JP2009138145A - エマルジョン燃料の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 初期点火が可能であって他の燃料を併用する必要がなく、ガソリンを用いても乳化が容易なエマルジョン燃料の製造装置を提供する。
【解決手段】 アルカリ水溶液と金属とを反応させて水素を発生させる水素発生部４と、水と石油系液体燃料と水素発生部４からの水素とを混合攪拌しながら乳化してエマルジョン燃料とする攪拌部５と、攪拌部５で乳化及び混合されたエマルジョン燃料を燃焼装置１０に直接に供給する供給部６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ボイラー等の燃料として用いられるエマルジョン燃料の製造装置及び製造方法に関する。

エマルジョン燃料は、Ｗ／Ｏ（油中水）型エマルジョンとなっている。このエマルジョン燃料はエンジン等の燃焼装置内における高温雰囲気中で水粒子が微小爆発することにより水分子を囲んでいる燃料粒子（油粒子）がさらに細分化されて燃料油と空気とが良好な混合状態となり、これらの接触面積が増大するため、燃料油が完全燃焼し、排ガス中の煤や煤塵を低減させることができる作用を有している。すなわち、１気圧の下で気化する水は約１７００倍の体積に膨張するものであり、Ｗ／Ｏ型エマルジョン燃料に含まれる水粒子が瞬間的に沸騰し、気化して膨張することにより、周囲の油粒子を粉砕して吹き飛ばす微小爆発が起こり、この微小爆発によって燃料油の完全燃焼を行うものである。

エマルジョン燃料においては、空気比を低減させて燃焼できるため、低減した分だけの排ガスの持ち逃げ熱ロスがなくなる。又、燃焼用空気量が少なくなるため、燃焼ガスの燃焼器内での滞留時間が長くなり、熱交換が効率良く行われ熱損失を低減させることができる。さらには、エマルジョン燃料では、燃焼ガスが完全燃焼するため、ＮＯｘやＳＯｘの発生量を抑制することができる。

以上のエマルジョン燃料は相溶性のない水及び油を用いるところから、界面活性剤を用いることにより界面張力を低下させて乳化している。特許文献１には、沸点が１３０〜４２５℃の石油系液体燃料（すなわち軽油又は重油）７０〜９５重量％と、エタノール２〜２５重量％と、水０．００２〜０．８重量％に対し、アミン界面活性剤、エーテル界面活性剤等の界面活性剤５〜１００重量％を混合して乳化することが記載されている。特許文献２には、ディーゼル油７０重量％に対して２５重量％以下の水を混合し、５０重量％以下の界面活性剤を用いて乳化することが記載されている。特許文献３には、石油系液体燃料として重油、軽油を用い、この燃料に界面活性剤を用いて水道水を乳化する際に超音波振動を加えることが記載されている。
特表２００４−５１５６４１公報 特表２００５−５０４８７５公報 特開２００１−１３９６４公報

しかしながら、エマルジョン燃料は燃焼装置内での初期点火ができないため、その使用に際しては、当初に重油、軽油を燃焼させてエンジン、ボイラー等を駆動し、駆動が安定した段階でエマルジョン燃料に切り替える必要がある。このため、エマルジョン燃料に加えてガソリンや軽油、重油などの他の燃料を備える必要があり、装置全体が複雑且つ大型化している。又、エマルジョン燃料と他の燃料との切り替えのための制御が必要のため、面倒となる問題がある。

さらに、重油、軽油に対する乳化は可能であるが、ガソリンに対しての乳化が困難であり、このためエマルジョン燃料としては、ディーゼルエンジン、ボイラー等へ適用されるだけであり、自動車に搭載されているガソリンエンジンへ適用することはできず、適用範囲が狭いものとなっている。

本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、初期点火が可能であって他の燃料を併用する必要がなく、しかもガソリンを用いても乳化が容易なエマルジョン燃料の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明のエマルジョン燃料の製造装置は、アルカリ水溶液と金属とを反応させて水素を発生させる水素発生部と、水と石油系液体燃料と前記水素発生部からの水素とを混合攪拌しながら乳化してエマルジョン燃料とする攪拌部と、前記攪拌部で乳化及び混合されたエマルジョン燃料を燃焼装置に直接に供給する供給部とを備えていることを特徴とする。

請求項２記載の発明のエマルジョン燃料の製造装置は、アルカリ水溶液と金属とを反応させて水素を発生させる水素発生部と、水と安定剤と石油系液体燃料と前記水素発生部からの水素とを混合攪拌しながら乳化してエマルジョン燃料とする攪拌部と、前記攪拌部で乳化及び混合されたエマルジョン燃料を貯蔵する貯蔵部とを備えている特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のエマルジョン燃料の製造装置であって、前記水素発生部は、前記アルカリ水溶液の液タンクと、前記金属の小片が内部に設けられた反応タンクと、前記アルカリ水溶液を反応タンクから液タンクに戻すための循環用タンクと、前記液タンク内のアルカリ水溶液を反応タンクに滴下する滴下ポンプとを備えていることを特徴とする。

請求項４記載の発明のエマルジョン燃料の製造方法は、アルカリ水溶液と金属とを反応させて水素を発生させ、この水素と水と石油系液体燃料と混合攪拌しながら乳化させてエマルジョン燃料を作製し、前記エマルジョン燃料を燃焼装置に直接に供給するための供給部に供給することを特徴とする。

請求項５記載の発明のエマルジョン燃料の製造方法は、アルカリ水溶液と金属とを反応させて水素を発生させ、この水素と水と安定剤と石油系液体燃料と混合攪拌しながら乳化させてエマルジョン燃料を作製することを特徴とする。

本発明は、水と石油系液体燃料と水素発生部からの水素とを混合攪拌してエマルジョン燃料を製造する。製造されたエマルジョン燃料は、着火性が良好であるため、初期点火が容易であり、当初から燃焼に用いることができ、他の燃料を併用する必要がない。しかもガソリンに適用しても乳化が可能である。

図１は本発明の一実施形態のエマルジョン燃料の製造装置を示し、図２及び図３は攪拌部を示している。

エマルジョン燃料の製造装置１は、水タンク２と、燃料タンク３と、水素発生部４と、攪拌部５と、供給部６と、コントローラ７とを備えており、供給部６が車載のガソリンエンジンやジーゼルエンジン或いはボイラー等の燃焼装置１０に接続されている。車両に適用する場合、製造装置１はエンジンとの接続状態でエンジンと共に車両に搭載される。これにより、車両走行の際における連続的な燃料供給が可能となる。ボイラーに適用する場合、製造装置１はボイラーに接続されて燃料を連続的に供給する。

製造装置１においては、水及び石油系液体燃料を強力に混合・乳化することによりエマルジョン燃料が製造される。エマルジョン燃料の製造の際には、水素ガスがエマルジョン燃料に混合される。水タンク２はエマルジョン燃料の原料の１つである水を貯留するタンクである。水としては、水道水、蒸留水その他の入手が可能なものを選択することができる。

燃料タンク３は石油系液体燃料を貯留するタンクである。石油系液体燃料としては、重油、軽油、ガソリンをそれぞれ単独で使用する。本発明では、重油、軽油だけでなく、ガソリンをエマルジョン燃料の原料として用いるものである。水及び石油系液体燃料の混合物（水素を除く）を１００重量部とした場合、石油系液体燃料としては、２０〜７０重量％の配合割合で用いられる。又、石油系液体燃料としてガソリンを用いる場合には、３０〜６０重量％の配合割合が良好である。

水素発生部４は水素ガスを発生させる部位である。水素発生部４は液タンク１１と、反応タンク１２と、循環ポンプ１３と、滴下ポンプ１４とを備えている。液タンク１１はアルカリ水溶液１７を貯留するタンクである。アルカリ水溶液１７としては、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の水溶液、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属の水溶液、又はこれらの混合液を用いることができる。これらのアルカリ水溶液１７を反応タンク１２内の金属の小片（金属片）１５と接触させることにより水素ガスが発生する。

金属片１５は反応タンク１２内に充填される。金属片１５としては、アルミニウム、スズ、鉛などの両性金属又は酸化アルミニウム（ＡＬ２Ｏ３）等の両性酸化物を用いる。これらの金属片１５がアルカリ水溶液１７と接触することにより水素ガスが発生する。式１はアルカリ水溶液１７として水酸化ナトリウムを用い、金属片１５としてアルミニウムを用いた場合の反応式である。式１の反応式における標準自由エネルギーは−４３７．８Ｋｊ／ｍｏｌであり、反応が速やかに進行する。

Ａｌ＋ＮａＯＨ＋３Ｈ２Ｏ→（Ａｌ（ＯＨ）４）＋３／２Ｈ２……式１

金属片１５として、アルミニウムを選択する場合、アルミニウム缶やアルミニウム製サッシ等のアルミニウム廃材を用いることができる。このようなアルミニウム廃材を用いることにより、原料が安価であるため、エマルジョン燃料の製造価格を安価とすることが可能となる。

反応タンク１２の出口は攪拌部５に連結されており、内部で発生した水素ガスを攪拌部５に供給する。反応タンク１２の下流側には、予備タンク１８が接続され、予備タンク１８に循環ポンプ１３が接続されている。従って、反応タンク１２での反応の後のアルカリ水溶液１７を液タンク１１に戻して再使用することができる。

滴下ポンプ１４は液タンク１１と反応タンク１２との間に配置されてこれらを接続する。滴下ポンプ１４は液タンク１１内のアルカリ水溶液を反応タンク１２内に滴下する。このことによりアルカリ水溶液が金属片１５と接触して上述した反応が進行する。滴下ポンプ１４はアルカリ水溶液の滴下及びその停止を行うようにコントローラ７によって制御されている。

このように水素ガスを発生する水素発生部４を備えた構造では、水素ガスのガスタンクが不要となり、大きなガスタンクを用いる必要がない。このため、装置全体が大型化することがなく、車載構造としても簡単に取り扱うことができる。

攪拌部５は水タンク２内の水と、燃料タンク３内の石油系液体燃料とを混合攪拌することにより乳化する。この乳化と同時に、水素発生部４からの水素ガスを乳化物に混合する。攪拌部５としては、超微粒子化装置としてのナノマイザー（商品名）や高圧攪拌装置、その他の装置を用いることができる。

図２及び図３は、この実施形態で用いる攪拌部５を示す。攪拌部５は筒状通路２１と、筒状通路２１内に配置した一対のディスク２２，２３とを備えている。筒状通路２１は水、石油系液体燃料及び水素ガスを導入する入口２１ａと、乳化された燃料の出口２１ｂとが両側に形成されている。これらの間には、断面積が大きくなっている攪拌室２１ｃが形成されている。一対のディスク２２，２３は、攪拌室２１ａ内に挿入されて固定される。ディスク２２，２３はステンレス、超硬合金等の耐摩耗性金属により形成されるものである。

図３は一方のディスク２２を示し、厚さ方向に貫通する２つの貫通孔２２ａ，２２ｂと、貫通孔２２ａ，２２ｂを直線的に連結する連結溝２２ｃとを備えている。連結溝２２ｃはディスク２２を貫通することのない深さとなっている。すなわち、連結溝２２ｃはディスク２２の一面側で凹むだけであり、ディスク２２の他面側には連結溝２２ｃが形成されることがない。他方のディスク２３は、ディスク２２と面対称となるように形成されている。すなわち、他方のディスク２３は厚さ方向に貫通する２つの貫通孔２３ａ，２３ｂと、貫通孔２３ａ、２３ｂを直線的に連結する連結溝２３ｃとを備えている（図２参照）。ディスク２２及び２３は、連結溝２２ｃ及び２３ｃが対面し、且つ中心が一致するように組み付けられる。このとき、貫通孔２２ａ，２２ｂ及び２３ａ，２３ｂが重ならない関係となるように組み付けられる。このため、連結溝２２ｃ，２３ｃが中心点で交差するようにディスク２２，２３が組み付けられる。図２においては、連結溝２２ｃ、２３ｃが直交するようにディスク２２，２３が組み付けられている。

図２に示す攪拌部５において、水及び石油系液体燃料は矢印で示すように入口２１ａから導入される。水及び石油系液体燃料は、所定の高圧となるように加圧されて導入される。これらの圧力は、例えば、２〜２０００ｋｇ／ｃｍ２の範囲内で適宜選択される。高圧で攪拌室２１ｃに導入された水及び石油系液体燃料は液流となってディスク２２の貫通孔２２ａ，２２ｂからディスク２３側に流出する。流出した液流はディスク２２の連結溝２２ｃに沿って流れてディスク２２の中心部分で衝突する。衝突した液流は、その後、ディスク２３の連結溝２３ｃの中心部で衝突し、連結溝２３ｃの両端に向かって流れ、連結溝２３ｃの両端の貫通孔２３ａ,２３ｂからディスク２３の外側に流出し、出口２１ｂから排出される。排出されたエマルジョン燃料を入口２１ａから再度、攪拌部５に導入して上述した混合、乳化を繰り返してしても良く、これによりさらに良好な乳化が可能となる。

以上の攪拌部５は水及び石油系液体燃料を高圧下で分岐、合流、衝突を複数回行わせることにより圧力の急激変化や流速の増大衝突させるものであり、これらの物理現象によって水及び石油系液体燃料は微粒子化されて乳化されエマルジョン燃料となる。このような物理現象による乳化では、界面活性剤が不要となり、界面活性剤の燃焼残部の付着や燃焼効率の低下がなくなる。従って、エマルジョン燃料の完全燃焼が可能となり、エネルギーを効率良く得ることができる。

又、水及び石油系液体燃料が強力な物理現象によって微粒子化されて乳化されているため、非常に安定したエマルジョン燃料となっている。従って、半年〜３年等の長期保存においても、分離することがなく、そのまま燃料として使用することができる。又、ガソリンに対しても安定した乳化が可能なため、重油、軽油だけでなくガソリンも乳化することができる。従って、自動車のガソリンエンジンに対しても適用することができる。

図１において水タンク２と攪拌部５との間には、ポンプ３１が設けられることにより、上述した水への加圧が行われる。又、燃料タンク３にはインジェクション３２が設けられることにより、上述した石油系液体燃料への加圧が行われる。

攪拌部５に対しては、水素発生部４からの水素ガスが水及び石油系液体燃料と共に入口２１ａから導入されてディスク２２，２３を通過する。この通過の際に、水素ガスはエマルジョン燃料と衝突や合流を繰り返すことによりエマルジョン燃料と混合される。水素ガスがエマルジョン燃料に混合されることにより、燃焼装置１０では高温の燃焼熱を発生することができ、燃焼効率が向上するため、少ない石油系液体燃料にかかわらず車両の走行やボイラーの加熱を確実に行うことができる。又、着火力が大きくなるため、初期点火の際からエマルジョン燃料を用いることができ、燃料の切り替えが不要となる。

攪拌部５としては、別の構造を用いることができる。例えば、筒ブロックやディスクに多数の小孔を形成し、小孔を繰り返して通過させることにより、粒子を微細化すると共に乳化する構造としても良い。

燃焼装置１０としては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ボイラー等を用いることができる。攪拌部５からのエマルジョン燃料及び水素ガスの混合物は、供給部６から燃焼装置１０に供給されて燃焼処理される。すなわち、この実施形態では、攪拌部５からのエマルジョン燃料及び水素ガスの混合物は、保存されることなく、直接に燃焼装置１０に供給されるものであり、エマルジョン燃料が経時的に分離することがない。このため、自動車エンジンに良好に適用することができる。

コントローラ７は燃焼装置１０と接続されており、燃焼装置１０からの信号が入力されることにより水タンクのポンプ３１及び水素発生部４の滴下ポンプ１４を制御する。例えば、エマルジョン燃料に対する水の配合比を調整するときにはポンプ３１を制御し、水素ガスの混合比を調整するときには滴下ポンプ１４を制御してアルカリ水溶液１７の滴下量を増減する。

このようなエマルジョン燃料の製造装置１では、攪拌部５で強力な混合及び乳化が行われて安定したエマルジョン燃料が製造され、且つエマルジョン燃料に水素ガスが混合されるため、初期点火が可能となる。従って、当初からエマルジョン燃料を継続使用することができる。これにより、ガソリンや軽油によって初期点火を行った後、エマルジョン燃料に切り替える必要がなく、燃料燃焼の制御が容易となる。又、ガソリンに対しての乳化も可能であるため、ガソリンエンジンへの適用ができ、広範な適用範囲とすることができる。さらに、自動車のエンジンやボイラーに簡単に接続できるため、これらの燃焼装置への適用が容易となる。

図４は本発明の別の実施形態であり、上述した実施形態と同じ部材には同じ符号を付して重複する説明を省略する。この実施形態では、安定剤タンク４１が攪拌部５に接続されている。すなわち、安定剤タンク４１は水タンク２及び燃料タンク３と共に安定剤を攪拌部５に供給するものである。

安定剤タンク４１に充填される安定剤としては、界面活性剤以外の物質が用いられる。例えば、ヒマシ油、パーム油等の油脂、リン酸、クエン酸等の酸性物、グリセリン等の燃調物質、その他の物質を単独で又は混合して用いることができる。これらの安定剤は、エマルジョン燃料の燃焼熱によって完全に酸化したり、分解する物質が選択される。

安定剤タンク４１には、コントローラ７によって制御されるポンプ４２が接続されており、ポンプ４２によって加圧された状態で攪拌部５に供給される。攪拌部５では、同様に加圧された水及び石油系液体燃料が供給されており、その強力な混合及び乳化によって安定したエマルジョン燃料を製造することができる。特に、安定剤によって乳化状態が安定しているため、この実施形態のエマルジョン燃料は貯蔵タンク４３に貯蔵することができる。貯蔵に際しても、乳化状態が安定しているため、分離することがなく長期保存が可能となる。

この実施形態におけるコントローラ７は、水素発生部４のアルカリ水溶液の滴下ポンプ１４に接続されており、エマルジョン燃料の製造の際に水素ガスを混合する必要がない場合には、滴下ポンプ１４が停止するように制御する。従って、エマルジョン燃料の保存の際には、水素ガスの混合の有無を適宜選択することができる。

本発明の一実施形態の製造装置を示すブロック図である。 攪拌部の断面図である。 攪拌部に用いるディスクの斜視図である。 本発明の別の実施形態の製造を示すブロック図である。

符号の説明

１ 製造装置
２ 水タンク
３ 燃料タンク
４ 水素発生部
５ 撹拌部
６ 供給部
７ コントローラ
１２ 反応タンク
１４ 滴下ポンプ
１５ 金属片

Claims (5)

1. アルカリ水溶液と金属とを反応させて水素を発生させる水素発生部と、水と石油系液体燃料と前記水素発生部からの水素とを混合攪拌しながら乳化してエマルジョン燃料とする攪拌部と、前記攪拌部で乳化及び混合されたエマルジョン燃料を燃焼装置に直接に供給する供給部とを備えていることを特徴とするエマルジョン燃料の製造装置。
2. アルカリ水溶液と金属とを反応させて水素を発生させる水素発生部と、水と安定剤と石油系液体燃料と前記水素発生部からの水素とを混合攪拌しながら乳化してエマルジョン燃料とする攪拌部と、前記攪拌部で乳化及び混合されたエマルジョン燃料を貯蔵する貯蔵部とを備えている特徴とするエマルジョン燃料の製造装置。
3. 前記水素発生部は、前記アルカリ水溶液の液タンクと、前記金属の小片が内部に設けられた反応タンクと、前記アルカリ水溶液を反応タンクから液タンクに戻すための循環用タンクと、前記液タンク内のアルカリ水溶液を反応タンクに滴下する滴下ポンプとを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載のエマルジョン燃料の製造装置。
4. アルカリ水溶液と金属とを反応させて水素を発生させ、この水素と水と石油系液体燃料と混合攪拌しながら乳化させてエマルジョン燃料を作製し、前記エマルジョン燃料を燃焼装置に直接に供給するための供給部に供給することを特徴とするエマルジョン燃料の製造方法。
5. アルカリ水溶液と金属とを反応させて水素を発生させ、この水素と水と安定剤と石油系液体燃料と混合攪拌しながら乳化させてエマルジョン燃料を作製することを特徴とするエマルジョン燃料の製造方法。

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