JP2011001533A - エマルジョン燃料合成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】界面活性剤、攪拌装置、超音波発生装置を使用しないで、燃料油と水が微細均一に混合したエマルジョン燃料の製造装置を提供する。
【解決手段】燃焼に必要な量の燃料油と、一定比率の水を、複合ノズルから噴出するせん断流によって生じるキャビテーションを利用して、燃料油と水をエマルジョン化し、これを即時に燃焼させる、併せて、燃焼状態に応じて燃料油と水の配合比を調節する、ことで燃料費を低減し、排気ガスを浄化する、エマルジョン燃料合成装置。
【選択図】なし

Description

本発明は、複合ノズルから噴出する際に生じるキャビテーションによって、液体燃料に水を微細均一分散させたエマルジョン燃料を連続的に合成し、燃焼効率の向上と、ＣＯ_２、ＮＯＸ、ＳＯＸ、パーチクル（スス）の排出を減少させるものである。
本方法は製造したエマルジョン燃料を即時に燃焼させるので、貯蔵に伴う油水分離の問題が発生しない。

燃料費の高騰と、地球環境問題の高まりから、優れた省エネ技術の開発が求められている。とりわけ大量の燃料油を消費するボイラー、内燃機関などの装置は燃焼効率のさらなる向上と、排気ガスの浄化が求められている。

石油燃料の完全燃焼にはその１４倍の体積の空気を必要とする。現実の燃焼では燃料油と空気の混合が十分に行えないので、不完全燃焼を防ぐために理論量よりも多くの空気吹き込みがなされる。この過剰な空気は、燃焼熱を排気ガスとして放出するために３０％程度の燃料が無駄に消費されている。

燃焼効率を上げて有害な排気ガス成分を減少させるために、ノズル形状を改良して燃料油を微細に噴霧し、空気との接触面積を増すための技術開発が行われてきた。この場合にも、燃料油を完全燃焼させるために過剰空気は不可欠であって、そのための熱損失は不可避である。

燃料油を微細分散して燃焼効率を上げるために、電場を印加する、超音波を使うなど多くの試みが成されてきた。中でも燃料油に水を添加すると燃焼時に水が破裂して、燃料油が微細分散するので燃焼効率が向上することは、古くから良く知られている。この方法は燃料油と水をできるだけ細かく均一に分散させる必要がある。そのために燃料油と水をエマルジョン化（乳化）する試みが広く行われており、その多くは界面活性剤を必用としている（特許文献１）。

界面活性剤は高価なために、混合助剤を用いずに燃料油と水を混合する試みがなされている（特許文献２，３、４）。界面活性剤を使用せずに水と油をエマルジョン化する装置に超音波燃料改質装置がある。これは超音波が生じるキャビテーションのエネルギーにより油と水を微粉砕してエマルジョン化するものである（非特許文献１）。この超音波装置を用いる種々のエマルジョン燃料合成装置が提案されている（特許文献５）。
一方、高価で大掛かりな圧電式の超音波発生装置を用いないキャビテーション発生方式もある。そのような例として、本発明の出願者は連続する複数のノズルに高速流を流入させ、ノズル間で激しいキャビテーションを起こすことでマイクロバブルを発生する装置を既に特許出願している（特許文献６）。

日本工業出版 超音波テクノ「燃料油改質装置」、Ｖｏｌ．４ Ｎｏ．９（１９９２）１Ｐ．２２−２５ 特許第３８７７０７８号 特開昭和５７−９２６１６号公報 特開平５−１５７２２１号公報 特開平１０−１８５１８３号公報 特開２００８−６３５４８号公報 特願２００７−３２２５９０号公報

界面活性剤を用いてエマルジョン燃料を作製するには長時間の攪拌必要とする。このために多量のエマルジョン燃料を一度に作って貯え、それを燃焼する方式が取られている。この場合、界面活性剤が高価であることに加えて、エマルジョンを保存中に油水分離が不可避的に起きるので、均一な燃焼を維持することができないことが、エマルジョン燃料の普及を妨げる問題となっている。
超音波装置を用いると連続的にエマルジョン燃料を作製できるが、装置が高価である、余分の電力を消費する、不快な騒音を発するなどの問題がある。界面活性剤も超音波を用いない機械的な攪拌方法は、油と水の微細均一分散が困難なために実用化されていない。

以上の課題に関し本発明は、せん断流式を用いることで、複合ノズルから噴出する際に生じる強力なキャビテーション作用を利用することにより、
１）燃焼に必要な量の燃料油と、一定比率の水を、加圧して同一のノズルを通過させることによりエマルジョン化し、即時にこれを燃焼させることを特徴とするエマルジョン燃料合成装置。
２）合成したエマルジョン燃料の燃焼温度、あるいは排気ガス濃度に応じて、燃料油の量および水の比率を連続的に制御するマルジョン燃料製造装置、を提供する。

また本発明は
３）燃料油が重油、軽油、灯油、または鉱物油、植物油およびそれらの廃油であるエマルジョン燃料製造装置、を提供する。

本発明はキャビテーションの作用によって、燃料油と水からエマルジョン燃料を連続して作製し、タンクに貯蔵することなく即座に燃焼させる。また、燃焼ガス温度、排気ガス組成をリアルタイムで測定して、燃焼状態に応じて燃料油の量、添加する水の比率を自動的に調整する。これによって従来、エマルジョン燃料の最大の欠点とされていた「油水分離に起因する発熱量の変動」をなくし、常に最適な燃焼状態を維持することができる。また、製造したエマルジョン燃料を貯蔵するタンクが不要なので装置が小型化でき、大型攪拌機を使わないので電気使用量が少ない利点がある。さらにエマルジョン燃料の大きな問題である（特に寒冷時の）着火性の悪さは、燃料油と水の混合比率を最適に制御することによって、問題を回避できる。

キャビテーションを起こすためのキャビテーションエマルジョン合成器の説明図である。 エマルジョン燃料合成装置の構成を示す図である。

燃料油と水を均一に混合してエマルジョン燃料化するために図１のキャビテーションエマルジョン合成器を作製した。この装置に流入する燃料と水の混合流入液５は第１ノズル２と第２ノズル３を通過する際に、両ノズルの隙間で激しいキャビテーションを起こしてエマルジョン化する。この時、吸気孔４から吸い込まれた空気がマイクロバブルとなってエマルジョン燃料に均一に分散する。

こうして製造したエマルジョン燃料は油中に直径１０μｍの水滴が均一に分散しており、短時間で油水分離しないことを確認して、燃焼実験を行った。

次に、本願発明の詳細を実施例に基づいて説明する。なお、この実施例は当業者の理解を容易にするためのものである。すなわち、本願発明は明細書の全体に記載される技術思想によってのみ限定されるものであり、本実施例によってのみ限定されるものでないことは理解されるべきことである。

（実施例１）
図２の流量計９の指示値に基づいて、燃料タンク１からの軽油と、水タンク２からの水が体積比３：１になるように電磁バルブ１０を調節した。この混合液をポンプ１１によって０．２ＭＰａの圧力でキャビテーションエマルジョン合成器１２に流入させた。こうして製造したエマルジョン燃料をボイラー１３に噴霧すると、ボイラー備え付けのトーチによって容易に発火し、勢い良く燃焼した。温度センサー１４によって燃焼炎の温度を測定し、その値により電磁バルブ１０の開きを調節した。この結果、長時間にわたって安定した燃焼が持続することを確認した。
このような、安定した燃焼状態は軽油と水の比率を１：１とした場合にも持続することを確認した。エマルジョン燃料が燃焼する場合は、過剰な空気吹き込みなしでススの発生はなかった。しかし、水タンクの電磁バルブ１０を閉じて、軽油のみの燃焼をさせると、多量のススが発生した。

燃料油を燃焼させるボイラーに本装置を使用すると、燃料使用量の削減とそれに伴うＣＯ_２排出量を削減できる。水添加による均一燃焼の結果、ＮＯＸとススも大幅に減少するのでディーゼルエンジンに適用すると排ガスを浄化して環境改善に寄与できる。

１：キャビテーションエマルジョン合成器
２：第１ノズル
３：第２ノズル
４：吸気孔
５：燃料と水の混合流入液
６：エマルジョン燃料
７：燃料タンク
８：水タンク
９：流量計
１０：電磁バルブ
１１：ポンプ
１２：キャビテーションエマルジョン合成器
１３：ボイラー
１４：排ガス分析センサー類
１５：制御用パソコン

Claims (3)

1. 燃焼に必要な量の燃料油と、一定比率の水を、加圧して同一のノズルを通過させ、キャビテーションを起こすことによりエマルジョン化し、即時にこれを燃焼させることを特徴とするエマルジョン燃料合成装置。
2. 合成したエマルジョン燃料の燃焼温度、あるいは排気ガス濃度に応じて、燃料油の量および水の比率を連続的に制御する請求項１のエマルジョン燃料製造装置。
3. 燃料油が重油、軽油、灯油、または鉱物油、植物油およびそれらの廃油である請求項１のエマルジョン燃料製造装置。

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