JP6537541B2 - 燃焼装置及びバイオマス燃料 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼装置及びバイオマス燃料に関するものであり、特に、燃焼装置に用いられるバイオマス燃料として竹材料に樹皮（バーク）を混合したものを用いることに特徴を有するものである。

竹は大量に生育し成長が早く、放置された竹林では、竹が周囲に拡がり、隣接する杉、檜などの森林が浸食されて、その生態系が破壊される等の問題が発生している。

このため、近年では、放置された竹林に対して、自治体等が伐採の対応を行う例が増えているが、伐採された竹は産業廃棄物となるため、処分にもコストがかかり、費用面で大きな負担になっている。

そこで、伐採された竹をバイオマス燃料として利用する試みがなされている。

竹を燃料として燃焼させる燃焼装置の一例を図１に示す。図１に示すように、燃焼室１の底部に、通気させつつ、バイオマス燃料としての竹材料２１を保持するとともに、焼却灰を落下させる火格子１１が設けられている。図示しない送風機などより送られた空気が吸気口１４から火格子１１の複数の孔１１ａを介して燃焼室１内に供給される。

燃焼室１の上部には、排気管１３が設けられ、この排気管１３から高温排気された空気がボイラー等により熱利用される。

燃焼室１には、バイオマス燃料を供給するための投入口１２ａが設けられ、この投入口１２ａはバイオマス燃料を供給する以外は蓋１２により閉塞される。

火格子１１上に保持された竹材料２１を図示しない着火装置を用いて着火し、竹材料２１を燃焼させる。燃焼により生じた焼却灰は、火格子１１の孔１１ａより落下される。

しかし、竹には、シリコン（Ｓｉ）成分とカリウム（Ｋ）成分が含まれており、竹を燃焼させると、竹の灰中の酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）とシリカ（ＳｉＯ₂）の共晶反応が生じる。この共晶反応により生じた物質の融点は８００℃以下と低い。竹の燃焼中に、燃焼室１内は１０００℃程度の温度になり、この共晶により生じた物質が溶融し、溶岩状のクリンカ（溶融灰）Ｘが発生する。特に、竹は、他のバイオマスに比して、カリウムが多く、カリウムが多いとクリンカの発生が多くなる。

発生したクリンカＸは火格子１１の上に拡がり、火格子１１の孔１１ａを塞ぎ、連続燃焼に障害が発生する。

上記したように、クリンカＸが発生すると、燃焼室１内の燃焼空気の流入や排気を阻害して燃焼を継続させることができなくなる。また、発生したクリンカＸを除去するためには、ハンマー等で叩くなどの作業が必要となるとともに、火格子１１等を損傷する等の問題も発生する。

そこで、特許文献１には、竹を改質して、竹からカリウムを除去したものを燃料として用いることが提案されている。この特許文献１には、竹を粒径６ｍｍ以下まで微粒化し、微粒化した竹を常圧の水に浸して、カリウムや塩素を溶出させて、竹からカリウムや塩素を除去する。そして、常圧の水に浸した竹を脱水し、脱水された竹を燃料として用いるものである。

上記した特許文献１に記載のものにおいては、竹の改質により、竹からカリウムを除去することで、燃料として用いた場合にクリンカの発生を防止することができる。しかしながら、竹の改質のために、水に浸す工程、竹を脱水する工程を必要とし、燃料とするまでの作業工程が増加し、コストが増加する等の問題が生じる。

特開２０１６-１２５０３０号公報

本発明は、コストを増加させることなく、クリンカの発生を防止した燃焼装置およびバイオマス燃料を提供することを課題とするものである。

本発明に係る燃焼装置においては、前記のような課題を解決するため、バイオマス燃料を燃焼室内に導入し、前記バイオマス燃料を燃焼させる燃焼装置であって、前記バイオマス燃料として、竹材料に樹皮を混合したものを用い、前記バイオマス燃料を燃焼させた灰中の酸化カルシウムの重量パーセントが酸化カリウムの重量パーセントより多くなるように、前記バイオマス燃料の竹材料と樹皮との混合比率を設定した。なお、前記樹皮としては、針葉樹や広葉樹の樹皮を用いることができる。

また、上記の燃焼装置において、前記のように燃焼した灰中の酸化カルシウムの重量パーセントが酸化カリウムの重量パーセントより多くなるように、前記バイオマス燃料の竹材料と樹皮との混合比率を設定するためには、前記樹皮を２０重量％以上混合させることが好ましい。このようにバイオマス燃料の竹材料と樹皮との混合比率を設定することで、燃焼灰の融点の低下がなくなり、クリンカの発生を防止できる。

上記に記載の燃焼装置において、前記燃焼室の底面に空気の供給を行う火格子を設ければよい。

また、本発明において、燃焼装置に燃料として用いられるバイオマス燃料は、前記のように竹材料に樹皮を混合したものであって、このバイオマス燃料を燃焼させた灰中の酸化カルシウムの重量パーセントが酸化カリウムの重量パーセントより多くなるように、前記バイオマス燃料の竹材料と樹皮との混合比率を設定したものを用いることを特徴とするものである。

本発明においては、バイオマス燃料を燃焼室内に導入し、前記バイオマス燃料を燃焼させる燃焼装置であって、前記バイオマス燃料として、竹材料に樹皮を混合させることで、竹の改質を施さずにクリンカの発生を防止できるバイオマス燃料を提供でき、コストを増加させることなく竹材料を用いて燃焼室の継続運転が可能となる。

従来のバイオマス燃料として竹材料を用いた燃焼装置において、クリンカが発生した状態を示す概略図である。 本発明の実施形態であるバイオマス燃料として、竹材料に樹皮を混合させたものを用いた燃焼装置を示す概略図である。 竹材料と樹皮との混合比と生成される灰中の金属酸化物の割合を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る燃焼装置を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明に係る燃焼装置は、下記の実施形態に示したものに限定されず、発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施できるものである。

本発明者等は、竹の燃焼の際に発生するクリンカの生成に着目し、竹に他のバイオマス材料を混合させることで、クリンカの発生を抑制することができるかを実験により検討した。

バイオマス原料として杉、檜の間伐材などの樹皮がある。この樹皮は、産業廃棄物となり、現在、バーク堆肥として利用される程度であり、樹皮をバイオマス燃料として利用することが考えられる。

樹皮にはカルシウム成分が多く含まれており、樹皮を燃焼させると、灰中に酸化カルシウム（ＣａＯ）が生成される。この酸化カルシウム（ＣａＯ）が灰中に存在すると、竹を燃焼させて灰中に酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）が存在しても、灰の融点が低下せずに、クリンカの発生を防止できることを本発明者等は見出した。

そこで、本発明においては、バイオマス燃料として、竹材料に樹皮を混合させたものを用い、燃焼室１内で燃焼させるものである。本発明の実施形態につき図２を参照して説明する。

本発明の実施形態を示す図２において、燃焼装置は、図１に示すものと同じ構成であり、同一部分に同一符号を付し、説明の重複を避けるために、ここでは説明を割愛する。

図２に示すように、燃焼室１には、バイオマス燃料を供給するための投入口１２ａが設けられ、この投入口１２ａから竹材料２１に樹皮２２を混合させたバイオマス燃料２を投入する。そして、竹材料２１に樹皮２２を混合させたバイオマス燃料２を燃焼させる。図２において、バイオマス燃料２の中で樹皮２２は黒塗りにしている。

上記したように、杉、檜などの針葉樹の樹皮２２を適量、竹材料２１に混合することで、クリンカの発生を防止することができる。この結果、クリンカにより、火格子１１の孔１１ａを塞ぐことなく、燃焼用の空気を火格子１１の孔１１ａから供給することができ、連続燃焼を継続することができる。樹皮２２は針葉樹以外に広葉樹の樹皮を用いてもよい。

なお、竹材料は、竹をそのまま切断したり、チップ状にするなど、燃えやすくなるように加工した方がよい。

表１に、竹材料と樹皮とを混合させ、その混合比率を変化させて燃焼させた時の燃焼灰の軟化点、融点、溶流点の溶融特性をＪＩＳ Ｍ８８０１「灰の溶融特性温度測定」に準拠して測定した結果を示す。竹材料３０重量％、樹皮７０重量％、竹材料５０重量％、樹皮５０％、竹材料８０重量％、樹皮２０％の３種類の状態で燃焼させた灰を回収する。その灰を用いて試験錐を製作し、炉内で連続的に加熱し、試験錐の形状に特定の変化が起こった時の温度を測定した。ここで、軟化点は試験錐の頂点部が溶けて丸くなり始めた温度、融点は試験錐が溶融して、その高さが底部の見かけ上の幅の１／２になった時の温度、溶流点は溶融物が支持台に流れ、融点の時の高さの１／３の高さになった時の温度である。

表１に示すように、竹材料に樹皮を混合させて燃焼させると、竹材料が８０重量%、樹皮が２０重量％の混合比率の場合の燃焼灰においても融点が１２５０℃である。燃焼室１内の温度は１０００℃程度であるので、燃焼灰は溶融せず、クリンカの発生を防止できることが分かる。

次に、竹材料に樹皮を混合させ、その混合比率を変化させて燃焼させた時に発生した酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、シリカ（ＳｉＯ₂）の金属酸化物の重量を測定し、その重量%の割合を測定した結果を図３に示す。図３において、黒丸はシリカ（ＳｉＯ₂）、黒三角は酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）、黒四角は、酸化カルシウム（ＣａＯ）である。

図３に示すように、シリカ（ＳｉＯ₂）の割合は、竹材料と樹皮との混合比率を変えてもあまり変化はないが、竹材料の混合割合を増加させると、酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）が増加し、酸化カルシウム（ＣａＯ）が減少している。そして、竹材料が８５重量％、樹皮が１５重量％までは、灰中の酸化カルシウム（ＣａＯ）が酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）より多くなる。酸化カルシウム（ＣａＯ）が多い状態では、灰の融点は１１２７℃以上であり、クリンカが発生しない。

このことから、燃焼した灰中の酸化カルシウム（ＣａＯ）の重量％が酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）の重量パーセントより多くなるように、バイオマス燃料の竹材料２１と樹皮２２との混合比率を設定すればよい。

図３より、竹材料２１が８５重量％、樹皮２２が１５重量％までは、灰中の酸化カルシウム（ＣａＯ）が酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）より多くなるが、竹も樹皮も自然界で生育されるものであり、これらの中に存在するカルシウム、カリウムは、ばらつきがあるので、灰中の酸化カルシウム（ＣａＯ）が酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）より確実に多くなるように、樹皮２２を２０重量%以上、竹材料２１を８０重量%以下に混合させたバイオマス燃料２を用いることが望ましい。

ところで、樹皮は絡まりやすく、樹皮だけでは塊になり燃料としては使いにくいものであったが、樹皮２２と竹材料２１を混在させると、樹皮２２同士が絡まるのを竹材料２１が抑制し、塊になることが抑制でき、バイオマス燃料２として取り扱いが容易になるという利点もある。このように、竹の改質などを行うことなく、産業廃棄物として利用が進まなかった竹と樹皮とを利用して、クリンカの発生しないバイオマス燃料を提供することができる。

燃焼室１の底面に火格子１１を設けたものにおいて、上記した本発明の竹材料２１と樹皮２２とを混合したバイオマス燃料２を用いて燃焼させると、クリンカの発生は起こらず、燃焼空気の供給は維持できると共に、火格子１１の孔１１ａから下に灰が落下する。

図２に示した燃焼装置は、燃焼室１の底面に空気の供給を行う火格子１１を設け、底部から燃焼空気を供給しているが、燃焼室の形態はこれに限らず、種々の燃焼室の本発明は適用できる。

１ ：燃焼室
２ ：バイオマス燃料
２１ ：竹材料
２２ ：樹皮
１１ ：火格子
１１ａ ：孔
１２ ：蓋
１２ａ ：投入口
１３ ：排気管
１４ ：吸気口

Claims (5)

1. バイオマス燃料を燃焼室内に導入し、前記バイオマス燃料を燃焼させる燃焼装置であって、
   前記バイオマス燃料として、竹材料に樹皮を混合したものを用い、前記バイオマス燃料を燃焼させた灰中の酸化カルシウムの重量パーセントが酸化カリウムの重量パーセントより多くなるように、前記バイオマス燃料の竹材料と樹皮との混合比率を設定したことを特徴とする燃焼装置。
2. 請求項１に記載の燃焼装置において、
   前記樹皮は針葉樹や広葉樹の樹皮であることを特徴とする燃焼装置。
3. 請求項１又は２に記載の燃焼装置において、
   前記樹皮を２０重量％以上混合させることを特徴とする燃焼装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼装置において、
   前記燃焼室の底面に空気の供給を行う火格子を設けたことを特徴とする燃焼装置。
5. 燃焼装置に燃料として用いられるバイオマス燃料であって、前記バイオマス燃料は、竹材料に樹皮が混合されてなり、燃焼させた灰中の酸化カルシウムの重量パーセントが酸化カリウムの重量パーセントより多くなるように竹材料と樹皮とが混合されていることを特徴とするバイオマス燃料。

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