JP5898130B2 - 炭窯及びそれを用いた炭の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、木材などの有機物の炭化に関するもので、特に炭化工程前段での前焚き作業と呼ばれる被炭化物の内部水分の蒸発工程（以下、前焚き作業と称する）を省略することなどにより炭化時間を短縮したり、炭化過程で発生する被炭化物に由来するガスを利用することにより炭化のための燃料を極めて少なくしたりすることが可能で、かつ炭として利用時には、より水分の含有などが少ない、燃料として良質な炭製造を可能としながら、収率が向上する炭の製造方法に関するものである。

従来の炭焼きにおいては、前焚き作業工程が不可欠であった。この工程は、被炭化物外部からの加熱により、その内部水分を蒸発させて、炭化が自発的に推進する温度まで到達するまでの間は、被炭化物以外の有機物の外部燃料を一般的に使用していた。この外部燃料の使用量は、被炭化物の炭窯内装填量である容積とその温度・湿度や設置された環境に左右されていた。

このため炭焼き作業は、この前焚き作業により長時間の燃料追加作業を余儀なくされ、火災発生の予防措置のための昼夜の監視が不可欠であり、多くの深夜を含む重労働を必要としていた。燃料が不足する現代においては、森林資源を含む木質バイオマスの炭化は、炭酸ガスの固定化なども可能でもあり、国内腑存量からも燃料調達面でその有効利用が最も有効で現実的な手段であり、安全性の高い労力を不要とした安価な炭焼き手法が求められている。

従来の手法は、炭窯容積全体を加熱することが行われ水分の蒸発を経て木材の自己発熱に導くことで炭化していた。そのため前焚き作業に大量の燃料を消費させていた。時間短縮、大量生産には高度な熟練が必要であり、多くの労力を必要とした。これは焚口の操作でも、窯内を高温にすることだけにとらわれると収率の大幅な減少となり、収率にこだわると長時間にわたる作業監視が必要となるなど、結果として熟練した労力を長時間拘束していた。このことが、炭燃料需要の低迷・低価格現象と相まって労働力が離れた原因ともなっている。

近年に発表された文献では、断熱構造を強化することで窯内の高温化をはかることとして炭化時間を短縮した例もあるが、燃焼室を大きくとり燃焼面積を増大しながら窯内部の高温化を図っており、大量に燃料を消費するため、従来技術の延長であり、改善の余地がある。

一方で、特許文献１には、被炭化物を充填した容器を燃焼室の内部に配置して、被炭化物を加熱するともに、容器から排出される可燃性ガスを燃料として用いる技術が開示されている。しかし、これは、装置が複雑になり、分離するための熱エネルギーを余分に消費するなど、製造コストや熱効率の面から改善の余地がある。

また、特許文献２にも、炭化過程で発生する乾留ガス、つまり可燃性ガスを炭化の熱源として用いる技術が開示されている。しかしながら、これも装置が複雑となり、それに伴い炭焼き工程における条件操作も複雑となり、改善の余地がある。

特開２００１−１６４２６１号公報 特開２００７−１４６０１６号公報

従って、本発明の課題は、この前焚き時間を省略または短縮するともに、燃料の追加投入が不要で、しかも、良質の炭を高収率で得られる、炭窯とそれを用いた炭の製造方法を提供することにある。

本発明は前記課題に鑑み、炭窯と被炭化物の加熱方法を再検討した結果なされたものである。

即ち、本発明は、被炭化物を充填するための空間を有し、底部から一定の距離を保持してロストルが設けられ、上部に設けられてなる露出部を除いて断熱材で覆われてなる炭窯本体と、前記本体の前記ロストルより下の部分に設けられてなる第一の開口部の外側に、前記本体に接合されて設けられてなる焚口と、前記第一の開口部とほぼ対向する側に設けられてなる第二の開口部の外側に、前記本体に接合されて設けられてなる煙突と、前記露出部を覆う外蓋を有し、前記第一の開口部と前記第二の開口部は、前記底部と前記ロストルとの間に形成される空間によって連通され、前記ロストルの上に前記被炭化物が充填されることを特徴とする炭窯である。

また、本発明は、前記焚口から空気を導入しながら、前記焚口に挿入した点火材を燃焼させて発生する火炎により、前記ロストルを介して被炭化物を加熱し、被炭化物の熱分解に由来する燃焼ガスの燃焼熱により、被炭化物の熱分解を促進し、燃焼ガスの発生終了後、直ちに前記焚口からの空気の導入を停止することを特徴とする、前記の炭窯を用いた炭の製造方法である。

本発明に係る炭窯は前記の構成を具備していることから、本体内に充填した被炭化物がロストルを介して、焚口からの点火材の火炎を直接受けることで、直接的に被炭化物の木質自体の自己発熱を駆動させることが可能となるので、熟練の技を必要としないで、収率を落とすこともなく、高品質の炭が得られる。また、燃料の追加的投入が不要となるので、高速・高品位で安全な炭焼きを実現する手法を提供することができる。そして、一般的な断熱・気密構造を有する炭窯で、形状の相違する場合についても一定範囲で、本発明を適用することが可能である。

本発明は、前焚きを不要としていることや、特別な炭化室を調製して燃焼ガスを分離して利用する方法が不要であり、被炭化物の加熱に伴う内部水分の作用・ガス化過程の分解ガス圧の自然な利用を効果的にしたものであることなどが、従来方法や前記先行技術文献に開示されているものとは、根本的に異なるものである。これは、被炭化物の窯内配置構造を様々なサイズについて種々検討し、炭化室と燃焼室の分離を不要とした結果による。

即ち、本発明は、従来型の炭窯と同程度以上の断熱・気密構造を確保することとして、焚口と煙突口ならびに、被炭化物下部にはロストルを配置することを原型としている、このため窯の形状についての大小を選ぶことなく再現できる手法である。

また、本発明は、前記ロストルの位置の効果により、初期の窯内高温化のための強制送風による過剰空気が、被炭化物の熱分解に由来する燃焼ガスを燃焼させ、被炭化物の過剰な燃焼を防止しながら、直接煙突より排出される。この原理により、被炭化物の周辺部が適度な燃焼温度環境に維持され、被炭化物からは、ガス成分と水分の放出のみが継続することで、煙成分の抜けた燃焼性が高い高品位炭の製造が可能となる特長がある。

本発明に係る炭窯においては、焚口の開口部の面積が、煙突の出口部と同程度以下でよく、被炭化物の燃焼反応に見合う量の空気の通風に足る分でよい。炭化の反応は、点火材に着火された炎が被炭化物を加熱することにより、被炭化物の外部より中心部へ向かい進展している。一定温度に達した被炭化物の未炭化部分は、炭化が終了した部分と境界で熱分解を起こし、外部に放出された熱分解に由来する可燃性ガスが、被炭化物の周辺部で燃焼し炭化のための熱源になる。

この現象が炭化の進展と同時進行し、可燃性ガスの燃焼が優先するため、炭化された被炭化物は、焼失することなく炭化を完結できる。このことから、被炭化物を充填後の炭窯操作は点火と送風と窯密閉の操作で足りることから、従来法と比べ大きな時間短縮と省力化を実現できるのである。また、焚口構造から窯内の炭化中の加熱のための炎が外部に漏れることがないことから、窯内温度をより高温に維持できるので、本発明による炭の製造方法は、その分加熱時間の短縮が可能となり、かつ火災などの発生の可能性が極めて低い安全な手法である。

本発明に係る炭窯装置の一例の外観と断面の一部を示す図。

次に具体的な例を示す図に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る炭窯装置の一例の外観と断面の一部を示す図である。図１において、１は炭窯本体、２はロストル、３は上蓋、４は焚口、５は第一の開口部、６は第二の開口部、７は煙突、８は断熱材、９は外蓋、１０は被炭化物である。

ここに示した例は、本体１として、２００リットルのドラム缶を用い、両底面が閉塞された型のドラム缶であれば、片側の底面を切断して、切断によって形成される開口部に密着可能な上蓋３を製作し、パッキンなどを介して蓋を接合した型のドラム缶であれば、その蓋を上蓋３として使用する。そして、そのドラム缶の一部の２箇所を穿孔し、第一の開口部５と第二の開口部６を設け、第一の開口部５には、焚口４を、第二の開口部６には、煙突７を溶接などの方法で接合する。

また、二つの開口部の図における上側には、ロストル２を設置する。ロストル２には、金属の棒を格子状に接合したもの、パンチングメタルやエキスパンドメタルと称される市販品を本体に適した形状に切断したものなどを用いることができる。また、断熱材８としては、適当な粘りを有し、加熱により乾燥しても保形性を有するものであれば使用可能であり、通常の粘土が用いられる。

炭を製造する際は、上蓋３を外した状態で、窯上部から被炭化物１０をロストル２の上に積載する形に装填して上蓋３を被せ、さらにブリキ板などで作製した外蓋９を被せ、二重蓋とすることで密閉し、断熱を確保する必要がある。

そして、焚口４に載置した点火材を燃焼させることにより、炭の製造が開始されるが、本発明に係る炭窯においては、図１に示したように、焚口４とロストル２の構造的関係から、点火時の火力不足などは、外部からの強制送風によって補うことができ、前記の理由により被炭化物１０を欠損させることなく、その自己発熱に必要充分な火力を与えることを可能としている。これは、早期での窯内への点火作業が完了できることから、容易に窯内の高温化を達成でき、従来法と格段と異なる炭化時間の短縮による高速化に寄与するものである。

また、本発明の炭窯の構造の利点として、単純な構造で操作性が高いことが言える。本発明においては、焚口の開口部が狭く、基本操作はこの流入空気量を調整することのみであり、特に収率維持の前提は、炭化終了時の空気流入によって起こる被炭化物１０の燃焼による欠損の抑制が重大であるが、その空気遮断は、２００リットルのドラム缶を用いた炭窯では、煙突７から排出される煙の色が浅葱色から透明に変わる瞬間に、焚口と煙突の順でその開口部にキャップを被せるのみの作業であり、短時間での完全な閉塞が可能となり、高品位・高収率の炭製造を完結できるのである。

さらに、燃焼状態の制御が主であった従来の前焚きにおいては、作業終了の判断に熟練を要していたが、本発明の炭の製造方法では、前記のように煙の色で判断可能なので、作業終了時機を判断する困難さを解消している。このことは、従来行われていた燃料供給を停止する方法では、既に炭化が終了した被炭化物、つまり、製品となる炭が燃焼することによる収率の低下が、程度の差こそあれ避けられなかったが、本発明においては、この工程による影響が生じない。

そして、これらの効果により、本発明は、炭製造の時間の大幅短縮を実現できること、加熱に必要な燃料が不要になることに加え、炭焼き時の窯内からの火炎が窯外に影響する可能性が極めて低く安全性が高い手法であり、しかも労力の大幅な削減が実現可能となるという効果を奏するものである。

以上に説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構造と操作で、良質な木炭の製造が可能であり、国内の森林資源の備蓄量を３５億立法メートルとも言われ、増え続けている木材備蓄量に加え、建築廃材や瓦礫などで、木材資源により代替えとなる一次エネルギー確保に資するところは、カーボンニュートラルであって、二酸化炭素の固定効果も併せて極めて大きいと言える。なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る、各種変形、修正を含む、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは論を俟たない。

１ 炭窯本体
２ ロストル
３ 上蓋
４ 焚口
５ 第一の開口部
６ 第二の開口部
７ 煙突
８ 断熱材
９ 外蓋
１０ 被炭化物

Claims (2)

1. 被炭化物を充填するための空間を有し、底部から一定の距離を保持してロストルが設けられ、上部に設けられてなる露出部を除いて断熱材で覆われてなる炭窯本体と、前記本体の前記ロストルより下の部分に設けられてなる第一の開口部の外側に、前記本体に接合されて設けられてなる焚口と、前記第一の開口部とほぼ対向する側に設けられてなる第二の開口部の外側に、前記本体に接合されて設けられてなる煙突と、前記露出部を覆う外蓋を有し、前記第一の開口部と前記第二の開口部は、前記底部と前記ロストルとの間に形成される空間によって連通され、前記ロストルの上に前記被炭化物が充填されることを特徴とする炭窯。
2. 前記焚口から空気を導入しながら、前記焚口に挿入した点火材を燃焼させて発生する火炎により、前記ロストルを介して被炭化物を加熱し、被炭化物に由来する燃焼ガスの燃焼熱により、被炭化物の熱分解を促進し、前記燃焼ガスの発生終了後、直ちに前記炭窯本体への空気導入を遮断することを特徴とする、請求項１に記載の炭窯を用いた炭の製造方法。

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