JP6691508B2 - 固体燃料の製造方法及び固体燃料 - Google Patents

Description

本発明は、樹皮（バーク）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。

特開2006−26474号公報 特開2009−191085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、樹皮（バーク）を原料として、酸素濃度１０％以下で、かつ温度１７０〜３５０℃の条件下で焙焼（torrefaction）し、得られた焙焼物の水分を１０〜５０％に調整後、嵩密度０．５ｇ／ｃｍ^３以上に高密度化することによって、石炭と同等の粉砕性を有する固体燃料が製造できること見出した。

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、原料として樹皮（バーク）を使用する。樹皮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。本発明者らは樹皮を有効利用することを検討したところ、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。樹皮は０．１〜１００ｍｍのサイズに粉砕されたもの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。樹種は広葉樹、針葉樹のいずれも使用できるが、杉の樹皮が好ましい。なお、樹皮の水分は１０％以下とすることが好ましく、５％以下とすることがさらに好ましい。

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４００〜７００℃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。

本発明における焙焼の処理条件は、酸素濃度１０％以下で、温度１７０〜３５０℃である。酸素濃度が１０％を超えると物質収率、熱量収率が低下する。また、温度が１７０℃未満では後述する粉砕性が不十分であり、３５０℃を超えると物質収率、熱量収率が低下する。温度は１７０〜３００℃が好ましく、さらに２００〜２６０℃がさらに好ましい。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１７０〜３５０℃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。

本発明において、焙焼処理を行うための装置は特に限定されないが、ロータリーキルン、竪型炉が好ましい。なお、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。処理時間は１５〜１８０分が好ましい。

本発明で得られる固体燃料は原料の樹皮に対して物質収率で６０〜９０％、熱量収率で７０〜９５％である。また、粉砕性の指標であるＪＩＳ Ｍ ８８０１：２００４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。

本発明における高密度化とは、焙焼された樹皮の粉砕物状の出発原料（焙焼物）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。高密度化する前の焙焼物の嵩密度は０．０１ｇ／ｃｍ^３〜０．３ｇ／ｃｍ^３で、高密度化処理後の固体燃料の嵩密度は０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．０ｇ／ｃｍ^３である。高密度化することにより、固体燃料として微粉炭ボイラーで燃焼させる際、石炭との混合比率を上昇させることができ、また、燃料の輸送コストを削減することができる。

高密度化処理後の固体燃料の嵩密度は、０．５ｇ／ｃｍ^３以上とすることが必要で、好ましくは０．６ｇ／ｃｍ^３以上にすることが好ましい。嵩密度が０．５ｇ／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、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の処理条件は、水分が１０〜５０％とすることが必要である。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、バインダーを０〜５０重量部添加することが好ましい。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、０〜５０重量部、より好ましくは０〜２０重量部が望ましい。ただし、５０重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）、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。

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］
杉の樹皮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樹皮を原料として、乾燥機で１２０℃、１０分間乾燥処理を行った。続いて大型キルン型炭化炉を用い、窒素パージして、焙焼温度３１０℃、滞留時間３０分で焙焼を行って生成物を得た。得られた生成物の水分を３０％に調整し、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）社製、ディスクペレッターＦ−５／１１−１７５型）にてダイ穴直径５ｍｍ、ダイ厚さ２０ｍｍのフラットダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。なお、嵩密度の測定方法は、ＪＩＳ Ｋ ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従った。

［実施例２］
実施例１と同様にして得た生成物の水分を２０％に調整した以外は、実施例１と同様にして高密度化処理を行い、嵩密度０．６０ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

［実施例３］
実施例１と同様にして得た生成物の水分を４０％に調整した以外は、実施例１と同様にして高密度化処理を行い、嵩密度０．６３ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

［比較例１］
焙焼温度１２０℃とした以外は、実施例１と同様にして生成物を得て、水分調整後、高密度化処理を行ったところ、ダイ穴で閉塞が発生し固体燃料が得られなかった。

［比較例２］
焙焼温度６００℃とした以外は、実施例１と同様にして生成物を得て、水分調整後、高密度化処理を行ったところ、嵩密度０．３５ｇ／ｃｍ^３の固体燃料が少量得られ、大部分は粉状になって排出され、固形物にならなかった。

［実施例４］
焙焼温度２６０℃とした以外は、実施例１と同様にして生成物を得て、水分調整後、高密度化処理を行い、嵩密度０．６８ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

［比較例３］
実施例１と同様にして得た生成物の水分を５％に調整した以外は、実施例１と同様にして高密度化処理を行ったところ、ダイ穴で閉塞が発生し固体燃料が得られなかった。

［比較例４］
実施例１と同様にして得た生成物の水分を７０％に調整した以外は、実施例１と同様にして高密度化処理を行ったところ、液状のままであり固形化できなかった。

［実施例５］
実施例１と同様にして得た生成物にふすまを５重量部添加し、水分を３０％に調整した以外は、実施例１と同様にして高密度化処理を行い、嵩密度０．６０ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

［実施例６］
実施例１と同様にして得た生成物にふすまを４０重量部添加し、水分を３０％に調整し以外は、実施例１と同様にして高密度化処理を行い、嵩密度０．５５ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

［実施例７］
実施例１と同様にして得られた生成物の水分を３０％に調整し、リングダイ式ペレタイザー（ＣＰＭ（株）製、ペレットミル１１００型）にてダイ穴直径６ｍｍ、ダイ厚さ２０ｍｍのリングダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．５８ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

［実施例８］
実施例１と同様にして得られた生成物の水分を３０％に調整し、ブリケッター（北川鉄工所（株）製、フォーミルＧＭＧ−２００ＲＤ型）にてスリーブ径４９ｍｍ、スリーブ長１５０ｍｍのスリーブを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．５２ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

表１に示されるように、酸素濃度１０％以下で、かつ温度１７０〜３５０℃の条件下で焙焼し、水分を１０〜５０％に調整した実施例１〜８の固体燃料は高密度化処理によって嵩密度を０．５ｇ／ｃｍ^３以上とすることが可能であった。これに対して、温度１７０℃未満で焙焼した比較例１は高密度化処理を行っても成型することができず、温度３５０℃を超えた温度で焙焼した比較例２は高密度化処理しても嵩密度を０．５ｇ／ｃｍ^３以上とすることができなかった。また、水分が１０〜５０％の範囲外である比較例３、４は高密度化処理を行っても成型することはできなかった。

Claims (2)

1. 石炭と混合して粉砕処理に供する固体燃料の製造方法であって、
   ０．１〜１００ｍｍのサイズに粉砕された樹皮を酸素濃度１０％以下かつ温度１７０〜３５０℃の条件下でロータリーキルンを用いて焙焼し、得られた焙焼物の水分を１０〜５０％に調整して得た生成物とバインダーとを混合してから、嵩密度（ＪＩＳ Ｋ ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）が０．５ｇ／ｃｍ^３以上に高密度化することを特徴とし、前記バインダーの量が、上記生成物１００重量部に対して５〜５０重量部である、上記方法。
2. 前記バインダーが、農業残渣である、請求項１に記載の方法。