JP2008274113A - バイオコークス製造装置及びその制御方法、並びに製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】バイオコークスを効率的に大量生産することを可能としたバイオコークス製造装置及びその制御方法、並びに製造方法を提供する。
【解決手段】横置き筒状の反応容器１０を備え、一端側にバイオマス粉砕物の供給部１１が、他端側に排出部１２が設けられ、供給部側には、反応容器内を長手方向に往復移動可能で且つ容器内のバイオマス粉砕物を加圧する押出ピストン６が設けられている。バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンがの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定されており、反応容器１０に、バイオマス粉砕物を前記温度範囲に加熱する加熱反応領域１３と、冷却領域１４とが形成され、押出しピストン６により、バイオマス粉砕物が各領域にて所定時間滞留されるように移送するとともに、容器内のバイオマス粉砕物が前記圧力範囲となるように加圧するようにした。
【選択図】図１
【解決手段】横置き筒状の反応容器１０を備え、一端側にバイオマス粉砕物の供給部１１が、他端側に排出部１２が設けられ、供給部側には、反応容器内を長手方向に往復移動可能で且つ容器内のバイオマス粉砕物を加圧する押出ピストン６が設けられている。バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンがの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定されており、反応容器１０に、バイオマス粉砕物を前記温度範囲に加熱する加熱反応領域１３と、冷却領域１４とが形成され、押出しピストン６により、バイオマス粉砕物が各領域にて所定時間滞留されるように移送するとともに、容器内のバイオマス粉砕物が前記圧力範囲となるように加圧するようにした。
【選択図】図１
Description
本発明は、バイオマスを原料としたバイオコークスの製造技術に関し、特に石炭コークスの代替燃料として効果的に利用可能であるバイオコークスを工業的に大量生産することを可能としたバイオコークス製造装置及びその制御方法、並びに製造方法に関する。
近年、地球温暖化の観点からＣＯ２排出の削減が推進されている。特に、ボイラ発電等の燃焼設備においては、燃料として石炭や重油等の化石燃料が用いられることが多いが、この化石燃料は、ＣＯ２排出の問題から地球温暖化の原因となり、地球環境保全の見地からその使用が規制されつつある。また化石燃料の枯渇化の観点からもこれに代替するエネルギー資源の開発、実用化が求められている。
そこで、化石燃料の代替として、バイオマスを用いた燃料の利用促進が図られている。バイオマスとは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスがある。このバイオマスを燃料化処理することにより、バイオマスをエネルギー源又は工業原料として有効に利用することができる。
そこで、化石燃料の代替として、バイオマスを用いた燃料の利用促進が図られている。バイオマスとは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスがある。このバイオマスを燃料化処理することにより、バイオマスをエネルギー源又は工業原料として有効に利用することができる。
バイオマスを燃料化する方法としては、バイオマスを乾燥させて燃料化する方法、加圧して燃料ペレット化する方法、炭化、乾留させて燃料化する方法等が知られている。しかし、バイオマスを乾燥させるのみでは、空隙率が大きくみかけ比重が低くなるため、輸送や貯留が困難であり、長距離輸送や貯留して使用する燃料としては有効とはいえない。
一方、バイオマスを燃料ペレット化する方法は、特許文献１（特公昭６１−２７４３５号公報）に開示されている。この方法は、細断された有機繊維材料の含水量を１６〜２８％に調節し、これをダイス内で圧縮して乾燥し燃料ペレットを製造するようにしている。
また、バイオマスを乾留して燃料化する方法は、特許文献２（特開２００３−２０６４９０号公報）等に開示されている。この方法は、酸素欠乏雰囲気中において、バイオマスを２００〜５００℃、好適には２５０〜４００℃で加熱して、バイオマス半炭化圧密燃料前駆体を製造する方法となっている。
一方、バイオマスを燃料ペレット化する方法は、特許文献１（特公昭６１−２７４３５号公報）に開示されている。この方法は、細断された有機繊維材料の含水量を１６〜２８％に調節し、これをダイス内で圧縮して乾燥し燃料ペレットを製造するようにしている。
また、バイオマスを乾留して燃料化する方法は、特許文献２（特開２００３−２０６４９０号公報）等に開示されている。この方法は、酸素欠乏雰囲気中において、バイオマスを２００〜５００℃、好適には２５０〜４００℃で加熱して、バイオマス半炭化圧密燃料前駆体を製造する方法となっている。
しかしながら、特許文献１に記載される方法では、圧縮成形を行うことによりバイオマスを燃料化しているが、製造されたペレットには空隙が存在するため、ペレット内への空気（酸素）の拡散が生じ、燃焼時間が短く、粉体バイオマス間の結合が無いため、十分な硬度を有していない物である。
また、特許文献２等に記載されるように乾留によりバイオマスを燃料化する方法では、加工処理を施さないバイオマスに比べると燃料として価値が高いものとなっているが、やはり石炭コークスに比べてみかけ比重が低く、発熱量が低い。さらに、石炭コークスに比べて硬度が低いため、石炭コークスの代替として利用するには不十分である。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、バイオコークスを効率的に大量生産することを可能としたバイオコークス製造装置及びその制御方法、並びに製造方法を提供することを目的とする。
また、特許文献２等に記載されるように乾留によりバイオマスを燃料化する方法では、加工処理を施さないバイオマスに比べると燃料として価値が高いものとなっているが、やはり石炭コークスに比べてみかけ比重が低く、発熱量が低い。さらに、石炭コークスに比べて硬度が低いため、石炭コークスの代替として利用するには不十分である。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、バイオコークスを効率的に大量生産することを可能としたバイオコークス製造装置及びその制御方法、並びに製造方法を提供することを目的とする。
近年、石炭コークスの代替として、バイオコークスが研究されている。
バイオコークスは、バイオマス原料を加圧、加熱した状態で一定時間保持した後、冷却することにより製造される。加圧、加熱条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンが熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲に設定する。これにより以下の反応機構が成立し、高硬度で高発熱量を有するバイオコークスが製造できる。
その反応機構は、上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物の繊維成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、バイオマス粉砕物から発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できるものである。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。
バイオコークスは、バイオマス原料を加圧、加熱した状態で一定時間保持した後、冷却することにより製造される。加圧、加熱条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンが熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲に設定する。これにより以下の反応機構が成立し、高硬度で高発熱量を有するバイオコークスが製造できる。
その反応機構は、上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物の繊維成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、バイオマス粉砕物から発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できるものである。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。
図５に、バイオコークスの物性値を他の燃料と比較した表を示す。尚、この表は実験的に得られた数値を記載しているのみであり、本発明はこの数値に限定されるものではない。
この表に示されるように、バイオコークスは、みかけ比重１．２〜１．３８、最高圧縮強度６０〜２００ＭＰａ、発熱量１８〜２３ＭＪ／ｋｇの物性値を示す硬度、燃焼性ともに優れた性能を有しており、未加工の木質バイオマスが、みかけ比重約０．４〜０．６、発熱量約１７ＭＪ／ｋｇ、最高圧縮強度約３０ＭＰａであるのと比べると、発熱量及び硬度の点において格段に優れていることが判る。また、石炭コークスの物性値である、みかけ比重約１．８５、最高圧縮強度約１５ＭＰａ、発熱量約２９ＭＪ／ｋｇに比しても、バイオコークスは燃焼性、硬度とも遜色ない性能を有する。
従って、バイオコークスは石炭コークスの代替として有効な燃料であるとともに、マテリアル素材としての利用価値も高い。
この表に示されるように、バイオコークスは、みかけ比重１．２〜１．３８、最高圧縮強度６０〜２００ＭＰａ、発熱量１８〜２３ＭＪ／ｋｇの物性値を示す硬度、燃焼性ともに優れた性能を有しており、未加工の木質バイオマスが、みかけ比重約０．４〜０．６、発熱量約１７ＭＪ／ｋｇ、最高圧縮強度約３０ＭＰａであるのと比べると、発熱量及び硬度の点において格段に優れていることが判る。また、石炭コークスの物性値である、みかけ比重約１．８５、最高圧縮強度約１５ＭＰａ、発熱量約２９ＭＪ／ｋｇに比しても、バイオコークスは燃焼性、硬度とも遜色ない性能を有する。
従って、バイオコークスは石炭コークスの代替として有効な燃料であるとともに、マテリアル素材としての利用価値も高い。
しかし、このバイオコークスは未だ実験段階にとどまっており、反応容器にバイオマス粉砕物を人手で充填して一つの反応容器で少量ずつバッチ的に製造しているのが実状であった。
そこで本発明は、上記したバイオコークスを効率的に製造する装置を提案する。
そこで本発明は、上記したバイオコークスを効率的に製造する装置を提案する。
本発明は、所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造装置であって、
横置き筒状の反応容器を備え、該反応容器の一端側にバイオマス粉砕物の供給部が、他端側にバイオコークスの排出部が設けられるとともに、前記供給部側には、前記反応容器内を長手方向に往復移動可能で且つ容器内のバイオマス粉砕物を前記排出部に向けて加圧する押出し手段が設けられており、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、
前記反応容器には、前記供給部から前記排出部に向けて順に、バイオマス粉砕物を前記温度範囲に加熱する加熱反応領域と、該加熱されたバイオマス粉砕物を冷却する冷却領域とが形成され、前記押出し手段により、バイオマス粉砕物が各領域にて所定時間滞留されるように移送するとともに、容器内のバイオマス粉砕物が前記圧力範囲となるように加圧することを特徴とする。
横置き筒状の反応容器を備え、該反応容器の一端側にバイオマス粉砕物の供給部が、他端側にバイオコークスの排出部が設けられるとともに、前記供給部側には、前記反応容器内を長手方向に往復移動可能で且つ容器内のバイオマス粉砕物を前記排出部に向けて加圧する押出し手段が設けられており、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、
前記反応容器には、前記供給部から前記排出部に向けて順に、バイオマス粉砕物を前記温度範囲に加熱する加熱反応領域と、該加熱されたバイオマス粉砕物を冷却する冷却領域とが形成され、前記押出し手段により、バイオマス粉砕物が各領域にて所定時間滞留されるように移送するとともに、容器内のバイオマス粉砕物が前記圧力範囲となるように加圧することを特徴とする。
本発明によれば、石炭コークスの代替として利用可能なバイオコークスを効率的に製造可能である。即ち、反応容器内で押出し手段によりバイオマス粉砕物を押出しながら連続的に処理を行うことにより、バイオコークスを工業的に大量生産することができるようになる。
また、本実施例では長尺状のバイオコークスが製造できるため、バイオコークス製品の大きさを調整できる。さらに、各処理領域における滞留時間を自在に調整可能であるため、異なる種類のバイオマス粉砕物にも好適に適用できる。
また、本実施例では長尺状のバイオコークスが製造できるため、バイオコークス製品の大きさを調整できる。さらに、各処理領域における滞留時間を自在に調整可能であるため、異なる種類のバイオマス粉砕物にも好適に適用できる。
また、前記冷却領域の下流側に圧力調整領域を形成し、該圧力調整領域は、前記反応容器内のバイオマス粉砕物に対して外周方向から圧力を加える圧力調整装置を備え、
前記反応容器内にて、供給側から前記押出し手段によりバイオマス粉砕物を加圧し、この加圧力を前記圧力調整装置にて調整することにより前記バイオマス粉砕物を前記圧力範囲に維持するようにしたことを特徴とする。
これにより、容器内のバイオマス粉砕物を所定の圧力範囲に確実に維持することができる。
前記反応容器内にて、供給側から前記押出し手段によりバイオマス粉砕物を加圧し、この加圧力を前記圧力調整装置にて調整することにより前記バイオマス粉砕物を前記圧力範囲に維持するようにしたことを特徴とする。
これにより、容器内のバイオマス粉砕物を所定の圧力範囲に確実に維持することができる。
さらに、前記押出し手段は、前記加熱反応領域と前記冷却領域にてバイオマス粉砕物を一旦保持するように構成されることを特徴とする。
本発明のごとく、バイオマス粉砕物を各処理領域にて一旦停止させ、一定時間保持させる構成とすることにより、反応容器の長さを短くすることができ、装置の小型化、省スペース化が可能となる。
本発明のごとく、バイオマス粉砕物を各処理領域にて一旦停止させ、一定時間保持させる構成とすることにより、反応容器の長さを短くすることができ、装置の小型化、省スペース化が可能となる。
さらにまた、上記したバイオコークス製造装置の制御方法であって、
前記バイオマス粉砕物を前記供給部に供給する供給手段と、該供給手段を駆動制御する供給駆動手段と、前記押出し手段を駆動制御する押出し駆動手段と、を備え、
前記供給駆動手段はバイオマス粉砕物の供給時のみ運転するようにし、
前記押出し駆動手段は、各処理領域へバイオマス粉砕物を移送する際に運転し、該当する処理領域に到達したら該押出し駆動手段を停止してバイオマス粉砕物を保持するようにしたことを特徴とする。
これにより、バイオマス粉砕物の供給と、加圧及び移送を効率的に行うことができる。
前記バイオマス粉砕物を前記供給部に供給する供給手段と、該供給手段を駆動制御する供給駆動手段と、前記押出し手段を駆動制御する押出し駆動手段と、を備え、
前記供給駆動手段はバイオマス粉砕物の供給時のみ運転するようにし、
前記押出し駆動手段は、各処理領域へバイオマス粉砕物を移送する際に運転し、該当する処理領域に到達したら該押出し駆動手段を停止してバイオマス粉砕物を保持するようにしたことを特徴とする。
これにより、バイオマス粉砕物の供給と、加圧及び移送を効率的に行うことができる。
また、所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を、反応容器内にて加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造方法であって、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が予め設定されており、
横置き筒状の反応容器を備え、該反応容器の一端側から供給されたバイオマス粉砕物を押出し手段により移送し、
前記反応容器内にて、前記押出し手段により前記圧力範囲に加圧されたバイオマス粉砕物を前記温度範囲に加熱する加熱工程と、該加熱されたバイオマス粉砕物を冷却する冷却工程とを行うようにし、夫々の工程にて所定の滞留時間が確保されるように前記押出し手段によりバイオマス粉砕物の移送を制御することを特徴とする。
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が予め設定されており、
横置き筒状の反応容器を備え、該反応容器の一端側から供給されたバイオマス粉砕物を押出し手段により移送し、
前記反応容器内にて、前記押出し手段により前記圧力範囲に加圧されたバイオマス粉砕物を前記温度範囲に加熱する加熱工程と、該加熱されたバイオマス粉砕物を冷却する冷却工程とを行うようにし、夫々の工程にて所定の滞留時間が確保されるように前記押出し手段によりバイオマス粉砕物の移送を制御することを特徴とする。
さらに、前記反応容器の前記冷却工程より後段側に、容器外周側からバイオマス粉砕物に向けて圧力を加える圧力調整工程を備え、
前記反応容器内にて、供給側から前記押出し手段によりバイオマス粉砕物を加圧するとともに、この加圧力を前記圧力調整工程にて調整することにより前記バイオマス粉砕物を前記圧力範囲に維持するようにしたことを特徴とする。
さらにまた、前記バイオマス粉砕物を前記加熱反応工程と前記冷却工程の夫々において一定時間保持した後、次工程に移送するようにしたことを特徴とする。
前記反応容器内にて、供給側から前記押出し手段によりバイオマス粉砕物を加圧するとともに、この加圧力を前記圧力調整工程にて調整することにより前記バイオマス粉砕物を前記圧力範囲に維持するようにしたことを特徴とする。
さらにまた、前記バイオマス粉砕物を前記加熱反応工程と前記冷却工程の夫々において一定時間保持した後、次工程に移送するようにしたことを特徴とする。
以上記載のごとく本発明によれば、反応容器内で押出し手段によりバイオマス粉砕物を反応容器内にて押出しながら連続的に処理を行うことにより、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量を有するバイオコークスを、効率的に大量生産することが可能となる。
また、本実施例では長尺状のバイオコークスが製造でき、バイオコークス製品の大きさを調整できる。さらに、各処理領域（工程）における滞留時間を自在に調整可能であるため、異なる種類のバイオマス粉砕物にも好適に適用できる。
さらに、バイオマス粉砕物を各処理領域（工程）にて一旦停止させ、一定時間保持させることにより、反応容器の長さを短くすることができ、装置の小型化、省スペース化が可能となる。
さらにまた、押出し駆動手段と供給駆動手段を時間差を持って運転することにより、バイオマス粉砕物の供給と、加圧及び移送とを効率的に行うことができる。
また、本実施例では長尺状のバイオコークスが製造でき、バイオコークス製品の大きさを調整できる。さらに、各処理領域（工程）における滞留時間を自在に調整可能であるため、異なる種類のバイオマス粉砕物にも好適に適用できる。
さらに、バイオマス粉砕物を各処理領域（工程）にて一旦停止させ、一定時間保持させることにより、反応容器の長さを短くすることができ、装置の小型化、省スペース化が可能となる。
さらにまた、押出し駆動手段と供給駆動手段を時間差を持って運転することにより、バイオマス粉砕物の供給と、加圧及び移送とを効率的に行うことができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成図、図２は本実施例の加熱反応領域と冷却領域の一例を示す概略図、図３は本実施例の圧力調整領域の横断面を示す図、図４は各モータの動作タイミングを示す図である。
本実施例において、バイオコークスの原料となるバイオマスは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスであり、例えば、廃木材、間伐材、剪定枝、植物、農業廃棄物、コーヒー粕や茶粕等の厨芥廃棄物等が挙げられる。
図１は本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成図、図２は本実施例の加熱反応領域と冷却領域の一例を示す概略図、図３は本実施例の圧力調整領域の横断面を示す図、図４は各モータの動作タイミングを示す図である。
本実施例において、バイオコークスの原料となるバイオマスは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスであり、例えば、廃木材、間伐材、剪定枝、植物、農業廃棄物、コーヒー粕や茶粕等の厨芥廃棄物等が挙げられる。
本実施例では、バイオマスを予め所定の含水率になるように水分調整するとともに、所定粒径以下まで粉砕する前処理を行ったバイオマス粉砕物を原料としている。
本実施例のバイオコークス装置は、このバイオマス粉砕物を所定の圧力、温度条件にて加圧、加熱して一定時間保持した後、冷却することによりバイオコークスを製造するものである。上記した圧力、温度条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンが熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲とする。即ち、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲である。
本実施例のバイオコークス装置は、このバイオマス粉砕物を所定の圧力、温度条件にて加圧、加熱して一定時間保持した後、冷却することによりバイオコークスを製造するものである。上記した圧力、温度条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンが熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲とする。即ち、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲である。
まず、図１を参照して、本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成を説明する。
バイオコークス製造装置の主要構成は、所定量のバイオマス粉砕物を供給するバイオマス粉砕物供給装置と、該バイオマス粉砕物が供給され上記した反応を行ってバイオコークスを製造する反応容器１０とから構成される。
尚、図示されないが本実施例では、バイオマス粉砕物供給装置より上流側に、バイオマス原料を所定の含水率に水分調整するとともに所定粒径以下まで粉砕する前処理装置と、製造された大径のバイオコークスを所望の大きさまで破砕する破砕装置と、を備えることが好ましい。
バイオコークス製造装置の主要構成は、所定量のバイオマス粉砕物を供給するバイオマス粉砕物供給装置と、該バイオマス粉砕物が供給され上記した反応を行ってバイオコークスを製造する反応容器１０とから構成される。
尚、図示されないが本実施例では、バイオマス粉砕物供給装置より上流側に、バイオマス原料を所定の含水率に水分調整するとともに所定粒径以下まで粉砕する前処理装置と、製造された大径のバイオコークスを所望の大きさまで破砕する破砕装置と、を備えることが好ましい。
前記バイオマス粉砕物供給装置は、バイオマス粉砕物が投入される粉砕物ホッパ１と、該粉砕物ホッパ１から所定量のバイオマス粉砕物を供給するスクリューフィーダ２と、該スクリューフィーダ３の供給量を制御する供給モータＭ１と、スクリューフィーダ２から供給されたバイオマス粉砕物を反応容器１０内に押し込むスクリューフィーダ４と、該スクリューフィーダ４の押し込み量を制御する押し込みモータＭ２と、を備える。
前記スクリューフィーダ２、４は、円筒ケーシング内で螺旋翼を回転させることで材料を移送する周知のスクリューフィーダであり、その回転軸に接続された供給モータＭ１、押込モータＭ２により螺旋翼の回転数を制御してバイオマス粉砕物の移送量を調整するようになっている。
前記スクリューフィーダ２、４は、円筒ケーシング内で螺旋翼を回転させることで材料を移送する周知のスクリューフィーダであり、その回転軸に接続された供給モータＭ１、押込モータＭ２により螺旋翼の回転数を制御してバイオマス粉砕物の移送量を調整するようになっている。
前記反応容器１０は、横置き円筒状となっており、その一端側にバイオマス粉砕物の供給部１１が設けられ、該供給部１１に上記したバイオマス粉砕物供給装置に接続されている。他端側には、反応容器１０内で生成したバイオコークスを排出する排出部１２が設けられている。
また、供給部１１側には、反応容器１０の中空部を長手方向に往復移動可能で、容器内のバイオマス粉砕物に対して排出部１２側に向けて押圧し、該バイオマス粉砕物の移送と加圧を行う押出ピストン６が設けられる。押出ピストン６には、油圧シリンダ７と押出モータＭ３とからなるピストン駆動装置が連結されている。該押出モータＭ３は、容器内のバイオマス粉砕物の移送速度に基づいてトルク制御される。
さらに、押出モータＭ３の背面には、押出ピストン６がバイオマス粉砕物から受ける反力を検出するロードセル９が設けられる。
また、供給部１１側には、反応容器１０の中空部を長手方向に往復移動可能で、容器内のバイオマス粉砕物に対して排出部１２側に向けて押圧し、該バイオマス粉砕物の移送と加圧を行う押出ピストン６が設けられる。押出ピストン６には、油圧シリンダ７と押出モータＭ３とからなるピストン駆動装置が連結されている。該押出モータＭ３は、容器内のバイオマス粉砕物の移送速度に基づいてトルク制御される。
さらに、押出モータＭ３の背面には、押出ピストン６がバイオマス粉砕物から受ける反力を検出するロードセル９が設けられる。
前記反応容器１０は、バイオマス粉砕物の移送方向に対して上流側から順に、加熱反応領域１３と、冷却領域１４と、圧力調整領域１５とが設けられている。
加熱反応領域１３には、容器内のバイオマス粉砕物を上記した温度範囲に加熱する加熱手段が設けられる。該加熱手段としては、熱媒による加熱、蒸気による加熱、高圧加熱水による加熱、誘導加熱機による加熱等が挙げられる。図１に示した加熱手段は、誘導加熱機２１により加熱する構成である。これは、加熱反応領域１３の温度を温度センサ２３により検出し、該温度に基づいて誘導加熱機２１へ供給する電流量を制御し、加熱温度を調整する構成となっている。
冷却領域１４には、加熱されたバイオマス粉砕物を冷却する冷却手段が設けられる。該冷却手段としては、冷媒による冷却、空冷、水冷等が挙げられ、容器内の処理物を８０℃以下、好適には４０℃以下まで冷却する能力を有することが好ましい。図１に示した冷却手段は、空冷手段２５である。
加熱反応領域１３には、容器内のバイオマス粉砕物を上記した温度範囲に加熱する加熱手段が設けられる。該加熱手段としては、熱媒による加熱、蒸気による加熱、高圧加熱水による加熱、誘導加熱機による加熱等が挙げられる。図１に示した加熱手段は、誘導加熱機２１により加熱する構成である。これは、加熱反応領域１３の温度を温度センサ２３により検出し、該温度に基づいて誘導加熱機２１へ供給する電流量を制御し、加熱温度を調整する構成となっている。
冷却領域１４には、加熱されたバイオマス粉砕物を冷却する冷却手段が設けられる。該冷却手段としては、冷媒による冷却、空冷、水冷等が挙げられ、容器内の処理物を８０℃以下、好適には４０℃以下まで冷却する能力を有することが好ましい。図１に示した冷却手段は、空冷手段２５である。
一例として、図２に加熱反応領域１３と冷却領域１４にて熱媒及び冷媒を用いて加熱冷却を行う場合を示す。
加熱反応領域１３の外周をジャケットで囲繞し、該ジャケット内部に熱媒通路１３１を設けている。熱媒通路１３１の出口と入口は、熱媒加熱ライン１３５に接続される。該熱媒加熱ライン１３５上には熱媒を所定温度まで加熱する加熱手段が設けられている。この加熱手段は特に限定されないが、例えば図に示されるように、熱媒タンク１３６と、該熱媒タンク１３６に設けられた誘導加熱機１３７などがある。この場合、熱媒タンク１３６内の温度を温度センサにて検出して、誘導加熱機１３７の電流を制御して熱媒温度を調整する。
同様に、冷却領域１４の外周をジャケットで囲繞し、該ジャケット内部に冷媒通路１４１を設ける。該冷媒通路１４１は冷媒冷却ライン１４５に接続される。冷媒冷却ライン１４５には、熱交換器１４６等の冷却手段が設けられている。
加熱反応領域１３の外周をジャケットで囲繞し、該ジャケット内部に熱媒通路１３１を設けている。熱媒通路１３１の出口と入口は、熱媒加熱ライン１３５に接続される。該熱媒加熱ライン１３５上には熱媒を所定温度まで加熱する加熱手段が設けられている。この加熱手段は特に限定されないが、例えば図に示されるように、熱媒タンク１３６と、該熱媒タンク１３６に設けられた誘導加熱機１３７などがある。この場合、熱媒タンク１３６内の温度を温度センサにて検出して、誘導加熱機１３７の電流を制御して熱媒温度を調整する。
同様に、冷却領域１４の外周をジャケットで囲繞し、該ジャケット内部に冷媒通路１４１を設ける。該冷媒通路１４１は冷媒冷却ライン１４５に接続される。冷媒冷却ライン１４５には、熱交換器１４６等の冷却手段が設けられている。
加圧調整領域１５は、反応容器１０の外周側から容器内処理物に対して圧力をかける加圧調整装置２７を備えた加圧機構を有する。この加圧機構としては、図３に示すように反応容器１０を半円筒形状の上側容器１６ａと下側容器１６ｂとから構成し、これらの容器が互いに摺動可能に嵌合されて径を自在に調整できるようにする。少なくとも何れか一方の容器を、ヒンジ１７を介して可動可能に支持し、可動する側の容器に油圧駆動装置等の加圧調整装置２７を連結する。そして、該加圧調整装置２７により可動側容器を対向する容器側に向けて可動させ、容器内のバイオマス粉砕物を加圧するようになっている。勿論、両方の容器１６ａ、１６ｂが可動するように構成してもよい。
この加圧調整領域１５により、反応容器１０内のバイオマス粉砕物の圧力が調整される。即ち、反応容器１０内の圧力は、供給側にて押出ピストン６から加えられる圧力と、排出側にてこれを受ける圧力調整装置２７により決定する。従って、押出ピストン６がバイオマス粉砕物から受ける反力を前記ロードセル９により検出し、該検出した圧力に基づいて圧力調整装置２７を制御し、容器内圧力を調整する。このとき、ロードセル９にて検出される圧力とバイオマス粉砕物にかかる圧力の関係から、バイオマス粉砕物が上記した圧力範囲となるようなロードセル側の圧力を予め設定しておき、この圧力となるように圧力調整装置２６を制御して排出側の圧力を調整することが好ましい。
排出部１２は、反応容器１０内にて生成したバイオコークスが排出される。該排出部１２の後段には、排出されるバイオコークスを切断する切断手段２９を設けることが好ましい。
排出部１２は、反応容器１０内にて生成したバイオコークスが排出される。該排出部１２の後段には、排出されるバイオコークスを切断する切断手段２９を設けることが好ましい。
図４に、バイオマス粉砕物供給装置における各モータの動作タイミングを示す。図４（ａ）は反応容器における操作を示すタイムチャートで、（ｂ）は供給モータＭ１、押込モータＭ２の動作を示すタイムチャートで、（ｃ）は押出モータＭ３の動作を示すタイムチャートである。
同図に示されるように、バイオマス粉砕物の供給時には、供給モータＭ１を運転してスクリューフィーダ２によりバイオマス粉砕物を移送するとともに、押込モータＭ２を運転してスクリューフィーダ４により反応容器１０内にバイオマス粉砕物を供給する。このとき、押出モータＭ３は停止し、押出ピストン６を停止しておく。
同図に示されるように、バイオマス粉砕物の供給時には、供給モータＭ１を運転してスクリューフィーダ２によりバイオマス粉砕物を移送するとともに、押込モータＭ２を運転してスクリューフィーダ４により反応容器１０内にバイオマス粉砕物を供給する。このとき、押出モータＭ３は停止し、押出ピストン６を停止しておく。
反応容器１０内に所定量のバイオマス粉砕物が供給されたら、供給モータＭ１と押込モータＭ２を停止し、押出モータＭ３を運転する。そして押出モータＭ３に連結した押出ピストン６によりバイオマス粉砕物を加熱反応領域１３まで移送させた後、押出モータＭ３を停止する。このとき、供給モータＭ１、押込モータＭ２は停止しておく。加熱反応領域１３にてバイオマス粉砕物を所定圧力範囲に維持しながら、加熱手段により所定温度範囲に加熱して一定時間保持したら、押出モータＭ３を運転して元の位置（供給部１１より上流側）まで戻す。
さらに、供給モータＭ１、押込モータＭ２を運転してバイオマス粉砕物を反応容器１０内に供給した後、押出モータＭ３を運転してバイオマス粉砕物を加熱反応領域１３まで移送し圧縮、保持の工程を繰り返し行う。このとき、前回供給されたバイオマス粉砕物は、冷却領域１４に移動する。
さらに、供給モータＭ１、押込モータＭ２を運転してバイオマス粉砕物を反応容器１０内に供給した後、押出モータＭ３を運転してバイオマス粉砕物を加熱反応領域１３まで移送し圧縮、保持の工程を繰り返し行う。このとき、前回供給されたバイオマス粉砕物は、冷却領域１４に移動する。
上記した構成を有するバイオコークス製造装置の作用につき、操作方法を含めて説明する。尚、ここで記載する温度、圧力、含水率、大きさ等の数値範囲は、本装置における好適な一例であるが、これに限定されるものではない。
まず、原料となるバイオマス粉砕物の前処理として、バイオマスの含水率を５〜１０％に乾燥させる水分調整を行い、該乾燥したバイオマスを粒子径３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下に粉砕する。また、バイオマスの種類によっては乾燥・粉砕後に調湿する物もある。これにより、バイオマスを反応容器１０に充填する際、嵩密度が向上し均質な充填が可能となり、加熱成形においてバイオマス間の接触が高まり、成形後の硬度も向上する。
粉砕したバイオマスを粉砕物ホッパ１に投入する。粉砕物ホッパ１に貯留されたバイオマス粉砕物を、スクリューフィーダ２、４により反応容器１０内に適宜供給する。
まず、原料となるバイオマス粉砕物の前処理として、バイオマスの含水率を５〜１０％に乾燥させる水分調整を行い、該乾燥したバイオマスを粒子径３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下に粉砕する。また、バイオマスの種類によっては乾燥・粉砕後に調湿する物もある。これにより、バイオマスを反応容器１０に充填する際、嵩密度が向上し均質な充填が可能となり、加熱成形においてバイオマス間の接触が高まり、成形後の硬度も向上する。
粉砕したバイオマスを粉砕物ホッパ１に投入する。粉砕物ホッパ１に貯留されたバイオマス粉砕物を、スクリューフィーダ２、４により反応容器１０内に適宜供給する。
反応容器１０内に供給されたバイオマス粉砕物は、押出ピストン６により加熱反応領域１３に押出し移送される。該加熱反応領域１３におけるバイオマス粉砕物の圧力は、圧力調整装置２７により調整され、８〜２５ＭＰａに維持される。該加熱反応領域１３では、加圧しながら加熱手段を作動してバイオマス粉砕物が１１５〜２３０℃になるように加熱し、一定時間保持する。保持時間は、反応容器の径によって設定されるが、例えば容器径が５０ｍｍの場合、保持時間は１０〜２０分間で、１５０ｍｍの場合は３０〜６０分間とする。
上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物の成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、反応シリンダ内に発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できる。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。
上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物の成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、反応シリンダ内に発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できる。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。
その後、容器内の処理物を加熱反応領域１３から冷却領域１４に移動させ、該冷却領域１４にて冷却手段により８０℃以下、好適には４０℃以下になるまで冷却する。尚、この温度より高い温度でバイオコークスを取り出すと、ヘミセルロースによる接着効果が低下するため、冷却した後に排出するようにする。
冷却後、生成したバイオコークスは加圧調整領域１５を経て排出部１２より排出される。該排出部１２から排出されたバイオコークスは、カッター（切断手段）２９により所定長さに切断されてバイオコークス製品として搬出される。
冷却後、生成したバイオコークスは加圧調整領域１５を経て排出部１２より排出される。該排出部１２から排出されたバイオコークスは、カッター（切断手段）２９により所定長さに切断されてバイオコークス製品として搬出される。
尚、本実施例では、押出ピストン６により常時移送しながら各処理工程を行う方法と、それぞれの反応工程にて一旦停止して処理を行った後、再度移送してこれを繰り返す方法の２通りある。
移送しながら処理を行う場合は、各工程において上記した保持時間が確保されるような容器長さとする。
一方、各工程毎に一旦停止して処理を行う場合は、容器内のバイオマス粉砕物の位置を検出し、該検出した位置において停止させて一定時間保持した後、さらに移動させるようにするとよい。このとき、位置の検出は、押出ピストンのストローク長から処理物の位置を検出する方法、位置センサを設けて処理物の位置を検出する方法などがある。
移送しながら処理を行う場合は、各工程において上記した保持時間が確保されるような容器長さとする。
一方、各工程毎に一旦停止して処理を行う場合は、容器内のバイオマス粉砕物の位置を検出し、該検出した位置において停止させて一定時間保持した後、さらに移動させるようにするとよい。このとき、位置の検出は、押出ピストンのストローク長から処理物の位置を検出する方法、位置センサを設けて処理物の位置を検出する方法などがある。
本実施例のバイオコークス製造装置及び方法を用いることにより、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量のバイオコークスを効率的に製造することが可能となる。また、本実施例にて製造されたバイオコークスは、鋳物製造或いは製鉄において、キュポラ、高炉における熱源・還元剤等として利用可能であり、また発電用ボイラー燃料、消石灰等の焼成燃料等の燃料需要にも利用可能であり、更に高い圧縮強度等の特性を活かして、マテリアル素材としての使用も可能である。
即ち、本実施例によれば、反応容器１０内で、押出ピストン６によりバイオマス粉砕物を押出しながら連続的に処理を行うことにより、バイオコークスを工業的に大量生産することができるようになる。
また、本実施例では長尺状のバイオコークスが製造でき、バイオコークス製品の大きさを調整できる。また、加熱反応領域１３と冷却領域１４を異なる位置で行うようにしたため、単独の加熱手段、或いは冷却手段を具備すればよく、装置構成が簡単化する。さらに、各処理領域における滞留時間を自在に調整可能であるため、異なる種類のバイオマス粉砕物にも好適に適用できる。
また、バイオマス粉砕物を各処理領域毎に一旦停止させ、一定時間保持させる構成とした場合、反応容器１０の長さを短くすることができ、装置の小型化、省スペース化が可能となる。
さらに、バイオマス粉砕物を常時移送しながら処理を行う構成とした場合、バイオコークスの製造量を増大することができる。
また、本実施例では長尺状のバイオコークスが製造でき、バイオコークス製品の大きさを調整できる。また、加熱反応領域１３と冷却領域１４を異なる位置で行うようにしたため、単独の加熱手段、或いは冷却手段を具備すればよく、装置構成が簡単化する。さらに、各処理領域における滞留時間を自在に調整可能であるため、異なる種類のバイオマス粉砕物にも好適に適用できる。
また、バイオマス粉砕物を各処理領域毎に一旦停止させ、一定時間保持させる構成とした場合、反応容器１０の長さを短くすることができ、装置の小型化、省スペース化が可能となる。
さらに、バイオマス粉砕物を常時移送しながら処理を行う構成とした場合、バイオコークスの製造量を増大することができる。
本実施例に係るバイオコークス製造装置を用いることにより、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量のバイオコークスを効率的に製造することが可能となる。また、本実施例にて製造されたバイオコークスは、鋳物製造或いは製鉄において、キュポラ、高炉における熱源・還元剤等として利用可能であり、また発電用ボイラー燃料、消石灰等の焼成燃料等の燃料需要にも利用可能であり、更に高い圧縮強度等の特性を活かして、マテリアル素材としての使用も可能である。
１ 粉砕物ホッパ
２、４ スクリューフィーダ
６ 押出ピストン
７ 油圧ピストン
９ ロードセル
１０ 反応容器
１３ 加熱反応領域
１４ 冷却領域
１５ 圧力調整領域
２７ 油圧シリンダ
２９ 切断手段
Ｍ１ 供給モータ
Ｍ２ 押込モータ
Ｍ３ 押出モータ
２、４ スクリューフィーダ
６ 押出ピストン
７ 油圧ピストン
９ ロードセル
１０ 反応容器
１３ 加熱反応領域
１４ 冷却領域
１５ 圧力調整領域
２７ 油圧シリンダ
２９ 切断手段
Ｍ１ 供給モータ
Ｍ２ 押込モータ
Ｍ３ 押出モータ
Claims (7)
- 所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造装置であって、
横置き筒状の反応容器を備え、該反応容器の一端側にバイオマス粉砕物の供給部が、他端側にバイオコークスの排出部が設けられるとともに、前記供給部側には、前記反応容器内を長手方向に往復移動可能で且つ容器内のバイオマス粉砕物を前記排出部に向けて加圧する押出し手段が設けられており、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、
前記反応容器には、前記供給部から前記排出部に向けて順に、バイオマス粉砕物を前記温度範囲に加熱する加熱反応領域と、該加熱されたバイオマス粉砕物を冷却する冷却領域とが形成され、前記押出し手段により、バイオマス粉砕物が各領域にて所定時間滞留されるように移送するとともに、容器内のバイオマス粉砕物が前記圧力範囲となるように加圧することを特徴とするバイオコークス製造装置。 - 前記冷却領域の下流側に圧力調整領域を形成し、該圧力調整領域は、前記反応容器内のバイオマス粉砕物に対して外周方向から圧力を加える圧力調整装置を備え、
前記反応容器内にて、供給側から前記押出し手段によりバイオマス粉砕物を加圧し、この加圧力を前記圧力調整装置にて調整することにより前記バイオマス粉砕物を前記圧力範囲に維持するようにしたことを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。 - 前記押出し手段は、前記加熱反応領域と前記冷却領域にてバイオマス粉砕物を一旦保持するように構成されることを特徴とする請求項１若しくは２記載のバイオコークス製造装置。
- 請求項１に記載されるバイオコークス製造装置の制御方法であって、
前記バイオマス粉砕物を前記供給部に供給する供給手段と、該供給手段を駆動制御する供給駆動手段と、前記押出し手段を駆動制御する押出し駆動手段と、を備え、
前記供給駆動手段はバイオマス粉砕物の供給時のみ運転するようにし、
前記押出し駆動手段は、各処理領域へバイオマス粉砕物を移送する際に運転し、該当する処理領域に到達したら該押出し駆動手段を停止してバイオマス粉砕物を加圧状態で保持するようにしたことを特徴とするバイオコークス製造装置の制御方法。 - 所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を、反応容器内にて加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造方法であって、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が予め設定されており、
横置き筒状の反応容器を備え、該反応容器の一端側から供給されたバイオマス粉砕物を押出し手段により移送し、
前記反応容器内にて、前記押出し手段により前記圧力範囲に加圧されたバイオマス粉砕物を前記温度範囲に加熱する加熱工程と、該加熱されたバイオマス粉砕物を冷却する冷却工程とを行うようにし、夫々の工程にて所定の滞留時間が確保されるように前記押出し手段によりバイオマス粉砕物の移送を制御することを特徴とするバイオコークス製造方法。 - 前記反応容器の前記冷却工程より後段側に、容器外周側からバイオマス粉砕物に向けて圧力を加える圧力調整工程を備え、
前記反応容器内にて、供給側から前記押出し手段によりバイオマス粉砕物を加圧するとともに、この加圧力を前記圧力調整工程にて調整することにより前記バイオマス粉砕物を前記圧力範囲に維持するようにしたことを特徴とする請求項５記載のバイオコークス製造方法。 - 前記バイオマス粉砕物を前記加熱反応工程と前記冷却工程の夫々において一定時間保持した後、次工程に移送するようにしたことを特徴とする請求項５若しくは６記載のバイオコークス製造方法。
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