JP2019020022A - 燃焼灰製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマス原料を十分な時間自燃させ、高品質な燃焼灰を製造できる燃焼灰製造装置の提供。
【解決手段】一次燃焼室１と二次燃焼室２と両室を連通する連通部３を有する燃焼炉１０を備え、一次燃焼室１は供給口１１とバーナ１２と第一移送手段１３を備え、供給口１１は原料を一次燃焼室１内に供給するものであり、バーナ１２は供給口１１の近傍に設置し原料に着火し、第一移送手段１３は原料を供給口１１から連通部３へと移送するものであり、二次燃焼室２は排出口２１と第二移送手段２２を備え、排出口２１は原料を二次燃焼室２内から排出するもので、第二移送手段２２は原料を連通部３から排出口２１へと移送するものであり、一次燃焼室１内の原料の燃焼温度が着火後に原料の自燃が維持される温度であり、二次燃焼室２内の原料の燃焼温度が一次燃焼室１内の原料の燃焼温度より低いものであって、原料の自燃が維持される温度である、燃焼灰製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、もみ殻などのバイオマス原料を炭化し、肥料などとして用いることができる燃焼灰を製造するための、燃焼灰製造装置に関する。

稲の脱穀に際しては大量のもみ殻が排出されるが、もみ殻は、硬く分解されにくいもので、従来は大半が産業廃棄物として処理されていた。これに対し、もみ殻を有効利用するための種々の取り組みがなされており、その中で、特許文献１に示すように、もみ殻から高品位な珪酸資材を製造することが提案されている。この方法は、もみ殻を燃焼させて炭化させるものであって、その燃焼温度を制御し、もみ殻の自燃（発熱反応）を継続させることで、もみ殻の有機質分を焼却除去し、非結晶性シリカの含有率を高めるものであり、このようにして得られた珪酸資材は、水稲における肥料として有用である。

そして、このようにもみ殻を炭化させるためのものとして、特許文献２に示すような加熱装置が提案されている。この装置は、もみ殻などのバイオマス原料を炭化炉内で移送するストーカに、空気の流通口や冷媒の流通路を形成することで、燃焼温度を制御して、高品質なバイオマス原料の燃焼灰を得ようとするものである。

特許第５５８７５２１号公報 特許第５６３０８４９号公報

しかしながら、このような特許文献２の加熱装置によりもみ殻を処理した場合、もみ殻はストーカで移送される間のみ自燃することになるが、その間だけではもみ殻の有機質分を十分に焼却除去することができなかった。

本発明は、上記事情を鑑みたものであり、バイオマス原料を十分な時間自燃させ、より高品質な燃焼灰を製造できる燃焼灰製造装置を提供することを目的とする。

本発明のうち請求項１の発明は、原料を燃焼させて燃焼灰を製造するためのものであって、一次燃焼室と、二次燃焼室と、両室を連通する連通部とを有する燃焼炉を備え、一次燃焼室は、供給口と、バーナと、第一移送手段を備え、供給口は、原料を一次燃焼室内に供給するためのものであり、バーナは、供給口の近傍に設置してあって、原料に着火するものであり、第一移送手段は、原料を供給口から連通部へと移送するものであり、二次燃焼室は、排出口と、第二移送手段を備え、排出口は、原料を二次燃焼室内から排出するためのものであり、第二移送手段は、原料を連通部から排出口へと移送するものであり、一次燃焼室内の原料の燃焼温度が、着火後に原料の自燃が維持される温度であり、二次燃焼室内の原料の燃焼温度が、一次燃焼室内の原料の燃焼温度より低いものであって、原料の自燃が維持される温度であることを特徴とする。

本発明のうち請求項２の発明は、第一移送手段は、ストーカからなり、第二移送手段は、スクリューコンベアからなることを特徴とする。

本発明のうち請求項３の発明は、二次燃焼室は、一次燃焼室の直下に設置してあることを特徴とする。

本発明のうち請求項４の発明は、一次燃焼室と二次燃焼室に接続された熱交換器を備え、熱交換器は、一次燃焼室の排気により昇温した水を二次燃焼室に供給するものであることを特徴とする。

本発明のうち請求項１の発明によれば、一次燃焼室において原料に着火して自燃させた後、さらに二次燃焼室において自燃させるので、原料を十分な時間自燃させて高品質な燃焼灰を得ることができる。

本発明のうち請求項２の発明によれば、一次燃焼室においては、原料がストーカにより平面状に広げられた状態で移送されるので、全体が空気にさらされ、着火しやすく、また自燃が維持されやすい。また、二次燃焼室においては、原料がスクリューコンベアによりかき混ぜられながら移送されるので、全体に空気が取り込まれ均一に自燃して、燃焼灰の品質に偏りが生じない。

本発明のうち請求項３の発明によれば、二次燃焼室が一次燃焼室の直下に位置することで、一次燃焼室の排熱が二次燃焼室に直接伝熱されるので、二次燃焼室の温度を原料の自燃が維持される温度に維持するための燃料消費を抑えることができる。

本発明のうち請求項４の発明によれば、熱交換器により、一次燃焼室の高温の排気と熱交換して水を昇温させ、二次燃焼室に供給するので、二次燃焼室の温度を原料の自燃が維持される温度に維持するための燃料消費を抑えることができる。

本発明の燃焼灰製造装置の説明図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。

本発明の燃焼灰製造装置の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。なお、この燃焼灰製造装置は、種々の原料を燃焼させて燃焼灰を製造するために用いることができるものであるが、ここではもみ殻を対象としたものについて示す。また、以下において、左右とは図１における左右方向を示し、前側は図１における手前側、後側は図１における奥側を示す。この燃焼灰製造装置は、図１および図２に示すように、燃焼炉１０と、熱交換器４と、燃焼灰保持室５を備えており、燃焼炉１０は、左右に長い略直方体形のものであって、六面が断熱壁により形成してあって、その内側に空間を設けてあり、全体を架台６に載せてある。そして、燃焼炉１０内の上下方向中央部に、伝熱性の素材からなる仕切壁３１を設けてあって、空間が上下に仕切られており、燃焼炉１０内の空間の仕切壁３１の上側部分が一次燃焼室１、下側部分が二次燃焼室２となっている。よって、二次燃焼室２は、一次燃焼室１の直下に設置してあることになる。そして、仕切壁３１の左端部には孔が形成されていて、この孔が、一次燃焼室１と二次燃焼室２を連通する連通部３となっている。

一次燃焼室１は、供給口１１と、バーナ１２と、第一移送手段１３と、補助移送手段１４と、隔壁１５を備える。供給口１１は、一次燃焼室１の天井面の右端部に開口形成したものである。一次燃焼室１の上側には、切出装置７と投入装置８を設けてあり、これらは何れも有軸のスクリューコンベアからなるものであって、切出装置７の出口を投入装置８の入口に接続してあり、投入装置８の出口を供給口１１に接続してある。切出装置７は、もみ殻を所定量ずつ投入装置８に対して供給するものであり、投入装置８は、もみ殻を順次供給口１１から一次燃焼室１内へ投入するものである。バーナ１２は、一次燃焼室１の右側壁面の、供給口１１の近傍に設置してあって、一次燃焼室１内に向けて火炎を放射し、もみ殻に着火するものである。第一移送手段１３は、ストーカからなるものである。ストーカは、固定火格子と可動火格子が交互に階段状に並べられたもので、可動火格子が左右に動くことで上に載置されたものを下側へ移送するものである。この第一移送手段１３は、供給口１１側（右側）から連通部３側（左側）へ向けて下り勾配となるように設けてあり、右端部は供給口１１の直下に位置し、左端部は連通部３の直前に位置しており、もみ殻を平面状に広げつつ、供給口１１から連通部３へと移送する。補助移送手段１４は、有軸のスクリューコンベアからなるもので、軸が左右に延びる向きであって、第一移送手段１３の下側の、一次燃焼室１の下端部に設けてあり、右端部は一次燃焼室１の右側壁面の直前に位置し、左端部は連通部３の直前に位置している。そして、図２に示すように、補助移送手段１４の前後両側には、一次燃焼室１の前後の壁面から補助移送手段１４側へ向けて下り勾配となる傾斜板１６を設けてあり、前後の傾斜板１６の下端部同士が断面Ｕ字形の溝部１７で連結してあって、溝部１７内に補助移送手段１４が納まっており、第一移送手段１３からこぼれ落ちたもみ殻が、傾斜板１６を伝って補助移送手段１４へと集められ、補助移送手段１４により、連通部３へと移送される。隔壁１５は、燃焼炉１０を構成する耐熱壁と同じ素材からなるもので、一次燃焼室１の左右方向中央部の天井面から垂下し第一移送手段１３とは間隔が空くように設けてある。この隔壁１５により、バーナ１２の炎熱を隔壁１５よりも右側の空間内で対流させ、一次燃焼室１内に投入されたもみ殻をできるだけ早く着火させるものである。また、一次燃焼室１の右側壁面の、第一移送手段１３よりも下側には、送風ファン（図示省略）を設けてあり、外気を取り込んで第一移送手段１３の下側からもみ殻に対して送風する。

二次燃焼室２は、排出口２１と、第二移送手段２２を備える。排出口２１は、二次燃焼室２の右側壁面に、前後に二つ並んで開口形成したものである。そして、第二移送手段２２は、有軸のスクリューコンベアからなるもので、軸が左右に延びる向きであって、前後に二本並べて設けてあり、左端部は連通部３の直下に位置し、右端部は排出口２１を貫通して二次燃焼室２から突出している。そして、図２に示すように、それぞれの第二移送手段２２の前後両側には、前後から第二移送手段２２側へ向けて下り勾配となる傾斜板２３を設けてあり、前後の傾斜板２３の下端部同士が断面Ｕ字形の溝部２４で連結してあって、溝部２４内に第二移送手段２２が納まっており、すべてのもみ殻は傾斜板２３を伝って第二移送手段２２へと集められ、第二移送手段２２により、連通部３から排出口２１へと移送される。

熱交換器４は、一般的なボイラからなり、燃焼炉１０の左側に燃焼炉１０とは別置きしてあり、一次燃焼室１と二次燃焼室２に接続されている。より詳しくは、一次燃焼室１の左側壁面に形成した孔に排気管４１が接続してあり、排気管４１が熱交換器４の一次側に接続してあり、熱交換器４に設けた誘引ファン（図示省略）により、一次燃焼室１から排気管４１を通して熱交換器４へと排気を取り込む。そして、熱交換器４の二次側に給水管４２が接続してあり、給水管４２が二次燃焼室２の左側壁面を貫通して二次燃焼室２内に延びている。これにより、熱交換器４は、排気管４１を経由して一次燃焼室１の高温の排気を取り込み、この排気と水とで熱交換して水を昇温し、この水を、給水管４２を経由して二次燃焼室２に供給して、二次燃焼室２内を昇温する。なお、水と熱交換した排気は、さらにサイクロン（図示省略）を通過して集塵される。

燃焼灰保持室５は、燃焼炉１０の二次燃焼室２の右側に隣接して設けてあり、上方に向けて開口し、排出口２１の直下から右側に向けて深くなる形状となっており、二次燃焼室２から突出した第二移送手段２２が、燃焼灰保持室５内に納まっている。そして、底となる右端部の前側部分には、燃焼灰の取出口５１を設けてあり、開閉自在な蓋を取り付けてある。

なお、この燃焼灰製造装置は、図示しない制御部を備えており、バーナ１２の火力、第一移送手段１３および第二移送手段２２の動作、二次燃焼室２への給水管４２を経由した水の供給量、一次燃焼室１の送風ファンおよび熱交換器４の誘引ファンによる空気流通量などを自動制御している。そして、一次燃焼室１内においては、もみ殻にバーナ１２で着火した後、もみ殻（燃焼灰）の燃焼温度が、自燃が維持される温度に保たれており、一次燃焼室１の送風ファンによる空気流通量を調整してもみ殻に対する送風量を増減することで、その温度が５００℃〜６５０℃になるように制御している。また、熱交換器４の誘因ファンによる空気流通量を調整して一次燃焼室１から排気される空気量を増減することで、炉圧が一定になるように制御している。さらに、二次燃焼室２内においては、もみ殻（燃焼灰）の燃焼温度が、一次燃焼室１内のもみ殻の燃焼温度より低いものであって、自燃が維持される温度に保たれており、二次燃焼室２への給水管４２を経由した水の供給量を調整することで、その温度が３５０℃〜５００℃になるように制御している。ここで、もみ殻（燃焼灰）の温度が６５０℃を越えると、もみ殻から結晶性シリカが生成する。結晶性シリカは、遊離シリカともよばれ、発がん性のある有害成分であり、上記のようにもみ殻（燃焼灰）の自燃の温度を低く保つことで、結晶性シリカの生成を抑えている。また、上記の温度設定の下で、もみ殻は、一次燃焼室１を第一移送手段１３により１０分程度で通過し、二次燃焼室２を第二移送手段２２により数十分で通過する。

次に、この燃焼灰製造装置によって、もみ殻を燃焼して燃焼灰を製造する際の工程について説明する。まず、切出装置７の入口にもみ殻を投入すると、切出装置７から投入装置８へもみ殻が所定量ずつ送り出される。続いて、投入装置８が燃焼炉１０の一次燃焼室１の供給口１１へともみ殻を投入する。供給口１１から一次燃焼室１内へと供給されたもみ殻は、落下して第一移送手段１３に載せられるとともに、供給口１１の近傍に設置されたバーナ１２の火炎により着火される。その後、もみ殻はストーカからなる第一移送手段１３によって、平面状に広げられつつ、連通部３側へと移送される。この際、バーナ１２の炎熱が隔壁１５によって対流するので、遅くとも隔壁１５を通過するまでにもみ殻の全体が着火され、その後は自燃する。そして、第一移送手段１３の左端部に到達した自燃するもみ殻は、連通部３を通過して二次燃焼室２内へと落下する。また、第一移送手段１３からこぼれ落ちたもみ殻も、補助移送手段１４により移送されて、同じく連通部３を通過して二次燃焼室２内へと落下する。次に、連通部３から二次燃焼室２内へと供給されたもみ殻は、傾斜板２３により第二移送手段２２に集められ、かき混ぜられつつ自燃が維持されたまま、排出口２１へと移送される。排出口２１から排出されたもみ殻（燃焼灰）は、第二移送手段２２から燃焼灰保持室５へ落下し、貯蔵される。もみ殻は、燃焼灰保持室５で貯蔵される間に、自燃が終了し、温度が低下する。そして、もみ殻の温度が十分に低下したら、取出口５１の蓋を開けて、燃焼灰となったもみ殻を取り出す。なお、切出装置７へのもみ殻の投入と、取出口５１からの燃焼灰の取り出しの間の工程は、すべて制御部により自動制御で行われる。

このように構成した本発明の燃焼灰製造装置によれば、一次燃焼室１においてもみ殻に着火して自燃させた後、さらに二次燃焼室２において自燃させるので、もみ殻を十分な時間自燃させて、非結晶性シリカの含有率が高い、高品質な燃焼灰を得ることができる。そして、一次燃焼室１においては、もみ殻がストーカからなる第一移送手段１３により平面状に広げられた状態で移送されるので、全体が空気にさらされ、着火しやすく、また自燃が維持されやすい。また、二次燃焼室２においては、原料がスクリューコンベアからなる第二移送手段２２によりかき混ぜられながら移送されるので、全体に空気が取り込まれ均一に自燃して、燃焼灰の品質に偏りが生じない。また、二次燃焼室２が一次燃焼室１の直下に位置することで、一次燃焼室１の排熱が仕切壁３１を通して二次燃焼室２に直接伝熱され、さらに、熱交換器４により、一次燃焼室１の高温の排気と熱交換して水を昇温させ、二次燃焼室２に供給するので、二次燃焼室２の温度をもみ殻の自燃が維持される温度に維持するための燃料消費を抑えることができる。

なお、この燃焼灰製造装置においては、一次燃焼室１の排熱を二次燃焼室２に直接伝熱し、また一次燃焼室１からの排気と熱交換した水を二次燃焼室２に供給することで、一次燃焼室１の排熱を有効利用しているが、それでもなお、装置の各所から未利用熱が発生している。そこで、一次燃焼室１、二次燃焼室２や熱交換器４などの各所に、熱を電気に変換する熱電変換モジュールを設置してもよい。これにより、未利用熱で発電を行い、この電気を装置の運転や施設の照明・空調などに用いることができる。特に、上記のもみ殻を対象とした燃焼灰製造装置は、燃焼炉１０の温度が最大で６５０℃程度と低温であり、低温域において効率よく発電できる熱電変換モジュールを用いることが望ましい。また、このような未利用熱を種々の蓄熱体に蓄熱し、この蓄熱体を他の施設などに運搬して、熱源として用いてもよい。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。たとえば、一次燃焼室、二次燃焼室や燃焼灰保持室の形状は、どのようなものであってもよいし、熱交換器や、切出装置および投入装置の構成についても、どのようなものであってもよい。また、第二移送手段は、有軸のスクリューコンベアではなく、無軸のスクリューコンベア（いわゆるスパイラルコンベア）からなるものであってもよい。さらに、この燃焼灰製造装置は、もみ殻を燃焼させるのに好適なものであるが、その他のバイオマス原料などを対象としてもよい。

１ 一次燃焼室
２ 二次燃焼室
３ 連通部
４ 熱交換器
１０ 燃焼炉
１１ 供給口
１２ バーナ
１３ 第一移送手段
２１ 排出口
２２ 第二移送手段

Claims (4)

1. 原料を燃焼させて燃焼灰を製造するためのものであって、
   一次燃焼室と、二次燃焼室と、両室を連通する連通部とを有する燃焼炉を備え、
   一次燃焼室は、供給口と、バーナと、第一移送手段を備え、供給口は、原料を一次燃焼室内に供給するためのものであり、バーナは、供給口の近傍に設置してあって、原料に着火するものであり、第一移送手段は、原料を供給口から連通部へと移送するものであり、
   二次燃焼室は、排出口と、第二移送手段を備え、排出口は、原料を二次燃焼室内から排出するためのものであり、第二移送手段は、原料を連通部から排出口へと移送するものであり、
   一次燃焼室内の原料の燃焼温度が、着火後に原料の自燃が維持される温度であり、二次燃焼室内の原料の燃焼温度が、一次燃焼室内の原料の燃焼温度より低いものであって、原料の自燃が維持される温度であることを特徴とする燃焼灰製造装置。
2. 第一移送手段は、ストーカからなり、第二移送手段は、スクリューコンベアからなることを特徴とする請求項１記載の燃焼灰製造装置。
3. 二次燃焼室は、一次燃焼室の直下に設置してあることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼灰製造装置。
4. 一次燃焼室と二次燃焼室に接続された熱交換器を備え、熱交換器は、一次燃焼室の排気により昇温した水を二次燃焼室に供給するものであることを特徴とする請求項１、２または３記載の燃焼灰製造装置。

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