JP6704579B2 - 自燃式連続燻炭製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマス粒状物、例えば籾殻、竹チップ、木チップ等から燻炭を製造する燻炭製造装置に関する。

従来の燻炭製造装置は例えば次の特許文献に示すように、バイオマス粒状物を燃焼用の容器に詰めて燻焼させ、その後容器を開いて燻炭を取り出す構成が一般的であった。

特開2013-241299号公報 特開2013-221038号公報

しかしながら前記のような構成では、燻炭を連続的に製造することはできなかった。また燻炭製造時の排熱を有効利用することもできなかった。これに対して本発明は、バイオマス粒状物から燻炭を連続的に製造することが可能な燻炭製造装置を提供することを主たる目的としている。また燻炭製造時の排熱を有効利用できる燻炭製造装置を提供することを目的としている。

本発明による連続燻炭製造装置は、バイオマス粒状物と空気とを混合し混合燃料として連続的に供給する燃料供給装置と、
縦長形状であって、燃料導入口が下端部に形成され、ガス放出口が上端部に形成された燃焼室を含み、この燃焼室の内部に、前記燃料導入口に流入してきた前記混合燃料を乱流させることで前記バイオマス粒状物の自燃を促進する自燃促進部を設け、前記バイオマス粒状物の燃焼によって生じた高温ガスを前記ガス放出口から放出させる燃焼炉と、前記燃焼室よりも容量が大きく、前記ガス放出口に連通されたガス導入口が上端部に形成され、排ガス放出口が側壁面の下端部に形成された燻焼室を含み、この燻焼室の内部に、前記ガス導入口に流入してきた高温ガスを下方に偏向させるガス流偏向部を設け、前記高温ガスを前記燻焼炉内で対流させることで当該高温ガスに含まれて輸送されてきた燃焼残存物を燻焼させる燻焼炉と、前記排ガス放出口から放出された排ガスに含まれて排出されてきた燃焼残存物を水ミストによって消火して燻炭を得る燻炭捕集装置とを備え、前記自燃促進部は、前記燃料導入口に対面させて前記燃焼室の下端部側面に形成された吸気口とこの吸気口よりも上方で前記燃焼室の側面に形成された排気口とに連通させた乱流生成管と、これらの吸気口、排気口との中間において前記燃焼室を遮断するように配置され、火種を受け止めるための火格子とを備えている。

本発明による自燃式連続燻炭製造装置は、バイオマス粒状物を自燃させて燻炭を連続的に製造できる。
また熱交換装置を設けたものでは、燻炭製造時の排熱を有効に利用できる。

本発明による自燃式連続燻炭製造装置の縦断面図である。 本発明による自燃式連続燻炭製造装置の全体斜視図である。 燻炭製造装置の基本作用を示すフロー図である。 本発明による他の自燃式連続燻炭製造装置の全体斜視図である。

図１は、本発明による自燃式連続燻炭製造装置の縦断面図、図２は全体斜視図である。この燻炭製造装置１は、バイオマス粒状物、例えば籾殻、竹チップ、木チップ等を含む粒状又は粉状粉砕物を自燃させて燻炭を連続的に製造することを目的とした設備である。

図１、図２に示すように燻炭製造装置１は、バイオマス粒状物と空気とを混合し混合燃料として連続供給する燃料供給装置１０と、縦長形状であって、燃料導入口１１ａが下端部に形成され、ガス放出口１１ｂが上端部に形成された燃焼室１１ｃと、燃料導入口１１ａに流入してきた混合燃料を乱流させることで、燃焼室１１ｃの底部でのバイオマス粒状物の自燃を促進する自燃促進部１１ｄとを備えた燃焼炉１１と、燃焼室１１ｃよりも大容量であって、ガス放出口１１ｂに連通されたガス導入口１２ａが上端部に形成され、排ガス放出口１２ｂが壁面の下端部に形成された燻焼室１２ｃと、ガス導入口１２ｂに流入してきた高温ガスを下方に偏向させるガス流偏向部１２ｄとを備えた燻焼炉１２と、排ガス放出口から放出された排ガスに含まれて排出されてきた燃焼残存物を水ミストによって消火して燻炭を得る燻炭捕集装置１３とで構成されている。

燃料供給装置１０は、バイオマス粒状物と空気とを所定比率で混合し、これを燃焼炉１１に連続的に供給する要素であるが、例えば、スクリュー式の計量器１０ａと、ターボ型ブロアー１０ｂとを組み合わせて構成してもよい。

燃焼炉１１、燻焼炉１２はいずれも一般鋼材、ステンレス等からなるが、この例ではこれらが同一の外殻１ａの内側に連設されている。

焼炉１１は、例えば一般鋼材、ステンレス、断熱材等からなる縦長の長方体形状の炉であるが、バイオマス粒状物を高温で燃焼させるため高断熱性であることが望ましく、そのため外殻１ａと燃焼炉１１との空隙にセラミック等の断熱材を充填してもよく、耐熱性塗料を塗布した構造にしてもよい。
燃焼室１１ｃは、燃料導入口１１ａが下端部に形成され、ガス放出口１１ｂが上端部に
形成され、燃料導入口１１ａの近傍に自燃促進部１ｄが設けられている。
自燃促進部１１ｄは、燃料導入口１１ａに対面させて燃焼室１１ｃの下端部側面に形成された吸気口（ａ）と排気口（ｂ）を形成した乱流生成管１１ｅと、これらの吸気口（ａ）と排気口（ｂ）との中間において燃焼室１１ｃを遮断するように配置された火格子１１ｆとを設けている。なお燃焼室１１ｃの適所に火種物を投入するための開閉自在な火種投入口１１ｇが設けられおり、そこから投入された火種は火格子１１ｆによって受け止められ底面まで落下しないようになっている。

燻焼炉１２は、燻焼室１２ｃを囲む外殻１ａが設けられた二重構造であって、燻焼室１２ｃと外殻１ａとの空隙部１４ａに吸気口１４ｂから空気等を導入して排気口１４ｃから熱風を放出させる熱交換装置１４が構成されている。この熱交換装置１４は、燻焼炉１２で生じた熱を回収して各種設備用の熱源として利用することを目的としたものであり、同時に燻焼室１２ｃを燻焼に適した温度に保つことが可能になる。なお熱交換装置１４は、燃焼炉１１の側に設けることも可能である。
ガス流偏向部１２ｄは、ガス導入口１２ａから導入された高温ガスを下方に向けて偏向させる機能がある。特にその構成は限定されないが、例えば下方に向けて傾斜した邪魔板、下方に向けて開口したエルボ型管等として、これをガス導入口１２ａの開口を遮るように配置してもよい。
排ガス放出口１２ｂは、燻焼室１２ｃの壁面の下端部に形成されているが、その位置としては、燻焼室１２ｃを平面視したときにガス導入口１２ａと対面するようにするとよい。
なお燻焼炉１２は、燻焼室１２ｃの掃除等を行うためのメンテナンス扉１２ｅを備えている。

燻炭捕集装置１３は、底面が開放された消火容器１３ａと、消火容器１３ａ内に配置された水ミスト散布ノズル１３ｂと、消火容器１３ａの下方に配置された蓄積容器１３ｃとからなる。燻焼炉１２の排ガス放出口１２ｂから斜め上方に向かう傾斜管１６が伸びており、これは消火容器１３ａの側面に繋がっている。

図３は、燻炭製造装置の基本動作を示すフロー図である。
ここで、火種等の燃焼によって、燃焼炉１１の少なくとも底部付近は十分に予熱された状態になっていると想定して、基本動作を説明する。

燃料供給装置１０では、燃料空気混合工程Ｓ１がなされる。すなわちバイオマス粒状物と空気とを混合して混合燃料とし、これを燃焼炉１１に供給する。燃料供給装置１０では、前記のような構成であれば、計量器１０ａが時間当りに放出するバイオマス粒状物の重量と、ブロアー１０ｂが時間当りに吹き出す風量とを調節することで、バイオマス粒状物と空気との比率を自由にコントロールできる。

燃焼炉１１では、高温燃焼工程Ｓ２がなされる。すなわち燃料導入口１１ａに流入してきた混合燃料は、その一部が吸気口（ａ）から、そのまま乱流生成管１１ｅに流入して、排気口（ｂ）から吹出す一方、乱流生成管１１ｅに流入しなかった混合燃料は、火格子１１ｆを通じて燃焼室１１ｃを上昇していくことになるので、この２つの流れがぶつかることによって火格子１１ｆの上方に乱流が形成される。この乱流によってバイオマス粒状物は燃焼室１１ｃの底部で浮遊し流動した状態になるので、火種投入口１１ｇから火種を入れると、バイオマス粒状物は燃焼室１１ｃの底部、特に火格子１１ｆ付近で加熱され、加熱されたバイオマス粒状物から分離した揮発成分が燃焼するようになって、自燃が開始される。バイオマス粒状部が自燃すると、揮発成分が分離したバイオマス粒状物は軽くなるため、燃焼ガスにと共に燃焼室１１ｃを上昇して
いき、その途中で揮発成分が更に分離して燃焼することで更に高温な高温ガスの上昇流（摂氏１，０００度以上）になる。このときの高温燃焼によってバイオマス粒子は大部分が炭化された燃焼残存物の状態になり高温ガスの上昇流と共にガス放出口１１ｂから放出される。

燻焼炉１２では、燻焼工程Ｓ３がなされる。すなわち燃焼炉１１から放出された高温ガスが燻焼室１２ｃに入った時点で膨張し低圧になり、その結果温度が低下する。またガスはガス流偏向部１２ｄによって下方に変更されるので、図１の矢印に示すように反時計回りの対流が生じる。そしてガスは燻焼室１２ｃ内で一定時間対流したあと、排ガスとして排ガス放出口１２ｂから放出されるが、このガスは酸素濃度も温度も下がっているので、ガスに含まれている燃焼残存物はガス中で燻焼された状態となり炭化が促進される。
燃焼残存物を良質の燻炭にするには、燃焼残存部から揮発成分を完全に除去し、かつ十分な固体炭素を残す必要があるので、燻焼室１２ｃにおけるガスの酸素濃度、温度を適切に管理することが重要になる。ところがガスの酸素濃度は、混合燃料におけるバイオマス粒状物と空気との比率を調節することでコントロールでき、ガスの温度は、熱交換装置１４を調節することでコントロールできる。また熱交換装置１４を設けているので、ここで生じた排熱は、暖房設備、ボイラー、発電機用スターリングエンジン等の各種設備の熱源として有効利用できる。
なお固体炭素の燃焼は摂氏４４０度を超えているときに生じやすく、燻焼室１２ｃの温度を摂氏３５０〜４００度程度に保って固体炭素の燃焼を抑制するとよいと考えられる。
また排ガス放出口１２ｂが燻焼室１２ｃの壁面の下端部に形成されているので、燻焼室１２ｃの床面に燃焼残存物が一定以上堆積することもなく、常に燃焼残存物が排ガス放出口１２ｂから排出され続けるので、燻炭製造装置１の連続運転が可能である。

燻炭捕集装置１３では、消火捕集作用Ｓ４がなされる。すなわち燻焼炉１２から放出された排ガスは傾斜管１６を通じて消火容器１３ａに導かれ、そこで水ミストの散布を受けてから底面より周囲に拡散していく。排ガスに含まれていた燃焼残存物は消火容器１３ａによって飛散防止されている間に水ミストによって消火されて蓄積容器１３ｃに落下し蓄積される。水ミストによって消火された燃焼残存物は燻炭の状態で固定される。
このようにこの燻炭製造装置１では、バイオマス粒状物から燻炭を連続的に製造することが可能である。

なおバイオマス粒子が籾殻あるいは竹チップの場合、これらは非晶質のシリカ成分を多量に含んでいる。そのため籾殻あるいは竹チップから製造された燻炭は、燃料としての用途以外に、土壌改良、肥料等として好適である。また燻炭捕集装置１３において燃焼残存物を水ミストによって消火しなかった場合、蓄積された燃焼残存物が燻焼し続けることになるので、その結果非晶質シリカを多く含んだ灰（塊）ができる。この灰も肥料等に有効利用できる。また燻炭製造装置１を停止させたあと燻焼炉１２に残った燃焼残存物も、そのまま除冷させると、同様の燻焼によって非晶質シリカを多く含んだ灰が得られる。

次いで燻炭製造装置の他例を説明する。
図４は、燻炭製造装置の他例の斜視図である。図中、要素の一部は想像線で記載している。

この例では、燃焼炉１１と燻焼炉１２とが分離されており、燻炭捕集装置１３は、排ガスに含まれている燃焼残存物を分離捕集するサイクロン装置１６を備えていることを特徴としている。これは中規模から大規模な設備に適している。

ここに燃焼炉１１は、一般鋼材、ステンレス、断熱材等からなる縦長円筒形状の炉あって高い断熱性を有する。燃焼炉１１ｃは、燃料導入口１１ａが下端部に形成され、ガス放出口１１ｂが上端部に形成された燃焼室１１ｃと、燃料供給装置１０から燃料導入口１１ａに供給されてきた混合燃料をその燃料導入口１１ａの付近で乱流化させる自然促進手段１１ｄとを備えている。

燻焼炉１２は、一般鋼材、ステンレス、断熱材等からなる二重構造の炉であって、燃焼炉１１よりも大容量であり、高温ガスに含まれて輸送されてきた燃焼残存物を燻焼させることを目的としたものである。燻焼炉１２は、ガス放出口１１ｂに連通されたガス導入口１２ａが上端部に形成され、排ガス放出口１２ｂが壁面の下端部に形成された燻焼室１２ｃと、ガス導入口１２ａに流入してきた高温ガスを下方に偏向させるガス流偏向部１２ｄとを備えている。また燻焼室１２ｃと外殻１ａとの間に空隙があり、これは熱交換装置１４を構成している。

燻炭捕集装置１３は、水ミストによって消火すべき燃焼残存物を排ガスから分離するサイクロン装置１６と、サイクロン装置１６によって分離された燃焼残存物に水ミストを吹きかけて消火し蓄積する蓄積容器１３ｃとで構成されている。
サイクロン装置１６は、分離容器１６ａと、分離容器１６ａの上端面から突出されたガス放出管１６ｂとからなる。
サイクロン装置１６は、分離容器１６ａ内で排ガスを高速回転させ遠心力によって燃焼残存物を分離する。分離された燃焼残存物は蓄積容器１３ｃに落下する。蓄積容器１３ｃでは、その落下してきた燃焼残存物に水ミストを散布して消火し燻炭として蓄積する。

１ 自燃式連続燻炭製造装置
１０ 燃料供給装置
１１ 燃焼炉
１１ａ 燃料導入口
１１ｂ ガス放出口
１１ｃ 燃焼室
１１ｄ 自燃促進部
１２ 燻焼炉
１２ａ ガス導入口
１２ｂ 排ガス放出口
１２ｃ 燻焼室
１２ｄ ガス流偏向部
１３ 燻炭捕集装置
１４ 熱交換装置
１６ サイクロン装置

Claims (3)

1. バイオマス粒状物と空気とを混合し混合燃料として連続的に供給する燃料供給装置と、
   縦長形状であって、燃料導入口が下端部に形成され、ガス放出口が上端部に形成された燃焼室を含み、この燃焼室の内部に、前記燃料導入口に流入してきた前記混合燃料を乱流させることで前記バイオマス粒状物の自燃を促進する自燃促進部を設け、前記バイオマス粒状物の燃焼によって生じた高温ガスを前記ガス放出口から放出させる燃焼炉と、
   前記燃焼室よりも容量が大きく、前記ガス放出口に連通されたガス導入口が上端部に形成され、排ガス放出口が側壁面の下端部に形成された燻焼室を含み、この燻焼室の内部に、前記ガス導入口に流入してきた高温ガスを下方に偏向させるガス流偏向部を設け、前記高温ガスを前記燻焼炉内で対流させることで当該高温ガスに含まれて輸送されてきた燃焼残存物を燻焼させる燻焼炉と、
   前記排ガス放出口から放出された排ガスに含まれて排出されてきた燃焼残存物を水ミストによって消火して燻炭を得る燻炭捕集装置とを備え、
   前記自燃促進部は、前記燃料導入口に対面させて前記燃焼室の下端部側面に形成された吸気口とこの吸気口よりも上方で前記燃焼室の側面に形成された排気口とに連通させた乱流生成管と、これらの吸気口、排気口との中間において前記燃焼室を遮断するように配置され、火種を受け止めるための火格子とを備えていることを特徴とする自燃式連続燻炭製造装置。
2. 請求項１において、
   前記燻焼炉で生じた熱を回収して各種設備用の熱源とするための熱交換装置を更に備えていることを特徴とする自燃式連続燻炭製造装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記燻炭捕集装置は、水ミストによって消火すべき燃焼残存物を前記排ガスから分離するサイクロン装置を備えていることを特徴とする自燃式連続燻炭製造装置。
   

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