④
株式会社トモエテクノ
木質ペレット焚き及び乾燥チップ焚き貫流式
蒸気ボイラの改良版の試作品の製作及び試用
1.
事業目的
暖房、乾燥、製造工程での加温などの用途に用いられる蒸気ボイラのうち、従来の小出力での木質焚 き貫流式蒸気ボイラ（水管式）では化石燃料のボイラと比べ、缶体内に煤やタールが詰まる可能性が高い。 そこで、特に熱交換部の水管部での煤及びタールなどの付着による目詰まりやボイラ効率の低下を極力 抑え、小型化高効率化を図るための構造的、システム的改良を加えたボイラの試作とモニター調査を行う。 これによって商品化を目指し、そのための高効率の維持、メンテナンス性の向上、コストダウンを図る。2.
事業実施目標
１） 前年度の同事業の試験結果 ・ ボイラの効率と能力 ボイラ缶体においては、燃焼ガス流路を大きく取り、流速を落とす設計であったため、エコノマイザーと併 せて 80%の効率を達成できた。耐久性などの改善を加えれば、所期の 250KW を越える入力にも十分対 応可能な缶体である。 ・ 灰、煤塵などの堆積と効率などの劣化 灰や煤塵の発生具合はまだ判断がつかないが、灰は比較的さらさらしており、灰受け箱での灰の回収や 掃除口での灰の堆積が相当量あることから、熱交換部への煤塵の付着はかなり抑えられたと見られる。定 期的な掃除の実施によって効率の低下速度は緩やかであると予想される。 ２） 今年度の実験で改良を行う意味 ・ 前年度の試験は予算の関係もあり、最小限の蒸発量で行った。 ・ 小型貫流式蒸気ボイラの化石燃料焚きでは 1.5 トン/h の蒸発量まであり、化石燃料に代替するために は最低でも 500kg/h 程度の蒸発量がないと市場性が薄い。 ・ 前年度で確認したことは、ボイラ缶体としては余力があり、小型貫流ボイラとして 500kg/h までの蒸発量 が見込めた。 ・ そのためには次の仕様変更が必要で、市場に出すためにはどの程度のコストが実質上かかるかを確 認する。 ①バーナ、付属機器及び配管系等でサイズアップが必要。 ②ペレットのみでなく、チップでの実験を行うためにはチップはかさ比重が軽いために、大きなサイロと 搬送装置が必要。 ３） 今年度の目標 蒸発量２５０Kg/h（＝入力２５６KW）規模から高負荷燃焼を行って、蒸発量の目標を５００Kg/h（＝入力 512KW）まで上げる 。（ボイラ効率 75%とした場合。）3.
事業概要
3.1. 事業実施内容
１）試験内容 ①缶体のみはそのまま昨年度と同じものを使用し、それ以外のバーナを含めた仕様を入力 250KW から 500 KW 仕様に改造する（具体的には後述）。缶体は小型貫流式蒸気ボイラという制約により、伝熱面 積は 10m2 以下に抑えてあるが、流路に灰やすすなどが付着しにくいようにゆったりと設計しているため に、前年度の試験も勘案し、そのままで 500 KW の出力にも対応できると判断した。 ②試験スケジュールのうち前半はチップでの低負荷燃焼、後半はチップ及びペレットでの高負荷燃焼で の試験を行う。測定は定格の 37.5%から 100%までの 6 段階で連続比例制御でそれぞれの入力でのデ ータを取り、それぞれの燃焼状態と効率の範囲を把握する。 ２）試験スケジュール ① 低負荷燃焼 ホワイトペレット （平成２１年２月中旬～４月中旬） 全木ペレット （４月中旬～７月初旬） 乾燥チップ （７月初旬～１１月中旬） ② 高負荷燃焼 乾燥チップ （１１月下旬～１２月中旬） ホワイトペレット （１２月中旬より平成２２年１月下旬まで） 全木ペレット （平成２２年１月下旬から現在まで） 図表 3-1 スケジュール表 業務実施項目 10 月 11 月 12 月 1 月 2 月 3 月 試作ボイラーの低負荷運転（チップ） 試作ボイラーの高負荷運転（チップ） 試作ボイラーの高負荷運転（ペレット） モニター場所でのデータの取得 モニターによるデータのとりまとめ・分析 報告書のとりまとめ3.2. 試作・改良機器の主要仕様
１） ボイラおよびバーナの主要部構造図２）各部の説明 番号 名称 説明 1 燃料投入口 燃料となるチップ・ペレットを投入する口 2 ストーカースクリューモータ ストーカースクリューを動作させる為のギヤードモータ ー 3 ストーカースクリュー 燃料を炉内に搬送する為のスクリュー 4 燃料導入口 ストーカスクリューによって搬送されてきた燃料が炉内 に押し上げられるガイド孔 5 回転式ロストル 炉床となる部分で一次空気の導入口を備えた構造。 自動清掃時に左右に回転することで一次空気口が開 閉し、燃焼灰を灰受け箱に落とす 6 灰受け箱 自動清掃時に落下した炉内の灰を貯める箱 7 曲げ加工した水管 ガス流路に流入より落下してきた灰・すすを、灰・すす 受けスペースに落とす。清掃時に下から清掃用具を 入れて水管の清掃を行う 8 ガス流路 燃焼排ガスが通過する流路 9 灰・すす受けスペース 曲げ加工した水管の間を落下してきた灰・すすを受け るスペース。掃除口より掃除が可能 10 サイクロン一体型エコノマイザー サイクロンの中に水管を螺旋状に配置したエコノマイ ザー 11 サイクロン灰受け箱 サイクロンにより落下した灰・すすを受ける箱 12 排気ファン インバーター制御され、炉内を負圧にすると同時に燃 焼に必要な適正量の燃焼一次空気を供給し、排気ガ スをボイラ外へ排出する
３） 入力 250KW から 500KW へのサイズアップの内容と根拠 項目 サイズアップ対象 コメント 缶体 × 昨年度使用した缶体は、貫流式蒸気ボイラの法定伝 熱面積のほぼ限界で製作しているために、今回も貫 流式があくまでも前提であるのでその缶体をそのまま 使用する。ただし元々灰や煤塵の付着を最小限に抑 えるためにゆったりとした燃焼炉と燃焼ガス流路で設 計してあるので、出力アップに対応可能である。 燃料搬送スクリュー ○ 燃料送り量が増加するため。モーターごと変更。ブリッ ジ防止のため。 火格子 ○ 下込め式で歓待は同じものを使用する為に外形サイ ズは同じとするが、火格子面積は拡大したバーナに 取替える。別紙図面参照。 燃焼空気ファン ○ 特に、二次空気における燃焼空気量が増加するた め。 排気ファン ○ 出力アップによって排ガス温度が上がるため、400℃ 耐熱用に変更。 排気管 ○ 燃焼ガス流量が増加するため。 制御ソフト ○ サイズアップ用のソフトを作成する。バックアップボイラ に対して優先運転ができるのでより安定した制御が可 能。 蒸気配管、 手動弁、 一次圧力調整弁、 蒸気流量計 ○ 蒸気発生量が増加するため。 スチームヘッダー ○ 蒸気使用量が増加するため。 給水ポンプ ○ 給水量が増加するため。 軟水器 ○ 給水量が増加するため。 サイロ ○ 燃料消費量が増加するため。 エアブロー装置 ○ 高負荷時には灰の量も増加するので、水管を掃除 （手動）する必要があるため。（週 1 回程度休日に行 う。）
４）高負荷燃焼でのフロー図 ５）高負荷燃焼バーナと低負荷燃焼バーナ 低負荷燃焼の 250KW 入力のバーナを高負荷燃焼の 500KW 入力に対応するために、ボイラ缶体が同 じであるという条件のもと、火格子面積を大きくするために、下込め式による燃料の燃焼炉への投入孔の サイズを狭めて実現した。 火格子面積を大きくとった。
６）貫流式小型蒸気ボイラの運転制御 ① 燃料による出力範囲 出力範囲はペレット（全木）で 500KW まで、乾燥チップ（DB 含水率 50％まで）で 300KW 入力までを めざす。 ② 木質焚きボイラでの ON-（LO-）OFF 制御の場合の問題点 起動動作 ON の時 ○ 空燃比のバランスが変動し、不完全燃焼等の恐れ ○ 冷えた炉内では未燃物が発生しやすい その結果、煤塵、煤煙が相当量発生する可能性あり。 負荷の少ないときにはこの発停（ON-FF 動作）が頻繁に繰り返され、公害成分を発生させやすく、し かも着火のために化石燃料を使用する場合は、化石燃料が多量に消費される。 煤塵などを発生させないためには、ボイラを停止させないことが重要なポイントとなる。 ③ 連続比例制御の採用： モーター類（下込め式搬送スクリュー、燃焼空気ファン、誘引ファン）にインバータ制御を行う。定格 出力の 100％から 37.5％までを連続比例制御で行う。将来的には 100％から下限 15％までをめざす。 実際は 5％ごとのステップ制御で行う。負荷の変動時においても、ボイラを停止（OFF)する頻度が少な い。起動時の動作が少なく、それによる煤塵などの発生量も少ない。 ７） 主な測定対象 低負荷燃焼ではバーナ入力 125KW～250KW まで 6 段階のステップ測定 高負荷燃焼ではバーナ入力 150KW～400KW まで 6 段階のステップ測定 測定項目 ① 燃焼炉温度℃ ② O2 濃度％ ③ CO 濃度ｐｐｍ ④ ボイラ効率（エコ込み）％ ⑤ エコ出口温度℃ ８） ボイラ内部の灰の発生状況 観察点は ① 火格子の上 ② 水管熱交換部の表面 ③ 水管熱交換部の底部 ④ エコノマイザーの熱交換部の表面 ⑤ エコノマイザーの底部
3.3. 本事業によって試作・改良した技術高度化のポイント
１）入力 500KW での高負荷燃焼の実現。 ２）ホワイトペレット、全木ペレット、乾燥チップ（乾量基準 50%未満）のいずれでも燃料として使用できる。 ３）連続制御による幅広い負荷範囲（例：150KW から 400KW 程度まで）への対応。 ４）最適燃焼により未燃物やすすの発生を抑え、すす詰まりを起こさず、掃除の頻度を抑える。4.
事業実施の成果
4.1. 事業実施成果
１）低負荷時のペレットでの運転データ H21年 5月 熱管理データ （燃料：全木ペレット） 0 50 100 150 200 250 300 350 400 5月 1日 5月 2日 5月 3日 5月 4日 5月 5日 5月 6日 5月 7日 5月 8日 5月 9日 5月 10 日 5月 11 日 5月 12 日 5月 13 日 5月 14 日 5月 15 日 5月 16 日 5月 17 日 5月 18 日 5月 19 日 5月 20 日 5月 21 日 5月 22 日 5月 23 日 5月 24 日 5月 25 日 5月 26 日 5月 27 日 5月 28 日 5月 29 日 5月 30 日 5月 31 日 日付 ボイ ラ 入 力 （k W )・ ボイ ラ 効 率 （％ ）・出 口温 度 （℃） ・蒸 気流 量 （k g/ h ） ボイラ入力（ｋW) ボイラ効率（％） 出口温度（℃） 蒸気流量（kg/h) 5月19日 ボイラ清掃２）チップでの低負荷運転から高負荷運転への運転データ比較 ３）高負荷時のチップでの運転データ H21年 11月 熱管理データ （燃料：乾燥チップ） 0 50 100 150 200 250 300 350 400 11月 1日 11月 2日 11月 3日 11月 4日 11月 5日 11月 6日 11月 7日 11月 8日 11月 9日 11月 10日 11月 11日 11月 12日 11月 13日 11月 14日 11月 15日 11月 16日 11月 17日 11月 18日 11月 19日 11月 20日 11月 21日 11月 22日 11月 23日 11月 24日 11月 25日 11月 26日 11月 27日 11月 28日 11月 29日 11月 30日 12月 1日 ボ イ ラ 入力（ kW )・ ボ イ ラ効率（ ％） ・ 出口温度（ ℃） ・ 蒸 気流量（ kg / h ） ボイラ入力（kW) ボイラ効率（％） 出口温度（℃） 蒸気流量（kg/h） 高負荷燃焼切替工事（ボイラ停止） 11月28日 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間 温度（℃）・圧力（k P a )・出力（K W ） 燃焼室温度 ボイラ出口排気ガス温度 エコノマイザー出口排気ガス温度 エコノマイザー出口温度 ボイラ圧力 入力 蒸気流量 ボイラ効率
４）高負荷時のホワイトペレットでの運転データ ① 測定条件 ボイラ型式 ペレット焚き貫流ボイラ 燃料 ホワイトペレット 高位発熱量 4540 kcal/h 低位発熱量 4154 kcal/h 含水率 18.3 ％（ドライベース） かさ比重 610 kg/m3 ② 測定結果 制御盤表示 kW 150 200 250 300 350 400 燃料投入量 kg/h 33.5 42.0 53.0 61.5 70.8 80.0 ℓ/h 55 69 87 101 116 131 発生蒸気量 kg/h 146 188 248 290 336 388 ボイラ効率 ％ 69.4 72.5 74.5 75.1 75.5 77.6
入力別ボイラ効率 ％
ホワイトペレット H22.1.1060
65
70
75
80
85
150
200
250
300
350
400
入力 KW
効率
％
ボイラ効率
（排損法） ％
1月9日 ホワイトペレット 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間 温 度 （℃ ）・ 圧 力 （ kP a) ・ 入 力 （ K W ） 燃焼室温度 ボイラ出口排気ガス温度 エコノマイザー出口排気ガス温度 エコノマイザー出口温度 ボイラ圧力 入力 蒸気流量 ボイラ効率 1月15日 ホワイトペレット 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間 温度 （ ℃ ） ・ 圧力 （ kP a) ・ 入力（ K W ） 燃焼室温度 ボイラ出口排気ガス温度 エコノマイザー出口排気ガス温度 エコノマイザー出口温度 ボイラ圧力 入力 蒸気流量 ボイラ効率
５）高負荷時の全木ペレットでの運転データ 型 式 多管式貫流ボイラ 燃料種類 ペレット 試験日時 H22.2.18 バーナ燃焼 方式 下込め式 含水率 U 18.3 ％ 場 所 舟形ﾏｯｼｭﾙｰﾑ 定格入力 400 ｋW 低位発熱量 4154 kcal/kg 担当者 344000 kcal/h かさ比重 － kg/m3 電 源 200V３φ 定格搬送量 82.8 kg/h ② 測定結果 （注）ボイラ効率は特損法による。 制御盤表示 kW 150 200 250 300 350 400 燃料投入量 kg/h 33.5 42.0 53.0 61.5 70.8 53.0 ℓ/h 51.5 64.6 81.5 94.6 108.9 81.5 発生蒸気量 kg/h 152 200 250 302 346 250 ボイラ効率 ％ 71.2 74.9 76.0 75.9 75.8 76.0
入力別ボイラ効率 ％
全木ペレット H22.2.1865
70
75
80
85
150
200
250
300
350
400
入力 KW
効率
％
ボイラ効率
（排損法） ％
2月9日全木ペレット 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間 温度（ ℃ ） ・ 圧力 （ kP a) ・ 出力（ ％ × 1 0 ） 燃焼室温度 ボイラ出口排気ガス温度 エコノマイザー出口排気ガス温度 エコノマイザー出口温度 ボイラ圧力 入力 蒸気流量 ボイラ効率 2月12日 全木ペレット 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 時間 温度（ ℃ ） ・ 圧 力 （ kP a) ・ 出力（ ％ × 1 0 ） 燃焼室温度 ボイラ出口排気ガス温度 エコノマイザー出口排気ガス温度 エコノマイザー出口温度 ボイラ圧力 入力 蒸気流量 ボイラ効率
4.2. 事業実施目標の達成度と評価
①入力をこのモニターボイラの缶体でペレット燃料の場合最大 500KW までを達成した。 ②高負荷になると、特にペレットの場合は炉内が高温になりやすく、クリンカーの発生が著しい。 また、 空燃比の調整が難しく、時にすすの発生も多く、特に燃焼ガス通路などで目詰まりを起こす可能性が ある。 ③高負荷燃焼ではターンダウン（出力の 100％からの連続制御ができる比率の下限）は１５０ｋW から４０ ０ｋW で 37.5%まで達成した。 ④自動最適燃焼のためのラムダ制御（O2 センサーによる酸素濃度制御）は今回十分機能できなかっ た。4.3. 本事業で得られた今後の課題
１）性能面 ①入力をこのモニターボイラの缶体でペレット燃料の場合 500KW までを達成する。すなわち木質ペレ ット焚き小型貫流ボイラで 500kg/h の商品化を目指す。そのためには耐久性に加え、燃焼制御にお いて更なる検討が必要。 ②エコノマイザーを搭載して効率 75％以上を維持する。 ③ターンダウン（出力の 100％からの連続制御ができる比率の下限）を 15％まで達成する。 ④ラムダ制御（O2 センサーによる酸素濃度制御）による自動最適燃焼制御を行う。 ⑤ペレットの場合、火力が強く排ガス温度が 300℃に達していることから、クリンカーが発生しやすい状 況にあり、出力が高く出ても、燃焼炉温度を低く抑えて、クリンカーの発生を抑えなければならない。 ２）メンテナンス面 ① 付着した灰の掃除作業のための装置の搭載：圧縮空気による手動でのブローで、熱交換部表面 や熱交換部底部の灰をブローし、サブコンテナなどに収納する。エコノマイザーも上記と同様なブ ローを行えるようにする。 ② 水管下部にたまった灰については着脱可能なカバーを取り付け、使用者が容易に掃除をできるよ うにする。 ③ 火格子の上の灰やクリンカーを除去するために火格子を容易に取りはずせるようにする。 ３）構造面 ① 省スペースのためのコンパクト化 ② 操作性 ③ 外観デザイン ④ コスト低減5.
本事業を実施による将来展望
低負荷燃焼の試験データとしては、燃焼性、ボイラとしての性能、灰の発生状況など基本的な所期の 条件はほぼクリアできてきた。もうしばらく行う高負荷燃焼での試験データ次第でボイラの基本的な仕様 が要件が決まる。一定の耐久性試験をすれば、商品化のめどが付く。 本製品についてはペレットで入力 500KW、チップで入力 300KW をめどに、商品化は平成 22 年度 10 月に発売を予定している。6.
事業実施体制
（株）トモエテクノ 事業計画の策定、試験の統括・分析・評価、報告書の作成 （株）巴商会 改造後のバーナ、など機器類、制御システム、配管の設計・製作、試験計画・実施・ データ測定 （有）舟形マッシュルーム（山形県舟形町） モニター先 検討会議の実施など ■検討会議は、業務日誌どおり次の日程で逐次行った。 平成 21 年 9 月 １回 事業内容の検討 11 月 2 回 バーナなどの設計と生産計画 12 月 1 回 改造機の組立てと試験内容のスケジュールなど 平成 22 年 1 月 2 回 ボイラの試験内容 2 月 2 回 ボイラの試験内容 3 月 2 回 ボイラの試験結果分析など7.
参考写真
サイロ・機械室と傾斜のあるアプローチ 試験用モニターボイラ
かさ比重の高いチップのために高さを伸ばしたサイロ チップの入ったサイロ
低負荷燃焼時の火格子(チップ燃料) 水管底部の灰のたまり
手動で水管へ期をブローしている様子 水面表面への灰の付着と剥がれ落ちた部分
下米式でチップが上がってくる様子 エコノマイザーの下部にたまった灰
高負荷燃焼バーナをボイラに搭載 ホワイトペレット用バーナ
