(57)【要約】【課題】バイオマスを少ないエネルギで効率的に微粉砕して燃料としての微粉化バイオマスを高い収率で生成することができる蒸煮爆砕装置及びそれを備える蒸煮爆砕システムを提供する。【解決手段】フィーダ３８から入口バルブ４０を経てチューブ３４内にバイオマスを供給し、入口及び出口バルブ４０、４２を閉とし、バイオマスをチューブ３４内に密閉し、チューブ３４内のバイオマスをシェル３２内の水蒸気で加熱し、保持時間の経過後、入口バルブ４０を閉、出口バルブ４２を開とし、チューブ３４内のバイオマスをその含有水分で水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する制御ユニット４８と、チューブ３４の出口側に接続され、チューブ３４内に生成された微粉化バイオマスから固体残渣と水蒸気とを分離する分離ユニット５０と、分離ユニット５０で分離した水蒸気の少なくとも一部をチューブの入口側に戻す第１循環路５２とを備える。【選択図】図２
2019209282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気が供給されるシェルと、
前記シェル内に配置されるチューブと、
前記チューブの入口側に接続され、前記チューブ内にバイオマスを供給するフィーダと、
前記チューブの入口側に介装される入口バルブと、
前記チューブの出口側に介装される出口バルブと、
前記入口バルブを開、前記出口バルブを閉とし、前記フィーダから前記入口バルブを経て前記チューブ内に前記バイオマスを供給し、前記入口及び出口バルブを閉とし、前記バイオマスを前記チューブ内に密閉し、前記チューブ内の前記バイオマスを前記シェル内の蒸気で加熱し、保持時間の経過後、前記入口バルブを閉、前記出口バルブを開とし、前記チューブ内の前記バイオマスをその含有水分で蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する制御ユニットと、
前記チューブの出口側に接続され、前記チューブ内に生成された前記微粉化バイオマスから固体残渣と水蒸気とを分離する分離ユニットと、
前記分離ユニットで分離した水蒸気の少なくとも一部を前記チューブの入口側に戻す第１循環路と
を備える、蒸煮爆砕装置。
【請求項２】
前記分離ユニットで分離した固体残渣の少なくとも一部を前記チューブの入口側に戻す第２循環路をさらに備える、請求項１に記載の蒸煮爆砕装置。
【請求項３】
前記第１循環路は、前記分離ユニットで分離した水蒸気の凝縮を抑制する保温ユニットを有する、請求項１又は２に記載の蒸煮爆砕装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の蒸煮爆砕装置を複数備える蒸煮爆砕システムであって、
前記第１循環路は、前記分離ユニットで分離した水蒸気を異なる前記蒸煮爆砕装置の前記チューブの入口側に戻す、蒸煮爆砕システム。
【請求項５】
前記分離ユニットは、複数の前記蒸煮爆砕装置において共用されている、請求項４に記載の蒸煮爆砕システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸煮爆砕装置及びそれを備えた蒸煮爆砕システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、有機性廃棄物を容器内に収容し、高温・高圧の水蒸気によって廃棄物を加熱（蒸煮）した後、容器内圧力を瞬間的に開放し、水の断熱膨張のエネルギによって固体成分を粉砕（爆砕）する水蒸気爆砕（蒸煮爆砕）方式の廃棄物処理装置が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、複数の耐圧容器を直列に配置して各容器間をバルブで接続した装置を使用し、一段目の容器に繊維質材料を供給して高温高圧で蒸煮した後、各容器にて段階的に圧力を降下させながら爆砕する多段式爆砕方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−３７５３６号公報
【特許文献２】特開昭６３−１０５１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原料となるバイオマスが水分を多量に含む（例えば５０ｗｔ％）、いわゆる湿潤バイオマスである場合、従来はバイオマスの水分が１０ｗｔ％以下程度になるまで乾燥した乾燥バイオマスを粉砕してバイオマス燃料を生成している。この場合には、バイオマスを乾燥するための前処理設備が必要となるため、乾燥機を作動させるための電力等のエネルギ消費量が増大するとともに、乾燥機という前処理設備を要する。
【０００６】
また、特許文献１に記載の廃棄物処理装置のように、ボイラで大量に発生する水蒸気を有効に活用し、バイオマスを水蒸気爆砕により粉砕する場合、バイオマスの粉砕に要するエネルギ消費量を低減することができる。しかし、この水蒸気爆砕では、水蒸気をバイオマスと混合することにより蒸煮するため、水蒸気爆砕後に大量の水蒸気が発生する。爆砕処理後に水蒸気を装置外に放出すると、熱量廃棄に伴うエネルギーロスが発生し、ボイラが設けられる火力発電所等の発電効率の低下を招きかねない。
【０００７】
一方、特許文献２に記載の蒸煮爆砕装置は、各容器において段階的に爆砕することにより、一段目の爆砕で発生した水蒸気を次段の爆砕で利用している。しかし、特許文献１の場合と同様に、各容器において爆砕処理が終了した後には、水蒸気が装置外に放出され、熱量廃棄に伴うエネルギーロスが発生する。また、各段の爆砕で発生した大量の水分由来以外の蒸気や、凝縮水までもが次段の容器で再度蒸煮される。
【０００８】
また、段階的に爆砕するため、所望の粒径を得られた材料までもが再度蒸煮、爆砕される。従って、水分由来以外の蒸気と凝縮水との再蒸煮、及び、所望の粒径を得られた材料の不要な再蒸煮及び再爆砕が行われた結果、エネルギーロスが増大するおそれがある。さらには、水分由来以外の蒸気により微粉化バイオマスが変質し、微粉化バイオマスの燃焼効率が悪化するおそれもある。しかも、多段の爆砕からなる一度の爆砕処理のために、多数の容器を要するため、装置コストが増大する。
【０００９】
さらに、特許文献１、２の何れにおいても、爆砕処理後に所望の粒径を得られなかった固体残渣の扱いについて格別な配慮がなされていない。従って、バイオマスを少ないエネルギで効率的に微粉砕して燃料としての微粉化バイオマスを高い収率で生成することについては依然として課題が残されている。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、バイオマスを少ないエネルギで効率的に微粉砕して燃料としての微粉化バイオマスを高い収率で生成することができる蒸煮爆砕装置及びそれを備えた蒸煮爆砕システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の蒸煮爆砕装置は、蒸気が供給されるシェルと、シェル内に配置されるチューブと、チューブの入口側に接続され、チューブ内にバイオマスを供給するフィーダと、チューブの入口側に介装される入口バルブと、チューブの出口側に介装される出口バルブと、入口バルブを開、出口バルブを閉とし、フィーダから入口バルブを経てチューブ内にバイオマスを供給し、入口及び出口バルブを閉とし、バイオマスをチューブ内に密閉し、チューブ内のバイオマスをシェル内の蒸気で加熱し、保持時間の経過後、入口バルブを閉、出口バルブを開とし、チューブ内のバイオマスをその含有水分で蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する制御ユニットと、チューブの出口側に接続され、チューブ内に生成された微粉化バイオマスから固体残渣と水蒸気とを分離する分離ユニットと、分離ユニットで分離した水蒸気の少なくとも一部をチューブの入口側に戻す第１循環路とを備える。
【００１２】
一方、本発明の蒸煮爆砕システムは、前述した蒸煮爆砕装置を複数備える蒸煮爆砕システムであって、第１循環路は、分離ユニットで分離した水蒸気を異なる蒸煮爆砕装置のチューブの入口側に戻す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の蒸煮爆砕装置及びそれを備えた蒸煮爆砕システムによれば、バイオマスを少ないエネルギで効率的に微粉砕して燃料としての微粉化バイオマスを高い収率で生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る蒸煮爆砕装置を備えたボイラ装置を示す構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る蒸煮爆砕装置を示す構成図である。
【図３】図２のシェルを図２のＡ−Ａ断面の矢視方向から見た断面図である。
【図４】図２の制御ユニットが実行する爆砕制御を説明したフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る蒸煮爆砕装置を示す構成図である。
【図６】図５の制御ユニットが実行する爆砕制御を説明したフローチャートである。
【図７】本発明の第３実施形態に係る蒸煮爆砕システムを示す構成図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る蒸煮爆砕システムの別形態を示す構成図である。
【図９】図１又は図５の蒸煮爆砕装置が受入タンクを備える形態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づき本発明の蒸煮爆砕装置及びそれを備えた蒸煮爆砕システムについて説明する。
図１は、蒸煮爆砕装置を備えたボイラ装置１の構成を示す。ボイラ装置１は、石炭焚きボイラ２を備え、火力発電所等に設置される。石炭焚きボイラ２は、例えば微粉炭焚きボイラ（ＰＣボイラ：Pulverized Coal boiler）であって、火炉２ａ、後部伝熱部である過熱器２ｂ、再熱器２ｃ、及び節炭部２ｄを具備している。節炭部２ｄから煙突Ｐに至るまでの排ガス処理煙道３には、脱硝部４、エアヒータ５、集塵装置６、誘引ファン７、熱交換器８、脱硫部９及び押込みファン１０が順次配置されている。
【００１６】
エアヒータ５は、押込みファン１１により導入される外部空気を脱硝部４から排出される排ガスの熱で暖め、石炭焚きボイラ２のバーナー部２ｅに燃焼用空気として送り込む。熱交換器８は、誘引ファン７により導かれて集塵装置６を通過した後の排ガスと、押込みファン１０により導入されて脱硫部９を通過した後の排ガスとを熱交換する。熱交換器８を経た排ガスは煙突Ｐから排出される。
【００１７】
石炭焚きボイラ２には、石炭Ｃを機械式のミル（粉砕機）２０により粉砕処理した微粉炭燃料が供給される。この微粉炭燃料は、押込みファン１１により導入される燃焼用空気とともにバーナー部２ｅを経て石炭焚きボイラ２の火炉２ａに投入されて燃焼される。
【００１８】
ボイラ装置１の石炭焚きボイラ２で微粉炭燃料が燃焼することで生じる蒸気は、過熱器２ｂから配管２１を通って高圧タービン２２に送られ、高圧タービン２２を回転させる。高圧タービン２２の仕事に供された蒸気は、配管２３を通って再熱器２ｃに戻されて再度加熱される。そして、再度加熱された蒸気は、配管２４を通って中・低圧タービン２５に送られ、この中・低圧タービン２５の仕事に供された後、配管２６及び復水器２７を経て石炭焚きボイラ２に戻される。
【００１９】
また、ボイラ装置１は、原料であるバイオマスＢを水蒸気爆砕により微粉化してバイオマス燃料としての微粉化バイオマスを製造する蒸煮爆砕装置３０を備えている。バイオマスＢは、例えば木質バイオマスからなる固形燃料であるが、含水率が３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％程度の湿潤バイオマスである。さらに、蒸煮爆砕装置３０は、生成された微粉化バイオマスから固体残渣と水蒸気とを分離する分離ユニット５０を備えている。
【００２０】
＜第１実施形態＞
図２は、第１実施形態に係る蒸煮爆砕装置３０の構成を示す。蒸煮爆砕装置３０は、水蒸気が供給されるシェル３２、及びシェル３２内に配置される複数のチューブ３４を有するシェル＆チューブ構造の熱交換部３６と、熱交換部３６の上側に配置され、各チューブ３４の入口側に接続されて各チューブ３４内にバイオマスＢを供給可能とするフィーダ３８と、後述する分離ユニット５０とを備えている。
【００２１】
フィーダ３８は、バイオマスＢが投入されるホッパ３８ａと、ホッパ３８ａから自重で流下したバイオマスＢを各チューブ３４の入口に向けて搬送する搬送路３８ｂとを備えている。また、蒸煮爆砕装置３０の下部には火炉２ａに接続された搬送路４７が設けられている。
【００２２】
シェル３２は、円筒状の胴部３２ａと、胴部３２ａの上下をそれぞれ密閉する上壁３２ｂ、下壁３２ｃとから形成された密閉容器である。胴部３２ａには、水蒸気の入口部３２ｄと、出口部３２ｅとが形成されている。例えば、入口部３２ｄは胴部３２ａの上壁３２ｂ近傍に、出口部３２ｅは胴部３２ａの下壁３２ｃ近傍に位置付けられている。入口部３２ｄには、配管２３から分岐する分岐配管２８が接続されている。
【００２３】
シェル３２には、高圧タービン２２を回転させた後に石炭焚きボイラ２の再熱器２ｃに戻る２００℃〜３００℃の蒸気（再熱蒸気）の一部が分岐配管２８を経て入口部３２ｄから供給される。出口部３２ｅには、配管２３における分岐配管２８の分岐点の下流側にて配管２３に合流する合流配管２９が接続されている。シェル３２内を流れて各チューブ３４、ひいては後述する特定のチューブ３４内に供給されたバイオマスＢの加熱に供した水蒸気は、合流配管２９を経て配管２３に戻されて石炭焚きボイラ２で再利用される。すなわち、シェル３２内には石炭焚きボイラ２で生成された蒸気が循環されている。
【００２４】
シェル３２内には各チューブ３４が配置され、各チューブ３４はシェル３２の上下壁３２ｂ、３２ｃからシェル３２内の気密性を保持しながらそれぞれ上下に突出して延設されている。また、各チューブ３４のシェル３２から上下に突出した部位には、チューブ３４毎に入口バルブ４０と、出口バルブ４２とがそれぞれ設けられている。
【００２５】
詳しくは、入口バルブ４０は、シェル３２の上側において、シェル３２の上壁３２ｂから突出した各チューブ３４にそれぞれ介装されている。また、出口バルブ４２は、シェル３２の下側において、シェル３２の下壁３２ｃから突出した各チューブ３４にそれぞれ介装されている。入口及び出口バルブ４０、４２は、例えばゲート弁（仕切弁）や、バタフライ弁であって、木質チップ等の固形物が開作動時に引っ掛かりなく円滑に且つ瞬時に流通し、閉作動時には詰まり等なく確実に流路を遮断可能なプレート状の弁体を有している。
【００２６】
各チューブ３４は、入口バルブ４０の上側にシェル３２の胴部３２ａの径方向中央に向けて傾斜した上傾斜管部３４ａをそれぞれ有している。また、各チューブ３４は、出口バルブ４２の下側にシェル３２の胴部３２ａの径方向中央に向けて傾斜したそれぞれ下傾斜管部３４ｂを有している。
【００２７】
各チューブ３４の各上傾斜管部３４ａと、フィーダ３８の搬送路３８ｂとの間には分岐配管（分岐路）４４が設けられている。分岐配管４４には、各上傾斜管部３４ａの上端に形成された各チューブ３４の入口が接続されている。すなわち、各チューブ３４は、分岐配管４４、各入口バルブ４０、搬送路３８ｂを介してホッパ３８ａと連通可能に構成されている。
【００２８】
一方、各チューブ３４の下傾斜管部３４ｂと、火炉２ａに至る搬送路４７との間には合流配管（合流路）４６が設けられている。合流配管４６には、下傾斜管部３４ｂの下端に形成された各チューブ３４の出口が接続されている。すなわち、各チューブ３４は、各出口バルブ４２、合流配管４６、搬送路４７を介して火炉２ａと連通可能に構成されている。
【００２９】
鉛直方向を基準としたときの各上及び下傾斜管部３４ａ、３４ｂの傾斜角は、シェル３２の胴部３２ａ近傍に位置する各チューブ３４の角度が最も大きく、シェル３２の胴部３２ａの径方向中央に位置する各チューブ３４の角度が最も小さい。
【００３０】
これらの上及び下傾斜管部３４ａ、３４ｂの傾斜角は、フィーダ３８側から各チューブ３４に供給されるバイオマスＢ、及び、各チューブ３４から火炉２ａ側に送出されるバイオマスＢが自重で円滑に流下可能な角度に設定されている。これにより、図２に示すように、フィーダ３８から供給されたバイオマスＢは、分岐配管４４及び各上傾斜管部３４ａに高い充填率で充填され、閉作動された各入口バルブ４０により堰き止められる。
【００３１】
各入口バルブ４０が開作動されることにより、バイオマスＢは、分岐配管４４及び各上傾斜管部３４ａで詰まることなくシェル３２内の各チューブ３４に供給される。そして、入口及び出口バルブ４０、４２は、蒸煮爆砕装置３０の制御ユニット４８に電気的に接続されている。入口及び出口バルブ４０、４２が制御ユニット４８の信号に基づいて開閉されることにより、蒸煮爆砕装置３０で行う水蒸気爆砕を制御する爆砕制御が実行される。
【００３２】
図３は、シェル３２を図２のＡ−Ａ断面の矢視方向から見た断面図である。シェル３２内には、例えば２４本のチューブ３４が離間して配置されている。また、入口及び出口バルブ４０、４２も、各チューブ３４に対応して、それぞれ２４個ずつ設けられている。２４本のチューブ３４は、例えば、破線で囲った４つの第１〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄから構成され、第１〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄは、それぞれ６本のチューブ３４から構成されている。
【００３３】
また、２４個の入口バルブ４０は、第１〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄに対応する４つの第１〜第４入口バルブ群から構成され、第１〜第４入口バルブ群は、それぞれ６個の入口バルブ４０から構成されている。また、２４個の出口バルブ４２も、入口バルブ４０と同様に、第１〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄに対応する４つの第１〜第４出口バルブ群から構成され、第１〜第４出口バルブ群は、それぞれ６個の出口バルブ４２から構成されている。
【００３４】
以下、図４に示すフローチャートを参照して、制御ユニット４８が実行する爆砕制御について説明する。先ず、制御ユニット４８が爆砕制御を開始すると、ステップＳ１では、先ず第１チューブ群３４Ａでの爆砕（第ｎ群におけるｎ＝１の場合）を行うべく、第１入口バルブ群の各入口バルブ４０を開作動し、第１出口バルブ群の各出口バルブ４２を閉作動する。これにより、第１入口バルブ群の各入口バルブ４０で堰き止められていたバイオマスＢが第１チューブ群３４Ａの各チューブ３４内に供給され、チューブ３４内のバイオマスＢが予め設定された充填率となるまで充填される。
【００３５】
次に、ステップＳ２では、第１入口バルブ群の各入口バルブ４０を閉作動し、第１チューブ群３４Ａの各チューブ３４に充填されたバイオマスＢをこれら各チューブ３４内に密閉する。このバイオマスＢは、前述したように、含水率が３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％程度の湿潤バイオマスである。
【００３６】
そして、ボイラ装置１からシェル３２内に供給され、シェル３２を循環する蒸気により、第１チューブ群３４Ａの各チューブ３４を介してこれら各チューブ３４内のバイオマスＢが間接的に加熱される。すなわち、ボイラ装置１で生成された蒸気は、各チューブ３４の加熱源としてシェル３２に供給されるものであり、各チューブ３４内には供給されず、バイオマスＢには接触しない。
【００３７】
シェル３２内を循環する蒸気の熱によって各チューブ３４は高温となっているため、第１チューブ群３４Ａの各チューブ３４内に密閉状態で保持されたバイオマスＢの含有水分が徐々に蒸発する。これにより、第１チューブ群３４Ａの各チューブ３４内は蒸気が充満して昇圧し、バイオマスＢの含有水分に基づく蒸気がバイオマスＢの水蒸気爆砕に利用される。
【００３８】
チューブ３４内における水蒸気爆砕の条件は、チューブ３４の内径、長さ、材質、厚み等によって異なるが、蒸煮温度は例えば２００℃〜２５０℃程度、保持時間（密閉時間）ｔは例えば１０分〜３０分程度、蒸煮圧力（密閉圧力）は１．６ＭＰａ〜４．０ＭＰａ程度である。また、蒸煮爆砕装置３０は、例えば、各チューブ３４の外径が１００ｍｍ、管長が８ｍ程度であるとき、１ｔｏｎ／時程度の微粉化バイオマスを生成可能である。
【００３９】
また、保持時間ｔは、長すぎると爆砕中にバイオマスの粉砕から分解が進行し、逆に燃焼効率が悪化するため、上記範囲の適正な時間に設定される。
こうして、シェル３２内を循環される蒸気によってチューブ３４を介してバイオマスＢが間接的に密閉状態で加熱され、バイオマスＢはチューブ３４内にてバイオマスＢの含有水分によって蒸煮される。
【００４０】
次に、ステップＳ３では、ステップＳ２から移行した後の保持時間ｔが経過したか否かを判定する。判定結果がＹｅｓ（真）である場合には、第１チューブ群３４Ａの各チューブ３４内で好適な水蒸気爆砕が可能な蒸煮が十分に行われたと判定し、ステップＳ４に移行する。一方、判定結果がＮｏ（偽）である場合には、第１チューブ群３４Ａの各チューブ３４内で水蒸気爆砕が可能な蒸煮が十分に行われていないと判定し、ステップＳ３に留まって待機する。
【００４１】
次に、ステップＳ４では、第１出口バルブ群の各出口バルブ４２を開作動する。これにより、第１チューブ群３４Ａの各チューブ３４内の圧力が瞬時に開放され、これら各チューブ３４内の急速減圧が行われ、水蒸気爆砕によって微粉化されたバイオマス燃料が第１出口バルブ群の各出口バルブ４２から噴出して生成される。
【００４２】
次に、ステップＳ５では、生成された微粉化バイオマス燃料の分離工程が分離ユニット５０において行われる。分離工程の詳細は後述する。分離工程を経た微粉化バイオマス燃料は、押込みファン１１により導入される燃焼用空気とともにバーナー部２ｅを経て石炭焚きボイラ２の火炉２ａに投入され、ミル２０により粉砕処理された微粉炭燃料とともに燃焼される。
【００４３】
次に、ステップＳ６では、第１〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄで微粉化バイオマスを段階的に順次生成するべく、上述した第１チューブ群３４Ａでの爆砕（ｎ＝１の場合）に加え、第２〜第４チューブ群３４Ｂ〜３４Ｄでの爆砕（ｎ＝２、ｎ＝３、ｎ＝４の場合）及び分離工程が全て完了したか否かを判定する。
【００４４】
判定結果がＹｅｓ（真）である場合には、第１〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄでの爆砕及び分離工程が全て完了したと判定し、一連の爆砕制御を終了する。一方、判定結果がＮｏ（偽）である場合には、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１〜Ｓ５を再び実行することにより、終えていない第２〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄでの爆砕を順次段階的に行う。
【００４５】
ここで、図２に示すように、分離ユニット５０は、搬送路４７に設けられ、換言すると、各チューブ３４の出口側に接続されている。分離ユニット５０は、例えば、図示しない遠心分離機、メッシュ、吸込管等を組み合わせて構成されており、爆砕制御により生成された微粉化バイオマスから水分由来の蒸気である水蒸気のみを抽出して分離する分離機能を備えている。生成された微粉化バイオマスに水分由来以外の蒸気や、凝縮水が含まれる場合、これらは抽出しない。
【００４６】
また、分離ユニット５０は、爆砕制御により生成された微粉化バイオマスから、燃焼効率の悪い、例えば２．０ｍｍ以上であって５．０ｍｍ程度となる粒径を有する固体残渣を分級して分離する分級機能をも備えている。固体残渣以外、すなわち例えば２．０ｍｍ未満の粒径の微粉化バイオマスは、燃料として火炉２ａに投入される。
【００４７】
分離ユニット５０には、第１循環路５２及び第２循環路５４のそれぞれの一端が接続されている。第１循環路５２は、配管であって、他端がシェル３２の上壁３２ｂから突出した各チューブ３４に分岐して接続されており、分岐した第１循環路５２の各チューブ３４の近傍には開閉バルブ５６がそれぞれ介装されている。分離ユニット５０及び各開閉バルブ５６の駆動部は、制御ユニット４８に電気的に接続されている。
【００４８】
そして、制御ユニット４８は、爆砕制御におけるステップＳ５の分離工程において、分離ユニット５０を起動するとともに、各開閉バルブ５６を開作動する。これにより、生成された微粉化バイオマスから分離ユニット５０で分離した水蒸気の少なくとも一部（例えば約５０％程度）が第１循環路５２を介して各チューブ３４の入口側に戻される。なお、シェル３２の外部であって各チューブ３４の入口側であれば、図２に示した箇所以外に水蒸気を戻しても良い。
【００４９】
一方、第２循環路５４は、フィーダ３８の上方まで延設された配管である。第２循環路５４内には、例えばスクリューコンベア６０が配置され、スクリューコンベア６０は分離ユニット５０で分離した固体残渣をフィーダ３８に向けて搬送する。スクリューコンベア６０の駆動部は、制御ユニット４８に電気的に接続されている。なお、固体残渣の搬送手段はスクリューコンベア６０以外であっても良い。
【００５０】
そして、制御ユニット４８は、爆砕制御におけるステップＳ５の分離工程において、分離ユニット５０及びスクリューコンベア６０を起動する。これにより、生成された微粉化バイオマスから分離ユニット５０で分離した固体残渣の少なくとも一部（好ましくは約９０％〜１００％程度）が第２循環路５４を介して各チューブ３４の入口側であるフィーダ３８に戻される。なお、シェル３２の外部であって各チューブ３４の入口側であれば、フィーダ３８以外の箇所に固体残渣を戻しても良い。
【００５１】
ステップＳ５の分離工程は、第１〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄで微粉化バイオマスを段階的に順次生成した後に都度行われる。さらに、第１循環路５２には保温ユニット６２が設けられている。保温ユニット６２は、例えば、保温ダクトや、第１循環路５２を覆う保温カバー等であって、第１循環路５２に導かれた水蒸気を保温する。
【００５２】
第１〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄで微粉化バイオマスを段階的に順次生成する際、次の爆砕処理まで待機時間がある場合には、保温ユニット６２で保温することにより分離ユニット５０で分離した水蒸気の凝縮が抑制される。なお、分離ユニット５０で分離した水蒸気の凝縮が問題とならない程度に待機時間が短い場合には、保温ユニット６２を設けなくとも良い。
【００５３】
以上のように、本実施形態の蒸煮爆砕装置３０は、チューブ３４内にて湿潤状態のバイオマスＢを密閉して加熱し、バイオマスＢの含有水分でバイオマスＢを水蒸気爆砕して水分の少ない高熱量の微粉化バイオマスを生成することができる。従って、バイオマスＢの乾燥等の前処理及びその設備が不要となり、従来の水蒸気爆砕に比して大幅に少ないエネルギでバイオマスＢを微粉化することができる。加えて、蒸煮爆砕装置３０ひいてはボイラ装置１におけるエネルギ消費及び設備コストを全体として大幅に削減し、蒸煮爆砕装置３０ひいてはボイラ装置１の運転コストを低減することができる。
【００５４】
さらに、本実施形態の蒸煮爆砕装置３０は、生成された微粉化バイオマスから固体残渣と水蒸気とを分離する分離ユニット５０と、分離ユニット５０で分離した水蒸気の少なくとも一部を各チューブ３４の入口側に戻す第１循環路５２とを備えている。これにより、バイオマスを少ないエネルギで効率的に微粉砕して燃料としての微粉化バイオマスを高い収率で生成することができる。
【００５５】
詳しくは、爆砕処理後に発生した水分由来の水蒸気のみを次の爆砕処理に利用することができるため、蒸煮爆砕装置３０の装置外に放出される水蒸気を低減することができる。従って、熱量廃棄に伴うエネルギーロスを低減し、ボイラ装置１が設けられる火力発電所等の発電効率の低下を防止することができる。
【００５６】
また、水分由来以外の蒸気と凝縮水の再蒸煮は行われないため、これらに伴うエネルギーロスを低減することもできる。さらには、水分由来以外の蒸気と凝縮水によって蒸煮することによる微粉化バイオマスの変質の懸念が排除され、燃焼効率の良い高品質の微粉化バイオマスを製造することができる。
【００５７】
なお、生成された微粉化バイオマスから分離された水蒸気は、元々、原料である湿潤状態のバイオマスＢに含まれた含有水分に基づくものである。従って、分離ユニット５０による分離工程を行ったとしても、バイオマスＢの含有水分に基づく蒸気がバイオマスＢの蒸煮爆砕に利用されることに変わりはない。
【００５８】
また、蒸煮爆砕装置３０は、生成された微粉化バイオマスから分離ユニット５０で分離した固体残渣の少なくとも一部を各チューブ３４の入口側に戻す第２循環路５４を備えている。分離ユニット５０で分離した固体残渣は、例えば２．０ｍｍ以上であって５．０ｍｍ程度となる粒径を有するものである。
【００５９】
このような固体残渣は、爆砕処理により生成された微粉化バイオマスの一割程度を占めており、２．０ｍｍ未満の粒径を基準としたときの微粉化バイオマスの収率を悪化させる。また、固体残渣をそのまま火炉２ａに投入すると、石炭焚きボイラ２における燃焼効率が悪化する。しかし、生成された微粉化バイオマスから固体残渣を分離して次回の爆砕制御で再び爆砕することにより、固体残渣を２．０ｍｍ未満の粒径の微粉化バイオマスに再生成することができるため、これらの問題を解決できることが判明した。
【００６０】
具体的には、１５０ＭＷ級の石炭焚きボイラ２に、エネルギ（熱量）基準とした比率で２５％の木質チップを混焼し、約２１．２ｔｏｎ／時の微粉木質、つまり微粉化バイオマスの供給が必要となることを想定して実験を行った。この場合、分離工程を行わない、つまり分離ユニット５０によりリサイクルを行わない従来の蒸煮爆砕装置においては、原料としてのバイオマスＢ（湿潤木質チップ）の必要な供給量は約４７．２ｔｏｎ／時である。
【００６１】
この場合において、高圧タービン２２からシェル３２に供給する水蒸気（４３２℃、６ＭＰａ）の必要な供給量は約３７ｔｏｎ／時（９ＭＷのエネルギーロスに相当）であり、従来の蒸煮爆砕装置において得られた微粉化バイオマスの収率は約７０％であった。これに対し、本実施形態の蒸煮爆砕装置３０においては、第１循環路５２を介して分離ユニット５０で分離した水蒸気の約５０％を各チューブ３４の入口側に戻す場合、高圧タービン２２からシェル３２に供給する水蒸気（４３２℃、６ＭＰａ）の必要な供給量は約１７ｔｏｎ／時（４ＭＷのエネルギーロスに相当）となった。
【００６２】
このように、分離ユニット５０を有する循環式の蒸煮爆砕装置３０は、装置外に放出される水蒸気を大幅に低減することができる。また、固体残渣をフィーダ３８に投入し、原料として再利用することにより、蒸煮爆砕装置３０に投入するバイオマスＢを低減することができるため、蒸煮爆砕装置３０において得られた微粉化バイオマスの収率は約７８％に上昇した。従って、本実施形態の蒸煮爆砕装置３０は、分離ユニット５０と、第１及び第２循環路５２、５４とを有することにより、バイオマスを少ないエネルギで効率的に微粉砕して燃料として高品質の微粉化バイオマスを高い収率で生成することができる。
【００６３】
また、第１循環路５２に保温ユニット６２を設けたことにより、微粉化バイオマスを段階的に順次生成する際、次の爆砕処理まで待機時間がある場合には、保温ユニット６２で保温することにより分離ユニット５０で分離した水蒸気の凝縮が抑制される。従って、リサイクルする水蒸気の性状を維持することができるため、熱量廃棄に伴うエネルギーロスをさらに低減することができる。
【００６４】
また、特に本実施形態の蒸煮爆砕装置３０は、上述した爆砕制御を実行し、第１〜第４チューブ群３４Ａ〜３４Ｄで微粉化バイオマスを段階的に順次生成する。これにより、蒸煮爆砕装置３０における微粉化バイオマスの生成量を容易に調整することができ、蒸煮爆砕装置３０で微粉化バイオマスを所定量ずつ段階的に生成して石炭焚きボイラ２で燃焼させることが可能である。
【００６５】
従って、蒸煮爆砕装置３０ひいてはボイラ装置１の運転の自由度を高めることができ、蒸煮爆砕装置３０ひいてはボイラ装置１のエネルギ消費及び運転コストのさらなる低減を図ることができる。なお、このような微粉化バイオマスの段階的な生成は、石炭焚きボイラ２で生成された蒸気をシェル３２内に連続的に循環させ、当該蒸気を連続供給可能なバイオマスＢの加熱源として有効利用することで初めて実現されるものである。
【００６６】
また、本実施形態では、チューブ３４の数、ひいてはチューブ３４に対応する入口バルブ４０、出口バルブ４２の数は適宜変更可能である。また、チューブ群の数、チューブ群に対応する入口バルブ群、出口バルブ群の数、ひいては、これら群を構成するチューブ３４、入口バルブ４０、出口バルブ４２の数も適宜変更可能である。すなわち、制御ユニット４８で実行される爆砕制御では、入口及び出口バルブ４０、４２の開閉により、フィーダ３８から複数のチューブ３４のうちの少なくとも１つ以上に段階的にバイオマスＢを供給し、微粉化バイオマスが所定量ずつ段階的に順次生成される。
【００６７】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の蒸煮爆砕装置１３０は、入口及び出口バルブ４０、４２の数及び位置、シェル３２の形状、及び制御ユニット４８が実行する爆砕制御、第１循環路５２の接続箇所を除き、第１実施形態の蒸煮爆砕装置３０と同様の構成をなしている。従って、以下、これら相違点を主として説明し、第１実施形態と同様の構成は図面及び明細書中に同符号を付して説明を省略することがある。
【００６８】
図５は、第２実施形態に係る蒸煮爆砕装置１３０の構成を示す。本実施形態の蒸煮爆砕装置１３０には、入口及び出口バルブ４０、４２はチューブ３４毎に設けられておらず、分岐配管４４に１個の入口バルブ４０が介装され、合流配管４６に１個の出口バルブ４２が介装されている。また、シェル３２内には、各チューブ３４の上傾斜管部３４ａ、及び下傾斜管部３４ｂが配置され、分岐配管４４、合流配管４６はシェル３２の上下壁３２ｂ、３２ｃからシェル３２内の気密性を保持しながらそれぞれ上下に突出して位置付けられている。
【００６９】
フィーダ３８から供給されたバイオマスＢは、分岐配管４４の途中位置までに高い充填率で充填され、閉作動された入口バルブ４０により堰き止められている。また、蒸煮爆砕装置１３０は、第１実施形態の場合と同様に、分離ユニット５０、第１及び第２循環路５２、５４、開閉バルブ５６、スクリューコンベア６０、保温ユニット６２を備えている。
【００７０】
本実施形態の第１循環路５２は、シェル３２の上壁３２ｂから突出した分岐配管４４に接続されている。また、開閉バルブ５６は第１循環路５２に１個だけ設けられている。なお、シェル３２の外部であって各チューブ３４の入口側であれば、図５に示した箇所以外に第１循環路５２を接続しても良い。
【００７１】
以下、図６に示すフローチャートを参照して、制御ユニット４８が実行する本実施形態の爆砕制御について説明する。先ず、制御ユニット４８が爆砕制御を開始すると、ステップＳ１１では、入口バルブ４０を開作動し、出口バルブ４２を閉作動する。これにより、入口バルブ４０で堰き止められていたバイオマスＢが２４本の各チューブ３４内に一括して供給、充填される。
【００７２】
次に、ステップＳ１２では、入口バルブ４０を閉作動し、各チューブ３４に充填されたバイオマスＢをこれら各チューブ３４内に密閉する。そして、シェル３２内を循環される蒸気により、各チューブ３４を介して各チューブ３４内のバイオマスＢが間接的に加熱される。
【００７３】
各チューブ３４内に密閉状態で保持されたバイオマスＢの含有水分が徐々に蒸発し、各チューブ３４内は蒸気が充満して昇圧し、バイオマスＢの含有水分に基づく蒸気がバイオマスＢの蒸煮爆砕に利用される。こうして、シェル３２内を流れる蒸気によってチューブ３４を介してバイオマスＢが間接的に密閉状態で加熱され、バイオマスＢはチューブ３４内にてバイオマスＢの含有水分によって蒸煮される。
【００７４】
次に、ステップＳ１３では、ステップＳ１２から移行した後の保持時間ｔが経過したか否かを判定する。判定結果がＹｅｓ（真）である場合には、各チューブ３４内で好適な蒸煮爆砕が可能な蒸煮が十分に行われたと判定し、ステップＳ１４に移行する。一方、判定結果がＮｏ（偽）である場合には、各チューブ３４内で蒸煮爆砕が可能な蒸煮が十分に行われていないと判定し、ステップＳ１３に留まって待機する。
【００７５】
次に、ステップＳ１４では、出口バルブ４２を開作動する。これにより、各チューブ３４内の圧力が瞬時に開放され、これら各チューブ３４内の急速減圧が行われ、蒸煮爆砕によって微粉化されたバイオマス燃料が出口バルブ４２から噴出して生成され、爆砕制御を終了する。
【００７６】
次に、ステップＳ１５では、第１実施形態の場合と同様に、分離ユニット５０による分離工程が行われる。分離工程において、制御ユニット４８は、分離ユニット５０を起動するとともに、開閉バルブ５６を開作動する。これにより、生成された微粉化バイオマスから分離ユニット５０で分離した水蒸気の少なくとも一部（例えば約５０％程度）が第１循環路５２を介してチューブ３４の入口側に戻される。
【００７７】
また、制御ユニット４８は、分離ユニット５０及びスクリューコンベア６０を起動する。これにより、生成された微粉化バイオマスから分離ユニット５０で分離した固体残渣の少なくとも一部（好ましくは約９０％〜１００％程度）が第２循環路５４を介して各チューブ３４の入口側であるフィーダ３８に戻される。
【００７８】
蒸煮爆砕装置１３０で微粉化バイオマスを順次生成する際、次の爆砕処理まで待機時間がある場合には、保温ユニット６２で保温することにより分離ユニット５０で分離した水蒸気の凝縮が抑制される。なお、本実施形態の分離ユニット５０及び分離工程において、前述した内容の例外となる構成は、第１実施形態の場合と同様に許容される。そして、分離工程を経た微粉化バイオマス燃料は、押込みファン１１により導入される燃焼用空気とともにバーナー部２ｅを経て石炭焚きボイラ２の火炉２ａに投入され、ミル２０により粉砕処理された微粉炭燃料とともに燃焼される。
【００７９】
以上のように本実施形態の蒸煮爆砕装置１３０では、第１実施形態の場合と同様に、チューブ３４内にて湿潤状態のバイオマスＢを密閉して加熱し、バイオマスＢの含有水分でバイオマスＢを水蒸気爆砕して水分の少ない高熱量の微粉化バイオマスを生成することができる。従って、従来の水蒸気爆砕に比して大幅に少ないエネルギでバイオマスＢを微粉化することができ、蒸煮爆砕装置１３０ひいてはボイラ装置１におけるエネルギ消費及び設備コストを全体として大幅に削減し、蒸煮爆砕装置１３０ひいてはボイラ装置１の運転コストを低減することができる。
【００８０】
さらに、本実施形態の蒸煮爆砕装置１３０は、第１実施形態の場合と同様に、分離ユニット５０、第１及び第２循環路５２、５４を備えることから、バイオマスを少ないエネルギで効率的に微粉砕して燃料として高品質の微粉化バイオマスを高い収率で生成することができる。また、第１循環路５２に保温ユニット６２を設けたことにより、分離ユニット５０で分離した水蒸気の凝縮が抑制され、熱量廃棄に伴うエネルギーロスをさらに低減することができる。
【００８１】
また、特に本実施形態の蒸煮爆砕装置１３０は、入口及び出口バルブ４０、４２は１個で良いため、第１実施形態の場合に比して、入口及び出口バルブ４０、４２の個数を大幅に削減することができ、爆砕制御の制御システムも簡素化される。従って、蒸煮爆砕装置１３０は、その全体構成を大幅に簡素化することができるため、蒸煮爆砕装置１３０ひいてはボイラ装置１におけるエネルギ消費及び設備コストをさらに削減し、これらの運転コストをさらに低減することができる。
【００８２】
また、本実施形態では、上述した爆砕制御を実行し、入口及び出口バルブ４０、４２の開閉により、フィーダ３８から２４本のチューブ３４内に一括してバイオマスＢを供給し、微粉化バイオマスを生成する。しかも、各チューブ３４の上傾斜管部３４ａ、及び下傾斜管部３４ｂにもバイオマスＢを充填して蒸煮爆砕を行うことができる。これにより、石炭焚きボイラ２で生成された蒸気を利用しながら、微粉化バイオマスを一度に大量に生成することができ、蒸煮爆砕装置１３０の爆砕能力を大幅に高めることができる。
【００８３】
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る蒸煮爆砕システムは、ボイラ装置１に設けられ、蒸煮爆砕装置３０又は１３０を複数備えている。以下、第２実施形態の蒸煮爆砕装置１３０を複数備える場合を代表して説明し、第２実施形態と同様の構成は図面及び明細書中に同符号を付して説明を省略することがある。
【００８４】
図７は、複数の蒸煮爆砕装置１３０のうちの一部をなす装置１３０Ａ、１３０Ｂを図示した蒸煮爆砕システム２００を示す。装置１３０Ａの第１循環路５２は、隣り合う装置１３０Ｂの分岐配管４４に接続されている。一方、装置１３０Ａ、１３０Ｂの第２循環路５４は、それぞれ装置１３０Ａ、１３０Ｂの各フィーダ３８の上方まで延設される。なお、図７、及び後述する図８においては、制御ユニット４８の図示を省略している。
【００８５】
装置１３０Ａの分離ユニット５０で分離した水蒸気は、異なる装置１３０Ｂの各チューブ３４の入口側に戻され、装置１３０Ａの爆砕処理後に発生した水分由来の水蒸気を装置１３０Ｂの爆砕処理に利用することができる。従って、蒸煮爆砕システム２００の装置外に放出される水蒸気を低減することができるため、熱量廃棄に伴うエネルギーロスを低減することができる。
【００８６】
また、装置１３０Ａ、１３０Ｂにおいて微粉化バイオマスを順次段階的に生成することにより、装置１３０Ａと装置１３０Ａとの爆砕処理の間に待機時間を極力短くすることができる。これにより、保温ユニット６２を設けなくとも、リサイクルする水蒸気の性状を維持することができるため、設備コストを低減しながら熱量廃棄に伴うエネルギーロスを削減することができる。
【００８７】
さらに、図８に示すように、蒸煮爆砕システム２００において、分離ユニット５０を複数の蒸煮爆砕装置１３０で共用しても良い。例えば、蒸煮爆砕システム２００が装置１３０Ａ、１３０Ｂから構成される場合、分離ユニット５０は１つだけ設けられ、第１循環路５２は、装置１３０Ａ、１３０Ｂの各分岐配管４４に向けて分岐して接続される。
【００８８】
また、第２循環路５４は、装置１３０Ａ、１３０Ｂの各フィーダ３８の上方に向けて分岐して延設される。分岐した第２循環路５４の各フィーダ３８の近傍には、それぞれ開閉バルブ５８が介装されている。開閉バルブ５８の駆動部は、制御ユニット４８に電気的に接続されている。制御ユニット４８は、爆砕制御におけるステップＳ５の分離工程において、分離ユニット５０及びスクリューコンベア６０を起動するとともに、何れかの開閉バルブ５８を開作動する。
【００８９】
これにより、生成された微粉化バイオマスから分離ユニット５０で分離した固体残渣の一部が第２循環路５４を介して選択されたフィーダ３８に戻される。このような図８の形態の場合には、蒸煮爆砕システム２００の分離ユニット５０の数を減らすことができるため、設備コストを低減しながらコンパクトな蒸煮爆砕システム２００を実現することができる。
【００９０】
以上で本発明の各実施形態についての説明を終えるが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、蒸煮爆砕装置３０、１３０は、分離ユニット５０と第１循環路５２とを備えていれば、第２循環路５４を備えていなくとも良い。バイオマスＢの性状や、蒸煮爆砕装置３０、１３０の爆砕能力によっては、固体残渣の量が少ない場合もあり得るからである。
【００９１】
また、例えば、図９に示すように、蒸煮爆砕装置３０（蒸煮爆砕装置１３０でも良い）は、チューブ３４内に生成された微粉化バイオマスを受け入れる受入タンク６４を備えても良い。この場合には、蒸煮爆砕装置３０において分離ユニット５０を経た微粉化バイオマスを火炉２ａに直接投入して燃焼するのではなく、受入タンク６４で一旦保管することができる。これにより、蒸煮爆砕装置３０及びボイラ装置１の運転の自由度をさらに高めることができる。
【００９２】
また、上記各実施形態では、ボイラ装置１が備える蒸煮爆砕装置３０、１３０で蒸煮爆砕を行うことで、バイオマスＢの含水量で微粉化バイオマスを生成する場合について説明した。この場合には、石炭焚きボイラ２で生じている高温の蒸気のうちの再熱蒸気（高圧タービン２２を回転させた後に再熱器２ｃに戻る蒸気）の一部をチューブ３４の加熱源として利用している。
【００９３】
これにより、新たな電力消費を要さずに、少ないエネルギでバイオマスＢを微粉化することができる。しかし、これに限らず、上記加熱源として、中・低圧タービン２５の仕事に供された後の蒸気を利用しても良いし、石炭焚きボイラ２で発生する水蒸気を直接利用しても良いし、石炭焚きボイラ２で発生する排ガスで蒸気を追い焚きして利用しても良い。
【００９４】
また、ボイラ装置１以外の他の装置や設備に、蒸煮爆砕装置３０、１３０の態様をなす微粉化バイオマス製造装置を設け、蒸気以外の加熱源を利用してチューブ３４を加熱して微粉化バイオマスを生成しても良い。
また、本発明で微粉化可能なバイオマスは、水分を含む潤湿バイオマスであれば良く、木質系に限らず草木系を含む未利用バイオマスであっても良いし、廃棄物系バイオマスであっても良い。
【符号の説明】
【００９５】
３０、１３０  蒸煮爆砕装置
３２  シェル
３４  チューブ
４０  入口バルブ
４２  出口バルブ
４８  制御ユニット
５０  分離ユニット
５２  第１循環路
５４  第２循環路
６２  保温ユニット
２００  蒸煮爆砕システム
【図１】
2019209282.tif 000003
【図２】
2019209282.tif 000004
【図３】
2019209282.tif 000005
【図４】
2019209282.tif 000006
【図５】
2019209282.tif 000007
【図６】
2019209282.tif 000008
【図７】
2019209282.tif 000009
【図８】
2019209282.tif 000010
【図９】
2019209282.tif 000011