WO2017179603A1 - 改質バイオマスの製造方法 - Google Patents

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WO2017179603A1
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slurry
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cake
mixing
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孝浩 清水
卓夫 重久
眞基 濱口
直樹 菊池
敦志 古谷
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株式会社神戸製鋼所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/40—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing modified biomass.
  • biomass was originally translated as “biomass” in the field of biology. However, it is now used as a term that means a wide range of concepts such as foods, materials, and fuels that are made of biological materials, beyond the boundaries of biology.
  • This biomass has some established methods of use, such as rice bran and charcoal, but some of the industrial wastes are being investigated.
  • agricultural biomass wastes include coconut husks, rice husks, corn cores and empty fruit bunches of processed residues, wood chip dust and pruned branches in forestry, livestock excrement in livestock, and intestines from fish processing in fishery And bones.
  • raw garbage, sewage sludge, and the like are also considered as biomass, and these are in the stage where processing methods are being studied.
  • biomass In order to treat these biomasses, cost reduction is an essential requirement, but in addition to this, a treatment method that can be reused as a resource such as fuel is desired.
  • biomass generally contains a large amount of water, which is inconvenient when used as fuel. Therefore, in order to use biomass as a fuel, it is necessary to remove (dry) this moisture first.
  • the present invention has been made based on the circumstances as described above, and an object thereof is to provide a method for producing a modified biomass that is obtained at a relatively low cost from a plant-derived biomass fuel that is excellent in strength and that can suppress moisture absorption. To do.
  • the present inventors have renewed a cake obtained by heating dehydration and solid-liquid separation of a slurry in which plant-derived biomass is mixed with solvent oil, so that the strength is excellent and hygroscopicity can be suppressed.
  • the present inventors have found that dehydrated biomass can be obtained at a relatively low cost.
  • the invention made in order to solve the above-mentioned problems heats the slurry obtained in the pulverization step of pulverizing the plant-derived biomass, the mixing step of mixing the pulverized plant-derived biomass and the solvent oil, and the mixing step.
  • a method for producing modified biomass comprising an agglomeration step for agglomerating the obtained dehydrated biomass.
  • the cake obtained by heating dehydration and solid-liquid separation of the slurry in which the biomass is mixed with the solvent oil is reheated, thereby reducing moisture and improving strength and suppressing hygroscopicity.
  • Dehydrated biomass can be obtained at a relatively low cost. The reason for this is not clear, but it is considered that residual moisture can be removed relatively easily and pores due to dehydration are not easily formed on the biomass surface by making the slurry into cake and separating the oil, followed by heat dehydration. It is done.
  • the biomass production method includes the step of agglomerating the dehydrated biomass obtained in this way, it is possible to obtain a modified biomass suitable as a fuel that is further suppressed in hygroscopicity and excellent in handling properties. .
  • the agglomeration process may be performed hot. By performing the agglomeration process hot, the strength of the reformed biomass that has been molded can be further increased.
  • coal may be further mixed with the plant-derived biomass and solvent oil.
  • strength of the reformed biomass obtained can further be raised by mixing coal with biomass.
  • the calorific value of the modified biomass can also be improved.
  • the moisture content of the cake obtained in the solid-liquid separation step is preferably 1% by mass to 10% by mass, and the oil content is preferably 10% by mass to 70% by mass.
  • the “moisture content” is a value obtained by W1 / (W1 + W0) ⁇ 100 when the mass of water contained in the object is W1 and the dry mass of the object is W0, and the “oil content” Is a value determined by W2 / (W2 + W0) ⁇ 100, where W2 is the mass of oil contained in the object.
  • a plant-derived biomass fuel that is excellent in strength and can suppress moisture absorption can be obtained at a relatively low cost by using the method for producing a modified biomass of the present invention. That is, the method for producing modified biomass of the present invention can reform plant-derived biomass into a fuel having excellent handling properties at low cost.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an apparatus for carrying out a method for producing modified biomass according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an apparatus for carrying out the method for producing reformed biomass according to an embodiment different from FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing specific intensities of Examples and Comparative Examples.
  • FIG. 4 is a graph showing the change over time in the moisture content of the examples and comparative examples.
  • the manufacturing method of the modified biomass of the first embodiment includes a pulverization step for pulverizing plant-derived biomass, a mixing step for mixing the pulverized plant-derived biomass and solvent oil, and a slurry for heating the slurry obtained in the mixing step. Obtained in a heating step, a solid-liquid separation step for solid-liquid separation of the solvent oil from the dehydrated slurry after the slurry heating step, a cake heating step for heating the cake obtained in the solid-liquid separation step, and the cake heating step And agglomeration step for agglomerating the dehydrated biomass.
  • the modified biomass production apparatus includes a biomass pulverization unit 1, a mixing unit 2, a slurry heating unit 3, a solid-liquid separation unit 4, a cake heating unit 5, and an agglomeration unit 6.
  • the biomass pulverization unit 1 includes a pulverizer for pulverizing the plant-derived biomass A.
  • Plant-derived biomass used as raw materials includes agricultural and forestry waste.
  • the plant-derived biomass used in the method for producing modified biomass typically contains cellulose, hemicellulose, and lignin as main components.
  • the method for producing the modified biomass is suitably effective for plant-derived biomass having a moisture content of 20% by mass to 90% by mass.
  • the upper limit of the maximum particle size of the raw material biomass before pulverization is not particularly limited, but is, for example, 500 mm from the viewpoint of ease of charging into the pulverizer.
  • the upper limit of the maximum particle size of the biomass after pulverization is preferably 3 mm, more preferably 2 mm, and even more preferably 1 mm. Moreover, as a minimum of the ratio of the particle
  • the proportion of particles having a particle size of 0.5 mm or less can be measured using the screening test method described in JIS-Z-8815: 1994. Specifically, the proportion of particles having a particle diameter of 0.5 mm or less can be determined from the total mass of biomass screened and the mass of biomass under the sieve by performing classification using a sieve having an opening of 0.5 mm. .
  • the mixing unit 2 includes a mixing tank for mixing pulverized biomass and solvent oil, a stirrer attached to the mixing tank, and the like.
  • the solvent oil include kerosene, light oil, and heavy oil, and a mixed oil of these may be used.
  • the boiling point of the solvent oil is preferably 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower from the viewpoint of heat dehydration.
  • the lower limit of the mixing mass ratio of solvent oil to pulverized biomass is preferably 200%, more preferably 300%.
  • the upper limit of the mixing mass ratio of the solvent oil is preferably 1000%. If the mixing mass ratio of the solvent oil is smaller than the lower limit, slurrying may be insufficient. Conversely, if the mixing mass ratio of the solvent oil exceeds the upper limit, the solvent oil separation cost of the slurry may increase.
  • the slurry heating unit 3 includes a preheater for preheating the slurry obtained in the mixing unit 2, an evaporator for raising the temperature of the preheated slurry, and the like.
  • a dehydration method by the slurry heating unit 3 an in-oil dehydration method is used.
  • this dehydration method in oil the water removal rate can be increased and the energy required for dehydration can be greatly reduced as compared with the air flow drying method.
  • the energy efficiency of the whole manufacturing method can be improved by collect
  • the water in the biomass is removed by evaporating the slurry by pressurizing and heating the slurry, for example, at a pressure of 0.2 MPa to 0.5 MPa and a temperature of 120 ° C. to 160 ° C. To do. At this time, water contained in the biomass in the slurry is discharged as drainage D from the evaporator.
  • the solid-liquid separator 4 includes a solid-liquid separator.
  • a centrifugal separator that separates a dehydrated slurry into a cake and solvent oil by a centrifugal separation method can be used.
  • the solvent oil separated and recovered from the dewatered slurry is returned to the mixing unit 2 as the circulating oil C.
  • the solvent oil returned to the mixing unit 2 is reused for preparing the slurry in the mixing unit 2.
  • the lower limit of the moisture content of the cake obtained by solid-liquid separation in this solid-liquid separation step is preferably 1% by mass, more preferably 3% by mass, and further preferably 5% by mass.
  • the upper limit of the moisture content of the cake is preferably 10% by mass, more preferably 7% by mass, and even more preferably 6% by mass. If the moisture content of the cake is smaller than the lower limit, the heating cost in the previous slurry heating step may be excessively high, or the solid-liquid separation in this step may not be easy. On the other hand, when the moisture content of the cake exceeds the upper limit, moisture removal in the next cake heating step may be insufficient.
  • the lower limit of the oil content of the cake obtained by solid-liquid separation in this solid-liquid separation step is preferably 10% by mass, more preferably 20% by mass, and even more preferably 30% by mass.
  • the upper limit of the oil content of the cake is preferably 70% by mass, more preferably 50% by mass, and still more preferably 40% by mass. If the oil content of the cake is smaller than the lower limit, solid-liquid separation in this step may not be easy. Conversely, if the oil content of the cake exceeds the upper limit, the water removal efficiency in the next cake heating step may be reduced, or the hygroscopicity of the biomass after dehydration may be insufficiently suppressed.
  • the cake heating unit 5 obtains powdered dehydrated biomass by drying the cake obtained in the solid-liquid separation step by heating.
  • the cake heating unit 5 includes a dryer, a gas cooler, and the like.
  • the dryer include a rotary kiln, a band dryer, and the like in addition to a steam tube dryer in which a plurality of steam tubes for heating are arranged on the drum inner surface in the axial direction. What can heat is preferable.
  • the water and oil in the cake are evaporated. Of this, the evaporated water is discharged as drainage D.
  • the evaporated solvent oil is transferred from the dryer to the gas cooler by a carrier gas.
  • the solvent oil transferred to the gas cooler is condensed and recovered in the gas cooler and returned to the mixing unit 2 as the circulating oil C.
  • the heating temperature may be not less than the temperature at which moisture and solvent oil evaporate, and can be, for example, 150 ° C. or more and 300 ° C. or less. Further, the heating is preferably performed in a nitrogen atmosphere.
  • the upper limit of the moisture content of dehydrated biomass is preferably 3% by mass, more preferably 2% by mass, and even more preferably 0% by mass.
  • the strength of the obtained modified biomass may be insufficient.
  • the upper limit of the oil content of dehydrated biomass is preferably 3% by mass, more preferably 2% by mass, and even more preferably 1% by mass.
  • the strength of the obtained modified biomass may be insufficient.
  • the manufacturing cost may increase.
  • the dehydrated biomass obtained in the cake heating step is agglomerated to obtain modified biomass E.
  • the shape of the apparatus used for this agglomeration and the agglomerate thereof is not particularly limited.
  • a stick or the like by extrusion molding using an extrusion molding machine can be employed.
  • This agglomeration process may be performed hot. By performing the agglomeration process hot, the strength of the reformed biomass that has been molded can be further increased.
  • the upper limit of the hot temperature is preferably 250 ° C, more preferably 150 ° C, and still more preferably 100 ° C. If the hot temperature is smaller than the lower limit, the effect of improving the strength of the molded reformed biomass may be insufficient. On the other hand, when the hot temperature exceeds the upper limit, the production cost increases excessively as compared with the strength improvement effect of the molded reformed biomass, and thus the production efficiency may be reduced.
  • average mass and average volume of one modified biomass are not particularly limited.
  • the cake obtained by heating dehydration and solid-liquid separation of the slurry in which the biomass is mixed with the solvent oil is reheated, thereby reducing moisture and improving strength and suppressing hygroscopicity.
  • Dehydrated biomass can be obtained at a relatively low cost.
  • the biomass production method includes the step of agglomerating the dehydrated biomass obtained in this way, it is possible to obtain a modified biomass suitable as a fuel that is further suppressed in hygroscopicity and excellent in handling properties. .
  • the method for producing modified biomass according to the second embodiment includes a pulverization step of pulverizing plant-derived biomass, a mixing step of mixing the pulverized plant-derived biomass, coal, and solvent oil, and heating the slurry obtained in the mixing step.
  • agglomeration step for agglomerating the dehydrated biomass obtained in the above.
  • the modified biomass production apparatus includes a biomass pulverization unit 1, a mixing unit 2, a slurry heating unit 3, a solid-liquid separation unit 4, a cake heating unit 5, and an agglomeration unit 6.
  • a biomass pulverization unit 1 a biomass pulverization unit 1
  • a mixing unit 2 a slurry heating unit 3
  • a solid-liquid separation unit 4 a cake heating unit 5
  • symbol is attached
  • the plant-derived biomass A and coal X are pulverized to obtain pulverized biomass and pulverized coal.
  • the coal X is not particularly limited, but it is preferable to use low grade coal.
  • low-grade coal By using low-grade coal as coal to be mixed with biomass, reforming of low-grade coal can be achieved simultaneously.
  • Low-grade coal means carbon content based on anhydrous ashless coal that is 75% by mass or less and contains 20% by mass or more of water.
  • Examples of the low-grade coal include brown coals such as Victoria coal, North Dakota coal, and Belga coal; sub-bituminous coals such as West Banco coal, Vinungan coal, and Saramangau coal.
  • the upper limit of the maximum particle diameter of coal after pulverization is preferably 3 mm, more preferably 2 mm, and even more preferably 1 mm. Moreover, as a minimum of the ratio of the particle
  • the pulverized plant-derived biomass A and coal X and solvent oil B are mixed in the same mixing unit 2 as in the first embodiment to obtain a slurry.
  • the coal X may be pulverized in a separate process from the biomass A (equipment other than the biomass pulverization unit 1) and supplied to the mixing unit 2. Further, depending on the particle size of the coal X, pulverization may be omitted.
  • the solvent oil can be the same as in the first embodiment.
  • the mixing mass ratio of coal to pulverized biomass is not particularly limited, but the lower limit is preferably 50% and more preferably 80%.
  • the upper limit of the mixing mass ratio of the coal is preferably 150%, and more preferably 100%. If the mixing mass ratio of the coal is smaller than the lower limit, the effect of improving the strength of the reformed biomass may be insufficient. On the contrary, when the mixing mass ratio of the coal exceeds the upper limit, the utilization efficiency of biomass may be reduced.
  • the lower limit of the mixing mass ratio of solvent oil to the total of pulverized biomass and coal is preferably 200%, more preferably 300%.
  • the upper limit of the mixing mass ratio of the solvent oil is preferably 1000%. If the mixing mass ratio of the solvent oil is smaller than the lower limit, slurrying may be insufficient. Conversely, if the mixing mass ratio of the solvent oil exceeds the upper limit, the solvent oil separation cost of the slurry may increase.
  • the slurry heating step the slurry containing biomass and coal obtained in the mixing step is dehydrated by heating in the same slurry heating unit 3 as in the first embodiment to obtain a dehydrated slurry.
  • the same in-oil dehydration method as in the first embodiment is used.
  • moisture contained in the biomass and coal in the slurry is discharged as drainage D.
  • solvent oil is solid-liquid separated from the dehydrated slurry after the slurry heating step to obtain a mud cake.
  • This cake contains biomass and coal.
  • the solvent oil separated and recovered from the dewatered slurry is returned to the mixing unit 2 as the circulating oil C.
  • the water content and oil content of the cake obtained by solid-liquid separation are the same as in the first embodiment.
  • the cake heating step in the cake heating unit 5 similar to the first embodiment, the cake obtained in the solid-liquid separation step is dried by heating to obtain powdered dehydrated biomass.
  • This dehydrated biomass contains powdered coal modified by dehydration.
  • the heating temperature in this step is the same as that in the first embodiment. Further, the solvent oil recovered by the cake heating unit 5 is returned to the mixing unit 2 as the circulating oil C.
  • the water content and oil content of dehydrated biomass can be the same as in the first embodiment.
  • ⁇ Agglomeration process> dehydrated biomass containing the reformed coal obtained in the cake heating step is agglomerated in the agglomeration unit 6 similar to that in the first embodiment to obtain the reformed biomass E.
  • the modified biomass E is a mixture of modified biomass and coal.
  • the manufacturing method of the said modified biomass can further raise the intensity
  • the manufacturing method of the said modified biomass is not limited to the said embodiment.
  • the solvent oil separated in the solid-liquid separation step or the cake heating step may not necessarily be reused (circulated) in the mixing step.
  • a process of oxidizing (aging) the reformed biomass containing the reformed coal may be performed after the agglomeration process in order to reduce spontaneous ignition.
  • Example 1 Corn cores having a water content of 75% by mass were pulverized to a particle size of 1 mm or less, and kerosene was mixed with the pulverized corn so as to have a mass ratio of 1: 4. This slurry was dehydrated by heating at a pressure of 0.3 MPa and a temperature of 147 ° C. Thereafter, the dehydrated slurry was subjected to solid-liquid separation into kerosene and cake (ground corn containing kerosene) by centrifugation. Further, this cake was heated in nitrogen at 200 ° C. to evaporate kerosene, thereby obtaining dehydrated biomass.
  • This dehydrated biomass was agglomerated into a disk shape having a diameter of 30 mm and a thickness of 8 mm by compression molding to obtain an agglomerated product as modified biomass.
  • This agglomeration was a cold agglomeration at 25 ° C.
  • Example 2 A corn core having a moisture content of 75% by mass and a coal having a moisture content of 60% by mass are each pulverized to a particle size of 1 mm or less and mixed at a mass ratio of 50:50. Was mixed to form a slurry. This slurry was dehydrated by heating at a pressure of 0.3 MPa and a temperature of 147 ° C. Thereafter, the dehydrated slurry was subjected to solid-liquid separation by centrifugation into kerosene and cake (ground corn and coal containing kerosene). Further, this cake was heated in nitrogen at 200 ° C. to evaporate kerosene, thereby obtaining dehydrated biomass.
  • This dehydrated biomass was agglomerated into a disk shape having a diameter of 30 mm and a thickness of 8 mm by compression molding to obtain an agglomerated product as modified biomass.
  • This agglomeration was a cold agglomeration at 25 ° C.
  • Example 3 Except that the agglomeration in Example 1 was hot agglomeration at 70 ° C., an agglomerate as modified biomass was obtained in the same manner as in Example 1.
  • a corn core having a water content of 75% by mass was pulverized to a particle size of 1 mm or less and air-dried at a temperature of 107 ° C. for 2 hours to obtain a dried biomass.
  • This dried biomass was agglomerated into a disk shape having a diameter of 30 mm and a thickness of 8 mm by compression molding to obtain an agglomerate.
  • This agglomeration was a cold agglomeration at 25 ° C.
  • the crushing strength was measured with a crushing strength meter at the time of fracture when a compressive load was applied. The result is shown in FIG.
  • the change with time of the moisture content was measured by changing the moisture content when the agglomerate was dried until the moisture content became 0% by mass and allowed to stand at room temperature and a humidity of 75% RH. The result is shown in FIG.
  • Examples 1 to 3 have better crushing strength than Comparative Example 1. Further, as shown in FIG. 4, Example 1 and Example 2 are less hygroscopic than Comparative Example 1. In other words, it is understood that dehydrated biomass with excellent strength and reduced hygroscopicity can be obtained by reheating the cake obtained by heating dehydration and solid-liquid separation of a slurry obtained by mixing plant-derived biomass with solvent oil. .
  • Example 3 which performed hot agglomeration is more excellent in crushing strength than Example 1 which performed cold agglomeration. That is, it turns out that the intensity
  • the method for producing a modified biomass of the present invention provides a plant-derived biomass fuel that is excellent in strength and can suppress moisture absorption at a relatively low cost. That is, plant-derived biomass can be reformed at low cost into a fuel excellent in handling properties. Such reformed biomass can be suitably used as a fuel for a thermal power plant, for example.

Abstract

植物由来バイオマスを粉砕する粉砕工程と、粉砕した植物由来バイオマス及び溶媒油を混合する混合工程と、混合工程で得られるスラリーを加熱するスラリー加熱工程と、スラリー加熱工程後の脱水スラリーから溶媒油を固液分離する固液分離工程と、固液分離工程で得られるケーキを加熱するケーキ加熱工程と、ケーキ加熱工程で得られる脱水バイオマスを塊成する塊成工程とを備える。

Description

改質バイオマスの製造方法
本発明は、改質バイオマスの製造方法に関する。
　「バイオマス」という語は、本来、生物学分野において「生物量」等と訳されていた。しかし、現在では生物学分野の垣根を越えて、生物起源の物質からなる食料、資材、燃料など広い概念を意味する語として用いられている。
　このバイオマスは、米糠や木炭などのように利用方法が確立しているものもあるが、産業に伴う廃棄物の中にはその処理方法が検討されているものもある。例えば、農業系のバイオマス廃棄物としてはヤシガラ、籾殻、加工残渣のトウモロコシ芯や空果房、林業系では木材チップダストや剪定枝、畜産系では家畜の排泄物、水産系では水産加工に伴う腸や骨などがある。また、所謂生ゴミや下水汚泥等もバイオマスとされており、これらも処理方法が検討されている段階にある。
　これらのバイオマスの処理には、コストの低減が必須要件として挙げられるが、これに加えて燃料等の資源として再利用できる処理方法が望まれる。ところがバイオマスには一般に多量の水分が含まれており、この水分が燃料として使用する場合に不都合である。よって、バイオマスを燃料として利用するには先ずこの水分を除去する（乾燥する）ことが必要である。
　植物由来のバイオマスの乾燥方法としては、加圧脱水や遠心脱水などの方法がある。しかし、これらの方法では十分に水分を除去することができない。また、バイオマスを高温度のガスに接触させ、ペレットに加工する気流乾燥法も知られているが、この方法では乾燥後のペレットが雨天等の場合に吸湿して崩壊し易いという不都合がある。
　これに対し、植物由来のバイオマスの粉砕物を１２０～３００℃の油中にて、油の蒸気圧以上の加圧下で処理する方法も提案されている（日本国特許第３９５４５４４号参照）。しかし、この方法でも乾燥後のバイオマスの強度及び吸湿性には改善の余地がある。
日本国特許第３９５４５４４号公報
　本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、強度に優れ、かつ吸湿を抑制できる植物由来バイオマス燃料を比較的低コストで得られる改質バイオマスの製造方法の提供を目的とする。
　本発明者らは、鋭意検討した結果、植物由来バイオマスを溶媒油と混合したスラリーを加熱脱水及び固液分離して得られるケーキを再加熱することで、強度に優れ、かつ吸湿性も抑えられる脱水バイオマスを比較的低コストで得られることを見出し、本発明を完成させた。
　すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、植物由来バイオマスを粉砕する粉砕工程と、粉砕した上記植物由来バイオマス及び溶媒油を混合する混合工程と、上記混合工程で得られるスラリーを加熱するスラリー加熱工程と、上記スラリー加熱工程後の脱水スラリーから上記溶媒油を固液分離する固液分離工程と、上記固液分離工程で得られるケーキを加熱するケーキ加熱工程と、上記ケーキ加熱工程で得られる脱水バイオマスを塊成する塊成工程とを備える改質バイオマスの製造方法である。
　当該改質バイオマスの製造方法では、バイオマスを溶媒油と混合したスラリーを加熱脱水及び固液分離して得られるケーキを再加熱することで、水分が少なく強度に優れ、かつ吸湿性が抑制された脱水バイオマスが比較的低コストで得られる。この理由は定かではないが、スラリーをケーキ化して油分を分離してから加熱脱水を行うことで、比較的容易に残留水分が除去され、かつ脱水による孔がバイオマス表面に形成され難いためと考えられる。また、当該バイオマスの製造方法はこのようにして得られた脱水バイオマスを塊成する工程を備えるので、さらに吸湿性が抑制され、かつハンドリング性に優れる燃料として好適な改質バイオマスを得ることができる。
　上記塊成工程を熱間で行うとよい。上記塊成工程を熱間で行うことで、成型された改質バイオマスの強度をさらに高められる。
　上記混合工程で、上記植物由来バイオマス及び溶媒油に石炭をさらに混合するとよい。このようにバイオマスに石炭を混合することで、得られる改質バイオマスの強度をさらに高めることができる。また、改質バイオマスの発熱量も向上させることができる。
　上記固液分離工程で得るケーキの含水率を１質量％以上１０質量％以下、含油率を１０質量％以上７０質量％以下とするとよい。このように加熱脱水を行うケーキの含水率及び含油率をそれぞれ上記範囲内とすることで、容易かつ確実に水分が少なく、かつ吸湿も抑制される改質バイオマスを得ることができる。
　なお、「含水率」とは、対象物に含まれる水の質量をＷ１、対象物の乾燥質量をＷ０としたときに、Ｗ１／（Ｗ１＋Ｗ０）×１００で求められる値であり、「含油率」とは、対象物に含まれる油の質量をＷ２としたときに、Ｗ２／（Ｗ２＋Ｗ０）×１００で求められる値である。
　以上説明したように、本発明の改質バイオマスの製造方法を用いることで、強度に優れ、かつ吸湿を抑制できる植物由来のバイオマス燃料を比較的低コストで得られる。つまり、本発明の改質バイオマスの製造方法は、植物由来バイオマスをハンドリング性に優れた燃料に低コストで改質することができる。
図１は、本発明の一実施形態の改質バイオマスの製造方法を実施するための装置を示すブロック図である。 図２は、図１とは異なる実施形態の改質バイオマスの製造方法を実施するための装置を示すブロック図である。 図３は、実施例及び比較例の比強度を示すグラフである。 図４は、実施例及び比較例の含水率の経時変化を示すグラフである。
　以下、本発明の改質バイオマスの製造方法の実施形態を詳説する。
［第一実施形態］
　第一実施形態の改質バイオマスの製造方法は、植物由来バイオマスを粉砕する粉砕工程と、粉砕した上記植物由来バイオマス及び溶媒油を混合する混合工程と、上記混合工程で得られるスラリーを加熱するスラリー加熱工程と、上記スラリー加熱工程後の脱水スラリーから上記溶媒油を固液分離する固液分離工程と、上記固液分離工程で得られるケーキを加熱するケーキ加熱工程と、上記ケーキ加熱工程で得られる脱水バイオマスを塊成する塊成工程とを主に備える。
　以下、本発明の第一実施形態の改質バイオマスの製造方法について、図１に示す装置を用いて説明する。この改質バイオマスの製造装置は、バイオマス粉砕部１と、混合部２と、スラリー加熱部３と、固液分離部４と、ケーキ加熱部５と、塊成部６とを備える。
＜粉砕工程＞
　まずバイオマス粉砕部１において、植物由来バイオマスＡを粉砕し粉砕バイオマスを得る。上記バイオマス粉砕部１は、植物由来バイオマスＡを粉砕する粉砕機を備える。
　原料として用いる植物由来バイオマスには、農業系や林業系の廃棄物が含まれる。当該改質バイオマスの製造方法で用いる植物由来バイオマスは、典型的にはセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを主成分とする。
　また、当該改質バイオマスの製造方法は、含水率が２０質量％以上９０質量％以下の植物由来バイオマスに対し、効果が好適に発揮される。
　粉砕前の原料バイオマスの最大粒子径の上限は特に限定されないが、粉砕機への投入容易性の観点から、例えば５００ｍｍである。
　粉砕後のバイオマスの最大粒子径の上限としては、３ｍｍが好ましく、２ｍｍがより好ましく、１ｍｍがさらに好ましい。また粉砕後のバイオマスにおける粒子径が０．５ｍｍ以下の粒子の割合の下限としては、５０質量％が好ましく、７０質量％がより好ましく、８０質量％がさらに好ましい。粉砕後のバイオマスの最大粒子径を上記上限以下、又は粒子径が０．５ｍｍ以下の粒子の割合を上記下限以上とすることで、スラリー化を容易にすることができる。なお、粒子径が０．５ｍｍ以下の粒子の割合は、ＪＩＳ－Ｚ－８８１５：１９９４に記載のふるい分け試験方法を用いて計測できる。具体的には、粒子径が０．５ｍｍ以下の粒子割合は、目開き０．５ｍｍのふるいによる分級を行い、ふるいにかけたバイオマスの全質量とこのふるい下のバイオマスの質量とから求めることができる。
＜混合工程＞
　次に混合（スラリー生成）部２において、上記粉砕工程で粉砕した植物由来バイオマスと脱水のための熱媒体となる溶媒油Ｂとを混合してスラリー（流動性のある混合体）を得る。上記混合部２は粉砕バイオマスと溶媒油とを混合するための混合槽、この混合槽に取り付けられた攪拌機等を備える。上記溶媒油としては、例えば灯油、軽油、重油等が挙げられ、これらの混合油を用いてもよい。上記溶媒油の沸点としては、加熱脱水の観点から１５０℃以上３００℃以下が好ましい。
　粉砕バイオマスに対する溶媒油の混合質量比の下限としては、２００％が好ましく、３００％がより好ましい。一方、上記溶媒油の混合質量比の上限としては、１０００％が好ましい。上記溶媒油の混合質量比が上記下限より小さいと、スラリー化が不十分となるおそれがある。逆に、上記溶媒油の混合質量比が上記上限を超えると、スラリーの溶媒油分離コストが大きくなるおそれがある。
＜スラリー加熱工程＞
　次にスラリー加熱部３において、上記混合工程で得たスラリーを加熱により脱水し、脱水スラリーを得る。スラリー加熱部３は混合部２で得られたスラリーを予熱するための予熱機、予熱されたスラリーを昇温させるための蒸発器等を備える。スラリー加熱部３による脱水方法としては、油中脱水法が用いられる。この油中脱水法を用いることで、水分除去率を高くできると共に、気流乾燥法に比べて脱水に必要なエネルギーを大幅に低減することができる。なお、この工程で発生する水蒸気の蒸発潜熱を回収して再利用することで、製法全体のエネルギー効率を高めることができる。
　上記油中脱水法は、上記蒸発器を用いて、スラリーを例えば圧力０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下、温度１２０℃以上１６０℃以下で加圧加熱することによりバイオマス中の水分を蒸発させて除去する。このとき、蒸発器からスラリー中のバイオマスに含まれていた水分が排水Ｄとして排出される。
＜固液分離工程＞
　次に固液分離（ケーキ生成）部４において、上記スラリー加熱工程後の脱水スラリーから溶媒油を固液分離して泥状のケーキを得る。固液分離部４は固液分離機を備える。この固液分離機としては、例えば遠心分離法により脱水スラリーをケーキと溶媒油とに分離する遠心分離機を用いることができる。上記脱水スラリーから分離回収された溶媒油は、循環油Ｃとして混合部２に戻される。混合部２に戻された溶媒油は、混合部２でのスラリーの調製に再利用される。
　本固液分離工程で固液分離により得るケーキの含水率の下限としては、１質量％が好ましく、３質量％がより好ましく、５質量％がさらに好ましい。一方、上記ケーキの含水率の上限としては、１０質量％が好ましく、７質量％がより好ましく、６質量％がさらに好ましい。上記ケーキの含水率が上記下限より小さいと、先のスラリー加熱工程における加熱コストが過度に高くなるおそれや、本工程での固液分離が容易ではなくなるおそれがある。逆に、上記ケーキの含水率が上記上限を超えると、次のケーキ加熱工程での水分除去が不十分となるおそれがある。
　本固液分離工程で固液分離により得るケーキの含油率の下限としては、１０質量％が好ましく、２０質量％がより好ましく、３０質量％がさらに好ましい。一方、上記ケーキの含油率の上限としては、７０質量％が好ましく、５０質量％がより好ましく、４０質量％がさらに好ましい。上記ケーキの含油率が上記下限より小さいと、本工程での固液分離が容易ではなくなるおそれがある。逆に、上記ケーキの含油率が上記上限を超えると、次のケーキ加熱工程での水分除去効率が低下するおそれや、脱水後のバイオマスの吸湿性の抑制が不十分となるおそれがある。
＜ケーキ加熱工程＞
　次にケーキ加熱部５において、上記固液分離工程で得たケーキを加熱により乾燥することで粉末状の脱水バイオマスを得る。上記ケーキ加熱部５は、乾燥機、ガス冷却器等を備える。上記乾燥機としては、例えばドラム内面に複数の加熱用スチームチューブが軸方向に配設されたスチームチューブ式ドライヤの他に、ロータリーキルン、バンド型乾燥機等を挙げることができるが、連続式でケーキを加熱できるものが好ましい。上記乾燥機内でケーキを加熱することにより、このケーキ中の水分及び油分が蒸発する。このうち蒸発した水分は排水Ｄとして排出される。また、蒸発した溶媒油は、キャリアガスにより上記乾燥機から上記ガス冷却器へ移送される。ガス冷却器へ移送された溶媒油は、ガス冷却器内で凝縮及び回収され、循環油Ｃとして混合部２に戻される。
　上記加熱温度としては、水分及び溶媒油が蒸発する温度以上であればよいが、例えば１５０℃以上３００℃以下とできる。また、加熱は窒素雰囲気下で行うことが好ましい。
　脱水バイオマスの含水率の上限としては、３質量％が好ましく、２質量％がより好ましく、０質量％がさらに好ましい。上記脱水バイオマスの含水率が上記上限を超える場合、得られる改質バイオマスの強度が不十分となるおそれがある。
　脱水バイオマスの含油率の上限としては、３質量％が好ましく、２質量％がより好ましく、１質量％がさらに好ましい。上記脱水バイオマスの含油率が上記上限を超える場合、得られる改質バイオマスの強度が不十分となるおそれがある。また、溶媒油の回収量が減少するため、製造コストが上がるおそれがある。
＜塊成工程＞
　次に塊成部６において、ハンドリング性を向上するため、上記ケーキ加熱工程で得られる脱水バイオマスを塊成し、改質バイオマスＥを得る。この塊成に用いる装置及びその塊成物の形状としては、特に限定されず、例えばダブルロール成形機等を用いた圧縮成形によるブリケット、パン型造粒機等を用いた転動造粒によるペレット、押出成形機を用いた押出成形によるスティック等を採用することができる。特に、取扱い性の観点から豆炭状のブリケットに塊成することが好ましい。
　この塊成工程は、熱間で行うとよい。上記塊成工程を熱間で行うことで、成型された改質バイオマスの強度をさらに高められる。
　塊成工程を熱間で行う場合の熱間温度の下限としては、５０℃が好ましく、６０℃がより好ましい。一方、上記熱間温度の上限としては、２５０℃が好ましく、１５０℃がより好ましく、１００℃がさらに好ましい。上記熱間温度が上記下限より小さいと、成型された改質バイオマスの強度向上効果が不十分となるおそれがある。逆に、上記熱間温度が上記上限を超えると、成型された改質バイオマスの強度向上効果に比して製造コストの上昇が大きくなり過ぎるため、製造効率が低下するおそれがある。
　なお、改質バイオマス１個の平均質量及び平均体積は特に限定されない。
＜利点＞
　当該改質バイオマスの製造方法では、バイオマスを溶媒油と混合したスラリーを加熱脱水及び固液分離して得られるケーキを再加熱することで、水分が少なく強度に優れ、かつ吸湿性が抑制された脱水バイオマスが比較的低コストで得られる。また、当該バイオマスの製造方法はこのようにして得られた脱水バイオマスを塊成する工程を備えるので、さらに吸湿性が抑制され、かつハンドリング性に優れる燃料として好適な改質バイオマスを得ることができる。
［第二実施形態］
　第二実施形態の改質バイオマスの製造方法は、植物由来バイオマスを粉砕する粉砕工程と、粉砕した上記植物由来バイオマス、石炭及び溶媒油を混合する混合工程と、上記混合工程で得られるスラリーを加熱するスラリー加熱工程と、上記スラリー加熱工程後の脱水スラリーから上記溶媒油を固液分離する固液分離工程と、上記固液分離工程で得られるケーキを加熱するケーキ加熱工程と、上記ケーキ加熱工程で得られる脱水バイオマスを塊成する塊成工程とを主に備える。
　以下、本発明の第二実施形態の改質バイオマスの製造方法について、図２に示す装置を用いて説明する。この改質バイオマスの製造装置は、バイオマス粉砕部１と、混合部２と、スラリー加熱部３と、固液分離部４と、ケーキ加熱部５と、塊成部６とを備える。なお、第一実施形態で用いる改質バイオマスの製造装置と同じ構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
＜粉砕工程＞
　粉砕工程では、上記第一実施形態と同様のバイオマス粉砕部１において、植物由来バイオマスＡ及び石炭Ｘを粉砕し粉砕バイオマス及び粉砕石炭を得る。
　上記石炭Ｘとしては特に限定されないが、低品位炭を用いることが好ましい。バイオマスと混合する石炭として低品位炭を用いることで、低品位炭の改質を同時に図ることができる。
　低品位炭は、無水無灰炭基準の炭素含有量が７５質量％以下で、２０質量％以上の水分を含有するものをいう。この低品位炭としては、例えばビクトリア炭、ノースダコタ炭、ベルガ炭等の褐炭；西バンコ炭、ビヌンガン炭、サラマンガウ炭等の亜瀝青炭などが挙げられる。
　粉砕後の石炭の最大粒子径の上限としては、３ｍｍが好ましく、２ｍｍがより好ましく、１ｍｍがさらに好ましい。また、粉砕後の石炭における粒子径が０．５ｍｍ以下の粒子の割合の下限としては、５０質量％が好ましく、７０質量％がより好ましく、８０質量％がさらに好ましい。石炭の最大粒子径を上記上限以下、又は粒子径が０．５ｍｍ以下の粒子の割合を上記下限以上とすることで、スラリー化を容易にすることができる。
＜混合工程＞
　混合工程では、上記第一実施形態と同様の混合部２において、粉砕した植物由来バイオマスＡ及び石炭Ｘと、溶媒油Ｂとを混合し、スラリーを得る。なお、石炭ＸをバイオマスＡと別の工程（バイオマス粉砕部１以外の設備）で粉砕し、混合部２に供給してもよい。また、石炭Ｘの粒子径によっては粉砕を省略してもよい。
　上記溶媒油としては、第一実施形態と同様とすることができる。
　粉砕バイオマスに対する石炭の混合質量比は特に限定されないが、その下限としては、５０％が好ましく、８０％がより好ましい。一方、上記石炭の混合質量比の上限としては、１５０％が好ましく、１００％がより好ましい。上記石炭の混合質量比が上記下限より小さいと、改質バイオマスの強度向上効果が不十分となるおそれがある。逆に、上記石炭の混合質量比が上記上限を超えると、バイオマスの利用効率が低下するおそれがある。
　粉砕バイオマス及び石炭の合計に対する溶媒油の混合質量比の下限としては、２００％が好ましく、３００％がより好ましい。一方、上記溶媒油の混合質量比の上限としては、１０００％が好ましい。上記溶媒油の混合質量比が上記下限より小さいと、スラリー化が不十分となるおそれがある。逆に、上記溶媒油の混合質量比が上記上限を超えると、スラリーの溶媒油分離コストが大きくなるおそれがある。
＜スラリー加熱工程＞
　スラリー加熱工程では、上記第一実施形態と同様のスラリー加熱部３で、上記混合工程で得たバイオマス及び石炭を含むスラリーを加熱により脱水し、脱水スラリーを得る。スラリー加熱部３による脱水方法としては、上記第一実施形態と同様の油中脱水法が用いられる。このとき、スラリー中のバイオマス及び石炭に含まれていた水分が排水Ｄとして排出される。
＜固液分離工程＞
　固液分離工程では、上記第一実施形態と同様の固液分離部４において、上記スラリー加熱工程後の脱水スラリーから溶媒油を固液分離して泥状のケーキを得る。このケーキはバイオマス及び石炭を含む。また、上記脱水スラリーから分離回収された溶媒油は、循環油Ｃとして混合部２に戻される。
　固液分離により得るケーキの含水率及び含油率は、上記第一実施形態と同様である。
＜ケーキ加熱工程＞
　ケーキ加熱工程では、上記第一実施形態と同様のケーキ加熱部５において、上記固液分離工程で得たケーキを加熱により乾燥することで粉末状の脱水バイオマスを得る。この脱水バイオマスは、脱水により改質された粉末状の石炭を含有する。本工程での加熱温度は上記第一実施形態と同様である。また、ケーキ加熱部５で回収された溶媒油は、循環油Ｃとして混合部２に戻される。
　脱水バイオマス（改質石炭も含む）の含水率及び含油率は、上記第一実施形態と同様とすることができる。
＜塊成工程＞
　塊成工程では、上記第一実施形態と同様の塊成部６において、上記ケーキ加熱工程で得られる改質石炭を含む脱水バイオマスを塊成し、改質バイオマスＥを得る。この改質バイオマスＥは、改質されたバイオマスと石炭との混合体である。
＜利点＞
　当該改質バイオマスの製造方法は、バイオマスに石炭を混合することで、得られる改質バイオマスの強度をさらに高めることができる。また、改質バイオマスの発熱量も向上させることができる。
［その他の実施形態］
　当該改質バイオマスの製造方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば固液分離工程又はケーキ加熱工程で分離した溶媒油を必ずしも混合工程で再利用（循環）しなくてもよい。
　また、上記第二実施形態において、自然発火性を低減するために塊成工程後に改質石炭を含む改質バイオマスを酸化（エイジング）する工程を行ってもよい。
　以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［実施例１］
　含水率７５質量％のトウモロコシの芯を粒径１ｍｍ以下に粉砕し、この粉砕トウモロコシに対し灯油を質量比が１：４となるよう混合してスラリー化した。このスラリーを圧力０．３ＭＰａ、温度１４７℃で加熱し、脱水した。その後、脱水したスラリーを遠心分離によって、灯油とケーキ（灯油を含んだ粉砕トウモロコシ）とに固液分離した。さらにこのケーキを窒素中２００℃で加熱し灯油を蒸発させ、脱水バイオマスを得た。この脱水バイオマスを圧縮成型により直径３０ｍｍ、厚み８ｍｍの円盤状に塊成し、改質バイオマスとしての塊成物を得た。なお、この塊成は、２５℃の冷間塊成とした。
［実施例２］
　含水率７５質量％のトウモロコシの芯及び含水率６０質量％の石炭をそれぞれ粒径１ｍｍ以下に粉砕すると共に質量比５０：５０で混合し、さらにこの粉砕トウモロコシ及び石炭の合計に対し灯油を質量比が１：４となるよう混合してスラリー化した。このスラリーを圧力０．３ＭＰａ、温度１４７℃で加熱し、脱水した。その後、脱水したスラリーを遠心分離によって、灯油とケーキ（灯油を含んだ粉砕トウモロコシ及び石炭）とに固液分離した。さらにこのケーキを窒素中２００℃で加熱し灯油を蒸発させ、脱水バイオマスを得た。この脱水バイオマスを圧縮成型により直径３０ｍｍ、厚み８ｍｍの円盤状に塊成し、改質バイオマスとしての塊成物を得た。なお、この塊成は、２５℃の冷間塊成とした。
［実施例３］
　実施例１の塊成を、７０℃の熱間塊成とした以外は、実施例１と同様にして改質バイオマスとしての塊成物を得た。
［比較例１］
　含水率７５質量％のトウモロコシの芯を粒径１ｍｍ以下に粉砕し、温度１０７℃で２時間、気流乾燥し、乾燥バイオマスを得た。この乾燥バイオマスを圧縮成型により直径３０ｍｍ、厚み８ｍｍの円盤状に塊成し、塊成物を得た。なお、この塊成は、２５℃の冷間塊成とした。
［評価］
　上記実施例１～３及び比較例１の塊成物について、圧壊強度を測定した。また、上記実施例１、２及び比較例１の塊成物について、含水率の経時変化を測定した。
　圧壊強度は、圧縮荷重を加えた際の破壊時の荷重を圧壊強度計で測定した。その結果を図３に示す。
　含水率の経時変化は、塊成物を含水率が０質量％になるまで乾燥し、室温かつＲＨ７５％の湿度で放置した際の含水率の変化を測定した。その結果を図４に示す。
　図３に示されるように実施例１～３は比較例１よりも圧壊強度に優れる。また、図４に示されるように実施例１及び実施例２は比較例１よりも吸湿性が抑制されている。つまり、植物由来バイオマスを溶媒油と混合したスラリーを加熱脱水及び固液分離して得られるケーキを再加熱することで、強度に優れ、かつ吸湿性が抑制された脱水バイオマスが得られることが分かる。
　また、実施例１と実施例３とを比較すると、熱間塊成を行った実施例３の方が冷間塊成を行った実施例１よりも圧壊強度に優れる。つまり、塊成工程を熱間で行うことで、成型されたバイオマスの強度をさらに高められることが分かる。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１６年４月１５日出願の日本特許出願（特願２０１６－０８２３９４）、２０１６年１１月２９日出願の日本特許出願（特願２０１６－２３１７１１）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　以上説明したように、本発明の改質バイオマスの製造方法は、強度に優れ、かつ吸湿を抑制できる植物由来バイオマス燃料を比較的低コストで得られる。つまり、植物由来バイオマスをハンドリング性に優れた燃料に低コストで改質することができる。このような改質バイオマスは、例えば火力発電所等の燃料として好適に用いることができる。
１　バイオマス粉砕部
２　混合部
３　スラリー加熱部
４　固液分離部
５　ケーキ加熱部
６　塊成部
Ａ　植物由来バイオマス
Ｂ　溶媒油
Ｃ　循環油
Ｄ　排水
Ｅ　改質バイオマス
Ｘ　石炭

Claims (4)

  1. 　植物由来バイオマスを粉砕する粉砕工程と、
    　粉砕した上記植物由来バイオマス及び溶媒油を混合する混合工程と、
    　上記混合工程で得られるスラリーを加熱するスラリー加熱工程と、
    　上記スラリー加熱工程で得られる脱水スラリーから上記溶媒油を固液分離する固液分離工程と、
    　上記固液分離工程で得られるケーキを加熱するケーキ加熱工程と、
    　上記ケーキ加熱工程で得られる脱水バイオマスを塊成する塊成工程と
    を備える改質バイオマスの製造方法。
  2. 　上記塊成工程を熱間で行う請求項１に記載の改質バイオマスの製造方法。
  3. 　上記混合工程で、上記植物由来バイオマス及び溶媒油に石炭をさらに混合する請求項１又は請求項２に記載の改質バイオマスの製造方法。
  4. 　上記固液分離工程で得るケーキの含水率を１質量％以上１０質量％以下、含油率を１０質量％以上７０質量％以下とする請求項１に記載の改質バイオマスの製造方法。
     
     
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