事業課題名

バイオマス燃焼熱間接加熱による小型スターリング機関の性能安定化

事業者名

ADMIEXCOエンジン設計株式会社

０．背景〇 森林バイオマスの地産地消（発生地ー消費地が10㎞以内）地域内エコシステムには山林に近い消費地で、多種木質系バイオマス利用可能な、小型分散バイオマス燃焼の熱電併給（発電＋温水供給）装置の普及が必要。
〇 多種木質燃料に対応するには、バイオマス・ガス化＋ガスエンジン方式より、小型バイオマス燃焼器＋外燃機方式が望ましい。
〇 ここで問題となるのがスケールメリット。小型のバイオマス発電は熱効率が悪い。
〇 そこで注目されてるのがスターリング機関。これはスケールメリットが低い。つまり、小型でも効率低下が少ない（逆に、大型化しても効率上昇が無い）。
〇 ところが実際使ってみると・・・スターリング機関の加熱部が燃焼灰付着に敏感。
灰が着くと発電・温水とも性能が半分以下。安定した実用機にはほど遠い実態。
毎日、消火停止＋加熱部の灰清掃をしながら運転する、手間のかかる装置。

〇 そこで、スターリング機関をバイオマス燃焼の灰付着問題から解放したい！
現状：バイオマス燃焼火炎で直接、スターリング機関を加熱
本件：バイオマス燃焼火炎＞溶融金属熱媒(600℃)＞スターリング機関加熱部という間接加熱可能。これを実現するシンプルな装置を提案する。
〇 灰問題解決のスターリング機関は、地域内エコシステムの小型分散熱電併給装置
2１．目的・手段

方式

在来間接加熱は熱媒オイル式
Max. 350℃→ 熱効率低い

直接加熱

間接加熱
強制循環

コンタミ特性×

コンタミ多い(運転の安定性）△ サイクロン併用

設備費

〇

安価

自然循環

〇

〇

×

△～〇

△ サイクロン併用

耐熱ポンプが高価

メンテナンス性

×

頻繁な清掃

△

温度特性

〇

清掃直後

〇

耐熱ポンプ軸受等

伝熱特性
連続運用性

～〇

溶融金属

〇

溶融金属

△ コンタミ状態

×

熱媒油(300℃)

×熱媒油(300℃)

〇

清掃直後

◎〇～△

×

コンタミ状態

大型では必須小型設備なら 〇

清掃時に〇

〇

×～

燃焼炉停止
起動性

◎

△

(※１)

〇（※１）

目的： 低融点金属を熱媒としたスターリング機関の自然対流(熱媒ポンプ無し）間接加熱方式による可能性を明らかにする。
手段： ① 間接加熱用小型バイオマス燃焼炉の設計・試作② 上記①試作機を使用した実験で、同間接加熱法式の評価
3③ 同間接加熱炉を安価に量産・普及させる製品化設計検討

２．この間接加熱が可能なら・・・
表2 直接火炎加熱と間接加熱方式の比較
直接加熱
運転時間 h/year
総発電量 kwh/year
発電電力価格 ¥/year
発生温水価格(A重油換算) ¥/year
年間清掃メンテナンス回数
年間清掃メンテナンス費
年間差引経費3,600
25,200¥604,800¥445,824300¥450,000+¥600,624

間接加熱
(溶融錫)
7,500
52,500¥1,260,000¥928,800

山林近くのハウス農場・食品加工場，畜産場等にお勧め
左表２・ 毎日清掃の直接加熱式 VS・ 毎週清掃の間接加熱式 の比較。
メリット：消費電力削減＋燃料使用削減

小型分散装置で導入者メリットが年間200万円を超え，導入費用が1,000万円
50以下なら，地域内で「使える」装置として¥75,000
認知される．
+2,113,800

計算条件：
単機発電出力7kw-e, 温水発生熱量18kw-th，燃焼量約45kw-th(12～26kg/h)，電力単価24¥/kwh自家消費，A重油価格 72￥/L，清掃メンテナンス１基１回¥1,500，
直接加熱：12h/day DSS運転，間接加熱：150h/week WSS運転

灰問題がある限り，導入者のメリットは年間60万円程度。地域内エコシステム
機器として普及が難しい.

直接加熱に対し１基あたり年間150万円得
目標量産販売価格 7kw発電モデル @750万円， 20kw発電モデル @1,800万円

山林のバイオマス賦存量

木質系バイオマス市場（森林系のみならず果樹剪定枝等を含む）
スターリング機関(7kw) 約6,000基相当，燃焼量675,000トン／年
4３．実施概要 －溶融金属専用炉の設計・制作・対コンタミ性－
図3：傾斜２重円筒の多種バイオマス燃焼炉を試作．
熱媒金属（錫）は融点約230℃、最高出力運転時は約600℃で、密度差にて自然対流する．

バイオマスは円筒内で乾燥＞１次燃焼＞２次燃焼＞排気実施概要：スターリング機関用間接加熱炉を設計・製作・実験・改良・改造・評価する．
評価基準： 長時間安定運転 → 5kW以上100hrs
WSS （Weekly Start and Stop 想定)
他，運用性，安全性 → 実用性 5

３．実施場所
実施場所２
伸栄工業・ADMIEXCO 燃焼実験場
茨城県かすみがうら市上稲吉1751-1
ADMIEXCOエンジン設計（株）
実施場所１ 茨城県土浦市神立東1-20-36空気燃焼炉
二重円筒

排気二次空気

振動加速度
最大15G

スターリング
機関・発電部

試験の実施状況A．－溶融金属の自然循環－支援委員会（現地支援）にて指摘された，本研究の最優
先確認事項
Q：本装置にて、溶融金属の温度差自然対流が確保できるのか？
A:
溶融金属循環の確認方法として、スターリングエンジンの発電量をもって間接的に流動を確認とする
注：

赤線：溶融スズの自然対流(温度密度差による上昇・降下)
スターリング機関の加熱部
通過・熱交換7

試験の実施状況B．－溶融金属の充てん作業－
スターリング機関
リニア発電機◇◆溶融スズ充てん作業◆◇（１） スターリングエンジンを外し、同取付部から溶融スズを取鍋で流込む（同取付部が押湯構造なので）（２） 炉内をペレット燃料燃焼で予熱する（炉内Max.600℃、注湯時炉内：約360℃）

バイオマス燃料投入
ロータリーフィーダ

スターリング
機関加熱部（３） 降液管は外部から手持ちのバーナで加熱しておく.
（４）溶融金属空間容積 約19.8L，錫-約137㎏（充填インゴット200㎏分を用意して注湯した）（５）降液管でも全く固化することなく簡単に充填完了（６）今後、スターリング機関を乗せた実験に移行する

降液管：ここで固化しないか？

炉体は自然対流（温度差・密度差対流を利用する
傾斜が付く

サイトグラス
バイオマス燃焼状態観察（２個）

炉内攪拌・灰出8スクリュー

５．2019年度の事業実績、成果（１）
当初の計画・目標① 溶融金属炉の設計・製作・修正② スターリングエンジン仕様・調達

取り組み状況・得られた成果
溶融金属炉の設計
製作側に合わせ設計の大幅修正
排熱回収空気予熱器の設計修正
別熱源での単体試運転完了
燃焼 850℃ ＞ 発電出力 約2.9kw
燃焼 960℃ ＞ 発電出力 約3.8kw
燃焼 1090℃ ＞ 発電出力 約5.4kw
最大温水出力：35⇒46℃, 38L/min
参考：定格（カタログ）発電出力 7.1kw③ 溶融金属の充てん作業

注湯作業中に固まらないか？
＞押湯位置からの注湯で固化なく充填④ 連続運転実験（連続100ｈ運転）

試験中

2018/02/27

9５．2019年度の事業実績、成果（2） 溶融スズの炉内充填

写真（上）：間接加熱炉の全様.
右側上部がスターリングエンジン取付部、兼注湯部（押湯）部. エンジンは外してある.
写真（右上）：炉内のペレット燃焼．
円筒内壁に沿った旋回流燃焼をしている.
炉内温度約620℃付近．
写真（右下）： 降液管の予熱作業.
2018/02/27
手持ちのガスバーナで加熱しておく.

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