JP5362620B2

JP5362620B2 - バイオマス粉体燃料燃焼バーナ

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Publication number: JP5362620B2
Application number: JP2010044710A
Authority: JP
Inventors: 健篠宮; 征篠宮; 範夫湯本; 進秦
Original assignee: 株式会社バイオマス・プロダクツ; 細山熱器株式会社
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2030-03-01
Also published as: JP2011007478A

Description

本発明は、バイオマス粉体燃料燃焼バーナに関し、詳細には、木材などのバイオマス材料を微細粉化して得られるバイオマス粉体燃料を、補助燃料なしに効率良く燃焼させる、バイオマス粉体燃料燃焼バーナに関するものである。

近年、ＣＯ_２の大量排出が原因であるとされる地球温暖化の問題が指摘され、石油、石炭を始めとするいわゆる化石燃料に代わる、環境負荷の少ないカーボンニュートラルな燃料の開発が進められている。

例えば、特許文献１に開示されているバイオマス粉体燃料もその一つで、このバイオマス粉体燃料は、森林資源をはじめ、廃材となった木材や、樹皮、草等のリグノセルロース系バイオマス材料を微細粉化して得られる燃料であり、燃焼させても、ＣＯ_２の発生に関してはニュートラルであるので、地球環境的に好ましい燃料である。また、平均粒径が３００μｍ以下と微粉で、表面積が大きいことから、酸素との反応効率が高く、従来のチップ状或いはペレット状に成形された木粉燃料に比べて燃焼速度が速く、かつ、流体的な流動性を有しているので、従来の液体又は気体燃料に近い取り扱いが可能になると期待されている。

しかしながら、本発明者らが知る限り、上記バイオマス粉体燃料を、油やガスなどの補助燃料なしに安定的に燃焼させ、燃焼の立上がり、停止が極めて短時間に完了するバーナは、未だ提案されていないのが実状である。

特開２００８−１３７３８号公報

本発明は、上記の実状に鑑み為されたもので、バイオマス粉体燃料を、油やガスなどの補助燃料なしに安定的に燃焼させるバーナを提供することを課題とするものである。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく、鋭意試行錯誤を繰り返した結果、バイオマス粉体燃料をバーナで燃焼させるに際し、燃焼開始時には、燃焼に必要な空気の一部だけを一次空気として供給してバイオマス粉体燃料に部分燃焼（酸化）反応を起こさせ、その反応熱でバイオマス粉体中の揮発性成分を気化させることによって、バイオマス粉体燃料を燃焼性の良い燃料に改質させることができること、そして、その後、燃焼に必要な残りの空気を二次空気として供給して燃焼させることにより、バイオマス粉体燃料を、補助燃料なしに安定的に燃焼させ、かつ、短時間で燃焼反応が終結し、狭い燃焼室内で完全燃焼させることができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、一端が開口した有底のバーナ管と、バーナ管の底部近傍においてバーナ管内側と連通する粉体燃料供給管路と、バーナ管の底部近傍及び／又は粉体燃料供給管路に開口する一次空気供給口と、バーナ管内に配置された点火手段と、バーナ管の底部近傍に開口する一次空気供給口よりもバーナ管の開口端に近い位置に開口する１又は複数の二次空気供給口と、一次空気供給口及び二次空気供給口に空気を供給する燃焼用空気供給手段と、前記粉体燃料供給管路にバイオマス粉体燃料を供給する粉体燃料供給手段とを備え、一次空気供給口からバーナ管内に供給される一次空気の空気比が０．２〜０．５の範囲にあるバイオマス粉体燃料燃焼バーナを提供することによって、上記の課題を解決するものである。

本発明のバーナにおいては、上記のとおり、バーナ管の底部近傍には、バイオマス粉体燃料に加えて、空気比が０．２〜０．５の一次空気のみが供給され、バイオマス粉体燃料の部分燃焼が開始される。燃焼に必要な残りの空気は、バイオマス粉体燃料の部分燃焼が進行し、温度が十分に上昇した後に、二次空気としてバーナ管内に供給される。一次空気と二次空気を合わせた燃焼用空気の空気比は１．０〜１．５の範囲になるように設定され、これにより、バーナ管内でのバイオマス粉体燃料の安定的な完全燃焼が図られる。また、本発明のバーナの好ましい態様においては、バーナ管の開口端の外周に過剰空気供給口が設けられ、この過剰空気供給口から空気比が０．１〜０．５の範囲にある過剰空気が供給される。このような過剰空気が供給されることによって、バーナ管外の、例えばボイラ等の燃焼室において、バイオマス粉体燃料のより安定的な完全燃焼が実現される。

本発明のバーナにおいては、一次空気のみによる部分燃焼を十分に進行させるため、部分燃焼部の長さ、すなわち、バーナ管の底面から最も底面側に位置する二次空気供給口までのバーナ管円筒軸方向の距離Ｓは、バーナ管の円筒軸方向の長さＬに対して、Ｓ≧（１／４）Ｌの関係にあるのが好ましい。

本発明のバーナは、より具体的には、上記のバーナ管及び粉体燃料供給管路に加え、バーナ管と同軸に配置され、バーナ管の外面との間に空気流路を形成する外管を備え、バーナ管に開口する一次空気供給口及び二次空気供給口が、前記空気流路とバーナ管の内側とを連通させるバーナ管壁に設けられた貫通孔であり、粉体燃料供給管路に開口する一次空気供給口が、前記空気流路と粉体燃料供給管路を接続する管路の粉体燃料供給管路側の開口であり、燃焼用空気供給手段が、前記空気流路に燃焼用空気を供給する送風機であるバーナとすることができる。本発明のバーナをこのような構成とするときには、構造が簡単で、コンパクトなバーナとなる。

本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナによれば、カーボンニュートラルなバイオマス粉体燃料を、油やガスなどの補助燃料なしに、ガス燃料や石油系液体燃料と同様に、安定的に完全燃焼させることができるので、地球環境に与える影響の少ない、取り扱いの容易な燃焼装置を提供することができるという利点が得られる。また、本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナによれば、運転開始時には、バイオマス粉体燃料の燃焼速度が速いので、バーナが正常運転に達するまでの待ち時間が短くて済み、運転停止時には、バイオマス粉体燃料の供給を停止すれば、極めて短時間に燃焼が停止するので、運転、停止が容易で、無人運転に適した燃焼バーナが得られるという利点がある。

本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナの一例を示す縦断面図である。図１のＸ_１の位置における断面図である。図１のＸ_２の位置における断面図である。図１のＸ_３の位置における断面図である。本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナの他の一例を示す縦断面図である。外管の斜視図であり冷却水の流れを示す図である。本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナの更に他の一例を示す縦断面図である。本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナの更に他の一例を示す縦断面図である。粉体燃料供給管路の部分拡大図である。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。

図１は、本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナの一例を示す縦断面図である。図１において、１は本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナを示し、２はバーナ管、３は外管である。本例において、バーナ管２は有底の円筒状であり、図に示すとおり、一方端（図１においては右側端）が開口している。外管３は、同じく有底の円筒状で、バーナ管２と同軸に配置されており、外管３の内面とバーナ管２の外面との間に、空気流路４を形成している。なお、バーナ管２は有底であれば良く、その形状は円筒状に限られない。例えば、円錐台の台部分を底部とする円錐台形状であっても良く、その場合には、外管３も、バーナ管２と同軸に配置された円錐台形状とするのが良い。

本発明のバーナ１においては、バーナ管２の円筒軸方向の長さＬは、バーナ管２の直径Ｄの３倍以上、すなわち、Ｌ／Ｄ≧３であるのが望ましい。Ｌ／Ｄが３未満であると、バーナ管２内において、十分な長さの部分燃焼領域と完全燃焼領域を確保するのが難しくなるので好ましくない。また、Ｌ／Ｄの上限には特段の制限はないけれども、バーナ管２の長さＬが直径Ｄに比べて余りに長すぎると、後述する送風手段の能力を高める必要が生じるので、Ｌ／Ｄは５以下、すなわち、Ｌ／Ｄ≦５とするのが好ましい。

５は、バーナ管２の底部近傍においてバーナ管２の内側と連通する粉体燃料供給管路であり、粉体燃料供給管路５の下端は、開口５ａによって、バーナ管２の内側と連通している。６は、バイオマス粉体燃料を、順次、粉体燃料供給管路５に供給する供給装置、７は、供給装置６と接続されたバイオマス燃料のタンクである。供給装置６としては、タンク７に収容されているバイオマス粉体燃料を一定量ずつ粉体燃料供給管路５に供給することができるものであれば、どのような機構のものであっても良く、例えば、図に示すような容量式の回転フィーダであっても良いし、スクリューフィーダであっても良い。

図１の例では、供給装置６から粉体燃料供給管路５へと供給されるバイオマス粉体燃料は、自重によって、開口５ａからバーナ管２内へと供給されるようになっているが、後述する一次空気供給口１２ｂを介して、一次空気の一部若しくは全部を、粉体燃料供給管路５内に供給し、その一次空気によって強制的又は半強制的にバーナ管２内に供給するようにしても良い。なお、バイオマス粉体燃料としては、木材等のバイオマス材料が、平均粒径が３００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下の微粉に微粉化されているバイオマス粉体燃料であればどのようなバイオマス粉体燃料でも使用可能であるが、例えば、上記特許文献１に開示されているリグノセルロース系のバイオマス微細粉燃料、中でも、平均粒径が３０〜４０μｍのバイオマス微細粉燃料を用いるのが好適である。

８は、バーナ管２内に配置された点火手段である。点火手段８としては、電気スパークを点火源とする点火プラグであっても良いし、適宜のガス又はオイルを点火源とする点火手段であっても良い。図示の例では、点火手段８はバーナ管２の底部近傍に配置されているが、バーナ管２内に配置される点火手段８の位置は、一次空気と混合したバイオマス粉体燃料を着火することができる位置であればバーナ管２の底部近傍でなくても良い。９は送風機であり、外管３にバーナ１と一体になるように取り付けられている。送風機９は、空気流路４に空気を供給することにより、後述する一次空気供給口、及び二次空気供給口に空気を供給する燃焼用空気供給手段として機能する。なお、１０は覗き孔である。

１１は、バーナ管２の底部近傍に開口している一次空気供給口である。一次空気供給口１１は、図１では１個しか示されていないが、図１のＸ_１の位置での断面図である図２に見られるとおり、バーナ管２の円周方向に１８０度ずれた位置にも設けられており、合計２個の一次空気供給口１１、１１がバーナ管２の底部近傍に開口している。一次空気供給口１１、１１の数は２個に限られず、１個であっても良いし、３個以上であっても良いが、一次空気供給口１１を３個以上設ける場合には、それらはバーナ管２の円周方向に沿って均等な角度間隔で設けるのが望ましい。

一次空気供給口１１、１１は、空気流路４とバーナ管２の内側を連通させる貫通孔としてバーナ管２の壁面に形成されているので、送風機９によって空気流路４に供給された空気は、一次空気供給口１１、１１からバーナ管２内に供給されることになる。また、一次空気供給口１１、１１は、図２に示すように、バーナ管２の円周接線方向に沿った方向に開口しているので、一次空気供給口１１、１１からバーナ管２内に供給される一次空気は、図２に矢印で示すとおり、バーナ管２の円周方向に送出される。

一方、粉体燃料供給管路５の開口５ａは、図２に示すとおり、バーナ管２の中心よりも側方にずれた位置に開口している。このため、開口５ａから供給されるバイオマス粉体燃料は、図中矢印で示すように、バーナ管２の円周方向に沿った方向に供給され、前述した一次空気供給口１１、１１からバーナ管２の円周方向に送出される一次空気と相俟って、バーナ管２内には、バイオマス粉体燃料と一次空気との混合物による旋回流が、図中反時計回りに形成されることになる。

本発明のバーナ１においては、上述のように、一次空気及びバイオマス粉体燃料を、バーナ管２の底部近傍において、両者の混合物による旋回流が形成されるような方向からバーナ管２内に供給するのが望ましい。これにより、旋回流が形成されない場合に比べて、より安定した部分燃焼を実現することができるという利点が得られる。但し、一次空気とバイオマス粉体燃料の混合物による旋回流の形成は必ずしも欠くことのできない要件ではなく、場合によっては、一次空気供給口１１、１１を、バーナ管２の壁面に垂直な方向に開口させ、一次空気をバーナ管２の中心に向かって供給するようにしても良い。同様に、粉体燃料供給管路５の開口５ａを、バーナ管２の中心を通る線上に開口させ、バイオマス粉体燃料をバーナ管２の中心に向かって供給するようにしても良い。

本発明のバーナ１において、一次空気供給口１１、１１から供給される一次空気の空気比は０．２〜０．５の範囲に設定される。一次空気の空気比が０．２未満では、たとえ部分燃焼とはいえ、バイオマス粉体燃料を燃焼させることが難しく、０．５を超えると、バイオマス粉体燃料の温度が十分に上昇する前に燃焼が進行するので、燃焼が不安定になり、好ましくない。したがって、一次空気の空気比は０．２〜０．５の範囲、好ましくは０．２〜０．４の範囲、さらに好ましくは０．２５〜０．３５の範囲に設定するのが好ましく、一次空気の空気比がこの範囲内にあるときには、バイオマス粉体燃料は、バーナ管２内で部分燃焼状態で安定して燃焼し、その温度が上昇し、その反応熱でバイオマス粉体中の揮発性成分が気化し、後続する二次空気下での燃焼に適した状態となる。なお、図１において、破線で囲ったαで示す領域が、一次空気のみの存在下で部分燃焼が進行する部分燃焼部ということになる。

一次空気供給口１１、１１から供給される一次空気の空気比の設定は、空気流路４を経由して一次空気供給口１１、１１を通過する流路の流路抵抗を調節することによって行うことができる。この流路抵抗の調節は、例えば、一次空気供給口１１、１１の大きさや数を変更することによって行うことができる。図１に示す例のように、単一の送風機９から単一の空気流路４を介して、一次空気供給口１１、１１だけでなく、後述する二次空気供給口や過剰空気供給口にも空気を供給する場合には、それら併存する流路における流路抵抗を勘案して、一次空気供給口１１、１１を通過する流路の流路抵抗を調節する必要があることは勿論である。また、一次空気を供給する専用の送風手段を設け、専用の空気流路から一次空気供給口１１、１１に一次空気を供給する場合には、その送風手段の送風量を調節するか、流路途中に流量調節手段を設けるなどして、一次空気供給口１１、１１から供給される一次空気の量を調節し、その空気比を所望の値に設定することが可能である。

本発明のバーナ１において、一次空気は、その全量を、上述した一次空気供給口１１、１１、すなわち、バーナ管２の底部近傍に開口する一次空気供給口１１、１１からバーナ管２内に供給するようにしても良いし、その一部又は全量を、粉体燃料供給管路５に開口する一次空気供給口から供給するようにしても良い。

すなわち、図１に示す例においては、空気流路４と粉体燃料供給管路５とを連通させる分岐管路１２が設けられており、分岐管路１２の一方端は外管３の内側の空気流路４に開口１２ａとなって、また、他端は、粉体燃料供給管路５に一次空気供給口１２ｂとなって、それぞれ、開口している。１２ｃは、分岐管路１２に設けられている開閉弁である。このような分岐管路１２が設けられている場合には、開閉弁１２ｃを開とすると、送風機９から空気流路４に供給される空気の一部は、開口１２ａ、分岐管路１２を経由して、粉体燃料供給管路５に開口する一次空気供給口１２ｂから、粉体燃料供給管路５に供給され、バイオマス粉体燃料とともに、開口５ａからバーナ管２内に供給されることになる。一次空気の一部を、一次空気供給口１２ｂから、粉体燃料供給管路５に供給する場合には、バイオマス粉体燃料のバーナ管２内への供給を半ば強制的に行うことができ、バイオマス粉体燃料の供給が滞りなくスムースに行われるという利点が得られる。一次空気の一部を粉体燃料供給管路５に供給する必要のないときには、開閉弁１２ｃを閉とすれば良い。

また、極端な場合には、一次空気供給口１１、１１を閉鎖して、一次空気の全量を、一次空気供給口１２ｂから粉体燃料供給管路５を経由させ、バイオマス粉体燃料とともに、開口５ａからバーナ管２内に供給するようにしても良い。このように、一次空気の全量を、一次空気供給口１２ｂから粉体燃料供給管路５に供給する場合には、バイオマス粉体燃料の供給を強制的に行うことができるので、バイオマス粉体燃料の供給に重力を利用する必要がなくなり、供給装置６及びバイオマス粉体燃料のタンク７を、例えば、バーナ管２の側方に配置することが可能となる。

但し、いずれの場合においても、バーナ管２の底部近傍に開口する一次空気供給口１１、１１、又は、粉体燃料供給管路５に開口する一次空気供給口１２ｂ、或いはその双方からバーナ管２内に供給される一次空気の空気比は、０．２〜０．５に設定され、好ましくは、０．２〜０．４の範囲、さらに好ましくは０．２５〜０．３５の範囲に設定される。なお、一次空気供給口１２ｂから供給される一次空気の空気比は、分岐管路１２の流路抵抗を調節することによって、任意の値に設定することが可能である。場合によっては、分岐管路１２に流量調節弁を設け、それによって一次空気供給口１２ｂから供給される一次空気の空気比を調節するようにしても良い。

因みに、バイオマス粉体燃料の理論空気量は、対象とするバイオマス粉体燃料の組成を分析し、含まれている可燃成分の種類と割合から計算で求めることができる。或いは、そのバイオマス粉体燃料の総発熱量から経験式に基づいて求めることもできる。所定の空気比となる空気量は、バイオマス粉体燃料の理論空気量に基づいて、計算によって求めることができる。

１３ａ、１３ｂ、１３ｃは二次空気供給口であり、二次空気供給口１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、一次空気供給口１１、１１よりも、バーナ管２の開口端に近い位置に開口している。二次空気供給口１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、図１では３個しか示されていないけれども、バーナ管２の円周方向に１８０度ずれた手前側にも３個あり、合計６個の二次空気供給口１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆが設けられている。

図３は、図１のＸ_２で示す位置における断面図、図４は、図１のＸ_３で示す位置における断面図である。図３には、図１で最も左側に位置する二次空気供給口１３ａが、図４には、図１では示されていないバーナ管２の手前側に位置する二次空気供給口１３ｄが現れている。Ｘ_２とＸ_３とは、図１に示される二次空気供給口１３ａ、１３ｂ、１３ｃの配置間隔の１／２の距離だけ離れており、図３に示される二次空気供給口１３ａと、図４に示される二次空気供給口１３ｄとは、二次空気供給口１３ａ、１３ｂ、１３ｃの配置間隔の１／２の距離だけずれた位置に設けられていることになる。図１における中央の二次空気供給口１３ｂから配置間隔の１／２の距離だけバーナ管２の開口側にずれた図中Ｘ_４で示す位置、及び最も右側の二次空気供給口１３ｃから配置間隔の１／２の距離だけバーナ管２の開口側にずれた図中Ｘ_５で示す位置にも、それぞれ、図４に示すと同様の二次空気供給口１３ｅ、１３ｆがそれぞれ設けられている。

二次空気供給口１３ａ〜１３ｆの数は６個に限られない。５個以下であっても良いし、７個以上であっても良いが、二次空気を均等に供給するという観点からは、二次空気供給口はバーナ管２の円周方向に沿って均等な角度間隔で設けるのが望ましく、また、バーナ管２の円筒軸方向に位置をずらして、その配置が均等になるように設けるのが望ましい。

図１、図３、図４に示すとおり、二次空気供給口１３ａ〜１３ｆはバーナ管２の壁面を貫通する貫通孔として形成されており、送風機９によって、空気流路４に供給された空気の一部は、二次空気供給口１３ａ〜１３ｆから、バーナ管２内に供給されることになる。

また、図３、図４に示すとおり、二次空気供給口１３ａ〜１３ｆは、一次空気供給口１１、１１と同様に、バーナ管２の円周方向に１８０度位置をずらして設けられ、かつ、バーナ管２の円周接線方向に沿った方向に開口している。したがって、二次空気供給口１３ａ〜１３ｆからバーナ管２内に供給される二次空気は、図中矢印で示すとおり、バーナ管２の円周方向に送出され、その結果、バーナ管２内には、二次空気による旋回流が形成される。この二次空気によって形成される旋回流は、バイオマス粉体燃料と一次空気とによって形成される旋回流と同じ向きである。

本発明のバーナ１においては、上述のように、二次空気を、バイオマス粉体燃料と一次空気とによって形成される旋回流と同じ向きに旋回流が形成されるような方向から、バーナ管２内に供給するのが望ましい。これにより、旋回流が形成されない場合に比べて、より安定した完全燃焼を図ることができるという利点が得られる。但し、一次空気とバイオマス粉体燃料の混合物による旋回流と同様に、二次空気による旋回流の形成は、必ずしも欠くことのできない要件ではなく、場合によっては、二次空気供給口１３ａ〜１３ｆを、バーナ管２の壁面に垂直な方向に開口させ、二次空気をバーナ管２の中心に向かって供給するようにしても良い。

本発明のバーナ１において、一次空気供給口１１、１１及び／又は１２ｂから供給される一次空気、及び、二次空気供給口１３ａ〜１３ｆから供給される二次空気を合わせた燃焼用空気の空気比は、１．０〜１．５の範囲、好ましくは１．０〜１．２の範囲、より好ましくは１．０に設定される。燃焼用空気の空気比が１．０未満では、バイオマス粉体燃料を完全燃焼させることが難しく、１．５を超えると、燃焼がバーナ管２内で過剰空気により冷却され、燃焼状態が不安定になるので好ましくない。

一次空気と二次空気とを合わせた燃焼用空気の空気比の設定は、二次空気供給口１３ａ〜１３ｆから供給される二次空気の空気比が、目標とする燃焼用空気の空気比から、一次空気供給口１１及び／又は１２ｂから供給される一次空気の空気比を減算した値となるように、空気流路４を経由して二次空気供給口１３ａ〜１３ｆを通過する流路の流路抵抗を調節することによって行うことができる。この流路抵抗の調節は、例えば、二次空気供給口１３ａ〜１３ｆの大きさや、数を調節することによって行うことができる。また、二次空気を供給する専用の送風手段を設け、専用の空気流路から二次空気供給口１３ａ〜１３ｆに二次空気を供給する場合には、その送風手段の送風量を調節するか、流路途中に流量調節手段を設けるなどして、二次空気供給口１３ａ〜１３ｆから供給される二次空気の量を調節し、その空気比を一次空気の空気比と加算した値が、目標とする燃焼用空気の空気比となるようにすれば良い。

なお、本発明のバーナ１においては、バーナ管２の底面から、最もバーナ管２の底面側に位置する二次空気供給口１３ａまでの、バーナ管２の円筒軸方向の距離Ｓは、バーナ管の円筒軸方向の長さＬに対して、Ｓ≧（１／４）Ｌの関係、好ましくは、Ｓ≧（１／３）Ｌの関係にあるのが好ましい。上記距離Ｓは、一次空気供給口１１、１１及び／又は１２ｂから供給される一次空気のみによる部分燃焼が進行する部分燃焼部の長さであり、この部分燃焼部の長さＳが（１／４）Ｌ未満の場合には、バイオマス粉体燃料の部分燃焼が十分に進行せず、温度が十分に高くならない恐れがあり、好ましくない。また、Ｓが（２／３）Ｌを超えると、二次空気の供給下で進行する完全燃焼のための領域が短くなり過ぎて、十分な燃焼が進行しない可能性が高まるので望ましくない。

１４は、バーナ管２の開口端の外周に設けられた過剰空気供給口、１５は、例えばボイラなどの燃焼室である。過剰空気供給口１４は、図示の例では、外側に向かって曲折させたバーナ管２の先端部と、内側に向かって曲折させた外管３の先端部との間隙として形成され、バーナ管２の外周の３６０度の全域にわたって開口している。送風機９によって空気流路４に供給された空気のうちの一部は、過剰空気供給口１４から、バーナ管２の円筒軸方向に沿って、燃焼室１５向かって送出される。なお、過剰空気供給口１４は、必ずしも、バーナ管２の外周に３６０度連続して設けられる必要はなく、バーナ管２の外周に均等に配置された適宜の形状を有する複数の開口であっても良い。このような複数の開口は、例えば、バーナ管２の開口側先端と外管３の開口側先端とを連結するリング状の閉止部材によって空気流路４の先端部を閉止し、その閉止部材の適宜の位置に適宜の形状の開口を設けることによって形成することができる。

また、過剰空気供給口１４は、必要に応じて設けられるものであって、過剰空気供給口１４からの過剰空気の供給がなくても、バイオマス粉体燃料の燃焼が十分に行われる場合には、過剰空気供給口１４は特段設ける必要はない。但し、バイオマス粉体燃料も、通常の気体又は液体燃料と同様に、空気量が若干過剰気味の方が燃焼がスムースに行われる場合があるので、その場合には、過剰空気供給口１４を設け、過剰空気を供給するのが良い。その場合、過剰空気供給口１４から供給される過剰空気の空気比は０．１〜０．５の範囲、好ましくは０．１〜０．３の範囲、より好ましくは０．２に設定される。一次空気と二次空気とを合わせた燃焼用空気の空気比が１．０〜１．５の範囲、好ましくは１．０〜１．２の範囲であるので、過剰空気を加えた全空気の空気比は１．１〜２．０、好ましくは１．１〜１．５の範囲となる。

過剰空気供給口１４から供給される過剰空気の空気比の設定は、空気流路４を経由して過剰空気供給口１４を通過する流路の流路抵抗を調節することによって行うことができる。この流路抵抗の調節は、例えば、過剰空気供給口１４の開口幅、或いは開口長さを調節することによって行うことができる。また、過剰空気を供給する専用の送風手段を設け、専用の空気流路から過剰空気供給口１４に過剰空気を供給する場合には、その送風手段の送風量を調節するか、流路途中に流量調節手段を設けるなどして、過剰空気供給口１４から供給される過剰空気の量を調節し、その空気比を所望の値に設定することが可能である。

本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナは、上記のように構成されており、バイオマス粉体燃料を、空気比０．２〜０．５の範囲にある一次空気とまずもって混合し、部分燃焼させ、部分燃焼が十分に進行して温度が上昇し、バイオマス粉体中の揮発性成分が気化した時点で、燃焼に必要な残りの空気を二次空気として供給し、バイオマス粉体燃料を完全燃焼させるようにしているので、油やガスなどの補助燃料を必要とせず、バイオマス粉体燃料だけを安定的に、効率良く燃焼させることができる。

また、バイオマス粉体燃料は燃焼速度が速いので、本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナにおいては、運転開始時には、バーナが正常運転に達するまでの待ち時間が短くて済み、逆に、運転停止時には、バイオマス粉体燃料の供給を停止すれば、極めて短時間に燃焼が停止するので、運転、停止が容易である。そのため、本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナは、自動運転に適した燃焼バーナである。

因みに、図１に示す構造のバイオマス粉体燃料燃焼バーナと、特許文献１の実施例に開示された平均粒径３０〜４０μｍのリグノセルロース系バイオマス粉体燃料を用い、一次空気として、バーナ管２の底部近傍に開口した一次空気口１１、１１のみから空気比０．３の一次空気を供給し、この一次空気と、二次空気供給口１２ａ〜１２ｆから供給される二次空気を合わせた燃焼用空気の空気比が１．０になるように、二次空気の空気比を調節し、過剰空気供給口１４を閉塞して、燃焼実験を行ったところ、用いたリグノセルロース系バイオマス粉体燃料を、補助燃料なしに、安定して燃焼させることができた。このとき、バーナ管２の底面から、最もバーナ管２の底面側に位置する二次空気供給口１３ａまでの距離Ｓは、バーナ管の円筒軸方向の長さＬに対して、Ｓ＝（１／３）Ｌであった。

図５は、本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１の他の一例を示す縦断面図である。本例におけるバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１は、外管３の周囲に冷却水ジャケット１６が設けられている点で、図１に示すバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１と異なっている。すなわち、図５において、１６は冷却水ジャケットであり、１７は冷却水供給管、１７ａは開閉弁、１８は冷却水排出管である。冷却水供給管１７は図示しない冷却水供給源と接続されている。１９は、外管３の外周と冷却水ジャケット１６の内周との間に形成される冷却水流路である。

図６は、図５に示すバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１の外管３の斜視図であり、冷却水流路１９中の冷却水の流れを示す図である。図６に示すとおり、冷却水流路１９内には、外管３の円筒軸方向に沿って、仕切り板２０ａ〜２０ｈが設けられている。仕切り板２０ａは、外管３の底部から先端部までの全域にわたって円筒軸方向に冷却水流路１９を区切っているが、仕切り板２０ｂ、２０ｄ、２０ｆ、２０ｈは、外管３の底部には接しつつ、先端部側との間には間隙を残して冷却水流路１９を部分的に区切っており、仕切り板２０ｃ、２０ｅ、２０ｇ（仕切り板２０ｇは図６においては見えない位置にあるので図示していない）は、外管３の先端部には接しつつ、底部側との間には間隙を残して冷却水流路１９を部分的に区切っている。一方、冷却水供給管１７は仕切り板２０ａと２０ｂとの間に開口しており、冷却水排出管１８は仕切り板２０ｈと２０ａとの間に開口している。

冷却水流路１９が仕切り板２０ａ〜２０ｈによって上述したように区切られているので、冷却水供給管１７から冷却水流路１９内に供給された冷却水は、図６に矢印で示すとおり、仕切り板２０ｂに沿って外管３の先端部方向へと流れ、仕切り板２０ｂと外管３の先端部との間隙を通った後、今度は、仕切り板２０ｃに沿って外管３の底部側へと流れることになる。冷却水流路１９内に供給された冷却水は、このようにして、仕切り板２０ａ〜２０ｈによって、交互に流れの向きを変えながら、外管３の外周を流れ、その間に外管３および空気流路４を介してバーナ管２を冷却し、最後に、冷却水排出管１８から外部へと排出される。なお、仕切り板２０ａ〜２０ｈを設けずに、冷却水ジャケット１６の下部から冷却水を冷却水流路１９内に供給し、冷却水ジャケット１６の上部から排出するようにしても良い。

本例のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１においては、外管３の外周に冷却水ジャケット１６が設けられているので、燃焼運転中もバーナ管２を冷却することができるので、バーナ管２を含め、バイオマス粉体燃料燃焼バーナ１の過熱を防止することができるという利点が得られる。また、本例においては、バーナ管２は、外管３および空気流路４を介して間接的に冷却されるので、過剰な冷却によってバーナ管２の温度が下がり過ぎることがない。したがって、バーナ管２を冷却しても、バーナ管２内でのバイオマス粉体燃料の燃焼が不安定になる恐れもなく、バイオマス粉体燃料の燃焼残渣が溶融固化してクリンカとなってバーナ管２の内周面に付着する恐れもないという利点が得られる。

図７は、本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１のさらに他の一例を示す縦断面図である。本例のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１は、外管３の周囲に冷却空気ジャケット２１が設けられている点で、図１に示したバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１と異なっている。すなわち、図７において、２１は冷却空気ジャケット、２２は、外管３の外周面と冷却空気ジャケット２１の内周面との間に形成される冷却空気流路である。本例においては、送風機９は冷却空気流路２２内に開口している。また、外管３の先端部近傍には、冷却空気流路２２と空気流路４とを連通させる開口２３が設けられている。なお、開口２３を設ける位置は、バーナ管２に設けられている二次空気口のうち、もっとも先端側に位置するものよりも先端側であるのが好ましい。また、本例においては、分岐管路１２の一方端の開口１２ａは、外管３の内側の空気流路４に開口するのではなく、冷却空気ジャケット２１の内側の冷却空気流路２２に開口している。

本例のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１は、上述のように構成されているので、送風機９から冷却空気流路２２内に供給された空気は、外管３および空気流路４を介して間接的にバーナ管２を冷却しながら冷却空気流路２２内を通過して、外管３の先端部近傍に設けられた開口２３から空気流路４内へと流れ込み、図１に示すバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１におけると同様に、一次空気、二次空気、さらには過剰空気として利用される。また、開閉弁１２ｃを開とする場合には、冷却空気流路２２内に供給された空気の一部は、開口１２ａから、分岐管路１２及び一次空気供給口１２ｂを経由して、粉体燃料供給管路５内に供給され、バイオマス粉体燃料とともに、開口５ａからバーナ管２内に供給されることになる。なお、開口２３は、外管３の先端部近傍の外周に沿った孤立した複数個の開口として設けられていても良いし、外管３の先端部近傍の外周に沿った連続したスリットとして設けられていても良い。

このように、本例のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１においても、外管３の外周に冷却空気ジャケット２１を設けることにより、燃焼運転中もバーナ管２を冷却することができるので、バーナ管２を含め、バイオマス粉体燃料燃焼バーナ１の過熱を防止することができるという利点が得られる。また、バーナ管２は、外管３および空気流路４を介して間接的に冷却されるので、過剰な冷却によってバーナ管２の温度が下がり過ぎることがなく、バイオマス粉体燃料の燃焼が不安定になったり、バーナ管２の内周面にバイオマス粉体燃料の燃焼残渣が溶融固化してクリンカとなって付着する恐れもないという利点が得られる。さらに、本例のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１においては、送風機９によって供給される空気を冷却用空気および燃焼用空気として利用できるので、冷却用に特別の冷媒を用意する必要もなく、冷却機構が簡単になる上に、燃焼用空気は、冷却空気流路２２内を通過中にバーナ管２との間接的な熱交換によって予熱されるので、燃焼効率が高まるという利点が得られる。

図８は、本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１のさらに他の一例を示す縦断面図である。本例のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１は、粉体燃料供給管路５内に空気噴出ノズル２４が設けられている点で、図７に示したバイオマス粉体燃料燃焼バーナ１と異なっている。すなわち、図８において、２４、２４は空気噴出ノズルであり、粉体燃料供給管路５の内部に斜め下方に向かって空気を噴出するように、粉体燃料供給管路５に斜め下向きに取り付けられている。図示の例においては、空気噴出ノズル２４、２４は、粉体燃料供給管路５の周方向に沿って１８０度の間隔をあけて２個設けられているが、空気噴出ノズル２４、２４の数は２個に限られず、粉体燃料供給管路５の周方向に沿って互いに１２０度の間隔をあけて３個設けても良く、さらには、互いに９０度の間隔をあけて４個設けても良い。

また、本例においては、空気噴出ノズル２４、２４には、送風機９から直接分岐する分岐管路１２及び開閉弁１２ｃを介して空気が供給される。送風機９から直接分岐する分岐管路１２を介するのではなく、図７に示す例と同様に、冷却空気流路２２に開口する開口１２ａ、開閉弁１２ｃ、及び分岐管路１２を介して、冷却空気流路２２内に供給された燃焼用空気の一部を、ノズル２４、２４に供給するようにしても良い。但し、空気噴出ノズル２４、２４に供給される空気は、そのままバーナ管２内に流入し、一次空気として利用されることになるので、いずれの場合においても、空気噴出ノズル２４、２４から供給される空気と、一次空気供給口１１、１１から供給される空気との合計量が、空気比０．２〜０．５の範囲、好ましくは０．２〜０．４の範囲、さらに好ましくは０．２５〜０．３５の範囲となるように調整されることは勿論である。

６は、図１におけると同様に、粉体燃料を粉体燃料供給管路５に供給する供給装置であるが、本例においては、スクリューフィーダが供給装置６として用いられている。７は、図１におけると同様に、バイオマス粉体燃料のタンクである。タンク７内に収容されているバイオマス粉体燃料は、供給装置６によって、順次、図中右方向に搬送され、粉体燃料供給管路５内に落下し、空気噴出ノズル２４、２４から噴出する空気によって下向きに搬送され、開口５ａからバーナ管２内へと送りこまれる。

図９は、図８における粉体燃料供給管路５の周辺だけを取り出して拡大した図である。図９に示すとおり、空気噴出ノズル２４、２４から空気が斜め下向きに噴出されることによって、粉体燃料供給管路５内には、図中βで示す負圧領域が生じる。供給装置６によって粉体燃料供給管路５内に送り込まれたバイオマス粉体燃料Ｐは、当初、この負圧によって吸引され、続いて、空気噴出ノズル２４、２４から噴出する空気に搬送されて、開口５ａからバーナ管２内へと安定的に送りこまれる。すなわち、粉体燃料供給管路５内に供給されるバイオマス粉体燃料Ｐは、粉体燃料供給管路５内に開口する一次空気供給口である空気噴出ノズル２４、２４から噴出する空気の運動エネルギーによって吸引、搬送され、バーナ管２内に供給されることになる。このように、本例の粉体燃料供給管路５によれば、空気噴出ノズル２４、２４から常時斜め下向きに空気が噴出しているので、仮に、タンク７内のバイオマス粉体燃料が空になり、供給装置６からのバイオマス粉体燃料の供給が途切れた場合でも、バーナ管２内で燃焼途中のバイオマス粉体燃料が火の粉となって粉体燃料供給管路５内を上昇して、粉体燃料供給管路５内や供給装置６内に残存しているバイオマス粉体燃料が燃えるという逆火現象が生じる恐れがない。

以上説明したように、本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナによれば、カーボンニュートラルなバイオマス粉体燃料を、油やガスなどの補助燃料なしに、安定した状態で燃焼させることができるので、地球環境に与える影響が少ない加熱手段としての燃焼バーナを実現することができるという優れた産業上の利用可能性が得られる。また、本発明のバイオマス粉体燃料燃焼バーナは、運転、停止が容易であるので、自動運転に適し、加熱手段としての燃焼バーナを必要とするあらゆる現場において、省力化に寄与し、優れた産業上の利用可能性を有している。

１バイオマス粉体燃料燃焼バーナ
２バーナ管
３外管
４空気流路
５粉体燃料供給管路
５ａ、１２ａ開口
６供給装置
７タンク
８点火手段
９送風機
１０覗き孔
１１、１２ｂ一次空気供給口
１２分岐管路
１２ｃ、１７ａ開閉弁
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ・・・二次空気供給口
１４過剰空気供給口
１５燃焼室
１６冷却水ジャケット
１７冷却水供給管
１８冷却水排出管
１９冷却水流路
２０ａ〜２０ｈ仕切り板
２１冷却空気ジャケット
２２冷却空気流路
２３開口
２４空気噴出ノズル
α 部分燃焼領域
β 負圧領域
Ｐバイオマス粉体燃料

Claims

一端が開口した有底のバーナ管と、バーナ管の底部近傍においてバーナ管内側と連通する粉体燃料供給管路と、バーナ管の底部近傍又は粉体燃料供給管路若しくはその双方に開口する一次空気供給口と、バーナ管内に配置された点火手段と、バーナ管の底部近傍に開口する一次空気供給口よりもバーナ管の開口端に近い位置に開口する１又は複数の二次空気供給口と、一次空気供給口及び二次空気供給口に空気を供給する燃焼用空気供給手段と、前記粉体燃料供給管路にバイオマス粉体燃料を供給する粉体燃料供給手段とを備え、一次空気供給口からバーナ管内に供給される一次空気の空気比が０．２〜０．５の範囲にあり、バーナ管内に供給される一次空気と二次空気とを合わせた空気の空気比が１．０〜１．５の範囲にあるとともに、バーナ管の開口端の外周に過剰空気供給口を備え、過剰空気供給口から供給される過剰空気の空気比が０．１〜０．５の範囲にあるバイオマス粉体燃料燃焼バーナ。
バーナ管の円筒軸方向の長さをＬ、バーナ管の底面から最も底面側に位置する二次空気供給口までのバーナ管円筒軸方向の距離をＳとしたとき、Ｓ≧（１／４）Ｌである請求項１記載のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ。
バーナ管と同軸に配置され、バーナ管の外面との間に空気流路を形成する外管を備え、バーナ管に開口する一次空気供給口及び二次空気供給口が、前記空気流路とバーナ管の内側とを連通させるバーナ管壁に設けられた貫通孔であり、粉体燃料供給管路に開口する一次空気供給口が、前記空気流路と粉体燃料供給管路を接続する管路の粉体燃料供給管路側の開口であり、燃焼用空気供給手段が、前記空気流路に燃焼用空気を供給する送風機である請求項１又は２記載のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ。
前記過剰空気供給口が、前記空気流路のバーナ管開口端側に設けられた開口である請求項３記載のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ。
前記粉体燃料供給管路に供給されるバイオマス粉体燃料を、前記粉体燃料供給管路に開口する一次空気供給口から供給される一次空気の運動エネルギーによって吸引、搬送して、前記バーナ管内に供給する請求項１〜４のいずれかに記載のバイオマス粉体燃料燃焼バーナ。