(57)【要約】【課題】  木材チップを燃料として利用するために脱水処理する燃料用木材チップの製造方法について、燃料として利用するに適した30〜40％の含水率の木材チップを得られるようにする。【解決手段】  本発明は、自由水を含む含水率５０％以上で、繊維直角方向を厚さとする扁平又は細長の木材チップを対象とし、相対する一対の一定面積を備えたプレス面が互いに等間隔のプレス機によって、該木材チップの繊維長軸方向を平行方向に配列して堆積したチップマットの厚さ方向からプレスで加圧脱水する工程を備え、該加圧工程が、ａ）チップマット内に存する空気を抜く第１工程と、ｂ）チップの厚さ方向に最大１５〜２５ＭＰａの圧縮圧力を加えて、細胞内腔に溜まった自由水を細胞外に排出させる第２工程と、ｃ）第２工程で３０秒以上保持して残存する自由水を排出し、木材チップの含水率を30〜40％とする第３工程とから成る。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由水を含む含水率５０％以上で、繊維直角方向を厚さとする扁平又は細長の木材チップを対象とし、相対する一対の一定面積を備えたプレス面が互いに等間隔をもって対面するプレス機によって、
該木材チップの繊維長軸方向をプレス面に対し平行方向に配列して堆積したチップマットの厚さ方向からプレスで加圧脱水する工程を備え、
該加圧工程が、
ａ）プレス面を降下させて、チップマット内に存する空気を抜く第１工程と、
ｂ）チップの厚さ方向に最大１５〜２５ＭＰａの圧縮圧力を加えて、細胞内腔に溜まった自由水を細胞外に排出させる第２工程と、
ｃ）第２工程での最大圧縮圧力を少なくとも３０秒以上保持して残存する自由水を排出し、木材チップの含水率を30〜40％とする第３工程とから成る、
ことを特徴とする燃料用木材チップの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の木材チップの形状が、繊維直角方向を厚さとする扁平又は細長のもので、寸法はふるいの目開き32mmを通過し、8mmに溜まるチップの重量割合が全チップ重量の80％以上で、8mmを通過するものおよび63mmを通過し32mmに溜まるものがそれぞれ10％未満で、かつ長さが4〜120mmのものであることを特徴とする燃料用木材チップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材チップを燃料として利用するために脱水処理する燃料用木材チップの製造方法に係る技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止を背景とした再生可能エネルギー利用の必然性が認識され、とくに形質が劣り林地に放置される林地残材や、木材加工工場から排出される背板、おが粉、樹皮などの工場残材等の、いわゆる未利用木質資源のエネルギー利用が注目されている。しかしこれら木質資源は一般に湿量含水率（以後、含水率と略す）が５０〜７０％と高く、そのままでは燃料として不適で、事前に燃料としてふさわしい含水率４０％以下にまで含水率を低下させる必要がある。
製材や合板等の木質材料製造では、古くから割れや狂いの発生を抑えた天然（天日）乾燥や加熱乾燥といったマイルドな乾燥技術が実用化されているが、付加価値の低い燃料製造には、より低コストで短時間に目標含水率まで乾燥できる処理技術を必要とする。しかしそのような手段は見いだされていない。
【０００３】
例えば燃料用の木質ペレットの製造方法として、木材の加工過程で生じる湿った木粉を圧縮して水分を搾出（脱水）すると同時に、ペレットを成型する技術が特許文献１に記載されている。
しかし、特許文献１に係る燃料用木材ペレットの製造方法の概要は、木粉に１００ＭＰａ以上の超高圧を作用して木材の細胞を一気に圧搾して脱水処理することを内容とし、超高圧を必要とすることから設備費用が大であると共に運転費用が嵩む等の問題点を抱えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１２７０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、木材中の水分のうち含水率が約２３％以上の水分は細胞内腔等の粗大な間隙に存在する液状の自由水であり、この自由水は木材を圧縮することによって容易に脱水できることに着目したもので、極端な高圧力を要することなく、比較的簡単な設備で且つ効率的に、燃料として利用可能な低含水率の木材チップを得ることのできる製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述の課題を解決するため、本発明に係る燃料用木材チップの製造方法は、特許請求の範囲の各請求項に記載の手段を採用する。
【０００７】
請求項１記載の燃料用木材チップの製造方法は、自由水を含む含水率５０％以上で、繊維直角方向を厚さとする扁平又は細長の木材チップを対象とし、相対する一対の一定面積を備えたプレス面が互いに等間隔をもって対面するプレス機によって、該木材チップの繊維長軸方向をプレス面に対し平行方向に配列して堆積したチップマットの厚さ方向からプレスで加圧脱水する工程を備え、該加圧工程が、ａ）プレス面を降下させて、チップマット内に存する空気を抜く第１工程と、ｂ）チップの厚さ方向に最大１５〜２５ＭＰａの圧縮圧力を加えて、細胞内腔に溜まった自由水を細胞外に排出させる第２工程と、ｃ）第２工程での最大圧縮圧力を少なくとも３０秒以上保持して残存する自由水を排出し、木材チップの含水率を30〜40％とする第３工程とから成ることを特徴とする。
請求項２記載の燃料用木材チップの製造方法は、請求項１記載の木材チップは、形状が繊維直角方向を厚さとする扁平又は細長のもので、寸法が、ふるいの目開き３２mmを通過し、８mmに溜まるチップの重量割合が全チップ重量の８０％以上で、８mmを通過するものおよび６３mmを通過し３２mmに溜まるものがそれぞれ１０％未満で、かつ長さが４〜１２０mmのものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料用木材チップの製造方法は、木材チップの繊維長軸方向をプレス面に対し平行方向に配列して堆積したチップマットを、その直角方向から相対する一対の一定面積を備えたプレス面が互いに等間隔をもって対面するプレス機で圧縮加圧すると、この圧縮力はチップの厚さ方向、すなわち中空紡錘形の木材繊維の直径方向に加わるため、比較的小さい力で細胞を押しつぶすことができ、細胞内腔等に存在する自由水を効果的に圧搾・脱水できる特徴を持つ。又、一回の加圧操作でチップマット全体を脱水処理することが可能となる。その加圧工程にあって、第１工程でチップマット内に存する空気を抜いた後、第２加圧工程では、チップの厚さ方向に最大１５〜２５ＭＰａに達するまでの圧縮力を加えて細胞を直径（繊維直角）方向に押しつぶし、細胞内腔中の自由水の膨圧によって、末端壁に多く分布する壁孔に作用して細胞を破裂して自由水を細胞外に排出する。更に、第３加圧工程では、最大圧力を保持して細胞内腔をほぼ圧密した状態を３０秒以上持続させて、残留する自由水の排出を促す。このような一連の圧縮脱水処理で、最終の第３工程を経た後には、当初５０％以上あった木材チップの含水率を燃料として充分使用可能な30％〜40％の範囲にまで低減させることができる。その実現にあたって、特別な高圧を要することなく、通常のプレス機が備える圧力で、極めて効率の良い木材チップの脱水が可能となる。
木材チップは、形状が繊維直角方向を厚さとする扁平又は細長のもので、寸法が、ふるいの目開き３２mmを通過し、８mmに溜まるチップの重量割合が全チップ重量の８０％以上で、８mmを通過するものおよび６３mmを通過し３２mmに溜まるものがそれぞれ１０％未満で、かつ長さが４〜１２０mmのものとすると、上記第２工程に基づく細胞破裂による細胞内腔からの自由水の搾出が有効に働く。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る燃料用木材チップを示す写真で、（Ａ）が切削チップ、（Ｂ）が破砕チップを示す。
【図２】本発明に係わる木材細胞組織の縦断面と圧縮力作用方向を示す模式図。
【図３】本発明に係る燃料用木材チップ製造方法における圧縮応力およびチップマット厚さとの関係を示すグラフ。
【図４】本発明に係わる各圧縮段階でのマット厚さの概略を示す模式図。
【図５】本発明に係わる各種最高圧縮応力での圧縮応力およびマット厚さの実測例を示すグラフで、（Ａ）が100ｋｇ／ｃｍ2、（Ｂ）が150ｋｇ／ｃｍ2の場合を示す。
【図６】同上グラフで、（Ｃ）が200ｋｇ／ｃｍ2、（Ｄ）が250ｋｇ／ｃｍ2の場合を示す。
【図７】圧縮処理後のチップ含水率に及ぼす最高圧縮応力の関係を示すグラフ。
【図８】圧縮処理後のチップ含水率に及ぼす最高応力保持時間の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下本発明燃料用木材チップの製造方法を実施するための形態を説明する。
上述の如く、木材加工工場からは大量の木材屑が排出され、又、森林からも林地残材などが多量に排出され、これらの有効な用途が求められている。これら低質材を燃料用として用いることができれば、有用な用途の一つとなり得るが、これら木材は生木が多く、そのままでは含水率が高いため燃料として不適とされてしまうことが少なくない。
【００１１】
そこで、本発明は、これら生木に近い状態の木材を対象とするが、具体的には、含水率５０％以上、望ましくは５５％以上の含水率を有するものを対象とする。
この含水率は、針葉樹においては心材よりも辺材の方が高いとされるが、スギやトドマツなどでは心材も辺材と同等に高いものもあり、本発明で対象とする木材は針葉樹および広葉樹のこれら心・辺材を含むものである。
これら含水率の高いものに、後述する本発明の加圧脱水工程は有効に働くからである。
【００１２】
本発明にあっては、上記木材チップの形状はその製造方法にかかわらず、繊維直角方向を厚さとする扁平又は細長のチップとし、例えば図１に示す如くの切削チップ又は破砕チップを用いる。繊維とは、針葉樹及び広葉樹にみられる主として仮道管、木繊維を指し、上記形状のものであればそのいずれを問わない。  後述するプレスとの関係にあって、扁平又は細長となった木材チップの厚さ方向に押圧することで有効な脱水作用が得られるからである。
上記木材チップの形状は、具体的には、例えば、寸法がふるいの目開き32mmを通過し、8mmに溜まるチップの重量割合が全チップ重量の80％以上で、8mmを通過するものおよび63mmを通過し32mmに溜まるものがそれぞれ10％未満で、かつ長さが4〜120mmのものを指す。
【００１３】
本発明で用いるプレス機とは、相対する一対の一定面積を備えたプレス面が互いに等間隔をもって対面するプレス機をいう。例えば、上下又は左右に２つ（一対）のプレス面を有し、その相対するプレス面がローラーの如く線状に向き合うのではなく、一定面積を備えた面として相対するものを指す。そのプレス面は、平坦面を主とするが、それに限らず、彎曲面、球面の一部、折面等であっても良く、但し、相対する面が互いに等間隔をもって相対することを要件とする。後述する如く、一対のプレス面の間に木材チップを挟んだとき、チップ全体をできるだけ均等な圧力で、且つ、繊維長軸方向に対し直角方向に加圧する為である。
【００１４】
そして、該木材チップの繊維長軸方向をプレス面に対し平行方向に配列して堆積したチップマットを形成する。ここでプレス面に対して平行方向とは、扁平又は細長の木材チップにあって、チップの傾きや繊維の絡み合い等によって、直線的平行が若干不揃いとなる場合も想定されるが、これらを含める意である。要するに、圧縮力をチップの長軸に対し、できるだけ繊維直角方向に作用させる関係を意味するものである（図２参照）。
【００１５】
次に、該チップマットに対し、その厚さ方向からプレスで圧縮加圧して脱水する加圧脱水工程を加えるが、その工程は、以下の第１工程〜第３工程から成る加圧脱水工程を構成するが、この工程の実施にあたって本発明は、木材の結合水と自由水を備えた細胞の構造に着目したものである。
即ち、木材中の水分は、細胞壁に含まれ木材実質と水素結合などの物理・化学的結合力で保持される結合水と、細胞内腔等の粗大な空隙に毛管力により保持される液状の自由水とが存在する。このうち加圧で容易に脱水されるのは自由水に限られるため、本発明では加圧脱水する対象を自由水とした。そして、この自由水は、壁孔（ピット）と呼ばれる小さな孔を通して隣接する細胞内腔間を移動できる。とくに繊維長軸方向に隣接する末端壁には多くの壁孔が分布し、繊維長軸方向への流動を容易にしている。他方、壁孔は強度的に弱点で、加圧による自由水の急激な膨圧発生に対して細胞破裂の起点ともなる。つまり、本発明は木材チップ内での細胞の配列と自由水の搾出に関係する細胞構造に着目したものである（図２参照）。
【００１６】
先ず、該加圧脱水工程にあっては、図３に示す如く加圧初期においてはマットに圧縮変形を与えても応力が発生しない領域がある。これが第１工程でチップマットの押圧によってチップ間隙に存在する空気が抜け、結果としてチップマットの密度を高めている。この第１工程は、加圧開始からチップマットの厚さが初期厚さの約６割に縮まるまで続く（図３と４参照）。この場合の圧縮変形速度は比較的速くすることが可能で、例えば５ｍｍ／ｓ〜２００ｍｍ／ｓに設定することができる。
【００１７】
第２工程は圧縮応力の発生で始まる。チップ自体に直接圧縮力が作用し細胞は直径方向に圧縮変形を始める。マットの厚さが初期厚さの３割強にまで縮んだ時点＝圧縮応力が木材の横圧縮破壊強度に相当する１ＭＰａ程度に達した時点で細胞は押しつぶされ、内腔に存在した自由水も圧迫されてその圧力で細胞を破裂し、自由水の搾出が始まる。さらに圧縮変形を加えるとチップおよび細胞の圧密化が一層促進され応力も急増し、それに伴って自由水の噴出も急激となる。第２工程では１５〜２５ＭＰａの圧縮最大応力に達した時点で押圧を停止する。その時のマットの厚さが初期厚さの約10％程度と極端に薄くなっている（図３及び４参照）。
第３工程は、第２工程でマットの押圧を停止した時点から始まり、一定時間最大応力を保持し解圧するまでの期間である。この状態ではチップ細胞はほぼ圧密化されており、マット内に残留した自由水の外部への排出を促す効果を期待する。最大応力の保持時間は原則的には搾出水の排出が終了するまでである。ただし水分の排出が完全に止むには相当の時間を要するため、応力保持時間は押圧停止から排水速度が少なくなった時点までとした。
以上の工程を通じて、最大圧締応力と保持時間を独立変数として得られた結果を表１に示す。この表１の試験に用いた木材チップの形状は、寸法がふるいの目開き32mmを通過し、8mmに溜まるチップの重量割合が全チップ重量の80％以上で、8mmを通過するものおよび63mmを通過し32mmに溜まるものがそれぞれ10％未満で、かつ長さが4〜120mmのものである。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
即ち、図３および４に示す如く、チップマットの厚さ方向に圧縮圧力を加えると、チップマットの厚さは低くなりやがて応力が発生する。さらに加圧を続けるとある時点で脱水が開始され、上記の如く、チップマットの周囲にザーと多量の水の流出が観察される。設定した最大応力に達したところで加圧を停止し、一定時間最大応力を保持した後に解圧し一連の圧縮脱水処理を終了する。
図５（Ａ）、（Ｂ）、図６（Ｃ）、（Ｄ）に最大設定応力を100ｋｇ／cm2（10ＭＰa）〜250ｋｇ／cm2（25ＭＰa）に設定して実測した圧縮応力とマット厚さの時間曲線を示す。図４の応力発生、脱水開始および最大応力の各時点でのマット厚さ割合は、この実測結果を基に割り出したものである。該試験においては変形速度が一定のプレス試験器を用いた関係で、変形速度は図３のものとは異なっている。
さらに最大設定応力と含水率の関係（図７および表１参照）からは、圧縮脱水処理前のチップ含水率はいずれも60〜70％の高率を示すが、処理後の含水率は最大設定応力が増すに従って約40％から約35％に減少しており、とくに最大応力15ＭＰa以上では60％を超える高含水率チップであっても目標の40％以下とすることが可能となることが確認された。
一方、25ＭＰaを超える最高圧力の採用は、含水率のより低いチップ製造に有効であるが、設定圧力を高くするとプレス装置の大型化が不可避で、それに伴うチップ品質のメリットと装置導入の初期投資やランニングコストの高騰によるリスクとの兼ね合いで決定すべきと判断した。  
【００２０】
この優れた脱水作用が惹起されるのは以下の如くに推察される。
先ず、上述の如く、木材中の水分には結合水と自由水とが存在し、自由水は壁孔（ピット）を通過して隣接細胞内腔間を移動できる。図２に示す如くとくに繊維長軸方向に隣接する末端壁には多くの壁孔が分布し、繊維長軸方向への流動を容易にしている。他方、壁孔は強度的に弱点で、加圧による自由水の急激な膨圧発生に対して細胞破裂の起点ともなる。そこで、木材チップの繊維長軸方向をプレス面に対し平行方向に配列して直角方向に加圧すると、細胞は直径方向に押しつぶされ、自由水も押されてその圧力によってついには強度的弱点である壁孔の破壊ひいては細胞破裂が引き起こされる。このような細胞破壊は10kg/cm2（1ＭＰa）程度の小さい圧力で発生し、圧力の増加により順次強度レベルの高い組織破壊に進展すると考えられる。因みに燃料用チップの品質は材料用木材と異なり組織破壊とは無関係であることを付言する。
【００２１】
とくに第２工程は、搾出された自由水が堆積チップ内から外部へと流出できることが肝心で、そのため流路確保を目的に、マット圧締速度を比較的ゆっくりすることが好ましい。少なくとも第１加圧工程より遅い速度で降下させるものとし、例えば、1〜１０mm/s程度の降下速度とするのが望ましい。
【００２２】
そして第３加圧工程では最大圧力状態を保持する（図３および５参照）。これは、上記第２加圧工程の終期では、細胞内腔に存在した自由水の大部分が排出されるだろうが、なお一定の割合で自由水が残存する可能性があり、それの排出を促すために行うものである。
このときの保持時間については図８に示す如くで、150ｋｇ／ｃｍ2（15ＭＰa）〜250ｋｇ／ｃｍ2（25ＭＰa）の圧力の場合20秒では不足で、少なくとも30秒以上が必要であることが分かる。ただし30秒以上にしても脱水後の含水率はほとんど低下しないことから、30秒が適切と判断した。  
斯くして、木材チップの含水率は40％以下とすることができ、燃料として使用するに適した含水率とすることが可能となる。
一方、脱水による到達含水率の最小値は30％とした。チップ燃料の含水率としては30〜40％にあれば品質的にも実用的にも十分であることによる。
【００２３】
上記第１加圧工程〜第３加圧工程の前後にあっては、プレス面が堆積物まで降下する前工程と、解圧後にプレス面を上昇する後工程が付加され、これら工程を加えて再度の加圧脱水工程を実施し、これらを繰り返すことで所定量の木材チップの圧縮脱水処理が完了する（図３参照）。
【００２４】
以上を総合すると、本発明は含水率５０％以上の木材に対し、繊維直角方向を厚さとする扁平又は細長のチップ形状とし、該チップの繊維長軸方向をプレス面に対し並行に配列して堆積させたチップマットに直角方向から面プレスで圧縮加圧することから、細胞内腔に存する自由水を細胞外へと排出する方向に有効に働く。又、一回の加圧操作で比較的多量のチップを脱水処理することができる。
その加圧工程にあって、第1工程では堆積された扁平チップの隙間に存する空気を排出し、互いを密接状態まで高密度化することができる。
その密接状態の後、内部に応力が発生する第２工程に至り、圧縮応力が１ＭＰａ程度の極めて小さい値から脱水が開始し、１５〜２５ＭＰａの最大設定応力の達するまで圧密化の進行により脱水は継続される。これはチップを構成する中空紡錘状の細胞の直径方向を縮める応力の作用によって、細胞内腔に存在する自由水に発生した膨圧が原因で細胞破壊が起こり、自由水が組織外にひいてはチップ外部に搾出されることとなる。
第３工程では、最大圧力を一定時間（３０秒以上）保持し、残存する自由水の排出を促すことを目的とする。
これらによって、上記含水率５０％以上の水を含む木材チップは30〜40％以下へと脱水され、当該木材チップが燃料として使用するに適した含水率まで低減させることができる。
これを具現させるにあたって、特別な高圧や大規模な装置を要することなく、通常のプレス機の圧力によって効率的で経済的な木材チップの脱水が実現されるものとなる。
【図７】
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【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８】
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