JP7346348B2

JP7346348B2 - バイオマス発電装置

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Publication number: JP7346348B2
Application number: JP2020055488A
Authority: JP
Inventors: 覺井村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2023-09-19
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP2021156470A

Description

本願発明は、得られる熱エネルギーコストが極めて低廉であり併せて間伐材などの有効活用により山林の整備にも寄与できる発電装置に関し、詳しくは、再生可能資源すなわち、チップ化された木材その他のバイオマス素材を低コスト乾燥、高燃焼効率を実現するとともに、間伐材などの多く存在する林地等を簡単に移動可能で、いわば原料であるバイオマスチップの地産地消を容易にして化石燃料の使用に比較しても、はるかに低廉なコストで電力を得ることのできるバイオマス発電装置に関するものである。

木材その他のバイオマス素材に係る燃料が日本の社会からその実用的地位を失ったのは安くて便利な石油や石炭等の化石燃料による利便性の高い暖房機や給湯器や炊飯調理器具が普及したためである。
しかしながら、それら化石燃料消費に伴う多量の炭酸ガス排出が地球環境の破壊を招きつつある現在、早急に再生可能なバイオマス燃料の活用とそれによる化石燃料の消費削減がさけばれている。また、バイオマス燃料の需要の衰退は同時に山林の荒廃をも招来しこれに起因して水害等の自然災害が多発している。
日本は国土の７５％が森林で覆われていてその持続可能な再生産木材資源の活用は早晩の急務である。

とはいえ、バイオマス燃料の熱量あたりのコストは、化石燃料に比較して決して安価とはいえない。その理由は、雑木、間伐材等の産地における価格が安くても、含水率の高いこれら原料の消費地への搬送は水を運ぶようなもので単位熱量あたりの搬送コストは、灯油などに比べて極めて高くならざるを得ない。

また、燃料としての使用は、自動化が進み操作性に優れた灯油、重油などの液体燃料に比べて、燃焼装置の操作性、保守管理などが煩雑であり手間、暇がかかり、誰でも、どこでも簡単にバイオマス燃料を使用することができない。
したがって、日本の現代社会においては、バイオマス燃料の原料がいかに安価でも、いったん、これを燃料として使用するとなると得られる熱量あたりのトータルコストは高くなり、現実的にその使用は困難である。さらには、コストの問題に加えて、近代の日本の住宅事情もそれを許す状態ではなく、狭くゆとりが全く無くバイオマス燃料を直接利用する条件が整っていないのが実情である。

したがって、以上述べた課題が解決されれば、一般的な住宅はいうに及ばずハウス農業用や工場、学校、病院等において、バイオマス燃料の利用における潜在的な需要は高いということができる。

すなわち、バイオマス燃料の利用において、便利さ、安全性、低廉なコストが実現されれば、バイオマス燃料は広く利用され、このことは森林資源等の活用と地球環境の健全な維持保全に資するとことが大きいことは明らかであり、化石燃料資源の乏しいわが国のエネルギー政策にも大きな影響を与えることになろう。このような観点から、現状の打破にはバイオマス燃料による電力の利用が最も適している。発電に係るバイオマス素材の利用は林地等の保全ひいては国土の自然環境の疲弊防止といった大いなる効果を有しているのであり、発電の直接的コストのみを勘案するだけで足れりとしてはならない。

特許第６４４５２０８号公報特開２００５－２７４１２２特開２００８－３０８５７０特開２０１６－０９９０２３特開２０１７－００３１４６

バイオマス素材、特に木材を有効に活用する試みは、欧州諸国で盛んでありこれに係る技術内容は実用的で経済性も或る程度の域に達していて、中でも木材をペレットに加工して燃料用に活用する技術は、その燃焼装置まで含めて既に成熟領域にあるとも言い得る。
しかしながら、バイオマス燃料を利用する際には、バイオマス素材を山地からペレット加工の適地に搬送して為さざるを得ず、極めて煩雑な過程を必要としコスト増の原因となるばかりか、その間のエネルギーの費消も無視することができない。従来のバイオマス発電装置は長大重厚なものが多く半永久的に据え置きとせざるを得ず、原料を求めて山地などの原料産地内を迅速容易に移動するには不向きである。
したがって、発電地と原料産地の間における前記課題が解消できていない。

本願発明は、原料のペレット化が不要で、間伐材、伐採小枝、落ち葉などもチップ化するのみでほぼそのまま燃料として使用でき、かつ、これらの原材料を手近かに供給できる山林内を迅速容易に移動し分解・組み立ても容易である簡素な構成のバイオマス発電装置に係る技術の提供にある。

本願発明は、木材その他のバイオマス素材を燃料とする発電装置であって、バイオマス素材の加圧燃焼手段と、チップ状のバイオマス素材の乾燥手段と、乾燥したチップの前記加圧燃焼手段への投入をなす乾燥チップ投入手段と、前記加圧燃焼手段において生成され、ガス貯留手段を介して送給される高圧ガスにより回転力を得る駆動手段と、この駆動手段を回転源とする発電手段と、前記加圧燃焼手段へ加圧空気を送給する空気圧縮手段とを、具えて構成して上記課題を解決する。

本願発明は又、上記段落００１０のバイオマス発電装置において、前記加圧燃焼手段は、第１次燃焼室とその上部に設けられる第２次燃焼室と、この第２次燃焼室からの高温ガスをさらに燃焼・高圧化させる第３次燃焼室とを具えるとともに、空気圧縮手段からの加圧空気の前記各燃焼室への加圧空気供給手段ならびに前記第３次燃焼室で生成される高温・高圧ガスの温度を低減するための降温手段と前記乾燥チップ投入手段は前記第１次燃焼室に前記乾燥手段からの乾燥チップを投入するように構成して、上記課題を解決する。

さらに、本願発明は上記段落００１１のバイオマス発電装置において、チップ状のバイオマス素材の乾燥手段は、ドラム外筒とこのドラム外筒内で回転して、未乾燥木材チップを乾燥させるドラム内筒と、このドラム内筒の内壁に径方向に多数突設され、バイオマスチップに接触してこれを乾燥させるヒートパイプと、ドラム外筒とドラム内筒との間に前記駆動手段からの排気を導入分配して前記ヒートパイプを加熱する分配管と排気放熱により生じる水分の貯留手段とを具えて構成し、上記課題を解決する。

さらにまた、上記段落００１２のバイオマス発電装置において、前記駆動手段は、シリンダーとこのシリンダー内を往復動するピストンと前記ガス貯留手段からの高圧ガスを吸・排して前記ピストンを動作させる吸気弁ならびに排気弁とを具えた構成となして、上記課題を解決する。

そして。上記段落００１３のバイオマス発電装置において、前記乾燥チップ投入手段は、一端にモーター並びに乾燥チップ供給口を有し他端は前記加圧燃焼手段における第1次燃焼室に臨みここに乾燥チップを投入する筒体と、この筒体内を貫通する回転シャフトと、回転シャフトに巻装され乾燥チップを第1次燃焼室方向に搬送するスクリュウー羽根とを具えた構成として上記課題を解決する。

さらに、上記段落００１２ないし００１４いずれかのバイオマス発電装置において、チップ状のバイオマス素材の前記乾燥手段における前記ヒートパイプは、円筒状のヒートパイプ本体と、その内部に封入された液体と、ヒートパイプ本体に複数周設される吸熱フィンからなる吸熱部と、放熱部とを具え、前記放熱部はヒートパイプ本体に複数周設される櫛歯状の放熱撹拌歯とから構成することがある。

さらにまた、請前記段落００１０ないし００１５いずれかのバイオマス発電装置において、バイオマス素材の加圧燃焼手段、チップ状のバイオマス素材の乾燥手段と、乾燥したチップの前記加圧燃焼手段への投入をなす乾燥チップ投入手段、駆動手段、発電手段、空気圧縮手段は、前記各手段相互を容易に分離して、装置の移動、再組立てを迅速容易に実行できるように構成することがある。

本願発明は、上記構成によりそれ自体は商品価値が無いに等しい種々のバイオマス素材を燃料として使用できるので、化石系燃料を使用する場合に比較して単位熱量当たりのコストを格段に低廉なものにできる。また、木材原料などのペレット化が不要で、例えば家庭の庭木や街路樹その他の身近に発生するうえ、必ず発生する灰などをも肥料として再資源化できるという効果を奏する。さらにまた、従来、経済的観点から有効な利用できていなかった山林地の間伐材、伐採小枝、落ち葉などもチップ化するのみでほぼそのまま燃料として使用できるから、山林地に経済価値をもたらし、山林地の保全が促進され、ひいては適正な植生環境がすすみ国土の保全にも大きく寄与できる。

本願発明に係るバイオマス発電装置の概略構成を示すブロック図である。本願発明のバイオマス発電装置に係る加圧燃焼手段の縦断面図である。本願発明のバイオマス発電装置に係るバイオマスチップの乾燥手段の縦断面図である。本願発明のバイオマス発電装置に係る駆動手段の概略構成を示すブロック図である。本願発明のバイオマス発電装置に係るチップ投入手段の一部切欠縦断面図である。図３に示す乾燥手段におけるヒートパイプの一部切欠縦断面図である。

最小のコストでバイオマス素材を利用する際には、バイオマス素材をその発生地である山地内で取得することが不可欠であり、山地の一定区域で利用可能な間伐材を費消した後は、素材を需めてバイオマス発電装置を他の区域に迅速容易に移動できるように構成することが求められる。すなわち、バイオマス発電装置は原材料を手近かに供給できる山林内を迅速容易に移動し分解・組み立ても容易であり、かつ軽量化を念頭にした実施形態が肝要である。

図面に基づいて、本願発明の一実施例を説明する。
図1は、バイオマス発電装置の概略構成を示すブロック図であり、図において、１は供給される加圧空気の下にバイオマスチップを燃焼させて高圧ガスを生成するための加圧燃焼手段、２は生のバイオマスチップの含有水分を除去するための乾燥手段、３は前記乾燥手段から供給されるバイオマスチップを前記加圧燃焼手段１に連続的に投入するためのチップ乾燥チップ投入手段である。

４は、前記加圧燃焼手段１からの高圧ガスで動作する駆動手段であり、この高圧ガスはいったん加圧燃焼ガス貯留手段５に貯留されるようになっている。
６は、駆動手段４により動作する発電手段である。また、７は発電装置の始動時にモーター８により動作する空気圧縮手段であり、発生する加圧空気は加圧燃焼手段１に送給されバイオマスチップを燃焼させ高圧ガスを発生させる。なお、前記発電装置が運転を開始して前記駆動手段４が動き始めれば空気圧縮手段７はこれにより動作するため前記モーター８と空気圧縮手段７との接続はオフとなる。

駆動手段４からの排気はバイオマスチップ乾燥手段２に送られて生のチップ材を加熱して水分を除去するようになっている。

図２は、加圧燃焼手段１の１実施例を示す縦断面図である。図２において、１１は耐火材で形成される円筒状の躯体であり、上下の端部は半球形状をなしている。
躯体１１内部には３層からなる燃焼室が形成されている。すなわち、躯体１１の下部には、下端にチップを燃焼させるためのロストルを有する第１次燃焼室１２が、さらにその上部には第２次燃焼室１３が形成され、第３次燃焼室１４が第２次燃焼室１３の上方に形成されている。各燃焼室は言うまでもなく適宜な耐火材で構成されている。

第１次燃焼室１２は円筒形状をなしていて、立壁部分は２重に立設されこの間隙路は空気が流通するとともに内側壁には貫通孔が形成され燃焼室の過熱を防止するようになっている。第２次燃焼室１３も上端に円蓋を有する筒状体で壁部、天井部は２重構造となっていて、内壁には複数の貫通孔が形成され過熱を防止するようになっている。

また、図２において、１４aは第３次燃焼室１４を形成すべく、躯体１１内壁において前記第２次燃焼室１３の上方部分に周設された差し掛け部である。１５は着火ヒーター、１６は前記各燃焼室の支持筒である。１７、１８，１９はそれぞれ第１ないし第３加圧空気供給管で、前記空気圧縮手段７から加圧空気をおのおの第１次ないし第３次燃焼室へ送給してバイオマスチップの燃焼を促進させ高温・高圧ガスを生成して前記加圧燃焼ガス貯留手段５を経て駆動手段４に噴出させるようになっている。

乾燥チップ投入手段３から第１次燃焼室１２に投入されたバイオマスチップは、ここで燃焼を開始し、発生する燃焼ガスは第２次燃焼室に至り供給される加圧空気と混合してさらに燃焼した後、第３次燃焼室において供給される加圧空気の下にさらに燃焼・高圧化される。

第３次燃焼室１４における燃焼ガスは１０００℃を超える。しかしながら、このような高温のままでは装置の諸所において耐熱上の問題が生じる。このため、第３次燃焼室で発生した燃焼ガスの温度を低減させる必要がある。図２において、１０１は水分噴射ノズルで躯体１１の天頂内側に一対設けられていて、降温手段を構成している。
この実施例では、燃焼ガス約５８０℃となるまで、１００℃の水を高圧噴霧するようにしている。水は図３に示す乾燥手段におけるドレーンタンク３９から供給されるが、発電装置が動作する間は継続的に供給できるので他からの補給は不要である。
なお、図２において、１０２は躯体１１の上端に設けられた安全弁、１０３は高温・高圧ガスを前記加圧燃焼ガス貯留手段５へ送給するための高圧ガス供給管である。

図３は、バイオマスチップの乾燥手段２を示す縦断面図である。図において、３１はドラム外筒、３２はその内部に緩装されるドラム内筒で、シャフト３３に回転可能に軸支されている。３４は前記駆動手段４からの排気ガスを前記ドラム外筒３１に送り込むための分配管であり、そのため、ドラム外筒３１の側壁に連結される多数の枝管３５．．．．を具えている。３６は、生チップ投入機である。

前記分配管３４において、枝管３５が設けられている部分には傾きが形成され、ドラム外筒３１内で生じるドレーン、すなわち駆動手段４からの排気ガスによる生チップの乾燥過程で発生する水蒸気の凝結水分をドレーン回収管３８を介してドレーンタンク３９に貯留する。なお、図２の説明で述べたように、ここに貯留された水分は、図２に示した前記噴霧ノズルから前記第３次燃焼室からの燃焼ガスに噴霧されその温度を降下させる。３７は、乾燥工程を終えた排気を放散するための排気筒である。

ドラム内筒３２の内壁面には、長短多数の筒状のヒートパイプ２０がシャフト方向に突出形成されていて、このヒートパイプ２０が生チップをドラム内筒３２内で撹拌して生チップを乾燥させているが、その詳細は後述図６において説明する。

図４は、駆動手段の概略構成を示すブロック図である。図において、４１はシリンダー、４２はピストンであり、シリンダー４１内を往復動する。往復動はクランク手段等により回転動に変換されて前記発電手段６を動作させる。４３は吸気弁、４４は排気弁でそれぞれピストン４２に同調して、前記加圧燃焼ガス貯留手段５から燃焼ガスを吸い込み、次いで排気弁４４から前記バイオマスチップの乾燥手段２に排気を送給する。この実施例において、駆動手段４は既存の内燃機を改造したものを使用しているがコストが低廉である。なお、タービンを使用できることは勿論である。

図５は、チップ投入手段の一部切欠縦断面図である。この乾燥チップ投入手段３は、図２に示すように、相対するように一対設けられている。図５において、３１は本体をなす筒体、３２はこの筒体３１に回転可能に緩挿された回転シャフトであり、この回転シャフト３２にはスクリュウー羽根３３が装着されている。３４は筒体３１の一端に形成された乾燥チップ供給口で、図３に示した前記バイオマスチップ乾燥手段２からのチップを筒体３１内に投入する。３５は回転シャフト３２を回転させるモーターである。
上述のように、筒体３１の一端には、モーター３５並びに乾燥チップ供給口３４を有しているが、反対側の他端は、図２に示すように前記加圧燃焼手段１における第1次燃焼室１２に臨み、ここに前記スクリュウー羽根３３に搬送された乾燥チップを第1次燃焼室１２に供給するようになっている。

図６は、図３に示すバイオマスチップの乾燥手段２におけるヒートパイプ２０の一部切欠縦断面図である。
ヒートパイプ２０は、円筒状のヒートパイプ本体２１と、その内部に封入された液体と、ヒートパイプ本体２１に複数周設される吸熱フィン２２aからなる吸熱部２２と、放熱部２３とを具え、前記放熱部２３は、ヒートパイプ本体２１に複数周設される櫛歯状の放熱撹拌歯２３aを有している。図３に示すドラム内筒３２の内壁面には、前述の構成を有する長短多数のヒートパイプ２０がシャフト方向に突出形成されていて、このヒートパイプ２０が生チップをドラム内筒３２内で放熱撹拌歯２３aにより撹拌して生チップを乾燥させるようになっている。
ヒートパイプ本体２１の内部には液体としてこの実施例では適量の水が封入されて、この水分は、吸熱部２２による加熱により水蒸気となり、放熱部２３に至り放熱して再び水分となる。このような動作を繰り返しにより生チップの乾燥が実行される。

バイオマス素材の供給を低コストで可能にするため、発電装置自体が山林地を円滑容易に移動できるようにする必要がある。このため、バイオマス素材の加圧燃焼手段、チップ状のバイオマス素材の乾燥手段と、乾燥したチップの前記加圧燃焼手段への投入をなす乾燥チップ投入手段、駆動手段、発電手段、空気圧縮手段は、前記各手段相互を容易に分離して、装置の移動、再組立てを迅速容易に実行できるように構成してある。

以上、本願発明によればバイオマス原料の採取現場で発電できるからその要するエネルギーコストは低減であり、間伐材、伐採小枝、落ち葉その他のバイオマス材を
効率的に処理でき、一定地域でのバイオマス材の処理後は、発電措置を簡便迅速に移動させて他の地域でのバイオマス材の利用に移れるから発電に伴って山林の環境改善が進行して自然環境の適正な保全が工まずして実現されるという効果がある。

Claims

木材その他のバイオマス素材を燃料とする発電装置であって、バイオマス素材の加圧燃焼手段と、チップ状のバイオマス素材の乾燥手段と、乾燥したチップの前記加圧燃焼手段への投入をなす乾燥チップ投入手段と、前記加圧燃焼手段において生成され、ガス貯留手段を介して送給される高圧ガスにより回転力を得る駆動手段と、この駆動手段を回転源とする発電手段と、前記加圧燃焼手段へ加圧空気を送給する空気圧縮手段とを具え、この空気圧縮手段は発電装置の始動時に空気圧縮手段を動作させるモーターを有し、前記駆動手段が動き始めるのに併せて前記モーターと空気圧縮手段との接続はオフとなるように構成したバイオマス発電装置において、前記加圧燃焼手段は、第１次燃焼室とその上部に設けられる第２次燃焼室と、この第２次燃焼室からの高温ガスをさらに燃焼・高圧化させる第３次燃焼室とを具えるとともに、空気圧縮手段からの加圧空気の前記各燃焼室への加圧空気供給手段ならびに前記第３次燃焼室で生成される高温・高圧ガスの温度を低減するための降温手段と、前記乾燥チップ投入手段は前記第１次燃焼室に前記乾燥手段からの乾燥チップを投入するように構成され、前記第1次、第2次、第3次の各燃焼室は、上下の端部は半球形状をなす円筒状の躯体内部に3層に形成されていて、躯体の下部には、下端にチップを燃焼させるためのロストルを有する第１次燃焼室が、さらにその上部には第２次燃焼室が形成され、第３次燃焼室が第２次燃焼室の上方に形成され、前記第１次燃焼室は円筒形状をなし、立壁部分は２重に立設されこの間隙路を空気が流通するとともに、燃焼室の過熱を防止するために内側壁には貫通孔が形成され、前記第２次燃焼室も上端に円蓋を有する筒状体で壁部、天井部は２重構造とされ、過熱防止のため内壁には複数の貫通孔が形成され、第３次燃焼室を躯体内壁において前記第２次燃焼室の上方部分に周設された差し掛け部で構成したことを特徴とするバイオマス発電装置。
請求項１記載のバイオマス発電装置において、チップ状のバイオマス素材の乾燥手段は、ドラム外筒とこのドラム外筒内で回転して、未乾燥木材チップを乾燥させるドラム内筒と、このドラム内筒の内壁に径方向に多数突設され、バイオマスチップに接触してこれを乾燥させるヒートパイプと、ドラム外筒とドラム内筒との間に前記駆動手段からの排気を導入分配して前記ヒートパイプを加熱する分配管と排気放熱により生じる水分の貯留手段とを具え、前記駆動手段は、シリンダーとこのシリンダー内を往復動するピストンと前記ガス貯留手段からの高圧ガスを吸・排して前記ピストンを動作させる吸気弁ならびに排気弁とを具え、さらに前記ヒートパイプは、円筒状のヒートパイプ本体と、その内部に封入された液体と、ヒートパイプ本体に複数周設される吸熱フィンからなる吸熱部と放熱部とを具え、前記放熱部は、ヒートパイプ本体に複数周設される櫛歯状の放熱撹拌歯を有していることを特徴とするバイオマス発電装置。