(57)【要約】【課題】  炭化物固化体を安価に製造する。【解決手段】  炭化物１を粉砕し、粉砕された炭化物１に、凝集剤として酢酸（酢酸水溶液）を混合し、粒子の表面の電位をゼロに近づけ、炭化物１の粒子に凝集力を生じさせて凝集物２を形成し、凝集物を加圧成形して炭化物の円柱塊４を得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化物を粉砕し、粉砕された前記炭化物に凝集剤を混合して粒子を凝集させることで凝集物を形成し、前記凝集物を圧密成形することで炭化物固化体を得る
ことを特徴とする炭化物固化体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の炭化物固化体の製造方法において、
前記凝集剤は、前記粒子の表面の電位を低下させる酸である
ことを特徴とする炭化物固化体の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の炭化物固化体の製造方法において、
前記酸を溶媒に溶解させずに前記炭化物に混合する
ことを特徴とする炭化物固化体の製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の炭化物固化体の製造方法において、
前記酸を水に溶解して水溶液とし、
前記酸の前記水溶液を前記炭化物に混合する
ことを特徴とする炭化物固化体の製造方法。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の炭化物固化体の製造方法において、
前記炭化物に対する酸水溶液の割合を１０％以下にした
ことを特徴とする炭化物固化体の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の炭化物固化体の製造方法において、
前記炭化物はバイオマス由来の炭化物である
ことを特徴とする炭化物固化体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化物を成型して固化物を製造する炭化物固化体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉やボイラ等の還元剤（燃料）として、近年、バイオマスの炭化物の適用が検討されている。また、炉やボイラ等の還元剤（燃料）として、石炭の粉砕物を用いたコークスが適用されている。バイオマスの炭化物および石炭の粉砕物は、輸送、ハンドリング、及び、貯蔵を容易にするために、成型品（ペレット状、粒状）として用いられることがある。
【０００３】
バイオマスの炭化物や石炭の粉砕物（炭化物）を成型品にするために、従来から、粘結材（バインダー）を用いて固化体とすることが種々提案されている（例えば、特許文献１）。粘結材（バインダー）を用いて炭化物をペレット状や粒状に成形することで、ハンドリングが容易となり、輸送コストや貯蔵コストを抑制することができる。
【０００４】
しかし、従来から提案されている技術では、成型品（固化体）を得るために、粘結材（バインダー）を用いるとともに、より強固な固化体を得るために、多くの場合高温高圧にて成型を行う必要があった。このため、材料のコスト、及び、加工時の温度管理、圧力管理の手間が嵩み、炭化物の固化体を得るためには費用がかかるのが現状であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−６３５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、炭化物固化体を安価に製造することができる炭化物固化体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の炭化物固化体の製造方法は、炭化物を粉砕し、粉砕された前記炭化物に凝集剤を混合して粒子を凝集させることで凝集物を形成し、前記凝集物を圧密成形することで炭化物固化体を得ることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る本発明では、凝集剤を混合して粒子を凝集させることで凝集物を形成し、凝集物を圧密成形することで炭化物固化体を得るので、バインダーを用いることなく凝集物を形成して炭化物固化体を得ることができる。この結果、炭化物固化体を安価に製造することが可能になる。
【０００９】
そして、請求項２に係る本発明の炭化物固化体の製造方法は、請求項１に記載の炭化物固化体の製造方法において、前記凝集剤は、前記粒子の表面の電位を低下させる酸であることを特徴とする。
【００１０】
粒子の凝集性を高める効果の一因として、特に炭化物においては、粒子表面の電位と水素濃度指数（ｐＨ）との間には、水素濃度指数（ｐＨ）が低くなるに従って（酸性側になるに従って）表面電荷がゼロに近づく関係があることが知られている。
【００１１】
このような知見に基づき、請求項２に係る本発明では、粉砕された炭化物に酸を混合している（酸を混合して凝集性を高めている）。粉砕された炭化物に酸を加えることで、炭化物の粒子の表面の電位の値がゼロに近づき、粒子同士の反発力が低減されるために、粒子を凝集させて粒子の凝集性を向上させることができる。
【００１２】
尚、酸としては、木酢液、ギ酸、酢酸などの炭化物製造プロセスで生じる副生成物、及び、工業用の酸（塩酸、硝酸、硫酸等）を適用することができる。
【００１３】
また、請求項３に係る本発明の炭化物固化体の製造方法は、請求項２に記載の炭化物固化体の製造方法において、前記酸を溶媒に溶解させずに前記炭化物に混合することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る本発明では、純粋な酸により、炭化物の種類に応じて粒子の表面電荷を低下させ、炭化物の粒子を容易に凝集させることができる。
【００１５】
また、請求項４に係る本発明の炭化物固化体の製造方法は、請求項２に記載の炭化物固化体の製造方法において、前記酸を水に溶解して水溶液とし、前記酸の前記水溶液を前記炭化物に混合することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る本発明では、酸の水溶液を用いて、炭化物の種類に応じて粒子の表面電荷を低下させ、炭化物の粒子を容易に凝集させることができる。
【００１７】
また、請求項５に係る本発明の炭化物固化体の製造方法は、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の炭化物固化体の製造方法において、前記炭化物に対する酸水溶液の割合を１０％以下にしたことを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る本発明では、炭化物に対する酸（純粋な酸、酸の水溶液）の重量含有率を１０％以下（好ましくは１％から１０％）にしたので、炭化物の粒子を的確に凝集させることができる。
【００１９】
また、請求項６に係る本発明の炭化物固化体の製造方法は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の炭化物固化体の製造方法において、前記炭化物はバイオマス由来の炭化物であることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に係る本発明では、バイオマス由来の炭化物の固化体を製造することができる。尚、バイオマスとしては、木質のバイオマスを適用することが好適である。バイオマスとしては、植物由来のバイオマス等、木質以外のバイオマス（草本、下水汚泥など）を用いることが可能である。また、炭化物としては石炭の粉砕粉を適用し、固化体としてコークスを製造することも可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の炭化物固化体の製造方法は、炭化物固化体を安価に製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例に係る炭化物固化体の製造方法の処理フロー図である。
【図２】本発明の一実施例に係る炭化物固化体の製造方法の工程概念図である。
【図３】本発明の一実施例に係る炭化物固化体の製造方法の工程概念図である。
【図４】炭化物固化体としての円柱塊の外観図である。
【図５】炭化物の表面電位と水素濃度指数（ｐＨ）との関係を表すグラフである。
【図６】円柱塊の強度を説明するグラフである。
【図７】圧縮手段の他の実施例（ダイスと回転ローラ：図２）の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
粒子が凝集するメカニズムの一つに、粒子の表面の電荷が影響することが知られている。つまり、粒子の表面の電位が中和状態にあると、粒子同士の反発力が緩和され、粒子が結合しやすくなることが知られている（固化体になりやすくなることが知られている）。
【００２４】
そして、炭化物粒子の表面の電位と水素濃度指数（ｐＨ）との間には、例えば、ｐＨが低くなるに従って（酸性側になるに従って）、表面の電位がゼロに近づく関係があることが知られている。本発明はこのような知見に基づき、なされたものである。
【００２５】
即ち、以下に示す実施例では、粉砕された炭化物に凝集剤として酸（例えば、酢酸）を混合し、炭化物の粒子の表面の電位をゼロに近づけ、表面の電位を中和状態にして粒子同士の反発力を低減させている。これにより、炭化物の粒子を凝集しやすくして粒子の凝集性を向上させ、バインダー等を用いることなく、炭化物固化体を製造している。
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の炭化物固化体の製造方法を具体的に説明する。
【００２７】
図１には酢酸（酢酸水溶液）を混合する場合の本発明の一実施例に係る炭化物固化体の製造方法の処理の流れ、図２には炭化物を凝集させた状況の外観、図３にはプレス成形により円柱塊を成形している状況の概略、図４には円柱塊の外観、図５には炭化物の表面の電位と水素濃度指数（ｐＨ）との関係を表すグラフ、図６には圧縮強度の結果を表すグラフを示してある。
【００２８】
図１に示すように、炭化物として、木質のバイオマス由来の炭化物１を粉砕し、粉砕された炭化物１に凝集剤である酸（例えば、酢酸、酢酸水溶液）を混合して粒子を凝集させることで凝集物２を形成する。つまり、図２に示すように、粉砕された炭化物１に酢酸、もしくは酢酸水溶液を混合し、粒子を凝集させることで凝集物２を形成する。
【００２９】
尚、バイオマスとしては、植物由来のバイオマス等、木質以外のバイオマスを用いることが可能である。また、炭化物としては石炭の粉砕粉を適用し、炭化物固化体としてコークスを製造することも可能である。また、酸としては酢酸の他に、ギ酸、塩酸、硝酸、硫酸等を用いることが可能である。
【００３０】
酢酸水溶液を用いた場合（純粋な酢酸を用いた場合であっても）、炭化物固化体に占める（炭化物固化体に対する）酢酸水溶液（純粋な酸）の重量含有率は少ないことが好ましい（例えば、１％から１０％）。また、用いる酢酸水溶液の酢酸濃度は大きくすることが好ましい。酢酸水溶液の酢酸濃度を０％から１００％とし、炭化物固化体に占める酢酸水溶液の重量含有率を１０％以下（例えば、１％から１０％）にした場合において、粉砕された炭化物１に酢酸水溶液を混合した結果、いずれの濃度の水溶液の場合でも炭化物１の粒子を凝集させて凝集物２が形成されたことが確認されている。
【００３１】
図５に示すように、木質のバイオマスの炭化物の粒子の表面の電位は、水素濃度指数（ｐＨ）が低くなるに従って（酸性側になるに従って）、ゼロに近づくようになっている。このため、粉砕された炭化物１に酢酸（酢酸水溶液）を混合することで、表面の電位がゼロに近づき、粒子同士の反発力が低減する。これにより、炭化物１の粒子が凝集しやすくなり、炭化物１の粒子の凝集性を向上させることができる（炭化物１の粒子が結合しやすくなる）。
【００３２】
図１に示すように、炭化物１の粒子を凝集させた凝集物２を成型して炭化物固化体としての円柱塊４を得る。即ち、図３に示すように、凝集物２をプレス装置５に投入し、凝集物２をプレス成形（圧密成形）することで炭化物固化体である円柱塊４を得る。
【００３３】
図３に示すように、プレス装置５は、底付きの筒状の下型６と下型６の筒内に挿入されて嵌合する上型７とを備えている。下型６に供給された凝集物２は、上型７が下型６に所定の圧力（例えば、２０ＭＰａ）で所定時間（例えば、５分間）、押し付けられることで（荷重が加えられることで）、所定の大きさに加圧（圧密）され、円柱状の円柱塊４（図４参照）が得られる。
【００３４】
０.２ｇの凝集物２を下型６に充填し、上型７に２０ＭＰａの荷重を加え、加圧後５分間保持して、直径１０ｍｍ、高さ２ｍｍの円柱塊４を得た。凝集物２を円柱塊４とすることで、炭化物１（図１参照）が酸素と接触し難くなることで自然発火性を抑制できるとともに、粉塵発生の抑制、体積あたりの発熱量増大が期待できることから、ハンドリングがより容易となり、輸送コストを抑えることに加え、保管等の管理のコストを抑制することができる。
【００３５】
酢酸水溶液を用いた場合の４種類の凝集物（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を用いてプレス装置５により円柱塊を成形した。４種類の凝集物（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）で成形した円柱塊について、荷重を加え、破壊されるまでの力（Ｎ）と変位（ｍｍ）を測定した。試験速度は０.３ｍｍ/ｍｉｎとした。円柱塊に亀裂が入り、破壊された時の力（Ｎ）を円柱塊が耐え得る最大荷重として評価した。
【００３６】
凝集物は以下の通りであり、炭化物固化体に占める酢酸水溶液の重量含有率を１０％としてある。
凝集物Ａ（比較例：酢酸水溶液の酢酸濃度０％）
炭化物１に水のみを加えたもの（炭化物：水：酢酸＝９：１：０）
凝集物Ｂ（実施例：酢酸水溶液の酢酸濃度２０％）
炭化物１に水と酢酸を加えたもの（炭化物：水：酢酸＝９：０.８：０.２）
凝集物Ｃ（実施例：酢酸水溶液の酢酸濃度５０％）
炭化物１に水と酢酸を同量加えたもの（炭化物：水：酢酸＝９：０.５：０.５）
凝集物Ｄ（実施例：酢酸水溶液の酢酸濃度１００％）
炭化物１に酢酸のみを加えたもの（炭化物：水：酢酸＝９：０：１）
【００３７】
４種類の凝集物（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を用いた円柱塊の最大荷重を図６に実線で示した（図中○印で示してある）。
【００３８】
図６に示すように、凝集物Ａを用いた円柱塊（図中Ａ○）に対し、凝集物Ｂを用いた円柱塊は（図中Ｂ○）の最大荷重は、約４０Ｎとなり、凝集物Ｃを用いた円柱塊は（図中Ｃ○）の最大荷重は、約４５Ｎとなり、濃度が大きくなるにしたがって、最大荷重が高くなることがわかった。そして、凝集物Ｄを用いた円柱塊（図中Ｄ○）の最大荷重は、５０（Ｎ）を超え、凝集物Ａを用いた円柱塊（図中Ａ○）を用いた円柱塊の最大荷重に比べ、大幅に高くなることがわかった。このため、円柱塊の最大強度は、酢酸の有無と混合割合による影響を受けることが確認された。
【００３９】
尚、炭化物固化体に占める酢酸水溶液の重量含有率を１％から１０％の範囲とし、酢酸水溶液の酢酸濃度を、例えば、２０％、５０％、１００％とした場合、上述と同様に、酢酸の有無と混合割合により、濃度が大きくなるにしたがって、最大荷重が高くなることが確認されている。例えば、炭化物固化体に占める酢酸水溶液の重量含有率が低い場合に、最大荷重がより高くなることが確認されている。
【００４０】
上述したように、炭化物１の粒子が酢酸の存在下で凝集され、粒子が凝集されたた凝集物２を圧密することで、高い圧縮強度を有する円柱塊４が得られる。
【００４１】
酸として無水酢酸を用いた場合の例を説明する。上述した４種類の凝集物（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に対し、酢酸水溶液に代えて無水酢酸水溶液を用いた場合の結果を図６に破線で示した（図中□印で示してある）。
【００４２】
図６に示すように、凝集物Ａを用いた円柱塊（図中Ａ□）に対し、無水酢酸による凝集物Ｂを用いた円柱塊（図中Ｂ□）の最大荷重は、約３５Ｎとなり、凝集物Ｃを用いた円柱塊（図中Ｃ□）の最大荷重は、約３８Ｎとなり、酢酸を用いた場合と同様に、無水酢酸濃度が大きくなるにしたがって、最大荷重が高くなることがわかった。そして、無水酢酸のみによる凝集物Ｄを用いた円柱塊（図中Ｄ□）の最大荷重は、４５（Ｎ）を超え、凝集物Ａを用いた円柱塊（図中Ａ□）を用いた円柱塊の最大荷重に比べ、大幅に高くなっていることがわかった。このため、円柱塊の最大強度は、酢酸と同様に、無水酢酸の有無と混合割合による影響を受けることが確認された。
【００４３】
尚、炭化物固化体に占める無水酢酸水溶液の重量含有率を１％から１０％の範囲とし、無水酢酸水溶液の無水酢酸濃度を、例えば、２０％、５０％、１００％とした場合、酢酸の場合と同様に、無水酢酸の有無と混合割合により、濃度が大きくなるにしたがって、最大荷重が高くなることが確認されている。
【００４４】
上述したように、炭化物１の粒子が無水酢酸の存在下で凝集され、粒子が凝集された凝集物２を圧密することで、高い圧縮強度を有する円柱塊４が得られる。
【００４５】
上述した炭化物固化体の製造方法は、木質のバイオマスの炭化物１を粉砕し、粉砕された炭化物に純粋な酢酸を含む酢酸水溶液（純粋な無水酢酸を含む無水酢酸水溶液）を混合して凝集物２を形成し、凝集物２をプレス装置５で加圧成形（圧密成形）して円柱塊４を得ている。このため、酸を用いることで、結合剤（バインダー）を用いることなく凝集物２を形成し、円柱塊４を得ることができ、木質のバイオマスの炭化物１を固化体にした円柱塊４を安価に製造することが可能になる。
【００４６】
そして、プレス装置５で加圧成形して円柱塊４を得ているため、円柱塊４が酸素と接触しにくくなり、自然発熱を抑制できるようになる上、粉塵飛散が抑制できることから、木質のバイオマスの炭化物１のハンドリングが容易となり、輸送コストを下げて燃料のコストを低下させることが可能になり、保管等の管理のコストを抑制することができる。
【００４７】
図７に基づいて圧縮手段の他の実施例を説明する。図７にはダイスと回転ローラを用いたペレット製造装置の外観を示してある。
【００４８】
ペレット製造装置１１は、固定されたダイス（円盤）１２に多数のダイス孔１３が形成され、ダイス１２の上を回転ローラ１４が回転しながら旋回する。凝集物２は上部から投入され、ダイス（円盤）１２とダイス１２に挟まれて加圧され（圧密され）、ダイス孔１３を通って押し出され、カッタにより切断されてペレット１５（炭化物固化体）とされる。
【００４９】
従って、凝集物２をペレット製造装置１１に投入し、凝集物２を圧密成形することで炭化物固化であるペレット１５を得ることができる。
【００５０】
上述した炭化物固化体の製造方法は、木質のバイオマスの炭化物１を粉砕し、粉砕された炭化物に酢酸（酢酸水溶液）を混合して凝集物２を形成し、凝集物２をペレット製造装置１１で加圧成形（圧密成形）してペレット１５を得ている。このため、結合剤（バインダー）を用いることなく凝集物２を形成してペレット１５を得ることができ、木質のバイオマスの炭化物１を固化体にしたペレット１５を安価に製造することが可能になる。そして、木質のバイオマスの炭化物１を圧密してペレット１５としているので、単位体積当たりの発熱量を確保することができ、燃料としての実用性を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は炭化物固化体の製造方法の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  炭化物
２  凝集物
４  円柱塊
５  プレス装置
６  下型
７  上型
１１  ペレット製造装置
１２  ダイス
１３  ダイス孔
１４  回転ローラ
１５  ペレット
【図１】
2019059880.tif 000003
【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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