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【発明の名称】 リグノセルロース系バイオマス微細粉燃料と、その製造方法
【発明者】 【氏名】篠宮 健

【氏名】松尾 昌直

【氏名】篠宮 征

【要約】 【課題】利便性に優れ、高エネルギー変換効率を有するリグノセルロース系バイオマス燃料と、その製造方法を提供すること。

【構成】リグノセルロース系バイオマスを微細粉化することで表面積を増大させ、燃焼効率等エネルギー変換効率の向上を図るとともに、液体的な流動性や気体的な噴霧や粉流特性を発揮させることで、利便性に優れた燃料とするものである。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
平均粒径が300μm以下であり、水分含有率が10wt%以下であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項2】
着火エネルギーが6mJ以下であり、点火プラグよる着火が可能であることを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項3】
Kst最大値が234bar・m/s以上であり、激しく燃焼することを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項4】
灰分が0.49wt%,dryと燃焼灰の少ないことを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項5】
液体燃料と混合し、スラリー燃料として用いることが可能であることを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項6】
凝固用の添加物なしでペレット又はブリケットを製造することが可能であることを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項7】
ボイラー又はストーブ用燃料として用いられることを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項8】
破砕された石炭又は木炭との混焼用燃料として用いられることを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項9】
ガス化用燃料として用いられることを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項10】
細胞壁が破壊されていることを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項11】
有用物質変換用化学原料として用いられることを特徴とする請求項1記載のリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料。
【請求項12】
リグノセルロース系バイオマス原料を削り、3mm以下に破砕する第一工程と、前記破砕された前記リグノセルロース系バイオマス原料を乾燥させる第二工程と、前記乾燥されたリグノセルロース系バイオマス原料を高速かつ複雑に攪拌させることで乱流を起こし、材料同士の摩擦及び衝突により微細粉化する第三工程からなるリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料の製造方法。
【請求項13】
リグノセルロース系バイオマス原料を削り、3mm以下に破砕する第一工程と、前記破砕された前記リグノセルロース系バイオマス原料を高速かつ複雑に攪拌させることで乱流を起こし、材料同士の摩擦及び衝突により微細粉化する第ニ工程と、前記微細粉化されたリグノセルロース系バイオマス原料を乾燥させる第三工程からなるリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料の製造方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、リグノセルロース系バイオマス微細粉燃料に関する。より詳しくは、リグノセルロース系バイオマス材料から得られる微細粉燃料と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
石油をはじめとする化石燃料は燃焼効率やエネルギー変換効率が良好な燃料である反面、その排ガス等が環境に悪影響を及ぼすため近年問題となっている。そして、近年化石燃料の備蓄問題等に関するエネルギー問題も重要視されていることから、森林資源をはじめとするリグノセルロース系バイオマス材料から得られる微細粉燃料が注目されている。
【0003】
リグノセルロース系バイオマス微細粉燃料とは、森林資源をはじめ廃材となった木材や樹皮、草等の材料を微細粉化して得られる燃料である。まず、前記リグノセルロース系バイオマス原料を微細粉化することで、表面積が増大し、酸素との反応効率が向上することから、燃焼速度が速く、従来のチップやペレットといった固形燃料と比べて熱量(カロリー)を得るまでの時間が大幅に短縮される。また、流体的な流動性と気体的な噴流や粉流特性を発揮することで、液体や気体燃料に近い取り扱いが可能になる。
【0004】
前記リグノセルロース系バイオマス微細粉燃料は、製材廃材の木質原料も利用できるため経済的である。そして、植物性バイオマス資源由来の燃料であるため地球上の炭素バランスを崩すこともない。また、燃料として使用した際のNOx(窒素酸化物)の発生濃度や転換率も小さい。更に、微細化して燃焼させるため完全燃焼しやすいことから、前記燃焼後の廃棄物排出量も大幅に低減できる。これらの点から化石燃料の代替燃料として有望である。
【0005】
これに関する技術として、特許文献1には、プラスチック廃棄物等を原料とした場合の微細粉燃料の製法として、乾燥汚泥とプラスチック廃棄物と添加剤を所定の割合で二軸押出機に投入し、その中で加熱しながら混練することで水分10wt%以下の固形物に変え、次いで、この固形物を粉砕機に投入して粉砕することで、粒径10μm以上、500μm以下の微粉体燃料とする技術が開示されている。
【0006】
【特許文献1】特開平11−228979号公報。
【0007】
また、前記リグノセルロース系バイオマス微細粉燃料は、ガス化発電やガスタービン発電及び各種内燃機関等の燃料としての使用のみならず、メタノールや水素の抽出材料及びエタノール等有用物質変換用化学原料等として幅広い分野での利用が期待されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
これまでリグノセルロース系バイオマス原料を用いた発電や熱利用等エネルギー利用は、利便性も悪く低高率なものであるため、その利用領域は小規模なものに限定されていた。
【0009】
従って、本発明では、利便性に優れ、高エネルギー変換効率を有するリグノセルロース系バイオマス燃料と、その製造方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、上記目的を達成するため、リグノセルロース系バイオマスを微細粉化することで表面積を増大させ、燃焼効率等エネルギー変換効率の向上を図るとともに、液体的な流動性や気体的な噴霧や粉流特性を発揮させることで、利便性に優れた燃料とするものである。
【0011】
また、その製造方法は、これまで粉砕が困難とされてきたリグノセルロース系バイオマス材料を簡易な物理的動作の組合せにより容易に粉砕できるものである。
【0012】
ここで、本発明における「リグノセルロース系バイオマス材料」とは、木材や樹皮等の木質系材料や、草本系材料、それらの加工物等も含まれる。また、廃材等であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明を実施するための好適な形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面に示された各実施形態は本発明に係る製造方法の代表的な実施形態例を示したものであり、これにより本発明が狭く解釈されることはない。
【0014】
本発明に係るリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料について説明する。
【0015】
本発明において用いられるリグノセルロース系バイオマス材料については特に限定されず、例えば、杉や松等の材木や樹皮等であってもよいし、枝葉、加工品等であってもよい。また、リグノセルロース系バイオマス材料に廃プラスチック等の他の廃棄物材料を混合したものであってもよい。
【0016】
本発明に係るリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料は、微細に粉砕されることで表面積を増大できるため、空気中の酸素との反応効率が向上することから燃焼速度が速く、それは直接燃焼だけでなく、ガス化においても高効率なエネルギー変換を可能とする。
【0017】
また、本発明に係るリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料は微細粉状であるため、他のペレット状やチップ状の燃料と比べて燃焼後の灰や未燃焼成分の排出量も少ない。従って、廃棄物排出量を軽減できる点で環境性にも優れている。更に、石炭燃焼に対して、本リグノセルロース系バイオマス微細粉燃料の燃焼では、窒素化合物(NOx)の発生が約1/3に軽減できる点で環境性にも優れている。
【0018】
着火手段については、油やガス焚バーナー等と同様に点火プラグを用いたスパーク着火が可能である。そして、粉砕された微粉炭と粒子径の分布が極めて類似していることから、石炭専燃時に用いられる微細粉バーナーを用いて着火・燃焼させることができるため、石炭燃焼炉をそのまま使用して混焼することもでき、効率的かつ簡便である。また、本発明に係るリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料は燃焼速度が速いことから石炭の助燃材としても有効に利用できる。
【0019】
更には、水分含有量が10%以下であるために、前記リグノセルロース系バイオマス微細粉燃料の燃焼時に蒸発線熱として奪われる熱量が小さい。従って、他の木質系バイオマス燃料と比べて単位重量あたりの発熱量が高い燃料として使用することができる。
【0020】
本発明に係るリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料は、固体であるリグノセルロース系バイオマス原料を削り、3mm以下に破砕させる第一工程と、前記破砕された前記リグノセルロース系バイオマス原料を、乾燥させる第二工程と、前記乾燥されたリグノセルロース系バイオマス原料を、切断刃を高速回転させることで微細粉化する第三工程と、を行うことによって製造することができる。
【0021】
前記第一工程は、森林バイオマスや製材廃材や農業廃棄物等の植物由来原料を一次粉砕する工程である。即ち、直接微細粉化するのではなく、段階的に粒径を小さくしていくことで最終的に微細粉燃料とするものである。まず、一次粉砕する第一工程では、前記リグノセルロース系バイオマス原料を極力薄く削っていくように切断することものである。そして、本発明において使用する切断刃については特に限定されない。
【0022】
前記第二工程は、前記粉体化された植物由来原料を乾燥させる工程である。微細粉化するためには、事前に乾燥された原料を用いることが望ましいが、原料の種類や含水率の状況によって、微細粉化された原料を乾燥する方法を用いる場合もある。
【0023】
前記第三工程は、前記乾燥されたリグノセルロース系バイオマス原料を高速かつ複雑に攪拌させることで乱流を起こし、原料同士の摩擦及び衝突で微細粉化する工程である。本工程によってリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料が生成される。
【実施例】
【0024】
<試料の調整>
本実施例において使用したリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料は、以下の手順によって得られたものである。まず、原料として杉の外皮(バーク)を使用した。そして、前記製造方法によって、平均粒径30μm〜40μmの微細粉を製造し、各実験で使用した。
【0025】
<電子顕微鏡写真での検討>
図2は、本発明に係る微細粉燃料の走査型電子顕微鏡写真である。なお、本発明で使用した走査型電子顕微鏡は、倍率(1300)倍の操作型電子顕微鏡を使用した。
【0026】
また、比較のため、図3に杉バークをハンマーミルで破砕して得られた粉体燃料の操作型顕微鏡写真を示す。ハンマーミル破砕によって得られた粉体燃料は、最大1.0mm以上の粒径であるものも観察された。
【0027】
図2によればリグノセルロース系バイオマスの細胞壁が破砕されていることが確認できた。一方、図3のハンマーミル破砕による粉体燃料では、前記細胞壁が充分に破砕できていないことが確認できた。
【0028】
<各種物性の測定と比較>
得られたリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料についての種々の物性について検討した。その際、表1の評価方法に基づいて評価した。表2にその評価結果を示す。
【0029】
【表1】


【0030】
【表2】


【0031】
<考察>
【0032】
平均粒径が小さく、着火エネルギーが3mJ〜6mJと低エネルギーであることより着火性及び燃焼性に優れていることが示唆された。また、最大圧力上昇速度が752bar/sであることにより燃焼速度が速いことが示された。そして、水分含有量が4.2%と低含有率であることより水分も少ない微粉体燃料であることが示された。これらの結果より、燃焼性に優れるとともに、ガス化性に優れた燃料であることが示された。
【0033】
石炭燃焼炉における燃焼試験の結果、燃料中N量は0.52wt%、NOx発生濃度が85ppmと低濃度であり、NOx転換率が5.7%と小さく環境性に優れた燃料であることが示された。
【0034】
燃料中に含まれる灰分(Ash)の割合が0.49wt%,dryであり、燃焼後に残る灰も少ないことが示された。
【0035】
また、爆発下限濃度は、240g/mであることから、石炭(爆発下限濃度:40g/m)エポキシ樹脂(爆発下限濃度:20g/m)等の他の粉体に比較して、粉塵爆発の危険性は低いことが示唆された。
【産業上の利用可能性】
【0036】
本発明は、燃焼速度が速い植物バイオマス燃料として、ガス化発電、ガスタービン発電、内燃機関等の幅広い分野で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明に係るリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料の製造方法(請求項12)を説明する工程図である。
【図2】本発明に係るリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料の製造方法(請求項13)を説明する工程図である。
【図3】本発明に係るリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料の走査型電子顕微鏡写真である。
【図4】ハンマーミルで粉砕したリグノセルロース系バイオマス粉体燃料の走査型顕微鏡写真である。
【図5】本発明に係るリグノセルロース系バイオマス微細粉燃料と微細炭の粒径分布比較
【符号の説明】
【0038】
A ベルトコンベア
B 一次粉砕機(粗破砕機)
C スクリューコンベア
D 乾燥機
E 二次粉砕機(微細粉化装置)
F サイクロン
G 集塵機
H 製品貯蔵タンク
I ルーツブロア
【出願人】 【識別番号】506264203
【氏名又は名称】株式会社バイオマス・プロダクツ
【出願日】 平成18年7月6日(2006.7.6)
【代理人】
【公開番号】 特開2008−13738(P2008−13738A)
【公開日】 平成20年1月24日(2008.1.24)
【出願番号】 特願2006−211398(P2006−211398)