JP2010216734A

JP2010216734A - 燃料とｏ／ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼方法及び装置

Info

Publication number: JP2010216734A
Application number: JP2009064860A
Authority: JP
Inventors: Saburo Ishiguro; 三郎石黒; Yukio Ishii; 幸雄石井
Original assignee: IBS CO Ltd
Current assignee: IBS CO Ltd
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】Ｏ／Ｗ型エマルジョンと燃料を使用して高温の燃焼を達成する。
【解決手段】燃焼炉内において、第１バーナにより燃料を噴霧燃焼して、燃焼炉内に配設された多数の透通孔を備えた耐熱反射体を７００℃以上に加熱し、次いで第２バーナによりＯ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させ、かつ前記加熱した耐熱反射体表面に衝突させ、耐熱反射体に衝突させて水蒸気微爆発を起こさせて、炉内温度を更に高温に昇温する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｏ／Ｗ型エマルジョンの燃焼方法及び装置に係り、特にＯ／Ｗ型エマルジョンと燃料を使用する高温燃焼方法及び装置に関する。

従来、Ｗ／Ｏ型エマルジョンタイプの加水燃料を燃焼する方法において、Ｗ／Ｏ型エマルジョンの油分（ｏｉｌ）としては、灯油、軽油、重油等の石油類、オリーブ油、サラダオイル等の食用油類又は産業用油類等があり、原水の一例として軽油に水を添加混合したＷ／Ｏ型エマルジョン加水燃料が挙げられる。

エマルジョンタイプの加水燃料を燃焼する場合、焼却炉や内燃機関に使用するのは殆どが油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）エマルジョンである。これは油中水滴型の方が油が表面に出るので、火が付き易いというメリットがある。水中油滴型（Ｏ／Ｗ型）では油が水の中に微粒子として含まれるので、火がつきにくいという問題がある。

しかし、石油類と水の熱伝導率を調べてみると、３６０°Ｋ（８７℃）において水は０．６７４Ｗ／ｍｋ、石油の一形態のデカン（Ｃ₁₀Ｈ₂₂ ）は０．１１９Ｗ／ｍｋで水の方が５．６倍の熱伝導率を持っていることが解る（非特許文献１：参照）。
ところで、水蒸気爆発の条件として熱の急速な移動ができないと水蒸気爆発は起こらない。したがって、全く同じ条件では、Ｏ／Ｗ型の方がＷ／Ｏ型より約５倍の早さで熱が移動するので、水蒸気爆発が起こり易い筈である。

水蒸気爆発は、溶鉄が水槽に落下した時とか、地下水がマグマと接触したときに起きるとされている（非特許文献２：参照）。

したがって、従来技術のごとく、Ｗ／Ｏ型エマルジョンを炉内に噴霧してもエマルジョンの表面は油に覆われているので、熱の伝導率は小さく、しかも油の表面には油の蒸気膜で覆われているので（一般に気体の熱伝導率は液体の１／１０以下になる）、水蒸気爆発の起こる確率は非常に低くなる。

特開２００８−８１７４０号公報特開２００４−２１１９７０号公報

「化学便覧基礎編II」（丸善株式会社昭和５９年６月２５日発行、第７３頁）「蒸気爆発の科学」（高島武雄・飯田嘉宏共著／株式会社裳華房１９９８年１月２５日発行、第２８〜５７頁）

本願発明は、これらの知見を元に、安全に水蒸気爆発（噴霧状の粒子などの微爆発とした）が起こる条件を設定し、分解しないまでも結合を緩め水蒸気微爆発のエネルギーを利用して前記エマルジョンに含有される油分を一部分解し、水分子との水性ガス反応、空気との酸化反応を促進して燃焼効率の増加を図るものである。

まず、水蒸気微爆発の起こる条件としては水を高温の固体に衝突させて水蒸気微爆発を発生させることである。高温気体中に噴霧しても噴霧した水滴は表面に水蒸気膜ができて熱の移動を阻止するので水蒸気微爆発は起こりにくい（水の熱伝導度は８７℃で０．６７４Ｗ／ｍｋに対し、水蒸気の熱伝導度は１００℃で０．０２５Ｗ／ｍｋで水蒸気の熱伝導度は水の約２７分の１である）。

水蒸気微爆発が起こらないとＯ／Ｗ型エマルジョン中に含まれる油分と水蒸気による単なる水性ガス反応と空気による酸化反応だけとなり、燃焼効率の大幅な向上は望めない。本発明によれば、水蒸気微爆発によりＯ／Ｗ型エマルジョン中に含まれる油分の一部分解と結合の緩みが生じ、水性ガス反応、酸化反応が進んで、水性ガス反応の吸熱反応が減少し（結合が緩んだり、切れたりすると吸熱反応が小さくなる）、結果的に燃焼効率が増大する。実際に油分３０％を含むエマルジョンを８５０℃に加熱した穴をあけた鉄製耐熱反射板に噴霧したところ、鉄製耐熱反射板が溶融し原形をとどめず、溶融塊となってしまったので、水蒸気微爆発と水性ガス反応、酸化反応が同時に起き、一気に温度が上昇したものと想定される。

本発明者は、上記に鑑み鋭意研究の結果、次の手段によりこの課題を解決した。
[１] 燃焼炉内において、（１）第１バーナにより燃料を噴霧燃焼して、燃焼炉内温度を７００℃以上の高温に加熱する工程と、（２）次いで第２バーナによりＯ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させ、炉内温度を更に高温に昇温する工程とからなることを特徴とする燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼方法。
[２] 燃焼炉内において、（１）第１バーナにより燃料を噴霧燃焼して、燃焼炉内に配設された多数の透通孔を備えた耐熱反射体を７００℃以上に加熱する工程と、（２）次いで第２バーナによりＯ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させ、かつ前記加熱した耐熱反射体表面に衝突させ、炉内温度を更に高温に昇温する工程とからなることを特徴とする燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼方法。
[３] 多数の透通孔を備えた耐熱反射体が、セラミック製であることを特徴とする前項[２]に記載の燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼方法。
[４] Ｏ／Ｗ型エマルジョンの油分が、灯油、軽油、重油等の石油類、オリーブ油、サラダオイル等の食用油類又は産業用油類等から選択されるいずれか１種又は２種以上であることを特徴とする前項[１]〜[３]のいずれか１項に記載の燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼方法。

[５] 第１バーナにより燃料を噴霧される燃料が、灯油、軽油等の石油類、アルコール等の有機溶媒、都市ガス、ＬＰＧ、天然ガス、水素ガス又はブラウンガスから選択されるいずれか１種又は２種以上であることを特徴とする前項[１]〜[４]のいずれか１項に記載の有機化合物水溶液の燃焼方法。
[６] （１）燃焼炉と、（２）それに取り付けられた炉内に燃料を噴霧して燃焼して炉内温度を７００℃以上の高温にするための第１バーナと、（３）第１バーナに隣接して取り付けられ、Ｏ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させ、炉内温度を更に高温に昇温するための第２バーナとを備えてなることを特徴とする燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼装置。
[７] （１）燃焼炉と、（２）それに取り付けられた炉内に燃料を噴霧して燃焼して炉内温度を７００℃以上の高温にするための第１バーナと、（３）燃焼炉内に配設され、前記第１バーナにより燃料を噴霧燃焼して７００℃以上に加熱される多数の透通孔を備えた耐熱反射体と、（４）第１バーナに隣接して取り付けられ、Ｏ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させ、炉内温度を更に高温に昇温するための第２バーナとを備えてなることを特徴とする燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼装置。
[８] 多数の透通孔を備えた耐熱反射体が、セラミック製であることを特徴とする前項[７]に記載の燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼装置。

第１バーナにより燃料を噴霧燃焼して、燃焼炉内温度を７００℃以上の高温に加熱し、次いで第２バーナによりＯ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させて燃焼させる本願発明によれば、燃料又は油分を単独に用いて燃焼する場合に比較して、炉内温度を非常に高温に昇温することができる。よって、燃料及び油分を完全に燃焼させることができる。

本願発明の第１実施例の装置の断面図、本願発明の第２実施例の装置の断面図、本願発明の第３実施例の装置の断面図、本願発明の第４実施例の装置の説明図、本願発明の第５実施例の装置の断面図、本願発明の第６実施例の装置の断面図、本願発明の第７実施例の装置の断面図、

１：燃焼炉の炉体、
２：第１バーナ、
３：第２バーナ、
４、５、６、７、８、９、１０、１１：耐熱反射体、
１２：温度計、
１３：電磁誘導コイル、
１４：電極、

本発明の実施の形態を図面及び実施例に基づいて詳細に説明する。
図１〜図７は本願発明の実施例の装置の説明図であり、１は燃焼炉の炉体、２は第１バーナ、３は第２バーナ、４、５、６、７、８、９、１０、１１は耐熱反射体、１２は温度計、１３は電磁誘導コイル、１４は電極である。

図１は第１実施例の装置を示している。
図１（ａ）は装置の断面図、（ｂ）及び（ｃ）は耐熱反射板の平面図である。
まず、第１バーナ（燃料バーナ）２から通常、Ａ重油、軽油、灯油など燃料油を炉体１内に噴霧し燃焼する。空気量は完全燃焼させる適量が同燃料とともに供給され、空気比は通常１．３〜１．７程度である。そこで、炉体１内に配設された耐熱反射体（例えば表面にアルミナコーティングされた炭化珪素系セラミック板）４、５が７００℃以上の高温に加熱される。なお、４は多数の透通孔４’が穿設された円板、５は同板の周囲に切り欠き部５’を備えた円板である。４又は５はいずれか１種を使用しても、２種を組み合わせて使用してもよい。
次いで、さらに加えて、第２バーナ（Ｏ／Ｗ型エマルジョン噴射バーナ）３からＯ／Ｗ型エマルジョンが、炉体１内に第１バーナによる火炎に混合するようにして噴霧され、高温に加熱されている耐熱反射体４、５に突き当たり、耐熱反射体４表面で水蒸気爆発を伴って油分が分解される。
Ｏ／Ｗ型エマルジョンは、第２バーナ３から炉１内に噴霧されるが、その組成は、油分：水の比率＝１：１．０〜２０の範囲のもの（すなわち、油分含有率は５０．０〜５．０％）である。また、第１バーナ２からの灯油噴射量１容量部に対して、第２バーナ３からのＯ／Ｗ型エマルジョン噴射量は、１〜５容量部が好ましい。なお、炉１内温度は温度計１２により、常時計測されている。

図２は第２実施例の装置を示している。
該例では、通気性立方体よりなる耐熱金属メッシュ体の集合体又はハニカムセラミック体等の耐熱反射体６が炉１内に配設されている。

図３は第３実施例の装置を示している。
該例では、通気性立方体よりなる耐熱磁性体金属メッシュ体の集合体又は又は炭化珪素系セラミックハニカムの耐熱反射体６が炉１内に配設されており、炉１の外周に電磁誘導コイル１３が巻回されており、それに高周波電流を通電することで、内部の反射体７が電磁誘導加熱されて昇温する。

図４は第４実施例の装置を示している。（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図であり、１４は電極である。
該例では、炉１内に通電による抵抗加熱で発熱する電気抵抗棒８が多数立設されており、電極１４からの電力供給により、電気抵抗棒８が加熱される。

図５は第５実施例の装置の断面図である。
該例では、炉１の上方及び側方に第１バーナ２と第２バーナ３を取付け、炉内に耐熱反射板９を斜めに配置し、その後方に耐熱反射体４を垂設してある。
そして、液体燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンは、第１バーナ２と第２バーナ３とから傾設された耐熱反射体９に向けて互いに直交するようにして噴射され、高温に上昇して燃焼する。燃焼したガス体は耐熱反射体４を通過して炉１外へ導出される。

図６は第６実施例の装置の断面図である。
該例では、炉１の上方及び側方に第１バーナ２取付け、炉内に耐熱反射板９を斜めに配置し、かつ両バーナからの噴射ガスが耐熱反射板９の表面と裏面に当たるように配置し、その後方には耐熱反射体４を垂設してある。

図７は第７実施例の装置の断面図である。
該例では、炉１の上方に第１バーナ２と第２バーナ３を隣接して取付け、炉内１底部に耐熱反射板１０及び耐熱性基板１１を平置して配置し、かつ両バーナから垂直に噴射ガスを耐熱反射板１０に当たるようにする。燃焼した高温ガスはその後方には垂設された耐熱反射体４を通過して炉１外へ導出される。

燃焼方法としては、まず第１バーナ２からＡ重油等を噴射着火して耐熱反射板４〜１０を加熱する。温度計１３の温度が水性ガス反応発生の７００℃以上、できれば１０００℃以上に達したときにＯ／Ｗ型エマルジョンの噴霧を始める。

Ｏ／Ｗ型エマルジョンの噴霧は燃料と同僚程度から始めるのがよいが、温度が１０００℃に達していれば燃料の２〜５倍量程度噴霧しても問題ない。噴霧された原水（Ｏ／Ｗ型エマルジョン）は１０００℃の温度で耐熱反射板４〜１０に衝突し、表面の蒸気膜でなく噴霧水が直接１０００℃に加熱された耐熱反射板４〜１０から熱を受け水蒸気微爆発を起こす。この場合、Ｏ／Ｗ型エマルジョンの代わりにＷ／Ｏ型のエマルジョン採用したのでは熱の移動が遅くなり、水蒸気微爆発の可能性は非常に低くなる。

また、Ｏ／Ｗ型のエマルジョンでは、水の中に石油の粒子が分散した型なので水が直接耐熱反射板４〜１０に当たるので水蒸気微爆発は起こり易い。

なお、上記実施例１において、バーナ２、３側の耐熱反射体４として、鉄製のものを使用して、まず第１バーナ２から灯油を噴霧して炉内温度を７００℃にした時点で、更に第２バーナ３からＯ／Ｗ型エマルジョンを噴射して１５分間加熱したところ、前記鉄製耐熱反射板４が溶融して落下してしまい、原形を止めず、溶融塊となった。

Claims

燃焼炉内において、（１）第１バーナにより燃料を噴霧燃焼して、燃焼炉内温度を７００℃以上の高温に加熱する工程と、（２）次いで第２バーナによりＯ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させ、炉内温度を更に高温に昇温する工程とからなることを特徴とする燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼方法。
燃焼炉内において、（１）第１バーナにより燃料を噴霧燃焼して、燃焼炉内に配設された多数の透通孔を備えた耐熱反射体を７００℃以上に加熱する工程と、（２）次いで第２バーナによりＯ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させ、かつ前記加熱した耐熱反射体表面に衝突させ、炉内温度を更に高温に昇温する工程とからなることを特徴とする燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼方法。
多数の透通孔を備えた耐熱反射体が、セラミック製であることを特徴とする請求項２に記載のＯ／Ｗ型エマルジョンの燃焼方法。
Ｏ／Ｗ型エマルジョンの油分が、灯油、軽油、重油等の石油類、オリーブ油、サラダオイル等の食用油類又は産業用油類等から選択されるいずれか１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼方法。
第１バーナにより燃料を噴霧される燃料が、灯油、軽油等の石油類、アルコール等の有機溶媒、都市ガス、ＬＰＧ、天然ガス、水素ガス又はブラウンガスから選択されるいずれか１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機化合物水溶液の燃焼方法。
（１）燃焼炉と、（２）それに取り付けられた炉内に燃料を噴霧して燃焼して炉内温度を７００℃以上の高温にするための第１バーナと、（３）第１バーナに隣接して取り付けられ、Ｏ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させ、炉内温度を更に高温に昇温するための第２バーナとを備えてなることを特徴とする燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼装置。
（１）燃焼炉と、（２）それに取り付けられた炉内に燃料を噴霧して燃焼して炉内温度を７００℃以上の高温にするための第１バーナと、（３）燃焼炉内に配設され、前記第１バーナにより燃料を噴霧燃焼して７００℃以上に加熱される多数の透通孔を備えた耐熱反射体と、（４）第１バーナに隣接して取り付けられ、Ｏ／Ｗ型エマルジョンを前記第１バーナによる高温燃焼ガス中に噴霧して混合させ、炉内温度を更に高温に昇温するための第２バーナとを備えてなることを特徴とする燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼装置。
多数の透通孔を備えた耐熱反射体が、セラミック製であることを特徴とする請求項７に記載の燃料とＯ／Ｗ型エマルジョンを使用する高温燃焼装置。