと炭素Ｃのモル比Ｈ／Ｃが０．５〜１．３５であることを特徴とする。
また、前記塊状物は、ペレットまたはブリケットであることが好ましい。
本発明によれば、貯蔵時の排水中のＣＯＤを低減しつつ粉化を低減し、貯蔵時のハンドリング性を向上させることができる。
本発明のバイオマス固体燃料は、原料となるバイオマスを乾燥させた後、水蒸気爆砕する爆砕工程、爆砕工程後のバイオマスを成形して塊状物（好ましくはペレットまたはブリケット）とする成型工程、成型工程後の塊状物を加熱する加熱工程を経て得られる。原料となるバイオマスは木質系及び草本系であればよく、特に限定しない。
爆砕工程では、公知の水蒸気爆砕技術を用いて木質系及び草本系バイオマスを処理する。この爆砕工程では、例えばバイオマスを水分３０％以下に乾燥させ、１５０〜２５０℃の水蒸気を導入して１４〜６０ｋｇｆ／ｃｍ２の加圧下で１〜２０分程度保持し、その後急減圧を行ってバイオマスを改質する。この水蒸気爆砕を用いた改質により、木質系及び草本系バイオマスは解繊されリグニンが溶出するため成型に適した性状になると推定される。成形工程では、公知の成型技術を用いて塊状物とする。塊状物はペレットまたはブリケットであることが好ましく、大きさは任意である。
加熱工程では、成型された塊状物を加熱する。加熱工程における加熱温度は原料となるバイオマスおよび塊状物の形状、大きさによって適宜決定されるが、１５０〜４００℃が好ましく１７０〜３００℃がより好ましい。さらに好ましくは２００〜２６０℃である。また、加熱工程における加熱時間は、特に限定されないが、０．２〜２時間が好ましい。
加熱工程後に得られたバイオマス固体燃料は、水中に浸漬した際の浸漬水のＣＯＤ（化学的酸素要求量）が、３０００ｐｐｍ以下であることが好ましく、３００ｐｐｍ以下であることがより好ましく、１００ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。ここで、バイオマス固体燃料を水中に浸漬した際の浸漬水のＣＯＤ（化学的酸素要求量）とは、ＣＯＤ測定用浸漬水試料の調製を昭和４８年環境庁告示第１３号（イ）産業廃棄物に含まれる金属等の検定方法に従って行い、ＪＩＳ Ｋ０１０２（２０１０）−１７によって分析したＣＯＤ値のことをいう。
また、加熱工程後に得られたバイオマス固体燃料は、ＪＩＳ Ｍ ８８０１に基づく粉砕性指数（ＨＧＩ）が、２０以上６０以下であることが好ましい。
本発明のバイオマス固体燃料は、燃料比が０．２〜２．５、無水ベース高位発熱量が５０００〜７５００（ｋｃａｌ／ｋｇ）、酸素Ｏと炭素Ｃのモル比Ｏ／Ｃが０．１〜０．６、水素Ｈと炭素Ｃのモル比Ｈ／Ｃが０．５〜１．３５にある。バイオマス固体燃料の物性値が該範囲内にあることにより、貯蔵時の排水中のＣＯＤを低減しつつ粉化を低減し、貯蔵時のハンドリング性を向上させることができる。
（実施例１〜７）
爆砕工程および成形工程に続き、加熱工程を経てバイオマス固体燃料を得た。各実施例における加熱工程ではφ６００ｍｍ電気式バッチ炉にそれぞれの原料を４ｋｇ投入し、２℃／ｍｉｎの昇温速度で各実施例における目標温度（表１における加熱温度）まで昇温させ、加熱した。表１における加熱時間は、昇温開始から目標温度到達までの時間を示す。以下、目標温度と加熱温度は同一のものを指す。実施例１〜３、および５〜７の加熱工程における加熱温度と、加熱工程後に得られたバイオマス固体燃料の性状を表１に示す。
爆砕工程および成形工程に続き、加熱工程を経てバイオマス固体燃料を得た。各実施例における加熱工程ではφ６００ｍｍ電気式バッチ炉にそれぞれの原料を４ｋｇ投入し、２℃／ｍｉｎの昇温速度で各実施例における目標温度（表１における加熱温度）まで昇温させ、加熱した。表１における加熱時間は、昇温開始から目標温度到達までの時間を示す。以下、目標温度と加熱温度は同一のものを指す。実施例１〜３、および５〜７の加熱工程における加熱温度と、加熱工程後に得られたバイオマス固体燃料の性状を表１に示す。
（比較例１〜３）
比較例１〜３は爆砕や加熱等の工程を経ていない生のバイオマスである。なお比較例３のＰＫＳとはパームカーネルシェル（椰子の果実の種子から核油を搾油した後の殻）である。比較例１〜３の生のバイオバスの性状を表１に示す。
比較例１〜３は爆砕や加熱等の工程を経ていない生のバイオマスである。なお比較例３のＰＫＳとはパームカーネルシェル（椰子の果実の種子から核油を搾油した後の殻）である。比較例１〜３の生のバイオバスの性状を表１に示す。
（比較例４）
比較例４は、上記爆砕工程および成型工程を経た直後の、加熱前のバイオマス固体燃料である。比較例４の加熱前のバイオマス固体燃料の性状を表１に示す。
比較例４は、上記爆砕工程および成型工程を経た直後の、加熱前のバイオマス固体燃料である。比較例４の加熱前のバイオマス固体燃料の性状を表１に示す。
表１において、粉砕性指数（ＨＧＩ）はＪＩＳ Ｍ ８８０１に基づくものであり、高いほど粉砕性が良好であることを示す。また、表１には高位発熱量、工業分析値（気乾ベース）に基づき算出された燃料比、および元素分析の結果とこれに基づき得られた酸素Ｏ、炭素Ｃ、水素Ｈのモル比をそれぞれ示す。なお表１における工業分析値、元素分析値、発熱量はＪＩＳ Ｍ ８８１２、８８１３、８８１４に基づく。
上記実施例および比較例で得られた各バイオマス個体燃料について、さらに下記の分析を行った。
［ＣＯＤ低減］
図１は加熱工程における加熱温度と、得られたバイオマス固体燃料を水中に浸漬した際の浸漬水のＣＯＤ（化学的酸素要求量）の相関を示すものである。ＣＯＤ測定用浸漬水試料の調製は、昭和４８年環境庁告示第１３号（イ）産業廃棄物に含まれる金属等の検定方法に従い、ＣＯＤはＪＩＳ Ｋ０１０２（２０１０）−１７によって分析した。
図１は加熱工程における加熱温度と、得られたバイオマス固体燃料を水中に浸漬した際の浸漬水のＣＯＤ（化学的酸素要求量）の相関を示すものである。ＣＯＤ測定用浸漬水試料の調製は、昭和４８年環境庁告示第１３号（イ）産業廃棄物に含まれる金属等の検定方法に従い、ＣＯＤはＪＩＳ Ｋ０１０２（２０１０）−１７によって分析した。
図１には記載しないが、比較例２のＣＯＤは２７０ｐｐｍ、比較例３のＣＯＤは２９ｐｐｍである。なお図１から、比較例４（爆砕後、加熱工程を経ていないバイオマス固体燃料）のＣＯＤは３５００ｐｐｍ以上と高い値となっている。これに対し、１７０℃以上で加熱されたバイオマス固体燃料はＣＯＤが３０００ｐｐｍ以下となり、タール分の溶出が低いことが示された。したがって、実施例１〜７のバイオマス固体燃料は、屋外貯蔵時においてもタール分の溶出が少なくハンドリング性に優れた燃料であることが示されている。とりわけ、加熱温度が２３０℃以上となる実施例３以降では、爆砕工程や加熱工程を経ていない生のバイオマス（比較例２、比較例３）と同等のＣＯＤとなり、貯蔵時における環境への影響がほとんどないことが示される。
［粉砕性］
図２は加熱工程における加熱温度と、得られたバイオマス固体燃料の粉砕性（ＨＧＩ）、および粉砕速度（後述）の相関を、比較例４および実施例１〜７のバイオマス固体燃料について示す図である。なお、図２以降では加熱工程における加熱温度を２４０℃とした例を実施例４として示す。
図２は加熱工程における加熱温度と、得られたバイオマス固体燃料の粉砕性（ＨＧＩ）、および粉砕速度（後述）の相関を、比較例４および実施例１〜７のバイオマス固体燃料について示す図である。なお、図２以降では加熱工程における加熱温度を２４０℃とした例を実施例４として示す。
表１、また図２から明らかなとおり、実施例１〜７では加熱により性状が変化し、比較例１〜３（生のバイオマス）、および比較例４（加熱前のバイオマス固体燃料）よりもＨＧＩ（ＪＩＳ Ｍ ８８０１に基づく）の値が上昇している。一般的な石炭（瀝青炭）のＨＧＩは５０前後であり、実施例１〜７の粉砕特性は石炭に近接した良好なものといえる。
また図２における粉砕速度とは、試料を７００ｃｃボールミルで粉砕後に１５０μｍ篩を通過したものを粉砕後の試料として重量を測定することで、単位時間当たりの粉砕重量（ｇ／ｍｉｎ）を測定したものである。加熱により粉砕速度が向上し、特に２３０℃以上での加熱により粉砕速度が急上昇している。加熱に伴うタール等有機成分の溶出・固化により、バイオマス固体燃料の硬度が上昇し、粉砕効率が向上したものと言える。
［水中浸漬］
図３はバイオマス固体燃料の水中浸漬試験結果である。各実施例および比較例の固体燃料を水中に浸し、所定時間経過後に取り出して水分を拭き取って固体水分を測定した。実施例３のバイオマス固体燃料では水分１５％前後でそれ以上の吸水が起こらず、平衡となった。実施例４〜実施例７は１９６時間経過後でも平衡には達していないものの、実施例３における平衡水分１５％以下で平衡に達するものと推定される。また、比較例４（加熱前のバイオマス固体燃料）は約２０日経過後に水分２５ｗｔ％で平衡となった（不図示）。これらの結果は、加熱に伴うタール等有機成分の溶出・固化により、バイオマス固体燃料の表面が疎水性に変化したためと考えられ、屋外貯蔵されることが多い固体燃料として有利な特性を示している。
図３はバイオマス固体燃料の水中浸漬試験結果である。各実施例および比較例の固体燃料を水中に浸し、所定時間経過後に取り出して水分を拭き取って固体水分を測定した。実施例３のバイオマス固体燃料では水分１５％前後でそれ以上の吸水が起こらず、平衡となった。実施例４〜実施例７は１９６時間経過後でも平衡には達していないものの、実施例３における平衡水分１５％以下で平衡に達するものと推定される。また、比較例４（加熱前のバイオマス固体燃料）は約２０日経過後に水分２５ｗｔ％で平衡となった（不図示）。これらの結果は、加熱に伴うタール等有機成分の溶出・固化により、バイオマス固体燃料の表面が疎水性に変化したためと考えられ、屋外貯蔵されることが多い固体燃料として有利な特性を示している。
［固体強度］
表２は固体強度（ＪＩＳ Ｚ ８８４１ 回転強度試験方法に基づく）の測定結果である。加熱した場合、水中浸漬（比較例４は水中浸漬時間９６時間、それ以外は１９２時間）した場合であっても固体強度はほとんど低下しておらず、比較例４（未加熱のバイオマス固体燃料）と比べても粉化が発生しにくく、ハンドリング性を維持できるものと言える。
表２は固体強度（ＪＩＳ Ｚ ８８４１ 回転強度試験方法に基づく）の測定結果である。加熱した場合、水中浸漬（比較例４は水中浸漬時間９６時間、それ以外は１９２時間）した場合であっても固体強度はほとんど低下しておらず、比較例４（未加熱のバイオマス固体燃料）と比べても粉化が発生しにくく、ハンドリング性を維持できるものと言える。
［収率］
図４は加熱工程を経た後のバイオマス固体燃料の収率である。なお各実施例の目標温度（加熱温度）における保持は行っていない。２８０℃以上で加熱した場合は収率減少の傾きが大きくなっている。
図４は加熱工程を経た後のバイオマス固体燃料の収率である。なお各実施例の目標温度（加熱温度）における保持は行っていない。２８０℃以上で加熱した場合は収率減少の傾きが大きくなっている。
［熱重量分析］
図５はバイオマス固体燃料の熱重量分析である。熱重量分析装置（（株）リガク製、品番ＴＧ８１１０）を用いて図５の各実施例に相当する温度まで昇温し、６０ｍｉｎ保持した。実施例３（２３０℃）では保持による重量減少はほとんど見られず、実施例５（２６０℃）では温度保持による重量減少が多少見られるものの大きくは減少しないことが示される。これに対し実施例７（３００℃）では温度保持により大きく重量が減少していることが示される。
図５はバイオマス固体燃料の熱重量分析である。熱重量分析装置（（株）リガク製、品番ＴＧ８１１０）を用いて図５の各実施例に相当する温度まで昇温し、６０ｍｉｎ保持した。実施例３（２３０℃）では保持による重量減少はほとんど見られず、実施例５（２６０℃）では温度保持による重量減少が多少見られるものの大きくは減少しないことが示される。これに対し実施例７（３００℃）では温度保持により大きく重量が減少していることが示される。
なお、図４における実施例７の収率は約６８％であり、図５における実施例７の保持時間１０ｍｉｎ時点（加熱開始から７０ｍｉｎ時点）における重量とほぼ同一である。これは、図４の収率を求める際に６００φ電気式バッチ炉を冷却した後、固体燃料を取り出して収率を求めているため、冷却時に電気式バッチ炉の熱容量によって熱分解が進行しているためと考えられる。したがって、実施例７のバイオマス固体燃料は３００℃において１０ｍｉｎの温度保持を行ったものと同視できる。
これに対し、実施例３（２３０℃）および実施例５（２６０℃）でも温度保持により重量は減少するものの、その減少は緩やかであるため、図４の収率と図５における温度保持時間ゼロの時点での重量がほぼ一致する結果になっているものと推察される。したがって、実施例３，５のバイオマス固体燃料は実質的に温度保持時間がゼロと評価することができる。上述のように実施例３，５においてもＣＯＤ低減、粉砕性向上、固体強度確保の効果が得られており、製造コスト低減のために温度保持時間ゼロとしても、これらの効果が得られることが示される。
なお本実施例ではバッチ炉を用いているが、連続炉を用いてもよい。本発明ではバッチ炉を用いた際の温度保持時間を低減できるため、連続炉を用いる場合は炉内滞留時間を短縮できる。
以上の実施例１〜７の結果から、本発明によるとＣＯＤの低減、粉砕性向上、吸水低減、固体強度向上、収率向上を図ったバイオマス固体燃料を、低コストで得ることができることが示された。
Claims (3)
- バイオマスを水蒸気爆砕した後成形して塊状物とし、この塊状物を１７０〜３００℃で加熱して得られるバイオマス固体燃料であって、
燃料比が０．２２〜０．５６、無水ベース高位発熱量が５１０６〜６１０４（ｋｃａｌ／ｋｇ）、酸素Ｏと炭素Ｃのモル比Ｏ／Ｃが０．３７〜０．５７、水素Ｈと炭素Ｃのモル比Ｈ／Ｃが１．０１〜１．３１であること、
バイオマスが木質系または草本系であること、ならびに
バイオマス固体燃料を水中に浸漬した際の浸漬水のＣＯＤが３０００ｐｐｍ以下であること
を特徴とするバイオマス固体燃料。 - 前記塊状物は、ペレッ卜またはブリケットであること
を特徴とする請求項１に記載のバイオマス固体燃料。 - バイオマス固体燃料の粉砕性指数（ＨＧＩ）が２０以上６０以下であること
を特徴とする請求項１または２に記載のバイオマス固体燃料。
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