(57)【要約】  【課題】有機物の熱化学的変換時に発生する炭化水素を主成分とする物質の捕捉材として安価で、容易に製造できるものを提供する。  【解決手段】食品２の炭素分が全体の５０重量％以下となるまで７００℃以上の水蒸気雰囲気で保持した後の残留物を主成分とする捕捉材３でありことから、容易に製造ができ、安価となり、地球環境への貢献が可能で、メンテナンスが容易となりランニングコストが低減できことから、バイオマス、プラスチック、石炭などの有機物固体、有機汚泥、石油、廃油などの有機液体等の熱化学的変換による燃料ガス生成時のタール捕捉材として適用できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを燃焼させた残留物を主成分とする揮発成分を捕捉する捕捉材。
【請求項２】
前記残留物は、炭素分が全体の５０重量％以下である請求項１に記載の捕捉材。
【請求項３】
バイオマスが主成分である原料を水蒸気雰囲気で所定温度まで昇温させ、このときに発生した揮発成分を捕捉する捕捉材の製造方法。
【請求項４】
水蒸気雰囲気の所定温度で一定時間保持する請求項３に記載の捕捉材の製造方法。
【請求項５】
所定温度は７００℃以上である請求項４に記載の捕捉材の製造方法。
【請求項６】
所定温度は１０００℃以下である請求項４に記載の捕捉材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有機物を熱分解やガス化した場合に発生するタール等を捕捉する捕捉材とその捕捉材の製造方法と、その捕捉材の捕捉量の評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、廃プラスチック、汚泥、シュレッダダスト又は都市ゴミ等の廃棄物、或いは、石炭等の固体又は半固体燃料等の有機物を熱分解炉やガス化炉に導入した場合に発生するタール物質は、配管部分に付着し、配管閉塞等のタールトラブルの原因となる。そこで、シリカやアルミナからなる多孔質材料を用いてタールを吸着し、タールトラブルを回避している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この従来のタール捕捉材において、アルミナのシリカ成分含有量が低いと、シリカ成分が溶解しないため空洞ができず、さらに比表面積が増加しないために吸着容量が少なく、ヒュームおよびタール状物質等を吸着採取または除去に適さない。
【０００４】
逆に、シリカ含有量が高いと、シリカ成分が溶解して空洞ができるが、溶解したシリカが再付着するため吸着容量がそれほど増加せず、ヒュームおよびタール状物質等の吸着採取または除去に適さない。このため、アルミナのシリカ含有量は、５〜６０重量％，好ましくは１０〜５０重量％の範囲が望ましい。シリカ含有量をこの範囲内に保つことにより、シリカ成分が溶解して空洞ができるとともに、溶解したシリカが再付着することがない。
【０００５】
この結果、比表面積が増加するとともに、吸着容量が多くなり、ヒュームおよびタール状物質等の吸着採取または除去に好適である。
【０００６】
そして、前記アルミナの形状としては、とくに制限がないが、繊維状で用いると、つぎのアルカリ処理（アルカリ溶液に浸漬する処理）の際に、粉末のものより取扱いが便利で、またフィルター等の成形品にも加工しやすい。さらに、バグフィルターに吹込んだ場合にも圧損が低く、目詰まりもしにくくすることができる。この繊維状のアルミナの場合、繊維径が０．５μｍ以下のときは、アルカリ処理による耐久性の問題から繊維形状が保てない。逆に、３０μｍ以上であれば、比表面積を稼げないため吸着容量が少なくなる。
【０００７】
そのため、繊維状アルミナの繊維径は、０．５〜３０μｍ，好ましくは１〜２０μｍの範囲が望ましい。この範囲内に保つことにより、吸着容量を多くすることができ、ヒュームおよびタール状物質等の吸着採取または除去に好適である。
【０００８】
次に、アルカリ溶液中で浸漬すること，すなわちアルカリ処理について説明する。ここで用いるアルカリとしては、水溶液にしたときの溶解度が高く、さらに反応速度が早くなるようなアルカリが好ましく、たとえばアルカリ金属の水酸化物が好ましい。逆に、アルカリ土類金属の水酸化物は、シリカを含有するアルミナから溶解したケイ素と結合し、アルミナの表面にスケールを生成するため、アルカリ処理が阻害され好ましくない。また、このアルカリが低濃度の場合は、アルカリ処理に長時間（２０時間以上）かかるため、このアルカリとしてアルカリ金属の水酸化物を用いた場合は、０．５ｍｏｌ／リットル以上のアルカリを用いることが好ましく、さらに好ましくは１ｍｏｌ／リットル以上である。さらに、アルカリ処理中の温度が高温の場合は、シリカの溶出量が多く、また溶出したシリカが、気液界面周辺で濃縮しやすく、アルミナ表面にスケールを生成しやすいため９０℃以下が好ましく、さらに好ましくは８０℃以下である。
【０００９】
さらに、前記アルカリ処理が終了したシリカを含有するアルミナを金属塩中に浸漬することで、吸着容量の多いアルミナにすることができる。ここで用いる金属塩としては、前記アルカリ処理でできた生成物を破壊しないものが好ましく、水溶液の性質としてアルカリ性または中性の塩が好ましい。たとえば、硝酸銀、塩化カルシウム等である。
【００１０】
そして、アルカリ処理の終了したシリカを含有するアルミナをバインダで粒状にしたものは、焼却炉、自動車等の排ガス中のダイオキシン類を含有するヒュームおよびタール状物質等を採取することができる。また、平膜状または円筒状に成形したものは、ダイオキシン類を含有するヒュームおよびタール状物質等の採取フィルターとして、大流量および高濃度のダイオキシン類も採取することができる。さらに、粉体状にしたものは、バグフィルターへ吹込み用のダイオキシン類の除去材として用いることができ、このダイオキシン類の除去材は、吹込み量が少量になり、結果として、発生する飛灰量を抑えることができる。
【特許文献１】特開２００２−４５６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の技術では、別途、シリカやアルミナといった材料を調達して合成し、アルカリ処理を行う必要が有り、非常に面倒である。
【００１２】
このことから、簡易に製造でき材料が望まれている。
【００１３】
また、食品廃棄物は堆肥化して利用する動きが活発化しているが、その堆肥の受け入れ先が少ないことや、堆肥とする機器のユーザーのメリットが少ない、つまり、イニシャルコスト及びランニングコストに対して生成する生成物（堆肥）の価値が低いため、採算が採れず、あまり普及していないのが現状である。
【００１４】
このようなことから、最近では食品廃棄物を含む廃棄物から燃料ガスを生成し、発電用の燃料として利用することで、生成物として価値が高く、利用し易い燃料ガスを生成する動きがある。しかし、その燃料ガスを生成した後の残留物の利用に関しては明確な手だてが無く、埋め立て廃棄されており、有効的な利用法が望まれている。
【００１５】
更に、上記のように食品廃棄物から燃料ガスを得る場合にもタールが発生するが、これに従来の材料を利用した場合は、定期的に材料を交換する必要が生じ、この手間とコストを少しでも低減することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため本発明は、食品の炭素分が全体の５０重量％以下となるまで７００℃以上の水蒸気雰囲気で保持した後の残留物を主成分とする揮発成分を捕捉する捕捉材である。
【００１７】
このことから、簡単に製造ができると共に、食品廃棄物の燃料ガス生成後の残留物を利用でき、食品廃棄物の燃料ガス生成時のタール捕捉用として利用する場合は、定期的な材料交換や追加の頻度が低減できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の加熱方法によれば、低コストで製造ができるため安価な材料を提供できると共に、食品廃棄物から燃料ガスを得る場合の副産物である残留物をリサイクル利用できるので、更に安価となり、地球環境にも貢献できる。また、食品廃棄物の燃料ガス生成時のタール捕捉用として利用する場合は、メンテナンスが容易となりランニングコストが低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
請求項１に記載の発明は、食品を燃焼させた残留物を主成分とする補足材である。
【００２０】
これによって得られる補足材は、アルカリ系金属類や無機物が多く含まれるため、タールや炭化水素等の揮発成分を付着し、分解し易くするため、食品廃棄物等の燃料ガス生成後の残留物を利用でき、食品廃棄物の燃料ガス生成時のタール捕捉用として利用する場合は、定期的な材料交換や追加の頻度が低減できるため、安価となり、地球環境にも貢献できる。また、食品廃棄物の燃料ガス生成時のタール捕捉用として利用する場合は、メンテナンスが容易となりランニングコストが低減できる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の残留物において、食品の炭素分を全体の５０重量％以下としたものである。
【００２２】
これによって補足材は、食品中に含まれるアルカリ系金属類や無機物が表面で露出する量が多くなり、よりタールや炭化水素等の揮発成分を付着し、分解し易くするため、少量で捕捉効果が期待でき、請求項１の作用、効果に加えて、更に安価となる。
【００２３】
請求項３に記載の発明は、食品が主成分である原料を水蒸気雰囲気で所定温度まで昇温させる補足材の製造法である。
【００２４】
このようにすれば、水蒸気によりタールや炭化水素の抽出を容易とするため、残留物の有機成分の揮発抽出量を増加でき、その結果、この揮発時にできる細孔が増加して揮発成分との接触面積が増加し、揮発成分を多く付着でき、捕捉効果が期待できる捕捉材を容易に低コストで製造することができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の方法において、原料を所定温度で一定時間保持するものである。
【００２６】
これによって、多量の原料から捕捉材を製造する場合に、表面温度は所定温度に達しているが、内部が所定温度となるまでには熱伝導の関係で遅れる。しかし、一定時間保持することで、表面だけではなく内部まで所定温度となるようにすることで、内部からの揮発成分の揮発も行われ、内部にまで細孔ができ、比表面積が増加し、より捕捉効果が期待できる捕捉材を製造することができる。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の方法において、原料を昇温させる所定温度を７００℃以上としたものである。
【００２８】
これによって、食品の表面が水蒸気で賦活され、つまり、炭素分が水蒸気と反応し、ガス化することにより微細な孔ができ、表面積が更に増加する。その結果、揮発成分との接触面積が増加して、より揮発成分を付着でき、より少量で捕捉効果が期待できる捕捉材を容易に低コストで製造することができる。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の方法において、原料を昇温させる所定温度を１０００℃以下としたものである。
【００３０】
これによって、請求項４に記載の捕捉効果を維持し、食品に含有している無機物の一部が溶融して再結晶化する時に細孔を塞ぐことを防止でき、比表面積低下に伴う捕捉効果低下を防止できる捕捉材を製造できる。
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１における捕捉材を利用した食品の加熱装置の断面図、図２は捕捉材の製造方法のフロー図、図３は捕捉材を食品の熱分解、ガス化に用いた場合の熱重量分析結果のグラフである。
【００３３】
図１において、加熱装置１は内部に食品２と捕捉材３を投入してガス化する装置であり、本体４、加熱手段５、蒸気流入管６、吐出管７、ガス流量計８で構成されている。食品２は動植物性廃棄物、生ゴミや農作物製造加工時に発生する廃棄物や水産加工時に排出される廃棄物等の食品に関わる廃棄物系バイオマスである。捕捉材３は８００℃の水蒸気雰囲気でガス化した後の残留物であり、食品２の上部に位置する。本体４は耐熱性と耐食性を有する材料、例えば、ステンレス３１６、インコネル、ハステロイ、煉瓦、石英等の材料からなる円筒状の容器である。加熱手段５は都市ガスやプロパンガスの燃焼熱を利用して本体４を加熱する燃焼装置、または、カンタルヒーター等の高温度となる加熱手段を用いた方法であるが、本実施の形態では、後者のカンタルヒーターを用いて説明する。
【００３４】
この加熱手段５は管状となっており、管状の管内に本体４の食品２及び蒸気流入管６を加熱するように隣接して設置されている。蒸気流入管６は本体４の下方で食品２より下に本体４との開口部を設けるように設置され、吐出管７は本体４の上方で捕捉材３より上に本体４との開口部を設けるように設置されており、蒸気流入管６及び吐出管７は本体と同様の材料で構成されている。ガス流量計８は、吐出管７に流通する流体の流量を測定できるように吐出管７に設置され、方式としては、混合ガスでも精度よく測定が可能な体積式流量計である。また、図中の矢印は各物質の流れ方向を示している。
【００３５】
図３において、食品２の上に捕捉材３を積層させた容器の雰囲気に水蒸気を流通させて、その雰囲気を２００℃から８００℃まで昇温させた場合の重量変化と、同雰囲気条件で食品２だけの重量変化を測定した結果を示している。ここで、捕捉材３を使用している結果は投入した捕捉材３の初期重量とその重量変化を差し引いているため、食品２の重量変化として比較できる。つまり、捕捉材３で物質を捕捉すると重量変化が少なくなり、捕捉量が少ないと重量変化が大きくなる。
【００３６】
以上のように構成された捕捉材において、利用と製造とを同時に行う場合と、その利用時の効果について、以下その動作、作用を説明する。
【００３７】
食品２の上に捕捉材３が位置するように、図示しない投入口から食品２を本体４に投入した後、捕捉材３を投入する。
【００３８】
そして、加熱手段５を動作させて加熱を開始する。開始により、本体４及び蒸気流入管６が加熱されて温度が上昇する。この上昇過程で、水が完全に蒸発する温度以上で食品２が熱分解を開始しない温度未満、例えば、１５０℃に到達すると同時に、同温度の１５０℃の水蒸気を蒸気流入管６から投入する。同温度とするのは、水蒸気が凝縮しないためである。その後、加熱手段５の温度上昇と共に本体４及び蒸気流入管６の温度が上昇し、内部の食品２及び水蒸気が上昇する。
【００３９】
約３００℃から約７００℃の温度上昇過程において、食品２から炭化水素ガス及びタールが発生し、一部は水蒸気と反応して低分子化しながら上昇して流通し、捕捉材３に流通する。このとき、炭化水素と反応してできた水素や低分子化したメタン、エタン、プロパン等燃料ガスは捕捉材３を通過し、吐出管７から排出され、タールの多くは捕捉材３で捕捉され、捕捉されたタールの一部は熱分解または、それと似た現象によりタール中の炭化水素がメタンやエタン、エチレン、プロパン等の燃料ガスとなって吐出管７から吐出される。吐出管７から排出された燃料ガスは、図示しないが、ガスエンジン、ガスタービン等の発電機の燃料として利用される。
【００４０】
その後、更に温度が上昇し、食品２及び水蒸気が８００℃に到達すると、加熱手段５は８００℃を維持するように発熱量が制御され、一定時間だけ８００℃を維持して運転される。このとき、食品２の残留炭素成分が水蒸気の一部と反応してガス化し、水素と二酸化炭素を主成分とするガスとなって捕捉材３を通過して吐出管７から排出される。また、食品２の残留炭素成分と反応しなかった余剰の水蒸気は捕捉材３に流通するとき、捕捉材３に捕捉されたタールの炭素分と反応して同様に水素と二酸化炭素を主成分とするガスし吐出管７から排出される。これらの排出された水素ガスを主成分とする燃料ガスをガスエンジン、ガスタービン、燃料電池等の燃料に利用して発電する。
【００４１】
その後、吐出管７に設置されているガス流量計８の出力値が一定値以下、つまり、ガス流通が少なくなり、食品２及び捕捉材３の炭素分の多くが水蒸気と反応し、残留炭素が極力低下したのを確認し、加熱手段５を停止する。そして、本体４の下に残留した食品２の残留物を新たな新捕捉材として利用する。また、食品２の上の捕捉材３は再度利用することもできる。
【００４２】
このようにして、タールを捕捉材３で捕捉すると共に、捕捉材３を新たに製造することができる。ここで、捕捉材３の製造過程についてまとめると図３の通りとなり、ＳＴＥＰ１で食品２を１００℃から１５０℃で乾燥し、ＳＴＥＰ２でこの食品２の乾燥物に水蒸気を流通させた状態で８００℃まで加熱し、ＳＴＥＰ３で８００℃の水蒸気を一定時間流通させ、ＳＴＥＰ４で無酸素または極低酸素状態を保ちながら３００℃以下まで冷却する。無酸素状態または極低酸素状態の具体的手段としては、冷却時の減圧による空気流入を防止するために不活性ガスを微量に流通させたり、水蒸気を微量に流入することで行う。その後、ＳＴＥＰ５で３００℃未満の温度となった時点で無酸素状態を維持する手段を停止し常温まで冷却することで製造を行う。
【００４３】
この捕捉材３がタールを捕捉し、その後に水蒸気と反応してガス化する効果としては図３に示した捕捉材３を使用した場合と、使用していない場合との熱重量分析結果から明らかである。捕捉材３を入れていない場合は３００℃から７００℃の間で熱分解ガスやタール発生に伴い重量が減少している。しかし、捕捉材３を使用した場合は未使用に比べて重量減少が少ない。この分だけタールを捕捉していることになる。その後、８００℃手前から８００℃に至る昇温過程で、捕捉材３が無い場合はやや重量が減少し、捕捉材３がある場合はそれと比して大きく減少している。そして、最終的には同じ重量まで減少している。これは、８００℃近辺で水蒸気ガス化反応、つまり、炭素分と水蒸気が反応してガス生成しているためと考えられ、最終的には投入した重量に対して同じ重量％に相当する残留物だけが残留する。この残留物は、初期重量に対して捕捉材３の有無に関わらず同じ重量％で残留すること、更に、初期の食品２の成分分析結果からの、無機物の重量％に相当することから、無機物であると説明できる。また、７００℃までで捕捉材３が捕捉したものがタールであることは、捕捉材３を使用した場合と未使用の場合との７００℃までの重量変化の差分が、８００℃近辺で差に相当することから、炭素を主成分とする物質、つまり、タールであると説明ができる。
【００４４】
以上のことから、簡単に製造ができると共に、食品２の燃料ガス生成後の残留物を利用でき、食品２の燃料ガス生成時のタール捕捉用として利用する場合は、定期的な材料交換や追加の頻度が低減でき、低コストで製造ができるため安価な材料を提供できると共に、食品２が食品廃棄物の場合、熱化学的変換による燃料ガス生成時の残留物をリサイクル利用できるので、更に安価となり、地球環境保全にも貢献できる。また、食品２の燃料ガス生成時のタール捕捉用として利用する場合は、メンテナンスが容易となりランニングコストが低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明の捕捉材とその製造方法は、容易に製造ができ、安価となり、地球環境保全への貢献が可能で、メンテナンスが容易となりランニングコストが低減できことから、バイオマス、プラスチック、石炭などの有機物固体、有機汚泥、石油、廃油などの有機液体等の熱化学的変換による燃料ガス生成時のタール捕捉材として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１における捕捉材を用いた加熱装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態１における捕捉材の製造方法のフロー図
【図３】本発明の実施の形態１における捕捉材を用いた場合の熱重量分析結果の特性図
【符号の説明】
【００４７】
１    加熱装置
２    食品
３    捕捉材
４    本体
５    加熱手段
【図１】
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【図２】
2005270913.tif 000004
【図３】
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