JP2010243096A - 木材その他のバイオマス素材を燃料とする低コスト暖房・給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】木材などを熱源とする暖房・給湯システムにおいて、第１に、単位熱量当たりのコストを石油系の燃料に比較して格段に低廉化する、第２に無人自動化燃焼が容易である、第３に木材のペレット化が不要で、例えば家庭の庭木や街路樹その他の身近に発生する伐採小枝、落ち葉などもチップ化するのみでほぼそのまま燃料として使用でき、かつ必ず発生する灰などをも肥料として資源化できる技術を提供する。
【解決手段】次の工程を有するバイオマス素材を燃料とする低コスト暖房・給湯システムを実現して上記課題を解決する。
（イ）バイオマス素材をチップ化する工程、（ロ）前記チップを加熱して除水する工程、（ハ）前記チップを自動燃焼させて暖房、給湯をなす工程、（ニ）チップの燃焼により生じた燃焼残渣を回収する工程、（ホ）回収された燃焼残渣を灰とその他に分離する工程、（へ）灰を主原料とする肥料を製造する工程。
実現して上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、得られる熱エネルギーコストが極めて低廉な暖房・給湯システムに関し、詳しくは、再生可能資源すなわち、チップ化された木材その他のバイオマス素材の低コスト乾燥、高燃焼効率、燃焼灰の適正利用などにより化石燃料の使用に比較しても、はるかに低廉なコストで熱エネルギーを得られる暖房・給湯システムに関するものである。

木材その他のバイオマス素材に係る燃料が日本の社会からその実用的地位を失ったのは安くて便利な石油や石炭等の化石燃料による利便性の高い暖房機や給湯器や炊飯調理器具が普及したためである。
しかしながらそれら化石燃料消費に件う多量の炭酸ガス排出が地球環境の破壊を招きつつある現在、早急に再生可能なバイオマス燃料の活用とそれによる化石燃料の消費削減がさけばれている。ましてや日本は国土の７５％が森林で覆われていてその持続可能な再生産木材資源の活用は早晩の急務である。

とはいえ、バイオマス燃料の熱量あたりのコストは、化石燃料に比較して決して安価とはいえない。 その理由は、雑木、間伐材等の産地における価格が安くても、含水率の高いこれら原料の消費地への搬送は水を運ぶようなもので単位熱量あたりの搬送コストは、灯油などに比べて極めて高くならざるを得ない。

また、燃料としての使用は、自動化が進み操作性に優れた灯油、重油などの液体燃料に比べて、燃焼装置の操作性、保守管理などが煩雑であり手間、暇がかかり、誰でも、どこでも簡単にバイオマス燃料を使用することができない。
したがって、日本の現代社会においては、バイオマス燃料の原料がいかに安価でも、いったん、これを燃料として使用するとなると得られる熱量あたりのトータルコストは高くなり、現実的にその使用は困難である。 さらには、コストの問題に加えて、近代の日本の住宅事情もそれを許す状態ではなく、狭くゆとりが全く無くバイオマス燃料を利用する条件が整っていないのが実情である。

したがって、以上述べた課題が解決されれば、一般的な住宅はいうに及ばずハウス農業用や工場、学校、病院等において、バイオマス燃料の利用における潜在的な需要は高いということができる。

すなわち、バイオマス燃料の利用において、便利さ、安全性、低廉なコストが実現されれば、バイオマス燃料は広く利用され、このことは森林資源等の活用と地球環境の維持保全に資するとことが大きいことは明らかであり、化石燃料資源の乏しいわが国のエネルギー政策にも大きな影響を与えることになろう。

特開２００７−２８５６６０ 特開２００７−１７０７３０ 特開２００７−１３２５８８ 特開２００４−１９１０１０ 特開２００４−０７７０６０

バイオマス素材、特に木材を有効に活用する試みは、欧州諸国で盛んでありこれに係る技術内容は実用的で経済性も或る程度の域に達していて、中でも木材をペレットに加工して燃料用に活用する技術は、その燃焼装置まで含めて既に成熟領域にあるとも言い得る。
しかしながら、木材をペレットに加工するには相当のコストを必要とし、トータルコストは石油系燃料を使用するのに比して格段に低廉とはいい難く、石油系燃料に替って広く普及する条件に欠けている。

本願発明の目的は、第１に、単位熱量当たりのコストを石油系の燃料に比較して格段に低廉化する、第２に無人自動化燃焼が容易である、第３に原料のペレット化が不要で、例えば家庭の庭木や街路樹その他の身近に発生する伐採小枝、落ち葉などもチップ化するのみでほぼそのまま燃料として使用でき、かつ必ず発生する灰などをも肥料として資源化できる技術の提供にある。

本願発明は、以下の工程を具備する木材その他のバイオマス素材を燃料とする低コスト暖房・給湯システムを提供して、上記従来の課題を解決しようとするものである。
（イ）バイオマス素材をチップ化する工程、
（ロ）前記チップを加熱して除水する工程
（ハ）バイオマス素材の前記チップを自動燃焼させて得られる熱エネルギーにより暖房、給湯をなす工程、
（ニ）チップの燃焼により生じた燃焼残渣を回収する工程、
（ホ）回収された燃焼残渣を灰とその他に分離する工程、
（へ）灰を主原料とする肥料を製造する工程。

また、上記の低コスト暖房・給湯システムにおいて、前記工程（ロ）は、加熱された粒状の熱伝導媒体をチップに接触させることにより水分を蒸発させる構成となすことがある。

さらに、上記いずれかの低コスト暖房・給湯システムにおいて、前記工程（ハ）は以下の構成を有する暖房・給湯装置において前記チップを燃焼させて構成することがある。
(a) 下部にチップを第１次燃焼空気により焚き付け燃焼させる第１燃焼室を有する本体部、
(b) 前記第１燃焼室の上部に設けられる第２燃焼室、
(c) 前記第１燃焼室へのチップ自動供給手段、
(d) 前記第１燃焼室における燃焼により空気を加熱して第２燃焼室の下部に供給する第２次燃焼空気供給手段、
(e) 前記第１燃焼室における燃焼により空気を加熱して第２燃焼室の上部に供給する第３次燃焼空気供給手段、
(f) 前記第２燃焼室の上部に設けられた貯留水加熱部、
(g) 前記第２燃焼室において発生し、前記本体部、前記貯留水加熱部、第２次および第３次燃焼空気と熱交換した燃焼ガスの強制排気手段、
(h) 前記第１次燃焼空気の供給量、チップ自動供給手段によるチップ供給動作に係る制御手段。

さらにまた、上記いずれかの低コスト暖房・給湯システムにおいて、前記工程（ニ）、
（ホ）は以下の構成を有する燃焼残渣回収・分離装置の動作により構成することがある。
(a) バイオマス素材の前記チップの燃焼残渣を空気流とともに排出する吸引手段、
(b) 燃焼残渣を含む空気流を渦巻き状に加速して空気と燃焼残渣に分離する燃焼残渣回収手段。

また、上記いずれかの低コスト暖房・給湯システムにおいて、前記工程（へ）は以下の工程から構成することがある。
(a) 前記工程（ホ）で得られた灰に粘土、水、有機物を混合する工程、
(b) 前工程で得られた混合物を粒状に形成してこれらを乾燥する工程。

本願発明は、上記構成により種々のバイオマス素材の燃焼により、石油系燃料を使用する場合に比較して単位熱量当たりのコストを格段に低廉なものにでき、無人自動化燃焼が容易で、かつ木材原料などのペレット化が不要で、例えば家庭の庭木や街路樹その他の身近に発生する伐採小枝、落ち葉などもチップ化するのみでほぼそのまま燃料として使用できるうえ、必ず発生する灰などをも肥料として再資源化できるという効果を奏する。

本願発明に係る低コスト暖房・給湯システムの１実施例を示す流れ図である。 木材などのチップの加熱・除水工程に使用する乾燥・除水装置の１実施例を示す概略構成図である。 木材などのチップの自動燃焼による暖房・給湯装置の１実施例を示す概略構成図である。 燃焼残渣回収・分離装置の１実施例を示す構成外略図である。

木材その他のバイオマス素材は、従来の周知技術でチップ化する。 生木材が原料の場合、チップの含水率は１２０−１５０％に達しており、このままの状態で、消費地まで搬送すると輸送費は熱量コストの３０％に達することがあり、したがって、チップ現場で除水を行い、好ましくは含水率を１０％程度に低減する。

チップの除水・乾燥は、加熱された粒状の熱伝導媒体をチップに接触させることによりなすと効率的であり、ここで熱伝導媒体として、細かい砂又はシェルサンドと呼ばれる珊瑚砂を用いる。 チップ生産とその乾燥は、林業地で行われるから熱伝導媒体の加熱は、林業地で容易に入手できる各種木片、伐採に伴う小枝片、落ち葉など従来は処理に困っていたものを燃して行えば含水率１０％程度の木材チップを低コストで生産できるうえ、減容積、軽量化がなされるので輸送費も低減できる。

前記チップの燃焼は、以下の構成を有する装置により、安全、清潔でしかも自動的に運転がなされる。
(a) 下部にチップを第１次燃焼空気により焚き付け燃焼させる第１燃焼室を有する本体部、
(b) 前記第１燃焼室の上部に設けられる第２燃焼室、
(c) 前記第１燃焼室へのチップ自動供給手段、
(d) 前記第１燃焼室における燃焼により空気を加熱して第２燃焼室の下部に供給する第２次燃焼空気供給手段、
(e) 前記第１燃焼室における燃焼により空気を加熱して第２燃焼室の上部に供給する第３次燃焼空気供給手段、
(f) 前記第２燃焼室の上部に設けられた貯留水加熱部、
(g) 前記第２燃焼室において発生し、前記本体部、前記貯留水加熱部、第２次および第３次燃焼空気と熱交換した燃焼ガスの強制排気手段、
(h) 前記第１次燃焼空気の供給量、チップ自動供給手段によるチップ供給動作に係る制御手段。

また、チップの燃焼により発生する灰などは、以下の構成を有する燃焼残渣回収・分離装置によりなす。
(a) バイオマス素材の前記チップの燃焼残渣を空気流とともに排出する吸引手段、
(b) 燃焼残渣を含む空気流を渦巻き状に吸引加速して空気と燃焼残渣に分離する燃焼残渣回収手段、

また、回収した灰の再資源化は、以下の工程で得られる生産物を肥料として活用することにより実現する。
(a) 前記工程（ホ）で得られた灰に粘土、水、有機物を混合する工程、
(b) 前工程で得られた混合物を粒状に形成してこれらを乾燥する工程。

図面に基づいて、本願発明の一実施例を説明する。
図1は、低コスト暖房・給湯システムの１実施例を示す流れ図であり、工程１において木材その他のバイオマス資源（素材）が、周知の技術により適宜の形状、大きさを有するチップに加工される。この工程は、実際には木材資源など得られ易い林業地近傍でなされることになる。 得られた木材チップは、生木を原料とした場合、含水率は１２０−１５０％に達しており、このままの状態での需要地まで搬送すると水分の搬送に輸送コストが喰われてしまい、輸送費は熱量コストの３０％にも達することがあり、このような無駄なコストを放置すると、バイオマス燃料は到底石油系燃料にコスト面で太刀打ちできない。
したがって、工程２によりチップの製造現場で除水を行い無駄な輸送コストを削減する必要がある。 チップの含水率を１０％程度まで低減すると単位熱量あたりの輸送コストが急激にダウンする。

該実施例で、工程２は後述する乾燥・除水装置により行われている。工程２において乾燥・除水された木材チップは、通常は、チップ生産地からはなれた需要地に搬送されて工程３を経ることになり、この実施例では工程３は後述の木材などのチップの自動燃焼による暖房・給湯装置により行われている。

木材チップを燃焼させれば、灯油などの液体燃料とは異なり、かならず灰その他の燃焼残渣が発生するからこれに適切に処理しなければならない。 この実施例では、工程４、５において燃焼残渣の処理が行われている。 そして、チップの燃焼により発生する灰などは、後述の構成を有する燃焼残渣回収・分離手段により処理している。

前記工程５で分離された灰には、カリとリン酸が多くふくまれているので、これを工程６において肥料として再資源化し、本願発明に係るトータルコストの低減化を図るようにしている。 具体的に灰の肥料化は、以下の工程で得られる粒状の生産物を肥料として活用することにより実現する。 すなわち、分離された灰に粘土、水を加え、さらに有機物を混合し、得られる混合物を造粒機により粒径１ｃｍ以下の粒状に形成してこれらを乾燥する。

図２は、図１における工程２に使用する木材などのチップの加熱・除水工程に使用する乾燥・除水装置の１実施例を示す概略構成図である。 図において、１は木材チップタンク、２は熱伝導媒体としての細砂またはシェルサンドの貯留タンク、３は熱伝導媒体と木材チップの加熱・混合タンク、４は乾燥タンク、５は熱伝導媒体と木材チップを分別するための篩装置である。木材チップタンク１と貯留タンク２からそれぞれ木材チップと細砂またはシェルサンドが加熱・混合タンク３に送給され、ここで両者は混合されながら加熱される。具体的には、搬送スクリュー（不図示）で前記両者を攪拌しつつ搬送しながら混合し、同時に下部から雑木や伐採木片、落ち葉その他の林産副生品を燃焼させて行うことで低廉な熱エネルギーにより加熱できる。

木材チップと細砂またはシェルサンドは加熱・混合タンク３において混合・加熱されて、さらに乾燥タンク４に搬送されここで余熱による乾燥がなされその間に冷却される。 次いで、木材チップと細砂またはシェルサンドは篩装置５に送られて両者分別される。 なお、木材チップの乾燥は、含水率が１０％程度になるまで行うようにする。

図３は、図１に示す工程３に使用する自動燃焼による暖房・給湯装置Ａの１実施例を示す概略構成図である。 図において、６は下部に木材チップを空気取り入れ口６aからの第１次燃焼空気により焚き付け燃焼させる第１燃焼室７を有する本体部、８は前記第１燃焼室７の上部に設けられる第２燃焼室、９は前記第１燃焼室７への木材チップの自動供給手段である。 材チップの自動供給手段は、木材チップを収容して回転するドラム本体と、一端開口部は第１燃焼室７に臨み、多端開口部にはチップ受け部が形成されドラム本体と第１燃焼室７の間に架設される木材チップ供給管と、前記ドラム本体の内側壁全周に等間隔で設けられドラム本体の回転に伴い木材チップを掻き揚げて前記木材チップ供給管のチップ受け部に搬送するチップ駆動具を具えて構成されている。ドラム本体の回転によりチップ駆動具も回動し、掻き揚げた木材チップを前記チップ受け部まで搬送しここに落下投入することにより、木材チップは第１燃焼室７に自動的に供給される。

さらに、本体部６には、前記第１燃焼室７における燃焼により加熱された空気である第２次燃焼空気を前記第２燃焼室８の下部に供給して木材チップの燃焼をさらに促進する第２次燃焼空気供給手段が設けられ、この第２次燃焼空気供給手段は本体部６の内壁に形成される流通路１０とその下方に形成される流出口１０aにより構成されている。

また、本体部６には、前記第１燃焼室７および第２燃焼室８における燃焼により加熱された第３次燃焼空気を前記第２燃焼室８の上部に供給して木材チップの燃焼を前記第２次燃焼空気に加えてさらに促進する第３次燃焼空気供給手段が設けられ、この第３次燃焼空気供給手段は本体部６の内壁に形成される流通路１０とその上方に形成される流出口１０ｂにより構成されている。

また、図３において、本体部６の上部には熱交換部１１が設置されていて、熱交換部１１内部に貯留水加熱部１２が設けられ内部の水と第２燃焼室８における高温の燃焼ガスとの間で熱交換がなされ水は加熱されて、貯留水加熱部１２から所望の箇所に給湯できるようになっている。 なお、装置外部から取り込まれる前記第２次燃焼空気、第３次燃焼空気も、熱交換部１１において加熱されて前述のように流通路１０を経て第２燃焼室８に到達する。

さらに、暖房・給湯装置Ａは前記第２燃焼室８において発生し、前記本体部６、前記貯留水加熱部１２、第２次および第３次燃焼空気と熱交換した燃焼ガスの強制排気手段１３と、第１燃焼室７のロストル下部から燃焼残渣を含む空気流を渦巻き状に加速吸引して空気と燃焼残渣に分離する燃焼残渣分離回収装置１４とを具えている。この燃焼残渣分離回収装置１４は、図４に示すように燃焼残渣を空気流とともに排出する吸引手段としての吸引ファン１５、吸引した燃焼残渣を含む空気を渦巻き状（サイクロン状）に吸引加速して回転させて空気と燃焼残渣を分離する分別部１６を有している。 吸引ファン１５の有するパイプ１７は暖房・給湯装置Ａの第１燃焼室に連通し、またパイプ１８は第１燃焼室の下部に連通しており、さらにパイプ１９により分別部１６に連通している。分別部１６の下部開口部は灰などの燃焼残渣を収納する容器１９に連通している。

吸引ファン１５の駆動により矢符のように空気流が暖房・給湯装置Ａの第１燃焼室に流れ次いで、灰などを含んだ空気流がパイプ１８を介して分別部１６に達して渦巻き状（サイクロン状）に加速回転され、これによりで空気と灰などが分離され、空気は矢符に示すように吸引ファン１５に戻り、一方、灰は分別部１６から容器１９に落下する。

さらにまた、暖房・給湯装置Ａは制御手段を具えていて、前記空気取り入れ口６aにおける電動弁の開度を制御して第１次燃焼室への前記第１次燃焼空気の供給量、木材チップ自動供給手段９によるチップ供給動作、強制排気手段１３の排気ファンの回転制御による排気量と排気量の制御による第２次、第３次燃焼空気の量制御に係る制御をできるようになっている。

以上、説明したように本願発明によれば乾燥・除水された木材チップ等を燃焼の際に自動供給、自動燃焼させて暖房・給湯を行い、燃焼残渣物も自動的に回収処理し、回収された灰も肥料として有効利用することになるから、単位熱エネルギー当たりのコストも、灯油のおおよそ２５％程度に抑えることが可能になる。 木材チップなどの生産現場でこれらを燃焼させれば、木材チップの運送コストはかからないが、たとえ木材チップを離れた場所まで運んで使用することになっても、木材チップは乾燥・除水してあるから運送コストは単位熱エネルギーのトータルコストの１５％以下に抑制できる。 したがって、今日林地に放置されたままになっている残材や、建築資源にはなりがたいような間伐材、伐採時に発生する小枝、落ち葉そのたを有効資源として活用できる。 燃費が低廉な上、運転にも手間がいらず、かつ安全であるから、個人需要は言うにおよばず、農業におけるハウス暖房、学校の暖房、病院の暖房等に利用することができる。

Claims (5)

1. 以下の工程を具備する木材その他のバイオマス素材を燃料とする低コスト暖房・給湯システム。
   （イ）バイオマス素材をチップ化する工程、
   （ロ）前記チップを加熱して除水する工程
   （ハ）バイオマス素材の前記チップを自動燃焼させて得られる熱エネルギーにより暖房、給湯をなす工程、
   （ニ）チップの燃焼により生じた燃焼残渣を回収する工程、
   （ホ）回収された燃焼残渣を灰とその他に分離する工程、
   （へ）灰を主原料とする肥料を製造する工程。
2. 請求項１記載の低コスト暖房・給湯システムにおいて、前記工程（ロ）は、加熱された粒状の熱伝導媒体をチップに接触させることにより水分を蒸発させるようにしたことを特徴とする木材その他のバイオマス素材を燃料とする低コスト暖房・給湯システム。
3. 請求項１又は２記載の低コスト暖房・給湯システムにおいて、前記工程（ハ）は以下の構成を有する暖房・給湯装置において前記チップを燃焼させて構成されることを特徴とする木材その他のバイオマス素材を燃料とする低コスト暖房・給湯システム。
   （a） 下部にチップを第１次燃焼空気により焚き付け燃焼させる第１燃焼室を有する本体部、
   （b） 前記第１燃焼室の上部に設けられる第２燃焼室、
   （c） 前記第１燃焼室へのチップ自動供給手段、
   (d) 前記第１燃焼室における燃焼により空気を加熱して第２燃焼室の下部に供給する第２次燃焼空気供給手段、
   (e) 前記第１燃焼室における燃焼により空気を加熱して第２燃焼室の上部に供給する第３次燃焼空気供給手段、
   (f) 前記第２燃焼室の上部に設けられた貯留水加熱部、
   (g) 前記第２燃焼室において発生し、前記本体部、前記貯留水加熱部、第２次および第３次燃焼空気と熱交換した燃焼ガスの強制排気手段、
   (h) 前記第１次燃焼空気の供給量、チップ自動供給手段によるチップ供給動作に係る制御手段。
4. 請求項１ないし３記載の低コスト暖房・給湯システムにおいて、前記工程
   （ニ）、（ホ）は以下の構成を有する燃焼残渣回収・分離装置の動作により構成されることを特徴とする木材その他のバイオマス素材を燃料とする低コスト暖房・給湯システム。
   (a) バイオマス素材の前記チップの燃焼残渣を空気流とともに排出する吸引手段、
   (b) 燃焼残渣を含む空気流を渦巻き状に加速して空気と燃焼残渣に分離する燃焼残渣回収手段。
5. 請求項１ないし４記載の低コスト暖房・給湯システムにおいて、前記工程（へ）は以下の工程からなることを特徴とする木材その他のバイオマス素材を燃料とする低コスト暖房・給湯システム。
   (a) 前記工程（ホ）で得られた灰に粘土、水、有機物を混合する工程、
   (b) 前工程で得られた混合物を粒状に形成してこれらを乾燥する工程。

Images