西川材の革新：ペレ炭を通じての水と環境問題への挑戦"

大河原木材木材㈱代表取締役 大河原 章吉

水と西川材埼玉県の南西部、入間川・高麗川・越辺川（2市2町）の流域を「西川林業地」約2万haと呼んでいる。
この付近には「西川」という地名はありませんが、江戸時代、この地方から木材を筏により江戸へ流送していたので、「江戸の西の方の川から来る材」という意
味から、この地方の材を「西川材」、また、その生産地であるこの地方が「西川地方（西川林業地）」と呼ばれるようなった。

首都圏に一番近い林業地

森林面積12万ha

飯能市の森林蓄積量と木材生産量(平28年度)

森林面積：14,562ha(市内総面積の75％)
森林蓄積量：5,460,000㎥(スギ、ヒノキ80％)

年間成長量：38,297㎥

市内の素材生産量：6,199㎥(平27年度)

SDGs（持続可能な開発目標）年間原木生産量＝約4万㎥は可能

水分による木材への影響

木材乾燥の必要性①

使用場所に応じた含水率に変化する過程で生じる収縮、変形を防止する②

変色菌や腐朽菌や昆虫による被害を防止する③

重量を下げる④ 強度性能を上げる⑤

防腐薬剤や不燃薬剤などの注入性を上げる⑥ 電気抵抗や断熱性を上げる⑦

接着性能を上げる

樹皮(スギ、ヒノキ)ペレット生産の背景(埼玉県飯能市)
埼玉県飯能市における樹皮(スギ、ヒノキ)ペレットの製造は、平成14年に実施された県内の木材・木材等の焼却処理規制の対策（環境省・ダイオキシン類対策特別措置法施行）として近隣市町村を含め市内業者を中心に約40社が集まり(協)西川地域木質資源活用センターを設立(平成15年)して始まった。当時、各製材所から排出される樹皮(スギ、ヒノキ)の量は埼玉県農林部調査(平成14年)によれば4200㎥/年と報告されている。

集荷されたスギ、ヒノキ樹皮

木質ペレットとは？

木質ペレットは、乾燥した木材を細粉し、圧力をかけて直径6～８mm、長さ５～４０mmの円筒形に圧縮成形した木質燃料

国産製材工場から排出される樹皮（スギ・ヒノキ）の利用

図1－3

樹皮の利用割合

樹皮ペレット成形のプロセス
一次粉砕機
樹皮一次粉砕(粉砕機)
乾燥機
含水率８％

乾燥調湿(乾燥機)
二次粉砕機(粉砕機)

加水（含水率）13％

固形化(成形機)

二次粉砕機

(冷却
クーラー

冷却(クーラー))貯蔵(サイロ)

成形機◆リグニンの軟化説◆木材の成分間に形成される水素結合

出荷(梱包)

サイロペレット成型時のダイの温度は、通常80～ 120℃
図1－19 粉砕されたスギ、ヒノキ樹皮の拡大図

図1－24 ペレット成形の構造機構

樹皮ペレットと炭化樹皮ペレットの構造

図1－25

ペレット拡大(×25)

アクリル樹脂内の炭化
樹皮ペレット

図1－27 ペレットの側断面(×25)

炭化温度650～700℃

出所：自然エネルギー世界白書2022◆2015 年から 2020 年の間に、世界の木質ペレットの年間生産量は 2,800 万トンから 4,100 万トン（0.51 EJ から 0.78 EJ） に増加

樹皮ペレット工場２？

資料：林業白書

樹皮ペレットの生産量（飯能市）

埼玉県飯能市の平成24年度における樹皮ペレットの生産量は、600～700tであり500tが販売、200tが木材乾燥機用の自家消費となっている

樹皮ペレットの利用状況

スギ、ヒノキの樹皮ペレットの燃焼による特性と課題

石油の約40％◆◆発熱量は、木部＞ 全木 ＞ 樹皮であり、灰分の量は樹皮 ＞ 全木 ＞ 木部
ペレットの発熱量は、３,８００～４,３００kcal、１MJ＝約２４０kcalとすると17MJ◆高温燃焼時におけるクリンカー(熔融固化)の出現が燃焼障害を起こす

表

スギ、ヒノキの樹皮ペレット製造原価例（2010年度）

労務費（賃金）
経費
減価償却費
修繕費
電力費
消耗品費
当期製品製造原価
当期樹皮受入量
差引5,819,126
6,106,457
3,046,764
6,273,235
394,770
1,009コンテナ×4,000円

15,821,226
21,640,3524,036,000
17,604,352

製造原価（17,604,352円）／当期樹皮ペレット生産量（563.300㎏）
灯油価格110円/🅻の発熱量の約40％が木質ペレットとすると40円 /kg
販売単価35～40円/㎏
組合員の脱会増

慢性的な採算割れ= 31円／kg

課題解決の手法

課題原因の解明と新たな利用法を目指すため、熱分解により樹皮ペレットを単純化することによって炭化物の内部構成を明確にして、①各種の燃焼実験からその特性を検討した。

また、炭の吸着作用に注目し、炭化の際に抽出した木酢液を再度、②炭化樹皮ペレットに保持させてその吸着力を確認するためにアンモニアを選択して新たな活用を目指した。

目視により木部ペレットと樹皮ペレットの燃焼観察(ア)：木部ペレット(イ)：樹皮ペレット

スギ、ヒノキの樹皮ペレットと他の木質ペレットの違い
灰分量

木質ペレット(ホワイト)0.2～0.6％

2.5～4.5％

全木ペレットスギ、ヒノキの樹皮ペレット

4.7～7.6％※ スギ、ヒノキの樹皮ペレットは無機成分が多い

炭化樹皮ペレット製造工程
樹皮ペレットホッパー

炭化炉

炭化温度約700℃

ペレ炭

スギ、ヒノキ炭化樹皮ペレットの特性
650℃炭化による収率(無酸素)窒素ガス

焼成温度 重量(前) (後)樹皮 ①650℃

収率(%)

233.68ｇ 82.91ｇ 35.48②1,000℃ 241.08g 67.38ｇ 27.94
ホワイト ①650℃

灰分中の主要元素の含有量(%)

化学成分 Ca K Na Mg Si Al Fe
単位[％(m/m)] 23.00 3.60 0.69 1.40 10.00 2.80 2.20

268.38g 67.86g 25.28②1,000℃ 271.18ｇ 60.79g 22.41
資料：埼玉県産業技術センター

無機成分(アルカリ金属)が多い（木部の3倍）
炭化温度による炭のpH

１7
酸性14アルカリ性１．燃焼機器による各量のスギ、ヒノキの樹皮炭化ペレット燃焼試験による温度測定

スギ、ヒノキ炭化樹皮ペレットの温度推移

熱電対による温度測定位置①試料200ｇ②着火(20秒)③温度測定開始④測定終了時の順
燃焼開始から燃焼の全面拡大時の180℃から300℃前後で長時間安定した燃焼となり、30~40分間継続して50℃に降下するまでは1時間を要する

No123456

試料重量(g) 灰残渣率(％) 気温(℃) 湿度(％)
20010.8
30.8
61
200
10.2
19.9
79
200
11.0
19.9
72
200
10.2
29.2
70
200
10.3
21.6
76
200
10.6
21.3
73

ヒノキとスギの炭化ペレットの灰分残渣量

２．異なる燃焼器の作製による燃焼試験

燃焼網内の試験体

アルミニュウムパネル内の燃焼器A燃焼器Aの燃焼条件
試験体No

試料重量(g)

室温(℃)

湿度(％)

気圧(hPa)1100.422291013

2100.223291020

3100.12329.51020

4100.218281022

5100.422281018

6100.222291018

焼器A-No1の温度分布
燃焼器A-No1の撮影

平成17年特許取得

0h
15min
30min
45min
1h75min
90min
105min2h135min150min165min3h195min
210min225min4h255min
270min285min5h315min３．円筒形金網燃焼試験

p炭500ｇ

円筒形金網（0.47mm×10メッシュ）
450
400
350
300
250
200
150
100500燃焼温度推移5.25ｈ◆新しい再生可能エネルギー
スギ、ヒノキ樹皮が持つ特性を生かした新開発の炭化ペレット※燃焼特性
燃焼温度を低く抑え、着火が早く、着火後燃焼面全域に均に広がり、安定した温度を維持しながら燃焼が継続される燃焼【平成27年．特許取得】
木炭と燃焼比較：着火が早い（バーナー着火で数十秒）：平面薄層による燃焼が可能：後始末が簡単
木炭

消し炭が残る炭化樹皮ペレット

灰のみが残る小型燃焼器のスギ、ヒノキ炭化樹皮ペレット（100g）燃焼試験データ【令和元年 10 月】

岩塩プレート125 ㎜

燃焼温度測定

600
500

400℃

300

300℃

200
100

1:43

1:48

1:33

1:38

1:23

1:28

1:13

1:18

1:03

1:08

0:53

0:58

0:43

0:48

0:33

0:38

0:23

0:28

0:13

0:18

0:03

00:08

℃

400min

空気口開放時空気口調整時

燃焼後の灰分木炭と炭化樹皮ペレットのCO発生量の比較
CO濃度は、CO濃度計（Lascar社製、EL-USB-CO）を使用して経時的に測定した 試験体を敷き詰めた燃焼網は、燃焼箱内の中央部に高さ150mmの台に設置してCO濃度および温度の記録を開始とした ただし、木炭の着火は炎が全体に行き渡るのに時間が掛るため2分間を要した 温度計は燃焼網の10mm上部から、CO濃度計センサーは、長さ2.3mの煙突の排気口上部から約100mm挿入して測定した。CO濃度計センサーを火元からおよそ2.3m離した理由は、燃焼温度が50℃以上に上昇すると正常に作動しないため、火元から十分離れた上記の位置に設置した

CO測定機

透明アクリル板

箱型測定装置

CO発生量の比較
多孔質のペレ炭は1粒の完全燃焼到達時間が短いためCOの発生が少ないのではないかペレ炭の考えられる燃焼特性と用途

特性
１．薄層平面燃焼２．安定的で継続的な温度帯
３．着火が早い
４．CO発生量が少ない（安全性）
５．国内最小炭
６．燃焼灰の利用可

用途
１．BBQ用

２．卓上用
３．吸着材
３．災害対策用
４．暖房用

②炭化樹皮(スギ、ヒノキ)ペレットの特性とその応用
Pｈ緩衝性炭化樹皮ペレットの脱臭効果

活性炭

針葉樹中温炭１ｇの表面積は２５０～３００平方メートル、

木炭・竹炭

ペレ炭の表面積290㎡

活性炭の表面積1000～2000㎡／ｇ

表面積＝㎡
比表面積＝㎡／ｇ・㎡／㎤
比表面積＝表面積／質量 or 体積

2.1 吸着実験①通常アンモニアガスは単体ではアルカリ性を示さないが、水分が関わると、NH3+H2O=NH4OH―NH4＋＋OH－と解離してアルカリ性を示す。この弱アルカリ性を持つアンモニア10％水溶液を使用して次の方法で吸着実験を試みた。実験の試験体であるスギ、ヒノキの炭化樹皮
ペレットには、アルカリ金属成分(Ca,K.,Na,Mg…)が酸化物として存在し、水分を介してアルカリ性環境を作る。そのため本実験では、炭化樹皮ペレットを担体として使用し、木酢液（酸性）に浸漬して吸着保持させることにした。このスギ、ヒノキの炭化樹皮ペレットは、木酢液を吸着させると含有する強アルカリ成分と中和反応して酢酸塩を形成すると考えられる。この酢酸塩は中和しても弱アルカリ性環境を維持する。
そのため、このアルカリ性環境を維持したスギ、ヒノキの炭化樹皮ペレットは、木酢液の主成分である酢酸(弱酸性)を多量に保持する機能が付加されれば、NH3に対応して吸着力を増大させられるではないかと考えた。この考えに基づいて木酢液中の酢酸保持は、実験により明らかした後、アンモニア吸着の可能性を検討した。

②Ph緩衝性炭化樹皮ペレットの作成による脱臭効果の意図

Ｎ系（窒素）S系（硫黄）

表１
検体使用料
試験対象ガス(初期ガス濃度)吸着試験条件検 体：５ｇ
対照品：５ｇ
アンモニア(約500ppm)
メチルメルカプタン(約8.0ppm)

温度条件

アンモニア：20～23℃
メチルメルカプタン：21～22℃

測定時間

10、30分並びに1、3、6時間(ただし、測定値が定量下限未満になった時点で終了)

2.2 結果

一般財団法人 日本食品分析センター

2.3考察
アンモニアはガス状態であれば吸着しやすい
これに対して活性炭の表面は、非極性であるため、アンモニュームイオンが溶けた水を活性炭にあまり吸収せず通過する3．まとめ