(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質原料及び酸化マグネシウムを含む成形体からなり、成形体の燃焼灰にはMeliliteが生成するバイオマス燃料を製造する方法であって、
（１）粒径５ｍｍ以下であり、かつ、湿潤基準の含水率１５〜１９重量％の範囲にある木質原料の粉砕物と、木質原料の燃焼灰に対して２０重量％以上の酸化マグネシウムの粉末とを混合することにより混合物を得る工程、
（２）前記混合物を押出成形することにより成形体を得る工程
を含む、木質系バイオマス燃料の成形体の製造方法。
【請求項２】
前記押出成形が、貫通孔を有するダイスに前記混合物を通過させることにより成形する工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
貫通孔の入口が水平面に対して４５度以上の角度でテーパー加工されている、請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
木質原料がバーク（樹皮）を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
木質原料の粉砕物と酸化マグネシウムの粉末を含む成形体であって、当該木質原料の燃焼灰に対して当該酸化マグネシウムの含有量が２０重量％以上であり、かつ、成形体の燃焼灰にはMeliliteが生成することを特徴とする木質系バイオマス燃料の成形体。
【請求項６】
湿潤基準の含水率が７〜１１重量％である、請求項５に記載の木質系バイオマス燃料の成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス燃料をボイラー、焼却炉等で燃焼したときに生成する燃焼灰のクリンカ生成を防止できる木質系バイオマス燃料の成形体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマス燃料は、カーボンニュートラルの観点で二酸化炭素の排出削減に貢献できることから、再生エネルギー源としての利用が拡大している。バイオマス燃料は、その出発原料の種類に応じて、木質系（樹皮、廃材等）、家畜系（家畜の排泄物等）、食品系（生ゴミ、食品廃棄物等）、植物系（籾殻、わら等）等に分類される。
【０００３】
この中でも、特に木質系バイオマス燃料は、発電等を目的とする大規模な燃焼炉から農業用ビニールハウス、温泉等の加温又は給湯用で使われる中小規模のボイラーまで、さまざまな用途で使われている。
【０００４】
木質系バイオマス燃料は、固形燃料の形態で使用されるが、特に１）木材をチップ化した木質チップと、２）木材の樹皮部（バーク）、木質部、あるいは竹材等を乾燥・粉砕して所定の温度で加熱し、ペレット状に加工成形した木質ペレットの２つの形態に大別される。
【０００５】
後者の木質ペレットでは、出発原料に含まれるリグニンを加熱・軟化して当該燃料粉砕物に可塑性を与えて粉砕物を固着させることができるので、ペレット状に成形できる。すなわち、リグニンがペレット状に成形する際のいわばバインダー（接着剤）としての役割を果たす。このような木質ペレットは、含水率及び形状がほぼ一定であるために、木質チップと比べて扱いやすく、また発熱量も安定しているという特長がある。
【０００６】
木質ペレットについては、その原料によりａ）ホワイトペレット（木質部）、ｂ）全木ペレット（木質部と樹皮の混合品）、ｃ）バークペレット（樹皮）の３種類に区分されるが、前記ｂ）及びｃ）については灰分量が多いため、これらを燃焼させたときに燃焼灰が溶融・固化して強固な塊状物（クリンカ）を生成し、これが燃焼装置の排ガス流路壁面に付着する現象がしばしば発生する。クリンカの付着により、燃焼の立ち消えが生じる等の支障をもたらし、安定した連続運転を妨げる結果となる。
【０００７】
このような木質系バイオマス燃料の燃焼時におけるクリンカ生成の現象は、燃焼温度域において、燃焼灰に含まれる低融点成分が溶融することにより、灰の粒子どうしが連続的に融着し、その結果として燃焼灰が粗大化し、ひいては塊状化することによると考えられている（非特許文献１）。また、非特許文献１では、燃焼灰成分のうち、特に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）がクリンカ生成に影響を及ぼすとされている。
【０００８】
一方、石炭等の化石燃料を用いる火力発電ボイラー、廃棄物等の燃焼炉においては、灰分中の成分が他の成分と反応してクリンカを生成し、これがボイラー、燃焼炉等の熱交換器等に付着する現象が指摘されている。この付着物を除去するため、運転を定期的に停止しなければならず、運転効率の低下による経済的損失が生じる。また、熱交換器等へのクリンカの付着により熱回収率及び発電効率の低下も引き起こされる。
【０００９】
石炭等の化石燃料の燃焼あるいは廃棄物の焼却に際して、クリンカの発生を抑えるために、従来からさまざまな対策が講じられている。例えば、高融点の金属酸化物からなる微粒子として、アルミニウム化合物、鉄化合物、マグネシウム化合物等を含む粒子を化石燃料又は廃棄物に添加することにより、生成したクリンカを脆弱化させ、これによりクリンカの壁面への付着を抑制する方法が提案されている（特許文献１〜５、非特許文献２）。また、木質系バイオマス燃料を燃焼したときに発生するクリンカを物理的に破砕してクリンカを微細化することにより、燃焼を安定化させ、燃焼装置を長期運転できるようにする方法が試みられている（特許文献６、特許文献７）。例えば、特許文献６によれば、燃焼炉内に攪拌式の可動体を設け、燃料の木質ペレットを攪拌するともに、燃焼時に生じるクリンカを物理的・機械的に掻き取ってクリンカを粉砕する方式の燃焼装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１２−１８９２９５
【特許文献２】特開２０１１−２０２８３５
【特許文献３】特開２００９−４６３４２
【特許文献４】特開２００７−３２９１６
【特許文献５】特開２００６−１０５５７８
【特許文献６】特開２００５−７１１３
【特許文献７】特開２０１６−５０７４４
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「高知県衛生環境報」, ２７巻, ｐ.６１〜６７、２０１０年
【非特許文献２】「技術開発ニュース」, Ｎｏ．１５０、ｐ．２３〜２４、２０１４年
【非特許文献３】「神戸製鋼エンジニアリングレポート」, ６０巻、Ｎｏ．１、ｐ．５０〜５４、２０１０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、これらの従来技術では、化石燃料又は廃棄物を燃焼させるものであるところ、木質系バイオマス燃料を燃焼させた場合のクリンカの形成又はその防止については特に言及されていない。また、木質系バイオマス燃料におけるクリンカ生成について、非特許文献１に示されているように、燃焼灰の化学組成に加えて、炉の燃焼条件（すなわち、燃焼温度や温度分布（ムラ））もクリンカ生成に関与すると考えられるが、そのメカニズムの詳細は未だ明らかにされていない。
【００１３】
木質系バイオマス燃料に対して従来技術で提案されているようなクリンカ防止剤をそのまま添加することも考えられるが、一般に木質系バイオマス燃料の原料（例えばバーク等）は灰分が比較的多いがゆえにクリンカがきわめて生じやすいことから、クリンカ防止剤を多量に添加する必要がある。ところが、クリンカ防止剤を大量に添加すれば、原料中のリグニンの作用が阻害されて所望の成形性が得られなくなり、ペレットを効率的に成形できなくなるという問題が起こる。
【００１４】
従って、本発明の主な目的は、クリンカの生成が効果的に抑制ないしは防止された木質系バイオマス燃料の成形体を効率良くかつ確実に製造できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、従来技術の問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の製造方法を採用することにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
すなわち、本発明は、下記の木質系バイオマス燃料の成形体の製造方法に係る。
１．  木質原料及び第２族元素化合物を含む成形体からなるバイオマス燃料を製造する方法であって、
（１）粒径５ｍｍ以下であり、かつ、湿潤基準の含水率１５〜１９重量％の範囲に調整された木質原料の粉砕物と第２族元素化合物の粉末とを混合することにより混合物を得る工程、
（２）前記混合物を押出成形することにより成形体を得る工程
を含む、木質系バイオマス燃料の成形体の製造方法。
２．  前記押出成形が、貫通孔を有するダイスに前記混合物を通過させることにより成形する工程を含む、前記項１に記載の製造方法。
３．  貫通孔の入口が水平面に対して４５度以上の角度でテーパー加工されている、前記項２に記載の製造方法。
４．  木質原料がバーク（樹皮）を含む、前記項１に記載の製造方法。
５．  第２族元素化合物がマグネシウム化合物及びカルシウム化合物の少なくとも１種である、前記項１に記載の製造方法。
６．  木質原料の粉砕物と第２族元素化合物の粉末を含む成形体であって、当該木質原料の燃焼灰に対して当該第２族元素化合物の含有量が２０重量％以上であることを特徴とする木質系バイオマス燃料の成形体。
７．  湿潤基準の含水率が７〜１１重量％である、前記項６に記載の木質系バイオマス燃料の成形体。
８．  木質系バイオマス燃料の成形体に含まれるクリンカ生成防止剤であって、第２族元素化合物の粉末を含むことを特徴とするクリンカ生成防止剤。
９．  第２族元素化合物がマグネシウム化合物及びカルシウム化合物の少なくとも１種であって、前記化合物が平均粒径３３０μｍ以下の粉末である、前記項８に記載のクリンカ生成防止剤。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、クリンカの生成が効果的に抑制された木質系バイオマス燃料の成形体を効率良くかつ確実に製造するための方法を提供することができる。
【００１８】
特に、木質原料（木質原料の粉砕物）として所定の粒径及び含水率に予め調整されたものを使用するので、これに酸化マグネシウム粉末等を配合しても、成形性が阻害されることなく、効率良く成形体（ペレット等）を作製できるとともに、その成形体を燃焼させてもクリンカの生成を効果的に回避することができる。その結果、燃焼装置における燃焼の立ち消え等の問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る木質系バイオマス燃料の成形体の製造工程例を示すフロー図である。
【図２】本発明の製造方法で使用される押出成形用のダイの構造を示す概略図である。図２（ｂ）はダイの断面図を示し、図２（ａ）は図２（ｂ）の矢印方向（上方）からみた図を示す。
【図３】実施例１で生成した燃焼灰の外観を示す。図３（１）は第２族元素化合物を含まないバークペレットの燃焼灰、図３（２）は酸化マグネシウムを含むバークペレットの燃焼灰を示す。
【図４】実施例１で生成した燃焼灰の示差熱分析（ＤＴＡ）の結果を示す。図４（１）は第２族元素化合物を含まないバークペレットの燃焼灰、図４（２）は酸化マグネシウムを含むバークペレットの燃焼灰を示す。
【図５】実施例１で生成した燃焼灰（第２族元素化合物を含まないバークペレットの燃焼灰）のＸ線回折分析（ＸＲＤ）の結果を示す。
【図６】実施例１で生成した燃焼灰（酸化マグネシウムを含むバークペレットの燃焼灰）のＸ線回折分析（ＸＲＤ）の結果を示す。
【図７】実施例３で用意した酸化マグネシウムの粒度分布を示す。図７（１）は「スターマグＵ」、図７（２）は「タテホマグ３３００」、図７（３）は「ＯＭ９０」を示す。
【図８】実施例３で得られたバークペレットにおける酸化マグネシウムの含有量及び平均粒径、その燃焼灰の外観及びクリンカ生成の有無を示す。
【図９】実施例４で得られたバークペレットの外観を示す。
【図１０】実施例５で用いたペレットボイラーの側面図を示す。
【図１１】実施例５で用いたペレットボイラーの上面図を示す。
【図１２】実施例５において、バークペレットを燃焼させた際の燃焼中の外観（図１２（１））、熱電対を用いて燃焼温度を測定した結果（図１２（２））を示す。
【図１３】実施例５において得られた燃焼灰の外観を示す。
【図１４】実施例６で生成した燃焼灰の外観を示す。図１４（１）は第２族元素化合物を含まないバークペレットの燃焼灰、図１４（２）は酸化カルシウムを含むバークペレットの燃焼灰を示す。
【符号の説明】
【００２０】
１     ペレット燃焼ボイラー
２     燃焼炉
２ａ   炉床保持筒体
３     熱交換器
４     吸気ファン
５     送風口
６     火皿
６ａ   ペレット供給口
６ｂ   ロストル孔
６ｃ   周縁ガイド
７     スクレーパー
７ａ   突起
８     ペレット供給筒
９     ギア歯
１０   ペレットコンベア
１０ａ 円筒状パイプ
１０ｂ ペレット送りシャフト
１０ｃ スクリュー羽
１１   ペレット供給コンベア用モーター
１１ａ 回転羽
１１ｂ ペレット送りシャフト
１２   燃焼空気押し込みファン
１３   灰出しフィーダー
１４   灰出しフィーダー用モーター
１５   ペレット供給ホッパー
【発明を実施するための形態】
【００２１】
１．木質系バイオマス燃料の成形体の製造方法
本発明の木質系バイオマス燃料の成形体の製造方法は、木質原料及び第２族元素化合物を含む成形体からなるバイオマス燃料を製造する方法であって、
（１）粒径５ｍｍ以下であり、かつ、湿潤基準の含水率１５〜１９重量％の範囲にある木質原料の粉砕物と第２族元素化合物の粉末とを混合することにより混合物を得る工程、
（２）前記混合物を押出成形することにより成形体を得る工程
を含むことを特徴とする。
【００２２】
混合工程
混合工程では、粒径５ｍｍ以下であり、かつ、湿潤基準の含水率１５〜１９重量％の範囲にある木質原料の粉砕物と第２族元素化合物の粉末とを混合することにより混合物を得る。
【００２３】
木質原料としては、リグニンを含む植物を由来する材料であれば特に制限されず、例えば樹木、竹類等のいずれも用いることができる。これらの中でも、特にリグニンを含む木本系植物が好ましい。このような木本に分類される植物としては、例えば１）スギ、ヒノキ、マツ、イヌマキ、ナギ等の針葉樹、２）サクラ、ケヤキ、ブナ、カシ、シイ等の広葉樹、３）タケ、イチョウ、ソテツ等に代表される広葉樹及び針葉樹に分類されない木本等が挙げられる。
【００２４】
また、木質原料は、例えば樹皮（バーク）、丸太、おが粉、かんな屑、端材等の工場残材、森林伐採等で発生する間伐材等を使用することができる。また、例えば剪定枝、虫害木、風倒木等も使用することができる。特に、本発明では、樹皮を含む木質原料を好適に用いることができる。例えば、木質原料中において樹皮を８０〜１００重量％、特に９０〜１００重量％、さらに９５〜１００重量％含む木質原料を用いることができる。
【００２５】
木質原料としては、粒径５ｍｍ以下であり、かつ、湿潤基準の含水率１５〜１９重量％の範囲にある粉砕物を用いる。
【００２６】
上記粒径は、通常５ｍｍ以下とし、好ましくは４〜５ｍｍとする。これは、ペレット成形機で、外径６〜８ｍｍのペレット状に成形するために必要な大きさであって、原料が図２に示すダイス孔を透過できるようにダイス孔の約３分の２の大きさに原料の粒径に設定するためである。このような粒径は、例えば乾燥した木質原料を細かく粉砕することによって調整できる。粉砕方法は、公知の方法に従えば良く、例えばチッパー、ハンマーミル、１軸破砕機、２軸破砕機等により実施すれば良い。
【００２７】
上記含水率は、湿潤基準（湿量基準）で通常１５〜１９重量％とし、好ましくは１５〜１７重量％とする。この範囲内に調整することにより、成形工程における潤滑剤としての機能を水分に付与することができる。前記範囲より含水率の低い木質原料では成形自体が不能となる。一方、含水率が前記範囲を超える場合は木質原料の粉砕物の流動性が高くなりすぎ、成形工程で十分な加圧が困難となる。このような含水率の調整は、公知の乾燥機等を使用することにより実施できるが、特に回転する円筒状容器の片方から木質原料の破砕物と熱風を送って、前記容器を回転しながら破砕物を攪拌することにより乾燥するロータリーキルンが通常用いられる。ただし、前記破砕物を均一に乾燥できるのであれば、この方法に限定されない。
【００２８】
なお、木質原料が当初より上記粒径及び含水率を満たしている場合は、そのまま成形工程に用いることができる。一方、木質原料が当初より上記粒径及び含水率の少なくとも一方を満たしない場合は、それを満たすように適宜調整すれば良い。すなわち、粒径が５ｍｍよりも大きい場合は、公知又は市販の粉砕機等により粒径５ｍｍ以下となるように粉砕すれば良い。また、上記含水率が上記範囲外である場合は、公知又は市販の乾燥機等より含水率を低下させたり、あるいは噴霧等により水分を付与することによって含水率を高めることができる。
【００２９】
第２族元素化合物は、その種類は特に制限されず、例えばマグネシウム化合物、カルシウム化合物、ストロンチウム化合物、バリウム化合物等のアルカリ土類金属化合物少なくとも１種を用いることができる。また、２種以上の第２族元素を含む化合物も用いることができる。これらの化合物のうち、価格、添加量等を考慮すると比較的安価な化合物であるマグネシウム化合物及びカルシウム化合物の少なくとも１種が好ましく、とりわけ分子量が比較的小さいために添加量が少なくて済むマグネシウム化合物がより好ましい。これらの第２族元素化合物としては、例えば前記元素を含む酸化物、炭酸塩、水酸化物、酢酸塩等が挙げられる。これらは無水物、水和物等であっても良い。
【００３０】
第２族元素化合物のうち、マグネシウム化合物としては、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、酢酸マグネシウム等が挙げられる。カルシウム化合物としては、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、酢酸カルシウム等が挙げられる。また、マグネシウムとカルシウムの双方を含む化合物も使用することができる。例えば、その代表例としてドロマイト（ＣａＭｇ（ＣＯ３）２）等が挙げられる。これらの化合物も１種又は２種以上を用いることができる。
【００３１】
本発明の木質系バイオマス燃料中に上記のような化合物の少なくとも１種を含有させることにより、その燃焼灰中において熔融物が生成されにくくなる結果、クリンカの生成も効果的に抑制される。例えば、木質バイオマス燃料中に酸化マグネシウムを含有させた場合、これらの燃焼灰にはAkermanite（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ２）とGehlenite（２ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２）との固溶体であるMeliliteが生成する。Meliliteは融点が１３８０℃以上であるために、木質バイオマス燃料の燃焼温度（約８００〜１２００℃）で燃焼しても燃焼灰が熔融することはないため、クリンカが生成しない。その一方で、本発明では、木質原料の粒度及び含水率が所定の範囲内に制限されているので、これらの第２族元素化合物が木質系バイオマス燃料中に含有されていても、良好な成形性を発揮することができる。
【００３２】
本発明において、第２族元素化合物は、粉末の形態で使用する。この場合の平均粒径は特に限定されず、用いる木質原料の種類等に応じて適宜設定できるが、通常は体積基準で３３０μｍ以下とし、好ましくは４５μｍ以下とし、最も好ましくは１０μｍ以下とする。この範囲内に設定することによって、クリンカを生成しないペレット状成形体を安定して製造することができる。これより大きい粒径の粉末では、木質原料との均一な混合が難しくなるだけでなく、後工程の加熱成形時において木質原料と第２族元素化合物粉末との接着が阻害されるために混合物からペレット状に成形することは困難となるおそれがある。なお、前記平均粒径の下限値は限定されないが、通常は１μｍ程度とすれば良い。
【００３３】
第２元素化合物の添加量は、特に限定されないが、通常は木質原料に含まれる灰分量に対して、第２族元素化合物が２０〜５０重量％程度（特に２５〜３３重量％)となるように調整することが好ましい。これらの範囲にあると、第２族元素化合物を配合した木質系バイオマス燃料を特に１２００℃以下の温度で燃焼させてもクリンカの生成をより効果的に抑制ないしは防止することができる。なお、クリンカ防止剤の添加量が５０重量％を超える場合は、クリンカ防止効果はあるが、燃焼時に発生する灰分量も増大するので、燃焼灰の取扱性、経済性等の点から好ましくない。
【００３４】
本発明において、第２元素化合物における上記のような添加量を達成するための目安として、木質原料の粉砕物に対して０.８〜２重量％程度（特に１〜１.３重量％)と設定することが好ましい。
【００３５】
成形工程
成形工程では、混合工程で調製された混合物を押出成形することによりペレット状成形体を得る。
【００３６】
押出成形の方法は、特に限定されないが、本発明では貫通孔を有するダイスに前記混合物を通過させる工程を含む押出成形方法を好適に採用することができる。例えば、図２に示すような貫通孔（空間）を有するダイスを用いて押出成形を好適に実施することができる。図２のダイス２０は円筒形であり、その内部空間が貫通孔２１になっている。貫通孔２１は、内径Ｄを有する円筒状空間となっている。このような貫通孔２１の入口（供給側）２１ａから混合物を供給し、貫通孔２１内を通過させ、出口（排出側）２１ｂから成形体が押し出される。
【００３７】
貫通孔（空間）を有するダイスとしては公知の成形機を用いることができる。これは、貫通孔を多数有するダイスとその貫通孔に混合物を圧入するための圧縮ローラーを含む成形機である。これは、リングダイ方式とフラットダイ方式があるが、いずれも使用することができる。混合物を圧縮ローラーとダイスの間に供給し、これらの間で混合物は摩擦を受けて熱せられた状態で圧縮ローラーの押し込み圧で、多数の造粒穴を設けたダイスのテーパー部に圧入される。
【００３８】
ダイスに存在する貫通孔は図２に示すような構造になっており、圧縮ローラーで混合物が圧入される。このとき、混合物を供給するダイス入口の周囲（開口部周囲）はテーパー構造（面取り部）となっており、その面取り部で混合物が横方向から順次圧縮されて圧密化する。例えば、図２に示すように、水平面に対するダイス入口のテーパー角θを通常４５度以上（好ましくθ＝４５〜６０度）の範囲に設定することにより、横方向に生じる摩擦力、ひいては摩擦熱が最適化され、第２族元素化合物粉末を配合した混合物（混合粉末）の成形が可能になる。続いて、圧密化された混合物が円筒状の貫通孔内を通過する際に混合物が圧密化されて円形状に成形される。このようにダイスの貫通孔への侵入と通過の際に生じる摩擦熱により混合物に含まれるリグニンが加熱・軟化し、混合物が可塑化される。その後、成形された混合物はダイスの外側に置かれたカッターにより所定の長さに切断され、ペレット状の成形体が排出・冷却され、硬化する。
【００３９】
本発明では、必要に応じて、ペレット状成形体の硬化を促進するために、強制的に冷却させることもできる。例えば、空冷式の冷却機等の公知又は市販の装置を用いて冷却することができる。その後、必要に応じて、ペレット状成形体を回転式又は振動式のふるい式分級装置等にかけて、不良品、微粉等を適宜取り除いても良い。
【００４０】
２．木質系バイオマス燃料の成形体
本発明は、木質系バイオマス燃料の成形体を包含する。より具体的には、木質原料の粉砕物と第２族元素化合物の粉末を含む成形体であって、当該木質原料の燃焼灰に対して当該第２族元素化合物の含有量が２０重量％以上であることを特徴とする木質系バイオマス燃料の成形体である。
【００４１】
第２族元素化合物としては、前記１．で示したものと同様のものを採用することができる。特に、本発明では、カルシウム化合物及びマグネシウム化合物の少なくとも１種を用いることが好ましい。マグネシウム化合物としては、例えば酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、酢酸マグネシウム等が挙げられる。カルシウム化合物としては、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、酢酸カルシウム等が挙げられる。また、マグネシウムとカルシウムの双方を含む化合物も使用することができる。例えば、その代表例としてドロマイト（ＣａＭｇ（ＣＯ３）２）等が挙げられる。これらの化合物も１種又は２種以上を用いることができる。
【００４２】
成形体中における第２族元素化合物の含有量は、通常は当該木質原料の燃焼灰（灰分）に対して２０重量％以上となるようにすれば良く、特に前記含有量が２５〜３３重量％とすることがより好ましい。これにより、よりいっそう高いクリンカ防止効果を得ることができる。
【００４３】
本発明では、第２元素化合物における上記のような含有量を達成するための目安として、木質原料の粉砕物に対して０.８〜２重量％程度（特に１〜１.３重量％)と設定することが好ましい。
【００４４】
第２族元素化合物の粉末の平均粒径も、前記１．で示したとおり、通常は通常は体積基準で３３０μｍ以下とし、好ましくは４５μｍ以下とし、最も好ましくは１０μｍ以下とすれば良い。
【００４５】
木質原料の粉砕物は、前記１．で示したものを使用することができる。成形体中における含有量は、第２族元素化合物以外の残部を１００重量％とした場合、通常は９０〜１００重量％とし、特に９５〜１００重量％とすることが好ましい。
【００４６】
成形体においては、本発明の効果を妨げない範囲内において、他の成分が含まれていても良い。例えば、カルボキシメチルセルロース、デンプン等が添加又は混入されていても良い。
【００４７】
本発明の成形体の形状は、限定的でなく、例えば筒状（ペレット状）、球状、キュービック状、不定形状等のいずれであっても良い。特に、本発明では、一般の固形燃料と同様、装置への適用性等からペレット状であることが好ましい。成形体の大きさも限定されないが、燃焼装置への供給性、燃焼性等の見地より、最長径が３０〜４０ｍｍ程度の範囲内になるように設定することが好ましい。
【００４８】
本発明の成形体における含水率は、特に制限されないが、通常は湿潤基準（湿量基準）で７〜１１重量％程度であることが好ましい。これにより、良好な燃焼性を維持しつつ、水分による変質をより効果的に抑制することができる。成形体の含水率は、前記の木質原料の場合と同様にして適宜調節すれば良い。
【００４９】
本発明の成形体の強度は、特に制限されず、燃焼に供するまでに崩壊又は粉化が生じないような十分な強度とすれば良い。そして、このような強度は、本発明の製造方法によってより確実に達成することができる。また、本発明の成形体の密度は、なるべく緻密であることが好ましいが、特に制限されない。本発明の製造方法で実現される密度の範囲内であれば良い。
【００５０】
本発明の成形体は、バイオマス燃料として好適に使用することができる。すなわち、本発明の成形体を燃焼させることにより、熱エネルギーを発生させることができる。従って、本発明の成形体は、例えば各種のボイラー用の燃料のほか、例えば発電、ペレットストーブ、温泉の加温・保温、精錬所等の燃料として幅広く用いることができる。この場合の燃焼温度は、通常は１２００℃以下に制御することが好ましい。これによって、より確実にクリンカの生成を抑止することができる。
【００５１】
３．クリンカ生成防止剤
本発明は、木質系バイオマス燃料の成形体に含まれるクリンカ生成防止剤であって、第２族元素化合物の粉末を含むことを特徴とするクリンカ生成防止剤を包含する。
【００５２】
第２族元素化合物としては、前記１．で挙げたものと同様のものを使用することができる。特に、本発明では、カルシウム化合物及びマグネシウム化合物の少なくとも１種を用いることが好ましい。マグネシウム化合物としては、例えば酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、酢酸マグネシウム等が挙げられる。カルシウム化合物としては、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、酢酸カルシウム等が挙げられる。また、マグネシウムとカルシウムの双方を含む化合物も使用することができる。例えば、その代表例としてドロマイト（ＣａＭｇ（ＣＯ３）２）等が挙げられる。これらの化合物も１種又は２種以上を用いることができる。
【００５３】
第２族元素化合物の粉末の平均粒径も、前記１．においても示したとおり、通常は体積基準で３３０μｍ以下とし、好ましくは４５μｍ以下とし、最も好ましくは１０μｍ以下とすれば良い。
【００５４】
クリンカ生成防止剤中における第２族元素化合物の含有量は、特に制限されないが、通常は８０〜１００重量％とし、好ましくは９０〜１００重量％とし、より好ましくは９５〜１００重量％とし、最も好ましくは１００重量％とする。これにより、より優れたクリンカ生成防止効果を得ることができる。
【００５５】
また、本発明の効果を妨げない範囲内で第２族元素化合物以外の成分も配合することができる。例えば、カルボキシメチルセルロース、デンプン等を添加することができる。
【００５６】
本発明のクリンカ生成防止剤は、通常は粉末の形態で使用することができる。その場合の平均粒径は、通常は体積基準で３３０μｍ以下とし、好ましくは４５μｍ以下とし、最も好ましくは１０μｍ以下とする。これにより、木質原料の粉砕物といっそう効率良く混合することができ、ひいては高い成形性を得ることができる。
【００５７】
本発明のクリンカ生成防止剤は、木質原料（好ましくは粉砕された木質原料）に添加及び混合することにより使用することができる。その添加量は、使用する木質原料の種類等に応じて適宜設定することができるが、通常は第２元素化合物の添加量が木質原料に含まれる灰分量に対して２０〜５０重量％程度（特に２５〜３３重量％）となるように調整することが好ましい。これらの範囲にあると、第２族元素化合物を配合した木質系バイオマス燃料を特に１２００℃以下の温度で燃焼させてもクリンカの生成をより効果的に抑制ないしは防止することができる。なお、クリンカ防止剤の添加量が前記以上の範囲を超えてもクリンカ防止効果はあるが、燃焼時に発生する灰分量も増大するので、燃焼灰の取扱い及び経済性の面から好ましくない。
【００５８】
本発明では、第２元素化合物における上記のような含有量を達成するための目安として、木質原料の粉砕物に対して０.８〜２重量％程度（特に１〜１.３重量％)と設定することが好ましい。
【００５９】
また、クリンカ生成防止剤を木質原料に添加するタイミングは、燃焼させる前であれば限定されないが、通常は成形直前の木質原料と混合することが好ましい。例えば、木質原料と混合して木質系バイオマス燃料中に予め含有させておくことが好ましい。
【実施例】
【００６０】
以下に実施例を示し、本発明の特徴をより具体的に説明する。ただし、本発明の範囲は、実施例に限定されない。
【００６１】
実施例１
（燃焼灰及びクリンカ防止剤を添加した燃焼灰の調製と評価）
スギの樹皮を原料とする外径８ｍｍのペレット（(株)フォレストエナジー門川製）を白金るつぼにいれて燃焼した後、電気炉（ＡＤＶＡＮＴＥＣ（株）製、ＫＭ−２８０型）を用いて９００℃で２時間加熱して燃焼灰を調製した。燃焼灰の化学組成を調べるため、蛍光X線分析装置（理学電機工業(株)、ＺＳＸ１００ｅｋ型）を用いてファンダメンタルパラメーター（ＦＰ）法により分析した。その結果を表１に示す。燃焼灰の主な成分はＣａＯ、ＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３及びＫ２Ｏであった。なお、ここで設定した９００℃という温度は、バークペレットの燃焼で一般的に使用される温度である（図１２参照）。
【００６２】
【表１】
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【００６３】
得られた燃焼灰に対して酸化マグネシウム（神島化学工業(株)、製品名「スターマグＵ」）を２５重量％添加し、十分に混合した。この混合物をセラミックス製燃焼ボートに入れて電気炉（ＡＤＶＡＮＴＥＣ（株）製、ＦＵＨ６２２ＰＡ型）により１２００℃で２時間加熱し、クリンカの生成の有無を調べた。加熱温度を１２００℃に設定した理由は、バークペレットの燃焼炉内において最も高温になる部位の温度が約１２００℃（図１２参照）であるためである。
【００６４】
なお、比較のため、酸化マグネシウムを添加しない燃焼灰も同様にして熱処理した。その結果を図３に示す。
【００６５】
酸化マグネシウムを添加した燃焼灰では、その目視観察の結果、熱処理による変化は認められなかった。一方、酸化マグネシウムを添加しない燃焼灰では、１２００℃で加熱したときに燃焼灰が熔融し、ガラス状に変化しており、クリンカ生成が認められた。これらの結果から酸化マグネシウムを含むクリンカ防止剤がスギ樹皮燃料のクリンカ防止剤として有効であることがわかる。
【００６６】
実施例２
（クリンカ防止剤を添加した燃焼灰の評価）
実施例１で調製した９００℃で２時間熱処理の（１）酸化マグネシウムを添加していない燃焼灰及び（２）酸化マグネシウム添加した燃焼灰の両者について熱分析装置（理学電機工業(株)、Ｔｈｅｒｍｏｐｌｕｓ  ＴＧ１２０型）を用いて示差熱分析（ＤＴＡ）を行った。分析では、白金製パンを用いて昇温度速度１０℃／分の条件で最高１４５０℃まで加熱した。その結果を図４に示す。図４の結果からも明らかなように、酸化マグネシウムを添加しない燃焼灰は１２４０℃に吸熱ピークが発現したのに対し、酸化マグネシウムを添加した燃焼灰では１３５０℃に吸熱ピークが現れた。この結果からみても、燃焼灰に酸化マグネシウムを添加することにより、燃焼灰中の結晶性物質が変化し、融点が上昇することがわかる。
【００６７】
次に、燃焼灰に含まれる結晶性物質を特定するため、Ｘ線回折装置（理学電機工業(株)、ＲＩＮＴ−ＴＴＲ型）を用いて結晶構造解析を行った。Ｘ線回折分析の条件は、管電圧４０ｋＶ、管電流６０ｍＡ、走査速度２ｄｅｇ／分とし、２θ＝３〜６０ｄｅｇの範囲に設定した。図５には酸化マグネシウムを添加していない燃焼灰の分析結果を示し、図６には酸化マグネシウムを添加した燃焼灰の分析結果を示す。
【００６８】
図５の結果から、燃焼灰の主な結晶性物質は融点が約１１７０℃のPotassium Calcium Silicate（Ｋ２Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ２系化合物）であることが確認できた。その他の副成分として、融点が１５４０℃のCalcium Silicate （ＣａＯ−ＳｉＯ２系化合物）及び融点が１７００℃のQuartz（ＳｉＯ２）が認められた。一方、図６の結果から、酸化マグネシウムを添加した燃焼灰に含まれる主な結晶性物質は、融点が１３８０℃以上のMelilite（ＭｇＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系化合物）であり、これ以外に副成分としてPerciase (ＭｇＯ、融点２８５０℃）とMorticelite (融点１５００℃)の結晶物が確認された。図５〜図６の結果は、図４の熱分析の結果とほぼ一致し、燃焼灰に酸化マグネシウムを添加することにより、主な結晶物が、融点約１１７０℃のPotassium Calcium Silicateから融点１３８０℃以上のMeliliteへと変化することが確認できる。
【００６９】
実施例３
（クリンカ防止剤の粒度、純度及び配合率）
酸化マグネシウムの粒径による影響を調べるため、粒径の異なる市販品を用意した。具体的には、（１）神島化学工業（株）製、製品名「スターマグＵ」（製品ａ）、（２）タテホ化学工業（株）製、製品名「タテホマグ３３００」（製品ｂ）、（３）三菱商事建材（株）製、製品名「ＯＭ９０」（製品ｃ）の３種類を使用した。
【００７０】
各酸化マグネシウム粉末の粒度分布測定は、レーザー回折／散乱法（島津製作所（株）、ＳＡＬＤ２０００）を使用して実施した。測定では、酸化マグネシウム粉末を純水に分散した分散液に赤外線レーザーを照射し、粉末微粒子からの散乱／回折光から体積基準の粒度分布を求めた。微粒子の屈折率は１．７とした。各酸化マグネシウムの粒度分布を図７に示す。また、各酸化マグネシウムにおける体積基準の平均粒径は、表２に示すように、それぞれ７μｍ（製品ａ）、４２μｍ（製品ｂ）及び３２９μｍ（製品ｃ）であった。次に、蛍光X線分析装置（理学電機工業(株)、ＺＳＸ１００ｅｋ型）を用いてファンダメンタルパラメーター（ＦＰ）法により、前記３種類の酸化マグネシウムの純度を求めた結果、表２に示すとおり、それぞれ９７．８％（製品ａ）、９７．４％（製品ｂ）及び９６．１％（製品ｃ）であった。
【００７１】
【表２】
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【００７２】
前記３種類の酸化マグネシウムを実施例１で調製した燃焼灰に１５〜３５重量％の範囲で添加し、十分に混合した後、セラミックス製燃焼ボートに入れて電気炉（ＡＤＶＡＮＴＥＣ（株）製、ＦＵＨ６２２ＰＡ型）により１２００℃で２時間加熱し、クリンカの生成の有無を調べた。比較のため、酸化マグネシウムを添加しない燃焼灰も用意し、同様の条件で加熱処理した。その結果を図８に示す。図８からも明らかなように、酸化マグネシウムの添加量が１５〜１９重量％の場合は、無添加の場合と同様にクリンカが生成した。一方、酸化マグネシウムを２５〜３５重量％の範囲で添加した場合は、粒径７〜３２９μｍの範囲で燃焼灰からクリンカの生成は認められなかった。
【００７３】
実施例４
（クリンカ防止剤を配合したバークペレットの製造）
スギの樹皮粉砕物（（株）フォレストエナジー門川製）に酸化マグネシウムを配合したペレットを製造した。本実施例におけるバークペレット（成形体）の製造工程は図１に示すとおりである。図１に示すように、（ａ）破砕（１次粉砕）、（ｂ）乾燥、（ｃ）粉砕（２次粉砕）、（ｄ）クリンカ防止剤の配合、（ｅ）押出成形、（ｆ）冷却、（ｇ）選別の７つの工程からなる。
【００７４】
まず、スギの樹皮を１次破砕装置で破砕した。次にロータリーキルンを用いて破砕物を乾燥し、含水率を１８重量％に調整した。続いてハンマーミルを用いて２次破砕物の粒径を５ｍｍ以下に調整した後、クリンカ防止剤として酸化マグネシウム粉末（神島化学工業（株）製、スターマグＵ）を配合した。酸化マグネシウムの配合率は、前記２次破砕物の灰分量を別途測定し、灰分量に対して２５重量％（灰分量１００重量部に対して２５重量部）とした。
【００７５】
次に、図２に示すようなリングダイ方式のペレット成形機を用いて外径８ｍｍのペレット状に成形した。ダイス入口における水平面に対するテーパー角度θは４５度に設定した。得られたバークペレットの外観は、図９に示すとおり、成形性は良好であった。また、成形体の含水率は１１％以下に調節された。
【００７６】
実施例５
実施例４で製造したバークペレットを用いて燃焼試験を行い、クリンカ生成の有無を調べた。図１０（側面図）及び図１１（上面図）に燃焼試験に用いたペレットボイラー（（株）清本鐵工製試作ボイラー）の構造を示す。この装置を用いて、空気の送気量 ２１０ｍ３／ｈの条件で、実施例４で製造したバークペレットを燃焼させた。燃焼中の外観と、熱電対を用いて燃焼温度を測定した結果を図１２に示す。火炎温度は８５０〜９００℃の範囲にあり、火皿の表面温度は１１００〜１２５０℃に達した。燃焼後の灰の外観は、図１３に示すとおりである。装置内に設けられた燃焼灰の攪拌・解砕をする働きのあるスクレーパー７（図１１）の使用のいかんにかかわらず、燃焼灰からのクリンカ生成は全く認められなかった。
【００７７】
実施例６
（クリンカ防止剤として酸化カルシウムを添加した燃焼灰の評価）
実施例１で調製した９００℃で２時間熱処理の燃焼灰に酸化カルシウム（和光純薬工業(株)）を３３重量％添加し、良く混合した。この混合物をセラミックス製燃焼ボートに入れて電気炉（ＡＤＶＡＮＴＥＣ（株）製、ＦＵＨ６２２ＰＡ型）により１２００℃で２時間加熱し、クリンカの生成の有無を調べた。比較のため、第２族元素化合物を添加しない燃焼灰も同様に熱処理した。その結果を図１４に示す。図１４の結果からも明らかなように、酸化カルシウムを添加した場合はクリンカの生成は認められなかった。一方、酸化カルシウムを添加しなかった場合はクリンカ生成が認められた。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明では、これまで木質系バイオマス燃料の普及を阻んでいたクリンカ生成を抑制ないしは防止できる。その結果、木質系バイオマス燃料の各種分野における利用の促進に寄与することができる。例えば、農業用、家庭用等の分野への利用促進も期待される。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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