(57)【要約】      （修正有）【課題】間伐材や廃木材等を原料として、水分の乾燥限界を高くしながら、自己着火燃焼の危険性を回避し、耐水性を得、生産に必要なエネルギーと時間を短縮して、生産効率を上げるバイオマスペレット製造方法の提供。【解決手段】粉砕木材を乾燥する加熱還元乾燥機とバイオマスペレットの熱回収を行う冷却塔を上下に有し、加熱還元乾燥機と冷却塔の連結部から吸引した排熱回収加熱空気を原料屑や製品ゴミを燃焼させる炉へ導いて加熱還元乾燥ガスを発生させ、加熱還元乾燥機へ送風する。加熱還元乾燥機下部より乾燥木材を引き出し、圧縮加圧機械でペレット化し、冷却塔へ送って排熱を回収し、省エネを図るバイオマスペレット製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスペレットの製造法において、木材乾燥を燃焼排ガスなど還元加熱乾燥ガスや空気を用いて、木材原料を乾燥による自己燃焼（酸化燃焼）を防止して、着火温度を少なくとも220℃以上にすることで、200℃以上の乾燥木材圧縮、バイオマスペレットを作り防水性を向上させることを目的とする還元乾燥法を用いたバイオマスペレットの製造法。
【請求項２】
上項発明において、粉砕木材を密封乾燥容器上部から投入して中間部から乾燥された木材を導き、加圧・加熱して中間部の下に排出、排出された高温ペレットを堆積する密封容器下部から、冷却ガスや空気を圧送することで、排出された高温ペレットの冷却と上部より投入される水分を含む木片原料を還元加熱乾燥させる目的を持ち、省エネ効果を得るため3つの機能を連結した特徴構造を持つバイオマスペレット製造法。
【請求項３】
上項発明実施する設備にあって、材料投入口から密封されたコンベアーで垂直に配置する密封の加熱乾燥炉上部より材料投入、最上部から開口水分蒸気排出口を持つ炉内に堆積する木片下部から、熱回収された加熱空気を引き込み、木片屑などや重油・LPGガスなどを燃焼させて、燃焼ガスを乾燥木材下部に挿入して還元加熱、挿入の下部から乾燥木片を引き出して、少なくとも5MPa〜40MPaの加圧と少なくとも1分間以上の圧力保持をして、乾燥炉の下部に接続されている密閉容器内に排出堆積、容器内下部製品を取り出し、さらに冷却空気を挿入してペレットの熱回収を行う。  必要な場合、より熱効率UPのため製品取り出し保管密閉タンク下部まで連結して送風冷却することができる、バイオマスペレット製造設備。
【請求項４】
上記発明実施する設備にあって、垂直に設置する乾燥塔槽上部から水分を有する材料を投入堆積して下部より還元熱風の加熱により下から乾燥、必要十分に乾燥加熱された材料を加圧固化、冷却塔槽に排出し、必要な乾燥エネルギーを熱回収塔槽に堆積された加熱固化製品に最下部から冷却空気を挿入して回収し、さらに回収熱で加熱された空気を中間部より吸引して、原料の木材水分乾燥に必要な追加エネルギーと必要によっては、加圧に必要な電力をも供給するための発電と、主目的の木材乾燥用排ガスを得るために生産に伴う廃棄物や原料屑を燃焼するボイラー設備を設けて、必要によっては排熱回収自家発電機能を有するバイオマスペレット製造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
間伐材や廃木材などを原料とする素材集積型のバイオマスペレット製造設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
古くは、戦後復興時に家庭用の石炭燃料不足を補うため、製材時に発生する木材のおがくずを再生して燃料とする通称“オガライト”と呼ばれるレンコン状の燃焼しやすくした形状で焚き木同様の形態で、物流できるようにおがくずを加熱乾燥して、圧縮することで木材油脂分の炭化による固化原理でオガライトと呼ぶバイオマス燃料が作られていた。しかし、当時は焚き木や石炭代替燃料であったため用途から自動化された燃焼用の燃料形態を必要としていなかった。
現在のバイオマス燃料の目的は、化石燃料である石炭や石油の代替燃料であり、発電所などの燃焼設備に適用する形態とすることが要求される。すなわち、重油などと同様の短時間燃焼（燃焼コントロールが簡単な燃料形態）と灰分が少ないこと、さらに混焼が可能であることなどが必要であり、過去に実証された技術が適用できない。
【０００３】
一方、木材の炭化によるバイオマス燃料には、長い歴史の炭がある。炭を作るには木材を還元炉で通称“炭焼き”することで、純度の高い個形炭素化を達成することができる。さらに、作られた炭は簡単に粉砕することができるので、技術的には必要な仕様に適合する。しかし、天然の木材には、炭素以外に多量に水素も含まれる。単に水分を除去して、炭化により固化し、燃焼前に簡単に粉砕できれば理想であるが、結果として木炭生産には大量のエネルギーを必要とし炭素のみが残る燃料生成のエネルギー効率から、実用性に乏しいことから、バイオマスペレット生産には適用しない。
【０００４】
このようなことから、燃焼エネルギー効率を最大にする方法として、木材を乾燥して、ロータリキルンなどで140℃程度に加熱、その後に回転式加圧ローラ打ち抜き法による約1MPaの圧縮で含有油脂分の初期炭化原理を用いたバイオマスペレットが生まれた。現在の主流となったバイオマスペレットの製法であるが、大きな欠点を持つ。
初期炭化による固化でのバイオマスペレットは、乾燥されているが環境水分を吸収する機能が天然木材より優れている。すなわち、露天での保管・移動ができない。さらに、空気中の水分も吸収する。水分吸収はバクテリアを繁殖させ、悪臭発生を誘発して、物流と管理の問題がある。
【０００５】
この問題を解決するために、日本で近年発明されたのが“バイオマスコークス”と呼ばれるものである。  これは、木材チップをロータリキルンなどで約200〜220℃の高温乾燥空気（高温酸化乾燥炉）による乾燥と、約10MPaのピストン複動加圧保持条件で温度１８０〜２００℃で固化、大きさが約２kg個体で、表面積を少なくし、木材の自己着火しない限度まで加熱炭化温度を高めて炭化させた、コークスに近い燃焼性能を持つビット状バイオマスコークスである。この技術は、間伐材を用いた再生燃料を得ることが目的で開発されたため、従来問題であった耐水性に弱いバイオマスペレットの欠点を克服して、間伐材を粉砕した原料でバイオマスコークスを作った、さらに多くないエネルギーで生産を可能とした特徴がある。
しかし、間伐材の再生目的と耐水性問題を解決しバイオマス燃料として、コークス炉には使用できるが、用途条件の重油混焼などに必要な粉砕加工が難しい。それは耐水性を向上させるために、密度を高めて表面積を少なくして強固な個体が必要なため、粉砕加工が困難となる。
【０００６】
森林王国と環境重視国であるアメリカやＥＵで発明された通称“ブラックペレット”と呼ばれるバイオマスペレットは、バイオマスコークスと同様の技術手法を用いて製造されるが、ペレットの生産が目的であるため、加圧容器がφ６〜８ｍｍと小さい。しかし、加熱条件が同じのロータリキルンを採用した木材の自己発火の限界温度での乾燥、１８０〜２００℃と加熱する必要から短時間で目的温度に達するには高温の熱風を必要とする。さらに加圧固化も同じであり、生産時間と消費エネルギーが多く必要となる。  結果は製品の色が黒ずむ（焦げ茶色）ところまで炭化が進み、耐水性は雨季であっても数週間程度の屋外貯蔵（水中で約1週間程度なら膨潤が少ない）など可能な性能を持つにいたる。この炭化を進めて黒くなったペレットすなわち“ブラックペレット”は、耐水性問題を解決するに至った。
しかし、この発明には、更なる問題点の解決が必要となった。酸化炉による加熱乾燥を採用するため、水分の乾燥限界が高く取れないことから、自己燃焼直前の炭化まで時間をかけて乾燥する必要があり、乾燥エネルギーを多く必要とする。さらに木材に含まれる油脂分を抽出して固化する時間も長く必要とする。すなわち生産効率が低いことと、更なる耐水性の向上が求められる。なお、ブラックペレットは石炭炉には問題ないが、微粉砕が必要な重油混焼炉には、バイオマスコークス同様の粉砕が困難であることも解決を必要とした。
【０００７】
一方、バイオマスペレットの原料となる木材の栽培は、乾燥地帯には柳の種、温帯市域には松の種、熱帯地域にはユウカリの種が最も発育が早く適合する。いずれの種も植林後、毎年刈込して原料として栽培調達できる。また、それらの発育栽培量は平方メートルあたり、年間１〜３kg程度で、地球上で食糧栽培に向かない土地利用に適する。さらに、石油・石炭の化石燃料価格が高価であれば、大量のバイオマスエネルギー供給も経済的に可能になる。ここで、バイオマスペレットの原料木材は、日本においては松材が栽培効率が高く、中国の砂漠地区は柳、東南アジアがユウカリの栽培となることから、実施例は松種の材料を用いた成果を説明する。なお、他の材料も基本的には同じである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】武田諒、下左近峻志、岩谷俊治、西野義則、田村進一著  「バイオマスによる廃材の再利用に関する提案」グローバル経営学会シンポジウム  グローバル経営２０１１  ｐｐ．１０９−１１２  ２０１１年
【０００９】
【非特許文献２】武田諒、下左近峻志、岩谷俊治、西野義則、田村進一他著  「バイオマスペレット化による廃材の再利用」グローバル経営学会誌Vol.２  ２０１４年３月
【発明の概要】
【００１０】
図１は、本発明の原点を構成する日本など温帯地域に栽培が優位な松材の粉砕木片を例にした、目的の耐水性に優れたバイオマスペレットに加工するための、素材と最終製品の物性と炭化による固化の論理概略を示す。天然原木・間伐材・建築廃材であっても、水分が約10〜35％と異なるが構成素材は同じであり、加工に適用する最大粒子20〜50ｍｍ、小粒子2〜3ｍｍに粉砕された木片（原料）には、左側にモデル図示する常温常圧の加工前には水分と油脂分を含有する。
原料を燃料にするためには、不燃材である水分を除去する必要がある。水分除去には加熱することで可能である。一方、含有する油脂類を乾燥木材の圧縮接着材として使用するために油脂材の溶解が必要であり、温度が高いほど溶融性と接着加工効果が大きくなる。  しかし、木材の着火温度は約230℃であるため、水分がなくなり約230℃に至ると木材は自己燃焼を開始する。この自己燃焼は水素など炭素に比べて酸化が容易な物質から始まり、酸化燃焼が発生する。すなわち連鎖的に燃焼が始まると炭素も酸化燃焼する。したがって、酸化燃焼をさせない限度の乾燥条件、高温乾燥温度が加熱限界で約180〜200℃であった。
本発明はこの温度を200〜230℃に高める加工法を発明した。その結果、右側にモデル図示する密度約1.17、水分１％以下の見かけ体積１/８となるバイオマスペレットを得た。得られたペレットは、耐水性でブラックペレットやバイオマスコークス以上の性能を持つことが判明した。その発明原理は、従来の乾燥加熱がロータリキルンなどを用いた、酸化炉の乾燥であったため、乾燥時に酸化促進（燃焼着火促進）を行っていたことから、180〜200℃が限界であった。さらに、限界温度まで向上させたことで、炭化が進み、黒色化に至っていた。
【００１１】
図２は、本発明の構成を示す。原木粉砕原料製造機器（１）から送られた原料を自立型垂直固定の水分除去塔槽に堆積する粉砕木材の空隙を〜230℃の加熱還元ガスを通過させる構造の加熱還元乾燥機（２）と、垂直に連結する（１）と同様の構造を持つ固化されたバイオマスペレットが持つ約200℃の排熱回収を行う垂直固定の冷却塔を有して、連結部に加熱された乾燥木材に圧縮加圧する機械（３）を設置連結して、下部から製品を取り出し、上部から原料を入れる構造の中心部に圧縮機械を配置することで、高温処理を可能としたことでペレット耐水性能を必要十分にまで引き上げる技術を確立、さらに熱回収機構を可能にすることで高温での熱ロスを防止することに成功するとともに、従来法より優れた熱効率の省エネバイオマスペレット製造を可能にする。
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来発明のバイオマスコークスやブラックペレットは、酸化炉による加熱乾燥を採用するため、水分の乾燥限界が高く取れないこと、乾燥時に自己着火燃焼の危険性を持ち、耐水性を得るには着火直前の高温加熱が必要であり、炭化直前まで時間をかけて乾燥する必要から、乾燥エネルギーを多く必要とする。さらに木材に含まれる油脂分を高温抽出できないため、固化する圧力と時間を長く必要とする。すなわち生産効率が低くなる。そして長期間の屋外保管には更なる耐水性向上が求められる。さらに、ブラックペレットは石炭炉には適用するが、微粉砕が必要な重油混焼炉、自動化された炉に必要な微粉末化には、バイオマスコークス同様の困難性がある。これらの解決が必要。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
図１、２に示す木材の加熱乾燥には、酸素を十分に供給せずして燃焼ガスを作り、乾燥木材片を約5〜10ｍ程度高く積み、下部から燃焼ガス約230℃を秒速約0.3〜１ｍで挿入することで、小粒子木材ならば約1分、大粒子で10分間で絶乾の約200〜230℃に自己着火を防止して接合油脂を抽出、さらに約２〜最大２０MPaと低圧で短時間で固化して、耐水性がブラックペレットより優れたバイオマスペレットを省エネ・大量生産が可能とした。
【００１４】
図３に示す生産設備は、垂直固定の水分除去塔槽〜230℃の加熱還元ガスを通過される構造の加熱還元乾燥機と、垂直に連結する同様の構造を持つ固化されたバイオマスペレットの約200℃熱回収を行う垂直固定の冷却塔を有して、連結部から吸引する排熱回収加熱空気を原料屑や製品ゴミを還元炉燃焼させるろから導かれた加熱乾燥ガスを乾燥塔槽上部に送風、還元可決乾燥された乾燥木材を圧縮加圧機械に引き込み、ペレットを生産して熱回収塔槽に再び戻して、最下部より冷却空気を挿入して排熱熱回収を行うことにより、省エネ設備を得る。
【発明の効果】
【００１５】
自己着火を防止した還元炉応用の高温処理を可能としたことで、木材の油脂分の抽出を増加させた結果、ペレット耐水性能はブラックペレットの数倍の性能となることが判明、必要十分な耐水性と実用に十分な省エネと高速生産、量産性が得られた。さらに、混焼用途のペレットには、原料粒子径を約1ｍｍ以下にしたものを使用して、ペレット成形圧力と時間を調整することで壊れやすく成形したペレットを作り、混焼にはペレット送風用の特別な高速吸引粉砕ファンを用いることによりペレットの衝突粉砕で重油燃焼同様の瞬間燃焼が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１はバイオマスペレット原料（木片）の必要加工の説明図。（実施例１）
【図２】図２は本発明の基本構成の説明図。（実施例２）
【図３】図３は本発明を構成する設備機器の説明図。（実施例３）
【図４】図４は垂直配置の熱回収乾燥機の説明図。（実施例４）
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図３に示す、材料は粉砕された形態でホッパーに入荷、密閉のコンベアーで乾燥塔槽上部に投入、乾燥炉最上部から水蒸気排出と最下部から製品排熱回収の冷却空気を注入させ、中央部で排熱回収空気を引き出して、バイオマスの屑など還元燃焼させた約２３０℃の高温乾燥ガスを作り、乾燥塔槽に再度戻し、中央部から十分に加熱乾燥された木材粒子を引き出して、機械的にスクリュウ回転による連続加圧またはプランジャーの圧縮加圧など加圧手段を経て、ペレット状に固化して、排熱回収塔槽に返却、木材水分蒸発エネルギーと加圧エネルギーのみで従来のブラックペレット以上の製品を約1/10程度のエネルギーで生産が可能となった。さらに還元炉に自家発電機能を持たすことにより、すべての生産のためのエネルギー・電気も不要な生産を可能にできた。
【実施例１】
【００１８】
図１の実施例には、バイオマスペレットの原料は、主に大きさが２〜３ｍｍの粉末化された水分約35％原木から水分約14％の乾燥木材片を用いる。ペレット加工には木材内在の油脂部材を抽出して、水分数％以下に乾燥した状態で加圧して木片間を接合、気泡を排出して、個体とする炭化体のバイオマスペレットを形成する。
【実施例２】
【００１９】
図２の実施例は、（１）粉砕原料に素材加工された原木から、（２）熱回収された高温空気を製品ゴミなど燃焼させて、空気中の酸素量減少させた“還元加熱空気”による乾燥を行い、乾燥後に、（３）連続押し出し加圧を行って、（４）固化した後、製品の冷却、熱回収を空気冷却して冷却空気を用いて燃焼加熱して、乾燥する。
【実施例３】
【００２０】
図３の実施例は、自立型の加熱乾燥タンクに供給する密閉型材料供給コンベアー、不要木片焼却ボイラーの排熱（還元加熱空気）を引き込み、乾燥材を取り出して連続加圧して固化、製品排出後に製品から排熱回収、さらに密閉製品貯蔵タンクから加圧空気を注入して、一連の必要熱を供給し、さらに熱交換回収と木材乾燥を行い、最終排気空気はほとんど常温で大量の水分を排出させる密閉構造の熱効率を最大にした設備。
【実施例４】
【００２１】
図４の実施例は、排熱回収を下部中部にかけて下から上に向かって行い、回収熱風に木片や必要なら油など燃焼させて、酸素量が減少した還元加熱空気を作り、垂直式の乾燥タンクの中部に加熱空気を送り込み、乾燥木材に着火と急速な炭化の防止を図り、下部から上部にかけて、乾燥と必要加熱、排熱回収冷却を材料の自然落下を利用した垂直式の熱交換乾燥機。
【００２２】
また図４に示す、乾燥と熱回収条件は、下部の冷却空気温度と排出水蒸気温度はおおむね同じの外気温の１０〜２０℃  UPであり、塔槽内の温度は中央部が200〜230℃で上下順に低下する。乾燥冷却空気速度は約0.3〜0.5ｍ/秒で、１〜２ｍｍ粒子系の生原木で水分３５％の木材であっても、約1分で200℃とできるため、塔槽の必要高さと乾燥空気速度は、原料水分量と大きさによって定められる。一般的には約１０ｍの塔槽高さが適当である。ただし、還元炉としての必要性能からすべて密封が必要。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
これらのバイオマスペレットの工場立地と用途は、原木栽培産地に設置する場合が最適である。さらに、消費地近郊の森林を対象にして生産する場合と遠く離れた国際栽培地区での生産の場合は、耐水性が十分あれば輸送費・保管費が下がり、国際運賃の負担が消費地の高価な間伐材利用と相殺されて、同じ競争力となる。すなわち、労働力の効果地区では、原料の伐採チップ設備効率が重要なコスト競争力に影響する。
【符号の説明】
【００２４】
℃    摂氏、温度を表す。
°    温度を表す。
MPa  メガパスカル（圧力単位）
真密度    水分を除いた粉砕木材の見かけ体積に対する見かけ密度を示す。
水分率    木材に含まれる水分含有率（ｗｔ％）を示す。
密度    木材の水分を除去した密度を示す。（水は1.0）
圧縮率    見かけ体積を圧縮して収縮体積とする倍率を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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