(57)【要約】【課題】バイオマスを燃料としたガス化炉や燃焼炉において生じやすい、スラッギングを抑制することを課題とする。また、バイオマスをより無駄を少なく有効活用できる方法およびシステムを提供することを課題とする。【解決手段】バイオマスに含まれる灰分を搾汁処理などによって低減させ、灰分低減バイオマスを燃料または原料としてバイオマス変換設備に供給すると共に、搾汁処理などによってバイオマスから分離された灰分をバイオマスの育成成分として還元する。また、上記のバイオマスの利用方法を実施する上で好適なバイオマス利用システムの形態として、バイオマス利用システムは、バイオマスに含まれる灰分を分離する灰分低減処理装置と、灰分低減バイオマスを供給してガス化するガス化炉と、ガス化炉でガス化したガスを精製するガス精製装置とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスに含まれる灰分を低減させ、灰分低減バイオマスを燃料または原料として利用すると共に、前記バイオマスから分離された灰分をバイオマスの育成成分として用いる、バイオマス利用方法。
【請求項２】
バイオマスを固液接触処理し、固液接触処理したバイオマスを搾汁処理し、灰分を含む搾汁と灰分低減バイオマスとに分離し、前記灰分低減バイオマスを燃料または原料として利用すると共に、前記搾汁をバイオマス育成溶液として用いる、バイオマス利用方法。
【請求項３】
バイオマスに含まれる灰分を分離する灰分低減処理装置と、灰分低減バイオマスを供給してガス化するガス化炉と、ガス化炉でガス化したガスを精製するガス精製装置とを備えるバイオマス利用システム。
【請求項４】
前記ガス生成装置で精製されたガスを供給してアルコールを合成するアルコール合成装置を備える、請求項４に記載のバイオマス利用システム。
【請求項５】
バイオマスに含まれる灰分を分離する灰分低減処理装置と、灰分低減バイオマスを供給して燃焼する燃焼炉を備えるバイオマス利用システム。
【請求項６】
前記灰分低減処理装置が、バイオマスを固液接触処理する固液接触処理手段と、固液接触処理後のバイオマスを搾汁処理し、バイオマスから搾汁を分離するバイオマス搾汁手段とを備える、請求項４または５のいずれか一項に記載のバイオマス利用システム。
【請求項７】
前記固液接触処理手段が、バイオマスを温水に浸漬する手段またはバイオマスに水蒸気を接触させる手段であり、
バイオマス利用システムから回収される熱を用いて、前記固液接触手段に供給される温水または水蒸気を得る加熱装置を備える、請求項６に記載のバイオマス利用システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオマスの利用方法および当該方法に好適なシステムに関し、詳しくは、バイオマスをより効率的に利用する方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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（例えば農業生産物又は副産物、木材、植物等）をいい、太陽エネルギー、空気、水、土壌等の作用により生成されるので、無限に再生可能である。
【０００３】
上記バイオマスを利用することで燃料及びメタノール等の製造が可能となる。また、廃棄物としてのバイオマスを処理できるので、環境の浄化にも役立つと共に、新規に生産されるバイオマスも光合成によりＣＯ２の固定により生育されるので、大気のＣＯ２を増加させない。
【０００４】
より具体的には、バイオマスを利用して、燃焼炉でエネルギーを得るシステムや、ガス化炉などに供給して燃料を得るシステムなどについては種々の開発が進められている。例えば、バイオマスをガス化炉でガス化し、ガス化炉から得られるガスを精製し、これを改質してメタノールなどの燃料を得るシステムなどがある（例えば、特許文献１、２、非特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２４０８７７号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４０８７８号公報
【非特許文献１】
バイオマスが拓く２１世紀エネルギー、坂井正康、森北出版
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなバイオマス利用システムは、従来石炭の燃焼炉、ガス化炉といった設備を援用している場合が多い。しかし、元来石炭を燃料とする場合に適した仕様となっているものをそのままバイオマスに適用することは適当ではない。すなわち、バイオマスを利用することによって、種々の優れたメリットが得られるものの、バイオマスに起因する特有の問題が生じる場合があるからである。
【０００７】
本発明者らは、バイオマスを燃料として燃焼炉、ガス化炉に投入すると、石炭を燃料とする場合に比べてスラッギングの発生が多いことを見いだした。反応残留物が炉やその下流の設備内に付着するスラッギングは、伝熱効率の低下、ひいては運転効率の低下、メンテナンス労力の増大、設備の耐久年数低下などさまざまな問題を引き起こす原因となる。
【０００８】
本発明は、上記のような状況に鑑み、バイオマスを燃料としたガス化炉や燃焼炉において生じやすい、スラッギングを抑制することを課題とする。また、本発明は、バイオマスをより無駄を少なく有効活用できる方法およびシステムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意研究の結果、石炭などと比較してバイオマス中にはＮａ、Ｋなど灰分が多く含まれており、これらの成分がガス化炉、燃焼炉などのバイオマス変換設備においてスラッギングの大きな原因となっているということを突きとめた。さらに、本発明者らは、バイオマスをバイオマス変換設備に供給する前に灰分を分離する前処理を行うことにより、バイオマス変換設備でのスラッギングを抑制することができると共に、灰分をバイオマスの生産に還元するという循環系を考案し、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は次の通りである。
【００１０】
〔１〕本発明は、バイオマスに含まれる灰分を低減させ、灰分低減バイオマスを燃料または原料として利用すると共に、前記バイオマスから分離された灰分をバイオマスの育成成分として用いる、バイオマス利用方法を提供する。
また、本発明は、バイオマスを固液接触処理し、固液接触処理したバイオマスを搾汁処理し、搾汁と灰分低減バイオマスとに分離し、前記灰分低減バイオマスを燃料または原料として利用すると共に、前記搾汁をバイオマス育成溶液として用いる、バイオマス利用方法を提供する。
【００１１】
〔２〕本発明は、バイオマスに含まれる灰分を分離する灰分低減処理装置と、灰分低減バイオマスを供給してガス化するガス化炉と、ガス化炉でガス化したガスを精製するガス精製装置とを備えるバイオマス利用システムを提供する。
本発明のバイオマス利用システムの好ましい実施形態例としては、前記ガス生成装置で精製されたガスを供給してアルコールを合成するアルコール合成装置を備える。
また、本発明は、バイオマスに含まれる灰分を分離する灰分低減処理装置と、灰分低減バイオマスを供給して燃焼する燃焼炉を備えるバイオマス利用システムを提供する。
本発明のバイオマス利用システムにおける好ましい実施形態例としては、前記灰分低減処理装置が、バイオマスを固液接触処理する固液接触処理手段と、固液接触処理後のバイオマスを搾汁処理し、バイオマスから搾汁を分離するバイオマス搾汁手段とを備える。
また、本発明のバイオマス利用システムにおける好ましい実施形態例としては、前記固液接触処理手段が、バイオマスを温水に浸漬する手段またはバイオマスに水蒸気を接触させる手段であり、バイオマス利用システムから回収される熱を用いて、前記固液接触手段に供給される温水または水蒸気を得る加熱装置を備える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を含む循環系について図１と共に説明する。バイオマスの生産Ｓ１でバイオマスが生産される。バイオマスの灰分低減処理Ｓ２においては、バイオマスから灰分を分離し、燃料となるバイオマスの灰分を低減させた灰分低減バイオマスを得る。得られた灰分低減バイオマスは、ガス化炉、燃焼炉などのバイオマス変換設備へと供給され、ガス化・燃焼用の燃料となる（Ｓ３）。他方、灰分はバイオマスの生産Ｓ１へと還元される。
【００１３】
本明細書において、灰分とは、加熱・燃焼した後残留する無機物質等であり、加熱・燃焼炉においてスラッギングの原因となる物質群をいう。灰分として具体的には、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などが例示される。
【００１４】
本発明のバイオマス利用方法は、バイオマスに含まれる灰分を低減させ、灰分低減バイオマスを燃料または原料としてバイオマス変換設備に供給すると共に、前記バイオマスから分離された灰分をバイオマスの育成成分として用いるものである。灰分低減バイオマスを変換設備へ供給することにより、燃焼炉やガス化炉にスラッギングが生じるのを抑制することができる。
【００１５】
また、バイオマスから回収された灰分は、植物等の育成に必要となり得る微量成分を含有しており、灰分をバイオマスの育成成分としてバイオマス生産に還元することにより、より無駄の少ないバイオマスの効率的利用が達成される。
【００１６】
灰分に含まれる各種成分は、燃焼炉やガス化炉でバイオマスを加熱等した後に生じる燃焼灰、スラッジ等として回収することも考えられるが、燃焼灰などの形態は化学的に安定な状態を形成しており、そのまま土壌に戻しても植物等の生育に再利用されいくい。しかし、本発明のバイオマス利用方法のように、炉における加熱等の処理前に搾汁等の形態で回収された灰分は、土壌に還元された場合に植物等の生育に利用されやすく、灰分の土壌還元がより円滑に進行する。
【００１７】
本明細書において、バイオマスとは生物資源のことをいう。本発明においては、燃焼、ガス化などの手法においてエネルギーまたは工業材料などに変換可能な生物由来有機物をバイオマスとして燃料または原料等に用いることができる。バイオマスとしては、例えば農業生産物又は副産物、木材、植物等が例示される。バイオマスの変換目的などにもよるが、燃料または原料の供給面という観点からは、大量入手が容易なものや、生育・成長速度が速いものなど、燃料または原料としての供給が安定しているものが好ましい。草本類・木本類の植物性バイオマスの一例を示すと、トウモロコシ類、イネ類、スイートソルガムなどのサトウキビ類、ネピアグラスなどの牧草類、木材類などが例示される。
【００１８】
本発明のバイオマス利用方法における灰分の分離は、例えばバイオマスを搾汁処理し、搾汁と残渣とを分離することにより行うことができる。搾汁側に灰分が多く含まれるため、搾汁中に含まれるＮａ、Ｋなどの灰分の量だけ、残渣として残ったバイオマス中から灰分が取り除かれる。したがって、搾汁処理後に残る残渣は灰分低減バイオマスとすることができ、搾汁はバイオマスの育成溶液とすることができる。搾汁処理は、植物などの有機体を搾汁することができる一般的な搾汁機を用いてよい。搾汁処理の条件は、バイオマスの種類により適宜調整される。分離された灰分は、さらに特定の成分について精製して用いてもよい。
【００１９】
灰分の分離のより好ましい形態としては、搾汁する前にバイオマスを固液接触させてから、搾汁処理を行う形態が挙げられる。固液接触は、好ましくはバイオマスを温水に浸漬する、あるいは、バイオマスを水蒸気に接触させるなどの方法を採ることができる。温水の場合の水温は６０〜８０℃が好適であり、水蒸気の場合には１００℃から３００℃が好適である。本形態の場合、バイオマスに接触させた液体にも灰分が含まれる場合があり、この場合にはバイオマスに接触させた液体も灰分を含む育成溶液として用いてもよい。
【００２０】
本発明を含む循環系についてより具体的に図２と共に説明する。
図２は、メタノールの製造と燃焼による消費をバイオマス５１のエネルギー循環に組み込んだ系を示す。植物は大気から二酸化炭素を、土から水分を吸収し、光合成によって植物体（バイオマス５１）を創り出す。植物は光合成の過程で酸素を大気に放出する。バイオマス５１は、工業的にアルコール転換される。炉内で燃焼またはガス化させる際にスラッギングを抑制するため、バイオマスの灰分８１が分離される。灰分８１中には植物等の生育に必要となるＮａ、Ｋなどの微量成分が含まれており、これらの微量成分は土壌に還元され、バイオマス５１の生産に利用される。他方、合成されたメタノールは工場６２やメタノール燃料自動車７１などにより燃料として利用される。
【００２１】
バイオマス５１をガス化させて転換利用したメタノール製造の場合、３ＣＨ３ＯにＨ２Ｏを加え、外部から熱を供給して２ＣＨ３ＯＨが製造され、ＣＯ２が大気に放出される。得られたメタノールは燃料として利用できる。また、メタノールは、大気中のＯ２を消費した燃焼反応により、ＣＯ２とＨ２Ｏに分解され、ＣＯ２とＨ２Ｏとが大気中に放出される。Ｈ２Ｏは雨水となって大地に戻り、ＣＯ２はバイオマス５１の光合成に利用される。
【００２２】
上記のように、本発明のバイオマス利用方法は、生態系における二酸化炭素、酸素、水、エネルギーなどの循環系の中に組み込まれて、バイオマスを工業生産や燃料の消費などの形態で利用すると共に、工業生産や燃料の消費の過程で生じる物質をバイオマスの生育に効率よく還元させる系を成立させる一構成となる。
【００２３】
また植物の農業的生産においては、通常肥料が用いられる。Ｋは、植物に必要な主要成分の一つであり、Ｎａも微量要素として要求される成分である。本発明のバイオマス利用サイクルでは、バイオマスの生産により土壌から減ったＫ、Ｎａなど植物の生育に利用される成分を、植物が吸収しやすい状態で土壌に還元されるため、バイオマスを農業的に生産する場合に用いられる肥料の量を低減することにも寄与する。
【００２４】
このように、本発明のバイオマス利用方法は、工業的、農業的な生産およびエネルギーや製品の消費と、自然界とのバランスを保つことにも寄与するものである。
【００２５】
本発明のバイオマス利用システムは、上記の本発明のバイオマス利用方法を適用し、バイオマスをガス化して燃料を得るシステムである。本発明のバイオマス利用システムは、バイオマスに含まれる灰分を分離する灰分低減処理装置と、灰分低減バイオマスを供給してガス化するガス化炉と、ガス化炉でガス化したガスを精製するガス精製装置とを備える。以下、本発明のより具体的な実施形態の一例について図３に沿いつつ説明する。
【００２６】
図３に示すように、本実施例のシステムにおいては、前処理の施されたバイオマスがバイオマスガス化炉３４に供給されてガス化され、得られたガスをメタノール合成装置４１を用いてメタノールに改質している。
【００２７】
図３に示すように、バイオマスガス化炉３４の上流には、バイオマス５１と温水などの液体とを接触させる固液接触手段２１と、固液接触処理したバイオマス５１を搾汁処理し、搾汁５３と残渣である灰分低減バイオマス５２とを分離する搾汁手段２２と、搾汁手段で分離された灰分低減バイオマス５２を乾燥する乾燥手段３１と、乾燥された灰分低減バイオマス５２を粉砕する粉砕手段３２とを具備する。ガス化炉３４にはさらにガス化炉３４内にガス化剤を供給するガス化剤供給手段３３が設けられている。
【００２８】
ガス化炉３４内は不図示のバーナーが備えられており、バイオマスがガス化炉３４内で加熱され、ガス化剤の作用と相まってバイオマスのガス化が進行する。ガス化炉３４の下流には、ガス化炉３４でガス化した生成ガス中の粉塵を除去するサイクロンなどの分離手段（不図示）を介した後、除塵されたガスを冷却し余剰熱を回収する熱回収器３５と、冷却されたガスを精製するガス精製装置３６と、精製後のガスを用いてメタノールを合成するメタノール合成装置４１と、メタノール合成装置４１で合成されたメタノール含有ガスを排ガスとメタノールとに分離する蒸留装置４２を備える。なお、メタノール合成せずに、生成ガスをそのまま利用してもよい。
【００２９】
また、図３に示すシステムにおいては、熱回収器３５から熱回収してなる水蒸気を固液接触手段２１に給送するように配管されている。
【００３０】
バイオマス５１を固液接触処理する固液接触処理手段２１は、例えば、温浴装置または蒸気接触装置などであり、バイオマス５１を搾汁前に温水または水蒸気などに接触させることにより、搾汁処理を行う装置の負荷を低減し、効率よく搾汁処理を行うことができる。また、バイオマス５１を搾汁前に温水または水蒸気などに接触させることにより、液体中に灰分を回収することも可能な場合がある。
【００３１】
図３に示す例では、固液接触手段２１で用いられる温水または水蒸気は、熱回収手段３５から供給される。すなわち、バイオマスガス化炉３４から得られる生成ガスを冷却し熱を回収する熱回収手段３５で余剰熱を回収し、これを固液接触手段２１で用いる温水または水蒸気を得るために利用する系が構築されており、本実施形態例では熱エネルギーの有効利用がなされる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、バイオマスを燃料とするガス化炉、燃焼炉などのバイオマス変換設備におけるスラッギングの問題を抑制することができると共に、バイオマス変換設備に供給するのは不都合な成分をバイオマスの生産に再利用することができ、バイオマスの利用が効率的に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバイオマス利用方法を示す図である。
【図２】本発明のバイオマス利用方法を適用したバイオマス・アルコール燃料の自然界無限循環を示す図である。
【図３】本発明のバイオマス利用システムの実施形態の一例を示す図である。
【符号の説明】
２１  固液接触手段
２２  搾汁手段
３１  乾燥手段
３２  粉砕手段
３３  ガス化剤供給手段
３４  バイオマスガス化炉
３５  熱回収器
３６  ガス精製装置
４１  メタノール合成装置
４２  蒸留装置
５１  バイオマス
５２  灰分低減バイオマス（残渣）
５３  搾汁
６１  アルコール合成工場
６２  工場
７１  車
８１  灰分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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