JP6793379B2 - エマルジョン燃料の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、エマルジョン燃料の製造技術に係り、特に長期間にわたって油水分離の発生を回避して安定化した高品質の低コスト燃料を実現したエマルジョン燃料の製造装置に関する。

炭素による環境への負荷を低減する燃料として、所謂エマルジョン燃料の普及が望まれている。エマルジョン燃料は、油と水を界面活性剤と共に撹拌して乳化し、懸濁液としたものである。しかし、従来のエマルジョン燃料は短時間（一日で、長くても一週間程度で）で油水分離が起こり、着火不良や失火が発生して燃焼プロセスを阻害する恐れが多い。

エマルジョン燃料は、燃料費削減を目的として、主にボイラーやジーゼル機関の燃料として利用される。従来のエマルジョン燃料は、所謂、水中油滴型（Oil in Water：Ｏ／Ｗ）と所謂、油中水滴型（Water in Oil ：Ｏ／Ｗ）とがある。何れのエマルジョン燃料でも、油と水の懸濁粒子が大きいいと、短時間に油水分離が起って、上記した着火不良や失火を招く。このような事態の発生を低減するため、ボイラーやジーゼル機関側の点火プラグの改造や増設が必要とされる。また、上記のような低品質のエマルジョン燃料を使用する場合に、着火を生燃料（油のみの燃料）で行った後にエマルジョン燃料に切り替えるようにしているものもあるが、これでは運転管理に手間がかかり、人的なコスト上昇を伴う。

エマルジョン燃料の種類は、Ａ重油、Ｂ重油、Ｃ重油、軽油、灯油、廃油など、性質が異なる油を原料とする。これら異なる油種を用いたエマルジョン燃料を製造するには、その油種に対する水の比率、界面活性剤の種類とその添加量は異なるため、製造装置には面倒な条件変更やハードの切り換えや変更が必要となる。そのためには作業員が必要となって、燃料費削減のメリットが帳消しになってしまう。この種の従来技術を開示したものとして下記の文献などを挙げることができる。

特開２０１０−１３８３６２号公報 特開２００８−６３３５５号公報 特開２００９−２８６９９２号公報

例えば、油と水との懸濁液としたエマルジョン燃料を使用するボイラーで湯水を製造する工場や温泉施設などでは、ボイラーの運転を夜間には休止し、あるいは土日に休止して週明けに稼働する場合がある。このような場合に、エマルジョン燃料が油水分離を起こしていると、着火が一発で出来なかったり、着火しても失火が起ったりして、工場の稼働や施設の営業が出来なくなるという事態を招き兼ねない。

このようなエマルジョン燃料の油水分離を避けるためには界面活性剤の添加量を増やす方法が考えられる。しかし、例えば、水と油の総量に対して界面活性剤を通常行われている添加量０．１乃至０．５％に対し、多めに添加（例えば、０．６乃至３％程度）すると、粘性が高まり燃料ノズルの噴霧状態が悪化し、燃料垂れなどを起こして、着火がスムーズに行かず、燃焼効率が低下して運転コストの上昇を招いてしまうことが経験的に分かっている。

既存のエマルジョン燃料製造のための設備は大規模であって、かつ多くの作業員（運転員、オペレーター）を必要としているため、製造や運転に要するコストの削減は困難であった。そのため、広く普及させるには、その設置スペースが小さくて済むコンパクト化と、無人運転を可能とすることが望まれる。

関連する先行技術を記載した特許文献１は、エダクター効果と渦流効果を利用し、高粘度活性水を用いて高含水混合比率（水３油７、あるいは水７油３）の混合液を高速剪断処理して長時間にわたって油水分離のないエマルジョン燃料を製造する技術を開示する。

また、特許文献２は、水の表面張力を低下させることで油中水滴の粒径を細かくし、長時間油水分離の発生を阻止した製造方法と装置を開示する。

そして、特許文献３は、環境問題となっている食用回収油脂に石油系燃料の混合した混合液６０〜９０重量％と水１０〜４０重量％の混合液に０．１〜５．０重量％の界面活性剤を添加して長期間貯蔵に耐えるエマルジョン燃料を製造する技術を開示する。

しかしながら、上記した従来のエマルジョン燃料製造装置は、何れも大規模な構造の設備を要し、設置スペースに余裕がない。そのため、コストの追加を招く保守員やオペレーターを常時待機させることが難しい温泉施設や小規模工場などに設置するのは困難である。

本発明の目的は、長期間にわたって油水分離がなく、安定したエマルジョン燃料を製造するための製造装置を提供することにある。

長期間にわたって油水分離を回避するには、水中油滴型（Ｏ／Ｗ）であろうと油中水滴型（Water in Oil:Ｗ／Ｏ）であろうと、油滴あるいは水滴のサイズを小さくすることで油水分離が起こり難いエマルジョン燃料とすることが必要である。本発明では、油量に対する水の混合割合を所定の値以下に規定し、界面活性剤の添加量を少なくして、例えば１週間以上の比較的長期にわたって油水分離が起きないナノサイズ、例えば平均粒径が１００ナノメーター（ｎｍ）未満、好ましくは９０ナノメーター以下のエマルジョン燃料を製造できる装置を提案する。

本発明に係るエマルジョン燃料製造装置の代表的な構成を以下に記述する。なお、本発明の理解を容易にするため各構成に実施例の図面における参照符号を付してあるが、本発明はこの符号によって構成が限定されるものではないことは言うまでもない。

本発明に係るエマルジョン燃料の製造装置は、全ての構成部材を典型的には縦×横×高さが略々２ｍ×２ｍ×１ｍ程度の筐体に収容でき、
（１）界面活性剤を撹拌する撹拌槽（２）と、油と水の混合物が油中水型で形成されるエマルジョン燃料を製造するエマルジョン形成槽（３）と、水供給源から供給される水を水素イオンリッチな還元水として前記エマルジョン形成槽に供給する還元水槽（４）を有するエマルジョン燃料製造部（１００）と、製造したエマルジョン燃料を貯留する製品槽（１３）を備え、
前記エマルジョン燃料製造部（１００）の稼働と非稼働の状態を監視し、燃焼機器へのエマルジョン燃料と通常燃料の供給を切換える制御部（２００）を有し、
前記撹拌槽（２）は、有底撹拌容器（２１）の内部に設置されて上下する撹拌板（２３）の作用で界面活性剤補充槽（５）から前記エマルジョン形成槽（３）に供給する界面活性剤を均質に保つための低速撹拌機（２２）を備え、
前記エマルジョン形成槽（３）は、有底円筒分散容器（３１）の上部に、前記撹拌槽（２）の底部の界面活性剤取出口（２４）から抜き取られる前記界面活性剤を前記有底円筒分散容器（３１）内の油・水混合液にシャワー供給するシャワーノズル（３３）と、
油供給源から供給される油と水供給源から給水される水にシャワーノズル（３３）から供給される界面活性剤を添加してなる原料液を毎分３０００回転乃至２００００回転するせん断刃（３３３）でせん断して前記油中に前記水を分散させる高速撹拌機（３２）を前記有底円筒分散容器（３１）の内部に備えると共に、
前記高速撹拌機（３２）で前記油中に前記水を分散した前記油・水混合物に周波数２０ｋＨｚ乃至１０００ｋＨｚの超音波を放射する超音波発振子（１２）を備え、
前記エマルジョン形成槽（３）で形成されたエマルジョン燃料を製品槽（１３）に排出する製品取出口（３４）を前記有底円筒分散容器（３１）の底部に有する。

（２）前記（１）における前記高速撹拌機（３２）は、前記エマルジョン形成槽（３）の周壁に平行な方向に長手方向に延在する中空円筒体（３２１）と、前記中空円筒体（３２１）の内部の長手方向中心部に延在して設置された回転軸（３２２）に間隔を以って取り付けられた複数の切断刃（３２３）を備え、
前記中空円筒体（３２１）の下端は前記有底円筒分散容器（３１）の底面に近接した開口（３２５）を有すると共に、前記中空円筒体（３２１）の周壁を周回して長手方向配列された多数のスリット（３２４）を有し、
モーター（３４０）で高速回転される前記切断刃（３２３）で前記中空円筒体（３２１）の前記開口（３２５）から当該中空円筒体（３２１）の内部に吸い上げられた原料液を切断処理することにより当該切断刃（３２３）で発生するキャビテーションによって微細化され前記スリットから放出される水粒子に前記超音波発信子（１２）から放射される超音波を与えることで、前記水粒子の粒径をさらに微細化する。

（３）前記制御部（２００）は、オペレーターがエマルジョン燃料の製造装置の稼働条件を含む運転指令を選択するタッチパネル機能を有するモニター（２０２）と、前記モニターで選択された稼働条件の内容を判定する選択内容判定回路（２１１）、選択内容判定回路（２１１）の判定結果に応じて油水比率を設定する油水比率設定回路（２１２）及び界面活性剤量設定回路（２１４）とを有すると共に、
前記油水比率設定回路（２１２）の出力を受けて給油電磁バルブ（９１）と給水電磁バルブ（９２）の動作を制御する給油バルブ駆動回路（２１６）と、
前記界面活性剤量設定回路（２１４）の出力を受けて界面活性剤供給電磁バルブ（９３、９４）の動作を制御する給水バルブ駆動回路（２１７）を具備していることを特徴とする。

（４）前記エマルジョン燃料製造装置（１）の製品槽（１３）に貯留量センサー（１３１）と通常燃料油への燃料切換バルブ（９６）と切換ポンプ（１０５）を備え、
前記制御部（２００）は、エマルジョン燃料製造装置が停電で運転停止したときに、当該エマルジョン燃料製造装置（１）の非稼働の経過時間と当該停電の発生時に製造していたエマルジョン燃料の油水分離時間を監視し、経過未満か否かを判断する切換要否判断回路を有し、
前記切換要否判断回路（２２１）は、当該エマルジョン燃料の油水分離時間の限界点に達する時点未満の時点、又は前記貯留量センサーが事前設定された値を検出した時点で前記製品槽（１３）に貯留されていたエマルジョン燃料に換えて非常用油槽（１５）に貯留されている通常燃料油に切換えることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のエマルジョン燃料製造装置。

（５）前記エマルジョン燃料製造装置（１）は、前記エマルジョン燃料製造部（１００）と、操作部２００、及び前記界面活性剤槽の収容スペースを移動可能な一つの筐体に収容されている。

なお、上記のエマルジョン燃料の製造装置を用いてエマルジョン燃料を製造する手順の一例を説明する。まず、エマルジョン形成槽に導入した油量１００重量パーセントに当該油量の半量以下の重量パーセントの水を混合した油・水混合液の総量に対して、０．１乃至０．５重量パーセントの界面活性剤を添加してなる原料液をつくり、
前記原料液を回転せん断刃によるせん断しつつ超音波を印加することで、平均粒径が１００ナノメーター未満、好ましくは９０ナノメーター以下の油中水滴型のエマルジョン燃料を得る。

前記の油・水混合液の油水混合比率は、油１００重量パーセントに対し水１５乃至４０重量パーセントの範囲とする。このエマルジョン燃料の熱効率は、油１００重量パーセントに対する水４０重量パーセント程度で原料油と同等となり、それ以上では熱効率の向上は困難である、とされている。したがって、水の混合率の上限を４０％とした。なお、水の比率を少なくすることはエマルジョン燃料としての意味が低下するため、採算を考慮して１５％以上とした。

前記界面活性剤として、アルコールエトキシレートを用いる。界面活性剤は油や水に比べて高価であるので、できるだけ少量としたいところであるが、０．１％未満のような少ない量ではエマルジョン化の効果が低下し、０．５％を超える量では粘度増加でエマルジョン形成槽への噴霧状態を安定化することが困難であり、かつ油種により添加量を調整する必要があることから、０．１％〜０．５％とした。なお、Ａ重油、灯油、軽油を用いたエマルジョン燃料の製造では０．４％を用いるのが標準とされている。

前記せん断刃の回転数は、毎分３０００回転（３０００ｒｐｍ／ｍｉｎ）乃至２００００回転の範囲とする。一般的には、この回転数は毎分５０００回転乃至２００００回転とされている。処理量や処理時間を考慮して毎分３０００回転（３０００ｒｐｍ／ｍｉｎ）乃至２００００回転の範囲とした。

前記超音波の周波数は、２０ｋＨｚ乃至１０００ｋＨｚの範囲とする。超音波の周波数は、一般的には化学処理では２０ｋＨｚ近辺がよく、洗浄用には１０００ｋＨｚに近い方がよいとされている。ここでは、処理量、処理時間を考慮して、２０ｋＨｚ乃至１０００ｋＨｚの範囲とした。

本発明は、上記の代表的構成及び後述する実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明に係るエマルジョン燃料の製造装置は全ての構成要素を１つの筐体内に収容してコンパクト化が可能で、設置スペースの確保が容易である。筐体外部との接続手段は、電源ケーブルを除けば、原料油と原料水の供給、及び製品（エマルジョン燃料）の排出のためのカップリングのみなので、据え付け工事は極めて簡易である。

従来のエマルジョン燃料は短時間に油水分離が起って、上記した着火不良や失火を招く。短時間に油水分離が起る低品質のエマルジョン燃料の使用では、着火を生燃料で行った後にエマルジョン燃料に切り替えるようにしているものは運転管理にオペレーターを常勤させる必要があり、運用コストの上昇を伴う。また、性質が異なる油種を用いたエマルジョン燃料の製造での油種に対する水の比率、界面活性剤の種類とその添加量に応じた面倒な条件設定にオペレーターを必要とする。

このように、本発明に係るエマルジョン燃料の製造装置は、長期に亘って油水分離が起き難いため、燃焼機器が稼働していない時間帯にエマルジョン燃料を製造して貯蔵して置くことで、製造能力を超えるピーク需要時間帯でも十分なエマルジョン燃料の供給が可能となる。なお、所望により内蔵の製品槽と同様の循環ポンプを備えた追加の製品槽を本装置に併設することもできる。そして、コンパクトかつ自動運転で常勤オペレーターを不要とすることから、小規模ボイラーを必要とする事業所に最適である。

本発明に係るエマルジョン燃料の製造装置は、従来の水中油滴型（Ｏ／Ｗ）ではなく、油量に対する水の混合割合を所定の値以下に規定し、界面活性剤の添加量を少なくした油中水滴型（Water in Oil:Ｗ／Ｏ）として、例えば１週間以上の比較的長期にわたって油水分離が起きない平均粒径が１００ナノメーター未満、好ましくは９０ナノメーター以下のエマルジョン燃料を得ることができる。

本発明に係るエマルジョン燃料の製造装置の実施例１を説明する構成図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を構成する高速撹拌機の一例を説明する模式図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造装置の油水混合制御システムを説明するブロック図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造装置の油水混合制御手順を説明する流れ図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造装置の油水混合制御手順を説明する図４に続く流れ図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造方法を適用する製造装置の実施例２を説明する要部構成図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造装置の実施例２における燃料切換制御システムを説明するブロック図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造方法を適用する製造装置の全体構成例を説明する模式外観図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を用いた燃焼試験結果における燃料消費データの説明図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を用いた燃焼試験結果における排ガスを非エマルジョン燃料と比較した実測データの説明図である。 本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を複数台用いて構成したエマルジョン燃料製造システム例の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係るエマルジョンの製造装置の実施例１を説明する構成図である。図１において、本実施例に係るエマルジョン燃料製造装置１は基本的発明単一の筐体内に収容され、製造部１００と操作部（運転制御部）２００で構成される。製造部１００は、界面活性剤を均質化委するための界面活性剤槽２とエマルジョン燃料形成槽３と還元水槽４、およびエマルジョン形成槽３で製造したエマルジョン燃料を取り出してボイラー等の燃焼機器３００への供給のための貯留を行う製品槽１３で構成される。

界面活性剤槽２には、当該筐体の内部に収容された、又は筐体に隣接して設置された界面活性剤補充槽５から界面活性剤導入管８を通して界面活性剤が電磁バルブ９３によって供給される。界面活性剤は界面活性剤槽２の有底撹拌容器２１に取り付けられた低速攪拌機２２の稼働中は当該有底撹拌容器２１の稼働設定量を維持するように補充される。本実施例の低速攪拌機２２は、撹拌板２３をモーター等の駆動手段で前記有底撹拌容器２１の内部で上下させることで、撹拌中の界面活性剤と界面活性剤補充槽５から供給される界面活性剤が均質になるように機能する。

有底撹拌容器２１で均質化された界面活性剤は、その底面の界面活性剤取出口２４からポンプ１０２で汲み上げられ、符号Ｆで示される流量計１１４を通り、３方電磁弁９４からエマルジョン燃料形成槽３の有底円筒撹拌容器３１に供給される。この有底円筒撹拌容器３１に供給される界面活性剤は、シャワーノズル３３で後述する油・水混合液に対しして容器上方からシャワー供給される。シャワー供給は界面活性剤を油・水混合液に対して表面の広い範囲分散供給する。これにより、油・水混合液に対する界面活性剤の分散効率を向上することができる。

エマルジョン形成槽３の有底円筒撹拌容器３１には高速攪拌機３２と超音波発振子１２が取り付けられている。ディスパーサと称する高速攪拌機３２は油・水・界面活性剤の混合液の油中にナノサイズの水滴を分散させる油中水滴型（water in oil:Ｏ／Ｗ）エマルジョンを形成する。高速攪拌機３２の詳細は図２で後述する。超音波振動子１２は有底円筒撹拌容器３１の内部で形成された油中水滴型（water in oil:Ｏ／Ｗ）エマルジョンの上記油中水滴をさらに微細化し、油水分離が起こり難い１００ナノメーター（nm）以下、好ましくは９０ナノメーター以下に微細化する。超音波発振子１２の振動子は有底円筒撹拌容器３１の内部で油中水滴型エマルジョンに直接接触させるのが効果的である。この微細化は細かい程油水分離が起こり難いが、工業的には限度がある。

原料となる重油などの油は原料油導入管６から電磁バルブ９１、ポンプ１０１、流量計１１１，１１２を通して有底円筒撹拌容器３１に供給される。水は水導入管７から水量計１１３電磁バルブ９２で還元水槽４に供給される。還元水槽４は電気分解で水素イオンリッチな分解水として３方バルブ９４を通して有底円筒撹拌容器３１に供給される。

エマルジョン形成槽３で形成されたエマルジョン燃料は、有底円筒撹拌容器３１の底面にある製品取出し口３４から電磁バルブ９５、製品移送ポンプ１０３で製品槽１３に送られる。製品槽１３では、送られて来たエマルジョン燃料を燃焼機器３００に供給し、あるいは貯留されている間、貯留されているエマルジョン燃料を循環ポンプ１０４で循環する。

最小サイズでは、全ての構成部材を、例えば縦×横×高さが略々２ｍ×２ｍ×１ｍ程度の筐体に収容でき、筐体外部との接続手段は、電源ケーブルを除けば、原料油と原料水の供給、及び製品（エマルジョン燃料）の排出のためのカップリングのみなので、据え付け工事は極めて簡易である。そして、コンパクトかつ自動運転で常勤オペレーターを不要とすることから、小規模ボイラーを必要とする事業所に最適である。そして、需要先の希望に従ってエマルジョン燃料製造そう、界面活性剤槽、製品槽などのサイズを自由に設定できる。

図２は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を構成する高速撹拌機の一例を説明する模式図である。この高速撹拌機３２は鍔３４１で有底円筒撹拌容器３１の上部にある蓋３１０に取り付けられる。有底円筒撹拌容器３１に満たされた油・水界面活性剤混合液に水没する部分には、駆動モーター３４０の下部に取り付けられた中空円筒体３２１を有している。の中空円筒体３２１の側壁には多数のスリット３２４が形成され、下端は開口３２５となっている。中空円筒体３２１の内部には駆動モーター３４０で回転される回転軸３２２が支持体３２６で指示されて貫通している。

回転軸３２２には、回転軸の軸に対して傾斜した多数の切断刃３２３が取り付けられている。油・水界面活性剤混合液の中で切断刃３２３が高速回転することで、開口３２５から油・水界面活性剤混合液が上方に吸い上げられ（符号３２７）、切断刃３２３の回転によるキャビテーション現象で微細化されてスリット３２１から槽内に放出される（符号３２８）。放出された油・水界面活性剤混合液は前記超音波振動子からの超音波でさらなる微細化がなされる。これを繰り返して、油中に前記した１００ナノメーター以下、好ましくは９０ナノメーター以下の水滴粒径としたエマルジョン燃料が形成される。

典型的には、高速撹拌機３２は、供給源から供給される油と水供給源から給水される水にシャワーノズル３３から供給される界面活性剤を添加してなる原料液を毎分３０００回転乃至２００００回転するせん断刃３３３でせん断して前記油中に前記水を分散させる。高速撹拌機３２で油中に水を分散した油・水混合物に周波数２０ｋＨｚ乃至１０００ｋＨｚの超音波を放射する。これにより、前記した油水型のエマルジョン燃料を製造できる。

図３は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置の油水混合制御システムを説明するブロック図である。前記した制御部２００は、オペレーターがエマルジョン燃料の製造装置の稼働条件を含む運転指令を選択するタッチパネル機能を有するモニター２０２と、モニター２０２で選択された稼働条件の内容を判定する選択内容判定回路２１１、選択内容判定回路２１１の判定結果に応じて油水比率を設定する油水比率設定回路２１２及び界面活性剤量設定回路２２１４とを有する。

オペレーターがモニター２０２のタッチパネル機能で選択して入力した稼働・運転内容は選択内容判定回路２１１で判定される。油水比率設定回路２１２及び界面活性剤量設定回路２２１４は、予め設定された油水比率のデータを格納したルックアップ・テーブル２１３、同じく界面活性剤量テーブル２１５を参照する。

給油バルブ駆動回路（２１６）は、比率設定回路２１２の出力を受けて給油電磁バルブ９１と給水電磁バルブ９２の動作を制御する。給水バルブ駆動回路２１７は、界面活性剤量設定回路２１４の出力を受けて界面活性剤供給電磁バルブ９３、９４の動作を制御する。これらの制御はＵＰＵ２１０が実行する。

図４は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置の油水混合制御手順を説明する流れ図である。また、図５は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置の油水混合制御手順を説明する図４に続く流れ図である。図４において、装置のメイン電源スイッチをＯＮにすることで本エマルジョン燃料製造装置の制御システムはシステムの稼働を開始（スタート）する。オペレーターは、モニター２０２のタッチパネル機能を用いて稼働条件（運転条件）を入力する。設定ボタンの選択に対応して予め用意されている関連データがルックアップ・テーブル（Ｌ−Ｕテーブル）から読みだされてモニター２０２のパネルに表示される。

先ず、モニター上の設定ボタンを押して制御システムに設定作業の開始を指示する（ステップ１、以下Ｓ−１のように表記）。オペレーターは油水比率の設定を選択し、設定が正しいか否かを確認し（Ｓ−２）、油水比率の設定が当該装置に用いる油種に対して油水比率が正しいか否かをモニター２０２のパネルの表示で確認する。油水比率の設定が正しく行われた後（Ｓ−３）、オペレーターはモニター２０２のタッチパネル機能を用いて界面活性剤の添加量を設定する（Ｓ−４）。オペレーターは、設定が正しいか、設定の誤りがないかをモニター２０２のパネルの表示で確認する。

設定が正しく行われたことを確認した後（Ｓ−５）、モニター上の戻るボタンを選択する（Ｓ−６）。戻るボタンを選択（ボタンを押す）して設定画面から運転指令画面に行き、自動運転ボタンを選択する（図５のＳ−７）。自動運転ボタンが選択されると、本エマルジョン燃料製造装置は運転モードを自動的に起動し、撹拌槽２への界面活性剤の注入（Ｓ−８）、エマルジョン燃料形成槽３への油の注入（Ｓ−１０）、還元水槽４への水の注入（Ｓ−１１）が開始される。

界面活性剤は撹拌槽２で撹拌されながら（Ｓ−９）エマルジョン燃料形成槽３に注入される。水は電解槽４で電解され（Ｓ−１３）、水素イオンリッチな還元水とされてエマルジョン燃料形成槽３に注入される（Ｓ−１３）。

エマルジョン燃料形成槽３は、注入された油、水、界面活性剤を高速撹拌機３２で毎分３０００回転乃至２００００回転するせん断刃３３３でせん断して前記油中に前記水を分散させる。高速撹拌機３２で油中に水を分散した油・水混合物に超音波発信子１２が発振する周波数２０ｋＨｚ乃至１０００ｋＨｚの超音波でさらに分散処理され（Ｓ−１４）、前記した油水型のエマルジョン燃料の製造が実行される（Ｓ−１５）。

本エマルジョン燃料製造装置の制御システムは、製造されたエマルジョン燃料の量が設定された品質で、かつ所定の量に達したことを判断する。この判断は、所望の品質に達するための予め設定されている時間の経過で行われる（Ｓ−１６）。この時間の経過後、製造されたエマルジョン燃料が製品槽１３への排出を開始する（Ｓ−１７）。この操作が連続運転され（Ｓ−１８）、利用施設の需要を満たすように自動運転される。

本実施例により、短期間に油水分離が生じることがなく、例えば週明け、連休明けでのボイラー等の稼働休止から再開に一週間以上経過しても油水分離が起こらないエマルジョン燃料を製造できる。

図６は、本発明に係るエマルジョン燃料製造方法を適用する製造装置の実施例２を説明する要部構成図である。実施例２は、エマルジョン燃料製造装置が停電などで運転停止した場合に対応する構成を備えたものである。実施例２では、実施例１で説明したエマルジョン燃料製造装置１の製品槽１３に貯留量センサー１３１と非常用油槽１５に貯蔵されている通常燃料油への燃料切換バルブ９６と切換ポンプ１０５を備えている。

図７は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置の実施例２における燃料切換制御システムを説明するブロック図である。制御システムを運用する制御部２００（図１）は、エマルジョン燃料製造装置１００の停止時に、当該エマルジョン燃料製造装置１の非稼働の経過時間と当該停電発生時に製造していたエマルジョン燃料の油水分離時間を監視し、経過未満か否かを判断する切換要否判断回路２２１を有している。

前記切換要否判断回路２２１は、当該エマルジョン燃料の油水分離時間の限界点に達する時点未満の時点、又は貯留量センサー１３１が事前設定された値を検出した時点で燃料切換バルブ駆動回路２２３に電磁バルブ９６の切り換えを行うと共に、切換ポンプ駆動回路２２４が油送ポンプ１０５を駆動して製品槽１３に貯留されていたエマルジョン燃料に換えて非常用油槽１５に貯留されている通常燃料油に切換える。

制御システムを運用する制御部２００は、ＣＰＵ２１０、タイマー２２２、ＲＯＭ２２５、ＲＡＭ２２６、必要に応じてプリンター２２７などで構成され、前記貯留量センサー１３１、切換要否判断回路２２１、燃料切換バルブ駆動回路２２３、切換ポンプ駆動回路２２４、電磁バルブ９６、油送ポンプ１０５をバス２２０で接続した制御システムを有している。

上記したエマルジョン燃料から通常燃料への切り換え操作は、制御ユニット２０１に収納したＲＯＭ２２５あるいはＲＡＭ２２６に格納されたソフトウエアをＣＰＵ２１０が実行する。前記実施例１の運転制御も同様で、自動運転モードに設定後にはオペレーターなどの人手は必要としない。

本実施例によっても、実施例１の効果に加えて、停電などで装置が停止した場合には、通常燃料への切り換えを行うことで、ボイラーなどの燃焼機器の運転に支障をきたすことがない。

本発明に係るエマルジョン燃料製造装置は、実施例１、実施例２の何れもエマルジョン燃料製造部１００と、操作部２００を一つの筐体に収容して、狭いスペースにも容易に設置可能にしている、界面活性剤補充槽５を上位筐体に収容し、あるいは製品槽を筐体の外部に設置することもできる。すなわち、界面活性剤補充槽５と製品槽１３は筐体内と筐体外部の何れにも設置可能であることで、利用者の設置スペースに対して柔軟に対応できる。

図８は、本発明に係るエマルジョン燃料製造方法を適用する製造装置の全体構成例を説明する模式外観図である。この構成例に示されたように、エマルジョン燃料製造部１００と、操作部２００を一つの筐体に収容してあり、例えば温泉施設などへの設置が極めて容易である。

図９は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を用いた燃焼試験結果における燃料消費データの説明図である。このデータはあるＡ重油を燃料としていたボイラーにエマルジョン燃料を使用した燃焼試験のデータである。温泉施設のある年（図には２０１５年と表記）の２月１４日から２８日までの１５日間にわたる燃料消費をエマルジョン燃料とＡ重油の供給量でみたエマルジョン燃料を用いた場合のＡ重油の削減効果を示す。

図９の表の中で、ＡＳはエマルジョン燃料製造装置へのＡ重油の供給量、ＥＭはエマルジョン燃料供給量の合計、ＮＭ８：００−ＴＭ８：００は翌朝８時から前日８時のＡ重油供給量を示す。このデータから（ＥＭ−ＡＳ）／ＥＭを計算することで、１５日間のＡ重油の削減が平均で２０％を超えることが分かる。すなわち、エマルジョン燃料による経済効果は明らかであり、環境への負荷も軽減されていることが分かる。

この燃焼試験の前提条件は、以下の通りである。給湯ボイラーは水温７４度で燃焼ＯＮとなり、８０度でＯＦＦとなる使用とした。エマルジョン燃料に切り替えてお湯を沸かす熱交換に必要な熱エネルギーが不足すると、お湯の温度が８０度に達せず、供給するお湯の温度が下がってしまう。お湯の温度が下がらないことが評価基準となる。

Ａ重油８０％で水が２０％のエマルジョン燃料を製造してボイラーに送り、Ａ重油１００％の場合と同等の燃焼をすれば、２０％の削減効果にある。この温泉施設の場合、宿泊者数は当該地域のイベント続きでほぼ満室状態が続き、満室状態で使用される湯量も最大量の状態での実証試験となった。

検証試験の結果、
１．エマルジョン燃料に切り換えたボイラーでの燃焼は良好で、エマルジョン燃料はＡ重油以上の燃焼効率を得られ、温度も下がらなかった。
２．エマルジョン燃料製造装置に送られたＡ重油に対するエマルジョン燃料製造装置がボイラーに供給したエマルジョン燃料の差をＡ重油の削減として、上記のとおり２０％削減された。

図１０は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を用いた燃焼試験結果における排ガスを非エマルジョン燃料（Ａ重油）と比較した実測データの説明図で、図９におけるＮＯ.１ボイラーを使用した排ガスの実測データを示す。図１０の表中、項目欄のＤＵＮＰＥＲ（ダンパー）は空気調整値で空気量を５０％絞っている。

排ガス温度は、お湯を沸かす熱交換に使用されずに無駄に排出される排気ガス温度で、この温度が低いほど無駄な損失が少ないことを示す。周囲温度は測定時の周囲の温度。露点は、水蒸気を含む空気を冷却したときに凝結が始まる温度。炭酸ガス（ＣＯ２と表記）は空気中の酸素（２０．９％）がボイラーに入って燃焼用に使用されて残った酸素の％。理論空気量で完全燃焼した場合は０％。この値が小さいほど効率よく酸素が燃焼に使用されたことになる。Ａ重油の場合の９．１％がエマルジョン燃料では３．４％と大幅に減少している。

排ガス中のＣＯ２は、ＣＯ２削減とは関係なく燃料がよく燃焼したかどうかを示す。Ａ重油が理論空気量で完全燃焼した場合は１５．８％であるので、１５．８％に近い値がよく、この測定では、８．９％が１３．２％になっていて、大幅な改善がなされることが分かる。なお、燃料が８０％なのでＣＯ２の削減は、従来よりも２０％削減される。

損失は、排ガスの温度と空気量から燃料の無駄を示す。燃焼効率は、燃料が燃料として有効に利用されたか否かを示す。空気比は、低い程冷たい空気を加温するエネルギーが必要で、排気ガスの流れが早くなり熱交換に使用される時間が少なくなって燃料の消費は増加する。ここでは、過剰空気量が７８％あったものが２０％に激減しているのが分かる。

ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯ、ＮＯＸ、ＮＯＸ／ｍ³等は、燃料が２０％減っているために、同等の値でも２０％削減となっている。酸素（Ｏ₂）に対するＣＯは、１６６が１１１と大幅に減少している。酸素（Ｏ₂）に対するＮＯＸは、１２２が７８と大幅に減少している。

図１１は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を複数台用いて構成したエマルジョン燃料製造システム例の説明図である。ここでは、上記実施例１に係るｎ台のエマルジョン燃料製造装置１００１乃至１００４を並列配置してある。製品槽は外侮製品槽サブシステム１３１として統合して配置してある。同様に、界面活性剤補充槽も外部界面活性剤補充槽サブシステム１３２として統合して配置してある。

このエマルジョン燃料製造システムは、個々のエマルジョン燃料製造装置ごとの制御ではなく、ネットワーク１５を経由したリモート監視センター１６で稼働条件の設定や運転監視を一括して行うようにしている。

１・・・エマルジョン燃料製造装置
２・・・界面活性剤槽
３・・・エマルジョン燃料形成槽
４・・・還元水槽
１３・・・製品槽
１００・・・製造部
２００・・・操作部（運転制御部）
３００・・・燃焼機器

Claims (5)

1. 界面活性剤を撹拌する撹拌槽と、油と水の混合物が油中水型で形成されるエマルジョン燃料を製造するエマルジョン形成槽と、水供給源から供給される水を水素イオンリッチな還元水として前記エマルジョン形成槽に供給する還元水槽を有するエマルジョン燃料製造部と、製造したエマルジョン燃料を貯留する製品槽を備え、
   前記エマルジョン燃料製造部の稼働と非稼働の状態を監視し、燃焼機器へのエマルジョン燃料と通常燃料の供給を切換える制御部を有し、
   前記撹拌槽は、有底撹拌容器の内部に設置されて上下する撹拌板の作用で界面活性剤補充槽から前記エマルジョン形成槽に供給する界面活性剤を均質に保つための低速撹拌機を備え、
   前記エマルジョン形成槽は、有底円筒分散容器の上部に、前記撹拌槽の底部の界面活性剤取出口から抜き取られる前記界面活性剤を前記有底円筒分散容器内の油・水混合液にシャワー供給するシャワーノズルと、
   油供給源から供給される油と水供給源から給水される水にシャワーノズルから供給される界面活性剤を添加してなる原料液をせん断刃でせん断して前記油中に前記水を分散させる高速撹拌機を前記有底円筒分散容器の内部に備えると共に、
   前記高速撹拌機で前記油中に前記水を分散した前記油・水混合物に超音波を放射する超音波発振子を備え、
   前記エマルジョン形成槽で形成されたエマルジョン燃料を製品槽に排出する製品取出口を前記有底円筒分散容器の底部に有することを特徴とするエマルジョン燃料製造装置。
2. 前記高速撹拌機は、前記エマルジョン形成槽の周壁に平行な方向に長手方向に延在する中空円筒体と、前記中空円筒体の内部の長手方向中心部に延在して設置された回転軸に間隔を以って取り付けられた複数の切断刃を備え、
   前記中空円筒体の下端は前記有底円筒分散容器の底面に近接した開口を有すると共に、前記中空円筒体の周壁を周回して長手方向配列された多数のスリットを有し、
   モーターで高速回転される前記切断刃で前記中空円筒体の前記開口から当該中空円筒体の内部に吸い上げられた原料液を切断処理することにより当該切断刃で発生するキャビテーションによって微細化され前記スリットから放出される水粒子に前記超音波発信子から放射される超音波を与えることで、前記水粒子の粒径をさらに微細化することを特徴とする請求項１に記載のエマルジョン燃料製造装置。
3. 前記制御部は、オペレーターがエマルジョン燃料の製造装置の稼働条件を含む運転指令を選択するタッチパネル機能を有するモニターと、前記モニターで選択された稼働条件の内容を判定する選択内容判定回路、選択内容判定回路の判定結果に応じて油水比率を設定する油水比率設定回路及び界面活性剤量設定回路とを有すると共に、
   前記油水比率設定回路の出力を受けて給油電磁バルブと給水電磁バルブの動作を制御する給油バルブ駆動回路と、
   前記界面活性剤量設定回路の出力を受けて界面活性剤供給電磁バルブの動作を制御する給水バルブ駆動回路を具備していることを特徴とする請求項１又は２に記載のエマルジョン燃料製造装置。
4. 前記エマルジョン燃料製造装置の製品槽に貯留量センサーと通常燃料油への燃料切換バルブと切換ポンプを備え、
   前記制御部は、エマルジョン燃料製造装置が停電で運転停止したときに、当該エマルジョン燃料製造装置の非稼働の経過時間と当該停電の発生時に製造していたエマルジョン燃料の油水分離時間を監視し、経過未満か否かを判断する切換要否判断回路を有し、
   前記切換要否判断回路は、当該エマルジョン燃料の油水分離時間の限界点に達する時点未満の時点、又は前記貯留量センサーが事前設定された値を検出した時点で前記製品槽に貯留されていたエマルジョン燃料に換えて非常用油槽に貯留されている通常燃料油に切換えることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のエマルジョン燃料製造装置。
5. 前記エマルジョン燃料製造装置は、前記エマルジョン燃料製造部と、操作部、及び前記界面活性剤槽の収容スペースを移動可能な一つの筐体に収容してなることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のエマルジョン燃料製造装置。

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