JP5587521B1 - 高品位珪酸資材原料と、高品位珪酸資材原料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、肥料等原料に対して溶解性の高い高品位珪酸資材原料と、高品位珪酸資材原料の製造方法を提供する。
炉内雰囲気温度を高めてもみ殻の自燃（発熱反応）でもみ殻中の易燃性有機質分を燃焼除去してもみ殻の無機質分の含有量を高めると共に、もみ殻の発熱反応を継続させてもみ殻の表面上に残存した難燃性有機質分をほぼ燃焼除去し、非結晶性シリカ（SiO2）の含有率を高めて溶解性を向上させる。
炉内雰囲気温度を高めてもみ殻の自燃（発熱反応）でもみ殻中の易燃性有機質分を燃焼除去してもみ殻の無機質分の含有量を高めると共に、もみ殻の発熱反応を継続させてもみ殻の表面上に残存した難燃性有機質分をほぼ燃焼除去し、非結晶性シリカ（SiO2）の含有率を高めて溶解性を向上させる。
Description
本発明は、一般あるいは特殊肥料への転用を可能とする高品位珪酸資材原料と、高品位珪酸資材原料の製造方法に関する。
稲が順調に生育するためには、ケイ素（Si）が必要であり、米の生産には、ケイ素を含有する資材の供給が必須である。また、ケイ素の供給源としては、灌漑水中や土壌中に含有されている珪酸（Si(OH)4）が挙げられる。しかしながら、灌漑水中や土壌中のもののみでは、必要量の半分程度しか確保されず、不足分は人為的に供給してやることが必要である。このことから現在は、鉄鋼業で使用する高炉から排出される高炉滓が、ケイ素（Si）の不足分を補う主な供給源となっている。本出願人は、元来もみ殻に含有されているシリカ（SiO2）をその不足分の供給源とすべく、技術開発を行ってきた。具体的には、もみ殻に含まれているケイ素分を圃場に還元し、そのケイ素を稲が吸収することによって得られる米を生産することができれば、土のイオンバランスを崩すことなく、環境に優しい持続可能な農業の実現に資することができる。そのためには、もみ殻に含有されているシリカ（SiO2）分をより溶解性の高い珪酸資材へと変換するための技術を生み出す必要があった。
上記した特開２００６−１１１４８０号公報に記載される燃焼灰中のシリカ（SiO2）は、その溶解性が悪く、しかも、良質な珪酸資材として使用できない問題点があった。
本発明は、以上に述べたような実情に鑑みてなされてものであり、肥料等原料に対してシリカ（SiO2）の溶解性が高い高品位珪酸資材原料と、高品位珪酸資材原料の製造方法を提供することにある。
本発明は、以上に述べたような実情に鑑みてなされてものであり、肥料等原料に対してシリカ（SiO2）の溶解性が高い高品位珪酸資材原料と、高品位珪酸資材原料の製造方法を提供することにある。
本発明の第1の観点の発明は、もみ殻の自燃でもみ殻中の易燃性有機質分を燃焼除去してもみ殻の無機質分の含有量を高めると共に、もみ殻の発熱反応を継続させてもみ殻の表面上に残存した難燃性有機質分を燃焼除去し、非結晶性シリカ（SiO2）の含有率を高めて溶解性を向上させたことを特徴とする。
ここで、発熱反応の継続とは、燃焼炉内で燃焼後、燃焼灰が含蓄している余熱によってもみ殻が自燃（発熱反応）を続けている状態をいい、これにより、もみ殻燃焼灰の非結晶性シリカ（SiO2）の含有率が高まることで、物性の向上を図ることができる。
本発明の第２の観点の発明は、炉内雰囲気温度を高めてもみ殻を燃焼炉内で自燃（発熱反応）に導く工程（第一の工程）と、自燃の燃焼によりもみ殻中の易燃性有機質分の燃焼除去（第二の工程）と、焼却灰中に蓄積された余熱によってもみ殻表面に残存した難燃性有機質分を燃焼除去する工程（第三の工程）と、を経て溶解性の高い非結晶性シリカ（SiO2）を含む燃焼灰を得ることを特徴とする。
本発明の第１および第２の観点の発明によれば、もみ殻を燃焼炉内で直接的に燃焼する工程に加え、もみ殻の発熱反応を起こす温度に燃焼温度を制御し、さらに、もみ殻の発熱反応を継続させる。これにより、もみ殻の易燃性有機質分が燃焼除去され、さらに、もみ殻の発熱反応が継続されることにより、もみ殻表面に残存した難燃性有機質分が燃焼除去されるので、無機質分の含有率が高まることから、もみ殻燃焼灰中の非結晶性シリカ（SiO2）の含有率が高まる。したがって、溶解性の高いもみ殻燃焼灰が生成され、これを利用すれば、生育効果が極めて高く、しかも、成分のすべてが天然物であることから、有機自然農法を効率的に展開できる肥料を提供できる。また従来、コメの収穫後に廃棄されていた大量のもみ殻を再利用するものであるから、資源の有効活用に寄与できる。
本実施による非結晶性シリカ（SiO2）を含有する高品位珪酸資材原料から転用する肥料について、以下に説明する。
本実施による高品位珪酸資材原料から変換した資材は、そのまま肥料として利用することができる。特殊肥料として利用する場合は、樹皮などの木質系、草本系の有機資材や、茶カス剪定枝葉、鶏糞、尿素と混合させて利用する（図１参照）。
本実施による高品位珪酸資材原料から変換した資材は、そのまま肥料として利用することができる。特殊肥料として利用する場合は、樹皮などの木質系、草本系の有機資材や、茶カス剪定枝葉、鶏糞、尿素と混合させて利用する（図１参照）。
本実施による高品位珪酸資材原料を得るための燃焼灰は、米の脱穀、精米時に大量に排出されるもみ殻を有姿で燃焼炉にて自燃燃焼させ（燃焼工程または第一の工程及び第二の工程）、さらに、自燃燃焼を継続させること（物性向上工程または第三の工程）により生成されるものである。ここで使用されるもみ殻は、有機質を７０〜９０％、無機質を１０％〜３０％から構成されている。このようなもみ殻を燃焼することにより、有機質は消滅するとともに、無機質中に含まれる非結晶性シリカ（SiO2）を多量に含む燃焼灰が形成される。
次に、本実施による高品位珪酸資材原料について、図２に基づいて以下に生成の手順を説明する。
本実施形態では、燃焼炉１内でもみ殻を燃焼して燃焼灰７を生成するものである。燃焼炉１は、図２のように、もみ殻投入口２と、一次燃焼領域３と、二次燃焼領域（燃焼ガス発生・燃焼領域）４と、燃焼ガス冷却領域５と、燃焼ガス排出路６と、燃焼灰取り出し口とから構成している。さらに、上記の燃焼炉１から送られた燃焼灰７を燃焼する三次燃焼領域１０を有する燃焼装置９を有している。
燃焼炉１について、燃焼炉１内には、一次燃焼領域３から二次燃焼領域４まで続く可動ロストルを有しており、もみ殻投入口２から投入されたもみ殻は、可動ロストル８上に載置されて一次燃焼領域３、二次燃焼領域４を経て燃焼灰取り出し口まで送られる。さらに、もみ殻投入口２の下部には、立ち上げ型の燃焼バーナー（図示省略）が設けてあり、さらに、燃焼炉１内に空気を取り込む送風機１１を有している。また、一次燃焼領域３と二次燃焼領域４の間には隔壁が設けてあり、その隔壁が隔てることにより一次燃焼領域３と二次燃焼領域４の燃焼状態をそれぞれ管理している。
一次燃焼領域３では、もみ殻中の水分等を蒸発させ、乾燥させるための、いわば燃焼の前工程を担い、もみ殻の易燃焼性の有機質分を燃焼させる工程も担うものである（燃焼工程、第一の工程及び第二の工程に該当）。また、二次燃焼領域４では、一次燃焼領域３にて燃焼で発生した可燃ガスが燃焼する領域である。
一次燃焼領域３にてもみ殻燃焼時に発生した燃焼ガスは、隔壁を潜り抜けて燃焼ガス発生・燃焼領域に送り込まれて再燃焼される。そして、再燃焼によって有害な成分が焼失した燃焼ガスは、燃焼ガス冷却領域５に送り込まれて常温近くまで冷却される。最後に、燃焼ガス排出路６を通過して燃焼炉１外に排出される。
尚、上記の可動ロストル８については、もみ殻または燃焼灰７を第一燃焼領域３から第二燃焼領域４に搬送するものであればよく、もみ殻投入口２から燃焼灰取り出し口まで下方に向かうに従って傾斜するスロープを設け、そのスロープに沿ってもみ殻または燃焼灰７が徐々に移動するようなものであってもよい。また、燃焼炉１や燃焼装置９の大きさや形状についても、もみ殻の燃焼工程（第一の工程、第二の工程）と物性向上工程（第三の工程）をそれぞれ行える構成をなすものであれば、本発明の高品位珪酸資材原料の生産規模や周囲の設備に対応して変更できる。さらに、燃焼装置９は、燃焼炉１と一体に形成してもよい。
一次燃焼領域３では、もみ殻中の水分等を蒸発させ、乾燥させるための、いわば燃焼の前工程を担い、もみ殻の易燃焼性の有機質分を燃焼させる工程も担うものである（燃焼工程、第一の工程及び第二の工程に該当）。また、二次燃焼領域４では、一次燃焼領域３にて燃焼で発生した可燃ガスが燃焼する領域である。
一次燃焼領域３にてもみ殻燃焼時に発生した燃焼ガスは、隔壁を潜り抜けて燃焼ガス発生・燃焼領域に送り込まれて再燃焼される。そして、再燃焼によって有害な成分が焼失した燃焼ガスは、燃焼ガス冷却領域５に送り込まれて常温近くまで冷却される。最後に、燃焼ガス排出路６を通過して燃焼炉１外に排出される。
尚、上記の可動ロストル８については、もみ殻または燃焼灰７を第一燃焼領域３から第二燃焼領域４に搬送するものであればよく、もみ殻投入口２から燃焼灰取り出し口まで下方に向かうに従って傾斜するスロープを設け、そのスロープに沿ってもみ殻または燃焼灰７が徐々に移動するようなものであってもよい。また、燃焼炉１や燃焼装置９の大きさや形状についても、もみ殻の燃焼工程（第一の工程、第二の工程）と物性向上工程（第三の工程）をそれぞれ行える構成をなすものであれば、本発明の高品位珪酸資材原料の生産規模や周囲の設備に対応して変更できる。さらに、燃焼装置９は、燃焼炉１と一体に形成してもよい。
上記の燃焼炉１で燃焼された燃焼灰７は、燃焼炉から三次燃焼領域１０を有する燃焼装置９に搬送され、その三次燃焼領域１０でさらに燃焼されることにより、燃焼灰７中の難燃焼性の有機質分が燃焼されてほぼ除去される。
これにより、もみ殻燃焼灰の無機質分が残留した燃焼灰が生成させる。
これにより、もみ殻燃焼灰の無機質分が残留した燃焼灰が生成させる。
燃焼灰は、本実施形態では燃焼炉内で約８００℃前後の炉内雰囲気温度に設定して燃焼されたものである。この温度域で炉内温度を調整することにより、非結晶性シリカ（SiO2）によるクリンカ粒の生成を抑え、非結晶・多孔質性で有用な非結晶性シリカ（SiO2）を多量に含んだ燃焼灰が得られる。
上記の工程を経て燃焼炉から取り出された燃焼灰は、表１と図３のように、クリンカ粒の含有が少なく非結晶性シリカ（SiO2）を多量に含むものとなる。これにより燃焼灰は、含有する非結晶性シリカ（SiO2）の溶解性が高くなることにより、肥料原料に対して高い混合割合で非結晶性シリカ（SiO2）が含まれることになる。したがって、生育作用の非常に高い肥料への転用が可能となる。
また、高品位珪酸資材原料は、上述したような燃焼工程と物性向上工程を経ることにより、肥料化等原料全体に占める非結晶性シリカ（SiO2）の含有率が飛躍的に高まり、その溶解性が向上する。さらに、高品位珪酸資材原料として不要な重金属類はほとんど含有せず、付加価値の高い肥料原料が提供できる。
ここでは、本発明によるもみ殻燃焼灰を直接圃場に使用することで、一般肥料としての利用可能性を検証した。具体的には、水稲への影響とシリカゲルとの効能の比較・検討を行うために観察したものである。
「圃場試験」
水稲生育圃場試験を行った。供試品種としてコシヒカリ、試験場所は、富山県射水市広上（沖積・SL、18平米/区）、富山県射水市三ケ南部（沖積・CL、120平米/区）の２か所を選定し、一区２反復とした。また、肥培管理は地域の慣行に準じた。試験の調査項目として、精玄米重、穂数、１穂籾数、登熟歩合、割れ籾率、珪酸吸収量（穂揃期、成熟期）を選定した。図４は、穂揃期における珪酸吸収量を示しており、また、図５は、成熟期における珪酸吸収量を示すものである。
そして、圃場試験の結果を表２〜５に示した。これらの結果は全て、無施用区を100として指数化したもので表した。表中のサンプル名の灰はもみ殻燃焼灰を、ゲルはシリカゲルを示す。また、サンプル名中の数字は、施用量kg/aを示す。サンプルの数字は、シリカの含有量を統一したものである。
「圃場試験」
水稲生育圃場試験を行った。供試品種としてコシヒカリ、試験場所は、富山県射水市広上（沖積・SL、18平米/区）、富山県射水市三ケ南部（沖積・CL、120平米/区）の２か所を選定し、一区２反復とした。また、肥培管理は地域の慣行に準じた。試験の調査項目として、精玄米重、穂数、１穂籾数、登熟歩合、割れ籾率、珪酸吸収量（穂揃期、成熟期）を選定した。図４は、穂揃期における珪酸吸収量を示しており、また、図５は、成熟期における珪酸吸収量を示すものである。
そして、圃場試験の結果を表２〜５に示した。これらの結果は全て、無施用区を100として指数化したもので表した。表中のサンプル名の灰はもみ殻燃焼灰を、ゲルはシリカゲルを示す。また、サンプル名中の数字は、施用量kg/aを示す。サンプルの数字は、シリカの含有量を統一したものである。
広上（地名）圃場試験結果（珪酸吸収量以外）を示す表
広上（地名）圃場試験結果（珪酸吸収量（成熟期））を示す表
三ケ南部（地名）圃場試験結果（珪酸吸収量以外）を示す表
三ケ南部（地名）圃場試験結果（珪酸吸収量（成熟期））を示す表
これらの結果から、もみ殻燃焼灰は水稲の成長には悪影響を及ぼすことなく水稲の成長に有利的な環境を作り上げることが分かった。また、もみ殻燃焼灰の施用量も大きく影響し、今回の場合は、10ｋｇ/aよりも、30ｋｇ/aの方が、効果があることが分かった。
本発明による高品位珪酸資材原料は、上記の各試験結果から、直接使用することでも、稲に対しての有効性が確認された。これにより、本高品位珪酸資材原料をそのまま一般肥料として適用できる。さらに、本発明による高品位珪酸資材原料は、林地残材や間伐材などの木質バイオマスそのものを混合して使用することにより土壌改良材として適用することも可能である。
ここでは、本発明による高品位珪酸資材原料の特殊肥料としての可能性の検証のため、本実施によるもみ殻燃焼灰の含有量を段階的に変更し、それぞれについて肥料重量比、気温等の同条件下でポット試験を行い、育苗効果の違いを観察した。
「ポット試験」
幼植物試験：ノイバウエルポット試験を実施した。
表２のように、肥料のベースとなり且つ成分の異なるＡ、Ｂの２種類の肥料原料（Ａは、木皮、茶カス剪定枝葉、鶏糞、尿素を主成分とするものであり、Ｂは、茶カス、剪定枝葉を主成分とするものである。）を用意する。
そして、各々Ａ、Ｂの肥料原料に対し、表６のように、燃焼灰を１０％、３０％、５０％、３０％＋添加物１０％と変えてポットの中に入れ、小松菜を育成した。そして、２０１２年３月７日〜３月２８日までの２１日間で、その生育状況を比較した。
また、ブランクとして肥料原料も燃焼灰も含有しない土壌のものを用意した。
そして、上記期間内において、上記各ポットを室温２５℃に保った壁面を透明なガラスで構成したガラスハウスに収容し、１日１〜２回の灌水を行って試験を行った。
尚、試験開始時の各ポットの水分量、ＰＨ値、ＥＣ（Electric Conductivity：電気伝導度）値は、表６のとおりである。
「ポット試験」
幼植物試験：ノイバウエルポット試験を実施した。
表２のように、肥料のベースとなり且つ成分の異なるＡ、Ｂの２種類の肥料原料（Ａは、木皮、茶カス剪定枝葉、鶏糞、尿素を主成分とするものであり、Ｂは、茶カス、剪定枝葉を主成分とするものである。）を用意する。
そして、各々Ａ、Ｂの肥料原料に対し、表６のように、燃焼灰を１０％、３０％、５０％、３０％＋添加物１０％と変えてポットの中に入れ、小松菜を育成した。そして、２０１２年３月７日〜３月２８日までの２１日間で、その生育状況を比較した。
また、ブランクとして肥料原料も燃焼灰も含有しない土壌のものを用意した。
そして、上記期間内において、上記各ポットを室温２５℃に保った壁面を透明なガラスで構成したガラスハウスに収容し、１日１〜２回の灌水を行って試験を行った。
尚、試験開始時の各ポットの水分量、ＰＨ値、ＥＣ（Electric Conductivity：電気伝導度）値は、表６のとおりである。
試験用の各ポットの成分分析を示す表
肥料原料の成分分析示す表
試験結果を示す表
上記試験の結果から、表８のように、燃焼灰の配合割合を肥料の全重量比１０〜３０％で配合することにより、植物の生育に最も好適なものであると推測される。また、肥料原料においても木皮を含むもののほうが剪定枝葉を含むものよりも好適な結果が得られた。
本発明の高品位珪酸資材原料は、上記のように特殊肥料としても適用できる。さらに、高品位珪酸資材原料そのものを使用して土壌改良材とすることもできる。
Claims (2)
- 炉内雰囲気温度を高めてもみ殻の自燃でもみ殻中の易燃性有機質分を燃焼除去してもみ殻の無機質分の含有量を高めると共に、もみ殻の発熱反応を継続させてもみ殻の表面上に残存した難燃性有機質分を燃焼除去し、非結晶性シリカ（SiO2）の含有率を高めて溶解性を向上させたことを特徴とする高品位珪酸資材原料。
- 燃焼炉内において、もみ殻が発熱反応を起こすまで炉内雰囲気温度を高める第一の工程、もみ殻中の易燃性有機質分を燃焼させて、もみ殻の無機質分の含有量を高める第二の工程、もみ殻の発熱反応を維持しながら、もみ殻表面上に残存した難燃性有機質分を燃焼させ、非結晶性シリカ（SiO2）の含有率を高める第三の工程を経て、溶解性の高い燃焼灰を得ることを特徴とする高品位珪酸資材原料の製造方法。
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