(57)【要約】【課題】燃焼効率が高く、所定含水率のバイオマス燃料を効率よく生産可能なバイオマス燃料前処理方法及びそのシステム、これを用いたバイオマス発電システムを提供する。【解決手段】本発明のバイオマス燃料前処理方法は、粉砕した木質材料を吸水材で吸水して乾燥させる吸水乾燥工程２０と、前記木質材料に畜糞を混入して発酵させる発酵乾燥工程４０と、バイオマス発電で排ガス処理後の浄化ガスを前記木質材料に供給して所定含水率に乾燥させる排熱乾燥工程５０と、を有することを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉砕した木質材料を吸水材で吸水して乾燥させる吸水乾燥工程と、
前記木質材料に畜糞を混入して発酵させる発酵乾燥工程と、
バイオマス発電で排ガス処理後の浄化ガスを前記木質材料に供給して所定含水率に乾燥させる排熱乾燥工程と、
を有することを特徴とするバイオマス燃料前処理方法。
【請求項２】
前記吸水乾燥工程は、前記吸水材と前記木質材料を交互、かつ多段に積層させて前記木質材料を前記吸水材で覆うようにして一定の水分量まで乾燥させることを特徴とする請求項１に記載のバイオマス燃料前処理方法。
【請求項３】
前記木質材料と前記畜糞は、総灰分量が総燃料重量の０．２以下、好ましくは０．１５以下となるように混合することを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオマス燃料前処理方法。
【請求項４】
前記木質材料と前記畜糞は、総燃料含有塩素濃度が５００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下となるように混合することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバイオマス燃料前処理方法。
【請求項５】
粉砕した木質材料を吸水材で吸水して乾燥させる吸水乾燥手段と、
前記木質材料に畜糞を混入して発酵させる発酵乾燥手段と、
バイオマス発電で排ガス処理後の浄化ガスを前記木質材料に供給して所定含水率に乾燥させる排熱乾燥手段と、
を有することを特徴とするバイオマス燃料前処理システム。
【請求項６】
請求項５に記載のバイオマス燃料前処理システムと、
前記バイオマス燃料前処理システムで生産したバイオマス燃料を燃焼する燃焼手段と、
前記燃焼手段の熱エネルギーを電気に変換する発電手段と、
を有することを特徴とするバイオマス発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生可能エネルギーとなるバイオマス発電に好適なバイオマス燃料の前処理方法及びそのシステム、これを用いたバイオマス発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料は高騰化の傾向にあり、燃焼により発生する二酸化炭素の排出量も多いことから、代替エネルギーとなる再生可能エネルギーの関心が高まっている。再生可能エネルギーとしては、風力、水力、太陽光、地熱などが知られているが、中でも気象条件に左右されず安定した原料確保の観点から、木質、ヤシガラ、畜糞、農業廃棄物などの生物資源由来物質を燃料とするバイオマス発電が重要な発電として注目されている。
【０００３】
バイオマス発電で最も多く使用されている原料は、解体材や間伐材などの木質材料である。しかし木質材料は、単位面積当たりのエネルギー密度が低く、含水率など品質のばらつきがあり、また、木質材料の生産量は大きく変動するなどボイラーの運転計画や、燃焼効率に影響を及ぼすことが課題となっている。
従来、ボイラーの燃焼効率を上げるために木質材料をペレットやブリケットなどに加工した固形燃料が利用されている（例えば特許文献１など）。
【０００４】
しかし、このような固形燃料は、品質の安定性がある一方で、製造工程に原料の微粉化が必要であり、製造の工程数が多くなり製造コストが増加してしまうという問題があった。このため、安定した品質、かつ安価な木質材料の製造が望まれている。
【０００５】
そこで、特許文献２のバイオマス燃料前処理ユニットでは、ボイラーから供給される蒸気及び、バイオマス発電の燃焼により発生した排ガスの一部をバイオマス燃料の加熱に用いている。
また、特許文献３のバイオマスの製造方法では、湿潤バイオマスを副資材と混合した状態で好気性発酵させる工程が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２５５１０８号公報
【特許文献２】特開２０１３−８８０３３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１８９２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献２では、発電に用いる蒸気の一部をバイオマス燃料の加熱に用いているため、エネルギーの変換効率が悪いという問題があった。また、特許文献３では、発酵期間が長期間に及ぶと共に、当初原料の含水率が高い場合に発酵では十分に乾燥できない、換言するとある一定の含水率の木質材料でなければ乾燥できないという問題があった。また、活性汚泥や家畜糞尿中に含まれる塩素などの物質が燃焼装置の壁や配管を腐食させてしまうという問題があった。
【０００８】
更に、前記したように解体材や間伐材などから生産される木質材料は、一定した生産量とすることは難しく、一定量を保管しながら、バイオマス発電計画に応じた供給量に調整する必要（課題）がある。
【０００９】
そこで本発明が解決しようとする課題は、燃焼効率が高く、所定含水率のバイオマス燃料を効率よく生産可能なバイオマス燃料前処理方法及びそのシステム、これを用いたバイオマス発電システムを提供することを目的としている。
【００１０】
また本発明は、バイオマス発電の発電効率を高めることができるバイオマス燃料前処理方法及びそのシステム、これを用いたバイオマス発電システム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】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するための第１の手段として、粉砕した木質材料を吸水材で吸水して乾燥させる吸水乾燥工程と、前記木質材料に畜糞を混入して発酵させる発酵乾燥工程と、バイオマス発電で排ガス処理後の浄化ガスを前記木質材料に供給して所定含水率に乾燥させる排熱乾燥工程と、を有することを特徴とするバイオマス燃料前処理方法を提供することにある。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するための第２の手段として、前記第１の手段において、前記吸水乾燥工程は、前記吸水材と前記木質材料を交互、かつ多段に積層させて前記木質材料を前記吸水材で覆うようにして一定の水分量まで乾燥させることを特徴とするバイオマス燃料前処理方法を提供することにある。
【００１３】
本発明は、上記の課題を解決するための第３の手段として、前記第１又は第２の手段において、前記木質材料と前記畜糞は、総灰分量が総燃料重量の０．２以下、好ましくは０．１５以下となるように混合することを特徴とするバイオマス燃料前処理方法を提供することにある。
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するための第４の手段として、前記木質材料と前記畜糞は、総燃料含有塩素濃度が５００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下となるように混合することを特徴とするバイオマス燃料前処理方法を提供することにある。
【００１５】
本発明は、上記の課題を解決するための第５の手段として、粉砕した木質材料を吸水材で吸水して乾燥させる吸水乾燥手段と、前記木質材料に畜糞を混入して発酵させる発酵乾燥手段と、バイオマス発電で排ガス処理後の浄化ガスを前記木質材料に供給して所定含水率に乾燥させる排熱乾燥手段と、を有することを特徴とするバイオマス燃料前処理システムを提供することを目的としている。
【００１６】
本発明は、上記の課題を解決するための第６の手段として、前記バイオマス燃料前処理システムと、前記バイオマス燃料前処理システムで生産したバイオマス燃料を燃焼する燃焼手段と、前記燃焼手段の熱エネルギーを電気に変換する発電手段と、を有することを特徴とするバイオマス発電システムを提供することにある。
【発明の効果】
【００１７】
上記のような構成によれば、吸水乾燥工程で長期保管と、生産量の平準化を行える。すなわち、発電システムへのバイオマス燃料の供給時期に合わせて、乾燥時間を調整しながらバイオマス燃料を生産することができる。また、バイオマス燃料の乾燥時間を任意に調整できるとともに、生産後、保管している間にバイオマス燃料を次工程である発酵乾燥工程に適した含水率に保つことができる。
【００１８】
また、排熱乾燥工程で供給する排ガス量を制御して急速乾燥を行うことができるため、バイオマス発電に供給する燃料の量を調整することができる。
【００１９】
また、従来のように木質材料を乾燥するために新たな加熱設備や、その燃料費や、ペレット化する工程を必要とすることなく低コストで所定含水率のバイオマス燃料を製造することができる。
【００２０】
上記のような構成によれば、当初原料の含水率（初期原料の含水率）に係わらず、例えば、含水率を４０％以下、好ましくは２０％以下の所定含水率のバイオマス燃料を生産することができる。
【００２１】
上記のような構成によれば、前記木質材料と前記畜糞は、総灰分量が総燃料重量の０．２以下、好ましくは０．１５以下となるように混合しているので、排ガス中のダストの発生量を低減でき、排ガス処理設備の負荷を低減して安定した発電運転を実現できる。
【００２２】
上記のような構成によれば、前記木質材料と前記畜糞は、総燃料含有塩素濃度が５００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下となるように混合しているので、鉄材等への腐食性を有する塩素を低減して、バイオマス燃料を用いたバイオマス発電システムの壁や配管の腐食を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のバイオマス燃料前処理方法の説明図である。
【図２】木質材料のサイズと乾燥時間の関係を示すグラフである。
【図３】吸水乾燥工程の説明図である。
【図４】バイオマス燃料前処理方法の各工程の含水率を示すグラフである。
【図５】本発明のバイオマス燃料前処理システム及びバイオマス発電システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明のバイオマス燃料前処理方法及びそのシステム、これを用いたバイオマス発電システムの実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
【００２５】
本発明でバイオマス燃料とは、木質、ヤシガラ、畜糞、農業廃棄物などの動植物性資源をいう。
本発明で木質材料とは、解体材、間伐材、剪定材など植物バイオマスをいう。
本発明で畜糞とは、鶏糞、牛糞、豚糞のうちいずれか、又は２種以上の混合物をいう。
【００２６】
［バイオマス燃料前処理方法］
図１は、本発明のバイオマス燃料前処理方法の説明図である。図示のように、本発明のバイオマス燃料前処理方法は、木質粉砕工程１０と、吸水乾燥工程２０と、畜糞／木質混合工程３０と、発酵乾燥工程４０と、排熱乾燥工程５０を主な基本構成としている。
【００２７】
［木質粉砕工程１０］
木質粉砕工程１０は、解体材、間伐材、剪定材などの植物バイオマスである木質材料を粉砕機により所定サイズに粉砕する工程である。
図２は温度条件１００℃における木質材料のサイズと乾燥時間の関係を示すグラフである。同グラフの縦軸は、含水率（％）を示し、横軸は時間（ｍｉｎ）を示している。温度条件１００℃において、同グラフに示すように１５０ｍｍサイズの木質材料を含水率が４５％から２０％へ乾燥する場合、約１１０分を必要とする。また、３０ｍｍサイズの木質材料を含水率が４５％から２０％へ乾燥する場合、約４５分を必要とする。さらに、１０ｍｍ以下サイズの木質材料を含水率が４５％から２０％へ乾燥する場合、約１５分を必要とする。このようにサイズが細かくなるに従って木質材料の単位重量当りの表面積が増加するため乾燥時間を短縮できる。本実施形態の木質粉砕工程１０では、乾燥時間、後述する燃焼手段１６０に供給可能なサイズを考慮して、木質材料を最長辺１ｍｍ〜１００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍの大きさに粉砕している。
【００２８】
［吸水乾燥工程２０］
吸水乾燥工程２０は、ストックヤード、サイロなどの集積個所（容器内）に吸水材を敷き、その上に所定サイズに粉砕した木質材料を載せてそれを多層に構成して吸水乾燥する工程である。具体的には吸水材に木質材料に含まれる水分が吸い込まれて、吸水材がゲル状となり、木質材料を一定の水分量まで乾燥できる。本実施形態の吸水材は、一例として、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸塩系、ポリスルホン酸塩系、無水マレイン酸塩系、ポリアクリルアミド系、ポリビニルアルコール系、ポリエチレンオキシド系、ポリアスパラギン酸塩系、ポリグルタミン酸塩系、ポリアルギン酸塩系のいずれか、又は複数の組み合わせを主原料とする高吸水性高分子、吸水性ポリマー、高吸水性樹脂、高分子吸収体などを土嚢袋等に収納、又はシート状に形成したものである。このような吸水材は、吸水後に乾燥させて再利用することができる。本発明の吸水乾燥工程２０では、大気環境中（例えば、１０℃から４０℃の範囲）で、所定サイズに粉砕した木質材料を吸水材上に保管し乾燥している。本発明の吸水乾燥工程は、通常、大気環境中で行うことができるが、後段の排熱が十分に存在する場合には、吸水乾燥と同時に後述する排ガス処理手段１７０の浄化ガスを供給し温風乾燥するようにしてもよい。また、乾燥時間は特に限定しないが、投入した木質材料を乾燥しながら留めておく（乾燥時間を任意に調整する）ことができるため、発電システムへのバイオマス燃料の供給時期に合わせて、木質材料の投入から前述の供給時期までの間は吸水乾燥工程で保持しておくことが望ましい。
【００２９】
図３は吸水乾燥工程の説明図である。（１）に示すように、吸水材２２の上に、所定サイズに粉砕した木質材料２４を敷く。その上に吸水材２２を配置し、同様に所定サイズに粉砕した木質材料２４を敷き、吸水材２２と木質材料２４を交互かつ多段に積層させている。
【００３０】
一例として高吸水性高分子を吸水材２２として用いた場合、木質材料２４は概ね１００ｍｍ以下の厚さにほぼ均等に敷き詰める。（２）に示すように、多段に積層する手段としては、各層がスライド可能とし、傾斜させた際に乾燥した木質材料２４が落下して下方の搬送コンベア上に載せることができる多段式のラック２６を用いることができる。
【００３１】
これにより、吸水乾燥工程２０を省スペースで行うことができる。また、上下の吸水材の間に木質材料を配置することにより、吸水材２２と木質材料２４との接触面積が増加し乾燥時間を短縮することができ、さらに外部雰囲気の湿度の影響を受けにくくなるため、木質材料２４の水分量を一定に保つことができる。
図４はバイオマス燃料前処理方法の各工程の含水率を示すグラフである。同グラフの縦軸は、含水率（％）を示し、横軸は各工程を示している。同グラフに示すように、当初原料の含水率が７０％の場合、木質粉砕工程１０では含水率に変化はなく、吸水乾燥工程２０において６０％まで乾燥させている。本発明の吸水乾燥工程２０は、加熱乾燥と比べ安価で再利用可能な吸水材を用いて、投入した木質材料を一時保管しながら乾燥させることを主目的とし、後段の発酵乾燥に適した含水率約６０％前後に設定している。
【００３２】
［畜糞／木質混合工程３０］
畜糞／木質混合工程３０は、吸水乾燥工程２０を行った木質材料に、畜糞を混合させている。畜糞は、鶏糞、牛糞、豚糞のうちいずれか、又は２種以上の混合物であり、木質材料との混合比（畜糞／木質材料）を０．０１〜１、好ましくは０．１〜０．８としている。本発明の畜糞／木質混合工程３０は、畜糞と木質材料が均一に混合できればよく、混合方法は特に限定していない。
【００３３】
また、畜糞／木質混合工程３０は、総灰分量が総燃料重量の０．２以下、好ましくは０．１５以下となるように混合することが望ましい。これにより、後段の燃焼手段１６０で発生する排ガス中のダストの排出量を低減して、排ガス処理手段１７０の負荷（処理する排ガス量）を低減することができる。
【００３４】
また、畜糞／木質混合工程３０は、総燃料含有塩素濃度が５００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下となるように混合することが望ましい。これにより、鉄材等への腐食性を有する塩素を低減して、バイオマス発電システム２００の壁、配管の腐食を低減することができる。
【００３５】
［発酵乾燥工程４０］
発酵乾燥工程４０は、畜糞と木質材料が混合した状態で発酵させる工程である。畜糞と木質材料の混合物は、発酵により発熱するが、発酵温度が８０℃以下となるように保持するのが望ましい。これは発酵温度が８０℃を超えると木質材料が自然発火するおそれがあるためである。また本発明の発酵乾燥工程４０は、発酵時間を１週間ほどに設定し、図４に示すように含水率が４５％まで乾燥させている。本発明の発酵乾燥工程４０は、あらかじめ吸水乾燥工程２０を経て含水率が６０％前後に調整されているため、発酵時間を約１週間、含水率４０％〜５０％となるように設定することができる。
【００３６】
［排熱乾燥工程５０］
排熱乾燥工程５０は、バイオマス発電システム２００で排ガス処理された浄化ガスを用いて温風乾燥する工程である。本発明の排熱乾燥工程５０は、後述する排ガス処理手段１７０で排ガス処理された浄化ガスを用いている。このような浄化ガスは、排ガス中に含まれる有害物質が浄化されており、バイオマス燃料の乾燥に用いても排ガスに含まれる有害物質の影響が及ばない。
【００３７】
浄化ガスは、一例としてガス温度が１００℃〜１６０℃となり、排熱乾燥工程５０を行う装置に供給している。排熱乾燥工程５０は、図４に示すように含水率を２０％に調整することができる。本発明の排熱乾燥工程５０は、浄化ガスの供給量の増減により、含水率又は乾燥時間を制御することができる。これにより、バイオマス発電へのバイオマス燃料の供給時期に合わせることができる。また排熱乾燥工程５０は、木質材料の含水率を、４０％以下、好ましくは２０％以下となるように設定している。
【００３８】
これにより、本発明のバイオマス燃料前処理方法は、複数の乾燥工程を行うことで、当初原料の含水率に係わらずバイオマス燃料を所定含水率に容易に制御できる。また、バイオマス燃料の集積量と使用量のバランスが偏り、保管量が増えた状態においても、長期間乾燥工程内に留めることができる。
【００３９】
［バイオマス燃料前処理システム１００］
図５は本発明のバイオマス燃料前処理システム及びバイオマス発電システムの説明図である。本発明のバイオマス燃料前処理システム１００は、前述の木質粉砕工程１０を行う木質粉砕手段１１０と、吸水乾燥工程２０と行う吸水乾燥手段１２０と、畜糞／木質混合工程３０を行う畜糞／木質乾燥手段１３０と、発酵乾燥工程４０を行う発酵乾燥手段１４０と、排熱乾燥工程５０を行う排熱乾燥手段１５０を主な基本構成としている。
【００４０】
木質粉砕手段１１０は、木質材料を最長辺１ｍｍ〜１００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍの大きさに粉砕する粉砕機である。
【００４１】
吸水乾燥手段１２０は、吸水材を敷き、その上に所定サイズに粉砕した木質材料を載せて吸水乾燥するストックヤード、サイロなどの集積個所（容器内）である。また、吸水乾燥手段１２０は、集積個所で吸水材と木質材料を交互かつ多段に積層させることもできる。
【００４２】
畜糞／木質混合手段１３０は、畜糞／木質材料の混合比を０．０１〜１、好ましくは０．１〜０．８となるように混合するストックヤード、サイロなどの集積個所（容器内）である。また、畜糞／木質混合手段１３０は、総灰分量が総燃料重量の０．２以下、好ましくは０．１５以下となるように混合することが望ましい。また、畜糞／木質混合手段１３０は、総燃料含有塩素濃度が５００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下となるように混合することが望ましい。
【００４３】
発酵乾燥手段１４０は、畜糞と木質材料が混合した状態で発酵させるストックヤード、サイロなどの集積個所（容器内）である。
【００４４】
排熱乾燥手段１５０は、バイオマス発電システム２００で排ガス処理された浄化ガスを用いて温風乾燥するストックヤード、サイロなどの集積個所（容器内）である。なお、各種手段の間にベルトコンベアなどの搬送手段を配置して、木質材料を搬送するように構成している。また、排熱乾燥手段は、バイオマス燃料を燃焼手段に供給するベルトコンベアの搬送面をケーシングで覆い、内部に浄化ガスを供給して搬送面上でバイオマス材料を一定の水分量まで乾燥する構成を採用してもよい。これにより、発酵乾燥工程からバイオマス発電システムへバイオマス燃料を搬送する間を利用して乾燥させることができる。
【００４５】
このように本発明のバイオマス燃料前処理システムは、複数の乾燥手段を行うことで、当初原料の含水率に係わらずバイオマス燃料を所定含水率に容易に制御できる。また、バイオマス燃料の集積量と使用量のバランスが偏り、保管量が増えた状態においても、長期間乾燥工程内に留めることができる。
【００４６】
［バイオマス発電システム２００］
本発明のバイオマス発電システム２００は、バイオマス燃料前処理システム１００と、燃焼手段１６０と、排ガス処理手段１７０と、発電手段１８０を主な基本構成としている。バイオマス燃料前処理システム１００は前述のシステムと同様の構成である。
【００４７】
［燃焼手段１６０］
燃焼手段１６０は、バイオマス燃料前処理システム１００で生産されたバイオマス燃料を燃焼可能な流動床、ストーカ炉などである。燃焼手段１６０は加熱バーナー（不図示）と、排ガスの熱を回収する熱交換機（不図示）を備え、排ガスと水との間で熱交換を行い、発電に利用可能な蒸気を発生させている。燃焼手段に流動床を適用した場合、木質材料の最長辺は５ｍｍ〜５０ｍｍの大きさに粉砕することが望ましい。
【００４８】
［排ガス処理手段１７０］
排ガス処理手段１７０は、排ガス中に含まれる有害成分やダストを除去可能な還元触媒、電気集塵機、脱硫装置を組み合わせた構成である。排ガス処理手段１７０の還元触媒ではＮＯｘ等が除去され、電気集塵機では粒子状物質が除去され、脱硫装置では硫黄酸化物が除去された浄化ガスが大気中に放出される。排ガス処理手段１７０で排ガス処理された浄化ガスの一部は、前述の排熱処理工程５０（排熱処理手段１５０）又は、吸水乾燥工程２０（吸水乾燥手段１２０）の乾燥に用いている。
【００４９】
［発電手段１８０］
発電手段１８０は、熱エネルギーを電気に変換するものであり、タービンを備え、蒸気でタービンを回転させて発電させている。
このような構成のバイオマス発電システム２００は、バイオマス燃料前処理システム１００で生産された所定含水率のバイオマス燃料を用いているため燃焼効率がよい。また、木質材料と畜糞の総灰分量が総燃料重量の０．２％以下、好ましくは０．１５％以下となるように混合されているため、排ガス中のダストの発生量を低減でき、排ガス処理手段の負荷を低減して安定した発電運転を実現できる。さらに、木質材料と畜糞の総燃料含有塩素濃度が５００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下となるように混合しているので鉄材等への腐食性を有する塩素を低減して、燃焼手段の壁や配管の腐食を防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、特に、木質材料及び畜糞を混合したバイオマス燃料を用いて発電するバイオマス発電システムに広く適用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０………木質粉砕工程、２０………吸水乾燥工程、２２………吸水材、２４………木質材料、２６………ラック、３０………畜糞／木質混合工程、４０………発酵乾燥工程、５０………排熱乾燥工程、１００………バイオマス燃料前処理システム、１１０………木質粉砕手段、１２０………吸水乾燥手段、１３０………畜糞／木質混合手段、１４０………発酵乾燥手段、１５０………排熱乾燥手段、１６０………燃焼手段、１７０………排ガス処理手段、１８０………発電手段、２００………バイオマス発電システム。
【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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