JP2017227388A - サイクロン燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固形燃料から発生する可燃ガス化物のような均質でない燃料についても、より高い燃焼効率で燃焼させることができるサイクロン燃焼装置を提供する。【解決手段】縦型の円筒型燃焼室１０を形成するように起立した状態に設置される筒状本体壁部１１と、可燃ガス化物と燃焼用空気とを、円筒型燃焼室１０の中間隔壁１３によって下側に区画された下側の内部空間である下側燃焼空間１４へ、接線方向から、導入するサイクロン導入口１５と、円筒型燃焼室１０の下側燃焼空間１４と、中間隔壁１３によって内側に区画された上側燃焼空間１２との間を連通するように中央に起立した状態に配された中心筒２０と、上側燃焼空間１２の下側から燃焼された燃焼流体を排気する円筒型燃焼室の排気口１８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、可燃ガス化物と燃焼用空気とを、円筒型燃焼室の内部空間へ、接線方向から、導入するサイクロン燃焼装置に関する。

従来のサイクロン燃焼装置としては、例えば、一次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンを構成し、前記一次燃焼ゾーン及び前記二次燃焼ゾーンの少なくとも一部を冷却するための手段を有する、燃焼室前壁に固定された少なくとも一つの燃焼室側壁と、前記一次燃焼ゾーンと前記二次燃焼ゾーンとの間に配置された一次オリフィスを持つ、前記燃焼室側壁に固定された一次オリフィス壁であって、該一次オリフィス壁を冷却するための手段を有する一次オリフィス壁と、前記燃焼室側壁に前記二次燃焼ゾーンの排出端で固定された、二次オリフィスを持つ二次オリフィス壁と、燃料及び一次燃焼空気を前記一次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射するための一次接線方向噴射手段と、二次燃焼空気を前記二次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射するための二次接線方向噴射手段とを有する、サイクロン燃焼を行うための装置（特許文献１参照）が提案されている。

前述の従来の装置は、燃料／一次燃焼空気混合物をサイクロン燃焼器の還元一次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射することで、サイクロン燃焼を超低汚染エミッションで且つ高効率で行うことを目的とするものであるが、対象となる燃料が、天然ガスのような均質で安定的なものであり、固形燃料から発生する可燃ガス化物のような均質でない燃料を、より高い燃焼効率で燃焼させることを前提としてはいない。

特開平０６−２７２８１８号公報（第１頁）

サイクロン燃焼装置に関して解決しようとする問題点は、前述の従来の装置では、対象となる燃料が、天然ガスのような均質で安定的なものであり、固形燃料から発生する可燃ガス化物のような均質でない燃料を、より高い燃焼効率で燃焼させることは難しい点にある。
そこで本発明の目的は、固形燃料から発生する可燃ガス化物のような均質でない燃料についても、より高い燃焼効率で燃焼させることができるサイクロン燃焼装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために次の構成を備える。
本発明に係るサイクロン燃焼装置の一形態によれば、縦型の円筒型燃焼室を形成するように起立した状態に設置される筒状本体壁部と、可燃ガス化物と燃焼用空気とを、前記円筒型燃焼室の中間隔壁によって下側に区画された下側の内部空間である下側燃焼空間の上部へ、接線方向から導入するサイクロン導入口と、前記円筒型燃焼室の前記下側燃焼空間と、前記中間隔壁によって内側に区画された上側燃焼空間との間を連通するように中央に起立した状態に配された中心筒と、前記上側燃焼空間の下部から燃焼された燃焼流体を排気する円筒型燃焼室の排気口とを備える。

また、本発明に係るサイクロン燃焼装置の一形態によれば、前記円筒型燃焼室の中心に該円筒型燃焼室の下端を閉塞する底部から前記中心筒の下側内部へ臨むように上方へ延設されて燃焼用空気を導入できるように設けられた芯棒状空気導入管を備えることを特徴とすることができる。

また、本発明に係るサイクロン燃焼装置の一形態によれば、前記芯棒状空気導入管には、周壁に燃焼用空気を吐出する多数の空気穴が設けられていることを特徴とすることができる。

また、本発明に係るサイクロン燃焼装置の一形態によれば、前記円筒型燃焼室の上端を閉塞する天部と、前記中心筒との上端開口との間に、前記燃焼流体の上昇を遮るように規制する規制板部が設けられ、前記天部から燃焼用空気を導入する空気導入口が設けられていることを特徴とすることができる。

また、本発明に係るサイクロン燃焼装置の一形態によれば、前記可燃ガス化物が、前段の燃焼室で固形燃料を燃焼させて発生させたものであることを特徴とすることができる。

また、本発明に係るサイクロン燃焼装置の一形態によれば、前記筒状本体壁部と同心に設けられて、該筒状本体壁部を内包して熱交換空間を形成するように設けられる筒状外壁と、前記熱交換空間に外気を導入する外気導入手段と、熱交換空間で暖められた空気を、前記前段の燃焼室へ送る暖気通気部とを備えることを特徴とすることができる。

本発明に係るサイクロン燃焼装置によれば、固形燃料から発生する可燃ガス化物のような均質でない燃料についても、より高い燃焼効率で燃焼させることができるという特別有利な効果を奏する。

本発明に係るサイクロン燃焼装置を含む燃焼システムの形態例を説明するシステム説明図である。 本発明に係るサイクロン燃焼装置の形態例を説明する機能図である。

以下、本発明に係るサイクロン燃焼装置の形態例を、添付図面（図１及び２）に基づいて詳細に説明する。このサイクロン燃焼装置は、可燃ガス化物と燃焼用空気とを、円筒型燃焼室の内部空間へ、接線方向から、導入するものである。

１１は筒状本体壁部であり、縦型の円筒型燃焼室１０を形成するように起立した状態に設置されるように設けられている。なお、本形態例の筒状本体壁部１１については、上下の全体長について同径の円筒形に設けられており、天部１６と底部が閉塞された形態になっている。

１５はサイクロン導入口であり、可燃ガス化物と燃焼用空気とを、円筒型燃焼室１０の中間隔壁１３によって下側に区画された下側の内部空間である下側燃焼空間１４の上部へ、接線方向から導入する（図２参照）ように設けられている。

２０は中心筒であり、円筒型燃焼室１０の下側燃焼空間１４と、中間隔壁１３によって内側に区画された上側燃焼空間１２との間を連通するように中央に起立した状態に配されている。本形態例の中間隔壁１３は、同心円のドーナツ状であるリング板によって構成されており、その中間隔壁１３の中央開口孔部に、中心筒２０が挿通されて固定された状態に設けられている。この中心筒２０は、いわゆるロケットストーブの原理で、燃焼流体を上方へ持ち上げて、強い気流を発生し、燃焼効率を向上させる効果がある。

１８は円筒型燃焼室の排気口であり、上側燃焼空間１２の下部から燃焼された燃焼流体を排気するように設けられている。このように中心筒２０と円筒型燃焼室の排気口１８とが配された形態によれば、中心筒２０を通って、上側燃焼空間１２へ上昇した燃焼流体が、その上側燃焼空間１２の上部でその流れを反転させて下降することになり、激しい乱流によって撹拌状態となる。これによって、燃焼が促進され、燃焼効率を向上させる効果がある。

以上の構成を備える本発明に係るサイクロン燃焼装置によれば、サイクロン効果による渦流と、流れ方向が急激に変化することで生じる渦流とによって、可燃ガス化物と燃焼用空気とが激しく混合され、その可燃ガス化物を高い燃焼効率で安定的に燃焼させることができる。すなわち、固形燃料から発生する可燃ガス化物のような均質でない燃料についても、より高い燃焼効率で燃焼させることができるという特別有利な効果を奏する。従って、排煙などの有害ガスの発生を防止でき、極めてクリーンな燃焼を実現できる。

また、本形態例では、円筒型燃焼室１０の中心にその円筒型燃焼室１０の下端を閉塞する底部１７から中心筒２０の下側内部へ臨むように上方へ延設されて新鮮な燃焼用空気を導入できるように設けられた芯棒状空気導入管３０を備える。これによれば、サイクロン効果で生じる渦流が、芯棒状空気導入管３０を中心にして安定的且つバランスよく形成されることになり、より高い効率の燃焼を、安定的に継続させることができる。

また、本形態例の芯棒状空気導入管３０には、周壁に新鮮な燃焼用空気を吐出する多数の空気穴３１が設けられている。これによれば、サイクロン効果で生じる渦流が、芯棒状空気導入管３０を中心にして安定的且つバランスよく形成される効果を、さらに高めることができると共に、燃焼用の空気を分散的に効果的に燃焼流体に供給することができるため、さらに高い効率の燃焼を実現できる。

また、本形態例では、円筒型燃焼室１０の上端を閉塞する天部１６と、中心筒２０との上端開口２１との間に、燃焼流体の上昇を遮るように規制する規制板部４０が設けられ、天部１６から燃焼用空気を導入する空気導入口４１が設けられている。

本形態例の構成によれば、天部１６の中央部に開口された空気導入口４１から導入される新鮮な燃焼用空気が、円盤状に形成されて水平に配された規制板部４０によって加熱されると共にその流れを曲げられて、その規制板部４０の周縁から下降流になって、円筒型燃焼室１０の上側燃焼空間１２を、上部から下部へ向って流れ込むことになる。この新鮮な燃焼用空気は、燃焼流体よりも低温であるため、その下降する流れを助長するもので、燃焼流体の上昇を抑え込むように作用する。これによれば、その新鮮な燃焼用空気と燃焼流体とが合流する部分で、激しい撹拌がなされ、より高い効率の燃焼を生じさせることができる。

また、本形態例の可燃ガス化物は、前段の燃焼室５０で固形燃料を燃焼させて発生されるものである。本形態例の前段の燃焼室５０は、バイオコークス（以下、「ＢＫ」と記す場合がある。）を燃焼させる専用機（本火室（図１参照））となっている。なお、固形燃料としては、一例としてバイオコークスが適しているが、これに限定されることなく、薪や木質ペレットなどのバイオコークスよりもエネルギー密度の低い木質系固体燃料でも、好適に利用できる。

また、本形態例では、筒状本体壁部１１と同心に設けられて、その筒状本体壁部１１を内包して熱交換空間５２を形成するように設けられる筒状外壁１９と、その熱交換空間５２に外気を導入する外気導入手段５１と、熱交換空間５２で暖められた空気を、前段の燃焼室５０へ送る暖気通気部５３とを備えている。これによれば、前段の燃焼室５０へ適切に加熱された新鮮な燃焼用の空気を送ることができるため、その前段の燃焼室５０内での燃焼を好適に促進させることができる。

以上の構成を備える本形態例のサイクロン燃焼装置による固形燃料を元にする可燃ガス化物の燃焼状況例について、図１及び２に基づいて詳細を以下に説明する。
図１の左下、本火室（前段の燃焼室５０）では、燃焼用空気が３次まで、供給されているが、揮発部分（主として可燃性ガス）を大量に含むバイオコークスは、本火室（前段の燃焼室５０）から高温流体ガスとして、Ｃ１（サイクロン燃焼装置）に流入する際にも、多分に未燃性物質を擁している。そこで、サイクロン燃焼装置Ｃ１に流入する際に、Ｖ１（第１燃焼用空気供給部）より供給される空気と混合された状態で、旋回場（ａ）に入り回転しながら燃焼する。したがって、この旋回場（ａ）が燃焼室となる。これにより、４次燃焼が実行される。

さらに、Ｃ１の中心筒２０内（ｂ）を通過する際、第２燃焼用空気供給部Ｖ２を有し、サイクロン燃焼装置Ｃ１の底部１７より立ち上げてある芯棒状空気導入管３０から提供される燃焼用空気と混合され、（ｂ）部分において５次燃焼を可能にしている。この（ｂ）を擁する中心筒２０は、ヒートライザー効果を発効する。

そして、中心筒内（ｂ）を出た燃焼ガスは、筒状本体壁部１１との隙間空間Ｃを降下してゆく。この降下は、上昇性向に逆らって行われるため乱流となる。この乱流に、第３燃焼用空気供給部Ｖ３より供給される燃焼用空気が混合され、効果的な６次燃焼が行われ、Ｃ２（集塵装置）へと流出してゆく。

なお、本形態例の本火室（前段の燃焼室５０）では、燃焼用空気が３次まで、供給されている。このように燃焼用空気を十分に供給できる構成となっているため、ＢＫに珪酸成分を含む場合も、火床にクリンカの発生させにくく、また、サイクロン燃焼装置Ｃ１へ、好適に可燃ガス化物へ送ることができる。これによれば、完全燃焼を促進し、汚染物質の排出を極めて低減できる。

次に、集塵装置Ｃ２では、サイクロン集塵器７０によって、サイクロン燃焼装置Ｃ１よりは集塵機能に重心を置いた機能が提供されるが、やはり第５燃焼用空気供給部Ｖ５を有し、Ｃ２底部より立ち上げた空気供給管７２からの燃焼用空気と混合されて、Ｃ２の中心筒７１内の空間（ｄ）部分で、最終的燃焼が行われる。ここでの排ガスの温度は３００℃前後と低いため、触媒部７３で酸化触媒であるＰｔ（プラチナ）を用いた燃焼（酸化）を実行する。これによれば、ほぼ完全燃焼が達成され、本形態例では、バイオコークスを、ほぼ無煙化燃焼させることができる。

ところで、通常のバイオコークスは、２５０℃から４００℃の範囲で、激しく熱分解し、可燃性ガスを大量に発生させ、同時に、これらが、大量の未燃物質(煙・煤・タール・悪臭）となって、流出する。
これに対して、本形態例のＢＫ専焼機（前段の燃焼装置６０）では、図１に示すように、本火室（前段の燃焼室５０）部分の装置によって、大量の可燃性ガス発生時でも、対応できる十分な燃焼空気を提供でき（１次から３次）、発煙を抑えることができると同時に、燃焼温度を８５０℃から１０００℃に調整することにより、タールやダイオキシンをも分解できるため、ほぼ無煙化燃焼を可能とする。

また、本形態例では、燃焼温度範囲を調整することで、溶融灰由来のスラッギング、ファウリングを抑制し得る機能を有する。
本ＢＫ専焼機の本火室部分における燃焼温度は、８５０℃から１０００℃の範囲に調整され、ＳｉＯ_２成分が多いＢＫの溶融灰の生じる１１７０℃以下の燃焼状態を保持し、溶融灰の発生を抑制し得る。またＫ_２Ｏ成分の多いＢＫの場合、８５０℃以下の燃焼を保持し、溶融灰の発生を抑制し得る。

また、Ｖ１および、Ｃ１のＶ２、Ｖ３にて供給される燃焼用空気の、高温燃焼ガス流体への混合により、少量ながら発生しているかもしれない溶融灰を含む燃焼流体は一時的に空冷され、浮遊中に球状溶融灰となって送出されるため、筒型サイクロンの内壁に付着してから凝結するということが避けられ、スラッギング・ファウリングを軽減的に抑制できる。

さらに、未燃ガスをＰｔ触媒で完全燃焼させ、ＨＥＰＡｆｉｌｔｅｒ（除塵フィルタ７４）で集塵することにより、その排ガスはハウス内（室内）に放出することも可能である。 すなわち、図２で示すように、僅かに存在するかもしれない未燃物質や可燃性ガスに対しても、前述したようにＶ５を有し、Ｃ２の底部より立ち上げられた空気供給管７２より提供される燃焼用空気と、触媒であるＰｔを用いた燃焼機器部分とで、比較的低温で燃焼を可能にし、これにより空間（ｄ）部分を最終燃焼室として機能させることができる。そして、微小な煤煙粒子をＨＥＰＡｆｉｌｔｅｒにて漉し取り、廃棄されるガスは、無色・無臭のＣＯ_２含有ガスとして、必要量を、農芸ハウス内などに開放することが可能になる。このとき、含有する熱量も利用することができ、例えば農産物の育成に利用することも可能である。なお、送風機７５であり、排気側に接続され、排気を吸引してスムースに排出させることができる。

また、本形態例では、筒状本体壁部１１の上下全体について同径の円筒状に形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、通常のサイクロン装置と同様に下側燃焼空間１４の下側を、ホッパー形状にすることも可能である。これによれば、サイクロン効果による渦流を安定化することができ、燃焼効率を向上できると共に集塵性能を向上できる。

以上、本発明につき好適な形態例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの形態例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。

１０ 円筒型燃焼室
１１ 筒状本体壁部
１２ 上側燃焼空間
１３ 中間隔壁
１４ 下側燃焼空間
１５ サイクロン導入口
１６ 天部
１７ 底部
１８ 円筒型燃焼室の排気口
１９ 筒状外壁
２０ 中心筒
２１ 上端開口
３０ 芯棒状空気導入管
３１ 空気穴
４０ 規制板部
４１ 空気導入口
５０ 前段の燃焼室
５１ 外気導入手段（Ｖ４）
５２ 熱交換空間
５３ 暖気通気部
６０ 前段の燃焼装置
７０ サイクロン集塵器
７１ 中心筒
７２ 空気供給管
７３ 触媒部
７４ 除塵フィルタ
７５ 送風機
Ｃ１ サイクロン燃焼装置
Ｃ２ 集塵装置

Claims (6)

1. 縦型の円筒型燃焼室を形成するように起立した状態に設置される筒状本体壁部と、
   可燃ガス化物と燃焼用空気とを、前記円筒型燃焼室の中間隔壁によって下側に区画された下側の内部空間である下側燃焼空間の上部へ、接線方向から導入するサイクロン導入口と、
   前記円筒型燃焼室の前記下側燃焼空間と、前記中間隔壁によって内側に区画された上側燃焼空間との間を連通するように中央に起立した状態に配された中心筒と、
   前記上側燃焼空間の下部から燃焼された燃焼流体を排気する円筒型燃焼室の排気口とを備えることを特徴とするサイクロン燃焼装置。
2. 前記円筒型燃焼室の中心に該円筒型燃焼室の下端を閉塞する底部から前記中心筒の下側内部へ臨むように上方へ延設されて燃焼用空気を導入できるように設けられた芯棒状空気導入管を備えることを特徴とする請求項１記載のサイクロン燃焼装置。
3. 前記芯棒状空気導入管には、周壁に燃焼用空気を吐出する多数の空気穴が設けられていることを特徴とする請求項２記載のサイクロン燃焼装置。
4. 前記円筒型燃焼室の上端を閉塞する天部と、前記中心筒との上端開口との間に、前記燃焼流体の上昇を遮るように規制する規制板部が設けられ、前記天部から燃焼用空気を導入する空気導入口が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のサイクロン燃焼装置。
5. 前記可燃ガス化物が、前段の燃焼室で固形燃料を燃焼させて発生させたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のサイクロン燃焼装置。
6. 前記筒状本体壁部と同心に設けられて、該筒状本体壁部を内包して熱交換空間を形成するように設けられる筒状外壁と、前記熱交換空間に外気を導入する外気導入手段と、熱交換空間で暖められた空気を、前記前段の燃焼室へ送る暖気通気部とを備えることを特徴とする請求項５記載のサイクロン燃焼装置。