JP6056409B2 - バイオマスバーナ - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ火炉の壁面に設けられ、木質ペレットや木質チップ等の木質系バイオマス燃料を燃焼させるバイオマスバーナに関するものである。

現在、ボイラの固形燃料として使用されているのは、主に石炭であるが、ＣＯ₂ の削減対策として、再生可能で環境負荷の少ない木質系バイオマスを燃料とする等の燃料の多様化が検討されている。

従来は、木質系バイオマスを燃料とする場合、ミルにて石炭と木質系バイオマスとを混合粉砕し、石炭と木質系バイオマスを混合させた粉砕物をバーナに送給し燃料としている。近年では木質系バイオマス燃料の混合比率を増大させることが要請されている。

然し乍ら、混合粉砕の場合、混合比率を増大させるには限界があり、木質系バイオマスを大量に粉砕することができないことから、木質系バイオマスをバーナの燃料として充分に供給できない。更に、石炭と木質系バイオマスとでは燃焼特性が異なる為、木質系バイオマスの比率を増大させると燃焼が不安定となる虞れがあった。

尚、特許文献１には、バイオマスが混合燃料流体として導入される燃料ノズルと、該燃料ノズルの中心部に設けられた中心空気ノズルと、前記燃料ノズルの外周に設けられた空気噴出ノズルと、前記中心空気ノズルに供給する燃焼用空気の一部が供給され前記燃料ノズルの内壁部に複数設けられた追加空気ノズルを有し、前記燃料ノズルを流れる燃料粒子が下流側の流路拡大部に於いて前記追加空気ノズルからの空気と混合され、前記燃料ノズルの出口部に配置された保炎器と衝突し、火炉内で逆流を生じさせて燃料粒子の着火性を高める木質バイオマス直接粉砕燃焼方法と装置とボイラシステムが開示されている。

特開２０１０−２４２９９９号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、木質系バイオマスを燃料とした場合でも、燃料の着火安定性を向上させるバイオマスバーナを提供するものである。

本発明は、炉壁に設けられたスロートの中心軸心上に設けられ、補助燃焼用空気が流通する内筒ノズル及び該内筒ノズルと同心で外側に設けられ低酸素濃度の搬送媒体と木質系バイオマスが混合されたバイオマス混合流が流通する外筒ノズルからなるノズル本体と、該ノズル本体を収納するウインドボックスと、該ウインドボックスに収納されると共に前記ノズル本体の先端部に設けられ燃焼用空気を供給する２次空気調整装置とを具備し、該２次空気調整装置から供給される前記燃焼用空気、前記内筒ノズル内を流通する前記補助燃焼用空気のいずれか一方を前記バイオマス混合流に割込ませる燃焼用空気流路を形成したバイオマスバーナに係るものである。

又本発明は、前記燃焼用空気流路は、前記外筒ノズルに等角度ピッチで形成され、前記内筒ノズルに向って軸心方向に傾斜する凹溝であり、前記外筒ノズルと前記内筒ノズルとの間に前記凹溝によって周方向に分割されたバイオマス混合流路が形成されたバイオマスバーナに係るものである。

又本発明は、前記凹溝が前記外筒ノズルの先端部に形成され、前記燃焼用空気と前記バイオマス混合流とが同一円周上に、又周方向に於いて交互に分割された状態で前記外筒ノズルの先端より噴出されるバイオマスバーナに係るものである。

又本発明は、前記凹溝が前記外筒ノズルの中途部に形成され、前記燃焼用空気と前記バイオマス混合流とが前記外筒ノズルの内部で混合されるバイオマスバーナに係るものである。

又本発明は、前記凹溝が旋回に合わせて周方向に傾斜されたバイオマスバーナに係るものである。

更に又本発明は、前記燃焼用空気流路は、前記内筒ノズルに等角度ピッチで形成され、前記外筒ノズルに向って軸心から離反する様傾斜する凸溝であり、前記外筒ノズルと前記内筒ノズルとの間に前記凸溝によって周方向に分割されたバイオマス混合流路が形成されたバイオマスバーナに係るものである。

本発明によれば、炉壁に設けられたスロートの中心軸心上に設けられ、補助燃焼用空気が流通する内筒ノズル及び該内筒ノズルと同心で外側に設けられ低酸素濃度の搬送媒体と木質系バイオマスが混合されたバイオマス混合流が流通する外筒ノズルからなるノズル本体と、該ノズル本体を収納するウインドボックスと、該ウインドボックスに収納されると共に前記ノズル本体の先端部に設けられ燃焼用空気を供給する２次空気調整装置とを具備し、該２次空気調整装置から供給される前記燃焼用空気、前記内筒ノズル内を流通する前記補助燃焼用空気のいずれか一方を前記バイオマス混合流に割込ませる燃焼用空気流路を形成したので、前記燃焼用空気と前記バイオマス混合流とが素早く混合され、該バイオマス混合流が前記スロートより噴出される段階で充分に酸素濃度を上昇させることができ、前記バイオマス混合流の着火を安定させ、又着火を促進させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係るバーナを示し、（Ａ）は該バーナの概略立断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の第２の実施例に係るバーナを示し、（Ａ）は該バーナの概略立断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 本発明の第１の実施例に係るバーナの凹溝を周方向に傾斜させた場合を示す正面図である。 本発明の第３の実施例に係るバーナを示し、（Ａ）は該バーナの概略立断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１（Ａ）（Ｂ）に於いて、本発明の第１の実施例に於けるバイオマスバーナ１について説明する。尚、以下の実施例では、燃料として木質系バイオマスのみが供給される。

図１（Ａ）中、２は火炉、３は該火炉の炉壁を示している。該炉壁３にはスロート４が設けられ、該炉壁３の反火炉２側にはウインドボックス５が取付けられ、該ウインドボックス５の内部に前記バイオマスバーナ１が前記スロート４と同心に設けられている。又、前記ウインドボックス５には、該ウインドボックス５内に燃焼用空気である２次空気６を供給する２次空気供給路７が接続されている。

前記バイオマスバーナ１は、ノズル本体８と、該ノズル本体８の先端部（前記火炉２側の端部）を囲む様に設けられた２次空気調整装置９とを具備し、該２次空気調整装置９を介して、前記スロート４に前記２次空気６が供給される様になっている。

前記ノズル本体８は、同心に設けられた外筒ノズル１１、内筒ノズル１２及び該内筒ノズル１２の中心線上に配設されたオイルバーナ１３を具備しており、前記外筒ノズル１１と前記内筒ノズル１２は、それぞれ先端部が先端に向って縮径するテーパ形状となっている。前記外筒ノズル１１の基端は端板１４により閉塞され、前記オイルバーナ１３は前記端板１４を貫通して前記内筒ノズル１２内に延出し、又進退可能となっている。

又、前記外筒ノズル１１先端部のテーパ形状部分が燃料噴出部１６となっており、前記外筒ノズル１１の前記燃料噴出部１６よりも基端側は燃料導通部１５となっている。前記内筒ノズル１２及び前記燃料導通部１５の断面形状はそれぞれ円形であり、前記内筒ノズル１２と前記燃料導通部１５間には中空筒状の空間である燃料導通空間１７が形成される。

前記燃料導通部１５の基端部には、１次空気導入管１８が前記外筒ノズル１１に接線方向から設けられ、前記１次空気導入管１８はバイオマスミル（図示せず）に接続されている。搬送媒体である１次空気１９、及び該１次空気１９に運搬された木質系バイオマスが混合されたバイオマス混合流２０が、前記１次空気導入管１８を介して前記燃料導通空間１７に接線方向から流入し、該燃料導通空間１７内部を旋回しながら前記燃料噴出部１６の先端から噴出される様になっている。

尚、搬送媒体である前記１次空気１９は、前記火炉２から排出される燃焼排ガスをそのまま使用するか、燃焼排ガスを空気と混合させることで、酸素濃度が例えば１２％以上１４％以下とされ、低酸素濃度の搬送媒体となっている。搬送媒体が低酸素濃度となることで、前記バイオマスミルに粉砕されてから前記燃料導通空間１７に流入する迄の搬送行程に於いて、前記バイオマス混合流２０が高温となった場合でも、木質系バイオマスが自然発火しない様になっている。

又、前記内筒ノズル１２の基端側には３次空気導入管２１の一端が連通し、該３次空気導入管２１の他端は前記ウインドボックス５内、模擬空気供給部（図示せず）等に連通している。前記ウインドボックス５内の前記２次空気６や酸素濃度２１％程度の空気、或は模擬空気供給部から酸素と二酸化炭素を混合させた模擬空気等を燃焼用補助空気である３次空気２２として前記３次空気導入管２１に導入し、該３次空気導入管２１より前記３次空気２２を前記内筒ノズル１２内に供給することで、該内筒ノズル１２内部の圧力が上昇し、前記火炉２内から炉内灰が前記内筒ノズル１２内に入込むのを防止すると共に、前記火炉２内の排ガスが前記３次空気導入管２１を逆流することを防止する。

前記２次空気調整装置９は、前記ノズル本体８の先端部を収納する補助空気調整機構２３と、該補助空気調整機構２３の外側に同心多重に設けられた主空気調整機構２４から構成されている。

前記補助空気調整機構２３は、先端に向って縮径する第１空気ガイドダクト２５と、円周等間隔で回転自在に多数設けられたインナ空気ベーン２６とを有し、該インナ空気ベーン２６はリンク機構（図示せず）を介して同期回動可能であり、空気流れに対する傾斜角を変更可能となっている。又、前記主空気調整機構２４は先端に向って縮径する第２空気ガイドダクト２７と、円周等間隔で回転可能に多数設けられたアウタ空気ベーン２８とを有し、該アウタ空気ベーン２８は、前記インナ空気ベーン２６と同様にリンク機構（図示せず）を介して同期回動可能であり、空気流れに対する傾斜角を変更可能となっている。

尚、前記第２空気ガイドダクト２７の先端は、前記スロート４に連続し、前記第１空気ガイドダクト２５の先端は前記スロート４内に位置し、前記外筒ノズル１１、前記内筒ノズル１２の先端は前記第１空気ガイドダクト２５の先端よりも後退した位置となっている。

次に、図１（Ｂ）に於いて、前記外筒ノズル１１の前記燃料噴出部１６について説明する。

該燃料噴出部１６には、所定の角度ピッチで所要数、例えば９０°間隔で４箇所に外周面から前記内筒ノズル１２に向って軸心側に傾斜する凹溝２９が形成される。該凹溝２９により前記第１空気ガイドダクト２５との間で前記スロート４中心部に向い、前記２次空気６を前記バイオマス混合流２０に割込ませる為の燃焼用空気流路である２次空気流路３１が形成される。

又、前記燃料噴出部１６と前記内筒ノズル１２の先端部と前記凹溝２９との間で、前記バイオマス混合流２０が流通するバイオマス混合流路３２が形成されるが、該バイオマス混合流路３２は前記凹溝２９によって周方向に分割された状態となる。

次に、前記バイオマスバーナ１での燃焼について説明する。

バイオマスミル（図示せず）により粉砕された木質系バイオマスの粉体が、燃焼排ガス等低酸素濃度の搬送媒体である前記１次空気１９により搬送され、前記１次空気導入管１８より前記バイオマス混合流２０として前記燃料導通空間１７の基部に供給される。

前記バイオマス混合流２０は、前記燃料導通空間１７を旋回しながら前記火炉２に向って流動し、前記バイオマス混合流路３２から前記火炉２に噴出される。

前記ウインドボックス５には、燃焼用空気である前記２次空気６が所定温度に昇温されて供給される。該２次空気６は前記アウタ空気ベーン２８により旋回が与えられ、前記第２空気ガイドダクト２７を介して前記バイオマス混合流２０と共に前記火炉２に噴出される。

又、前記第２空気ガイドダクト２７に取込まれた前記２次空気６の一部は前記インナ空気ベーン２６を介して前記第１空気ガイドダクト２５内部に取込まれ、２次補助空気として噴出される。

この時、前記第１空気ガイドダクト２５内部に取込まれた前記２次空気６の一部は、前記２次空気流路３１を介して、即ち前記バイオマス混合流路３２と同一円周上に、又周方向に於いて前記バイオマス混合流２０と交互に前記燃料噴出部１６から噴出される様になっており、前記２次空気６と前記バイオマス混合流２０とが素早く混合され、該バイオマス混合流２０中の酸素濃度が燃焼可能な酸素濃度迄上昇する。

又、前記インナ空気ベーン２６は、空気流れに対して傾斜しており、取込んだ前記２次空気６に旋回流を与える様になっている。

前記アウタ空気ベーン２８による旋回流の調整、風量調整、前記インナ空気ベーン２６による旋回流の調整、風量調整で前記２次空気６の供給量及び流れの状態が変化し、木質系バイオマスの燃焼状態が調整される。

又、前記２次空気６の一部、或は酸素と二酸化炭素を混合させた模擬空気が、前記３次空気２２として前記３次空気導入管２１を介して前記内筒ノズル１２に導かれ、該内筒ノズル１２の先端より噴出される。前記３次空気２２が噴出されることで、木質系バイオマスの燃焼状態が調整される。従って、前記２次空気６の調整、前記３次空気２２の調整等により、木質系バイオマスの燃焼状態が最適となる様に調整される。

上述の様に、第１の実施例では、前記外筒ノズル１１の先端部に軸心方向に傾斜する前記凹溝２９を形成し、該凹溝２９と前記第１空気ガイドダクト２５との間に形成された前記２次空気流路３１を介して噴出される前記２次空気６と、前記バイオマス混合流路３２を介して噴出される前記バイオマス混合流２０とを同一円周上に噴出させる様になっているので、前記２次空気６と前記バイオマス混合流２０とが素早く混合され、該バイオマス混合流２０が前記火炉２に噴出される段階で充分に酸素濃度を上昇させることができ、前記燃料導通空間１７に導入される前記１次空気１９の酸素濃度が低い場合であっても、着火を安定させ、又着火を促進させることができる。

又、前記凹溝２９を所定の間隔で所要数形成したことで、前記２次空気流路３１及び前記バイオマス混合流路３２とが周方向に相互分割され、前記２次空気６と前記バイオマス混合流２０とが周方向に於いて交互に噴出される様になっているので、前記２次空気６と前記バイオマス混合流２０との混合がより促進され、着火を安定させ、着火を促進させることができる。

又、前記２次空気流路３１を前記外筒ノズル１１の先端部に形成し、着火に充分な酸素濃度を有する経路を先端部に限定しているので、前記燃料導通空間１７を流動する前記バイオマス混合流２０が低酸素状態となり、木質系バイオマスが自然発火するのを防止することができ、安全性を向上させることができる。

更に、前記３次空気導入管２１を介して前記２次空気６、或は模擬空気等を前記内筒ノズル１２に供給しているので、前記バイオマス混合流２０が噴出される前記外筒ノズル１１の内側と外側から燃焼用空気を供給することができ、前記バイオマス混合流２０と燃焼用空気との混合を促進することができ、木質系バイオマスの着火及び燃焼の安定性をより高めることができる。

次に、図２（Ａ）（Ｂ）に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図２（Ａ）（Ｂ）中、図１（Ａ）（Ｂ）中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第１の実施例では、凹溝２９（図１参照）を燃料噴出部１６に形成していたが、第２の実施例では、燃料導通部１５の先端部、即ち外筒ノズル１１の中途部に内筒ノズル１２に向って軸心方向に傾斜する凹溝３４を形成してもよい。該凹溝３４により２次空気６をバイオマス混合流２０に割込ませる為の燃焼用空気流路である２次空気流路３５を形成している。

第２の実施例に於いては、該２次空気流路３５を介して燃料導通空間１７中に前記２次空気６を導入させ、前記燃料導通空間１７を流動する前記バイオマス混合流２０と混合させる構造となっているので、混合状態の流路を長くすることができ、前記バイオマス混合流２０に対する前記２次空気６の混合をより促進させ、木質系バイオマスの着火の安定性をより向上させることができる。

尚、前記燃料導通部１５の先端部に前記凹溝３４を形成するのではなく、前記燃料導通部１５の周面に等間隔で孔を穿設し、該孔を２次空気流路として前記燃料導通空間１７と前記第１空気ガイドダクト２５とを連通させる様にしてもよい。

更に、第１、第２の実施例に於いては、凹溝２９，３４を軸心方向にのみ傾斜させているが、軸心方向への傾斜に加え、前記２次空気６の旋回、前記バイオマス混合流２０の旋回に合わせて周方向に傾斜させてもよい。図３は、例えば第１の実施例に於ける前記凹溝２９を周方向に傾斜させた場合を示している。該凹溝２９を周方向に傾斜させることで、２次空気流路３１を流れる前記２次空気６の旋回、前記２次空気流路３１間を流れる前記バイオマス混合流２０の旋回が阻害されるのを防止でき、より混合を促進することができる。

次に、図４（Ａ）（Ｂ）に於いて、本発明の第３の実施例について説明する。尚図４（Ａ）（Ｂ）中、図１（Ａ）（Ｂ）中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第１の実施例及び第２の実施例では、内筒ノズル１２に向って軸心方向に傾斜する凹溝２９，３４を外筒ノズル１１に形成していたが、第３の実施例では該外筒ノズル１１に向って傾斜する凸溝３６を前記内筒ノズル１２先端部のテーパ形状部分に形成している。

前記凸溝３６は、所定の角度ピッチで所要数、例えば９０°間隔で４箇所に形成され、前記外筒ノズル１１に向って軸心から離反する様傾斜している。前記凸溝３６により、前記内筒ノズル１２内を流通する３次空気２２をバイオマス混合流２０に割込ませる為の燃焼用空気流路である３次空気流路３７が形成される。

又、前記外筒ノズル１１の先端部と前記内筒ノズル１２の先端部と前記凸溝３６との間で、前記バイオマス混合流２０が流通するバイオマス混合流路３８が形成されるが、該バイオマス混合流路３８は前記凸溝３６によって周方向に分割された状態となる。

第３の実施例に於いては、前記３次空気流路３７を介して噴出される前記３次空気２２と、前記バイオマス混合流路３８を介して噴出される前記バイオマス混合流２０とを同一円周上に噴出させる様になっているので、前記３次空気２２と前記バイオマス混合流２０とが素早く混合され、該バイオマス混合流２０が前記火炉２に噴出される段階で充分に酸素濃度を上昇させることができ、燃料導通空間１７に導入される１次空気１９の酸素濃度が低い場合であっても着火を安定させ、又着火を促進させることができる。

又、前記凸溝３６を所定の間隔で所要数形成したことで、前記３次空気流路３７及び前記バイオマス混合流路３８とが周方向に相互分割され、前記３次空気２２と前記バイオマス混合流２０とが周方向に於いて交互に噴出される様になっているので、前記３次空気２２と前記バイオマス混合流２０との混合がより促進され、着火を安定させ、又着火を促進させることができる。

尚、第１の実施例及び第２の実施例に於ける凹溝２９，３４と同様、前記凸溝３６を前記バイオマス混合流２０の旋回に合わせて周方向に傾斜させてもよい。前記凸溝３６を周方向に傾斜させることで、前記バイオマス混合流路３８を流れる前記バイオマス混合流２０の旋回が阻害されるのを防止でき、より混合を促進させることができる。

１ バイオマスバーナ
２ 火炉
３ 炉壁
４ スロート
５ ウインドボックス
６ ２次空気
８ ノズル本体
９ ２次空気調整装置
１１ 外筒ノズル
１２ 内筒ノズル
１５ 燃料導通部
１６ 燃料噴出部
１９ １次空気
２０ バイオマス混合流
２２ ３次空気（補助燃焼用空気）
２３ 補助空気調整機構
２４ 主空気調整機構
２５ 第１空気ガイドダクト
２７ 第２空気ガイドダクト
２９ 凹溝
３１ ２次空気流路（燃焼用空気流路）
３２ バイオマス混合流路
３４ 凹溝
３５ ２次空気流路（燃焼用空気流路）
３６ 凸溝
３７ ３次空気流路（燃焼用空気流路）
３８ バイオマス混合流路

Claims (2)

1. 炉壁に設けられたスロートの中心軸心上に設けられ、補助燃焼用空気が流通する内筒ノズル及び該内筒ノズルと同心で外側に設けられた外筒ノズルと、前記内筒ノズルと前記外筒ノズルの間に形成され低酸素濃度の搬送媒体と木質系バイオマスが混合されたバイオマス混合流が流通する燃料導通空間からなるノズル本体と、該ノズル本体を収納するウインドボックスと、該ウインドボックスに収納されると共に前記ノズル本体の先端部に設けられ燃焼用空気を供給する２次空気調整装置とを具備し、前記外筒ノズルの中途部に、等角度ピッチで前記内筒ノズルに向って軸心方向に傾斜する凹溝が形成され、該凹溝により前記２次空気調整装置から供給される前記燃焼用空気を前記燃料導通空間に導入させる様構成されたことを特徴とするバイオマスバーナ。
2. 前記凹溝が旋回に合わせて周方向に傾斜された請求項１のバイオマスバーナ。

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