JP5915873B2 - 温風発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、農業用ビニールハウスなどの内部を暖房するための温風発生装置に関し、とくに、間伐材や樹皮等を粉砕加工して圧縮成形して作られた木質ペレットや畜糞等を固形化したバイオマスを燃料とする燃焼炉を備えた温風発生装置に関する。

近年、地球温暖化などの環境問題に伴い、バイオマス資源の有効利用の観点から、例えば、間伐材等を粉砕加工して圧縮成形したペレット状の固形燃料（以下、単に木質ペレットという）を用いる暖房機等の燃焼装置が見直されている。

木質ペレットは、原料である木材を粉砕して、乾燥圧縮したものである。木材をペレット化することで、形状を一定にし、燃料としての取り扱いが容易になるという利点がある。このような木質ペレットを燃料とした温風発生装置に関する従来技術として、例えば、特許文献１がある。特許文献１では、施設園芸用温室を暖房するシステムにおいて、木質燃料を燻炭化して一酸化炭素ガスを発生させるガス発生装置と、このガス発生装置により発生した一酸化炭素ガスを用いて温室を暖房する暖房手段とを備え、間伐材等の安価な木質燃料を用いることにより、暖房コストを低く抑えることを図ったものが提案されている。

しかしながら、特許文献１の装置では、全木ペレットや樹皮系ペレット（以下、バークペレットという）を燃焼させる場合、燃焼に伴って発生する灰が溶融し、未燃焼物やガラス化した燃料残渣（いわゆる、クリンカ）が発生して不完全燃焼を引き起こし、連続燃焼が阻害されてしまう。とくに、バークペレットを用いた場合、燃料自体が持つ灰分が木質部ペレットよりも多いため、より効果的に燃焼室に堆積した灰を排出処理する必要がある。

このように、全木ペレットや樹皮系ペレットを燃焼室で燃焼させる場合、燃焼に伴って発生する灰が溶融し、クリンカが発生し、不完全燃焼を引き起こし、連続燃焼が阻害されてしまう。とくに、樹皮（バーク）を多く含むペレットでは、クリンカの生成が避けられなかった。

このため、燃焼室内に設けられた燃焼皿上で木質ペレット等の固体燃料を燃焼させる燃焼装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）この燃焼装置では、固体燃料が燃焼皿の中央部に供給されると共に、新たに供給される固体燃料によって燃焼中の固体燃料が燃焼皿の外周側に移動される構成となっており、燃焼皿の外周部には固体燃料を保持する回転リングが取り付けられている。そして、回転リングと燃焼皿の間には隙間が形成されており、回転リングが燃焼皿に対して回転すると、燃焼皿上で燃焼した固形燃料の灰やクリンカが、この隙間から排出される構成となっている。

しかしながら、上記隙間が大きい場合には、完全に燃焼する前の固体燃料まで排出されてしまう。反面、上記隙間が小さい場合には、灰やクリンカが良好に排出されないという問題があった。

そこで、中央部に固体燃料が供給されると共に供給された固体燃料が外周側に移動されると共に、供給された固体燃料が、外周側に移動されつつ燃焼される燃焼皿と、燃焼皿の外周部に設けられると共に、一部に燃料排出口が設けられた保持部材と、燃料排出口を開閉する開閉手段とを備え、燃焼皿の外周部に設けられた保持部材の燃料排出口が開閉手段によって閉塞された状態では、燃焼皿の外周部へ移動された固体燃料は、保持部材によって保持され、燃焼皿上で良好に燃焼されて灰になり、そして、開閉手段によって保持部材の燃料排出口が開放されると、固体燃料の灰やクリンカが燃料排出口から良好に排出することができる燃焼装置（特許文献３参照。）、ロストルへの燃料供給量と空気供給量のバランスを周期的に変化させることで、ロストルの上面側を一定時間おきに空気過剰状態にすることで、ロストルの上面側でクリンカになりかけていた木質ペレットの燃焼残渣が燃焼を促進されて灰になり、クリンカの発生を抑制することができるペレットストーブ（木質ペレット燃焼器）が提案されている（特許文献４参照。）

特開２００８−１０４３８２号公報 特開２００４−２９３８２８号公報 特開２００７−１０７８４５号公報 特開２００８−２６７７０９号公報

本発明者らもまた、鋭意研究の上、バイオマスペレットの燃焼効率の更なる向上を図るべく本発明をするに至った。すなわち、本発明は、バイオマスペレットを燃料とする燃焼炉の炉床上における灰の蓄積やクリンカの発生を抑制してバイオマスペレットを継続的に安定して燃焼させて燃焼状態を向上することができる温風発生装置を提供することを目的とする。

このため本発明は、バイオマス由来の固形燃料を燃焼させる燃焼炉と、この燃焼炉を内部に水平方向に回転する燃焼皿を配置し、外部から供給される空気を前記燃焼炉で加熱して温風を発生させる温風発生装置において、前記燃焼皿は、その中央部が高く外周部が低い円錐台形形状に形成され、当該燃焼皿の下方には、燃焼用空気を排出する空気吹出孔が貫通されており、この空気吹出孔から外方に排出した空気を燃焼皿やその周囲の燃料に供給して燃焼させる前記固形燃料が供給される燃焼炉の炉床面の半径方向に沿って配置され、燃焼中の前記固形燃料を撹拌及び生成途中のクリンカを解砕するスクレパーを設けたことを第１の特徴とする。また、スクレパーは、燃焼床の１１００〜１２５０℃の高温温度帯に突出する突起を有していることを第２の特徴とする。さらに、燃焼皿は、燃料搬送部から押し上げられる固形燃料が通過する孔状の開口部を備えていることを第３の特徴とする。またさらに、燃焼皿とスクレパーとは相対的に回転することを第４の特徴とする。

本発明装置によれば、以下の優れた効果がある。
（１）供給される固形燃料を炉床（火皿）上で均一に燃焼させると共に、燃焼後のクリンカや灰が炉床（火皿）に付着することがなく燃焼性とメンテナンス性に優れている。
（２）炉床（火皿）を円錐台形型としているので、燃焼するペレット燃料は火格子を形成する傾斜面に沿って落下しながら完全に燃焼される。
（３）炉床（火皿）上のクリンカの生成し易い燃焼温度帯域（燃焼温度の一番高い位置）に撹拌邪魔板となる突起又は舌片が位置するように形成されたスクレパーを設けたので、クリンカの生成を抑制することができる。

本発明に係る温風発生装置を示す正面図である。 図１の右側面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 燃焼火皿周りの斜視図である。 （ａ）は燃焼火皿の平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ線断面図である。 スクレパーの一実施例を示す側面図である。 スクレパーの他の実施例を示す側面図である。 炉床（火皿）の燃焼温度帯を示す説明図である。 白金灰の示差熱分析結果を示すグラフである。

以下、図面にしたがって本発明の温風発生装置の一実施例を説明する。

図１乃至図４に示すように、本発明に係る温風発生装置１は、装置本体の内部に木質ペレットなどの固形燃料Ｐを燃焼させる燃焼炉２を備え、この燃焼炉２によって加熱された空気を熱交換器３に送出し、吸気ファン４で装置本体内に吸い込んだ外気を熱交換器３により加熱して得られた暖気を暖気送風口５から農業用ビニールハウス等の施設内に供給する装置である。

固形燃料Ｐが供給される燃焼炉２には、固形燃料Ｐを保持しながら燃焼状態を維持する円錐台形状の炉床（火皿）６が搭載されている。この炉床（火皿）６は水平方向に回転可能に軸支されており、炉床６上で固形燃料Ｐを転動あるいは流動させながら燃焼できるように構成されている。これにより、木材や樹皮（バーク）を原料とした木質ペレットを長時間にわたり連続燃焼させて安定した暖気を発生させて所望する施設内に送気できるようにされている。

温風発生装置１は、上記したようにビニールハウスなどの植物栽培用温室や家屋などの施設内部を暖房するために使用することができる。本実施例の温風発生装置１で送風する暖気は、燃焼気体ではなく、熱交換器３によって加温された外気であるので、一酸化炭素などの有害物質を含んでおらず、安心してハウスや家屋などの暖房に用いることができる。

バイオマス由来の固形燃料としては、例えば、木質系ペレットなどの固体燃料が挙げられる。こうした木質系ペレットは木材を原料とする燃料であり、地球温暖化対策に関して、カーボンニュートラル型の燃料として注目されている。木質ペレットとしては、針葉樹、広葉樹を原料としたもの等多くの種類があり、樹皮だけを原料としたバークペレット、樹皮を除き幹部だけを原料としたホワイトペレット、間伐材などのように木部全体を原料とした全木ペレットなどが挙げられ、いずれも本発明の温風発生装置の燃料として用いることができる。他にも畜糞を乾燥固形化したものなどもバイオマス燃料に含まれる。以下、便宜上これらのバイオマス固形燃料を単に「ペレットＰ」と称して説明する。

燃焼炉２は、ペレットＰを燃焼させる筒体容器である。燃焼炉２に投入されたペレットＰは、燃焼炉２の頂部に設けられた円錐台形状の炉床（火皿）６に載置保持されながら燃焼して、加熱された空気を熱交換器３に送出する構造になっている。円錐台形状の炉床（火皿）６は、燃焼炉２に投入されたペレットＰを保持しつつ水平方向に回転して連続的に燃焼を維持させる機能を有する。

燃料供給ホッパー１５から投入されたペレットＰは、スクリュー式のペレット供給コンベア１０により水平方向に押し出されて燃焼炉２内に搬送される。燃焼炉２は、このペレット供給コンベア１０の先端部側から直上に開放して立設形成された円筒状のペレット供給筒８と、ペレット供給筒８の頂部に取り付けられた円錐台形状の炉床（火皿）６とから構成され、ペレットＰが炉床（火皿）６の中央に設けられた開口６ａから押し出されて、炉床（火皿）６の上面に噴出供給されたペレットＰは、その傾斜面を漸次下降しながら連続的に燃焼される。尚、この炉床（火皿）６には上下に貫通するロストル孔６ｂが複数穿孔されており、燃焼用の空気を炉床（火皿）６上のペレットＰに供給すると共に、炉床（火皿）６面上で完全燃焼した燃焼灰を落下させて排出する。

ここで、ペレット供給コンベア１０は、円筒状パイプ１０ａの軸心に沿ってスクリュー羽根１０ｃを備えたシャフト１０ｂが貫装され、このシャフト１０ｂを駆動させる電動モーター１１などの駆動部を備えており、円筒状パイプ１０ａの基端側に燃料供給ホッパー１５に連設されている。

このように、ペレットＰを炉床（火皿）６の下面側から噴出させながらペレットＰを炉床６の上面に供給することで、炉床（火皿）６のペレット供給開口６ａを通過するペレットＰの流動によって、開口６ａの辺縁に灰や未燃焼物、クリンカなどが付着して封鎖されることがなく、燃焼状態を常に一定に保持することができる。尚、炉床（火皿）６は、水平方向にギアドモータ（図示せず）等により回動可能に設けられており、炉床６の中心部のペレットＰがスクリューフィーダーにより持ち上がって来る位置に設けられたコイル状の電気ヒーター等（図示せず）で一旦着火されたペレットＰを順次連続的に燃焼するように構成されている。

また、炉床（火皿）６にはスクレパー７が付設されている。スクレパー７は、燃焼炉２の筒体２ａの外周面に固定される脚部７ｃと炉床（火床）６の半径方向に沿って所定の間隙を有して旋回する突起又は突片７ａを備えて構成された耐熱鋼製や耐摩耗性鋼製などの略Ｌ字型の部材である。スクレパー７は、図７に示すように、ロストルの傾斜角度が大きいとき（例えば、傾斜角５度以上）は、ロストルの周縁に６ｃのリブを持ち、リブから灰を落とす手段として、７ｂの突起で掻き揚げるようにするとよい。本実施例に係るスクレパー７は二つの突起７ａ及び７ｂを有し、これらは所定の間隔をおいてスクレパー７の直角方向に分岐して、邪魔板としての突起７ａと炉床６周縁部分に堆積しがちな燃焼灰を除去する突片７ｂを備えている。そして、炉床（火皿）６を回転させることによって、炉床（火皿）６上で燃焼しているペレットＰを撹拌又は未燃焼物を解砕すると共に、燃焼灰を炉床（火皿）６のロストル孔６ｂから燃焼炉外に効率よく落下排出させることができる。

スクレパー７は、炉床（火皿）６の傾斜角（例えば、３〜１０度）の上面傾斜に沿うように、その半径方向に延出しており、途中に下方に突出した突起又は突片７ａが一つ又は複数一体的に形成されている。この突起又は突片７ａは、炉床（火皿）６上でクリンカの生成し易い燃焼温度帯域（燃焼温度の一番高くなる帯域）に位置するように配置され、燃焼中のペレットＰを撹拌又はクリンカに生成しかけた未燃焼物を解砕する邪魔板の作用を発揮し、クリンカの生成を抑制することができる。尚、この突起又は突片７ａの下端は、炉床（火皿）６上面と遊び程度のほんの僅かな間隙を持って配置されるのが好ましく、クリンカ生成を効果的に抑制できる。

尚、図８に示すように、ロストルの傾斜角度が水平又は小さければ（例えば、傾斜角５度未満）ロストルの周縁の周壁（リブ）６ｃは不要となり、スクレパー７には１本の突起７ａのみを設ければよい。本実施例に係るスクレパー７は二つの突起７ａ及び７ｂを有し、これらは所定の間隔をおいてスクレパー７の直角方向に分岐して、邪魔板としての突起７ａと炉床６周縁部分に堆積しがちな燃焼灰を除去する突片７ｂを備えている。そして、炉床（火皿）６を回転させることによって、炉床６上で燃焼しているペレットＰを撹拌又は未燃焼物を解砕すると共に、燃焼灰を炉床（火皿）６のロストル孔６ｂから燃焼炉外に効率よく落下排出させることができる。

ここで、炉床（火皿）６の回転機構としては、例えば、炉床（火皿）６の下端円周部に複数のギア歯９を等間隔に配置すると共に、ペレット送りシャフト１１ｂの先端側にこのギア歯９に順次係合可能な回転羽根１１ａを同軸に固定し、ペレット送りシャフト１１ｂの回動に同期してギア歯９を押圧して回転するピニオンラック式の回転機構を採用することができる。この場合、炉床（火皿）６の回転速度としては、例えば、０．５〜０．１５ｒｐｍの範囲が好ましく、これより速いと未燃焼となり、遅いとクリンカが生成しやすいことが実験により分かった。尚、本実施例では炉床（火皿）６が回動し、スクレパー７が固定された構成としているが、逆の構成でもよく炉床（火皿）６又スクレパー７のどちらか一方が他方に対して相対的に回転運動する構成であればよい。

燃焼灰は、燃焼炉２の下方に設けられた灰出しフィーダー１３を灰出しフィーダー用モーター１４で駆動して外部に装置排出できる。この灰出しフィーダー１３は、ペレット供給コンベア１０と同仕様のスクリューコンベアである。

尚、本発明者らは、図９に示すように、炉床（火皿）６の火炎の温度は８５０〜９００℃で、１１００〜１２５０℃の高温温度帯が炉床（火皿）６の中心から同心円のリング状に現れ、この環状部分にクリンカが生成することを知得した。すなわち、この１１００〜１２５０℃の高温温度帯にあるペレットＰを突き崩すことにより燃焼温度が低下し、クリンカの発生を防止できることが分かった。また、図１０のグラフに示すように、白金灰によるクリンカを示差熱分析すると、吸熱点、すなわち、凝固点が約１２５０℃であることが分かった。したがって、理論上はクリンカが生成される１２５０℃未満の温度帯域にあるペレットＰの燃焼物をスクレパー７で撹拌、解砕すればクリンカの発生を防止できるが、確実性を担保するため、実用上はスクレパー７を炉床６の１１００〜１２５０℃の高温温度帯に突出するようにすることで所望の効果を得ることができる。

尚、本実施例の温風発生装置１において、燃焼炉２内の温度を検知する温度センサーで測定される温度測定値に基づいて、炉床６の回転速度調整、暖気の送風操作をそれぞれ制御する制御部を備えることもできる。また、温度センサーで測定される温度測定値に基づいて、炉床（火皿）６へのペレットＰの供給量の調整も行うことができる。

こうした制御部には、温度センサーや温風センサーなどの各種センサー類に加えて、コンベア及び駆動用モーター、吸排気ファンや燃焼空気押し込みファンなどが各々電気的に連繋され、動作プログラムで予め設定された温度測定値データ等に基づいて燃焼炉２の燃焼状態を判断して、炉床の回転速度やペレットＰの供給量、外気及び暖気の送風量などを適正に制御することができる。このように、ペレットＰの燃焼状態を制御することで、長時間にわたり安定的に温風を送出することができる。

本発明の温風発生装置は、バイオマスペレットを燃料としながらも安定的な温風の送風が得られ、長時間にわたり安定的な温風を送出することができるので、産業上の利用可能性が極めて高い。

１ 温風発生装置
２ 燃焼炉
２ａ 炉床保持筒体
３ 熱交換器
４ 吸気ファン（大気）
５ 暖気送風口
６ 炉床（火皿）
６ａ ペレット供給口
６ｂ ロストル孔
６ｃ 周縁ガイド（周壁）
７ スクレパー
７ａ 突起
８ ペレット供給筒（支軸）
９ ギア歯
１０ ペレット供給コンベア
１０ａ 円筒状パイプ
１０ｂ ペレット送りシャフト
１０ｃ スクリュー羽根
１１ ペレット供給コンベア用モーター
１１ａ 回転羽根
１１ｂ ペレット送りシャフト
１２ 燃焼空気押し込みファン
１３ 灰出しフィーダー
１４ 灰出しフィーダー用モーター
１５ ペレット供給ホッパー
Ｐ ペレット（固形燃料）

Claims (3)

1. バイオマス由来の固形燃料を燃焼させる燃焼炉と、この燃焼炉を内部に水平方向に回転する燃焼皿を配置し、外部から供給される空気を前記燃焼炉で加熱して温風を発生させる温風発生装置において、前記燃焼皿は、その中央部が高く外周部が低い円錐台形形状に形成され、当該燃焼皿の下方には、燃焼用空気を排出する空気吹出孔が貫通されており、この空気吹出孔から外方に排出した空気を燃焼皿やその周囲の燃料に供給して燃焼させる前記固形燃料が供給される燃焼炉の炉床面の半径方向に沿って配置され、燃焼中の前記固形燃料を撹拌及び生成途中のクリンカを解砕するスクレパーを設け、該スクレパーは、燃焼皿の１１００〜１２５０℃の高温温度帯に突出する突起を有していることを特徴とする温風発生装置。
2. 燃焼皿は、燃料搬送部から押し上げられる固形燃料が通過する孔状の開口部を備えていることを特徴とする請求項１記載の温風発生装置。
3. 燃焼皿とスクレパーとは相対的に回転することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の温風発生装置。