JP6592304B2 - バイオマス利用方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスの利用方法及び装置に関するもので、詳しくは、性状や形状の異なるバイオマスの利用方法及び装置に関するものである。

地球温暖化問題におけるＣＯ_２の低減対策の１つとしては、再生可能エネルギーの利用を促進することが挙げられ、木材等による所謂木質バイオマスを燃料として利用することが進められてきている。

このような木質バイオマスを燃料として利用する施設としては、たとえば、バイオマス発電設備が考えられている。

しかし、木質バイオマス燃料は、その資源として用いる木材等（間伐材や剪定枝）が急峻な山林に分散して存在するため、収集や運搬等の点から、バイオマス発電設備では、たとえば、半径５０ｋｍといった広範囲に亘る地域から大量のバイオマス燃料を収集する必要が生じる。

よって、発電所のような大規模なバイオマス利用施設を実現するためには、山林やその周辺の環境、更には施設の立地環境等に関して制約を受けることが多い。

そのため、木質バイオマス燃料の有効利用を図るためには、より小規模な範囲（地域）で収集可能な木質バイオマスを燃料として利用できるシステムの開発が求められる。

従来、バイオマス燃料の小規模利用システムとしては、樹皮を含む木材全体を対象とし、そのバイオマスを、ペレット燃料として燃焼室で燃焼させるようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されているものは、木材の特定の部位に限定されることなく樹皮を含む木材全体を燃料とし、そのバイオマス燃料を、ペレットとして燃焼室に供給して、燃焼室下部に設けられた火格子上の火床で燃焼させることにより、バイオマス燃料の利用と、熱利用を図るようにしたものである。

特開２００４−２７０９８０号公報

ところが、特許文献１に記載されたものでは、バイオマスをペレット燃料として燃焼室下部の火格子上の火床で、燃焼させるものである。

そのため、特許文献１に記載されたものでは、火格子の上側に形成されるペレットの層に対しては、火格子に設けられた多数の空気供給口から空気が供給されるだけであり、ペレットの層を攪拌する機能がないため、空気と偶然接触したペレットが順次燃焼するのみである。そのため、特許文献１に示されたものは、バイオマス燃料であるペレットの個々の粒子の燃焼に時間を要するので、燃焼制御に対する応答性が低いという問題がある。またペレットの層を攪拌する機能がないため、ペレット層内での燃焼の際に、局部的な高温場が形成され部分的に溶融固着したクリンカが形成され、燃焼斑が発生し、場合によっては燃焼継続できなくなることもある。更に灰の排出は火床を掻き崩すことによって行うため、ペレット層の燃焼が急激に変化し燃焼が安定しない問題もある。又、ペレットは、原料を粉砕して固形化する工程が必要なため、ペレットとするための製造コストが高くなり、燃料コストが高くなること等の問題もある。

一方、バイオマスをペレット燃料に成形することなく原料のまま、又はそれに近い状態で使用する際には、一般的に水分などの性状や形状が課題となる。生木は５０〜６０％の含水率があり、そのまま利用するには発熱量が小さいので、熱風による乾燥処理を行って水分を３０％以下程度まで下げる場合が多いが、水分を蒸発させる乾燥方式では、乾燥に要するエネルギーが大きくなる。そのため、脱水など蒸発によらない水分低減方法、或いは水分４０％程度のバイオマス燃料でも利用できる方法がとれればエネルギーとコストの両方を抑制することができる。

そこで、本発明は、バイオマスをペレット燃料などのように形状や大きさを限定することなく、様々な性状、形状のバイオマスを燃料として利用することができるようにすると同時に、燃焼制御に対する応答性の向上化を図ることができるようにするバイオマス利用方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、木質バイオマスの原料を破砕処理して粒度を調整する破砕機と、前記破砕機で破砕された木質バイオマスの原料を脱水または乾燥して水分を低減して木質バイオマス燃料とする機器と、前記木質バイオマス燃料を粉砕処理して粉体燃料を製造する粉砕機と、前記木質バイオマス燃料および前記粉体燃料を燃焼させるバーナと、前記バーナとは別に備えられていて、前記バーナから噴出された燃焼ガスを導入して前記燃焼ガスの有する熱を熱媒体に熱回収するボイラと、を有してなり、前記バーナは、前記木質バイオマス燃料および前記粉体燃料を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の頂部に位置するガス出口と、前記ガス出口に接続されたガス通路と、前記ガス通路の一端側に配置された主燃焼空気供給ノズルと、前記ガス通路の他端側に配置された火炎噴出口と、を備え、前記ボイラは、前記熱媒体を貯留する缶体と、前記缶体内に配置された複数の煙管と、管径が前記火炎噴出口の径と同等の燃焼ガス導入用煙管と、前記複数の煙管の下端側と、前記燃焼ガス導入用煙管の下端側と、を連通させる灰受部と、を備え、前記燃焼ガスは、前記ガス通路で、前記ガス出口から排出された可燃性ガスに対して、前記主燃焼空気供給ノズルから供給される主燃焼用空気による前記可燃性ガスの主燃焼を行うことにより発生し、前記燃焼ガス導入用煙管は、前記バーナから噴出された燃焼ガスを前記火炎噴出口から導入する、バイオマス利用装置とする。

前記バーナは、前記燃焼室の底部に配されて前記木質バイオマス燃料を燃焼させる流動層と、前記燃焼室に前記粉体燃料を供給する粉体燃料ノズルと、前記流動層の上方から前記木質バイオマス燃料を供給する木質バイオマス燃料供給ノズルと、を備える構成としてある。

前記ボイラは、発生した熱利用媒体を熱利用施設に循環させるラインを備える構成としてある。

木質バイオマスの原料を破砕処理して粒度を調整する破砕工程と、前記破砕工程で破砕処理された木質バイオマスの原料を脱水または乾燥して水分を低減して木質バイオマス燃料とする水分低減工程と、前記木質バイオマス燃料を粉砕処理して粉体燃料とする粉砕工程と、前記木質バイオマス燃料および前記粉体燃料を、バーナで燃焼させる燃焼工程と、前記燃焼工程で生じる燃焼ガスの有する熱を、ボイラの熱媒体に熱回収する熱回収工程と、前記熱回収工程で熱回収に供した後の前記燃焼ガスと、前記燃焼工程で使用される空気との熱交換を行う排熱利用工程と、を有してなり、前記バーナは、前記木質バイオマス燃料および前記粉体燃料を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の頂部に位置するガス出口と、前記ガス出口に接続されたガス通路と、前記ガス通路の一端側に配置された主燃焼空気供給ノズルと、前記ガス通路の他端側に配置された火炎噴出口と、を備え、前記ボイラは、前記熱媒体を貯留する缶体と、前記缶体内に配置された複数の煙管と、管径が前記火炎噴出口の径と同等の燃焼ガス導入用煙管と、前記複数の煙管の下端側と、前記燃焼ガス導入用煙管の下端側と、を連通させる灰受部と、を備え、前記燃焼ガスは、前記ガス通路で、前記ガス出口から排出された可燃性ガスに対して、前記主燃焼空気供給ノズルから供給される主燃焼用空気による前記可燃性ガスの主燃焼を行うことにより発生し、前記燃焼ガス導入用煙管は、前記バーナから噴出された燃焼ガスを前記火炎噴出口から導入する、バイオマス利用方法とする。

本発明のバイオマス利用方法及び装置によれば、様々な性状、形状のバイオマスを燃料として利用することができると同時に、燃焼制御に対する応答性の向上化を図ることができる。

バイオマス利用方法の実施形態を示すフローチャートである。 図１に示す実施形態のバイオマス利用方法を実施する装置の概要図である。 図２におけるバーナと煙管ボイラの詳細図である。 図３のＡ−Ａ矢視図である。 図３のＢ−Ｂ矢視図である。

以下、本発明のバイオマス利用方法及び装置を図面を参照して説明する。

図１は、バイオマス利用方法の実施形態の概要を示すフローチャートである。図２は本実施形態のバイオマス利用方法を実施するための装置の概要図である。図３は図２の装置の要部となるバーナと煙管ボイラの詳細図である。図４は図３のＡ−Ａ矢視図である。図５は図３のＢ−Ｂ矢視図である。

本実施形態のバイオマス利用方法及び装置は、間伐材や剪定枝、製材端材等の木質バイオマスを燃料として利用できるようにし、且つ性状や形状が異なっていても木質バイオマスの燃料としての利用を可能とするものである。そのため、本実施形態のバイオマス利用方法は、図１に示すように、破砕工程Ｐ１、水分低減工程Ｐ２、貯留工程Ｐ３、粉砕工程Ｐ４、燃焼工程Ｐ５、熱回収工程Ｐ６、熱利用工程Ｐ７及び排熱利用工程Ｐ８を備えている。

破砕工程Ｐ１は、間伐材や剪定枝などのような木質バイオマスの原料ａを破砕処理して、粒径の上限が２５ｍｍ程度の原料ａ１を製造する工程である。

木質バイオマスの原料ａ１は、たとえば、５００μｍ〜２５ｍｍの粒径のものとしてある。原料ａ１には、粒径が５００μｍ未満のものや２５ｍｍを超えたものが含まれていてもよいが、後述する燃焼工程Ｐ５での部分燃焼と熱分解ガス化を効率よく進行させるという点からは前記の値の範囲内に揃えられていることが好ましい。そのために破砕工程Ｐ１が備えられている。

なお、木質バイオマスの原料ａが、予め破砕処理されて、粒径の上限が２５ｍｍ程度の原料として供給されるときは、そのまま原料ａ１として用いるようにしてもよい。この場合には、原料ａ１を、破砕工程Ｐ１を経ずに下流側の水分低減工程Ｐ２に供給するようにすればよい。又、木質バイオマスの原料ａが破砕処理されたものであっても、粒径が２５ｍｍ程度を超えている場合は、破砕工程Ｐ１に供給するようにすればよい。したがって、原料ａ１は、様々な形状の原料ａを基に製造される。

水分低減工程Ｐ２は、破砕工程Ｐ１で破砕処理された原料ａ１のうち、水分（含水率）が高めの原料ａ１について、原料ａ１の低位発熱量を増加させるために、原料ａ１に含まれている水分を低減させる工程である。

原料ａ１に含まれている水分を低減させれば、原料ａ１の低位発熱量は増加することになるが、本実施形態では、たとえば、水分４５％を基準値として設定し、設定された基準値以上の水分を含んでいる原料ａ１については、水分低減工程Ｐ２にて、脱水装置あるいは乾燥装置を用いて水分（含水率）を低下させるようにしてある。この際、水分低減工程Ｐ２では、原料ａ１に含まれている水分を１０％程度低減させることが好ましい。このように原料ａ１の水分が１０％程度低減される場合は、脱水しない場合に比して、低位発熱量が４００〜５００ｋｃａｌ／ｋｇ程度高くなり、燃焼性を向上させることができる。

水分低減工程Ｐ２によって水分が低減された木質バイオマス燃料ｂは、貯留工程Ｐ３に送られる。なお、たとえば、屋外での放置によって乾燥が進行した間伐材や剪定枝、製材端材、建設廃材など、含まれている水分が前記所定の基準値よりも低くなっている原料ａは、破砕工程Ｐ１で粒径の上限が２５ｍｍ程度に破砕処理されると、水分低減工程Ｐ２による処理を経ずに木質バイオマス燃料ｂとして貯留工程Ｐ３に供給するようにすればよい。これにより、木質バイオマス燃料ｂは、様々な水分の原料ａを基に製造される。

貯留工程Ｐ３は、製造された木質バイオマス燃料ｂを、木質バイオマス燃料ヤードに、一時貯留しておくためのものである。

貯留工程Ｐ３で木質バイオマス燃料ヤードに貯留しておくべき木質バイオマス燃料ｂの貯留量は、燃焼工程Ｐ５で燃焼に供する量が常時確保されていればよい。

粉砕工程Ｐ４は、貯留工程Ｐ３で木質バイオマス燃料ヤードに貯留されている木質バイオマス燃料ｂの一部を粉砕処理して、より粒径の小さい粉体燃料としての木粉ｃを製造する工程である。

粉砕工程Ｐ４で得られる木粉ｃは、粒径が、たとえば、５００μｍまでのものとされる。又、粉砕工程Ｐ４で粉砕処理の際に生じる熱によって水分が除去されるため、木粉ｃは、水分が２０％以下とされている。

燃焼工程Ｐ５は、貯留工程Ｐ３で木質バイオマス燃料ヤードに貯留されている木質バイオマス燃料ｂと、粉砕工程Ｐ４で製造された木粉ｃとを燃焼させる工程である。

熱回収工程Ｐ６は、燃焼工程Ｐ５で木質バイオマス燃料ｂと木粉ｃを燃焼することにより発生した燃焼ガスｄと、熱媒体ｅとの熱交換を行って、熱媒体ｅに熱回収を行う工程である。

熱利用工程Ｐ７は、熱回収工程Ｐ６で熱回収に供した後の昇温した熱媒体ｅを熱利用施設へ供給して、熱媒体ｅの保有する熱を、熱利用施設の冷暖房やその他の熱源として利用する工程である。

排熱利用工程Ｐ８は、熱回収工程Ｐ６から排出された燃焼ガスｄと、燃焼工程Ｐ５で使用される空気ｆとの熱交換を行う工程である。

図２は、図１に示す本実施形態のバイオマス利用方法を実施するための装置の一例を示すものである。

図２において、符号１は破砕工程Ｐ１（図１参照）で用いる破砕機である。破砕機１は、木質バイオマスの原料ａを破砕処理して粒径が５００μｍ〜２５ｍｍとなる原料ａ１を製造することができるようにしてある。木質バイオマスの原料ａを破砕処理して前記の値の範囲内の原料ａ１を製造することができれば、任意の形式の破砕機を採用してよい。

破砕機１の下流側には、水分低減工程Ｐ２（図１参照）で用いる脱水装置２が設けられている。破砕機１により製造された粒径５００μｍ〜２５ｍｍ程度の原料ａ１は、水分低減工程Ｐ２で用いられる脱水装置２に供給されて脱水処理される。

脱水装置２としては、図２では一例として、ローラ式脱水装置が示してある。この脱水装置２は、ケース３内に回転できるように支持された上下一対のローラ４，５と、上下一対のローラ４，５間に原料ａ１を供給する供給装置６とを備えた構成とされている。供給装置６には、破砕機１での破砕処理で製造された原料ａ１が、破砕機１から供給されるようになっている。

脱水装置２は、供給装置６により上下一対のローラ４，５間に原料ａ１が供給されると、原料ａ１を上下一対のローラ４，５間で圧搾することにより脱水し、原料ａ１に含まれている水分を１０％程度低減させる。これにより、脱水装置２では、水分が低減された木質バイオマス燃料ｂが生成される。

なお、水分低減工程Ｐ２では、脱水装置２に代えて、図示しない乾燥装置を用いて、原料ａ１の乾燥処理によって原料ａ１に含まれている水分を１０％程度低減させるようにしてもよい。この場合の乾燥装置としては、たとえば、乾燥室内に導入させた原料ａ１を、熱風により乾燥させる形式のものとしてもよい。又、太陽光を利用して原料ａ１を乾燥させる形式の乾燥装置を用いるようにしてもよい。更には、原料ａ１の水分を１０％程度低減できるものであれば、任意の形式の乾燥装置を採用してもよい。

脱水装置２より製造された木質バイオマス燃料ｂは、貯留工程Ｐ３（図１参照）で用いる貯留場としての燃料ヤード７に送られて、一旦貯留される。

図２における符号８は、粉砕工程Ｐ４（図１参照）で用いられる粉砕機８である。燃料ヤード７に貯留された木質バイオマス燃料ｂの一部は、粉砕機８に供給されて粉砕処理される。これにより、木質バイオマス燃料ｂより小さい粒径の木粉ｃが製造される。

粉砕機８は、前記したように、粒径が５００μｍ〜２５ｍｍというように比較的大きな木質バイオマス燃料ｂを粉砕処理して、粒径が、たとえば、５００μｍまでの小さな粒径となるバイオマスの粉体燃料としての木粉ｃを製造するようにしてある。木質バイオマス燃料ｂよりも更に粒径の小さい木粉ｃは、空間燃焼が可能であり燃焼するときの燃焼応答性が木質バイオマス燃料ｂに比して改善されるので、負荷変動追従性をより高くすることができる利点がある。

粉砕機８は、摩擦や圧縮の力によって物質を粉砕処理し、粒径を揃えるようにするもので、たとえば、ケース内に固定されたステータと回転するロータとの間での剪断作用によって粉砕処理するものや、２つの回転するロールの間に物体を挿入させて、２つのロールによる高い圧力によって物体を小さな粒子に粉砕処理する高圧粉砕式のものや、回転するドラムの中に金属製のボールを入れて、ボールとの衝突や摩擦によって粉砕するボールミル式のもの、その他種々の形式のものがある。

本実施形態では、木質バイオマス燃料ｂを粉砕処理して木粉ｃとすることができるものであれば、いかなる形式の粉砕機を用いるようにしてもよい。

図２における符号９は、燃焼工程Ｐ５（図１参照）で用いる燃焼装置としてのバーナである。

本実施形態で用いるバーナ９は、上下に延びる円筒状としてあって、頂部にガス出口１１を有し、底部に流動層１２を有する燃焼室１０を備えている流動層式バーナとしてある。燃焼室１０には、木質バイオマス燃料ｂを供給する木質バイオマス燃料供給ノズル１３と、木粉ｃを供給する粉体燃料ノズル１４と、燃焼空気供給ノズル１５が設けられている。更に、燃焼室１０のガス出口１１は、主燃焼空気供給ノズル１６を備えたガス通路１７の一端側に接続され、このガス通路１７の他端側が火炎噴出口１８とされて、燃焼ガスｄが火炎噴出口１８から排出されるようにしてある。

これにより、本実施形態では、バーナ９の燃焼室１０に、木質バイオマス燃料ｂと、木粉ｃとを供給して燃焼させることができるので、粒径が異なるバイオマス燃料でも同時にバーナ９で燃焼することができて、バイオマスを形状が異なる状態で利用することができる利点がある。

バーナ９の火炎噴出口１８の下流側には、熱回収工程Ｐ６（図１参照）で用いる煙管ボイラ１９が設けられている。

本実施形態で用いる煙管ボイラ１９は、熱媒体ｅとしての水２１を貯留する缶体２０と、缶体２０内に配設され、軸心方向を上下方向とする複数の煙管２２と、バーナ９のガス通路１７に接続されて、燃焼ガスｄを缶体２０の下側へ導入する燃焼ガス導入用煙管２３と、缶体２０の下部に設けられて煙管２２の下端側と燃焼ガス導入用煙管２３の下端側とを連通する灰受部２４とを備えた構成とされている。

煙管ボイラ１９を温水ボイラとして使用する場合は、水２１を煙管２２を流通する燃焼ガスｄと熱交換させて温水とし、更に、煙管ボイラ１９と外部に設置されている熱利用施設２９との間に温水を循環させるライン２８を設けて、煙管ボイラ１９で発生した温水の熱を、熱利用施設２９に供給するようにする。煙管ボイラ１９を蒸気ボイラとして使用する場合は、水２１を貯留しておく空間に、図示しない蒸気取出ラインを接続して、この蒸気取出ラインを熱利用施設２９に接続して、蒸気を熱利用施設２９に供給するようにすればよい。

これにより、熱利用施設２９には、煙管ボイラ１９から温水あるいは蒸気によって熱が供給される。よって、図１の熱利用工程Ｐ７は、熱利用施設２９にて、供給される熱を冷暖房やその他の熱源として用いることで実施される。

図２における符号３０は、排熱利用工程Ｐ８（図１参照）で用いる空気予熱器である。空気予熱器３０は、バーナ９に供給する空気を煙管ボイラ１９の燃焼ガス出口より排出される燃焼ガスと熱交換することで予熱するようにしてある。空気予熱器３０で予熱された空気は、バーナ９に供給され、燃焼効率及び熱効率を向上させることができる。

図３乃至図５は、図２に示すバーナ９と煙管ボイラ１９を更に詳細に示すものである。

先ず、バーナ９の詳細は、図３及び図４に示す通りであり、図２について説明した構成に、更に説明を付加する。

バーナ９の流動層１２は、砂等の固体粒子の熱媒体（流動媒体）１２ａが充填されている。流動層１２の下方には、熱媒体１２ａの通過は阻止する一方、空気は通過可能な多孔質板又は多孔板のような熱媒体支持部材３１と、散気管３２と、空気ボックス３３とが設けられている。バーナ９に供給する空気は、送風機３４から空気予熱器３０に送られる。空気予熱器３０で予熱された空気ｆは、空気供給ライン３０ａからそれぞれ異なる用途の空気３６ａ〜３６ｅとして送風されるようにしてある。空気ボックス３３には、燃焼用空気を兼ねる流動化空気３６ａを導く空気供給ライン３５ａが接続されている。これにより、流動層１２では、空気ボックス３３、散気管３２、熱媒体支持部材３１を経て下方から導入されて上向きに噴出される流動化空気３６ａによって熱媒体１２ａの流動化が行われる。

したがって、流動層１２は、後述するように木質バイオマス燃料供給ノズル１３より燃焼室１０に供給されて流動層１２まで落下する木質バイオマス燃料ｂを、流動化された熱媒体１２ａで支持し且つ攪拌しながら、流動化空気３６ａを用いて燃焼させることができる。この際、流動層１２では、流動化空気３６ａの供給量と、木質バイオマス燃料供給ノズル１３より流動層１２に落下供給される木質バイオマス燃料ｂの供給量が、木質バイオマス燃料ｂの部分燃焼が生じるように（木質バイオマス燃料ｂの完全燃焼には酸素不足となるように）調整されている。このため、流動層１２では、木質バイオマス燃料ｂの部分燃焼が行われると共に、この部分燃焼で生じた燃焼熱を利用して木質バイオマス燃料ｂの残部の熱分解ガス化が行われる。流動層１２では、木質バイオマス燃料ｂを部分燃焼させることにより、流動層特有の固体燃料を攪拌する効果を残しながら木質バイオマス燃料ｂが緩慢燃焼することになるので、木質バイオマス燃料ｂの形状および性状の変動による燃焼変動を抑制できる。したがって、流動層１２では、木質バイオマス燃料ｂを撹拌しながら効率よく流動化空気３６ａと接触させて、部分燃焼と熱分解ガス化とを確実に進行させることができる。

流動層１２における木質バイオマス燃料ｂの熱分解ガス化によって生じる可燃性ガスは、木質バイオマス燃料ｂの部分燃焼によって生じる燃焼ガスや、流動層１２で流動化空気３６ａとして使用された後の空気と一緒に、ガス出口１１に向けて燃焼室１０を上昇する。

燃焼室１０は、流動層１２の直上となる燃焼室１０の下部寄りの領域が、前記のように流動層１２に支持された木質バイオマス燃料ｂが部分燃焼と熱分解ガス化される燃焼部３７となっている。燃焼室１０における燃焼部３７よりも上方の領域は、ガス化燃焼空間３８とされている。

粉体燃料ノズル１４は、燃焼室１０の側壁３９におけるガス化燃焼空間３８の下部寄りとなる個所に設けられている。

粉体燃料ノズル１４は、木粉ｃを、燃焼用空気を兼ねる搬送用空気３６ｂと一緒に燃焼室１０へ吹き込むように供給して燃焼させるためのノズルである。

このため、粉体燃料ノズル１４は、側壁３９の外部に位置する端部（基端）側に、木粉供給機４０と、搬送用空気３６ｂを導く空気供給ライン３５ｂとが接続されている。

粉体燃料ノズル１４に接続された木粉供給機４０と粉砕機８との間には、粉砕機８で粉砕された木粉ｃを、木粉供給機４０に搬送するための搬送ライン４１（図２参照）が設けられている。

これにより、粉体燃料ノズル１４では、木粉供給機４０より木粉ｃが定量供給されると、この木粉ｃが、空気供給ライン３５ｂより供給される搬送用空気３６ｂによって空気搬送（気流搬送）されて燃焼室１０に吹き込まれるようになる。この際、粉体燃料ノズル１４の内部での木粉ｃの滞留を防ぐためには、粉体燃料ノズル１４の先端側より燃焼室１０へ吹き込まれる木粉ｃ及び搬送用空気３６ｂの流速は、５ｍ／ｓ以上に設定されることが好ましい。

側壁３９おける粉体燃料ノズル１４の先端側近傍個所には、着火手段としてのパイロットバーナ４２が設けられている。

パイロットバーナ４２は、図示しない燃料供給部よりＬＰＧ、都市ガス、灯油等の燃料４３が供給されると共に、空気供給ライン３５ｃを通してパイロット用空気３６ｃが供給される。更に、パイロットバーナ４２は、図示しない点火装置を備えた構成としてあり、燃料４３とパイロット用空気３６ｃが供給されている状態で点火装置を用いて口火を点火し、この口火を保持可能なものとなっている。そのため、木粉ｃは、粉体燃料ノズル１４から搬送用空気３６ｂと共に燃焼室１０に吹き込まれたときに、パイロットバーナ４２による着火、燃焼が可能となるように調整された粉体燃料であり、前記したように、たとえば、含水率が２０％以下で、粒径が５００μｍ以下とされている。

なお、パイロットバーナ４２は、側壁３９の粉体燃料ノズル１４の先端側近傍位置に代えて、粉体燃料ノズル１４の内部における木粉ｃと搬送用空気３６ｂの流路（図示せず）に設けられていてもよい。

これにより、燃焼室１０では、粉体燃料ノズル１４から搬送用空気３６ｂと共に燃焼室１０に吹き込まれる木粉ｃがパイロットバーナ４２により着火されると共に、搬送用空気３６ｂを用いて燃焼し、この木粉ｃの燃焼熱によって燃焼室１０の内部と流動層１２が加熱されるようになっている。この際、木粉ｃは、前記したような小さい粒径の粉体であることから、燃焼室１０内で速やかに燃焼される。

したがって、本実施形態で用いるバーナ９は、木粉ｃの供給量を変化させる燃焼制御に対する応答性が高くなる。よって、バーナ９は、粉体燃料ノズル１４から燃焼室１０へ吹き込んで燃焼させる木粉ｃの量を調整することにより、燃焼室１０の温度をコントロールすることが可能となっている。

なお、搬送用空気３６ｂの供給量は、燃焼室１０に吹き込まれる木粉ｃを完全燃焼させるために必要とされる空気量を基準として、或る幅で増減させた量に設定してあればよい。この際、搬送用空気３６ｂの供給量が木粉ｃの完全燃焼に必要な空気量に対して余剰となる場合は、その余剰分は木質バイオマス燃料ｂの部分燃焼に使用される。一方、搬送用空気３６ｂが木粉ｃの完全燃焼に必要な空気量に対して不足する場合は、木粉ｃに燃え残りが生じるが、この燃え残りの木粉ｃは、流動層１２へ落下して木質バイオマス燃料ｂと一緒に部分燃焼や熱分解ガス化に利用される。更に、木粉ｃのうちの比較的粒径が大きい木粉ｃは、粉体燃料ノズル１４から燃焼室１０に吹き込まれたときに空間に浮遊した状態では燃焼しきれない可能性があるが、この場合に生じる燃え残りの木粉ｃは、流動層１２へ落下して、前記と同様に木質バイオマス燃料ｂと一緒に部分燃焼や熱分解ガス化に利用される。

木質バイオマス燃料供給ノズル１３は、側壁３９における粉体燃料ノズル１４の設置位置よりも上方となる位置に設けられていることが好ましい。これは、木質バイオマス燃料供給ノズル１３から供給する木質バイオマス燃料ｂが、後述するように流動層１２まで落下するときに、粉体燃料ノズル１４による木粉ｃの燃焼が行われている領域を通過するようにして、木質バイオマス燃料ｂの燃焼を促すためである。

木質バイオマス燃料供給ノズル１３には、図示しない、たとえば、スクリューフィーダのような木質バイオマス燃料ｂの定量供給機が接続されている。

木質バイオマス燃料供給ノズル１３に接続された定量供給機と燃料ヤード７との間には、木質バイオマス燃料ｂを搬送するための搬送ライン４４（図２参照）が設けられている。これにより、木質バイオマス燃料供給ノズル１３は、燃焼室１０に木質バイオマス燃料ｂを定量供給することができる。

燃焼空気供給ノズル１５は、側壁３９における木質バイオマス燃料供給ノズル１３よりも下方となる位置で且つ粉体燃料ノズル１４と干渉しない位置に設けられている。図３及び図４では、側壁３９に２本の燃焼空気供給ノズル１５が設けられた例を示している。燃焼空気供給ノズル１５は、水平方向に配置されていて、図４に示すように、燃焼室１０の外周の接線方向に沿う姿勢で側壁３９に取り付けられている。更に、燃焼空気供給ノズル１５には、燃焼用空気３６ｄを導くために空気供給ライン３５ｄが接続されている。

これにより、燃焼室１０では、燃焼空気供給ノズル１５から燃焼用空気３６ｄが供給されると、燃焼室１０に図３に矢印で示すように旋回しながらガス出口１１側、すなわち、上方へ向けて流れる燃焼用空気３６ｄの上昇流が形成される。

なお、燃焼空気供給ノズル１５からの燃焼用空気３６ｄの供給量は、流動層１２に供給される流動化空気３６ａの供給量との合計が、木質バイオマス燃料供給ノズル１３より供給される木質バイオマス燃料ｂの全量に対し部分燃焼が生じるように（全木質バイオマス燃料ｂの完全燃焼には酸素不足となるように）調整されている。

燃焼室１０に木質バイオマス燃料供給ノズル１３から木質バイオマス燃料ｂが供給されると、この木質バイオマス燃料ｂは、燃焼用空気３６ｄの上昇流に接触する。このため、木質バイオマス燃料ｂのうちの小粒径のものは、燃焼用空気３６ｄの上昇流によって浮遊させられた状態で、又、より大きな粒径のものは上昇流中を徐々に下降しながら、前述したと同様の部分燃焼と熱分解ガス化が行われる。木質バイオマス燃料ｂのうち、上昇流中で部分燃焼と熱分解ガス化が完全には進行しなかった大きな粒径のものは、図３に二点鎖線で示すように流動層１２まで落下し、流動層１２において前述した部分燃焼と熱分解ガス化が行われる。

したがって、燃焼室１０内では、供給されたすべての木質バイオマス燃料ｂについて、部分燃焼と熱分解ガス化が行われる。燃焼室１０内で木質バイオマス燃料ｂの熱分解ガス化によって生じた可燃性ガスは、木質バイオマス燃料ｂの部分燃焼による燃焼ガスと、流動化空気３６ａ及び燃焼用空気３６ｄとして使用された後の空気と一緒にガス出口１１へ導かれる。

主燃焼空気供給ノズル１６は、ガス通路１７に、たとえば、火炎噴出口１８側に向いた姿勢で設けられている。主燃焼空気供給ノズル１６には、主燃焼用空気３６ｅを導く空気供給ライン３５ｅが接続されている。これにより、ガス通路１７では、燃焼室１０のガス出口１１よりガス通路１７に導かれる可燃性ガスを含んだガスに対し、主燃焼空気供給ノズル１６より主燃焼用空気３６ｅが供給されて、可燃性ガスの主燃焼用空気３６ｅによる主燃焼が更に行われる。この主燃焼によって生じる高温の燃焼ガスｄは、火炎噴出口１８より煙管ボイラ１９に供給される。

次に、煙管ボイラ１９の詳細は、図３及び図５に示す通りであり、図２について説明した構成に、更に説明を付加する。

缶体２０は、縦方向に配置された円筒形状とされ、胴部２５の内側の上端側と下端縁部に、上部鏡板（管寄せ）２６と下部鏡板（管寄せ）２７を固定して備え、上下の鏡板２６，２７間が水２１を貯留しておく空間とされている。

煙管２２の管径は、燃焼ガス導入用煙管２３の管径よりも小さく設定されている。煙管２２は、缶体２０内に、缶体２０の軸心方向と平行な姿勢で、燃焼ガス導入用煙管２３を取り囲むように配置されている。煙管２２の上端側は、上部鏡板２６に貫通した状態で固定されていて、上端開口部がガス集合部４５に連通している。煙管２２の下端側は、下部鏡板２７に貫通した状態で固定されていて、下端開口部が灰受部２４に連通している。

燃焼ガス導入用煙管２３は、上端側が、缶体２０の胴部２５に缶体２０の内側から貫通して外側へ突出するように取り付けられていて、その突出端部の開口が入口４６とされている。入口４６は、バーナ９の火炎噴出口１８に接続されている。

燃焼ガス導入用煙管２３は、図３に示すように、缶体２０内で入口４６側より水平方向に延びて缶体２０の中央部分で下向きに屈曲した形状とされており、下端側が下部鏡板２７の中央部分に上方から貫通するように取り付けられている。燃焼ガス導入用煙管２３の下端開口部は、灰受部２４の中央部分に連通する出口４７となっている。

これにより、バーナ９の火炎噴出口１８より噴出される燃焼ガスｄは、燃焼ガス導入用煙管２３に入口４６側から導入された後、上側から下側へ流れて灰受部２４に導入される。この際、燃焼ガス導入用煙管２３の管径は、火炎噴出口１８の径と同等としてあるため、燃焼ガスｄの流速は、火炎噴出口１８より噴出された流速に保持される。このため、燃焼ガスｄ中に浮遊して灰４８が同伴されていたとしても、その灰４８は、燃焼ガス導入用煙管２３の内面への付着が抑制された状態で、燃焼ガスｄと共に灰受部２４に導入される。

灰受部２４は、缶体２０の下側に、缶体２０の径と同様の径寸法で設けられた円筒状の容器であり、上端側は缶体２０の下端側に気密に取り付けられている。

灰受部２４は、燃焼ガス導入用煙管２３の出口４７側から導入された燃焼ガスｄの流速が、灰受部２４内では灰４８の終端速度に満たない流速まで減速（低下）するように、燃焼ガス導入用煙管２３の流路断面積に比して大きな流路断面積を有するものとされている。

具体的には、灰受部２４は、缶体２０と同様の径寸法としてあるため、灰受部２４の高さ寸法を調整することで、前述の流路断面積を得るようにしてある。

これにより、灰受部２４に燃焼ガス導入用煙管２３の出口４７から燃焼ガスｄが導入されると、燃焼ガスｄは、図３に矢印で示すように、一旦下方に向けて流れた後、周囲に拡散し、その後、上向きに反転されてから、各煙管２２に流入するようになる。

このため、燃焼ガスｄに同伴されて灰受部２４に流入した灰４８は、燃焼ガスｄの流れにより灰受部２４の内底部側に導かれる。その際、燃焼ガスｄの流速が灰４８の終端速度未満になることに起因して、灰４８の大部分は燃焼ガスｄの流れに同伴されることなく取り残される。したがって、灰受部２４は、燃焼ガスｄ中に灰４８が含まれていたとしても、その灰４８の大部分を分離させて灰受部２４の内底部に沈降させることができる。

又、灰受部２４は、側壁部２４ａ及び底壁部２４ｂが耐火材で構築されていて、燃焼ガスｄが導入される内部の温度を灰４８中の未燃分が燃焼する温度に保持可能な構成とされている。これにより、沈降途中の灰４８中の未燃分や灰受部２４の内底部に沈降した灰４８中の未燃分は、燃焼ガスｄに残存している酸素（余剰酸素）により燃焼する。

更に、灰受部２４は、側壁部２４ａに、空気４９を灰受部２４内に供給する空気供給ライン５０が接続されている。これにより、灰受部２４では、空気供給ライン５０から供給される空気４９により、灰受部２４に沈降した灰４８中の未燃分の燃焼が更に促進されるようにしてある。

灰受部２４の側壁部２４ａには、灰を排出させるための灰排出口５１があり、灰受部２４から定期的（たとえば、月に１回程度）に灰４８を掻き出せるようにしてある。図示してないが、灰排出口５１には開閉用の蓋が備えられている。

ガス集合部４５の側壁部には、燃焼ガス出口５２が設けられている。燃焼ガス出口５２は、燃焼ガス排出ライン５４を介してサイクロン５３に接続されている。これにより、燃焼ガス出口５２より排出される燃焼ガスｄは、サイクロン５３で灰が除去された後、図示しない煙突や排ガス処理装置等を経て大気へ放出される。

なお、図３では、一例として、燃焼ガス出口５２をガス集合部４５の側壁部に設けた構成を示しているが、缶体２０の頂部に燃焼ガス出口５２を設けて、缶体２０の頂部から燃焼ガスｄを排出させるようにしてもよい。

又、燃焼ガス導入用煙管２３は、入口４６を缶体２０の胴部２５に開口させた構成を示したが、入口４６側を上部鏡板２６に貫通させると共に、缶体２０の上方や、ガス集合部４５の側壁部に開口させて、上部鏡板２６の上側から燃焼ガスｄを導入させるようにしてもよい。

図３において、符号５５は、燃焼ガス導入用煙管２３の熱膨張を吸収するため途中位置に設けたエキスパンション部である。符号５６は循環ポンプである。

本実施形態のバイオマス利用方法によれば、破砕工程Ｐ１と水分低減工程Ｐ２とを備えているので、形状の異なる原料ａや水分の異なる原料ａを基に、バーナ９で燃料として用いたり、木粉ｃの製造原料として用いたりする木質バイオマス燃料ｂを製造することができる。

燃焼工程Ｐ５で、バーナ９を起動させる場合は、先ず、パイロットバーナ４２を点火した状態で、木粉供給機４０に供給されている木粉ｃを粉体燃料ノズル１４から燃焼室１０に吹き込むと共に搬送用空気３６ｂを燃焼室１０に吹き込む。これにより、燃焼室１０では、木粉ｃは搬送用空気３６ｂを用いて燃焼されるようになるので、その燃焼熱により、燃焼室１０及び流動層１２の温度を木質バイオマス燃料ｂの着火温度以上に昇温させる。このとき、流動層１２は、流動化空気３６ａによる熱媒体１２ａの流動を行わせるようにし、又、燃焼空気供給ノズル１５から燃焼室１０への燃焼用空気３６ｄの供給と、主燃焼空気供給ノズル１６からガス通路１７への主燃焼用空気３６ｅの供給を開始しておく。

次いで、バーナ９は、燃焼室１０及び流動層１２の温度が木質バイオマス燃料ｂの着火温度まで昇温した後、木質バイオマス燃料供給ノズル１３から燃焼室１０への木質バイオマス燃料ｂの供給を開始する。これにより、燃焼室１０では、木質バイオマス燃料ｂの燃焼用空気３６ｄによる浮遊状態での部分燃焼と熱分解ガス化が行われる。更に、浮遊状態では部分燃焼又は熱分解ガス化が完全に進行しきれない比較的大きな粒径の木質バイオマス燃料ｂは、流動層１２まで落下して、流動層１２にて流動化空気３６ａを用いて部分燃焼と熱分解ガス化が行われる。燃焼室１０における木質バイオマス燃料ｂの熱分解ガス化によって生じた可燃性ガスを含むガスは、その後、ガス出口１１からガス通路１７へ連続的に導かれる。

ガス通路１７では、燃焼室１０より連続的に導かれる可燃性ガスを含むガスに対し、主燃焼空気供給ノズル１６から主燃焼用空気３６ｅが供給されるため、可燃性ガスの主燃焼が行われる。これにより、バーナ９は、前記主燃焼により生じる高温の燃焼ガスｄを、火炎噴出口１８より煙管ボイラ１９に供給することができる。

したがって、バーナ９は、冷間時からバイオマスの粉体燃料である木粉ｃを用いて起動することができるという利点を有し、また、本実施形態では、木粉ｃと木質バイオマス燃料ｂを併用することにより、高い燃焼応答性を有するバイオマス利用方法とすることができる。

更に、バーナ９は、粉体燃料ノズル１４より供給する木粉ｃの供給量の制御によって燃焼室１０の温度をコントロールすることができるため、燃焼制御に対する応答性をより向上させることができる。

バーナ９は、パイロットバーナ４２用の燃料４３以外の燃料をすべてバイオマス由来とすることができて、カーボンニュートラルに配慮した装置とすることができる。

又、木質バイオマス燃料ｂのうちの比較的小さい粒径のものは、ガス化燃焼空間３８で浮遊状態で部分燃焼と熱分解ガス化によって消費することができるため、流動層１２は、燃焼室１０に供給される木質バイオマス燃料ｂの全量を受け入れることはない。したがって、バーナ９は、流動層１２の小型化を図ることができると共に、流動層１２の層高も浅くすることができるため、流動化空気３６ａの供給のために送風機３４に必要とされる動力の低減化を図ることができる。

本実施形態で用いるバーナ９は、起動や燃焼制御のためには木粉ｃを用いるが、それ以外のバイオマス由来の燃料は、粒径が５００μｍ〜２５ｍｍ程度と比較的大きい木質バイオマス燃料ｂを使用することができる。よって、本実施形態で用いるバーナ９は、使用する燃料の全量を粉砕処理によって製造される木粉ｃとする必要はなく、更に、木質バイオマス燃料ｂの含水率の制限は木粉ｃに比して緩いため、燃料の生産性の向上化と燃料製造コストの低減化を図ることができる。

更に、バーナ９では、粉体バイオマス燃料である木粉ｃは、粉体燃料ノズル１４から搬送用空気３６ｂと共に燃焼室１０に吹き込んで燃焼させるようにし、より粒径が大きい木質バイオマス燃料ｂは、木質バイオマス燃料供給ノズル１３から燃焼室１０に供給してガス化燃焼空間３８や流動層１２での部分燃焼と熱分解ガス化に供するようにしてある。したがって、バーナ９は、バイオマス由来の粒径が異なる燃料を、燃料性状にあった供給手法で燃焼室１０に供給して効率良く燃焼させることができる。

バーナ９のガス出口１１からガス通路１７に導かれた可燃性ガスを含むガスは、主燃焼空気供給ノズル１６よりガス通路１７内に供給される主燃焼用空気３６ｅによりガス中の可燃性ガスの主燃焼が行われる。この主燃焼により高温となった燃焼ガスｄは、火炎噴出口１８から煙管ボイラ１９の燃焼ガス導入用煙管２３内に噴出される。

燃焼ガス導入用煙管２３内に噴出された燃焼ガスｄは、燃焼ガス導入用煙管２３の下端の出口４７より煙管ボイラ１９の灰受部２４内に入って灰４８を分離した後、各煙管２２内をガス集合部４５に至るまで流通する。この間に高温の燃焼ガスｄと缶体２０内の水２１とは、各煙管２２の管壁を介して熱交換が行われ、水２１は温水となってライン２８を介し熱利用施設２９へ取り出されて、熱利用に供せられる。

本実施形態で用いる煙管ボイラ１９は、灰分を多く含むというバイオマスの特性に合わせて、燃焼ガスｄに含まれる灰４８を燃焼ガスｄから分離させて沈降させる灰受部２４を備えた構成としてあるので、各煙管２２内への灰４８の付着を抑制して熱交換の効率を低下させることが防止できる。これにより、煙管ボイラ１９は長期間の運転が可能となる利点がある。

したがって、本実施形態のバイオマス利用方法及び装置によれば、様々な性状、形状のバイオマスを、バーナ９の燃料として利用することができると共に、バーナ９における燃焼制御に対する応答性の向上化を図ることができる。このため、原料ａとなる木質バイオマスを収集可能な地域が小規模な場合であっても、木質バイオマスを燃料として用いて発生させる熱の熱利用施設２９での利用を図るシステムの構築が可能になる。

なお、本発明のバイオマス利用方法及び装置は、前記した実施形態のもののみに限定されるものではなく、木質バイオマスを燃料として利用できるように水分量を１０％程度低減することができるものであれば、図２に示す脱水装置２以外のものを用いるようにしてもよい。又、煙管ボイラ１９は温水ボイラについて例示したが、バーナ９から噴出される高温の燃焼ガスｄと熱交換して熱を発生させることができるものであれば、いかなる形式のボイラでもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ｐ１ 破砕工程
Ｐ２ 水分低減工程
Ｐ３ 貯留工程
Ｐ４ 粉砕工程
Ｐ５ 燃焼工程
Ｐ６ 熱回収工程
Ｐ７ 熱利用工程
Ｐ８ 排熱利用工程
ａ，ａ１ 原料
ｂ 木質バイオマス燃料
ｃ 木粉
ｄ 燃焼ガス
１ 破砕機
２ 脱水装置
４ ローラ
５ ローラ
７ 燃料ヤード
８ 粉砕機
９ バーナ
１０ 燃焼室
１１ ガス出口
１２ 流動層
１２ａ 熱媒体
１３ 木質バイオマス燃料供給ノズル
１４ 粉体燃料ノズル
１５ 燃焼空気供給ノズル
１６ 主燃焼空気供給ノズル
１７ ガス通路
１８ 火炎噴出口
１９ 煙管ボイラ
２０ 缶体
２１ 水
２２ 煙管
２３ 燃焼ガス導入用煙管
２４ 灰受部
２９ 熱利用施設
３０ 空気予熱器
３０ａ 空気供給ライン

Claims (4)

1. 木質バイオマスの原料を破砕処理して粒度を調整する破砕機と、
   前記破砕機で破砕された木質バイオマスの原料を脱水または乾燥して水分を低減して木質バイオマス燃料とする機器と、
   前記木質バイオマス燃料を粉砕処理して粉体燃料を製造する粉砕機と、
   前記木質バイオマス燃料および前記粉体燃料を燃焼させるバーナと、
   前記バーナとは別に備えられていて、前記バーナから噴出された燃焼ガスを導入して前記燃焼ガスの有する熱を熱媒体に熱回収するボイラと、
   を有してなり、
   前記バーナは、
   前記木質バイオマス燃料および前記粉体燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の頂部に位置するガス出口と、
   前記ガス出口に接続されたガス通路と、
   前記ガス通路の一端側に配置された主燃焼空気供給ノズルと、
   前記ガス通路の他端側に配置された火炎噴出口と、
   を備え、
   前記ボイラは、
   前記熱媒体を貯留する缶体と、
   前記缶体内に配置された複数の煙管と、
   管径が前記火炎噴出口の径と同等の燃焼ガス導入用煙管と、
   前記複数の煙管の下端側と、前記燃焼ガス導入用煙管の下端側と、を連通させる灰受部と、
   を備え、
   前記燃焼ガスは、
   前記ガス通路で、前記ガス出口から排出された可燃性ガスに対して、前記主燃焼空気供給ノズルから供給される主燃焼用空気による前記可燃性ガスの主燃焼を行うことにより発生し、
   前記燃焼ガス導入用煙管は、
   前記バーナから噴出された燃焼ガスを前記火炎噴出口から導入する、
   ことを特徴とするバイオマス利用装置。
2. 前記バーナは、
   前記燃焼室の底部に配されて前記木質バイオマス燃料を燃焼させる流動層と、
   前記燃焼室に前記粉体燃料を供給する粉体燃料ノズルと、
   前記燃焼室に前記流動層の上方から前記木質バイオマス燃料を供給する木質バイオマス燃料供給ノズルと、を備える
   請求項１記載のバイオマス利用装置。
3. 前記ボイラは、発生した熱利用媒体を熱利用施設に循環させるラインを備える
   請求項１又は２記載のバイオマス利用装置。
4. 木質バイオマスの原料を破砕処理して粒度を調整する破砕工程と、
   前記破砕工程で破砕処理された木質バイオマスの原料を脱水または乾燥して水分を低減して木質バイオマス燃料とする水分低減工程と、
   前記木質バイオマス燃料を粉砕処理して粉体燃料とする粉砕工程と、
   前記木質バイオマス燃料および前記粉体燃料を、バーナで燃焼させる燃焼工程と、
   前記燃焼工程で生じる燃焼ガスの有する熱を、ボイラの熱媒体に熱回収する熱回収工程と、
   前記熱回収工程で熱回収に供した後の前記燃焼ガスと、前記燃焼工程で使用される空気との熱交換を行う排熱利用工程と、
   を有してなり、
   前記バーナは、
   前記木質バイオマス燃料および前記粉体燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の頂部に位置するガス出口と、
   前記ガス出口に接続されたガス通路と、
   前記ガス通路の一端側に配置された主燃焼空気供給ノズルと、
   前記ガス通路の他端側に配置された火炎噴出口と、
   を備え、
   前記ボイラは、
   前記熱媒体を貯留する缶体と、
   前記缶体内に配置された複数の煙管と、
   管径が前記火炎噴出口の径と同等の燃焼ガス導入用煙管と、
   前記複数の煙管の下端側と、前記燃焼ガス導入用煙管の下端側と、を連通させる灰受部と、
   を備え、
   前記燃焼ガスは、
   前記ガス通路で、前記ガス出口から排出された可燃性ガスに対して、前記主燃焼空気供給ノズルから供給される主燃焼用空気による前記可燃性ガスの主燃焼を行うことにより発生し、
   前記燃焼ガス導入用煙管は、
   前記バーナから噴出された燃焼ガスを前記火炎噴出口から導入する、
   ことを特徴とするバイオマス利用方法。

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