JPWO2014132410A1 - 原料供給装置及びバイオマスの分解装置 - Google Patents

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Abstract

バイオマス原料１１を加圧下に供給する原料供給装置であって、スクリューフィーダー３５の内部に設けられ、投入されたバイオマス原料１１を常圧の投入部から、高圧の排出部に亙って、モータＭにより粉体のバイオマス原料１１を圧縮回転搬送するスクリュー本体３１と、スクリュー本体３１の先端端部３１ｄ側に設けられ、圧縮された圧密状バイオマス３３の排出力に抗して高温・高圧場３６を保持するプラグチップ３９を有する押圧プラグ３２とを具備し、スクリューフィーダー３５内部が、原料搬送方向に亙って、バイオマス原料１１を供給する原料供給領域５１と、バイオマス原料を圧縮する原料圧縮領域５２と、バイオマス原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３と、圧密されたバイオマス３３で高圧場を保持するマテリアルシール部５４とからなる。

Description

本発明は、例えばバイオマス原料を供給する原料供給装置及びバイオマスの分解装置に関するものである。
例えば、セルロース系バイオマスを前処理し酵素糖化により得られた糖を発酵等の操作によりバイオエタノール等へ変換する工程において、前処理は高温、高圧の条件下で実施される方法が考案されている。同前処理を実施するには、嵩密度が低い個体（たとえば０．０５ Ｋｇ／Ｌ）であるバイオマスを高温かつ高圧（１．０ＭＰａ以上)の条件下にある反応装置に安定的かつ連続的に投入する手段が必要となる。
その手段としては、例えばスラリーポンプ、ピストンポンプ、スクリューフィーダー等を用いることの提案がある（特許文献１）。
特開２００９−１８３８０５号公報
しかしながら、スラリーポンプを用いる場合、バイオマスに搬送性を持たせるため、多量の水を添加しなければならないので、多くのエネルギー（動力及び熱）を消費することとなり好ましくない、という問題がある。
また、ピストンポンプを用いる場合、ピストンの挿抜による投入となるので、間欠運転となり、連続供給性が低下するという、問題がある。
また、スクリューフィーダーを用いる場合、製紙業界における既存の供給装置を転用して１．０ ＭＰａ程度までの高圧下では、原料により圧力をシールしながらバイオマスを供給できるものの、さらに高圧の１ＭＰａ以上の圧力をマテリアルシールしながらバイオマスを供給するには、従来の原料供給装置では、問題がある。
よって、嵩密度が低いバイオマス原料を圧縮し、１．０ＭＰａ以上の圧力を原料によりシールしながらバイオマスを供給する原料供給装置の出現が切望されている。
本発明は、前記問題に鑑み、１．０ＭＰａ以上の高圧下へ、原料によりシールしながらバイオマスを供給する原料供給装置及びこれを備えたバイオマスの分解装置を提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、粉体原料を常圧下から加圧下に供給する原料供給装置であって、スクリューフィーダーの内部に設けられ、投入された粉体原料を常圧の投入部から、高圧の排出部に亙って、駆動手段により粉体原料を圧縮回転搬送するスクリュー本体と、前記スクリュー本体の先端部側に設けられ、圧縮された圧密原料の排出力に抗して原料の圧密状体を保持する押圧手段とを具備し、前記スクリューフィーダー内部が、スクリュー手段による原料搬送方向に亙って、粉体原料を供給する原料供給領域と、粉体原料を圧縮する原料圧縮領域と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域と、圧密されたバイオマスによって高圧場を保持するマテリアルシール部とからなることを特徴とする原料供給装置にある。
第２の発明は、第１の発明において、前記粉体原料の嵩密度が、０．０１〜０．３ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌの粉体原料を用い、前記原料供給領域の原料の密度が０．０１〜０．３ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌであり、前記原料圧縮領域において、搬送方向に亙って原料の密度を徐々に高くし、原料圧縮領域終了端部を通過する原料の密度が０．０４〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌであり、前記原料圧密領域において、原料によるマテリアルシール部の密度が０．２〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌを維持することを特徴とする原料供給装置にある。
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記マテリアルシール部が、バイオマス原料が０．２〜１．２ ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌまで圧縮されていることを特徴とする原料供給装置にある。
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つにおいて、前記高圧場が、１．０ＭＰａ以上であることを特徴とする原料供給装置にある。
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記粉体原料がバイオマス原料であることを特徴とする原料供給装置にある。
第６の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を分解するバイオマスの分解装置であって、第１乃至４のいずれか一つ発明のバイオマス供給装置により供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にて、搬送用のスクリューにより他方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他方の側から処理水である加圧熱水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する水熱分解部と、前記装置本体の他方側からバイオマス固形分を抜出すバイオマス抜出部と、を具備することを特徴とするバイオマスの分解装置にある。
本発明によれば、スクリューフィーダー内部が、スクリュー手段による原料搬送方向に亙って、粉体原料を供給する原料供給領域と、粉体原料を圧縮する原料圧縮領域と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域と、圧密されたバイオマスによって高圧場を保持するマテリアルシール部とからなるので、高圧の１．０ＭＰａ以上の圧力をシールしながらバイオマスを安定的にかつ連続して供給することができる。
図１は、実施例に係るバイオマス供給装置の概略図である。 図２−１は、実施例に係るプラグチップの外観の概略図である。 図２−２は、実施例に係るプラグチップの外観の概略図である。 図２−３は、実施例に係るプラグチップの外観の概略図である。 図３は、実施例に係るスクリューの概略構成図である。 図４は、実施例に係る他のスクリューの概略構成図である。 図５は、本実施例のバイオマス供給装置を備えたバイオマスの水熱分解装置の概略図である。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、実施例に係るバイオマス供給装置の概略図である。
図５は、本実施例のバイオマス供給装置を備えたバイオマスの水熱分解装置の概略図である。
本発明に係るバイオマスの分解装置について、図面を参照して説明する。
図５に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置１０は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を分解するバイオマスの分解装置であって、バイオマス供給装置１２により供給されたバイオマス原料１１を、装置本体１３の内部にて、搬送用のスクリュー１４によりいずれか一方（本実施例では下方）から他方（本実施例では上方）へ搬送すると共に、バイオマス原料１１の供給箇所と異なる他方（本実施例では上方）の側から処理水である加圧熱水１５を装置本体１３の内部に供給し、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分を移行し、バイオマス原料１１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する分解部である水熱分解部１７と、装置本体１３の他方（本実施例では上方）側からバイオマス固形分１８を抜出すバイオマス抜出部１９と、を設けている。
ここで、図５中、符号１２はバイオマス供給部、Ｍは搬送用のスクリュー１４を駆動するモータ、２３は装置本体１３の内部を加圧する加圧窒素を各々図示する。
なお、本実施例では、バイオマス原料１１を下端部側から供給しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これとは逆に上端部側から供給するようにしてもよく、この際には、加圧熱水１５は下端部側から供給する。
なお、常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置１２については、後述する。
また、水熱分解部１７は、本実施例では、図５に示すように垂直の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、傾斜型の水熱分解装置としてもよい。また、水平型の水熱分解反応装置としてもよい。
ここで、垂直型又は傾斜型とするのは、水熱分解反応において発生したガスや原料中に持ち込まれたガス等が上方から速やかに抜けることができ好ましいからである。また、加圧熱水１５で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点から上方から下方に向かって抽出物の濃度が高まることとなり、好ましいものとなる。
搬送用のスクリュー１４を設けることにより、１）固液カウンターフローでの固形分の搬送が可能となる。２）装置本体内で固液の分離が可能となる。３）装置本体内で固体表面、固体中の加圧熱水の混合が進み反応が促進される。
ここで、前記水熱分解部１７に供給するバイオマスとしては、特に限定されるものではなく、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ Ｋ ３６００ １２５８参照）が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のリグノセルロース資源や農業系廃棄物、食品廃棄物等を用いるのが好ましい。
また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
本実施例では、バイオマスの供給前において、原料調整装置として、例えば粉砕装置を用いて処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのまま水熱分解部１７に供給することができるものとなる。
また、水熱分解部１７における、反応温度は１８０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００〜２３０℃とするのがよい。
これは、１８０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分の固体から液体側への移行が増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２４０℃の範囲とするのがよい。
また、反応圧力は本体内部が加圧熱水の状態となる、各温度の水の飽和蒸気圧に更に０．１〜０．５ＭＰａの高い圧力とするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０分とするのが好ましい。これはあまり長く反応を行うと過分解物の割合が増大し、好ましくないからである。
ここで、本発明では、水熱分解部の本体内の加圧熱水１５とバイオマス原料１１との流動は、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させる、いわゆるカウンターフローで接触・撹拌・流動するようにすることが好ましい。
その対向接触の際、固体であるバイオマス原料１１が加圧熱水１５により分解されると、その分解物が加圧熱水１５側に溶解移行することとなる。
また、固体と液体との固液比は、液体分が少ないほど回収水及び水熱分解のための加温の熱量を減らすことができるので好ましい。
ここで、供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば１：１〜１：１０、より好ましくは１：１〜１：５とするのが好ましい。
本実施例によれば、予めバイオマス原料１１と水とを混合して装置本体１３に供給するようなスラリー流通式の反応装置では、スラリーの流動性をもたせるために、固体に対してかなり多量の水（重量比で１０〜２０倍）を加えなければならないが、原料であるバイオマス原料１１と、バイオマス中のリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去する加圧熱水１５とを水熱分解部１７に別系統で供給するため、固体に対する液体の重量比を小さくすることができ、装置の経済性の向上に寄与することとなる。
なお、本発明では装置本体の内部には気体部分が存在することとなるので、加圧窒素（Ｎ2）２３を内部に供給するようにしている。
また、水熱分解部内におけるバイオマス原料１１の昇温は、装置本体内で加圧熱水１５と接触させることによる直接熱交換で実施可能である。なお、必要に応じて、外部から水蒸気等を用いて加温するようにしてもよい。
ここで、バイオマス供給装置１２は、バイオマス自体によるマテリアルシール機構を有するスクリュー式押出機構を採用し、固形のバイオマス原料１１を常圧下から加圧下へ供給するものである。
すなわち、スクリュー本体３１と押圧プラグ３２とからなる押出機構とすることで、内部に供給されたバイオマス原料１１が圧縮され、圧密状バイオマス（バイオマスプラグ）３３を形成し、この圧密状バイオマス３３自身で水熱分解装置内圧力を遮断するマテリアルシールを行うようにしている。スクリュー本体３１により徐々に押されて、押圧プラグ３２の先端部分から徐々にバイオマスが切り出され、装置本体１３内部に確実にバイオマス原料１１を供給することとなる。
また、バイオマス抜出部１９は、その構成は前記バイオマス供給装置１２と同様であり、スクリュー本体４１と押圧プラグ４２とからなる押出機構とすることで、水熱分解装置で反応したバイオマス固形分１８が圧縮され、バイオマスプラグ４３を形成し、このバイオマスプラグ４３自身で水熱分解装置内圧力を遮断するマテリアルシールを行うようにしている。そして、熱水排出液１６にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行させたバイオマス固形分１８を加圧下から常圧下へ排出を可能とするものである。この際、バイオマスプラグ４３から残留された水分が脱水される。
この脱水液は、加圧熱水可溶分（リグニン成分及びヘミセルロース成分）を含むものであるので、熱水排出液１６に送られ、熱水排出液１６と共に別途処理される。
また、バイオマス抜出装置１９においては、低分子化した揮発性の酵素糖化阻害成分又はエタノール発酵阻害成分のいずれか一方又は両方が気化することにより除去することができる。
また、本発明においては、バイオマス原料１１と加圧熱水とを対向接触させることにより、熱水に可溶化され易い成分から順次排出されると共に、バイオマスの投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じる為、ヘミセルロース成分の過分解が抑制され、結果的に５炭糖成分が効率よく回収することができる。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
ここで、バイオマス供給装置１２について、詳述する。
バイオマス供給装置１２は、粉体原料であるバイオマス原料１１を常圧下から１．０ＭＰａ以上の加圧下に供給する原料供給装置であって、スクリューフィーダー３５の内部に設けられ、投入されたバイオマス原料１１を常圧の投入部３５ａから、高圧の排出３５ｂに亙って、モータＭにより粉体のバイオマス原料１１を圧縮回転搬送するスクリュー本体３１と、前記スクリュー本体３１の先端端部３１ｄ側に設けられ、圧密されたバイオマス（バイオマスプラグ）３３の排出力に抗して圧密されたバイオマス（バイオマスプラグ）３３の圧密状体を保持するプラグチップ３９を有する押圧プラグ３２とを具備し、スクリューフィーダー３５内部が、スクリュー本体３１による原料搬送方向に亙って、バイオマス原料１１を供給する原料供給領域５１と、バイオマス原料を圧縮する原料圧縮領域５２と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３と、圧密されたバイオマス（バイオマスプラグ）３３によって分解装置内の高圧場を保持するマテリアルシール部５４とからなるものである。
本実施例のバイオマス供給装置１２では、高圧（１．０ＭＰａ以上)の高温・高圧場３６の条件下にある反応装置に安定的かつ連続的に投入するために、高圧場を保持するためのマテリアルシール部５４と、マテリアルシール部５４を形成させるためにバイオマス原料１１の流れに反して、バイオマス原料を押すプラグチップ３９を有する押圧プラグ３２とを設けている。
本実施例では、嵩密度が低いバイオマス原料１１をスクリュー本体３１に確実に呑み込ませる原料供給領域５１と、バイオマス原料を圧縮しながら搬送する原料圧縮領域５２と、圧縮したバイオマスを、高温・高圧場３６の圧力がシールできるまで更にバイオマス原料１１を昇圧するための原料圧密領域５３と、高温・高圧場３６との圧力を確実にシールするために圧密されたバイオマス原料（バイオマスプラグ）３３を一定長滞留させるマテリアルシール部５４を形成するようにしている。
なお、高温高圧場３６は、図５に示すバイオマスの水熱分解装置１０の装置本体１３と連通して、装置内部にバイオマス原料３３を導入している。
ここで、原料圧密領域５３にはスクリュー本体３１の先端部３１ｄが磨耗した際に昇圧力が低下して、マテリアルシール部５４の圧密原料がブローバックすることがないように、バックアップ領域として、理論上の昇圧能力を発揮するために必要なスクリュー長さ以上の長さを有するようにしている。
また、スクリューフィーダー３５は、バイオマス原料１１を圧縮・昇圧するためにシリンダー内面に溝を有している。この溝の形状は、スパイラル形状でもストレート形状でもよい。なお、溝深さは、原料の粒径によって決定されるものであるが、例えば１〜１０ ｍｍ、より好ましくは、２．５〜５ｍｍとするのがよい。また、溝の設置面積は、スクリューフィーダー３５内周面の３０〜８０％とするのがよい。
また、溝の形成領域は、原料供給領域５１から原料圧密領域５３まで設置するのが好ましい。なお、溝はスパイラルでもスクリュー本体３５の軸に平行でもいずれでもよい。
原料供給領域５１において、供給された原料は、原料圧縮領域５２までスクリュー本体３１により搬送される。
原料圧縮領域５２では、バイオマス原料１１は圧縮される。急激な圧縮により閉塞を回避するために、原料圧縮領域５２の長さＬ2は、Ｄ1に対して２Ｄ1〜６Ｄ1としている。
原料圧縮領域５２において、搬送方向に亙ってバイオマス原料１１の密度を徐々に高くし、原料圧縮領域５２の終了端部５２ａを通過するバイオマス原料１１の密度は０．０４〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌとしている。
原料圧密領域５３では、原料圧縮領域５２で圧密された原料をシール可能な嵩密度までさらに圧縮させる領域であり、バイオマス原料１１の密度は０．２〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌとしている。原料圧密領域５３の長さ（スクリューのリード）Ｌ3は、シリンダー径Ｄ2に対して２Ｄ2〜６Ｄ2としている。
原料圧密領域５３の長さＬ3は、Ｄ2に対して１Ｄ2以上、好ましくは２Ｄ2〜４Ｄ2とするのがよい。
また、原料圧密領域５３のスクリューの溝の深さ（スクリューの羽根の高さ）を、径Ｄ2に対して１／４Ｄ2以下としている。
マテリアルシール部５４では、バイオマス原料が０．２〜１．２ ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌまで圧縮されている。
ここで、マテリアルシール部５４のシールを担保するために、プラグチップ３９を有する押圧プラグ３２を押圧手段として用いており、圧密状バイオマス３３の圧力に抗して押すようにしている。
ここで、押圧プラグ３２の押圧力は、バイオマスの圧密状態にも変動するが、例えば２０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ2としている。
なお、押圧プラグ３２としては、例えば油圧シリンダー、空気圧シリンダー、又は水圧シリンダー等の押圧手段を用いてもよい。
圧密された圧密状バイオマス３３をマテリアルシール部５４から安定的に切り出すために、押圧プラグ３２のプラグチップ３９の先端を円錐形としている。
そして、切り出し部３７からドーナツ状に崩すために、円錐形としている。
プラグ形状を図２−１〜図２−３に示す。
図２−１のプラグチップ３９では、先端側が円錐部３９ａと円柱部３９ｂと円錐台部３９ｃとの３段形状からなり、円錐台部３９ｃの側面で、バイオマス原料を切り出すようにしている。
図２−２のプラグチップ３９では、先端側が円錐部３９ａと円錐台部３９ｃとの２段形状からなり、円錐台部３９ｃの側面で、バイオマス原料を切り出すようにしている。
図２−３のプラグチップ３９では、先端側が円錐部３９ａのみの１段形状からなり、円錐部３９ａの側面で、バイオマス原料を切り出すようにしている。
また、マテリアルシール部５４の形状は、ストレート状もしくは出口側に広がるテーパー型状（角度α：０〜５度）としている。
テーパー型状とすることで、圧密状バイオマス３３の排出が良好となる。
以上のように、本実施例に係るバイオマス供給装置１２では、スクリューフィーダー３５内部が、スクリュー手段による原料搬送方向に亙って、粉体原料を供給する原料供給領域５１と、粉体原料を圧縮する原料圧縮領域５２と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３と、圧縮された圧密状バイオマス高圧場を保持するマテリアルシール部５４とからなるので、高圧の１．０ＭＰａ以上（さらには２．０ＭＰａ以上）の圧力をシールしながらバイオマス原料を安定的にかつ連続して、高温・高圧場３６内に供給することができる。
図３、図４を参照してスクリュー本体の実施例について、説明する。
図３に示すスクリュー本体３１Ａは、スクリューフィーダー３５の外周面をテーパー形状とした場合に設置するものである。
図３示すように、テーパー形状のスクリューフィーダー３５の場合には、スクリュー本体３１Ａの溝の深さとリードが、先端端部３１ｄにいくにつれて共に小さく変更している。
本実施例では、スクリュー本体３１Ａの最初の５つの溝３１ａが原料供給領域５１であり、次の５つの溝３１ｂが粉体原料を圧縮する原料圧縮領域５２であり、最後の４つの溝３１ｃが粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３である。
これにより、投入部で所定量のバイオマスが投入された場合、溝のポケットの容積が小さくなるので、その嵩が圧密化されることにより、バイオマス原料１１の圧縮及び圧密化を確実としている。
図４に示すスクリュー本体３１Ｂは、スクリューフィーダー３５の外周面の径を一定とした場合に設置するものである。
図４に示すように、径が一定のスクリューフィーダー３５の場合には、スクリュー本体３１Ｂのリードを一定とし、先端端部３１ｄにいくにつれて溝３１ｂ、３１ｃの深さを徐々に浅くなるように変更している。
本実施例では、スクリュー本体３１Ｂの最初の４つの溝３１ａが原料供給領域５１であり、次の４つの溝３１ｂが粉体原料を圧縮する原料圧縮領域５２であり、最後の４つの溝３１ｃが粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３である。
これにより、投入部で所定量のバイオマスが投入された場合、溝のポケットの容積が小さくなるので、その嵩が圧密化されることにより、バイオマス原料１１の圧縮及び圧密化を確実としている。
本実施例では、原料粉体として、嵩密度が低いバイオマス原料を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、嵩密度が低い粉体原料等を高圧場に供給する際に用いる原料供給装置として適用できることはいうまでもない。
１０ バイオマスの水熱分解装置
１１ バイオマス原料
１２ バイオマス供給装置
１３ 装置本体
１４ スクリュー
１５ 加圧熱水
１６ 熱水排出液
１７ 水熱分解部
１８ バイオマス固形分
１９ バイオマス抜出部
３１ スクリュー本体
３１ａ〜３１ｃ 溝
３２ 押圧プラグ
３３ 圧密状バイオマス
３５ スクリューフィーダー
３６ 高温・高圧場
３９ プラグチップ
５１ 原料供給領域
５２ 原料圧縮領域
５３ 原料圧密領域
５４ マテリアルシール部
本発明は、例えばバイオマス原料を供給する原料供給装置及びバイオマスの分解装置に関するものである。
例えば、セルロース系バイオマスを前処理し酵素糖化により得られた糖を発酵等の操作によりバイオエタノール等へ変換する工程において、前処理は高温、高圧の条件下で実施される方法が考案されている。同前処理を実施するには、嵩密度が低い個体（たとえば０．０５ Ｋｇ／Ｌ）であるバイオマスを高温かつ高圧（１．０ＭＰａ以上)の条件下にある反応装置に安定的かつ連続的に投入する手段が必要となる。
その手段としては、例えばスラリーポンプ、ピストンポンプ、スクリューフィーダー等を用いることの提案がある（特許文献１）。
特開２００９−１８３８０５号公報
しかしながら、スラリーポンプを用いる場合、バイオマスに搬送性を持たせるため、多量の水を添加しなければならないので、多くのエネルギー（動力及び熱）を消費することとなり好ましくない、という問題がある。
また、ピストンポンプを用いる場合、ピストンの挿抜による投入となるので、間欠運転となり、連続供給性が低下するという、問題がある。
また、スクリューフィーダーを用いる場合、製紙業界における既存の供給装置を転用して１．０ ＭＰａ程度までの高圧下では、原料により圧力をシールしながらバイオマスを供給できるものの、さらに高圧の１ＭＰａ以上の圧力をマテリアルシールしながらバイオマスを供給するには、従来の原料供給装置では、問題がある。
よって、嵩密度が低いバイオマス原料を圧縮し、１．０ＭＰａ以上の圧力を原料によりシールしながらバイオマスを供給する原料供給装置の出現が切望されている。
本発明は、前記問題に鑑み、１．０ＭＰａ以上の高圧下へ、原料によりシールしながらバイオマスを供給する原料供給装置及びこれを備えたバイオマスの分解装置を提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、粉体原料を常圧下から加圧下に供給する原料供給装置であって、スクリューフィーダーの内部に設けられ、投入された前記粉体原料を常圧の投入部から、高圧の排出部に亙って、駆動手段により前記粉体原料を圧縮回転搬送するスクリュー本体と、前記スクリュー本体の先端部側に設けられ、圧密された前記粉体原料の排出力に抗して前記粉体原料の圧密状態を保持するプラグチップを有する押圧手段とを具備し、前記スクリューフィーダー内部が、前記スクリュー本体による前記粉体原料搬送方向に亙って、前記粉体原料を供給する原料供給領域と、前記粉体原料を圧縮する原料圧縮領域と、前記粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域と、圧密された前記粉体原料によって高圧場を保持するマテリアルシール部とからなり、前記マテリアルシール部の出口側には、圧密された前記粉体原料を切り出す切り出し部が設けられ、前記プラグチップには、テーパー状の傾斜面が形成され、前記切り出し部は、前記傾斜面を介して前記排出部と前記プラグチップとの隙間から押し出される前記粉体原料を切り出すことを特徴とする原料供給装置にある。
第２の発明は、第１の発明において、前記粉体原料の嵩密度が、０．０１〜０．３ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌの粉体原料を用い、前記原料供給領域の原料の密度が０．０１〜０．３ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌであり、前記原料圧縮領域において、搬送方向に亙って原料の密度を徐々に高くし、原料圧縮領域終了端部を通過する前記粉体原料の密度が０．０４〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌであり、前記原料圧密領域において、前記粉体原料の密度が０．２〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌを維持することを特徴とする原料供給装置にある。
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記マテリアルシール部が、前記粉体原料が０．２〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌまで圧縮されていることを特徴とする原料供給装置にある。
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つにおいて、前記高圧場が、１．０ＭＰａ以上であることを特徴とする原料供給装置にある。
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記粉体原料がバイオマス原料であることを特徴とする原料供給装置にある。
第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記原料圧縮領域の長さ（Ｌ 2 ）は、前記供給領域のシリンダー径（Ｄ 1 ）対して２Ｄ 1 〜６Ｄ 1 であり、前記原料圧密領域の長さ（Ｌ 3 ）は、前記原料圧密領域のシリンダー径（Ｄ 2 ）に対して２Ｄ 2 〜６Ｄ 2 であることを特徴とする原料供給装置にある。
第７の発明は、第１乃至６のいずれか一つの発明において、前記原料圧密領域のスクリューの溝の深さが、前記原料圧密領域のシリンダー径（Ｄ 2 ）に対して１／４Ｄ 2 以下であることを特徴とする原料供給装置にある。
第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つの発明において、前記マテリアルシール部が出口側に広がるテーパー状であることを特徴とする原料供給装置にある。
第９の発明は、第１乃至６のいずれか一つの発明において、前記スクリュー本体は、スクリューフィーダーの外周面が先端端部にいくにつれて径が小さいテーパー形状であると共に、前記スクリュー本体の溝の深さとリードが、先端端部にいくにつれて共に小さく変更することを特徴とする原料供給装置にある。
第１０の発明は、第１乃至６のいずれか一つの発明において、前記スクリュー本体は、スクリューフィーダーの外周面の径が一定であると共に、前記スクリュー本体のリードを一定とし、先端端部にいくにつれて溝の深さを徐々に浅くなるように変更することを特徴とする原料供給装置にある。
第１１の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を分解するバイオマスの分解装置であって、第１乃至１０のいずれか一つ発明のバイオマス供給装置により供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にて、搬送用のスクリューにより他方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他方の側から処理水である加圧熱水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する水熱分解部と、前記装置本体の他方側からバイオマス固形分を抜出すバイオマス抜出部と、を具備することを特徴とするバイオマスの分解装置にある。
本発明によれば、スクリューフィーダー内部が、スクリュー手段による原料搬送方向に亙って、粉体原料を供給する原料供給領域と、粉体原料を圧縮する原料圧縮領域と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域と、圧密されたバイオマスによって高圧場を保持するマテリアルシール部とからなるので、高圧の１．０ＭＰａ以上の圧力をシールしながらバイオマスを安定的にかつ連続して供給することができる。
図１は、実施例に係るバイオマス供給装置の概略図である。 図２−１は、実施例に係るプラグチップの外観の概略図である。 図２−２は、実施例に係るプラグチップの外観の概略図である。 図２−３は、実施例に係るプラグチップの外観の概略図である。 図３は、実施例に係るスクリューの概略構成図である。 図４は、実施例に係る他のスクリューの概略構成図である。 図５は、本実施例のバイオマス供給装置を備えたバイオマスの水熱分解装置の概略図である。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、実施例に係るバイオマス供給装置の概略図である。
図５は、本実施例のバイオマス供給装置を備えたバイオマスの水熱分解装置の概略図である。
本発明に係るバイオマスの分解装置について、図面を参照して説明する。
図５に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置１０は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を分解するバイオマスの分解装置であって、バイオマス供給装置１２により供給されたバイオマス原料１１を、装置本体１３の内部にて、搬送用のスクリュー１４によりいずれか一方（本実施例では下方）から他方（本実施例では上方）へ搬送すると共に、バイオマス原料１１の供給箇所と異なる他方（本実施例では上方）の側から処理水である加圧熱水１５を装置本体１３の内部に供給し、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分を移行し、バイオマス原料１１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する分解部である水熱分解部１７と、装置本体１３の他方（本実施例では上方）側からバイオマス固形分１８を抜出すバイオマス抜出部１９と、を設けている。
ここで、図５中、符号１２はバイオマス供給部、Ｍは搬送用のスクリュー１４を駆動するモータ、２３は装置本体１３の内部を加圧する加圧窒素を各々図示する。
なお、本実施例では、バイオマス原料１１を下端部側から供給しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これとは逆に上端部側から供給するようにしてもよく、この際には、加圧熱水１５は下端部側から供給する。
なお、常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置１２については、後述する。
また、水熱分解部１７は、本実施例では、図５に示すように垂直の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、傾斜型の水熱分解装置としてもよい。また、水平型の水熱分解反応装置としてもよい。
ここで、垂直型又は傾斜型とするのは、水熱分解反応において発生したガスや原料中に持ち込まれたガス等が上方から速やかに抜けることができ好ましいからである。また、加圧熱水１５で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点から上方から下方に向かって抽出物の濃度が高まることとなり、好ましいものとなる。
搬送用のスクリュー１４を設けることにより、１）固液カウンターフローでの固形分の搬送が可能となる。２）装置本体内で固液の分離が可能となる。３）装置本体内で固体表面、固体中の加圧熱水の混合が進み反応が促進される。
ここで、前記水熱分解部１７に供給するバイオマスとしては、特に限定されるものではなく、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ Ｋ ３６００ １２５８参照）が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のリグノセルロース資源や農業系廃棄物、食品廃棄物等を用いるのが好ましい。
また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
本実施例では、バイオマスの供給前において、原料調整装置として、例えば粉砕装置を用いて処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのまま水熱分解部１７に供給することができるものとなる。
また、水熱分解部１７における、反応温度は１８０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００〜２３０℃とするのがよい。
これは、１８０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分の固体から液体側への移行が増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２４０℃の範囲とするのがよい。
また、反応圧力は本体内部が加圧熱水の状態となる、各温度の水の飽和蒸気圧に更に０．１〜０．５ＭＰａの高い圧力とするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０分とするのが好ましい。これはあまり長く反応を行うと過分解物の割合が増大し、好ましくないからである。
ここで、本発明では、水熱分解部の本体内の加圧熱水１５とバイオマス原料１１との流動は、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させる、いわゆるカウンターフローで接触・撹拌・流動するようにすることが好ましい。
その対向接触の際、固体であるバイオマス原料１１が加圧熱水１５により分解されると、その分解物が加圧熱水１５側に溶解移行することとなる。
また、固体と液体との固液比は、液体分が少ないほど回収水及び水熱分解のための加温の熱量を減らすことができるので好ましい。
ここで、供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば１：１〜１：１０、より好ましくは１：１〜１：５とするのが好ましい。
本実施例によれば、予めバイオマス原料１１と水とを混合して装置本体１３に供給するようなスラリー流通式の反応装置では、スラリーの流動性をもたせるために、固体に対してかなり多量の水（重量比で１０〜２０倍）を加えなければならないが、原料であるバイオマス原料１１と、バイオマス中のリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去する加圧熱水１５とを水熱分解部１７に別系統で供給するため、固体に対する液体の重量比を小さくすることができ、装置の経済性の向上に寄与することとなる。
なお、本発明では装置本体の内部には気体部分が存在することとなるので、加圧窒素（Ｎ2）２３を内部に供給するようにしている。
また、水熱分解部内におけるバイオマス原料１１の昇温は、装置本体内で加圧熱水１５と接触させることによる直接熱交換で実施可能である。なお、必要に応じて、外部から水蒸気等を用いて加温するようにしてもよい。
ここで、バイオマス供給装置１２は、バイオマス自体によるマテリアルシール機構を有するスクリュー式押出機構を採用し、固形のバイオマス原料１１を常圧下から加圧下へ供給するものである。
すなわち、スクリュー本体３１と押圧プラグ３２とからなる押出機構とすることで、内部に供給されたバイオマス原料１１が圧縮され、圧密状バイオマス（バイオマスプラグ）３３を形成し、この圧密状バイオマス３３自身で水熱分解装置内圧力を遮断するマテリアルシールを行うようにしている。スクリュー本体３１により徐々に押されて、押圧プラグ３２の先端部分から徐々にバイオマスが切り出され、装置本体１３内部に確実にバイオマス原料１１を供給することとなる。
また、バイオマス抜出部１９は、その構成は前記バイオマス供給装置１２と同様であり、スクリュー本体４１と押圧プラグ４２とからなる押出機構とすることで、水熱分解装置で反応したバイオマス固形分１８が圧縮され、バイオマスプラグ４３を形成し、このバイオマスプラグ４３自身で水熱分解装置内圧力を遮断するマテリアルシールを行うようにしている。そして、熱水排出液１６にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行させたバイオマス固形分１８を加圧下から常圧下へ排出を可能とするものである。この際、バイオマスプラグ４３から残留された水分が脱水される。
この脱水液は、加圧熱水可溶分（リグニン成分及びヘミセルロース成分）を含むものであるので、熱水排出液１６に送られ、熱水排出液１６と共に別途処理される。
また、バイオマス抜出装置１９においては、低分子化した揮発性の酵素糖化阻害成分又はエタノール発酵阻害成分のいずれか一方又は両方が気化することにより除去することができる。
また、本発明においては、バイオマス原料１１と加圧熱水とを対向接触させることにより、熱水に可溶化され易い成分から順次排出されると共に、バイオマスの投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じる為、ヘミセルロース成分の過分解が抑制され、結果的に５炭糖成分が効率よく回収することができる。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
ここで、バイオマス供給装置１２について、詳述する。
バイオマス供給装置１２は、粉体原料であるバイオマス原料１１を常圧下から１．０ＭＰａ以上の加圧下に供給する原料供給装置であって、スクリューフィーダー３５の内部に設けられ、投入されたバイオマス原料１１を常圧の投入部３５ａから、高圧の排出３５ｂに亙って、モータＭにより粉体のバイオマス原料１１を圧縮回転搬送するスクリュー本体３１と、前記スクリュー本体３１の先端端部３１ｄ側に設けられ、圧密されたバイオマス（バイオマスプラグ）３３の排出力に抗して圧密されたバイオマス（バイオマスプラグ）３３の圧密状態を保持するプラグチップ３９を有する押圧プラグ３２とを具備し、スクリューフィーダー３５内部が、スクリュー本体３１による原料搬送方向に亙って、バイオマス原料１１を供給する原料供給領域５１と、バイオマス原料を圧縮する原料圧縮領域５２と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３と、圧密されたバイオマス（バイオマスプラグ）３３によって分解装置内の高圧場を保持するマテリアルシール部５４とからなるものである。
本実施例のバイオマス供給装置１２では、高圧（１．０ＭＰａ以上)の高温・高圧場３６の条件下にある反応装置に安定的かつ連続的に投入するために、高圧場を保持するためのマテリアルシール部５４と、マテリアルシール部５４を形成させるためにバイオマス原料１１の流れに反して、バイオマス原料を押すプラグチップ３９を有する押圧プラグ３２とを設けている。
本実施例では、嵩密度が低いバイオマス原料１１をスクリュー本体３１に確実に呑み込ませる原料供給領域５１と、バイオマス原料を圧縮しながら搬送する原料圧縮領域５２と、圧縮したバイオマスを、高温・高圧場３６の圧力がシールできるまで更にバイオマス原料１１を昇圧するための原料圧密領域５３と、高温・高圧場３６との圧力を確実にシールするために圧密されたバイオマス原料（バイオマスプラグ）３３を一定長滞留させるマテリアルシール部５４を形成するようにしている。
なお、高温高圧場３６は、図５に示すバイオマスの水熱分解装置１０の装置本体１３と連通して、装置内部にバイオマス原料３３を導入している。
ここで、原料圧密領域５３にはスクリュー本体３１の先端部３１ｄが磨耗した際に昇圧力が低下して、マテリアルシール部５４の圧密原料がブローバックすることがないように、バックアップ領域として、理論上の昇圧能力を発揮するために必要なスクリュー長さ以上の長さを有するようにしている。
また、スクリューフィーダー３５は、バイオマス原料１１を圧縮・昇圧するためにシリンダー内面に溝を有している。この溝の形状は、スパイラル形状でもストレート形状でもよい。なお、溝深さは、原料の粒径によって決定されるものであるが、例えば１〜１０ ｍｍ、より好ましくは、２．５〜５ｍｍとするのがよい。また、溝の設置面積は、スクリューフィーダー３５内周面の３０〜８０％とするのがよい。
また、溝の形成領域は、原料供給領域５１から原料圧密領域５３まで設置するのが好ましい。なお、溝はスパイラルでもスクリュー本体３５の軸に平行でもいずれでもよい。
原料供給領域５１において、供給された原料は、原料圧縮領域５２までスクリュー本体３１により搬送される。
原料圧縮領域５２では、バイオマス原料１１は圧縮される。急激な圧縮により閉塞を回避するために、原料圧縮領域５２の長さＬ2は、Ｄ1に対して２Ｄ1〜６Ｄ1としている。
原料圧縮領域５２において、搬送方向に亙ってバイオマス原料１１の密度を徐々に高くし、原料圧縮領域５２の終了端部５２ａを通過するバイオマス原料１１の密度は０．０４〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌとしている。
原料圧密領域５３では、原料圧縮領域５２で圧密された原料をシール可能な嵩密度までさらに圧縮させる領域であり、バイオマス原料１１の密度は０．２〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌとしている。原料圧密領域５３の長さ（スクリューのリード）Ｌ3は、シリンダー径Ｄ2に対して２Ｄ2〜６Ｄ2としている。
原料圧密領域５３の長さＬ3は、Ｄ2に対して１Ｄ2以上、好ましくは２Ｄ2〜４Ｄ2とするのがよい。
また、原料圧密領域５３のスクリューの溝の深さ（スクリューの羽根の高さ）を、径Ｄ2に対して１／４Ｄ2以下としている。
マテリアルシール部５４では、バイオマス原料が０．２〜１．２ ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌまで圧縮されている。
ここで、マテリアルシール部５４のシールを担保するために、プラグチップ３９を有する押圧プラグ３２を押圧手段として用いており、圧密状バイオマス３３の圧力に抗して押すようにしている。
ここで、押圧プラグ３２の押圧力は、バイオマスの圧密状態にも変動するが、例えば２０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ2としている。
なお、押圧プラグ３２としては、例えば油圧シリンダー、空気圧シリンダー、又は水圧シリンダー等の押圧手段を用いてもよい。
圧密された圧密状バイオマス３３をマテリアルシール部５４から安定的に切り出すために、押圧プラグ３２のプラグチップ３９の先端を円錐形としている。
そして、切り出し部３７からドーナツ状に崩すために、円錐形としている。
プラグ形状を図２−１〜図２−３に示す。
図２−１のプラグチップ３９では、先端側が円錐部３９ａと円柱部３９ｂと円錐台部３９ｃとの３段形状からなり、円錐台部３９ｃの側面で、バイオマス原料を切り出すようにしている。
図２−２のプラグチップ３９では、先端側が円錐部３９ａと円錐台部３９ｃとの２段形状からなり、円錐台部３９ｃの側面で、バイオマス原料を切り出すようにしている。
図２−３のプラグチップ３９では、先端側が円錐部３９ａのみの１段形状からなり、円錐部３９ａの側面で、バイオマス原料を切り出すようにしている。
また、マテリアルシール部５４の形状は、ストレート状もしくは出口側に広がるテーパー型状（角度α：０〜５度）としている。
テーパー型状とすることで、圧密状バイオマス３３の排出が良好となる。
以上のように、本実施例に係るバイオマス供給装置１２では、スクリューフィーダー３５内部が、スクリュー手段による原料搬送方向に亙って、粉体原料を供給する原料供給領域５１と、粉体原料を圧縮する原料圧縮領域５２と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３と、圧縮された圧密状バイオマス高圧場を保持するマテリアルシール部５４とからなるので、高圧の１．０ＭＰａ以上（さらには２．０ＭＰａ以上）の圧力をシールしながらバイオマス原料を安定的にかつ連続して、高温・高圧場３６内に供給することができる。
図３、図４を参照してスクリュー本体の実施例について、説明する。
図３に示すスクリュー本体３１Ａは、スクリューフィーダー３５の外周面をテーパー形状とした場合に設置するものである。
図３示すように、テーパー形状のスクリューフィーダー３５の場合には、スクリュー本体３１Ａの溝の深さとリードが、先端端部３１ｄにいくにつれて共に小さく変更している。
本実施例では、スクリュー本体３１Ａの最初の５つの溝３１ａが原料供給領域５１であり、次の５つの溝３１ｂが粉体原料を圧縮する原料圧縮領域５２であり、最後の４つの溝３１ｃが粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３である。
これにより、投入部で所定量のバイオマスが投入された場合、溝のポケットの容積が小さくなるので、その嵩が圧密化されることにより、バイオマス原料１１の圧縮及び圧密化を確実としている。
図４に示すスクリュー本体３１Ｂは、スクリューフィーダー３５の外周面の径を一定とした場合に設置するものである。
図４に示すように、径が一定のスクリューフィーダー３５の場合には、スクリュー本体３１Ｂのリードを一定とし、先端端部３１ｄにいくにつれて溝３１ｂ、３１ｃの深さを徐々に浅くなるように変更している。
本実施例では、スクリュー本体３１Ｂの最初の４つの溝３１ａが原料供給領域５１であり、次の４つの溝３１ｂが粉体原料を圧縮する原料圧縮領域５２であり、最後の４つの溝３１ｃが粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３である。
これにより、投入部で所定量のバイオマスが投入された場合、溝のポケットの容積が小さくなるので、その嵩が圧密化されることにより、バイオマス原料１１の圧縮及び圧密化を確実としている。
本実施例では、原料粉体として、嵩密度が低いバイオマス原料を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、嵩密度が低い粉体原料等を高圧場に供給する際に用いる原料供給装置として適用できることはいうまでもない。
１０ バイオマスの水熱分解装置
１１ バイオマス原料
１２ バイオマス供給装置
１３ 装置本体
１４ スクリュー
１５ 加圧熱水
１６ 熱水排出液
１７ 水熱分解部
１８ バイオマス固形分
１９ バイオマス抜出部
３１ スクリュー本体
３１ａ〜３１ｃ 溝
３２ 押圧プラグ
３３ 圧密状バイオマス
３５ スクリューフィーダー
３６ 高温・高圧場
３９ プラグチップ
５１ 原料供給領域
５２ 原料圧縮領域
５３ 原料圧密領域
５４ マテリアルシール部
本発明は、例えばバイオマス原料を供給する原料供給装置及びバイオマスの分解装置に関するものである。
例えば、セルロース系バイオマスを前処理し酵素糖化により得られた糖を発酵等の操作によりバイオエタノール等へ変換する工程において、前処理は高温、高圧の条件下で実施される方法が考案されている。同前処理を実施するには、嵩密度が低い個体（たとえば０．０５ Ｋｇ／Ｌ）であるバイオマスを高温かつ高圧（１．０ＭＰａ以上)の条件下にある反応装置に安定的かつ連続的に投入する手段が必要となる。
その手段としては、例えばスラリーポンプ、ピストンポンプ、スクリューフィーダー等を用いることの提案がある（特許文献１）。
特開２００９−１８３８０５号公報
しかしながら、スラリーポンプを用いる場合、バイオマスに搬送性を持たせるため、多量の水を添加しなければならないので、多くのエネルギー（動力及び熱）を消費することとなり好ましくない、という問題がある。
また、ピストンポンプを用いる場合、ピストンの挿抜による投入となるので、間欠運転となり、連続供給性が低下するという、問題がある。
また、スクリューフィーダーを用いる場合、製紙業界における既存の供給装置を転用して１．０ ＭＰａ程度までの高圧下では、原料により圧力をシールしながらバイオマスを供給できるものの、さらに高圧の１ＭＰａ以上の圧力をマテリアルシールしながらバイオマスを供給するには、従来の原料供給装置では、問題がある。
よって、嵩密度が低いバイオマス原料を圧縮し、１．０ＭＰａ以上の圧力を原料によりシールしながらバイオマスを供給する原料供給装置の出現が切望されている。
本発明は、前記問題に鑑み、１．０ＭＰａ以上の高圧下へ、原料によりシールしながらバイオマスを供給する原料供給装置及びこれを備えたバイオマスの分解装置を提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、嵩密度が０．０１〜０．３ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌのバイオマス粉体原料を常圧下から加圧下に供給する原料供給装置であって、スクリューフィーダーの内部に設けられ、投入された前記バイオマス粉体原料を常圧の投入部から、高圧の排出部に亙って、駆動手段により前記バイオマス粉体原料を圧縮回転搬送するスクリュー本体と、前記スクリュー本体の先端部側に設けられ、圧密された前記バイオマス粉体原料の排出力に抗して前記バイオマス粉体原料の圧密状態を保持するプラグチップを有する押圧手段とを具備し、前記スクリューフィーダー内部が、前記スクリュー本体による前記バイオマス粉体原料搬送方向に亙って、前記バイオマス粉体原料を供給する原料供給領域と、前記バイオマス粉体原料を圧縮する原料圧縮領域と、前記バイオマス粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域と、圧密された前記バイオマス粉体原料によって１．０ＭＰａ以上の高圧場を保持するマテリアルシール部とからなり、前記マテリアルシール部の出口側には、圧密された前記バイオマス粉体原料を切り出す切り出し部が設けられ、前記プラグチップには、テーパー状の傾斜面が形成され、前記切り出し部は、前記傾斜面を介して前記排出部と前記プラグチップとの隙間から押し出される前記バイオマス粉体原料を切り出すことを特徴とする原料供給装置にある。
第２の発明は、第１の発明において、前記原料供給領域のバイオマス粉体原料の密度が０．０１〜０．３ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌであり、前記原料圧縮領域において、搬送方向に亙ってバイオマス粉体原料の密度を徐々に高くし、原料圧縮領域終了端部を通過する前記バイオマス粉体原料の密度が０．０４〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌであり、前記原料圧密領域において、前記バイオマス粉体原料の密度が０．２〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌを維持することを特徴とする原料供給装置にある。
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記マテリアルシール部が、前記バイオマス粉体原料が０．２〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌまで圧縮されていることを特徴とする原料供給装置にある。
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記原料圧縮領域の長さ（Ｌ2）は、前記供給領域のシリンダー径（Ｄ1）対して２Ｄ1〜６Ｄ1であり、前記原料圧密領域の長さ（Ｌ3）は、前記原料圧密領域のシリンダー径（Ｄ2）に対して２Ｄ2〜６Ｄ2であることを特徴とする原料供給装置にある。
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記原料圧密領域のスクリューの溝の深さが、前記原料圧密領域のシリンダー径（Ｄ2）に対して１／４Ｄ2以下であることを特徴とする原料供給装置にある。
第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記マテリアルシール部が出口側に広がるテーパー状であることを特徴とする原料供給装置にある。
第７の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記スクリュー本体は、スクリューフィーダーの外周面が先端端部にいくにつれて径が小さいテーパー形状であると共に、前記スクリュー本体の溝の深さとリードが、先端端部にいくにつれて共に小さく変更することを特徴とする原料供給装置にある。
第８の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記スクリュー本体は、スクリューフィーダーの外周面の径が一定であると共に、前記スクリュー本体のリードを一定とし、先端端部にいくにつれて溝の深さを徐々に浅くなるように変更することを特徴とする原料供給装置にある。
第９の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を分解するバイオマスの分解装置であって、第１乃至８のいずれか一つ発明のバイオマス供給装置により供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にて、搬送用のスクリューにより他方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他方の側から処理水である加圧熱水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する水熱分解部と、前記装置本体の他方側からバイオマス固形分を抜出すバイオマス抜出部と、を具備することを特徴とするバイオマスの分解装置にある。
本発明によれば、スクリューフィーダー内部が、スクリュー手段による原料搬送方向に亙って、粉体原料を供給する原料供給領域と、粉体原料を圧縮する原料圧縮領域と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域と、圧密されたバイオマスによって高圧場を保持するマテリアルシール部とからなるので、高圧の１．０ＭＰａ以上の圧力をシールしながらバイオマスを安定的にかつ連続して供給することができる。
図１は、実施例に係るバイオマス供給装置の概略図である。 図２−１は、実施例に係るプラグチップの外観の概略図である。 図２−２は、実施例に係るプラグチップの外観の概略図である。 図２−３は、実施例に係るプラグチップの外観の概略図である。 図３は、実施例に係るスクリューの概略構成図である。 図４は、実施例に係る他のスクリューの概略構成図である。 図５は、本実施例のバイオマス供給装置を備えたバイオマスの水熱分解装置の概略図である。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、実施例に係るバイオマス供給装置の概略図である。
図５は、本実施例のバイオマス供給装置を備えたバイオマスの水熱分解装置の概略図である。
本発明に係るバイオマスの分解装置について、図面を参照して説明する。
図５に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置１０は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を分解するバイオマスの分解装置であって、バイオマス供給装置１２により供給されたバイオマス原料１１を、装置本体１３の内部にて、搬送用のスクリュー１４によりいずれか一方（本実施例では下方）から他方（本実施例では上方）へ搬送すると共に、バイオマス原料１１の供給箇所と異なる他方（本実施例では上方）の側から処理水である加圧熱水１５を装置本体１３の内部に供給し、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分を移行し、バイオマス原料１１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する分解部である水熱分解部１７と、装置本体１３の他方（本実施例では上方）側からバイオマス固形分１８を抜出すバイオマス抜出部１９と、を設けている。
ここで、図５中、符号１２はバイオマス供給部、Ｍは搬送用のスクリュー１４を駆動するモータ、２３は装置本体１３の内部を加圧する加圧窒素を各々図示する。
なお、本実施例では、バイオマス原料１１を下端部側から供給しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これとは逆に上端部側から供給するようにしてもよく、この際には、加圧熱水１５は下端部側から供給する。
なお、常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置１２については、後述する。
また、水熱分解部１７は、本実施例では、図５に示すように垂直の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、傾斜型の水熱分解装置としてもよい。また、水平型の水熱分解反応装置としてもよい。
ここで、垂直型又は傾斜型とするのは、水熱分解反応において発生したガスや原料中に持ち込まれたガス等が上方から速やかに抜けることができ好ましいからである。また、加圧熱水１５で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点から上方から下方に向かって抽出物の濃度が高まることとなり、好ましいものとなる。
搬送用のスクリュー１４を設けることにより、１）固液カウンターフローでの固形分の搬送が可能となる。２）装置本体内で固液の分離が可能となる。３）装置本体内で固体表面、固体中の加圧熱水の混合が進み反応が促進される。
ここで、前記水熱分解部１７に供給するバイオマスとしては、特に限定されるものではなく、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ Ｋ ３６００ １２５８参照）が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のリグノセルロース資源や農業系廃棄物、食品廃棄物等を用いるのが好ましい。
また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
本実施例では、バイオマスの供給前において、原料調整装置として、例えば粉砕装置を用いて処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのまま水熱分解部１７に供給することができるものとなる。
また、水熱分解部１７における、反応温度は１８０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００〜２３０℃とするのがよい。
これは、１８０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分の固体から液体側への移行が増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２４０℃の範囲とするのがよい。
また、反応圧力は本体内部が加圧熱水の状態となる、各温度の水の飽和蒸気圧に更に０．１〜０．５ＭＰａの高い圧力とするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０分とするのが好ましい。これはあまり長く反応を行うと過分解物の割合が増大し、好ましくないからである。
ここで、本発明では、水熱分解部の本体内の加圧熱水１５とバイオマス原料１１との流動は、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させる、いわゆるカウンターフローで接触・撹拌・流動するようにすることが好ましい。
その対向接触の際、固体であるバイオマス原料１１が加圧熱水１５により分解されると、その分解物が加圧熱水１５側に溶解移行することとなる。
また、固体と液体との固液比は、液体分が少ないほど回収水及び水熱分解のための加温の熱量を減らすことができるので好ましい。
ここで、供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば１：１〜１：１０、より好ましくは１：１〜１：５とするのが好ましい。
本実施例によれば、予めバイオマス原料１１と水とを混合して装置本体１３に供給するようなスラリー流通式の反応装置では、スラリーの流動性をもたせるために、固体に対してかなり多量の水（重量比で１０〜２０倍）を加えなければならないが、原料であるバイオマス原料１１と、バイオマス中のリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去する加圧熱水１５とを水熱分解部１７に別系統で供給するため、固体に対する液体の重量比を小さくすることができ、装置の経済性の向上に寄与することとなる。
なお、本発明では装置本体の内部には気体部分が存在することとなるので、加圧窒素（Ｎ2）２３を内部に供給するようにしている。
また、水熱分解部内におけるバイオマス原料１１の昇温は、装置本体内で加圧熱水１５と接触させることによる直接熱交換で実施可能である。なお、必要に応じて、外部から水蒸気等を用いて加温するようにしてもよい。
ここで、バイオマス供給装置１２は、バイオマス自体によるマテリアルシール機構を有するスクリュー式押出機構を採用し、固形のバイオマス原料１１を常圧下から加圧下へ供給するものである。
すなわち、スクリュー本体３１と押圧プラグ３２とからなる押出機構とすることで、内部に供給されたバイオマス原料１１が圧縮され、圧密状バイオマス（バイオマスプラグ）３３を形成し、この圧密状バイオマス３３自身で水熱分解装置内圧力を遮断するマテリアルシールを行うようにしている。スクリュー本体３１により徐々に押されて、押圧プラグ３２の先端部分から徐々にバイオマスが切り出され、装置本体１３内部に確実にバイオマス原料１１を供給することとなる。
また、バイオマス抜出部１９は、その構成は前記バイオマス供給装置１２と同様であり、スクリュー本体４１と押圧プラグ４２とからなる押出機構とすることで、水熱分解装置で反応したバイオマス固形分１８が圧縮され、バイオマスプラグ４３を形成し、このバイオマスプラグ４３自身で水熱分解装置内圧力を遮断するマテリアルシールを行うようにしている。そして、熱水排出液１６にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行させたバイオマス固形分１８を加圧下から常圧下へ排出を可能とするものである。この際、バイオマスプラグ４３から残留された水分が脱水される。
この脱水液は、加圧熱水可溶分（リグニン成分及びヘミセルロース成分）を含むものであるので、熱水排出液１６に送られ、熱水排出液１６と共に別途処理される。
また、バイオマス抜出装置１９においては、低分子化した揮発性の酵素糖化阻害成分又はエタノール発酵阻害成分のいずれか一方又は両方が気化することにより除去することができる。
また、本発明においては、バイオマス原料１１と加圧熱水とを対向接触させることにより、熱水に可溶化され易い成分から順次排出されると共に、バイオマスの投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じる為、ヘミセルロース成分の過分解が抑制され、結果的に５炭糖成分が効率よく回収することができる。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
ここで、バイオマス供給装置１２について、詳述する。
バイオマス供給装置１２は、粉体原料であるバイオマス原料１１を常圧下から１．０ＭＰａ以上の加圧下に供給する原料供給装置であって、スクリューフィーダー３５の内部に設けられ、投入されたバイオマス原料１１を常圧の投入部３５ａから、高圧の排出３５ｂに亙って、モータＭにより粉体のバイオマス原料１１を圧縮回転搬送するスクリュー本体３１と、前記スクリュー本体３１の先端端部３１ｄ側に設けられ、圧密されたバイオマス（バイオマスプラグ）３３の排出力に抗して圧密されたバイオマス（バイオマスプラグ）３３の圧密状態を保持するプラグチップ３９を有する押圧プラグ３２とを具備し、スクリューフィーダー３５内部が、スクリュー本体３１による原料搬送方向に亙って、バイオマス原料１１を供給する原料供給領域５１と、バイオマス原料を圧縮する原料圧縮領域５２と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３と、圧密されたバイオマス（バイオマスプラグ）３３によって分解装置内の高圧場を保持するマテリアルシール部５４とからなるものである。
本実施例のバイオマス供給装置１２では、高圧（１．０ＭＰａ以上)の高温・高圧場３６の条件下にある反応装置に安定的かつ連続的に投入するために、高圧場を保持するためのマテリアルシール部５４と、マテリアルシール部５４を形成させるためにバイオマス原料１１の流れに反して、バイオマス原料を押すプラグチップ３９を有する押圧プラグ３２とを設けている。
本実施例では、嵩密度が低いバイオマス原料１１をスクリュー本体３１に確実に呑み込ませる原料供給領域５１と、バイオマス原料を圧縮しながら搬送する原料圧縮領域５２と、圧縮したバイオマスを、高温・高圧場３６の圧力がシールできるまで更にバイオマス原料１１を昇圧するための原料圧密領域５３と、高温・高圧場３６との圧力を確実にシールするために圧密されたバイオマス原料（バイオマスプラグ）３３を一定長滞留させるマテリアルシール部５４を形成するようにしている。
なお、高温高圧場３６は、図５に示すバイオマスの水熱分解装置１０の装置本体１３と連通して、装置内部にバイオマス原料３３を導入している。
ここで、原料圧密領域５３にはスクリュー本体３１の先端部３１ｄが磨耗した際に昇圧力が低下して、マテリアルシール部５４の圧密原料がブローバックすることがないように、バックアップ領域として、理論上の昇圧能力を発揮するために必要なスクリュー長さ以上の長さを有するようにしている。
また、スクリューフィーダー３５は、バイオマス原料１１を圧縮・昇圧するためにシリンダー内面に溝を有している。この溝の形状は、スパイラル形状でもストレート形状でもよい。なお、溝深さは、原料の粒径によって決定されるものであるが、例えば１〜１０ ｍｍ、より好ましくは、２．５〜５ｍｍとするのがよい。また、溝の設置面積は、スクリューフィーダー３５内周面の３０〜８０％とするのがよい。
また、溝の形成領域は、原料供給領域５１から原料圧密領域５３まで設置するのが好ましい。なお、溝はスパイラルでもスクリュー本体３５の軸に平行でもいずれでもよい。
原料供給領域５１において、供給された原料は、原料圧縮領域５２までスクリュー本体３１により搬送される。
原料圧縮領域５２では、バイオマス原料１１は圧縮される。急激な圧縮により閉塞を回避するために、原料圧縮領域５２の長さＬ2は、Ｄ1に対して２Ｄ1〜６Ｄ1としている。
原料圧縮領域５２において、搬送方向に亙ってバイオマス原料１１の密度を徐々に高くし、原料圧縮領域５２の終了端部５２ａを通過するバイオマス原料１１の密度は０．０４〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌとしている。
原料圧密領域５３では、原料圧縮領域５２で圧密された原料をシール可能な嵩密度までさらに圧縮させる領域であり、バイオマス原料１１の密度は０．２〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌとしている。原料圧密領域５３の長さ（スクリューのリード）Ｌ3は、シリンダー径Ｄ2に対して２Ｄ2〜６Ｄ2としている。
原料圧密領域５３の長さＬ3は、Ｄ2に対して１Ｄ2以上、好ましくは２Ｄ2〜４Ｄ2とするのがよい。
また、原料圧密領域５３のスクリューの溝の深さ（スクリューの羽根の高さ）を、径Ｄ2に対して１／４Ｄ2以下としている。
マテリアルシール部５４では、バイオマス原料が０．２〜１．２ ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌまで圧縮されている。
ここで、マテリアルシール部５４のシールを担保するために、プラグチップ３９を有する押圧プラグ３２を押圧手段として用いており、圧密状バイオマス３３の圧力に抗して押すようにしている。
ここで、押圧プラグ３２の押圧力は、バイオマスの圧密状態にも変動するが、例えば２０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ2としている。
なお、押圧プラグ３２としては、例えば油圧シリンダー、空気圧シリンダー、又は水圧シリンダー等の押圧手段を用いてもよい。
圧密された圧密状バイオマス３３をマテリアルシール部５４から安定的に切り出すために、押圧プラグ３２のプラグチップ３９の先端を円錐形としている。
そして、切り出し部３７からドーナツ状に崩すために、円錐形としている。
プラグ形状を図２−１〜図２−３に示す。
図２−１のプラグチップ３９では、先端側が円錐部３９ａと円柱部３９ｂと円錐台部３９ｃとの３段形状からなり、円錐台部３９ｃの側面で、バイオマス原料を切り出すようにしている。
図２−２のプラグチップ３９では、先端側が円錐部３９ａと円錐台部３９ｃとの２段形状からなり、円錐台部３９ｃの側面で、バイオマス原料を切り出すようにしている。
図２−３のプラグチップ３９では、先端側が円錐部３９ａのみの１段形状からなり、円錐部３９ａの側面で、バイオマス原料を切り出すようにしている。
また、マテリアルシール部５４の形状は、ストレート状もしくは出口側に広がるテーパー型状（角度α：０〜５度）としている。
テーパー型状とすることで、圧密状バイオマス３３の排出が良好となる。
以上のように、本実施例に係るバイオマス供給装置１２では、スクリューフィーダー３５内部が、スクリュー手段による原料搬送方向に亙って、粉体原料を供給する原料供給領域５１と、粉体原料を圧縮する原料圧縮領域５２と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３と、圧縮された圧密状バイオマス高圧場を保持するマテリアルシール部５４とからなるので、高圧の１．０ＭＰａ以上（さらには２．０ＭＰａ以上）の圧力をシールしながらバイオマス原料を安定的にかつ連続して、高温・高圧場３６内に供給することができる。
図３、図４を参照してスクリュー本体の実施例について、説明する。
図３に示すスクリュー本体３１Ａは、スクリューフィーダー３５の外周面をテーパー形状とした場合に設置するものである。
図３示すように、テーパー形状のスクリューフィーダー３５の場合には、スクリュー本体３１Ａの溝の深さとリードが、先端端部３１ｄにいくにつれて共に小さく変更している。
本実施例では、スクリュー本体３１Ａの最初の５つの溝３１ａが原料供給領域５１であり、次の５つの溝３１ｂが粉体原料を圧縮する原料圧縮領域５２であり、最後の４つの溝３１ｃが粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３である。
これにより、投入部で所定量のバイオマスが投入された場合、溝のポケットの容積が小さくなるので、その嵩が圧密化されることにより、バイオマス原料１１の圧縮及び圧密化を確実としている。
図４に示すスクリュー本体３１Ｂは、スクリューフィーダー３５の外周面の径を一定とした場合に設置するものである。
図４に示すように、径が一定のスクリューフィーダー３５の場合には、スクリュー本体３１Ｂのリードを一定とし、先端端部３１ｄにいくにつれて溝３１ｂ、３１ｃの深さを徐々に浅くなるように変更している。
本実施例では、スクリュー本体３１Ｂの最初の４つの溝３１ａが原料供給領域５１であり、次の４つの溝３１ｂが粉体原料を圧縮する原料圧縮領域５２であり、最後の４つの溝３１ｃが粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域５３である。
これにより、投入部で所定量のバイオマスが投入された場合、溝のポケットの容積が小さくなるので、その嵩が圧密化されることにより、バイオマス原料１１の圧縮及び圧密化を確実としている。
本実施例では、原料粉体として、嵩密度が低いバイオマス原料を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、嵩密度が低い粉体原料等を高圧場に供給する際に用いる原料供給装置として適用できることはいうまでもない。
１０ バイオマスの水熱分解装置
１１ バイオマス原料
１２ バイオマス供給装置
１３ 装置本体
１４ スクリュー
１５ 加圧熱水
１６ 熱水排出液
１７ 水熱分解部
１８ バイオマス固形分
１９ バイオマス抜出部
３１ スクリュー本体
３１ａ〜３１ｃ 溝
３２ 押圧プラグ
３３ 圧密状バイオマス
３５ スクリューフィーダー
３６ 高温・高圧場
３９ プラグチップ
５１ 原料供給領域
５２ 原料圧縮領域
５３ 原料圧密領域
５４ マテリアルシール部

Claims (6)

  1. 粉体原料を常圧下から加圧下に供給する原料供給装置であって、
    スクリューフィーダーの内部に設けられ、投入された粉体原料を常圧の投入部から、高圧の排出部に亙って、駆動手段により粉体原料を圧縮回転搬送するスクリュー本体と、前記スクリュー本体の先端部側に設けられ、圧密された原料の排出力に抗して原料の圧密状体を保持する押圧手段とを具備し、
    前記スクリューフィーダー内部が、スクリュー手段による原料搬送方向に亙って、粉体原料を供給する原料供給領域と、
    粉体原料を圧縮する原料圧縮領域と、粉体原料をコルク状に圧密する原料圧密領域と、圧密されたバイオマスによって高圧場を保持するマテリアルシール部とからなることを特徴とする原料供給装置。
  2. 請求項１において、
    前記粉体原料の嵩密度が、０．０１〜０．３ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌの粉体原料を用い、
    前記原料供給領域の原料の密度が０．０１〜０．３ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌであり、前記原料圧縮領域において、搬送方向に亙って原料の密度を徐々に高くし、原料圧縮領域終了端部を通過する原料の密度が０．０４〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌであり、前記原料圧密領域において、原料によるマテリアルシール部の密度が０．２〜１．２ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌを維持することを特徴とする原料供給装置。
  3. 請求項１又は２において、
    前記マテリアルシール部が、バイオマス原料が０．２〜１．２ ｋｇ−ｄｒｙ／Ｌまで圧縮されていることを特徴とする原料供給装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
    前記高圧場が、１．０ＭＰａ以上であることを特徴とする原料供給装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
    前記粉体原料がバイオマス原料であることを特徴とする原料供給装置。
  6. セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を分解するバイオマスの分解装置であって、
    請求項１乃至５のいずれか一つの原料供給装置により供給されたバイオマス原料を、
    いずれか一方から装置本体の内部にて、搬送用のスクリューにより他方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他方の側から処理水である加圧熱水を前記装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と前記加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する前記加圧熱水である熱水排出液中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する水熱分解部と、
    前記装置本体の他方側からバイオマス固形分を抜出すバイオマス抜出部と、を具備することを特徴とするバイオマスの分解装置。
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