(57)【要約】【課題】バイオマス資源から油分、可燃性ガス、及び炭化物を採取でき、バイオマス資源の有効利用率の高いバイオマス燃料の製造装置を提供する。【解決手段】投入口１１を有する第１の加熱処理装置１０と、第１の加熱処理装置１０の下流に連通する第２の加熱処理装置２０と、第２の加熱処理装置２０の下流に連通する冷却回収装置３０と、第１・第２の加熱処理装置１０・２０を加熱する加熱装置４０と、第１及び第２の加熱処理装置１０・２０にそれぞれ連通し、第１・第２の加熱処理装置１０・２０からのガスが導入される蒸留塔５０と、蒸留塔５０によって分留された成分をそれぞれ冷却する冷却器６０と、冷却器６０によって冷却された成分を分離するセパレータ７０と、分留後の可燃性ガスを圧縮貯留する貯留タンク８０とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス資源からバイオマス燃料を得るバイオマス燃料の製造方法であって、
前記バイオマス資源を加熱して該バイオマス資源中の気化成分を気化させる第１の加熱工程と、
該第１の加熱工程よりさらに高温で前記バイオマス資源を加熱して、残余の気化成分をさらに気化させると共に、前記バイオマス資源を炭化する第２の加熱工程と、
前記第１・第２の加熱工程において気化した気化成分を蒸留塔に導入し、前記気化成分を段階的に冷却して沸点が異なる複数種の油類を順次分留する分留工程と、
前記分留工程における各段階で発生した可燃ガスをガスタンクへ圧縮貯留するガス貯留工程とを有することを特徴とする、バイオマス燃料の製造方法。
【請求項２】
前記第１の加熱工程を２５０〜３５０℃で行い、
前記第２の加熱工程を４００〜７００℃で行う、請求項１に記載のバイオマス燃料の製造方法。
【請求項３】
前記第２の加熱工程後のバイオマス資源を冷却して炭化物を回収する、炭化物回収工程を有する、請求項１または請求項２に記載のバイオマス燃料の製造方法。
【請求項４】
前記第１・第２の加熱工程では過熱蒸気によって加熱する、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のバイオマス燃料の製造方法。
【請求項５】
前記バイオマス資源がヤトロファ種子である、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のバイオマス燃料の製造方法。
【請求項６】
バイオマス資源からバイオマス燃料を得るバイオマス燃料の製造装置であって、
前記バイオマス資源を加熱して該バイオマス資源中の気化成分を気化させる第１の加熱処理手段と、
該第１の加熱処理後のバイオマス資源をさらに高温で加熱して、残余の気化成分をさらに気化させると共に、前記バイオマス資源を炭化する第２の加熱処理手段と、
前記第１・第２の加熱処理手段と連通し、該第１・第２の加熱処理手段において気化した気化成分を段階的に冷却して、沸点が異なる複数種の油類を順次分留する分留手段と、
前記分留手段における各段階で発生した可燃ガスを圧縮貯留するガス貯留手段とを有することを特徴とする、バイオマス燃料の製造装置。
【請求項７】
前記第１の加熱処理手段では、前記バイオマス資源が２５０〜３５０℃で加熱処理され、
前記第２の加熱処理手段では、前記バイオマス資源が４００〜７００℃で加熱処理される、請求項６に記載のバイオマス燃料の製造方法。
【請求項８】
前記第２の加熱処理手段において生じた炭化物を冷却回収する、炭化物回収手段を有する、請求項６または請求項７に記載のバイオマス燃料の製造方法。
【請求項９】
前記第１・第２の加熱処理手段には、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が連通されており、
前記第１・第２の加熱処理手段では過熱蒸気によって加熱する、請求項６ないし請求項８のいずれかに記載のバイオマス燃料の製造方法。
【請求項１０】
前記バイオマス資源がヤトロファ種子である、請求項６ないし請求項９のいずれかに記載のバイオマス燃料の製造方法。
【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バイオマス燃料を得ることができる、バイオマス燃料の製造方法と製造装置に関する。
【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：Bio Diesel Fuel）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】
しかも、圧搾や溶剤抽出では油分のみを採取できるのみであり、バイオマス資源中のその他の有効成分を無駄にしている問題があった。すなわち、バイオマス資源から油分のみならず可燃性ガスや炭化物等も採取できれば、バイオマス資源の有効利用率を向上できるが、圧搾や溶剤抽出では不可能であった。
【０００６】
また、離島や後進国の郊外など、電気やガスなどのインフラストラクチャーが整備されていない地域等においては、バイオマス燃料の有効利用が大いに求められているが、バイオマスオイルのみでは利用の限界があると共に、現時点では実用可能なバイオマス燃料の製造装置は開発されていないのが実情である。
【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、可燃性ガス、及び炭化物を採取でき、バイオマス資源の有効利用率の高いバイオマス燃料の製造方法と製造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、バイオマス資源からバイオマス燃料を得るバイオマス燃料の製造方法であって、前記バイオマス資源を加熱して該バイオマス資源中の気化成分を気化させる第１の加熱工程と、該第１の加熱工程よりさらに高温で前記バイオマス資源を加熱して、残余の気化成分をさらに気化させると共に、前記バイオマス資源を炭化する第２の加熱工程と、前記第１・第２の加熱工程において気化した気化成分を蒸留塔に導入し、前記気化成分を段階的に冷却して沸点が異なる複数種の油類を順次分留する分留工程と、前記分留工程における各段階で発生した可燃ガスをガスタンクへ圧縮貯留するガス貯留工程とを有することを特徴とする。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。
【０００９】
前記第１の加熱工程は２５０〜３５０℃で行い、前記第２の加熱工程は４００〜７００℃で行うことが好ましい。
【００１０】
さらに、前記第２の加熱工程において炭化されたバイオマス資源を冷却回収する、炭化物回収工程を有することが好ましい。
【００１１】
前記第１・第２の加熱工程では過熱蒸気によって加熱することが好ましい。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。
【００１２】
また、本発明によれば、バイオマス資源からバイオマス燃料を得るバイオマス燃料の製造装置を提案することもできる。具体的には、前記バイオマス資源を加熱して該バイオマス資源中の気化成分を気化させる第１の加熱処理手段と、該第１の加熱処理後のバイオマス資源をさらに高温で加熱して、残余の気化成分をさらに気化させると共に、前記バイオマス資源を炭化する第２の加熱処理手段と、前記第１・第２の加熱処理手段と連通し、該第１・第２の加熱処理手段において気化した気化成分を段階的に冷却して、沸点が異なる複数種の油類を順次分留する分留手段と、前記分留手段における各段階で発生した可燃ガスを圧縮貯留するガス貯留手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
前記第１の加熱処理手段では、前記バイオマス資源を２５０〜３５０℃で加熱処理し、前記第２の加熱処理手段では、前記バイオマス資源を４００〜７００℃で加熱処理することが好ましい。
【００１４】
さらに、前記第２の加熱処理手段において生じた炭化物を冷却回収する、炭化物回収手段を有することが好ましい。
【００１５】
前記第１・第２の加熱処理手段には、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を連通し、前記第１・第２の加熱処理手段では過熱蒸気によって加熱することが好ましい。
【００１６】
前記バイオマス資源としては、ヤトロファ種子を好適に使用できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のバイオマス燃料の製造方法及び製造装置によれば、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、有効成分の収率が高い。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。しかも、段階的に冷却して分留することで、重油、軽油、ナフサ（ガソリン）相当のオイルを採取できると共に、天然ガス相当の可燃性ガスも得ることができる。このように、本発明の製造方法及び製造装置によれば、バイオマス資源から複数種の燃料を高い収率で連続して回収できることから、バイオマス燃料の利用の幅も拡がり、特にインフラが整備されていない地域にとって有用性が高い。また、廃棄物が殆ど生じないというメリットも有する。
【００１８】
過熱蒸気によって加熱すれば、迅速且つ効率的にバイオマス資源を加熱することができる。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ある程度賦活することもできる。当該炭化物は、各種吸着材として利用可能であり、これによるバイオマス資源の有効利用性も向上する。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、バイオマス資源は必然的に乾燥される。したがって、前処理として、必ずしもバイオマス資源を予め乾燥しておく必要も無いメリットも有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】バイオマス燃料の処理装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の代表的な実施形態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。
【００２１】
図１に示すように、バイオマス燃料の製造装置は、バイオマス資源の投入口１１を有する第１の加熱処理装置１０と、該第１の加熱処理装置１０の下流に連通する第２の加熱処理装置２０と、第２の加熱処理装置２０の下流に連通する冷却回収装置３０と、第１・第２の加熱処理装置１０・２０を加熱する加熱装置４０と、第１及び第２の加熱処理装置１０・２０にそれぞれ連通し、第１・第２の加熱処理装置１０・２０からのガスが導入される蒸留塔５０と、蒸留塔５０によって分留された成分をそれぞれ冷却する冷却器６０と、冷却器６０によって冷却された成分を分離するセパレータ７０と、分留後の可燃性ガスを圧縮貯留する貯留タンク８０とを有する。
【００２２】
第１・第２の加熱処理装置１０・２０は、第１の加熱処理装置１０の下流部と第２の加熱処理装置２０の上流部とが連通されている。第１・第２の加熱処理装置１０・２０としては、バイオマス資源を加熱処理し得る装置であれば特に限定されないが、例えば撹拌・移送しながら処理できる装置が好ましい。これにより、バイオマス資源を均一に且つ連続して処理することができることで、生産性が向上する。すなわち、連続式のバイオマス燃料製造装置とすることができる。具体的には、一軸ないし二軸のスクリューフィーダが軸方向に配されたスクリュー式加熱処理装置や、ローターリーキルンなどが好ましい。本実施形態では、一軸スクリュー式加熱装置を使用している。第１・第２の加熱処理装置１０・２０が、本発明の第１・第２の加熱処理手段に相当する。また、第１・第２の加熱処理装置１０・２０は、断熱性を有することが好ましい。
【００２３】
バイオマス資源の投入口１１は、第１の加熱処理装置１０の上流部に設けられている。投入口１１としては、一般的な投入ホッパーを使用し得るが、処理中の気密性を担保する開閉扉を有するダンパーが好ましい。中でも、スライド開閉式の扉を上下複数段有するダンパーが好ましい。本実施形態では、スライド開閉式の開閉扉を上下二段有するダンパーが設置されている。
【００２４】
冷却回収装置３０は、第２の加熱処理装置２０の下流部と連通している。冷却回収装置３０は中空筒体であり、空冷式（送風式）でも水冷式でも構わないが、冷却効率の高い水冷式が好ましい。本実施形態では、中空筒体の外周に図外の貯水タンクから冷却水が循環流動する冷却管が配された水冷式の冷却装置を使用している。冷却回収装置３０が、本発明の炭化物回収手段に相当する。なお、第２の加熱処理装置２０と冷却回収装置３０との間には、第２の加熱処理装置２０から冷却回収装置３０へ炭化物を導入するタイミングを制御可能とする導入バルブ３１が設けられている。また、冷却回収装置３０の下流には、当該冷却回収装置３０の内部に炭化物を所定時間留めておくための排出バルブ３２が設けられている。本実施形態では、導入バルブ３１及び排出バルブ３２として、図外の制御盤によって開閉タイミングが制御されるロータリーバルブが設けられている。
【００２５】
加熱装置４０としては、第１・第２の加熱処理装置１０・２０内を数百度のレベルまで加熱できるものであれば特に限定されないが、過熱蒸気を生成する装置が好ましい。過熱蒸気によって加熱すれば、迅速且つ効率的にバイオマス資源を加熱することができると共に、バイオマス資源を燃焼させることなく効果的に炭化することができる。本実施形態では、加熱装置４０として蒸気を発生させる蒸気発生手段としてのボイラ４１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してのヒータ４２とを有する。ボイラ４１としては、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。ヒータ４２としては、ボイラ４１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、ボイラ４１からの蒸気管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。本実施形態では、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。加熱装置４０は、第１及び第２の加熱処理装置１０・２０の上流部に過熱蒸気が供給されるよう分岐連通されている。
【００２６】
蒸留塔５０は、中空筒体５１が立設されてなり、その内部には上下複数段に金属製のメッシュ体５２が配されている。第１・第２の加熱処理装置１０・２０からのガスは、蒸留塔５０の下部に導入されるよう連通されている。メッシュ体５２としては、金網やパンチングメタルなどを使用することができる。メッシュ体５２の設置個数や設置位置により、蒸留塔５０内を下方から上方にかけて流動するガスの分留タイミングや冷却程度を設定できる。蒸留塔５０が、本発明の分留手段に相当する。
【００２７】
蒸留塔５０の適所に連通された各冷却器６０としては、コンデンサを好適に使用できる。各セパレータ７０は、液化された油分及び水が貯留される油水タンクが一体化された構成となっている。セパレータ７０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ことで、油分と水とを分離回収できるようになっている。
【００２８】
貯留タンク８０としては、ガスを圧縮状態で貯留可能な耐圧性を有する公知のタンクを使用できる。本実施形態では、耐久圧力１００Ｂａｒ程度の耐圧タンクを使用している。符号８１は、貯留タンク８０内が所定圧力以上となった場合に大気開放して貯留タンク８０の内圧を一定に保つための安全バルブである。本実施形態では、安全バルブ８１の設定圧力を２５Ｂａｒとしている。符号８２は、貯留タンク８０の内圧が安全バルブ８１の設定圧力を超えて急激に上昇した場合に優先的に破壊されて、貯留タンク８０の破裂を防止するための安全装置である破裂デスクである。貯留タンク８０が、本発明のガス貯留手段に相当する。
【００２９】
なお、各セパレータ７０と貯留タンク８０との間には、ガスを圧縮供給するためのコンプレッサー７１と、貯留タンク８０内へ圧送する前に一時的にガスを貯留しておくバルーン７２とを有する。各セパレータ７０と貯留タンク８０との間にバルーン７２を設けておくことで、コンプレッサー７１によって貯留タンク８０へ効率良くガスを圧送することができる。また、バルーン７２に透視窓を設けておけば、ガスの回収状況等を視認することもできる。
【００３０】
次に、上記実施形態のバイオマス燃料製造装置を使用してバイオマス燃料を製造する方法について説明する。先ず、ベルトコンベアやバケットコンベア等の搬送手段、若しくはショベルカーや手作業で、投入口１１からヤトロファ種子などのバイオマス資源を第１の加熱処理装置１０へ投入する。コンベアによる搬送であれば、バイオマス資源を容易に連続して供給できる点で好ましい。なお、処理対象であるバイオマス資源は、必ずしも予め乾燥しておく必要はない。
【００３１】
第１の加熱処理装置１０へ投入されたバイオマス資源は、加熱装置４０から送られてきた過熱蒸気によって一次加熱される。一次加熱温度は、比較的低温の２５０〜３５０℃の範囲で行えばよい。これにより、バイオマス資源に含まれている沸点が比較的低い油分などの気化成分が気化すると共に、水分も蒸発することで乾燥が行われる。すなわち、第１の加熱処理装置１０では、低沸点気化成分の気化と、バイオマス資源の乾燥とを兼用している。
【００３２】
第１の加熱処理装置１０において一次加熱されたバイオマス資源は、続いて第２の加熱処理装置２０へ自動搬送され、加熱装置４０から送られてきた過熱蒸気によって二次加熱される。二次加熱温度は、一次加熱温度よりも高い４００〜７００℃の範囲で行う。これにより、残余の気化成分のほぼ全てを気化させることができると共に、バイオマス資源が炭化される。すなわち、第２の加熱処理装置２０では、残余の気化成分の気化とバイオマス資源の炭化とを兼用している。二次加熱をできるだけ高温で行えば、炭化したバイオマス資源をある程度賦活することも可能である。
【００３３】
二次加熱により炭化されたバイオマス資源由来の炭化物は、導入バルブ３１を介して冷却回収装置３０へ導入される。そして、冷却回収装置３０内において所定時間冷却されたところで、排出バルブ３２を介して装置外へ排出される。これにより、各種吸着材、触媒、分子篩などとして利用可能な炭化物Ｆ１が得られる。
【００３４】
一方、第１・第２の加熱処理装置１０・２０からは、加熱用の過熱蒸気と共に、油分などの気化成分が気化したベーパが発生する。これら過熱蒸気やベーパを含むガスは、蒸留塔５０の下方部に導入され、当該蒸留塔５０内を複数のメッシュ体５２を透過しながら上方に流動していく間に徐々に冷却されることで、沸点が異なる複数種の油類が順次分留される。なお、蒸留塔５０には３５０〜４００℃程度のガスが導入されてくる。具体的には、第１・第２の加熱処理装置１０・２０から蒸留塔５０へガスが導入されると、先ず、沸点の高い重油相当の油分Ｆ２が冷却器６０を介して液化回収される。この段階で液化しなかったガスは、蒸留塔５０内を上昇していき、ある程度冷却された段階（約３００℃）で、別の冷却器６０及びセパレータ７０を介して軽油相当の油分Ｆ３と水Ｗとが分離回収される。この段階でも液化しなかったガスは、さらに蒸留塔５０内を上昇していき、最終的に冷却器６０及びセパレータ７０を介してガソリン（ナフサ）相当の油分Ｆ４と水Ｗとが分離回収される。
【００３５】
さらに、各分留段階において各種油分が分離回収された後には、天然ガス相当の可燃性ガスが残存し、当該可燃性ガスは、バルーン７２に一時的に貯留されてからコンプレッサ７１によって貯留タンク８０へ圧送されて圧縮貯留されていく。当該可燃性ガスは、調理用や加熱用としてのみならず、金属溶接など工業用として利用しても遜色ない程度の燃焼エネルギーを有する。
【００３６】
また、分留によって得られた各種油分（バイオマスオイル）Ｆ２〜Ｆ４は、必要に応じて精製したうえで、それぞれの性質に応じて食用油、灯火用油、工業用油、燃焼用油など各種用途に広く使用できる。
【実施例】
【００３７】
第１・第２の加熱処理装置として一軸スクリュー式加熱装置を使用し、加熱装置としてヒータパイプを使用した過熱蒸気生成装置を使用したバイオマス燃料の製造装置を使用して、ヤトロファ種子からバイオマス燃料を製造した実施例について説明する。なお、本発明はこれに限られるものではない。
【００３８】
投入口としての二段式ダンパからバケットコンベヤで順次搬送したヤトロファ種子を２５０ｋｇ投入し、第１の加熱処理装置にて３００℃で一次加熱し、第２の加熱処理装置では５００℃で二次加熱した。これにより、最終的に５０ｋｇの炭化物、２２．５ｋｇの重油相当油、４５ｋｇの軽油相当油、７．５ｋｇのガソリン相当油、及び可燃性ガスを得られた。この結果から、本発明のバイオマス燃料製造装置及び製造方法によれば、有効成分の利用率（回収率）が９０％以上であることがわかる。また、得られた可燃性ガスを用いて厚み５ｍｍの鉄鋼材料のバーナー切断を試みたところ、ＬＰＧや天然ガスを用いたバーナーと遜色なく切断できた。
【符号の説明】
【００３９】
１０  第１の加熱処理装置
２０  第２の加熱処理装置
３０  冷却回収装置
４１  ボイラ
４２  ヒータ
５０  蒸留塔
５２  メッシュ体
６０  冷却器
７０  セパレータ
７２  バルーン
８０  貯留タンク
Ｆ１  炭化物
Ｆ２・Ｆ３・Ｆ４  油分
Ｗ  水
【図１】
2013170191.tif 000003