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バイオコークス製造装置１であって、複数の反応シリンダ２がターンテーブル２０の同一円周上に同一間隙を隔てて固定され、円周方向に沿って順に、反応シリンダ２内にバイオマス粉砕物を充填して予備加圧するＡ充填圧縮位置と、予備加圧後のバイオマス粉砕物を加圧した状態で一定時間加熱した後冷却するＢ反応位置と、反応終了後のバイオコークスを排出するＣ製品排出位置とが定位置に設定されるとともに、上記した各位置が夫々２以上設けられ、少なくともＢ反応位置がターンテーブル２０の回転中心を通る直線上に対向して位置するように設定され、夫々の位置に対応した操作が複数の反応シリンダ２にて同時に行われるようにした。
【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バイオコークス製造装置１であって、複数の反応シリンダ２がターンテーブル２０の同一円周上に同一間隙を隔てて固定され、円周方向に沿って順に、反応シリンダ２内にバイオマス粉砕物を充填して予備加圧するＡ充填圧縮位置と、予備加圧後のバイオマス粉砕物を加圧した状態で一定時間加熱した後冷却するＢ反応位置と、反応終了後のバイオコークスを排出するＣ製品排出位置とが定位置に設定されるとともに、上記した各位置が夫々２以上設けられ、少なくともＢ反応位置がターンテーブル２０の回転中心を通る直線上に対向して位置するように設定され、夫々の位置に対応した操作が複数の反応シリンダ２にて同時に行われるようにした。
【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ヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、反応容器内に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８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、
複数の円筒状反応シリンダが、ターンテーブルの同一円周上に同一間隙を隔てて載置されており、前記ターンテーブルの円周方向に沿って順に、前記反応シリンダ内にバイオマス粉砕物を充填して予備加圧する充填圧縮位置と、前記予備加圧後のバイオマス粉砕物を前記加圧範囲に加圧した状態で前記温度範囲にて一定時間加熱した後冷却する反応位置と、前記反応終了後のバイオコークス製品を排出する製品排出位置と、が前記ターンテーブルの回転に関わらず定位置に設定されるとともに、
上記した各位置が夫々２以上設けられ、少なくとも前記反応位置が、前記ターンテーブルの回転中心を通る直線上に対向して位置するように設定され、
夫々の位置に対応した操作が複数の反応シリンダにて同時に行われるようにしたことを特徴とする。
【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、複数の反応シリンダを設置することにより連続した処理が可能となり、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、本発明では複数の反応シリンダを載置したターンテーブルを備え、バイオコークス生産に必要な単位操作を少なくともＡ原料充填圧縮位置、Ｂ反応位置、Ｃ製品排出位置に分け、これらを同時に行えるようにしたため、設備数の低減及び時間の短縮化が可能となる。
さらに本発明では、各位置を少なくとも２以上ずつ設け、且つＢ反応位置がターンテーブルの回転中心を通る直線上にて対向して配置されるようにしており、これにより大きな加圧力が加わるＢ反応位置にて、加圧時に力学的バランスを取ることができ、ターンテーブルに歪みが生じることなく円滑に反応を行うことが可能となる。
【００１１】
また、前記充填圧縮位置と前記反応位置と前記製品排出位置には、夫々の位置に応じた操作を補助する専用の加圧シリンダが前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、これらの加圧シリンダは、そのシリンダ長及び加圧能力が夫々の位置にて異なるようにしたことを特徴とする。
このように、夫々の操作に適した加圧シリンダを設置することにより、設備コストを低減し、各操作における高効率化が達成できる。
【００１２】
さらに、前記充填圧縮位置には、前記反応シリンダの上部開口に当接するごとく設けられたガイド筒と、前記ガイド筒の上方に配置された予備加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する予備加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記充填圧縮位置にて、前記ガイド筒を介して前記反応シリンダ内に供給されるバイオマス粉砕物を、前記予備加圧ピストンにより圧縮することを特徴とする。
本発明によれば、嵩密度の大きいバイオマス粉砕物の予備加圧にて、前記ガイド筒を用いる構成としたため、反応シリンダ長を短くすることができる。
【００１３】
また、前記反応シリンダが温度調節手段を有するとともに、
前記反応位置には、前記反応シリンダの上方に配置された反応用加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する反応用加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記反応位置にて、前記反応用加圧ピストンによりバイオマス粉砕物を加圧した状態で前記温度調節手段により一定時間加熱した後冷却することを特徴とする。
このように、反応位置に専用の反応用加圧シリンダとピストンを設置することにより、大きな加圧力が必要とされる反応用加圧シリンダの設置数を最小限に抑えることが可能で、設備コストを低減できるとともに、反応時の加圧力を適切に制御することが可能となり高品質の製品を製造できる。
【００１４】
さらに、前記製品排出位置には、前記反応シリンダの上方に配置された製品排出用加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する製品排出用加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記製品排出位置にて、前記製品排出用加圧ピストンにより反応シリンダ内のバイオコークス製品を下方に押し出して排出することを特徴とする。
これにより、製造されたバイオコークス製品を円滑に装置外部へ排出することが可能となる。
【００１５】
さらにまた、前記製品排出位置の後流側に、前記反応シリンダのメンテナンスを行うメンテナンス位置を設けたことを特徴とする。
このように、反応シリンダの清掃、交換等のメンテナンスを行うＤメンテナンス位置を設けることにより、運転中における故障、不具合の発生を防ぎ、安定運転が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
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、複数の反応シリンダを載置したターンテーブルを備え、バイオコークス生産に必要な単位操作を少なくともＡ原料充填圧縮位置、Ｂ反応位置、Ｃ製品排出位置に分け、これらを同時に行えるようにしたため、設備数の低減及び時間の短縮化が可能となる。
さらに、Ｂ反応位置を、ターンテーブルの回転中心を通る直線上にて対向して配置することにより、加圧時に力学的バランスを取ることができ、ターンテーブルに歪みが生じることなく円滑に反応を行うことが可能となる。
【００１７】
また、夫々の位置に応じた操作を補助する専用の加圧シリンダを各位置に固定配置することにより、設備コストを低減し、各操作における高効率化が達成できる。
さらに、前記充填圧縮位置にて、嵩密度の大きいバイオマス粉砕物の予備加圧にて、ガイド筒を用いる構成としたため、反応シリンダ長を短くすることができる。
さらにまた、前記反応位置に専用の反応用加圧シリンダ、ピストンを設置することにより、大きな加圧力が必要とされる反応用加圧シリンダの設置数を最小限に抑えることが可能で、設備コストを低減できるとともに、反応時の加圧力を適切に制御することが可能となり高品質の製品が製造できる。
【００１８】
また、前記製品排出位置にて、製品排出用加圧ピストンにより反応シリンダ内のバイオコークス製品を下方に押し出して排出する構成とすることにより、製造されたバイオコークス製品を円滑に装置外部へ排出することが可能となる。
さらに、前記製品排出位置の後流側に、反応シリンダの清掃、交換等のメンテナンスを行うＤメンテナンス位置を設けることにより、運転中における故障、不具合の発生を防ぎ、安定運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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は本発明の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図、図２は本実施例の各位置における装置の概略構成を示す側断面図、図３は本実施例のＡ原料充填圧縮位置における装置構成を示す側断面図、図４は本実施例のＢ反応位置における装置構成を示す側断面図、図５は本実施例のＣ製品排出位置における装置構成を示す側断面図、図６は本実施例のＤメンテナンス位置における装置構成を示す側断面図、図７は図１の他の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図である。
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】
【００２０】
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。
【００２１】
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につき説明する。
本実施例のバイオコークス製造装置１は、ターンテーブル２０に複数の円筒状反応シリンダ２を載置し、ターンテーブル２０を回して、各操作位置に固定された専用の加圧シリンダの下で個別の操作を行う構成としている。この構成により、原料の充填・圧縮操作、反応操作、製品排出操作を同時に行うことが可能となり、設備数の低減及び時間の短縮化が達成できるものである。
【００２２】
即ち、図１に示すように、ターンテーブル２０の円周方向に沿って順に、（Ａ）反応シリンダ内にバイオマス粉砕物を充填して予備加圧する充填圧縮位置と、（Ｂ）前記予備加圧後のバイオマス粉砕物を前記加圧範囲に加圧した状態で前記温度範囲にて一定時間加熱した後冷却する反応位置と、（Ｃ）前記反応終了後のバイオコークス製品を排出する製品排出位置と、を少なくとも有する（図２参照）。さらに好適には、Ｃ製品排出位置の後流側にＤメンテナンス位置が存在するとよい。また、各位置は夫々２以上設けられる。これらは、ターンテーブル２０の回転に関わらず定位置に設定されている。夫々の位置における具体的な装置構成については後述する。
さらに、上記した各位置が夫々２以上設けられ、少なくともＢ反応位置が、前記ターンテーブル２０の回転中心を通る直線上に対向して位置するように設定され、夫々の位置に対応した操作が複数の反応シリンダ２にて同時に行われるようになっている。
【００２３】
一例として図１には、２連式の装置構成を示している。この２連式の装置では、ターンテーブル２０上にＢ反応位置が対向して２つ設けられており、これに対応して、Ａ原料充填圧縮位置、Ｃ製品排出位置、Ｄメンテナンス位置が夫々２つずつ設けられている。
また他の例として、図７に４連式の装置構成を示す。この４連式の装置では、ターンテーブル２０上に、円周に沿って９０度間隔でＢ反応位置が４つ設けられており、これに対応してＡ原料充填圧縮位置、Ｃ製品排出位置、Ｄメンテナンス位置が夫々４つずつ設けられている。何れの構成においてもＢ反応位置はターンテーブル２０の回転中心を通る直線上に対向して位置しているため、加圧時に力学的バランスを取ることができ、ターンテーブル２０に歪みが生じることなく円滑に反応を行うことが可能である。
【００２４】
具体的な装置構成につき、以下に示す。
本実施例の装置は、バイオマス粉砕物が投入される円筒形の反応シリンダ２を複数有している。該反応シリンダ２は、図１に示すようにターンテーブル２０の同一円周上に同一間隙を隔てて固定されている。また、図３乃至図６に示すように該反応シリンダ２は、温度調節手段としてジャケットを設けた二重管構造とし、内筒と外筒の間に冷熱媒通路３が設けられている。該冷熱媒通路３には、熱媒若しくは冷媒（以後、冷熱媒と称する）が通流し、該冷熱媒によりシリンダ内筒に充填されたバイオマス粉砕物に熱エネルギを与えるようになっている。冷熱媒通路３の下方側には冷熱媒入口３ａが設けられ、上方側には冷熱媒出口３ｂが設けられている。尚、温度調節手段として本実施例では冷熱媒通路を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば電磁誘導ヒータ等の加熱手段と、空冷又は水冷等の冷却手段の組み合わせとしてもよい。
【００２５】
前記ターンテーブル２０の回転中心には回転軸２３が配設され、該回転軸２３はモータ２１により回転駆動される。この回転軸２３には、水平方向に対して放射状に支持アーム２４が延設され、該支持アーム２４の先端には前記反応シリンダ２が固定されている。そして、回転軸２３の回転に伴い、支持アーム２４の先端に固定された反応シリンダ２が回転し、操作位置Ａ乃至Ｄで停止して各操作が行われるようになっている。各位置における位置合わせには、例えば光学的位置センサ等が用いられる。
【００２６】
前記反応シリンダ２の下方には、ターンテーブル２０上に固定された底板シリンダ１１と、該底板シリンダ１１に対応した底板ピストン１２が配設されている。該底板シリンダ１１はターンテーブル２０上に載置された油圧ユニット３０に接続され、該油圧ユニットによって底板ピストン１２は底板シリンダ１１内を上下動自在に駆動される。尚、本実施例では底板シリンダ１１が油圧駆動回路により駆動する構成を例示したが、他にも電動回路等を用いることができる。
【００２７】
次に、各位置における装置構成の具体例につき説明する。
Ａ原料充填圧縮位置では、反応シリンダ２内に原料を供給して、バイオマス粉砕物を予備加圧する工程を行う。
図３に、Ａ原料充填圧縮位置における装置構成を示す。本装置は、前記反応シリンダ２の上方に円筒形のガイド筒５が配置されている。該ガイド筒５は、ターンテーブル２０の回転の影響を受けない位置に固定されている。前記反応シリンダ２の位置合わせにおいて、ガイド筒５の下側開口と反応シリンダ２の上側開口が当接するように設定する。
前記ガイド筒５には原料フィーダ７を介して、原料であるバイオマス粉砕物が投入される原料ホッパ６が連結されている。原料フィーダ７にはこれを駆動するモータ８が連結されており、該原料フィーダ１２による原料供給量は、モータ８の回転数を制御することにより調整される。
また、前記ガイド筒５の上方には、前記ガイド筒５と同様にターンテーブル２０の回転の影響を受けない位置に固定された予備加圧シリンダ９と、該シリンダ９内を摺動する予備加圧ピストン１０が設けられている。該予備加圧ピストン１０は、不図示の電動回路若しくは油圧駆動回路により前記予備加圧シリンダ９に対して上下方向に往復動するようになっている。
前記反応シリンダ２の下方には、該シリンダ２の底部開口を封止して底面を形成するごとく前記底板ピストン１２が配置される。
【００２８】
このような構成を有する装置によりＡ原料充填圧縮位置では、原料ホッパ６から供給されたバイオマス粉砕物を原料フィーダ７により所定量ずつガイド筒５及び反応シリンダ２内に供給し、該ガイド筒５の上方から予備加圧ピストン１０によりバイオマス粉砕物を押し込み、予備加圧する。
尚、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以下に粉砕することが好ましい。また、バイオマスの種類によっては乾燥・粉砕後に調湿する場合もある。
【００２９】
Ａ原料充填圧縮位置にてバイオマス粉砕物の充填、圧縮（予備加圧）が終了したら、予備加圧シリンダ９にてピストン１０を引き上げた後、ターンテーブル２０を回転させ（図１では４５°）、反応シリンダ２、底板シリンダ１１及びピストン１２をＢ反応位置まで回して位置合わせを行う。
【００３０】
Ｂ反応位置では、反応シリンダ２内の予備加圧されたバイオマス粉砕物を加圧し、該加圧した状態で加熱して一定時間保持した後、冷却する工程を行う。
図４に、Ｂ反応位置における具体的な装置例を示す。本装置は、Ａ原料充填圧縮位置から移動してきた反応シリンダ２と、底板シリンダ１１及びピストン１２を備えるとともに、前記反応シリンダ２の上方に、ターンテーブル２０の回転の影響を受けない位置に固定された反応用加圧シリンダ１５と、該シリンダ１５により上下方向に往復動する反応用加圧ピストン１６とを備えている。
【００３１】
このような構成を有する装置によりＢ反応位置では、反応用加圧シリンダ１５にて加圧ピストン１６を駆動し、該加圧ピストン１６により反応シリンダ２内のバイオマス粉砕物を８〜２５ＭＰａに加圧して圧縮する。同時に、反応シリンダ２の冷熱媒通路３に熱媒を通流し、シリンダ２内のバイオマス粉砕物を１１５〜２３０℃に加熱する。このとき、予め反応シリンダ２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、リグニンが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、反応シリンダ２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。
【００３２】
反応シリンダ２内の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。
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、反応シリンダ２内に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。
【００３３】
反応終了後に、反応シリンダ２の冷熱媒通路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。シリンダ２内の加圧状態を維持した状態で、冷媒により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。
【００３４】
一方、上記したように、Ｂ反応位置に反応シリンダ２が到達した時、Ａ原料充填圧縮位置には新しい反応シリンダ２’が来るので、該新しい反応シリンダ２’では上記操作と並行して原料充填圧縮工程を行うようにする。尚、図１において、反応シリンダ２’、２”は反応シリンダ２に含まれる。
【００３５】
Ｂ反応位置にて反応工程の終了後、Ｂ反応位置の反応用加圧ピストン１６と、Ａ原料充填圧縮位置の予備加圧ピストン１０が上昇したことを確認した後、ターンテーブル２０を回転させ（図１では４５°）、反応シリンダ２、底板シリンダ１１及びピストン１２をＣ製品排出位置まで移動させる。
【００３６】
図５に、Ｃ製品排出位置における具体的な装置例を示す。本装置は、Ｂ反応位置から移動してきた反応シリンダ２と、底板シリンダ１１とピストン１２を備えるとともに、前記反応シリンダ２の上方に、ターンテーブル２０の回転の影響を受けない位置に固定された製品排出用加圧シリンダ１７と、該シリンダ１７により上下方向に往復動する製品排出用加圧ピストン１８とを備えている。
このような構成を有する装置によりＣ製品排出位置では、製品排出用加圧シリンダ１７にて製品排出用加圧ピストン１８を駆動し、該加圧ピストン１８により反応シリンダ２内のバイオコークスを押し下げ、同時に底板シリンダ１１により底板ピストン１２を下降させることによって、バイオコークス製品を反応シリンダ２の下方に押し出し、該製品を回収する。
【００３７】
同時に、Ａ原料充填圧縮位置に新しい反応シリンダ２”が来るので、原料の充填、予備加圧を行い、Ｂ反応位置に移動した反応シリンダ２’は反応工程を行う。
Ｃ製品排出位置での排出工程が終了後、製品排出用加圧ピストン１８と、Ｂ反応位置の反応用加圧ピストン１６と、Ａ原料充填圧縮位置の予備加圧ピストン１０が上昇したことを確認した後、ターンテーブル２０を回転させ（図１では４５°）、反応シリンダ２及び底板シリンダ１１、ピストン１２をＤメンテナンス位置まで回す。同時に、Ａ、Ｂ、Ｃの各位置では新たに回ってきた反応シリンダ２に所定の操作を行う。
【００３８】
図６に、メンテナンス位置における具体的な装置例を示す。Ｄメンテナンス位置では、反応シリンダ２の整備と、油圧ユニット３０により底板シリンダ１１を介して底板ピストン１２の上昇操作を行う。そして、Ｄメンテナンス位置での整備、点検等のメンテナンス、及びＡ、Ｂ、Ｃの各位置での所定の操作が終了したことを確認した後、ターンテーブル２０を回転し、反応シリンダ２を第２の原料ホッパ６の下に移動させ、上記した同様の操作を繰り返す。
【００３９】
本実施例のバイオコークス製造装置１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。
また、本実施例では複数の反応シリンダ２を載置したターンテーブル２０を備え、バイオコークス生産に必要な単位操作を少なくともＡ原料充填圧縮位置、Ｂ反応位置、Ｃ製品排出位置に分け、これらを同時に行えるようにしたため、設備数の低減及び時間の短縮化が可能となる。
【００４０】
さらに、本実施例では各位置を少なくとも２以上ずつ設け、且つＢ反応位置がターンテーブル２０の回転軸２３を通る直線上にて対向して配置されるようにしており、これにより大きな加圧力が加わるＢ反応位置にて、加圧時に力学的バランスを取ることができ、ターンテーブル２０に歪みが生じることなく円滑に反応を行うことが可能となる。
また、本実施例では夫々の位置に応じた操作を補助する専用の加圧シリンダを各位置に固定配置することにより、設備コストを低減し、各操作における高効率化が達成できる。
さらにまた、嵩密度の大きいバイオマス粉砕物の予備加圧にて、ガイド筒５を用いる構成としたため、反応シリンダ２のシリンダ長を短くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
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】
【００４２】
【図１】本発明の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図である。
【図２】本実施例の各位置における装置の概略構成を示し、（Ａ）は原料充填圧縮位置における側断面図、（Ｂ）は反応位置における側断面図、（Ｃ）は製品排出位置における側断面図である。
【図３】本実施例のＡ原料充填圧縮位置における装置構成を示す側断面図である。
【図４】本実施例のＢ反応位置における装置構成を示す側断面図である。
【図５】本実施例のＣ製品排出位置における装置構成を示す側断面図である。
【図６】本実施例のＤメンテナンス位置における装置構成を示す側断面図である。
【図７】図１の他の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図である。
【図８】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】
【００４３】
１ バイオコークス製造装置
２ 反応シリンダ
３ 冷熱媒通路（温度調節手段）
５ ガイド筒
６ 原料ホッパ
９ 予備加圧シリンダ
１０ 予備加圧ピストン
１１ 底板シリンダ
１２ 底板ピストン
１５ 反応用加圧シリンダ
１６ 反応用加圧ピストン
１７ 製品排出用加圧シリンダ
１８ 製品排出用加圧ピストン
２０ ターンテーブル
２３ 回転軸
３０ 油圧ユニット
Ａ 原料充填圧縮位置
Ｂ 反応位置
Ｃ 製品排出位置
Ｄ メンテナンス位置
【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ヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、反応容器内に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８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、
複数の円筒状反応シリンダが、ターンテーブルの同一円周上に同一間隙を隔てて載置されており、前記ターンテーブルの円周方向に沿って順に、前記反応シリンダ内にバイオマス粉砕物を充填して予備加圧する充填圧縮位置と、前記予備加圧後のバイオマス粉砕物を前記加圧範囲に加圧した状態で前記温度範囲にて一定時間加熱した後冷却する反応位置と、前記反応終了後のバイオコークス製品を排出する製品排出位置と、が前記ターンテーブルの回転に関わらず定位置に設定されるとともに、
上記した各位置が夫々２以上設けられ、少なくとも前記反応位置が、前記ターンテーブルの回転中心を通る直線上に対向して位置するように設定され、
夫々の位置に対応した操作が複数の反応シリンダにて同時に行われるようにしたことを特徴とする。
【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、複数の反応シリンダを設置することにより連続した処理が可能となり、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、本発明では複数の反応シリンダを載置したターンテーブルを備え、バイオコークス生産に必要な単位操作を少なくともＡ原料充填圧縮位置、Ｂ反応位置、Ｃ製品排出位置に分け、これらを同時に行えるようにしたため、設備数の低減及び時間の短縮化が可能となる。
さらに本発明では、各位置を少なくとも２以上ずつ設け、且つＢ反応位置がターンテーブルの回転中心を通る直線上にて対向して配置されるようにしており、これにより大きな加圧力が加わるＢ反応位置にて、加圧時に力学的バランスを取ることができ、ターンテーブルに歪みが生じることなく円滑に反応を行うことが可能となる。
【００１１】
また、前記充填圧縮位置と前記反応位置と前記製品排出位置には、夫々の位置に応じた操作を補助する専用の加圧シリンダが前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、これらの加圧シリンダは、そのシリンダ長及び加圧能力が夫々の位置にて異なるようにしたことを特徴とする。
このように、夫々の操作に適した加圧シリンダを設置することにより、設備コストを低減し、各操作における高効率化が達成できる。
【００１２】
さらに、前記充填圧縮位置には、前記反応シリンダの上部開口に当接するごとく設けられたガイド筒と、前記ガイド筒の上方に配置された予備加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する予備加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記充填圧縮位置にて、前記ガイド筒を介して前記反応シリンダ内に供給されるバイオマス粉砕物を、前記予備加圧ピストンにより圧縮することを特徴とする。
本発明によれば、嵩密度の大きいバイオマス粉砕物の予備加圧にて、前記ガイド筒を用いる構成としたため、反応シリンダ長を短くすることができる。
【００１３】
また、前記反応シリンダが温度調節手段を有するとともに、
前記反応位置には、前記反応シリンダの上方に配置された反応用加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する反応用加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記反応位置にて、前記反応用加圧ピストンによりバイオマス粉砕物を加圧した状態で前記温度調節手段により一定時間加熱した後冷却することを特徴とする。
このように、反応位置に専用の反応用加圧シリンダとピストンを設置することにより、大きな加圧力が必要とされる反応用加圧シリンダの設置数を最小限に抑えることが可能で、設備コストを低減できるとともに、反応時の加圧力を適切に制御することが可能となり高品質の製品を製造できる。
【００１４】
さらに、前記製品排出位置には、前記反応シリンダの上方に配置された製品排出用加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する製品排出用加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記製品排出位置にて、前記製品排出用加圧ピストンにより反応シリンダ内のバイオコークス製品を下方に押し出して排出することを特徴とする。
これにより、製造されたバイオコークス製品を円滑に装置外部へ排出することが可能となる。
【００１５】
さらにまた、前記製品排出位置の後流側に、前記反応シリンダのメンテナンスを行うメンテナンス位置を設けたことを特徴とする。
このように、反応シリンダの清掃、交換等のメンテナンスを行うＤメンテナンス位置を設けることにより、運転中における故障、不具合の発生を防ぎ、安定運転が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
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、複数の反応シリンダを載置したターンテーブルを備え、バイオコークス生産に必要な単位操作を少なくともＡ原料充填圧縮位置、Ｂ反応位置、Ｃ製品排出位置に分け、これらを同時に行えるようにしたため、設備数の低減及び時間の短縮化が可能となる。
さらに、Ｂ反応位置を、ターンテーブルの回転中心を通る直線上にて対向して配置することにより、加圧時に力学的バランスを取ることができ、ターンテーブルに歪みが生じることなく円滑に反応を行うことが可能となる。
【００１７】
また、夫々の位置に応じた操作を補助する専用の加圧シリンダを各位置に固定配置することにより、設備コストを低減し、各操作における高効率化が達成できる。
さらに、前記充填圧縮位置にて、嵩密度の大きいバイオマス粉砕物の予備加圧にて、ガイド筒を用いる構成としたため、反応シリンダ長を短くすることができる。
さらにまた、前記反応位置に専用の反応用加圧シリンダ、ピストンを設置することにより、大きな加圧力が必要とされる反応用加圧シリンダの設置数を最小限に抑えることが可能で、設備コストを低減できるとともに、反応時の加圧力を適切に制御することが可能となり高品質の製品が製造できる。
【００１８】
また、前記製品排出位置にて、製品排出用加圧ピストンにより反応シリンダ内のバイオコークス製品を下方に押し出して排出する構成とすることにより、製造されたバイオコークス製品を円滑に装置外部へ排出することが可能となる。
さらに、前記製品排出位置の後流側に、反応シリンダの清掃、交換等のメンテナンスを行うＤメンテナンス位置を設けることにより、運転中における故障、不具合の発生を防ぎ、安定運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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は本発明の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図、図２は本実施例の各位置における装置の概略構成を示す側断面図、図３は本実施例のＡ原料充填圧縮位置における装置構成を示す側断面図、図４は本実施例のＢ反応位置における装置構成を示す側断面図、図５は本実施例のＣ製品排出位置における装置構成を示す側断面図、図６は本実施例のＤメンテナンス位置における装置構成を示す側断面図、図７は図１の他の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図である。
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】
【００２０】
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。
【００２１】
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につき説明する。
本実施例のバイオコークス製造装置１は、ターンテーブル２０に複数の円筒状反応シリンダ２を載置し、ターンテーブル２０を回して、各操作位置に固定された専用の加圧シリンダの下で個別の操作を行う構成としている。この構成により、原料の充填・圧縮操作、反応操作、製品排出操作を同時に行うことが可能となり、設備数の低減及び時間の短縮化が達成できるものである。
【００２２】
即ち、図１に示すように、ターンテーブル２０の円周方向に沿って順に、（Ａ）反応シリンダ内にバイオマス粉砕物を充填して予備加圧する充填圧縮位置と、（Ｂ）前記予備加圧後のバイオマス粉砕物を前記加圧範囲に加圧した状態で前記温度範囲にて一定時間加熱した後冷却する反応位置と、（Ｃ）前記反応終了後のバイオコークス製品を排出する製品排出位置と、を少なくとも有する（図２参照）。さらに好適には、Ｃ製品排出位置の後流側にＤメンテナンス位置が存在するとよい。また、各位置は夫々２以上設けられる。これらは、ターンテーブル２０の回転に関わらず定位置に設定されている。夫々の位置における具体的な装置構成については後述する。
さらに、上記した各位置が夫々２以上設けられ、少なくともＢ反応位置が、前記ターンテーブル２０の回転中心を通る直線上に対向して位置するように設定され、夫々の位置に対応した操作が複数の反応シリンダ２にて同時に行われるようになっている。
【００２３】
一例として図１には、２連式の装置構成を示している。この２連式の装置では、ターンテーブル２０上にＢ反応位置が対向して２つ設けられており、これに対応して、Ａ原料充填圧縮位置、Ｃ製品排出位置、Ｄメンテナンス位置が夫々２つずつ設けられている。
また他の例として、図７に４連式の装置構成を示す。この４連式の装置では、ターンテーブル２０上に、円周に沿って９０度間隔でＢ反応位置が４つ設けられており、これに対応してＡ原料充填圧縮位置、Ｃ製品排出位置、Ｄメンテナンス位置が夫々４つずつ設けられている。何れの構成においてもＢ反応位置はターンテーブル２０の回転中心を通る直線上に対向して位置しているため、加圧時に力学的バランスを取ることができ、ターンテーブル２０に歪みが生じることなく円滑に反応を行うことが可能である。
【００２４】
具体的な装置構成につき、以下に示す。
本実施例の装置は、バイオマス粉砕物が投入される円筒形の反応シリンダ２を複数有している。該反応シリンダ２は、図１に示すようにターンテーブル２０の同一円周上に同一間隙を隔てて固定されている。また、図３乃至図６に示すように該反応シリンダ２は、温度調節手段としてジャケットを設けた二重管構造とし、内筒と外筒の間に冷熱媒通路３が設けられている。該冷熱媒通路３には、熱媒若しくは冷媒（以後、冷熱媒と称する）が通流し、該冷熱媒によりシリンダ内筒に充填されたバイオマス粉砕物に熱エネルギを与えるようになっている。冷熱媒通路３の下方側には冷熱媒入口３ａが設けられ、上方側には冷熱媒出口３ｂが設けられている。尚、温度調節手段として本実施例では冷熱媒通路を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば電磁誘導ヒータ等の加熱手段と、空冷又は水冷等の冷却手段の組み合わせとしてもよい。
【００２５】
前記ターンテーブル２０の回転中心には回転軸２３が配設され、該回転軸２３はモータ２１により回転駆動される。この回転軸２３には、水平方向に対して放射状に支持アーム２４が延設され、該支持アーム２４の先端には前記反応シリンダ２が固定されている。そして、回転軸２３の回転に伴い、支持アーム２４の先端に固定された反応シリンダ２が回転し、操作位置Ａ乃至Ｄで停止して各操作が行われるようになっている。各位置における位置合わせには、例えば光学的位置センサ等が用いられる。
【００２６】
前記反応シリンダ２の下方には、ターンテーブル２０上に固定された底板シリンダ１１と、該底板シリンダ１１に対応した底板ピストン１２が配設されている。該底板シリンダ１１はターンテーブル２０上に載置された油圧ユニット３０に接続され、該油圧ユニットによって底板ピストン１２は底板シリンダ１１内を上下動自在に駆動される。尚、本実施例では底板シリンダ１１が油圧駆動回路により駆動する構成を例示したが、他にも電動回路等を用いることができる。
【００２７】
次に、各位置における装置構成の具体例につき説明する。
Ａ原料充填圧縮位置では、反応シリンダ２内に原料を供給して、バイオマス粉砕物を予備加圧する工程を行う。
図３に、Ａ原料充填圧縮位置における装置構成を示す。本装置は、前記反応シリンダ２の上方に円筒形のガイド筒５が配置されている。該ガイド筒５は、ターンテーブル２０の回転の影響を受けない位置に固定されている。前記反応シリンダ２の位置合わせにおいて、ガイド筒５の下側開口と反応シリンダ２の上側開口が当接するように設定する。
前記ガイド筒５には原料フィーダ７を介して、原料であるバイオマス粉砕物が投入される原料ホッパ６が連結されている。原料フィーダ７にはこれを駆動するモータ８が連結されており、該原料フィーダ１２による原料供給量は、モータ８の回転数を制御することにより調整される。
また、前記ガイド筒５の上方には、前記ガイド筒５と同様にターンテーブル２０の回転の影響を受けない位置に固定された予備加圧シリンダ９と、該シリンダ９内を摺動する予備加圧ピストン１０が設けられている。該予備加圧ピストン１０は、不図示の電動回路若しくは油圧駆動回路により前記予備加圧シリンダ９に対して上下方向に往復動するようになっている。
前記反応シリンダ２の下方には、該シリンダ２の底部開口を封止して底面を形成するごとく前記底板ピストン１２が配置される。
【００２８】
このような構成を有する装置によりＡ原料充填圧縮位置では、原料ホッパ６から供給されたバイオマス粉砕物を原料フィーダ７により所定量ずつガイド筒５及び反応シリンダ２内に供給し、該ガイド筒５の上方から予備加圧ピストン１０によりバイオマス粉砕物を押し込み、予備加圧する。
尚、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以下に粉砕することが好ましい。また、バイオマスの種類によっては乾燥・粉砕後に調湿する場合もある。
【００２９】
Ａ原料充填圧縮位置にてバイオマス粉砕物の充填、圧縮（予備加圧）が終了したら、予備加圧シリンダ９にてピストン１０を引き上げた後、ターンテーブル２０を回転させ（図１では４５°）、反応シリンダ２、底板シリンダ１１及びピストン１２をＢ反応位置まで回して位置合わせを行う。
【００３０】
Ｂ反応位置では、反応シリンダ２内の予備加圧されたバイオマス粉砕物を加圧し、該加圧した状態で加熱して一定時間保持した後、冷却する工程を行う。
図４に、Ｂ反応位置における具体的な装置例を示す。本装置は、Ａ原料充填圧縮位置から移動してきた反応シリンダ２と、底板シリンダ１１及びピストン１２を備えるとともに、前記反応シリンダ２の上方に、ターンテーブル２０の回転の影響を受けない位置に固定された反応用加圧シリンダ１５と、該シリンダ１５により上下方向に往復動する反応用加圧ピストン１６とを備えている。
【００３１】
このような構成を有する装置によりＢ反応位置では、反応用加圧シリンダ１５にて加圧ピストン１６を駆動し、該加圧ピストン１６により反応シリンダ２内のバイオマス粉砕物を８〜２５ＭＰａに加圧して圧縮する。同時に、反応シリンダ２の冷熱媒通路３に熱媒を通流し、シリンダ２内のバイオマス粉砕物を１１５〜２３０℃に加熱する。このとき、予め反応シリンダ２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、リグニンが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、反応シリンダ２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。
【００３２】
反応シリンダ２内の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。
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、反応シリンダ２内に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。
【００３３】
反応終了後に、反応シリンダ２の冷熱媒通路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。シリンダ２内の加圧状態を維持した状態で、冷媒により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。
【００３４】
一方、上記したように、Ｂ反応位置に反応シリンダ２が到達した時、Ａ原料充填圧縮位置には新しい反応シリンダ２’が来るので、該新しい反応シリンダ２’では上記操作と並行して原料充填圧縮工程を行うようにする。尚、図１において、反応シリンダ２’、２”は反応シリンダ２に含まれる。
【００３５】
Ｂ反応位置にて反応工程の終了後、Ｂ反応位置の反応用加圧ピストン１６と、Ａ原料充填圧縮位置の予備加圧ピストン１０が上昇したことを確認した後、ターンテーブル２０を回転させ（図１では４５°）、反応シリンダ２、底板シリンダ１１及びピストン１２をＣ製品排出位置まで移動させる。
【００３６】
図５に、Ｃ製品排出位置における具体的な装置例を示す。本装置は、Ｂ反応位置から移動してきた反応シリンダ２と、底板シリンダ１１とピストン１２を備えるとともに、前記反応シリンダ２の上方に、ターンテーブル２０の回転の影響を受けない位置に固定された製品排出用加圧シリンダ１７と、該シリンダ１７により上下方向に往復動する製品排出用加圧ピストン１８とを備えている。
このような構成を有する装置によりＣ製品排出位置では、製品排出用加圧シリンダ１７にて製品排出用加圧ピストン１８を駆動し、該加圧ピストン１８により反応シリンダ２内のバイオコークスを押し下げ、同時に底板シリンダ１１により底板ピストン１２を下降させることによって、バイオコークス製品を反応シリンダ２の下方に押し出し、該製品を回収する。
【００３７】
同時に、Ａ原料充填圧縮位置に新しい反応シリンダ２”が来るので、原料の充填、予備加圧を行い、Ｂ反応位置に移動した反応シリンダ２’は反応工程を行う。
Ｃ製品排出位置での排出工程が終了後、製品排出用加圧ピストン１８と、Ｂ反応位置の反応用加圧ピストン１６と、Ａ原料充填圧縮位置の予備加圧ピストン１０が上昇したことを確認した後、ターンテーブル２０を回転させ（図１では４５°）、反応シリンダ２及び底板シリンダ１１、ピストン１２をＤメンテナンス位置まで回す。同時に、Ａ、Ｂ、Ｃの各位置では新たに回ってきた反応シリンダ２に所定の操作を行う。
【００３８】
図６に、メンテナンス位置における具体的な装置例を示す。Ｄメンテナンス位置では、反応シリンダ２の整備と、油圧ユニット３０により底板シリンダ１１を介して底板ピストン１２の上昇操作を行う。そして、Ｄメンテナンス位置での整備、点検等のメンテナンス、及びＡ、Ｂ、Ｃの各位置での所定の操作が終了したことを確認した後、ターンテーブル２０を回転し、反応シリンダ２を第２の原料ホッパ６の下に移動させ、上記した同様の操作を繰り返す。
【００３９】
本実施例のバイオコークス製造装置１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。
また、本実施例では複数の反応シリンダ２を載置したターンテーブル２０を備え、バイオコークス生産に必要な単位操作を少なくともＡ原料充填圧縮位置、Ｂ反応位置、Ｃ製品排出位置に分け、これらを同時に行えるようにしたため、設備数の低減及び時間の短縮化が可能となる。
【００４０】
さらに、本実施例では各位置を少なくとも２以上ずつ設け、且つＢ反応位置がターンテーブル２０の回転軸２３を通る直線上にて対向して配置されるようにしており、これにより大きな加圧力が加わるＢ反応位置にて、加圧時に力学的バランスを取ることができ、ターンテーブル２０に歪みが生じることなく円滑に反応を行うことが可能となる。
また、本実施例では夫々の位置に応じた操作を補助する専用の加圧シリンダを各位置に固定配置することにより、設備コストを低減し、各操作における高効率化が達成できる。
さらにまた、嵩密度の大きいバイオマス粉砕物の予備加圧にて、ガイド筒５を用いる構成としたため、反応シリンダ２のシリンダ長を短くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
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】
【００４２】
【図１】本発明の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図である。
【図２】本実施例の各位置における装置の概略構成を示し、（Ａ）は原料充填圧縮位置における側断面図、（Ｂ）は反応位置における側断面図、（Ｃ）は製品排出位置における側断面図である。
【図３】本実施例のＡ原料充填圧縮位置における装置構成を示す側断面図である。
【図４】本実施例のＢ反応位置における装置構成を示す側断面図である。
【図５】本実施例のＣ製品排出位置における装置構成を示す側断面図である。
【図６】本実施例のＤメンテナンス位置における装置構成を示す側断面図である。
【図７】図１の他の実施例に係るバイオコークス製造装置の平面図である。
【図８】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】
【００４３】
１ バイオコークス製造装置
２ 反応シリンダ
３ 冷熱媒通路（温度調節手段）
５ ガイド筒
６ 原料ホッパ
９ 予備加圧シリンダ
１０ 予備加圧ピストン
１１ 底板シリンダ
１２ 底板ピストン
１５ 反応用加圧シリンダ
１６ 反応用加圧ピストン
１７ 製品排出用加圧シリンダ
１８ 製品排出用加圧ピストン
２０ ターンテーブル
２３ 回転軸
３０ 油圧ユニット
Ａ 原料充填圧縮位置
Ｂ 反応位置
Ｃ 製品排出位置
Ｄ メンテナンス位置
【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、
複数の円筒状反応シリンダが、ターンテーブルの同一円周上に同一間隙を隔てて載置されており、前記ターンテーブルの円周方向に沿って順に、前記反応シリンダ内にバイオマス粉砕物を充填して予備加圧する充填圧縮位置と、前記予備加圧後のバイオマス粉砕物を前記加圧範囲に加圧した状態で前記温度範囲にて一定時間加熱した後冷却する反応位置と、前記反応終了後のバイオコークス製品を排出する製品排出位置と、が前記ターンテーブルの回転に関わらず定位置に設定されるとともに、
上記した各位置が夫々２以上設けられ、少なくとも前記反応位置が、前記ターンテーブルの回転中心を通る直線上に対向して位置するように設定され、
夫々の位置に対応した操作が複数の反応シリンダにて同時に行われるようにしたことを特徴とするバイオコークス製造装置。
【請求項２】
前記充填圧縮位置と前記反応位置と前記製品排出位置には、夫々の位置に応じた操作を補助する専用の加圧シリンダが前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、これらの加圧シリンダは、そのシリンダ長及び加圧能力が夫々の位置にて異なるようにした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】
前記充填圧縮位置には、前記反応シリンダの上部開口に当接するごとく設けられたガイド筒と、前記ガイド筒の上方に配置された予備加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する予備加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記充填圧縮位置にて、前記ガイド筒を介して前記反応シリンダ内に供給されるバイオマス粉砕物を、前記予備加圧ピストンにより圧縮す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４】
前記反応シリンダが温度調節手段を有するとともに、
前記反応位置には、前記反応シリンダの上方に配置された反応用加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する反応用加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記反応位置にて、前記反応用加圧ピストンによりバイオマス粉砕物を加圧した状態で前記温度調節手段により一定時間加熱した後冷却す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５】
前記製品排出位置には、前記反応シリンダの上方に配置された製品排出用加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する製品排出用加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記製品排出位置にて、前記製品排出用加圧ピストンにより反応シリンダ内のバイオコークス製品を下方に押し出して排出す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６】
前記製品排出位置の後流側に、前記反応シリンダのメンテナンスを行うメンテナンス位置を設けた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、
複数の円筒状反応シリンダが、ターンテーブルの同一円周上に同一間隙を隔てて載置されており、前記ターンテーブルの円周方向に沿って順に、前記反応シリンダ内にバイオマス粉砕物を充填して予備加圧する充填圧縮位置と、前記予備加圧後のバイオマス粉砕物を前記加圧範囲に加圧した状態で前記温度範囲にて一定時間加熱した後冷却する反応位置と、前記反応終了後のバイオコークス製品を排出する製品排出位置と、が前記ターンテーブルの回転に関わらず定位置に設定されるとともに、
上記した各位置が夫々２以上設けられ、少なくとも前記反応位置が、前記ターンテーブルの回転中心を通る直線上に対向して位置するように設定され、
夫々の位置に対応した操作が複数の反応シリンダにて同時に行われるようにしたことを特徴とするバイオコークス製造装置。
【請求項２】
前記充填圧縮位置と前記反応位置と前記製品排出位置には、夫々の位置に応じた操作を補助する専用の加圧シリンダが前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、これらの加圧シリンダは、そのシリンダ長及び加圧能力が夫々の位置にて異なるようにした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】
前記充填圧縮位置には、前記反応シリンダの上部開口に当接するごとく設けられたガイド筒と、前記ガイド筒の上方に配置された予備加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する予備加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記充填圧縮位置にて、前記ガイド筒を介して前記反応シリンダ内に供給されるバイオマス粉砕物を、前記予備加圧ピストンにより圧縮す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４】
前記反応シリンダが温度調節手段を有するとともに、
前記反応位置には、前記反応シリンダの上方に配置された反応用加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する反応用加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記反応位置にて、前記反応用加圧ピストンによりバイオマス粉砕物を加圧した状態で前記温度調節手段により一定時間加熱した後冷却す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５】
前記製品排出位置には、前記反応シリンダの上方に配置された製品排出用加圧シリンダと、該シリンダにより上下方向に往復動する製品排出用加圧ピストンと、が前記ターンテーブルの回転に影響されない位置に固定配置されており、
前記製品排出位置にて、前記製品排出用加圧ピストンにより反応シリンダ内のバイオコークス製品を下方に押し出して排出す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６】
前記製品排出位置の後流側に、前記反応シリンダのメンテナンスを行うメンテナンス位置を設けた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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１８５１８３（Ｐ２００９−１８５１８３Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６９５６（Ｐ２００８−２６９５６）
【出願日】平成２０年２月６日（２００８．２．６）
【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２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月６日（２００８．２．６）
【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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