JPWO2009014147A1 - 水エマルジョン製造装置 - Google Patents

Abstract

水エマルジョン容器と、油−水混合液を加圧するポンプと、前記ポンプから供給される油−水混合液を前記水エマルジョン容器内へ噴射する噴射ノズルと、前記水エマルジョン容器内で前記噴射ノズルに対向して設けられ、前記噴射ノズルから噴射される油−水混合液を衝突させる衝突板とを有することを特徴とする水エマルジョン製造装置。

Description

本発明は、水エマルジョンたとえば水エマルジョン燃料を製造する装置に関する。

油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）の水エマルジョン燃料は、以下のような原理で燃焼を起こすことが知られている。すなわち、水エマルジョン燃料が燃焼機器内に噴霧されると、燃料の油滴が熱を受けて燃焼すると同時に、油滴中に含まれている水粒子が輻射熱を受けて加熱され、沸点に達してミクロ爆発し、周囲の油滴を二次微粒化させる。こうして燃料が瞬時に超微粒化することにより空気との接触面積が増大して完全燃焼に近い燃焼が達成され、燃焼排ガス中の未燃炭素やＮＯｘの発生を抑える。また、空気との接触面積の増大によって燃焼に必要な過剰空気を低く抑えることが可能になるため、大きな省エネルギー効果が得られる。

従来、燃料（重油・軽油・灯油・ＢＤＦ・ガソリン）と水との二相系の水エマルジョン燃料を製造するには、燃料と水との混合物を、スクリュー、ミキサー、せん断、超音波ホモジナイザーなどにより機械的に攪拌して燃料（連続相）中に水の微粒子（分散相）を分散させる方法が主に用いられている。

たとえば特許文献１には、攪拌容器の周方向に燃料と水を含む混合液を噴射するとともに攪拌容器内の混合液に第１の旋回流を形成する噴射ノズルと、第１の旋回流の下方に第１の旋回流よりも小径の第２の旋回流を形成する攪拌翼とを備えたエマルジョン燃料製造装置が記載されている。

水は燃料、特に軽油やＡ重油などの水との密度差が大きい燃料に溶解しないので相分離を起こしやすい。燃料と水を含む混合液を機械的に攪拌する方法では、燃料中に約１〜３０μｍの広い粒径分布で水粒子が形成され、大きな水粒子が短時間で凝集し沈降し相分離を起こすという欠点がある。このように、相分離を起こした水エマルジョン燃料は、特に始動時には燃料として使用できなくなる。そこで、乳化剤を使用して燃料と水の相分離を防ぐのが一般的である。

上記のように機械的な攪拌を用いる装置は大きく複雑であり、装置価格が高価になる。また、乳化剤を使用するため、費用対効果の面で不利である。しかも、乳化剤を使用しても、短時間で燃料と水との相分離が起こる可能性があり、実際には燃焼機器にインラインで攪拌装置を併設することは困難である。

一方、特許文献２には、混合撹拌室の一端に配置され加圧水を噴射する水噴射ノズルと、混合撹拌室の他端に水噴射ノズルと対向して配置され加圧燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを備えたエマルジョン製造装置が記載されている。

しかし、互いに対向する２つのノズルから噴射された霧状の水と霧状の燃料が衝突する確率は極めて低いため、燃料中に微細な水粒子を分散させた水エマルジョンを製造することは不可能であると考えられる。
特開２００６−１１１６６６号公報 特開平６−４２７３４号公報

本発明の目的は、簡易な機器構成で小型化が可能であり、しかも乳化剤を使用することなく低コストで油中に微細な水粒子を分散させた水エマルジョンを製造でき、インラインで燃焼機器などに併設できる水エマルジョン製造装置を提供することにある。

本発明に係る水エマルジョン製造装置は、水エマルジョン容器と、油−水混合液を加圧するポンプと、前記ポンプから供給される油−水混合液を前記水エマルジョン容器内へ噴射する噴射ノズルと、前記水エマルジョン容器内で前記噴射ノズルに対向して設けられ、前記噴射ノズルから噴射される油−水混合液を衝突させる衝突板とを有することを特徴とする。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る水エマルジョン燃料製造装置の構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）の平面図である。 図２（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る水エマルジョン燃料製造装置の構成図、図２（ｂ）は図２ＡのＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。 図３は本発明の第３の実施形態に係る水エマルジョン燃料製造装置の構成図である。 図４（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る水エマルジョン燃料製造装置の構成図、図４（ｂ）は図４（ａ）の平面図である。 本発明の第５の実施形態に係る分散配置の水エマルジョン燃料製造装置の構成図である。 図６は本発明の第５の実施形態の変形例に係る分散配置の水エマルジョン燃料製造装置の構成図である。 本発明の第６の実施形態に係るワンパス型の水エマルジョン燃料製造装置の構成図である。

本発明に係る水エマルジョン製造装置に関する理論について説明する。
背景技術の説明からわかるように、燃料中に微細な水粒子を分散させることができれば、理論的には乳化剤（界面活性剤）を使用しなくても安定な水エマルジョンを製造することができる。その理論的根拠は、粒子の移動速度（沈降速度）を表すストークスの式（１）によって近似的に説明できる。

Ｖｐ＝ａ^２×（ρ_０−ρ_１）×Ｇ／１８×ρ_０×ν （１）
ここで、Ｖｐは粒子の移動速度（ｍ／ｓｅｃ）、ａは（水の）粒子径（ｍ）、ρ_０は連続相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ρ_１は分散相の密度（ｋｇ／ｍ^３）、νは連続相の動粘度（ｍ^２／ｓｅｃ）、Ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓｅｃ^２）である。

（１）式から、水粒子径ａが小さいほど、粒子の移動速度（沈降速度）Ｖｐを小さくでき、長時間にわたって相分離を抑制できることがわかる。本発明では、１μｍ以下（サブミクロン）、好ましくは５００ｎｍ以下、さらに好ましくは１００ｎｍ以下の水粒子径が目標となる。

微細な水粒子を形成するには、水滴を崩壊させればよい。水滴の崩壊メカニズムは、一般的に次のように考えられている。水滴が流体中に噴射されると表面張力により先端は球状になろうとする。しかし、静止している流体を押し除ける際に流体の中心部に滞留点（スタグネーション・ポイント）ができる。この部分の圧力は他の部分より高くなる。この圧力は、ベルヌーイの定理（２）により求めることができる。

Ｐ＝（σＶ^２／２）^１／２ （２）
この圧力Ｐが、水滴の表面張力よりも大きくなると、水滴はスタグネーション・ポイントから変形し、最終的には崩壊してより小さい水粒子となる。ここで、自由表面をなす水の表面張力は７２ｄｙｎｅ／ｃｍである（軽油の表面張力：約３０ｄｙｎｅ／ｃｍと推定）。例えば、軽油中に１μｍ径の水粒子が存在する場合、その水粒子の内圧ＰはＰ＝４０８×１０^４ｄｙｎｅ／ｃｍ^２となり、周囲の圧力より４ｂａｒ高くなる。したがって、この内圧以上の圧力を加えれば、水滴を破壊してより微細な水粒子を形成することができる。

本発明に係る水エマルジョン製造装置では、水滴を破壊してより微細な水粒子を形成するために、油−水混合液を加圧して噴射ノズルから噴射させて衝突板に衝突させる。このようにすれば、噴射された油−水混合液の運動エネルギーを１００％に近い高効率で圧力に変換することができ、サブミクロンの水粒子を形成することができる。このような微細な水粒子を含む水エマルジョンは、乳化剤を含まなくても長時間にわたって相分離を起こすことがない。このため、本発明に係る水エマルジョン製造装置はインラインでたとえば燃焼機器に併設することができる。好ましくは、油−水混合液を加圧して噴射ノズルから噴射させて衝突板に衝突させる操作を繰り返すことにより、効率的により微細な水粒子を形成でき、長時間にわたって水エマルジョンを維持することができる。また、本発明の水エマルジョン製造装置は機器構成が簡易であるため、小型化が可能であるし、大容量化する場合でも装置の複雑化を招くことがない。したがって、本発明に係る水エマルジョン製造装置は、費用対効果に非常に優れている。

以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施形態を説明する。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る水エマルジョン燃料製造装置の構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）の平面図である。この水エマルジョン燃料製造装置は、ボイラー、コジェネレーションシステム、船舶・自動車エンジンなどに併設され、インラインでこれらの燃焼機器へ水エマルジョン燃料を供給する。本発明に係る水エマルジョン燃料製造装置の基本的な構造は、どのような燃焼機器に併設する場合でもほとんど変わらない。

ステンレス鋼製の水エマルジョン容器１０は、製造された水エマルジョン燃料を貯留する容器であり、たとえば円筒状をなしている。水エマルジョン容器１０の形状は円筒状に限らず角柱状でもよく、縦型でも横型でもよい。水エマルジョン容器１０の容量は、使用する燃焼機器に応じて、１リットル程度の小容量から船舶用や発電用などの大容量まで任意に設定することができる。

水エマルジョン容器１０の頂部には高圧の燃料−水混合液を水エマルジョン容器１０の内部へ向かって噴射する噴射ノズル１１が挿入されている。噴射ノズル１１のノズル口径は、たとえば０．１〜１．０ｍｍである。ノズルの取付け位置、ノズル口の形状・方向・数などは、目的に応じて適宜調整できる。なお、図示しないが、燃料を単独で噴射するノズルと水を単独で噴射するノズルとを設けてもよい。

水エマルジョン容器１０内には噴射ノズル１１に対向して、噴射された燃料−水混合液を衝突させるための衝突板１２が支持されている。噴射ノズル１１のノズル口と衝突板１２との距離は１〜５０ｍｍに設定される。この距離が短いほど、噴射された燃料−水混合液の圧力降下を抑制できる。衝突板１２の形状は特に限定されず、たとえば平板状、円錐状、球状などの形状を採用することができる。平板状の衝突板１２は噴射された燃料−水混合液の運動エネルギーを圧力に変換するのに有利である。円錐状や球状の衝突板１２は水粒子を燃料中に効率よく分散させるのに有利である。

噴射ノズル１１には混合液供給ライン１３が接続されている。この混合液供給ライン１３にはポンプ１４および切替弁１５が設けられている。混合液供給ライン１３は混合槽１６まで達している。混合槽１６にはミキサーが設けられ、燃料と水を混合する。その後、ポンプ１３で燃料−水混合液を５〜４０ＭＰａに加圧する。水エマルジョン容器１０が大容量である場合には、ポンプ１３で燃料−水混合液を５０ＭＰａ以上に加圧してもよい。

混合槽１６の上流には、燃料供給電磁弁１７を備えた燃料供給ライン１８、および水供給電磁弁１９を備えた水供給ライン２０が接続されている。

水エマルジョン容器１０には循環ライン２１が接続されており、水エマルジョン容器１０内の水エマルジョン燃料を切替弁１５、ポンプ１４を通して噴射ノズル１１へ戻して循環させることができる。循環ライン２１の途中に攪拌機（図示せず）を設けてもよい。

また、必要に応じて、循環ライン２１の途中に空気を注入するエアバルブ２２を設けてもよい。エアバルブ２２から空気を注入すると、微粒化された水だけでなく微粒化された空気も含む水エマルジョン燃料を製造することができる。このような水エマルジョン燃料が燃焼機器内に噴霧されると、水エマルジョン燃料中に溶存した空気が瞬間的に膨張して燃料を拡散させる作用も加わり、空気中の酸素と燃焼しやすい燃料の油滴を利用できるので、さらに完全燃焼に近い燃焼が達成され、燃焼効率の向上と排ガス浄化につなげることができる。

なお、エアバルブからの空気の注入は、水エマルジョン燃料の製造だけでなく、燃料のみの改質にも利用できる。すなわち、エアバルブから空気を燃料に注入し、加圧した燃料を噴射ノズルから噴射させて衝突板に衝突させて、微粒化された空気を含むように燃料を改質すれば、燃焼機器内での空気の膨張による空気中の酸素と燃焼しやすい燃料の油滴の利用が可能になるので、燃焼効率の向上と排ガス浄化につなげることができる。

また、燃料以外の液体（水・混合水・洗浄水・滅菌水など）にも、エアバルブから空気を液体に注入し、加圧した液体を噴射ノズルから噴射させて衝突板に衝突させるという方法を適用し、微粒化された空気を含む液体を製造することができる。

水エマルジョン容器１０の下流には水エマルジョン燃料供給ライン２３が接続され、水エマルジョン燃料供給ライン２３はボイラーや自動車エンジンなどの燃焼機器に接続されている。この水エマルジョン燃料供給ライン２３には圧力調整弁２４およびトラップ２５が設けられている。トラップ２５の底部はリターン配管２６を介して水エマルジョン容器１０の底部に接続されている。リターン配管２６にはポンプ２７が設けられている。

ポンプ１４、切替弁１５、混合槽１６、燃料供給電磁弁１７、および水供給電磁弁１９はコントローラ３０によって制御することが望ましい。コントローラ３０で扱う燃料および水の流量などのデーターは必要に応じて管理用サーバー（図示せず）へ送られる。

なお、本発明の水エマルジョン燃料製造装置は、各機器が一体化した一体型でも、各機器が分離したセパレート型でもよい。また、より簡易な構成の水エマルジョン燃料製造装置では、燃料供給電磁弁１７、燃料供給ライン１８、水供給電磁弁１９、水供給ライン２０をなくしてもよい。この場合、水エマルジョン容器１０内に所定の混合比率の燃料−水混合物を入れ、循環ライン（および必要に応じてその途中に設けられた攪拌機）を介して燃料−水混合物を循環させながら、噴射および衝突を行うことにより、水エマルジョン燃料を製造する。

次に、この水エマルジョン燃料製造装置の動作を説明する。燃料供給電磁弁１７によって流量が制御された燃料供給ライン１８の燃料と、水供給電磁弁１９によって流量が制御された水供給ライン２０の水とが、所定の流量比で混合槽１５に供給される。混合槽１５ではミキサーによって燃料と水とが混合される。燃料−水混合液は混合槽１５からポンプ１４へ送られて５〜４０ＭＰａの圧力に加圧される。加圧された混合液は噴射ノズル１１から噴射されて衝突板１２に衝突する。

本発明においては、噴射ノズル１１により燃料−水混合物の噴流に水粒子の内圧より高い運動エネルギーが与えられ、この噴流が衝突板１２に衝突すると噴流の運動エネルギーが圧力に変換され、水粒子（分散相）が超微粒化されて燃料（連続相）中に分散される。水微粒子のサイズは噴射圧力と相関関係があり、圧力が高いほど微細な水粒子を形成できる。本発明においては、燃料−水混合物の噴流を衝突板１２に衝突させるという手段を用いたことによって、１μｍ以下（サブミクロン）のサイズの水粒子を容易に形成できる。

水エマルジョン容器１０内の上部空間は、噴射された燃料と水とが混合される混合部となっている。混合部では、衝突板１２への衝突によって微粒化した水粒子の周囲に噴霧状の燃料からなる皮膜が形成される。こうして、早期に燃料からなる連続相中に水粒子からなる分散相が分散された水エマルジョン燃料が生成する。生成した水エマルジョン燃料は貯留部５１に貯留される。相分離が起こっていなければ水エマルジョン容器１０内には、ほとんど水エマルジョン燃料のみが貯留される。ただし、ミセルコロイド化した水粒子を含む燃料−水混合物が形成されると貯留部５１の下部の滞留部５２に滞留する。滞留部５２に滞留するサイズの大きい水粒子を含む水エマルジョン燃料は、燃焼機器の始動時に使用するには適していないので、滞留部５２の水エマルジョン燃料は燃焼機器へ供給しないようにする。なお、図１Ａおよび１Ｂでは水エマルジョン容器１０内に仕切を設けていないが、振動などにより液体の乱流が生じる場合には仕切を設けてもよい。

切替弁１５を切替えて、水エマルジョン容器１０内の水エマルジョン燃料を循環ライン２１からポンプ１４を通して噴射ノズル１１から噴射させて衝突板１２に衝突する操作を繰り返すことが望ましい。すなわち、燃料−水混合物の噴流を衝突板１２に１回衝突させただけだと、１μｍ以上のサイズの水粒子が形成されていることがある。また、サブミクロンの水粒子でも時間が経過するとミセルコロイドを形成して１μｍ以上のサイズになる。これに対して、水エマルジョン燃料の循環を繰り返すことにより、水エマルジョン燃料中の水粒子をより微細化することができる。循環ライン２１は、後述するように新たな燃料および水を供給している間を除いて、連続的に使用してもよいし間欠的に使用してもよい。この結果、長時間にわたって燃料と水の相分離を防止できる。

水エマルジョン容器１０内の水エマルジョン燃料は、水エマルジョン燃料供給ライン２３を通してインラインでボイラーや自動車エンジンなどの燃焼機器へ供給される。トラップ２５は水エマルジョン容器１０と燃焼機器との距離が長くなり、ミセルコロイドが沈降する可能性のある場合に必要に応じて設けられる。トラップ２５でトラップされたミセルコロイドは、ポンプ２７によりリターン配管２６を介して水エマルジョン容器１０の滞留部５１へ戻される。こうして、始動時にミセルコロイド化した水粒子が含まれる水エマルジョン燃料が燃焼機器に供給されることによって不着火が起こるのを防止する。

水エマルジョン容器１０内に、供給開始センサー３１と供給停止センサー３２を設けてもよい。燃焼機器での使用により水エマルジョン容器１０内の水エマルジョン燃料が少なくなると、燃料の供給開始センサー３１がオンする。この結果、切替弁１５が切替えられ、燃料供給電磁弁１７および水供給電磁弁１９が開かれて新たな燃料および水が混合槽１６で混合され、燃料−水混合液が切替弁１５およびポンプ１４を介して噴射ノズル１１から噴射されて衝突板１２に衝突し、新たな水エマルジョン燃料が生成して水エマルジョン容器１０内に貯留される。水エマルジョン容器１０内の水エマルジョン燃料が増加して供給停止センサー３２のレベルまで達すると、新たな燃料および水の供給が停止される。

次に、Ａ重油用バーナーを備えたボイラーで燃焼試験を行い、水を加熱した。実施例として、本発明に係る水エマルジョン燃料製造装置によりＡ重油：水の比率を８：２として調製された水エマルジョン燃料を用い、２時間にわたって燃焼させた。比較例として、Ａ重油のみを燃料に用い、２時間にわたって燃焼させた。この燃焼試験でボイラー効率を比較した。

ボイラー効率ηは、ボイラー出力をＱ１、熱供給量をＱ２として、
η＝Ｑ１／Ｑ２
と表される。Ｑ１およびＱ２はそれぞれ以下のように定義される。

Ｑ１＝Ｑｗ（Ｗｔ２−Ｗｔ１）、
（Ｑｗは給水量［Ｌ／ｍｉｎ］、Ｗｔ１は入口水温、Ｗｔ２は出口水温である）、
Ｑ２＝Ｈｕ×Ｇｆ、
（ＨｕはＡ重油の発熱量、Ｇｆは燃料流量であり本実施例の水エマルジョン燃料の場合には実際の燃料流量Ｇｆを０．８倍する）。

比較例でのＡ重油の燃料流量は平均で９．５７２Ｌ／Ｈであり、入口水温Ｗｔ１（平均値）１６．７５℃に対して出口水温Ｗｔ２（平均値）は６５．７５℃となった。この場合、Ｑ１／Ｑ２は以下のようになる。

Ｑ１／Ｑ２＝Ｑｗ（６５．７５−１６．７５）／Ｈｕ×９．５７２
＝５．１１９Ｑｗ／Ｈｕ。

実施例での水エマルジョン燃料の燃料流量は平均で９．７８６Ｌ／Ｈであり、入口水温Ｗｔ１（平均値）１８．４℃に対して出口水温Ｗｔ２（平均値）は６４．０℃となった。この場合、Ｑ１／Ｑ２は以下のようになる。

Ｑ１／Ｑ２＝Ｑｗ（６４．０−１８．４）／Ｈｕ×９．７８６×０．８
＝５．８２５Ｑｗ／Ｈｕ。

上記の結果から、水エマルジョン燃料を用いた場合、Ａ重油を用いた場合と比較して、５．８２５／５．１１９＝１．１３７すなわち約１４％の効率アップが得られた。

また、水エマルジョン燃料を用いることによる利点として知られている二酸化炭素やＮＯｘ・炭化水素（ＨＣ）の低減効果も確認された。

同様に、軽油：水の比率を８：２として調製された水エマルジョン燃料または軽油のみを用いてエンジンでの燃焼試験を行った場合にも、水エマルジョン燃料による効率アップと、二酸化炭素やＮＯｘ・炭化水素（ＨＣ）の低減効果が確認された。

なお、以上では、本発明の装置を用いて重油−水系または軽油−水系の水エマルジョン燃料を製造する例を説明したが、種々の応用が考えられる。たとえば、重油−水系または軽油−水系においては、水の混合比率を５０％まで高めることができる。また、重油−水系や軽油−水系に限らず、重油−水−グリセリン系や軽油−水−グリセリン系の水エマルジョン燃料を製造することができる。グリセリンはＢＤＦ燃料の副生物として生じ、現状では有効利用できずに焼却処分されているが、本発明の装置を用いればグリセリンを含む水エマルジョン燃料としての有効利用も可能である。グリセリンは水に溶解するので、燃料と（水＋グリセリン）とを混合して供給すればよい。さらに、重油や軽油などの燃料に限らず、種々の油分を用いて水エマルジョンを製造することができる。

次に、本発明の他の実施形態に係る水エマルジョン燃料製造装置を説明する。

図２（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る水エマルジョン燃料製造装置の構成図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。

水エマルジョン容器１００の内部の貯留部１０１に、製造された水エマルジョン燃料が貯留される。水エマルジョン容器１００内の液中に、支持体１１１に支持された噴射ノズル１１２およびこれに対向するように配置された衝突板１１３が設けられる。図２（ｂ）に示すように、４組の噴射ノズル１１２および衝突板１１３が９０°間隔で円周上に配置されている。また、４組の噴射ノズル１１２および衝突板１１３を含むユニットは上下２段になって設けられている。このように、合計８組の噴射ノズル１１２および衝突板１１３を設けることにより、水エマルジョン燃料の製造の効率化を図っている。また、図２（ｂ）の下部に示すように、噴射ノズル１１２に対して衝突板１１３の１つまたはそれ以上を少し傾けて配置すると、水エマルジョン容器１００内の液中に旋回流を生じさせ、良好な攪拌を達成できる。

図２（ａ）には、択一的に用いられる、３つの燃料・水供給系Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を示している。これらについては後に説明する。

水エマルジョン容器１００内の液中に配置される噴射ノズル１１２は、混合液供給ライン１２１に接続されている。第１または第２の燃料・水供給系Ｆ１またはＦ２を用いる場合、混合液供給ライン１２１の上流に高圧ポンプ１２２を設ける。この高圧ポンプ１２２はモータ１２３によって駆動される。

第１の燃料・水供給系Ｆ１を用いる場合、燃料供給ライン１３１からの燃料と水供給ライン１３２からの水とを混合槽１３３で混合した後、この燃料−水混合液を高圧ポンプ１２２により加圧し、混合液供給ライン１２１を通して噴射ノズル１１２から噴射させ、衝突板１１３に衝突させて水エマルジョン燃料を製造する。

第２の燃料・水供給系Ｆ２を用いる場合、タンク１３５内で予め燃料と水とを混合し、この燃料−水混合液を高圧ポンプ１２２により加圧し、混合液供給ライン１２１を通して噴射ノズル１１２から噴射させ、衝突板１１３に衝突させて水エマルジョン燃料を製造する。

一方、第３の燃料・水供給系Ｆ３を用いる場合、水エマルジョン容器１００内の液を循環させる循環ライン１２５を混合液供給ライン１２１に接続し、循環ライン１２５に高圧ポンプ１２６を設ける。この高圧ポンプ１２６はモータ１２７によって駆動される。第３の燃料・水供給系Ｆ３を用いる場合、燃料供給ライン１３６からの燃料と水供給ライン１３７からの水とを計量して直接に水エマルジョン容器１００に入れ、この燃料−水混合液を高圧ポンプ１２６によって加圧し、循環ライン１２５および混合液供給ライン１２１を通して噴射ノズル１１２から噴射させ、衝突板１１３に衝突させて水エマルジョン燃料を製造する。燃焼に適した水エマルジョン燃料が製造されるまでこの循環運転を続ける。

なお、第１または第２の燃料・水供給系Ｆ１またはＦ２を用いる場合にも、混合液供給ライン１２１の上流に設けた高圧ポンプ１２２とともに、循環ライン１２５に設けた高圧ポンプ１２６を併用してもよい。

以上のような運転により製造された水エマルジョン燃料は、水エマルジョン燃料供給ライン１４１を通してエンジンやボイラーなどの燃焼機器へ供給される。なお、水エマルジョン燃料を製造する運転を停止したときには、攪拌装置１４２で水エマルジョン容器１００内の液を攪拌し水エマルジョン燃料の混合率を一定に保つようにすることが好ましい。攪拌装置１４２はモータ１４３によって駆動される。図２（ａ）では、攪拌装置１４２としてスクリューを用いているが、スクリューの代わりに低圧ポンプを用いてもよい。

図３は本発明の第３の実施形態に係る水エマルジョン燃料製造装置の構成図である。この装置では、燃料および水を供給するためのバルブ操作、およびポンプの運転を手動で行う。この装置は、少量の水エマルジョン燃料を製造する場合に用いられる低価格のものである。

水エマルジョン容器２００の内部の貯留部２０１に、製造された水エマルジョン燃料が貯留される。水エマルジョン容器２００内の液中に、支持体２１１に支持された噴射ノズル２１２およびこれに対向するように配置された衝突板２１３が設けられる。水エマルジョン容器２００には、手動バルブ２２２を備えた燃料供給ライン２２１が接続されている。水エマルジョン容器２００の側面には目盛計２２３が取り付けられている。使用者は、目盛計２２３を見ながら所定の燃料ライン（ＯＬ）まで燃料を供給する。

水エマルジョン容器２００の上部には水タンク２３０が設けられている。水タンク２３０には手動バルブ２３２を備えた水供給ライン２３１が接続されている。水タンク２３０の側面には目盛計２３３が取り付けられている。使用者は、目盛計２３３を見ながら所定の水ライン（ＷＬ）まで水を供給する。水タンク２３０は手動バルブ２３４を介して水エマルジョン容器２００に接続されている。

水エマルジョン容器２００の下部には、モータ２５２によって駆動される高圧ポンプ２５１が設けられている。使用者は、高圧ポンプ２５１のスイッチを入れて稼動させながら、手動バルブ２３４を開放して少しずつ水を供給し、水エマルジョン容器２００内の液面が所定の水ライン（ＷＬ）に達したら手動バルブ２３４を閉じる。

水エマルジョン容器２００内の液は高圧ポンプ２５１によって加圧され、循環ライン２５３を通して噴射ノズル２１２から噴射され、衝突板２１３に衝突し、その結果、水エマルジョン燃料が製造される。燃焼に適した水エマルジョン燃料が製造されるまでこの循環運転を続ける。製造された水エマルジョン燃料は、水エマルジョン燃料供給ライン２５５を通してボイラーなどの燃焼機器へ供給される。

水エマルジョン燃料を製造する運転を停止しても、攪拌用の低圧ポンプ２５４で水エマルジョン容器２００内の液を吸入および吐出して攪拌すれば、水エマルジョン燃料を使用することができる。

なお、沈降遅延剤を使用すれば水粒子の沈降を遅くすることができるので、低圧ポンプ２５４による攪拌を少なくしたりなくしたりすることもできる。沈降遅延剤としては、廃エンジンオイルや廃食用油を用いることができる。沈降遅延剤の添加量は水エマルジョン燃料の０．２〜１％の範囲で、燃料や水混合率に応じて設定される。たとえば、Ａ重油を水混合率３０％で用いる場合、沈降遅延剤の添加量は約０．５％に設定される。沈降遅延剤は直接に水エマルジョン容器２００に入れてもよいし、予め燃料タンクに入れてもよい。

図４（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る水エマルジョン燃料製造装置の構成図、図４（ｂ）は図４（ａ）の平面図である。この装置は、２つの水エマルジョン容器を有するタンデム型のものであり、自動制御でこれらの水エマルジョン容器を切替えて運転する。この装置は、たとえば水エマルジョン燃料の使用量が多いボイラーなどに併設される。

２つの水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂの内部の貯留部に、製造された水エマルジョン燃料が貯留される。２つの水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂ内の液中に、それぞれ、支持体３１１に支持された噴射ノズル３１２およびこれに対向するように配置された衝突板３１３が設けられる。図２（ａ）と同様に、噴射ノズル１１２および衝突板１１３を含むユニットは上下２段になって設けられている。

燃料は燃料供給ライン３３１から流量計３３２を通していずれかの水エマルジョン容器に供給される。水は水供給ライン３３３から流量計３３４を通していずれかの水エマルジョン容器に供給される。それぞれの水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂ内の液量は液面センサー３０２Ａ、３０２Ｂによってモニターされる。

水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂの下部には、水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂの循環ライン３５５に接続された高圧ポンプ３５１が設けられている。この高圧ポンプ３５１はモータ３５２によって駆動される。水エマルジョン容器内の液は高圧ポンプ３５１によって加圧され、循環ライン３５５を通して噴射ノズル３１２から噴射され、衝突板３１３に衝突し、その結果、水エマルジョン燃料が製造される。水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂの水エマルジョン燃料は、低圧ポンプ３５６によって攪拌され、均一に混合される。なお、簡略化のために、図４（ａ）には低圧ポンプ３５６が水エマルジョン容器の水エマルジョン燃料を吸引および吐出するためのラインを省略している。また、低圧ポンプ３５６の代わりにスクリューなどの攪拌機を用いてもよい。

水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂの水エマルジョン燃料は、水エマルジョン燃料供給ライン３６１、流量計３６２、攪拌機つきトラップ３６３を通してエンジンやボイラーなどの燃焼機器へ供給される。水エマルジョン燃料をエンジンに供給する場合、エンジンからのリターン燃料をトラップ３６３に戻す。トラップ３６３でトラップされた水エマルジョン燃料はリターンライン３６６を通して水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂに戻される。

各種機器はコントローラ３７０により制御される。コントローラ３７０はインバーター３７１などを含む。コントローラ３７０の動作条件は操作パネル３７２から入力される。

以下、本実施形態の水エマルジョン燃料製造装置の動作の一例を説明する。

まず、一方の水エマルジョン容器３００Ａに燃料を供給する。液面センサー３０２Ａにより燃料が所定レベルに達したことを検出すると、燃料供給を停止する。これと同時に、高圧ポンプ３５１を駆動させ、水の供給を開始する。燃料供給および水供給の開始および停止はコントローラ３７０によりシーケンス制御される。

水エマルジョン容器３００Ａ内の液を循環させながら、高圧ポンプ３５１により加圧された液を噴射ノズル３１２から噴射させ、衝突板３１３に衝突させることによって水エマルジョン燃料を製造する。なお、Ｃ重油などの粘度の高い燃料を用いる場合や、水の粒径が大きくても差し支えのない炉、大型エンジンおよび大型ボイラーなどに水エマルジョン燃料製造装置を併設する場合には、必ずしも水エマルジョン容器内の液を常時循環させる必要はない。

２つの水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂで水エマルジョン燃料の製造のための運転を交互に行う。２つの水エマルジョン容器３００Ａ、３００Ｂから燃焼機器へのエマルジョン燃料の供給も交互に行う。

ポンプ、モータ、ソレノイドバルブおよびインバーターなどの運転および管理、流量計および圧力計などによる計測およびデーター転送などはコントローラ３７０で制御される。各種データーは必要に応じて管理用サーバーに送られる。

なお、図４（ａ）および（ｂ）では、２つの水エマルジョン容器を用いているが、必要に応じて３つ以上の水エマルジョン容器を用いてもよい。また、図示していないが、非常停止時やメンテナンスのための停止時には、通常の燃料を用いるラインに切替えるようにしてもよい。

図５は本発明の第５の実施形態に係る分散配置の水エマルジョン燃料製造装置の構成図である。この装置は、分散配置された２つの水エマルジョン容器４００Ａ、４００Ｂを直列に接続したものである。この装置は、図４（ａ）および（ｂ）に図示した一体型の装置を設置するスペースがなく、燃料使用量が比較的多い船舶エンジンなどに併設される。

燃料タンク４３１の燃料は、燃料供給ライン４３２、バイパス切替バルブ４６１、４６２を通して直接に船舶エンジンなどの燃焼機器４６０に供給され、従来通りの燃焼を行うこともできるようになっている。

水エマルジョン燃料を製造する場合には、バイパス切替バルブ４６１、４６２を切替える。燃料タンク４３１の燃料は、燃料供給ライン４３２、バイパス切替バルブ４６１、流量計４３３を通して混合槽４４０へ送られる。水タンク４３５の水は、水供給ライン４３６、流量計４３７を通して混合槽４４０へ送られる。直列方式では、燃料タンク４３１から供給される燃料の量に比例して、水タンク４３５から供給される水の量を調節する。混合槽４４０で混合された燃料−水混合液は、１パス目の高圧ポンプ４５１、１パス目の水エマルジョン容器４００Ａ、２パス目の高圧ポンプ４５２、２パス目の水エマルジョン容器４００Ｂを順次通過する。２つの水エマルジョン容器４００Ａ、４００Ｂ内の液中に、それぞれ、支持体４１１に支持された噴射ノズル４１２およびこれに対向するように配置された衝突板４１３が設けられる。高圧ポンプ４５１で加圧された燃料−水混合液は水エマルジョン容器４００Ａ内で噴射ノズル４１２から噴射され、衝突板４１３に衝突し、水エマルジョン燃料が製造される。さらに、水エマルジョン容器４００Ａを出て高圧ポンプ４５１で加圧された水エマルジョン燃料は、水エマルジョン容器４００Ａ内で噴射ノズル４１２から噴射され、衝突板４１３に衝突し、より細かい粒子を含む水エマルジョン燃料が製造される。

製造された水エマルジョン燃料は、バイパス切替バルブ４６２、トラップ４６５を通して燃焼機器４６０に供給されて燃焼される。燃焼機器４６０がエンジンである場合、リターン燃料がトラップ４６５へ戻される。

ポンプ、モータ、ソレノイドバルブおよびインバーターなどの運転および管理、流量計および圧力計などによる計測およびデーター転送などはコントローラ４７０で制御される。

大型の船舶エンジンには、粘度が高く比重が大きいＣ重油などの燃料が用いられ、エマルジョン製造後も水粒子の沈降が比較的遅く、水粒子のサイズが５〜１０μｍ程度であれば使用に差し支えがない。このため、複数の水エマルジョン容器４００Ａ、４００Ｂを直列に接続することにより、水エマルジョン燃料を効率的に製造することができる。

図６は本発明の第５の実施形態の変形例に係る分散配置の水エマルジョン燃料製造装置の構成図である。この装置は、分散配置された２つの水エマルジョン容器４００Ａ、４００Ｂの液を高圧ポンプ４５１によって循環させ、水エマルジョン燃料を製造する以外は図５の装置と同様の構成を有する。

図７は本発明の第６の実施形態に係るワンパス型の水エマルジョン燃料製造装置の構成図である。この装置では、燃料−水混合液を１回噴射するだけで水エマルジョン燃料を製造する。この装置は、水エマルジョン燃料の水粒子のサイズが比較的揃っていなくても問題のないエンジン、ボイラー、炉などの燃焼装置に併設される。この装置は燃焼装置にできるだけ近く配置され、製造された水エマルジョン燃料は直ちに燃焼装置で燃焼される。

燃料は、燃料供給ライン５３１、流量計５３２、バイパス切替バルブ５６１、５６２を通して直接に燃焼機器５６０に供給され、従来通りの燃焼を行うこともできるようになっている。

水エマルジョン燃料を製造する場合には、バイパス切替バルブ５６１、５６２を切替える。燃料は燃料供給ライン５３１、流量計５３２、バイパス切替バルブ５６１を通して供給され、水は水供給ライン５３５、流量計５３６を通して供給され、燃料−水混合液は高圧ポンプ５５１によって加圧され、水エマルジョン容器５００に送られる。水エマルジョン容器５００内の液中に、支持体５１１に支持された噴射ノズル５１２およびこれに対向するように配置された衝突板５１３が設けられる。高圧ポンプ５５１で加圧された燃料−水混合液は水エマルジョン容器５００内で噴射ノズル５１２から噴射され、衝突板５１３に衝突し、水エマルジョン燃料が製造される。製造された水エマルジョン燃料はバイパス切替バルブ５６２を通して燃焼機器５６０へ供給されて燃焼される。ポンプ、モータ、ソレノイドバルブおよびインバーターなどの運転および管理、流量計および圧力計などによる計測およびデーター転送などはコントローラ５７０で制御される。

なお、水エマルジョン容器５００に循環ライン５２１を接続してもよい。また、エンジンからのリターン燃料を、リターンライン５６３を通して水エマルジョン容器５００に戻してもよい。

Claims (10)

1. 水エマルジョン容器と、
   油−水混合液を加圧するポンプと、
   前記ポンプから供給される油−水混合液を前記水エマルジョン容器内へ噴射する噴射ノズルと、
   前記水エマルジョン容器内で前記噴射ノズルに対向して設けられ、前記噴射ノズルから噴射される油−水混合液を衝突させる衝突板と
   を有することを特徴とする水エマルジョン製造装置。
2. 前記水エマルジョン容器内に貯留された水エマルジョンを、前記ポンプを介して前記噴射ノズルから噴射させる循環ラインを有することを特徴とする請求項１に記載の水エマルジョン製造装置。
3. 前記ポンプの上流に、油と水とを混合する混合槽を有することを特徴とする請求項１に記載の水エマルジョン製造装置。
4. 前記循環ラインに空気を注入するエアバルブを設けたことを特徴とする請求項１に記載の水エマルジョン製造装置。
5. 前記ポンプの圧力が５ＭＰａ以上、前記噴射ノズルのノズル孔と前記衝突板との距離が１〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の水エマルジョン製造装置。
6. 前記噴射ノズルおよび衝突板は、前記水エマルジョン容器内の液面上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の水エマルジョン製造装置。
7. 前記噴射ノズルおよび衝突板は、前記水エマルジョン容器内の液中に設けられることを特徴とする請求項１に記載の水エマルジョン製造装置。
8. 複数の水エマルジョン容器が切替え可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水エマルジョン製造装置。
9. 複数の水エマルジョン容器が直列に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水エマルジョン製造装置。
10. 加圧した油−水混合液を噴射ノズルから噴射させて、衝突板に衝突させることを特徴とする水エマルジョンの製造方法。

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