(57)【要約】【課題】バイオマス資源から油分を気化抽出すると共に、油分抽出後の残渣をそのまま連続して炭化できるバイオマス処理方法と処理装置を提供する。【解決手段】処理装置は、ボイラ１０、過熱蒸気を生成するパイプヒータ１１、処理槽２０、蒸留ガスを冷却する冷却器１２、液化した油分等を貯留する油水タンク１４等を有する。処理槽２０内に過熱蒸気を導入して、バイオマス資源から油分を気化させる気化工程と、油分抽出残渣を炭化する炭化工程とを処理槽２０内で連続して行う。バイオマス資源から、炭化物とバイオマスオイルとを同時に得ることができる。【選択図】図１
2012052015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス資源の処理方法であって、
前記バイオマス資源を過熱蒸気により加熱して該バイオマス資源中の油分を気化させる気化工程と、
前記気化工程後のバイオマス残渣を、さらに過熱蒸気により加熱して炭化させる炭化工程とを有し、
前記気化工程と炭化工程とを、１つの処理槽内で連続して行うことを特徴とする、バイオマス資源の処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のバイオマス資源の処理方法であって、
前記気化工程により発生したガスを冷却してバイオマスオイルを得る、バイオマス資源の処理方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のバイオマス資源の処理方法であって、
前記バイオマス資源がヤトロファ種子である、バイオマス資源の処理方法。
【請求項４】
バイオマス資源の処理装置であって、
蒸気を発生させる蒸気発生手段と、蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成手段と、バイオマス資源を処理する処理槽と、該処理槽内で発生したガスを冷却する冷却手段と、これらを互いに連結する連結管とを有し、
前記処理槽内に過熱蒸気を導入して、前記バイオマス資源からの油分気化と、バイオマス資源の炭化とを連続して行うことを特徴とする、バイオマス資源の処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載のバイオマス資源の処理装置であって、
前記処理槽内には撹拌翼が設けられている、バイオマス資源の処理装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載のバイオマス資源の処理装置であって、
前記処理槽と前記冷却手段との間にはフィルタが設けられており、
前記冷却手段の下流には、冷却されて液化した油分と水とを貯留する油水タンクと、冷却後のガスを除害処理する除害手段とが設けられている、バイオマス資源の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス資源から油分を気化抽出すると共に、油分抽出後の残渣（抽出粕）をそのまま連続して炭化できるバイオマス処理方法とその処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、菜種やパーム椰子などのバイオマス資源からバイオマスオイルが採取され、食用・灯火用・化学工業の原料用などとして種々の分野で利用されている。さらに近年では、環境問題等の観点から、これらバイオマスオイルをメチルエステル化したバイオディーゼル燃料（ＢＤＦ）としての利用も注目されている（特許文献１）。これは、化石燃料である石油由来の燃料を燃焼すると、地球温暖化の要因となり得る二酸化炭素が発生するが、バイオマス由来の燃料であれば、成長過程で取り込んでいた二酸化炭素が放出されるだけなので、地球全体の二酸化炭素量は増加しない（カーボンニュートラル）という観点である。また、化石資源は有限であるが、バイオマス資源は生物が存在する限り、無限である。バイオマス資源からバイオマスオイルを採取する方法としては、圧搾や溶剤抽出が一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２００６／０１６４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、圧搾ではバイオマス資源に含有されている油分を充分に搾油することはできず、搾油残渣中には多くの油分が残存するため効率的ではない。一方溶剤抽出では、後処理として脱ガム処理、水洗、蒸留、濾過などを要するため手間がかかるなどの問題がある。
【０００５】
さらに従来では、油採取後の残渣は埋め立てや焼却処理されることが一般的であり、廃棄問題も有していた。堆肥化処理したり家畜用飼料等として有効利用も図られているが、その利用量は一部であり、依然バイオマス残渣の廃棄問題を残している。
【０００６】
また、例えばパーム椰子等では椰子殻が活性炭としても利用される。しかし、圧搾又は溶剤抽出と炭化処理とを別々に行えば、各工程用の装置、場所、コスト等を要するほか、処理時間も長くなり、効率的ではない。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題を解決するものであって、バイオマス資源から油分を気化抽出すると共に、油分抽出後の残渣（抽出粕）をそのまま連続して炭化できるバイオマス処理方法とその処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのための手段として本発明は、バイオマス資源の処理方法であって、前記バイオマス資源を過熱蒸気により加熱して該バイオマス資源中の油分を気化させる気化工程と、前記気化工程後のバイオマス残渣を、さらに過熱蒸気により加熱して炭化させる炭化工程とを有し、前記気化工程と炭化工程とを、１つの処理槽内で連続して行うことを特徴とする。なお、バイオマス資源とは、動物や植物など生物由来の資源を意味する。また、過熱蒸気とは、飽和水蒸気をさらに加熱して、常圧において１００℃を超える温度の水蒸気を意味する。
【０００９】
前記気化工程により発生したガスを冷却すれば、バイオマスオイルとして得られる。前記バイオマス資源としては、例えばヤトロファ種子が好適な資源として挙げられる。
【００１０】
また、上記処理方法を実行するバイオマス資源の処理装置の発明として、次のものも提案することができる。すなわち、蒸気を発生させる蒸気発生手段と、蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成手段と、バイオマス資源を処理する処理槽と、該処理槽内で発生したガスを冷却する冷却手段と、これらを互いに連結する連結管とを有し、前記処理槽内に過熱蒸気を導入して、前記バイオマス資源からの油分気化と、バイオマス資源の炭化とを連続して行うことを特徴とする。
【００１１】
前記処理槽内には、撹拌翼を設けることが好ましい。また、前記処理槽と前記冷却手段との間にフィルタを設けることもできる。また、前記冷却手段の下流には、冷却されて液化した油分と水とを貯留する油水タンクと、冷却後のガスを除害処理する除害手段とを設けることもできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の処理方法及び処理装置によれば、加熱によって油分を気化抽出しているので、バイオマス資源に含有されている油分の殆どを確実に抽出することができる。したがって、油分の利用効率が搾油よりも大幅に向上する。また、基本的には気化したガスを冷却するだけで油分を得ることができるので、溶剤抽出よりも簡便である。過熱蒸気によれば、迅速にバイオマス資源を加熱することができるので、処理時間を短縮できる。また、過熱蒸気を使用すれば、処理槽内はほぼ無酸素状態となる。したがって、バイオマス資源は燃焼することなく、熱分解される。これにより、バイオマス資源をそのまま炭化させることができる。しかも、温度条件によっては賦活された活性炭として得ることもできる。
【００１３】
このように、本発明では過熱蒸気による油分の気化抽出から熱分解による炭化さらには賦活を一系統処理にて連続して行えるので、従来に比べて省スペース且つ短時間で効率良く処理できる。すなわち、一系統処理によって、バイオマスオイルの抽出と炭化物ないし活性炭の製造とを連続して行うことができる。油分抽出後の残渣をそのまま炭化物（活性炭を含む）として有効利用できるので、廃棄物の問題は生じない。本発明によれば、得られた炭化物重量は、処理前の重量の１／５以下となっている。また、過熱蒸気によれば、油分のみならずバイオマス資源中の水分等も蒸発気化するので、被処理物は必然的に乾燥される。したがって、前処理として、バイオマス資源を予め乾燥しておく必要は必ずしもない。
【００１４】
処理槽内に複数の撹拌翼を設けておけば、処理効率が向上し、均一処理と時間短縮を図ることができる。油水タンクへ液化ガスを貯留すれば、比重差によって油分と水とが層状に分かれる。これにより、油分を容易に採取することができる。冷却によって液化しなかった排気ガスを除害手段によって汚染物質や臭気を除去したうえで排気すれば、環境への悪影響を避けることができる。したがって、屋内施設での処理も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】処理装置の模式図である。
【図２】Ｎ−ヘキサンの定性分析結果を示すチャートである。
【図３】ヤトロファ種子油の定性分析結果を示す要部拡大チャートである。
【図４】ヤトロファ種子油の定性分析結果を示す要部拡大チャートである。
【図５】ヤトロファ種子油の定性分析結果を示す要部拡大チャートである。
【図６】ヤトロファ種子油の定性分析結果を示す要部拡大チャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態の一例について説明するが、これに限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。本発明の処理対象であるバイオマス資源としては、油分を含有し、且つ最終的に炭（活性炭を含む）として利用できる資源であれば特に限定されない。例えば、ヤトロファ（ナンヨウアブラギリとも称される）、綿実、大豆、サフラワ、なたね、亜麻、蓖麻、はぜ、オリーブ、胡麻、椿、落花生、パームヤシ、アブラヤシ、ココヤシ、コーヒー及びひまわり等の植物資源を挙げることができる。動物由来の資源でも良い。これらは、１種のみを単独で使用することもできるし、２種以上を混合使用することもできる。また、上記植物資源は、代表的には種子部分が利用されるが、茎、葉、根、殻などを含んでも良い。
【００１７】
図１に示すように、バイオマス資源の処理装置は、蒸気を発生させる蒸気発生手段としてのボイラ１０、蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成手段としてのヒータ１１、バイオマス資源を処理する処理槽２０、該処理槽２０内で発生したガスを冷却する冷却手段としての冷却器１２、処理槽２０と冷却器１２との間に設けられたフィルタ装置１３、冷却されて液化した油分及び水を貯留する油水タンク１４、および冷却後のガスを除害処理する除害手段としての排ガス処理装置１５などを有する。これらの各構成要素は、互いに連結管によって連結されている。
【００１８】
ボイラ１０は、電気ボイラでも燃焼ボイラでもよい。エネルギーコストや環境等の観点からは、電気ボイラが好ましい。ボイラ１０には給水管３０が連結されている。
【００１９】
処理槽２０は密閉可能な縦型の中空容器であり、複数本の脚２８によって支持されている。処理槽２０は、連結管としての蒸気管３１を介してボイラ１０と連結されている。処理槽２０の素材としては、加熱処理により変形・変質しない程度の耐熱性を有する金属製であれば特に限定されない。本実施形態では、耐候性や伝熱性の良好なステンレス製としている。処理槽２０内には、回転軸２１を中心として回転する撹拌翼２２が設けられている。本実施形態では、被処理物（バイオマス資源）を効率良く撹拌するために、少なくとも処理槽２０内の下部に撹拌翼２２を設けている。好ましくは、上下方向へ複数段重ねて設ける。回転軸２１は、処理槽２０上に設けられた駆動装置２３によって回転駆動される。
【００２０】
処理槽２０は、バイオマス資源の投入口２４と、排気口２５と、処理物の排出口２６とを有する。投入口２４は、処理槽２０の周壁上部に設けられている。投入口２４には、バイオマス資源の処理中に処理槽２０内への外気流入を防ぐシャッタが設けられている。排気口２５は、処理槽２０の天壁に設けられている。処理槽２０の底壁は中心部へ向けて下方へ傾斜した漏斗状となっており、その中心部に排出口２６が設けられている。排出口２６は、バルブ開閉される。なお、処理槽２０の外面には、断熱材を被覆することも好ましい。
【００２１】
ヒータ１１としては、ボイラ１０によって発生した飽和水蒸気をさらに過熱できる手段であれば特に限定されない。例えば、蒸気管３１に巻回した電熱ヒータや高周波誘導加熱コイルのほか、バーナ等でもよい。そのうえで、本実施形態では、処理槽２０の周壁内面へ螺旋状に配設したパイプヒータを使用している。パイプヒータとは、インコネルやハステロイ等からなる金属製の中空パイプであり、当該パイプヒータへ通電することで、パイプ自体が発熱するものである。パイプヒータ１１の一端は蒸気管３１に連結されており、パイプヒータ１１の他端は処理槽２０の内部に開口して過熱蒸気排出口２７となっている。過熱蒸気排出口２７は、処理槽２０内の下部に開口している。
【００２２】
処理槽２０の排気口２５と冷却器１２とが、連結管としての蒸留ガス管３２によって連通されている。また、蒸留ガス管３２上には、フィルタ装置１３が設けられている。フィルタ装置１３内には、蒸留ガス中の塵埃等を除去するフィルタや、有害物質を無害化する触媒等が配されている。冷却器１２は、処理槽２０からの蒸留ガスを液化するものであり、冷却器１２周りに冷却水が通水されている。
【００２３】
冷却器１２の下部には、液化された油分及び水が貯留される油水タンク１４が一体化されている。油水タンク１４内では、比重差によって上層の油分層と下層の水層とに別れる。そこで、油水タンク１４の上部には油分排出用の油分バルブ１６が設けられており、油水タンク１４の下部には水排出用の水バルブ１７が設けられている。
【００２４】
冷却器１２を通しても液化しなかった排気ガスは、排気管３３を通して大気中へ排気される。排気管３３上には、排ガス処理装置１５が設けられている。排ガス処理装置１５では、排気ガスの燃焼や吸着材などによって、有害物質を除害したり脱臭したりする。
【００２５】
次に、上記処理装置を使用したバイオマス資源の処理方法について説明する。なお、本実施形態の処理装置は、バッチ式の処理装置である。先ず、投入口２４から所定量のバイオマス資源を処理槽２０内へ投入し、シャッタを閉じて処理槽２０内を気密状態とする。次いで、撹拌翼２２を駆動しながら処理槽２０内へ過熱蒸気を導入し、バイオマス資源を加熱処理する。処理槽２０内は常圧程度でよい。処理時間は、過熱蒸気温度、処理槽２０の容量、バイオマス資源の投入量などにもよるが、１〜５時間程度でよい。例えば、２０Ｋｇのヤトロファ種子であれば１時間程度で処理することができる。
【００２６】
詳しくは、給水管３０を通してボイラ１０へ水が導入され、飽和蒸気が発生する。ボイラ１０によって発生した飽和蒸気は、蒸気管３１からパイプヒータ１１を通して過熱蒸気排出口２７から処理槽２０内へ導入される。このとき、飽和蒸気は、パイプヒータ１１中において過熱蒸気となる。過熱蒸気の温度は、パイプヒータ１１への通電量によって制御することができる。過熱蒸気の温度、導入量、処理時間等は、図示していない制御盤によって操作することができる。なお、パイプヒータ１１は、処理槽２０内の加熱ないし保温にも有効である。撹拌翼２２によって撹拌しながらバイオマス資源を処理すれば、過熱蒸気によって均一且つ迅速に加熱処理できる。
【００２７】
処理槽２０内では、バイオマス資源中の油分など気化成分が気化し、蒸留ガスが発生する。また、バイオマス資源中の水分も気化するので、バイオマス資源の乾燥も兼ねている。処理槽２０内で発生した蒸留ガスは、蒸留ガス管３２を通して冷却器１２へ導入される。蒸留ガスは、処理槽２０から冷却器１２へ至る間に、フィルタ装置１３によって不純物等が除去される。冷却器１２では、蒸留ガスが冷却されて液化し、油水タンク１４へ貯留される。一方、液化しなかった排気ガスは、排ガス処理装置１５によって汚染物質や臭気が除害されたうえで、排気管３３から大気中へ排気される。
【００２８】
油水タンク１４では、比重差によって上層の油分層と下層の水層とに別れている。したがって、油分バルブ１６を開弁することで、バイオマスオイルを得ることができる。バイオマスオイルを採取した後は、油水タンク１４内に残存している水を水バルブ１７を開弁することで、排水すればよい。
【００２９】
一方、処理槽２０内には、油分が気化抽出された抽出残渣（抽出粕）が残っている。そして、油分抽出後も抽出残渣をさらに過熱蒸気によって加熱処理することで、抽出残渣が炭化される。さらに、処理温度によっては炭化物が賦活される。なお、処理槽２０内は過熱蒸気で満たされて無酸素状態なので、抽出残渣が燃焼することはない。所定時間処理してバイオマス資源を炭化ないし賦活できたら、過熱蒸気の導入を停止し、バルブを開弁して排出口２６から炭化物ないし活性炭を処理槽２０内から取り出すことができる。取り出された炭化物の重量は、処理前の重量に比して１／５以下となっている。この一連の操作を繰り返し行うことで、所定量のバイオマス資源をバッチ式で処理することができる。
【００３０】
このように、本発明の処理方法では、バイオマス資源を過熱蒸気により加熱して当該バイオマス資源中の油分を気化させる気化工程と、気化工程後のバイオマス残渣をさらに過熱蒸気により加熱して炭化させる炭化工程とを有し、気化工程と炭化工程とを１つの処理槽２０内で連続して行っている。処理槽２０内へ導入する過熱蒸気の温度は、少なくとも２００℃以上とする。２００℃未満では、油分を含めてバイオマス資源中の気化成分を的確に気化できない恐れがあるからである。一方、過熱蒸気温度の上限は特に限定されないが、９００℃以下が好ましい。９００℃を超えても構わないが、エネルギーコストが高くなる。過熱蒸気温度を高めると、処理時間の短縮に有利であるほか、抽出残渣の賦活が進行し易い。導入する過熱蒸気の温度は、好ましくは２５０〜７００℃程度であり、より好ましくは３００〜５００℃程度である。３００〜５００℃程度であれば、エネルギーコストを抑えながら気化成分の気化とバイオマス資源の炭化を的確に行うことができる。抽出残渣を賦活して活性炭とするには、４００℃以上が好ましい。
【００３１】
気化工程と炭化工程とは、基本的には両工程を通して同じ温度の過熱蒸気を導入すればよい。また、気化工程と炭化工程の処理温度を変更することもできる。この場合、炭化工程での処理温度（過熱蒸気温度）は、気化工程での処理温度よりも高くする。例えば、気化工程において２００〜４００℃程度の過熱蒸気を導入し、炭化工程では４００〜９００℃程度の過熱蒸気を導入することもできる。
【００３２】
得られたバイオマスオイルは、食用油、灯火用油・化学工業原料などのほか、適宜メチルエステル化などの化学処理を施した後にバイオマスオイルからグリセリンを取り除くことでバイオディーゼル燃料（ＢＤＦ）として利用できる。一方、得られた炭化物（活性炭の状態を含む）は、分子篩、触媒担体、吸着材などとして、各種工業分野で使用することができる。特に、ヤトロファ種子由来のバイオマスオイルであれば、そのままでも比較的軽油に近い組成なので、バイオディーゼル燃料として好適である。また、ヤトロファ種子由来の活性炭であれば、窒素精製用の吸着材等として好適である。
【実施例】
【００３３】
内径５００ｍｍ×高さ６００ｍｍ、容積１２０Ｌのステンレス製処理槽を用いた。この処理槽にヤトロファ種子（水分率約４０％）２０ｋｇを投入し、撹拌しながら過熱蒸気を７．４ｋｇ／ｈの速度で処理槽に導入して、５００℃で１時間処理した。発生した蒸留ガスを金属フィルターへ通したうえでウォータージャケット方式の凝縮器で液化させ、油水タンクに溜まった上層の油を採取した。処理後には、１．６ｋｇ（処理前重量の８％）の活性炭（水分率０％）が得られた。
【００３４】
次いで、得られたヤトロファ種子油の成分分析を行った。分析は、抽出油１０μｌを１ｍｌのＮ−ヘキサンへ溶解し、オートサンプラーにてＧＣ／ＭＳに注入して分析した。詳細な条件は次の通りである。
＜ＧＣ＞
Method：４０℃で３分保持後、１０℃／ｍｉｎの速度で昇温し、２８０℃で６ｍｉｎ保持した。分析時間（Run Time）３３分
ＤＢ−５ＭＳ６０ｍ、０．２５ｍｍ、０．２５μｍ
Split Flow：−０．５〜１分；０ｍｌ、１分以降；５０ｍｌ    He  １８psi
＜ＭＳ＞
Scan time：２．５〜３３分、ｍ／ｚ３３〜５００ＥＩ＋
【００３５】
抽出油の分析結果を図３〜６に示す。なお、図３〜６は、Run Timeを一定時間毎に区切って拡大した要部拡大チャートであり、図３〜６をそれぞれ繋げることで１つのチャートとなる。また、参考としてＮ−ヘキサンについても同様に分析した結果を図２に示す。図２と図３〜６との対比から、Run Time約７ｍｉｎ以降のピークはヤトロファ種子由来の成分であることがわかる。そのうえで、図３〜６の結果から、ヤトロファ種子油にはアルカン、炭化水素（環状構造を含む）、アルケン、トルエン、アルキルベンゼン化合物、フェノール系化合物、高級脂肪酸、アルデヒド化合物、エステル化合物などが含まれていると推定された。特に、炭素数Ｃ１３〜１４をメインとしてＣ１７程度までの炭化水素が検出されており、比較的軽油に近い組成となっていることがわかった。また、得られたヤトロファ種子油について、ＪＩＳ  Ｋ  ２２７９に基づき燃研式自動ボンベ熱量計にて総発熱量を測定したところ、総発熱量は３７，４２０Ｊ／ｇであった。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ボイラ
１１  ヒータ
１２  冷却器
１３  フィルタ装置
１４  油水タンク
１５  排ガス処理装置
１６  油分バルブ
１７  水バルブ
２０  処理槽
２１  回転軸
２２  撹拌翼
【図１】
2012052015.tif 000003
【図２】
2012052015.tif 000004
【図３】
2012052015.tif 000005
【図４】
2012052015.tif 000006
【図５】
2012052015.tif 000007
【図６】
2012052015.tif 000008