JP2019158190A - 空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置及びこれを用いたバイオマス蒸気発電システム - Google Patents

空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置及びこれを用いたバイオマス蒸気発電システム Download PDF

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【課題】竹チップなどのバイオマス粒状物を燃料として蒸気ボイラー装置等に熱風を供給するバイオマス燃焼ガス生成装置において、煤をほとんど含まないクリーンな熱風が大量に供給できるようにする。【解決手段】空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置1は、燃料供給装置2に連結され、下端部に燃料導入口10a、上端部にガス放出口10bが形成された燃焼室10cを含み、バイオマス粒状物を自燃させて燃焼ガスとともにガス放出口10bから放出させる自燃式燃焼炉10に、ガス導入口11aとガス放出口11bとが形成された対流室11cを含み、燃焼ガスのエゼクター効果によって外部から空気を導入する空気導入手段14を設けたガス化燃焼炉11を少なくとも1段以上連設させ、その最終段のガス化燃焼炉11のガス放出口11bを蒸気ボイラー装置3に接続した構造である。【選択図】図1

Description

本発明は、竹チップ、木チップ、籾殻等のバイオマス粒状物を燃料として蒸気ボイラー装置等に熱風を供給する燃焼ガス生成装置と、これを用いたバイオマス蒸気発電システムに関する。
前記のような装置の従来例として、次の特許文献には、燃焼室内にバイオマス燃料が堆積されて燃焼される燃焼ポットを配置し、その上方にバイオマス燃料の二次燃焼を促進するための過熱板を配置した構造のものが記載されている。
特開2016−061475号公報
前記特許文献に記載されている構造では、バイオマス燃料が自燃するのに適切な量の空気を導入する必要がある。しかしながらそうすると、バイオマス燃料から生じた炭化物等の残存物を二次燃焼させるための空気が不足することになるので、熱風が煤を含んだものになり、かつ風量も少なくなるという問題が生じる。
これに対して本発明は、籾殻等のバイオマス粒状物を燃料として蒸気ボイラー装置等に熱風を供給する燃焼ガス生成装置において、煤をほとんど含まないクリーンな熱風が大量に生成できる空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置を提供することを目的としている。
本発明は、燃料供給装置に連結され、下端部に燃料導入口、上端部にガス放出口が形成された燃焼室を含み、バイオマス粒状物を自燃させて燃焼ガスとともに前記ガス放出口から放出させる自燃式燃焼炉に、ガス導入口とガス放出口とが形成された対流室を含み、燃焼ガスのエゼクター効果によって外部から空気を導入する空気導入手段を設けたガス化燃焼炉を、少なくとも1段以上連設させ、その最終段のガス化燃焼炉のガス放出口を前記蒸気ボイラー装置に接続した構造としており、それぞれのガス化燃焼炉は、ガス導入口を通じて送られて来る燃焼ガスをそれぞれの空気導入手段を通じて外部から導入した空気とともに対流室に導入して加熱対流させることで、燃焼ガスに含まれている残留物のガス化を促進して、順次、次段のガス化燃焼炉に放出することを特徴とするものである。
本発明では、単一の自燃式燃焼炉に対して複数のガス化燃焼炉を直列に連設し、ガス化燃焼炉11A、11B、11Cのおのおのに空気を逓増的に導入してガス化及び燃焼を促進していることから、最終的な燃焼ガスとして煤をほとんど含まないクリーンな熱風が大量に得られる。
特に、竹チップや籾殻を燃焼させたときに従来の直火型ボイラーに生じがちなシリカなどの燃焼残留物がボイラーの水管に付着することによる燃焼効率の低下を生じることがないので、メンテナンスも簡易である
本発明に係る空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置の基本構成を示す縦断面図である。 炉間隔壁の構造の一例を示す透視図である。 燃焼ガス生成装置の他例の基本構成を示す縦断面図である。 蒸気発電システムの概略構成図である。
図1は、本発明に係る空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置の基本構成を示す縦断面図である。
燃焼ガス生成装置1は、バイオマス粒状物、例えば竹チップ、木チップ、籾殻等を含む粒状又は粉状粉砕物を自燃させてクリーンな熱風をボイラー装置等に供給することを目的とした設備である。バイオマス粒状物の種別は特に限定されないが、バイオマス粒状物は水分を20〜40%程度、望ましくは25〜35%含んでいるものがよい。
燃焼ガス生成装置1は、ホッパー2a内に貯留されたバイオマス粒状物を、空気と混合させて連続的に供給する燃料供給装置2に連結されており、自燃式燃焼炉10と、複数のガス化燃焼炉11A、11B、11Cを備えている。
ここに自燃式燃焼炉10は、下端部に燃料導入口10a、上端部にガス放出口10bが形成された燃焼室10cを含み、バイオマス粒状物を自燃させて燃焼ガスとともにガス放出口10bから放出させる構成になっている。
また、ガス化燃焼炉11A、11B、11Cの各々は、ガス導入口11aと、ガス放出口11bとが形成された対流室11cを含み、燃焼ガスのエゼクター効果によって外部から空気を導入する空気導入手段14を設け、ガス導入口11aを通じて送られて来る燃焼ガスを、それぞれの空気導入手段14を通じて外部から導入した空気とともに対流室11cに導入して加熱対流させることで、燃焼ガスに含まれている残留物のガス化を促進して、順次、次段のガス化燃焼炉11B、11Cに放出する構成になっている。そして最終段のガス化燃焼炉11Cのガス放出口11bが蒸気ボイラー装置3に接続されるようになっている(図4参照)。
燃料供給装置2は、バイオマス粒状物と空気とを所定比率で混合し、これを燃焼炉11に連続的に供給する要素であるが、例えば、ホッパー2aと、スクリュー式の計量器2bと、ターボ型ブロアー2cとを組み合わせて構成してもよい。
自燃式燃焼炉10は、例えば一般鋼材、ステンレス、断熱材等からなる縦長の長方体形状の炉であるが、バイオマス粒状物を高温で燃焼させるため高断熱性であることが望ましい。自燃式燃焼炉10に耐熱塗装を施して断熱性、耐久性を高めるようにしてもよい。
燃焼室10cは、燃料導入口10aが側面下端部に形成され、ガス放出口10bが側面上端部に形成され、燃料導入口10aの近傍に自燃促進部10dが設けられている。
自燃促進部10dは、底部に空気導入口が形成された漏斗状凹部10eと、その凹部の上方に配置された火格子10fからなる。燃料導入口10aは火格子10fよりも僅かに高い位置に設けられている。
ガス放出口10bは、その開口を燃焼室10cよりも狭くして高温ガスに対する絞り効果を生じるようにするとよい。
第一のガス化燃焼炉11Aは、例えば一般鋼材、ステンレス、断熱材等からなる長方体形状の炉であるが、対流室11cは自燃式燃焼炉10の燃焼室10cよりも容量を大きくしている。
ガス導入口11aは、対流室11cの側面上端部に設けられた突出管として構成されており、連通路12を介して自燃式燃焼炉10のガス放出口10bに連通されている。対流室11cには燃焼ガスの対流を促進するための偏向板11dが各縁部に配置されている。
連通路12は、自燃式燃焼炉10のガス放出口10bと同程度の断面積を有する管路であって、直線的なものであってもその途中が屈曲、湾曲したものでもよい。この例では、炉間隔壁13を中空構造としてその中空部に連通路12を設けている(図2参照)。ガス導入口11aの内部には、耐熱送気管14bが開口している。
空気導入手段14は、空気を活性化させるための複数の永久磁石14dを配した吸気部14aと、吸気部14aから導出され、自燃式燃焼炉10の内部、ガス化燃焼炉11Aの内部又は炉間隔壁13の内部を経由して連通路12の内部で開口する耐熱送気管14bとを備えている。耐熱送気管14bを特定のセラミックで形成すれば遠赤外線を発する効果もある。
吸気部14aは、一般鋼材、ステンレス等からなる円筒状の容器であって、その周壁に複数の磁気吸気管14cが貫通して突設されている。磁気吸気管14cは樹脂、ステンレス等の非磁性体からなる管であって、吸気部14aの周壁に対して上下二段かつそれぞれ放射状に配置されている。磁気吸気管14cのそれぞれには複数の永久磁石14dが固定されている。
耐熱送気管14bは、高耐熱セラミック等からなり、吸気部14aの底面から上方に向けて立設され、その基部に複数の通気孔14eが形成されている。磁気吸気管14cを通じて流入してきた空気は吸気部14aに流入し、更に通気孔14eから耐熱送気管14bに流入する。
なお同様の空気導入手段14を自燃式燃焼炉10に対して設けてもよい。
第二のガス化燃焼炉11Bは、第一のガス化燃焼炉11Aと同様の構成になっている。
第三のガス化燃焼炉11Cも、第一のガス化燃焼炉11Aと基本的には同様の構成になっているが、ガス放出口11bは下流側に配置される蒸気ボイラー装置3に効率的に燃焼ガスを供給できるように、第一ガス化燃焼炉11Aのガス放出口11bよりも大径なものになっている。
なおこの例では、自燃式燃焼炉10、第一〜第三のガス化燃焼炉11A、11B、11Cを一体として形成しているが、その一部又はそれぞれを別体として形成し、炉間を管状連通路によって連結させてもよい。
図2は炉間隔壁の構造の一例を示す透視図である。炉間隔壁13は自燃式燃焼炉10と第一のガス化燃焼炉11Aとの間のものであるが、第1のガス化燃焼炉11Aと第二のガス化燃焼炉11Bとの炉間隔壁、第二のガス化燃焼炉11Bと第三のガス化燃焼炉11Cとの炉間隔壁も同様である。
炉間隔壁13は二重構造であってその内側空間に縦方向の仕切壁13aが設けられている。仕切壁13aと底面との間には隙間13bがあり、仕切壁13aの両側の空間が連通されている。自燃式燃焼炉10のガス放出口10bはその片方の空間の上端部に配置されており、第一のガス化燃焼炉11Aのガス導入口11aは他方の空間の上端部に配置されている。すなわち仕切壁13aの両側の空間は、中間点に屈曲部を有する連通路12を構成している。また耐熱送気管14bは、ガス導入口11aが配置された側の空間内を経由して、ガス導入口11aの内側に開口している。
次いで本発明の空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置の基本動作を説明する。
ここでは、火種等の燃焼によって、自燃式燃焼炉10の少なくとも底部付近は十分に予熱された状態になっていると想定して、基本動作を説明する。
燃料供給装置2ではバイオマス粒状物と空気とを混合して混合燃料とし、これを燃焼炉11に供給する。燃料供給装置2は、前記のような構成であれば、計量器2bが時間当りに放出するバイオマス粒状物の重量と、ブロアー2cが時間当りに吹き出す風量とを調節することで、バイオマス粒状物と空気との比率を自由にコントロールできる。
自燃式燃焼炉10では、炭化燃焼がなされる。すなわち燃料導入口10aに流入してきたバイオマス粒状物は、自燃促進部10dの吹上作用によって燃焼室10cの底部で浮遊し流動した状態になるので、その付近で加熱され、加熱されたバイオマス粒状物から分離した揮発成分(水素炭化物等)が燃焼することで自燃が開始される。バイオマス粒状部が自燃すると、揮発成分が分離したバイオマス粒状物は軽くなり、燃焼ガスにと共に燃焼室10cを上昇していき、その途中で揮発成分が更に分離して燃焼することで更に高温になって、高温ガスの上昇流(摂氏1,000度以上)になる。このときの高温燃焼によってバイオマス粒子はほとんどが炭化物(固体炭素)の状態になって燃焼ガスと共にガス放出口10bから放出される。
ガス放出口10bから連通路12に流入した燃焼ガスは低圧高速なガス流になって連通路12を通過していき、耐熱送気管14bの開口部にエゼクター効果を生じて外部から空気を吸引する。なお連通路12の中間点でガス流は方向転換することで角運動量が与えられるので、ガス導入口11aの内側では高速な旋回流になる。そのためエゼクター効果が非常に強力なものになる。なお、ガス導入口11aの内周面に螺旋溝を形成して旋回流を加速するようにすればエゼクター効果を一層強化できる。
第一のガス化燃焼炉11Aは、1000℃以上に加熱されることでガス化燃焼が活性化される。すなわち自燃式燃焼炉10で生じた燃焼残留物中のタールやチャーと呼ばれる炭化物は、燃焼材料であるバイオマス粒状物に元々含まれていた水や、燃焼ガスに含まれる揮発成分の燃焼によって生じた水と反応して水素と一酸化炭素を生じる水性ガス反応や、二酸化炭素と反応することで一酸化炭素を生じるBoudouard反応を起こし、水素や一酸化炭素などの可燃ガスを発生するが、いずれも吸熱反応なので、高温雰囲気でないと活性化しない。
ところが本発明のガス生成装置では、ガス化燃焼炉11Aでは、ガス導入口11aから空気が混じった燃焼ガスが加えられるだけでなく、空気導入手段14を通じて加熱された空気が外部から導入されるので、高い温度の酸素が補給されるので、可燃性ガスの燃焼や炭化物の燃焼が盛んになり、燃焼ガスは高温になる。また、ガス化燃焼炉内に設けた偏向板11dの作用によって燃焼ガスの対流が促進されるので、炭化物と水との接触機会が多くなり、炭化物のガス化が更に促進される。その結果、炭化物が一酸化炭素や水素に迅速に変化し、生じた水素も酸素に接触して燃焼するので、炭化物の不燃焼物が残らす、燃焼効率が向上する。水性ガス反応を促進させるため、ガス化燃焼炉11A内に水を噴射してもよい。
水性ガス反応:C+H2O→H2+CO
Boudouard反応:C+CO2→2CO ※H2,COはいずれも可燃性ガス
空気導入手段14は、磁気給気管に固定された永久磁石14dの磁気が空気中の酸素に作用することで空気を活性化させているが、磁場を与えることは必ずしも必須ではない。
基本的な機能としては、ガス化燃焼炉のそれぞれに、外部から補給した空気を耐熱熱輸気管14bで加熱して、ガス化燃焼炉で発生する水素や一酸化炭素の燃焼に必要な空気が補給できればよい。空気に磁場を与えた場合の原理は十分に解明されていないが、酸素は常磁性であって磁石に引き寄せられる性質があるので、磁気吸気管14cを通過している間、空気中に酸素の密度を非均等化させることでガス化燃焼炉11Aにおけるガス化燃焼を活性化させることが考えられる。
また、近時では、量子波動論から分析、検証も行われており、これによれば、空気に含まれている水素と酸素が共有結合して存在している水蒸気に特定の物性波を与えて、共鳴させることで水素と酸素を分離させることができ、ガス化燃焼炉内では、分離させた水素、酸素を燃焼させることができ、反応が促進されるとの推論である。いずれにしても、実験によれば、ガス化燃焼炉11Aに供給する空気に対して予め磁気を作用させた場合、燃焼温度が著しく上昇する傾向が観察された。
第二、第三のガス化燃焼炉11B、11Cでも前記と同様のガス化燃焼がなされる。
本実施例では、単一の自燃式燃焼炉10に対して複数のガス化燃焼炉11A、11B、11Cを直列に連設し、ガス化燃焼炉11A、11B、11Cのおのおのに空気を逓増的に導入してガス化及び燃焼を促進していることから、最終的な燃焼ガスとして煤をほとんど含まないクリーンな、かつ十分な熱量を有する熱風が大量に得られる。
図示はされていないが、ガス化燃焼炉の最後段にフィルタ装置を設けて、蒸気ボイラー装置に放出する前にフィルタリングすれば、一層、クリーンな熱風を供給できることはいうまでもない。
図3は、燃焼ガス生成装置の他例の基本構成を示す縦断面図である。前記例と共通する要素には同一の参照符号を付けて説明を省略する。
この燃焼ガス生成装置1は、炉間隔壁13を通常の単壁とし、空気導入手段14の耐熱送気管14bを自燃式燃焼炉10、ガス化燃焼炉11A、11Bの内部を経由するようにしている点が特徴である。炉間隔壁13を単壁とすることは燃焼ガス生成装置1の小型化、軽量化に寄与する。また自燃式燃焼炉10おいて耐熱通気管は炉の中心部に配置されているが、そうした場合、燃焼ガスは耐熱送気管14bの周りを螺旋状に旋回しながら上昇していくようになるので、耐熱通気管は、燃焼ガスのスムースな流れに寄与する。
図4は、バイオマス蒸気発電システムの概略構成図である。
この蒸気発電システムは、燃焼ガス生成装置1の下流側に、蒸気ボイラー装置3と、蒸気タービン装置4と、発電機5が配置された基本構成になっている。蒸気ボイラー装置3と蒸気タービン装置4は、復水器6、ポンプ7を経路に含む水管8によって接続されている。
蒸気ボイラー装置3は、一般鋼材、スチール、断熱材等で構成された熱室3a内に水管8が蛇行配置された基本構造になっている。ここに、熱室3aは、燃焼ガス生成装置1から供給された燃焼ガスが導入され、水管8を介した熱交換によって水を蒸気に変える。
蒸気タービン装置4は、蒸気ボイラー装置3から供給された蒸気を受けて回転するタービン4aを備えており、その出力軸が発電機5に連結されている。
蒸気タービン装置4においてタービン4aを駆動したあとの蒸気は、復水器6によって水に戻され、ポンプ7によって蒸気ボイラー装置3に送られる。
従来の熱室内で重油等の燃料を燃焼させる構成の蒸気ボイラー装置は、燃料を完全燃焼させることが困難であり燃料代がかさむという問題があったが、本発明のバイオマス蒸気発電システムでは、安価なバイオマス粒状物を燃料とし、かつそれをほぼ完全燃焼させることが可能なので燃料代が大幅に抑えられる。また、直火式のボイラー装置を使用する場合に比べて、クリンカ付着も抑えられる。
1 空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置
10 自燃式燃焼炉
10a 燃料導入口
10b ガス放出口
10c 燃焼室
11A、11B、11C ガス化燃焼炉
11a ガス導入口
11b ガス放出口
11c 対流室
14 空気導入手段
14a 吸気部
14b 耐熱送気管
14d 永久磁石
2 燃料供給装置
2a ホッパー
3 蒸気ボイラー装置
本発明は、ホッパー内に貯留されたバイオマス粒状物を、空気と混合させて連続的に供給する燃料供給装置と、蒸気ボイラー装置との間に設置される、空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置であって、前記燃料供給装置に連結され、下端部に燃料導入口、上端部にガス放出口が形成された燃焼室を含み、バイオマス粒状物を自燃させて燃焼ガスとともに前記ガス放出口から放出させる自燃式燃焼炉と、前記自然式燃焼炉に少なくとも1段以上連設されたガス化燃焼炉とを備え、前記ガス化燃焼炉のそれぞれは、ガス導入口とガス放出口とが形成された対流室と、炉間隔壁の内部に配された空気導入手段を設けた構成になっており、この空気導入手段は、複数の永久磁石を配した吸気部を前記ガス化燃焼炉の外部に設け、該ガス化燃焼炉の内部に通じる耐熱送気管で構成されており、該耐熱送気管は、吸気部から導入された空気を、その内部を通じることで予め加熱し、前記ガス導入口から前記ガス放出口に排出される燃焼ガスによるエゼクター効果によって、前記ガス化燃焼炉内に吸引するようにしており、前記ガス化燃焼炉の最終段のガス放出口を前記蒸気ボイラー装置に接続させる構造としている
本発明では、単一の自燃式燃焼炉に対して複数のガス化燃焼炉を直列に連設し、ガス化燃焼炉のおのおのに空気を逓増的に導入してガス化及び燃焼を促進しているので、最終的な燃焼ガスとして煤をほとんど含まないクリーンな熱風が大量に得られる。
特に、竹チップや籾殻を燃焼させたときに従来の直火型ボイラーに生じがちなシリカなどの燃焼残留物がボイラーの水管に付着することによる燃焼効率の低下を生じることがないので、メンテナンスも簡易である。
また、燃焼炉に、空気に磁気を作用させて外部から対流室に導入させる耐熱送気管を有した空気導入手段を設けたガス化燃焼炉を複数段連設する構造によって、バイオマス粒状物を燃料として消費する燃焼炉を小型化して、燃焼ガスを逓増させているので、燃料を少なくして燃料代が大幅に抑えられる
本発明は、ホッパー内に貯留されたバイオマス粒状物を、空気と混合させて連続的に供給する燃料供給装置と、蒸気ボイラー装置との間に設置される、空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置であって、前記燃料供給装置に連結され、下端部に燃料導入口、上端部にガス放出口が形成された燃焼室を含み、バイオマス粒状物を自燃させて燃焼ガスとともに前記ガス放出口から放出させる自燃式燃焼炉と、前記自式燃焼炉に少なくとも1段以上連設されたガス化燃焼炉とを備え、前記ガス化燃焼炉のそれぞれは、ガス導入口とガス放出口とが形成された対流室と、炉間隔壁の内部に配された空気導入手段を設けた構成になっており、この空気導入手段は、複数の永久磁石を配した吸気部を前記ガス化燃焼炉の外部に設け、該ガス化燃焼炉の内部に通じる耐熱送気管で構成されており、該耐熱送気管は、吸気部から導入された空気を、その内部を通じることで予め加熱し、前記ガス導入口に導入される燃焼ガスによるエゼクター効果によって、前記ガス化燃焼炉内に吸引するようにしており、前記ガス化燃焼炉の最終段のガス放出口を前記蒸気ボイラー装置に接続させる構造としている。

Claims (4)

  1. ホッパー内に貯留されたバイオマス粒状物を、空気と混合させて連続的に供給する燃料供給装置と、蒸気ボイラー装置との間に設置される、空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置であって、
    前記燃料供給装置に連結され、下端部に燃料導入口、上端部にガス放出口が形成された燃焼室を含み、バイオマス粒状物を自燃させて燃焼ガスとともに前記ガス放出口から放出させる自燃式燃焼炉に、
    ガス導入口とガス放出口とが形成された対流室を含み、燃焼ガスのエゼクター効果によって外部から空気を導入する空気導入手段を設けたガス化燃焼炉を少なくとも1段以上連設させ、その最終段のガス化燃焼炉のガス放出口を前記蒸気ボイラー装置に接続させる構造としており、
    それぞれのガス化燃焼炉は、ガス導入口を通じて送られて来る燃焼ガスを、それぞれの空気導入手段を通じて外部から導入した空気とともに対流室に導入して加熱対流させることで、燃焼ガスに含まれている残留物のガス化を促進して、順次、次段のガス化燃焼炉に放出するようにした、空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置。
  2. 前記空気導入手段には、空気を活性化させるための複数の永久磁石を配した吸気部と、この吸気部から導出され、前記ガス化燃焼炉の内部に延びる耐熱送気管とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置。
  3. 前記自燃式燃焼炉に、外部から空気を導入させるための空気導入手段を更に設けている請求項1又は2に記載の空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置。
  4. 請求項1〜3のいずれ一項に記載の空気逓増式バイオマス燃焼ガス生成装置の後段に蒸気ボイラー装置を連設したバイオマス蒸気発電システム。
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