(57)【要約】【課題】  エタノール水を容易に燃焼させることができるようにする。【解決手段】  第１のエタノール水１１を加熱して、エタノール蒸気と水蒸気とを含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離する分離装置２を具備し、この分離装置２にて得られたエタノール蒸気と水蒸気とを含む蒸気を燃焼させる燃焼手段６を具備する。また、第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気と水蒸気とを含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離する分離装置を具備し、この分離装置にて得られたエタノール蒸気と水蒸気とを含む蒸気を冷却して第３のエタノール水を造る手段を具備し、この第３のエタノール水を燃焼させる燃焼手段とを具備する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離する分離装置を具備するとともに、前記エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気を燃焼させる燃焼手段を具備することを特徴とするエタノール水の燃焼装置。
【請求項２】
分離装置は、加圧型であって、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気に圧力を持たせて燃焼手段に供給可能とされていることを特徴とする請求項１記載のエタノール水の燃焼装置。
【請求項３】
第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離する分離装置を具備し、前記エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気を冷却して第３のエタノール水を造る手段を具備し、この第３のエタノール水を燃焼させる燃焼手段を具備することを特徴とするエタノール水の燃焼装置。
【請求項４】
第３のエタノール水を造る手段は、加圧型であって、第３のエタノール水に圧力を持たせて燃焼手段に供給可能とされていることを特徴とする請求項３記載のエタノール水の燃焼装置。
【請求項５】
第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離し、前記エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気を燃焼させることを特徴とするエタノール水の燃焼方法。
【請求項６】
第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離し、前記エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気を冷却して第３のエタノール水を造り、この第３のエタノール水を燃焼させることを特徴とするエタノール水の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエタノール水の燃焼装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオ・エタノールは、ＣＯ２に関して再生可能な燃料である。すなわち、バイオ・エタノールを燃やせばＣＯ２が発生するが、このＣＯ２は樹木の光合成によってその樹木に吸収されるので、ＣＯ２は循環するだけである。つまり、植林を行えば、ＣＯ２の発生量は０である。そこで、バイオ・エタノールを化石燃料に混ぜて、燃焼時に実質的に排出されるＣＯ２を削減しようとする研究が行われている（特許文献１）。
【０００３】
しかし、エタノールをボイラなどにおいて燃料として利用する場合に、エタノールは引火点が１３℃と低いため取扱いが危険である。このため、冷却して安全性を高めるなどの措置が講じられている。またエタノールに水をたとえば質量比で（エタノール）：（水）＝５５：４５に混合してエタノール水とすると、引火点は２１℃以上となり、危険性が低下する。ところが、水分が４５％と多いエタノール水を燃焼させることは困難である。このため、たとえばこのエタノール水に重油を混ぜ、水分を減らして燃焼させることが検討されている。しかし、この場合に、エタノール水と重油との混合は困難で、また混合してもすぐに分離してしまうと考えられる。
【特許文献１】特開２００４−２２５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで本発明は、エタノール水を容易に燃焼させることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を達成するため本発明の装置は、第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離する分離装置を具備するとともに、前記エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気を燃焼させる燃焼手段を具備するものである。
【０００６】
本発明によれば、上記において、分離装置は、加圧型であって、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気に圧力を持たせて燃焼手段に供給可能とされていることが好適である。
【０００７】
また本発明の装置は、第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離する分離装置を具備し、前記エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気を冷却して第３のエタノール水を造る手段を具備し、この第３のエタノール水を燃焼させる燃焼手段を具備するものである。
【０００８】
本発明によれば、上記において、第３のエタノール水を造る手段は、加圧型であって、第３のエタノール水に圧力を持たせて燃焼手段に供給可能とされていることが好適である。
【０００９】
本発明の方法は、第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離し、前記エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気を燃焼させるものである。
【００１０】
また本発明の方法は、第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気と、蒸発せずに残る第２のエタノール水とに分離し、前記エタノール蒸気および水蒸気を含む蒸気を冷却して第３のエタノール水を造り、この第３のエタノール水を燃焼させるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１のエタノール水を加熱して、エタノール蒸気および水蒸気を含む混合状態の蒸気またはこれを冷却した第３のエタノール水を得るものであるため、この蒸気または第３のエタノール水は、元の第１のエタノール水よりも水分を減らしてエタノール分を増やしたものとなる。したがって、エタノール水を、重油などと混合させることなしに、容易かつ良好に燃焼させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はエタノール水の気液平衡図であり、横軸はエタノールのモル分率、縦軸は温度である。エタノールと水とは完全に混合するので、その気相線Ａと液相線Ｂとは図示のようになる。エタノールのモル数はエタノールの質量をエタノールの分子量（４６ｋｇ）で割り算した値であり、そのモル分率は、［エタノール＋水］を１としてエタノールが含まれている率を表す数値ｘ［モル数で表したもの］で示される。したがって、１−ｘは［エタノール＋水］中の水のモル数となり、水の分子量は１８ｋｇであるから、質量では（１−ｘ）×１８ｋｇとなる。
【００１３】
図１における気相線Ａと液相線Ｂとに関し、水単体は１気圧、１００℃で蒸発するが、これはエタノールのモル分率０すなわち水のモル分率１である左側の縦線で表される。これに対し、エタノール単体は１気圧、７８．３℃で蒸発する。これは、エタノールのモル分率１すなわち水のモル分率０である右側の縦線で表される。
【００１４】
両方の縦線の中間の部分、たとえばエタノールのモル分率ｘ＝０．３２｛（エタノール）：（水）＝５５：４５（質量比）に相当する｝、温度８５℃の条件下では、気相線に沿ったＡ２点の成分のエタノール（エタノールモル分率ｘ＝０．４７）と、それに対応した水（水モル分率で表示して１−ｘ＝０．５３）とが蒸発する。これによって、エタノール分の濃い蒸気が出て行き、残りのエタノール水中のエタノール分は少なくなって、液相線上のＢ２点（エタノールモル分率ｘ＝０．１３）の成分になる。
【００１５】
Ａ２点の成分のエタノールのモル分率をＡ２ｘとし、Ｂ２点の成分のエタノールのモル分率をＢ２ｘとすると、量比としては、Ａ２点の成分のエタノールは、
（０．３２−Ｂ２ｘ）／（Ａ２ｘ−Ｂ２ｘ）
だけ蒸発する。このとき、エタノール水中に残るエタノール分の量比は、
（Ａ２ｘ−０．３２）／（Ａ２ｘ−Ｂ２ｘ）
である。
【００１６】
量としては、次のように考えることができる。すなわち、蒸発量比は、
（Ｌ２−Ｌ１）／Ｌ１＝１／ＥｘｐＹ−１
から求めることができる。ここに、Ｌ１、Ｌ２は蒸発前後のエタノール水の量、Ｙは、
【００１７】
【数１】
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である。この式において、Ａｎｘは気相線のエタノールのモル分率、Ｂｎｘは液相線のエタノールのモル分率である。たとえば、図１において、８５℃であれば、Ａｎｘ＝Ａ２ｘ、Ｂｎｘ＝Ｂ２ｘである。また、Ｂ１ｘはＢ１点の成分のエタノールのモル分率、Ｂ３ｘはＢ３点の成分のエタノールのモル分率である。
【００１８】
液量の変化はその蒸発量に等しい。したがって、上記において、蒸発前のエタノール水の量Ｌ１がわかれば、蒸発量（Ｌ２−Ｌ１）すなわち液の低沸成分であるエタノールの蒸発量が判る。
【００１９】
上述のＹの式の右辺の値は、たとえば、１／（Ａｎｘ−Ｂｎｘ）をＢ１からＢ３まで１℃きざみで計算してグラフ化し、これを液相線のエタノールのモル分率に関する多項式で近似し、さらにこれを積分した多項式により求める。成分の計算の場合と同様に、エタノールのモル分率ｘ＝０．３２のエタノール水を８１．７℃から９０．６℃まで加熱する場合の１．０℃ごとのエタノールの気相線上のモル分率Ａｎｘと液相線上のモル分率Ｂｎｘとを求め、上記の計算を行うと、蒸発量は５２．７％となる。これは、エタノール水の供給量に対する蒸発量比（Ｌ２−Ｌ１）／Ｌ１（エタノールのモル分率比で、重量比でも同じ）である。
【００２０】
図１における液相線上のＢ１点（エタノールのモル分率＝０．３２、温度＝８１．７℃）では、気相線上のＡ１点（温度＝８１．７℃）の成分のエタノールと水とが蒸発し始めるが、Ａ１点の成分のエタノールのモル分率をＡ１ｘとし、Ｂ１点の成分のエタノールのモル分率をＢ１ｘとすると、その蒸発量比は、上式から、
（０．３２−Ｂ１ｘ）／（Ａ１ｘ−Ｂ１ｘ）
で、Ｂ１ｘ＝０．３２であるから、０．３２−Ｂ１ｘ＝０となる。すなわちＢ１点においてはエタノールは蒸発しない。
【００２１】
また、図１における気相線上のＡ３点（エタノールのモル分率＝０．３２、温度＝９０．６℃）では、このＡ３点の成分のエタノールと水とが蒸発する。Ａ３点と同様の温度９０．６度における液相線上の点をＢ３とし、またＡ３点の成分のエタノールのモル分率をＡ３ｘとし、Ｂ３点の成分のエタノールのモル分率をＢ３ｘとすると、Ａ３点におけるエタノールの蒸発量比は、上式から、
（０．３２−Ｂ３ｘ）／（Ａ３ｘ−Ｂ３ｘ）
となる。いま、Ａ３ｘ＝０．３２であるから、この式の値は、
（０．３２−Ｂ３ｘ）／（０．３２−Ｂ３ｘ）＝  １（＝１００％）
となる。つまり、モル分率０．３２のエタノールが１００％蒸発する。Ａ３点よりも温度が上がっても、蒸発する成分は、エタノールのモル分率ｘ＝０．３２のエタノールと水だけである。
【００２２】
このため、（エタノール）：（水）＝５５：４５（質量比）すなわちエタノールのモル分率ｘ＝０．３２のエタノール水を、たとえば蒸発器においてＢ１点の温度（８１．７℃）からＡ３点の温度（９０．６℃）まで加熱すると、各温度により異なった成分のエタノールと水とが蒸発する。したがって、エタノールと水との蒸発量の合計は、各温度における蒸発量を積分したものとなる。この積分を行うと、質量比で７８．７％のエタノール蒸気と２１．３％の水蒸気という結果が得られる。換言すると、エタノールのモル分率ｘ＝０．３２（水分４５％）のエタノール水を、液相線すなわちＢ１点から気相線すなわちＡ３点まで加熱すると、水分２１．３％のエタノール水の蒸気が得られる。この蒸気中のエタノールのモル分率ｘは、ｘ＝０．７８７となる。
【００２３】
この蒸気は、冷却すれば同じ成分のエタノール水（液）になる。正確には、このときにも水分が分離するが、上述のように蒸気中のエタノールのモル分率はｘ＝０．７８７であるため、図１から明らかなように気相線Ａと液相線Ｂとが接近しており、したがって水分の分離は殆ど行われない。
【００２４】
この蒸気をバーナなどの燃焼装置に供給して燃焼させると、エタノールは容易に燃える。またこの蒸気を冷却すれば、この濃度のエタノール水が得られ、これは液体の状態で燃焼装置に供給することができる。
【００２５】
加熱しても蒸発せずに残ったエタノール水は、エタノールを２１．３％含んでいるが、これは系に供給されるエタノール水（たとえば上述のように（エタノール）：（水）＝５５：４５（質量比）のもの）へ返すことができる。あるいは、残ったエタノール水を燃焼室の高温部に噴射して蒸発させることで、エタノール水に含まれるエタノールを焼却してもよい。
【００２６】
発生した蒸気とエタノール水とを分離するための蒸発器などの分離装置が大気圧の状態で稼動するものである場合は、分離した蒸気は実質的に圧力をもたず、したがって燃焼装置への供給が困難になる。この対策として、何らかの増圧手段が必要になる。これに対し、分離装置が加圧式であると、分離した蒸気は圧力をもつことになるため、増圧装置なしで燃焼装置へ供給して燃焼させることができる。
【００２７】
発生した蒸気を冷却器にて冷却してエタノール水とし、このエタノール水を燃焼装置に供給して燃焼させる場合も、同様である。すなわち、この場合は、冷却器を加圧式にすることで、蒸気から分離したエタノール水は圧力をもつことから、増圧装置なしで燃焼装置に供給して燃焼させることができる。
【００２８】
図２は、本発明の第１の実施の形態のエタノール水の燃焼装置の概略構成を示す。ここで、１はエタノール水タンクで、たとえば、上述の（エタノール）：（水）＝５５：４５（質量比）といった、水分を多くして危険性を低下させたエタノール水１１が貯留されている。２は加熱器で、電熱器３を備え、タンク１からの薄いエタノール水１１を加熱することで、濃度の高いエタノール蒸気と水蒸気とを含有した蒸気を生成することができる。４はその蒸気のための配管である。加熱器２はたとえば０．３ＭＰａに加圧されており、蒸気は、この圧力によって配管４を経てバーナ６へ供給される。バーナ６は供給された蒸気を燃料として燃焼を行う。加熱器２で蒸発されずに残った薄いエタノール水は、ドレン抜き５によりエタノール水タンク１に返される。
【００２９】
図３は、本発明の第２の実施の形態のエタノール水の燃焼装置の概略構成を示す。ここで、１はエタノール水タンク、１１は水分を多くして危険性を低下させたエタノール水、２は加熱器、３は電熱器、５はドレン抜きで、これらは図２に示したものと同じ構成である。４は加熱器２に接続された蒸気配管で、冷却器７に導かれている。この冷却器７は、加熱器２から蒸気配管４を経て供給されてくる、エタノール濃度の高い蒸気を冷却して、同じ濃度のエタノール水１２を造ることができる。この濃いエタノール水１２は、配管８を経てバーナ６へ供給され、燃焼に供される。冷却器７はたとえば０．３ＭＰａに加圧されており、エタノール水１２はこの圧力によって配管８を経てバーナ６に供給される。加熱器２で蒸発されずに残った薄いエタノール水は、ドレン抜き５によりエタノール水タンク１に返される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の原理を説明するためのエタノール水の液相線と気相線とを示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のエタノール水の燃焼装置の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態のエタノール水の燃焼装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
２    加熱器
５    ドレン抜き
６    バーナ
７    冷却器
１１    エタノール水
１２    エタノール水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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