JP2016080217A - 木質燃料乾燥設備及びそれを用いた木質燃料の乾燥方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べてランニングコストが掛からず、且つ安全に木質燃料を乾燥させることができる木質燃料乾燥設備及びそれを用いた木質燃料の乾燥方法を提供する。
【解決手段】燃焼炉１１に装入する木質燃料を乾燥させる木質燃料乾燥設備１０であって、廃熱を吸収した熱媒体と大気から吸引した空気との間で熱交換を行う熱交換器１２と、木質燃料が貯留されている貯留ホッパ１４の温度を測定するための第１の温度センサ１５とを備え、熱交換器１２によって加温された温風空気を貯留ホッパ１４の下部から貯留ホッパ１４内に送給して貯留ホッパ１４内の木質燃料を乾燥させ、第１の温度センサ１５によって測定された貯留ホッパ１４内の温度が第１の設定値を超えると、貯留ホッパ１４内の温度が第２の設定値になるまで、大気中の空気を貯留ホッパ１４内に送給すると共に、温風空気を大気中に放散する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼炉に装入する木質燃料を乾燥させる木質燃料乾燥設備及びそれを用いた木質燃料の乾燥方法に関する。

重油等の化石燃料に代わる燃料として、植物等の有機物に由来するバイオマス燃料が近年、注目されている。バイオマス燃料は、その生長過程で大気中のＣＯ_２を取り込んだ有機物であることから、これを燃焼させても大気中のＣＯ_２を増加させない「カーボンニュートラル」という特質を有している。

バイオマス燃料が木チップ等の木質燃料である場合、木質燃料に含まれている水分量の変動が、燃焼炉の炉内燃焼状況（温度や圧力）に悪影響を及ぼし、設備の安定操業を阻害する。木質燃料を熱源とする燃焼炉では、図７に示すように、木質燃料の含水率の増大に伴って燃焼炉の炉内温度が低下する。例えば、脱臭も併せて行う燃焼炉の場合、炉内温度が所定温度より下がると、脱臭性能が低下するため、炉内温度を所定温度以上に維持する必要がある。また、木質燃料の含水率が増大すると、図８に示すように、木質燃料の使用量が指数関数的に増加するという問題もある。

そのため、バイオマス燃料として木質燃料を使用する場合、十分に木質燃料を乾燥させて含水率を低減させる必要がある。例えば特許文献１では、乾燥室である屈曲通路内に吸引手段で空気の流れを形成した状態で、熱風生成手段による熱風の温度及び量と、冷気供給手段による冷気供給量と、被乾燥物供給手段による被乾燥物供給量とが制御部により調整されて被乾燥物の乾燥度が制御される乾燥装置の発明が開示されている。
また、特許文献２では、８０℃〜１９５℃の燃焼排ガスを乾燥粉砕機に導入してバイオマス系廃棄物を乾燥すると同時に粉砕してバイオマス系微粒子とし、このバイオマス系微粒子を含む燃焼排ガスをサイクロンに導入し、バイオマス系微粒子を燃焼排ガスから分離して捕集するバイオマス燃料の製造方法の発明が開示されている。

特開２０１２−７７９８１号公報 特開２０１０−１６３５０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている発明の場合、被乾燥物を乾燥させる熱風を生成する熱風生成手段が、燃焼室を有するバーナであり、バイオマス燃料を燃焼室内で燃焼させて熱風を生成するので、燃料コストがかさむという問題がある。
また、特許文献２に記載されている発明の場合、バイオマス系廃棄物を乾燥させる燃焼排ガスの温度を調節するのが難しく、バイオマス系廃棄物が木質燃料である場合、乾燥中に木質燃料が自然発火する危険性がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、従来に比べてランニングコストが掛からず、且つ安全に木質燃料を乾燥させることができる木質燃料乾燥設備及びそれを用いた木質燃料の乾燥方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、燃焼炉に装入する木質燃料を乾燥させる木質燃料乾燥設備であって、
廃熱を吸収した熱媒体と大気から吸引した空気との間で熱交換を行う熱交換器と、木質燃料が貯留されている貯留ホッパの温度を測定するための第１の温度センサとを備え、
前記熱交換器によって加温された温風空気を前記貯留ホッパの下部から該貯留ホッパ内に送給して該貯留ホッパ内の木質燃料を乾燥させ、
前記第１の温度センサによって測定された前記貯留ホッパ内の温度が第１の設定値を超えると、前記貯留ホッパ内の温度が第２の設定値になるまで、大気中の空気を前記貯留ホッパ内に送給すると共に、前記温風空気を大気中に放散することを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明に係る木質燃料乾燥設備を用いた木質燃料の乾燥方法であって、
前記熱媒体と熱交換することによって加温された温風空気を前記貯留ホッパの下部から該貯留ホッパ内に送給して該貯留ホッパ内の木質燃料を乾燥させ、
前記貯留ホッパ内の温度が第１の設定値を超えると、前記貯留ホッパ内の温度が第２の設定値になるまで、大気中の空気を前記貯留ホッパ内に送給すると共に、前記温風空気を大気中に放散することを特徴としている。

本発明では、廃熱を吸収した熱媒体と熱交換することによって加温された温風空気を貯留ホッパ内に送給して該貯留ホッパ内の木質燃料を乾燥させるので、木質燃料を乾燥させるための燃料が不要となると共に、貯留ホッパ内の温度が第１の設定値を超えると、貯留ホッパ内の温度が第２の設定値になるまで、温風空気に代えて、大気中の空気を貯留ホッパ内に送給するので、木質燃料が発熱しない温度に貯留ホッパ内温度を維持することができる。

また、第１の発明に係る木質燃料乾燥設備では、前記熱媒体が、前記燃焼炉の炉壁を冷却する冷却水及び／又は加熱ガスに含まれる余剰水分を除去するコンデンサから排出される冷却水であってもよい。

また、第１の発明に係る木質燃料乾燥設備では、前記冷却水の温度を測定するための第２の温度センサと、前記熱交換器を流れる前記冷却水の流量を調整する流量調整弁とを備え、
前記第２の温度センサによって測定された前記冷却水の温度が設定範囲内に収まるように、前記熱交換器を流れる前記冷却水の流量を前記流量調整弁により調整するようにしてもよい。

当該構成では、冷却水の温度が設定範囲内に収まるように、熱交換器を流れる冷却水の流量を調整するので、安全で効率的な熱交換が可能となる。

また、第１の発明に係る木質燃料乾燥設備では、木質燃料を搬送するためのコンベアが前記貯留ホッパの底部に設置され、前記コンベアを挟んで対向する貯留ホッパ側壁の各下部に、前記貯留ホッパ内に前記温風空気を送給するための吹出口が、前記コンベアの搬送方向に沿って複数設けられると共に、前記貯留ホッパ内に前記温風空気を送給するための吹出孔が形成された配管が前記コンベアの上方に配置されていてもよい。

当該構成では、貯留ホッパの底部に設置されたコンベアを挟んで対向する貯留ホッパ側壁の各下部に、貯留ホッパ内に温風空気を送給するための吹出口を複数設けているので、温風空気を貯留ホッパ内に均等に送給することができる。

本発明では、廃熱を吸収した熱媒体と熱交換することによって加温された温風空気を貯留ホッパ内に送給して該貯留ホッパ内の木質燃料を乾燥させるので、従来に比べてランニングコストを低く抑えることができる。また、貯留ホッパ内の温度が第１の設定値を超えると、貯留ホッパ内の温度が第２の設定値になるまで、温風空気に代えて、大気中の空気を貯留ホッパ内に送給するので、木質燃料が自然発火せず、木質燃料を安全に乾燥させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る木質燃料乾燥設備の系統線図である。 （Ａ）は同木質燃料乾燥設備を構成する貯留ホッパの平面図、（Ｂ）は同貯留ホッパの側面図である。 貯留ホッパ内に設置された配管を下方から見た模式図である。 乾燥前後における木質燃料の含水率分布を示したグラフである。 乾燥前後における木質燃料の使用量を示したグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る木質燃料乾燥設備の系統線図である。 木質燃料の含水率と燃焼炉の炉内温度との関係を示したグラフである。 木質燃料の含水率と木質燃料の使用量との関係を示したグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

［第１の実施の形態］
本実施の形態では、有機性脱水汚泥を固形燃料化する設備の一部を構成する木質燃料乾燥設備として説明する。本発明の第１の実施の形態に係る木質燃料乾燥設備１０の系統線図を図１に示す。同図に示すように、本実施の形態に係る木質燃料乾燥設備１０は、高温の排ガスを生成する燃焼炉１１と、燃焼炉１１の炉壁を冷却する冷却水を循環させる循環路１３と、循環路１３上に設置された熱交換器１２及び循環ポンプ２１と、燃焼炉１１に装入される木質燃料が貯留される貯留ホッパ１４とを備えている。また、貯留ホッパ１４には、貯留ホッパ１４内の温度を測定するための第１の温度センサ１５が設置されている。

熱交換器１２では、燃焼炉１１の炉壁を通過する間に加熱された冷却水（廃熱を吸収した熱媒体）と、第１のファン２２を介して吸引された大気中の空気との間で熱交換が行われる。熱交換器１２に吸引された大気中の空気は加温されて温風空気となり、熱交換器１２と貯留ホッパ１４とをつなぐ配管２４を介して貯留ホッパ１４内に送給される。

配管２４の途中には、温風空気を遮断するための開閉弁１８が設けられている。また、開閉弁１８の下流側には配管２４に合流する配管２５が、開閉弁１８の上流側には配管２４から分岐する配管２６がそれぞれ設けられている。配管２５の上流端には、大気中の空気を吸引するための第２のファン２３が設置され、配管２５の途中には、大気中の空気を遮断するための開閉弁１９が設けられている。一方、配管２６の下流端は大気に開放され、配管２６の途中には、温風空気を遮断するための開閉弁２０が設けられている。開閉弁１８、１９、２０は第１の温度センサ１５と連動して開閉する機構とされている。

熱交換器１２の上流側循環路１３には、熱交換器１２を流れる冷却水の流量を調整する流量調整弁１７が設けられている。また、燃焼炉１１の炉壁から延出する循環路１３には、燃焼炉１１の炉壁を通過する間に加熱された冷却水の温度を測定するための第２の温度センサ１６が設置されている。流量調整弁１７は第２の温度センサ１６と連動して作動する機構とされている。

貯留ホッパ１４は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、上面が大気に開放する箱形とされ、木質燃料を搬送するためのコンベア３０が底部に設置されている。また、コンベア３０の下流側端部には、コンベア３０によって搬送される木質燃料を搬出するためのスクレーパコンベア３１が上方に向けて設置されている。

コンベア３０の両側部に位置し、コンベア３０を挟んで対向する貯留ホッパ側壁３３の各下部には、貯留ホッパ１４内に温風空気を送給するための吹出口３２がコンベア３０の搬送方向に沿って複数設けられている。各吹出口３２は斜め下向きとされ、温風空気は各吹出口３２から斜め下方に向けて噴出する。
また、コンベア３０の上方（吹出口３２と同じ高さ）には、貯留ホッパ１４内に温風空気を送給するための吹出孔３４が下面に形成された配管２７が、コンベア３０の搬送方向に配置されている。配管２７内を温風空気が通過するにつれて圧力損失が大きくなるため、図３に示すように、吹出孔３４の径は、配管２７の一方の側（温風空気の入側）から他方の側に向かうにつれて段階的に大きくなっている。

各吹出口３２及び配管２７は、熱交換器１２と貯留ホッパ１４とをつなぐ配管２４と接続されており、各吹出口３２及び配管２７の吹出孔３４から噴出した温風空気は、木質燃料間の隙間を通過して上方に移動し、貯留ホッパ１４の上面から大気中に放散される。

木質燃料は、コンベア３０の上流側から貯留ホッパ１４内に投下される。貯留ホッパ１４内に投下された木質燃料は、コンベア３０上を移動する間に、各吹出口３２及び配管２７の吹出孔３４から噴出する温風空気によって加温され乾燥する。乾燥された木質燃料は、スクレーパコンベア３１によって貯留ホッパ１４から搬出される。
なお、木質燃料は、間伐材等を切削あるいは粉砕して細かくした木材チップである。

次に、図１を用いて、上記構成からなる木質燃料乾燥設備１０を用いた木質燃料の乾燥方法について説明する。
循環路１３の途中に設置した循環ポンプ２１を作動させて冷却水を循環させ、燃焼炉１１の炉壁を冷却する。
冷却水の温度は、燃焼炉１１の炉壁に導入される前の時点で７７．５℃、燃焼炉１１の炉壁から排出された時点で８０℃に設定されている。冷却水の温度がこの範囲内に収まるように、第２の温度センサ１６の測定値に応じて流量調整弁１７の開閉度が調節される。具体的には、第２の温度センサ１６の測定値が８０℃を超えると、流量調整弁１７の開度を開いて熱交換器１２に導入される冷却水の流量を増加させ、第２の温度センサ１６の測定値が７７．５℃未満になると、流量調整弁１７の開度を絞って熱交換器１２に導入される冷却水の流量を減少させる。

熱交換器１２を通過することによって５０℃程度に加温された温風空気は、配管２４を介して、貯留ホッパ１４の下部から該貯留ホッパ１４内に送給される。その際、開閉弁１８は開、開閉弁１９、２０は閉とされている。

第１の温度センサ１５によって測定された貯留ホッパ１４内の温度が第１の設定値である６０℃を超えると、開閉弁１８が閉じ、開閉弁１９、２０が開く。これにより、大気中の空気が配管２５に導入され、配管２４を介して貯留ホッパ１４内に送給される。一方、熱交換器１２を通過することによって加温された温風空気は、配管２６を介して大気中に放散される。
第１の温度センサ１５によって測定された貯留ホッパ１４内の温度が第２の設定値である５０℃になると、開閉弁１８が開くと共に、開閉弁１９、２０が閉じられ、熱交換器１２を通過することによって加温された温風空気が、配管２４を介して貯留ホッパ１４内に送給され、貯留ホッパ１４内の木質燃料が乾燥される。

木質燃料は、６５℃以下の温度下において、微生物による発酵によって発熱し、６５〜１０５℃の温度下において、化学的酸化によって発熱する。木質燃料の温度が１０５℃を超えると、化学的酸化が急速に進み、発火に至る（木本政義他，「木質ペレット貯蔵時の自然発火性に関する調査」，電力中央研究所報告，平成２１年５月，ｐ．４−５参照）。そのため、本実施の形態では、貯留ホッパ１４内の温度を６０℃以下として、木質燃料の自然発火を防止している。

燃焼熱量が１００万ｋｃａｌ／ｈｒのときの放熱量が５万ｋｃａｌ／ｈｒである燃焼炉の場合、本実施の形態に係る木質燃料乾燥設備を適用することにより、４万ｋｃａｌ／ｈｒの熱量を回収することができる（放熱回収率８０％）。
図４は、本実施の形態に係る木質燃料乾燥設備を用いて木質燃料を乾燥させた際における、乾燥前後の木質燃料の含水率分布を示したものである。本実施の形態に係る木質燃料乾燥設備を用いて、含水率の変動幅が１７．５％であった木質燃料を乾燥させることによって、含水率の変動幅が５．８％（乾燥前の約１／３）に低減されたことが同図よりわかる。
また、図５は、本実施の形態に係る木質燃料乾燥設備を用いて木質燃料を乾燥させた際における、乾燥前後における木質燃料の使用量を示したものである。本実施の形態に係る木質燃料乾燥設備を用いて、含水率が３０．１％であった木質燃料を含水率２３．１％まで乾燥させることによって、木質燃料の使用量が１３．２％削減されたことが同図よりわかる。

本実施の形態では、燃焼炉１１の炉壁を冷却する冷却水を循環路１３で循環させ、循環路１３上に熱交換器１２を設置しているので、上述した効果に加えて、冷却水の使用量を低く抑えることができる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係る木質燃料乾燥設備４０の系統線図を図６に示す。本実施の形態に係る木質燃料乾燥設備４０では、貯留ホッパ１４に送給される温風空気が、コンデンサ４１から排出される冷却水（廃熱を吸収した熱媒体）によって加温された空気である点が、第１の実施の形態に係る木質燃料乾燥設備１０と異なっている。
なお、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。

コンデンサ４１は、有機性脱水汚泥を固形燃料化する設備の一部を構成し、汚泥を乾燥させる加熱空気（加熱ガス）に含まれる余剰水分を除去する。コンデンサ４１では、加熱空気と冷却水との間で熱交換が行われ、加熱空気に含まれる余剰水分は冷却水と共にコンデンサ４１から排出され、熱交換器４２に送給される。

熱交換器４２では、コンデンサ４１から排出された冷却水と、第１のファン２２を介して吸引された大気中の空気との間で熱交換が行われる。熱交換器４２に吸引された大気中の空気は加温されて温風空気となり、熱交換器４２と貯留ホッパ１４とをつなぐ配管２４を介して貯留ホッパ１４内に送給される。熱交換が終了した冷却水は熱交換器４２から排水される。なお、コンデンサ４１から排出される冷却水の温度は８０℃、熱交換器４２から排水される冷却水の温度は７７．５℃とされている。

第１のファン２２の前段には、熱交換器４２に吸引される空気の量を調整するための流量調整弁４４が設置されており、熱交換器４２近傍の配管２４上に設置されている第３の温度センサ４３と連動して作動する機構とされている。第３の温度センサ４３の測定値が５５℃を超えると、流量調整弁４４の開度を開いて熱交換器４２に導入される空気の流量を増加させ、第３の温度センサ４３の測定値が５０℃未満になると、流量調整弁４４の開度を絞って熱交換器４２に導入される空気の流量を減少させる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、第１の実施の形態と第２の実施の形態を併合し、熱交換を行う熱媒体として、燃焼炉から排出される冷却水とコンデンサから排出される冷却水の両方を用いるようにしても良い。また、上記実施の形態では、本発明の実施の形態に係る木質燃料乾燥設備を、有機性脱水汚泥を固形燃料化する設備に適用したが、これに限定されるものではなく、木質燃料を熱源とする燃焼炉を備える設備であれば適用することができる。さらにまた、上記実施の形態では、冷却水の温度範囲を７７．５℃〜８０℃としているが、これに限定されるものではなく、他の温度範囲でも勿論良い。

１０、４０：木質燃料乾燥設備、１１：燃焼炉、１２、４２：熱交換器、１３：循環路、１４：貯留ホッパ、１５：第１の温度センサ、１６：第２の温度センサ、１７、４４：流量調整弁、１８、１９、２０：開閉弁、２１：循環ポンプ、２２：第１のファン、２３：第２のファン、２４、２５、２６、２７：配管、３０：コンベア、３１：スクレーパコンベア、３２：吹出口、３３：貯留ホッパ側壁、３４：吹出孔、４１：コンデンサ、４３：第３の温度センサ

Claims (5)

1. 燃焼炉に装入する木質燃料を乾燥させる木質燃料乾燥設備であって、
   廃熱を吸収した熱媒体と大気から吸引した空気との間で熱交換を行う熱交換器と、木質燃料が貯留されている貯留ホッパの温度を測定するための第１の温度センサとを備え、
   前記熱交換器によって加温された温風空気を前記貯留ホッパの下部から該貯留ホッパ内に送給して該貯留ホッパ内の木質燃料を乾燥させ、
   前記第１の温度センサによって測定された前記貯留ホッパ内の温度が第１の設定値を超えると、前記貯留ホッパ内の温度が第２の設定値になるまで、大気中の空気を前記貯留ホッパ内に送給すると共に、前記温風空気を大気中に放散することを特徴とする木質燃料乾燥設備。
2. 請求項１記載の木質燃料乾燥設備において、前記熱媒体が、前記燃焼炉の炉壁を冷却する冷却水及び／又は加熱ガスに含まれる余剰水分を除去するコンデンサから排出される冷却水であることを特徴とする木質燃料乾燥設備。
3. 請求項２記載の木質燃料乾燥設備において、前記冷却水の温度を測定するための第２の温度センサと、前記熱交換器を流れる前記冷却水の流量を調整する流量調整弁とを備え、
   前記第２の温度センサによって測定された前記冷却水の温度が設定範囲内に収まるように、前記熱交換器を流れる前記冷却水の流量を前記流量調整弁により調整することを特徴とする木質燃料乾燥設備。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の木質燃料乾燥設備において、木質燃料を搬送するためのコンベアが前記貯留ホッパの底部に設置され、前記コンベアを挟んで対向する貯留ホッパ側壁の各下部に、前記貯留ホッパ内に前記温風空気を送給するための吹出口が、前記コンベアの搬送方向に沿って複数設けられると共に、前記貯留ホッパ内に前記温風空気を送給するための吹出孔が形成された配管が前記コンベアの上方に配置されていることを特徴とする木質燃料乾燥設備。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の木質燃料乾燥設備を用いた木質燃料の乾燥方法であって、
   前記熱媒体と熱交換することによって加温された温風空気を前記貯留ホッパの下部から該貯留ホッパ内に送給して該貯留ホッパ内の木質燃料を乾燥させ、
   前記貯留ホッパ内の温度が第１の設定値を超えると、前記貯留ホッパ内の温度が第２の設定値になるまで、大気中の空気を前記貯留ホッパ内に送給すると共に、前記温風空気を大気中に放散することを特徴とする木質燃料の乾燥方法。

Images