(57)【要約】【課題】容器内に成形されたバイオコークスの排出を円滑に行い、バイオコークスを短時間で且つ効率的に製造することを可能としたバイオコークス製造装置及び製造方法を提案する。【解決手段】バイオマス細粒体が充填される反応容器２を備え、反応容器内のバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形してバイオコークス成形体１９を製造するバイオコークス製造装置において、前記反応容器２が筒状に形成され、反応容器底部に蓋部９が配設され、該蓋部９を水平方向にスライド移動して反応容器底部を開閉する駆動手段１０が設けられ、蓋部９には、スライド移動方向の先端で且つ反応容器底部から離間した位置に突起部９ａが形成され、成形体１９の排出時、突起部９ａにより成形体１９を押圧して落下させる構成とした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス細粒体が充填される反応容器を備え、前記反応容器内のバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造装置において、
前記反応容器が筒状に形成され、
前記反応容器の底部に蓋部が配設され、該蓋部を水平方向にスライド移動して反応容器底部を開閉する駆動手段が設けられ、
前記蓋部には、スライド移動方向の先端側で且つ反応容器底部より離間した下方位置に突起部が形成され、前記加圧成形された成形体の排出時に、前記突起部により該成形体を押圧して落下させることを特徴とするバイオコークス製造装置。
【請求項２】
前記突起部の設置位置及び長さは、反応容器底下端から該突起部までの高さ方向距離をｘ、前記反応容器の内径をＲ、前記突起部の長さをｙとした場合、高さ方向距離ｘが（１／３）Ｒ＜ｘ＜（２／３）Ｒで、且つ突起部長さｙが（１／２０）Ｒ＜ｙ＜（１／５）Ｒとなるように設定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】
前記反応容器の下端の内周縁が、下方側に拡径したテーパ状に切り欠かれてい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】
バイオマス細粒体が充填される反応容器を備え、前記反応容器内のバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造装置において、
前記反応容器が筒状に形成され、
前記反応容器の底部に蓋部が配設され、該蓋部を水平方向にスライド移動して反応容器底部を開閉する駆動手段が設けられ、
前記反応容器の下端の内周縁が、下方側に拡径したテーパ状に切り欠かれていることを特徴とするバイオコークス製造装置。
【請求項５】
有底筒状の反応容器に充填したバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形した後、冷却してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造方法において、
前記反応容器の底部に、水平方向にスライド移動して開閉する蓋部が設けられ、
前記バイオマス細粒体を、反応容器上部から挿入した加圧体により前記圧力範囲にて加圧するとともに加熱手段により前記温度範囲に加熱して保持した後、前記加熱手段から冷却手段に切り替えて前記反応容器内に生成された成形体を冷却し、
前記加圧体の圧力を低下させた後、前記蓋部をスライド移動して反応容器底部を開放し、前記加圧体を下降させて前記開放した底部より成形体を押出し排出するようにし、
前記蓋部には、スライド移動方向の先端側で且つ反応容器底部より離間した下方位置に突起部が設けられ、前記成形体の排出時に、前記突起部により該成形体を押圧して落下させることを特徴とするバイオコークス製造方法。
【請求項６】
有底筒状の反応容器に充填したバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形した後、冷却してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造方法において、
前記反応容器の下端の内周縁が下方側に拡径したテーパ状に切り欠かれ、前記反応容器の底部に、水平方向にスライド移動して開閉する蓋部が設けられ、
前記バイオマス細粒体を、反応容器上部から挿入した加圧体により前記圧力範囲にて加圧するとともに加熱手段により前記温度範囲に加熱して保持した後、前記加熱手段から冷却手段に切り替えて前記反応容器内に生成された成形体を冷却し、
前記加圧体の圧力を低下させた後、前記反応容器の底部に配置される蓋部をスライド移動して底部を開放し、前記加圧体を下降させて前記開放した底部より成形体を押出し排出することを特徴とするバイオコークス製造方法。
【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製造するためのバイオコークス製造装置及び製造方法に関する。
【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、製鉄業界に於いて鋳造炉（キュウポラ炉）や高炉などでは、主たる燃料や還元剤に化石燃料である石炭コークスが用いられている。また、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。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。
【０００３】
そこで、化石燃料の代替として、大気中のＣＯ２量に影響を与えない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、農作物に基づく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し地球環境保全に貢献することができる。
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、乾留させて固体及び液体の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。
【０００４】
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。
【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。
【０００６】
そこで、近年石炭コークスの代替として、特許文献３（特許第４０８８９３３号公報）に基づく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に、加圧を維持した状態で冷却することにより製造される。加圧、加熱条件は、バイオマス細粒体中の主成分であるリグニン、セルロース及びヘミセルロースのうち、ヘミセルロースを熱分解させると共にセルロース及びリグニンの骨格を保持しつつ低温反応させて半炭化或いは半炭化前固形物を得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、高硬度で高圧密されたバイオコークスが製造できる。
【０００７】
その反応機構は、上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス細粒体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、バイオマス細粒体に含まれる自由水がこの加圧、加熱条件下での作用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、高硬度で高圧密された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。
【０００８】
図１４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１．２〜１．５２に高圧密され、最高圧縮強度２０〜２００ＭＰａ、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【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
【特許文献３】特許第４０８８９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、バイオコークスは未だ研究段階であり、特許文献３には加圧手段や加熱、冷却手段等の具体的な装置構成やその制御については開示されておらず、バイオコークスを短時間で且つ効率的に製造する技術については言及されていなかった。
また、特許文献３に示されるように筒状容器でバイオコークスを製造する場合、成形されたバイオコークスを容器底部より落下させて排出することが考えられるが、このとき筒状容器の底部にバイオコークスが引っかかりバイオコークスを円滑に排出できない惧れがある。バイオコークスが容器底部に引っかかった時、人手により容器からバイオコークスを取る作業を行うと、連続運転する場合には運転を毎回停止しなければならず、生産性の低下を引き起こしてしまう。
そこで本発明は、容器内に成形されたバイオコークスの排出を円滑に行い、バイオコークスを短時間で且つ効率的に製造することを可能としたバイオコークス製造装置及び製造方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、バイオマス細粒体が充填される反応容器を備え、前記反応容器内のバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造装置において、
前記反応容器が筒状に形成され、
前記反応容器の底部に蓋部が配設され、該蓋部を水平方向にスライド移動して反応容器底部を開閉する駆動手段が設けられ、
前記蓋部には、スライド移動方向の先端側で且つ反応容器底部より離間した下方位置に突起部が形成され、前記加圧成形された成形体の排出時に、前記突起部により該成形体を押圧して落下させることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、反応容器底部の蓋部が駆動手段によりスライド移動して底部が開閉するようにし、また蓋部には、スライド移動方向の先端側で且つ反応容器底部より離間した下方位置に突起部が設けられ、反応容器底部に成形体が引っかかり落下しない場合に該突起部により成形体を押圧して傾け、反応容器底部より離間させて落下させることにより、成形体を確実に排出することが可能となる。突起部による押圧は、蓋部の閉止操作の一環であるため、押圧した後にそのままスライド移動して反応容器底部を閉止し、次のバイオマス細粒体充填工程に移れるため、操作時間の短縮化が図れる。
【００１３】
また、前記突起部の設置位置及び長さは、反応容器底下端から該突起部までの高さ方向距離をｘ、前記反応容器の内径をＲ、前記突起部の長さをｙとした場合、高さ方向距離ｘが（１／３）Ｒ＜ｘ＜（２／３）Ｒで、且つ突起部長さｙが（１／２０）Ｒ＜ｙ＜（１／５）Ｒとなるように設定したことを特徴とする。
このように突起部の設置位置及び長さを設定することにより、反応容器底部に引っかかった成形体を突起部により傾けて反応容器底部より離間させ、成形体を確実に落下させることが可能となる。
【００１４】
さらに、前記反応容器の下端の内周縁が、下方側に拡径したテーパ状に切り欠かれていることを特徴とする。
これにより、成形体の排出時に、成形体が反応容器底部に引っかかり排出されないことを極力回避することが可能となる。
【００１５】
また、バイオマス細粒体が充填される反応容器を備え、前記反応容器内のバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造装置において、
前記反応容器が筒状に形成され、
前記反応容器の底部に蓋部が配設され、該蓋部を水平方向にスライド移動して反応容器底部を開閉する駆動手段が設けられ、
前記反応容器の下端の内周縁が、下方側に拡径したテーパ状に切り欠かれていることを特徴とする。
本発明は、反応容器底部の蓋部を駆動手段によりスライド移動して底部が開閉するように構成し、加圧体を下降させて開放した底部から成形体を押出し排出するようにし、このとき反応容器下端がテーパ状に切り欠かれているため、成形体が反応容器底部に引っかかり排出されないことを極力回避することが可能となる。
【００１６】
また、有底筒状の反応容器に充填したバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形した後、冷却してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造方法において、
前記反応容器の底部に、水平方向にスライド移動して開閉する蓋部が設けられ、
前記バイオマス細粒体を、反応容器上部から挿入した加圧体により前記圧力範囲にて加圧するとともに加熱手段により前記温度範囲に加熱して保持した後、前記加熱手段から冷却手段に切り替えて前記反応容器内に生成された成形体を冷却し、
前記加圧体の圧力を低下させた後、前記蓋部をスライド移動して反応容器底部を開放し、前記加圧体を下降させて前記開放した底部より成形体を押出し排出するようにし、
前記蓋部には、スライド移動方向の先端側で且つ反応容器底部より離間した下方位置に突起部が設けられ、前記成形体の排出時に、前記突起部により該成形体を押圧して落下させることを特徴とする。
【００１７】
これは、バイオマス細粒体を加圧体により加圧するとともにこれに連動させて加熱手段を作動させ、略密閉状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧してバイオマス細粒体を反応させ、所定時間保持した後に加圧体の加圧状態は保持したまま加熱手段から冷却手段に切り替えて冷却を行い、バイオコークス成形体を製造するようにしている。このように、加圧体と加熱手段及び冷却手段を連動させて制御することにより、短時間で且つ効率的にバイオコークスを製造することが可能となる。
さらに、成形体の排出時、反応容器底部の蓋部を開閉し加圧体で成形体を押出し排出する際に、蓋部先端に設けられた突起部にて成形体を押圧することにより、反応容器底部に成形体が引っかかり落下しない場合にも、新たに装置を追加することなく簡単に成形体を落下させ排出することが可能となる。さらにまた、突起部による押圧は、蓋部の閉止操作の一環であるため、押圧した後にそのままスライド移動して反応容器底部を閉止し、次のバイオマス細粒体充填工程に移れるため、操作時間の短縮化が図れる。
【００１８】
また、有底筒状の反応容器に充填したバイオマス細粒体を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形した後、冷却してバイオコークス成形体を製造するバイオコークス製造方法において、
前記反応容器の下端の内周縁が下方側に拡径したテーパ状に切り欠かれ、前記反応容器の底部に、水平方向にスライド移動して開閉する蓋部が設けられ、
前記バイオマス細粒体を、反応容器上部から挿入した加圧体により前記圧力範囲にて加圧するとともに加熱手段により前記温度範囲に加熱して保持した後、前記加熱手段から冷却手段に切り替えて前記反応容器内に生成された成形体を冷却し、
前記加圧体の圧力を低下させた後、前記反応容器の底部に配置される蓋部をスライド移動して底部を開放し、前記加圧体を下降させて前記開放した底部より成形体を押出し排出することを特徴とする。
【００１９】
これは、上記した方法の発明と同様に、加圧体と加熱手段及び冷却手段を連動させて制御することにより、短時間で且つ効率的にバイオコークスを製造することが可能となる。
さらに、成形体の排出時、反応容器底部の蓋部を開閉し加圧体で成形体を押出し排出する際に、反応容器下端がテーパ状に切り欠かれているため、反応容器底部に成形体が引っかかり排出操作が滞ることなく成形体を円滑に落下、排出させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、反応容器底部の蓋部が駆動手段によりスライド移動して底部が開閉するようにし、また蓋部には、スライド移動方向の先端側で且つ反応容器底部より離間した下方位置に突起部が設けられ、反応容器底部に成形体が引っかかり落下しない場合に該突起部により成形体を押圧して傾け、反応容器底部より離間させて落下させることにより、成形体を確実に排出することが可能となる。突起部による押圧は、蓋部の閉止操作の一環であるため、押圧した後にそのままスライド移動して反応容器底部を閉止し、次のバイオマス細粒体充填工程に移れるため、操作時間の短縮化が図れる。
【００２１】
また、突起部の高さ方向位置を、反応容器底部から該突起部までの高さ方向距離が反応容器直径の１／２より大きい位置に設定することにより、反応容器底部に引っかかった成形体を突起部により傾けて反応容器底部より離間させ、成形体を確実に落下させることが可能となる。
さらに、反応容器の下端の内周縁が、下方側に拡径したテーパ状に切り欠かれていることにより、成形体の排出時に、成形体が反応容器底部に引っかかり排出されないことを極力回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係るバイオコークス製造装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る排出工程の動作を説明する図である。
【図３】加圧体が最下端に位置する時の排出部の拡大図である。
【図４】本発明の実施形態に係る排出部の構成を示す図で、（ａ）蓋部の開放状態を示す排出部の側断面図、（ｂ）蓋部による押圧状態を示す排出部の側断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る排出部の構成を説明する拡大断面図である。
【図６】排出部の各設定値を算出した表である。
【図７】図４を応用させた排出部の側断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る排出部の構成を示す図で、（ａ）排出部の側断面図、（ｂ）切欠部の拡大断面図である。
【図９】加圧用油圧機構の油圧回路図である。
【図１０】冷熱媒回路の一例を示すシステム構成図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るバイオコークス製造方法の全工程を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態に係る充填工程の動作を説明する図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る反応工程の動作を説明する図である。
【図１４】バイオコークスの物性値を比較する表である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の種類、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
本実施形態において、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、コーヒー滓や茶滓等の厨芥廃棄物等が挙げられる。
本実施形態では、必要に応じて所定の含水率になるように水分調整されたバイオマス細粒体を原料としている。バイオマス細粒体は、茶滓やコーヒー滓等のように小粒径のバイオマスをそのまま用いてもよいし、廃木材等の大粒径のバイオマスを予め所定粒径以下まで粉砕したものであってもよい。
【００２４】
まず、図１を参照して、本実施形態に係るバイオコークス製造装置の全体構成を説明する。
図１に示すように、バイオコークス製造装置１はバイオマス細粒体１１が投入される円筒形の反応容器２を有している。該反応容器２の上部にはバイオマス細粒体１１を受け入れる漏斗状のホッパ３が設けられ、下端には成形されたバイオコークスを排出する排出部５が設けられている。また、反応容器２は、内容物を所定温度まで加熱する加熱手段と、加熱後に内容物を冷却する冷却手段とを備える。さらに、反応容器２の上方には、該シリンダ２内のバイオマス細粒体１１を所定圧力まで加圧する加圧手段が設けられている。さらにまた、加圧ピストン６の上下方向の位置を検出する位置センサ２０が設けられていることが好ましい。
【００２５】
次いで、各装置、部位の詳細な構成を以下に記載する。
前記反応容器２の上部に設けられたホッパ３は、該ホッパ３にバイオマス細粒体１１を供給する原料供給部（不図示）を備えている。該原料供給部は、バイオマス細粒体１１を定量計量してホッパ３に投入する装置であってもよいし、又はバイオマス細粒体１１をホッパ３に連続投入する装置であってもよい。
前記反応容器２の排出部５は反応容器２の径と同一径の開口からなり、その下方には該排出部５を開閉する排出装置が設けられている。該排出装置は、排出部５を閉止する底面蓋部９と、該底面蓋部９に設けられた突起部９ａと、前記底面蓋部９を水平方向にスライドさせて排出部５の閉止、開放を制御する排出用油圧機構１０とから構成される。この排出装置は、反応容器２内にて反応工程が終了した後に、油圧機構１０を駆動させ底面蓋部９をスライドさせて排出部５を開放し、シリンダ２内のバイオコークスを落下させて排出するようになっている。この排出装置については後に詳述する。
【００２６】
前記反応容器２が備える加圧手段は、加圧シリンダ７により駆動されて反応容器２の内周面を上下摺動する加圧ピストン（加圧体）６と、該加圧シリンダ７内の作動油の給排を制御する加圧用油圧機構８とからなる（図９参照）。加圧ピストン６及び加圧シリンダ７は、反応容器２と同軸上に配置される。加圧ピストン６は、反応容器２の底面付近まで下降する。該加圧ピストン６は、所定時間だけこの加圧状態を保持できる構成となっている。
【００２７】
図９に、加圧用油圧機構の油圧回路図の一例を示す。加圧シリンダ７に供給される作動油は、ポンプ７７によりタンク７６から汲み上げられ、電磁弁７８により供給量を制御されて加圧シリンダ７に供給される。該電磁弁７８は制御装置１００により開度制御され、この開度に基づいて加圧ピストン６の圧力値が調整されるようになっている。加圧ピストン６の圧力段階は、バイオマス細粒体１１を反応させて半炭化或いは半炭化前固形物を得る圧力範囲より低圧で、バイオマス細粒体１１を充填時加圧する第１の圧力段階Ｐ１と、充填時加圧したバイオマス細粒体１１を前記圧力範囲で加圧する第２の圧力段階Ｐ２と、の少なくとも２段階を有する。
また、電磁弁７８と加圧シリンダ７の間の作動油通路には逆止弁７１、７２が設けられている。このうち、電磁弁７８と加圧シリンダ７の背圧室７ａの間の作動油通路に配置された逆止弁７２の作動油圧力が圧力検知センサ７５によって背圧として検知される。
【００２８】
図１に戻り、前記反応容器２が備える加熱手段及び冷却手段は、同一の温度調整手段としてもよい。本実施形態では、温度調整手段として、反応容器２に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４を設けた構成としている。冷熱媒通路４には、熱媒若しくは冷媒（以後、冷熱媒と称する）が通流し、該冷熱媒による伝熱によりシリンダ内筒に充填されたバイオマス細粒体１１に熱エネルギの授受を行うようになっている。冷熱媒通路４の下方側には冷熱媒入口４ａが設けられ、上方側には冷熱媒出口４ｂが設けられている。これらの冷熱媒入口４ａ及び冷熱媒出口４ｂは、後述する冷熱媒回路に接続されている（図１０参照）。冷熱媒通路４、冷熱媒入口４ａ、冷熱媒出口４ｂ、冷熱媒回路を含み、冷熱媒の切り替えにより反応容器２の温度制御を行う機構を冷熱媒循環機構と称する。
【００２９】
図１０を参照して、冷熱媒循環機構が備える冷熱媒回路３０の一例につき説明する。この冷熱媒回路３０を用いることにより、熱効率が高く且つ安全性の高い温度調整手段とすることが可能であるが、もちろん他の構成の冷熱媒回路を用いてもよい。この冷熱媒回路３０では、冷媒及び熱媒にシリコンオイルを用いることが好ましい。
反応容器２の冷熱媒入口４ａと出口４ｂは、同図に示される冷熱媒回路３０に夫々接続されている。該冷熱媒回路３０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４ｂは、冷熱媒排出ライン４１に接続され、該排出ライン４１上の三方バルブ４５を介して熱媒戻りライン４２と、冷媒戻りライン４３に分岐している。
熱媒戻りライン４２は熱媒タンク３１に接続されている。該熱媒タンク３１は、加熱器３１ａと、撹拌機３１ｂ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３１の出口側は、三方バルブ４６を介して冷熱媒供給ライン４０に接続されている。
このような構成を用いて、反応容器２の加熱時には、三方バルブ４５、４６を制御することにより熱媒タンク３１側に熱媒が循環するようにし、熱媒タンク３１、冷熱媒供給ライン４０、冷熱媒通路４（反応容器２）、冷熱媒排出ライン４１、熱媒戻りライン４２からなる熱媒回路を形成する。
【００３０】
冷媒戻りライン４３は、冷媒熱交換器３６に接続されている。該冷媒熱交換器３６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、好適には冷媒戻りライン４３の冷媒熱交換器３６より上流側に、冷媒タンク３５を設ける。この冷媒タンク３５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。さらに、冷媒タンク３５は、撹拌機３５ａを具備することが好ましく、これにより冷媒タンク３５出口の冷媒温度変化を軽減し冷却能力を向上させる。
このような構成を用いて、反応容器２の冷却時には、三方バルブ４５、４６を制御することにより冷媒タンク３５側に切り替えて、該冷媒タンク３５側に冷媒が循環するようにし、冷媒タンク３５、冷媒熱交換器３６、冷熱媒供給ライン４０、冷熱媒通路４（反応容器２）、冷熱媒排出ライン４１、冷媒戻りライン４３からなる冷媒回路を形成する。
このように、反応容器２内のバイオマス細粒体１１の加熱手段、冷却手段として、冷熱媒回路３０を備えた冷熱媒循環機構を用いることにより、バイオマス細粒体１１の加熱又は冷却が迅速に行え、また加熱から冷却への切替を円滑に行うことが可能となる。
【００３１】
図１に戻り、上記した加圧用油圧機構８、排出用油圧機構１０及び冷熱媒循環機構は、制御装置１００により制御される。該制御装置１００は、中央処理装置
（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。さらに、制御装置１００は、加圧用油圧機構８の加圧ピストン６の充填回数等をカウントするカウンタ１０１、所定の制御における継続時間を計測するタイマ１０２を備えている。
【００３２】
上記した構成を備えるバイオコークス製造装置１では、反応容器２内にバイオマス細粒体１１を充填して充填時加圧する充填工程を行った後、バイオマス細粒体１１を略密状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形して一定時間保持し、加圧を維持した状態で冷却してバイオコークス成形体を生成する反応工程を行い、最後に反応容器２内に生成されたバイオコークス成形体を排出する排出工程を行う。前記温度範囲、圧力範囲は、バイオマス細粒体中の主成分であるリグニン、セルロース及びヘミセルロースのうち、ヘミセルロースを熱分解させると共にセルロース及びリグニンの骨格を保持しつつ低温反応させて半炭化或いは半炭化前固形物を得る圧力範囲及び温度範囲とする。即ち、前記バイオマス細粒体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温度範囲及び圧力範囲である。
【００３３】
本実施形態は、前記排出工程にて、反応容器２の下端にバイオコークス成形体が引っかかって排出されない事態を解消する構成を備えている。
図２は本発明の実施形態に係る排出工程の動作を説明する図である。
反応工程が終了した後、図２（i）に示すように加圧シリンダ７の高圧を抜き、図２（ii）に示すように油圧機構１０を駆動させて底面蓋部９をスライド移動させ、排出部５を開放する。そして、図２（iii）に示すように加圧ピストン６を低圧下降させて反応容器２内に成形されたバイオコークス成形体１９を押出し排出する。
【００３４】
図３に示すように、加圧ピストン６の最下端位置は、反応容器下端との間に数ｍｍの隙間ｄが残るように設定されている。これは、加圧ピストン６が反応容器下端より下方に突出すると、加圧ピストン６が故障して上昇しなかった場合に、突出した加圧ピストン６が底面蓋部９に当たる惧れがあるためである。
しかしながら、この隙間ｄを設けることにより、バイオコークス成形体１９が隙間ｄに引っかかって落下しない場合がある。バイオコークス成形体１９が引っかかった状態で底面蓋部９が閉まると、硬いバイオコークス成形体１９を反応容器２に垂直に押し付けることになり、反応容器２が歪む可能性がある。
【００３５】
従って、本実施形態では、図４乃至図８に示す構成を備えることによりバイオコークス成形体１９を確実に落下させるようにしている。
図４は、本発明の実施形態に係る排出部の構成を示す図で、（ａ）蓋部の開放状態を示す排出部の側断面図、（ｂ）蓋部による押圧状態を示す排出部の側断面図である。
同図に示すように、底面蓋部９に突起部９ａを設けている。該突起部９ａは、底面蓋部９のスライド移動方向先端で且つ反応容器２下端から離間した下方位置に設けられる。該突起部９ａは、例えば底面蓋部９に連結された棒状体と、該棒状体の先端に設けられた球状体とから構成される。
【００３６】
そして、図４（ａ）に示すように底面蓋部９を開放した状態から図４（ｂ）に示すように底面蓋部９を閉側へスライド移動し、反応容器２下端に引っかかった状態のバイオコークス成形体１９を突起部９ａにて押圧することにより、バイオコークス成形体１９が傾いて反応容器２下端より離間し、落下する。このとき、バイオコークス成形体１９を反応容器２下端より離間した下方にて突起部９ａにより点で押圧しているため、押圧力が反応容器２の下端２ａを支点とした回転力となり、バイオコークス成形体１９を傾けることが可能である。従って、バイオコークス成形体１９を反応容器２側面に垂直に押し付けて反応容器２を変形させることを防止できる。
【００３７】
好適には、前記突起部９ａの設置位置及び長さは、反応容器底下端から該突起部９ａまでの高さ方向距離をｘ、前記反応容器の内径をＲ、前記突起部の長さをｙとした場合、高さ方向距離ｘが（１／３）Ｒ＜ｘ＜（２／３）Ｒで、且つ突起部長さｙが（１／２０）Ｒ＜ｙ＜（１／５）Ｒとなるように設定する。
このように突起部９ａの高さ方向位置を設定することにより、反応容器２底部に引っかかったバイオコークス成形体１９を突起部９ａにより傾けて反応容器２底部より離間させ、成形体１９を確実に落下させることが可能となる。
【００３８】
さらに好適には、前記突起部９ａの高さ方向位置は、以下のようにして設定されるとよい。
図５において、１９は反応容器２に引っかかった状態のバイオコークス成形体、１９’は傾いた状態のバイオコークス成形体１９を表す。
突起部９ａの高さ方向位置は、反応容器２の直径Ｒ、反応容器２へのバイオコークス成形体１９の差込高さｔ（加圧ピストン６下端位置から反応容器２下端までの隙間）、傾いたバイオコークス成形体１９’の上端から突起部９ａまでの高さ方向距離（押位置）ｘ、傾いたバイオコークス成形体１９’の水平方向に対する傾斜角θ、反応容器２の下端から傾いたバイオコークス成形体１９’上端までの傾斜隙間ａ、突起部９ａの押し込み距離ｙ、を用いて演算式により算出される。算出結果を図６の表に示す。
排出時の差込長さｔは、実験で５ｍｍである。実験の反応容器内径Ｒ＝１００ｍｍより、押位置Ｘ＝５０ｍｍの場合は、底面蓋部９を閉めるときに、成型後のバイオコークス１９の上部が反応容器２の端から外れるのに必要な押距離ｙは図６の例１で計算される。この結果より、実験誤差を含めて上記したような突起部９ａの相互の必要長さが決定される。
【００３９】
また、前記突起部９ａを応用した構成を図７に示す。同図に示すように、底面蓋部９の下方側を上方側より突出させた形状にし、該突出させた突起部９ａにてバイオコークス成形体１９を押圧するようになっている。突起部９ａによりバイオコークス成形体１９は、反応容器２底部より離間した位置にて、点又は水平方向の線で押圧され、押圧力が反応容器２の下端２ａを支点とした回転力となり、バイオコークス成形体１９を傾けることが可能となる。
【００４０】
さらにまた、排出部５の別の実施形態を図８に示す。図８は本発明の実施形態に係る排出部の構成を示す図で、（ａ）排出部の側断面図、（ｂ）切欠部の拡大断面図である。
本実施形態は、反応容器２の下端に切欠部２ａを設けた構成となっている。該切欠部２ａは、反応容器２の内周縁を下方側に拡径したテーパ状に切り欠かいて形成される。該切欠部２ａの具体的な構成は、例えば反応容器２の肉厚が１０ｍｍの場合、切欠部２ａの縦方向の長さＬ１を３ｍｍ、横方向の幅Ｌ２を１ｍｍとする。
このように反応容器２の下端に切欠部２を設けることにより、バイオコークス成形体１９の排出時に、該成形体１９が反応容器底部に引っかかることを防止し、バイオコークス成形体１９を円滑に排出することが可能となる。
この切欠部２ａは、図４乃至図７に示した突起部９ａと組み合わせて用いてもよい。
【００４１】
次に、図１１を参照して、バイオコークス製造方法の全工程のフローを説明する。
まず、充填工程において、制御装置１００により充填操作を起動させる（Ｓ１）。これは、加圧用油圧機構８や排出用油圧機構１０を含む各油圧機構、及び冷熱媒循環機構を起動させ（Ｓ２）、カウンタ１０１の充填回数をリセットする（Ｓ３）。即ち、充填回数をＸ（回）とすると、Ｘ０＝０に設定する。このとき、図１２（i）に示すように、加圧ピストン６は反応容器２上部の初期位置Ｈ０に設定しておく。
そして、原料であるバイオマス細粒体１１をホッパ部３より反応容器２内に投入する（Ｓ４）。バイオマス細粒体１１を投入後、図１２（ii）に示すように、加圧用油圧機構８により加圧シリンダ７を低圧で下降側に駆動して加圧ピストン６を下降させる（Ｓ５）。低圧下降時の圧力は、後述する反応工程の圧力より低い第１の圧力段階Ｐ１とする。この時、カウンタ１０１の充填回数を＋１増加させて、Ｘ０＝Ｘ０＋１とする（Ｓ６）。低圧下降時に制御装置１００では、加圧シリンダ７の油圧Ｐが予め設定された所定圧力Ｐ１より大きいか否かを監視する（Ｓ７）。加圧シリンダ７の油圧Ｐが所定圧力Ｐ１以下の状態にて、タイマ１０２にて計測される加圧時間が予め設定された所定時間以上経過した場合は、Ｓ５に戻り再度加圧シリンダ７を下降側に駆動する。好適には、充填時加圧を行う第１段階の圧力Ｐ１は１４ＭＰａとし、所定時間は１０秒とする。
【００４２】
一方、加圧シリンダ７の油圧Ｐが所定圧力Ｐ１より大きい状態で所定時間以上経過した場合は、次いで反応容器２内のバイオマス細粒体１１の充填量を検出する。これは、バイオコークスを目的とする大きさに成型するために行われる。
バイオマス細粒体１１の充填量検出は以下のように行う。
図１２（ii）に示すように、位置センサ２０により下降時の加圧ピストン６の高さ方向位置Ｈを検出する。そして、検出された高さ方向位置Ｈが、目的とする高さ設定値Ｈ１以上であるか否か（Ｈ≧Ｈ１）を判断する（Ｓ８）。
【００４３】
また、バイオマス細粒体１１の充填量検出の別の方法として、加圧ピストン６が初期位置Ｈ０から加圧時の高さ方向位置Ｈまで下降する下降時間Ｔをタイマ１０２により検出して充填量を推定するようにしてもよい。この場合、予め初期位置Ｈ０から目的とする高さ設定値Ｈ１までの加圧ピストン６の下降時間を取得しておき、これを指定時間Ｔ１とする。そして検出された下降時間Ｔが指定時間Ｔ１以下であるか否か（Ｔ≦Ｔ１）を判断する（Ｓ８）。
このように、位置センサ２０又は加圧ピストン６の下降時間Ｔを用いることにより、簡単にバイオマス細粒体１１の充填量を検出することが可能となる。特に、位置センサ２０を用いる場合は精度の高い検出が可能となり、下降時間Ｔを用いる場合は装置を安価にできる。
【００４４】
反応容器２内の充填位置Ｈが充填目的位置Ｈ１に到達していない場合（Ｈ＜Ｈ１）、若しくは加圧シリンダ７の下降時間Ｔが指定時間Ｔ１より長い場合（Ｔ＞Ｔ１）は、充填量が不足していると判断し、加圧シリンダ７を上昇側に駆動し（Ｓ１１）、加圧シリンダ７の油圧Ｐが所定圧力Ｐ１より大きいか否かを判断し（Ｓ１２）、大きい場合にはＳ１１に戻りさらに加圧シリンダ７を上昇側に駆動し、小さい場合には図１２（iii）に示すように再度バイオマス細粒体１１を投入して（Ｓ４）、Ｓ４以降の加圧シリンダ７の充填工程を繰り返し行う。この操作は、図１２（iv）に示すように、加圧シリンダ７の油圧Ｐが所定圧力Ｐ１より大きく、且つバイオマス細粒体１１の充填量が予め設定された充填量設定値Ｈ１以上となったら終了する。
上記したように充填工程を行うことにより、反応容器２にバイオマス細粒体１１を投入する際に予め計量する必要がなく、一定の大きさのバイオコークスを得ることが可能となる。また、バイオマスは細粒体状で反応容器２に投入されるため嵩密度が低く、そのままの状態だと反応容器２の容積を大きくしなければならないが、充填工程にて加圧ピストン６により低圧で充填時加圧を行うことで、より多くのバイオマス細粒体１１を投入することが可能となり、反応容器２の小型化が可能となる。
【００４５】
Ｓ８にて反応容器２内のバイオマス細粒体１１が目的とする充填量に達していると検出された場合には、カウンタ１０１にてカウントされる充填回数Ｘ０が所定の充填回数Ｘａ未満であるか否かを判断し（Ｓ９）、充填回数Ｘ０が所定の充填回数Ｘａ未満である場合には、加圧ピストン６が反応容器２の入口付近に引っかかるなどの異常が発生した事により加圧ピストン６が適切に下降しなかったものと推測し、装置を停止する（Ｓ１０）。充填回数Ｘ０が所定の充填回数Ｘａ以上である場合には、反応工程に移行する。このように、カウンタ１０１にて充填回数Ｘ０をカウントすることにより、充填時加圧における異常を簡単に且つリアルタイムで把握することが可能となる。
【００４６】
反応工程では、図１３に示すように、加圧シリンダ７を高圧にて下降側に駆動して加圧ピストン６を下降させ（Ｓ１３）、バイオマス細粒体１１を反応させるために必要とされる所定の圧力範囲Ｐ２（第２の圧力段階）で該バイオマス細粒体１１を加圧する。また、熱媒を反応容器２の冷熱媒通路４に循環させ所定の温度範囲でバイオマス細粒体１１を加熱する（Ｓ１４）。所定の圧力範囲Ｐ２は、上記したようにバイオマス細粒体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。好適には、圧力範囲Ｐ２を８〜２５ＭＰａ、温度範囲を１１５〜２３０℃とする。反応容器２内のバイオマス細粒体１１は、上記した加圧、加熱状態を一定時間保持する。例えば、シリンダ径が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。
そして、タイマ１０２にて熱媒循環時間が終了したか否かを判断し（Ｓ１５）、終了したら冷熱媒循環機構を熱媒から冷媒に切り替えて、冷熱媒通路４への冷媒循環を開始する（Ｓ１６）。同様にタイマ１０２にて冷媒循環時間が終了したか否かを判断し（Ｓ１７）、終了したら冷媒循環を停止し、排出工程に移行する。
【００４７】
排出工程では、図２（i）に示すように加圧シリンダ７の高圧を抜き（Ｓ１８）、図２（ii）に示すように排出用油圧機構１０を駆動して底面蓋部９をスライドして排出部５を開放する（Ｓ１９）。次いで、図２（iii）に示すように加圧シリンダ７を低圧で下降側に駆動させ、反応容器２内に製造されたバイオコークス成形体１９を加圧ピストン６により押出し排出する（Ｓ２０）。バイオコークス成形体１９が反応容器２底部に引っかかった場合には、底面蓋部９に設けられた突起部９ａにてバイオコークス成形体１９を押圧して落下させる。
このとき、位置センサ２０により検出される加圧ピストン６の位置が下降端位置まで到達したか否かを判断し（Ｓ２１）、到達した場合には加圧シリンダ７を低圧で上昇側に駆動させ加圧ピストン６を上昇させる（Ｓ２２）とともに底面蓋部９を閉鎖し（Ｓ２３）、加圧ピストン６を上昇端まで移動させる（Ｓ２４）。そして、制御装置１００に通常運転停止命令が入力された場合には（Ｓ２５）、運転を終了する（Ｓ２６）。停止命令が入力されていない場合には（Ｓ２５）、Ｓ３まで戻り、充填回数をリセットした後、原料投入（Ｓ４）移行のステップを繰り返し行う。
【００４８】
上記したように本実施形態では、充填工程にて、先ず加圧ピストン６を低圧の第１の圧力段階で作動させてバイオマス細粒体１１の充填時加圧を行い、次いで反応工程で加圧ピストン６の圧力を上昇させるとともにこれに連動させて冷熱媒通路４に熱媒を通流させ、反応容器２内でバイオマス細粒体１１を略密閉状態にて半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲（第２の圧力段階）で加圧しながら加熱し、所定時間保持した後に、加圧状態は保持したまま冷熱媒通路４を熱媒から冷媒に切り替えて冷却を行い、バイオコークス成形体１９を製造するようにしている。このように、制御装置１００により加圧用油圧機構８、排出用油圧機構１０及び冷熱媒循環機構を連動させて制御することにより、短時間で且つ効率的にバイオコークスを製造することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本実施形態に係るバイオコークス製造装置及び製造方法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密度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、本実施形態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、キュポラ炉、高炉等における熱源・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。
【符号の説明】
【００５０】
１  バイオコークス製造装置
２  反応容器
２ｂ  切欠部
４  冷熱媒通路
５  排出部
６  加圧ピストン（加圧体）
７  加圧シリンダ
８、１０  油圧機構
９  底面蓋部
９ａ  突起部
１１  バイオマス細粒体
３０  冷熱媒回路
１００  制御装置
【図１】
2010100808.tif 000003
【図２】
2010100808.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010100808.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010100808.tif 000011
【図１０】
2010100808.tif 000012
【図１１】
2010100808.tif 000013
【図１２】
2010100808.tif 000014
【図１３】
2010100808.tif 000015
【図１４】
2010100808.tif 000016