JP2006315316A - 木質廃棄物細片の成形方法およびこの方法で成形された固形燃料又は成形炭 - Google Patents

Abstract

【課題】 故紙、段ボール等のリグニンをほとんど含まない木質廃棄物原料の細片を、バインダー無しで加圧成形する手段を提供する。
【解決手段】 必要に応じて粒度調製された該原料の含有水分量を調節する工程と、次いでこの原料を所定の温度に加熱して加圧成形する工程を具備する木質廃棄物細片の成形方法。また、水分量調節工程において、原料の含水量を乾燥状態の該原料に対する重量比で５〜１０％とする。さらに、加圧成形工程において、被成形物の温度を５０〜２００℃、成形時の加圧力を１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ²とし、加圧時間を１０〜６０分とする。

Description

本発明は、木質廃棄物細片の成形方法に関し、とくに故紙、段ボール等のリグニンをほとんど含有しない木質廃棄物原料の細片を資源として利用する際に、その細片を所定形状に成形し、必要な強度を付与するための木質廃棄物細片の成形方法に関する。

木質廃棄物を資源として利用する方法として、例えば成形建材、固形燃料、成形炭等としての使用があげられる。いずれの場合も、木質廃棄物の細片を所定形状に成形するが、その際バインダーを用いて接着・固化させるという方法がとられている。例えば、成形建材の代表的なものにパーティクルボードがあるが、これは木質チップにホルマリン系接着剤を添加し、熱圧成形してなるものである。また、近年木質廃棄物から固形燃料や成形炭を製造する試みが多数提案されているが、多くの場合、プラスチック、パラフィン、ピッチ、パルプ廃液等をバインダーとして用いている。

しかし、バインダーを用いて成形する方法は、バインダーのコストが問題になる。木質廃棄物そのものは安価に入手できるにしても、バインダーがコスト高なため、製品のコストを押し上げる結果となる。安価に入手できるバインダーとして、熱可塑性プラスチックの廃棄物を用いるという方法もあるが、プラスチック破棄物の破砕の費用が大きいため、あまり経済的ではない。
また一般に、木質廃棄物は非常に嵩張って、その発生元から加工工場や保管場所への運搬が容易でないという問題がある。もし、比較的簡単に木質廃棄物を成形し、高密度化する方法があれば、運搬が容易になって、これを資源として利用するための一助となると考えられる。かかる目的からも、バインダーを用いることなく、加熱・圧縮のみで成形する方法が強く望まれている。

Satoshi Kubo,Yasumitsu Uraki and Yoshihiro Sano：Thermomechanical Analysis of Isolated Lignins,Holzforschung Vol 50(No2)P.144-150(1996)

従来から、木質原料細片をバインダーを用いることなく加熱・圧縮して成形する方法については種々研究が行われ、木質原料中に含まれるリグニンがバインダーとして作用するという考え方が提示されている。例えば上記非特許文献１では、加熱成形時の各種リグニンの役割を詳細に調べ、加熱時の容積変化などを測定している。この考え方からすると、セルロースとリグニンを含有する通常の木屑、竹屑等はバインダー無しでも成形できるが、リグニンを含まない木質材の細片は、バインダー無しでは成形できないということになる。

しかし、本発明者らが種々検討した結果では、木質材を加熱した時の炭化以前の温度域（例えば２００℃以下）での、セルロースやリグニンの分解挙動はかなり複雑であって、単純にリグニンが無ければ粘結しないと割り切れるものでないことが知見された。むしろ、バインダー無しで成形する際の問題点は、成形条件如何によって、強度が出にくかったり、亀裂が生じたりすることが多いということにある。ハンドリングに耐える強度を有する成形体を安定して作るためには、その成形条件、とくに加熱・圧縮の条件のみならず、原料中の水分等についても配慮して、適正な成形条件を選択する必要があることが知見された。

そこで本発明は、故紙、段ボール等のリグニンをほとんど含有しない木質廃棄物原料をバインダー無しで加熱・圧縮成形する際に、ハンドリングに耐える強度を有する成形体を安定して製造しうる成形条件を提示することを課題としている。

本発明者らは、後述するように、試薬のセルロース（以下Ｃと略記）とリグニン（以下Ｌと略記）の混合物の低温域での加熱・圧縮成形挙動について、基礎的検討を行なった。その結果、Ｃ：Ｌ比率が６：４〜９：１の範囲で、ある程度の強度を有する成形体の製造が可能であるが、Ｃ：Ｌ比率が５：５では、むしろ成形性が悪くなることが知れた。このことは、セルロースが粘結成分として作用しており、リグニンを含まない木質廃棄物でも、バインダー無しで加熱・圧縮成形する可能性を示唆するものである。
本発明は、上記の知見をさらに発展させて完成されたものであり、高密度（したがって高強度）の成形体を安定して製造するには、加熱・圧縮の条件のみならず、原料の配合や原料中の水分等の条件が重要であるとの知見に基づくものである。

この知見に基づく本発明の木質廃棄物細片の成形方法は、
故紙、段ボール等のリグニンをほとんど含有しない木質材を主体とする木質廃棄物原料の細片を成形する方法であって、必要に応じて粒度調製された該原料の含有水分量を調節する工程と、次いでこの原料を所定の温度に加熱して加圧成形する工程とを具備することを特徴とするものである。

上記の成形方法においては、前記水分量調節工程において、原料の含水量を乾燥状態の原料に対する重量比で５〜１０％とすることが好ましい。
また、前記の加圧成形工程において、成形時の加圧力を１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ²とし、加圧時間を１０〜６０分とすることが好ましい。
さらに、該加圧成形工程において、被成形物の温度を５０〜２００℃とすることが好ましい。なお、より好ましい被成形物の温度は、１５０〜２００℃である。 また、本発明は、上記のいずれかの成形方法により成形された固形燃料又は成形炭を含むものである。

本発明により、故紙、段ボール等のリグニンをほとんど含有しない木質廃棄物原料を、バインダー無しで加熱・圧縮成形することが可能になった。これにより、故紙、段ボール等を固形燃料や成形炭として利用することが容易になるとともに、嵩張ってハンドリングしにくいこれらの廃棄物原料を、本発明の方法で成形することにより、その運搬や保管がきわめて容易になるという効果が得られる。

通常の木材や竹材は、セルロースとともに多量のリグニンを含有しているが、これを紙類や天然繊維類として加工したものはほとんどリグニンを含有していない。製紙用パルプは、大部分は木材を原料とするが、一部ワラ、タケ、ケナフ、バカス等の農産廃棄物や草本から生産されるものもある。いずれにしても、白色度を高めるために、ほとんどのリグニンは除去される。したがって、かかるパルプを原料とする繊維製品の廃棄物は、故紙や段ボールに限らず全て本発明の対象になる。また、麻、木綿等の植物系天然繊維も、セルロースが主成分であり、リグニンをほとんど含有しない木質材に該当する。

本発明の対象である木質廃棄物原料を、「リグニンをほとんど含有しない木質材を主体とする」と規定したのは、一部例えば２０重量％程度以下の木屑や竹屑等を含んでいてもよいとの趣旨である。リグニンを粘結成分とする従来の考え方では、リグニンを含有しない木質材が８０重量％を超えるような場合には、バインダー無しでの圧縮成形は困難と考えられていたのに対して、これが可能なことを明らかにした点が本発明の意義である。

本発明において、木質廃棄物原料の「細片」は、必ずしも粉状や粒状である必要は無く、成形機の孔型に容易に装入できるようなサイズ・形状であればよい。故紙の場合は、シュレッダー屑が好適であるが、これに限定する必要はない。未裁断の故紙、段ボール、古着等の場合は、何らかの方法で裁断する必要があるが、数ｃｍ角以下の裁断片か、幅１ｃｍ程度以下の帯状片であれば、問題無く原料とすることができる。

次に、水分量調節工程においては、圧縮成形開始時の原料含水量を乾燥状態の該原料に対する重量比で５〜１０％とすることが好ましい。圧縮成形時に含水量が極端に少なく、完全乾燥に近い状態では成形性が悪い。また、含水量が１０％を超えると、急速加熱時に水蒸気が噴出して、成形体にクラックが生じるおそれがあるためである。

水分量調節工程において、原料の水分量を把握する方法や、加水・脱水の方法をとくに限定する必要はないが、例えば、原料細片からサンプルを採取して、乾燥減量を測定し、必要に応じて水分添加又は予備乾燥を行なえばよい。水分添加は、原料細片を混合しつつ、所要量の水を霧吹きで添加するようにすれば、原料中に均一に加水することができる。また、予備乾燥は、必ずしも人工的熱源を使う必要はなく、天日乾燥や乾燥した屋内に放置するような方法によってもよい。
また、含水量の調節はさほど厳密さを要しないので、原料の種類と保管状態から、経験的に含水量を推定して管理することも可能である。

次に、加圧成形工程においては、被成形物の温度を５０〜２００℃とし、加圧力を１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ²として、加圧時間を１０〜６０分とすることが好ましい。加圧成形工程で用いる成型機をとくに限定する必要はないが、例えば、パンチと孔型を用いたプレス成型機や、双ロール型のブリケットマシン等を用いることができる。前者の場合は、生産性を高めるため、パンチと孔型が多連のものを用いることが好ましい。
原料細片を所定の温度にするには、予め原料を加熱して成型機に供給する方法と、成型機内で加熱する方法があるが、前者は加熱時に原料含水量が変動する可能性があるので、後者の加熱方法の方が好ましい。成型機の孔型を構成する材料を、予め加熱し又は成形中に加熱することにより、比較的容易に成形中の原料温度を所定の範囲に調節することができる。

加圧成形時の被成形物の温度を５０〜２００℃とするのは、これが５０℃未満では、セルロースの分解が起こらないため形状の保持が困難であり、２００℃をこえると、一部炭化が始まるとともに発煙するようになって好ましくないためである。また、より好ましい被成形物の温度は、１５０〜２００℃である。加圧力を１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ²とするのは、１００ｋｇｆ／ｃｍ²未満では、細片が充分圧縮されず、成型し難いためであり、１０００ｋｇｆ／ｃｍ²を超えても、それ以上成形体の密度や強度は向上せず、成型機の負荷が過大になって好ましくないためである。また、加圧時間を１０〜６０分とするのは、１０分未満では、成形後に膨れなどが生じるためであり、６０分を超えても、それ以上成形性の向上は期待できないためである。

上述のような本発明の成形方法による成形体は、後記実施例に示すように、３０ｋｇｆ／ｃｍ²というような相当大きな圧潰強度を有し、輸送・貯蔵等のハンドリングに十分耐え得るものである。したがって、かかる成形体は、これをそのまま固形燃料として資源化することができる。また、この成形体を炭化炉で炭化して製造された成形炭は、一部の用途例えばゴミ焼却炉において、燃料コークスの代替品として用いることができる。

（実施例１）
基礎実験として、試薬のセルロースとリグニンの混合物を加熱・圧縮成形し、成形体の性状を調査した。成形には、２０ｍｍ径の孔型を有するプレス機を用い、孔型に各１０ｇの試料を充填してプレス成形した。試料中の水分は５％とし、被成形物の温度２００℃、加圧力７００ｋｇｆ／ｃｍ²で５分間成型した。
セルロース（Ｃ）とリグニン（Ｌ）の比率Ｒ（＝Ｃ／（Ｃ＋Ｌ）×１００）を５０〜９０％の範囲で５段階に変えて、成形の可否（○：形状維持可、×：形状維持不可）と成形物密度を測定した結果を表１に示す。なお、一部の成形物については、炭化後の密度も測定した。

その結果、Ｒが６０〜９０％の範囲では成形可能であるが、Ｒが５０％では成形できないことが知れた。成形物の密度は、Ｒが８０％のときにやや低くなっているが、Ｒが９０％ではかなり高く、セルロースが多いから成形性が悪いと一概には言えないことが明らかになった。また、Ｒが８０と９０％のものを、窒素雰囲気中で８００℃まで加熱したところ、もとの形状を維持した成形炭を得ることができた。

（実施例２）
本発明例として故紙１００％の場合と、比較例としてヒノキのチップ(５mm以下)１００％の場合について、ほぼ同一条件で加熱・圧縮成形を行い、成形体の性状を調査した。なお、故紙(シュレッダー屑)はセルロースがほぼ１００％であるが、ヒノキでは、リグニン３１％、セルロースが２７％である(Ｒ＝５４％)。この原料を粉砕し、水分量を５％に調整した。
本発明例及び比較例ともに、上記の原料を上記と同じプレス成型機で、１５０℃、成形圧５００ｋｇｆ／ｃｍ²で１０分間成形した。その結果、両者ともに成形性は良好であった。成形後の密度は、故紙で１．４０ｇ／ｃｍ³であるのに対して、ヒノキは１．２２ｇ／ｃｍ³であった。

また、一般に成形物の強度は、その密度に比例する。本実施例においても、上記の故紙からの成形物の圧縮強度は、３０ｋｇｆ／ｃｍ²と高いのに対して、ヒノキからの成型物は、１５ｋｇｆ／ｃｍ²とやや低かった。
次に、原料含水量の影響を見るために上記本発明例、比較例と同じ原料、同じ成形条件で、原料含水量のみ変えて成形性を調査した。その結果では、絶乾状態（原料含水量ほぼ０％）では、いずれのサンプルも成型できなかった。また、水分が１０％を超えると、成型中に水蒸気が突出して、成型できないことが明らかになった。

（実施例３）
ダブルロール型の成型機を用い、原料を故紙１００％（１ｍｍ以下）とした場合（本発明例）、ヒノキ屑（３ｍｍ以下のチップ、Ｒ＝５４％）１００％の場合（比較例）について成形試験を行なった。
ダブルロール成型機は、ロール径が２２８ｍｍ、ロール幅７６ｍｍ、ポケット形状は枕型(ポケット寸法、長さ３８ｍｍ、幅３５ｍｍ、深さ７ｍｍ、成型物体積１４．６ｃｍ³)でロール回転速度は、１００ｒｐｍである。また、故紙、ヒノキ屑ともに、原料の含水量を５％とし、成型圧力は０．８６ｔ／ｃｍ（ロール幅１ｃｍ当りの加圧力）とした。被成形物の温度は室温の場合と、ロールを水蒸気加熱した場合について試験した。

その結果、ヒノキ屑の場合の成形体密度は、室温と水蒸気加熱でそれぞれ０．６１、0.６８ｇ／ｃｍ³であったのに対し、故紙では、室温、水蒸気加熱でそれぞれ０．７９、０．８１ｇ／ｃｍ³で、いずれも故紙の方が０．１５ｇ／ｃｍ³程度の密度の上昇が見られた。この結果から、同一の成形条件下で比較して、リグニンを含まない故紙の方が、リグニンを含むヒノキ屑より、高密度の成形体が得られ、より成形性が良いことが理解される。
なお、本実施例は、既存のダブルロール成型機を用いて試験したもので、被成形物温度、加圧力、加圧時間等の条件が好適な範囲になっているとは言い難いが、上記の結果は、生産規模の装置でも、ハンドリングに耐える強度の成形体を製造する可能性を示唆しているものと考えられる。

（実施例４）
実施例２と同じプレス成型機を用い、原料は故紙細片（シュレッダー屑）１００％とし、成型機に装入する原料の含水量を０から１６％まで２％づつ変えて、成形温度２００℃、成形圧５００ｋｇｆ／ｃｍ²で、５分間の成形を行った。なお、水分の調節は、原料細片を攪拌しつつ、霧吹きで所要量の水を添加するとい方法によった。
この成形試験の結果、４〜１０％までは、高密度の成形物が得られた。しかし、０〜４％の範囲と１２〜１６％の範囲では、成形物の形状の維持が困難であった。すなわち、成形物の観察結果では、水分が１０％を超えたものには大きいクラックが発生していた。また、水分４％以下では、層状のひびが入っており、何れもハンドリングで簡単に崩壊するような成形物しか得られなかった。このことから、成型機に装入する原料の含水量がきわめて重要な要因であり、好ましい含水量が５％から１０％の範囲であることが明らかになった。

Claims (5)

1. 故紙、段ボール等のリグニンをほとんど含有しない木質材を主体とする木質廃棄物原料の細片を成形する方法であって、必要に応じて粒度調製された該原料の含有水分量を調節する工程と、次いでこの原料を所定の温度に加熱して加圧成形する工程とを具備することを特徴とする木質廃棄物細片の成形方法。
2. 前記の水分量調節工程において、前記原料の含水量を乾燥状態の該原料に対する重量比で５〜１０％とすることを特徴とする請求項１記載の木質廃棄物細片の成形方法。
3. 前記の加圧成形工程において、成形時の加圧力を１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ²とし、加圧時間を１０〜６０分とすることを特徴とする請求項１又は２記載の木質廃棄物細片の成形方法。
4. 前記の加圧成形工程において、被成形物の温度を５０〜２００℃とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の木質廃棄物細片の成形方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の木質廃棄物細片の成形方法により成形された固形燃料又は成形炭。