(57)【要約】      （修正有）【課題】  物理的な撹拌のみで油と水を所定の混合比で十分に混合し、その油水混合液を、水の混入に拘わらず良好な燃焼を行い大気汚染物質の排出量を低減すること。【解決手段】  油と水とを混合して燃焼させるための油水混合液の燃焼方法において、油と水とをそれぞれ高圧ポンプ（１５）で８：２ないし４：６の割合で撹拌槽（１）に供給し、その撹拌槽において撹拌手段（３）で撹拌して乳化した混合燃料とし、その混合燃料を圧力１０ないし３０ＭＰａで、温度２００ないし４００℃に加熱してノズル（２８）に送り、加熱した空気と共に燃焼させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油と水とを混合して燃焼させるための油水混合液の燃焼方法において、油と水とをそれぞれ定量ポンプで８：２ないし４：６の割合で撹拌槽に供給し、その撹拌槽において撹拌手段で撹拌して乳化した混合燃料とし、その混合燃料を圧力１０ないし３０ＭＰａで、温度２００ないし４００℃に加熱してノズルに送り、加熱した空気と共に燃焼させることを特徴とする油水混合液の燃焼方法。
【請求項２】
撹拌槽と、撹拌槽に油及び水をそれぞれ給送する定量ポンプと、撹拌槽内に回転可能に設けられて油と水の混合燃料を生成する撹拌手段と、撹拌槽内の混合燃料を送出する高圧ポンプと、一端部にノズル及び空気導入筒を有する燃焼室と、一端が高圧ポンプに接続され、中間加熱部が燃焼室の周壁に巻回され、他端がノズルに接続された燃料供給管と、一端がブロアーに接続され、中間加熱部が燃焼室の周壁に巻回され、他端が空気噴出口に接続された給気管とを備え、ノズルから高温高圧の混合燃料を空気導入筒からの高温空気とともに燃焼室内に噴射して燃焼することを特徴とする油水混合液の燃焼装置。
【請求項３】
前記撹拌槽の下部に貯留槽が付設され、前記撹拌手段は、ディスクとその周縁部から軸方向に延出する多数の羽根を有する３個のタービン型の撹拌翼とこれらの撹拌翼を支持回転する回転軸を有し、上部の２個の撹拌翼は撹拌槽内に配置されるとともに、これら２個の撹拌翼の間に複数の細長プレートが配設され、１個の撹拌翼は貯留槽内に配設され、貯留槽から高圧ポンプにより混合燃料が送出されるようにしたことを特徴とする請求項２の油水混合液の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油と水とを混合して燃焼させるための油水混合液の燃焼方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に油（本明細書で油とは、重質油を含む鉱油、軽油、灯油、重油、エンジン油、作動油、ギヤオイル、食料油及びこれらに類似の油、並びにこれらの廃油をいう）を燃料として用いて燃焼を行わせる場合、油に水を添加した上で混合燃料を乳化することにより効率的な燃焼結果が得られることが以前から知られており、さらに一般的に重質油の燃焼に際しては、大気汚染物質（窒素酸化物、硫黄酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素等）の発生が懸念されるが、水添加燃料であればこれらの物質の発生も抑制されることも知られている（特許文献１）。
【０００３】
しかし、混合燃料を使用するには混合燃料の水・油混合比、混合燃料の中に含まれる油の細分化状態、混合燃料の温度、混合燃料の噴射後の拡散等、複数の要素が良好な状態を保たねばならない。従来は、水・油の混合状態とを保つため界面活性剤等の乳化剤を添加することにより水・油混合燃料を乳化して使用する例が一般的であった（１例として特許文献２）。
【０００４】
乳化剤を添加して混合燃料を得るには乳化剤を定量供給しながら撹拌混合しなければならず、製造のための設備が必要となりその設備及び乳化剤の費用が燃料単価へ反映され、その分燃料費が高くなる。
【特許文献１】特許第３２３６２４９号公報
【特許文献２】特許第２６５５９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記乳化剤を添加せずに物理的な撹拌のみで乳化させた混合燃料の燃焼装置では、それ自体相応の効果を奏するが、乳化が十分行われ難く、また乳化された混合燃料が時間経過と共に水と油に分離しやすく、安定した燃料供給が困難であった。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、物理的な撹拌のみで油と水を所定の混合比で十分に混合し、その油水混合液の油水分離を防ぎつつ燃焼ノズルに供給し、水の混入に拘わらず良好な燃焼を行い大気汚染物質の排出量を可及的少量とした油水混合液の燃焼方法及び装置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】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明の油水混合液の燃焼方法は、油と水とを混合して燃焼させるための油水混合液の燃焼方法において、油と水とをそれぞれ定量ポンプで８：２ないし４：６の割合で撹拌槽に供給し、その撹拌槽において撹拌手段で撹拌して乳化した混合燃料とし、その混合燃料を圧力１０ないし３０ＭＰａで、温度２００ないし４００℃に加熱してノズルに送り、加熱した空気と共に燃焼させる。
【０００８】
また本発明の油水混合液の燃焼装置は、撹拌槽と、撹拌槽に油及び水をそれぞれ給送する定量ポンプと、撹拌槽内に回転可能に設けられて油と水の混合燃料を生成する撹拌手段と、撹拌槽内の混合燃料を送出する高圧ポンプと、一端部にノズル及び空気導入筒を有する燃焼室と、一端が高圧ポンプに接続され、中間加熱部が燃焼室の周壁に巻回され、他端がノズルに接続された燃料供給管と、一端がブロアーに接続され、中間加熱部が燃焼室の周壁に巻回され、他端が空気噴出口に接続された給気管とを備え、ノズルから高温高圧の混合燃料を空気導入筒からの高温空気とともに燃焼室内に噴射して燃焼する。
【０００９】
また前記撹拌槽の下部に貯留槽が付設され、前記撹拌手段は、ディスクとその周縁部から軸方向に延出する多数の羽根を有する３個のタービン型の撹拌翼とこれらの撹拌翼を支持回転する回転軸を有し、上部の２個の撹拌翼は撹拌槽内に配置されるとともに、これら２個の撹拌翼の間に複数の細長プレートが配設され、１個の撹拌翼は貯留槽内に配設され、貯留槽から高圧ポンプにより混合燃料が送出されるようにすることができる。
【００１０】
本発明の実施に際して混合燃料の温度を２０0℃以下では燃焼が不安定となり、また４００℃以上としても効率の変化はない。
そして圧力が１０ＭＰａ以下では燃料が充分に霧化せず不安定な燃焼となり、また３０ＭＰａ以上では機械的な強度上の問題が生ずる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、所定の混合比の水を混合燃料中に混入するので、混合燃料の燃焼後の排気中の大気汚染物質を極めて少量に低減することができる。
また、油と水の混合は物理的な撹拌のみで行い、油水分離を防ぎつつ安定してノズルから噴射燃焼することができ、界面活性剤等の乳化剤を要することなく、比較的低燃費で油水混合燃料を燃焼することができる。
【００１２】
また、混合燃料を高温高圧状態でノズルから噴射すると共に、加熱された空気を噴射燃料の周囲から噴射するので、混合燃料はより細分化され高温状態で点火され
完全燃焼に近い燃焼を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による油水混合液の燃焼装置の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１４】
１は円筒形の撹拌槽で、この撹拌槽１には定量ポンプＰ１、Ｐ２により、それぞれ油及び水が所定の割合で給送される。撹拌槽１の下部に、これより大容量の貯留槽２が必要に応じ設けられる。これらの定量ポンプＰ１、Ｐ２は吐出量の比を一定にするために例えば機械的な連動又は電気的な制御を行っている。
【００１５】
撹拌槽１及び貯留槽２の内部に撹拌手段３が設けられている。撹拌手段３は好ましくは３個の撹拌翼４ａ、４ｂ、４ｃを備え、回転軸５により同軸上に支持されている。各撹拌翼４ａ、４ｂ、４ｃは、円形のディスク６と多数の羽根７を有してタービン型翼形状をしている。各羽根７はディスク６の周縁部から軸方向に双方向（図示）若しくはいずれか一方に延出され、半径方向からみて略台形、長方形、三角形等の多角形に形成される。
【００１６】
上部の２個の撹拌翼４ａ、４ｂ（全体を示す場合は符号４を用いる）は撹拌槽１内に配設され、これらの撹拌翼４間に細長のプレート８が設けられている。他の１個の撹拌翼４ｃは貯留槽２内に配設されている。撹拌槽１の上部に軸５を回転駆動する駆動モータ９が設けられ、回転軸５の下端はフートベアリング１０により回転自在に支持されている。
一番上の攪拌翼４ａは下方に混合燃料を降ろすものであり、そのような作用に適する構造に作られている。
２番目の攪拌翼４ｂは混合効果を高めるものであり、狭い穴Ｈに押し込む作用をしている。この狭い穴Ｈにより混合燃料は比較的に長時間この攪拌翼４ｂで混合される。一番下の攪拌翼４ｃは油と水とが分離しないように攪拌するものである。
【００１７】
円筒形の撹拌槽１内において油と水は、撹拌翼４により剪断力を受けながら撹拌され物理的に混合され、効率的に乳化されて混合燃料が生成される。そして混合燃料は貯留槽２に移送され、供給量を調整されながら後述の燃焼室へ送給される。撹拌槽１の容積を消費量に合わせることにより、時間と共に起きる浮上油の発生を押さえることができる。なお、この攪拌翼４は図６に示されているように羽根７の枚数が３〜８枚であり、その回転数は約９００〜１２００回／分で回転するのが好ましい。この羽根による攪拌は、燃料がゲル化するのを防止することもできる。
【００１８】
貯留槽２の下部に吐出管１１が設けられ、この吐出管１１に送出管１２、点火用油管１３、ドレーン管１４が連結されている。送出管１２に高圧ポンプ１５が設けられ、貯留槽２の下部から吐出管１１、送出管１２を経て送られてくる混合燃料を高圧ポンプ１５により送出される。１６〜１８は各管を開閉するためのバルブレバー、１９はフィルターである。
【００１９】
燃焼室の点火時は、バルブレバー１６により関連のバルブを閉じ、バルブレバー１７により油管１３のバルブを開放して、点火性の良好な油、例えばＡ重油は点火用油管１３から燃料送出管１２を介して、高圧ポンプ１５により送出される。点火後、燃焼室内が十分な燃焼温度に達すると、バルブレバー１７により点火用油管１３のバルブを閉じ、バルブレバー１６により吐出管１１のバルブを開放し、貯留槽２からの混合燃料は管１１、１２を介して高圧ポンプ１５により送出される。
【００２０】
燃焼室２０の一端の点火筒部２０ａには、開口２１に空気導入筒２２が設けられている。耐熱性の給気管２３の一端はブロアー２４に接続され、中間加熱部２５は燃焼室２０の燃焼筒部２０ｂの周壁にコイル状に巻回埋設されており、他端は空気導入筒２２に接続されている。具体例として燃焼室の周壁は例えば二重構造の燃焼筒で形成され、中間加熱部２５は内壁の周囲にコイル状に巻回され、外壁で被覆される。
【００２１】
ブロアー２４から送風される二次空気は、給気管２３のコイル状の中間加熱部２５において燃焼室２０の燃焼筒部２０ｂからの輻射熱等の伝達熱により高温に加熱され、燃焼室内に渦巻き発生器２７により渦流となって噴出され、前方に配置されたノズル２８から噴射される燃料を巻き込む。二次空気量はブロアー２４に付設されたダンパにより調整される。
【００２２】
空気導入筒２２の先端部中央に燃料を噴射するノズル２８が配設されている。燃料供給管２９の両端は、ノズル２８及び前記高圧ポンプ１５にそれぞれ接続され、中間加熱部３０は燃焼室２０の周壁に、給気管の中間加熱部２５と同様にしてコイル状に巻回埋設されている。高圧ポンプ１５から送給される混合燃料はコイル状中間加熱部３０において燃焼室２０の燃焼筒部２０ｂからの伝達熱により加熱され、高温高圧でノズル２８から燃焼室内に噴射される。
【００２３】
３１は点火用のパイロットバーナである。燃焼室２０内において、混合燃料の燃焼に先立って、パイロットバーナ３１においてプロパンガス、鉱油等がスパークプラグにより点火され、その火炎が燃焼室内に噴射される。一方バルブレバー１７の前記操作により点火用油、例えばＡ重油が高圧ポンプ１５からノズル２８へ送給され、ノズル２８から噴射されてパイロットバーナ３１からの火炎により点火される。
【００２４】
点火用油により燃焼室内が高温に達すると、バルブレバー１６、１７の操作により、高圧ポンプ１５からの点火用油の送給は混合燃料の送給に切り替えられ、混合燃料はノズル２８から燃焼室２０内に噴射され、燃焼室２０内において燃焼され始める。その際高圧ポンプ１５及び中間加熱部により高圧高温とされた混合燃料は、ノズル２８から瞬時に大気に放出されるため激しい噴流となり、空気との混合が助長され、良好な燃焼を可能とする。燃焼室２０の内部が十分に高温となり、混合燃料の燃焼が定常的になり、パイロットバーナ３１が不要になると停止される。燃料の噴出量は、高圧ポンプ１５の回転数を変えるより、ノズルの口径サイズの異なるものと交換することが好ましい。
【００２５】
３２は燃焼室２０の端部に適宜付設された熱負荷で、例えばボイラとして給湯器としたり、蒸気発生器とすることができる。燃焼室からの排気は熱負荷３２を通過した後、図示しない排気筒を通って外部へ排出される。熱負荷３２は図示のように燃焼室端部に代えて、燃焼室の周壁に付設してもよい。
【００２６】
次に、本発明による油水混合液の燃焼方法の実施形態について説明する。
油と水は定量ポンプ１、２により８：２ないし４：６の割合で、撹拌槽１に供給される。撹拌槽１内において撹拌手段３により油と水は物理的ないし機械的に撹拌され、乳化されて混合燃料が生成される。混合燃料は、貯留槽２に移送され撹拌翼４により乳化状態が維持されながら、高圧ポンプ１５へ送出される。
【００２７】
次に混合燃料は高圧ポンプ１５により、送出圧を１０ないし３０ＭＰａとして、燃料供給管２９を介してノズル２８に供給される。また、混合燃料は燃焼室２０の周壁に巻回された燃料供給管２９の中間加熱部３０において、燃焼室２０からの伝達熱により２００ないし４００℃に加熱される。実験では３５０ないし３８０℃の温度範囲で良好な結果が得られた。
【００２８】
一方、ブロアー２４から送給される空気は、給気管２３を通り、その中間加熱部２５において燃焼室２０からの伝達熱により混合燃料と同様の温度に加熱されて、空気導入筒２２へ導入される。空気導入筒２２へ導入された空気は、渦巻き発生器２７により渦流とされてノズル２８から噴出され、混合燃料を巻き込みながら燃焼室内へ噴出され、混合燃料の燃焼が助長される。
【実施例】
【００２９】
廃油と水とを撹拌槽１において撹拌混合して混合燃料を生成し、高圧ポンプ１５により高圧で吐出し、ノズル２８により高温高圧の混合燃料を燃焼室２０内で燃焼した。廃油と水の比は廃油３：水７、廃油５：水５、廃油７：水３、廃油１０：水０と混合比を変えて混合燃料を生成し、燃焼させた。その結果は、表１に示される。
表１
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【００３０】
この表１に示されるように、廃油３：水７、廃油５：水５、廃油７：水３では窒素酸化物、二酸化硫黄は大気汚染防止法の基準値以下に収まっている。これらの値は図７のようにプロットされ、廃油と水の比は、８：２〜４：６の範囲が良好な結果が得られると考えられる。即ち、廃油の量が８０％を越えると、窒素酸化物、二酸化硫黄の量が増加して大気汚染物質の発生を抑制することが困難である。また、混合比が３：７の場合、即ち廃油の量が３０％の場合は、火炎の状態が不安定となり、Ａ重油では火炎の問題はなく、油の種類により燃焼状態が異なる。これらの事情を考慮すると、油の下限は４０％以上として、混合比を４：６にすることで良好な燃焼を行うことができる。また廃油が、７０％を越えると窒素酸化物や二酸化硫黄の量が増える傾向にあるので、廃油は７０％以下にすることが好ましく、廃油以外の油は廃油よりも大気汚染物質を比較的少量含有するので、油と水との混合比は７：３〜４：６とすることが好ましい。
【００３１】
また、一酸化炭素及び二酸化炭素は廃油の混合比が３０〜７０％においても、１００％の場合と殆ど異ならず、略完全燃焼が行われている。
なお、燃料供給管２９の管内圧力は、２０ＭＰａの場合が良好であったが１０ないし３０ＭＰａに変化させても略同様の結果が得られた。
【００３２】
表１から分かるように温度はノズルから１ｍ離れた位置で約１０００〜１４００℃であることが確認される。炎温度は水を混合することにより物理的に廃油１００％時よりも降下するが、１０００℃を越えており、使用用途を見極めれば十分といえる。燃焼室運転中に周囲において燃焼ガスの臭いを感覚的に確認したが、異臭は全く知覚されなかった。この結果は燃料供給管内において油水混合燃料の水の部分が高温（２００〜４００℃）、高圧（１０〜３０ＭＰａ）において超臨界水として挙動するものと推定される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の燃焼装置の一実施形態を示す模式図。
【図２】図１の燃焼室部を示す詳細正面図。
【図３】図１の撹拌槽部を示す詳細正面図。
【図４】図３のＢ−Ｂ線に沿う図。
【図５】図３の撹拌手段を示す図。
【図６】図５の撹拌翼の拡大斜視図。
【図７】本発明の燃焼方法による燃焼結果を示すグラフ
【符号の説明】
【００３４】
１・・・撹拌槽
２・・・貯留槽
３・・・撹拌手段
４ａ、４ｂ、４ｃ・・・撹拌翼
５・・・回転軸
６・・・ディスク
７・・・羽根
８・・・プレート
１１・・・吐出管
１２・・・送出管
１３・・・点火用油管
１４・・・ドレーン管
１５・・・高圧ポンプ
１６、１７、１８・・・バルブレバー
２０・・・燃焼室
２１・・・開口部
２２・・・空気導入筒
２３・・・給気管
２４・・・ブロアー
２５、３０・・・中間加熱部
２７・・・渦巻き発生器
２８・・・ノズル
２９・・・燃料供給管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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