特許 7689684 バイオマス再生循環システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-05-30

(45)【発行日】2025-06-09

(54)【発明の名称】バイオマス再生循環システム

(51)【国際特許分類】

   C10L 5/44 20060101AFI20250602BHJP

   C10B 53/02 20060101ALI20250602BHJP

   C05F 5/00 20060101ALI20250602BHJP

【ＦＩ】

C10L5/44

C10B53/02

C05F5/00

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021055330

(22)【出願日】2021-03-29

(65)【公開番号】P2022152529

(43)【公開日】2022-10-12

【審査請求日】2024-03-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000195971

【氏名又は名称】西松建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001771

【氏名又は名称】弁理士法人虎ノ門知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】石渡 寛之

(72)【発明者】

【氏名】清水 直人

【審査官】森 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０１４７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５１６８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３９９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１４７８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１８１３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２６３６１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５００１８８８（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ１０Ｌ ５／４４

Ｃ１０Ｂ ５３／０２

Ｂ０９Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バイオマス原料に対する水熱炭化により固体燃料、ガス燃料を含む気体生成物、および液体生成物を生成する工程と、
前記固体燃料、前記気体生成物、および前記液体生成物を回収する工程と、
前記液体生成物および前記気体生成物から嫌気性消化処理により消化液を生成する工程と、
前記消化液を肥料として栽培された植物から前記バイオマス原料を生成する工程と、
を含み、
前記植物は、トウモロコシであり、前記バイオマス原料は、トウモロコシ茎葉であり、
前記生成する工程において、プロセス温度の範囲が２５０～３５０℃であり、かつ、滞留時間が０．７５～１．５時間である
バイオマス再生循環システム。

【請求項2】

前記嫌気性消化処理において、前記液体生成物を原料とし、前記気体生成物を加温燃料とする
請求項１に記載のバイオマス再生循環システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バイオマス燃料の製造方法、およびバイオマス循環システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、バイオマス燃料を製造する技術がある。特許文献１には、バイオマスを水熱炭化処理または水蒸気炭化処理する工程、及び得られる処理物を洗浄する工程及び脱水する工程のうち少なくとも一方を含む、バイオマス燃料の製造方法が開示されている。

【0003】

特許文献２には、リグノセルロース系バイオマスを、不活性雰囲気下にて、２００～２４０℃の温度範囲で５～９０分間炭化を行い、次いで、２４０～３００℃の温度範囲で５～９０分間炭化を行う、２段階炭化工程と、その後、１２０～２００℃の温度範囲まで冷却して、成型を行う成型工程を含む、バイオマス燃料の製造方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－２０６６８４号公報

【文献】特開２０２０－４５３７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

バイオマス燃料の製造におけるエネルギー効率を向上させることについて、なお改良の余地がある。例えば、固体燃料を含む複数種類の燃料を回収することができれば、エネルギー効率の最大化を図ることができる。

【0006】

本発明の目的は、エネルギー効率を向上させることができるバイオマス燃料の製造方法、およびバイオマス循環システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のバイオマス燃料の製造方法は、トウモロコシ茎葉を原料とする水熱炭化により固体燃料、ガス燃料を含む気体生成物、および液体生成物を生成する工程と、前記固体燃料、前記気体生成物、および前記液体生成物を回収する工程と、を含み、前記生成する工程において、プロセス温度の範囲が２５０～３５０℃であり、かつ、滞留時間が０．７５～１．５時間である。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係るバイオマス燃料の製造方法は、トウモロコシ茎葉を原料とする水熱炭化により固体燃料、ガス燃料を含む気体生成物、および液体生成物を生成する工程と、固体燃料、気体生成物、および液体生成物を回収する工程と、を含む。生成する工程において、プロセス温度の範囲が２５０～３５０℃であり、かつ、滞留時間が０．７５～１．５時間である。本発明に係るバイオマス燃料の製造方法によれば、固体燃料だけでなく、ガス燃料も回収することができ、エネルギー効率を向上させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態に係るバイオマス循環システムの図である。

【図2】図２は、実施形態の実験結果を示す図である。

【図3】図３は、実施形態の実験結果を示す図である。

【図4】図４は、実施形態の実験結果を示す図である。

【図5】図５は、各プロセス温度に対する滞留時間と高位発熱量との関係を示す図である。

【図6】図６は、各滞留時間に対するプロセス温度と高位発熱量との関係を示す図である。

【図7】図７は、各比率に対するプロセス温度と高位発熱量との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明の実施形態に係るバイオマス燃料の製造方法、およびバイオマス循環システムにつき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。

【0011】

［実施形態］
図１から図７を参照して、実施形態について説明する。本実施形態は、バイオマス燃料の製造方法、およびバイオマス循環システムに関する。図１は、実施形態に係るバイオマス循環システムの図、図２から図４は、実施形態の実験結果を示す図、図５は、各プロセス温度に対する滞留時間と高位発熱量との関係を示す図、図６は、各滞留時間に対するプロセス温度と高位発熱量との関係を示す図、図７は、各比率に対するプロセス温度と高位発熱量との関係を示す図である。

【0012】

図１に示すように、本実施形態に係るバイオマス循環システム１は、原料生成部２、水熱炭化装置３、分離部４、嫌気性消化部５、および農場７を含む。原料生成部２は、水熱炭化装置３に投入する原料を生成する装置である。水熱炭化装置３に投入される原料は、バイオマス原料２１および水２２を含む。原料生成部２は、例えば、植物の茎葉等の材料を粉砕する粉砕機、蒸留水を生成する装置、イオン除去装置等を含む。原料生成部２は、バイオマス原料２１を生成する第三の生成工程Ｐ３を実行する。

【0013】

本実施形態のバイオマス原料２１は、トウモロコシの茎葉である。バイオマス原料２１は、トウモロコシ茎葉を粉砕機によって所定の粒度に粉砕し、かつ乾燥させて生成される。バイオマス原料２１の粒度は、例えば、５００～８００［μm］である。

【0014】

水２２は、脱イオン水であり、例えば、蒸留水である。水熱炭化装置３に投入される原料において、バイオマス原料２１と水２２との比率ＢＷが調整される。比率ＢＷは、例えば、バイオマス原料２１の質量と水２２の質量との比率である。本実施形態では、比率ＢＷを０．０７３～０．１５７の範囲で変化させて、水熱炭化における適切な比率ＢＷの値が確認された。

【0015】

水熱炭化装置３は、第一の生成工程Ｐ１を実行する。第一の生成工程Ｐ１は、バイオマス原料２１に対する水熱炭化により固体燃料１２、ガス燃料を含む気体生成物１１、および液体生成物１３を生成する工程である。水熱炭化装置３は、容量が１６０［mL］から１９０［mL］のバッチ反応器であり、水熱炭化によりバイオマス原料２１からバイオマス燃料１０を生成する。本実施形態で用いた水熱炭化装置３は、である。バイオマス原料２１および水２２は、水熱炭化装置３のヘッドスペースに窒素ガスを加圧して無酸素状態で投入される。本実施形態において用いた水熱炭化装置３の諸元は、例えば、以下の通りである。
（第一の装置例）
設計圧力：２５[MPa]，設計温度：３８０[℃]，容量：１６０[mL]，材質：ＳＵＳ３１６
（第二の装置例）
設計圧力：１０[MPa]，設計温度：２６０[℃]，容量：１９０[mL]，材質：ＳＵＳ３１６

【0016】

水熱炭化装置３は、設定された運転パラメータに基づいて水熱炭化プロセスを実行する。運転パラメータは、プロセス温度Ｔｐ［℃］、および滞留時間ＲＴ［h］を含む。

【0017】

水熱炭化装置３における水熱炭化プロセスによって生成されるバイオマス燃料１０は、気体生成物１１、固体燃料１２、および液体生成物１３を含む。気体生成物１１は、例えば、水素Ｈ_２、メタンＣＨ_４、一酸化炭素ＣＯ、または二酸化炭素ＣＯ_２の少なくとも一つを含む。すなわち、気体生成物１１は、水素、メタン、一酸化炭素等のガス燃料を含む。固体燃料１２は、例えば、水炭（水熱炭化物：Hydrochar）である。液体生成物１３は、例えば、酢酸、グリコール酸、またはエタノールの少なくとも一つを含む。

【0018】

図１に示すように、水熱炭化装置３において生成された生成物は、回収する工程Ｃ１において回収される。例えば、水熱炭化装置３において発生する気体生成物１１は、回収する工程Ｃ１において密閉容器等に回収される。気体生成物１１は、例えば、水熱炭化プロセスにおいて随時回収される。分離部４は、気液分離を行なう装置またはシステムである。本実施形態の分離部４は、バキュームフィルターであり、水熱炭化装置３による生成物を固体燃料１２と液体生成物１３とに分離する。つまり、分離部４は、回収する工程Ｃ１において、水熱炭化装置３内の生成物から固体燃料１２および液体生成物１３を回収する。

【0019】

気体生成物１１および液体生成物１３は、嫌気性消化部５に投入される。嫌気性消化部５は、嫌気性消化によって消化液５１および消化ガス５２を生成する第二の生成工程Ｐ２を実行する。消化液５１は、タンク等に貯留され、農場７においてバイオ肥料として使用される。消化液５１は、例えば、トウモロコシ栽培における施肥に使用される。農場７において栽培されたトウモロコシの茎葉は、バイオマス原料２１として用いられる。

【0020】

消化ガス５２および固体燃料１２は、発電部８に投入され、発電の燃料とされる。固体燃料１２は、石炭と同程度のカロリーポテンシャルを有するカーボンニュートラル燃料である。発電部８によって発電された電力は、水熱炭化装置３に供給されてもよく、嫌気性消化部５に供給されてもよく、その他の工程に供給されてもよい。

【0021】

上記のように、本実施形態に係るバイオマス循環システム１は、トウモロコシ茎葉から固体燃料１２だけでなく、ガス燃料を含む気体生成物１１および液体生成物１３を回収する。気体生成物１１および液体生成物１３からは、消化液５１が生成される。液体生成物１３は、嫌気性消化処理の原料となる。気体生成物１１は、嫌気性消化処理の加温燃料として使用可能である。

【0022】

本実施形態のバイオマス循環システム１によれば、消化液５１を肥料としてトウモロコシを再生産することにより、バイオマス資源を有効利用することができる。また、本実施形態のバイオマス循環システム１によれば、液体燃料（液体化学品）、ガス燃料、および固体燃料を嫌気性消化処理の原料とする地域循環型の創エネルギーシステムを実現出来る。

【0023】

図２には、様々な運転条件において実行された水熱炭化プロセスの結果が示されている。図２の各列は、左から順に、実験番号、プロセス温度Ｔｐ、滞留時間ＲＴ、比率ＢＷ、最終圧力［Mpa］、高位発熱量ＨＨＶ［MJ/kg］、エネルギー収率［%］、および質量収率［%］である。

【0024】

ガス画分中のＨ_２、ＣＯ_２及びＣＨ_４の収率は、亜臨界条件よりも超臨界条件の方が高い。このことから、Ｈ_２やＣＨ_４などの可燃ガスを高い収率で得るためには、できるだけプロセス温度が高い方が望ましい。ハイドロチャー（水炭）の高位発熱量ＨＨＶは、超臨界条件(２１．７５MJ/kg)よりも亜臨界条件(２６．０３MJ/kg)の方が高い。最高のバイオマス収率とエネルギー収率（それぞれ２９．９１%と４２．３８%）は、滞留時間４５分、バイオマス/水比０．１１５、処理温度２１５．９１℃、圧力８．８５MPaの処理パラメータで得られた。プロセス条件を亜臨界条件から超臨界条件に近づけていくと３００℃付近までは、ＨＨＶの値やバイオマス収率は、維持されるが、この温度より高くなると、ＨＨＶ、収率パラメータは、低下する。

【0025】

図３は、運転条件と、その運転条件で回収された液体生成物１３の濃度［g/L］と、を示すグラフである。図４は、運転条件と、その運転条件で回収された気体生成物１１の濃度［%v］と、を示すグラフである。

【0026】

図２に示すように、実験番号Ｎｏ１２において水炭の質量収率の最大値２９．９１［%］、およびエネルギー収率の最大値４２．３８［%］が記録された。このときのプロセス温度Ｔｐは２１５．９１［℃］、滞留時間ＲＴは０．７５［h］、比率ＢＷは０．１１５である。

【0027】

実験番号Ｎｏ１６において高位発熱量ＨＨＶの最大値２６．０３［MJ/kg］が記録された。このときのプロセス温度Ｔｐは３００［℃］、滞留時間ＲＴは１．１７０［h］、比率ＢＷは０．１１５である。

【0028】

実験番号Ｎｏ１７において酢酸濃度の最大値６．９３［g/L］が記録された。このときのプロセス温度Ｔｐは３５０［℃］、滞留時間ＲＴは１．００［h］、比率ＢＷは０．１４である。

【0029】

実験番号Ｎｏ７において水素のガス分率の最大値０．２５［%v］が記録された。このときのプロセス温度Ｔｐは３８４．０９［℃］、滞留時間ＲＴは０．７５［h］、比率ＢＷは０．１１５である。

【0030】

図２に示す実験結果に対して応答曲面法(RSM)の中心複合設計(CCD)モジュールを適用し、最大の高位発熱量ＨＨＶが得られるようにプロセスを最適化した。図２に示すように、算出された最適（Optimum）プロセスは、プロセス温度Ｔｐが３０５［℃］、滞留時間ＲＴが１．００［h］、比率ＢＷは０．１４であり、高位発熱量ＨＨＶは２５．４２［MJ/kg］である。

【0031】

最適プロセスの検定結果が図２の最下段に示されている。水熱炭化装置３の運転条件を最適プロセスの条件に設定したところ、高位発熱量ＨＨＶは２４．４５［MJ/kg］が得られた。

【0032】

図５には、各プロセス温度Ｔｐに対する滞留時間ＲＴと高位発熱量ＨＨＶとの関係が示されている。図６には、各滞留時間ＲＴに対するプロセス温度Ｔｐと高位発熱量ＨＨＶとの関係が示されている。図７には、各比率ＢＷに対するプロセス温度Ｔｐと高位発熱量ＨＨＶとの関係が示されている。

【0033】

図５乃至図７から分かるように、プロセス温度Ｔｐについては、２５０［℃］から３５０［℃］の範囲で、かつ滞留時間ＲＴについては、０．７５［h］以上の運転条件（以下、単に「第一の運転条件」と称する。）で良好な高位発熱量ＨＨＶが得られる。図４から分かるように、２５０［℃］から３５０［℃］のプロセス温度Ｔｐの範囲では、水素およびメタンの回収量が多い。すなわち、この温度範囲によれば、固体燃料および気体燃料を含むトータルエネルギー効率の最大化を図ることができる。

【0034】

なお、滞留時間ＲＴについては、最適プロセスの時間から大きく乖離しないことが好ましく、例えば、１．５０［h］以下であってもよい。滞留時間ＲＴの上限値は、１．１７［h］であってもよい。図５から明らかなように、１．１７［h］の滞留時間ＲＴにおいて、良好な高位発熱量ＨＨＶを得られることが確認されている。

【0035】

以上説明したように、本実施形態のバイオマス燃料の製造方法は、生成する工程と、回収する工程と、を含む。生成する工程では、トウモロコシ茎葉を原料とする水熱炭化により固体燃料１２、ガス燃料を含む気体生成物１１、および液体生成物１３が生成される。回収する工程では、固体燃料１２、気体生成物１１、および液体生成物１３が回収される。生成する工程において、プロセス温度Ｔｐの範囲が２５０～３５０℃であり、かつ、滞留時間ＲＴが０．７５～１．５時間である。この運転条件により、固体燃料１２およびガス燃料を含む複数種類の燃料を回収することができる。よって、本実施形態のバイオマス燃料の製造方法は、エネルギー効率を向上させることができる。

【0036】

なお、水熱炭化装置３による水熱炭化において、投入されるバイオマス原料２１と水２２との質量比が０．０７３～０．１５７とされてもよい。

【0037】

本実施形態に係るバイオマス循環システム１は、第一の生成工程Ｐ１と、第二の生成工程Ｐ２と、第三の生成工程Ｐ３と、を含む。第一の生成工程Ｐ１では、バイオマス原料２１に対する水熱炭化により固体燃料１２、ガス燃料を含む気体生成物１１、および液体生成物１３が生成される。第二の生成工程Ｐ２では、液体生成物１３を原料とし、気体生成物１１を加温燃料とした嫌気性消化処理により消化液５１が生成される。第三の生成工程Ｐ３では、消化液５１を肥料として栽培された植物からバイオマス原料２１が生成される。本実施形態に係るバイオマス循環システム１によれば、第一の生成工程Ｐ１において固体燃料１２に加えてガス燃料が生成されることで、バイオマス循環におけるエネルギー効率を向上させることができる。

【0038】

本実施形態では、トウモロコシ茎葉がバイオマス原料２１として用いられる。トウモロコシの茎葉は，中国やナイジェリア，日本国内でも耕作放棄地で栽培されており、収穫されずに放置されている。本実施形態は、高含水率のトウモロコシの茎葉からバイオエネルギーを最大限に回収するための適切な水熱処理技術を提供する。本実施形態によれば、水炭、高酢酸、水素ガスを生産し、嫌気性消化プロセス(バイオリファイナリー)と統合して、最大のバイオエネルギーとバイオ肥料を得ることができる。本実施形態に係るバイオマス循環システム１は、適用地域において未収穫のトウモロコシの茎葉をバイオ燃料やバイオ肥料の生産に利用することを容易にする。

【0039】

トウモロコシ茎葉の成分組成の一例は、以下の通りである。なお、合計は100.06[%]になるが、小数点２桁は誤差として取り扱う。
揮発性成分：７１．３４[%]
固定炭素：１７．６７[%]
灰分：１１．０５[%]

【0040】

灰分割合の高い草本系バイオマスを燃料として供給する際に、その燃焼灰中に含まれるアルカリ成分が炉内腐食の原因になっている。本実施形態に係る製造方法の効果として、灰分含量を多く含むトウモロコシ茎葉などの草本系バイオマスを効率的に利用することができることを特徴づけられる。また、ちなみに、バイオ燃料として供給される木質バイオマスの灰分は，１%以下のものが多い。

【0041】

［実施形態の変形例］
最適プロセスの条件を求める際の統計解析の手法は、応答曲面法には限定されない。他の統計手法が用いられてもよい。水熱炭化装置３の容量は、例示された容量には限定されない。水熱炭化装置３は、バイオマス原料２１に対する水熱炭化プロセスを適切に実行できるものであればよい。

【0042】

上記の実施形態および変形例に開示された内容は、適宜組み合わせて実行することができる。

【符号の説明】

【0043】

１ バイオマス循環システム
２ 原料生成部
３ 水熱炭化装置
４ 分離部
５ 嫌気性消化部
７ 農場
８ 発電部
１０ バイオマス燃料
１１ 気体生成物
１２ 固体燃料
１３ 液体生成物
２１ バイオマス原料
２２ 水
５１ 消化液
５２ 消化ガス
Ｐ１ 第一の生成工程
Ｐ２ 第二の生成工程
Ｐ３ 第三の生成工程
Ｃ１ 回収する工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】