JP2017222730A - 水混合燃料及び水混合燃料生成装置 - Google Patents

水混合燃料及び水混合燃料生成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】乳化剤を用いることなく、水粒径の微細化や水混合燃料の安定性向上化を図ることができる水混合燃料、及び、この水混合燃料を生成する水混合燃料生成装置を提供すること。【解決手段】粘度の比較的低い主燃料油と、粘度の比較的高い副燃料油とを混合することで混合燃料油となし、この混合燃料油と水を混合して、乳化剤を用いることなく生成した。ここで、主燃料油としては、軽油やＡ重油を使用する一方、副燃料油としては、Ｃ重油や石炭油を使用した。【選択図】図１

Description

本発明は、混合燃料油と水を混合・撹拌して、乳化剤を用いることなく生成した水混合燃料、及び、この水混合燃料を生成する水混合燃料生成装置に関する。ここで、水混合燃料とは，エマルジョン燃料のように乳化剤を用いた乳化燃料ではなく、乳化剤を不要とし、水と燃料を均一に混合させた燃料を指し，エマルジョン燃料と区別したものである。
従来、水混合燃料の一形態として、特許文献１に開示されたものがある。すなわち、特許文献１には、燃料油に、水及び有機塩基油を混合して、粘度が著しく低下した水混合燃料を生成する技術、つまり、高粘度の燃料油に対して優れた粘度低下効果を発揮する技術が開示されている。そして、特許文献１には、乳化剤の添加は、それによって水粒径が小さくなり、水混合燃料（水エマルジョン）の安定性が向上するので好ましいものである、と記載されている。
特開昭５８−５９２８７
しかしながら、水粒の微細化や水混合燃料の安定性向上化を目的として乳化剤を添加すると、添加する乳化剤が高額であるため、その分、水混合燃料の製造コストが著しく上昇するという不具合や、その乳化剤が水混合燃料の燃焼に悪影響を及ぼしてしまうという問題や、その乳化剤が燃焼することによって、大気汚染の原因となる物質が生成されるという問題がある。
そこで、本発明は、乳化剤を用いることなく、水粒径の微細化や水混合燃料の安定性向上化を図ることができる水混合燃料、及び、この水混合燃料を生成する水混合燃料生成装置を提供することを目的とする。
請求項１記載の発明は、
粘度の比較的低い主燃料油と、粘度の比較的高い副燃料油とを混合することで混合燃料油となし、
この混合燃料油と水を混合して、乳化剤を用いることなく生成したことを特徴とする。
請求項１記載の発明では、粘度の比較的低い主燃料油と、粘度の比較的高い副燃料油とを混合することで、主燃料油よりも粘度が増大した混合燃料油となすことができて、この混合燃料油と、それに混合する水との粘度差を増大させることができる。そのため、混合燃料油と水を混合した際には、混合燃料油が水に作用するせん断応力が増加されて、水の微細化が促進される。したがって、流体混合器により混合燃料油と水を混合・撹拌することで、油水分離を防ぐことが可能である。さらに、ナノレベル化（水粒径が１μｍ以下）された水粒を含む水混合燃料を堅実に生成することも可能である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明であって、
副燃料油は、主燃料油の重量の３０％以下の重量割合となしたことを特徴とする。
請求項２記載の発明では、混合割合として、副燃料油の重量が、主燃料油の重量の３０％以下となるようにしているため、粘度の比較的低い燃料を主とする内燃機関および外燃機関において水混合燃料油が使用できる。また、粘度が高い副燃料油は硫黄分濃度が高い傾向があるが、主燃料油を硫黄分濃度が低い燃料と組み合わせることで硫黄分濃度を抑制することができる。そのため、混合する主・副燃料油が含有する硫黄分の合計が０.１％以下となるように容易に設定することができて、混合燃料油中の硫黄分濃度が０.１％以下となるようにする規制に適応する水混合燃料を生成することができる。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明であって、
主燃料油としては、軽油やＡ重油を使用する一方、副燃料油としては、Ｃ重油や石炭油を使用することを特徴とする。
請求項３記載の発明では、主燃料油として軽油やＡ重油を使用する一方、副燃料油としてＣ重油や石炭油を使用することで、水との粘度差が堅実に確保された混合燃料油となすことができて、このような混合燃料油と水を混合・撹拌装置により混合・撹拌することで、ナノレベルに微細化された水粒を含む水混合燃料を堅実に生成することができる。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか1項記載の発明であって、
水は、その積算重量の８０％の水粒径が１μｍ以下となるように微細化したことを特徴とする。
請求項４記載の発明では、水を、その積算重量の８０％の水粒径が１μｍ以下となるように微細化することで、ＮＯｘ濃度が低減されるとともに、燃費が改善される。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の発明であって、
水は、その平均水粒径が５００ｎｍ〜１μｍとなるように微細化したことを特徴とする。
請求項５記載の発明では、水を、その平均水粒径が５００ｎｍ〜１μｍとなるように微細化することで、ＮＯｘ濃度の低減率と燃費の改善を良好に実現することができる。ここで、平均水粒径が１μｍ以下においては、ＮＯｘ濃度の低減率が悪化する一方、燃費は向上する。つまり、ＮＯｘ濃度の低減率と燃費は、トレードオフの関係にあると言えるが、平均水粒径が５００ｎｍ以上においては、ＮＯｘ濃度の適度な低減率と燃費の改善を実現することができる。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載の発明であって、
混合燃料油と水の重量比は、７０：３０となしたことを特徴とする。
請求項６記載の発明では、混合燃料油と水の重量比を、７０：３０となすことで、燃費を大幅に改善することができる。
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項記載の発明であって、
水としては、排ガス処理に使用するスクラバ装置において、スクラバ処理後に生成される廃水を使用したことを特徴とする。
請求項７記載の発明では、スクラバ処理後に生成される廃水を廃棄処理することなく、混合燃料油と混合・撹拌することで、廃水混合燃料を生成することができる。その結果、廃水を廃棄処理する手間や費用を削減することができるとともに、廃水を有効利用することができる。この際、スクラバの溶媒として水道水を使用した場合、スクラバ処理後に生成される廃水には、排ガス中に含まれる有機物及び無機物が混入される。そのため、生成された廃水混合燃料を燃焼させると、さらに硫酸が発生することや、廃水混合燃料の硫黄分濃度が高くなることが予測される。その場合には、廃水と燃料油との混合・撹拌時に硫酸を発生（脱硫）させることで、廃水混合燃料中の硫黄分濃度を低減することができる。また、スクラバの溶媒として水酸化ナトリウム水を使用することで、廃水のｐＨ値を上昇させることが可能であり、また、スクラバの溶媒として石灰水を使用することで、窒素酸化物や硫黄酸化物が混入した石膏として捕集することが可能である。これらより、船舶燃料に関し２０１５年より施行予定の混合燃料油中の硫黄分濃度を０.１％以下にするという規制に適応させることができる。
請求項８記載の発明は、
粘度の比較的低い主燃料油を供給する主燃料供給部と、粘度の比較的高い副燃料油を供給する副燃料供給部と、主燃料油と副燃料油を一定の割合で混合して混合燃料油となす第１流体混合部と、添加水を供給する添加水供給部と、混合燃料油と添加水を一定の割合で混合して水混合燃料となす第２流体混合部と、を具備していることを特徴とする。
請求項８記載の発明では、第１流体混合部により主燃料油と副燃料油を一定の割合で均一に混合して、添加水との粘度差が堅実に確保された混合燃料油となしている。その後に、第２流体混合部により分散媒としての混合燃料油と、分散質としての添加水とを一定の割合で混合することで、相互の粘度差により分散質としての添加水には堅実にせん断力が作用して、添加水を微細化（例えば、添加水の８０％以上を１０μｍ以下の粒径まで微細化）して微小な水粒となすことができるとともに、分散媒としての混合燃料油に均一化させることができて、乳化剤を用いることなく水混合燃料を生成することができる。
本発明によれば、乳化剤を用いることなく、水粒径の微細化や水混合燃料の安定性向上化を図ることができる水混合燃料、及び、この水混合燃料を生成する水混合燃料生成装置を提供することができる。
本実施形態としての水混合燃料生成装置の概念図。 制御ブロック図。 他本実施形態としての廃水混合燃料生成・供給システムの概念図。 エンジンの諸元の一覧表。 燃料の性状の一覧表。 水混合燃料の顕微鏡撮影結果 a)Ａ重油の実験結果と、b)Ｃ重油の実験結果。 燃費の一覧表。 水混合燃料の実験結果。 燃料消費量の一覧表。
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。すなわち、本実施形態に係る水混合燃料は、図１に示す後述の水混合燃料生成装置（以下、「生成装置」と略称することもある。）Ａにより生成されるものであり、生成装置Ａでは、生成した水混合燃料を燃焼装置としてのエンジンやボイラ等の機器（本実施形態ではエンジンＥ）の燃焼室に供給するようにしている。
［水混合燃料についての説明］
水混合燃料は、粘度の比較的低い主燃料油と、粘度の比較的高い副燃料油とを混合することで混合燃料油となし、この混合燃料油と水（例えば、水道水や純水）を混合・撹拌して、乳化剤を用いることなく生成したものである。
主燃料油と副燃料油とは、相対的に粘度差の大きいものを採択して混合燃料油となすことで、混合燃料油と水との粘度差を確保するのが望ましい。ここで、主燃料油としては、例えば、軽油やＡ重油やバイオ燃料を使用する一方、副燃料油としては、例えば、Ｃ重油やクレオソート油等の石炭油を使用することができる。そうすることで、混合燃料油と水を混合・撹拌した際に、分散相を形成する水にせん断力が堅実に作用して、ナノレベル（１μｍ以下）の微細な水粒径の水滴を含有する分散相となすことができる。本実施形態では、後述する生成装置Ａが具備する第２流体混合器Ｍ２により、水の積算重量の８０％の水粒径が１０μｍ以下、望ましくは、１μｍ以下となるように微細化することができ、より望ましくは、平均水粒径が５００ｎｍ〜１μｍとなるように微細化する。
主燃料油と副燃料油の重量比は、例えば、５０〜９８：５０〜２に設定し、望ましくは、８０：２０に設定ことができる。つまり、主燃料油と副燃料油の重量比は、相互の粘度差を考慮したそれらの種類の組み合わせにより、適宜、５０：５０〜９８：２の範囲で設定することができる。好ましくは、副燃料油は、主燃料油の重量の３０％以下の重量割合をとなすことができる。混合燃料油と水の重量比は、例えば、６０〜８０：４０〜２０に設定し、望ましくは、７０：３０に設定ことができる。
これらの混合する重量割合をより具体的に例示すると、主燃料油としての軽油５５％（硫黄分０％）と、副燃料油としての石炭油１５％（硫黄分０.５％）と、水３０％の組み合わせに設定することができる。また、主燃料油としてのローサルファＡ重油６５％（硫黄分０.０７％）と、副燃料油としての石炭油５％（硫黄分０.５％）と、水３０％の組み合わせに設定することができる。このような組み合わせに設定することで、硫黄分が０.１％以下の水混合燃料を生成することができる。
このように構成した水混合燃料では、粘度の比較的低い主燃料油と、粘度の比較的高い副燃料油とを混合することで、主燃料油よりも粘度が増大した混合燃料油となすことができて、この混合燃料油と、それに混合する水との粘度差を増大させることができる。そのため、混合燃料油と水を混合・撹拌した際には、混合燃料油が水に作用するせん断応力が増加されて、水の微細化が促進される。したがって、第２流体混合器Ｍ２により混合燃料油と水を混合・撹拌することで、ナノレベル化（水粒径が１μｍ以下）された水粒を含む水混合燃料を堅実に生成することができる。
ここでの主・副燃料油の混合割合としては、副燃料油の重量が、主燃料油の重量の３０％以下となるようにしているため、粘度が高い副燃料油は硫黄分濃度が高い傾向があるが、主燃料油を硫黄分濃度が低い燃料と組み合わせることで硫黄分濃度を抑制することができる。そのため、混合する主・副燃料油が含有する硫黄分の合計が０.１％以下となるように容易に設定することができて、混合燃料油中の硫黄分濃度が０.１％以下となるようにする規制に適応する水混合燃料を生成することができる。さらに、粘度の比較的低い燃料を主とする内燃機関および外燃機関において加温なしで使用できる。
そして、主燃料油としては、軽油やＡ重油を使用する一方、副燃料油としては、Ｃ重油や石炭油を使用することで、水との粘度差が堅実に確保された混合燃料油となすことができて、このような混合燃料油と水を第２流体混合器Ｍ２により混合・撹拌することで、ナノレベルに微細化された水粒を含む水混合燃料を堅実に生成することができる。
しかも、水を、その積算重量の８０％の水粒径が１０μｍ以下となるように微細化することで、ＮＯｘ濃度が低減されるとともに、燃費が改善される。
さらには、水を、その平均水粒径が５００ｎｍ〜１μｍとなるように微細化することで、ＮＯｘ濃度の低減率と燃費の改善を良好に実現することができる。ここで、平均水粒径が１μｍ以下においては、ＮＯｘ濃度の低減率が悪化する一方、燃費は向上する。つまり、ＮＯｘ濃度の低減率と燃費は、トレードオフの関係にあると言えるが、平均水粒径が５００ｎｍ以上においては、ＮＯｘ濃度の適度な低減率と燃費の改善を実現することができる。また、混合燃料油と水の重量比は、７０：３０となすことで、燃費を大幅に改善することができる。
［生成装置についての説明］
前記した水混合燃料を生成する生成装置Ａの構成について、具体的に説明する。すなわち、生成装置Ａは、図1に示すように、粘度の比較的低い主燃料油を供給する主燃料供給部としての主燃料油タンクＴ１と、粘度の比較的高い副燃料油を供給する副燃料供給部としての副燃料油タンクＴ２と、主燃料油と副燃料油を一定の割合（例えば、副燃料油の重量を主燃料油の重量の３０％以下に設定した重量割合）で混合して混合燃料油となす第１流体混合部としての第１流体混合器Ｍ１と、添加水（例えば、水道水や純水等の水、又は、廃水）を供給する添加水供給部としての水タンクＴ３と、混合燃料油と添加水を一定の割合（例えば、７０：３０の重量比割合）で混合して水混合燃料となす第２流体混合部としての第２流体混合器Ｍ２と、を具備している。
このように構成した生成装置Ａでは、第１流体混合器Ｍ１により主燃料油と副燃料油を一定の割合で均一に混合して、添加水との粘度差が堅実に確保された混合燃料油となしている。その後に、第２流体混合器Ｍ２により分散媒としての混合燃料油と、分散質としての添加水とを一定の割合で混合することで、相互の粘度差により分散質としての添加水には堅実にせん断力が作用して、添加水の８０％以上を１０μｍ以下の粒径まで微細化して微小な水粒となすことができるとともに、分散媒としての混合燃料油に均一化させることができる。その結果、乳化剤を用いることなく、前記した水混合燃料を生成することができる。
より具体的に説明すると、生成装置Ａは、図１に示すように、主燃料油を収容した主燃料油タンクＴ１の底部に、主燃料油流出パイプ１の基端部を接続し、主燃料油流出パイプ１の中途部には、第１電動流量調整弁Ｖ１と第１流量計Ｒ１をこの順番で直列的に配設している。また、副燃料油を収容した副燃料油タンクＴ２の底部に、副燃料油流出パイプ２の基端部を接続し、副燃料油流出パイプ２の中途部には、第２電動流量調整弁Ｖ２と第２流量計Ｒ２をこの順番で直列的に配設している。そして、主燃料油流出パイプ１の先端部と副燃料油流出パイプ２の先端部を接続して、この接続部に混合燃料導入パイプ３の基端部を接続するとともに、混合燃料導入パイプ３の先端部を第１流体混合器Ｍ１の導入口に接続している。
また、水を収容した水タンクＴ３の底部に、水流出パイプ４の基端部を接続している。水流出パイプ４の中途部には、第３電動流量調整弁Ｖ３と第３流量計Ｒ３をこの順番で直列的に配設している。そして、水流出パイプ４の先端部と、第１流体混合器Ｍ１の導出口に基端部を接続した混合燃料流出パイプ５の先端部とを接続して、この接続部に水混合燃料導入パイプ６の基端部を接続するとともに、水混合燃料導入パイプ６の先端部を第２流体混合器Ｍ２の導入口に接続し、水混合燃料導入パイプ６の中途部には、電動ポンプＰを配設している。混合燃料流出パイプ５の中途部には、第４電動流量調整弁Ｖ４を配設し、また、水混合燃料導入パイプ６の基端部には、第５電動流量調整弁Ｖ５を配設している。ここで、第１・第２電動流量調整弁Ｖ１,Ｖ２の開口量（開度）により、主・副燃料油の混合割合が調整される。また、第３・第４電動流量調整弁Ｖ３,Ｖ４の開口量（開度）により、水と混合燃料油との混合割合が調整される。
電動ポンプＰは、水混合燃料導入パイプ６中の混合燃料油と水との合流流体を吸入するとともに、第２流体混合器Ｍ２に向けて吐出（圧送）して、第２流体混合器Ｍ２に合流流体が導入されるようにしている。第２流体混合器Ｍ２の導出口には、水混合燃料導出パイプ７の基端部を接続し、水混合燃料導出パイプ７の先端部は、エンジンＥの燃料室の給入口に接続している。
水混合燃料導出パイプ７における第２流体混合器Ｍ２の導出口近傍に位置する部分には、水混合燃料循環パイプ８の基端部を接続する一方、水混合燃料導入パイプ６における電動ポンプＰの上流側に位置する部分には、水混合燃料循環パイプ８の先端部を接続して、循環流路Ｊを形成している。水混合燃料導出パイプ７の分岐部分の下流側には、第６電動流量調整弁Ｖ６を配設し、水混合燃料循環パイプ８の中途部には、圧力調整弁Ｖ７を配設している。Ｒ５は、第６電動流量調整弁Ｖ６の下流側に位置する水混合燃料導出パイプ７の部分に配設した第５流量計である。
第１流体混合器Ｍ１としては、主燃料油と副燃料油を均一に混合・撹拌することができるものであればよい。例えば、特許第３６２３０４４（図１〜図６）に開示されている「撹拌装置」を採用することができる。この「撹拌装置」は、撹拌槽内の液中に、回転駆動源としての電動モータＭｏに連結した回転軸に取り付けられる混合回転体を配設するものであって、混合回転体は、上下２枚の円板を一組みとして重ね合わせ、上方の円板の中央には流入口を形成するとともに、互いに対向する前面には、前方開口する筒状の小室を多数配列させて形成し、上方の円板の小室と、下方の円板の小室とは互いの小室が対向する他の小室に連通する様に位置を違えて配列させて、複数の異なる流体を混合・撹拌することができる装置である。本実施形態では、複数の異なる流体として、主・副燃料油タンクから供給された主・副燃料油を採用している。
第２流体混合器Ｍ２としては、導入した分散質としての水を微細化するとともに、導入した分散媒としての混合燃料油に均一化させることができるものであればよい。望ましくは、本実施形態の第２流体混合器Ｍ２のように、導入した分散質としての水の８０％以上を１μｍ以下の粒径まで微細化して微小な水粒となすとともに、導入した分散媒としての混合燃料油に均一化させることができるもの、例えば、特許第３８８４０９５号（図１５〜図２３）に開示されている「流体混合装置」を採用することができる。この「流体混合装置」は、駆動部を持たない静止型流体混合装置であって、ユニット内部にハニカム構造のエレメントを直列的に配置して、複数の異なる流体（本実施形態では水と混合燃料油）を加圧通過させてせん断力を作用させることにより、超微粒化かつ均一化混合を短時間で実現する装置である。
上記のように構成した生成装置Ａには、図２に示すようなコントローラＣを設けており、コントローラＣは、内部バスにより相互に接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたコンピュータ装置である。ＣＰＵは、タイマを内蔵しており、ＲＯＭに格納された制御プログラムをＲＡＭに読み込み、この制御プログラムにしたがって、主・副燃料油や水の添加割合等の演算を実行する。
コントローラＣには、図２に示すように、操作部Ｏｐと第１〜第５流量計Ｒ１〜Ｒ５からの各出力情報が入力インターフェースを介して入力される一方、コントローラＣは、これらの出力情報に基づいて制御情報を生成し、第１〜第６電動流量調整弁Ｖ１〜Ｖ６と、圧力調整弁Ｖ７と、第１流体混合器Ｍ１を駆動する電動モータＭｏと、電動ポンプＰと、電動三方弁Ｖｃに出力インターフェースを介して制御情報を出力する。
上記のように構成した生成装置Ａでは、操作部Ｏｐを手動操作して、主燃料油と副燃料油との所望の混合重量割合を設定することで、所望の主・副燃料油量［ｋｇ］がそれぞれ算出されて、それに適応した第１・第２電動流量調整弁Ｖ１,Ｖ２の各開口量が決定されるとともに、決定された各開口量に第１・第２電動流量調整弁Ｖ１,Ｖ２が開口動作する。そして、第１・第２電動流量調整弁Ｖ１,Ｖ２をそれぞれ通して流動する各主・副燃料油の各流量が第１・第２流量計Ｒ１,Ｒ２によりそれぞれ検出されて、各検出情報がコントローラＣに入力される。設定された主・副燃料油の所望の混合割合が得られるまで第１・第２電動流量調整弁Ｖ１,Ｖ２の各開口量がフィードバック制御される。つまり、主・副燃料油の各流量が設定量となるまで制御される。そして、第１流体混合器Ｍ１により主・副燃料油が混合・撹拌されて混合燃料油が生成される。
続いて、操作部Ｏｐを手動操作して、水と、第１流体混合器Ｍ１により生成された混合燃料油との所望の混合重量割合を設定することで、所望の水の添加量［ｋｇ］と混合燃料油量［ｋｇ］が算出されて、それに適応した第３・第４電動流量調整弁Ｖ３,Ｖ４の各開口量が決定されるとともに、決定された各開口量に第３・第４電動流量調整弁Ｖ３,Ｖ４が開口動作する。そして、第３・第４電動流量調整弁Ｖ３,Ｖ４をそれぞれ通して流動する各流体（水と混合燃料油）の各流量が第３・第４流量計Ｒ３,Ｒ４によりそれぞれ検出されて、各検出情報がコントローラＣに入力される。設定された所望の水と混合燃料油との混合割合が得られるまで第３・第４電動流量調整弁Ｖ３,Ｖ４の各開口量がフィードバック制御される。つまり、水と混合燃料油の各流量が設定量となるまで制御される。
所望の水の添加割合が得られるようになった混合流体は、第５電動流量調整弁Ｖ５を開口させることで、電動ポンプＰにより水混合燃料導入パイプ６を通して第２流体混合器Ｍ２内に導入されて、第２流体混合器Ｍ２内で分散質の水の平均水粒径が５００ｎｍ〜１μｍに微細化された微小な水粒となるとともに、分散媒としての混合燃料油中に均一化されて水混合燃料が生成される。生成された水混合燃料は、第６電動流量調整弁Ｖ６が適度に開口されることで、エンジンＥの燃焼室に供給される。また、第６電動流量調整弁Ｖ６が閉口され、かつ、圧力調整弁Ｖ７が開口されるとともに、電動三方弁Ｖｃが流路切替動作されると、循環流路Ｊが第２流体混合器Ｍ２と連通される。この場合、水混合燃料は、循環流路Ｊ内で循環されて、複数回にわたって第２流体混合器Ｍ２で混合・撹拌されて、分散質である水滴の一層の微細化が図られる。
［他実施形態についての説明］
他実施形態として、水に代えて廃水を適用することで廃水混合燃料を生成することもできる。すなわち、廃水混合燃料は、排ガス処理に使用するスクラバ装置（洗浄集塵装置）において、スクラバ処理（洗浄集塵処理）後に生成される廃水を水として使用している。スクラバ装置は、図３に示す後述の廃水混合燃料生成・供給システム（以下、「生成・供給システム」と略称することもある。）Ｓに備えられている。
生成・供給システムＳでは、スクラバ処理後に生成される廃水Ｗｗを廃棄処理することなく、混合燃料油と混合・撹拌することで、廃水混合燃料を生成することができる。その結果、廃水Ｗｗを廃棄処理する手間や費用を削減することができるとともに、廃水Ｗｗを有効利用することができる。この際、スクラバ処理の溶媒として水道水を使用した場合、スクラバ処理後に生成される廃水Ｗｗには、排ガス中に含まれる有機物及び無機物が混入される。そのため、生成された廃水混合燃料を燃焼させると、さらに硫酸が発生することや、廃水混合燃料の硫黄分濃度が高くなることが予測される。その場合には、廃水Ｗｗと燃料油との混合・撹拌時に硫酸を発生（脱硫）させることで、廃水混合燃料中の硫黄分濃度を低減することができる。また、スクラバ処理の溶媒として水酸化ナトリウム水を使用することで、廃水ＷｗのｐＨ値を上昇させることが可能であり、また、スクラバ処理の溶媒として石灰水を使用することで、窒素酸化物や硫黄酸化物が混入した石膏として捕集することが可能である。これらより、混合燃料油中の硫黄分濃度を０.１％以下となるように設定することで、廃水混合燃料硫酸の発生もしくは硫黄分濃度を大幅に削減することができる。
より具体的に生成・供給システムＳの構成を説明すると、生成・供給システムＳは、図３に示すように、燃焼装置としての内燃機関であるエンジンＥに設けた排気口に排気流路９の基端部を接続し、排気流路９の中途部に電動三方調整弁Ｖｃ１を介して排ガス再循環流路Ｊｒの基端部を接続して、エンジンＥから排気流路９を通して排出された排気（排ガス）の一部を電動三方調整弁Ｖｃ１により排ガス再循環流路Ｊｒに流入させている。一方、エンジンＥに設けた吸気口に吸気流路１０の先端部を接続して、吸気流路１０の中途部に排ガス再循環流路Ｊｒの先端部を接続している。Ｐａは、排ガス再循環流路Ｊｒに設けた排ガス再循環ポンプであり、排ガス再循環ポンプＰａにより排ガス再循環流路Ｊｒを通してエンジンＥから排出された排気（排ガス）の一部を、エンジンＥに吸入させて再循環させるようにしている。
このように構成して、生成・供給システムＳには、排気再循環システム（Exhaust Gas Recirculation：ＥＧＲ）を形成しており、排気（排ガス）の一部を吸気に戻すことで、エンジンＥの燃焼室内部の酸素濃度を低減させている。これにより燃焼温度を下げることができるため、ＮＯＸ（窒素酸化物）の生成量を抑制（低減）することができる。
しかも、排ガス再循環流路Ｊｒの中途部には、湿式排ガス浄化手段としてのスクラバ装置Ｓｋを設けている。スクラバ装置Ｓｋは、排ガス再循環流路Ｊｒ内を流動する排気（排ガス）を処理水に気液接触させることで、浄化処理した浄化処理済ガスを生成して、浄化処理済ガスと吸気とを混合し、混合気体を吸気流路の下流側部を通してエンジンＥの吸気口に送気するとともに、排気（排ガス）中のダストを捕捉した処理済液を廃水Ｗｗとなしている。
スクラバ装置Ｓｋは、生成装置Ａの水タンクＴ３に代えて、生成装置Ａに接続している。すなわち、スクラバ装置Ｓｋは、廃水供給流路としての廃水流出パイプ４ａを介して混合燃料流出パイプ５の先端部と接続して、廃水流出パイプ４ａと混合燃料流出パイプ５をそれぞれ通して第２流体混合器Ｍ２内に廃水Ｗｗと混合燃料油を供給し、供給した廃水Ｗｗと混合燃料油とを、第２流体混合器Ｍ２により混合・撹拌して廃水混合燃料を生成し、生成した廃水混合燃料をエンジンＥの燃焼室に供給するようにしている。
廃水Ｗｗと混合する混合燃料油は、粘度の比較的小さい主燃料油と、粘度の比較的大きい副燃料油とを混合したものである。主・副燃料油の混合重量割合は、水混合燃料の場合と同様である。つまり、副燃料油は、主燃料油の重量の３０％以下の重量割合となし、例えば、主燃料油としては、軽油やＡ重油やバイオ燃料を使用する一方、副燃料油としては、Ｃ重油や石炭油（例えば、名称がＪＡＯやＪＢＯ等）を使用することができる。
廃水Ｗｗの積算体積の８０％の水粒径は、第２流体混合器Ｍ２により１０μｍ以下、望ましくは、１μｍ以下となるように微細化している。より望ましくは、平均水粒径が５００ｎｍ〜１μｍとなるように微細化している。混合燃料油と廃水Ｗｗの体積比は、水混合燃料の場合と同様に、７０：３０となすのが望ましい。
生成・供給システムＳでは、スクラバ装置Ｓｋにおいて生成された廃水Ｗｗと、燃料油供給部としての主・副燃料油タンクＴ１,Ｔ２から供給された主・副燃料油とを、第２流体混合器Ｍ２により混合・撹拌して廃水混合燃料を生成し、生成した廃水混合燃料をエンジンＥの燃焼室に供給するようにしているため、廃水Ｗｗを廃水混合燃料の一部として有効利用することができる。そのため、廃水Ｗｗを廃棄処理する廃棄処理装置を不要として、その分、システムの構築コストを低減させることができる。
そして、粘度の比較的小さい主燃料油に、粘度の比較的大きい副燃料油を添加して混合することで、主燃料油よりも粘度が増大した混合燃料油となすことができて、この混合燃料油と、それに混合する廃水Ｗｗとの粘度差を増大させることができる。そのため、混合燃料油と廃水Ｗｗを混合・撹拌した際には、混合燃料油が廃水Ｗｗに作用するせん断応力が増加されて、廃水Ｗｗの微細化が促進される。したがって、第２流体混合器Ｍ２により混合燃料油と廃水Ｗｗを混合・撹拌することで、ナノレベル化（水粒径が１μｍ以下）された水粒を含む廃水混合燃料を堅実に生成することができる。
ここでの主・副燃料油の混合割合としては、副燃料油の重量が、主燃料油の重量の３０％以下となるようにしているため、粘度が高い副燃料油は硫黄分濃度が高い傾向があるが、主燃料油を硫黄分濃度が低い燃料と組み合わせることで硫黄分濃度を抑制することができる。そのため、混合する主・副燃料油が含有する硫黄分の合計が０.１％以下となるようにする規制に適応する廃水混合燃料を生成することができる。さらに、このような廃水混合燃料は、粘度の比較的低い燃料を主とする内燃機関および外燃機関において加温なしで使用できる。
しかも、主燃料油としては、軽油やＡ重油を使用する一方、副燃料油としては、Ｃ重油や石炭油を使用することで、廃水Ｗｗとの粘度差が堅実に確保された混合燃料油となすことができて、このような混合燃料油と廃水Ｗｗを混合・撹拌装置により混合・撹拌することで、ナノレベルに微細化された水粒を含む廃水混合燃料を堅実に生成することができる。
さらには、廃水Ｗｗを、その積算体積の８０％の水粒径が１μｍ以下となるように微細化することで、ＮＯｘ濃度が低減されるとともに、燃費が改善される。
また、廃水Ｗｗを、その平均水粒径が５００ｎｍ〜１μｍとなるように微細化することで、ＮＯｘ濃度の低減率と燃費の改善を良好に実現することができる。ここで、平均水粒径が１μｍ以下においては、ＮＯｘ濃度の低減率が悪化する一方、燃費は向上する。つまり、ＮＯｘ濃度の低減率と燃費は、トレードオフの関係にあると言えるが、平均水粒径が５００ｎｍ以上においては、ＮＯｘ濃度の適度な低減率と燃費の改善を実現することができる。また、混合燃料油と廃水Ｗｗの体積比は、７０：３０となすことで、燃費を大幅に改善することができる。
水混合燃料は，式（１）に示すように，水性ガス反応と呼ばれる吸熱反応を伴い、水のミクロ爆発から燃焼温度を低下できる。さらに、燃料と空気の接触面積が飛躍的に増加することから、式（２）および式（３）に示すように、燃焼性が改善され全体の熱量が増加し、水添加による燃焼性が改善されるものである。これらは、拡散燃焼もしくは蒸発燃焼の燃焼形態が水の効果を左右させるものと推測される。
次に、本実施形態に係る生成装置Ａにより水混合燃料を生成する実験を行った結果と、その実験結果の考察を述べる。
［実験装置］
（１）第１流体混合器Ｍ１
第１流体混合器Ｍ１としては、特許第３６２３０４４（図１〜図６）に開示されている「撹拌装置」である（株）ナノクス製の「ラモンドスターラー」（商品名）を採用した。
（２）第２流体混合器Ｍ２
第２流体混合器Ｍ２としては、特許第３８８４０９５号（図１５〜図２３）に開示されている「流体混合装置」である（株）ナノクス製の「ラモンドナノミキサー」（商品名）を採用した。この「ラモンドナノミキサー」は、均一混合が難しいとされる高粘度液・異相分散系でより力を発揮できるものである。
（３）排ガス分析器
排ガスの分析は、テスト製testo 350を用いた。計測は、ＮＯ、ＮＯ２、ＳＯ２、ＣＯ(ppmv)、ＣＯ２、Ｏ２（%）である。排ガスの一部（約０.９L/min）を吸引させた。
（４）ディーゼルエンジン
エンジンの諸元を図４に一覧表にして示す。クボタ製EA14-NBを用いた。EA14-NBは、直接噴射式1気筒４サイクルディーゼルエンジンであり，ボアが９４mm，ストローク９０mm、すなわち、６２４cc，定格出力が２６００rpm時に１１.５PSである。
［実験方法］
界面活性剤（乳化剤）を用いない生成装置Ａによる生成手法は、Ａ重油とＣ重油を第１流体混合器Ｍ１により混合して混合燃料となし、その後に、混合燃料に水（水道水）を第２流体混合器Ｍ２により混合して生成した。エンジン負荷は２５％、５０％、７５％の３パターンで，回転数は２６００回転で固定とした。
［燃料の性状］
燃料の性状について、図５に一覧表にして示す。動粘度は、Ａ重油が約２.５８７mm2/sに対し、Ｃ重油は約１５４mm2/sと非常に高いことが分かる。Ａ重油６６.５％に対しC重油を３.５％、すなわち、重油燃料比５％混合、すなわち、動粘度が約１０.２mm2/s（５０℃）と推測できる。さらに、水が混合することで、粘度が約２０mm2/s（５０℃）まで上昇することが考えられるが、Ａ重油専用、すなわちボア１８０mm以下のディーゼル機関に対応できるものと考えられる。
［実験結果および考察］
図６に、水混合燃料の顕微鏡撮影結果を示す。a)が界面活性剤２％混入させたＡ重油エマルジョン燃料、b)が界面活性剤を不要としたＣ重油水混合燃料、c)がＣ重油を添加したＡ重油水混合燃料である。
平均水粒径は、a)が２μm，b)が１００nm，c)が１μmである。a)とc)を比べると、Ｃ重油を添加することで水粒径が安定したと言える。これは、b)でみられるように、水と重油の粘度差が混合性に大きく関係していると予測されることから、Ｃ重油の添加により粘度が上昇したことで界面活性剤を不要となったと言える。
［エンジンの基本性能］
実験結果を図７に示す。a)がＡ重油の実験結果、b)がＣ重油の実験結果である。
Ａ重油は、ＮＯＸ濃度が５.８〜６.７２g/kWhと多少の増減が確認でき、ＣＯ、ＣＯ２およびＳＯ２濃度が負荷の増加で減少する傾向にあった。２０００rpm以上のディーゼルエンジンはＩＭＯ２次規制の排出量が７.７g/kWh以下であることからＩＭＯ２次規制に対応したエンジンと言える。次に、Ｃ重油は、ＮＯＸ濃度が４.９８〜５.７５g/kWhとＡ重油に比べて低い値となった。また、難燃油であることから、ＣＯ、ＣＯ２濃度が非常に多く、さらに硫黄分濃度がＡ重油に比べ約３倍となったことから、濃度も２倍〜３倍増加した。これは、燃料油中の硫黄分の一部がＰＭ（particulate matter）になることが要因である。
図８に燃費の一覧表を示す。燃料消費量は、Ａ重油は負荷２５％が０.９５０kg/h、すなわち、４４９．２g/kWh、負荷５０％が１.２９０kg/h、すなわち、３０５.１g/kWh、負荷７５％が１.８０９kg/h、すなわち、２８５．２g/kWhであった。Ｃ重油は負荷２５％が１.２２４kg/h、すなわち、５７９.１g/kWh、負荷５０％が１.６２２kg/h、すなわち、３８３.４g/kWh、負荷７５％が２.２５０kg/h、すなわち、３５４.７g/kWhであった。
［水混合燃料の実験結果］
Ａ重油６６.５％、Ｃ重油３.５％、水３０％の水混合燃料の実験結果を、図９に示す。この燃料を混合油水混合燃料と呼ぶこととする。ＮＯＸにおいて負荷２５％では約４０％の低減であったものの、負荷が増加することで６０％以上の低減が見られた。ＳＯ２が４０％程度増加しているが、Ｃ重油添加による影響であり、さらに、ＣＯ２濃度が顕著に増加している。これらから、水添加による排出がなされていることが言える。
図１０に燃料消費量を一覧表にして示す。図８と比べると、混合油水混合燃料は、１０％以上燃費が改善できている。また、低負荷時においても燃費改善が見られ、水粒径が小さくなったことが大きな要因であると言える。
［考察］
Ａ重油にＣ重油を５％添加することで粘度が向上し、界面活性剤（乳化剤）を不要とした燃料が開発できた。しかしながら、硫黄分濃度が増加し、ＳＯ２の増加が懸念される。この点、石炭油は、硫黄分濃度が０.５％と低く、Ｃ重油と同様に非常に粘度が高いことから、石炭油の活用が期待できる。
［結言］
本実験は、以下の実験成果を得た。
１.Ａ重油にＣ重油を５％添加することで粘度が向上し、界面活性剤を不要とした燃料が開発できた。
２.混合油水混合燃料は約７０％低減されており、ＩＭＯ３次規制レベルまで排ガス低減でき、さらに燃費が約１０％程度低減できた。
Ａ 生成装置
Ｍ１ 第１流体混合器
Ｍ２ 第２流体混合器
１ 主燃料油流出パイプ
２ 副燃料油流出パイプ
３ 混合燃料導入パイプ
４ 水流出パイプ
５ 混合燃料流出パイプ
６ 水混合燃料導入パイプ
７ 水混合燃料導出パイプ
８ 水混合燃料循環パイプ

Claims (8)

  1. 粘度の比較的低い主燃料油と、粘度の比較的高い副燃料油とを混合することで混合燃料油となし、
    この混合燃料油と水を混合して、乳化剤を用いることなく生成したことを特徴とする水混合燃料。
  2. 副燃料油は、主燃料油の重量の３０％以下の重量割合となしたことを特徴とする請求項１記載の水混合燃料。
  3. 主燃料油としては、軽油やＡ重油を使用する一方、副燃料油としては、Ｃ重油や石炭油を使用することを特徴とする請求項１又は２記載の水混合燃料。
  4. 水は、その積算体積の８０％の水粒径が１μｍ以下となるように微細化したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項記載の水混合燃料。
  5. 水は、その平均水粒径が５００ｎｍ〜１μｍとなるように微細化したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の水混合燃料。
  6. 混合燃料油と水の重量比は、７０：３０となしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の水混合燃料。
  7. 水としては、排ガス処理に使用するスクラバ装置において、スクラバ処理後に生成される廃水を使用したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の廃水混合燃料。
  8. 粘度の比較的低い主燃料油を供給する主燃料供給部と、粘度の比較的高い副燃料油を供給する副燃料供給部と、主燃料油と副燃料油を一定の割合で混合して混合燃料油となす第１流体混合部と、添加水を供給する添加水供給部と、混合燃料油と添加水を一定の割合で混合して水混合燃料となす第２流体混合部と、を具備していることを特徴とする水混合燃料生成装置。
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