JP7410000B2 - バイオマス燃料の製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態で使用するバイオマスについては、特に限定はされないが、植物由来のバイオマスであることが好ましい。植物由来のバイオマスとは、植物由来の有機物資源をいい、木材、乾燥草木、農業系又は林業系の廃棄物が含まれる。当該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。
本工程では、上述したようなバイオマス原料を半炭化処理に供する。本実施形態の半炭化処理は特に限定されず、乾式半炭化であっても湿式半炭化であってもよい。特に乾式半炭化物で造粒性が低い炭化物に、本実施形態が有効であるという観点から、乾式半炭化を行うことが望ましい。湿式半炭化物の成型品は、バインダー無しでも必要強度(輸送に耐えうる強度)が得られることが知られているため、本実施形態では乾式半炭化を主な対象とする。
次いで、上記で得られたバイオマスの半炭化物又は未反応バイオマスに、ギ酸水溶液及び酢酸水溶液のうち少なくとも一方を添加する。
本実施形態の方法で得られるバイオマス燃料は、様々な場面で燃料として使用できる。本実施形態の製造方法によって得られるバイオマス燃料は、従来のバイオマス固形燃料と比べても非常に強度が高く、成型性にも優れるため、産業上極めて有用である。
〔半炭化物からのバイオマス燃料の製造〕
1.半炭化処理
バイオマス原料として、木質バイオマスペレット(含水率約10%-db)を用いて、以下の条件の半炭化処理を行った(なお、含水している場合、乾燥ベースのドライベース(db)に対して、ウェットベース(wb)と称する)。
なお、それぞれの計算は以下の通りである。
・wb(wet base;%)=(サンプル重量-サンプル絶乾重量)/サンプル重量×100
・db(dry base;%)=(サンプル重量-サンプル絶乾重量)/サンプル絶乾重量×100
上記で得られた半炭化物をブレンダーで粉砕し、1mmふるい下の粉砕物を得た。
半炭化物(粉砕品)約50g-dbに、後述の表3及び表4に示す添加率で、純水又はギ酸・酢酸水溶液を滴下又は噴霧し、まんべんなく混ざるように攪拌した。ギ酸・酢酸水溶液添加無し(純水のみを添加)の試験例を比較例とし、実施例として、ギ酸・酢酸水溶液を添加(ギ酸・酢酸添加率0~25wt%-db)した半炭化物を準備し、下記の成型試験に使用した。
金型に、上記3.で調整した各実施例及び比較例の試料を仕込み、その状態で加熱した後、下記表1に示す条件で、加圧成型器(金型:特注、油圧ポンプ:理研精機 P-8、シリンダ:理研精機 SC3.6-30)を使用して成型を行った。
前記加圧成型器を用いた場合の各目標温度と加熱時間の関係を、下記表2に示す。
壊強度比をまとめた。
表3~4及び図1に示されるように、ギ酸又は酢酸を添加することにより、得られるバイオマス成型物の圧壊強度が向上することが確認できた。また、表4の結果から、含水率及び水溶液添加率を一定にした場合でも、ギ酸による圧壊強度向上の効果があることが確認された。
次に、熱間加圧成型工程における温度範囲の検証を行った。
表5から明らかなように、特に、熱間加圧成型時の温度が150~170℃の範囲であれば、ギ酸水溶液を添加することによって、優れた強度が得られることが確認された。
次に、半炭化物にギ酸水溶液を添加後、十分に浸透させるために静置時間が必要かどうかを確かめるため、ギ酸水溶液添加・撹拌後に、(1)1日以上密封容器内で静置させた後に成型試験を実施した場合と、(2)すぐに成型試験を実施した場合の2通りで圧壊強度の比較を行った。静置時間の有無以外の製造方法、試験方法は上記試験例1と同様にして製造・評価した。
表6及び図2の結果から明らかなように、静置時間の有無にかかわらず、ギ酸水溶液の添加によって成型物の強度が向上することが確認できた。つまり、本発明の製造方法において、ギ酸水溶液を添加した後の静置時間は不要であり、簡便・迅速にバイオマス燃料を製造できることがわかった。
〔未反応バイオマスからのバイオマス燃料の製造〕
1.未反応バイオマスの粉砕
バイオマス原料として、木質バイオマスペレット(含水率約10%-db)をブレンダーで粉砕し、1mmふるい下の粉砕物を得た。
未反応バイオマス(粉砕品)約50g-dbに、後述の表9に示す添加率で、純水又はギ酸・酢酸水溶液を滴下又は噴霧し、まんべんなく混ざるように攪拌した。ギ酸・酢酸水溶液添加無し(純水のみを添加)の試験例を比較例とし、実施例として、ギ酸・酢酸水溶液を添加した未反応バイオマスを準備し、下記の成型試験に使用した。
金型に、上記2.で調整した各実施例及び比較例の試料を仕込み、その状態で加熱した後、下記表7(条件A:下記評価試験Aで使用)又は表8(条件B:下記評価試験Bで使用)に示す条件で、成型を行った。なお、表7(条件A)における成型前加熱温度とは、前記試験例1の成型前加熱温度と同じ意味である。また、表8における金型温度とは、金型に設置した熱電対温度である。表8の条件Bでは、試料を仕込んだ加圧成型器を恒温槽内に設置した状態で、加圧成型試験を実施した。
表7の成型前加熱温度及び表8の金型温度のいずれも熱間加圧成型温度とみなす。
前記条件Aで得られた成型物につき、圧壊試験機(古河大塚鉄工製、「LXA-500」)、動ひずみ測定器(共和電業製、「DPM-711B」)を使用して強度を測定した。圧壊強度値(測定値)は、n=5の平均値である。また、圧壊強度比は、純粋添加時の圧壊強度を1として計算した。
表9及び図3に示されるように、ギ酸又は酢酸を添加することにより、未反応バイオマスから得られるバイオマス成型物の圧壊強度が向上することが確認できた。
次に、熱間加圧成型工程における温度範囲の検証を行った。具体的には、半炭化バイオマス及び未反応バイオマスの試料におけるギ酸添加率、及び、熱間加圧成型に用いる金型の温度を、表10に示すように100~140℃に変更して、上記条件Bで得られた成型物につき、圧壊強度試験を行った。結果を表10及び図4~5(エラーバーは2σ)に示す。表中、ギ酸添加率は計算値であり、圧壊強度値は測定値(n=3の平均値)である。なお、半炭化物としては試験例1と同様にして得た粉砕物を、未反応バイオマスとしては試験例4と同様にして得た粉砕物を使用した。
表10及び図4~5に示されるように、バイオマス半炭化物では125℃以上、未反応バイオマスでは130℃以上の温度の熱間成型で、ギ酸添加による成型強度がより向上することがわかった。一方、バイオマス半炭化物においても、未反応バイオマスにおいても、100℃以下の温度では、十分な強度が得られず、成型ができなかった。
〔未反応バイオマスからのバイオマス燃料の製造2〕
1.原料
バイオマス原料として、セルロース粉末を用いた。
セルロース粉末約50g-dbに、後述の表11に示す添加率で、純水又はギ酸水溶液を滴下又は噴霧し、まんべんなく混ざるように攪拌した。ギ酸水溶液添加無し(純水のみを添加)の試験例を比較例とし、実施例として、ギ酸52%水溶液及び72%水溶液を添加した未反応バイオマス(生セルロース)を準備し、下記の成型試験に使用した。
金型に、上記2.で調整した各実施例及び比較例の試料を仕込み、その状態で加熱した後、前記表7(条件A)に示す条件で、成型を行った。
表11及び図6に示されるように、ギ酸を添加することにより、未反応バイオマス(生セルロース)から得られるバイオマス成型物の圧壊強度が向上することが確認できた。
Claims (9)
- バイオマスからバイオマス燃料を製造する方法であって、
バイオマス半炭化物を熱間加圧成形する工程を含み、
前記熱間加圧成形する工程の前に、ギ酸水溶液及び酢酸水溶液のうち少なくとも一方を前記半炭化物に添加する、バイオマス燃料の製造方法。 - 前記ギ酸水溶液及び酢酸水溶液のうち少なくとも一方を添加する前に、前記半炭化物を粉砕する工程を含む、請求項1に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- ギ酸及び酢酸のうち少なくとも一方の添加量が、前記半炭化物に対し、1~26wt%/dbである、請求項1又は2に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記熱間加圧成形を100℃超200℃以下の温度で行う、請求項1~3のいずれかに記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記バイオマス半炭化物を125~200℃の温度で熱間加圧成形する、請求項4に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- さらに、熱間加圧成形工程前にバイオマス原料を半炭化させる工程を含む、請求項1~5のいずれかに記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 前記ギ酸及び酢酸として、前記半炭化工程中に発生する揮発物から得られるギ酸及び酢酸を使用する、請求項6に記載のバイオマス燃料の製造方法。
- 木質系バイオマスからバイオマス燃料を製造する方法であって、
バイオマス半炭化物又は未反応バイオマスを熱間加圧成形する工程を含み、
前記熱間加圧成形する工程の前に、ギ酸水溶液及び酢酸水溶液のうち少なくとも一方を前記半炭化物又は前記未反応バイオマスに添加する、バイオマス燃料の製造方法。 - 前記木質系バイオマスが未反応バイオマスである、請求項8に記載のバイオマス燃料の製造方法。
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