成果報告書詳細
管理番号20150000000297
タイトル平成23年度-平成26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) セルロース含有バイオマスの革新的直接液化技術の開発
公開日2015/6/23
報告書年度2011 - 2014
委託先名JFEテクノリサーチ株式会社 日本大学理工学部
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23年度-平成26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)/セルロース含有バイオマスの革新的直接液化技術の開発」

本事業では先に開発したバイオマス直接液化システムにおいて、燃料特性に優れた液化油の生産を目指すために、木質バイオマスと廃プラスチックの共液化技術を開発することとした。以下に得られた研究成果を示す。
まず、循環自製溶媒とする全体直接液化プロセスを構築するため、本プロジェクトの基幹技術である木質バイオマスと廃プラスチックの共液化機構の解明について検討した。木質バイオマスとしてスギを、廃プラスチックとしてポリプロピレン(PP)などを、初期溶媒として鉱油をそれぞれ選定して小型オートクレーブによる共液化試験を行った結果、鉱油が共液化反応に適した初期溶媒であること、反応温度は400℃が最適であること、得られた液化油の軽油留分(軽油代替液化油)は貯蔵時には大きな性状変化がなく、軽油との混合性能がスギ単独の液化で得られた液化油に比べ著しく向上することなどを見出した。液化生成物の成分分析から、軽油およびナフサ相当留分中に単独液化試験では含まれない脂肪族炭化水素化合物が、溶媒留分中にスギ分解物とポリプロピレン分解物が結合したと考えられる長鎖アルキル基を持つ含酸素化合物の存在がそれぞれ確認され、混合性に優れた液化油が得られる共液化機構が検証された。さらに、木質バイオマスと廃プラスチックの共液化全体システム構築のため、その主要設備である押出型液化装置による共液化反応について、鉱油を溶媒とする共液化試験を実施し、オートクレーブ試験と同様な液化性能が得られることなどが確認された。
次に、鉱油を溶媒として木質バイオマスと廃プラスチックの共直接液化によって得られた液化油の実用性と利用技術の適正を評価するために、機械式燃料噴射装置を備えたディーゼル発電機による実用実証実験とコモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンの性能試験、および実車走行試験を行った。その結果、ディーゼル発電機による実用実証実験やコモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンの性能試験においては、共液化軽油留分を5wt%を混合した軽油の発電効率などの性能は軽油とほぼ同等であった。コモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジン搭載した実車走行試験では、液化油軽油留分10wt%を混合すると燃費が低下するが、その5wt%を軽油に混合した場合の燃費は軽油と同等であった。以上の結果から、直接液化によって得られた共液化油は発電機等の比較的回転数の低いディーゼルエンジンでは40wt%を軽油に混合した場合でも実用上問題なく使用することができることなどが確認された。
さらに、連続式押出型液化装置(設備能力10kg/h)を用いたスケールアップ試験を実施し、液化油を安定的に製造することが可能なことを確認し、その物質収支やエネルギー収支を把握した。また、ベントから直接製品を抜き出すベント抜き出し法を検討し、その長時間の安定運転が可能であることが確認された。得られた試験データから、エネルギー回収率を算出した結果、0.58となり、当初の目標を達成した。また、押出型液化装置の処理能力などを再検討した結果、液化油コストは49円/リットルと試算された。なお、2030年実用化時における木質バイオマスを13万t/年処理した場合のCO2排出削減量は約12万t/年と見込まれた。
英文要約Title:Bio-energy Technology Development Strategic Develpoment of Next-generation Bioenergy Utilization Technology Development of Innovative Conversion Technology for Direct-Liquefaction of Cellulosic Biomass (FY2011-2014)Final Report

This study aimed at the production of the cellulosic biomass and plastics liquefaction fuel (CPLF) of substituting diesel oil by co-liquefaction of cellulosic biomass and waste plastics in the presence of solvent. A mechanism in co-liquefaction of cellulosic biomass and plastics, utilization of CPLF to fuel for diesel engines and the feasibility study in co-liquefaction process were investigated. Following results were obtained.
To clarify the mechanism in co-liquefaction of cellulosic biomass and waste plastics, co-liquefaction of Japan ceder as wood and polypropylene (PP) as waste plastics in the presence of solvent was conducted by an autoclave. It was found that reaction conditions at temperature of 673K using mineral oil as a solvent was appropriate for the co-liquefaction. Furthermore, fuel properties of CPLF obtained were found to be no remarkable change during storage and completely mixed with diesel oil in any mixing ratio. The analysis of CPLF showed the existence of aliphatic hydrocarbons which were not detected in liquefaction of wood, and of oxygen containing hydrocarbons with long alkyl chains. These results suggested the mechanism in which the abstraction of hydrogen from plastics by radicals from cracking of wood and the recombination of radicals were occurred.
To evaluate the practicality of CPLF by co-liquefaction of cellulosic biomass and waste plastic, the performance test and the car test run of the diesel engines were carried out. As a result, the performances with diesel oil mixed with 5wt% of CPLF in the power generation efficiency etc. were almost equal to that with diesel oil in the tests of all diesel engines used ( the machine type, the common rail type and the diesel generator). In the actual running test by a car with the common rail type, fuel consumption of diesel oil when mixing with 5wt% of CPLF was equal to that of light oil, although fuel consumption of light oil when mixing with 10wt% of CPLF decreased. Furthermore, diesel oil with 40wt% of CPLF could be used in the diesel engine such as dynamos with a comparatively low rotational speed.
In order to manufacture co-liquefaction process with a twin screw extruder designed as liquefaction plants of simple process, co-liquefaction test with a large scale twin screw extruder (facilities ability 10kg/h) were carried out. As a result, it was confirmed to be able to obtain CPLF with a relative low cost (49 yen/L), and the mass balance and the energy balance data were obtained. The energy recovery rate of cellulosic biomass calculated with the data obtained was calculated to 0.58 which was the goal value in this study.
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