JP7474750B2

JP7474750B2 - 固体燃料の製造方法

Info

Publication number: JP7474750B2
Application number: JP2021511359A
Authority: JP
Inventors: 裕司小野; 昌史和才; 知章小柳; 孝勇落合; 容輔田部井; 幹夫高橋
Original assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd
Current assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2024-04-25
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: JPWO2020203163A1; WO2020203163A1

Description

本発明は、木質系バイオマスを原料として焙焼（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で、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。

特許文献３には木質系バイオマスを酸素濃度10％以下、温度170～350℃で焙焼処理することで、物質収率が高く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号公報特開2013－209602号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の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。また、特許文献３には、木質バイオマスを酸素濃度10％以下、170～350℃で焙焼することにより固体燃料を製造する方法が開示されているが、固体燃料を成型物とする際の成型処理時にダストの発生が問題となっていた。

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、タピオカ澱粉を焙焼物に添加して成型物とすることにより、固体燃料の成型処理時にダストの発生が低減し、ペレタイザーの負荷が低減し、バグフィルターの詰まりが低減するので、操業性が改善されことを見出した。

本発明は、以下の態様を包含する。
（１）サイズが５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の木質系バイオマスの粉砕物を、酸素濃度１０％以下で、かつ物質温度２５０～３５０℃の条件下で焙焼すること、得られた焙焼物をサイズ１０ｍｍ以下に粉砕した後に、タピオカ澱粉を焙焼物に対して０．２～１０質量％添加し、嵩密度（ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）が５００ｋｇ／ｍ^３以上の成型物とすることを含む、固体燃料の製造方法。
（２）前記木質系バイオマスがユーカリ属である（１）に記載の固体燃料の製造方法。
（３）前記木質系バイオマスがパラゴムノキ（Hevea brasiliensis）である（１）に記載の固体燃料の製造方法。
（４）前記固体燃料が石炭と混合して粉砕処理して石炭と混焼する（１）～（３）のいずれかに記載の固体燃料の製造方法。

本発明の製造方法にて得られる固体燃料は、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。また、固体燃料の成型処理時にダストの発生が低減し、ペレタイザーの負荷が低減し、バグフィルターの詰まりが低減するので、操業性が改善される。

本発明は、サイズが５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の木質系バイオマスの粉砕物を、酸素濃度１０％以下で、かつ物質温度２５０～３５０℃の条件下で焙焼すること、得られた焙焼物をサイズ１０ｍｍ以下に粉砕した後に、タピオカ澱粉を焙焼物に対して０．２～１０質量％添加し、嵩密度（ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）が５００ｋｇ／ｍ^３以上の成型物とすることを含む、固体燃料の製造方法である。

本発明の木質系バイオマスの原料の木材としては、広葉樹、針葉樹、のいずれもが使用できる。具体的には、広葉樹としては、ユーカリ、パラゴムノキ、ブナ、シナ、シラカバ、ポプラ、アカシア、ナラ、イタヤカエデ、センノキ、ニレ、キリ、ホオノキ、ヤナギ、セン、ウバメガシ、コナラ、クヌギ、トチノキ、ケヤキ、ミズメ、ミズキ、アオダモ等が例示される。針葉樹としては、スギ、エゾマツ、カラマツ、クロマツ、トドマツ、ヒメコマツ、イチイ、ネズコ、ハリモミ、イラモミ、イヌマキ、モミ、サワラ、トガサワラ、アスナロ、ヒバ、ツガ、コメツガ、ヒノキ、イチイ、イヌガヤ、トウヒ、イエローシーダー（ベイヒバ）、ロウソンヒノキ（ベイヒ）、ダグラスファー（ベイマツ）、シトカスプルース（ベイトウヒ）、ラジアータマツ、イースタンスプルース、イースタンホワイトパイン、ウェスタンラーチ、ウェスタンファー、ウェスタンヘムロック、タマラック等が例示される。

これらの中では、ユーカリ属、パラゴムノキ（Hevea brasiliensis）が好ましい。ユーカリ属としては、Eucalyptus（以下、Ｅ．と略す） calophylla、E. citriodora、E. diversicolor、E. globulus、E. grandis、E. urograndis、E. gummifera、E. marginata、E. nesophila、E. nitens、E. amygdalina、E. camaldulensis、E. delegatensis、E. gigantea、E. muelleriana、E. obliqua、E. regnans、E. sieberiana、E. viminalis、E. marginata、等が挙げられる。なお、形態としては、木材チップ、樹皮（バーク）、おが屑、鋸屑のいずれもが利用できる。

本発明において、木質系バイオマスは５ｍｍ以上５０ｍｍ以下以下のサイズに粉砕された粉砕物を使用することが必要である。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。焙焼することによって、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、物質温度２５０～３５０℃である。ここで、物質温度とは焙焼処理中の木質系バイオマスの焙焼処理装置の出口付近の温度である。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、物質温度が２５０℃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。物質温度は２５０～３３０℃が好ましく、さらに２５０～３２０℃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してもよい。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。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に対して物質収率で６０～９０％、熱量収率で７０～９５％であることが好ましい。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。

本発明において、成型物とする際に焙焼物１００質量部に対して滑剤を０．５～１０質量部を添加してもよい。この範囲で滑剤を添加することにより、後述する成型物とする際の消費電力使用量を低減できる。滑剤としては、流動パラフィン、パラフィンワックス等の炭化水素系滑剤、ステアリン酸、オレイン酸アンモニウム等の脂肪酸系滑剤、ステアリルアルコール、多価アルコール等の高級アルコール系滑剤、ステアリン酸アミド、オレイン酸アミド、エチレンビスステアリン酸アミド等の脂肪酸アマイド系滑剤、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸系滑剤、ステアリン酸モノグリセリド、ステアリン酸ブチル、ソルビタンエステル、グリセリンエステル等のエステル系滑剤、カルボキシメチルセルロース及びその誘導体、等を挙げる事ができる。これらの中では、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等のステアリン酸塩が好ましく、ステアリン酸カルシウムが特に好ましい。

本発明において、得られた焙焼物をサイズ１０ｍｍ以下に粉砕した後に、焙焼物に対してタピオカ澱粉を０．２～１０質量％添加して、嵩密度（ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）が５００ｋｇ／ｍ^３以上の成型物とする。すなわち、木質系バイオマス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処理する。成型物とする前の焙焼物の嵩密度は１０ｋｇ／ｍ^３～３０ｋｇ／ｍ^３程度であり、成型物とした固体燃料の嵩密度は６００ｋｇ／ｍ^３以上である。成型物とすることにより、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。

また、焙焼物に対してタピオカ澱粉を０．２～１０質量％添加することにより、成型処理時にダストの発生が低減し、ペレタイザーの負荷が低減し、バグフィルターの詰まりが低減するので、操業性が改善される。

本発明において、焙焼物を成型物とする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）、リングダイ式ペレタイザー（ＣＰＭ）、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン）等が望ましい。

高密度化処理後の固体燃料の嵩密度（ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）は、５００ｋｇ／ｍ^３以上とすることが必要で、好ましくは６００ｋｇ／ｍ^３以上にすることが好ましい。嵩密度が５００ｋｇ／ｍ^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。

本発明において、固体燃料を成型物とする際には、焙焼物の水分率を８～５０％とすることが好ましく、さらに１０～３０％とすることが好ましい。水分が８％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。水分率が５０％を超えると成型することが困難で、粉体状またはペースト状で排出される。

本発明の固体燃料の成型物は、機械的耐久性（木質ペレット品質規格６．５機械的耐久性の試験方法に準拠）が９５％以上であることが好ましく、この範囲の機械的耐久性であれば、輸送時に粉砕されて粉化しない十分な硬さを有している。機械的耐久性とはペレットの壊れにくさを示すもので、一定量の機械的衝撃を与えた際に壊れずに粉化しなかった質量割合である。より好ましい態様において本発明の固体燃料の成型物の機械的耐久性は９７％以上である。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。なお、実施例、比較例中の％は特に断らない限り質量％を示す。

［実施例１］
水分４０％であるユーカリ・カマルドレンシスの皮付きチップをディスクチッパーにて粉砕処理した。粉砕後、５～５０ｍｍのサイズのものを原料として、コンベアドライヤー（Alvan Blanch製）で熱風温度８０℃、１８０分間乾燥処理を行い、水分を５％に調製した。続いて外熱式のロータリーキルン型炭化炉を用い、酸素濃度１％以下、キルン外筒内の温度５００℃、キルン内筒の出口の物質温度（焙焼温度）２９０℃、滞留時間１０分で焙焼を行って固体燃料を得た。得られた生成物を冷却後、ハンマーミルでサイズ５ｍｍ以下に粉砕した。続いて生タピオカ澱粉を焙焼物に対して３％添加し、焙焼物の粉砕物の水分を１２％に調整し、リングダイ式ペレタイザー（Triumph社製）にてダイ穴直径８ｍｍのリングダイを用いて高密度化処理を行い、固体燃料の成型物を得た。

［実施例２］
生タピオカ澱粉を焙焼物に対して１％添加した以外は、実施例１と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［実施例３］
生タピオカ澱粉を焙焼物に対して０．５％添加した以外は、実施例１と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［実施例４］
外熱式のロータリーキルン型炭化炉を用い、酸素濃度１％以下、キルン外筒内の温度５２５℃、キルン内筒の出口の物質温度（焙焼温度）３０５℃、滞留時間１０分で焙焼を行って固体燃料を製造した以外は、実施例１と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［実施例５］
生タピオカ澱粉を焙焼物に対して１％添加した以外は、実施例４と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［実施例６］
生タピオカ澱粉を焙焼物に対して０．５％添加した以外は、実施例４と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［比較例１］
生タピオカ澱粉を添加しない以外は、実施例１と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［比較例２］
生タピオカ澱粉を添加しない以外は、実施例４と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［比較例３］
外熱式のロータリーキルン型炭化炉を用い、酸素濃度１％以下、キルン外筒内の温度４８５℃、キルン内筒の出口の物質温度（焙焼温度）２６０℃、滞留時間１０分で焙焼を行って固体燃料を製造し、生タピオカ澱粉を添加しない以外は、実施例１と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［比較例４］
水分４０％であるユーカリ・カマルドレンシスの皮付きチップをディスクチッパーにて粉砕処理した。粉砕後、５～５０ｍｍのサイズのものの水分を１２％に調整し、リングダイ式ペレタイザー（Triumph社製）にてダイ穴直径８ｍｍのリングダイを用いて高密度化処理を行い、固体燃料の成型物を得た。

［比較例５］
生タピオカ澱粉を生コーン澱粉に替えて焙焼物に対して３％添加した以外は、実施例１と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［比較例６］
生タピオカ澱粉を生コーン澱粉に替えて焙焼物に対して１％添加した以外は、実施例１と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

［比較例７］
生タピオカ澱粉を生コーン澱粉に替えて焙焼物に対して０．５％添加した以外は、実施例１と同様にして固体燃料の成型物を製造した。

実施例１～６、比較例１～７で得られた固体燃料の成型物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、物質収率は焙焼処理前後の試料の重量から計算した。
＜微細分＞
高密度化処理後の固体燃料の３．１５ｍｍ以下の微細分を測定し、算出した。
＜揮発分＞
ＪＩＳＭ８８１２：２００６に従って、固体燃料の揮発分を測定した。

表１に示されるように、実施例１～６の固体燃料の成型物は、微細分が少なかった。

Claims

サイズが５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の木質系バイオマスの粉砕物を、酸素濃度１０％以下かつ物質温度２５０～３５０℃の条件下で焙焼すること、
得られた焙焼物を１０ｍｍ以下のサイズに粉砕した後、焙焼物に対して０．２～１０質量％のタピオカ澱粉を添加し、ＪＩＳＫ２１５１の６（かさ密度試験方法）に従って測定する嵩密度が５００ｋｇ／ｍ^３以上の成型物とすること、
を含む、固体燃料の製造方法。
前記木質系バイオマスが、ユーカリ属またはパラゴムノキの木材を含む、請求項１に記載の方法。
前記固体燃料が、石炭と混合して粉砕処理して石炭と混焼するものである、請求項１または２に記載の方法。
木質系バイオマスの粉砕物が木材チップを含む、請求項１～３のいずれかに記載の方法。