JP2020176231A - 加水燃料製造方法及び加水燃料製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料油と水とを分離させることなく安定して融合させ、高カロリーの加水燃料を製造する。【解決手段】水を電気分解して電解還元水を生成する電気分解工程と、電解還元水の分子集合体を微細化する水微細化工程と、燃料油の分子集合体を微細化する燃料油微細化工程と、これら微細化工程を経た水と燃料油とを撹拌しながら混合することにより燃料油中に水滴を分散させた混合液を形成する撹拌混合工程と、混合液を炭素を主成分とする触媒に接触させて燃料油と水とを融合させる融合工程とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料油に水を混合してなる加水燃料を製造する方法及び加水燃料の製造装置に関する。

燃料油に水を混合してなる加水燃料としてエマルジョン燃料が知られている。このエマルジョン燃料は、燃焼効率が高いため、各種用途の燃料として期待されている。このエマルジョン燃料を製造する方法として、例えば特許文献１〜４に開示の方法がある。

特許文献１には、水を電気分解して得た電解水と燃料油と乳化剤とをミキサーで混合して撹拌することによりエマルジョン燃料を製造する方法が開示されている。この場合の燃料と乳化剤との体積比率は例えば１：２００〜１：１０００であると記載されている。

特許文献２には、乳化剤（界面活性剤）はエマルジョン燃料の燃焼に悪影響を及ぼし、また乳化剤の燃焼により大気汚染原因物質が生成されるという問題があると記載され、乳化剤を用いずにオゾンを供給することでエマルジョン燃料を生成することが開示されている。

特許文献３にも、乳化剤を用いずにオゾンを供給することが開示されている。具体的には、水を電気分解して酸素と水素の気泡を含む混合物とし、その混合物と燃料油とをオゾンを供給しながら撹拌、混合してエマルジョン燃料を生成している。

一方、本出願人は、特許文献４において、燃料油と水とに前処理を施すことにより、両者の混合体を乳化させずに融合し、安定化された改質燃料の製造方法を提案している。この方法では、燃料油及び水に、遷移金属の複合体を中心に、アルカリ土類金属、希土類元素並びに特殊貴金属の焼成物から成るセラミックス触媒を接触させる前処理工程と、前処理工程を経た燃料油に不飽和脂肪酸を５０質量％以上含む炭素数１６〜２２の脂肪酸又は縮合オキシ脂肪酸と炭素数４以上の多価アルコールとのエステルから成る改質促進剤を添加する改質促進工程と、これら工程を経た燃料油と水を撹拌混合する撹拌混合工程と、その混合液に複数段階に分けた超音波振動を与えることにより燃料油と水の混合液を安定化させる安定化工程とを有している。

特開２０１０−７１５９８号公報 特開２００９−７９１４９号公報 国際公開第２０１１／０３７０７７号

特許文献１〜３に記載の方法では、燃料油と水とが一時的に分散状態となるものの、長期保管すると燃料油と水とに分離し易い。
特許文献４に記載の方法によると、燃料油と水との分離を抑制して安定した混合液を生成することが可能であるが、さらなる高カロリーの燃料を得るために改良が望まれる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、燃料油と水とを分離させることなく安定して融合させ、高カロリーの加水燃料を製造することを目的とする。

本発明の加水燃料製造方法は、水を電気分解して電解還元水を生成する電気分解工程と、前記電解還元水の分子集合体を微細化する水微細化工程と、燃料油の分子集合体を微細化する燃料油微細化工程と、これら微細化工程を経た水と燃料油とを撹拌しながら混合することにより燃料油中に水滴を分散させた混合液を形成する撹拌混合工程と、前記混合液を炭素を主成分とする触媒に接触させて燃料油と水とを融合させる融合工程とを有する。

水を電気分解することにより、表面張力が小さい電解還元水を生成し、この電解還元水の分子集合体を微細化することにより、イオン化して燃料油と結合し易くする。一方、燃料油もその分子集合体を微細化することにより、イオン化して水と結合し易くする。そして、これらイオン化した電解還元水と燃料油とを混合撹拌することにより、相互の分子集合体を集合させてエマルジョン化し、燃料油中に水滴を分散させた混合液を形成する。次いで、その混合液を炭素を主成分とする触媒に接触させることにより、電解還元水中の水素イオンと燃料油中の炭素イオンとを結合させ、水と燃料油とが融合した加水燃料を生成する。

この加水燃料製造方法において、前記水微細化工程及び前記燃料油微細化工程は、前記水及び前記燃料油をそれぞれバッフル板の表面に衝突させることにより微細化するとよい。

電解還元水及び燃料油がバッフル板への衝突時に圧縮、剪断等を受けて機械的に破壊されることにより、分子集合体の細分化が促進され、クラスタ(分子の鎖)の短い分子集合体を生成することができ、より活性化して、後の工程のエマルジョン化、融合化し易い状態にされ、より安定した加水燃料を得ることができる。

前記バッフル板の表面は凹凸状に形成されているとよく、衝突時の細分化をより促進させることができる。

また、前記バッフル板は、前記電解還元水又は燃料油が流通する管の内側に、該管の径方向に沿いかつ管の内周面との間に隙間をあけて設けられているとよい。
電解還元水及び燃料油は、バッフル板に衝突した後、バッフル板と管との隙間を経由して流れるが、その隙間を通過する際の流路断面積の急減期な変化により、圧縮、膨張して、分子集合体の細分化をより促進させることができる。

前記撹拌混合工程では、前記混合液をトロコイドポンプで前記融合工程に圧送するとよい。

トロコイドポンプで混合液が減圧され、その後、加圧されることにより、エマルジョン化した燃料油と水との分子集合体が複雑に絡み合いながら圧送され、次の融合工程での融合をより確実に行わせることができる。

前記触媒は、炭素を主成分とする炭素粒と、アルミナ、ステアタイト、フォルステライトのいずれか一種又はこれらのうちの二種以上を混合してなるセラミックス粒とからなる。

この触媒を用いることにより、水と燃料油との融合を促進させ、長期保管しても分離し難い加水燃料を確実に得ることができる。

前記水微細化工程及び前記燃料油微細化工程は、前記水及び前記燃料油をそれぞれ３０μｍ以下の分子集合体とするとよい。

本発明の加水燃料製造装置は、水を電気分解して電解還元水を生成する電気分解槽と、前記電解還元水の分子集合体を微細化する水微細化部と、燃料油の分子集合体を微細化する燃料油微細化部と、これら微細化された水と燃料油とを撹拌しながら混合することにより燃料油中に水滴を分散させた混合液を形成する撹拌混合部と、前記混合液を炭素を主成分とする触媒に接触させて燃料油と水とを融合させる融合部とを有する。

本発明によれば、燃料油と水とを分離させることなく安定して融合させ、高カロリーの加水燃料を製造することができる。

本発明の加水燃料製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の加水燃料製造装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図２における微細化部の構造を模式的に示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

まず、加水燃料製造装置の一実施形態について説明する。一実施形態の加水燃料製造装置１０は、図２に示すように、水を電気分解して電解還元水を生成する電気分解槽２０と、電解還元水を貯留する水タンク３０及び燃料油を貯留する燃料油タンク４０と、水タンク３０から送られる電解還元水の分子集合体を微細化する水微細化部５０と、燃料油の分子集合体を微細化する燃料油微細化部６０と、これら微細化された水と燃料油とを撹拌しながら混合することにより燃料油中に水滴を分散させた混合液を形成する撹拌混合部７０と、混合液を炭素を主成分とする触媒に接触させて燃料油と水とを融合させる融合部８０と、融合後の加水燃料を貯留する製品タンク９０とを有する。

水タンク３０には、内部に貯留された電解還元水を送り出すポンプ３１が設けられ、燃料油タンク４０にも、内部に貯留された燃料油を送り出すポンプ４１が設けられている。

水微細化部５０及び燃料油微細化部６０は、ほぼ同一の構成である。具体的には、それぞれ入口管５１及び出口管５２の間に、流路断面積を大きくした大径の管５３が前壁５４及び後壁５５によりボックス状に構築されるとともに、その管５３の内部にバッフル板５６が流路に直交する方向に設けられており、電解還元水及び燃料油をそれぞれバッフル板５６の表面に衝突させ、バッフル板５６の外周面と管５３の内周面とのリング状の隙間ｇを通過させることにより微細化する構成である。

バッフル板５６は、前壁５４の内面に棒状部材５７により取り付けられている。また、バッフル板５６において上流に向けられた表面には、複数の凹部５８が形成されているために、表面が凹凸状に形成されている。ポンプ３１，４１により送られる電解還元水及び燃料油は、この凹部５８が形成されたバッフル板５６の表面に衝突することにより、破壊され微細化される。

また、水微細化部５０の前段には、ポンプ３１からの流れを許容しつつ逆流を防止するための逆止弁５９が設けられている。燃料油微細化部６０の前段にも、ポンプ４１からの流れを許容しつつ逆流を防止するための逆止弁６９が設けられている。

撹拌混合部７０は、ミキサー７１と撹拌槽７２とトロコイドポンプ７３とにより構成される。
ミキサー７１は、管内部に複数のエレメントを設けたインライン型ミキサーであり、スタティックミキサー、株式会社ＯＨＲ流体工学研究所製ＯＨＲミキサー等が用いられる。
撹拌槽７２は槽の内部に撹拌翼が設けられた構成である。
トロコイドポンプ７３は、ケーシングに形成した内歯と、その内側に偏心状態に配置された外歯とが噛み合って回転する内接歯車型ポンプであり、歯形がトロコイド曲線によって形成されている。両歯の間に形成される空間が広がったり縮まったりすることによりポンプ作用が生じる。

融合部８０は、炭素を主成分とする触媒が充填された触媒塔８１が複数連設されている。その触媒としては、炭素を主成分とする炭素粒と、アルミナ、ステアタイト、フォルステライトのいずれか一種又はこれらのうちの二種以上を混合してなるセラミックス粒とからなる。混合液が複数の触媒塔８１を順次通過することにより、混合状態の燃料油と水とが融合状態に変化させられる。

以上のように構成された加水燃料製造装置１０を用いて加水燃料を製造する方法について説明する。

水は電気分解槽２０内で電気分解されることにより、所定のｐＨの電解還元水が生成される（電気分解工程）。生成された電解還元水は水タンク３０に貯留される。
一方、燃料油も燃料油タンク４０に貯留しておく。燃料油としては、重油、軽油、灯油等の化石燃料を用いることも可能であるが、菜種油、パーム油、オリーブ油、ひまわり油、大豆油等の植物や生物を由来とした燃料油も用いることができる。特に、ナッツ殻から精製された油を好適に用いることができる。

次に、電解還元水及び燃料油の分子集合体を微細化する（水微細化工程、燃料油微細化工程）。
この水微細化工程及び燃料油微細化工程では、水微細化部５０及び燃料油微細化部６０により、電解還元水や燃料油の分子集合体が微細化され、イオン化されて相互に結合し易くなる。特に水微細化部５０及び燃料油微細化部６０のバッフル板５６に電解還元水及び燃料油が衝突することにより、圧縮、剪断等を受けて機械的に破壊され、その後、バッフル板５６と管５３との隙間ｇを経由して流れる際に、流路断面積の急減期な変化により、圧縮、膨張される。これらの複合作用により、電解還元水及び燃料油の分子集合体が効率的に細分化され、クラスタ(分子の鎖)の短い分子集合体が生成され、より活性化して、後の工程でのエマルジョン化、融合化し易い状態になる。このとき得られる水や燃料油の分子集合体は２３０μｍ以下である。

このように個々に細分化された電解還元水及び燃料油は、ミキサー７１により混合され、その混合液がさらに撹拌槽７２内で撹拌されることによりエマルジョン化され、トロコイドポンプ７３により融合部８０に圧送される（撹拌混合工程）。
エマルジョン化した混合液がトロコイドポンプ７３を混合液が通過する際に、減圧され、その後、加圧されることにより、エマルジョン化した燃料油と水との分子集合体が複雑に絡み合いながら圧送され、次の融合部８０での融合をより確実に行わせることができる。

次いで、融合部８０では、複数の触媒塔８１を順次通過することにより、電解還元水中の水素イオンと燃料油中の炭素イオンとを結合させ、水と燃料油とが融合した加水燃料を生成する（融合工程）。生成された加水燃料は製品タンク９０に貯留され、ディーゼルエンジン等の燃料に供される。

このようにして製造される加水燃料は、水と燃料油とがエマルジョン状態を超えて融合状態で結合しており、燃料油と水とを長期間分離させることなく安定した、高カロリーの加水燃料を提供することができる。

本発明の加水燃料は、ボイラ等の各種燃焼装置、車両のエンジン等の燃料として広く利用することができる。

１０ 加水燃料製造装置
２０ 電気分解槽
３０ 水タンク
３１ ポンプ
４０ 燃料油タンク
４１ ポンプ
５０ 水微細化部
５３ 管
５６ バッフル板
ｇ 隙間
５８ 凹部
５９ 逆止弁
６０ 燃料油微細化部
６９ 逆止弁
７０ 撹拌混合部
７１ ミキサー
７２ 撹拌槽
７３ トロコイドポンプ
８０ 融合部
８１ 触媒塔
９０ 製品タンク

Claims (7)

1. 水を電気分解して電解還元水を生成する電気分解工程と、前記電解還元水の分子集合体を微細化する水微細化工程と、燃料油の分子集合体を微細化する燃料油微細化工程と、これら微細化工程を経た水と燃料油とを撹拌しながら混合することにより燃料油中に水滴を分散させた混合液を形成する撹拌混合工程と、前記混合液を炭素を主成分とする触媒に接触させて燃料油と水とを融合させる融合工程とを有することを特徴とする加水燃料製造方法。
2. 前記水微細化工程及び前記燃料油微細化工程は、前記水及び前記燃料油をそれぞれバッフル板の表面に衝突させることにより微細化することを特徴とする請求項１記載の加水燃料製造方法。
3. 前記バッフル板の表面は凹凸状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の加水燃料製造方法。
4. 前記バッフル板は、前記電解還元水又は燃料油が流通する管の内側に、該管の径方向に沿いかつ管の内周面との間に隙間をあけて設けられていることを特徴とする請求項２又は３記載の加水燃料製造方法。
5. 前記撹拌混合工程では、前記混合液をトロコイドポンプで前記融合工程に圧送することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の加水燃料製造方法。
6. 前記触媒は、炭素を主成分とする炭素粒と、アルミナ、ステアタイト、フォルステライトのいずれか一種又はこれらのうちの二種以上を混合してなるセラミックス粒とからなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の加水燃料製造方法。
7. 水を電気分解して電解還元水を生成する電気分解槽と、前記電解還元水の分子集合体を微細化する水微細化部と、燃料油の分子集合体を微細化する燃料油微細化部と、これら微細化された水と燃料油とを撹拌しながら混合することにより燃料油中に水滴を分散させた混合液を形成する撹拌混合部と、前記混合液を炭素を主成分とする触媒に接触させて燃料油と水とを融合させる融合部とを有することを特徴とする加水燃料製造装置。

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