JP2007146016A - 木質材の炭化炉 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化過程で発生する乾留ガスをそのまま炉内で燃焼させて、炭化の熱源として利用することができ、設備が簡単で小型炉でも経済性の高い木質材の炭化炉を提供する。
【解決手段】炉本体内に四角形の炭化室２を設け、この炭化室から発生する可燃ガスを上部空間で燃焼させる燃焼室３と、燃焼室内に空気を吹き込む羽口と、羽口からの空気吹込み量を調節する手段と、炭化室の少なくとも両長片側の側面又はこれと底面とに設けられた耐火煉瓦の伝熱壁１０と、前記燃焼室の高温排ガスを前記伝熱壁外側のほぼ全面に沿って流通させる排ガスダクトを配設し、この排ガスダクト内の排ガス顕熱が伝熱壁を通して炭化室内の木質材層８に伝熱されるように構成する。また、羽口を炭化室の直上に設けた下段羽口４ｂと、燃焼室の上部に設けた上段羽口４ａとの二段羽口とし、それぞれに空気吹込み量を調節できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、木質系廃棄物等の木質系資源を原料として炭を製造する炭化炉に関し、とくに炉構造が簡単でエネルギー効率の良い炭化炉に関する。

木質系資源を炭素化して、木炭として利用することは古くから行われている。木炭の大部分は土釜（炭焼き窯）を用いて製造されてきたが、この旧来からの炭焼き法は、製品木炭の品質のバラツキや、釜内の原料の約三分の一が燃料として使われるなどの効率の悪さが問題である。また、一回の炭焼きに数日を要するという生産性の低さや、発煙が著しいという環境上の問題もあって、工業的な大規模生産には適していない。

近年、木質系廃棄物の量が増え、その有効利用が問題となっている。このような木質系廃棄物として、例えば建築廃材、森林の間伐材、チップ、おが屑等の製材所の木竹廃棄物、藁・籾殻その他の農産廃棄物や野菜・果実等の加工廃棄物などがあげられる。かかる木質系廃棄物を資源として利用する手段として、これを炭化して炭を製造することが広く検討されている。この炭の製造に、旧来からの炭焼き法を用いるのは不適当なので、工業的に木質材を炭化する方法の開発が活発に行われるようになってきた。

そのため、新たな炭化炉又は炭化装置について、近年多数の提案がなされている。木質材炭化炉の炉形式としては、竪型炉方式（下記特許文献１など）、横型回転炉方式（下記特許文献２など）や流動炉方式などが代表的なものである。また、炉の操業方式はバッチ式と連続式に大別され、竪型炉方式には前者が多く、横型回転炉や流動炉方式には後者が多いようである。しかし、従来の炭化炉や炭化装置には一長一短あって、処理対象物や処理目的に応じて適宜選択されているが、普遍的に利用されるような方法が提案されているとは言い難い。

特公昭５５−４６８５号公報 特開昭４７−１５３８７号公報 特開平７−２５８６５２号公報

木質材を炭化するには、原料を炭化温度まで加熱する熱と、セルロース、リグニン等の有機物の分解熱が必要である。そのため、旧来からの炭焼き法では初めに木材の一部を燃焼させて、釜内の温度を十分高めてから外気を遮断して乾留する。工業的な炭化炉では、この熱源を如何に確保するかが課題になる。電気や石油を使ったのでは経済性が問題になるので、安価な熱源例えばおが屑を燃焼させて、その燃焼ガスを炭化炉に吹き込むという方法も提案されている（例えば特許文献３）。

また、木質材の炭化過程では、揮発成分がガス化する。このガス（以下、乾留ガスという）中には、水素、炭化水素、一酸化炭素や木酢液、木タール等が含まれ、その燃焼発熱量は相当大きな値になる。そのため、従来の炭化炉の多くは、炉外に排出された乾留ガスを回収して、これを燃料として高温の燃焼ガスを発生させ、これを炭化炉内に吹き込むという方法を取っている。

しかし、この方法では、高温の乾留ガスをそのまま燃焼させることが難しく、一旦これを冷却してガスホルダー等に貯蔵する必要がある。そのため、乾留ガスの顕熱が利用できないばかりでなく、冷却中に木酢液や木タールが凝縮・液化して配管等に付着し、トラブルの原因となる。これを避けるためには、本格的な排ガス処理設備とくに湿式の設備が必要になり、設備費や排水処理の負担が極めて大きくなるという問題がある。

一般に木質系廃棄物は、嵩張ったものが多く、運搬や貯蔵が容易でないという特徴がある。したがってこの炭化炉は、なるべく木質系廃棄物の発生元に近い場所に設置し、比較的小規模な設備でも、十分に経済性を確保し得るものであることが望まれる。エネルギーを有効利用して経済性を確保する上で、乾留ガスのエネルギーの利用は不可欠であるが、上述のように乾留ガスの処理設備を設けて再利用する方式は、大量の原料を集中的に処理する場合には好適であっても、小規模な分散型処理設備には適していない。

そこで本発明は、炭化過程で発生する乾留ガスを炭化の熱源として利用することができ、大かがりな排ガス処理設備を必要とせず、比較的簡単な設備で十分経済性を発揮することのできる、木質系廃棄物を主体とする木質材の炭化炉を提供することを課題としている。

上記課題を解決するための本発明の炭化炉は、
原料の装入口と炭の排出口とを有する箱型の炉本体と、該本体内に設けられた横断面が四角形（長方形又は正方形）の炭化室と、該炭化室内の木質材が加熱されて発生する可燃ガスをその上部空間で燃焼させる燃焼室と、該燃焼室内に空気を吹き込む羽口と、該羽口からの空気吹込み量を調節する手段と、前記炭化室の少なくとも両長片側の側面又はこれと該炭化室の底面とに設けられた耐火煉瓦の伝熱壁と、前記燃焼室の高温排ガスを前記伝熱壁外側のほぼ全面に沿って流下させる排ガスダクトを備え、
該排ガスダクト内の排ガス顕熱が前記伝熱壁のほぼ全面を通して前記炭化室内の木質材層に伝熱されるように構成されていることを特徴とするものである。

本発明は上記のように構成されているので、乾留ガスの燃焼により生成した排ガスの顕熱を、伝熱壁を通して炭化室内の木質材層に効率良く熱伝達することができる。これにより、簡単な設備で乾留ガスの燃焼エネルギーを炭化の熱源として有効に利用することができる。この構成によれば、排ガス回収設備を必要としないため、炭化設備の全体構成が簡単になり、設備費をきわめて安価にすることができる。
なお、本発明における木質材は、木材・竹材の他に前述の木質系廃棄物を全て含む広義のものである。

上記の炭化炉においては、前記羽口が、木質材層の上部側壁又は該木質材層の直上に設けられた下段羽口と、燃焼室の上部に設けられた上段羽口とからなり、それぞれに空気吹込み量を調節し得るように構成されていることが好ましい。
これにより、原料の含有水分量が多く入熱不足になるような場合に、下段羽口からも空気を吹き込んで、乾留で生成した炭の一部を燃焼させて、発熱量を増加させることできる。したがって、原料の水分量等の状態に応じて、上下段羽口の空気吹込み量を調節することにより、補助燃料を用いることなく熱バランスを確保することができる。

また、上記の炭化炉においては、前記排ガスダクトが気密状態で煙突に導通し、該煙突内の空気の浮力により、炉本体内が負圧に保たれるように構成されていることが好ましい。さらに、前記羽口からの空気の吹込みが、炉内の負圧による吸引作用によって行われ、前記の空気吹込み量調節手段が、羽口の入口に設けられたダンパーの開度の調整によるものであることが好ましい。
これにより、送風機の設置や炉内排煙の漏出を回避することができ、設備コストの一層の低減と作業環境の悪化防止を図ることができる。

また、前記炭化室からの炭の排出は、熱間で行えることが好ましい。これにより、炭化完了後直ちに炭を排出して次回の原料装入を行うことができ、熱ロス防止と生産性の向上を図ることができる。

本発明により、簡単な設備構成で、炭化過程で発生する乾留ガスを炭化の熱源として利用することが可能になり、熱効率良く木質材の炭化を行うことができるようになった。本発明の炭化炉は設備の全体構成が簡単で、設備費が安価なことが特徴である。とくに排ガスの回収を行わないので、湿式のガス回収設備やその排水処理設備を必要としない。また、炉内燃焼した排ガスは木酢液や木タールを含まないから、簡単な乾式集塵設備でダストを捕集して煙突から排出することができる。そのため、設備規模が小さくても経済性の良い炭の製造を行うことができ、木質系廃棄物の発生元に近い場所に設置する炭化設備として好適である。

以下、実施例の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明の第一実施例である炭化炉の縦断面概要図で、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。この炉は、箱型の炉本体１の内部に炭化室２が設けられ、その上部の空間は燃焼室３になっている。この炉本体１は、ほぼその全周を断熱材層５で覆われている。また、燃焼室３には、上段羽口４ａ及び下段羽口４ｂが取り付けられ、この両羽口から空気が吹き込めるようになっている。

炉本体１の上部には原料の装入ホッパー６が設けられ、原料装入口は開閉式の仕切り板７ａで仕切られている。一旦装入ホッパー６内に蓄えられた木質材は、仕切り板７ａを開くことにより炭化室２内に投入され、木質材の充填層８が形成される。木質材の充填層８が加熱されて発生した可燃性の乾留ガスは、燃焼室３内において、羽口４ａ，４ｂから吹き込まれた空気によって燃焼し、高温の燃焼排ガスが発生する。なお、本実施例においては、羽口４ａ，４ｂの入口にそれぞれダンパー９ａ，９ｂが設けられ、このダンパーの開度を変えることによって、羽口からの吹き込み空気量を調節できるようになっている。

炭化室２は、図２の示すように断面が長方形で、両長片側側面には耐火煉瓦の伝熱壁１０が設けられており、その両外側のほぼ全面に、高温排ガスを下方に流す排ガスダクト１１が形成されている。高温排ガスは、このダクトのほぼ全面に沿って流下し、その顕熱は伝熱壁１０を通して木質材の充填層８に伝達される。一方、炭化室２内で炭化が完了して生成した炭は、下部の排出口を仕切る開閉式仕切り板７ｂを開いて、炭材容器１３中に投下される。

ダクト１１を流下した排ガスは、排ガス流出口１２から、煙道および煙突（ともに図示していない）を通じて大気中に放出される。煙道には、必要に応じて乾式の簡易集塵器（例えば衝突板式慣性集塵器）を設置する。また、本実施例では、煙道は気密状態で煙突に導通しており、煙突内空気の浮力により、炉本体１内は負圧が維持されるように構成されている。煙突の高さを十分高くすることにより、送風機を用いることなく羽口からの空気吹込みを行うことができる。また、炉内の排煙が外部に流出して、作業環境が悪化するのを避けることができる。

図３及び図４は、本発明の第二実施例である炭化炉の図で、図３は一部を破断して炉の内部構造を示す斜視図、図４(ａ)はこの炉の縦断面の概要図、図４(ｂ)は横断面の概要図である。
この炭化炉は、排ガス流出口１２が炉本体１の底部中央付近に設けられ、炭化室２の底部にも排ガスダクト１１ｂが形成されていることが特徴である。すなわち、炭化室２は脚部１４で支持されており、炭化室の底面と炉本体１の底部断熱材層５との間には所定の高さの間隙が設けられている。燃焼室３からの高温排ガスは、側面の排ガスダクト１１ａを流下したのち、底面のダクト１１ｂに沿って流れ、排ガス流出口１２から煙突（図示していない）へと流出する。炭化室の側面（両長片側）及び底面は、耐火煉瓦製の伝熱壁１０となっており、これら側面及び底面のほぼ全面から、排ガスの顕熱が木質材の充填層８に伝達される。

この第二実施例の炉においても、燃焼室３には上段羽口４ａ及び下段羽口４ｂが取り付けられ、この両羽口から空気が吹き込めるようになっていること、及び羽口４ａ，４ｂの入口にそれぞれダンパー９ａ，９ｂが設けられ、このダンパーの開度を変えることによって、羽口からの吹き込み空気量を調節できるようになっていることは、第一実施例の炉と同様である。
また、原料装入口が炉の上部に設けられ、この装入口が開閉式の仕切り板７ａで構成されていることも、第一実施例の炉と同様である。しかし、この第二実施例の炉においては、炭の取出しを側面から行う点が第一実施例の炉と相違する。すなわち炭化室の短片側の側面に、開閉式の仕切り板７ｃが設けられ、炭化完了後に、この仕切り板を開いて炭化室内の炭を掻き出すことにより、炭の排出を熱間で行うことができる。なお、仕切り板７ｃの反対側の側面に押出し機を設けて、炭化室内の炭を押し出すようにしてもよい。

本発明の炭化炉を用いて、木材や木質系廃棄物原料、例えば間伐材や製材所の廃材（木材チップ、おが屑など）を炭化する作業工程について以下に説明する。
まず、炭化炉の操業開始時に炉内の予熱を行う。予熱の方法はとくに限定を要せず、例えば炉の下部や側面（炭の排出口等）から挿入したバーナーで燃料を燃焼させる方法や、炭化室内に投入した炭やコークスを燃焼させる方法によってもよい。しかし、もっとも一般的には、木質系廃棄物原料を炭化室内投入し、これを着火させて、自然通風（炭の排出口や下段羽口から炉内に侵入する空気）によってこの廃棄物原料を燃焼させればよい。これにより炉内を１０００℃近くまで予熱しておくことが好ましい。

予熱が完了したら、炉内に残留する灰を排出した後、炭化の工程を開始する。まず炭化する原料を、装入ホッパー６を介して炭化室２内に投入する。炉内は高温になっているから、原料木質材は直ちに加熱され、可燃性の乾留ガスが発生する。そこで、羽口を開いて燃焼室内に空気を吹き込み、乾留ガスを燃焼させる。この燃焼熱は、二つの経路で木質材の充填層８に伝熱される。その一つは燃焼室からの輻射伝熱で、天井の煉瓦等からの輻射熱（反射炉の原理）や、煤煙を含む燃焼ガスからの輻射熱により伝熱される。

もう一つの伝熱経路は、排ガスダクト１１内の高温排ガスから、伝熱壁１０を通しての伝導伝熱である。本発明者らの知見によれば、排ガス温度は１０００〜１３００℃程度であり、充填層８の温度は４００〜８００℃程度であるから、伝熱壁１０を通しての伝熱量は十分大きくなる。なお、伝熱壁１０を構成する耐火煉瓦の材質を適切に選択することが重要であり、ある程度の熱伝導性と熱サイクルに対する耐スポール性を備えたものであることが好ましく、例えば石炭コークス炉に用いられる珪石煉瓦などが好適である。また、炭化室の断面形状は長方形であることが好ましく、炭化室の幅は１．０ｍ程度以下であることが好ましい。

上述のような熱の供給により、比較的速やかに木質材原料の炭化が進行し、通常は５時間以内に炭化が完了する。炭化の完了は、炉内温度の計測や煙突からの排煙の観察等により容易に判定することができる。炭化が完了したら、空気の吹き込みを停止し、炭化室下部又は側面の仕切り板７ｂ，７ｃを開いて、生成した炭を炭材容器１３内に落下させ、炭材容器１３内への酸素の侵入を防止して炭を放冷すればよい。炭の排出操作は容易に熱間で行うことができるから、炭の排出後、高温の炉内に再び原料を装入して、炭化工程を繰り返せばよい。
従来土釜での炭化は、炭化工程だけで１０時間以上（全工程では１週間前後）かかることに比較すると、本発明の炭化炉による生産性向上の効果はきわめて大きい。また、炭化初期の急速加熱は製品木炭の品質を向上させる効果も期待される。

本発明においては、炭化炉のエネルギーバランスが重要である。以下、この問題ついて検討した結果を説明する。表１は、この炭化炉における物質収支の推定計算結果の例である。原料木材１０００ｋｇ（乾量）から約２５０ｋｇの炭化物が得られると推定される。この物質収支に基づいて、炭化炉の熱収支を計算した結果を表２に示す。

この結果から、入熱の合計が出熱の合計よりやや大きいが、両者はおおよそバランスが取れていることが知れる。出熱（乾留に必要な熱量）が入熱（乾留ガス燃焼熱）より大きければ、別途に補助燃料を使用する必要がある。これにより、燃料コストが問題になるだけでなく、燃料の保管や燃焼装置等の設備費の負担が大きくなって好ましくない。一方出熱が入熱より過小であれば、乾留ガスの全量を炉内で燃焼させたのでは、エネルギー損失が大きくなる。このような場合は、乾留ガスを回収して、有効利用する必要が生じる。

石炭の乾留の場合（例えば室炉式コークス炉）では、発生ガス発熱量がコークス炉消費熱量の２．５倍程度になっていて、熱量過剰である。このような場合には、本発明のように発生した乾留ガスを直ちに炉内で燃焼させる方式（炉内燃焼方式）では、必要以上に乾留ガスが燃焼し、エネルギーの利用効率が低くなって適切でない。また、燃焼排ガスの温度が過度に高くなるおそれもある。これに対して、木材の乾留（炭化）の場合は、炉内燃焼方式でも、乾留ガス回収方式と同様又はそれ以上にエネルギーの利用効率が高く、かつ適度な排ガス温度になることが特徴である。

一方、炉内燃焼方式の場合に問題となるのは、炭化室の外部で燃焼させた乾留ガスの燃焼熱を、如何にして効率良く木材層に伝熱するかということである。本発明は、炭化室の側面又はこれと底面を２重にして、その間に高温排ガスのダクトを設けることにより伝熱の問題を解決したものであって、このようなエネルギー利用効率の高さと伝熱促進の工夫が本発明の第一のポイントである。

エネルギーバランスに関連して、もう一つの重要な問題は、木質系廃棄物では原料の乾燥状態が必ずしも一定ではなく、含有水分量が大幅に変動する可能性があることである。表２の熱収支は、木材の含水量が０％での計算である。木材の含水量が１０％であれば、１００Ｍｃａｌ（木材１０００ｋｇ当り）以上の出熱増になる。もし、木材の含水量が１０％を超えるようであれば、入熱不足になって補助燃料が必要になる。このような場合の一つの対応は、乾留で生成した炭の一部（熱源確保のために必要最小限の部分のみ）を燃焼させて、発熱量を確保することである。これにより、補助燃料を使う必要が無くなり、これに関連する設備を省略し得ることの意義は大きい。

本発明の炭化炉において、入熱が出熱より大きい（原料中の水分が少ない）場合は、主に上段羽口４ａから空気を吹き込み、下段羽口４ｂは閉状態とする。これにより、乾留ガスの燃焼は燃焼室３の上部空間で行われ、木質材充填層８の内部及び直上は非酸化性雰囲気が保たれる。したがって、この場合は乾留された炭の燃焼（以下、炭素燃焼という）は起らない。一方、入熱が出熱より小さい場合は、下段羽口４ｂからも空気を吹き込み、充填層８の直上を酸化性雰囲気にする。これにより炭素燃焼が起り、不足熱量を補うことができる。

この目的のために、上段羽口４ａと下段羽口４ｂは独立に空気吹込み量を調節できる構成にする。炉内が熱不足か否かは、排ガス温度や炉内温度を計測することにより推定できるので、炉の熱状態を勘案して、上段羽口と下段羽口の空気吹込み量の比率を適宜調節することにより、生成した炭の一部を炭素燃焼させて、炉の熱状態を適正に維持することができる。このように、入熱と出熱のバランスにより、必要に応じて炭素燃焼を起させる手段として、二段羽口を設けそれぞれの吹込み空気量を調節できるようにしたことが、本発明の第二のポイントである。

本発明の第三のポイントは、設備の構成が簡単で、設備費が安価なことである。とくに排ガスの回収を行わないので、湿式のガス回収設備やその排水処理設備を必要としない。また、炉内で完全燃焼した排ガスは木酢液や木タールを含まないから、簡単な乾式集塵設備（例えば慣性集塵器、重力集塵器、低圧損サイクロンなど）でダストを捕集して、煙突から排出することができる。また、煙突を高くすれば、空気吹込みを炉内の負圧により行い、送風機を省略することもできる。したがって、本発明の炭化炉は設備費が安価であり、設備規模が小さくても経済性の良い炭の製造を行うことができ、木質系廃棄物の発生元に近い場所に設置する分散型処理設備として好適である。

本発明の炭化炉の構成を、上述した実施例のものに限定する必要はない。例えば、原料の装入を上部からではなく、短片側の側壁に扉を設けて、側面から装入するような方法によってもよい。炭の取出しも、短片側の側壁下部に押出し機を設けて側面に押し出すような方法によってもよい。いずれにしても、炭化室からの炭の排出を熱間で行えるような方法であればよい。高温排ガスを側壁に沿って下流させるダクトを炭化室の全周に設けてもよい。また、上段羽口と下段羽口をそれぞれ複数にしてもよく、炉本体の両側２方向又は４方向に設けても良い。その位置も図示した例に限定されない。（例えば、下段羽口４ｂの位置が、木質材充填層８より上側でなく、その上部の側壁に設けられていても良い。）空気吹込みに送風機を用いても良く、その吹込み量を調節する手段も図１に示すものに限られない。

本発明の第一実施例である炭化炉の縦断面概要図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明の第二実施例である炭化炉の一部を破断して示す斜視図である。 本発明の第二実施例である炭化炉の断面概要図である。

符号の説明

１ 炉本体
２ 炭化室
３ 燃焼室
４ａ 上段羽口
４ｂ 下段羽口
５ 断熱材層
６ 装入ホッパー
７ａ，７ｂ，７ｃ 開閉式仕切り板
８ 木質材の充填層
９ａ，９ｂ ダンパー
１０ 伝熱壁
１１，１１ａ，１１ｂ 排ガスダクト
１２ 排ガス流出口
１３ 炭材容器
１４ 脚部

Claims (5)

1. 原料の装入口と炭の排出口とを有する箱型の炉本体と、該本体内に設けられた横断面が四角形の炭化室と、該炭化室内の木質材が加熱されて発生する可燃ガスをその上部空間で燃焼させる燃焼室と、該燃焼室内に空気を吹き込む羽口と、該羽口からの空気吹込み量を調節する手段と、前記炭化室の少なくとも両長片側の側面又はこれと該炭化室の底面に設けられた耐火煉瓦の伝熱壁と、前記燃焼室の高温排ガスを前記伝熱壁外側のほぼ全面に沿って流通させる排ガスダクトを備え、
   該排ガスダクト内の排ガス顕熱が前記伝熱壁を通して前記炭化室内の木質材層に伝熱されるように構成されていることを特徴とする木質材の炭化炉。
2. 前記羽口が、前記木質材層の上部側壁又はその直上に設けられた下段羽口と、前記燃焼室の上部に設けられた上段羽口とからなり、それぞれに空気吹込み量を調節し得るように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の木質材の炭化炉。
3. 前記排ガスダクトが気密状態で煙突に導通し、該煙突内の空気の浮力により、前記炉本体内が負圧に保たれるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の木質材の炭化炉。
4. 前記羽口からの空気の吹込みが、炉内の負圧による吸引作用によって行われ、前記の空気吹込み量調節手段が、前記羽口の入口に設けられたダンパーの開度の調整によるものであることを特徴とする請求項３に記載の木質材の炭化炉。
5. 前記炭化室からの炭の排出を、熱間で行えるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の木質材の炭化炉。

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