JP4379263B2 - 木質燃料製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばセメントキルンに用いる木質燃料の製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、竪型粉砕機を用いて、セメントキルンの仮焼炉や窯前等のための燃料を製造する方法に関する。

近年、廃棄物に関する諸規制が強化されたことに伴い、プラスチック、木材等の可燃性廃棄物に関してはダイオキシン問題等があるため、一般焼却炉での処理が困難となってきている。このような状況下、循環型社会への転換を図るため、これら可燃性廃棄物をセメントクリンカ製造用燃料として使用する機会が増加している。

可燃性廃棄物を燃料とする場合、所望の燃焼効率が得られるよう、適当な大きさに粉砕して、セメントキルンの仮焼炉等に供給する必要がある。特許文献１には、セメントキルン用燃料として一般に用いられている微粉炭の代替として、木屑を仮焼炉焼成燃料として使用することが開示され、またこの木屑を所定の大きさにした後仮焼炉に供給することが開示されている。
しかしながら、この特許文献１では、仮焼炉へ所定の大きさの木屑を投入する方法が記載されているのみで、そのような所定の大きさの木屑をいかにして製造するかについては教示していない。
また、特許文献２には、ローラミルにより微粉炭をＦＲＰ（繊維強化プラスチック）と混合粉砕することによりＦＲＰを微粉砕する技術が開示されている。しかしながら、この特許文献２に開示の技術は、木屑よりも弾性が低く、かつ硬い特性を持つＦＲＰの粉砕方法に関するものであり、木屑を、セメントキルンの仮焼炉等で所望の燃焼効率が得られるような大きさで粉砕することを教示するものではない。
特開２００３−２６４５８号公報（第３頁右側、図１等） 特開２００２−２０７７２号公報（第３頁左欄、図１等）

本発明は、セメントキルン燃料である石炭の粉砕機として一般に使用されている竪型粉砕機を、木質原料の粉砕機として使用することにより、新たな設備投資を行わずに、セメント工場保有設備あるいは遊休設備である竪型粉砕機を有効利用可能とする木質燃料の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、竪型粉砕機を特定の構造並びに特定の運転条件とすることにより、セメントキルン用木質燃料を製造しうることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、外周にダムリングを備えた竪型粉砕機の粉砕テーブルに木質原料を供給し、該粉砕テーブルの回転に連動して動作する複数のローラで前記木質原料を粉砕して被粉砕物とし、前記被粉砕物を前記粉砕テーブル外周に排出し、前記被粉砕物を前記外周下方からの噴出空気により前記竪型粉砕機の上方に搬送し、前記噴出空気の空気量を調整することにより前記被粉砕物を微粉と粗粉に分級し、前記微粉は前記竪型粉砕機の外部へ前記噴出空気と共に排出して木質燃料とし、前記粗粉は重力により前記粉砕テーブル中央に戻すようにされた木質燃料の製造方法に関する。

ここでの木質原料としては、桧、杉、赤松、落葉松、ぶな、竹、ベイスギ、ベイマツ、ベイツガ、ラワン、アピトン、エゾマツ、とどまつ、それらの混合物、それらの加工物、又はそれらの廃材が利用できる。
そして、本発明は、上記の方法において、前記噴出空気の空気量（Ａ（ｍ^３／ｍｉｎ））と前記粉砕テーブルの直径（Ｄ（ｍ））との関係がＡ＝ａ・Ｄ^２．５で、かつ、１５０≦ａ≦２５０であって、前記粉砕テーブルの外周開口部面積（Ｂ（ｍ ^２ ））と前記噴出空気の空気量（Ａ（ｍ ^３ ／ｍｉｎ））との関係がＡ＝ｂ・Ｂで、かつ、１０００≦ｂ≦１５００であることを特徴とする。
また、本発明において、前記ダムリングの高さ（Ｈ（ｍｍ））と前記粉砕テーブルの直径（Ｄ（ｍ））との関係がＨ＝ｃ・Ｄ^０．５で、かつ、４０≦ｃ≦５０であるようにすることもできる。
さらに、本発明において、前記竪型粉砕機のローラの６度面圧が１０〜２５Ｎ/ｍｍ^２であるのが好適である。また、前記木質燃料の平均粒径が１〜２ｍｍで、かつ５．０ｍｍの篩で残さ率が３０質量％以下であるのが好ましい。また、ハンマクラッシャ等を用いて前記木質原料を１次粉砕する第１工程と、前記第１工程により１次粉砕された木質原料を前記竪型粉砕機を用いてさらに２次粉砕する第２工程とを有することもできる。これによれば、ハンマクラッシャと竪型粉砕機を組み合わせることにより、エネルギ効率の高いセメントキルン用木質燃料の製造方法が提供される。

本発明の木質燃料製造方法によれば、セメント工場保有設備、あるいは遊休設備である竪型粉砕機を有効に利用して、木質燃料を高いエネルギ効率で製造することが可能となる。本発明で得られた木質燃料は、仮焼炉又は窯前用燃料として一般に使用されている微粉炭の代替燃料として使用可能である。

本発明者らは、石炭と異なり弾性体であり密度の小さな木質廃材の一次粉砕物を、竪型粉砕機で効率的に粉砕するための条件として、下記項目が重要であることを見出して、本発明を完成するに至った。以下にこの項目について説明する。
（１）粉砕テーブル外周に排出された木質原料の粗粉成分が粉砕テーブルに戻るようにし、粉砕機内で浮遊することを防止すること。加えて、所定の粒度となった微粉成分が木質燃料として竪型粉砕機外へ排出されること。そのためには、粉砕テーブル外周の噴出空気の空気量、及び粉砕テーブルの外周開口部面積を適性値とすることが必要である。
（２）弾性体である木質原料の一次破砕品の相互破砕を促進することが可能であること。そのためには、粉砕ローラの面圧を石炭等の一般的な粉砕物に比べて適度に高いこと。
（３）粉砕テーブル上に存在する粗粉からなる層の厚さが適性値で、粉砕効率が良く、また所定粒度の粉砕物が得られること。そのためには、粉砕テーブル外周に位置するダムリング高さを適性値とする必要がある。

次に、本発明に係る木質燃料製造方法が適用される竪型粉砕機を含む木質燃料製造システム全体の構造を図１に示す。木質原料貯蔵庫１０１に受け入れられた木質原料は貯蔵庫下に設けられた原料供給機１０２によりハンマクラッシャ１０３に定量供給され、一次粉砕される。一次粉砕された木質原料は、スクリーン１０５により粗紛と微粉に篩い分けられる。粗粉はバケットエレベータ１０４によりハンマクラッシャ１０３に戻され再粉砕され、微粉は原料供給機１０２により、一次粉砕物タンク１０６に供給される。更に、一次粉砕物タンク１０６下部に位置する原料供給機１０２により竪型粉砕機１０７に供給され、二次粉砕される。二次粉砕された木質粉砕物はバックフィルタファン１０９が吸引する気流にのって粉砕機上部に導かれた後、粗粉は粉砕機内壁に沿って下降し、粉砕機のテーブル上に落下して再粉砕される。一方、微粉は粉砕機の排気と共にバックフィルタ１０８に導かれて捕集され、排出機によって製品貯蔵庫１１０に貯蔵される。本発明に係る製造方法が特に関連するのは、竪型粉砕機１０７とその周辺の部分である。

次に、竪型粉砕機１０７の構造を、図２を参照して説明する。この竪型粉砕機１０７は、ケーシング（外筒）１内に、粉砕テーブル２、粉砕ローラ３、減速機４、排出口５、粉砕室６、供給管７等を備えている。
粉砕テーブル２は、粉砕されて木質燃料とされる木質原料が載置されるテーブルであり、この粉砕テーブル２上には、木質原料を粉砕してなる被粉砕物を加圧して粉砕する２乃至４個の粉砕ローラ３が配置されている。また、この粉砕テーブル２は、減速機４上より、縦軸回りに回転駆動可能に構成されている。
また、前述の粉砕テーブル２の外周面とケーシング１の下部内周面との間にはノズル（図示しない）が形成されており、このノズルはケーシング１内上方に向けて噴出空気を排出する。この噴出空気が、ケーシング１の内面と粉砕テーブル２の上面とで囲まれた空間としての粉砕室６内に旋回流を発生させる。この旋回流により、粉砕テーブル２の外周面から排出された被粉砕物が粉砕室６の上方へ運搬される。また、供給管７は、木質原料を粉砕テーブル２上に供給するためのものである。排出口５は、粉砕テーブル２上で粉砕ローラ３により粉砕された被粉砕物（粗粉と微粉）のうち、微粉を外部に向けて排出するためのものである。

また、図２に示すように、粉砕テーブル２の外周面は、木質原料が粉砕テーブル２上で所定の堆積厚さとなるようにするためのダムリング８が形成されている。ダムリング８と対向するケーシング１の内面にはアーマリング９が形成されており、粉砕テーブル２の外周とケーシング１の内面との間には、前述の噴出空気に基づく空気流１１の流路としての粉砕テーブル外周開口部１０が形成されている。

次に、この竪型粉砕機１０７の動作を説明する。
被粉砕物（１次粉砕物）は供給管７を介して粉砕テーブル２のほぼ中央面に供給される。そして、粉砕テーブル２を回転させると、この粉砕テーブル２の上面と、粉砕ローラ３との間で被粉砕物が狭圧されて粉砕される。そして、このように粉砕された粉体は、粉砕テーブル２の外周下方より噴出する空気流１１、即ち、図２のダムリング８とアーマリング９との隙間部分である粉砕テーブル外周開口部１０より噴出する空気流１１によって上方に旋回しながら吹き上げられる。
上昇する空気流１１の速度を除々に速くするとともに澱みが生じないように、ケーシング１の内面の空間断面形状を決定する。

このように粉砕された粉体を含んだ混合流は均一な流れとなり、ケーシング１の内部を旋回する。このときに、比較的重量がある粗粉成分は下方に落下し、粉砕テーブル２へ戻される。微粉成分は排出口５より外部へ排出されて製品（木質燃料）となる。
このとき、目的粒度に達した微粉が製品（木質燃料）として排出口５から排出され、粉砕が不十分な粗粉が再び粉砕テーブル２に戻されるようにするためには、空気流１１が適量であることが必要である。空気流１１の量が多すぎると、粗粉も製品として排出口５から排出され、逆に少ないと製品の粒度が過剰に微粉となり粉砕機の電力原単位が上昇する。具体的には、空気流１１の流量（Ａ（ｍ^３／ｍｉｎ））を適量とするには、粉砕テーブル２の直径（Ｄ（ｍ））を考慮する必要があり、両者には以下の関係式が成り立つ。

［数１］
Ａ＝ａ・Ｄ^２.５

ここでａは常数であり、１００≦ａ≦３００の範囲となるように、空気流１１の流量を調節することが好ましい。さらに好ましくは １５０≦ａ≦２５０である。
また、空気流１１の流量（Ａ（ｍ^３／ｍｉｎ））を適量とするには、粉砕テーブル２の外周開口部面積（Ｂ（ｍ^２））も考慮する必要があり、両者には以下の関係式が成り立つ。

［数２］
Ａ＝ｂ・Ｂ

ここでｂは常数であり、８００≦ｂ≦１５００の範囲となるように、粉砕テーブル２の外周開口部面積（Ｂ（ｍ^２））を調節することが好ましい。さらに好ましくは １０００≦ｂ≦１４００である。

また、竪型粉砕機１０７のローラ３の６度面圧を適正値とする必要がある。ここで６度面圧とは、図４に示すように、粉砕ローラ３の定常運転時における粉砕ローラ３の被粉砕物への食い込み角度（図４におけるα）を６度とし、これに基づく粉砕ローラ３の押付圧力のことである。ローラの６度面圧は１０〜２５Ｎ／ｍｍ^２、さらに好ましくは、１２〜２０Ｎ／ｍｍ^２である。２５Ｎ／ｍｍ^２より大きくすると、粉砕機１０７本体の強度部材が大きくなり、不経済である。また、粉砕効果も変わらず、電力原単位も上昇する。１０Ｎ／ｍｍ^２より小さくすると、粉砕効率が悪化する。

また、粉砕機１０７のダムリング８の高さ（Ｈ（ｍｍ））を適正値とする必要がある。ダムリング８の高さＨは、粉砕テーブル２上に存在する粉砕物量（Ｔ（ｍ^３））、及び、粉砕テーブル２の面積（Ｗ（ｍ^２））と相関がある。また、粉砕テーブル２上に存在する粉砕物量（Ｔ（ｍ^３））は空気流１０の流量（Ａ（ｍ^３／ｍｉｎ））と相関がある。即ち、以下の関係式で表される。

［数３］
Ｔ＝ｔ・Ａ＝ｔ・ａ・Ｄ^２．５

［数４］
Ｗ＝π・Ｄ^２/４

よって、ダムリング１０８の高さＨを適正値とするには以下の関係式を満足すれば良い。

［数５］
Ｈ＝Ｔ/Ｗ＝４・ｔ・ａ・Ｄ^０.５/π＝ｃ・Ｄ^０.５

ここでｃは常数であり、２０≦ｃ≦６０の範囲となるように、ダムリング８の高さ（Ｈ ｍｍ）を調節することが好ましい。さらに好ましくは ３０≦ｃ≦５０である。
ｃが６０を超えると、粉砕物が粉砕テーブル２の外周へ排出されにくくなり、粉砕テーブル２上に留まることになり、過粉砕され電力原単位が上昇する。ｃが２０未満では、被粉砕物が過剰に粉砕テーブル２の外周へ排出され、粉砕テーブル２上の被粉砕物の層厚が薄くなる。その結果、粉砕機１０７の振動が増大し、安定運転が出来なくなる。
本発明に使用する木質原料は、例えば、桧、杉、赤松、落葉松、ぶな、竹等の国産材、ベイスギ、ベイマツ、ベイツガ、ベイヒ等の米材、ラワン、アピトン等の南洋材、エゾマツ、とどまつ等のロシア材、それらの混合物、それらの加工物、又はそれらの廃材が挙げられる。加工物としては、建築用集積材、木材チップ等が該当する。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。なお、本発明の範囲は、かかる実施例に限定されないことはいうまでもない。
表１に示す粒度の木材チップを後述の製造方法に従って木質粉砕物を製造した。なお、これらの粒度及び容重はＪＩＳ Ａ ５００７の「パーライト」に準拠して測定し、水分は、ＪＩＳ Ｐ ８００２ 「パルプ材分析用試料の水分試験方法」に準拠して測定した。

[実施例１〜５]
竪型粉砕機１０７のダムリング８の高さＨ、６度ローラ面圧、粉砕テーブル２の外周下方から噴出する空気流１１の流量、粉砕テーブル２の直径Ｄ、粉砕テーブル２の外周開口部面積Ｂ、及び、粉砕テーブル２の回転数を表２の実施例１〜５の条件とし、表１の木材チップを粉砕した。
得られた被粉砕物の粒度分布を表３に示す。なお、この粒度分布は、上述したＪＩＳ Ａ ５００７の「パーライト」に準拠して測定した。

表２から明らかなように、粉砕量を増やすと電力原単位は低減する。粉砕量０．３５ｔ／ｈで電力原単位は１００〜１１０ｋｗｈ／ｔとなり、粉砕量０．４５ｔ／ｈで電力原単位は８０ｋｗｈ／ｔであった。得られた製品は表３から明らかなように、平均径が１〜２ｍｍで、かつ５．０ｍｍの篩残分が３０質量％以下であり、セメントキルン焼成物として適した粒径であった。

表２及び表３を具体的に説明する。粉砕量を固定してミル風量（外周下方噴出空気量Ａ）を増やすと竪型粉砕機の電力原単位は低減し、バッグフィルタファンの電力原単位は増加する（例えば表２の実施例１及び３参照）。この時、製品の平均径は粗くなる（表３参照）。これは、表２に示す（ａ（常数））または（ｂ（常数））を小さくすると表３に示す製品粒度が細かくなることを示す。
この結果より本発明者は、木質燃料の平均径が３．０ｍｍ以下の製品を製造する常数として、ａ≦３００またはｂ≦１５００を満足する必要があることを見出した。
更に、平均径０．５ｍｍ以上の製品を製造する場合、１００≦ａまたは８００≦ｂを満足する必要があることを見出した。

一方、木質燃料の平均径を細かくする目的でａ及びｂを小さくすると竪型粉砕機の電力原単位が大きくなり、バッグフィルタファンの電力原単位は小さくなる。逆に、ａ及びｂを大きくすると竪型粉砕機の電力原単位が小さくなり、バッグフィルタファンの電力原単位は大きくなる。セメント工場保有の装置を有効的利用するには、既存の竪型粉砕機およびバッグフィルタファンモータの適用範囲であることが望ましい。竪型粉砕機およびバッグフィルタファンモータ容量に適用可能な範囲は、表２に示す常数aまたはｂの範囲が１００≦ａ≦３００または８００≦ｂ≦１５００を満足する場合である。既存設備をより効率的に活用するには、１５０≦ａ≦２５０または１０００≦ｂ≦１４００を満足することが望ましい結果であった。

図１は本発明にかかる木質燃料製造方法が適用され得るシステム全体の一実施形態である。 図２は本発明にかかる竪型粉砕機の縦断面図である。 図３は本発明にかかる竪型粉砕機の粉砕テーブル外周開口部の拡大図である。 粉砕ローラ３の６度面圧を説明している。

符号の説明

１ 粉砕機のケーシング（外筒）
２ 粉砕テーブル
３ 粉砕ローラ
４ 減速機
５ 排出口
６ 粉砕室
７ 供給管
８ ダムリング
９ アーマリング
１０ 外周開口部
１１ 空気流
１０１ 木質原料貯蔵庫
１０２ 原料供給機
１０３ ハンマクラッシャ
１０４ バケットエレベータ
１０５ スクリーン
１０６ 一次粉砕物タンク
１０７ 竪型粉砕機
１０８ バックフィルタ
１０９ バックフィルタファン
１１０ 製品貯蔵庫

Claims (5)

1. 外周にダムリングを備えた竪型粉砕機の粉砕テーブルに木質原料を供給し、
   該粉砕テーブルの回転に連動して動作する複数のローラで前記木質原料を粉砕して被粉砕物とし、
   前記被粉砕物を前記粉砕テーブル外周に排出し、前記被粉砕物を前記外周下方からの噴出空気により前記竪型粉砕機の上方に搬送し、前記噴出空気の空気量を調整することにより前記被粉砕物を微粉と粗粉に分級し、
   前記微粉は前記竪型粉砕機の外部へ前記噴出空気と共に排出して木質燃料とし、前記粗粉は重力により前記粉砕テーブル中央に戻すようにされ、
   前記噴出空気の空気量（Ａ（ｍ^３／ｍｉｎ））と前記粉砕テーブルの直径（Ｄ（ｍ））
   との関係がＡ＝ａ・Ｄ^２．５で、かつ、１５０≦ａ≦２５０であって、
   前記粉砕テーブルの外周開口部面積（Ｂ（ｍ^２））と前記噴出空気の空気量（Ａ（ｍ^３／ｍｉｎ））との関係がＡ＝ｂ・Ｂで、かつ、１０００≦ｂ≦１５００である
   ことを特徴とする木質燃料製造方法。
2. 前記ダムリングの高さ（Ｈ（ｍｍ））と前記粉砕テーブルの直径（Ｄ（ｍ））との関係がＨ＝ｃ・Ｄ^０．５で、かつ、４０≦ｃ≦５０であること
   を特徴とする請求項１に記載の木質燃料製造方法。
3. 前記木質燃料の平均粒径が１〜２ｍｍで、かつ５．０ｍｍの篩で残さ率が３０質量％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の木質燃料製造方法。
4. 前記竪型粉砕機のローラの６度面圧が１０〜２５Ｎ/ｍｍ^２であること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の木質燃料製造方法。
5. ハンマクラッシャ等を用いて前記木質原料を１次粉砕する第１工程と、前記第１工程により１次粉砕された木質原料を前記竪型粉砕機を用いてさらに２次粉砕する第２工程とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の木質燃料製造方法。