JP6504549B2 - 低温サイロ乾燥装置 - Google Patents

Description

本発明は生成する物質の燃料比、すなわち固定炭素の揮発分に対する比が植物由来の物質に相当する、例えば木質チップをガス化処理する熱分解炉、例えばロータリーキルンの発生ガス余熱を利用する乾燥装置に関する。代表的な処理対象物に生木や林地残材から加工した木質チップ、通気性を阻害しない程度に裁断加工された樹皮があげられる。
水分を多く含むことなどにより発熱量の面から低質な可燃物質についても適用できる。

従来、生成する物質の燃料比すなわち固定炭素の揮発分に対する比が植物由来の物質に相当する処理物、例えば代表的にはバイオマスがあり、それら処理物をガス化処理する前処理として処理物を乾燥し、ガス化処理用熱分解炉、例えばガス化ロータリーキルンのガス化効率を上昇させることが重要である。
この乾燥炉の形式としては、
ガス化処理する熱分解炉の発生ガスと熱交換された非特許文献１に示す高温温風を熱源とするロータリーキルン式乾燥炉が一般的に知られている。

O-110 石炭火力微粉炭ボイラに混焼可能な新規バイオマス固形燃料の研究開発 日本製紙株式会社 小野裕司

背景技術のロータリーキルン式乾燥炉は従来から最も一般的に使用される乾燥炉である。しかしバイオマスのような可燃性物質の乾燥には内部発火という懸念が常に存在し、留意が必要である。
乾燥効率からは乾燥炉の温度効率を上げる観点から、乾燥熱源の温風温度を上げることが要求される。
しかしバイオマス原料、代表的には木質チップには破断屑としての微粒の木質粉が含有される。この微粒粉は乾燥を早期に終了し、また微粒の特性から装置内にデポジットを構成しやすい。
この結果、温風により発火する過程を取りやすい。従って装置内には微粒粉の堆積するデポジット部をなくすことが重要になる。
この課題が現実的には非常に困難であり、乾燥炉の課題となっている。

請求項１記載の本発明によると、生成する物質の燃料比、すなわち固定炭素の揮発分に対する比が植物由来の物質に相当する、例えば木質チップの湿潤原料の乾燥装置において、その原料を処理する熱処理炉の発生ガス廃熱を利用する廃熱回収熱交換器から得られた加熱空気、または燃料によって加熱された熱風に希釈空気を加えることにより乾燥用温風を低温化し、かつ増風し、当該低温温風を湿潤原料の貯槽下部から吹き込む構成要素と、当該貯槽の出口排風の湿度変化を計測し、その湿度変化により、減率乾燥域に至ったときかまたは、出口排風の湿度変化により計測される累積蒸発水分量が基準値に達したときかまたは、計画乾燥時間を経過したとき、温風送風を停止し、かつ排風弁を閉鎖し、複数設けた貯槽の、他の貯槽へ温風送風を切り替える構成要素によって構成されることを特徴とし、複数の貯槽へ乾燥済み原料を貯蔵することにより、湿潤原料入荷量の変動があっても安定して乾燥原料を熱処理炉に供給することができる。
木質系可燃物の自然発火温度は一般的には１５０℃以上とされている。
本発明では大気温度に比較して最大４０℃程度の昇温した低温の温風を用いて、自然発火を防止している。

請求項２記載の本発明によると、
排風中の一酸化炭素および二酸化炭素を計測し、そのいずれかについて有意の上昇を検出したとき、または出口排風の温度変化を計測し、有意の上昇を計測したとき、第一操作として、除塵器に繋がる、温風の排気機能を有する排風弁は開、および膨張して、滞留する貯槽内ガスを直接大気に放散する機能を有する放散弁は閉の通常乾燥運転状態のままで、貯留物循環搬送装置により、当該貯槽貯留物を循環させ、その自己消火効果、すなわち排風中の一酸化炭素濃度、または二酸化炭素濃度の低下効果、または排風温度の低下効果が認められないとき、第二操作として温風送風を停止し、かつ排風弁を閉鎖し、かつ放散弁を開放したのち、当該貯槽貯留物を循環させている。
すなわち長期緩慢酸化による温度上昇や酸化反応による排ガス成分すなわち一酸化炭素ガスまたは二酸化炭素ガスを検出し、自然発火に至る傾向をごく初期に検出し、サイロ貯留原料を循環し、自己消火を図っている。
またこの操作においてもなお自然発火に至る傾向が続くときは、次の対策として、温風送風を停止し、かつ排風弁を閉鎖し、かつ放散弁を開放したのち、当該貯槽貯留物を循環させ、消火操作に入る。

請求項３記載の本発明によると、
サイロは平底で、平底全面を掻き取るよう、排出機は複数の三角形断面の掻き羽根で構成された往復動レーキ式排出機または多軸スクリューコンベアであり、必要に応じて、三角形断面の掻き羽根の高さを変更するかまたは不等スクリューピッチとし、および排出部に貯留原料の急激な崩れを防止する調整可能なフラッパー板を設け、サイロ貯留物の排出時、貯留原料の水平断面において、均された降下速度を生じさせ、サイロ内においてデポジットの発生を防止できる。
一つのサイロで乾燥中、長期緩慢酸化により、温度上昇するときや、一酸化炭素または二酸化炭素を検出したときは、貯蔵原料を循環させるが、これは原料の循環により、局部的な高温部を周囲の原料自体で自己消火または自己冷却する効果を狙ったものである。
サイロ全体として原料循環が行われても、一部にデポジットが生じていると、この自己消化または自己冷却が行われないので貯留原料全て可動状態にすることが重要である。

本発明により次のことが達成可能である。
（１）本来施設の計画において、原料の貯槽は必須の設備である。貯槽に滞留中の処理物を簡単な装置の追加により、湿潤原料を乾燥原料に変換することができる。
（２）従来サイロに貯留する原料は長時間の貯留により、自然発火に至り、施設の運営に、致命的な損害を起こす可能性があったが、この発明により、安全に湿潤原料の乾燥を達成することができる。
（３）熱処理炉にシリーズに直結する乾燥機、例えばロータリーキルン乾燥炉は熱処理炉の影響をそのまま受けるために、熱処理炉の変動は、乾燥機の変動につながり、熱処理炉に不具合があったとき、その回復に相互に影響するが、サイロ型の乾燥機は熱処理炉と分離独立して設置し、長時間乾燥方式であるため、短時間の熱処理炉の変動は問題にならず、また十分な乾燥品バッファーを有するために、施設全体として安定運転が可能である。
（４）新たな乾燥専用機を設置せずに、サイロで乾燥できるために、設置スペース、設置コスト、および運転管理の点でメリットが大きい。
（５）安全に乾燥できる
乾燥は未反応核モデルに支配され、固体表層ガスの水分率勾配により自然乾燥に近い原理で乾燥が進むことにより、安全に乾燥できる。
（６）乾燥原料の性状が安定している。
約１日分の乾燥を１ロットで行い、かつ乾燥の終了をサイロ出口の湿度計または乾燥運転時間で調整できるため、熱処理炉供給原料の性状を安定させることができ、熱処理炉の出熱が安定する。

本発明に係る乾燥処理系統図を示す。 本発明に係るサイロ下部構造図を示す。（ａ）サイロ下部構造断面図を示す。（ｂ）図２（ａ）のＡ-Ａ矢視図を示す。

以下、本発明につき、図１、図２を用いて詳細に説明する。
図１は本発明に係るサイロ乾燥装置のフローを示す乾燥処理系統図である。
図２は本発明に係るサイロ下部構造図で、原料の排出および乾燥用温風の吹込みメカニズムを示す。

図１に示すように、
湿潤原料、例えば木質チップを代表とするバイオマス原料は受入ホッパ１に投入され、原料移送コンベア２、原料受入切換弁３を経由して、サイロ４に受入れられる。受入が終了したサイロはサイロ乾燥を開始する。乾燥熱源の熱風は、通常は熱処理炉の廃熱利用により得られるが、熱風が得られない運転初期には、燃料から熱風を得る。熱風は希釈空気によりミキサー１０で混合し、低温温風を得る。低温温風は入口弁１１を通り、サイロ底部と下部シュートの隙間からサイロ内に吹き込まれる。サイロ上部の排風は出口で一酸化炭素、二酸化炭素、湿度を分析し、排風弁を通って、除塵器１５で除塵されたのち大気に放風される。

乾燥の終了判断はサイロ４の出口排風の湿度変化を計測し、その湿度変化により、減率乾燥域に至ったときかまたは、出口排風の湿度変化により計測される累積蒸発水分量が基準値に達したときかまたは、計画乾燥時間を経過したとき、いずれかにより乾燥終了したと判断し、他のサイロに低温温風を切換える。
乾燥終了したサイロは、低温温風入口弁および排風弁１３を閉鎖し、排出路切換弁７ａ、７ｂを閉鎖し、放散弁１４を開放して、熱処理炉への投入待機状態に入る。

乾燥中や投入待機中において、サイロ出口の一酸化炭素濃度、または二酸化炭素濃度が有意の上昇を生じるとき、又は出口温度計が有意の上昇を示すときは、サイロ内部で、発熱反応が生じたものと判断し、湿潤原料の受入を中断し、原料受入の経路を用いて、排出路切換ダンパー７ｂを開放し、原料戻しコンベア９、受け入ホッパ１、および原料移送コンベア２を経由して原料を同一サイロに循環させ、発熱反応が生じている局部周辺を移動、攪拌し、周囲の原料により自己消火運転を行う。
乾燥中において、この操作により効果がない時は、乾燥をいったん中断し、乾燥用低温温風を遮断した状態で、前記原料循環運転を行う。

サイロは複数基設置する。図１では４基設置しているが、１基のサイロを熱処理炉１日分の容量にすれば、３日分の貯蔵余裕量が可能で、原料の入荷変動に容易に対応できる。

図２に示すように
図２ａでは、原料の下部排出部に原料崩れ防止ダンパー６を設置する。
一般的に内部摩擦抵抗の大きい物質、例えば木質チップなどの破砕雑物は粒子単独の挙動がしにくく、一体の疑似の塊で挙動する。
そのため、排出部は狭く絞る構造では、往復動レーキの推進力により、壁との間で、圧密され、排出渋滞につながる。
従って、排出口は広く、絞らない構造が望まれるが、その結果、急激な原料崩れにより、排出口上部が優先して排出され、その反対に、それ以外の貯留部は排出されにくいことになる。静止したデポジットの存在は、緩慢酸化により、原料が過熱され、発火温度に至る危険がある。
この相反する２つの状態をいずれも防止し、かつ出来るだけ安定した排出速度を維持するために、原料崩れ防止ダンパーを設置し、原料の物性に応じて、最適な絞り調整を行う。

また往復動レーキ５の掻き出し機能を担うために、断面形状が三角形で、複数のレーキ羽根１６ａ、１６ｂを設け、前進動作で、羽根前面の壁で原料を前送りし、後退動作では、後退方向に、原料を後送りしないように、緩やかな傾斜面としている。
なおこの羽根前面の壁高さを送り方向の位置によって、変化させれば、サイロ内の降下断面で、出来るだけ均された降下速度を得ることができる。
すなわち後退方向に徐々に高さを減じていくことが一般である。しかし最先端は原料崩れ効果が加わるために、高さを低く設定する。
また多軸スクリューコンベアを採用するときは、排出側に向かって、徐々にスクリューピッチを広げていけば、サイロ内の降下断面で、出来るだけ均された降下速度を得ることができる。
また一本の長ストロークのプッシャーで実用上問題ならない降下速度が達成されるときは、一本のプッシャー排出機でも構わない。

図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ-Ａ矢視を示すが、低温温風の流れを説明する。
低温温風はサイロ外殻と底部ホッパで形成される空間に吹き込まれ、その後底部ホッパ下端とサイロの底部の隙間を潜り抜けて、サイロ内原料層に流れ込む。
低温温風はサイロ床面のほぼ全面から吹き込まれることから、吹込み抵抗が少なく、またサイロ原料断面に均一な上昇流を生じさせることができる。
サイロの床面は平面であり、不必要に、底部ホッパによって絞り過ぎない構造が望まれる。
この結果、原料は棚吊り現象で、降下渋滞を起こすことなく、滑らかに排出される。

以下、本発明の実施例を図１、図２に基づいて説明する。

図１、図２は木質チップを湿潤原料として、乾燥原料からバイオマスエネルギーを取り出す目的で設置された熱処理炉の前処理装置として、貯蔵と乾燥を兼ねて設置されたサイロ乾燥装置である。
１基のサイロは熱処理炉の１日分の容量に対応する乾燥能力と貯蔵容量を持ち、従って常時３日分の貯蔵余裕量を有する。一般的に木質チップの発生は季節要因もあり、不定期で、変動が大きい。
このため、貯蔵容量については各サイトの特徴に応じて必要量が確保されるが、熱処理炉には極力性状が安定した原料の供給が望まれる。
従って、大きな変動を吸収する貯蔵には屋外ヤード又は屋内ヤード等の原始的な貯蔵がなされ、熱処理炉への原料性状の安定と、屋外における原料の荷捌き作業が休止される時等の貯蔵余裕に対しては、サイロ乾燥装置が適用される。

湿潤原料は受入ホッパ１に受入れられたのち、原料移送コンベア２により、サイロ４に供給される。供給が終了した時、他のサイロに供給を切換えるとともに、満杯のサイロから乾燥運転を開始する。
乾燥熱源は熱処理炉の廃熱または燃料であり、これらにより得られた熱風はミキサーで希釈空気によって希釈冷却され、低温温風を得る。
低温温風はサイロの底部から吹き込まれ、すなわちサイロの底部ホッパ１７ａ、１７ｂ下端とサイロ床との隙間からサイロ内に均等に吹き込まれる。この時他のサイロへの漏風を防ぐため、原料受入切換弁３、排出路切換ダンパー７ａ、７ｂは閉鎖する。

乾燥中、サイロ出口の温度計または一酸化炭素濃度または二酸化炭素濃度の測定値が有意の上昇を示したときは、湿潤原料の供給を一旦停止し、湿潤原料受入系統を用いて、当該サイロの原料を循環させる。すなわち排出路切換ダンパー７ｂを開き、受入ホッパ１に満杯まで排出する。受入ホッパ１が満杯になったら、排出路切換ダンパー７ｂを閉鎖し、原料受入切換弁を開放し、受入ホッパ１から原料移送コンベア２により、当該サイロに原料を戻す。
この操作の繰り返しにより、改善が見られないときは、いったん乾燥作業を中断し、原料の循環操作のみを続ける。この時放散弁１４は開放する。
これら操作により、万一の緩慢酸化による発火事故に対して、自己消火で対応可能である。

乾燥が終了したサイロから熱処理炉への供給は、排出路切換ダンパー７ａ、および放散弁１４を開放し、温風入口弁１１、排風弁１３、および排出路切換ダンパー７ｂを遮断し、往復動レーキ５を稼働させ、原料投入コンベア８に排出して熱処理炉に供給する。
サイロ出口に設けた原料崩れ防止ダンパー６の調整により、締込み過ぎによって発生する原料圧密による排出渋滞と開放し過ぎによって発生する急激な原料の崩れを防止する。

本特許発明は特に以下の要求に応えることができる。
（１）自然発火を起こすことなく、安全に乾燥操作ができる。
（２）乾燥原料の性状が安定する。
（３）コンパクトな乾燥設備が望ましい。
（４）消耗部品が少なく保守整備が容易である。
木質チップを代表とするバイオマスに使用される乾燥装置の他には、通気阻害を起こさない物質で、自然発火温度が高いもので、固定炭素の揮発分に対する比が大きい湿潤原料であれば、全てに適用でき、利用範囲が広い。

１…受入ホッパ ２…原料移送コンベア
３…原料受入切換弁 ４…サイロ
５…往復動レーキ ６…原料崩れ防止ダンパー
７ａ、７ｂ…排出路切換ダンパー ８…原料投入コンベア
９…原料戻しコンベア １０…ミキサー
１１…温風入口弁 １２…一酸化炭素、二酸化炭素、湿度分析計
１３…排風弁 １４…放散弁
１５…除塵器 １６ａ、１６ｂ…レーキ羽根
１７ａ、１７ｂ…底部ホッパ １８…レーキ駆動シリンダ

Claims (3)

1. 生成する物質の燃料比、すなわち固定炭素の揮発分に対する比が植物由来の物質に相当する、例えば木質チップの湿潤原料の乾燥装置において、その原料を処理する熱処理炉の発生ガス廃熱を利用する廃熱回収熱交換器から得られた加熱空気、または燃料によって加熱された熱風に希釈空気を加えることにより乾燥用温風を低温化し、かつ増風し、当該低温温風を湿潤原料の貯槽下部から吹き込む構成要素と、当該貯槽の出口排風の湿度変化を計測し、その湿度変化により、減率乾燥域に至ったときか、または出口排風の湿度変化により計測される累積蒸発水分量が基準値に達したときか、または計画乾燥時間を経過したとき、温風送風を停止し、かつ排風弁を閉鎖し、複数設けた貯槽の、他の貯槽へ温風送風を切り替える構成要素によって構成されることを特徴とし、複数の貯槽へ乾燥済み原料を貯蔵することにより、湿潤原料入荷量の変動があっても安定して乾燥原料を熱処理炉に供給することができることを特徴とする低温サイロ乾燥装置
2. 排風中の一酸化炭素および二酸化炭素を計測し、そのいずれかについて有意の上昇を検出したとき、または出口排風の温度変化を計測し、有意の上昇を計測したとき、第一操作として、除塵器に繋がる、温風の排気機能を有する排風弁は開、および膨張して、滞留する貯槽内ガスを直接大気に放散する機能を有する放散弁は閉の通常乾燥運転状態のままで、貯留物循環搬送装置により、当該貯槽貯留物を循環させ、その自己消火効果、すなわち排風中の一酸化炭素濃度、または二酸化炭素濃度の低下効果、または排風温度の低下効果が認められないとき、第二操作として温風送風を停止し、かつ排風弁を閉鎖し、かつ放散弁を開放したのち、当該貯槽貯留物を循環させることを特徴とする請求項１記載の低温サイロ乾燥装置
3. サイロは平底で、平底全面を掻き取るよう、排出機は複数の三角形断面の掻き羽根で構成された往復動レーキ式排出機または多軸スクリューコンベアであり、必要に応じて、三角形断面の掻き羽根の高さを変更するかまたは不等スクリューピッチとし、および排出部に貯留原料の急激な崩れを防止する調整可能なフラッパー板を設け、サイロ貯留物の排出時、貯留原料の水平断面において、均された降下速度を生じさせ、サイロ内においてデポジットの発生を防止することを特徴とする請求項１または２記載の低温サイロ乾燥装置