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1 6 株式会社イクロス 木質バイオマス燃料 ( 木チップ ) を利用する小型温風暖房機の開発 117

2 1. 事業目的 現代社会では蒸気や温水など 生産工程のエネルギーとして また日常生活の身の回りでも必須の熱エネルギーとなっており そのエネルギー源は大部分が重油や灯油の化石燃料に依存している 重油や灯油を 1 リットル燃焼すると 2.5kg の CO2 が発生し 国全体 世界規模で考えると想像を絶する CO2 が発生していることになる 木質バイオマスを燃焼するとカーボンニュートラルによって CO2 の排出はカウントされない これは CO2 が増加しないという事で CO2 の削減に効果がある 例えばある生産工場で 1 日に 1000 リットルの重油を燃料として使用していたとすると これを木質バイオマス燃料に置き換えると 毎日 2500kg の CO2 を削減し 年間にすると トンも削減する事になる 毎日 1000 リットルの燃料というのは 実際には決して多い量ではなく このような工場は数多く存在し また工場だけでなく温泉やスーパー銭湯 養殖場などでも多量の燃料が毎日使用されている 当社はこのような状況に着目し そういった事業所向けに木質バイオマス燃料を使用するボイラとして温水ボイラを製品化し 現在は蒸気ボイラも製品化を目指して開発している しかし 今回の計画は 前述した通り すでに一般の生活レベルでも意識されている CO2 削減を具現化するために これらの小型製品として家庭用または小規模事業所や温室栽培 ( ビニルハウス ) 向けの製品を新たに低価格製品を開発する意義を確信し 計画を進める事にした 木質ペレットは木を一度破砕 ( 粉砕 ) し それを圧縮して成形した燃料であるため ペレット自体の値段が少々高い しかし 圧縮成形しない破砕したそのままの形状であれば値段は格段に下がる 当社のボイラはこの破砕しただけのチップを燃料とする事で 3 万 kcal/h の小型温風器を開発する事を目的とする 2. 事業実施目標 小型温風機の開発で 販売ターゲットは家庭用または小規模事業所や温室栽培としているが 家庭での暖房 ( ストーブ ) や小規模な工場または ビニルハウスなどの温室栽培を想定している 北海道や東北の寒冷地方だけでなく 温室栽培なら全国的に行われており 例えば関西であっても 四国であってもビニルハウスをボイラで加温している件数はたくさんある 当社への問い合わせの半数以上は寒冷地方以外からであった 木質ペレット ( 写真 2) だけでなく チップ ( 写真 1) を燃料にすることで 他の製品よりメリット性も上がり コスト削減を行えるため 多くの需要があると考えている チップ燃料に関しては 当社の燃焼炉では以前から使用実績があり 効率良く燃料として使用している 温風器と言っても もちろんビニルハウスだけがターゲットではないが 設置スペースを縮小するため 小型製品を開発する事が目標である 今ある空調設備に増設するまたは別設置する事になるため 小型製品であればあるほど 設置には有利であり 特にこのような温風器はビニルハウスなどでの用途ではサイズも重要視する 118

3 図表 2-1 3~5mm の木質ピンチップ 図表 2-2 8mm 木質ペレット 3. 事業概要 3.1. 事業実施内容 木質チップまたはペレットを燃料とする温風器の試作機製作計画で 当社の既存燃焼炉を小型化した燃焼炉を設計し 温風熱交換器に接続する 灰の除去の構造も含めて新機種の開発に取り組んだ 以前から当社のボイラでの課題としていた逆煙 ( 燃料投入スクリューやホッパー側への逆煙 ) を解決するため 誘引ファンを用いた平衡通風方式を取入れてこの問題を解決する事ができた しかし平衡通風方式にする事による当社燃焼方式の特徴である炉内での旋回流が若干変化するため 燃焼空気の投入方法の部分で少し構造変更を試みた 炉内を負圧に保ち 燃焼を安定するための変更点を検討した事が主な内容である 圧力センサーを用いてロータリーアクチュエーター ( ダンパー ) を制御して空気量の調整をして自動運転する事に成功した 燃料の投入量の増減と風量の調整で熱量 ( 燃焼量 ) の調整 ( 出力調整 ) も可能になった 木質チップを燃焼しても 炉内にクリンカが発生して蓄積する現象が起きる場合がある為 クリンカになる前に灰をより多く炉内から取り出す事を検討していたが 燃焼空気の旋回流を利用して炉の周囲より炉床の下部に落とす構造でテストした 燃焼炉の外筒と内筒の間に旋回流によって灰を飛ばし 内壁にあたった灰が下部に落ちる 灰が予定通り排出できる効果が確認できたため この構造を採用した 熱交換器は固形燃料仕様という事で 飛灰などの対策として伝熱板の厚みやクリアランスを労慮して設計した バーナーである炉から燃焼ガスが出てきて熱交換器に流入し ファンによってフレッシュエアーも流入して その交差で熱を交換するが 固形燃料を使用すれば油燃料と違って燃焼ガスに煤塵などが含まれるための対策である 燃焼炉のサイズも小型機を用いて燃焼テストをし 燃焼状態や燃焼量の結果により再度今回の試作機用に再設計した 設置スペースの縮小と小型化を図るため 縦置きの従来の炉の上段の火炎吹き出し口を横向きに熱供給するバーナーとして形状を変更する この形状変更によって燃焼 119

4 に影響がでないかをサンプル機の炉を用いてテストして事前確認したところ 状態は良く バーナーとして炎の距離も確保できると判断できたため これを採用した 以前に一度温風器の試作機を作って暖房能力をテストした 当時は燃焼空気を押込みブロアで投入し 旋回流を利用した燃焼であった しかし 高圧になる炉内から煙突側へ流れる一部が 逆方向の燃料ホッパー側へ流れる逆煙が発生する現象が起きた この逆煙問題を解決する事が第一の大きなポイントであった 図表 3-1 以前のフィールドテスト時の設置状況 図表 3-2 燃料ホッパー設置場所 図表 3-3 燃料ホッパー側への逆煙現象 写真 3のように 以前に一度温風器の試作機を作って暖房能力をテストした 当時は燃焼空気を押込みブロアで投入し 旋回流を利用した燃焼であった しかし 高圧になる炉内から煙突側へ流れる一部が 逆方向の燃料ホッパー側へ流れる逆煙が発生する現象が起きた ( 写真 5) この逆煙問題を解決する事が第一の大きなポイントであった 120

5 当時は熱量を 5 万 kcal/h と設定して燃焼炉を設計したが 実際には 3 万 kcal/h 弱で テストを継続する熱量に達しなかった 大きくこの 2 つの問題点で当時のテストは中断した 今回はこの点を解決した製品作りということで 燃焼方式や構造の見直しから研究する目的である 初めての小型製品ということで コンパクトにしすぎたため 日常手入れやメンテナンスの面でも 作業性等も至らない点もあったため そのような箇所も改善する この時点では燃焼炉を高く持つ構造であったため 写真 3のように全体の高さが高くてビニルハウス内ではやや大きすぎた 設置するにあたり もう少しコンパクトにする必要性を強く感じられた そのため 投入装置から燃焼炉のサイズ さらに熱交換器との接続など 各部品の構造やトータル的に製品レイアウトを見直す考えをもった 写真 4のように燃料ストックをするホッパーを外部に設置し 本体では切り出しホッパーのみ持っていたが これはこのまま採用し 本体をいかにコンパクトに設計するかを検討する 121

6 3.2. 試作 改良機器の主要仕様 図表 3-4 試作機の主要仕様 試作機の主要仕様 使用燃料 木質チップまたはペレット チップ 3~5mm 程度のピンチップ 燃料寸法 端材や建廃や剪定枝の破砕チップ等 ペレット 6mm 8mm 10mm 規格ペレット ホワイトペレット バーク含有ペレット等 寸法 幅 1160 長さ 1750 高さ 1160 熱量 4 万 kcal/h 熱交換器定格熱量 4 万 kcal/h 誘引ファン 0.4kW( インバータ ) 押込みブロア 0.4kW 温風ファン 2kW 切出しコンベア 0.2kW( インバータ ) 切出しホッパー 0.06 m3 着火方式 手動 安全装置 逆火防止対策 122

7 3.3. 本事業によって試作 改良した技術高度化のポイント 1 燃焼炉の出力の検討確認のため 3 万 kcal/h 程度の燃焼炉を作って 平衡通風方式での燃焼テストを行った 誘引ファンと押し込みブロアの比率や誘引ファンだけでの燃焼等いくつかのパターンで燃焼を行った 燃焼状態は 平衡通風の時が良かった 炉へ流入した空気が旋回流を維持したまま内部で下降し 燃料へ到達するためだと考えられ 誘引ファンで引くだけでなく 押し込みブロアによって強制的に旋回流を作る作用も必要ではないかと判断した 誘引ファンだけでも燃焼は成り立つが 小型の炉を用いて熱量を大きく得られるように平衡通風方式を採用する 燃焼量は予定していた 3 万 kcal/h がほぼ達成でき 当社の原理の旋回流や無煙燃焼もできた この燃焼状態を確認して 炉の上段を横方向に向ける計画に進めた 図表 3-5 燃焼炉 図表 3-6 燃焼の状況 * 誘引ファンでの燃焼や平衡通風の比率など いくつかのパターンで燃焼テストを行った 2 逆煙対策として取り組んできた平衡通風方式による燃焼を 負圧を保ちながら安定燃焼させ それを自動制御で運転することに成功した 圧力計に表示されているように 常に負圧になるように誘引ファンに取り付けているフレッシュエアーダンパーと押込みブロアのエアチャンバーに取り付けているロータリーアクチュエーターが動作し ダンパーの開閉によって空気量を調整する これによって平衡通風方式の燃焼を制御し 逆煙の問題は解消できる 123

8 図表 3-7 圧力センサーの設置状況図表 3-8 計器類 ( 中央 : 圧力センサー ) * 最初は圧力計のゲージを見ながら負圧を保ちながら運転していたが 圧力センサーによって炉内圧力を常に認識させて制御をする事で 炉内を負圧に保つ 図表 3-9 押込みブロア 図表 3-10 誘引ファン * 押込みブロアと誘引ファンのダンパーが圧力計によって連動し 燃焼空気の量を調整する 平衡通風方式の採用に伴い 燃焼空気の投入箇所の構造変更も検討し より安定した燃焼を維持できるようになった 旋回流がより多く燃料に向かって送られて燃焼が促進されるか そのための投入位置や内部の構造などを比較検討した 燃料の投入される内筒も適正な高さを探した 炉の出口口径もパターンを変えて検証した 火炎の長さを確認し 熱回収を行いやすいよう口径を検証した 124

9 図表 3-11 出口口径試験に用いたリング 図表 3-12 試験燃焼の様子 * 火炎の長さも燃焼状態を見ながら確認する 3 飛灰及びクリンカが炉内に蓄積する事を軽減させる為 円筒形の炉の周囲より燃焼空気の流れを利用して炉床の下部へ落とす構造を採用した 下部に溜まる灰は運転停止後に掃除をすれば良く トレイ構造にしたため容易である これによって チップに含まれる無機質成分からクリンカ発生による燃焼熱量の低下を軽減し 長時間継続した燃焼を維持出来る サイズをコンパクトにするため 高さを低くできるように熱交換器との接続に関して バーナー向きを縦置き横型タイプにして火炎の出口を横方向にする 燃焼炉の上段を横方向にするのである バーナー角度が変わる事によって燃焼に影響がないかをモデル機を用いて実験する 旋回する事で炉内滞留時間を長くし 燃焼空気とミキシングを行うため この旋回が横方向になる事で影響が出れば本燃焼原理は成り立たなくなるが 結果は原理の特徴である旋回燃焼が成り立ち 火炎も充分に確認できた 火炎が確保できればボイラでは輻射熱回収を行うに有利であり 今回の温風器では雰囲気温度を上げるために有利であり 火炎の長さは注目していた これによって煙道部分での熱回収も出来るような構造も可能になる 図表 3-13 燃焼の様子 (1) 図表 3-14 燃焼の様子 (2) * エルボ形状にして燃焼状態や火炎の状態は良好である結果を確認できる 125

10 4 熱交換器自体の燃焼は 以前のテスト時に検証は行った 燃焼の熱量不足や逆煙により フィールドテスト自体は熱量不足という結果であったが 供給する温風の熱交換能力は確認できた このため 今回も同じ仕様の熱交換器を採用して試作機を計画した 図表 3-15 熱交換器の主要仕様 熱交換器の主要仕様 寸法 幅 300 長さ 390 高さ 690 温度勾配放熱側 入口 700 出口 255 温度勾配受熱側 入口 20 出口 60 流量放熱側 1.90N m3 /min 流量受熱側 23.29N m3 /min 伝熱面積 1.9 m2 図表 3-16 温風熱交換器 図表 3-17 以前の検証時の温風器設置状況 126

11 これらの点により 以前より課題としてきた逆煙防止 クリンカ軽減などが改善され 製品として完成度が高めることができた 温度制御に関しては 燃焼空気と燃料の投入コンベアの回転速度をインバータで調節する事で燃焼量を調整する 炉の出口温度を計測し 熱供給する温度を見ながら燃焼量を調整してフレッシュエアーとの熱交換の際に流入温度に変化をつける事で温度調整をする フレッシュエアーの量もインバータで調整する事でさらに供給温度幅を大きく持てる 127

12 4. 事業実施の成果 4.1. 事業実施成果 1 逆煙防止対策平衡通風方式の自動制御化成功 2クリンカ軽減炉内構造改良により軽減成功 3 小型化設置スペースの縮小化 ビニルハウス内設置可 4チップの燃料化小型機のため搬送スクリューも小さいので 3~5mm のピンチップを使用する これ以上のものになると詰まる原因になる テストには含水率 11% のチップを使用したが 含水率は高い物も使用できるように今後も継続してテストを続ける 4.2. 事業実施目標の達成度と評価ビニルハウスで使用する場合 外部に設置スペースがない場合は限られた室内に設置するため小型である事が必須になるが 今回はサイロを別途外部に設置して切出しホッパーのみ一体化させ 以前の製品よりさらに大きく設置スペースを縮小できた 以前に試作した時は幅 1200 長さ 1500 高さ 1800 だったのに対し 再設計した今回のサイズは である 勿論 ビニルハウス以外で使用する場合もやはり設置スペースは 機種選定に大きく影響が出るため 小型化は必要条件である あまりに小型にしてしまうと日常手入れなどの作業性が低下する傾向にあるが 本機での日常手入れは灰の清掃が主内容である これに関しては 炉自体を2つ割りにして全体的に開く構造にした為 炉内の灰の清掃も容易にできる 炉の変形が憂慮されるが 木質チップの燃料で稼動している既存の炉で実績のある厚さで設計した 燃料搬送装置は切出しコンベア用のモーター 1 台で 炉の下部から垂直に持上げるスクリューの駆動もマイターギアを用いて利用した 消費電力を小さくするため 最小の機種を選定している また 持上げ箇所に関しては 炉内底板にスクリューが飛び出ると熱を受ける為 スクリュー羽を周囲に取り付けることで少しでも熱の影響を減らす構造を採用した 128

13 図表 4-1 温風器試作機 図表 4-2 燃焼中の炉 図表 4-3 燃焼中の炉 図表 4-4 温度表示計 図表 4-5 試運転に使用したチップ 129

14 試作機による燃焼テストで 写真のようなチップを使用した結果 1 時間当たり約 35000kcal の燃焼量であった チップの 1 時間当たりの消費量 13kg 熱量 3500kcal/kg=45500kcal が最高値で平均的には 10kg/h 程度の燃焼量である 平均と言うのは 燃焼量を増減させてテストした平均量である 当社で簡易測定した平均数値は 酸素濃度 :13% CO:590ppm NOx:152ppm 空気比 :2.7 排ガス温度:174 温風温度:52 であった 現在の効率を計算すると 65.5%(* 計算式参照 ) であった 今後の改良点は 温風ファンの風量を下げて その風量で低温源を高めて効率を上げることと もう少し燃焼ガスと供給空気のミキシングを良くする構造に改造する事を計画し 継続して完成を目指す * 計算式 ( 強弱運転を行った際の平均値 ) 投入エネルギー量 10kg/h 3500kcal/kg=35000kcal 低温源 N m3 /h 比熱 0.31 受熱温度 53 = kcal =65.5% 130

15 4.3. 本事業で得られた今後の課題例えば ビニルハウスでの加温に使用する場合 夜間の運転など 無人状態で運転するケースが多く考えられるが 室内の温度による連動強弱制御や時間帯によるタイマー運転などの自動運転をさらに充実すれば 需要に大きく応えられる ターンダウンによる強弱運転は 既存の温水ボイラでも温浴施設からの温度信号によって制御しており ビニルハウスの温度連動にも制御プログラム上で応用できると考えられ この試作機を完成品に仕上げる段階で制御に取入れることが出来る また 無人状態でもエラー発生などの非常時に 異常信号を発信して離れた場所に居ても異常内容を確認する事が可能なため この制御内容を取入れる考えである 温度制御は 現在は燃焼量の調節によって行うため 調整幅をさらに大きくする為に熱交換器に流入する受熱側空気の量も調節する事でさらに調整幅を持つことが出来る 室温を感知して燃焼を強弱させる事で制御する事もできる また 今回の試作機以上の例えば 10 万 kcal/h の温風器など 熱交換器と燃焼炉のサイズを変更する事で サイズ以外の構造変更無しで大きな熱量を持つ機種を製作する事ができる 販売価格を下げるため 製造コストを下げる努力も必要だと考えている 部品類は規格品を使い 加工品も手間のかからない内容にするなど 製造コストに関してさらに研究する事が次の課題である 5. 本事業を実施による将来展望 木質バイオマス燃料を使用する温風器の需要は 当社への問合せなどから判断しても 需要が高いと見ている 更なる改良を加える事で製品化に至ると考えている ビニルハウスなどの温室栽培や木の端材がある木工所などでの暖房などの熱源に利用でき または温風を利用して乾燥する用途も多くある 6. 事業実施体制 試作機を用いて クリーニング工場での乾燥に使用して 性能をフィールドテストする計画である リネン物の乾燥である フィールドテストをしながら製品としての能力が確認できれば 実際の稼動経過を検証して製品化を目指していきたいと考えている 本製品の主なパーツは市販されている規格品で成り立っており 核になる燃焼炉周囲やスクリュー等 独自のノウハウで作っている箇所に関しては 溶接や切断などの加工の能力の高い工場を選定し コスト削減に向けた計画生産を行う 図表 6-1 事業実施体制 131

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