(57)【要約】【課題】熱分解ガスの炭化炉内における拡散空間を可能な限り小さくすることにより、熱分解ガスの爆発の危険性が低減される様に改良された木酢液または竹酢液の製造方法を提供する。【解決手段】下部に火格子（１２）が配置された炭化炉内（７２）に木材または竹材のチップを実質連続的に供給し且つ火格子の下部から炭化炉内に空気を導入すると共に生成する木炭または竹炭を火格子の下部から連続的に回収することにより炭化炉内に木材または竹材のチップの移動層（６）を形成し、そして、火格子の上部には炭化炉内の上方に向かって順次に燃焼域（Ａ）、炭化域（Ｂ）、予熱・乾燥域（Ｃ）および空気遮断チップ充填域（Ｄ）を形成し、予熱・乾燥域（Ｃ）と空気遮断チップ充填域（Ｄ）の間の位置から熱分解ガスを回収した後に冷却して凝縮液として木酢液または竹酢液を回収する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部に火格子が配置された炭化炉内に木材または竹材のチップを実質連続的に供給し且つ火格子の下部から炭化炉内に空気を導入すると共に生成する木炭または竹炭を火格子の下部から連続的に回収することにより炭化炉内に木材または竹材のチップの移動層を形成し、そして、火格子の上部には炭化炉内の上方に向かって順次に燃焼域、炭化域、予熱・乾燥域および空気遮断チップ充填域を形成し、予熱・乾燥域と空気遮断チップ充填域の間の位置から熱分解ガスを回収した後に冷却して凝縮液として木酢液または竹酢液を回収することを特徴とする木酢液または竹酢液の製造方法。
【請求項２】
短軸長平均値が１５〜２５ｍｍ、長軸長平均値が２５〜４０ｍｍ、厚さ平均値が３〜５ｍｍであるチップを使用し、格子間隔が１５〜２５ｍｍの火格子を使用する請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
炭化炉内におけるチップの消費速度が火格子１ｍ２当たり０．５〜４ｍ３／ｈである請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
下部に空気導入口および火格子が配置され且つ垂直に設置された第１筒状体と、上部に原料チップ供給口が配置され且つ第１筒状体の内部に垂直に挿入配置された第２筒状体と、第１筒状体の周囲に付設された水冷ジャケットとから主として構成され、第２筒状体の下端と火格子との間には原料チップの処理空間が形成され、第２筒状体の外壁と第１筒状体の内壁との間にはガス流路が形成され、ガス流路には熱分解ガス回収口が設置されていることを特徴とする炭化炉。
【請求項５】
火格子の格子間隙が１５〜２５ｍｍである請求項４に記載の炭化炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、木酢液または竹酢液の製造方法および炭化炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
木酢液または竹酢液（以下、「酢液」と称することがある）は、基本的には、木材または竹材（以下、「原料」と称することがある）を炭化して木炭または竹炭（以下、「炭材」と称することがある）を製造する際、発生する熱分解ガスを回収した後に冷却することにより凝縮液として製造される。
【０００３】
従来、酢液は炭焼き作業の副産物として得られてきており、酢液を得る観点からすれば炭材生産用の炭焼窯を酢液生産装置と呼ぶことが出来る。しかし、主製品として酢液を得ようとするならば、原料の熱分解反応が行われる炭化炉を最重点対象として設備全体を見直す必要がある。
【０００４】
炭化炉の１つとして、炭化炉内の下部に配置された火格子上で原料の一部を燃焼させることにより、熱分解のために必要なエネルギーを賄ういわゆる自燃式の炭化炉が知られている。斯かる構造の炭化炉は、例えば、畜ふんの可燃ガス化方法において使用され（例えば特許文献１参照）、また、バイオマスを直接ガス化し、そのガスをエンジンあるいはガスタービンへ導き発電機を駆動するおがくずガス化発電の分野においても検討されている（例えば非特許文献１参照）。
【０００５】
上記の畜ふんの可燃ガス化方法においては、畜ふんを適宜の水分を含有した状態でペレット化し、火格子（ロストル）の上に畜ふんペレットの固定層を形成し、その下層部を燃焼させることによって中層ないし上層を加熱し、上方に向かって低くなる温度勾配を形成せしめながら可燃ガスを生成させる。この方法の場合、生成した可燃ガスは、炉上から回収されるために炉内全体に拡散した後に回収される。従って、可燃ガスの爆発の危険の可能性が高いという問題がある。
【０００６】
また、おがくずガス化発電の分野で検討されている炭化炉の場合は、火格子の上におがくずを供給し且つ火格子の下部から炭化炉内に空気を導入し、おがくずの下層部を酸化燃焼させて発生炉ガスとタール分を生成させ、炉上から連続供給されるおがくずを通過させることにより、発生炉ガスとタール分の熱交換と濾過を行なう。従って、熱交換されると言えども、発生炉ガスが炉内全体に拡散する点においては、前記の畜ふんの可燃ガス化方法の場合と同様である。
【０００７】
【特許文献１】
特公昭５８−３６６４０号公報
【非特許文献１】
日本機械学会論文集（Ｂ編）５４巻５０５号（昭６３−９）（論文Ｎｏ．８７−１４７７Ｂ）第２６３９〜２６４５頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、その目的は、熱分解ガスの炭化炉内における拡散空間を可能な限り小さくすることにより、熱分解ガスの爆発の危険性が低減される様に改良された木酢液または竹酢液の製造方法、および、斯かる製造方法に好適に使用し得る炭化炉を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の第１の要旨は、下部に火格子が配置された炭化炉内に木材または竹材のチップを実質連続的に供給し且つ火格子の下部から炭化炉内に空気を導入すると共に生成する木炭または竹炭を火格子の下部から連続的に回収することにより炭化炉内に木材または竹材のチップの移動層を形成し、そして、火格子の上部には炭化炉内の上方に向かって順次に燃焼域、炭化域、予熱・乾燥域および空気遮断チップ充填域を形成し、予熱・乾燥域と空気遮断チップ充填域の間の位置から熱分解ガスを回収した後に冷却して凝縮液として木酢液または竹酢液を回収することを特徴とする木酢液または竹酢液の製造方法に存する。
【００１０】
そして、本発明の第２の要旨は、下部に空気導入口および火格子が配置され且つ垂直に設置された第１筒状体と、上部に原料チップ供給口が配置され且つ第１筒状体の内部に垂直に挿入配置された第２筒状体と、第１筒状体の周囲に付設された水冷ジャケットとから主として構成され、第２筒状体の下端と火格子との間には原料チップの処理空間が形成され、第２筒状体の外壁と第１筒状体の内壁との間にはガス流路が形成され、ガス流路には熱分解ガス回収口が設置されていることを特徴とする炭化炉に存する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。先ず、説明の便宜上、本発明の炭化炉について説明する。図１は本発明の炭化炉の一例の使用状態での断面説明図、図２は本発明の炭化炉に使用される火格子の一例の平面説明図、図３は、本発明の炭化炉を使用した木酢液または竹酢液の製造方法の一例の工程説明図である。
【００１２】
本発明の炭化炉（７２）は、第１筒状体（１）と、第２筒状体（２）と、水冷ジャケット（３）とから主として構成される。これらの各部材の構成材料は、耐熱性であり、更に、筒状体については、熱分解において必要とされる適切な耐酸性を有する限り、特に制限されない。好適な材料の一例は軟鋼である。
【００１３】
第１筒状体（１）及び第２筒状体（２）の水平断面の形状は、通常、同一形状とされ、正方形、長方形、円形などから任意に選択することが出来る。図示した例の場合、円形とされている。そして、第１筒状体（１）及び第２筒状体（２）の水平断面積は、上下方向に一定でもよいが、特に、第２筒状体（２）の場合、漸次下方に従って末広がりとするのが好ましい。斯かる形状によれば、後述する原料チップ移動層（６）の降下移動が円滑に行われ、閉塞問題の発生が阻止される。
【００１４】
第１筒状体（１）は、下部に空気導入口（１１）及び火格子（１２）が配置され、垂直に設置されている。図示した例の場合、空気導入口（１１）は単なる開口となされ、後述する熱分解ガス回収口（１５）の流路に連結して配置されたブロワの吸引作用により、空気導入口（１１）から空気が導入される。また、図２に例示した火格子（１２）は、円盤形状を備え、第１筒状体（１）内への挿入配置を容易にするため、二分割構造になされている。
【００１５】
一方、第２筒状体（２）は、上部に原料チップ供給口（２１）が配置され、第１筒状体（１）の内部に垂直に挿入配置されている。そして、第２筒状体（２）の下端と火格子（１２）との間には後述する原料チップ処理空間（４）が形成され、第２筒状体（２）の外壁と第１筒状体（１）の内壁との間にはガス流路（５）が形成され、ガス流路（５）には熱分解ガス回収口（１５）が設置されている。ガス流路（５）は、図示した例の様に、第１筒状体（１）の内部に第２筒状体（２）を挿入配置し且つ第１筒状体（１）の上端部を閉止することにより、第１筒状体（１）の内部に挿入された第２筒状体（２）の全外周に環状に形成される。第２筒状体（２）の第１筒状体（１）への挿入配置位置は、多くの場合、中央であるが、火格子（１２）を通過する空気の均一分散を図るため、熱分解ガス回収口（１５）と空気導入口（１１）の位置関係を考慮し、中央から偏倚させることが出来る。
【００１６】
図示した例の場合、環状のガス流路（５）の高さ（Ｈ１）は原料チップ処理空間（４）の高さ（Ｈ２）と略同一とされているが、ガス流路（５）に熱分解ガス回収口（１５）が設置される限り、原料チップ処理空間（４）の高さ（Ｈ２）より小さくてもよい。環状のガス流路（５）の高さ（Ｈ１）は、原料チップ処理空間（４）の高さ（Ｈ２）に対し、通常０．５〜５倍、好ましくは０．５〜１．５倍の範囲から選択される。環状のガス流路（５）の高さ（Ｈ１）が余りに低い場合は、熱分解ガス回収口（１５）の設置が困難となるという設計上の問題があり、余りに高くすることは無駄であるばかりか、環状と言えども、炭化炉内における熱分解ガスの拡散空間が無用に増加し、熱分解ガスの爆発の危険の可能性が高くなる。
【００１７】
一方、第２筒状体（２）内における原料チップ充填層（後述の空気遮断チップ充填域）の高さ（Ｈ３）は、空気遮断チップ充填域の空気遮断効果を考慮して決定されるが、原料チップ処理空間（４）の高さ（Ｈ２）に対し、通常１倍以上、好ましくは  ２倍以上、更に好ましくは２．５倍以上とされる。Ｈ３／Ｈ２の比が１倍未満の場合は、熱分解ガスに混入する空気の量が増加し、後述するコンデンサー（７５）における酢液およびタールの回収率が低下する。なお、Ｈ３／Ｈ２の比の上限は、通常１０倍、好ましくは５倍である。１０倍を超える高さは、空気遮断効果の観点からも無意味であり、設備費の増加を招く。
【００１８】
水冷ジャケット（３）は、第１筒状体（１）の周囲に付設されている。水冷ジャケット（３）の下部および上部には冷却媒体の導入口および排出口が設けられている。通常、冷却媒体としては水が使用され、冷却媒体の排出口から温水ないしは高温水が回収される。
【００１９】
本発明の好ましい態様においては、第２筒状体（２）の原料チップ供給口（２１）の下部近傍には第２筒状体内の原料チップを検出するレベルセンサー（２２）が設置されている。レベルセンサー（２２）としては、発光ダイオード又は半導体レーザーによって光を照射し、その反射光を検出することにより、一定距離範囲内にある対象物の有無を検出するいわゆる光反射式センサーが好ましい。斯かるレベルセンサー（２２）により、空気遮断チップ充填域を形成する原料チップ移動層（６）の高さの調節制御が可能となる。
【００２０】
すなわち、原料チップは原料チップ供給機構としてのベルトコンベヤによって第２の筒状体（２）に供給されるが、本発明においては、レベルセンサー（２２）が第２筒状体（２）内の原料チップを検出した場合にベルトコンベヤの作動を停止し、当該停止後はタイマーにより一定時間経過後にレベルセンサー（２２）がチップを検出しなかった場合にベルトコンベヤを作動させることにより、原料チップ移動層（６）の高さを略一定の範囲に制御することが出来る。
【００２１】
ベルトコンベア停止後にベルトコンベアを再作動させるまでの設定時間は、短い方が連続運転に一層近い状態となり、木酢液もより高い収率で且つ安定して回収できるが、ベルトコンベヤによる騒音発生などの問題から、通常は１０〜１５分に設定される。上記の様な１箇所に設置した光反射式のレベルセンサー（２２）とタイマーを利用した制御方式は、レベルセンサーを上下２箇所に設置し、原料チップ移動層（６）の上下限を検出してコンベヤを作動、停止させる制御方式に比べ、汚れによる作動不良など、チップ層レベルセンサーが本来的に有するリスクを小さくし、コスト的にも有利になると言う利点がある。
【００２２】
上記の様な発明の炭化炉は、特に、酢液の製造方法に好適に使用され、その使用方法については、以下の酢液の製造方法において説明する。
【００２３】
次に、本発明に係る酢液の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、基本的には、原料のチップを炭化して炭材を製造する際に発生する熱分解ガスを回収した後に冷却することより成る。
【００２４】
すなわち、図３に示す様に、ホッパー（７１）から原料のチップをベルトコンベアで炭化炉（７２）に供給し、後述の方法によって炭化する。炭化炉（７２）の下部に付設された水冷ジャケットには、給水タンク（７３）内の冷却水がポンプ（８１）によって供給され、炭化炉（７２）の熱分解ガス回収口は、順次、サイクロン（７４）、コンデンサー（７５）、ブロワ（８２）、回収器（７６）、消煙バーナー（７８）に連なる流路に接続されている。従って、発生した熱分解ガスは、ブロワ（８２）によって吸引され、サイクロン（７４）にて比較的大きな固形分が除去され、コンデンサー（７５）で凝縮される。
【００２５】
そして、コンデンサー（７５）から排出される未凝縮熱分解ガスに同伴された気体以外の物質は回収器（７６）で回収され、残存ガスは消煙バーナー（７８）にて燃焼処理される。コンデンサー（７５）には、給水タンク（７３）内の冷却水がポンプ（８１）によって供給され、コンデンサー（７５）によって回収された凝縮液（酢液およびタール）は、沈降タンク（７７）にて貯留され、タールが除去された酢液はポンプ（８３）にて回収される。
【００２６】
本発明において、炭化は、例えば、前記の炭化炉（７２）を使用し、次の様に行なう。すなわち、下部に火格子（１２）が配置された炭化炉（７２）内に原料チップを実質連続的に供給し且つ火格子（１２）の下部から炭化炉（７２）内に空気を導入すると共に生成する炭材を火格子（１２）の下部から連続的に回収することにより炭化炉内に原料チップの移動層（６）を形成する。なお、本発明において「実質連続的」とは、前述のレベルセンサー（２２）による原料チップ移動層（６）の高さ調節制御からも明らかな様に、形式的には間欠的である場合をも包含する意味である。
【００２７】
そして、火格子（１２）の上部には炭化炉（７２）内の上方に向かって順次に燃焼域（Ａ）、炭化域（Ｂ）、予熱・乾燥域（Ｃ）及び空気遮断チップ充填域（Ｄ）を形成する。燃焼域（Ａ）、炭化域（Ｂ）、予熱・乾燥域（Ｃ）は、原料チップ処理空間（４）によって形成され、空気遮断チップ充填域（Ｄ）は、原料チップ移動層（６）によって形成される。
【００２８】
燃焼域（Ａ）、炭化域（Ｂ）、予熱・乾燥域（Ｃ）の各域の境界は、燃焼、熱分解、乾燥の機構からして明確ではないが、燃焼域（Ａ）の温度（Ｔａ）は４５０以上１１００℃以下、炭化域（Ｂ）の温度（Ｔｂ）は１８０℃以上４５０℃未満、予熱・乾燥域（Ｃ）の温度（Ｔｃ）は３５℃以上１８０℃未満と考えられる。これら温度は、木質素材成分の中で最も低温で分解を始めるヘミセルロースの分解温度が約１８０〜２７０℃であり、木質素材成分の中で最も高温で分解を始めるリグニンの分解温度が約２３０〜４５０℃であることに基づいて決定されたものである。
【００２９】
本発明の製造方法においては、予熱・乾燥域（Ｃ）と空気遮断チップ充填域（Ｄ）の間の位置から熱分解ガスを回収した後に冷却して凝縮液として酢液を回収する。炭化炉（７２）の場合、第２筒状体（２）の外壁と第１筒状体（１）の内壁との間にはガス流路（５）が形成されているため、熱分解ガスは、予熱・乾燥域（Ｃ）と空気遮断チップ充填域（Ｄ）の間の位置から始まる環状のガス流路（５）を通し、熱分解ガス回収口（１５）から回収される。従って、本発明の製造方法によれば、熱分解ガスは、予熱・乾燥域（Ｃ）にて原料チップの乾燥に利用された後、炭化炉（７２）内の空間に無用に拡散されることがない。そのため、本発明の製造方法によれば、熱分解ガスの爆発の危険の可能性が著しく低いという利点が得られる。なお、火格子（１２）の下部から回収された炭材は、適宜の手段により、炭化炉（７２）から排出される。
【００３０】
本発明において、原料としては、広葉樹、針葉樹などの木材または竹材が使用される。これらの中では、製紙工業原料として取引されている木材チップが好適に使用される。斯かる木材チップの大きさ（短軸、長軸、厚さ）の分布は、短軸長平均値が１５〜２５ｍｍ、長軸長平均値が２５〜４０ｍｍ、厚さ平均値が３〜５ｍｍである。斯かる大きさの原料チップの場合、火格子（１２）の格子間隙（ｔ）（図２参照）は、１５〜２５ｍｍの範囲から選択するのが好ましい。その理由は次の通りである。
【００３１】
すなわち、本発明者の知見によれば、赤熱した炭材の落下直前の最終サイズが熱分解反応結果に大きく関係する。換言すれば、火格子の間隙を適切に設定することにより酢液の収率が高められる。火格子の格子間隙は使用する原料チップの大きさに依存するが、前記の範囲より小さい格子間隙の火格子を使用した場合は、赤熱木炭の落下までの時間が長くなり過ぎ（予熱・乾燥，炭化，燃焼のそれぞれの過程の時間が長くなり過ぎ）、逆に、前記の範囲より大きい格子間隙の火格子を使用した場合は、赤熱木炭の落下までの時間が短くなり過ぎ、何れの場合も適切な炭化条件から外れてしまう。
【００３２】
また、本発明において、炭化炉内における炭化速度は、チップの消費速度で表現すると、火格子１ｍ２当たり０．５〜４ｍ３／ｈの範囲とするのが好ましい。炭化速度が０．５ｍ３／ｈ未満の場合は生産性が悪く実用的ではなく、４ｍ３／ｈを超える場合は、原料チップ処理空間においてチップの降下速度が速くなりすぎるためと推定されるが、空洞が形成され易くなり、可燃ガスの爆発の危険の可能性が高くなる恐れがある。従って、上記の条件の採用により、安定かつ安全な運転を行なうことが出来る。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００３４】
実施例１
図３の工程説明図に示す方法に従って実施した。炭化炉および火格子としては、図１及び図２に示すものを使用した。これらの主要素の寸法関係は次の表に示す通りである。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
原料としては、広葉樹林（ナラ及びクヌギが約７５体積％で残余がクリ、サクラ等）の皆伐材丸太のチップを使用した。この原料チップのチップの大きさ（短軸、長軸、厚さ）の分布は、短軸長平均値が２２ｍｍ、長軸長平均値が２９ｍｍ、厚さ平均値が４ｍｍである。
【００３７】
ホッパー（７１）の下部から原料のチップをベルトコンベアで炭化炉（７２）に供給し、後述の方法によって炭化した。炭化炉（７２）の下部に付設された水冷ジャケットには、ポンプ（８１）によって給水タンク（７３）内の冷却水を供給した。熱分解ガスは、ブロワ（８２）の吸引により、熱分解ガス回収口（１５）から回収し、サイクロン（７４）、コンデンサー（７５）にて順次に処理した。そして、コンデンサー（７５）から排出される未凝縮熱分解ガスに同伴された気体以外の物質は回収器（７６）で回収し、残存ガスは消煙バーナー（７８）にて燃焼処理した。コンデンサー（７５）には、ポンプ（８１）によって給水タンク（７３）内の冷却水を供給した。そして、コンデンサー（７５）によって回収された凝縮液（酢液およびタール）及び回収器（７６）にて得られた液体は、沈降タンク（７７）にて貯留し、タールが除去された酢液をポンプ（８３）にて回収した。
【００３８】
炭化は次の様にして行なった。すなわち、炭化炉（７２）内に原料チップを実質連続的に供給し、火格子（１２）の下部から炭化炉内（７２）に空気を導入し、生成する炭材を火格子（１２）の下部から連続的に回収することにより炭化炉内に原料チップの移動層（６）（空気遮断チップ充填域（Ｄ））を形成した。そして、原料チップ処理空間（４）に、燃焼域（Ａ）、炭化域（Ｂ）、予熱・乾燥域（Ｃ）を形成した。空気導入量は、回収器（７６）と消煙バーナー（７８）との間の流路に設置したオリフィス（図示せず）で測定し、ブロワ（８２）への供給電源の周波数の変更により制御した。
【００３９】
６時間の連続運転を行なった結果、炭化炉の運転状況は順調であり、原料チップの消費速度は２．１ｍ３／ｈ、空気導入量は１３．２ｍ３／ｍｉｎであった。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、熱分解ガスの炭化炉内における拡散空間を可能な限り小さくすることにより、熱分解ガスの爆発の危険性が低減される様に改良された木酢液または竹酢液の製造方法、および、斯かる製造方法に好適に使用し得る炭化炉が提供され、本発明の工業的価値は顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭化炉の一例の使用状態での断面説明図
【図２】本発明の炭化炉に使用される火格子の一例の平面説明図
【図３】本発明の炭化炉を使用した木酢液または竹酢液の製造方法の一例の工程説明図
【符号の説明】
１：第１筒状体
１１：空気導入口
１２：火格子
２：第２筒状体
２１：原料チップ供給口
２２：レベルセンサー
３：水冷ジャケット
４：原料チップ処理空間
５：ガス流路
６：原料チップ移動層
１５：熱分解ガス回収口
Ａ：燃焼域
Ｂ：炭化域
Ｃ：予熱・乾燥域
Ｄ：空気遮断チップ充填域
７１：ホッパー
７２：炭化炉
７３：給水タンク
７４：サイクロン
７５：コンデンサー
７６：回収器
７７：沈降タンク
７８：消煙バーナー
８１：ポンプ
８２：ブロワ
８３：ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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