JP6169323B2 - 固体燃料の製造方法及び固体燃料 - Google Patents

Description

本発明は、樹皮（バーク）を焙焼（torrefaction）することによって得られる固体燃料の製造方法に関する。

近年、化石燃料の枯渇化及びＣＯ_２排出による地球温暖化への対策として、バイオマスを原料とする燃料の利用が検討されている。一般にバイオマスとは、エネルギー源又は工業原料として利用することのできる生物体をいい、代表的なものは木材、建築廃材、農産廃棄物等である。従来よりバイオマスを有効利用する方法が各種提案されている。その中でも、バイオマスを低コストで以って高付加価値物に転換できる有用な方法として、バイオマスを炭化して固体燃料を製造する方法がある。これは、バイオマスを炭化炉に投入して酸素欠乏雰囲気下で所定時間加熱して炭化処理し、固体燃料を製造するものである。

このようにして製造された固体燃料は、発電設備や焼却設備等の燃焼設備の燃料に用いられるが、この場合、燃焼効率を向上させるために固体燃料を細かく粉砕して微粉燃料として用いることがある。固体燃料は単独で、あるいは石炭と混合して粉砕されるが、バイオマスのうち木質系バイオマスは大部分が繊維質であるため、粉砕性が悪く、燃焼効率の低下、粉砕機の運転性低下等の問題があった。

特許文献１には、材廃材、間伐材、庭木、建築廃材等の木質系バイオマスを240℃以上300℃以下の温度で、15分以上90分以下の時間で熱分解した後に粉砕する方法が開示されている。加熱温度が240℃より低い温度であると破砕性、粉砕性が向上せず、300℃よりも高い温度であると破砕、粉砕時にサブミクロンオーダーの微粉量が増大して粉体トラブルを生じ易くなるため好ましくないとしている。

また、特許文献２には穀類、実、種子を含むバイオマスを酸素濃度1〜5％、処理温度350〜400℃で30〜90分加熱して炭化処理することで、石炭と同等の粉砕性を有する固体燃料を製造する方法が開示されている。

特開2006−26474号公報 特開2009−191085号公報

しかしながら、上記方法で製造された炭化物は、物質収率及び熱量収率が低く、石炭に比較すると粉砕性が不十分であり、石炭と混合して粉砕処理して微粉炭ボイラーの燃料として使用することが困難である。

本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、サイズが60ｍｍ以下で、かつ0.5ｍｍ未満のサイズの画分が10質量％未満である樹皮（バーク）を含む木質系バイオマスを原料として、酸素濃度10％以下で、かつ温度170〜350℃の条件下で焙焼（torrefaction）することによって、石炭と同等の粉砕性を有する固体燃料が製造できることを見出した。

本発明にて調製した樹皮は、嵩密度が高く、微細分が少なくなるため、炭化炉入口のロータリーバルブが詰まること等による搬送性の問題や、乾燥機後のサイクロンでのリジェクト分か過大となることによる詰まり等が発生しなくなる。また、本発明の製造方法にて得られる固形燃料は、物質収率、熱量収率が高く、さらに石炭と同等の粉砕性を有するので、石炭と混合して粉砕処理して微粉炭ボイラーの燃料として使用することできる。

本発明において、原料として樹皮（バーク）を使用する。樹皮はあまり利用されることなく、廃棄されることが多いの現状である。本発明者らは樹皮を有効利用することを検討したところ、樹皮を原料として焙焼した場合、木部のチップと比較して良好な性質を有する固形燃料が得られることが判明した。樹皮は木部と比較するとヘミセルロースの含有量が少ないので、焙焼した後の物質収率が高くなる。樹種は広葉樹、針葉樹のいずれも使用できるが、杉の樹皮が好ましい。なお、水分は10％以下とすることが好ましく、5％以下とすることがさらに好ましい。

しかしながら、樹皮の粉砕処理したものを原料とした場合、炭化炉入口のロータリーバルブが詰まること等の搬送性の問題や、乾燥機後のサイクロンでリジェクト分が過大となることによる詰まり等が発生することがあった。これは樹皮の粉砕物の嵩密度が低いこと、微細分が多いことが原因と考えられた。

本発明において、樹皮は60ｍｍ以下のサイズで、かつ0.5ｍｍ未満のサイズの画分が10質量％未満であるものを使用することが必要である。なお、本発明において、樹皮のサイズとは、篩い分け器の円形の穴の大きさによって篩い分けされたものである。すなわち、0.5ｍｍ未満のサイズの木材チップとは、直径0.5ｍｍの穴を通過するものである。0.5ｍｍ未満のサイズの画分が10質量％以上となると、嵩密度の低下による炭化炉入口のロータリーバルブでのブリッジにより詰まること等による搬送性の低下や、微細分の増加による乾燥機後のサイクロンでリジェクト分が過大となることによる詰まり等が発生しなくなる。樹皮を粉砕するための装置としては、ナイフ切削型バイオマス燃料用チッパーで粉砕処理することが好ましい。

本発明における焙焼（torrefaction）とは、低酸素雰囲気下で、所謂炭化処理よりも低い温度で加熱する処理のことである。通常の木材の炭化処理の温度は400〜700℃であるが、焙焼はより低い温度で行われる。焙焼を行うことによって、その出発原料よりも高いエネルギー密度を有する固体燃料が得られる。

本発明における焙焼の処理条件は、酸素濃度10％以下で、温度170〜350℃である。酸素濃度が10％を超えると物質収率、熱量収率が低下する。また、温度が170℃未満では後述する粉砕性が不十分であり、350℃を超えると物質収率、熱量収率が低下する。温度は200〜320℃がさらに好ましい。ヘミセルロースは270℃付近で熱分解が顕著になるのに対して、セルロースは355℃付近、リグニンは365℃付近で熱分解が顕著になるので、焙焼時の処理温度を170〜350℃とすることで、ヘミセルロースを優先的に熱分解して、物質収率と粉砕性を両立できる固体燃料を製造することが可能になると推察される。

本発明において、焙焼処理を行うための装置は特に限定されないが、炭化炉として通常使用されるロータリーキルン、竪型炉が好ましい。なお、酸素濃度を10％以下に調整するため装置内を窒素等の不活性ガスで置換することが好ましい。処理時間は15〜180分が好ましい。

本発明で得られる固体燃料は原料の樹皮に対して物質収率で60〜90％、熱量収率で70〜95％である。また、粉砕性の指標であるＪＩＳ Ｍ ８８０１：２００４に規定のハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）は30〜70が好ましく、40〜60がさらに好ましい。ＨＧＩが高くなるほど、粉砕され易いことを示している。ＨＧＩが30〜70の範囲であれば、石炭と混合して粉砕処理することが可能となる。石炭のＨＧＩは通常40〜70であるので、本発明で得られた固体燃料は石炭と同等の粉砕性を有している。

以下に実施例にて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
杉の樹皮をナイフ切削型バイオマス燃料用チッパー（緑産（株）製、Wood Hacker MEGA360DL）にて粉砕処理した。粉砕後、70ｍｍのスクリーンを通過した樹皮を、さらに、＞2ｍｍ、2ｍｍ〜0.5ｍｍ、0.5ｍｍ＞の画分に分級して、各々の質量割合を測定した。（分級するための方法、装置を記載して下さい）。
得られた樹皮の嵩密度、サイズの分布は表１に示す通りである。この樹皮を原料として、乾燥機で120℃、10分間乾燥処理を行った。続いて大型キルン型炭化炉を用い、窒素パージして、炭化炉入口温度310℃、炭化炉出口温度310℃、滞留時間30分で焙焼を行って生成物を得た。炭化炉入口のロータリーバルブの詰まり、乾燥機後のサイクロンの詰まりはいずれも発生しなかった。

［比較例１］
杉の樹皮をハンマーミル（Prrsident Husky Corporetion製、PROGRIND 1500T）にて粉砕処理し、粉砕後、100ｍｍのスクリーンを通過した樹皮を原料とした以外は、実施例１と同様にして生成物を得た。

実施例１、比較例１で得られた生成物について下記の項目について評価し、結果を表１に示した。なお、比較例２は未処理の杉の樹皮である。
・物質収率：焙焼前後の試料の重量から計算した。
・粉砕性：試料をボールミルで200ｒｐｍ、4分間粉砕し、200メッシュをパスしたものの重量を測定し、石炭の粉砕性の指標であるハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）の値から換算して、試料のＨＧＩとした。

表１に示されるように、サイズが60ｍｍ以下で、かつ0.5ｍｍ未満のサイズの画分が10質量％未満である樹皮を原料として焙焼によって製造した実施例１の生成物は、物質収率及び熱量収率が高く、ハードグローブ粉砕性指数（ＨＧＩ）が30〜70の範囲であり粉砕性が良好であった。一方、0.5ｍｍ未満のサイズの画分が10質量％以上である原料を使用した比較例１では、炭化炉入口のロータリーバルブの詰まりや乾燥後のサイクロンの詰まりが発生し、製造ができなかった。比較例１では嵩密度も実施例１に比べて低く、このことも操業性の悪化の原因と考えられる。比較例２の未処理の樹皮はＨＧＩが30未満で粉砕性に劣っていた。

Claims (1)

1. サイズが60ｍｍ以下で、かつ0.5ｍｍ未満のサイズの画分が10質量％未満となるように粉砕処理した樹皮を含む木質系バイオマスを篩い分け処理し、酸素濃度10％以下で、かつ温度170〜350℃の条件下で、入口にロータリーバルブを有するロータリーキルンで焙焼することを特徴とする固体燃料の製造方法。