JP5873115B2

JP5873115B2 - バイオマス燃焼装置

Info

Publication number: JP5873115B2
Application number: JP2014007499A
Authority: JP
Inventors: 博敏村田
Original assignee: Naniwa Roki Co Ltd
Current assignee: Naniwa Roki Co Ltd
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2034-01-20
Also published as: JP2015135223A

Description

本発明は、バイオマス燃焼装置に関する。

近年、地球環境問題は、より一層深刻なものになっており、温室効果ガスの削減や、将来的に予想されるガスや石油等の化石燃料の枯渇を見据え、エネルギー資源の確保とクリーン且つ再生可能なエネルギーの開発が急務となっている。そこで、石炭・石油等の化石燃料の代替燃料として、木質ペレットや木片チップ等のバイオマス固形燃料の利用が注目を浴びている。従来、バイオマス固形燃料を燃焼させるバイオマス燃焼装置が提案されている（特許文献１参照）。

また、木屑や飲料カス等の植物由来のバイオマス原料を、金型内にて高圧で圧縮し、所定温度に加熱して高硬度に結合させたバイオコークスの利用が期待されている（特許文献２参照）。

特開２０１３−７９７３３号公報特許第４０８８９３３号公報

しかし、従来のバイオマス燃焼装置では、バイオコークスの利用が至難であった。その理由として、バイオコークスは、６００℃以上の高温下に於て、表面が十分に加熱されてから着火して燃焼を始めるため、燃焼帯（火煙）の上部よりバイオマス固形燃料を投入しなければ燃焼維持できない。あるいは、ヒーターを常時ＯＮにして加熱した燃焼空気を供給し続けなければ、装置内にてバイオコークスの燃焼を継続させるのが難しいという欠点があった。

そこで、本発明は、バイオコークスの有効利用を可能として、効率よく安定して高温の熱風を発生するバイオマス燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明に係るバイオマス燃焼装置は、テーパー状乃至円筒状ケーシング部を備え、該ケーシング部内に、バイオコークスを収納して保持すると共に周壁部が網目状乃至格子状に形成され空気を自由通過する篭部材を設置し、該篭部材の上記周壁部と上記ケーシング部の内周面との間には、略円筒状空隙部が形成され、上記ケーシング部は、下端部に、ヒーターを有する第１エアー供給管が連通連結され、かつ、中間部の側壁にエアー吹出口を設け、上端部には、第２エアー供給管が連通連結され、さらに、上記ケーシング部の外部に、上記第１エアー供給管及び上記第２エアー供給管に空気を送るエアーファンが設けられ、上記ヒーターによって空気を加熱して加熱燃焼空気とし、該加熱燃焼空気が上記第１エアー供給管から上記ケーシング部の下端部に供給されて、該加熱燃焼空気の熱量をもって上記ケーシング部内に収納された上記バイオコークスの下部が着火し、該バイオコークスの燃焼熱によって上記空隙部の空気を加熱すると共に上記篭部材の上記周壁部の周囲を旋回しつつ上記下端部から上記中間部へ上昇する旋回流が形成され、上記バイオコークスが下部の燃焼熱によって順次着火し、かつ、上記エアーファンからの空気を上記第１エアー供給管と上記第２エアー供給管に分配して上記ケーシング部の下端部及び上端部に空気を供給して上記バイオコークスの燃焼を継続し、上記エアー吹出口から所定高温の熱風を流出するように構成されたものである。
また、上記バイオコークスが着火した後の燃焼状態に於て、上記ヒーターをＯＦＦに切換えて、上記バイオコークスの燃焼熱によって燃焼を継続させるように構成されたものである。

本発明のバイオマス燃焼装置によれば、ヒーターを常時ＯＮにしていなくても、篭部材に保持されたバイオコークスを継続的に燃焼させることができ、エアー吹出口から吐出される熱風を安定して高温に保持することができる。ケーシング部内に収納したバイオコークスが下部から燃焼し、ケーシング部内のバイオコークスが炎上することなく、継続燃焼できる。

本発明の実施の一形態を燃焼状態で示した断面正面図である。本発明に係るバイオマス燃焼装置の消火状態を示した断面正面図である。篭部材を示した正面拡大図である。模式断面平面図である。本発明のバイオマス燃焼装置を用いた流体加熱装置を示す簡略説明図である。他の篭部材を示した正面拡大図である。

以下、実施の形態を示す図面に基づき本発明を詳説する。
図１に示すように、本発明のバイオマス燃焼装置は、テーパー状乃至円筒状ケーシング部（燃焼炉）１を備え、ケーシング部（燃焼炉）１内に、バイオコークス８を収納して保持すると共に空気を自由通過する篭部材２を設置している。篭部材２の周壁部２０とケーシング部１の内周面３との間には、略円筒状空隙部１７が形成されている。
ケーシング部１は、底壁部１８を有し、底壁部１８に連設される小径円筒壁部１６と、テーパー状周壁部１５と、大径円筒壁部１４とを、一体連結状に有している。また、ケーシング部１は、上端部１Ａに、上方に開閉自在の燃料補給口１９を有する筒状部材１３が連結されている。

ケーシング部１は、下端部１Ｃに、ヒーター５を有する第１エアー供給管１１が連通連結され、かつ、中間部１Ｂの側壁にエアー吹出口１０を設けている。
ケーシング部１の上端部１Ａには、第２エアー供給管１２が連通連結されている。ケーシング部１の外部に送風用のエアーファン４が設けられて、エアーファン４から分岐配管と切換バルブを介して、第１エアー供給管１１、及び／又は、第２エアー供給管１２に、空気が送られている。

図１では、ヒーター５によって、エアーファン４から送られる空気を所定の温度に加熱して加熱燃焼空気２５とし、十分な熱量を付加された加熱燃焼空気２５がケーシング部１内に供給されている。加熱燃焼空気２５は、ケーシング部１の下端部１Ｃから中間部１Ｂへ上昇しつつ空隙部１７で旋回流を形成している。加熱燃焼空気２５は、篭部材２の周囲を旋回しながら上昇する。このとき、加熱燃焼空気２５は、積み上げられたバイオコークス８の下部を、まず強く加熱して、この下部から着火する。そして、この空気２５に、バイオコークス８の燃焼熱が大きく付加され、エアー吹出口１０からは、加熱燃焼空気２５よりも大きな熱量を有する所定高温の熱風２６を流出するように構成されている。

ヒーター５は、加熱燃焼空気２５を３００℃〜７００℃に加熱する。ヒーター５の熱源は電気を用いても良く、ガスや石油系液体燃料を用いるも好ましい。加熱燃焼空気２５の温度が３００℃未満であると、バイオコークス８が十分に加熱されず着火しない虞れがあり、好ましくは、４５０℃〜６５０℃に設定する。
図４に示すように、篭部材２の周壁部２０とテーパー状周壁部１５との間の空隙部１７では、反時計回りの旋回流が形成されている。第１エアー供給管１１は、旋回流の流れに沿って小径円筒壁部１６の接線方向に設けるのが望ましい。また、エアー吹出口１０は、大径円筒壁部１４のラジアル方向に設けても良く、旋回流の流れに沿って接線方向としても良い（図示省略）。エアー吹出口１０からは、旋回流の遠心力を利用して、熱風２６を流出する。

図３に示すように、篭部材２は、金属の線材をもって形成された略円筒状の収容部２１、及び、円形の底壁面２１Ａ等をもって構成される。収容部２１は、周壁部２０が網目状乃至格子状に形成され、空気を自由通過することができる。図３では、収容部２１の周壁部２０は、小径円筒部とテーパー部を一体に有し、底壁面２１Ａは、円形状板部材によって形成されている。図１では、篭部材２は、ケーシング部１の底壁部１８上に載置されている。なお、図６に示すように、収容部２１の周壁部２０は、円筒形状とするも好ましい。

バイオコークス８は、金型内で植物由来のバイオマス原料を高圧で圧縮すると共に所定温度に加熱して高硬度に結合させている。
バイオコークス８の原料としては、例えば、木屑、飲料カス、豆腐オカラ、焼酎カス、牛糞、鶏糞、豚糞、バイオマス系廃棄物（ＲＰＦ，ＲＤＦ）を利用することができる。バイオコークス８は、これらの原料をシリンダー型の金型内に入れて高圧で圧縮しつつ所定温度に加熱することで、主要成分であるセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの化学結合を変化させて高硬度に結合させている。なお、バイオコークス８は、この時点では炭化していない。図１、図４に示すように、バイオコークス８は、その直径が、２０ｍｍ〜１２０ｍｍに設定され、長さ寸法が、１０ｍｍ〜２００ｍｍに設定され、短円柱形状（丸太状）乃至円形盤状に形成されている。バイオコークス８は、篭部材２の周壁部２０を通過することなく保持されている。

バイオコークス８は、燃焼により発生するＣＯ₂ が光合成により同量吸収されるため、ＣＯ₂ 排出量を増加させないカーボンニュートラルな性質を有している。また、硫黄分をほとんど含まないので硫黄酸化物（ＳＯ_x ）の排出がなく、環境に優しい燃料である。バイオコークス８は、化学式Ｃ_nＨ_mＯ_p で示され、石炭や石油等のＣＯ₂ を多く排出する化石燃料に匹敵する発熱量を有している。バイオコークス８は、常温〜２００℃までは、加熱されるのみで発熱反応は生じない。２００℃〜６００℃位までは、熱分解によるガス化でＣＯ、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ を発生しながら発熱し、炭化が進行する。そして、残ったカーボンが燃焼すると灰化して脆くなり粉砕しやすくなる。バイオコークス８は、６００℃以上の高温下に於て、固体表面反応して燃焼して、大きな熱量を得ることができる。つまり、バイオコークス８は、６００℃以上の雰囲気に於て、化石燃料の代替燃料としての真価を発揮する。

本発明のバイオマス燃焼装置は、バイオコークス８が着火した後の燃焼状態に於て、ヒーター５をＯＦＦに切換えて、バイオコークス８の燃焼熱によって燃焼を継続させるように構成されている。
バイオコークス８は、着火した後、１６００℃〜２０００℃の温度で燃焼し、非常に大きな燃焼熱を発生させる。ヒーター５をＯＦＦにすることで第１エアー供給管１１からは常温の空気が供給されるが、この空気はケーシング部１内部でバイオコークス８の燃焼空気として使用され、又は、燃焼熱を回収し、温度が上昇する。温度が上がった空気は、ケーシング部１の下端部１Ｃから中間部１Ｂへ上昇し、空隙部１７で旋回しながらバイオコークス８の燃焼熱を回収し、さらに温度が上昇する。このようにして、エアー吹出口１０から流出する熱風２６は、１０００℃以上の高温に安定して保持されている。

図１では、篭部材２に、多数個のバイオコークス８が収納され、このバイオコークス８は燃焼に伴って崩壊して灰となる。篭部材２に収納されたバイオコークス８は下部が燃焼を続けつつ下方から順次崩壊して消費され、積み上げ容量が低下すると上方からバイオコークス８が補充される。後から補充されたバイオコークス８は、上昇してくる下方のバイオコークス８の燃焼熱によって着火し、バイオマス燃焼装置内で常時適正量が燃焼する状態を維持している。
なお、燃焼状態に於て、ケーシング部１の上端部１Ａに連結された第２エアー供給管１２からは空気が供給され、バイオコークス８の燃焼に必要な酸素を篭部材２の上方から補給すると共に、下方のバイオコークス８の燃焼を維持している。

図５は、本発明のバイオマス燃焼装置Ｚを用いて構成された流体加熱装置を示す簡略図である。なお、図５に於て、各装置間に連なる配管等は図示省略されている。
この流体加熱装置は、上述した図１のバイオマス燃焼装置Ｚと、熱交換器６と、熱交換器６から排出される排気流体の集塵を行う集塵装置７と、集塵装置７の排気口に連結される吸引ファン９とを、備えている。
熱交換器６は、被加熱流体３０が流通する熱交換室３１と、バイオマス燃焼装置Ｚから熱風２６が供給される熱供給室３５と、を備え、熱交換室３１内に、熱供給室３５に連通連結する熱交換用管群３２が、被加熱流体３０の流通方向に直交するように設けられている。熱交換室３１に於て、熱交換用管群３２の隙間を被加熱流体３０が通ることにより、熱交換するように構成されている。なお、この熱交換器６では、被加熱流体３０として空気又は水等の流体を利用できる。

集塵装置７は、周壁部に排気流入口が設けられた円筒部４１と、円筒部４１の下方に連設される逆円錐形部４２と、円筒部４１内から上方に突出状に設けられた吸引筒部４３と、を一体に有している。集塵装置７は、熱交換器６に於て熱交換を終えた排気流体を円筒部４１の排気流入口から吸い込んで、円筒部４１と逆円錐形部４２の内部で旋回流を形成する。この旋回流の遠心力を利用して、排気流体に含まれる粉塵を分離する。集塵装置７は、分離した粉塵を逆円錐形部４２の下方に排出し、一方、吸引筒部４３から、粉塵が取り除かれた排気流体を排出する。吸引筒部４３は、吸引ファン９に連結され、配管を介して排気流体を外部に排出する。

上述した本発明のバイオマス燃焼装置の使用方法（作用）について説明する。
図１に示すように、篭部材２に所定量のバイオコークス８を収納し、ケーシング部１内に設置（載置）して、次に、ヒーター５をＯＮにし、第１エアー供給管１１の空気を加熱して加熱燃焼空気２５をケーシング部１に供給する。この際、加熱燃焼空気２５は、３００℃〜７００℃に加熱される。加熱燃焼空気２５は、ケーシング部１の下端部１Ｃから中間部１Ｂへ上昇すると共に、加熱燃焼空気２５は、積み上がったバイオコークス８の下部に、まず加熱された上記温度で衝突して、表面を６００℃以上に加熱して、積み上がったバイオコークス８の下部が着火する。

バイオコークス８は、着火した後、１６００℃〜２０００℃の温度で燃焼し、篭部材２の周囲の空気を加熱する。一定時間の経過後、ヒーター５をＯＦＦに切換えて、ケーシング部１の下端部１Ｃに常温の空気を供給する。空隙部１７では、バイオコークス８の燃焼熱によって空気が加熱されると共に、篭部材２の周囲を旋回しながら上昇する。なお、燃焼状態に於て、エアーファン４から送られてくる空気を、下方の第１エアー供給管１１と上方の第２エアー供給管１２に、適宜バランスを保ちながら分配し、ケーシング部１の下端部１Ｃからだけでなく、ケーシング部１の上端部１Ａからも空気を供給し、バイオコークス８の燃焼に必要な酸素を篭部材２の上方から補給すると同時に下方のバイオコークス８の燃焼を維持する。なお、図示省略するが、エアーファン４に連通連結する配管の一部に、電気的制御手段を設け、第１エアー供給管１１と第２エアー供給管１２に供給する空気量のバランスを電気的に制御するように構成するも好ましい。

バイオコークス８が燃焼して消費され、容量が減少した際は、ケーシング部１上方の燃料補給口１９から新たなバイオコークス８を投入して補充する。篭部材２の上に後から補充されたバイオコークス８は、下方で燃焼するバイオコークス８の熱量をもって順次着火し、燃焼してゆく。このようにして、燃焼状態に於て、ヒーター５をＯＦＦにした後も、バイオコークス８の燃焼熱によって燃焼を継続する。

図２に示すように、バイオコークス８の燃焼を終了させて消火する際には、エアーファン４から第１エアー供給管１１に通じる配管を遮断して、第２エアー供給管１２からケーシング部１に常温の空気を供給する。こうすることで、篭部材２の上方から空気が入り、内側から外側に向けて熱気を逃がす。バイオコークス８は、温度が低下し、消火する。

なお、本発明は、設計変更可能であって、例えば、バイオコークス８の形状は、短円柱形状乃至円形盤状に限らず、自由に変更できるものとする。また、篭部材２の底壁面２１Ａを、底壁部１８から浮かせて支持する支持脚等を付設しても良い。なお、底壁面２１Ａは、格子状や網状とすることも自由である。

以上のように、本発明に係るバイオマス燃焼装置は、テーパー状乃至円筒状ケーシング部１を備え、ケーシング部１内に、バイオコークス８を収納して保持すると共に空気を自由通過する篭部材２を設置し、篭部材２の周壁部２０とケーシング部１の内周面３との間には、略円筒状空隙部１７が形成され、ケーシング部１は、下端部１Ｃに、ヒーター５を有する第１エアー供給管１１が連通連結され、かつ、中間部１Ｂの側壁にエアー吹出口１０を設け、ヒーター５によって空気を加熱して加熱燃焼空気２５とし、加熱燃焼空気２５がケーシング部１内に供給されて、加熱燃焼空気２５の熱量をもってケーシング部１内に収納されたバイオコークス８の下部Ｚが着火し、下部Ｚが連続的に燃焼しつつ下端部１Ｃから中間部１Ｂへ上昇しつつ空隙部１７で旋回流を形成し、エアー吹出口１０から所定高温の熱風２６を流出するように構成されたので、ヒーター５を常時ＯＮにしていなくても、篭部材２に保持されたバイオコークス８を継続的に燃焼させることができ、エアー吹出口１０から噴射される熱風２６を安定して高温に保持することができる。バイオコークス８を篭部材２に必要量収納して、ケーシング部１内に設置し、ヒーター５をＯＮにして一定時間運転するのみで、操業が容易となる。また、バイオコークス８の補充が簡単で、構造がシンプルかつ簡素に設計できる。ケーシング部１内に収納したバイオコークス８が下部から燃焼し、ケーシング部１内のバイオコークス８が炎上することなく、継続燃焼できる。

また、バイオコークス８が着火した後の燃焼状態に於て、ヒーター５をＯＦＦに切換えて、バイオコークス８の燃焼熱によって燃焼を継続させるように構成されたので、ヒーター５を常時運転する必要がなく、消費エネルギーを抑制でき、資源を節約して、地球環境保全に貢献できる。

１ケーシング部
１Ａ上端部
１Ｂ上下方向中間部
１Ｃ下端部
２篭部材
３内周面
４エアーファン
５ヒーター
８バイオコークス
１０エアー吹出口
１１第１エアー供給管
１２第２エアー供給管
１５テーパー状周壁部
１７空隙部
２０周壁部
２５加熱燃焼空気
２６熱風
Ｚ下部

Claims

テーパー状乃至円筒状ケーシング部（１）を備え、該ケーシング部（１）内に、バイオコークス（８）を収納して保持すると共に周壁部（２０）が網目状乃至格子状に形成され空気を自由通過する篭部材（２）を設置し、該篭部材（２）の上記周壁部（２０）と上記ケーシング部（１）の内周面（３）との間には、略円筒状空隙部（１７）が形成され、
上記ケーシング部（１）は、下端部（１Ｃ）に、ヒーター（５）を有する第１エアー供給管（１１）が連通連結され、かつ、中間部（１Ｂ）の側壁にエアー吹出口（１０）を設け、上端部（１Ａ）には、第２エアー供給管（１２）が連通連結され、さらに、上記ケーシング部（１）の外部に、上記第１エアー供給管（１１）及び上記第２エアー供給管（１２）に空気を送るエアーファン（４）が設けられ、
上記ヒーター（５）によって空気を加熱して加熱燃焼空気（２５）とし、該加熱燃焼空気（２５）が上記第１エアー供給管（１１）から上記ケーシング部（１）の下端部（１Ｃ）に供給されて、該加熱燃焼空気（２５）の熱量をもって上記ケーシング部（１）内に収納された上記バイオコークス（８）の下部（Ｚ）が着火し、該バイオコークス（８）の燃焼熱によって上記空隙部（１７）の空気を加熱すると共に上記篭部材（２）の上記周壁部（２０）の周囲を旋回しつつ上記下端部（１Ｃ）から上記中間部（１Ｂ）へ上昇する旋回流が形成され、上記バイオコークス（８）が下部（Ｚ）の燃焼熱によって順次着火し、かつ、上記エアーファン（４）からの空気を上記第１エアー供給管（１１）と上記第２エアー供給管（１２）に分配して上記ケーシング部（１）の下端部（１Ｃ）及び上端部（１Ａ）に空気を供給して上記バイオコークス（８）の燃焼を継続し、上記エアー吹出口（１０）から所定高温の熱風（２６）を流出するように構成されたことを特徴とするバイオマス燃焼装置。
上記バイオコークス（８）が着火した後の燃焼状態に於て、上記ヒーター（５）をＯＦＦに切換えて、上記バイオコークス（８）の燃焼熱によって燃焼を継続させるように構成された請求項１記載のバイオマス燃焼装置。