成果報告書詳細
管理番号20110000001361
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 新エネルギー技術開発 バイオマスエネルギー等高効率転換技術開発(転換要素技術開発) 自己熱再生方式による革新的バイオマス乾燥技術の研究
公開日2011/9/9
報告書年度2008 - 2010
委託先名国立大学法人東京大学 三菱重工業株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約1.要旨
 バイオマスは含水率が50%以上と高いことから、輸送・保管の困難、発熱量の低下などの原因となっている。そのために、乾燥が必要である。従来の乾燥技術では、水分の乾燥エネルギーに顕熱のみを利用しており、水分が蒸発する際に必要とする潜熱の回収・利用についてはほとんど行われていなかった。また、近年開発されている蒸気再圧縮法では潜熱の回収は行われているが、顕熱の回収については十分に行われていない。そこで、本開発事業では自己熱再生方式によるバイオマスの乾燥プロセスおよび乾燥装置を提案し、その実用化に向けた研究開発を行う。自己熱再生では圧縮操作を利用して、水分の潜熱および顕熱の両方を回収することにより、より高いエネルギー効率でのバイオマス乾燥が可能となる。
2.プロセス設計およびシミュレーション
 自己熱再生による乾燥プロセスを設計して乾燥プロセスにおけるエネルギー効率、乾燥特性、経済性などの評価を行った。
 伝熱係数が大きいことなどから、流動層が自己熱再生に適していると判断し、バイオマス乾燥装置として選定した。選定した流動層乾燥装置を念頭において、プロセスシミュレータInvensys ProIIを用いてシミュレーションによるプロセス物質・エネルギー収支を計算した。計算結果から、従来の熱回収型乾燥プロセスで必要な投入エネルギー(2418 kW)に対し、本プロジェクトに提案した自己熱再生方式では688 kWまで大幅に削減できることを明らかにした。
3.流動層乾燥試験および乾燥特性
 提案した流動及び乾燥の性能および特性を調べるために、1辺0.2 mの正方形、高さ 1.0 mの流動層装置を試作した。流動媒体にケイ砂6号(平均粒径=0.3 mm)を用いて、断続流動層乾燥試験(10分間欠投入および30分間欠取り出し)を行った。その結果、流動化速度の3倍のガス流速以上で、投入ケイ砂・稲わらの重量比500 g/50 g, 500 g/75 gの時に安定な流動が起こることを確認した。乾燥器内での凝縮・層内伝熱モデルを検討し、空気・水蒸気混合気体での管外伝熱試験を行った。
 一方、バイオマスの加熱乾燥において、140 ℃程度までの乾燥温度であれば、セルロースからのエタノール生成に大きな影響を与えることはなく、また、天日乾燥では失われてしまうデンプンが、急速乾燥を行うことで稲ワラに保存されることが分かった。これは、本研究で設計された乾燥装置が必要とする投入エネルギーの20~30%に相当し、乾燥のために投入したエネルギーの一部をエタノールの増産という形で回収できる可能性を示している。また、バイオマスの発生からエタノール生産まで含む全体的なバイオエタノールシステムに乾燥装置を組み込んだ際の試算において、自己熱再生の適用により大幅にエネルギー消費を抑制でき、一定以上のエネルギーゲインが期待できるシステムの構築が可能となった。ただし、実際の導入には、さらなる省エネルギー化と、装置コストの大幅な削減が求められる。
4.経済性評価
 バイオマス乾燥試験結果を元に、実機乾燥システムの設計条件として、受け入れ稲わら量として1000 kg/h および5000 kg/h の2ケースの比較検討を行った。自己熱再生型乾燥装置と従来型乾燥装置(カントリーエレベータ)について、経済性に関する比較評価を実施した。自己熱再生型乾燥装置における水分蒸発量1 tonあたりの必要エネルギーおよびCO2排出量は、従来型乾燥装置に対して、それぞれ1/2および1/3以下となった。また、ユーティリティ費用および処理単価も、従来型乾燥装置に対して、両方とも1/3以下となった。
英文要約Title: New Energy Technology Development /Development of Technology for High-efficiency Conversion of Biomass and Other Energy (Development of Elemental Technology) /R&D of Innovative Energy-Efficient Biomass Drying Process based on Self-Heat recuperation Technology (FY2008-FY2010) Final Report
The available biomass in nature usually contains of large amount of moisture leading to some difficulties in transportation, storage, thermal efficiency, etc. Hence, it is necessary to develop a drying technology to establish an efficient and dependable biomass utilization system. Unfortunately, drying usually requires high energy input because of high latent heat of water evaporation and relatively low energy efficiency of the available driers. Recently, there are many drying technology utilizing a heat recovery system to improve energy efficiency, but most of them do not recover both sensible and latent heats during drying effectively.
In this work, an innovative drying process based on self-heat recuperation technology utilizing effectively both latent and sensible heat has been developed aiming for drying-energy saving. In this technology, water contained in biomass is heated up to its boiling point and subsequently the evaporated steam is superheated. The superheated steam is compressed by a compressor to provide a temperature difference enabling for heat exchange. The condensation heat of the compressed steam is exchanged with the evaporation heat of the water from biomass. On the other hand, the sensible heat of the compressed steam is utilized to raise the temperature of both evaporated steam and water contained in biomass. In addition, the sensible heat of the dried biomass is also recovered by air to improve overall energy efficiency.
Process simulation to determine the amount of required drying energy was conducted using a commercial process simulation tool (Invensys PROII). The proposed drying process based on self-heat recuperation was found to drastically reduce the drying energy consumption. Quantitatively, in biomass drying from moisture content of 50% to 20%, the proposed self-heat recuperation (SHR) technology reduced the energy consumption to about 2/3 of that required in a mechanical vapor recompression (MVR)-based drying technology, and to about 1/4 of that needed in a conventional heat recovery system.
Based on the above simulation result, in the experimental stage, fluidized bed was selected as a dryer because of its characteristics on high heat and mass transfer and good solids contact between particles. Inert material was inserted inside the bed to improve the fluidization performance of the biomass and act as heat carrier enhancing the heat transfer across the bed. Wet paddy straw having average length of 20 mm was selected as the biomass sample. The fluidization performance, effect of the inlet mass ratio, gas flow rate, temperature, dust concentration, etc. were investigated. Furthermore, to observe the heat transfer across the bed, heating elements simulated as compressed air and evaporated water were immersed inside the bed. The earned data were treated as design data for practical application of the developed system.
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