JP7203890B2 - 被処理木材の乾燥脱水方法及び木質ペレットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被処理木材の乾燥方法及び木質ペレットの製造方法に関する。特に、被処理木材を２段階で乾燥脱水させることにより、その含水率を効率的に低下させることができる被処理木材の乾燥脱水方法及び木質ペレットの製造方法に関する。

木質ペレットは、林地残材や製材時に発生する端材、間伐材等の未利用木質資源を顆粒状に破砕し、それを直径６～８ｍｍ、長さ５～４０ｍｍ程度の円筒形に圧縮成形した固形燃料である。木質ペレットは燃焼によって二酸化炭素を発生するが、化石燃料の燃焼とは異なり炭素循環の枠内でその総量を増加させるものではないため、統計上は排出しないものとして取り扱うことができる。そのため、例えば火力発電所から排出される化石燃料由来の二酸化炭素排出量の低減を図るために、木質ペレット等のバイオマス燃料を混焼するニーズが高まっている。

石炭ボイラを用いて木質ペレットを混焼する場合、着火性・燃焼性を高め、未燃残分を抑制するためには、ペレットを構成する木粉の粒度を小さくすることが有効である。具体的には、ＩＳＯ １７２２５－２に定義されるＩ２クラスの粒度とすることが有効である。石炭ボイラには、石炭を粉砕するための石炭ミルが設置されるが、この石炭ミルは造粒された木質ペレットを造粒前の状態に戻すことは可能であっても、木質ペレットを構成する木粉の粒度をさらに小さくする効果は期待できない。そのため、木質ペレットの製造時に、ペレットを構成する木粉の粒度を十分に小さくしておくことが求められる。

従来の木質ペレットの製造方法は以下のとおりである。
先ず、生木を切削してチップ化し、生チップを得る。次に、この生チップを粉砕及び乾燥（粉砕と乾燥の順序は任意）して乾燥粉砕物を得、次いで、この乾燥粉砕物を造粒することにより、木質ペレットを製造することができる。
一般的に粉砕時には、粉砕機の粉砕室出口に所定目開きの金属製スクリーンを設けて、所定の粒度になるまで粉砕室内に生チップを滞留させて粉砕されるが、金属製スクリーンに目詰まりが生じ易く、粉砕を継続的に行う事が困難である。特に、木材は含水率が高い場合には粉砕時に綿状となり易く、膨張する傾向にあるため、含水率が高い生木を原料とする場合には、金属製スクリーンに目詰まりが生じ易くなる。
乾燥は、一般的に、生チップに燃料燃焼排ガスを接触させることにより行われる。乾燥粉砕物の造粒に適した含水率は、通常、１０～１５質量％であり、この含水率に到達するまでに長時間を要している。

特許文献１には、粉砕後の木質原料を圧縮しながら脱水させ、所定の温度（８０～１７０℃）で棒状物として押出成形し、所望な長さに切断することを特徴とする木質ペレットの製造方法が開示されている。この製造方法は、間伐材を粉砕した後の乾燥処理されていない含水率３０％超のおが屑等の木質原料を原料としている。即ち、含水率３０％超の状態の木材を予め粉砕しておく必要がある。

特開２０１３－２２６７２０号公報

従来の方法による木質ペレットの製造方法は以下の問題を有している。
先ず、加熱乾燥によって被乾燥木材の含水率を１０～１５質量％に到達させるまでに長時間を要する。
次に、生チップの粉砕工程において、１段階の粉砕処理で所期の粒度に到達させることが困難であり、多段階の粉砕を行う必要がある。
さらには、粉砕機の金属製スクリーンに目詰まりが生じ易く、粉砕を継続的に行う事が困難である。
また、燃料燃焼排ガスを熱源とする乾燥機は、火の粉が燃料燃焼排ガスに同伴して乾燥機内に侵入し、木質原料に着火して火災を引き起こす恐れがある。

本発明の課題は、これらの問題の一部又は全部が解決された、被処理木材の効率的な乾燥方法、及び当該乾燥方法を用いる木質ペレットの製造方法を提供することである。

被処理木材を切削して得られる生チップを加熱乾燥する場合、含水率が２０～２５質量％に到達するまでは、乾燥時間に比例して含水率が低下する（以下、「定率乾燥期間」ともいう）が、含水率が２０～２５質量％に到達した後には乾燥効率が著しく低下し、乾燥時間に比例して含水率が低下しなくなる（以下、「減率乾燥期間」ともいう）。
図１は、生チップの加熱乾燥時における乾燥時間と含水率との関係を示す一般的なグラフである。図１中、乾燥時間０～Ｉの区間は材料予熱期間であり、Ｉ～ＩＩの区間は定率乾燥期間であり、ＩＩ～ＩＩＩの区間は減率乾燥期間である。乾燥時間ＩＩにおける材料の含水率は２０～２５質量％である。
このような定率乾燥期間と減率乾燥期間とが生じる理由は、含水率が２０～２５質量％に到達するまでは、自由水とよばれる被処理木材の細胞内や細胞間の水分が表面に浸み出して順次蒸発していくのに対して、含水率が２０～２５質量％に到達した後には、結合水とよばれる被処理木材の細胞壁や繊維などと化学的に結合し残存している水分が表面に浸み出し難く、蒸発し難いためと推定される。そのため、この減率乾燥期間においては、乾燥効率が低く、加熱乾燥に長時間を要する。そこで、この減率乾燥期間における加熱乾燥を機械的脱水に置き換えて、細孔内の水分を機械的に離脱させるか、細孔内の水分を表面に露出させて離脱し易い状態とすることにより、効率的に水分を除去できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、第１の本発明は、
〔１〕 被処理木材を切削して得られる生チップを加熱乾燥して含水率が湿量基準で２０～２５質量％である乾燥チップを得る加熱乾燥工程と、
前記乾燥チップを粉砕するとともに機械的脱水することにより、含水率が湿量基準で２０質量％未満である乾燥粉砕物を得る機械的脱水工程と、
を含むことを特徴とする被処理木材の乾燥脱水方法である。

第１の本発明においては、
〔２〕 前記粉砕が、スクリーンを有さない衝撃式粉砕機を用いる粉砕であり、前記機械的脱水が、風力分級器を用いる脱水であることが好ましく、
〔３〕 前記加熱乾燥が、１００℃以下の温風で行われる加熱乾燥であることが好ましい。

第２の本発明は、
〔４〕 被処理木材を切削して得られる生チップを加熱乾燥して含水率が２０～２５質量％（湿量基準）である乾燥チップを得る加熱乾燥工程と、
前記乾燥チップを粉砕するとともに機械的脱水することにより、含水率が２０質量％（湿量基準）未満である乾燥粉砕物を得る機械的脱水工程と、
前記乾燥粉砕物を造粒してペレット化する造粒工程と、
を含むことを特徴とする木質ペレットの製造方法である。

本発明によれば、被処理木材を効率的に乾燥できる。

図１は、生チップの加熱乾燥時における乾燥時間と含水率との関係を示す一般的なグラフである。 図２は、本発明の木質ペレットの製造方法を示すフロー図である。 図３は、乾燥チップを粉砕するとともに機械的脱水する装置の構成例を示す説明図である。

以下、本発明について詳細に説明する。本明細書における含水率は、特に示した場合を除き湿量基準の含水率を意味する。

本発明は、被処理木材を切削して得られる生チップを加熱乾燥して含水率が２０～２５質量％である乾燥チップを得る加熱乾燥工程と、
前記乾燥チップを粉砕するとともに機械的脱水することにより、含水率が２０質量％未満である乾燥粉砕物を得る機械的脱水工程と、
を含むことを特徴とする被処理木材の乾燥脱水方法である。

先ず、間伐材等の被処理木材を切削して生チップを得る。この方法は公知の方法で行うことができる。例えば、間伐材を一辺が数ｃｍ～十数ｃｍに切断して生チップを得る。樹種にもよるが、通常、生チップの含水率は４５～５５質量％である。

次に、この生チップを加熱乾燥することにより、含水率が２０～２５質量％である乾燥チップを得る。この加熱乾燥工程は、主として、乾燥時間に比例して含水率が低下する定率乾燥期間の範囲で行われる。即ち、定率乾燥期間の終期における含水率は樹種や生チップの形状によって変動するが、概ね２０～２５質量％である。加熱乾燥の終了は、定率乾燥期間の終期であることが好ましい。定率乾燥期間の終期は、加熱時間に対する含水率の低下割合を計測することにより判断できる。例えば、乾燥効率が１０％以上低下した場合に、定率乾燥期間の終期と判断することができる。

乾燥方法としては、バンド式乾燥機やキルン式乾燥機を用いる連続的な乾燥方法が例示される。
乾燥温度としては、特に限定されないが、木材の自然発火温度未満の温風であることが好ましく、１５０℃以下の温風であることが好ましく、１２０℃以下の温風であることがより好ましく、１００℃以下の温風であることが特に好ましい。熱源に燃料燃焼排ガスを直接用いる場合は、火の粉が同伴して乾燥機内に侵入し、火災等の危険が生じるため好ましくない。例えば、蒸気や温水を熱源とする温風を用いることが好ましい。乾燥温度の下限は特に限定されないが、６０℃以上が好ましく、７０℃以上がより好ましく、８０℃以上が特に好ましい。

次に、この乾燥チップを粉砕して機械的脱水することにより、含水率が２０質量％未満である乾燥粉砕物を得る。

粉砕としては、衝撃式粉砕機を用いて行う粉砕が例示される。これらの粉砕機は、乾燥チップの粒度が所定の範囲となるまで粉砕機の粉砕室内に滞留させるためのスクリーンを有さないことが好ましい。

粉砕時の温度は特に限定されないが、通常は室温であり、粉砕時の摩擦熱等による温度上昇は許容されるが、積極的に加熱することを要さない。この点で、前述の加熱乾燥工程とは明確に異なる。

乾燥粉砕物の粒度は、篩下粒度積算値Ｄ５０が１ｍｍ以下であることが好ましく、篩下粒度積算値Ｄ９０が２ｍｍ以下であることが好ましく、篩下粒度積算値Ｄ９８が３．１５ｍｍ以下であることが好ましい。即ち、ＩＳＯ １７２２５－２に定義されるＩ２クラスの粒度以下となるまで粉砕することが好ましい。

機械的脱水としては、乾燥チップを上記のように粉砕機によって粉砕した後に、風力分級する方法が例示される。粉砕により、乾燥チップは粉砕機のハンマーと機械的に衝突し、所期の粒径を有する粉砕物と、所期の粒径に達しない未達粉砕物と、水分のミストと、が生成される。即ち、粉砕により、乾燥チップの内部に包含されていた水分が露出し、乾燥チップから離脱してミストとなる。この水分（ミスト）は、風力分級によって除去され、乾燥粉砕物が得られる。所期の粒径に達しない未達粉砕物は、粉砕機で再粉砕される。

乾燥粉砕物の含水率は、２０質量％未満であり、１８質量％以下であることが好ましく、１５質量％以下であることがより好ましい。乾燥粉砕物の含水率の下限は特に限定されないが、５質量％以上であることが好ましく、８質量％以上であることがより好ましく、１０質量％以上であることが特に好ましい。水分は木質ペレットとする際の造粒工程で潤滑剤の役割を担うため、含水率が低すぎると目詰まり等の不具合を生じる場合がある。

風力分級器は、サイクロンセパレータのみで構成しても良いし、他の気流分級器や回転式分級器、振動篩等を併用しても良い。サイクロンセパレータや他の気流分級器の旋回流の遠心力を利用して乾燥粉砕物と水分（ミスト）とを分離させることにより、乾燥チップから離脱した水分が除去されるとともに、所定粒度に到達した乾燥粉砕物を回収することができる。また、所定の粒度に達していない未達粉砕物は、分級器で分級されて再度粉砕機内に導入される。風力分級を行うことにより、粉砕機の粉砕室にスクリーンを設ける必要がなくなり、スクリーン目詰まりによる滞留が生じないため、効率的に乾燥できるとともに、粉砕機の粉砕部の摩耗が抑制される。風力分級器は粉砕機と一体となっていても良く、粉砕機外に独立して設けられても良い。

図３は、乾燥チップを粉砕するとともに機械的脱水する装置１００の構成例を示す説明図である。図３中、１１は衝撃式粉砕機であり、輸送機１３を介して風力分級器１５に接続され、輸送機１７を介して衝撃式粉砕機１１に戻る循環流路が形成されている。風力分級器１５には、サイクロンセパレータ１９及びファン２１を介して風力分級器１５に戻る循環流路が形成されている。

図３中、Ａは乾燥チップと空気であり、乾燥チップは空気とともに衝撃式粉砕機１１内に導入され、ここで粉砕される。粉砕によって、所期の粒度に到達した乾燥粉砕物と、水分（ミスト）と、所期の粒度に到達しなかった乾燥チップ（未達粉砕物）とが生じる。このうち、空気の一部と水分（ミスト）は、符号Ｂとして衝撃式粉砕機１１外に排出され、乾燥粉砕物と乾燥チップ（未達粉砕物）は、空気とともに符号Ｃとして風力分級器１５内に導入される。乾燥粉砕物と乾燥チップ（未達粉砕物）とは、ここで分級され、乾燥粉砕物と水分（ミスト）は、空気とともに符号Ｄとしてサイクロンセパレータ１９に導入される。乾燥チップ（未達粉砕物）は、空気及び水分（ミスト）とともに符号Ｇとして衝撃式粉砕機１１に返送され、ここで再粉砕される。乾燥粉砕物と水分（ミスト）は、サイクロンセパレータ１９で分離され、乾燥粉砕物は符号Ｅとしてサイクロンセパレータ１９外に排出され、空気と水分（ミスト）はファン２１を通って風力分級器１５に返送される。このように乾燥チップから水分（ミスト）が除去されて、含水率が２０質量％未満の乾燥粉砕物が得られる。

乾燥粉砕物は、公知の方法でペレット化され、木質ペレットが得られる。具体的には、リングダイ方式やフラットダイ式、スクリュー式、押出式等の造粒機を用いて成形される。造粒の際には、公知のバインダ等を添加してもよい。
ペレットの形状は特に限定されず、ボイラ等混焼設備の仕様に合わせて適宜変更できるが、一般的には、直径６～８ｍｍ、長さ５～４０ｍｍ程度の円筒形である。

１００・・・粉砕及び風力分級の装置構成
１１・・・衝撃式粉砕機
１３・・・粉体輸送機
１５・・・風力分級器
１７・・・粉体輸送機
１９・・・サイクロンセパレータ
２１・・・ファン
Ａ・・・乾燥チップ＋空気
Ｂ・・・空気＋水分（ミスト）
Ｃ・・・乾燥粉砕物＋乾燥チップ（未達粉砕物）＋空気＋水分（ミスト）
Ｄ・・・乾燥粉砕物＋空気＋水分（ミスト）
Ｅ・・・乾燥粉砕物
Ｆ・・・空気＋水分（ミスト）
Ｇ・・・乾燥チップ（未達粉砕物）＋空気＋水分（ミスト）

Claims (1)

1. 被処理木材を切削して得られる含水率が４５～５５質量％の生チップを８０～１５０℃で加熱乾燥して含水率が湿量基準で２０～２５質量％である乾燥チップを得る加熱乾燥工程と、
   前記乾燥チップを粉砕するとともに機械的脱水することにより、含水率が湿量基準で５質量％以上２０質量％未満である乾燥粉砕物を得る機械的脱水工程と、
   前記乾燥粉砕物を造粒してペレット化する造粒工程と、
   を含むことを特徴とする木質ペレットの製造方法。

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