(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、空気を導入させながら、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または請求項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または請求項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６】
プレチャンバーに設置された１または２以上の投入口から空気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または請求項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 the 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。また、ガス成分の安定化を目的とした、特開平6-336588号公報「コークスの製造方法並びに蒸気回収方法とその回収設備」、特開平7-145377号公報「コークス製造方法及びその製造設備」、特開平7-242879号公報「コークス乾式消火装置における酸化性ガスの吹き込み方法」等に見られる、プレチャンバーへの空気導入を行うことで、コークス歩留まりが低下するというデメリットがある。
【０００４】
本発明では、コークス歩留まりを向上させながら、カーボンニュートラルの特性を持つバイオマスをエネルギー化（ガスエネルギーは燃料ガス、電力に使用する。固体残渣はコークスとして燃料に使用する。）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、空気を導入させながら、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、〔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、〔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、〔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、〔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、
〔６〕プレチャンバーに設置された１または２以上の投入口から空気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、〔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、
からなる。
【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（〜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揮発分が脱離する。また、プレチャンバーにはコークス投入時の空気巻き込みや、ガス性状適正化のための空気投入により、空気が存在しており、赤熱化したコークスの温度でプレチャンバー内の炭素（揮発分、コークス、バイオマス）が空気と反応して消費される。本発明では、バイオマスを使用しており、バイオマスの熱分解（揮発）反応が早い特性により、従来空気と反応（燃焼）していたコークスに代わり、バイオマスが優先的に反応する。次に、プレチャンバーに全量の燃焼に必要な量の空気が存在しないこと、コークスあるいはバイオマスが定期的にプレチャンバーに投入されるため、前回投入のコークスあるいはバイオマスはプレチャンバー内ガス、空気と遮断されることにより、早い時期に酸素のない還元雰囲気となる。この雰囲気下で、未反応バイオマスは熱分解（乾留）され、ガスが生成するとともに、炭素分が多い固形分が生成する。バイオマス残渣は、燃焼性、着火性に優れ、他の性状もコークスに比べ遜色ないため、コークスとしての使用が可能である。従って、バイオマスの使用により、バイオマス由来の固形分だけコークス量が増加することになり、必要コークス量が一定であればその分石炭由来のコークス生産量を削減できる。
【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８００〜１０００℃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８近傍で空気９（外気）を追加して完全燃焼させている。またプレチャンバー２へは、空気投入口７から空気が投入されるが、プレチャンバー２内の炭素分（コークスから生成した揮発分、粉状コークス、塊状コークス）と反応し、燃焼して二酸化炭素と水を生じる。ここで、空気投入口７から投入される空気量は特に規定するものではなく、通常行っているガス性状適正化のために必要な空気投入量であればよい。生成した二酸化炭素や水はさらに周囲の炭素分と反応して一酸化炭素や水素となり、循環ガス４と合流してリングダクト８で完全燃焼された後、高温ガスとして熱交換器５で熱回収される。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。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った時点までをいう。バイオマスの投入位置は、コークス投入口１０からの場合と、新規にバイオマス投入口１１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を用いるか、または空気投入口７への空気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が可能である。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量であることが望ましい。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。バイオマス投入口１１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１２は、投入されたバイオマス層１３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。プレチャンバー２に投入されたバイオマスは、コークス層を一部覆うことや、投入空気と優先的に反応するために、空気投入口７からの空気とコークスとの接触機会を低減させ、投入空気によるコークスの燃焼量を低減する。生成した二酸化炭素や水蒸気がコークス層１２を通過する際には、従来と同様な反応を起こし、一酸化炭素や水素を生成する。
【００１０】
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、投入場所、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と空気の接触する部分を多くさせ、またコークスと比較して優先的に空気と反応するために、コークスと空気との反応を抑制させることができる。図中ではコークス・バイオマス混合層１４として模式化している。
【００１１】
【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、バイオマス層は計算上は平均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が排出コークス質量も加算される。また、排出粉コークス量は、塊状のコークスがＣＤＱ内降下時に粉化して生成したもの及びバイオマス残渣（炭化物）がＣＤＱ下部から排出された合計値で、排出コークス質量の外数である。
【００１２】
【表１】
0003930719.tif 000002
【００１３】
バイオマス投入により、コークス回収率が向上したのがわかる。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０．７％（本法を用いた結果−１）、１．０％（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。また、排出コークスが増加した分とほぼ同量の排出粉コークス量が減少しているのは、空気と塊状コークスが、直接接触して燃焼していた部分があったのに対し、バイオマスの均一分散化によってバイオマスと空気の接触する部分を多くさせ、またコークスと比較して優先的に空気と反応するために、塊状コークスと空気との反応を抑制させることで、反応をしやすい粉状コークスも反応が進んだためと考えられる。これらの結果から、コークス生産量を一定とした場合、回収率が向上するため、石油由来のコークスの削減が可能で（たとえば本法を用いた結果−２の１.０％）、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。
【００１４】
【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、コークス歩留まりを向上した上でコークス乾式消火設備の操業に悪影響を与えることなくバイオマスの有効利用ができた。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：空気投入口
８：リングダクト
９：二次空気
１０：コークス投入口
１１：バイオマス投入口
１２：コークス層
１３：バイオマス層
１４：コークス・バイオマス混合層
【図１】
0003930719.tif 000003
【図２】
0003930719.tif 000004
【図３】
0003930719.tif 000005