JP7400623B2 - 蒸煮爆砕装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸煮爆砕装置に関する。

下記特許文献１には、バイオマスを少ないエネルギで微粉砕して微粉化バイオマスを形成することができる微粉化バイオマスの製造方法が開示されている。この微粉化バイオマスの製造方法は、バイオマスを密閉して加熱し、バイオマスの含有水分でバイオマスを水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成するものである。このような微粉化バイオマスの製造方法によれば、蒸煮温度を例えば２００～２５０℃程度、保持時間（密閉時間）を例えば１０～３０分程度、また蒸煮圧力（密閉圧力）を例えば１．６～４．０ＭＰａ程度に設定することにより、平均粒度０．５～１．０ｍｍ程度の微粉化バイオマスを生成することができる。

特開２０１７－１５９２２９号公報

しかしながら、上記背景技術によって得られる平均粒度０．５～１．０ｍｍ程度の微粉化バイオマスの最大個体収率は、６０～７０ｗｔ％であり、破砕処理後の微粉化バイオマス中には、ボイラで燃焼困難な２ｍｍ以上の未粉砕チップが３～５ｗｔ％程度残存する。このような未粉砕チップの中には、反応器中心部にあって所望温度まで加熱しきれなかったと考えられるものや、高温となった容器壁近傍で炭化したチップが散見されるという問題点がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、所望平均粒度の微粉化バイオマスの収率を従来よりも向上させることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、蒸煮爆砕装置に係る第１の解決手段として、バイオマス及び水蒸気を収容する反応器と、前記バイオマスと前記水蒸気とを撹拌する撹拌装置、前記反応器を密封／密封解除する密封装置と、密封状態の前記バイオマス及び前記水蒸気を加熱する加熱装置とを備える、という手段を採用する。

本発明では、蒸煮爆砕装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記反応器は、下端に微粉化バイオマスの取出口が設けられた縦型円筒状であり、前記撹拌装置は、前記反応器の軸心に沿って上下方向に延在する回転軸と、該回転軸に沿って設けられた撹拌羽根と、前記回転軸を回転駆動する駆動部とを備える、という手段を採用する。

本発明では、蒸煮爆砕装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記撹拌装置は、前記回転軸を上下方向に変位させる変位装置をさらに備える、という手段を採用する。

本発明では、に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記変位装置は、前記回転軸を非接触状態で上下方向に変位させる、という手段を採用する。

本発明では、蒸煮爆砕装置に係る第５の解決手段として、上記第３または第４の解決手段において、前記変位装置は、前記密封装置が前記反応器を密封状態から密封解除状態に切換える際に、前記回転軸を上方向に変位させる、という手段を採用する。

本発明によれば、所望平均粒度の微粉化バイオマスの収率を従来よりも向上させることが可能である。

本発明の一実施形態に係る蒸煮爆砕装置の全体構成を示すシステム構成図である。 本発明の一実施形態における撹拌装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における駆動部の構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る蒸煮爆砕装置は、バイオマスを微粉砕して微粉化バイオマスを製造する設備である。

この蒸煮爆砕装置は、図１に示すように、受入コンベヤ１、受入ホッパ２、第１計量フィーダ３、反応器４、蒸気源５、サイクロンホッパ６、第１搬送コンベヤ７、復水器８、乾燥機９、分級機１０、戻りポンプ１１、第２搬送コンベヤ１２、乾燥木粉ホッパ１３、第２計量フィーダ１４及びスラットバルブ１５を備えている。

受入コンベヤ１は、外部からバイオマスを受け入れる受入口１ａと受入ホッパ２との間に敷設された搬送装置である。この受入コンベヤ１は、地上の受入口１ａで受け入れたバイオマスを受入ホッパ２の上部投入口２ａに搬送し、当該上部投入口２ａから受入ホッパ２内に投下する。

受入ホッパ２は、所定の容量を備えたバイオマス容器である。この受入ホッパ２は、上部投入口２ａから投入されたバイオマスを一時的に貯留すると共に先に受け入れたバイオマスを下部排出口２ｂから第１計量フィーダ３に送り出す。すなわち、この受入ホッパ２の下部には、図示するようにスクリューフィーダ２ｃが備えられており、バイオマスを第１計量フィーダ３に向けて送り出す。

ここで、上記スクリューフィーダ２ｃは所定のタイムインターバルで間欠的に作動する。すなわち、受入ホッパ２に貯留されたバイオマスは、受入ホッパ２の下部から間欠的に取り出されて第１計量フィーダ３に供給される。

第１計量フィーダ３は、計量機能を備えた搬送装置である。この第１計量フィーダ３は、受入ホッパ２から供給されたバイオマスの重量を計量し、予め設定された所定量を反応器４の上部から供給する。

反応器４は、バイオマスを収容する略円筒状の容器である。この反応器４は、軸線が鉛直方向となる姿勢つまり縦置きされた縦型円筒状容器である。このような反応器４は、バイオマスを蒸煮処理かつ爆砕処理する反応器でもある。

詳細については後述するが、この反応器４は、第１計量フィーダ３から受け入れた所定量のバイオマスに水蒸気を添加した状態でを密閉収容し、バイオマス及び水蒸気を密封状態で加熱することによって蒸煮処理し、さらに蒸煮処理後のバイオマスについて急激な圧力開放を行うことによって爆砕処理する。

このような反応器４は、受入機構４ａ、蒸気取入口４ｂ、蒸気排出口４ｃ、加熱装置４ｄ、撹拌装置４ｅ及び排出機構４ｆを備える。受入機構４ａは、バイオマスを受け入れる開閉扉であり、第１計量フィーダ３からバイオマスを受け入れる際に開放され、所定量のバイオマスの受入が完了すると閉鎖される。

蒸気取入口４ｂは、例えば反応器４の上部に設けられる開口である。この蒸気取入口４ｂは、蒸気源５から供給される水蒸気を受け入れる。蒸気排出口４ｃは、例えば反応器４の下部に設けられる開口である。この蒸気排出口４ｃは、蒸気源５から受け入れた水蒸気を乾燥機９に向けて排出する。

加熱装置４ｄは、反応器４の周面に備えられており、反応器４内に密封収容されたバイオマス及び水蒸気（蒸煮用の水蒸気）を加熱する。この加熱装置４ｂは、複数の加熱ゾーン４ｇを備えており、蒸気取入口４ｂから流入した水蒸気を各加熱ゾーン４ｇに分割供給し、また各加熱ゾーンの水蒸気を蒸気排出口４ｃから排出する。

上記複数の加熱ゾーン４ｇは、図示するように反応器４の周面に上下方向に配列するように設けられた分割空間である。このような加熱装置４ｄは、複数の加熱ゾーン４ｇを流する水蒸気を熱源として反応器４内のバイオマス及び水蒸気（蒸煮用の水蒸気）を加熱する。

このような加熱装置４ｄによれば、上下方向に配列する複数の加熱ゾーン４ｇに水蒸気が流通するので、反応器４の周面を均一に加熱することが可能である。したがって、この加熱装置４ｄによれば、反応器４内のバイオマス及び水蒸気（蒸煮用の水蒸気）を均一に加熱することができる。

撹拌装置４ｅは、図２に示すように、回転軸４ｈ、撹拌羽根４ｉ及び駆動部４ｊを備え、反応器４内に収容されたバイオマスと蒸煮用の水蒸気とを撹拌する。すなわち、この撹拌装置４ｅは、バイオマスと蒸煮用の水蒸気とを均一に混合させることにより、所定量のバイオマスを均一な温度に設定する。

回転軸４ｈは、図示するように反応器４の軸心に沿って上下方向に延在する棒状部材である。撹拌羽根４ｉは、上記回転軸４ｅに沿って設けられる螺旋状の板状部材である。この撹拌羽根４ｉは、図２に示すように、回転軸４ｈに対する取付角が異なるように回転軸４ｈの上端近傍から下端近傍にかけて２枚設けられている。

駆動部４ｊは、回転軸４ｅを非接触状態で回転駆動する駆動源である。この駆動部４ｊは、図３（ａ）に示すように、回転子４ｍ、固定子４ｎ及び給電部４ｐを備えている。回転子４ｍは、回転軸４ｈの上端部近傍部位に設けられた複数の永久磁石を備える。この回転子４ｍは、図３（ａ）に示すように、例えば回転軸４ｈ周りに９０°の角度ピッチで、また異なる極性順で配列する４つの永久磁石からなる。

固定子４ｎは、このような回転子４ｍに対向配置するように反応器４の上部に設けられている。この固定子４ｎは、図３（ａ）に示すように、例えば回転子４ｍ周りに４５°の角度ピッチで、また異なる極性順で配列する８つの電磁石からなる。なお、このような回転子４ｍにおける永久磁石の個数（極数）及び固定子４ｎにおける電磁石の個数（スロット数）は一例であり、他の個数であってもよい。

給電部４ｐは、上記固定子４ｎの各電磁石に駆動電流を供給する交流電源である。この給電部４ｐは、複数の電磁石が回転磁界を発生するように電気角が異なる交流電流を各々の電磁石に給電する。

すなわち、駆動部４ｊは、給電部４ｐから固定子４ｎに駆動電流が供給することにより、固定子４ｎに回転子４ｍ周りの回転磁界を生成させる。この回転磁界は、回転子４ｍの各永久磁石に作用することによって回転子４ｍを同期回転させる。

また、本実施形態における固定子４ｎは、図３（ｂ）に示すように電磁石が上下２段に設けられている。詳細については後述するが、このような固定子４ｎにおける電磁石の２段構成は、回転軸４ｅに上下方向（スラスト方向）の力を作用させ、以って回転軸４ｅの上下方向における位置つまり撹拌羽根４ｉの上下方向における位置を変位させるためのものである。

すなわち、本実施形態における駆動部４ｊは、回転軸４ｅを上下方向に変位させる変位装置として機能するものである。この駆動部４ｊは、回転軸４ｅを上下方向に変位させることによって、回転軸４ｅに設けられた撹拌羽根４ｉを上下方向に変位させる。

排出機構４ｆは、処理済バイオマスを外部に排出する開閉弁である。この排出機構４ｆは、バイオマスに蒸煮処理を施す際は閉状態に設定され、当該蒸煮処理が完了してバイオマスに爆砕処理を施す際に開状態とされる。

すなわち、この排出機構４ｆは、蒸煮処理によって高温状態かつ高圧状態にあるバイオマスの圧力を急激に開放することによって爆砕させる。このような排出機構４ｆは、反応器４を密封／密封解除する密封装置として機能する。また、この排出機構４ｆは、微粉化バイオマスの取出口としても機能する。

このような反応器４から排出される処理済バイオマスは、平均粒度０．５～１．０ｍｍ程度の微粉化バイオマスを主成分とするバイオマスである。また、この処理済バイオマスには水蒸気が多量に含まれている。すなわち、処理済バイオマスと水蒸気との固気混合物が体反応器４から排出される。

蒸気源５は、反応器４と配管で接続されており、反応器４に蒸煮用及び加熱用の水蒸気（過熱蒸気）を供給する。この蒸気源５は、例えばボイラである。すなわち、本実施形態に係る蒸煮爆砕装置で製造された微粉化バイオマスはボイラの燃料として利用されるが、本実施形態に係る蒸煮爆砕装置は、このボイラで生成された水蒸気を蒸気源５として利用する。

サイクロンホッパ６は、処理済バイオマスと水蒸気との固気混合物を固気分離する分離装置である。すなわち、このサイクロンホッパ６は、上部受入口６ａで受け入れた固気混合物をサイクロン状（螺旋状）に下降させることにより、処理済バイオマス及び水蒸気を比重差を利用して分離する。

このようなサイクロンホッパ６は、水蒸気を上部排出口６ｂから排出し、処理済バイオマスを下部排出口６ｃから排出する。なお、サイクロンホッパ６の下部には、処理済バイオマスを強制的に下部排出口６ｃに送り出すスクリューフィーダ６ｄが設けられている。

第１搬送コンベヤ７は、サイクロンホッパ６と乾燥機９との間に設けられた搬送装置である。この第１搬送コンベヤ７は、サイクロンホッパ６から受け入れた処理済バイオマスを乾燥機９まで搬送する。

復水器８は、サイクロンホッパ６の上部排出口６ｂから受け入れた水蒸気を凝縮させる凝縮器である。この復水器８は、例えば水蒸気を水と熱交換させることにより冷却することにより凝縮させる。このような復水器８は、凝縮水を下部排出口８ａはら排出し、凝縮しきれなかった水蒸気を上部排出口８ｂから排出する。

乾燥機９は、加熱装置４ｂから供給された水蒸気を用いて第１搬送コンベヤ７から搬入される処理済バイオマスを乾燥させる乾燥装置である。乾燥機９は、処理済バイオマスを受け入れる受入口９ａ及び乾燥させた処理済バイオマスを排出する排出口９ｂに加え、蒸気受入口９ｃ、蒸気排出口９ｄ及び伝熱管９ｅを備えている。

蒸気受入口９ｃは、乾燥用の水蒸気を受け入れる開口であり、蒸気排出口９ｄは、乾燥に供した水蒸気を排出する開口であり、また伝熱管９ｅは、蒸気受入口９ｃと蒸気排出口９ｄとの間に設けられた水蒸気流路である。

このような乾燥機９は、加熱装置４ｂから供給された水蒸気を伝熱管９ｅに流通させ、乾燥用の熱源として利用することにより、処理済バイオマスを乾燥させる。すなわち、この乾燥機９は、加熱装置４ｂの排熱を利用して処理済バイオマスを乾燥させるものであり、新たな熱源を必要としないものである。

分級機１０は、上述した乾燥機９から供給された乾燥済みの処理済バイオマスから微粉化バイオマスと粗大バイオマスとを分離する粉体分離装置である。すなわち、この分級機１０は、受入口１０ａと一対の排出口１０ｂ、１０ｃを備えており、受入口１０ａで受け入れた乾燥済みの処理済バイオマスを微粉化バイオマスと粗大バイオマスとに分離し、微粉化バイオマスを一方の排出口１０ｂから排出し、粗大バイオマスを他方の排出口１０ｃから排出する。

戻りポンプ１１は、上述した乾燥機９から排出された水蒸気を蒸気源５であるボイラに戻す動力源である。第２搬送コンベヤ１２は、分級機１０における一方の排出口１０ｂと乾燥木粉ホッパ１３との間に設けられた搬送装置である。この第２搬送コンベヤ１２は、分級機１０から排出された乾燥済みの微粉化バイオマスを乾燥木粉ホッパ１３に搬送する。

乾燥木粉ホッパ１３は、所定の容量を備えたバイオマス容器である。この乾燥木粉ホッパ１３は、上部投入口１３ａから投入された乾燥済みの微粉化バイオマスを一時的に貯留すると共に先に受け入れた乾燥済みの微粉化バイオマスを下部開閉扉１３ｂから第２計量フィーダ１４に送り出す。

第２計量フィーダ１４は、上述した第１計量フィーダ３と同様に、計量機能を備えた搬送装置である。この第２計量フィーダ１４は、乾燥木粉ホッパ１３から受け入れた乾燥済みの微粉化バイオマスの重量を計量し、予め設定された所定量をスラットバルブ１５に供給する。スラットバルブ１５は、耐摩耗性に優れた粉粒体供給弁であり、ボイラの燃料供給系に乾燥済みの微粉化バイオマスを燃料として供給する。

次に、本実施形態に係る蒸煮爆砕装置の動作について詳しく説明する。
この蒸煮爆砕装置では、受入口１ａで外部から受け入れたバイオマス（原料）が受入コンベヤ１によって受入ホッパ２に順次搬送され、上方から受入ホッパ２内に投下される。この受入ホッパ２では、上記バイオマス（原料）の投下と並行して、スクリューフィーダ２ｃが受入ホッパ２の下部から先に投下されたバイオマスを第１計量フィーダ３に向けて送り出す。

そして、この第１計量フィーダ３によって計量された所定重量のバイオマスが反応器４に供給される。反応器４は、所定重量のバイオマスを受け入れると、密封状態でバイオマスに蒸煮処理を施す。すなわち、反応器４は、所定重量のバイオマスに蒸気源５から受け入れた所定量の水蒸気を添加した後に、受入機構４ａ及び排出機構４ｆを閉状態とすることによってバイオマス及び水蒸気を密封状態とする。

また、このような反応器４では、蒸気源５から加熱装置４ｄが受け入れた水蒸気によってバイオマス及び水蒸気が加熱され、さらに撹拌装置４ｅによってバイオマスが撹拌されることによってバイオマスと水蒸気とが混合される。この結果、バイオマスは、反応器４内において均一な温度に加熱される。すなわち、本実施形態における反応器４ではバイオマスの加熱斑が少ない。

反応器４では、このように加熱斑が少ない状態でバイオマスを所定時間に亘って蒸煮処理する。すなわち、加熱によって活性が向上した水蒸気がバイオマスに作用することによって、リグニン等のバイオマスの構成成分が解される。

そして、この反応器４では、所定時間に亘る蒸煮処理が完了すると、排出機構４ｆが閉状態から開状態に切換えられる。すなわち、排出機構４ｆは、反応器４を密封状態から密封解除状態に切換える。

この結果、蒸煮処理によって雰囲気圧力が上昇したバイオマスは、雰囲気圧力の急激な低下に曝される。この急激な圧力低下によって、バイオマスは瞬間的に粉砕（爆砕）される。すなわち、この反応器４では、所定時間に亘る蒸煮処理の後にバイオマスの爆砕処理が行われ、処理済バイオマスが生成される。

ここで、蒸煮処理では撹拌装置４ｅによってバイオマスが連続的に撹拌されるが、排出機構４ｆが反応器４を密封状態から密封解除状態に切換える際に、駆動部４ｊは、回転軸４ｈを上方向に変位させる。

例えば、駆動部４ｊは、蒸煮処理では固定子４ｎにおける下段の電磁石のみに駆動電流を給電することによって、回転軸４ｈ及び撹拌羽根４ｉを最も下がった位置に位置設定する。そして、駆動部４ｊは、反応器４を密封状態から密封解除状態に切換える直前において、固定子４ｎにおける２段の電磁石に駆動電流を給電して回転軸４ｈ及び撹拌羽根４ｉを上下方向の中間位置に位置設定し、さらに固定子４ｎにおける上段の電磁石のみに駆動電流を給電することによって回転軸４ｈ及び撹拌羽根４ｉを上下方向における最も高い位置に位置設定させる。

このような駆動部４ｊによる回転軸４ｈ及び撹拌羽根４ｉの高さ位置の上昇処理によって、反応器４が密封状態から密封解除状態に切換えられる際に発生する反応器４内の急激な圧力低下（圧力変動）によって撹拌装置４ｅ（特に撹拌羽根４ｉ）が損傷することを防止することができる。さらに、排出機構４ｆの開状態の際に、撹拌羽根４ｉを上方向に変位させることにより、処理済バイオマスが排出機構４ｆを通過することを容易にし、処理済バイオマスの排出性能を向上させることができる。

また、排出機構４ｆの閉状態の際に、駆動部４ｊによる回転軸４ｈ及び撹拌羽根４ｉの高さ位置の降下処理によって、撹拌羽根４ｉを反応器４の下部に達するように配置することができる。これにより、反応器４の下部に堆積するバイオマスを効率的に撹拌することができ、撹拌効率が向上する。

反応器４の排出機構４ｆが閉状態から開状態に設定変更されることによって、処理済バイオマスと水蒸気との固気混合物が排出機構４ｆを通過してサイクロンホッパ６に流れ出す。そして、このサイクロンホッパ６によって固気混合物から水蒸気が除去され、処理済バイオマスのみが第１搬送コンベヤ７によって乾燥機９に供給される。なお、サイクロンホッパ６で固気混合物から分離された水蒸気は、復水器８において凝縮される。

乾燥機９では、反応器４から供給された水蒸気を熱源として処理済バイオマスが乾燥される。すなわち、乾燥機９は、伝熱管９ｅ内を流れる水蒸気と処理済バイオマスとを熱交換させることによって当該処理済バイオマスを乾燥させる。

このような乾燥機９によって乾燥処理された処理済バイオマスは、分級機１０によって微粉化バイオマスと粗大バイオマスとに分離される。微粉化バイオマスは第２搬送コンベヤ１２によって乾燥木粉ホッパ１３に供給され、粗大バイオマスは、受入コンベヤ１に供給されて反応器４に再度投入される。

乾燥木粉ホッパ１３では微粉化バイオマスが一次的に貯留される。そして、乾燥木粉ホッパ１３から取り出された微粉化バイオマスは、第２計量フィーダ１４によって順次計量されてスラットバルブ１５に供給され、当該スラットバルブ１５を介してボイラに順次供給される。

このような本実施形態によれば、反応器４における蒸煮処理の際に、撹拌装置４ｅによってバイオマスを撹拌することによって水蒸気と均一に混合させる。したがって、本実施形態によれば、所望平均粒度の微粉化バイオマスの収率を従来よりも向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、図２及び図３に示す撹拌装置４ｅを採用したが、本発明はこれに限定されない。特に、駆動部４ｊにおける変位装置としての機能構成は、図３（ｂ）に示した構成に限定されない。例えば、電磁石を上下２段ではなく上下３段以上としてもよい。

（２）上記実施形態では、撹拌装置４ｅにおいて螺旋状の撹拌羽根４ｉを採用したが、本発明はこれに限定されない。撹拌羽根の種類（形状）としては複数のものが周知であり、これら周知の種類（形状）の中から必要に応じて適宜選択したものを採用すればよい。

（３）上記実施形態では、反応器４から排出された水蒸気を乾燥機９に供給したが、本発明はこれに限定されない。排熱回収に重きを置かない場合には、水蒸気を蒸気源５から直接乾燥機９に供給してもよい。

１ 受入コンベヤ
２ 受入ホッパ
３ 第１計量フィーダ
４ 反応器
４ａ 受入機構
４ｂ 蒸気取入口
４ｃ 蒸気排出口
４ｄ 加熱装置
４ｅ 撹拌装置
４ｆ 排出機構
４ｇ 加熱ゾーン
４ｈ 回転軸
４ｉ 撹拌羽根
４ｊ 駆動部
４ｍ 回転子
４ｎ 固定子
４ｐ 給電部
５ 蒸気源
６ サイクロンホッパ
７ 第１搬送コンベヤ
８ 復水器
９ 乾燥機
１０ 分級機
１１ 戻りポンプ
１２ 第２搬送コンベヤ
１３ 乾燥木粉ホッパ
１４ 第２計量フィーダ
１５ スラットバルブ

Claims (4)

1. バイオマス及び水蒸気を収容する反応器と、
   前記バイオマスと前記水蒸気とを撹拌する撹拌装置、
   前記反応器を密封／密封解除する密封装置と、
   密封状態の前記バイオマス及び前記水蒸気を加熱する加熱装置とを備え、
   前記反応器は、下端に微粉化バイオマスの取出口が設けられた縦型円筒状であり、
   前記撹拌装置は、前記反応器の軸心に沿って上下方向に延在する回転軸と、該回転軸に沿って設けられた撹拌羽根と、前記回転軸を回転駆動する駆動部とを備えることを特徴とする蒸煮爆砕装置。
2. 前記撹拌装置は、前記回転軸を上下方向に変位させる変位装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の蒸煮爆砕装置。
3. 前記変位装置は、前記回転軸を非接触状態で上下方向に変位させることを特徴とする請求項２に記載の蒸煮爆砕装置。
4. 前記変位装置は、前記密封装置が前記反応器を密封状態から密封解除状態に切換える際に、前記回転軸を上方向に変位させることを特徴とする請求項２または３に記載の蒸煮爆砕装置。

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