JP4816184B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、木質バイオマス燃料等を燃焼して温水ボイラ等の熱源として供給する際に用いて好適な燃焼装置に関するものである。

近年、地球温暖化防止のための二酸化炭素（ＣＯ₂）削減対策の一つとして、石炭や石油等の化石燃料に代えて、木材をチップ状やペレット状等に加工した固形の木質バイオマス燃料を用いた燃焼熱の利用が注目されている。
このような木質バイオマス燃料を用いた燃焼装置によれば、ＣＯ₂の発生量を抑制することができるのみならず、燃料自体が廉価であるために、経済性にも優れるという利点がある。

例えば、下記特許文献１においても、産業用ボイラ等において石炭代替燃料であるバイオマスを、炉本体内に供給して燃焼させる燃焼装置が開示されている。
特開２００４−３５４０３１号公報

ところで、従来のこの種の木質バイオマス燃料を用いた燃焼装置のうち、燃料下込め式のものにあっては、一般に燃焼炉の底部に上記燃料を供給するとともに、炉床となるロストル部分に形成した空気口と、両側壁に形成した空気孔とから、当該燃焼炉の上方および中心に向けて燃焼空気を噴出させることにより、上記燃料を燃焼させていた。

しかしながら、上記従来の燃焼装置にあっては、ロストル部分の空気口と両側壁の空気孔とから噴き出す空気によっては、燃焼時に木質バイオマス燃料から揮発した未燃ガスと炎および上記燃焼空気とがバランスよく混合されず、この結果高い濃度の一酸化炭素（ＣＯ）が排出されてしまうという問題点があった。

加えて、上記燃焼装置をボイラの熱源として用いた場合には、燃焼に寄与しなかった燃焼空気が、燃焼炉の炉壁や後段のボイラにおける熱交換器である煙管内等を冷却してしまい、よってボイラ効率を下げる一因ともなっていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、未燃ガス、炎および燃焼空気を効率的に混合させ、かつ燃焼炉内における燃焼ガスの滞留時間を長くすることができ、よって当該燃焼ガス中の一酸化炭素濃度を大幅に低減することができるとともに、炉内温度を高めて熱的な効率を向上させることができる燃焼装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、底部に燃料が供給されて燃焼部が形成されるとともに上部に燃焼ガスの排気流路が設けられた筒状の燃焼炉と、この燃焼炉の上記燃焼部に燃焼一次空気を供給する一次空気供給手段と、上記燃焼炉の内壁に沿って間隔をおいて立設された複数本の空気噴出管と、これら空気噴出管内に燃焼二次空気を供給する二次空気供給手段とを備えてなり、上記空気噴出管は、頂部開口が塞がれるとともに、側壁に、上記燃焼炉の周方向に上記燃焼二次空気を噴出する第１の空気噴出孔と、上記燃焼炉の中心部に向けて上記燃焼二次空気を噴出する第２の空気噴出孔とが穿設され、かつ上記燃焼炉の下部には、上記内壁に沿って上記燃焼部を囲繞するとともに、上記空気噴出管を支承する環状の耐火部材が配設されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、複数の上記空気噴出管における上記第１の噴出孔が、互いに同方向となる上記周方向の一方側に向けて上記燃焼二次空気を噴出するように穿設されていることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記燃焼炉が円筒状に形成されるとともに、上記空気噴出管が、３本以上であり、かつ互いに上記燃焼炉の円周方向に等間隔をおいて配設されていることを特徴とするものである。

請求項１〜３のいずれかに記載の発明においては、燃焼炉の底部において燃焼一次空気を供給しつつ燃料を燃焼させ、その燃焼ガスを上部の排気流路から排出するのと並行して、空気噴出管から燃料炉の中央方向と周方向へと燃焼二次空気を噴出させると、上記燃焼ガスは、第１の空気噴出孔から噴出される二次燃焼空気によって燃焼炉内において旋回流を形成しつつ上記排気流路へと向けて上昇する。なお、上記燃焼一次空気は、燃焼炉の底部から上方に向けて供給することが好ましい。

そして、上記旋回流が形成されることにより、従来の燃焼装置と比較して、燃焼炉内における燃焼ガスの滞留時間が大幅に長くなり、かつ当該旋回流によって未燃ガス、炎および燃焼空気が効率的に混合されることに加えて、第２の空気噴出孔から噴出される二次燃焼空気によって上記未燃ガスの燃焼が促進される。この結果、排気流路から排出される燃焼ガス中の一酸化炭素濃度を、大幅に低減することができるとともに、炉内温度を高めて熱的な効率を向上させることができる。

この際に、上記燃焼炉の下部に、内壁に沿って燃焼部を囲繞する環状の耐火部材を配設しているために、特に燃料として固形の木質バイオマス燃料を用いた場合に、上記環状の耐火部材によって上記燃料の堆積形状を保持することができるとともに、当該耐火部材の蓄熱により、より一層燃料炉内を高温に保持して上記熱的な効率を向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明においては、複数の空気噴出管の周方向に向けた第１の噴出孔を、互いに同方向に燃焼二次空気を噴出するように穿設しているために、燃焼炉内に、平面視において時計回り方向または反時計回り方向であって、かつ上方に向けて螺旋状となる安定的な旋回流を形成することができるとともに、これに第２の噴出孔から燃焼炉の中央部に向けて未燃ガスの燃焼に十分な燃焼二次空気が供給されるために、一段と未燃ガス、炎および燃焼空気の混合および未燃ガスの燃焼を促進させて一酸化炭素低減効果を高めることができる。

なお、上記燃焼炉が円筒状に形成されている場合に、請求項３に記載の発明のように、３本以上の上記空気噴出管を互いに燃焼炉の円周方向に等間隔をおいて配設することが好ましい。また、上記空気噴出管の本数の上限は、燃焼炉の内径に応じて適宜選択されるものであるが、例えば本発明に係る燃焼装置を一般的な温水ボイラの熱源として使用する場合には、上記空気噴出管の好ましい本数は、３本〜１２本の範囲である。

図１〜図５は、本発明に係る燃焼装置の最良の実施形態およびこれを熱源として一体に組み込んだ温水ボイラを示すものであり、図中符号１がボイラである。
このボイラ１は、給水孔３５から内部に供給された水を、木材をチップ状に加工した固形燃料Ｆを燃焼させて発生した燃焼ガスによって加熱し、得られた温水を給湯孔３６から取り出すものであり、燃焼装置２と、この燃焼装置２に上記固形燃料Ｆを供給する燃料供給装置３と、燃焼装置２から排出された燃焼ガスにより温水を発生させる熱交換器４とから概略構成されたものである。

ここで、燃焼装置２は、底部に配設された方形の支持板５上に、天井部が塞がれた円筒状の燃焼炉６が設置されるとともに、この支持板５の中央に、大気に開放された下方と連通する円形の開口部７が形成されている。また、下面側には、中空箱状の燃焼二次空気用のチャンバー８が設けられており、支持板５には、このチャンバー８内に連通する複数本（図では８本）の鞘管９が開口部７の外方に沿う円周上に等間隔をおいて立設されている。そして、支持板５の下方側部には、チャンバー８内に燃焼二次空気を送るための二次空気ファン１０が取り付けられている。

また、支持板５の開口部７内には、円筒状の燃料導入管１１が配置されている。この燃料導入管１１は、開口部７よりも小径に形成されており、これにより燃料導入管１１と開口部７との間に、大気に開放された下方から燃焼炉６内に燃焼一次空気を流入させるための流路１２が形成されている。そして、燃料導入管１１の下端部が、燃料供給装置３に接続されている。

この燃料供給装置３は、図３に示すように、チップ状の固形燃料が投入される燃料ピット１３と、一端部にこの燃料ピット１３の下端部が接続されるとともに、他端部に燃料導入管１１の下端部が接続されたストーカーボックス１４と、このストーカーボックス１４内に回転自在に設けられて燃料ピット１３から供給される固形燃料を燃料導入管１１へと送る螺旋翼を備えたストーカースクリュー１５と、このストーカースクリュー１５の回転軸１５ａを回転駆動するギアモータ１６とから構成されている。

他方、支持板５の上面に形成された方形の凹部５ａ内には、回動杆１７を間に介して、方形板状の固定火格子１８が取り付けられている。ここで、回動杆１７は、燃料導入管１１の外周を囲繞するリング部１７ａと、このリング部１７ａから直径方向外方に延出する一対の操作杆１７ｂ、この操作杆１７ｂの上面から突出する回動ピン１７ｃとが一体に形成されたもので、燃料導入管１１の外周回りに回動自在に設けられている。

また、固定火格子１８は、中心部および外周部に、それぞれ支持板５から突出する燃料導入管１１および鞘管９を挿通させるための開口１８ａおよび孔部１８ｂが穿設されている。加えて、これら開口１８ａと孔部１８ｂとの間には、燃焼一次空気の流路１２と連通する複数（図では、１２）の略扇型状の流通口１８ｃが互いに円周方向に等間隔をおいて放射状に穿設されるとともに、さらに回動杆１７の回動ピン１７ｃが挿入されて、回動杆１７の回動を所定の角度範囲において許容する短円弧状の溝部１８ｄが穿設されている。

そして、固定火格子１８上に、回転火格子２０が配設されている。この回転火格子２０は、中心部に燃料導入管１１とほぼ等しい内径の開口２０ａが形成されるとともに、この開口２０ａの周囲に、固定火格子１８の流通口１８ｃと連通する複数（図では、１２）の略扇型状の流通口２０ｂが形成されている。また、外周の２箇所には、固定火格子１８の溝部１８ｄから突出する回動杆１７の回動ピン１７ｃが係合する切欠部２０ｃが形成されている。

これにより、操作杆１７ｂによって回動杆１７を固定火格子１８の溝部１８ｄの長さ範囲で回動させて回転火格子２０を一体的に回動させることにより、その流通口１８ｃと回転火格子２０の流通口２０ｂとの連通面積、すなわち燃焼一次空気の流入量が調節可能になっている。

そして、固定火格子１８上には、燃焼炉６の内壁に沿って、複数（図では８つ）の耐火煉瓦２１により全体として円筒状に形成された耐火部材が配設されている。ここで、各々の耐火煉瓦２１の外周面には、上下方向に貫通するＵ字状の凹部２１ａが形成されており、この凹部２１ａ内に空気噴出管２２が挿入されている。この空気噴出管２２は、上端部が塞がれた円筒状の部材で、下端開口部が支持板５に立設された鞘管９内に挿入されている。

これにより、空気噴出管２２は、燃焼炉６の内壁に沿ってその円周方向に等間隔をおいて耐火煉瓦２１に支承されるとともに、内部が燃焼二次空気用のチャンバー８に連通されている。そして、各々の空気噴出管２２の耐火煉瓦２１から突出する側壁には、燃焼炉６の円周方向の一方向に燃焼二次空気を噴出する第１の空気噴出孔２３と、燃焼炉６の中心部に向けて燃焼二次空気を噴出する第２の空気噴出孔２４とが、それぞれ上下方向に間隔をおいた複数箇所（図では２箇所）に穿設されている。

この結果、二次空気ファン１０、チャンバー８、鞘管９、空気噴出管２２、第１の空気噴出孔２３および第２の空気噴出孔２４により、燃焼炉６内に燃焼二次空気を供給する二次空気供給手段が構成されている。

他方、燃焼炉６の上部側壁には、燃焼炉６内で生じた燃焼ガスを排出するための排気口２５が形成されている。ここで、排気口２５は、燃焼炉６の円周方向に間隔をおいた２箇所に形成されており、さらに燃焼炉６の外壁には、上部が各排気口２５に連通するとともに、下部が隣接する熱交換器４の下部に連通する２本のダクト２６が形成されている。

この熱交換器４は、燃焼炉６に隣接して配置された矩形の箱状部材で、内部空間が上部仕切板４ａおよび下部仕切板４ｂによって上下方向に下部燃焼ガスチャンバー２７、水室チャンバー２８および上部燃焼ガスチャンバー２９の３室に仕切られている。さらに、下部燃焼ガスチャンバー２７は、隔壁３０によって上流側２７ａおよび下流側２７ｂに区画されている。

そして、これら上部仕切板４ａおよび下部仕切板４ｂ間には、下部燃焼ガスチャンバー２７と上部燃焼ガスチャンバー２９とを連通させる多数本（図では１１本×４列＝合計４４本）の煙管３１が設けられている。ここで、１１本×２列の煙管３１は、下部燃焼ガスチャンバー２７の上流側２７ａと上部燃焼ガスチャンバー２９との間に配置されるとともに、他の１１本×２列の煙管３１は、上部燃焼ガスチャンバー２９と下部燃焼ガスチャンバー２７の下流側２７ｂとの間に配置されている。

これにより、排気口２５からダクト２６を介して下部燃焼ガスチャンバー２７の上流側２７ａに至り、さらに２２本の煙管３１を通じて上部燃焼ガスチャンバー２９から、再び他の２２本の煙管３１を通じて下部燃焼ガスチャンバー２７の下流側２７ｂに至る燃料ガスの排気流路が形成されている。そして、下部燃焼ガスチャンバー２７の下流側２７ｂには、上記燃焼ガスを排気するための外部排気管３２の下端部が接続されている。

また、この外部排気管３２には、上記排気流路を介して燃焼炉６内の燃焼ガスを排気するとともに当該燃焼炉６内を負圧に保持しつつ、流路１２から内部に燃焼一次空気を流入させるための排気ガスファン（一次空気供給手段）３３が設けられている。
なお、図中符号３４は、燃料供給装置３によって燃料導入管１１から燃焼炉６の底部に供給されたチップ状の木材からなる固形燃料Ｆに点火するための自動点火装置である。

以上の構成からなる燃焼装置２を組み込んだ温水ボイラ１においては、木材をチップ状に加工した固形燃料Ｆを、燃料供給装置３の燃料ピット１３に投入し、ギアモータ１６によってストーカースクリュー１５を回転させることにより、ストーカーボックス１４内を移送して燃料導入管１１内へと供給する。すると、この燃料導入管１１内に送られた固形燃料Ｆは、耐火煉瓦２１によって囲まれた燃焼炉６底部の回転火格子２０上に堆積する。

また、これと並行して、排ガスファン３３によって燃焼炉６内の空気を吸引して、内部を負圧に保持しつつ、燃焼一次空気を開口部７の流路１２から固定火格子１８の流通口１８ｃと回転火格子２０の流通口２０ｂとの間を介して燃焼炉６の底部から、図中点線矢印で示すように、上方へと流入させる。次いで、自動点火装置３４を作動させて、固形燃料Ｆに着火し、これを燃焼させることにより、燃焼炉６の底部に燃焼部を形成させる。

そしてさらに、二次空気ファン１０によって、燃焼二次空気をチャンバー８内に送り、図中実線矢印で示すように、空気噴出管２２の第１の空気噴出孔２３および第２の空気噴出孔２４から、燃料炉６の中央方向と円周方向の一方向へと噴出させる。すると、上記燃焼ガスは、燃焼炉６の底部から上方に供給される燃焼一次空気と第１の空気噴出孔２３から燃焼炉６の円周方向に噴出される燃焼二次空気によって、燃焼炉６内において旋回流を形成しつつ上昇し、その過程において未燃ガス、炎および燃焼空気が効率的に混合されるとともに、さらに第２の噴出孔２４から中央部に向けて噴出される燃焼二次空気によって未燃ガスの燃焼が促進される。

そして、燃料炉６の上部に達した燃焼ガスは、排気口２５からダクト２６へと排気されて行く。次いで、ダクト２６内の燃焼ガスは、排ガスファン３３によって、下部燃焼ガスチャンバー２７の上流側２７ａに流入し、２２本の煙管３１を通じて上部燃焼ガスチャンバー２９へと送られた後に、さらに他の２２本の煙管３１を通じて下部燃焼ガスチャンバー２７の下流側２７ｂに流れ、外部排気管３２から外部へと排気されて行く。この際に、煙管３１において、給水孔３５から供給された水室チャンバー２８内の水と熱交換して、当該水を温水にする。そして、この水室チャンバー２８内で得られた温水は、給湯孔３６から排出されて使用に供される。

以上のように、上記構成からなる燃焼装置２によれば、燃焼炉６の底部から上方に向けて燃焼一次空気を供給しつつ固形燃料Ｆを燃焼させ、その燃焼ガスを排ガスファン３３によって上部の排気口２５から排出するのと並行して、空気噴出管２２から燃料炉６の中央方向と周方向へと燃焼二次空気を噴出させることにより、上記燃焼ガスを、燃焼炉６内において旋回流となって上昇させているため、燃焼炉６内における燃焼ガスの滞留時間が大幅に長くなり、よって未燃ガス、炎および燃焼空気を効率的に混合することができる。

加えて、空気噴出管２２の第２の噴出孔２４から、燃焼炉６の中央部に向けて未燃ガスの燃焼に十分な燃焼二次空気が供給されるために、燃焼二次空気による上記未燃ガスの燃焼が促進される。この結果、最終的に外部排気管３２から排出される燃焼ガス中の一酸化炭素濃度を、従来と比較して大幅に低減することができるとともに、炉内温度を高めて熱的な効率を向上させることもできる。

この際に、燃焼炉６の下部に、内壁に沿って燃焼部を囲繞する複数の耐火煉瓦２１によって筒状に構成された耐火部材を配設しているために、上記筒状の耐火部材によって固形燃料Ｆの堆積形状を保持することができるとともに、当該耐火部材の蓄熱により、より一層燃料炉６内を高温に保持して上記熱的な効率を向上させることができる。

ちなみに、従来の上記固形燃料を燃焼させる燃焼装置においては、燃焼ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度が２０００ｐｐｍ程度であったのに対して、上記構成からなるボイラを運転して、外部排気管３２から排出される燃焼ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を検出したところ、５０ｐｐｍ以下と大幅に低下したことが確認された。また、同時に燃焼炉６内の温度も、従来の約６００℃から６８０℃に上昇し、かつ燃焼ガスの温度も約１６０℃から１７０℃へと上がったことにより、ボイラ効率が約８５％から約９０％に向上したことも確認された。

なお、上記実施の形態においては、本発明に係る燃焼装置をボイラ１に組み込んだ場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、様々な機器類の燃焼装置として適用することが可能である。また、燃料炉６の形状についても、円筒状に限らず、角筒状のものであっても、同様の作用効果を得ることができる。
また、空気噴出管２２の高さ寸法や本数、さらには当該空気噴出管２２に穿設する第１および第２の空気噴出孔２３、２４の個数についても、燃焼炉６の高さ寸法や内径等に応じて適宜選択されるものであり、上記実施の形態に限定されるものではない。

さらに、第１および第２の空気噴出孔２３、２４の穿設位置も、耐火煉瓦２１の上方に限らず、例えば耐火煉瓦２１の根元に穿設し、炎の根元部分から上記旋回流を発生させることにより、未燃ガスの二次燃焼を一層促進させるようにしてもよく、さらに第１および第２の空気噴出孔２３、２４の形状についても、円形に限らず、旋回性を向上させ得る各種の形状が選択可能である。

本発明に係る燃焼装置の一実施形態を組み込んだ温水ボイラを示す縦断面図である。 図１の横断面図である。 図１の燃焼装置における下部の側断面図である。 図１の燃焼装置における下部の燃焼炉内部を示す斜視図である。 図４の分解斜視図である。

符号の説明

２ 燃焼装置
３ 燃料供給装置
６ 燃焼炉
１０ 二次空気ファン
２０ 回転火格子
２１ 耐火煉瓦（耐火部材）
２２ 空気噴出管
２３ 第１の空気噴出孔
２４ 第２の空気噴出孔
２５ 排気口
３３ 排ガスファン（一次空気供給手段）
Ｆ 固形燃料

Claims (3)

1. 底部に燃料が供給されて燃焼部が形成されるとともに上部に燃焼ガスの排気流路が設けられた筒状の燃焼炉と、この燃焼炉の上記燃焼部に燃焼一次空気を供給する一次空気供給手段と、上記燃焼炉の内壁に沿って間隔をおいて立設された複数本の空気噴出管と、これら空気噴出管内に燃焼二次空気を供給する二次空気供給手段とを備えてなり、
   上記空気噴出管は、頂部開口が塞がれるとともに、側壁に、上記燃焼炉の周方向に上記燃焼二次空気を噴出する第１の空気噴出孔と、上記燃焼炉の中心部に向けて上記燃焼二次空気を噴出する第２の空気噴出孔とが穿設され、かつ上記燃焼炉の下部には、上記内壁に沿って上記燃焼部を囲繞するとともに、上記空気噴出管を支承する環状の耐火部材が配設されていることを特徴とする燃焼装置。
2. 複数の上記空気噴出管における上記第１の噴出孔は、互いに同方向となる上記周方向の一方側に向けて上記燃焼二次空気を噴出するように穿設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
3. 上記燃焼炉は円筒状に形成されるとともに、上記空気噴出管は、３本以上であり、かつ互いに上記燃焼炉の円周方向に等間隔をおいて配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。

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