JP5446351B2

JP5446351B2 - 燃料と有機化合物水溶液を使用する高温燃焼方法及び装置

Info

Publication number: JP5446351B2
Application number: JP2009064851A
Authority: JP
Inventors: 三郎石黒; 幸雄石井
Original assignee: 三郎石黒
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP2010216732A

Description

本発明は、有機化合物水溶液の燃焼方法及び装置に係り、特にアルコール水溶液等の有機化合物水溶液と燃料を使用する高温燃焼方法及び装置に関する。

従来、液体燃料を用い、有機化合物を含む加水燃料を添加して燃焼する方法において、有機化合物水溶液（以下、原水と称す）の有機化合物としては、アルコール類、有機酸類、アルデヒトケトン類等があり、原水の一例として産業廃棄物である有機廃水が挙げられる。
この原水を燃焼させる場合、二重管型の二流体バーナを使い外管のバーナで重油等を燃焼させながら、内管のバーナ口から原水を徐々に添加して燃焼させる場合が多い。この方法は、重油で有機廃水の水を蒸発させながら中に含まれる有機化合物を酸化処理する方法であり、エネルギー的には殆ど寄与しておらず、単なる廃水処理として行われている。

また、原水に重油等を添加・混合して、油中水滴型（Ｗ／Ｏ）のエマルジョンを作り、燃料として処理する方法があるが、原水中の有機化合物を燃料として利用できるが、特に効率よく燃焼するわけでもない。

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。

また、水蒸気爆発は、溶鉄が水槽に落下した時や、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）。

Ｗ／Ｏ型エマルジョンを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、確実に水蒸気爆発（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水に含有される有機化合物を一部分解し、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原水を瞬時に高温に昇温することであり、例えば高温の固体表面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原水中に含まれる有機化合物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原水中に含まれる有機化合物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。実際にアルコール１０％水溶液を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て溶融塊となってしまうので、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バーナにより水に溶解するアルコール類、有機酸類、アルデヒト類、又はケトン類から選択されるいずれか１種又は２種以上の有機化合物の水溶液である有機化合物水溶液を前記第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有機化合物水溶液を使用する高温燃焼方法。
[２] 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記[１]に記載の有機化合物水溶液の燃焼方法。
[３] 第１バーナにより噴霧される燃料が、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記[１]又は[２]のいずれか１項に記載の有機化合物水溶液の燃焼方法。

[４] 燃焼炉１と、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２と、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４と、第１バーナに隣接して取り付けられ、水に溶解するアルコール類、有機酸類、アルデヒト類、又はケトン類から選択されるいずれか１種又は２種以上の有機化合物の水溶液である有機化合物水溶液を
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３とを備えてなることを特徴とする燃料と有機化合物水溶液を使用する高温燃焼装置。
[５] 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記[４]に記載の有機化合物水溶液の燃焼装置。

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バーナにより水に溶解するアルコール類、有機酸類、アルデヒト類、又はケトン類から選択されるいずれか１種又は２種以上の有機化合物の水溶液である有機化合物水溶液を前記第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、
本願発明によれば、燃料又は有機化合物水溶液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、燃料及び有機化合物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、本願発明の第１実施例の装置を用いた炉内温度の変化グラフ図、

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（有機化合物水溶液噴射バーナ）３から原水（有機化合物含有水）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有機化合物が分解される。
有機化合物水溶液は、第２バーナ３から炉１内に噴霧されるが、その組成は、有機化合物：水の比率＝１：０．５〜２０の範囲のもの（すなわち、有機化合物含有率は６６．７〜５．０％）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からの有機化合物水溶液噴射量は、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、液体燃料と有機化合物水溶液は、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原水の噴霧を始める。

原水の噴霧は燃料と同量程度から始めるのがよいが、温度が１０００℃に達していれば２〜５倍量程度噴霧しても問題ない。噴霧された原水（有機化合物含有水）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、原水の代わりにＷ／Ｏ型のエマルジョン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。
原水の内メタノールやエタノールを含む水はメタノールやエタノールと共沸混合物を作り、沸点が下がるので水蒸気微爆発が起き易くなる。しかもメタノールやエタノールは水に溶解しているので、しかもアルコールは水のクラスターの内部に入り込んで溶解している、水蒸気微爆発により、アルコールは一部分解や結合が緩み、水性ガス反応と酸化反応が同時に起こり、効率の高い燃焼が実現する。

図８は本願実施例１に示す装置を用いた炉内温度変化を示すグラフ図である。
図１に示す装置を用いて、第１バーナ２から１４Ｌ／Ｈの灯油及び空気を炉内に１５分間噴霧して、炉内温度を７００℃にさせた。次いで第２バーナ３から５．５％濃度及び１０％濃度のメタノール水溶液を、耐熱反射体４に向けて１０分間噴霧し加熱して、炉内温度変化を測定した。それらの結果を図８に示したが、炉内温度が７００℃になった時点で、追加的に第２バーナ３から有機化合物水溶液を噴射すると、７００℃から急上昇して瞬時に１１００〜１２００℃に昇温することが理解される。なお、グラフ図中（ａ）線は第２バーナ３から１０％濃度のメタノール水溶液を追加的に噴霧した場合の炉内の温度上昇曲線、（ｂ）線は５．５％濃度のメタノール水溶液を追加的に噴霧した場合の炉内温度の温度上昇曲線である。
この理由は確実には解明されていないが、７００℃に加熱された耐熱反射体にメタノール水溶液の微小液滴が衝突して水蒸気微爆発を起こす。この微爆発は温度が高い程激しいエネルギーを示す。特にメタノールは水とはクラスターを共有して溶解しており、しかも沸点６４．７℃と低いので、激しい水蒸気微爆発により、メタノール分子結合は分解ないし結合は緩み、水性ガス反応、酸化反応が急速に進み温度が急上昇したものと考えられる。

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バーナにより水に溶解するアルコール類、有機酸類、アルデヒト類、又はケトン類から選択されるいずれか１種又は２種以上の有機化合物の水溶液である有機化合物水溶液を前記第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行程とからなることを特徴とする燃料と有機化合物水溶液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１に記載の燃料と有機化合物水溶液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又は２のいずれか１項に記載の燃料と有機化合物水溶液を使用する高温燃焼方法。
（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）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、水に溶解するアルコール類、有機酸類、アルデヒト類、又はケトン類から選択されるいずれか１種又は２種以上の有機化合物の水溶液である有機化合物水溶液を前記第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有機化合物水溶液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４に記載の燃料と有機化合物水溶液を使用する高温燃焼装置。