(57)【要約】【課題】里地里山の保全活動から生じる草木質バイオマスを、二酸化炭素排出量を極力減らしながら簡便な方法で燃料化する技術を提供することを目的とする。【解決手段】竹筒１０の内部に草木質バイオマス１２が充填されてなる竹筒燃料１及び該竹筒燃料を製造するための装置であって、草木質バイオマス１２を投入するためのホッパー部４２と、ホッパー部４２内に設置され、草木質バイオマス１２を撹拌するための撹拌部４４と、ホッパー部４２に連結し、ホッパー部４２から草木質バイオマス１２を搬送するためのスパイラルスクリュー４６をガイドパイプ４８の内部に備えた燃料充填部５０と、撹拌部４４とスパイラルスクリュー４６の動力手段をそれぞれ独立に制御するための制御部５４と、を備えた竹筒燃料製造装置４０により解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
竹筒の内部に草木質バイオマスが充填されてなる、竹筒燃料。
【請求項２】
前記草木質バイオマスが、草木類の破砕物である、
請求項１に記載の竹筒燃料。
【請求項３】
前記草木質バイオマスが、葉、枝、もみ殻、松かさからなる群から選択された１種又は２種以上の草本質バイオマスである、請求項１又は２に記載の竹筒燃料。
【請求項４】
同様の形状で径の大きな竹筒に入れ子状態で収容されてなる、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の竹筒燃料。
【請求項５】
前記草木質バイオマスの含水率が５０％以下である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の竹筒燃料。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の竹筒燃料を製造するための装置であって、
草木質バイオマスを投入するためのホッパー部と、
該ホッパー部内に設置され、該草木質バイオマスを撹拌するための撹拌部と、
該ホッパー部に連結し、該ホッパー部から該草木質バイオマスを搬送するためのスパイラルスクリューをガイドパイプの内部に備えた燃料充填部と、
該撹拌部と該スパイラルスクリューの動力手段をそれぞれ独立に制御するための制御部と、
を備えた、竹筒燃料製造装置。
【請求項７】
さらに、前記ホッパー部において前記草木質バイオマスのブリッジ化を防止するためのブリッジ抑制手段を備えた、請求項６に記載の竹筒燃料製造装置。
【請求項８】
前記円筒形パイプの端部に、前記草木質バイオマスの充填が終了する目安となる目印を備えた、請求項６又は７に記載の竹筒燃料製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、竹筒燃料及び該竹筒燃料を簡便に製造できる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
中山間地域では、温浴施設や公共施設を中心として、ボイラーが利用されている可能性のある施設が約９０，０００件存在している。これらの施設で導入されるボイラーは全て重油あるいは灯油などの化石燃料を使用するボイラーである。重油ボイラー等は、効率や取り扱いやすさの面から、中山間地域でも非常に多くの施設等に導入されてきた。
【０００３】
しかしながら、重油や灯油などを燃料とするボイラーは、原油価格の高騰による影響を受け、コスト的に負担が大きい点や、原油価格の乱高下により価格が不安定である点などの問題を有しており、化石燃料に代わる代替エネルギーが求められている。
【０００４】
そのような状況の中、近年、原油等の高騰及び価格変動の影響を避ける点から、里地里山を抱える中山間地域では木質バイオマスに注目が集まっている。木質バイオマスとは、木質系または木質のバイオマス（ｂｉｏｍａｓｓ）のことである。木質バイオマスとしては、例えば、林地残材、製材工場等の残廃材、建築廃材、建築解体材、木屑、木材の鋸屑等がある。中山間地域では間伐材や未整備の雑木林が多く存在するため、これら里地里山の保全活動から生じる木質バイオマスの有効利用の一つの手段としてボイラー燃料として種々の検討が行われている。
【０００５】
例えば、特開２０１０−２４２９９９号公報には、木質バイオマスをペレット等の成形燃料の状態で、酸素濃度２％〜１１％でボイラー排ガスと空気を搬送ガスとして使用してローラミルで粉砕し、粉砕したバイオマスを前記搬送ガスと共にバイオマス専焼バーナのバイオマス燃料ノズルまで搬送して、該バイオマス燃料ノズルの先端部分で空気または酸素濃度が空気と同等以上（２０％以上）の気体と混合して直接燃焼させ、別途石炭用バーナでは微粉炭を燃焼させることで、貯蔵性に優れたバイオマスペレット等の成形燃料を副燃料として安全で安定に燃焼させる木質バイオマス直接粉砕燃焼方法が開示されている（特許文献１）。
【０００６】
また、特開２００８−１０１４７４号公報には、木質バイオマス燃料を木質ペレットとすると共に木質バイオマス燃料の燃焼装置を流動層式燃焼装置とし、且つ、燃焼排ガス内の固形分をサイクロン装置により分離して前記流動層式燃焼装置内へ戻す構成としたことを特徴とする請求項１に記載の木質バイオマス焚きマイクロガスタービン発電装置が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２４２９９９号公報
【特許文献２】特開２００８−１０１４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
木質バイオマスは化石燃料に代わる循環型エネルギーとして注目されているものの、木質バイオマス燃料はそのままでは表面積が大きくなり燃焼速度が増すため、長時間の燃焼に耐えない。そのため木質ペレットを圧縮形成した木質ペレットを利用する必要がある。
【０００９】
この木質ペレットは、ペレタイザーという専用の装置で木の粉（おが屑程度のもの）に鋼鉄製の枠の中で圧力をかけて固めることにより製造されるが、装置のほとんどは米国、ドイツ、デンマークなどから輸入した装置である。そのため木質ペレットは、日本では高価な燃料に分類されるとともに、木質ペレットの製造に多くの二酸化炭素を排出するなどの問題があるため、木質バイオマスはボイラー燃料としての普及が進んでいないのが実情である。特に、里地里山保全活動で生じるバイオマスは、樹木に限らず草本類も含んだ多種多様なものであることから、規格化等が難しく燃料化が進んでいない。
【００１０】
そこで本発明は、里地里山の保全活動から生じる草木質バイオマスを、二酸化炭素排出量を極力減らしながら簡便な方法で燃料化するとともに、従来から里地里山保全において難題となっている放置竹林の整備保全のために伐採される竹を有効活用し、簡単に燃料化することができる技術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】
【００１１】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、竹筒を容器としてその竹筒の内部に草木質バイオマスを充填して燃料化した竹筒燃料及びその竹筒燃料を製造するのに適した竹筒燃料製造装置により、ペレットを製造する必要なく簡易に燃料化することができ、上記課題を解決することができるとの知見を得た。
【００１２】
すなわち、本発明は、竹筒の内部に草木質バイオマスが充填されてなる、竹筒燃料を提供するものである。
【００１３】
また、本発明は、前記竹筒内部に草木質バイオマスを充填して竹筒燃料を製造するための装置であって、草木質バイオマスを投入するためのホッパー部と、該ホッパー部内に設置され、該草木質バイオマスを撹拌するための撹拌部と、該ホッパー部に連結し、該ホッパー部から該草木質バイオマスを搬送するためのスパイラルスクリューをガイドパイプの内部に備えた燃料充填部と、該撹拌部と該スパイラルスクリューの動力手段をそれぞれ独立に制御するための制御部と、を備えた、竹筒燃料製造装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、里地里山の保全活動から生じる草木質バイオマスと里地里山保全において難題となっている放置竹林の整備保全活動に伴って出てくる竹を有効に利用して、簡単に燃料を製造することができ、これまで燃料としては不適であった竹を薪代替の燃料として容易にかつ安価に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の竹筒燃料１の断面図である。
【図２】竹筒燃料１の他の実施形態である二層式の竹筒燃料２の断面図である。
【図３】竹筒燃料１の他の実施形態である三層式の竹筒燃料３の断面図である。
【図４】竹筒燃料製造装置４０の側面図の部分断面図である。
【図５】竹筒燃料製造装置４０の上面図である。
【図６】竹筒燃料製造装置４０の斜視図である。
【図７】ガイドパイプ４８の出口側を説明するための図である。
【図８】竹筒燃料１に使用される竹筒１０の製造方法を説明するための図である。
【図９】竹筒１０の節部１８の節抜きを説明するための部分断面図である。
【図１０】竹筒燃料製造装置４０から竹筒１０に草木質バイオマス１２を充填する方法を説明するための図である。
【図１１】竹筒燃料のボイラーでの燃焼試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
はじめに、本発明の実施形態に係る竹筒燃料１について説明する。図１は、本実施形態の竹筒燃料１の断面図である。本実施形態の竹筒燃料１は、竹筒１０と、その内部（中空部）に充填された草木質バイオマス１２とからなり、竹筒１０の開口部１４は、草木質バイオマス１２がこぼれ落ちないように栓１６で固定されている。
【００１７】
竹筒１０の原料となる竹は、その種類に限定はないが、竹筒内部に草木質バイオマスを充填できるだけの空間を必要とするため、例えば、モウソウチク（孟宗竹）、マダケ（苦竹・真竹）、ハチク（淡竹）など、外径が６５ｍｍ以上に成長した竹を使用することが好ましい。また、竹筒１０の種類により燃焼時の燃焼時間が変わるので、種類の選定や２種以上の竹筒の組み合わせによって燃料の燃焼時間を調整することも可能である。
【００１８】
竹筒１０の長さは、ボイラーの燃焼室の容量、持ち運びの容易さ、竹の節の位置等に応じて適宜決定することができるが、薪ボイラーにおける薪の代替燃料として使用する場合は、約７０〜１００ｃｍ、特に約９０ｃｍに設定することが好ましい。
【００１９】
竹筒１０は、草木質バイオマス１２を内部に充填するため、切断面に最も近い位置にある片方の節部１８ａを残し、他の節部は、節抜きを行い、各節間を貫通させることが好ましい（１８ｂ）。節抜きは、市販の節抜き具を用いることにより行うことができ、例えば、節抜き用ウェーブカッタードリルを用いて行うことができる。なお、節抜きを行わない竹筒を燃焼させると、密閉空間内の空気が熱により膨張し破裂する危険性があるため、節抜きは必須である。
【００２０】
草木質バイオマス１２は、草木類の破砕物であることが好ましく、チッパー等の粉砕機やシュレッダー等の裁断機により破砕又は粉砕されたものを使用することが好ましい。草木質バイオマス１２の原料となる草木類は、森林や雑木林で自生している草木類やもみ殻、松かさその他のセルロース系バイオマスであれば特に限定はなく、可燃性を有していればいずれの草木類も利用することができる。草木質バイオマス１２の種類を変更して燃焼時の発熱量を調整することも可能である。その一例として、スギを１００としたときの草木質バイオマスの種別真発熱量の分析結果を表１に示す。破砕物のサイズは、後述する竹筒燃料製造装置４０の燃料充填部５０に入る範囲であれば特に限定されないが、通常、破砕物における最大寸法を１０ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
草木質バイオマス１２の含水率は５０％以下であることが好ましく、４０％以下であることがより好ましく、３０％以下であることがさらに好ましい。一般的に、草木質バイオマスの平均的な含水率は４５〜７５％であるため、含水率が５０％以下のものは特に乾燥処理は必要なくそのまま利用することができる。一方、含水率が５０％以上のものは５０％以下になるまで自然乾燥するか、含水率の低い草木質バイオマスと混合し、含水率が５０％以下になるように調整する。
【００２３】
ここで、含水率とは、物質に含まれる水分の割合を示したものをいう。含水率には「乾量基準含水率」と「湿量基準含水率」があるが、ここでは「乾量基準含水率」のことを含水率ということとする。下記に含水率を算出するための式を示す。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
栓１６は、燃焼性を有し、かつ、充填物が漏出しない程度に開口部１４を閉口できるものであれば特に限定はないが、例えば、開口部１４を当該竹筒の径よりも１〜２ｃｍ大きなダンボール紙と当該竹筒の内径より小さい外径の竹を２〜３ｃｍ程度に輪切りしたものを使用し、開口部１４に段ボール紙を置きその上に輪切りの竹を置いて竹筒内に押し込み、隙間に竹の枝等を差し込み固定することで閉口することができる。
【００２６】
図２は、本発明の他の実施形態である二層式の竹筒燃料２の断面図である。二層式の竹筒燃料２は、栓１６の代わりに、竹筒１０の外径よりも大きな内径を有する第２の竹筒２０に、竹筒燃料１を開口部１４から挿入して入れ子状態で収容したものである。この場合、内層部の竹筒１０と外層部の竹筒２０は同じ種類の竹を用いてもよいが、異種の竹を組み合わせて用いてもよい。
【００２７】
図３は、本発明の他の実施形態である三層式の竹筒燃料３の断面図である。三層式の竹筒燃料３は、第２の竹筒２０よりも外径の大きな内径を有する第３の竹筒３０に、二層式竹筒燃料２を入れ子状態で収容したものである。三層式の竹筒燃料の場合も、各層を同種の竹で構成してもよく、層ごとに異種の竹を用いてもよい。
【００２８】
竹筒燃料１を多層構造にするメリットは、草木質バイオマス１２の漏出を防止するための栓１４が不要になるほか、竹筒燃料を燃焼させたときの燃焼時間を調整することにある。竹筒は断熱性能を備えた多孔体であり、入れ子状態にして多層構造にすると各層の竹筒は同時には燃焼せず、順次段階的に着火する性質を有している。そのため、竹筒燃料は多層構造になるほど燃焼時間が長くなり、図１から図３の竹筒燃料１〜３の燃焼時間を比較すると、竹筒燃料１＜竹筒燃料２＜竹筒燃料３…となる。
【００２９】
次に、本発明の実施形態に係る竹筒燃料製造装置４０について説明する。図４〜図７は、竹筒１０に草木質バイオマス１２を充填して竹筒燃料１を製造する竹筒燃料製造装置４０を説明するための図である。図４は竹筒燃料製造装置４０の側面図の部分断面図であり、図５は竹筒燃料製造装置４０の上面図であり、図６は竹筒燃料製造装置４０の斜視図である。図７はガイドパイプ４８の出口側を説明するための図である。
【００３０】
本発明の実施形態に係る竹筒燃料製造装置４０は、ホッパー部４２、撹拌部４４、燃料充填部５０、制御部５４を備えている。
【００３１】
ホッパー部４２は円筒形状であり、上部に破砕した草木質バイオマス１２の受け口となる開口部を有し、内部に設けた攪拌部４４により前記バイオマスの燃料充填部５０への送り込みを担い、攪拌時の草木質バイオマス１２のブリッジ化を防止するための可動式のブリッジ抑制手段５６を備えている。ホッパー部４２の容量、直径又は高さは適宜設定することができるが、竹筒燃料製造装置４０を軽トラックの荷台に載せ、地上で作業をするときに、燃料充填部５０のガイドパイプ４８の高さが作業負荷を軽減できる適正な高さになるように設定することが好ましい。
【００３２】
攪拌部４４は、草木質バイオマス１２を撹拌しながら燃料充填部５０へ草木質バイオマス１２を移送するためのものである。円錐型の回転盤４４ａの底面に４本の撹拌棒４４ｂを放射状に取り付けた構造であり、ホッパー部４２の下部に固定されるモーター付ギア６０ａに回転可能に接続されている。
【００３３】
図５に示すように、ホッパー部４２の底面にはスクリュー部４６の一部が露出しており、草木質バイオマス１２は撹拌部４４の回転によって露出部に押し出され、ここから燃料充填部５０に移送される。ブリッジ抑制手段５６は３６０°回転可能にスクリュー部４６の露出部の上部に設置され、草木質バイオマス１２をブリッジ抑制手段５６の自重によって上から押さえつけることにより、スクリュー部４６の露出部分にブリッジを形成することなく草木質バイオマス１２を移送することができる。なお、ホッパー部４２の側面に、竹筒燃料製造装置４０を持ち運びするための把持部４９を設けることもできる。
【００３４】
燃料充填部５０は、草木質バイオマス１２を搬送するためのスパイラルスクリュー４６がガイドパイプ４８の内部に配設されている。スパイラルスクリュー４６の一端はモーター付ギア６０ｂに接続しており、モーター付ギア６０ｂが回転することによりスパイラルスクリュー４６が回転し、草木質バイオマス１２が円筒形のガイドパイプ４８の開放端部（図４、図５の右方向）に向かって搬送されるようになっている。ホッパー部４２が円筒形の場合、スパイラルスクリュー４６を内蔵するガイドパイプ４８は、図４〜図７に示すように円筒の底部付近に該円筒の接線方向に延びるように設けるのが望ましい。
【００３５】
スパイラルスクリュー４６はガイドパイプ４８の全長に渡って設置されている。このスパイラルスクリュー４６は草木質バイオマス１２の目詰まりを防止する観点から、無軸型（軸芯部が中空）のスパイラルスクリューとすることが好ましい。例えば、長さ１，４００ｍｍ、直径４３ｍｍの無軸スパイラルスクリュー４６を内径５０ｍｍのガイドパイプ４８内に設置することができる。ガイドパイプ４８のホッパー部４２からの張り出し部分を８８０ｍｍにすると、長さ約９００ｍｍ、内径６０ｍｍ以上の竹筒１０を挿入することができる。
【００３６】
図７に示すように、ガイドパイプ４８の先端部分は、充填の終了が予測できるよう、目印５８を付けることが好ましい。目印５８の種類は問わないが、例えば、先端から１００〜５０ｍｍを黄色５８ａ、５０ｍｍ〜０ｍｍを赤色５８ｂとした、二段階に着色した目印にすることが好ましい。この目印により、草木質バイオマス１２の竹筒１０への充填を終了する目安とすることができる。
【００３７】
制御部５４は、攪拌部４４とスクリュー部４６の２つのモーター６０ａ、６０ｂをそれぞれ独立にインバータ制御するためのコントローラ６２と、足元で発停制御するためのフットスイッチ６４よりなる。コントローラ６２は雨等に濡れないよう金属ボックス内に収納されており、扉には発停状態を目視確認できるようランプ（図示せず）が取り付けてある。
【００３８】
次に、竹筒燃料１の製造方法について説明する。図８及び図９は竹筒燃料１に使用される竹筒１０の製造方法を説明するための図であり、図１０は、竹筒燃料製造装置４０から竹筒１０に草木質バイオマス１２を充填する方法を説明するための図である。
【００３９】
図８に示すように、竹筒１０の原料となる竹７０を伐採し、さらに、伐採位置から枝葉の付いている節の手前までの部位７０ａ（切りそろえ範囲）と、枝葉が付いている部位７０ｂ（チップ化範囲）に切断する。そして、伐採位置から枝葉の付いている節の手前までの部位７０ａを末口から約９０ｃｍの間隔で切断し、複数本の竹筒１０ａ〜１０ｊを調製する。
【００４０】
なお、切断面の直径が６５ｍｍ未満の竹筒又は枝葉が付いている部位７０ｂは適当なサイズに切断した後、チッパー等の粉砕機やシュレッダー等の裁断機により破砕又は粉砕され、草木質バイオマス１２の原料として利用される。
【００４１】
図９に示すように、調製された竹筒１０は内部に節部を形成しているため、ウェーブカッタードリル８０を用いて節部を抜く。これにより、節部の壁が貫通し貫通節部１８ｂが形成される。なお、竹筒１０における最も端に近い節部１８ａは節部をそのまま残しておく。なお、節部の位置がいずれの切断面からも１０ｃｍ以上離れており、二層式竹筒燃料２又は三槽式竹筒燃料３の内層材として利用可能な場合は、全ての節部を抜いてもよい。
【００４２】
図１０に示すように、上述の竹筒１０を調製する際に排出された竹を利用して得られた竹チップ、木の枝や葉などの草木類、雑草などの草本類切断物、籾殻、松かさ（松ぼっくり）などの草木質バイオマス１２を竹筒燃料製造装置４０のホッパー部４２に投入する。フットスイッチ６４を踏み込んでスイッチをＯＮにすると、撹拌部４４とスパイラルスクリュー４６（図示せず）が回転して草木質バイオマス１２が燃料充填部５０に搬送される。
【００４３】
このとき、作業者は節抜き処理済みの竹筒１０をガイドパイプ４８の先端から奥まで挿入し、竹筒１０に草木質バイオマス１２を充填しながら徐々に引き抜く方向に竹筒１０を移動させる。そして、充填により竹筒１０がガイドパイプから４８から徐々に引き抜かれ、ガイドパイプ４８の先端に付された目印５８が露出して見えるようになったところでフットスイッチ６４から足を離してスイッチをＯＦＦにして装置の運転を止め、充填の完了した竹筒１０をガイドパイプ４８の先端から完全に引き抜く。
【００４４】
その後、必要に応じて栓１６で開口部１４を閉じて単層構造の竹筒燃料とするか（図１）、または、第二の竹筒２０（図２）又はこれと第三の竹筒３０（図３）とで竹筒燃料１を入れ子状態に収容し多層構造の竹筒燃料を製造する。
【００４５】
竹筒燃料１は、竹筒原料の種類や草木質バイオマス１２の種類を適宜変更することにより、燃料時間を調整することができる。その一例として、下記の構成の竹筒燃料を製造し燃焼時間を測定した結果を表２に示す。なお、ボイラーとしては通常の木質燃料用のボイラーが好適に使用できる。
【００４６】
燃焼時間が２〜３時間の竹筒燃料を製造する場合は、竹筒１０原料として、孟宗竹、真竹、破竹からなる群から選択された１種類を単層構造（図１参照）で使用し、充填する草木質バイオマス原料として、草木類ともみ殻の混合物を使用することが好ましい。
【００４７】
燃焼時間が３〜４時間の竹筒燃料を製造する場合は、竹筒１０原料として、孟宗竹と真竹を二層構造（図２参照）で使用し、充填する草木質バイオマス原料として、草木類を使用することが好ましい。
【００４８】
燃焼時間が４〜６時間の竹筒燃料を製造する場合は、竹筒１０原料として、孟宗竹を二層構造（図２参照）または三層構造（図３参照）で使用し、充填する草木質バイオマス原料として、松葉を使用することが好ましい。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
放置竹林から伐採した竹を平均長さ９０ｃｍに切断し、一端部の節を残し他に節を抜いた竹筒に、前記の竹筒燃料製造装置を用い、松かさ（松毬）を充填物として計１３本の竹筒燃料を製造し、これらをひとまとめにしてボイラーで燃焼試験を実施した。燃焼試験の使用した竹筒燃料の構成を表３に示す。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
ボイラーでの燃焼試験した結果の例を図１１に示す。図１１の縦軸は燃焼温度を示し、横軸は燃焼時刻を示す。ボイラーの中心温度は最高で約８５０℃を記録し、竹筒燃料全体として燃焼時間は４時間を超えた。また、燃焼試験と併せてダイオキシン検査も実施したところ、今回の実験ではダイオキシンは検知されなかった。この結果、竹筒燃料はボイラー燃料として十分に実用化に耐えうる性能を有することが判明した。
【符号の説明】
【００５３】
１…竹筒燃料
２…二層式竹筒燃料
３…三層式竹筒燃料
１０…竹筒
１２…草木質バイオマス
１４…開口部
１６…栓
１８…節部
２０…第二の竹筒
３０…第三の竹筒
４０…竹筒燃料製造装置
４２…ホッパー部
４４…撹拌部
４４ａ…回転盤
４４ｂ…撹拌棒
４６…スパイラルスクリュー
４８…ガイドパイプ
４９…把持部
５０…燃料充填部
５４…制御部
５６…ブリッジ抑制手段
５８…目印
６０ａ、６０ｂ…モーター付ギア
６２…コントローラ
６４…フットスイッチ
７０…竹
８０…ウェーブカッタードリル
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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