| 研究課題/領域番号 |
22K12453
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分64030:環境材料およびリサイクル技術関連
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| 研究機関 | 釧路工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
川村 淳浩 釧路工業高等専門学校, 創造工学科, 教授 (20596241)
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| 研究分担者 |
井田 民男 近畿大学, バイオコークス研究所, 教授 (70193422)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
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| キーワード | バイオマス / 固形燃料 / 直接熱利用 / 農業残渣 / クリンカ / スラグ / バイオコークス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ゼロカーボン社会の実現に向けて、寒冷地の既設住宅における暖房や給湯等の供給熱源燃料を灯油からバイオマスに切り替えるため、資源量の豊富な草本系バイオマスの利用が望まれている。しかし、草本系バイオマスのような高灰分の燃料を燃焼すると、燃焼機器の稼働や安全性を阻害する粘結性クリンカが形成されることが永らく問題となっている。
本研究では、高灰分の農業残渣バイオマスを原料として高密度固形燃料（農業残渣バイオコークス）を製造し、この燃料がもつ特性と燃焼形態の工夫によって、粘結性クリンカの形成を抑制する開発研究を行う。
これにより、持続可能社会の構築に繋がる循環型農林地域圏実現の一助とすることが期待できる。
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| 研究実績の概要 |
本研究は、灰分が多いために直接燃焼による熱利用が困難な農業残渣（草本系バイオマス）を原料として高密度固形燃料（農業残渣バイオコークス）を製造して市販の住宅用ストーブをベースとした燃焼比較実験機に適用し、燃焼形態の工夫によって粘結性クリンカ形成などの不具合を抑制する開発研究を行うことを目的としている。
この実施計画は、1) 農業残渣原料・燃焼灰の化学組成分析（計量法で定められた計量証明事業者への外部委託）、2) 燃料（農業残渣バイオコークス）製造システム製作と燃料製造、3) 燃焼比較実験機製作（市販の住宅用ペレットストーブの改造）と燃焼実験とした。以下、2022年度実績を記載する。
1)小豆の収穫残渣を対象として、原料と燃焼灰について化学組成分析をおこなった。小豆は道東地域での生産量が多く、この収穫残渣が多く廃棄されている。
2)近畿大学が保有していたバイオコークス製造試験機に、先行研究において開発したバッチ式バイオコークス製造装置のノウハウを踏まえ、農業残渣バイオコークス製造システムを構成した。これは、バイオコークスの基本的な製造工程である成型器への原料充填と加圧、加圧下での加熱、加圧下での冷却、そして成型品取出しを連続的に実施するものである。なお、先行研究で得られた知見より、燃料製造のエネルギー効率を維持するため、成型する農業残渣バイオコークスは直径30mmとした。また、成型後の燃料がバイオコークス化しているかどうかを圧縮強度特性により確認した。農業残渣の混合割合による最適な製造条件を得て、その結果から農業残渣を原料とした燃料製造のエネルギー効率を明らかにした。
3)市販の住宅用ペレットストーブをベースとした燃焼比較実験機を用い、木質ペレットとの混焼による燃焼実験を実施した。この結果、小豆収穫残渣が混合された条件では粘結性のクリンカ形成は認められなかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
先行研究において開発したバッチ式バイオコークス製造装置のノウハウを踏まえた予備製造実験の結果、小豆収穫残渣の最適な初期含水率は、最も高密度のバイオコークスが作成できたことから、原料収集状態の7.56 mass%程度であった。一方、本システムで安定的なバイオコークス作成をおこなうために、反応管内面との静摩擦を軽減する作用を果たす滑り材が必要であった。このため、米ぬかを20、30、50 [mass%]混ぜ、高周波加熱器の設定温度もパラメータとして、農業残渣バイオコークスを作成した。この結果、高周波加熱器の設定温度190～210 ℃の範囲で約12.474 kg/hの農業残渣バイオコークス作成が可能となり、先行研究と比較して単位時間当たりの作成量の大幅な向上が実現できた。なお、後述の燃焼比較実験に備え、米ぬかだけの農業残渣バイオコークスも作成した。
燃焼比較実験において、木質ペレットのみで燃焼した場合、粘結性クリンカは形成されなかったが、燃焼灰には黒い光沢が認められた。また、米ぬか100 mass%農業残渣バイオコークスとの混焼の場合、燃え残りと炉床を塞ぐ粘結性クリンカの形成が確認された。小豆収穫残渣に米ぬかを20、30、50 [mass%]混合した農業残渣バイオコークスと木質ペレットとの混焼では、全条件で燃焼灰は元の燃料の形のまま灰化して炉床に残った。米ぬか50 mass%混合時の燃焼灰のみ少し溶融していたが、他の条件の場合同様に、僅かな外力で容易に崩れる状態であった。これらは、燃料内部への酸素供給が抑制されて燃料温度が上がりにくくなったことで粘結性クリンカの発生が抑えられたことに起因すると考えられるが、米ぬか100 mass%農業残渣バイオコークスにおける実験の燃料表面最高温度・平均温度などとの比較において特段の差異は認められなかった。今後の詳細な調査が必要と思われる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後、農業残渣バイオコークス製造システムの性能向上を進め、高密度固形燃料化（農業残渣バイオコークス化）における小豆収穫残渣の混合割合を更に増やす（滑り材としての米ぬかの混合割合を減らす）。加えて、高灰分燃料の燃焼時におけるクリンカ形質改善メカニズムの解明を更に進める必要がある。以下にこれらの推進方策を示す。
1.小豆収穫残渣の調達量の増加：製造及び燃焼実験に必要な量を確保するため、何軒かの農家に交渉して原料を譲り受ける。
2.農業残渣バイオコークス製造システムの性能向上を進め、滑り材としての米ぬかの混合割合を減らすための、製造条件を明確にする。
3.燃焼比較実験において、米ぬかがクリンカー形成条件の鍵を握っていると思われることから、製造条件と併せて、クリンカー形成・抑制メカニズムの解明を促進する。
4.燃焼灰の分析結果をもとに、循環型社会の構築に向けた取組みを推進する。
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