バ イ オ コー クス ボ イ ラ ーの 燃 焼 特 性 と暖 房 効 果 につ いて
田 中 尚 道,井 田 民 男,宇 田
(近畿大学バイオ コー クス研 究所)
宏
【目 的 】
近 畿 大 学 お よび株 式 会社 ナ ニ ワ炉機 研 究所 で 共 同 開 発 した 農 業 用 バ イオ コー クス ボ イ ラー は,カ ー ボ ンニ ュ ー トラル で あ り,計 算 上 は焼 却 時 に 発 生 す る 二 酸 化 炭 素 が カ ウ ン トされ な い 環境 負荷 の 少 な い ボ イ ラー で あ る 。 現 在,農 業 用 ボ イ ラー お よび 温風 機 は 灯 油 や 重 油 を燃 料 と して い る た め,二 酸化 炭 素 に よる 地 球 温 暖化 を招 く恐 れ が あ る 。 一 方,バ イ オ コー クス の 原料 は,植 物系 の もの は すべ て利 用 で きる た め,現 在,埋 立 や焼 却 等 の 処 分 を 行 わ れ て い る 農 業残 渣 や 食 品 残 渣 等 の 再 利 用 が 可 能 で あ り,地 球 環境 保 全 に 大 き く寄 与 で きる新 ネ ル ギ ー で あ る と考 え る 。
そ こで 本研 究 で は,バ イ オ コー クス ボ イ ラー に 使 用 す る燃 料 コー クス の 素材 お よび投 入 量 の 違 い に よる 燃 焼 温 度特 性 を明 らか に す る た め に,北 海 道 恵庭 市 に あ る 近 畿 大 学 バ イ オ コ ー ク ス 研 究 所 にお い て 平 成25年2月1日
〜3月7日 まで燃 焼 試 験 を行 っ た 。
【 材 料 と方 法】
写 真1に 示 した バ イ オ コ ー ク ス ボ イ ラ ー 試 作2号 機 に お け る,燃 焼 特 性 と温 度 特 性 を 明 らか に す る た め に,Table1 お よ びTable2に 示 した よ う な 試 験 区 を 設 定 し て 燃 焼 実 験 を行 っ た 。
調 査 項 目 は,燃 焼 炉 温 度,熱 交 換 出 口 温 度1次 温 水 側 温 度,2次 温 水 側 温 度,外 気 温,ハ ウ ス 内 気 温,温 風 送 風 口 温 度,プ ラ ン タ ー 地 温 に つ い て20分 間 隔 で 測 定 し た 。
バ イ オ コ ー ク ス 投 入 時 間 の 設 定 は ,1時 間20分(80 分)の イ ン タ ー バ ル で 燃 料 を 自 動 供 給 装 置 に て 投 入 し た 。 温 度 の 測 定 箇 所 は 写 真2〜6に 示 し た よ う に,ボ イ ラ ー 本 体4か 所(a.燃 焼 室,b.熱 交 換 出 口,c.1次 側 温 水,d.2次 交 換 出 口)の ほ か,e.温 風 吹 き 出 し 口,f
Tablel.試 験 区 の 設 定(1回 目 燃 焼 試 験3月4日 〜5日)
試験 区 燃料 の素材
投 入 量(Kg) 投入 時間(経過時間)試験 区1 靴 下
616:00(0)
試験 区2
コ ー ン ・ コ ブ 717:17(1h17m) 試験 区3
コ ー ン ・ コ ブ 617:54(Oh37m) 試験 区4
もみ 殻+リ ンゴ 719:13(1h191n)
試験 区5 茶 葉
620:30(1h17m)
試験 区6
コ ー ン ・ コ ブ 721:47(lhl7m) 試験 区7
もみ 殻+リ ンゴ 623:04(1h171n)
試験 区8 茶 葉
70:21(1h17m)
試験 区9
コ ー ン ・ コ ブ 61:38(1h17m)
試 験 区10 もみ殻+リ ン ゴ 72:54(lhl6m)
試 験 区11
茶 葉
64:11(1h171n)
試 験 区12 コ ー ン ・ コ フ" 7
5:28(1h17m)
試 験 区13 コ ー ン ・ コ ブ 0(未 投 入) 6:45Table2.試 験 区 の 設 定(1回 目燃 焼 試 験3月5日 〜6日)
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写 真1.バ イ オ コ ー ク ス ボ イ ラ ー 試 作2号 機
試験 区 燃料 の素材
投 入 量(Kg) 投入時 間(経過 時間)試 験 区1
茶葉
615:40(0)
試験 区2
コ ー ン ・ コ ブ 617:02(1h221n) 試験 区3
もみ殻+リ ン ゴ 618:19(1h17m)
試験 区4 茶葉
719:36(lhl7m)
試験 区5
コ ー ン ・ コ ブ 620:53(1h171n) 試験 区6
もみ殻+リ ン ゴ 722:10(1h17m)
試験 区7 茶葉
623:27(1h17m)
試験 区8
コ ー ン ・ コ ブ 70:44(lhl7m) 試験 区9
もみ殻+リ ン ゴ 62:01(1h171n)
試 験 区10
茶葉
73:18(1h17m)
試 験 区11 コ ー ン ・ コ ブ 6
4:35(1h17m)
試 験 区12 もみ殻+リ ン ゴ 75:52(lhl7m)
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写 真2.本 体 温 度 測 定 箇 所(a:燃 焼 室,b.熱 交 換 出 口, c.1次 側 温 水 出 口,d.2次 側 温 水 出 口)
写 真3.温 度測 定 箇 所(e.送 風 出 口)
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写真5.温 度測定箇所(g.栽 培 地温)
ハ ウ ス 内 温 度 ,g.栽 培 地 温 お よ びh.外 気 温 を20分 間 隔 で測 定 した 。
今 回 の燃 焼 試験 で使 用 した燃 料 の バ イ オ コー クス を写 真7〜10に 示 した 。
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写 真7燃 料(靴 下)
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写 真8.燃 料(茶 葉)
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写 真9.燃 料(コ ー ン ・コ ブ)
バ イ オ コ ー ク ス ボ イ ラ ー の 燃 焼 特 性 と暖 房 効 果 に つ い て
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写 真10.(も
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み 殻+リ ン ゴ か す)バ イ オ コー ク ス の 原料 は ,靴 下(綿 花+ポ リエステル +ナ イ ロ ン),茶 葉(賞 味期 限切 れの未使用),リ ンゴか す(リ ン ゴジ ュ ー ス を製 造 す る た め に搾 汁 され た残 渣 を 乾燥 した もの),コ ー ン ・コブ(実 は食 用 と して利 用 さ れ,残 っ た トウモ ロ コ シ の 芯 を乾 燥 して粉 砕 され た も の),も み 殻(稲 の収 穫 後 脱 穀 され た殻 の 部 分)を 原料
と して バ イ オ コー ク ス 製 造 器 に て バ イ オ コー クス に 成 形 され た もの を使 用 した 。
そ れ ぞ れ の 原 料 をバ イ オ コー ク ス 製 造 装 置 に て 製 造 し,直 径120mm,長 さ22cmに 切 断 した もの を,バ イ オ コー ク ス ボ イ ラー の燃 料 連 続投 入機 に セ ッ トして,冬 期 間 の夜 間 の低 温 か ら作 物 を保 護 し生 育 させ る た め に 必 要 な温 度 を確 保 す る た め に,夜 間 の外 気 温 の低 い 時 間 帯 に燃 焼 実験 を実 施 し,そ の温 度 の推 移 を明 らか に す る た め の,燃 焼 試 験 を行 っ た 。
【 結 果】
本 体 の熱 交 換 出 口,1次 側 温 水 出 口,2次 側 温 水 出 口 の温 度 の推 移 をFig。1に 示 した 。 熱 交換 出 口 は,バ イ オ コー ク ス の 熱 を温 風 に 変換 し,ビ ニルハ ウス内に送風 し て ハ ウ ス 内温 度 を10℃ 以 上 に保 つ た め の 装 置 で あ る。
熱 交 換 出 口 は,燃 焼 炉 の 温 度 に 比 例 し て 変 化 し 最 低 で 22℃,最 高 で92℃ で あ り,か な り の 温 度 変 化 が 見 ら れ た 。 一 方,1次 側 温 水 出 口 と2次 側 温 水 出 口 の 温 度 は, バ イ オ コ ー ク ス ボ イ ラ ー 運 転 後 か ら 比 較 的 安 定 して 推 移 し,最 低 で28℃,最 高 で56℃ で あ っ た 。 ま た,バ イ オ コ ー ク ス の 投 入 回 数 が 増 え る に した が っ て 水 温 は 若 干 上 昇 す る 傾 向 が 見 ら れ た 。
バ イ オ コ ー ク ス ボ イ ラ に よ る 燃 焼 試 験 の 結 果 は ,3月 4日 〜5日(1回 目)の 燃 焼 炉 の 温 度 の 推 移(Fig2)を
み る と最 初 に 投 入 し た 靴 下6kgの 場 合,着 火 よ り40分 後 に384℃(max)に な り,80分 後 に は141℃ な っ た 。 投 入2回 目 の コ ー ン ・ コ ブ7kgの 場 合 で は,燃 焼 炉 の 温 度 が 低 下 す る 現 象 が 見 ら れ,投 入 後47分 後 に73℃ ま で 低 下 し た た め,手 動 で19:54分 に 投 入3回 目 の コ ー ン ・コ ブ6kgを 投 入 し た 。26分 後 炉 温 は236℃(max) に 上 が り,46分 後 に は212℃ に 下 が っ た 。4回 目 は19:
13(炉 温177℃)に も み 殻 リ ン ゴ か す7kgが 投 入 さ れ, 27分 後 に483℃(max)ま で 上 昇 し た が,47分 後 に は 259℃ と な っ た 。5回 目 は20:30(炉 温171℃)に 茶 葉 6kgが 投 入 さ れ,50分 後 に318℃(max)と な っ た 。 6回 目 は21:47(炉 温180℃)に コ ー ン ・ コ ブ7kgが 投 入 さ れ,53分 後 に321℃(max)と な っ た 。7回 目
は23:04(炉 温213℃)に も み 殻+リ ン ゴ6kgが 投 入 さ れ,36分 後 に172℃(max)と な っ た 。8回 目 は0:
21(炉 温148℃)に 茶 葉7kgが 投 入 さ れ19分 後 に480℃
(max),39分 後 で は376℃ と な っ た 。9回 目 は1:38(炉 温178℃)に コ ー ン6kgが 投 入 さ れ,42分 後 に295℃
(max)と な っ た 。10回 目 は2:54(炉 温150℃)に も み 殻+リ ン ゴ が 投 入 さ れ,26分 後 に247℃(max)と な っ た 。11回 目 は4:11(炉 温188℃)に 茶 葉6kgが 投 入 さ れ,29分 後 に540℃(max)と な り,49分 後 に297℃ と な っ た 。12回 目 は5:28(炉 温206℃)に コ ー ン ・コ ブ 7kgが 投 入 さ れ,52分 後 に353℃(max)と な っ た 。
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3月4日 〜3肺 日
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Fi齢1.b.熱 交 換 出 口,c.1次 温 水 出 口,d.2次 温 水 出 口 の
温 度 推 移(1回 目) Fi魯2.乱 燃 焼 室 の温 度変 化(1回 目)
ボ イ ラ ー の 燃 焼 に 伴 う ハ ウ ス 内 の 送 風 口 の 出 口 温 度, ハ ウ ス 内 の 室 温 ,栽 培 プ ラ ン タ ー の 地 温 お よ び 外 気 温 の 推 移 に つ い てFig3に 示 し た 。 外 気 温 は,ボ イ ラ ー 運 転 時 で 一 〇.7℃ で20:00を 過 ぎ た 頃 か ら急 激 に 低 下 し 一 9.2℃ と な り6:00頃 ま で 一6℃ 前 後 で 推 移 し た 。 ハ ウ ス 内 の 室 温 は,ボ イ ラ ー 運 転 開 始 の16:00〜 翌 朝 の6:
40ま で,ほ ぼ10℃ 前 後 で 推 移 し た 。 栽 培 プ ラ ン タ ー の 地 温 は,16:00で は20℃ で あ っ た が,外 気 温 の 低 下 に 伴 っ て,徐 々 に 地 温 は 下 が り,翌 朝6:00で は13.8℃ と な っ た 。 送 風 口 出 口 は,ボ イ ラ ー の 燃 焼 炉 の 温 度 に 比 例
し て 推 移 し て お り,最 低 で14.5℃,最 高 で34.8℃ で 平 均 す る と20℃ 前 後 の 温 風 を ハ ウ ス 内 に 供 給 し て い る こ
と が 分 か っ た 。
3月5日,6日 に 行 っ た バ イ オ コ ー ク ス ボ イ ラ ー の 燃 焼 炉 の 結 果 をFig4に 示 し た 。15:40に 茶 葉6kgを 投 入 し,着 火 し た 結 果,40分 後 に299℃(max)と な り, 80分 後 に132℃ と な っ た 。17:02に 次 の コ ー ン ・コ ブ 6kgが 投 入 さ れ,20分 後 に423℃(max)と な り80分 後 に は122℃ と な っ た 。 次 に18:19に も み 殻+リ ン ゴ か す6kg投 入 さ れ,80分 後 に196℃(max)と な り, 次 の 茶 葉7kgが19:36に 投 入 さ れ た 。20分 後 に222℃
(max)と な り,80分 後 に191℃ と な っ た 。 次 に コ ー ン ・ コ ブ6kgが18:19に 投 入 さ れ ,40分 後 に393℃(max)
と な り,80分 後 に151℃ と な っ た 。22:10に も み 殻+リ ン ゴ か す7kgが 投 入 さ れ,50分 後 に271℃(max)と な
り70分 後 に169℃ と な っ た 。 次 に 茶 葉6kgが23:27に 投 入 さ れ,73分 後 に102℃(max)と な っ た 。0:44分
に コ ー ン ・コ ブ7kgが 投 入 さ れ,36分 後 に498℃(max) と な り,76分 後 に220℃ と な っ た 。2:01分 に も み 殻+
リ ン ゴ か す6kgが 投 入 さ れ,40分 後 に313℃(max)と な り,80分 後 に141℃ と な っ た 。3:18に 茶 葉7kgが 投 入 さ れ た が,投 入 後 炉 温 の 上 昇 は 見 ら れ ず,80分 後 75℃ と な っ た 。4:35に コ ー ン ・コ ブ6kgが 投 入 さ れ, 80分 後 に362℃(max)と な り,5:52分 に 最 後 の も み 殻+リ ン ゴ か す7kgが 投 入 さ れ,20分 後 に478℃(max)
と な り80分 後 に144℃ と な っ た 。
本 体 の 熱 交 換 出 口,1次 側 温 水 出 口,2次 側 温 水 出 口 の 温 度 の 推 移 をFig5に 示 し た 。 熱 交 換 出 口 は,1回 目 の 燃 焼 試 験 と ほ ぼ 同 様 の 傾 向 が 見 ら れ,最 低 で22℃, 最 高 で103℃ で あ っ た 。 一 方,1次 側 温 水 出 口 と2次 側 温 水 出 口 の 温 度 は,安 定 し て 推 移 し,最 低 で26℃,最
高 で58℃ で あ っ た 。
ボ イ ラ ー の 燃 焼 に 伴 う ハ ウ ス 内 の 送 風 口 の 出 口 温 度, ハ ウ ス 内 の 室 温 ,栽 培 プ ラ ン タ ー の 地 温 お よ び 外 気 温 の 推 移 に つ い てFig.6に 示 し た 。 外 気 温 は,ボ イ ラ ー 運 転
時 で0℃ で20:40を 過 ぎ た 頃 に 一3.2℃ と な り6:00頃
Fig.3.送 風 口 出 口,室 温,栽 培 地 温,外 気 温 の 推 移(1回 目) Fig.5.b.熱 交 換 出 口,c.1次 温 水 出 口,d.2次 温 水 出 口
Fi縁4.a燃 焼 室 の 温 度 変化(2回 目) Fi替6.送 風 口 出 口,室 温,栽 培 地 温,外 気 温 の 推 移(2回 目)
バ イ オ コ ー ク ス ボ イ ラ ー の 燃 焼 特 性 と暖 房 効 果 に つ い て
ま で0℃ 前 後 で 推 移 し た 。 ハ ウ ス 内 の 室 温 は,ボ イ ラ ー 運 転 開 始 の16:00で は22℃ で 日 没 と 同 時 に 急 激 に 低 下 し10℃ ま で 下 が り,翌 朝 の6:40ま で,ほ ぼ10℃ 前 後 で 推 移 し た 。 栽 培 プ ラ ン タ ー の 地 温 は,16:00で は20℃
で あ っ た が,外 気 温 の 低 下 に伴 っ て,徐 々 に 地 温 は 下 が り,翌 朝6:00で は14℃ と な っ た 。 送 風 口 出 口 は,ボ イ ラ ー の 燃 焼 炉 の 温 度 に 比 例 し て 推 移 し て お り,最 低 で 12.5℃,最 高 で41.4℃ で 平 均 す る と20℃ 前 後 の 温 風 を ハ ウ ス 内 に 供 給 し て い る こ と が 分 か っ た 。
1回 目 の 燃 焼 試 験 に お け る,原 料 の 違 い に よ る 燃 焼 温 度 の 推 移 に つ い てFig7に 示 し た 。4種 類 の 原 料 の 中 で 最 も 燃 焼 炉 の 温 度 が 高 か っ た の が 靴 下 で あ り,6 kg投 入 時 で398℃,9kg投 入 時 で500℃ で あ っ た 。 茶 葉 は6kg投 入 時 で323℃,7kg投 入 時 で327℃ で あ っ た 。 コ ー ン コ ブ は6kg投 入 時 で228℃ ,7kg投 入 時 で321℃
で あ っ た 。 も み 殻+リ ン ゴ か す で は,6kg投 入 時 で 298℃,7kg投 入 時 で248℃ で あ っ た 。
一 方,原 料 の 違 い に よ る 温 度 の 上 昇 時 間 を み る と 靴 下 で は,投 入20分 後 で 燃 焼 炉 の 温 度 は 急 激 に 上 昇 し た が,他 の 原 料 で は,投 入 後 燃 焼 炉 の 温 度 が い っ た ん 下 が
り,そ の 後 ゆ っ く り上 昇 す る 傾 向 が 見 ら れ た 。
2回 目 の 燃 焼 試 験 に お け る,原 料 の 違 い に よ る 燃 焼 温 度 の 推 移 に つ い てFig8に 示 し た 。3種 類 の 原 料 の 中 で 最 も燃 焼 炉 の 温 度 が 高 か っ た の が コ ー ン ・コ ブ で あ り, 6kg投 入 時 で418℃,9kg投 入 時 で500℃ で あ っ た 。 茶
葉 は6kg投 入 時 で298℃,7kg投 入 時 で221℃ で あ っ た 。 も み 殻+リ ン ゴ か す で は,6kg投 入 時 で178℃, 7kg投 入 時 で267℃ で あ っ た 。
一 方,原 料 の 違 い に よ る 温 度 の 上 昇 時 間 を み る と 茶 葉 と コ ー ン ・コ ブ で は,投 入20分 後 で 燃 焼 炉 の 温 度 は 急 激 に 上 昇 した が,も み 殻+リ ン ゴ か す で は,投 入 後 燃 焼 炉 の 温 度 が い っ た ん 下 が り,そ の 後 ゆ っ く り上 昇 す る 傾 向 が 見 ら れ,1回 目 の 試 験 と は 異 な る 傾 向 が 見 ら れ た 。
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