JP5135634B2 - 復水技術におけるスターリングエンジンを備えた木製ペレット熱電併給装置 - Google Patents
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Description
それらは、伝統的な家庭用のヒーティングシステムや温水ヒーティングに置き換えられ、付加的にできるだけより多くの電力を生成し、その電力は、公衆網に供給され、再生可能エネルギー資源法にて補償される。
木製ペレットボイラのいくつかの市場は、Hoval in Liechtenstein 或いは Energiebig in Austriaのような木製ペレットボイラに対してスターリングエンジンを装備することに努力している。
灰の一部は、火格子を通して落下し、一部は炎に巻き込まれて、灰トレイ、ボイラの床の上、炎路および煙突に蓄積する。
従って、定期的にこれらの箇所から灰を除去する必要がある。
スターリングエンジンのヒータヘッドが、高温燃焼領域に突出して、高温度の熱の一部をとり、例えばその電気効率次第によって、この部分の熱の20パーセントから電気を発生し、80パーセントから熱水を発生する。
高温排出ガスの高温の熱の残部は、一度、スターリングエンジンのヒータヘッドを通過し、ボイラ壁および炎路にて熱水に換えられる。
その理由は、このようなスターリングエンジンを備えた木製ペレット熱電併給装置は、せいぜい非常に小さい電力(5−10パーセント)しか燃料から作成できず、大きくて、重たい木製ペレットボイラを必要とし、さらに、しばしば、灰除去のための頻繁なメンテナンスを必要とする。
復水装置技術は、灰除去に関連した問題によって、いまだ木製ペレットボイラにおいては利用されていない。
戸建および集合住宅におけるこのような熱電併給装置の経済的な利用のためには、より高効率での電力が発生されることが必須である。
本発明は、それゆえに、上述した特性を持ったスターリングエンジンを有する木製ペレット熱電併給装置の提供を目的とする。
・排出ガス復熱器は、燃焼用空気を予熱し、木製ペレットはこの予熱された高温の空気(一次空気)によってガス化される。
・前記高温の燃焼用空気の一部は、ガス化燃焼室の火格子に誘導され、このようにして生成された燃料ガスは、側路送風機(サイドチャンネルブロワ)(強力に吸引する送風機)によって、灰とともに火格子を通ってその下方に吸引される。
・火格子の下の燃料ガスは、高温燃焼用空気(二次空気)の残りの流体の衝撃によって押し出され、最初に、CO限界に近い低ラムダ値が維持され、燃焼質の温度に基づいて、中央ノズルにおける燃焼が固定され、燃焼室の温度上昇によって、無炎燃焼の状態が増大し、そこで、燃焼室において潜在性渦が作り出され、その渦は、強制的に排出ガス、燃料ガスおよび高温燃焼用空気を混ぜ合わせ、その結果、燃料ガスと灰粒子は完全に燃焼される。
灰除去は、排出ガス流と、復水装置技術からの凝縮水とを介して完全に実行される。
灰粒子は、凝縮熱交換装置においてそこで得られる凝縮水とともに混ぜ合わされる、水溶性の部分は凝縮水に混ぜ合わされ、そして、水溶性でない部分は、凝縮水と排気ガス流によって、清浄されて除去される。
排出ガスと灰粒子と凝縮水との完全な混合の結果として、さらには、細かい塵あるいは汚染物質などの微細な粒子が、排出ガスから除去される。
その方法は、瞬間的なバーナ出力はサイドチャンネルブロワの速さにて調節され、スターリングエンジンのヒータヘッドの温度によってのみ決定される方法である。
ラムダ値および燃料供給もまた、瞬間バーナ出力とは独立しており、一次空気と二次空気との質量比の加減によってラムダ値の調節を行い、ペレットの補給は、燃えさし床の上側の明るさの反射を監視するライトセンサによって調節される。
投与用スクリュー5aは、ペレットを貯蔵コンテナ5dから高温の火格子4まで、傾斜投下シュート5bおよび垂直投下シュート5cを介して運搬される。
サイドチャンネルブロワ7は、排出ガス流6の中に収容され、二重壁煙突9の外側ジャケット8を介した周囲環境から燃焼室3bが燃焼用空気10を吸引する。
燃焼用空気10は、室温から燃焼室の温度近くまで復熱器11にて加熱され、復熱器11を通って燃焼質から逆の方向に流れる排出ガス流6は、燃焼室の温度から200°C以下になるように冷却される。
復熱器11は燃焼室3bとサイドチャネンルブロワ7との間に設けられ、燃焼用空気10の空気予熱装置を形成する。
一次空気13は火格子の上方を流れ、他方二次空気14は、図3aから図3dに詳細に示されるように火格子の直下に流れる。
一次空気13と二次空気14の空気質量比により、火格子4上のペレットは、高温の一次空気13によってガス化あるいは燃焼される。
大流量の推進力は、燃焼室3b(図1)において、潜在性渦20を生成し、この渦は、強制的に排出ガス6、二次空気14および燃料ガス18を完全に混合する。その結果、燃焼室の温度により、燃焼は、ノズル19において安定化され、あるいは燃焼は、温度上昇とともに燃焼質全体に広がり、高温の排出ガスの再循環比率による既知の方法による無炎燃焼になることができ、燃焼が特にクリーンとなり、排出ガスにおいて事実上窒素酸化物が全く無くなる。
燃料ガス18と時々火格子4を通して落下し、まだ十分に燃焼されていない燃料粒は、潜在性渦20により燃焼室内にて長い平均時間を滞留する、そして完全に燃焼する。
静止している高温の排出ガス6は燃焼室から復熱器11を介して放出され、そして、すでに上述したように、逆方向にて流れる冷却用の燃焼用空気10によってそこで冷却される。
排出ガス6の水蒸気は、水滴25に凝縮され、そして、その凝縮熱は、冷却水における有効熱量として使用される。
ラムダプローブは、凝縮熱交換装置の後に配されるが、その際、操作温度で電気的に保持される必要がある。
復熱器11、凝縮熱交換装置24およびサイドチャンネルブロワ7への集水路の流速は、灰粒子が堆積できないように高い値が選択される。
潜在性渦20から下方に浮遊しているいくらかの灰粒子は圧縮されたエアジェットすなわちノズル26からの排出ガスの再循環にて再度巻き上げられ、その結果、潜在性渦20に取り込まれ、そして、これら復熱器の入り口への受け入れ物を受けとりこれによりこれらを除去する機会を得る。
バイオマスの排出ガスは、高含有量の水蒸気を含む。
1リットルの木製ペレットはおおよそ0.25リットルの凝縮水を生する。
他方の灰の割合はほぼ無視できるくらい小さく、すなわち0.001リットルである。
灰の水溶性の成分は水に溶ける。水に溶けない成分は凝縮水から洗い出され、凝縮水の水滴とともにサイドチャンネルブロワ7を通ってサイクロン27としての排出ガス/凝縮水分離装置に向けて飛ばされる。
乾燥した排出ガス28は、煙突(凝縮技術において通常実用的に使用されるプラスチックパイプである)に排出され、凝縮水25は、微小な量の灰粒子と一緒に汚水処理システムに排出される。
凝縮水/灰の混合物は、無臭の液体であり、Ph値が中性であり、無機肥料として利用できるように収集される。
凝縮熱交換装置24、サイドチャンネルブロワ7およびサイクロン27において凝縮された水によって洗い流された排出ガスは、微量の細塵さえも含まない。
煙霧質(スモッグ)を伴った恐るべき注入および固体燃料の燃焼が回避される。
一次空気13と二次空気14との比率の調整は、ガス化燃焼室3aの上昇もしくは捻りによって行われ、その結果二次空気の開口部は、図3cおよび図3dにてより詳細を説明するように、より多くあるいはより少なく開口される。
図3dにおいて、二次空気開口部16は、王冠の態様をした穴が開けられていて、その王冠は、ガス化燃焼室3aの上昇もしくは捻りによって大なり小なり塞がれる。
この構造は、ラムダ値をCO閾値(ほぼ.ラムダ1.5)近くに置くための二次空気14の適確な注入を可能にしなければならない、なぜならば、あまりも過剰な大量の空気は発電効率の妨げを導き出してしまうからである。
たとえば、ラムダ1.5の代わりにラムダ2.5にした場合、発電効率は、30%から25%になる。
ガス化燃焼室3aの壁およびエアノズルは、燃焼用空気10によっておおよそ700°Cの高温に冷却される。
火格子4はセラミック素材からなる。
排出ガス復熱器11は、熱交換のための表面が、燃焼室壁23のまわりに同心状に配設され、熱断熱にて一体化されている。
さらに、復熱器11の底終端部にて同心状に配された凝縮熱交換装置24が同様に具備される。
それは、水冷式内側表面24cによって形成され、この表面24を介して排出ガス流6が導かれる。
燃焼用空気と排出ガス用の同心状の熱交換路は、凝縮煙突9あるいはサイドチャンネルブロワ7へと続く収集路31、32を介して接続される。
図5は、燃焼用空気と排出ガスの案内を示す。
固体および液体燃料は、予熱された燃焼用空気(一次空気)によって主にガス化され、その後、予熱された二次空気を追加することによって直接燃焼する。
開始段階における燃焼用空気の予熱とガス化燃料への点火は、電気的、もしくは、小さいプロパンガスを使用した加熱バーナにて実施される。
高い発電効率を達成するために、加熱パイプの温度は、部分的な負荷範囲として(おおよそ850°C)にほぼ等しい上限許容閾値に保持される必要がある。
瞬間的なバーナ出力は、スターリングエンジンの出力エネルギーおよび速度にかかわりなく、加熱パイプの設定点温度が持続されるような方法によって、サイドチャンネルブロワの速度変化させることによって設定される。
木製ペレット供給装置は、瞬間的なバーナ出力とは独立している。
ライトセンサ30(図1から図4)は、十分なペレットが燃えさしの上にあるか否かを、たとえば燃えさし床の上における赤外線の明るさを測定することによって見分ける。
もし、燃えさしがあまりにも明るすぎる場合、新しいペレットは、燃えさしの明るさが次第に覆われるまでは再供給されず、その供給は停止される。
ラムダ値の設定点は、ラムダプローブを介して調節される一次と二次空気の質量比の調整による瞬間的なバーナ出力およびスターリグンエンジンの瞬間出力とは独立して設定される。
それ故特に注目するに値する本発明に関する特別な実用的具体例は、排出ガス熱交換装置および凝縮熱交換器によって、灰は排出ガスとともに除去され、そして、排出ガスから得た凝縮水によって洗浄され、排出ガスと凝縮水の分離後、凝縮水とともに汚水システムに導かれる点である。
このように燃焼領域にエネルギーが残っている燃焼用空気を加熱することによって排出ガスからエネルギーが抽出されることが保障されることにより、熱電併給装置は、燃料をあまり必要とせず、発電効率を高くすることができる(25−30パーセント)。
生成された電力は、再生可能エネルギー資源法を通じ公益事業会社に対し適正価格にて販売可能である。
経済的実行可能性はかなり高い。
2 ガスバーナ
3a ガス化燃焼室
3b 燃焼室
4 火格子
5a 投与用スクリュー
5b 傾斜投下シュート
5c 垂直投下シュート
5d 貯蔵コンテナ
6 排出ガス流
7 サイドチャンネルブロワ
8 外側ジャケット
9 二重壁凝縮煙突
10 燃焼用空気
11 (排出ガス)復熱器
12 ラムダプローブ
13 一次空気
14 二次空気
15 一次空気開口部
16 二次空気開口部、環状溝
17 マイクロステッパ(ステッパーモータ)
18 燃料ガス、燃焼用ガス
19 中央ノズル
20 潜在性渦
21 加熱パイプ
22 スターリングエンジン
23 燃焼室壁
24 凝縮熱交換装置
24b 水冷水
25 水滴、凝縮水
26 ノズル
27 排出ガス/凝縮水分離装置(サイクロン)
28 乾燥排出ガス
29 燃料供給装置
30 ブライト(ライト)センサ
31 燃焼用空気収集路
32 排出ガス収集路
Claims (5)
- ペレット供給装置(5a)、燃焼室、灰除去装置、および、スターリングエンジン(22)を備える木製ペレット熱電併給装置であって、
・排出ガス復熱器(11)は、燃焼用空気(10)を予熱し、木製ペレットは前記燃焼用空気の一部(13)にてガス化され、
・前記燃焼用空気(10)の一部(13)は、ガス化燃焼室(3a)の火格子(4)の上方に導かれ、このようにして生成された燃料ガス(18)は、サイドチャンネルブロワ(7)によって灰とともに、前記火格子(4)を介して下方に吸引され、
・前記灰は、前記排出ガス(6)とともに、前記排出ガス復熱器(11)および同じくその下流に配置された凝縮熱交換装置(24)を介し、灰粒子が前記凝縮熱交換装置(24)の壁に堆積できないよう高流速にて吸引され、
・前記灰粒子は、前記凝縮熱交換装置(24)にて、そこで得られた凝縮水と混ぜ合わされ、解ける成分は、前記凝縮水に溶け、そして、解けない成分は、前記凝縮水および前記排出ガス流(6)から除去される
・前記火格子(4)の下の燃料ガス(18)は、前記高温の燃焼用空気(10)の余剰分(14)による流れ推進力によって押しのけられ、
・排出ガス(6)の徹底した混ぜ合わせの結果として、灰粒子と凝縮水、微粒子でさえも前記排出ガス(6)から洗い出され、
前記余剰分(14)は、
前記凝縮熱交換装置24の後に配されるラムダプローブを介しての一次空気と二次空気の質量比の調節に基づいて、最初は、Co限界近くの低ラムダ(Lambda)値に維持され、そして、前記燃焼室(3B)の温度に依って、中央ノズル(19)付近の燃焼が安定させられ、あるいは、前記燃焼室(3b)の温度上昇によって、無煙燃焼の状態が増加的に得られ、排出ガス(6)、燃料ガス(18)及び加熱された燃焼用空気(14)を激しく混ぜ合わせる潜在性渦(20)が前記燃焼室(3b)に形成されることにより、前記燃料ガス(18)と灰粒子が完全に燃焼する
ことを特徴とする木製ペレット熱電併給装置。 - 前記排出ガス、凝縮水および灰の混合物は、サイクロンのような排出ガス/凝縮水分離装置(27)によって、前記サイドチャンネルブロワ(7)の前あるいは後ろにて分離される
ことを特徴とする請求項1に記載された木製ペレット熱電併給装置。 - 前記燃焼室の前記潜在性渦(20)の中に沈下した灰粒子は、エアジェットつまりは前記燃焼室の床にもうけられたエアノズルからの排出ガスの再循環によって、再度、巻き上げられる
ことを特徴とする請求項1または2に記載された木製ペレット熱電併給装置。 - ガスバーナ(2)の瞬間的なバーナ出力は、前記サイドチャンネルブロワ(7)の速度を通じて調整され、前記スターリングエンジン(20)のヒータヘッドの温度によってのみ決定され、さらに、前記ペレットの供給は、燃えさし床の上側の明るさの反射の観測を行うライトセンサによって調節される方法にて制御される
ことを特徴とする請求項1乃至3に記載された木製ペレット熱電併給装置。 - 前記復熱器(11)と前記凝縮熱交換装置(24)は、それらの熱交換の表面が、前記燃焼室のまわりにおいて同心の態様にて配置され、さらに、熱断熱にて一体化される
ことを特徴とする請求項1乃至4に記載された木製ペレット熱電併給装置。
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