(57)【要約】【課題】  バイオマス燃料の燃焼性の向上化を図る。【解決手段】  バーナ１は、円筒状の第１燃焼室２と、流動層３と、アーチ形状の天井壁４と、円筒状で軸心方向の一端側が第１燃焼室２の上端側の側方に連通接続され、他端側が火炎噴出口６とされた第２燃焼室５と、流動層３の流動用空気を兼ねる一次空気９を供給する一次空気供給部８と、第１燃焼室２の周壁１０に接線方向に沿う姿勢で設けられた二次空気供給ノズル１１と、第２燃焼室５の周壁１２に設けられた三次空気供給ノズル１３と、第１燃焼室２へバイオマス燃料１５を供給する燃料供給ノズル１４を備える。第１燃焼室２の周壁１０に沿い二次空気２３の旋回流２４を形成して、その内側に相対的な負圧領域を形成し、更に、天井壁４をアーチ形状とすることで、第１燃焼室２の上端側の軸心付近に、高温の燃焼ガスを含む還流２６により高温の雰囲気が保持される熱還流領域２７を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に延びる円筒状の第１燃焼室と、
前記第１燃焼室の下端側に設けられた流動層と、
前記第１燃焼室の頂部に形成されたアーチ形状またはドーム形状の天井壁と、
横方向に延びる円筒状であって軸心方向の一端側が前記第１燃焼室の上端側の側方に連通接続された第２燃焼室と、
前記第２燃焼室における軸心方向の他端側に設けられた火炎噴出口と、
前記流動層に流動媒体の流動用空気を兼ねる一次空気を供給する一次空気供給部と、
前記第１燃焼室の周壁に接線方向に沿う姿勢で設けられた二次空気供給ノズルと、
前記第２燃焼室の周壁に設けられた三次空気供給ノズルと、
前記第１燃焼室へバイオマス燃料を供給する燃料供給ノズルと、を備えたこと
を特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記二次空気供給ノズルは、前記第１燃焼室の前記周壁における前記第２燃焼室の接続位置よりも下方に設けられた
請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記燃料供給ノズルは、前記第１燃焼室の前記周壁における前記二次空気供給ノズルの設置位置よりも上方に設けられた
請求項１または２に記載のバーナ。
【請求項４】
前記三次空気供給ノズルは、前記第２燃焼室の前記周壁に接線方向に沿う姿勢で設けられた
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のバーナ。
【請求項５】
前記天井壁は、アーチ形状とされ、
前記天井壁と、前記第２燃焼室の軸心方向一端部は、同軸心配置で、同一半径とした
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを燃料として用いるバーナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化問題におけるＣＯ２の低減策の１つとしては、再生可能エネルギーの利用を促進することが考えられている。また、再生可能エネルギーについては、カーボンニュートラルの観点から、バイオマスの燃料としての利用が注目されている。
【０００３】
バイオマス燃料としては、木材などの木質バイオマスを粉体化して製造される粉体バイオマス燃料（バイオマス粉体燃料）が知られている。
【０００４】
この種のバイオマス由来の粉体バイオマス燃料を使用するバーナは、従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
このバーナは、横向きで一端側が開口した円筒状のバーナ管を備え、バーナ管の他端寄りに、粉体燃料供給管路が接続されると共に、一次空気供給口と、点火手段とを備え、更に、一次空気供給口よりも、バーナ管の一端側の開口に近い位置に、二次空気供給口を備えた構成とされている。
【０００６】
かかる構成のバーナは、一次空気供給口よりバーナ管内に旋回流を形成するように供給する一次空気により、粉体燃料供給管路より供給される粉体バイオマス燃料を低空気比で部分燃焼させる。更に、バーナは、前記部分燃焼により粉体バイオマス燃料中の揮発性成分が気化した時点で、燃焼に必要な残りの空気を、二次空気として二次空気供給口よりバーナ管内へ旋回流を形成するように供給し、バイオマス粉体燃料を完全燃焼させるものとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−７４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１に示されたバーナは、一方向に延びるバーナ管内で、粉体バイオマス燃料を燃焼させる構成を備えている。そのため、このバーナでは、使用する粉体バイオマス燃料に、バーナ管内に形成する一次空気の旋回流と二次空気の旋回流に浮遊させて搬送可能な密度と粒径が要求され、また、一次空気と二次空気の旋回流によってバーナ管内を搬送される間に完全燃焼可能な燃焼性が要求される。
【０００９】
したがって、特許文献１に示されたバーナは、使用できる粉体バイオマス燃料が、木質バイオマスを原料とし、且つ粒径が３００μｍ以下に制限される、というのが実状である。
【００１０】
したがって、特許文献１に示されたバーナでは、３００μｍよりも大きな粒径を有するバイオマス燃料、木質バイオマスに比して燃焼性や発熱量が低いバイオマス由来のバイオマス燃料、水分量がより多いバイオマス燃料などの性状の異なるバイオマス燃料は、バーナ管内で落下して滞留する可能性や、バイオマス燃料の一部が未燃状態の固体のままでバーナ管の開口より放出される可能性があるため、使用することは難しい。
【００１１】
そこで、本発明は、従来に比して広範な性状のバイオマス燃料を使用することが可能となるように、燃焼室におけるバイオマス燃料の燃焼性の向上化を図ることができるバーナを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記課題を解決するために、上下方向に延びる円筒状の第１燃焼室と、前記第１燃焼室の下端側に設けられた流動層と、前記第１燃焼室の頂部に形成されたアーチ形状またはドーム形状の天井壁と、横方向に延びる円筒状であって軸心方向の一端側が前記第１燃焼室の上端側の側方に連通接続された第２燃焼室と、前記第２燃焼室における軸心方向の他端側に設けられた火炎噴出口と、前記流動層に流動媒体の流動用空気を兼ねる一次空気を供給する一次空気供給部と、前記第１燃焼室の周壁に接線方向に沿う姿勢で設けられた二次空気供給ノズルと、前記第２燃焼室の周壁に設けられた三次空気供給ノズルと、前記第１燃焼室へバイオマス燃料を供給する燃料供給ノズルと、を備えた構成を有するバーナとする。
【００１３】
前記二次空気供給ノズルは、前記第１燃焼室の前記周壁における前記第２燃焼室の接続位置よりも下方に設けられた構成としてもよい。
【００１４】
前記燃料供給ノズルは、前記第１燃焼室の周壁における前記二次空気供給ノズルの設置位置よりも上方に設けられた構成としてもよい。
【００１５】
前記三次空気供給ノズルは、前記第２燃焼室の前記周壁に接線方向に沿う姿勢で設けられた構成としてもよい。
【００１６】
前記天井壁は、アーチ形状とされ、前記天井壁と、前記第２燃焼室の軸心方向一端部は、同軸心配置で、同一半径とした構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のバーナによれば、燃焼室におけるバイオマス燃料の燃焼性の向上化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】バーナの第１実施形態を示す概略図である。
【図２】図１（ａ）のＢ−Ｂ方向矢視図である。
【図３】図１（ａ）のＣ−Ｃ方向矢視図である。
【図４】図１のバーナの第１燃焼室内における速度分布を説明するための図である。
【図５】バーナの第２実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本開示のバーナについて、図面を参照して説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１は、バーナの第１実施形態を示すもので、図１（ａ）は、切断概略正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ方向矢視図である。図２は、図１（ａ）のＢ−Ｂ方向矢視図である。図３は、図１（ａ）のＣ−Ｃ方向矢視図である。図４は、図１のバーナの第１燃焼室内における流速分布を説明するための概要図である。
【００２１】
本実施形態のバーナは、図１（ａ）（ｂ）に符号１で示すもので、上下方向に延びる円筒状の第１燃焼室２と、第１燃焼室２の下端側に設けられた流動層３と、第１燃焼室２の頂部に形成されたアーチ形状（半円筒壁形状）の天井壁４と、横方向に延びる円筒状として軸心方向の一端側が第１燃焼室２の上端側の側方に連通接続された第２燃焼室５と、第２燃焼室５における軸心方向の他端側に設けられた火炎噴出口６と、を備えた構成とされている。
【００２２】
また、本実施形態のバーナ１は、流動層３に流動媒体７の流動用空気を兼ねる一次空気９を供給する一次空気供給部８と、第１燃焼室２の周壁１０に接線方向に沿う姿勢で設けられた二次空気供給ノズル１１と、第２燃焼室５の周壁１２に設けられた三次空気供給ノズル１３と、第１燃焼室２へバイオマス燃料１５を供給する燃料供給ノズル１４と、点火手段としての点火バーナ１６と、を備えた構成とされている。
【００２３】
第１燃焼室２、天井壁４および第２燃焼室５は、耐火材製とされている。
【００２４】
天井壁４は、第２燃焼室５の軸心と同軸心配置で、第２燃焼室５の軸心方向一端部と同一半径の半円筒形状とされている。これにより、第２燃焼室５は、軸心方向一端側における周壁１２の上半部が、天井壁４に段差なく繋がれている。
【００２５】
流動層３は、砂等の固体粒子の流動媒体７が充填されている。流動層３の下方には、一次空気供給部８が設けられている。一次空気供給部８は、流動媒体７の通過は阻止する一方、空気は通過可能な多孔質板又は多孔板のような散気板１７と、一次空気供給ノズル１８と、空気ボックス１９とを備えた構成とされている。空気ボックス１９には、送風機２０から流動用空気を兼ねる一次空気９を導く空気供給ライン２１が接続されている。
【００２６】
これにより、流動層３では、空気ボックス１９、一次空気供給ノズル１８、散気板１７を経て下方から導入されて上向きに噴出される一次空気９により流動媒体７の流動化が行われる。
【００２７】
なお、一次空気供給部８は、流動媒体７に散気板１７を通して下方から一次空気９を供給する構成に代えて、流動媒体７の充填個所に挿入配置された散気管（図示せず）を備えた構成として、散気管から流動用空気を兼ねる一次空気９を供給して、流動層３における流動媒体７の流動化を行う方式としてもよい。
【００２８】
したがって、流動層３は、後述するように燃料供給ノズル１４より第１燃焼室２に供給されて流動層３まで落下するバイオマス燃料１５を、流動化された流動媒体７で支持し、更に撹拌しながら、一次空気９を用いて燃焼させることができる。この際、流動層３では、一次空気９の供給量と、燃料供給ノズル１４より流動層３に落下供給されるバイオマス燃料１５の供給量とが、バイオマス燃料１５の部分燃焼が生じるように、すなわち、バイオマス燃料１５の完全燃焼には酸素不足となるように、調整されている。このため、流動層３では、バイオマス燃料１５の部分燃焼が行われると共に、この部分燃焼で生じた燃焼熱を利用してバイオマス燃料１５の残部の乾燥と熱分解ガス化とが行われる。
【００２９】
このように、本実施形態のバーナ１は、流動層３まで落下するバイオマス燃料１５が生じる場合は、そのバイオマス燃料１５を、流動媒体７によって支持し、更に撹拌しながら緩慢に燃焼させることができる。また、第１燃焼室２を構成する耐火材と流動媒体７は、バイオマス燃料１５の燃焼熱により加熱されて蓄熱した状態になる。よって、本実施形態のバーナ１は、使用するバイオマス燃料１５に、粒度、含水率、含有成分などの性状の変動に起因する燃焼性の変動が生じても、流動層３では、燃焼状態の変動を抑制しながらバイオマス燃料１５の燃焼を継続して行うことができる。
【００３０】
第１燃焼室２は、流動層３の直上となる第１燃焼室２の下部寄りの領域が、前記のように流動層３に支持されたバイオマス燃料１５が部分燃焼と熱分解ガス化される燃焼部２２となる。
【００３１】
燃焼部２２におけるバイオマス燃料１５の熱分解ガス化によって生じる可燃性ガスは、バイオマス燃料１５の部分燃焼によって生じる燃焼ガスや、流動層３で流動化空気として使用された後の一次空気９と一緒に、第１燃焼室２の出口となる第２燃焼室５との接続部に向けて、第１燃焼室２の内部を上向きに流れる。
【００３２】
第１燃焼室２の周壁１０には、燃焼部２２よりも上方で、且つ第２燃焼室５との接続部よりも設定された寸法分、下方となる位置に、二次空気供給ノズル１１が設けられている。
【００３３】
二次空気供給ノズル１１は、図２に示すように、第１燃焼室２の軸心に垂直な面に沿い、且つ第１燃焼室２の周壁１０の接線方向に沿う姿勢で、たとえば、周壁１０の周方向に等間隔となる３個所に設けられている。
【００３４】
二次空気供給ノズル１１には、送風機２０から二次空気２３を導く空気供給ライン２１ａが接続されている。
【００３５】
これにより、二次空気供給ノズル１１は、二次空気２３を、第１燃焼室２における燃焼部２２の上方となる位置に、周壁１０に沿う方向に吹き込んで供給することができる。
【００３６】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、第１燃焼室２では、二次空気供給ノズル１１より吹き込まれる二次空気２３が、周壁１０に沿って周方向に流れると共に、次第に第１燃焼室２の出口となる第２燃焼室５との接続部に向かうため、第１燃焼室２の内部には、上向きの旋回流２４が形成される。
【００３７】
なお、第１燃焼室２の周壁１０に周方向に設ける二次空気供給ノズル１１の数は、１または２であってもよいし、４以上であってもよい。また、周壁１０の周方向に複数の二次空気供給ノズル１１を設ける場合は、周方向に隣接する二次空気供給ノズル１１同士の間隔は均等であることが好ましいが、不均等であってもよい。更に、周壁１０に複数の二次空気供給ノズル１１を設ける場合は、すべての二次空気供給ノズル１１が、第１燃焼室２の軸心に垂直な１つの平面に揃わない配置を採用してもよい。たとえば、二次空気供給ノズル１１は、周壁１０に、上下方向に２段、または、３段以上の複数段となる配置で設けてもよい。二次空気供給ノズル１１の姿勢は、第１燃焼室２の内部に前記したような旋回流２４を形成することが可能な範囲で、第１燃焼室２の軸心に垂直な面に対して傾いていてもよいし、周壁１０の接線方向から傾いていてもよい。
【００３８】
燃料供給ノズル１４は、第１燃焼室２の周壁１０における二次空気供給ノズル１１の設置個所よりも設定された寸法分、上方となる位置に、斜め下方に向く姿勢で設けられている。
【００３９】
燃料供給ノズル１４には、制御された量のバイオマス燃料１５を、噴射用の加圧された空気と共に供給する図示しない燃料供給部が接続されている。
【００４０】
バイオマス燃料１５は、粒径が数百マイクロメートルから１０００マイクロメートル程度となるバイオマスの粉体であり、木質やその他の燃料としての利用が望まれるバイオマスの原料を、必要に応じて粉砕処理して製造される。
【００４１】
これにより、本実施形態のバーナ１は、第１燃焼室２に対して、燃料供給ノズル１４より、バイオマス燃料１５を斜め下向きに噴射して供給することができる。
【００４２】
第１燃焼室２では、燃焼部２２で生じる可燃性ガスと燃焼ガス、一次空気９、および、二次空気２３を含む気流の主流れの方向は、第１燃焼室２内を下方から、第２燃焼室５との接続部がある上方に向かう上向きの流れとなっている。
【００４３】
そのため、本実施形態のバーナ１では、燃料供給ノズル１４より、バイオマス燃料１５を、第１燃焼室２内における気流の主流れに対して対向する向きに噴射することができる。これにより、本実施形態のバーナ１は、第１燃焼室２にて、燃料供給ノズル１４より噴射して供給するバイオマス燃料１５のうち、流動層３に落下しないバイオマス燃料１５を、第１燃焼室２内における気流中に混合して分散させることができて、気体とバイオマス燃料１５とによる二相流の形成を促進することができる。
【００４４】
二次空気２３の供給量は、一次空気９、および、燃料供給ノズル１４よりバイオマス燃料１５の噴射に用いられる空気と合計した空気の量が、燃料供給ノズル１４より供給されるバイオマス燃料１５の完全燃焼には酸素不足となるように、調整されている。このため、第１燃焼室２では、燃料供給ノズル１４より供給されたバイオマス燃料１５の部分燃焼が行われると共に、この部分燃焼で生じた燃焼熱を利用してバイオマス燃料１５の残部の熱分解ガス化が行われる。
【００４５】
ここで、バイオマス燃料１５については、第１燃焼室２内での挙動と燃焼性を、小粒径粒子、中粒径粒子、大粒径粒子に分けて説明する。小粒径粒子は、第１燃焼室２内で上向きに生じている気流の主流れに乗って上昇可能であって、しかも、着火すると速やかに粒子全体が燃焼する粒子のグループである。中粒径粒子は、第１燃焼室２内で上向きに生じている気流の主流れに乗って浮遊可能であって、着火すると、粒子全体が燃焼するまでに小粒径粒子よりも時間を要する粒子のグループである。大粒径粒子は、第１燃焼室２内で上向きに生じている気流の主流れの中で、浮遊することができずに流動層３に落下する粒子のグループである。
【００４６】
燃料供給ノズル１４から第１燃焼室２内へバイオマス燃料１５が供給されると、バイオマス燃料１５の小粒径粒子は、第１燃焼室２内に形成されている上向きの気流、特に、二次空気２３の旋回流２４に対して速やかに分散して混合される。よって、第１燃焼室２内の温度がバイオマス燃料１５の着火温度以上となっているか、あるいは、燃料供給ノズル１４から供給されて二次空気２３に分散されるバイオマス燃料１５が通過する領域に種火が存在していれば、このバイオマス燃料１５の小粒径粒子は、二次空気２３の旋回流２４中で空間に浮遊した状態で着火して速やかに燃焼される。このように燃料が空間に浮遊した状態で燃焼されることを、以下、空間燃焼という。
【００４７】
このようにバイオマス燃料１５の小粒径粒子が旋回流２４に乗って旋回しながら速やかに燃焼されるときの火炎は、第１燃焼室２にて、燃料供給ノズル１４から小粒径粒子を含んだバイオマス燃料１５が供給されている間、継続して生じるようになる。よって、この旋回流２４に乗って第１燃焼室２内に保持される火炎は、燃料供給ノズル１４から第１燃焼室２内に新たに供給されるバイオマス燃料１５に着火するための種火として利用することが可能になる。
【００４８】
バイオマス燃料１５の中粒径粒子は、燃料供給ノズル１４から第１燃焼室２内に供給されると、第１燃焼室２内に形成されている上向きの気流、特に、二次空気２３の旋回流２４に対して速やかに分散して混合される。このため中粒径粒子も、小粒径粒子と同様に燃焼が開始されるが、全体が燃焼するまでには小粒径粒子よりも時間がかかる。よって、中粒径粒子は、着火すると、二次空気２３の旋回流２４に乗って旋回しながら、部分燃焼を開始すると共に、熱分解ガス化される。
【００４９】
バイオマス燃料１５の大粒径粒子は、燃料供給ノズル１４から第１燃焼室２内に供給されると、二次空気２３の旋回流２４に一旦取り込まれるが、自重により旋回流２４中で落下する。このため、大粒径粒子は、旋回流２４には同伴されずに、図１（ｂ）に二点鎖線で示すように、第１燃焼室２の底部の流動層３に落下する。
【００５０】
流動層３に落下した大粒径粒子は、前記したように、流動する流動媒体７による支持と撹拌を受けた状態で、一次空気９を用いた部分燃焼と乾燥と熱分解ガス化が行われる。
【００５１】
なお、前記した小粒径粒子、中粒径粒子、大粒径粒子は、バイオマス燃料１５の粒子の挙動と燃焼性を説明するための便宜的な分類であり、粒径による区分は厳密なものではない。したがって、バイオマス燃料１５の粒子は、同様の粒径を有するものであっても、粒子の密度や、含まれる水分量などに起因して、燃焼性の差、旋回流２４に同伴されやすいか否かという差が生じるため、これらの差に応じて前述した小粒径粒子、中粒径粒子、大粒径粒子のいずれに属することもある。
【００５２】
更に、第１燃焼室２では、バイオマス燃料１５の熱分解ガス化によって生じた可燃性ガスの一部が、二次空気２３を用いて燃焼される。
【００５３】
したがって、本実施形態のバーナ１は、燃料供給ノズル１４から第１燃焼室２内へバイオマス燃料１５が供給されて、一次空気９と二次空気２３による燃焼が行われると、第１燃焼室２内には、バイオマス燃料１５の部分燃焼と、一部の可燃性ガスの燃焼による高温の燃焼ガスが発生する。そのため、第１燃焼室２内では、高温の燃焼ガスと、可燃性ガスの残部と、流動層３で流動化空気として使用された後の一次空気９とが、二次空気２３による第１燃焼室２の周壁１０に沿う上向きの旋回流２４に同伴された気流が生じる。
【００５４】
図４は、第１燃焼室２内を流れる気流の上向き成分の速度分布を示すものである。
【００５５】
流動層３を通過した一次空気９が第１燃焼室２の下部寄りの領域である燃焼部２２を上向きに流れるときには、周壁１０の近傍には境界層が生じるため、気流の上向き成分の速度分布は、図４にＳ１で示すように、第１燃焼室２の軸心付近（中心部）の速度が、周壁１０付近の速度に比して大となる。
【００５６】
これに対し、二次空気供給ノズル１１の設置位置よりも上側では、二次空気供給ノズル１１より供給される二次空気２３が、周壁１０に沿って旋回流２４を形成することに伴い、気流の上向き成分の速度分布は、図中にＳ２で示すように、周壁１０付近の速度が、第１燃焼室２の軸心付近の速度に比して大となる。
【００５７】
このため、第１燃焼室２における旋回流２４が形成されている個所では、旋回流２４の内側となる第１燃焼室２の軸心付近が、旋回流２４が形成された周壁１０付近を基準として相対的に負圧領域となる。これにより、第１燃焼室２では、旋回流２４として上向きに流れた気流の一部が、図１（ａ）（ｂ）に一点鎖線で示すように、上向きから下向きに折り返して、前記したように相対的な負圧領域となる旋回流２４の内側に向かう還流２５を生じる。
【００５８】
更に、第１燃焼室２は、上側にアーチ形状の天井壁４を備えている。したがって、第１燃焼室２内で生じる上向き成分を含む気流は、その進行方向である上方が、天井壁４によって遮られる。
【００５９】
この際、天井壁４は、アーチ形状とされているので、第１燃焼室２では、周壁１０付近で第１燃焼室２の軸心付近に比して上向き成分の速度が大となる気流、すなわち旋回流２４が、周壁１０の上端部に達すると、天井壁４のアーチ形状の面に沿い導かれるようになる。
【００６０】
その後、天井壁４の面に沿って導かれた気流は、天井壁４の頂部で集合するので、天井壁４の頂部付近では、図１（ａ）（ｂ）に一点鎖線で示すように、上向きから下向きに折り返す気流が生じる。この気流は、前記したように相対的な負圧領域となる旋回流２４の内側に向かう、より強い還流２６となる。
【００６１】
これらの還流２５、還流２６を生じるのは、バイオマス燃料１５の燃焼により生じた高温の燃焼ガスを含む気流である。そのため、本実施形態のバーナ１は、第１燃焼室２の上部寄りの軸心付近に、高温の燃焼ガスを含む気流が還流２５、還流２６となって順次供給されて、高温の雰囲気に保持される図１（ａ）（ｂ）に一点鎖線で示す如き熱還流領域２７が形成されるようになる。
【００６２】
その後、第１燃焼室２で生じた高温の燃焼ガスと可燃性ガスを含む気流は、第１燃焼室２の上端側から第２燃焼室５へ順次流入する。
【００６３】
第２燃焼室５は、図１（ａ）に示すように、軸心方向の一端側が、第１燃焼室２に接続された上流側となり、軸心方向の他端側の火炎噴出口６側が、下流側となる。
【００６４】
第２燃焼室５は、周壁１２における軸心方向一端寄り個所に、三次空気供給ノズル１３を備えている。
【００６５】
本実施形態では、三次空気供給ノズル１３は、図３に示すように、第２燃焼室５の軸心に垂直な面に沿い、且つ第２燃焼室５の周壁１２の接線方向に沿う姿勢で、たとえば、周壁１２の周方向に等間隔となる３個所に設けられている。
【００６６】
三次空気供給ノズル１３には、送風機２０から三次空気２８を導く空気供給ライン２１ｂが接続されている。
【００６７】
これにより、三次空気供給ノズル１３は、第２燃焼室５に、三次空気２８を、周壁１２に沿う方向に吹き込んで供給することができる。
【００６８】
三次空気２８の供給量は、一次空気９、二次空気２３、および、燃料供給ノズル１４よりバイオマス燃料１５の噴射に用いられる空気と合計した空気の量が、燃料供給ノズル１４より供給されるバイオマス燃料１５の完全燃焼に必要とされる酸素量を供給できるように調整されている。このため、第２燃焼室５では、第１燃焼室２から流入する気流中に含まれている可燃性ガスの燃焼が行われ、この燃焼により生じた火炎が、第２燃焼室５の軸心方向他端側の火炎噴出口６より外部へ噴出される。
【００６９】
更に、本実施形態では、図１（ａ）に示すように、第２燃焼室５では、三次空気供給ノズル１３より吹き込まれる三次空気２８が、周壁１２に沿って周方向に流れると共に、次第に第２燃焼室５の下流側に向かう流れとなるため、第２燃焼室５の内部には、旋回流２９が形成される。
【００７０】
このため、第２燃焼室５における旋回流２９が形成されている個所では、旋回流２９の内側となる第２燃焼室５の軸心付近が、旋回流２９が形成された周壁１２付近を基準として相対的に負圧領域となる。
【００７１】
よって、第２燃焼室５では、図１（ａ）に一点鎖線で示すように、上流側に向くよう折り返して、前記したように相対的な負圧領域となる旋回流２９の内側に向かう還流３０が生じる。
【００７２】
本実施形態のバーナ１は、この還流３０により、第２燃焼室５で可燃性ガスが三次空気２８を用いて燃焼される際に生じる高温の燃焼ガスを含む気流を、第１燃焼室２の上部寄りの軸心付近に形成された熱還流領域２７に向けて供給することができる。このことによっても、熱還流領域２７は、高温の雰囲気に保持される。
【００７３】
なお、第２燃焼室５の周壁１２に周方向に設ける三次空気供給ノズル１３の数は、１または２であってもよいし、４以上であってもよい。また、周壁１２の周方向に複数の三次空気供給ノズル１３を設ける場合は、周方向に隣接する三次空気供給ノズル１３同士の間隔は均等であることが好ましいが、不均等であってもよい。更に、周壁１２に複数の三次空気供給ノズル１３を設ける場合は、すべての三次空気供給ノズル１３が、第２燃焼室５の軸心に垂直な１つの平面に揃わない配置を採用してもよい。たとえば、三次空気供給ノズル１３は、周壁１２に、上下流方向に２段、または、３段以上の複数段となる配置で設けてもよい。三次空気供給ノズル１３の姿勢は、第２燃焼室５の内部に前記したような旋回流２９を形成することが可能な範囲で、第２燃焼室５の軸心に垂直な面に対して傾いていてもよいし、周壁１２の接線方向から傾いていてもよい。
【００７４】
点火バーナ１６は、ＬＰＧやＬＮＧや灯油などを燃料として用いるものを採用すればよい。
【００７５】
これにより、点火バーナ１６は、本実施形態のバーナ１の起動時等に燃料を燃焼させることにより、第１燃焼室２内にバイオマス燃料１５を着火できる高温領域を形成する。なお、本実施形態のバーナ１を運転すると、バイオマス燃料１５の燃焼に伴い、流動層３の流動媒体７が加熱されると共に、第１燃焼室２の周壁１０を構成している耐火材が加熱される。
【００７６】
よって、第１燃焼室２にて、流動層３でのバイオマス燃料１５の部分燃焼熱、旋回流２４中でのバイオマス燃料１５の燃焼熱、あるいは、流動層３の流動媒体７や、第１燃焼室２の周壁１０が保有する熱により、新たに供給されるバイオマス燃料１５に着火して燃焼を開始できる場合は、その後の本実施形態のバーナ１の運転中、点火バーナ１６は消すようにしてもよい。このようにすれば、点火バーナ１６用の補助燃料の使用量の削減化を図ることができる。
【００７７】
また、点火バーナ１６は、本実施形態のバーナ１の運転中に常時種火を保炎するように使用してもよい。この場合は、燃料供給ノズル１４より第１燃焼室２内に順次供給されるバイオマス燃料１５に対し、点火バーナ１６で保炎する種火を用いて積極的に着火することができるため、使用するバイオマス燃料１５に粒径の変化や水分量の変化等に起因する燃焼性の変化が生じても、本実施形態のバーナ１の運転を、より安定して継続させることができる。
【００７８】
なお、点火バーナ１６は、第１燃焼室２内で一次空気９によるバイオマス燃料１５の燃焼、および、二次空気２３によるバイオマス燃料１５の燃焼を開始させることができれば、図示した以外の配置としてもよい。また、点火手段は、一次空気９によるバイオマス燃料１５の燃焼、および、二次空気２３によるバイオマス燃料１５の燃焼を開始させることができれば、化石燃料以外の任意の燃料を燃焼させる形式の点火バーナ１６を用いるようにしてもよく、更には、プラズマやスパークのような電気的な現象を利用して着火させる形式等、燃料を使用する以外の形式の点火手段を用いるようにしてもよい。
【００７９】
以上の構成としてある本実施形態のバーナ１を使用する場合は、先ず、流動層３には、一次空気９を供給して流動媒体７の流動を行わせるようにし、二次空気供給ノズル１１からは第１燃焼室２内へ二次空気２３を供給し、三次空気供給ノズル１３からは第２燃焼室５内への三次空気２８の供給を行い、更に点火バーナ１６を点火した状態で、燃料供給ノズル１４からバイオマス燃料１５を第１燃焼室２へ供給する。
【００８０】
これにより、第１燃焼室２では、バイオマス燃料１５の小粒径粒子と中粒径粒子が、二次空気２３に良好に分散された二相流となる状態で、点火バーナ１６により着火されて速やかな燃焼を開始し、その燃焼熱でバイオマス燃料１５の中粒径粒子の残部の熱分解ガス化が開始される。
【００８１】
また、本実施形態のバーナ１は、第１燃焼室２における上向きの気流中で浮遊しないで落下するバイオマス燃料１５の大粒径粒子は、流動層３で支持と撹拌が行われた状態で、点火バーナ１６の燃焼熱、バイオマス燃料１５の小粒径粒子と中粒径粒子の燃焼熱、および、一次空気９により、部分燃焼と熱分解ガス化が促進して行われる。
【００８２】
第１燃焼室２におけるバイオマス燃料１５の部分燃焼によって生じた可燃性ガスは、その一部が二次空気２３を用いて燃焼される。
【００８３】
このため、本実施形態のバーナ１は、第１燃焼室２では、バイオマス燃料１５の部分燃焼と、可燃性ガスの燃焼により生じた高温の燃焼ガスを含む気流が、周壁１０に沿う二次空気２３の旋回流２４に同伴されて第１燃焼室２内を上向きに流れる。第１燃焼室２内を旋回しながら上向きに流れた気流は、旋回流２４の内側に向かう還流２５を生じ、更に、アーチ形状の天井壁４により上方が遮られることによっても、旋回流２４の内側に向かう還流２６を生じ、これにより、第１燃焼室２の上部寄りの軸心付近に、熱還流領域２７が形成される。
【００８４】
この熱還流領域２７は、高温の燃焼ガスを含む還流２６が順次供給されて高温の雰囲気が保持されている。
【００８５】
更に、熱還流領域２７は、三次空気２８を第２燃焼室５に旋回流２９として供給することに伴って第２燃焼室５で生じる還流３０によっても熱が供給される。
【００８６】
したがって、本実施形態のバーナ１は、第１燃焼室２内の上端側の軸心付近に、高温の雰囲気に保持される熱還流領域２７を形成することができるので、第１燃焼室２の内部温度を、熱還流領域のない形式の燃焼室に比して、高温化させることができる。
【００８７】
更に、第１燃焼室２では、二次空気２３にバイオマス燃料１５が分散された二相流は、旋回流２４として周壁１０に沿う流れとなるため、この二相流が周壁１０と接触する時間を長く取ることができる。よって、本実施形態のバーナ１の運転が安定した状態では、加熱された周壁１０からの輻射伝熱によるバイオマス燃料１５の熱分解ガス化を促進することもできる。
【００８８】
よって、本実施形態のバーナ１は、バイオマス燃料１５の第１燃焼室２内における燃焼の安定性を向上させることができる。更に、第２燃焼室５では、バイオマス燃料１５の熱分解ガス化で生じた可燃性ガスを完全燃焼させることができる。
【００８９】
このように、本実施形態のバーナ１は、バイオマス燃料１５を用いて運転して、高温の燃焼ガスと火炎を火炎噴出口６より外部へ供給することができる。
【００９０】
更に、本実施形態のバーナ１は、流動層３を備えた構成としてあり、更に、運転中は、第１燃焼室２内に高温の雰囲気に保持される熱還流領域２７を形成できるので、特許文献１に示された従来のバーナで使用されるバイオマス燃料よりも大きな粒径を有するバイオマス燃料１５、更には、水分量や灰分量がより多くて発熱量（真発熱量）がより低いバイオマス燃料１５であっても、促進した燃焼を行わせることができる。また、本実施形態のバーナ１は、バイオマス燃料１５の一部が未燃状態の固体のままで火炎噴出口６より外部へ放出される虞を抑制することができる。
【００９１】
なお、採卵鶏の糞尿は、カルシウムを多く含んでいて、灰分が多く、木質バイオマスに比して燃焼性が低いために、従来は燃料としての有効利用が困難とされていた。これに対し、本実施形態のバーナ１は、バイオマス燃料１５の燃焼の促進を図ることができるため、採卵鶏の糞尿のような木質バイオマスに比して燃焼性が低いバイオマスに由来するバイオマス燃料１５であっても、安定した燃焼を行わせることができる。
【００９２】
したがって、本実施形態のバーナ１は、従来に比して広範な性状のバイオマス燃料１５を使用することが可能であり、従来燃料としての使用が困難とされていたバイオマスについても、燃料として有効利用を図る効果が期待できる。
【００９３】
また、本実施形態のバーナ１は、第１燃焼室２の底部に流動層３を備えていることで、未燃のバイオマス燃料１５が一個所に長時間滞留することを抑制でき、灰の付着や、クリンカの発生を抑制することができる。また、籾殻のようなシリカ（酸化ケイ素）を多く含むバイオマスを原料とするバイオマス燃料１５を使用する場合でも、クリストバライトの生成を抑える効果が期待できる。
【００９４】
ところで、一般に、バイオマス燃料は、化石燃料に比して着火速度が遅いため、完全燃焼させるためには燃焼室における滞留時間が長くなるよう設定した方がよい。この滞留時間は流路径と排ガス流量から決定される空塔速度に比例しており、バイオマス燃料を使用するバーナにおいて、化石燃料用のバーナと同等の燃焼量を得るためには、化石燃料用のバーナよりも大型化して空塔速度を下げる必要がある。あるいは、バイオマス燃料を使用するバーナは、化石燃料用のバーナと同等サイズとするためには、燃焼量を、化石燃料用のバーナに比して、２／３程度に低減する必要がある。
【００９５】
そのため、従来は、民生ボイラに多く使用されている化石燃料用のバーナを、同等のサイズのバイオマス燃料を使用するバーナに置き換えることは困難であった。
【００９６】
これに対し、本発明者等が実施した試験によれば、本実施形態のバーナ１は、従来のバイオマス燃料用のバーナに比して、装置全体のサイズを同様としたままで、燃焼量を１．５倍程度まで向上させることができることが判明した。よって、本実施形態のバーナ１は、民生ボイラに多く使用されている化石燃料用のバーナを、バイオマス燃料１５を使用するバーナへの置き換える場合に有効なものとする効果が期待できる。
【００９７】
［第２実施形態］
図５は、バーナの第２実施形態を示すもので、図５（ａ）は、切断概略正面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＤ−Ｄ方向矢視図である。
【００９８】
なお、図５（ａ）（ｂ）において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。
【００９９】
本実施形態のバーナは、図５（ａ）（ｂ）に符号１Ａで示すもので、第１実施形態と同様の構成において、第１燃焼室２の頂部にアーチ形状の天井壁４を備えた構成に代えて、ドーム形状（半球形状）の天井壁４Ａを備えた構成としたものである。
【０１００】
更に、本実施形態では、天井壁４Ａをドーム形状としたことに伴い、天井壁４Ａは、第１燃焼室２の周壁１０における第２燃焼室５が連通接続された個所よりも上方に設けられている。
【０１０１】
本実施形態のバーナ１Ａにおいても、第１燃焼室２内で生じる上向き成分を含む気流は、その進行方向である上方が、天井壁４Ａによって遮られる。
【０１０２】
天井壁４Ａは、ドーム形状とされているので、第１燃焼室２では、周壁１０付近で第１燃焼室２の軸心付近に比して上向き成分の速度が大となる気流である旋回流２４が、周壁１０の上端部に達すると、天井壁４Ａのドーム形状の面に沿い導かれるようになる。
【０１０３】
その後、天井壁４Ａの面に沿って導かれた気流は、天井壁４Ａの頂部で集合するので、天井壁４Ａの頂部付近では、図５（ａ）（ｂ）に一点鎖線で示すように、上向きから下向きに折り返して、第１実施形態と同様に、旋回流２４の内側に向かう還流２６が生じる。
【０１０４】
よって、本実施形態のバーナ１Ａにおいても、第１燃焼室２の上部寄りの軸心付近には、高温の燃焼ガスを含む気流が還流２５、還流２６となって順次供給されて、高温の雰囲気に保持される図５（ａ）（ｂ）に一点鎖線で示す如き熱還流領域２７が、第１実施形態と同様に形成される。
【０１０５】
したがって、本実施形態のバーナ１Ａは、第１実施形態のバーナ１と同様に使用して、同様の効果を得ることができる。
【０１０６】
なお、本開示のバーナは、前記各実施形態にのみ限定されるものではない。
【０１０７】
各図に示した第１燃焼室２の径寸法と軸心方向寸法の比、および、第２燃焼室５の径寸法と軸心方向寸法の比、更には、第１燃焼室２と第２燃焼室５のサイズの比は、図示するための便宜上のもので、実機の寸法や寸法比を反映したものではない。
【０１０８】
第１実施形態のバーナ１では、第２燃焼室５の軸心方向一端側における周壁１２の上半部を、天井壁４に段差なく繋ぐという観点から考えると、天井壁４と、第２燃焼室５の軸心方向一端部は、同軸心配置で、同一半径とすることが好ましい。しかし、本開示のバーナは、第１燃焼室２の上端側の側方に、第２燃焼室５の軸心方向一端側が連通接続されていれば、天井壁４と、第２燃焼室５の軸心方向一端部は、同軸心配置でなくてもよいし、同一半径でなくてもよい。
【０１０９】
第２実施形態のバーナ１Ａは、天井壁４Ａが、第１燃焼室２の周壁１０における第２燃焼室５が連通接続された個所よりも上方に設けられた構成を示したが、第２燃焼室５が、天井壁４Ａに一部かかる配置で、第１燃焼室２の周壁１０に接続された構成としてもよい。
【０１１０】
各実施形態のバーナ１,１Ａは、第２燃焼室５から熱還流領域２７に向かう還流３０を形成するという観点から考えると、三次空気供給ノズル１３を、第２燃焼室５の周壁１２に、接線方向に沿う姿勢で設けて、第２燃焼室５内に旋回流２９を形成することが好ましい。しかし、三次空気供給ノズル１３は、第２燃焼室５へ三次空気２８を供給することができれば、周壁１２の接線方向に沿う姿勢以外の姿勢で設けられていてもよい。
【０１１１】
各実施形態において、第１燃焼室２と第２燃焼室５は、それぞれの周壁１０，１２に沿う旋回流２４，２９が形成可能であれば、厳密な円筒形状でなくてもよい。
【０１１２】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【０１１３】
２  第１燃焼室
３  流動層
４，４Ａ  天井壁
５  第２燃焼室
６  火炎噴出口
７  流動媒体
９  一次空気
８  一次空気供給部
１０  周壁
１１  二次空気供給ノズル
１２  周壁
１３  三次空気供給ノズル
１４  燃料供給ノズル
１５  バイオマス燃料
【図１】
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【図２】
2020012596.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020012596.tif 000006
【図５】
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