JP6430691B2

JP6430691B2 - 固体燃料の製造方法及び固体燃料

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Publication number: JP6430691B2
Application number: JP2013135390A
Authority: JP
Inventors: 小野　裕司; 裕司小野; 友紀川真田; 宏新倉; 亮高城
Original assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd
Current assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: JP2015010137A

Description

本発明は、木質系バイオマスを焙焼（torrefaction）することによって得られる固体燃料の製造方法に関する。

近年、化石燃料の枯渇化及びＣＯ_２排出による地球温暖化への対策として、バイオマスを原料とする燃料の利用が検討されている。一般にバイオマスとは、エネルギー源又は工業原料として利用することのできる生物体をいい、代表的なものは木材、建築廃材、農産廃棄物等である。従来よりバイオマスを有効利用する方法が各種提案されている。その中でも、バイオマスを低コストで以って高付加価値物に転換できる有用な方法として、バイオマスを炭化して固体燃料を製造する方法がある。これは、バイオマスを炭化炉に投入して酸素欠乏雰囲気下で所定時間加熱して炭化処理し、固体燃料を製造するものである。

このようにして製造された固体燃料は、発電設備や焼却設備等の燃焼設備の燃料に用いられるが、この場合、燃焼効率を向上させるために固体燃料を細かく粉砕して微粉燃料として用いることがある。固体燃料は単独であるいは石炭と混合して粉砕されるが、バイオマスのうち木質系バイオマスは大部分が繊維質であるため、粉砕性が悪く、燃焼効率の低下、粉砕機の運転性低下等の問題があった。

特許文献１には、材廃材、間伐材、庭木、建築廃材等の木質系バイオマスを２４０℃以上３００℃以下の温度で、１５分以上９０分以下の時間で熱分解した後に粉砕する方法が開示されている。加熱温度が２４０℃より低い温度であると破砕性、粉砕性が向上せず、３００℃よりも高い温度であると破砕、粉砕時にサブミクロンオーダーの微粉量が増大して粉体トラブルを生じ易くなるため好ましくないとしている。

また、特許文献２には穀類、実、種子を含むバイオマスを酸素濃度１〜５％、処理温度３５０〜４００℃で３０〜９０分加熱して炭化処理することで、石炭と同等の粉砕性を有する固体燃料を製造する方法が開示されている。

また、特許文献３には、内筒（キルンシェル）と外筒（マッフル）からなる外熱式ロータリーキルンで炭化物を得て固体燃料を製造する方法が開示されている。

特開2006−26474号公報特開2009−191085号公報特開2008−184531号公報

しかしながら、上記方法で製造された炭化物は、物質収率及び熱量収率が低く、石炭に比較すると粉砕性が不十分であり、石炭と混合して粉砕処理して微粉炭ボイラーの燃料として使用することが困難である。

本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、木質系バイオマスを外熱式ロータリーキルンで焙焼して固体燃料を製造する方法であって、かつキルン内筒の木質系バイオマスの温度を２５０〜３５０℃、かつキルン内筒内の酸素濃度を１０％以下とし、さらにキルン外筒内の温度が４００〜８００℃の条件下で焙焼（torrefaction）することによって、石炭と同等の粉砕性を有する固体燃料を効率よく製造できること見出した。

本発明によれば、木質系バイオマスを外熱式ロータリーキルンで焙焼することにより、キルン内での滞留時間が短くても固体燃料を効率よく製造できる。本発明の製造方法にて得られる固形燃料は、物質収率、熱量収率が高く、さらに石炭と同等の粉砕性を有し、高密度であるため、石炭と混合して粉砕処理して微粉炭ボイラーの燃料として高い比率で混炭して使用することできる。

本発明において、原料として木質系バイオマスを使用する。木質系バイオマスとしては、木材チップ、樹皮（バーク）、おが屑、鋸屑等が挙げられる。これらの木質系バイオマスはあまり利用されることなく、廃棄されることが多いの現状である。特に、樹皮を原料として焙焼した場合、木部のチップと比較して良好な性質を有する固形燃料が得られることが判明した。樹皮は木部と比較するとヘミセルロースの含有量が少ないので、焙焼した後の物質収率が高くなる。樹種は広葉樹、針葉樹のいずれも使用できる。

本発明において、木質系バイオマスは０．１〜１００ｍｍのサイズに粉砕された粉砕物を使用することが好ましく、０．１〜５０ｍｍのサイズのものを使用することがさらに好ましい。なお、本発明において、木質系バイオマス粉砕物のサイズとは、篩い分け器の円形の穴の大きさによって篩い分けされたものである。木質系バイオマスを粉砕するための装置としては、ナイフ切削型バイオマス燃料用チッパーで粉砕処理することが好ましい。

本発明において、木質系バイオマスは高密度化することが好ましい。本発明における高密度化とは、木質系バイオマス粉砕物をブリケットやペレット状に成型する処理のことを意味する。成型処理を行うことによって、嵩密度を大幅に高めることができる。高密度化する前の木質系バイオマス粉砕物の嵩密度は０．０１ｇ／ｃｍ^３〜０．３ｇ／ｃｍ^３程度であるが、高密度化処理後の嵩密度は０．５５ｇ／ｃｍ^３〜１．０ｇ／ｃｍ^３である。

高密度化処理後の木質系バイオマス粉砕物の嵩密度は、０．５５ｇ／ｃｍ^３以上とすることが好ましく、０．６ｇ／ｃｍ^３以上にすることがさらに好ましい。嵩密度が０．５５ｇ／ｃｍ^３未満であると固体燃料を燃料として微粉炭ボイラーで燃焼させる際、微粉炭ミルの粉砕室中の容積が大きくなり、粉砕室からこぼれ落ちるため、石炭との混合比率をあまり大きくすることが不可能なため、本発明の効果を最大限に得ることができない。

本発明における高密度化を行う前に、樹皮粉砕物の水分を１０〜５０％とすることが望ましい。水分が１０％より少ないとブリケッターやペレタイザーの内部で閉塞が発生し、安定した成型物の製造ができない。水分が５０％を超えると成型できず、粉体状またはペースト状で排出される。

本発明において、木質系バイオマス１００質量部に対してバインダーを０〜５０質量部添加してもよい。バインダーは特に限定されていないが、有機高分子（リグニンなど）、無機高分子（アクリル酸アミドなど）、農業残渣（ふすま（小麦粉製造時に発生する残渣）など）等が望ましい。樹皮を効率よく有効利用することを目的としている観点から、バインダー添加部数は少ない方が望ましく、木質系バイオマス１００質量部に対して０〜５０質量部、より好ましくは０〜２０質量部が望ましい。ただし、５０質量部以上添加しても高密度化が不可能であるというわけではない。

本発明において高密度化処理を行うための装置は特に限定されていないが、ブリケッター（北川鉄工所（株）製）、リングダイ式ペレタイザー（ＣＰＭ（株）製、（株）御池鉄工所製）、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）製）等が望ましい。

本発明における焙焼（torrefaction）とは、低酸素雰囲気下で、所謂炭化処理よりも低い温度で加熱する処理のことである。通常の木材の炭化処理の温度は４００〜１２００℃であるが、焙焼はより低い温度で行われる。焙焼を行うことによって、その出発原料よりも高いエネルギー密度を有する固体燃料が得られる。

本発明において、焙焼処理を行うための装置として、外熱式ロータリーキルンを使用する。外熱式ロータリーキルンとは、キルン内筒の一部または全部をキルン外筒で覆う構造を有するもので、内筒内で木質系バイオマスの焙焼を行い、外筒内で燃料を燃焼させて内筒内部の木質系バイオマスを間接的に加熱する。

このような外熱式ロータリーキルンの一例を、図１にて説明する。キルン内筒１は、図示しない回転駆動手段によって回転させることができる。通常、キルン内筒１の回転速度は１〜１０ｒｐｍ程度の速度である。キルン内筒１は原料の供給側から処理物の排出側に向かって緩やかな下りの傾斜が付けられている。キルン内筒１には供給側フード２と排出側フード３が設けられ、これらの内部には図示しないシール手段を設けてキルン内筒１内に空気が侵入しないようにして、キルン内筒１内部を低酸素雰囲気下に保つことができる。また、キルン内筒１には内部の木質系バイオマスの処理物から発生するガスをキルン外筒7内に排出する複数の連通管６１、６２、６３、６４が設けられている。なお、連通管はキルン内筒に穿孔された連通孔で代用してもよい。また、供給側フード２には原料である木質系バイオマスをキルン内筒１の供給するための供給手段４が供給側フード２に貫通して設けられており、該供給手段４は原料を定量供給するためのホッパー、原料をキルン内筒１に供給するスクリュウコンベアなどで構成される。排出側フード３には、キルン内筒１から製造された固体燃料（処理物）を排出するための排出手段５が排出側フード３に貫通して設けられている。

本発明におけるキルン内筒内の焙焼処理条件は、酸素濃度が１０％以下で、木質系バイオマスの温度が２５０〜３５０℃となるように処理する。酸素濃度が１０％を超えると、得られる固体燃料の物質収率、熱量収率が低下する。従って、キルン内筒内部は、酸素濃度を１０％以下に調整するため装置内を窒素等の不活性ガスで置換することが好ましい。また、木質系バイオマスの温度が２５０℃未満では、得られる固体燃料の後述する粉砕性が不十分である。一方、３５０℃を超えると、得られる固体燃料の物質収率、熱量収率が低下する。ヘミセルロースは２７０℃付近で熱分解が顕著になるのに対して、セルロースは３５５℃付近、リグニンは３６５℃付近で熱分解が顕著になるので、焙焼の処理温度を２５０〜３５０℃とすることで、ヘミセルロースを優先的に熱分解して、物質収率と粉砕性を両立できる固体燃料を製造することが可能になると推察される。

一方、キルン外筒内の温度は、４００〜８００℃とすることが必要であり、４５０〜７５０℃とすることが好ましい。キルン外筒内の温度が４００℃未満であるとキルン内筒内の木質系バイオマスの熱分解が不十分となり、得られる固体燃料の粉砕性が低下する。一方、８００℃を超えるとキルン内筒内の木質系バイオマスの温度が過度に上昇し、得られる固体燃料の物質収率、熱量収率が低下する。

木質系バイオマスのキルン内筒内における滞留時間は１〜３０分が好ましく、２〜１５分がさらに好ましい。

本発明で得られる固体燃料は、原料の木質バイオマスに対して物質収率で６０〜９５％、熱量収率で７０〜９５％である。また、粉砕性の指標であるＪＩＳＭ８８０１：２００４に規定のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）は３０以上が好ましく、４０以上がさらに好ましい。ＨＧＩが高くなるほど、粉砕され易いことを示している。ＨＧＩが３０〜７０の範囲であれば、石炭と混合して粉砕処理することが可能となる。石炭のＨＧＩは通常４０〜７０であるので、本発明で得られた固体燃料は石炭と同等の粉砕性を有している。

以下に実施例にて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
杉のチップをナイフ切削型バイオマス燃料用チッパー（緑産（株）製、Wood Hacker MEGA360DL）にて粉砕処理した。粉砕後、７０ｍｍのスクリーンを通過した粉砕物を原料として、乾燥機で１２０℃、１０分間乾燥処理を行った。得られた生成物の水分を１２％に調整し、リングダイ式ペレタイザー（（株）御池鉄工所、MIIKE多目的造粒機ペレットミルＳＰＭ−５００型）にてダイ穴直径６ｍｍ、ダイ厚さ３６ｍｍのリングダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．６０ｇ／ｃｍ^３のペレットを得た。続いてこのペレット（水分４１％）を原料として、図１に示すような外熱式のロータリーキルン型炭化炉を用い、窒素パージして、キルン外筒内の温度７００℃、キルン内筒内の原料の温度（焙焼温度）２９２℃、滞留時間６．５分、充填率１１％で焙焼を行って固体燃料を得た。この時の原料の外熱式のロータリーキルンへの投入速度は３４２ｋｇ／ｈであった。なお、嵩密度の測定方法は、ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従った。

［実施例２］
キルン外筒内の温度６００℃、キルン内筒内の原料の温度（焙焼温度）２８６℃、滞留時間９分とした以外は、実施例１と同様に焙焼を行って固体燃料を得た。この時の原料の外熱式のロータリーキルンへの投入速度は２６８ｋｇ／ｈであった。

［実施例３］
キルン外筒内の温度５００℃、キルン内筒内の原料の温度（焙焼温度）２６９℃、滞留時間１７分とした以外は、実施例１と同様に焙焼を行って固体燃料を得た。この時の原料の外熱式のロータリーキルンへの投入速度は１３３ｋｇ／ｈであった。

［比較例１］
内筒のみからなるロータリーキルン型炭化炉を用い、窒素パージして、キルン内筒内の原料の温度（焙焼温度）３２０℃、滞留時間４５分で焙焼を行って固体燃料を得た。この時の原料のロータリーキルンへの投入速度は１８ｋｇ／ｈであった。

［比較例２］
キルン外筒内の温度５００℃、キルン内筒内の原料の温度（焙焼温度）４４７℃、滞留時間２４分とした以外は、実施例１と同様に焙焼を行って固体燃料を得た。この時の原料の外熱式のロータリーキルンへの投入速度は９１ｋｇ／ｈであった。

［比較例３］
キルン外筒内の温度５００℃、キルン内筒内の原料の温度（焙焼温度）１９４℃、滞留時間１４分とした以外は、実施例１と同様に焙焼を行って固体燃料を得た。この時の原料の外熱式のロータリーキルンへの投入速度は１６２ｋｇ／ｈであった。

［比較例４］
キルン外筒温度７００℃、キルン内筒内の原料の温度（焙焼温度）２３０℃、滞留時間５．９分とした以外は、実施例１と同様に焙焼を行って固体燃料を得た。この時の原料の外熱式のロータリーキルンへの投入速度は３７９ｋｇ／ｈであった。

実施例１〜３、比較例１〜４で得られた固体燃料について下記の項目について評価し、結果を表１に示した。なお、比較例５は未処理の杉チップ粉砕物のペレットである。
・物質収率：焙焼前後の試料の重量から計算した。
・粉砕性：試料をボールミルで２００ｒｐｍ、４分間粉砕し、２００メッシュをパスしたものの重量を測定し、石炭の粉砕性の指標であるハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）の値から換算して、試料のＨＧＩとした。

表１に示されるように、実施例１〜３の固体燃料は、物質収率が高く、ハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が３０〜７０の範囲であり粉砕性が良好であった。これに対して、比較例１では投入速度が実施例に比べて遅く、生産性に劣っていた。また、比較例２は物質収率が低く、比較例３〜５では粉砕性が劣っていた。

本発明で使用する外熱式ロータリーキルンの概略図である。

１キルン内筒
２供給側フード
３排出側フード
４供給手段
５排出手段
６１、６２、６３、６４連通管
７キルン外筒

Claims

嵩密度０．５５ｇ／ｃｍ^３〜１．０ｇ／ｃｍ^３に高密度化した木質系バイオマス粉砕物を、外熱式ロータリーキルンを用いてキルン外筒内で燃料を燃焼させてキルン内筒内部の木質系バイオマスを間接的に加熱して焙焼して固体燃料を製造する方法であって、キルン内筒内の木質系バイオマスの温度が２５０〜３５０℃となるようにし、キルン内筒内で滞留時間が１〜３０分かつキルン内筒内の酸素濃度を１０％以下とし、さらにキルン外筒内の温度が４００〜８００℃の条件下において、原料の木質バイオマスに対する物質収率が６０〜９５％であり、かつＪＩＳＭ８８０１：２００４に規定のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が３０〜７０の範囲となるように木質系バイオマスを焙焼し、石炭と混合して粉砕処理に供することを特徴とする固体燃料の製造方法。
木質系バイオマスのキルン内筒内における滞留時間が２〜１５分となるように焙焼することを特徴とする請求項１記載の固体燃料の製造方法。