JP6180614B1 - パームトランクの処理方法およびパームトランクの処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、パームトランクから得られた固体燃料にはカリウムなどのアルカリ金属(以下、単に「カリウムなど」という)が含有されており、この固体燃料をボイラーなどで燃焼させると、カリウムなどを由来とする灰が発生してボイラー内に付着し、いわゆるスラッギングなどが発生する場合があった。
そこで、例えば下記特許文献1では、パームトランクを破砕後に、水分量が35%以下となるまでパームトランクを圧搾してカリウムなどのアルカリ分を除去する技術が開示されている。
また、例えば下記特許文献2では、パームトランクを一度搾汁した後に加水し、再度搾汁することによって、カリウムなどのアルカリ分除去をより効果的に行う技術が開示されている。
同様の草本系アルカリの除去方法として特許文献2が提示されている。しかし、この方法はカリウムを加水により溶出しやすくするために、細胞壁を破壊させる必要があることから、加水の前に搾汁を行う必要があり、2回搾汁を行うことになり、これも多大な動力が必要であった。
また、特許文献3及び4のように、搾汁前にパームトランクを水に溶出させてカリウムを溶出させる方法も提示されているが、パームトランク中のカリウム濃度があまり高くない場合においても、一旦、パームトランクの最大含水率まで吸水させた後に、溶出液中のカリウム濃度をパームトランク内における液中カリウム濃度以下になるようにしてカリウムを溶出させるので、大量の水分添加を必要とするだけでなく、必然的に大量の廃液が発生するという問題があった。このため、カリウム溶出のための溶出槽や加温装置が必要となるだけでなく、給水設備や廃液処理装置も必要となり設備全体が大掛かりなものとなっていた。
パームトランクへの加水はパームトランクが吸水できる範囲内での水分の添加であるので、加水量を最小限に抑えられるだけでなく余分な廃液も発生しない。さらに、この加水は粒径の細かな柔組織に加水できるので吸水性と吸水速度が向上し、短時間での加水工程を奏功させることができる。
また、加水後に搾汁を行う本方法は、加水せずに搾汁するプロセスと同じ搾汁残渣含水率まで搾汁を行う場合においても、搾汁における圧搾動力が圧搾されるパームトランクの含水率が低くなった段階での圧搾領域で最も大きくなることから、搾汁機に供給されるパームトランク含水率の加水による増加は搾汁機の動力の上昇をもたらさない。
パームトランクへの加水はパームトランクが吸水できる範囲内での水分の添加であるので、加水量を最小限に抑えられるだけでなく余分の廃液も発生しない。さらに、この加水は粒径の細かな柔組織に加水できるので吸水性と吸水速度が向上し、短時間での加水工程を奏功させることができる。
また、加水後に搾汁を行う本方法は、加水せずに搾汁するプロセスと同じ搾汁残渣含水率まで搾汁を行う場合においても、搾汁における圧搾動力が圧搾されるパームトランクの含水率が低くなった段階での圧搾領域で最も大きくなることから、搾汁機に供給されるパームトランク含水率の加水による増加は搾汁機の動力の上昇をもたらさない。
バイオマス原料であるパームトランク中のカリウムなどのアルカリ濃度は大きく変動するので、たとえばパームトランク原料中のカリウムなどのアルカリ濃度が1.5[%-dry]と高濃度になった場合においても、パームトランクに加水してから圧搾することにより搾汁機の動力の増加を防ぎつつ、搾汁残渣のカリウム濃度を低く抑えることができる簡易なパームトランクの処理方法を提供することができる。
請求項2に記載のパームトランクの処理方法によれば、パームトランクを粉砕する際に、水分を吸収しやすく細かい柔組織を壊さず、かつ柔組織と維管束とに解繊した状態とすることができるため、粉砕されたパームトランクの吸水性と吸水速度を向上させることが可能となり、加水工程の効率化を確実に奏功させることができる。
請求項3に記載のパームトランクの処理方法によれば、例えばベルトコンベアなどによる搬送中に、パームトランクに加水することができるため、加水工程の効率化を確実に奏功させることができる。
請求項4に記載のパームトランクの処理方法によれば、パームトランクに過剰に加水することを防止し、加水工程の効率化を確実に奏功させることができる。
請求項5に記載のパームトランクの処理方法によれば、パームトランクへの加水量を、パームトランクが吸水可能な水分量の上限値以下とすることにより、パームトランクに過剰に加水することを防止し、加水工程の効率化を確実に奏功させることができる。
請求項6に記載のパームトランクの処理方法によれば、搾汁残渣に含有されるカリウムなどの含有率などに基づいて加水量を制御するため、パームトランクに過不足なく加水することができる、これにより、例えばパームトランク中のカリウムなどのアルカリ濃度が低下した場合に、前処理で必要以上にカリウム濃度を低減させることなく、所定の搾汁残渣カリウム濃度にすることができる。
請求項7に記載のパームトランクの処理装置によれば、カリウムが吸水できる範囲内で加水させるので余分な廃液を発生させることがなく、さらに、パームトランクへの吸水によってパームトランク内の液中カリウム濃度を低い状態にした後に圧搾するから、搾汁残渣中のカリウム濃度を低く抑えることができる。また、パームトランクに加水せずに圧搾して所定濃度までカリウムを低減する場合と比較して、搾汁機の摩耗や動力の増加を防ぐことができる。
図1に示すように、処理装置10は、粉砕機1と、加水機3と、検出部5と、制御部4と、搾汁機2と、分析器6と、液体燃料生成部7と、固体燃料生成部8と、を有する。
検出部5は、パームトランク破砕片に加水された水分のうち、吸水されなかった水分を検出する。制御部4は、加水機3がパームトランク破砕片に加水する水分量を制御する。搾汁機2は、吸水したパームトランク破砕片を圧搾して、搾汁液と搾汁残渣とに分離する。分析器6は、搾汁残渣が含有するカリウムの含有率または搾汁残渣のアルカリ濃度を検出する。液体燃料生成部7は、搾汁液からエタノールなどの液体燃料を生成する。固体燃料生成部8は、搾汁残渣から燃料ペレットなどの固体燃料を生成する。なお、搾汁液にはカリウムなどの養分が含まれるため、搾汁液から肥料などを生成してもよい。
搾汁液タンク7aは、搾汁液を貯蔵して、硝酸を添加・混合する。搾汁液は硝酸を添加・混合されることにより、pHが調整されて発酵の効率が高まる。搾汁液タンク7a内の搾汁液の温度は、例えば50[℃]以上に管理され、これにより搾汁液に含まれる雑菌が死滅してさらに発酵効率が高まる。
乾燥機8aは、例えば乾燥空気を吹き付けて、搾汁残渣を乾燥させる。乾燥機8aにより、搾汁残渣に含まれる水分は、例えば質量基準で10[%]以下まで低減される。破砕機8bは、乾燥した搾汁残渣を所定の大きさに破砕する。成型機8cは、破砕された搾汁残渣を所定の形状に成形して燃料ペレットを得る。燃料ペレットは冷却器8dに移され、所定温度以下になるまで冷却される。
図3は、搾汁機2の一例を示す構成図である。搾汁機2は内接ロール型の搾汁機である。搾汁機2は、リングロール21と、内接ロール22と、投入口23と、排出口24と、シリンダ25と、押圧ロール26と、を有する。
パームトランク破砕片は、投入口23から投入され、リングロール21と内接ロール22との間で圧搾され、搾汁液と搾汁残渣とに分離される。分離された搾汁液は不図示の吐出口から外部へ吐出され、液体燃料生成部7に投入される。分離された搾汁残渣は排出口24から排出され、固体燃料生成部8に投入される。
分析器6は制御部4と電気的に接続されており、単位質量あたりの搾汁残渣に含まれるカリウムの質量(以降、単に残渣中K濃度Drと記す)を制御部4に出力する。なお、分析器が搾汁残渣のアルカリ濃度を分析する場合には、制御部4は搾汁残渣のアルカリ濃度を制御部4に出力する。
制御部4は、不図示のCPUなどの処理部と、不図示のRAMなどの記憶部と、を有する。
このとき、パームトランク破砕片原料、吸水後破砕片原料、及び破砕片搾汁残渣中の含水率φi(以降、含水率φiと記す)は、以下の数式(1)により表される。
φi=Li/(Si+Li) …(1)
また、パームトランク破砕片原料、吸水後破砕片原料、及び破砕片搾汁残渣における固体分Si[kg]あたりのカリウムの質量である原料中のK濃度Di(以降、単にK濃度Diと記す)は、以下の数式(2)により表される。
Di=wi/Si …(2)
Ci=wi/Li …(3)
搾汁機2が吸水したパームトランク破砕片を圧搾して、パームトランク破砕片に含まれる水分の質量をLf[kg]からLr[kg]に減少させる。このとき、搾汁残渣の水分中に存在しているカリウムの濃度と、搾汁液に溶出しているカリウムの濃度とは、パームトランク液中カリウム濃度Cで等しいので、破砕片原料又は吸水後破砕片原料における液中濃度CfまたはCf’と搾汁残渣中における液中濃度Crは次式(4a)又は(4b)で示される。
Cf’=Cr (加水時)…(4a)
Cf =Cr (非加水時)…(4b)
したがって、搾汁残渣に含まれる液体分L r [kg]中のカリウムの質量wr[kg](以降、単に搾汁残渣K質量wrと記す)は、式(3)と(4a)又は(4b)から、以下の数式(5a)又は(5b)により表される。
wr=Cf’× Lr(加水時)…(5a)
wr=Cf × Lr(非加水時)…(5b)
Dr=wr/Sr …(2a)
搾汁残渣に含まれるカリウムは、搾汁残渣中の水分に存在していると考えられるが、燃料ペレットを生成する際に、水分は乾燥機8aにより蒸発してカリウムが搾汁残渣の固体分に残留する。従って、この残渣中K濃度Drは燃料ペレットに含有されるカリウムの量を間接的に表している。
Sr=η×Sf …(6)
Dr/Df’ ={(1−φf’)φr}/{φf’(1−φr)} 加水時 …(7a)
Dr/Df={(1−φf )φr}/{φf (1−φr)} 非加水時…(7b)
上記の数式(7a)及び(7a)は、搾汁残渣含水率φrが同じであっても、吸水後含水率φf’を大きくすることができれば、原料中K濃度Dfに対する残渣中K濃度Drの比Dr/Dfを小さくできることを示している。すなわち、搾汁圧力を上げることで搾汁残渣含水率を下げなくても、加水により適切な吸水後含水率まで大きくすることができれば、原料と残渣におけるK除去の効果を得ることができることを示している。
Lf’=Lf+La …(8)
La/Ff=(φf’−φf)/(1−φf’) …(9)
図6(a)及び図6(b)に示すように、総質量Ff=448[kg]のパームトランク破砕片に、固体分Sf=148[kg]および液体分Lf=300[kg]が含まれており、液体分Lfには原料K質量wf=1[kg]のカリウムが存在しているとする。このとき、原料含水率φfは数式(1)よりφf=0.67[-]である。また、液中カリウム濃度Cfは、数式(3)よりCf=0.00333[kg-K/kg-Liquid]であり、対固形分原料中K濃度Dfは数式(2)よりDf=0.00677[kg-K/kg-solid]である。
このパームトランク破砕片を搾汁機2が圧搾する際、固体分回収率η=0.75[-]であったとすると、搾汁残渣固体分Srは数式(6)より搾汁残渣固体分Sr=111[kg]となる。そして、搾汁残渣水分率がφr=0.35[-]で搾汁される場合の搾汁残渣に含まれる水分の質量はLr=60[kg]なので、パームトランク破砕片に含まれていたwf=1[kg]のカリウムのうち、搾汁残渣に残留する搾汁残渣K質量wrは数式(5b)より、wr=0.2[kg]となる。このとき、残渣中K濃度DrはDr=0.0018[kg-K/kg-solid]となる。
図7(a)及び図7(b)に示すように、総質量Ff=448[kg]、固体分Sf=148[kg]、液体分Lf=300[kg]で加水する場合と同じであるが、液体分Lfには原料K分が加水しない場合の2倍量すなわち原料K質量wf=2[kg]のカリウムが存在しているとする。
このとき、原料含水率φfは数式(1)よりφf=0.67[-]である。また、液中カリウム濃度は数式(3)よりCf=0.00667[kg-K/kg-Liquid]であり、対固形分原料中K濃度Dfは数式(2)よりDf=0.0135[kg-K/kg-solid]である。
そして、残渣中K濃度Drは数式(2)より、Dr=0.0018[kg-K/kg-solid]となる。
図8に示すように、吸水後含水率φf’の値が大きくなるほど、Dr/Dfの値が小さくなる。すなわち、パームトランク破砕片に吸水させる水分量を多くするほど、原料中K濃度Dfに対する残渣中K濃度Drの低減量を大きくすることができる。
例えば、図8に示すように原料破砕片含水率φfが0.6[-]の場合であれば、吸水後含水率φf’を0.8[-]まで加水すれば、Dr/Df=0.38となり元のカリウム濃度の38%迄濃度を低減することができる。逆に、原料破砕片含水率φfが0.6[-]の場合に、残渣中のカリウム濃度を元の原料が破砕片濃度から50%に低減するだけであれば、吸水後含水率φf’が0.75[-]になる分だけの加水を行えばよいことを示している。図9に加水プロセスのターンダウン時の特長を示す概念を示す。
図11より柔組織は粒径が0.1〜1.7[mm]の間に多く分布し、維管束は粒径が0.425〜3.35[mm]の範囲に広く分布することが判る。
図12は図11をもとに、パームトランク破砕片全体についての粒度分布を示したものである。なお、図12の縦軸は、対象物を篩にかけて分級した際に、横軸に示す粒径以下の対象物の全体に占める重量基準の割合(以下、単に積算篩下という)をパーセント表示したものである。同様に、図13は柔組織および維管束についての粒度分布を、積算篩下により示したものである。
図13における柔組織および維管束のグラフを比較すると、その粒度分布のプロフィールは大きく異なっている。この点について、以下に考察する。もし、同じメカニズムによって粉砕されているのであれば、同じ粒径分布になるはずである。それにも関わらず、この二つの粒子のグループが異なる粒径分布をもっているということは、各々異なる破砕メカニズムによって生成したものである。すなわち、粒径が大きな方のグループが破砕により直接的に生じたものであるのに対して、粒径が小さな方のグループは、元々小さな粒子が弱く結合していたものが破砕時のエネルギーによって元の粒径状態に解きほぐされて生じる、いわゆる解繊と呼ばれるものである。したがって、図13は、パームトランクの破砕において、粒径が小さな方のグループである柔組織は元々ある粒度分布を持っており、破砕により維管束から剥がれて解繊された状態になっていることを示すものである。
また、表1に示すように、柔組織の平均吸水率は7.0倍であり、パームトランク破砕片に含まれている割合は0.435(43.5[%])である。この2つの数値を掛けると、7.0×0.435≒3.0となる。同様にして、維管束の吸水率とパームトランク破砕片に含まれている割合の数値を掛けると、1.6×0.565≒0.90となる。したがって、パームトランク破砕片の全体量を1としたときの吸水量は3.0+0.90=3.90となる。3.0÷(3.0+0.90)≒0.77であるから、パームトランク破砕片全体における吸水量のうち、約77[%]を柔組織の吸水量が占める。このことからも、パームトランク破砕片の吸水量については柔組織が支配的であることが判る。
次に、図13及び図14より、パームトランク破砕片全体の粒径1.0[mm]における積算篩下が35.6[%]以上となるように粉砕されていれば、パームトランクの粉砕により柔組織が解繊された状態になった結果、パームトランク破砕片のうち43.5[%]を占める柔組織の吸水性を利用できることを示している。
したがって、図13に示すようなパームトランク破砕片の粒径0.3[mm]における積算篩下が5.4[%]以下となり、かつ、パームトランク破砕片の粒径1.0[mm]における積算篩下が35.6[%]以上となるような粉砕であればパームトランク破砕片中の柔組織の吸水性の特長を失うことはなく、柔組織と維管束が解繊された状態となり、柔組織の吸水性を利用して効率良く吸水することができる。
図10は、パームトランク破砕片を20倍量の温度25[℃]の水中に浸漬させて、浸漬後のパームトランク含水率の経時変化を示したものである。浸漬開始後5秒で含水率は平衡に到達する。この試験は浸漬時のデータであるが、パームトランク内におけるカリウムの物質移動は加水時と同じである。
以上より、パームトランクを柔組織と維管束とに解繊された状態にまで粉砕しておいてから加水すると、吸水量の面から支配的である柔組織に対して、水分を速やかに柔組織の内部まで浸透させることができる。この場合では、パームトランク破砕片に加水したときに、ごく短時間のうちに吸水を完了させることができる。
Q0=P(φf0’−φf)/(1−φf0’) …(10)
なお、数式(10)においてφ’f0は初期条件下での加水後含水率であり、以下の数式(11)により算出される。
φ f0’=1/{Drset(1−φr)/(Dfφr)+1) …(11)
Qi+1=Qi+ΔQ …(12)
なお、初期状態ではQi=Q0かつΔQ=0と設定されており、この場合Qi+1はQ0のまま変化しない。
そして、制御部4はフェーズ5Aにおいて、検出部5から出力された流出量を読み取る。そして、制御部4はフェーズ6Aにおいて、流出量が0より大きいか否かを判断し、流出量が0よりも大きい場合には、ΔQの値を減少させて負の値とする。そしてフェーズ3に戻り、単位時間あたり加水量の再設定を行う。このようにすると、流出量が0より大きい場合には単位時間あたり加水量Qが徐々に減少するため、水資源の徒費を防止することができる。
なお、制御部4は、流出量が所定の量より大きい場合にΔQの値を減少させてもよい。あるいは、検出部5はパームトランク破砕片に吸収されなかった水分の有無を検出し、制御部4は、検出部5により水分が検出された場合にΔQの値を減少させてもよい。
また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した各実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、上記した実施形態やその変形例を適宜組み合わせてもよい。
Claims (6)
- パームトランクを、粉砕機を用いて柔組織と維管束とに解繊して粉砕する粉砕工程と、
前記粉砕工程で粉砕されたパームトランクにその吸水可能な水分量の上限値以下の範囲で加水する加水工程と、
前記加水工程で加水された粉状のパームトランクを圧搾する圧搾工程と、を有することを特徴とするパームトランクの処理方法。 - 前記粉砕工程で粉砕されたパームトランクを乾燥後に篩にかけた際の重量基準の積算篩下が、粒径0.3mmにおいて5.4%以下であることを特徴とする請求項1に記載のパームトランクの処理方法。
- 前記加水工程において、粉砕されたパームトランクに散水または噴霧して加水することを特徴とする請求項1または2に記載のパームトランクの処理方法。
- 前記加水工程におけるパームトランクへの加水量は、パームトランクの質量に対して1.7倍以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のパームトランクの処理方法。
- 前記加水工程におけるパームトランクへの加水量を、前記圧搾工程で得られた搾汁残渣が含有するカリウム濃度に基づいて制御することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のパームトランクの処理方法。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載のパームトランクの処理方法を実施するパームトランクの処理装置であって、
パームトランクを柔組織と維管束とに解繊して粉砕する粉砕機と、
前記粉砕機によって粉砕されたパームトランクに加水する加水機と、
前記加水機により加水されたパームトランクを圧搾する搾汁機と、を備えることを特徴とするパームトランクの処理装置。
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