JP2009210199A - 油水混合液体燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】油と水を混合させ、混合した水を超臨界にすることで、より多くの酸素ガス、及び水素ガスを発生させ、温度低下のない、また１２００℃以上の温度領域が維持できる燃焼装置を実現する。
【解決手段】油水混合液体燃焼装置１は、円筒形ケーシング２、バーナ部３、ブロワー４、及び油水混合液体をバーナ部３に供給する圧力ポンプ５を備え、円筒形ケーシング２内に螺旋状パイプ６が配置され、バーナ部３はバーナ部本体１０、バーナ部パイプ９及びバーナノズルとを備えており、ブロワー４を作動させ、送気パイプ１５を通して送気バーナ部本体１０に空気を供給し、バーナ部本体１０には、その前端部と、前端部と前記側壁開口との間における２ケ所に空気整流羽根１８が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、油水混合液体燃焼装置に関し、より詳細には、油と水を適当な割合で混合させた液体を燃焼させる油水混合液体の超臨界燃焼装置に関するものである。

ここ数年のオイルの高騰で多くの企業が油と水との油水混合燃焼の研究開発に取り組んでいる。例えば、油と水を混合加圧ポンプに導入管を経て等量導入し、噴射バーナノズルにより燃焼させる構成がすでに知られている（特許文献１参照）。

また、油と水との乳化燃料の開発についても多くの企業が取り組んでいる。しかし、燃焼装置への適合がうまくいかず普及するまでには至ってはいない。ボイラーでいえば、ボイラー技術の発達で、いろいろな制御が使用オイルに即して取り入れられているため、油と水の混合液体、あるいは油と水の乳化液体を既存のボイラーで燃焼させようとしても、うまくいかないのが現状である。

特開２００５−２０１６１５号公報

従来の乳化燃料は、油と水とを一定の割合で混合し、水／油（Ｗ／Ｏ）形の乳化状態に保ち、油の燃焼とともに水の水蒸気微爆発を誘発させ、水を水性ガスに変換させ燃焼させる方式である。この方式の燃焼は、油１００％の燃焼に比べて、加えた水の分に比例してカロリー不足を招き、そのため温度低下が認められる。軽質油ほどこの傾向が激しい。また、どのような割合で燃焼させても、１２００ ℃以上の温度を保つことは困難である。

本発明は、上記従来技術の問題を解決することを目的とするものであり、油と水を混合させ、混合した水を超臨界にすることで、より多くの酸素ガス及び水素ガスを発生させ、温度低下のない、また１２００℃以上の温度領域が維持できる燃焼装置を提供することで、溶融炉、加熱炉等にも使用出来る事を課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、円筒形ケーシングと、バーナ部と、ブロワーと、油水混合液体を前記バーナ部に供給する圧力ポンプと、を備え、油水混合液体を燃焼させる油水混合液体燃焼装置であって、前記円筒形ケーシング内には、その前部の内周壁に沿って螺旋状のパイプが配置されており、前記バーナ部は、前記円筒形ケーシング内に同心的に配置されており、バーナ部本体と、該バーナ部本体内に同心的に配設された直線状のバーナパイプと、該バーナパイプの前端に記円筒形ケーシング内に向けて取り付けられたバーナノズルとを備えており、前記ブロワーは、前記バーナ部本体の側壁開口にパイプを通して連通しており、前記螺旋状のパイプは、その基端は前記圧力ポンプに連通し、その先端は前記ブロワーパイプの後端に連通しており、前記バーナ部本体には、その前端部と、該前端部と前記側壁開口との間の２ケ所に空気整流羽根が配置されていることを特徴とする油水混合液体燃焼装置を提供する。

前記空気整流羽根は、風車状に配置された複数の羽根部材によって形成され、前記ブロワーパイプに回転可能に取り付けられていることが好ましい。

前記油水混合液体は、水と油を８：２〜２：８の割合で混合又は乳化させたものであり、前記圧力ポンプは、２２Ｍｐａ以上の吐出圧を有することが好ましい。

前記油水混合液体は、水と油を乳化させたものである場合は、乳化剤として、アルコール類を０．１〜１．０％添加することが好ましい。

本発明に係る油水混合液体燃焼装置は、燃焼用燃料として、油に水を混合して燃焼させるので、油の燃焼に伴って発生する窒素酸化物や硫黄酸化物を減らすことができ、また油の使用量も減るので、コスト削減とともに温暖化防止に多大の効果が生じる。

本発明に係る油水混合液体燃焼装置を実施するための最良の形態を実施例に基づき図面を参照して、以下説明する。

図１〜３は、本発明に係る油水混合液体燃焼装置１の実施例を説明する図である。本発明に係る油水混合液体燃焼装置１は、円筒形ケーシング２、バーナ部３、ブロワー４及び圧力ポンプ５を備えている。

円筒形ケーシング２には、その前部内周壁に沿って螺旋状パイプ６が配置されている。この螺旋状パイプ６は、その基端（油水混合液体を受ける上流端）がパイプ７により圧力ポンプ５に連通され、その先端（油水混合液体を送り出す下流端）が、パイプ８により、後記するバーナ部本体１０に同心的に設けられたパイプ（以下、「バーナ部パイプ」という。）９の後端（上流端）に連通されている。

圧力ポンプ５は、油水混合液体を、供給タンク（図示せず）から油水混合液体燃焼装置１へ、燃料として供給する圧力ポンプであり、その吐出圧力は少なくとも２２Ｍｐａ以上である。本発明では、「油水混合液体」とは、油と水が混合したものを意味し、その混合状態は、単に混合した状態でも良いし、乳化状態のものも含むものとする。

油水混合液体が水と油を乳化させたものである場合は、乳化剤として、アルコール類を０．１〜１．０％添加する。通常、Ａ重油等の乳化剤として、脂肪酸エステル系の乳化剤が使用されている。しかし、脂肪酸エステル系の乳化剤は、粘度が高く温度及び量のコントロールを必要とする為、装置がより複雑になり、また高価となる。これに較べてアルコール類は、乳化作用もあり粘度が低い為、使用するのに装置も簡単なもので良い。

図１〜図３に示すように、円筒形ケーシング２の略心軸線線上に、バーナ部３が配置されている。このバーナ部３は、円筒形のバーナ部本体１０と、バーナ部本体１０の略中心軸線上に配置された直線状のバーナ部パイプ９と、バーナ部パイプ９の前端に取り付けられたバーナノズル１１とを有する。

バーナ部パイプ９の後端は、前記したとおり、螺旋状パイプ６に連通するように形成されている。なお、本発明及び本明細書では、バーナ部パイプ９の後端は、油水混合液体を受ける上流端を言い、バーナ部パイプ９の前端は、油水混合液体をバーナノズル１１に送り込む下流端を言うものとする。

バーナ部本体１０は、その前端が、円筒ケーシング１内に後端側から入り、円筒形ケーシング２の長手方向の略中央に位置し、円錐筒１２を介して円筒ケーシング１内に形成されている燃焼筒１３に接続するように設けられている。

バーナ部パイプ９の前端に取り付けられているバーナノズル１１は、バーナ部パイプ９を通して圧送される油水混合液体を、円錐筒１２内に向けて噴射する構成である。

バーナ部本体１０の長手方向の略中央部の側壁には、側壁開口１４が設けられており、その側壁開口１４は、送気パイプ１５によりブロワー４に連結されている。ブロワー４から圧送される空気が、送気パイプ１５及び側壁開口１４を通して、バーナ部本体１０に送給される。

また、バーナ部本体１０の中心軸線上に同心的に配置された直線状のバーナ部パイプ９には、その前端と側壁開口との間に第１の空気整流羽根１７が設けられ、さらにバーナ部パイプ９の前端部であってバーナノズル１１より上流側に（バーナノズル１１の手前側に）第２の空気整流羽根１８が設けられている。

このように、バーナ部本体１０内の２ケ所に、それぞれ空気整流羽根１７、１８を取り付けた理由は、ブロワー４からバーナ部本体１０内に導入された空気に渦が発生するのを回避するためである。

第１及び第２の空気整流羽根１７、１８は、互いに同一の構成であり、それぞれ風車状に配置された複数の羽根片１９で構成されており、羽根片１９の数は１０〜２４枚の任意の数でよい。これらの羽根１９は、バーナ部本体１０の長さ方向軸線と直交する放射方向に張り出すように取り付けられている。

第１及び第２の空気整流羽根１７、１８は、バーナノズル１１側から見て、バーナ部パイプ９を中心として回転するようにバーナ部パイプ９に、軸受２０を介して回転可能に取り付けられている。

バーナ部３には、図３に示すように、円錐筒１２の開口に面して着火装置２１が設けられている。この着火装置２１は、円筒から成る着火ハウジング２２内に、同心的に種火ガス導管２３が設けられており、種火ガス導管２３の先端にはガス噴射口２４が設けられ、このガス噴射口２４に面して、一対の着火用スパークトランス２５が配置されている。

種火ガス導管２３に沿って、一対の着火用スパークトランス２５に接続される一対のトランスリード線２６が配設されている。ガス噴射口２４は、バーナノズル１１から噴射された油水混合液体（エマルジョン燃料）に向けられており、着火用スパークトランス２５によって着火された種火は、バーナノズル１１から噴射された油水混合液体を着火して燃焼を開始させることが可能な構成となっている。

なお、図１中、円錐筒１２及び燃焼筒１３内の燃焼状態を観察するためにのぞき窓パイプ２８が設けられており、その基端には、ぞき窓２９が形成されている。また、円筒ケース２は台３０で支持される。

（作用）
以上のように構成された油水混合液体燃焼装置１の作用を以下に説明する。油水混合液体（エマルジョン燃料）を、図示しない供給タンクから、圧力ポンプ５８によって、パイプ７、螺旋状パイプ６、パイプ８を通過させて、バーナ部パイプ９に供給する。この場合、油水混合液体については、その混合比は、水と油を８：２〜２：８の割合であり、好ましくは水５：油５の割合が望ましい。

次いで種火ガス導管２３、着火用ガスパイプから着火ガス（例えば、プロパンガス）を供給し、この着火ガスを着火用スパークトランス２５によって点火して、この点火された種火により、バーナ部パイプ９を通して送られ、バーナノズル１１から噴射される油水混合液体を着火する。

そして、ブロワー４を作動させ、送気パイプ１５を通して送気バーナ部本体１０に空気を供給する。バーナノズル１１から噴射する油水混合液体を燃焼することで、バーナノズル１１及び燃焼筒１３の周辺は高熱になり、螺旋状パイプ６を通る油水混合液体の温度が除々に上昇する。

その結果、油水混合液体中の水の温度が３８０℃を超えると、油水混合液体は２２Ｍｐａの圧力下にあるので、油水混合液体中の水は超臨界水となる。通常のエマルジョン燃料の燃焼と、油水混合液体中の水が超臨界水となった状態のエマルジョン燃料（「超臨界水エマルジョン燃料」という。）の燃焼は、実験上明らかな相違がみられる。

超臨界水エマルジョン燃料は、ジェット噴射の様に燃焼し、水５：油５の混合比で１６００℃以上の温度の炎が得られる。通常のＡ重油５：水５の混合比のエマルジョン燃料では、ジェット噴射の様な燃焼はせず、温度も１１００℃下であった。

本発明によれば上記のとおり、通常の燃焼に較べて高温となる理由は、次のとおりと考えられる。超臨界水はその性質上、水素イオンの解離が通常水の５０倍と言われており、解離された水素イオンがガス化して、燃焼に寄与している為に、通常のエマルジョン燃料より高い温度が得られるものと考えられる。

温度が上昇すると油分が少なくても、油水混合液体は燃焼可能になるので、油水の混合比率を水６：油４の割合、乃至水８：油２の割合でも充分燃焼は可能となる。水７：油３の割合が最も効率的である。

（実験例）
本発明者は、図４に示す実験装置を作製して、本発明の実験を行った。この実験装置は、上記実施例で説明した本発明に係る油水混合液体燃焼装置１と同様であるから、ここでは説明は省くが、図４に示すように燃焼筒１３内に温度計２７を差込むように設け、燃焼温度を測定可能な構成とした。

この実験では、油水混合液体として、Ａ重油５：水５の割合の油水混合液体を実験装置で燃焼させた。この実験の結果、１６２０℃の燃焼温度が得られた。この実験における排ガスの計量結果は次のとおりである。

排ガスの計量結果：
計量項目 計量結果 排出基準値
１．ダスト濃度 ０．００６ｇ／ｍ３Ｎ ０．３０ｇ／ｍ３Ｎ
２．硫黄酸化物量 ０．０２３ｍ３Ｎ／ｈ ０．１８ｍ３Ｎ／ｈ
３．窒素酸化物濃度 ２４ｐｐｍ １８０ｐｐｍ

この排ガスの計量結果に示すとおり、ダスト濃度、硫黄酸化物、窒素酸化物のいずれについても排出基準値をクリアでき、本発明に係る油水混合液体燃焼装置１によれば、環境上もすぐれた効果が得られることが確認できた。

ところで、通常のエマルジョン燃料の燃焼は、Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ−２３５０Ｋｃａｌ／Ｋｇという吸熱反応を伴う為、どうしても水の混合比が多くなるとともに、温度低下が激しく、重油７：水３の混合比より水の割合が多くなると、カロリー不足を生じ、油そのものの消費が減らない。これがエマルジョン燃料の普及を妨げている一因ともなっている。

しかしながら、本発明に係る油水混合液体燃焼装置１は、油水混合液体を螺旋状パイプ６を通して加熱することにより超臨界状態にするという簡単な構成の超臨界バーナを使用することによって、上記実験で確認したとおり、Ａ重油５：水５の混合比でも１６２０℃の燃焼温度が得られることが確認できた。また、油水混合液体において、水７０％でも温度低下がみられない。

以上のとおりの本発明に係る油水混合液体燃焼装置によれば、当然、油の使用量も減り、また油分か少なくなる分、窒素酸化物や硫黄酸化物を減らす事が出来、温暖化防止、大気汚染防止上、多大の効果を奏する。

以上、本発明に係る油水混合液体燃焼装置の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。

以上説明したとおり、本発明に係る油水混合液体燃焼装置は、きわめて簡単な構成により油水の燃焼を促進し、しかも油の燃焼に伴って発生する窒素酸化物や硫黄酸化物を減らすことができ、また油の使用量も減らすことができるので、重油、その他の油を燃焼させる、各産業分野に使用される各種の燃焼装置に適用可能であり、コスト削減とともに温暖化防止に多大の寄与が想定される。

本発明に係る油水混合液体燃焼装置の実施例の構成を説明する全体図である。 図１のバーナ部の詳細図である。 図１の着火装置の詳細図である。 本発明の実験例に使用した油水混合液体燃焼装置を示す図である。

符号の説明

１ 油水混合液体燃焼装置
２ 円筒形ケーシング
３ バーナ部
４ ブロワー
５ 圧力ポンプ
６ 螺旋状パイプ
７、８ パイプ
９ バーナ部パイプ
１０ バーナ部本体
１１ バーナノズル
１２ 円錐筒
１３ 燃焼筒
１４ 側壁開口
１５ 送気パイプ
１７ 第１の空気整流羽根
１８ 第２の空気整流羽根
１９ 羽根片
２０ 軸受
２１ 着火装置
２２ 着火ハウジング
２３ 種火ガス導管
２４ ガス噴射口
２５ 着火用スパークトランス
２６ トランスリード線
２７ 温度計
２８ のぞき窓パイプ
２９ のぞき窓
３０ 台

Claims (4)

1. 円筒形ケーシングと、バーナ部と、ブロワーと、油水混合液体を前記バーナ部に供給する圧力ポンプと、を備え、油水混合液体を燃焼させる油水混合液体燃焼装置であって、
   前記円筒形ケーシング内には、その前部の内周壁に沿って螺旋状のパイプが配置されており、
   前記バーナ部は、前記円筒形ケーシング内に同心的に配置されており、バーナ部本体と、該バーナ部本体内に同心的に配設された直線状のバーナパイプと、該バーナパイプの前端に記円筒形ケーシング内に向けて取り付けられたバーナノズルとを備えており、
   前記ブロワーは、前記バーナ部本体の側壁開口にパイプを通して連通しており、
   前記螺旋状のパイプは、その基端は前記圧力ポンプに連通し、その先端は前記ブロワーパイプの後端に連通しており、
   前記バーナ部本体には、その前端部と、該前端部と前記側壁開口との間の２ケ所に空気整流羽根が配置されていることを特徴とする油水混合液体燃焼装置。
2. 前記空気整流羽根は、風車状に配置された複数の羽根部材によって形成され、前記ブロワーパイプに回転可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の油水混合液体燃焼装置。
3. 前記油水混合液体は、水と油を８：２〜２：８の割合で混合又は乳化させたものであり、前記圧力ポンプは、２２Ｍｐａ以上の吐出圧を有することを特徴とする請求項１に記載の油水混合液体燃焼装置。
4. 前記油水混合液体は、水と油を乳化させたものである場合は、乳化剤として、アルコール類を０．１〜１．０％添加することを特徴とする請求項３に記載の油水混合液体燃焼装置。

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