WO2012077172A1

WO2012077172A1 - 加水燃料燃焼装置用チャンバー

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Publication number: WO2012077172A1
Application number: PCT/JP2010/071821
Authority: WO
Inventors: 石井　幸雄; 正廣及川
Original assignee: 株式会社ニレコ
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-06-14
Also published as: TW201224366A

Abstract

　本発明は、加水比率の大きい加水燃料の燃焼を安定して継続させることを可能にする加水燃料燃焼装置用チャンバーを提供する。本発明に係るチャンバー（１００）は、円筒形状の炉本体（１１０）と、炉本体（１１０）の一端と連続して形成されている円錐形状の第一傾斜部（１２０）と、炉本体（１１０）の他端と連続して形成されている円錐形状の第二傾斜部（１３０）と、第一傾斜部（１２０）に連続して形成されている円柱形状の燃料噴射用の第一円筒部（１４０）と、第二傾斜部（１３０）に連続して形成されている円柱形状の火焔放射用の第二円筒部（１５０）と、からなり、第一円筒部（１４０）を介して加水燃料が内部に噴射され、第二円筒部（１５０）を介して火焔が外部に放射される。チャンバー（１００）の容積は、当該チャンバー（１００）に供給される加水燃料に含まれる水分の１秒間当たりの容積の３０００乃至５０００倍に設定されている。

Description

加水燃料燃焼装置用チャンバー

　本発明は、加水燃料燃焼装置に使用されるチャンバー（燃焼室）、特に、特定の形状を有するチャンバーに関する。

　加水燃料燃焼装置は、重油、灯油、軽油その他の燃料に、水を加え、さらに、界面活性剤その他の添加物を混合し、エマルジョン化した燃料を燃焼させる装置である。

　加水燃料燃焼装置は、種々のボイラー（例えば、蒸気ボイラーまたは温水ボイラー）に取り付けられて使用され、ボイラーの能力を保持しつつ、消費燃料の削減を可能にするものである。

　このような加水燃料燃焼装置としては、例えば、特許公報第３５５３４０９号（特開２０００－２８３４０５号公報）及び特開２００９－７４７８２号公報に記載されたものがある。

　図８は特許公報第３５５３４０９号に記載された加水燃料燃焼装置用チャンバーの平面図、図９は同チャンバーの縦断面図である。

　図８に示すように、加水燃料燃焼装置用チャンバー１０００は、円筒形状の炉本体１１００と、炉本体１１００の一端と連続して形成されている円錐形状の第一傾斜部１２００と、炉本体１１００の他端と連続して形成されている円錐形状の第二傾斜部１３００と、第一傾斜部１２００に連続して形成されている円柱形状の火焔放射用の第一円筒部１４００と、第二傾斜部１３００に連続して形成されている円柱形状の燃料噴射用の第二円筒部１５００と、を備えている。

　図９に示すように、炉本体１１００、第一傾斜部１２００、第二傾斜部１３００、第一円筒部１４００及び第二円筒部１５００の内壁は耐熱性素材１６００で被覆されている。耐熱性素材１６００には、炉本体１１００の内部において、所定の間隔を開けて２個のリング状の蓄熱溝１６１０、１６２０が形成されている。

　２個のリング状の蓄熱溝１６１０、１６２０のうち、第一傾斜部１２００に近い位置に形成されている蓄熱溝１６２０には円盤状の流通制御板１６３０が固定的に取り付けられている。流通制御板１６３０には、中央に第一開口部が形成されているとともに、その周囲に複数個の第二開口部１６４０が形成されている。

　流通制御板１６３０の中央の第一開口部には、鋼鉄製の円筒形状の金属筒１７００が嵌め込まれて固定されている。金属筒１７００の側壁には複数個の穴１７１０が形成されている。

　金属筒１７００の内部の中央には、金属筒１７００と同軸に、鋼鉄製の円柱１８００が配置されている。円柱１８００の外径は金属筒１７００の外径よりも小さく、先端（第二円筒部１５００に向いている端部）は尖っている。

　当初は、第一円筒部１４００を介して、チャンバー１０００の内部に燃料（水が加えられていないもの）を供給し、この燃料をチャンバー１０００の内部において燃焼させる。

　チャンバー１０００の内部温度が所定の温度に達した後、燃料に代えて、加水燃料を第一円筒部１４００を介してチャンバー１０００の内部に供給し、加水燃料を燃焼させる。加水燃料の燃焼により発生する火焔は第二円筒部１５００を介してチャンバー１０００の外部に放射される。

　第二円筒部１５００には、例えば、蒸気ボイラーが接続されており、蒸気ボイラーは、チャンバー１０００から放射された火焔の熱を利用して、水を水蒸気に変える。

　図１０は、特開２００９－７４７８２号公報に記載された加水燃料燃焼装置用チャンバーの縦断面図である。

　図１０に示す加水燃料燃焼装置用チャンバー２０００は、円筒形状の炉本体２１００と、炉本体２１００の一端と連続して形成されている円錐形状の前方円錐部２２００と、炉本体２１００の他端と連続して形成されている円錐形状の後方円錐部２３００と、前方円錐部２２００に連続して形成されている円柱形状の火焔放射用の第一円筒部２４００と、後方円錐部２３００に連続して形成されている円柱形状の燃料噴射用の第二円筒部２５００と、第二円筒部２５００の内部に配置された燃料噴射用バーナー２６００と、第二円筒部２５００の内部において、燃料噴射用バーナー２６００と並列に配置された加水燃料噴射用バーナー２７００と、前方円錐部２２００及び第一円筒部２４００の内部において第一円筒部２４００と同軸に配置された火焔噴射筒２８００と、を備えている。

　チャンバー２０００の内壁は耐熱性素材（図示せず）で被覆されている。

　当初は、燃料噴射用バーナー２６００を介して、チャンバー２０００の内部に燃料（水が加えられていないもの）を供給し、この燃料をチャンバー２０００の内部において燃焼させる。

　チャンバー２０００の内部温度が所定の温度に達した後、燃料噴射用バーナー２６００を作動させたまま、加水燃料噴射用バーナー２７００を介して、チャンバー２０００の内部に加水燃料を供給し、加水燃料を燃焼させる。加水燃料の燃焼により発生する火焔は火焔噴射筒２８００を介してチャンバー２０００の外部に放射される。

特許公報第３５５３４０９号（特開２０００－２８３４０５号公報）特開２００９－７４７８２号公報

　加水燃料燃焼装置は、ボイラーが持つ発生熱量又は蒸発量を確保した状態において、加水比率ができる限り大きい加水燃料を燃焼させることがその性能として要求される。

　しかしながら、加水比率が大きい加水燃料を安定して燃焼を継続させることは極めて困難であり、加水燃料燃焼装置には、従来から、加水燃料が全く燃焼しない非燃焼状態、加水燃料が不完全にしか燃焼しない不完全燃焼状態、加水燃料が当初は燃焼するものの、途中で燃焼しなくなる立ち消え状態などの発生の問題が指摘されている。

　上記の従来のチャンバーを有する加水燃料燃焼装置においても、これらの従来からの問題は解決されていないのが現状である。

　本発明はこのような従来の加水燃料燃焼装置における問題点に鑑みてなされたものであり、加水比率の大きい加水燃料の燃焼を安定して継続させることを可能にする加水燃料燃焼装置用チャンバーを提供する。

　上記の目的を達成するため、本発明は、加水燃料を燃焼させる加水燃料燃焼装置に使用されるチャンバーであって、円筒形状の炉本体と、前記炉本体の一端と連続して形成されている円錐形状の第一傾斜部と、前記炉本体の他端と連続して形成されている円錐形状の第二傾斜部と、前記第一傾斜部に連続して形成されている円柱形状の燃料噴射用の第一円筒部と、前記第二傾斜部に連続して形成されている円柱形状の火焔放射用の第二円筒部と、からなり、前記第一円筒部を介して加水燃料が内部に噴射され、前記第二円筒部を介して火焔が外部に放射されるチャンバーにおいて、前記チャンバーの容積は、当該チャンバーに供給される加水燃料に含まれる水分の１秒間当たりの容積の３０００乃至５０００倍であることを特徴とするチャンバーを提供する。

　本発明に係るチャンバーにおいては、前記炉本体の内径Ｄと長さＬａの関係は
　　　Ｄ／３≦Ｌａ≦２Ｄ／３
　で表されることが好ましい。

　本発明に係るチャンバーにおいては、前記炉本体の内径Ｄと当該チャンバーの長さＬの関係は
　　　Ｌ≦２Ｄ
　で表されることが好ましい。

　本発明に係るチャンバーにおいては、前記第一傾斜部の傾斜角は５０乃至７０度であることが好ましい。

　本発明に係るチャンバーにおいては、前記第二傾斜部の傾斜角は４０乃至６０度であることが好ましい。

　本発明に係るチャンバーは、前記第一円筒部から燃料油を噴射する第一ノズルと、前記第一円筒部から加水燃料を噴射する第二ノズルとをさらに備えることができる。この場合、前記第一ノズルから噴射される前記燃料油と前記第二ノズルから噴射される前記加水燃料との容積比は１：Ｘ（１．５≦Ｘ≦２．０）であることが好ましい。

　本発明に係るチャンバーにおいては、前記加水燃料における燃料油：水の容積比は１：Ｙ（２．０≦Ｙ≦２．５）であることが好ましい。

　本発明に係るチャンバーは、前記チャンバーの内壁温度を計測する温度計と、前記チャンバーに供給する加水燃料の量を制御する加水燃料量制御装置と、をさらに備えることができる。前記温度計は、前記チャンバーの内壁温度が摂氏Ｚ（６００≦Ｚ≦１０００）度に到達したときに、前記加水燃料量制御装置に制御開始信号を送信し、前記加水燃料量制御装置は、前記制御開始信号を受信したときに、前記チャンバーへの加水燃料の供給を開始する。

　本発明は、さらに、上記のチャンバーと、燃料油を充填する燃料タンクと、水を充填する水タンクと、前記燃料タンクから供給された前記燃料油と前記水タンクから供給された前記水とを混合させ、エマルジョン化した加水燃料を生成する加水燃料製造装置と、前記燃料油を前記チャンバーの内部に噴霧するノズルと、前記加水燃料を前記チャンバーの内部に噴霧するノズルと、前記燃料油及び前記加水燃料を燃焼させるための火焔を放射するバーナーと、を備える加水燃料燃焼装置を提供する。

　本発明に係る加水燃料燃焼装置用チャンバーを用いることにより、従来の加水燃料燃焼装置において問題とされていた非燃焼状態、不完全燃焼状態及び立ち消え状態を解消し、加水燃料を安定した状態で燃焼させることが可能になる。

　さらに、本発明に係る加水燃料燃焼装置用チャンバーによれば、本チャンバーに接続した蒸気ボイラーその他のボイラーの能力を維持しつつ、使用する燃料を２５％以上削減することができる。この燃料削減に伴い、二酸化炭素（ＣＯ_２）の発生量を削減することも可能になる。

本発明の第一の実施形態に係るチャンバーを備える加水燃料燃焼装置の構成を示す概略図である。本発明の第一の実施形態に係るチャンバーの縦断面図である。第四の実施形態における実験１に用いたチャンバーの縦断面図である。第四の実施形態における実験１におけるチャンバーの内壁温度（摂氏）と燃焼時間（分）との関係を示すグラフである。第四の実施形態における実験２におけるチャンバーの内壁温度（摂氏）と燃焼時間（分）との関係を示すグラフである。第四の実施形態における実験３におけるチャンバーの内壁温度（摂氏）と燃焼時間（分）との関係を示すグラフである。本発明の第五の実施形態に係るチャンバーのブロック図である。従来の加水燃料燃焼装置用チャンバーの平面図である。図８に示した従来の加水燃料燃焼装置用チャンバーの縦断面図である。従来の加水燃料燃焼装置用チャンバーの縦断面図である。

　（第一の実施形態）
　図１は、本発明の第一の実施形態に係るチャンバー１００を備える加水燃料燃焼装置５００の構成を示す概略図である。

　加水燃料燃焼装置５００は、燃料としての重油と水と添加剤とを混合させ、エマルジョン化した加水燃料を生成する加水燃料製造装置５１０と、燃料としての重油が充填されている重油タンク５２０と、加水燃料製造用の水が充填されている水タンク５３０と、加水燃料に添加される添加剤が充填されている添加剤タンク５４０と、加水燃料製造装置５１０において生成された加水燃料が燃焼するチャンバー１００と、チャンバー１００の内部に重油を噴射する第一ノズル（図示せず）と、チャンバー１００の内部に加水燃料を噴射する第二ノズル（図示せず）と、チャンバー１００の内部に火焔を放射し、重油または加水燃料を燃焼させるバーナー５５０と、を備えている。

　チャンバー１００には、例えば、蒸気ボイラー５６０（破線で示す）が接続されており、蒸気ボイラー５６０は、チャンバー１００から放出された火焔の熱により、水を水蒸気に気化させる。

　なお、第一ノズル及び第二ノズルはバーナー５５０の内部においてバーナー５５０と一体に形成されている。

　重油タンク５２０は接続パイプ５２１を介して加水燃料製造装置５１０と接続され、さらに、接続パイプ５２２を介してバーナー５５０と接続されている。重油タンク５２０にはポンプ５２３が取り付けられており、ポンプ５２３が重油タンク５２０から重油を吸い上げ、接続パイプ５２１、５２２を介して、加水燃料製造装置５１０及びバーナー５５０内部の第一ノズルにそれぞれ重油を供給している。

　水タンク５３０は接続パイプ５３１を介して加水燃料製造装置５１０と接続されている。水タンク５３０にはポンプ５３２が取り付けられており、ポンプ５３２が水タンク５３０から水を吸い上げ、接続パイプ５３１を介して、加水燃料製造装置５１０に水を供給している。

　添加剤タンク５４０は接続パイプ５４１を介して加水燃料製造装置５１０と接続されている。添加剤タンク５４０にはポンプ５４２が取り付けられており、ポンプ５４２が添加剤タンク５４０から添加剤を吸い上げ、接続パイプ５４１を介して、加水燃料製造装置５１０に添加剤を供給している。

　加水燃料製造装置５１０は、重油タンク５２０から供給された重油と水タンク５３０から供給された水とを、例えば、１：２．３の割合に混合し、さらに、適量の添加剤を加えることにより、エマルジョン化した燃料を生成する。

　上述の従来の加水燃料製造装置においては、重油と水との混合比率は１：３程度であったが、加水燃料製造装置５１０は、後述するチャンバー１００を用いることにより、重油の比率を低下させることが可能になっている。

　加水燃料製造装置５１０は接続パイプ５１１を介してバーナー５５０と接続されている。加水燃料製造装置５１０にはポンプ５１２が取り付けられており、ポンプ５１２が、接続パイプ５１１を介して、エマルジョン化した加水燃料をバーナー５５０内部の第二ノズルに供給している。

　図２はチャンバー１００の縦断面図である。

　図２に示すように、チャンバー１００は、炉本体としての円筒形状のタイコストレート部１１０と、タイコストレート部１１０の一端と連続して形成されている第一傾斜部としての円錐形状のダイバージェットコーン部１２０と、タイコストレート部１１０の他端と連続して形成されている第二傾斜部としての円錐形状のコンバージェットコーン部１３０と、ダイバージェットコーン部１２０に連続して形成されている第一円筒部としての円柱形状のエキパイ部１４０と、コンバージェットコーン部１３０に連続して形成されている第二円筒部としての円柱形状のテール部１５０と、タイコストレート部１１０、ダイバージェットコーン部１２０、コンバージェットコーン部１３０、エキパイ部１４０及びテール部１５０の外周に被覆された耐熱性カバー１６０と、耐熱性カバー１６０を覆う耐熱金属１６２と、から構成されている。

　耐熱性カバー１６０は、チャンバー１００において発生した熱を外部に拡散させないための断熱性の耐火物（例えば、商品名「アサヒキャスターＣＡ－１３Ｓ」）でつくられている。

　耐熱金属１６２は、例えば、ＳＵＳ３１０Ｓまたはインコネルからなる。

　さらに、耐熱金属１６２を、例えば、セラミックスファイバーブランケット（２５ｍｍ厚み）その他の断熱材で被覆し、エネルギーロスを防ぐことが可能である。

　チャンバー１００は耐熱鋼材及び耐火セメントでつくられている。

　また、チャンバー１００の内壁（火焔が通る通路）は火焔が多重衝突するため、セラミックコーティング（例えば、厚み約０．５ｍｍ）などの高硬度耐熱材料で被覆され、内壁の摩耗を防止している。

　後述するように、加水燃料は、エキパイ部１４０を介して、第二ノズルからチャンバー１００の内部に噴射され、チャンバー１００の内部において着火され、燃焼状態となる。加水燃料の燃焼により生じた火焔はテール部１５０を介してチャンバー１００の外部に放射され、チャンバー１００に接続されている蒸気ボイラー５６０に供給される（なお、図１と図２とでは左右の向き、すなわち、エキパイ部１４０及びテール部１５０の位置が左右反対に示されている）。

　本実施形態に係るチャンバー１００の容積は、エキパイ部１４０を介してチャンバー１００の内部に噴射される加水燃料に含まれる水分の１秒間当たりの容積の３０００乃至５０００倍に設定されている。

　すなわち、チャンバー１００の容積Ｖは次式で示される。

　　　３０００Ｗ≦Ｖ≦５０００Ｗ
　　　Ｗ：加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量

　加水燃料に含まれる水分の粒子をチャンバー１００の内部において高温かつ高圧力下の状態で高速でチャンバー１００の内壁に多重衝突させると、水分粒子は、次式に従って、瞬時に気化し、水素（Ｈ）が発生する。

　　　Ｈ_２Ｏ→２Ｈ＋Ｏ

　水素は発生と同時に燃焼し、この水素の燃焼により発生したエネルギーは、重油の燃焼により発生したエネルギーに加算された形で取り出すことが可能であると考えられる。

　バーナーから発せられる火焔の最高温度は摂氏約１８００度、平均温度は摂氏約１５００度である。加水燃料に含まれる水分粒子（粒子径は約３０μｍ以下）は、その火焔に熱せられて高温状態にあるチャンバー１００の内壁に多重衝突する。

　この多重衝突により気化した水分（水蒸気）は、平均温度が摂氏約１５００度のバーナーの火焔によって、摂氏約５００度乃至約１０００度まで瞬時に加熱され、その容積が膨張すると考えられる。

　ここで、摂氏２５度の水の粒子が摂氏５００度と摂氏１０００度に膨張する場合の膨張倍率を計算する。

　１ｍｏｌの水は
　　　２２．４[リットル]＝２２．４×１０^３[ミリリットル]
の気体になる。１ｍｏｌの水は１８ｇ（１８ミリリットル）であるので、水の容積の膨張倍率は次式に従って計算される。

　　　膨張倍率＝２２．４×１０^３／１８＝１２４４．４[倍]

　加水燃料中の水分が瞬時に摂氏５００度の水蒸気になった場合の膨張倍率は次式に従って計算される。

　　　膨張倍率＝１２４４．４×（２７３．１５＋５００）／（２７３．１５＋２５）
　　　　　　　＝３２２７[倍]

　この場合、気体（水蒸気）の容積は次式に従って計算される。

　　　気体の容積＝２．９４×３２２７＝９４８７．４[ｃｍ^３]
　　　　　　　　＝９４８７．４×１０^－６[ｍ^３]

　また、チャンバー１００の容積を加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量の３２２７倍に設定していた場合のチャンバー１００内部の圧力Ｐは、次式に従って計算される。

　　　Ｐ＝０．１６×８．３１４×７７３．１５／９４８７．４×１０^－６
　　　　＝１０８４０４．３[Ｐａ]＝０．１１[ＭＰａ]

　加水燃料中の水分が瞬時に摂氏１０００度の水蒸気になった場合の膨張倍率は次式に従って計算される。

　　　膨張倍率＝１２４４．４×（２７３．１５＋１０００）／（２７３．１５＋２５）
　　　　　　　＝５３１４[倍]

　　　気体の容積＝２．９４×５３１４＝１５６２３．２[ｃｍ^３]
　　　　　　　　＝１５６２３．２×１０^－６[ｍ^３]

　また、チャンバー１００の容積を加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量の５３１４倍に設定していた場合のチャンバー１００内部の圧力Ｐは、次式に従って計算される。

　　　Ｐ＝０．１６×８．３１４×１２７３．１５／１５６２３．２×１０^－６
　　　　＝１０８４０２．５[Ｐａ]＝０．１１[ＭＰａ]

　以上から、チャンバー１００の容積Ｖは次式に従って決定することが妥当であることがわかる。

　以上の理論を実証するための実験を行った。以下、その実験の概要及び結果について説明する。

　図１に示した蒸気ボイラー５６０としては、（株）タクマ製ＴＷ－３００を使用した。この蒸気ボイラーの付属オイルバーナーを外し、蒸気ボイラーの上流側にチャンバー１００を取り付けた。なお、チャンバー１００のエキパイ部１４０には、重油噴霧用の第一ノズルと加水燃料噴霧用の第二ノズルとが取り付けられたオイルバーナーを取り付けた。

　本実験に使用するチャンバー１００としては、加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量の２０００倍、３０００倍、４０００倍、５０００倍、６０００倍の容積を有するものを作製した。

　チャンバー１００の内壁には、耐熱材料として、アサヒキャスターＣＡ－１３Ｓを被覆した。

　チャンバー１００の内壁は、耐摩耗性を向上させるため、アサヒキャスターＣＡ－１３Ｓの上にセラミックコーティングを被覆した。

　ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角を約６５度、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角を約４５度とした。テール部１５０を蒸気ボイラーの本体に挿入させることにより、チャンバー１００を蒸気ボイラーに取り付けた。

　（株）タクマ製蒸気ボイラーＴＷ－３００の仕様は次の通りである。

　　　換算蒸気発生量　３００[ｋｇ／ｈ]
　　　実際蒸気発生量　２４５[ｋｇ／ｈ]
　　　燃料消費量　　　２０．９［リットル／ｈ］（重油）

　すなわち、この蒸気ボイラーは、オイルバーナーの第一ノズルから２０．９［リットル／ｈ］の重油を噴霧して燃焼させ、２４５[ｋｇ／ｈ]の水蒸気を発生させる能力を有している。

　従って、２０．９［リットル／ｈ］よりも少ない重油の消費量で２４５[ｋｇ／ｈ]の水蒸気を発生させることができれば、その分だけ燃料を削減したことになる。例えば、１５．９［リットル／ｈ］の重油の消費量で２４５[ｋｇ／ｈ]の飽和水蒸気を発生させたとすれば、１時間当たり、
　２０．９－１５．９＝５［リットル］
の重油を削減したことになる。

　２００リットルのドラム缶に水を入れ、この水をボイラーに供給し、蒸気圧力が６ｋｇ／ｃｍ^２になった時点から、３０分間に減った水の量を計測し、１時間当たりの減水量を求め、これを水蒸気発生量とした。蒸気配管は２０Ａを使用し、ブローした状態で測定した。

　第一ノズルを介して重油をチャンバー１００の内部に噴霧燃焼させ、チャンバー１００の内壁温度が摂氏７００度に到達した時点で、第二ノズルを介して加水燃料を噴霧圧力０．１ＭＰａで噴霧燃焼させ、徐々に噴霧量を増加させ、約３分で０．７ＭＰａになるようにした。

　実験の結果を表１に示す。

　チャンバー１００を取り付けない場合（標準）の蒸気発生量は２１８［ｋｇ／ｈ］であった。従って、蒸気発生量が２１８［ｋｇ／ｈ］より小さい場合には、使用したチャンバー１００は有効ではないことを示す。

　表１から明らかであるように、チャンバー１００の容積Ｖが加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量の２０００倍及び６０００倍の場合における蒸気発生量は１０１［ｋｇ／ｈ］及び１０８［ｋｇ／ｈ］であり、いずれも２１８［ｋｇ／ｈ］より小さい。これは、２０００倍及び６０００倍の容積を有するチャンバー１００は、たとえ、燃料削減を達成できたとしても、蒸気ボイラーの本来の性能を低下させるため、有効ではないことを意味している。

　これに対して、チャンバー１００の容積Ｖが加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量の３０００倍、４０００倍及び５０００倍の場合における蒸気発生量は２２７［ｋｇ／ｈ］、２３６［ｋｇ／ｈ］及び２４２［ｋｇ／ｈ］であり、いずれも２１８［ｋｇ／ｈ］より大きい。これは、３０００倍、４０００倍及び５０００倍の容積を有するチャンバー１００は、蒸気ボイラーの本来の性能を低下させることなく、燃料削減を達成していることを意味している。

　このように、実験結果においても、チャンバー１００の容積Ｖは次式に従って決定することが妥当であることが示された。

　なお、加水燃料の燃焼の大半は、エキパイ部１４０及びテール部１５０を除いたタイコストレート部１１０、ダイバージェットコーン部１２０及びコンバージェットコーン部１３０において行われる。このため、タイコストレート部１１０、ダイバージェットコーン部１２０及びコンバージェットコーン部１３０の容積の総計Ｖａを次式に従って決定することも可能である。

　　　３０００Ｗ≦Ｖａ≦５０００Ｗ
　　　Ｗ：加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量

　また、本実施形態に係るチャンバー１００を備える加水燃料燃焼装置５００においては、加水燃料製造装置５１０は重油と水とを１：２．３の容積比率で混合しているが、重油と水の混合比率はこれには限定されない。

　重油と水の混合容積比率は１：Ｙ（２．０≦Ｙ≦２．５）の範囲内において任意に設定することが可能である。

　また、本実施形態においては、燃料として重油を使用したが、重油の他に灯油または軽油を用いることも可能である。

　（第二の実施形態）
　本発明者の検討によれば、タイコストレート部１１０の長さＬａ（チャンバー１００の軸線１０１の方向における長さ）と内径Ｄとの間には加水燃料の燃焼を適切化する相関関係が存在する。

　以下に述べる実験によれば、タイコストレート部１１０の長さＬａと内径Ｄとの間の望ましい関係は次式で表される。

　　　Ｄ／３≦Ｌａ≦２Ｄ／３

　上の関係式を求める実験においては、チャンバー１００の容積Ｖを加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量（Ｗ）の５０００倍とし、ＬａがＤ／４、Ｄ／３、Ｄ／２、２Ｄ／３、３Ｄ／４に等しくなるような５種類のタイコストレート部１１０をそれぞれ有する５個のチャンバー１００を製作し、各チャンバー１００を使用した場合における蒸気発生量を比較した。

　実験結果を表２に示す。

　表２における符号Ａ－Ｈが示すものは表１におけるＡ－Ｈと同様である。

　表１において示したように、チャンバー１００を取り付けない場合の蒸気ボイラーの蒸気発生量は２１８［ｋｇ／ｈ］であった。従って、この数値を基準値とし、蒸気発生量が基準値より小さいチャンバーは不適、蒸気発生量が基準値より大きいチャンバーは有効と判断する。

　表２に示すように、Ｌａ＝Ｄ／４のチャンバー及びＬａ＝３Ｄ／４のチャンバーにおける蒸気発生量はそれぞれ１０９、１１５［ｋｇ／ｈ］であり、いずれも基準値の２１８［ｋｇ／ｈ］より小さい。従って、Ｌａ＝Ｄ／４のチャンバー及びＬａ＝３Ｄ／４のチャンバーは蒸気ボイラーに取り付けるのには適していないことが判明した。

　これに対して、Ｌａ＝Ｄ／３のチャンバー、Ｌａ＝Ｄ／２のチャンバー及びＬａ＝２Ｄ／３のチャンバーにおける蒸気発生量はそれぞれ２３０、２４０、２３１［ｋｇ／ｈ］であり、いずれも基準値の２１８［ｋｇ／ｈ］より大きい。従って、Ｌａ＝Ｄ／３のチャンバー、Ｌａ＝Ｄ／２のチャンバー及びＬａ＝２Ｄ／３のチャンバーは蒸気ボイラーに取り付けるのには適していることが判明した。

　以上から、タイコストレート部１１０の長さＬａと内径Ｄとの間の関係は次式に従って決定されることが望ましい。

　　　Ｄ／３≦Ｌａ≦２Ｄ／３

　（第三の実施形態）
　蒸気ボイラーにおいては、バーナーから放射される火焔の長さ及び直径に基づいて、蒸気ボイラー内部における水管の配置、直径及び位置が決定される。従って、チャンバー１００を蒸気ボイラーに取り付ける場合、蒸気ボイラーの効率が変化することを防止するため、加水燃料を燃焼させたときにテール部１５０から放出される火焔の長さ及び直径はバーナーから放射される火焔の長さ及び直径とほぼ同一にする必要がある。

　仮に、エキパイ部１４０の長さ、テール部１５０の長さまたはチャンバー１００の全長が長いと、テール部１５０から放出される火焔長さ及び火焔径が小さくなり、蒸気ボイラーの効率は大幅に低下する。従って、加水燃料噴霧量とタイコストレート部１１０の内径とチャンバー１００の全長との間には、加水燃料の燃焼を最適にする関係が存在するものと考えられる。

　本発明者は、加水燃料噴霧量を一定値に維持した状態の下に、タイコストレート部１１０の内径Ｄとチャンバー１００の長さＬ（チャンバー１００の軸線１０１の方向における長さ）との間の相関関係を求める実験を行い、タイコストレート部１１０の内径Ｄとチャンバー１００の長さＬとの間の望ましい関係として次式を得た。

　　　Ｌ≦２Ｄ

　上の関係式を求める実験においては、チャンバー１００の容積Ｖを加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量（Ｗ）の５０００倍とし、チャンバー１００の長さＬが３Ｄ、２．５Ｄ、２Ｄ、１．５Ｄ、Ｄに等しくなるような５個のチャンバー１００を製作し、各チャンバー１００を使用した場合における蒸気発生量を比較した。

　実験結果を表３に示す。

　表３における符号Ａ－Ｈが示すものは表１におけるＡ－Ｈと同様である。

　表３に示すように、Ｌ＝３Ｄのチャンバー及びＬ＝２．５Ｄのチャンバーにおける蒸気発生量はそれぞれ１２１、１４９［ｋｇ／ｈ］であり、いずれも基準値の２１８［ｋｇ／ｈ］より小さい。従って、Ｌ＝３Ｄのチャンバー及びＬ＝２．５Ｄのチャンバーは蒸気ボイラーに取り付けるのには適していないことが判明した。

　これに対して、Ｌ＝２Ｄのチャンバー、Ｌ＝１．５Ｄのチャンバー及びＬ＝Ｄのチャンバーにおける蒸気発生量はそれぞれ２３０、２４２、２４５［ｋｇ／ｈ］であり、いずれも基準値の２１８［ｋｇ／ｈ］より大きい。従って、Ｌ＝２Ｄのチャンバー、Ｌ＝１．５Ｄのチャンバー及びＬ＝Ｄのチャンバーは蒸気ボイラーに取り付けるのには適していることが判明した。

　以上から、タイコストレート部１１０の内径Ｄとチャンバー１００の長さＬとの間の関係は次式に従って決定されることが望ましい。

　　　Ｌ≦２Ｄ

　（第四の実施形態）
　前述のように、加水燃料を効率的に燃焼させるためには、水粒子をチャンバー１００の内壁に多重衝突させる必要がある。

　例えば、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２が垂直に近い角度である場合には、チャンバー１００の全長Ｌを大きくする必要性が生じるが、逆に、この場合には、テール部１５０から火焔が放射されないおそれが生じる。また、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２が鋭角である場合には、発生した火焔はそのままテール部１５０に抜けてしまうため、加水燃料の多重衝突が発生しにくくなり、加水燃料の効率的な燃焼は実現できない。

　このため、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角（傾斜角）θ_１（図２参照）及びコンバージェットコーン部１３０のテーパー角（傾斜角）θ_２（図２参照）には最適範囲が存在する。

　発明者が行った、以下に述べる実験によれば、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１は５０乃至７０度であることが好ましく、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２は４０乃至６０度であることが好ましい。

　以下、ダイバージェットコーン部１２０の好ましいテーパー角θ_１の範囲及びコンバージェットコーン部１３０の好ましいテーパー角θ_２の範囲を求めた実験について、説明する。

　なお、以下の実験においては、チャンバー１００の容積Ｖを加水燃料の１秒間当たりの噴射量に含まれる水分量（Ｗ）の５０００倍とした。また、チャンバー１００の長さＬとタイコストレート部１１０の長さＬａは以下のように定めた。

　　　Ｌ＝１．５Ｄ
　　　Ｌａ＝Ｄ／２

　（実験１）
　図３に示すように、実験１においては、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１及びコンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２をともに９０度に設定したチャンバー１００を作製した。

　このチャンバー１００を用いて、テール部１５０を大気に開放した状態で、すなわち、蒸気ボイラー５６０をチャンバー１００に接続せずに、加水燃料を燃焼させた時のチャンバー１００の内壁温度を計測した。

　図３に示すように、耐熱性カバー１６０に、タイコストレート部１１０に通じる貫通孔１６１を形成し、貫通孔１６１に温度計６１０（図１参照）を取り付け、温度計６１０によりチャンバー１００の内壁温度を計測した。

　最初に、チャンバー１００を取り付けない状態において、オイルバーナーからパイロット燃料（重油）及び加水燃料を噴霧させ、燃焼させた。結果は、火焔は出るものの、油分を含む白濁した水が蓄積した。

　次いで、図３に示したチャンバー１００を使用して、パイロット燃料を９．５リットル／ｈの割合で単独燃焼させ、チャンバー１００の内壁温度が摂氏７００度に達した時点において、加水燃料４ガロン（重油４．６リットル／ｈ、水１０．６リットル／ｈ、添加剤０．０２３リットル／ｈ）をチャンバー１００の内部に噴霧した。

　図４は、実験１におけるチャンバー１００の内壁温度（摂氏）と燃焼時間（分）との関係を示すグラフである。

　パイロット燃料の単独燃焼と比較して、火焔径及び火焔長は大きくなったが、図４に示すように、加水燃料の噴霧と同時にチャンバー１００の内壁温度が下降した。ダイバージェットコーン部１２０及びコンバージェットコーン部１３０の各垂直壁に噴霧された加水燃料中の水分が燃焼しきれず、徐々にその範囲が広がり、チャンバー１００の内壁を冷却させたものと考えられる。

　具体的には、図４に示すように、加水燃料の噴霧開始時におけるチャンバー１００の内壁温度４Ａは摂氏７００度であったのに対して、噴霧開始後には摂氏約５８０度まで低下し、その後、チャンバー１００の内壁温度４Ａは徐々に上昇したが、摂氏約７００度付近までしか戻らなかった。すなわち、加水燃料の燃焼によるチャンバー１００の内壁温度４Ａの上昇効果は認められなかった。

　従って、実験１の実験結果から、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１及びコンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２として９０度を選定することは、加水燃料の安定的な燃焼には寄与しないことが判明した。

　（実験２）
　実験２においては、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１を６５度に設定し、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２を３２度に設定したチャンバー１００を作製した。

　このチャンバー１００を使用して、パイロット重油９．５リットル／ｈを単独燃焼させ、チャンバー１００の内壁温度が摂氏７００度に達した時点において、加水燃料４ガロン（重油４．６リットル／ｈ、水１０．６リットル／ｈ、添加剤０．０２３リットル／ｈ）をチャンバー１００の内部に噴霧した。

　図５は、実験２におけるチャンバー１００の内壁温度（摂氏）と燃焼時間（分）との関係を示すグラフである。

　図５に示すように、加水燃料の噴霧開始と同時にチャンバー１００の内壁温度が徐々に上昇し、最終的には摂氏約９７０度まで上昇した。

　（株）タクマ製ＴＷ－３００の蒸気ボイラーにチャンバー１００を取り付けた実験においては、第一の実施形態における表１に示したように、加水燃料を燃焼させることにより、重油２０．９リットル／ｈを燃焼させた場合とほぼ同じ蒸気発生量を得ることができた。このため、パイロットノズルから重油２０．９リットル／ｈを単独噴霧させ、燃焼させた場合のチャンバー１００の内壁温度と加水燃料を燃焼させた場合のチャンバー１００の内壁温度はほぼ同じ温度になると想定される。この想定の下、パイロット重油２０．９リットル／ｈを単独で噴霧燃焼させた場合と、加水燃料に含まれている４．６リットル／ｈの重油分とパイロット重油９．５リットル／ｈとを合算した重油１４．１リットル／ｈをパイロットノズルから単独で噴霧燃焼させた場合のチャンバー１００の内壁温度をそれぞれ計測した。

　その結果、摂氏７００度で噴霧を開始し、加水燃料を燃焼させた場合のチャンバー１００の内壁温度５Ａはパイロットノズルから１４．１リットル／ｈの重油を単独で噴霧燃焼させた場合の内壁温度５Ｂとほぼ同じ値となった。

　コンバージェットコーン部のテーパー角θ_２が鋭角（３２度）であるため、不完全燃焼の水粒子を含む火焔はチャンバー１００内部での多重衝突が少ない状態のまま、テール部１５０からチャンバー１００の外部に放出されたものと考えられる。

　従って、実験２の実験結果から、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１として６５度及びコンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２として３２度を選定することは、加水燃料の安定的な燃焼には必ずしも寄与しないことが判明した。

　（実験３）
　実験３においては、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１を６５度に設定し、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２を４５度に設定したチャンバー１００を作製した。

　コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２を４５度に変更した点以外は実験２と同一条件である。

　図６は、実験３におけるチャンバー１００の内壁温度（摂氏）と燃焼時間（分）との関係を示すグラフである。

　パイロット重油９．５リットル／ｈを単独で燃焼させ、チャンバー１００の内壁温度が摂氏７００度に達した時点において、加水燃料を噴霧させ、燃焼させた。その結果、図６に示すように、加水燃料の噴霧と同時にチャンバー１００の内壁温度６Ａが徐々に上昇し、最終温度値は摂氏１１５０度に達した。この温度は、パイロット重油２０．９リットル／ｈ単独で燃焼させた場合の温度６Ｂと同値である。

　従って、実験３の実験結果によれば、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１が６５度と、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２が４５度との組み合わせは加水燃料の安定的燃焼に対して有効なものであることが判明した。

　（実験４）
　ダイバージェットコーン部１２０の有効なテーパー角θ_１の範囲を求めるため、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２を４５度に固定した複数個のチャンバー１００を作製した。

　コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２の４５度は実験３において、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２として有効であると判明した角度である。

　実験４においては、次のテーパー角θ_１を有するダイバージェットコーン部１２０を備えた５個のチャンバー１００を作製した。

（１）チャンバーＡ：４０度
（２）チャンバーＢ：５０度
（３）チャンバーＣ：６０度
（４）チャンバーＤ：７０度
（５）チャンバーＥ：８０度

　これら５個のチャンバーＡ－Ｅに対して、実験２と同様の実験を行い、チャンバー１００の内壁温度の最高温度（摂氏）を測定した。

　その結果を表４に示す。

　パイロット重油２０．９リットル／ｈを単独で燃焼させた場合の温度である摂氏１１５０度に達したのは、チャンバーＢ、Ｃ、Ｄである。すなわち、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１として有効な角度の範囲は５０度乃至７０度であることが判明した。

　（実験５）
　コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２を求めるため、ダイバージェットコーン部１２０の有効なテーパー角θ_１を６０度に固定した複数個のチャンバー１００を作製した。

　ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１の６０度は実験４において、ダイバージェットコーン部１２０のテーパー角θ_１として有効であると判明した角度である。

　実験５においては、次のテーパー角θ_２を有するコンバージェットコーン部１３０を備えた５個のチャンバー１００を作製した。

（１）チャンバーＦ：４０度
（２）チャンバーＧ：５０度
（３）チャンバーＨ：６０度
（４）チャンバーＩ：７０度
（５）チャンバーＪ：８０度

　その結果を表５に示す。

　パイロット重油２０．９リットル／ｈを単独で燃焼させた場合の温度である摂氏１１５０度に達したのは、チャンバーＦ、Ｇ、Ｈである。すなわち、コンバージェットコーン部１３０のテーパー角θ_２として有効な角度の範囲は４０度乃至６０度であることが判明した。

　（第五の実施形態）
　図７は、本発明の第五の実施形態に係るチャンバーユニット１０５のブロック図である。

　図７に示すように、本実施形態に係るチャンバーユニット１０５は、第一乃至第四の実施形態に係る何れかのチャンバー１００と、チャンバー１００の内壁温度を計測する温度計６１０と、バーナー５５０を介してチャンバー１００に供給する加水燃料の量を制御する加水燃料量制御装置６２０と、を備えている。

　温度計６１０はチャンバー１００の内壁温度を計測し、チャンバー１００の内壁温度が予め定められた基準温度に到達すると、加水燃料量制御装置６２０に制御開始信号６１１を送信する。

　加水燃料量制御装置６２０は、制御開始信号６１１を受信すると、チャンバー１００への加水燃料の供給を開始する。

　本実施形態に係るチャンバーユニット１０５によれば、チャンバー１００の内壁が高温になった時点において、加水燃料の供給が開始されるため、加水燃料をより高い効率で燃焼させることが可能になる。

　上記の第一乃至第四の実施形態においては、最初にパイロット重油を単独で燃焼させ、チャンバー１００の内壁温度が摂氏７００度に達した時点において、加水燃料を噴霧させ、燃焼させているが、加水燃料の供給を開始する基準温度は摂氏７００度には限定されない。

　基準温度は摂氏６００度から摂氏１０００度の範囲内において、加水燃料の加水率やチャンバー１００の形状に応じて、任意に設定することができる。

　また、加水燃料量制御装置６２０は、制御開始信号６１１を受信したときに、チャンバー１００に供給する単位時間当たりの加水燃料の量が増加するように、加水燃料製造装置５１０から送られてくる加水燃料の量の制御するようにすることもできる。

　さらに、第一乃至第五の実施形態においては、チャンバー１００の内部において最初に重油を燃焼させ、次いで、加水燃料を燃焼させているが、重油と加水燃料とを同時にチャンバー１００の内部に噴霧し、双方を同時に燃焼させることも可能である。

　例えば、重油を噴射する第一ノズルと加水燃料を噴射する第二ノズルとをエキパイ部１４０の内部に設置し、第一ノズルから噴射される重油と第二ノズルから噴射される加水燃料の容積比を１：Ｘ（１．５≦Ｘ≦２．０）にすることが可能である。

５００　加水燃料燃焼装置
５１０　加水燃料製造装置
５１１　接続パイプ
５１２　ポンプ
５２０　重油タンク
５２１、５２２　接続パイプ
５２３　ポンプ
５３０　水タンク
５３１　接続パイプ
５３２　ポンプ
５４０　添加剤タンク
５４１　接続パイプ
５４２　ポンプ
５５０　バーナー
５６０　蒸気ボイラー
１００　チャンバー
１１０　タイコストレート部
１２０　ダイバージェットコーン部
１３０　コンバージェットコーン部
１４０　エキパイ部
１５０　テール部
１６０　耐熱性カバー
１６１　貫通孔
１６２　耐熱金属
１０５　チャンバーユニット
６１０　温度計
６２０　加水燃料量制御装置

Claims

加水燃料を燃焼させる加水燃料燃焼装置に使用されるチャンバーであって、
　円筒形状の炉本体と、
　前記炉本体の一端と連続して形成されている円錐形状の第一傾斜部と、
　前記炉本体の他端と連続して形成されている円錐形状の第二傾斜部と、
　前記第一傾斜部に連続して形成されている円柱形状の燃料噴射用の第一円筒部と、
　前記第二傾斜部に連続して形成されている円柱形状の火焔放射用の第二円筒部と、
　からなり、
　前記第一円筒部を介して加水燃料が内部に噴射され、前記第二円筒部を介して火焔が外部に放射されるチャンバーにおいて、
　前記チャンバーの容積は、当該チャンバーに供給される加水燃料に含まれる水分の１秒間当たりの容積の３０００乃至５０００倍であることを特徴とするチャンバー。
前記炉本体の内径Ｄと長さＬａの関係は
　　　Ｄ／３≦Ｌａ≦２Ｄ／３
　で表されることを特徴とする請求項１に記載のチャンバー。
前記炉本体の内径Ｄと当該チャンバーの長さＬの関係は
　　　Ｌ≦２Ｄ
　で表されることを特徴とする請求項１または２に記載のチャンバー。
前記第一傾斜部の傾斜角は５０乃至７０度であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のチャンバー。
前記第二傾斜部の傾斜角は４０乃至６０度であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のチャンバー。
前記第一円筒部から燃料油を噴射する第一ノズルと、前記第一円筒部から加水燃料を噴射する第二ノズルとを備え、
　前記第一ノズルから噴射される前記燃料油と前記第二ノズルから噴射される前記加水燃料との容積比は１：Ｘ（１．５≦Ｘ≦２．０）であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のチャンバー。
前記加水燃料における燃料油：水の容積比は１：Ｙ（２．０≦Ｙ≦２．５）であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のチャンバー。
前記チャンバーの内壁温度を計測する温度計と、
　前記チャンバーに供給する加水燃料の量を制御する加水燃料量制御装置と、
　を備え、
　前記温度計は、前記チャンバーの内壁温度が摂氏Ｚ（６００≦Ｚ≦１０００）度に到達したときに、前記加水燃料量制御装置に制御開始信号を送信し、
　前記加水燃料量制御装置は、前記制御開始信号を受信したときに、前記チャンバーへの加水燃料の供給を開始することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のチャンバー。
請求項１乃至８の何れか一項に記載のチャンバーと、
　燃料油を充填する燃料タンクと、
　水を充填する水タンクと、
　前記燃料タンクから供給された前記燃料油と前記水タンクから供給された前記水とを混合させ、エマルジョン化した加水燃料を生成する加水燃料製造装置と、
　前記燃料油を前記チャンバーの内部に噴霧するノズルと、
　前記加水燃料を前記チャンバーの内部に噴霧するノズルと、
　前記燃料油及び前記加水燃料を燃焼させるための火焔を放射するバーナーと、
　を備える加水燃料燃焼装置。