JP2005069663A - 固形バイオマス燃料の燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スクリューフィーダー、送風機などの電気機器を使わなくて、成形粒子やペレット状固形バイオマス燃料を８００℃以上の高温で継続燃焼し二次燃焼を確実に行いながら熱エネルギーを取り出し利用する燃焼装置であり、また、この燃焼装置に電気機器を使用した場合は、装置の小型化と高効率の燃焼による発生熱量の大幅アップが図られる。
【解決手段】下向き燃焼をする燃焼装置において燃料筒９の下に続く一次燃焼室部１０底面中央に開口部１１を設け、その上に、開口部１１を覆い、開口部の上に空間を設けるため籠を逆さに伏せた籠型立体ロストル１４を載置し、ペレットＥ燃料が立体的に燃焼するよう開口部１１を中心にしてすり鉢状の斜面床炉１５を形成し、その斜面炉床１５及び一次燃焼室部１０壁に燃焼空気孔１６を必要十分な数を設けたことにより燃焼した炎Ｆと燃焼ガスＨａと灰Ｇは、籠型立体ロストル１４を通過し開口部１１を通って二次燃焼室部１２へ入り、燃焼ガスＨａは二次燃焼し、灰Ｇは灰溜め部１３へ降下する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、木材、籾がら、その他の農業副産物からつくる成形粒状や、ペレット状の固形バイオマス燃料を効率よく燃焼させ、ストーブ、ボイラー、乾燥機、ガス化炉などとして利用するための燃焼装置に関するものである。

背景の技術

現在市販されている薪ストーブやおがくずストーブでペレットを燃焼させても、ペレットが積み重なった状態では一般の木材より３倍くらいの密度で圧縮成形されているので燃焼後の灰量も多く、表面ペレットの灰が、その下のペレットへの燃焼空気を制限するため内側まで燃焼してゆかず、くすぶって炭化現象が続くという状態になってしまい、燃焼による熱量が得られにくいという事実になり、実際に、現在市販されている薪ストーブやおがくずストーブではペレットは使用されていない。よって、ペレット特有の燃焼装置が開発されたものと考えられる。

現在ペレットを燃焼させる燃焼装置には、ペレットストーブとペレットバーナーの２種類がある。
ペレットストーブは、北米や北欧の多くの外国製品が輸入されているが、日本製で市販されているのは、埼玉県川越市サンポット株式会社と山形県天童市株式会社山本製作所の２社のペレットストーブがある。
ペレットバーナーでは、イタリア製が輸入されているが日本製で市販されているのは、東京都立川市オリンピア工業株式会社と静岡県豊田市二光エンジニアリング株式会社のペレットバーナーがあり、ボイラー等の熱源として使用されている。

ペレットストーブの燃焼装置は、大きな燃焼室の中央下側に小さな燃焼カップがあり、そのカップの中に燃料が少しずつ斜め上からスクリューフィーダーにより供給され、またその燃焼カップの側面、下面に孔が開孔されており、その孔を通してカップの中に送風機からの燃焼空気が吹き込まれ燃焼するという装置であり、赤熱燃焼しているペレットの灰を送風機からの燃焼空気で燃焼室の上方へ飛散させ、落下した灰は、燃焼カップにより下方にある灰受け皿にたまるというしくみになっている。

ペレットバーナーの燃焼装置は、代表的な例で説明すると、燃焼室が横向きに設定され、その中に一回り小さい燃焼筒があり、その燃焼筒の中へ斜め上方よりスクリューフィーダーで少量ずつ燃料が供給され、送風機からの燃焼空気は燃焼室へふきこまれ燃焼筒の側面、下面、斜め上にあけられた孔より燃焼筒内に入り込みペレットを横向きに燃焼するとともに、灰を飛散しながら燃焼を継続させボイラーの灰受皿に灰をためるという構造になっている。

以上のように、現在のすべてのペレットストーブ、ペレットバーナーともに、ペレットを燃焼させる必要最低条件が共通している。
第一点は、燃料は厚く堆積しないように少しずつ供給する必要がある。第二点は、燃焼空気は、熱く加熱され十分な酸素量と灰を飛散させる風圧のある空気を供給する必要がある。
この二点の必要最低条件は電気を使用したモーターの駆動がスクリューフィーダー、送風機のそれぞれの機能が果たしている。

また、現在、電気を使用しない、つまり、モーターを使用しないペレットストーブ、ペレットバーナーは、市場や文献では見たことがないので記述はできない。

従来の燃焼装置では電気がない場合又は、モーターが故障した場合にはペレット燃焼ができない不都合を有している。
つまり、太陽エネルギーのリサイクルが、電気エネルギーの有無によって、又は電気機器の具合の良し悪しによって支配されている。

また、きれいな燃焼排気ガスと高効率な熱エネルギーを得ようとするならば、一次燃焼から発生した燃焼ガスを二次燃焼室内で二秒ほど滞留させ、十分なる二次燃焼を図るべきであるが、送風機による強制燃焼のため、一次燃焼と二次燃焼の区別がなく、十分なる二次燃焼が確保されていない不都合を有している

また、強力な火力を必要とするペレットバーナーでは、当然、送風機による空気の圧力と量が大きくなるため、発生した火の粉や飛散灰の防止に、サイクロン集塵機を併用したり、併用しない場合には、ボイラー内の熱交換パイプに付着した飛散灰の掃除に多大な労働力がかかり、灯油、重油ボイラーと比較して、余計な設備や多大な労働力がかかるという不都合を有している。

本発明は、これらの不都合を解決することを目的とするもので、電気エネルギーを使わなくて、二次燃焼を確実にさせ、灰飛散を確実にして、ペレットの燃焼を効率よく継続させるには、８００℃以上熱く保てる燃焼室の中へ、熱く加熱された燃料を順調に供給し、熱く加熱された十分な燃焼空気量を供給するとともに、燃焼中のペレット表面の灰を飛ばし続けられることが必要であり、これらの必要条件をクリアするために実験を重ねた結果、本発明を完成させることができた。

また、本発明にスクリューフィーダー、送風機などの電気機器を使用すれば、装置の小型化と発生熱量の大幅アップが図られた。

本発明のうち、請求項１記載の発明は、燃料が自然降下により、また、燃焼空気が二次燃焼室より下方に接合されている煙突や熱交換機器のドラフトにより、ともに上から下へ流れる下向き燃焼をする燃焼装置において、燃料筒の下に続く一次燃焼室部底面中央に開口部を設け、その上に、開口部を覆い、開口部の上に空間を設けるため籠を逆さに伏せた籠形立体ロストルを載置し、ペレット燃料が立体的に燃焼するよう開口部を中心にして、すり鉢状の斜面炉床を形成し、その斜面炉床及び、一次燃焼室部壁に燃焼空気孔を必要十分な数を設けたことにより燃焼した炎と燃焼ガスと灰は、籠形立体ロストルを通過し、開口部を通って二次燃焼室部へ入り、燃焼ガスは二次燃焼し、灰は灰溜め部へ降下することを特徴とする燃焼装置にある。

また、請求項２記載の発明は上記斜面炉床と上記一次燃焼室部壁に設けてある上記燃焼空気孔の中にペレット燃料が入り込まないように孔の上にひさしを設け、ひさしを設けたことにより上記斜面炉床が斜め階段状の炉床を形成することになり、燃焼空気が効率よく燃料に供給させるよう上記燃焼空気孔の向きも斜め階段状の向きにあわせてあることを特徴よするものである。

また、請求項３記載の発明は、上記斜面炉床と上記一次燃焼室部壁に設けてある上記燃焼空気孔は、孔の数と孔の大きさの配列により、灰の飛散促進をはかりながら、一次燃焼空気と二次燃焼空気の量と比率が設定されていることを特徴とし上記二次燃焼室部の中で十分なる二次燃焼が図られる。

また、請求項４記載の発明は、上記斜面炉床と上記一次燃焼室部壁に耐火断熱材を用い、金属の酸化防止と燃料の高温燃焼を図ること特徴とするものである。

また、請求項５記載の発明は上記燃料筒、上記一次燃焼室部を取り囲んで接合し、上記燃焼空気孔と連通し、どの上記燃焼空気孔にも一定の圧力で燃焼空気を供給する燃焼空気供給室を配設してなることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、上記籠形立体ロストルの頭部に、円錐又は多角錐の大きさや厚さが違うキャップを接合することにより上記一次燃焼室部内における燃料部分と燃焼部分の境目の高さ位置や、燃料の種類や状態による燃焼の強弱調整ができることを特徴とし、

また、請求項７記載の発明は、上記二次燃焼室部と上記灰溜め部を大きく形成し、その中に、上記燃料筒、上記一次燃焼室部、上記燃焼空気供給室を内設することにより、熱く加熱された燃料と燃焼空気と熱く保たれる燃焼室が得られ、少ない燃料で効率の良い燃焼が得られることを特徴とし、なおかつ、飛散灰の上記灰溜め部への自然降下も有効に作用し、クリーンな熱風を送り出せる。

請求項８記載の発明は、上記燃料筒及びその上に付けたしする増枠燃料筒の内側に燃料の棚吊現象を防止する縁切板を設け、燃料の安定継続供給を図ったことを特徴とするものである。

本発明は上述の如く、請求項１記載の発明にあたっては一次燃焼室部において、斜面炉床と一次燃焼室部壁の燃焼空気孔から一次燃焼空気が供給され、ペレットが下向き燃焼し、開口部に近い斜面炉床の燃焼空気孔からは籠形立体ロストルの中の炎に対して二次燃焼空気を供給するとともに、灰を籠形立体ロストルの中へ飛散させる働きも兼ねている。ペレットの燃焼により、籠形立体ロストルの周囲に８５０℃以上の赤熱燃焼層ができ、その中を木質熱分解生成ガスとタールが通過することにより、より高温燃焼になり燃焼排気ガスがクリーン化し、高効率な熱エネルギーの燃焼装置ができる。

つまり、ペレット燃焼で必要最低条件の二点を籠形立体ロストルと斜面炉床で通気性のよい燃焼層を形成すること。斜面炉床と一次燃焼室部壁からの燃焼空気を立体的に供給しあわせて灰を飛散することによって燃焼を継続することが達成でき、自然通風式でペレット燃焼が可能となった。

あらゆる種類の成形粒状やペレット状固形バイオマス燃料が電気なしで、簡単な構造で燃焼させることができ、十分な熱エネルギーが得られることは太陽エネルギーのリサイクル利用方法が大幅に拡大できる。

また、請求項２記載の発明にあたっては、燃焼空気孔の上にひさしをもうけることによる、ペレット燃料による孔の塞ぎを防止し、斜め階段状の炉床になることにより、赤熱燃焼層の荷重負荷を軽減し燃焼空気の供給を増加し、燃焼空気孔の向きも斜め階段状の向きにあわせることにより、籠形立体ロストルへの灰の飛散を確実にすることにより必要十分な空気量が確保できる。

また、請求項３記載の発明にあっては、籠形立体ロストルの中の炎が開口部を通って二次燃焼室部へ吹き出すように燃焼しているところへ、開口部に近い斜面炉床の燃焼空気孔から灰を飛散させながら炎の中へ二次燃焼空気が供給され、二次燃焼室部で燃焼ガスは二秒間ほど滞留して二次燃焼し、クリーンな燃焼排気ガスとなる。このときペレットの種類や樹種の違いで、一次燃焼空気と二次燃焼空気の量と比率が違うのでその燃料にあった量と比率に設定しペレット燃焼における完全なる二次燃焼を図ることができる。

また、請求項４記載の発明にあたっては、一次燃焼室部と斜面炉床は平均８５０℃〜９００℃位になるので金属疲労と酸化により歪みや細りができてきて、装置の寿命を縮めてしまう。よって、耐火断熱材を用いることにより、金属を保護し、また、燃料の燃焼温度を高く保持することができる。そして、様々な種類の燃料を８００℃以上の温度で燃焼できることはダイオキシン対策も同時にできることとなる。

また、請求項５記載の発明にあっては、燃料筒と一次燃焼室部を取り囲んで接合し燃焼空気孔と連通している燃焼空気供給室を配設していることであり、燃焼空気供給室を設けることにより、その出入口の調節口により空気量の調節ができ、供給圧を一定にでき、また燃焼空気供給室へ、送風機を取り付ければ、その送風の強弱により、燃焼の強弱が調節できるので、装置は小型化にでき、大熱量を出せることとなる。

また、請求項６記載の発明にあっては、籠形立体ロストルの頭部にロストルキャップを接合したもので、キャップを接合することによりそれまで頭部からロストル内側の真下に炎として出していた部分をなくし全てキャップの下のロストルの横から内側に炎として出させ開口部を通り、二次燃焼室部へ吹き出させる。これにより燃焼空気孔からの空気の出が促進され、燃焼と灰の飛散がよくなる。また、キャップの裾の長さの長短で、燃料部分と赤熱燃焼部分との境目の高さが調節でき、キャップの厚さで焼玉効果もたせることができるので、燃料の種類や状態による燃焼の強弱調節ができる。

また、請求項７記載の発明にあっては、二次燃焼室部と灰溜め部を大きく形成し、その中に、燃料筒、一次燃焼室部、燃焼空気供給室を内設したものであり、燃料、燃焼空気、燃焼室が二次燃焼熱で熱く加熱され、効率のよい燃焼がえられ、なおかつ二次燃焼室と灰溜めが大きく作ってあることは、飛散灰が灰溜め部へ自然降下しやすく、確実に、燃焼灰を処理でき、クリーンな熱風を熱交換機器へ送ることができる。

このとき、燃料供給にスクリューフィーダーを、燃焼空気供給室には送風機を接続しロストルキャップで焼玉効果を持たせると、バーナー炉、ガス化炉として使用できる。

また、請求項８記載の発明にあっては、燃料筒とその上に付け足してできる増枠燃料筒の内側に薄い金属板を筒の対角線上いっぱいに、両側と中心をたんざく状の垂直の薄い金属板で仕切った形で、丁度、ローマ字のＨとＴを組み合わせた形をしたものや、ＯとＩを組み合わせた形をした縁切板を設定することにより、粒が大体揃っていたり、質量が重い場合、燃料同士がスクラムを組んで、自然降下しない棚吊現象又は、ブリッジ現象が発生するのを防ぎ、円滑な燃料供給を行うことができ、増枠燃料筒を付け足せば長時間燃焼を実現できる。

電気を使わずに自然通風式でペレット燃焼が可能であり、希望の火力が得られることは、ライフラインが切断された場合や電気の通っていない辺地の作業小屋やリサイクル循環が進み安価なペレット燃料が入手できる地域の暖房や調理加熱機器として、薪ストーブとしても兼用できるペレットストーブが考えられ、実施例１として図１から図６を参照しながら説明する。

また、電気を使用し、スクリューフィーダーと送風機を用いた場合はボイラー用のバーナーが考えられ、この場合、今までのペレットバーナーの最大の課題であるボイラー内への灰の飛散と付着を軽減し、装置を小型化できるものであり実施例２として図７を参照しながら説明する。

なお、本発明は、上記実施の形態例に限られるものでなく乾燥機の熱風炉や、固形バイオマスのガス化炉として応用利用できるものであり、構造や材質等を適宜変更すれば様々な応用利用が考えられる。

図１から図６の実施例において、ストーブ本体１は金属板で作られタンバー６をつけた煙突部５からなり、このストーブ本体１の前半分に本発明の燃焼装置を内設している。ストーブ本体１前面には、点火口７とストーブドア２があり、ストーブドア２には内部が見えるように耐熱ガラスの窓４と本体空気取入調節口３が取り付けられている。
ストーブ本体１両側面にはペレット燃焼專用の燃焼空気取入調節口８がある。
ストーブ本体上面には、本発明の燃焼装置の燃料筒９が接合されている。
この燃料筒９と一体になっている下に一次燃焼室部１０があり、一次燃焼室部１０炉床底面中央に二次燃焼室部１２及び灰溜め部１３へ通じる下向き燃焼の開口部１１を設けてあり、その開口部１１をおおいなおかつ、開口部１１の上に空間を設けるための籠形立体ロストル１４を載置し、開口部１１と一次燃焼室部１０内壁までの間を開口部１１を中心としてすり鉢状になるように斜面炉床１５を形成し、その斜面炉床１５には一次燃焼室部１０をとりかこむように設けられている燃焼空気供給室１７からその斜面炉床１５には、燃焼空気孔１６があり、籠形立体ロストル１４を取り囲むように燃焼空気孔１６が横一列に一周し、それが数段設けられている。また、一次燃焼室部１０壁にも籠形立体ロストル１４の高さまで燃焼空気孔１６が横一列に一周して設けられている。
燃焼空気供給室１７は、燃焼空気取入調節口８空気加熱室１８と連通し燃焼空気を一次燃焼室部１０へ燃焼空気孔１６を通して供給する。以上のような構成になっている。

このストーブの使用方法は、燃料筒フタ９ａをあけペレットを籠形立体ロストル１４の高さまで投入し、煙突のドラフトを利用した自然通風方式であるので、ストーブドア２を開け、ストーブ本体１内に薪ストーブのように、細い枝などで火を付け、煙突にドラフトを働かせるようストーブ本体１と煙突部５を細い枝や薪を燃やして暖める。ストーブ本体１に種火ができ、十分にドラフトが働くようになったら、点火口７よりカセットバーナーで燃焼空気孔１６を通してペレットに点火し、除じょに燃焼空気取入調節口８を開き、ペレットＥの燃焼を促し、下向き炎が除じょにでてきたらストーブ本体１のストーブドア２に取り付けられている本体空気取入調節口３を除じょに閉めて、ペレット燃焼に切替えてゆく。
その後ペレットＥを、燃料筒９いっぱいに投入し、燃焼を継続させる。
下向き燃焼は、燃料がなくならない限り、単独で燃焼している。

籠形立体ロストル１４の中を炎Ｆと灰Ｇが開口部１１を通り二次燃焼室１２へ吹き出され、灰Ｇは灰溜め部１３へ降下し灰皿１３ａの中にたまる。炎Ｆは、二次燃焼しながらバップルプレート１９にぶつかり、燃焼ガスＨａとなって煙突部５を通って屋外に排出される。
これにより、ストーブ本体１が加熱され輻射熱として放熱される。

図５、図６は燃料筒９内又は燃料筒９につけたして使用する増枠燃料筒９ｂの内側に対角線上に差し込んで留め金で固定し使用される縁切板であり、ローマ字の組み合わせの形から、Ｈ・Ｔ型縁切板２０とＯ・Ｉ型縁切板２１である。
長時間連続燃焼させたい場合や、原料による質量が重い場合棚吊現象の防止に役立つ。

図７のペレットバーナーにおいて、バーナー炉本体２２は、二次燃焼室部１２と灰溜め部１３を大きく形成したもので、内壁を耐火断熱材１５ａで保護し、炉外への放熱を抑え、炉内を高温に保つ役割をしている。そのなかに燃料筒９、一次燃焼室部１０、燃焼空気供給室１７を内設した構造になっており、燃料筒９への燃料供給は、スクリューフィーダーで押し込み供給し、燃焼空気供給室１７への空気供給は、送風機２７で圧力ある空気を供給し、斜面床炉１５と一次燃焼室部１０壁にある燃焼空気孔１６からは、圧力ある燃焼空気が吹き出すように供給され、開口部１１からは、同じように炎が吹き出し、強い火力が得られ、バーナーの機能が果たされる。
なお、燃料筒９壁に圧力調整燃焼空気孔１６ａを設けておくと、燃料のペレットＥの上からも一次燃焼室部１０と同じ空気圧力がかかるため、熱分解ガスが下方に押し下げられ逆火が防げる。
また、ロストルキャップ１４ａを厚く高さを高くすると焼玉効果が出て来て、熱分解を早め高火力が得られる。
開口部１１の下にバッフルガイド２３を取り付け、炎Ｆを収束し、二次燃焼室部１２で十分に二次燃焼させ、灰溜め部１３に灰Ｇを降下させ、バーナー炉本体２２内壁を上がってきた炎Ｆを、バッフルローリングプレート２４で滞留させ、燃焼ガスＨａのクリーン化を図り、燃焼ガス吹出口２５より、熱交換機へ送られる。

このペレットバーナーの使用方法は、一次燃焼室部１０の中にペレットＥをスクリューフィーダー２６で供給し、点火口７からガスバーナーで燃焼空気孔１６を通してペレットＥに点火させ、送風機２７を低速回転から除じょに高速回転に上げ、炎が安定しバーナー炉本体２２の温度が上がるのを待つ。
その後、バーナー炉本体２２の温度が上がり、落ち着いてきたら必要な火力に調整するためスクリューフィーダー２６の速度と送風機２７の回転を合わせ、安定燃焼を継続させる。

本発明の実施例１のペレットストーブ斜視図である。 本発明の実施例１の断面図である。 本発明の実施例１の断面図である。 本発明の実施例１の部分説明断面図である。 本発明の実施例１の部分説明斜視図である。 本発明の実施例１の部分説明斜視図である。 本発明の実施例２の説明断面図である。

符号の説明

Ｅ ペレット
Ｆ 炎
Ｇ 灰
Ｈ 燃焼空気の流れ
Ｈａ 燃焼ガス
１ ストーブ本体
２ ストーブドア
３ 本体空気受取調節口
４ 窓
５ 煙突部
６ ダンパー
７ 点火口
８ 燃焼空気受取調節口
９ 燃料筒
９ａ 燃料筒フタ
９ｂ 増枠燃料筒
１０ 一次燃焼室部
１１ 開口部
１２ 二次燃焼室部
１３ 灰溜め部
１３ａ 灰皿
１４ 籠型立体ロストル
１４ａ ロストルキャップ
１５ 斜面炉床
１５ａ 耐火断熱材
１６ 燃焼空気孔
１６ａ 圧力調整燃焼空気孔
１７ 燃焼空気供給室
１８ 空気加熱室
１９ バッフルプレート
２０ Ｈ・Ｔ型縁切板
２１ Ｏ・Ｉ型縁切板
２２ バーナー炉本体
２３ バッフルガイド
２４ バッフルローリングプレート
２５ 燃焼ガス吹出口
２６ スクリューフィーダー
２７ 送風機

Claims (8)

1. 上から燃料筒、一次燃焼室部、二次燃焼室部、灰溜め部という構造の燃料と燃焼空気が、ともに上から下へ流れる下向き燃焼装置において、一次燃焼室部底面中央に二次燃焼室部及び灰溜め部へ通じる開口部を設け、その開口部を覆い、開口部の上に空間を設けるために籠を逆さに伏せた形状の籠形立体ロストルを載置し、開口部を中心として一次燃焼室部底面をすり鉢状の斜面炉床を形成し、斜面炉床と一次燃焼室部壁に燃焼空気孔を籠形立体ロストルに向けて、必要十分な数を設けたことを特徴とする燃焼装置。
2. 上記斜面炉床と上記一次燃焼室部壁に設けてある上記燃焼空気孔の上にひさしを設け、斜め階段状の炉床を形成し、上記燃焼空気孔の向きも斜め階段状にあわせ斜め下向きにしてあることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
3. 上記斜面炉床と上記一次燃焼室部壁に設けてある上記燃焼空気孔は孔の数と孔の大きさの配列により一次燃焼空気と二次燃焼空気の量と比率が設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃焼装置。
4. 上記斜面炉床と上記一次燃焼室部壁に耐火断熱材を用いてあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼装置。
5. 上記燃料筒、上記燃焼室部を取り囲んで接合し、上記燃焼空気孔と連通しておりどの燃焼空気孔にも、一定の圧力で燃焼空気を供給する燃焼空気供給室を配設してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃焼装置。
6. 上記籠形立体ロストルの頭部に円錐又は多角錐のロストルキャップ及び焼玉ロストルキャップを接合してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃焼装置。
7. 上記二次燃焼室部、上記灰溜め部を大きく形成し、その中に上記燃料筒、上記一次燃焼室部、上記燃焼空気供給室を内設してなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の燃焼装置。
8. 上記燃料筒及びその上に付けたしできる増枠燃料筒の内側に燃料の棚吊現象を防止する縁切板を設けてあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃焼装置。

Images