JP7292626B1 - バイオマスの半炭化処理によるバイオマス燃料の製造方法、および製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】環境負荷が小さく、製造工程を省力化して設備を縮小でき、被加熱物を内部および外部から同時に加熱することによって均一に加熱されたバイオマス燃料を得られる方法および装置を提供する。【解決手段】加熱炉にバイオマスを収納する工程と、前記加熱炉内にマイクロ波を照射する工程と、照射したマイクロ波により前記バイオマスを半炭化処理する処理工程と、を少なくとも含み、前記加熱炉の炉壁が、内側からマイクロ波透過層とマイクロ波反射層を備え、さらに前記マイクロ波透過層の内面の全部あるいは一部にマイクロ波吸収層を有することによって、前記処理工程において、マイクロ波照射による前記バイオマスの内部加熱と、マイクロ波照射に伴い発熱した前記マイクロ波吸収層からの伝熱による前記バイオマスの外部加熱を行い、バイオマスを内部と外部から同時に加熱することを特徴とする。【選択図】図１
Description
本発明は、バイオマスの半炭化処理によるバイオマス燃料の製造方法、および製造装置に関する。
広範に賦存するバイオマスを再生可能な優れたエネルギー源に変換する方法として半炭化技術（特許文献１を参照）が提案されており、特に木材を半炭化処理して製造したバイオマス燃料は、木材に比べて発熱量、疎水性、破砕性等が向上し、石炭火力発電所における石炭の代替燃料としての活用も期待されている。
この技術が提案されて以降、半炭化処理のための加熱方法が種々提案されており、それらは大きく２つに分類される。１つは、被加熱物を外部から加熱する方法であって、燃焼排ガスによる加熱（例えば特許文献２）や、過熱水蒸気による加熱（例えば特許文献３）、ヒーターによる加熱（例えば特許文献４）などがある。もう１つは、被加熱物を内部から加熱する方法であって、マイクロ波による加熱（例えば特許文献５）がある。
被加熱物を外部から加熱する方法では内部の加熱が難しいため特許文献２や特許文献３では乾燥処理が必要であり、特許文献４ではペレット状に成型するため粉砕処理が必要であり、工程が煩雑で設備が過剰になる課題がある。さらに、加熱のための熱源を得るにあたって燃料を燃焼する場合には製造過程で余計な二酸化炭素が発生するという課題がある。
マイクロ波を利用して被加熱物を内部から加熱する場合には、水分子を加熱させることで乾燥処理の工程を省略できる利点があるが、被加熱物の表面部から周囲への損熱によって被加熱物の内側と外側との温度差が生じ加熱ムラの発生が課題である。また、特許文献５はペレット状に成形するため乾燥・粉砕工程や発熱材料としての粉炭の混入といった処理が必要であり工程が煩雑である。
そこで、これまでの技術よりも、環境負荷が小さく、製造工程を省力化して設備を縮小でき、被加熱物を内部および外部から同時に加熱することによって均一に加熱されたバイオマス燃料を得られる方法および装置が求められている。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、バイオマスの半炭化処理によるバイオマス燃料の製造方法、および製造装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るバイオマスの半炭化処理によるバイオマス燃料の製造方法は、加熱炉にバイオマスを収納する工程と、前記加熱炉内にマイクロ波を照射する工程と、照射したマイクロ波により前記バイオマスを半炭化処理する処理工程と、を少なくとも含み、前記加熱炉の炉壁が、内側からマイクロ波透過層とマイクロ波反射層を備え、さらに前記マイクロ波透過層の内面の全部あるいは一部にマイクロ波吸収層を有することによって、前記処理工程において、マイクロ波照射による前記バイオマスの内部加熱と、マイクロ波照射に伴い発熱した前記マイクロ波吸収層からの伝熱による前記バイオマスの外部加熱を行い、バイオマスを内部と外部から同時に加熱することを特徴とする。
前記処理工程において、収納したバイオマスから加熱によって発生するガスは、冷却されると加熱炉内に固着する恐れがあるため、前記ガスを炉外へ排出することが好ましい。前記ガスは、木ガス、木タール、木酢液等の成分を含んでいるため、冷却等により分離することで、資源を有効利用することができる。
前記木ガスは、加熱炉内へ供給することで前記処理工程に必要な加熱炉内の酸素欠乏雰囲気の形成に利用することができる。あるいは燃焼用ガスとして活用することもできる。
前記処理工程における半炭化処理の継続あるいは終了の判断は、半炭化処理にともなう前記バイオマスの質量減少率により管理することが好ましい。
また、本発明に係るバイオマスの半炭化処理によるバイオマス燃料の製造装置は、炉壁が、内側からマイクロ波透過層とマイクロ波反射層を備え、さらに前記マイクロ波透過層の内面の全部あるいは一部にマイクロ波吸収層を有する加熱炉と、マイクロ波発振器と、マイクロ波発振器から加熱炉へマイクロ波を供給する導波管と、を備えることを特徴とする。
前記加熱炉において、収納したバイオマスから加熱によって発生するガスは、冷却されると加熱炉内に固着する恐れがあるため、炉外へ排出する排出装置を備えることが好ましい。
前記ガスは、木ガス、木タール、木酢液等の成分を含んでいるため、冷却等により分離する分離装置を備えることが好ましい。
前記木ガスは、半炭化処理を行う工程で必要な加熱炉内の酸素欠乏雰囲気の形成に利用するため、分離装置から加熱炉へ供給する供給装置を備えることが好ましい。
前記加熱炉には、半炭化処理の継続あるいは終了を判断するために、半炭化処理にともなうバイオマスの質量減少率を測定する質量測定装置を備えることが好ましい。
原料は、木質系のバイオマスが好ましく、未利用間伐材や製材工場等残材、あるいはバイオマス燃料を製造するために伐り出した木材などがある。
マイクロ波の周波数は、産業用に解放され利便性に優れているＩＳＭバンドが好ましく、２．４５±０．２５ＧＨｚなどがある。
マイクロ波吸収層は、吸収特性に優れ高温になる材料が好ましく、カーボンマイクロコイルや炭化ケイ素などがある。
マイクロ波透過層は、透過性に優れるだけでなく、マイクロ波の吸収によって発熱し高温になったマイクロ波吸収層からマイクロ波反射層を保護するために融点が高く、熱伝導性が低い材質が好ましく、アルミナ・シリカ系断熱材などがある。
マイクロ波反射層は、金属等の導体が好ましく、電子レンジに使用されるステンレス等がある。
本発明で製造されるバイオマス燃料は貯蔵可能であるため、製造に使用するエネルギーは貯蔵することができない再生可能エネルギーを用いるのが好ましい。
本発明によれば、環境負荷が小さく、製造工程を省力化して設備を縮小でき、被加熱物を内部および外部から同時に加熱することによって均一に加熱されたバイオマス燃料を得ることができる。また、太陽光発電は電力需要が増大する季節に発電効率が低下し、電力需要が低下する季節に発電効率が向上する傾向があるため、発電効率が向上する季節に本発明によるバイオマス燃料を製造しておき、電力需要が増大する季節にエネルギー源として利用することで、電力の需給バランスの調整と、製造過程での二酸化炭素の排出抑制が可能である。さらに、石炭火力発電所での石炭の代替燃料として利用する場合には、既存の石炭火力発電所の設備をそのまま活用することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。
［第一実施形態］
図１は、本発明に係るバイオマス燃料の製造装置（マルチモード）の構成を示す概念図である。
図１は、本発明に係るバイオマス燃料の製造装置（マルチモード）の構成を示す概念図である。
製造装置１００は、加熱炉１０、マイクロ波発振器２０、導波管３０、排出装置４０、排出管４１，分離装置５０、分離管５１、供給装置６０、供給管６１，質量測定装置７０から構成されている。
加熱炉１０は、炉壁が内側からマイクロ波吸収層１１、マイクロ波透過層１２、マイクロ波反射層１３を備え、バイオマス１を収納し半炭化処理を行う空間が確保されている。また、バイオマス１が加熱炉底面に接触しないように底面にスペーサー１５を設置する。
半炭化処理前の準備として、加熱炉１０にバイオマス１を収納し、半炭化処理に必要な低炭素雰囲気を形成するために、窒素等の不活性ガスあるいは前製造過程で発生した木ガス等を炉内に供給する。
半炭化処理の継続あるいは終了を、半炭化処理にともなう質量の減少率で判定するため、処理前のバイオマス１の質量を質量測定装置７０で測定する。
準備完了後、マイクロ波発振器２０から導波管３０を経由して加熱炉１０へマイクロ波を照射し、スターラーファン１４でマイクロ波を撹拌しながら、バイオマス１とマイクロ波反射層１３を加熱させてバイオマス１の半炭化処理を行う。
半炭化処理で発生したガスは、排出装置４０と排出管４１で炉外へ排出する。
排出したガスは、分離管５１を経由して分離装置５０へ送り、木ガス、木タール、木酢液等に分離し、資源の有効利用を図る。
分離した木ガスは、炉内の低炭素雰囲気の形成のために供給装置６０で供給管６１を経由して炉内へ供給する。あるいは次の製造過程で利用する。
マイクロ波の照射終了はバイオマスの質量減少率で管理するため、終了時の質量減少率を事前に設定しておき、設定した値になり次第、マイクロ波の照射を終了する。マイクロ波の照射終了後も、マイクロ波吸収層の余熱でバイオマス１の加熱を継続することもできる。
バイオマス１が半炭化処理されたと判断される質量減少率は事前に設定しておき、設定した値になり次第、バイオマス燃料を加熱炉から取り出す。
なお、加熱炉内のスペーサー１５を車輪状に変更することで、バイオマス１を紙面直交方向へ送り出しすることも可能である。
［第二実施形態］
図２は、本発明に係るバイオマス燃料の製造装置（シングルモード）の構成を示す概念図である。
図２は、本発明に係るバイオマス燃料の製造装置（シングルモード）の構成を示す概念図である。
製造装置２００は、加熱炉１０、マイクロ波発振器２０、導波管３０、排出装置４０、排出管４１，分離装置５０、分離管５１、供給装置６０、供給管６１，質量測定装置７０から構成されている。
加熱炉１０は、内側からマイクロ波吸収層１１、マイクロ波透過層１２、マイクロ波反射層１３を有する炉壁と、アイリス１６、可変短絡板１７を備え、バイオマス１を収納し半炭化処理を行う空間が確保されている。また、バイオマス１が加熱炉底面に接触しないように底面にスペーサー１５を設置する。
導波管３０は、アイソレータ、パワーモニター、整合器を接続するとよい。
半炭化処理前の準備として、加熱炉１０にバイオマス１を収納し、半炭化処理に必要な低炭素雰囲気を形成するために、窒素等の不活性ガスあるいは前製造過程で発生する木ガス等を炉内に供給する。
また、半炭化処理の継続あるいは終了を、半炭化処理にともなう質量の減少率で判定するため、処理前のバイオマス１の質量を質量測定装置７０で測定する。
準備完了後、マイクロ波発振器２０から導波管３０を経由して加熱炉１０へマイクロ波を照射し、バイオマス１とマイクロ波反射層１３を加熱させてバイオマス１の半炭化処理を行う。
半炭化処理で発生したガスは、排出装置４０と排出管４１で炉外へ排出する。
排出したガスは、分離管５１を経由して分離装置５０へ送り、木ガス、木タール、木酢液等に分離し、資源の有効利用を図る。
分離した木ガスは、炉内の低炭素雰囲気の形成のために供給装置６０で供給管６１を経由して炉内へ供給する。あるいは次の製造過程で利用する。
マイクロ波の照射終了はバイオマスの質量減少率で管理するため終了時の質量減少率を事前に設定しておき、設定した値になり次第、マイクロ波の照射を終了する。マイクロ波の照射終了後も、マイクロ波吸収層の余熱でバイオマス１の加熱を継続することもできる。
バイオマス１が半炭化処理されたと判断される質量減少率は事前に設定しておき、設定した値になり次第、バイオマス燃料を加熱炉から取り出す。
なお、可変短絡板１７はバイオマス１の収納扉とすることができ、加熱炉内のスペーサー１５を車輪状に変更することで、バイオマス１を送り出しすることも可能である。
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
実施例では、市販されている杉の薪を小片にした試料（約３６ｇ）を用いて、試料の側面をマイクロ波吸収層で囲い、その外側からさらに側面と上・下面をマイクロ波透過層で囲ったものを、電子レンジに収納し、２００Ｗで１１分加熱した。
使用したものは以下の通りである。
マイクロ波吸収層：炭化ケイ素
マイクロ波透過層：アルミナファイバー
電子レンジ：ＹＡＭＡＺＥＮ ＹＲＴ－Ｓ１７７（Ｗ）５
使用したものは以下の通りである。
マイクロ波吸収層：炭化ケイ素
マイクロ波透過層：アルミナファイバー
電子レンジ：ＹＡＭＡＺＥＮ ＹＲＴ－Ｓ１７７（Ｗ）５
図３に、左から実施後の試料、マイクロ波吸収層とマイクロ波透過層を使用せずに電子レンジで２００Ｗ１１分加熱した試料、全く加熱していない試料の順に掲載する。写真の通り、マイクロ波吸収層とマイクロ波透過層を使用せずに電子レンジで２００Ｗ１１分加熱した試料は加熱ムラが生じている一方で、実施例では加熱が均一に促進されることを確認できた。
１ 木質バイオマス
１０ 加熱炉
１１ マイクロ波吸収層
１２ マイクロ波透過層
１３ マイクロ波反射層
１４ スターラーファン
１５ スペーサー
１６ アイリス
１７ 可変短絡板
２０ マイクロ波発振器
３０ 導波管
４０ 排出装置
４１ 排出管
５０ 分離装置
５１ 分離管
６０ 供給装置
６１ 供給管
７０ 質量測定装置
１００、２００ 製造装置
１０ 加熱炉
１１ マイクロ波吸収層
１２ マイクロ波透過層
１３ マイクロ波反射層
１４ スターラーファン
１５ スペーサー
１６ アイリス
１７ 可変短絡板
２０ マイクロ波発振器
３０ 導波管
４０ 排出装置
４１ 排出管
５０ 分離装置
５１ 分離管
６０ 供給装置
６１ 供給管
７０ 質量測定装置
１００、２００ 製造装置
Claims (8)
- バイオマスの半炭化処理によるバイオマス燃料の製造方法であって、
加熱炉にバイオマスを収納する工程と、
前記加熱炉内にマイクロ波を照射する工程と、
照射したマイクロ波により前記バイオマスを半炭化処理する処理工程と、を少なくとも含み、
前記加熱炉の炉壁が、内側からマイクロ波透過層とマイクロ波反射層を備え、さらに前記マイクロ波透過層の内面の全部あるいは一部にマイクロ波吸収層を有することによって、前記処理工程において、マイクロ波照射による前記バイオマスの内部加熱と、マイクロ波照射に伴い発熱した前記マイクロ波吸収層からの伝熱による前記バイオマスの外部加熱を行い、バイオマスを内部と外部から同時に加熱することを特徴とするバイオマス燃料の製造方法。 - 前記処理工程において、前記加熱炉で発生する発生ガスを炉外へ排出し、前記発生ガスを木ガス、木タール、木酢液等に分離することを特徴とする請求項１に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記木ガスを前記加熱炉へ供給することを特徴とする請求項２に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記処理工程において、バイオマスの質量を測定し、半炭化処理の継続あるいは終了の判断を半炭化処理にともなう質量の減少率により管理することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- バイオマスの半炭化処理によるバイオマス燃料の製造装置であって、
炉壁が、内側からマイクロ波透過層とマイクロ波反射層を備え、さらに前記マイクロ波透過層の内面の全部あるいは一部にマイクロ波吸収層を有する加熱炉と、
マイクロ波発振器と、
マイクロ波発振器から加熱炉へマイクロ波を供給する導波管と、を備えることを特徴とするバイオマス燃料の製造装置。 - 前記加熱炉において、バイオマスから発生した発生ガスを炉外へ排出する排出装置と、
前記発生ガスを木ガス、木タール、木酢液等に分離する分離装置と、を備えること特徴とする請求項５に記載のバイオマス燃料の製造装置。 - 前記木ガスを前記加熱炉へ供給する供給装置を備えること特徴とする請求項６に記載のバイオマス燃料の製造装置。
- 前記加熱炉において、半炭化処理の継続あるいは終了の判断に必要な質量減少率を算出する質量測定器を備えることを特徴とする請求項５～７のいずれか一項に記載のバイオマス燃料の製造装置。
Priority Applications (2)
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