成果報告書詳細
管理番号20150000000054
タイトル平成24年度-平成25年度成果報告書 「バイオマスエネルギー技術研究開発 戦略的次世代バイオマスエネルギー利用技術開発事業 (次世代技術開発) 高含水バイオマス水熱液化による燃料製造とエネルギー転換技術の開発」
公開日2015/3/25
報告書年度2012 - 2013
委託先名株式会社アイテック 国立大学法人東北大学 大学院 工学研究科
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約件名: 平成24年度-平成25年度「バイオマスエネルギー技術研究開発 戦略的次世代バイオマスエネルギー利用技術開発事業(次世代技術開発) 高含水バイオマス水熱液化による燃料製造とエネルギー転換技術の開発」

【平成24年度】当該開発の原料である杉加工残材である枝や樹皮などリグニンを多く含む高含水バイオマス(以下D材と呼称)は推進委員会のメンバーの宮城県森林組合連合会より入手し、平成24年度はその粉砕、スラリー化と送液試験を行い200g/h(絶乾)のテーブルスケールの装置を製作した。また、示差熱分析から発熱量および燃焼性を、熱重量分析から含水率、灰分量などを測定しD材のキャラクタゼーションを分析し、評価を行った。【平成25年度】平成25年度はこれらのスラリー特性や原料の分析結果をもとにリグニン水熱分解において安定性が高く、酸化反応の律速となるフェノールをリグニンのモデル物質としてシュミレーションを行いながらテーブルスケールの試験装置を使って実証試験を行った。実証試験は可溶化試験を先行して行い、その後、高圧酸素(酸素富化空気)供給装置の製作導入にともない酸素富化空気を液化槽と酸化槽への同時導入や酸化槽への単独導入を行いながら行った。実証試験の途上では装置の放熱量が大きいことや酸素富化空気導入による溶液の温度低下により基礎試験結果との整合が取れないことが判明したため、水熱酸化槽の断熱性能の向上や酸素富化空気の予熱プロセスを追加するなど修正を施しながら行った。反応開始温度や反応速度ならびに反応率はガスクロマトグラフィーを用い、反応液を連続回収しながらTOC分析によりシュミレーションならびに基礎試験結果との整合を確認しながら行った。酸素富化空気の酸素濃度は熱エネルギー的見地から当初予定の20vol%からはじめ最終は当初の濃度上限の40vol%を超える60 vol%の濃度にまで増加させて試験を行った。最終、液化温度280℃、酸化槽入口温度360℃以上とすることで反応率95%以上の透明な反応液の回収により完全酸化を確認した。その後スラリー濃度を増加させながら一日6時間、計100時間以上の連続運転を行い、スラリーの高圧連続送液から水熱液化、超臨界場での水熱酸化を経て気液分離器、排出に至る装置の安定性とプロセスの妥当性を実証した。また、当該プロセス全体の熱量収支の検討結果では目標とするEPR(取り出したエネルギー/外部から投入したエネルギー)4.6、エネルギー回収率(取り出したエネルギー/投入したエネルギー)0.7を満たすためには試験結果から求めた酸化反応開始温度を350℃として試算するとD材のスラリー濃度を30wt%以上、あるいは酸反応開始温度を200℃以下が可能となればスラリー濃度を15wt%以上とすることで達成可能となった。スラリー濃度15-30wt%はD材原料を磨砕してスラリーにする方法では流動化したスラリーという要件では難しいが、磨砕処理よりエネルギー負荷の少ないカーターミル等で粗破砕して減容した後、水熱液化槽にて例えば3 MPa、250℃程度で流動性のある液状にしたのち酸化槽にて完全酸化することで達成可能と判断する。また、今回処理対象とした木質系バイオマスに限らず高湿潤なバイオマス原料としてはコーヒーの搾り滓や柑橘系の搾り滓に加え麦茶や茶葉の搾り滓に代表される食物系バイオマスなどがある、これらはD材よりもスラリー化が容易であることに加え、発熱量が高いことからエネルギー収支的にも優位であり当該プロセスを水平展開して活用することができると考えている。
英文要約[FY2012] High humid cellulosic biomass (rice straw and D grade waste wood), which was supplied by Miyagi Prefecture Federation of Forest Owners Cooperative Association, a member of promotion committee of this project, was used as sample. Methodologies of preparing slurry (crashing and dispersion) of the D grade wood and feeding of the slurry were investigated. To get the kinetics (liquefaction and oxidation) and measure the heat of the oxidation, a table scale apparatus (200 g/h scale) was developed. To know reactivity of the D grade wood and the ideal recovery heat from it, elemental analysis, thermal gravity and differential scanning calorimetry (DSC) were employed.[FY2013]To estimate the kinetics of the D grade wood, phenol was selected as a model compounds because the D grade wood contains almost 50wt% of lignin and the controlling step of the oxidation of lignin was reported to be phenol oxidation. For demonstration experiments using the table scale plant, liquefaction of D grade wood was firstly investigated. By introducing oxygen in liquefaction part of the plant, the liquefaction of the D grade wood was improved without air, plugging in the plant sometimes happened because of remaining solid particle, but with air, no plugging occurred. To know the possibility of heat recovery and the oxidation rate of the D grade wood, not only normal air but also oxygen-rich air (40vol% to 60vol%) was provided in oxidation part of the plant. During these experiments, the table scale plant was modified to reduce heat loss in the oxidation part and add a preheater at air inlet line. The slurry concentration was ranged from 5wt% to 10wt% and no plugging occurred. The table scale plant had been stably operated over 100 h (6 h per day) without any trouble. The final goal of the study is to achieve 4.6 of EPR (energy profit ratio = output energy / input energy) and 0.7 of energy recovery (= output energy from the biomass / input energy in the biomass). From the simulation based of the table scale experiments, to reach the final goal, the concentration of the D grade of wood has to be over 30wt% if the oxidation is required 350C or 15wt% of the slurry is enough if the oxidation temperature is moderated to be 200C. To prepare the slurry with 15-30wt% of the D grade wood, combination of methodology with different mechanisms of action such as hydrothermal technique and mechanical treatment will be effective and further investigated. In addition, some food wastes such as spent coffee, citrus peel, tea residues were also fed into the system. It was found that these wastes were easily milled into high concentration slurry (10-20wt%) and the temperature in the oxidation reached over 400C by the combustion of the slurry. It is confirmed that the basic and the demonstration experiments are appropriate and the proposed process is effective for recovering heat from high humid waste biomass
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