JP5289785B2 - リグノセルロース系原料の微細粉製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、化石燃料に利用されるリグノセルロース系原料、更に詳細にはリグノセルロース系バイオマス材料から得られる微細粉の製造方法及び同方法を実施する微細粉化装置に関する。

石油をはじめとする化石燃料は燃焼効率やエネルギー変換効率が良好な燃料である反面、その排ガス等が環境に悪影響を及ぼすため近年問題となっている。そして、近年化石燃料の備蓄問題等に関するエネルギー問題も重要視されていることから、森林資源をはじめとするリグノセルロース系バイオマス材料から得られる微細粉燃料が注目されている。

リグノセルロース系バイオマス微細粉燃料とは、森林資源をはじめ廃材となった木材や樹皮、草等の材料を微細粉化して得られる燃料である。まず、前記リグノセルロース系バイオマス原料を微細粉化することで、表面積が増大し、酸素との反応効率が向上することから、燃焼速度が速く、従来のチップやペレットといった固形燃料と比べて熱量（カロリー）を得るまでの時間が大幅に短縮される。また、流体的な流動性と気体的な噴流や粉流特性を発揮することで、液体や気体燃料に近い取り扱いが可能になる。

前記リグノセルロース系バイオマス微細粉燃料は、製材廃材の木質原料も利用できるため経済的である。そして、植物性バイオマス資源由来の燃料であるため地球上の炭素バランスを崩すこともない。また、燃料として使用した際のＮＯｘ（窒素酸化物）の発生濃度や転換率も小さい。更に、微細化して燃焼させるため完全燃焼しやすいことから、前記燃焼後の廃棄物排出量も大幅に低減できる。これらの点から化石燃料の代替燃料として有望である。

これに関する技術として、特許文献１には、プラスチック廃棄物等を原料とした場合の微細粉燃料の製法として、乾燥汚泥とプラスチック廃棄物と添加剤を所定の割合で二軸押出機に投入し、その中で加熱しながら混練することで水分１０ｗｔ％以下の固形物に変え、次いで、この固形物を粉砕機に投入して粉砕することで、粒径１０μｍ以上、５００μｍ以下の微粉体燃料とする技術が開示されている。

特開平１１−２２８９７９号公報

また、前記リグノセルロース系バイオマス微細粉は、ガス化発電やガスタービン発電及び各種内燃機関等の燃料としての使用のみならず、メタノールや水素の抽出材料及びエタノール等有用物質変換用化学原料等のほか、セメントの代替素材としてや塗料の添加剤等として幅広い分野での利用が期待されている。

しかしこれまでリグノセルロース系原料の粉砕方法は、低動力かつ効率的に摩擦を起こすことができず、また分級排出が可能ではなかった。また従来は他の熱源を必要とし乾燥工程を別途必要としていた。

従って、所望とするリグノセルロース系原料の生産性が悪く低高率なものであるため、その利用領域は小規模なものに限定されていた。

本発明の目的は、低動力かつ効率的に摩擦を起こすことができ、また分級排出が可能なリグノセルロース系原料の粉砕方法を提供するところにある。また本発明の目的は、他の熱源を不要とし乾燥を粉砕と同時に行うことができるリグノセルロース系原料の粉砕方法を提供するところにある。

上記課題を解決するため鋭意検討した結果、
本請求項１の発明は、
リグノセルロース系原料を１０ｍｍ以下に破砕する粗破砕工程と、
粗破砕されたリグノセルロース系原料を微細粉化する工程と
を有し、
微細粉化する工程が、円筒状容器の底部に揚力を持たせた回転翼と、容器の最底部に回転翼の回転方向に向け旋回気流を起こすための吸気口を設けることにより、
粗破砕されたリグノセルロース系原料を、円筒容器内周を旋回させることで、容器内壁部との摩擦によって乾燥および粉砕する
ことを特徴とするリグノセルロース系原料の微細粉製造方法
である。

本請求項２の発明は、
上記円筒状容器内の天井部に、微細粉化された粉砕物を回収させる吸気口を有するサイクロンを備え、
上記容器の最底部に設けた吸気口および上記サイクロンの吸気口が上記回転翼の回転方向と同一である請求項１記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法
である。

本請求項３の発明は、サイクロンの吸気口が、回収する粉の粒度に応じて調節された進入角度である請求項２記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法である。

本請求項４の発明は、上記円筒状容器の内壁部に格子を設けることで、内壁部との摩擦による粉砕と、原料が格子を通過する際に生じる乱流により、原料同士の衝突および摩擦によって粉砕される請求項２記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法である。

本請求項５の発明は、微細粉化する工程を有し、集塵機、送風機と順につながる配管を、前記微細粉化装置内部温度と同様に保温することで、粉砕時に発生する蒸気を水滴化させずに送風機の排気口より放出させる請求項１記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法である。

本請求項６の発明は、含水率の高い（３０％以上）リグノセルロース系原料を粗破砕する工程と、粗破砕されたリグノセルロース系原料を微細粉化する工程を有するリグノセルロース系原料の微細粉製造方法であって、両工程の間に送風乾燥工程を加え、他の熱源は必要としない請求項１記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法である。

本請求項７の発明は、上記送風乾燥工程が、微細粉化する工程で発生する排気を直接原料に送風する請求項６記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法である。

本請求項８の発明は、上記送風乾燥工程が、微細粉化装置の原料供給コンベアを二重構造とし、微細粉化工程で発生する排気をコンベアの外側の管に通風し乾燥する請求項６記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法である。

本請求項９の発明は、上記送風乾燥工程が、乾燥用送風機を用いる請求項６記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法である。

本請求項１０の発明は、請求項１記載の方法を実施する微細粉化する装置であって、円筒状容器の底部に揚力を持たせた回転翼と、容器の最底部に回転翼の回転方向に向け旋回気流を起こす吸気口とを備え、原料を円筒状容器の内周を旋回させることで、容器内壁部との摩擦によって乾燥および粉砕することを特徴とするリグノセルロース系原料の微細粉化装置である。

本請求項１１の発明は、上記円筒状容器内の上部に、微細粉化された粉砕物を回収させる吸気口を有するサイクロンを備え、上記容器の最底部に設けた吸気口および上記サイクロンの吸気口が上記回転翼の回転方向と同一である請求項９記載の微細粉化装置である。

本請求項１２の発明は、サイクロンの吸気口が、回収する粉の粒度に応じて調節された進入角度である請求項９記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造装置である。

本請求項１３の発明は、上記円筒状容器の内壁部に格子を設け、内壁部との摩擦による粉砕と、原料が格子を通過する際に生じる乱流により、原料同士の衝突および摩擦によって粉砕することを特徴とする請求項１０記載の微細粉化装置である。

本請求項１４の発明は、容器内壁部の壁面が卸金形状である請求項１０記載の微細粉化装置である。

これにより、本請求項１、１０の発明は、空気の力（流れ）と遠心力によって、粗破砕されたリグノセルロース系原料を装置壁面につき周回させることで、低動力かつ効率的に摩擦を起こすことができる。

また本願請求項２、１１の発明は、遠心力を活用することで微細粉化された原料を分級排出が可能である。すなわち微細粉製造装置内に分級機能を搭載することにより、排出される粉砕物に所定のサイズ以上のものの混入を防ぐことができる。従って、排出後に改めて分級作業を行う必要がない。また本請求項３、１２の発明により、微細粉製造装置内の分級装置にアタッチメントを用いることで排出物のサイズをコントロールすることができる。

また本請求項４、１３の発明は、上記円筒状容器の内壁部に格子を設けることで、粉砕と乱流により摩擦効率を高める。本請求項１４の発明は、容器内壁部の壁面にエッジをたて、卸金形状とすることで、容器内壁部との摩擦に加え削り効果を与える。
本請求項５の発明は、排出物を輸送する配管およびサイクロン、集塵機の温度を粉砕機内の温度と同様に保つことで、発生する蒸気を空気と共に大気中へ排出させることができ、水滴化し、微細粉に吸着することを抑制できる。

なお、含水率が３０％未満の破砕されたリグノセルロース系原料を用いる場合、微細粉化工程において粉砕と同時に乾燥させることができるが、含水率の高い（３０％以上）リグノセルロース系原料を用いる場合、本請求項６により、両工程の間に送風乾燥工程を加え、他の乾燥用熱源は必要としないようにして、破砕物を貯蔵タンク内にて２次送風機にて一定時間送風乾燥することで含水率を減少させる（一晩送風させることで含水率は２０％程度減少）。また本願請求項７により、微細粉化する工程で発生する排気を直接原料に送風するようにし、２次送風機の代わりに１次送風機より排出された温風を用いても良い。また本願請求項８により、上記送風乾燥工程が、微細粉化装置の原料供給コンベアを二重構造とし、微細粉化工程で発生する１次送風機より排出された温風（排気）をコンベアの外側の管に通風し乾燥するようにしてもよい。

図１は本発明にかかるリグノセルロース系原料の微細粉製造工程の一実施形態を示す概略図、図２はリグノセルロース系原料の微細粉製造装置の一実施形態を上からみた概略断面図、図３は横から見た同概略断面図である。

１００は原料ホッパであり、リグノセルロース系原料を原料ホッパ１００内に投入するとベルトコンベア２００により１次粉砕機３００に運ばれる。１次粉砕機３００ではリグノセルロース系原料を１０ｍｍ以下、好ましくは５〜３ｍｍに破砕する粗破砕工程がとられている。１０ｍｍ以下に粗破砕されたリグノセルロース系原料をスクリューコンベア４００から微細粉製造装置５００に移し、スクリューコンベア４００の図２に示す様に矢印方向から微細粉化する工程を経る。

微細粉製造装置５００は、スクリューコンベア４００の図２に示す様に矢印方向から１０ｍｍ以下に粗破砕されたリグノセルロース系原料が投入され、図１及び図３に示す様に円筒状容器５１０の下から１／２以下の部分より投入口５１１が開口している。

図２及び図３に示す様に、円筒状容器５１０の底部５１２に揚力を持たせた回転翼５２０と、容器５１０の最底部５１３に回転翼５２０の回転方向に向け旋回気流を起こすための吸気口５３０を設けられている。この例では４箇所に吸気口５３１、５３２、５３３、５３４が設けられており、それぞれ９０度の方向に設置され、それぞれ９０度の方向から吸気して矢印方向にエアを送り出している。このようにすることにより、粗破砕されたリグノセルロース系原料を、円筒状容器５１０の内周を旋回上昇させることで、容器５１０の内壁部５１４との原料の摩擦によって乾燥および粉砕するようになっている。

なお、容器５１０の内壁部の壁面にはエッジがたっており（図示せず）、粗破砕されたリグノセルロース系原料を旋回上昇する際、より容器５１０内壁部５１４の原料の摩擦が起こるようになっている。この例では容器５１０の内壁部の壁面に卸金形状が形成されている。

円筒状容器５１０の天井部５１５は閉塞されかつまたサイクロン５４０が備えられている。このサイクロン５４０はその上壁部において格子５４１、５４１にできた間隙５４２から微細粉化された粉砕物すなわち微細粉を回収する吸気口５４３を有している。上記サイクロン５４０の吸気口５４３は、前記吸気口５３０とともに、上記回転翼５２０の回転方向と同一である。すなわち図２に示す様にサイクロン５４０の上壁部において格子５４１の捻り方向が上記回転翼５２０の回転方向と同一であり、回収する粉の粒度に応じて格子５４１の捻り角度が調節されている。それによってできた間隙５４２から微細粉が進入する進入角度をもっている。また必要に応じてサイクロン５４０の上壁部において格子５４１の捻り方向が複数種であり、複数種の微細粉の進入角度を備えていてもよい。

このサイクロン５４０の中心部には、サイクロン５４０の吸気口５４３から進入してなる微細粉が落下し、さらに粒度の細かな微細粉が上昇して外部に排出回収する排出口（管）５５０が設けられている。この排出口（管）５５０は下部が開口している円柱状の微細粉の回収塔であり、サイクロン５４０の吸気口５４３から進入してなる微細粉が落下し、そのうちの粒度の細かな微細粉がこの開口部から上昇し、この微細粉化装置５００の外部と繋がっている。

なお、ここでいうサイクロン５４０とは、始端部（上部）より終端部（下部）の方が小径である円筒容器をいう。このサイクロン５４０は、中心軸からオフセットした位置に吸込口または円筒周囲にスリット状の吸気口（ガイド）を設け、その働きにより旋回気流を発生させ、遠心分離の要領で比重の軽い微細粉を軸方向上側中央部から伸びた排出口（管）より回収し、比重の重い未粉砕物を下部排出口より容器内に戻すことで再度粉砕処理施している。

さらに図１に示す様にこの微細粉化装置５００と連続しているサイクロン６００と、そのサイクロン６００と連続している集塵機８００からなり、送風機９００によって排気されている。サイクロン６００により微細粉７００が得られ、また集塵機８００により微細粉８０１が得られる。

以上により、粗破砕された１０ｍｍ以下のリグノセルロース系原料は、円筒状容器の底部に揚力を持たせた回転翼と、容器の最底部に回転翼の回転方向に向け旋回気流を起こすための吸気口を設けることにより、円筒容器内周を旋回させることで、容器内壁部との摩擦によって乾燥および粉砕することができる。
従って、空気の力（流れ）と遠心力によって、粗破砕されたリグノセルロース系原料を装置壁面につき周回させることで、低動力（回転翼に極力負荷を与えず）かつ効率的に摩擦を起こすことができる。

また上記円筒状容器内の天井部に、微細粉化された粉砕物を回収させる吸気口を有するサイクロンを備え、上記容器の最底部に設けた吸気口および上記サイクロンの吸気口が上記回転翼の回転方向と同一であるから、遠心力を活用することで微細粉化された原料を分級排出が可能である。すなわち微細粉製造装置内に分級機能を搭載することにより、排出される粉砕物に所定のサイズ以上のものの混入を防ぐことができる。従って、排出後に改めて分級作業を行う必要がない。
また微細粉化装置以降の配管類（微細粉化装置→サイクロン、サイクロン→集塵機、集塵機→送風機）を保温することで微細粉化装置内部温度と同様に保つことにより、発生する蒸気を飽和させずに空気と共に大気中に放出することができる。

なお、回転翼５２０の回転方向は反時計周りとは限らず、どちらの方向に回しても差し支えない。ただし、底部吸気口５３０およびサイクロン５４０の吸気口は回転翼５２０の回転方向と同一にする必要がある。

要するに、本装置を用いることで、低動力（回転翼に極力負荷を与えず）で粉砕することができる。他の熱源を用いずとも微細粉化装置内で乾燥処理を施すことができる。本装置による方法は、摩擦熱による乾燥、通風（送風）による乾燥、粉砕され、表面積が拡大することによる乾燥効果が得られるものである。

ところで含水率の高い（３０％以上）リグノセルロース系原料を用いる場合、他の熱源は必要とせずに、粗破砕する工程と微細粉化する工程の両工程の間に送風乾燥工程を加えるだけで乾燥と粉砕を同時に行うことができる。また３０％未満の含水率を有する場合、他の熱源は必要とせずに、乾燥と粉砕を同時に行うことができる。

また含水率の高い（３０％以上）リグノセルロース系原料を用いる場合は、他の熱源は必要とせずに、図４に示す様に、１次粉砕機３００（粗破砕）と微細粉製造装置５００の間に貯蔵タンク１０００を設け、送風機１１０００を直接原料に送風するようにしてもよい。すなわち含水率の高い（３０％以上）原料においては、一次粉砕（粗破砕）後に送風乾燥を施す工程を加える（他の熱源は必要としない）。また微細粉製造過程で発生する排気を用いる方法（直接原料に送風）や、微細粉化装置の原料供給コンベアを二重構造とし、微細粉製造過程で発生する排気をコンベアの外側の管に通風し乾燥する方法や一次粉砕物（粗破砕物）乾燥用に別途送風機を用いる方法などがある。

また微細粉製造工程にかかる消費電力量については、１次粉砕機３００〜送風機９００にいたる消費電力量として、０．１３〜０．１５ｋＷｈ／ｋｇ（平均で約０．１４ｋＷｈ／ｋｇ）と非常に低い動力で製造することができる。

次に、微細粉製造試験における実施例を下記に示す。
１．使用機器
・原料投入コンベア（モーター出力：0.2ｋＷ）
・微細粉製造機（モーター出力：30ｋＷ）
・サイクロン分級機（下部ロータリーバルブ
モーター出力：0.7ｋＷ）
・集塵機（バグフィルタ）
・吸引用ターボファン（モーター出力：2.2ｋＷ）
※モーター出力合計：33.1ｋＷ
２．処理量（微細粉製造量）
各 200ｋｇ
３．使用原料
・国産スギ材（2種）
・米マツ
・パームヤシ殻
４．使用原料の状態および微細粉化後の分析結果について

次に、分析方法は以下の通りである。
粒径（メジアン径）
： レーザー回析
水分（全水分）
： JIS Ｍ 8812
発熱量
： JIS Ｍ 8814

５．処理に要した設備（全体）の消費電力量について示す。

本発明は、微細粉であることから瞬間燃焼させることができるとともに、揮発成分があることにより噴霧し続けることで連続燃焼させることが可能である。因みに、微細炭を噴霧し続けることで連続燃焼させることは不可能である。
また油との混合における特徴である。重油のような粘性の強い油に微細粉を混合する際、油の重量に対し２〜３割までの混入割合であれば、油の状態は混入以前と変化することはない。したがって、重油の燃焼設備に対応することができ、容積あたりの熱量が向上する。そして重油焚ボイラー使用時の重油の燃焼量（二酸化炭素排出量）を削減となり、ハイブリット燃料となる。また燃料や化学製品原料としてのみならず、セメントの代替素材としてや塗料の添加剤等幅広い用途がある。

図１は本発明にかかるリグノセルロース系原料の微細粉製造工程の一実施形態を示す概略図である。 図２はリグノセルロース系原料の微細粉製造装置の一実施形態を上からみた概略断面図である。 図３は横から見た同概略断面図である。 図１は本発明にかかるリグノセルロース系原料の微細粉製造工程の他実施形態を示す概略図である。

符号の説明

５００ 微細粉製造装置
５１１ 投入口
５１２ 底部
５２０ 回転翼
５３０ 吸気口
５４０ サイクロン
５４１ 格子
５５０ 排出口（管）

Claims (14)

1. リグノセルロース系原料を１０ｍｍ以下に破砕する粗破砕工程と、
   粗破砕されたリグノセルロース系原料を微細粉化する工程と
   を有し、
   微細粉化する工程が、円筒状容器の底部に揚力を持たせた回転翼と、容器の最底部に回転翼の回転方向に向け旋回気流を起こすための吸気口を設けることにより、
   粗破砕されたリグノセルロース系原料を、円筒容器内周を旋回させることで、容器内壁部との摩擦によって乾燥および粉砕する
   ことを特徴とするリグノセルロース系原料の微細粉製造方法。
2. 上記円筒状容器内の上部に、微細粉化された粉砕物を回収させる吸気口を有するサイクロンを備え、
   上記容器の最底部に設けた吸気口および上記サイクロンの吸気口が上記回転翼の回転方向と同一である請求項１記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法。
3. サイクロンの吸気口が、回収する粉の粒度に応じて調節された進入角度である請求項２記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法。
4. 上記円筒状容器内の上部に格子を設けることで、内壁部との摩擦による粉砕と、原料が格子を通過する際に生じる乱流により、原料同士の衝突および摩擦によって粉砕される請求項２記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法。
5. 微細粉化する工程を有し、集塵機、送風機と順につながる配管を、微細粉化装置の内部温度と同様に保温することで、粉砕時に発生する蒸気を水滴化させずに送風機の排気口より放出させる請求項１記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法。
6. 含水率の高い（３０％以上）リグノセルロース系原料を粗破砕する工程と、粗破砕されたリグノセルロース系原料を微細粉化する工程を有するリグノセルロース系原料の微細粉製造方法であって、両工程の間に送風乾燥工程を加え、他の熱源は必要としない請求項１記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法。
7. 上記送風乾燥工程が、微細粉化する工程で発生する排気を直接原料に送風する請求項６記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法。
8. 上記送風乾燥工程が、微細粉化装置の原料供給コンベアを二重構造とし、微細粉化工程で発生する排気をコンベアの外側の管に通風し乾燥する請求項６記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法。
9. 上記送風乾燥工程が、乾燥用送風機を用いる請求項６記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造方法。
10. 請求項１記載の方法を実施する微細粉化する装置であって、円筒状容器の底部に揚力を持たせた回転翼と、容器の最底部に回転翼の回転方向に向け旋回気流を起こす吸気口とを備え、原料を円筒状容器の内周を旋回させることで、容器内壁部との摩擦によって乾燥および粉砕することを特徴とするリグノセルロース系原料の微細粉化装置。
11. 上記円筒状容器内の上部に、微細粉化された粉砕物を回収させる吸気口を有するサイクロンを備え、上記容器の最底部に設けた吸気口および上記サイクロンの吸気口が上記回転翼の回転方向と同一である請求項１０記載の微細粉化装置。
12. サイクロンの吸気口が、回収する粉の粒度に応じて調節された進入角度である請求項１１記載のリグノセルロース系原料の微細粉製造装置。
13. 上記円筒状容器の内壁部に格子を設け、内壁部との摩擦による粉砕と、原料が格子を通過する際に生じる乱流により、原料同士の衝突および摩擦によって粉砕することを特徴とする請求項１０記載の微細粉化装置。
14. 容器内壁部の壁面が卸金形状である請求項１０記載の微細粉化装置。
    

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