JP5597326B2

JP5597326B2 - 燃料改質装置

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Publication number: JP5597326B2
Application number: JP2010058899A
Authority: JP
Inventors: 力松田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: JP2011190765A

Description

本発明は、燃料改質装置に関し、殊に、燃料供給路の途中に配設され液体燃料に微細な泡の状態にしたガスを混入することで燃焼性の高い燃料に改質して燃焼装置に送出する燃料改質装置に関する。

特開２００５―８８２号公報に記載されているように、直径がミクロン単位の微細な気泡を液体中で生成するマイクロバブル生成装置が周知であり、また、最近では特開２００９−２５４９８４号公報に記載されているように、直径がナノ単位のナノバブルを生成するナノバブル生成装置も開発されている。

このような装置で作成されたマイクロ単位以下の微細な気泡（殊に直径５０μｍ以下のもの）は、通常の気泡とは異なった性質が現れることが知られており、例えば１０μｍの気泡は水中で１分間に３ｍｍ程度しか上昇しない等、液体中の上昇速度が極めて遅いことから、液体中で長時間滞在する特性を有している。また、気泡の大きさに反比例して界面張力による加圧が大きくなるため一層小さくなりやすいことに加え、負に帯電していることにより互いに反発して大径化しにくいという特性も有している。

そして、このような特性を有した直径がミクロン単位以下（１ｍｍ未満）の微細な気泡を混入することで燃料を改質し、これを燃焼装置に供給して燃焼効率を改善する技術が知られている。例えば特開２００７−２４０１２号公報、特開２００７−１７０２９５号公報には、エンジンやボイラー等の燃焼装置への燃料供給路の途中に気泡生成手段を配設してマイクロバブルを燃料に混入し、燃料噴射時の気泡の破裂により噴射燃料の微細化を促進して燃料の燃焼効率を高めることが提案されている。

このようにして燃料の燃焼効率を向上させることは、燃料節約効果のみならず燃焼装置の運転に伴う有害物質の発生や地球温暖化ガスの排出量を低減させる効果もある。さらに、特開２００８−１６９２５０号公報には燃料に混入するガスとして酸素を用いることが記載されており、この場合、酸素が助燃剤として機能することで燃焼スピードが増し、通常の空気（大気）を用いる場合よりも燃焼効率がさらに向上するため、少ない気泡混入量でも同等以上の効果が発揮されることとなる。

一方、気泡を微細化したことで燃料中での滞在時間が長くなったとはいえ、生成した気泡中には大径の気泡も含まれるのが通常であり、また燃焼装置に供給するまでの経路において気泡が上昇して集まることでガス溜まりが生じ、燃料の送出不良に繋がることがある。また、燃料流量に変動がある場合、最小限度の気泡生成能力で設定された気泡生成手段では、大流量時に気泡濃度が薄くなるため燃焼効率にバラツキが生じることになる。

そこで、燃料中を上昇して集まったガスを一箇所に纏めて排出したり、最小限の気泡生成能力で燃料消費量の変動に対応して気泡濃度の安定性を確保したりするために、気泡生成手段に燃料貯留室（ストレージタンク）を付設して気泡含有燃料を循環させ、上部にガスを集めて適宜排出しながら気泡濃度を高めることも行われている。

しかしながら、この場合にさらに燃焼効率を高める目的で酸素を混入用ガスとして用いると、その燃料貯留室の上部に高濃度の酸素が気化燃料とともに溜まり、これを適宜のタイミングで外部に排出することになるが、この貯留ガスが極めて燃焼性が高いために火災や爆発などの燃焼事故発生の危険性を伴うことになる。

特開２００５―８８２号公報特開２００９−２５４９８４号公報特開２００７−２４０１２号公報特開２００７−１７０２９５号公報特開２００８−１６９２５０号公報

本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、酸素を主成分としたガスを用いて気泡生成手段で燃料に気泡を混入し燃料貯留室に一旦溜めてから燃焼装置に送出する燃料改質装置について、燃焼効率を改善することに加え、燃料貯留室に溜まった酸素濃度の高いガスによる燃焼事故発生のリスクを低減させることを課題とする。

そこで、本発明は、燃焼装置に向かう燃料供給路の途中に配設され、酸素を主成分とした混入用ガスを用い気泡生成手段で直径がミクロン単位以下の気泡を生成・混入することにより燃料を改質し、この改質燃料を気泡生成手段に付設した燃料貯留室に一旦溜めてから送出する燃料改質装置において、その燃料貯留室は、貯留した改質燃料の液面上方に気泡が破裂して集まったガスを一旦溜めるガス貯留室を形成し、このガス貯留室に接続した酸素希釈手段で所定の希釈用ガスを送気して貯留ガスを希釈し酸素濃度を所定レベル以下に維持しながら排気通路を介して排出させるものであり、電子的制御手段が燃料送出量の変動に応じて気泡生成手段による気泡混入量の調整を行いながら改質燃料の気泡混入濃度を所定レベルに維持するとともに、酸素希釈手段による希釈用ガスの導入量の調整を行うものとされ、且つ、その排気通路の途中には、燃料回収手段が配設されて燃料由来成分を液体の状態で回収しながら残りのガスを外部に排出するとともに、燃料回収手段の下流側にはエアーフローセンサが配置され前記電子的制御手段がそのガス流量を検知しながら異常発生に対応する、ことを特徴とするものとした。

このように、酸素を主成分としたガスを微小な気泡の状態にして燃料に混入することで燃焼効率を向上させ、気泡を含有した改質燃料を気泡生成手段に付設した燃料貯留室に一旦溜めることで燃料の気泡混入濃度を安定させるとともに気泡由来のガスを分離できるようになるが、この燃料貯留室の上部に酸素濃度の高いガスが溜まることにより排出時等において燃焼事故のリスクを生じることになる。そこで、上述のように酸素希釈手段を設けて希釈用ガスで貯留ガスの酸素濃度を所定レベル以下まで希釈しながら排出することにより、燃焼事故発生のリスクを顕著に低減させることができる。また、電子的制御手段が気泡混入濃度を所定レベルに維持するとともに希釈用ガスの導入量の調整を行って貯留ガスの酸素濃度を所定レベル以下に維持するものとしたことで、燃料流量の変動状況に応じて適切且つ安定的な燃料の改質と安全性の確保を自動的に実現できるものとなる。さらに、その排気通路の途中に燃料成分回収手段を配設したことで燃料成分の放出による燃焼事故や環境汚染の発生を回避できるものとなるが、その燃料成分回収手段の下流側にエアーフローセンサを配置してその位置でのガス流量を電子的制御手段が検知しながら所定の状況に対応するものとしたことで、装置の運転における異常発生に対応可能なものとなる。

気泡生成手段に付設した燃料貯留室に酸素希釈手段で希釈用ガスを送気して貯留ガスの酸素濃度を低下させるものとした本発明によると、燃焼効率を改善することに加え、燃料貯留室に溜まった酸素濃度の高いガスによる燃焼事故発生のリスクを大きく低減できるものである。

本発明における実施の形態である燃料改質装置の構成を示す配置図。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。

図１は、本実施の形態の燃料改質装置１の構成を説明するための配置図である。この燃料改質装置１は、図示しない燃料タンクから図示しないエンジンやボイラー等の燃焼装置に液体の燃料を送る燃料供給通路の途中に配設され、導入した燃料に酸素を主成分としたガスを微細な気泡にして混入することにより改質して、その燃焼効率を高めるためのものであり、改質対象としてＡ重油、灯油、軽油、ガソリン等の様々な液体燃料が想定される。

燃料改質装置１は、図示しない燃料タンクから延設された燃料供給配管が接続する燃料導入管１４ａを有しており、これが直径ミクロン単位以下（１ｍｍ未満）の微細気泡を生成する気泡生成手段としてのマイクロバブル生成器２０に接続され、酸素を主成分としたガスを用いて導入した燃料中に微細気泡を混入するようになっている。

この気泡を生成するのに用いる混入用ガスは、ガスボンベ７に充填されて配管を介しマイクロバブル生成器２０に供給されるが、そのガス流量は、電子制御ユニット１０が電動式の流量調整弁８ｅを操作することで制御されるようになっている。尚、混入用ガスの組成は、燃焼効率改善の観点から純酸素が好適であるが、酸素濃度が体積比で５０％以上のものであれば顕著な改善効果を発揮可能なものとなる。

また、このマイクロバブル生成器２０は、気泡を混入した改質燃料を一旦溜める燃料貯留室を構成するストレージタンク２に付設されており、このストレージタンク２内で微細気泡を混入した改質燃料を一旦溜めるとともに、順次マイクロバブル生成器２０で気泡を追加しながら気泡濃度を所定レベルに維持して、燃料送出管１４ｂを介し燃焼装置に向かって送出するようになっている。そのため、マイクロバブル生成器２０が必要最小限の気泡生成能力しか有さない場合でも、燃料送出量の変動に対応して安定した気泡混入濃度で改質燃料を供給可能となっている。

ストレージタンク２にはセンサータンク３が付設され、上限センサ１１ａ及び下限センサ１２ａで燃料の液面レベルを検出して電子制御ユニット１０に出力するようになっており、その検出データに基づいて電子制御ユニット１０が燃料導入管１４ａの途中に設けた給油ポンプ５を駆動制御しながらストレージタンク２の液面レベルを一定に保つようになっている。尚、上限センサ１１ａの上方にはオーバーフローセンシングフロート１１ｂが設けられてオーバーフロー時に電子制御ユニット１０を経ずに装置を緊急停止するようになっており、下限センサ１２ａの下方には異常液面低下センシングフロート１２ｂが設けられて異常液面低下時に電子制御ユニット１０を経ずに装置を緊急停止するシステムとなっている。

さらに、このストレージタンク２（センサタンク３を含む）では、改質燃料を貯留する燃料貯留部２ａ及び燃料の液面上方で液面まで上昇して破裂した気泡によるガスを集めて一旦溜めるガス貯留部２ｂを形成するようになっており、このガス貯留部２ｂに、電子制御ユニット１０に駆動制御されるエアーポンプ６を備えて大気側に連通した酸素希釈手段としての送気管１５ａが接続されている。

そして、エアーポンプ６の駆動により強制的に外気をガス貯留部２ｂに送気して貯留ガスの酸素濃度を所定レベル以下に維持しながら、排気通路となる排気管１５ｂを介し送気量に一致する量の貯留ガスを外部に排出するようになっており、この点が本発明における特徴部分となっている。

即ち、例えば純酸素など酸素を高濃度で含むガスを混入用ガスとして使用した場合、ガス貯留部２ｂは高濃度の酸素に気化燃料を含んで排出の際に燃料事故発生のリスクが大きくなる。そこで、その貯留ガスにガス混入量（気泡生成量）を上回る量の外気（酸素濃度約２０％）を導入しながら酸素濃度を３０％以下、好ましくは２３％以下にすることで、燃焼事故発生のリスクを顕著に低減することが可能なものとなる。

このガス貯留部２ｂへの送気量は、電子制御ユニット１０が燃料送出量及びガス混入量の変動に応じてエアーポンプ６の駆動を操作しながら制御するようになっている。尚、強制的に送気する希釈用ガスは空気に限定されず、運転コストを過大にせずに酸素濃度を低下させて貯留ガスの燃焼性を低下させるものであれば、純窒素のようなガスでも良いことは言うまでもない。

一方、ガス貯留部２ｂから続く排気管１５ｂの途中には、燃料成分回収手段としての気液分離器４が配設されており、貯留ガス中にミストの状態等で含まれる燃料成分を分離し液体の状態で液体排出管１６ａを介して回収するようになっている。また、この気液分離器４の下流にはエアーフィルタ１２が配設され、排出するガスをさらに浄化できるようになっている。

加えて、このエアーフィルタ１２の下流には、エアーフローセンサスイッチ１１ｃが配設されており、この部分のガス流量を電子制御ユニット１０が検知しながら装置の運転における異常発生に対応できるようになっている。そして、燃料改質装置１において複数配置された配管の所定箇所には、手動式の遮断弁（バルブ）９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆが配設されていることに加え、電子制御ユニット１０により開閉操作される電動式の遮断弁８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが配設されており、装置の安全性を確保しやすいものとしている。

このように、本実施の形態による燃料改質装置１の作動は、電子制御ユニット１０によりほぼ自動的に制御され、燃料送出量の変動に応じてマイクロバブル生成器２０による気泡生成量の制御が行われ、改質燃料の気泡混入濃度を自動的に所定レベル以上に維持するようになっている。

また、気泡混入量の変動に応じて、エアーポンプ６による希釈用空気の導入量の制御も行われ、排気管１５ｂにより排出されるガスの酸素濃度を自動的に所定レベル以下に維持するようになっている。したがって、燃料の使用状況に応じて的確且つ安定的な燃料の改質、及び装置の安全性の確保を自動的に実現することができる。

上述した燃料改質装置を実際に作成して、ボイラーへの燃料供給路の途中に配設し、混入用ガスとして純酸素（７５ｍｌ／分）を供給燃料（約４リットル／分）に混入し、希釈用ガスとして空気を送気（約４０リットル／分）しながら稼働させた。その際、ボイラーへの吸水量及び重油の給油量を測定して、蒸発倍数（給水量／給油量）を基に燃焼効率の改善を検証するとともに、ガス貯留部からの排気における酸素濃度を測定して装置の安全性について検証した。燃焼効率の改善は、最初のクールで燃料改質装置を介さずに燃料を供給した場合（約１００分）を対照例とし、その次のクールで燃料改質装置を介してボイラーに燃料を供給し（約１２０分）、各々約５分毎に測定した。

（結果）対照例は蒸発倍数が１２．２倍であったのに対し、本発明では１４．４倍であり、１７．２％の改善効果が認められた。また、希釈後の排気の酸素濃度は２１．４％であり、外気の酸素濃度２０．９％と殆ど変わらないレベルまで希釈されていた。

したがって、本発明の燃料改質装置を使用することにより、燃焼効率が向上して燃料使用量の削減効果が期待できることに加え、装置の稼働に伴って高濃度の酸素を排出することがないことから、燃焼事故発生のリスクが顕著に低減されることが明らかとなった。

尚、本発明の燃料改質装置をボイラーに使用したことにより、ボイラーの釜におけるススの付着量が顕著に低減されており、本発明による燃料改質装置を使用した後にこれを使用しないノーマル運転を行った場合に、そのノーマル運転においても、総ての期間ノーマル運転を行った場合と比べて６．３％の蒸発倍数の改善が見られた。これは、燃料に混入した酸素により燃焼速度が向上した結果、ススの付着量が減少したことによると推定される。

また、上述した実施の形態による効果は、給湯用のボイラーに対する燃料供給の場合のみならず、暖房用の燃焼機器やエンジン等の内燃機関への燃料供給の場合を含め、液体燃料を使用する総ての燃焼機器において同様に発揮されると考えられる。

以上、述べたように、気泡生成手段で気泡を燃料に混入した改質燃料を燃料貯留室に一旦溜めてから燃焼装置に送出する燃料改質装置について、本発明により、燃焼効率が顕著に向上することに加え、燃料貯留室に高濃度の酸素が溜まることに由来する燃焼事故発生のリスクを低減できるものとなった。

１燃料改質装置、２ストレージタンク、２ｂガス貯留部、３センサータンク、４気液分離器、５給油ポンプ、６エアーポンプ、７ガスボンベ、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ遮断弁、１０電子制御ユニット、１１ａ上限センサ、１１ｂオーバーフローセンシングフロート、１１ｃエアーフローセンサスイッチ、１２ａ下限センサ、１２ｂ異常液面低下センシングフロート、１４ａ燃料導入管、１４ｂ燃料送出管、１５ａ送気管、１５ｂ排気管、１６ａ液体排出管

Claims

燃焼装置に向かう燃料供給路の途中に配設され、酸素を主成分とした混入用ガスを用い気泡生成手段で直径がミクロン単位以下の気泡を生成・混入することにより燃料を改質して、該改質燃料を前記気泡生成手段に付設した燃料貯留室に一旦溜めてから送出する燃料改質装置において、
前記燃料貯留室は、貯留した前記改質燃料の液面上方に気泡が破裂して集まったガスを一旦溜めるガス貯留室を形成し、該ガス貯留室に接続した酸素希釈手段で所定の希釈用ガスを送気して貯留ガスを希釈し酸素濃度を所定レベル以下に維持しながら排気通路を介して排出させるものであり、電子的制御手段が燃料送出量の変動に応じて前記気泡生成手段による気泡混入量の調整を行いながら前記改質燃料の気泡混入濃度を所定レベルに維持するとともに、前記酸素希釈手段による希釈用ガスの導入量の調整を行うものとされ、且つ、前記排気通路の途中には、燃料回収手段が配設されて燃料由来成分を液体の状態で回収しながら残りのガスを外部に排出するとともに、前記燃料回収手段の下流側にはエアーフローセンサが配置され前記電子的制御手段がそのガス流量を検知しながら異常発生に対応する、ことを特徴とした燃料改質装置。