JP4883560B2 - 木質固形燃料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、主にストーブやボイラの燃料として使用され木材の粉粒体を原料にしてこれをペレット状に成形してなる木質固形燃料の製造方法に関する。

近年、環境問題が重要視され、循環型社会の形成に対する認識や、二酸化炭素削減という世界的な課題を抱える中、化石燃料に代わる有望なエネルギー源としてカーボンニュートラルの特性を持つ、木質バイオマスエネルギーが注目を浴びている。その中でも木質ペレットともいわれる木質固形燃料は、形状が一定であること、単位体積あたりの発熱量が高いことなどの特徴から、ストーブやボイラの熱源としての利用が拡大している。

この種の木質固形燃料は、木材部が主原料のホワイトペレット、樹皮部が主原料のバークペレット、木部樹皮部混合の全木ペレットの３種類に大別される。
ところで、本願発明者らは、木質固形燃料の燃焼灰の有効活用の為の安全性調査を目的とし、成分分析を実施した結果、一部の木質固形燃料において、「廃棄物の処理及び清掃に関する法律」に基づく特別管理産業廃棄物の判定基準値（１．５ｍｇ／ｌ）を超える六価クロムが溶出することが分かり、そのため、木質固形燃料の安全を確立することを目的とし、木質固形燃料燃焼灰の六価クロム溶出抑制方法について開発を行った。

木質ペレット燃焼灰中へのクロム付加要因としては、下記の３つの要因が考えられる。
（イ）樹木由来（成長過程での土壌からの吸収）
（ロ）製造工程由来（原料粉砕機やペレタイザの摩耗による金属中のクロム混入）
（ハ）燃焼器由来（燃焼部等に使用される、ステンレス系金属の高温腐食・摩耗による混入）
これらの要因により、灰中に付加されたクロムが無害で安定な金属クロムや三価クロムとして存在していれば問題はないが、燃焼過程において、一部が有害な六価クロムへと変化する。

本願発明者らは、六価クロム溶出要因を調査し、六価クロム溶出量と灰組成について調査を行った結果、木質固形燃料の原料に、カルシウム化合物を添加することで、燃焼灰中の六価クロム溶出を大幅に抑制できることをつきとめた。

従来、木質固形燃料に、カルシウム化合物を添加する技術としては、例えば、特許文献１（特開昭６１−２２８０９６号公報）に記載の技術がある。これは、燃料全体に対して０．２〜３．２重量％の炭酸カルシウムを配合する技術であるが、その目的は、燃焼によって生成する灰の溶融固化を防止し、クリンカーの塊状化を防ぎ、火格子の閉塞を防止して燃焼効率を低下させないようにするためである。

特開昭６１−２２８０９６号公報

ところで、上記カルシウム化合物を添加する技術にあっては、燃焼によって生成する灰の溶融固化を防止してクリンカーの塊状化を防ぐことを目的としているので、六価クロムの溶出抑制を考慮していないし、その添加量も適正な範囲のものとはいえないという問題があった。
即ち、カルシウム化合物の添加量が少ないと効果がなく、多すぎるとカルシウムが灰として残存するので、灰の量が多くなり、灰処理に支障をきたしてしまう。
本発明は上記の点に鑑みて為されたもので、カルシウム化合物の添加量を適正な範囲にして、六価クロムの溶出抑制を確実に行なうことができるようにすることを目的とする。

本願発明者らは、上述もしたように、六価クロム溶出要因調査の為、六価クロム溶出量と灰組成について調査を行った。その結果、後述もするが、下記の傾向を確認した。
（ｉ)灰中のカルシウム含有率と、六価クロム溶出量は指数関数的に減少する傾向がある（図１）。
（ｉｉ）灰中のカリウム含有率と、六価クロム溶出量は指数関数的に増加する傾向がある（図２）。
（ｉｉｉ）灰中のカルシウム／カリウム比が６以上の灰は、六価クロム溶出量が基準値を確実に下回る（図３）。
これらの傾向を基に、木質固形燃料の原料へのカルシウム化合物の添加試験を実施した結果、木質固形燃料の原料に対して、カルシウム化合物を１質量％〜４質量％添加することで、六価クロムの溶出量が基準値以下に減少することを確認した。

そこで、上記課題を解決するため、本発明の木質固形燃料の製造方法は、木材の粉粒体を原料にし、該粉粒体を乾燥し、該乾燥された粉粒体をペレット状に成形して製造する木質固形燃料の製造方法において、
上記粉粒体に、上記乾燥された粉粒体に対して１〜４質量％のカルシウム化合物を添加する構成としている。

カルシウムの添加が、１質量％未満であると、効果が不確実になり、４質量％を超えると、燃焼灰中にカルシウムが残って灰の量が多くなり、灰処理に支障をきたしてしまう。これにより、このカルシウム化合物を添加する技術にあっては、カルシウム化合物の添加量を適正な範囲にして、六価クロムの溶出抑制を確実に行なうことができるようになる。

また、カルシウム化合物の添加量を上記の１〜４質量％の範囲で定めるにあたり、その添加量をできるだけ少なくして、燃焼灰の量を可能な限り少なくすることが望ましいので、本願発明者らは、六価クロム溶出量／カルシウム比によりカルシウム化合物の量を決定することを検討した。
しかしながら、六価クロムの溶出量は、燃焼灰の蛍光Ｘ線分析などの半定量分析などで推定することが難しく、六価クロムの溶出量は化学分析により行なわなければならないので、分析作業が極めて煩雑になっている。
また、全クロム／カルシウムの比で決定する場合には、全クロム量の測定は比較的容易なので、決定し易いが、燃焼により、全てのクロムが六価クロムに変化するものではなくその比も燃焼条件等により異なることから、全クロムの量により、六価のクロムの量を推定することは困難であり、全クロムの量により、カルシウムの添加量を決定する場合、灰の量が実質的に多くなるという問題がある。

ところで、上記の（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）で示したように、本願発明者らは、灰中のカリウム含有率と六価クロム溶出量とが、密接に関係しており、灰中のカルシウム／カリウム比が６以上の灰は、六価クロム溶出量が基準値を確実に下回る事実も確認した。
灰中のカリウム含有率と六価クロム溶出量とが密接に関係するのは、ペレットを焼却した灰には通常、カリウムが炭酸カリウムの形で含まれている。この炭酸カリウムとクロムが高温で接触した場合、アルカリ溶融が起こり、高温酸素の雰囲気においてクロムは容易に酸化され６価クロムとなることが考えられる。

一般に、カリウムの量は、燃焼灰を蛍光Ｘ線分析などの半定量分析などで推定し易いという利点があり、そのため、乾燥された粉粒体を燃焼させて得られた燃焼灰において、カリウムに対するカルシウムの質量比を求め、これから容易にカルシウム化合物の量を決定することができる。即ち、カルシウム／カリウム比により容易にカルシウム化合物の量を決定することができる。

そこで、本発明は、必要に応じ、上記カルシウム化合物を、燃焼灰におけるカリウムに対するカルシウムの質量比Ｒが、所定質量比ＲｓをＲｓ＝６として、Ｒ≧Ｒｓになるように添加する構成としている。
これにより、カルシウム化合物を、その必要量をできるだけ少なくして設定して添加することができ、燃焼灰の量を極力少なくして六価クロムの溶出抑制を確実に行なうことができる。

この場合、上記カルシウム化合物を、燃焼灰におけるカリウムに対するカルシウムの質量比Ｒが、所定質量比ＲｓをＲｓ＝６として、７≧Ｒ≧Ｒｓになるように添加する構成としている。
これにより、カルシウム化合物をその添加量をできるだけ少ない適正な範囲にして添加することができ、燃焼灰の量を極力少なくして六価クロムの溶出抑制を確実に行なうことができる。

そして、必要に応じ、上記カルシウム化合物の添加量を定めるにあたり、先ず、乾燥された粉粒体を燃焼させて得られた燃焼灰において、カリウムに対するカルシウムの質量比Ｒａを求め、当該質量比Ｒａが、所定質量比Ｒｓ未満のとき、差分Ｅ＝Ｒｓ−Ｒａを求め、当該差分Ｅ以上に対応する量のカルシウム化合物を添加する構成としている。
これにより、カルシウム化合物を、その必要量をできるだけ少なくして設定して添加することができ、燃焼灰の量を極力少なくして六価クロムの溶出抑制を確実に行なうことができる。

また、必要に応じ、上記カルシウム化合物として、炭酸カルシウム，水酸化カルシウム，硫酸カルシウムのうち１種若しくは２種以上用いる構成としている。比較的安価に用いることができる。

本発明の木質固形燃料の製造方法によれば、カルシウム化合物の添加量を適正な範囲にして、燃焼灰において六価クロムの溶出抑制を確実に行なうことができる。また、カルシウム化合物を、カリウムに対するカルシウムの質量比Ｒが、所定質量比ＲｓをＲｓ＝６として、Ｒ≧Ｒｓになるように添加すれば、カルシウム化合物を、その必要量をできるだけ少なくして設定して添加することができ、燃焼灰の量を極力少なくして六価クロムの溶出抑制を確実に行なうことができるという効果を奏する。
その結果、木質固形燃料燃焼灰中の六価クロム溶出を抑制でき、木質ペレット燃料に対する不安を払拭し、木質バイオマスエネルギーの利用拡大に貢献できる。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態に係る木質固形燃料の製造方法について詳細に説明する。木質固形燃料のタイプとしては、木材部が主原料のホワイトペレット、樹皮部が主原料のバークペレット、木部樹皮部混合の全木ペレットの３種類に大別される。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る木質固形燃料の製造方法は、木材の粉粒体を原料にしている。木材としては、種々の木材が用いられ、例えば、製材工場・チップ工場から排出される樹皮、オガ粉、集成材工場・プレカット工場から排出されるプレーナー屑・鉋屑等の木材加工副産物が用いられる。

木材は、原料がオガ屑のような場合にはそのまま、大きなものは、周知の粉砕機により粉砕して粉粒状に加工する。
それから、周知の乾燥機で、樹種・ペレット成型機の条件によるが、含水率（乾量基準）１５％〜４５％程度まで乾燥させる。

次に、図１に示すように、周知のペレット成形機により、乾燥された粉粒体を、例えば２５０℃に加熱しながらペレット状に成形する。

この成形の際には、図１に示すように、予め粉粒体に、乾燥された粉粒体に対して１〜４質量％のカルシウム化合物を添加して混合しておく。カルシウム化合物としては、炭酸カルシウム，水酸化カルシウム，硫酸カルシウムのうち１種若しくは２種以上用いる。
カルシウム化合物は、燃焼灰においてカリウムに対するカルシウムの質量比Ｒが、所定質量比ＲｓをＲｓ＝６として、Ｒ≧Ｒｓになるように添加する。この場合、カルシウム化合物を、カリウムに対するカルシウムの質量比Ｒが、所定質量比ＲｓをＲｓ＝６として、７≧Ｒ≧Ｒｓになるように添加する。

このカルシウム化合物の添加量を定めるにあたっては、予め、先ず、乾燥された粉粒体を燃焼させて得られた燃焼灰において、カリウムに対するカルシウムの質量比Ｒａを求め、当該質量比Ｒａが、所定質量比Ｒｓ未満のとき、差分Ｅ＝Ｒｓ−Ｒａを求め、当該差分Ｅ以上に対応する量のカルシウム化合物を添加するものである。

具体的には、例えば、カルシウム化合物が炭酸カルシウムの場合において、添加前の燃焼灰中の含有率（質量％）の分析結果が、カルシウム４０％、カリウム２０％であり、原料となる粉粒体の灰分が０．５％の場合の添加量について説明する。
この粉粒体中のカルシウムに対するカリウム質量比はＲａ＝２であり、Ｒｓ＝６にするための差分Ｅ＝Ｒｓ−Ｒａ＝６−２＝４を添加するために必要となる炭酸カルシウムの量は下記の通りとなる。
灰分が０．５％の粉粒体１ｋｇから発生する灰質量は５ｇであり、灰中のカルシウム質量は２ｇ、カリウム質量は１ｇである。E=４とするためには、カルシウム質量が４ｇ不足している。炭酸カルシウムの分子量は１００．０９、カルシウムの原子量は４０．０８であることから、カルシウム４ｇに相当する炭酸カルシウムの質量は１０ｇであり、この場合においては、粉粒体重量１ｋｇに対し炭酸カルシウムを１０ｇ、すなわち１質量％添加する。

このような製造方法により製造された木質固形燃料においては、ストーブやボイラの燃料として燃焼させると、燃焼灰が生じるが、カルシウム化合物の添加により、六価クロムの溶出が抑制される。この場合、カルシウム化合物を、燃焼灰におけるカリウムに対するカルシウムの質量比Ｒが、所定質量比ＲｓをＲｓ＝６として、７≧Ｒ≧Ｒｓになるように添加しているので、カルシウム化合物をその添加量をできるだけ少ない適正な範囲にして添加することができ、燃焼灰の量を極力少なくして六価クロムの溶出抑制を確実に行なうことができる。

次に、実験例について示す。
［実験例１］
２つの樹種について木材部を原料とするホワイトペレットと木材樹皮混合の全木ペレットとの４種類の木質固形燃料を作成し、これらを燃焼させて燃焼灰を得、各燃焼灰について、カルシウム含有率と六価クロム溶出量との相関を調べた。
結果を図２に示す。この結果から、燃焼灰中のカルシウム含有率と、六価クロム溶出量は指数関数的に減少する傾向があることが分かった。

［実験例２］
上記実験例で用いた各燃焼灰について、カリウム含有率と、六価クロム溶出量との相関を調べた。
結果を図３に示す。この結果から、燃焼灰中のカリウム含有率と、六価クロム溶出量は指数関数的に増加する傾向があることが分かった。

［実験例３］
上記実験例で用いた各燃焼灰について、カルシウム／カリウム比と、六価クロム溶出量との相関を調べた。
結果を図４に示す。この結果から、燃焼灰中のカルシウム／カリウム比が６以上の灰は、六価クロム溶出量が基準値（１．５ｍｇ／ｌ）を下回ることが分かった。

この実験結果より、木質固形燃料の原料に対して、カルシウム化合物を１質量％〜４質量％添加することで、六価クロムの溶出量が基準値以下に減少することが分かった。また、カルシウム化合物の過剰添加は、灰分の増加とペレット製造原価の引き上げに繋がることから、必要最低限の添加量を把握する必要がある。その最適添加量の指針として、カルシウム／カリウム比６以上が目安となることがわかった。

次に、実施例を説明する。実施例は、最も六価クロムの溶出量の高いカラマツを粉砕した粉粒体に、炭酸カルシウムを加えてペレット状に成形したもので、炭酸カルシウムを１質量％加えた木質固形燃料（実施例１），２質量％加えた木質固形燃料（実施例２），４質量％加えた木質固形燃料（実施例３）とした。
そして、炭酸カルシウムを加えない木質固形燃料を比較例として、燃焼後の燃焼灰について、六価クロムの溶出量を調べた。
結果を図５に示す。カルシウム化合物の添加により、六価クロムの溶出量が、約１／１０００に低下することが分かった。

本発明の実施の形態に係る木質固形燃料の製造方法を示す図である。 本発明の実験例に係り、燃焼灰についてカルシウム含有率と六価クロム溶出量との相関を示すグラフ図である。 本発明の実験例に係り、燃焼灰についてカリウム含有率と六価クロム溶出量との相関を示すグラフ図である。 本発明の実験例に係り、燃焼灰についてカルシウム／カリウム比と六価クロム溶出量との相関を示すグラフ図である。 本発明の実施例について六価クロムの溶出抑制の成績を比較例のデータとともに示す表図である。

Claims (3)

1. 木材の粉粒体を原料にし、該粉粒体を乾燥し、該乾燥された粉粒体をペレット状に成形して製造する木質固形燃料の製造方法において、
   上記粉粒体に、上記乾燥された粉粒体に対して１〜４質量％のカルシウム化合物を添加するとともに、
   上記カルシウム化合物を、燃焼灰におけるカリウムに対するカルシウムの質量比Ｒが、所定質量比ＲｓをＲｓ＝６として、７≧Ｒ≧Ｒｓになるように添加することを特徴とする木質固形燃料の製造方法。
2. 上記カルシウム化合物の添加量を定めるにあたり、先ず、乾燥された粉粒体を燃焼させて得られた燃焼灰において、カリウムに対するカルシウムの質量比Ｒａを求め、当該質量比Ｒａが、所定質量比Ｒｓ未満のとき、差分Ｅ＝Ｒｓ−Ｒａを求め、当該差分Ｅ以上に対応する量のカルシウム化合物を添加することを特徴とする請求項１記載の木質固形燃料の製造方法。
3. 上記カルシウム化合物として、炭酸カルシウム，水酸化カルシウム，硫酸カルシウムのうち１種若しくは２種以上用いることを特徴とする請求項１または２記載の木質固形燃料の製造方法。

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