(57)【要約】  供給装置、燃焼室、灰除去装置、スターリングエンジンを備える木製ペレット熱電併給装置において、好適な効率を達成するために、排出ガス復熱器（１１）が燃焼用空気（１０）を予熱し、木製ペレットがこの高温の空気（１３）の一部でガス化され、高温の燃焼用空気（１０）の一部（１３）が、火格子（４）の上からガス化燃焼室（３ａ）に指向され、このように作成された燃料ガス（１８）が、サイドチャンネルブロワ（７）により火格子（４）を通って灰とともに下方に吸引されて、火格子（４）の下の燃料ガス（１８）が高温の燃焼用空気（１０）の残部（１４）の流れ推進力で移動するように構成され、最初に、ＣＯ限界近くの低ラムダ値が維持され、燃焼室（３ｂ）の温度に従って中央ノズル（１９）での燃焼が安定化し、あるいは、燃焼室（３ｂ）の温度上昇に従って、無炎燃焼の状態がより一層増し、かくして、燃焼室（３ｂ）内に潜在性渦（２０）が発生し、潜在性渦（２０）が、排出ガス（６）、燃料ガス（１８）および高温の燃焼用空気（１４）を徹底して混合し、それにより、燃料ガス（１８）と灰粒子を完全に燃焼するように構成した熱電併給装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペレット供給装置（５ａ）、燃焼室、灰除去装置、および、スターリングエンジン（２２）を備える木製ペレット熱電併給装置であって、
・排出ガス復熱器（１１）は、燃焼用空気（１０）を予熱し、木製ペレットは前記燃焼用空気の一部（１３）にてガス化され、
・前記燃焼用空気（１０）の一部（１３）は、ガス化燃焼室（３ａ）の火格子（４）の上方に導かれ、このようにして生成された燃料ガス（１８）は、サイドチャンネルブロワ（７）によって灰とともに、前記火格子（４）を介して下方に吸引され、
・前記火格子（４）の下の燃料ガス（１８）は、前記高温の燃焼用空気（１０）の余剰分（１４）による流れ推進力によって押しのけられ、
前記余剰分（１４）は、
最初は、ＣＯ限界近くの低ラムダ（ｌａｍｂｄａ）値に維持され、そして、前記燃焼室（３ｂ）の温度に依って、中央ノズル（１９）付近の燃焼が安定させられ、あるいは、前記燃焼室（３ｂ）の温度上昇によって、無炎燃焼の状態が増加的に得られ、排出ガス（６）、燃料ガス（１８）及び加熱された燃焼用空気（１４）を激しく混ぜ合わせる潜在性渦（２０）が前記燃焼室（３ｂ）に形成されることにより、前記燃料ガス（１８）と灰粒子が完全に燃焼する
ことを特徴とする木製ペレット熱電併給装置。
【請求項２】
・前記灰は、前記排出ガス（６）とともに、前記排出ガス復熱器（１１）および同じくその下流に配置された凝縮熱交換装置（２４）を介し、灰粒子が前記熱交換装置の壁に堆積できないよう高流速にて吸引され、
・前記灰粒子は、前記凝縮熱交換装置（２４）にて、そこで得られた凝縮水と混ぜ合わされ、解ける成分は前記凝縮水に溶け、そして、解けない成分は前記凝縮水および前記排出ガス流（６）から除去される。
・排出ガス（６）の徹底した混ぜ合わせの結果として、灰粒子と凝縮水、微粒子でさえも前記排出ガス（６）から洗い出される
ことを特徴とする請求項１あるいは２に記載された木製ペレット熱電併給装置。
【請求項３】
前記排出ガス、凝縮水および灰の混合物は、サイクロンのような排出ガス／凝縮水分離装置（２７）によって、前記サイドチャンネルブロワ（７）の前あるいは後にて分離される
ことを特徴とする請求項１あるいは２に記載された木製ペレット熱電併給装置。
【請求項４】
前記燃焼室の前記潜在性渦（２０）の中に沈下した灰粒子は、エアジェットつまりは  前記燃焼室の床に設けられたエアノズルからの排出ガスの再循環によって、再度巻き上げられる
ことを特徴とする請求項１、２および３に記載された木製ペレット熱電併給装置。
【請求項５】
ガスバーナ（２）の瞬間的なバーナ出力は、前記サイドチャンネルブロワ（７）の速度を通じて調整され、前記スターリングエンジン（２０）のヒータヘッドの温度によってのみ決定され、さらに、前記ラムダ値および前記燃料の供給は、一次空気と二次空気の質量比の調節によって調節され、前記ペレットの供給は、燃えさし床の上側の明るさの反射の観測を行うライトセンサによって調節される方法にて制御される
ことを特徴とする請求項１、２、３、および４に記載された木製ペレット熱電併給装置。
【請求項６】
前記復熱器（１１）と前記凝縮熱交換装置（２４）は、それらの熱交換の表面が、前記燃焼室のまわりにおいて同心の態様にて配置され、さらに、熱断熱にて一体化される
ことを特徴とする請求項１、２、３、４および５に記載された木製ペレット熱電併給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペレット供給装置、燃焼室、灰除去装置、スターリングエンジンを備えた木製ペレット熱電併給装置（木製ペレットＣＨＰ装置）に関する。
【背景技術】
【０００２】
この木製ペレット熱電併給装置は、戸建あるいは集合住宅での熱電併給装置として小さな電力にてバイオマスから電力を分散的に生成する装置として最近さらに注目されてきている。
それらは、伝統的な家庭用のヒーティングシステムや温水ヒーティングに置き換えられ、付加的にできるだけより多くの電力を生成し、その電力は、公衆網に供給され、再生可能エネルギー資源法にて補償される。
【０００３】
このスターリングエンジンを備えた木製ペレット熱電併給装置は、大量生産品としてまだ世界市場にて市販されていない。
木製ペレットボイラのいくつかの市場は、Ｈｏｖａｌ  ｉｎ  Ｌｉｅｃｈｔｅｎｓｔｅｉｎ 或いは Ｅｎｅｒｇｉｅｂｉｇ  ｉｎ  Ａｕｓｔｒｉａのような木製ペレットボイラに対してスターリングエンジンを装備することに努力している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような木製ペレットボイラにおいて、ペレットは投与用スクリューによって火格子に運搬され、そこで点火されて燃焼する。
灰の一部は、火格子を通して落下し、一部は炎に巻き込まれて、灰トレイ、ボイラの床の上、炎路および煙突に蓄積する。
従って、定期的にこれらの箇所から灰を除去する必要がある。
スターリングエンジンのヒータヘッドが、高温燃焼領域に突出して、高温度の熱の一部をとり、例えばその電気効率次第によって、この部分の熱の２０パーセントから電気を発生し、８０パーセントから熱水を発生する。
高温排出ガスの高温の熱の残部は、一度、スターリングエンジンのヒータヘッドを通過し、ボイラ壁および炎路にて熱水に換えられる。
その理由は、このようなスターリングエンジンを備えた木製ペレット熱電併給装置は、せいぜい非常に小さい電力（５−１０パーセント）しか燃料から作成できず、大きくて、重たい木製ペレットボイラを必要とし、さらに、しばしば、灰除去のための頻繁なメンテナンスを必要とする。
復水装置技術は、灰除去に関連した問題によって、いまだ木製ペレットボイラにおいては利用されていない。
戸建および集合住宅におけるこのような熱電併給装置の経済的な利用のためには、より高効率での電力が発生されることが必須である。
【０００５】
できる限り小さく、小型化され、そして、メンテナンスがかからず、復水装置技術を使用して全体効率が増大するような装置が望ましい。
本発明は、それゆえに、上述した特性を持ったスターリングエンジンを有する木製ペレット熱電併給装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、本発明による以下に示す方法によって達成される。
・排出ガス復熱器は、燃焼用空気を予熱し、木製ペレットはこの予熱された高温の空気（一次空気）によってガス化される。
・前記高温の燃焼用空気の一部は、ガス化燃焼室の火格子に誘導され、このようにして生成された燃料ガスは、側路送風機（サイドチャンネルブロワ）（強力に吸引する送風機）によって、灰とともに火格子を通ってその下方に吸引される。
・火格子の下の燃料ガスは、高温燃焼用空気（二次空気）の残りの流体の衝撃によって押し出され、最初に、ＣＯ限界に近い低ラムダ値が維持され、燃焼質の温度に基づいて、中央ノズルにおける燃焼が固定され、燃焼室の温度上昇によって、無炎燃焼の状態が増大し、そこで、燃焼室において潜在性渦が作り出され、その渦は、強制的に排出ガス、燃料ガスおよび高温燃焼用空気を混ぜ合わせ、その結果、燃料ガスと灰粒子は完全に燃焼される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の中核部分は、スターリングエンジンのヒータヘッドのまわりに配設された燃焼室の熱排出ガス流によって予熱された空気によって木製ペレットを最初にガス化し、その後同じペレットを直接燃焼する。
灰除去は、排出ガス流と、復水装置技術からの凝縮水とを介して完全に実行される。
【０００８】
好ましい実施例では、排出ガス復熱器および同じくその下流に設けられた凝縮熱交換装置を介して、灰は排出ガスと一緒に吸引され、灰粒子は熱交換装置の壁に付着できないような高い流速が維持される。
灰粒子は、凝縮熱交換装置においてそこで得られる凝縮水とともに混ぜ合わされる、水溶性の部分は凝縮水に混ぜ合わされ、そして、水溶性でない部分は、凝縮水と排気ガス流によって、清浄されて除去される。
排出ガスと灰粒子と凝縮水との完全な混合の結果として、さらには、細かい塵あるいは汚染物質などの微細な粒子が、排出ガスから除去される。
【０００９】
好適な具体例において、排出ガス、凝縮水および灰の混合物は、サイドチャンネルブロワの前段もしくは後段に設けられたサイクロンのような排出ガス／凝縮水分離装置によって分離される。
【００１０】
好適な具体例において、燃焼室における潜在性渦の中にある灰粒子が、エアジェット、いわゆる燃焼室の床に収容された空気ノズルからの空気ジェット及び排出ガスの再循環によって、再度巻き上げられ、そして、燃焼室から取り除かれる。
【００１１】
好適な具体例において、制御は下記のような方法によってなされる。
その方法は、瞬間的なバーナ出力はサイドチャンネルブロワの速さにて調節され、スターリングエンジンのヒータヘッドの温度によってのみ決定される方法である。
ラムダ値および燃料供給もまた、瞬間バーナ出力とは独立しており、一次空気と二次空気との質量比の加減によってラムダ値の調節を行い、ペレットの補給は、燃えさし床の上側の明るさの反射を監視するライトセンサによって調節される。
【００１２】
好適な小型化の例において、排出ガス収集装と凝縮熱交換装置は、それらの熱交換の表面が、燃焼室のまわりに同心状に配設され、熱断熱にて一体化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願発明の二つの好適な具体例は、以下に示したより詳細な図面を参照して説明される。
【００１４】
電気加熱装置１（図１）またはガスバーナ２は、木製ペレットの点火温度を超えて未だ木製ペレットによって満たされていないガス化燃焼室３ａを予熱するために使用され、そして、火格子４はガス化燃焼室内に設けられる。
投与用スクリュー５ａは、ペレットを貯蔵コンテナ５ｄから高温の火格子４まで、傾斜投下シュート５ｂおよび垂直投下シュート５ｃを介して運搬される。
サイドチャンネルブロワ７は、排出ガス流６の中に収容され、二重壁煙突９の外側ジャケット８を介した周囲環境から燃焼室３ｂが燃焼用空気１０を吸引する。
燃焼用空気１０は、室温から燃焼室の温度近くまで復熱器１１にて加熱され、復熱器１１を通って燃焼質から逆の方向に流れる排出ガス流６は、燃焼室の温度から２００°Ｃ以下になるように冷却される。
復熱器１１は燃焼室３ｂとサイドチャネンルブロワ７との間に設けられ、燃焼用空気１０の空気予熱装置を形成する。
【００１５】
いま、加熱された燃焼用空気１０は、排気ガス流６内に設けられたラムダプローブ１２によって制御されることによって、復熱器１１の下流にある二つの部分流１３、１４（図３）に分割され、それによって、ガス化燃焼室３の中の一次及び二次空気口１５、１６は、より多く或いはより少なく解放され、ここに具体的な例によって示すように、ガス化燃焼室３の上側部分のマイクロステッパ（ステッパーモータ）１７は、上昇あるいは下降し、これにより、環状流路１６が、二次的エアノズルとしてより多くもしくはより少なく解放される。
一次空気１３は火格子の上方を流れ、他方二次空気１４は、図３ａから図３ｄに詳細に示されるように火格子の直下に流れる。
一次空気１３と二次空気１４の空気質量比により、火格子４上のペレットは、高温の一次空気１３によってガス化あるいは燃焼される。
【００１６】
このようにして得られた燃料すなわち燃焼ガス１８は、火格子４を通って下方に吸引され、中央ノズル１９を介して２０ｍ／ｓ以上近くの高流速にて流れ、所望のラムダ値により、さらに、環状の態様に配された環状路またはノズル１６から高温の二次空気１４の流れ推進力が与えられる。
大流量の推進力は、燃焼室３ｂ（図１）において、潜在性渦２０を生成し、この渦は、強制的に排出ガス６、二次空気１４および燃料ガス１８を完全に混合する。その結果、燃焼室の温度により、燃焼は、ノズル１９において安定化され、あるいは燃焼は、温度上昇とともに燃焼質全体に広がり、高温の排出ガスの再循環比率による既知の方法による無炎燃焼になることができ、燃焼が特にクリーンとなり、排出ガスにおいて事実上窒素酸化物が全く無くなる。
燃料ガス１８と時々火格子４を通して落下し、まだ十分に燃焼されていない燃料粒は、潜在性渦２０により燃焼室内にて長い平均時間を滞留する、そして完全に燃焼する。
【００１７】
燃焼室に収容されているスターリングエンジン２２の加熱パイプ２１は、潜在性渦２０の対流と燃焼室壁２３の輻射熱とにより均一に高温の熱が与えられる。
静止している高温の排出ガス６は燃焼室から復熱器１１を介して放出され、そして、すでに上述したように、逆方向にて流れる冷却用の燃焼用空気１０によってそこで冷却される。
【００１８】
復熱器１１の後、排出ガス６はラムダプローブ１２を通過し、再循環式の熱収集器からの冷却水２４ｂにより、凝縮熱交換装置２４にて露点以下まで冷却される。
排出ガス６の水蒸気は、水滴２５に凝縮され、そして、その凝縮熱は、冷却水における有効熱量として使用される。
ラムダプローブは、凝縮熱交換装置の後に配されるが、その際、操作温度で電気的に保持される必要がある。
【００１９】
灰除去は、排出ガス流６を通じて十分に処理される。
復熱器１１、凝縮熱交換装置２４およびサイドチャンネルブロワ７への集水路の流速は、灰粒子が堆積できないように高い値が選択される。
潜在性渦２０から下方に浮遊しているいくらかの灰粒子は圧縮されたエアジェットすなわちノズル２６からの排出ガスの再循環にて再度巻き上げられ、その結果、潜在性渦２０に取り込まれ、そして、これら復熱器の入り口への受け入れ物を受けとりこれによりこれらを除去する機会を得る。
【００２０】
灰粒子は、水溶性と非水溶性の物質にて構成される。
バイオマスの排出ガスは、高含有量の水蒸気を含む。
１リットルの木製ペレットはおおよそ０．２５リットルの凝縮水を生する。
他方の灰の割合はほぼ無視できるくらい小さく、すなわち０．００１リットルである。
灰の水溶性の成分は水に溶ける。水に溶けない成分は凝縮水から洗い出され、凝縮水の水滴とともにサイドチャンネルブロワ７を通ってサイクロン２７としての排出ガス／凝縮水分離装置に向けて飛ばされる。
乾燥した排出ガス２８は、煙突（凝縮技術において通常実用的に使用されるプラスチックパイプである）に排出され、凝縮水２５は、微小な量の灰粒子と一緒に汚水処理システムに排出される。
凝縮水／灰の混合物は、無臭の液体であり、Ｐｈ値が中性であり、無機肥料として利用できるように収集される。
凝縮熱交換装置２４、サイドチャンネルブロワ７およびサイクロン２７において凝縮された水によって洗い流された排出ガスは、微量の細塵さえも含まない。
煙霧質（スモッグ）を伴った恐るべき注入および固体燃料の燃焼が回避される。
【００２１】
図３ａおよび図３ｂは、火格子４、燃料供給装置２９、中央ノズル１９を有するガス化燃焼室３ａの主配列における二種類の二次空気案内系を示し、すなわち、図３ａにおいては、二次空気のノズル１９以前の供給状況、図３ｂにおいては、二次空気のノズル１９以後の供給状況を示す。
一次空気１３と二次空気１４との比率の調整は、ガス化燃焼室３ａの上昇もしくは捻りによって行われ、その結果二次空気の開口部は、図３ｃおよび図３ｄにてより詳細を説明するように、より多くあるいはより少なく開口される。
【００２２】
図３ｃにおいて、二次空気開口部１６は、環状の隙間にて形成され、その隙間は、ガス化燃焼室の上昇によって拡大される。
図３ｄにおいて、二次空気開口部１６は、王冠の態様をした穴が開けられていて、その王冠は、ガス化燃焼室３ａの上昇もしくは捻りによって大なり小なり塞がれる。
【００２３】
簡素で強固な構造は、ガス化燃焼室３ａを収容するにあたって重要であり、その理由は、すべてが高温の範囲（７００から１４００°Ｃ）にさらされるためである。
この構造は、ラムダ値をＣＯ閾値（ほぼ．ラムダ１．５）近くに置くための二次空気１４の適確な注入を可能にしなければならない、なぜならば、あまりも過剰な大量の空気は発電効率の妨げを導き出してしまうからである。
たとえば、ラムダ１．５の代わりにラムダ２．５にした場合、発電効率は、３０％から２５％になる。
ガス化燃焼室３ａの壁およびエアノズルは、燃焼用空気１０によっておおよそ７００°Ｃの高温に冷却される。
火格子４はセラミック素材からなる。
【００２４】
図４は、特に、スターリングエンジンを備えた木製ペレット熱電併給装置が小型化された具体例であり、このスターリングエンジンはそのヒータヘッドのみがここに示されている。
排出ガス復熱器１１は、熱交換のための表面が、燃焼室壁２３のまわりに同心状に配設され、熱断熱にて一体化されている。
さらに、復熱器１１の底終端部にて同心状に配された凝縮熱交換装置２４が同様に具備される。
それは、水冷式内側表面２４ｃによって形成され、この表面２４を介して排出ガス流６が導かれる。
燃焼用空気と排出ガス用の同心状の熱交換路は、凝縮煙突９あるいはサイドチャンネルブロワ７へと続く収集路３１、３２を介して接続される。
図５は、燃焼用空気と排出ガスの案内を示す。
【００２５】
ガス化燃焼室３ａを切り替えることによって、木製ペレット、木製チップ、植物油、バイオマス、等のように、さまざまな固体、液体、およびガス燃料を使用することが可能になる。
固体および液体燃料は、予熱された燃焼用空気（一次空気）によって主にガス化され、その後、予熱された二次空気を追加することによって直接燃焼する。
開始段階における燃焼用空気の予熱とガス化燃料への点火は、電気的、もしくは、小さいプロパンガスを使用した加熱バーナにて実施される。
【００２６】
スターリングエンジンを備えた木製ペレット熱電併給装置（図示されていない）の制御は、スターリングエンジンからの要求にて実施される。
高い発電効率を達成するために、加熱パイプの温度は、部分的な負荷範囲として（おおよそ８５０°Ｃ）にほぼ等しい上限許容閾値に保持される必要がある。
瞬間的なバーナ出力は、スターリングエンジンの出力エネルギーおよび速度にかかわりなく、加熱パイプの設定点温度が持続されるような方法によって、サイドチャンネルブロワの速度変化させることによって設定される。
木製ペレット供給装置は、瞬間的なバーナ出力とは独立している。
ライトセンサ３０（図１から図４）は、十分なペレットが燃えさしの上にあるか否かを、たとえば燃えさし床の上における赤外線の明るさを測定することによって見分ける。
もし、燃えさしがあまりにも明るすぎる場合、新しいペレットは、燃えさしの明るさが次第に覆われるまでは再供給されず、その供給は停止される。
ラムダ値の設定点は、ラムダプローブを介して調節される一次と二次空気の質量比の調整による瞬間的なバーナ出力およびスターリグンエンジンの瞬間出力とは独立して設定される。
【００２７】
木製ペレット熱電併給装置の木製ペレットバーナは、高い有用な温度（７００°Ｃよりも高い）の生成に非常に適しており、メタンから水素を生成するためにスターリングエンジンの加熱の追加による蒸気再生成の加熱、または、高温燃料電池の加熱に適している。
それ故特に注目するに値する本発明に関する特別な実用的具体例は、排出ガス熱交換装置および凝縮熱交換器によって、灰は排出ガスとともに除去され、そして、排出ガスから得た凝縮水によって洗浄され、排出ガスと凝縮水の分離後、凝縮水とともに汚水システムに導かれる点である。
このように燃焼領域にエネルギーが残っている燃焼用空気を加熱することによって排出ガスからエネルギーが抽出されることが保障されることにより、熱電併給装置は、燃料をあまり必要とせず、発電効率を高くすることができる（２５−３０パーセント）。
生成された電力は、再生可能エネルギー資源法を通じ公益事業会社に対し適正価格にて販売可能である。
経済的実行可能性はかなり高い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
図１は、木製ペレット熱電併給装置の第一の具体例として、全機能的部品の概略図を示す。
【００２９】
図２は、特別な燃焼用空気、燃料ガス、および排出ガスを示すとともに図１に示すガス化燃焼室の部分的拡大図を示す。
【００３０】
図３ａから図３ｄは、火格子を備えたガス化燃焼室の主要な特徴と、特別な具体例である一次空気と二次空気に関する図を示す。
【００３１】
図４は、好適な第二の具体例として特に小型化した木製ペレット熱電併給装置の簡素化概略図を示す。
【００３２】
図５は、図４にて示したガス化燃焼室を一部拡大して示し、特別な燃焼用空気、燃料ガスおよび排出ガスが同じく描かれた図を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１  電気加熱装置
２  ガスバーナ
３ａ  ガス化燃焼室
３ｂ  燃焼室
４  火格子
５ａ  投与用スクリュー
５ｂ  傾斜投下シュート
５ｃ  垂直投下シュート
５ｄ  貯蔵コンテナ
６  排出ガス流
７  サイドチャンネルブロワ
８  外側ジャケット
９  二重壁凝縮煙突
１０  燃焼用空気
１１  （排出ガス）復熱器
１２  ラムダプローブ
１３  一次空気
１４  二次空気
１５  一次空気開口部
１６  二次空気開口部、環状溝
１７  マイクロステッパ（ステッパーモータ）
１８  燃料ガス、燃焼用ガス
１９  中央ノズル
２０  潜在性渦
２１  加熱パイプ
２２  スターリングエンジン
２３  燃焼室壁
２４  凝縮熱交換装置
２４ｂ  水冷水
２５  水滴、凝縮水
２６  ノズル
２７  排出ガス／凝縮水分離装置（サイクロン）
２８  乾燥排出ガス
２９  燃料供給装置
３０  ブライト（ライト）センサ
３１  燃焼用空気収集路
３２  排出ガス収集路
【図１】
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【図２】
2009523223.tif 000004
【図３ａ】
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【図３ｂ】
2009523223.tif 000006
【図３ｃ】
2009523223.tif 000007
【図３ｄ】
2009523223.tif 000008
【図４】
2009523223.tif 000009
【図５】
2009523223.tif 000010
【国際調査報告】
2009523223.tif 000011
2009523223.tif 000012
2009523223.tif 000013
2009523223.tif 000014
2009523223.tif 000015
2009523223.tif 000016