JP3219241U

JP3219241U - 竹活性炭製造装置

Info

Publication number: JP3219241U
Application number: JP2018003757U
Authority: JP
Inventors: 法義金藏; 堀井　清之; 清之堀井
Original assignee: Forest Power Japan
Current assignee: Forest Power Japan
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2028-09-27

Abstract

【課題】竹を原材料として有効利用して、活性炭の生成効率を向上させ、活性炭の粒径制御を容易として活性炭を製造することができる竹活性炭製造装置を提供する。【解決手段】本考案の竹活性炭製造装置は、原料の竹チップとリグニン成分から竹炭化物を生成する竹炭化部４０と、竹炭化部４０で生成した竹炭化物を取り込み、ガス賦活処理を施し、顆粒状の竹活性炭を生成する回転型賦活炉５０を備える。竹炭化部４０は、投入部１１及び取出部１２を有するシリンダ１０と、スクリュー２０とを有する２軸のエクストルーダーを備え、調温部１３と、水分排出用圧力調整部１４と、ガス排出用圧力調整部１５と、液体分離器１６と、スクリュー２０によって、投入物である竹を微粒化するせん断部２１と、せん断部２１で微粒化された竹を圧縮する圧縮部２２を含む。【選択図】図１

Description

本考案は、顆粒状の竹活性炭を製造する竹活性炭製造装置に関する。

バイオマス（再生可能な、生物由来の有機性資源で化石資源を除いたもの）などの有機物は、高い燃焼熱を持つことから古くからエネルギーに利用されるとともに、軽量で高強度のセルロースなどを含むことから成形材料としても活用されてきた。

バイオマスは、元々大気からの二酸化炭素を取り込んで生成したものであるため、燃焼させた場合でも、化石燃料を燃やした場合と異なり、大気中の二酸化炭素濃度を増減させないカーボンニュートラルな資源である。このため、現在、このようなカーボンニュートラルなバイオマスをエネルギーとして利用する研究が進められている。

このような試みの中で、本出願人によって、有機物をエネルギー利用の観点から、ガス成分、タール成分、炭化物成分を十分に分離できる熱分解型の装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１６−９４５９０号公報

特許文献１には、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼炉と、間接加熱により有機物を発生ガスと炭化物に分離する熱分解炉と、炭化物に高温の燃焼ガスを導く活性炭賦活炉により、ガス成分から活性炭までを得る技術が開示されている。

しかし、粒径の大きい粒状の活性炭を得ることはできるが、活性炭の生成効率や粒径の制御の点でさらに改善すべき余地があり、特に炭化度が均一でないことから壊れやすく、その結果、均質な活性炭が得られにくいという問題点があった。また、エネルギー効率をさらに向上させるための工夫が必要である等の課題があった。

一方、生物由来の有機性資源として、竹を利用することが考えられる。竹は、地上植物の中でも成長力の早く、年ごとに筍サイズから約２０ｍ程度の高さに成長する循環性資源である。里山を覆いつくす荒廃竹林の竹を原料として活性炭製造をすることができると地域活性化にもつながる。

本出願人の創案による特許文献１の技術では、有機物として木材チップ、農業残渣物、食品残渣物を主原料として考慮していたが、前記のとおりの竹を原料とすることについては詳細な検討が行われていない。

本考案は、このような事情からなされたものであって、特許文献１の技術を抜本的に改善、改良して、活性炭の生成効率やエネルギー効率の向上を図り、粒径の制御を容易として、竹を原材料として有効利用して生成効率を高めて均質な活性炭を製造することができる竹活性炭製造装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本考案の竹活性炭製造装置は、投入物として竹とリグニン成分を投入する投入部、及び前記竹の炭化物を取り出す取出部を有するシリンダと、前記シリンダの内部で軸回転し、前記竹を前記投入部から前記取出部に向かって押し出すスクリューとを有する２軸のエクストルーダーを備えた竹炭化部と、前記竹炭化部の前記取出部の下流に直結され、前記竹炭化部の前記取出部から取り出された前記竹の炭化物を取り込み、ガス賦活処理を行い顆粒状の活性炭を生成する回転型賦活炉を有することを特徴とする。

また、上記において、前記竹炭化部では、前記シリンダ内の前記竹とリグニン成分を、設定温度に調温する調温部と、前記シリンダ内の前記竹が含有する過剰水分を、設定圧力によって取り出す水分排出用圧力調整部と、前記シリンダ内の前記竹が熱分解し発熱する熱分解ガスを、設定圧力によって取り出すガス排出用圧力調整部と、前記ガス排出用圧力調整部で取り出された前記熱分解ガスを冷却して得られる液体を分離する液体分離器を備え、前記シリンダ内には、前記スクリューによって、前記竹を微粒子化するせん断部と、前記せん断部で微粒子化された前記竹を圧縮する圧縮部が形成され、前記取出部では、前記竹から前記過剰水分及び前記熱分解ガスが取り出された竹炭化物が排出されることが好ましい。

本考案によれば、上記構成を採用したので、熱分解におけるエネルギー効率を上げるとともに、竹を有効利用して、良好な生成効率で均質な顆粒状(ペレット状などの)竹活性炭を製造することのできる技術が提供される。

より詳しくは、本考案の製造装置においては、
（１）炭化プロセスにおいて、均質な炭化が可能になる。その結果、品質の高い、壊れにくい原料炭が製造可能になり、その結果、粒径の揃った均質な顆粒状(ペレット状などの)活性炭が製造される。

その理由は、次のとおりである。
［ａ］原材料が竹という均質的な素材であること、そしてリグニンク成分を併用していること。
［ｂ］しかし、均質な素材とは言え、竹の筒と節部分という密度の違う原料が混在している。密度の違いによる不均一は、２軸エクストルーダーにより混錬が充分なされ、均質度が担保される。
［ｃ］さらに、２軸エクストルーダーによって回転している混錬物質に、２軸エクストルーダーの外部より熱が均一に供給されることにより、充分な炭化度が保障される。
［ｄ］その結果、均質の、破砕されにくい、しかも、高品質の活性炭になる原料である炭の製造が可能になる。。
（２）粒状にするためのバインダーが必要なくなる。
（３）炭化プロセスの前処理としての破砕が必要なくなる。
これらのことから、品質の高度化、製造の利便性を高めることができる。

既存の炭化技術、パームやし殻の炭化工程、ならびに、木質系活性炭の炭素化工程においては、おが屑や木片を原料として炉で炭素化する。おが屑を炭素化する場合はロストルの間に廃材を敷いて着火し、燃焼し始めたらおが屑を上からかぶせていく。炭素化が進んだところでさらにおが屑を層状に投入し、これを繰り返していく。

このような平炉方式が従来では多く採用されているため、炭化にばらつきが生じる。その結果、均質な炭の製造は困難になる。本考案はこのような従来の欠点を抜本的に解消する。そして、本考案の装置では、原料としての竹とともにリグニング成分を併用することになる。二軸のエクストルーダーを利用しての顆粒状活性炭もできる。植物バイオマスのヘミセルロース、セルロース、リグニンの熱分解には、反応温度領域、並びに、反応速度に違いがあり、その違いを利用して顆粒状の炭を製造し、その炭を賦活させ、顆粒状活性炭を製造することがでかることが明らかになった。
具体的なリグニンの添加量については、顆粒活性炭のバインダー機能を維持するためのミニマム・リグニン量を特定することが必要になる。このミニマム・リグニン量は、炭製造工程でのリグニング分解量、さらには、賦活プロセスでのリグニン分解量を考慮することにより推定できる。

また、活性炭製造の賦活工程において、顆粒状炭の内部まで熱移動が起こり、顆粒炭の表面も内部も等しくリグニンが減少する。
前記リグニン成分の使用は、二軸エクストルーダーを利用しての竹炭化部において、ペレット状等の顆粒状の炭化物の生成に有効に作用する。バインダーとしての役割を果たすことになる。これにより活性炭の生成工程での顆粒状物の生成が実現される。

リグニン成分としては、市販の化学品リグニンであってもよいし、バイオマス処理工程からの粗精製品でもよい。このバイオマス処理工程の条件、状況によっては木質の素材、半処理品とすることも考慮される。

竹原料、そして二軸エクストルーダーとリグニン成分という新規な特徴によって、均質な炭化物をもって、本考案において良質な活性炭が製造されることになる。

本考案によって、里山を覆いつくす竹林の竹を有効利用することができ、地球環境に負荷をかけず、地域の活性化を図ることができる。

本考案に係る竹活性炭製造装置の実施形態を示す概略図である。上記実施形態による竹活性炭の製造フローを示す図である。

以下、本考案の竹活性炭製造装置の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように本実施形態に係る竹活性炭製造装置は、２軸のエクストルーダーを構成する、シリンダ１０と、このシリンダ１０の内部で軸回転し竹を上流から下流に送る一対のスクリュー２０と、このスクリュー２０を軸回転させる駆動手段３０から構成される竹炭化部４０と、竹炭化部４０で生成された竹の炭化物を取り込み、賦活処理を行い顆粒状の竹活性炭を生成する賦活炉５０を備えている。

シリンダ１０は、投入物として例えばチップ状の竹とリグニン成分とを投入する投入部１１と前記竹の炭化物を取り出す取出部１２とを有する。

シリンダ１０の外周にはシリンダ１０内の竹を設定温度に調温する調温部１３を備えている。調温部１３は加熱手段を備えている。

また、シリンダ１０には、水分排出用圧力調整部１４とガス排出用圧力調整部１５と液体分離器１６を設けている。

水分排出用圧力調整部１４は、シリンダ１０内の竹が含有する過剰水分を、設定圧力によってシリンダ１０外に取り出す。本実施形態では、水分排出用圧力調整部１４として第１水分排出用圧力調整部１４Ａと第２水分排出用圧力調整部１４Ｂを備えており、第１水分排出用圧力調整部１４Ａは第２水分排出用圧力調整部１４Ｂより上流に配置している。

ガス排出用圧力調整部１５は、シリンダ１０内の投入物が熱分解し発生する熱分解ガスを、設定圧力によってシリンダ１０外に取り出す。本実施形態では、ガス排出用圧力調整部１５として第１ガス排出用圧力調整部１５Ａと第２ガス排出用圧力調整部１５Ｂと第３ガス排出用圧力調整部１５Ｃとを備えており、第１ガス排出用圧力調整部１５Ａは第２ガス排出用圧力調整部１５Ｂより上流に配置し、第２ガス排出用圧力調整部１５Ｂは第３ガス排出用圧力調整部１５Ｃより上流に配置している。

液体分離器１６は、ガス排出用圧力調整部１５で取り出された熱分解ガスを冷却し、冷却して得られる液体を分離する。本実施形態では、液体分離器１６として第１液体分離器１６Ａと第２液体分離器１６Ｂと第３液体分離器１６Ｃを備えており、第１液体分離器１６Ａは、第１ガス排出用圧力調整部１５Ａで取り出された熱分解ガスを冷却し、第２液体分離器１６Ｂは、第２ガス排出用圧力調整部１５Ｂで取り出された熱分解ガスを冷却し、第３液体分離器１６Ｃは、第３ガス排出用圧力調整部１５Ｃで取り出された熱分解ガスを冷却する。

圧入手段１７は、２００℃以上の過熱水蒸気及び／又は１２０℃以上の加圧熱水をシリンダ１０外からシリンダ１０内に投入する。本実施形態では、圧入手段１７として第１圧入手段１７Ａと第２圧入手段１２Ｂと第３圧入手段１７Ｃとを備えており、第１圧入手段１７Ａは第２圧入手段１７Ｂより上流に配置し、第２圧入手段１７Ｂは第３圧入手段１３Ｃより上流に配置している。なお、圧入手段１７には、図示を省略するが、加圧熱水や過熱水蒸気を送り込む手段が接続される。

シリンダ１０内には、一対のスクリュー２０によって、竹を微粒化するせん断部２１と、せん断部２１で微粒化された竹を圧縮する圧縮部２２とが形成されている。せん断部２１では、例えばスクリュー２０の羽根にカッター機能を備えている。圧縮部２２では、例えばスクリュー２０の羽根による押し出し速度を異ならせることにより圧縮機能を備えている。

本実施形態では、せん断部２１として第１せん断部２１Ａと第２せん断部２１Ｂを備えており、第１せん断部２１Ａは第２せん断部２１Ｂより上流に配置している。

また、本実施の形態では、圧縮部２２として第１圧縮部２２Ａと第２圧縮部２２Ｂと第３圧縮部２２Ｃとを備えており、第１圧縮部２２Ａは第２圧縮部２２Ｂより上流に配置し、第２圧縮部２２Ｂは第３圧縮部２２Ｃより上流に配置している。

駆動手段３０は、スクリュー２０の一端に接続し、スクリュー２０を軸回転させる動力源である。なお、スクリュー２０は、２軸エクストルーダーとして、二本のスクリュー２０が並列して構成される。
２軸エクトスルーダーは、１軸エクストルーダーに比較して、原料の粉砕、混合、混練、加熱、溶融等において優れているため、質の高い活性炭を製造することが可能になる。

すなわち、炭化プロセスにおいて、優れた粉砕、混合、混練プロセスにより、材料の均質化がはかられ、バレルから与えられる熱と混練の相乗効果により、熱が材料に均一に与えられ、その結果、どの部分をとっても炭化度にバラツキのない均質な炭化が可能になる。すなわち、原材料の１００％の炭化度が保障される。

さらには、エクストルーダーの出口において、回転カッターにより高活性炭を細粒化するが、均質に炭化されているため壊れにくく、粒径の揃った均質な炭粒子ができる。この炭粒子を活性炭製造プロセスに直接投入することが可能となる。その結果、既存技術で必要な粒状にするためのバインダーが必要なくなる。さらには、炭化プロセスの前処理としての破砕が必要なくなるなどの利点が挙げられる。よって、混在物のない均質な高品質の活性炭の製造が可能になる。

並列配置される一対の２本のスクリューは、駆動手段３０の歯車機構により、同方向または対抗方向に回転させることができる。スクリュー同方向回転型は、より好ましく、互いのスクリューがその表面を掻き取る自浄作用を確保できる。また、スクリュー噛み合い部で原料にかかる圧力の振れ幅が小さくなる。よって、定量性、定質性が担保される。

竹チップが原料としてリグニン成分とともに投入されると、この原料は、シリンダ１０の内部で軸回転するスクリュー２０により、上流の投入部１１から下流の取出部１２に送られることになる。

調温部１３は、投入部１１から取出部１２までのシリンダ１０の各部に配置され、それぞれの調温部１３は、目的とする反応に応じた設定温度とすることができる。

例えば、第１調温部１３Ａは、第１水分排出用圧力調整部１４Ａより上流で、第１せん断部２１Ａに対応して配置している。第２調温部１３Ｂは、第２水分排出用圧力調整部１４Ｂより上流で、第２せん断部２１Ｂに対応して配置している。第３調温部１３Ｃは、第１ガス排出用圧力調整部１５Ａより上流で、第１圧縮部２２Ａに対応して配置している。第４調温部１３Ｄは、第２ガス排出用圧力調整部１５Ｂより上流で、第２圧縮部２２Ｂに対応して配置している。第５調温部１３Ｅは、第３ガス排出用圧力調整部１５Ｃ及び第３圧縮部２２Ｃより上流に配置している。第６調温部１３Ｆは、第３ガス排出用圧力調整部１５Ｃより上流で、第３圧縮部２２Ｃに対応して配置している。

第１せん断部２１Ａは、第１水分排出用圧力調整部１４Ａの上流に設けられ、第２せん断部２１Ｂは、第２水分排出用圧力調整部１４Ｂの上流に設けられる。

圧縮部２２は、水分排出用圧力調整部１４の下流に設けられる。

ガス排出用圧力調整部１５は圧縮部２２の区間に設けられる。すなわち、第１ガス排出用圧力調整部１５Ａと第２ガス排出用圧力調整部１５Ｂと第３ガス排出用圧力調整部１５Ｃとは、第１圧縮部２２Ａから第３圧縮部２２Ｃまでの区間に設けられる。本実施の形態では、第１ガス排出用圧力調整部１５Ａは第１圧縮部２２Ａに、第３ガス排出用圧力調整部１５Ｃは第３圧縮部２２Ｃに設けている。

このように、投入部１１から投入された竹は、せん断部２１により微粒化されるとともに、調温部１３により調温され、水分排出用圧力調整部１４において、設定圧力により過剰水分がシリンダ１０内部から取り出される。水分排出用圧力調整部１４が複数設けられる場合、例えば本実施形態のように、第１水分排出用圧力調整部１４Ａと第２水分排出用圧力調整部１４Ｂとが設けられる場合、上流の第１水分排出用圧力調整部１４Ａの設定圧力を第２水分排出用圧力調整部１４Ｂより高圧に設定することにより、過剰水分の取出しの熱効率を上げることができる。

過剰水分が取り出され微粒化した竹は、圧縮部２２において設定温度により熱分解する。圧縮部２２における設定温度は、６００℃以上にすることができる。この温度設定において、熱分解ガスの発生が極大となることが知られている。熱分解したガス及び気化物は、ガス排出用圧力調整部１５において、設定圧力によりシリンダ１０内部から取り出される。取り出された熱分解ガス等は、液体分離器１６により冷却され液体が取り出される。

圧縮部２２及びガス排出用圧力調整部１５が複数設けられる場合、上流の区間の設定温度を低くすることにより、液体分離器１６に置いて取り出される低粘度の液体の割合を大きくすることができる。

すなわち、本実施形態では、第３調温部１３Ｃでは第４調温部１３Ｄより設定温度を低くし、第４調温部１３Ｄでは第５調温部１３Ｅより設定温度を低くし、第５調温部１３Ｅでは第６調温部１３Ｆより設定温度を低くすることで、第１圧縮部２２Ａを第２圧縮部２２Ｂより設定温度を低くし、第２圧縮部２２Ｂを第３圧縮部２２Ｃより設定温度を低くする。

このように、圧縮部２２における投入物の温度を効率的に設定温度にすることができるとともに、その反応性を向上させることができる。

圧縮部２２の設定温度を６００℃以上にすると、ガス排出用圧力調整部１５からは、常温で気体であるガスが効率的に取り出される。

取出部１２では、原料である竹から過剰水分及び熱分解ガスが取り出された竹炭化物が排出される。

ガス排出用圧力調整部１５は、シリンダ１０に着脱可能な管１５ｘを有し、管１５ｘは、シリンダ１０の内部と接する面に焼結金属を有する。管１５ｘは、バルブ１５ｙにより圧力設定され、液体分離器１６の螺旋状パイプ（図示せず）に連通する。図示しないが、液体分離器１６は、螺旋状パイプと、螺旋状パイプを冷却する冷却手段と、液体を取り出す液体取出手段と、ガスを取り出すガス取出手段とを備える。

なお、焼結金属は、シリンダ内部と接するフィルターの役割を果たすものであり、焼結金属がメンテナンス上好ましいが、他の形態をとることもできる。また、螺旋状パイプも取り出されたガスを効率的に冷やすためのものであり、他の形態をとることもできる。

このように、シリンダ１０内部に投入された竹を原料として有効利用して、生成効率や粒径の制御を図り、連続的かつ効率的に反応を制御し、エネルギーとして利用可能なガス、燃料として利用可能な液体、竹炭化物を連続的に取り出すことができる。

竹炭化部４０の取出部１２に直結された回転型賦活炉５０では、竹炭化部４０から竹炭化物を取り込み、賦活処理を行い、竹活性炭を生成する。

賦活処理は、ガス賦活法を用いる。ガス賦活法は、ガス賦活剤を用いて高温で賦活処理をして活性炭を得る方法である。ガス賦活剤としては、例えば水蒸気や二酸化炭素を用いることができる。賦活温度としては７５０〜１０００℃が好ましい。この賦活処理により、竹炭化物は内部にｎｍのオーダーの多数の微細孔が形成され、内部表面積が増大し、吸着能力が付与される。賦活炉５０においては、例えば進行方向に向って前傾配置されたシリンダ５１が駆動手段５２により回転される。シリンダ５１には賦活用ガス５３が導入される。生成された活性炭５４が取出される。

図２は、本実施形態に係る竹活性炭製造装置による活性炭製造を説明するフローチャートである。投入物として竹（例えば竹チップ）が投入部１１から投入される（投入ステップ１）。

投入ステップ１で投入された竹は、せん断部２１において微粒化される（せん断ステップ２）。

投入ステップ１で投入された竹は、調温部１３により所定温度（２００℃以上とすることが好ましい）に調温され、竹に含まれる過剰水分が水分排出用圧力調整部１４によってシリンダ１０から取り出される（調湿ステップ３）。

調湿ステップ３の後に、圧入手段１７によって１２０℃以上３００℃以下の加圧熱水を投入する（圧入ステップ４）
圧入ステップ４の後に、更に投入物を設定温度（２３０℃以上とすることが好ましい）に加熱することで熱分解ガスを発生させる（熱分解ステップ５）。

熱分解ステップ５で発生させた熱分解ガスは、ガス排出用圧力調整部１５によってシリンダ１０から設定圧力（１Ｍｐａ以上とすることが好ましい）により取り出される（ガス回収ステップ６）。

ガス回収ステップ６で取り出した熱分解ガスは、液体分離器１６で冷却され、冷却によって得られる液体を分離する（液体回収ステップ７）。

ガス回収ステップ６で竹から熱分解ガスを取り出した後の竹炭化物は、取出部１２から取り出される（竹炭化物取出ステップ８）。

取り出された竹炭化物は、賦活炉５０で賦活処理され、顆粒状の竹活性炭が製造される（賦活処理ステップ９）
本考案によれば、密閉容器を利用したバッチ式の反応装置を用いて竹炭化物を生成し、さらに賦活処理することもできる。

１０シリンダ
１１投入部
１２取出部
１３調温部
１３Ａ第1調温部
１３Ｂ第２調温部
１３Ｃ第３調温部
１３Ｄ第４調温部
１３Ｅ第５調温部
１３Ｆ第６調温部
１４水分排出用圧力調整部
１４Ａ第１水分排出用圧力調整部
１４Ｂ第２水分排出用圧力調整部
１５ガス排出用圧力調整部
１５Ａ第１ガス排出用圧力調整部
１５Ｂ第２ガス排出用圧力調整部
１５Ｃ第３ガス排出用圧力調整部
１５ｘ管
１５ｙバルブ
１６液体分離器
１６Ａ第１液体分離器
１６Ｂ第２液体分離器
１６Ｃ第３液体分離器
１７圧入手段
１７Ａ第１圧入手段
１７Ｂ第２圧入手段
１７Ｃ第３圧入手段
２０スクリュー
２１せん断部
２１Ａ第１せん断部
２１Ｂ第２せん断部
２２圧縮部
２２Ａ第１圧縮部
２２Ｂ第２圧縮部
２２Ｃ第３圧縮部
３０駆動手段
４０竹炭化部
５０賦活炉
５１シリンダ
５２駆動手段
５３賦活ガス
５４活性炭

Claims

投入物として竹リグニン成分を投入する投入部、及び前記竹の炭化物を取り出す取出部を有するシリンダと、前記シリンダの内部で軸回転し、前記竹を前記投入部から前記取出部に向かって押し出すスクリューとを有する２軸のエクストルーダーを備えた竹炭化部と、前記竹炭化部の前記取出部の下流に直結され、前記竹炭化部の前記取出部から取り出された前記竹の炭化物を取り込み、ガス賦活処理を行い顆粒状の活性炭を生成する回転型賦活炉を有することを特徴とする竹活性炭製造装置。
前記竹炭部は、前記シリンダ内の前記竹とリグニン成分を、設定温度に調温する調温部と、前記シリンダ内の過剰水分を設定圧力によって取り出す水分排出用圧力調整部と、前記シリンダ内の前記竹が熱分解し発熱する熱分解ガスを、設定圧力によって取り出すガス排出用圧力調整部と、前記ガス排出用圧力調整部で取り出された前記熱分解ガスを冷却して得られる液体を分離する液体分離器を備え、前記シリンダ内には、前記スクリューによって、前記竹を微粒子化するせん断部と、前記せん断部で微粒子化された前記竹を圧縮する圧縮部が形成され、前記取出部では、前記竹から前記過剰水分及び前記熱分解ガスが取り出された竹炭化物が排出されることを特徴とする請求項１に記載の竹活性炭製造装置。