JP2006112687A - 籾がらの多段流動層燃焼法 - Google Patents

Abstract

【課題】 籾がらをエネルギー資源として利用する際の不完全燃焼の問題を解消し、完全燃焼させることにより、付加価値の高い残渣を生成させる焼成方法を提供する。
【解決手段】 籾がらを、その融着点以下の温度に設定し、かつ炉雰囲気を酸化雰囲気に調整した一次燃焼域及び二次燃焼域からなる焼成炉に連続的に装入し、一次燃焼域で加熱燃焼させて炭化した籾がらを、下部に位置する二次燃焼域の多段流動層上に供給して、炉底床から吹き込む流動化空気と炉前縁壁面に相対する炉側壁面に設置した多段空気口から吹き込む横吹き空気により積層内に生ずる空気と籾がら粒子の向流接触反応を高め、籾がら粒子を完全燃焼させて、結晶化度の低い可溶性で反応性の高い活性シリカの多孔質体を主成分とする籾がら灰を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、籾がらのような、無機質の含有量（ＳｉＯ₂ ≒１５％を含有する）が多い強固な木質の有機性未利用資源を適正に完全燃焼させることにより、付加価値の高い残渣を生成する焼成方法に関するものである。

〔籾がら産出の問題（年間発生量）〕
主要食料作物である米の副次産物として毎年発生する籾がらの量は、精米加工される原料籾の原料比約２０％に相当することから莫大な量になる。
近年、食料生産と消費の増加に伴い毎年発生する籾がらの量は増え続け、現在、世界全体で１年間に発生する量は大凡１億屯に達しており、また、日本国内においても毎年大凡２００万屯の籾がらが発生している。

〔籾がらの再利用の状況〕
籾がらの利用方法については、多年にわたり世界的規模で多くの研究開発が行われ、実際に米を生産する各国においてその地域に根ざした利用法がとられてきているが、いずれも付加価値が低く、十分に再資源化されているものは見当たらない。
これらの中で、東南アジアの米生産国を中心に普及した再利用方式は一定の成果をあげている。その方式は、籾がらを旧式な火床燃焼炉で燃焼させ、その燃焼熱を利用するボイラーで発生する低圧蒸気（ほぼ５〜７ｋｇ／ｃｍ² ）を動力源としてレシプロエンジンを運転するものであり、この動力源を使って籾がらを提供する精米工場を稼働させることが可能となり、エネルギー的に自給自足できるという利点から、これらの地域では多くの精米工場でこの方式が導入されている。

しかし、この方式は燃料効率が非常に低く、出力も小さいこともあって、大型化と効率化が求められており、また、近年の米生産国の精米工場の生産システムにおいては、新しい電化方式に替わりつつあるのが実情である。
〔廃棄問題〕
近年の精米工場の大型化と電化は、多くの米生産国で毎年多量に発生する籾がらの廃棄処分に絡む深刻な公害問題に直結することになっている。このような増えつづける籾がら公害に対処するため、タイ国の都市部周辺の大型精米工場では、排出される莫大な籾がらを都市ゴミと混ぜて焼却しているところもある。

また、日本国内においては、籾がらの発生量は、前述のとおり年間約２００万屯程あり、近年の米穀収穫後処理設備の近代化に伴い、その発生は地域集中的に、しかもほぼ年間を通じて一定量が排出される傾向にある。
現在、米生産地域で発生する籾がらの処理状況を全国的に見ると、約８０％が農業関係の資材として処理され、残りは農業廃棄物として処分されている。
籾がらの処理形態としては、農業用素材としての活用及び焼却の二つがある。農業用素材としての活用例を挙げると、堆肥資材、畜舎敷料、暗渠資材、土壌改良材等、いずれも低付加価値のものばかりで、有効活用されているとは言い難いのが現状である。

〔籾がらのエネルギー変換の状況〕
籾がらのエネルギー源としての再利用拡大のため、エネルギー変換技術の研究開発プロジェクトを実施することで、より付加価値の高いエネルギー利用技術の促進が期待されている。
このような技術は、ここ半世紀の間、世界の先進国を中心に研究開発が進められてきたが、この研究開発は、籾がらの物性から熱化学的エネルギー変換のプロセスにまで及び、下記の１）〜３）に示すような変換方式を具現化し、その一部は実用化されているものもある。

１）炭化（揮発分の分解）くん炭製造方式
籾がらを約３００〜４００℃に加熱して燃焼させると炭化し、揮発分として可燃性ガスとタールを発生してくん炭となる。産出するくん炭の炭素量は約３０〜４０％であり、燃料以外の用途としては、園芸用床土、製鉄用酸化防止材、保温材（籾がらの原形を保持し水分を含まないものがよいとされる）に利用されている。
２）乾溜方式
籾がらを乾溜温度（４００〜５００℃）に保持した乾溜炉で連続的に炭化・乾溜させて、乾溜ガス、ガス液、タール、固定炭素を回収するもので、この生成物はいずれも熱源として使用されるが、乾溜ガスは発熱量が７５０〜１３００Ｋｃａｌ／Ｎｍ³ と低い。

３）蒸気タービン発電方式
籾がらを直接専焼させることにより、エネルギーの変換効率を向上させる方法の一つであり、そのターゲットは商用発電を含むコージェネレーションにおいたシステムであるが、これまで開発は困難とされてきた。
〔籾がらの物性と完全燃焼の困難性〕
籾がらを再生可能エネルギー資源として直接有効利用することが困難なのは、下記の１）〜４）に示すような、籾がら固有の熱化学的変換作用を阻害する物性によるものとされている。

１）揮発分（約６０％）の加熱による分解燃焼反応速度は炭素分の表面燃焼反応速度より速いので、炉内雰囲気の作用温度域を正確に調節することが難しい。このため、雰囲気温度が局所的に高温となって、籾がら表面に発生する灰分中のシリカが微量の塩基成分や結晶水と反応し、焼結して早期溶融が起こり、クリンカーの焼塊ができるため、連続燃焼が妨げられる。また、難揮発性ガス分もタール化し、凝結を起こしやすい。
２）灰分は約２０％（ＳｉＯ₂ ≒１５％を含有する）あり、バイオマスの中では最も高い値である。籾がらの燃焼反応の過程で、表面燃焼の進行につれて多量に発生する灰分が局所過熱で凝結し、Ｏ₂ やＣＯの拡散が妨げられて燃焼むらを生じ、安定した連続燃焼ができなくなる。

３）籾がらは固定炭素を重量比で１２〜１７％含有している。燃焼装置の雰囲気温度条件が５００℃以上の高温下で固定炭素はＯ₂ の供給を得て表面燃焼するが、その燃焼速度は雰囲気温度条件に規制される。即ち、雰囲気温度を高くすれば燃焼時間は短くてすみ、低くすれば燃焼時間は長くかかることになる。この現象は、炉内で籾がらを完全燃焼させるのに必要かつ充分な雰囲気温度条件と平均滞留時間を設定するのに重要なパラメーターとなる。
４）硬度が高い。ＭＯＨ付スケールで５．５〜６．５の硬度をもつ籾がらの表層を微細構造のシリカが被覆しているため軟鋼よりも硬く、このことが固形燃料化や、輸送、貯蔵等の分野での機材の磨耗問題を引き起こしている。

本発明は、上述したような未利用の籾がらを再生可能エネルギー資源として直接有効利用する際の課題である籾がらの不完全燃焼を克服したものであり、無機質の含有量（ＳｉＯ₂ ≒１５％を含有する）が多い強固な木質の有機性未利用資源を、融着点以下の温度に設定し、飛散する籾がら粒子（キャリオーバー）の発生を抑止して、適正に完全燃焼させることにより、付加価値の高い残渣を生成する焼成方法を提供することを目的とするものである。

即ち、上記課題は下記の要旨の手段により達成される。
籾がらを、その融着点以下の４００〜８００℃の炉内温度に設定し、かつ炉雰囲気を酸化雰囲気に調整しながら、連続的に完全燃焼するように構成した一次燃焼域及び二次燃焼域からなる焼成炉の前記一次燃焼域に連続的に装入し、該一次燃焼域で加熱燃焼させて炭化した籾がらを、一次燃焼域の下部に位置する二次燃焼域の炉底床上に既に積層されている多段流動層の表面に重畳させるように供給し、一次燃焼域で時系列的に炭化した籾がらを、表面燃焼させるため、二次燃焼域の炉底床から吹き込む流動化空気に、焼成炉の炉前縁壁面に相対する炉側壁面に設置した多段空気口から横吹き空気を吹き込むことで、積層内に生ずる空気と籾がら粒子の向流接触反応を高めて、積層した籾がらを攪拌し、かくして形成された複数段の流動層からなる多段流動層を、籾がら焼層中のすべての籾がら粒子を完全燃焼するのに必要な時間以上に、ほぼ同じ時間、層内に滞留させて灰化し、かくして結晶化度の低い可溶性で反応性の高い活性シリカの多孔質体を主成分とする籾がら灰を得ることを特徴とする籾がらの多段流動層燃焼法。

本発明によれば、籾がら焼成技術の最適化によって得られる発電を含むコージェネレーションシステムに加えて、産出できる微細構造で可溶性と反応性が高く結晶化度の低い活性シリカの多孔質体を工業原料資源として有効に回収することができる。

以下に、本発明について説明するが、先ず、籾がらの燃焼特性と焼成法の基本設計について述べる。
〔籾がらの燃焼特性について〕
籾がらは燃料として下記１）〜３）に示すような特性がある。
１）２００℃以上の処理温度で酸化が著しく、２２０〜３６０℃の間での限界揮発減率が著しい。この作用温度域では、有機性成分（セルロース、リグニン等）の熱分解による揮発成分の発生とその著しい気相燃焼が起こり、温度は急上昇する。
２）３６０〜５００℃までは、少量ながら限界揮発減率は増加する。この作用温度域では、熱分解残滓または熱分解しにくいタールや固定炭素の表面燃焼が起こるものと思われる。

３）灰分を占める微細構造の多孔質活性シリカは、石英、珪石とは異なり、作用温度域９５０〜１０００℃で多形転移による結晶変態し、クリストバライト質シリカに結晶化する。
なお、籾がらにはこれら３成分の他に水分が含まれる。
〔燃焼法の基本設計について〕
下記１）〜４）に、籾がらの燃焼特性に最適な微細構造の制御技術を使った焼成法を開発するために設計した燃焼炉について述べる。
１）全燃焼過程は炭化（揮発分の分解燃焼）と灰化（固定炭素の表面燃焼）の二つに区分して焼成用燃焼炉を設計した。

２）その炉形状は、三つの炉側壁からの空気吹き込みによって層内の乱れを強め、籾がら粒子との向流反応で流動化状態を形成する多段流動層による焼成法に適用するため、炉本体は耐火材を内張りした竪型角形とし、炉長に対して炉幅を短くした。炉底床には空気口を設けるとともに、炉の中心軸に沿って溝を設け、傾斜をつけた。炉内は可動部分のない単純な構造とし、耐久性のある維持管理しやすい設計とした。
３）炉系の通気は、炭化過程（一次燃焼域）と灰化過程（二次燃焼域）における熱移動と熱交換を効果的に調整するため、押込と誘引の方式を併用する平衡通気方式を採用した。二次燃焼域に多段の空気口を装備し、炉系内通気量の調整機構を使って炉系内の通気圧を−２〜−５ｍｍＡｑで操業できるようにした。この通気設計と炉形状で多段流動層燃焼を行い、シリカを含む粉塵の飛散を抑え、伝熱面の磨耗や煙道の表面にスケールとなって析出することを防止することができるようにした。

４）灰化過程の炉形式は、固定炭素の表面燃焼の温度条件を炉内の作用温度域で融着点以下の６００〜９００℃とし、籾がらを焼成するための正確なモデルを開発するため、下記ａ）、ｂ）に示すような特徴のある機能を具備させた。
ａ）炉内空気の吹込方式は、炉形状に籾がら焼成に最適な燃焼法の実用化を可能にするため、空気吹き込みに炉底斜面に配列した流動化空気口と、層内に多段流動化を形成する複数の空気口を炉前縁壁面と相対する炉側壁面に配列した。加えて、補完燃焼域にも空気口を配備した。
三方の炉側壁面の多段空気口群から炉中央部に向って吹き込む空気で生ずる籾がら粒子間の摩擦と衝突による向流効果を使って形成させた複数の流動層に籾がらを留め、層内の燃焼空気の反応率を高める向流機能をもった多段流動層燃焼法が可能となった。炉底表面と炉側壁面の空気口群から吹き込む空気と籾がら粒子の向流反応で生ずる多段流動層燃焼は、籾がらの粒子の表面に生成する灰分を除去分離しつつ、燃焼を層状に進行させるので、空気の拡散が速く、温度分布が一様となり、局所過熱で生ずる籾がら粒子の焼結化を防ぐことができた。

ｂ）炉底床には、表面燃焼の進行につれて炉の中心軸に沿った溝部分に多量に生成する灰分の灰づまりやクリンカー化を防いで移動しやすいように、灰ピットに向けて傾斜勾配をつけた。
上述のように、籾がらを焼成する燃焼法の基本設計の立案には、通常の燃焼法である燃料の投入量を空気吹込量に合わせて燃焼させるストーカーを使った押込通風燃焼法や流動媒体を使って流動化する流動層燃焼法があるが、いずれも籾がらを燃料として使用しにくく、処理しにくい欠点をもっているので、その欠点を細かく分析し、籾がら燃焼炉の炉形式をその目的に最適化するため、新たに下記イ）、ロ）の二つの機能を実現する多段流動層燃焼法の炉形式とした。

イ）向流効果を付加した多段流動層燃焼法により、流動媒体と段間のグリッドを使わずに、複数の流動層を形成させることが可能となった。形成された多段流動層は、籾がら粒子と空気の向流反応を充分に行えることから、攪拌混合効果が助長されて、籾がら粒子と空気両者の予熱、冷却が容易となり、全体として融着点以下の低温反応が均一に行えるので、籾がら粒子を固定炭素の燃焼が完了するまで滞留時間を調節すれば、熱経済性の高い熱エネルギーの回収と確保が可能となる。
ロ）籾がら燃焼層中の多段流動層燃焼の温度に対し、精密調節と均一化が容易であるので、籾がら中のシリカの焙焼条件に適合する作用温度を設定し、完全に燃焼反応を終了させることで、産出する籾がら灰は未燃物とクリンカー粒を含まず、品質が安定し、均質化した微細構造の活性シリカ多孔質体が主成分となる。この形成されたシリカは、同じ籾がらを低温反応の燃焼法を使い、完全燃焼させるのに長い滞留時間をかけて焼成した灰中のシリカと比較して、結晶化度で同等以上の微細組織の反応性の高い物性を有している。

以下に、本発明において焼成を最適化するための燃焼法の概略と燃焼装置の概略について説明する。
〔焼成を最適化するための燃焼法の概略〕
本発明では、籾がらを主燃焼炉上部の一次燃焼域に装入し、一次燃焼空気を送って分解燃焼させた後、炭化した籾がら粒子をできるだけ層の上に分散させて供給する。
酸化雰囲気の炉内に供給された籾がらは、一次燃焼空気によって揮発分が直ちに加熱され、分解燃焼する。

分解燃焼して炭化した籾がら粒子（くん炭）は主燃焼炉下部の二次燃焼域の比較的層密度のある籾がら焼層の表面に落下堆積し、未燃部分を占める主成分の固定炭素は炉底表面の空気口群から吹き上げる一定量の流動化空気と炉側壁に中央方向に相対して配備した多段の空気口群から吹き込む設定量の多段化空気を機能させた多段流動層燃焼法によって表面燃焼させ、灰化まで正確に設定した作用温度域と反応時間をかけて完全燃焼させる。
焼成された灰は、炉底床の斜面に沿って、安定した連続燃焼を阻害する灰づまりなしに、排出端の灰ピットに移動する。
二次燃焼域の燃焼で発生する不完全燃焼ガスは、完全燃焼ガスと一緒に熱エネルギーを確保するため、補完燃焼域に誘引ファンによるエゼクター効果を使って吸引移動させ、炉側壁に配置した空気口から燃焼用空気を吹き込むことで完全燃焼させ、熱エネルギーを回収する。

〔焼成を最適化するための燃焼装置の概略〕
次に、本発明を実施する燃焼装置についてその概略を説明する。
本発明を実施する燃焼装置は、主燃焼炉と、該主燃焼炉で発生した生成ガスを完全燃焼させて熱エネルギーを回収・確保する補完装置とからなり、該主燃焼炉と補完装置は連通して構成されている。
主燃焼炉の炉前縁側壁面に設けられた装入口を通じて装入された籾がらは、燃焼過程を構成する該主燃焼炉の二つの燃焼域（一次及び二次燃焼域）で籾がらの揮発分の分解燃焼と固定炭素の表面燃焼が進行し、籾がらの完全燃焼による焼成に必要な融着点以下の設定温度域と必要な滞留時間を調整することにより、籾がらの低位発熱量３０００Ｋｃａｌ／ｋｇのほぼ全量を熱エネルギーとして確保することができる。

多段流動焙焼された灰は、微細構造を保持した活性シリカ多孔質体を主体とし、品質も均一で、結晶化度も低く、クリンカー粒を含まない。
次に、本発明を実施する燃焼装置の構造について、その一例の概略を図面を用いて説明する。
図１は本発明を実施する燃焼装置の一例の全体構造を示す図であり、図２は同図１のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。主燃焼装置本体１は多段流動層の形成に適した竪型角形で、炉前縁の側壁と対峙する二つの側壁から炉中央方向に向けて籾がら供給装置２と空気口５を備えており、炉頂部にはボイラーのような冷却用の熱エネルギー回収機器３を装着している。これらの装置部分を除き、炉本体の側壁、底床部は全て耐火レンガで内張りされている。また、炉底床は、焼成過程で中央部分を中心に多量に産出する灰分が、炉内に吹き込まれる空気口５からの空気に押されて補完燃焼域底部に設置した灰ピット４に向かう際に灰づまりを起こさないように、炉底床９表面に傾斜勾配と炉中心軸に沿って溝をつけている。また、図において、６は押込みファン、７は昇温着火用重油バーナー、８は灰排出コンベヤーである。

以下に、本発明において焼成を最適化するための燃焼法と燃焼装置について、さらに詳細に説明する。
〔焼成を最適化するための燃焼法の詳細な説明〕
下記の１）〜３）に本発明の燃焼法について詳細に説明する。
１）一次燃焼域（分解燃焼域）
サイロに収集され、導管を通じて籾がら供給装置２に送られた籾がらは、自動制御により主燃焼装置本体１の一次燃焼域（フリーボード；燃焼室内の流動層上方の空間）内に連続的に装入される。籾がらは、押込ファン６からの吹き込み空気及び下部籾がら焼層より排出する可燃ガスと混合し、着火後に局所高温域を作らないようにするため、出来る限り籾がら焼層の上に分散させて装入する。
一次燃焼域の炉側壁には、籾がら供給装置２の他に、炉初動時の昇温着火用重油バーナー７の取付口と空気供給量を調節するための空気口５が備えられている。

籾がらは、炉装入後一次燃焼域内の温度が３００℃以上の炉雰囲気の中で、籾がら粒子自身の温度は低くても、炉内から供給された熱によって、乾燥とその成分の約６０％を占める有機質の揮発分の熱分解が生じ、発生した分解生成ガスは燃焼して炭化する。
その分解燃焼過程は、セルロース、リグニン等の有機質分の熱分解によって発生する可燃性揮発分の燃焼反応速度（昇温速度）が速いため、雰囲気温度が急上昇する。
揮発分の燃焼反応速度が速いために起こる有害な副反応としての局所的過熱に起因する灰分のクリンカー化やタール分の凝結を抑制するため、下記のａ）〜ｃ）に示す三つの制御機能を具備させた。

ａ）主燃焼装置本体１の頂部に、分解燃焼ガスの保有する多量の顕熱を回収するため、ボイラー３（対流伝熱機器）と温度調節をするための収熱用伝熱管を配備した。
ｂ）一次燃焼域は二次燃焼域での多段流動層上部の炉空間（フリーボード）でもあり、流動層から飛び出す微小籾がら粒子は、分解燃焼する籾がら粒子と混合燃焼をさせて、飛散籾がら粒子（キャリオーバー）の発生を抑止するシステムとした。
ｃ）炉内雰囲気の設定温度（最大９００℃）の上下の変動を最小化するため、多段流動層燃焼で発生する不完全燃焼ガスは完全燃焼ガスと共に平衡通風方式による並行流のエゼクター効果を使って補完燃焼域に誘引し、完全燃焼させた上で、発生する熱エネルギーは確保されるようにした。

２）二次燃焼域（表面燃焼）
籾がらは、前過程の一次燃焼域でその有機分が分解燃焼し、炭化して主燃焼装置下部の二次燃焼域の籾がら焼層の上に分散して層状に落下堆積する。
これまで、通常の燃焼方法では、焼成に適した完全燃焼は困難視されていた籾がらなので、主燃焼装置の炉形式の技術開発には、籾がらの焼成条件に必要な未燃残留炭素量の完全燃焼と灰分中の微細構造の活性多孔質シリカの熱による性状変化をそれぞれ制御できる新たな燃焼システムの確立が不可欠である。

そのための焼成方法開発の試みとして、籾がらの流動層燃焼には欠かせない流動媒体は焼成する灰に不純物として混入するおそれがあるので、これを使わない多段流動層燃焼法の改善技術の開発に流動層に籾がらが完全燃焼するまで留められる向流接触機能をもったパイロットプラントを使って実験研究を実施し、その結果として、籾がらの微細構造の制御技術も可能にする炉形式の燃焼法が実用化できた。
この炉形式による多段流動層燃焼法では、装入された籾がら層に対して吹き込まれる燃焼用空気は、主燃焼装置の炉底床９表面に炉中心軸に沿ってその両側に配列された空気口５と、炉中心軸に向けて三つの炉側壁面に配列された空気口５を通じて、それぞれ空気供給量を調節し、炉内温度を自在に設定することが可能である。

炉底床９表面の空気口５から吹き上げられる流動化空気と、三つの炉側壁面の空気口５から籾がら層内に向かって吹き込まれる多段化空気を機能させて、層内の籾がら粒子は激しく攪拌され、動的懸垂の状態を保ちながら空気との均一混合物となり、この向流反応効果から形成される多段流動層燃焼法によって、設定した作用温度域と滞留時間を制御しながら、籾がらの安定した焼成と焙焼が可能となる。
籾がらの焼成に最適な多段流動層燃焼法のシステム開発に要求される主なパラメーターとしては、籾がら供給量、炉内圧、流動層温度（フリーボード、炉底、炉側壁）、吹込空気の速度、空気量、籾がら焼層の厚さ、層密度の分布、シリカの温度による形態変化、昇温速度等があり、その中から流動層温度を選び、灰分のシリカの形態変化と残留する炭素量のそれぞれの最少化が得られる焼成のための燃焼条件に必要なパラメーターを体系的にとらえ、シミュレーションを行って、流動媒体を使わない新たな多段流動層燃焼法が実用化できた。

籾がら焼層の中央部分を中心に派生する灰化した籾がらは、炉底床９表面の空気口５からの吹込空気によって冷却効果の受けながら、順次溝部分に沿って下部方向に移動し、補完燃焼域底部の灰ピット４に落下する。灰ピット４に堆積した灰は、灰排出コンベヤー８で定期的に炉外に排出される。
３）補完燃焼域
一次、二次燃焼域の炉系内を平衡通風の操作で多段流動層燃焼させる過程で、酸化・還元両作用により発生する可燃性ガスは、完全燃焼ガスと共に主燃焼装置に連通する補完燃焼装置内に誘引ファンによる通風のエゼクター効果で反転移動する。

補完燃焼域の炉側壁に配列された多段の空気口５から吹き込まれる空気により、流入してきた不完全燃焼ガスは完全燃焼される。
補完燃焼域で発生した高温の燃焼ガスは、ボイラー３、スーパーヒーター、エコノマイザー等の伝熱面に接触させながら流動させることで熱エネルギーに変換された後、さらに煙道設備の集塵機、誘引ファン、煙突を経て大気中に放出される。

以下に本発明の実施例を示す。
〔実施形態〕
下記１）〜４に本発明の実施形態を示す。
１）籾がら焚き蒸気タービン発電設備（熱エネルギーの確保）
出力 ４４５ＫＷＨ
ボイラー蒸発量 ５５００ｋｇ／Ｈ
蒸気圧力×温度 １５．５ｋｇ／ｃｍ² ×３２５℃
籾がら消費量 １７８０ｋｇ／Ｈ

２）籾がら灰の分析
採取した籾がら灰サンプルより、Ｃ、ＳｉＯ₂ 、残留発熱量を測定した。
籾がら灰分析値
ＳｉＯ₂ ９３．２０％
Ｃ １．８４％
残留発熱量 ３４４ｋｃａｌ（残留固定炭素）

３）発熱量のデータ
籾がらの発熱量の測定結果
高位発熱量 ３９３２Ｋｃａｌ／ｋｇ
低位発熱量 ３１６５Ｋｃａｌ／ｋｇ
含水率 １０．５％
灰分・残留物 ２０．５％

４）燃焼装置を使ってエネルギー変換できた熱量
Ｑ＝３１６５Ｋｃａｌ／ｋｇ−｛（２０．５×３４４）／１００｝
＝３０９４Ｋｃａｌ／ｋｇ
燃焼効率
ｎ＝（３０９４／３１６５）×１００＝９７．７６％

〔本発明の燃焼方式の特質について〕
１）炉内雰囲気の設定温度を変えた場合の燃焼比較実験
本燃焼機構のもつ籾がら焼層の多段流動化を使って籾がらと流体の向流反応を充分に付与することで籾がらと流体双方の加熱と冷却を精密に調節できるので、設定温度を変えて焼成する籾がらから得られる籾がら灰のもつ微細構造の制御技術を研究するため、以下の実験を行った。

シミュレーションの結果から、多段流動層燃焼の炉内雰囲気温度を６５０℃及び７５０℃に設定し、その±５０℃で二通りの燃焼実験を実施した。結果を表１に示す。
試験１ 設定温度：６５０℃±５０℃
試験２ 設定温度：７５０℃±５０℃
燃料炉内滞留時間：２０分
試験１、２から得られた籾がら灰は、それぞれ結晶粒の発達度合いに明確な差異が見られた。いずれの灰の微細組織も、少量の残留炭素を含む生の籾がらよりも多孔質の活性シリカ（ＳｉＯ₂ ）が主なものであり、焼成過程で発生する局所過熱がないので、焼結化に起因するクリンカー粒は含んでいない。

これらの焼成された微細構造の籾がら灰は、温度差によるＳｉＯ₂ の性状の変化でクリストバライト化に差異は出るものの、この温度域では微細構造を破壊することなしに、反応性と可溶性はクリストバライト岩（クリストバライトの多い岩石）よりも高く、結晶化度の低いシリカの多孔質体である。
２）他の燃焼方式との燃焼特性の違いについて
本燃焼方式と他の方式の燃焼特性を比較することを目的に、これまでに東南アジア諸国に導入され、今もって稼働しているマレーシアのベルギー製籾がら専焼発電設備から産出する籾がら灰の組成を分析し、本燃焼設備から産出する籾がら灰の組成の分析値との比較を行った。その結果を表２に示す。

表２より、両燃焼装置から産出する籾がら灰中の残留炭素量（未燃部分）について比較してみると、本燃焼方式の融着点以下の設定温度で完全燃焼させる制御技術が、他の方式（ストーカー方式、リアクター方式）に比べて、極めて精密に機能していることが分かる。
このように燃焼条件が及ぼす籾がら灰の形態の違いについて以下に考察する。
籾がらを焼成して得られる灰の化学成分値は、主として燃焼の作用温度域、昇温速度、滞留時間、空気量によって違ってくるが、完全燃焼した場合はＳｉＯ₂ が９０〜９８％まで焼成され、他に残留炭素１〜３％を含む結晶化度の低い高純度シリカが得られる。

一般に、籾がらの揮発分が分解燃焼する３００〜５００℃の間の作用温度域では、燃焼の局所的温度急上昇によって、灰分に発生する焼結現象から成分中のカリウムがシリカと反応し、過度の早期溶融が起こってクリンカーの粒状化が進み、さらに、６００℃以上の炭素の表面燃焼域では、次第に凝集して焼塊となり、通風を妨げ、未燃炭素を取り込むことにより安定的完全燃焼が持続できなくなる。
この現象が、籾がらのもつ固有のＳｉＯ₂ の骨格構造が完全燃焼を妨げる障害となり、燃料として活用しにくい欠点とされる。それ故、本燃焼方式以外の方式では、いずれも籾がらの燃焼特性を制御する技術を確立していないため、炉内の作用温度域で燃焼障害を起こし、継続燃焼ができなくなるので、未燃部分を残したまま炉外に排出せざるを得ず、完全燃焼はほぼ不可能となる。

継続燃焼を保持するため強制的に排出される未燃籾がら灰は、クリンカーの混在する結晶化の進んだ不均質な品質となる。成分は、ＳｉＯ₂ ：５０〜８０％、残留炭素：８〜３５％とばらつきが大きい。一般に、残留炭素量を減量するために焼成した籾がら灰のＳｉＯ₂ は結晶化が進んでクリンカー化していることが多い。
このことから、本燃焼方式以外の方式を使って、熱エネルギーの確保問題と併せて、その利用技術に結びつける価値ある籾がら灰を焼成することはできない。
因みに、最近タイ国で可動している都市ゴミと籾がらの混焼による発電設備から排出される灰に含まれる残留炭素量は７％以上で、本燃焼方式の結果には及ばない。本燃焼方式で産出する籾がら灰と他の燃焼方式で排出される籾がら灰とは、クリンカー化と籾がらのもつ微細構造の有無による結晶化の進み具合から、明らかに区別することができる。

〔本燃焼方式で産出する多孔質活性シリカを含む籾がら灰の利用について〕
本燃焼方式で焼成された籾がら灰に含まれる微細組織の多孔質活性シリカは、クリストバライト岩（クリストバライトの多い岩石）と比べてＳｉＯ₂ の純度が高い。籾がら灰に含まれる多孔質活性シリカは、その特性を利用技術に結びつける新素材として、以下のような工業利用の分野が考えられる。
・微生物担体（微生物の付着性に優れている。）
・活性汚泥添加材（消化促進、バルキング解消、処理能力の向上が図れる。）
・ガス吸着能（アンモニアガス、水中、蛋白質に強い吸着能を保有している。）
・脱臭剤
・ケイ酸系肥料原料
・農薬担体（農業、食品加工、環境浄化用材料として使用可能である。）
・その他

上記のような工業用途に流通しているクリストバライト岩シリカゲル等に比較して、開発された微細構造を持つ有機性の多孔質活性シリカの優位性としては、以下のようなことを挙げることができる。
・ＳｉＯ₂ の含有量が高い。
・可溶性と反応性が高く、結晶化度が低い。
・不純物の塩基性酸化物群（Ｆｅ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＣａＯ等）の含有量が低い。

図１は、本発明を実施する籾がら燃焼装置の全体を示す図である。 図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。

符号の説明

図において、
１：主燃焼装置本体
２：籾がら供給装置
３：熱エネルギー回収機器
４：灰ピット
５：空気口
６：押込みファン
７：昇温着火用重油バーナー
８：灰排出コンベヤー
９：炉底床

Claims (1)

1. 籾がらを、その融着点以下の４００〜８００℃の炉内温度に設定し、かつ炉雰囲気を酸化雰囲気に調整しながら、連続的に完全燃焼するように構成した一次燃焼域及び二次燃焼域からなる焼成炉の前記一次燃焼域に連続的に装入し、該一次燃焼域で加熱燃焼させて炭化した籾がらを、一次燃焼域の下部に位置する二次燃焼域の炉底床上に既に積層されている多段流動層の表面に重畳させるように供給し、一次燃焼域で時系列的に炭化した籾がらを、表面燃焼させるため、二次燃焼域の炉底床から吹き込む流動化空気に、焼成炉の炉前縁壁面に相対する炉側壁面に設置した多段空気口から横吹き空気を吹き込むことで、積層内に生ずる空気と籾がら粒子の向流接触反応を高めて、積層した籾がらを攪拌し、かくして形成された複数段の流動層からなる多段流動層を、籾がら焼層中のすべての籾がら粒子を完全燃焼するのに必要な時間以上に、ほぼ同じ時間、層内に滞留させて灰化し、かくして結晶化度の低い可溶性で反応性の高い活性シリカの多孔質体を主成分とする籾がら灰を得ることを特徴とする籾がらの多段流動層燃焼法。
   

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