JP2008261534A - エマルジョン燃料を使用する水蒸気ボイラー及び温水ボイラー、そしてエマルジョン燃料の燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エマルジョン燃料とオイル燃料を夫々噴射するノズルを備えて燃焼する縦型水蒸気ボイラー又は温水ボイラーであって、エマルジョン燃料を効率よく燃焼させることが出来るボイラーの提供。
【解決手段】 ボイラー本体１の上部には上記ノズル４ａ，４ｂを対を成して取付け、該ノズル４ａ，４ｂの先端から所定の距離を隔てた位置に耐火物板５を燃料噴射方向に対して垂直を成して配置し、耐火物板５には複数の小さな穴１２，１２・・を貫通し、その下面には下方先端側の径を小さくしたラッパ耐火物６を取付けている。
【選択図】 図１

Description

本発明は液体燃料の１つであるエマルジョン燃料を使用する水蒸気ボイラー及温水ボイラー、そしてエマルジョン燃料の燃焼方法に関するものである。

エマルジョン燃料とは、水と軽油、灯油、重油などの燃料油を乳化剤の存在下に混合して作られる液体燃料である。このエマルジョン燃料を燃焼させる時に窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）や煤塵の発生が少なく、その為に大気汚染防止に有効な燃料であることが知られている。しかし、このエマルジョン燃料は一般のオイル燃料に比較して燃焼効率が低く、一部の分野で使用されているに止まっている。

原油を原料とするオイル燃料の価格は、産油国の減産や世界経済の影響によってその価格が急騰する場合も多く、エマルジョン燃料の燃焼効率を高めることが出来るならば、その分、オイル燃料の消費量を低下させることが出来、加えて大幅な大気汚染防止効果も得られることから、社会貢献度は極めて大きいといえる。

特開平６−３４６０７１号に係る「エマルジョン燃料」は、（ａ）石油系流体燃料と食用油脂回収油の混合油６０〜９０重量％及び水１０〜４０重量％からなる混合物と、（ｂ）該混合物に対して０．１〜５．０ 重量％の界面活性剤とを含有してなる（水中油滴型）エマルジョン燃料である。

資源環境問題からその有効利用が望まれている食用油脂回収油の配合効果により、長期間貯蔵してもエマルジョンの分離や分解の起きない極めて安定性に優れた燃料であり、またエマルジョン化することで排気ガス中の煤塵や窒素酸化物が大きく低減でき、クリーンな燃料である。

特開平１１−２６３９９１号に係る「エマルジョン燃料」は、燃料、特にＡ重油、軽油の燃焼により排出される窒素酸化物を削減するとともに、熱効率を向上することにより、同じく燃焼時に排出される炭酸ガス量を削減することが出来る燃料である。

燃焼効率を向上するには空気比を１にしても完全燃焼が可能な燃焼方法を確立することである。エマルジョン燃料の水微粒子の大きさを２０μ以下のある径に揃っている、一定時間内では粒子径に変化がないことを特徴とするエマルジョン燃料を時間内に燃焼する。これにより熱効率の向上、窒素酸化物の大幅な減少が可能となる。水中油滴型エマルジョン燃料においては油微粒子を５μ以下とすることにより熱効率、窒素酸化物の削減が可能となる。
特開平６−３４６０７１号に係る「エマルジョン燃料」 特開平１１−２６３９９１号に係る「エマルジョン燃料

このように、エマルジョン燃料は大気汚染を防止する上では大きな効果があることは確認されているが、燃焼効率に関しては問題が残されている。本発明が解決しようとする課題はこの問題点であり、エマルジョン燃料を効率よく燃焼することが出来る水蒸気ボイラー及び温水ボイラーを提供する。一方ではエマルジョン燃料が高い効率で燃焼する方法を提供する。

本発明に係る水蒸気ボイラー及び温水ボイラーはエマルジョン燃料を使用し、これを効率よく燃焼することが出来る構造としている。バーナーからは２本のノズルが延び、一方のノズルはエマルジョン燃料を噴出し、他方のノズルはオイル燃料を噴出することが出来る。ここで、本発明にて使用されるエマルジョン燃料の水とオイルの混合比率は限定しないことにする。

ところで、両ノズルから噴出する燃料は点火して燃焼するが、燃焼炎は耐火物板に当るように互いの位置関係が定められる。すなわち、両ノズル先端から所定の距離を隔てて上記耐火物板が垂直に配置され、耐火物板には複数の小さな穴が貫通して設けられている。そして、この耐火物板の背面側（裏側）には先端を細くしたラッパ耐火物が取付けられる。

ここで、上記耐火物板及びラッパ耐火物はエマルジョン燃料及びオイル燃料の燃焼に際しての燃焼熱に耐え得る材質と成っている。一般にはセラミック製とし、シリカ、アルミナを主な材質として成型されている。ただし、具体的な大きさ、形状に関しては限定せず、ノズル先端から耐火物板までの距離も限定されず、ボイラーの型式に応じて対応している。

ところで、エマルジョン燃料及びオイル燃料は各ノズルから噴射すると共に燃焼し、正面に位置する耐火物板に当って燃焼炎の一部は外側へ流れ、他の一部は耐火物板に貫通している複数の小さな穴からラッパ耐火物へ流れ込む。この際、エマルジョン燃料を構成している水は酸素（Ｏ）と水素（Ｈ^２）に分解されてボイラー内部で一酸化炭素（ＣＯ）が生成され、この水素ガス及び一酸化炭素ガスが燃焼することになる。

本発明はエマルジョン燃料をオイル燃料と共に燃焼させるだけでは、その燃焼効率は高くならないが、ノズルから噴出する燃料が燃焼して発生する燃焼炎を耐火物板に当ると共に、耐火物板に貫通して設けた複数の穴からラッパ耐火物内へ流すように構成している。その為に、エマルジョン燃料を構成している水が耐火物板に当ることで分解して発生する水素ガスと一酸化炭素ガスとして燃焼し、この水素ガス燃焼と一酸化炭素ガスの燃焼に基づく発熱が大きくなる。

このことで、本発明の水蒸気ボイラー及び温水ボイラーは高い燃焼効率を発揮することが出来る。ラッパ耐火物は先端側を細くした筒体であり、しかも内面には螺旋状の凸部を形成することで、ラッパ耐火物内へ流れた燃焼炎は渦を巻いて径を小さくした先端開口から勢いよく流れ出し、ボイラー本体の隅々まで行き渡ることが出来る。本発明では、燃焼炎にこのような流れを形成することでエマルジョン燃料の燃焼効率が一段と向上する。

図１は縦型の水蒸気ボイラーを示す断面概略図であり、同図の１はボイラー本体、２は水管、３はバーナー、４はノズルを夫々表している。本発明の水蒸気ボイラーはボイラー本体１の内周面に沿って水管２，２・・が配列され、ノズル４から噴出されて燃焼する燃料によって水管２，２・・内の水が加熱されて蒸気を発生することが出来る。本発明では発生する蒸気の用途に関しては関知しないが、例えばクリーニングの乾燥や冷凍食品の解凍などに使用される。

ところで、上記ボイラー本体１の上部には、エマルジョン燃料を噴出するエマルジョン燃料ノズル４ａとオイル燃料を噴出するオイル燃料ノズル４ｂが対を成して設けられ、これら両ノズル４ａ，４ｂから噴出する各燃料が燃焼して燃焼炎を発生し、ノズル４ａ，４ｂの先端から所定の距離を隔てて配置されている耐火物板５に当る。この耐火物板５には小さな穴が多数貫通して設けられ、そして、耐火物板５の下面側にはラッパ耐火物６が取付けられている。

そして、この状態でボイラー本体１の底に取着されている基板７から起立する３本の支持脚８，８，８の上端に載ってラッパ耐火物６は支持され、該ラッパ耐火物６の上に上記耐火物板５が取付けられている。耐火物板５はノズル４ａ，４ｂからの燃料噴出方向に対して垂直に配置され、その為にノズル４ａから噴出するエマルジョン燃料の燃焼炎、及びノズル４ｂから噴出するオイル燃料の燃焼炎は耐火物板５の上面９に当る。上面９に当った燃焼炎の一部は外方向へ流れ、耐火物板５に当った燃焼炎の他の一部は該耐火物板５に貫通した穴からラッパ耐火物６へ流れ込む。

ラッパ耐火物６は下方側の径が小さく成るようにテーパーを形成し、その為に燃焼炎の流れは速くなり、先端開口から勢いよく噴出する。従って、燃焼炎はボイラー本体１の内部全域へ行き渡り、水管２，２・・を均等に加熱することが出来る。すなわち、ボイラー本体１の上部に取付けたノズル４ａ，４ｂだけでは完全燃焼を行うことが出来ないと共に、ボイラー本体１の隅々まで燃焼炎を行き渡らせることは出来ない。

同図に示す実施例では、ボイラー本体１の底に取着されている基板７から起立する３本の支持脚８，８，８の上端に載ってラッパ耐火物６が支持され、該ラッパ耐火物６の上に上記耐火物板５が載って取付けられている構造としているが、本発明では上記耐火物板５及びラッパ耐火物６をボイラー本体１の内部に配置する具体的な手段は限定しないことにする。

図２は耐火物板５を示す具体例である。この耐火物板５は２枚の半円形耐火物片１０ａ，１０ｂからなり、両耐火物片１０ａ，１０ｂは互いに付き合わされ、２本の連結ピン１１，１１にて繋がれている。この耐火物板５はボイラー内部の高熱に耐えることが出来る材質で構成され、一般にはセラミック製としている。そして、円盤形をした耐火物板５には複数の小さな穴１２，１２・・が貫通して設けられ、又、下面には耐火物板５と同心を成してリング状の凹溝１３を形成している。勿論、同図に示すように耐火物板５を２枚の耐火物片１０ａ，１０ｂの組み合わせ構造とする場合に限定するものではない。

図３はラッパ耐火物６を表している具体例である。このラッパ耐火物６は同図に示すように下方側の径を小さくした筒形であり、下端部には支持脚８の上端に載置されて連結する為の穴１４を設けている。そして、ラッパ耐火物６の内周面１５には、４本のラセン凸部１６，１６・・が形成され、該ラセン凸部１６，１６・・はラッパ耐火物６の上端から下端にかけて延びている。そして、このラッパ耐火物６はその上縁部が図１に示すように、図２の耐火物板５の下面に形成した凹溝１３に嵌合して組み合わされる。

ところで、耐火物板５の穴１２，１２・・を通過してラッパ耐火物６へ流れ込む燃焼炎はラセン凸部１６，１６・・に沿って渦を巻き、燃焼炎は下端開口から渦を巻いて流出する。渦を巻くことで運動エネルギーは向上し、高温の燃焼炎はボイラー本体１の底部まで達することが出来、底に取着した基板７に当って外方向へ拡散する。外方向へ拡散した燃焼炎はボイラー本体１の内周に配置される水管２，２・・を均一に効率よく加熱することが出来る。

図４は本発明に係る横型の水蒸気ボイラーを示す概略図である。前記図１の縦型水蒸気ボイラーと同じく、１はボイラー本体、２は水管、３はバーナー、４はノズルを夫々表している。そして、ボイラー本体１の内周面に沿って水管２，２・・が配列され、ノズル４から噴出されて燃焼する燃焼熱によって加熱され、水管２，２・・内の水は蒸気を発生することが出来る。

上記ボイラー本体１の一方側（同図の左側）にはエマルジョン燃料を噴出するエマルジョン燃料ノズル４ａとオイル燃料を噴出するオイル燃料ノズル４ｂが対を成して設けられ、これら両ノズル４ａ，４ｂから噴出する各燃料が燃焼して燃焼炎を発生し、水平に延びるノズル４ａ，４ｂの先端から所定の距離を隔てて起立する耐火物板５に当る。この耐火物板５には前記図２に示した耐火物板と同じように小さな穴１２，１２・・が多数貫通して設けられ、そして、耐火物板５の背面側にはラッパ耐火物６が取付けられている。

そして、この状態でボイラー本体１の底に取着されている基板７から起立する支持板１７の上端に載ってラッパ耐火物６は支持され、該ラッパ耐火物６の一方側端に耐火物板５が取付けられている。耐火物板５は水平に延びるノズル４ａ，４ｂからの燃料噴出方向に対して垂直に配置され、その為にノズル４ａから噴出するエマルジョン燃料の燃焼炎、及びノズル４ｂから噴出するオイル燃料の燃焼炎は耐火物板５の上面９に当る。上面９に当った燃焼炎の一部は外方向（耐火物板５の外周方向）へ流れ、耐火物板５に当った燃焼炎の他の一部は該耐火物板５に貫通した穴１２，１２・・からラッパ耐火物６へ流れ込む。

ラッパ耐火物６は後方先端の径を小さくしている為に、ベルヌイーの法則により燃焼炎の流れは速くなり、先端開口から勢いよく、しかも渦を巻いて噴出する。従って、燃焼炎はボイラー本体１の内部全域へ行き渡り、水管２，２・・を均等に加熱することが出来る。又、ラッパ耐火物６を支持している支持板１７にも穴を貫通して設けている為に、燃焼炎が該支持板１７にて遮られることはない。

図５は支持板１７を示す具体例である。該支持板１７には滑らかな円形凹部１８を有し、該円形凹部１８にはラッパ耐火物６が嵌って取付けられる。そして、支持板１７にも小さな穴１９，１９・・が貫通して設けられている。各ノズル４ａ，４ｂから噴出する燃焼炎の一部は耐火物板５に当って穴１２，１２・・を通過し、外方向へ流れる燃焼炎の一部は支持板１７に当ると共に、穴１９，１９・・を通過してボイラー本体１の後方へ流れることが出来る。

ところで、本発明ではエマルジョン燃料とオイル燃料を夫々のノズル４ａ，４ｂから噴射して燃焼させる。エマルジョン燃料は従来から知られており、その含水率が１０〜７０容量％、特に２０〜６０容量％のものが好ましい。該エマルジョン燃料を構成する為に用いる乳化剤としては各種の界面活性剤が使用される。エマルジョン燃料は出来る限り微分散状態のものが好ましく、オイル燃料と乳化剤水溶液とを所定量混合した後、超音波をかけながら混合して得られるエマルジョン燃料が特に好ましく用いられる。

本発明のボイラーを使用した燃焼方法では、オイル燃料よりもエマルジョン燃料を多量に用いることが可能であり、通常、前者を燃料全体の１０〜４０容量％とすることが出来る。燃焼操作の初期段階ではオイル燃料だけを燃焼させて耐火物板５を高温に加熱し、その後、両燃料を耐火物板５に当てて燃焼させると共に、ラッパ耐火物内を流すことで連続的に燃焼させることが好ましい。このように操作することで、燃焼温度を１０００〜１１００℃といった高温に上昇させることが出来、水蒸気を水成ガスに変換させると共に水素に分解し、エマルジョン燃料を構成する水とオイル燃料を完全燃焼させることが可能となる。

上記実施例は水蒸気ボイラーを具体的に説明したが、本発明が対象とする温水ボイラーの場合も同じである。すなわち、エマルジョン燃料を効率よく燃焼させることで所定温度の温水を作ることができる。

本発明に係る縦型水蒸気ボイラー。 水蒸気ボイラーを構成する耐火物板の具体例。 水蒸気ボイラーを構成するラッパ耐火物の具体例。 本発明に係る横型水蒸気ボイラー。 横型水蒸気ボイラーのラッパ耐火物を支える支持板。

符号の説明

１ ボイラー本体
２ 水管
３ バーナー
４ ノズル
５ 耐火物板
６ ラッパ耐火物
７ 基板
８ 支持脚
９ 上面
10 耐火物片
11 連結ピン
12 穴
13 凹溝
14 穴
15 内周面
16 ラセン凸部
17 支持板
18 円形凹部
19 穴

Claims (14)

1. エマルジョン燃料とオイル燃料を夫々噴射するノズルを備えて燃焼する縦型水蒸気ボイラーにおいて、ボイラー本体の上部には上記ノズルを対を成して取付け、該ノズルの先端から所定の距離を隔てた位置に耐火物板を燃料噴射方向に対して垂直を成して配置し、耐火物板には複数の小さな穴を貫通し、その下面には下方先端側の径を小さくしたラッパ耐火物を取付けたことを特徴とする縦型の水蒸気ボイラー。
2. 上記ボイラー本体の底に取着した基板から起立する支持脚上端にラッパ耐火物を載置し、このラッパ耐火物上端に耐火物板を取付けた請求項１記載の縦型の水蒸気ボイラー。
3. 上記ラッパ耐火物の内周面にはラセン上凸部を形成した請求項１、又は請求項２記載の縦型の水蒸気ボイラー。
4. エマルジョン燃料とオイル燃料を夫々噴射するノズルを備えて燃焼する横型水蒸気ボイラーにおいて、ボイラー本体の一方側には上記ノズルを対を成して取付け、該ノズルの先端から所定の距離を隔てた位置に耐火物板を燃料噴射方向に対して垂直を成して配置し、耐火物板には複数の小さな穴を貫通し、そしてその背面には先端側の径を小さくしたラッパ耐火物を取付けたことを特徴とする横型の水蒸気ボイラー。
5. 上記ボイラー本体の底に取着した基板から起立する支持板上部にラッパ耐火物を取付け、支持板には複数の小さな穴を貫通した請求項４記載の横型の水蒸気ボイラー。
6. エマルジョン燃料とオイル燃料を夫々噴射するノズルを備えて燃焼する縦型温水ボイラーにおいて、ボイラー本体の上部には上記ノズルを対を成して取付け、該ノズルの先端から所定の距離を隔てた位置に耐火物板を燃料噴射方向に対して垂直を成して配置し、耐火物板には複数の小さな穴を貫通し、その下面には下方先端側の径を小さくしたラッパ耐火物を取付けたことを特徴とする縦型の温水ボイラー。
7. 上記ボイラー本体の底に取着した基板から起立する支持脚上端にラッパ耐火物を載置し、このラッパ耐火物上端に耐火物板を取付けた請求項６記載の縦型の温水ボイラー。
8. 上記ラッパ耐火物の内周面にはラセン上凸部を形成した請求項６、又は請求項７記載の縦型の温水ボイラー。
9. エマルジョン燃料とオイル燃料を夫々噴射するノズルを備えて燃焼する横型温水ボイラーにおいて、ボイラー本体の一方側には上記ノズルを対を成して取付け、該ノズルの先端から所定の距離を隔てた位置に耐火物板を燃料噴射方向に対して垂直を成して配置し、耐火物板には複数の小さな穴を貫通し、そしてその背面には先端側の径を小さくしたラッパ耐火物を取付けたことを特徴とする横型の温水ボイラー。
10. 上記ボイラー本体の底に取着した基板から起立する支持板上部にラッパ耐火物を取付け、支持板には複数の小さな穴を貫通した請求項９記載の横型の温水ボイラー。
11. エマルジョン燃料をノズルから噴出して燃焼する方法において、該エマルジョン燃料の噴出ノズルと対を成して設けたオイル燃料用ノズルからオイル燃料を噴出して燃焼させ、燃焼炎をノズル先端から所定の距離を隔てて垂直に配置した耐火物板に当て、該耐火物板に当った燃焼炎の一部は外方向へ流れると共に他の一部は耐火物板に貫通して設けた穴を通過してラッパ耐火物内へ流れ込み、そして先端側の径を細くしている上記ラッパ耐火物の先端開口から燃焼炎を勢いよく流出することを特徴とするエマルジョン燃料の燃焼方法。
12. 上記ラッパ耐火物の内周面にラセン状の凸部を形成することで、該ラッパ耐火物内を渦を巻いて温度上昇を伴って燃焼炎が流れるようにした請求項１１記載のエマルジョン燃料の燃焼方法。
13. オイル燃料の容量をエマルジョン燃料とオイル燃料の合計容量に対して１０〜４０容量％とした請求項１１、又は請求項１２記載のエマルジョン燃料の燃焼方法。
14. エマルジョン燃料の含水率を２０〜６０容量％とした請求項１１、請求項１２、又は請求項１３記載のエマルジョン燃料の燃焼方法。

Images