JP5530042B1 - 炭化物の製造方法及び炭化物の製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】破砕又は粉砕された繊維状バイオマスを原料として、造粒物の製造工程を経ることなく安価に製造できる炭化物を製造する。
【解決手段】乾燥、粒度調整されたパームオイルの製造過程で発生する空果房からなる繊維状バイオマスを加熱加圧成型して中空筒状の成型物を生成し、前記成型物を乾留して炭化物を生成する炭化物の製造方法において、前記中空筒状の成型物を生成するスクリュー式押出成型機の第１、第２スクリューの羽根面に対する法線方向の羽根間隔（ｌ_１）を、前記繊維状バイオマスが通過するスクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の１０倍以上に設定する。さらに、前記第１スクリューの羽根の先端とこれに対向する前記原料貯留部の側壁との最小離間距離（ｌ_２）を、前記スクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の５倍以下に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パームオイルの製造過程で発生する空果房からなる繊維状バイオマスから中空筒状の成型物を生成し、前記成型物を乾留して炭化物を製造する炭化物の製造方法、及びこの成型物を製造する製造システムに関する。特に、本発明は、例えば廃棄物ガス化溶融炉において廃棄物の溶融熱源とすることのできる炭化物をパームオイルの製造過程で発生する空果房からなる繊維状バイオマスから製造する方法に関する。

一般廃棄物・産業廃棄物、あるいはそれらを乾燥、焼却、破砕処理等によって得られた処理物、これらを一度埋め立て処理後、再度掘り起こした土砂分を含む埋め立てごみ等の廃棄物を処理する方法としては、廃棄物を廃棄物ガス化溶融炉で溶融処理し、スラグ、メタルを回収して再資源化する方法が実施されている。

廃棄物ガス化溶融炉の一例について、図１１を参照しながら説明する。シャフト式の廃棄物ガス化溶融炉の炉本体１は、シャフト部１０と、下部の朝顔部１１と、炉底部１２からなる。炉底部１２には燃焼・溶融帯用の下段羽口２が設けられており、その上方には熱分解帯用の上段羽口３が設けられている。下段羽口２からは酸素又は酸素富化空気を供給し、上段羽口３からは燃焼支援ガスとして空気を供給する。

炉本体１の上部には、処理対象となる廃棄物、助燃材としてのコークス、塩基度調整剤としての石灰石等を炉内に装入するためのシール弁を備えた装入装置８が設けられている。炉本体１の下端部には、廃棄物を溶融処理した後の溶融物（すなわち、スラグ、メタル）を排出する出滓口１３が設けられている。

上記構成において、炉内に装入された廃棄物は、炉本体１の上層から乾燥・予熱帯４（約３００〜４００℃）、熱分解帯５（約３００〜１０００℃）、燃焼・溶融帯６（約１７００〜１８００℃）を通過して溶融処理される。

下段羽口２から供給した酸素又は酸素富化空気によってコークスや廃棄物の熱分解残渣を燃焼し、溶融熱源とする。一方、上段羽口３からは空気を供給して主に廃棄物の熱分解残渣を燃焼し、発生したガスで廃棄物の乾燥・予熱及び熱分解を行う。溶融した廃棄物はスラグ、メタルを溶融物として出滓口１３より排出される。

発生した高温のガスは、炉本体１内の廃棄物の充填層を対向流として上昇し、炉本体１上部の排ガス管１４から燃焼室へ導入されて燃焼される。その燃焼排ガスは、ボイラーへ導入され、熱が回収された後、減温塔で温度を調節して集じん機に通され、さらには触媒反応塔で有害物質を除去した後、煙突から排出される。

このように、廃棄物ガス化溶融炉ではコークスが使用される。しかしながら、地球温暖化防止の観点から、化石燃料に由来するＣＯ_２排出量の削減が求められており、化石燃料の使用量を削減するニーズが高まってきている。発電の１次エネルギーとしては、太陽光、風力、原子力等の様々な手段が開発されているが、産業用コークスについては代替物の開発及び実用化が進んでいない。そのため、現状では石炭を原料としたコークスの使用が必須となっているが、廃棄物ガス化溶融炉においてもコークス使用量の削減が求められている。

その削減策の一つとして、石炭を原料とするコークスを、バイオマスを原料とする塊状燃料で代替することが提案されている。例えば、特許文献１では、バイオマスとして平均粒径１ｍｍ以下の木材粉（オガクズ）を水分１０質量％以下に乾燥した原料を加熱加圧成型することにより中空筒状の固形物を生成し、この固形物を乾留した炭化物をコークスの代わりに使用することが提案されている。しかしながら、近年、木材粉の発生量が減少し、その安定的な調達が困難になっている。

一方、未利用バイオマスとして、パームオイルの製造過程で発生する空果房がある。しかしながら、空果房は、長尺の繊維状バイオマスから構成されるため、繊維が互いに絡まりやすく、スクリュー式押出成型機での加熱加圧成型を試みた場合、原料貯留部で棚吊を起こし、加熱加圧成型部へ供給できなくなることがある。そのため、原料貯留部での撹拌操作や押し込み操作により、加熱加圧成型部への供給量を確保する必要があった。一方で、原料貯留部に撹拌操作や押し込み操作のための装置を設けることは、それ自体が棚吊の原因となる場合もあり、撹拌装置や押し込み装置を設けることでだけでは、棚吊の問題を十分に解消できなかった。

また、繊維状バイオマスは、成型機内での圧縮力のかかり方が不均一であり、木材（例えばオガクズ等）と比較すると圧縮性が悪い。そのため加熱加圧成型部への供給量を均一化できても、繊維状バイオマスは木材に比べて加熱加圧成型部内での滞留時間を長くしなければならない。さらに、成型時にバインダーとして機能するリグニンの軟化についても、繊維状バイオマスの方が木材に比べて進みにくいため、加熱加圧成型部の加熱温度を高く設定する必要がある。

一般に、成型温度は、被成型物（すなわち、原料となる繊維状バイオマスや木材）のリグニン軟化温度域に設定する。その場合、リグニン軟化温度域の中で設定温度が高いほどリグニン軟化速度が速いので、比較的容易に成型が出来る。しかしながら同時に熱分解・ガス化反応も起こるため、発生した熱分解ガスにより成型品に空隙ができて見掛密度が低くなり、これを乾留して製造した炭化物は、強度が低くなってしまう。

ここで、助燃剤として廃棄物ガス化溶融炉に装入されるコークスは、概ね塊状のまま炉本体を下降し、炉底部において高温火格子（所謂、コークスベッド）を形成して溶融熱源となる。従って、強度が十分でない炭化物をコークスの代替物として炉内に装入すると、炉底部に到達するまでに粉々になってガス化してしまうことがある。そのため、炉底部で高温火格子を形成するために、装入量を増やさなくてはならないし、場合によっては溶融炉の安定運転ができなくなる場合がある。

そこで、熱分解・ガス化反応の進行を抑制しつつ、高密度で高強度な炭化物を得るために、リグニン軟化温度域の低温側に成型温度を設定することが考えられる。この場合、リグニン軟化速度が遅いため成型しにくくなる事に加え、スクリュー式押出成型機の加熱加圧成型部での滞留時間を長くする必要がある。

上述のように、スクリュー式押出成型機で繊維状バイオマスを加熱加圧成型することを試みた場合、棚吊などによる加熱加圧成型部への供給の困難性、圧縮性が悪いことによる成型の困難性の問題がある。パームヤシ残渣等の繊維状バイオマスからコークス代替物として十分な強度を持った炭化物を製造する方法として、特許文献２は、繊維状バイオマスを破砕し、破砕した繊維状バイオマスを乾燥し、乾燥した繊維状バイオマスから造粒物を製造し、製造した造粒物から中空筒状の成型物を加熱加圧成型し、得られた中空筒状の成型物を炭化して、炭化物を製造する方法を開示する。しかしながら、特許文献２に開示した炭化物の製造方法は、オガクズ等の木材粉では不要であった造粒物の製造工程が加わることにより、設備の重厚や使用電力の増加等による、炭化物の製造コストの増加が懸念される。

特開２００７−９３０６９号公報 特開２０１２−４６７２９号公報

本発明は、パームオイルの製造過程で発生する空果房からなる繊維状バイオマスを破砕又は粉砕後造粒することなくスクリュー式押出成型機で中空筒状の成型物にするにあたり、装置内で繊維状バイオマスが棚吊を起こすのを防止することを第１の目的とする。

上記第１の目的を達成するために、本発明による炭化物の製造方法は、（１）上面に形成された原料供給口から落下供給される原料を貯留する原料貯留部と、空洞部を備えたダイスと、前記原料供給口の下方であって、前記原料貯留部内に位置して水平方向に延びる第１スクリューと、前記第１スクリューによる原料搬送方向の下流側に形成され、前記第１スクリューよりも羽根径が小さい第２スクリューであって、前記第１スクリューの先端から前記ダイスの前記空洞部内に延出する第２スクリューと、を備え、前記第１スクリューの径方向側に位置する前記原料貯留部の側壁のうち前記第１スクリューの上端部に対応した第１高さ位置と前記第１スクリューの下端部に対応した第２高さ位置との間の壁面が、前記第１スクリューに対して隙間を空けた状態で上下に直線状に延びるスクリュー式押出成型機を用いた炭化物の製造方法であって、パームオイルの製造過程で発生する空果房からなる繊維状バイオマスを、含水率１０質量％以下に乾燥し、かつ、０．５〜１０ｍｍの長さに粒度調整する第１のステップと、前記第１のステップで乾燥、粒度調整された前記繊維状バイオマスを、複数のスクリーン開口部が形成されたスクリーンに供給して通過させる第２のステップと、前記スクリーン開口部を通過した前記繊維状バイオマスを前記原料として、前記原料供給口を介して前記原料貯留部に落下供給する第３のステップと、前記第１、第２スクリューを回転動作させて、前記繊維状バイオマスを前記空洞部に向かって押し込むとともに、加熱しながら摩擦抵抗を付与することにより、中空筒状の成型物を得る第４のステップと、前記第４のステップで得られた前記中空筒状の成型物を乾留する第５のステップと、を有し、前記第１、第２スクリューの羽根面に対する法線方向の羽根間隔（ｌ_１）は、前記スクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の１０倍以上であり、前記第１スクリューの羽根の先端とこれに対向する前記原料貯留部の側壁との最小離間距離（ｌ_２）が、前記スクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の５倍以下であることを特徴とする。

上述の構成において、スクリュー羽根の間隔（ｌ_１）を、破砕又は粉砕後の繊維状バイオマスが通過するスクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の１０倍以上とすることによって、スクリュー羽根間の溝へ繊維状バイオマスが連続的に入り込むため、原料貯留部での撹拌や押し込み操作が無い状態でも、破砕又は粉砕後の繊維状バイオマスを加熱加圧成型部に供給することができ、しかも供給量を均一化できる。すなわち、繊維状バイオマスが棚吊を起こすのを防止できるので、特許文献２のように造粒工程を設けなくとも炭化物を製造することが可能である。しかも、加熱加圧成型部への供給量をより均一化できるので、供給量のばらつきに因る成型物の密度の不均一化を抑制することができる。

また、前記最小離間距離（ｌ_２）を、破砕又は粉砕後の繊維状バイオマスが通過するスクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の５倍以下としたことにより、原料貯留部内の繊維状バイオマスがスクリューの回転動作によって絡み、巻き込まれてスクリュー羽根間の溝へ連続的に供給されるため、原料貯留部における繊維状バイオマスの棚吊を防止することができ、加熱加圧成型部に繊維状バイオマスをより均一な供給量で安定して供給することが可能となる。前記最小離間距離（ｌ_２）を５倍より大きくすると、原料貯留部の壁面付近にある繊維状バイオマスはスクリューに巻き込まれることなく停滞し、これが起因となって原料貯留部で棚吊を引き起こして、成型不能となってしまう。前記最小離間距離（ｌ_２）は、スクリュー羽根の直径を大きくして確保してもよく、原料貯留部の側壁をスクリュー羽根に近づけて確保してもよい。

（２）上記（１）の構成において、前記第２スクリューの先端には、前記原料搬送方向に延びる抵抗部が設けられており、前記第４のステップにおいて、前記繊維状バイオマスを前記抵抗部の外周面と、前記ダイスの空洞部とで挟んだ状態で前記空洞部内を移動させることで、摩擦抵抗を付与することができる。（２）の構成によれば、ダイスの空洞部内を移動する繊維状バイオマスに成型圧を付与することができ、さらに前記成型圧が付与される保持時間を抵抗部の長さに応じて十分に確保することができる。従って、リグニンの軟化に時間がかかる低温域に設定しても、特段の滞留時間の延長をしなくとも十分な強度及び密度の成型物を得ることができる。

（３）上記（２）の構成において、前記空洞部には、前記第２スクリューにより押し込まれる前記繊維状バイオマスを加熱するための加熱領域を形成することができる。さらに、前記抵抗部の先端を、前記加熱領域の１／５〜４／５の範囲にまで延ばすことができる。１／５に満たない場合は、空洞部における成型圧の保持時間が不足し、十分な強度及び密度のある成型品を得ることができない。反対に、４／５を超えて延ばしてしまうと、加熱加圧時に発生する水蒸気等のガスを中央の穴から排出しにくくなり、繊維状バイオマスを中空筒状に成型しにくくなる。

（４）上記（２）又は（３）の構成において、前記抵抗部は、径が長さ方向で一定の円柱形状とすることができる。先端へ向かうにつれて徐々に縮径する形状に抵抗部を形成すると、成型中に中央の穴が閉塞を起こして加熱加圧時に発生する水蒸気等のガスが抜けにくくなり、成型しにくくなる。反対に、先端へ向かうにつれて抵抗部を徐々に拡径する形状にすると、中央の穴が大きい肉薄の成型物となってしまい、その後の乾留で得られる炭化物の強度が低くなる場合がある。

（５）上記（２）〜（４）の構成において、前記抵抗部は、前記スクリューの先端に脱着可能に設けることができる。（５）の構成によれば、空洞部における成型圧の保持時間の調節が容易となり、中空筒状の成型物の密度、強度の微調節が容易となる。また、スクリュー先端の偏心の修正や清掃といったメンテナンス性も向上する。

（６）上記（２）〜（５）の構成において、前記第４のステップにおける加熱温度は１５０〜２５０℃に設定することができる。成型温度が１５０℃未満の場合は、バインダーとなるリグニンの軟化が十分にできず、成型が十分に進まない。また、加熱温度が３００℃を超えると繊維状バイオマスが熱分解及びガス化して、成型を阻害する

（７）上記（１）〜（６）の構成において、繊維状バイオマスは、外接円の直径（Ｄ）が３０〜８０ｍｍ、成型物の中空部の内径（ｄ）が１０〜４０ｍｍ、ｄ／Ｄが０．１〜０．５の範囲になるように成型するのが好ましい。成型物の目標とする形状を、上記のように規定することで、加熱加圧成型時においてより均一な成型圧を付与することが可能であり、かつ、成型物の肉厚が適切になる。

本発明によれば、パームオイルの製造過程で発生する空果房からなる繊維状バイオマスを破砕又は粉砕後造粒することなく、スクリュー式押出成型機で中空筒状の成型物にするにあたり、装置内で繊維状バイオマスが棚吊を起こすのを防止することができる。

本実施形態に係る炭化物の製造工程を示す図である。 本実施形態に係る炭化物の別の製造工程を示す図である。 本発明の炭化物の製造方法を実施する製造システムの概略図である（上工程）。 本発明の炭化物の製造方法を実施する製造システムの概略図である（下工程）。 破砕処理を行う前の空果房の写真である。 破砕処理後の空果房の写真である。 中空筒状に形成された空果房の写真である。 中空筒状に形成された空果房の炭化後の写真である。 円形のスクリーン開口部を示した図である。 三角形のスクリーン開口部を示した図である。 四角形のスクリーン開口部を示した図である。 六角形のスクリーン開口部を示した図である。 楕円のスクリーン開口部を示した図である。 スクリーン開口部が円形に形成されたスクリーンの正面図である。 成型機の断面図である。 成型機のＡ−Ａ断面図である。 変形例の成型機の断面図である。 他の変形例の成型機の断面図である。 中空筒状の炭化物の断面図である（円形）。 中空筒状の炭化物の断面図である（四角形）。 中空筒状の炭化物の断面図である（六角形）。 中空筒状の炭化物の断面図である（三角形）。 成型温度と炭化物の圧潰強度の関係を示すグラフである。 成型温度と成型物の見掛密度の関係を示すグラフである。 スクリュー羽根面に対する法線方向の羽根間隔を拡げたときの搬送の様子を示す模式図である。 廃棄物ガス化溶融炉の概略図である。 廃棄物ガス化溶融炉の他の構造を示す概略図である。

本実施形態の炭化物の製造方法は、例えばシャフト式の廃棄物ガス化溶融炉などの廃棄物溶融炉においてコークスの代替物として使用可能な炭化物をパームオイルの製造過程で発生する空果房からなる繊維状バイオマス（以下、「空果房」と略す）から製造する方法である。図１の製造フローを参照して、空果房を脱水機で脱水し、この脱水された空果房を破砕機で破砕し、この破砕された空果房を乾燥機で乾燥し、この乾燥された空果房を粉砕し、この粉砕された空果房を原料にしてスクリュー式押出成型機で加熱加圧成型して中空筒状の成型物を製造する。その後、乾留炉などの炭化装置で成型物を炭化することによって塊状の炭化物を製造する。

また、図２の別の製造フローを参照して、空果房を粗破砕機で粗破砕し、その後に破砕機で粉砕してもよい。すなわち、破砕工程を２段階で行ってもよい。粗破砕工程において、空果房を５０ｍｍ〜２００ｍｍの長さに破砕し、次の破砕工程で、空果房を１０〜５０ｍｍの長さに破砕することができる。その後は、図１の製造フローと同様に、乾燥機で乾燥し、乾燥した空果房を粉砕機で粉砕し、粉砕した空果房を成型機で加熱加圧成型して中空筒状の成型物を製造する。そして、成型物を炭化装置で炭化して塊状の炭化物を製造する。

以下、図１の製造フローに従う炭化物の製造方法について詳細に説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、本実施例の炭化物の製造方法を有効に実施するための炭化物製造システムの概略構成図である。図４Ａは、処理前の空果房の写真である。

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、空果房をプレス１５によって脱水し、含水率を３０〜５０質量％に低下させる。図３Ａには、プレス１５としてスクリュープレス式の脱水機を図示しているが、本発明はこれに限定されものではない。脱水後の空果房は、プレス１５の排出口から排出され、コンベア１６の始端部に供給される。

脱水後の空果房は、コンベア１６によって破砕機としてのカッター１７に搬送される。カッター１７によって、空果房は１０〜５０ｍｍ程度の長さに粒度調整される。カッター１７には、回転刃と固定刃とを用いて空果房を破砕する破砕機を用いることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。図４Ｂは破砕後の空果房の写真であるが、長尺の繊維が互いに絡み合った性状であることが分かる。

破砕後の空果房は、乾燥工程に搬送される。この乾燥工程において、空果房は、含水率：１０質量％以下に乾燥される。含水率が１０質量％を超えると、成型時の熱で水分が気化膨張して、成型物に亀裂が発生する。一例として、空果房は、熱風炉１８から供給される熱風を用いて乾燥することができる。すなわち、空果房を、熱風炉１８から送風される熱風に随伴させ、ファン１９から送風される空気によって、風速２０〜３０ｍ／sで気流乾燥機２０に供給することにより乾燥することができる。

乾燥後の空果房は、気流乾燥機２０の出口に接続されたサイクロンセパレータ２１で捕集され、サイクロンセパレータ２１の下部に接続されたロータリーバルブ２２より排出され、貯留タンク２３へ供給される。

貯留タンク２３に供給された空果房は、貯留タンク２３の下部に設置された定量供給装置２４により粉砕機２５へ供給される。粉砕機２５において、空果房は、０．５〜１０ｍｍの長さに粒度調整される。空果房が０．５ｍｍ〜１０ｍｍの長さに粒度調整されることにより、比表面積を十分にとることができ、成型時のリグニンの軟化速度を速めることができる。なお、粉砕粒度を０．５ｍｍ未満にすると粉砕動力が大きくなるため現実的ではない。

本実施形態では、空果房の破砕処理、乾燥処理及び粉砕処理をこの順序で実施したが、本発明にこれに限るものではない。例えば、乾燥処理の後に、破砕処理及び粉砕処理を実施してもよい。ただし、乾燥処理の前に破砕処理をしておけば、空果房の比表面積が大きくなり、乾燥効率が向上する。また、破砕処理を省略して、乾燥処理の後に、０．５〜１０ｍｍの粉砕粒度で粉砕処理を実施してもよい。つまり、含水率が１０質量％以下、長さが０．５〜１０ｍｍの空果房を、後述するスクリーン２５ａに供給することができれば、その処理順序、その処理回数は如何なる態様であってもよい。従って、乾燥・粒度調整部の構成には、種々の態様が含まれる

粒度調整された空果房は、粉砕機２５の排出部に設置されたスクリーン２５ａを通過して、ファン２６によってサイクロンセパレータ２７に吸引搬送される。

スクリーン２５ａには、複数の開口部（スクリーン開口部）２５ｂが形成されている。スクリーン２５ａには、例えば鋼板を用いることができる。スクリーン２５ａに形成された開口部２５ｂの形状は、特に限定されるものでなく、図５Ａの円形、図５Ｂの三角形、図５Ｃの四角形、図５Ｄの六角形、図５Ｅの楕円形であってもよい。これらの図に示された符号Ｌは、後述する開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）である。図５Ｆは、開口部２５ｂが円形に形成されたスクリーン２５ａの正面図である。開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）は、好ましくは１〜６ｍｍである。

ここで、粉砕後の空果房の長さは一様でなくばらつきがあり、長尺の空果房がスクリーン２５ａの開口部２５ｂを縦になって通過する場合がある。すなわち、開口部２５ｂを通過する空果房は、開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）よりも短い空果房が主体となるが、開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）よりも長い長尺の空果房が含まれることもある。

粉砕後の空果房は、サイクロンセパレータ２７によって捕集され、サイクロンセパレータ２７の下部に設置された定量切出装置２８から排出され、成型機３０に供給される。

図６Ａは、成型機３０の概略構成図であり、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交する三軸である。図６Ｂは、図６Ａの成型機を第１スクリューに対応する位置で切断したＡ−Ａ断面図であり、第２スクリュー羽根を透視して点線で図示するとともに、原料貯留部３１をハッチングで示している。本実施形態では、乾式のスクリュー式押出成型機が用いられる。図６Ａを参照して、スクリュー式押出成型機は、原料である空果房を貯留する原料貯留部３１と、原料貯留部３１に連通する空洞部３２１を有するダイス３２と、原料貯留部３１内に貯留された空果房を空洞部３２１に圧縮供給するスクリュー３３と、ダイス３２を加熱するヒーター３４とを備えている。ここで、Ｘ軸は、スクリュー式押出成型機による空果房の押し出し方向に対応している。Ｙ軸は、スクリュー式押出成型機の回転軸に対して直交する水平方向に対応している。Ｚ軸は、スクリュー式押出成型機の回転軸に対して直交する上下方向に対応している。

スクリュー３３は、原料貯留部３１内に収められる第１スクリュー３３１と、第１スクリュー３３１の先端からダイス３２の空洞部３２１内に延出する第２スクリュー３３２とを備える。第１スクリュー３３１の外周面には、所定の捩れ角を有する第１スクリュー羽根３３１ａが形成されており、第２スクリュー３３２の外周面には、所定の捩れ角を有する第２スクリュー羽根３３２ａが形成されている。第１スクリュー羽根３３１ａは、第２スクリュー羽根３３２ａよりも羽根径が大きく設定されている。

ここで、スクリュー３３の第１スクリュー羽根３３１ａ及び第２スクリュー羽根３３２ａの羽根間隔（ｌ_１）は、スクリーン２５ａの開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）の１０倍以上、好ましくは１０〜１５倍に設定されている。羽根間隔（ｌ_１）とは、第１スクリュー羽根３３１ａ及び第２スクリュー羽根３３２ａの羽根面に対する法線方向の間隔ことであり、軸方向の羽根間距離（つまり、スクリューピッチ）とは異なる。

一例として、スクリーン２５ａの開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）を３ｍｍ、羽根間隔（ｌ_１）を４０ｍｍに設定することができる。羽根間隔（ｌ_１）がスクリーン２５ａの開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）の１０倍よりも短い場合には、羽根間に形成された溝に空果房が入り込まずに、スクリュー３３上でスリップする。そのため、ダイス３２内に空果房を均一な供給量で送り込めなくなるため、原料貯留部３１で棚吊が発生する。また、羽根間隔（ｌ_１）が１５倍よりも長い場合は、ダイス３２内に空果房を送り込むことはできるが、一方で、第１スクリュー羽根３３１ａ及び第２スクリュー羽根３３２ａの傾き（リード角）が大きくなるために、図１０に模式的に示すように、搬送中に空果房が溝外へ滑り落ちて搬送能力が低下する場合がある。なお、搬送能力の向上は、本願発明の直接的な課題ではないため、請求項では羽根間隔（ｌ_１）の上限値を規定しない。

原料貯留部３１は有底筒状に形成されており、その上端には原料供給口３５が形成されている。本実施形態では、Ｘ−Ｙ面方向における、原料貯留部３１の内径寸法と、原料供給口３５の内径寸法とが同じに設定されている。粉砕機２５のスクリーン２５ａを通過させた空果房は、原料供給口３５を介して、原料貯留部３１の内部に供給される。図６Ｂを参照して、第１スクリュー３３１の径方向に位置する第１貯留側壁部３１a（つまり、原料貯留部３１のＹ軸方向の内壁）は、少なくとも第１スクリュー羽根３３１ａの上端部に対応した第１高さ位置と、第１スクリュー羽根３３１ａの下端部に対応した第２高さ位置との間の壁面が、第１スクリュー羽根３３１ａに対して隙間を空けた状態で、上下に直線状に延びている。

再び、図６Ａを参照して、第１貯留側壁部３１aに直交する第２貯留側壁部３１ｂ（つまり、原料貯留部３１のＸ軸方向の内壁）も、上下に延びているが、本発明はこの形状に限定されるものではない。すなわち、第２貯留側壁部３１ｂの形状と、「棚吊防止」との相関関係は非常に小さいため、第２貯留側壁部３１ｂは、フラット以外のテーパ面等で形成されていてもよい。

図６Ｂに示すように、第１スクリュー羽根３３１ａの先端と、原料貯留部３１の第１貯留側壁部３１aとの最小離間距離（ｌ_２）は、スクリーン２５ａの開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）の５倍以下に設定する必要がある。ここで、最小離間距離（ｌ_２）とは、第１スクリュー羽根３３１ａの先端部と第１貯留側壁部３１ａとのＹ軸方向の間隔のことである。

一例として、最小離間距離（ｌ_２）は、１０ｍｍに設定することができる。最小離間距離（ｌ_２）を５倍より大きくすると、原料貯留部３１の壁面付近にある空果房がスクリュー３３に巻き込まれることなく停滞し、これが起因となって原料貯留部３１内で棚吊を引き起こして、成型不能となってしまう。

図６Ｃ及び図６Ｄは、原料貯留部の変形例であり、図６Ｂに対応する断面図である。図６Ｂと同様に、原料貯留部３１をハッチングで示している。図６Ｃを参照して、原料貯留部３１の上端部には、スクリュー３３から離隔する程Ｙ軸方向の寸法が縮小する縮径形状の原料供給口３５が形成されている。原料貯留部３１の下端部には、スクリュー３３から離隔する程Ｙ軸方向の寸法が縮小する縮径形状の底部が形成されている。図６Ｄを参照して、原料貯留部３１の上端部には、スクリュー３３から離隔する程Ｙ軸方向の寸法が拡大する拡径形状の原料供給口３５が形成されている。原料貯留部３１の下端部には、スクリュー３３から離隔する程Ｙ軸方向の寸法が拡大する拡径形状の底部が形成されている。

上述の変形例の構成であっても、第１貯留側壁部３１aの第１高さ位置と第２高さ位置との間の壁面が上下に直線状に延びており、かつ、第１スクリュー羽根３３１ａの先端と、原料貯留部３１の第１貯留側壁部３１aとの最小離間距離（ｌ_２）が、開口部２５ｂにおける最大長さ（Ｌ）の５倍以下に設定されていれば、棚吊を防止することができる。

ここで、第２スクリュー羽根３３２ａの先端と、第１貯留側壁部３１aとの最小離間距離は、上述の最小離間距離（ｌ_２）よりも大きいため、第２スクリュー羽根３３２ａと第１貯留側壁部３１ａとの間で空果房が停滞する。しかしながら、この停滞した空果房は、第１スクリュー３３１から移送される空果房に巻き込まれることによって、そこから離脱するため、棚吊は発生しない。

再び、図６Ａを参照して、スクリュー３３の先端には、ダイス３２内を移動する空果房に摩擦抵抗を付与するための抵抗部３６が設けられている。ダイス３２の空洞部３２１は、先端に向かうにつれて内径が徐々に縮径している。したがって、空洞部３２１内をＸ軸方向に移動する空果房は、抵抗部３６の外周面及び空洞部３２１に挟まれ、径方向から加圧される。ヒーター３４は、ダイス３２の内部に設置されており、空洞部３２１内で移動する空果房を加熱する。好ましくは、抵抗部３６の先端がヒーター３４による加熱領域の１／５〜４／５の範囲に位置するように、抵抗部３６の長さを設定する。ヒーター３４による加熱領域とは、原料搬送方向におけるヒーター３４の始端部から終端部までの領域に対応している。抵抗部３６の先端が加熱領域の１／５に満たない領域に位置する場合、加熱加圧状態での成型圧の保持時間が不足し、十分な強度及び密度のある成型品を得ることができない。抵抗部３６の先端が加熱領域の４／５を超える領域に位置する場合、加熱加圧時に発生する水蒸気等のガスを中央の穴から排出しにくくなり、空果房を中空筒状に成型しにくくなる。

抵抗部３６は、径が長さ方向で一定の円柱形状であることが好ましい。後端から先端に向かって径が漸減する形状に抵抗部３６を形成すると、成型中に中央の穴が閉塞を起こして加熱加圧時に発生する水蒸気等のガスが抜けにくくなり、成型しにくくなる。反対に、後端から先端に向かって径が漸増する形状に抵抗部３６を形成すると、中央の穴が大きい肉薄の成型物となってしまい、乾留後に得られる炭化物の強度が低くなる場合がある。また、円柱以外の形状、例えば三角形や四角形等の多角形状にすると、成型物の中央の穴の内周面に対して抵抗部の外周面が線接触となり、その接触部分にだけ成型圧が付与される状態となる。従って、接触線以外の部分では成型圧が付与されず、成型物の強度及び密度が低くなってしまう場合がある。抵抗部３６の外径は、成型物の中央の穴の内径（設計値）と同じにするのが好ましい。

抵抗部３６は、スクリュー３３の先端に着脱可能、或いはスクリュー３３の先端に固着されていてもよい。さらに、スクリュー３３の胴部と一体成形された構成であってもよい。抵抗部３６とスクリュー３３の胴部は、同じ種類の材料、或いは異なる種類の材料で形成されていてもよい。抵抗部３６は、空果房を加熱する領域に配置されるので、熱伝導率の高い材料で形成するのが好ましい。抵抗部３６が着脱可能な構成であれば、加熱領域における成型圧の保持時間の調節が容易となり、中空筒状の成型物の密度、強度の微調節が容易となる。また、抵抗部３６が着脱可能な構成であれば、スクリュー先端の偏心の修正や清掃といったメンテナンス性も向上する。スクリュー３３の装着機構は、成型時に抵抗部３６が外れない機構であればよい。例えば、Ｘ軸方向視において、抵抗部３６がスクリュー３３とともに右回りに回転する場合、抵抗部３６には中空筒状の成型物との摩擦抵抗により左回りの回転力が加わるため、左回りに回転すると締まる装着機構とすればよい。

上述の構成によれば、空果房を抵抗部３６及び空洞部３２１で挟み込んで加圧するとともに、ヒーター３４で加熱することができる。これにより、空果房を中空筒状に成型することができる（図４Ｂ参照）。

ヒーター３４による加熱温度は、好ましくは１５０℃〜２５０℃であり、より好ましくは２００〜２５０℃である。加熱温度を１５０〜２５０℃に設定することにより、十分な強度の成型物を得ることができ、結果としてコークスの代替となる十分な強度の炭化物を製造することができる。成型温度が１５０℃未満の場合は、バインダーとなるリグニンの軟化が十分にできず、成型が十分に進まない。また、加熱温度が３００℃を超えると空果房が熱分解及びガス化して、成型を阻害する。従って、加熱加圧成型部の温度は、２５０℃以下であることが好ましい。

中空筒状の成型物の断面形状については、中空部の内径（ｄ）と成型物の外接円の直径（Ｄ）が適切な範囲にあれば、図７Ａに示す円形をはじめ、図７Ｂの四角形、図７Ｃの六角形、図７Ｄの三角形等であってもよい。

中空筒状の成型物は、ダイス３２の先端の開口部（排出口）から排出され、概ね所定の長さに切断される。そして、乾留炉で乾留することによって、概ね中空筒状の炭化物が製造される（図３Ｂ及び図４Ｃ参照）。乾留温度は、６００〜１２００℃の範囲とするのが好ましい。これにより、得られた炭化物の性状が高炉用コークスの性状と近くなり、廃棄物溶融炉の炉底部の高温雰囲気でも高温火格子を形成可能で、廃棄物溶融炉の安定運転が可能となる。

表１は、粉砕後の空果房が通過するスクリーン２５ａの開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）と、羽根間隔（ｌ_１）を種々設定して棚吊有無を調査したときの評価結果である。第１スクリュー羽根３３１ａの先端と原料貯留部３１の側壁との最小離間距離（ｌ_２）は、粉砕後の空果房が通過するスクリーン２５ａの開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）の５倍以下（３．３、若しくは１．７）に固定した。表１の結果から明らかなように、羽根間隔（ｌ_１）をスクリーン２５ａの開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）の１０倍以上とすることで、スクリュー３３によって均一に空果房を搬送できるので、棚吊の発生を防止できる。羽根間隔（ｌ_１）を１５倍より大きくした場合、棚吊は起きないが、既述したように、第１スクリュー羽根３３１ａ及び第２スクリュー羽根３３２ａの傾き（リード角）が大きくなるために搬送能力が低下するので好ましくない。

なお、本実施例では、粉砕機２５に設けたスクリーン２５ａを対象としているが、粉砕機２５と成型機３０との間に別のスクリーンを配置した場合には、この別に配置したスクリーンが対象となる。また、製造フローに粉砕工程も設けず、破砕までとする場合には、破砕機のスクリーンを対象とする。

表２には、粉砕後の空果房が通過するスクリーン２５ａの開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）と、第１スクリュー羽根３３１ａの先端と原料貯留部３１の側壁との最小離間距離（ｌ_２）を種々設定して棚吊有無を調査したときの評価結果を示す。羽根間隔（ｌ_１）は、スクリーン２５ａの開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）の１０倍以上（１３．３、若しくは４０）に固定した。表２の結果から明らかなように、最小離間距離（ｌ_２）を５倍以下に設定することで、原料貯留部３１において空果房がスクリュー３３の回転により第１スクリュー羽根３３１ａ及び第２スクリュー羽根３３２ａに巻き込まれてスクリュー羽根間の溝に入り込み、加熱加圧成型部に連続的に均一な供給量で供給できるので、棚吊の発生を防止できている。

すなわち、上述したように、粉砕後の空果房の長さは一様でなく長さにばらつきがある。しかも、スクリーン２５ａの開口部２５ｂを縦になって通過する空果房があるため、開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）よりも長い空果房が成型機３０に供給される場合がある。この長尺の空果房が含まれることで、棚吊が起こると考えられる。当初、本発明者等は、開口部２５ｂの最大長さ（Ｌ）を適切な値に設定することで、棚吊を防止できると考えていたが、長尺の空果房が開口部２５ｂを通過してしまうため、最大長さ（Ｌ）を規定するだけでは棚吊を防止できないことを知見した。本実施形態は、この点に着目し、互いに別工程の別要素である開口部２５ｂと羽根間隔（ｌ_１）との技術的な相関関係を規定するとともに、第１スクリュー羽根３３１ａの先端から第１貯留側壁部３１aまでの最少離間距離（ｌ_２）と開口部２５ｂとの技術的な相関関係を規定することによって、棚吊の発生を防止した点に有為性がある。

図８は、成型機３０の成型温度を１３０℃、１５０℃、２００℃、２２５℃、２５０℃、２７５℃にして成型物を製造し、乾留炉で炭化することによって得られた炭化物の圧潰強度（Ｎ）を示す。ここでいう圧潰強度（Ｎ）とは、中空筒状の炭化物の長さを５０ｍｍに切断し、廃棄物溶融炉内の温度条件を考慮して、１０００℃の空気中に３０分間暴露した後に室温まで放冷し、放冷後の炭化物をプレス機を用いて荷重を掛けていき、最終的に炭化物が崩壊した時の荷重をいう。

図８に示す試験結果から明らかなように、成型機３０での成型温度を１５０〜２５０℃、さらに好ましくは２００〜２５０℃とすることにより、高い強度の炭化物が得られる。なぜならば、図９に示すとおり、成型温度を２００〜２５０℃とすることにより、見掛密度（ｇ／ｍＬ）の高い成型物が得られるからである。

表３には、スクリュー３３の先端に設けた抵抗部３６の長さを、加熱領域の１／５未満として成型した場合と、加熱領域の１／５〜４／５の範囲（表３では加熱領域の７／１０）として成型した場合での、成型品の成型温度の下限値を示している。表３の結果から明らかなとおり、スクリュー３３の先端に設けた抵抗部３６の長さを、加熱領域の１／５〜４／５の範囲とした場合、成型温度を低く設定しても強度の高い炭化物を得ることができる。その理由は、抵抗部３６を設けたことによって加熱加圧成型部において空果房に成型圧を付与でき、密度の高い成型物を生成できるからである。

コークスの代替となり得る炭化物の圧潰強度は１０００（Ｎ）であるが、廃棄物溶融炉をより良好に運転するには２５００（Ｎ）以上であることが望ましく、３０００（Ｎ）以上であることがさらに好ましい。スクリューの先端に抵抗部を設けたことにより、３０００（Ｎ）以上の圧潰強度を達成できる上に、成型温度を２５０℃以下にまで低くすることができる。

以上の工程により、空果房からコークスの代替となる炭化物、すなわちシャフト炉式の廃棄物溶融炉において廃棄物の溶融熱源とすることができる炭化物を製造することができる。具体的には、１０００℃の空気中に３０分暴露する場合の暴露前後の質量減少が３０％以内であり、かつ暴露後の圧潰強度が１０００Ｎ以上かつ揮発分が２０質量％以下、かつ真比重が１．２〜２．０ｇ／ｃｍ^３の範囲にある炭化物を製造することができる。

製造された炭化物が使用される廃棄物溶融炉は、図１１に一例として示した構造に制限されることはなく、公知の廃棄物溶融炉のいずれにも使用することが可能である。特に、例えば特開２０１０−０４３８４０等にて報告している高効率型の廃棄物ガス化溶融炉に適用すれば、ＣＯ_２排出量の削減効果がより向上する。図１２には、高効率型の廃棄物ガス化溶融炉の概略構成を例示している。図１１の廃棄物ガス化溶融炉と同様の構成については同じ符号を付している。この廃棄物ガス化溶融炉は、シャフト部１０と炉底部１２を相対的に偏心させた配置とし、炭化火格子７を配置した構造となっている。炭化火格子７は、上段羽口３に代わって空気を供給可能であり、且つ、熱分解残渣を炉底部１２に向けて押出移送可能な構成となっている。炭化物は、石灰石等の副資材と共に炉底部１２に直接装入することができる。

１ 炉本体 ２ 下段羽口 ３ 上段羽口 ４ 乾燥・予熱帯
５ 熱分解帯 ６ 燃焼・溶融帯 ７ 炭化火格子 ８ 装入装置
１０ シャフト部 １１ 朝顔部 １２ 炉底部 １３ 出滓口
１４ 排ガス管 １５ プレス １６ コンベア １７ カッター
１８ 熱風炉 １９ ファン ２０ 気流乾燥機
２１ サイクロンセパレータ ２２ ロータリーバルブ ２３ 貯留タンク
２４ 定量供給装置 ２５ 粉砕機 ２５ａ スクリーン
２５ｂ 開口部 ２６ ファン ２７ サイクロンセパレータ
２８ 定量切出装置 ２９ 乾留炉 ３０ 成型機 ３１ 原料貯留部
３１ａ 第１貯留側壁部 ３１ｂ 第２貯留側壁部 ３２ ダイス
３３ スクリュー ３４ ヒーター ３５ 原料供給口 ３６ 抵抗部
３２１ 空洞部 ３３１ 第１スクリュー ３３１ａ 第１スクリュー羽根
３３２ 第２スクリュー ３３２ａ 第２スクリュー羽根

Claims (10)

1. 上面に形成された原料供給口から落下供給される原料を貯留する原料貯留部と、
   空洞部を備えたダイスと、
   前記原料供給口の下方であって、前記原料貯留部内に位置して水平方向に延びる第１スクリューと、
   前記第１スクリューによる原料搬送方向の下流側に形成され、前記第１スクリューよりも羽根径が小さい第２スクリューであって、前記第１スクリューの先端から前記ダイスの前記空洞部内に延出する第２スクリューと、を備え、
   前記第１スクリューの径方向側に位置する前記原料貯留部の側壁のうち前記第１スクリューの上端部に対応した第１高さ位置と前記第１スクリューの下端部に対応した第２高さ位置との間の壁面が、前記第１スクリューに対して隙間を空けた状態で上下に直線状に延びるスクリュー式押出成型機を用いた炭化物の製造方法であって、
   パームオイルの製造過程で発生する空果房からなる繊維状バイオマスを、含水率１０質量％以下に乾燥し、かつ、０．５〜１０ｍｍの長さに粒度調整する第１のステップと、
   前記第１のステップで乾燥、粒度調整された前記繊維状バイオマスを、複数のスクリーン開口部が形成されたスクリーンに供給して通過させる第２のステップと、
   前記スクリーン開口部を通過した前記繊維状バイオマスを前記原料として、前記原料供給口を介して前記原料貯留部に落下供給する第３のステップと、
   前記第１、第２スクリューを回転動作させて、前記繊維状バイオマスを前記空洞部に向かって押し込むとともに、加熱しながら摩擦抵抗を付与することにより、中空筒状の成型物を得る第４のステップと、
   前記第４のステップで得られた前記中空筒状の成型物を乾留する第５のステップと、を有し、
   前記第１、第２スクリューの羽根面に対する法線方向の羽根間隔（ｌ_１）は、前記スクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の１０倍以上であり、
   前記第１スクリューの羽根の先端とこれに対向する前記原料貯留部の側壁との最小離間距離（ｌ_２）が、前記スクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の５倍以下であることを特徴とする炭化物の製造方法。
2. 前記第２スクリューの先端には、前記原料搬送方向に延びる抵抗部が設けられており、前記第４のステップにおいて、前記繊維状バイオマスを前記抵抗部の外周面と、前記ダイスの空洞部とで挟んだ状態で前記空洞部内を移動させることで、摩擦抵抗を付与することを特徴とする請求項１に記載の炭化物の製造方法。
3. 前記空洞部には、前記第２スクリューにより押し込まれる前記繊維状バイオマスを加熱するための加熱領域が形成されており、前記抵抗部の先端は、前記加熱領域の１／５〜４／５の範囲にまで延びていることを特徴とする請求項２に記載の炭化物の製造方法。
4. 前記抵抗部は、径が長さ方向で一定の円柱形状であることを特徴とする請求項２又は３に記載の炭化物の製造方法。
5. 前記抵抗部は、前記スクリューの先端に脱着可能に設けられていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の炭化物の製造方法。
6. 前記第４のステップにおける加熱温度は、１５０〜２５０℃であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の炭化物の製造方法。
7. 前記中空筒状の成型物を、外接円の直径（Ｄ）が３０〜８０ｍｍ、成型物の中空部の内径（ｄ）が１０〜４０ｍｍ、ｄ／Ｄが０．１〜０．５の範囲になる様に成型することを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の炭化物の製造方法。
8. 前記第５のステップにおける乾留を６００〜１２００℃の範囲で行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の炭化物の製造方法。
9. 前記炭化物は、廃棄物溶融炉に装入される助燃剤であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の炭化物の製造方法。
10. パームオイルの製造過程で発生する空果房からなる繊維状バイオマスを、含水率１０質量％以下に乾燥し、かつ、０．５〜１０ｍｍの長さに粒度調整する乾燥・粒度調整部と、
    前記乾燥・粒度調整部で処理された前記繊維状バイオマスを通過させるスクリーン開口部を備えたスクリーンと、
    前記スクリーン開口部を通過した前記繊維状バイオマスを中空筒状の成型物に押出成型するスクリュー式押出成型機と、
    前記中空筒状の成型物を乾留する炭化装置と、を有し
    前記スクリュー式押出成型機は、
    上面に形成された原料供給口から落下供給される前記繊維状バイオマスを貯留する原料貯留部と、
    空洞部を備えたダイスと、
    前記ダイスを加熱するためのヒーターと、
    前記原料供給口の下方であって、前記原料貯留部内に位置して水平方向に延びる第１スクリューと、
    前記第１スクリューによる原料搬送方向の下流側に形成され、前記第１スクリューよりも羽根径が小さい第２スクリューであって、前記第１スクリューの先端から前記ダイスの前記空洞部内に延出し、前記第１スクリューによって搬送される前記繊維状バイオマスを前記空洞部に向かって押し込む第２スクリューと、を有し、
    前記第１スクリューの径方向側に位置する前記原料貯留部の側壁のうち前記第１スクリューの上端部に対応した第１高さ位置と前記第１スクリューの下端部に対応した第２高さ位置との間の壁面が、前記第１スクリューに対して隙間を空けた状態で上下に直線状に延びており、
    前記第１、第２スクリューの羽根面に対する法線方向の羽根間隔（ｌ_１）は、前記スクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の１０倍以上であり、
    前記第１スクリューの羽根の先端と前記原料貯留部の側壁との最小離間距離（ｌ_２）が、前記スクリーン開口部の最大長さ（Ｌ）の５倍以下であることを特徴とする炭化物の製造システム。