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最新更新日：2017.08.20 ・無煙燃焼の薪カマドの製作 2009年から試行錯誤を繰り返し、何とか中間地点まで来ました。それは燃焼排気にニオイと色がない状態で安定して燃やすことができるというところです。現在は薪カマドというよりは無煙で木炭灰を作る設備になっています。 これからは現在廃棄している熱エネルギーを何かの形で回収することに移行していくと思います。 ここで書いておきたいことのひとつが一酸化炭素の怖さです。僕は幸いにして屋外で試験していますので怖いことにはなっていませんが、一酸化炭素はとても生物と相性が悪いです。 一酸化炭素は労働安全衛生法の事務所則では暴露許容量は「50ppm以下であること」の物質です。 また火災は初期消火に失敗したら、どうしようもなく「火事」になってしまうものです。燃焼の3要素の「可燃物」「酸素」「温度」が意図せずしてそろったときに火災になります。 薪ストーブのWEBサイトは多くは危険が少ないと思いますが、ロケットストーブのWEBサイトはなかなか危険に感じるものが散見されます。 特に近年の高気密住宅では注意が必要と考えています。屋内では換気扇などによる室内のマイナス圧もあるでしょうし、煙突開放部の処理のまずさから外気風が強いときの逆流なども懸念事項です。 ガス中毒や火災ややけど等の事故に十分に気をつけましょう。 |
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いろんなものを参考にしていますが、お勧めは下記です。 ・林野庁のバイオマス燃料のボイラー技術の解説 http://www.rinya.maff.go.jp/j/riyou/biomass/pdf/250610biomass3.pdf ・木質バイオマスエネルギー利用における日本の技術課題（三菱UFJｺﾝｻﾙﾃｨﾝｸﾞ） ・身の回りの化学、燃焼の化学（木原 寛様、今福京子様のwebサイト） http://katakago.sakura.ne.jp/chem/fire/sumi2.html |
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もともとの動機は、実家の果樹園？？が広大で切り枝の処分や不要な樹木を切り倒したいけど、その幹や枝を有効に使いたい、ということから出発しました。昔は駐車場（空き地）で燃やしていたのですが、名古屋市に住んでいますので、「不要物の焼却処理」は条例でできなくなってしまいまして、それ以降はそれなりに切断して「可燃ごみ」にしていたのですが、「灰」がとても良い土壌改良剤であることを知りまして、なんだかもったいない気持ちになりました。 また自分の仕事のひとつに燃焼設備の導入というのもしているのですが、自分自身がいまひとつ、モノを燃やすことがよくわかっていなくて、その勉強の意味もありました。 名古屋市の条例では生活のための燃焼は可能です。具体的には「風呂沸かし」「暖房」「煮炊き」などです。最終的には「暖房」までいけるといいですが、まずは「煮炊き」用のカマドで始めてみようと思いました。 本間製作所の時計型ストーブ（AS-60）を買ってきました。近所のホームセンターで9k円くらいで購入しました。当初は煙突から火の粉が出て近隣に火事など出しては大変なことになると思い、煙突にネットをかぶせて動かしましたが、すぐに煙で閉塞してしまいその日の内にネットを撤去しました。今となっては懐かしい姿です。
こんな感じでゆで卵を作りました。これはこれで調理できました。
やってみて実感できたことですが、ステンレスは加熱すると色が変わります。オートバイのエギソーストパイプなどで知っていたとこでしたが、目の前で色が変わっていくのは興味深い経験でした。 |
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全体としては無煙で燃やすことは「とても難しい」ということがわかりました。それから圧倒的に知識が不足していて、同じく経験も不足していました。問題なのは「無煙」で燃やすことは過去の世間においてあまり興味のない問題のようで、「無煙」に関わる経験談を持つ人になかなか会えなかったので、ネットで情報を取りつつ、経験を積んでいくことにしました。 徐々にわかってきたのは ①煙の色は木質ガス起因のもので熱分解がされるまえに放出されてしまう。 ②炉内が燃焼中の木炭が多いときは煙の色は無色になる。そのときは炉内温度は高く、排気温度も高く550℃くらい。また、炉内からシュポシュポと数Hz程度の汽車のような燃焼音がするし、ときどき破裂するような音もする。 ③燃料を投入するときに主扉をあけると炉内温度が下がってしまうので、カマドの主扉ではなく、その下の空気取り入れ口から燃料を供給すると状態が安定しやすい。
いずれにせよ一般的な燃焼スタイルでは上記の写真のように有色でニオイもあったりして「無煙」はぜんぜん達成できませんでした。 たまたまこの地域が元々、みなさん農家だったので木を燃やすことへの抵抗がなかったことと、近所に薪炊きのお風呂を使っている家が残っていたりして、煙は問題化されませんでしたが、今の時代、「無煙」であることはとても重要と思っていたので、調査を続けました。 |
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2015年秋にyoutubeでロケットストーブを知りました。はじめはこれは排気がきれいでいいな、と思って見てました。発展途上国で煙に困っている人のために考えたとかもなんだかいい感じでした。Wilipedia「ロケットストーブ」 この形でも運転してみましたが、温度は上がるけれど「無煙」ではない事が多くありました。 特徴のある燃焼音など、はじめのうちはなんだか「不思議なこと」が起きているものか・・・・と思いましたが、運転を重ねて、書籍やネットで情報を得るうちに、「不思議なこと」が起きている訳ではなく、従来の知識で対応できるものであることがわかってきました。 しっかりと煙突を設置して、内部の圧力分布を把握することが失火や一酸化炭素中毒を防ぐことにつながります。 ・鉛直燃焼筒方式の採用 蚊取り線香に点火する時、炎があるときは煙は出てきません。火を消すと煙が出てきます。この現象は木質ガスの熱分解のひとつの形態と思います。これを閉じ込めた空間で行うことがひとまずの目標になりました。
自分の薪カマドへ応用するにはどうしたものか。いろいろ考えて、いろいろ工夫しました。ざっくりと7段階あります。 ①主燃焼室＋排気ガス燃焼分解室の2室方式 ②薫炭炉＋排気ガス燃焼分解室の2室方式 ③排気ガス燃焼分解の1室方式：鉛直燃焼筒方式 ④2次空気取入れ燃焼方式 ⑤大径燃料対応実施 ⑥チップ燃料対応 ⑦固定炉床から火格子炉床へ 現在の姿はこちらです。
いろいろな写真を切り貼りして作ったのでちょっと変な感じですが、だいたいこんな感じです。 最大のポイントは燃料投入口が主燃焼室の後流かつ上方にあることです。 これにより温度上昇により出てきた木質ガスが燃焼ガスで燃焼されます。木質燃料であれば、ゴーゴーという燃焼音がして排気温度が350℃くらいを上回っていると排気ガスは「無煙」です。目安としては排気温度が500～600ぐらいが木質ガスによる燃焼時だと考えています。 薪燃料を投入後、10数秒で木質ガスが出だして排気ガス温度は上がり、700℃くらいが最高になります。ただ、この温度が出るときは燃焼炭による経路の閉塞が始まっているときが多いので、後述の可動火格子を遥動させて熾き（オキ：バラバラになった木炭）を排出すると600℃くらいになります。 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 設備の仕様はこんな感じです。 ・可動火格子方式の鉛直燃焼筒方式燃焼室 ・燃料は燃焼室に対して上込め投入。2次燃焼空気燃焼方式 ・燃料供給は開口部を手動で開閉して、手による供給 ・燃料は薪、樹種はビワ、カリン等の広葉樹。大きさはL150mm程度、太さは50mm程度 ・煙突高さは約2.2m。 ・元もとの本間製作所製の薪ストーブは主燃焼室の支持材および空気取入口＆灰排出口＆安全カバーとして流用 ・基本構造体はφ100の亜鉛引きSS製スパイラルダクトを使用 ・燃料消費量：約3kg/Hr (薪の熱量は2200kcal/kgくらいと推定) ・吸入空気量：20m3N/Hr弱（燃焼空気8m3N/Hr程度、残りは希釈空気） →2次空気取入れ口からは燃焼空気と希釈空気の両方が入っていると考えています。 ・排ガス量：約50m3A/Hr ＠500℃（m3AはActualで実量容積） ・有効煙突高さ：約2.3m、ダクト内風速及び排気風速は2.3m/s程度。ダクト圧力損失は1Pa弱。 →流速は速くないのでいろいろな可能性があると思ってます。 →ゴーゴーという燃焼音は燃料部へ供給される燃焼空気による火炎のゆれの音と考えています。 ・煙突ドラフトは計算値は－15Pa強＠500℃。 →実測値は－10Pa程度なので燃料自体の通風抵抗がΔP＝5Pa程度と推定してます。 ・燃焼ガスの煙突内滞留時間：約1.5秒程度 →この時間が重要でこの温度と時間で煙成分は熱分解されると考えています。 ・１バッチあたりの運転時間：約2Hr（主に体力的な問題から） ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ だいたい煙の色はこんな感じで無色透明です。そのうちクルマ用の排ガステスタでCOとHCを計ってみたいと思ってます。 今回の写真では煙は写っていませんが、煙突から0.5m程度離れて、排気温度が下がった所で白く出てくることもあるので注意は必要です。
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燃料投入口はディスクグラインダでφ70くらいをイメージして６角形の開口をつくり、そこへφ30ホールソーで穴を開けた「φ110のT曲」を設置して、2次空気と燃料の投入口にします。起動時はオガライトを100mmくらいに切った（折った？）ものが使いやすいです。
こんな感じで燃料を入れます。投入するときは回転させて燃料投入部を出します。燃料投入時以外はφ30の穴を燃料投入部にあわせて2次空気取入れ口にします。
定常状態に入って来たら下の写真のように１バッチ200gくらいの薪を1個ずつ投入します。排気温度が300℃を下回らなければ、無煙状態が継続できてます。1バッチの時間はだいたい3分くらいです。600℃弱くらいから温度が下がってきて、450℃くらいになったら2次空気取入れ部の燃料投入口から投入すると、安定して運転できます。燃焼室内部を覗いて、火格子をゆするなりしてブリッジが無いことを見ながら運転します。 燃料投入動作開始温度を400℃、430℃、450℃と試してみましたが、450℃が良好です。400℃だと木質ガスが出きってしまって、燃焼室の温度が下がりすぎてしまい、無煙状態の維持が繊細になります。
燃やしているときはこんな感じで2次燃焼空気用穴から内部が見えます。
燃料はチェーンソーで150mmくらいに切断したものを手斧で割ったものを使います。だいたいこの量が2Hrで燃えます。となりのLPGガスバーナは必需品で、はじめに木炭に着火するときはもちろん、燃焼炭や灰が経路を塞いで失火したときなど、煙突温度を上昇させるときに使います。
こういった投入具を使うとガーデンシュレッダで裁断した枝も燃焼できます。この投入具は自作でして、まだまだたくさんの改善点があります。
ガーデンシュレッダはヤマゼン製YRM-35Aを使ってます。ギアタイプでお気に入りです。値段は40k円弱と飛びぬけて高価ですが・・・・。これくらいの枝は1Hr弱でシュレッダチップになります。
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・主燃焼室 ここはいろいろと工夫をした場所です。現在が最終形なのでは・・・・と考えています。 いろいろと寄り道をしましたが固体燃料の燃焼の王道である火格子（ファイヤ・グレート）方式になりました。ちなみにロストルも火格子のことでオランダ語が語源のものだそうです。また雨水側溝などのフタに「グレーチング」と呼ばれる金属性の格子がありますが、ファイヤ・グレートのグレートと同じ意味だそうです。 固体燃料を火格子の上で燃やすと軽い燃焼ガスは上方に去り、燃焼空気が燃料に供給されます。また燃料の灰は火格子から重力により落下し燃焼を邪魔しない。伝統的な火格子方式は大変理にかなってます。 元々がロケットストーブからはじまりましたが、オーソドックスなものに行き着きました。 蒸気機関車の燃焼室を縦方法に細くしたものかと思ってます。バック・トゥ・ザ・フューチャー３では機関車は薪で動いてましたね。 燃焼室は普通レンガで作りました。火格子は古い冷蔵庫の中の棚を切断して使ってます。右端がヒンジ構造になっていて、火格子は手により遥動できます。これもはめ込むだけで固定はしません。 ノズルとレンガはボルト締結というよりはボルトでつながっている程度にしてます。しっかり締めたりすると熱膨張や熱応力でトラブルの原因になりますので、手締め程度です。 このようにノズルに接する部分はディスクグラインダ＆石材用ディスクで5mmほど削りました。
燃焼室を斜め上から見たところです。
主燃焼室の最も高温のノズル部はこんな感じです。ここへ差し込むスパイラルダクト用ニップル継手はSS製ということもあり結構損傷します。たぶん寿命は100Hrくらいなのではないかと思っています。 燃焼室まわりはすべて差し込み式で固定はしていません。試験が終わったら片付けるため。固定は煙突側はしっかり固定してます。
火格子部を燃焼室の外を見たところはこんな感じです。色から見ると最高部分の温度は1100℃くらいかと考えています。第一鋼業様の解説ページがとてもわかりやすいので紹介しておきます。熾きや燃焼灰は火格子から落下します。必要に応じて手で火格子をゆすりますと落下が促進できます。
排気温度が600℃を超えてくると主燃焼室は赤熱発光をはじめます。この写真だとノズルの上のニップル継手が赤くリング状に発光しているのがわかると思います。色から見ると表面温度は600℃くらいでしょうか。
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・着火 着火はいろいろと工夫しました。木炭を使う方法とオガライトを使う方法を試しましたが、木炭が使いやすいようです。 オガライトは着火性はいいのですが、その時に煙が出ます。転じて木炭は無煙状態をずっと維持しながら起動できます. 着火にはこれくらいの木炭を使います
燃焼室の中に木炭を入れてしまい、火格子部分をLPガスバーナで加熱します。起動が一番手間がかかります。といいつつも5分くらいでしょうか。排気温度が200℃を超えてきたら、小さな薪から投入していきます。
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・灰について 灰はこんな感じのものです。1バッチの燃焼で200mL程度出ます。今のところ、畑の土壌改良剤として利用しています。
元々はこんな感じで燃え残りの木炭と灰が混じって出ます。2mmくらいのフルイで灰と木炭と分けます。
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・今後の展開 やっと火がつくところまできたと言うのが現状です。しかしながらこの設備を多くの人が安全に使うにはまだまだ多くの改善事項があると思ってます。 １）
細分化した木炭（熾き：おき）による燃焼経路閉塞対策 ２）
排ガスの性状分析、薪の含水率測定 ３）
失火検知 ４）
燃料の自動投入 ５）
緊急時のシャットダウン ６）
煙道のスス対策 ７）
温水エネルギーの取り出し ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ １）細分化した木炭（熾き：おき）による燃焼経路閉塞対策 無煙で燃やせることはできるようになり、熾き（おき）による経路閉塞による失火も火格子方式にしたのでだいぶ改善されました。ただ、傾向を数字で管理できるような工夫を探していきたいです。イメージとしては燃焼室圧力と考えています。 ２）排ガスの性状分析＆薪の含水率測定 木質燃料なのでSOｘは低値であろうでいいと思いますが、HC(全炭化水素)、CO、残存O2、NOｘは数値にしたいと思ってます。無色の煙が出ているのでHCは低いと思いますが、大気汚染の観点からNOｘを数値にしたいと思ってます。 排ガスの組成がわかると排ガス中の各成分の露点はあらかじめわかっているので、何℃まで熱回収ができるかがわかってきます。露点以下の場所を作ってしまうと、酸腐食が起きてしまいます。 薪の含水率も操作性に大きく関わってきます。持った感じでぐっと重いものはきっと含水率が高いのだと思います。そうした燃料は水の気化にそれなりのエネルギーを消費するので、炉内温度の不安定につながります。 電気抵抗を利用した水分計なるものが売ってます。それほど高くはありませんが、うーん・・・・。 ３）失火検知 燃焼室で発生する木炭が細かくなり燃焼空気流路を閉塞することがたびたびありました。紫外線式、可視光式、燃焼音の音響式など試してみたいです。 ４）燃料の自動投入 縦型小型燃焼室なので燃料投入はバッチ的です。これが自動にできるとその場から離れられるひとつの要素になります。 ５）緊急時のシャットダウン 僕が子供のころ（４０年位前）の石油ストーブでもシャットダウン機能はありました。固体燃料なので簡単ではないでしょうが、無人運転を目指すので思案する必要があると思ってます。 ６)煙道のスス対策 ススもそれなりにありますが、灰の流失もあります。「掃除すればいいじゃん」とは思いますがススは無煙化、灰は除塵設備で対応できるように思います。 ７）温水エネルギーの取り出し 空調に使用する４０℃帯温水の取出しができると思ってます。排ガス性状がポイントになるように思います。でも、上の問題群があるからまだまだ先ですね。 温水ボイラー後の排気温度を安全と余裕を見て160℃と仮定して、排ガス中の残存O2濃度を10%とすると、取り出せられる温水エネルギーは1.6kWくらいのようです。ざっくりとした熱効率は36%ととても低いです。 EPA（アメリカ環境保護省）の求める非触媒機の熱効率は「63%以上」のようで、これを達成するには熱交換器の耐腐食性アップによる排気温度低減と排気ガス中の残存O2濃度を下げる方法が求められるようで簡単ではなさそうです。また排ガス中の灰の量もなんだか低い値になってます。うーん・・・・・。 石油ファンヒータの小型のもので10k円くらいで約2倍の熱出力があります。うーん・・・・自分の薪は燃料代は安価ですがライバルの石油ファンヒータはとても強力ですね。 |
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