JPWO2009104311A1 - 固形燃料の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生木、石油などの代替燃料として使用可能な固形燃料を提供する。【解決手段】ビール粕を攪拌しながら加熱する第１のステップと、前記第１のステップで攪拌されたビール粕を加熱しながら固形燃料の形状に圧縮成形する第２のステップとを含み、前記第２のステップにおいて、前記ビール粕を炭化させないように加熱することを特徴とする固形燃料の製造方法。これにより、環境に優しく、品質が安定し、火力調節が容易な工業規格品としての薪を生産することができる。また、ビール粕を攪拌して加熱圧縮するのみで固形燃料が得られるため、製造工程を簡素化することができる。さらに、火の粉や目にしみるような煙の発生を抑制することができる。さらにまた、麦の持つ香ばしい香りを放つ官能的にも優れた固形燃料を提供することができる。【選択図】なし

Description

本発明は、火力発電設備、ボイラー、石釜、燻製釜、薪ストーブ及び陶芸用登り窯などで使用可能な固形燃料及びその製造方法に関する。

固形燃料として知られている薪は、煮炊きあるいは暖をとるための燃料として利用されており、ピザ・パンを焼成するための石釜、薪ストーブにおいて、重要な燃料源となっている。

また、窯業においては、伝統的な製法で作る陶器・磁器・煉瓦の窯焼き工程で薪が使われるており、不均一な温度で焼くことによる微妙な色合いを出すために薪に拘る陶芸家も多い。

薪の原料となる生木は、光合成の際に二酸化炭素を取り込み、酸素を放出するため、地球環境を保護する上で、極めて重要な天然資源である。したがって、生木を利用した薪の使用は、可能な限り避けるべきである。

また、薪の原料となる生木には、５０％近くの水分を含まれており、薪として燃焼させるためには水分を１５％前後まで乾燥させる必要がある。十分に乾燥していない薪を燃焼させると、タールあるいはススが多く発生するなどの問題がある。また、規格管理においては、木を割り長さを揃える程度の管理しかされておらず、品質が不均一で、薪ごとのバラつきが非常に大きいため、火加減等の調整が難しい。

一方、おがくずを原料として薪状の成形体に加工し、燃料等に利用する方法もある。これらは、加工時に水分管理され、また、同じサイズの成形体が工業的に生産できるため、薪として利用する際に、火加減等の調整が行ない易いという特徴がある。おがくずを原料とした薪もリサイクル商品ではあるが、おがくずは元々生木を原料としている。そのため、ＣＯ_２の削減に有用な樹木を伐採した後にしか得ることが出来ない資源である。そのうえ燃焼させると、生木特有の揮発成分が、目に染みる不快な煙を発生させる。また、薪として流通させるだけのおがくずを集めるだけでもコストが掛かる。ビール粕がビール工場で大量にゴミとして発生しているのと比べ、大きな違いである。

なお、特許文献１には、ビール粕炭化用成形装置が開示されているが、この成形装置から得られるビール粕成形物は、炭材であって火付きが悪いため、固形燃料として優れていないことは明らかである。すなわち、この種の炭材は、吸着剤、微生物を付着させてこれを発育する機能において優れているが（非特許文献１）、燃焼性能が低いことは明らかである。
特開２０００−３３４９６号公報 [平成２０年１０月３０日検索]、インターネット[http://www.japan-hp.com/ksd_hako.html]

したがって、生木、石炭、石油などの代替燃料となり得る固形燃料の開発が求められている。

上記課題を解決するために、本願発明の固形燃料は、炭化しないように加熱処理されたビール粕の粒子を含むことを特徴とする。この固形燃料は、ビール粕を攪拌しながら加熱し、この攪拌されたビール粕を加熱しながら固形燃料の形状に圧縮成形することにより製造することができる。

本発明によれば、生木を乾燥させた薪等に代わり得る燃焼特性に優れた固形燃料を提供することができる。

本発明は、固形燃料の材料としてビール粕を用いることを特徴とする。これまで固形燃料（薪）の原料として使用されてきた生木は、ＣＯ_２削減の観点から、利用が大幅に制約されており、また、生木を原料としたおがくずでは、薪として流通させるだけの量を確保することができない。

これに対して、ビール粕はビールの製造後に出る廃棄物である。万国共通の飲み物であるビールは世界中の国々にビール工場が設けられている。したがって、１ヶ所のビール工場からでも日々大量のビール粕を調達することが出来る。このことから輸送コストや輸送に伴うＣＯ_２の排出量を大幅に削減することができる。石油が中東などの一部の地域でのみ生産され、供給に輸送が伴うのと比較して大きな違いである。

さらに、寒冷地などでは、薪を燃焼させるための暖炉を一家に少なくとも一台備えている場合が多い。そのため、ビール粕からなる固形燃料を暖炉に直接装入して燃焼させることで、暖を得ることができる。したがって、燃焼で得たエネルギーを電力等に変換する必要がなくなり、インフラの問題を少なくすることができる。燃料電池が水素スタンドを必要とするのと比較して大きな違いである。

このように、ビール粕からなる固形燃料は、従来のエネルギー源よりも優れた特性を多数有している。そして、下記に説明するように、ビール粕からなる固形燃料は、生木からなる固形燃料よりも燃焼性能に優れており、生木からなる固形燃料の代替物となり得る。

以下、ビール粕からなる固形燃料の製造方法を詳細に説明する。

まず、図１、図２及び図３を参照しながら、本発明の固形燃料の製造方法について説明する。ここで、図１は本製造方法を有効に実施するための固形燃料の製造装置の概略図であり、図２は固形燃料の製造装置の一部を構成する攪拌成形部の断面図であり、図３は攪拌成形部の分解斜視図である。

これらの図において、ホッパー部２０は、下側にいくほど径寸法が漸減する絞り形状に形成されており、攪拌成形部１０のハウジング本体１１に形成された投入口１１ａに接続されている。

図２に図示するように、攪拌成形部１０のハウジング本体１１は筒型に形成されており、このハウジング本体１１の水平方向（Ｘ軸方向）一端部には、半球状の先端ハウジング１２が締結ボルト１３を介して固定されている。

先端ハウジング１２の内面には、複数（本実施例では１０個）の捩れ角を有する内羽根１２ａが形成されており、先端ハウジング１２の先端部には、ビール粕を排出するための排出口１２ｂが形成されている。先端ハウジング１２の基端部は、締結ボルト１９によりハウジング本体１１に固定されている。

先端ハウジング１２の内部には、ロータ１４が回転可能に収容されており、このロータ１４の外面には、捩れ角を有する外羽根１４ａが形成されている。このロータ１４の外羽根１４ａは、先端ハウジング１２の内羽根１２ａに対して、反対方向に捩れている。

ロータ１４の回転軸１４ｂは、Ｘ軸方向に延びており、図１に図示するモータ４０から伝達される駆動力によって回転駆動される。ロータ１４の駆動機構については後述する。

スリーブ１５は筒状に形成され、Ｘ軸方向に延びている。スリーブ１５のＸ軸方向の一端部は、先端ハウジング１２の先端部に取り付けられたフランジ部１８に固定されている。

ロータ１４のＸ軸方向の一端部には、スリーブ部１５の内部に延出する先端スクリュー１６が取り付けられている。

先端スクリュー１６のスクリュー軸１６ａは、ロータ１４の回転軸１４ｂと同軸上に配置されており、モータ４０から伝達された駆動力によりロータ１４及び先端スクリュー１６が一体的に回転する。

スリーブ１５の内径をＲ１、スクリュー軸１６ａの外径をＲ２としたときに、Ｒ１−Ｒ２は好ましくは０．３〜０．５ｍｍであり、より好ましくは０．３ｍｍである。スリーブ１５の外周面には、スリーブ１５と同心円状に発熱筒１７が設けられている。この発熱筒１７は、不図示の熱源から伝熱する熱によって発熱するようになっている。

図１に図示するように、ギアボックス３０には、第１のギア３１及びこの第１のギア３１に係合する第２のギア列３２が収容されている。第２のギア列３２は、ロータ１４の回転軸１４ｂに接続されており、第２のギア列３２の回転動作に応じてロータ１４が回転する構成になっている。

モータ４０の出力軸４１には、出力ギア４２が取り付けられており、この出力ギア４２はギアボックス３０に収容された第１のギア３１に接続されている。したがって、モータ４０が駆動されると、その駆動力が出力ギア４２→第１のギア３１→第２のギア列３２の順に伝達され、ロータ１４を回転させることができる。

次に、上記製造装置を用いた固形燃料の製造方法について説明する。ビール製造の最初の工程では、原料の大麦を発芽させた「麦芽」を粉砕し、この粉砕物を煮込んだもろみから麦汁を抽出する。これを仕込工程と呼んでいる。本工程では、麦汁を抽出することにより残渣が発生し、これを一般的に「ビール粕」と呼んでいる。

このビール粕は、通常水分を６０〜７５％含んでおり、ホッパー２０を介してハウジング１１の内部に装入される前に、水分が１〜１５％になるまで乾燥又は脱水される。上限値を１５％に設定した理由は、１５％を超えると、加熱時にビール粕から多量の水蒸気が発生して、ハウジング１１の内圧が過剰に上昇するからである。また、下限値を１％に設定した理由は、１％に満たないと、ビール粕を圧縮成形した際に固まりにくくなり、固形燃料として使用できなくなるからである。

乾燥処理されたビール粕は、ホッパー２０を介してハウジング本体１１の内部に装入される。ここで、ハウジング本体１１へのビール粕の供給速度は、好ましくは１００ｋｇ／ｈ以上であり、より好ましくは１３０ｋｇ／ｈ以上である。供給速度が１００ｋｇ／ｈ以下の場合には、スリーブ１５の内部に位置する固形燃料の加熱時間が長くなり、固形燃料の表面が炭化するからである。なお、ビール粕の供給速度は、固形燃料の表面を炭化させないという観点から、製造装置の装置構成に応じて適宜変更することができる。

ハウジング本体１１に供給されたビール粕は、ロータ１４の回転作用により、ロータ１４と先端ハウジング１２との間に形成された隙間を通って、先端ハウジング１２の排出口１２ｂに移送される。この際、ビール粕の粒子が互いに接触して、摩擦熱が生じるため、ビール粕の温度は上昇する。

ここで、ロータ１４の外面には複数の外羽根１４ａが設けられているため、ロータ１４の一回転数あたりの移送量を大きくすることができる。他方、スリーブ１５の内径：Ｒ１、スクリュー軸１６ａの外径：Ｒ２を上記のように設定することにより、先端ハウジング１２からスリーブ１５へのビール粕の供給量を制限することができる。

これにより、先端ハウジング１２内で移送されるビール粕に対して十分な摩擦熱を付与することができる。その結果、ビール粕を、先端ハウジング１２の排出口１２ａにおいて、成形に適した材料温度に昇温させることができる。ビール粕の成形に適した材料温度とは、概ね90℃以上である。

先端ハウジング１２の排出口１２ａから排出されたビール粕は、スクリュー１６の回転作用により、スリーブ１５内に押し出される。ここで、発熱筒１７によるスリーブ１５の加熱温度は、好ましくは、２５０〜３３０℃（予熱時３９０℃）である。２５０℃よりも加熱温度が低いと固形燃料の表面のひび割れが多くなり、固形燃料が折れやすくなる。３３０℃よりも加熱温度が高いと固形燃料の表面に薄皮状の焦げ（炭化物）が発生する。

スリーブ１５の加熱温度は、固形燃料の製造装置の装置構成に応じて、適宜変更することができる。この場合、固形燃料にひび割れが発生したこと、表面に薄皮状の焦げが発生したことについては、目視による識別が可能である。したがって、スリーブ１５から排出された固形燃料の表面を目視により観察しながら、スリーブ１５の加熱温度を調節することにより、最適な加熱温度を実験的に導くことができる。

また、スクリュー１６によるスリーブ１５への押し込み作用により、スリーブ１５内のビール粕は、スリーブ１５の内面及びスクリュー１６のスクリュー軸１６ａの外面に当接した状態で圧縮されながらスリーブ１５の内部を移送され、固形燃料として排出される。

このように、ビール製造時の副産物であるビール粕の粒子を原料として、環境に優しく、品質が安定し、火力調節が容易な工業規格品としての固形燃料を生産することができる。また、ビール粕を攪拌して加熱圧縮するのみで固形燃料が得られるため、製造工程を簡素化することができる。さらに、火の粉や目にしみるような煙の発生を抑制することができる。さらにまた、麦の持つ香ばしい香りを放つ官能的にも優れた固形燃料を提供することができる。
（変形例）
上述のビール粕とともに、コーヒー豆の焙煎粕、役目の終えた酒造用樽(酒樽、ワイン樽、ウィスキー樽、等)を粉砕した粒子、果汁の絞り粕(りんご、みかん等)、ビール醸造後のホップ粕を攪拌成形部１０に装入して、固形燃料に香り付けを行ってもよい。
（実施例）
実施例を示して本発明を具体的に説明する。

表面が炭化処理されていないビール粕からなる固形燃料Ａ（以下、実施例という）、樽材からなる固形燃料（以下、比較例という）Bについてそれぞれ、燃料実験を行い、比較検討した。具体的には、引火点、発熱量、ＩＭＯ燃焼速度実験及び揮発成分を測定して、燃料性能を評価した。比較例として楢材を使用したのは、楢材からなる薪は、市場に多く出回っており、購入も容易であるため、ビール粕からなる固形燃料の燃焼特性を評価するための比較対象物として最適だからである。

（引火点について）
引火点については、消防法危険物確認試験実施マニュアルに準じて行った。具体的には、引火点測定器具としてセタ密閉式の測定器具を使用した。試験は、（株）住化分析センター 愛媛事業所 安全工学研究室で行った。実施例の試験条件は、その温度が２６℃、その湿度が５８％、その気圧が１００８ｈPa、その試験実施日が２００８年８月２７日であった。比較例の試験条件は、その温度が２４℃、その湿度が５１％、その気圧が１０１０ｈPa、その試験実施日が２００８年８月２５日であった。実施例の試験結果を表１に示し、比較例の試験結果を表２に示した。

実施例及び比較例の引火点はそれぞれ、２１７℃及び２４６℃であり、実施例は比較例よりも引火点が低く、着火しやすいことがわかった。

（発熱量について）
発熱量については、ＪＩＳ Ｍ ８８１４マニュアルに準じて行った。試験は、（株）住化分析センター 愛媛事業所 安全工学研究室で行った。試験条件は、温度が２２℃、湿度が７８％、気圧が１００７ｈＰａであった。実施例の試験結果を表３に示し、比較例の試験結果を表４に示した。

実施例及び比較例の発熱量はそれぞれ、１９９４０（Ｊ／ｇ）及び１８５４０（Ｊ／ｇ）であり、実施例は、比較例よりも発熱量が優れているということがわかった。

（ＩＭＯ燃焼速度実験）
ＩＭＯ燃焼速度は、（株）住化分析センター 愛媛事業所 安全工学研究室で行った。試験条件は、温度が２７℃、湿度が８４％であった。判定方法については、下記の基準を採用した。すなわち、燃焼速度が２．０ｍｍ／ｓｅｃ以上である場合には、燃焼危険性を大と評価し、燃焼速度が０ｍｍ／ｓｅｃよりも大きく２．０ｍｍ／ｓｅｃよりも小さい場合には、燃焼危険性を中と評価し、燃焼速度が０ｍｍ／ｓｅｃである場合には、燃焼危険性を小と評価した。また、断熱板（厚さ１０ｍｍ、０℃における熱伝導率０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下）上に、試験片を全長２５０ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ１０ｍｍのプリズム型に堆積させ、その一端を液化石油ガスの着火器具を用いて着火した。そして、反応域が１２０ｍｍ進んだ後、そこからさらに１００ｍｍ燃焼が進行する時間を測定した。試験は、実施例及び比較例ともに、６回繰り返した。実施例の試験結果を表５に示し、比較例の試験結果を表６に示す。

実施例は、比較例よりも燃焼速度が遅く、燃焼危険性が低いということがわかった。すなわち、実施例は、比較例よりも火持ちがよくて安全性が高く、取扱いに優れているということがわかった。
(揮発成分について)
実施例及び比較例の固形燃料をＪＩＳ Ｋ ７２１７の燃焼装置で燃焼させ、燃焼時に発生したガスをテドラーバックに捕集し、この捕集したガスをガスクロマトグラフ法（ＧＣ／ＴＣＤ）で測定した。燃焼ガス発生装置として杉山元医理器製のＰＣＴ-１を使用した。温度は７５０℃に設定した。支燃ガスとして空気を使用した。支燃ガス供給量は０．５（Ｌ/ｍｉｎ）に設定した。ガスクロマトグラフとして島津製作所のＧＣ−１４Ｂを使用した。その分析結果を表７及び表８に示す。表７は実施例のデータであり、縦軸は成分量、横軸は時間を示している。表８は比較例のデータであり、縦軸は成分量、横軸は時間を示している。

実施例では成分のピークが見られなかったアルデヒト、フェノール誘導体が、比較例では著しく検出された。アルデヒト、フェノール誘導体は目に入るとしみるとされる成分である。これらの結果から、固形燃料Ａは、固形燃料Ｂよりも燃焼性能が優れていることがわかった。

本製造方法を有効に実施するための固形燃料の製造装置の概略図である。 固形燃料の製造装置の一部を構成する攪拌成形部の断面図である。 攪拌成形部の分解斜視図である。

符号の説明

１０ 攪拌成形部
１１ ハウジング本体
１２ 先端ハウジング
１３ 締結ボルト
１４ ロータ
１５ スリーブ
１６ 先端スクリュー

本願第１の発明は、ビール粕を用いた固形燃料の製造装置であって、回転可能であり、回転軸周りで捻れた状態で先端部に向かって互いに近づく凸形状の複数の外羽根を有するロータと、前記ロータを収容し、前記回転軸周りで前記外羽根の捻れ方向とは反対方向に捻れた状態で先端部に向かって互いに近づく凸形状の複数の内羽根を、前記外羽根と対向する位置に有しており、前記ロータとの間に形成された隙間に乾燥処理されたビール粕が装入されるハウジングと、前記ロータの回転作用によって前記ハウジングの先端部から排出されたビール粕が移送されるスリーブと、前記ロータの先端部に取り付けられた状態で前記スリーブ内に配置されており、前記ロータと一体的に回転して前記スリーブ内のビール粕を押し出すためのスクリューと、前記スリーブの外周面に設けられ、前記スリーブ内のビール粕を加熱するための発熱体と、を有する。
本願第２の発明は、ビール粕を用いた固形燃料の製造方法であって、ハウジング内に収容されたロータと前記ハウジングとの間に形成された隙間に、乾燥処理されたビール粕を装入する工程と、前記ロータの回転作用によって、前記ハウジング内のビール粕を、前記ハウジングの先端部に設けられた排出口から排出する工程と、前記排出口から排出されたビール粕をスリーブに移送して、前記スリーブの外周面に設けられた発熱体からの熱によってビール粕を加熱する工程と、前記スリーブ内に配置されたスクリューを前記ロータと一体的に回転させて、前記スリーブ内のビール粕を押し出すことにより、固形燃料の成型物を生成する工程と、を有する。そして、前記ロータは、回転軸周りで捻れた状態で先端部に向かって互いに近づく凸形状の複数の外羽根を有し、前記ハウジングは、前記回転軸周りで前記外羽根の捻れ方向とは反対方向に捻れた状態で先端部に向かって互いに近づく凸形状の複数の内羽根を、前記外羽根と対向する位置に有する。

これにより、先端ハウジング１２内で移送されるビール粕に対して十分な摩擦熱を付与することができる。その結果、ビール粕を、先端ハウジング１２の排出口１２ｂにおいて、成形に適した材料温度に昇温させることができる。ビール粕の成形に適した材料温度とは、概ね90℃以上である。

先端ハウジング１２の排出口１２ｂから排出されたビール粕は、スクリュー１６の回転作用により、スリーブ１５内に押し出される。ここで、発熱筒１７によるスリーブ１５の加熱温度は、好ましくは、２５０〜３３０℃（予熱時３９０℃）である。２５０℃よりも加熱温度が低いと固形燃料の表面のひび割れが多くなり、固形燃料が折れやすくなる。３３０℃よりも加熱温度が高いと固形燃料の表面に薄皮状の焦げ（炭化物）が発生する。

Claims (2)

1. 炭化しないように加熱処理されたビール粕の粒子を含む固形燃料。
2. ビール粕を攪拌しながら加熱する第１のステップと、
   前記第１のステップで攪拌されたビール粕を加熱しながら固形燃料の形状に圧縮成形する第２のステップとを含み、
   前記第２のステップにおいて、前記ビール粕を炭化させないように加熱することを特徴とする固形燃料の製造方法。