JP6514668B2 - バイオマス改質燃料の用途別生産システム並びに方法 - Google Patents

Description

本発明は、草本系バイオマスとして、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に係り、特に竹改質燃料を用途別に生産することが可能なバイオマス改質燃料の用途別生産システム並びに方法に関する。

本発明は、草本系バイオマスを対象としているが、以下の説明においては代表例として竹の場合について説明する。

竹はアジアを中心に多量に生息しているが、プラスッチックなどの普及により、その利用用途はアジアの一部で足場材として利用されている以外、多量に消費する技術が無いのが実情である。また日本では、輸入竹の子の進出により、国内の孟宗竹の需要が低下し、西日本を中心に放置された竹林が林野、田畑に侵食し、生態系の変化なども伴って「竹害」と呼ばれるくらい深刻な問題となっている。

近年、草本系バイオマスを用いてエネルギーを確保し、あるいは草本系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。この点に関連して、例えば特許文献１では、草本系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。

竹は昔から民生用としてお土産や調度品、あるいは家庭用器材などに多く使用されている身近な素材であるが、これを工業的に燃焼に用い、さらには改質して肥料としての活用を図るような検討については多くなされていなかったというのが実情である。然るに、竹の工業的な利用が促進されれば、上記の課題は解消され、かつ豊富なエネルギー源を確保できることになる。

竹は燃焼温度が低く、燃焼の際に溶融物を生じるなどの理由によって、発電或は焼却用の燃焼炉内で燃焼させるには適さない材料素材であるが、上記の特許文献１に提案されている方式の採用により、燃焼上での問題点が解消されるという場合には、竹を工業用燃焼炉における燃料として活用することが可能であり、同時に肥料を確保することが可能である。

特許第５７５３９５９号

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して抽出され、竹そのものは燃料として抽出することが可能であり、燃料として抽出した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。工業化するうえでの課題及び対策を幾つか列挙すると以下のようである。

まず竹は、その種類或は産出地により、多様な性状を有する素材である。このため、竹の種類などによっては、燃焼温度が大きく相違し、燃焼に適さないものも存在する。特許文献１の提案などにより、竹を燃料に改質し、さらには竹から肥料を得ることが可能とはなっているが、竹によってはカリウムを有る程度溶出させても灰の軟化温度が上昇しないものもある。本発明者らの研究により、この場合は、高温溶融物質であるカルシウムなどを添加することが有効であるとの知見を得ている。

また燃料として使用するときには、ボイラでの燃焼を行う場合やガス化炉で使用する場合を想定できる。この利用場面に応じて、改質された竹燃料に求められる性質や性状の条件が相違してくる。例えばガス化炉で使用する場合は、灰成分を溶かして炉底部のスラグタップに落とすことから、灰の軟化温度は低いほうが良い。一方、改質された竹燃料に含まれる塩素成分との関係でみると、通常のボイラで燃焼させる場合、排ガス中の塩素成分で水管などが腐食することを防止するため０．１％以下の濃度であることが求められるが、高温でガス化するガス化炉では更に管理値は厳しく、０．０４％以下の濃度であることが求められる。このため、ボイラやガス化炉といった燃焼用途に応じて対応可能な竹改質燃料の用途別生産システム並びに方法であることが望まれる。

因みに本発明者らの知見によれば、単純な溶出だけでは十分に軟化温度が上昇しない竹については、高溶融温度のカルシウムなどで置換する方法が有効であるが、これはボイラの燃料としての性状に特化した竹燃料の生産方法である。

ボイラ以外に竹を燃料として使用する場合として、ガス化したうえでガスエンジン若しくはガスタービンの燃料としても使用可能である。この場合は、燃料に求められる条件が相違する。ボイラで使用する一般バイオマスの場合には、灰軟化温度℃は１１００℃以上、塩素濃度は０．１％以下であることが要求されるが、ガス化燃料の場合には、灰軟化温度℃は１３００度以下、塩素濃度は０．０４％以下であることが要求される。

これらの相違する性状の生産物を要求される場合に、夫々を生産する専用のプラントを形成することも可能であるが、１つのプラントで両方の性状の生産物を供給可能であることが好ましい。

以上のことから本発明においては、１つのプラントで両方の性状の生産物を供給可能とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム並びに方法を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、チップ化した草本系バイオマスを水に浸し、水に浸した後のチップを脱水し、脱水水を分離して得た脱水チップについて、脱水チップを遠心分離する遠心分離手段と、脱水チップに高溶融点化物質を付着させる付着手段と、付着手段と遠心分離手段に導入する脱水チップを切替える切替手段を備えることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システムである。

また本発明は、チップ化した草本系バイオマスを水に浸し、水に浸した後のチップを脱水し、脱水水を分離して得た脱水チップについて、脱水チップを遠心分離する系統と、脱水チップに高溶融点化物質を付着させる系統を切替えることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法である。

本発明により竹改質燃料が装置を２台設置することなく、効率的に条件の異なる改質燃料を生産することができる。

また本発明の実施例によれば、竹の脱水粒子をそれぞれのマルチサイクロンセパレータとバグフィルター前に設置しておけば同時に２種類の燃料性状のことなる竹燃料を生産することができる。

第１のプロセスと第２のプロセスの処理を可能とするプラント系統を示す図。 第３のプロセスの処理を可能とするプラント系統を示す図。 ２台の溶出タンク８、５８の処理過程を説明するための図。 主要な竹についての改質試験データを示す図。 孟宗竹溶出についての改質試験データを示す図。 バイオマス改質燃料の用途別生産システム外での溶出液利用法を示した図。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。

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。

図１、図２を用いて、本発明に係るバイオマス改質燃料の用途別生産システムの一連の系統図を説明する。

本発明のバイオマス改質燃料の用途別生産システムは、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して抽出するとともに、脱水水を高濃度カリウム液として抽出する」ものである。

第２のプロセスは、脱水水に係り、脱水水から溶出液を得るための処理を行うものである。

第３のプロセスは、脱水チップについて、バイオマス改質燃料の用途別生産を可能とする処理を行うものである。

図１には、第１のプロセスと第２のプロセスの処理を可能とするプラント構成を示す系統図が示されており、図２には、第３のプロセスの処理を可能とするプラント構成を示す系統図が示されている。

図１の第１のプロセスと第２のプロセスでは、チップ化された竹を搬入し、最終的に溶出液と脱水チップを得る。図１の上段には第１のプロセスの系統が、図１の上段には第２のプロセスの系統が例示されている。

図１上段の第１のプロセスでは、左上に示したダンピングボックス４にチップ化された竹（以下竹チップという）が搬入される。搬入は直接、間接を問わず、例えば直接搬入としては、ダンピングボックス４を含む図１、図２のプラントが竹伐採現場近傍に設置されており、２．５ｍ程度に定尺された竹１を竹フィーダ２に載せ、竹チッパー３により細断し、輸送ホース８０などを用いた圧送により、ダンピングボックス４に送ることが考えられる。間接搬入としては、ダンピングボックス４を含む図１、図２のプラントを竹伐採現場近傍に設置できない場合に、竹伐採現場でチップ化した竹をバキュームカー４３に積載して輸送し、ダンピングボックス４に投入することが考えられる。

直接搬入または間接搬入された細断された竹は、ダンピングボックス４内に落下し貯留される。ダンピングボックス４内部の竹は、一方に偏らないように供給フィーダ１８により均一化される。また貯留された竹には、乾燥防止の観点から散水ノズル７４から散水が行われる。

ダンピングボックス４の下部には、２台の溶出タンク８、５８が備えられている。ダンピングボックス４と溶出タンク８の間には、上部側の一次ダンパ４４と下部側の二次ダンパ４６の間に計量スペース４５が形成されている。同様に、ダンピングボックス４と溶出タンク８の間には、上部側の一次ダンパ６２と下部側の二次ダンパ６４の間に計量スペース６３が形成されている。

この機構によれば、最初に一次ダンパ４４が開放されて竹チップが計量スペース４５に落下し、計量スペース４５内に竹チップが充填された後に一次ダンパ４４が閉じられる。その後二次ダンパ４６が開放されて、計量スペース４５の容積で定まる一定量の竹チップが溶出タンク８に投入される。同様にして、一次ダンパ６２が開放されて竹チップが計量スペース６３に落下し、計量スペース６３内に竹チップが充填された後に一次ダンパ６２が閉じられる。その後二次ダンパ６４が開放されて、計量スペース６３の容積で定まる一定量の竹チップが溶出タンク５８に投入される。

なお、計量スペース４５、６３は蛇腹構造となっており、長さを調整することで投入する竹チップ量を調整できるようになっている。これにより竹種類で異なるかさ比重などの変動分を調整すると共に処理量の微調整を行えるようになっている。

２台の溶出タンク８、５８には、循環水タンク６から循環水ポンプ７で取り出された循環水が、それぞれ給水弁５７と６５を経由して供給されている。給水弁５７と６５は、所定の一定時間だけ開放するように制御されることで、溶出タンク８、５８内には規定量の循環水が投入される。

また２台の溶出タンク８、５８内には、排出ポンプ１１、６１が設置されており常に運転されている。排出ポンプ１１、６１の出口には三方弁９、５９が設けられている。三方弁９、５９は、弁口ａ、ｂ、ｃを有しており、常時は排出ポンプ１１、６１の弁口ａと攪拌用ノズル１０、１１側の弁口ｂが開放することで、溶出タンク８、５８内の溶出液をタンク内で循環させている。これにより、常に溶出液を溶出タンク８、５８内に戻し、内部の攪拌を行い、竹の粒子が溶出タンク８、５８の底部に停滞しないようにしている。また三方弁９、５９は、溶出液を溶出タンク８、５８の外部に排出するときには、排出ポンプ１１、６１の弁口ａと沈降タンク６６側の弁口ｃが開放することで、溶出タンク８、５８内の溶出液を沈降タンク６６に送出する。

かくして、２台の溶出タンク８、５８内には、一定量の竹チップと規定量の循環水が投入され、内部での攪拌と滞留により竹の塩素、カリウムが十分水と接触し溶出して、溶出液となる。溶出液は、一定量の竹チップと規定量の循環水の投入、および所定量の溶出液送出が相互に制御されることにより、所定濃度を維持している。

図３は、２台の溶出タンク８、５８の処理過程を説明するための図である。ここでは、溶出タンク８について、一定量の竹チップと規定量の循環水の投入が完了し、従って二次ダンパ４６と給水弁５７が閉じている時刻ｔ１から２０分間、三方弁９の弁口ａとｂを開放して溶出液を溶出タンク８内に戻し、内部の攪拌を行い、竹の粒子が溶出タンク８の底部に停滞しないようにする溶出処理過程を実行する。

２０分後の時刻ｔ２において、引き続いて溶出タンク８について、三方弁９が切替わり、開いていた弁口ｂを閉じ、弁口ａとｃを開放して、溶出完了した溶出液を溶出タンク８から沈降タンク６６へと排出する排出行程が実行される。溶液は１０分以内に排出可能なように排水ポンプ１１の容量が決められている。

さらに溶出タンク８について、排出工程の１０分が経過した時刻ｔ３において、三方弁９は、開いていた弁口ｃを閉じ、弁口ａとｂを開放する態様に切り替わる。それと同時に、給水弁５７が開き、時刻ｔ４までの１０分間で溶出タンク８内に水を張る。その動作に連動して二次ダンパ４６が開き、計量スペース４５に溜まっていた竹チップが溶出タンク８内に供給される。二次ダンパ４６は水張り完了の１０秒前に閉止し、一次ダンパ４４が開放される。この一次ダンパ４４は、排出工程１０秒前まで開状態を保持する。

これにより、溶出タンク８は２０分間の溶出工程、１０分間の排出行程、１０分間の水張工程による合計４０分間の工程を一巡して休止状態に入る。

他方、溶出タンク５８は、溶出タンク８における水張開始の時刻ｔ３を溶出工程開始の時刻ｔ１´と位置付けて、溶出タンク８における上記一連の処理と同じ処理を、同様に実行する。この結果、図３に示すように、溶出タンク８から沈降タンク６６への溶出液の送出は１時間ごとに行われる。また溶出タンク５８から沈降タンク６６への溶出液の送出も１時間ごとに行われ、結果として沈降タンク６６には３０分間隔で交互に溶出液が送出されてくることになる。この場合の溶出液の濃度は、一定量の竹チップと規定量の循環水の投入並びに時間制御により、一定濃度に確保される。

以上の動作を溶出タンク８側と溶出タンク５８側で交互に繰り返す。この動作過程で溶出タンク８、５８とも水張りしない期間がある。この時には、図３下部に示す循環水ポンプ７の循環水の行先が無くなることから、循環水循環弁６７を開放し、循環水ポンプ７からの循環水の行先を循環水タンク６とする循環経路を確保する。

次に、沈降タンク６６に送られた溶出液は、攪拌を行わない沈降タンク６６内で、溶出液中の竹成分が１分程度で底部に沈降する。沈降タンク６６内は、仕切りによる二重室構造となっており、溶出液が投入される内部室６６Ａに生じた表面波うちが、外部室６６Ｂ側に伝播しないようにしている。外部室６６Ｂの表面側には循環水タンク６に液側のみを戻す上澄み回収ライン５６が設けられている。

他方、沈降タンク６６に沈降した竹チップは、沈降チップロータリーバルブ５５で抜き取られ、スクリューフィーダ１６で脱水器１７へ送られる。このとき、脱水器１７の入り口にはリンス水が投入され、脱水器１７の前段でリンス水により竹チップをすすぐ処理を行う。リンス水は、リンス水タンク１９からリンス水ポンプ２０で送られ、リンス水流量計２２で規定量となるようリンス水弁２１により調整される。なお、リンス水ポンプ２０で送られたリンス水の一部は、分岐されて散水ノズル弁７７により流量調整された散水として、散水ノズル７４からダンピングボックス４内の竹チップに散水される。

脱水器１７では、沈降タンク６６に沈降した竹チップについて、これを脱水して、脱水チップと脱水液に分離する。このため脱水器１７には、例えば０．３ｍｍ孔のスクリーンを備えており、脱水液側には竹チップのうち０．３ｍｍ以下の粒子が混ざり、脱水チップ側は０．３ｍｍ以上の竹チップのみが排出される。

このようにして脱水器１７において、脱水チップと脱水液に分離されるが、以後の処理について脱水チップを取扱うのが図２に示したプロセス３であり、脱水液を取扱うのが図１の下段に示したプロセス２である。ここでは、脱水チップを取扱う図２のプロセス３について先に説明し、その後に脱水液を取扱う図１下段のプロセス２について説明を行うものとする。

図１の脱水器１７で脱水された脱水チップは、図２に示す竹脱水チップサイロ２６に貯留される。竹脱水チップサイロ２６においては、脱水チップの貯留量を脱水チップサイロレベル計３７で監視し、規定レベル以上になるとサイロ内貯留上限と判断し、図１のスクリューフィーダ１６へ減速の指令を発信する。

竹脱水チップサイロ２６には、脱水チップを用いた後段の処理のために脱水チップを払い出すための脱水チップロータリーバルブ５と、払い出し量を規定量とするための竹チップテーブルフィーダ３０が備えられている。脱水チップロータリーバルブ５で払い出されたチップは竹チップテーブルフィーダ３０で規定量を輸送用空気ラインＬＡに投入する。

輸送用空気ラインＬＡは、図２のプロセス３において、脱水チップを輸送するための空気設備であり、その概略は以下のようである。輸送用空気は、ベントマニュホールド４１に取り付けられた大気吸い込み弁４２から空気を吸い込む。但し、竹はチップにすると竹成分の乳酸菌が醗酵し、醗酵臭及びカビも発生するので、臭気がサイロなどより外気に出ないよう、各サイロのベント部からベントメニュホールド４１へ接続し、サイロ内を若干の負圧にすることで臭気を外部に漏らさない工夫をしている。

ベントマニュホールド４１から吸い込まれた空気は、輸送用空気圧力計３９、輸送用空気流量計４０を通ってエアヒータ２７へと入り、電気又は蒸気などで輸送用空気を加熱し、乾燥空気にする。竹チップテーブルフィーダ３０より排出された脱水チップは、乾燥空気と共に輸送される過程で竹チップの乾燥も同時に行われる。これは水分が多い状態では、竹チップの醗酵が止まらないため燃料チップにカビが発生することを防止し、あるいは臭気が発生するのを防ぐためと、竹燃料中の水分を低減することで発熱量を上げる効果がある。なお、脱水チップは、空気輸送の過程で乾燥されていることから、以下のプロセスでは単に竹チップと称することにする。

図２のプロセス３において、改質された竹チップをガス化用燃料として使用したい場合は、上流切替弁５２と下流切替弁５３は、竹チップマルチサイクロン４７を輸送用空気が通るように事前に切り替えておく。上流切替弁５２と下流切替弁５３は、例えば弁口ａ、ｂ、ｃを備えた三方弁で構成されており、竹チップをガス化用燃料として使用したい場合は上流切替弁５２の弁口ａ、ｂを開き、下流切替弁５３の弁口ｂ、ｃを開くことで、上流切替弁５２―竹チップマルチサイクロン４７―下流切替弁５３−輸送ファン２９に至る空気経路を形成する。

この場合、竹チップマルチサイクロン４７に入った輸送空気と乾燥した竹チップは、遠心力で竹チップと空気に分離される。このうち空気は、下流切替弁５３を通過後輸送ファン２９へと運ばれ、ファン騒音を外部に漏らさないように設置されたサイレンサ８３から大気に放出される。なお輸送ファン２９は、その入口に輸送ファンコントロールダンパ８１を備えており、輸送用空気圧力計３９の値が一定になるよう風量をコントロールしている。

竹チップマルチサイクロン４７で分離された竹チップは、竹チップマルチサイクロン４７の下部に設けられたマルチサイクロンロータリーバルブ８２を介してガス化用竹燃料チップサイロ４８に貯留される。ガス化用竹燃料チップサイロ４８内の竹チップの貯留量は、ガス化用竹チップサイロレベル計５０で計測され、所定レベルに達している時にはガス化用改質燃料払出しロータ４９を開放して、竹チップをガス化用改質燃料フレコンに詰めて適宜搬出する。なおガス化用竹燃料チップサイロ４８内の空気はベントマニュホールド４１に循環される。

図２のプロセス３において、改質された竹チップをボイラ燃料用として使用したい場合は、上流切替弁５２と下流切替弁５３は、竹チップバグフィルター２８を輸送用空気が通るように事前に切り替えておく。三方弁である上流切替弁５２と下流切替弁５３は、竹チップをボイラ燃料用として使用したい場合は上流切替弁５２の弁口ａ、ｃを開き、下流切替弁５３の弁口ａ、ｃを開くことで、上流切替弁５２―竹チップバグフィルター２８―下流切替弁５３―輸送ファン２９に至る空気経路を形成する。

竹チップバグフィルター２８の入口前段には、高溶融点物質となるカルシウムを投入する装置（炭酸カルシウムサイロ３１、炭カルロータリーバルブ８４、炭酸カルシウムテーブルフィーダ３２）が設置されている。炭酸カルシウムサイロ３１には、常温で安定し、燃料過程で酸化カルシウムとなる炭酸カルシウムが貯留されている。また炭酸カルシウムサイロ３１の下部には、炭カルロータリーバルブ８４が備えられており、一定量の竹チップを切り出す。炭カルロータリーバルブ８４の後流れには炭酸カルシウムテーブルフィーダ３２が備えられており、設定された量を一定となるよう制御している。

ここで炭酸カルシウムは、竹チップバグフィルター２８内のろ布コーティング材として使用すると共に、乾燥した竹チップがろ布に当たり回収される際、竹断面などに炭酸カルシウムが付着することから、溶出だけでは十分に竹燃料の灰軟化温度が上昇しない特殊な竹の場合に、炭酸カルシウムにより十分な軟化温度上昇が図れるように設置している。ここで炭酸カルシウムは、竹燃料の灰軟化温度を上昇させる機能を有する物質であることから、高溶融点化物質ということができる。

図４に、主要な竹についての改質試験データを示している。ここでは特に代表的な例として、横軸方向に国内（九州）孟宗竹、国内（九州）真竹、海外竹１、海外竹２についての改質前の原料段階、および改質後の段階を表示し、縦軸方向に元素／試料の各種の特性、性状等を比較している。

なお、改質事例として例えば孟宗竹の場合には、溶出しただけの場合、溶出液に０．５％のシリカを投入した場合、溶出液に１．０％のシリカを投入した場合、溶出液に０．５％の炭酸カルシウムを投入した場合の４例を原料の特性、性状等と比較して示している。また真竹、海外竹１、海外竹２の場合には、溶出しただけの場合と、溶出液に１．０％のシリカを投入した場合の２例を原料の特性、性状等と比較して示している。

また図４の縦軸方向に示す元素／試料の各種の特性、性状等としては、高位発熱量、全水分、気乾試料水分、灰分、塩素、カリウム、灰温度として軟化点や溶融点や流動点を挙げている。またこれらについて、条件となる温度や攪拌時間とともに示している。この図の見方であるが、矢印は左側の数値と同じであることを意味している。

図４では、各種の竹について、各種の観点から調査した結果を示しているが、燃料として必要な性状を判断するという観点からは、右端に示した判定基準を満足しているか否かが問題となる。例えば塩素について０．１％以下の濃度である必要がある。また軟化温度は１１００℃以上である必要がある。

係る観点から各種の竹を評価した場合に、例えば孟宗竹では、原料の塩素分は０．１％であり、判定基準の０．１％未満の判定基準以上になっている。一方孟宗竹の灰の軟化温度は判定値の１１００℃以上に対して８４５℃と低いことがわかる。

これに対し、改質として１０分程度の溶出を行うと、塩素成分は０．０１％となり、判定値の０．１％未満を十分に満足する。なおこの場合に、さらなる改質処理として溶出液に０．５％のシリカを投入した場合、溶出液に１．０％のシリカを投入した場合、溶出液に０．５％の炭酸カルシウムを投入した場合でも、塩素成分の更なる減少は生じていないことを表している。

また改質として１０分程度の溶出を行うと、灰の軟化温度はカリウム成分が溶出した結果、１０７０℃まで上昇するが、判定値の１１００℃以上までには上昇していない。但し、さらなる改質として、溶出液に０．５％のシリカを投入した場合には１２５０℃、溶出液に１．０％のシリカを投入した場合には１４７５℃、溶出液に０．５％の炭酸カルシウムを投入した場合には１４６０℃になり、判定値の１１００℃以上になることがわかる。

例えば竹の灰分は、溶出前では１．１％であったものが溶出により０．６％まで低下している。この溶出した分をシリカ成分で補うために０．５％シリカ（ＳｉＯ２）を混ぜると灰の軟化温度は１２５０℃となり判定値を満足する。シリカより溶融温度の高いカルシウムとして炭酸カルシウムを０．５％混ぜると１４６０℃まで灰の軟化温度が上昇し、炭酸カルシウムの方が、軟化温度を上昇させるには効果が大きいことが判る。

図４によれば、塩素分の観点からは海外竹２は原材料のままで使用可能であるが、他の竹は何らかの改質処理が必要である。また灰の軟化点も考慮すると、溶出以上の添加物による改質が必要となり、この改質処理内容は原材料の竹の性状により大きく変わってくる。ボイラ用燃料とする場合には、図４の観点を考慮した改質処理内容とされる。

一方、孟宗竹でも図５に示すように、生息地により溶出のみで十分に軟化温度が上がる場合もあり、その地域で溶出時間などを変える必要がある。

図２に戻り、竹チップバグフィルター２８に投入された竹チップと炭酸カルシウムは、竹チップバグフィルター２８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２８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、竹チップバグフィルター２８下部に設けられたバグフィルタースクリューフィーダ５４、バグフィルターロータリーバルブ６５を介してボイラ用竹燃料チップサイロ３３に移され、貯留される。ボイラ用竹燃料チップサイロ３３の下部にはボイラ用改質燃料払い出しロータ３４が設けられている。ボイラ用改質燃料払い出しロータ３４の出口は、例えばボイラ用改質燃料フレコン３６などによりボイラ燃焼用製品として払い出す。ボイラ用竹燃料チップサイロ３３内の竹チップの貯留量は、ボイラ用竹チップサイロレベル計３５で計測され、所定レベルに達している時にはボイラ用改質燃料払出しロータ３４を開放して、竹チップをボイラ用改質燃料フレコン３６に詰めて適宜搬出する。なおボイラ用竹燃料チップサイロ３３内の空気はベントマニュホールド４１に循環される。

図１に戻りプロセス２の処理について説明する。プロセス２は、バイオマス改質燃料の用途別生産システムにおいて使用する水回りの設備を表している。水回りの処理のためにプロセス２では、３種類のタンクと液体を区別して使用している。

タンクの１つ目はリンス水タンク１９であり、リンス水ポンプ２０で取り出したリンス水をスクリューフィーダ１６に提供して竹チップを濯ぎ、あるいは散水ノズル７４から散水として竹チップに与える。これらの系統は既に説明済みであるので詳細説明を割愛する。なお、リンス水タンク１９内にはリンス水タンク水位調整弁２４が設置されて、タンク内から取り出したと同量の工業用水を補充している。

タンクの２つ目は循環水タンク６であり、溶出タンク８、５８に循環水を提供している。また溶出タンク８、５８に循環水を供給しない時間帯では循環水循環弁６７によるタンク内への戻し処理を行っている。また、循環水タンク６内には循環水タンク水位調整弁２５が設置されて、タンク内から取り出したと同量の工業用水を補充している。

循環水タンク６には、設備の各所に供給した循環水が戻ってくる戻りラインが形成されている。その一つは沈降タンク６６からの上澄み回収ライン５６である。沈降タンク６６からの上澄みは、不純物を含んでいないのでそのまま循環水タンク６内に戻される。脱水器１７からの脱水水も循環水タンク６に戻される。なお、乾いて浮遊する竹チップは最終的に循環水タンク６の中で浮遊するため、浮遊物かき取り装置７５により循環水タンク６の外へ改質不適物７６として払いだす。

タンクの３つ目は溶出液タンク１４である。溶出液タンク１４にはバイオマス改質燃料の用途別生産システム内の各所からの溶出液が導入されている。溶出液タンク１４に蓄積された溶出液は、排出されてバキュームカー４３に積み込まれ、竹伐採現場に送られる。各所からの溶出液は、溶出タンク８、５８のオーバーフロー液であり、循環水タンク６からの抜き取り水である。

図１において、循環水タンク６には、脱水器１７より排出された脱水水が蓄積されており、適宜循環されて再利用がされている。このとき、循環水ポンプ７の出口には、循環水カリウム・塩素分析計１２が設けられており、循環水中のカリウムと塩素を連続分析している。このカリウム又は塩素が管理値を超えると、循環水抜き取り弁１３が開動作し、循環水を溶出液タンク１４に排出する。また循環水タンク６には循環水レベル計３８が設置されており、循環水タンク６内のレベルが規定レベル以上に上昇した場合は、循環水抜き取り弁１３を強制的に開動作して循環水タンク６のレベルを下げるように作動している。また循環水タンク６には溶出タンク８、５８のオーバーフロー液が導入されている。これら一連の動作により、バイオマス改質燃料の用途別生産システム内の水系統は、所定レベル、所定濃度などの状態に維持されている。

このようにして溶出液タンク１４には、溶出液が蓄えられるが、この溶出液はバイオマス改質燃料の用途別生産システム外で利用される。具体的には、溶出液タンク１４には溶出液ポンプ８４、溶液抜き出し弁５４が設置され、定期的にバキュームカー４３に抜き出し、搬送されて竹林に散水される。

図６は、バイオマス改質燃料の用途別生産システム外での溶出液利用法を示した図である。ここでは、溶出液を積んだバキュームカー４３は、竹林に行き、竹林に溶出液を散水することで、溶出液中のカルシウムなど成長成分を竹林に戻すことで持続可能な植物育成と燃料使用を両立しようとしている。

なおバキュームカー４３は、通常バキュームポンプも搭載しているが、竹チップの輸送効率を増すため、バキュームポンプ用のブロワー７０と散水用の散水ポンプ６９は別置きにして、ブースト装置６８として竹林に設置し、自立で移動も可能なキャピラリー式とするのがよい。

また竹原料単価を低減するため、竹の伐採は竹伐採重機７１で行い、伐採後は現地竹チッパー７２に竹７３を剪定などせず、伐採状態でチップ化する。チップ化した竹はホースにより気流輸送し、現地チッパー７２からバキュームカー４３で竹チップを収集し、空気はブロワー７０を経て大気に放出するのがよい。竹は剪定と定尺を比較した場合、０．１ｋｇ／ｋｇ程度のかさ比重しかないが、細断しチップ化すれば０．５−０．６ｋｇ／ｋｇとなり、輸送効率が格段に上がると共に剪定、定尺切りの作業が無くなる分、竹の単価が低下するため、改質燃料価格も安価にすることが出来る。

このように、バキュームカー４３は、バイオマス改質燃料の用途別生産システムから溶出液を竹林に搬送し、帰りには竹林でチップ化した竹チップをバイオマス改質燃料の用途別生産システムに持ち帰るために使用される。

なお、竹はチップのまま放置すると徐々に乾燥する。乾燥した竹は、水に浮くため内部まで水が入らず、結果としてカリウム類を溶出することが出来ない。このため図１のダンピングボックス４では、その内部の竹チップが乾燥しないように竹チップに散水する。この系統は、リンス水ポンプ２０の出口から分岐し、散水ノズル７４へと送られ、ダンピングボックス４内の竹チップが乾燥し無いように、散水ノズル弁７７により定期的に散水を行う系統である。

また、乾いて浮遊する竹チップは、最終的に循環水タンク６の中で浮遊するため、循環水タンク６に浮遊物かき取り装置７５を配置し、浮遊物かき取り装置７５により循環水タンク６の外へと払いだす。払い出された浮遊物は、改質不適物７６として貯留され一定量溜まれば竹林に散布して竹の育成剤として使用するのがよい。

以下に、本発明における主要な知見について列挙する。

塩素成分は、０．０４％以下になれば、ボイラ用燃料、ガス化燃料のどちらの燃料条件でも使用可能であることから、実験結果より約２０分の溶出攪拌時間を確保させるのがよい。

単純な溶出だけであれば、図４に示す４種類の竹実験データより１３００℃以下の軟化温度と成るので、そのまま脱水するのがよい。その際、脱水することで脱水器のスクリーン径０．３ｍｍ以下の竹粒子は全て溶出液側に移動するので、脱水した竹改質燃料は０．３ｍｍ以上のみになる。

改質竹は気流輸送により輸送されるが、その際空気温度をヒータで上昇させておき輸送と乾燥を同時に行うのがよい。

ガス化燃料用の改質燃料は、直接マルチサイクロンセパレータに運ばれ竹燃料粒子を回収するのがよい。

通常のボイラ燃料にする場合は、経路を切替バグフィルターで竹燃料粒子を回収するのがよい。この際バグフィルターのコーティング材として炭酸カルシウムをバグフィルター前の空気輸送管内に吹き込む装置を取り付けておき、竹粒子がバグフィルターのろ布に当たった際、そのろ布に付着している炭酸カルシウムが竹粒子に付着し、軟化温度を上昇させる作用を持たせることができる。

１：竹
２：竹供給フィーダ
３：竹チッパー
４：ダンピングボックス
５：竹脱水チップロータリーバルブ
６：循環水タンク
７：循環水ポンプ
８、５８：溶出タンク
９、５９：三方弁
１０、６０：攪拌用ノズル
１１、６１：排出ポンプ
１２：循環水カリウム・塩素分析計
１３：循環水抜き取り弁
１４：溶出液タンク
１５：溶液タンクレベル計
１６：スクリューフィーダ
１７：脱水器
１８：供給フィーダ
１９：リンス水タンク
２０：リンス水ポンプ
２１：リンス弁
２２：リンス水流量計
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：エアヒータ
２８：竹チップバグフィルター
２９：輸送ファン
３０：竹チップテーブルフィーダ
３１：炭酸カルシウムサイロ
３２：炭酸カルシウムテーブルフィーダ
３３：ボイラ用竹燃料チップサイロ
３４：ボイラ用改質燃料払い出しロータ
３５：ボイラ用竹チップサイロレベル計
３６：ボイラ用改質燃料フレコン
３７：竹脱水チップサイロレベル計
３８：循環水タンクレベル計
３９：輸送用空気圧力計
４０：輸送用空気流量計
４１：ベントマニュホールド
４２：大気吸い込み弁
４３：バキュームカー
４４、６２：一次ダンパ
４５、６３：計量スペース
４６、６４：二次ダンパ
４７：竹チップマルチサイクロン
４８：ガス化用竹燃料チップサイロ
４９：ガス化用改質燃料払出しロータ
５０：竹チップサイロレベル計
５１：ガス化用改質燃料フレコン
５２：上流切替弁
５３：下流切替弁
５４：バグフィルタースクリューフィーダ
５５：沈降チップロータリーバルブ
５６：上澄み回収ライン
６５：バグフィルターロータリーバルブ
６６：沈降タンク
６７：循環水循環弁
６８：ブースト装置
６９：散水ポンプ
７０：ブロワー
７１：竹伐採重機
７２：現地竹チッパー
７３：竹（全木）
７４：散水ノズル
７５：浮遊物かき取装置
７６：改質不適物
７７：散水ノズル弁
８０：輸送ホース
８１：輸送ファンコントロールダンパ
８２：マルチサイクロンロータリーバルブ
８３：サイレンサ
８４：炭カルロータリーバルブ

Claims (20)

1. チップ化した草本系バイオマスを水に浸し、水に浸した後のチップを遠心分離して脱水水と脱水チップに分離する遠心分離手段と、前記脱水チップに高溶融点化物質を付着させる付着手段と、前記遠心分離手段からの前記脱水チップを前記付着手段に導入するか、導入しないかを切替える切替手段を備え、前記付着手段に導入する場合と導入しない場合とで、異なる用途の前記脱水チップを得ることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
2. 請求項1記載のバイオマス改質燃料の用途別生産システムであって、
   前記付着手段を介して得た前記脱水チップを一般ボイラ用燃料とし、前記付着手段を介さずに得た前記脱水チップをガス化用燃料とすることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
3. 請求項1または請求項２に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産システムであって、
   前記切替手段は、前記脱水チップの用途に応じて、前記遠心分離手段からの前記脱水チップを前記付着手段に導入するか、導入しないかを切替えることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
4. 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燃料の用途別生産システムであって、
   前記脱水チップを、前記遠心分離手段から空気搬送するに際し、高温空気により前記脱水チップを乾燥させる乾燥手段を備えることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
5. 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燃料の用途別生産システムであって、
   チップ化した草本系バイオマスは、チップ化した竹であり、水に浸した後のチップを脱水するための脱水器を備え、該脱水器に投入する前に、沈降タンクにより竹チップと溶出液を粗分離し、竹チップを脱水器に送ることで脱水器処理量を低減することを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
6. 請求項５に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産システムであって、
   前記脱水器に入る前に工業用水を注入することで竹表面のカリウム・塩素濃度を低減するリンスラインを設置することを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
7. 請求項５または請求項６に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産システムであって、
   チップ化した草本系バイオマスを水に浸しておく溶出槽を設け、溶出槽を介して竹チップを前記脱水器に送出するとともに、前記溶出槽を二個設けてそれぞれを交互に運転することで連続的に竹チップを供給することを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
8. 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燃料の用途別生産システムであって、
   水に浸した後のチップを分離して得た脱水水について、該脱水水を保管する循環水タンクを備え、該循環水タンク内の循環水を用いて、チップ化した草本系バイオマスを浸すことを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
9. 請求項８に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産システムであって、
   前記循環水中のカリウムと塩素濃度を連続監視し、規定値以上の濃度に達したことをもって抜き出して保管する溶出液タンクを備えることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
10. 請求項８または請求項９に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産システムであって、
    前記循環水タンクは、浮いた竹をかき取り外部に出すかき取り装置を備えることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産システム。
11. チップ化した草本系バイオマスを水に浸し、水に浸した後のチップを遠心分離して脱水水と脱水チップに分離する系統と、前記脱水チップに高溶融点化物質を付着させる系統と、前記脱水チップに前記高溶融点化物質を付着させる系統に導入するか、導入しないかを切替え、前記導入する場合と導入しない場合とで、異なる用途の前記脱水チップを得ることを切替えることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。
12. 請求項１1記載のバイオマス改質燃料の用途別生産方法であって、
    前記高溶融点化物質を付着させて得た前記脱水チップを一般ボイラ用燃料とし、前記高溶融点化物質を付着させずに得た前記脱水チップをガス化用燃料とすることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。
13. 請求項１1または請求項１２に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産方法であって、
    前記脱水チップの用途に応じて、前記脱水チップに前記高溶融点化物質を付着させる系統に導入するか、導入しないかを切替えることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。
14. 請求項１1から請求項１３のいずれか1項に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産方法であって、
    前記脱水チップを、空気搬送するに際し、高温空気により前記脱水チップを乾燥させることを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。
15. 請求項１1から請求項１４のいずれか1項に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産方法であって、
    チップ化した草本系バイオマスは、チップ化した竹であり、水に浸した後のチップを脱水する前に、竹チップと溶出液を粗分離し、竹チップを脱水することで脱水器処理量を低減することを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。
16. 請求項１５に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産方法であって、
    前記脱水する前に工業用水を注入することで竹表面のカリウム・塩素濃度を低減するリンスラインを設置することを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。
17. 請求項１５または請求項１６に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産方法であって、
    チップ化した草本系バイオマスを水に浸しておく溶出槽を設け、溶出槽を介して竹チップを脱水するとともに、前記溶出槽を二個設けてそれぞれを交互に運転することで連続的に竹チップを供給することを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。
18. 請求項１1から請求項１７のいずれか1項に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産方法あって、
    水に浸した後のチップを分離して得た脱水水について、該脱水水を保管して循環水とし、チップ化した草本系バイオマスを浸すことを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。
19. 請求項１８に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産方法であって、
    前記循環水中のカリウムと塩素濃度を連続監視し、規定値以上の濃度に達したことをもって抜き出して保管することを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。
20. 請求項１８または請求項１９に記載のバイオマス改質燃料の用途別生産方法であって、
    前記循環水の一部を竹林に散水することを特徴とするバイオマス改質燃料の用途別生産方法。

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