JP2014238192A - バイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法、およびバイオマス−石炭系燃料 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマス燃料を石炭系燃料とともに使用する場合に生じ得る逆火、および不安定燃焼という問題を低減することができるバイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法、およびバイオマス−石炭系燃料を提供する。【解決手段】バイオマス固体燃料と、石炭（Ｃｏａｌ）と溶剤（Ｓｏｌｖｅｎｔ）とを混合および加熱して得られるスラリーから溶剤に可溶な石炭成分（ＨＰＣ）および溶剤を分離することで残る副生炭（ＲＣ）と、を混焼させる。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法、およびバイオマス−石炭系燃料に関する。

特許文献１では、石炭（微粉炭）とバイオマス燃料とを火炉の燃料として用い、石炭とバイオマス燃料とを混焼させている。石炭の具体例としては、亜瀝青炭、褐炭が記載されている。バイオマス燃料の具体例としては、木質系バイオマス燃料と記載されている。石炭とバイオマス燃料とを混焼させることで、還元雰囲気を広範囲に形成することができ、ＮＯｘの生成量を抑制することができると特許文献１に記載されている。

特許文献２では、低品位炭と、石炭と溶剤とを混合および加熱してなるスラリーから溶剤に可溶な石炭成分を含む溶液部を分離した際に残る固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離して得られてなり、且つ、灰分に含まれる酸性成分に対する塩基性成分の比率が低品位炭よりも低い残渣炭とを混焼させている。低品位炭の具体例としては、亜瀝青炭、褐炭が記載されている。低品位炭に前記残渣炭を混合して燃焼させることで、火炉の炉壁や伝熱管に燃焼灰が付着することを抑制することができると特許文献２に記載されている。

特開２０１０−２３０２０９号公報 特開２０１３−８７１３５号公報

特許文献１に記載の、石炭（微粉炭）とバイオマス燃料とを火炉の燃料として用い、石炭とバイオマス燃料とを混焼させるという方法は、次のような解決すべき課題を有する。

固体燃料の燃焼において、バーナーから燃焼炉に供給されるときの固体燃料の反応は、輻射などの伝熱による固体燃料の温度上昇、揮発成分の揮発、揮発成分への着火、固体燃料からの揮発成分放出後の固体中残留炭素の燃焼、という順で反応が進む。燃焼炉内で火炎が安定形成されるように、バーナーは設計されているため、燃焼特性の異なる燃料への適用は難しいことがある。

ここで、バイオマスは、一般に揮発分・水分を多く含み、その燃焼性は石炭と大きく異なる。バイオマスは一般に石炭よりも揮発分が高含有であるため、燃焼反応の初期において多量の揮発分が放出されるので、バイオマスの着火性は石炭よりも高い。しかし、既存の石炭バーナーを用いてバイオマスを燃焼させようとする場合、バーナー内部においても輻射伝熱によりバイオマスが昇温し、その揮発成分が放出され、逆火の問題が生じる可能性がある。また、高含水のバイオマスを燃料とする場合、その発熱量が十分でなく安定燃焼が困難な場合がある。

しかしながら、特許文献１に記載の燃焼方法は、バイオマスが揮発分を多く含むことからくる逆火の問題、バイオマスが水分を多く含むことからくる不安定燃焼の問題を考慮したものとなっていない。

なお、特許文献２に記載の燃焼技術は、一般に塩基性成分を多く含む低品位炭を燃焼させることで生じる、火炉の炉壁などへの灰分の付着を抑制することを解決すべき課題とするものであり、燃料としてバイオマスを用いることに関しては何も記載されていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、バイオマス燃料を石炭系燃料とともに使用する場合に生じ得る逆火、および不安定燃焼という問題を低減することができるバイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法、およびバイオマス−石炭系燃料を提供することである。

本発明に係るバイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法は、バイオマス固体燃料と、石炭と溶剤とを混合および加熱して得られるスラリーから溶剤に可溶な石炭成分および溶剤を分離することで残る副生炭と、を混焼させることを特徴とする。

また、本発明に係るバイオマス−石炭系燃料は、バイオマス固体燃料と、石炭と溶剤とを混合および加熱して得られるスラリーから溶剤に可溶な石炭成分および溶剤を分離することで残る副生炭と、を含むものである。

本発明によると、バイオマス燃料を石炭系燃料とともに使用する場合に生じ得る逆火、および不安定燃焼という問題を低減することができる。

本発明のバイオマス−石炭系燃料に用いられる副生炭（石炭系燃料）の製造設備を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るバイオマス混合石炭系燃料のＴＧ分析結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（バイオマス混合石炭系燃料の構成）
本発明の一実施形態に係るバイオマス混合石炭系燃料（バイオマス−石炭系燃料）は、バイオマス固体燃料と、石炭を原料とする無灰炭の製造において副産物として得られる副生炭とを混合してなる燃料である。

（バイオマス固体燃料）
本発明で用いるバイオマス固体燃料は、例えば木質系のバイオマス固体燃料である。具体的には、例えばスギ、マツ、ヒノキといった木のくずを用いる。なお、本発明で用いるバイオマス固体燃料は、木くずに限定されるものではない。例えば、下水汚泥を固形にしたバイオマス燃料も適用し得る。木質系を含むバイオマス固体燃料の諸元は、例えば次の通りである。

<バイオマス固体燃料の諸元>
揮発成分（ＶＭ）：６０〜９０ｗｔ％,ｄｂ（dry-base）
燃料比：０．１５〜０．３
水分量（含水率）：１０〜８０ｗｔ％

バイオマス固体燃料を、窒素などの不活性ガス中で高温まで加熱すると、バイオマスを構成する高分子マトリックスの側鎖部分および／またはブリッジ部分が熱分解により切断され、低分子量炭化水素などの低沸点成分、ＣＯ、Ｈ_２などが発生し、ガス形態でバイオマス粒子の外部へ放出される。ガス形態でバイオマス粒子の外部へ放出されるこれら低分子量炭化水素などの低沸点成分、ＣＯ、Ｈ_２などのことを、バイオマス固体燃料の揮発成分（ＶＭ）という（副生炭についても同様）。なお、「ｄｂ」は、乾量基準の略である。
また、燃料比とは、固定炭素／揮発成分のことである。固定炭素とは、含まれる炭素のうちの不揮発成分のことである。

バイオマス固体燃料の諸元を上記したように、バイオマス固体燃料は揮発成分を多く含み（揮発成分高含有）、且つ、そのまま燃料として用いることを想定した場合、一般的に含水率が高い。

（副生炭）
本発明で用いる副生炭は、石炭と溶剤とを混合および加熱して得られるスラリーから溶剤に可溶な石炭成分および溶剤を分離することで残るものである。無灰炭（副生炭）の原料である石炭は、例えば瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭などである。副生炭の諸元は、例えば次の通りである。

<副生炭の諸元>
揮発成分（ＶＭ）：１０〜４０ｗｔ％,ｄｂ（dry-base）
燃料比：１．５〜３
水分量（含水率）：０〜５ｗｔ％
灰分量（灰の割合）：４〜２０ｗｔ％,ｄｂ（dry-base）
平均粒径（ｄ５０）：２０〜５０μｍ

灰分量（灰の割合）とは、燃えつきたあとに残る不燃性物質の燃焼前の物質（副生炭）に対する割合のことである。

副生炭の諸元を上記したように、副生炭は揮発成分が少なく（揮発成分低含有）、水分に関しては皆無である。なお、副生炭の揮発成分の含有率は通常の石炭よりも低い。

なお、前記したバイオマス固体燃料と副生炭とを混合してなる本発明のバイオマス混合石炭系燃料の諸元は次の通りである。

<バイオマス混合石炭系燃料の諸元>
混合燃料中の副生炭の割合（混合比）：５〜９９ｗｔ％
（混合燃料中の残りの部分は全てバイオマス固体燃料である）
水分量（含水率）：１〜２０ｗｔ％

<副生炭の製造方法>
副生炭の諸元を上記したが、副生炭の特性を上記した諸元だけで表すのは難しいので、その製造方法について図１を参照しつつ以下に記載しておく。なお、以下では、無灰炭の製造方法を説明しながら、その副産物である副生炭の製造方法について記載する。

図１に示すように、無灰炭（副生炭）の製造設備１００は、製造工程の上流側から順に、石炭ホッパ１・溶剤タンク２、スラリー調製槽３、移送ポンプ４、予熱器５、抽出槽６、重力沈降槽７、および溶剤分離器８・９を備えている。

ここで、無灰炭（副生炭）の製造方法は、抽出工程、分離工程（溶剤可溶成分分離工程）、無灰炭取得工程、および副生炭取得工程を有する。以下、各工程について説明する。なお、無灰炭とは、実質的に灰分を含まない改質炭のことをいい、具体的には、灰分が５重量％以下、好ましくは３重量％以下のもののことをいう。

[抽出工程]
抽出工程は、石炭と溶剤とを混合して得られるスラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出する工程である。この抽出工程は、図１中、スラリー調製槽３、予熱器５、および抽出槽６で実施される。

原料である石炭が石炭ホッパ１からスラリー調製槽３に投入されるとともに、溶剤タンク２からスラリー調製槽３に溶剤が投入される。スラリー調製槽３に投入された石炭および溶剤は、攪拌機３ａで混合されて石炭と溶剤とからなるスラリーとなる。

スラリー調製槽３にて調製されたスラリーは、移送ポンプ４によって、予熱器５に供給されて所定温度まで加熱された後、抽出槽６に供給され、攪拌機６ａで攪拌されながら所定温度で保持されて抽出が行われる。

石炭と溶剤とを混合して得られるスラリーを加熱して溶剤に可溶な石炭成分を抽出するにあたっては、石炭に対して大きな溶解力を持つ溶媒、多くの場合、芳香族溶剤（水素供与性あるいは非水素供与性の溶剤）と石炭とを混合して、それを加熱し、石炭中の有機成分を抽出することになる。

非水素供与性溶剤は、主に石炭の乾留生成物から精製した、２環芳香族を主とする溶剤である石炭誘導体である。非水素供与性溶剤の主な成分としては、２環芳香族であるナフタレン、メチルナフタレン、ジメチルナフタレン、トリメチルナフタレン等が挙げられ、その他の非水素供与性溶剤の成分として、脂肪族側鎖を有するナフタレン類、アントラセン類、フルオレン類、また、これらにビフェニルや長鎖脂肪族側鎖を有するアルキルベンゼンが含まれる。なお、テトラリンを代表とする水素供与性の化合物（石炭液化油を含む）を溶剤として用いてもよい。

[分離工程]
分離工程は、抽出工程で得られたスラリーを、例えば重力沈降法により、溶剤に可溶な石炭成分が溶解した溶液と、溶剤に不溶な石炭成分が濃縮した固形分濃縮液（溶剤不溶成分濃縮液）とに分離する工程である。この分離工程は、図１中、重力沈降槽７で実施される。抽出工程で得られたスラリーは、重力沈降槽７内で、重力にて、溶液としての上澄み液と、固形分濃縮液とに分離される。重力沈降槽７の上部の上澄み液は溶剤分離器８へ送られる。重力沈降槽７の下部に沈降した固形分濃縮液は溶剤分離器９へ送られる。

[無灰炭取得工程]
無灰炭取得工程は、分離工程で分離された溶液（上澄み液）から溶剤を蒸発分離して無灰炭（ＨＰＣ）を得る工程である。この無灰炭取得工程は、図１中、溶剤分離器８で実施される。

溶液（上澄み液）から溶剤を分離する方法は、一般的な蒸留法、蒸発法などを用いることができる。上澄み液から溶剤を分離することで、実質的に灰分を含まない無灰炭（ＨＰＣ）を得ることができる。無灰炭は、灰分をほとんど含まず、水分は皆無であり、原料石炭よりも高い発熱量を示す。

[副生炭取得工程]
副生炭取得工程は、分離工程で分離された固形分濃縮液から溶剤を蒸発分離して副生炭を得る工程である。この副生炭取得工程は、図１中、溶剤分離器９で実施される。重力沈降槽７で分離された固形分濃縮液は溶剤分離器９に供給され、溶剤分離器９内で固形分濃縮液から溶剤が蒸発分離される。

固形分濃縮液から溶剤を分離する方法は、前記した無灰炭取得工程と同様に、一般的な蒸留法、蒸発法などを用いることができる。溶剤の分離により、固形分濃縮液からは灰分などを含む溶剤不溶成分が濃縮された副生炭（ＲＣ、残渣炭ともいう）を得ることができる。副生炭は、灰分が含まれるものの水分が皆無であり、発熱量も十分に有している。副生炭は軟化溶融性を示さないが、含酸素官能基が脱離されているため、配合炭として用いた場合に、この配合炭に含まれる他の石炭の軟化溶融性を阻害するようなものではない。したがって、副生炭は、通常の非微粘結炭と同様に、コークス原料の配合炭の一部として使用することもできる。

（バイオマス燃料と石炭系燃料の混焼、および本発明の作用・効果）
前記したように、バイオマス固体燃料は、揮発成分・水分を多く含むため、その燃焼性は石炭と大きく異なる。バイオマスを燃焼させると、燃焼反応の初期において多量の揮発成分が放出されるため、バイオマスの着火性は石炭よりも高い。しかし、既存の石炭バーナーを用いてバイオマスを燃焼させようとする場合、バーナー内部においても輻射伝熱によりバイオマス燃料が昇温し、その揮発成分が放出され、逆火の問題が生じる可能性がある。また、高含水のバイオマスを燃料とする場合、その発熱量が十分でなく安定燃焼が困難な場合がある。

そこで、本発明では、バイオマス固体燃料と、揮発成分含有率が通常の石炭よりも低い前記した副生炭（石炭と溶剤とを混合および加熱して得られるスラリーから溶剤に可溶な石炭成分および溶剤を分離することで残る副生炭）とを混焼させる。燃焼温度は、例えば１０００℃〜１２００℃である。空気比は、例えば１．２である。バイオマス固体燃料と当該副生炭とを混焼させることで、昇温時の揮発成分の放出量および速度を、通常の石炭単独燃焼の場合の放出量および速度に近づけることができる。これにより、既存の石炭バーナーを用いても、バーナー内部で逆火が発生することを低減することができる。

なお、副生炭は、揮発成分含有率が通常の石炭よりも低いため、バイオマス固体燃料に対する副生炭の割合を高めていけば、昇温時の揮発成分の放出量および速度を、通常の石炭単独燃焼の場合の放出量および速度と同程度にすることが可能である。

また、副生炭は含水率が極めて低いため、一般に含水率が高いバイオマス固体燃料と当該副生炭とを混焼させることで高発熱量を得ることができる。これにより、安定燃焼が得られる。なお、上記した逆火発生の低減は、安定燃焼にも寄与する。

バイオマス固体燃料と副生炭との混焼は、バイオマス固体燃料と副生炭とをそれぞれ別個にバーナーに連通する配管（バーナーよりも上流側の配管）、またはバーナー内部の上流部などに供給することで混焼させてもよいし、バイオマス固体燃料と副生炭とを予め混合（均一に混合）したものをバイオマス混合石炭系燃料としてバーナーに供給してもよい。なお、バイオマス固体燃料と副生炭とを予め混合（均一に混合）させておいたほうが、その燃焼前に燃料としての特性がより確実に均一化されるので、より確実に安定した燃焼とすることができる。

ここで、本発明で用いるバイオマス固体燃料は、その粒径が限定されるものではないが、粒径が３００μｍ以下のものがバイオマス固体燃料全体の９０重量（ｗｔ）％以上を占めるものであることが好ましい。このように粒度を限定することで、空気との混合性が向上し、より安定した燃焼を得られる。なお、入手したバイオマス固体燃料が、この粒度条件を満たすものである場合はそのまま用いればよい。入手したバイオマス固体燃料が、この粒度条件を満たさないものである場合は、この粒度条件を満たすように粉砕して用いる。なお、バイオマス固体燃料の粒径が３００μｍ以下であるか否かなどその粒径を検証する場合、例えば、ＪＩＳ Ａ １１０２に規定されたふるい分け試験により粒径の検証を行う（副生炭の粒径の検証を行う場合についても同様）。

また、本発明で用いる副生炭は、粒径が３００μｍ以下のものが副生炭全体の９５重量％以上を占めるものであることが好ましい。このように粒度を限定することで、空気との混合性が向上し、より安定した燃焼を得られる。製造した副生炭が、この粒度条件を満たすものである場合はそのまま用いればよい。製造した副生炭が、この粒度条件を満たさないものである場合は、この粒度条件を満たすように粉砕して用いる。

さらに、バイオマス固体燃料と混焼する副生炭の揮発成分（ＶＭ）は、１０〜４０ｗｔ％,ｄｂ（dry-base）であることが好ましい。この構成によると、逆火の発生をより低減することができる。また、燃料として使用できるバイオマス固体燃料の種類も多くなる。

また、バイオマス混合石炭系燃料中の副生炭の割合は、５〜９９ｗｔ％であり、且つ、その残りの部分はバイオマス固体燃料であって、当該バイオマス混合石炭系燃料の含水率が１〜２０ｗｔ％であることが好ましい。バイオマス混合石炭系燃料中の副生炭の割合を、５〜９９ｗｔ％とすることで逆火の発生を低減できる。また、バイオマス混合石炭系燃料の含水率を１〜２０ｗｔ％とすることで、燃焼がより安定する。

（バイオマス混合石炭系燃料のＴＧ分析）
バイオマス固体燃料に副生炭を添加することにより、燃料の揮発成分量を通常の石炭の揮発成分量に近づける（調整できる）ことができることの検証実験を行った。

バイオマス固体燃料として、目開き３００μｍのふるい通過９４ｗｔ％のスギ木粉（含水率：１２ｗｔ％）を用いた（粒径が３００μｍ以下のものが全体の９４ｗｔ％以上を占める含水率：１２ｗｔ％のスギ木粉）。

副生炭は、平均粒径（ｄ５０）：２０〜５０μｍで、目開き３００μｍのふるい通過９９ｗｔ％のものを用いた（粒径が３００μｍ以下のものが全体の９９ｗｔ％以上を占める副生炭）。また、副生炭の揮発成分（ＶＭ）は、１０〜４０ｗｔ％,ｄｂ（dry-base）であった。

上記したスギ木粉１００％の試料、スギ木粉：副生炭＝９：１（重量比）の混合試料、スギ木粉：副生炭＝１：１（重量比）の混合試料、および通常の石炭１００％の試料の、計４種類の試料についてそれぞれＴＧ分析を行った。なお、スギ木粉：副生炭＝９：１（重量比）の混合試料、およびスギ木粉：副生炭＝１：１（重量比）の混合試料の含水率は、いずれも、１〜２０ｗｔ％であった。「ＴＧ分析（熱重量分析）」とは、試料を加熱し、温度変化させたとき（または一定温度に保持したとき）の試料の重量変化を測定するものである。

ここで、例えばスギ木粉：副生炭＝１：１（重量比）の混合試料は、スギ木粉１０ｍｇと副生炭１０ｍｇとを混合した試料とした。

ＴＧ分析器を用い、各試料を、それぞれ、常温から９００℃まで２０℃／ｍｉｎで昇温した際の各試料の重量減少率を図２に示す。

図２に示すグラフにおいて、２５０℃以上の温度での重量減少分は、試料の揮発成分量である。図２から、バイオマス固体燃料に副生炭を添加することにより、燃料（バイオマス混合石炭系燃料）の揮発成分量を通常の石炭の揮発成分量に近づける（調整できる）ことができることがわかる。また、副生炭の添加割合（混合割合）を大きくすることで、燃料の揮発成分量は、通常の石炭の揮発成分量に近づくことがわかる。なお、燃料の揮発成分量が通常の石炭の揮発成分量に近づくということは、燃料昇温時の揮発成分の放出量および速度が、通常の石炭単独燃焼の場合の放出量および速度に近づくということを意味する。

１：石炭ホッパ
２：溶剤タンク
３：スラリー調製槽
４：移送ポンプ
５：予熱器
６：抽出槽
７：重力沈降槽
８、９：溶剤分離器
１００：無灰炭および副生炭の製造設備

Claims (5)

1. バイオマス固体燃料と、石炭と溶剤とを混合および加熱して得られるスラリーから溶剤に可溶な石炭成分および溶剤を分離することで残る副生炭と、を混焼させることを特徴とする、バイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法。
2. 請求項１に記載のバイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法において、
   前記バイオマス固体燃料は、粒径が３００μｍ以下のものがバイオマス固体燃料全体の９０重量％以上を占めるバイオマス固体燃料であり、
   前記副生炭は、粒径が３００μｍ以下のものが副生炭全体の９５重量％以上を占める副生炭であることを特徴とする、バイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のバイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法において、
   前記副生炭の揮発成分（ＶＭ）は、１０〜４０ｗｔ％
   であることを特徴とする、バイオマス燃料と石炭系燃料の混焼方法。
4. バイオマス固体燃料と、
   石炭と溶剤とを混合および加熱して得られるスラリーから溶剤に可溶な石炭成分および溶剤を分離することで残る副生炭と、
   を含む、バイオマス−石炭系燃料。
5. 請求項４に記載のバイオマス−石炭系燃料において、前記副生炭の割合は、５〜９９ｗｔ％であり、且つ、その残りの部分はバイオマス固体燃料であり、
   当該バイオマス−石炭系燃料の含水率が、１〜２０ｗｔ％であることを特徴とする、バイオマス−石炭系燃料。

Images