JP5458244B2 - 粉粒状燃料燃焼装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、このような燃焼方法においても、点火・消火に要する時間や、燃焼に伴い発生する灰分の処理についてはあまり注意が払われてはいなかった。このため、燃焼が極めて高温で行なわれた場合は、発生する灰分が溶融して、炉内および煙道に付着して正常な燃焼の維持に支障をきたしたり、頻繁な除去作業を要することがあった。しかし、これらのことは、専門の作業要員を置く大規模なボイラーなどでは、とりわけ問題にはならなかった。
ところで、現在、化石燃料の大量消費に伴い、温室効果ガスである炭酸ガスの急激な増加による地球温暖化と、石油資源の枯渇との問題が深刻化している。この結果、現在の石油資源依存型社会を脱却するために、原子力の利用はもとより、太陽光ないしは風力などによる発電、バイオマスその他の資源の利用などの新エネルギーの開発が急務の課題となっている。新エネルギーの中でもバイオマスは賦存量が多く、排出される二酸化炭素と吸収される二酸化炭素が同じ量である、いわゆるカーボンニュートラルという特性を持っている。従って、このバイオマスを化石燃料に代替させることによって、炭酸ガスの発生量を抑制できることから、地球温暖化防止対策の有効な手段の一つとされているが、バイオマスの市民生活レベルへの普及のためには、点火・消火の容易さや灰分溶融に伴うトラブルは克服すべき重要な課題となっている。
すなわち、高エネルギー変換率で製炭した木炭を塊状で燃焼するのではなく、自動供給や自動点火が容易な粉粒状にし、粉体技術により自動供給・自動点火装置を装備した燃焼器を開発するとともに、粉炭にした木炭をパッケージ化して流通させ、簡便に家庭やハウス栽培の熱源として活用する現代的な技術体系を構築するということが、木炭のバイオマス資源としての利用において求められている。
そして、家庭やハウス栽培等に用いられる小規模な燃焼装置において固体燃焼を行う場合、塊状の燃料が用いられてきたが、この場合には、短時間での点火と消火が困難であり、燃焼効率が悪く、かつ燃焼装置の利便性が確立していないという問題があった。
(1)ペレットストーブ:木くずや廃材を原料とする木質系ペレットを燃料とした暖房機器(特許文献1)。
(2)ロータリーキルン:主として廃棄物燃焼炉として利用されているもので、中心軸が若干傾斜した横型の円筒炉で、炉の回転により焼却物が転動しながら燃焼する。
(3)微粉炭燃焼装置:微粉炭をバーナーから炉内に吹き込むことによって燃焼させる燃焼炉。
(4)流動層燃焼装置:砂などの粒子媒体を層内で熱風により流動化させ、その中で粒状燃料を燃焼させる燃焼炉。
これらはいずれも、クリーンなバイオマス粉炭燃料を対象し、粉体技術により燃料の自動供給・自動点火等を可能として燃焼させる燃焼装置ではない。
そのため、この粉炭ストーブは、更なる改良が必要であった。
本発明は、燃焼器内が高温でありながら酸素の供給が行われていないために燃焼状態となっていない燃料が存在しないように、燃焼器内の燃料層を極小にし、点火・消火を短時間で行えるようにし、さらに、燃焼に伴い排出される灰分の溶融を抑える燃焼機構を提供することを第1の目的とする。また、この燃焼機構を踏まえて、粉粒状燃料を燃焼させる粉粒状燃料燃焼装置を提供することを第2の目的とする。
本発明の粉粒状燃料燃焼機構およびその機構により燃焼する粉粒状燃料燃焼装置は、とりわけバイオマス粉炭燃料の燃焼において有効に用いることができので、気固接触効率がよく、粉炭の燃焼器内滞留量を少なくすることにより制御応答性がよく、かつ、粉炭のような揮発分の少ない燃料を短時間で着火でき、その上自動制御できる粉粒炭燃料燃焼装置を提供し、ひいては、木炭の製造から利用にいたるまでの粉炭ネットワークを実現し、石油燃料代替燃料としてバイオマスの利用を促し、地球温暖化問題の解決に貢献することを目指している。
この粉粒状燃料燃焼装置では、燃焼炉内の全ての該粉粒状燃料が空気との良好な接触状態に置かれ均一燃焼するように、あくまでも薄い層に積層した粉粒状燃料薄層を形成し、前記非溶融状態でこの薄層状の粉粒状燃料薄層を流通する空気にて、該灰分溶融温度以下の温度で均一燃焼させることができる。そして、これに伴い、燃焼炉内に滞留する燃料の量を少なくするとともに、短時間での点火・消火が可能となり、燃焼制御性に優れている。また、これにより燃焼炉は、透明ガラスから効率良く燃焼熱を外部に輻射し、暖房効果が高いとともに、炉内温度を900℃以下に保つことができる。
本発明は、この実施例を含む実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で変形可能である。
本実施例を含む実施の形態としては、本発明に係る粉粒状燃料燃焼機構、および粉粒状燃料燃焼装置を、粉粒炭ストーブに適用したものである。
なお、以下の説明に当たって、同一機能を奏するものは同じ符号を付して説明する。
また、図面に示す実施例の位置関係は、特に断らない限り図面の位置に準ずる。
粉粒炭ストーブCSの外面は外装ケース20で囲まれており、その上面には、正面に向かって左側に外装ケース20内に内包された燃料ボトル50の上端が突出しており、この燃料ボトル50と遮熱板52を挟んだ反対側はお湯などを沸かすホットプレート22が形成されている。また、その裏面には、ストーブCSの給排気管40(図9参照)が突出しており、家屋の壁面を貫通して外方に延伸されている。
なお、燃料ボトル50は、所定量の粉粒炭を充填した単位コンテナとなっており、後述するカプラによりストーブCSに着脱自在に取り付けられる。そして、燃料の粉粒炭は、この単位コンテナで流通させることが、燃料の生産、流通、販売、使用の全ての面で好ましい。
ストーブCS構造の特徴は、図1および図3に示すように、粉粒炭を燃焼する燃焼炉1の壁としての側壁12に複数の空気流通孔である貫通孔120を設け、側壁12の内面に、粉粒炭が積層された粉粒炭薄層3を、粉粒炭の燃焼時にその灰分が溶融しない所定温度、すなわち900℃以下で燃焼する厚さに形成したことである。
具体的には、燃焼炉1は、図1に示すように、前面が開口し、軸心を中心として回転しながら、粉粒炭燃料を燃焼する内筒16と、内筒16と同軸上に設けられて、内筒16と一定空間を隔てて外周を覆うとともに前面が開口する外筒18と、前記内筒16と外筒18とのそれぞれの前面開口14a,14bを覆う前面部材10とを備えている。
内筒16の側壁12内面には、図3に示すように、全周に亘って耐熱布122が貼り付けられている。そして、この耐熱布122の表面に粉粒炭が張り付いて粉粒炭薄層3が形成されている。この粉粒炭薄層3の形成メカニズムについては後述する。
耐熱布122としては、セラミック布(商品名シルテッククロス、ニチアス社)を用いている。
外筒18後面には、内筒16の回転を妨げないように隙間を介して共同管164を覆う被覆管170が後方に向かって突出している外筒閉止板180が設けられている。外筒閉止板180は、図8に示すように、その後方に設置されている取付け板56に固定されている。また、外筒18の側壁の下方中央には、灰分を排出するために、漏斗状のテーパを有するとともにその終端に灰分排出管166を連結した灰受け部材28が設けられている。
前面部材10は、図1および図10に示すように、リング状の取付枠104を介して前面開口14の中央域を覆って設けられて燃焼熱を輻射する透明ガラス100と、取付枠104外周部の裏面に固着され、燃焼用の空気を取り入れるとともにその空気を内筒16に供給するエアダクト102とから構成されている。この透明ガラス100には、耐熱温度740℃程度の特殊ガラス(ネオセラム(商品名。日本電気硝子社製。)など)を用いている。
透明ガラス面に沿って送風された空気は、ガラス表面をクリーニングするとともにガラスを冷却して内筒16内に流入し、粉粒炭の燃焼に供される。これによって、透明ガラスは、その透明性を常に保つことができるとともに必要以上に高温になることがない。
なお、内筒16の前面開口には、開口から放射方向外方に広がる環状フランジ112が設けられ、内筒16と外筒18との空間を狭めるようにエアダクト102の裏面と隙間を介して対向している。従って、第2送風孔108から送風された空気は、このフランジにあたって内筒16内に向かう空気と、外筒18方向に流れ内筒16と外筒18との空間に向かう空気とに分割される。そしてこれらの空気の流れは、この部分のエアシールを形成している。このエアシールは、燃焼により発生した灰分が透明ガラス100方向に向かわないようにしている。
さらにまた、エアダクト102の下部には、煙道24を流下する排気と熱交換されて加温された空気がエアダクト102に供給される加温空気供給部90が設けられている。
ストーブCSの燃焼機構の概要は、貫通孔120を設けた燃焼炉壁の内面に、粉粒炭の灰分の溶融温度以下の温度で該粉粒炭が燃焼することが可能な厚さに積層した粉粒炭薄層3を形成し、この薄層状の粉粒炭を前記灰分の非溶融状態で燃焼させることである。
詳述すると、燃焼炉1は、煙道24に設けられたシロッコファン26によって排気が常に吸引されているので、外筒18内は内筒16内より負圧になっている。前面部材10から内筒16内に供給された空気は負圧に引かれて内筒16の側壁内面から耐熱布122および貫通孔120を介して外筒18に流入する。一方粉粒炭は、燃料管部500から内筒16内に供給される。燃料管部500の先端は供給口に向かってテーパ状に広がるテーパノズル508(図4参照)となっているとともに先端近傍の内部に多孔プレート(図示省略)が設けられており、供給された粉粒炭は、多孔プレートで篩いにかけられるとともに、テーパ状に広がって供給口から内筒16の前後方向に均一に供給される。また、内筒16は、ゆっくりとした速さで回転(0.75回転/分)しているので、内筒16の前後方向に均一に供給された粉粒炭は、負圧に伴う空気の流れと、内筒16の回転とによって、内筒16内面の耐熱布122上に全面に亘って張り付いて粉粒炭薄層3を形成する。
なお、粉粒炭薄層3を形成するにあたって、耐熱布122は必ずしも必須ではなく、貫通孔120の径、負圧度等を調整することによって、内筒側壁12に直に設けることもできる。
また、外筒18内を負圧にするのではなく、内筒16内を加圧することのより、外筒18内と内筒16内とに空気圧力差を設けて、内筒16の側壁内面に粉粒炭薄層3を設けても良い。
着火による炎は、内筒16内面に全面に亘って張り付いた粉粒炭薄層3にひろがり、効率よく燃焼する。しかしながら、薄層という限られた厚さの粉粒炭の燃焼であるとともに、前面開口14からは、燃焼に伴う輻射熱が盛んに室内に放射されるので、炉内は燃焼に伴い発生する灰分が溶融する温度である900℃を超えて上昇することはない。
固体状態の灰分は燃焼炉1内に付着することなく、耐熱布122の網目および貫通孔120を通過して、大半は外筒18と内筒16との隙間で外筒18下部に落下し灰受け部材28に溜まる。一部微粒子の灰分は、排気とともに煙道24を流下し、外部に放出される。
必要に応じて、図2に示すように、煙道24の途中にサイクロンを設けて灰分を回収するようにしても良い。
炭は、植物をほぼ完全に炭化したものであり、燃焼に伴い有機ガスを排出せず、灰分を残すだけである。炭の灰分は、3%以下であり燃焼残渣が極めて少ないが、燃焼に伴う酸化物として、炭酸ガス以外に有害な一酸化炭素および窒素酸化物を排出することがあるので、この対策として、排気を浄化触媒32に通すことは好ましい。
このストーブCSの全体構造を説明する。
ストーブCSの全体構造は、図2に示すように、燃焼炉1と、粉粒状燃料供給手段としての粉粒炭供給手段5と、着火手段7と、空気供給手段9と、排気手段30と、供給空気と排気との温度を熱交換する熱交換器60とからなっている。
図14は、粉粒炭供給手段5の構造と機能を説明するために、その断面構造を拡大して模式的に描いた模式図である。
粉粒炭供給手段5は、図14に示すように、燃料ボトル50と、燃料ボトル50から粉粒炭を切り出す供給機構19と、切り出された粉粒炭を空気搬送する搬送機構としての燃料管部500と、燃料ボトル50に結合されたメスカプラ201および受給部512に結合されたオスカプラ203からなるメスオス一対の粉粒炭供給用カプラ70とを備えて構成されている。受給部512は、燃料管部500の一部であって移送部510から分岐していて、その頭部は供給機構19の一部をなす後述する突出筒27に挿通しており、突出筒27に進入した粉粒炭を受給するようになっている。また、供給機構19は、突出筒27とともに粉粒炭を切り出すための一機能を果たすキャップ部材25を有している。
そして、燃料ボトル50と受給部512とは、粉粒炭供給用カプラ70を嵌合することにより連結されており、燃料ボトル50を交換する場合は、この嵌合を外して行う。
燃料ボトル50から燃料管部500への粉粒炭の供給は、供給機構19に空気を供給し、燃料ボトル50の底部の粉粒炭を部分流動化して、メスカプラ201に設けられた突設筒27の進入口205から粉粒炭を突設筒27内に進入させ、受給部512の頭部に設けた通孔から受給部512内に進入させることによって行なわれる。
そして、燃料ボトル50の交換時に燃料ボトル底部に残留した粉粒炭は、この供給機構19が有する特殊機能を働かせて排出する(以降パージと称する)ようになっている。
この特殊機能については、本発明の本質ではなく、また、本発明者等の先の発明として特願2008-052306で出願しているので、その詳しい説明は省略する。
このストーブCSにおいては、上述のような種々の部材により給排気回路が形成され、空気の供給と排気とは、シロッコファン26の作用により行われている。
制御機構CRは、前述したストーブCSの全体構造の一部が制御装置であるマイクロコンピュータMCに電気的に接続されて構成されている。
詳述すると、制御機構CRは、室温を測定する室温センサRS、炉内温度を測定する第1温度センサ1S、粉粒炭を部分流動化させる供給用空気FAを送風する第1送風ポンプ507、粉粒炭を炉内に移送させる移送空気SAを送風する第2送風ポンプ511、着火用空気を内筒16内に送風する第3送風ポンプ509、着火用空気を加熱するエアヒ−タ504、排気を吸引するシロッコファン26、浄化触媒32を加熱する電気ヒータ、触媒温度を検出する第2温度センサ2S、内筒16を回転させる回転モータM、およびストーブCSの前面に設けられた図示しない制御パネルとがマイクロコンピュータMCに電気的に接続されて構成されており、マイクロコンピュータMCに設定されたプログラムに応じて、点火、燃焼、消火作用を制御するようになっている。
なお、制御パネルには、ストーブCSをON−OFFするスイッチおよび室温を設定する室温コントローラが設けられており、ストーブCSの着火・消火、および所望の室温を設定できるようになっている。
この制御機構CRは、公知の技術を用いているので詳細説明は省略する。
この制御機構CRにより、この粉粒炭ストーブCSは、市販の石油・ガス・電気ストーブと同様に自動制御することができる。
シロッコファン26、第1送風ポンプ507、第2送風ポンプ508、および回転モータMを稼動して給排気回路に空気を流通させながら、粉流炭燃料を燃焼炉1に供給するとともに内筒16を回転させる。
ついで、この状態で、エアヒータ504に通電するとともに第3送風ポンプ509を稼動して着火用の熱風を粉流炭薄層3に吹き付けて粉流炭を燃焼させる。
煙道24に流入した排気は、ホットプレート22→第1触媒36→導通管300→放熱体34→第2触媒38→熱交換器60→排気導管310→シロッコファン26→給排気管40と流下して屋外の大気に開放される。
また、ストーブの煙道24、ホットプレート22、放熱体34を主要放熱体とする給排気回路からも盛んに輻射熱が放射されて室内を暖房する。
その他の粉流炭暖房器としては、野菜栽培のハウスの暖房器、給湯器、小型ボイラー等があげられる。
石化燃料の利用を削減し、地球温暖化を防止するバイオマス燃料の利用産業を構築することができる。
本実施例は、粉粒炭を燃焼させるストーブに本発明を適用したものであるが、本発明は燃料としては炭に限らず、粉流状燃料であればあらゆる燃料に適用できる。
石炭を粉粒化した燃料のボイラーなどの利用も可能である。
3 粉粒炭薄層(粉粒状燃料薄層)
5 粉粒炭供給手段
7 着火手段
9 空気供給手段
10 前面部材
12 側壁(壁)
14 前面開口
14a 内筒前面開口
14b 外筒前面開口
16 内筒
18 外筒
19 供給機構
30 排気手段
50 燃料ボトル(コンテナ)
70 粉粒炭供給用カプラ(燃料供給用カプラ)
100 透明ガラス
102 エアダクト
120 空気流通孔
201 メスカプラ
203 オスカプラ
500 燃料管部(搬送機構)
512 受給部
CS 粉粒炭ストーブ(粉粒状燃料燃焼装置)
W 燃焼窓
CR 制御機構
Claims (7)
- 粉粒状燃料を燃焼する粉粒状燃料燃焼装置において、燃焼炉は、前面が開口するとともに軸心を中心として回転し、前記粉粒状燃料を燃焼する内筒と、前記内筒と同軸上に設けられて、該内筒と一定空間を隔てて外周を覆うとともに前面が開口する外筒と、前記内筒と外筒とのそれぞれの前面開口を覆い、中央域に前記粉粒状燃料の燃焼熱を外部に輻射するための耐熱性の透明ガラスを有して成り、前記内筒の側壁に複数の空気流通孔を設け、
前記燃焼炉の前記内筒の内面に、前記粉粒状燃料が燃焼時に該粉粒状燃料の灰分が溶融しない所定温度で該粉粒状燃料が燃焼することが可能な厚さに積層した粉粒状燃料薄層を形成し、前記粉粒状燃料を前記灰分の非溶融状態で燃焼させることを特徴とする粉粒状燃料燃焼装置。 - 前記粉粒状燃料が炭素を主成分とする粉粒炭である、ことを特徴とする請求項1に記載の粉粒状燃料燃焼装置。
- 前記粉粒炭が、バイオマスから形成されている、ことを特徴とする請求項2に記載の粉粒状燃料燃焼装置。
- 前記所定温度が900℃以下であって、前記粉粒状燃料薄層の厚さと前記燃焼炉から外部に放射される輻射熱とにより調節される、ことを特徴とする請求項1〜3に記載の粉粒状燃料燃焼装置。
- 前記粉粒状燃料薄層は、前記燃焼炉内外の空気圧力差により前記側壁の内面に保持され、その厚みが前記粉粒状燃料の供給量と、燃焼に伴う消失速度により調整される、ことを特徴とする請求項1〜4に記載の粉粒状燃料燃焼装置。
- 前記燃焼炉は、前記透明ガラスと、該透明ガラスの外周部に一体的に形成され、空気を取り入れるとともにその空気を前記内筒に供給するエアダクトとを設けた前面部材を有し、前記エアダクトが、中空リング状をなして、前記透明ガラスに沿って空気を送風することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の粉粒状燃料燃焼装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の粉粒状燃料燃焼装置において、さらに、粉粒状燃料供給手段と、燃焼を自動制御することが可能な制御機構とを備え、粉粒状燃料供給手段は、粉粒状燃料を供給するための着脱自在なコンテナと、コンテナから粉粒状燃料を切り出す供給機構と、供給機構から切り出された粉粒状燃料が供給される受給部と、供給機構から受給部に粉粒状燃料を移送するメスオス一対の燃料供給用カプラと、受給部から粉粒状燃料を空気搬送する搬送機構とを含むものであり、メスオス一対の燃料供給用カプラのうち、メスカプラは供給機構に結合され、オスカプラは受給部に結合されるものであり、コンテナからの粉粒状燃料の供給時には、供給機構に空気を供給し、コンテナ底部の粉粒状燃料を部分流動化するとともに、コンテナの交換時にも、供給機構に空気を供給し、コンテナ底部に残留した粉粒状燃料を排出することが可能な構成を備えることを特徴とする粉粒状燃料燃焼装置。
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