(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
籾殻または藁に水酸化カルシウム源を混入し、前記籾殻または藁を燃焼させない所定の水蒸気圧力下で処理したことを特徴とする籾殻等変性材料。
【請求項２】
請求項１において、籾殻または藁を１．４５ＭＰａ以上の水蒸気圧力下で処理したことを特徴とする籾殻等変性材料。
【請求項３】
処理容器内で籾殻または藁と水酸化カルシウム源とを混合し、前記処理容器内に所定圧の水蒸気を注入して内圧および温度を上昇させ、前記籾殻または藁が燃焼しない水蒸気圧力下に保持して処理することを特徴とする籾殻等変性材料の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、前記水酸化カルシウム源は、アルカリ度が６５〜８０％の場合、籾殻または藁に対して６重量％以上の割合で投入されることを特徴とする籾殻等変性材料の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、前記水酸化カルシウム源として、アルカリ度が約６５％の消石灰を籾殻または藁に対して約１０重量％の割合で投入することを特徴とする籾殻等変性材料の製造方法。
【請求項６】
請求項３から請求項５のいずれかにおいて、前記処理容器内の圧力を１．４５ＭＰａ以上に保持することを特徴とする籾殻等変性材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、籾殻や稲藁、麦藁等を再利用すべく性状を変化させた籾殻等変性材料およびその製造方法に関し、特に、水産系廃棄物や下水汚泥等の高湿潤廃棄物の含水率調整を行う水分調整材、あるいは融雪材、土壌改良材等として利用するのに好適な籾殻等変性材料およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、生ゴミ、下水汚泥および家畜糞尿等のような含水率の高い高湿潤廃棄物を処理して堆肥等を製造する場合、おが屑等の水分調整材を使用して水分を減らし、含水率を調整するようになっている。例えば、特開平９−８５２２０号公報には、生ゴミを堆肥化する際の水分調整材としておが屑を使用し、処理槽内の内容物の含水率を希望の値に保持しようとする発明が提案されている（特許文献１）。このように水分調整材としてはおが屑が最も一般的であるが、おが屑以外の水分調整材も提案されており、例えば、特開２００１−２９４４９６号公報には、牛糞尿の水分調整材として石膏ボード廃材中の紙を使用する発明が提案されている（特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−８５２２０号公報
【特許文献２】特開２００１−２９４４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、石膏ボード廃材から紙のみを分別するのは簡単ではなく、コスト的にも高くなり実用的ではない。一方、おが屑は使い易く、流通量も多いというメリットがあるが、水分調整材として利用されるだけでなく、牛舎や豚舎に敷かれたり、家畜飼料等としても利用される。このため、入手が困難になっており、価格も上昇しているという問題がある。また、おが屑の利用価値が高まることにより、おが屑を製造するために森林が破壊されることによる環境負荷の増大が心配される。
【０００５】
一方、再利用が困難な廃棄物の１つとして籾殻や藁が知られている。これらの籾殻や藁は産業廃棄物であるため適正な処理が必要であるが、籾殻および藁はケイ酸成分を含有しているため硬度が高く再利用処理が困難であり、処理コストも高くなってしまうという問題がある。このため、野積みされたまま放置されたり、焼却処分による公害が問題視されている。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、籾殻や藁等を付加価値の高い資材として様々に有効利用することが可能であるとともに、特に高品質の水分調整材として好適な籾殻等変性材料および籾殻等変性材料の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明者は、すでに特願２００３−３０２９７１号において、籾殻または藁を高圧水蒸気処理することによりケイ酸含有粉末を製造する発明を特許出願しているところ、さらに鋭意研究した結果、籾殻または藁に消石灰やホタテ貝粉末等の水酸化カルシウム源を混入し、前記籾殻または藁を燃焼させない所定の水蒸気圧力下で処理することにより、籾殻や藁の性状を綿繊維のように柔らかく、吸水性の高い性状に変化させる技術を見出した。ここで、水酸化カルシウム源とは、籾殻または藁の変性処理過程において水酸化カルシウムとなり得る全ての物質をいうものとする。具体的には、水酸化カルシウム（いわゆる消石灰）はもとより、水と反応して水酸化カルシウムを発生させる酸化カルシウム（いわゆる生石灰）や、この酸化カルシウムを熱分解により発生させる炭酸カルシウム（貝殻の主成分）等もこれに該当する。
【０００８】
また、本発明において、籾殻または藁を１．４５ＭＰａ以上の水蒸気圧力下で処理することが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る籾殻等変性材料製造方法の特徴は、処理容器内で籾殻または藁と水酸化カルシウム源とを混合し、前記処理容器内に所定圧の水蒸気を注入して内圧および温度を上昇させ、前記籾殻または藁が燃焼しない水蒸気圧力下に保持して処理する点にある。
【００１０】
また、本発明において、前記水酸化カルシウム源は、アルカリ度が６５〜８０％の場合、籾殻または藁に対して６重量％以上の割合で投入されることが好ましい。ここで、アルカリ度とは、水中に含まれるアルカリ成分（炭酸：Ｈ２ＣＯ３，炭酸イオン：ＣＯ３２−，炭酸水素イオン：ＨＣＯ３−，水酸化物イオン：ＯＨ−等）を炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）に換算した値である。
【００１１】
さらに、本発明において、前記水酸化カルシウム源として、アルカリ度が約６５％の消石灰を籾殻または藁に対して約１０重量％の割合で投入することが望ましい。
【００１２】
また、本発明において、前記処理容器内の圧力を１．４５ＭＰａ以上に保持することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、籾殻または藁から有害物質を発生させずに、短時間、かつ低コストで籾殻または藁を性状変換処理し、従来、再利用が困難であった籾殻または藁を水分調整材や融雪材等の有用な資材として利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る籾殻等変性材料および籾殻等変性材料の製造方法の好適な一実施形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
本実施形態の籾殻等変性材料は、籾殻または藁を対象とし、この籾殻または藁に水酸化カルシウム源を混入して所定の高圧水蒸気によって処理することにより製造される。水酸化カルシウム源としては、水酸化カルシウムである消石灰を混入してもよいし、ホタテの貝殻の粉砕物を混入してもよい。水酸化カルシウム源の必要混入量はアルカリ度に応じて上下するが、アルカリ度が約６５〜８０％のものであれば、籾殻または藁に対して約６〜１０重量％程度混入すればよい。また、高圧水蒸気による処理条件は、籾殻または藁が燃焼しないで綿のように柔らかい性状に変化させ得る圧力に保持する必要があり、約１．４５ＭＰａ以上に保持すれば充分であるが、１．６５ＭＰａ以上に保持すれば約５分〜３０分程度で処理が可能である。
【００１６】
つぎに、本実施形態の籾殻等変性材料を製造するシステム１について、図１に示す模式図によって説明する。この籾殻等変性材料製造システム１は、籾殻または藁を収容して処理するための処理容器２と、この処理容器２に投入された籾殻または藁および水酸化カルシウム源を攪拌するための攪拌手段３と、処理容器２内の籾殻または藁および水酸化カルシウム源の混合物に対して高圧の水蒸気を注入するための水蒸気注入手段４と、処理容器２内の圧力を調節するための圧力調節手段５と、前記攪拌手段３、前記水蒸気注入手段４および前記圧力調節手段５を制御するための制御手段６とから構成されている。
【００１７】
前記籾殻等変性材料の製造システム１の各構成部についてより詳細に説明すると、処理容器２は、耐圧性を備えた第一種圧力容器により構成されており、その上部には籾殻または藁の投入口２１が設けられ、下部には排出口２２が設けられている。投入口２１および排出口２２は、安全性を考慮して、処理容器２内の圧力が０．０１５ＭＰａ以下に達しない限り、開閉操作が反応しないシステム制御を備えている。また、処理容器２には、上部温度センサ２３ａ、下部温度センサ２３ｂおよび圧力センサ２４が配備されており、処理容器２内の温度および圧力が検出される。
【００１８】
攪拌手段３は、処理容器２内で水平に支持された水平回動軸３１と、この水平回動軸３１に前方側へ傾斜されて取り付けられている撹拌羽根３２とから構成されている。水平回動軸３１には、正逆回動させる駆動モータ３３が連結されている。撹拌羽根３２は籾殻または藁および水酸化カルシウム源を混合・撹拌すると共に移送するため、前記水平回転軸３１の全体にわたって配置されている。また、前記駆動モータ３３はインバータ制御によって回転数および回転方向が制御可能であり、必要に応じて籾殻または藁および水酸化カルシウム源の混合物を処理容器２内で往復動させられる。
【００１９】
つぎに、水蒸気注入手段４は、高圧の水蒸気を発生させるボイラー４１と、このボイラー４１から発生した水蒸気を処理容器２内に供給するための送気管４２とを有している。ボイラーで発生する水蒸気の圧力は一定値に保持されており、処理容器２内の圧力は、高圧水蒸気の注入量で調節するようになっている。この高圧水蒸気の圧力に付随して温度が定まるので処理容器２内は高温に保持される。また、送気管４２は、処理容器２に対して水平回動軸３１よりも上方位置であって略水平方向に連結されている。これは、処理容器２内の籾殻または藁および水酸化カルシウム源の混合物が撹拌されて中空に浮いているときに高圧水蒸気を当てるためであり、堆積される籾殻または藁に処理ムラが生じるのを防止するものである。これにより高い処理効率が得られる。
【００２０】
つぎに、圧力調節手段５は、電気制御により開閉が自在の圧力調整バルブ５１と、この圧力調整バルブ５１を介して処理容器２内の水蒸気を排気するための排気管５２から構成されている。そして、処理容器２内の圧力が所定値を越えると圧力調整バルブ５１を開放し、処理容器２内の圧力を抜いて所定の圧力に保持するようになっている。また、排気管５２にはサイレンサー７を経由して冷却装置８が連結されており、処理容器２からの水蒸気を冷却して液化し、排水処理設備９に供給するようになっている。さらに、サイレンサー７により、騒音防止条例の規制値をクリアして市街地などに設置できるよう設計されている。
【００２１】
つぎに、制御手段６は、攪拌手段３、水蒸気注入手段４および圧力調節手段５と電気的に接続されており、これらを制御するようになっている。この制御手段６は、駆動モータ３３の回転方向や回転速度を制御して、処理容器２内における籾殻または藁の撹拌移送時間を制御する。また、籾殻または藁を処理するために、後述する実施例の実験結果に基づいて処理容器２内の圧力を１．４５ＭＰａ〜１．９６ＭＰａに保持するようになっている。もし、処理容器２内の温度や圧力が低下した場合には、水蒸気注入手段４からの高圧水蒸気の注入量を増加させて温度および圧力を上昇させる。逆に、処理容器２内の温度や圧力が上昇した場合には、圧力調節手段５の圧力調整バルブ５１を開放して高圧水蒸気を排気し温度および圧力を低下させる。なお、制御手段６は、処理容器２内の各温度センサ２３ａ，２３ｂおよび圧力センサ２４と電気的に接続されており、これらの検出結果に基づいて処理容器２内の温度および圧力を所定の値で保持するようにフィードバック制御している。
【００２２】
つぎに、籾殻等変性材料製造システム１を使った本実施形態における籾殻等変性材料の製造方法について説明する。
【００２３】
まず、籾殻または藁と水酸化カルシウム源とを投入口２１から処理容器２内に投入する。このとき、水酸化カルシウム源のアルカリ度が６５〜８０％であれば、投入する籾殻または藁に対して水酸化カルシウム源を６〜１０重量％の割合で混合する。これは、アルカリ度が６５％よりも低かったり、混入量が６重量％よりも少ないと、処理後の籾殻等変性材料が酸性を示すことがあり、肥料として使用する場合には、ｐＨ値を調整する必要が生じるためである。
【００２４】
一方、アルカリ度が高ければ混入量を低減することができるため、たとえば水酸化カルシウム源の量は１０重量％でも充分である。水酸化カルシウム源をあまりに過剰に混入させると処理装置の故障の原因となるし、コスト的にも無駄になる。
【００２５】
また、籾殻または藁が保管されていた場所の湿度にも影響され、たとえば屋内で保管されていた場合には、比較的に乾燥しており、野外で保管されていたものと比べて含水率が小さいため、より少量（約６重量％）の水酸化カルシウム源によって所望の性状を示す。したがって、混入させる水酸化カルシウム源の量およびアルカリ度は、処理対象の籾殻または藁の量と含水率等により適宜調整するのが好ましい。
【００２６】
また、予め制御手段６に対して処理容器２内の圧力が１．４５ＭＰａ以上となるよう設定するとともに、この設定圧力を保持する時間、撹拌時間および設定した圧力に対応する容器内温度をそれぞれ設定しておく。この場合、圧力保持時間は、籾殻または藁が加水分解を開始する時間に設定することが好ましく、攪拌時間は籾殻または藁の性状が好適に変化し得る時間に設定することが好ましい。また、容器内温度は、水蒸気の理論圧力に付随する温度に設定される。
【００２７】
処理容器２内に投入された籾殻または藁と水酸化カルシウム源は、撹拌羽根３２によって大きく攪拌されながら徐々に排出口２２方向側へ移送される。処理量によっては一方向の移送だけでは処理が完了しない場合があるが、この場合には、駆動モータ３３を逆方向に反転させて投入口２１側へと移送し、往復移送を行う。これにより小さい処理容器２であっても充分な撹拌時間が得られる。
【００２８】
この攪拌の際、処理容器２内では、水平回動軸３１よりも上方に取り付けられた送気管４２から高圧の水蒸気が注入される。このため、籾殻または藁と水酸化カルシウム源は撹拌手段３の攪拌によって水平回動軸３１の上方にばらばらに飛散されたときに、高圧の水蒸気が効果的に吹き付けられる。したがって、水蒸気圧力に付随する加熱および水蒸気の加水分解が効果的に進められる。
【００２９】
また、籾殻または藁と水酸化カルシウム源が攪拌されている間、制御手段６は、各温度センサ２３ａ，２３ｂおよび圧力センサ２４の検出結果に基づき、処理容器２内の温度が設定温度を保持するとともに、圧力が１．４５ＭＰａ以上を保持するように水蒸気注入手段４および圧力調整手段５を制御している。
【００３０】
設定した圧力保持時間が経過すると、制御手段６は水蒸気注入手段４を制御して水蒸気の注入を停止するとともに、圧力調節手段５を制御して圧力調整バルブ５１を開放し、高圧水蒸気を排気管５２に排気して処理容器２内を減圧する。
【００３１】
以上の処理により、籾殻または藁は結合分子の分離と分解が起こり、さらに水酸化カルシウム源の作用によって綿のように柔らかく繊維状に変化した材料を得ることができる。また、籾殻または藁に含有されている有害物質や臭気がほとんど消滅し、吸水性も向上する。
【００３２】
つぎに、本実施形態の具体的な実施例について説明する。本実施例では、籾殻２５０ｋｇに対し、アルカリ度が６５％の消石灰を２５ｋｇ（１０重量％）混入させて処理を行った。処理容器２は、容積が３０００リットルのものを使用し、処理容器２内の圧力は、上述した本願発明者の特許出願（特願２００３−３０２９７１号）によって適当とされる１．４５ＭＰａ〜１．９６ＭＰａ、特に処理時間とコストを考慮すれば１．６５〜１．８５ＭＰａが好適であるため、本実施例では１．８５ＭＰａに保持して処理を行った。なお、本実施例では、最高圧力を１．９６ＭＰａに設定したが、それ以上の圧力値であっても同様の効果を得ることができ、より処理速度を短くできる。
【００３３】
また、容器内温度は、水蒸気の理論圧力に付随する温度である２００℃前後に保持するとともに、籾殻と消石灰を充填率が６５％〜９５％となるよう充填した。また、攪拌速度は、籾殻と消石灰とを均一に攪拌するため、下部温度センサ２３ｂの値が上部温度センサ２３ａの値と一致するまでは２〜１８ｒｐｍとし、一致した時点から０．１５ＭＰａまで減圧するまでは、５〜１５ｒｐｍとした。一方、本実施例に対する比較例として、消石灰を混入させず、籾殻だけで同様の条件により処理を行った。これら実施例および比較例の処理結果を図２に示す。また、籾殻の処理前の形状を撮影したデジタル写真画像を図３に示し、本実施例による処理後の籾殻状態を図４に示し、比較例による処理後の籾殻状態を図５に示す。
【００３４】
本実施例の結果、実施例および比較例のいずれも処理時間は５〜１０分間程度の短時間で完了した。一方、性状を比較すると、比較例において消石灰を混入せずに処理した籾殻は微粉末状であって砂のように硬いものとなったが、本実施例により消石灰を混入して処理した籾殻は綿のように柔らかいものとなり、全く異なる性状に変化した。
【００３５】
吸水性については比較例による処理の場合、吸水性が少ないものとなったが、本実施例による処理の場合は吸水率が相当高く、水分調整材に好適な性状が認められた。また、ｐＨ値については、比較例による処理の場合、ｐＨ４．３の酸性を示して酢酸系の臭気が生じているのに対し、本実施例による処理の場合、ｐＨ値は７．０２の中性を示して臭気はほとんどなく、水分調整材や堆肥としても極めて扱いやすいものである。
【００３６】
さらに処理前の籾殻の含水率は１９％、保有熱量は１１．２４ｋＪであったが、本実施例による処理後２４時間経過したときの籾殻の含水率は１１％、保有熱量は１２．１５ｋＪであった。通常、時間経過によって空気中の水分を吸水して含水率が高まってしまうが、本実施例による処理後の籾殻は２４時間経過後も低含水率を保持しており、この点からも水分調整材として実用性が高いといえる。また、高い保有熱量を維持していることから燃料化資源としての利用も可能である。
【００３７】
上記実施例を参考にして、消石灰の混入量を変えて実験したところ、室内保管等の保管条件によって籾殻が乾燥していれば、籾殻２５０ｋｇに対して消石灰の量は１５ｋｇ程度であっても本実施例に近い結果が得られる。また、消石灰のアルカリ度が高ければ、例えばアルカリ度が８０％程度であれば、籾殻２５０ｋｇに対して消石灰１８ｋｇであっても本実施例に近い結果が得られる。
【００３８】
以上より、籾殻を水分調整材として有用な性状に変換するための処理条件は、アルカリ度が６５〜８０％の消石灰を、籾殻に対して６重量％以上、好ましくは６〜１０重量％の割合で投入することがよく、より好ましくは、アルカリ度が約６５％の消石灰を籾殻に対して約１０重量％の割合で投入することである。また、処理容器２内の圧力は、１．４５ＭＰａ以上で５分〜９０分間保持することが好ましく、より好ましくは１．６５〜１．８５ＭＰａで５〜３０分保持することが好ましい。高温・高圧で一定時間保持する意味は、籾殻を分解させるための余裕条件を付加させるためである。できるだけ籾殻の分解が緩やかに始まるタイミングとし、その後の減圧開始と同時にカーブに沿って分解が進行する。このとき、籾殻に含まれる水分と水蒸気が冷却され、凝縮された水分は有圧から無圧への状態変化に伴って容器外へ放散されて適度な含水率に調整され、綿状の繊維のように性状が変換される。
【００３９】
なお、本実施形態の各構成は前述したものに限るものではなく、適宜変更することができる。
【００４０】
例えば、上述した実施例では、水分調整材として有用な性状に変換処理させていたが、処理後の籾殻等変性材料は、融雪材、土壌改良材および肥料等にも好適な性状を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る籾殻等変性材料を製造するシステムの一実施形態を示す模式図である。
【図２】本実施形態における実施例および比較例の処理結果を示す表である。
【図３】本実施例で処理する前の籾殻を示すデジタル写真画像である。
【図４】本実施例で処理した後の籾殻を示すデジタル写真画像である。
【図５】比較例によって処理した後の籾殻を示すデジタル写真画像である。
【符号の説明】
【００４２】
１  籾殻等変性材料製造システム
２  処理容器
３  攪拌手段
４  水蒸気注入手段
５  圧力調節手段
６  制御手段
７  サイレンサー
８  冷却装置
９  排水処理設備
２１  投入口
２２  排出口
２３ａ  上部温度センサ
２３ｂ  下部温度センサ
２４  圧力センサ
３１  水平回動軸
３２  攪拌羽根
３３  駆動モータ
４１  ボイラー
４２  送気管
５１  圧力調整バルブ
５２  排気管
【要約】
【課題】  従来、再利用が困難であった籾殻や藁等を付加価値の高い資材として様々に有効利用することが可能であるとともに、特に高品質の水分調整材や融雪材等として好適な籾殻等変性材料および籾殻等変性材料の製造方法を提供する。
【解決手段】  籾殻または藁に水酸化カルシウム源を混入し、前記籾殻または藁を燃焼させない所定の水蒸気圧力下で処理する。この場合、籾殻または藁を１．４５ＭＰａ以上の水蒸気圧力下で処理するのが望ましい。
【選択図】  図１
【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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