JP2006226243A

JP2006226243A - 光触媒作用を利用した燃焼効率改善方法および光触媒作用を利用した燃焼効率改善装置

Info

Publication number: JP2006226243A
Application number: JP2005043373A
Authority: JP
Inventors: Yasuro Nakanishi; 靖郎中西; Tatsuhiko Ihara; 辰彦井原
Original assignee: CRESCENT KK; Kinki University
Current assignee: CRESCENT KK; Kinki University
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: JP4035850B2

Abstract

【課題】完全燃焼が困難な空気が希薄な系での燃焼効率を改善するための燃焼改善装置を提供する。
【解決手段】燃焼炉あるいは内燃機関に供給する空気あるいは酸素を、一旦燃焼の前に水蒸気を含ませて紫外線照射下の光触媒と接触したのち、燃焼炉あるいは内燃機関等の燃焼装置に供給できる構造を持つ燃焼効率改善装置を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼用空気あるいは酸素とそれらに含まれる水分を光触媒の作用によって活性化することで、一般の焼却炉や内燃機関等の燃焼装置の燃焼効率を改善する光触媒作用を利用した燃焼効率改善方法および光触媒作用を利用した燃焼効率改善装置に関する。

近年、燃焼によって排出される排気ガス対策については、例えば、焼却炉の場合はダイオキシン発生の抑制などの燃焼効率を改善するための対策として、焼却炉そのものの設計を見直し、高温度での燃焼を維持できるための構造対策あるいは燃焼後の排気ガスを浄化するための対策が主流である。

自動車等に使用されている内燃機関においても、燃焼後の排気ガスの浄化対策が主流となっており、供給する空気など、酸素源として供給する燃焼補助ガスに手を加えて完全燃焼を促進する考え方に基づく技術開発は未成熟である。例えば、オゾン発生器を用いる方法などが代表されるが、電力コストがかさむなど、実用性に乏しい。

そこで近年では特許文献1の「活性酸素種生成による炭化水素の燃焼方法」のように、酸化チタンに代表される光触媒を利用して酸素を活性化することで燃焼効率を向上させる発明もなされている。しかしながら特許文献１の発明のように単に酸素を光触媒作用によって活性化し活性酸素を生成するだけでは、光触媒から離れた場所の反応には活性種の寿命が短いことや、活性種は表面からは飛び出すことはないとの議論もあるように、実用化に向けた利用ができないとの判断が通説になっている。
特開平７−１２７８１２号公報

上述した焼却炉における高温度での燃焼を維持するための構造対策は、費用的な面から比較的小型の焼却炉への導入が困難であるといった問題があった。また、自動車等に使用されている内燃機関においても、次第に厳しさを増す自動車排ガス規制によって、NOｘ削減のための新しい触媒の開発が必要と判断されているが、NOｘ削減のための希薄燃焼への移行と希薄燃焼領域での触媒効果は二律背反の関係であることから、有効性を発揮するのは困難とされている。

本発明は、燃焼前の空気あるいは酸素とそれらに含まれる水分を光触媒と紫外線（可視光応答型光触媒を使用する場合は可視光も可）で活性化し、生じた水と空気あるいは水と酸素由来の活性化成分によって高効率の燃焼を実現するもので、環境汚染の軽減ならびに省資源化に役立てることを目的としている。また比較的製造コストが低廉な当該装置を取り付けることによって、従来の排気ガス浄化設備にかかる負担を軽減することを目的としている。

上記目的を達成するため請求項１に記載の光触媒作用を利用した燃焼効率改善方法は、燃焼炉や内燃機関等の燃焼装置に供給する水分を含む空気あるいは酸素を、該燃焼装置に供給前に光照射下の光触媒と接触させ、光触媒との接触によって生じた空気と水由来の活性成分あるいは酸素と水由来の活性化成分を前記燃焼装置に供給する、ことを特徴とする。

請求項２に記載の光触媒作用を利用した燃焼効率改善方法は、前記燃焼装置に供給する空気あるいは酸素に水分を加給する、ことを特徴とする。

請求項３に記載の光触媒作用を利用した燃焼効率改善方法は、請求項２において、前記燃焼装置に供給する空気あるいは酸素への水分の加給は、水で湿らせた光触媒に空気あるいは酸素を供給することで行われる、ことを特徴とする。

また請求項４に記載の光触媒作用を利用した燃焼効率改善装置は、燃焼炉や内燃機関等の燃焼装置に供給する水分を含む空気あるいは酸素を、該燃焼装置に供給前に光照射下の光触媒と接触させ、光触媒との接触によって生じた空気と水由来の活性成分あるいは酸素と水由来の活性化成分を供給できる構造を持つ、ことを特徴とする。

請求項５に記載の光触媒作用を利用した燃焼効率改善装置は請求項４において、前記燃焼装置に供給する空気あるいは酸素に水分を加給できる構造を設け、水と空気あるいは水と酸素由来の活性化成分を供給できる構造を持つ、ことを特徴とする。

上記の光触媒作用を利用した燃焼効率改善方法によれば、燃焼炉あるいは内燃機関等の燃焼装置に、光触媒作用により活性化された空気あるいは酸素とそれらに含まれる水分由来の活性化成分を供給することで、燃焼効率が改善されることが検証された。
例えば、７００℃で一酸化炭素を燃焼させて二酸化炭素への転化率が１０%程度になるように空気の供給量を調整した条件で、光照射下の光触媒を作用させると、転化率はおよそ４倍に上昇する。このように酸素の供給が追いつかない条件下での燃焼に対して特に有効であることが確認された。
なおこの燃焼効率改善方法を実施するための装置は、比較的安価なコストで製造することができ、また、消費物も水と電力だけであるため、低ランニングコストによって燃焼効率の改善を図ることができる。さらにこの燃焼効率改善装置は既存の燃焼装置に容易に後付けすることが可能である。

以上のように、本発明によれば課題であった燃焼効率が安価に改善されるだけでなく、排気ガス対策が容易となり、省資源、省エネルギーにも役立つ。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の光触媒作用を利用した燃焼効率改善装置を燃焼装置に接続した燃焼システムの概念図である。図１に示したように、この燃焼システムは燃焼装置２と、燃焼装置２に燃料を供給する燃料供給管９と、水分を含む空気あるいは酸素を光照射下の光触媒と接触させる燃焼効率改善装置１０と、燃焼効率改善装置１０を経由した水分を含む空気あるいは酸素を燃料供給管９に供給する接続管４等から構成されている。

燃料供給管９は硬質ガラス管等の中空管であり、その経路には燃料の流量を制御するためのマスフローコントローラー１が取り付けられている。

燃焼装置２にはエンジン等の内燃機関の他、燃焼炉など種々の燃焼機が該当する。

接続管４は硬質ガラス管の中空管であり、燃料を燃焼装置２に供給する燃料供給管９に接続されている。この接続管４は短管であることが望ましく、接続管と燃料供給との接続位置は燃焼装置に近いほうが望ましい。なお本実施例では燃料と空気（酸素）との混合気を燃焼装置に供給しているが、燃焼装置２に直接、燃料供給管９と接続管４を接続してやることも可能である。

燃焼効率改善装置１０は、光触媒を充填するための光触媒担持管５、光触媒に光を照射する光源７、および空気（酸素）に予め水分を加給するための水蒸気加給装置６、空気（酸素）の流量を制御するためのマスフローコントローラー１’より構成される。光触媒担持管５は透明な硬質ガラス管等の中空管であり、その主要部分はらせん形状に形成されている。
光触媒担持管５にはあらかじめ光触媒をコーティングした直径数ミリ程度のガラスビーズが充填されている。これは光触媒体担持管内では、水分を含む空気あるいは酸素が通過する際、抵抗が少なく、かつ、光触媒との接触が効率よく起こる必要であるためである。なお、光触媒体の担持方法については特にこの形状に拘る必要はなく、例えば、図３に示したようなフィルタータイプの光触媒（光触媒担持フィルタ８）や、スクリーン状、（網目状）、綿状のガラス繊維等に光触媒を担持したものなどを使用することもできる。なお光触媒には酸化チタンに代表されるものの他、可視光応答型光触媒として他原子をドープした例えば窒素ドープ酸化チタンなど種々の光触媒を用いることができる。
また光源７は光触媒の作用を発揮させるための波長の光を発光するライト（紫外線を発光するブラックライトや可視光を発光する蛍光灯など（可視光応答型触媒を使用する場合））であり、らせん形状をなす光触媒担持管５の中心に配置されている（図２参照）。
また水蒸気加給装置６は、図１に示したように密封した水槽に水を入れ水中に空気を導きいれてバブル状に放出し水面上方に取り付けた光触媒担持管５の端部から水分を含んだ空気を取り出すもの（バブラー）としてもよいし、光触媒担持管５の上流側で空気中に水を噴霧し、または湿らした布体などに空気を吹き付けてやるようにしてやってもよい。すなわち何らかの方法によって光触媒担持管５に供給する空気に水分を加給することができればよい。なお、このような水蒸気加給装置６を設ける代わりに、光触媒担持管５内の（ガラスビーズにコーティングした）光触媒を湿った状態に保つことができる噴霧装置等を用いてやることもできる。
さらに燃焼装置からの廃熱を利用して水蒸気を発生させ、これを光触媒担持管５の上流の空気に導き入れてやることもできる。
なお、水蒸気加給装置は空気（あるいは酸素）中の湿度が十分に高い場合は特に取り付けなくてよいが、取り付けることによって確実に本発明の効率を向上させることが可能となる。

燃焼効率改善装置１０に導入される空気（酸素）は、その流量がマスフローコントローラー１’によって制御・調整された後に、水蒸気加給装置６に導かれて水分を加給され、水分を含んだ空気（飽和状態の水蒸気を含んだ空気）は光源７からの光の照射により活性化した光触媒が充填された光触媒担持管５を通ることで光触媒との接触によって活性成分となり、上記接続管４に導かれる。

図１に示した実験装置を用いて、燃料が燃焼実験装置（日新精器製）に供給される直前に接続管４（内径６mmの硬質ガラス管）を介して燃焼効率改善装置１０を接続し、水蒸気を含む純空気を流しながら光源７（ブラックライト）からの紫外線を光触媒担持管５に照射することで燃焼効率の改善実験を行った。
図１に示した燃焼効率改善装置では、マスフローコントローラー１’（STEC 社製）によって流量制御された純空気が水蒸気加給装置（バブラー）６で飽和状態の水蒸気を含み、らせん形状の光触媒担持管５（内径６mm、長さ１ｍのガスクロ用ガラスカラム）に供給される。らせん形状をした光触媒担持管にはあらかじめ光触媒をコーティングしたガラスビーズ（直径４mm）を充填しており、図２に示したように、その中心部にブラックライトを紫外光源として設置して、効率よく光触媒に光照射が行える構造としている。

［実験例１］
酸化チタンには過酸化チタンゾルTKC-301（株テイカ製）を用い、表面脱脂処理したガラスビーズ（直径４mm）にスプレーコートし、乾燥させ、４００℃の温度で１時間、大気雰囲気中にて焼成した。光触媒コーティングしたガラスビーズをらせん形状の光触媒担持管５（内径６mm、長さ１ｍのガスクロマトグラフ用ガラスカラム）に充填し、燃焼装置２のインジェクション部前に接続した。らせん形状のガラス管の中心部にはブラックライト７を配置し、光触媒に均一に光が照射できる構造とした。マスフローコントローラー１，１’（STEC 社製）によって水蒸気を飽和させた純空気：一酸化炭素の流量比を１：１、トータル流量を２ml／minに制御し、７００℃に設定した燃焼装置に導入した。燃焼状態は、燃焼ガスを採取し、ガスクロマトグラフ（島津製、GC-14B）によって一酸化炭素から二酸化炭素への転化率を求めることで行った。なお、燃焼装置は光触媒の下流３０cmに位置している。測定結果を図４に示す。

［比較例１］
実験例１と同様の方法で燃焼実験を行った。ただし、光触媒担持管に充填している光触媒をコーティングしたガラスビーズとバブラー（水蒸気加給装置６）を取り除き、一酸化炭素と純空気の混合ガスで実験を行った。測定結果を図４に示す。

［比較例２］
実験例１と同様の方法で燃焼実験を行った。ただし、ブラックライト（光源７）の点灯を行わずに実験を行った。測定結果を図４に示す。

図４に示したように、光触媒を一切使用しないで燃焼実験を行った比較例１と、光触媒を使用しているが紫外線照射を行わずに燃焼実験を行った比較例２の場合、一酸化炭素から二酸化炭素への転化率はそれぞれ９.８％および１２.４％と大差ない結果が得られている。しかしながら、光触媒に紫外線を照射しながら燃焼実験を行った実験例１では４２.４％と比較例１および２のおよそ４倍の転化率を示した。このように本発明では、光照射下にある光触媒に水蒸気を含む空気を接触させて燃焼に利用することで、燃焼効率を大きく高めることができることが分かる。

本発明は、燃焼において特に、供給される空気が希薄な系で燃焼効率が大幅に改善される特徴を持つことから、大型・小型焼却炉をはじめ、自動車エンジンなどの内燃機関等すべての燃焼系の装置に適用可能であり、高効率の燃焼の実現による環境汚染の軽減ならびに省資源化に資することができる。なお本発明の装置はその構造が極めて単純であるため、その製造コストも低廉であり、また、既存の燃焼装置にも容易に後付けすることができ、従来の排気ガス浄化設備にかかる負担を軽減することができる。

燃焼実験装置に焼効率改善装置を接続した場合の全体図である。光触媒担持管と光源の位置関係を示す図である。フィルタータイプの光触媒担持管と光源の位置関係を示す図である。実験例１および比較例１、２の一酸化炭素から二酸化炭素への転化率を示したグラフである。

符号の説明

１，１’ マスフローコントローラー
２燃焼装置
４接続管
５光触媒担持管
６水蒸気加給装置（バブラー）
７光源（ブラックライト）
８光触媒担持フィルタ
９燃料供給管
１０燃焼効率改善装置

Claims

燃焼炉や内燃機関等の燃焼装置に供給する水分を含む空気あるいは酸素を、該燃焼装置に供給前に光照射下の光触媒と接触させ、光触媒との接触によって生じた空気と水由来の活性成分あるいは酸素と水由来の活性化成分を前記燃焼装置に供給する、ことを特徴とする光触媒作用を利用した燃焼効率改善方法。
前記燃焼装置に供給する空気あるいは酸素に水分を加給する、ことを特徴とする請求項１記載の光触媒作用を利用した燃焼効率改善方法。
前記燃焼装置に供給する空気あるいは酸素への水分の加給は、水で湿らせた光触媒に空気あるいは酸素を供給することで行われる、ことを特徴とする請求項２記載の光触媒作用を利用した燃焼効率改善方法。
燃焼炉や内燃機関等の燃焼装置に供給する水分を含む空気あるいは酸素を、該燃焼装置に供給前に光照射下の光触媒と接触させ、光触媒との接触によって生じた空気と水由来の活性成分あるいは酸素と水由来の活性化成分を供給できる構造を持つ、ことを特徴とする光触媒作用を利用した燃焼効率改善装置。
前記燃焼装置に供給する空気あるいは酸素に水分を加給できる構造を設け、水と空気あるいは水と酸素由来の活性化成分を供給できる構造を持つ、ことを特徴とする請求項４記載の光触媒作用を利用した燃焼効率改善装置。