JP2018115307A - バイオマス用二連結半炭化方法、バイオマス用二連結半炭化システム - Google Patents

Abstract

【課題】空気を遮断した状態で、４００℃以下で、バイオマスを半炭化することにより、高いエネルギー利用効率で、特性が均質な半炭化物を、製造する。
【解決手段】空気を遮断した状態で、加熱することにより、常温から始めて２５０℃程度乃至３００℃程度へ、バイオマスを、昇温する第一半炭化工程と、空気を遮断した状態で、２５０℃程度乃至３００℃程度で、３０分乃至４時間保持することにより、第一半炭化工程から排出されるバイオマスを、半炭化する第二半炭化工程と、第二半炭化工程から排出される半炭化物を、冷却して回収する冷却工程と、第一半炭化工程から発生する熱分解ガスと、第二半炭化工程から発生する熱分解ガスと、を燃焼する燃焼工程と、第一半炭化工程と、第二半炭化工程と、において、燃焼工程から発生する熱を、利用する熱利用工程と、を有するバイオマス用二連結半炭化方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス用二連結半炭化方法、バイオマス用二連結半炭化システムに関する。

木質系バイオマスをエネルギー利用しようとするには、木質系バイオマスは、単位重量あたりの発熱量が低いという欠点と、繊維質で粉砕しにくいという欠点と、を有する。
広く知られているように、木質系バイオマスを炭化することにより、エネルギー利用しやすくなる。例えば、木質系バイオマスを、窯に入れて、４００℃から１０００℃で蒸し焼きにして、炭を作ることは昔から広く行われている。

間接加熱により、空気を遮断した状態で、４００℃以下で、木質系バイオマスを炭化すると、エネルギー密度は向上し、粉砕特性は向上する。
間接加熱により、空気を遮断した状態で、４００℃以下で、木質系バイオマスを炭化することを半炭化と称する。半炭化による生成物を、半炭化物と称する。

発明が解決しようとする課題

伐採された直後の木質系バイオマスは、５０％以上の水分を含む。空気中で乾燥した木質系バイオマスは、２０％程度の水分を含む。
保存状態等が変化すると、木質系バイオマスに含まれる水分量は変化する。

従来の半炭化方法によれば、半炭化温度は３５０℃乃至４００℃で、昇温開始から半炭化終了までの時間は、３０分程度以下である。
木質系バイオマスに含まれる水分が蒸発し、木質系バイオマス温度が、半炭化温度まで昇温されるのに、時間を要するため、半炭化時間は１５分程度以下である。

半炭化時間が１５分程度以下の場合、半炭化温度が少し変化しても、半炭化物特性が大きく変化する。例えば、半炭化温度３５０℃で、半炭化時間１５分程度で、スギを半炭化する場合、半炭化温度が１℃上昇すると、半炭化物重量のスギ重量に対する割合（残留重量率）が０．５％以上減少する。
従来の半炭化方法によれば、均質な半炭化物を製造するために、半炭化温度を、精密に制御しなければならなかった。

木質系バイオマスに含まれる水分を蒸発するために、多量の熱量を必要とする。
木質系バイオマスの保存状態等により、含水率は変動する。含水率が変動すれば、木質系バイオマスに含まれる水分を蒸発するために、必要な熱量も変動する。

従来の半炭化方法によれば、木質系バイオマスに含まれる水分を蒸発させるために、多量の熱量を供給し、木質系バイオマスの含水率変動に応じて、供給熱量を制御しなければならない。
木質系バイオマスに含まれる水分を蒸発させるために必要な熱量よりも、供給熱量が多いと、半炭化温度が上昇し、木質系バイオマスに含まれる水分を蒸発させるために必要な熱量よりも、供給熱量が少ないと、半炭化温度が低下する。
木質系バイオマスの含水率変動に応じて、供給熱量を精密に制御して、半炭化温度を精密に制御するのは困難である。

従来の半炭化方法によれば、半炭化温度を精密に制御しなければならないのにも関わらず、半炭化温度を精密に制御するのが困難という課題があった。

本発明の第一様態であるバイオマス用二連結半炭化方法によれば、２５０℃乃至３００℃で、木質系バイオマスを保持して、木質系バイオマス中の水分を蒸発させて、木質系バイオマス温度を、２５０℃乃至３００℃へ昇温する第一半炭化工程と、第一半炭化工程から排出された木質系バイオマスを、２５０℃乃至３００℃で、３０分乃至４時間保持して、木質系バイオマスを半炭化する第二半炭化工程と、を有する。

本発明の第二様態であるバイオマス用二連結半炭化システムによれば、２５０℃乃至３００℃で、木質系バイオマスを保持して、木質系バイオマス中の水分を蒸発させて、木質系バイオマスを、２５０℃乃至３００℃へ昇温する第一半炭化装置と、第一半炭化工程から排出された木質系バイオマスを、２５０℃乃至３００℃で、３０分乃至４時間保持して、木質系バイオマスを半炭化する第二半炭化装置と、を有する。

第一半炭化装置に、外熱式ロータリーキルン、外熱式スクリューコンベア等を用いて良い。
第二半炭化装置に、外熱式ロータリーキルン、外熱式スクリューコンベア等を用いて良い。

本発明の第一様態であるバイオマス用二連結半炭化方法によれば、木質系バイオマスに含まれる水分を蒸発させて、木質系バイオマスを昇温するために、多量の熱を必要とする第一半炭化工程と、半炭化温度の精密制御を必要とする第二半炭化工程を分けることにより、第二半炭化工程における、木質系バイオマスの半炭化温度を、精密に制御できる。

本発明の第二様態であるバイオマス用二連結半炭化システムによれば、木質系バイオマスに含まれる水分を蒸発させて、木質系バイオマスを昇温するために、多量の熱を必要とする第一半炭化装置と、半炭化温度の精密制御を必要とする第二半炭化装置を分けることにより、第二半炭化装置における、木質系バイオマスの半炭化温度を、精密に制御できる。

〔半炭化時間を制御することにより半炭化物特性を制御可能〕
発明者らは、半炭化温度２５０℃乃至３００℃で、半炭化時間３０分乃至４時間で、木質系バイオマスを半炭化すると、従来の半炭化方法により得られる半炭化物と、同様の特性を有する半炭化物を製造できることを、見出した。
発明者らは、半炭化温度２５０℃乃至３００℃で、半炭化時間３０分乃至４時間で、木質系バイオマスを半炭化する場合、半炭化時間を制御することにより、半炭化物の特性を制御できることを、見出した。
２５０℃乃至３００℃で、スギ木部を半炭化した場合の、半炭化時間と残留重量率を、表２に示す。

半炭化時間の制御は容易である。例えば、外熱式ロータリーキルンの場合、内筒の回転速度調節により、半炭化時間を容易に制御できる。例えば、外熱式スクリューコンベアの場合、スクリューコンベアの速度調節により、半炭化時間を容易に制御できる。

〔高いエネルギー利用効率〕
熱は高温部から低温部へ流れる。流れる熱量は、高温部と低温部の温度差に比例する。
外熱式ロータリーキルンまたは外熱式スクリューコンベア等において、半炭化のために利用できる熱量は、燃焼ガス温度と、半炭化温度と、の温度差に比例する。
本発明方法によれば、従来の半炭化温度よりも低い、半炭化温度２５０℃乃至３００℃で、半炭化することにより、従来の半炭化方法において半炭化のために利用できる熱量よりも多い熱量を、半炭化のために利用できる。したがって、エネルギー利用効率が高い。

〔半炭化温度の制御が容易〕
発明者らは、半炭化温度が低い場合、半炭化温度が変化しても、炭化物特性は、それほど変化しないことを、見出した。
例えば、半炭化温度２５０℃で、半炭化時間１５分程度で、スギを半炭化する場合、半炭化温度が１℃変化すると、残留重量率は約０．０６％変化する。一方、前述のように、半炭化温度３５０℃で、半炭化時間１５分程度で、スギを半炭化する場合、半炭化温度が１℃上昇すると、残留重量率が０．５％以上減少する。
従来の半炭化方法によれば、半炭化温度３５０℃乃至４００℃で、半炭化時間１５分程度以下で、半炭化温度を精密に制御しなければならなかった。
本発明のバイオマス用二連結半炭化方法によれば、半炭化温度２５０℃乃至３００℃で、半炭化時間が３０分乃至４時間で、半炭化温度の精密制御が不要である。

本発明の第一様態であるバイオマス用二連結半炭化方法によれば、半炭化温度２５０℃乃至３００℃で、半炭化時間３０分乃至４時間で、高いエネルギー利用効率で、特性が均質な半炭化物を、容易に得ることができる。

本発明の第二様態であるバイオマス用二連結半炭化システムによれば、半炭化温度２５０℃乃至３００℃で、半炭化時間３０分乃至４時間で、高いエネルギー利用効率で、特性が均質な半炭化物を、容易に得ることができる。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態のバイオマス用二連結炭化方法について図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態のバイオマス用二連結半炭化方法１は、木質系バイオマス２に含まれる水分を蒸発し、木質系バイオマス２を半炭化温度まで昇温する第一半炭化工程３と、第一半炭化工程３で発生した熱分解ガス５と半炭化温度まで昇温された木質系バイオマス６とを流通させる連結工程７と、昇温された木質系バイオマス６を半炭化温度で３０分乃至４時間保持して半炭化する第二半炭化工程８と、第二半炭化工程８から排出される半炭化物１０と、半炭化物１０を常温へ冷却する冷却工程１２と、常温に冷却された半炭化物１３と、第一半炭化工程３で発生した熱分解ガス５と第二半炭化工程８で発生した熱分解ガスとの混合物である熱分解ガス１１と、熱分解ガス１１と燃焼用空気１５と補助燃料１６とを混合して燃焼する燃焼工程１４と、燃焼工程１４で発生する熱ガス１７と、熱ガス１７の一部を分配して第一半炭化工程３へ供給する第一分配工程１８と、第一分配工程で分配された第一半炭化用熱ガス１９と、熱ガス１７の一部を分配して第二半炭化工程８へ供給する第二分配工程２０と、第二分配工程で分配された第二半炭化用熱ガス２１と、第一半炭化工程３において昇温に用いられて温度が低下した第一半炭化用熱ガス２２と、第二半炭化工程８において半炭化に用いられて温度が低下した第二半炭化用熱ガス２３と、温度が低下した第一半炭化用熱ガス２２と温度が低下した第一半炭化用熱ガス２３とを大気放出可能な状態へ処理する熱ガス処理工程２４と、排ガス２５と、から構成される。

〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態のバイオマス用二連結炭化装置について図面を参照して詳細に説明する。

図２に示すように、本実施形態のバイオマス用二連結半炭化装置１０１は、木質系バイオマス２に含まれる水分を蒸発し、木質系バイオマス２を半炭化温度まで昇温する第一半炭化装置１０３と、第一半炭化工程１０３で発生した熱分解ガス５と半炭化温度まで昇温された木質系バイオマス６とを流通させる連結装置１０７と、木質系バイオマス６を半炭化温度で３０分乃至４時間保持して半炭化する第二半炭化装置１０８と、第二半炭化装置１０８から排出される半炭化物１０と、半炭化物１０を常温へ冷却する冷却装置１１２と、常温に冷却された半炭化物１３と、第一半炭化装置１０３で発生した熱分解ガス５と第二半炭化装置１０８で発生した熱分解ガスとの混合物である熱分解ガス１１と、熱分解ガス１１と燃焼用空気１５と補助燃料１６とを混合して燃焼する燃焼装置１１４と、燃焼装置１１４で発生する熱ガス１７と、熱ガス１７の一部を第一半炭化装置１０３へ供給する第一ファン１１５と、第一半炭化用熱ガス１９の流量を調整する第一流量調整装置１１６と、熱ガス１７の一部を第二半炭化工程１０８へ供給する第二ファン１１７と、第二半炭化用熱ガス２１の流量を調整する第二流量調整装置１１８と、第一半炭化装置１０３において昇温に用いられて温度が低下した第一半炭化済熱ガス２２と、第二半炭化装置１０８において半炭化に用いられて温度が低下した第二半炭化済熱ガス２３と、温度が低下した第一半炭化済熱ガス２２と温度が低下した第二半炭化済熱ガス２３とを大気放出可能な状態へ処理する熱ガス処理装置１２４と、排ガス２５と、から構成される。

第一半炭化装置１０３は、第一半炭化装置外筒１０２Ａと、第一半炭化装置内筒１０２Ｂと、から構成される。
第一半炭化用熱ガス１９は、第一半炭化装置外筒と第一半炭化装置内筒との間の空間１０４へ供給される。

木質系バイオマス２は、昇温されながら、第一半炭化装置内筒１０２Ｂの中を運搬される。
第一半炭化装置内筒１０２Ｂを回転させて、木質系バイオマス２を運搬してもよい。
第一半炭化装置内筒１０２Ｂの中にスクリューコンベア等を設置して、木質系バイオマス２を運搬してもよい。

第一温度測定装置１１９により、第一半炭化装置内筒１０２Ｂの温度を測定できる。
第一温度測定装置１１９と、第一流量調整装置１１６とは、電気的に接続されており、第一半炭化用熱ガス１９の流量を調整できる。

第二半炭化装置１０８は、第二半炭化装置外筒１０５Ａと、第二半炭化装置内筒１０５Ｂと、から構成される。
第二半炭化用熱ガス２１は、第二半炭化装置外筒と第二半炭化装置内筒との間の空間１０９へ供給される。

半炭化温度まで昇温された木質系バイオマス６は、半炭化されながら、第二半炭化装置内筒１０５Ｂの中を運搬される。
第二半炭化装置内筒１０５Ｂを回転させて、半炭化温度まで昇温された木質系バイオマス６を運搬してもよい。
第二半炭化装置内筒１０５Ｂの中にスクリューコンベア等を設置して、半炭化温度まで昇温された木質系バイオマス６を運搬してもよい。

第二温度測定装置１２０により、第二半炭化装置内筒１０５Ｂの温度を測定できる。
第二温度測定装置１２０と、流量調整装置１１８とは、電気的に接続されており、第二半炭化用熱ガス２１の流量を調整できる。

第一温度測定装置１１９と、第二温度測定装置１２０と、燃焼装置１１４と、は電気的に接続されており、燃焼用空気１５の流量と、補助燃料１６の流量と、を調整できる。

連結装置１０７は、第一半炭化装置１０３と第二半炭化装置１０８を連結し、第一半炭化装置から排出される、炭化温度まで昇温された木質系バイオマス６と、第一半炭化装置で生じた熱分解ガス５と、を外部に流出することなく、第一半炭化装置から第二半炭化装置へ運搬する。

連結装置１０７に、スクリューコンベア等の運搬装置を設けてもよい。

冷却装置１１２は、半炭化物１０を運搬する運搬装置１１１と、水冷ジャケット１１３と、から構成される。
冷却水１１０は、水冷ジャケット１１３へ供給される。
運搬装置１１１は、スクリューコンベア等でよい。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。

１ バイオマス用二連結半炭化方法
２ 木質系バイオマス
３ 第一半炭化工程
５ 熱分解ガス
６ 半炭化温度まで昇温された木質系バイオマス
７ 連結工程
８ 第二半炭化工程
１０ 半炭化物
１１ 熱分解ガス
１２ 冷却工程
１３ 常温に冷却された半炭化物
１４ 燃焼工程
１５ 燃焼用空気
１６ 補助燃料
１７ 熱ガス
１８ 第一分配工程
１９ 第一半炭化用熱ガス
２０ 第二分配工程
２１ 第二半炭化用熱ガス
２２ 温度が低下した第一半炭化用熱ガス
２３ 温度が低下した第二半炭化用熱ガス
２４ 熱ガス処理工程
２５ 排ガス
１０１ バイオマス用二連結半炭化装置
１０２Ａ 第一半炭化装置外筒
１０２Ｂ 第一半炭化装置内筒
１０３ 第一半炭化装置
１０４ 第一半炭化装置外筒と第一半炭化装置内筒との間の空間
１０５Ａ 第二半炭化装置外筒
１０５Ｂ 第二半炭化装置内筒
１０７ 連結装置
１０８ 第二半炭化装置
１０９ 第二半炭化装置外筒と第二半炭化装置内筒との間の空間
１１０ 冷却水
１１１ 運搬装置
１１２ 冷却装置
１１３ 水冷ジャケット
１１４ 燃焼装置
１１５ 第一ファン
１１６ 第一流量調整装置
１１７ 第二ファン
１１８ 第二流量調整装置
１１９ 第一温度測定装置
１２０ 第二温度測定装置
１２４ 熱ガス処理装置

本発明の第一実施形態のバイオマス用二連結半炭化方法の概略構成図である。 本発明の第二実施形態のバイオマス用二連結半炭化装置の構成概略図である。

Claims (4)

1. 空気を遮断した状態で、常温から始めて２５０℃程度乃至３００℃程度へ、バイオマスを昇温する第一半炭化工程と、
   空気を遮断した状態で、２５０℃程度乃至３００℃程度で、３０分乃至４時間保持することにより、前記第一半炭化工程から排出されるバイオマスを半炭化する第二半炭化工程と、
   前記第二半炭化工程から排出される半炭化物を、冷却して回収する冷却工程と、
   前記第一半炭化工程において発生する熱分解ガスと、前記第二半炭化工程において発生する熱分解ガスと、補助燃料と、を燃焼する燃焼工程と、
   前記第一半炭化工程と、前記第二半炭化工程と、において、前記燃焼工程において発生する熱を利用する熱利用工程と、
   を有することを特徴とするバイオマス用二連結半炭化方法。
2. 空気を遮断した状態で、常温から始めて２５０℃程度乃至３００℃程度へ、バイオマスを昇温する第一半炭化装置と、
   空気を遮断した状態で、２５０℃程度乃至３００℃程度で、３０分乃至４時間保持することにより、前記第一半炭化装置から排出されるバイオマスを半炭化する第二半炭化装置と、
   前記第二半炭化装置から排出される半炭化物を、冷却して回収する冷却装置と、
   前記第一半炭化装置において発生する熱分解ガスと、前記第二半炭化装置において発生する熱分解ガスと、補助燃料と、を燃焼する燃焼装置と、
   前記第一半炭化装置と、前記第二半炭化装置と、において、前記燃焼装置において発生する熱を利用する熱利用装置と、
   を有することを特徴とするバイオマス用二連結半炭化システム。
3. 内部温度を２５０℃程度乃至３００℃程度に保ち、
   空気を遮断した状態で、
   装置内部で、バイオマスを移動させながら、
   バイオマス中の水分を蒸発させて、
   常温から始めて２５０℃程度乃至３００℃程度へ、
   バイオマスを昇温する、
   請求項２に記載の、第一半炭化装置。
4. 内部温度を２５０℃程度乃至３００℃程度に保ち、
   空気を遮断した状態で、
   装置内部で、移動させながら、
   ３０分程度乃至４時間程度、バイオマスを保持することにより、
   請求項２と、請求項３と、に記載の第一半炭化装置から排出されるバイオマスを半炭化する、
   請求項２に記載の、第二半炭化装置。

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