JP2011094040A - 炭の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パームヤシ等の植物の幹の部分を用いて、塩素含有量の低い、製鉄プロセスで使用するのに好適な炭の製造方法を提供すること。
【解決手段】植物の幹を原料として炭を製造する際に、導管部を有する幹の中心部分１を除去し、残部の幹の外周部２を炭の原料として炭化することを特徴とする炭の製造方法を用いる。植物の幹として、パームヤシの幹を用いること、パームヤシの幹の軸方向と垂直な断面において、中央から無次元半径で少なくとも０．３までの部分を中心部分として除去すること、幹の中心部分を燃料として使用することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、パームヤシ等の植物の幹から製造する、製鉄プロセスで使用するのに好適な炭の製造方法に関する。

パーム油は、世界で約３６００万トン／年生産され、そのうちの約９割がマレーシアとインドネシアの２カ国で生産される農産物である。パーム油はパームヤシの実から製造され、大豆油等と比較し安価であることから、食用油のほか洗剤など工業用途にも多用されている。パームヤシは高木になると実の採取が困難になること、また樹齢が２０年程度を経過すると実の生産性が低下することから、２０〜２５年の間隔で伐採し、新たに再植林されている。伐採後のパームヤシの幹は多くの場合プランテーション内で放置されており腐食によるメタンガスなど温室効果ガス（ＧＨＧ）の発生による地球温暖化促進が懸念される。

このようなパームヤシ（オイルパーム）の幹を利用して植物繊維粉末食品、エタノール、乳酸等を製造する技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

特開平０８−２２１号公報 特開２００８−１７８３５５号公報

上記の技術はパームヤシの幹の部分を利用するものであるが、炭化に関するものではない。大部分が伐採されたまま放置され腐食しＧＨＧの発生が懸念されるパームヤシの幹を用いて炭を製造し、製鉄プロセスで使用される石炭の代替として多量に使用することができれば、化石資源消費量を低減し、ＧＨＧの発生を低減させ、地球温暖化問題の解決に寄与することが可能となる。

一方で、製鉄プロセスにおいては、高炉やコークス炉において廃プラスチックを石炭の代替として利用する技術が確立されているが、廃プラスチックに含有される塩化ビニルなどに由来する塩素は、発生する塩化水素ガスによる装置の腐食など操業に支障をきたす恐れがあるために塩素投入量が管理されている。そのため、廃プラスチックの場合は前処理により塩化ビニルなどの塩素含有プラスチックを除き、廃プラスチックの塩素含有量を制限している。例えば、高炉操業では投入される塩素量の上限を設け操業管理している。パームヤシの幹を原料として炭を製造する場合も、塩素含有量が低いことが望ましく、塩素含有量が低いほど、パームヤシの幹から製造した炭の使用量を製鉄プロセスにおいて増やすことが可能となる。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、パームヤシ等の植物の幹の部分を用いて、塩素含有量の低い、製鉄プロセスで使用するのに好適な炭の製造方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）植物の幹を原料として炭を製造する際に、導管部を有する幹の中心部分を除去し、残部の幹の外周部を炭の原料として炭化することを特徴とする炭の製造方法。
（２）植物の幹として、パームヤシの幹を用いることを特徴とする（１）に記載の炭の製造方法。
（３）パームヤシの幹の軸方向と垂直な断面において、中央から無次元半径で少なくとも０．３までの部分を中心部分として除去することを特徴とする（２）に記載の炭の製造方法。
（４）幹の中心部分を燃料として使用することを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の炭の製造方法。

本発明によれば、大部分が伐採されたまま放置され腐食しＧＨＧの発生が懸念されるパームヤシの幹等の植物の幹を用いて炭を製造することができるので、製鉄プロセスで使用される石炭の代替として使用することにより、化石資源消費量を低減し、ＧＨＧの発生を低減させ、地球温暖化問題の解決に寄与する。

また、パームオイル産業の収益性の向上、パームヤシ栽培地の環境改善などを通じて、東南アジアを中心とするパームオイル産業国の発展にも寄与することができる。

炭化プロセスを示す概略図。 炭化実験装置の概略図。

本発明者らは、植物の幹の部分を原料として用いて、塩素含有量の低い炭を製造する方法について検討した。

一般に単子葉植物は、二次成長をしないため草本性のものが多く木質性のものは少ない。ヤシは単子葉植物であるが、伸長する前に茎の頂部にある分裂組織の細胞分裂で十分な太さと強度を確保して伸長するために１０ｍ余りの木質性の高木に成長することが可能である。この方法により、ヤシはほとんど枝分かれすることなく成長し、上部と下部で茎の太さがほとんど変わらない。

さらにヤシは形成層を持っておらず、初期に柔細胞が発達し、柔細胞の中にセルロースなどが沈着して柔細胞そのものが外周部から木質化するという特徴がある。そのため、活動中の導管は外周部よりも中央部に多く分布する。

パームヤシ幹は成長の過程で肥料成分とともに土壌中の塩素を吸収し蓄積する。その蓄積状態は幹の軸方向と垂直な断面において、活動中の導管部が多い中央部は塩素濃度が高く、活動中の導管が少なく木質化が進んでいる外周部では低いという特徴を持つ。例えば、パームヤシの幹を炭化し、得られた炭の成分を分析したところ、中央部に近い部分のパームヤシの幹を原料とした炭では塩素濃度が０．５ｍａｓｓ％であったが、パームヤシの幹の外周部を原料とした場合には０．１ｍａｓｓ％であった。

上記で述べたようにパームヤシは枝分かれが少なく、幹もほとんど同じ太さで成木となる。したがって、幹の軸方向と垂直な断面において中央部と外周部に分別して原料の管理をする手法が工業的に可能である。すなわち、ヤシのような植物であれば、植物の幹を原料として炭を製造する際に、導管部を有する幹の中心部分を除去し、残部の幹の外周部を炭の原料として炭化することで、塩素濃度の低い炭を製造することが可能となる。

パームヤシを用いる場合、パームヤシの幹の軸方向と垂直な断面において、中央から無次元半径で少なくとも０．３までの部分を、多くても０．４までの部分を中心部分として除去することが好ましい。幹の塩素濃度の高い部分は中央の導管部分であるので、製鉄プロセスで使用するのに適当な塩素含有量の炭を製造するには、中央から無次元半径で少なくとも０．３までの部分を、多くても０．４までの部分を除去することで十分である。０．４を超える部分まで除去すると炭の製造コストが増加するため、好ましくない。

除去した塩素濃度の高い中心部分は、燃料として使用することが好ましい。例えば、パームヤシの幹のうち、中央から無次元半径で０．３までの部分を中心部分として燃料とし、残部の外周部分を炭の原料として使用することができる。

植物の幹は、中心部分を除去した後に、破砕することが好ましい。例えばパームヤシの幹は伐採した直後では水分を質量比で７０〜８０％含み、炭化のために投入するエネルギーの多くの部分が含有する水分を蒸発させるために使用されるため効率が低いという問題がある。パームヤシの幹を破砕すると、破砕により小片化されることで、幹の状態と比較して質量あたりの表面積が増加し水分の蒸発が容易となる。また中心部分を破砕・乾燥すると、水分量の減少により燃料として好適に使用することが可能になる。例えば、ロータリーキルン方式の炉体の外側に幹の中心部分から製造した燃料を燃焼して製造した高温ガスを流し、内側に幹の残部から製造した炭の原料として使用する幹を破砕した小片を投入することにより炭を製造すると、石油等を用いることなく植物の幹だけを用いて炭を製造することができ、好ましい。ロータリーキルン方式の炉等の炭化炉では、炭化時に発生する可燃性のガスを燃料として使用してもよい。

以下、本発明の一実施形態として、炭化炉として外熱式のロータリーキルン炉を使用した態様を図１を用いて説明する。なお、炭化炉としてはロータリーキルン炉の他に、バッチ式、シャフト式の炉等の使用が考えられる。以下においては植物の幹としてパームヤシの幹を用いる場合について説明するが、本発明方法は、幹の軸方向（長さ方向）と垂直方向に塩素濃度の分布がある植物の幹について適用することができる。

図１は本発明に用いたパームヤシ炭製造のプロセスを示す説明図である。伐採されたパームヤシの幹は、小片に破砕するための破砕機３に投入できるような長さに切断される。切断後のパームヤシの幹は中央部から無次元半径で０．３までの部分（Ａ）１と、０．３より外周部の部分（Ｂ）２に分別して管理される。したがって、破砕機３にはパームヤシの幹の切断物（Ａ）１及び幹の切断物（Ｂ）２を別々に投入し、破砕して得られた小片も破砕物（Ａ）は破砕物貯留槽８に、及び破砕物（Ｂ）は破砕物貯留槽４に分別して管理する。

破砕物（Ａ）は燃焼炉６で燃料として消費され、燃焼炉６から発生した高温のガスがロータリーキルン炉５の外側に供給され内側で炭化が進行するためのエネルギーを供給する。燃焼炉６の燃料として破砕物（Ａ）だけでは炭化のエネルギーが不足する場合には、簡便な手法としては化石燃料などを使用することが考えらえるが、パームヤシ関連の廃棄物、例えば、剪定葉、破砕時に発生するパームヤシの幹の粉末、パームヤシの実がなっていたパームヤシの房（Empty Fruit Bunch）、またロータリーキルン炉５の内側で破砕物（Ｂ）が炭化する際に発生する可燃性のガスを使用したほうがＧＨＧ抑制に適しているので好ましい。

破砕物貯留槽４に貯留された破砕物（Ｂ）はロータリーキルン炉５の内側に供給され炭化される。本実施形態において、炭化温度の下限はパームヤシの幹の炭化が進行する４００℃以上とすることが好ましい。温度の上限は特に定めないが、炭の収率を向上するためにはタール・ガス発生量が少なくなるように低温の方が好ましい。一方で、発生したガスは燃焼炉の燃料として使用することもできる。このような目的等で、ガス発生量を増やすためには炭化温度を高くしたほうが良いが、炉の耐熱設計、メンテナンスのための費用の観点から１０００℃以下であることが好ましい。

以上の操作を繰り返すことにより、パームヤシの幹を炭化し塩素濃度を制限した炭を製造する。

得られた炭はロータリーキルン炉５から炭化物の貯留槽７に排出される。そのままでも鉄鋼プロセスで使用可能であるが、必要に応じて成型あるいは微粉にして使用することが好ましい。成型は、傾斜した回転皿で行う転動造粒、円筒状のダイスから押し出す押し出し成型、回転ロール表面のモールドに粉体を供給するブリケッティングロールの圧縮成型機等、通常使用されている成型機を用いて行えば良い。微粉化は通常使用されているローラーミル、ロッドミル等を用いて行えばよい。

上記のように、パームヤシの幹は炭化物の原料又は燃料として使用することができる。パームヤシの実の生産性が落ちた老木はパームヤシ農園の経営が続く限り継続的に発生し、発生量が多く炭の原料として適しているが、風水害の倒木、病虫害などの理由により伐採されたパームヤシの幹であっても、当然のことながら本発明に好適に用いることができる。パームヤシの若木の幹は、老木に比較すると、根から吸収した塩素総量が比較的少なく、塩素濃度の分布が幹の軸方向と垂直な方向にわたって全体的に低く、幹全体を炭の原料として使用できる可能性があるので、本発明の適用が適当でない場合もある。

図２に示す実験装置を使用し、パームヤシの幹の炭化試験を行った。加熱炉１０は最高加熱温度１２００℃であり、直径４０ｍｍ、長さ３７５ｍｍの加熱範囲を有するものを用い、直径３１ｍｍのパイレックス（登録商標）製の反応管１１の中間部にパームヤシの幹の破砕物１２を保持してＮ₂雰囲気下で炭化した。

サンプルは全長８ｍ、太さ約３５ｃｍのパームヤシの幹の３箇所について、軸方向と垂直な断面で厚さ約１０ｃｍに切断し、断面の中央より無次元半径０、０．２、０．３、０．４、０．６、０．９の位置を中心とし、直径２ｃｍの部分をドリルにより穿孔しパームヤシの幹の破砕物を１５ｇずつ採取して炭化実験装置に供給した。炭化温度５００℃として炭化した場合の塩素濃度測定結果を表１に示す。

表１より明らかなように、中央より無次元半径０．３までの部分の塩素濃度の平均は０．６ｍａｓｓ％であり、無次元半径０．３から外周部までの部分の塩素濃度の平均は０．１ｍａｓｓ％である。すなわち、一定の塩素投入量の上限が管理されているプロセスに炭を投入する場合を考えると、塩素濃度管理の観点からは、無次元半径０．３から外周部までの部分のパームヤシの幹部位から製造された炭化物は中央より無次元半径０．３までの部分のパームヤシの幹部位から製造された炭化物の６倍の量を使用することが可能となることになる。

１ パームヤシの幹の中央部分
２ パームヤシの幹の外周部分
３ 破砕機
４ 破砕物貯留槽
５ ロータリーキルン炉
６ 燃焼炉
７ 炭化物貯留槽
８ 破砕物貯留槽
１０ 加熱炉
１１ 反応管
１２ パームヤシの幹の破砕物

Claims (4)

1. 植物の幹を原料として炭を製造する際に、導管部を有する幹の中心部分を除去し、残部の幹の外周部を炭の原料として炭化することを特徴とする炭の製造方法。
2. 植物の幹として、パームヤシの幹を用いることを特徴とする請求項１に記載の炭の製造方法。
3. パームヤシの幹の軸方向と垂直な断面において、中央から無次元半径で少なくとも０．３までの部分を中心部分として除去することを特徴とする請求項２に記載の炭の製造方法。
4. 幹の中心部分を燃料として使用することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の炭の製造方法。

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