JP6871590B2

JP6871590B2 - 燃焼システムおよび燃焼方法

Info

Publication number: JP6871590B2
Application number: JP2016198449A
Authority: JP
Inventors: 藤野　俊; 俊藤野; 尭深町
Original assignee: Sayrise Inc
Current assignee: Sayrise Inc
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: JP2018059466A

Description

本発明は、燃焼システムおよび燃焼方法に関し、特には、電磁波処理技術を用いた燃焼システムおよび燃焼方法に関するものである。

従来、燃焼装置に供給される液体燃料を電磁波処理することにより、排ガス中の一酸化炭素、炭化水素および一酸化窒素の濃度を低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、特許文献１では、自動車エンジンにガソリンを供給する配管の外周面にケーブルを巻き付けてなるコイルに対し、４０００〜６０００Ｈｚの範囲で周波数が時間的に変化する方形波の交流電流を流すことにより、発生した電磁波を用いてガソリンを電磁波処理している。そして、電磁波処理によりガソリン中の粒子のゼータ電位を変化させて、排ガス中の一酸化炭素、炭化水素および一酸化窒素の濃度を低減させている。

特開２００９−２７６０４２号公報

ここで、近年では排ガス中に含まれている窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）等に対する規制が厳しくなっているところ、コイルに方形波の交流電流を流した際に生じる電磁波を用いて液体燃料を電磁波処理する上記従来の技術には、排ガス中に含まれているＮＯ_Ｘの濃度を更に低減させるという点において改善の余地があった。

そこで、本発明は、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を低減可能な燃焼システムおよび燃焼方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた。そして、本発明者は、燃焼装置に供給される空気等の酸素含有気体に対して所定の電磁波処理を施すと排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が著しく低減することを見出し、本発明を完成させた。

即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の燃焼システムは、燃焼装置と、前記燃焼装置に燃料を供給する燃料配管と、前記燃焼装置に酸素含有気体を供給する気体配管と、前記燃焼装置に供給される前記酸素含有気体を電磁波処理する電磁波処理装置とを備える燃焼システムであって、前記電磁波処理装置は、前記酸素含有気体に電磁波を照射する電磁波発振部と、前記電磁波発振部に交流電流を流す交流電流発生器とを有し、前記交流電流発生器は、単一周波数の交流電流、または、互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流を前記電磁波発振部に流すことを特徴とする。このように、所定の交流電流を電磁波発振部に流して発生させた電磁波を用いて酸素含有気体を電磁波処理する電磁波処理装置を設ければ、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を十分に低減することができる。

ここで、本発明の燃焼システムは、前記交流電流発生器が、周波数が５３００Ｈｚ以上７７００Ｈｚ以下の範囲内の交流電流を前記電磁波発振部に流し、磁束密度が５０ｍＧ以上の電磁波を発生させることが好ましい。上記範囲の周波数の交流電流を電磁波発振部に流し、磁束密度が上記下限値以上の電磁波を発生させる交流電流発生器を用いれば、酸素含有気体を良好に電磁波処理し、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を更に低減することができるからである。

また、本発明の燃焼システムは、前記気体配管が、湿度が２０％ＲＨ以上の酸素含有気体を前記燃焼装置に供給することが好ましい。電磁波処理される酸素含有気体の湿度が上記下限値以上であれば、酸素含有気体を良好に電磁波処理し、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を更に低減することができるからである。

更に、本発明の燃焼システムは、前記燃焼装置に供給される前記燃料には電磁波処理を行わないことが好ましい。燃料を電磁波処理するための電磁波処理装置を設けるとコストが増加する一方、燃料の電磁波処理を実施しなくても上述した電磁波処理装置を用いて酸素含有気体を電磁波処理すれば排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を十分に低減することができるからである。

また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の燃焼方法は、燃料および酸素含有気体を燃焼装置に供給して前記燃料を燃焼させる燃焼方法であって、前記燃焼装置に供給される前記酸素含有気体に対し、単一周波数の交流電流、または、互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流を用いて発生させた電磁波を照射する電磁波処理工程を含むことを特徴とする。このように、所定の交流電流を用いて発生させた電磁波を使用して酸素含有気体を電磁波処理すれば、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を十分に低減することができる。

ここで、本発明の燃焼方法は、前記交流電流の周波数が５３００Ｈｚ以上７７００Ｈｚ以下であり、前記電磁波の磁束密度が５０ｍＧ以上であることが好ましい。上記範囲の周波数の交流電流を使用し、磁束密度が上記下限値以上の電磁波で酸素含有気体を電磁波処理すれば、酸素含有気体を良好に電磁波処理し、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を更に低減することができるからである。

また、本発明の燃焼方法は、前記酸素含有気体の湿度が２０％ＲＨ以上であることが好ましい。酸素含有気体の湿度が上記下限値以上であれば、酸素含有気体を良好に電磁波処理し、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を更に低減することができるからである。

更に、本発明の燃焼方法は、前記燃焼装置に供給される前記燃料には電磁波処理を行わないことが好ましい。燃料も電磁波処理するとコストが増加する一方、燃料の電磁波処理を実施しなくても上述した酸素含有気体の電磁波処理を実施すれば排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を十分に低減することができるからである。

本発明によれば、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を低減可能な燃焼システムおよび燃焼方法を提供することができる。

本発明に従う燃焼システムの一例の概略構成を示す説明図である。交流電流を用いて発生させた電磁波について、周波数と磁束密度との関係を示すグラフであり、（ａ）は単一周波数の交流電流を用いた場合を示し、（ｂ）は互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流を用いた場合を示す。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
ここで、本発明の燃焼システムおよび燃焼方法は、燃料および酸素含有気体を燃焼装置に供給して燃料を燃焼させる際に用いられる。そして、本発明の燃焼システムおよび燃焼方法では、燃焼装置に供給される酸素含有気体に対して所定の電磁波処理を施すので、燃料を燃焼させた際に生じる排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を低減することができる。

（燃料）
なお、本発明の燃焼システムおよび燃焼方法で燃焼させる燃料としては、特に限定されることなく、例えば、石炭ガス、天然ガスなどの気体燃料、並びに、石油およびその分留成分（例えば、重油、軽油、灯油、ガソリン等）などの液体燃料が挙げられる。中でも、燃料としては、液体燃料が好ましい。

（酸素含有気体）
また、本発明の燃焼システムおよび燃焼方法で用いる酸素含有気体としては、特に限定されることなく、例えば、空気、乾燥空気、加湿空気、酸素ガス、酸素ガスと不活性ガス(窒素ガスや希ガスなど)との混合ガスなどが挙げられる。中でも、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を更に低減する観点からは、酸素含有気体としては、空気および加湿空気などの酸素および水分を含有する気体が好ましく、酸素および水分を含有し、且つ、湿度が２０％ＲＨ以上である気体がより好ましい。なお、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を更に低減する観点からは、酸素含有気体の湿度は、４０％ＲＨ以上であることが更に好ましく、５０％ＲＨ以上であることが特に好ましい。一方、燃料の燃焼効率を高める観点からは、酸素含有気体の湿度は、６０％ＲＨ以下であることが好ましく、５５％ＲＨ以下であることがより好ましい。

（燃焼装置）
また、本発明の燃焼システムおよび燃焼方法で用いる燃焼装置としては、特に限定されることなく、例えば、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関、ボイラー、焼却炉、乾燥炉などが挙げられる。中でも、本発明の燃焼システムおよび燃焼方法で用いる燃焼装置は、自動車用、船舶用または発電用の内燃機関であることが好ましく、自動車用、船舶用または発電用のディーゼルエンジンであることがより好ましい。燃焼装置が自動車用、船舶用または発電用の内燃機関である場合、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を低減するだけでなく、燃費を向上させることもできるからである。

（燃焼システム）
ここで、本発明の燃焼システムの一例の概略構成を図１に示す。図１に示す燃焼システム１０は、燃焼装置１と、燃焼装置１に燃料を供給する燃料配管２と、燃焼装置１に酸素含有気体としての空気を供給する気体配管３と、燃焼装置１で生成した排ガスを排出する排ガス配管４と、燃焼装置１に供給される空気を電磁波処理する電磁波処理装置５とを備えている。
なお、燃焼システム１０は、燃料を燃焼装置１へと送るためのポンプ（図示せず）および空気を燃焼装置１へと送るためのブロア（図示せず）を更に備えていてもよい。また、燃焼システム１０は、燃焼装置１に供給される空気を加湿するための加湿器（図示せず）を電磁波処理装置５よりも上流側（空気の吸い込み口側）に備えていてもよい。

また、燃焼システム１０の電磁波処理装置５は、気体配管３内を流れる空気に電磁波を照射する電磁波発振部としてのコイル５１と、コイル５１に交流電流を流す交流電流発生器５２とを有している。具体的には、電磁波処理装置５は、気体配管３の外周面にケーブルを巻き回して形成したコイル５１よりなる電磁波発振部と、ケーブルが電気的に接続された交流電流発生器５２とを有している。
なお、燃焼システム１０において気体配管３内を流れる空気に対して電磁波を良好に照射する観点からは、コイル５１は、気体配管３のうち、電磁波を透過させ易い材料（例えば、塩化ビニル樹脂等のプラスチックなど）からなる部分の外周に配置することが好ましい。

そして、燃焼システム１０では、交流電流発生器５２が、単一周波数の交流電流、または、互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流をコイル５１に流す必要がある。所定の交流電流を使用して発生させた電磁波を用いて空気を電磁波処理しなければ、排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を十分に低減させることができないからである。
なお、所定の交流電流を使用して発生させた電磁波を用いて空気等の酸素含有気体を電磁波処理することで排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を十分に低減させることができる理由は、明らかではないが、電磁波処理によって酸素含有気体中に含まれている微粒子や水分（水粒子）などのゼータ電位が十分に変化し（例えば、大幅に低下してマイナスになり）、燃焼装置１において燃料を十分に燃焼させることが可能になるためであると推察される。

ここで、単一周波数の交流電流、または、互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流を発生させることができる交流電流発生器としては、特に限定されることなく、特開２０１１−２５５３４５号公報や特開２０１３−１６７１６０号公報に記載の電磁波発生器を用いることができる。なお、通常、交流電流の周波数と、電磁波発振部に交流電流を流した際に発生する電磁波の周波数とは一致する。そのため、単一周波数の交流電流を用いて発生させた電磁波については、周波数と磁束密度との関係が図２（ａ）に示すようになり、互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流を用いて発生させた電磁波については、周波数と磁束密度との関係が図２（ｂ）に示すようになる。また、本発明において、「単一周波数」とは、厳密な意味で一つの周波数のみを有するという意味ではなく、主要周波数の数が一つである（例えば、横軸を周波数とし、縦軸を強度としたグラフにおけるピークの数が一つである）ことを意味する。

そして、排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を更に低減させる観点からは、交流電流発生器５２は、周波数が５３００Ｈｚ以上７７００Ｈｚ以下の範囲内の交流電流をコイル５１に流すことが好ましい。即ち、交流電流の単一周波数（主要周波数）は、５３００Ｈｚ以上７７００Ｈｚ以下であることが好ましい。

また、排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を更に低減させる観点からは、コイル５１に上記交流電流を流した際に生じる電磁波の磁束密度は、５０ｍＧ以上であることが好ましく、２００ｍＧ以上であることがより好ましい。
なお、電磁波の磁束密度は、例えば交流電流の電流値などを変化させることにより調整することができる。

なお、上述した一例の燃焼システム１０では、気体配管３の外周面上に電磁波発振部としてのコイル５１を配置したが、電磁波発振部を設ける位置は気体配管３の外周面上に限定されるものではない。具体的には、電磁波発振部は、例えば、燃焼装置に供給する酸素含有気体を貯留している貯留槽内に配置されていてもよい。また、上述した一例の燃焼システム１０では酸素含有気体としての空気のみを電磁波処理したが、本発明の燃焼システムでは、酸素含有気体に加えて燃料を電磁波処理してもよい。但し、排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を十分に低減しつつイニシャルコストおよびランニングコストを低減する観点からは、燃料配管側には電磁波処理装置を設置せず、酸素含有気体のみを電磁波処理することが好ましい。

（燃焼方法）
本発明の燃焼方法は、特に限定されることなく、例えば上述した燃焼システム１０において実施することができる。
ここで、本発明の燃焼方法は、燃料および酸素含有気体を燃焼装置に供給して燃料を燃焼させる燃焼方法であって、燃焼装置に供給される酸素含有気体に対し、単一周波数の交流電流、または、互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流を用いて発生させた電磁波を照射する電磁波処理工程を含むことを特徴とする。

そして、本発明の燃焼方法では、所定の交流電流を使用して発生させた電磁波を酸素含有気体に照射して酸素含有気体の電磁波処理を行っているので、排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を十分に低減させることができる。

なお、電磁波処理工程において、単一周波数の交流電流、または、互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流は、特に限定されることなく、本発明の燃焼システムの交流電流発生器と同様の発生器を用いて得ることができる。そして、電磁波は、上記交流電流をコイルなどに流すことにより発生させることができる。

また、交流電流の単一周波数（主要周波数）は、５３００Ｈｚ以上７７００Ｈｚ以下であることが好ましい。交流電流の周波数が上記範囲内であれば、排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を更に低減させることができるからである。

更に、酸素含有気体に照射する電磁波の磁束密度は、５０ｍＧ以上であることが好ましく、２００ｍＧ以上であることがより好ましい。電磁波の磁束密度が上記下限値以上であれば、排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を更に低減させることができるからである。

また、電磁波を照射される酸素含有気体の湿度は、２０％ＲＨ以上であることが好ましく、４０％ＲＨ以上であることがより好ましく、５０％ＲＨ以上であることが更に好ましく、６０％ＲＨ以下であることが好ましく、５５％ＲＨ以下であることがより好ましい。湿度が上記下限値以上であれば、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を更に低減することができるからである。また、湿度が上記上限値以下であれば、燃料の燃焼効率を高めることができるからである。

なお、本発明の燃焼方法では、酸素含有気体に加えて燃料を電磁波処理してもよいが、低コストで排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を十分に低減する加点からは、酸素含有気体のみを電磁波処理することが好ましい。

以下、本発明について実施例を用いて更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
燃焼装置として日産パトロールのディーゼルエンジン（形式：ＴＣＳＹｂ１）を使用し、燃焼試験を行った。
具体的には、エンジンのプラスチック製の吸気吸込口にケーブルを巻き付けてコイルを形成すると共に、当該ケーブルを特開２０１１‐２５５３４５号公報の図２に記載の装置と同様の構成を有する交流電流発生器に電気的に接続した。そして、２つの単一周波数（６０００Ｈｚおよび６５００Ｈｚ）の交流電流をコイルに流して吸気（空気、湿度：５７％ＲＨ）に電磁波処理を施しつつ、エンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を排ガス測定装置（堀場製作所製、MEXA-9400H）で測定すると共に、速度６０ｋｍ換算での燃費を測定した。
結果を表１に示す。

（比較例１）
吸気に対する電磁波処理を行わなかった以外は実施例１と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度および燃費を測定した。
結果を表１に示す。

（実施例２〜７）
交流電流の電流値を変更して電磁波の磁束密度を２４０ｍＧに変更し、更に吸気吸込口から吸い込まれる空気の湿度を表２に示すように調整した以外は、それぞれ実施例１と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度および燃費を測定した。
結果を表２に示す。

（比較例２〜７）
吸気に対する電磁波処理を行わなかった以外は実施例２〜７と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度および燃費を測定した。
結果を表２に示す。

（実施例８）
交流電流の電流値を変更して電磁波の磁束密度を３５０ｍＧに変更し、更に吸気吸込口から吸い込まれる空気の湿度を５０％ＲＨに調整した以外は実施例１と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度および燃費を測定した。
結果を表３に示す。

（比較例８）
吸気に対する電磁波処理を行わなかった以外は実施例８と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度および燃費を測定した。
結果を表３に示す。

（参考例１〜３）
日野自動車製の産業用ディーゼルエンジン（Ｊ０８Ｃ、７９６１ｃｃ、定格出力１４７／２９００）を使用し、燃焼試験を行った。
具体的には、エンジンのプラスチック製の吸気吸込口にケーブルを巻き付けてコイルを形成すると共に、当該ケーブルを特開２０１３−１６７１６０号公報の図５に記載の装置と同様の構成を有する交流電流発生器に電気的に接続した。そして、５０００〜８０００Ｈｚの範囲で周波数が時間的に変化する方形波の交流電流をコイルに流して表４に示す湿度の吸気に電磁波処理を施しつつ、出力５０ｋＷとなるようにエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を排ガス測定装置（ホダカ製、HT-1600N）で測定した。
結果を表４に示す。

（参考例４〜６）
吸気に対する電磁波処理を行わなかった以外は参考例１〜３と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を測定した。
結果を表４に示す。

（参考例７〜１２）
出力１００ｋＷとなるようにエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた以外は参考例１〜６と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を測定した。
結果を表４に示す。

（参考例１３）
特開２０１１‐２５５３４５号公報の図２に記載の装置と同様の構成を有する交流電流発生器を使用し、４つの単一周波数（７２５０Ｈｚ、７５００Ｈｚ、７７５０Ｈｚおよび８０００Ｈｚ）の交流電流をコイルに流して吸気（空気、湿度：４４％ＲＨ）に電磁波処理を施しつつ、エンジンで燃料（軽油）を燃焼させた以外は参考例１と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を測定した。
結果を表５に示す。

（参考例１４）
吸気に対する電磁波処理を行わなかった以外は参考例１３と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を測定した。
結果を表５に示す。

（参考例１５〜１６）
出力１００ｋＷとなるようにエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた以外は参考例１３〜１４と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を測定した。
結果を表５に示す。

（参考例１７〜１８）
交流電流の電流値を変更して電磁波の磁束密度を１２０ｍＧに変更した以外は参考例１３，１５と同様にしてエンジンで燃料（軽油）を燃焼させた。そして、排出される排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を測定した。
結果を表５に示す。

表１〜３より、所定の電磁波処理を行った実施例１〜８では、電磁波処理を行わなかった比較例１〜８と比較し、ＮＯ_Ｘ濃度を低減しつつ燃費を改善できることが分かる。
また、表４より、方形波の交流電流や４つの単一周波数の交流電流を用いた電磁波処理では、ＮＯ_Ｘ濃度を十分に低減できないことが分かる。

１燃焼装置
２燃料配管
３気体配管
４排ガス配管
５電磁波処理装置
１０燃焼システム
５１コイル
５２交流電流発生器

Claims

燃焼装置と、前記燃焼装置に燃料を供給する燃料配管と、前記燃焼装置に酸素含有気体を供給する気体配管と、前記燃焼装置に供給される前記酸素含有気体を電磁波処理する電磁波処理装置とを備える燃焼システムであって、
前記電磁波処理装置は、前記酸素含有気体に電磁波を照射する電磁波発振部と、前記電磁波発振部に交流電流を流す交流電流発生器とを有し、
前記気体配管は、湿度が５０％ＲＨ以上５５％ＲＨ以下の酸素含有気体を前記燃焼装置に供給し、
前記交流電流発生器は、５３００Ｈｚ以上７７００Ｈｚ以下の範囲内で互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流を前記電磁波発振部に流し、磁束密度が２００ｍＧ以上の電磁波を発生させる、燃焼システム。
前記燃焼装置に供給される前記燃料には電磁波処理を行わない、請求項１に記載の燃焼システム。
燃料および酸素含有気体を燃焼装置に供給して前記燃料を燃焼させる燃焼方法であって、
前記酸素含有気体の湿度が５０％ＲＨ以上５５％ＲＨ以下であり、
前記燃焼装置に供給される前記酸素含有気体に対し、５３００Ｈｚ以上７７００Ｈｚ以下の範囲内で互いに周波数の異なる２つの単一周波数の交流電流を用いて発生させた、磁束密度が２００ｍＧ以上の電磁波を照射する電磁波処理工程を含む、燃焼方法。
前記燃焼装置に供給される前記燃料には電磁波処理を行わない、請求項３に記載の燃焼方法。