JP6328901B2 - 固体燃料の製造方法及び固体燃料 - Google Patents

Description

本発明は、木質系バイオマスを焙焼（torrefaction）することによって得られる、塩素含有率が低い固体燃料、及び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。

塩素化合物が含まれているバイオマスから得られる固体燃料は塩素含有率が高く、このような固体燃料は燃焼設備の腐食に対する対策や排ガス処理設備が必要となる。従って、固体燃料の塩素含有率を低減させることが求められる。特許文献３には、バイオマスを含む原料から焙焼によって製造される固体燃料の塩素含有率を低下させるために、固体燃料を水で洗浄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 特表2009−540097号公報

しかしながら、塩素化合物が含まれているバイオマスから得られる固体燃料は、塩素含有率が高く、ボイラーの燃料として使用することが困難である。従って、塩素含有率を低減するための後処理や、燃焼設備の腐食に対する対策や排ガス処理設備が必要となるが、コストアップなる。

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、木質系バイオマスを酸素濃度１０％以下で、かつ炉内温度２５０〜５００℃の条件下で焙焼（torrefaction）することによって、塩素含有率が０．００２％以下である固体燃料を効率よく製造できることを見出した。

本発明によれば、木質系バイオマスを特定の温度範囲で焙焼することにより、洗浄等の特別な処理を行わなくても塩素含有率の低い固体燃料を効率よく製造できる。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し、高密度であるため、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高い比率で混炭して使用することできる。

本発明において、原料として木質系バイオマスを使用する。木質系バイオマスとしては、木材チップ、樹皮（バーク）、おが屑、鋸屑等が挙げられる。これらの木質系バイオマスはあまり利用されることなく、廃棄されることが多いのが現状である。樹種は広葉樹、針葉樹のいずれも使用できる。

本発明において、木質系バイオマスは０．１〜１００ｍｍのサイズに粉砕された粉砕物を使用することが好ましく、０．１〜５０ｍｍのサイズのものを使用することがさらに好ましい。なお、本発明において、木質系バイオマス粉砕物のサイズとは、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。木質系バイオマス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。

本発明において、木質系バイオマスは高密度化することが好ましい。本発明における高密度化とは、木質系バイオマス粉砕物をブリケットやペレット状に成型する処理のことを意味する。成型処理を行うことによって、嵩密度を大幅に高めることができる。高密度化する前の木質系バイオマス粉砕物の嵩密度は０．０１ｇ／ｃｍ^３〜０．３ｇ／ｃｍ^３程度であるが、高密度化処理後の嵩密度は０．５５ｇ／ｃｍ^３〜１．０ｇ／ｃｍ^３である。

高密度化処理後の木質系バイオマス粉砕物の嵩密度は、０．５５ｇ／ｃｍ^３以上とすることが好ましく、０．６ｇ／ｃｍ^３以上にすることがさらに好ましい。嵩密度が０．５５ｇ／ｃｍ^３未満であると固体燃料を燃料として微粉炭ボイラーで燃焼させる際、微粉炭ミルの粉砕室中の容積が大きくなり、粉砕室からこぼれ落ちるため、石炭との混合比率をあまり大きくすることが不可能なため、本発明の効果を最大限に得ることができない。

本発明における高密度化を行う前に、樹皮粉砕物の水分を１０〜５０％とすることが望ましい。水分が１０％より少ないとブリケッターやペレタイザーの内部で閉塞が発生し、安定した成型物の製造ができない。水分が５０％を超えると成型できず、粉体状またはペースト状で排出される。

本発明において、木質系バイオマス１００質量部に対してバインダーを０〜５０質量部添加してもよい。バインダーは特に限定されていないが、有機高分子（リグニンなど）、無機高分子（アクリル酸アミドなど）、農業残渣（ふすま（小麦粉製造時に発生する残渣）など）等が望ましい。木質系バイオマスを効率よく有効利用することを目的としている観点から、バインダー添加部数は少ない方が望ましく、木質系バイオマス１００質量部に対して０〜５０質量部、より好ましくは０〜２０質量部が望ましい。ただし、５０質量部以上添加しても高密度化が不可能であるというわけではない。

本発明において高密度化処理を行うための装置は特に限定されていないが、ブリケッター（北川鉄工所（株）製）、リングダイ式ペレタイザー（ＣＰＭ（株）製、（株）御池鉄工所製）、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）製）等が望ましい。

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４００〜１２００℃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、炉内温度２５０〜５００℃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、炉内温度が２５０℃未満では、塩素含有率を低減させることが不十分となり、後述する粉砕性が不十分である。炉内温度が５００℃を超えた場合は、塩素含有率の低減が頭打ちとなる。また、温度が３５０℃を超えると、物質収率、熱量収率の低下が顕著になる。従って、物質収率、熱量収率も勘案すると、炉内温度は２５０〜４００℃が好ましく、さらに２６０〜３５０℃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、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１〜１８０分が好ましく、１〜６０分がさらに好ましい。また、焙焼処理を行うための装置として、外熱式ロータリーキルンを使用してもよい。外熱式ロータリーキルンとは、キルン内筒の一部または全部をキルン外筒で覆う構造を有するもので、内筒内で木質系バイオマスの焙焼を行い、外筒内で燃料を燃焼させて内筒内部の木質系バイオマスを間接的に加熱する。

本発明で得られる固体燃料は、原料の木質バイオマスに対して物質収率で６０〜９５％、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以上が好ましく、４０以上がさらに好ましい。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］
ユーカリのチップ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粉砕物を原料として、乾燥機で１２０℃、１０分間乾燥処理を行った。得られた生成物の水分を１２％に調整し、リングダイ式ペレタイザー（（株）御池鉄工所製、MIIKE多目的造粒機ペレットミルＳＰＭ−５００型）にてダイ穴直径６ｍｍ、ダイ厚さ３６ｍｍのリングダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．６０ｇ／ｃｍ^３のペレットを得た。続いてこのペレットを原料として、小型キルン型炭化炉を用い、窒素パージして（酸素濃度１％未満）、炉内温度２６０℃、滞留時間３０分で焙焼を行って固体燃料を得た。

［実施例２］
炉内温度を２８０℃とした以外は、実施例１と同様にして固体燃料を得た。

［実施例３］
炉内温度を３００℃とした以外は、実施例１と同様にして固体燃料を得た。

［実施例４］
炉内温度を５００℃とした以外は、実施例１と同様にして固体燃料を得た。

［比較例１］
実施例１で調製したペレットを焙焼処理を行わないで固体燃料とした。

［比較例２］
炉内温度を２００℃とした以外は、実施例１と同様にして固体燃料を得た。

［比較例３］
炉内温度を２４０℃とした以外は、実施例１と同様にして固体燃料を得た。

［比較例４］
炉内温度を６００℃とした以外は、実施例１と同様にして固体燃料を得た。

実施例１〜４、比較例１〜４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。
・塩素含有率：ＪＩＳ Ｚ ７３０２−６に従い、塩素濃度をイオンクロマトグラフィーで測定し、これを基に算出した。
・物質収率：焙焼前後の試料の重量から計算した。

表１に示されるように、実施例１〜４の固体燃料は、塩素含有率が０．００２％以下であった。特に、実施例１、２は物質収率も高かった。これに対して、比較例１〜４では塩素含有率が０．００２％を超えていた。

Claims (2)

1. ０．１〜１００ｍｍのサイズのユーカリの粉砕物を嵩密度０．５５ｇ／ｃｍ ^３ 〜１，０ｇ／ｃｍ ^３ となるように高密化処理し、酸素濃度１０％以下で、かつ炉内温度２５０〜３５０℃の条件下で焙焼して得られる、ＪＩＳ Ｚ ７３０２−６に従って測定された塩素含有率が０．００２％以下である固体燃料。
2. ０．１〜１００ｍｍのサイズのユーカリの粉砕物を嵩密度０．５５ｇ／ｃｍ ^３ 〜１，０ｇ／ｃｍ ^３ となるように高密化処理し、酸素濃度１０％以下で、かつ炉内温度２５０〜３５０℃の条件下で焙焼することを特徴とする、ＪＩＳ Ｚ ７３０２−６に従って測定された塩素含有率が０．００２％以下である固体燃料の製造方法。