(57)【要約】【課題】簡単に且つ短時間で長尺状のバイオコークスを所望の長さに破断することができるバイオコークスの破断装置を提案する。【解決手段】バイオマス原料を筒状反応容器内で半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形して製造した長尺状のバイオコークスを破断するバイオコークスの破断装置２０において、バイオコークスを長尺方向が水平となるように落下させて破断する装置であり、バイオコークスの落下位置に配置される複数の平行歯２１Ａ、２１Ｂと斜歯２２とを備え、前記平行歯２１Ａ、２１Ｂと前記斜歯２２とが一定間隔を隔てて交互に配置され、斜歯２２は平行歯２１Ａ、２１Ｂに対して角度を有して配置されるとともに、平行歯２１Ａ、２１Ｂの両側に配置される２つの斜歯２２が、該平行歯２１Ａ、２１Ｂに対して線対称に配置されるようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス原料を筒状反応容器内で半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形して製造した長尺状のバイオコークスを破断するバイオコークスの破断装置において、
前記バイオコークスを、長尺方向が水平となるように落下させて破断する装置であり、
前記バイオコークスの落下位置に配置される複数の平行歯と斜歯とを備え、
前記平行歯と前記斜歯とが一定間隔を隔てて交互に配置され、
前記斜歯は前記平行歯に対して角度を有して配置されるとともに、前記平行歯の両側に配置される２つの斜歯が、該平行歯に対して線対称に配置されることを特徴とするバイオコークスの破断装置。
【請求項２】
前記平行歯は、該平行歯の両側に配置される斜歯の拡開した側が低くなるように傾斜していることを特徴とする請求項１記載のバイオコークスの破断装置。
【請求項３】
前記平行歯に対する前記斜歯の角度を５°〜４５°に設定したことを特徴とする請求項１若しくは２記載のバイオコークスの破断装置。
【請求項４】
前記平行歯の水平方向に対する傾斜角度を５°〜３０°に設定したことを特徴とする請求項２記載のバイオコークスの破断装置。
【請求項５】
前記平行歯及び前記斜歯は、軸方向に対する断面が三角形状に形成されていることを特徴とする請求項１若しくは２記載のバイオコークスの破断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料から製造された高硬度で長尺状のバイオコークスを所望の長さに破断するためのバイオコークスの破断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の観点からＣＯ２排出の削減が推進されている。特に、製鉄業界に於いて鋳造炉（キュウポラ炉）や高炉などでは、主たる燃料や還元剤に化石燃料である石炭コークスが用いられている。また、ボイラ発電等の燃焼設備においては、燃料として石炭や重油等の化石燃料が用いられることが多い。この化石燃料は、ＣＯ２排出の問題から地球温暖化の原因となり、地球環境保全の見地からその使用が規制されつつある。また化石燃料の枯渇化の観点からもこれに代替するエネルギー資源の開発、実用化が求められている。
【０００３】
そこで、化石燃料の代替として、大気中のＣＯ２量に影響を与えないバイオマスを用いた燃料の利用促進が図られている。バイオマスとは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、農作物に基づく厨芥類等のバイオマスがある。このバイオマスを燃料化処理することにより、バイオマスをエネルギー源又は工業原料として有効に利用し地球環境保全に貢献することができる。
バイオマスを燃料化する方法としては、バイオマスを乾燥させて燃料化する方法、加圧して燃料ペレット化する方法、炭化、乾留させて固体及び液体の燃料化する方法等が知られている。しかし、バイオマスを乾燥させるのみでは、空隙率が大きくみかけ比重が低くなるため、輸送や貯留が困難であり、長距離輸送や貯留して使用する燃料としては有効とはいえない。
【０００４】
一方、バイオマスを燃料ペレット化する方法は、特許文献１（特公昭６１−２７４３５号公報）に開示されている。この方法は、細断された有機繊維材料の含水量を１６〜２８％に調節し、これをダイス内で圧縮して乾燥し燃料ペレットを製造するようにしている。
また、バイオマスを乾留して燃料化する方法は、特許文献２（特開２００３−２０６４９０号公報）等に開示されている。この方法は、酸素欠乏雰囲気中において、バイオマスを２００〜５００℃、好適には２５０〜４００℃で加熱して、バイオマス半炭化圧密燃料前駆体を製造する方法となっている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載される方法では、圧縮成形を行うことによりバイオマスを燃料化しているが、生成した燃料ペレットは水分量が多いため発熱量が低く、燃料としては適していない。
また、特許文献２等に記載されるように乾留によりバイオマスを燃料化する方法では、加工処理を施さないバイオマスに比べると燃料として価値が高いものとなっているが、やはり石炭コークスに比べてみかけ比重が低く、発熱量が低い。さらに、石炭コークスに比べて硬度が低いため、石炭コークスの代替として利用するには不十分である。
【０００６】
そこで、近年石炭コークスの代替として、特許文献３（特許第４０８８９３３号公報）に基づくバイオコークスが研究されている。
バイオコークスは、バイオマス原料を加圧、加熱した状態で一定時間保持した後に、加圧を維持した状態で冷却することにより製造される。加圧、加熱条件は、バイオマス細粒体中の主成分であるリグニン、セルロース及びヘミセルロースのうち、ヘミセルロースを熱分解させると共にセルロース及びリグニンの骨格を保持しつつ低温反応させて半炭化或いは半炭化前固形物を得る圧力範囲及び温度範囲に設定する。これにより以下の反応機構が成立し、高硬度で高圧密されたバイオコークスが製造できる。
【０００７】
その反応機構は、上記した条件で反応を行うことにより、バイオマス細粒体の繊維成分であるヘミセルロースが熱分解し接着効果を発現させ、バイオマス細粒体に含まれる自由水がこの加圧、加熱条件下での作用によりリグニンがその骨格を維持したまま低温で反応し、圧密効果と相乗的に作用することによって、高硬度で高圧密されたバイオコークスが製造できるものである。熱硬化反応は、リグニン等に含まれるフェノール性の高分子間で反応活性点が誘発することにより進行する。
【０００８】
図８に、バイオコークスの物性値を他の燃料と比較した表を示す。尚、この表は実験的に得られた数値を記載しているのみであり、本発明はこの数値に限定されるものではない。
この表に示されるように、バイオコークスは、みかけ比重１．２〜１．５２に高圧密され、最高圧縮強度２０〜２００ＭＰａ、発熱量１８〜２３ＭＪ／ｋｇの物性値を示す硬度、燃焼性ともに優れた性能を有しており、未加工の木質バイオマスが、みかけ比重約０．４〜０．６、発熱量約１７ＭＪ／ｋｇ、最高圧縮強度約３０ＭＰａであるのと比べると、発熱量及び硬度の点において格段に優れていることが判る。また、石炭コークスの物性値である、みかけ比重約１．８５、最高圧縮強度約１５ＭＰａ、発熱量約２９ＭＪ／ｋｇに比しても、バイオコークスは燃焼性、硬度とも遜色ない性能を有する。従って、バイオコークスは石炭コークスの代替として有効な燃料であるとともに、マテリアル素材としての利用価値も高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公昭６１−２７４３５号公報
【特許文献２】特開２００３−２０６４９０号公報
【特許文献３】特許第４０８８９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献３に記載されるように筒状容器でバイオコークスを製造した場合、長尺状のバイオコークスが製造されるが、バイオコークスを製品として用いる場合には、所望の長さに破断する必要がある。
従来の破断方法としては鬼歯式破砕機等が用いられていたが、このような破砕機で破砕すると、小径化はできるものの破砕した際に粉が多く発生して重量にバラツキが生じ、また所望の長さに破断することは困難であった。一方、のこぎりで切断する方法も考えられるが、バイオコークスは硬度が高いため時間がかかり過ぎるという問題があった。
そこで本発明は、簡単に且つ短時間で長尺状のバイオコークスを所望の長さに破断することができるバイオコークスの破断装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、バイオマス細粒体を筒状反応容器内で半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形して製造した長尺状のバイオコークスを破断するバイオコークスの破断装置において、
前記バイオコークスを、長尺方向が水平となるように落下させて破断する装置であり、
前記バイオコークスの落下位置に配置される複数の平行歯と斜歯とを備え、
前記平行歯と前記斜歯とが一定間隔を隔てて交互に配置され、
前記斜歯は前記平行歯に対して角度を有して配置されるとともに、前記平行歯の両側に配置される２つの斜歯が、該平行歯に対して線対称に配置されることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、平行歯と斜歯を交互に配置し、これらの歯に対して上方からバイオコークスを落下させることにより、硬いバイオコークスを短時間で所望の長さに簡単に破断することが可能となる。また、平行歯に対して斜歯をハの字状に傾斜させて配置することにより、割れたバイオコークスが破断装置の両側に転がり落ちるため、回収作業が容易となる。
【００１３】
さらに、前記平行歯は、該平行歯の両側に配置される斜歯の拡開した側が低くなるように傾斜していることを特徴とする。
このように、斜歯の拡開した側へ向けて平行歯の高さが低くなるように形成することにより、破断した後のバイオコークスが確実に一方向へ転がり落ちるようになる。
さらにまた、前記平行歯に対する前記斜歯の角度を５°〜４５°に設定したことを特徴とする。
このように斜歯の角度を設定することにより、バイオコークスの破断面を一定の形状に保つとともに、破断後のバイオコークスの転がりを円滑にすることが可能となる。
【００１４】
また、前記平行歯の水平方向に対する傾斜角度を５°〜３０°に設定したことを特徴とする。
このように平行歯の高さを設定することにより、落下させたバイオコークスの破断を妨げることなく、破断後のバイオコークスの転がりを円滑にすることが可能となる。
さらに、前記平行歯及び前記斜歯は、軸方向に対する断面が三角形状に形成されていることを特徴とする。
これにより、平行歯と斜歯の設置を安定させた状態で、破断部を鋭利にすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、平行歯と斜歯を交互に配置し、これらの歯に対して上方からバイオコークスを落下させることにより、硬いバイオコークスを短時間で所望の長さに簡単に破断することが可能となる。また、平行歯に対して斜歯をハの字状に傾斜させて配置することにより、割れたバイオコークスが破断装置の両側に転がり落ちるため、回収作業が容易となる。
また、斜歯の拡開した側へ向けて平行歯の高さが低くなるように形成することにより、破断した後のバイオコークスが確実に一方向へ転がり落ちるようになる。
【００１６】
また、平行歯に対する斜歯の角度を５°〜４５°に設定することにより、バイオコークスの破断面を一定の形状に保つとともに、破断後のバイオコークスの転がりを円滑にすることが可能となる。
さらに、平行歯の水平方向に対する傾斜角度を５°〜３０°に設定することにより、落下させたバイオコークスの破断を妨げることなく、破断後のバイオコークスの転がりを円滑にすることが可能となる。
さらにまた、平行歯及び斜歯は、軸方向に対する断面が三角形状に形成されていることにより、平行歯と斜歯の設置を安定させた状態で、破断部を鋭利にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る破断装置の配置構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る破断装置の部分斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る破断装置における平行歯の側面図で、（ａ）は図１のＡ矢視図、（ｂ）はＢ矢視図である。
【図４】バイオコークスの破断状態を示す図である。
【図５】バイオコークス製造装置の全体構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る排出工程の動作を説明する図である。
【図７】バイオコークス製造方法のフローチャートである。
【図８】バイオコークスの物性値を比較する表である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の種類、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
本実施形態のバイオコークス破断装置は、バイオマス原料を筒状反応容器内で半炭化或いは半炭化前固形物を得る温度範囲及び圧力範囲で加熱しながら加圧成形して製造した長尺状のバイオコークスを所望の長さに破断するための装置である。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係るバイオコークス破断装置の配置構成を示す平面図である。
バイオコークス破断装置２０は、所定長さ及び所定肉厚を有する複数の平行歯２１Ａ、２１Ｂと、複数の斜歯２２とで構成される。該平行歯２１Ａ、２１Ｂ及び斜歯２２は、バイオコークスよりも高硬度を有する材料で形成され、例えば鋼材で形成される。平行歯２１Ａ、２１Ｂは所定間隔ずつ離間させて平行に配置される。一方、斜歯２２は、平行歯２１Ａと平行歯２１Ｂの間に配置される。該平行歯２１Ａ、２１Ｂ及び斜歯２２の間の距離は、目的とするバイオコークス１９の長さに応じて設定される。
平行歯２１Ａ、２１Ｂ及び斜歯２２は板状としてもよいし、図２に示すように、その軸方向断面が三角形状となるように形成してもよい。この場合、断面を三角形状とすることにより、平行歯２１Ａ、２１Ｂと斜歯２２の設置を安定させた状態で、破断部を鋭利にすることが可能となる。
【００２０】
図１に示すように、斜歯２２は、平行歯２１Ａ及び平行歯２１Ｂに対して角度θ１を有して配置される。このとき、一の平行歯２１Ａを挟む位置の斜歯２２、２２が、該平行歯２１Ａに対して線対称に傾斜して配置され、ハの字状となっている。他の平行歯２１Ｂを挟む位置の斜歯２２、２２も同様にハの字状に配置される。好適には、平行歯２１Ａ又は平行歯２１Ｂと、斜歯２２との角度θ１は５〜４５°とする。
【００２１】
図３は、本発明の実施形態に係る破断装置における平行歯の側面図で、（ａ）は図１のＡ矢視図、（ｂ）はＢ矢視図である。
これらの図に示すように、平行歯２１Ａと平行歯２１Ｂは、上側に位置する長辺が傾斜し、設置面側に位置する長辺が短辺に対して直角となっている。即ち、平行歯２１Ａ、２１Ｂを設置した状態で、一側が高く、他側へ向けて低くなるようにその高さが傾斜している。そして、平行歯２１Ａ、２１Ｂの低い側が、前記斜歯の拡開した側に位置されるようにする。平行歯２１Ａと平行歯２１Ｂとは、傾斜方向を交互に異ならせて配置されている。好適には、平行歯２１Ａ及び平行歯２１Ｂの水平方向に対する傾斜角度θ２は５〜３０°とする。
【００２２】
上記した構成を備える破断装置２０において、平行歯２１Ａ、２１Ｂ及び斜歯２２の列設方向に対してバイオコークス１９を平行にした状態で、破断装置２０上方からバイオコークス１９を落下させる。落下目標位置は、図１の破線Ｃで示すように、平行歯２１Ａ、２１Ｂ及び斜歯２２の中心上とする。
落下の衝撃により、図４に示すように各歯２１Ａ、２１Ｂ、２２の位置でバイオコークスが割れる。割れた後、平行歯２１Ａ、２１Ｂの傾斜、及び斜歯２２のハの字状配置により、図１及び図３の矢印方向にバイオコークス１９が転がり、破断装置２０の両側に落下して、回収される。
【００２３】
本実施形態によれば、平行歯２１Ａ、２１Ｂと斜歯２２を交互に配置し、これらの歯に対して上方からバイオコークス１９を落下させることにより、硬いバイオコークス１９を短時間で所望の長さに簡単に破断することが可能となる。また、平行歯２１Ａ、２１Ｂに対して斜歯２２をハの字状に傾斜させて配置することにより、割れたバイオコークス１９が破断装置１の両側に転がり落ちるため、回収作業が容易となる。
また、斜歯２２の拡開した側へ向けて平行歯２１Ａ、２１Ｂの高さが低くなるように形成することにより、破断した後のバイオコークス１９が確実に一方向へ転がり落ちるようになる。
【００２４】
さらに、平行歯２１Ａ、２１Ｂに対する斜歯２２の角度θ１を５°〜４５°に設定することにより、バイオコークス１９の破断面を一定の形状に保つとともに、破断後のバイオコークス１９の転がりを円滑にすることが可能となる。
さらにまた、平行歯２１Ａ、２１Ｂの水平方向に対する傾斜角度θ２を５°〜３０°に設定することにより、落下させたバイオコークス１９の破断を妨げることなく、破断後のバイオコークス１９の転がりを円滑にすることが可能となる。
【００２５】
ここで、長尺状のバイオコークス１９を製造する装置と方法につき、以下に説明する。
バイオコークスの原料となるバイオマスは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類等のバイオマスであり、例えば、廃木材、間伐材、剪定枝、植物、農業廃棄物、コーヒー滓や茶滓等の厨芥廃棄物等が挙げられる。本実施形態では、必要に応じて所定の含水率になるように水分調整されたバイオマス細粒体を原料としている。バイオマス細粒体は、茶滓やコーヒー滓等のように小粒径のバイオマスをそのまま用いてもよいし、廃木材等の大粒径のバイオマスを予め所定粒径以下まで粉砕したものであってもよい。
【００２６】
図５を参照して、本実施形態に係るバイオコークス製造装置の全体構成を説明する。
図５に示すように、バイオコークス製造装置１はバイオマス細粒体１１が投入される円筒形の反応容器２を有している。該反応容器２の上部にはバイオマス細粒体１１を受け入れる漏斗状のホッパ３が設けられ、下端には成形されたバイオコークスを排出する排出部５が設けられている。また、反応容器２は、内容物を所定温度まで加熱する加熱手段と、加熱後に内容物を冷却する冷却手段とを備える。さらに、反応容器２の上方には、該シリンダ２内のバイオマス細粒体１１を所定圧力まで加圧する加圧手段が設けられている。
【００２７】
前記反応容器２の排出部５は反応容器２の径と同一径の開口からなり、その下方には該排出部５を開閉する排出装置が設けられている。該排出装置は、排出部５を閉止する底面蓋部９と、該底面蓋部９を水平方向にスライドさせて排出部５の閉止、開放を制御する排出用油圧機構１０とから構成される。この排出装置は、反応容器２内にて反応工程が終了した後に、油圧機構１０を駆動させ底面蓋部９をスライドさせて排出部５を開放し、シリンダ２内のバイオコークスを落下させて排出するようになっている。
前記反応容器２が備える加圧手段は、加圧シリンダ７により駆動されて反応容器２の内周面を上下摺動する加圧ピストン６と、該加圧シリンダ７内の作動油の給排を制御する加圧用油圧機構８とからなる。加圧ピストン６及び加圧シリンダ７は、反応容器２と同軸上に配置される。加圧ピストン６は、反応容器２の底面付近まで下降する。該加圧ピストン６は、所定時間だけこの加圧状態を保持できる構成となっている。
【００２８】
前記反応容器２が備える加熱手段及び冷却手段は、同一の温度調整手段としてもよい。ここでは温度調整手段として、反応容器２にジャケットを設けた二重管構造とし、内筒と外筒の間に冷熱媒通路４を設けた構成としている。冷熱媒通路４には、熱媒若しくは冷媒（以後、冷熱媒と称する）が通流し、該冷熱媒による伝熱によりシリンダ内筒に充填されたバイオマス細粒体１１に熱エネルギの授受を行うようになっている。冷熱媒通路４の下方側には冷熱媒入口４ａが設けられ、上方側には冷熱媒出口４ｂが設けられている。これらの冷熱媒入口４ａ及び冷熱媒出口４ｂは、後述する冷熱媒回路に接続されている。冷熱媒通路４、冷熱媒入口４ａ、冷熱媒出口４ｂ、冷熱媒回路を含み、冷熱媒の切り替えにより反応容器２の温度制御を行う機構を冷熱媒循環機構と称する。
【００２９】
上記した構成を備えるバイオコークス製造装置１にて、図７に示すように、まず充填操作を起動し（Ｓ１）、油圧機構、冷媒循環機構を起動（Ｓ２）した後、ホッパ３から反応容器２内にバイオマス細粒体１１を投入する（Ｓ３）。そして、加圧シリンダ７を低圧で下降側に駆動し反応容器２の上部から加圧ピストン６を下降させて充填時加圧を行い（Ｓ４）、この充填工程を所定の充填量となるまで繰り返し行う。充填が終了したら（Ｓ５）、反応工程に移行する。
【００３０】
反応工程では、加圧シリンダ７を高圧にて下降側に駆動して加圧ピストン６を下降させ（Ｓ６）、バイオマス細粒体１１を所定の圧力範囲で加圧する。同時に、熱媒を反応容器２の冷熱媒通路４に循環させ所定の温度範囲でバイオマス細粒体１１を加熱する（Ｓ７）。所定の圧力範囲及び温度範囲は、バイオマス細粒体中のヘミセルロース、リグニンの熱分解又は熱硬化反応を誘起する圧力範囲及び温度範囲とする。好適には、圧力範囲を８〜２５ＭＰａ、温度範囲を１１５〜２３０℃とする。
そして、熱媒循環時間が終了したら（Ｓ８）、冷熱媒循環機構を熱媒から冷媒に切り替えて、冷熱媒通路４への冷媒循環を開始する（Ｓ９）。冷却が終了したら（Ｓ１０）、冷媒循環を停止し、排出工程に移行する。
【００３１】
排出工程では、図６（i）に示すように加圧シリンダ７の高圧を抜き（Ｓ１１）、図６（ii）に示すように排出用油圧機構１０を駆動して底面蓋部９をスライドして排出部５を開放する（Ｓ１２）。次いで、図６（iii）に示すように加圧シリンダ７を低圧で下降側に駆動させ（Ｓ１３）、反応容器２内に製造されたバイオコークス１９を加圧ピストン６により押出し排出する（Ｓ１４）。
これにより、長尺状のバイオコークス１９が製造される。
そして、このバイオコークス１９を上記図１乃至図４に示した破断装置２０により所望の長さに破断する。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本実施形態に係るバイオコークス破断装置を用いることにより長尺状のバイオコークスを所望の長さに簡単に破断することができるため、石炭コークスの代替燃料、鋳物製造或いは製鉄における熱源・還元剤、発電用ボイラーの燃料、又はマテリアル素材等として用いられるバイオコークスを得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１  バイオコークス製造装置
２  反応容器
４  冷熱媒通路
６  加圧ピストン
８、１０  油圧機構
９  底面蓋部
１１  バイオマス細粒体
１９  バイオコークス
２０  バイオコークス破断装置
２１Ａ、２１Ｂ  平行歯
２２  斜歯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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