(57)【要約】【課題】本発明の課題は、木材を含むバイオマス原料から簡便かつ効率的に固形燃料を製造する技術を提供することである。【解決手段】本発明によって、木材を含むバイオマス原料を機械的に圧縮して脱水する工程を含む、固形燃料の製造方法が提供される。本発明においては、目開きが６．４ｍｍの篩を通過するバイオマス原料の重量割合が、圧縮の前後で５．０％以下しか増加せず、圧縮後のバイオマスの低位発熱量が２１００ｋｃａｌ／ｋｇ以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
木材を含むバイオマス原料を機械的に圧縮して脱水する工程を含む、固形燃料の製造方法であって、
目開きが６．４ｍｍの篩を通過するバイオマス原料の重量割合が、圧縮の前後で５．０％以下しか増加せず、圧縮後のバイオマスの低位発熱量が２１００ｋｃａｌ／ｋｇ以上である、上記方法。
【請求項２】
スクリュープレスおよび／またはレシプロプレスを用いてバイオマス原料を機械的に圧縮する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
バイオマス原料が木材チップを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
圧縮後のバイオマスの固形分濃度が６０〜９０重量％である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
圧縮前のバイオマス原料の嵩密度が０．０１〜１．０ｇ／ｃｍ３である、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
圧縮前のバイオマス原料の固形分濃度が２５〜９５重量％である、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
圧縮後のバイオマスの低位発熱量が圧縮前の１１０〜２５０％である、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
圧縮後のバイオマスの嵩容積が、圧縮前の３０〜９２％である、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材チップを含む植物性バイオマスから固形燃料を製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇化及びＣＯ２排出による地球温暖化への対策として、バイオマスを原料とする燃料の利用が検討されている。一般にバイオマスとは、エネルギー源又は工業原料として利用することのできる生物体をいい、代表的なものは木材、建築廃材、農産廃棄物等である。
【０００３】
従来、バイオマスを有効利用する方法が各種提案されている。その中でも、バイオマスを低コストで高付加価値物に転換できる有用な方法として、バイオマスを燃料として利用することが提案されている。
【０００４】
バイオマスを原料として固形燃料を製造する技術として、例えば、バイオマスを炭化して固体燃料を製造する方法が知られている。これは、バイオマスを炭化炉に投入して酸素欠乏雰囲気下で所定時間加熱して炭化処理し、固体燃料を製造するものである。このようにして製造された固体燃料は、発電設備や焼却設備等の燃焼設備の燃料に用いられるが、この場合、燃焼効率を向上させるために固体燃料を細かく粉砕して微粉燃料として用いることがある。
【０００５】
特許文献１には、材廃材、間伐材、庭木、建築廃材等の木質系バイオマスを２４０〜３００℃で１５〜９０分間、熱分解した後に粉砕する方法が開示されている。また、特許文献２には穀類、実、種子を含むバイオマスを酸素濃度１〜５％、処理温度３５０〜４００℃で３０〜９０分間加熱して炭化処理することで、石炭と同等の粉砕性を有する固体燃料を製造する方法が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、木材チップを圧縮して脱水し、熱利用に供することが記載されており、特許文献４には、木材などの植物性材料を圧縮固化して固形燃料を製造することが記載されている。さらにまた、非特許文献１には、レシプロプレス機を用いてバークを圧縮脱水してボイラーなどにおいて熱利用することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−０２６４７４号公報
【特許文献２】特開２００９−１９１０８５号公報
【特許文献３】特開２００８−０３６６６６号公報
【特許文献４】特開２０１０−１８９４５７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】International Journal Energy Engineering, 2014年, volume 4, pages 8-16
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
木材などの植物性バイオマスを炭化して得られる燃料は、一般に、物質収率及び熱量収率が低いという問題がある。また、木材などのバイオマスを原料として固形燃料を製造する場合、バイオマスの運搬コストなどがかかるため、石炭などと比較するとコスト的にも問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、植物性バイオマスから簡便かつ効率的に固形燃料を製造する技術を検討したところ、木材を含むバイオマスの形状を維持しつつ機械的にバイオマスを圧縮して脱水することによって、バイオマスを原料とする固形燃料を効率的に製造できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１１】
これに限定されるものではないが、本発明は、以下の態様を包含する。
（１）  木材を含むバイオマス原料を機械的に圧縮して脱水する工程を含む、固形燃料の製造方法であって、目開きが６．４ｍｍの篩を通過するバイオマス原料の重量割合が、圧縮の前後で５．０％以下しか増加せず、圧縮後のバイオマスの低位発熱量が２１００ｋｃａｌ／ｋｇ以上である、上記方法。
（２）  スクリュープレスおよび／またはレシプロプレスを用いてバイオマス原料を機械的に圧縮する、（１）に記載の方法。
（３）  バイオマス原料が木材チップを含む、（１）または（２）に記載の方法。
（４）  圧縮後のバイオマスの固形分濃度が６０〜９０重量％である、（１）〜（３）のいずれかに記載の方法。
（５）  圧縮前のバイオマス原料の嵩密度が０．０１〜１．０ｇ／ｃｍ３である、（１）〜（４）のいずれかに記載の方法。
（６）  圧縮前のバイオマス原料の固形分濃度が２５〜９５重量％である、（１）〜（５）のいずれかに記載の方法。
（７）  圧縮後のバイオマスの低位発熱量が圧縮前の１１０〜２５０％である、（１）〜（６）のいずれかに記載の方法。
（８）  圧縮後のバイオマスの嵩容積が、圧縮前の３０〜９２％である、（１）〜（７）のいずれかに記載の方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、木材を含むバイオマスから簡便かつ効率的に固形燃料を製造することが可能である。すなわち、本発明によれば、原料である木質系バイオマスを微細化させ過ぎないためハンドリングしやすく、また、機械的な圧縮によって原料が減容されるため輸送性を向上することにもつながる。さらに、本発明によれば、原料のバイオマスが十分に脱水されて、燃料効率の高い固形燃料を得ることもできる。さらにまた、本発明によれば、原料である木質系バイオマスから簡便な方法で固形燃料を製造できるため、物質収率や熱量収率が高く、リサイクルや環境保護の観点からも本発明は極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実験で用いたレシプロプレス機の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、木材を含むバイオマスから固形燃料を製造する技術に関する。本発明においては、木材を含むバイオマス（以下、木質系バイオマスともいう）を原料として使用するが、木材を含んでいれば、その他に、草本類などを含んでいてもよい。木材としては、木材チップ、樹皮（バーク）、おが屑、鋸屑や林地残材、建設廃材などを挙げることができ、好ましい例としては、木材チップを原料として挙げることができる。本発明において木材の樹種は特に制限されず、広葉樹、針葉樹のいずれも使用できるが、針葉樹が好ましく使用できる。また、木材は、一種類のみを使用してもよく複数種類を混合して用いてもよい。また、本発明においては、木部だけでなく樹皮も原料として使用することができる。
【００１５】
木材の種類は特に制限されないが、例えば、広葉樹としては、ブナ、シナ、シラカバ、ポプラ、ユーカリ、アカシア、ナラ、イタヤカエデ、センノキ、ニレ、キリ、ホオノキ、ヤナギ、セン、ウバメガシ、コナラ、クヌギ、トチノキ、ケヤキ、ミズメ、ミズキ、アオダモなど、針葉樹としては、スギ、エゾマツ、カラマツ、クロマツ、トドマツ、ヒメコマツ、イチイ、ネズコ、ハリモミ、イラモミ、イヌマキ、モミ、サワラ、トガサワラ、アスナロ、ヒバ、ツガ、コメツガ、ヒノキ、イチイ、イヌガヤ、トウヒ、イエローシーダー（ベイヒバ）、ロウソンヒノキ（ベイヒ）、ダグラスファー（ベイマツ）、シトカスプルース（ベイトウヒ）、ラジアータマツ、イースタンスプルース、イースタンホワイトパイン、ウェスタンラーチ、ウェスタンファー、ウェスタンヘムロック、タマラックなどが例示される。
【００１６】
本発明の好ましい態様において、木材としてチップ状に加工した木材チップを使用できる。木材チップの大きさは、５〜２００ｍｍのサイズが好ましく、１０〜１００ｍｍのサイズがより好ましく、２０〜８０ｍｍのサイズがさらに好ましい。このようなサイズであると、木質系バイオマスが必要以上に微細化されていないためハンドリングしやすく、また、大きな木材と比較して扱いやすく処理後の品質を一定に維持することが容易になる。好ましい態様において、木材チップのサイズを、木目方向の長さ１５〜２０ｍｍ、幅１２〜２５ｍｍ、厚さ１０ｍｍ以下程度とすることができる。
【００１７】
本発明において原料として使用するバイオマスは、上述のように木材を含むが、木材の重量比率は、例えば、１０重量％以上とすることが好ましく、２０重量％以上や３０重量％以上としてもよい。また、一つの態様において、木材を７０重量％以上や８０重量％以上含むバイオマスを原料としてもよく、木材のみをバイオマス原料として使用することも可能である。
【００１８】
本発明においては、圧縮前のバイオマス原料の嵩密度（嵩比重）は０．０１〜１．０ｇ／ｃｍ３であることが好ましく、０．０５〜０．８ｇ／ｃｍ３がより好ましく、０．１〜０．６ｇ／ｃｍ３がさらに好ましい。また本発明においては、圧縮前のバイオマス原料の固形分濃度が２５〜９５重量％であることが好ましく、３０〜９０重量％がより好ましく、３５〜８５重量％であってもよい。機械的な圧縮工程の前に、バイオマス原料の水分を調整しておくと、圧縮装置の内部で閉塞が発生しにくく、効率的に圧縮工程を行うことが容易になる。
【００１９】
本発明においては、木材を含むバイオマス原料を機械的に圧縮して脱水する。原料を機械的に圧縮して脱水する装置としては、加圧式の固液分離装置であるスクリュープレスやフィルタープレス、ベルトプレス、レシプロ型プレス機などを好ましく用いることができる。一つの態様において、嵩容積が圧縮前の２０％〜９８％となるように圧縮するが、圧縮前の３０〜９２％や４０〜８４％となるように圧縮してもよく、嵩容積が圧縮前の５０〜７６％となるように圧縮してもよい。圧縮することにより、バイオマス原料の比表面積が増大するので、燃料効率が向上する。
【００２０】
本発明においては、バイオマス原料を機械的に圧縮して脱水するが、バイオマスの形状を維持するような形で圧縮することによって、剪断力などによって必要以上に木材繊維が微細化されることを抑制する。本発明においては、目開きが６．４ｍｍの篩を通過する微細分の重量％が、圧縮の前後（圧縮処理後の微細分−圧縮処理前の微細分）で５％以下しか増加しない。微細分の増加は、４％以下が好ましく、３％以下がより好ましく、２％以下がさらに好ましい。本発明によって微細分の増加を抑制することで、燃料の製造において微細分が飛散することによるハンドリング性の低下が改善され、燃料を搬送する際などに微細分が固着して詰まること（ブリッジの発生など）を回避することができる。
【００２１】
また、本発明においては、圧縮後のバイオマスの低位発熱量が２１００ｋｃａｌ／ｋｇ以上である。このような発熱量があれば、固形燃料として十分に利用することが可能である。低位発熱量の上限に制限はないが、４５００ｋｃａｌ／ｋｇ以下とすることができる。好ましい態様においては、圧縮後のバイオマスの低位発熱量は２５００〜４３００ｋｃａｌ／ｋｇであり、より好ましくは２８００〜４１００ｋｃａｌ／ｋｇ、さらに好ましくは３０００〜３９００ｋｃａｌ／ｋｇであり、３２００〜３７００ｋｃａｌ／ｋｇでもよい。また、好ましい態様において、圧縮後のバイオマスの低位発熱量が圧縮前の１１０〜２５０％であり、１３０〜２３０％がより好ましく、１５０〜２００％としてもよい。
【００２２】
一般に、燃料の発熱量の指標として、一定量の燃料が完全燃焼するときに発生する熱量が用いられ、ボンベ熱量計などを用いて測定することができる。発熱量には、高位発熱量と低位発熱量があり、高位発熱量（総発熱量ともいう）は、燃焼後の生成物を燃焼前の温度に戻し、生成した水蒸気がすべて凝縮した場合の発熱量であり、低位発熱量（真発熱量ともいう）は、燃料中の水素から生成する水および本来含まれている水分の蒸発熱を高位発熱量から差し引いたものである。
【００２３】
本発明において、圧縮後のバイオマスの嵩密度は０．００５〜０．９５ｇ／ｃｍ３であることが好ましく、０．０５〜０．８ｇ／ｃｍ３がより好ましく、０．１〜０．６ｇ／ｃｍ３がさらに好ましく、０．１５〜０．４ｇ／ｃｍ３がさらに好ましく、０．２〜０．３ｇ／ｃｍ３としてもよい。また本発明においては、圧縮後のバイオマスの固形分濃度が５０重量％以上であることが好ましく、６０重量％以上がより好ましく、７０重量％以上がさらに好ましく、８０重量％以上としてもよい。圧縮後のバイオマスの固形分濃度の上限について特に制限はないが、例えば、９０重量％以下としてもよい。
【００２４】
圧縮の際の圧縮比は特に制限されないが、１．５以上が好ましく、３．０以上がより好ましく、５．０以上がさらに好ましく、８．０以上としてもよい。
【実施例】
【００２５】
以下、具体的な実験例を示しつつ本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実験例に限定されるものではない。また、本明細書において、部、％などは重量基準であり、数値範囲はその端点を含むものとして記載される。
【００２６】
実験１：木材チップを原料とする固体燃料の製造
（実験１−１：スギ）
スギチップを室温で１時間風乾処理した後、Ｊ.TAPPI No.４に準拠して、５つの区分に篩分けした（チップの水分量５３．１％、固形分濃度４６．９％）。チップサイズに関する５つの区分の重量割合は、下記のとおりだった。
・３１．８ｍｍ以上：３．９重量％
・３１．８ｍｍ未満２５．４ｍｍ以上：１２．６重量％
・２５．４ｍｍ未満  ９．５ｍｍ以上：７６．６重量％
・  ９．５ｍｍ未満  ６．４ｍｍ以上：  ４．８重量％
・  ６．４ｍｍ未満：２．１重量％
次いで、５０ｋｇのスギチップ（５つのチップサイズ区分を混合）を、スクリュープレス型脱水装置（型番ＳＨＫ−２００×１５００Ｌ、富国工業社製）で圧搾して固液分離を行った。圧搾は、嵩容積が圧縮前の９０．０％になるまで行い、圧縮比（圧縮前の体積／圧縮時の体積）は１．６だった（回転数１ｒｐｍ）。処理後のチップは、固形分が７４．８％（水分量：２５．２％）であり、圧縮脱水処理後のチップを目開き６．４ｍｍで篩分けして、全チップ重量中の微細部（目開き６．４ｍｍの篩を通過した区分）の占める割合を求めたところ、３．１重量％だった。
【００２７】
なお、圧縮脱水処理後の水分量（固形分濃度）は、１０５℃で送風乾燥して測定した。具体的には、角型アルミバット（外形寸法：２５５ｍｍ×３２０ｍｍ×６３ｍｍ）に静置したサンプル（処理後のチップ）を、重量変化が１％未満になるまで１０５℃で送風乾燥し、水分量（固形分濃度）を算出した。
【００２８】
また、圧縮脱水処理後のチップをポリ容器（３Ｌ容、直径１５．６ｃｍ）に移し替え、嵩の高さを測定して嵩密度（ｇ／ｃｍ３）および嵩容積（ｃｍ３／ｇ）を算出した（ＪＩＳ  Ｚ７３０２―９）。
チップの低位発熱量については、ＪＩＳ  Ｚ７３０２−１およびＪＩＳ  Ｚ７３０２−２に準拠して算出した。
【００２９】
（実験１−２：スギ）
スギチップを室温で１時間風乾処理した後、実験１−１と同様にして５区分に篩分けした（チップの水分量４８．６％、固形分濃度５１．４％）。各区分の重量割合は、下記のとおりだった。
・３１．８ｍｍ以上：３．９重量％
・３１．８ｍｍ未満２５．４ｍｍ以上：１２．６重量％
・２５．４ｍｍ未満  ９．５ｍｍ以上：７６．６重量％
・  ９．５ｍｍ未満  ６．４ｍｍ以上：  ４．８重量％
・  ６．４ｍｍ未満：２．１重量％
次いで、５０ｋｇのスギチップ（５つのチップサイズ区分を混合）を、スクリュープレス型脱水装置（型番Ｖ−０５、スエヒロＥＰＭ社製）で圧搾して固液分離処理を行った。圧搾は、嵩容積が圧縮前の６５．５％になるまで行い（圧縮比４．０、回転数３ｒｐｍ）、処理後のチップは、固形分が８５．８％だった（水分量：１４．２％）。また、圧縮脱水処理後のチップを目開き６．４ｍｍで篩分けして、全チップ重量中の微細部（目開き６．４ｍｍの篩を通過した区分）の占める割合を求めたところ、１０．６重量％だった。
【００３０】
（実験１−３：スギ）
スギチップを室温で１時間風乾処理した後、実験１−１と同様にして５区分に篩分けした（スギチップの水分量５５．８％、固形分濃度４４．２％）。各区分の重量割合は、下記のとおりだった。
・３１．８ｍｍ以上：５．２重量％
・３１．８ｍｍ未満２５．４ｍｍ以上：１５．３重量％
・２５．４ｍｍ未満  ９．５ｍｍ以上：７７．０重量％
・  ９．５ｍｍ未満  ６．４ｍｍ以上：２１．０重量％
・  ６．４ｍｍ未満：０．４重量％
次いで、２００ｇのスギチップ（５つのチップサイズ区分を混合）を、中心を円形にくり抜いたアルミプレート（円形治具、直径１８５ｍｍ、外形寸法２５４×２５４×５０ｍｍ）に入れ、レシプロ型プレス機（５０ｔプレス機、ＴＯＫＵＥ社製）で圧搾して固液分離処理を行った（図１）。圧搾は、嵩容積が圧縮前の６２．７％になるまで行い（圧縮比１０．３、圧力２０ＭＰａ、保持時間３分間）、処理後のチップは、固形分が６２．６％だった（水分量：３７．４％）。また、圧縮脱水処理後のチップを目開き６．４ｍｍで篩分けして、全チップ重量中の微細部（目開き６．４ｍｍの篩を通過した区分）の占める割合を求めたところ、１．２重量％だった。
【００３１】
（実験１−４：ユーカリ）
ユーカリチップを室温で１時間風乾処理した後、実験１−１と同様にして５区分に篩分けした（チップの水分量４１．７％、固形分濃度５８．３％）。各区分の重量割合は、下記のとおりだった。
・３１．８ｍｍ以上：６．１重量％
・３１．８ｍｍ未満２５．４ｍｍ以上：  ５．４重量％
・２５．４ｍｍ未満  ９．５ｍｍ以上：７８．３重量％
・  ９．５ｍｍ未満  ６．４ｍｍ以上：  ７．６重量％
・  ６．４ｍｍ未満：２．６重量％
次いで、５０ｋｇのユーカリチップ（５つのチップサイズ区分を混合）を、スクリュープレス型脱水装置（型番Ｖ−０５、スエヒロＥＰＭ社製）で圧搾して固液分離処理を行った。圧搾は、嵩容積が圧縮前の９７．７％になるまで行い（圧縮比４．０、回転数３ｒｐｍ）、処理後のチップは、固形分が７７．９％だった（水分量：２２．１％）。
【００３２】
【表１】
2018095685.tif 000003
【００３３】
結果を上記の表に示すが、実験１−１（微細部の増加：１．０％）、実験１−３（微細部の増加：０．８％）、実験１−４（微細部の増加：３．５％）では、微細分の増加が抑制されており、固形燃料の製造が容易であり、また、得られた固形燃料の搬送性なども良好だった。
【００３４】
一方、実験１−２（微細部の増加：８．５％）では、固形燃料を製造する際の微細分の増加が大きく、燃料のハンドリング性や搬送性などが劣っていた。
【図１】
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