JP2016223758A - 木質バイオマス焚温風暖房機の構造と制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室・熱交換器内部に堆積する燃焼灰除去作業の省力化と温風機の高い熱交効率の達成と長時間維持を可能とする。【解決手段】 集塵器であるサイクロンをマルチサイクロン８として小型化し、燃焼室出口と熱交換器１４の入口の間に設置することで、熱交換器１４内部に堆積する灰を減少し、熱交換器１４の熱伝達効率を上げる。燃焼室６に堆積する灰はダブルファンを構成するブロー用ファン１１により加温空気を定期的にブローすることで下流のマルチサイクロン８に流し、除去する。マルチサイクロン下部の灰溜り１５を連結し、スクリュー式灰出し機１３で温風機を運転中でも掻き出すこと可能にする。これらにより、温風機内に堆積する灰は減少し、熱効率が上がるばかりでなく、灰出し作業による運転停止頻度も下がり省力化が図れる。【選択図】図１

Description

本発明は園芸用ハウスや温室の暖房に使用する温風又は温水を木質バイオマス燃料の燃焼により発生させる燃焼機に関するものである。

従来、園芸ハウスや温室で栽培を行う農家等では、石油やガスの燃料を燃焼させて温風を発生させる温風機が広く使用されている。しかし、石油やガスの燃料は燃料費が高騰すると経営に与える影響が大きく、また、地球温暖化の原因となる二酸化炭素も多量に発生する。そのため、近年、カーボンニュートラルであるバイマス燃料が注目を集めている。中でも、主伐材や間伐材等の廃材や林地残材等から得られる木質バイオマス燃料は比較的低コストで安定的に入手できる。

木質バイオマス燃料の代表的例である木質ペレットを燃焼させる温風機としては、特許文献１に開示されているものがある。この種の温風機は、木質ペレットを燃焼する燃焼室と、この燃焼室と連通して燃焼排ガスが流れる熱交管器と、熱交換器の下流側に接続されたサイクロン集塵機と、サイクロン集塵機の気流出口に接続された誘引送風機を備えて構成されている。このような構成の温風機は温風機に設置されている有圧ファンで温風機内に押し込まれた空気を燃焼室外壁及び熱交換器で熱交換し、加熱されて室内に放出することで、温室内の温度を適正温度に暖房する。

特開２０１１−１８５５６９号公報

木質ペレットが燃焼するとき比較的多量の燃焼灰が発生する。この燃焼灰の大半は燃焼室の炉底部に堆積し、一部は燃焼排ガスの流れに同伴され熱交換器を構成する複数の煙管に誘引されたのち、サイクロン集塵機に導入され、遠心分離されて、サイクロン集塵機の底部に堆積する。燃焼室に堆積した燃焼灰は、大量に堆積すると燃焼不良の原因や、燃焼残渣と空気の反応によりおき火燃焼を生じ、クリンカー生成の原因となるため、定期的に炉内から取り出す必要がある。燃焼灰の灰出し作業は、運転時間や燃料の燃焼量・燃料性状により異なるが、例えば毎日乃至１週間に１回程度の頻度で行われる。

灰出し作業は一般に温風機の運転を停止させ、炉内が冷えた状態で行うため、温室の温度管理支障きたす可能性があるばかりでなく、作業員が作業を通じて、灰を人体に吸引し、健康を害する可能性もあるため、灰出し作業の頻度を可能な限り少なくし、且つ作業性もよくすることが好ましい。

また、先行技術文献に示された機器の配置では燃焼排ガスに同伴され、燃焼室から下流に流れる灰は熱交換器を構成する煙管内部に堆積するため、熱交換器の伝熱効率を低下させる。このため、灰出し作業時には煙管内もクリーニングする必要があり、灰出し作業が煩雑となる原因でもあった。

上記課題を解決するため、本発明の木質バイオマス焚温風暖房機は集塵機であるサイクロンを小型化し、マルチサイクロンとして燃焼室出口と熱交換器入口の間に設置した。これにより集塵効率を上げ、熱交換器である煙管内の灰堆積の減少を図った。

マルチサイクロンの灰溜め部を連結し、手動又は電動のスクリュー型搬送装置を具備することで灰出し作業の軽減を図った。

燃焼室床部に堆積する灰を吹き飛ばし、直下流のマルチサイクロンで回収すべく燃焼室床部の入口側と出口側の側面にスリット型空気の吹き出しノズルを設けた。

燃焼灰のブロー用空気の供給に対して、その方法を規定するものではないが、本発明では燃焼排ガスを誘引する誘引ファンの軸冷却に使用していたインペラーにスクロールを付け、ブロー用ファンとして使用するとともに、排熱の回収も行った。以後このタイプのファンをここではダブルファンと呼ぶことにする。

また、このダブルファンを回転数制御することにより、灰のブローを制御し、灰出し作業頻度の低下と省力化をはかった、等の特徴有するものである。

本発明によれば、熱交換器を構成する煙管内に燃焼灰が堆積する量が減少し、熱交換器の熱効率が長時間高く維持され、省エネルギーに寄与するだけでなく、暖房機停止による灰出し作業頻度が少なくなることで、温室の温度管理の向上と作業者の省力化・健康保全に寄与する。

木質バイオマス焚温風暖房機正面断面図 木質バイオマス焚温風暖房機後部側Ａ−Ａ断面図 木質バイオマス焚温風暖房機後部側Ｂ−Ｂ断面図 従来型木質ペレット焚暖房温風機

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１乃至２を参照して、本実施例の木質バイオマス焚温風暖房機の構成を説明する。図１は木質バイオマス焚温風暖房機の正面図のうち、燃焼室６及び熱交換器部１３を燃焼ガスの流れ方向に切断した断面図である。図２は図１の線（Ａ−Ａ）における断面図である。

図示のように木質バイオマス焚バーナ３に燃料定量供給装置２から供給される木質バイオマス燃料は木質バイオマス焚バーナ３内で着火し、燃焼継続しながら円筒状の燃焼室６に流入する。気化するガス状燃料は燃焼室６上部で、灰分を含む固定炭素の大部分は木質バイオマス焚バーナ３内の炉床で燃焼ファンから供給される空気と反応し、燃焼を完結するが、完結していない燃料と灰分は燃焼室６底部の炉筒７上に落下し、燃焼灰として堆積する。

燃焼排ガスとこれに同伴する燃焼灰は燃焼室６下流のマルチサイクロン８で捕集され、マルチサイクロン８の下部にある灰溜り１５に堆積する。

燃焼排ガスに同伴されない燃焼未完結粒子や燃焼過程で凝集し、大きくなった灰は燃焼室６底部の炉筒７上に堆積するため、燃焼運転中に一定の間隔でブロー用スリットノズル１２からブロー空気を吹き付けて、燃焼排ガス中に舞い上がらせることにより、下流のマルチサイクロン８で回収する。

ブロー用空気の供給源としてはコンプレサー空気の様な圧縮空気・新規ブロアでの高静圧空気が考えられるが、本実施例では高温の排ガスを誘引する誘引ファン１０の軸受け保護に使用している空気冷却インペラーにケーシングを付け、排熱回収兼ブロー用ファン１１として使用した。これにより、本来の冷却効果を損なうことなく、新たな送風機を得たことで、コンパクトな構造のタブルファン型誘引＆排熱回収ファンとなった。以後ダブルファン型誘引＆排熱回収ファンをダブルファンと呼ぶ。

ダブルファンの制御方法として、ホストパージ中は連続的に、燃焼中は間欠的にファンのモータ回転数をあげて、誘引力とブロー力を強くし、燃焼室中の堆積灰を下流のマルチサイクロンへ運ぶ運転を行う。このため、ダブルファンの回転数制御にインバータを採用した。

これにより、燃焼室６内に残留する灰の堆積量は減少するばかりでなく、燃焼途中でバーナから落下した燃焼が未完状態にあるペレット表面の灰も除去されて、更に燃焼を続け、灰となって下流に運ばれることとなる。その結果として燃焼室に残留する燃焼未完のペレットと残留灰は減少するため、装置停止による燃焼室その他の灰出し作業の頻度は減り、木質バイオマス焚温風暖房機の活用効率は上がる。

なお、マルチサイクロン８の下部にある灰溜り１５は連結して一体化されているので、その部分にスクリュー式灰出し機１３を取付け、木質バイオマス焚温風暖房機を停止することなく、灰溜り１５に溜まった灰を定期的に掻き出すことができる。図２に示したスクリュー式灰出し機１３は手動式であるが、電動式でもかまわない。

マルチサイクロン８は下流の炉筒７の流路に対応した数にしている。これによりサイクロンの胴径を小さくでき、同じ燃焼排ガス流速でも粒子に働く遠心力は大きくなるため、単一のサイクロンを使用したときに比べ灰の捕集効率は高くなる。

また、マルチサイクロンの小型化と灰溜め部の結合により、この部分が木質バイオマス焚温風暖房機の本体後部にコンパクトに収納でき、木質バイオマス焚温風暖房機自体の小型化が図れる。

煙管９に堆積する灰は熱伝導率が低いため、これが堆積すると、煙管９が構成している熱交換器１５の熱伝達率を下げることとなり、温風機の熱効率が下がる。このため、煙管９内の灰は定期的に清掃・除去する必要があるが、本実施例では煙管９入口に付けたマルチサイクロン８により、排ガスに同伴する灰の量が激減するため、煙管９内に堆積する量も激減し、清掃頻度が減るばかりか・熱伝達率の高い状態が長く続き、木質バイオマス焚温風暖房機の効率も高い状態が長く続くこととなる。

本実施例では更にこの木質バイオマス焚温風暖房機の熱効率を上げるべく図３に示すような内側を黒く塗った遮熱板２４を熱交管器１４及び燃焼室炉筒７に支持を取って、これらの機器の周りに取り付けた。

この遮熱板２４は高温の熱交換器１４と炉筒７表面から放射される輻射熱で木質バイオマス焚温風暖房機のケーシングの表面温度が高くなることによる火傷防止を図るだけでなく、暖房用空気の熱交換器及び炉筒での熱伝達をよくする。

即ち、遮熱板２４は熱交換器部では熱交換器１４をバイパスする空気の量を抑制し、炉筒７では炉筒外周を流れる流路を狭くして、温風の流速を上げることで熱伝達をよくする。

また、遮熱板２４の支持を高温の熱交換器１４と炉筒から取ることと、遮熱板２４の内側に黒い塗料を塗るのは支柱による伝導伝熱と高温部からの輻射熱の吸収をよくすることで、より遮熱板温度を高くし、この表面から暖房空気への対流熱伝達を上げることを意図している。

また、木質バイオマス焚温風暖房機運転停止後、燃焼室内に残留する燃焼未完のペレットから発生する一酸化炭素を木質バイオマス焚温風暖房機から温室内に漏れることの防止ため、系内をわずかな負圧なるようダブルファンをゆっくり回転させる運転を行った。

図４のごとく従来型の温風機では、灰回収のサイクロンを煙管で構成する熱交換の下流に置き、且つ、そのサイクロンが大いきので、温室の外に設置されることが多い。この場合、煙管に灰が堆積しやすく、熱交換器の熱伝達が低くなりやすいばかりか、サイクロン自体からの放熱が回収できず、熱効率の悪い温風機となる。

この技術は木質バイオマス焚温風暖房機だけでなく、木質バイオマス焚温水暖房機にも適用できる

１ 木質バイオマス焚温風暖房機本体
２ 燃料定量供給装置
３ 木質バイオマス焚バーナ
４ 温風暖房用送風機
５ 温風ダクト
６ 燃焼室
７ 炉筒
８ マルチサイクロン
９ 煙管型熱交換器
１０ ダブルファン（誘引ファン部分）
１１ ダブルファン（ブロー用ファン部分）
１２ ブロー用スリットノズル
１３ スクリュー式灰出し機
１４ 灰溜り
１５ 熱交換器
１６ 温風出口
１７ 制御盤
１８ ペレット貯蔵ホッパー
１９ 誘引ファン
２０ 煙道
２１ サイクロン
２２ 煙突
２３ 遮熱板

Claims (9)

1. 農業用ビニールハウスや温室の暖房に使用される木質バイオマス焚温風暖房機において、木質バイオマス燃料の燃焼に伴い生成する灰を燃焼室出口とそれに続く熱交換器の間にマルチサイクロン式集塵機を設置し、熱交換器への灰の堆積を抑制し、高い熱効率を維持できる構造を持つ温風暖房機。
2. 請求項１のマルチサイクロンの灰溜め部を連通し、スクリュー型灰出し装置を設け、温風暖房機を運転中でも、定期的かつ容易に灰の取り出しを可能にしたマルチサイクロン式集塵機の構造。
3. 請求項１のマルチサイクロンを有効に活用すべく、上流の燃焼室に堆積する灰を空気でブローし、灰が舞い上がるよう燃焼室入口と出口底部にスリットノズルを設けた燃焼室の構造。
4. 請求項３のブロー用空気を供給する装置として、誘引ファンの軸冷却に使用していたインペラーを利用したファンを製作し、誘引ファンと誘引ファンからの熱回収とブロー用空気の供給を兼ねたファンが結合したダブルファンを使用した温風暖房機の構造。
5. 請求項１のマルチサイクロンと灰溜め部を小型で一体化し、温風暖房機本体内に収納した温風暖房機の構造。
6. 請求項１の木質バイオマス焚温風暖房機の熱効率を上げるため、熱交換器及び炉筒に支持を取った遮熱板で熱交換器と炉筒を囲むことで温風暖房機の外板を遮熱した温風暖房機の構造
7. 請求項６の遮熱板の高温側を黒色、低温側を白または銀色に塗装すること特徴とした温風暖房機の構造。
8. 燃焼運転中は間欠的に、ポストパージ中は全期間にわたって、請求項４のダブルファンの回転数を上げ、燃焼室内の堆積灰を吹き飛ばし、マルチサイクロンで回収することを特徴とする運転制御方法。
9. 運転停止直後、木質バイオマス焚バーナや燃焼室に残留する燃焼が完結していないペレットから発生する一酸化炭素を、木質バイオマス焚温風暖房機の系外へ漏れ出ないよう系内を負圧に保つため、ダブルファンをゆっくり回転させ続けることを特徴とする運転制御方法。

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