JP6304667B2 - 固体燃料の燃焼装置およびボイラー装置 - Google Patents

Description

本発明は、竹等の固体燃料を燃焼させる固体燃料の燃焼装置、及びこの燃焼装置を備えたボイラー装置に関する。

竹は、我国に豊富にあり、燃焼時の発熱量も多いため、将来有望な燃料と考えられている。しかし、竹にはシリカ成分が多く含まれるため、炉内で竹チップ等を燃焼させると、多量のクリンカ（溶融灰）が発生し、長時間連続して燃焼させることが困難となる。

例えば、炉内の火格子上で竹チップを燃焼させる場合、クリンカによって火格子が目詰まりを起こし、燃焼空気の供給を遮断してしまう。また、炉内の耐火壁にクリンカが融着することにより、耐火壁を劣化させ、継続的な燃焼炉の使用が困難になる。レンガ等の耐火壁に融着したクリンカを除去しようとすると、クリンカとともに耐火壁が炉から剥がれ落ちてしまうこともある。

ところで、特許文献１には、粒状の固体燃料をスクリューによって燃焼炉内に送り込んで燃焼させる燃焼装置が開示されている。この燃焼装置は、火格子を使用せずに、燃焼ポットの壁面から燃焼空気を供給することで固体燃料を燃焼させる方式を採用している。よって、この燃焼装置によれば、火格子の目詰まりという問題は発生しない。

特開２００８−２６１５２７号公報

しかしながら、特許文献１の燃焼装置でも、多量のクリンカが燃焼炉の耐火壁（同文献のポット内周面３４、外円筒部１０の内周面１１等）に付着する問題は発生する。

本発明は上記課題に鑑みて創案されたものであり、燃焼炉内で竹等の固体燃料を燃焼させる際に、燃焼炉内の耐火壁（壁面）にクリンカが付着し難い燃焼装置およびボイラー装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る固体燃料の燃焼装置は、底部に燃料供給口が形成され上部に燃焼ガス排出口が形成された燃焼炉と、前記燃焼炉の前記燃料供給口から炉内へ固体燃料を送給する燃料送給部と、前記燃焼炉内の下部に旋回流を生じるように空気を供給する空気供給部と、を備え、前記燃焼炉内の上下方向途中位置に、くびれ部が形成され、当該くびれ部の内径が前記燃焼炉における前記くびれ部以外の部分の内径の１／２以下であって、前記燃焼炉内の前記くびれ部より下位置の壁面近傍の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された炉内温度が所定温度を超えないように、前記燃料送給部による炉内への固体燃料の送給を所定時間だけ停止又は減速する炉内温度制御部と、をさらに備え、前記固体燃料が竹チップであって、前記所定温度を８２０℃とした。

好ましくは、前記固体燃料の燃焼装置において、前記くびれ部を通過する空気の旋回流を促すように当該くびれ部の内周面から空気を供給する補助空気供給部が設けられたものとする。

好ましくは、前記固体燃料の燃焼装置において、前記燃料送給部は、先端部が前記燃焼炉の前記燃料供給口に接続された固体燃料供給筒と、前記固体燃料供給筒内に配設されたスクリューと、前記スクリューを回転駆動させる駆動装置と、を有するものであり、前記燃焼炉内のくびれ部より上部に、一端側から空気が供給されて他端側から前記固体燃料供給筒内に空気を供給する熱交換管が設けられている。

また、本発明のボイラー装置は、前記固体燃料の燃焼装置と、前記燃焼炉の燃焼ガス排出口から排出される燃焼ガスを導入し、当該燃焼ガスと液体とを熱交換させる熱交換装置と、を備えている。

また、本発明に係る他の固体燃料の燃焼装置は、底部に燃料供給口が形成され上部に燃焼ガス排出口が形成された燃焼炉と、前記燃焼炉の前記燃料供給口から炉内へ固体燃料を送給する燃料送給部と、前記燃焼炉内の下部に旋回流を生じるように空気を供給する空気供給部と、を備え、前記燃焼炉内の上下方向途中位置に、くびれ部が形成され、当該くびれ部の内径が前記燃焼炉における前記くびれ部以外の部分の内径の１／２以下であって、前記燃料送給部は、先端部が前記燃焼炉の前記燃料供給口に接続された固体燃料供給筒と、前記固体燃料供給筒内に配設されたスクリューと、前記スクリューを回転駆動させる駆動装置と、を有するものであり、前記燃焼炉内のくびれ部より上部に、一端側から空気が供給されて他端側から前記固体燃料供給筒内に空気を供給する熱交換管が設けられている。

本発明によれば、燃焼炉内で竹等の固体燃料を燃焼させる際に、燃焼炉内の耐火壁（炉底、壁面）等にクリンカが融着し難くなる。

本発明の実施の形態に係る燃焼装置およびボイラー装置を示す図である。 燃焼装置内で生じる炎（火柱）を説明するための図である。 燃焼炉のくびれ部における横断面図である。 燃焼炉の下部における横断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る固体燃料の燃焼装置を備えたボイラー装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では固体燃料が竹チップである場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るボイラー装置１は、燃焼装置２と熱交換器３とで主に構成されている。

燃焼装置２は、燃焼炉５、燃料送給部６、空気供給回路７、制御部８などで構成されている。

燃焼炉５は、上下方向途中位置にくびれ部９を有する略円筒状の胴部５ａと、燃料供給口１１が形成された平板状の底部５ｂと、燃焼ガス排出口１２が形成された上部５ｃとで主に構成されている。この燃焼炉５の内部では、竹チップ１３等の固体燃料を連続的に燃焼させることができる。なお、燃焼炉５には、外部より燃料供給できる開口４７、開口４７を開閉する扉４８、自動着火用のバーナー５０等も設けられている。

燃焼炉５の胴部５ａは、金属外殻の内面を耐火断熱材（例えばレンガ）で被覆したものからなり、底部５ｂはキャスターからなる。

燃焼炉５の胴部５ａに形成されたくびれ部９は、図１に示すように、燃焼炉５の胴部５ａの上下方向中間位置に形成されており、くびれ部９の内径は、胴部５ｄの一般部（くびれ部以外の部分）の内径の約１／３となっている。なお、くびれ部９の内径と一般部の内径との比率は上記に限定されず、くびれ部９の内径が一般部の内径の１／２以下となっていることが望ましい。

燃焼炉５内のくびれ部９より上部には、螺旋状の熱交換管１４が配設されている。この熱交換管１４内には空気が供給され、その空気は炉内で昇温された後、竹チップを乾燥させるために、後述する第２の固体燃料供給筒１７内の燃焼炉５近傍に供給される。

また、燃焼炉５のくびれ部９より高位置の外周部には、ウォータジャケット１８が設けられている。このウォータジャケット１８より高位置に設置された水貯留タンク１９から導入される常温水がウォータジャケット１８で昇温され後述する熱交換器３に供給される。

燃料送給部６は、燃焼炉５の燃料供給口１１から燃焼炉５内へ竹チップを送給するものである。図１に示す燃料送給部６は、第１および第２の固体燃料供給筒１６，１７、これら固体燃料供給筒１６，１７内にそれぞれ設けられた第１および第２のスクリュー２１，２２、これらのスクリュー２１，２２を回転駆動させる第１および第２の駆動装置２３，２４等で構成されている。第１の固体燃料供給筒１６は、図示省略している燃料貯留ホッパーの底部と連通しており、燃料貯留ホッパーから竹チップ１３が流れ込むように設けられている。第１および第２の駆動装置２３，２４を駆動させると、第１および第２のスクリュー２１，２２が回転し、第１の固体燃料供給筒１６内の竹チップ１３は、軸方向に流動して連通筒２６を介して第２の固体燃料供給筒１７側へ供給される。さらに、第２の固体燃料供給筒１７に供給された竹チップ１３は、燃焼炉５側へ移動し燃焼炉の底部５ｂに形成された燃料供給口１１から燃焼炉５内へ供給される。

第２の固体燃料供給筒１７は、水平方向に向かって配置され、燃焼炉５の燃料供給口１１の近傍で上方へ屈曲している。この屈曲部１７ａの外径部は、図１に示すように、断面円弧状に形成されている。竹チップには、ある程度乾燥したものを使用することが望ましいものの、比較的多くの水分を多く含んだ竹チップを燃料として使用させる場合もある。そのような竹チップは、屈曲した管内を流動する際に、屈曲部で詰まってしまうことがある。しかし、上記第２の固体燃料供給筒１７によれば、屈曲部１７ａの外径部が断面円弧状に形成されていることから当該屈曲部１７ａにおいて竹チップが詰まってしまうことを防止することができる。

第２のスクリュー２２は、先端側が揺動可能なように、第２の固体燃料供給筒１７との間に所定の間隙（先端側が十分に揺動できるサイズの間隙）を介して設置され、基端側が回転自在に片持ち支持されている。このため、第２のスクリュー２２の先端側が竹チップ１３の流動状態に応じて柔軟に揺動し、第２の固体燃料供給筒１７の屈曲部１７ａで竹チップが詰まってしまうことを防止する。

空気供給回路７は、ブロワ２７、誘引用配管２８、熱交換用配管２９、旋回流空気供給用配管３０、乾燥空気供給用配管３１、バルブ３２〜３４等で構成されている。

ブロワ２７の吐出側には、誘引用配管２８および旋回流空気供給用配管３０の一端部が接続されている。誘引用配管２８は、他端部が煙突３６に接続されており、煙突３６に誘引空気を供給する。旋回流空気供給用配管３０は、途中で２手に分岐しており、一方が燃焼炉５の外周に形成された空気箱３７に接続され、他方が燃焼炉５のくびれ部９内に形成された空気箱３８に接続されている。旋回流空気供給用配管３０によって空気箱３７，３８に供給された空気は図３、図４に示すように、それぞれ、燃焼炉５の壁に設けられた空気吹き出し孔３９，４０から燃焼炉５内に吹き出すようになっている。しかも、空気吹き出し孔３９，４０が、燃焼炉５の中心方向から傾斜した方向に向かって形成されていることにより、燃焼炉５内で旋回流が生じるようになっている。なお、空気吹き出し孔３９は上下２段に３カ所ずつ設けられている。

熱交換用配管２９は、誘引用配管２８から分岐して螺旋状の熱交換管１４の一端部に接続されている。また、熱交換管１４の他端部と第２の固体燃料供給筒１７の燃焼炉５近傍との間には、乾燥空気供給用配管３１が接続されている。これにより、熱交換管１４内で昇温され乾燥した空気が第２の固体燃料供給筒１７内の燃焼炉５近傍に供給され、その場所にある竹チップ１３を乾燥させる。これにより、燃焼炉５内に供給される竹チップの燃焼効率を向上させることができる。

バルブ３２〜３４は各配管内の流路を開閉し、或いは、流量を調整するために設けられている。

制御部８は、燃焼炉５内のくびれ部９より下位置の壁面５ｄ近傍の温度が設定温度を超えないように、燃料送給部６による燃焼炉５内への竹チップ１３の送給速度を制御する。具体的には、制御部８は、温度センサ４２により検出される上記温度計測位置の温度がＴ１℃（例えば８００℃〜８５０℃の範囲の何れかの温度）まで上昇すると、所定時間、竹チップの燃焼炉５内への供給（第１および第２のスクリュー２１，２２の回転駆動）を停止又は減速し、その後、竹チップの燃焼炉５内への供給を再開する。その後は上記動作を繰り返す。出願人が試作した装置では、前記Ｔ１℃を８２０℃とし、竹チップの燃焼炉５内への供給停止時間を１５分とすることにより、上記温度計測一の温度が８５０℃を超えないようにした。なお、８５０℃以下ではクリンカが発生し難いといわれている。

制御部８が上記の制御を実施することで、燃焼炉５内の温度上昇を所定温度を超えないように抑制でき、燃焼炉５内の壁面近傍の温度が所定温度（例えば８５０℃）を超えないようにして、炉内壁面近傍でクリンカが発生しにくいようにすることができる。

熱交換器３は、燃焼炉５の燃焼ガス排出口１２から排出される燃焼ガスを導入し、当該燃焼ガスと液体（水）とを熱交換させる。図１に示す熱交換器３には、上部導入ポート４３、下部導入ポート４４、排出ポート４５が設けられている。上部導入ポート４３には、ウォータジャケット１８から導出される温水が導入される。下部導入ポート４４には、熱交換器３より高位置に設置され、自動的に水位が保たれる水貯留タンク１９から常温水が導入される。熱交換器３に導入された温水及び常温水は、燃焼炉５から排出された燃焼ガスで昇温されて排出ポート４５から導出される。導出された温水は、熱エネルギー源として各種の設備に利用される。なお、上記水の循環は、高位置に水貯留タンク１９を設置し、水頭差により行っているが、ポンプを設置して強制的に上記水の循環を行ってもよい。

以上に説明したボイラー装置１を使用する場合、先ず、スクリュー２１，２２を回転駆動させて、竹チップ１３を燃焼炉５内に供給し、炉底（燃焼炉５の底部５ｂの上面）より竹チップ１３が持ち上がる程度でバーナー５０にて所定時間（例えば３分間）だけ自動着火する。温度センサ４２（この温度センサ４２は、温度情報を制御部８に送信するとともに、炉内温度を表示する表示部を備えるものである。）にて着火を確認した後、バーナー５０の燃焼を停止し、バーナー５０には送風のみを行わせる。このとき、竹チップが燃焼炉５の壁面５ｄに到達しないように竹チップ１３の供給量を抑える。なお、竹チップは上記のようにスクリュー２１，２２にて燃焼炉５内に供給されるが、扉４８を開いて開口４７より竹チップを供給することも可能である。

続いて、時間当たり一定量の竹チップを燃焼炉５内に供給するとともに、ブロワ２７を駆動してバルブ３２〜３４を適宜開放する。

このようにして、燃焼炉５内に連続供給される竹チップ１３は燃焼を開始するが、燃焼炉５内では、図３および図４に示すように、空気吹き出し孔３９，４０から炉の中心方向に対して傾斜した方向に炉内に燃焼空気が噴出するので、燃焼炉５内で旋回流（上昇旋回流）が発生する。そして、くびれ部９が設けられているため、図２に示すように、炉内の竹チップ１３からくびれ部９に至るまでは、燃焼炉５内の壁面５ｄから離れた位置で火柱４９が形成され、くびれ部９を通過した後は当該火柱４９は燃焼炉５内で拡散する。また、灰も火柱４９と同様に、壁面５ｄから離れた位置で流動する。このため、壁面５ｄに溶融灰（クリンカ）が付着することは殆どない。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施の形態に係る固体燃料の燃焼装置２によれば、燃焼炉５内の壁面５ｄにクリンカが付着することを防止することができる。

なお、くびれ部９より上方では炎が壁面５ｄ近傍まで拡散するが、この位置では、燃焼空気中における灰の含有量が少ないため、壁面５ｄに対するクリンカの融着は殆ど発生しない。

本発明は、例えば竹チップの燃焼装置、及びこの燃焼装置を備えたボイラー装置に適用可能である。

１ ボイラー装置
２ 燃焼装置
３ 熱交換器（熱交換装置）
５ 燃焼炉
５ｂ 底部
５ｃ 上部
５ｄ 壁面
６ 燃料送給部
７ 空気供給回路（空気供給部、補助空気供給部）
８ 制御部（炉内温度制御部）
９ くびれ部
１１ 燃料供給口
１２ 燃焼ガス排出口
１３ 竹チップ（固体燃料）
１７ 第２の固体燃料供給筒
２２ 第２のスクリュー
２４ 第２の駆動装置
３９ 空気吹き出し孔（空気供給部）
４０ 空気吹き出し孔（補助空気供給部）
４２ 温度センサ（温度検出部）

Claims (5)

1. 底部に燃料供給口が形成され上部に燃焼ガス排出口が形成された燃焼炉と、
   前記燃焼炉の前記燃料供給口から炉内へ固体燃料を送給する燃料送給部と、
   前記燃焼炉内の下部に旋回流を生じるように空気を供給する空気供給部と、
   を備える固体燃料の燃焼装置において、
   前記燃焼炉内の上下方向途中位置に、くびれ部が形成され、当該くびれ部の内径が前記燃焼炉における前記くびれ部以外の部分の内径の１／２以下であって、
   前記燃焼炉内の前記くびれ部より下位置の壁面近傍の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部により検出された炉内温度が所定温度を超えないように、前記燃料送給部による炉内への固体燃料の送給を所定時間だけ停止又は減速する炉内温度制御部と、をさらに備え、
   前記固体燃料が竹チップであって、
   前記所定温度を８２０℃とした
   ことを特徴とする固体燃料の燃焼装置。
2. 請求項１に記載の固体燃料の燃焼装置において、
   前記くびれ部を通過する空気の旋回流を促すように当該くびれ部の内周面から空気を供給する補助空気供給部が設けられたことを特徴とする固体燃料の燃焼装置。
3. 請求項１又は２に記載の固体燃料の燃焼装置において、
   前記燃料送給部は、
   先端部が前記燃焼炉の前記燃料供給口に接続された固体燃料供給筒と、
   前記固体燃料供給筒内に配設されたスクリューと、
   前記スクリューを回転駆動させる駆動装置と、
   を有するものであり、
   前記燃焼炉内のくびれ部より上部に、一端側から空気が供給されて他端側から前記固体燃料供給筒内に空気を供給する熱交換管が設けられている、
   ことを特徴とする固体燃料の燃焼装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の固体燃料の燃焼装置と、
   前記燃焼炉の燃焼ガス排出口から排出される燃焼ガスを導入し、当該燃焼ガスと液体とを熱交換させる熱交換装置と、
   を備えることを特徴とするボイラー装置。
5. 底部に燃料供給口が形成され上部に燃焼ガス排出口が形成された燃焼炉と、
   前記燃焼炉の前記燃料供給口から炉内へ固体燃料を送給する燃料送給部と、
   前記燃焼炉内の下部に旋回流を生じるように空気を供給する空気供給部と、
   を備える固体燃料の燃焼装置において、
   前記燃焼炉内の上下方向途中位置に、くびれ部が形成され、当該くびれ部の内径が前記燃焼炉における前記くびれ部以外の部分の内径の１／２以下であって、
   前記燃料送給部は、
   先端部が前記燃焼炉の前記燃料供給口に接続された固体燃料供給筒と、
   前記固体燃料供給筒内に配設されたスクリューと、
   前記スクリューを回転駆動させる駆動装置と、
   を有するものであり、
   前記燃焼炉内のくびれ部より上部に、一端側から空気が供給されて他端側から前記固体燃料供給筒内に空気を供給する熱交換管が設けられている、
   ことを特徴とする固体燃料の燃焼装置。

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