JP2005211777A - 植物原料の微粉砕方法及びその装置 - Google Patents

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勉 西出
Hiroyuki Tanaka
博幸 田中
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勝則 松岡
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Abstract

【課題】 植物原料を粒径1mm未満までに微粉砕する場合でも、製品粒径の安定性がすぐれており、製品を十分に乾燥させる。
【解決手段】 植物原料12の粉砕手段と熱ガス26の導入口22を具備し粉砕物28を熱ガスによって外部に搬送するようにした竪型ローラミル20と、この竪型ローラミル20から搬送された粉砕物28を熱ガスから分離するバグフィルタ32と、このバグフィルタ32で分離された粉砕物28を細粉42と粗粉44とに分級する分級機36と、この分級機36で分級された粗粉44を竪型ローラミル20に返送する粗粉返送手段と、分級機36で分級された細粉42を製品として回収する製品回収部とを具備している。
【選択図】 図1

Description

本発明は植物原料の微粉砕方法及びその装置に係り、竹材を粒径1mm未満に微粉砕する場合に特に好適な微粉砕方法及びその装置に関する。
木材などの植物原料を微粉化し建材などの工業用原材料として使用することが従来から行われている。植物原料はセルロースが主成分であるため、微粉化したものを家畜用の飼料にブレンドする場合もある。この種の微粉化した植物原料としては木材が主流であるが、近年、竹材が注目されている。竹は成長力が旺盛であり、供給が豊富に見込める。また、竹材はしなり易く折れにくく、セミセルロースやリグニンを多く含んでおり硬い。さらに、竹材は真比重が木材に比べて数割高く、組織が緻密である。このため、竹材を微粉化した場合にも上記竹材の性質がそのまま受継がれて工業用原材料として有用であるケースが多い。
反面、竹材を微粉化しようとすると、上記竹材の強靭な性質がマイナス面に作用する。植物原料の粉砕技術としてはハンマーミルやカッターミルが一般に採用されている。しかしながら、ハンマーミルの主な原理は衝撃粉砕であり、竹材のもつ弾性力が災いして効率のよい微粉砕が困難である。また、カッターミルの主な原理はせん断粉砕であり、引きちぎりの効果により微粉砕するので細長い粉砕物となり易い。このため、粒状の竹の微粉砕物を製造する場合には、カッターミルは適していない。さらに、カッターミルで竹材を微粉化すると、竹材に多く含まれている珪素成分が原因となって粉砕刃の磨耗が激しい。このため、粉砕刃の交換のために多大な手数と費用を要するという問題点がある。上述の問題点は竹材を微粉化する場合に顕著であるが、木材を微粉化する場合にもある程度、当て嵌まる。
このような背景において、本出願人は先に木質原料の粉砕技術を開発し、特許出願した。この粉砕技術は特許文献1として公開されている。特許文献1に記載された粉砕技術は、木質原料を2.83mmの篩で残さ率が10%以下となるように粉砕し、この粉砕物を木質燃料にすることを主眼としている。そして、粉砕機としては従来のハンマーミルやカッターミルに替えて2段分級式回転セパレータを内蔵した竪型ローラミルを採用している。竪型ローラミルは元来、鉱物原料の粉砕に適した粉砕機であると認識されていたが、特許文献1によって、竪型ローラミルが木質原料をミリレベルに粉砕する場合にも有効であることが判明したわけである。
特開2003−268394号公報
ところで、工業用原材料としての植物原料の微粉化物はその用途によっては、粒径がミリレベルでは不足し、1mm未満に微粒化したものが求められる場合がある。しかしながら、特許文献1に記載されたような竪型ローラミルを用いて植物原料、特に竹材を粒径1mm未満、例えば150μmレベルまでに微粉砕しようとすると下記の問題点が発生することが判明した。
すなわち、第1の問題点は150μmレベルまでに微粉砕すること自体が非常に困難であった。第2の問題点は微粉化物の粒径分布の幅が広く、製品として適さない場合がある。第3の問題点は、水分が3〜5%の低水分製品を製造することが難しく乾燥が不十分な場合がある。
本発明の目的は前記従来技術の問題点を改善し、植物原料を粒径1mm未満、例えば150μmレベルまでに微粉砕する場合でも、製品粒径の安定性がすぐれており、製品を十分に乾燥させることができる植物原料の微粉砕方法及びその装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明に係る植物原料の微粉砕方法は、植物原料を竪型ローラミルによって粉砕するとともに当該竪型ローラミル内に熱ガスを導入し、粉砕された粉砕物を前記熱ガスによって外部に搬送する第1工程と、この第1工程から搬送された前記粉砕物を前記熱ガスから分離する第2工程と、この第2工程で分離された前記粉砕物を細粉と粗粉とに分級する第3工程と、この第3工程で分級された粗粉を前記竪型ローラミルに返送して再粉砕させる第4工程と、前記第3工程で分級された細粉を製品として回収する第5工程とを含むことを特徴とする。本発明の方法は微粉砕の対象である植物原料が竹材である場合に特に有効である。また、上記第1工程及び/又は第3工程において粉砕物を80℃以上に加熱することが好ましい。
上記の目的を達成するために、本発明に係る植物原料の微粉砕装置は、植物原料の粉砕手段と熱ガスの導入口を具備し粉砕物を前記熱ガスによって外部に搬送するようにした竪型ローラミルと、この竪型ローラミルから搬送された前記粉砕物を前記熱ガスから分離する分離手段と、この分離手段で分離された前記粉砕物を細粉と粗粉とに分級する分級機と、この分級機で分級された粗粉を前記竪型ローラミルに返送する粗粉返送手段と、前記分級機で分級された細粉を製品として回収する製品回収部とを具備したことを特徴とする。
上記の装置においては、前記分離手段と分級機との間に分離手段で分離された前記粉砕物を微粉砕する2次粉砕機を配設し、この2次粉砕機で得られた粉砕物を前記分級機に供給するようにした構造も含まれる。
また、前記分級機は熱ガスの導入口と回転式セパレータとを具備しており、熱ガスと共に搬送した前記粉砕物を前記回転式セパレータによって分級する構造とされ、分級した細粉を熱ガスと共に前記製品回収部に搬送するようにしたことが望ましい。さらに、前記分級機は前記回転式セパレータの回転数を変化させることによって、製品として回収する細粉の粒径分布を調整可能とされたことが望ましい。
本発明の植物原料の微粉砕方法及び装置によれば、粉砕機として竪型ローラミルを用いたので、竹材のように硬い植物原料であっても圧縮粉砕とせん断粉砕の組み合わせ作用によって粉砕が効果的に進行する。このため、竪型ローラミルの外部に取り出す粉砕物は製品として利用可能な細粉を数割のレベルで含んだ質の高いものとすることができる。さらに、熱ガスから分離した粉砕物を細粉と粗粉とに分級し、分級した粗粉を竪型ローラミルに返送して再粉砕させるとともに、細粉を製品として回収するようにした。このため、粒径が安定した製品を得ることができる。また、竪型ローラミル20に熱ガスを導入し、この熱ガスによって粉砕物を搬送する場合には、製品としての細粉を十分に乾燥させることができる。植物原料は80℃以上に加熱すると弾性が低下し、脆くなり粉砕性が向上する。また、粉砕によって表面積を増やす過程において80℃以上に加熱すると植物原料中の微生物が死滅し、処理後の腐敗や色相変化を抑制することができる。したがって、経年変化が少ないことが要求される工業用原材料としての品質が向上する。
図1は本発明に係る植物原料の微粉砕方法及び装置の第1実施形態を示す系統図である。
原料供給タンク10には微粉砕の対象である植物原料12が供給される。また、原料供給タンク10には後述する粗粉44と粗大チップ16も投入される。原料供給タンク10内で混合したこれらの材料は原料18として原料供給機14により竪型ローラミル20に供給される。竪型ローラミル20は原料18の粉砕手段と熱ガスの導入口22を具備しており、熱ガスの導入口22からは熱ガス発生炉24で発生させた約100℃の熱ガス26が導入される。竪型ローラミル20内では原料18が内蔵した粉砕手段によって粉砕され、粉砕物28は熱ガス26によって竪型ローラミル20の外部に搬送される。なお、竪型ローラミル20の内部構造については別途、図2に基づいて後述する。
竪型ローラミル20での粉砕過程で発生した未粉砕状態の粗大チップ16は竪型ローラミル20の下部から排出され、垂直コンベア30に投入される。垂直コンベア30では粗大チップ16を上方に運搬し、前記した原料供給タンク10に粗大チップ16を返送する。
粉砕物28は熱ガスとともに分離手段であるバグフィルタ32に搬送され、このバグフィルタ32によって粉砕物28は熱ガスと分離される。竪型ローラミル20から搬送された粉砕物28がバグフィルタ32で分離されるまでの過程で粉砕物28が熱ガスとの接触により乾燥される。バグフィルタ32で分離された熱ガスは排気ファン34によって大気に放出される。なお、排気ファン34による吸引力が前記した熱ガス発生炉24から竪型ローラミル20、バグフィルタ32へ至る熱ガス26の搬送駆動力として作用する。
バグフィルタ32によって熱ガスと分離された粉砕物28はバグフィルタ32の底部から抜き出され、分級機36に送られる。分級機36は熱ガス38の導入口と回転式セパレータ40とを具備している。粉砕物28と約100℃の熱ガス38が分級機36内に供給され、回転式セパレータ40を通過する際に、粉砕物28が細粉42と粗粉44とに分級される。回転式セパレータ40は慣性衝突の原理を利用した風力分級機構であり、重量が大きい粗粉44が回転式セパレータ40の衝突板(図示せず)に衝突して下方のシュート46内に落下した後、分級機36の外に配置された粗粉ビン48に投入される。一方、重量が小さい細粉42は回転式セパレータ40を熱ガスとともにすり抜けてバグフィルタ50に搬送される。このバグフィルタ50によって細粉42は熱ガスと分離される。粉砕物28が分級機36で熱ガスと混合し、バグフィルタ50で熱ガスと分離されるまでの過程で細粉42が熱ガスとの接触により再度乾燥する。このため、製品として回収される細粉42は十分に乾燥し、製品の水分を所望値以下に容易に管理することができる。バグフィルタ50で分離された熱ガスは排気ファン52によって大気に放出される。排気ファン52による吸引力が熱ガス発生炉24から分級機36、バグフィルタ50へ至る熱ガス38の搬送駆動力として作用する。
分級機36の回転式セパレータ40は回転数を変化させることが可能とされる。回転式セパレータ40の回転数を上げると粉砕物28と衝突板との衝突が激しくなる。したがって、粉砕物28が同一組成であっても分級される粗粉44としての発生量が増加し、細粉42の発生量が減少する。そして製品として回収される細粉42の粒径が相対的に小さくなる。逆に、回転式セパレータ40の回転数を下げると粉砕物28と衝突板との衝突が少なくなり、分級される粗粉44の発生量が減少し、細粉42の発生量が増加する。そして製品として回収される細粉42の粒径が相対的に大きくなる。したがって、回転式セパレータ40の回転数を変化させることによって、製品として回収する細粉42の粒径を任意の所望値に調整することができる。
バグフィルタ50によって熱ガスと分離された細粉42はバグフィルタ50の底部から抜き出され、粒径が調整された製品として製品タンク54に回収される。なお、バグフィルタ50から製品タンク54への細粉42の搬送は、例えば図示したブロア56による気力搬送が採用されるが、気力搬送に替えて機械的なコンベアを用いてもよい。
前記粗粉ビン48に投入された粗粉44はブロア58による気力搬送によって原料供給タンク10に返送される。この粗粉44についても気力搬送に替えて機械的なコンベアを用いることもある。なお、粗粉44がそのまま工業用原材料として利用価値が高い場合がある。このような場合には必要に応じて粗粉44の一部または全量を原料供給タンク10に返送せず、粗粉出荷設備60に送るようにしてもよい。
図2は竪型ローラミル20の内部構造を示す断面図である。ケーシング100の下部には回転テーブル102が配置され、この回転テーブル102は駆動部104によって回転する。回転テーブル102の上面には複数個の粉砕ローラ106が回転テーブル102上の原料を強く押圧しながら回転テーブル102の回転にあわせて従属回転する。ケーシング100の上部には原料投入パイプ108が配設され、この原料投入パイプ108はモータ110と係合し、ケーシング100に対して回転自在に支持されている。ケーシング100の上部には漏斗状のシュート112を備えた分級部とされ、このシュート112内に原料投入パイプ108の下端が開口している。シュート112の上部円周上には複数枚の固定ガイドベーン114が所定の間隔をあけて固定配置されている。また、固定ガイドベーン114の内側にはリング状に複数枚の回転ベーン116が所定の間隔をあけて配置されている。これらの回転ベーン116は原料投入パイプ108の外周に設けた支持部材118に支持され、原料投入パイプ108を一体化して回転する。回転ベーン116上方のケーシング100の頂部には粉砕物28の排出口120が開口している。また、ケーシング100の下部には熱ガス26の導入口22と粗大チップ16の排出口122が開口している。
上記構成の竪型ローラミル20において、原料18が原料投入パイプ108から回転テーブル102の中央山部126に供給される。次いで原料は中央山部126の傾斜面に沿って回転テーブル102の谷部に移動する。前記したように回転テーブル102が回転しており、この回転テーブル102の回転にあわせて粉砕ローラ106が回転テーブル102上の原料を強く押圧しながら従属回転する。このため、原料は粉砕ローラ106と回転テーブル102との間に挟まれて、圧縮粉砕とせん断粉砕を受ける。特に竹材のように硬い植物原料は圧縮粉砕が効果的に進行する。原料はこのような粉砕を受けつつ次第に微細化し、徐々に回転テーブル102の外周側に押し出される。
粉砕が行われている間は、熱ガス26が導入口22から常時供給される。この熱ガスは矢印Aのように回転テーブル102の外周とケーシング100の隙間を縫って乱流状態で回転テーブル102の上方側に流入する。熱ガスが回転テーブル102の外周部を通り抜ける時に、上記回転テーブル102の外周側に押し出された粉砕物が熱ガスの気流によって巻き上げられ、熱ガスに同伴する。ただし、回転テーブル102の外周側に押し出された粉砕物の中には未粉砕状態の粗大チップが時折、混入する場合がある。このような粗大チップは重量が大きいので熱ガスの気流に抗して回転テーブル102の外周とケーシング100の隙間から下方に落下する。したがって、この種の粗大チップは排出口122から粗大チップ16として排出し、図1に示したように垂直コンベア30によって原料供給タンク10に返送して再度、竪型ローラミル20で粉砕する。
一方、熱ガスに同伴した粉砕物は熱ガスによって乾燥を受けつつ、ケーシング100上部の分級部に至る。すなわち、矢印Bのように固定ガイドベーン114と回転ベーン116のそれぞれの隙間を縫って通り抜けようとする。この際、粉砕物はまず固定ガイドベーン114の隙間を縫って通り抜けようとするが、ここでガス速度は一旦落とされるため比較的重量の大きい粉砕物、即ち粗粉は失速しガス流れから分離されシュート112に落下する。更にここを通過した粒子も回転ベーン116による遠心力を受け、固定ガイドベーン114を通過した粒子の中でも比較的重量の大きい粉砕物は固定ガイドベーン114に取り込まれ、シュート112に落下する。シュート112に落下した粉砕物は原料投入パイプ108から投入された原料とともにシュート112の下端124から回転テーブル102の中央山部126に供給され、再度粉砕を受ける。比較的重量の小さい粉砕物は熱ガスとともに分級部をそのまま通過し、粉砕物28として排出口120から外部に排出される。この粉砕物28は上記のように比較的重量の小さい粉砕物の集合体であり、製品として利用可能な細粉を数割のレベルで含んでいるが、製品として不適格な粒径の大きい粗粉をも相当量含んでいる。したがって、図1に関して説明したように、バグフィルタ32で熱ガスから粉砕物28を分離した後、分級機36によって細粉と粗粉とに分級する。
上述のとおり、本実施形態の植物原料の微粉砕方法及び装置では、植物原料12を竪型ローラミル20によって粉砕するとともに竪型ローラミル20に熱ガス26を導入し、粉砕された粉砕物28を熱ガスによって外部に搬送する第1工程と、この第1工程から搬送された粉砕物28を前記熱ガスからバグフィルタ32によって分離する第2工程と、この第2工程で分離された粉砕物28を分級機36によって細粉42と粗粉44とに分級する第3工程と、この第3工程で分級された粗粉44を竪型ローラミル20に返送して再粉砕させる第4工程と、前記第3工程で分級された細粉42を製品として製品タンク54に回収する第5工程とを含むように構成した。すなわち、粉砕機として竪型ローラミル20を用いたので、竹材のように硬い植物原料であっても圧縮粉砕とせん断粉砕の組み合わせ作用によって粉砕が効果的に進行する。また、上部の位置に分級部を備えた竪型ローラミル20を用いた。このため、比較的重量の大きい粉砕物はミル内部で繰り返し粉砕を受けることになり、竪型ローラミル20の外部に取り出す粉砕物28は製品として利用可能な細粉を数割のレベルで含んだ質の高いものとすることができる。さらに、熱ガスから分離した粉砕物28を分級機36によって細粉42と粗粉44とに分級し、分級した粗粉44を竪型ローラミル20に返送して再粉砕させるとともに、細粉42を製品として回収するようにした。このため、粒径が安定した製品を得ることができる。また、竪型ローラミル20内部に100℃程度の熱ガス26を導入し、この熱ガスによって粉砕物28を搬送するようにした。さらに、分級機36にも100℃程度の熱ガス38を導入し、この熱ガスによって分級した細粉42を搬送するようにした。このため、製品としての細粉42は2段階で繰り返し熱ガスによる乾燥を受けることになり、製品を十分に乾燥させることができる。なお、粉砕対象物である植物原料の水分が初期の段階で少なく乾燥を左程必要としない場合は、分級機36に供給するガスとして常温の空気を用いてもよい。
図3は本発明に係る植物原料の微粉砕方法及び装置の第2実施形態を示す要部系統図である。本実施形態は上記第1実施形態のバグフィルタ32と分級機36との間に2次粉砕機70を配設した点で第1実施形態と相違しており、その他の構成は第1実施形態と同様とする。したがって、図3では第1実施形態と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。この第2実施形態ではバグフィルタ32で分離された粉砕物28を2次粉砕機70によって微粉砕し、その粉砕物72を分級機36に供給して、細粉42とに分級する。その結果、製品として回収する細粉42の量が相対的に増加し、竪型ローラミル20に返送する粗粉44の量が相対的に減少する。このため、竪型ローラミル20の負荷が低減し、効率のよい植物原料の微粉砕を可能にする。2次粉砕機70としては例えば粉砕物同士を気相中で激しく衝突させ、その衝撃力で微粉砕を促進させる型式のジェットミルなどがある。
本発明は再三、説明しているように竹材を粒径1mm未満、例えば150μmレベルまでに微粉砕する場合に特に有効である。しかしながら、本発明に係る植物原料としては竹材以外の杉材や檜材などの木材にも適用することができる。また、椰子殻やケナフなどのような硬質の植物原料に対しても有効である。
竹材の粉砕実験を行った。粒径50mm程度に予備破砕した竹材を原料として、前記第1実施形態に示した本発明方法で微粉砕した。また、比較のために同一の原料を用いて、特許文献1に記載された従来方法で微粉砕した。すなわち、本発明方法は竪型ローラミルと分級機を組み合わせた微粉砕方法であり、従来方法は竪型ローラミル単独の微粉砕方法である。竪型ローラミルの運転は両者とも、得られる微粉の粒径が1mm以下となるように同一の条件でおこなった。図4に得られた微粉の粒径分布を示す。同図から明らかように、本発明方法によって得られた微粉は篩目開き100μmにおける篩通過分が95%であり、粒径30〜200μmの狭い範囲内に全量が入った高品位の粒径分布を示している。一方、従来方法によって得られた微粉は100μmにおける篩通過分が5%に過ぎず、篩目開き1mm(100μm)における篩通過分が95%であり、幅広い粒径分布を示している。
本発明に係る植物原料の微粉砕方法及び装置の第1実施形態を示す系統図である。 竪型ローラミル20の内部構造を示す断面図である。 本発明に係る植物原料の微粉砕方法及び装置の第2実施形態を示す系統図である。 実験によって得られた微粉の粒径分布を示すグラフである。
符号の説明
10………原料供給タンク、12………植物原料、14………原料供給機、16………粗大チップ、18………原料、20………竪型ローラミル、22………(熱ガスの)導入口、24………熱ガス発生炉、26………熱ガス、28………粉砕物、30………垂直コンベア、32………バグフィルタ、34………排気ファン、36………分級機、38………熱ガス、40………回転式セパレータ、42………細粉、44………粗粉、48………粗粉ビン、50………バグフィルタ、52………排気ファン、54………製品タンク、56,58………ブロア、60………粗粉出荷設備、70………二次粉砕機、72………粉砕物、100………ケーシング、102………回転テーブル、106………粉砕ロ−ラ、112………シュート、114………固定ガイドベーン、116………回転ベーン、120………(粉砕物の)排出口、122………(粗大チップの)排出口。

Claims (7)

  1. 植物原料を竪型ローラミルによって粉砕するとともに当該竪型ローラミル内に熱ガスを導入し、粉砕された粉砕物を前記熱ガスによって外部に搬送する第1工程と、この第1工程から搬送された前記粉砕物を前記熱ガスから分離する第2工程と、この第2工程で分離された前記粉砕物を細粉と粗粉とに分級する第3工程と、この第3工程で分級された粗粉を前記竪型ローラミルに返送して再粉砕させる第4工程と、前記第3工程で分級された細粉を製品として回収する第5工程とを含むことを特徴とする植物原料の微粉砕方法。
  2. 前記植物原料が竹材であることを特徴とする請求項1に記載の植物原料の微粉砕方法。
  3. 前記第1工程及び/又は第3工程において、前記粉砕物を80℃以上に加熱することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の植物原料の微粉砕方法。
  4. 植物原料の粉砕手段と熱ガスの導入口を具備し粉砕物を前記熱ガスによって外部に搬送するようにした竪型ローラミルと、この竪型ローラミルから搬送された前記粉砕物を前記熱ガスから分離する分離手段と、この分離手段で分離された前記粉砕物を細粉と粗粉とに分級する分級機と、この分級機で分級された粗粉を前記竪型ローラミルに返送する粗粉返送手段と、前記分級機で分級された細粉を製品として回収する製品回収部とを具備したことを特徴とする植物原料の微粉砕装置。
  5. 前記分離手段と分級機との間に分離手段で分離された前記粉砕物を微粉砕する2次粉砕機を配設し、この2次粉砕機で得られた粉砕物を前記分級機に供給するようにしたことを特徴とする請求項4に記載の植物原料の微粉砕装置。
  6. 前記分級機は熱ガスの導入口と回転式セパレータとを具備しており、熱ガスと共に搬送した前記粉砕物を前記回転式セパレータによって分級する構造とされ、分級した細粉を熱ガスと共に前記製品回収部に搬送するようにしたことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の植物原料の微粉砕装置。
  7. 前記分級機は前記回転式セパレータの回転数を変化させることによって、製品として回収する細粉の粒径分布を調整可能とされたことを特徴とする請求項6に記載の植物原料の微粉砕装置。

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