JP2006282914A - バイオマスコークスの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】バイオマスからコークスを製造するために必要な破砕動力、成型動力を低減し、一般廃棄物直接溶融炉等で使用可能なバイオマスコークスを製造する方法を提供すること。
【解決手段】バイオマスを空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃の熱分解ガスと固形炭化物に分離する熱分解工程と、熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガスを４００〜９００℃で反応する触媒を用いた改質反応によって常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタン等の低沸点のガスに変換するガス改質工程と、改質後の改質ガスを冷却、浄化してガス中の水分、腐食成分及び重金属を除去するガス精製工程と、熱分解工程で得られた固形炭化物を微粉砕する粉砕工程とを含み、微粉砕された固形炭化物にバインダーを添加して加圧成型により造粒する造粒工程によりバイオマスコークスを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、未利用のバイオマスからコークスを製造する方法に関する。
近年、地球温暖化防止の観点からＣＯ２削減のために、短期間サイクルでのＣＯ２循環、固定化が可能なバイオマス資源の活用に関する開発が推進され、例えば、特許文献１には、そのための廃棄物の処理方法及び廃棄物処理装置が開示されている。これは、バイオマスを含む廃棄物を間接加熱の熱分解炉で熱分解ガスと乾留残差（炭化物）に分離し、その後、熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガス、いわゆるタール分を熱分解ガスの部分燃焼による熱によって熱分解すると共に、得られた炭化物を溶融ガス化炉でガス化するものである。
この特許文献１の方法では、バイオマスの炭化物を溶融ガス化炉でガス化しているが、このバイオマスの炭化物を一般廃棄物直接溶融炉等の溶融燃料用コークスとして利用する場合、以下の問題があった。
１．バイオマスから所定形状のコークスを製造する場合、バイオマス（未乾留）の微粉化、高圧成型が必要であり、とくに繊維質のバイオマスを原料とする場合、その微粉化、高圧成型のために多大な粉砕動力、成型動力が必要となる。
２．逆に微粉化、高圧成型を行うことなく、単に成型したものをコークス化のために炭化する場合、十分な成型炭化物の強度を得ることができず、コークスとして使用できない。
３．下水汚泥のような高水分バイオマスを単独で炭化しコークスを製造する場合、水分を乾燥するのに膨大な外部エネルギーが必要となる。
４．バイオマスを炭化・コークス化する際に揮発分がガス化し、炭化・コークス化するために必要な熱量より多くのガスが発生するが、その中にはタール分が含まれるため有効利用できず、エネルギーの無駄が生じる。上記特許文献１の方法では、熱分解ガス中のタール分を熱分解するために熱分解炉で発生した熱分解ガスの一部を部分燃焼し、１０００℃以上の高温にする必要があるため、得られるガスの発熱量は低く、また、ガスエネルギーの回収率も低くなる。
特開平１１−２９０８１０号公報
本発明が解決しようとする課題は、バイオマスからコークスを製造するために必要な破砕動力、成型動力を低減し、一般廃棄物直接溶融炉等で使用可能なバイオマスコークスを製造する方法を提供することにある。
他の課題は、バイオマスの熱分解で得られた熱分解ガス中に含まれるタール分によるトラブルをなくし、熱分解ガスを有効利用できるようにすることにある。
さらに他の課題は、高水分バイオマスを乾燥するための外部エネルギーを削減または不要にすることにある。
本発明のバイオマスコークスの製造方法は、バイオマスを空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃の熱分解ガスと固形炭化物に分離する熱分解工程と、熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガスを４００〜９００℃で反応する触媒を用いた改質反応によって常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタン等の低沸点のガスに変換するガス改質工程と、改質後の改質ガスを冷却、浄化してガス中の水分、腐食成分及び重金属を除去するガス精製工程と、熱分解工程で得られた固形炭化物を微粉砕する粉砕工程とを含み、微粉砕された固形炭化物にバインダーを添加して加圧成型により造粒する造粒工程によりバイオマスコークスを製造することを特徴とする。
このように、本発明においては、バイオマスの熱分解で得られた固形炭化物を微粉砕し、バインダーを添加して加圧成型することで、バインダーが炭化物粒子間に十分浸透し、結合力が高くなり高強度のバイオマスコークスを製造できる。そして、バイオマスの熱分解で得られた固形炭化物の強度は元のバイオマスに比べ低いため、粉砕動力、成型動力を低減できる。また、繊維質のバイオマスを原料として含む場合であっても、炭化した後であれば容易に微粉化できるので高密度に成型可能である。さらに、建設廃棄物の木材チップのように、リグニン含有量が少なく加圧成型しにくいものでも成型可能であり、バイオマス原料の性状を問わずに、バイオマスコークスを製造することができる。
加えて、熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガス、すなわちタール分を触媒により改質することで、タール分によるトラブルをなくことができる。また、触媒なしに比べ、低温で改質反応を促進することができ、ガス改質のために熱分解ガスを部分燃焼する必要がないため、得られるガスの発熱量を高く維持でき、常温で利用可能なガスエネルギーの回収率も高くなる。
本発明においては、ガス精製工程で得られた精製ガスを熱分解工程、又は熱分解工程及びガス改質工程の外熱源として利用すると共に、その余剰精製ガスをガスエンジンで発電利用する発電工程を含むことができる。
熱分解工程においては、バイオマスの乾燥・昇温・熱分解用の熱量を供するために間接加熱を行い、ガス改質工程においては、タール分の分解の吸熱反応分を補填し触媒が活性化する温度に維持するために、間接加熱を行う。その外熱源としてガス精製工程で得られた精製ガスを利用することで、外部燃料もしくは熱分解生成ガスを使用しなくても良いので、エネルギーの回収効率を高くすることができると共に、バイオマスエネルギーのみで処理を行うので、環境に対するＣＯ２負荷も小さくすることが可能である。
熱分解工程に用いる熱分解炉としては、バイオマスを空気遮断状態での間接加熱するために、外熱式ロータリーキルンや外熱形式のパドルもしくはスクリュウ式搬送反応器を用いることができる。
ガス改質工程の温度範囲は４００〜９００℃、望ましくは５００〜８５０℃、さらに望ましくは５５０〜８００℃であり、触媒が活性化する温度により決定される。
このガス改質工程では、熱分解工程出口の温度を高くし、そのガス顕熱でタール分の分解の吸熱反応分を賄い、ガス改質工程出口で触媒が活性化する温度を保持するようにする場合は、ガス改質工程での間接加熱による熱補填は不要とすることができる。すなわち、ガス改質工程では、間接加熱を行わないことで、設備をシンプルに構成でき、安価にすることが可能となる。その際、熱分解工程出口のガス温度は極力高温とし、ガス改質工程に用いる触媒は、より低温でも反応するものを用いることで、例えば、ガス改質工程に９００℃で導入し、５００℃でも反応する触媒を用いれば、４００℃のガス顕熱分をタール分改質時の吸熱反応に利用することが可能となる。
ガス改質工程に用いる触媒は、タール分のクラッキング（熱分解）を促進させる触媒、もしくは、水蒸気によりタール分を改質する反応を促進させる触媒で、シリカ−アルミナ、ゼオライト、ドロマイト、ニッケル−アルミナ系、ニッケル−マグネシア系のニッケル系触媒や、セリウム酸化物担体の表面上に、触媒金属としてロジウムもしくはロジウム、ルテニウム、パラジウムまたは白金を担持したもののいずれか、もしくはその混合構成のいずれでも良い。触媒が活性化する温度範囲は、選定する材料により異なるが、いずれにおいても、触媒による反応促進作用により、触媒が無い場合に比べ、より低温でタール分の分解が可能となるので、得られるガスカロリーとガスの回収率は高くなる。
ガス改質工程に用いる触媒反応器は、バニカム状やペレット状の触媒を充填した固定床式反応器、もくしは砂状の触媒を充填し、ガス流により触媒を流動化状態とした流動床式反応器のいずれでも良い。
熱分解工程及びガス改質工程の外熱源として利用して残った余剰の精製ガスは、ガスエンジンによる発電工程で発電利用する。この発電工程では、ガス精製工程で得られた精製ガスを利用するので高効率の発電が可能である。
また、得られた精製ガスから水素を分離し、燃料電池用水素として利用すると共に、水素分離後のオフガスをガスエンジン用燃料として利用することもできる。
使用するバイオマスが低水分バイオマス（含水率：５０質量％以下）であれば、乾燥工程を経ることなく直接、熱分解工程に供することができる。低水分バイオマスとしては、建設廃木材、間伐材等の木質系バイオマス、紙等が挙げられる。
これに対して、高水分バイオマス（含水率：５０質量％超）を使用する場合、これを乾燥工程によって乾燥させた後の乾燥バイオマスを熱分解工程に供する。この乾燥工程においては、熱分解工程及びガス改質工程の外熱排ガスと発電工程の排ガスの少なくとも一つを利用するより高水分バイオマスの乾燥を行うようにすることで、乾燥のための外部燃料を不要とすることができる。高水分バイオマスとしては、下水汚泥、し尿汚泥、それらの消化汚泥、脱水汚泥、家畜糞尿、食品廃棄物、もしくは、それらの堆肥化物のいずれか又は混合物が挙げられる。
本発明においては、得られたバイオマスコークス（固定炭化物の圧縮成型品）を８００℃以上に再加熱する再加熱工程を含むことができる。この再加熱処理により、バインダー中の炭素分により炭素分子間を結合させ黒鉛化度を上げることで、バイオマスコークスの熱間強度をさらに強くすることができる。本発明により得られたバイオマスコークスは、シャフト炉式溶融炉等の一般廃棄物直接溶融炉の溶融燃料用コークスとして利用することができ、とくに、上述のように再加熱処理したバイオマスコークスを使用すれば、揮発分が少ないため燃焼温度が高くなる。
以上のとおり、本発明は以下の効果を奏する。
１．バイオマス原料の性状を問わずに、少ない破砕動力、成型動力により、一般廃棄物直接溶融炉等で使用可能なバイオマスコークスを製造することができる。
２．熱分解ガス中に含有するタール分を触媒により改質することで、タール分によるトラブルをなくことができる。また、触媒なしに比べ、低温で改質反応を促進することができるので、常温で利用可能なガスエネルギーの回収率を上げることができ、発電効率も上げることができる。
３．バイオマス由来のコークスを一般廃棄物直接溶融炉等に使用することで、化石燃料由来のＣＯ２発生量を低減でき、地球温暖化防止等の地球環境保全に寄与できる。
以下、添付図に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明のバイオマスコークスの製造方法を示す工程図である。
同図において、下水汚泥等の高水分バイオバスは、乾燥工程にて乾燥した後に熱分解工程に供される。乾燥工程には内熱式の乾燥炉を使用し、その熱源としては、後述する熱分解工程及びガス改質工程の外熱排ガスと発電工程及び再加熱工程の排ガスを利用する。この乾燥工程により、高水分バイオバスを含水率５〜２０質量％程度の乾燥バイオマスとする。
一方、木質系バイオマス等の低水分バイオマスは、直接、熱分解工程に供される。熱分解工程には外熱式ロータリーキルンを使用し、その外熱部の熱源として後述するガス精製工程で得られた精製ガスを導入し、７００〜１０００℃で燃焼する。この外熱部からの外熱排ガスは、上述のとおり乾燥工程の熱源として利用される。
外熱式ロータリーキルンのキルン炉殻は外熱部と遮断されており、キルン炉殻内に装入されたバイオマスは、空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃に昇温されて、乾燥、熱分解し、熱分解ガスと固形炭化物に分離する。
熱分解ガスは、バイオマス中の付着水分と揮発分が乾燥、熱分解により揮発したもので、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、ＣＨ４主体の低沸点ガスと常温で液状化する高沸点の液状物質、いわゆるタール分と水蒸気とからなり、熱分解炉工程の出口温度で４００〜９００℃となる。
この熱分解ガスは触媒反応器からなるガス改質工程に導入され、触媒反応器において熱分解ガス中のタール分が触媒を用いた改質反応により、水素、一酸化炭素、メタンを主体とする低沸点のガスに変換される。触媒反応器は外熱式となっており、その外熱部の熱源として後述するガス精製工程で得られた精製ガスを導入して７００〜１０００℃の温度で燃焼し、タール分改質時の吸熱反応熱を間接的に補填する。触媒反応器の外熱部からの外熱排ガスは、上述のとおり乾燥工程の熱源として利用される。
ガス改質工程を出た改質後の熱分解ガス（改質ガス）は、スクラバーを利用したガス精製工程で、冷却、除塵、脱硫、脱塩される。スクラバー出口の温度は６０℃以下、より好ましくは４０℃以下に十分低くして含有水蒸気を抑え、高熱量でクリーンな熱分解ガス（精製ガス）とする。この精製ガスは、上述のとおり熱分解工程及びガス改質工程の外熱源として利用される。本実施例では後述する再加熱工程の熱源とても精製ガスを利用する。余剰の精製ガスは発電工程においてガスエンジンで発電利用される。精製ガスの他の用途として、精製ガスから水素を分離し、燃料電池用水素として利用すると共に、水素分離後のオフガスを発電工程のガスエンジン用燃料として利用することもできる。
一方、熱分解工程で得られる固形炭化物は、熱分解温度によって一部揮発分が残留するが、大部分は、固定炭素分と灰分とからなる炭化物であり、熱分解工程の出口温度で４００〜９００℃となる。
この固形炭化物は粉砕工程において、例えば粒径２００μｍ以下に微粉砕される。この微粉砕された固形炭化物に外掛けで２０質量％程度のバインダーを添加、混合し、造粒工程において加圧成型し、バイオマスコークスとする。
バインダーとしては、タール・ピッチ系バインダー、プラスチック、水、水ガラス、セメント、セルロースのいずれか、もしくはその混合物が使用できるが、好ましくはタール・ピッチ系バインダーを使用する。バインダー混合後の加圧成型は、押出成型機、ダブルロール成型機等の加圧成型機を使用して行い、その加圧圧力は例えば３００〜３０００ＭＰａ程度とする。
造粒工程で得られたバイオマスコークスは、シャフト炉式溶融炉等の一般廃棄物直接溶融炉の溶融燃料用コークスとして使用する。この溶融炉利用時に温度上昇にしても揮発分はバインダー分が主体のため、熱間での強度は維持できる。
バイオマスコークスの熱間強度をさらに強くするには、造粒工程で得られたバイオマスコークスを再加熱工程において８００℃以上に再加熱する。これにより、バインダー中の炭素分により炭素分子間が結合され黒鉛化度が上がるので、バイオマスコークスの熱間強度がさらに強くなる。この再加熱工程には内熱式加熱炉を使用し、その熱源としては上述のとおり精製工程で得られた精製ガスを利用する。また、再加熱工程の排ガスは、上述した乾燥工程の熱源として利用する。
本発明のバイオマスコークスの製造方法を示す工程図である。

Claims (8)

  1. バイオマスを空気遮断状態での間接加熱により４００〜９００℃の熱分解ガスと固形炭化物に分離する熱分解工程と、熱分解工程で得られた熱分解ガス中に含有する常温常圧で液化する高沸点液状ガスを４００〜９００℃で反応する触媒を用いた改質反応によって常温常圧で液化しない水素、一酸化炭素、メタン等の低沸点のガスに変換するガス改質工程と、改質後の改質ガスを冷却、浄化してガス中の水分、腐食成分及び重金属を除去するガス精製工程と、熱分解工程で得られた固形炭化物を微粉砕する粉砕工程とを含み、微粉砕された固形炭化物にバインダーを添加して加圧成型により造粒する造粒工程によりバイオマスコークスを製造することを特徴とするバイオマスコークスの製造方法。
  2. ガス精製工程で得られた精製ガスを熱分解工程、又は熱分解工程及びガス改質工程の外熱源として利用すると共に、その余剰精製ガスをガスエンジンで発電利用する発電工程を含む請求項１に記載のバイオマスコークスの製造方法。
  3. 熱分解工程に供するバイオマスが、建設廃木材、間伐材等の低水分バイオマスである請求項１又は２に記載のバイオマスコークスの製造方法。
  4. 熱分解工程及びガス改質工程の外熱排ガスと発電工程の排ガスの少なくとも一つを利用することにより、高水分バイオマスの乾燥を行う乾燥工程を含み、この乾燥工程によって得られる乾燥バイオマスを熱分解工程に供する請求項２に記載のバイオマスコークスの製造方法。
  5. 使用する高水分バイオマスが、下水汚泥、し尿汚泥、それらの消化汚泥、脱水汚泥、家畜糞尿、食品廃棄物、もしくは、それらの堆肥化物のいずれか又は混合物である請求項４に記載のバイオマスコークスの製造方法。
  6. 得られたバイオマスコークスを８００℃以上に再加熱する再加熱工程を含む請求項１〜５のいずれかに記載のバイオマスコークスの製造方法。
  7. 得られたバイオマスを、廃棄物のシャフト炉式溶融炉の溶融燃料用コークスとして利用する請求項１〜６のいずれかに記載のバイオマスコークスの製造方法。
  8. 得られた精製ガスから水素を分離し、燃料電池用水素として利用すると共に、水素分離後のオフガスをガスエンジン用燃料として利用する請求項１〜７のいずれかに記載のバイオマスコークスの製造方法。
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