成型固体バイオマス燃料の燃焼装置
【課題】
スムーズかつ連続的な燃料供給を行うことが出来、燃料消費速度を任意かつ詳細に制御することが可能である、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置を可能とする。
【解決手段】
バイオマス原料を成型した固体燃料の燃焼装置であって、前記燃焼装置に、燃料側面の過熱を防止することが出来る燃料筒と、燃料の一端をその内部空間で燃焼させることが出来る燃焼室と、燃焼室への燃料の供給速度を任意に決定して供給することが出来る燃料供給装置と、燃焼に使用される空気の流量を任意に決定して供給することが出来る送風装置と、燃焼用空気を加熱して任意の温度に設定することが出来る空気加熱装置と、発生する焼却灰を除去し回収する焼却灰取出口を具備し、柱状に成型された固体燃料の一端から燃料軸方向へ準一次元的に燃焼を進行させることが出来る機能を有することを特徴とする、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
スムーズかつ連続的な燃料供給を行うことが出来、燃料消費速度を任意かつ詳細に制御することが可能である、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置を可能とする。
【解決手段】
バイオマス原料を成型した固体燃料の燃焼装置であって、前記燃焼装置に、燃料側面の過熱を防止することが出来る燃料筒と、燃料の一端をその内部空間で燃焼させることが出来る燃焼室と、燃焼室への燃料の供給速度を任意に決定して供給することが出来る燃料供給装置と、燃焼に使用される空気の流量を任意に決定して供給することが出来る送風装置と、燃焼用空気を加熱して任意の温度に設定することが出来る空気加熱装置と、発生する焼却灰を除去し回収する焼却灰取出口を具備し、柱状に成型された固体燃料の一端から燃料軸方向へ準一次元的に燃焼を進行させることが出来る機能を有することを特徴とする、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料を柱状に成型した固体燃料の燃焼装置に関し、柱状固体燃料の一端から燃料軸方向へ準一次元的に燃焼を進行させることで燃料消費速度および急速消火を任意かつ詳細に制御可能である成型固体バイオマス燃料の燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマス固体燃料として用いられている燃料形態は、バイオマスを細断したチップ、バイオマスを粉砕後に高温高圧化で成型するペレットやブリケットなどがある。
【０００３】
従来、バイオマス固体燃料の燃焼装置において、燃焼発熱速度(燃料消費速度)を制御する手段として、例えば特許文献１や特許文献２に記載の燃焼装置のように燃料投入孔からの固体燃料の投入速度を制御する、あるいは燃料搬送装置にて搬送速度を制御するなどの手段が用いられている。
【０００４】
従来、固体燃料燃焼装置において消火する手段として、例えば特許文献３に記載の燃焼装置のように燃焼炉への空気を遮断することによるものが提案されている。
【０００５】
バイオマス固体燃料の燃焼装置において、従来、燃料の熱分解、燃焼にともない発生するタール成分の燃焼室内および熱交換器内への付着堆積がこれら装置内の流れおよび伝熱を阻害するとして問題となっている。この課題を解決するため、フィルタやスクラバを用いた物理的除去処理、熱や部分酸化および触媒を用いたクラッキングなどが用いられる。例えば特許文献４に記載のタール除去装置ではタール分を酸化分解する除去方法が提案されている。また、熱分解ガス中のタールを除去する手段として、例えば特許文献５に記載のデミスターを用いたタールミスト除去方法が提案されている。さらに例えば特許文献６に記載の水蒸気およびプラズマトーチを用いたタール分の分解処理方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００５-２７４０９５
【特許文献２】特開２００８−１０７００５
【特許文献３】特開平１１−１０１４０６
【特許文献４】特開２００５−０８９５１９
【特許文献５】特開２００７−１８５５９７
【特許文献６】特開２００３−１４７３７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先行技術では、バイオマス固体燃料の燃料消費速度は、チップやペレットあるいはブリケットなど粒状の燃料を燃焼炉へ投入する速度によってコントロールされる。しかしながら燃料を投入してから着火、燃焼に至るまでの時間遅れが燃料投入時の燃焼状態や投入速度により変化するとともに、ひとたび燃焼を開始した燃料粒の燃料消費速度は個々の燃料粒の置かれた条件により決定されるためこれを任意にコントロールすることは非常に困難である。とくに大きな燃料粒の場合、燃料を燃焼部へ投入すると燃料粒周囲全体に火炎を形成し燃料内部温度の上昇に応じた熱分解ガスが放出されるが、燃料粒内部温度の上昇速度を制御することは困難であり、且つ燃焼領域は燃料粒内部へ３次元的に進行することから燃料粒内部温度分布および熱分解量は非定常に変化する。このため大きな燃料粒では燃料消費速度の制御が困難であり、燃料投入量の最小単位も燃料粒のサイズに依存することから、燃料消費速度を任意かつ詳細に制御することは困難であった。一方、小さな燃料粒の場合においても、個々の燃料粒の燃え切り時間が短く、燃料投入を頻繁に行う必要がある、燃料が嵩張るため貯蔵や輸送に不利、燃焼装置全体のサイズが大きくなる、などの問題があった。またペレットなどの燃料粒供給を精密に制御すること自体が容易でないという問題も有していた。
【０００７】
燃料の連続的な投入に関しては、燃料搬送装置内あるいは燃料供給口で燃料が加熱されることによる炭化やタール分の固着等により燃料搬送装置あるいは燃料供給口で燃料が詰まり、スムーズな燃料供給が出来なくなるという問題を有していた。
【０００８】
固体燃料の消火に関しては、投入された燃料が燃え切るのを待つのが通常用いられる手段であり、任意の消火したいタイミングで急速に消火することが出来ず、消火するまで長い時間放置しなければならなかった。また前記の先行技術では、燃焼炉全体を空気から遮断するため密閉構造とする必要があり、構造が複雑となる、嵌合部を清浄に保つ必要がある、などの問題がある。
【０００９】
バイオマス固体燃料の燃焼装置において発生するタール成分の除去あるいはクラッキングを行う先行技術では、発生したタールを捕集装置や処理装置に導入して処理されるが、これら装置を用いる場合にはタールの輸送過程における装置への付着堆積、変成などが問題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の発明は、バイオマス原料を成型した固体燃料の燃焼装置であって、バイオマス原料を柱状に成型した固体燃料を用い、当該固体燃料の側面を覆うことで燃料側面の過熱を防止することが出来る燃料筒と、当該燃料の一端をその内部空間で燃焼させることが出来る燃焼室と、燃焼室への当該燃料の供給速度を任意に決定して供給することが出来る燃料供給装置と、当該燃料の燃焼に使用される空気の温度および流量を任意に決定し供給することが出来る送風装置と、供給される燃焼用空気を加熱して当該燃料を着火させることが出来る空気加熱装置と、当該燃料の燃焼によって発生する焼却灰を除去し回収する焼却灰取出口を備え、当該固体燃料の一端から燃料軸方向へ準一次元的に燃焼を進行させることが出来ることを特徴とする、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。ここで「防止等することが出来る」としたのは、防止の使用目的に対して使用することができるとの意味であり、以下についても「使用目的に対して使用することができる」と同じ意味である。
【００１１】
本発明の第２の発明は、前記燃料側面の過熱および燃焼を防止する手段が、内部に冷却用媒体を通して燃料側面を冷却することが出来る燃料筒からなる、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１２】
本発明の第３の発明は、前記燃料側面の過熱および燃焼を防止する手段が、燃料と燃料筒間の未燃燃料部へ流量を任意に決定した冷却用ガスを供給することである、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１３】
本発明の第４の発明は、燃焼装置で発生するタールのクラッキングの手段として、燃料筒に誘電体を配置してプラズマ発生用高電圧電源から電圧を供給するとともにプラズマ用ガスを供給して燃料筒内でプラズマを発生して燃焼室内の燃焼部近傍にプラズマジェットを供給可能なプラズマ発生装置を具備する、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１４】
本発明の第５の発明は、燃焼装置の急速消火の手段として、固体燃料の燃焼位置より燃料側の位置に燃料を燃料供給装置にて燃焼室内より退避させた後に、燃料と燃焼室との空気の流通を遮断する可動式空気遮断壁を有し、可動式空気遮断壁全閉後に燃料の燃焼部を消火させることのできる消火装置を具備する、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１５】
本発明の第６の発明は、前記燃焼装置の急速消火の手段として、固体燃料の燃焼位置より燃料側の位置に、燃料の燃焼部を切断、分離することにより消火させることの出来る切断装置を具備する、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１６】
本発明の第７の発明は、運転条件（燃料供給速度、供給空気流量、燃料筒冷却媒体流量、燃料側面冷却ガス流量、プラズマ用ガス流量、プラズマ発生電力量など）を任意に制御する手段として、燃焼ガス温度を検知して運転条件を決定する運転制御装置を具備する、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１７】
本発明の第８の発明は、燃焼負荷を増大させる手段として、前記燃料筒を同一の燃焼室内に複数個配置することで最大燃焼負荷を増大させることが出来る成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置によれば、柱状に成型されたバイオマス固体燃料未燃部側面の過熱を抑制することにより、固体燃料側面未燃部の炭化やタール放出を防ぎ燃料供給装置内での燃料の固着を抑制することが出来るため、スムーズかつ連続的な燃料供給を行うことが可能である。
また、柱状に成型されたバイオマス固体燃料一端から準一次元的に燃焼させることを可能とし、燃料供給速度ひいては燃料消費速度を燃料の送り出し速度および供給空気条件で任意かつ詳細に制御することが可能である。
【００１９】
本発明の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置によれば、燃焼部近傍にプラズマを供給して燃料の熱分解および燃焼から発生するタールを分解することにより、装置への付着堆積、変成などによる流路の閉塞および熱交換器伝熱効率の低下を防ぐことが出来る。
【００２０】
本発明の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置によれば、燃焼継続中の燃料燃焼部を任意のタイミングに急速消火することができる。
【実施例】
【００２１】
以下に、本発明の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の実施の形態を図面とともに説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の実施例１における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、柱状に成型された固体バイオマス燃料３を燃焼装置燃焼室４へ徐々に送り入れるあるいは抜き出すことが出来る燃料供給装置１と、成型固体燃料の側面を覆い且つ固体燃料の燃焼室への出し入れをガイドする燃料筒２と、固体燃料の燃焼に使われる燃焼用空気５を燃焼室４へ供給する空気取入れ口と、燃焼用空気５を固体燃料３へ供給する以前に所定の温度まで加熱することが出来る空気加熱装置８と、燃焼室４内で燃焼した燃焼ガス９を排出する燃焼ガス排出口と、固体燃料の燃焼によって燃料から脱離排出される焼却灰を捕獲し取り除くことが出来る焼却灰取出口１０とから構成される。
【００２３】
図2は、本発明の実施例１における燃料供給装置１の燃料駆動方法の概略図を示す。成型固体燃料３の側面に接し燃料移動時のガイドとなる回転可能なガイドローラー２２と、駆動モーターへ接続され燃料を移動せしめることが可能な少なくとも１個の駆動ローラー２３を備える。駆動ローラー２３はガイドローラー２２を兼ねても良い。駆動ローラーの正転および逆転により、あるいは複数の駆動ローラーにより固体燃料の燃焼室内への出し入れをコントロールすることが可能である。成型固体燃料３の両側に配したローラー軸には、ローラーと燃料との摩擦力増大のため成型固体燃料中心軸側へ押しつける力を作用させても良い。成型固体燃料３の形状をラック形状に成型し、ローラーをピニオン形状として、ラック＆ピニオンによる駆動力伝達方式としても構わない。
【００２４】
図１の燃料筒２では、成型固体燃料３と燃料筒２の間の隙間を小さくすることにより当該部位への高温の燃焼ガスの流入を抑制し、成型固体燃料３未燃部の過熱および燃焼を抑制することが可能である。
【００２５】
燃焼用空気５は、着火あるいは燃焼負荷に応じた流量の空気が燃焼室４に供給される。
【００２６】
図１の空気加熱装置８では、燃焼室内へ供給される燃焼用空気５を加熱して所定の流量および温度の空気を形成した後、成型固体燃料３へ供給することが出来る。燃焼用空気５を昇温して成型固体燃料３へ供給することにより燃料への着火を行うことが可能である。
【００２７】
上記燃料供給装置１による成型固体燃料３の燃焼室４への供給速度、燃焼室４に供給する燃焼用空気５流量および空気加熱装置８により設定される空気温度により、成型固体バイオマス燃料燃焼装置の燃料消費速度および燃焼負荷をコントロールすることが可能である。
【００２８】
燃焼室４で形成された高温の燃焼ガス９を熱交換器へ送出して熱回収することにより、燃焼装置で発生した熱エネルギーを取り出すことが可能である。
【００２９】
図１の焼却灰取出口１０では、成型固体燃料３燃焼部下方に焼却灰を貯留できる空間を設けるとともに焼却灰排出時に燃焼室内と外界を隔離する隔壁を設けて隔壁の開閉および焼却灰取出口１０の開閉を行うことにより、成型固体燃料３から脱離排出される焼却灰を貯留し、また任意のタイミングで排出することが可能である。
【実施例２】
【００３０】
図３に、本発明の実施例２における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００３１】
図３において、実施例２の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃料筒２を冷媒冷却式燃料筒１９とした以外は同じ構成となっている。
【００３２】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、内部に冷却用媒体１１を通じ冷媒冷却式燃料筒１９を冷却することにより、燃料筒の過熱による破損を防止することが出来るとともに、成型固体燃料３の側面を冷却し成型固体燃料３未燃部の過熱および燃焼を抑制することが可能である。
【実施例３】
【００３３】
図４に、本発明の実施例３における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００３４】
図４において、実施例３の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃料筒２をガス供給式燃料筒２０とした以外は同じ構成となっている。
【００３５】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、内部にガスを通じてガス供給式燃料筒２０を冷却し燃料筒の過熱による破損を防止するとともに、成型固体燃料３の側面を冷却し成型固体燃料３未燃部の過熱および燃焼を抑制することが可能である。また、かかる構成によれば、ガス供給式燃料筒２０内を通じたガスを成型固体燃料３の側面未燃部へ供給することにより、冷却の効果および成型固体燃料３とガス供給式燃料筒２０間の間隙に高温の燃焼ガスが流入するのを防止する効果が得られ、成型固体燃料３未燃部の過熱および燃焼を抑制することが可能である。
【実施例４】
【００３６】
図５に、本発明の実施例４における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００３７】
図５において、実施例４の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃料筒２をプラズマ付加装置付燃料筒２１とした以外は同じ構成となっている。
【００３８】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、プラズマ付加装置付燃料筒２１内にプラズマ用ガス１４を通じ、プラズマ用ガス１４流路の１面あるいは２面を誘電体１５で構成し、プラズマ電源１３を接続し、誘電体によって電気的に絶縁されたプラズマ付加装置付燃料筒２１の両極間に高電圧を印加することでプラズマ付加装置付燃料筒２１内を流通するプラズマ用ガスをプラズマ化する。プラズマ付加装置付燃料筒２１内で形成されたプラズマを成型固体燃料３の燃焼部近傍へ供給することにより、成型固体燃料３の熱分解および燃焼で生成されるタールをクラッキングあるいは燃焼することで燃焼装置および熱交換装置へのタールの付着堆積、変成などを防止することが可能となる。上記プラズマを発生する手段は、誘電体バリア放電、グロー放電、マイクロ波あるいはアーク放電の何れであっても構わない。
【実施例５】
【００３９】
図６に、本発明の実施例５における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００４０】
図６において、実施例５の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃料筒２と燃料供給装置１の間に消火装置１７を設置した以外は同じ構成となっている。
【００４１】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、消火時に、成型固体燃料３を燃料供給装置１を駆動することにより燃焼室４より抜き出した後に、燃料通路を可動式空気遮断壁２４によって閉鎖することによって燃焼中の燃料を消火することが可能である。この際、燃料燃焼部を可動式空気遮断壁２４に接触させることにより冷却しても良い。また燃料燃焼部に水あるいは不活性ガスを供給することにより消火しても構わない。
【００４２】
また、上記消火装置において、成型固体燃料３を燃焼室４より抜き出した後に燃料通路を閉鎖する手段として、図７および図８に示すように、成型固体燃料３および燃料供給装置１の軸を燃料筒２の軸上から移動することにより行う方式でも構わない。図７は燃料を燃焼室４から抜き出した後の状態を、図８は成型固体燃料３および燃料供給装置１の軸を燃料筒２の軸上から移動させて燃料通路を閉鎖した後の状態を示している。
【実施例６】
【００４３】
図９は、本発明の実施例６における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００４４】
図９において、実施例６の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃焼室４内に伝熱管１８を配置した以外は同じ構成となっている。
【００４５】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、伝熱管１８を燃焼室内に配置して成型固体燃料３の燃焼面に相対することで、火炎から伝熱管内を流通する媒体への熱回収効率を大きくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図２】燃料供給装置の燃料駆動方法の概略図
【図３】本発明の実施例２における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図４】本発明の実施例３における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図５】本発明の実施例４における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図６】本発明の実施例５における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図７】燃料移動式消火装置動作図（燃料を燃焼室から抜き出した後の状態）
【図８】燃料移動式消火装置動作図（燃料通路を閉鎖した後の状態）
【図９】本発明の実施例６における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【符号の説明】
【００４７】
１ 燃料供給装置
２ 燃料筒
３ 成型固体燃料
４ 燃焼室
５ 燃焼用空気
６ パイロット燃料
７ 主火炎
８ 空気加熱装置
９ 燃焼ガス
１０ 焼却灰取出口
１１ 冷却用媒体
１２ 冷却用ガス
１３ プラズマ発生用電源
１４ プラズマ用ガス
１５ 誘電体
１６ プラズマ
１７ 消火装置
１８ 伝熱管
１９ 冷媒冷却式燃料筒
２０ ガス供給式燃料筒
２１ プラズマ付加装置付燃料筒
２２ ガイドローラー
２３ 駆動ローラー
２４ 可動式空気遮断壁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料を柱状に成型した固体燃料の燃焼装置に関し、柱状固体燃料の一端から燃料軸方向へ準一次元的に燃焼を進行させることで燃料消費速度および急速消火を任意かつ詳細に制御可能である成型固体バイオマス燃料の燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマス固体燃料として用いられている燃料形態は、バイオマスを細断したチップ、バイオマスを粉砕後に高温高圧化で成型するペレットやブリケットなどがある。
【０００３】
従来、バイオマス固体燃料の燃焼装置において、燃焼発熱速度(燃料消費速度)を制御する手段として、例えば特許文献１や特許文献２に記載の燃焼装置のように燃料投入孔からの固体燃料の投入速度を制御する、あるいは燃料搬送装置にて搬送速度を制御するなどの手段が用いられている。
【０００４】
従来、固体燃料燃焼装置において消火する手段として、例えば特許文献３に記載の燃焼装置のように燃焼炉への空気を遮断することによるものが提案されている。
【０００５】
バイオマス固体燃料の燃焼装置において、従来、燃料の熱分解、燃焼にともない発生するタール成分の燃焼室内および熱交換器内への付着堆積がこれら装置内の流れおよび伝熱を阻害するとして問題となっている。この課題を解決するため、フィルタやスクラバを用いた物理的除去処理、熱や部分酸化および触媒を用いたクラッキングなどが用いられる。例えば特許文献４に記載のタール除去装置ではタール分を酸化分解する除去方法が提案されている。また、熱分解ガス中のタールを除去する手段として、例えば特許文献５に記載のデミスターを用いたタールミスト除去方法が提案されている。さらに例えば特許文献６に記載の水蒸気およびプラズマトーチを用いたタール分の分解処理方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００５-２７４０９５
【特許文献２】特開２００８−１０７００５
【特許文献３】特開平１１−１０１４０６
【特許文献４】特開２００５−０８９５１９
【特許文献５】特開２００７−１８５５９７
【特許文献６】特開２００３−１４７３７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先行技術では、バイオマス固体燃料の燃料消費速度は、チップやペレットあるいはブリケットなど粒状の燃料を燃焼炉へ投入する速度によってコントロールされる。しかしながら燃料を投入してから着火、燃焼に至るまでの時間遅れが燃料投入時の燃焼状態や投入速度により変化するとともに、ひとたび燃焼を開始した燃料粒の燃料消費速度は個々の燃料粒の置かれた条件により決定されるためこれを任意にコントロールすることは非常に困難である。とくに大きな燃料粒の場合、燃料を燃焼部へ投入すると燃料粒周囲全体に火炎を形成し燃料内部温度の上昇に応じた熱分解ガスが放出されるが、燃料粒内部温度の上昇速度を制御することは困難であり、且つ燃焼領域は燃料粒内部へ３次元的に進行することから燃料粒内部温度分布および熱分解量は非定常に変化する。このため大きな燃料粒では燃料消費速度の制御が困難であり、燃料投入量の最小単位も燃料粒のサイズに依存することから、燃料消費速度を任意かつ詳細に制御することは困難であった。一方、小さな燃料粒の場合においても、個々の燃料粒の燃え切り時間が短く、燃料投入を頻繁に行う必要がある、燃料が嵩張るため貯蔵や輸送に不利、燃焼装置全体のサイズが大きくなる、などの問題があった。またペレットなどの燃料粒供給を精密に制御すること自体が容易でないという問題も有していた。
【０００７】
燃料の連続的な投入に関しては、燃料搬送装置内あるいは燃料供給口で燃料が加熱されることによる炭化やタール分の固着等により燃料搬送装置あるいは燃料供給口で燃料が詰まり、スムーズな燃料供給が出来なくなるという問題を有していた。
【０００８】
固体燃料の消火に関しては、投入された燃料が燃え切るのを待つのが通常用いられる手段であり、任意の消火したいタイミングで急速に消火することが出来ず、消火するまで長い時間放置しなければならなかった。また前記の先行技術では、燃焼炉全体を空気から遮断するため密閉構造とする必要があり、構造が複雑となる、嵌合部を清浄に保つ必要がある、などの問題がある。
【０００９】
バイオマス固体燃料の燃焼装置において発生するタール成分の除去あるいはクラッキングを行う先行技術では、発生したタールを捕集装置や処理装置に導入して処理されるが、これら装置を用いる場合にはタールの輸送過程における装置への付着堆積、変成などが問題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の発明は、バイオマス原料を成型した固体燃料の燃焼装置であって、バイオマス原料を柱状に成型した固体燃料を用い、当該固体燃料の側面を覆うことで燃料側面の過熱を防止することが出来る燃料筒と、当該燃料の一端をその内部空間で燃焼させることが出来る燃焼室と、燃焼室への当該燃料の供給速度を任意に決定して供給することが出来る燃料供給装置と、当該燃料の燃焼に使用される空気の温度および流量を任意に決定し供給することが出来る送風装置と、供給される燃焼用空気を加熱して当該燃料を着火させることが出来る空気加熱装置と、当該燃料の燃焼によって発生する焼却灰を除去し回収する焼却灰取出口を備え、当該固体燃料の一端から燃料軸方向へ準一次元的に燃焼を進行させることが出来ることを特徴とする、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。ここで「防止等することが出来る」としたのは、防止の使用目的に対して使用することができるとの意味であり、以下についても「使用目的に対して使用することができる」と同じ意味である。
【００１１】
本発明の第２の発明は、前記燃料側面の過熱および燃焼を防止する手段が、内部に冷却用媒体を通して燃料側面を冷却することが出来る燃料筒からなる、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１２】
本発明の第３の発明は、前記燃料側面の過熱および燃焼を防止する手段が、燃料と燃料筒間の未燃燃料部へ流量を任意に決定した冷却用ガスを供給することである、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１３】
本発明の第４の発明は、燃焼装置で発生するタールのクラッキングの手段として、燃料筒に誘電体を配置してプラズマ発生用高電圧電源から電圧を供給するとともにプラズマ用ガスを供給して燃料筒内でプラズマを発生して燃焼室内の燃焼部近傍にプラズマジェットを供給可能なプラズマ発生装置を具備する、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１４】
本発明の第５の発明は、燃焼装置の急速消火の手段として、固体燃料の燃焼位置より燃料側の位置に燃料を燃料供給装置にて燃焼室内より退避させた後に、燃料と燃焼室との空気の流通を遮断する可動式空気遮断壁を有し、可動式空気遮断壁全閉後に燃料の燃焼部を消火させることのできる消火装置を具備する、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１５】
本発明の第６の発明は、前記燃焼装置の急速消火の手段として、固体燃料の燃焼位置より燃料側の位置に、燃料の燃焼部を切断、分離することにより消火させることの出来る切断装置を具備する、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１６】
本発明の第７の発明は、運転条件（燃料供給速度、供給空気流量、燃料筒冷却媒体流量、燃料側面冷却ガス流量、プラズマ用ガス流量、プラズマ発生電力量など）を任意に制御する手段として、燃焼ガス温度を検知して運転条件を決定する運転制御装置を具備する、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【００１７】
本発明の第８の発明は、燃焼負荷を増大させる手段として、前記燃料筒を同一の燃焼室内に複数個配置することで最大燃焼負荷を増大させることが出来る成型固体バイオマス燃料の燃焼装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置によれば、柱状に成型されたバイオマス固体燃料未燃部側面の過熱を抑制することにより、固体燃料側面未燃部の炭化やタール放出を防ぎ燃料供給装置内での燃料の固着を抑制することが出来るため、スムーズかつ連続的な燃料供給を行うことが可能である。
また、柱状に成型されたバイオマス固体燃料一端から準一次元的に燃焼させることを可能とし、燃料供給速度ひいては燃料消費速度を燃料の送り出し速度および供給空気条件で任意かつ詳細に制御することが可能である。
【００１９】
本発明の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置によれば、燃焼部近傍にプラズマを供給して燃料の熱分解および燃焼から発生するタールを分解することにより、装置への付着堆積、変成などによる流路の閉塞および熱交換器伝熱効率の低下を防ぐことが出来る。
【００２０】
本発明の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置によれば、燃焼継続中の燃料燃焼部を任意のタイミングに急速消火することができる。
【実施例】
【００２１】
以下に、本発明の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の実施の形態を図面とともに説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の実施例１における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、柱状に成型された固体バイオマス燃料３を燃焼装置燃焼室４へ徐々に送り入れるあるいは抜き出すことが出来る燃料供給装置１と、成型固体燃料の側面を覆い且つ固体燃料の燃焼室への出し入れをガイドする燃料筒２と、固体燃料の燃焼に使われる燃焼用空気５を燃焼室４へ供給する空気取入れ口と、燃焼用空気５を固体燃料３へ供給する以前に所定の温度まで加熱することが出来る空気加熱装置８と、燃焼室４内で燃焼した燃焼ガス９を排出する燃焼ガス排出口と、固体燃料の燃焼によって燃料から脱離排出される焼却灰を捕獲し取り除くことが出来る焼却灰取出口１０とから構成される。
【００２３】
図2は、本発明の実施例１における燃料供給装置１の燃料駆動方法の概略図を示す。成型固体燃料３の側面に接し燃料移動時のガイドとなる回転可能なガイドローラー２２と、駆動モーターへ接続され燃料を移動せしめることが可能な少なくとも１個の駆動ローラー２３を備える。駆動ローラー２３はガイドローラー２２を兼ねても良い。駆動ローラーの正転および逆転により、あるいは複数の駆動ローラーにより固体燃料の燃焼室内への出し入れをコントロールすることが可能である。成型固体燃料３の両側に配したローラー軸には、ローラーと燃料との摩擦力増大のため成型固体燃料中心軸側へ押しつける力を作用させても良い。成型固体燃料３の形状をラック形状に成型し、ローラーをピニオン形状として、ラック＆ピニオンによる駆動力伝達方式としても構わない。
【００２４】
図１の燃料筒２では、成型固体燃料３と燃料筒２の間の隙間を小さくすることにより当該部位への高温の燃焼ガスの流入を抑制し、成型固体燃料３未燃部の過熱および燃焼を抑制することが可能である。
【００２５】
燃焼用空気５は、着火あるいは燃焼負荷に応じた流量の空気が燃焼室４に供給される。
【００２６】
図１の空気加熱装置８では、燃焼室内へ供給される燃焼用空気５を加熱して所定の流量および温度の空気を形成した後、成型固体燃料３へ供給することが出来る。燃焼用空気５を昇温して成型固体燃料３へ供給することにより燃料への着火を行うことが可能である。
【００２７】
上記燃料供給装置１による成型固体燃料３の燃焼室４への供給速度、燃焼室４に供給する燃焼用空気５流量および空気加熱装置８により設定される空気温度により、成型固体バイオマス燃料燃焼装置の燃料消費速度および燃焼負荷をコントロールすることが可能である。
【００２８】
燃焼室４で形成された高温の燃焼ガス９を熱交換器へ送出して熱回収することにより、燃焼装置で発生した熱エネルギーを取り出すことが可能である。
【００２９】
図１の焼却灰取出口１０では、成型固体燃料３燃焼部下方に焼却灰を貯留できる空間を設けるとともに焼却灰排出時に燃焼室内と外界を隔離する隔壁を設けて隔壁の開閉および焼却灰取出口１０の開閉を行うことにより、成型固体燃料３から脱離排出される焼却灰を貯留し、また任意のタイミングで排出することが可能である。
【実施例２】
【００３０】
図３に、本発明の実施例２における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００３１】
図３において、実施例２の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃料筒２を冷媒冷却式燃料筒１９とした以外は同じ構成となっている。
【００３２】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、内部に冷却用媒体１１を通じ冷媒冷却式燃料筒１９を冷却することにより、燃料筒の過熱による破損を防止することが出来るとともに、成型固体燃料３の側面を冷却し成型固体燃料３未燃部の過熱および燃焼を抑制することが可能である。
【実施例３】
【００３３】
図４に、本発明の実施例３における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００３４】
図４において、実施例３の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃料筒２をガス供給式燃料筒２０とした以外は同じ構成となっている。
【００３５】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、内部にガスを通じてガス供給式燃料筒２０を冷却し燃料筒の過熱による破損を防止するとともに、成型固体燃料３の側面を冷却し成型固体燃料３未燃部の過熱および燃焼を抑制することが可能である。また、かかる構成によれば、ガス供給式燃料筒２０内を通じたガスを成型固体燃料３の側面未燃部へ供給することにより、冷却の効果および成型固体燃料３とガス供給式燃料筒２０間の間隙に高温の燃焼ガスが流入するのを防止する効果が得られ、成型固体燃料３未燃部の過熱および燃焼を抑制することが可能である。
【実施例４】
【００３６】
図５に、本発明の実施例４における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００３７】
図５において、実施例４の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃料筒２をプラズマ付加装置付燃料筒２１とした以外は同じ構成となっている。
【００３８】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、プラズマ付加装置付燃料筒２１内にプラズマ用ガス１４を通じ、プラズマ用ガス１４流路の１面あるいは２面を誘電体１５で構成し、プラズマ電源１３を接続し、誘電体によって電気的に絶縁されたプラズマ付加装置付燃料筒２１の両極間に高電圧を印加することでプラズマ付加装置付燃料筒２１内を流通するプラズマ用ガスをプラズマ化する。プラズマ付加装置付燃料筒２１内で形成されたプラズマを成型固体燃料３の燃焼部近傍へ供給することにより、成型固体燃料３の熱分解および燃焼で生成されるタールをクラッキングあるいは燃焼することで燃焼装置および熱交換装置へのタールの付着堆積、変成などを防止することが可能となる。上記プラズマを発生する手段は、誘電体バリア放電、グロー放電、マイクロ波あるいはアーク放電の何れであっても構わない。
【実施例５】
【００３９】
図６に、本発明の実施例５における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００４０】
図６において、実施例５の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃料筒２と燃料供給装置１の間に消火装置１７を設置した以外は同じ構成となっている。
【００４１】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、消火時に、成型固体燃料３を燃料供給装置１を駆動することにより燃焼室４より抜き出した後に、燃料通路を可動式空気遮断壁２４によって閉鎖することによって燃焼中の燃料を消火することが可能である。この際、燃料燃焼部を可動式空気遮断壁２４に接触させることにより冷却しても良い。また燃料燃焼部に水あるいは不活性ガスを供給することにより消火しても構わない。
【００４２】
また、上記消火装置において、成型固体燃料３を燃焼室４より抜き出した後に燃料通路を閉鎖する手段として、図７および図８に示すように、成型固体燃料３および燃料供給装置１の軸を燃料筒２の軸上から移動することにより行う方式でも構わない。図７は燃料を燃焼室４から抜き出した後の状態を、図８は成型固体燃料３および燃料供給装置１の軸を燃料筒２の軸上から移動させて燃料通路を閉鎖した後の状態を示している。
【実施例６】
【００４３】
図９は、本発明の実施例６における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図を示す。
【００４４】
図９において、実施例６の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、実施例１の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の構成と比べて、燃焼室４内に伝熱管１８を配置した以外は同じ構成となっている。
【００４５】
かかる構成によれば、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置は、伝熱管１８を燃焼室内に配置して成型固体燃料３の燃焼面に相対することで、火炎から伝熱管内を流通する媒体への熱回収効率を大きくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図２】燃料供給装置の燃料駆動方法の概略図
【図３】本発明の実施例２における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図４】本発明の実施例３における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図５】本発明の実施例４における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図６】本発明の実施例５における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【図７】燃料移動式消火装置動作図（燃料を燃焼室から抜き出した後の状態）
【図８】燃料移動式消火装置動作図（燃料通路を閉鎖した後の状態）
【図９】本発明の実施例６における成型固体バイオマス燃料の燃焼装置の断面図
【符号の説明】
【００４７】
１ 燃料供給装置
２ 燃料筒
３ 成型固体燃料
４ 燃焼室
５ 燃焼用空気
６ パイロット燃料
７ 主火炎
８ 空気加熱装置
９ 燃焼ガス
１０ 焼却灰取出口
１１ 冷却用媒体
１２ 冷却用ガス
１３ プラズマ発生用電源
１４ プラズマ用ガス
１５ 誘電体
１６ プラズマ
１７ 消火装置
１８ 伝熱管
１９ 冷媒冷却式燃料筒
２０ ガス供給式燃料筒
２１ プラズマ付加装置付燃料筒
２２ ガイドローラー
２３ 駆動ローラー
２４ 可動式空気遮断壁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス原料を成型した固体燃料の燃焼装置であって、バイオマス原料を柱状に成型した固体燃料を用い、当該固体燃料の側面を覆うことで燃料側面の過熱を防止することが出来る燃料筒と、当該燃料の一端をその内部空間で燃焼させることが出来る燃焼室と、燃焼室への当該燃料の供給速度を任意に決定して供給することが出来る燃料供給装置と、当該燃料の燃焼に使用される空気の流量を任意に決定し供給することが出来る送風装置と、供給される燃焼用空気を加熱して任意の温度に設定することが出来る空気加熱装置と、当該燃料の燃焼によって発生する焼却灰を除去し回収する焼却灰取出口を備え、当該固体燃料の一端から燃料軸方向へ準一次元的に燃焼を進行させることが出来ることを特徴とする、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項２】
前記燃料筒内部に冷却用媒体を通して燃料筒を冷却することにより燃料側面の過熱および燃焼を防止することが出来ることを特徴とする、請求項１に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項３】
前記固体燃料と燃料筒間の未燃燃料部へ、流量を任意に決定した冷却用ガスを供給することで燃料側面の過熱および燃焼を防止することが出来ることを特徴とする、請求項１または２に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項４】
前記燃料筒に誘電体を配置しプラズマ発生用高電圧電源から電圧を供給するとともにプラズマ用ガスを供給して燃料筒内でプラズマを発生して燃焼室内の燃焼部近傍にプラズマジェットを供給可能なプラズマ発生装置を具備することを特徴とする、請求項１〜３に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項５】
前記固体燃料の燃焼位置より燃料側の位置に、燃料を燃料供給装置にて燃焼室内より退避させた後に燃料と燃焼室との空気の流通を遮断する可動式空気遮断壁を有し、可動式空気遮断壁全閉後に燃料の燃焼部を消火させることのできる消火装置を具備することを特徴とする、請求項１〜４に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項６】
前記固体燃料の燃焼位置より燃料側の位置に、燃料の燃焼部を切断、分離することにより消火させることの出来る切断装置を具備することを特徴とする、請求項１〜５に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項７】
燃焼ガス温度を検知して運転条件（燃料供給速度、供給空気流量、燃料筒冷却媒体流量、燃料側面冷却ガス流量、プラズマ用ガス流量、プラズマ発生電力量、加熱空気温度、消火装置作動、熱交換器流動媒体流量）を任意に制御可能である運転制御装置を具備することを特徴とする、請求項１〜６に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項８】
請求項１〜４に記載の燃料筒を同一の燃焼室内に複数個配置することを特徴とする成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項１】
バイオマス原料を成型した固体燃料の燃焼装置であって、バイオマス原料を柱状に成型した固体燃料を用い、当該固体燃料の側面を覆うことで燃料側面の過熱を防止することが出来る燃料筒と、当該燃料の一端をその内部空間で燃焼させることが出来る燃焼室と、燃焼室への当該燃料の供給速度を任意に決定して供給することが出来る燃料供給装置と、当該燃料の燃焼に使用される空気の流量を任意に決定し供給することが出来る送風装置と、供給される燃焼用空気を加熱して任意の温度に設定することが出来る空気加熱装置と、当該燃料の燃焼によって発生する焼却灰を除去し回収する焼却灰取出口を備え、当該固体燃料の一端から燃料軸方向へ準一次元的に燃焼を進行させることが出来ることを特徴とする、成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項２】
前記燃料筒内部に冷却用媒体を通して燃料筒を冷却することにより燃料側面の過熱および燃焼を防止することが出来ることを特徴とする、請求項１に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項３】
前記固体燃料と燃料筒間の未燃燃料部へ、流量を任意に決定した冷却用ガスを供給することで燃料側面の過熱および燃焼を防止することが出来ることを特徴とする、請求項１または２に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項４】
前記燃料筒に誘電体を配置しプラズマ発生用高電圧電源から電圧を供給するとともにプラズマ用ガスを供給して燃料筒内でプラズマを発生して燃焼室内の燃焼部近傍にプラズマジェットを供給可能なプラズマ発生装置を具備することを特徴とする、請求項１〜３に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項５】
前記固体燃料の燃焼位置より燃料側の位置に、燃料を燃料供給装置にて燃焼室内より退避させた後に燃料と燃焼室との空気の流通を遮断する可動式空気遮断壁を有し、可動式空気遮断壁全閉後に燃料の燃焼部を消火させることのできる消火装置を具備することを特徴とする、請求項１〜４に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項６】
前記固体燃料の燃焼位置より燃料側の位置に、燃料の燃焼部を切断、分離することにより消火させることの出来る切断装置を具備することを特徴とする、請求項１〜５に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項７】
燃焼ガス温度を検知して運転条件（燃料供給速度、供給空気流量、燃料筒冷却媒体流量、燃料側面冷却ガス流量、プラズマ用ガス流量、プラズマ発生電力量、加熱空気温度、消火装置作動、熱交換器流動媒体流量）を任意に制御可能である運転制御装置を具備することを特徴とする、請求項１〜６に記載の成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【請求項８】
請求項１〜４に記載の燃料筒を同一の燃焼室内に複数個配置することを特徴とする成型固体バイオマス燃料の燃焼装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１６７８３４（Ｐ２０１２−１６７８３４Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７１３３（Ｐ２０１１−２７１３３）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
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