(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素欠乏雰囲気中かつ密閉状態において、バイオマスを200〜500℃で加熱することにより、1〜5％のタール分を含有する生成物を収得することを特徴とする、バイオマス半炭化圧密燃料前駆体の製造方法。
【請求項２】
バイオマスを250〜400℃で加熱する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
酸素欠乏雰囲気が、酸素濃度1％以下の酸素含有雰囲気或いは不活性ガス雰囲気である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
酸素欠乏雰囲気中かつ密閉状態において、バイオマスを200〜500℃で加熱することにより、1〜5％のタール分を含有する生成物を収得した後、この生成物を加圧下に成形することを特徴とするバイオマス半炭化圧密燃料の製造方法。
【請求項５】
バイオマスを250〜400℃で加熱する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
酸素欠乏雰囲気が、酸素濃度1％以下の酸素含有雰囲気或いは不活性ガス雰囲気である請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、木、草、枝葉或いはその廃棄物である林地残渣、製材残渣、剪定・葉刈り材、古紙などのバイオマスを原料とする半炭化圧密燃料（Bio-carbonized densified fuel；以下「BCDF」と略記する）の前駆体およびBCDFの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
将来的に予測されている化石燃料の枯渇、大気中CO2濃度の上昇を一因とする地球温暖化現象などを考慮して、再生可能なエネルギー源としてのバイオマスの利用拡大が望まれている。
【０００３】
燃料として利用可能なバイオマスは、森林系バイオマス、農業系バイオマス、回収廃棄物系バイオマスなどである。現在、バイオマスは、主として薪、柴などの乾燥物或いはオガライト、オガ炭、木炭などの完全炭化物の形態で、その一部が使用されているに過ぎない。バイオマスの過半量を占める森林系および農業系のバイオマス(以下「農林系バイオマス」という)は、そのままでは空隙率が非常に高く(嵩高で)、輸送が困難であり、かつ重量当りのエネルギー密度が低いので、市場性は非常に低い。
【０００４】
また、近年大きな問題となっているバイオマスの一例として、いわゆる町柴(都市部における樹木の剪定・葉刈り廃棄物を主とする)がある。従来、町柴の処理は、野焼き、埋め立てなどにより行われているが、煙害の発生、埋め立て処分地の不足などにより、新たな処理手法或いは新たな有効利用方法を見出す必要に迫られている。同様な問題は、果樹栽培において発生するいわゆる村柴についても生じており、その解決策の確立が求められている。
【０００５】
従来、圧密化バイオマス系燃料としては、上記のオガライト、ペレット状のBDF(Bio-densified-fuel)、豆炭状のCDF（Carbonized-densified-fuel:いわゆる「タドン」）などが知られている。
【０００６】
オガライトは、乾燥したオガクズを約1t/cm2の圧力で棒状に加圧しながら、表面を約150℃に加熱成型した薪状の成形燃料である。オガライトは、その性質上、水分を吸収すると容易に崩壊し、また微生物により比較的容易に分解されるので、保存性が低い。さらには、多量の化合水を含むので、重量当りのエネルギー密度も、未加工のバイオマスと同様に低い。
【０００７】
ペレット状のBDFは、例えば、ウーデックスともよばれ、製材所で発生するオガクズを水分含量7%程度で高圧加圧して製造される。しかしながら、これも、原料の含水量が多かったり、不純物が混入したりしていると、ペレット化が困難になる。また、BDF自体も、吸湿すると、崩壊して、オガクズに戻ってしまうという難点がある。
【０００８】
豆炭状のCDF(タドン)は、重量当りのエネルギー密度は高いものの、炭化時の損失が大きいので、原料基準のエネルギー収率は低い。さらに、圧密化しても炭化物の内部隔壁の強度が高いので、圧密化保持のためにバインダー添加を必要とし、可塑性が乏しく、十分に圧密化された高強度の製品が得られないという難点がある。
【０００９】
従って、各種のバイオマスを質的に変換して、重量当りのエネルギー密度が高く、空隙率が低く、高強度で、輸送性に優れた新規な高効率燃料(高度の圧密化燃料)を得る技術の確立が求められている。
【００１０】
概念としての圧密化燃料には、すでにペレット状のBDFと豆炭状のCDFとがあるので、さらに両者の中間的な半炭化段階のBCDFがあってもよい。一般に、多様な発生源に由来するバイオマス混合物は、圧密化しにくく、可塑性が乏しいため、高エネルギー密度の圧密化燃料を得るためには、バインダーの添加が好まれる。しかしながら、例えば、木材廃材粉砕物にリサイクル原料として廃プラスチックを添加し、加圧して、圧密化燃料を製造する場合には、得られた燃料が可塑剤などの添加物に由来する有害物を含むことになり、またプラスチックス成分が塩素を含む場合には、燃料の燃焼時にダイオキシンなどの有害成分を発生させる危険性があるので、実用化には障害がある。
【００１１】
さらに、バイオマスを可塑化成形する方法としては、マイクロ波を照射して加熱成形する方法或いは水蒸気を用いて加熱成形する方法（例えば、棚橋光彦、「圧縮成型によるバイオマスボードの作成と針葉樹及び心材成分の高圧水蒸気蒸留法の開発」、第10回日本エネルギー学会大会、5-21(2001)）が知られている。しかしながら、マイクロ波加熱成形方法は、膨大なエネルギーを必要とするので、燃料の製造方法としては、経済性に劣る。水蒸気熱加熱成形方法の場合には、180℃までの加熱・圧密によりバイオマス系ボードを作る技術がすでに公知である。しかしながら、この方法では、バイオマス成分であるセルロースやヘミセルロースの脱水が殆ど十分に進行していないので、ボードは、塑性変形を生じてはいるものの、大量の化合水を保持している。従って、この方法をバイオマスの燃料化技術として見た場合には、重量当たりのエネルギー密度の向上は、全く達成されず、高エネルギー密度化への有効な手段といえない。
【００１２】
BCDFは、上記の問題点を克服するための有望な技術であると期待できるが、その具体的な製造方法は、確立されてはいない。すなわち、半炭化段階のBCDFは、吸湿しても崩壊せず、高エネルギー密度で、輸送性に優れた性状を有するペレット状燃料となりうると予測されているが、その製造方法についての具体的な条件などは、明らかにされていない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、多種多様な発生源に由来するバイオマスを原料として、原料よりもエネルギー密度が高く、かつ木炭よりもエネルギー収率が高く、輸送性に優れたバイオマス変換燃料を製造する技術を提供することを主な目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の様な技術の現状に鑑みて鋭意研究を進めた結果、バイオマス系の半炭化圧密燃料（BCDF）を製造するに際し、予めバイオマスの部分炭化物(BCDF前駆体)を調製した後、この前駆体を用いてBCDFを製造することにより、上記の目的を達成しうることを見出した。
【００１５】
すなわち、本発明は、下記のバイオマス半炭化圧密燃料前駆体およびバイオマス半炭化圧密燃料の製造方法を提供するものである。
１．酸素欠乏雰囲気中かつ密閉状態において、バイオマスを200〜500℃で加熱することにより、1〜5％のタール分を含有する生成物を収得することを特徴とする、バイオマス半炭化圧密燃料前駆体の製造方法。
２．バイオマスを250〜400℃で加熱する上記項１に記載の方法。
３．酸素欠乏雰囲気が、酸素濃度1％以下の酸素含有雰囲気或いは不活性ガス雰囲気である上記項１に記載の方法。
４．酸素欠乏雰囲気中かつ密閉状態において、バイオマスを200〜500℃で加熱することにより、1〜5％のタール分を含有する生成物を収得した後、この生成物を加圧下に成形することを特徴とするバイオマス半炭化圧密燃料の製造方法。
５．バイオマスを250〜400℃で加熱する上記項４に記載の方法。
６．酸素欠乏雰囲気が、酸素濃度1％以下の酸素含有雰囲気或いは不活性ガス雰囲気である上記項４に記載の方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明が処理対象とするバイオマスは、特に限定されるものではなく、木、草、枝葉或いはその廃棄物である林地残渣、製材残渣、剪定・葉刈り材、古紙などが例示される。処理に際しては、必要に応じて、適宜の寸法に切断、裁断、予備成形などを行う。その形態は、ブロック、フレーク状、チップ状、シート状など任意のものを使用することが出来る。
【００１７】
バイオマスが、大過剰の水分を含む場合(濡れている場合など)には、予め乾燥した後、加熱処理に供することが好ましい。
【００１８】
バイオマスの主成分は、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニン(アルキル基などの側鎖を有する芳香族化合物の縮合体)である。本発明によるBCDF前駆体製造においては、主に易分解性のセルロースおよびヘミセルロースの分解による脱水により、重量当たりのエネルギー密度を大幅に増大させるとともに、主に難分解性のリグニンの熱分解生成物である木タールなどの不完全分解性の有機成分をできるだけ多く残存させることを目指している。すなわち、本発明は、タール或いはタール前駆物質を粘結成分として残留させる点において、木炭製造技術とは、本質的に異なる。
【００１９】
本発明方法において、原料バイオマスを酸素欠乏雰囲気(本発明において、「酸素欠乏雰囲気」とは、酸素濃度1％以下の低酸素濃度雰囲気、例えば燃焼排ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気などの無酸素雰囲気を意味する)中で昇温加熱すると、バイオマスは、まず110〜150℃の温度で完全乾燥されて自由水分を失った後、セルロースおよびヘミセルロースが、約200〜250℃で脱水分解し始めて、原料のエネルギー密度を次第に増大させる。これに対し、リグニンの熱分解脱水物である木タールを残存させるためには、加熱温度を500℃以下に抑えることが望ましい。この様に、分子内水分の脱離率をより高めることとリグニン由来の有機成分をより多く残存させることは、トレードオフの関係になっている。
【００２０】
特に、リグニンの熱分解物である木タールは、BCDF前駆体からBCDFを製造するに際し、バインダーおよび可塑剤としての機能を発揮するのみならず、BCDF前駆体およびBCDFに防腐性および保存性を付与するとともに、BCDFのエネルギー収率を高めるという極めて重要な効果を発揮する。
【００２１】
一般に、原料バイオマスの加熱温度が低すぎる場合には、脱水が十分に行われないのに対し、木炭化における様に加熱温度が高すぎる場合には、炭素骨格の配置換え、すなわち芳香環化による炭化と側鎖の有機物のガス化とが生じて、重量が漸減し、また燃焼性のガス(水素、メタン、一酸化炭素など)の放出によって、原料自体が保有する熱量も、次第に失われる。
【００２２】
バイオマス熱分解処理時の雰囲気中の酸素濃度は、低い程好ましいが、密閉性処理容器内に少量の酸素が存在していても、速やかに全て消費されるので、1％以下であれば、障害とはならない。
【００２３】
従って、本発明においては、バイオマスの発生源などにより変わりうるが、上記のトレードオフの関係を考慮して、酸素欠乏雰囲気中バイオマスを200〜500℃程度(より好ましくは250〜400℃程度)の温度域において加熱することにより、十分な脱水を行うとともに、BCDF前駆体重量の1〜5％程度に相当するタール分を残存させることが好ましい。この温度範囲での加熱によれば、脱水による大きい重量減少を生じるが、その大部分は化合水の離脱によるものであり、熱量の大部分は維持されているので、化合水の離脱に対応して、加熱生成物であるBCDF前駆体重量のカロリー／重量密度が増大する。
【００２４】
なお、実際のBCDF前駆体の製造に際しては、加熱炉内部の温度分布、原料バイオマスの種類、仕込み量、形状などによって、原料バイオマス全体で、反応が均一に進行しないことがあるので、温度差を±10℃以下とする厳密な温度制御を追求することは、実務上困難である。この様な場合には、全体としての反応の均一性を出来るだけ確保しつつ、熱分解による脱水が進行し、かつ所定重量のタール分が残存する様に、上記温度範囲内で、昇温速度を調整したり、或いは加熱温度を段階的に変動させても良い。或いは、さらに加熱時間を調整しても良い。
【００２５】
本発明によるBCDF前駆体は、特に限定されるものではないが、例えば、2〜200MPa程度(より好ましくは5〜100MPa程度)の加圧下に所定の寸法に成形することにより、BCDFとすることが出来る。
【００２６】
【発明の効果】
本発明方法によれば、多種多様な植物に由来する原料バイオマスから、従来の各種バイオマス系燃料製造方法に比して、エネルギー成分の揮発損失を抑制して、高いエネルギー収率で、しかもバイオマス原料よりも高エネルギー密度の半炭化物を得て、輸送性および保全性に優れた高効率燃料を得ることが出来る。
【００２７】
すなわち、本発明により得られたBCDF前駆体は、親水性が低く、バインダーとなる木タールを多量に含み、可塑性に優れているので、これを圧縮成形することにより、容易に高強度のBCDFに変換させることが出来る。
【００２８】
得られるBCDFは、体積あたりのエネルギー密度および重量あたりのエネルギー収率が高く、輸送性、保型性、保存性、貯蔵性などに優れているので、バイオマス原料に比して、市場商品としての利用価値が極めて高い。
【００２９】
また、BCDF前駆体自体も、防腐性、防水性などに優れているので、そのまま長期間保存することが出来る。
【００３０】
【実施例】
以下に実施例および比較例を示し、本発明の特徴とするところにより一層明らかにする。
実施例１
原料バイオマスとして、1〜5mm大にカットした剪定材を120℃で6時間乾燥した後、2gを秤量し、密閉容器内のアルゴン雰囲気中250℃で30分間加熱することにより、重量収率約95.5％、エネルギー収率約98％で褐色の部分炭化物(BCDF前駆体)を得た。この加熱処理により、重量当たりのエネルギー密度は約5％向上した。また、タール分に相当するベンゼン抽出分は、約2％であった。
【００３１】
得られたBCDF前駆体を約100MPaで加圧成形したところ、安定な圧密体としてのペレット状BCDFが得られた。このBCDFを水中に浸漬放置したところ、半日後に崩壊した。
実施例２
原料バイオマスとして1〜5mm大にカットした剪定材を120℃で6時間乾燥した後、4gを秤量し、密閉容器内のアルゴン雰囲気中350℃で30分間加熱することにより、重量収率約43.4％、エネルギー収率約75％で黒色の部分炭化物(BCDF前駆体)を得た。この加熱処理により、重量当たりのエネルギー密度は約73％向上した。また、タール分に相当するベンゼン抽出分は、約4％であった。
【００３２】
得られたBCDF前駆体を約100MPaで加圧成形したところ、安定な圧密体としてのペレット状のBCDFが得られたが、ペレットの角部が少し崩れた。このBCDFを水中に浸漬放置したところ、1週間後にも当初の形態を維持していた。
比較例１
原料バイオマスとして1〜5mm大にカットした剪定材を120℃で6時間乾燥した後、4gを秤量し、密閉容器内のアルゴン雰囲気中550℃で30分間加熱することにより、重量収率約28．8％、エネルギー収率約35％で黒色の部分炭化物(BCDF前駆体)を得た。この際、容器出口には部分炭化物から分離した多量のタール分が付着していた。この加熱処理により、重量当たりのエネルギー密度は約22％向上した。部分炭化物中のタール分に相当するベンゼン抽出分は、0.5％以下であった。得られたBCDF前駆体を約100MPaで加圧成形した後、型から取り出したところ、取り出し時に成型物が崩壊した。