JP6490533B2

JP6490533B2 - 木質バイオマスボイラー

Info

Publication number: JP6490533B2
Application number: JP2015158329A
Authority: JP
Inventors: 利光加来野
Original assignee: KABUSHIKI KAISHA KAKUNO SEISAKUSHO
Current assignee: KABUSHIKI KAISHA KAKUNO SEISAKUSHO
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2035-08-10
Also published as: JP2017036883A

Description

本発明は、廃木材や廃竹材等の木質材を燃料とした熱分解方式の木質バイオマスボイラーに関する。

従来、ボイラーの燃料は、主にＡ重油、軽油、灯油やＬＰＧ等の化石燃料が使用されている。しかしながら、化石燃料ボイラーは、原料費の高騰や二酸化炭素排出量等が問題となっており、エネルギーコスト低減と環境負荷の低減が求められている。そこで、木質ペレットやチップ等のバイオマス燃料を使用するバイオマスボイラーが注目されている。

例えば、特許文献１には、バイオマスを燃焼させる燃焼炉の燃焼室の周囲を囲む形で、温水タンクを形成し、上縁が燃焼室の高さの１／２以下の位置になるように燃焼室の背壁に排煙口を設け、温水タンクの湯沸室を貫通して設けられた煙筒体に排煙させる構成としたバイオマスボイラーが開示されている。

特開２０１４−１９９１７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されているような燃焼炉方式のバイオマスボイラーでは、二酸化炭素の排出量が多いという問題がある。
そこで、本発明においては、燃焼炉方式に比べて二酸化炭素の発生が格段に少ない熱分解方式の木質バイオマスボイラーを提供することを目的とする。

本発明の木質バイオマスボイラーは、木質材燃料を熱分解する熱分解炉と、熱分解炉内に吸入する空気を通過させることにより酸素欠乏状態とする磁化装置と、熱分解炉を囲むように設けられ、熱分解炉により発生した熱により貯留水を加熱するボイラータンク部と、熱分解炉内を通過する配管により構成され、熱分解炉により発生した熱により配管内の流水を加熱する熱交換器部と、熱分解炉内で発生した加熱空気を排出する排気管、および、排気管に熱分解炉内から加熱空気を吸引するファンを備えた温風発生装置とを有するものである。

本発明の木質バイオマスボイラーでは、熱分解炉内に吸入する空気を磁化装置に通過させることにより、酸素欠乏状態、すなわち低酸素状態（窒素リッチ状態）となり、この空気中の酸素分子は凝縮された結合体を形成する。そして、この凝縮された低酸素の結合体が木質材燃料に衝突すると、木質材燃料は熱分解反応を起こし、火炎燃焼することなく、乾留反応により熱分解し、磁性を帯びた灰となる。この磁性灰が隣接する次の燃料の熱源となることによって、乾留反応が継続する。このような木質材燃料の熱分解により熱分解炉で発生した熱によって、ボイラータンク部の貯留水が加熱された温水または蒸気となり、熱交換器部の流水が加熱されて温水となり、また、熱分解炉内で発生した加熱空気が温風発生装置のファンにより排気管を通じて吸引されて温風となる。

また、本発明の木質バイオマスボイラーは、熱分解炉内に、鉛直方向に延びる筒状体であり、その内面に斜め下方へ向かって突出する環状の整流板を鉛直方向に複数段備えた筒状体を有し、熱交換器部の配管は、筒状体の周りを巻回するように配設されたものであることが望ましい。熱分解炉内で木質系材料の熱分解によって生じる対流は、ばらつきがあり、乱れているが、この乱れた対流を筒状体の内面に斜め下方へ向かって突出する環状の整流板によって受け止めて調整し、筒状体の周りへの輻射熱を均一化することが可能となる。また、この環状の整流板自体に吸熱された熱によっても、熱分解炉内の熱分解が継続されるようになる。

また、本発明の木質バイオマスボイラーは、熱分解炉の炉頂部に木質材燃料を質量含水率３０％以下、より好ましくは２０％以下まで乾燥する乾燥室を有することが望ましい。これにより、熱分解炉の炉頂部からの排熱を利用して木質材燃料を乾燥することができ、木質材燃料として生の廃木材や廃竹材等を用いる場合には、これらの木質材燃料の質量含水率を３０％以下とすることで、熱分解炉で発生する分解熱を常時一定にすることが可能となる。特に、木質材燃料の質量含水率を２０％以下まで乾燥すれば、熱分解が容易となり、有害ガスが発生しないという利点がある。

また、温風発生装置は、排気管内を通過する加熱空気に対して水を噴霧する噴霧装置を備えたものであることが望ましい。これにより、加熱空気中の有害物質、白煙および不純物を水の噴霧粒子により捕捉して浄化することが可能となる。

（１）木質材燃料を熱分解する熱分解炉と、熱分解炉内に吸入する空気を通過させることにより酸素欠乏状態とする磁化装置と、熱分解炉を囲むように設けられ、熱分解炉により発生した熱により貯留水を加熱するボイラータンク部と、熱分解炉内を通過する配管により構成され、熱分解炉により発生した熱により配管内の流水を加熱する熱交換器部と、熱分解炉内で発生した加熱空気を排出する排気管、および、排気管に熱分解炉内から加熱空気を吸引するファンを備えた温風発生装置とを有する構成により、燃焼炉方式に比べて二酸化炭素の発生が格段に少ない熱分解方式により木質材燃料を熱分解し、その分解熱により、温水（蒸気）および温風を得ることが可能となる。

（２）熱分解炉内に、鉛直方向に延びる筒状体であり、その内面に斜め下方へ向かって突出する環状の整流板を鉛直方向に複数段備えた筒状体を有し、熱交換器部の配管は、筒状体の周りを巻回するように配設されたものであることにより、筒状体の周りへの輻射熱を均一化し、所望の温度の温水（蒸気）および温風を安定的に得ることが可能となる。

（３）熱分解炉の炉頂部に木質材燃料を質量含水率３０％以下まで乾燥する乾燥室を有する構成により、熱分解炉の炉頂部からの排熱を利用して木質材燃料を乾燥し、熱分解炉で発生する分解熱を常時一定にして木質バイオマスボイラーの安定的な運転が可能となる。

（４）温風発生装置が排気管内を通過する加熱空気に対して水を噴霧する噴霧装置を備えたものであることにより、加熱空気中の有害物質、白煙および不純物を水の噴霧粒子により捕捉して浄化することが可能となり、無害な温風を利用することが可能となる。

本発明の実施の形態における木質バイオマスボイラーの概要を示す正面図である。図１の木質バイオマスボイラーの概要を示す平面図である。整流板による対流の調整効果を説明する説明図である。

図１は本発明の実施の形態における木質バイオマスボイラーの概要を示す正面図、図２は図１の木質バイオマスボイラーの概要を示す平面図である。

図１および図２に示すように、本発明の実施の形態における木質バイオマスボイラー１は、廃木材や廃竹材等の木質材燃料を熱分解する熱分解炉２と、熱分解炉２内に吸入する空気を通過させることにより酸素欠乏状態とする磁化装置３と、熱分解炉２を囲むように設けられたボイラータンク部４と、熱分解炉２内を通過する配管により構成される熱交換器部５と、熱分解炉２内で発生した加熱空気から温風を得る温風発生装置６とを有する。

熱分解炉２は、鉛直方向に延びる円筒状の内部炉殻１０と、炉頂板１１とによって形成されている。内部炉殻１０はボイラー鋼板（ボイラー用炭素鋼鋼板）、炉頂板１１は普通鋼鋼板（炭素鋼鋼板）である。また、熱分解炉２の下部には、中間炉床１２が設けられている。中間炉床１２は、木質材燃料を受ける火格子（ロストル）である。また、熱分解炉２の正面には、熱分解炉２の中間炉床１２上に木質材燃料を投入するための燃料投入口１３が設けられている。燃料投入口１３の下方には、中間炉床１２下の灰を掻き出すための灰掻出口１４が設けられている。

熱分解炉２の中間炉床１２の上方および下方の側面には、それぞれ３つの空気吸込管１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃおよび空気吸込管１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃが設けられている。図２に示すように、空気吸込管１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは平面視で１２０°間隔で設けられている。空気吸込管１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃも同様である。また、空気吸込管１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃと空気吸込管１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃとは互いに４０°間隔となるように配置されている。磁化装置３は、空気吸込管１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃにそれぞれ設けられている。

また、熱分解炉２内には、鉛直方向に延びる円筒状の筒状体１７が設けられている。筒状体１７の内面には、斜め下方へ向かって突出する環状（逆円錐台状）の整流板１８が鉛直方向に複数段設けられている。図３は整流板１８による対流の調整効果を説明する説明図である。図３に示すように、熱分解炉２内で木質系材料の熱分解によって生じる対流Ｃ１は、ばらつきがあり、乱れているが、この乱れた対流Ｃ１を筒状体１７の内面の整流板１８によって受け止めて調整し、筒状体１７の周りへの輻射熱Ｃ２を均一化する。

磁化装置３は、管内に強磁石を向かい合わせに配置したものである。熱分解用の空気がこの磁化装置３の中を通過する際、空気中の酸素が強磁石に引き寄せられ、流入空気は酸素欠乏状態、すなわち低酸素状態（窒素リッチ状態）となり、空気中の酸素分子は凝縮された結合体を形成する。そして、この凝縮された低酸素の結合体が木質材燃料に衝突すると、木質材燃料は熱分解反応を起こし、火炎燃焼することなく、乾留により熱分解し、磁性を帯びた灰となる。この磁性灰が隣接する次の燃料の熱源となることによって、乾留が継続する。

ボイラータンク部４は、前述の内部炉殻１０と、この内部炉殻１０を囲むように設けられた鉛直方向に延びる円筒状の外部炉殻２０とによって形成された空間である。ボイラータンク部４の上方には、水を給水するヘッドタンク７が設けられている。ヘッドタンク７の水は水の自重によりボイラータンク部４の上部に給水され、ボイラータンク部４内に貯留され、熱分解炉２により発生した熱により加熱される。また、ボイラータンク部４の下部にはボイラータンク部４内の温水または蒸気を吐出する吐出管２１が設けられている。

熱交換器部５は、筒状体１７の周りを巻回するように配設された熱交換器用鋼管５Ａにより形成された配管である。熱交換器用鋼管５Ａは、一端が熱分解炉２の上部の注水口１９Ａに接続され、注水口１９Ａから筒状体１７の周りを螺旋状に下降するように筒状体１７の周りに配設され、他端が熱分解炉２の下部の吐出口１９Ｂに接続されている。この熱交換器用鋼管５Ａ内の流水は、熱分解炉２により発生した熱により加熱される。

温風発生装置６は、熱分解炉２内で発生した加熱空気を排出する排気管３０と、排気管３０に熱分解炉２内から加熱空気を吸引するファン３１とを備える。排気管３０は熱分解炉２の炉頂部に接続されている。ファン３１は、空気中の不純物を除去する不純物除去フィルターを備えている。排気管３０とファン３１との間には、シーズヒーター３２が設けられている。また、排気管３０の途中には、排気管３０内を通過する加熱空気に対して水を噴霧する噴霧装置３３を備えている。

噴霧装置３３は、水としての温水を排気管３０内に噴霧することで、熱分解炉２内で発生した加熱空気中の有害物質、白煙および不純物を温水の噴霧粒子によって捕捉して浄化する。温水の噴霧粒子に捕捉された有害物質、白煙および不純物は、ドレン３４より排出される。シーズヒーター３２は、噴霧装置３３から温水が噴霧されることにより湿度が上昇した加熱空気を加熱することによって湿度を下げるとともに、加熱空気中の水分の中の雑菌を殺菌するためのものである。

なお、本実施形態における木質バイオマスボイラー１では、熱分解炉２およびボイラータンク部４の全体と、排気管３０の周りとを断熱材４０，４１により覆っている。また、本実施形態における木質バイオマスボイラー１は、熱分解炉２の炉頂部に木質材燃料を質量含水率３０％以下まで乾燥する乾燥室８を有する。

上記構成の木質バイオマスボイラー１では、燃料投入口１３から廃木材や廃竹材等の木質材燃料を熱分解炉２内に投入する。このとき、木質材燃料は熱分解炉２の半分以下の高さまで投入する。そして、ファン３１を駆動することにより、磁化装置３を通して熱分解用の空気を熱分解炉２内に引き入れ、おき火により着火する。このとき、熱分解用の空気は前述のように酸素欠乏状態となり、凝縮された低酸素の結合体が木質材燃料に衝突することにより、木質材燃料は火炎燃焼することなく熱分解反応を継続する。

また、熱分解後の木質材燃料は磁性を帯びた灰となり、この磁性灰は隣接する次の燃料の熱源となることによって、乾留が継続する。他方、熱分解炉２内に引き込まれた低酸素の結合体は加熱空気となり、熱分解炉２の筒状体１７内で整流板１８により調整されて熱分解炉２内を循環し、整流板１８自体に吸熱される。この整流板１８に吸熱された熱によっても熱分解が継続される。そして、熱分解後の木質材燃料は最終的に約１／３００に減容されて中間炉床１２から落下し、灰掻出口１４から掻き出される。

熱分解炉２内の温度分布は、乾留部の温度が３５０〜４００℃の低温乾留温度に維持される。炉内下部から中間部は、４００〜９００℃（時間の経過とともに上昇）に制御し、上部温度は３００〜４８０℃の低温に維持される。

この分解熱によりボイラータンク部４内の水が加熱され、９０〜１００℃の温水または蒸気となる。ボイラータンク部４にはヘッドタンク７の水が自重により給水され、温水がボイラータンク部４の下部の吐出管２１から吐出される。なお、一般的なボイラーの給水は、下部からポンプにより給水し、ボイラー内部の水は加熱されて密度差が生じ、熱対流による自然対流が発生し、温水は上部への浮力を受けるが、本実施形態における木質バイオマスボイラー１では、加熱された温水を連続的に吐出させることで、上部から下部への自然対流が起こる。

また、これと同時に、熱分解炉２内では熱交換器部５の配管内の流水が分解熱により加熱され、９０〜９５℃の温水となる。熱交換器部５への注水は、既設の水道水配管から行われる。上水は熱分解炉２の上部の注水口１９Ａから注水され、熱分解炉２内の筒状体１７の周りを螺旋状に下降する間に分解熱により加熱され、温水が熱分解炉２の下部の吐出口１９Ｂに接続された配管２２から吐出される。

また、熱分解炉２の内部で発生する加熱空気は、ファン３１により吸引されて９０〜１００℃の温風となる。熱分解炉２内の加熱空気は排気管３０の途中に備えられた噴霧装置３３から温水が噴霧されることにより浄化される。なお、木質材燃料の着火直後は黒煙が発生するが、熱分解状態ではほとんど煙は発生しないため、噴霧装置３３からは必要に応じて温水を噴霧する。また、必要に応じてシーズヒーター３２を駆動し、加熱空気の湿度を下げるとともに水分中の雑菌を殺菌する。

上述のようにボイラータンク部４により得られる温水または蒸気は、給湯用（農業ハウス、旅館・ホテル・病院等の風呂用、再加熱用等）、暖房用（農業ハウス、温水、旅館、ホテル・オフィス、学校、病院、業務用等）、大気との温度差による発電機用、工業用、温風用（温水を既設熱交換器で温風へ変換）、その他に利用できる。また、熱交換器部５により得られる温水は、上記ボイラータンク部４の温水の再加熱用、床暖房用、上記ボイラータンク部４との組み合わせ利用（給湯用・暖房用との組み合わせ）、大気との温度差による発電機用、温風用（温水を既設熱交換器で温水へ変換）等に利用できる。さらに、温風発生装置６により得られる温風は、農業用ハウス、各種温室、暖房用、温水用（温風を既設熱交換器で温水へ変換）等に利用できる。

なお、本実施形態における木質バイオマスボイラー１に使用する木質材燃料としては、林地残材（間伐材等）、製材残材、建設廃材・残材、薪、木質チップ等の廃木材や、放置竹林の廃木材等を使用することができる。また、丸太状や薪状の木質材燃料の場合、長さ５０〜６０ｃｍ×径（１０ｃｍ以下）のものを使用する。また、木質材燃料の質量含水率が３０％超の場合には、乾燥室８内で質量含水率３０％以下まで乾燥した後に使用する。

また、本実施形態においては、木質材燃料を燃料投入口１３から手動により投入する構成であるが、自動的に投入する構成とすることも可能である。この場合、スクリューコンベア等により木質材燃料を貯蔵ホッパーから乾燥室８へ運搬し、熱分解炉２の炉頂板１１を自動化開閉式として熱分解炉２内へ投入する構成とすれば良い。

本発明の木質バイオマスボイラーは、廃木材や廃竹材等の木質材を燃料として、温水（蒸気）および温風を得ることのできるボイラーとして有用である。

１木質バイオマスボイラー
２熱分解炉
３磁化装置
４ボイラータンク部
５熱交換器部
６温風発生装置
１０内部炉殻
１１炉頂板
１２中間炉床
１３燃料投入口
１４灰掻出口
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ空気吸込管
１７筒状体
１８整流板
１９Ａ注水口
１９Ｂ吐出口
２０外部炉殻
３０排気管
３１ファン
３２シーズヒーター
３３噴霧装置
３４ドレン
４０，４１断熱材

Claims

内部炉殻と炉頂板とによって形成された熱分解炉であり、前記内部炉殻の内側に配置され、鉛直方向に延びる筒状体であり、その内面に斜め下方へ向かって突出する環状の整流板を鉛直方向に複数段備えた筒状体を有し、木質材燃料を熱分解する熱分解炉と、
前記熱分解炉内に吸入する空気を通過させることにより酸素欠乏状態とする磁化装置と、
前記内部炉殻と、前記内部炉殻を囲むように設けられた外部炉殻とによって、前記熱分解炉を囲むように設けられた空間であり、前記熱分解炉により発生した熱により貯留水を加熱するボイラータンク部と、
前記熱分解炉内を通過する配管であり、前記筒状体の周りを巻回するように前記筒状体と前記内部炉殻との間に配設された配管により構成され、前記熱分解炉により発生した熱により前記配管内の流水を加熱する熱交換器部と、
前記熱分解炉内で発生した加熱空気を排出する排気管、および、前記排気管に前記熱分解炉内から前記加熱空気を吸引するファンを備えた温風発生装置と
を有する木質バイオマスボイラー。
前記熱分解炉の炉頂部に前記木質材燃料を質量含水率３０％以下まで乾燥する乾燥室を有する請求項１記載の木質バイオマスボイラー。
前記温風発生装置は、前記排気管内を通過する前記加熱空気に対して水を噴霧する噴霧装置を備えたものである請求項１または２に記載の木質バイオマスボイラー。