JP2540628B2 - 木炭の製造方法 - Google Patents

木炭の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は木炭の製造方法に関し、更に詳しくは製鉄用
コークスの代替品としても使用しうる製鉄用木炭の製造
方法に関する。
〔従来の技術〕
日本国内において、木炭は昭和32年頃迄生活の必需品
として年間200万トン製造され、各種用途に用いられて
いたが、昨今では年間8万トンに満たない量が製造され
ているに過ぎず、その製造法も土窯及びコンクリートブ
ロック窯等を用い8〜10日間かけている状況にあり、一
窯当りの木炭生産量は少なく、大量生産や工業的連続生
産といつた面の技術検討は少ない。
〔発明が解決しようとする課題〕
木炭の製造時間の短縮例としてはの林試式移動炭化
炉(炭窯)及び特開昭59〜145282号公報、特開昭51
〜68602号公報がある。
の方法は木材を1〜2日で木炭に転換できるSUS製
の炭窯を使用する方法であるが、製品木炭は低品質の軟
炭や粉炭であり市場には流通させることはできない。ま
た一窯当りの製造量は数百kgのオーダーしかなく大量生
産には向かない方法である。
の方法は木材等の燃焼炉と炭化炉を分割し、炭化炉
内に炭窯を複数個入れて木炭を1日で製造するものであ
るが、該方法においてもと同様の問題がある。
の方法は、原料木材等を予め細粒として流動層で木
炭化するつもりであり、大量生産といつた面での利点が
ある反面、製品木炭が細粒炭であり、木炭中の揮発分が
15.3%,灰分が8.2%と高く、品質面で劣悪であるた
め、市場に流通させることが困難であり、かつ、原料を
粉砕するためのコストが木炭コストに加えられるので経
済性に乏しい方法である。
一方、粉状(例えば、チツプ、パルプ、製鉄ヘドロ
等)の原料材に粘結材(コールタール、ピツチ、CMC
等)を加えて成型、固化後乾留し、木炭化する方法が特
開昭49〜10201号、特開昭49〜117501号、特開昭54〜131
605号、特開昭55〜100212号、特開昭60〜23478号各公報
に開示されているが、乾留温度が1000℃と高いので窯の
工業材料の選定上問題があつたり、乾留時間が長つたり
工業化には適した方法とはいえないものが多い。
他方、林産資源の豊富な諸国(ブラジル、インドネシ
ア、フイリピン等)では木炭の生産が日本に比べ盛んで
あり、特にブラジルにおいては成長の速いユーカリ材を
作用した木炭の生産がさかんであるが、コンクリート窯
を用いて8〜10日間かけて木炭を製造する方法が主流で
あり、一部シヤフト炉を用いた木炭の連続生産が行なわ
れているが、木炭が軟炭であり、かつ、木炭にクラック
が多数発達しておりコンクリート窯のそれに比較して低
品質の製品しか製造できないといつた問題があつた。
上述したように、従来の木炭製造技術は下記のように
大別され、それぞれ欠点があつた。
すなわち、品質がよいと生産性が悪く、生産性がよい
と品質が悪く、品質と生産性が両立しないといつた問題
点があつた。
〔発明者らの知見〕
そこで本発明者らは、木炭の品質を支配する要因につ
き種々の検討を行なつた結果、木炭の製造条件と対応す
る木炭品質が下記の3点に有り、かつ、これらが木炭品
質を支配していること並びに木炭品質を決定づける因子
では(1)固定炭素、(2)強度(圧壊強度)、(3)
粒径であり、木炭を製鉄に供しようとする際には下記の
仕様を満足する必要があることを知つた。
(1)固定炭素 80wt%以上 (2)強 度 19〜23.5kg/cm2以上 (3)粒 径 12.7mmが15%以下 又、これらの仕様と操作条件間には以下の相関関係が
あることを知つた。
(1)については、乾留、炭化温度を一定条件以上に
保持すればよい。
(2)の強度の発現には炭化時の温度と、炭化及び乾
留時の昇温速度を一定値で制御する必要があることであ
る。すなわち従来の土窯法では経験的に乾留、炭化時の
昇温速度に炭化温度を決めており、高品質の木炭製造に
は8〜10日間といつた長時間を要している。このように
乾留と炭化の昇温速度が遅く、かつ、炭化温度が高いこ
とが工業化を計る上で処理時間が長いといつた問題を引
起しているので、本発明者らは乾留、炭化時の昇温速度
の上限値と炭化温度の下限値条件につき種々の検討を加
えた結果、乾留時の昇温をゆるやかなものとして木材中
のヘミスルロース、セルロースの内部酸化による発熱を
ミニマム制御しつつ乾留を行なえば、炭化時の昇温速度
は乾留時のそれの数倍以上迄、速くしても木材強度に影
響を与えないことを知つた。このように乾留時と炭化時
の昇温速度を変化させ、それぞれを最適化することによ
り従来の木炭と同等以上の品質を保持しつつ処理時間を
大幅に短縮することが可能となる。
(3)の粒径は、木炭内部に発生するクラックと密接
な関係があり、原木の種類、昇温速度、原木サイズがク
ラックの発生に影響を与えることを知つた。(クラック
が多数発生すると木炭強度が低下したり、クラック同志
が結合し木炭が寸断されたり、取扱い中に割れたりして
木炭が粉化する。)原木の種類を一定とした時には、昇
温速度が速いと多数のクラックが発生するが、これは木
材中のセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの背部
酸化時の発熱量が木炭内部で蓄積される結果、木材内部
温度が外部に比べ時によつては200℃以上高いといつた
現象が発生し、この内外温度差による木材の組織歪みが
クラックの発生原因となることがわかつた。セルロー
ス、ヘミセルロース及びリグニンの内部酸化反応がそれ
ぞれ達つた温度域で生起すること及びセルロースの内部
酸化反応が一番激しいことに着目し、これら物質の内部
酸化が生起しても木材の内外温度差がミニマムにできる
条件を後述するように見出した。また、原木の種類及び
昇温条件が一定の場合には体積の大きいもの程、乾留、
炭化時の木材内外温度差が発生することを見出し、その
制約条件を後述するように摘出した。
〔問題を解決するための手段〕
本発明は以上の知見によつて完成されたものであつ
て、本発明は木材を乾留・炭化して木炭を製造する方法
において、温度320℃近辺を境界として、該温度以下の
温度域を乾留域、該温度以上の温度域を炭化域とし、少
なくとも炭化域の昇温速度を乾留域の昇温速度以上とす
ることを特徴とする高品質木炭の製造方法である。
上記本発明を実施するに際し、木材の主成分をなして
いる内部酸化反応熱の発生の大きいセルロースに着目
し、セルロースの内部酸化が終了する迄の温度域をゆっ
くりとした昇温速度で昇温し(常温〜320℃の範囲を当
該反応域とし乾留域とした)、昇温速度は100℃/hr以
下、好ましくは60℃/以下、更に好ましくは40℃/hr以
下とすることにより木材の内外温度差をミニマムとな
し、次いでリグニンの内部酸化反応領域(320℃以上の
範囲を当該反応域として炭化域とした)については、少
なくとも乾留昇温速度以上であつて250℃/hr以下とする
ことを好ましい実施態様とするものである。これにより
高品質の木材が製造時間を大幅に短縮することが可能と
なる。
また、本発明の実施に当つては木材のサイズは乾留炭
化時の内外温度差を支配する因子であることにより木材
寸法を直径69mm以下の丸太及びもしくは該直径以上の寸
法の丸太にあつてはその相当直径(木材の容積V、高さ
をhとした時、相当直径は で表わされる)を69mm以下とすることにより木炭のクラ
ツク発生を防止することが好ましく、更に木炭製造時間
を短縮するために炭化温度を680℃以上とすることが好
ましい。
以上説明した本発明の木炭乾留炭化昇温パターンの一
例を第1図に示す。昇温時の設定温度は木材周囲温度を
ベースにしたもので点線で示しており、木材中心部の温
度を実線で示している。設定温度が230℃以下は脱水
域、230℃以上320℃の範囲を乾留域、320℃以上の範囲
を炭化域とした。
〔作用〕
乾留昇温速度を一定値以下としたことにより、木炭の
強度、の保持、クラツクの発生がミニマムとすることが
できる。
炭化昇温速度を乾留昇温速度以上であつて250℃/hr以
下とすることにより、木炭の強度を保持しつつ、炭化時
間を大幅に短縮できる。
木材の寸法を一定値以下とするものとすることによ
り、木炭内のクラツク発生をミニマムとすることができ
る。
〔実験例1〕 木材としてユーカリ(グランデイス種)材を用い、直
径120mm、長さ90mmの丸太材及びもしくは当該丸太の1/4
分割品をN2気流下で乾留昇温速度を種々変化させて木炭
強度に与える影響を検討し、その結果を第2図に示し
た。この際の炭化温度は700℃、1時間一定とした。
この第2図より乾留昇温速度が木炭強度に影響を与え
ていることが明らかであり、昇温速度として100℃/hr以
下、好ましくは60℃/hr以下であれば、木炭の目標強度
(19〜23.5kg/cm2)をクリアーできる。
一方、同一条件下で製造した木炭のワレ比率と乾留昇
温速度の関係を第3図に示したが、これより木炭のワレ
比率をミニマムにおさえるには乾留昇温速度として40℃
/hr以下であることが好ましいことがわかる。
〔実験例2〕 木材ほ実験例1と同一のものを用い、乾留時の昇温速
度を40〜50℃/hr、炭化条件を700℃で1時間とし炭化昇
温速度を変化させて製造した木炭の強度と炭化昇温速度
の相関関係を第4図に示した。
第4図により、木炭の目標強度をクリアーする昇温速
度は250℃/hr以下であることがわかる。
〔実験例3〕 木材は実験例1と同一のものを用い、乾留昇温速度を
20〜40℃/hr、炭化昇温速度を250℃/hr、炭化時間を1
時間として、炭化温度を変化させ、該実験で取得した木
炭の強度と炭化温度の相関関係を第5図に示したが、こ
れより木炭の炭化温度としては680℃以上必要であるこ
とが判る。
また、この実験例3において製造した木炭の固定炭素
と炭化温度の相関関を第6図に示したが、これより目標
の固定炭素値は全温度域でクリアーしており、680℃の
炭化温度であれば充分である。
〔実験例4〕 乾留昇温速度を20℃/hr、乾留温度を300℃/hrに固定
し、木材種はユーカリ(グランデイス種)材を用い、丸
太寸法及び形状を種々変化させた際の木炭ワレ比率と丸
太形状の相関関係を第7図に示した。
第7図より、木炭ワレ比率をミニマムとする丸太の形
状、寸法は直径69mm以下及びもしくは直径が69mm以上の
丸太にあつては相当直径が69mm以下であることが判る。
〔実験例5〕 木材を実験例1とし同一とし、乾留昇温速度20〜40℃
/hr、炭化昇温速度130〜250℃/hr、炭化温度700℃1時
間で木材を乾留炭化し炭化開始温度と木炭強度の相関関
係を第8図に示した。これより明らかなように、炭化開
始温度は320℃以上である必要があることが判る。
以上、本発明を木材から木炭の製造について説明した
が、褐炭、草炭類の乾留、炭化方法についても本発明を
適用することができる。
〔発明の効果〕
本発明により最適化した条件で木材を乾留、炭化する
ことにより、下記に示すように、一般的な製鉄用木炭品
質以上の高品質木炭が6〜8時間という工業化が充分な
可能な短時間で製造できる。
固定炭素 95wt% 強 度 24.8kg/cm2 粒 径 40mm×90mm
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による木炭製造時の昇温パターンの一例
を示す図表、第2図は本発明の第1実験例に係る乾留昇
温速度と木炭強度の相関を示す図表、第3図は本発明の
第1実験例に係る乾留昇温速度のワレに与える影響を示
す図表、第4図は本発明の第2実験例に係る炭化昇温速
度と木炭強度の相関を示す図表、第5図は本発明の第3
実験例に係る炭化温度と木炭強度の相関を示す図表、第
6図は本発明の第3実験例に係る炭化温度と固定炭素の
相関を示す図表、第7図は本発明第4実験例に係る原木
サイズと発熱温度差の相関を示す図表、第8図は本発明
第5実験例に係る炭化開始温度と木炭強度の相関を示す
図表である。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】木材を乾留,炭化して木炭を製造する方法
    において、温度320℃近辺を境界として、該温度以下の
    温度域を乾留域、該温度以上の温度域を炭化域とし、少
    なくとも炭化域の昇温速度を乾留域の昇温速度以上とす
    ることを特徴とする高品質木炭の製造方法。
  2. 【請求項2】乾留昇温速度を100℃/hr以下とし同時に炭
    化昇温速度を少なくとも乾留昇温素速度以上であつて25
    0℃/hr以下とする請求項(1)記載の木炭の製造方法。
  3. 【請求項3】木材のサイズを直径69mm以下及びもしくは
    当該直径69mmを超えるものにあつてはその相当直径を69
    mm以下とする請求項(1)又は(2)いずれかの木炭の
    製造方法。
  4. 【請求項4】炭化温度を680℃以上とする請求項(1)
    〜(3)いずれかの木炭の製造方法。
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JP7485904B2 (ja) * 2020-03-03 2024-05-17 日本製鉄株式会社 木炭の製造方法

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