(57)【要約】【課題】炭化炉へバイオマスを供給し充填移動層を形成して炭化する際に、炉内でのバイオマスや炭化物の棚吊りの発生を防止することができるバイオマス炭化装置を提供することを課題とする。【解決手段】竪型の炭化炉１１の上部からバイオマスを供給して炭化炉１１内にバイオマスの充填移動層Ｐを形成し、炭化炉１１の下部から高温ガスを供給し、バイオマスを高温ガスと接触させ熱分解して炭化物を生成する炭化炉を備えるバイオマス炭化装置において、炭化炉内壁近傍から炭化炉中央へ向かって往復動し、充填移動層Ｐ内でバイオマスを攪拌する棚吊り防止手段２０を備え、棚吊り防止手段２０は、炭化炉内壁から水平方向成分をもって往復動する軸部材２１と、軸部材２１の先端に設けられ炭化炉高さ方向に延びる攪拌部材２２を有していて、バイオマスの充填移動層Ｐ下方への移動を妨げることなくバイオマスを攪拌する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
竪型の炭化炉の上部からバイオマスを供給して炭化炉内にバイオマスの充填移動層を形成し、炭化炉の下部から高温ガスを供給し、バイオマスを高温ガスと接触させ熱分解して炭化物を生成する炭化炉を備えるバイオマス炭化装置において、
炭化炉内壁近傍から炭化炉中央へ向かって往復動し、充填移動層内でバイオマスを攪拌する棚吊り防止手段を備え、
棚吊り防止手段は、炭化炉内壁から水平方向成分をもって往復動する軸部材と、軸部材の先端に設けられ炭化炉高さ方向に延びる攪拌部材を有していて、バイオマスの充填移動層下方への移動を妨げることなくバイオマスを攪拌することを特徴とするバイオマス炭化装置。
【請求項２】
攪拌部材は、平板状、棒状そして炭化炉内壁の面に沿う曲板状のうちいずれかの形状を有することを特徴とする請求項１に記載のバイオマス炭化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを炭化して炭化物を得るバイオマス炭化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の防止対策として、バイオマスエネルギーの有効利用に注目が集まっている。化石資源ではない、再生可能な、生物由来の有機性資源をバイオマスと呼ぶ。バイオマスは太陽エネルギーを使い、水と二酸化炭素から生物が生成するものなので、持続的に再生可能な資源である。バイオマスは有機物であるため、燃焼させると二酸化炭素が排出される。しかし、これに含まれる炭素は、そのバイオマスが成長過程で光合成により大気中から吸収した二酸化炭素に由来するので、バイオマスを使用してもこの成長過程を含めて全体として見れば大気中の二酸化炭素量を増加させていないと考えてよいとされる。この性質をカーボンニュートラルと呼ぶ。
【０００３】
特に、バイオマスの中でも植物由来のバイオマスは、植物の成長過程で光合成により二酸化炭素から変換された炭素資源を有効利用できるため、資源のライフサイクルの観点からすると大気中の二酸化炭素の増加につながらない。植物由来のバイオマスは林業系（木屑、製材廃棄物、間伐材、製紙廃棄物等）、農業系（稲わら、麦わら、サトウキビ糠、米糠、草木、アブラヤシ採油残渣等）、廃棄物系（生ごみ、庭木、建築廃材、下水汚泥等）等に分類される。
【０００４】
近年、バイオマスを熱分解してガス燃料や炭化物を製造することが開発検討されている。バイオマスから製造された炭化物を燃料や製鉄用コークスの代替品として用いることにより、二酸化炭素排出量を削減する効果が期待されている。
【０００５】
特許文献１には、竪型炉を用いて都市ごみ等の廃棄物を不活性ガス雰囲気下で熱分解処理して炭化物と熱分解ガスを得て、得られた炭化物を石炭やコークスの代替燃料や活性炭の代替材料とする技術が記載されている。特許文献１に記載の熱分解処理装置では、竪型炉に廃棄物を投入し、炉内で降下する廃棄物の充填移動層を形成して、炉下部からこの充填移動層へ加熱ガスを吹き込み、炉内を自重で下降する廃棄物に対して上昇する加熱ガスを向流接触させて加熱して、廃棄物が熱分解されて炭化物と熱分解ガスが生成される。
【０００６】
特許文献１に記載の熱分解処理用の竪型炉を用いてバイオマスを熱分解して炭化物を得ることができる。しかしながら、充填移動層を形成させる炭化炉を用いて、バイオマスを炭化すると以下のような問題が生じることがある。
【０００７】
バイオマスを竪型炉に供給し炉内に充填移動層を形成して、熱分解し炭化物を生成する過程において、バイオマスや炭化物同士が固着したり、炭化炉内壁に付着して下降しなくなるいわゆる棚吊り現象が生じることがある。棚吊りが生じると、バイオマスが充填移動層内を下降できないだけでなく、充填移動層内の空隙が少なくなり、充填移動層内を上昇する加熱ガスの圧力損失が大きくなりすぎて、加熱ガスの流通状態が悪くなったり、加熱ガスの偏流が生じる問題、加熱ガスを十分に流通させることができずバイオマスを十分に加熱できないため熱分解できない問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１３１５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、炭化炉へバイオマスを供給し充填移動層を形成して炭化する際に、炉内でのバイオマスや炭化物の棚吊りの発生を防止することができるバイオマス炭化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のバイオマス炭化装置は、竪型の炭化炉の上部からバイオマスを供給して炭化炉内にバイオマスの充填移動層を形成し、炭化炉の下部から高温ガスを供給し、バイオマスを高温ガスと接触させ熱分解して炭化物を生成する炭化炉を備える。
【００１１】
かかるバイオマス炭化装置において、本発明では、炭化炉内壁近傍から炭化炉中央へ向かう方向に往復動し、充填移動層内でバイオマスを攪拌する棚吊り防止手段を備え、棚吊り防止手段は、炭化炉内壁から水平方向成分をもって往復動する軸部材と、軸部材の先端に設けられ炭化炉高さ方向に延びる攪拌部材を有していて、バイオマスの充填移動層下方への移動を妨げることなくバイオマスを攪拌することを特徴としている。  
【００１２】
このように構成される本発明では、バイオマスの充填移動層内で、棚吊り防止手段の攪拌部材が往復動すると、この攪拌部材がバイオマス及び炭化物を内壁面から炉中央に向かって及びその逆方向に動かし攪拌して、バイオマス及び炭化物同士の固着を抑制、または固着しているバイオマス及び炭化物を破砕し、さらに、バイオマス及び炭化物の炉内壁への付着を抑制して、棚吊りを防止する。また、バイオマスは充填移動層内に分散されるため、高温ガスの偏流が生じることを抑制でき、高温ガスを充填移動層内に均一に流すことができる。さらに、バイオマスが攪拌部材により攪拌されることにより、バイオマスは降下移動が促進され、高温ガスとの接触が促進され、また、高温ガスからバイオマスへの熱伝達率が向上し、バイオマスから炭化物への転化が促進されるため、炭化物収率が向上する。
【００１３】
本発明において、攪拌部材は、平板状、棒状そして炭化炉内壁の面に沿う曲板状のうちいずれかの形状を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明のバイオマス炭化装置によれば、棚吊り防止手段により、バイオマス及び炭化物同士の固着を抑制、または固着しているバイオマス及び炭化物を破砕し、さらに、バイオマス及び炭化物の炉内壁への付着を抑制して、棚吊りを防止することができる。また、バイオマスは充填移動層内に分散されるため、高温ガスの偏流が生じることを抑制でき、高温ガスを充填移動層内に均一に流すことができる。さらに、バイオマスが攪拌されることにより、バイオマスは降下移動が促進され、高温ガスとの接触が促進され、また、高温ガスからバイオマスへの熱伝達率が向上し、バイオマスから炭化物への転化が促進されるため、炭化物収率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のバイオマス炭化装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】（Ａ）,（Ｂ），（Ｃ）は図１装置に用いられる攪拌部材を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面にもとづき本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
＜実施形態＞
本実施形態のバイオマス炭化装置１０は、図１に見られるように、竪型の炭化炉１１と、部分燃焼炉１２を備えている。
【００１８】
炭化炉１１は、上部にバイオマス供給口１１Ａを、底部に炭化物排出口１１Ｂを有していると共に、側部の上部に発生ガス排出口１１Ｃ、下部に高温ガス送入口１１Ｄが設けられている。
【００１９】
上記発生ガス排出口１１Ｃは、部分燃焼炉１２に接続されていて、炭化炉１１内で発生するガスが該部分燃焼炉１２へ導かれてここで部分燃焼するようになっている。部分燃焼炉１２の排気側は、部分燃焼ガスの一部が上記高温ガス送入口１１Ｄを経て炭化炉１１内へ供給されるように、上記高温ガス送入口１１Ｄに接続されている。
【００２０】
上記炭化炉１１は、炉内に形成されるバイオマスの充填移動層Ｐにおいて棚吊りが発生することを防止するとともにバイオマスを攪拌する棚吊り防止手段２０を有している。
【００２１】
棚吊り防止手段２０は、炭化炉１１の炉壁を貫通して炭化炉内壁から炭化炉中央に向かう方向に延びる水平な軸部材２１と該軸部材２１の先端に取り付けられた縦長の攪拌部材２２を有しており、該軸部材２１を炭化炉内壁に対して摺動往復させて上記攪拌部材２２を炭化炉の内壁面近傍位置から炭化炉中央に向かう方向に往復動するようになっている。
【００２２】
このような形態においては、攪拌部材２２が炭化炉の内壁面近傍位置から炭化炉中央に向かう方向に往復するので、バイオマス及び炭化物は内壁面から炉中央に向かって及びその逆方向に移動され、水平方向に攪拌されてバイオマス及び炭化物同士の付着を抑制、または付着しているバイオマス及び炭化物が大きな塊となる前に破砕されて、棚吊りを防止する。
【００２３】
棚つり防止手段２０は、炭化炉の水平方向断面内に水平方向に移動する軸部材２１が放射状に位置するように、炭化炉の周方向に複数設けるとより効果的である。
【００２４】
棚吊り防止手段２０を駆動させる機構としては、軸部材２１を油圧シリンダや電動シリンダなど往復する直動アクチエータに接続する機構や、クランク機構や、軸部材にバネを取り付けて炭化炉の外方向に引き出して該軸部材を周方向に鋸状のスロープのついた回転する台座上に接するようにし、この台座をモーターによる回転や炭化炉から排出される発生ガスによって風車を回転させることにより回転することによって軸部材を往復直動させる機構などを用いることができる。
【００２５】
図１の棚吊り防止手段２０に用いられる攪拌部材２２は、図２（Ａ）,（Ｂ），（Ｃ）に見られるごとく、平板状、棒状そして炭化炉内壁の面に沿う曲板状の部材を適宜任意に選定できる。その際、攪拌部材の縦方向長さは、長すぎると攪拌部材の移動方向と反対側となる背面側にバイオマスの間に隙間ができ、その隙間を高温ガスが通り抜けてしまう現象が生じる可能性があるため、上記長さを攪拌部材の幅寸法との関連で隙間が生じにくい長さとすることが好ましい。なお、上記攪拌部材２２は、上記軸部材２１の軸線まわりの回転により、回転させて攪拌効果を向上させることも可能である。
【００２６】
このような本実施形態装置では、炭化炉１１に上部からバイオマスが供給されて炭化炉１１内に充填移動層Ｐを形成している。一方、下部又は側方下部の高温ガス送入口１１Ｄからは、部分燃焼炉１２の部分燃焼ガスの一部が高温ガスとして供給される。バイオマスが上記棚吊り防止手段で攪拌されながら充填移動層Ｐの上部から下部へ下降移動する間に炉内を上昇する高温ガスとの接触により、まず上部で乾燥・予熱され、下部でさらに加熱され熱分解され、炭化物が生成され底部から灰分とともに炭化物排出口１１Ｂから排出される。熱分解によって生成した可燃ガスを含む発生ガスは上部の発生ガス排出口１１Ｃから排出される。
【００２７】
充填移動層Ｐを形成するバイオマスは、上記棚吊り防止手段の攪拌部材により攪拌されて、上昇する高温ガスと良好な接触状態で降下する。その際に、攪拌部材が往復動することにより、バイオマス及び炭化物を内壁面から炉中央に向かって及びその逆方向に動かし攪拌して、バイオマス及び炭化物同士の固着を抑制、または固着しているバイオマス及び炭化物を破砕し、さらに、バイオマス及び炭化物の炉内壁への付着を抑制して、棚吊りを防止する。
【００２８】
また、上記棚吊り防止手段の攪拌部材により攪拌されて、バイオマスは充填移動層内に分散されるため、高温ガスの偏流が生じることを抑制でき、高温ガスを充填移動層内に均一に流すことができる。さらに、バイオマスが攪拌されることにより、バイオマスは降下移動が促進され、高温ガスとの接触が促進され、また、高温ガスからバイオマスへの熱伝達率が向上し、バイオマスから炭化物への転化が促進されるため、炭化物収率が向上する。
【００２９】
以下、図１に用いられている炭化炉、これに接続されている装置、バイオマス、さらには、これらの挙動について、詳述する。
【００３０】
＜炭化炉＞
本発明における炭化炉の炉形式は竪型炉またはシャフト型炉であり、炭化炉の上部または側方上部からバイオマスを供給し、炉内に充填移動層を形成し、炭化炉の下部または側方下部から、高温ガスの供給を受け、炭化炉の充填移動層内を高温ガスが上昇する。充填移動層に高温ガスを流通させ、バイオマスに高温ガスを接触させて加熱する。
【００３１】
供給されたバイオマスは充填移動層の上部で乾燥され水分を除去され、バイオマスが充填移動層の上部から下部に下降する過程で高温ガスと接触しさらに加熱され熱分解されて炭化物とタールとガスが生成される。熱分解によって生成した可燃ガスを含む発生ガスは炉上部から排出される。
【００３２】
炭化物は炭化炉の下部または側方下部に設けられた炭化物排出口から排出される。炭化物排出手段としてはスクリューフィーダを用いて炭化物を切り出すようにすることが好ましい。可燃ガスを含む発生ガスが炭化炉の上部または側方上部に設けられた発生ガス排出口から排出される。
【００３３】
（炭化炉の温度）
炭化炉における充填移動層の温度を高温ガスの条件（温度、酸素濃度、供給量）、供給するバイオマスの条件（種類、供給量）のうち少なくとも一つを調整することによりそれぞれ好ましい範囲に調整する。
【００３４】
充填移動層下部の温度は４００℃以上７００℃以下に調整する。温度が上記の下限値（４００℃）より低いとバイオマスの熱分解・炭化が進まず、炭化物収率が低くなる。また、温度が上記の上限値（７００℃）より高いとバイオマスの熱分解反応がガス発生の多い反応となり炭化物の収率が低下する上に、過剰に温度を高くすることによって設備費用や運転費用が嵩む。充填移動層下部の温度は５００℃程度とするのが最も好ましい。
【００３５】
充填移動層上部の温度は８０℃以上１００℃以下に調整する。温度が上記の下限値（８０℃）より低いとバイオマスの乾燥が十分に進まず水分が充填移動層から十分に排出されなくなる。また、温度が上記の上限値（１００℃）より高いと、バイオマスの熱分解により発生したガス状タールが凝縮せず、ガス状タール分が発生ガスとともに炭化炉から排出されるため、排出ガス中のタール含有率が高くなり排出ガスからタールを分離する装置の負荷が高くなるので好ましくない。
【００３６】
（高温ガスの供給手段）
炭化炉でのバイオマスの熱分解・炭化反応においては、炭化物収率を最大化する条件においても、ガスが発生する。この発生ガスの主成分は水素、一酸化炭素、メタン等の可燃ガスであり燃料として発熱量をもつことから、この発生ガスを部分燃焼炉に送り、この部分燃焼炉で空気を供給して部分燃焼して、生じる高温の燃焼ガスの少なくとも一部を炭化炉へ供給する高温ガスとして用いることが望ましい。
【００３７】
炭化炉で発生した発生ガスは部分燃焼炉に導かれる。部分燃焼炉に供給された発生ガスは、空気を供給され部分燃焼して燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスの少なくとも一部が高温ガスとして炭化炉に送られる。
【００３８】
炭化炉の下部または側方下部に部分燃焼炉から導いた高温ガスを吹き込むためのノズルを設ける。このノズルは周方向に分布して複数設けることが好ましい。
【００３９】
部分燃焼炉から排出される燃焼ガスの少なくとも一部を高温ガスとして炭化炉へ供給するダクト、供給量を調整するダンパを設ける。
【００４０】
炭化炉で発生した可燃ガスを含む発生ガスを部分燃焼炉に導いて、可燃ガスに対して空気比１以下となるように空気を供給し、部分燃焼して、生じる５００〜１０００℃の高温の燃焼ガスの少なくとも一部を炭化炉に供給する高温ガスとして用いる。ここで、空気比とは可燃ガスの燃焼に必要な理論空気量に対する実際に供給する空気量の比率をいう。
【００４１】
高温ガスの供給手段として、上記の部分燃焼炉から排出される燃焼ガスの少なくとも一部を用いる他に、熱風炉を設け燃料を燃焼した燃焼ガスを用いるようにしてもよい。
【００４２】
＜バイオマス＞
本発明に用いるバイオマスとして、木屑、籾殻、アブラヤシ空果房（ＥＦＢ）、アブラヤシ古木（Ｔｒｕｎｋ）、アブラヤシ果実搾粕（ＰＫＳ）を用いることが好ましい。これらは、粒径が小さく比表面積が大きいため、熱分解・炭化反応効率が高く、高い炭化物収率を得ることができる。
【００４３】
アブラヤシ（パームヤシ）からパーム油を採取する際に生じるアブラヤシバイオマスについて説明する。アブラヤシ果房には直径数ｃｍの小粒の果実が数百個ついており、この果実を脱果した空果房（Empty Fruit Bunch, ＥＦＢ）、アブラヤシ古木（Ｔｒｕｎｋ）、果実から搾油した搾粕（Palm Kernel Shell,ＰＫＳ）が大量に副生され、これらのアブラヤシバイオマスを炭化物原料として用いる。
【００４４】
Ｔｒｕｎｋはアブラヤシ古木の幹であるが破砕すると粉々になり粒径は数ｍｍ程度となり、ＰＫＳは粒径５〜１５ｍｍ程度であり、粒径が小さい。また、ＥＦＢそのものは４０ｃｍ程度と大きいものであるが、破砕して小粒径になる。
【００４５】
このように、アブラヤシバイオマスは小粒径であり、比表面積が大きいため炭化反応効率が高く、本発明の炭化装置に適用することにより、充填移動層のガス流通やバイオマスの下降移動が円滑に行われるため、高い炭化物収率で炭化物を得ることができる。
【００４６】
また、ＥＦＢそのものを破砕せずに炭化炉に供給すると、繊維状で軽いため円滑に移動層を下降しない問題があるが、棚吊り防止手段を備えることにより、円滑に下降させることができる。
【００４７】
（充填移動層内でのタールの反応）
バイオマスを熱分解して炭化物を生成する際にタールが生成し、このタールは、従来、発生ガスとともに炭化炉から排出されていたが、本発明では、タールを排出させずに炭化炉内で更に炭化物に転化させることにより炭化物を高い収率で得ることができるという知見を得た。
【００４８】
充填移動層下部でバイオマスが高温ガスにより加熱され、熱分解して炭化物とタールとガスが生成される。揮発したガス状タールが上昇する高温ガスと発生ガスにより随伴され充填移動層内を上昇し、充填移動層上部の比較的低い温度領域で冷却され、ガス状タールは凝縮して液状タールになり、液状タールはバイオマスの表面に付着する。タールが付着したバイオマスが充填移動層内を下降する。下降したバイオマスは充填移動層の下部で加熱され、表面に付着しているタールが揮発し、ガス状タールが高温ガスと発生ガスにより随伴され充填移動層内を上昇し、充填移動層上部に運ばれ、再び凝縮して液状タールになり、液状タールがバイオマスの表面に付着する。このように、タールは充填移動層内で上昇と下降を繰り返し、揮発と凝縮を繰り返すうちに、次第にタールの熱分解反応や重合反応が進み、タールの一部は炭化物に転化する。生成した炭化物はバイオマスから直接炭化した炭化物とともに、充填移動層をさらに下降して排出される。
【００４９】
バイオマスを熱分解して炭化物を生成する際に発生するタールを炭化炉から排出させずに炭化炉内で更に炭化物に転化させることにより炭化物を高い収率で得ることができる。
【００５０】
本実施形態の棚吊り防止手段を備えることにより、炭化炉のバイオマス充填移動層において棚吊りの発生を確実に防止できる。バイオマスは充填移動層内に分散されるため、加熱ガスの偏流が生じることを抑制でき、さらに、バイオマスは降下移動が促進され、高温ガスとの接触が促進され、また、高温ガスからバイオマスへの熱伝達率が向上し、バイオマスから炭化物への転化が促進されるため、炭化物収率が向上する。
【００５１】
また、本発明によれば、多岐にわたるバイオマスの性状、形状に対して棚吊りの発生を防止し、攪拌を促進して炭化を促進することができるため、従来は炭化物収率が低い、操業効率が悪いなどの理由により、炭化物製造が不向きであるとか経済的でないとされていたバイオマスを炭化物原料として利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  バイオマス炭化装置
１１  炭化炉
２０  棚吊り防止手段
２１  軸部材
２２  攪拌部材
Ｐ   充填移動層
【図１】
2012017387.tif 000003
【図２】
2012017387.tif 000004