Coproduction of metallurgical coke and platform chemicals by sequential carbonization of biomass
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21H04632
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
林 潤一郎 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (60218576)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
浅野 周作 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (30827522)
工藤 真二 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (70588889)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000)
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| Keywords | バイオマス / コプロダクション / 無水糖 / コークス / フェノールモノマー / トレファクション / 酸触媒 / 石炭 / コークス強度 / フラン・フェノール類 / リグニンモノマー |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、バイオマスの次世代プラットホーム化学品・素材への新転換スキーム、すなわち、「主要成分の分離を起点とする化学品等の製造」、「ガス化（合成ガス製造）とC1化学の連結による化学品等の製造」に次ぐ、第三のバイオマス転換スキームを提案する。具体的には、①自生有機酸処理によるバイオマスからの脱金属および酸触媒担持、②300℃以下の逐次的半炭化によるヘミセルロース由来無水単糖とフラン類、セルロース由来無水単糖の選択的製造、③半炭化物からの酸触媒回収、④半炭化物の粉砕と熱間成型、⑤成型物炭化によるリグニンモノマーと製鉄用高強度コークスの同時製造、を概念実証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
粒径＜3 mmに破砕した木質系バイオマス（無担持バイオマス）およびこれに無機酸（硫酸あるいはリン酸）を水溶液から含浸担持したもの（酸担持バイオマス）を原料として、トレファクション（TF）およびトレファイド固体（TF固体）のコークス化を検討した。無担持バイオマスの225－350℃ のTFによって得たTF固体は粉砕が極めて容易であったので、粒径＜0.1 m、＜0.04 mmおよび＜0.02 mmの試料を調製できた。粉砕物を温度40-200℃、圧力128 MPaで成型し、次いで420－1000℃で炭化することによってコークスを得た。コークスの引張強度は成型前の粉砕の程度に依存したが、いずれの粒径の場合もTF温度が275-300℃で最大（17－32 MPa）となった。コークス強度は最低でも8 MPaであり現行の商用コークスを超えている。このように、バイオマスのTF、粉砕、熱間成型および炭化のシーケンスによる高強度コークスの製造に成功した。酸担持バイオマスからも 14－22 MPaの引張強度を有するコークスを製造できた。しかも、酸担持バイオマスを最適温度（300－320℃）でTFすると、無水単糖（レボグルコサンおよびレボグルコセノン）が12 wt%の高い収率（セルロース炭素基準で約30%）で得られるとともに、フラン・フェノール類（モノマー）が4.5－5 wtの収率で得られることがわかった。以上に述べたように、1年目の研究によって、早くも本研究が目標とする「バイオマスからの高強度コークスと無水糖、フラン・フェノール類のコプロダクションの概念実証」に近づいた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
TFバイオマスから得たコークスに対するTF温度および炭化温度の複合的影響を系統的に調べ、加えてコークスの微細構造解析結果に基づいてコークス強度発現機構、TF温度に最適値が存在する理由を定性的ではあるが明らかにした。コークス強度発現機構の解明は2年目および3年目の課題であったが、 1年目でコークス強度発現機構を概ね解明できた（1年の計画前倒し）。
また、当初計画には含めていなかったが、 TFバイオマスと石炭の配合物からの高強度コークス製造にも挑戦し、「バイオマスを数wt%でも添加するとコークス強度が大きく低下する」従来の見解を覆し、バイオマ配合率（0-100%）に関わらず強度 5 MPa以上のコークスを製造可能であることを明らかにした（当初計画にない展開研究の実施と成果創出）。酸担持による無水単糖およびフラン類・フェノール類の高収率製造に係る課題は1年目および2年目に取り組み収率最大化を達成する計画であったが、1年目で無水単糖収率の最大化条件（酸担持率、TF温度）を提示するに至った（1年の計画前倒し）。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は計画よりも進捗している。主たる課題は1年前倒しで進めることができている。このことを踏まえ、当初計画していなかった三つの課題、すなわち、（1）TFを操作するのに必要な熱量をTF温度の関数として明らかにするための研究に着手し、2年目の1年間で完了する。（2）TF固体の熱間成型温度は200℃が最適であったが、工業化を視野に入れ、熱間だけでなく冷間でも高強度の成型体、さらに高強度のコークスを製造可能なTF固体の調製法を検討する。そこで、もともと2 年目に計画していたTFおよび炭化由来の重質油をリサイクルすることによるフェノール・フラン類の増収と重質油消去を狙うプロセスの研究の一環として、重質油を可塑剤として効果的に活用する室温-70℃の温度における成型と成型体のコークス化に取り組む。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
