(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼炉内の火格子上で移動する固体燃料の燃焼効率を高めるストーカ炉を提供する。【解決手段】固定火格子２６ｂと、前記固定火格子２６ｂ上に一部載置した可動火格子２６ａを交互に配置して前記固定火格子２６ｂの上面に沿って前記可動火格子２６ａを揺動可能とし、前記固定火格子２６ｂ及び前記可動火格子２６ａの上で固体燃料１２を押し出しながら燃焼するストーカ炉において、前記可動火格子２６ａの高さをＨ２とし、前記可動火格子２６ａの上を移動する前記固体燃料１２の高さをＨ１としたとき、Ｈ２＞Ｈ１の関係を満たすことを特徴としている。【選択図】図２
2016023865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定火格子と、前記固定火格子上に一部載置した可動火格子を交互に配置して前記固定火格子の上面に沿って前記可動火格子を揺動可能とし、前記固定火格子及び前記可動火格子の上で固体燃料を押し出しながら燃焼するストーカ炉において、
前記可動火格子の高さをＨ２とし、前記可動火格子の上を移動する前記固体燃料の高さをＨ１としたとき、Ｈ２＞Ｈ１の関係を満たすことを特徴とするストーカ炉。
【請求項２】
前記可動火格子は、前記固定火格子上に一部載置した側部に、前記固定火格子の上面の直交方向に対して前記側部の下端から上端に向けて前記上端を一部載置した前記固定火格子側に１０度以上傾斜させた傾斜面を設けたことを特徴とする請求項１に記載のストーカ炉。
【請求項３】
前記可動火格子は、前記固定火格子上に一部載置した側部の下端に、前記傾斜面から湾曲しながら前記固定火格子上に突出する犂部を形成したことを特徴とする請求項２に記載のストーカ炉。
【請求項４】
前記可動火格子の高さをＨ２とし、前記固体燃料の最大粒子径をＤｐ１００としたとき、Ｈ２／Ｄｐ１００＞１の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載のストーカ炉。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１に記載の前記可動火格子を前記固体燃料の移動方向と直交方向に亘って形成し、前記固定火格子の間に１カ所以上形成したことを特徴とするストーカ炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に燃焼炉内の火格子上で固体燃料を移動させながら燃焼するストーカ炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼炉内に設置した火格子（ストーカ）の動きによって、固体燃料を撹拌・搬送しながら燃焼させるストーカ炉は、燃焼状況を一定に維持して連続運転できるため、ボイラー等に利用されている（例えば、特許文献１に開示）。
【０００３】
ストーカ炉は、特に固体燃料の燃焼で採用されている。固体燃料は同じ燃料でも微粉状態にするのではなく、燃料の揮発分や水分の要素により燃料の大きさの絶対値が異なる。一般的なストーカ炉は、粒径が６ｍｍ〜４０ｍｍ単位の燃料を燃焼させるのに適している。ストーカ炉の内部では、供給口から供給されて火格子上に積層された燃料が、燃焼しながら火格子の移動速度に従って、徐々に灰排出口へ向けて押し出されていく。そして、火格子上で燃焼しきらない燃料は、最終的に火格子上から押し出されて灰排出口から灰として回収される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−５１３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固体燃料の燃焼条件としては、火格子上に積層されるときに、粒子と粒子が適度の空間を保ち、燃焼用の空気が通過し易いことが不可欠である。しかし実際には、燃料同士がくっつき合い、または密着した状態で積層し、あるいは、燃料中の細粉が粗粒子の空間に入り込み、空気抵抗を著しく増加させることがある。その結果、燃焼空気が不足してしまい、理想的な燃焼速度が速く、燃焼状態が安定しているとは言い難い状況が多い。燃焼速度が遅いということは、時間当たりの燃焼できる燃料の量が少ないことになり、従って、発生熱量も少なくなる。この場合、装置を大型化して補わなければならない。
【０００６】
このため、固体燃料を微粉化して空気と接触する比表面積を著しく増加させて燃焼速度を大幅に増加させた微粉炭燃焼設備がある。しかしながら、固体燃料を全て微粉化し燃焼させることは、原料コストがかかり、技術的、経済的な合理性が乏しい。
【０００７】
そこで上記従来技術の問題点に鑑み、本発明は燃焼炉内の火格子上で移動する固体燃料の燃焼効率を高めるストーカ炉を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するための第１の手段として、固定火格子と、前記固定火格子上に一部載置した可動火格子を交互に配置して前記固定火格子の上面に沿って前記可動火格子を揺動可能とし、前記固定火格子及び前記可動火格子の上で固体燃料を押し出しながら燃焼するストーカ炉において、前記可動火格子の高さをＨ２とし、前記可動火格子の上を移動する前記固体燃料の高さをＨ１としたとき、Ｈ２＞Ｈ１の関係を満たすことを特徴とするストーカ炉を提供することを目的としている。
【０００９】
上記の課題を解決するための第２の手段として、前記第１の手段において、前記可動火格子は、前記固定火格子上に一部載置した側部に、前記固定火格子の上面の直交方向に対して前記側部の下端から上端に向けて前記上端を一部載置した前記固定火格子側に１０度以上傾斜させた傾斜面を設けたことを特徴とするストーカ炉を提供することを目的としている。
【００１０】
上記の課題を解決するための第３の手段として、前記第１又は第２の手段において、前記可動火格子は、前記固定火格子上に一部載置した側部の下端に、前記傾斜面から湾曲しながら前記固定火格子上に突出する犂部を形成したことを特徴とするストーカ炉を提供することを目的としている。
【００１１】
上記の課題を解決するための第４の手段として、前記第１ないし第３のいずれか１の手段において、前記可動火格子の高さをＨ２とし、前記固体燃料の最大粒子径をＤｐ１００としたとき、Ｈ２／Ｄｐ１００＞１の関係を満たすことを特徴とするストーカ炉を提供することを目的としている。
【００１２】
上記の課題を解決するための第５の手段として、第１ないし第４のいずれか１の手段に記載の前記可動火格子を前記固体燃料の移動方向と交差する方向に亘って形成し、前記固定火格子の間に１カ所以上形成したことを特徴とするストーカ炉を提供することを目的としている。
【発明の効果】
【００１３】
上記のような本発明の構成によれば、火格子上で押し出される固体燃料が落下により撹拌及び反転して、固体燃料の暴露表面積を増大させることができ、短時間で完全燃焼させることができる。
【００１４】
これは、燃焼量を一定とした場合に、燃焼室の容積を小さくすることができ、装置全体の小型化が図れ、設備投資費用を軽減できる。
また、燃焼室の容積を一定とした場合に、燃焼量を増加させることができ、例えば、装置構成が小型あっても処理能力が大容量の燃焼炉を構築することができる。
【００１５】
また、可動火格子が固定火格子上を揺動（進退移動）するときに、可動火格子の傾斜面で固定火格子上の固体燃料を掘り起こすように移動するため、固体燃料に撹拌又は反転作用を付与することができ、新たな酸化暴露面を形成することができる。これにより、燃焼粒子径が減少したことに相当し、燃焼時間を短くすることができる。
【００１６】
可動火格子を固体燃料の移動方向と交差する方向に亘って形成し、固定火格子の間に１カ所以上形成しているので、燃焼炉に供給された固体燃料を一回以上撹拌及び反転させることができ、固体燃料の暴露表面積を増大させて、短時間で完全燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のストーカ炉の構成を示す概略図である。
【図２】可動火格子の高さの説明図である。
【図３】可動火格子の傾斜面の説明図である。
【図４】燃焼時間と粒子径の関係を示すグラフである。
【図５】燃焼時間と反転数の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明のストーカ炉の実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
【００１９】
［ストーカ炉１０］
図１は本発明のストーカ炉の構成を示す概略図である。図示のように本発明のストーカ炉１０は、固体燃料１２の燃焼炉２０と、固体燃料１２の燃焼により発生した燃焼ガスの煙道３６を主な基本構成としている。
【００２０】
燃焼炉２０は、バイオマスや各種の固体燃料１２を所定温度に加熱して燃焼ガスを発生させる炉である。
【００２１】
燃焼炉２０は、側面に固体燃料１２の供給口２３と、炉内で固体燃料１２に着火する着火バーナー２４ａと、固体燃料１２を所定温度で加熱燃焼させる昇温バーナー２４ｂと、発生した燃焼ガスを燃焼炉２０内で撹拌する２次空気ファン２５ｂが設けられ、下方にはストーカ２６と、１次空気ファン２５ａと、灰排出口２８が形成されている。
【００２２】
ストーカ２６は可動火格子２６ａと固定火格子２６ｂが交互に形成された構成である。
固定火格子２６ｂは、上面に固体燃料１２を載置可能なブロック又はプレートであって、燃焼炉２０の下面に、回転軸を介して複数固定されている。図１に示す固定火格子２６ｂは燃焼炉２０の床面側で平面状に形成している。また、固定火格子２６ｂは、隣接する固定火格子２６ｂ同士の間で所定間隔を開けて取り付けている。
【００２３】
可動火格子２６ａは、固定火格子２６ｂ同士の間に取り付けている。可動火格子２６ａは、灰排出口２８側の一端が固定火格子２６ｂ（灰排出口２８側）上に乗るように配置され、供給口２３側の他端上に固定火格子２６ｂ（供給口２３側）が乗るように配置されている。可動火格子２６ａは、固定火格子２６ｂと同様に、上面に固体燃料１２を載置可能なブロック又はプレートである。各可動火格子２６ａは、下方に設けた揺動ロッド２７と回転軸を介して接続している。揺動ロッド２７は、長手方向が供給口２３から灰排出口２８へ向かう方向（固体燃料１２の移動方向（矢印Ａ））に沿って取り付けられている。揺動ロッド２７は、固体燃料１２の移動方向（矢印Ａ）に沿って進退移動可能に構成され、接続する可動火格子２６ａも同様に固体燃料１２の移動方向（矢印Ａ）に沿って固定火格子２６ｂ上を進退移動する。なお、固定火格子及び可動火格子の大きさは、一例として、長手方向の長さ３００ｍｍ、幅方向の長さ５０ｍｍ、厚み２０ｍｍ〜５０ｍｍに設定することができる。
ストーカ２６の下部には１次空気ファン２５ａを設けている。１次空気ファン２５ａは、燃焼炉の下方から可動火格子及び固定火格子を通過して燃焼炉の上方へ燃焼用の空気を導入するファンである。
【００２４】
このような構成のストーカ２６は、燃焼炉２０内の床面に固定火格子２６ｂと可動火格子２６ａが交互に配置されており、揺動ロッド２７が進退移動すると、供給口２３からストーカ２６上に供給された固体燃料１２が、可動火格子２６ａの上面から隣接する固定火格子２６ｂの上面に押し出される。さらに固定火格子２６ｂの上面から隣接する可動火格子２６ａの上面に押し出される。このような工程を繰り返しながら、固体燃料１２は、可動火格子２６ａ及び固定火格子２６ｂ上を供給口２３が設けられた壁面側から対向する灰排出口２８が設けられた壁面側へ向かって移動する。
【００２５】
ストーカ炉１０内の固体燃料１２の燃焼プロセスは、固体燃料１２中のメタンガスなどの揮発分が発生し、その揮発分に引火した熱が、固定炭素に着火して燃焼する。燃焼が完全に終了するまでの時間は、理想的に空気が供給し続けられたとした場合、粒子径の比表面積に比例すると考えられる。図４は燃焼時間と粒子径の関係を示すグラフである。同グラフは、バイオマスや各種の固体燃料を燃焼温度８００度から９００度で加熱燃焼した場合における粒子径（ｍｍ：横軸）と、燃焼時間（秒：縦軸）の関係を示している。同グラフに示すように、粒子径が大きくなるにつれて、燃焼時間が増加していることがわかる。
【００２６】
この状態は、単一粒子径をイメージした理想的なものであり、ストーカ炉のような固体燃料が積層した状態の燃焼においては、積層の表層面で燃焼し、アッシュが生成される。このアッシュは、下方からの空気の流れと揮発分の発生を阻害することが考えられる。
このような状態に陥った積層した固体燃料に対して、反転及び撹拌させることにより、新たな酸化暴露面を形成することができれば、揮発分の発生、引火、着火のプロセスを容易に繰り返すことができる。
一般に立方体を１／２分割、１／３分割した場合の底面を除く新たな暴露面積は分割前と比べてそれぞれ１．４倍、１．８倍となる。
【００２７】
ここで、最大粒子径（Ｄｐ１００）を４０ｍｍとした場合、粒子と仮定すれば、粒度分布から５０％平均粒子径（Ｄｐ５０）は約１５ｍｍに相当する。この相当粒子径に対して、比表面積と、燃焼時間の考えを合わせれば、比表面積の増加を燃焼粒子の大きさに置き換えることができる。
すなわち、立方体を反転回数０回として、Ｄｐ５０＝１５ｍｍとする。
一回反転したものを１／２分割に相当するとした場合、
平均粒子径Ｄｐ５０＝１５×（１／１．４）＝１０．７ｍｍ
となる。
また、二回反転したものを１／３分割に相当するとした場合、
平均粒子径Ｄｐ５０＝１５×（１／１．８）＝８．３ｍｍ
となる。
【００２８】
この計算結果を図４に示すグラフの粒子径と燃焼時間の相関を加えると、図５に示すグラフが求まる。同グラフの横軸は反転数（分割相当数）を示し、縦軸は燃焼時間（秒）を示す。
同グラフに示すように、反転数１のとき、燃焼時間が３１０秒となり、反転前の燃焼時間４００秒に対して、約２３％燃焼時間を短縮することができる。
また反転数２のとき、燃焼時間が２７０秒となり、反転前の燃焼時間４００秒に対して、約３３％燃焼時間を短縮することができる。このように、暴露表面積を形成することは、燃焼粒子径が減少したことに相当し、燃焼時間が短くなることがわかる。
【００２９】
図２は可動火格子の高さの説明図である。本発明のストーカ炉１０は、可動火格子２６ａの高さをＨ２とし、可動火格子２６ａの上を移動する固体燃料１２の高さ（積層の厚み）をＨ１としたとき、Ｈ２＞Ｈ１の関係を満たすように設定している。
本発明のストーカ炉１０は、可動火格子２６ａの揺動速度を速くすることにより、固体燃料１２の高さを薄くできる。一方、可動火格子２６ａの揺動速度を遅くすることにより、固体燃料１２の高さを厚くできる。また、可動火格子２６ａの揺動は、送り、停止、戻りの工程を１サイクルとしているが、１サイクルの停止時間を短くすることにより固体燃料１２の高さを薄くできる。このような可動火格子２６ａの揺動速度を制御してＨ２＞Ｈ１の関係を満たすように設定することができる。
【００３０】
固体燃料１２の高さよりも可動火格子２６ａを高くすることにより、固定火格子２６ｂ上に押し出される固体燃料１２が可動火格子２６ａから下方に落下するときに、撹拌及び反転作用を付加することができ、新たな酸化暴露面を形成することができる。これにより、燃焼粒子径が減少したことに相当し、燃焼時間を短くすることができる。
【００３１】
図３は可動火格子の傾斜面の説明図である。本発明の可動火格子２６ａは、（１）に示すように、灰排出口２８側の固定火格子２６ｂ上に一部載置した側部に、固定火格子２６ｂの上面の直交方向に対して前記側部の下端から上端に向けて上端を一部載置した固定火格子２６ｂ側に１０度以上傾斜させた傾斜面２９を設けている。このような傾斜面２９は、上端が下端よりも灰排出口２８側の固定火格子２６ｂ側に傾斜しているため、可動火格子２６ａが固定火格子２６ｂ上を揺動（進退移動）するときに、固定火格子２６ｂ上の固体燃料１２を掘り起こすように移動するため、固体燃料１２に撹拌及び反転作用を付与することができ、新たな酸化暴露面を形成することができる。これにより、燃焼粒子径が減少したことに相当し、燃焼時間を短くすることができる。
【００３２】
また、（２）に示すように、可動火格子２６ａは、固定火格子２６ｂ上に一部載置した側部の下端に、傾斜面２９から湾曲しながら固定火格子２６ｂ上に突出する犂部３０を形成している。このような犂部３０は、下方から上方に向けて上端がテーパ状に起き上がるように湾曲しているため、可動火格子２６ａが固定火格子２６ｂ上を進退移動するときに、固定火格子２６ｂ上の固体燃料１２を掘り起こすように移動するため、固体燃料１２に撹拌又は反転作用を付与することができ、新たな酸化暴露面を形成することができる。これにより、燃焼粒子径が減少したことに相当し、燃焼時間を短くすることができる。
【００３３】
また、本発明は、可動火格子２６ａの高さをＨ２とし、固体燃料１２の最大粒子径をＤｐ１００としたとき、Ｈ２／Ｄｐ１００＞１の関係を満たすように設定している。固体燃料の最大粒子径Ｄｐ１００が可動火格子２６ａの高さよりも低いと、固定火格子２６ｂ上に押し出される固体燃料１２が可動火格子２６ａから下方に落下するときに、撹拌及び反転作用を付加することができ、新たな酸化暴露面を形成することができる。これにより、燃焼粒子径が減少したことに相当し、燃焼時間を短くすることができる。
【００３４】
煙道３６は、燃焼炉の上部に設けられている。煙道３６は、燃焼炉２０内部で発生した燃焼ガスを燃焼炉２０から後段のボイラーなどへ供給可能なダクトである。
【００３５】
［作用］
上記構成による本発明のストーカ炉１０の作用について、以下説明する。
燃焼炉２０の着火バーナー２４ａで着火した後、昇温バーナー２４ｂにより炉内を加熱する。１次空気ファン２５ａにより燃焼炉２０の下方から炉内へ燃焼用の空気を導入する。そして燃焼炉２０の供給口２３から固体燃料１２を供給する。供給口２３からストーカ２６上へ供給された固体燃料１２は、ストーカ２６上を２次移動しながら加熱燃焼されて燃焼ガスが発生する。炉内で発生した燃焼ガスは、２次空気ファン２５ｂによって燃焼炉２０内部で撹拌されて、排風機（不図示）によって燃焼炉２０から煙道３６へ導入される。
【００３６】
本発明のストーカ炉１０は、可動火格子２６ａの高さをＨ２とし、可動火格子２６ａの上を移動する固体燃料１２の高さ（積層の厚み）をＨ１としたとき、Ｈ２＞Ｈ１の関係を満たすように設定している。また、本発明の可動火格子２６ａは、図示のように、灰排出口２８側の固定火格子２６ｂ上に一部載置した側部に、固定火格子２６ｂの上面の直交方向に対して前記側部の下端から上端に向けて上端を一部載置した固定火格子２６ｂ側に１０度以上傾斜させた傾斜面２９を設けている。また、可動火格子２６ａは、固定火格子２６ｂ上に一部載置した側部の下端に、傾斜面２９から湾曲しながら固定火格子２６ｂ上に突出する犂部３０を形成している。また、本発明は、可動火格子２６ａの高さをＨ２とし、固体燃料１２の最大粒子径をＤｐ１００としたとき、Ｈ２／Ｄｐ１００＞１の関係を満たすように設定している。可動火格子２６ａは、固体燃料１２の移動方向と直交方向に亘って形成し、固定火格子２６ｂの間に１カ所以上形成している。
【００３７】
このため、固定火格子２６ｂ上に押し出される固体燃料１２が可動火格子２６ａから下方に落下するときに、撹拌及び反転作用を付加することができ、新たな酸化暴露面を形成することができる。これにより、燃焼粒子径が減少したことに相当し、燃焼時間を短くすることができる。
また、可動火格子２６ａが固定火格子２６ｂ上を進退移動するときに、固定火格子２６ｂ上の固体燃料１２を掘り起こすように移動するため、固体燃料１２に撹拌又は反転作用を付与することができ、新たな酸化暴露面を形成することができる。これにより、燃焼粒子径が減少したことに相当し、燃焼時間を短くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、ストーカ燃焼方式を採用するボイラー、固体燃料を焼却する焼却炉、ガス化炉、溶融炉などの分野において産業上有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０………ストーカ炉、１２………固体燃料、２０………燃焼炉、２３………供給口、２４ａ………着火バーナー、２４ｂ………昇温バーナー、２５ａ………１次空気ファン、２５ｂ………２次空気ファン、２６………ストーカ、２６ａ………可動火格子、２６ｂ………固定火格子、２７………揺動ロッド、２８………灰排出口、２９………傾斜面、３０………犂部、３６………煙道。
【図１】
2016023865.tif 000003
【図２】
2016023865.tif 000004
【図３】
2016023865.tif 000005
【図４】
2016023865.tif 000006
【図５】
2016023865.tif 000007