JP2006348157A - 多孔質体を用いた乳化型燃料生成方法とその製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】品質の高いエマルション燃料生成方法と、操作が簡単で、低エネルギー及び低ランニングコストで経済的なエマルション燃料製造装置を提供する。
【解決手段】細孔径５μｍ、外径１０ｍｍ、内径８．５ｍｍ、長さ１２５ｍｍの円筒状のＳＰＧ膜４を用いる。油溶性界面活性剤を予め３％添加した連続相の燃料油１と分散相の水２を同時に供給し、ＳＰＧ膜４を透過したエマルションを送液ポンプ３で循環させながら再びＳＰＧ膜４に透過させる。
【選択図】図１

Description

近年、京都議定書など公害条件の施行により、世界的にますます地球環境保全への関心が高まっている。特に自動車エンジン、コージェネレーションエンジンにおいて、エンジンから排出されるＮＯＸ（窒素酸化物）やＣＯ_２、黒煙、ＰＭ（粒子状物質）の同時低減が検討されている。本発明は、環境問題がますます深刻化するなかで公害防止や限りある化石燃料を最大限に有効に利用することのできる品質の高い乳化型燃料の生成方法と、低コストかつ簡単操作、コンパクトな乳化型燃料の生成装置に関するものである。

従来、エンジンの排出ガス中のＮＯＸや黒煙、ＰＭを低減するために燃料油と水を混合した油中水滴型エマルション燃料が用いられている。エマルション燃料は、エマルション中の水滴粒子が、エンジン内で瞬時に発生する高温の燃焼温度を下げ、ＮＯＸの発生を抑えることや、この水滴粒子がエンジン内で微爆することにより空気との混合が促進され理想燃焼に近づくことによりＰＭの低減に繋がるといわれている。このような特徴をもつ燃料油と水の混合液であるエマルション燃料の生成方法として、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように燃料油、水、界面活性剤を高速な攪拌式ミキサーで混合する方法や、送液ラインに数箇所の隔壁を設けて、その各隔壁には小孔が形成されており、燃料油と水の混合液を昇圧ポンプにより圧送することにより、小孔で高圧かつ高速で噴出しながら微細なエマルション燃料を得るという方法がある。

特開平０７−０２４２８４号公報 特開２００２−１５９８３２号公報

しかしながら、エマルション燃料の生成方法のうち、攪拌式ではエマルションの油中水滴粒子の大きさの均一性に信頼性と再現性を保障することは困難で、この方法によるエマルション燃料をエンジンに使用すると安定した燃焼が得られない。また、送液ラインに設けられた各隔壁の直径が０．５ｍｍ乃至２ｍｍ程度の小孔に透過させて微細な水滴粒子を得るために、昇圧ポンプの送圧力が５ＭＰａ乃至１５ＭＰａと非常に高圧で、装置の構造的な安全面で非常にリスクが高い。本発明はこれらの課題に鑑みなされたもので、三次元的な網目状の連続した均一な細孔径を有する多孔質体に連続相液となる燃料油と分散相液となる水を同時に透過させることにより、油中水滴なるＷ／Ｏエマルションを均一な水滴粒子として低圧エネルギー、簡単な操作で生成することができる。このように本発明は品質の高いエマルション燃料生成方法と、操作が簡単で、低エネルギー及び低ランニングコストで経済的なエマルション燃料製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、三次元的な網目状の連続した均一な細孔径を有する多孔質体に、連続相液となる燃料油と分散相液となる水または水溶液を同時に透過させながら乳化型燃料を生成することを第１の特徴とし、多孔質体にめっきを施したことを第２の特徴とする。

本発明で使用する多孔質体としては、無機質多孔質体、有機質多孔質体があるが耐油性、耐錆性であるものが好ましい。無機質多孔質体としては、炭素質多孔質体、炭化ケイ素多孔質体、シリカアルミナ系多孔質体、ゼオライト系多孔質体、粘土系多孔質体、多孔質ガラス、多孔質セラミックス、金属及び金属酸化物系多孔質がある。有機質多孔質体としては、高分子多孔質焼結体などがある。

とくに本発明において適している分相法多孔質ガラス体として、周知のＮａ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２を基礎ガラス組成とし骨格ＳｉＯ_２組成となる多孔質ガラス、Ｎａ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−ＣｅＯ_２−３Ｎｂ_２Ｏ_５を基礎ガラス組成とし骨格ＣｅＯ_２−３Ｎｂ_２Ｏ_５組成となる多孔質ガラス、Ｎａ_２Ｏ−Ｐ_２Ｏ_５−ＳｉＯ_２を基礎ガラス組成とし骨格Ｐ_２Ｏ_５−ＳｉＯ_２組成となる多孔質ガラス、Ｎａ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２を基礎ガラス組成とし骨格ＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２組成となる多孔質ガラス、ＣａＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２を基礎ガラス組成とし骨格ＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２組成となる多孔質ガラス、Ｎａ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２−ＳｉＯ_２を基礎ガラス組成とし骨格ＺｒＯ_２−ＳｉＯ_２組成となる多孔質ガラス、ＣａＯ−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２を基礎ガラス組成とし骨格Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２組成となる多孔質ガラスがあるが、最も適しているＣａＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系の多孔質ガラス、ＣａＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ系の多孔質ガラス及びＣａＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ−ＭｇＯ系の多孔質ガラスなどを板状または円筒状に成形した多孔質膜として使用するのが好ましい。

多孔質体を用いたエマルション燃料を生成する製造装置として、自動車搭載用または、コージェネレーションあるいは自家発電などの内燃機関用のエマルション燃料製造装置などにおいて、多孔質体にめっきを施すことが可能である。本発明に最も適しているＣａＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系のシラス多孔質ガラス膜（以下、ＳＰＧという）は、膜を貫通する無数の超微細孔を有し、気孔率が非常に高く、細孔の均一性について非常に優れている多孔質ガラス膜である。成形するＳＰＧの形状自体は特に限定されないが、平板形、円柱形など使用目的に応じた形状に成形できる。ＳＰＧはガラスフィルターであり、管状のものでは約２０ＭＰａの外圧に耐えることもできる。またＳＰＧの気孔率は細孔径に因ることなく約５０％乃至６０％を有する。ＳＰＧは液体の透過性に優れ、非常に低圧で透過させることができる。

本発明により生成されるエマルション燃料は、均一な細孔径を有する多孔質体を用いることにより、均一な粒径を有するエマルション内の水滴粒子がエンジン内に均等に噴霧拡散されることにより、瞬時に発生する高温の燃焼温度をムラなく下げ、ＮＯＸの発生を抑えることや、本発明で生成される水滴粒径が均一である単分散エマルション燃料は、水の含有量に比例して密度が軽油より大きく、質量効果により、エンジン内に同一圧力で燃料油原液を噴射したときより広く拡散し微爆することにより、多くの空気と遭遇することができるため、理想燃焼に近づきＰＭの低減に繋げることができる。また、燃焼が改善されて燃費向上につなげることができる。本発明の多孔質体を用いるエマルション燃料生成方法は従来のエマルション燃料生成方法より簡易に生成することができ、かつ軽量、コンパクトな装置として多孔質体形状加工も幅広く可能であることから自動車搭載用のエマルション燃料製造装置や、コージェネレーションあるいは自家発電など内燃機関にエマルション燃料製造装置として簡単に組み込むことが可能である。

また、エマルション燃料は燃料油そのものに一定の割合で水が含まれるので、その分のＣＯ_２排出が削減可能で環境保全に対して有効である。すなわち、従来のエマルション燃料製造方法では粒径の不均一なエマルションしか得られず、燃焼が不安定になることによるエンジントラブルや、保守管理、メンテナンスに非常に手間がかかり実用性に乏しかったが、本発明によれば粒径の均一なエマルション燃料を生成することができ、エンジンの安定した運転が可能で実用的である。

以下、本発明の実施の形態として以下に示す実施例に基づいて詳細に説明する。本実施例は、本発明における多孔質体で最も適しているＳＰＧを用いてエマルション燃料生成を実施した。連続相となる油液の軽油に油溶性界面活性剤を添加し、水は水道水を用いた。

エマルション燃料の製造方法として、細孔径５μｍのＳＰＧ形状寸法は、外径１０ｍｍ、内径８．５ｍｍ、長さ１２５ｍｍの円筒状を用い、比較対象として液体の送液配管ライン中に数枚のスリットを設けて燃料油と水をせん断しながらミキシングするインパイプミキサー、また超音波法を行った。図１にＳＰＧ膜乳化法で生成したエマルション燃料生成装置の概略を示す。油溶性界面活性剤を予め３％添加した連続相の燃料油１と分散相の水２を同時に供給しＳＰＧ膜４を透過したエマルションを送液ポンプ３で循環させながら再びＳＰＧ膜４に透過させる循環式の透過膜乳化法である。得られたエマルション粒径の比較結果を表１及び図２乃至図４に示す。

表１と図２乃至図４に示すように、ＳＰＧ膜細孔径５μｍでありながら生成されたエマルション粒径は、従来のパイプミキサー法、超音波法と比較して非常に均一で単分散であり、しかもＳＰＧ細孔径５μｍ以下の粒径０．９７０と非常に小さい粒径のエマルション燃料が生成できた。他の乳化方法で生成されるエマルションについては、パイプミキサーで生成されるエマルションは平均約２μｍで微細であるが、ＳＰＧ膜乳化で得られたエマルションと比較すると標準偏差、１０％Ｄ乃至９０％Ｄなど分布の幅が広い。また、超音波で生成されるエマルションは相対粒子量が最も多いエマルション粒径は約１．７μｍと微細ではあるが全体的なエマルション粒径の分布幅が非常に広い。パイプミキサー、超音波で生成されたエマルションを顕微鏡下で観察したところ、Ｏ／Ｗ／Ｏなど二重型エマルションが所々確認された。これはエマルションの分布幅の広さとともにエンジン内で燃焼のばらつきが生じる原因になると考えられる。このように他のエマルション燃料生成方法と比較するとＳＰＧ膜乳化で得られるエマルション燃料はエマルション粒径が非常に単分散であることからエンジン内で安定した燃焼を確保することができる。

図５に示すように、１段目の細孔径１９．８μｍの第２のＳＰＧ膜６を透過させたエマルションを再び２段目の細孔径３．２μｍの第１のＳＰＧ膜４に透過させてエマルション燃料を生成した。また、ＳＰＧ多孔質膜にはニッケル合金めっきを施し、送液ポンプ３は流量４リットル/分の能力があるポンプを用いた。この第２のＳＰＧ膜６は、第１のＳＰＧ膜４に直接透過させる負担を軽減させる目的と、１段目に粗く均一に混合して効率よくエマルションを生成することを目的として配される。表２、図６に得られたエマルション粒径を示す。

このように、多孔質体を送液ラインに多段的に設けることにより、循環ラインを設けることなくオンラインで連続相液と分散相液を同時に透過させながら目的とする内燃機関に供給するシステムを設計することが可能である。また、実際に自動車への搭載や、内燃機関への搭載を考慮すると、ＳＰＧにめっきを施し、機械的強度を付与した部材とすることが好ましい。図６に示すように多孔質体にめっきを施すことによりＳＰＧ孔径の均一さを損なうことなくエマルション粒径を均一に保つことが可能であることが分かる。

実施例１で生成したエマルション燃料を水冷式単気筒直噴ディーゼル機関に用いて、機関回転速度１０００ｒｐｍ一定のもとで部分負荷試験を行い、ＮＯＸ排気ガス量の比較を行った。水（Ｗ）と軽油（Ｏ）の容積比はＷ／Ｏ＝３０％である。燃焼排ガス結果を図７に示す。図７から分かるように、ＳＰＧ膜で生成したエマルション燃料がほぼ全負荷域で低い値を示しており、最も低い点では最大３５％の低減が見られる。これはエマルション粒径が均一で燃焼が安定しており、微粒子のエマルションが吸熱により効率よく燃焼温度を確実に抑えていると推測される。

ＳＰＧ膜で生成したエマルション燃料を水冷式単気筒直噴ディーゼル機関に用いて、機関回転速度１０００ｒｐｍ一定のもとで部分負荷試験を行い、総合性能と排気ガス分析を比較した。燃料油のＪＩＳ２号軽油には油溶性界面活性剤３％を添加して、図１に示す乳化システムでエマルション燃料を生成した。細孔径５μｍのＳＰＧ膜を用い、水（Ｗ）と軽油（Ｏ）の容積比をＷ／Ｏ＝３０％、４０％、５０％と生成した。このエマルション燃料とのエンジン性能および排気ガス特性の比較を図８に示す。

（１）正味窒素酸化物（ＢＳＮＯＸ）は全負荷域で、最大５５乃至９９％の減少を示している。これは、エマルション燃料中の水が燃焼熱を吸収し、最高燃焼温度が低下することによりＮＯＸが低減したと考えられる。また、燃焼中に炭化水素から生成する遊離炭素と水分が反応する水性ガス反応が一部で起こり、燃焼促進を助長すると同時に、吸熱作用が寄与し、さらに燃焼温度が低下してＮＯＸの抑制に関与したものと推測される。
（２）黒煙は、ほぼ全負荷域で最大４９％乃至６９％の減少率であった。単分散エマルション燃料は、水の含有量に比例して密度が軽油より大きく、噴射後における液滴の運動エネルギーが大きくなり、同一圧力で噴射されたときより広く拡散し、より多くの空気と遭遇することができるため、燃焼が改善されて黒煙が減少したと推測される。黒煙が減少したことによりＰＭの低減も十分予想される。
（３）正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）は水の含有量の増加と共に最大１７％乃至１９％の減少率を示した。黒煙減少の理由と同様だが単分散エマルション燃料は、水の含有量に比例して密度が軽油より大きく、質量効果により、同一圧力で噴射されたときより広く拡散する。このことにより、より多くの空気と遭遇することができ、燃焼が改善され燃費向上につながったと推測される。
（４）騒音（Ｎｏｉｓｅ）の増加はそれぞれ２乃至５、０乃至８、１乃至８ｄＢ・Ａであった。これは水を混入したことにより熱容量が増えるため着火遅れ期間が長くなり圧力上昇率の増加と推測される。

本発明は、従来のエマルション燃料生成システムにはない簡単、軽量、低コスト、低エネルギーでシステム化が可能で、本発明の均一孔径を有する多孔質体で得られる均一粒径エマルション燃料は、ＮＯＸ、ＰＭを同時に低減することが可能で、従来の乳化方法では実用的でなかったエマルションの均一性、微細化を有した実用的で画期的な環境調和型エマルション燃料生成システムである。

ＳＰＧ膜を利用したエマルション燃料生成連続透過乳化システムを示す概略図である。 細孔径５μｍを使用して得られた本発明の乳化方法によるエマルション燃料Ｗ／Ｏ粒径分布を示すグラフである。 インパイプミキサー法により得られたエマルション燃料Ｗ／Ｏ粒径分布を示すグラフである。 超音波法により得られたエマルション燃料Ｗ／Ｏ粒径分布を示すグラフである。 ２段式多孔質体透過膜乳化法を示す概略図である。 ２段式多孔質体透過膜乳化によるエマルション粒径分布を示すグラフである。 本発明の乳化方法と従来の乳化方法によるエマルション燃料燃焼実験結果を示すグラフである。 エマルション燃料の水の含有量の違いによるエマルション燃料燃焼実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 連続相燃料油
２ 分散相水
３ 送液ポンプ
４ ＳＰＧ膜（第１のＳＰＧ膜）
５ エマルション燃料
６ 第２のＳＰＧ膜

Claims (3)

1. 三次元的な網目状の連続した均一な細孔径を有する多孔質体に、連続相液となる燃料油と分散相液となる水または水溶液を同時に透過させながら乳化型燃料を生成することを特徴とする乳化型燃料の生成方法。
2. 多孔質体にめっきを施したことを特徴とする請求項１記載の乳化型燃料の生成方法。
3. 請求項１または請求項２記載の多孔質体を用いた特徴とする乳化型燃料の生成装置。

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