成果報告書詳細
管理番号20100000001311
タイトル平成18年度-平成21年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 バイオマスエネルギー等高効率転換技術開発(先導技術開発) セルロース含有バイオマスの革新的燃料化技術の研究開発
公開日2010/9/9
報告書年度2006 - 2009
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P07015
部署名新エネルギー技術開発部
和文要約本事業は、建築廃材や間伐材などの木質系バイオマスが排出される地域に小規模で簡便な液化装置を設置し、セルロース含有バイオマスと自製溶媒(木質バイオマス由来の液化油)を混合し、低圧、低温度の温和な反応条件で直接液化することにより高効率で軽-重油相当の石油代替液化燃料を製造する革新的な技術を開発することを目的に研究開発を推進した。木質バイオマスの直接液化における適正な反応条件についてオートクレーブを用いた基礎実験により、木材はその種類、粒径によらず低圧、短時間で液化することを検証した。さらに、極性有機溶媒を用いて反応温度を300-350[℃]に設定することにより、高収率で液化油を生産できる。得られる液化油はセルロース由来のフラン系化合物やリグニン由来のフェノール系化合物から構成されており、このうち極性を有するフェノール系化合物を溶媒として用いることが有効であることを確認した。連続式押出型反応液化設備のプロセス開発の可能性について小型二軸混練押出機(処理能力 0.25[kg/h])を用いて液化実験を行い、オートクレーブ液化実験と同様に木質バイオマス(スギ)の液化が可能であることを確認した。小型二軸混練押出機のスクリュー構成や溶媒種および混合割合等の液化生成物への影響を明らかにした。さらに、中型連続式押出液化反応設備(処理能力 1.0[kg/h])を用いて生成液化油を循環溶媒として使用する直接液化実験を行い、長時間連続運転(8時間)の安定操業やスケールアップ効果などを検証した。木質バイオマスの液化油は芳香族系化合物が多く含まれ、液滴燃焼において難燃性成分の微小突沸が観察され、黒煙が発生するが、継続的に拡散燃焼するためボイラー用燃料として利用可能である。液化油は、常温では軽油と混合しないが30[℃]以上では軽油と完全に混合し、液化油混合割合20 %以下にて通常のディーゼル機関始動と定常運転が可能である。ディーゼルエンジン燃焼実験では蒸留沸点留分が異なる液化油(b.p.200-250[℃]、b.p.250-300[℃])と軽油およびFAME(ココナッツオイル・メチル・エステル)の混合油を用いて性能を評価した。液化油は、脂肪酸メチルエステルとは完全に混合するため、ココナッツオイル・メチルエステル(CME)に液化油を混合した場合、低温度留分は着火時期が早く、最高燃焼圧力はCMEと同等である。また、CMEを用いると液化油と軽油を混合でき、CMEを5[%]用いて液化油と軽油を混合した場合、混合割合20[%]までは、定常運転が可能である。混合割合5[%]の場合、8時間連続運転が可能であり、機械式燃料噴射装置の車輌の場合、車輌走行性能及びアイドリング時の排気ガス成分に軽油との差異は認められず、自動車用ディーゼル機関燃料として使用できることを確認した。液化残渣物はリグニン由来の変成体であり成型炭製造用バインダーとしての利用評価試験を行った。成型体の圧潰強度や乾留後のコークス強度は残渣物の添加により向上し、既存バインダーとほぼ同等の機能を有し成型炭製造用バインダーとして利用可能なことを確認した。以上、木質バイオマスは自製溶媒を用いて低圧、低温度の温和な反応条件で直接液化され、生成された液化油は軽油代替として利用可能なことを確認した。連続式押出混煉装置の液化設備への適用可能性を確認し、実機の連続式直接液化設備の全体プロセスの構築と最適な設備構成について検討した。また、将来の事業化イメージや実機設備の設置場所などを検討し、本プロセスのエネルギー転換効率や経済性について評価を行った。
英文要約This study was investigated to invent an innovative technology for production of fossil alternative fuels such as diesel oil or heavy oil. Then, direct liquefaction process of the wood biomass was examined, which has the following particularity; sub-materials of a catalyst and solvent are not need to be added newly and the reaction conditions are mild because the heavy fraction of liquefaction oil is used as the circulating solvent; this process set it up where wood biomass is discharged to reduce the collection cost. The experiments using autoclave were performed to clarify the optimum conditions for the liquefaction of wood biomass. The results indicated that the liquefaction of wood biomass proceeded on low pressure in a short time without depending on the particle size and kind of wood biomass. In addition, the liquefaction was performed on 300-350[deg C] so that the liquefaction oil was produced voluminously. The liquefaction oil included furan type compound derived from cellulose and phenol type compound derived from lignin. It was effective to the liquefaction of wood biomass to use polar compound such as phenol type compound as a solvent. The experiments changing equipment size, screw properties, solvent and mixture rate were performed to develop continuative reaction equipment. The results indicated that the liquefaction of wood biomass proceeded as well as the case of using autoclave with small size (0.25[kg/h]) and middle size (1.0[kg/h]) extruder with two axes. In addition, it was confirmed that this process was operated stable (8[h]) when a portion of the liquefaction oil was used as a circulating solvent. Usage of the liquefaction oil derived from wood biomass was examined. The micro explosion occurred and smoke was generated in fuel droplet combustion tests. However, liquefaction oil can be utilized for boiler because liquefaction oil could be continuously burned by diffusion flame. In diesel engine tests, liquefaction oil was divided into two fractions: 200 to 250[deg C] and 250 to 300[deg C] by distillation and each fraction was mixed with Coconuts oil Methyl Ester (CME) and diesel fuel to evaluate the combustion characteristics. When liquefaction oil fraction whose distillation temperature was low was mixed with CME, blended fuel had good ignitability and high combustion pressure compared with high distillation fraction. Liquefaction oil fractions could be blended with diesel fuel when CME was used as a solvent. Engine could be run by the liquefaction oil and diesel fuel blend with CME of 5[wt%] when mixing ratio of liquefaction oil was up to 20[wt%]. When liquefaction oil of 5[wt%] was mixed to diesel fuel with CME, diesel engine that equipped mechanical fuel injection system could be continuously operating for 8[h] and vehicle could be normally run without any deterioration in driving performance and exhaust gas emission of idling. It is confirmed that liquefaction oil and diesel fuel mixture with CME can be applied as fuel for diesel engine vehicle. The binder performance necessary for production of coke was examined to use residue which is by-product of liquefaction as binder. It was confirmed that compressive strength and coke strength went up as well as addition of a conventional binder when the residue was added. In consideration of mention above, energy conversion efficiency and economy about this process were evaluated to decide the futurity business plan.
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