井 田 民 男,水 野 諭,渕 端 (近畿大学バイオ コー クス研 究所)
学
【は じ め に 】
燃 焼 に よる 熱 エ ネ ル ギ ー を利 用 す る こ とが古 くか ら行 わ れ て きた 。 現在 で も化 石燃 料 の燃 焼 が,私 た ち の 生 活 を支 え る エ ネ ル ギ ー の 大 部 分 を占 め て い る 。 化 石 燃料 と は石 炭 や石 油,天 然 ガ ス な どで あ り,こ れ らは 大 昔 の 動 物 の死 骸 な どが 地 中 に 蓄積 し,長 い 年 月 をか け て 地圧 ・ 地 熱 な どに よ り形 成 され る もの で あ る 。 よっ て,私 た ち の ライ フサ イ クル の 中 で は 再 生不 可 能 で,い ず れ枯 渇 す る 有 限 な 資 源 とい え る 。 また,化 石 燃 料 の 大 量 消 費 に よ り,大 気 中 に大 量 のCOが 放 出 され,オ ゾ ン層 の破 壊 に よる 地 球 温 暖化 を深刻 化 させ て い る 。
わ が 国 の エ ネ ル ギ ー 政 策 は 再構 築 され る 必 要 が あ る 。 2011年3月11日 に起 き た東 日本 大 震 災 と東 京 電 力 福 島 第 一 原 子 力発 電所 の 重 大事 故 が,日 本全 体 に 及 ぼ した 影 響 は計 り知 れ な い 。 原 発 事 故 へ の 不 信 と不 安 の 反 動 も あ っ て,太 陽 光発 電 風 力 発 電 な どの 自然 エ ネ ル ギ ー 由 来 の 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー へ の 関 心 が 急 速 に高 ま っ て い る 。 自然 エ ネ ル ギ ー の 活 用 は 半 永 久 的 に持 続 可 能 で あ り,こ れ をエ ネ ル ギ ー の社 会 基 盤 とす る こ とで,現 在 の 有 限 資 源 で あ る化 石燃 料 エ ネ ル ギ ー に 依存 して い る 危 機 的状 況 か ら脱 却 す る こ とが 出 来 る 。 そ ん な 中,昨 今 特 に 注 目 され て い る の が バ イ オ マ ス 資 源 の利 活 用 に よる エ ネ ル ギ ー の 製 造 で あ る 。 バ イ オ マ ス 資 源 か ら得 られ る エ ネ ル ギ ー は カ ー ボ ンニ ュ ー トラル で あ り,燃 焼 を行 うに も 関 わ らずCOの 増 加 は な い。 こ の性 質 に よ り化石 資 源 由 来 の エ ネ ル ギ ー をバ イ オ マ ス で代 替 す る こ とに よ り,地 球 温 暖 化 の 大 きな 要 因 と され るCOの 排 出 削 減 に 大 き く 貢 献 す る こ とが 出 来 る 。
【目 的 】
こ こで は バ イ オ マ ス の 固 形燃 料 化,特 に 高 密 度 ・高硬 度 固 形燃 料 化(以 下,バ イ オ コー クス と称 す る)を メ イ ン事 業 と して行 っ て い る 。 バ イ オ コー クス は既 に 実 用 化 段 階 まで研 究 が 進 み,代 表 的 な 用 途 と して鋳 造 炉 内 の 熱 源 と して 石 炭 ・石 炭 コ ー クス を代 替 して使 用 され て い る 。 現在,使 用 バ イオ マ ス の種 類 や含 水 率,加 熱 保 持 温
度 や 加圧 力 な どの 変 化 に よ る形 成 バ イオ コー クス の 燃 焼 特性 研 究 が 進 め られ て い るが,比 重 に対 す る燃 焼 特 性 の 研 究 は 成 され え て い な い 。 固 体 物 質 の 燃 焼 にお い て,燃
焼 物 の 比 重 が 燃 焼 特 性 を左 右 す る可 能 性 が あ る こ とは い う まで もな い が,燃 焼 特 性 の 解 明 は,燃 焼 とい う現 象 メ カ ニ ズ ム の 複雑 さか ら シ ミュ レー シ ョンや 計 算 等 で は 算 出 す る こ とは 難 しい 。 よ って 本研 究 で は,当 研 究 室 所 有 の バ イ オ コー クス 製 造 装 置 に よ り異 な る比 重 の バ イオ 固 形 物 質 を形 成 し,燃 焼 実験 装 置 で 実 際 に燃 焼 させ る こ と で,燃 焼 実験 デ ー タ を蓄積 す る。 また そ の 収 集 デ ー タ を 元 に,比 重 変 化 に対 す る燃 焼 特 性 変 化 を考 察 す る こ と に よ りバ イ オ 固 形 燃 料 形 成 時 の 燃 料 設 計 指 針 の 基礎 デ ー タ と して 活 用 され る こ と を 目的 とす る。
【 実験装置 および実験方法】
・バ イ オ 固 形 燃 料 製 造 装 置 に つ い て
Fig1に バ イ オ コ ー ク ス の 形 成 に 用 い た 形 成 装 置 の 概 略 図 を 示 す 。 形 成 装 置 の 主 要 部 分 は,① 油 圧 プ レ ス 機
② 電 気 炉,③ シ リ ン ダ,④ デ ジ タ ル 温 度 コ ン ト ロ ー ラ ー に よ り構戒 さ れ て い る 。 ま た,Fig.2は 電 気 炉 内 部 の 模 式 図 で あ り,そ の 主 要 部 分 は ① シ リ ン ダ,② ピ ス ト ン,
③ ス ペ ー サ ー,④ バ イ オ コ ー ク ス に よ り構 成 さ れ て い る 。 Fig.1の 油 圧 プ レ ス 機(AsTRoPRoDucTs,プ レ ス ・ポ ー トパ ワ ー ・ベ ン ダ ー)は,一 定 圧 力 を か け る 装
Fi魯1.バ イ オ コ ー ク ス 形 成 装 置 構成
Fi&2.反 応 シ リ ン ダ ー 構 成
置 で あ る 。圧 力 の 調 整 に 関 して は① に付 属 して い る メ ー ター を見 な が ら手 動 で 行 い④ の デ ジ タル コ ン トロー ラー の シ ー ス 熱 電対 を用 い て 温 度 の 制御 を行 う。
また,電 気 炉 は セ ラ ミ ッ ク電気 管状 炉 を使 用 し温 度 コ ンJourト ロ ー ラ ー に よ り形 成 過 程 の 試 料 加 熱 温 度 の 制 イ卸を行 う。
・燃 焼 装 置 に つ い て
燃 焼 試験 とは,固 形 物 を高 温 で燃 焼 させ る こ とで,有 炎燃 焼 開 始 時 間 ・有 炎燃 焼 終 了 時 間 ・チ ャー燃 焼 開 始 時 間 ・チ ャー燃 焼 終 了 時 間 の 各 特 性 時 間 を調 べ,固 形 物 の 燃 焼 特性 を調 べ る試 験 で ある。Fig3の 試 験 機 を使 用 した。
本 装 置 は,外 径90mm,内 径64mmの 円筒 型 断 熱 材 製 の 燃 焼 室 に,電 熱 ヒー タ ー と電 気 管 状 炉 に よ り加 熱:
温 度 制 御 され た 高 温 空気 を供 給 す る こ とで 固 形 物 を加 熱 す る 仕 組 み とな って お り,そ の 時 の 重 量 変 化 を電 子 天 秤 で 測 定 した 。 固 形 物 は 燃 焼 室 の 挿 入 口 か ら燃 焼 物 支 持 台 に横 向 きに セ ッ トす る。 燃 焼 時 には 終 始 ビデ オ カメ ラ し て 燃 焼状 態 の 撮 影 を行 った 。
今 回 異 な る 比 重 の 形 成 物 を作 るた め に,加 圧 力,加 熱 保 持 温 度,加 熱 保 持 時 間,の3つ の パ ラ メ ー タ を 変化 さ せ て 形 成 した 。 そ の 他 に も含 水 率,粒 度 な どの パ ラメ ー タが あ る が,上 記 の3つ の パ ラ メ ー タ を 選 択 した 理 由 は,比 重 変 化 に効 果 的 で あ る と考 えた こ と と,含 水 率 を 変 化 させ る と保 有 熱 量 が 変 化 す る こ と に な るの で 純粋 な 燃 焼 特 性 の 考 察 をす る為 には 変 化 パ ラメ ー タ と して 選 択 す る に は 不 適 切 で あ る と考 えた か らで あ る。 また粒 度 に 関 して は 試 料 形 成 をす る にあ た り粒 度 に変 化 を付 け る こ とに よっ て 必 要 形 成 試 料 の 数 量 が 大 量 にな りす ぎ る こ と と,今 回 の 比 重 に関 して粒 度 が 大 きな 意 味 を持 って い な い と想 定 した の で 変 化 パ ラ メー タ には 設 定 しな か った 。 そ の 結 果,上 記 の3つ を変 動 パ ラ メー タ と して選 択 す る に 至 っ た 。
【 実験 結果 お よび考察 】
本 研 究 室 所 有 の バ イ オ コ ー ク ス 生 成 装 置 に よ り,異 な る 比 重 の バ イ オ 固 形 物 質 を 生 成 す る 。 原 料 と し て 蚊 取 線 香 を 使 用 し た 。 異 比 重 で の 生 成 に 効 果 的 な 加 熱 温 度 (120℃ 〜150℃),生 成 圧 力(0.175t,0.35t,0.7t),加
熱 維 持 温 度 時 間(1min,5min),を 形 成 パ ラ メ ー タ と し て,比 重 の バ イ オ 固 形 物 質 を 形 成 した 。 燃 焼 特 性 は, 既 存 の 燃 焼 実 験 装 置 に よ り行 い,着 火 特 性,燃 焼 持 続 時
間 等 の 経 過 デ ー タ を 収 集 した 。
L
熱電対 川
カメ ラ 圧 力計
← 抽 サ ∋ 図
風 力測 定器㊥
OO 口
一 o
電気炉 呂
● 電気炉＼
L
PC受 信機 ＼
＼' コ ン トロ ー ラ ー
■ 「
門
'、ロ ロ ロ ロ
ロ
L833㊥ ノ
團
o
團
o
1
や 一 一
国ll
□98
〃////////ノ ∠zノ!z/17z/〃/〃!z/zz/〃!/〃/〃///////////z/〃!zノ 〃/〃!z/〃 〃!ノ/〃 〃 !zノ〃 〃
電子天秤 電圧力変換 機
Fig.3.バ イ オ コ ー ク ス 燃 焼 試 験 装 置
・形 成 比 重
Tablel〜3に バ イ オ コ ー ク ス 製 造 装 置 を 用 い て 比 重 の 異 な る 固 体 形 成 特 性 を 製 造 し た 結 果 を示 す 。
3種 類 の パ ラ メ ー タ に よ り0.85〜1.35の 比 重 で バ イ オ 固 形 物 質 の 生 成 に 成 功 し た 。 そ の 比 重 をFig4に 示 す 。 形 成 比 重 は,生 成 時 の 加 熱 温 度,加 熱 維 持 時 間,加 圧 力
の 上 昇 に伴 っ て 比 例 的 に増 加 す る こ とが 分 か った 。 次 に,燃 焼 測 定 結 果 に関 して,比 重 に伴 う着 火 温 度 の 上 昇 と着 火 時 間 の 長 期 化,有 炎 燃 焼 時 間 の 短 縮 燃 焼 時 間全 体 の短 縮 が 確 認 で きた 。Fig5に 重 量収 率,Fig6に 着 火 遅 れ 時 間,有 炎 燃 焼 時 間,チ ャー 燃 焼 時 間 を示 す 。
高 比 重 に 従 い,残 重 量 が 大 きい こ とか ら,比 重 が 高 く
Tablel.初 期 含 水 率3%,加 圧 力0.175ton,形 成 加 熱 温 度 範 囲120〜150℃ で の 形 成 特 性
含 水 率3%,加 圧 力0.175t 120℃ 130℃ 140℃ 150℃
加 熱 保 持 時 間
1min
質量(9) 1.98 1.99 1.97 1.95
高 さ(mm) 7.50 7.40 7.09 6.70
比 重(9/mm3) 0.84 0.86 0.88 0.93
5min
質量(9) 1.97 1.99 1.97 1.97
高 さ(mm) 6.48 6.39 6.04 5.39
比 重(9/mm3) 0.97 0.99 1.04 1.16
Table2.初 期 含 水 率3%,加 圧 力0.700ton,形 成 加 熱 温 度 範 囲120〜150℃ で の 形 成 特 性
含 水 率3%,加 圧 力0.7t 120℃ 130℃ 140℃ 150℃
加 熱 保 持 時 間
1min
質量(9) 1.99 1.99 2.00 2.00
高 さ(mm) 5.78 5.43 5.18 4.93
比 重(9/mm3) 1.10 1.17 1.23 1.20
5min
質量(9) 1.99 1.96 1.99 2.00
高 さ(mm) 5.53 5.02 4.83 4.61
比 重(9/mm3) 1.15 1.24 1.31 1.38
Table3.初 期 含 水 率3%,加 圧 力0.350ton,形 成 加 熱 温 度 範 囲120〜150℃ で の 形 成 特
含 水 率3%,加 圧 力0.35t 120℃ 130℃ 140℃ 150℃
加 熱 保 持 時 間
1min
質量(9) 1.97 2.Ol 2.00 2.00
高 さ(mm) 6.09 5.65 5.13 4.88
比 重(9/mm3) 1.03 1.13 1.24 1.31
5min
質量(9) 2.00 1.99 2.01 2.00
高 さ(mm) 5.92 5.45 5.10 4.85
比 重(9/mm3) 1.08 1.16 1.26 1.31
1.40 1.30 1.20 0
1.10 細 曇1 .00
0.90
㈱ ♂ ぱ 2 讃 詑 ♂ 闇 謡 ♂ 訟 羅 翌 評 .詫
一 ◆‑120℃
一■ト130℃
一血一140℃
一 朔一150℃
Fi魯4.加 圧 力 の異 な る比 重 の変 化
◇0.85
●1.25
★1.35
時 間(SEC) Fi昏5.重 量 収 率特 性
卜鰹蝦簑蝋に.踵
180
160
140
酋 ℃120 襲 、3ゆ
.踵
100
80
60
▲ ▲ ▲ 一
r
■ ■ 一
一 ■ ■
■ ●
∩1 一
● ● ● ● ● 一
一
命
一 一
L
◆ 一
一
一 垂
◆ ,
◆
一 圏一 一 一 ▼ ◆ ◆ 一 、
0.8 0.9 1
◆着 火遅れ 時 間
●チャー燃 焼時間
1.1 比 重 一有 炎燃 焼時 間
■全 燃焼 時間
Fig.6.燃 焼 特 性
1.2 1.3
▲有 炎燃 焼終 了 1.4
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
(り①切)踵曲一蝦襲酬︑踵酋蝦襲1
な る に つ れ 物 質 内 部 まで 酸 素 拡 散 が 阻 害 され,酸 欠状 態 に な っ て い る 可 能性 が あ る 。 また,高 比 重 の場 合,全 体 の燃 焼 時 間 は 長期 化 され る が,有 炎燃 焼 時 間 は 短縮 され た 。 高 比重 で の特 異 な燃 焼 現象 が 生 じる こ と を得 た 。
【ま と め 】
バ イ オ コー クス の 比 重 の 変化 が ,そ の着火お よび燃焼 挙 動 に 及 ぼ す 影響 に つ い て 調査 す る た め に燃 焼 実験 を行 い,同 材料で異比重の燃料物質を形成し,次 の結果を得た。
1)高 比重 に従 い,有 炎燃 焼 時 間 は 短 く,チ ャー 燃 焼 時 間 は 長 くな り,着 火 遅 れ 時 間 や 全体 の燃 焼 時 間 も 長 くな る 。
まず 着 火 が 遅 れ る理 由 と して,比 重 が 高 くな る につ れ て 試料 表 面 が 硬 化 す る こ と に よ り表 面 の ガス 化 が 起 こ り づ ら くな る 。 これ は 試 料 内 部 の 炭 素 結 合 が 比 重 の 上 昇 に 伴 い 強 くな る こ とか ら燃 焼 時 にガ ス 化 を起 こす た め の 必 要 エ ネ ル ギ ー も多 くな る。 よ って 表 面 の ガ ス 化 の 遅 れ が 起 こ り,結 果 と して 有 炎 燃 焼 の 遅 れ,い わ ゆ る着 火 遅 れ 時 間 が 長 くな る もの と考 え られ る。
次 に 有 炎 燃 焼 時 間 の 短 縮 につ い て,比 重 の 増 加 に伴 い 試料 表 面 の細 孔 が 減 少 して い くた め,高 温 に よ る熱 分 解 が 試料 内 部 で 起 こ る こ と を妨 げ る。 そ の た め,高 比 重 ほ どガ ス 化 量 が 少 な くな り,有 炎 燃 焼 が 短 縮 され た と考 え られ る 。
全燃 焼 時 間 の 長期 化 に 関 して は,こ の デ ー タの 表 面 だ け を捉 え る と長期 間 熱 量 が 得 る事 が 可 能 な優 位 性 が存 在 す る よ う見 え る が,実 際 の と ころ は 燃焼 後 の残 重 量 が 比 重 の増 加 に伴 い 多 くな っ て し ま う事 が わ か っ て い る の で この 背 景 を踏 まえ て 考 え る と,同 量 の 熱 エ ネ ル ギ ー を持 つ 試料 か ら生 み 出 され た 熱 量 は 比 重 の 増加 に伴 い 減 少 し て い る 可 能性 が 考 え られ る 。 よっ て 比 重 の 増 加 に伴 い 燃 焼 特 性 の優 位 性 が あ る とは 言 え な い 。
2)高 比重 下 で の 特 異 な 燃焼 特性 を確 認 した 。 高 比 重 下 で の 燃 焼 特 性 に 関 して,上 記 に 述 べ た 通 りキ ー ワー ドに な っ て くる の は 燃焼 後 の 試 料 の残 重 量 が 最 大 とな る こ とで あ る 。 全 て の 試 料 の 重 た さは 同 量 で 形 成 エ ネ ル ギ ー は 比 重 が 高 くな る に 比 例 して 大 き く な っ て い る が,今 回 は 形 成 エ ネ ル ギ ー の 総 量 の 多 少
は,加 圧 力,加 熱 保 持 温 度,加 熱 保 持 時 間 の 微 小 な 変 動 か ら生 まれ る誤 差 で,重 要視 す る必 要 の な い レ ベ ル で あ る と して 考 えな い もの とす る。 この 場 合 , 残 重 量 が 多 くな る こ と を考 え る と含 有 炭 素 総 量 を完 全 に 燃 焼 させ る こ とが 出 来 て い な い と考 え られ る。
よっ て 高 比 重 ほ ど燃 焼 時 間 が 長 期 化 す る こ とが確 認 出 来 た もの の,燃 焼 特 性 と して は ロス が 多 くな る傾 向 が あ る と考 え られ る。
【 謝 辞 】
本 研 究 の 一 部 は,平 成22年 度 地 域 イ ノ ベ ー シ ョ ン創 出研 究 開 発 事 業 の 助 成 に よ り行 わ れ た 。 こ こ に謝 意 を表 す る 。 また,本 実験 は 菊 波 剛 君 の 実験 ノー トに寄 った 。 こ こに 記 し,感 謝 の 意 を表 す る。
