バイオコークス製造装置
【課題】バイオコークスを効率的に大量生産することを可能としたバイオコークスの製造装置を提供する。
【解決手段】バイオマス粉砕物を加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造する装置であって、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、バイオマス粉砕物が載置される底板１６と、油圧駆動手段１４によりバイオマス粉砕物を前記圧力範囲に加圧する加圧板１１と、加圧板の加圧面側に間隙なく複数配置された加圧部材２０とを備え、加圧板には圧油が充填されたシリンダヘッドが形成され、加圧部材２０の一端側がシリンダヘッドに臨み他端側が加圧面を為すとともに、加圧板若しくは加圧部材と、底板とに加熱と冷却の切り替え自在な温度調節手段２６、２７が設けられ、加圧した状態で前記温度範囲に加熱して保持した後、冷却する。
【解決手段】バイオマス粉砕物を加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造する装置であって、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、バイオマス粉砕物が載置される底板１６と、油圧駆動手段１４によりバイオマス粉砕物を前記圧力範囲に加圧する加圧板１１と、加圧板の加圧面側に間隙なく複数配置された加圧部材２０とを備え、加圧板には圧油が充填されたシリンダヘッドが形成され、加圧部材２０の一端側がシリンダヘッドに臨み他端側が加圧面を為すとともに、加圧板若しくは加圧部材と、底板とに加熱と冷却の切り替え自在な温度調節手段２６、２７が設けられ、加圧した状態で前記温度範囲に加熱して保持した後、冷却する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを原料としたバイオコークスの製造技術に関し、特に石炭コークスの代替燃料として効果的に利用可能であるバイオコークスを工業的に大量生産することを可能としたバイオコークス製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の観点からＣＯ２排出の削減が推進されている。特に、ボイラ発電等の燃焼設備においては、燃料として石炭や重油等の化石燃料が用いられることが多いが、この化石燃料は、ＣＯ２排出の問題から地球温暖化の原因となり、地球環境保全の見地からその使用が規制されつつある。また化石燃料の枯渇化の観点からもこれに代替するエネルギー資源の開発、実用化が求められている。
そこで、化石燃料の代替として、バイオマスを用いた燃料の利用促進が図られている。バイオマスとは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスがある。このバイオマスを燃料化処理することにより、バイオマスをエネルギー源又は工業原料として有効に利用することができる。
【０００３】
バイオマスを燃料化する方法としては、バイオマスを乾燥させて燃料化する方法、加圧して燃料ペレット化する方法、炭化、乾留させて燃料化する方法等が知られている。しかし、バイオマスを乾燥させるのみでは、空隙率が大きくみかけ比重が低くなるため、輸送や貯留が困難であり、長距離輸送や貯留して使用する燃料としては有効とはいえない。
一方、バイオマスを燃料ペレット化する方法は、特許文献１（特公昭６１−２７４３５号公報）に開示されている。この方法は、細断された有機繊維材料の含水量を１６〜２８％に調節し、これをダイス内で圧縮して乾燥し燃料ペレットを製造するようにしている。
また、バイオマスを乾留して燃料化する方法は、特許文献２（特開２００３−２０６４９０号公報）等に開示されている。この方法は、酸素欠乏雰囲気中において、バイオマスを２００〜５００℃、好適には２５０〜４００℃で加熱して、バイオマス半炭化圧密燃料前駆体を製造する方法となっている。
【０００４】
【特許文献１】特公昭６１−２７４３５号公報
【特許文献２】特開２００３−２０６４９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載される方法では、圧縮成形を行うことによりバイオマスを燃料化しているが、生成した燃料ペレットは水分量が多いため発熱量が低く、燃料としては適していない。
また、特許文献２等に記載されるように乾留によりバイオマスを燃料化する方法では、加工処理を施さないバイオマスに比べると燃料として価値が高いものとなっているが、やはり石炭コークスに比べてみかけ比重が低く、発熱量が低い。さらに、石炭コークスに比べて硬度が低いため、石炭コークスの代替として利用するには不十分である。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、バイオコークスを効率的に大量生産することを可能としたバイオコークスの製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
近年、石炭コークスの代替として、バイオコークスが研究されている。
バイオコークスは、バイオマス原料を加圧、加熱した状態で一定時間保持した後、冷却することにより製造される。加圧、加熱条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲に設定する。これにより以下の反応機構が成立し、高硬度で高発熱量を有するバイオコークスが製造できる。
その反応機構は、上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物の繊維成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、バイオマス粉砕物から発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できるものである。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。
【０００７】
図６に、バイオコークスの物性値を他の燃料と比較した表を示す。尚、この表は実験的に得られた数値を記載しているのみであり、本発明はこの数値に限定されるものではない。
この表に示されるように、バイオコークスは、みかけ比重１．２〜１．３８、最高圧縮強度６０〜２００ＭＰａ、発熱量１８〜２３ＭＪ／ｋｇの物性値を示す硬度、燃焼性ともに優れた性能を有しており、未加工の木質バイオマスが、みかけ比重約０．４〜０．６、発熱量約１７ＭＪ／ｋｇ、最高圧縮強度約３０ＭＰａであるのと比べると、発熱量及び硬度の点において格段に優れていることが判る。また、石炭コークスの物性値である、みかけ比重約１．８５、最高圧縮強度約１５ＭＰａ、発熱量約２９ＭＪ／ｋｇに比しても、バイオコークスは燃焼性、硬度とも遜色ない性能を有する。
従って、バイオコークスは石炭コークスの代替として有効な燃料であるとともに、マテリアル素材としての利用価値も高い。
【０００８】
しかし、このバイオコークスは未だ実験段階にとどまっており、反応容器にバイオマス粉砕物を人手で充填して一つの反応容器で少量ずつバッチ的に製造しているのが実状であった。
そこで本発明は、上記したバイオコークスを効率的に製造する装置を提案する。
【０００９】
本発明は 所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造装置であって、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、
前記バイオマス粉砕物が載置される平板状の底板と、油圧駆動手段により該底板に向けて移動しバイオマス粉砕物を前記圧力範囲に加圧する加圧板と、を備えるとともに、
前記加圧板と前記底板に加熱と冷却の切り替え自在な温度調節手段が設けられ、該温度調節手段により、前記加圧した状態にて前記温度範囲に加熱して一定時間保持した後、冷却することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、石炭コークスの代替として利用可能なバイオコークスを効率的に製造可能である。即ち、底板と加圧板からなる加圧機構と、これらに装備された温度調節手段により一度の大量のバイオマス粉砕物を処理できる構成であるため、バイオコークスを工業的に大量生産することが可能となる。
さらに、加熱と冷却に切り替え自在な温度調節機構を備えることにより、バイオマス粉砕物を加圧した状態で加熱工程と冷却工程を行うことが可能となる。
【００１１】
また、前記加圧板は、その加圧面側に間隙なく複数配置された加圧部材を有し、前記加圧板には圧油が充填されたシリンダヘッドが形成され、前記加圧部材の一端側が該シリンダヘッドに臨み、他端側が加圧面を為すとともに、
前記複数の加圧部材にて、前記シリンダヘッド側の受圧面積と前記加圧面の面積との比率が同一となるように形成されることを特徴とする。
このように、加圧板の加圧面側に複数の加圧部材を設けて、これらに連通したシリンダヘッドを設けることにより、バイオマス粉砕物に対して均一に圧力をかけることが可能となる。
【００１２】
また、前記シリンダヘッド内の圧力を検出する圧力センサを設け、該検出した圧力に基づいて前記油圧駆動手段を制御することを特徴とする。
これによりバイオマス粉砕物を加圧する際に、所定の圧力を精度よく維持することが可能となる。
【００１３】
さらに、前記温度調節手段が、前記底板と前記加圧部材とに形成した熱媒若しくは冷媒を通流する冷熱媒通路と、該冷熱媒通路に熱媒を供給する熱媒回路と、冷媒を供給する冷媒回路とからなり、前記加圧部材の冷熱媒通路は、該加圧部材の内部に貫設された配管と、隣接する加圧部材の配管同士を連結する可撓性の連結管とから構成されることを特徴とする。
本発明によれば、温度調節手段として熱媒若しくは冷媒を用いることにより、底板と加圧部材を自在に温度調節することが可能となり、また加圧部材の冷熱媒通路に可撓性の連結管を用いることにより、加圧部材の変位に対して冷熱媒通路が破損することがなく安全に使用可能である。
【００１４】
さらにまた、前記温度調節手段が、前記加圧板と前記底板とに形成した熱媒若しくは冷媒を通流する冷熱媒通路と、該冷熱媒通路に熱媒を供給する熱媒回路と、冷媒を供給する冷媒回路とからなり、前記冷媒回路には、冷却水との熱交換により冷媒を冷却する熱交換器と、該熱交換器より上流側に、冷媒を水の沸点以下まで冷却する容積を有する冷媒タンクとを設けたことを特徴とする。
本発明によれば、冷媒回路の熱交換器に供給する冷却水が沸騰することを防止し、安全に且つ円滑に運転を行うことが可能となるとともに、冷却水量を最小限として運転することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上記載のごとく本発明によれば、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量を有するバイオコークスを、効率的に大量生産することが可能となる。
また、加圧板の加圧面側に複数の加圧部材を設けることにより、バイオマス粉砕物に対して均一に圧力を与えることが可能となる。さらに、加熱と冷却に切り替え自在な温度調節機構を備えることにより、バイオマス粉砕物を加圧した状態で加熱工程と冷却工程を行うことが可能となる。
さらに、温度調節手段として熱媒若しくは冷媒を用いることにより、底板と加圧部材を自在に温度調節することが可能となり、また加圧部材の冷熱媒通路に可撓性の連結管を用いることにより、加圧部材の変位に対して冷熱媒通路が破損することがなく安全に使用可能である。
さらにまた、冷媒回路の該熱交換器より上流側に、冷媒を水の沸点以下まで冷却する容積を有する冷媒タンクとを設けることにより、熱交換器の冷却水が沸騰することを防止し、安全に且つ円滑に運転を行うことが可能となるとともに、冷却水量を最小限として運転することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成図、図２は本実施例のバイオコークス製造装置の加圧機構を示す側断面図、図３は本実施例における加圧部材の配置を示す図、図４は加圧部材に組み込まれた冷熱媒通路を示す拡大断面図、図５は本実施例の冷熱媒回路を含む機器系統図である。
本実施例において、バイオコークスの原料となるバイオマスは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスであり、例えば、廃木材、間伐材、剪定枝、植物、農業廃棄物、コーヒー粕や茶粕等の厨芥廃棄物等が挙げられる。
【実施例】
【００１７】
本実施例では、バイオマスを予め所定の含水率になるように水分調整するとともに、所定粒径以下まで粉砕する前処理を行ったバイオマス粉砕物を原料としている。
本実施例のバイオコークス装置は、このバイオマス粉砕物を所定の圧力、温度条件にて加圧、加熱して一定時間保持した後、冷却することによりバイオコークスを製造するものである。上記した圧力、温度条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲とする。即ち、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲である。
【００１８】
まず、図１を参照して、本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成を説明する。
バイオコークス製造装置の主要構成は、バイオマス粉砕物が投入される粉砕物ホッパ３０と、該粉砕物ホッパ３０から所定量ずつバイオマス粉砕物を供給するスクリューフィーダ３１と、スクリューフィーダ３１に連結され、バイオマス粉砕物を搬送する粉砕物搬送コンベア３３と、該粉砕物搬送コンベア３３からバイオマス粉砕物が供給され、上記した反応を行ってバイオコークスを製造するバイオマス製造装置１と、製造されたバイオコークス製品を搬出する製品コンベア３５と、からなる。
尚、図示されないが本実施例では、粉砕物ホッパ３０より上流側に、バイオマス原料を所定の含水率に水分調整するとともに所定粒径以下まで粉砕する前処理装置と、製造された大径のバイオコークスを所望の大きさまで破砕する破砕装置と、を備える。
【００１９】
バイオコークス製造装置１は、フレーム２と、バイオマス粉砕物が載置される底板１６と、該底板１６に載置されたバイオマス粉砕物に対して加圧板１１により圧力を加える油圧式加圧機構と、底板１６と加圧板１１に組み込まれ、バイオマス粉砕物を加熱若しくは冷却する温度調節機構と、を主要構成とする。
【００２０】
前記フレーム２は、床に固定された基台３と、これに垂直方向に立設された四本のサイドフレーム４と、該サイドフレーム４に支持される下方フレーム５と、その上端に固定された上方フレーム６とを含む。
前記底板１６は下方フレーム５に固定され、上面が平坦状に形成されている。
前記油圧式加圧機構は、油圧駆動装置１４と、該油圧駆動装置１４に油圧管１５を介して接続され上方フレーム６に収納される油圧シリンダ１３と、該油圧シリンダ１３に滑合され該油圧シリンダ１３に供給される圧油により垂直方向に移動する油圧ピストン１０と、該油圧ピストン１０の先端に固定され底板１６に向かって移動する加圧板１１と、から構成される。該加圧板１１は、底板１６に対面して配置され、底面１６上に載置されたバイオマス粉砕物を所定圧力で加圧する。この加圧板１１の圧力は、油圧駆動装置１４により設定される。加圧板１１及び底板１６の形状は円形状若しくは方形状の何れでもよい。
【００２１】
ここで、硬度や発熱量が均一で品質の高いバイオコークスを製造するためには、バイオマス粉砕物の加圧時に、均等に圧力を与えることが重要である。しかし、バイオマス粉砕物は粒径や密度にムラがあり、本装置のように加圧面積が大きいと均等に加圧することは困難である。また、バイオマス粉砕物を底板１６に載置する際に、積層する厚さを均一にすることは難しく、加圧力にばらつきが出てしまう。
【００２２】
したがって、本実施例では、加圧面積の大きい本装置においても均一に加圧できる構成として、図２及び図３に示す構成を採用している。
即ち、図２に示すように、加圧板１１の内部に圧油を充填したシリンダヘッド２３を形成するとともに、該加圧板１１が、その加圧面側に複数の加圧部材２０を有する構成としている。加圧部材２０の一端側はシリンダヘッド２３に臨むピストン部２０１とし、他端側にはバイオマス粉砕物に向けて加圧面２０２が形成される。該加圧部材２０は、ＳＧＰ管を真鍮、青銅などで巻き鋳込みした部材とすることが好ましい。
この複数の加圧部材２０のシリンダヘッド２３は夫々連通している。また、ピストン部２０１の受圧面積と、加圧面２０２の面積の比率が、複数の加圧部材２０において全て同一となるように形成する。これにより、全ての加圧部材２０において、バイオマス粉砕物への圧力を均一とすることができる。
【００２３】
図３に、加圧部材２０の配置構成を示す。同図に示すように、加圧部材２０は加圧板１１の全面に配置される。加圧部材２０は、隣接する加圧部材と摺接するように配置される。このとき、加圧部材２０のずれ幅を許容できる程度にこれらを配置するが、バイオマス粉砕物に加圧されない部分が存在しないように間隙なく配置する必要がある。例えば、加圧板１１の径が１ｍの場合、原料の分散実績から加圧部材２０は、一辺が１５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００２４】
これらの構成を用いて、まず油圧駆動装置１４により油圧シリンダ１３、ピストン１０を介して加圧板１１に所定の圧力を加える。この圧力は、バイオコークスを生成する反応に必要な圧力である。さらに、シリンダヘッド２３と加圧部材２０により圧力を均一にならす。これにより、バイオマス粉砕物に所定の圧力を均一に与えることが可能となる。
また、シリンダヘッド２３内の圧力を圧力センサ２５にて検出し、該検出された圧力に基づいて、油圧駆動装置１４の制御してバイオマス粉砕物に与える圧力を調整することが好ましい。これにより所定の圧力を精度良く与えることが可能となる。
【００２５】
前記温度調節機構は、加圧板１１（加圧部材２０を含む）と底板１６に装備され、バイオマス粉砕物の加熱と冷却の両方を行える構成とする。例えば、図１に示すように誘導加熱装置が好適に用いられる。これは、加熱時には誘導加熱装置を作動することにより所定温度まで加熱を行い、冷却時には、この装置を停止することにより冷却機能が働いて冷却を行うことができる。
また、別の温度調節機能として、熱媒又は冷媒により温度調節を行う構成がある。これは、図５に示すように加圧板１１と底板１６に冷熱媒通路を形成し、該冷熱媒通路に熱媒又は冷媒を供給して加熱・冷却を行うものである。
【００２６】
夫々の冷熱媒通路は、冷熱媒回路４９に接続される。該冷熱媒回路４０は、熱媒を加熱する加熱タンク４１を備えた熱媒回路と、冷媒を冷却する冷媒タンク４５と冷媒熱交換器４６を備えた冷媒回路とからなる。そして、加熱時には、熱媒回路により所定温度まで加熱された熱媒を加圧板１１に供給し、冷却時には、この熱媒回路から冷媒回路に切り替えて、該冷媒回路により所定温度まで冷却された冷媒を加圧板１１に供給する。
図４に示すように、加圧側に冷熱媒通路を設ける際には、加圧部材２０に設けることが好ましい。この場合、冷熱媒通路は、加圧部材２０内に貫設した配管２１と、隣接する加圧部材２０の配管同士を連結する可撓性を有した連結管２２とから構成する。
【００２７】
ここで、図５を参照して、本実施例の冷熱媒回路の一例につき説明する。本実施例のバイオコークス製造装置では、加圧板１１と底板１６の加熱と冷却を切り替える手段を具備した温度調節機構が必須構成となる。従って、図５に示すような冷熱媒回路を設けることにより、熱効率が高く且つ安全性の高い温度調節手段とすることができる。尚、本実施例では一例として、冷媒及び熱媒にシリコンオイルを用いた場合につき説明する。
【００２８】
本実施例にて、加圧板１１と底板１６の冷熱媒入口と出口は、同図に示される冷熱媒回路４０に夫々接続されている。該冷熱媒回路４０は、冷媒回路と熱媒回路とが組み合わされた構成となっている。冷熱媒出口は、冷熱媒排出ライン５１に接続され、該排出ライン５１上の三方バルブ５５を介して熱媒戻りライン５２と、冷媒戻りライン５３に分岐している。
熱媒戻りライン５２は熱媒タンク４１に接続されている。該熱媒タンク４１は、加熱器４１ａと、撹拌機４１ｂを具備しており、冷却された熱媒を昇温するようになっている。必要に応じてＮ２ボンベからＮ２ガスが供給されるようにし、タンク内を不活性雰囲気に保持して安全性を確保することが好ましい。熱媒タンク４１の出口側は、三方バルブ５６を介して冷熱媒供給ライン５０に接続されている。
このような構成を用いて、加圧板１１と底板１６の加熱時には、三方バルブ５５、５６により熱媒タンク４１側に熱媒が循環するようにし、熱媒タンク４１、冷熱媒供給ライン５０、冷熱媒通路（加圧板と底板）、冷熱媒排出ライン５１、熱媒戻りライン５２からなる熱媒回路を形成する。
【００２９】
冷媒戻りライン５３は、冷媒熱交換器４６に接続されている。該冷媒熱交換器４６は、上水等の冷却水と冷媒とを熱交換し、冷媒を冷却する構成となっている。
さらに、本実施例の特徴的な構成として、冷媒戻りライン５３の冷媒熱交換器４６より上流側に、冷媒タンク４５を設けた構成としている。この冷媒タンク４５は、少なくとも冷媒温度を水の沸点以下、好適には８０℃以下まで冷却する能力を有するものとする。本実施例では、上記温度まで冷却するための容積を有する冷媒タンク４５とする。さらに、冷媒タンク４５は、撹拌機４５ａを具備することが好ましく、これにより冷却能力を向上させる。
【００３０】
このような構成を用いて、加圧板１１と底板１６の冷却時には、三方バルブ５５、５６を冷媒タンク４５側に切り替えて、該冷媒タンク４５側に冷媒が循環するようにし、冷媒タンク４５、冷媒熱交換器４６、冷熱媒供給ライン５０、冷熱媒通路（加圧板と底板）、冷熱媒排出ライン５１、冷媒戻りライン５３からなる冷媒回路を形成する。
【００３１】
本実施例では、加圧板１１と底板１６の加熱時の温度が１１５〜２３０℃と高温であり、冷熱媒の切り替え時に冷媒熱交換器４６に高温の冷熱媒が導入される可能性がある。これにより冷媒熱交換器４６の冷却水が沸騰してしまい、装置の故障等の不具合が発生する惧れがある。冷媒熱交換器４６の設計条件により冷却水が沸騰しないような構成とすることも可能であるが、その場合冷却水流量を増大したり加圧したりする必要があり、効率的でない。
従って、本実施例のごとく、冷媒熱交換器４６の上流側に、冷媒を沸騰温度以下まで冷却する能力、好適には容積を有する冷媒タンク４５を設けることにより、冷媒熱交換器３６の冷却水が沸騰することを防止し、安全で円滑な運転が可能となるとともに、冷却水量を最小限として運転可能である。
【００３２】
次に、上記した構成を有するバイオコークス製造装置の作用につき、操作方法を含めて説明する。尚、ここで記載する温度、圧力、含水率、大きさ等の数値範囲は、本装置における好適な一例であるが、これに限定されるものではない。
まず、原料となるバイオマス粉砕物の前処理として、バイオマスの含水率を５〜１０％に乾燥させる水分調整を行い、該乾燥したバイオマスを粒子径３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下に粉砕する。また、バイオマスの種類によっては乾燥・粉砕後に調湿する物もある。これにより、バイオマスを底板１６に積層する際、嵩密度が向上し均質な充填が可能となり、加熱成形においてバイオマス間の接触が高まり、成形後の硬度も向上する。
粉砕したバイオマスを粉砕物ホッパ３０に投入する。粉砕物ホッパ３０に貯留されたバイオマス粉砕物を、スクリューフィーダ３２にて所定量だけ粉砕物搬送コンベア３３に適宜供給する。スクリューフィーダ３２の供給量は、モータ３２の回転数を制御することにより調整する。バイオマス粉砕物は、粉砕物搬送コンベア３３にて搬送されてバイオコークス製造装置１の底板１６上に供給される。
【００３３】
そして、底板１６上にバイオマス粉砕物が積層されたら、油圧駆動装置１４により油圧シリンダ１３内の油圧を調整して油圧ピストン１０を駆動し、該ピストン１０の先端に固定された加圧板１１によりバイオマス粉砕物を８〜２５ＭＰａに加圧して圧縮する。同時に、加圧板１１内の温度調節手段と、底板１６内の温度調節手段とを作動して、バイオマス粉砕物を１１５〜２３０℃に加熱する。温度調節手段として、冷熱媒を用いる場合は、所定温度の冷熱媒通路に熱媒を通流させる。
このとき、予め加圧板１１と底板１６内を加熱しておいてから加圧してもよいし、逆に加圧してから加熱してもよく、ほぼ同時に加熱と加圧を行うようにする。
上記した温度、圧力、及び含水率は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応が誘起される範囲に設定される。言い換えれば、バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する範囲である。ここで含水率は、シリンダ内にて水分が亜臨界状態を形成するのに十分な範囲となっている。
【００３４】
底板１６と加圧板１１に挟持され加圧されたバイオマス粉砕物は、上記した加圧、加熱状態を一定時間保持する。例えば、バイオマス粉砕物の積層厚が５０ｍｍの場合、保持時間は１０〜２０分間で、１５０ｍｍの場合は３０〜６０分間とする。
上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物の成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、バイオマス粉砕物から発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できる。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。
【００３５】
一定時間保持後に、底板１６と加圧板１１の温度調節手段にて、加熱から冷却に切り替える。このとき、温度調節手段に冷熱媒を用いる場合は、冷熱媒通路３から熱媒を抜き、冷媒を通流させる。尚、本実施例において、熱媒としてはシリコンオイル、スチームが好適に用いられ、冷媒としてはシリコンオイル、水、或いは空気が好適に用いられる。
加圧板１１により加圧状態を維持した状態で、バイオマス粉砕物を５０℃以下、好適には４０℃以下になるまで冷却する。尚、この温度より高い温度でバイオコークスを取り出すと、ヘミセルロースによる接着効果が低下するため、冷却した後に排出するようにする。
そして、冷却後に、加圧板１１を上昇させて、製品押出し装置３４によりバイオコークスを製品コンベア３５に押出し、該製品コンベア３５にてこれを搬出する。本装置にて製造されるバイオコークスは大径であるため、所望の大きさまで適宜破砕して製品化することが好ましい。
【００３６】
尚、本実施例では油圧式加圧機構として、加圧板１１に固定された油圧ピストンと油圧シリンダ１３により加圧板１１を昇降させる構成としたが、これに限定されるものではなく、加圧板１１と底板１６によりバイオマス粉砕物を加圧する機構であれば何れでもよい。他の構成としては、例えば四本のサイドフレーム４に油圧駆動装置を装備し、これにより加圧板１１を可動する構成などが挙げられる。
【００３７】
本実施例のバイオコークス製造装置を用いることにより、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量のバイオコークスを効率的に製造することが可能となる。また、本実施例にて製造されたバイオコークスは、鋳物製造或いは製鉄において、キュポラ、高炉における熱源・還元剤等として利用可能であり、また発電用ボイラー燃料、消石灰等の焼成燃料等の燃料需要にも利用可能であり、更に高い圧縮強度等の特性を活かして、マテリアル素材としての使用も可能である。
【００３８】
即ち、本実施例によれば、一度の大量のバイオマス粉砕物を処理できる構成であるため、バイオコークスを工業的に大量生産することができるようになる。
また、加圧板１１の加圧面側に複数の加圧部材２０を設けて、これらに連通したシリンダヘッド２３を設けることにより、バイオマス粉砕物に対して均一に圧力をかけることが可能となる。
さらに、加熱と冷却に切り替え自在な温度調節機構を備えることにより、バイオマス粉砕物を加圧した状態で加熱工程と冷却工程を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本実施例に係るバイオコークス製造装置を用いることにより、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量のバイオコークスを効率的に製造することが可能となる。また、本実施例にて製造されたバイオコークスは、鋳物製造或いは製鉄において、キュポラ、高炉における熱源・還元剤等として利用可能であり、また発電用ボイラー燃料、消石灰等の焼成燃料等の燃料需要にも利用可能であり、更に高い圧縮強度等の特性を活かして、マテリアル素材としての使用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成図である。
【図２】本実施例のバイオコークス製造装置の加圧機構を示す側断面図である。
【図３】本実施例における加圧部材の配置を示す図である。
【図４】加圧部材に組み込まれた冷熱媒通路を示す拡大断面図である。
【図５】本実施例の冷熱媒回路を含む機器系統図である。
【図６】バイオコークスの物性値を比較する表である。
【符号の説明】
【００４１】
１ バイオコークス製造装置
２ フレーム
１１ 加圧板
１３ 油圧シリンダ
１４ 油圧駆動装置
１６ 底板
２０ 加圧部材
２１ 配管
２２ 連結管
２３ シリンダヘッド
２５ 圧力センサ
２６、２７ 誘導加熱装置
３０ 粉砕物ホッパ
３３ 粉砕物搬送コンベア
３５ 製品コンベア
４０ 冷熱媒回路
４１ 熱媒タンク
４５ 冷媒タンク
４６ 冷媒熱交換器
２０１ ピストン部
２０２ 受圧面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを原料としたバイオコークスの製造技術に関し、特に石炭コークスの代替燃料として効果的に利用可能であるバイオコークスを工業的に大量生産することを可能としたバイオコークス製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の観点からＣＯ２排出の削減が推進されている。特に、ボイラ発電等の燃焼設備においては、燃料として石炭や重油等の化石燃料が用いられることが多いが、この化石燃料は、ＣＯ２排出の問題から地球温暖化の原因となり、地球環境保全の見地からその使用が規制されつつある。また化石燃料の枯渇化の観点からもこれに代替するエネルギー資源の開発、実用化が求められている。
そこで、化石燃料の代替として、バイオマスを用いた燃料の利用促進が図られている。バイオマスとは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスがある。このバイオマスを燃料化処理することにより、バイオマスをエネルギー源又は工業原料として有効に利用することができる。
【０００３】
バイオマスを燃料化する方法としては、バイオマスを乾燥させて燃料化する方法、加圧して燃料ペレット化する方法、炭化、乾留させて燃料化する方法等が知られている。しかし、バイオマスを乾燥させるのみでは、空隙率が大きくみかけ比重が低くなるため、輸送や貯留が困難であり、長距離輸送や貯留して使用する燃料としては有効とはいえない。
一方、バイオマスを燃料ペレット化する方法は、特許文献１（特公昭６１−２７４３５号公報）に開示されている。この方法は、細断された有機繊維材料の含水量を１６〜２８％に調節し、これをダイス内で圧縮して乾燥し燃料ペレットを製造するようにしている。
また、バイオマスを乾留して燃料化する方法は、特許文献２（特開２００３−２０６４９０号公報）等に開示されている。この方法は、酸素欠乏雰囲気中において、バイオマスを２００〜５００℃、好適には２５０〜４００℃で加熱して、バイオマス半炭化圧密燃料前駆体を製造する方法となっている。
【０００４】
【特許文献１】特公昭６１−２７４３５号公報
【特許文献２】特開２００３−２０６４９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載される方法では、圧縮成形を行うことによりバイオマスを燃料化しているが、生成した燃料ペレットは水分量が多いため発熱量が低く、燃料としては適していない。
また、特許文献２等に記載されるように乾留によりバイオマスを燃料化する方法では、加工処理を施さないバイオマスに比べると燃料として価値が高いものとなっているが、やはり石炭コークスに比べてみかけ比重が低く、発熱量が低い。さらに、石炭コークスに比べて硬度が低いため、石炭コークスの代替として利用するには不十分である。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、バイオコークスを効率的に大量生産することを可能としたバイオコークスの製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
近年、石炭コークスの代替として、バイオコークスが研究されている。
バイオコークスは、バイオマス原料を加圧、加熱した状態で一定時間保持した後、冷却することにより製造される。加圧、加熱条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲に設定する。これにより以下の反応機構が成立し、高硬度で高発熱量を有するバイオコークスが製造できる。
その反応機構は、上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物の繊維成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、バイオマス粉砕物から発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できるものである。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。
【０００７】
図６に、バイオコークスの物性値を他の燃料と比較した表を示す。尚、この表は実験的に得られた数値を記載しているのみであり、本発明はこの数値に限定されるものではない。
この表に示されるように、バイオコークスは、みかけ比重１．２〜１．３８、最高圧縮強度６０〜２００ＭＰａ、発熱量１８〜２３ＭＪ／ｋｇの物性値を示す硬度、燃焼性ともに優れた性能を有しており、未加工の木質バイオマスが、みかけ比重約０．４〜０．６、発熱量約１７ＭＪ／ｋｇ、最高圧縮強度約３０ＭＰａであるのと比べると、発熱量及び硬度の点において格段に優れていることが判る。また、石炭コークスの物性値である、みかけ比重約１．８５、最高圧縮強度約１５ＭＰａ、発熱量約２９ＭＪ／ｋｇに比しても、バイオコークスは燃焼性、硬度とも遜色ない性能を有する。
従って、バイオコークスは石炭コークスの代替として有効な燃料であるとともに、マテリアル素材としての利用価値も高い。
【０００８】
しかし、このバイオコークスは未だ実験段階にとどまっており、反応容器にバイオマス粉砕物を人手で充填して一つの反応容器で少量ずつバッチ的に製造しているのが実状であった。
そこで本発明は、上記したバイオコークスを効率的に製造する装置を提案する。
【０００９】
本発明は 所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造装置であって、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、
前記バイオマス粉砕物が載置される平板状の底板と、油圧駆動手段により該底板に向けて移動しバイオマス粉砕物を前記圧力範囲に加圧する加圧板と、を備えるとともに、
前記加圧板と前記底板に加熱と冷却の切り替え自在な温度調節手段が設けられ、該温度調節手段により、前記加圧した状態にて前記温度範囲に加熱して一定時間保持した後、冷却することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、石炭コークスの代替として利用可能なバイオコークスを効率的に製造可能である。即ち、底板と加圧板からなる加圧機構と、これらに装備された温度調節手段により一度の大量のバイオマス粉砕物を処理できる構成であるため、バイオコークスを工業的に大量生産することが可能となる。
さらに、加熱と冷却に切り替え自在な温度調節機構を備えることにより、バイオマス粉砕物を加圧した状態で加熱工程と冷却工程を行うことが可能となる。
【００１１】
また、前記加圧板は、その加圧面側に間隙なく複数配置された加圧部材を有し、前記加圧板には圧油が充填されたシリンダヘッドが形成され、前記加圧部材の一端側が該シリンダヘッドに臨み、他端側が加圧面を為すとともに、
前記複数の加圧部材にて、前記シリンダヘッド側の受圧面積と前記加圧面の面積との比率が同一となるように形成されることを特徴とする。
このように、加圧板の加圧面側に複数の加圧部材を設けて、これらに連通したシリンダヘッドを設けることにより、バイオマス粉砕物に対して均一に圧力をかけることが可能となる。
【００１２】
また、前記シリンダヘッド内の圧力を検出する圧力センサを設け、該検出した圧力に基づいて前記油圧駆動手段を制御することを特徴とする。
これによりバイオマス粉砕物を加圧する際に、所定の圧力を精度よく維持することが可能となる。
【００１３】
さらに、前記温度調節手段が、前記底板と前記加圧部材とに形成した熱媒若しくは冷媒を通流する冷熱媒通路と、該冷熱媒通路に熱媒を供給する熱媒回路と、冷媒を供給する冷媒回路とからなり、前記加圧部材の冷熱媒通路は、該加圧部材の内部に貫設された配管と、隣接する加圧部材の配管同士を連結する可撓性の連結管とから構成されることを特徴とする。
本発明によれば、温度調節手段として熱媒若しくは冷媒を用いることにより、底板と加圧部材を自在に温度調節することが可能となり、また加圧部材の冷熱媒通路に可撓性の連結管を用いることにより、加圧部材の変位に対して冷熱媒通路が破損することがなく安全に使用可能である。
【００１４】
さらにまた、前記温度調節手段が、前記加圧板と前記底板とに形成した熱媒若しくは冷媒を通流する冷熱媒通路と、該冷熱媒通路に熱媒を供給する熱媒回路と、冷媒を供給する冷媒回路とからなり、前記冷媒回路には、冷却水との熱交換により冷媒を冷却する熱交換器と、該熱交換器より上流側に、冷媒を水の沸点以下まで冷却する容積を有する冷媒タンクとを設けたことを特徴とする。
本発明によれば、冷媒回路の熱交換器に供給する冷却水が沸騰することを防止し、安全に且つ円滑に運転を行うことが可能となるとともに、冷却水量を最小限として運転することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上記載のごとく本発明によれば、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量を有するバイオコークスを、効率的に大量生産することが可能となる。
また、加圧板の加圧面側に複数の加圧部材を設けることにより、バイオマス粉砕物に対して均一に圧力を与えることが可能となる。さらに、加熱と冷却に切り替え自在な温度調節機構を備えることにより、バイオマス粉砕物を加圧した状態で加熱工程と冷却工程を行うことが可能となる。
さらに、温度調節手段として熱媒若しくは冷媒を用いることにより、底板と加圧部材を自在に温度調節することが可能となり、また加圧部材の冷熱媒通路に可撓性の連結管を用いることにより、加圧部材の変位に対して冷熱媒通路が破損することがなく安全に使用可能である。
さらにまた、冷媒回路の該熱交換器より上流側に、冷媒を水の沸点以下まで冷却する容積を有する冷媒タンクとを設けることにより、熱交換器の冷却水が沸騰することを防止し、安全に且つ円滑に運転を行うことが可能となるとともに、冷却水量を最小限として運転することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成図、図２は本実施例のバイオコークス製造装置の加圧機構を示す側断面図、図３は本実施例における加圧部材の配置を示す図、図４は加圧部材に組み込まれた冷熱媒通路を示す拡大断面図、図５は本実施例の冷熱媒回路を含む機器系統図である。
本実施例において、バイオコークスの原料となるバイオマスは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスであり、例えば、廃木材、間伐材、剪定枝、植物、農業廃棄物、コーヒー粕や茶粕等の厨芥廃棄物等が挙げられる。
【実施例】
【００１７】
本実施例では、バイオマスを予め所定の含水率になるように水分調整するとともに、所定粒径以下まで粉砕する前処理を行ったバイオマス粉砕物を原料としている。
本実施例のバイオコークス装置は、このバイオマス粉砕物を所定の圧力、温度条件にて加圧、加熱して一定時間保持した後、冷却することによりバイオコークスを製造するものである。上記した圧力、温度条件は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲とする。即ち、前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲である。
【００１８】
まず、図１を参照して、本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成を説明する。
バイオコークス製造装置の主要構成は、バイオマス粉砕物が投入される粉砕物ホッパ３０と、該粉砕物ホッパ３０から所定量ずつバイオマス粉砕物を供給するスクリューフィーダ３１と、スクリューフィーダ３１に連結され、バイオマス粉砕物を搬送する粉砕物搬送コンベア３３と、該粉砕物搬送コンベア３３からバイオマス粉砕物が供給され、上記した反応を行ってバイオコークスを製造するバイオマス製造装置１と、製造されたバイオコークス製品を搬出する製品コンベア３５と、からなる。
尚、図示されないが本実施例では、粉砕物ホッパ３０より上流側に、バイオマス原料を所定の含水率に水分調整するとともに所定粒径以下まで粉砕する前処理装置と、製造された大径のバイオコークスを所望の大きさまで破砕する破砕装置と、を備える。
【００１９】
バイオコークス製造装置１は、フレーム２と、バイオマス粉砕物が載置される底板１６と、該底板１６に載置されたバイオマス粉砕物に対して加圧板１１により圧力を加える油圧式加圧機構と、底板１６と加圧板１１に組み込まれ、バイオマス粉砕物を加熱若しくは冷却する温度調節機構と、を主要構成とする。
【００２０】
前記フレーム２は、床に固定された基台３と、これに垂直方向に立設された四本のサイドフレーム４と、該サイドフレーム４に支持される下方フレーム５と、その上端に固定された上方フレーム６とを含む。
前記底板１６は下方フレーム５に固定され、上面が平坦状に形成されている。
前記油圧式加圧機構は、油圧駆動装置１４と、該油圧駆動装置１４に油圧管１５を介して接続され上方フレーム６に収納される油圧シリンダ１３と、該油圧シリンダ１３に滑合され該油圧シリンダ１３に供給される圧油により垂直方向に移動する油圧ピストン１０と、該油圧ピストン１０の先端に固定され底板１６に向かって移動する加圧板１１と、から構成される。該加圧板１１は、底板１６に対面して配置され、底面１６上に載置されたバイオマス粉砕物を所定圧力で加圧する。この加圧板１１の圧力は、油圧駆動装置１４により設定される。加圧板１１及び底板１６の形状は円形状若しくは方形状の何れでもよい。
【００２１】
ここで、硬度や発熱量が均一で品質の高いバイオコークスを製造するためには、バイオマス粉砕物の加圧時に、均等に圧力を与えることが重要である。しかし、バイオマス粉砕物は粒径や密度にムラがあり、本装置のように加圧面積が大きいと均等に加圧することは困難である。また、バイオマス粉砕物を底板１６に載置する際に、積層する厚さを均一にすることは難しく、加圧力にばらつきが出てしまう。
【００２２】
したがって、本実施例では、加圧面積の大きい本装置においても均一に加圧できる構成として、図２及び図３に示す構成を採用している。
即ち、図２に示すように、加圧板１１の内部に圧油を充填したシリンダヘッド２３を形成するとともに、該加圧板１１が、その加圧面側に複数の加圧部材２０を有する構成としている。加圧部材２０の一端側はシリンダヘッド２３に臨むピストン部２０１とし、他端側にはバイオマス粉砕物に向けて加圧面２０２が形成される。該加圧部材２０は、ＳＧＰ管を真鍮、青銅などで巻き鋳込みした部材とすることが好ましい。
この複数の加圧部材２０のシリンダヘッド２３は夫々連通している。また、ピストン部２０１の受圧面積と、加圧面２０２の面積の比率が、複数の加圧部材２０において全て同一となるように形成する。これにより、全ての加圧部材２０において、バイオマス粉砕物への圧力を均一とすることができる。
【００２３】
図３に、加圧部材２０の配置構成を示す。同図に示すように、加圧部材２０は加圧板１１の全面に配置される。加圧部材２０は、隣接する加圧部材と摺接するように配置される。このとき、加圧部材２０のずれ幅を許容できる程度にこれらを配置するが、バイオマス粉砕物に加圧されない部分が存在しないように間隙なく配置する必要がある。例えば、加圧板１１の径が１ｍの場合、原料の分散実績から加圧部材２０は、一辺が１５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００２４】
これらの構成を用いて、まず油圧駆動装置１４により油圧シリンダ１３、ピストン１０を介して加圧板１１に所定の圧力を加える。この圧力は、バイオコークスを生成する反応に必要な圧力である。さらに、シリンダヘッド２３と加圧部材２０により圧力を均一にならす。これにより、バイオマス粉砕物に所定の圧力を均一に与えることが可能となる。
また、シリンダヘッド２３内の圧力を圧力センサ２５にて検出し、該検出された圧力に基づいて、油圧駆動装置１４の制御してバイオマス粉砕物に与える圧力を調整することが好ましい。これにより所定の圧力を精度良く与えることが可能となる。
【００２５】
前記温度調節機構は、加圧板１１（加圧部材２０を含む）と底板１６に装備され、バイオマス粉砕物の加熱と冷却の両方を行える構成とする。例えば、図１に示すように誘導加熱装置が好適に用いられる。これは、加熱時には誘導加熱装置を作動することにより所定温度まで加熱を行い、冷却時には、この装置を停止することにより冷却機能が働いて冷却を行うことができる。
また、別の温度調節機能として、熱媒又は冷媒により温度調節を行う構成がある。これは、図５に示すように加圧板１１と底板１６に冷熱媒通路を形成し、該冷熱媒通路に熱媒又は冷媒を供給して加熱・冷却を行うものである。
【００２６】
夫々の冷熱媒通路は、冷熱媒回路４９に接続される。該冷熱媒回路４０は、熱媒を加熱する加熱タンク４１を備えた熱媒回路と、冷媒を冷却する冷媒タンク４５と冷媒熱交換器４６を備えた冷媒回路とからなる。そして、加熱時には、熱媒回路により所定温度まで加熱された熱媒を加圧板１１に供給し、冷却時には、この熱媒回路から冷媒回路に切り替えて、該冷媒回路により所定温度まで冷却された冷媒を加圧板１１に供給する。
図４に示すように、加圧側に冷熱媒通路を設ける際には、加圧部材２０に設けることが好ましい。この場合、冷熱媒通路は、加圧部材２０内に貫設した配管２１と、隣接する加圧部材２０の配管同士を連結する可撓性を有した連結管２２とから構成する。
【００２７】
ここで、図５を参照して、本実施例の冷熱媒回路の一例につき説明する。本実施例のバイオコークス製造装置では、加圧板１１と底板１６の加熱と冷却を切り替える手段を具備した温度調節機構が必須構成となる。従って、図５に示すような冷熱媒回路を設けることにより、熱効率が高く且つ安全性の高い温度調節手段とすることができる。尚、本実施例では一例として、冷媒及び熱媒にシリコンオイルを用いた場合につき説明する。
【００２８】
本実施例にて、加圧板１１と底板１６の冷熱媒入口と出口は、同図に示される冷熱媒回路４０に夫々接続されている。該冷熱媒回路４０は、冷媒回路と熱媒回路とが組み合わされた構成となっている。冷熱媒出口は、冷熱媒排出ライン５１に接続され、該排出ライン５１上の三方バルブ５５を介して熱媒戻りライン５２と、冷媒戻りライン５３に分岐している。
熱媒戻りライン５２は熱媒タンク４１に接続されている。該熱媒タンク４１は、加熱器４１ａと、撹拌機４１ｂを具備しており、冷却された熱媒を昇温するようになっている。必要に応じてＮ２ボンベからＮ２ガスが供給されるようにし、タンク内を不活性雰囲気に保持して安全性を確保することが好ましい。熱媒タンク４１の出口側は、三方バルブ５６を介して冷熱媒供給ライン５０に接続されている。
このような構成を用いて、加圧板１１と底板１６の加熱時には、三方バルブ５５、５６により熱媒タンク４１側に熱媒が循環するようにし、熱媒タンク４１、冷熱媒供給ライン５０、冷熱媒通路（加圧板と底板）、冷熱媒排出ライン５１、熱媒戻りライン５２からなる熱媒回路を形成する。
【００２９】
冷媒戻りライン５３は、冷媒熱交換器４６に接続されている。該冷媒熱交換器４６は、上水等の冷却水と冷媒とを熱交換し、冷媒を冷却する構成となっている。
さらに、本実施例の特徴的な構成として、冷媒戻りライン５３の冷媒熱交換器４６より上流側に、冷媒タンク４５を設けた構成としている。この冷媒タンク４５は、少なくとも冷媒温度を水の沸点以下、好適には８０℃以下まで冷却する能力を有するものとする。本実施例では、上記温度まで冷却するための容積を有する冷媒タンク４５とする。さらに、冷媒タンク４５は、撹拌機４５ａを具備することが好ましく、これにより冷却能力を向上させる。
【００３０】
このような構成を用いて、加圧板１１と底板１６の冷却時には、三方バルブ５５、５６を冷媒タンク４５側に切り替えて、該冷媒タンク４５側に冷媒が循環するようにし、冷媒タンク４５、冷媒熱交換器４６、冷熱媒供給ライン５０、冷熱媒通路（加圧板と底板）、冷熱媒排出ライン５１、冷媒戻りライン５３からなる冷媒回路を形成する。
【００３１】
本実施例では、加圧板１１と底板１６の加熱時の温度が１１５〜２３０℃と高温であり、冷熱媒の切り替え時に冷媒熱交換器４６に高温の冷熱媒が導入される可能性がある。これにより冷媒熱交換器４６の冷却水が沸騰してしまい、装置の故障等の不具合が発生する惧れがある。冷媒熱交換器４６の設計条件により冷却水が沸騰しないような構成とすることも可能であるが、その場合冷却水流量を増大したり加圧したりする必要があり、効率的でない。
従って、本実施例のごとく、冷媒熱交換器４６の上流側に、冷媒を沸騰温度以下まで冷却する能力、好適には容積を有する冷媒タンク４５を設けることにより、冷媒熱交換器３６の冷却水が沸騰することを防止し、安全で円滑な運転が可能となるとともに、冷却水量を最小限として運転可能である。
【００３２】
次に、上記した構成を有するバイオコークス製造装置の作用につき、操作方法を含めて説明する。尚、ここで記載する温度、圧力、含水率、大きさ等の数値範囲は、本装置における好適な一例であるが、これに限定されるものではない。
まず、原料となるバイオマス粉砕物の前処理として、バイオマスの含水率を５〜１０％に乾燥させる水分調整を行い、該乾燥したバイオマスを粒子径３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下に粉砕する。また、バイオマスの種類によっては乾燥・粉砕後に調湿する物もある。これにより、バイオマスを底板１６に積層する際、嵩密度が向上し均質な充填が可能となり、加熱成形においてバイオマス間の接触が高まり、成形後の硬度も向上する。
粉砕したバイオマスを粉砕物ホッパ３０に投入する。粉砕物ホッパ３０に貯留されたバイオマス粉砕物を、スクリューフィーダ３２にて所定量だけ粉砕物搬送コンベア３３に適宜供給する。スクリューフィーダ３２の供給量は、モータ３２の回転数を制御することにより調整する。バイオマス粉砕物は、粉砕物搬送コンベア３３にて搬送されてバイオコークス製造装置１の底板１６上に供給される。
【００３３】
そして、底板１６上にバイオマス粉砕物が積層されたら、油圧駆動装置１４により油圧シリンダ１３内の油圧を調整して油圧ピストン１０を駆動し、該ピストン１０の先端に固定された加圧板１１によりバイオマス粉砕物を８〜２５ＭＰａに加圧して圧縮する。同時に、加圧板１１内の温度調節手段と、底板１６内の温度調節手段とを作動して、バイオマス粉砕物を１１５〜２３０℃に加熱する。温度調節手段として、冷熱媒を用いる場合は、所定温度の冷熱媒通路に熱媒を通流させる。
このとき、予め加圧板１１と底板１６内を加熱しておいてから加圧してもよいし、逆に加圧してから加熱してもよく、ほぼ同時に加熱と加圧を行うようにする。
上記した温度、圧力、及び含水率は、バイオマス粉砕物中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応が誘起される範囲に設定される。言い換えれば、バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する範囲である。ここで含水率は、シリンダ内にて水分が亜臨界状態を形成するのに十分な範囲となっている。
【００３４】
底板１６と加圧板１１に挟持され加圧されたバイオマス粉砕物は、上記した加圧、加熱状態を一定時間保持する。例えば、バイオマス粉砕物の積層厚が５０ｍｍの場合、保持時間は１０〜２０分間で、１５０ｍｍの場合は３０〜６０分間とする。
上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス粉砕物の成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、バイオマス粉砕物から発生する過熱水蒸気によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高発熱量のバイオコークスが製造できる。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。
【００３５】
一定時間保持後に、底板１６と加圧板１１の温度調節手段にて、加熱から冷却に切り替える。このとき、温度調節手段に冷熱媒を用いる場合は、冷熱媒通路３から熱媒を抜き、冷媒を通流させる。尚、本実施例において、熱媒としてはシリコンオイル、スチームが好適に用いられ、冷媒としてはシリコンオイル、水、或いは空気が好適に用いられる。
加圧板１１により加圧状態を維持した状態で、バイオマス粉砕物を５０℃以下、好適には４０℃以下になるまで冷却する。尚、この温度より高い温度でバイオコークスを取り出すと、ヘミセルロースによる接着効果が低下するため、冷却した後に排出するようにする。
そして、冷却後に、加圧板１１を上昇させて、製品押出し装置３４によりバイオコークスを製品コンベア３５に押出し、該製品コンベア３５にてこれを搬出する。本装置にて製造されるバイオコークスは大径であるため、所望の大きさまで適宜破砕して製品化することが好ましい。
【００３６】
尚、本実施例では油圧式加圧機構として、加圧板１１に固定された油圧ピストンと油圧シリンダ１３により加圧板１１を昇降させる構成としたが、これに限定されるものではなく、加圧板１１と底板１６によりバイオマス粉砕物を加圧する機構であれば何れでもよい。他の構成としては、例えば四本のサイドフレーム４に油圧駆動装置を装備し、これにより加圧板１１を可動する構成などが挙げられる。
【００３７】
本実施例のバイオコークス製造装置を用いることにより、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量のバイオコークスを効率的に製造することが可能となる。また、本実施例にて製造されたバイオコークスは、鋳物製造或いは製鉄において、キュポラ、高炉における熱源・還元剤等として利用可能であり、また発電用ボイラー燃料、消石灰等の焼成燃料等の燃料需要にも利用可能であり、更に高い圧縮強度等の特性を活かして、マテリアル素材としての使用も可能である。
【００３８】
即ち、本実施例によれば、一度の大量のバイオマス粉砕物を処理できる構成であるため、バイオコークスを工業的に大量生産することができるようになる。
また、加圧板１１の加圧面側に複数の加圧部材２０を設けて、これらに連通したシリンダヘッド２３を設けることにより、バイオマス粉砕物に対して均一に圧力をかけることが可能となる。
さらに、加熱と冷却に切り替え自在な温度調節機構を備えることにより、バイオマス粉砕物を加圧した状態で加熱工程と冷却工程を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本実施例に係るバイオコークス製造装置を用いることにより、石炭コークスの代替として利用可能な高硬度で高発熱量のバイオコークスを効率的に製造することが可能となる。また、本実施例にて製造されたバイオコークスは、鋳物製造或いは製鉄において、キュポラ、高炉における熱源・還元剤等として利用可能であり、また発電用ボイラー燃料、消石灰等の焼成燃料等の燃料需要にも利用可能であり、更に高い圧縮強度等の特性を活かして、マテリアル素材としての使用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施例のバイオコークス製造装置の全体構成図である。
【図２】本実施例のバイオコークス製造装置の加圧機構を示す側断面図である。
【図３】本実施例における加圧部材の配置を示す図である。
【図４】加圧部材に組み込まれた冷熱媒通路を示す拡大断面図である。
【図５】本実施例の冷熱媒回路を含む機器系統図である。
【図６】バイオコークスの物性値を比較する表である。
【符号の説明】
【００４１】
１ バイオコークス製造装置
２ フレーム
１１ 加圧板
１３ 油圧シリンダ
１４ 油圧駆動装置
１６ 底板
２０ 加圧部材
２１ 配管
２２ 連結管
２３ シリンダヘッド
２５ 圧力センサ
２６、２７ 誘導加熱装置
３０ 粉砕物ホッパ
３３ 粉砕物搬送コンベア
３５ 製品コンベア
４０ 冷熱媒回路
４１ 熱媒タンク
４５ 冷媒タンク
４６ 冷媒熱交換器
２０１ ピストン部
２０２ 受圧面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造装置であって、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、
前記バイオマス粉砕物が載置される平板状の底板と、油圧駆動手段により該底板に向けて移動しバイオマス粉砕物を前記圧力範囲に加圧する加圧板と、を備えるとともに、
前記加圧板と前記底板に加熱と冷却の切り替え自在な温度調節手段が設けられ、該温度調節手段により、前記加圧した状態にて前記温度範囲に加熱して一定時間保持した後、冷却することを特徴とするバイオコークス製造装置。
【請求項２】
前記加圧板は、その加圧面側に間隙なく複数配置された加圧部材を有し、前記加圧板には圧油が充填されたシリンダヘッドが形成され、前記加圧部材の一端側が該シリンダヘッドに臨み、他端側が加圧面を為すとともに、
前記複数の加圧部材にて、前記シリンダヘッド側の受圧面積と前記加圧面の面積との比率が同一となるように形成されることを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。
【請求項３】
前記シリンダヘッド内の圧力を検出する圧力センサを設け、該検出した圧力に基づいて前記油圧駆動手段を制御することを特徴とする請求項２記載のバイオコークス製造装置。
【請求項４】
前記温度調節手段が、前記底板と前記加圧部材とに形成した熱媒若しくは冷媒を通流する冷熱媒通路と、該冷熱媒通路に熱媒を供給する熱媒回路と、冷媒を供給する冷媒回路とからなり、前記加圧部材の冷熱媒通路は、該加圧部材の内部に貫設された配管と、隣接する加圧部材の配管同士を連結する可撓性の連結管とから構成されることを特徴とする請求項２記載のバイオコークス製造装置。
【請求項５】
前記温度調節手段が、前記加圧板と前記底板とに形成した熱媒若しくは冷媒を通流する冷熱媒通路と、該冷熱媒通路に熱媒を供給する熱媒回路と、冷媒を供給する冷媒回路とからなり、前記冷媒回路には、冷却水との熱交換により冷媒を冷却する熱交換器と、該熱交換器より上流側に、冷媒を水の沸点以下まで冷却する容積を有する冷媒タンクとを設けたことを特徴とする請求項１若しくは２記載のバイオコークス製造装置。
【請求項１】
所定の含水率に水分調整されたバイオマス粉砕物を加熱しながら加圧成形してバイオコークスを製造するバイオコークス製造装置であって、
前記バイオマス粉砕物中のヘミセルロースが熱分解されるとともにリグニンが熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲が設定され、
前記バイオマス粉砕物が載置される平板状の底板と、油圧駆動手段により該底板に向けて移動しバイオマス粉砕物を前記圧力範囲に加圧する加圧板と、を備えるとともに、
前記加圧板と前記底板に加熱と冷却の切り替え自在な温度調節手段が設けられ、該温度調節手段により、前記加圧した状態にて前記温度範囲に加熱して一定時間保持した後、冷却することを特徴とするバイオコークス製造装置。
【請求項２】
前記加圧板は、その加圧面側に間隙なく複数配置された加圧部材を有し、前記加圧板には圧油が充填されたシリンダヘッドが形成され、前記加圧部材の一端側が該シリンダヘッドに臨み、他端側が加圧面を為すとともに、
前記複数の加圧部材にて、前記シリンダヘッド側の受圧面積と前記加圧面の面積との比率が同一となるように形成されることを特徴とする請求項１記載のバイオコークス製造装置。
【請求項３】
前記シリンダヘッド内の圧力を検出する圧力センサを設け、該検出した圧力に基づいて前記油圧駆動手段を制御することを特徴とする請求項２記載のバイオコークス製造装置。
【請求項４】
前記温度調節手段が、前記底板と前記加圧部材とに形成した熱媒若しくは冷媒を通流する冷熱媒通路と、該冷熱媒通路に熱媒を供給する熱媒回路と、冷媒を供給する冷媒回路とからなり、前記加圧部材の冷熱媒通路は、該加圧部材の内部に貫設された配管と、隣接する加圧部材の配管同士を連結する可撓性の連結管とから構成されることを特徴とする請求項２記載のバイオコークス製造装置。
【請求項５】
前記温度調節手段が、前記加圧板と前記底板とに形成した熱媒若しくは冷媒を通流する冷熱媒通路と、該冷熱媒通路に熱媒を供給する熱媒回路と、冷媒を供給する冷媒回路とからなり、前記冷媒回路には、冷却水との熱交換により冷媒を冷却する熱交換器と、該熱交換器より上流側に、冷媒を水の沸点以下まで冷却する容積を有する冷媒タンクとを設けたことを特徴とする請求項１若しくは２記載のバイオコークス製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２７４１０９（Ｐ２００８−２７４１０９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１９２６９（Ｐ２００７−１１９２６９）
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（５０１３７０３７０）三菱重工環境エンジニアリング株式会社 (175)
【出願人】（０００１２５３４７）学校法人近畿大学 (389)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（５０１３７０３７０）三菱重工環境エンジニアリング株式会社 (175)
【出願人】（０００１２５３４７）学校法人近畿大学 (389)
【Ｆターム（参考）】
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