WO2011162185A1 - バイオマス炭化装置及びバイオマス炭化方法 - Google Patents

Abstract

　竪型の炭化炉を備え、前記炭化炉の上部からバイオマスを供給して前記炭化炉内にバイオマスの充填移動層を形成し、前記炭化炉の下部から高温ガスを供給し、前記バイオマスを前記高温ガスと接触させ熱分解して炭化物を生成するバイオマス炭化装置において、前記バイオマス炭化装置は、前記炭化炉内の温度を制御する温度制御装置を有し、前記温度制御装置は、前記充填移動層の下部の温度を、前記バイオマスを熱分解してタールを揮発させるタール揮発温度以上、前記バイオマスを熱分解して過剰にガスを発生させるガス発生温度以下の温度範囲に制御するとともに、前記充填移動層の上部の温度を、前記バイオマスを乾燥させる乾燥温度以上、前記タールを凝縮させるタール凝縮温度以下の温度範囲に制御する。

Description

バイオマス炭化装置及びバイオマス炭化方法

　本発明は、バイオマスを炭化して炭化物を得るバイオマス炭化装置及びバイオマス炭化方法に関する。

　地球温暖化の防止対策として、バイオマスエネルギーの有効利用に注目が集まっている。化石資源ではない、再生可能な、生物由来の有機性資源をバイオマスと呼ぶ。バイオマスは太陽エネルギーを使い、水と二酸化炭素から生物が生成するものなので、持続的に再生可能な資源である。バイオマスは有機物であるため、燃焼させると二酸化炭素が排出される。しかし、これに含まれる炭素は、そのバイオマスが成長過程で光合成により大気中から吸収した二酸化炭素に由来するので、バイオマスを使用しても、この成長過程をも含めて全体として見れば大気中の二酸化炭素量を増加させていないと考えてよいとされる。この性質をカーボンニュートラルと呼ぶ。

　特に、バイオマスの中でも植物由来のバイオマスは、植物の成長過程で光合成により二酸化炭素から変換された炭素資源を有効利用できるため、資源のライフサイクルの観点からすると大気中の二酸化炭素の増加につながらない。植物由来のバイオマスは林業系（木屑、製材廃棄物、間伐材、製紙廃棄物等）、農業系（稲わら、麦わら、サトウキビ糠、米糠、草木、アブラヤシ採油残渣等）、廃棄物系（生ごみ、庭木、建築廃材、下水汚泥等）等に分類される。

　近年、バイオマスを熱分解してガス燃料や炭化物を製造することが開発検討されている。バイオマスから製造された炭化物を燃料や製鉄用コークスの代替品として用いることにより、二酸化炭素排出量を削減する効果が期待されている。

　特許文献１には、竪型炉を用いて都市ごみ等の廃棄物を不活性ガス雰囲気下で熱分解処理して炭化物と熱分解ガスを得て、得られた炭化物を石炭やコークスの代替燃料や活性炭の代替材料とする技術が記載されている。特許文献１に記載の熱分解処理用の竪型炉を用いてバイオマスを熱分解して炭化物を得ることができる。

　特許文献１に記載の熱分解処理装置では、竪型炉に廃棄物を投入し、炉内を降下する廃棄物の充填移動層を形成する。炉下部からこの充填移動層内へ加熱ガスを吹き込み、炉内を自重で下降する廃棄物に対して上昇する加熱ガスを向流接触させて加熱することにより、廃棄物が熱分解されて炭化物と熱分解ガスが生成される。

特開２００１－１３１５５７号公報

　しかしながら、バイオマス原料重量に対する生成炭化物重量の比率である炭化物収率を向上させることが要望されている現状にも拘らず、特許文献１に記載の熱分解処理装置を用いて、炭化物収率を向上させることについていまだ提案されていない。

　本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、バイオマスを熱分解して炭化物を高い収率で得ることのできるバイオマス炭化装置及びバイオマス炭化方法を提供することを課題とする。

　本発明者らは、バイオマスを熱分解して炭化物を高い収率で得ることを可能とするプロセスを開発するために鋭意検討を進めた結果、以下の知見を得た。すなわち、バイオマスを熱分解して炭化物を生成する際にタールが生成し、このタールは発生ガスとともに炭化炉から排出されているが、タールを排出させずに炭化炉内で更に炭化物に転化させることにより炭化物を高い収率で得ることができるという知見を得て、上述の課題を解決すべく、炭化物を高い収率で得ることが可能なバイオマス炭化装置、バイオマス炭化方法を見出して本発明を完成した。

　本発明によるバイオマス炭化装置そしてバイオマス炭化方法は、次のごとく構成される。

　＜バイオマス炭化装置＞
　本発明のバイオマス炭化装置は、竪型の炭化炉を備え、前記炭化炉の上部からバイオマスを供給して前記炭化炉内に前記バイオマスの充填移動層を形成し、前記炭化炉の下部から高温ガスを供給し、前記バイオマスを前記高温ガスと接触させ熱分解して炭化物を生成するバイオマス炭化装置において、前記バイオマス炭化装置は、前記炭化炉内の温度を制御する温度制御装置を有し、前記温度制御装置は、前記充填移動層の下部の温度を、前記バイオマスを熱分解してタールを揮発させるタール揮発温度以上、前記バイオマスを熱分解して過剰にガスを発生させるガス発生温度以下の温度範囲に制御するとともに、前記充填移動層の上部の温度を、前記バイオマスを乾燥させる乾燥温度以上、前記タールを凝縮させるタール凝縮温度以下の温度範囲に制御することを特徴としている。

　本発明において、前記温度制御装置は、前記充填移動層の下部の温度を４００℃以上７００℃以下に制御し、前記充填移動層の上部の温度を６０℃以上１６０℃以下に制御することが好ましい。

　また、本発明において、前記温度制御装置は、前記充填移動層の中央高さ部の温度を２００℃以上４００℃以下に制御することが好ましい。

　本発明において、上述の制御を行うために、前記温度制御装置は、前記充填移動層の上部の温度を計測する上部温度計測手段と、前記充填移動層の下部の温度を計測する下部温度計測手段とを備え、計測した充填移動層上部の温度と充填移動層下部の温度とに基づき、これらの温度を所定温度範囲内とするように、前記炭化炉へ供給するバイオマス供給量及び前記炭化炉へ供給する高温ガス供給量のうち少なくとも一方を制御するようにすることができる。

　また、本発明において、前記バイオマス炭化装置は、前記炭化炉から可燃ガスの供給を受けこれを燃焼して燃焼ガスを発生する燃焼炉と、上記燃焼ガスの少なくとも一部を前記高温ガスとして上記炭化炉へ供給する高温ガス供給手段とを、さらに有するようにすることができる。

　＜バイオマス炭化方法＞
　本発明のバイオマス炭化方法は、竪型の炭化炉の上部からバイオマスを供給して前記炭化炉内に前記バイオマスの充填移動層を形成し、前記炭化炉の下部から高温ガスを供給し、前記バイオマスを前記高温ガスと接触させ熱分解して炭化物を生成するバイオマス炭化方法において、前記充填移動層の下部の温度を、前記バイオマスを熱分解してタールを揮発させるタール揮発温度以上、前記バイオマスを熱分解して過剰にガスを発生させるガス発生温度以下の温度範囲に制御するとともに、
　前記充填移動層の上部の温度を、前記バイオマスを乾燥させる乾燥温度以上、前記タールを凝縮させるタール凝縮温度以下の温度範囲に制御することを特徴としている。

　本発明において、前記充填移動層の下部の温度を４００℃以上７００℃以下に制御し、前記充填移動層の上部の温度を６０℃以上１６０℃以下に制御することが好ましい。

　本発明において、前記充填移動層の温度制御は、前記充填移動層の上部の温度と前記充填移動層の下部の温度を計測し、計測した充填移動層上部の温度と充填移動層下部の温度とに基づき、これらの温度を所温度定範囲内とするように、前記炭化炉へ供給するバイオマス供給量及び前記炭化炉へ供給する高温ガス供給量のうち少なくとも一方を制御することにより実行可能である。

　本発明において、燃焼炉にて前記炭化炉から可燃ガスの供給を受けこれを燃焼し燃焼ガスを発生させ、上記燃焼ガスの少なくとも一部を前記高温ガスとして前記炭化炉へ供給することが可能である。

　このような本発明装置そして方法によると、炭化炉の上部から供給されたバイオマスは、炭化炉内で充填移動層を形成し自重で降下しながら、下部から吹き込まれて上昇する高温ガスと接触して加熱される。バイオマスは、充填移動層上部で乾燥予熱され、降下して下部で熱分解され、炭化物が生成してこれが灰分とともに炭化炉下部から排出される。

　充填移動層下部ではバイオマスが高温ガスにより加熱され、熱分解して炭化物とタールとガスが生成される。この生成したタールは、従来は発生ガスとともに炭化炉から排出されていたが、本発明装置そして方法によると、タールを炭化物に転化し、バイオマスからの炭化物収率を向上させる。このタールを炭化物に転化するプロセスの原理を詳述すると次のごとくである。

　（１）充填移動層下部で高温ガスによりバイオマスが加熱されると、熱分解されて炭化物とガス状タールとガスが生成される。この揮発したガス状タールは充填移動層上部へ上昇する。

　（２）充填移動層の上部へ達すると、ガス状タールは冷却されて凝縮して液状タールとなりバイオマスの表面に付着する。

　（３）液状タールが付着したバイオマスは充填移動層下部へ降下する。

　（４）バイオマスに付着した液状タールは充填移動層下部で高温ガスにより加熱され揮発し充填移動層上部へ再び上昇する。

　（５）このような（１）～（４）のプロセスを繰り返し、タールが充填移動層内で上昇と下降を、そして揮発と凝縮を繰り返す過程で、バイオマスの表面に付着したタールは高温ガスにより加熱され次第にタールの熱分解反応や重合反応が進み、タールの一部は炭化物に転化する。生成した炭化物はバイオマスから直接炭化した炭化物とともに、充填移動層をさらに下降して排出される。

　本発明のバイオマス炭化装置は、竪型の炭化炉を備えている。この炭化炉の上部からバイオマスを供給して炭化炉内にバイオマスの充填移動層を形成し、炭化炉の下部から高温ガスを供給し、バイオマスを高温ガスと接触させ熱分解して炭化物を生成する。このようなバイオマス炭化装置は、炭化炉内の温度を制御する温度制御装置を有し、温度制御装置は、充填移動層下部の温度を、バイオマスを熱分解してタールを揮発させるタール揮発温度以上、バイオマスを熱分解して過剰にガスを発生させるガス発生温度以下の温度範囲に制御するとともに、充填移動層上部の温度を、バイオマスを乾燥させる乾燥温度以上、タールを凝縮させるタール凝縮温度以下の温度範囲に制御する。ここで、バイオマスを熱分解して過剰にガスを発生させるガス発生温度とは、乾燥ベースのバイオマスに対するバイオマスから発生するガスの比率が４０重量％程度以上となり、バイオマスから生成される炭化物とガス状タールの比率が低くなる温度をいう。

　このように炭化炉内の温度を制御することにより、炭化炉内で発生するタールの挙動を次のようにすることができる。すなわち、充填移動層下部でバイオマスを熱分解してタールを揮発させガス状タールを発生させ、発生したガス状タールを充填移動層上部へ上昇させ、充填移動層上部で充填移動層下部から上昇したガス状タールを凝縮させバイオマスの表面に付着させ充填移動層下部へ下降させ、充填移動層下部で充填移動層上部から下降したバイオマスに付着しているタールを揮発させガス状タールを発生させ充填移動層上部へ上昇させる。さらに、充填移動層内でタールの上昇と下降を繰り返し、タールの揮発と凝縮を繰り返す過程で、バイオマスの表面に付着したタールは高温ガスにより加熱され次第にタールの熱分解反応や重合反応が進み、タールの一部は炭化物に転化する。このように、タールを炭化物に転化することにより、バイオマスからの炭化物収率を向上させることができる。

　従来のバイオマスの炭化炉では、タールは炭化炉内での発生ガスとともに炭化炉外へ排出されていたが、本発明では、タールを炭化物とすることができるので、バイオマスからの炭化物収率を向上させることができる。また、本発明では、タールを炭化物に転化させるに際し、特別な触媒を使うことなく、また、特別な反応装置を追加することなく、実施することができる。また従来の触媒を用いるタールの炭化物転化反応に比べて比較的低温である７００℃以下で実施することができる。そのため、バイオマスの炭化装置において、タールを炭化物に転化するプロセスを経済的に優位に行うことができる。

　本発明のバイオマス炭化装置及びバイオマス炭化方法にもとづき、バイオマスを所定温度範囲内の温度とするように制御して、充填移動層下部でバイオマスからガス状タールを揮発させ、上部でこれを凝縮して液状タールとし、揮発と凝縮を繰り返す過程で、タールの熱分解反応や重合反応を進ませ、タールの一部を炭化物に転化することによって、バイオマスを熱分解して炭化物を得るとともに生成するタールからも炭化物を得ることとしたので、バイオマスから高い収率で炭化物を得ることができる。

図１は、本発明のバイオマス炭化装置の全体の構成を示す概略図である。 図２は、本発明のバイオマス炭化装置内の反応を説明する図である。 図３は、本発明に係る充填移動層内の温度分布を説明する図である。 図４は、本発明のバイオマス炭化装置の充填移動層炭化炉を示す図である。 図５は、本発明のバイオマス炭化装置の充填移動層炭化炉を示す図である。 図６は、本発明のバイオマス炭化装置の充填移動層炭化炉を示す図である。 図７は、本発明のバイオマス炭化装置の充填移動層炭化炉を示す図である。 図８は、本発明のバイオマス炭化装置の充填移動層炭化炉を示す図である。

　以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態を説明する。

　図１において、符号１０は炭化装置であり、該炭化装置１０は、竪型の炭化炉１１と、これにバイオマスを供給するバイオマス供給装置１２と、炉内で発生するガスを燃焼させる燃焼炉１３と、これらを調整して炭化炉１１内の温度を制御する温度制御装置１６とを備えている。

　炭化炉１１は竪型炉であり、頂部または上部側部にバイオマス供給口１１Ａ、発生ガス排出口１１Ｂが設けられ、そして下端に炭化物排出口１１Ｃが設けられている。炭化炉１１の下部であって、上記炭化物排出口１１Ｃよりも若干上方位置側部に高温ガス送入口１１Ｄが設けられている。

　バイオマス供給装置１２は、上記炭化炉１１のバイオマス供給口１１Ａに接続されていて、炭化炉１１にバイオマスを供給する。バイオマスを所定の供給量で切り出すロータリバルブやスクリューフィーダなどを用いることができる。

　上記バイオマス供給装置１２は、温度制御装置１６からの指令にしたがって所定量ずつ炭化炉１１へバイオマスを供給している。炭化炉１１内にはバイオマスの充填移動層Ｐが形成される。この充填移動層Ｐは、低温の上部でタール凝縮領域Ａ、そして高温の下部でタール揮発領域Ｂを形成する。

　炭化炉１１の発生ガス排出口１１Ｂは、ファン等の送気装置１４を経て燃焼炉１３に接続されている。この燃焼炉１３で、炭化炉１１の発生ガスの一部分が燃焼され、生じた燃焼ガスは、次工程での処理に向け排出されるが、燃焼ガスの一部分が高温ガスとしてダンパ１５を介して、炭化炉１１の下部の高温ガス送入口１１Ｄへ送られるようになっている。

　炭化炉１１には、炉内に形成されたバイオマスの充填移動層Ｐの上部そして下部での温度を計測する上部温度計測手段１７Ａと下部温度計測手段１７Ｂとがそれぞれ設けられている。温度制御装置１６は、これらの上部温度計測手段１７Ａそして下部温度計測手段１７Ｂからの信号を受けて、その信号にもとづき、バイオマス供給装置１２のバイオマス供給量を制御し、そして高温ガス供給量を制御するためにダンパ１５の開度を制御している。

　このように構成される本実施形態装置では、炭化炉１１内は、バイオマス供給口１１Ａからバイオマスがバイオマス供給装置１２により供給されて、充填移動層Ｐが形成されている。燃焼炉１３で生成した燃焼ガスの少なくとも一部である高温ガスが高温ガス送入口１１Ｄへ供給される。バイオマスが充填移動層Ｐの上部から下部へ下降移動する間に上昇する高温ガスとの接触により、まず上部で乾燥・予熱され、下部でさらに加熱され熱分解され、炭化物が生成され底部の炭化物排出口１１Ｃから灰分とともに排出される。

　バイオマスが熱分解する際に生じるタールは、後述する炭化炉１１内でのプロセスで炭化物となり底部の炭化物排出口１１Ｃから排出される。また、熱分解によって生成した可燃ガスを含む発生ガスは発生ガス排出口１１Ｂから送気装置１４により燃焼炉１３に導かれる。

　炭化炉１１でのバイオマスの熱分解・炭化反応においては、ガスも発生する。この発生ガスの主成分は水素、一酸化炭素、メタン等の可燃ガスであり燃料として発熱量をもつことから、この発生ガスを燃焼炉１３に送り、この燃焼炉１３に空気を供給して燃焼して、生じる高温の燃焼ガスの少なくとも一部を炭化炉１１へ供給する高温ガスとして用いる。

　以下、図１に用いられている炭化炉及びこれに接続されている主要装置及びこれらにおけるバイオマスの挙動について詳述する。

　＜炭化炉＞
　本発明における炭化炉の炉形式は竪型炉またはシャフト型炉であり、炭化炉の頂部または側方上部からバイオマスを供給し、炭化炉内に充填移動層を形成し、バイオマスを上部から下部へ下降移動させる間に熱分解し、炭化物を生成する。

　炭化炉の下部または側方下部から、燃焼炉から高温ガスの供給を受け、該高温ガスが炭化炉の充填移動層内を上昇する。充填移動層に高温ガスを流通させることで、降下するバイオマスに高温ガスを接触させて加熱する。供給されたバイオマスは充填移動層の上部で水分を除去され乾燥される。バイオマスが充填移動層の上部から下部に下降する過程で、バイオマスが高温ガスと接触しさらに加熱され熱分解されて炭化物とタールとガスが生成される。

　炭化物は炭化炉の下端または側方下部に設けられた炭化物排出口から排出される。炭化物排出手段としてはスクリューフィーダを用いて炭化物を切り出すようにすることが好ましい。可燃ガスを含む発生ガスが炭化炉の頂部または側方上部に設けられた発生ガス排出口から排出される。

＜充填移動層内でのタールの挙動＞
　図２に見られるように、炭化炉内の充填移動層下部の領域でバイオマスが高温ガスにより加熱され、熱分解して炭化物とタールとガスが生成される。この充填移動層下部の領域を「タール揮発領域」といい、符号Ｂで示す。このタール揮発領域でバイオマスからガス状タールが揮発する。ガス状タールは、上昇する高温ガスと発生ガスに随伴され、充填移動層内を上昇する。充填移動層上部の比較的低い温度領域で、ガス状タールは冷却され、凝縮して液状タールになる。

　この充填移動層上部の領域を「タール凝縮領域」といい、符号Ａで示す。このタール凝縮領域で、ガス状タールは凝縮して液状タールになり、ミスト状をなす。充填移動層上部で液状タールはバイオマスの表面に付着する。そして、タールが付着したバイオマスが充填移動層内を下降する。下降したバイオマスは充填移動層下部のタール揮発領域で加熱され、バイオマス表面に付着したタールが加熱され、ガス状タールが揮発する。ガス状タールは、上昇する高温ガスと発生ガスに随伴され、充填移動層内を上昇し、タール凝縮領域に運ばれる。

　このように、タールが充填移動層内で上昇と下降を繰り返し、揮発と凝縮を繰り返す過程で、バイオマスの表面に付着したタールは高温ガスにより加熱され次第にタールの熱分解反応や重合反応が進み、タールの一部は炭化物に転化する。

　充填移動層におけるタール揮発領域とタール凝縮領域の好ましい範囲を説明する。タール揮発領域とする充填移動層下部領域としては、充填移動層底部の位置を下限とし、充填移動層底部から充填移動層全体高さ寸法の１０％程度から４０％程度上方の位置を上限とする領域とするのが好ましい。

　また、タール凝縮領域とする充填移動層上部領域としては、充填移動層頂部の位置を上限とし、充填移動層頂部から充填移動層全体高さ寸法の３０％程度から５０％程度下方の位置を下限とする領域とするのが好ましい。

＜高温ガスの供給手段＞
　炭化炉で発生した発生ガスは送気装置により燃焼炉に導かれる。燃焼炉に供給された発生ガスは、空気を供給され燃焼して燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスの少なくとも一部が高温ガスとして炭化炉に送られる。

　炭化炉の下部または側方下部に燃焼炉から導いた高温ガスを吹き込むための高温ガス送入口１１Ｄとしてのノズルを設ける。このノズルは複数設け周方向に分布配置することが好ましい。燃焼炉から排出される燃焼ガスの少なくとも一部を高温ガスとして炭化炉へ供給する高温ガス供給ライン、供給量を調整するダンパ１５を設ける。

＜炭化炉内のガス流速＞
　炭化炉に供給された高温ガスは、発生ガスとともに充填移動層内を上昇するが、炭化炉内のガス流速を適切な範囲とすることが好ましい。ガス流速の調整は高温ガスの供給量を調整して行う。ガス流速が大きすぎると充填層を通過するガスの圧力損失が大きすぎるため、送気装置の負荷が大きくなりすぎたり、炭化炉に供給したバイオマスのうち微粒分が炭化炉から排出されるガスに随伴されて炭化炉から排出され、その結果、炭化物収率が低下するという問題が生じる。そのため、ガス流速（線速度）を０．５Ｎｍ／ｓｅｃ未満とするように、高温ガス供給量を調整する。

　一方、ガス流速が小さすぎると、炉内のガス流れを均一にすることが難しくなるため、ガス流速（線速度）を０．０２Ｎｍ／ｓｅｃ以上とするように、高温ガス供給量を調整する。

＜炭化炉の温度＞
　供給する高温ガスの条件（温度、供給量）及び供給するバイオマスの条件（種類、供給量）を調整することにより、炭化炉における充填移動層の温度を好ましい範囲に調整する。なお、本発明において充填移動層の温度とは、充填移動層の構成物質である固体（バイオマス、炭化物）、気体（高温ガス）、液体（タール）の総合的な温度をいい、充填移動層内に設置した熱電対等の温度計測器により測定された測定値を充填移動層の温度としてもよい。

　充填移動層下部の温度を４００℃以上７００℃以下に調整する。温度が下限値４００℃より低いとタールの揮発が十分に進まず、また、バイオマスの炭化も進まず、炭化物収率が低くなる。また、温度が上限値７００℃より高いとバイオマスの熱分解反応がガス発生の多い反応となり生成する炭化物量が低下し炭化物の収率が低下する。また、温度が上限値７００℃より高いと、炉内温度が過剰に高温になるため、炭化炉に耐熱対策を施すことが必要になり、設備費用や運転費用が嵩む。

　充填移動層下部の温度を５００℃程度とすると、バイオマスからのタールの揮発と、炭化物の生成が円滑におこなわれるので、充填移動層下部の温度を５００℃程度とすることが最も好ましい。

　充填移動層上部の温度は６０℃以上１６０℃以下に調整する。温度が下限値６０℃より低いとバイオマスを十分に乾燥することができず、そのためバイオマスの炭化が十分に進まない。また、バイオマスから水分を十分に蒸発できないため、水分が充填移動層から十分に排出されなくなり、充填移動層上部で水分が大量に凝縮し、その結果、発生ガスを充填移動層中を上昇させ、炭化炉から排出させることを円滑に行うことができず、炭化炉内圧力が不安定になり、炭化炉を安定して運転できなくなる。

　また、温度が上限値１６０℃より高いと充填移動層上部でガス状タールの凝縮が十分に行われず、ガス状タールが発生ガスとともに炭化炉から排出されるため、タールから炭化物を生成することができなくなり、炭化物収率が低くなるので好ましくない。

　＜充填移動層内の高さ方向の温度分布＞
　充填移動層内におけるタール凝縮領域Ａとタール揮発領域Ｂのそれぞれの領域範囲（高さ方向範囲）をできるだけ大きくして、タール凝縮とタール揮発とが大きな領域で行なわれるようにすることが好ましい。そのために、充填移動層内での高さ方向の温度分布は、上記それぞれの領域範囲内での高さ方向の温度変化を小さくすることが望ましい。したがって、充填移動層内の温度分布を、図３（Ａ）に示す温度分布のようにすることが好ましい。すなわち、タール凝縮領域Ａとする充填移動層上部での高さ方向の温度変化が少なく、タール揮発領域Ｂとする充填移動層下部での高さ方向の温度変化が少ない温度分布にすることが好ましい。

　図３（Ｂ）のＢ１の温度分布は充填移動層上部での高さ方向の温度変化が大きく、タール凝縮領域が少なく、Ｂ２の温度分布は充填移動層下部での高さ方向の温度変化が大きく、タール揮発領域が少なく、不適である。充填移動層内の高さ方向の温度分布を図３（Ａ）に示す温度分布のようにするためには、充填移動層下部の温度と充填移動層上部の温度を前述のような温度範囲とするとともに、充填移動層の中央高さ部の温度を２００℃以上４００℃以下とすることが好ましい。

　＜温度制御装置＞
　温度制御装置は、充填移動層上部の温度を計測する上部温度計測手段（温度センサ）と、充填移動層下部の温度を計測する下部温度計測手段（温度センサ）とを備え、計測した充填移動層上部の温度と充填移動層下部の温度とに基づき、上部温度と下部温度とを所定範囲とするように、炭化炉へ供給するバイオマス供給量及び炭化炉へ供給する高温ガス供給量のうち少なくとも一つを制御する。

　バイオマス供給量の制御は、バイオマス供給装置によるバイオマス切出量を調整したり、バイオマス供給に用いられるロータリバルブの回転数や供給路に設けられたダンパの開度を調整することにより行われる。

　高温ガス供給量の制御は、高温ガス供給ラインに設けたダンパの開度を調整することにより行われる。

　詳細な温度制御の手順を以下に説明する。

・充填移動層上部の温度が所定範囲より低い場合には、バイオマス供給量を減少、高温ガス供給量を増加のうち少なくとも一つの操作を行う。

・充填移動層上部の温度が所定範囲より高い場合には、バイオマス供給量を増加、高温ガス供給量を減少のうち少なくとも一つの操作を行う。

・充填移動層下部の温度が所定範囲より低い場合には、バイオマス供給量を減少、高温ガス供給量を増加のうち少なくとも一つの操作を行う。

・充填移動層下部の温度が所定範囲より高い場合には、バイオマス供給量を増加、高温ガス供給量を減少のうち少なくとも一つの操作を行う。

＜充填移動層の中央高さ部の温度制御＞
　充填移動層内におけるタール凝縮領域Ａとタール揮発領域Ｂとのそれぞれの領域範囲（高さ方向範囲）をできるだけ大きくして、タール凝縮とタール揮発とが大きな領域で行なわれるようにすることが好ましい。そのために、充填移動層内での高さ方向の温度分布は、上記それぞれの領域範囲内での高さ方向の温度変化を小さくすることが望ましい。したがって、充填移動層内の温度分布を、図３（Ａ）に示す温度分布のようにすることが好ましい。すなわち、タール凝縮領域Ａとする充填移動層上部での高さ方向の温度変化が少なく、タール揮発領域Ｂとする充填移動層下部での高さ方向の温度変化が少ない温度分布にすることが好ましい。

　充填移動層内の高さ方向の温度分布を図３（Ａ）に示す温度分布のようにするためには、充填移動層下部の温度を４００℃以上７００℃以下とし、充填移動層上部の温度を６０℃以上１６０℃以下とするとともに、充填移動層の中央高さ部の温度を２００℃以上４００℃以下とすることが好ましい。充填移動層の中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度の制御について、詳述する。

　充填移動層の中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度の制御について、図４に基づき、具体的に一例を説明する。炭化炉の充填移動層の中央高さ部に温度調整ガス送入口１１Ｅを設ける。温度調整ガスを温度調整ガス送入口１１Ｅから充填移動層の中央高さ部に供給し、充填移動層の中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度を制御する。充填移動層の中央高さ部に温度を計測する温度計測計を設け、測定値に基づき温度調整ガスの成分（酸素濃度）と温度調整ガスの供給量のうち少なくとも一方を調整して温度を制御する。

　充填移動層中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度を低下させる場合には、温度調整ガスとして無酸素又は低酸素濃度（１ｖｏｌ％以下）の低温（例えば２００℃以下）のガスを供給する。無酸素又は低酸素濃度の低温ガスとしては、例えば炭化炉内で発生した発生ガスを冷却塔に導き水スプレーにより直接冷却したガスを用いることができる。

　充填移動層中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度を低下させる場合に、上記とは別の制御方法として、以下の制御方法を用いてもよい。温度調整ガスとして、上記のような無酸素又は低酸素濃度の低温ガスにタールを混合したガスを供給してもよい。ガス中にタールを混合して充填移動層内に供給することにより、温度制御とともにタールを炭化物に転化させ炭化物収率を向上させることもできる。タールを混合した無酸素又は低酸素濃度の低温ガスとしては、例えば炭化炉内で発生した発生ガスを冷却塔に導き水スプレーにより直接冷却したガスに、炭化炉から排出された発生ガスから分離回収されたタールを混合して用いることができる。

　充填移動層中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度を上昇させる場合には、温度調整ガスとして無酸素又は低酸素濃度（１ｖｏｌ％以下）の高温（例えば５００～１０００℃）のガスを供給する。無酸素又は低酸素濃度の高温ガスとしては、例えば炭化炉内で発生した可燃ガスを含む発生ガスを燃焼炉に導いて、可燃ガスに対して空気比１以下となるように空気を供給し、燃焼して生じる５００～１０００℃の高温の燃焼ガスの一部を用いることができる。

　充填移動層中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度を上昇させる場合に、上記とは別の制御方法として、以下の制御方法を用いてもよい。温度調整ガスとして酸素を含むガス、例えば空気を供給する。酸素を含むガスを充填移動層中央高さ部に供給し、炉内で発生したガスの可燃ガスを燃焼してその燃焼熱で充填移動層中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度を上昇させる。酸素を含むガスを供給する場合、充填移動層の中央高さ部より上部の温度が３００℃を超えないように供給量などを制御する。３００℃を超えると充填移動層内のバイオマスや炭化物が燃焼して焼失する反応が顕著になり、炭化物収率が低下するため、これを避ける必要がある。

＜炭化炉の雰囲気＞
　炭化炉内の雰囲気の酸素濃度は1ｖｏｌ％以下にすることが好ましい。雰囲気の酸素濃度が1ｖｏｌ％より高いとバイオマスが燃焼して、熱分解されず炭化物収率が低くなる。炭化炉内の雰囲気の酸素濃度を1ｖｏｌ％以下にするように、炭化炉に供給する高温ガスの酸素濃度を調整する。温度調整ガスを供給する場合には、炉内で発生したガスの可燃ガスの一部を燃焼する場合でも、炭化炉内の雰囲気の酸素濃度を1ｖｏｌ％以下にするように温度調整ガスの酸素濃度や供給量を調整する。

＜炭化炉の充填移動層の高さ＞
　炭化炉の充填移動層の高さ（層高）を所定範囲とすることが好ましい。層高が小さいとガス状タールが充填移動層上部で凝縮するのに十分な領域がないため、充填移動層から吹き抜け、発生ガスに随伴され炭化炉から排出されるので、層高を２ｍ以上とすることが適当である。 層高が大きすぎると充填移動層を通過するガスの圧力損失が大きくなりすぎるので、層高を８ｍ未満とすることが適当である。

＜燃焼炉＞
　炭化炉で発生した可燃ガスを含む発生ガスを燃焼炉に導いて、可燃ガスに対して空気比１以下となるように空気を供給し、燃焼して、生じる５００～１０００℃の高温の燃焼ガスの少なくとも一部を炭化炉に供給する高温ガスとして用いることが好ましい。ここで、空気比とは可燃ガスの燃焼に必要な理論空気量に対する実際に供給する空気量の比率をいう。

＜バイオマス＞
　熱分解して炭化物を生成するバイオマス原料として、木屑、籾殻、アブラヤシ（パームヤシ）からパーム油を採取する際に生じる副生物がある。アブラヤシ果房には直径数ｃｍの小粒の果実が数百個ついており、この果実を脱果した空果房（Empty Fruit Bunch, ＥＦＢ）、アブラヤシ古木（Ｔｒｕｎｋ）、果実から搾油した搾粕（Palm Kernel Shell,ＰＫＳ）が大量に副生され、これらのアブラヤシから得られるバイオマスを炭化物の原料として用いることが好ましい。

＜バイオマスの好ましい比表面積＞
　本発明を適用するバイオマスの特性として、凝縮したタールが付着しやすい特性であることが好ましい。タールが付着しやすい特性として、体積あたりの表面積の比である比表面積がある一定値より大きいことが好ましい。ここで、表面積は幾何学的表面積のことであり、ＢＥＴ法などで測定されるミクロレベルの凹凸まで含まれる表面積ではなく、物体の形状を測定した数値により計算した表面積である。

　バイオマスの比表面積が、ある値より大きいと、バイオマスの表面にタールが付着しやすいため好ましい。具体的には、バイオマスの比表面積（幾何学的表面積／幾何学的体積）が０．５ｍｍ^-１より大きいものが好ましい。例えば、５０×１００ｍｍ程度の大きな木の塊では比表面積が０．１５ｍｍ^-１より小さい値となり、不適である。ＰＫＳは粒径が４ｍｍ程度であり。比表面積が２ｍｍ^-１であり、ＥＦＢは繊維状なので比表面積が３ｍｍ^-１程度であり、それぞれ好ましい比表面積であり、本発明に用いるバイオマスとして好適である。

＜バイオマスの好ましいかさ比重＞
　本発明を適用するバイオマスの特性として、バイオマスのかさ比重が０．１５ｋｇ/ｌ以上であることが好ましい。バイオマスのかさ比重が０．１５ｋｇ/ｌ未満であると、バイオマスが炭化炉の充填移動層を下降せず、炭化物を生成することができない問題が生じる。かさ比重が０．１５ｋｇ/ｌ以上であるバイオマスを炭化炉に供給することが好ましい。

＜炭化炉温度とバイオマス水分率の関係＞
　充填移動層上部に、タール凝縮を行わせる６０～１６０℃程度のタール凝縮領域を存在させるために、バイオマスの含水量がある程度以上であることが好ましい。バイオマスの含水率が１０重量％以上であると、充填移動層上部でバイオマスの水分除去のため高温ガスの熱エネルギーが適度に用いられ、上部の温度を６０～１６０℃程度の温度とすることができるので、好ましい。一方、バイオマスの含水率が５０重量％以上に高すぎるとバイオマスの乾燥のために高温ガスの熱エネルギーが過剰に使われ、バイオマスの熱分解、炭化のための熱エネルギーが不足するため、含水率は５０重量％未満とすることが好ましい。

＜炭化物冷却部を備える炭化炉＞
　炭化炉の下部に炭化物冷却部を備える炭化炉について図５に基づき説明する。

図５に示す形態は、図１の炭化炉に炭化物冷却部と冷却ガス供給手段を設けたものである。炭化炉の充填移動層の高温ガス送入口１１Ｄが設けられた位置より上方の、充填移動層頂部までの範囲を加熱部とし、加熱部の下方に生成した炭化物を冷却する炭化物冷却部を設ける。炭化物冷却部の高さは、加熱部の高さの３０％程度から１００％程度の高さとすることが好ましい。

　炭化物冷却部の上部から炉内ガスを抜き出す炉内ガス排出口１１Ｆと、炭化物冷却部の下部に冷却ガスを送入する冷却ガス送入口１１Ｇとを設ける。炉内ガス排出口１１Ｆから炉内ガスを抜き出し、冷却塔に導き水スプレーにより冷却した冷却ガスを送風機を介し、冷却ガス送入口１１Ｇから炭化物冷却部に供給し、炭化物を冷却する。冷却ガスの温度は２００℃以下とすることが好ましく、１００℃以下とすることがより好ましい。炭化物冷却部を設け、炭化物を冷却することにより、炭化物を炭化物排出口１１Ｃから円滑に排出することができる。

　炭化炉の下部に炭化物冷却部を備える炭化炉の他の例について図６に基づき説明する。

図６に示す形態は、図５の炭化炉が、炭化物冷却部の上部から炉内ガスを抜き出す炉内ガス排出口１１Ｆと、炭化物冷却部の下部に冷却ガスを送入する冷却ガス送入口１１Ｇを設けていることに対して、炉内ガス排出口１１Ｆと冷却ガス送入口１１Ｇの位置が相違する。すなわち、図６の炭化炉は、炭化物冷却部の下部から炉内ガスを抜き出す炉内ガス排出口１１Ｆと、炭化物冷却部の上部に冷却ガスを送入する冷却ガス送入口１１Ｇとを設ける。炉内ガス排出口１１Ｆから炉内ガスを抜き出し、冷却塔に導き水スプレーにより冷却した冷却ガスを送風機を介し、冷却ガス送入口１１Ｇから炭化物冷却部に供給し、炭化物を冷却する。冷却ガスの温度は２００℃以下とすることが好ましく、１００℃以下とすることがより好ましい。炭化物冷却部を設け、炭化物を冷却することにより、炭化物を炭化物排出口１１Ｃから円滑に排出することができる。

　バイオマスが小粒径であって、生成する炭化物が小粒径の場合には、図６に示す炭化炉のように、炭化物冷却部に冷却ガスを、炭化物冷却部の上方に設けた冷却ガス送入口１１Ｇから供給し、冷却ガスを炭化物冷却部内を下降する方向に流通させることにより、炭化物排出口の圧力を低くすることができ、小粒径の炭化物を円滑に排出することができる。

＜炭化物冷却部を備える炭化炉における充填移動層の中央高さ部の温度制御＞
　充填移動層内におけるタール凝縮領域Ａとタール揮発領域Ｂとのそれぞれの領域範囲（高さ方向範囲）をできるだけ大きくして、タール凝縮とタール揮発とが大きな領域で行なわれるようにすることが好ましい。そのために、充填移動層内での高さ方向の温度分布は、上記それぞれの領域範囲内での高さ方向の温度変化を小さくすることが望ましい。したがって、充填移動層内の温度分布を、図３（Ａ）に示す温度分布のようにすることが好ましい。すなわち、タール凝縮領域Ａとする充填移動層上部での高さ方向の温度変化が少なく、タール揮発領域Ｂとする充填移動層下部での高さ方向の温度変化が少ない温度分布にすることが好ましい。

　充填移動層内の高さ方向の温度分布を図３（Ａ）に示す温度分布のようにするためには、充填移動層下部の温度を４００℃以上７００℃以下とし、充填移動層上部の温度を６０℃以上１６０℃以下とするとともに、充填移動層の中央高さ部の温度を２００℃以上４００℃以下とすることが好ましい。

　炭化物冷却部を備える炭化炉において、充填移動層の中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度の制御について、詳述する。

　炭化物冷却部を備える炭化炉における充填移動層の中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度の制御について、図７に基づき、具体的に一例を説明する。

　図７に示す形態は、図５の炭化物冷却部を備える炭化炉に、充填移動層の中央高さ部の温度制御手段をさらに設けるものである。炭化炉の充填移動層の中央高さ部（加熱部の中央高さ部）に温度調整ガス送入口１１Ｅを設ける。炭化物冷却部の炉内ガス排出口１１Ｆから炉内ガスを抜き出し、冷却塔に導き水スプレーにより冷却した冷却ガスを送風機を介し、冷却ガス送入口１１Ｇから炭化物冷却部に供給するとともに、冷却ガスの一部を温度調整ガスとして温度調整ガス送入口１１Ｅから充填移動層の中央高さ部に供給し、充填移動層の中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度を低下させるように制御する。

　炭化物冷却部を備える炭化炉における充填移動層の中央高さ部及び中央高さ部より上部の温度の制御の他の例について図８に基づき説明する。

　図８に示す形態は、図７の炭化炉が、炭化物冷却部の上部から炉内ガスを抜き出す炉内ガス排出口１１Ｆと、炭化物冷却部の下部に冷却ガスを送入する冷却ガス送入口１１Ｇを設けていることに対して、炉内ガス排出口１１Ｆと冷却ガス送入口１１Ｇの位置が相違する。すなわち、図８の炭化炉は、炭化物冷却部の下部から炉内ガスを抜き出す炉内ガス排出口１１Ｆと、炭化物冷却部の上部に冷却ガスを送入する冷却ガス送入口１１Ｇとを設ける点が、図７の炭化炉と相違し、他の構成は同じであり、説明を省略する。

　バイオマスが小粒径であって、生成する炭化物が小粒径の場合には、図８に示す炭化炉のように、炭化物冷却部に冷却ガスを、炭化物冷却部の上方に設けた冷却ガス送入口１１Ｇから供給し、冷却ガスを炭化物冷却部内を下降する方向に流通させることにより、炭化物排出口の圧力を低くすることができ、小粒径の炭化物を円滑に排出することができる。

　［実施例１］
　図１に示すバイオマス炭化装置を用いて、炭化物生成試験を実施した。炭化炉は竪型円筒状で内径は１ｍであり、充填移動層の高さは５ｍである。炭化炉にバイオマスとしてスギ細粒（粒径４～５ｍｍ程度で、幾何学的表面積／幾何学的体積は１．５ｍｍ^－１ 程度、水分率１５重量％）を１０ｋｇ／時間の供給量で供給し、炭化炉に高温ガスを０．２Ｎｍ^３／ｓｅｃの供給量で供給し、充填移動層上部の温度を６０℃に、充填移動層下部の温度を５００℃に調整し、炭化物を生成した。

　充填移動層下部でタールの揮発が行われ、充填移動層上部でタールの凝縮が行われ、バイオマスから発生するタールをも炭化物とすることができ、炭化物収率は３７重量％であり、後述する比較例に比べて炭化物収率を向上させることができた。炭化物中の固定炭素は７８重量％であり、炭化物の品質上も優れたものを得ることができた。

［実施例２］
　実施例１と同様のバイオマス炭化装置とバイオマスとを用い、バイオマス供給量を同様にし、高温ガス供給量を調整して充填移動層上部の温度を１６０℃に、充填移動層下部の温度を５００℃に調整して、炭化物を生成した。

　充填移動層上部の温度を１６０℃に調整した場合にも、充填移動層下部でタールの揮発が行われ、充填移動層上部でタールの凝縮が行われ、バイオマスから発生するタールをも炭化物とすることができ、炭化物収率は３５重量％であり、高い収率であった。

　［比較例１］
　実施例１と同様のバイオマス炭化装置とバイオマスとを用い、バイオマス供給量を同様にし、高温ガス供給量を調整して充填移動層上部の温度を１７０℃に、充填移動層下部の温度を５００℃に調整して、炭化物を生成した。

　充填移動層上部でタールが凝縮せず、ガス状タールのまま炭化炉から排出された。炭化物収率は２９重量％であり、低い収率であった。

［比較例２］
　実施例１と同様のバイオマス炭化装置とバイオマスとを用い、バイオマス供給量を同様にし、高温ガス供給量を調整して充填移動層上部の温度を５０℃に、充填移動層下部の温度を５００℃に調整して、炭化物を生成した。

　充填移動層上部で水分が大量に凝縮し、充填移動層内の炉内発生ガスの流通が阻害され、炭化炉内圧力が不安定となり、炭化炉を安定して運転できなくなった。

　１０…バイオマス炭化装置、１１…炭化炉、１１Ｄ…高温ガス送入口、１３…燃焼炉、１６…温度制御装置、１７Ａ…上部温度計測手段、１７Ｂ…下部温度計測手段。

Claims (9)

1. 　竪型の炭化炉を備え、前記炭化炉の上部からバイオマスを供給して前記炭化炉内にバイオマスの充填移動層を形成し、前記炭化炉の下部から高温ガスを供給し、前記バイオマスを前記高温ガスと接触させ熱分解して炭化物を生成するバイオマス炭化装置において、
   　前記バイオマス炭化装置は、前記炭化炉内の温度を制御する温度制御装置を有し、
   　前記温度制御装置は、前記充填移動層の下部の温度を、前記バイオマスを熱分解してタールを揮発させるタール揮発温度以上、前記バイオマスを熱分解して過剰にガスを発生させるガス発生温度以下の温度範囲に制御するとともに、
   　前記充填移動層の上部の温度を、前記バイオマスを乾燥させる乾燥温度以上、前記タールを凝縮させるタール凝縮温度以下の温度範囲に制御することを特徴とするバイオマス炭化装置。
2. 　前記温度制御装置は、前記充填移動層の下部の温度を４００℃以上７００℃以下に制御し、前記充填移動層の上部の温度を６０℃以上１６０℃以下に制御することを特徴とする請求項１に記載のバイオマス炭化装置。
3. 　前記温度制御装置は、前記充填移動層の中央高さ部の温度を２００℃以上４００℃以下に制御することを特徴とする請求項２に記載のバイオマス炭化装置。
4. 　前記温度制御装置は、
   　前記充填移動層の上部の温度を計測する上部温度計測手段と、
   　前記充填移動層の下部の温度を計測する下部温度計測手段とを備え、
   　計測した充填移動層上部の温度と充填移動層下部の温度とに基づき、これらの温度を所定温度範囲内とするように、前記炭化炉へ供給するバイオマス供給量及び前記炭化炉へ供給する高温ガス供給量のうち少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載のバイオマス炭化装置。
5. 　バイオマス炭化装置は、前記炭化炉から可燃ガスの供給を受けこれを燃焼して燃焼ガスを発生する燃焼炉と、上記燃焼ガスの少なくとも一部を前記高温ガスとして上記炭化炉へ供給する高温ガス供給手段とを、さらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載のバイオマス炭化装置。
6. 　竪型の炭化炉の上部からバイオマスを供給して前記炭化炉内に前記バイオマスの充填移動層を形成し、前記炭化炉の下部から高温ガスを供給し、前記バイオマスを前記高温ガスと接触させ熱分解して炭化物を生成するバイオマス炭化方法において、
   　前記充填移動層の下部の温度を、前記バイオマスを熱分解してタールを揮発させるタール揮発温度以上、前記バイオマスを熱分解して過剰にガスを発生させるガス発生温度以下の温度範囲に制御するとともに、
   　前記充填移動層の上部の温度を、前記バイオマスを乾燥させる乾燥温度以上、前記タールを凝縮させるタール凝縮温度以下の温度範囲に制御することを特徴とするバイオマス炭化方法。
7. 　前記充填移動層の下部の温度を４００℃以上７００℃以下に制御し、前記充填移動層の上部の温度を６０℃以上１６０℃以下に制御することを特徴とする請求項６に記載のバイオマス炭化方法。
8. 　前記充填移動層の上部の温度と前記充填移動層の下部の温度を計測し、計測した充填移動層上部の温度と充填移動層下部の温度とに基づき、これらの温度を所温度定範囲内とするように、前記炭化炉へ供給するバイオマス供給量及び前記炭化炉へ供給する高温ガス供給量のうち少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のバイオマス炭化方法。
9. 　燃焼炉にて前記炭化炉から可燃ガスの供給を受けこれを燃焼し燃焼ガスを発生させ、上記燃焼ガスの少なくとも一部を前記高温ガスとして前記炭化炉へ供給することを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか一つに記載のバイオマス炭化方法。

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