バイオマスの油化方法及びそれを用いたバイオマス油化装置
【課題】 本発明は、接触分解プロセスによって、油分を含まないバイオマスから高品質の液体燃料を高収率で得ることのできるバイオマス油化方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 バイオマスに油脂を混合する混合工程と、混合工程で得られたバイオマス混合物を接触分解炉に収容された分解触媒上に供給する供給工程と、バイオマス混合物と分解触媒を加熱攪拌する接触分解工程と、接触分解により生成された分解ガスを冷却して分解油として回収する液化工程と、を備えた構成を有している。
【解決手段】 バイオマスに油脂を混合する混合工程と、混合工程で得られたバイオマス混合物を接触分解炉に収容された分解触媒上に供給する供給工程と、バイオマス混合物と分解触媒を加熱攪拌する接触分解工程と、接触分解により生成された分解ガスを冷却して分解油として回収する液化工程と、を備えた構成を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスから液体燃料を製造するバイオマスの油化方法及びそれを用いたバイオマス油化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
良好な地球環境を保つため、二酸化炭素の排出削減が地球規模で行われている。その中で、再生可能エネルギーに位置づけられているバイオマス燃料の利用は、循環型社会の構築のためには極めて重要な技術である。そこで、このバイオマスを用いた液体燃料の製造方法や装置が種々開発されている。例えば、（特許文献１）には、「急速熱分解により、植物系バイオマスからタール，酢酸，水，燃料油等を回収する装置」が開示されている。
（特許文献２）には、「大気圧以上１５気圧未満で２５０℃〜４００℃の分解炉を用い、石油系有機溶剤と木質バイオマスを混合し熱分解することにより、液体燃料を製造する製造方法及び製造装置」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−７７４１０号公報
【特許文献２】特開２００６−６３３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上記従来の技術においては、以下のような課題を有していた。
（１）（特許文献１）に開示の技術は、分解物の回収が目的であるため、分解ガスの分留工程が多く、分解ガスを分留するだけであるので、分解物から回収される液体燃料の量は原料に依存するという課題を有していた。また、熱分解なので、分解物としてタールやカルボン酸留分が多く油分の回収率が少ないという課題を有していた。
（２）（特許文献２）に開示の技術は、高沸点の石油系有機溶剤を原料の１〜１０重量倍用いるために、取扱いの安全性に欠けると共に、その回収や再生に多大の設備と労力、エネルギーを要しランニングコストが上昇するという課題を有していた。
【０００５】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、接触分解プロセスによって、油分を含まないバイオマスから高品質の液体燃料を高収率で得ることのできるバイオマス油化方法を提供することを目的とする。また、製造工程が簡単なため装置を小型化でき、エネルギーの地産地消に適した分散型バイオマス油化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】
上記従来の課題を解決するために、本発明のバイオマス油化方法及び油化装置は、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載のバイオマス油化方法は、バイオマスに油脂を混合する混合工程と、前記混合工程で得られたバイオマス混合物を接触分解炉に収容された分解触媒上に供給する供給工程と、前記バイオマス混合物と前記分解触媒を加熱攪拌する接触分解工程と、接触分解により生成された分解ガスを冷却して分解油として回収する液化工程と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）加熱された高温の分解触媒にバイオマス混合物を接触混合させると、短時間に接触分解を起こしガス化する。この分解ガスを系外に取り出して急冷すると液化して分解油となる。この接触分解時に、触媒の作用により脱炭酸反応が起るため、酸素濃度が下がり発熱量の高い分解油が得られる。
（２）バイオマスに油脂を混合すると、油脂がバイオマス表面を覆い内部まで浸透するので、熱伝導率の低いバイオマスの熱伝導率が高くなり、接触分解速度を上げることができる。
（３）バイオマスに油脂を混合すると、バイオマス表面を油脂が覆い内部まで浸透するので、比重の軽い木屑や竹粉等粉粒体や建築廃材の破砕物等のバイオマス粒子の重量が増し、分解触媒と混ざり易くなり、分解反応を円滑に進めることができる。
（４）バイオマスに油脂を混合することで、バイオマス中のセルロースやたんぱく質等が油脂に抽出されながら表面から直ちに接触分解反応が起こると推測され、分解ガスは直ちに反応炉外へ排出されるため、熱重合等を起こすことなく分解油が多量に得られる。
（５）バイオマス及び油脂の接触分解における脱炭酸反応により生成する水素も、バイオマスの分解を促し、液体燃料の回収率を大幅に増すことができると考えられる。
【０００７】
ここで、原料バイオマスとしては、木質系バイオマスである木屑及び建築廃材，竹等や草本系のバイオマスである穀物類及び搾油後の果実粕や種子粕等の固形バイオマスの１以上が用いられる。また、破砕・粉砕することで原料の表面積が大きくなり、油脂との混合及び分解触媒との接触効率が良くなり好適に使用することができる。
【０００８】
油脂としては、てんぷら油等の廃食油及び食肉加工場の油脂系廃棄物、熱間圧延工場やレストランから排出される浮上スカムやこれらの混合物を用いることができる。常温で固化する豚脂、牛脂等の動物性油脂は、加熱された分解触媒等により溶けて液状化するため、油脂は常温で液体，固体のいずれも用いることができる。
【０００９】
分解触媒には、ＦＣＣ触媒、ＦＣＣ廃触媒、シリカアルミナ、ゼオライト、固体燐酸等の固体酸触媒の他、シリカ、活性炭等、種々の触媒を用いることができる。また、これらの混合物を用いることもできる。
【００１０】
混合工程に用いられる混合機としては、バイオマスと油脂が均一に混合されるものであればよく、各種混合機を用いることができる。また、バイオマスと油脂の分解炉への供給口を近接した位置に配置し、バイオマスに油脂を噴霧，噴射，滴下，散布等することでバイオマスを油脂でまぶしても良い。
また、混合工程においては、バイオマスに油脂を噴霧，噴射，滴下，散布等しながら混合することが好ましい。これは、バイオマスの比重が小さいため、油脂にバイオマスを供給した場合、混合し難いためである。
油脂は、バイオマスと混合させる前に、室温〜１００℃に予熱することもできる。特に、冬季や寒冷地等では、流動性が増すため、バイオマスとの混合を容易にすることができる。
【００１１】
供給工程に用いられるものとしては、バイオマス及び油脂が定量供給されるものであればよく、例えばスクリューフィーダー等が挙げられる。
【００１２】
分解炉内は無酸素あるいは不活性ガス雰囲気で、加熱温度は３５０〜５００℃である。
【００１３】
バイオ燃料を製造する接触分解炉としては、例えば、分解触媒が収容された分解炉と、分解炉内の分解触媒を加熱する加熱部と、を備えたものが用いられる。分解炉は、固定床方式、流動層方式、ロータリーキルン方式、攪拌方式等を用いることができる。なかでも、ロータリーキルン方式及び攪拌方式が好ましい。バイオマス混合物を粒粉状の分解触媒中に分散混合するため、バイオマス混合物と分解触媒とを均一に接触させることができ、接触分解の反応を早めることができるためである。
【００１４】
接触分解工程において、分解触媒を加熱し触媒が分解温度に達したら、バイオマス混合物を分解炉内に投入して分解触媒と混合接触させる。連続的でも、バッチ式でも処理を行うことができる。バイオマスは油脂と混合されることで、バイオマスの表面にまぶされた油脂がバイオマス中のセルロースやたんぱく質等を抽出しながら、加熱された分解触媒と接触して表面から直ちに分解反応が起こると推測され、分解ガスとして蒸気圧を持つようになり直ちに分解炉外へ排出されるため、熱重合等を起こすことなく分解油を回収できる。
【００１５】
分解炉内の圧力は、大気圧以上に維持するのが好ましい。接触分解工程が大気圧〜０．１ＭＰａ（ゲージ圧）の圧力下で行なわれるので、炉内への空気の侵入がなく生成された可燃性ガスによる爆発を防止できるとともに、堅牢な圧力容器を用いる必要がないため、反応装置は簡素であり小型化、低価格化ができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のバイオマス油化方法であって、前記バイオマス混合物の全量に対して、前記油脂の割合が１０〜５０重量％である構成を有している。
この構成により、請求項１で得られる作用に加え以下の作用が得られる。
（１）油脂の混合比が１０〜５０重量％なので、建築廃材の木片（１０ｃｍ以下）から大鋸屑等まで、油脂で表面を覆うことができる。
（２）バイオマスに対する油脂の混合比率が少なくて良いため、廃食油や動物油等の油脂を安定して得ることができない地域でも、安定した運転が可能である。
【００１７】
ここで、油脂の混合比は１０重量％よりも少なくなるにつれ、油脂で表面積の大きいバイオマスの全体を短時間に覆い滲入させることが困難になる傾向があり、５０重量％より多くなるとバイオマス混合物が塊状化するので熱伝導率が悪くなり、分解速度が遅くなるので、分解油の回収率が下がり、残渣が増えると推測されるため好ましくない。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のバイオマス油化方法であって、前記分解触媒が、ＦＣＣ触媒、ＦＣＣ廃触媒、活性白土、酸性白土、シリカ、活性炭、コークス、活性コークス、アルカリ土類金属等の金属酸化物又は金属炭酸塩、γ−アルミナ、合成シリカアルミナ、ゼオライト、セピオライト、ジルコニウム、タングステン、固体燐酸等、及びこれらの混合物の内いずれか１以上である構成を有している。
この構成により、請求項１又は２で得られる作用に加え以下の作用が得られる。
（１）触媒効果によって分解ガスの熱重合が抑制され、軽質化された分解油が得られる。
（２）触媒効果によって分解油中の酸素含有量が脱炭酸反応により減少し、前記分解油の発熱量が高くなる。
【００１９】
分解触媒は反応炉内容積の２０容量％以上６０容量％以下が好ましい。分解触媒の量が２０容量％未満では、分解触媒に接触できるバイオマス混合物の比率が下がり接触分解効率が低下するため、分解油の回収率が下がり好ましくない。また６０容量％を超えると、触媒の飛散や流出が起こりやすく残渣（燃殻）の排出頻度が増えることから好ましくない。より好ましくは分解触媒の量は３０〜５０容量％が採用される。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の内いずれか１に記載のバイオマス油化方法であって、前記分解炉の炉内温度が３５０℃〜５００℃に調節された構成を有している。
この構成により、請求項１乃至３の内いずれか１で得られる作用に加え以下の作用が得られる。
（１）分解炉の加熱温度は３５０〜５００℃なので、投入されたバイオマス混合物は高温の分解触媒と接触混合するため、直ちに接触分解が進行するので反応速度が速く、分解までの処理時間が短いため高い生産性でバイオ燃料を製造できる。
（２）炉内温度が３５０℃〜５００℃に調節されているので、分解生成ガスは分解炉内で熱重合等の二次反応が少なく、分解油の回収率が高い。
【００２１】
ここで、分解炉の加熱温度は３５０℃〜５００℃、好ましくは３５０〜４８０℃である。加熱温度が３５０℃より低くなるにつれ接触分解反応の進行が遅くなり、分解油の生産性が低下する傾向がみられる。また、４８０℃より高くなるにつれて、ガスの生成量が増加し、分解油量が低下する傾向がみられ、５００℃より高くなるとこの傾向が著しいので好ましくない。さらに、バイオマスの成分であるセルロース、ヘミセルロース、リグニン等は４５０℃前後の加熱温度があれば十分に接触分解が可能である。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の内いずれか１に記載のバイオマス油化方法に用いるバイオマス油化装置であって、前記バイオマスに前記油脂を混合する混合部と、前記混合部で混合された前記バイオマス混合物を分解炉に供給する供給器と、供給される前記バイオマス混合物を接触分解する粒粉状の前記分解触媒が収容される分解炉と、前記分解炉を加熱する加熱部と、前記分解炉に配設され分解ガスを液化する冷却部と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下の作用が得られる。
（１）装置の構成が簡素であるため低コストでバイオ燃料を製造することが可能であると共に装置を小型化出来るので、バイオマスの生産拠点や必要とされる場所に低コストで簡単に設置することができ、地産地消に適した分散型のエネルギー供給システムを構築することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のバイオマス油化方法及びバイオマス油化装置は、油分を含まないバイオマスに油脂を混合することにより、比較的低い反応温度でバイオマスの接触分解速度が速く、且つ生成した分解ガスの熱重合を抑制し、重油相当の液体燃料を高い収率で得ることができる。この利点を生かして、装置の小型化・低コスト化ができ簡単に設置できるため、地産地消の分散型エネルギー供給システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１におけるバイオマス油化装置の構成図
【図２】実施例１及び比較例１で得られた木屑の接触分解による分解液収率を示した図
【図３】実施例２及び比較例２で得られた竹粉の接触分解による分解液収率を示した図
【図４】実施例１及び実施例３で得られた木屑の接触分解による分解油収率を示した図
【図５】実施例２及び実施例４で得られた竹粉の接触分解による分解油収率を示した図
【図６】実施例５及び比較例５で得られた米糠粕の接触分解による分解油収率を示した図
【図７】実施例６及び比較例６で得られた大豆粕の接触分解による分解油収率を示した図
【図８】実施例で得られた分解油の蒸留曲線を示した図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。
なお、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるバイオマス油化装置の構成図である。１はバイオマス油化装置、３は原料バイオマスを装置に供給するバイオマス供給部、４はバイオマスに油脂を混合する混合機、５は油脂を混合機４へ供給する油脂供給部、６は混合機４に取り付けられた混合羽根、７は混合機４で混合されたバイオマス混合物が投入されるバイオマスホッパー、８はバイオマスホッパー７の下部に設置されたスクリューフィーダー、９はスクリューフィーダー８から供給されたバイオマス混合物と分解触媒の接触分解を行う分解炉、１０は分解触媒を加熱する加熱部、１１は分解炉９中のバイオマス混合物及び分解触媒を撹拌する撹拌機、１２は撹拌機１１に取り付けられた撹拌羽根、１４は分解炉９に配設された分解ガスを炉外へ排出するための分解ガス排出部、１５は分解ガス排出部１４に一端が接続された分解ガス管、１６は分解ガスを冷却する分解ガス管１５の他端が接続された冷却部、１８は冷却部１６により冷却され液体となった分解油を回収する分解油貯留槽、１９は冷却部１６に配設された分解ガス中の低分子ガスをトラップするガスホルダー、２０はガスホルダー１９に設けられた低分子ガスを着火燃焼させるフレアスタック、２１は分解炉９に残る残渣を排出する残渣排出口である。実施例において用いたバイオマス油化装置は、サイズ奥行１０００ｍｍ，幅２０００ｍｍ，高さ２０００ｍｍ，分解炉はΦ３００×１０００ｍｍであって、処理能力は５〜１５ｋｇ／ｈである。
【００２６】
以上のように構成された本実施の形態１のバイオマス油化装置について、以下にその運転方法を説明する。バイオマス供給部３により原料となるバイオマスを混合機４に投入し、油脂供給部５から供給された油脂と混合する。混合されたバイオマス混合物は、バイオマスホッパー７に導入され、スクリューフィーダー８により分解炉９へ定量供給される。分解炉９内は分解触媒３０〜５０容量％を収容しており、加熱部１０により３５０〜５００℃に加熱され、スクリューフィーダー８により供給されたバイオマス混合物と分解触媒が撹拌機１１により撹拌されながら接触分解が行われる。接触分解により分解された分解ガスは、分解炉９に設けられた分解ガス排出部１４により炉外へ排出され、分解ガス排出部１４に一端が接続された分解ガス管１５を通り、冷却部１６に達する。冷却部１６で冷却された分解ガスは、液体燃料と低分子ガスとに分けられ、液体燃料は分解油貯留槽１８で回収される。低分子ガスはガスホルダー１９にトラップされ、フレアスタック２０により燃焼され無害化される。また、分解炉９に残る残渣は、残渣排出口２１から取り出される。また、フレアスタックを用いず、低分子ガスを加熱部１０の燃料、又は、水分の多い原料バイオマスの乾燥燃料に用いることも可能である。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実験例により具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実験例に限定されるものではない。
（実施例１）（比較例１）
実施の形態１で説明したバイオマス油化装置を用い、原料バイオマスとして粒径１ｍｍ程度（嵩密度：０．１ｇ／ｃｍ3）の製材所の木屑（含水率１０％）を準備して、接触分解を行った。混合する油脂は廃食油を準備した。分解触媒にはＦＣＣ廃触媒（流動接触分解装置で使用された合成ゼオライト系の固体酸触媒を再生したもの。粒径４０〜８０μｍ）を準備した。原料は実施例１が木屑２１ｋｇと廃食油９ｋｇを用いた。実施例１において油脂は３０重量％の混合比になるように木屑と混合され、バイオマス混合物はスクリューフィーダーを用いて１５０〜２５０ｇ／ｍｉｎの投入速度で、加熱温度は４５０℃に調節された分解炉へ連続投入した。投入されたバイオマス混合物を、分解炉に４０容量％充填された分解触媒とともに攪拌機によって攪拌速度３ｒｐｍの速度で機械的に攪拌し、接触分解した。運転時間は３時間で、原料の供給が終わった１０分後を接触分解の終了とした。接触分解により生成した分解ガスは、ガス冷却部により冷却・液化し、油分貯留槽に回収した。液化されない低分子ガスはフレアスタックにより着火燃焼させた。
比較例１において、原料は木屑３０ｋｇとし廃食油を混合しなかった以外は、実施例１と同様にした。
【００２８】
図２に、実施例１及び比較例１における分解液の収率を示す。図２から明らかなように、比較例１（油脂混合なし）では、投入原料全量に対して木酢液が３０重量％、タールが１２重量％得られた。実施例１では比較例１の約３倍量に当たる３７重量％の分解油（軽質油とタールの合計量）が得られた。このことから、木屑に油脂を混合し接触分解することで、分解油の回収量が大幅に増すことが分かった。また、分解油の性状は重油相当であり、色は黒褐色であった。原料の全量の内約３５重量％が燃え殻として残った。
【００２９】
（実施例２）（比較例２）
原料バイオマスとして竹粉（含水率１０重量％）を準備し、油脂として廃食油を準備した。実施例２は竹粉２１ｋｇと油脂９ｋｇ，比較例２は竹粉３０ｋｇとし油脂を混合しなかった。実施例２においては油脂を３０重量％の混合比で竹粉と混合される以外は実施例１と同様にした。
【００３０】
図３に、実施例２及び比較例２の分解液の収率を示す。図３から明らかなように、比較例２（油脂混合なし）では、投入原料に対して竹酢液が３２重量％、タールが７重量％得られ、実施例２では比較例２の約５倍量である３７重量％の分解油が得られた。このことから、実施例１と同様に、竹粉においても油脂との混合による接触分解において、その分解油の収率が上がることが分かった。また、分解油の性状は重油相当であり、色は黒褐色であった。原料の全量の内約３０重量％が燃え殻として残った。
【００３１】
次に、実施例１及び２における分解油の物性試験を行った結果を表１に示す。
ＪＩＳ Ｋ−００６１（化学製品の密度及び比重測定方法）基づき密度を、ＪＩＳ Ｋ−２２８３（原油及び石油製品−動粘度試験方法及び粘度指数算出方法）基づき粘度を、ＪＩＳ Ｋ−２２７５（原油及び石油製品−水分試験方法）基づき含水率を、ＪＩＳ Ｋ−２２７９（原油及び石油製品−発熱量試験方法及び計算による推定方法）基づき発熱量を測定した。その結果を表１に示す。
尚、分解液の収率は分解液重量／原料重量である。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１から明らかなように、実施例１及び２における分解油はそれぞれ、密度が０．９７ｇ／ｃｍ3，０．９８ｇ／ｃｍ3、粘度が３０．０ｍｍ2／ｓ，１３．０ｍｍ2／ｓ、水分が３．２％，１．３％、発熱量が３５．８Ｍｊ／ｋｇ，３８．２Ｍｊ／ｋｇと、水分が多少含まれているが、Ｂ重油相当のバイオ燃料であることが分かった。
尚、実施例２の分解油を分留したところ、３００℃留出液の密度は０．８ｇ／ｃｍ3であった。
【００３４】
（実施例３）
実施例１の結果に基づき、油脂の混合比を増やし、分解油の収率や物性の確認を行った。実施例３において原料バイオマスに実施例１と同じ木屑を使用し、油脂に廃食油を準備した。実施例３は木屑１５ｋｇと油脂１５ｋｇとした。実施例３において木屑が油脂と５０重量％の混合比で混合される以外は実施例１と同様にした。
【００３５】
図４に実施例３の分解油の収率を示す。図４から明らかなように、分解油の収率は実施例３では６３％であった。実施例１に比べ実施例３の分解油の回収率が高いのは、接触分解による軽質油の回収率が高い油脂の混合割合が高いことに加え、油脂の混合により木屑の接触分解効率が良くなったためと推測される。
【００３６】
また、実施例３及び比較例１の分解油においても、実施例１及び２と同様の物性試験を行った。その結果を、表２に示す。
【００３７】
【表２】
【００３８】
表２から明らかなように、実施例３の分解液は、実施例１及び比較例１と違い木酢液が生成されていない。これは、実施例３は実施例１に比べ接触分解効率が高いと推測され、木酢液の生成量が少なく、生成した少量の木酢液はタールに溶解したためであると推測される。見かけ上、タールの収率が上がっているのも同様の理由によると推測される。実施例３の分解油の密度は０．９３ｇ／ｃｍ3、比較例１では密度は１．０６ｇ／ｃｍ3であった。これにより、実施例１の結果も合わせると、油脂が混合され、更に混合比が増すにつれて密度は低下する傾向にあることが分かった。これは、油脂の混合比が増えたことにより、密度の小さい分解油の割合が増えたことが原因であると考えられる。また、粘度においても、実施例３では１９．１ｍｍ2／ｓであり、密度同様に油脂の混合比が増せば低下する傾向を示した。これも油脂の混合割合の増加により低粘度の分解油の割合が増えたことが原因であると考えられる。実施例３の発熱量は３９．２Ｍｊ／ｋｇであり、実施例３においても分解油の物性はＢ重油相当であった。
【００３９】
（実施例４）
実施例２の結果に基づき、油脂の混合比を増やし、分解液の収率や物性の確認を行った。実施例４においてバイオマスに実施例２と同じ竹粉を使用し、油脂に廃食油を準備した。実施例４は竹粉１５ｋｇと油脂１５ｋｇとし、油脂を５０重量％の混合比で竹粉と混合される以外は実施例２と同様にした。
【００４０】
図５に、実施例２及び実施例４の分解油の収率を示す。図５から明らかなように、実施例４では５９重量％の分解油が得られた。このことから、実施例３と同様に、竹粉おいても油脂の混合比が増すと分解油の収率が上がることが分かった。
【００４１】
また、実施例４及び比較例２の分解油においても、実施例２と同様にＪＩＳ規格に基づく物性試験を行った。その結果を、表３に示す。
【００４２】
【表３】
【００４３】
表３から明らかなように、実施例４の分解液は、実施例２及び比較例２と違い竹酢液が生成されていない。これは、実施例３と同様に、生成した少量の竹酢液がタールに溶解したためであると推測される。分解油の密度は実施例４が０．９５ｇ／ｃｍ3、比較例２が１．０５ｇ／ｃｍ3であった。また、原料が木屑の場合と同様に竹粉においても、油脂が混合され、更に油脂の混合比が増すにつれて、分解油の密度が減少傾向を示した。粘度については、実施例４と実施例２に大きな差は見られなかったが、発熱量は実施例４が幾分高かった。実施例４においても分解油はB重油相当であった。
【００４４】
次に、ＪＩＳ Ｍ−８８１３（石炭類及びコークス類−元素分析方法）に基づき、実施例１乃至４、比較例１における分解油の元素分析を行った。
その結果を表４及び表５に示す。
【００４５】
【表４】
【００４６】
【表５】
【００４７】
表４より、原料バイオマスを木屑とした場合の分解油の炭素の含有率は、実施例１は７６．１％、実施例３は８０．４％、比較例１は５０．８％と、実施例１及び３における分解油の炭素量が比較例１に比べ高かった。これにより、実施例１及び３の分解油の発熱量が高かった理由が示された。炭素とは逆で、酸素の含有率は、実施例１は１３．８％、実施例３は８．２％、比較例１は４２．７％と、実施例１及び３における分解油の酸素量は比較例１に比べ低かった。このことから、接触分解の油分には単糖類、脂肪酸、アルコール、カルボン酸等の酸素を含む有機物を含有していると推測されるが、実施例においてその量は少なく、炭化水素油が主と考えられる。
また、表５より、原料を竹粉とした場合の分解油の炭素の含有率は、実施例２が７９．８％、実施例４が８０．８％であった。これにより、実施例１同様に実施例２及び４における分解油の発熱量が高い理由が示された。酸素の含有率は、実施例２が９．５％、実施例４が８．２％であった。このことから、木屑を原料とした場合と同様、酸素を含む有機物が含有している可能性があると推測される。
【００４８】
以上のことから、油脂と混合し接触分解することで、油分を含まない木質系バイオマスから、炭素の含有量が多く、酸素の含有量の少ないＢ重油相当の物性を持つ液体燃料が高収率で得られることが示された。
【００４９】
（実施例５）
原料中の油分が少ない原料バイオマスとして、搾油後の粕である粒径０．２mm程度の米糠粕（油分１重量％）を準備した。油脂として廃食油を準備した。実施例５では米糠粕２４ｋｇと油脂が６ｋｇとした。比較例５では米糠粕３０ｋｇとし、油脂を混合しなかった。実施例５において油脂が２０重量％の混合比で米糠粕と混合される以外は実施例１と同様にした。図６に、実施例５及び比較例５の分解油の収率を示す。
【００５０】
図６から明らかなように、原料バイオマスとして１重量％の油分しか含まない米糠粕において、比較例５（油脂混合なし）では３１重量％の有機酸と１５重量％のタールが得られ、実施例５では、５４重量％の分解油が得られた。また、分解油の性状は重油相当であり、色は黒褐色であった。
【００５１】
実施例５及び比較例５の分解油においても、他の実施例と同様のＪＩＳ規格に基づいて物性試験を行った。その結果を、表６に示す。
【００５２】
【表６】
【００５３】
実施例５の場合、密度０．９８ｇ／ｃｍ3、粘度２９．０ｍｍ2／ｓ、発熱量３４．７Ｍｊ／ｋｇの液体燃料が得られた。実施例５の分解油は、搾油原料の接触分解である比較例５と比べ、密度及び粘度共に低く、B重油相当の物性を持つ液体燃料が得られていることが分かる。
【００５４】
（実施例６）
原料バイオマスとして粒径１mm程度の大豆粕（油分１重量％）、油脂として廃食油 を準備した。実施例６では大豆粕２７ｋｇと油脂３ｋｇとした。比較例６では大豆粕３０ｋｇとし、油脂を混合しなかった。実施例６において油脂が１０重量％の混合比で大豆粕に混合される以外は実施例１と同様にした。図７に、実施例６及び比較例６の分解油の収率を示す。
【００５５】
図７から明らかなように、比較例６（油脂混合なし）では、有機酸３２重量％とタール１２重量％が得られ、実施例６ではタール４１重量％が得られた。大豆粕の場合は、国内産大豆の油脂の含有率が２０重量％と言われていることから考えると、搾油後の粕から４１重量％のタール分が得られたことは、かなりの高収率であるといえる。また、分解油の物性は、密度、粘度共に高くＣ重相当であった。
【００５６】
実施例６及び比較例６における分解油について、木質系バイオマスの接触分解の実施例と同様の方法を用いて物性試験を行った。その結果を表７に示す。
【００５７】
【表７】
【００５８】
表７から、分解油が同じタールであっても、実施例６の分解油は密度が１．０４ｇ／ｃｍ3、粘度が３５．０ｍｍ2／ｓ、発熱量が３１．４Ｍｊ／ｋｇと、比較例６（油脂混合なし）に比べ、優れた物性を示した。また、実施例１乃至５と比べると発熱量が低かった。実施例６における分解油が全てタール分であるのは、接触分解が不十分により高分子量成分が多いためと推測される。
【００５９】
以上の実施例により、原料に油脂を混合して接触分解することで、搾油後粕等の油分を殆ど含まないバイオマスから、物性が重油相当の液体燃料が高収率で得られることが示された。
【００６０】
また、実施例２及び実施例５の分解油において、バーナーによる燃焼実験を行った。条件は、油供給量１０〜１５Ｌ／ｈ，油供給圧１ｋｇ／ｃｍ2，アトマイズ用エアー０．５ａｔｍの廃油バーナーを用いた。
その結果、分解油は煙及び臭気が発生することなく良好に燃えた。
【００６１】
実施例３乃至５で得られた分解油について、ＪＩＳ Ｋ−２２５４（石油製品―蒸留試験方法）に基づき蒸留試験を行った。
その結果を図８に示す。図８より明らかなように、得られる分解油の８０重量％程度が灯軽油及び重油成分であった。さらに、蒸留試験後の釜残として２０重量％以上が残っていることから、分解油には分子量が４００以上の炭化水素も含まれていると推測される。
以上のことから、蒸留試験においても、本発明による接触分解で得られた分解油が、優れたバイオ液体燃料といえることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、接触分解効率が著しく高く、油分を含まないバイオマスから物性に優れた高品質の液体燃料を高収率で得ることのできるバイオマス油化方法を提供することを目的とする。また、製造工程が簡略なため装置も簡素であるので、装置を小型化でき、地産地消に適した分散型のエネルギー供給システムを構築するバイオマス油化装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 実施の形態１におけるバイオマス油化装置
３ バイオマス供給部
４ 混合機
５ 油脂供給部
６ 混合羽根
７ バイオマスホッパー
８ スクリューフィーダー
９ 分解炉
１０ 加熱部
１１ 撹拌機
１２ 撹拌羽根
１４ 分解ガス排出部
１５ 分解ガス管
１６ 冷却部
１８ 分解油貯留槽
１９ ガスホルダー
２０ フレアスタック
２１ 残渣排出口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスから液体燃料を製造するバイオマスの油化方法及びそれを用いたバイオマス油化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
良好な地球環境を保つため、二酸化炭素の排出削減が地球規模で行われている。その中で、再生可能エネルギーに位置づけられているバイオマス燃料の利用は、循環型社会の構築のためには極めて重要な技術である。そこで、このバイオマスを用いた液体燃料の製造方法や装置が種々開発されている。例えば、（特許文献１）には、「急速熱分解により、植物系バイオマスからタール，酢酸，水，燃料油等を回収する装置」が開示されている。
（特許文献２）には、「大気圧以上１５気圧未満で２５０℃〜４００℃の分解炉を用い、石油系有機溶剤と木質バイオマスを混合し熱分解することにより、液体燃料を製造する製造方法及び製造装置」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−７７４１０号公報
【特許文献２】特開２００６−６３３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上記従来の技術においては、以下のような課題を有していた。
（１）（特許文献１）に開示の技術は、分解物の回収が目的であるため、分解ガスの分留工程が多く、分解ガスを分留するだけであるので、分解物から回収される液体燃料の量は原料に依存するという課題を有していた。また、熱分解なので、分解物としてタールやカルボン酸留分が多く油分の回収率が少ないという課題を有していた。
（２）（特許文献２）に開示の技術は、高沸点の石油系有機溶剤を原料の１〜１０重量倍用いるために、取扱いの安全性に欠けると共に、その回収や再生に多大の設備と労力、エネルギーを要しランニングコストが上昇するという課題を有していた。
【０００５】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、接触分解プロセスによって、油分を含まないバイオマスから高品質の液体燃料を高収率で得ることのできるバイオマス油化方法を提供することを目的とする。また、製造工程が簡単なため装置を小型化でき、エネルギーの地産地消に適した分散型バイオマス油化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】
上記従来の課題を解決するために、本発明のバイオマス油化方法及び油化装置は、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載のバイオマス油化方法は、バイオマスに油脂を混合する混合工程と、前記混合工程で得られたバイオマス混合物を接触分解炉に収容された分解触媒上に供給する供給工程と、前記バイオマス混合物と前記分解触媒を加熱攪拌する接触分解工程と、接触分解により生成された分解ガスを冷却して分解油として回収する液化工程と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）加熱された高温の分解触媒にバイオマス混合物を接触混合させると、短時間に接触分解を起こしガス化する。この分解ガスを系外に取り出して急冷すると液化して分解油となる。この接触分解時に、触媒の作用により脱炭酸反応が起るため、酸素濃度が下がり発熱量の高い分解油が得られる。
（２）バイオマスに油脂を混合すると、油脂がバイオマス表面を覆い内部まで浸透するので、熱伝導率の低いバイオマスの熱伝導率が高くなり、接触分解速度を上げることができる。
（３）バイオマスに油脂を混合すると、バイオマス表面を油脂が覆い内部まで浸透するので、比重の軽い木屑や竹粉等粉粒体や建築廃材の破砕物等のバイオマス粒子の重量が増し、分解触媒と混ざり易くなり、分解反応を円滑に進めることができる。
（４）バイオマスに油脂を混合することで、バイオマス中のセルロースやたんぱく質等が油脂に抽出されながら表面から直ちに接触分解反応が起こると推測され、分解ガスは直ちに反応炉外へ排出されるため、熱重合等を起こすことなく分解油が多量に得られる。
（５）バイオマス及び油脂の接触分解における脱炭酸反応により生成する水素も、バイオマスの分解を促し、液体燃料の回収率を大幅に増すことができると考えられる。
【０００７】
ここで、原料バイオマスとしては、木質系バイオマスである木屑及び建築廃材，竹等や草本系のバイオマスである穀物類及び搾油後の果実粕や種子粕等の固形バイオマスの１以上が用いられる。また、破砕・粉砕することで原料の表面積が大きくなり、油脂との混合及び分解触媒との接触効率が良くなり好適に使用することができる。
【０００８】
油脂としては、てんぷら油等の廃食油及び食肉加工場の油脂系廃棄物、熱間圧延工場やレストランから排出される浮上スカムやこれらの混合物を用いることができる。常温で固化する豚脂、牛脂等の動物性油脂は、加熱された分解触媒等により溶けて液状化するため、油脂は常温で液体，固体のいずれも用いることができる。
【０００９】
分解触媒には、ＦＣＣ触媒、ＦＣＣ廃触媒、シリカアルミナ、ゼオライト、固体燐酸等の固体酸触媒の他、シリカ、活性炭等、種々の触媒を用いることができる。また、これらの混合物を用いることもできる。
【００１０】
混合工程に用いられる混合機としては、バイオマスと油脂が均一に混合されるものであればよく、各種混合機を用いることができる。また、バイオマスと油脂の分解炉への供給口を近接した位置に配置し、バイオマスに油脂を噴霧，噴射，滴下，散布等することでバイオマスを油脂でまぶしても良い。
また、混合工程においては、バイオマスに油脂を噴霧，噴射，滴下，散布等しながら混合することが好ましい。これは、バイオマスの比重が小さいため、油脂にバイオマスを供給した場合、混合し難いためである。
油脂は、バイオマスと混合させる前に、室温〜１００℃に予熱することもできる。特に、冬季や寒冷地等では、流動性が増すため、バイオマスとの混合を容易にすることができる。
【００１１】
供給工程に用いられるものとしては、バイオマス及び油脂が定量供給されるものであればよく、例えばスクリューフィーダー等が挙げられる。
【００１２】
分解炉内は無酸素あるいは不活性ガス雰囲気で、加熱温度は３５０〜５００℃である。
【００１３】
バイオ燃料を製造する接触分解炉としては、例えば、分解触媒が収容された分解炉と、分解炉内の分解触媒を加熱する加熱部と、を備えたものが用いられる。分解炉は、固定床方式、流動層方式、ロータリーキルン方式、攪拌方式等を用いることができる。なかでも、ロータリーキルン方式及び攪拌方式が好ましい。バイオマス混合物を粒粉状の分解触媒中に分散混合するため、バイオマス混合物と分解触媒とを均一に接触させることができ、接触分解の反応を早めることができるためである。
【００１４】
接触分解工程において、分解触媒を加熱し触媒が分解温度に達したら、バイオマス混合物を分解炉内に投入して分解触媒と混合接触させる。連続的でも、バッチ式でも処理を行うことができる。バイオマスは油脂と混合されることで、バイオマスの表面にまぶされた油脂がバイオマス中のセルロースやたんぱく質等を抽出しながら、加熱された分解触媒と接触して表面から直ちに分解反応が起こると推測され、分解ガスとして蒸気圧を持つようになり直ちに分解炉外へ排出されるため、熱重合等を起こすことなく分解油を回収できる。
【００１５】
分解炉内の圧力は、大気圧以上に維持するのが好ましい。接触分解工程が大気圧〜０．１ＭＰａ（ゲージ圧）の圧力下で行なわれるので、炉内への空気の侵入がなく生成された可燃性ガスによる爆発を防止できるとともに、堅牢な圧力容器を用いる必要がないため、反応装置は簡素であり小型化、低価格化ができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のバイオマス油化方法であって、前記バイオマス混合物の全量に対して、前記油脂の割合が１０〜５０重量％である構成を有している。
この構成により、請求項１で得られる作用に加え以下の作用が得られる。
（１）油脂の混合比が１０〜５０重量％なので、建築廃材の木片（１０ｃｍ以下）から大鋸屑等まで、油脂で表面を覆うことができる。
（２）バイオマスに対する油脂の混合比率が少なくて良いため、廃食油や動物油等の油脂を安定して得ることができない地域でも、安定した運転が可能である。
【００１７】
ここで、油脂の混合比は１０重量％よりも少なくなるにつれ、油脂で表面積の大きいバイオマスの全体を短時間に覆い滲入させることが困難になる傾向があり、５０重量％より多くなるとバイオマス混合物が塊状化するので熱伝導率が悪くなり、分解速度が遅くなるので、分解油の回収率が下がり、残渣が増えると推測されるため好ましくない。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のバイオマス油化方法であって、前記分解触媒が、ＦＣＣ触媒、ＦＣＣ廃触媒、活性白土、酸性白土、シリカ、活性炭、コークス、活性コークス、アルカリ土類金属等の金属酸化物又は金属炭酸塩、γ−アルミナ、合成シリカアルミナ、ゼオライト、セピオライト、ジルコニウム、タングステン、固体燐酸等、及びこれらの混合物の内いずれか１以上である構成を有している。
この構成により、請求項１又は２で得られる作用に加え以下の作用が得られる。
（１）触媒効果によって分解ガスの熱重合が抑制され、軽質化された分解油が得られる。
（２）触媒効果によって分解油中の酸素含有量が脱炭酸反応により減少し、前記分解油の発熱量が高くなる。
【００１９】
分解触媒は反応炉内容積の２０容量％以上６０容量％以下が好ましい。分解触媒の量が２０容量％未満では、分解触媒に接触できるバイオマス混合物の比率が下がり接触分解効率が低下するため、分解油の回収率が下がり好ましくない。また６０容量％を超えると、触媒の飛散や流出が起こりやすく残渣（燃殻）の排出頻度が増えることから好ましくない。より好ましくは分解触媒の量は３０〜５０容量％が採用される。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の内いずれか１に記載のバイオマス油化方法であって、前記分解炉の炉内温度が３５０℃〜５００℃に調節された構成を有している。
この構成により、請求項１乃至３の内いずれか１で得られる作用に加え以下の作用が得られる。
（１）分解炉の加熱温度は３５０〜５００℃なので、投入されたバイオマス混合物は高温の分解触媒と接触混合するため、直ちに接触分解が進行するので反応速度が速く、分解までの処理時間が短いため高い生産性でバイオ燃料を製造できる。
（２）炉内温度が３５０℃〜５００℃に調節されているので、分解生成ガスは分解炉内で熱重合等の二次反応が少なく、分解油の回収率が高い。
【００２１】
ここで、分解炉の加熱温度は３５０℃〜５００℃、好ましくは３５０〜４８０℃である。加熱温度が３５０℃より低くなるにつれ接触分解反応の進行が遅くなり、分解油の生産性が低下する傾向がみられる。また、４８０℃より高くなるにつれて、ガスの生成量が増加し、分解油量が低下する傾向がみられ、５００℃より高くなるとこの傾向が著しいので好ましくない。さらに、バイオマスの成分であるセルロース、ヘミセルロース、リグニン等は４５０℃前後の加熱温度があれば十分に接触分解が可能である。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の内いずれか１に記載のバイオマス油化方法に用いるバイオマス油化装置であって、前記バイオマスに前記油脂を混合する混合部と、前記混合部で混合された前記バイオマス混合物を分解炉に供給する供給器と、供給される前記バイオマス混合物を接触分解する粒粉状の前記分解触媒が収容される分解炉と、前記分解炉を加熱する加熱部と、前記分解炉に配設され分解ガスを液化する冷却部と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下の作用が得られる。
（１）装置の構成が簡素であるため低コストでバイオ燃料を製造することが可能であると共に装置を小型化出来るので、バイオマスの生産拠点や必要とされる場所に低コストで簡単に設置することができ、地産地消に適した分散型のエネルギー供給システムを構築することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のバイオマス油化方法及びバイオマス油化装置は、油分を含まないバイオマスに油脂を混合することにより、比較的低い反応温度でバイオマスの接触分解速度が速く、且つ生成した分解ガスの熱重合を抑制し、重油相当の液体燃料を高い収率で得ることができる。この利点を生かして、装置の小型化・低コスト化ができ簡単に設置できるため、地産地消の分散型エネルギー供給システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１におけるバイオマス油化装置の構成図
【図２】実施例１及び比較例１で得られた木屑の接触分解による分解液収率を示した図
【図３】実施例２及び比較例２で得られた竹粉の接触分解による分解液収率を示した図
【図４】実施例１及び実施例３で得られた木屑の接触分解による分解油収率を示した図
【図５】実施例２及び実施例４で得られた竹粉の接触分解による分解油収率を示した図
【図６】実施例５及び比較例５で得られた米糠粕の接触分解による分解油収率を示した図
【図７】実施例６及び比較例６で得られた大豆粕の接触分解による分解油収率を示した図
【図８】実施例で得られた分解油の蒸留曲線を示した図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。
なお、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるバイオマス油化装置の構成図である。１はバイオマス油化装置、３は原料バイオマスを装置に供給するバイオマス供給部、４はバイオマスに油脂を混合する混合機、５は油脂を混合機４へ供給する油脂供給部、６は混合機４に取り付けられた混合羽根、７は混合機４で混合されたバイオマス混合物が投入されるバイオマスホッパー、８はバイオマスホッパー７の下部に設置されたスクリューフィーダー、９はスクリューフィーダー８から供給されたバイオマス混合物と分解触媒の接触分解を行う分解炉、１０は分解触媒を加熱する加熱部、１１は分解炉９中のバイオマス混合物及び分解触媒を撹拌する撹拌機、１２は撹拌機１１に取り付けられた撹拌羽根、１４は分解炉９に配設された分解ガスを炉外へ排出するための分解ガス排出部、１５は分解ガス排出部１４に一端が接続された分解ガス管、１６は分解ガスを冷却する分解ガス管１５の他端が接続された冷却部、１８は冷却部１６により冷却され液体となった分解油を回収する分解油貯留槽、１９は冷却部１６に配設された分解ガス中の低分子ガスをトラップするガスホルダー、２０はガスホルダー１９に設けられた低分子ガスを着火燃焼させるフレアスタック、２１は分解炉９に残る残渣を排出する残渣排出口である。実施例において用いたバイオマス油化装置は、サイズ奥行１０００ｍｍ，幅２０００ｍｍ，高さ２０００ｍｍ，分解炉はΦ３００×１０００ｍｍであって、処理能力は５〜１５ｋｇ／ｈである。
【００２６】
以上のように構成された本実施の形態１のバイオマス油化装置について、以下にその運転方法を説明する。バイオマス供給部３により原料となるバイオマスを混合機４に投入し、油脂供給部５から供給された油脂と混合する。混合されたバイオマス混合物は、バイオマスホッパー７に導入され、スクリューフィーダー８により分解炉９へ定量供給される。分解炉９内は分解触媒３０〜５０容量％を収容しており、加熱部１０により３５０〜５００℃に加熱され、スクリューフィーダー８により供給されたバイオマス混合物と分解触媒が撹拌機１１により撹拌されながら接触分解が行われる。接触分解により分解された分解ガスは、分解炉９に設けられた分解ガス排出部１４により炉外へ排出され、分解ガス排出部１４に一端が接続された分解ガス管１５を通り、冷却部１６に達する。冷却部１６で冷却された分解ガスは、液体燃料と低分子ガスとに分けられ、液体燃料は分解油貯留槽１８で回収される。低分子ガスはガスホルダー１９にトラップされ、フレアスタック２０により燃焼され無害化される。また、分解炉９に残る残渣は、残渣排出口２１から取り出される。また、フレアスタックを用いず、低分子ガスを加熱部１０の燃料、又は、水分の多い原料バイオマスの乾燥燃料に用いることも可能である。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実験例により具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実験例に限定されるものではない。
（実施例１）（比較例１）
実施の形態１で説明したバイオマス油化装置を用い、原料バイオマスとして粒径１ｍｍ程度（嵩密度：０．１ｇ／ｃｍ3）の製材所の木屑（含水率１０％）を準備して、接触分解を行った。混合する油脂は廃食油を準備した。分解触媒にはＦＣＣ廃触媒（流動接触分解装置で使用された合成ゼオライト系の固体酸触媒を再生したもの。粒径４０〜８０μｍ）を準備した。原料は実施例１が木屑２１ｋｇと廃食油９ｋｇを用いた。実施例１において油脂は３０重量％の混合比になるように木屑と混合され、バイオマス混合物はスクリューフィーダーを用いて１５０〜２５０ｇ／ｍｉｎの投入速度で、加熱温度は４５０℃に調節された分解炉へ連続投入した。投入されたバイオマス混合物を、分解炉に４０容量％充填された分解触媒とともに攪拌機によって攪拌速度３ｒｐｍの速度で機械的に攪拌し、接触分解した。運転時間は３時間で、原料の供給が終わった１０分後を接触分解の終了とした。接触分解により生成した分解ガスは、ガス冷却部により冷却・液化し、油分貯留槽に回収した。液化されない低分子ガスはフレアスタックにより着火燃焼させた。
比較例１において、原料は木屑３０ｋｇとし廃食油を混合しなかった以外は、実施例１と同様にした。
【００２８】
図２に、実施例１及び比較例１における分解液の収率を示す。図２から明らかなように、比較例１（油脂混合なし）では、投入原料全量に対して木酢液が３０重量％、タールが１２重量％得られた。実施例１では比較例１の約３倍量に当たる３７重量％の分解油（軽質油とタールの合計量）が得られた。このことから、木屑に油脂を混合し接触分解することで、分解油の回収量が大幅に増すことが分かった。また、分解油の性状は重油相当であり、色は黒褐色であった。原料の全量の内約３５重量％が燃え殻として残った。
【００２９】
（実施例２）（比較例２）
原料バイオマスとして竹粉（含水率１０重量％）を準備し、油脂として廃食油を準備した。実施例２は竹粉２１ｋｇと油脂９ｋｇ，比較例２は竹粉３０ｋｇとし油脂を混合しなかった。実施例２においては油脂を３０重量％の混合比で竹粉と混合される以外は実施例１と同様にした。
【００３０】
図３に、実施例２及び比較例２の分解液の収率を示す。図３から明らかなように、比較例２（油脂混合なし）では、投入原料に対して竹酢液が３２重量％、タールが７重量％得られ、実施例２では比較例２の約５倍量である３７重量％の分解油が得られた。このことから、実施例１と同様に、竹粉においても油脂との混合による接触分解において、その分解油の収率が上がることが分かった。また、分解油の性状は重油相当であり、色は黒褐色であった。原料の全量の内約３０重量％が燃え殻として残った。
【００３１】
次に、実施例１及び２における分解油の物性試験を行った結果を表１に示す。
ＪＩＳ Ｋ−００６１（化学製品の密度及び比重測定方法）基づき密度を、ＪＩＳ Ｋ−２２８３（原油及び石油製品−動粘度試験方法及び粘度指数算出方法）基づき粘度を、ＪＩＳ Ｋ−２２７５（原油及び石油製品−水分試験方法）基づき含水率を、ＪＩＳ Ｋ−２２７９（原油及び石油製品−発熱量試験方法及び計算による推定方法）基づき発熱量を測定した。その結果を表１に示す。
尚、分解液の収率は分解液重量／原料重量である。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１から明らかなように、実施例１及び２における分解油はそれぞれ、密度が０．９７ｇ／ｃｍ3，０．９８ｇ／ｃｍ3、粘度が３０．０ｍｍ2／ｓ，１３．０ｍｍ2／ｓ、水分が３．２％，１．３％、発熱量が３５．８Ｍｊ／ｋｇ，３８．２Ｍｊ／ｋｇと、水分が多少含まれているが、Ｂ重油相当のバイオ燃料であることが分かった。
尚、実施例２の分解油を分留したところ、３００℃留出液の密度は０．８ｇ／ｃｍ3であった。
【００３４】
（実施例３）
実施例１の結果に基づき、油脂の混合比を増やし、分解油の収率や物性の確認を行った。実施例３において原料バイオマスに実施例１と同じ木屑を使用し、油脂に廃食油を準備した。実施例３は木屑１５ｋｇと油脂１５ｋｇとした。実施例３において木屑が油脂と５０重量％の混合比で混合される以外は実施例１と同様にした。
【００３５】
図４に実施例３の分解油の収率を示す。図４から明らかなように、分解油の収率は実施例３では６３％であった。実施例１に比べ実施例３の分解油の回収率が高いのは、接触分解による軽質油の回収率が高い油脂の混合割合が高いことに加え、油脂の混合により木屑の接触分解効率が良くなったためと推測される。
【００３６】
また、実施例３及び比較例１の分解油においても、実施例１及び２と同様の物性試験を行った。その結果を、表２に示す。
【００３７】
【表２】
【００３８】
表２から明らかなように、実施例３の分解液は、実施例１及び比較例１と違い木酢液が生成されていない。これは、実施例３は実施例１に比べ接触分解効率が高いと推測され、木酢液の生成量が少なく、生成した少量の木酢液はタールに溶解したためであると推測される。見かけ上、タールの収率が上がっているのも同様の理由によると推測される。実施例３の分解油の密度は０．９３ｇ／ｃｍ3、比較例１では密度は１．０６ｇ／ｃｍ3であった。これにより、実施例１の結果も合わせると、油脂が混合され、更に混合比が増すにつれて密度は低下する傾向にあることが分かった。これは、油脂の混合比が増えたことにより、密度の小さい分解油の割合が増えたことが原因であると考えられる。また、粘度においても、実施例３では１９．１ｍｍ2／ｓであり、密度同様に油脂の混合比が増せば低下する傾向を示した。これも油脂の混合割合の増加により低粘度の分解油の割合が増えたことが原因であると考えられる。実施例３の発熱量は３９．２Ｍｊ／ｋｇであり、実施例３においても分解油の物性はＢ重油相当であった。
【００３９】
（実施例４）
実施例２の結果に基づき、油脂の混合比を増やし、分解液の収率や物性の確認を行った。実施例４においてバイオマスに実施例２と同じ竹粉を使用し、油脂に廃食油を準備した。実施例４は竹粉１５ｋｇと油脂１５ｋｇとし、油脂を５０重量％の混合比で竹粉と混合される以外は実施例２と同様にした。
【００４０】
図５に、実施例２及び実施例４の分解油の収率を示す。図５から明らかなように、実施例４では５９重量％の分解油が得られた。このことから、実施例３と同様に、竹粉おいても油脂の混合比が増すと分解油の収率が上がることが分かった。
【００４１】
また、実施例４及び比較例２の分解油においても、実施例２と同様にＪＩＳ規格に基づく物性試験を行った。その結果を、表３に示す。
【００４２】
【表３】
【００４３】
表３から明らかなように、実施例４の分解液は、実施例２及び比較例２と違い竹酢液が生成されていない。これは、実施例３と同様に、生成した少量の竹酢液がタールに溶解したためであると推測される。分解油の密度は実施例４が０．９５ｇ／ｃｍ3、比較例２が１．０５ｇ／ｃｍ3であった。また、原料が木屑の場合と同様に竹粉においても、油脂が混合され、更に油脂の混合比が増すにつれて、分解油の密度が減少傾向を示した。粘度については、実施例４と実施例２に大きな差は見られなかったが、発熱量は実施例４が幾分高かった。実施例４においても分解油はB重油相当であった。
【００４４】
次に、ＪＩＳ Ｍ−８８１３（石炭類及びコークス類−元素分析方法）に基づき、実施例１乃至４、比較例１における分解油の元素分析を行った。
その結果を表４及び表５に示す。
【００４５】
【表４】
【００４６】
【表５】
【００４７】
表４より、原料バイオマスを木屑とした場合の分解油の炭素の含有率は、実施例１は７６．１％、実施例３は８０．４％、比較例１は５０．８％と、実施例１及び３における分解油の炭素量が比較例１に比べ高かった。これにより、実施例１及び３の分解油の発熱量が高かった理由が示された。炭素とは逆で、酸素の含有率は、実施例１は１３．８％、実施例３は８．２％、比較例１は４２．７％と、実施例１及び３における分解油の酸素量は比較例１に比べ低かった。このことから、接触分解の油分には単糖類、脂肪酸、アルコール、カルボン酸等の酸素を含む有機物を含有していると推測されるが、実施例においてその量は少なく、炭化水素油が主と考えられる。
また、表５より、原料を竹粉とした場合の分解油の炭素の含有率は、実施例２が７９．８％、実施例４が８０．８％であった。これにより、実施例１同様に実施例２及び４における分解油の発熱量が高い理由が示された。酸素の含有率は、実施例２が９．５％、実施例４が８．２％であった。このことから、木屑を原料とした場合と同様、酸素を含む有機物が含有している可能性があると推測される。
【００４８】
以上のことから、油脂と混合し接触分解することで、油分を含まない木質系バイオマスから、炭素の含有量が多く、酸素の含有量の少ないＢ重油相当の物性を持つ液体燃料が高収率で得られることが示された。
【００４９】
（実施例５）
原料中の油分が少ない原料バイオマスとして、搾油後の粕である粒径０．２mm程度の米糠粕（油分１重量％）を準備した。油脂として廃食油を準備した。実施例５では米糠粕２４ｋｇと油脂が６ｋｇとした。比較例５では米糠粕３０ｋｇとし、油脂を混合しなかった。実施例５において油脂が２０重量％の混合比で米糠粕と混合される以外は実施例１と同様にした。図６に、実施例５及び比較例５の分解油の収率を示す。
【００５０】
図６から明らかなように、原料バイオマスとして１重量％の油分しか含まない米糠粕において、比較例５（油脂混合なし）では３１重量％の有機酸と１５重量％のタールが得られ、実施例５では、５４重量％の分解油が得られた。また、分解油の性状は重油相当であり、色は黒褐色であった。
【００５１】
実施例５及び比較例５の分解油においても、他の実施例と同様のＪＩＳ規格に基づいて物性試験を行った。その結果を、表６に示す。
【００５２】
【表６】
【００５３】
実施例５の場合、密度０．９８ｇ／ｃｍ3、粘度２９．０ｍｍ2／ｓ、発熱量３４．７Ｍｊ／ｋｇの液体燃料が得られた。実施例５の分解油は、搾油原料の接触分解である比較例５と比べ、密度及び粘度共に低く、B重油相当の物性を持つ液体燃料が得られていることが分かる。
【００５４】
（実施例６）
原料バイオマスとして粒径１mm程度の大豆粕（油分１重量％）、油脂として廃食油 を準備した。実施例６では大豆粕２７ｋｇと油脂３ｋｇとした。比較例６では大豆粕３０ｋｇとし、油脂を混合しなかった。実施例６において油脂が１０重量％の混合比で大豆粕に混合される以外は実施例１と同様にした。図７に、実施例６及び比較例６の分解油の収率を示す。
【００５５】
図７から明らかなように、比較例６（油脂混合なし）では、有機酸３２重量％とタール１２重量％が得られ、実施例６ではタール４１重量％が得られた。大豆粕の場合は、国内産大豆の油脂の含有率が２０重量％と言われていることから考えると、搾油後の粕から４１重量％のタール分が得られたことは、かなりの高収率であるといえる。また、分解油の物性は、密度、粘度共に高くＣ重相当であった。
【００５６】
実施例６及び比較例６における分解油について、木質系バイオマスの接触分解の実施例と同様の方法を用いて物性試験を行った。その結果を表７に示す。
【００５７】
【表７】
【００５８】
表７から、分解油が同じタールであっても、実施例６の分解油は密度が１．０４ｇ／ｃｍ3、粘度が３５．０ｍｍ2／ｓ、発熱量が３１．４Ｍｊ／ｋｇと、比較例６（油脂混合なし）に比べ、優れた物性を示した。また、実施例１乃至５と比べると発熱量が低かった。実施例６における分解油が全てタール分であるのは、接触分解が不十分により高分子量成分が多いためと推測される。
【００５９】
以上の実施例により、原料に油脂を混合して接触分解することで、搾油後粕等の油分を殆ど含まないバイオマスから、物性が重油相当の液体燃料が高収率で得られることが示された。
【００６０】
また、実施例２及び実施例５の分解油において、バーナーによる燃焼実験を行った。条件は、油供給量１０〜１５Ｌ／ｈ，油供給圧１ｋｇ／ｃｍ2，アトマイズ用エアー０．５ａｔｍの廃油バーナーを用いた。
その結果、分解油は煙及び臭気が発生することなく良好に燃えた。
【００６１】
実施例３乃至５で得られた分解油について、ＪＩＳ Ｋ−２２５４（石油製品―蒸留試験方法）に基づき蒸留試験を行った。
その結果を図８に示す。図８より明らかなように、得られる分解油の８０重量％程度が灯軽油及び重油成分であった。さらに、蒸留試験後の釜残として２０重量％以上が残っていることから、分解油には分子量が４００以上の炭化水素も含まれていると推測される。
以上のことから、蒸留試験においても、本発明による接触分解で得られた分解油が、優れたバイオ液体燃料といえることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、接触分解効率が著しく高く、油分を含まないバイオマスから物性に優れた高品質の液体燃料を高収率で得ることのできるバイオマス油化方法を提供することを目的とする。また、製造工程が簡略なため装置も簡素であるので、装置を小型化でき、地産地消に適した分散型のエネルギー供給システムを構築するバイオマス油化装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 実施の形態１におけるバイオマス油化装置
３ バイオマス供給部
４ 混合機
５ 油脂供給部
６ 混合羽根
７ バイオマスホッパー
８ スクリューフィーダー
９ 分解炉
１０ 加熱部
１１ 撹拌機
１２ 撹拌羽根
１４ 分解ガス排出部
１５ 分解ガス管
１６ 冷却部
１８ 分解油貯留槽
１９ ガスホルダー
２０ フレアスタック
２１ 残渣排出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスに油脂を混合する混合工程と、前記混合工程で得られたバイオマス混合物を接触分解炉に収容された分解触媒上に供給する供給工程と、前記バイオマス混合物と前記分解触媒を加熱攪拌する接触分解工程と、接触分解により生成された分解ガスを冷却して分解油として回収する液化工程と、を備えていることを特徴とするバイオマス油化方法。
【請求項２】
前記バイオマス混合物の全量に対して、前記油脂の割合が１０〜５０重量％であることを特徴とする請求項１に記載のバイオマス油化方法。
【請求項３】
前記分解触媒が、ＦＣＣ触媒、ＦＣＣ廃触媒、活性白土、酸性白土、シリカ、活性炭、コークス、活性コークス、アルカリ土類金属等の金属酸化物又は金属炭酸塩、γ−アルミナ、合成シリカアルミナ、ゼオライト、セピオライト、ジルコニウム・タングステン、固体燐酸等、及びこれらの混合物の内いずれか１以上を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオマス油化方法。
【請求項４】
前記分解炉の炉内温度が３５０℃〜５００℃に調節されていることを特徴とする請求項１乃至３の内いずれか１に記載のバイオマス油化方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の内いずれか１に記載のバイオマス油化方法に用いるバイオマス油化装置であって、前記油脂と前記バイオマスを混合する混合部と、前記混合部で混合された前記バイオマス混合物を分解炉に供給する供給器と、供給される前記バイオマス混合物を接触分解する粒粉状の前記分解触媒が収容される前記分解炉と、前記分解炉を加熱する加熱部と、前記分解炉に配設され分解ガスを液化する冷却部と、を備えていることを特徴とするバイオマス油化装置。
【請求項１】
バイオマスに油脂を混合する混合工程と、前記混合工程で得られたバイオマス混合物を接触分解炉に収容された分解触媒上に供給する供給工程と、前記バイオマス混合物と前記分解触媒を加熱攪拌する接触分解工程と、接触分解により生成された分解ガスを冷却して分解油として回収する液化工程と、を備えていることを特徴とするバイオマス油化方法。
【請求項２】
前記バイオマス混合物の全量に対して、前記油脂の割合が１０〜５０重量％であることを特徴とする請求項１に記載のバイオマス油化方法。
【請求項３】
前記分解触媒が、ＦＣＣ触媒、ＦＣＣ廃触媒、活性白土、酸性白土、シリカ、活性炭、コークス、活性コークス、アルカリ土類金属等の金属酸化物又は金属炭酸塩、γ−アルミナ、合成シリカアルミナ、ゼオライト、セピオライト、ジルコニウム・タングステン、固体燐酸等、及びこれらの混合物の内いずれか１以上を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオマス油化方法。
【請求項４】
前記分解炉の炉内温度が３５０℃〜５００℃に調節されていることを特徴とする請求項１乃至３の内いずれか１に記載のバイオマス油化方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の内いずれか１に記載のバイオマス油化方法に用いるバイオマス油化装置であって、前記油脂と前記バイオマスを混合する混合部と、前記混合部で混合された前記バイオマス混合物を分解炉に供給する供給器と、供給される前記バイオマス混合物を接触分解する粒粉状の前記分解触媒が収容される前記分解炉と、前記分解炉を加熱する加熱部と、前記分解炉に配設され分解ガスを液化する冷却部と、を備えていることを特徴とするバイオマス油化装置。
【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２０１２−９２２４６（Ｐ２０１２−９２２４６Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４１５５０（Ｐ２０１０−２４１５５０）
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（３１００２０８５１）株式会社エコ・エナジー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（３１００２０８５１）株式会社エコ・エナジー (1)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]