バイオマスの改質方法および改質装置
【課題】木粉等のバイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化して炭化物を得る際、副生成物の発生が抑えられるようにする。
【解決手段】原料導入管１から原料となるバイオマスと水との混合物を昇圧ポンプ２で加圧し、一次反応器４１の循環ポンプ４３の流入側に圧入する。混合物は、循環ポンプ４３から吐出され、ヒータ４５に送られ、ここで温度２００〜２６０℃に加熱されて反応槽４７に送られる。反応槽４７では、バイオマス中のヘミセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。一次反応器４１からの混合物は二次反応器４２の循環ポンプ４４の流入側に圧入しヒータ４６に送られ、ここで温度２７０〜３３０℃に加熱されて反応槽４７に送られる。反応槽４７では、バイオマス中のセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
【解決手段】原料導入管１から原料となるバイオマスと水との混合物を昇圧ポンプ２で加圧し、一次反応器４１の循環ポンプ４３の流入側に圧入する。混合物は、循環ポンプ４３から吐出され、ヒータ４５に送られ、ここで温度２００〜２６０℃に加熱されて反応槽４７に送られる。反応槽４７では、バイオマス中のヘミセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。一次反応器４１からの混合物は二次反応器４２の循環ポンプ４４の流入側に圧入しヒータ４６に送られ、ここで温度２７０〜３３０℃に加熱されて反応槽４７に送られる。反応槽４７では、バイオマス中のセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、木材等のバイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法および改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスを構成する主成分であるヘミセルロース、セルロースの有効利用方法として、種々の提案がなされている。例えば、バイオマスを硫酸などの酸で加水分解してグルコースなどの単糖類とし、この単糖類を発酵させてアルコールを製造するものがある。
【０００３】
また、特開２００２−５９１１８号公報には、木質バイオマスを加圧熱水中で加熱処理してセルロースを分解、抽出し、この抽出されたセルロース分解物を金属触媒によりメタン、水素、一酸化炭素などを含むガスに分解し、このガスを回収利用する技術が提案されている。
さらに、特開２００３−１２９０６９号公報には、木質バイオマスを加圧熱水中で加熱処理し、木質バイオマス中のヘミセルロース、セルロースを一旦分解、抽出し、この分解物をさらに重合、炭化させて炭化物とし、この炭化物をスラリー燃料とする炭化技術が開示されている。
【０００４】
ところで、この先行炭化技術においては、加熱処理中に正常な炭化物以外に粘着性、接着性に富む副生成物が同時に生成し、この副生成物が反応器、配管、ポンプなどの内壁に付着する現象が新たに判明した。このような副生成物の反応器等への付着は、改質装置の運転、管理などに支障を来すことになり、長時間の連続運転ができないなどの不都合を招く。
【０００５】
分析の結果、この副生成物は、分子量が数万以上と比較的大きく、アセトン可溶分が小さい性質を示した。一方、正常な炭化物は、分子量が数百の範囲のものと数万の範囲のものとが混合しており、アセトン可溶分が５０％程度のものであることが判明した。
【特許文献１】特開２００２−５９１１８号公報
【特許文献２】特開２００３−１２９０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
よって、本発明における課題は、木粉等のバイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化して炭化物を得る際、副生成物の発生が抑えられるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法であって、原料となるバイオマスを温度２７０〜３３０℃にまで徐々に昇温しつつ加熱することを特徴とするバイオマスの改質方法である。
請求項２にかかる発明は、昇温速度を１０℃／分以下とすることを特徴とする請求項１記載のバイオマスの改質方法である。
【０００８】
請求項３にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法であって、原料となるバイオマスを温度２００〜２６０℃で一次加熱したのち、これを温度２７０〜３３０℃で二次加熱することを特徴とするバイオマスの改質方法である。
【０００９】
請求項４にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、チューブ状反応器を備え、これの前半部分が原料となるバイオマスを温度２７０〜３３０℃にまで徐々に昇温しつつ加熱する徐昇温加熱部とされ、後半部分が温度２７０〜３３０℃に温度保持する温度保持部とされたことを特徴とするバイオマスの改質装置である。
請求項５にかかる発明は、徐昇温加熱部における昇温速度を１０℃／分以下としたことを特徴とする請求項４記載のバイオマスの改質装置である。
【００１０】
請求項６にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、ｎ＋ｍ（ｎは２以上の整数、ｍは１以上の整数である）基の反応器を直列に接続した多段反応器を備え、第１段から第ｎ段目の各反応器の温度が順次高くなるようにするとともに、第ｎ−１段目の反応器の温度が２００〜２６０℃に設定され、かつ第ｎ段目の反応器の温度が２７０〜３３０℃に設定され、第ｎ＋ｍ段目以降の反応器の温度が２７０〜３３０℃に設定されたことを特徴とするバイオマスの改質装置である。
【００１１】
請求項７にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、原料となるバイオマスを２００〜２６０℃で加熱する一次反応器と、この一次反応器から導出されたバイオマスを２７０〜３３０℃に加熱する二次反応器を備えたことを特徴とするバイオマスの改質装置である。
請求項８にかかる発明は、一次反応器および二次反応器のうち、少なくとも一次反応器が、加圧熱水が循環する循環回路が形成されているものであることを特徴とする請求項７記載のバイオマスの改質装置である。
【００１２】
本発明において、バイオマスの炭化とは、バイオマス中の酸素含有量を約４０ｗｔ％から約２０ｗｔ％に低下させることを言い、生成した炭化物とは、おおよそ炭素７５ｗｔ％、水素５ｗｔ％、酸素２０ｗｔ％の組成を有するものを指す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、バイオマスを加圧熱水中で炭化させる際、副生成物が生成することがなくなり、これが反応器等の内壁に付着することがなく、改質装置の長時間連続運転が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の改質方法の第１の形態は、原料となるバイオマスを温度２０〜１００℃の加圧熱水中に投入し、加圧熱水の温度を徐々に昇温して行き、２７０〜３３０℃にまで昇温するもので、この際の昇温速度を１０℃／分以下、好ましくは５℃／分以下、さらに好ましくは３℃／分以下とするものである。
【００１５】
第２の形態は、原料となるバイオマスを、まず温度２００〜２６０℃の加圧熱水中に投入して加熱する一次処理を行い、ついでこの一次処理したバイオマスを２７０〜３３０℃の状態として加熱処理して二次処理を行うものである。
この２種の形態を取ることで炭化処理に際して上述の副生成物が発生しなくなる。
【００１６】
バイオマスを加圧熱水中で加熱する際、温度２００〜２６０℃ではバイオマス中のヘミセルロースが熱水に溶解し、加水分解して単糖および多糖が混合した糖類となり、さらにこの糖類が重合して炭化物となる。また、温度が２７０〜３３０℃となると、バイオマス中のセルロースが熱水に溶解し、加水分解して上記同様単糖から多糖が混合した糖類となり、さらにこの糖類が重合して炭化物となる。
【００１７】
そして、第１および第２の形態のように、加圧熱水の温度２００〜２６０℃でまずヘミセルロースにかかる炭化反応を行わせ、このヘミセルロースの炭化反応が終了した後に、２７０〜３３０℃でセルロースにかかる炭化反応を行うようにすると、副生成物が生成しない。
一方、バイオマスを２７０〜３３０℃の加圧熱水中で一挙に加熱処理すると、炭化物以外に副生成物が発生し、これが反応器等の内壁に付着して付着物となる。
第１および第２の形態によって、副生成物が生成しない理由は未だ解明されていないが、２７０〜３３０℃で一挙に加熱をすると、ヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解し、同時に炭化反応することになり、これが副生成物の発生の一因となっているようであるが、詳細なメカニズムは今のところ判明していない。
【００１８】
第１の形態において、昇温速度が１０℃／分を超えると、温度２００〜２６０℃でのヘミセルロースの炭化反応が十分に進まず、副生成物が発生し始める。また、最終処理温度が２７０℃未満ではバイオマス中のセルロースが溶解せず、炭化反応が十分進まない。また、３３０℃を越えると、熱水状態を確保するための圧力が高く（１３ＭＰａ以上）なり、装置として過大になり、また熱エネルギーの無駄となる。
第２の形態において、一次処理時の温度が２００℃未満ではバイオマス中のヘミセルロースの溶解が行われず、２６０℃を越えると、ヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解する。また、二次処理時の温度が２７０℃未満ではセルロースの溶解が行われず、炭化反応が十分に進まない。また、３３０℃を越えると、熱水状態を確保するための圧力が高く（１３ＭＰａ以上）なり、装置として過大になり、また熱エネルギーの無駄となる。
【００１９】
図１は、本発明のバイオマスの改質装置の第１の例を示すもので、図１中符号１は原料導入管を示す。この原料導入管１には、原料となるバイオマスと水との混合物が送り込まれる。
ここでのバイオマスとしては、木材、竹、廃木材、おがくず、チップ、端木材、間伐材、稲わら、麦わら、籾殻、バガスなどの植物系のバイオマスであって、粒径が１ｃｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の粉末が用いられる。
【００２０】
原料となるバイオマスと水との混合割合は、重量比でバイオマス２〜１５ｗｔ％の範囲とされる。
原料となるバイオマスと水との混合物は、原料導入管１から加圧ポンプ２に送られ、ここで圧力７〜１５ＭＰａ程度に加圧される。ここでの圧力は、後述する加熱処理時の温度において水が液体状態を保持する圧力とされる。
【００２１】
この加圧された混合物は、チューブ型反応器４の入口に送り込まれる。このチューブ型反応器４は、例えば実証装置の規模で、内径が８〜２５ｍｍ、長さが１００〜２０００ｍのチューブ状の耐圧容器であって、その外周にはその長手方向に沿ってこれを加熱する２基の電気ヒーター５、６が設けられている。なお、これらを商業装置規模とする場合は、同規模で複数基とするか、規模の拡大が可能かを検討して設置する。また、加熱器は電気ヒーターに代えて熱媒油などの熱媒体による二重管加熱器を利用することもできるのは当然である。
反応器４の入口側の第１電気ヒータ５は、反応器４内の混合物を加熱し、その温度を２０〜１００℃から徐々に昇温させ、最終的に２７０〜３３０℃とする機能を有するもので、この第１電気ヒータ５が設けられている前半部分が徐昇温加熱部７となっている。この徐昇温加熱部７での昇温速度は、上述のように、１０℃／分以下、好ましくは５℃／分以下、さらに好ましくは３℃／分以下となるように制御されている。
【００２２】
チューブ型反応器４の出口側の第２電気ヒータ６は、混合物の温度を２７０〜３３０℃に保持する機能を有するもので、この第２電気ヒータ６が設けられているチューブ型反応器４の後半部分が温度保持部８となっている。
チューブ型反応器４内に圧入された前記混合物は、その前半部分の徐昇温加熱部７において、徐々にゆっくりとした昇温速度で加熱され、その温度が２００〜２６０℃になったときに、ヘミセルロースが溶解し、上述の炭化反応を受ける
【００２３】
さらに、混合物の温度が２７０〜３３０℃になったときに、混合物は前半部分の徐昇温加熱部７から後半部分の温度保持部８に送られてこの温度に保たれ、ここでセルロースが溶解し、炭化反応を受ける。
次いで、チューブ型反応器４から導出された反応物は、冷却器９に送られ、ここで適宜の温度まで冷却されたのち、落圧器１０に送られ常圧にまで減圧されて、炭化物スラリーとして取り出される。
この改質装置によれば、バイオマス中のヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解されることがなく、同時に炭化反応を受けることがないので、副生成物が生じることがない。
【００２４】
図２は、本発明の改質装置の第２の例を示すもので、請求項６に記載した改質装置に該当するものである。この例の改質装置は、４基の反応器１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを直列にカスケード方式に連結してなるもので、第１段目の反応器１１ａから順次第２段目の反応器１１ｂに、第３段目の反応器１１ｃに、さらに第４段目の反応器１１ｄに前記混合物が流れるように構成されている。各反応器１１は、それぞれバイオマスと水との混合物を加熱するヒータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと反応槽１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄとから構成されている。
【００２５】
そして、各反応器１１は、第１段反応器１１ａから順次加圧熱水の温度がステップ状に高くなるように温度制御されており、例えば第１段反応器１１ａでは２０℃で供給されたバイオマスと水との混合物を１８０℃に昇温させ、第２段反応器１１ｂではこれを更に２３０℃に昇温させ、第３段反応器１１ｃでは２６０℃に昇温し、第４段反応器１１ｄでは３００℃に昇温し、それぞれの反応槽でその温度で加熱処理されるようになっている。
そして、第４段反応器１１ｄの反応槽１３ｄは、その容量が前段の各反応槽に比べて大きくなっており、ここでの停留時間が長くなり、長時間の加熱処理がなされるようになっている。
【００２６】
原料導入管１からの上記混合物は、昇圧ポンプ２で７〜１５ＭＰａに加圧された後、第１段反応器１１ａのヒータ１２ａで２０℃から１８０℃に加熱され、反応槽１３ａで加熱処理を受け、ついで第２段反応器１１ｂに送られ、これのヒータ１２ｂで２３０℃に加熱されて反応槽１３ｂで加熱処理を受ける。さらに、混合物は第３段反応器１１ｃに送られ、これのヒータ１２ｃで２６０℃に加熱されて反応槽１３ｃで加熱処理を受ける。この際、第２段と第３段反応器１１ｂ、１１ｃとでの加熱処理により、バイオマス中のヘミセルロースが溶解し、炭化反応を受ける。
【００２７】
ついで、第３段反応器１１ｃからの混合物は、第４段反応器１１ｄのヒータ１２ｄで３００℃に加熱され、これの反応槽１３ｄで加熱処理を受ける。ここでは、バイオマス中のセルロースが溶解し、炭化反応を受ける。第４段反応器１１ｄからの混合物は、さらに冷却器９に送られ、ここで適宜の温度まで冷却されたのち、落圧器１０に送られ常圧にまで減圧されて、炭化物スラリーとして取り出される。
この改質装置によれば、バイオマス中のヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解されることがなく、同時に炭化反応を受けることがないので、副生成物が生じることがない。
【００２８】
図３は、この発明の装置の第３の例を示すものである。原料導入管１からの前記混合物は昇圧ポンプ２で７〜１５ＭＰａに加圧され、管３から一次反応器３１に送り込まれる。この一次反応器３１は、オートクレーブであって、内部には撹拌装置３２とヒータ３３とが設けられている。
一次反応器３１内に送り込まれた混合物は、ヒータ３３で加熱され、温度２００〜２６０℃に加熱される。
この一次反応器３１においては、バイオマス中のヘミセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
【００２９】
一次反応器３１で一次加熱処理を受けた前記混合物は、ついで管３４から二次反応器３５に送り込まれる。この二次反応器３５もオートクレーブであって、内部には撹拌装置３６とヒータ３７とが設けられている。
二次反応器３５に送り込まれた混合物は、ヒータ３７で加熱され、温度２７０〜３３０℃に加熱される。
この二次反応器３５では、バイオマス中のセルロールが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
二次反応器３５から導出された反応物は、ついで冷却器９に送られ、ここで適宜の温度まで冷却されたのち、落圧器１０に送られ常圧にまで減圧されて、炭化物スラリーとして取り出される。
この改質装置によっても、バイオマス中のヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解されることがなく、同時に炭化反応を受けることがないので、副生成物が生じることがない。
【００３０】
図４は、この発明の改質装置の第４の例を示すものである。この例の改質装置も一次反応器４１と二次反応器４２とを備えたものである。一次反応器４１および二次反応器４２は、いずれも循環ポンプ４３、４４と、ヒータ４５、４６と、反応槽４７、４８を具備し、これを配管４９、５０で直列に連結した構成となっている。
そして、各反応器４１、４２では、バイオマスと水との混合物が循環ポンプ４３、４４からヒータ４５、４６に流れ、さらに反応槽４７、４８に流れ、反応槽４７、４８から循環ポンプ４３、４４に戻る循環回路を形成している。
【００３１】
原料導入管１からの原料となるバイオマスと水との混合物は、昇圧ポンプ２で７〜１５ＭＰａに昇圧されたのち、管３から一次反応器４１の循環ポンプ４３の流入側に圧入される。混合物は、循環ポンプ４３の吐出側から吐出され、ヒータ４５に送られ、ここで温度２００〜２６０℃に加熱されて反応槽４７に送られる。反応槽４７では、バイオマス中のヘミセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
【００３２】
炭化反応を受けた混合物は、反応槽４７から循環ポンプ４３の流入側に戻り、再度循環ポンプ４３の吐出側から送り出された同様の加熱処理を受ける。
ついで、この循環回路での加熱処理を所定時間受けた混合物は、一次反応器４１のヒータ４５の出口側から抜液され、管５１から二次反応器４２の循環ポンプ４４の流入側に圧入される。この混合物は、循環ポンプ４４の吐出側から吐出され、ヒータ４６に送られ、ここで温度２７〜３３０℃に加熱されて反応槽４７に送られる。反応槽４７では、バイオマス中のセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
【００３３】
炭化反応を受けた混合物は、反応槽４８から循環ポンプ４４の流入側に戻り、再度循環ポンプ４４の吐出側から送り出された同様の加熱処理を受ける。
ついで、この循環回路での加熱処理を所定時間受けた混合物は、ヒータ４６の出口側から抜液され、管５２から冷却器９に送られ、ここで適宜の温度まで冷却された後、落圧器１０にて常圧に減圧されて、炭化物スラリーとして取り出される。
この改質装置によっても、バイオマス中のヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解されることがなく、同時に炭化反応を受けることがないので、副生成物が生じることがない。
【００３４】
なお、第３および第４の例の改質装置において、昇圧ポンプを用いる代わりに原料となるバイオマスをスクリュー押込機を用いて一次反応器に押し込むようにしてもよい。
また、二次反応器として、チューブ型反応器を採用して、一次反応器から抜液された温度２００〜２６０℃の混合物をこのチューブ型反応器に送り込み、ここで温度２７０〜３３０℃に徐々に昇温して反応を進めるようにすることも可能である。
【００３５】
以下、本発明の作用効果を確認するための実験例を示す。
以下の例１ないし１０では、改質装置に相当する反応管を用いて実験を行った。この反応管は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の内径８ｍｍ、長さ７００ｍｍで、耐圧構造となっており、その一端には内部に窒素を圧入するための弁が取り付けられている。また、この反応管は、その長手方向にネジにより二分割できるようになっており、その内部にはステンレス鋼線製の網籠が収容されるようになっている。
【００３６】
実験に際しては、まず反応管内に水を深さ１００ｍｍとなるように入れ、スギのおがくずを詰めた網籠を収容し、反応管を封じる。ついで、弁から窒素を２ＭＰａで圧入し、この反応管を加熱砂浴に入れて加熱し、反応管内部の温度が所定の温度になったときに、網籠を水中に落下させ、スギおがくずに対して炭化反応を行うようにした。
【００３７】
（例１）
反応管内部の水の温度が２５℃のときに網籠を水中に落下させ、徐々に温度を高めていった。この時の昇温速度は３℃／分とし、昇温時間９０分後に３００℃とした。この温度で１０分保持した後、反応管を加熱砂浴から取り出し、冷却後、弁を開いて常圧としたのち、反応管を分割し、内部の状態を観察した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００３８】
（例２）
例１において、昇温速度を５℃／分とし、昇温時間を５５分とした以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００３９】
（例３）
例１において、昇温速度を１０℃／分とし、昇温時間を２８分とした以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４０】
（例４）
例１において、昇温速度を１５℃／分とし、昇温時間を１９分とした以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物が認められたが、その量は少なかった。水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４１】
（例５）
例１において、昇温速度を２０℃／分とし、昇温時間を１４分とした以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には多量の付着物が認められた。水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４２】
（例６）
反応管内部の水の温度が２００℃のときに網籠を水中に落下させ、３０分間この温度を保持したのち、温度３００℃に設定されている別の加熱砂浴に反応管を移し、この温度で３０分保持した。その後、反応管を加熱砂浴から取り出し、冷却後、弁を開いて常圧としたのち、反応管を分割し、内部の状態を観察した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４３】
（例７）
例６において、反応管内部の水の温度が２６０℃のときに網籠を水中に落下させた以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４４】
（例８）
例６において、反応管内部の水の温度が１８０℃のときに網籠を水中に落下させた以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物が認められた。水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４５】
（例９）
例６において、反応管内部の水の温度が２７０℃のときに網籠を水中に落下させた以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には多量の付着物が認められた。水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４６】
（例１０）
例６において、反応管内部の水の温度が１８０℃のときに網籠を水中に落下させ、温度２６０℃に設定されている別の加熱砂浴に反応管を移した以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められなかった。しかし、水中には炭化が不十分な状態のスギのおがくずが存在していた。
【００４７】
（例１１）
１リットルのオートクレーブに、スギおがくず５０ｇと水５００ｇを入れ、窒素を２ＭＰａで圧入した。撹拌しながら電気ヒータでゆっくり昇温させ、約６０分で３００℃（昇温速度８℃／分）まで昇温し、３０分間保持したのち、冷却し、開放した。オートクレーブ内部の液中には黒色の炭化物が存在し、撹拌翼や容器内面への付着物は少なく、水洗すると簡単に洗い落とすことができた。
【００４８】
（例１２）
１リットルのオートクレーブに、スギおがくず５０ｇと水５００ｇを入れ、窒素を２ＭＰａで圧入した。撹拌しながら電気ヒータを最大出力としで急速に昇温させ、約２０分で３００℃（昇温速度１５℃／分）まで昇温し、３０分間保持したのち、冷却し、開放した。オートクレーブ内部の液中には黒色の炭化物が存在し、撹拌翼や容器内面にアスファルト状の副生成物が付着し、金属へらなどで掻き落とす必要があった。
【００４９】
（例１３）
内径８ｍｍのチューブ型反応管の外周に帯状の電気ヒータを巻き付け、反応管の長手方向に温度を制御できるようにした。昇圧ポンプにより、常温のスギおがくずと水との混合物（おがくず５ｗｔ％）を１２ＭＰａにまで加圧してチューブ型反応管に供給した。電気ヒータにより加温し、反応管の前半部分において約６０分で３００℃まで昇温し、さらに反応管の後半部分において３００℃で３０分保持したのち、空冷で２００℃まで冷却し、さらに常圧まで減圧した。６時間の運転後、水のみを加圧して供給し、同様に２時間運転した。その間、反応管の入口の圧力上昇は認められなかった。その後、反応管を切断して内部を点検したところ、付着物はほとんど認められなかった。
【００５０】
（例１４）
内径８ｍｍのチューブ型反応管の外周に帯状の電気ヒータを巻き付け、反応管の長手方向に温度を制御できるようにした。昇圧ポンプにより、常温のスギおがくずと水との混合物（おがくず５ｗｔ％）を１２ＭＰａにまで加圧してチューブ型反応管に供給した。電気ヒータにより加温し、反応管の前半部分において約２０分で３００℃まで昇温し、さらに反応管の後半部分において３００℃で３０分保持したのち、空冷で２００℃まで冷却し、さらに常圧まで減圧した。６時間の運転後、水のみを加圧して供給し、同様に２時間運転した。その間、反応管の入口の圧力が徐々に上昇し、停止時には１５ＭＰａとなった。その後、反応管を切断して内部を点検したところ、反応管の前半部分には反応管がほとんど埋まる程度の付着物が見られた。
【００５１】
（例１５）
図４に示した改質装置を用いた。一次反応器４１では、温度２３０℃、平均保持時間３０分の条件で加圧熱水を循環させた。また、二次反応器４２では、温度３００℃、平均保持時間３０分の条件で加圧熱水を循環させた。スギおがくずを２軸スクリュー押込機で一次反応器４１に供給し循環させた。ついで、一次反応器４１からのおがくずと水との混合物を二次反応器４２に供給し、循環させて炭化反応を行った。反応終了後、一次反応器４１および二次反応器４２の内部には付着物は認められなかった。
【００５２】
（例１６）
図４に示した改質装置における一次反応器４１において、温度３００℃、平均保持時間６０分の条件で加圧熱水を循環させた。スギおがくずを２軸スクリュー押込機で一次反応器４１に供給した。１０時間程度運転したが、その間循環量が徐々に減少し、循環不能になった。装置を開放点検したところ、接液部には付着物が２〜３ｍｍ生成していた。得られた生成物は、溶融したような外観を呈していた。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の改質装置の第１の例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の改質装置の第２の例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の改質装置の第３の例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の改質装置の第４の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
４・・・チューブ型反応器、７・・・徐昇温加熱部、８・・・保持加熱部、１１・・・反応器、１３・・・反応槽、３１、４１・・・一次反応器、３５、４２・・・二次反応器
【技術分野】
【０００１】
この発明は、木材等のバイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法および改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスを構成する主成分であるヘミセルロース、セルロースの有効利用方法として、種々の提案がなされている。例えば、バイオマスを硫酸などの酸で加水分解してグルコースなどの単糖類とし、この単糖類を発酵させてアルコールを製造するものがある。
【０００３】
また、特開２００２−５９１１８号公報には、木質バイオマスを加圧熱水中で加熱処理してセルロースを分解、抽出し、この抽出されたセルロース分解物を金属触媒によりメタン、水素、一酸化炭素などを含むガスに分解し、このガスを回収利用する技術が提案されている。
さらに、特開２００３−１２９０６９号公報には、木質バイオマスを加圧熱水中で加熱処理し、木質バイオマス中のヘミセルロース、セルロースを一旦分解、抽出し、この分解物をさらに重合、炭化させて炭化物とし、この炭化物をスラリー燃料とする炭化技術が開示されている。
【０００４】
ところで、この先行炭化技術においては、加熱処理中に正常な炭化物以外に粘着性、接着性に富む副生成物が同時に生成し、この副生成物が反応器、配管、ポンプなどの内壁に付着する現象が新たに判明した。このような副生成物の反応器等への付着は、改質装置の運転、管理などに支障を来すことになり、長時間の連続運転ができないなどの不都合を招く。
【０００５】
分析の結果、この副生成物は、分子量が数万以上と比較的大きく、アセトン可溶分が小さい性質を示した。一方、正常な炭化物は、分子量が数百の範囲のものと数万の範囲のものとが混合しており、アセトン可溶分が５０％程度のものであることが判明した。
【特許文献１】特開２００２−５９１１８号公報
【特許文献２】特開２００３−１２９０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
よって、本発明における課題は、木粉等のバイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化して炭化物を得る際、副生成物の発生が抑えられるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法であって、原料となるバイオマスを温度２７０〜３３０℃にまで徐々に昇温しつつ加熱することを特徴とするバイオマスの改質方法である。
請求項２にかかる発明は、昇温速度を１０℃／分以下とすることを特徴とする請求項１記載のバイオマスの改質方法である。
【０００８】
請求項３にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法であって、原料となるバイオマスを温度２００〜２６０℃で一次加熱したのち、これを温度２７０〜３３０℃で二次加熱することを特徴とするバイオマスの改質方法である。
【０００９】
請求項４にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、チューブ状反応器を備え、これの前半部分が原料となるバイオマスを温度２７０〜３３０℃にまで徐々に昇温しつつ加熱する徐昇温加熱部とされ、後半部分が温度２７０〜３３０℃に温度保持する温度保持部とされたことを特徴とするバイオマスの改質装置である。
請求項５にかかる発明は、徐昇温加熱部における昇温速度を１０℃／分以下としたことを特徴とする請求項４記載のバイオマスの改質装置である。
【００１０】
請求項６にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、ｎ＋ｍ（ｎは２以上の整数、ｍは１以上の整数である）基の反応器を直列に接続した多段反応器を備え、第１段から第ｎ段目の各反応器の温度が順次高くなるようにするとともに、第ｎ−１段目の反応器の温度が２００〜２６０℃に設定され、かつ第ｎ段目の反応器の温度が２７０〜３３０℃に設定され、第ｎ＋ｍ段目以降の反応器の温度が２７０〜３３０℃に設定されたことを特徴とするバイオマスの改質装置である。
【００１１】
請求項７にかかる発明は、バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、原料となるバイオマスを２００〜２６０℃で加熱する一次反応器と、この一次反応器から導出されたバイオマスを２７０〜３３０℃に加熱する二次反応器を備えたことを特徴とするバイオマスの改質装置である。
請求項８にかかる発明は、一次反応器および二次反応器のうち、少なくとも一次反応器が、加圧熱水が循環する循環回路が形成されているものであることを特徴とする請求項７記載のバイオマスの改質装置である。
【００１２】
本発明において、バイオマスの炭化とは、バイオマス中の酸素含有量を約４０ｗｔ％から約２０ｗｔ％に低下させることを言い、生成した炭化物とは、おおよそ炭素７５ｗｔ％、水素５ｗｔ％、酸素２０ｗｔ％の組成を有するものを指す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、バイオマスを加圧熱水中で炭化させる際、副生成物が生成することがなくなり、これが反応器等の内壁に付着することがなく、改質装置の長時間連続運転が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の改質方法の第１の形態は、原料となるバイオマスを温度２０〜１００℃の加圧熱水中に投入し、加圧熱水の温度を徐々に昇温して行き、２７０〜３３０℃にまで昇温するもので、この際の昇温速度を１０℃／分以下、好ましくは５℃／分以下、さらに好ましくは３℃／分以下とするものである。
【００１５】
第２の形態は、原料となるバイオマスを、まず温度２００〜２６０℃の加圧熱水中に投入して加熱する一次処理を行い、ついでこの一次処理したバイオマスを２７０〜３３０℃の状態として加熱処理して二次処理を行うものである。
この２種の形態を取ることで炭化処理に際して上述の副生成物が発生しなくなる。
【００１６】
バイオマスを加圧熱水中で加熱する際、温度２００〜２６０℃ではバイオマス中のヘミセルロースが熱水に溶解し、加水分解して単糖および多糖が混合した糖類となり、さらにこの糖類が重合して炭化物となる。また、温度が２７０〜３３０℃となると、バイオマス中のセルロースが熱水に溶解し、加水分解して上記同様単糖から多糖が混合した糖類となり、さらにこの糖類が重合して炭化物となる。
【００１７】
そして、第１および第２の形態のように、加圧熱水の温度２００〜２６０℃でまずヘミセルロースにかかる炭化反応を行わせ、このヘミセルロースの炭化反応が終了した後に、２７０〜３３０℃でセルロースにかかる炭化反応を行うようにすると、副生成物が生成しない。
一方、バイオマスを２７０〜３３０℃の加圧熱水中で一挙に加熱処理すると、炭化物以外に副生成物が発生し、これが反応器等の内壁に付着して付着物となる。
第１および第２の形態によって、副生成物が生成しない理由は未だ解明されていないが、２７０〜３３０℃で一挙に加熱をすると、ヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解し、同時に炭化反応することになり、これが副生成物の発生の一因となっているようであるが、詳細なメカニズムは今のところ判明していない。
【００１８】
第１の形態において、昇温速度が１０℃／分を超えると、温度２００〜２６０℃でのヘミセルロースの炭化反応が十分に進まず、副生成物が発生し始める。また、最終処理温度が２７０℃未満ではバイオマス中のセルロースが溶解せず、炭化反応が十分進まない。また、３３０℃を越えると、熱水状態を確保するための圧力が高く（１３ＭＰａ以上）なり、装置として過大になり、また熱エネルギーの無駄となる。
第２の形態において、一次処理時の温度が２００℃未満ではバイオマス中のヘミセルロースの溶解が行われず、２６０℃を越えると、ヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解する。また、二次処理時の温度が２７０℃未満ではセルロースの溶解が行われず、炭化反応が十分に進まない。また、３３０℃を越えると、熱水状態を確保するための圧力が高く（１３ＭＰａ以上）なり、装置として過大になり、また熱エネルギーの無駄となる。
【００１９】
図１は、本発明のバイオマスの改質装置の第１の例を示すもので、図１中符号１は原料導入管を示す。この原料導入管１には、原料となるバイオマスと水との混合物が送り込まれる。
ここでのバイオマスとしては、木材、竹、廃木材、おがくず、チップ、端木材、間伐材、稲わら、麦わら、籾殻、バガスなどの植物系のバイオマスであって、粒径が１ｃｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の粉末が用いられる。
【００２０】
原料となるバイオマスと水との混合割合は、重量比でバイオマス２〜１５ｗｔ％の範囲とされる。
原料となるバイオマスと水との混合物は、原料導入管１から加圧ポンプ２に送られ、ここで圧力７〜１５ＭＰａ程度に加圧される。ここでの圧力は、後述する加熱処理時の温度において水が液体状態を保持する圧力とされる。
【００２１】
この加圧された混合物は、チューブ型反応器４の入口に送り込まれる。このチューブ型反応器４は、例えば実証装置の規模で、内径が８〜２５ｍｍ、長さが１００〜２０００ｍのチューブ状の耐圧容器であって、その外周にはその長手方向に沿ってこれを加熱する２基の電気ヒーター５、６が設けられている。なお、これらを商業装置規模とする場合は、同規模で複数基とするか、規模の拡大が可能かを検討して設置する。また、加熱器は電気ヒーターに代えて熱媒油などの熱媒体による二重管加熱器を利用することもできるのは当然である。
反応器４の入口側の第１電気ヒータ５は、反応器４内の混合物を加熱し、その温度を２０〜１００℃から徐々に昇温させ、最終的に２７０〜３３０℃とする機能を有するもので、この第１電気ヒータ５が設けられている前半部分が徐昇温加熱部７となっている。この徐昇温加熱部７での昇温速度は、上述のように、１０℃／分以下、好ましくは５℃／分以下、さらに好ましくは３℃／分以下となるように制御されている。
【００２２】
チューブ型反応器４の出口側の第２電気ヒータ６は、混合物の温度を２７０〜３３０℃に保持する機能を有するもので、この第２電気ヒータ６が設けられているチューブ型反応器４の後半部分が温度保持部８となっている。
チューブ型反応器４内に圧入された前記混合物は、その前半部分の徐昇温加熱部７において、徐々にゆっくりとした昇温速度で加熱され、その温度が２００〜２６０℃になったときに、ヘミセルロースが溶解し、上述の炭化反応を受ける
【００２３】
さらに、混合物の温度が２７０〜３３０℃になったときに、混合物は前半部分の徐昇温加熱部７から後半部分の温度保持部８に送られてこの温度に保たれ、ここでセルロースが溶解し、炭化反応を受ける。
次いで、チューブ型反応器４から導出された反応物は、冷却器９に送られ、ここで適宜の温度まで冷却されたのち、落圧器１０に送られ常圧にまで減圧されて、炭化物スラリーとして取り出される。
この改質装置によれば、バイオマス中のヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解されることがなく、同時に炭化反応を受けることがないので、副生成物が生じることがない。
【００２４】
図２は、本発明の改質装置の第２の例を示すもので、請求項６に記載した改質装置に該当するものである。この例の改質装置は、４基の反応器１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを直列にカスケード方式に連結してなるもので、第１段目の反応器１１ａから順次第２段目の反応器１１ｂに、第３段目の反応器１１ｃに、さらに第４段目の反応器１１ｄに前記混合物が流れるように構成されている。各反応器１１は、それぞれバイオマスと水との混合物を加熱するヒータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと反応槽１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄとから構成されている。
【００２５】
そして、各反応器１１は、第１段反応器１１ａから順次加圧熱水の温度がステップ状に高くなるように温度制御されており、例えば第１段反応器１１ａでは２０℃で供給されたバイオマスと水との混合物を１８０℃に昇温させ、第２段反応器１１ｂではこれを更に２３０℃に昇温させ、第３段反応器１１ｃでは２６０℃に昇温し、第４段反応器１１ｄでは３００℃に昇温し、それぞれの反応槽でその温度で加熱処理されるようになっている。
そして、第４段反応器１１ｄの反応槽１３ｄは、その容量が前段の各反応槽に比べて大きくなっており、ここでの停留時間が長くなり、長時間の加熱処理がなされるようになっている。
【００２６】
原料導入管１からの上記混合物は、昇圧ポンプ２で７〜１５ＭＰａに加圧された後、第１段反応器１１ａのヒータ１２ａで２０℃から１８０℃に加熱され、反応槽１３ａで加熱処理を受け、ついで第２段反応器１１ｂに送られ、これのヒータ１２ｂで２３０℃に加熱されて反応槽１３ｂで加熱処理を受ける。さらに、混合物は第３段反応器１１ｃに送られ、これのヒータ１２ｃで２６０℃に加熱されて反応槽１３ｃで加熱処理を受ける。この際、第２段と第３段反応器１１ｂ、１１ｃとでの加熱処理により、バイオマス中のヘミセルロースが溶解し、炭化反応を受ける。
【００２７】
ついで、第３段反応器１１ｃからの混合物は、第４段反応器１１ｄのヒータ１２ｄで３００℃に加熱され、これの反応槽１３ｄで加熱処理を受ける。ここでは、バイオマス中のセルロースが溶解し、炭化反応を受ける。第４段反応器１１ｄからの混合物は、さらに冷却器９に送られ、ここで適宜の温度まで冷却されたのち、落圧器１０に送られ常圧にまで減圧されて、炭化物スラリーとして取り出される。
この改質装置によれば、バイオマス中のヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解されることがなく、同時に炭化反応を受けることがないので、副生成物が生じることがない。
【００２８】
図３は、この発明の装置の第３の例を示すものである。原料導入管１からの前記混合物は昇圧ポンプ２で７〜１５ＭＰａに加圧され、管３から一次反応器３１に送り込まれる。この一次反応器３１は、オートクレーブであって、内部には撹拌装置３２とヒータ３３とが設けられている。
一次反応器３１内に送り込まれた混合物は、ヒータ３３で加熱され、温度２００〜２６０℃に加熱される。
この一次反応器３１においては、バイオマス中のヘミセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
【００２９】
一次反応器３１で一次加熱処理を受けた前記混合物は、ついで管３４から二次反応器３５に送り込まれる。この二次反応器３５もオートクレーブであって、内部には撹拌装置３６とヒータ３７とが設けられている。
二次反応器３５に送り込まれた混合物は、ヒータ３７で加熱され、温度２７０〜３３０℃に加熱される。
この二次反応器３５では、バイオマス中のセルロールが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
二次反応器３５から導出された反応物は、ついで冷却器９に送られ、ここで適宜の温度まで冷却されたのち、落圧器１０に送られ常圧にまで減圧されて、炭化物スラリーとして取り出される。
この改質装置によっても、バイオマス中のヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解されることがなく、同時に炭化反応を受けることがないので、副生成物が生じることがない。
【００３０】
図４は、この発明の改質装置の第４の例を示すものである。この例の改質装置も一次反応器４１と二次反応器４２とを備えたものである。一次反応器４１および二次反応器４２は、いずれも循環ポンプ４３、４４と、ヒータ４５、４６と、反応槽４７、４８を具備し、これを配管４９、５０で直列に連結した構成となっている。
そして、各反応器４１、４２では、バイオマスと水との混合物が循環ポンプ４３、４４からヒータ４５、４６に流れ、さらに反応槽４７、４８に流れ、反応槽４７、４８から循環ポンプ４３、４４に戻る循環回路を形成している。
【００３１】
原料導入管１からの原料となるバイオマスと水との混合物は、昇圧ポンプ２で７〜１５ＭＰａに昇圧されたのち、管３から一次反応器４１の循環ポンプ４３の流入側に圧入される。混合物は、循環ポンプ４３の吐出側から吐出され、ヒータ４５に送られ、ここで温度２００〜２６０℃に加熱されて反応槽４７に送られる。反応槽４７では、バイオマス中のヘミセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
【００３２】
炭化反応を受けた混合物は、反応槽４７から循環ポンプ４３の流入側に戻り、再度循環ポンプ４３の吐出側から送り出された同様の加熱処理を受ける。
ついで、この循環回路での加熱処理を所定時間受けた混合物は、一次反応器４１のヒータ４５の出口側から抜液され、管５１から二次反応器４２の循環ポンプ４４の流入側に圧入される。この混合物は、循環ポンプ４４の吐出側から吐出され、ヒータ４６に送られ、ここで温度２７〜３３０℃に加熱されて反応槽４７に送られる。反応槽４７では、バイオマス中のセルロースが熱水中に溶解し、炭化反応を受ける。
【００３３】
炭化反応を受けた混合物は、反応槽４８から循環ポンプ４４の流入側に戻り、再度循環ポンプ４４の吐出側から送り出された同様の加熱処理を受ける。
ついで、この循環回路での加熱処理を所定時間受けた混合物は、ヒータ４６の出口側から抜液され、管５２から冷却器９に送られ、ここで適宜の温度まで冷却された後、落圧器１０にて常圧に減圧されて、炭化物スラリーとして取り出される。
この改質装置によっても、バイオマス中のヘミセルロースとセルロースとが同時に溶解されることがなく、同時に炭化反応を受けることがないので、副生成物が生じることがない。
【００３４】
なお、第３および第４の例の改質装置において、昇圧ポンプを用いる代わりに原料となるバイオマスをスクリュー押込機を用いて一次反応器に押し込むようにしてもよい。
また、二次反応器として、チューブ型反応器を採用して、一次反応器から抜液された温度２００〜２６０℃の混合物をこのチューブ型反応器に送り込み、ここで温度２７０〜３３０℃に徐々に昇温して反応を進めるようにすることも可能である。
【００３５】
以下、本発明の作用効果を確認するための実験例を示す。
以下の例１ないし１０では、改質装置に相当する反応管を用いて実験を行った。この反応管は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の内径８ｍｍ、長さ７００ｍｍで、耐圧構造となっており、その一端には内部に窒素を圧入するための弁が取り付けられている。また、この反応管は、その長手方向にネジにより二分割できるようになっており、その内部にはステンレス鋼線製の網籠が収容されるようになっている。
【００３６】
実験に際しては、まず反応管内に水を深さ１００ｍｍとなるように入れ、スギのおがくずを詰めた網籠を収容し、反応管を封じる。ついで、弁から窒素を２ＭＰａで圧入し、この反応管を加熱砂浴に入れて加熱し、反応管内部の温度が所定の温度になったときに、網籠を水中に落下させ、スギおがくずに対して炭化反応を行うようにした。
【００３７】
（例１）
反応管内部の水の温度が２５℃のときに網籠を水中に落下させ、徐々に温度を高めていった。この時の昇温速度は３℃／分とし、昇温時間９０分後に３００℃とした。この温度で１０分保持した後、反応管を加熱砂浴から取り出し、冷却後、弁を開いて常圧としたのち、反応管を分割し、内部の状態を観察した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００３８】
（例２）
例１において、昇温速度を５℃／分とし、昇温時間を５５分とした以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００３９】
（例３）
例１において、昇温速度を１０℃／分とし、昇温時間を２８分とした以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４０】
（例４）
例１において、昇温速度を１５℃／分とし、昇温時間を１９分とした以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物が認められたが、その量は少なかった。水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４１】
（例５）
例１において、昇温速度を２０℃／分とし、昇温時間を１４分とした以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には多量の付着物が認められた。水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４２】
（例６）
反応管内部の水の温度が２００℃のときに網籠を水中に落下させ、３０分間この温度を保持したのち、温度３００℃に設定されている別の加熱砂浴に反応管を移し、この温度で３０分保持した。その後、反応管を加熱砂浴から取り出し、冷却後、弁を開いて常圧としたのち、反応管を分割し、内部の状態を観察した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４３】
（例７）
例６において、反応管内部の水の温度が２６０℃のときに網籠を水中に落下させた以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められず、水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４４】
（例８）
例６において、反応管内部の水の温度が１８０℃のときに網籠を水中に落下させた以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物が認められた。水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４５】
（例９）
例６において、反応管内部の水の温度が２７０℃のときに網籠を水中に落下させた以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には多量の付着物が認められた。水中には炭化状態となったスギのおがくずが存在していた。
【００４６】
（例１０）
例６において、反応管内部の水の温度が１８０℃のときに網籠を水中に落下させ、温度２６０℃に設定されている別の加熱砂浴に反応管を移した以外は同様に操作した。
その結果、反応管内壁、網籠には付着物は認められなかった。しかし、水中には炭化が不十分な状態のスギのおがくずが存在していた。
【００４７】
（例１１）
１リットルのオートクレーブに、スギおがくず５０ｇと水５００ｇを入れ、窒素を２ＭＰａで圧入した。撹拌しながら電気ヒータでゆっくり昇温させ、約６０分で３００℃（昇温速度８℃／分）まで昇温し、３０分間保持したのち、冷却し、開放した。オートクレーブ内部の液中には黒色の炭化物が存在し、撹拌翼や容器内面への付着物は少なく、水洗すると簡単に洗い落とすことができた。
【００４８】
（例１２）
１リットルのオートクレーブに、スギおがくず５０ｇと水５００ｇを入れ、窒素を２ＭＰａで圧入した。撹拌しながら電気ヒータを最大出力としで急速に昇温させ、約２０分で３００℃（昇温速度１５℃／分）まで昇温し、３０分間保持したのち、冷却し、開放した。オートクレーブ内部の液中には黒色の炭化物が存在し、撹拌翼や容器内面にアスファルト状の副生成物が付着し、金属へらなどで掻き落とす必要があった。
【００４９】
（例１３）
内径８ｍｍのチューブ型反応管の外周に帯状の電気ヒータを巻き付け、反応管の長手方向に温度を制御できるようにした。昇圧ポンプにより、常温のスギおがくずと水との混合物（おがくず５ｗｔ％）を１２ＭＰａにまで加圧してチューブ型反応管に供給した。電気ヒータにより加温し、反応管の前半部分において約６０分で３００℃まで昇温し、さらに反応管の後半部分において３００℃で３０分保持したのち、空冷で２００℃まで冷却し、さらに常圧まで減圧した。６時間の運転後、水のみを加圧して供給し、同様に２時間運転した。その間、反応管の入口の圧力上昇は認められなかった。その後、反応管を切断して内部を点検したところ、付着物はほとんど認められなかった。
【００５０】
（例１４）
内径８ｍｍのチューブ型反応管の外周に帯状の電気ヒータを巻き付け、反応管の長手方向に温度を制御できるようにした。昇圧ポンプにより、常温のスギおがくずと水との混合物（おがくず５ｗｔ％）を１２ＭＰａにまで加圧してチューブ型反応管に供給した。電気ヒータにより加温し、反応管の前半部分において約２０分で３００℃まで昇温し、さらに反応管の後半部分において３００℃で３０分保持したのち、空冷で２００℃まで冷却し、さらに常圧まで減圧した。６時間の運転後、水のみを加圧して供給し、同様に２時間運転した。その間、反応管の入口の圧力が徐々に上昇し、停止時には１５ＭＰａとなった。その後、反応管を切断して内部を点検したところ、反応管の前半部分には反応管がほとんど埋まる程度の付着物が見られた。
【００５１】
（例１５）
図４に示した改質装置を用いた。一次反応器４１では、温度２３０℃、平均保持時間３０分の条件で加圧熱水を循環させた。また、二次反応器４２では、温度３００℃、平均保持時間３０分の条件で加圧熱水を循環させた。スギおがくずを２軸スクリュー押込機で一次反応器４１に供給し循環させた。ついで、一次反応器４１からのおがくずと水との混合物を二次反応器４２に供給し、循環させて炭化反応を行った。反応終了後、一次反応器４１および二次反応器４２の内部には付着物は認められなかった。
【００５２】
（例１６）
図４に示した改質装置における一次反応器４１において、温度３００℃、平均保持時間６０分の条件で加圧熱水を循環させた。スギおがくずを２軸スクリュー押込機で一次反応器４１に供給した。１０時間程度運転したが、その間循環量が徐々に減少し、循環不能になった。装置を開放点検したところ、接液部には付着物が２〜３ｍｍ生成していた。得られた生成物は、溶融したような外観を呈していた。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の改質装置の第１の例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の改質装置の第２の例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の改質装置の第３の例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の改質装置の第４の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
４・・・チューブ型反応器、７・・・徐昇温加熱部、８・・・保持加熱部、１１・・・反応器、１３・・・反応槽、３１、４１・・・一次反応器、３５、４２・・・二次反応器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法であって、原料となるバイオマスを温度２７０〜３３０℃にまで徐々に昇温しつつ加熱することを特徴とするバイオマスの改質方法。
【請求項２】
昇温速度を１０℃／分以下とすることを特徴とする請求項１記載のバイオマスの改質方法。
【請求項３】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法であって、
原料となるバイオマスを温度２００〜２６０℃で一次加熱したのち、これを温度２７０〜３３０℃で二次加熱することを特徴とするバイオマスの改質方法。
【請求項４】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、
チューブ状反応器を備え、これの前半部分が原料となるバイオマスを温度２７０〜３３０℃にまで徐々に昇温しつつ加熱する徐昇温加熱部とされ、後半部分が温度２７０〜３３０℃に温度保持する温度保持部とされたことを特徴とするバイオマスの改質装置。
【請求項５】
徐昇温加熱部における昇温速度を１０℃／分以下としたことを特徴とする請求項４記載のバイオマスの改質装置。
【請求項６】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、
ｎ＋ｍ（ｎは２以上の整数、ｍは１以上の整数である）基の反応器を直列に接続した多段反応器を備え、第１段から第ｎ段目の各反応器の温度が順次高くなるようにするとともに、第ｎ−１段目の反応器の温度が２００〜２６０℃に設定され、かつ第ｎ段目の反応器の温度が２７０〜３３０℃に設定され、第ｎ＋ｍ段目以降の反応器の温度が２７０〜３３０℃に設定されたことを特徴とするバイオマスの改質装置。
【請求項７】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、
原料となるバイオマスを２００〜２６０℃で加熱する一次反応器と、この一次反応器から導出されたバイオマスを２７０〜３３０℃で加熱する二次反応器を備えたことを特徴とするバイオマスの改質装置。
【請求項８】
一次反応器および二次反応器のうち、少なくとも一次反応器が、加圧熱水が循環する循環回路が形成されているものであることを特徴とする請求項７記載のバイオマスの改質装置。
【請求項１】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法であって、原料となるバイオマスを温度２７０〜３３０℃にまで徐々に昇温しつつ加熱することを特徴とするバイオマスの改質方法。
【請求項２】
昇温速度を１０℃／分以下とすることを特徴とする請求項１記載のバイオマスの改質方法。
【請求項３】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化するバイオマスの改質方法であって、
原料となるバイオマスを温度２００〜２６０℃で一次加熱したのち、これを温度２７０〜３３０℃で二次加熱することを特徴とするバイオマスの改質方法。
【請求項４】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、
チューブ状反応器を備え、これの前半部分が原料となるバイオマスを温度２７０〜３３０℃にまで徐々に昇温しつつ加熱する徐昇温加熱部とされ、後半部分が温度２７０〜３３０℃に温度保持する温度保持部とされたことを特徴とするバイオマスの改質装置。
【請求項５】
徐昇温加熱部における昇温速度を１０℃／分以下としたことを特徴とする請求項４記載のバイオマスの改質装置。
【請求項６】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、
ｎ＋ｍ（ｎは２以上の整数、ｍは１以上の整数である）基の反応器を直列に接続した多段反応器を備え、第１段から第ｎ段目の各反応器の温度が順次高くなるようにするとともに、第ｎ−１段目の反応器の温度が２００〜２６０℃に設定され、かつ第ｎ段目の反応器の温度が２７０〜３３０℃に設定され、第ｎ＋ｍ段目以降の反応器の温度が２７０〜３３０℃に設定されたことを特徴とするバイオマスの改質装置。
【請求項７】
バイオマスを加圧熱水中で加熱して炭化する改質装置であって、
原料となるバイオマスを２００〜２６０℃で加熱する一次反応器と、この一次反応器から導出されたバイオマスを２７０〜３３０℃で加熱する二次反応器を備えたことを特徴とするバイオマスの改質装置。
【請求項８】
一次反応器および二次反応器のうち、少なくとも一次反応器が、加圧熱水が循環する循環回路が形成されているものであることを特徴とする請求項７記載のバイオマスの改質装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−３６９７７（Ｐ２００６−３６９７７Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２０５２３（Ｐ２００４−２２０５２３）
【出願日】平成１６年７月２８日（２００４．７．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、バイオマス等未活用エネルギー実証試験事業・同事業調査／バイオマス等未活用エネルギー実証試験事業／未利用木質バイオマスの水熱反応による燃料化実証試験事業に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４４１１）日揮株式会社 (94)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２８日（２００４．７．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、バイオマス等未活用エネルギー実証試験事業・同事業調査／バイオマス等未活用エネルギー実証試験事業／未利用木質バイオマスの水熱反応による燃料化実証試験事業に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４４１１）日揮株式会社 (94)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]