JP2008215765A - 外燃機関の燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用の外燃機関の燃料にバイオマスを使用する場合であっても、その外燃機関のヒーターチューブの表面にバイオマスの燃焼灰が付着することを防止、もしくはその付着量を低減させることができる外燃機関の燃焼方法を提供することを課題とする。
【解決手段】バイオマスを燃料とした外燃機関の燃焼方法であって、前記バイオマスを燃焼させる１次燃焼工程と、前記１次燃焼工程後の燃焼ガスを集塵処理する集塵工程と、前記集塵工程後の燃焼ガスをさらに燃焼させる２次燃焼工程とを備え、前記バイオマスは、前記１次燃焼工程後の燃焼ガスの温度が５００℃〜１０００℃となるよう燃焼される。
【選択図】図１

Description

本発明は、外燃機関の燃焼方法に関し、詳しくは、バイオマスを燃料とする外燃機関の燃焼方法に関する。

従来より、外燃機関（例えば、スターリングエンジン）の燃料として、バイオマスを使用する技術が既に知られている。このバイオマスとは、例えば、木材、籾殻、稲わら等を１ｍｍ以下となるように粉砕したものである。もしくは、３ｍｍ以下となるように粉砕したもので、そのうち１ｍｍ以下となるように粉砕したものが５０％以上存在するものである。バイオマスの発生源は山間地域が多く、また、その輸送には多くの費用が必要とるため、バイオマスを燃料とする外燃機関は、山間地域の小規模な製材所や温泉施設の発電設備として最適であった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００１−２４０８７７号公報

しかしながら、上述したバイオマスには灰分（例えば、ミネラル、不燃物、重金属）が含まれているため、バイオマスを燃焼させた燃焼ガスによって外燃機関のシリンダ内部と連通したヒーターチューブ内の熱伝達媒体（例えば、ヘリウム、水素、空気等）を加熱する際、ヒーターチューブの表面にバイオマスの燃焼灰が付着することがあった。これにより、加熱する際の熱交換効率が低下することがあった。そのため、付着した燃焼灰を定期的に除去しなければならないため、外燃機関を長期間継続運転させることは困難であった。もちろん、付着した燃焼灰によって熱交換効率が低下しないよう、ヒーターチューブの表面積を広くすることが考えられた。しかし、その場合、ヒーターチューブの改造によってコスト高になると共に、この改造によってヒーターチューブが大型化になり多くの占有スペースが必要となっていた。なお、この燃焼灰は、バイオマスに多く含まれるカリウム成分に起因することが知られている。

本発明は、このような課題を解決しようとするもので、その目的は、汎用の外燃機関の燃料にバイオマスを使用する場合であっても、その外燃機関のヒーターチューブの表面にバイオマスの燃焼灰が付着することを防止、もしくはその付着量を低減させることができる外燃機関の燃焼方法を提供することである。

本発明は、上記の目的を達成するためのものであって、以下のように構成されている。
請求項１に記載の発明は、バイオマスを燃料とした外燃機関の燃焼方法であって、前記バイオマスを燃焼させる１次燃焼工程と、前記１次燃焼工程後の燃焼ガスを集塵処理する集塵工程と、前記集塵工程後の燃焼ガスをさらに燃焼させる２次燃焼工程とを備え、前記バイオマスは、前記１次燃焼工程後の燃焼ガスの温度が５００℃〜１０００℃となるよう燃焼される構成である。
この構成によれば、外燃機関の熱伝達媒体（例えば、ヘリウム、水素、空気等）と熱交換させる燃焼ガスは、一旦、集塵された後の燃焼ガスとなっている。これにより、汎用の外燃機関の燃料にバイオマスを使用する場合であっても、その外燃機関のヒーターチューブの表面にバイオマスの燃焼灰が付着することを防止、もしくはその付着量を低減させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の外燃機関の燃焼方法であって、前記２次燃焼工程後の燃焼ガスの温度は、前記１次燃焼工程後の燃焼ガスの温度より高くなるように設定された構成である。
この構成によれば、１次燃焼工程から送られる燃焼ガスに未燃分が含まれる場合であっても、その未燃分は２次燃焼工程によって完全燃焼されることになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１〜２のいずれか１項に記載の外燃機関の燃焼方法であって、前記バイオマスには、カリウムなどのアルカリ金属を含む化合物が含まれた構成である。
この構成によれば、燃料であるバイオマスにカリウム化合物が含まれている場合でも、集塵工程によってカリウム成分が除去されることになる。これにより、外燃機関の熱伝達媒体と熱交換させる燃焼ガスにカリウム成分が含まれることがないため、カリウム成分が起因する燃焼灰によるトラブルを防止することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の外燃機関の燃焼方法であって、大気と前記２次燃焼工程後の燃焼ガスとを熱交換させた空気を前記１次燃焼工程および前記２次燃焼工程の燃焼用空気とする構成である。
この構成によれば、燃焼空気として加熱した空気を使用することができるため、各燃焼工程での燃焼効率を向上させることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の外燃機関の燃焼方法であって、大気と前記２次燃焼工程後の燃焼ガスとを熱交換させた空気を前記集塵工程における燃焼ガスおよび前記１次燃焼工程後の燃焼ガスと熱交換させた後に前記２次燃焼工程の燃焼用空気とする構成である。
この構成によれば、請求項４の構成と比較した場合、２次燃焼空気としてさらに加熱した空気を使用できるため、２次燃焼工程での燃焼効率をさらに向上させることができる。したがって、外燃機関の発電効率を向上させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の外燃機関の燃焼方法であって、前記１次燃焼工程、前記集塵工程および前記２次燃焼工程は、閉塞された同一空間内で実施される構成である。
この構成によれば、遮蔽することで放散熱量が低減されるため、２次燃焼工程後のガス温度を上昇させることができる。したがって、外燃機関の発電効率を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて説明する。
（実施例１）
はじめに、図１〜３を参照して実施例１を説明する。図１は、本発明の外燃機関の燃焼方法を適用させたコージェネレーションシステムの一実施形態を表すシステム構成図である。図２は、バーナー２４の空気比と燃焼温度との関係を示す図である。図３は、バイオマスに含まれるカリウムの温度に対する凝縮、気化特性を示す図である。

まず、図１を参照してコージェネレーションシステムの構成を説明する。１０は、バイオマスを貯蔵するホッパーである。１２は、ホッパー１０の下端からバイオマス＜Ａ＞を抽出する回転フィーダである。１４は、押込通風機である。１６は、押込通風機１４が取り込んだ大気＜Ｂ＞をバーナー２４へ送り込む配管である。この配管１６の途中部位は、回転フィーダ１２の下流側が接続されている。この押込通風機１４によって、バイオマス＜Ａ＞をバーナー２４へ圧送することができる。

１８は、重油タンクである。２０は、重油タンク１８とバーナー２４とを接続する配管である。この配管２０の途中部位には、重油タンク１８内の重油＜Ｃ＞をバーナー２４へ送り込む搬送ポンプ２２が設けられている。２６は、配管１６によって送り込まれたバイオマス＜Ａ＞および配管２０によって送り込まれた重油＜Ｃ＞を燃焼させる燃焼炉である。２８は、集塵装置（例えば、サイクロン）である。３０は、燃焼炉２６の下流側と集塵装置２８の上流側とを接続するダクトである。このダクト３０の途中部位には、内部温度を測定可能な温度計３２が設けられている。

３４は、燃焼炉２６で完全燃焼できなかった未燃分を燃焼させる再燃焼装置である。３６は、集塵装置２８の下流側と再燃焼装置３４とを接続するダクトである。なお、燃焼炉２６から排出される燃焼ガス＜Ｄ＞は、集塵装置２８によってガス分と灰分とに分離され、ガス分は後述するダクト３６へ送られ、灰分はダスト＜Ｅ＞として排出される。

３８は、汎用のスターリングエンジンである。４０は、スターリングエンジン３８のヒーターチューブである。このヒーターチューブ４０の内部はスターリングエンジン３８のシリンダ（図示しない）の内部と連通状態であり、これら内部には熱伝達媒体（例えば、ヘリウム、水素、空気等）が充填されている。４２は、再燃焼装置３４の下流側に設けられた高温ダクトである。そして、再燃焼装置３４から排出される高温ガス＜Ｇ＞によってヒーターチューブ４０内の熱伝達媒体は加熱される。

４４は、空気予熱機である。４６は、高温ダクト４２の下流側と空気予熱機４４の上流側とを接続するダクトである。このダクト４６によって、再燃焼装置３４から排出された高温ガス＜Ｈ＞は空気予熱機４４へ送られる。４８は、排熱ボイラである。５０は、空気予熱機４４の下流側と排熱ボイラ４８の上流側とを接続するダクトである。このダクト５０によって、空気予熱機４４から排出された中温ガス＜Ｉ＞は排熱ボイラ４８へ送られる。５２は、煙突である。５４は、排熱ボイラ４８の下流側と煙突５２の入口側とを接続するダクトである。このダクト５４によって、排熱ボイラ４８から排出された低温ガス＜Ｊ＞は煙突５２へ送られる。５６は、押込通風機である。５８は、押込通風機５６が取り込んだ大気＜Ｋ＞を空気予熱機４４へ送り込む配管である。

６０は、配管であり、その途中部位は、バーナー２４と接続する配管６０ａ、燃焼炉２６と接続する配管６０ｂ、再燃焼装置３４と接続する配管６０ｃとに３分岐されている。また、これら各分岐配管６０ａ、６０ｂ、６０ｃの途中部位には、それぞれダンパ６２ａ、６２ｂ、６２ｃが設けられている。この押込通風機５６によって、燃焼に必要な空気をバーナー２４、燃焼炉２６、再燃焼装置３４へ供給することができる。

なお、上記した回転フィーダ１２、押込通風機１４、搬送ポンプ２２、バーナー２４、押込通風機５６および各ダンパ６２ａ、６２ｂ、６２ｃは、予め設定のプログラムによって所望するタイミングで運転または停止するよう制御装置（図示しない）によって制御されている。また、制御装置によって回転フィーダ１２、押込通風機１４の回転数制御も可能であり、この回転数制御によってバイオマス＜Ａ＞、大気＜Ｂ＞を所望する比率および所望する量だけバーナー２４へ圧送することができる。

また、同様に、制御装置によって押込通風機５６、各ダンパ６２ａ、６２ｂ、６２ｃの回転数制御、開度制御も可能であり、これら回転数制御、開度制御によって大気＜Ｋ＞、を所望する量だけ、すなわち燃焼に必要となる空気の量だけ、バーナー２４、燃焼炉２６、再燃焼装置３４へ供給することができる。なお、温度計３２で測定された温度値は制御装置に送られている。

続いて、上記構成からなるコージェネレーションシステムの動作について説明する。
まず、押込通風機５６を運転させて、燃焼空気である大気＜Ｋ＞をバーナー２４、燃焼炉２６、再燃焼装置３４へ供給する。その後、重油タンク１８から重油＜Ｃ＞をバーナー２４へ送り込み、バーナー２４と燃焼炉２６によって重油を燃焼させる。このとき、温度計３２の測定温度が、５００℃を越えるまで重油を燃焼させる。

やがて５００℃を越えると、回転フィーダ１２と押込通風機１４とを運転させてバイオマス＜Ａ＞をバーナー２４へ送り込み、バーナー２４と燃焼炉２６によってバイオマスを燃焼させる。このことが特許請求の範囲に記載の「バイオマスを燃焼させる１次燃焼工程」に相当する。このとき、温度計３２の測定温度が、５００℃〜１０００℃の範囲内となるようにバイオマス＜Ａ＞の圧送量を増やすと共に、重油＜Ｃ＞の送り込み量を減らしていき、バイオマス＜Ｂ＞のみを燃焼させる。

なお、バーナー２４の空気比と燃焼温度とには、一般的に、図２に示す関係が成立している。そのため、バイオマス＜Ｂ＞のみを燃焼させたときに温度計３２の測定温度が低い場合（５００℃を下回る場合）、バーナー２４の燃焼温度を高くすればよい。すなわち、バーナー２４の空気比を増加させるよう押込通風機５６からの大気＜Ｋ＞の供給量を多くすればよい。逆に、バイオマス＜Ｂ＞のみを燃焼させたときに温度計３２の測定温度が高い場合（１０００℃を上回る場合）、バーナー２４の燃焼温度を低くすればよい。すなわち、バーナー２４の空気比を減少させるよう押込通風機５６からの大気＜Ｋ＞の供給量を少なくすればよい。このように、燃焼空気の量を制御することで、温度計３２の測定温度が５００℃〜１０００℃の範囲内となるようバーナー２４での燃焼は制御されている。

燃焼炉２６によって燃焼された燃焼ガス＜Ｄ＞は、ダクト３０を介して集塵装置２８へ送られる。このことが特許請求の範囲に記載の「１次燃焼工程後の燃焼ガスを集塵処理する集塵工程」に相当する。このとき、集塵装置２８へ送られる燃焼ガス＜Ｄ＞は、上記した制御によって１０００℃以下である。そのため、図３からも明らかなように、この燃焼ガス＜Ｄ＞に含まれるカリウム成分は、凝縮が完了もしくは略完了した状態となっている。これにより、このカリウム成分は、集塵装置２８によって、灰分に分離されることになる。したがって、ダクト３６へ送られる燃焼ガス＜Ｆ＞には、カリウム成分は含まれることがない。

そして、燃焼ガス＜Ｆ＞は、再燃焼装置３４へ送られて再燃焼される。このことが特許請求の範囲に記載の「集塵工程後の燃焼ガスをさらに燃焼させる２次燃焼工程」に相当する。このとき、再燃焼装置３４では、上記したバーナー２４のように温度制御はされることがないため、再燃焼装置３４から排出される燃焼ガス＜Ｇ＞の温度は、温度計３２で測定される温度より高くなる。すなわち、再燃焼装置３４から排出される燃焼ガス＜Ｇ＞の温度は１０００℃以上となっている。そのため、ダクト３６から送られる燃焼ガス＜Ｆ＞に未燃分が含まれる場合であっても、その未燃分は再燃焼装置３４によって完全燃焼されることになる。このように再燃焼装置３４は温度制御されていないが、スターリングエンジン３８が所望する出力となるよう、スターリングエンジン３８から出力制御されていることは言うまでもない。

そして、再燃焼装置３４から排出される高温ガス＜Ｇ＞によってスターリングエンジン３８内の熱伝達媒体は暖められるため、スターリングエンジン３８は発電することができる。高温ダクト４２から排出される高温ガス＜Ｈ＞は、空気予熱機４４によって押込通風機５６からの大気＜Ｋ＞と熱交換される。これにより、大気＜Ｋ＞は暖められ加熱空気＜Ｌ＞となってバーナー２４、燃焼炉２６、再燃焼装置３４へ供給される。このように、燃焼空気として加熱した空気を使用することができるため、バーナー２４、燃焼炉２６、再燃焼装置３４での燃焼効率を向上させることができる。

空気予熱機４４によって大気＜Ｋ＞と熱交換された高温ガス＜Ｈ＞は中温ガス＜Ｉ＞となって排熱ボイラ４８へ送られる。排熱ボイラ４８へ送られた中温ガス＜Ｉ＞は、熱回収された後に低温ガス＜Ｊ＞となって煙突５２から排出される。この排熱ボイラ４８による熱回収とは、例えば、中温ガス＜Ｉ＞と水（図示しない）とを熱交換させて、水を温水にするものである。

上述した構成によれば、スターリングエンジン３８のヒーターチューブ４０内の熱伝達媒体と熱交換させる燃焼ガスは、一旦、集塵された後の燃焼ガスとなっている。これにより、汎用のスターリングエンジン３８の燃料にバイオマスを使用する場合であっても、そのスターリングエンジン３８のヒーターチューブ４０の表面にバイオマスの燃焼灰が付着することを防止、もしくはその付着量を低減させることができる。

また、燃料であるバイオマスにカリウムなどのアルカリ金属を含む化合物が含まれている場合でも、集塵装置２８によってカリウム成分が除去されることになる。これにより、スターリングエンジン３８のヒーターチューブ４０内の熱伝達媒体と熱交換させる燃焼ガスにカリウム成分が含まれることがないため、カリウム成分が起因する燃焼灰によるトラブルを防止することができる。

（実施例２）
つづいて、図４を参照して実施例２を説明する。図４は、実施例２におけるシステム構成図である。この実施例２は、既に説明した実施例１と比較すると、空気予熱機４４から再燃焼装置３４へ供給される加熱空気＜Ｌ＞を、さらに加熱させてから再燃焼装置３４へ供給する実施形態である。そのため、以下の説明にあたっては、実施例１と同一もしくは均等な構成の部材には、図面において同一符号を付すことで重複する説明は省略する。このことは、後述する実施例３においても同様である。

図４に示すように、集塵装置２８は熱交換器６４で覆われている。また、ダクト３０の途中部位には、空気予熱機６６が設けられている。そして、配管６０から分岐された配管６０ｃは、熱交換機６４の上流側と接続されている。６８は、熱交換器６４の下流側と空気予熱機６６の上流側とを接続する配管である。７０は、空気予熱機６６の下流側と空気再燃焼装置３４とを接続する配管である。この配管７０の途中部位には、ダンパ６２ｃが設けられている。

上記した構成によれば、熱交換機６４によってダクト３０から送られる燃焼ガス＜Ｄ２＞と空気予熱機４４から排出された加熱空気＜Ｌ＞が熱交換されることになる。これにより、集塵装置２８内の燃焼ガス温度が低下するため、耐熱度合いを低減させた素材を集塵装置２８に使用することができる。このとき、加熱空気＜Ｌ＞は、この熱交換によってさらに加熱された加熱空気＜Ｍ＞となり配管６８を介して空気予熱機６６へ送られる。

そして、空気予熱機６６によって配管６８から送られる加熱空気＜Ｍ＞とダクト３０から送られる燃焼ガス＜Ｄ１＞が熱交換されることになる。これにより、加熱空気＜Ｍ＞は、この熱交換によってさらに加熱された加熱空気＜Ｎ＞となり配管７０を介して再燃焼装置３４へ送られる。そのため、再燃焼装置３４へ供給される加熱空気＜Ｎ＞は、実施例１の加熱空気＜Ｌ＞と比較した場合、温度が高い状態である。したがって、再燃焼装置３４の出口側である高温ダクト４２内の高温ガス＜Ｈ＞の温度が上昇してスターリングエンジン３８の発電効率を向上させることができる。

（実施例３）
次に、実施例３を説明する。この実施例３は、既に説明した実施例１と比較すると、燃焼炉２６、集塵装置２８、再燃焼装置３４を閉塞された同一空間内に設けた構成である。すなわち、燃焼炉２６、集塵装置２８、再燃焼装置３４の外方を遮蔽壁で覆った構成である。これにより、遮蔽壁からの放散熱量が低減されるため、高温ダクト４２内の高温ガス＜Ｈ＞の温度が上昇する。したがって、スターリングエンジン３８の発電効率を向上させることができる。

上述した内容は、あくまでも本発明の一実施の形態に関するものであって、本発明が上記内容に限定されることを意味するものではない。
実施例では、バイオマスの補助燃料の例として重油を説明した。しかし、しかし、これに限定されるものでなく、補助燃料はガスであっても構わない。

図１は、本発明の外燃機関の燃焼方法を適用させたコージェネレーションシステムの一実施形態を表すシステム構成図である（実施例１）。 図２は、バーナー２４の空気比と燃焼温度との関係を示す図である。 図３は、バイオマスに含まれるカリウムの温度に対する凝縮、気化特性を示す図である。 図４は、実施例２におけるシステム構成図である。

符号の説明

２４ バーナー
２６ 燃焼炉
２８ 集塵装置
３４ 再燃焼装置

Claims (6)

1. バイオマスを燃料とした外燃機関の燃焼方法であって、
   前記バイオマスを燃焼させる１次燃焼工程と、
   前記１次燃焼工程後の燃焼ガスを集塵処理する集塵工程と、
   前記集塵工程後の燃焼ガスをさらに燃焼させる２次燃焼工程とを備え、
   前記バイオマスは、前記１次燃焼工程後の燃焼ガスの温度が５００℃〜１０００℃となるよう燃焼される外燃機関の燃焼方法。
2. 請求項１に記載の外燃機関の燃焼方法であって、
   前記２次燃焼工程後の燃焼ガスの温度は、前記１次燃焼工程後の燃焼ガスの温度より高くなるように設定されている外燃機関の燃焼方法。
3. 請求項１〜２のいずれか１項に記載の外燃機関の燃焼方法であって、
   前記バイオマスには、カリウムなどのアルカリ金属を含む化合物が含まれている外燃機関の燃焼方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の外燃機関の燃焼方法であって、
   大気と前記２次燃焼工程後の燃焼ガスとを熱交換させた空気を前記１次燃焼工程および前記２次燃焼工程の燃焼用空気とする外燃機関の燃焼方法。
5. 請求項４に記載の外燃機関の燃焼方法であって、
   大気と前記２次燃焼工程後の燃焼ガスとを熱交換させた空気を前記集塵工程における燃焼ガスおよび前記１次燃焼工程後の燃焼ガスと熱交換させた後に前記２次燃焼工程の燃焼用空気とする外燃機関の燃焼方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の外燃機関の燃焼方法であって、
   前記１次燃焼工程、前記集塵工程および前記２次燃焼工程は、閉塞された同一空間内で実施される外燃機関の燃焼方法。
   
   
   

Images