新方式木質チップボイラーの開発＊
園田 哲也**、米倉 勇雄**、齊藤 博之***、新里 光男****、川村 浩****、齋藤 健司****、下河原 哲也*****
木質バイオマスエネルギーは｢持続可能な循環型社会｣を形成する上で、地球環境への負荷を抑制し、資源の有効活用を促進する事から、日本各地で利活用に関する取り組みが急速に進展している。本研究では木質バイオマスエネルギーの利用拡大を目的として、高含水率木質チップに対応可能な小型かつ安価なチップボイラー開発を行った。
キーワード：木質バイオマスエネルギー、木質チップ、木質チップボイラー

Development of New Wood Chips Fired Boiler
SONODA Tetsuya, YONEKURA Isao, SAITO hiroyuki, NIISATO Mitsuo,
KAWAMURA Hiroshi, SAITO Takeshi and SHIMOKAWARA Tetsuya
An approach of using the wood biomass spreads in all of Japan. Because of wood biomass energy
inhibits loads to the earth environment and promotes effective use of resources. Our project is engaged
on develop of wood chips boiler to extend the use of wood biomass. This boiler is capable of burninghigh moisture content wood chips.In addition, it is small and low-priced.
key words : wood biomass energy, wood chips, wood chips fired boiler
1

緒い。

言

岩手県では「環境首都いわて」の実現を目標に、地球このような背景から本研究は、開発期間 H15～16 の二温暖化対策と循環型社会の形成に向け、環境負荷の小さヵ年で、小型かつ安価な高含水率木質チップに対応した、

い新エネルギーの導入に向けた取り組みを行っている。

出力 100kW の木質チップボイラーを開発することを目的

その中でも県土の約 8 割が森林で森林面積でも国内第 2とした。

位を誇る岩手では、木質バイオマスエネルギーの利活用を県施策の大きな柱とし、環境側面のみならず、衰退が2著しい木材業界、林業界の救済及び工業振興策として捉2-1え、導入に向けた積極的な取り組みを行なっている。

木質チップ燃料及び開発ボイラー仕様
含水率

木質チップを燃料とした場合、含水率の高い木質チッ

木質バイオマスエネルギーの利用形態として代表的なプに対応できることが重要なポイントとなる。含水率のものに、木質ペレットと木質チップがある。ペレットは、定義方法は、全量基準、乾燥重量基準の 2 種類あるが、ストーブ等小規模な燃焼機に用いるには、ハンドリング

木材業界では乾燥重量基準により、含水率を定義するの性、品質の安定性等から非常にすぐれた燃料であるが、が一般的なことから、本報では下記に定義される乾燥重ボイラー等ある程度規模の大きい燃焼器に対しては、燃量基準により定義する。

料コスト、燃料供給体制等の優位さから木質チップの利含水率＝用が望まれている。

水分重量×100 [％]乾燥重量(1)

一方国内のパルプ用材需要の落ち込みから、木質チッ今回開発を行なうボイラーの対応含水率を決定するにプの余剰生産能力が拡大しており、バイオマスエネルギ際し、現在流通している木質チップの調査を実施した。

ー利用への転換が望まれている。国内における燃焼器開

その結果から次に挙げる 3 点を考慮し、対象含水率を決発は欧米と比較し大きく遅れており、導入には高価な海定した。

外製ボイラーしか選択肢が無いのが現状である。また日

1)

本国内でボイラー利用を考えた場合、北欧諸国のような地域熱供給型の利用は難しく、当面は小規模分散型での利用が主体になると予想されるが、その際必要となる小チップ工場から出荷される木質チップの含水率は広葉樹、針葉樹ともにおおよそ 100%前後である。

2)

間伐材として資源量が豊富である唐松生チップの含水率は、80%～100%である。

規模且つ高含水率に対応可能な国産ボイラーは存在しな* 木質チップボイラー開発事業** 電子機械技術部*** プロジェクト研究推進監**** オヤマダエンジニアリング株式会社***** 株式会社小山田工業所

岩手県工業技術センター研究報告3)

第 12 号（2005）

生丸太からチップ化した場合、樹種により含水率動消火機能、液面計による空焚き防止機能、温度調節弁が 100%を超えるものがある。

を利用した逆火防止機能、その他各部温度を監視し、運以上の調査結果より、標準対応含水率 100%とし、最転制御を行う。

高で含水率 130%までの対応を目標とした。
2-2

発熱量

表2

木材の化学組成は樹種により異なるが、元素組成は、型式

樹種のいかんを問わずおおよそ一定であることが知られている。
このことから、木質チップの発熱量試算の為、木材の平均的な燃料組成として表 1 の通り設定した。
表1

木質チップ燃料組成（%）

木質チップボイラー開発仕様
無圧式温水発生器

対 象 チ ッ プ

推奨乾量基準含水率 100%以下（含水率 130%まで対応可能）

熱30kW～100kW（暖房能力 1500m2）

出力

外 形 寸 法H2325mm×W900mm×D1600mm

燃 料 消 費 量

16.5kg/h～55kg/h

灰分C

H

O

NS

伝 熱 面 積

8.6m2

0.4

516.1

42.3

0.10.1

ボイラー効率80%以上

その灯油バーナー搭載のハイブリッド型
自動着火機能、対震自動消火機能、逆火防止機能

2-4

実験装置

表 1 の組成から、木質チップ含水率に対する発熱量を他算出した結果を図 1 に示す。グラフより含水率に対する発熱量は指数関数的に減少することがわかる。この発熱量計算値を基準として、各出力における燃料供給量を設今回開発したチップボイラーの構造を図 2 に外観を図定した。

3 に示す。本ボイラーは、燃料供給部、燃焼炉、熱交換発熱量(kw/kg)

6部より構成される。木質チップはホッパーからスパイラ

5

ルスクリューにより炉内へ供給され、スロープをへて火4格子へ供給される。ホッパー内にはブリッジ防止のため、攪拌スクリューを取り付けた。

3火格子の上には、200mm ストロークで往復動作を行な
2うプッシャーを取り付け、燃料の押し出し、燃焼灰の排1

出、乾燥を促進させる為の燃料の攪拌を行なうことの他、出力および含水率に応じた動作間隔を設定することで、0020406080100120140

含水率(%)
図12-3

含水率に対する発熱量

火格子上での燃料層の厚さを制御する。炉内壁には耐火キャスタブルを使用し、一次燃焼室と二次燃焼室の仕切には同キャスタブルをアーチ状に成型した。

木質チップボイラー開発仕様

表 2 に本チップボイラーの開発仕様を示す。本ボイラ

熱交換部

ーの型式は温水を大気圧下において沸点温度以下で使用する無圧式温水発生器とし法規上の「ボイラー」には該当せず、取扱者の資格免許は必要としない。熱出力は最大 100kWとし、熱損失係数 2.7W/m2、温度差 25℃とした
燃焼炉

場合約 1,500m2の暖房能力となる。伝熱面積は 10ｍ2以下であるため、大気汚染防止法により規制されるばい煙発生施設には該当せず、ばい煙測定義務等の規制も適応されないことから、設置者に対する負担も少ない。
本ボイラーは灯油バーナーを搭載することで、短時間での炉内昇温が可能であり、従来の高含水率チップボイラーでは苦手とされていた、断続運転にも対応可能であ

燃料供給部

灯油バーナーる。またチップ切れ等の緊急時には、灯油バーナー単独での運転も可能なことから、バックアップボイラー設置の必要も無い。安全面に関しては、感震器による耐震自図2

木質チップボイラー構造図

新方式木質チップボイラーの開発～1.1m3の範囲となる。これより本ボイラーの燃焼炉容積を 0.65m3とした。
3-1-2

高含水率木質チップ乾燥方法

内部に水分を含む燃料の燃焼プロセスは次の通りである。
1) 燃料表面の水分蒸発
2) 燃料内部の水分(結合水、内部自由水)蒸発
3) 木質チップ内低温揮発成分のガス化
4) 空気中の酸素と可燃ガスが混合し着火、炎燃焼へ移行
上記プロセスからもわかる通り、燃焼反応に至るまでには、水分乾燥工程が不可欠である。ましてや今回対象としている高含水率の木質チップを、限られた炉内で燃焼させるためには、効率的な乾燥手段が必要となる。本ボイラーは、チップ供給スクリュー出口からプッシャー
図3

木質チップボイラー外観図

間にスロープを設け、そのスロープ上を燃焼ガスが通過する過程で、未燃チップを乾燥させる方法を用いている。

燃焼空気量の制御は、押し込みファン、誘引ファンをさらにプッシャーが往復動作をすることで、プッシャーそれぞれインバータ制御することにより行う。押し込み上にある未燃チップが、火格子上に押し出される際にチファンによる通風箇所の切り替えは、押し込みファン下ップが攪拌され、より乾燥を促進させる構造とした。

流に設置された、3 台のダンパーモーターにより行う。

3-1-3

燃焼室

熱交換部は、2 パス方式で合計 38 本の煙管群より構成

図 4 に燃焼室断面図を示す。火格子燃焼において、UGAされ熱交換部上部には開放タンクを設け、缶体を無圧化（火格子下部からの一次空気）と OFA（燃焼用二次空気）した。の供給位置、供給配分が重要となる。

正面扉中央に、出力 100kw の灯油バーナーSPT-15（小本ボイラーの一次燃焼室内での UGA と OFA の供給方式に片鉄工製）を設置し、着火時及びバーナー単独運転時について説明する。本ボイラーの燃焼方式は、一段の押し使用する。

込みプッシャーを利用した固定床方式である。固定床方

ボイラーの制御は全てシーケンサーKV700（KEYENCE式の場合、燃焼出力、燃料含水率の違いにより火格子上製）により行い、運転パラメーターの入力及び、運転状での燃焼位置が順次変化する。

況のモニタリングには、タッチパネル VT2-8TB（KEYENCE

低出力、または低含水率の燃料が供給された場合、火格製）を使用した。

子手前側(燃料供給側)で燃焼反応が見られ、高出力また燃焼排ガスは、ポータブル型排ガス分析計

は高含水率の燃料が供給された場合、火格子奥側で燃焼

Testo350M/XL（㈱テストー製）を使用し、煙道にプローが見られるが、この燃焼状態に応じ、UGA の供給を制御ブを挿入し計測を行なった。

する必要がある。

3結果及び考察

3-1

燃焼炉検討

3-1-1

火格子面積及び燃焼炉容積検討

二次燃焼室
一次燃焼室

OFA供給口木質系燃料の火格子燃焼率は自然通風方式で(単位面積あたりの燃料供給量)は 120～200kg/hr/m2 程度である
が、ブロアーによる押し込み通風方式の場合はこれより1.2～1.5 倍の値を採用するのが一般的1)であるため、180～300kg/hr/m2となる。100%含水率の木質チップ発熱量を2.56kw/kgとすると、100kWの熱出力を得る為の燃料供給

UGA供給口(2箇所)量（水分蒸発熱量 0.65kW/kg、ボイラー効率 80%）は、55.3kg/hとなり、上記の設計指針に従い本ボイラーの火格子面積を、0.5m×0.6m＝0.3m2とした。

図4

燃焼室断面

同様に一般的な木質系燃料の火炉熱負荷率(単位容積あたりの燃焼量)は、160～270kW/hr/m3程度であることか

このため、火格子下に UGA 供給パイプを 2 本配置し、ら、一次燃焼室、二次燃焼室の合計必要炉容積は、0.6それぞれにダンパーモーターを取り付け、燃焼出力に応岩手県工業技術センター研究報告
じ UGA を分割投入可能な構造とした。次に OFA の投入方

3-3

第 12 号（2005）

含水率推定方法

法について説明する。OFA は UGA によって火格子上で吹木質チップは、樹種、部位、伐採時期等の違いにより、き上げられた可燃ガスを、二次燃焼させる役割を持つた含水率にばらつきが生じる。この含水率のばらつきは、め、炉内でのガス混合を考慮した配置にする必要がある。

木質チップの着火性、燃焼性に大きく影響を及ぼすため、本ボイラーは OFA 噴出し口を、図 4 に示す通り、φ10mm含水率に応じた燃焼制御が必要となる。本研究では対象の穴を炉壁に 2 列配置した。炉壁両サイドから、OFA をとする木質チップを 5ℓ の規定容器に充填し、その重量供給することで、火格子上部で OFA が対抗し燃焼ガスがを測定し、あらかじめ算出した絶乾チップ重量を基準と旋回流となる。この燃焼ガスはドラフトにより、煙道方した換算表により、木質チップの含水率を算出し、対象向に旋回しながら引き込まれ、炉内にスワールが発生し、チップを、低含水率（80%以下）、標準含水率（80%～100%）、燃焼ガスの炉内滞留時間を増やし、排ガス中の未燃分を高含水率(100%～130%)の 3 種類に分類し、それぞれの含減少させる燃焼構造となっている。

水率に応じて制御パラメーターを設定した。

以上の方式により供給される UGA、OFA の供給配分を燃焼出力毎に制御し、排ガス中の未燃分が最小となる条件

ボイラー制御図 6 に制御フローチャートを示す。本ボイラーの運転モードは下記の 4 モードより構成される。

を求めた。
3-2

3-4

① 着火モード（着火バーナーによる燃料への着火）

燃料供給部

木質チップは形状が不定形なことから、ホッパー内で② 予備燃焼モード（投入燃料を段階的に増加させ、効率よく炉内昇温を行う）のブリッジおよび、搬送系内部での詰まり、ひっかかり等の防止策を検討する必要があり、スクリュー形状及び③ 本燃焼モード（缶水温度を制御パラメーターとし、出力調整を行う）搬送パイプ形状ついて検証を行なった。
最初に、製造コストが安価であるスプリングスクリューを使用し、スプリング径φ140mm、搬送パイプ内径④消火モード（炉内の燃料を全て燃焼し、ポストパージを行う）φ155mm で搬送試験を行なった。結果スプリングと搬送着火モードは灯油バーナーを使用し、木質チップを着パイプ間のクリアランスが狭く、スクリューとパイプ間火させるモードであるが、含水率によりチップの着火性でチップの噛み込みと、それに伴う異音が発生した。そが異なるため、含水率に応じ、灯油バーナーの運転時間のため、パイプ内径φ180mm に変更しスクリューとパイを設定した。このことにより、灯油バーナーの過剰な使プ間のクリアランスを充分に確保した所、噛み込みは減用を抑えることができる。灯油バーナー停止後、一定時少するものの、搬送パイプ内でスプリングが上下左右に間が経過した後、熱交換部入り口に設置された熱電対のあばれ、同様に異音が発生し、供給量にもばらつきがみ出力が、所定の温度以下となった場合は、未着火と判断られた。

し、再度着火バーナーを点火する。設定条件温度を満た次にスパイラルスクリューでの検証を行なった。スクせば着火モードを抜け、予備燃焼モードへ移行する。

リュー外径φ110mm、搬送パイプ内径φ155mm で試験を行

予備燃焼モードは、炉内温度を効率よく立ち上げるモなった所、噛み込み、異音の発生は見られないが、搬送ードである。着火モード終了後、急激に燃料供給量を増

パイプ底に木質チップの取り残しが多くみられた。その加させた場合、特に含水率の高い木質チップでは失火のためスクリューを搬送パイプ中心に対し、10mm 下方向に可能性があるため、炉内温度を検知しながら、段階的にオフセットし取り付けたところ、取り残しも減少し定量燃料を増加させる。燃料の増加率も、含水率に応じて変性も向上した。

動させるため、幅広い含水率に対して効率よく炉内昇温

図 5 に定量供給試験結果を示す。図からもわかるように、各出力において安定したチップの定量供給を実現し本燃焼モードは、設定缶水温度に対して温度制御を行うモードである。目標缶水温度との温度差により低燃焼、ている。

中燃焼、高燃焼の 3 段階の出力調整を行う。この他本モ

100ードには暖房負荷が小さく低燃焼での連続運転が困難な

y = 1.581x - 0.3365

80供給量(kg/h)を行うことが可能である。

場合、断続的に燃料を供給し缶水温度の上昇を抑制する

60

燃焼維持モード。低含水率チップ燃焼時に発生する、過40剰燃焼を抑制する燃焼抑制モードがあり、缶水温度、燃20焼ガス温度を検知しながら、それぞれの運転モードが選0択される。
010203040

インバーター周波数(Hz)5060

外部からの消火命令、または、異常発生に伴う強制消火命令が入力されることにより、消火モードへ移行する。
消火モードでは、炉内に残された燃料を全て燃焼させ、図5定量供給試験結果

その後炉内の燃焼ガスの排出と、炉内冷却を目的とした新方式木質チップボイラーの開発

900

運転を停止する。

25

炉壁温度
煙道温度
酸素濃度

800
700

標準含水率

低含水率

温度(℃)

600

含水率入力

高含水率

2015500
400

10300
200

酸素濃度(%)

ポストパージを行い、炉内温度が設定値以下となると、

5100

起動SW

000

102030

着火モード

4050607080時間(min)バーナー運転

排ガス中O2濃度の時間変化

図7

燃焼ガス温度

バーナー運転

温度(℃)

炉内温度

予備燃焼2
バーナー運転
炉内温度

900

4500

800

4000

700

3500

600

3000

500

2500

400

炉壁温度
煙道温度
CO濃度

300
200
100

1500
1000
500

0

本燃焼

2000

CO濃度(ppm)

予備燃焼100102030

4050607080時間(min)

缶水温度
燃焼ガス温度

高燃焼

中燃焼

低燃焼図8燃焼維持

燃焼抑制

4

結

排ガス中 CO 濃度の時間変化化

言

100kw 出力の高含水率チップに対応した木質チップボ
イラーを開発し以下の成果を得た。
1） 含水率 100%の質チップを対象とした、最適火格子
図6

面積、炉容積の設計を行なった。

制御フローチャート

2） スパイラルスクリューを使用し、定量安定供給可
3-5

能な燃料供給部を開発した。

燃焼試験

図 7、図 8 に燃焼排ガス中の酸素濃度及び一酸化炭素

3） 含水率に応じた燃焼制御を行う、ボイラー制御プ
ログラムを開発した。

濃度の時間変化を示す。
O2 濃度を見ると、排ガスの温度上昇に伴い、ゆるやか

4） 排ガス中の CO 濃度 200ppm 以下の低 CO 燃焼を実現した。に減少していくのがわかる。これは、炉内温度の上昇により、燃焼反応が促進され燃焼速度が増加する為と考え

本事業により開発した木質チップボイラーは、共同研られる。安定燃焼時のO2濃度は 4～6％となった。次にCO

究企業である、オヤマダエンジニアリング㈱より“いわ濃度変化を見ると、安定燃焼前の温度上昇時 3,000～て型チップボイラー エコモス”として平成 17 年 4 月製

4,000ppmという高い値を示すが、排ガス温度が 550℃を品化された。

超えた付近から急激なCO濃度の減少が見られる。その後排ガス温度の安定に伴い、CO濃度も安定し、最終的には200ppm以下での燃焼となり、目標値である 500ppm以下を充分にクリアする数値となった。

文献1） 日本機械学会編: 燃焼工学ハンドブック, 177（1995）