(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コークス乾式消火装置における、赤熱コークスの投入空間であるプレチャンバーに、木質系及び／または農業系バイオマスを投入することを特徴とする、コークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法。
【請求項２】
間欠的になされるコークス乾式消火装置へのコークスの投入と投入の間に、プレチャンバー内のコークスの上にバイオマスを投入することを特徴とする、請求項１に記載のコークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法。
【請求項３】
間欠的になされるコークス乾式消火装置へのコークスの投入と同時にプレチャンバー内にバイオマスを投入することを特徴とする、請求項１に記載のコークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法。
【請求項４】
コークス乾式消火装置上部コークス投入口またはプレチャンバーに設置された１または２以上の投入口からバイオマスを投入することを特徴とする、請求項２または３に記載のコークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法。
【請求項５】
コークス乾式消火装置上部コークス投入口またはプレチャンバーに設置された１または２以上の投入口から窒素及び／または循環ガスを搬送ガスとして用いて気流搬送によってバイオマスを投入することを特徴とする、請求項２または３に記載のコークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオマスの炭素源としての利用技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化問題への対応は、新エネルギ−の開発・実用化、低二酸化炭素発生エネルギーへのシフト、原子力比率の向上、既存一次エネルギーの効率的かつ合理的利用、未利用エネルギーや廃棄物エネルギーの利用等で進められている。特にバイオマスはカーボンニュートラルであり、地球温暖化防止京都会議（ＣＯＰ３；The 3rd session of Conference Of the Party）での国際公約を達成する意味でも積極的に使用して石油、石炭等を代替すべき資源であるといえる。バイオマスとは生物量の総称であり、ＦＡＯ（国連食糧農業機関）によれば、農業系（麦わら、サトウキビ、米糠、草木等）、林業系（製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林等）、畜産系（家畜廃棄物）、水産系（水産加工残滓）、廃棄物系（生ゴミ、ＲＤＦ（ゴミ固形化燃料；Refused Derived Fuel）、庭木、建設廃材、下水汚泥）等に分類される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
コークス炉は外熱式加熱炉であり、熱効率を向上させるために必然的に大型化していることや過去の省エネルギー技術開発により、エネルギー回収技術としては非常に進んだ設備となっている。エネルギー回収技術の主な方式がコークス乾式消火設備（ＣＤＱ）を用いる方式であり、コークスを大容量の循環ガス（ほとんど窒素）で冷却し、循環ガスの得た熱で蒸気を発生して蒸気タービンを動作させて電力として回収している。一方、昨今のＣＯ2削減ニーズから、一段とコークス歩留まり向上やコークス炉関連設備省エネルギー要請が高まっている。熱回収にしても現在では回収の難しい低温の排熱しか残っておらず、画期的な省エネルギー、ＣＯ2削減手段がないのが現実である。
【０００４】
本発明では、バイオマスを使用することで、バイオマスの熱量を有効に利用し、化石資源由来のカーボン使用を低減する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決したバイオマス利用方法であって、
〔１〕コークス乾式消火装置における、赤熱コークスの投入空間であるプレチャンバーに、木質系及び／または農業系バイオマスを投入することを特徴とする、コークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法、
〔２〕間欠的になされるコークス乾式消火装置へのコークスの投入と投入の間に、プレチャンバー内のコークスの上にバイオマスを投入することを特徴とする、上記〔１〕に記載のコークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法、
〔３〕間欠的になされるコークス乾式消火装置へのコークスの投入と同時にプレチャンバー内にバイオマスを投入することを特徴とする、上記〔１〕に記載のコークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法、
〔４〕コークス乾式消火装置上部コークス投入口またはプレチャンバーに設置された１または２以上の投入口からバイオマスを投入することを特徴とする、上記〔２〕または〔３〕に記載のコークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法、
〔５〕コークス乾式消火装置上部コークス投入口またはプレチャンバーに設置された１または２以上の投入口から窒素及び／または循環ガスを搬送ガスとして用いて気流搬送によってバイオマスを投入することを特徴とする、上記〔２〕または〔３〕に記載のコークス乾式消火装置における木質系及び／または農業系バイオマスの利用方法、
である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明では、農業系と木質系バイオマスを対象としている。本明細書において、バイオマスについての定義は上記ＦＡＯの定義に準ずる。すなわち、農業系バイオマスとは、ＦＡＯ定義における農業系バイオマスを指し、麦わら、サトウキビ、米糠、草木等が該当する。加えて、木質系バイオマスとは、ＦＡＯ定義における林業系バイオマスと、廃棄物系バイオマスの一部を指し、製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林、庭木、木材などの建設廃材、などが該当する。これらを使用するのは、含有水分が少なく（９〜５０質量％)湿分基準の発熱量も高いため、赤熱コークス顕熱のみで、乾留に必要な熱量以上のガス、固体エネルギーを回収できるからである。農業系、木質系以外のバイオマスに関しても、基本的に保有湿分基準発熱量が、水分の気化熱＋バイオマス自身の顕熱上昇＋分解熱以上であれば、有効なエネルギー源になりうる。
【０００７】
バイオマスをＣＤＱに投入すると、赤熱コークスの顕熱で乾留される。コークス投入時にはＣＤＱの上蓋が開くため若干の空気巻き込みがあるが、赤熱化したコークスの温度でプレチャンバー内の炭素が空気と反応して消費されるため、すぐに還元雰囲気となり、主に乾留すなわち熱分解が進行する。熱分解された後のバイオマス残渣は炭素分が多い固形分になる。バイオマスの使用により、バイオマスの熱量をガスと固形分に転換した分、コークス生産量が削減可能となる。
【０００８】
本発明の作用、効果を明らかにするために、まず、図３を元にＣＤＱの通常操業例を示す。コークス炉で製造された約１０００℃のコークスは、押し出し機でバケット車に押し出され、ＣＤＱ設備まで搬送された後、ＣＤＱ設備上部の上蓋１を開けて、プレチャンバー２に投入される。上蓋１で塞がれていた部分を上部コークス投入口とする。プレチャンバー内に入った高温のコークス３は循環ガス４により徐々に冷却されて、２００℃程度まで冷却される。熱は窒素を主成分とする循環ガスにより熱交換器５（ボイラー）で熱回収され、その熱で作られた蒸気で蒸気タービン６を動かして発電する。このとき残存揮発分等や粉コークスが熱交換器に到達してコーキングや伝熱阻害のトラブルを生じさせないために、プレチャンバー２から出た後のガスの排出口であるリングダクト７近傍で空気８（外気）を追加して完全燃焼させている。図中には、コークスの移動を太線で、ガスの移動を細線で示した。
【０００９】
図１にバイオマス投入例−１を示す。コークス投入は数分〜数１０分間隔で行われるバッチ投入であるため、投入タイミングのとりやすいコークスの投入と投入の間にバイオマスを投入している。コークスの投入と投入の間とは、あるロットのコークスの投入時にバケット車内にコークスが無くなった時点から、次のロットのコークス投入時にバケット車下部の開放が始まる直前までをいう。投入位置は、コークス投入口９からの場合と、新規にバイオマス投入口１０を設置する場合がある。投入方法は、各投入位置で、スクリューフィーダー、テーブルフィーダー等の切り出し装置で自重によって落下させる方法と、循環ガス４の一部または窒素ガスで搬送して吹き込む方法がある。循環ガスの場合、ガス温度が下がった時点、たとえば循環用のブロワ後のガスを一部分岐してバイオマス投入口１０まで配管し、テーブルフィーダー等の切り出し設備と組み合わせて使用する。窒素ガスの場合は、外部より窒素を配管でバイオマス投入口１０まで引き、同様に切り出し設備と組み合わせて使用する。気流搬送の優位性は、より少ない投入口数で分散範囲を拡大できることから自重落下の場合より層厚みの均一性が増す（後述のコークス投入と同時の場合は、分散性の向上）ことにある。また、搬送ガスに循環ガス４を使用することで、窒素使用のコストデメリットを最小限にすること可能である。投入量に関しては、コークス投入と投入の間に入れる場合は、ＣＤＱ通過時間内にすべてのバイオマスを反応させる伝熱からの条件（ＣＤＱ内で層状に存在し、上下の赤熱コークスから熱を受ける）として、１５０ｍｍ程度の厚み以下に保つことが望ましい。後述の、同時に投入する場合は、厚みからの制約はなく、後段の発電用熱交換器５のガス側温度低温下の許容範囲（熱交換効率低下の許容限度）まで投入可能である。投入量上限は、未反応バイオマスがコークスに混在したままＣＤＱから排出されない条件、すなわちＣＤＱでバイオマスの乾燥・炭化が十分進むバイオマス層厚み及び伝熱条件から、コークス量の４割程度まで（水分による）投入可能であり、この関係を元に適宜投入量を設定すればよい。投入量下限はない。
【００１０】
バイオマス投入口１０からの投入の場合、未反応バイオマス量を減少させるために、なるべく均一・層状にプレチャンバー内に堆積させる目的で、２箇所以上の投入口を確保するのが望ましい。通常は４箇所から１６箇所程度に設定される。コークス層１１は、投入されたバイオマス層１２と交互にサンドイッチ状のままＣＤＱ内を下降し、下部から順次排出される。
【００１１】
図２にバイオマス投入例−２を示す。投入例−１との違いは、コークス投入時に同時に投入することで、投入位置、投入方法の種類は投入例−１と同じである。「同時に投入する」とは、あるロットのコークスがバケットから落下開始した時点から落下終了した時点までの間にバイオマス投入を終了させるという意味であり、同じ時間帯に投入することにより、コークス落下時の拡散を利用してコークスと平均的に混合させることでバイオマスの炭化むらを少なくして、炭化物としての回収量を投入例−１よりさらに増やすことができる。図中ではコークス・バイオマス混合層１３として模式化している。
【００１２】
【実施例】
表１にバイオマス投入結果を示す。コークス投入と投入の間にコークス投入口からバイオマスを自重落下投入させた時の結果を、本法を用いた結果−１に、コークスの投入と同時にバイオマス投入口（８カ所）から窒素搬送投入させた時の結果を、本法を用いた結果−２に示した。使用サンプルは木質系バイオマスで、水分１５％のものを使用した。コークス投入と投入の間にバイオマスを投入した本法を用いた結果−１では、計算上は平均１２０ｍｍ程度の厚みとなった。また、結果比較のため、本法を用いた結果−２での投入量を、本法を用いた結果−１と同じにした。コークス回収率の増加をもって、バイオマス有効利用の指標とする。コークス回収率とは、乾式消火装置上部から投入したコークス質量に対し、下部から排出されたコークス質量の割合であり、バイオマス由来の炭化物質量も排出コークス質量に加算される。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
コークス量の５％バイオマスを加えることで、コークスとしての回収率がそれぞれ１．２％（本法を用いた結果−１）、１．４％（本法を用いた結果−２）上昇した。投入方式に関しては、均一に混合した場合（本法を用いた結果−２）の方が、コークス回収率が高かった。これらの結果から、コークス生産量を一定とした場合、回収率向上分のコークスが削減可能で（たとえば本法を用いた結果−２の１.４％）、さらに言えばコークスの原料である石炭の削減が可能であることを意味する。また、操業に関しても、バイオマス投入によるガス量変動も小さく、操業には全く問題なかった。
【００１５】
【発明の効果】
バイオマスをコークス乾式消火設備に投入することで、コークス乾式消火設備の操業に影響を与えることなく投入コークス、ひいては原料石炭を削減できることが判明した。また、ＣＤＱ内で生成したバイオマス由来の揮発分も、その顕熱と燃焼熱がＣＤＱのボイラで回収されており、バイオマスのＣＤＱでの有効利用が検証できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイオマス投入例−１
【図２】バイオマス投入例−２
【図３】ＣＤＱ操業
【符号の説明】
１：上蓋
２：プレチャンバー
３：コークス
４：循環ガス
５：熱交換器
６：蒸気タービン
７：リングダクト
８：空気
９：コークス投入口
１０：バイオマス投入口
１１：コークス層
１２：バイオマス層
１３：コークス・バイオマス混合層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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