JP2010025514A

JP2010025514A - 水素溶解燃料の製造装置

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Publication number: JP2010025514A
Application number: JP2008190721A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiro Yasunaga; 竜裕安永; Masataka Oshima; 正敬大島; Hiroyasu Saito; 寛泰斎藤
Original assignee: DEVICE KK; NAGOYA OSHIMA KIKAI KK; Nagoya Oshima Machinery Co Ltd
Current assignee: DEVICE KK; NAGOYA OSHIMA KIKAI KK; Nagoya Oshima Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】バーナで連続燃焼する際に完全燃焼し、煤の発生を減少し、かつ水素ガスの消費量を抑えて、省エネルギを図ることができる燃料の製造装置を提供する。
【解決手段】燃料タンク１内の燃料を循環管路１０にポンプ９により循環する。燃料は、ボンベ２からの水素ガスが混入され、水素溶解装置３により過飽和状態に溶解される。バーナ２５で連続燃焼する際、化石燃料に溶解された水素の燃焼に基づく火炎温度の上昇が、後続する燃焼にサイクリックに連続して影響し、火炎温度を上昇すると共に、火炎長を短くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、重油、灯油等の化石燃料を基にし、それに水素ガスを溶解した燃料をバーナにより連続燃焼する水素溶解燃料の製造装置に関する。本水素溶解燃料は、旅館、ホテル、スーパー銭湯、温水プール施設、病院、クリーニング工場等の湯沸し用ボイラ、又は船舶、火力発電所等の蒸気タービン用若しくは食品工業等の産業用の蒸気発生源としてのボイラ等のあらゆるボイラに用いられる。

従来、化石燃料と水素ガスとを併用したボイラは、本出願人等らにより提案されている（特許文献１参照）。該ボイラは、重油バーナと水素バーナとを備え、重油バーナにより重油を燃焼させて噴射させた火炎に対して、水素バーナにより燃焼させた水素燃料の燃焼ガスを噴射させることにより、重油バーナにより燃焼させた化石燃料を完全燃焼して、燃焼効率を向上すると共に、煤の発生を減少することができる。

また、液体燃料（ガソリン）と水素ガスとを燃料として使用可能な水素利用内燃機関も提案されている（特許文献２参照）。このものは、水素生成手段によって生成された水素ガスをマイクロバブル発生装置により微細気泡として液体燃料に混合し、該水素ガスを混合した液体燃料を、筒内インジェクタによりエンジン内に噴射して爆発燃焼する。

特開２００７−１３９４０５号公報特開２００７−７７９３０号公報

上記特許文献１のものは、ボイラに用いる連続燃焼に係るものであるが、水素ガスは、重油バーナの周囲からその火炎に向けて噴射されるものであり、重油バーナ火炎の噴き出し部分に接触して共に燃焼する。このため、水の電気分解等による水素生成装置をボイラに近接して設置する必要があり、ボイラ設備が高価となると共に、重油バーナの周囲から水素ガス燃焼の影響を与えるために水素ガスを大量に消費することになる。

一方、特許文献２のものは、水素を混合した液体燃料が用いられるが、限られた僅かな時間で燃焼を完結させる必要のある内燃機関の爆発燃焼に係るものであって、バーナ用の連続燃焼とは燃焼の形態が相違している。またそのため、比較的大量の水素を液体燃料に混合する必要があり、水素ガスを生成する水素生成手段を必要とし、かつマイクロバブル発生装置により液体燃料中に水素ガスをマイクロバブル化にすることにより混合している。このものは、水素ガスが液体燃料中にある程度溶解することがあるとしても、マイクロバブルの状態で液体燃料中に均一に存在するものであって、燃焼に際してインジェクション又はバーナから噴霧される際、水素バブルの径が霧滴の微細化への規制となると共に、良好な燃焼を妨げる虞がある。

そこで、本発明は、化石燃料に水素ガスを過飽和状態で溶解した燃料をバーナで連続燃焼することにより、水素の燃焼により化石燃料を完全燃焼し、煤の発生を減少するものでありながら、水素ガスの消費量を抑えて、省エネルギを図ることができる燃料の製造装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る水素溶解燃料の製造装置は、例えば図１又は２を参照すると、
水素ガス供給装置（２）と、
連続して化石燃料に水素ガスを混合して溶解する水素溶解装置（３）と、
前記水素溶解装置（３）により化石燃料に水素を過飽和状態で溶解した燃料を貯留する燃料タンク（１）（１_１）（１_３）と、
を備えることを特徴とする。

なお、上記水素溶解燃料は、水素が化石燃料に溶解されていることを基本とするものであるが、一部水素ガスが溶けきらずに、マイクロバブル又はナノバブルで混在することもあり、このものも、バーナの形態等にあっては、支障なく燃焼することができ、上記水素溶解燃料は、このものをも含むものである。

好ましくは、前記燃料タンク（１）（１_１）からの燃料を流出し再び流入するようにポンプ（９）を介在した循環管路（１０）を設け、
該循環管路（１０）に、前記水素ガス供給装置（２）からの水素ガスを導入する水素導入管（１１）及び前記水素溶解装置（３）を介在し、
前記循環管路（１０）に前記燃料タンク（１）内の燃料を循環することにより、化石燃料に水素を過飽和状態で溶解してなる。

前記水素ガス供給装置は、ボンベ等の水素貯蔵手段（２）である。

更に、前記水素溶解装置（３）の流入側（３ａ）に燃料冷却装置（１２）を配置し、
前記水素溶解装置（３）に供給される水素ガスを混合した化石燃料を所定低温状態に保持して、該化石燃料に前記水素を過飽和状態で溶解してなる。

なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これにより、請求項記載の構成に何等影響を及ぼすものではない。

水素溶解燃料は、化石燃料に過飽和状態で溶解されている水素が、化石燃料と共に蒸発・燃焼し、化石燃料の燃焼による火炎温度を僅かに上昇し、この僅かな上昇による影響が後続燃料の燃焼に伝播され、それが更に後続燃料の蒸発・燃焼状態を変化させ、この影響が更に続いて連続燃焼場に供給される燃料の燃焼をサイクリックに影響を及ぼす。これにより、化石燃料に溶解されている水素ガスの量は僅かであっても、上記サイクリックな現象が連続して定常状態として、連続燃焼を良好に保持できる。上記サイクリックな現象は、限られた時間内で燃焼を完結させなければならない内燃機関とは異なり、充分な時間を確保できる連続燃焼において可能となる。

特に、バーナによる液体燃料の噴霧の燃焼では、上記蒸発過程は強い輻射加熱により燃焼が促進され、下流側に形成される燃焼領域が高温であれば蒸発に要する時間が短くなり、その結果火炎長を短くすることができる。

また、水素は、化石燃料内に溶解されているので、マイクロバブル等の水素ガスの微細気泡（例えば３０〜６０μｍ）が、液体燃料の噴霧液滴の微粒化の制限となることがなく、かつ溶解された水素が化石燃料の噴霧液滴中に均一に混在し、バーナから噴射する全域範囲に亘って均等に上述したサイクリックな現象による良好な連続燃焼を現出する。

バーナによる連続燃焼は、一般に、化石燃料として重油や灯油等の高沸点材料が用いられるが、これら揮発性のあまりよくない粘性の大きい材料にあっても、上述した水素溶解燃料による良好な燃焼が顕著に発揮される。

以上各効果が相俟って、本水素溶解燃料を連続燃焼として用いることにより、高温による短い火炎長による良好な火炎が得られると共に、通常の化石燃料用ボイラをそのまま用いることができ、かつ完全燃焼により煤の発生を防止して、ボイラメンテナンスを減少できることが相俟って、ボイラ用燃料として有効な燃料を提供することができる。また、消費する水素の量は僅かであり、かつ大掛かりな水素生成装置を必要とせず、ボイラ設備等の初期投資及びランニングコストも抑えた効率の良い燃料を提供することができる。

請求項１に係る本発明によると、水素溶解装置により化石燃料に水素を過飽和状態に溶解した燃料を、比較的簡単な装置で容易に製造することができる。

請求項２に係る本発明によると、燃料タンクに燃料を循環する循環管路を設け、該循環管路に水素ガスを導入すると共に水素溶解装置を介在し、燃料タンク内の燃料を循環することにより、燃料タンク内の燃料に、必要とする量の水素を過飽和状態で溶解することができる。

請求項３に係る本発明によると、水素溶解燃料の水素ガスの使用量は多くはなく、従って水素ガスの供給源として、ボンベ等の水素貯蔵手段で充分であり、大掛かりで操作の面倒な水素生成装置を必要とせず、水素溶解燃料の製造装置を簡単で操作の容易なものとすることができ、ボイラ設備の一部としても容易に配設することができる。

請求項４に係る本発明によると、燃料冷却装置により化石燃料を所定低温状態として、充分な量の水素を過飽和状態で溶解することができる。

以下、図面に沿って、本発明の実施の形態を説明する。本発明に係る水素溶解燃料を生成する製造装置は、ボイラ、例えば従前の湯沸し用ボイラＢに付設される。水素溶解燃料の製造装置Ｕ１は、図１に示すように、燃料タンク１、水素ガス供給装置を構成する水素ガスボンベ２及び水素溶解装置３を有している。

燃料タンク１には、該タンク内の燃料を流出し、再び流入する循環管路１０が連接されており、該循環管路には、その流出側１０ａから順次仕切り弁２０、水素ガスボンベ２からの導入管１１、燃料冷却装置１２、水素溶解装置３が介在しており、該水素溶解装置３の吐出側口３ｂがタンク１への流入口１０ｂに連通している。水素ガスボンベ２の水素ガスＨ_２は、流量調整弁２１により適宜流量を調整して、導入管１１から循環管路１０を流れる燃料に供給・混合される。なお、水素ガス供給装置２は、上記水素ガスボンベがその水素ガス消費量、施設費用及びメンテナンス等で望ましいが、これに限らず、有機ハイドロイド、炭素系材料素材料、水素吸蔵合金、多孔性金属有機構造体、アミド系、ボロハイドライド系、アラネート系等の他の固体水素吸蔵材料による水素貯蔵手段でもよく、更には電気分解による水素生成装置でもよい。

燃料タンク１は、上方が大気に開放されているオープンタイプの容器であり、所定量の化石燃料、例えばＡ重油、灯油が貯留される。該燃料タンク１への化石燃料は、作業者が該タンク内の燃料レベルを見て適宜ドラム缶等から供給してもよく、また図１に示すように、別の化石燃料タンク６を設置しておき、フロートバルブ等により燃料タンク１内の燃料レベルが一定になるように、上記化石燃料タンク６からポンプ２２により供給してもよい。

前記水素溶解装置３は、螺旋流形成部、気液反応部及び超音波照射部を有しており、水素ガスＨ_２を混合した化石燃料がその流入口３ａから供給されて、螺旋流形成部及び気液反応部により剪断、撹拌、混合されると共に、超音波による振動・圧力変化作用が併用されて、連続的に水素ガスが化石燃料中に過飽和状態で溶解される。なお、本水素溶解装置３は、特開２００７−１８５５７６号公報に示される装置を基本としており、効率よく水素ガスを化石燃料中に溶解できるが、これに限らず、水素ガスの化石燃料中への噴射、キャビテーションによる方法、それらの組合せ等の他の方法による装置でもよい。

前記燃料タンク１から、ボイラＢのバーナ２５に向けて供給管路２６が連通されている。該供給管路２６は、ポンプ２７、仕切り弁２９、流量計３０等を介在してバーナ２５の噴出口に導かれている。バーナ２５は、上記燃料以外に、エアー及び酸素ボンベ３１からの酸素が流量調整弁３２を介して導入され、上記燃料を燃焼する。

ボイラＢは、湯沸し用のボイラを示しており、バーナ２５による燃焼室３３での高熱を効率よく螺旋管３５の水に熱交換して、貯湯タンク３６に溜める。なお、上記ボイラＢは、湯沸し用を示してあるが、蒸気発生用ボイラでもよいことは勿論である。

ついで、上述した装置の作用について説明する。水素溶解燃料の製造装置Ｕ１は、燃料タンク１内に所定量の化石燃料（例えばＡ重油）が貯留されている。そして、ポンプ９を駆動して、循環管路１０に燃料を循環した状態で、流量調整弁２１を開いて所定流量で管路１０内に水素ガスＨ_２を供給すると共に、冷却装置１２及び水素溶解装置３を作動する。これにより、循環管路１０内の燃料は、冷却装置１２により冷却されて、水素ガスが溶込み易い状態になり、そして水素溶解装置３により、水素ガスＨ_２を混合した化石燃料は、剪断、撹拌されると共に超音波振動が与えられ、化石燃料中に水素ガスＨ_２が過飽和状態に溶解される。なお、一部の水素ガスＨ_２は、マイクロバブル、ナノバブルとなって液相中に漂うこともある。

上記循環管路１０による水素ガスの溶解作業は、複数回行われ、燃料タンク１内の化石燃料中に所定量［例えば５％］の水素ガスＨ_２が溶解される。燃料タンク１内の化石燃料に略々均一に水素ガスＨ_２が溶解され、かつできるだけフレッシュ（水素ガスが大気中に放散されない状態）のうちに、ポンプ２７を駆動すると共に仕切り弁２９を開いて、燃料タンク１内の水素溶解燃料をバーナ２５に供給して燃焼する。

該水素溶解燃料の燃焼に際して、まず水素ガスが燃焼して、その熱により化石燃料の蒸発を促進する。水素ガスの熱量は大きくなくとも、化石燃料内に均一に溶解しており、外部からの水素ガスの供給に比して、化石燃料をその全域範囲に亘って蒸発を促進し、化石燃料の燃焼を早めると共に火炎温度を僅かに上昇する。この僅かな燃焼の早期化及び火炎温度の上昇による影響が後続燃料の燃焼に伝播され、それが更に後続燃料の蒸発・燃焼状態を変化させ、この影響が更に続いて連続燃焼場に供給される燃料の燃焼をサイクリックに影響を及ぼす。これにより、化石燃料に溶解されている水素ガスの量は僅かであっても、上記サイクリックな現象が連続して定常状態として、燃焼を良好に保持する。即ち、高い温度での燃焼を短い火炎長で行うことができ、かつ完全燃焼により煤の発生を防止できる。

図１に示す装置にあっては、燃料タンク１の上方が開放されているため、化石燃料に溶解された水素ガスは、時間経過と共に大気に放散される。従って、できるだけフレッシュのうち、例えば循環管路１０で水素の溶解作業を行いつつ、供給管路２６から燃料をバーナ２５に供給して燃焼することが好ましいが、それでも、水素ガスＨ_２は、燃料タンク１の上方から放散される。そこで、図１に鎖線で示すように、燃料タンク１の上方を覆うように、水素ガス集積部材３７を配置し、該集積部材３７で集められた水素ガスＨ_２を管路３９を介してバーナ２５に送って、水素溶解燃料と共に該集積水素ガスＨ_２を燃焼する。

これにより、放散する水素ガスを有効に利用できると共に、安全性を向上することができる。なお、水素ガスの集積供給経路に、水素ガスを溜める水素ガス貯留手段及び供給を遮断し得るバルブを介在することが望ましい。

図１に示す燃料タンク１では、循環管路１０により水素の溶解量を高めると共にフレッシュのうちに使用して、所定の水素溶解量を得ているが、更に多くの水素ガスを溶解することが望ましい場合もある。

図２はそのための実施の形態であり、燃料タンクを圧力容器１_１とすることにより、水素溶解量を高めている。圧力容器からなる燃料タンク１_１は、調圧リリーフ弁３９により所定高圧に保持されている。該高圧状態に保持された燃料タンク１内の化石燃料は、より多くの水素ガスＨ_２を溶解して保持することが可能となる。

水素溶解燃料製造装置Ｕ２は、１列状の管路４０に配置することも可能である。該管路４０の一端には、化石燃料を貯留するタンク６が流量調整弁４１を介して接続されており、かつ該管路４０に水素ボンベ２からの導入管１１_１が連通している。更に、該管路４０の後流側には、順次、逆止弁４３、燃料冷却装置１２及び水素溶解装置３が介在して、その他端が燃料タンク１_１に接続している。

従って、ポンプ４２の駆動により、タンク６の化石燃料とボンベ２の水素ガスとは、それぞれ流量調整弁４１，２１で適宜調節されて管路４０に供給され、逆止弁４３及び冷却装置１２を介して水素溶解装置３に導かれる。そして、水素溶解装置３は、その吐出側に連通される燃料タンク１_１の高圧により加圧された状態で、剪断、撹拌、混合されると共に超音波により加振されて、より多くの水素が溶解される。そして、該水素を溶解した化石燃料は、高圧状態の燃料タンク１_１内にて高い水素溶解状態のまま保持される。なお、ポンプ４２が停止して管路４０からの化石燃料及び水素ガスの供給が停止されても、逆止弁４３が介在することにより、燃料タンク１_１は、所定高圧に保持される。

該圧力容器からなる燃料タンク１_１内の燃料は、ポンプ２７及び仕切り弁２９の連通により、供給管路２６を介してバーナ２５に供給されて燃焼される。燃料タンク１_１の燃料の使用等により、該タンク内の燃料のレベルは変化するが、該レベル変化によってもタンク内の圧力を所定高圧に維持するため、本実施の形態では、該タンク１_１に、アキュムレータ４２及びエアポンプ４３が連通している。これにより、燃料タンク１_１内は、使用により燃料レベルが低下しても、アキュムレータ４２により所定高圧に保持される。なお、燃料レベルを一定に保持するように、化石燃料タンク６からの供給量が調整することにより、上記アキュムレータ４２及びエアポンプ４３等は不要とすることもできる。

また、本製造装置Ｕ２は、一列状の管路４０を用いて説明したが、図１に示すものと同様に、循環管路１０を用いてもよい。

本実施の形態では、燃料タンク１_１に循環管路１０’を設け、該循環管路１０’は、仕切り弁２０、ポンプ９を介在して、前記冷却装置１２と逆止弁４３との間で前記管路４０に合流する。また、水素ガスボンベ２からの管路に方向切換え弁４１を介在して、該切換え弁４１により、一列状管路４０に直接連通する導入管１１_１と、循環管路１０’に導く導入管１１_２に切換える。

循環管路１０’を用いる場合、ポンプ９を駆動して、圧力容器からなる燃料タンク１_１の燃料を循環して、導入管１１_２から水素ガスを混入し、更に冷却装置１２で冷却して水素溶解装置３により水素を溶解する。これにより、燃料タンク１_１の燃料は、所定回数循環されて、更に多くの水素ガスを化石燃料に溶解することができる。なおこの際、循環管路１０’の圧力液体が、逆止弁４３により管路４０を通って化石燃料タンク６側に流れることはない。図１に示す装置と同様に燃料タンク１_１内の燃料が、循環管路１０’により所定回数繰返して、水素溶解装置３により水素ガスが溶解され、より多くの水素ガスＨ_２を化石燃料に溶解することができる。

図１及び図２に示す製造装置Ｕ１，Ｕ２であっても、循環管路２６の流量計３０で使用量を計量することにより、水素溶解燃料自体を販売することは可能であるが、水素溶解燃料製造装置Ｕ１，Ｕ２をボイラの近くに施設する必要がある。図３は、水素溶解燃料を図１又は図２に示す製造装置で製造し、該燃料を運搬して他のボイラに用いる燃料タンクを示す。

図３に示す燃料タンク１_３は、圧力容器からなり、上壁に可変リリーフ弁３９、圧力計４５、圧力注入用バルブ４６及び燃料残量ケージ４７が設けられている。一方、該タンク１_３の下部には、コック付の導入管連結部４９及び同じくコック付の導出管連結部５０が設けられている。

本燃料タンク１_３は、水素溶解製造装置Ｕ１，Ｕ２により製造された水素溶解燃料が、供給管路２６から又は水素溶解装置３の吐出口から直接供給される。この際、圧力注入用バルブ４６は開放されており、タンク上方空間の空気は逃される。燃料タンク１_３に水素溶解燃料が満たされた後、導入連結部４９のコックが閉じられた状態で、燃料から放散した水素又は圧力注入用バルブ４６を介して圧入される水素又は空気により、該燃料タンク１_３は、所定圧に保持される。

そして、この状態で、本燃料タンク１_３は、所定のボイラ施設まで運搬され、そこに設置された後、燃料タンク１_３の導出管連結部５０にボイラの供給管路が連結されて、そのコックが開かれる。これにより、燃料タンク１_３内の水素溶解燃料はボイラのバーナに供給されて燃焼される。

使用によりタンク１_３内の燃料レベルが低下するが、燃料からの放散水素ガス又は圧力注入用バルブ４６からの水素又は空気の圧入により、タンク１_３内は所定圧力に維持される。また、可変リリーフ弁３９が、タンク１_３内が負圧になる場合は空気圧を吸入するような逆止弁機能を有するものを用いて、使用による燃料レベルの低下によっても、燃料の供給をスムーズにできるようにしてもよい。

本燃料タンク１_３を用いることにより、水素溶解燃料製造装置の設備のないボイラにも、容易に水素溶解燃料を使用することができ、かつタンクは圧力容器からなり、所定圧を付与しているので、常に所定の水素溶解量を維持することができる。本実施の形態は、燃料を満たした燃料タンク１_３自体を運搬して、使用後回収して再充填するように説明したが、本燃料タンク１_３をボイラ施設に設置したままにして、タンクローリ等の運搬専用のタンクを用いて、現場で本燃料タンク１_３に水素溶解燃料を充填するようにしてもよい。

なお、前述した水素溶解燃料の製造装置Ｕ１，Ｕ２において、冷却装置１２はなくてもよく、またボイラの酸素ボンベ３１等の酸素供給部もなくてもよいことは勿論であり、また蒸気発生用ボイラ等の他のボイラに適用してもよいことは勿論である。

本発明による水素溶解燃料製造装置を付設したボイラを示す概略図。他の実施の形態による水素溶解燃料製造装置を付設したボイラを示す概略図。水素溶解燃料を貯留する燃料タンクを示す概略図。

符号の説明

１，１_１，１_３燃料タンク
２水素ガス供給装置（水素ボンベ）
３水素溶解装置
１０，１０’ 循環管路
１１水素導入管
１２燃料冷却装置
２５バーナ

Claims

水素ガス供給装置と、
連続して化石燃料に水素ガスを混合して溶解する水素溶解装置と、
前記水素溶解装置により化石燃料に水素を過飽和状態で溶解した燃料を貯留する燃料タンクと、
を備えてなる水素溶解燃料の製造装置。
前記燃料タンクからの燃料を流出し再び流入するようにポンプを介在した循環管路を設け、
該循環管路に、前記水素ガス供給装置からの水素ガスを導入する水素導入管及び前記水素溶解装置を介在し、
前記循環管路に前記燃料タンク内の燃料を循環することにより、化石燃料に水素を過飽和状態で溶解してなる、
請求項１記載の水素溶解燃料の製造装置。
前記水素ガス供給装置は、ボンベ等の水素貯蔵手段である、
請求項１又は２記載の水素溶解燃料の製造装置。
前記水素溶解装置の流入側に燃料冷却装置を配置し、
前記水素溶解装置に供給される水素ガスを混合した化石燃料を所定低温状態に保持して、該化石燃料に前記水素を過飽和状態で溶解してなる、
請求項１ないし３のいずれか記載の水素溶解燃料の製造装置。