Microsoft Word - 木技高　成果報告書_H21_rev10.doc

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1 4 株式会社トモエテクノ木質ペレット焚き及び乾燥チップ焚き貫流式蒸気ボイラの改良版の試作品の製作及び試用 65

2 1. 事業目的暖房乾燥製造工程での加温などの用途に用いられる蒸気ボイラのうち従来の小出力での木質焚き貫流式蒸気ボイラ ( 水管式 ) では化石燃料のボイラと比べ缶体内に煤やタールが詰まる可能性が高いそこで特に熱交換部の水管部での煤及びタールなどの付着による目詰まりやボイラ効率の低下を極力抑え小型化高効率化を図るための構造的システム的改良を加えたボイラの試作とモニター調査を行うこれによって商品化を目指しそのための高効率の維持メンテナンス性の向上コストダウンを図る 2. 事業実施目標 1) 前年度の同事業の試験結果ボイラの効率と能力ボイラ缶体においては燃焼ガス流路を大きく取り流速を落とす設計であったためエコノマイザーと併せて 80% の効率を達成できた耐久性などの改善を加えれば所期の 250KW を越える入力にも十分対応可能な缶体である灰煤塵などの堆積と効率などの劣化灰や煤塵の発生具合はまだ判断がつかないが灰は比較的さらさらしており灰受け箱での灰の回収や掃除口での灰の堆積が相当量あることから熱交換部への煤塵の付着はかなり抑えられたと見られる定期的な掃除の実施によって効率の低下速度は緩やかであると予想される 2) 今年度の実験で改良を行う意味前年度の試験は予算の関係もあり最小限の蒸発量で行った小型貫流式蒸気ボイラの化石燃料焚きでは 1.5 トン /h の蒸発量まであり化石燃料に代替するためには最低でも 500kg/h 程度の蒸発量がないと市場性が薄い前年度で確認したことはボイラ缶体としては余力があり小型貫流ボイラとして 500kg/h までの蒸発量が見込めたそのためには次の仕様変更が必要で市場に出すためにはどの程度のコストが実質上かかるかを確認する 1バーナ付属機器及び配管系等でサイズアップが必要 2ペレットのみでなくチップでの実験を行うためにはチップはかさ比重が軽いために大きなサイロと搬送装置が必要 3) 今年度の目標蒸発量 250Kg/h(= 入力 256KW) 規模から高負荷燃焼を行って蒸発量の目標を500Kg/h(= 入力 512KW) まで上げる ( ボイラ効率 75% とした場合 ) 66

3 3. 事業概要 3.1. 事業実施内容 1) 試験内容 1 缶体のみはそのまま昨年度と同じものを使用しそれ以外のバーナを含めた仕様を入力 250KW から 500 KW 仕様に改造する ( 具体的には後述 ) 缶体は小型貫流式蒸気ボイラという制約により伝熱面積は 10m2 以下に抑えてあるが流路に灰やすすなどが付着しにくいようにゆったりと設計しているために前年度の試験も勘案しそのままで 500 KW の出力にも対応できると判断した 2 試験スケジュールのうち前半はチップでの低負荷燃焼後半はチップ及びペレットでの高負荷燃焼での試験を行う測定は定格の 37.5% から 100% までの 6 段階で連続比例制御でそれぞれの入力でのデータを取りそれぞれの燃焼状態と効率の範囲を把握する 2) 試験スケジュール 1 低負荷燃焼ホワイトペレット ( 平成 21 年 2 月中旬 ~4 月中旬 ) 全木ペレット (4 月中旬 ~7 月初旬 ) 乾燥チップ (7 月初旬 ~11 月中旬 ) 2 高負荷燃焼乾燥チップ (11 月下旬 ~12 月中旬 ) ホワイトペレット (12 月中旬より平成 22 年 1 月下旬まで ) 全木ペレット ( 平成 22 年 1 月下旬から現在まで ) 図表 3-1 スケジュール表業務実施項目 10 月 11 月 12 月 1 月 2 月 3 月試作ボイラーの低負荷運転 ( チップ ) 試作ボイラーの高負荷運転 ( チップ ) 試作ボイラーの高負荷運転 ( ペレット ) モニター場所でのデータの取得モニターによるデータのとりまとめ分析報告書のとりまとめ 67

4 3.2. 試作改良機器の主要仕様 1) ボイラおよびバーナの主要部構造図 68

5 2) 各部の説明番号名称説明 1 燃料投入口燃料となるチップペレットを投入する口 2 ストーカースクリューモータストーカースクリューを動作させる為のギヤードモーター 3 ストーカースクリュー燃料を炉内に搬送する為のスクリュー 4 燃料導入口ストーカスクリューによって搬送されてきた燃料が炉内に押し上げられるガイド孔 5 回転式ロストル炉床となる部分で一次空気の導入口を備えた構造自動清掃時に左右に回転することで一次空気口が開閉し燃焼灰を灰受け箱に落とす 6 灰受け箱自動清掃時に落下した炉内の灰を貯める箱 7 曲げ加工した水管ガス流路に流入より落下してきた灰すすを灰すす受けスペースに落とす清掃時に下から清掃用具を入れて水管の清掃を行う 8 ガス流路燃焼排ガスが通過する流路 9 灰すす受けスペース曲げ加工した水管の間を落下してきた灰すすを受けるスペース掃除口より掃除が可能 10 サイクロン一体型エコノマイザーサイクロンの中に水管を螺旋状に配置したエコノマイザー 11 サイクロン灰受け箱サイクロンにより落下した灰すすを受ける箱 12 排気ファンインバーター制御され炉内を負圧にすると同時に燃焼に必要な適正量の燃焼一次空気を供給し排気ガスをボイラ外へ排出する 69

6 3) 入力 250KW から 500KW へのサイズアップの内容と根拠項目サイズアップ対象コメント缶体昨年度使用した缶体は貫流式蒸気ボイラの法定伝熱面積のほぼ限界で製作しているために今回も貫流式があくまでも前提であるのでその缶体をそのまま使用するただし元々灰や煤塵の付着を最小限に抑えるためにゆったりとした燃焼炉と燃焼ガス流路で設計してあるので出力アップに対応可能である燃料搬送スクリュー燃料送り量が増加するためモーターごと変更ブリッジ防止のため火格子下込め式で歓待は同じものを使用する為に外形サイズは同じとするが火格子面積は拡大したバーナに取替える別紙図面参照燃焼空気ファン特に二次空気における燃焼空気量が増加するため排気ファン出力アップによって排ガス温度が上がるため 400 耐熱用に変更排気管燃焼ガス流量が増加するため制御ソフトサイズアップ用のソフトを作成するバックアップボイラに対して優先運転ができるのでより安定した制御が可能蒸気配管手動弁一次圧力調整弁蒸気発生量が増加するため蒸気流量計スチームヘッダー蒸気使用量が増加するため給水ポンプ給水量が増加するため軟水器給水量が増加するためサイロ燃料消費量が増加するためエアブロー装置高負荷時には灰の量も増加するので水管を掃除 ( 手動 ) する必要があるため ( 週 1 回程度休日に行う ) 70

7 4) 高負荷燃焼でのフロー図 5) 高負荷燃焼バーナと低負荷燃焼バーナ火格子面積を大きくとった低負荷燃焼の 250KW 入力のバーナを高負荷燃焼の 500KW 入力に対応するためにボイラ缶体が同じであるという条件のもと火格子面積を大きくするために下込め式による燃料の燃焼炉への投入孔のサイズを狭めて実現した 71

8 6) 貫流式小型蒸気ボイラの運転制御 1 燃料による出力範囲出力範囲はペレット ( 全木 ) で 500KW まで乾燥チップ (DB 含水率 50% まで ) で 300KW 入力までをめざす 2 木質焚きボイラでの ON-(LO-)OFF 制御の場合の問題点起動動作 ON の時空燃比のバランスが変動し不完全燃焼等の恐れ冷えた炉内では未燃物が発生しやすいその結果煤塵煤煙が相当量発生する可能性あり負荷の少ないときにはこの発停 (ON-FF 動作 ) が頻繁に繰り返され公害成分を発生させやすくしかも着火のために化石燃料を使用する場合は化石燃料が多量に消費される煤塵などを発生させないためにはボイラを停止させないことが重要なポイントとなる 3 連続比例制御の採用 : モーター類 ( 下込め式搬送スクリュー燃焼空気ファン誘引ファン ) にインバータ制御を行う定格出力の 100% から 37.5% までを連続比例制御で行う将来的には 100% から下限 15% までをめざす実際は 5% ごとのステップ制御で行う負荷の変動時においてもボイラを停止 (OFF) する頻度が少ない起動時の動作が少なくそれによる煤塵などの発生量も少ない 7) 主な測定対象低負荷燃焼ではバーナ入力 125KW~250KW まで 6 段階のステップ測定高負荷燃焼ではバーナ入力 150KW~400KW まで 6 段階のステップ測定測定項目 1 燃焼炉温度 2 O2 濃度 % 3 CO 濃度 ppm 4 ボイラ効率 ( エコ込み )% 5 エコ出口温度 8) ボイラ内部の灰の発生状況観察点は 1 火格子の上 2 水管熱交換部の表面 3 水管熱交換部の底部 4 エコノマイザーの熱交換部の表面 5 エコノマイザーの底部 72

9 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) 入力 500KW での高負荷燃焼の実現 2) ホワイトペレット全木ペレット乾燥チップ ( 乾量基準 50% 未満 ) のいずれでも燃料として使用できる 3) 連続制御による幅広い負荷範囲 ( 例 :150KW から 400KW 程度まで ) への対応 4) 最適燃焼により未燃物やすすの発生を抑えすす詰まりを起こさず掃除の頻度を抑える 4. 事業実施の成果 4.1. 事業実施成果 1) 低負荷時のペレットでの運転データ H21 年 5 月熱管理データ ( 燃料 : 全木ペレット ) ボイラ入力 (kw) ボイラ効率 (%) 出口温度 ( ) 蒸気流量 (kg/h) 月 19 日ボイラ清掃ボイラ入力 (kw) ボイラ効率 (%) 出口温度 ( ) 蒸気流量 (kg/h) 0 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 5 月 1 日 2 日 3 日 4 日 5 日 6 日 7 日 8 日 9 日日日日日日日日日日日日日日日日日日日日日日日日付 73

10 2) チップでの低負荷運転から高負荷運転への運転データ比較 H21 年 11 月熱管理データ ( 燃料 : 乾燥チップ ) ボイラ入力 (kw) ボイラ効率 (%) 出口温度 ( ) 蒸気流量 (kg/h) ボイラ入力 (kw) ボイラ効率 (%) 出口温度 ( ) 蒸気流量 (kg/h) 高負荷燃焼切替工事 ( ボイラ停止 ) 0 11 月 1 日 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 11 月 12 月 2 日 3 日 4 日 5 日 6 日 7 日 8 日 9 日 10 日 11 日 12 日 13 日 14 日 15 日 16 日 17 日 18 日 19 日 20 日 21 日 22 日 23 日 24 日 25 日 26 日 27 日 28 日 29 日 30 日 1 日 3) 高負荷時のチップでの運転データ月 28 日燃焼室温度ボイラ出口排気ガス温度エコノマイザー出口排気ガス温度エコノマイザー出口温度ボイラ圧力入力蒸気流量ボイラ効率 800 温度 ( ) 圧力 (kpa) 出力 (KW) :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間 74

11 4) 高負荷時のホワイトペレットでの運転データ 1 測定条件ボイラ型式ペレット焚き貫流ボイラ燃料ホワイトペレット高位発熱量 4540 kcal/h 低位発熱量 4154 kcal/h 含水率 18.3 %( ドライベース ) かさ比重 610 kg/m3 2 測定結果制御盤表示 kw 燃料投入量 kg/h l/h 発生蒸気量 kg/h ボイラ効率 % 入力別ボイラ効率 % ホワイトペレット H 効率 % ボイラ効率 ( 排損法 ) % 入力 KW 75

12 月 9 日ホワイトペレット燃焼室温度ボイラ出口排気ガス温度エコノマイザー出口排気ガス温度エコノマイザー出口温度ボイラ圧力入力蒸気流量ボイラ効率温度 ( ) 圧力 (kpa) 入力 (KW) :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間月 15 日ホワイトペレット燃焼室温度ボイラ出口排気ガス温度エコノマイザー出口排気ガス温度エコノマイザー出口温度ボイラ圧力入力蒸気流量ボイラ効率温度 ( ) 圧力 (kpa) 入力 (KW) :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間 76

13 5) 高負荷時の全木ペレットでの運転データ型式多管式貫流ボイラ燃料種類ペレット試験日時 H バーナ燃焼方式下込め式含水率 U 18.3 % 場所舟形マッシュルーム定格入力 400 kw 低位発熱量 4154 kcal/kg 担当者 kcal/h かさ比重 - kg/m3 電源 200V3φ 定格搬送量 82.8 kg/h 2 測定結果 ( 注 ) ボイラ効率は特損法による制御盤表示 kw 燃料投入量 kg/h l/h 発生蒸気量 kg/h ボイラ効率 % 入力別ボイラ効率 % 全木ペレット H 効率 % ボイラ効率 ( 排損法 ) % 入力 KW 77

14 月 9 日全木ペレット燃焼室温度ボイラ出口排気ガス温度エコノマイザー出口排気ガス温度エコノマイザー出口温度ボイラ圧力入力蒸気流量ボイラ効率温度 ( ) 圧力 (kpa) 出力 (% 10) :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間月 12 日全木ペレット燃焼室温度ボイラ出口排気ガス温度エコノマイザー出口排気ガス温度エコノマイザー出口温度ボイラ圧力入力蒸気流量ボイラ効率温度 ( ) 圧力 (kpa) 出力 (% 10) :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間 78

15 4.2. 事業実施目標の達成度と評価 1 入力をこのモニターボイラの缶体でペレット燃料の場合最大 500KW までを達成した 2 高負荷になると特にペレットの場合は炉内が高温になりやすくクリンカーの発生が著しいまた空燃比の調整が難しく時にすすの発生も多く特に燃焼ガス通路などで目詰まりを起こす可能性がある 3 高負荷燃焼ではターンダウン ( 出力の 100% からの連続制御ができる比率の下限 ) は150kW から40 0kW で 37.5% まで達成した 4 自動最適燃焼のためのラムダ制御 (O2 センサーによる酸素濃度制御 ) は今回十分機能できなかった 4.3. 本事業で得られた今後の課題 1) 性能面 1 入力をこのモニターボイラの缶体でペレット燃料の場合 500KW までを達成するすなわち木質ペレット焚き小型貫流ボイラで 500kg/h の商品化を目指すそのためには耐久性に加え燃焼制御において更なる検討が必要 2エコノマイザーを搭載して効率 75% 以上を維持する 3ターンダウン ( 出力の 100% からの連続制御ができる比率の下限 ) を 15% まで達成する 4ラムダ制御 (O2 センサーによる酸素濃度制御 ) による自動最適燃焼制御を行う 5ペレットの場合火力が強く排ガス温度が 300 に達していることからクリンカーが発生しやすい状況にあり出力が高く出ても燃焼炉温度を低く抑えてクリンカーの発生を抑えなければならない 2) メンテナンス面 1 付着した灰の掃除作業のための装置の搭載 : 圧縮空気による手動でのブローで熱交換部表面や熱交換部底部の灰をブローしサブコンテナなどに収納するエコノマイザーも上記と同様なブローを行えるようにする 2 水管下部にたまった灰については着脱可能なカバーを取り付け使用者が容易に掃除をできるようにする 3 火格子の上の灰やクリンカーを除去するために火格子を容易に取りはずせるようにする 3) 構造面 1 省スペースのためのコンパクト化 2 操作性 3 外観デザイン 4 コスト低減 79

16 5. 本事業を実施による将来展望低負荷燃焼の試験データとしては燃焼性ボイラとしての性能灰の発生状況など基本的な所期の条件はほぼクリアできてきたもうしばらく行う高負荷燃焼での試験データ次第でボイラの基本的な仕様が要件が決まる一定の耐久性試験をすれば商品化のめどが付く本製品についてはペレットで入力 500KW チップで入力 300KW をめどに商品化は平成 22 年度 10 月に発売を予定している 6. 事業実施体制 ( 株 ) トモエテクノ事業計画の策定試験の統括分析評価報告書の作成 ( 株 ) 巴商会改造後のバーナなど機器類制御システム配管の設計製作試験計画実施データ測定 ( 有 ) 舟形マッシュルーム ( 山形県舟形町 ) モニター先検討会議の実施など検討会議は業務日誌どおり次の日程で逐次行った平成 21 年 9 月 1 回事業内容の検討 11 月 2 回バーナなどの設計と生産計画 12 月 1 回改造機の組立てと試験内容のスケジュールなど平成 22 年 1 月 2 回ボイラの試験内容 2 月 2 回ボイラの試験内容 3 月 2 回ボイラの試験結果分析など 80

17 7. 参考写真サイロ機械室と傾斜のあるアプローチ試験用モニターボイラかさ比重の高いチップのために高さを伸ばしたサイロチップの入ったサイロペレットの入ったサイロ蒸気を受けるヘッダー 81

18 低負荷燃焼時の火格子 ( チップ燃料 ) 水管底部の灰のたまり手動で水管へ期をブローしている様子水面表面への灰の付着と剥がれ落ちた部分水管底部の灰のたまりブローされた水管壁 ( 黒い部分が剥がれ落ちた ) エコノマイザーの灰の付着高負荷燃焼バーナ ( 火格子が広い ) 82

19 下米式でチップが上がってくる様子エコノマイザーの下部にたまった灰高負荷燃焼バーナをボイラに搭載ホワイトペレット用バーナ正常な火格子 83

20 84

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Microsoft Word - koudoka-seika-004 80 ( ) 70 1 5% 20 12 21 1 6 2 11 21 2 16 23 19 1,000mm 64mm O2 200KW 54kg/h 80% 317kg/ ( 263kg/h) 20 m 21 50% 22 ON-OFF ON ON-FF OFF) O2 O2 23 5.事業実施の成果ア工場試験の方法経過及び結果１試験方法ボイラ入力 250KW 及び 125KW ターンダウン比率

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