JP6606845B2

JP6606845B2 - 固体燃料の製造方法及び固体燃料

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Publication number: JP6606845B2
Application number: JP2015073386A
Authority: JP
Inventors: 宏新倉; 友紀川真田; 裕司小野
Original assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd
Current assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016193958A

Description

本発明は、バイオマスを焙焼（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で、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固体燃料は、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。また、固体燃料は嵩密度が低いので、石炭と固体燃料の混合物をミルで粉砕する際に落炭が発生するため、固体燃料の混合比率を向上させることが困難であった。

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℃の条件下で焙焼し、得られた焙焼物を粉砕することを含み、該焙焼物の粉砕物の２００メッシュパスの嵩密度（ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）が０．５８ｇ／ｃｍ^３以上とすることにより、落炭を抑制できる固体燃料が製造できること見出した。

本発明の製造方法にて得られる固体燃料は、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、石炭と固体燃料の混合物をミルで粉砕する際の落炭を抑制できるので、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することができるが、特に杉、ユーカリのチップを原料とした場合に、他の樹種と比較して、嵩密度が高く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。一方、スプルース、ポプラのチップを原料とした場合では、嵩密度が低く好ましくない性質を有する固形燃料が得られることが判明した。

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、木質系バイオマスの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。また、樹皮が混入していてもよい。

本発明において、焙焼する前に木質系バイオマスを高密度化処理することが好ましい。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、木質系バイオマスの焙焼物の嵩密度が低くなるので、固体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、石炭との混合比率をあまり大きくすることが不可能になるため、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％とすることが必要である。水分が１０％より少ないと、高密度化処理を行う装置である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、バインダーを０〜５０重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。樹皮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、０〜５０重量部、より好ましくは０〜２０重量部が望ましい。ただし、５０重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４００〜７００℃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℃が好ましく、さらに２４０〜３００℃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１５〜１８０分が好ましい。

本発明で得られる木質系バイオマスの焙焼物の粉砕物の２００メッシュパスの嵩密度（ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）が０．５８ｇ／ｃｍ^３以上であることが必要であり、０．６５ｇ／ｃｍ^３以上であることがより好ましい。嵩密度を０．５８ｇ／ｃｍ^３以上とすることにより、石炭と焙焼物の混合物をミルで粉砕する際の落炭を防止することが可能となり、石炭との混合比率を上昇させることができる。なお、落炭とは、石炭と焙焼物の混合物をミルで粉砕する際に、２００メッシュパスまで粉砕できない石炭と焙焼物の混合物がミル系外にオーバーフローする現象である。

本発明において、木質系バイオマスの焙焼物を粉砕する前に高密度化処理を行ってもよい。高密度化処理とは、木質系バイオマスの焙焼物の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。高密度化処理することにより焙焼物の嵩密度を０．５８ｇ／ｃｍ^３以上にすることが容易になる。

本発明において焙焼物の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）、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。

本発明における高密度化の処理条件は、水分を１０〜５０％とすることが好ましい。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％を超えると成型することが困難で、粉体状またはペースト状で排出される。

本発明において、焙焼物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、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。

本発明で得られる固体燃料は原料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ＪＩＳＭ８８０１：２００４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。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。なお、実施例、比較例中の％は特に断らない限り質量％を示す。

［実施例１］
針葉樹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。粉砕物を７０ｍｍのスクリーンに通した後、乾燥機で１２０℃、１０分間乾燥処理を行って、水分を１２％に調整した。

次いで、水分を調整した粉砕物に対して、リングダイ式ペレタイザー（御池鉄工所、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って、嵩密度０．７１ｇ／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、大型キルン型炭化炉を用い、窒素パージして、焙焼温度２３０℃、滞留時間３０分で焙焼を行って焙焼物を得た。得られた焙焼物のペレットの嵩密度は０．６２ｇ／ｃｍ^３であった。この焙焼物のペレットを乾燥した後に、粗粉砕機（商品名：ジョークラッシャー（型番：２００２−ＥＸ）、（株）吉田製作所製）にて粗粉砕し、嵩密度０．５３ｇ／ｃｍ^３（２００メッシュパス）の固体燃料の粗粉砕物を得た。さらに固体燃料の粗粉砕物をらいかい機（商品名：石川式攪拌らいかい機、（株）石川工場製）にて１８０分間粉砕処理を行い、２００メッシュパス分が４５．２％、嵩密度０．７８ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粉砕物を得た。
なお、２００メッシュパス分はＪＩＳＫ２１５１：２００４の５の「粒度試験方法」に準じて調製した。また、嵩密度の測定方法は、ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従った。

［実施例２］
樹皮付きの杉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チップを原料として、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、焙焼温度２８０℃、滞留時間３０分で焙焼を行って焙焼物を得た。得られた焙焼物の水分を３０％に調整し、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）社製、ディスクペレッターＦ−５／１１−１７５型）にてダイ穴直径５ｍｍ、ダイ厚さ２０ｍｍのフラットダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．６９ｇ／ｃｍ^３の固体燃料のペレットを得た。この固体燃料のペレットを乾燥した後に、粗粉砕機（商品名：ジョークラッシャー（型番：２００２−ＥＸ）、（株）吉田製作所製）にて粗粉砕し、嵩密度０．７７ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粗粉砕物を得た。さらに固体燃料の粗粉砕物をらいかい機（商品名：石川式攪拌らいかい機、（株）石川工場製）にて１８０分間粉砕処理を行い、２００メッシュパス分が４７．６％、嵩密度０．６９ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粉砕物を得た。

［実施例３］
樹皮付きの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チップを原料として、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、焙焼温度２８０℃、滞留時間３０分で焙焼を行って焙焼物を得た。得られた焙焼物の水分を３０％に調整し、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）社製、ディスクペレッターＦ−５／１１−１７５型）にてダイ穴直径５ｍｍ、ダイ厚さ２０ｍｍのフラットダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．７１ｇ／ｃｍ^３の固体燃料のペレットを得た。この固体燃料のペレットを乾燥した後に、粗粉砕機（商品名：ジョークラッシャー（型番：２００２−ＥＸ）、（株）吉田製作所製）にて粗粉砕し、嵩密度０．８０ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粗粉砕物を得た。さらに固体燃料の粗粉砕物をらいかい機（商品名：石川式攪拌らいかい機、（株）石川工場製）にて１８０分間粉砕処理を行い、２００メッシュパス分が６０．３％、嵩密度０．７５ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粉砕物を得た。

［実施例４］
樹皮付きの杉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チップを原料として、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、焙焼温度２５５℃、滞留時間３０分で焙焼を行って焙焼物を得た。得られた焙焼物の水分を３０％に調整し、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）社製、ディスクペレッターＦ−５／１１−１７５型）にてダイ穴直径５ｍｍ、ダイ厚さ２０ｍｍのフラットダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．７３ｇ／ｃｍ^３の固体燃料のペレットを得た。この固体燃料のペレットを乾燥した後に、粗粉砕機（商品名：ジョークラッシャー（型番：２００２−ＥＸ）、（株）吉田製作所製）にて粗粉砕し、嵩密度０．７５ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粗粉砕物を得た。さらに固体燃料の粗粉砕物をらいかい機（商品名：石川式攪拌らいかい機、（株）石川工場製）にて１８０分間粉砕処理を行い、２００メッシュパス分が４２．６％、嵩密度０．６１ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粉砕物を得た。

［実施例５］
らいかい機にて粉砕処理を行う前に水分を２０％に調整した以外は、実施例４と同様にして固体燃料の粉砕物を製造し、２００メッシュパス分が４０．１％、嵩密度０．５８ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。
［比較例１］
針葉樹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。粉砕物を７０ｍｍのスクリーンに通した後、乾燥機で１２０℃、１０分間乾燥処理を行って、水分を１２％に調整した。
次いで、水分を調整した粉砕物に対して、リングダイ式ペレタイザー（御池鉄工所、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って、嵩密度０．７１ｇ／ｃｍ^３のペレットを得た。
このペレットを乾燥した後に、粗粉砕機（商品名：ジョークラッシャー（型番：２００２−ＥＸ）、（株）吉田製作所製）にて粗粉砕し、嵩密度０．５３ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粗粉砕物を得た。さらに固体燃料の粗粉砕物をらいかい機（商品名：石川式攪拌らいかい機、（株）石川工場製）にて１８０分間粉砕処理を行い、２００メッシュパス分が２０．１％、嵩密度０．５６ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粉砕物を得た。

［比較例２］
樹皮付きのスプルース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チップを原料として、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、焙焼温度２５５℃、滞留時間３０分で焙焼を行って焙焼物を得た。得られた焙焼物の水分を３０％に調整し、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）社製、ディスクペレッターＦ−５／１１−１７５型）にてダイ穴直径５ｍｍ、ダイ厚さ２０ｍｍのフラットダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．６２ｇ／ｃｍ^３の固体燃料のペレットを得た。この固体燃料のペレットを乾燥した後に、粗粉砕機（商品名：ジョークラッシャー（型番：２００２−ＥＸ）、（株）吉田製作所製）にて粗粉砕し、嵩密度０．５４ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粗粉砕物を得た。さらに固体燃料の粗粉砕物をらいかい機（商品名：石川式攪拌らいかい機、（株）石川工場製）にて１８０分間粉砕処理を行い、２００メッシュパス分が１１．９％、嵩密度０．４７ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粉砕物を得た。

［比較例３］
樹皮付きのポプラ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チップを原料として、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、焙焼温度２５５℃、滞留時間３０分で焙焼を行って焙焼物を得た。得られた焙焼物の水分を３０％に調整し、フラットダイ式ペレタイザー（ダルトン（株）社製、ディスクペレッターＦ−５／１１−１７５型）にてダイ穴直径５ｍｍ、ダイ厚さ２０ｍｍのフラットダイを用いて高密度化処理を行い、嵩密度０．６６ｇ／ｃｍ^３の固体燃料のペレットを得た。この固体燃料のペレットを乾燥した後に、粗粉砕機（商品名：ジョークラッシャー（型番：２００２−ＥＸ）、（株）吉田製作所製）にて粗粉砕し、嵩密度０．５２ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粗粉砕物を得た。さらに固体燃料の粗粉砕物をらいかい機（商品名：石川式攪拌らいかい機、（株）石川工場製）にて１８０分間粉砕処理を行い、２００メッシュパス分が１１．９％、嵩密度０．４９ｇ／ｃｍ^３の固体燃料の粉砕物を得た。

［比較例４］
らいかい機にて粉砕処理を行う前に水分を３０％に調整した以外は、実施例４と同様にして固体燃料の粉砕物を製造し、２００メッシュパス分が４９．４％、嵩密度０．５２ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

［比較例５］
らいかい機にて粉砕処理を行う前に水分を５０％に調整した以外は、実施例４と同様にして固体燃料の粉砕物を製造し、２００メッシュパス分が２２．６％、嵩密度０．４２ｇ／ｃｍ^３の固体燃料を得た。

実施例１〜５、比較例１〜５で得られた固体燃料について、結果を表１に示した。なお、物質収率は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１〜５の固体燃料の粉砕物の２００メッシュパス分の嵩密度は０．５８ｇ／ｃｍ^３以上であり、落炭を抑制できる可能性があると考えられる。なお、粗粉砕前、粗粉砕後、粉砕後の２００メッシュパス分の嵩密度の変化に特に傾向は認められなかった。

Claims

０．１〜１００ｍｍのサイズの杉またはユーカリの粉砕物を酸素濃度１０％以下で、かつ温度１７０〜３５０℃の条件下で焙焼し、得られた焙焼物の水分を１０〜５０質量％に調整して高密度化処理すること、高密度化処理した焙焼物を粉砕することを含み、該焙焼物の粉砕物の２００メッシュパスの嵩密度（ＪＩＳＫ２１５１の６「かさ密度試験方法」に従って測定）が０．５８ｇ／ｃｍ^３以上である固体燃料の製造方法。
木質系バイオマスの含水率が２０質量％以下である請求項１に記載の固体燃料の製造方法。