(57)【要約】【課題】ＮＯｘ排出量の削減が可能な水エマルジョン燃料を提供することを目的とする。【解決手段】燃料油と、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水と、を含む、水エマルジョン燃料。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料油と、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水と、を含む、水エマルジョン燃料。
【請求項２】
前記水は、膜蒸留法によって製造された水を含む、請求項１に記載の水エマルジョン燃料。
【請求項３】
前記水は、フッ素系樹脂膜を用いた膜蒸留法によって製造された水を含む、請求項１又は２記載の水エマルジョン燃料。
【請求項４】
ディーゼル機関の燃焼室内にて用いられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水エマルジョン燃料。
【請求項５】
前記ディーゼル機関が船舶用である、請求項４記載の水エマルジョン燃料。
【請求項６】
２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水を船舶内で製造する膜蒸留装置と、前記水と燃料油とを混合して得た水エマルジョン燃料をディーゼル機関に供給する供給装置と、を備える、水エマルジョン燃料供給システム。
【請求項７】
船舶内で膜蒸留法によって得られた２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水と、燃料油とを混合する工程と、前記混合により得られた水エマルジョン燃料をディーゼル機関に供給する工程と、を備える、水エマルジョン燃料の供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水エマルジョン燃料、水エマルジョン燃料供給システム、及び水エマルジョン燃料の供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等に代表される内燃機関は、燃焼効率が高く、二酸化炭素の発生も少ないため、幅広い分野で使用されている。しかし、内燃機関の排気には窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）が含まれており、近年の環境意識の高まりから、ＮＯｘ排出規制が強化される方向にある。
【０００３】
特に、舶用ディーゼル機関から排出されるＮＯｘについては、２０１６年から国際海事機関（ＩＭＯ）によるＴｉｅｒ  ＩＩＩ規制が予定されており、この規制では、現行のＴｉｅｒ  ＩＩ規制値から７５％低減が求められている。そのため、効果が高く、かつ安価なＮＯｘ除去技術の開発や、ＮＯｘの低減に関する様々な検討がなされている（非特許文献１参照）。
【０００４】
上記非特許文献１には、ＮＯｘ排出量を削減する技術の一つとして、燃料油中に微細化した水を混入した水エマルジョン燃料を用いる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】水技術（水エマルジョン，水噴射，吸気加湿等）によるＮＯｘ低減技術、日本マリンエンジニアリング学会誌、第４６巻、第６号（２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のとおり、今後の規制強化に向けて、例えば上記非特許文献１に記載された水エマルジョン燃料についても、更なるＮＯｘ排出量の削減が期待されている。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、ＮＯｘ排出量の削減が可能な水エマルジョン燃料、水エマルジョン燃料供給システム、及び水エマルジョン燃料の供給方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、水エマルジョン燃料の組成や物性などとＮＯｘ排出量との関係について鋭意検討した結果、導電率が所定値以下の水を含む水エマルジョン燃料を用いた場合に、ＮＯｘ排出量が低減されることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下のとおりである。
［１］
燃料油と、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水と、を含む、水エマルジョン燃料。
［２］
水は、膜蒸留法によって製造された水を含む、［１］の水エマルジョン燃料。
［３］
水は、フッ素系樹脂膜を用いた膜蒸留法によって製造された水を含む、［１］又は［２］の水エマルジョン燃料。
［４］
ディーゼル機関の燃焼室内にて用いられる、［１］〜［３］のいずれかの水エマルジョン燃料。
［５］
ディーゼル機関が船舶用である、［１］〜［４］のいずれかの水エマルジョン燃料。
［６］
２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水を船舶内で製造する膜蒸留装置と、水と燃料油とを混合して得た水エマルジョン燃料をディーゼル機関に供給する供給装置と、を備える、水エマルジョン燃料供給システム。
［７］
船舶内で膜蒸留法によって得られた２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水と燃料油とを混合する工程と、混合により得られた水エマルジョン燃料をディーゼル機関に供給する工程と、を備える、水エマルジョン燃料の供給方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＮＯｘ排出量の削減が可能な水エマルジョン燃料、水エマルジョン燃料供給システム、及び水エマルジョン燃料の供給方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】膜蒸留法の原理を説明する概要説明図である。
【図２】本発明の一実施形態である水エマルジョン燃料供給システムの装置構成及びフローを示す概要説明図である。
【図３】本発明の一実施形態である水エマルジョン燃料供給システムの装置構成及びフローを示す概要説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明について、以下具体的に説明する。尚、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。
【００１２】
本実施形態の水エマルジョン燃料は、燃料油と、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水と、を含む。
【００１３】
燃料油は、特に制限されないが、重油や軽油などが好ましい。また、重油としては、Ａ重油やＣ重油などが好ましい。Ａ重油やＣ重油などのように、燃焼時のＮＯｘ排出量が大きい燃料油であれば、本実施形態の水エマルジョン燃料とすることによって、大きなＮＯｘ排出量の削減が期待できる。
【００１４】
水は、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下のものであれば特に制限されない。２５℃における導電率の上限は、好ましくは２．７μＳ／ｃｍ以下であり、より好ましくは２．４μＳ／ｃｍ以下であり、さらに好ましくは２．１μＳ／ｃｍ以下である。また、２５℃における導電率の下限は０．０μＳ／ｃｍである。
【００１５】
上記導電率は、例えば電気伝導率計（ＥＣメーター）によって、測定できる。
【００１６】
水エマルジョン燃料における水と燃料油との容積比（水／Ａ重油）（単位：ｖ／ｖ）は、１０／９０〜７０／３０（ｖ／ｖ）が好ましく、２０／８０〜６０／４０がより好ましく、３０／７０〜５０／５０がさらに好ましい。また、水は微細化して燃料油に混合することが好ましい。
【００１７】
本実施形態において、上記特定の導電率を有する水は、膜蒸留法によって製造された水を含むことが好ましい。膜蒸留法は、水蒸気のみを透過する疎水性多孔質膜を用い、加温された原水（高温水）から、飽和水蒸気圧差により疎水性多孔質膜を通過した水蒸気を凝縮させ、蒸留水を得る方法である。膜蒸留法は、原水に圧力をかけ逆浸透膜で濾過して精製水を得る逆浸透法と比べ、高圧を必要とせず、動力エネルギーを低減することができる。また、膜蒸留法により得られる蒸留水は、塩分などの不揮発性の溶質分離性能が極めて高く、高純度の水を得ることが可能となる。
【００１８】
膜蒸留法に、特に制限はなく、図１に示すいずれの膜蒸留法についても、本実施形態に適用することができる。図１は、主な膜蒸留法の原理を説明する図である。図１において、（ａ）は、高温水側からの水蒸気を、疎水性多孔質膜５を通じ生成した蒸留水として直接低温水に取り込むＤＣＭＤ法（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）である。また、（ｂ）は、疎水性多孔質膜５とコンデンサー１１との間にエアギャップを設け、コンデンサー１１（例えば、伝熱性が高いアルミやステンレスなどの金属製の冷却板など）の面上に高温水側からの水蒸気を凝縮させ蒸留水を得るＡＧＭＤ法（Ａｉｒ  Ｇａｐ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）である。また、（ｃ）は、疎水性多孔質膜５の蒸留側に真空ギャップを設け、高温水側からの水蒸気を外部まで移動させ蒸留水を得るＶＭＤ法（Ｖａｃｕｕｍ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）である。さらに、（ｄ）は、疎水性多孔質膜５の蒸留側にスイーピングガスを流し、高温水側からの水蒸気を外部まで移動させ蒸留水を得るＳＧＭＤ法（Ｓｗｅｅｐｉｎｇ  Ｇａｓ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）である。
【００１９】
疎水性多孔質膜５としては、特に制限されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂等のフッ素樹脂、あるいはポリプロピレン(ＰＰ)やポリエチレン(ＰＥ)等のポリオレフィン樹脂等を含む多孔質膜を用いることができる。特に、疎水性の高いフッ素系樹脂膜を用いることが好ましい。
【００２０】
疎水性多孔質膜５の形状は、特に制限されず、例えば中空糸膜や管状膜、平膜の形状であってもよい。この中でも、同一膜面積当たりの膜ユニットの体積が小さく、コンパクト化できる中空糸膜の形状が好ましい。また、膜の空隙率は、水蒸気の透過度と膜の強度の関係から適宜設定すればよく、例えば平膜では７０〜９０％の空隙率が好ましい。
【００２１】
疎水性多孔質膜５の孔径は、特に制限されないが、０．０１〜５．０μｍであることが好ましく、より好ましくは０．０５〜１．０μｍであり、さらに好ましくは０．１〜０．５μｍである。
【００２２】
本実施形態の水エマルジョン燃料は、ディーゼル機関（例えばディーゼルエンジン）の燃焼室内にて用いられること、つまり水エマルジョン燃料の形態で燃焼室に供給することが、燃焼室で水を噴射する形式と比較して、簡便である点からも好ましい態様である。ディーゼル機関の燃焼室内に供給された当該水エマルジョン燃料は、燃焼する際に水分が急激に加熱され微爆発を起こし、水の周りにある燃料油が微細化され拡散する。その結果、燃焼空気との接触面積が増え、燃料油だけを燃焼する場合と比べて効率よく燃焼させることも可能となる。この結果、水エマルジョン燃料の燃料消費率を変えることなく、ＮＯｘ排出量が低減されるため、好ましい。
【００２３】
本実施形態において、ディーゼル機関としては、例えば、４−ストローク高速エンジン、４−ストローク中速エンジン、２−ストローク低速エンジンなどのディーセルエンジンが例示できる。また、ディーゼル機関の用途は特に限定されず、船舶、自動車、発電機、飛行機、各種重機等の動力源として用いられているものが挙げられる。この中でも、ディーゼル機関は船舶用であることが好ましい。船舶用ディーゼル機関、例えば大型客船などのディーゼルエンジンに本実施形態の水エマルジョン燃料を適用することによって、より大きなＮＯｘ排出量の削減が期待できる。
【００２４】
本実施形態の水エマルジョン燃料供給システムは、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水を船舶内で製造する膜蒸留装置と、水と燃料油とを混合して得た水エマルジョン燃料をディーゼル機関に供給する供給装置と、を備える。図２は、本発明の一実施形態である水エマルジョン燃料供給システムの装置構成及びフローを示す概要説明図である。なお、図２における膜蒸留法はＤＣＭＤ法である。
【００２５】
図２に示すように、水エマルジョン燃料供給システム１は、膜モジュール４Ａ、高温水タンク３、低温水タンク６、高温水供給ポンプＰ１、低温水循環ポンプＰ２などから構成される膜蒸留装置を備える。水エマルジョン燃料供給システム１において、例えば海から吸い上げられた海水などの水は、熱交換器やヒーターなどの熱源によって加熱され、高温水として高温水タンク３に貯蔵される。その後、高温水タンク３中の高温水は膜モジュール４Ａを通過し、その際に飽和水蒸気圧差によって生じた水蒸気が疎水性多孔質膜５を透過する。透過した水蒸気は凝縮され、対向する低温水（低温水タンク６から低温水循環ポンプＰ２によって循環）に取り込まれ、低温水タンク６に蒸留水が循環する。低温水タンク６の蒸留水は、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下であれば、燃料油と混合できる。
【００２６】
また、図２の水エマルジョン燃料供給システム１は、燃料油タンク２、水タンク７、混合器８、ディーゼル機関９、水供給ポンプＰ３、燃料油供給ポンプＰ４、水エマルジョン燃料供給ポンプＰ５などから構成される供給装置を備える。燃料油は、燃料油タンク２から燃料油供給ポンプＰ４によって混合器８へ供給される。また、上記低温水タンク６中の２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水は、水タンク７に貯蔵され、水供給ポンプＰ３によって混合器８へ供給される。混合器８内においては、燃料油と２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水とが混合され、得られた水エマルジョン燃料が、水エマルジョン燃料供給ポンプＰ５によってディーゼル機関９へ供給される。
【００２７】
図３は、本発明の一実施形態である水エマルジョン燃料供給システムの装置構成及びフローを示す概要説明図である。図３では、膜蒸留法としてＡＧＭＤ法を用いている点で上記図２とは相違する。
【００２８】
図３に示すように、水エマルジョン燃料供給システム１０は、膜モジュール４Ｂ、高温水タンク３、低温水タンク６、高温水供給ポンプＰ１、低温水循環ポンプＰ２などから構成される膜蒸留装置を備える。なお、膜モジュール４Ｂは、疎水性多孔質膜５に加え、コンデンサー１１を備える。図２の水エマルジョン燃料供給システム１と同様に、例えば、海から吸い上げられた海水などの水は、加熱され、高温水タンク３に貯蔵される。その後、高温水タンク３中の高温水は膜モジュール４Ｂを通過する際に、その一部が疎水性多孔質膜５を水蒸気として透過する。透過した水蒸気はコンデンサー１１の面上で凝縮され蒸留水が得られる。得られた蒸留水は、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下であれば、燃料油と混合することができる。なお、図３の水エマルジョン燃料供給システム１０は、図２と同様に、燃料油タンク２、水タンク７、混合器８、ディーゼル機関９、水供給ポンプＰ３、燃料油供給ポンプＰ４、水エマルジョン燃料供給ポンプＰ５などから構成される供給装置を備える。燃料油は、燃料油タンク２から燃料油供給ポンプＰ４によって混合器８へ供給される。また、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の蒸留水は、水タンク７に貯蔵され、水供給ポンプＰ３によって混合器８へ供給される。混合器８内においては、燃料油と２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水とが混合され、得られた水エマルジョン燃料が、水エマルジョン燃料供給ポンプＰ５によってディーゼル機関９へ供給される。
【００２９】
本実施形態の水エマルジョン燃料の供給方法は、船舶内で膜蒸留法によって得られた２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水と、燃料油とを混合する工程と、混合により得られた水エマルジョン燃料をディーゼル機関に供給する工程と、を備える。本供給方法においては、船舶内で、膜蒸留法によって得られた２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水と燃料油とを混合する。混合された水エマルジョン燃料はその後直ちにディーゼル機関の燃焼室に供給され燃焼されることから、水エマルジョン燃料の長期保管による水と燃料油との相分離の問題が生じない点で好ましい。また、エマルジョンを安定化させるために乳化剤を使用してもよい。また、船舶の運転時には海水や河川水を吸い上げることは概ね常時可能であることから、水を調達しやすい点でも船舶内で膜蒸留法を行うことは好ましい態様である。また、船舶のディーゼル機関から排出される高温排熱を、膜蒸留における高温水生成の熱源として活用することは、加熱に要する熱エネルギーコストが不要、又は低減できるため好ましい態様である。なお、上記図２、図３においては船舶内で膜蒸留を行っていることは明示していないが、本実施形態の水エマルジョン燃料供給方法は、図２、図３を参照することができる。
【００３０】
本実施形態における燃料消費率（ｇ／ｋＷｈ）とは、ディーゼル機関の性能を評価する指標の一つである。燃料消費率は、ディーゼル機関が一定の仕事をするためにどのくらいの燃料量を消費するかを示す値で、単位としては１ｋＷｈ当たりの消費量をグラム（ｇ）で表したものを用いる。この値が小さいディーゼル機関ほど経済性に優れている。実際の計測にあたっては、消費（Ｖ）を容積（ｃｃ）で計り、燃料の比重を測定し、１ｋＷｈ当りの重量（ｇ）に換算して表す。燃料消費率は低いほうが好ましく、水エマルジョン燃料では燃焼空気との接触面積が増えることにより、燃料油だけを燃焼する場合より効率よく燃焼させることもできるため、燃料消費率は小さくなる傾向がある。なお、水エマルジョン燃料の加水比率が高すぎる場合（例えば水／燃料油＝９０／１０）は、含水量が多く燃焼しにくくなることや実際に仕事をする燃料油比率が少なくなるため、燃料消費率は高くなってしまう場合がある。
なお、本実施形態の２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水を用いて得られる水エマルジョン燃料は、含まれる塩類などのイオン成分が極めて少なく、この燃料を用いることでディーゼル機関のシリンダ等の腐食が低減され、エンジンの耐久性が向上することから、好ましい。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明するが、本実施形態は以下の実施例により何ら限定されるものではない。
【００３２】
本実施例においては、４ストロークディーゼルエンジンを使用した。その仕様は、定格１０００ｒｐｍ（７５％負荷時）、出力３００ｋＷであった。燃料油としては、Ａ重油を使用した。ディーゼルエンジンの運転試験は、「舶用ディーゼルエンジンからのＮＯｘ排出規制に関するテクニカルコード（２００８）」（日本海事協会）に規定されているＥ３型テストサイクルに準じて行った。
【００３３】
水エマルジョン燃料のディーゼルエンジンへの供給は、エンジン直前で、燃料油と水とをそれぞれ計量器を通して混合器に注入して混合し、エマルジョン化した水エマルジョン燃料を燃焼室に供給した。
【００３４】
（実施例１）
疎水性多孔質膜として孔径０．２μｍのＰＴＦＥ製の平膜（メルクミリポア製）を用いて、模擬海水（３．５％食塩水）を膜モジュールに供給した。温度差３５℃にて約６０分の膜蒸留を行ったところ、充分な量の蒸留水を得ることができた。得られた蒸留水の導電率は２５℃で０．３μＳ／ｃｍであった。得られた蒸留水を用い、水エマルジョン燃料の容積比（水／Ａ重油）が４０／６０（ｖ／ｖ）になるよう調整し、水エマルジョン燃料を作製した。実施例１の水エマルジョン燃料をディーゼルエンジンの燃焼室に供給した際のエンジン排気中ＮＯｘ排気量および燃料消費率を表１に示す。
【００３５】
（実施例２）
水エマルジョン燃料の容積比（水／Ａ重油）を、２０／８０（ｖ／ｖ）になるよう調整した以外は実施例１と同様の方法で運転を行った。エンジン排気中ＮＯｘ排気量および燃料消費率を表１に示す。
【００３６】
（実施例３）
水エマルジョン燃料の容積比（水／Ａ重油）を、６０／４０（ｖ／ｖ）になるよう調整した以外は実施例１と同様の方法で運転を行った。エンジン排気中ＮＯｘ排気量および燃料消費率を表１に示す。
【００３７】
（実施例４）
疎水性多孔質膜として孔径０．２μｍのＰＶＤＦ製の平膜（メルクミリポア製）を用いた以外は実施例１と同様の方法で運転を行った。エンジン排気中ＮＯｘ排気量および燃料消費率を表１に示す。
【００３８】
（実施例５）
疎水性多孔質膜として孔径０．２μｍのＰＰ製の平膜を用いた以外は実施例１と同様の方法で運転を行った。エンジン排気中ＮＯｘ排気量および燃料消費率を表１に示す。
【００３９】
（実施例６）
疎水性多孔質膜として孔径０．２μｍのＰＥ製の平膜を用いた以外は実施例１と同様の方法で運転を行った。エンジン排気中ＮＯｘ排気量および燃料消費率を表１に示す。
【００４０】
（比較例１）
水エマルジョン燃料の代わりにＡ重油のみを燃料に用いた以外は実施例１と同様の方法で運転を行った。エンジン排気中ＮＯｘ排気量および燃料消費率を表１に示す。
【００４１】
（比較例２）
水エマルジョン燃料を作製する水を膜蒸留で得られた水の代わりに、模擬海水（３．５％食塩水）を単蒸留して得られた、導電率が２５℃で５.０μＳ／ｃｍの水を用いた以外は実施例１と同様の方法で運転を行った。エンジン排気中ＮＯｘ排気量および燃料消費率を表１に示す。
【００４２】
（比較例３）
水エマルジョン燃料を作製する水を膜蒸留で得られた水の代わりに、水道水を用いた以外は実施例１と同様の方法で運転を行った。水道水の導電率は２５℃で１００μＳ／ｃｍであった。エンジン排気中ＮＯｘ排気量および燃料消費率を表１に示す。
【００４３】
【表１】
2014221872.tif 000002
【００４４】
上記表１に示す通り、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍ以下の水を含む水エマルジョン燃料を用いた実施例１〜６では、２５℃における導電率が３．０μＳ／ｃｍより高い水を含む水エマルジョン燃料を用いた比較例２及び３に比べて、ＮＯｘ排出量を低減することができた。
【符号の説明】
【００４５】
１、１０・・・水エマルジョン燃料供給システム、２・・・燃料タンク、３・・・高温水タンク、４Ａ，４Ｂ・・・膜モジュール、５・・・疎水性多孔質膜、６・・・低温水タンク、７・・・水タンク、８・・・混合器、９・・・ディーゼル機関、１１・・・コンデンサー、Ｐ１・・・高温水供給ポンプ、Ｐ２・・・低温水循環ポンプ、Ｐ３・・・水供給ポンプ、Ｐ４・・・燃料油供給ポンプ、Ｐ５・・・水エマルジョン燃料供給ポンプ。
【図１】
2014221872.tif 000003
【図２】
2014221872.tif 000004
【図３】
2014221872.tif 000005