JP5062482B2

JP5062482B2 - 乳化剤を含まないエマルジョン燃料の燃焼装置

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Publication number: JP5062482B2
Application number: JP2008036693A
Authority: JP
Inventors: 誠一丹; 邦夫吉川
Original assignee: CLEAN MECHANICAL CO., LTD.; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: CLEAN MECHANICAL CO., LTD.; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: JP2009192205A

Description

本発明は、エマルジョン燃料製造装置とこれを備えた燃焼装置に関するものである。

エマルジョン燃料は、重油などの燃料油に水を混合することによって燃料の使用量を減らしながら煤塵や窒素酸化物（ＮＯＸ）の発生を抑えることができる燃料として注目されている。

「エマルジョン（ｅｍｕｌｓｉｏｎ）」とは、溶質溶媒が共に液体である分散系溶液を指し、油中水滴型エマルジョン（Ｗ／Ｏエマルジョン）と水中油滴（Ｏ／Ｗ型）エマルジョンとに大別される。いずれの場合も溶媒（油又は水）中に粒径が０．１〜１０μｍ程度の微粒子（水滴或いは油滴）が浮遊している。この微粒子が可視光を乱反射するため牛乳のように白く濁って見えることから、エマルジョンは乳濁液とよばれる。

油と水に「乳化剤」を添加して攪拌すると、長時間にわたり安定して分散状態を保持できる「水−油系エマルジョン」が形成される。乳化剤は界面活性剤の一種であり、化学的作用によって燃料油中に水分子を分散させる。従来から知られるエマルジョン燃料の多くは「乳化剤」を用いた化学的なメカニズムによって形成されることが一般的であった（特許文献１、２等参照）。

また、特許文献３乃至４には、乳化剤を用いずに燃料油と水とを一つのミキサーに供給して混合し、得られたエマルジョン燃料をただちにポンプを用いて燃焼装置に供給する方法が記載されている。しかし、乳化剤を添加しない従来の方式（特許文献３、４等）の場合、微細化した水が燃料油中に均一に分散したエマルジョン燃料を製造するのは困難であり、たとえ微細水滴を均一に分散したエマルジョン燃料が得られたとしても、乳化剤を用いていないため、水滴同士が凝集して水滴径の分散が不均一となり、燃焼装置に供給して燃焼させると、燃焼効率が悪化してすすや黒煙が発生してしまうことが問題点として指摘されている（特許文献２、第３段落）。すなわち、乳化剤を含まない高品質のエマルジョン燃料の製造方法が切望されていたが、これを実現する製造方法は未だ知られていないのが実情である。結局、特許文献２においても、乳化剤を混合する方式を採用している。

特開２００６−１１１６６６号公報特開２００６−３２９４３８号公報特開平５−１５７２２１号公報特開平１０−１８５１８３号公報

しかしながら、乳化剤を添加するほどエマルジョン燃料の価格が高くなるだけでなく、乳化剤自体が燃焼に深刻な悪影響を及ぼすといった問題も指摘されている（例えば、特許文献１、第４段落等）。さらに、乳化剤を含むエマルジョン燃料を長期間燃焼装置に使用し続けると乳化剤の成分が燃焼装置内部にフロッグとよばれる付着物を形成していわゆる水垢等がたまり易いという問題もある。

乳化剤を添加しないエマルジョン燃料製造技術が持つ課題の一つは、界面活性剤による化学的な作用の助けを借りることなく、燃料油成分中に水の粒子を均一に分散させることである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、実質的に乳化剤を含まないエマルジョン燃料の製造装置を提供することを主たる技術的課題とする。

本発明に係るエマルジョン燃料製造装置は、燃焼装置の燃料供給部の前段に直接取り付けられ、燃料油を供給する第１の配管と前記第１の配管に接続され前記燃料油を加圧するオイルポンプを含むオイル供給ラインと、水を供給する第２の配管と前記第２の配管に接続され前記水を加圧する水ポンプを含む水供給ラインと、前記オイル供給ライン及び水供給ラインを合流させるエジェクターと、前記エジェクターの噴出口に接続されるミキサーとを含み、前記エジェクターは、その内部に内径の異なる２種類の配管が連続して設けられており、前記ミキサーの出口は前記燃焼装置の燃焼バーナーに接続されることを特徴とする。

この構成により、オイルポンプと水ポンプの高い圧力によって高速に加速された燃料油と水の混合流体がエジェクター内で衝突し、その後ミキサーを通過する過程で両者が物理的作用によって均一に混合され、直ちに燃焼装置に送られるので、従来のように乳化剤を添加する必要がない。また、「燃料供給部の前段に直接取り付けられ」とは、タンク等の保存容器を介さずに、燃焼の直前にエマルジョン燃料が作られて直ちに燃焼装置に送られることを意味する。

なお、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置によって製造されたエマルジョン燃料は、ミキサーを通過した後、少なくとも約数十秒間は安定して分散状態を維持し、その後次第に分離が始まることが分かっている。このため、長期間保存することには適さないが、このように燃料供給部の前段に取り付けられた場合には燃焼装置まで送られて燃焼が開始するまでの時間は数秒以下であり、エマルジョン燃料の分離が起こる前に確実に燃焼させることができる。

前記エマルジョン燃料製造装置における第２の配管にはヒーターが設けられているように構成してもよい。

この構成により、ヒーターによって第２の配管を通過する水を加熱することで比重や粘度を調節することができ、エマルジョン燃料の含水量や燃料油中に含まれる水滴粒子の大きさ等を変化させることができる。特に、含水量は燃焼効率に大きな影響を与える重要なパラメータの一つであり、水供給ライン上にヒーターを設けることの技術的意義は大きい。もちろん、オイル供給ライン上にもヒーターを設けても構わない。

本発明に係るエマルジョン燃料は、実質的に乳化剤を含まないので、燃焼装置内部にフロッグとよばれる付着物や水垢がたまりにくい。ここで、「実質的に」とは、乳化剤を一切含まない場合のほか、殆ど悪影響が無い程度に微量の乳化剤を含む場合を排除しない趣旨である。すなわち、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置は乳化剤を添加する必要が無いが、添加剤を添加してもその影響が殆ど出ない状態であれば、添加しても構わないからである。

本発明に係る燃焼装置は、バーナーチップを備えるボイラー本体部と、バーナー取付ユニットと前記バーナー取付ユニットにエマルジョン燃料の原料を供給するための原料供給ユニットとを具備する燃焼装置であって、前記原料供給ユニットは、燃料油を供給する第１の配管と前記第１の配管に接続され前記燃料油を加圧するオイルポンプを含むオイル供給ラインと、水を供給する第２の配管と前記第２の配管に接続され前記水を加圧する水ポンプを含む水供給ラインとを含み、前記バーナー取付ユニットは、前記バーナーチップの燃料供給部の前段に直接取り付けられ、前記オイル供給ライン及び水供給ラインを合流させるエジェクターと、前記エジェクターの噴出口に接続されるミキサーとを含み、前記エジェクターは、その内部に内径の異なる２種類の配管が連続して設けられており、前記ミキサーの出口が前記バーナーチップに接続されていることを特徴とする。

この燃焼装置は既設のボイラーなどの燃焼装置の燃料供給部の構成を一部変更して上述のエマルジョン燃料製造装置を付加することにより、低コストでエマルジョン燃料ボイラー等を実現することができる。

また、前記オイルポンプおよび前記水ポンプの出力はいずれもゲージ圧で０．５ＭＰａ以上であって、前記エジェクターの内部の空間のうち最も細い部分は０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であるように構成することが好ましい。

さらに、本発明に係る燃焼装置は、ボイラー内の給水温度、発生蒸気圧力およびエマルジョン供給圧力を計測する計測部と、温度および圧力を設定値に制御するための制御部と、前記オイル供給ラインおよび前記水供給ライン上のそれぞれに前記制御部からの信号によって開閉するモーター弁とを備え、前記オイルポンプおよび前記水ポンプは、いずれもインバーターの周波数によって出力を変化させることができるインバーターポンプであって、前記制御部の温度および圧力の設定値に基づいて、前記モーター弁の開閉および前記インバーターの周波数を時間比例制御によって調節するように構成してもよい。

これはいわゆる時間比例制御と呼ばれる制御方式を実現するための構成であり、このような構成によると、ボイラーから送られる温度および圧力信号が所定の設定値となるようにして、燃料の過剰供給を防止することができる。その際、オイルおよび水供給ライン上に計器類を設けて燃料油や水の供給量を監視したり、瞬時値、積算値、割合の表示や記録、異常時の警報発信等を行ってもよい。

さらに、本発明に係る燃焼装置は、エマルジョン供給圧力を計測する計測部と、圧力を設定値に制御するための制御部と、前記オイル供給ラインおよび前記水供給ライン上のそれぞれに高出力燃焼時にのみ開にする高燃焼用弁と、常時開にする低燃焼用弁と、前記高燃焼弁を開にしたときにのみ点火する高燃焼用バーナーチップと、常時点火する低燃焼用バーナーチップとを備え、前記制御部の圧力の設定値に基づいて、前記高燃焼弁の開閉を行うように構成してもよい。

これはいわゆる三位置制御と呼ばれる制御方式を実現するための構成であり、このような構成によっても、燃料の過剰供給を防止することができる。

本発明に係るエマルジョン燃料製造装置によると、実質的に乳化剤を含まないエマルジョン燃料を製造することができる。また、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置は既設の燃焼装置（ボイラーなど）の燃料供給部に取り付けることが可能であり、有用性が大きい。

（エマルジョン燃料の燃焼原理について）
初めに、本発明において言及されるエマルジョン燃料の燃焼原理について図面を参照して簡単に説明する。本発明では、ボイラーなどの燃焼装置に適用されるエマルジョン燃料製造装置を想定しているものであるため、Ａ重油などの燃料油と不純物を除去した軟水を出発原料とするものであり、その配合比率は概ね８０〜７０％：２０〜３０％前後である。この比率は出発原料の比重や粘度などによっても変わるが基本的には油分の方が多いため、油中水滴型エマルジョン（Ｗ／Ｏエマルジョン）である。

図８（ａ）〜図８（ｄ）は、油中水滴型エマルジョンが燃焼する様子を時間の経過と共に模式的に表した遷移図である。ノズルより噴霧されたエマルジョンは、燃料油１００中に微細な水滴１０１を含んでいる（図８（ａ））。この状態でエマルジョンが燃焼装置内に送られると、まず外側の燃料油成分が燃焼し始める（図８（ｂ））。すると、内部の水が加熱、膨張をはじめる（図８（ｃ））。そしてついに、二次微粒子化（これを「ミクロ爆発」という。）し、油滴微粒子は空気との接触面積が増大して急速に燃焼する（図８（ｄ））。

燃料中に含まれる水分の蒸発熱により燃焼温度が低下し、このため窒素酸化物生成量が減少する。さらに、微粒子化した燃料は急速に完全燃焼するために黒鉛や未燃焼炭素などからなる排気微粒子（ＰＭ）の発生が抑制される。

（第１の実施形態）
−システム構成について−
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃焼装置のシステム構成図である。このシステムは、いわゆる小型ボイラーを用いた比例制御バーナー（３００〜４００［ｌ／ｈ］以上）を用いたタイプを示している。図中に示すポンプの出力はインバーターによって変更することができ、これによって、運転時の出力を変化させることができる。

同図に示すように、本実施形態に係る燃焼装置は、大きく分けて、ボイラー本体部１０と、バーナー取付ユニット２０と、原料供給ユニット３０とから構成されている。ボイラー本体部１０には油圧噴霧方式のバーナーチップ１１が設けられる。バーナーチップの数及び種類は特に限定されないが、後述する比例制御方式の場合、１つでも構わない。なお、第２の実施形態で説明する三位値制御方式の場合、最低２つのバーナーチップが必要となる。

例えば、燃料にＡ重油を利用するオイルバーナーはボイラー本体部１０とオイル供給ラインを備えている。したがって、ここにバーナー取付ユニット２０と水供給ラインを追加して一部の配管接続を変更するだけで、オイルバーナーをエマルジョン燃料バーナーに変更することができ、既存の設備を有効に活用することができる。

バーナー取付ユニット２０は、ボイラー本体部１０の燃料供給部に取り付けられ、エジェクター２１とスタティックミキサー２２とを含んでいる。

エジェクター２１は二流体を高速で衝突させて混合するための部材であり、内部で連通する３つの開口部を備えた略Ｔ字状の部材であるが、内部で配管径（空間径）が急激に変化するように構成されている点に特徴がある。そして、エジェクター２１の流入側には燃料油を供給するためのオイル供給ライン２３と水を供給するための水供給ライン２４と逆止弁２５、２６等を介して接続され、噴出口側から燃料油と水とが混合された混合流体がスタティックミキサー２２へ送られるようになっている。

エジェクター２１における、オイル供給ライン２３及び水供給ライン２４の接続部の内径は共に、流入部では広いが、内部で急に狭くなり、合流部で再び広い空間となり噴出部で更に広くなるように構成されている。内径が大きい部分を腹、内径が細い部分を節とすれば、複数の腹と節とが連続して設けられている。このような配管径の急激な変化はエマルジョン燃料の均質化に貢献していると考えられる。例えば、内径の最も細い節の部分は０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であるのに対し、太い部分は２．０ｍｍ以上８ｍｍ以下（実験では約２．１ｍｍ乃至約７．６ｍｍ程度）としている。

図２は、図１におけるスタティックミキサー２２の一例を示す構造断面図を示している。このスタティックミキサー２２は筒状の円管の内部に多数のエレメント（２２Ａ、２２Ｂ）が設けられたラインミキサーの一種であり、エレメントを通過するごとに燃料油と水とが分断されながら混合される。

原料供給ユニット３０は、オイル供給ライン２３と水供給ライン２４とから構成される。このうち、オイル供給ラインは既設のボイラーが最初から備えているものでよい。オイル供給ライン２３、水供給ライン２４は流量を調節するためのモーター弁３４、３５を介してポンプ３６、３７に接続される。

ポンプ３６、３７の圧力はボイラーの規模や原料となる燃料油の粘度などによっても異なるが、本件発明者らが試作した装置では、バーナーチップ１１に供給されるエマルジョン燃料の供給圧力をゲージ圧で０．８〜１．５ＭＰａとすると、ポンプ３６は例えば０．５〜１．５ＭＰａ（ゲージ圧）程度で燃料油を加圧し、ポンプ３７は例えば０．５〜２．０ＭＰａ（ゲージ圧）程度で水を加圧する。

実験では燃料油の流量と水流量は概ね３：１とし、節及び腹の組を１段として使用段数は１段から３段までとしたが、燃料油及び水の粘度等によって適宜変更することができる。

このような極めて大きい圧力で加圧することと、上述のような腹と節とが連続するエジェクターとラインミキサーとを通過することが相俟って、実質的に乳化剤を用いることなく均一なエマルジョン燃料を製造することができる。本発明の実施形態で示す構造のエマルジョン燃料の製造装置によれば、約数十秒乃至約１００秒程度の間は分離が起こらない。

さらに、図１に示すように、水供給ライン２４にはヒーター４０が設けられていてもよい。こうするとエジェクター２１へ送られる水の比重や粘度を変化させることができるため、エマルジョン燃料の含水量や燃料油中に含まれる水滴粒子の大きさ等を変化させることができる。その結果、燃焼効率を最適化することができる。例えば、４０℃乃至１２０℃程度まで加熱する。

この実施形態では、ヒーター４０には温度センサー４３が設けられ温度計４４からの温度信号によってサイリスタ４５等の半導体スイッチを制御してヒーター４０の電源をオンオフするように構成されている。

また、ヒーターは水供給ラインに１つ設けた構成が図示されているが、複数設けてもよい。或いは、オイル供給ラインにもヒーターを設けて比重や粘度を変えられるようにしてもよい。エマルジョン燃料の原料に乳化剤を添加しないため、界面活性剤による化学的な作用を伴わずに燃料油中に均一な粒径の水の粒子を形成する必要があり、加熱という物理的な作用によって原料（燃料油および水）の比重や粘度を変えることの効果は、本発明においては極めて大きい。

流量計４１、４２は燃料油及び水の供給量を監視するための計器であり、初期流量調整やメンテナンスを目的として、必要に応じて適宜設けられる。これらの流量計は瞬時値や積算値や割合の表示や記録のほか、異常時の警報発信その他の制御を行うために用いることができる。

ボイラーから送られる温度或いは圧力等の信号は、所定の計器類４６、４７を介してモーター弁３４、３５や流量計４１等に伝達される。配管上に取り付けられる弁や信号線及び計器類については、ボイラーシステムの運転形態等（例えば、比例制御、三位置制御等）によって種々の態様が考えられるが、このようにボイラーからの信号（給水温度、発生蒸気圧力、エマルジョン燃料供給圧力等）を利用してエマルジョン燃料の原料となる燃料油や水の供給量を制御し、燃料の過剰供給を防止することができる。

なお、図１ではスタティックミキサーを例示したが、ラインミキサーであれば他の構成でもよい。また、ラインミキサーのすぐ後段に、ナノメートルオーダーの微細な空孔を備えたナノフィルターを設けるように構成してもよい。これによってさらに均一に燃料油と水とが混ざり合うからである。空孔の大きさは製造するエマルジョン燃料の種類等に依存するが、数十ｎｍから数μｍのオーダーであることが好ましい。

図３（ａ）は、ラインミキサーの他の例を模式的に示す構造断面図である。同図に示すように、断面が円筒状のミキシングユニットを内径が細い配管で１つ又は複数連続して設ける形態でもよい。このような構造でも、実質的に、エマルジョン原料がエジェクター２１で混合されてミキサー２２を通過する点において、図１に示す構成によるものと同等の効果が得られるからである。

なお、エジェクターとスタティックミキサーは必ずしも図１に例示するように別体で構成されている必要はない。
図３（ｂ）は、エジェクターとスタティックミキサーを接続して一体構造とした構成例を示す構造断面図である。同図に示すように、オイル供給ラインと水供給ラインのそれぞれに対し、内径の異なる２種類の配管が連続して２段設けられ、さらに、エジェクターの噴出口とスタティックミキサーの流入口を連結した一体の部材５３としている。このような場合も、実質的にエジェクターとミキサーとを備えているものとみなすことができる。このような変更は他の実施形態でも同様に当てはまるものである。

図４は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を既設のボイラーに取り付けた状態を示す装置斜視図である。同図に示すように、既設のボイラーに付加される構成はバーナー取付ユニット２０とこれに接続される水供給ラインのみであり、非常にコンパクトに実装できることが分かる。なお、これは後述する第２の実施形態の場合もほぼ同様である。

−運転方法について（比例制御）−
次に、本発明の第１の実施形態に係る燃焼装置の運転方法について説明する。これは時間比例制御と呼ばれる運転方法である。本発明において「時間比例制御」とは、オン−オフ制御の形態をとった比例制御による運転方法であって、設定値を中心とした比例帯の中で、オンとオフの時間の長さを設定値との偏差に比例させるということを特徴とする。

図６は、比例制御方式による始動及び運転時の動作手順を説明するためのシーケンス図である。

［１］始動及び運転時
初めに、ボイラーから温度又は圧力等の立ち上がり信号Ｓ１を起動トリガとして、ポンプ３６、３７をこの順に始動する（まずオイルポンプを始動し、着火後に水ポンプを始動）。次に、モーター弁３４、３５を時間比例制御で一定時間後に開状態にして温度又は圧力等の信号がポンプ３６、３７に到達したことを示す応答信号Ｓ２をボイラー本体部１０に伝達する。この応答信号Ｓ２を起動トリガとしてバーナーと比例した制御を行う。

例えば、高出力・低出力の２段階制御で運転する場合、ポンプ３６、３７のインバーターの周波数を高低２段階で制御する。そして、ヒーター４０を立ち上げて例えば約１２０℃まで加熱してミキシング効率を高めるといった動作を行うとよい。

［２］終了時
ボイラーの温度又は圧力等の立ち下がり信号Ｓ３を停止トリガとして、ポンプ３７、３６をこの順に停止する（すなわち水・燃料油の順に停止）。ボイラーは停止信号Ｓ３を発した後、一定時間（原料供給ユニットとの距離により決定）燃焼し、燃焼を停止する。原料供給ユニットはその間、燃料油のみを供給し、エマルジョンラインをオイルで置換する。

［３］異常時
万一、原料供給ユニット３０に重篤な以上があった場合は異常信号Ｓ４を出力し、ボイラーの燃焼を強制停止する。

（第２の実施形態）
−システム構成について−
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃焼装置の構成例を示す全体図である。この装置は、いわゆる小型ボイラーを用いた三位置制御バーナー（４００〜５００［ｌ／ｈ］以下）を用いたタイプを示している。図中のＨは高出力運転時の弁の状態を、Ｌは低出力運転時の弁の状態を示している。

同図に示すように、本実施形態に係る燃焼装置は、大きく分けて、ボイラー本体部６０と、バーナー取付ユニット７０と、原料供給ユニット８０とから構成されている。ボイラー本体部６０には２本のバーナーチップ６１（６１ａ、６１ｂ）が設けられる。

これらのバーナーはいわゆる三位置制御において、高出力燃焼時にのみ点火する高燃焼用バーナーチップ６１ａと常時点火する低燃焼用バーナーチップ６１ｂを示している。バーナーの数が２以上であってもよいしバーナーの種類も特に限定されない。

例えば、燃料にＡ重油を利用するオイルバーナーはボイラー本体部６０とオイル供給ラインを備えている。したがって、ここにバーナー取付ユニット７０と水供給ラインを追加して一部の配管接続を変更するだけで、オイルバーナーをエマルジョン燃料バーナーに変更することができ、既存の設備を有効に活用することができる。

バーナー取付ユニット７０は、ボイラー本体部６０の燃料供給部に取り付けられ、エジェクター７１とスタティックミキサー７２とを含んでいる。エジェクター７１及びスタティックミキサー７２は、第１の実施形態で説明したエジェクター２１、スタティックミキサー２２と同じものを用いることができる。

原料供給ユニット８０は、オイル供給ライン７３と水供給ライン７４とから構成される。このうち、オイル供給ラインは既設のボイラーが最初から備えているものでよい。オイル供給ライン７３、水供給ライン７４は流量を２段階に調節するための電磁弁８４（８４ａ、８４ｂ）、８５（８５ａ、８５ｂ）等を介してポンプ８６、８７に接続される。

これらの電磁弁はバーナーの燃焼出力に連動するもので、高出力燃焼時にのみ開く高燃焼用バルブ８４ａ、８５ａと常時開いている低燃焼用バルブ８４ｂ、８５ｂを示している。

ポンプ８６、８７の圧力はボイラーの規模や原料となる燃料油の粘度などによっても異なるが、バーナーチップ６１に供給されるエマルジョン燃料の圧力をゲージ圧で１．２〜１．８ＭＰａとすると、ポンプ８６は例えば２．０ＭＰａ（ゲージ圧）程度で燃料油を加圧し、ポンプ８７は例えば２．０ＭＰａ（ゲージ圧）程度で水を加圧する。

第１の実施形態同様、実験では燃料油の流量と水流量は概ね３：１とし、節と腹とで１段として使用段数は３段までとしたが、燃料油及び水の粘度等によって適宜変更することは可能である。

さらに、図５に示すように、水供給ライン７４には２つのヒーター９０（９０ａ、９０ｂ）が設けられていてもよい。これらのヒーターはバーナーの燃焼出力に連動するもので、高出力燃焼時にのみ電源をオンにする高燃焼用ヒーター９０ａと常時電源をオンにする低燃焼用ヒーター９０ｂを示している。このような２つのヒーターを用いて２段階に温度を制御することができ、例えば、４０℃乃至８０℃程度まで加熱することができる。

流量計９１、９２は燃料油及び水の供給量を監視するための計器であり、初期流量調整やメンテナンスを目的として、必要に応じて設けられる。これらの流量計は瞬時値や積算値や割合の表示や記録のほか、異常時の警報発信その他の制御を行うために用いることができる。

ボイラーから送られる温度或いは圧力等の信号は、所定の計器類９７等を介して電磁弁８４、８５や流量計９１等に伝達される。配管上に取り付けられる弁や信号線及び計器類については、ボイラーシステムの運転形態等（例えば、比例制御、三位置制御等）によって種々の態様が考えられるが、このようにボイラーからの信号（給水温度、発生蒸気圧力、エマルジョン燃料供給圧力等）を利用してエマルジョン燃料の原料となる燃料油や水の供給量を制御し、燃料の過剰供給を防止することができる。

−運転方法について（三位置制御）−
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃焼装置の運転方法について説明する。既述のとおりこれは三位置制御と呼ばれる方式によって高低２段階の出力を実現する運転方法である。

図７は、三位置制御方式による始動及び運転時の動作手順を説明するためのシーケンス図である。

［１］始動及び運転時
初めに、ボイラーから温度又は圧力等の立ち上がり信号Ｓ１を起動トリガとして、ポンプ８７を始動する。次に、ボイラーからの出力強度信号Ｓ_ｂ（高燃焼信号Ｓ_Ｈ、低燃焼信号Ｓ_Ｌ）を起動トリガとし、バーナーと同期した制御を行う。すなわち、オイル制御用の電磁弁８４（８４ａ、８４ｂ）、水制御用の電磁弁８５（８５ａ、８５ｂ）及び必要によりヒーター９０（９０ａ、９０ｂ）を出力強度信号と同期して開閉乃至オン・オフする。

［２］終了時
ボイラーの温度又は圧力等の立ち下がり信号Ｓ３を停止トリガとして、ポンプ８７、８６をこの順に停止する（すなわち水・燃料油の順に停止）。ボイラーは停止信号Ｓ３を発した後、一定時間（原料供給ユニットとの距離により決定）燃焼し、燃焼を停止する。原料供給ユニットはその間、燃料油のみを供給し、エマルジョンラインをオイルに置換する。

本発明に係るエマルジョン燃料製造装置は既存のボイラー設備に簡単なユニットとして付加するだけで実施できるものであり、かつこのエマルジョン燃料は乳化剤を必要としない点で、燃料費の削減効果が期待される。従って、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置は、工場やホテル或いは病院等のようなボイラー設備を導入している施設で広く利用されることが期待されるため、産業上の利用可能性は極めて大きい。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃焼装置のシステム構成図である。図２は、図１におけるスタティックミキサー２２の一例を示す構造断面図を示している。図３（ａ）は、ラインミキサーの他の例を模式的に示す構造断面図である。図３（ｂ）は、エジェクターとスタティックミキサーを接続して一体構造とした構成例を示す構造断面図である。図４は、本発明に係るエマルジョン燃料製造装置を既設のボイラーに取り付けた状態を示す装置斜視図である。図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃焼装置の構成例を示す全体図である。図６は、比例制御方式による始動及び運転時の動作手順を説明するためのシーケンス図である。図７は、三位置制御方式による始動及び運転時の動作手順を説明するためのシーケンス図である。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、油中水滴型エマルジョンが燃焼する様子を時間の経過と共に模式的に表した遷移図である。

符号の説明

１０、６０ボイラー本体部
２０、７０バーナー取付ユニット
３０、８０原料供給ユニット
２１、７１エジェクター
２２、７２ミキサー（スタティックミキサー）
５３エジェクター＋ミキサー

Claims

バーナーチップを備えるボイラー本体部と、バーナー取付ユニットと前記バーナー取付ユニットにエマルジョン燃料の原料を供給するための原料供給ユニットとを具備し、
前記原料供給ユニットは、燃料油を供給する第１の配管と前記第１の配管に接続され前記燃料油を加圧するオイルポンプを含むオイル供給ラインと、水を供給する第２の配管と前記第２の配管に接続され前記水を加圧する水ポンプを含む水供給ラインとを含み、
前記バーナー取付ユニットは、前記バーナーチップの燃料供給部の前段に直接取り付けられ、前記オイル供給ライン及び水供給ラインを合流させるエジェクターと、前記エジェクターの噴出口に接続されるミキサーとを含み、前記エジェクターの前記オイル供給ライン及び前記水供給ラインの接続部には共に、内径の異なる少なくとも２種類の空間が連続して設けられており、前記ミキサーの出口が前記バーナーチップに接続されている燃焼装置であって、
ボイラー内の給水温度、発生蒸気圧力およびエマルジョン供給圧力を計測する計測部と、温度および圧力を設定値に制御するための制御部と、前記オイル供給ラインおよび前記水供給ライン上のそれぞれに前記制御部からの信号によって開閉するモーター弁とをさらに備え、
前記オイルポンプおよび前記水ポンプは、いずれもインバーターの周波数によって出力を変化させることができるインバーターポンプであって、
前記制御部の温度および圧力の設定値に基づいて、前記モーター弁の開閉および前記インバーターの周波数を時間比例制御によって調節することを特徴とする燃焼装置。
バーナーチップを備えるボイラー本体部と、バーナー取付ユニットと前記バーナー取付ユニットにエマルジョン燃料の原料を供給するための原料供給ユニットとを具備し、
前記原料供給ユニットは、燃料油を供給する第１の配管と前記第１の配管に接続され前記燃料油を加圧するオイルポンプを含むオイル供給ラインと、水を供給する第２の配管と前記第２の配管に接続され前記水を加圧する水ポンプを含む水供給ラインとを含み、
前記バーナー取付ユニットは、前記バーナーチップの燃料供給部の前段に直接取り付けられ、前記オイル供給ライン及び水供給ラインを合流させるエジェクターと、前記エジェクターの噴出口に接続されるミキサーとを含み、前記エジェクターの前記オイル供給ライン及び前記水供給ラインの接続部には共に、内径の異なる少なくとも２種類の空間が連続して設けられており、前記ミキサーの出口が前記バーナーチップに接続されている燃焼装置であって、
エマルジョン供給圧力を計測する計測部と、圧力を設定値に制御するための制御部と、前記オイル供給ラインおよび前記水供給ライン上のそれぞれに高出力燃焼時にのみ開にする高燃焼用弁と、常時開にする低燃焼用弁と、前記高燃焼弁を開にしたときにのみ点火する高燃焼用バーナーチップと、常時点火する低燃焼用バーナーチップとをさらに備え、
前記制御部の圧力の設定値に基づいて、前記高燃焼弁の開閉を行うことを特徴とする燃焼装置。