JP5437403B2

JP5437403B2 - 流体加熱装置

Info

Publication number: JP5437403B2
Application number: JP2012004635A
Authority: JP
Inventors: 勝啓立入; 博敏村田
Original assignee: Naniwa Roki Co Ltd
Current assignee: Naniwa Roki Co Ltd
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP2013145063A

Description

本発明は、流体加熱装置に関する。

従来、ガスバーナーを用いて高温の燃焼ガスを発生させて、水や空気等の被加熱流体を加熱する流体加熱装置が使用されている（特許文献１参照）。
しかし、特許文献１記載の流体加熱装置は、ＣＯ_２排出量が多く、また、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）の排出量も多く環境対策に費用がかかるデメリットがある。

近年、地球環境問題は、より一層深刻なものになっており、温室効果ガスの削減や、将来的に予想されるガスや石油等の化石燃料の枯渇を見据え、エネルギー資源の確保とクリーン且つ再生可能なエネルギーの開発が急務となっている。そこで、化石燃料の代替燃料として、バイオマス固形燃料（バイオコークス）の利用が注目を浴びている（特許文献２参照）。

特開２００１−１９３９０８号公報特許第４０８８９３３号公報

しかし、従来の流体加熱装置では、バイオマス固形燃料（バイオコークス）の利用が困難であった。なぜなら、従来の流体加熱装置は、装置内にてバイオマス固形燃料（バイオコークス）を継続燃焼させるのが難しかった。また、順次補充されて後から投入されたバイオマス固形燃料は、加熱が不十分で未燃焼状態のまま堆積していた。つまり、従来の流体加熱装置内にバイオマス固形燃料を着火した後燃焼状態で投入した場合でも、燃焼を継続させて燃焼室の温度を高温に保持するのは至難であり、燃焼室での熱交換の効率が次第に下降するという欠点があった。また、流体加熱装置内で燃え尽きたバイオマス固形燃料が粉砕されて灰となった際に、取り除くのが面倒で、メンテナンスに手間がかかるという欠点があった。

そこで、本発明は、バイオマス固形燃料（バイオコークス）の有効利用を可能として、エネルギー効率良く熱交換する流体加熱装置を提供することを目的とする。

本発明に係る流体加熱装置は、被加熱流体が流れる熱交換用管群を熱交換室内に有し、熱供給室から上記熱交換室に熱気を流して上記管群内の被加熱流体と熱交換する流体加熱装置に於て、バイオマス固形燃料を燃焼させて上記熱供給室にバイオマス燃焼熱を供給するためのバイオマス燃焼装置を備え、該バイオマス燃焼装置は、上記熱交換室及び上記熱供給室を内有する筒体に、上記熱供給室に連通する吹出口を先端部に有する筒状バーナー本体が所定の傾斜角度をもって先端下傾状として付設され、該筒状バーナー本体には、長手方向中間部から該先端部にわたって短円柱形状乃至円形盤状のバイオコークスから成るバイオマス固形燃料を収納し、かつ、該筒状バーナー本体内の上記バイオマス固形燃料を加熱して燃焼させるための加熱燃焼空気を供給する熱風供給管を、上記筒状バーナー本体に連通連結し、上記熱風供給管からの加熱燃焼空気によって、上記熱風供給管の熱風流入口から上記吹出口までの間に装填した上記バイオマス固形燃料を加熱して着火し、該バイオマス固形燃料が燃焼して、上記吹出口から上記熱供給室に吹出熱風を噴射するように構成したものである。

また、上記筒状バーナー本体の傾斜角度が、２５°〜６０°に設定されているものである。

本発明の流体加熱装置によれば、バイオマス燃焼装置にてバイオマス固形燃料を継続的に燃焼させて、確実にバイオマス燃焼熱を供給でき、熱交換室を安定して高温に保持できる。

本発明の流体加熱装置の実施の一形態を示した断面正面図である。本発明の流体加熱装置を示した断面側面図である。バイオマス固形燃料を示した斜視図であって、（ａ）はバイオマス固形燃料の一例を示した斜視図であり、（ｂ）はバイオマス固形燃料の他の例を示した斜視図である。本発明の流体加熱装置の他の実施形態を示した断面正面図である。本発明の流体加熱装置の別の実施形態を示した断面正面図である。

以下、実施の形態を示す図面に基づき本発明を詳説する。
図１と図２に示すように、本発明の流体加熱装置は、被加熱流体Ｆが流れる熱交換用管群２を熱交換室１内に有し、熱供給室５から熱交換室１に熱気を流して管群２内の被加熱流体Ｆと熱交換する流体加熱装置に於て、バイオマス固形燃料Ｂを燃焼させて熱供給室５にバイオマス燃焼熱を供給するためのバイオマス燃焼装置３を備えている。
熱交換室１に於て、熱供給室５からの熱気が熱流動方向Ａに流れており、熱交換用管群２の隙間を熱気が通ることにより内部に流通する被加熱流体Ｆが加熱されるように構成している。本発明の流体加熱装置は、被加熱流体Ｆとして、水や空気等を利用でき、図１では、熱交換室１内の熱交換用管群２の下半部に水を流し、熱交換室１内の熱交換用管群２の上半部に空気を流すハイブリッド型の多管式熱交換器４を具備している。

バイオマス燃焼装置３は、熱供給室５に連通する吹出口１８を先端部３Ａに有すると共に長手方向中間部３Ｂから先端部３Ａにわたってバイオマス固形燃料Ｂを収納するための筒状バーナー本体３１を備え、筒状バーナー本体３１内のバイオマス固形燃料Ｂを加熱して燃焼させるための加熱燃焼空気Ｈを供給する熱風供給管３２を、筒状バーナー本体３１の中間部３Ｂの先端部３Ａ近傍に連通連結している。
バイオマス燃焼装置３の先端部３Ａは、短寸肉厚円筒形状の耐火物から成る。バイオマス燃焼装置３は、筒状バーナー本体３１内部に、バイオマス固形燃料Ｂが圧潰しないように保持している。熱風供給管３２は、ヒーター３２Ａを有し、ブロワ３９から供給される空気を３００℃〜７００℃に加熱して、バイオマス固形燃料Ｂ燃焼継続用の加熱燃焼空気Ｈとして筒状バーナー本体３１に供給している。この熱風供給管３２から供給される加熱燃焼空気Ｈの温度が３００℃未満ならば、バイオマス固形燃料Ｂが確実に燃焼しない虞れがあり、好ましくは、４５０℃〜６００℃に設定するのが良い。

バイオマス燃焼装置３は、熱風供給管３２よりも基端部３Ｃ側にバイオマス固形燃料Ｂを補給するための燃料投入筒部３３を連通連結している。燃料投入筒部３３は、第１投入弁２１と、第２投入弁２２を有している。、第１投入弁２１と第２投入弁２２は、交互に開閉するように設定され、筒状バーナー本体３１内の熱気の逆流を防止しつつバイオマス固形燃料Ｂを間欠的に筒状バーナー本体３１内に送り込めるように構成されている。
また、バイオマス燃焼装置３は、基端部３Ｃの燃料投入筒部３３から補給されたバイオマス固形燃料Ｂを先端部３Ａ側に押し込むと共に中間部３Ｃにバイオマス固形燃料Ｂが所定量残留しているか否かを検知するための押込み手段３４を有している。
バイオマス燃焼装置３は、筒状バーナー本体３１にバイオマス固形燃料Ｂの燃焼に利用される空気を常温のまま供給するための送風管３５を、熱風供給管３２近傍に連通連結している。送風管３５は、ブロワ３９に連結され、送風管３５とブロワ３９との間には、風量調整バルブが設けられている。

バイオマス燃焼装置３は、先端部３Ａの吹出口１８に、蓋部材３８を取り付けている。蓋部材３８は、吹出口１８から噴射する吹出熱風Ｗを通過させるための格子状窓部を有している。格子状窓部の目は、縦横の間隔寸法が、３０ｍｍ以下に設定されている。格子状窓部の縦横の間隔寸法が、３０ｍｍを越えると、十分に燃焼しないまま吹出口１８から排出されるバイオマス固形燃料Ｂの量が多くなり、バイオマス燃焼装置３の燃焼効率が低下する虞れがある。

バイオマス固形燃料Ｂは、植物由来のバイオマス原料を高圧で圧縮すると共に所定温度に加熱して高硬度に結合させた短円柱形状乃至円形盤状のバイオコークスから成る。
バイオマス固形燃料Ｂの原料としては、例えば、木屑、飲料カス、豆腐オカラ、焼酎カス、牛糞、鶏糞、豚糞、バイオマス系廃棄物（ＲＰＦ，ＲＤＦ）を利用することができる。バイオマス固形燃料Ｂは、これらの原料をシリンダー型の金型内に入れて高圧で圧縮しつつ所定温度に加熱することで、主要成分であるセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの化学結合を変化させて高硬度に結合させて、固形燃料（バイオコークス）とされている。なお、バイオマス固形燃料Ｂは、炭化していない。
具体的には、図３（ａ）（ｂ）に示すように、バイオマス固形燃料Ｂは、直径Ｄ_１が、２０ｍｍ〜１２０ｍｍに設定され、長さ寸法Ｌ_１が、３０ｍｍ〜２００ｍｍに設定されている。好ましくは、図３（ａ）に示すように、バイオマス固形燃料Ｂの直径Ｄ_１が、８０ｍｍ〜１２０ｍｍに設定され、長さ寸法Ｌ_１が、３０ｍｍ〜５０ｍｍに設定されているのが好適である。なお、本発明に於て、図３（ａ）に示すように、バイオマス固形燃料Ｂの直径Ｄ_１が、８０ｍｍ〜１２０ｍｍに設定され、長さ寸法Ｌ_１が、３０ｍｍ〜５０ｍｍに設定されたものを円形盤状とし、図３（ｂ）に示すように、直径Ｄ_１が、２０ｍｍ以上でかつ８０ｍｍより小さく設定され、長さ寸法Ｌ_２が、５０ｍｍより大きく２００ｍｍ以下に設定されたものを短円柱形状（丸太状）とする。

バイオマス固形燃料Ｂは、燃焼により発生するＣＯ_２が光合成により同量吸収されるため、ＣＯ_２排出量を増加させないカーボンニュートラルな性質を有している。また、硫黄分をほとんど含まないので硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）の排出がなく、環境に優しい燃料である。バイオマス固形燃料Ｂは、化学式Ｃ_ｎＨ_ｍＯ_ｐで示され、石炭や石油等のＣＯ_２を多く排出する化石燃料に匹敵する発熱量を有している。バイオマス固形燃料Ｂは、常温〜２５０℃までは、加熱されるのみで発熱反応は生じない。２５０℃〜６００℃位までは、熱分解によるガス化でＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２を発生しながら発熱する。バイオマス固形燃料Ｂは、６００℃以上の高温下に於て、固体表面反応して燃焼して、大きな熱量を得ることができる。つまり、バイオマス固形燃料Ｂは、６００℃以上の雰囲気に於て、化石燃料の代替燃料としての真価を発揮する。

バイオマス燃焼装置３は、熱交換室１及び熱供給室５を内有する筒体１０に、筒状バーナー本体３１を所定の傾斜角度θをもって先端下傾状として付設され、その傾斜角度θが、２５°〜６０°に設定されている。
図１では、バイオマス燃焼装置３は、縦型に設置された筒体１０の側壁部１５に突設された取付用筒部１５Ａに取付けられている。筒体１０の取付用筒部１５Ａには、貫通孔部１６が設けられ、バイオマス燃焼装置３から噴射される高温の吹出熱風Ｗを、貫通孔部１６を通じて熱供給室５に導入できるように形成されている。
筒状バーナー本体３１の傾斜角度θが、２５°未満ならば、バイオマス固形燃料Ｂの送りがスムーズに行われず途中で詰まってしまう虞れがあり、６０°を越えると、ガス化終了後のバイオマス固形燃料Ｂに過度の圧縮荷重がかかり崩壊（圧潰）してしまう虞れがある。より好ましくは、３５°〜４０°に設定するのが好適である。なお、本発明に於て、「傾斜角度θ」とは、水平線Ｈ_０に対して、筒状バーナー本体３１の軸心線Ｌ_０が成す角度をいうものとする（図１参照）。

上述した本発明の流体加熱装置の使用方法（作用）について説明する。
図１に示すように、バイオマス燃焼装置３の内部でバイオマス固形燃料Ｂを燃焼させてバイオマス燃焼熱を発生させ、吹出口１８から噴射される吹出熱風Ｗと伴にバイオマス燃焼熱を熱供給室５に供給する。バイオマス燃焼装置３に於て、バイオマス固形燃料Ｂは、熱風供給管３２からの高温（３００℃〜７００℃）の加熱燃焼空気Ｈによって着火され、燃焼する。バイオマス固形燃料Ｂは、１６００℃〜２０００℃の火炎温度をもって燃焼し、吹出口１８からは４００℃〜１５００℃の吹出熱風Ｗが噴射される。なお、バイオマス固形燃料Ｂの着火には、電気ヒーターや補助バーナー等を用いても良い。

バイオマス燃焼装置３は、所定の傾斜角度θをもって下傾しているため、後から補給されるバイオマス固形燃料Ｂが自重によりコロコロと転がって先端部３Ａ側に順次送られてくる。あるいは、押込み手段３４によって、バイオマス固形燃料Ｂを先端部３Ａ側に押し込んで順次搬送するも良い。バイオマス固形燃料Ｂは、燃焼するのに伴って崩壊し消費され、押込み手段３４によってバイオマス燃焼装置３の中間部３Ｂにバイオマス固形燃料Ｂが所定量収納されていないことを検知すると、燃料投入筒部３３からバイオマス固形燃料Ｂの補給を受けて、（自動的に）先端部３Ａ側に搬送される。順次補充されて後から投入されたバイオマス固形燃料Ｂは、熱風供給管３２からの加熱燃焼空気Ｈにより着火して燃焼し、バイオマス燃焼装置３の内部で適正量のバイオマス固形燃料Ｂが燃焼を継続している状態を維持する。こうして、バイオマス燃焼装置３は、熱供給室５に供給するバイオマス燃焼熱を高温に保持することが可能である。

次に、本発明の流体加熱装置の他の実施形態について説明する。
図４では、熱交換室１に於て、熱供給室５からの熱気は、互いに平行な管状の通路１９を熱流動方向Ａに向けて流れており、天井部のファンにより熱流動方向Ａに交差する方向に風を送って、空気から成る被加熱流体Ｆと熱供給室５からの熱気との間で熱交換する温風熱交換器１４を具備し、バイオマス固形燃料Ｂを燃焼させて熱供給室５にバイオマス燃焼熱を供給するためのバイオマス燃焼装置３を備えている。

図５に示すように、本発明の流体加熱装置の別の実施形態は、水から成る被加熱流体Ｆが流れる螺旋状管部材２０を熱交換室１内に有し、熱供給室５から熱交換室１に熱気を流して、被加熱流体Ｆと熱供給室５からの熱気との間で熱交換する温水熱交換器１７を具備し、バイオマス固形燃料Ｂを燃焼させて熱供給室５にバイオマス燃焼熱を供給するためのバイオマス燃焼装置３を備えている。

なお、本発明は、設計変更可能であって、例えば、バイオマス燃焼装置３は、熱風供給管３２よりも先端部３Ａ側に燃料投入筒部３３を配設しても良い（図示省略）。また、押込み手段３４は、傾斜角度θを大として、省略しても良い。

以上のように、本発明に係る流体加熱装置は、被加熱流体Ｆが流れる熱交換用管群２を熱交換室１内に有し、熱供給室５から熱交換室１に熱気を流して管群２内の被加熱流体Ｆと熱交換する流体加熱装置に於て、バイオマス固形燃料Ｂを燃焼させて熱供給室５にバイオマス燃焼熱を供給するためのバイオマス燃焼装置３を備えたので、バイオマス燃焼装置３にてバイオマス固形燃料Ｂを継続的に燃焼させて、確実にバイオマス燃焼熱を熱供給室５に供給でき、熱交換室１を安定して高温に保持できる。

また、バイオマス燃焼装置３は、熱供給室５に連通する吹出口１８を先端部３Ａに有すると共に長手方向中間部３Ｂから先端部３Ａにわたってバイオマス固形燃料Ｂを収納するための筒状バーナー本体３１を備え、筒状バーナー本体３１内のバイオマス固形燃料Ｂを加熱して燃焼させるための加熱燃焼空気Ｈを供給する熱風供給管３２を、筒状バーナー本体３１の中間部３Ｂの先端部３Ａ近傍に連通連結しているので、バイオマス固形燃料Ｂを適正な温度で加熱して確実に燃焼させることができ、バイオマス燃焼装置３内でバイオマス固形燃料Ｂを継続的に燃焼させることができる。また、吹出口１８から噴射される吹出熱風Ｗを安定して高温に保持することができる。特に、加熱燃焼空気Ｈの温度を４５０℃〜６００℃に設定すれば、バイオマス固形燃料Ｂを確実に着火させ、バイオマス燃焼熱を有効利用できる。

また、バイオマス固形燃料Ｂは、植物由来のバイオマス原料を高圧で圧縮すると共に所定温度に加熱して高硬度に結合させた短円柱形状乃至円形盤状のバイオコークスから成るので、石炭や石油等のＣＯ_２を多く排出する化石燃料に匹敵する発熱量を有し、かつ、カーボンニュートラルな性質であるためＣＯ_２排出量を増加させることがなく、また、硫黄分をほとんど含まないので硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）の排出がなく、化石燃料の代替燃料として地球環境の保全に貢献できる。

また、バイオマス燃焼装置３は、熱交換室１及び熱供給室５を内有する筒体１０に、筒状バーナー本体３１を所定の傾斜角度θをもって先端下傾状として付設され、その傾斜角度θが、２５°〜６０°に設定されているので、バイオマス固形燃料Ｂに過度の圧縮荷重をかけて崩壊させることなく燃焼させることができ、かつ、バイオマス固形燃料Ｂをスムーズに送ることができる。

１熱交換室
２熱交換用管群
３バイオマス燃焼装置
３Ａ先端部
３Ｂ中間部
５熱供給室
１０筒体
１８吹出口
３１筒状バーナー本体
３２熱風供給管
Ｆ被加熱流体
Ｂバイオマス固形燃料
Ｈ加熱燃焼空気
θ 傾斜角度
Ｗ吹出熱風

Claims

被加熱流体（Ｆ）が流れる熱交換用管群（２）を熱交換室（１）内に有し、熱供給室（５）から上記熱交換室（１）に熱気を流して上記管群（２）内の被加熱流体（Ｆ）と熱交換する流体加熱装置に於て、
バイオマス固形燃料（Ｂ）を燃焼させて上記熱供給室（５）にバイオマス燃焼熱を供給するためのバイオマス燃焼装置（３）を備え、
該バイオマス燃焼装置（３）は、上記熱交換室（１）及び上記熱供給室（５）を内有する筒体（１０）に、上記熱供給室（５）に連通する吹出口（１８）を先端部（３Ａ）に有する筒状バーナー本体（３１）が所定の傾斜角度（θ）をもって先端下傾状として付設され、該筒状バーナー本体（３１）には、長手方向中間部（３Ｂ）から該先端部（３Ａ）にわたって短円柱形状乃至円形盤状のバイオコークスから成るバイオマス固形燃料（Ｂ）を収納し、かつ、該筒状バーナー本体（３１）内の上記バイオマス固形燃料（Ｂ）を加熱して燃焼させるための加熱燃焼空気（Ｈ）を供給する熱風供給管（３２）を、上記筒状バーナー本体（３１）に連通連結し、
上記熱風供給管（３２）からの加熱燃焼空気（Ｈ）によって、上記熱風供給管（３２）の熱風流入口から上記吹出口（１８）までの間に装填した上記バイオマス固形燃料（Ｂ）を加熱して着火し、該バイオマス固形燃料（Ｂ）が燃焼して、上記吹出口（１８）から上記熱供給室（５）に吹出熱風（Ｗ）を噴射するように構成したことを特徴とする流体加熱装置。
上記筒状バーナー本体（３１）の傾斜角度（θ）が、２５°〜６０°に設定されている請求項１記載の流体加熱装置。