JP2012011330A - 水平加振機構、および水平加振機構を使用した突起付リング型粉砕媒体利用振動ミル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】駆動軸を上下に2本設置し、駆動手段から回転動力を伝達させるとともに、駆動軸にアンバランスマスを取り付け、2本の駆動軸が回転自在に貫通する振動ベースに固定された水平加振機構において、振動ベースに円筒容器を水平に設置し、円筒容器の内側に、外周面に板厚方向で直線状に複数の突起が付いたリング型粉砕媒体を、突起付リング型粉砕媒体が円筒容器内で転動可能となる間隙を設けて複数枚を装入し、円筒容器の一方端より原料の供給をし、他端から微粉末の排出を行ない、円筒容器を水平方向に振動させることで突起付リング型粉砕媒体を円筒容器内で転動させることにより、木質系バイオマスを大容量処理可能な駆動用動力量を削減した粉砕効率の良い突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルを得ることができる。
【選択図】図1
Description
バイオマス・ニッポン総合戦略推進会議が2007年2月に取りまとめた「国産バイオ燃料の生産拡大工程表(総理報告)」との整合性を図りつつ、経済的かつ多量、安定的にセルロース系原料からバイオ燃料等を効率的に生産する技術革新の実現を目指すため、2007年11月に経済産業省と農林水産省が連携して、石油業界や自動車業界など国内大手十六社及び大学等・独立行政法人の研究機関からなる「バイオ燃料技術革新協議会」を設置し、具体的な目標、技術開発、ロードマップ等を内容とする「バイオ燃料技術革新計画」の策定を2008年3月に行った。
前処理工程については、コスト(エネルギー消費)とのバランスで最適な技術の開発が重要であるとし、微粉砕法を共通技術として重点的に開発を行うことが望まれている。
前処理技術としての微粉砕法は、後段に続く酵素糖化の効率を80%以上にする微粉末を生成することができるが、これまでの粉砕機では、消費エネルギーが大きい問題があった。
この報告においては、間伐材として豊富に入手可能な針葉樹に対して、振動式ボールミルを用い、5時間の粉砕処理で木材多糖類の80〜90%が糖化できること、糖化率を高めるためには、木材の粉砕時に、さらなる高衝撃力が必要なことを報告している。
しかし、この粉砕処理試験では振動式ボールミルが用いられ、3リットルの粉砕筒で72時間粉砕を行うと、最大の糖化率が62%に、1.8リットルの粉砕筒で5.5時間粉砕を行うと、最大の糖化率が66.8%となり、処理量が大容量になると最大の糖化率に達するまでの処理時間が非常に長くなるという問題があった。
この報告においては、大きな衝撃力が発生する1本のカッティングロッド粉砕媒体を用いる振動ミルで、200μm程度に予備粉砕した杉材粉末4グラムを30分程度粉砕処理して、木材多糖類(ホロセルロース)の75%程度を糖化できることを報告している。
しかし、この振動式カッティングロッド粉砕媒体利用ミルは、粉砕媒体が1本のロッドで構成され、粉砕量も4グラムと少ない事例であり、実際のプラントで用いるための大容量化をどのようにして行えるかが問題である。
しかし、木質系バイオマスを粉砕して酵素で効率良く糖化するためには、20〜30μm程度まで微細化した後に、引き続き高衝撃力を加える粉砕を行う必要があるために、粉砕処理時間が5時間以上必要になるという問題がある。
この粉砕機は、高衝撃力が付加できるため、木質系バイオマスの粉砕に適用した場合には、1時間程度粉砕して得られた粉末は酵素で糖化すると高い糖変換率が達成できる。
しかし、容器内で飛ばしたボールと固定壁との衝突の他にボール同士の衝突も多少発生するため、容器内で飛ばしたボールの高運動エネルギーを粉砕処理のためにのみ効率よく高衝撃エネルギーに変換できていない問題がある。
また、バッチ式処理方式であるため、粉砕処理に伴い小さくなった粉末の粒径に最適な小径のボールに変更できないため、粉砕効率を十分に上げられない問題がある。
しかし、この円板粉砕媒体使用の粉砕機を、木質系バイオマスの粉砕に適用した場合には、粉砕能力が不十分である。
さらに、水平に設置した粉砕容器の内径と外周面に突起の付いた円板との外径の差が60mm以下である中央に穴部が形成された円板を粉砕容器に入れ、粉砕容器を上下左右に振動させ、円板を粉砕容器内面に沿って転動させるようにして木質系バイオマス原料を粉砕させる粉砕装置(特許文献5)も提案されている。
前記の粉砕機は、高衝撃力が付加できるため木質系バイオマスを1時間程度粉砕して得られた粉末は酵素で糖化すると高い糖変換率が達成できる。
また、特許文献4の粉砕機では、円筒容器の内径とリング型粉砕媒体の外径の差を60mm以下に維持することにより、円筒容器を大型化しても高糖化率となる粉末に粉砕できるので、木質系バイオマスの大容量処理化への問題を解決している。
しかし、前記の粉砕機は、円板を粉砕容器内面に沿って転動させる駆動力を与えるために、粉砕容器を上下左右に振動させて行うので、粉砕容器および粉砕容器固定部を上下、左右に振動させるための大きなエネルギーが必要になるという問題がある。
しかし、この粉砕機は、振動を抑制して、無駄なエネルギー消費を削減しつつ、粉砕を行えるが、ボールやロッド等の粉砕媒体を使用しているため、木質系バイオマスの粉砕に適用した場合、酵素で効率良く糖化するためには、20〜30μm程度まで微細化した後、引き続き高衝撃力を加える粉砕を行う必要があるために、粉砕処理時間が5時間以上必要になるという問題がある。
この水平加振機構では、駆動軸の回転により、駆動軸に取り付けたアンバランスマスの回転により被振動体に横方向の振動を発生させる。このとき、アンバランスマスは、回転の向きが逆で常に上下方向に対向する位置を取り、それぞれの駆動軸に生じるトルクは、動力伝達構造においてバランスするため、このアンバランスマスはカウンターウェイトとなる。そうすることで、水平加振機構では、駆動軸に取り付けられたアンバランスマスを回転させるトルクを2本の駆動軸の間で釣り合わせることで、駆動軸の回転に必要なトルクを理論上ゼロにできるので、エネルギーを大幅に低減できる。
前記2本の駆動軸は、モータ1つ、またはモータ2つで回転させることができる。
また、この本発明の突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルにおいては、円筒容器径を大きくしても、突起付リング型粉砕媒体の外径と円筒内径の差を円筒容器の加速度に対応した一定値にして突起付リング型粉砕媒体の外径を大きくすることで、突起付リング型粉砕媒体の円筒内壁に沿っての高速転動を確保できるようになり、円筒容器の内径を大きくしても粉砕効率が低下しないので、装置を大型化して大容量処理が容易になるという特徴を有するものである。
さらに、この篩構造は、原料導入側から順次篩の開口メッシュを小さくすることにより、粉砕原料の滞留時間を調整することができる。
(1)円筒容器を水平に設置して水平方向に振動運動をさせた時、円筒容器の内径と突起付リング型粉砕媒体の外径との差を粉砕容器に加えられる加速度で複数枚の突起付リング型粉砕媒体が円筒容器内面を擬似剛体のように転動する大きさとしたため、大量の木質系バイオマスチップを処理するために円筒容器の内径を大きくしても円筒容器内壁に沿って突起付リング型粉砕媒体が高速で転動して粉砕を行なうようになるため1時間以下の粉砕処理で高酵素糖変換効率となる粉末を生成できるという利点がある。
(2)突起付リング型粉砕媒体の開口部に篩を設けてあるため、原料が一定時間滞留して微細化とセルロースの非晶質化を促進することができるという利点がある。
(3)円筒容器に装入する突起付リング型粉砕媒体の重さが原料装入側の端板から順次軽くなる構造としたため、投入直後の原料の粒径を短時間、短距離で微細化して原料注入量を大きく出来るという利点がある。
(4)円筒容器内に装着した突起付リング型粉砕媒体に開口した穴部に対応して原料導入ノズルを円筒容器端板に取り付け、同様に粉末出口側の端板にも突起付リング型粉砕媒体に開口した穴部に対応して粉末取り出しノズルが取り付けたので、突起付リング型粉砕媒体に開口した穴部に注入された原料は、開口穴内面壁で加速度を与えられて開口穴部内部空間に飛散し、突起付リング型粉砕媒体の間を通って円筒容器内面部に導かれてリング型粉砕媒体の突起部で破砕をされ、再度突起付リング型粉砕媒体に開口した穴部に戻り、一部は円筒容器軸方向の気流で軸方向に移動を行う連続式粉砕モデルとすることができるという利点がある。
以下に、本発明に係る水平加振機構、および突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルの最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施例1は、図1に示すように、水平加振機構の実施の形態として、駆動手段としての駆動モータ1のみを用いる場合の例である。
この水平加振機構は、駆動モータ1にカップリング2を用いて接続される歯車3および歯車3かみ合う歯車3a、およびこれらが固定される支持台5、歯車3、3aの軸に接続されるユニバーサルジョイント4、4aと、ユニバーサルジョイント4、4aに接続されるアンバランスマス6、6a、6b、6cが取り付けられた回転軸7、7aと、回転軸7、7aが回転フリーで固定される振動ベース8、振動ベース8を垂直方向に支持するコイルスプリングバネ9、9a、および水平方向に支持するコイルスプリングバネ10、10a、 コイルスプリングバネ9、9a、およびコイルスプリングバネ10、10aを固定する固定ベース11からなる。
また、水平加振機構の駆動手段として、駆動モータ1、1aを2つを用いる場合は、前記実施例1において、駆動モータ1aにカップリング2aを用いて歯車3aに接続するものである。
駆動モータ1、1aの2つを用いる場合では、駆動モータ1の回転方向に対して駆動モータ1aは逆方向に駆動モータ1と同じ回転により、それぞれに接続される歯車3、3aに回転動力を伝達する。
また、電動機の回転数、動作パターン、電流等をコントロールできる制御基盤を有することが望ましい。
実施例2は、図2に示すように、実施例1の水平加振機構を使用した突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルである。図1に示す水平加振機構において駆動モータ1つを用いる場合を基本として、振動ベース8に替えて円筒容器保持構造8aを用いる。
この突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルは、その円筒容器保持構造8aに、円筒容器12、12aが取り付けられ、円筒容器12、12aの内部に、円筒容器内径と外径の差が60mm以下である突起付リング型粉砕媒体13が複数枚装入され、円筒容器12、12aの端部を閉じる端板構造14、14a、14b、14cからなる。
突起付リング型粉砕媒体13は、機械構造用炭素鋼(JIS規格・G4051)製の厚さ21mmの板で、外径252mm、内径198mmであり、板厚方向で直線状の突起として三角形状であり、その突起の高さ2mmのもの10枚を装入した。
駆動モータ1の動力は、5KWである。
なお、前記円筒容器12、12aおよび突起付リング型粉砕媒体13の大きさ・形状は、前記具体例の数値に限定されるものではない。
15分粉砕処理後、全量800gを取り出し、平均粒径を測定したところ、28.19μmであった。
なお、平均粒径は、日機装製マイクロトラック、MT3300EX2で測定した。
実施例2は、15分の粉砕処理で、20〜30μm程度まで微細化できるので、従来のボールミルと比較すると、大幅に効率化されている。
また、先行技術の特許文献4および特許文献5の粉砕機における1時間程度粉砕と比較しても、約4倍の効率化になっている。
さらに、粉砕処理後に、別工程の糖化をするためには、糖化に適したバイオマス粉末原料は、結晶化度の低下も必要となるので、上記例について結晶化度を測定した。
杉粉末原料(平均粒径、268.55μm)の結晶化度は、50.75%であった。
30分粉砕処理後(平均粒径、28.19μm)の結晶化度は、13.80%であった。
結晶化度は、リガク製X線回折装置、RINT2500での測定値より、
結晶化度={(最大強度)−(2θ=18°における強度)}/最大強度
の評価式で求めた。
また、結晶化度は、粉砕処理時間30分までは急激に低下するが、それ以降の低下は緩やかになるので、糖化に適したバイオマス粉末原料を得るためには、粉砕処理時間は30分が好ましい。
すなわち、円筒容器12、12aは、ライナー15、冷却用ジャケット16、端板構造14、14a、14b、14c、原料供給ノズル17、微粉末出口ノズル17a、冷却水入口ノズル18、冷却水出口ノズル18a、から構成され、その内部に突起付リング状板13、13a、13b、13c、篩付リング状板13d、13e、13fが装着されている。
篩付リング状板13d、13e、13fは、突起付リング型粉砕媒体13、13aの開口部に篩構造19が装着されている。
実施例3は、粗粉砕を行った草本系・木質系バイオマスを、連続的に大量に微粉砕を行う方式としたものであり、草本系・木質系バイオマス粉末を効率良く、酵素糖化率が高い微粉末を生成することが可能となる。
また、突起付リング型粉砕媒体13は、機械構造用炭素鋼(JIS規格・G4051)製の板で、13c、13bの厚さは42mm(2枚)、13e、13aの厚さは21mm(3枚)、13d、13、13fの厚さは10.5mm(6枚)の板であり、外径・内径は共通で、外径252mm、内径198mmであって、板厚方向で直線状の突起として三角形状であり、その突起の高さ2mmのものである。
さらに、篩付リング状板13d、13e、13fの開口部に設けた篩構造19の篩の大きさは、投入口に近い順から13e:2mm、13d:1mm、13f:500μmである。
前記突起付リング型粉砕媒体13の合計11枚を円筒容器12、12aに装入した。
なお、前記円筒容器12、12aおよび突起付リング型粉砕媒13の大きさ・形状は、前記具体例の数値に限定されるものではない。
さらに、前記篩構造19の篩の大きさは、粉末の流動および気流に対する抵抗となれば十分なので、前記具体例の大きさの数値に限定されるものではない。
流入させる気流は、4m3/hr(粉砕容器内での流速は、17.5mm/s)を最大とした。この気流では、円筒容器内径と突起付リング型粉砕媒体13の外径の差が60mm以下の空間を、粉末が通過することはない。
この実施例3の突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルにおいては、20〜30μm程度まで微粉細化された粉末が、1時間当たり60〜180Kg(最大気流速度の場合)処理することができた。
この縦型円筒容器保持構造8b、8cに複数の突起付リング型粉砕媒体を装入した円筒容器12b、12cが取り付けられ、この縦型円筒容器保持構造8b、8cが並んで固定ベース11aにコイルバネスプリング9b、10bを介して取り付けられ、縦型円筒容器保持構造8b、8cの中央部に取り付けられたアンバランスマス6d、6eにより構成されている。
また、本発明の円筒容器は内径を大きくしても粉砕効率が低下しないので、円筒容器を大型化すれば、少ない動力で木質系バイオマスを処理能力1トン/hrという大容量処理化が可能となり、得られた微粉末は酵素で高糖化率、高濃度の変換が行えるようになる。
2、2a カップリング
3、3a 歯車
4、4a ユニバーサルジョイント
5 支持台
6、6a、6b、6c、6d、6e アンバランスマス
7、7a 回転軸
8 振動ベース
8a、8b、8c 円筒容器保持構造
9、9a、9b コイルスプリングバネ
10、10a、10b コイルスプリングバネ
11、11a 固定ベース
12、12a、12b、12c 円筒容器
13、13a、13b、13c 突起付リング型粉砕媒体
13d、13e、13f 篩付リング状板
14、14a、14b、14c 端板構造
15 ライナー
16 冷却用ジャケット
17 原料供給ノズル
17a 微粉末出口ノズル
18 冷却水入り口ノズル
18a 冷却水出口ノズル
19 篩構造
20 バイオマス粉末原料
21 冷却水
Claims (8)
- 駆動軸を上下に2本設置し、駆動手段からの回転を、回転伝達手段により駆動軸の間で回転動力を伝達させるとともに、
駆動軸の回転方向が逆方向になり、駆動軸の回転により生じる上下方向の力の向きがキャンセルされ、水平方向の力の向きが同じになるように軸にアンバランスマスを取り付け、2本の駆動軸が回転自在に貫通する振動ベースに固定され、駆動軸を回転させることで横方向の振動を発生させることを特徴とする水平加振機構。 - 請求項1記載の水平加振機構において、駆動手段として、駆動軸1つ、または駆動軸2つにモータを接続し、振動を発生させることを特徴とする水平加振機構。
- 請求項1および請求項2記載の水平加振機構において、振動ベースに円筒容器を水平に設置し、その円筒容器の内側に、外周面に複数の板厚方向で直線状に突起が付いたリング型粉砕媒体を、突起付リング型粉砕媒体が円筒容器内で転動可能となる間隙を設けて複数枚装入し、
水平加振機構により、水平方向に加振力を加えたとき、円筒容器に水平方向の加振力による横方向振動が発生し、前記突起付リング型粉砕媒体が円筒容器の壁面に沿って与えられた振動の周期に合わせて転動することを特徴とする突起付リング型粉砕媒体利用振動ミル。 - 請求項3記載の突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルにおいて、突起付リング型粉砕媒体の開口部に篩構造物が装入されたことを特徴とする突起付リング型粉砕媒体利用振動ミル。
- 請求項3および請求項4記載の突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルにおいて、突起付リング型粉砕媒体の重さが、原料装入側の端板から順次軽くなることを特徴とする突起付リング型粉砕媒体利用振動ミル。
- 請求項3乃至請求項5記載の突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルにおいて、原料装入側の端板に原料導入ノズルが取り付けられ、ノズルの開口部と突起付リング型粉砕媒体の穴部が対応し、粉末出口側の端板に粉末取り出しノズルが取り付けられ、ノズルの開口部と突起付リング型粉砕媒体の穴部が対応していることを特徴とする突起付リング型粉砕媒体利用振動ミル。
- 請求項3乃至請求項6記載の突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルにおいて、前記駆動手段として、駆動軸1つ、または駆動軸2つにモータを接続し、振動を発生させることを特徴とする突起付リング型粉砕媒体利用振動ミル。
- 請求項3乃至請求項7記載の突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルにおいて、突起付リング型粉砕媒体利用振動ミルを上下2段の縦型に変更し、その2セット用いて、横に並列に設置し、左右逆に水平振動させることを特徴とする突起付リング型粉砕媒体利用振動ミル。
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