局硬度バイオマス燃料の内部構造が燃焼特性に及ぼす影響

局硬度バイオマス燃料の内部構造が燃焼特性に及ぼす影響

渕端

植物由来の固形燃料であるバイオコークス(以下BIC

と表記は,鉄鋼溶解炉1 やガス化直接溶融炉2 に用

いる石炭コークスの代替として期待されているが,その

燃焼特性につぃての研究例は少なく36,明らかになっ てぃない部分が多い。本研究では,成型条件により変化

が伴う BICの内部構造がBICの着火・燃焼#手性に及ぼ す影響を解明するため,成型圧力,成型温度を変化させ て成型したBICの高温空気燃焼室内における着火,燃 焼特性について調査したまたBICの内部構造をX線

CT法により観察し', BICの内部構造と燃焼4手性の関

係について検討した

【はじめに】

学,麓 隆行,水

近畿大学バイオコークス研究所

野

・BIC成型方法

BIC成型にはバッチ式ホットプレス装置を使用した5 BICの成型条件を表1に示す試料には粉砕された緑茶

残さを使用した。内径20 mm,外径50 mmのシリンダ

内に,成型圧力 PN においてアスペクト比が2:1となる

ように試料を秤量し,油圧ジャッキによって加圧する 終始加圧保持した状態で電気管状炉によってシリンタ

周囲より加熱し,所定の成型温度TMに達した時点から

6.25分間保持後,室温まで冷却し,シリンダから取り 出した

実験装置おひ実験方去

兪

・燃焼実験

図1に実験装置図の概略図を示す実験条件は供給空 気温度698 K,空気流量は10 NL min とした。コンプ レッサーにより圧送された空気は,電熱ヒーター,電気 管状炉により加熱されるその高温空気により,支持台 に設置された試料は加熱される本装置は熱天秤方式

(読み取り精度0.olg)となっており,試料支持台全体 は,燃焼室の下部に設置した電子天秤にのせてあり,支

持台に設置された試料の重量変化を測定した。測定した 重量変化データはサンプリング周期2SeCでパソコンに

Salnple

Molding temperature TM

Watercontent [96]

Moldingpressure pM [Mpa]

Heatholdingtime [min]

Weight [g]

Shape [mm]

Table l Moldingcondition Green tea

[K 383,393,403,413,423,433, U3

3

10.9,15.6,21.8,32.フ,43.6 6.25

17.65

φ 20 × 40

Quart乞 glass Thermocouple specimen

や

Exhaust

Video camera

Compressor

Tube furn且Ce

0肌田0鰐a嘗暦劃

長P.ーー劃

N^

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Pressure gauge

.

Flow metel

今司

1、1be furn且Ce

[コ8含 Electric ba1日nce

Fig.1 Experimentalapparatus

Contr011er 囲囲

Iectric he且te

〔ニ]

0

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Contr011er

呂=

取り込んだここで,燃焼室ヘの供給空気温度は試料支 持台中央より上流ヘ20 mm,下流ヘ20 mmの位置に設 置したシース径3.2 mmのK型ステンレスシース熱電 対の指示値である。試料投入からチャー燃焼終了までを デジタルビデオカメラにより撮影した映像から,着火遅 れ時間と有炎燃焼時間を読み取ったまた,測定した重 量変化履歴から5分間の移動平均値を算出し,重量減少 率が毎分0.2 %を下回った時点をチャー燃焼終了と定 義し,チャー燃焼時間を算出した

渕端 学,麗

・ X線CT

X線CT装置を用い, BICの断層撮影を行った'撮 影部は,最大電圧230kv,最大電流 1000 μ A を負荷

できる開放型マイクロフォーカス X線管とフラットパ ネルセンサを有しているフラットパネルセンサの角早像

度は1792 × 1408 PixelS である。撮影された透過画像を

逆解析(再構成)し,16bitの輝度をもつ3次元画像と して保存した再構成した画像の麺度値は,空気の鍾度 値を一 1000,水の輝度値を0としたCT値に変換した

【実験結果および考察】

・引C試料の成型特性

成型した緑茶残さBICの比重を図2に示す結果よ リ,成型温度,成型圧力の上昇に伴い,比重が増大し, 最大比重は1.35付近であることが分かる。成型温度が 低くても成型圧力を高くすることによって高比重のBIC が成型できることから,異なった成型温度,成型圧力に おいて,比重がほぼ等しいBICの製造が可能である

隆行,水野 ^Ξム、而則

100

80 ゞ

60

^443K I0.9Mpa 443K 21.8Mpa

・・・・・・・443K 32.8Mpa 43K437Mpa

O Flamingstart . Fla血ngend

100 1000

Elapsedtime s Fi8.3 W'eight reduction curves for

TM = 443 K, specific gravity l.35

0 10

・BIC の燃焼特性

図 3 に成型温度443 K,成型圧力 10.9 Mpa 43.フ MpaのBICの燃焼時重量変化曲線を尓すグラフは, 横軸が試料投入からの経過時間,縦軸がその時間におけ

る BICの重量収率となっており,曲線上の白丸は目視

^

80 ゞ

で

^

ω

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コ・.

^

.

60

.10.9Mpa

△ 15.6Mpa .21.8Mpa ' 32.7MP日 .43.6Mpa

、゛、、ニ

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1.45 1.40 1.35 1.30 1.25 1.20 1.15 1.10

M 40

.^

.

參

^383K43フMpa 393K43フMpa

・・・・・・・403K 43.7Mpa 4BK43フMpa

'

‑ 423K43.7Mpa

ーーー433K43フMpa 、 、

‑443K43.7Mpa

O Flamin容Start

. Flamin end

100 1000

10

Elapsedtime s F侶.4 Weight reduction curves for

PM = 43.7 Mpa, specific graviw l.35

383 393 403 413 423 433 443

MoldingtempeTature(K)

Fi8.2 Spedfic gravity of green tea BIC

△

20

.

により炎が観察され始めた時点(試料投入からこの時点 までの経過時間を着火遅れ時間と定義する),黒丸は有炎 燃焼力沫冬了し,チャー燃焼に移行した時点を示している

この成型条件では, BICの比重は1.35でほぼ一定で あり,成型圧力による内部構造の差が燃焼挙動に及ぼす 影響が観察できると考えられる実験結果より,成型圧 力が高いほど着火遅れが長くなる傾向があることが分か る。これは成型圧力が高くなるほど,より高融点・高粘 度の成分が空隙に充填される形でBICが形成されるた め,着火遅れの間に発生する熱分解ガスが重質になるた めと考えられる

図 4に成型圧力 43.7 Mpa,成型温度383 K 443 K のBICの燃焼時重量変化曲線を示すこの成型条件に おいても BICの比重は1.35でほぼ一定であり,成型温 度による内部構造の差が燃焼挙動に及ぼす影響が観察で

.

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きると考えられる実験結果より,成型温度が高いほど 着火遅れが長くなる傾向があることが分かるこれも成 型圧力を変化させた時と同様に,成型温度が高くなるほ

ど,より高融点の成分が空隙に充填される形でBICが

形成されるため,着火遅れの間に発生する熱分解ガスが 重質になるためと考えられる。

それぞれの試料における有炎燃焼期間およびチャー燃 焼期間の平均重量減少率は,全試料平均値に対して士5

%程の範囲内にあり,着火遅れ時間ほどの変化は見ら れなかったまた,チャー燃焼移行時点の重量残存率 は,全試料とも約2500でほぽ一定であった。着火以降 の燃焼1手性に大きな差がみられないのは,急陽処こ温度が 上昇することにより,成分間のわずかな融点やガス化開 始温度の差が観測可能な差にならなかったためと考えら れる

次に,比重1.35のBICが成型できる最低の成型温 度・成型圧力の組み合わせで作成されたBICの燃焼時 重量変化曲線を図5に示す。全体的に,図4に示した成 型温度を変化させた時に似た傾向となっている。成型圧 力が低いTM =403 K 443 Kにおいては,図3の結果

に見られるように着火遅れ時間が短くなっているが,成 型温度による変化傾向を逆転するほどの効果はなかった

以上の結果から,出来上がり比重が同じでも成型条件

によって主に着火遅れ時間に変化がみられ,そのもっと も大きな要因は成型温度であることが分かる

高硬度バイオマス燃料の内部構造が燃焼1宇性に及ぼす影響

300 280 260 240 220 200 180 160

383 393 403 413 423 433 443

Mold血gtemper且ture K F喰.6 CT value for spedfic specific gravity l.35

140

・内部構造と燃焼特性との関係

X線CT法により BIC内部のCT値の測定を行っ た。図5に示した比重 1.35で成型されたBIC の高さ方 向中央断面内の平均CT値を図6に尓す。図6より,同

.

程度の比重でも成型温度が異なればCT値は変化してお

リ,成型温度が上昇するに連れてCT値が増大する傾向

にあることが分かる。このことから, X線CT法によっ て出来上がり BIC内部のCT値を測定することで,比 重の測定だけでは推定できない燃焼特性の変化を推定す

ることができる可能性があると言える

【結言】

1) BICの燃焼特性には成型温度がもたらす影響が大き く,比重が同程度であっても成型温度の上昇に伴

い,主に着火遅れ時間が延長される

2) X線CT法により BICのCT値を測定することによ リ,燃焼特性を推定できる可能性がある

儁1 辞

本実験を行うにあたり,近畿大学大学院総合理工学研 究科学生(当時)の足立佑平君に多くのご助力を頂きま

したここに,謝意を表します

文献

1)石井一義,村田博敏,桑名一徳,水野諭,森田明宏,井 田民男,"茶津を原料とするバイオコークスによる溶解炉 内観察と燃焼シミュレーション",高温学会i志, V01.35, NO.2 (2009), PP.91‑96

2)内山武,奥山契一,中山剛,渡辺純也,秋山肇,鈴木康夫, 小田昭浩,星靖,村田博敏,田中一嘉,井田民男,"高温 ガス化直接溶融炉におけるバイオコークス使用によるC02 排出量削減",日本機械学会論文集 B 編,78‑789 (2012), PP.1008‑10Ⅱ

3)伊東弘行,酒井雄人,藤田修,中村祐二,井田民男, ^旧コ旧コ 温空気流中に置かれたバイオコークス燃料の着火および燃 焼挙動",熱工学コンファレンス講演論文集 2010 (2010), PP.319‑320

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^383K43.7Mpa 393K 43.7Mpa

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4 1to, Ysakai, T.1da, Y.Nakamura, OFujita,"COMBUSTION OF BIOCOKE (HIGHLY DENSIF正D BIOMASS FUEL BLOCK IN HIGH、TEMPERATURE AIR FLOW", proc ASME JSME 8th Thermal Eng血eering Joint conference AJTEC2011(20ID, AJTEC20Ⅱ一44145

5)渕端学,赤藤雄也,水野諭,井田民男,足立佑平,"コー ヒー津を原料とした高硬度固形燃料の成型条件が燃焼特 性に及ぽす影響",スマートプロセス学会誌, V01.2, NO.2

(2013), PP.88‑93

渕端 学,麓 隆行,水野

6)渕端学,赤藤雄也,水野諭,井田民男,"高硬度バイ オマス固体妙太料の炭化・燃焼特性",スマートプロセス学 会誌, V01.3, NO.5 (2014), PP.295‑301

渕端学,井田民男,'X線CT法 フ)麓隆行,水野 ^Ξム、

によるバイオコークスの非破壊内部品質分布言十測ヘの適 用性について",スマートプロセス学会言志, V01.3, NO.5

(2014), PP.302‑308

8)足立佑平,"高硬度バイオマス燃料の内部構造が燃焼特性 に及ぼす影響",近畿大学大学院修士学位論文(2014)

Ξ兪