JPWO2017195407A1 - バイオマス材料の炭化処理方法及び炭化物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多くの水分が含まれるバイオマス材料を極めて低温で炭化する新しい炭化処理方法、及び炭化物の製造方法を提供する。【解決手段】水分を強制的に除去又は低減する目的での乾燥工程を経ることなく、水分を含むバイオマス材料を酸素含有雰囲気及び７０℃以上１００℃未満の温度範囲の処理条件に保持して、前記バイオマス材料を炭化する。このとき、バイオマス材料を前記処理条件に保持して炭化を開始する時点でのバイオマス材料の含水率（百分率）は、４０％以上、８０％以下の範囲内であることが好ましく、前記保持が、２週間以上であることが好ましい。また、バイオマス材料としては、食品廃棄物、家畜排泄物、農産廃棄物、水産廃棄物、林産廃棄物等の廃棄物系バイオマス材料及び植物（栽培作物）系バイオマス材料からから選ばれる１種又は２種以上を適用できる。【選択図】図１

Description

本発明は、廃棄物系や植物（栽培作物）系のバイオマス材料を極めて低温で炭化することができる方法、及び炭化物を製造する方法に関する。

近年、多くの有機性廃棄物は堆肥化処理又は炭化処理され、資源として土壌還元されるようになった。そのなかで、最も資源化が期待される家畜ふんや生ゴミ等（以下、これらを総称するときは「家畜ふん等」という。）は、発生時点では高水分でいわゆる泥濘状となっている場合が多い。特に家畜ふん等を炭化処理して農業用資源や工業用資源として活用する場合には、この多量の水分が問題になり、水分を減じる処理が必要である。しかし、従来の炭化処理装置では、多量の水分を含む廃棄物を加熱によってある程度乾燥させた後に炭化処理するので、加熱用の燃料を大量に消費し、有害物質を含む燃焼ガスが大量に放出されて大気を汚染する等の問題があった。

特許文献１では、炭化処理に要する燃料消費を低減する炭化処理装置として、廃棄物を加熱して含水率を低下させる乾燥部と、乾燥を終えた廃棄物を蒸焼きして炭化させる炭化部と、炭化部で発生する乾溜ガスを加熱して乾燥部と炭化筒加熱室へ供給する乾溜ガス加熱供給部等を備えた装置が提案されている。

特許文献２でも、処理対象物の炭化処理に要する燃料消費を少なくする装置として、畜ふんを加熱して乾燥処理を行う乾燥炉と、畜ふんを乾燥部内に供給するためのホッパと、乾燥部に連通し乾燥部において乾燥処理を施した畜ふんを電熱ヒータにより加熱して炭化処理する炭化炉と、廃棄物を焼却処理する焼却発熱炉に一体に設けられ廃棄物の燃焼熱により炭化炉において発生する乾留ガスを加熱し乾燥炉において乾燥処理を行うための熱ガスを発生する乾留ガス加熱室と、乾留ガス加熱室と乾燥炉とを繋ぎ乾留ガス加熱室からの熱ガスを乾燥炉に導く熱ガス供給路と、炭化炉と乾留ガス加熱室とを繋ぎ炭化炉において発生する乾留ガスを乾留ガス加熱室に導く乾留ガス路とを有する装置が提案されている。

特許文献１，２で提案された炭化処理装置は、炭化処理の際に要する燃料の消費量を減少するために、処理工程の途中で生じる乾溜ガスを活用している。一方、特許文献３の背景技術欄には、多量の水分を含む家畜ふん等の含水率を下げる手段として、家畜ふん等に熱エネルギーや送風等を与えて含水率を下げる方法や、オガクズ、稲藁、籾殻等の農業副産物を有機性廃棄物と混合して水分を下げる方法が記載されている。

特開平１１−３２３３４６号公報 特開２００７−１０５６０５号公報 特開２０１１−９８３３０公報

上記した各特許文献では、水分の低減に要する燃焼コストを下げるための手段が提案され、水分を多量に含む家畜ふん等の炭化処理は、先ずはその水分を低減した上で加熱して行われている。

本発明の目的は、多くの水分が含まれる廃棄物系や植物（栽培作物）系のバイオマス材料を極めて低温で炭化する新しい炭化処理方法、及び炭化物の製造方法を提供することにある。

本発明者は、廃棄物系や植物（栽培作物）系のバイオマス材料の炭化処理方法を検討している過程で、多くの水分が含まれる家畜ふんを取り扱っている際に、意図せずに１００℃に至らない温度で保持されていたものが、いつの間にか炭化していたことを偶然見つけた。本発明は、こうした知見に基づいて完成したものである。

（１）本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法は、水分を強制的に除去又は低減する目的での乾燥工程を経ることなく、水分を含むバイオマス材料を酸素含有雰囲気及び７０℃以上１００℃未満の温度範囲の処理条件に保持して、前記バイオマス材料を炭化することを特徴とする。

この発明によれば、水分を含むバイオマス材料を上記処理条件に保持するだけでバイオマス材料を炭化することができ、従来のように水分を強制的に除去又は低減する目的での乾燥工程を経る必要がない。そうした処理条件に保持して起こる炭化は、酸素とバイオマス材料との間で生じる酸化反応によって進行し、バイオマス材料に含まれる水分がその炭化反応を促進していることがわかった。この炭化処理方法は、乾燥に要する大型設備が不要で大きな電気エネルギーも費やすことなく、低コストでバイオマス材料の炭化を行うことができる。

本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法において、前記バイオマス材料を前記処理条件に保持して炭化を開始する時点での該バイオマス材料の含水率（百分率）は、４０％以上、８０％以下の範囲内であることが好ましい。この発明によれば、超低温で保持して炭化するには、炭化処理の開始時点でのバイオマス材料の含水率が上記範囲内であることが好ましい。

本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法において、前記保持が、２週間以上であることが好ましい。この発明によれば、２週間以上保持することにより、バイオマス材料の炭化を安定して進行させることができる。

本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法において、前記バイオマス材料が、食品廃棄物、家畜排泄物、農産廃棄物、水産廃棄物、林産廃棄物等の廃棄物系バイオマス材料及び植物（栽培作物）系バイオマス材料からから選ばれる１種又は２種以上である。この発明によれば、これら各種のバイオマス材料に本発明に係る超低温炭化処理方法を適用できる。

本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法において、前記バイオマス材料を、前記処理条件に保持するための大気開放口と温度調節器とを有する容器に収容することが好ましい。この発明によれば、バイオマス材料を大気開放口と温度調節器とを有する容器に収容するので、酸素含有雰囲気と温度条件を実現でき、バイオマス材料の炭化を安定して開始し進行させることができる。

（２）本発明に係る炭化物の製造方法は、上記した本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法で行う炭化物の製造方法であって、水分を含むバイオマス材料を準備する工程と、水分を強制的に除去又は低減する目的での乾燥工程を経ることなく、準備された前記バイオマス材料を酸素含有雰囲気及び７０℃以上１００℃未満の温度範囲の処理条件で処理する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、多くの水分が含まれる廃棄物系や植物（栽培作物）系のバイオマス材料を極めて低温で炭化する新しい炭化処理方法、及び炭化物の製造方法を提供することができる。

本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法の一例を示す説明図である。 処理前の牛ふんの写真（Ａ）と実験２〜４の処理後の牛ふんの写真（Ｂ〜Ｄ）である。 実験１の処理後の牛ふんの写真（Ａ）と実験３の処理後の牛ふんの写真（Ｂ）である。 実験１，３での炭化処理中におけるバイオマス材料の減量結果を示すグラフである。 実験１での炭化処理中におけるバイオマス材料の単位質量あたりの二酸化炭素生成速度と酸素消費速度とを示すグラフである。 実験３での炭化処理中におけるバイオマス材料の単位質量あたりの二酸化炭素生成速度と酸素消費速度とを示すグラフである。 実験６，７，９についての処理後の試料の写真である。

本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法及び炭化物の製造方法について図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の好ましい例であって、その実施形態に限定解釈されるものではない。

［バイオマス材料の超低温炭化処理方法］
本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法は、多くの水分が含まれるバイオマス材料を極めて低温で炭化する新しい方法であり、水分を強制的に除去又は低減する目的での乾燥工程を経ることなく、水分を含むバイオマス材料を酸素含有雰囲気及び７０℃以上１００℃未満の温度範囲の処理条件に保持して、前記バイオマス材料を炭化することに特徴がある。

この方法は、バイオマス材料の炭化処理方法を検討している過程で、多くの水分が含まれる家畜ふんを取り扱っている際に、意図せずに１００℃に至らない温度（炭化処理温度としては信じがたいほどにあり得ない低温であり、本願では「超低温」ということにした。）で保持されていたものがいつの間にか炭化していたことを偶然見つけたことに基づいている。本発明によれば、水分を含むバイオマス材料を上記処理条件に保持するだけでバイオマス材料を炭化することができるので、従来のように水分を強制的に除去又は低減する目的での乾燥工程を経る必要がない。そうした処理条件に保持して起こる炭化は、酸素とバイオマス材料との間で生じる酸化反応によって進行し、バイオマス材料に含まれる水分がその炭化反応を促進していることがわかった。その結果、本発明の炭化処理方法（「超低温炭化処理方法」と呼ぶ。）は、乾燥に要する大型設備が不要で大きな電気エネルギーも費やすことなく、低コストでバイオマス材料の炭化を行うことができる。

以下、バイオマス材料の超低温炭化処理方法の各構成要素を説明する。なお、以下で特に断らない限り、含水率（百分率）の「％」は「重量％（質量％）」である。

（バイオマス材料）
バイオマス材料は、多くの水分が含まれるバイオマス材料、例えば、廃棄物系バイオマス材料や植物（栽培作物）系バイオマス材料であればよい。例えば、食品廃棄物、家畜排泄物、農産廃棄物、水産廃棄物、林産廃棄物等の廃棄物系バイオマス材料及び植物（栽培作物）系バイオマス材料からから選ばれる１種の材料又は２種以上の混合材料を挙げることができる。廃棄物系バイオマス材料としては、具体的には、生ゴミ等の食品廃棄物（食品残滓）、牛、豚、馬等の家畜排泄物（ふん尿）、余剰生産品、選別排除品、加工副産物（米ぬか等）等の農産廃棄物、過剰水揚品、加工ゴミ等の水産廃棄物、木くず、木材チップ、加工ゴミ等の林産廃棄物等を挙げることができる。また、植物（栽培作物）系バイオマス材料としては、サトウキビ、ナタネ等の植物を燃料用アルコール等に転換利用するもの等を挙げることができる。これら廃棄物系バイオマス材料や植物（栽培作物）系バイオマス材料は、それぞれ単独であってもよいし、複数の種類を混合したものであってもよい。

廃棄物系バイオマス材料は、生物由来のものであれば、堆肥化されたもの等であってもよい。なお、「廃棄物」の語は、現に廃棄するものはもちろん含まれるが、その時点で廃棄するものであっても他の用途に使用可能なものも含まれる。例えば、廃棄物を堆肥化等したものは、堆肥化等の前は廃棄物であっても堆肥化等した後は有用性があって廃棄物とはいえない場合もあるが、本発明では、それらも含めて「廃棄物」という用語で表している。

なお、一般に「バイオマス」とは、生物資源（bio）の量（mass）を表す言葉であり、「再生可能な生物由来の有機性資源（化石燃料は除く）」のことをいう。また、廃棄物系バイオマスは、製紙業等の過程で排出される産業廃棄物（黒液、チップ廃材）、農林・畜産業の過程で排出される廃棄物や副産物（モミ殻、牛糞等）、一般廃棄物(ごみ、廃食油等）等の有機性資源をいい、一方、植物（栽培作物）系バイオマスは、サトウキビ、ナタネ等の植物を燃料用アルコール等に転換して利用する有機性資源をいう。本発明で用いる「バイオマス材料」は、再生可能な生物由来の有機性資源（化石燃料は除く）であって、廃棄物系バイオマスと植物（栽培作物）系バイオマスの両方を含んでいる。

バイオマス材料には、多くの水分が含まれている。水分量としては、バイオマス材料を炭化処理条件に保持して炭化を開始する時点（炭化処理に供する時点のこと。以下同じ。）でのバイオマス材料の含水率（百分率）として、４０％以上、８０％以下の範囲内であることが好ましい。この含水率の範囲内で炭化処理条件に保持することにより、バイオマス材料の炭化を開始し、その後に進行させることができる。バイオマス材料の含水率の測定は、採取したバイオマス材料の乾燥前後の質量測定で評価できる。

なお、炭化処理に供する時点で上記含水率の範囲内になっていればよく、バイオマス材料の含水率が４０％未満の乾燥体又は略乾燥体の場合には、水を含ませて４０％以上にすることにより、炭化処理に供するバイオマス材料として使用することができる。一方、バイオマス材料の含水率が８０％を超える泥濘体の場合には、水が８０％以下になるまで放置（自然乾燥）等することにより、炭化処理に供するバイオマス材料として使用することができる。なお、自然乾燥としては、天日干し、通気、まき散らし等を挙げることができ、必要に応じて送風によって乾燥させてもよい。

バイオマス材料には、本発明での炭化が阻害されない範囲内で他の廃棄物が混入していてもよい。他のバイオマス材料としては、例えば、家庭からの生ゴミと一緒に廃棄されやすいプラスチック材料（バラン、ヒトツバ、ボトルキャップ、ストロー、輪ゴム、包装材等）、紙製品、木製品（割り箸、爪楊枝等）等が挙げられる。

（処理条件）
本発明での炭化処理は、従来のようにバイオマス材料に含まれる水分を強制的に除去又は低減する目的で例えば５００℃前後に加熱する乾燥工程を経る必要がなく、水分を含むバイオマス材料を酸素含有雰囲気及び７０℃以上１００℃未満の温度範囲の処理条件に保持して行う。このときの炭化は、７０℃以上１００℃未満の温度範囲において、酸素とバイオマス材料との間で生じる酸化反応によって進行し、バイオマス材料に含まれる水分がその炭化反応を促進して進行する。

炭化処理は、酸素含有雰囲気で開始し、進行する。後述の実験例（図５及び図６）でも示すように、二酸化炭素の生成速度と酸素の消費速度とが比例的に相関していることから、バイオマス材料と酸素とによって酸化反応が起こって二酸化炭素が生成し、その生成が盛んなほど酸素消費量が多くなって炭化が進行していることが推認される。酸素含有雰囲気は、酸素を含有する雰囲気であれば特に限定されないが、通常は大気開放した空気雰囲気であればよい。酸素は炭化が進行している間は存在し続けている必要がある。酸素含有量は、大気中に含まれる程度（およそ２１％）であればよい。酸素は、少なくとも、バイオマス材料との間で酸化反応が起こり且つ継続する程度（数％の酸素）が含まれていればよい。一方、酸素を含有しない雰囲気では、バイオマス材料の酸化反応が起こらず、炭化を進行させることができない。

炭化処理の温度は、上記した７０℃以上１００℃未満の温度範囲内での変動があったとしてもその範囲内であればよい。後述の実験例では、８０℃と９０℃で行った結果を示しているが、７０℃以上１００℃未満の温度範囲での炭化が進行するのは確認できている。７０℃未満の場合も進行しないわけではないが、水分がなかなか減らないこともあり、炭化がなかなか進行せずにかなり長期間を要するのであまり経済的ではない。一方、１００℃以上では水分が直ぐに蒸発してしまってバイオマス材料が乾燥状態になり、炭化反応が進行しなくなって停止してしまう。したがって、炭化が開始する時点では、酸素とある程度の水分（４０％以上８０％以下の含水率）と上記温度（７０℃以上１００℃未満）とが必要であるが、水分の減りが遅くていつまでも上記開始時の含水率のままでは炭化反応が十分に進行しない。好ましくは、後述のように、２週間以上の保持期間の間に、開始時点の水分（４０％以上８０％以下の含水率）が徐々に蒸発等で減少しながら炭化反応が進行し、最終的に乾燥（例えば５％以下の含水率状態）した炭化物になることが望ましい。一方、２週間以上の保持期間を経る前に水分が直ぐに蒸発等して乾燥状態になると、酸化反応が遅くなって炭化が起こらなくなってしまう。よって、２週間以上の保持期間で、上記温度範囲内で水分が徐々に（急激にはなく）減っていきながら酸化反応が継続して炭化が進行する状態になっていることが好ましい。

上記温度は、例えば図１に示すようにバイオマス材料を収容する反応容器を加温して維持される。加温は、電気ヒータによるものであってもよいし、ボイラー等から供給される蒸気によるものであってもよいし、他の発熱源からの熱利用によるものであってもよい。なお、温度の保持を、バイオマス材料の微生物反応で生じる熱によって行ってもよい。バイオマス材料が酸素に接触して起こる微生物反応は、約７０℃〜８０℃前後の温度を発生させることができることから、微生物反応による発熱が生じた後は、電気ヒータ等で加温せず又は少しだけ加温して、微生物反応で発生する熱によって温度を保持し、炭化処理を継続することもできる。

炭化処理の保持期間は、少なくとも２週間以上であることが好ましい。保持期間は、処理温度によっても異なるが、７０℃以上１００℃未満の範囲内で少なくとも２週間保持することにより、酸化反応と炭化を安定して進めることができる。なお、この２週間の保持期間は、バイオマス材料を全て炭化した炭化物（１００％炭化物）とすることができる期間ではなく、炭化処理が安定して一部炭化するが全ては炭化していないという期間である。保持期間は、７０℃以上１００℃未満の範囲内において、７０℃に近づくほど水分の減少度合いも小さくて炭化がゆっくり進むので長くなり、１００℃に近づくほど炭化が促進されるので短くなる。

なお、保持期間の上限は、含水率、処理温度、保持環境（酸素含有量、水分減少度合い、その他）によって異なるので特に限定されないが、例えば、後述の実験例に示すように、温度が低いと保持期間は長くなり、温度が高いと保持期間は短くなる。上限としては、例えば、実験例では３週間（２１日）から１２週間（８４日）の範囲であったが、炭化度合いが小さい一部炭化のための保持期間であれば２週間でもよく、炭化度合いを大きくするための期間であれば１２週間を超えてもよい。長期間かけてゆっくり炭化してもよいのであれば例えば数ヶ月やそれ以上（例えば、６ヶ月、１２ヶ月等）であってもよい。

超低温での炭化は、水分を含まないバイオマス材料では進行させることができず、また、バイオマス材料中の水分が短期間に急に減少する場合又は短期間に無くなってしまう場合にも十分に進行させることができない。また、温度が１００℃を超えると、バイオマス材料中の水分が蒸発しやすく水分が早くなくなってしまい、大気圧下では自然発火が起きない１６０℃以下の温度環境下での炭化を進行させることができない。したがって、本発明での炭化処理は、上記処理条件の範囲内において、炭化反応が終了するまでの間は水分が存在しており、言い換えれば、水分の存在下で炭化反応が進行する。

上記処理条件での炭化は、バイオマス材料に水分が含まれている間は継続する。継続に必要な含水率（百分率）は、少なくとも５％であればよい。少なくとも５％の含水率の水分が含まれているバイオマス材料は、上記処理条件内で炭化が進行する。

炭化の最終段階では、バイオマス材料中の含水率はおよそ５％以下になるが、本発明での炭化処理では、バイオマス材料の有機成分が１００％炭化した炭化物にはなっていないようにすることもできる。炭化度合いが小さい場合には、バイオマス材料中の含水率はもっと多くてもよく、１０％や２０％等であってもよい。一方、炭化度合いが大きい場合には、バイオマス材料中の含水率は１０％や５％やそれ以下のように小さくなっている。１００％炭化した炭化物とするためには、さらに長期間保持することが好ましく、処理温度と含水率にも依存するが、例えば７週間以上の長期間保持することが好ましい。なお、このときの上限は保持期間の欄で説明したように、含水率、処理温度、保持環境（酸素含有量、水分減少度合い、その他）に影響され、炭化度合いによっては例えば数ヶ月やそれ以上（例えば、６ヶ月、１２ヶ月等）であってもよい。

一方、１００％炭化した炭化物になっていない処理物であっても、バイオマス材料の大幅な減量化又は減容化をもたらすという利点がある。そうした処理物は、含水率の低下によりある程度乾燥して減量化又は減容化し、輸送が容易になる。その結果、他の場所や処理容器内に移動してその後の炭化処理等を再度行うことができる。こうした利点は、バイオマス材料の処理をどのような態様で行うかの全体の処理スキームの中で考えるものではあるが、本発明の炭化処理方法は、そうした全体の処理スキームの中で、非常に柔軟で容易な方法として組み入れることができる。

以上のように、水分を含有するバイオマス材料の炭化は、酸素含有雰囲気下で、１００℃未満という超低温で長期間保持して行うことができる。その結果、乾燥に要する大型設備が不要で大きな電気エネルギーも費やすことなく、低コストでバイオマス材料の炭化を行うことができる。

（処理容器、その他）
処理容器としては、図１に示すように、バイオマス材料１０を、上記温度範囲内に保持する加温装置６と大気開放口（吸気口４，排気口５）とを有する反応容器１を好ましく挙げることができる。こうした反応容器１により、バイオマス材料１０の炭化を安定して行うことができる。

反応容器１は、図１に示すように、容器本体２と蓋３とを有し、さらに外部からの空気又は酸素の吸気口４と排気口５とを有している。この反応容器１は、少なくとも温度を７０℃以上１００℃未満の範囲内に保持でき、空気又は酸素を入排気することができれば、その構造形態は図１に示すものに特に限定されない。容器本体２と蓋３とは、密閉可能であってもよいが、密閉可能でなくても構わない。吸気口４と排気口５の大きさや形状は、反応容器１内に空気や酸素を導入・排出できるものであれば特に限定されない。

反応容器１内には、バイオマス材料１０が収容される。バイオマス材料１０は、そのまま反応容器１内に収容されてもよいし、図１に示すような収容容器１１内に入れた後に反応容器１内に置いてもよい。反応容器１の材質、大きさ、形状等や、収容容器１１の材質、大きさ、形状等は特に限定されず、バイオマス材料１０の処理量や使用態様に応じて任意に設計できる。なお、符号１２は、収容容器１１の台である。

反応容器１は、上記した７０℃以上１００℃未満の温度に加温できる加温装置６が設けられている。加温装置６としては、電気ヒータを用いた加温装置であってもよいし、ボイラー等から供給される蒸気を導入配管した加温装置であってもよいし、他の発熱源からの熱を利用した加温装置であってもよい。

本発明の炭化処理は、種々の応用が可能であり、炭化処理を任意に制御することができる。例えば、水分をバイオマス材料に含ませた後に再度所定温度（７０℃以上１００℃未満）にすることにより、炭化処理を再度進行させることができる。一方、炭化処理を停止する場合は、バイオマス材料に含まれる水分を強制的に少なくすればよい。本発明の炭化処理は、炭化の進行と停止を、処理条件を制御して行うことができるので処理方法として極めて自由度がある。処理条件の制御としては、炭化を停止又は遅くするには、温度を７０℃未満にする、酸素の供給を停止する、温度を１００℃以上に上げて水分を蒸発させて除去する、等の手段で実現できる。一方、炭化を再開するには、温度を７０℃以上１００℃未満に戻す、酸素の供給を再開する、水分を加える、等の手段で実現できる。本発明の炭化処理は、炭化の停止と再開を自在にコントロールできるので、炭化時期を変えたり、炭化場所を変えたり、炭化の前段階の減量化又は減容化したりすることを自在に行うことができる。

［炭化物の製造方法］
本発明に係る炭化物の製造方法は、上記した本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法で行う炭化物の製造方法である。そして、水分を含むバイオマス材料を準備する工程（準備工程）と、水分を強制的に除去又は低減する目的での乾燥工程を経ることなく、準備された前記バイオマス材料を酸素含有雰囲気及び７０℃以上１００℃未満の温度範囲の処理条件で処理する工程（処理工程）と、を有する。

これらの工程は、上記した本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法の説明欄で説明したとおりであるので、再度の説明は省略する。

処理工程で処理された処理物は、バイオマス材料の一部又は全部が炭化されたものである。「一部が炭化される」とは、バイオマス材料の全てが完全に炭（すみ）になるまで炭化されたものではないことをいう。一方、「全てが炭化される」とは、バイオマス材料の全てが完全に炭（すみ）になるまで炭化されることをいう。本発明に係る炭化物の製造方法では、一部炭化する場合も全て炭化する場合のいずれも含むが、一部炭化する場合は、その後に別の方法で完全に炭化させてもよい。別の方法としては、例えば、バイオガス等の再生可能エネルギー等を熱利用するなどして炭化する方法等を挙げることができる。

なお、一部炭化する場合は、１００％炭化した炭化物になっていないが、バイオマス材料の大幅な減量化や減容化を実現でき、その観点からも利点がある。減量化や減容化した処理物は、輸送が容易になり、他の場所や処理容器内に移動してその後の炭化処理等を再度行うことができる。

以下に実験例を示して、本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法についてさらに詳しく説明する。

［実験１］
実験試料として、乳牛舎から採取した乳牛ふん（含水率６０％ｗ．ｂ．，２００ｇ）を試料として用いた。試料を図１に示すステンレス製の収容容器１１に入れ、その収容容器１１を反応容器１内に置き、その反応容器１に蓋３をした。この反応容器１は、空気の吸気口４と排気口５とを備えている。反応容器１には、加温装置６が設けられており、反応容器１内を一定温度に保つことができる。反応容器内の温度を８０℃とし、空気の吸気と排気をオープンにした状態で、６９日間（約１０週間）保持した。

［実験２］
反応容器内の温度を９０℃とし、２１日間（３週間）保持した。それ以外は、実験１と同様にした。

［実験３］
反応容器内の温度を９０℃とし、５２日間（約７．５週間）保持した。それ以外は、実験１と同様にした。

［実験４］
蓋３をせず、反応容器内の温度を８４℃とし、８３日間（約１２週間）保持した。それ以外は、実験１と同様にした。

［実験５］
反応容器内の温度を７０℃とし、１５０日間（５ヶ月）保持した。それ以外は、実験１と同様にした。

［実験６］
反応容器内の温度を９０℃とし、酸素含有雰囲気にならないように反応容器１の吸気口４から窒素を導入し、排気口５から窒素を排気して窒素雰囲気とした。それ以外は、実験１と同様にした。

［実験７］
反応容器内の温度を９０℃とし、含水率が８０％ｗ．ｂ．の乳牛ふんを用いた。それ以外は、実験１と同様にした。

［実験８］
反応容器内の温度を９０℃とし、含水率が４２％ｗ．ｂ．の乳牛ふんを用いた。それ以外は、実験１と同様にした。

［実験９］
反応容器内の温度を９０℃とし、含水率が３３％ｗ．ｂ．の乳牛ふんを用いた。それ以外は、実験１と同様にした。

［測定］
（一酸化炭素の生成速度）
二酸化炭素の生成速度は、ガスクロマトグラフィーで反応容器に入るガスと反応容器から排出するガスのＣＯ_２濃度をそれぞれ測定し、通気の流量Ｆを乗じて生成速度［Ｆ（ＣＯ_２ｉｎ−ＣＯ_２ｏｕｔ）］を計算した。

（酸素消費速度）
酸素消費速度は、ガルバニ電池式酸素センサーで反応容器に入るガスと反応容器から排出するガスのＯ_２濃度をそれぞれ測定し、通気の流量Ｆを乗じて消費速度［Ｆ（Ｏ_２ｉｎ−Ｏ_２ｏｕｔ）］を計算した。

（減量曲線）
減量曲線は、二酸化炭素の発生量から計算した。すなわち、炭化処理開始時と炭化処理終了時の固体質量の差から総固体減量ＴＭを計算した。また、同様に、総二酸化炭素発生量ＴＣＯ_２を求めた後、単位二酸化炭素発生量あたりの固体減量ＴＭ／ＴＣＯ_２を算出した。そして、ΔＣＯ_２×（ＴＭ／ＴＣＯ_２）によって、二酸化炭素発生量（ΔＣＯ_２）あたりの固体減量を計算した。なお、減量曲線は、水分量を除外するために、質量測定前に試料を乾燥させて秤った質量から算出した。

［結果］
図２（Ａ）は処理前の試料（牛ふん）の写真である。図２（Ｂ）は実験４（８４℃、８３日間、蓋なし）の処理後の試料の写真である。図２（Ｃ）は実験２（９０℃、２１日間、蓋あり）の処理後の試料の写真である。図２（Ｄ）は実験３（９０℃、５２日間、蓋あり）の処理後の試料の写真である。この結果より、実験２、３の処理後の試料は、炭化が進んだ黒色に変化していた。一方、実験４の処理後の試料は、蓋がなくて水分が直ぐに蒸発して乾燥してしまったために炭化が進行せず、処理前の試料とほぼ同じであった。また、図３（Ａ）は実験１（８０℃、６９日間、蓋あり）の処理後の試料であり、図３（Ｂ）の実験３（９０℃、５２日間、蓋あり）の処理後の試料よりもさらに炭化が進んだ黒色を呈していた。これらの結果より、１００℃未満の温度で炭化を進行させるには、水の存在が必須であることがわかった。

図４は、実験１（８０℃、６９日間）と実験３（９０℃、５２日間）の炭化処理中におけるバイオマス材料の減量結果である。いずれの場合も日数の経過とともに徐々に減量し、８０℃の場合は６９日経過後に約２１％減量しており、９０℃の場合は５２日経過後に約３２％減量していた。この重量減少は、バイオマス材料に含まれる有機物の炭化によるものと考えられる。

図５は、実験１（８０℃、６９日間）での炭化処理中におけるバイオマス材料の単位質量あたりの二酸化炭素生成速度と酸素消費速度（ＯＵＲ：Oxygen Uptake Rate）とを示すグラフである。図６は、実験３（９０℃、５２日間）での炭化処理中におけるバイオマス材料の単位質量あたりの二酸化炭素生成速度と酸素消費速度（ＯＵＲ）とを示すグラフである。これらの結果より、酸素については空気の組成よりも低濃度であり、二酸化炭素については空気の組成よりも高濃度であることがわかる。また、バイオマス材料の炭化反応によって生じる二酸化炭素生成速度が、酸素消費量と比例的に相関していることから、酸化反応が起こって二酸化炭素が生成し、その生成が盛んなほど酸素消費量が多くなっていることがわかる。こうした相関は、炭化現象が酸素の存在下で進行していることを意味しているので、この炭化処理は、空気（厳密には酸素）の存在が必要であることを示している。このことから、この炭化処理では、空気中の酸素とバイオマス材料との間で酸化反応が起き、それにより二酸化炭素が生成されたと考えられる。

実験５〜実験９では、種々の条件を変えて実験して炭化の有無を目視にて確認した。実験５は７０℃で５ヶ月放置した実験であり、処理後の試料は黒色を呈しており、炭化していることが確認できた。実験６は酸素を排除した実験であり、処理後の試料は処理前の試料と同様であまり変化しておらず、炭化が進行していないことが確認できた。実験７は含水率を８０％とした実験であり、処理後の試料は黒色を呈しており、炭化していることが確認できた。実験８は含水率を４２％とした実験であり、処理後の試料は黒色を呈しており、炭化していることが確認できた。実酸９は含水率を３３％とした実験であり、処理後の試料は処理前の試料と同様であまり変化しておらず、炭化が十分に進行していないことが確認できた。

上記実験５〜９のうち実験６，７，９について、処理後の試料の写真を図７に示す。図７（Ｂ）に示す実験７の写真は黒色を呈して炭化が確認できるが、図７（Ａ）に示す実験６の写真と図７（Ｃ）に示す実験９の写真は黒色になっておらず、炭化が確認できなかった。

以上説明したように、本発明に係るバイオマス材料の超低温炭化処理方法は、バイオマス材料が持つ幾つかの欠点を解消できる。すなわち、（１）乳牛ふん等に代表されるバイオマス材料の多くは、多量に含まれる水分の除去が一番の課題であった。しかし、本発明では、むしろ水の存在が炭化に必要であることから、水分の除去にコストや労力をかける必要がない。（２）一般的な炭の製造方法では、５００℃以上の高温度に加熱して炭化する際、熱分解反応が進み、発生するガスの中に多くのタールが含まれる。そのため、タールを除去するための装置が必要になる等のコストがかかる。しかし、本発明では熱分解反応がほとんど起きておらず、タールの発生を抑制できる。（３）また、本発明では、１００℃未満という超低温での炭化が可能であることから、従来の炭の製造に比べ、外部からの投入エネルギーを大幅に削減できる。さらに、そうした低温度は、バイオガス等の再生エネルギーによってまかなうことも可能である。

１ 反応容器
２ 容器本体
３ 蓋
４ 吸気口
５ 排気口
６ 加温装置
１０ バイオマス材料
１１ 収容容器
１２ 台

Claims (6)

1. 水分を強制的に除去又は低減する目的での乾燥工程を経ることなく、水分を含むバイオマス材料を酸素含有雰囲気及び７０℃以上１００℃未満の温度範囲の処理条件に保持して、前記バイオマス材料を炭化することを特徴とするバイオマス材料の超低温炭化処理方法。
2. 前記バイオマス材料を前記処理条件に保持して炭化を開始する時点での該バイオマス材料の含水率（百分率）は、４０％以上、８０％以下の範囲内である、請求項１に記載のバイオマス材料の超低温炭化処理方法。
3. 前記保持が、２週間以上である、請求項１又は２に記載のバイオマス材料の超低温炭化処理方法。
4. 前記バイオマス材料が、食品廃棄物、家畜排泄物、農産廃棄物、水産廃棄物、林産廃棄物等の廃棄物系バイオマス材料及び植物（栽培作物）系バイオマス材料からから選ばれる１種又は２種以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオマス材料の超低温炭化処理方法。
5. 前記バイオマス材料を、前記処理条件に保持するための大気開放口と温度調節器とを有する容器に収容する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオマス材料の超低温炭化処理方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のバイオマス材料の超低温炭化処理方法で行う炭化物の製造方法であって、水分を含むバイオマス材料を準備する工程と、水分を強制的に除去又は低減する目的での乾燥工程を経ることなく、準備された前記バイオマス材料を酸素含有雰囲気及び７０℃以上１００℃未満の温度範囲の処理条件で処理する工程と、を有することを特徴とする炭化物の製造方法。