固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー
【課題】 固形バイオマス又は石炭を燃料にして、いかに高温で燃焼発熱させ、その熱を高率の交換熱に転換させると共に環境負荷を軽減させるか、その技術手段で構築する。
【解決する手段】 固形バイオマス又は石炭を燃料にして、高い発熱温度を得るためには、固形燃料を完全に炭素ガス化してから、燃焼反応させなければならない。その為に図の様な熱交換燃焼炉内の高温を活用して、燃料移送燃焼装置を通過する間に乾溜炭化から更に炭素ガス化まで進めてロストル上に送り、その部位で燃焼反応させる。更に出口に吸引されて流動する一次燃焼ガスに対して出口側から、斜めに高温化された高圧の対向流送風空気酸素膜を噴射して対向衝突させると放射現象を発象し、炉内をより高温化する二段階燃焼発熱事象によって、燃焼ガスが高温放射ガス体に進相して、輻射熱線という電磁波を熱交換水管に直照射、一部は反射して高率の熱交換が進行するという相互に相乗的に機能する機構を組み立て課題に対応する。
【解決する手段】 固形バイオマス又は石炭を燃料にして、高い発熱温度を得るためには、固形燃料を完全に炭素ガス化してから、燃焼反応させなければならない。その為に図の様な熱交換燃焼炉内の高温を活用して、燃料移送燃焼装置を通過する間に乾溜炭化から更に炭素ガス化まで進めてロストル上に送り、その部位で燃焼反応させる。更に出口に吸引されて流動する一次燃焼ガスに対して出口側から、斜めに高温化された高圧の対向流送風空気酸素膜を噴射して対向衝突させると放射現象を発象し、炉内をより高温化する二段階燃焼発熱事象によって、燃焼ガスが高温放射ガス体に進相して、輻射熱線という電磁波を熱交換水管に直照射、一部は反射して高率の熱交換が進行するという相互に相乗的に機能する機構を組み立て課題に対応する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固形バイオマス又は石炭を固形体〜純炭素化を経て高カロリー化された燃料にして高率の熱転換を図り、更に効率の高い熱交換機能が働くと共に、環境負荷を軽減する一体的機能構成の熱交換燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、高能率熱交換燃焼装置に関するもので、その発明は、熱交換燃焼炉の中で、吸引されて排出口に流動する燃焼ガスに斜めに対向して、高温化した高圧の単列カーテン状空気膜を噴射して燃焼ガス流と対向衝突させると輻射熱線事象に進相する自然現象に教えられ、大幅に燃料を節減できる熱交換燃焼法の開発に到達したものである。
上記文献に具体的経過と事象比較も詳しく記述しているが、耐火レンガで囲った燃焼炉内で石油バーナーによる燃焼ガス温度１２００℃による伝道熱交換での交換水への伝熱は、燃料対比で２０％であったのに、同じく燃焼ガス７００℃の熱線の熱交換部への直接照射の熱交換水への伝熱が、燃料対比で４５％とあまりに大きい逆落差事象に出会い、検証の結果、前記手段が燃焼炎を輻射熱線に進相させたものとの結論を得た。出願図（燃焼室容積４５×４５×１８０ｃｍ）のボイラーで、従前技術では１０リットル／ｈ容量のバーナーが必要（熱管理士）とされているのに５リットル／ｈのバーナーで数百時間の運転・供用し効果を確認した。（特許文献１）
【０００３】
前項の現象を理論的に裏付け確認できる文献として、“燃焼における総合エネルギー理論”があり、固形燃料が燃焼し発熱する反応に至るまでには化学的に定められた化学変化の段階を経ることが必要である。
非特許文献−１の「純粋の炭素であるグラファイトと分子酸素とが燃焼反応するにはそれぞれが原子化することが必要で、それには吸熱反応という化学変化を経なければならない。原子炭素と原子酸素とのＣＯ２反応発熱量の４分の３が吸熱される法則があり、実際に分子状の炭素と酸素が燃焼反応した場合は４分の１しか発熱量として表に出ない」との教示は、実施に当っての発想の基となった。（非特許文献１）
非特許文献−２が教える遠赤外線放射の機能が絶対温度の約４乗に比例するパワーを持つ電磁波による熱を移動させるという特性は、特許文献−１で見られた事象についての説明をシュテファン・ボルツマンの法則によるとした事と重なる。この稀有の機能への期待は、熱交換の場合は燃焼の機能向上として直接・間接の期待であり、固形燃料を乾溜炭化から純炭素化そして炭素ガス化へと進めるための手段装置の場合は、炉壁からの放射によって比較的低温域における酸欠還元乾溜を効率的に進める為への期待である。比較的小さい熱量と固定視されている固形物の本質を見直し活用分野の広がる途が拓ける。（非特許文献２）
【０００４】
木材等固形バイオマスの固形物を炭化して新しい燃料炭素化する事業は、資源や環境並びに経済分野から眺めても緊急を要する課題である。発明者はその燃料化工程で、炉内の高温の中で、炉壁からの遠赤外線放射の力を借りる酸欠乾溜手段による完全な炭化された燃料の実現の可能性の一つの事例として特許文献２の装置を発案している。
乾溜炭化、乾燥処理には遠赤外線機能が期待される情報が多く、発明者も大きな関心をいだきその機能性や経済性向上等に複数の手がかりを得た。（非特許文献３）
【０００５】
前項非特許文献３は、本願の主題でもある固形バイオマスの固形物を高性能の炭素燃料体に大きく転換させる特許４２２００８３号の出願概要を確認する為に行った追認試験である。
それは、バーナー燃焼炉の中に静置された、内部に遠赤外線放射塗料を厚く塗った鉄箱（３５×３５×２２ｃｍ）の中に、大小の木片を入れて窒素ガス雰囲気の中、２０℃から４００℃に昇温する約２時間余りの乾溜処理によって（５×１０×１５ｃｍ）の木片が完全に炭化し、その発熱量は岩手県工業技術センターでの測定でグラファイト８１００ｃａｌ／ｇの対比で９４％〜９８％の発熱量との結果を得た。仮にグラファイトの約９５％相当とすると約７７００ｃａｌ／ｇの熱量を持つ炭素材は石油に匹敵する程で、固形燃料の熱転換を大幅に向上させ得る実験結果を得た。
本事象の隠れた主役は遠赤外線放射機能のある炉壁と、酸欠乾溜処理の還元力？にある。
【０００６】
石炭を燃焼させる際には、環境保護の観点から特有の硫黄分を固定することが求められる（国立環境研）。石灰を用いる脱硫法が主流とされることから、本発明者は主体となる石灰に関する別件での経験をもとに、牡蠣殻生石灰の利用法を発案した。牡蠣殻は海中でＣＯ２を５７％固定した炭酸石灰主体のバイオマスでもある。高温炉内で遠赤外線放射のもと、酸欠乾溜によって粉体の生石灰となるが、カオリンセラミックスと呼ぶ多くの特性を持ち、その適用範囲は広く可能性が大きい。キルーン内で１２００℃の焼成では２０％しか生石灰化しなかったことから、還元雰囲気の中でこそ炭酸石灰の中の酸素を放出する性質が確かめられ、牡蠣殻の産業規模での活用の途が拓かれ、課題とされている環境改善への寄与にもなる。（特許文献４）（特許文献５）
【先行技術文献】
【特許文献１】高能率熱交換燃焼装置−特許３０３０３２１号
【非特許文献１】化学反応はなぜ起きるか−上野景平−講談社（１９９３）
【非特許文献２】二匹目の電気うなぎ−電力中央研究所一（１９９３）
【特許文献２】成熟固体物質の吸引ガス化燃焼法−特許第４２２００８３号
【非特許文献３】静置型窒素ガス置換乾溜炭化装置（平成１４年７月）
【特許文献３】機能性セラミックスの製造法−特願２００５−７３８７６
【特許文献４】カオリンセラミックスの製造法と利用−特願２００５−３１１４４９
【特許文献５】乾溜還元燃結炉−特願２００５−３８１３４０
【発明の開示】
【発明が解明しようとする課題】
【０００７】
現今の社会で資源と環境をめぐる課題は多く深刻である。しかし細かく分析すると技術的解明が出来れば大きく改善出来ることも亦多い。資源と環境と経済にまたがることの一つに、燃焼熱交換の効率を大幅に向上出来れば、燃料としての油の使用量が確実に減らせて資源と環境保全に寄与出来るし、固形バイオマスを再生し活用出来れば同じく資源・環境の課題に貢献出来るから、その根元にある技術の解明を進めることが求められている。そこで本発明者は背景技術に挙げた技術を組合せ改善して大きな課題に小さいながらもどこでも、誰でも実行出来る技術を発案したい。
【０００８】
本発明の課題は固形バイオマスや石炭を燃料にして、効率よく活用できる熱量として取出すことである。その為には粗雑で発熱量が比較的小さいと考えられている固形体を、如何にして高い燃焼熱源に転換し、更にそれを大きな熱交換熱量に換えるのか？その技術過程を如何に組立てるかである。その可能性は前に挙げた技術と文献からの教えの中にあり、云いかえると自然が教えてくれた自然現象にあった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前項の課題目標を受けて、本発明のボイラーは、必要な熱を求める為に固形燃料を燃やすと言う原点に立ち返って最善と考えられる熱交換機構を組み立て、その内部で固形燃料を最も効率の高い発熱燃料体に新相させてから燃焼反応に至らしめる燃焼機構を組み合わせ、それ等を相乗補完的に機能させることによって目標の課題に到達することを目指す。
本発明の基礎は些細な出来事（０００２）を再掲すると、排出口に流動する一時燃焼ガスに高温化された空気膜を斜めに対抗衝突させる燃焼手段での自然現象事象が教えてくれた真理にあった。背景技術の項で述べている如く、今まで常識的に最善と思われ観念的に固定化されている方法と異なる多くの刮目する新しい事象にめぐり合い、そのもつ意味を教える文献などから導き出されたのが本願である。
【００１０】
本願ボイラーは図の様に、前後の横断端面を立型矩形とする横型長方立方体構造で、頂部中心線の一画を開放した、両端面と上部並びに両側面の上部五面を遠赤外線放射機能を有する炉壁材で囲い、隣接した内側に横断側面と上面の三方体に、設定された直径の管を管径の半分の隙間を空けて立型三方並列に配し、下端は同径管で連結し、その下端両連結管の間は有意数の中央連絡管で結ぶ。上部の管中央は管径の２倍の巾で、その巾の３倍の高さを有する立型扁平管で連結して気水分離室とする立型貫流水管の熱交換装置を備え、外壁頂部の前の端面寄りに燃焼排ガス出口を設け、他の頂部中央線位置の開放区画は貫流水管上部の気水分離室が露出し、炉の下底部は前の端面より長方３分の２まで、貫流水管の下端連結管や中央連絡管を埋め込む炉壁材料を用いた底床炉壁として貫流水管装置を安定し、後ろの端面までの３分の１はロストル構造とし、その下部に灰溜め室を設ける。
外壁頂部の燃焼ガス出口の煙道に連結して、煙管を内蔵したエコノマイザー機能水槽を２槽燃焼炉外壁上に設け、その煙道を集結し吸引力のある煙突に連結する。
本願の燃焼反応は、一次燃焼空気量＜対交流送風量＜排気量という関係においてのみ成り立つもので、煙突による吸引力の強さは基本的条件であり従来の加圧送風燃焼では成り立たないことに特徴がある。
熱交換水はカスケートポンプで上部のエコノマイザー水槽に供給し、伝道熱交換で水を予熱し、それを経て貫流水管下端連結管に供給され、貫流水管全周に電磁波の直照射・反射照射を受けて効率的に熱交換されて蒸気化し上部の気水分離室の圧力バルブから外部に流出供給される熱交換機構である。熱交換断面積確保の為、炉の長方の長さは装置規模に応じて可能な限り長く確保する。
【００１１】
前項記載のボイラーの熱交換機構炉の内部に、前の端面の上部を入り口とする炉外に燃料供給装置を備えた燃料移送燃焼装置を長方中心位置に設け、その仕様は図に示す様に横断面が∩型形状の覆いを赤外線放射機能を有する炉壁材で内装して底部にストーカ機構を備え、可能な限り傾斜をもたせて炉床底端までの長さを有し（３分の２）横断先端が燃料吐出口となる構造で、その横断先端部分にロストル上の燃焼部位の燃焼炎を包み込むように∩型形状で先方迎角度の噴出し口で単列カーテン状高圧一次燃焼空気噴射口を設けると共に、同じく本装置頂部真中位置（前より３分の１）に、排ガス出口方向から燃焼ガスの流れに対向する直角水平に上下に先方迎角度を持つ単列カーテン状高圧対向流空気噴射口を備えた噴射管を設け、それぞれの受熱機能を備えた連結鉄管で、炉外に設置されたチャックバルブを備えた高圧送風機に連結する。後ろの端面に燃焼装置先
【００１２】
炉内を遠赤外線機能に維持することは本願の基本機構であることから、燃焼炎を輻射熱線化する手段と併せ、装置面からそれを担う内部の炉壁材は遠赤外線放射機能が高く光波発振力の大きな物材が求められる。遠赤外線は２０〜４０ミクロン波長の電磁波で熱を移動する特性があり、詳しくは特許文献−３によるが、遠赤外線放射機能が高い炉壁材として母材に北海道産のシリカブラックを主に混入するのが通例だが、シリカブラックを（２０％）とし、機能向上を目指し成分バランスを高める石川県の医王山から産出するライフグリーン（２０％）を加え、更にインドネシア産パームヤシ殻焼成灰（１０％）と牡蠣殻焼成物（２０％）とアルミナセメント（３０％）を基本材とし、それを特殊腐植物質抽出液と、パームヤシ殻焼成灰と、硫酸マンガンとホウ酸とを調合反応させた特殊溶媒である高濃度ホウ酸複合化合液で混錬し、分解した熱交換燃焼炉の外壁鉄板の内側に装着し、同じく燃料移送燃焼装置を分解した∩字型覆い鉄板の内側にも装着し、固化した後に熱線放射電気炉（特願２００４−１３７９１３）にて窒素ガス置換雰囲気で焼成し，放冷後にそれぞれ組み立てる。
【００１３】
前々項の熱交換機構、前項の燃焼機構の機能は、相互に相乗補完し合いながら炉内高温に到達し、それぞれの機能を発象する。その中で特に熱交換燃焼炉の外壁に遠赤外線放射機能を持つ炉壁材を内装し、貫流水管を並列するに当り隙間を持たせることとは関連が深く、直接的には燃焼ガスを高温化し放射ガス体に進相せしめ、最も効率的な電磁波の直照射のみならず水管の裏面にも反射した熱線を当て熱交換機能面積を大幅に増加するので熱交換機能は大幅に前進する構成の熱交換燃焼機構である。
貫流水管は熱交換断面積の増加と、高圧蒸気の危険性回避を目指す装置でもある。
【００１４】
燃焼効率の向上を目指す燃料移送燃焼装置の機構は、煙突からの吸引負圧状態の炉内高温のもとで、固形体燃料が装置を移動する間に高品質の炭素燃料体化し、更に炭素ガス体にまで進相させてから燃焼反応させる恣意的目標を持つ。それは燃料炭素と酸素それぞれが原子化して始めてＣＯ２反応事象に至るという化学的法則があり、固体燃料からそこに至るには幾段階もの吸熱反応、つまり熱を大量に奪う段階があるという「燃焼における総合エネルギー理論」によれば、原子状炭素と原子状酸素との燃焼発熱量の４分の３が、それぞれの分子状から原子状への変化に必要な熱エネルギーとして吸熱される。まして固形体からでは幾段階もの吸熱反応を経なければならない。その固形燃料を大きな熱交換熱量に転換する目的からそれに対応する手段を組み立てたのが本願の燃料移送燃焼機構であり、その発案の基となる化学的法則を表図−１に示す。
上記文献の教示を生かし発展させる仕組みは炉内高温の中で燃料移送燃焼装置の上部覆いの内壁から放射される遠赤外線を受け、ストーカ装置上を流動する燃料は、急速に酸欠乾溜炭化され、純炭素化に進み、更に炭素ガス体へと進相して燃料の吐出口に到達し、ロストル上の燃焼反応部位で、∩字型の高圧空気噴射口から噴射される高温化された高圧の空気酸素に吸い寄せられて激しく燃焼反応し、後ろの端面側壁に衝突して反転する。更にそれと同時に装置頂部真中位置に設置された対向流送風管から噴射された高温化された高圧の単列カーテン状空気酸素膜は、ガス出口に吸引され流動する燃焼ガス体と対向衝突して放射膜が形成され包み込まれたガス体は、高温放射ガス体に進相して燃焼発熱源として機能し、電磁波を水管に照射反射して燃料対比で高率の熱交換蒸気が得られる。本項の燃焼発熱機構と前項の熱交換機構とは相乗補完して機能し固形体燃料を高水準の発熱源に換え、更に大きな熱交換蒸気が得られるという技術目標に到達する。二段階の送風空気が高温化されるのは送風連結管が貫流水管での熱交換機能と同様に炉内電磁波照射を受ける受熱機構にもとづくからである。
【００１５】
前項発想のもとは、特許４２２００８３号に有るが、それを確認するために行なった非特許文献−３の追認試験で驚くべき成果を得た。（０００５）再掲すると、外部加熱で遠赤外線放射機能を備えた鉄箱の中の木片（５×１０×１５ｃｍ）が、約２時間かけて２０℃〜４００℃の昇温を無酸素状態（窒素ガス注入）での乾溜炭化により完全に近い純炭素材を得た。グラファイト（８１００ｃａｌ／ｇ）との対比で９４〜９８％という発熱量を持つ炭素材は、約９５％と仮定すると７７００ｃａｌ／ｇという発熱源としての燃料は石油に近く、固形バイオマスを再生新燃料にする事業の基礎技術の一つになり得る可能性が高い。
【００１６】
燃料源としての石炭は石油類と比較しても賦存量が大量で資源安全保障上も大きな期待を持たれている反面、硫黄分を含有する特性によって環境上の負荷が大きい。本願はその負荷分を軽減しつつ燃料としての個性、有利性を発展させる技術手段を構築する。
具体的には本願装置に固形バイオマスにかえて石炭を燃料として供用するに当っては牡蠣殻粉体を石炭との対比設定量を加えて供用すると、燃料移送燃焼装置の中で、牡蠣殻細粒が、石炭の変化と平行して酸欠還元乾溜作用を受けて粉体の生石灰化し、石炭の燃焼反応過程で気化した硫黄分を吸着反応して硫化石灰（ＳＯ２Ｃａ）化し、灰分と一緒に灰溜まり室で回収される。
【００１７】
石炭の熱交換燃焼の効率化に環境負荷を軽減する目標手段を加えたのは、特許文献３、４の取組み過程で牡蠣殻の特性にふれたことからである。牡蠣殻自体は５７％程度の炭酸ガスを抱え込んだ炭酸石灰主体であるが、高温炉内の燃料移送燃焼装置内における酸欠還元乾溜作用により、炭酸石灰組成物が酸素を分離放出する可能性を窺える事象に接した。
特許文献４の取組み事象の一例として、牡蠣殻をキルーン内でバーナー燃焼炎により１２００℃に加熱しても、５７％の炭酸ガスを抱え込んだ炭酸石灰状物体は２０％しか生石灰化せず（５７％×０．８＝約４５％）４５％の炭酸ガスは変質しなかった。（岩手県工業技術センター調査）加圧状態の中では化合物中の炭酸ガスは分解しがたい事象の一例である。
又特許文献３取組み事象の例として、複数材料を特殊溶液で練り合わせた際に、前記牡蠣殻を１２００℃で焼成した白色の牡蠣殻粉末を加えた時その混合物が漆黒に変化した。乾燥後、電気炉で１０００℃で焼成後の分析結果（一関高専）では、炭素の集積が非常に高い結果を得た。表図−２に示す様に炭素が重量で約３０％で分子数５６％との数値からは、他の原料からはその炭素が見出せず、４５％強の炭酸石灰を抱え込んでいると言う牡蠣殻焼成物内の炭酸ガスが酸素を放出し炭素が残留したとすればほぼ理解できる数値であり、牡蠣殻中の炭酸ガスが還元的分解反応しやすい事から本願に牡蠣殻粉体を加え発案した根拠でもある。
炉壁材材料に牡蠣殻焼成物を加えたのは、Ｃａ分を加える目的であったが、炭素分の集積を得たことは望外の事象であり、それでも通電性は見られなかったことから、光波発信力の増強に寄与するものと期待される。
【発明の効果】
【００１８】
固形バイオマス類や石炭は、石油よりも一般的に発熱量が少ない物体と考えられているが、本来の固形状物質の燃料が、燃焼反応して発熱するに至るまでには、物質組成や化学変化そして化学反応の定められた原理経緯があり、文献上もそれを明確に解明されているにも関わらず、化学反応における物質不滅の法則等からくる発熱量は一定のものとの概念が固定されている。本発明がそれを自然現象から教えられた事象を基に具体的な改善策として発案したことは、背景技術にあげた自然現象と、文献から導き出されたものであり、固形体物質でも大きな熱交換熱量を得るに至る固形体〜炭素化〜炭素ガス化へと吸熱反応を恣意的に経過せしめた原子炭素と高温化された空気の原子酸素との燃焼反応発熱の高率化と、更に加えて吸引され排出口に流動する一次燃焼ガスと斜め対向流送風空気酸素との対向衝突によって作り出される高温放射ガス体による２次発熱反応との２段階の燃焼発熱機構と、本願の熱交換機構を組み合わせて従来技術より数割の燃料削減を可能とする技術に到達し、世界的な課題に貢献し得る対応システムが拓かれた。現今の大量の空気を送り込む加圧燃焼法から離れて、負圧燃焼法と組み合わせての熱交換の効率化体系への一方向を発案する。
【発明を実施する為の最良の形態】
【００１９】
物質組成上の特質から、固形体を熱源として石油と比較すると物足りなさ・もどかしさの面が多い。そのハンデーを克服する為に、前項に示した具体的成果に基づいた資源活用と更なる効率化の一分野を前進させた。
しかし既存の熱交換燃焼にかかる概念的固定技術水準を固執する向きも有るが、本願は、数々の実験事例・事象の自然現象を積み上げ、様々な文献の教えから導き出されたものであり、事象の持っている意味を比較検討し、関係者それぞれの立場で世界的課題の解決に向けて活用貢献して頂きたい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】 ボイラー装置の縦断図
【図２】 ボイラー装置の横断図
【００２１】
１−ボイラー装置。２−熱交換燃焼室。３−外壁。３〜イ−炉壁。４−貫流水管。５−ロストル部。６−排ガス出口、７、８−エコノマイザー水槽。９−煙突基部。１０，１１−煙管、１２−カスケートポンプ、１２−１，１２−２送水管、１３−気水分離室。１４−蒸気出口バルブ。１５−燃料移送燃焼装置。１６−ストーカ装置。１７−燃料供給装置。１８−高圧一次燃焼空気噴射口管。１８−１−送風管。１９−燃焼反応層部。１９−１着火バーナー口。２０−高圧対向流送風空気噴射口。２０−１−送風管。２１−放射反応層。２２，２３−高圧送風機
【実施例】
【００２２】
以上の構成に基づき機能動作を説明する。
▲１▼燃焼炉内は煙突機能によって強い負圧状態が維持される。（００１０）
▲２▼固形燃料移送装置が作動し、それに伴い供給装置も連動する。
▲３▼固形燃料がロストル部に到達したら着火バーナーが作動する。
▲４▼着火による燃焼ガスは、上部のガス出口に吸引され流動する。
▲５▼着火炎が安定したら着火バーナーを外す。
▲６▼着火炎が安定したなら移送装置の先端面∩型噴射管から、燃焼部位を包み込む様に先方仰角度の単列カーテン状の高温高圧一次燃焼空気酸素が噴射されると、空気酸素層に炎（気体ガス）が誘引され流動状燃焼反応が激しくなり、後ろの炉壁にぶつかり反転して出口方向に吸引され流動する。この機構機能は、煙突からの強い吸引による炉内負圧の基でこそ起きる事象であり、移送装置内での酸欠状過熱蒸気雰囲気維持の条件と併せて、装置内に気化ガスの発火逆流を防ぐ必須用件であり、燃料ガスと空気とが激しく流動混合してこそ、燃焼化学反応が効率よく進行する。
▲７▼固形燃料移送装置の上部真央から出口に吸引される燃焼ガスに対向する先方上下迎角度の単列カーテン状の高温化された高圧対向流送風空気酸素膜を噴射されると、排ガス出口に誘引され流動する燃焼ガスと対向流衝突反応して放射膜が形成され、包み込まれたガス体が放射ガス体に進相するので相乗的に燃焼室内の高温化が更に進行する。
▲８▼固形燃料移送装置を覆う外壁も熱せられ酸欠状の内面炉壁からの遠赤外線放射が盛んになり、燃料の乾溜炭化が進み、炭素ガス化状でロストル上の燃焼部位に放出され燃焼反応が進むので、燃料の発熱量が増大する。固形燃料が、幾段階もの吸熱反応を経て炭素ガスが限りなく原子化に近づくが故である。
▲９▼前反応ガスは▲７▼の手段と相乗して高温放射ガス体に進相して、遠赤外線波長の電磁波を水管に照射し、炉壁からの遠赤外線反射も加わり、相乗効果で効率の高い熱交換蒸気が得られ気水分離室バルブ圧力弁を押し上げて外部に流出する。
▲１０▼求める熱交換水温に達したなら燃料供給を調節して安定燃焼を継続維持する。
【００２３】
以上熱交換効率を高める機構の熱交換燃焼炉内で、固形体燃料を燃焼炉内の高温を活かし高品質の純炭素体から炭素ガス体へと変化させる経過を恣意的に経過させるべく設定された燃料移送燃焼装置機能による一次燃焼発熱に加える対向流送風燃焼による二次的発熱反応とのそれぞれの発熱機能を相乗的に発象し、それを効率的熱交換機構が受け止めて固形燃料を大きな熱交換蒸気に転換する経過について説明した。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
現在の世界規模の課題論議で、地球温暖化防止を目指すＣＯ２削減問題が突出しているが、発明者が奇異に感ずるのは、上述の課題の基にある「熱を得るために物体を燃やすこと」に関する技術が固定視（国の規制を含めて）されて情報が少なく、その基礎部分での技術改善策が表面に出難い制度環境にある様に見受けられる。
その中で本願の固形バイオマスや石炭の固形体を前項説明の２段階に及ぶ燃焼反応により多量の燃焼発熱を得、更に効率的な熱交換機構によって大きな蒸気量に転換する技術体系を組み立て得たことは、資源安全保障上そして経済と環境保全の両立という困難な産業規模での課題に貢献し得る。
（００１５）に記述した木質固形体を約７７００ｃａｌ／ｇ級の発熱量を持つ純炭素とする燃料化技術が可能となれば、現今の森林の間伐材を移動可能なハンマークラッシャーなどで木材チップ化（細粒化）技術が山元の現場で対応が十分に可能な域にあることから本願技術の検証と構築を経て、地域のもつ山林資源再生、雇用、ＣＯ２吸収枠権を活用する林業の活性化・振興に直接貢献し得る途が拓けると共に、その延長線上には高性能の燃料化を経て二段階の複合発熱反応に加える効率的熱交換による蒸気化を基礎とした発電事業に発展しえる可能性が大きい。
前述事項は、亦固形バイオマスである膨大な畜産廃棄物（８０００万トン）や下水道汚泥（７０００万トン）に関しても利用可能であり、環境改善の見地からも発電源としても、今の地球規模での需要は確実と思われる。
又牡蠣殻を再生活用する石炭の環境負荷軽減策は、石炭の積極的活用と共に、牡蠣殻を再生活用することで地域漁業の課題の克服と振興に寄与する等貢献分野は大きく拡がる。
又固形バイオマスに準ずる重質油では油質の改質工程は似通っているので高率の熱源化を経て大きな燃焼熱反応発熱を得て熱交換蒸気気化につなげ得る。
【符号の説明】
【００２５】
１−ボイラー装置。２−熱交換燃焼室。３−炉壁。４−熱交換水管。５−ロストル。６−ガス出口。７、８−エコノマイザー水槽。９−煙突基部。１０，１１−煙管。１２−カスケードポンプ。１２−１，１２−２−送水管。１３−熱水タマリ部。１４−熱水出口。１５−燃料移送装置。１６−ストーカ部。１７−原料供給装置。１８−高圧一次燃焼空気噴射管。１８−１−送風管。１９−燃焼反応層。１９−１着火バーナー口。２０−高圧対向流送風空気噴射管。２０−１送風管。２１−放射反応層。２２，２３−高圧送風機。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固形バイオマス又は石炭を固形体〜純炭素化を経て高カロリー化された燃料にして高率の熱転換を図り、更に効率の高い熱交換機能が働くと共に、環境負荷を軽減する一体的機能構成の熱交換燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、高能率熱交換燃焼装置に関するもので、その発明は、熱交換燃焼炉の中で、吸引されて排出口に流動する燃焼ガスに斜めに対向して、高温化した高圧の単列カーテン状空気膜を噴射して燃焼ガス流と対向衝突させると輻射熱線事象に進相する自然現象に教えられ、大幅に燃料を節減できる熱交換燃焼法の開発に到達したものである。
上記文献に具体的経過と事象比較も詳しく記述しているが、耐火レンガで囲った燃焼炉内で石油バーナーによる燃焼ガス温度１２００℃による伝道熱交換での交換水への伝熱は、燃料対比で２０％であったのに、同じく燃焼ガス７００℃の熱線の熱交換部への直接照射の熱交換水への伝熱が、燃料対比で４５％とあまりに大きい逆落差事象に出会い、検証の結果、前記手段が燃焼炎を輻射熱線に進相させたものとの結論を得た。出願図（燃焼室容積４５×４５×１８０ｃｍ）のボイラーで、従前技術では１０リットル／ｈ容量のバーナーが必要（熱管理士）とされているのに５リットル／ｈのバーナーで数百時間の運転・供用し効果を確認した。（特許文献１）
【０００３】
前項の現象を理論的に裏付け確認できる文献として、“燃焼における総合エネルギー理論”があり、固形燃料が燃焼し発熱する反応に至るまでには化学的に定められた化学変化の段階を経ることが必要である。
非特許文献−１の「純粋の炭素であるグラファイトと分子酸素とが燃焼反応するにはそれぞれが原子化することが必要で、それには吸熱反応という化学変化を経なければならない。原子炭素と原子酸素とのＣＯ２反応発熱量の４分の３が吸熱される法則があり、実際に分子状の炭素と酸素が燃焼反応した場合は４分の１しか発熱量として表に出ない」との教示は、実施に当っての発想の基となった。（非特許文献１）
非特許文献−２が教える遠赤外線放射の機能が絶対温度の約４乗に比例するパワーを持つ電磁波による熱を移動させるという特性は、特許文献−１で見られた事象についての説明をシュテファン・ボルツマンの法則によるとした事と重なる。この稀有の機能への期待は、熱交換の場合は燃焼の機能向上として直接・間接の期待であり、固形燃料を乾溜炭化から純炭素化そして炭素ガス化へと進めるための手段装置の場合は、炉壁からの放射によって比較的低温域における酸欠還元乾溜を効率的に進める為への期待である。比較的小さい熱量と固定視されている固形物の本質を見直し活用分野の広がる途が拓ける。（非特許文献２）
【０００４】
木材等固形バイオマスの固形物を炭化して新しい燃料炭素化する事業は、資源や環境並びに経済分野から眺めても緊急を要する課題である。発明者はその燃料化工程で、炉内の高温の中で、炉壁からの遠赤外線放射の力を借りる酸欠乾溜手段による完全な炭化された燃料の実現の可能性の一つの事例として特許文献２の装置を発案している。
乾溜炭化、乾燥処理には遠赤外線機能が期待される情報が多く、発明者も大きな関心をいだきその機能性や経済性向上等に複数の手がかりを得た。（非特許文献３）
【０００５】
前項非特許文献３は、本願の主題でもある固形バイオマスの固形物を高性能の炭素燃料体に大きく転換させる特許４２２００８３号の出願概要を確認する為に行った追認試験である。
それは、バーナー燃焼炉の中に静置された、内部に遠赤外線放射塗料を厚く塗った鉄箱（３５×３５×２２ｃｍ）の中に、大小の木片を入れて窒素ガス雰囲気の中、２０℃から４００℃に昇温する約２時間余りの乾溜処理によって（５×１０×１５ｃｍ）の木片が完全に炭化し、その発熱量は岩手県工業技術センターでの測定でグラファイト８１００ｃａｌ／ｇの対比で９４％〜９８％の発熱量との結果を得た。仮にグラファイトの約９５％相当とすると約７７００ｃａｌ／ｇの熱量を持つ炭素材は石油に匹敵する程で、固形燃料の熱転換を大幅に向上させ得る実験結果を得た。
本事象の隠れた主役は遠赤外線放射機能のある炉壁と、酸欠乾溜処理の還元力？にある。
【０００６】
石炭を燃焼させる際には、環境保護の観点から特有の硫黄分を固定することが求められる（国立環境研）。石灰を用いる脱硫法が主流とされることから、本発明者は主体となる石灰に関する別件での経験をもとに、牡蠣殻生石灰の利用法を発案した。牡蠣殻は海中でＣＯ２を５７％固定した炭酸石灰主体のバイオマスでもある。高温炉内で遠赤外線放射のもと、酸欠乾溜によって粉体の生石灰となるが、カオリンセラミックスと呼ぶ多くの特性を持ち、その適用範囲は広く可能性が大きい。キルーン内で１２００℃の焼成では２０％しか生石灰化しなかったことから、還元雰囲気の中でこそ炭酸石灰の中の酸素を放出する性質が確かめられ、牡蠣殻の産業規模での活用の途が拓かれ、課題とされている環境改善への寄与にもなる。（特許文献４）（特許文献５）
【先行技術文献】
【特許文献１】高能率熱交換燃焼装置−特許３０３０３２１号
【非特許文献１】化学反応はなぜ起きるか−上野景平−講談社（１９９３）
【非特許文献２】二匹目の電気うなぎ−電力中央研究所一（１９９３）
【特許文献２】成熟固体物質の吸引ガス化燃焼法−特許第４２２００８３号
【非特許文献３】静置型窒素ガス置換乾溜炭化装置（平成１４年７月）
【特許文献３】機能性セラミックスの製造法−特願２００５−７３８７６
【特許文献４】カオリンセラミックスの製造法と利用−特願２００５−３１１４４９
【特許文献５】乾溜還元燃結炉−特願２００５−３８１３４０
【発明の開示】
【発明が解明しようとする課題】
【０００７】
現今の社会で資源と環境をめぐる課題は多く深刻である。しかし細かく分析すると技術的解明が出来れば大きく改善出来ることも亦多い。資源と環境と経済にまたがることの一つに、燃焼熱交換の効率を大幅に向上出来れば、燃料としての油の使用量が確実に減らせて資源と環境保全に寄与出来るし、固形バイオマスを再生し活用出来れば同じく資源・環境の課題に貢献出来るから、その根元にある技術の解明を進めることが求められている。そこで本発明者は背景技術に挙げた技術を組合せ改善して大きな課題に小さいながらもどこでも、誰でも実行出来る技術を発案したい。
【０００８】
本発明の課題は固形バイオマスや石炭を燃料にして、効率よく活用できる熱量として取出すことである。その為には粗雑で発熱量が比較的小さいと考えられている固形体を、如何にして高い燃焼熱源に転換し、更にそれを大きな熱交換熱量に換えるのか？その技術過程を如何に組立てるかである。その可能性は前に挙げた技術と文献からの教えの中にあり、云いかえると自然が教えてくれた自然現象にあった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前項の課題目標を受けて、本発明のボイラーは、必要な熱を求める為に固形燃料を燃やすと言う原点に立ち返って最善と考えられる熱交換機構を組み立て、その内部で固形燃料を最も効率の高い発熱燃料体に新相させてから燃焼反応に至らしめる燃焼機構を組み合わせ、それ等を相乗補完的に機能させることによって目標の課題に到達することを目指す。
本発明の基礎は些細な出来事（０００２）を再掲すると、排出口に流動する一時燃焼ガスに高温化された空気膜を斜めに対抗衝突させる燃焼手段での自然現象事象が教えてくれた真理にあった。背景技術の項で述べている如く、今まで常識的に最善と思われ観念的に固定化されている方法と異なる多くの刮目する新しい事象にめぐり合い、そのもつ意味を教える文献などから導き出されたのが本願である。
【００１０】
本願ボイラーは図の様に、前後の横断端面を立型矩形とする横型長方立方体構造で、頂部中心線の一画を開放した、両端面と上部並びに両側面の上部五面を遠赤外線放射機能を有する炉壁材で囲い、隣接した内側に横断側面と上面の三方体に、設定された直径の管を管径の半分の隙間を空けて立型三方並列に配し、下端は同径管で連結し、その下端両連結管の間は有意数の中央連絡管で結ぶ。上部の管中央は管径の２倍の巾で、その巾の３倍の高さを有する立型扁平管で連結して気水分離室とする立型貫流水管の熱交換装置を備え、外壁頂部の前の端面寄りに燃焼排ガス出口を設け、他の頂部中央線位置の開放区画は貫流水管上部の気水分離室が露出し、炉の下底部は前の端面より長方３分の２まで、貫流水管の下端連結管や中央連絡管を埋め込む炉壁材料を用いた底床炉壁として貫流水管装置を安定し、後ろの端面までの３分の１はロストル構造とし、その下部に灰溜め室を設ける。
外壁頂部の燃焼ガス出口の煙道に連結して、煙管を内蔵したエコノマイザー機能水槽を２槽燃焼炉外壁上に設け、その煙道を集結し吸引力のある煙突に連結する。
本願の燃焼反応は、一次燃焼空気量＜対交流送風量＜排気量という関係においてのみ成り立つもので、煙突による吸引力の強さは基本的条件であり従来の加圧送風燃焼では成り立たないことに特徴がある。
熱交換水はカスケートポンプで上部のエコノマイザー水槽に供給し、伝道熱交換で水を予熱し、それを経て貫流水管下端連結管に供給され、貫流水管全周に電磁波の直照射・反射照射を受けて効率的に熱交換されて蒸気化し上部の気水分離室の圧力バルブから外部に流出供給される熱交換機構である。熱交換断面積確保の為、炉の長方の長さは装置規模に応じて可能な限り長く確保する。
【００１１】
前項記載のボイラーの熱交換機構炉の内部に、前の端面の上部を入り口とする炉外に燃料供給装置を備えた燃料移送燃焼装置を長方中心位置に設け、その仕様は図に示す様に横断面が∩型形状の覆いを赤外線放射機能を有する炉壁材で内装して底部にストーカ機構を備え、可能な限り傾斜をもたせて炉床底端までの長さを有し（３分の２）横断先端が燃料吐出口となる構造で、その横断先端部分にロストル上の燃焼部位の燃焼炎を包み込むように∩型形状で先方迎角度の噴出し口で単列カーテン状高圧一次燃焼空気噴射口を設けると共に、同じく本装置頂部真中位置（前より３分の１）に、排ガス出口方向から燃焼ガスの流れに対向する直角水平に上下に先方迎角度を持つ単列カーテン状高圧対向流空気噴射口を備えた噴射管を設け、それぞれの受熱機能を備えた連結鉄管で、炉外に設置されたチャックバルブを備えた高圧送風機に連結する。後ろの端面に燃焼装置先
【００１２】
炉内を遠赤外線機能に維持することは本願の基本機構であることから、燃焼炎を輻射熱線化する手段と併せ、装置面からそれを担う内部の炉壁材は遠赤外線放射機能が高く光波発振力の大きな物材が求められる。遠赤外線は２０〜４０ミクロン波長の電磁波で熱を移動する特性があり、詳しくは特許文献−３によるが、遠赤外線放射機能が高い炉壁材として母材に北海道産のシリカブラックを主に混入するのが通例だが、シリカブラックを（２０％）とし、機能向上を目指し成分バランスを高める石川県の医王山から産出するライフグリーン（２０％）を加え、更にインドネシア産パームヤシ殻焼成灰（１０％）と牡蠣殻焼成物（２０％）とアルミナセメント（３０％）を基本材とし、それを特殊腐植物質抽出液と、パームヤシ殻焼成灰と、硫酸マンガンとホウ酸とを調合反応させた特殊溶媒である高濃度ホウ酸複合化合液で混錬し、分解した熱交換燃焼炉の外壁鉄板の内側に装着し、同じく燃料移送燃焼装置を分解した∩字型覆い鉄板の内側にも装着し、固化した後に熱線放射電気炉（特願２００４−１３７９１３）にて窒素ガス置換雰囲気で焼成し，放冷後にそれぞれ組み立てる。
【００１３】
前々項の熱交換機構、前項の燃焼機構の機能は、相互に相乗補完し合いながら炉内高温に到達し、それぞれの機能を発象する。その中で特に熱交換燃焼炉の外壁に遠赤外線放射機能を持つ炉壁材を内装し、貫流水管を並列するに当り隙間を持たせることとは関連が深く、直接的には燃焼ガスを高温化し放射ガス体に進相せしめ、最も効率的な電磁波の直照射のみならず水管の裏面にも反射した熱線を当て熱交換機能面積を大幅に増加するので熱交換機能は大幅に前進する構成の熱交換燃焼機構である。
貫流水管は熱交換断面積の増加と、高圧蒸気の危険性回避を目指す装置でもある。
【００１４】
燃焼効率の向上を目指す燃料移送燃焼装置の機構は、煙突からの吸引負圧状態の炉内高温のもとで、固形体燃料が装置を移動する間に高品質の炭素燃料体化し、更に炭素ガス体にまで進相させてから燃焼反応させる恣意的目標を持つ。それは燃料炭素と酸素それぞれが原子化して始めてＣＯ２反応事象に至るという化学的法則があり、固体燃料からそこに至るには幾段階もの吸熱反応、つまり熱を大量に奪う段階があるという「燃焼における総合エネルギー理論」によれば、原子状炭素と原子状酸素との燃焼発熱量の４分の３が、それぞれの分子状から原子状への変化に必要な熱エネルギーとして吸熱される。まして固形体からでは幾段階もの吸熱反応を経なければならない。その固形燃料を大きな熱交換熱量に転換する目的からそれに対応する手段を組み立てたのが本願の燃料移送燃焼機構であり、その発案の基となる化学的法則を表図−１に示す。
上記文献の教示を生かし発展させる仕組みは炉内高温の中で燃料移送燃焼装置の上部覆いの内壁から放射される遠赤外線を受け、ストーカ装置上を流動する燃料は、急速に酸欠乾溜炭化され、純炭素化に進み、更に炭素ガス体へと進相して燃料の吐出口に到達し、ロストル上の燃焼反応部位で、∩字型の高圧空気噴射口から噴射される高温化された高圧の空気酸素に吸い寄せられて激しく燃焼反応し、後ろの端面側壁に衝突して反転する。更にそれと同時に装置頂部真中位置に設置された対向流送風管から噴射された高温化された高圧の単列カーテン状空気酸素膜は、ガス出口に吸引され流動する燃焼ガス体と対向衝突して放射膜が形成され包み込まれたガス体は、高温放射ガス体に進相して燃焼発熱源として機能し、電磁波を水管に照射反射して燃料対比で高率の熱交換蒸気が得られる。本項の燃焼発熱機構と前項の熱交換機構とは相乗補完して機能し固形体燃料を高水準の発熱源に換え、更に大きな熱交換蒸気が得られるという技術目標に到達する。二段階の送風空気が高温化されるのは送風連結管が貫流水管での熱交換機能と同様に炉内電磁波照射を受ける受熱機構にもとづくからである。
【００１５】
前項発想のもとは、特許４２２００８３号に有るが、それを確認するために行なった非特許文献−３の追認試験で驚くべき成果を得た。（０００５）再掲すると、外部加熱で遠赤外線放射機能を備えた鉄箱の中の木片（５×１０×１５ｃｍ）が、約２時間かけて２０℃〜４００℃の昇温を無酸素状態（窒素ガス注入）での乾溜炭化により完全に近い純炭素材を得た。グラファイト（８１００ｃａｌ／ｇ）との対比で９４〜９８％という発熱量を持つ炭素材は、約９５％と仮定すると７７００ｃａｌ／ｇという発熱源としての燃料は石油に近く、固形バイオマスを再生新燃料にする事業の基礎技術の一つになり得る可能性が高い。
【００１６】
燃料源としての石炭は石油類と比較しても賦存量が大量で資源安全保障上も大きな期待を持たれている反面、硫黄分を含有する特性によって環境上の負荷が大きい。本願はその負荷分を軽減しつつ燃料としての個性、有利性を発展させる技術手段を構築する。
具体的には本願装置に固形バイオマスにかえて石炭を燃料として供用するに当っては牡蠣殻粉体を石炭との対比設定量を加えて供用すると、燃料移送燃焼装置の中で、牡蠣殻細粒が、石炭の変化と平行して酸欠還元乾溜作用を受けて粉体の生石灰化し、石炭の燃焼反応過程で気化した硫黄分を吸着反応して硫化石灰（ＳＯ２Ｃａ）化し、灰分と一緒に灰溜まり室で回収される。
【００１７】
石炭の熱交換燃焼の効率化に環境負荷を軽減する目標手段を加えたのは、特許文献３、４の取組み過程で牡蠣殻の特性にふれたことからである。牡蠣殻自体は５７％程度の炭酸ガスを抱え込んだ炭酸石灰主体であるが、高温炉内の燃料移送燃焼装置内における酸欠還元乾溜作用により、炭酸石灰組成物が酸素を分離放出する可能性を窺える事象に接した。
特許文献４の取組み事象の一例として、牡蠣殻をキルーン内でバーナー燃焼炎により１２００℃に加熱しても、５７％の炭酸ガスを抱え込んだ炭酸石灰状物体は２０％しか生石灰化せず（５７％×０．８＝約４５％）４５％の炭酸ガスは変質しなかった。（岩手県工業技術センター調査）加圧状態の中では化合物中の炭酸ガスは分解しがたい事象の一例である。
又特許文献３取組み事象の例として、複数材料を特殊溶液で練り合わせた際に、前記牡蠣殻を１２００℃で焼成した白色の牡蠣殻粉末を加えた時その混合物が漆黒に変化した。乾燥後、電気炉で１０００℃で焼成後の分析結果（一関高専）では、炭素の集積が非常に高い結果を得た。表図−２に示す様に炭素が重量で約３０％で分子数５６％との数値からは、他の原料からはその炭素が見出せず、４５％強の炭酸石灰を抱え込んでいると言う牡蠣殻焼成物内の炭酸ガスが酸素を放出し炭素が残留したとすればほぼ理解できる数値であり、牡蠣殻中の炭酸ガスが還元的分解反応しやすい事から本願に牡蠣殻粉体を加え発案した根拠でもある。
炉壁材材料に牡蠣殻焼成物を加えたのは、Ｃａ分を加える目的であったが、炭素分の集積を得たことは望外の事象であり、それでも通電性は見られなかったことから、光波発信力の増強に寄与するものと期待される。
【発明の効果】
【００１８】
固形バイオマス類や石炭は、石油よりも一般的に発熱量が少ない物体と考えられているが、本来の固形状物質の燃料が、燃焼反応して発熱するに至るまでには、物質組成や化学変化そして化学反応の定められた原理経緯があり、文献上もそれを明確に解明されているにも関わらず、化学反応における物質不滅の法則等からくる発熱量は一定のものとの概念が固定されている。本発明がそれを自然現象から教えられた事象を基に具体的な改善策として発案したことは、背景技術にあげた自然現象と、文献から導き出されたものであり、固形体物質でも大きな熱交換熱量を得るに至る固形体〜炭素化〜炭素ガス化へと吸熱反応を恣意的に経過せしめた原子炭素と高温化された空気の原子酸素との燃焼反応発熱の高率化と、更に加えて吸引され排出口に流動する一次燃焼ガスと斜め対向流送風空気酸素との対向衝突によって作り出される高温放射ガス体による２次発熱反応との２段階の燃焼発熱機構と、本願の熱交換機構を組み合わせて従来技術より数割の燃料削減を可能とする技術に到達し、世界的な課題に貢献し得る対応システムが拓かれた。現今の大量の空気を送り込む加圧燃焼法から離れて、負圧燃焼法と組み合わせての熱交換の効率化体系への一方向を発案する。
【発明を実施する為の最良の形態】
【００１９】
物質組成上の特質から、固形体を熱源として石油と比較すると物足りなさ・もどかしさの面が多い。そのハンデーを克服する為に、前項に示した具体的成果に基づいた資源活用と更なる効率化の一分野を前進させた。
しかし既存の熱交換燃焼にかかる概念的固定技術水準を固執する向きも有るが、本願は、数々の実験事例・事象の自然現象を積み上げ、様々な文献の教えから導き出されたものであり、事象の持っている意味を比較検討し、関係者それぞれの立場で世界的課題の解決に向けて活用貢献して頂きたい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】 ボイラー装置の縦断図
【図２】 ボイラー装置の横断図
【００２１】
１−ボイラー装置。２−熱交換燃焼室。３−外壁。３〜イ−炉壁。４−貫流水管。５−ロストル部。６−排ガス出口、７、８−エコノマイザー水槽。９−煙突基部。１０，１１−煙管、１２−カスケートポンプ、１２−１，１２−２送水管、１３−気水分離室。１４−蒸気出口バルブ。１５−燃料移送燃焼装置。１６−ストーカ装置。１７−燃料供給装置。１８−高圧一次燃焼空気噴射口管。１８−１−送風管。１９−燃焼反応層部。１９−１着火バーナー口。２０−高圧対向流送風空気噴射口。２０−１−送風管。２１−放射反応層。２２，２３−高圧送風機
【実施例】
【００２２】
以上の構成に基づき機能動作を説明する。
▲１▼燃焼炉内は煙突機能によって強い負圧状態が維持される。（００１０）
▲２▼固形燃料移送装置が作動し、それに伴い供給装置も連動する。
▲３▼固形燃料がロストル部に到達したら着火バーナーが作動する。
▲４▼着火による燃焼ガスは、上部のガス出口に吸引され流動する。
▲５▼着火炎が安定したら着火バーナーを外す。
▲６▼着火炎が安定したなら移送装置の先端面∩型噴射管から、燃焼部位を包み込む様に先方仰角度の単列カーテン状の高温高圧一次燃焼空気酸素が噴射されると、空気酸素層に炎（気体ガス）が誘引され流動状燃焼反応が激しくなり、後ろの炉壁にぶつかり反転して出口方向に吸引され流動する。この機構機能は、煙突からの強い吸引による炉内負圧の基でこそ起きる事象であり、移送装置内での酸欠状過熱蒸気雰囲気維持の条件と併せて、装置内に気化ガスの発火逆流を防ぐ必須用件であり、燃料ガスと空気とが激しく流動混合してこそ、燃焼化学反応が効率よく進行する。
▲７▼固形燃料移送装置の上部真央から出口に吸引される燃焼ガスに対向する先方上下迎角度の単列カーテン状の高温化された高圧対向流送風空気酸素膜を噴射されると、排ガス出口に誘引され流動する燃焼ガスと対向流衝突反応して放射膜が形成され、包み込まれたガス体が放射ガス体に進相するので相乗的に燃焼室内の高温化が更に進行する。
▲８▼固形燃料移送装置を覆う外壁も熱せられ酸欠状の内面炉壁からの遠赤外線放射が盛んになり、燃料の乾溜炭化が進み、炭素ガス化状でロストル上の燃焼部位に放出され燃焼反応が進むので、燃料の発熱量が増大する。固形燃料が、幾段階もの吸熱反応を経て炭素ガスが限りなく原子化に近づくが故である。
▲９▼前反応ガスは▲７▼の手段と相乗して高温放射ガス体に進相して、遠赤外線波長の電磁波を水管に照射し、炉壁からの遠赤外線反射も加わり、相乗効果で効率の高い熱交換蒸気が得られ気水分離室バルブ圧力弁を押し上げて外部に流出する。
▲１０▼求める熱交換水温に達したなら燃料供給を調節して安定燃焼を継続維持する。
【００２３】
以上熱交換効率を高める機構の熱交換燃焼炉内で、固形体燃料を燃焼炉内の高温を活かし高品質の純炭素体から炭素ガス体へと変化させる経過を恣意的に経過させるべく設定された燃料移送燃焼装置機能による一次燃焼発熱に加える対向流送風燃焼による二次的発熱反応とのそれぞれの発熱機能を相乗的に発象し、それを効率的熱交換機構が受け止めて固形燃料を大きな熱交換蒸気に転換する経過について説明した。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
現在の世界規模の課題論議で、地球温暖化防止を目指すＣＯ２削減問題が突出しているが、発明者が奇異に感ずるのは、上述の課題の基にある「熱を得るために物体を燃やすこと」に関する技術が固定視（国の規制を含めて）されて情報が少なく、その基礎部分での技術改善策が表面に出難い制度環境にある様に見受けられる。
その中で本願の固形バイオマスや石炭の固形体を前項説明の２段階に及ぶ燃焼反応により多量の燃焼発熱を得、更に効率的な熱交換機構によって大きな蒸気量に転換する技術体系を組み立て得たことは、資源安全保障上そして経済と環境保全の両立という困難な産業規模での課題に貢献し得る。
（００１５）に記述した木質固形体を約７７００ｃａｌ／ｇ級の発熱量を持つ純炭素とする燃料化技術が可能となれば、現今の森林の間伐材を移動可能なハンマークラッシャーなどで木材チップ化（細粒化）技術が山元の現場で対応が十分に可能な域にあることから本願技術の検証と構築を経て、地域のもつ山林資源再生、雇用、ＣＯ２吸収枠権を活用する林業の活性化・振興に直接貢献し得る途が拓けると共に、その延長線上には高性能の燃料化を経て二段階の複合発熱反応に加える効率的熱交換による蒸気化を基礎とした発電事業に発展しえる可能性が大きい。
前述事項は、亦固形バイオマスである膨大な畜産廃棄物（８０００万トン）や下水道汚泥（７０００万トン）に関しても利用可能であり、環境改善の見地からも発電源としても、今の地球規模での需要は確実と思われる。
又牡蠣殻を再生活用する石炭の環境負荷軽減策は、石炭の積極的活用と共に、牡蠣殻を再生活用することで地域漁業の課題の克服と振興に寄与する等貢献分野は大きく拡がる。
又固形バイオマスに準ずる重質油では油質の改質工程は似通っているので高率の熱源化を経て大きな燃焼熱反応発熱を得て熱交換蒸気気化につなげ得る。
【符号の説明】
【００２５】
１−ボイラー装置。２−熱交換燃焼室。３−炉壁。４−熱交換水管。５−ロストル。６−ガス出口。７、８−エコノマイザー水槽。９−煙突基部。１０，１１−煙管。１２−カスケードポンプ。１２−１，１２−２−送水管。１３−熱水タマリ部。１４−熱水出口。１５−燃料移送装置。１６−ストーカ部。１７−原料供給装置。１８−高圧一次燃焼空気噴射管。１８−１−送風管。１９−燃焼反応層。１９−１着火バーナー口。２０−高圧対向流送風空気噴射管。２０−１送風管。２１−放射反応層。２２，２３−高圧送風機。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固形バイオマス又は石炭を燃料とし交換熱を求める為の燃焼装置である熱交換燃焼炉は、前後が立型矩形端面をした横型長方立方体構造で頂部の一画を開放した下底面以外の上部５面の炉枠を遠赤外線放射機能を有する炉壁材を内装した外壁で囲い，それに隣接する内側に長方位置の横断上部・両側面に設定された直径管を管直径の半分相当の隙間をもたせて立型に上部・両側面並列に配し下端は同径管で連結しその両面下端管の中央は複数の連絡管で連結し，頂部中央管間は管直径の２倍の巾でその巾の３倍の高さを有する立型扁平管で連結して気水分離室とする立型貫流水管の熱交換装置を備え、外壁頂部の前の端面寄りに燃焼ガス排出口を設け他の頂部中心線の開放区画には貫流水管の上部の気水分離室が露出し，炉の下底部は前の端面より長方３分の２まで貫流水管の下部連結管や中央連絡管を埋め込む炉壁材料を用いた底床炉壁として貫流水管を安定し、後ろ端面までの残り３分の１はロスロル構造とし、その下部に灰留め室を設け、外壁頂部の燃焼ガス排出口の煙道に連接して煙管内蔵したエコノマイザー機能水槽を２槽燃焼炉外壁上に設け，その煙道を集結し吸引力のある煙突に連結し、熱交換水はカスケートポンプで上部のエコノマイザー機能水槽に供給しそれを経て貫流水管下端連結管に供給され、熱交換されて頂部の気水分離室バルブから外部に流出される構成の熱交換機構の構造であることを特徴とする 固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換燃焼炉の前の端面を入り口とし炉外に燃料供給装置を備えた燃料移送燃焼装置を炉の長方中心位置に設け、その仕様は横断面が∩型の覆い鉄板に炉壁材を内装し底部にストーカ機構を備え可能な限り傾斜を持たせて底床端までの長さを有し横断先端が燃料吐出口となる構造で、その横断先端部分に∩型形状パイプで先方のロストル上の燃焼反応部位に仰角度の単列カーテン状の一次燃焼空気噴射管を設けると共に、同じく本装置頂部真中位置に直角水平で上下に排出口に吸引され流動する燃焼炎に斜めに対向して先方仰角度を持つ単列カーテン状空気噴射口を備えた噴射管を設け、それぞれが燃焼炉内を通る構造を備えた連結管で炉外に設置されたチャッキバルブを備えた高圧送風機に連結し、ロストル部に隣接の端面側壁には燃料吐出口に対向して着火バーナー口を設ける構成の燃焼機構の構造であることを特徴とする請求項１記載の 固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項３】
請求項１、２記載の熱交換機構及び燃焼機構にあって遠赤外線放射機能の維持は必須要件であり、それに対応する 発振源となる炉壁材の製造法は、基本剤として▲１▼シリカブラック、▲２▼ライフグリーン、▲３▼パームヤシ殻焼成灰、▲４▼牡蠣殻焼成物、▲５▼アルミナセメントとを基本剤とし、それを（イ）特殊腐植物質の抽出液、（ロ）パームヤシ殻焼成灰、（ハ）硫酸マンガンと（ニ）ホウ酸とを調合反応させて得られた高濃度ホウ酸複合化合液で混錬し、分解した外壁鉄板に内装し、同じく分解した燃料移送燃焼装置の覆い鉄板にも内装した後に熱線放射型電気炉で窒素ガス置換して焼成し、熱に反応して遠赤外線光波を発振する機能構造体となることを特徴とする請求項１、２記載の固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項４】
請求項２記載の熱交換燃焼炉内にある燃料移送燃焼装置の機能は、炉内は煙突機能による吸引負圧状の高温のもとで炉外の燃料供給装置から供給された固形燃料が熱せられた覆いの内壁材からの遠赤外線放射を受けつつストーカ上を移動しながら酸欠過熱蒸気雰囲気の中で乾溜炭化から純炭素材へと進相しロストル上の燃焼反応位置に放出される段階では炭素ガス状に近づき、炉外の高圧送風機に連結され燃焼炉内を通る送風連結管の中で送り込まれた空気酸素が加熱高温化されて装置横断先端の噴射管から噴射された高圧の一次燃焼空気酸素に吸い寄せられて燃焼反応を発象し高率の反応熱を出し後の端面壁に衝突して反転し、更にガス排出口に吸引され流動する燃焼ガス体に、燃料移送燃焼装置頂部の真中位置の対向流送風管から炉外の高圧送風機に連結され燃焼炉内を通る送風連結管の中で送り込まれた空気酸素が加熱高温化された高圧の対向流送風空気酸素膜が噴射され、燃焼ガスと対向衝突して放射膜が形成され包み込まれた燃焼ガスが更に高温放射体に進相して電磁波を発し、周囲の貫流水管に直照射すると共に燃焼炉外壁の内装壁に到達した熱線は反射して水管に照射されるので、水管には全周面に熱交換機能が及び熱交換蒸気が得られる機能構造であることを特徴する請求項１，２記載の 固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項５】
請求項１、２記載の固形体を燃料にして熱交換蒸気を求める手段装置である熱交換機構並びに燃焼機構に基づく運用操作を機能面から総括すると、本願が取り組む装置の燃料である固形体物質は、その物質特性から燃焼反応が起きる原子状炭素に改質されるまで幾段階もの吸熱反応を経なければならない宿命的課題を背負うので、原固形体では、発熱量が小さいとされることから、まず前記両機構を組み立て、その運用によって課題解決に対応する仕組みを、順を追って記述する。
まず遠赤外線放射機能を持つ外壁に囲まれた吸引負圧状態の高温の熱交換装置の中の、燃料移送燃焼装置を移動する固形体燃料は、装置の覆い炉壁からの遠赤外線放射の力を借りて幾段階もの吸熱反応を経過し、原子状炭素体に近づいてから高温化された原子状の空気酸素と燃焼反応して１段目の発熱反応を発象し、更に排出口に吸引され流動する一次燃焼ガス体に、燃焼装置頂部の真中位置に設置された対向流送風空気噴射管から斜めに噴射された高温化された高圧の単列カーテン状の原子状空気酸素膜が対交衝突して放射膜が形成され、包み込まれた燃焼ガス体が高温放射ガス体に進相して、２段目の発熱反応を発象し、電磁波を貫流水管に直接照射並びに一部は反射して効率の良い熱交換が進行して原燃料に対し大きな熱交換蒸気が得られる、相乗機能構成の構造を有することを特徴とする請求項１、２記載の固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項６】
請求項１記載の燃焼炉内の燃料移送燃焼装置に石炭を燃料として供給するに当っては牡蠣殻粉末を石炭に設定量加え供給すると、装置内で炭酸石灰状である牡蠣殻が乾溜還元されて酸素を放出し粉体の生石灰化し遠赤外線放射機能を帯びると言われるカオリンセラミックスに進相するので、石炭からの気化硫黄成分の吸着反応が燃焼反応と同時進行する機能構造を有することを特徴とする請求項１、２記載の 固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項１】
固形バイオマス又は石炭を燃料とし交換熱を求める為の燃焼装置である熱交換燃焼炉は、前後が立型矩形端面をした横型長方立方体構造で頂部の一画を開放した下底面以外の上部５面の炉枠を遠赤外線放射機能を有する炉壁材を内装した外壁で囲い，それに隣接する内側に長方位置の横断上部・両側面に設定された直径管を管直径の半分相当の隙間をもたせて立型に上部・両側面並列に配し下端は同径管で連結しその両面下端管の中央は複数の連絡管で連結し，頂部中央管間は管直径の２倍の巾でその巾の３倍の高さを有する立型扁平管で連結して気水分離室とする立型貫流水管の熱交換装置を備え、外壁頂部の前の端面寄りに燃焼ガス排出口を設け他の頂部中心線の開放区画には貫流水管の上部の気水分離室が露出し，炉の下底部は前の端面より長方３分の２まで貫流水管の下部連結管や中央連絡管を埋め込む炉壁材料を用いた底床炉壁として貫流水管を安定し、後ろ端面までの残り３分の１はロスロル構造とし、その下部に灰留め室を設け、外壁頂部の燃焼ガス排出口の煙道に連接して煙管内蔵したエコノマイザー機能水槽を２槽燃焼炉外壁上に設け，その煙道を集結し吸引力のある煙突に連結し、熱交換水はカスケートポンプで上部のエコノマイザー機能水槽に供給しそれを経て貫流水管下端連結管に供給され、熱交換されて頂部の気水分離室バルブから外部に流出される構成の熱交換機構の構造であることを特徴とする 固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換燃焼炉の前の端面を入り口とし炉外に燃料供給装置を備えた燃料移送燃焼装置を炉の長方中心位置に設け、その仕様は横断面が∩型の覆い鉄板に炉壁材を内装し底部にストーカ機構を備え可能な限り傾斜を持たせて底床端までの長さを有し横断先端が燃料吐出口となる構造で、その横断先端部分に∩型形状パイプで先方のロストル上の燃焼反応部位に仰角度の単列カーテン状の一次燃焼空気噴射管を設けると共に、同じく本装置頂部真中位置に直角水平で上下に排出口に吸引され流動する燃焼炎に斜めに対向して先方仰角度を持つ単列カーテン状空気噴射口を備えた噴射管を設け、それぞれが燃焼炉内を通る構造を備えた連結管で炉外に設置されたチャッキバルブを備えた高圧送風機に連結し、ロストル部に隣接の端面側壁には燃料吐出口に対向して着火バーナー口を設ける構成の燃焼機構の構造であることを特徴とする請求項１記載の 固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項３】
請求項１、２記載の熱交換機構及び燃焼機構にあって遠赤外線放射機能の維持は必須要件であり、それに対応する 発振源となる炉壁材の製造法は、基本剤として▲１▼シリカブラック、▲２▼ライフグリーン、▲３▼パームヤシ殻焼成灰、▲４▼牡蠣殻焼成物、▲５▼アルミナセメントとを基本剤とし、それを（イ）特殊腐植物質の抽出液、（ロ）パームヤシ殻焼成灰、（ハ）硫酸マンガンと（ニ）ホウ酸とを調合反応させて得られた高濃度ホウ酸複合化合液で混錬し、分解した外壁鉄板に内装し、同じく分解した燃料移送燃焼装置の覆い鉄板にも内装した後に熱線放射型電気炉で窒素ガス置換して焼成し、熱に反応して遠赤外線光波を発振する機能構造体となることを特徴とする請求項１、２記載の固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項４】
請求項２記載の熱交換燃焼炉内にある燃料移送燃焼装置の機能は、炉内は煙突機能による吸引負圧状の高温のもとで炉外の燃料供給装置から供給された固形燃料が熱せられた覆いの内壁材からの遠赤外線放射を受けつつストーカ上を移動しながら酸欠過熱蒸気雰囲気の中で乾溜炭化から純炭素材へと進相しロストル上の燃焼反応位置に放出される段階では炭素ガス状に近づき、炉外の高圧送風機に連結され燃焼炉内を通る送風連結管の中で送り込まれた空気酸素が加熱高温化されて装置横断先端の噴射管から噴射された高圧の一次燃焼空気酸素に吸い寄せられて燃焼反応を発象し高率の反応熱を出し後の端面壁に衝突して反転し、更にガス排出口に吸引され流動する燃焼ガス体に、燃料移送燃焼装置頂部の真中位置の対向流送風管から炉外の高圧送風機に連結され燃焼炉内を通る送風連結管の中で送り込まれた空気酸素が加熱高温化された高圧の対向流送風空気酸素膜が噴射され、燃焼ガスと対向衝突して放射膜が形成され包み込まれた燃焼ガスが更に高温放射体に進相して電磁波を発し、周囲の貫流水管に直照射すると共に燃焼炉外壁の内装壁に到達した熱線は反射して水管に照射されるので、水管には全周面に熱交換機能が及び熱交換蒸気が得られる機能構造であることを特徴する請求項１，２記載の 固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項５】
請求項１、２記載の固形体を燃料にして熱交換蒸気を求める手段装置である熱交換機構並びに燃焼機構に基づく運用操作を機能面から総括すると、本願が取り組む装置の燃料である固形体物質は、その物質特性から燃焼反応が起きる原子状炭素に改質されるまで幾段階もの吸熱反応を経なければならない宿命的課題を背負うので、原固形体では、発熱量が小さいとされることから、まず前記両機構を組み立て、その運用によって課題解決に対応する仕組みを、順を追って記述する。
まず遠赤外線放射機能を持つ外壁に囲まれた吸引負圧状態の高温の熱交換装置の中の、燃料移送燃焼装置を移動する固形体燃料は、装置の覆い炉壁からの遠赤外線放射の力を借りて幾段階もの吸熱反応を経過し、原子状炭素体に近づいてから高温化された原子状の空気酸素と燃焼反応して１段目の発熱反応を発象し、更に排出口に吸引され流動する一次燃焼ガス体に、燃焼装置頂部の真中位置に設置された対向流送風空気噴射管から斜めに噴射された高温化された高圧の単列カーテン状の原子状空気酸素膜が対交衝突して放射膜が形成され、包み込まれた燃焼ガス体が高温放射ガス体に進相して、２段目の発熱反応を発象し、電磁波を貫流水管に直接照射並びに一部は反射して効率の良い熱交換が進行して原燃料に対し大きな熱交換蒸気が得られる、相乗機能構成の構造を有することを特徴とする請求項１、２記載の固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【請求項６】
請求項１記載の燃焼炉内の燃料移送燃焼装置に石炭を燃料として供給するに当っては牡蠣殻粉末を石炭に設定量加え供給すると、装置内で炭酸石灰状である牡蠣殻が乾溜還元されて酸素を放出し粉体の生石灰化し遠赤外線放射機能を帯びると言われるカオリンセラミックスに進相するので、石炭からの気化硫黄成分の吸着反応が燃焼反応と同時進行する機能構造を有することを特徴とする請求項１、２記載の 固形バイオマス又は石炭を燃料とする蒸気ボイラー。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−５７９２６（Ｐ２０１２−５７９２６Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２４３１５（Ｐ２０１０−２２４３１５）
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【特許番号】特許第４８２４８２７号（Ｐ４８２４８２７）
【特許公報発行日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（５００２２２６３０）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【特許番号】特許第４８２４８２７号（Ｐ４８２４８２７）
【特許公報発行日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（５００２２２６３０）
【Ｆターム（参考）】
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