(57)【要約】 【課題】液体燃料に溶解した酸素の気化時の挙動を利用して液体燃料噴流の微粒化を促進するとともに、液化燃料に溶解した酸素の気化により燃焼反応を改善する。【解決手段】液体燃料改質装置(1)は、純酸素(O)を圧力下に液体燃料に溶解させる酸素溶解手段(4)と、純酸素が溶解した酸素溶解燃料(FO)を燃料噴射ノズル(10)に供給する供給路(L4)とを有する。燃料噴射ノズルの燃料噴射孔(11)は、酸素溶解燃料を燃焼域に噴射する。液体燃料中の酸素は、液体燃料噴流(J)のコア部分（α、β）において気化して噴流コア部分の液体燃料を破砕し又は断片化し、液体燃料の微粒化を促進する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射ノズルによって燃焼域に噴射すべき炭化水素系液体燃料を改質する液体燃料改質装置において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解させる酸素溶解手段と、
前記純酸素を溶解した前記液体燃料を前記燃料噴射ノズルに供給する酸素溶解燃料の供給路とを有することを特徴とする液体燃料改質装置。
【請求項２】
燃料噴射ノズルによって燃焼域に噴射すべき炭化水素系液体燃料を改質する液体燃料改質方法において、
純酸素を溶質として使用し、前記液体燃料を溶媒として使用し、前記純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解させ、
前記純酸素を溶解した前記液体燃料を前記燃料噴射ノズルに供給することを特徴とする液体燃料改質方法。
【請求項３】
燃料噴射ノズルによって炭化水素系液体燃料を燃焼域に噴射して該液体燃料を微粒化する液体燃料微粒化装置において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解せしめてなる酸素溶解燃料を生成する酸素溶解燃料生成手段と、
前記酸素溶解燃料の噴流コア部分を形成するとともに、該噴流コア部分における前記燃料中の酸素の気化によって前記噴流コア部分の液体燃料を破砕し又は断片化するように、前記酸素溶解燃料を前記燃焼域に噴射する前記燃料噴射ノズルの燃料噴射孔とを有することを特徴とする液体燃料微粒化装置。
【請求項４】
燃料噴射ノズルによって炭化水素系液体燃料を燃焼域に噴射して該液体燃料を微粒化する液体燃料微粒化方法において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解せしめてなる酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルの燃料噴射孔から前記燃焼域に噴射し、前記酸素溶解燃料の噴流コア部分における該燃料中の酸素の気化により、前記噴流コア部分の液体燃料を破砕し又は断片化することを特徴とする液体燃料微粒化方法。
【請求項５】
燃料噴射ノズルによって燃焼域に噴射された炭化水素系液体燃料を燃焼させるために、酸素を含む酸化性、支燃性又は助燃性ガスを前記燃焼域に供給する酸素含有ガス供給系を有する燃焼装置において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解させて酸素溶解燃料を生成する酸素溶解燃料生成手段と、
前記酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルに給送する酸素溶解燃料の給送路と、
前記酸素溶解燃料に含まれる酸素を前記燃焼域において気化せしめるように前記酸素溶解燃料を該燃焼域に噴射する前記燃料噴射ノズルの燃料噴射孔とを有することを特徴とする燃焼装置。
【請求項６】
燃料噴射ノズルによって燃焼域に噴射した炭化水素系液体燃料を燃焼させるために、酸素を含む酸化性、支燃性又は助燃性ガスを酸素含有ガス供給系によって前記燃焼域に供給する燃焼装置の燃焼方法において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解させて酸素溶解燃料を生成し、
該酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルに供給し、
前記酸素溶解燃料を前記燃焼域に噴射し、該酸素溶解燃料に含まれる酸素を燃料噴流のコア部分において気化させることを特徴とする燃焼装置の燃焼方法。
【請求項７】
前記燃料噴射ノズルは、前記酸素溶解燃料の噴流コア部分を形成するとともに、前記噴流コア部分における前記燃料中の酸素の気化によって該噴流コア部分の液体燃料を破砕し又は断片化するように、前記酸素溶解燃料を前記燃焼域に噴射する燃料噴射孔を有することを特徴とする請求項１に記載の液体燃料改質装置。
【請求項８】
前記液体燃料を前記燃料噴射ノズルの燃料噴射孔から前記燃焼域に噴射し、前記液体燃料の噴流コア部分における該燃料中の酸素の気化により、前記噴流コア部分の液体燃料を破砕し又は断片化することを特徴とする請求項２に記載の液体燃料改質方法。
【請求項９】
前記酸素溶解手段は、前記純酸素を貯蔵し又は発生させる純酸素源と、前記液体燃料を貯留し又は流通させるとともに、前記純酸素を前記液体燃料に接触させて該液体燃料に溶解せしめる反応域を備えた反応容器とを有し、前記供給路は、前記反応域に連通し、該反応域に生成した酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルに給送することを特徴とする請求項１又は７に記載の液体燃料改質装置。
【請求項１０】
前記純酸素を貯蔵し又は発生させる純酸素源から該純酸素を反応容器の反応域に圧力下に供給するとともに、前記液体燃料を前記反応域に供給し、該反応域において前記純酸素を前記液体燃料に接触させて該液体燃料に溶解せしめ、前記反応域に生成した酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルに給送することを特徴とする請求項２又は８に記載の液体燃料改質方法。
【請求項１１】
前記酸素溶解燃料生成手段は、前記純酸素を貯蔵し又は発生させる純酸素源と、前記液体燃料を貯留し又は流通させるとともに、前記純酸素を前記液体燃料に接触させて該液体燃料に溶解せしめる反応域を備えた反応容器とを有し、前記燃料噴射孔における前記酸素溶解燃料の噴射圧は、０．２ＭＰａ以上の圧力に設定され、前記反応域は、前記噴射圧以上の圧力を有することを特徴とする請求項３に記載の液体燃料微粒化装置。
【請求項１２】
前記純酸素を貯蔵し又は発生させる純酸素源から該純酸素を反応容器の反応域に圧力下に供給するとともに、前記液体燃料を前記反応域に供給し、
該反応域の圧力を前記燃料噴射孔の噴射圧以上の圧力に設定し、前記純酸素を前記液体燃料に接触させて該液体燃料に溶解せしめ、
前記反応域に生成した前記酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルに給送し、
前記燃料噴射孔から０．２ＭＰａ以上の噴射圧で前記燃焼域に噴射することを特徴とする請求項４に記載の液体燃料微粒化方法。
【請求項１３】
前記酸素溶解燃料生成手段は、前記純酸素を貯蔵し又は発生させる純酸素源と、前記液体燃料を貯留し又は流通させるとともに、前記純酸素を前記液体燃料に接触させて該液体燃料に溶解せしめる反応域を備えた反応容器とを有し、前記燃料噴射孔における前記酸素溶解燃料の噴射圧は、０．２ＭＰａ以上の圧力に設定され、前記反応域は、前記噴射圧以上の圧力を有することを特徴とする請求項５に記載の燃焼装置。
【請求項１４】
前記純酸素を貯蔵し又は発生させる純酸素源から該純酸素を反応容器の反応域に圧力下に供給するとともに、前記液体燃料を前記反応域に供給し、
該反応域の圧力を前記燃料噴射ノズルの燃料噴射孔の噴射圧以上の圧力に設定し、前記純酸素を前記液体燃料に接触させて該液体燃料に溶解せしめ、
前記反応域に生成した前記酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルに給送し、
前記燃料噴射孔から０．２ＭＰａ以上の噴射圧で前記燃焼域に噴射することを特徴とする請求項６に記載の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料の改質・微粒化方法及び改質・微粒化装置に関するものであり、より詳細には、純酸素を液体燃料に溶解して液体燃料を改質するとともに、燃焼域に噴出する液体燃料噴流の微粒化を促進する液体燃料の改質・微粒化方法及びその改質・微粒化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工業用バーナにおける燃料油等の炭化水素系液体燃料の燃焼法として、噴霧燃焼法が一般に採用されている。噴霧燃焼では、霧化器により微細な粒子に細分化した燃料油を噴射するとともに、微粒化した燃料油噴霧群の周囲より噴霧群に向けて燃焼用空気を供給し、空気及び噴霧群の混合接触及び燃焼反応を生じさせる。液体燃料の微粒化方法として、水蒸気又は高圧空気を霧化媒体として用いた二流体噴霧方式の微粒化方法が知られている。この方式の微粒化方法は、以下の方式のものに大別される（「液体の微粒化に関する調査研究報告書」第１０〜１２頁、平成元年３月３０日、日本バーナ研究会・研究開発委員会）。
(1)燃料噴射ノズルのノズル出口における霧化媒体（水蒸気又は高圧空気）の高速噴流中に液体を注入し、主として剪断により液体燃料の微粒化を行う外部混合式。
(2)ノズル内部の混合室で予め液体燃料及び霧化媒体を混合した後、ノズル噴出時の混合物の膨張により液体燃料の微粒化を行う内部混合式。
(3)両方式の利点を利用した中間混合式。
【０００３】
また、窒素酸化物濃度の低下を意図した工業用バーナとして、炭化水素系液体燃料と同等圧力の飽和水蒸気を燃料油に添加するように構成されたバーナが知られている。例えば、特開平６−１９３８２３号公報に記載された蓄熱式低ＮＯx バーナは、燃料及び水蒸気を混合するベンチュリー部を備え、特公昭６１−１２１６５号公報に記載されたバーナは、水蒸気及び重油を噴霧し、これを高温燃焼ガスと混合接触せしめるように構成され、特公昭６２−１８６１０８号公報に記載されたバーナは、窒素酸化物濃度を低下すべく、液体燃料及び水蒸気を混合した混合流を噴射し、燃焼域における水蒸気濃度を増大するように構成される。
【０００４】
本出願人は、高粘度且つ低質又は重質の炭化水素系液体燃料を使用し、燃焼遅れのないクリーンな安定燃焼を可能にする液体燃料の微粒化方法として、液体燃料及び高温過熱水蒸気を混合する技術を特開２００４−２２５９１９号公報において提案している。この技術は、水蒸気を６００℃以上の高温過熱水蒸気に加熱し、液体燃料及び高温過熱水蒸気を混合し、液体燃料の揮発分を蒸発・気化させるとともに、液体燃料を高温過熱水蒸気で少なくとも部分的に熱分解し、これにより、液体燃料を１５０μｍ以下の平均粒径に微粒化する液体燃料の微粒化方法である。
【０００５】
他方、炭化水素系液体燃料の改質技術として、液体燃料に微細な気泡を混入して液体燃料に分散させ、これにより燃料を改質する技術が、特開２００２−１８１３２６号公報に記載されている。この技術は、オゾンガス、空気、酸素等の酸化性、支燃性又は助燃性ガスを供給可能なガス供給管を液体燃料バーナの燃料供給管の管路に接続し、この管路接続部において液体燃料及びオゾンガス等を混合して液体燃料中に気泡を分散させる燃料改質方法である。なお、本明細書において、「改質」は、燃焼反応を改変、改善又は改良すべく、液体燃料固有の性状又は特性等を改変、改善又は改良する液体燃料の処理等を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１９３８２３号公報
【特許文献２】特公昭６１−１２１６５号公報
【特許文献３】特公昭６２−１８６１０８号公報
【特許文献４】特開２００４−２２５９１９号公報
【特許文献４】特開２００２−１８１３２６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「液体の微粒化に関する調査研究報告書」第１０〜１２頁（平成元年３月３０日、日本バーナ研究会・研究開発委員会）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の液体燃料微粒化技術は、霧化器等の液体燃料霧化手段や、燃料噴射ノズルのノズル構造に依存して空気等の気体を気相状態で液体燃料に混合又は混入し、気液二相流を燃焼域に噴射して燃焼反応を生起する技術である。また、従来の液体燃料改質技術は、空気等の気体を気相状態で液体燃料に混合又は混入し、気液二相流を燃料噴射ノズルから噴射して燃焼域に燃焼反応を生起する技術である。即ち、いずれの技術においても、気体の気相状態の性質を利用したものであるにすぎず、比重差又は浮力等に起因した混合不良や気液分離等を考慮し、燃料噴射の直前又は直近で気液混合しなければない事情があり、このため、燃焼装置の設計自由度や、その用途又は応用性等は、かなり制約される。
【０００９】
他方、無機石油類等の液体燃料には、微量の酸素が溶解している。一般に、石油類等の液体燃料は、物性値として比較的高い気体溶解度を有する。しかし、石油類等は、その種類が多く、気体の種類も多種・多様であるので、気体の溶解量や、多量の気体を溶解した石油類等の密度、比熱、粘度等については、正確に把握されていない。また、本発明者等が知る限りにおいて、多量の気体を溶解した炭化水素系液体燃料に関し、物性値推定に供する計算式も基礎データも存在せず、気体を溶解した炭化水素系液体燃料に関し、溶解した気体が燃焼に与える影響について研究した過去の研究結果も存在しない。
【００１０】
しかしながら、本発明者の研究によれば、多量の酸素が溶解した液体燃料は、微量の酸素が溶解するにすぎない通常環境の液体燃料と比較すると、着火時の挙動が相違する。殊に、液相として液体燃料に溶解した酸素は、燃料ノズルから噴射する際に急激に気化するので、多量の酸素を液体燃料に溶解せしめることにより、液体燃料微粒化の性状や、燃料及び燃焼用空気の混合接触の形態を改善することが可能になると考えられる。
【００１１】
また、従来の燃焼方法は、燃焼域に噴射された液体燃料が気化し、燃焼用空気供給管等により供給された燃焼用空気等と混合接触して燃焼反応する形態のものであり、燃焼反応に要する燃焼用空気等は、燃料供給系から独立した燃焼用空気供給管等により燃焼域に供給され、或いは、気泡として液体燃料に混合した気液混合状態で燃焼域に供給される。しかしながら、燃焼反応に要する酸素の少なくとも一部を液相状態で燃料供給系により燃焼域に輸送し、噴射時の減圧を利用して気液分離した場合、酸素の気化時の挙動等を利用し、従来の燃焼反応と相違する新規な特性の燃焼反応を実現し得ると考えられる。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、液体燃料に溶解した酸素の気化時の挙動を利用して液体燃料噴流の微粒化を促進するとともに、燃料に溶解した酸素の気化により燃焼反応を改善する液体燃料の改質・微粒化方法及び改質・微粒化装置を提供することにある。
【００１３】
他の観点より、本発明は、燃焼反応に要する酸素の少なくとも一部を燃焼用空気等供給系以外の供給系で燃焼域に輸送し、従来の燃焼反応と相違する新規な特性の燃焼反応を実現することができる燃焼装置及びその燃焼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】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料噴射ノズルによって燃焼域に噴射すべき炭化水素系液体燃料を改質する液体燃料改質装置において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解させる酸素溶解手段と、
前記純酸素を溶解した前記液体燃料を前記燃料噴射ノズルに供給する酸素溶解燃料の供給路とを有することを特徴とする液体燃料改質装置を提供する。
【００１５】
本発明は又、燃料噴射ノズルによって燃焼域に噴射すべき炭化水素系液体燃料を改質する液体燃料改質方法において、
純酸素を溶質として使用し、前記液体燃料を溶媒として使用し、前記純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解させ、
前記純酸素を溶解した前記液体燃料を前記燃料噴射ノズルに供給することを特徴とする液体燃料改質方法を提供する。
【００１６】
本発明の上記構成によれば、炭化水素系液体燃料は、純酸素を溶質として積極的に液体燃料に溶解せしめた高い溶存酸素濃度の液体燃料に改質される。液体燃料は、燃料噴射ノズルから燃焼域に噴射されるが、燃料噴射ノズルから燃焼域に噴射した液体燃料は、瞬時に大気圧に減圧し、過溶解又は過飽和状態の酸素を含む液体燃料として燃焼域に噴流する。減圧した液体燃料に含まれる過溶解又は過飽和状態の酸素は、少なくとも部分的に液体燃料の噴流コア部分（柱状ジェット部分）において気化し、液体燃料の微粒化を促進するとともに、噴流コア部分の中心領域又は内部域に燃焼用酸素（気体）を供給し、これにより、燃焼反応を促進し又は燃焼効率を向上する。かくして、本発明の上記構成によれば、液体燃料に溶解した酸素の気化時の挙動を利用して液体燃料噴流の微粒化を促進するとともに、燃料に溶解した酸素の気化により燃焼反応を改善することができる。
【００１７】
なお、本明細書において、「純酸素」は、９０％以上（重量比）の酸素濃度、好ましくは、９５％以上（重量比）の酸素濃度を有する酸素ガスを意味するものとする。
【００１８】
他の観点より、本発明は、燃料噴射ノズルによって炭化水素系液体燃料を燃焼域に噴射して該液体燃料を微粒化する液体燃料微粒化装置において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解せしめてなる酸素溶解燃料を生成する酸素溶解燃料生成手段と、
前記酸素溶解燃料の噴流コア部分を形成するとともに、該噴流コア部分における前記燃料中の酸素の気化によって前記噴流コア部分の液体燃料を破砕し又は断片化するように、前記酸素溶解燃料を前記燃焼域に噴射する前記燃料噴射ノズルの燃料噴射孔とを有することを特徴とする液体燃料微粒化装置を提供する。
【００１９】
本発明は又、燃料噴射ノズルによって炭化水素系液体燃料を燃焼域に噴射して該液体燃料を微粒化する液体燃料微粒化方法において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解せしめてなる酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルの燃料噴射孔から前記燃焼域に噴射し、前記酸素溶解燃料の噴流コア部分における該燃料中の酸素の気化により、前記噴流コア部分の液体燃料を破砕し又は断片化することを特徴とする液体燃料微粒化方法を提供する。
【００２０】
本発明の上記構成によれば、純酸素を圧力下に炭化水素系液体燃料に溶解せしめてなる酸素溶解燃料が燃料噴射ノズルの燃料噴射孔から燃焼域に噴射される。燃料噴射孔から燃焼域に噴射した酸素溶解燃料は、瞬時に減圧するので、圧力下に酸素を溶解した液体燃料は、過溶解又は過飽和状態の酸素を含む液体燃料として燃焼域に噴流する。過溶解又は過飽和の酸素は、液体燃料の噴流コア部分において気化し、噴流コア部分の液体燃料を破砕し又は断片化して液体燃料の微粒化を促進する。また、噴流コア部分において気化した酸素により、噴流コア部分の中心領域又は内部域から燃焼域に酸素が供給されるので、燃焼反応が活性化する。従って、本発明の上記構成によれば、液体燃料に溶解した酸素の気化時の挙動を利用して液体燃料噴流の微粒化を促進するとともに、燃料に溶解した酸素の気化を利用して燃焼反応を促進することができる。
【００２１】
更に他の観点より、本発明は、燃料噴射ノズルによって燃焼域に噴射された炭化水素系液体燃料を燃焼させるために、酸素を含む酸化性、支燃性又は助燃性ガスを前記燃焼域に供給する酸素含有ガス供給系を有する燃焼装置において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解させて酸素溶解燃料を生成する酸素溶解燃料生成手段と、
前記酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルに給送する酸素溶解燃料の給送路と、
前記酸素溶解燃料に含まれる酸素を前記燃焼域において気化せしめるように前記酸素溶解燃料を該燃焼域に噴射する前記燃料噴射ノズルの燃料噴射孔とを有することを特徴とする燃焼装置を提供する。
【００２２】
本発明は又、燃料噴射ノズルによって燃焼域に噴射した炭化水素系液体燃料を燃焼させるために、酸素を含む酸化性、支燃性又は助燃性ガスを酸素含有ガス供給系によって前記燃焼域に供給する燃焼装置の燃焼方法において、
純酸素を圧力下に前記液体燃料に溶解させて酸素溶解燃料を生成し、
該酸素溶解燃料を前記燃料噴射ノズルに供給し、
前記酸素溶解燃料を前記燃焼域に噴射し、該酸素溶解燃料に含まれる酸素を燃料噴流のコア部分において気化させることを特徴とする燃焼装置の燃焼方法を提供する。
【００２３】
本発明の上記構成によれば、酸素溶解燃料が燃料噴射ノズルから燃焼域に噴射される。噴射時に減圧した酸素溶解燃料に含まれる過溶解又は過飽和の酸素は、噴射直後に気化するので、噴流コア部分の中心領域又は内部域から燃焼域に酸素が供給される。即ち、燃焼域の燃焼反応に要する酸素は、酸素含有ガス供給系により燃焼域に供給されるだけではなく、液体燃料自体によっても燃焼域に供給される。酸素溶解燃料から気化する酸素は、酸素含有ガス供給系によっては酸素を供給し難い噴流コア部分の中心領域又は内部域において発生するので、量的には微小であるが、燃焼効率を向上する上で極めて効率的又は効果的に作用する。
【００２４】
例えば、液体燃料噴流の中心部又は内部域は、酸素不足の状態になり易く、煤、未燃炭化物等を生成し易い領域であるが、酸素溶解燃料に含まれる酸素は、液体燃料噴流の中心部又は内部から燃焼域に供給され、このような酸素不足の領域が発生するのを防止するので、煤、未燃炭化物等の生成を効果的に抑制することができる。
【００２５】
従って、本発明の上記構成によれば、燃焼反応に要する酸素の少なくとも一部を燃焼用空気等供給管以外の供給系により燃焼域に輸送し、従来の燃焼反応と相違する新規な特性の燃焼反応を実現することができる。
【００２６】
好ましくは、上記酸素溶解手段又は酸素溶解燃料生成手段は、純酸素を貯蔵し又は発生させる純酸素源と、液体燃料を貯留し又は流通させるとともに、純酸素を液体燃料に接触させて液体燃料に溶解せしめる反応域を備えた反応容器とを有する。液体燃料は、反応域に供給され、噴射圧以上の液圧を保持する。純酸素は、純酸素源から反応容器の反応域に圧力下に供給される。純酸素は、反応域において液体燃料に接触して液体燃料に溶解する。上記供給路又は給送路は、反応域に連通し、反応域に生成した酸素溶解燃料は、供給路又は給送路によって燃料噴射ノズルに供給又は給送される。
【００２７】
好適には、燃料噴射孔における酸素溶解燃料の噴射圧は、０．２ＭＰａ以上の圧力、好ましくは、０．５ＭＰａ以上の圧力（更に好ましくは、１．０ＭＰａ以上の圧力）に設定され、燃料噴射孔は、この噴射圧で酸素溶解燃料を燃焼域に噴射する。反応域は、燃料噴射孔の噴射圧以上の圧力を有する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る液体燃料の改質・微粒化方法及び改質・微粒化装置によれば、液体燃料に溶解した酸素の気化時の挙動を利用して液体燃料噴流の微粒化を促進するとともに、燃料に溶解した純酸素の気化により燃焼反応を改善することができる。
【００２９】
また、本発明の燃焼装置及びその燃焼方法によれば、燃焼反応に要する酸素の少なくとも一部を液体燃料自身で燃焼域に輸送するとともに、従来の燃焼反応と相違する新規な特性の燃焼反応を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の好適な実施形態に係る液体燃料改質装置の構成を概略的に示すシステム構成図である。
【図２】図２は、酸素を溶解した灯油（酸素溶解灯油）を用いた燃焼実験（噴霧実験）において燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴流を撮像した瞬間露光写真を図面化した燃料噴流の側面図である。
【図３】図３は、酸素を脱気した灯油（脱気灯油）を用いた燃焼実験（噴霧実験）において燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴流を撮像した瞬間露光写真を図面化した燃料噴流の側面図である。
【図４】図４は、燃料噴射ノズルから噴射した液体燃料（酸素溶解灯油）に関し、液圧及び酸素溶解量の時間変化を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 
【００３２】
図１は、本発明の好適な実施形態に係る液体燃料改質装置１の構成を概略的に示すシステム構成図である。
【００３３】
液体燃料改質装置１は、炭化水素系の液体燃料Ｆを貯蔵する燃料タンク等の燃料貯蔵容器２と、純酸素Ｏを貯蔵した酸素貯蔵容器、酸素タンク、酸素貯蔵設備等の酸素供給源３と、燃料貯蔵容器２及び酸素供給源３に接続した反応容器４とを有する。反応容器４には、燃料供給流Ｆｓ及び酸素供給流Ｏｇが燃料貯蔵容器２及び酸素供給源３から夫々供給される。反応容器４は、純酸素Ｏを液体燃料Ｆに溶解する反応域を有する。
【００３４】
燃料貯蔵容器２は、燃料供給管Ｌ１及び燃料還流管Ｌ２によって反応容器４に接続される。燃料圧送装置５及び逆止弁６が燃料供給管Ｌ１に介装される。燃料圧送装置５は、燃料貯蔵容器２の液体燃料Ｆを燃料供給流Ｆｓとして反応容器４に圧送する燃料ポンプ等の圧送機器と、圧送機器の作動を制御する制御系（図示せず）とを有する。戻り弁７が燃料還流管Ｌ２に介装される。戻り弁７は、反応容器４の内圧上昇等に相応して反応容器４内の過剰又は余剰の液体燃料Ｆを燃料貯蔵容器２に還流させる（液体燃料還流Ｆｒ）。
【００３５】
酸素供給源３は、酸素供給管Ｌ３によって反応容器４に接続される。酸素供給管Ｌ３には、調圧弁装置８が介装される。酸素供給源３は、純酸素Ｏを酸素ガス又は液体酸素として貯蔵する。本実施形態において、酸素供給源３が反応容器４に供給する純酸素Ｏは、９０％以上（重量比）の酸素濃度、好ましくは、９５％以上（重量比）の酸素濃度を有する酸素ガスである。
【００３６】
反応容器３は、例えば、散気板、散気管等の曝気装置（図示せず）や、攪拌装置等（図示せず）を有する。酸素供給管Ｌ３は、曝気装置に接続され、酸素供給源３から曝気装置に供給された純酸素Ｏは、エアレーション作用又はバブリング作用により反応容器３内の液体燃料Ｆに溶解する。
【００３７】
燃料給送管Ｌ４の上流端が反応容器４に接続される。燃料給送管Ｌ４の下流端は、燃焼域（燃焼場）に燃料を噴射する燃料噴射ノズル１０（図２及び図３）に接続される。燃料噴射ノズル１０に供給される液体燃料の供給量及び／又は液圧を調節する調節弁９が、燃料給送管Ｌ４に介装される。反応容器４内の液圧は、燃料噴射ノズルの燃料噴射圧力に相応する圧力、例えば、０．３ＭＰａ（約３気圧）に設定される。所望により、反応容器４内の液圧を１．０ＭＰａ（約１０気圧）以上、例えば、２．０ＭＰａ（約２０気圧）の圧力に設定することも可能である。
【００３８】
燃料圧送装置５は、燃料給送管Ｌ４の液体燃料流Ｆｓを反応容器４内に圧入する。調圧弁装置８は、反応容器４内の液圧よりも高い圧力で酸素ガス流Ｏｇを反応容器４の曝気装置に供給し、反応容器４内に供給された純酸素Ｏは、反応容器４内の液体燃料Ｆに溶解する。反応容器４は、酸素を溶解した液体燃料流ＦＯを燃料給送管Ｌ４によって燃料噴射ノズル１０に給送する。
【００３９】
液体燃料ＦとしてＡ重油、軽油又は灯油等の炭化水素系液体燃料を用いた場合、酸素（溶質）は、例えば、液体燃料（溶媒）に対し、約０．１ＭＰａ（大気圧）において約０．５〜１％（重量比）の溶解度で溶解し、０．３ＭＰａ（約３気圧）において約１．５〜３％（重量比）の溶解度で溶解する。但し、溶質としての酸素は、燃料の燃焼反応に要する通常の酸素量（必要酸素量）の１％未満であるにすぎない。従って、炭化水素と化学反応（燃焼反応）する酸素を輸送する単なる酸素輸送媒体として液体燃料Ｆを把握した場合、溶質としての酸素は、燃焼反応に対して僅かに寄与するにすぎない。しかしながら、燃料噴射ノズルから噴射する液体燃料流ＦＯは、噴出時に瞬時且つ急激に減圧する。このため、溶質として液体燃料流ＦＯに溶解した酸素は、燃料噴射ノズルから吐出する液体燃料流ＦＯの噴流コア部分において気化し、噴流コア部分を気化速度で急峻に内部から破砕し且つ分散させる作用を発揮する。噴流コア部分で気化する酸素（気体）は、液体燃料の体積と同等以上の体積を有するので、液体燃料を破砕し且つ分散させる酸素の作用は顕著である。なお、噴流コア部分は、霧化前の柱状形態のジェット部分である。
【００４０】
本発明者は、炭化水素系燃料として灯油を用い、酸素を溶解した灯油と、脱気した灯油とを比較する燃焼実験（噴霧実験）を実施した。
燃焼実験の条件は、次のとおりである。
(1)試料
(1)-1:酸素溶解灯油
０．３ＭＰａを超える圧力で純酸素を灯油に溶解した後、約０．３ＭＰａに減圧してなる酸素溶解灯油。
(1)-2:脱気灯油
灯油を０．０２ＭＰａ程度に減圧し、２４時間放置した後、約０．３ＭＰａに加圧した脱気灯油。
(2)液体燃料の噴射流量及び噴射圧力
灯油流量を０.２Ｌ／分に設定し、噴射圧力を約０．３ＭＰａに設定した。
(3)燃焼炉の構成
燃焼炉は、１６０ｍｍ（直径）×１６００mm（高さ）の炉内領域を有する耐火レンガ製の縦型実験炉である。非旋回整流した常温の空気が燃焼用空気流として炉内領域の底部から上向きに炉内燃焼域に供給された。
【００４１】
図２及び図３は、この燃焼実験（噴霧実験）において、燃料噴射ノズル１０から噴射された燃料噴流Ｊを撮像した瞬間露光写真を図面化したものである。図２は、液体燃料改質装置１によって酸素Ｏを溶解した液体燃料ＦＯ（即ち、酸素溶解灯油）が燃料噴射ノズル１０の先端部から噴出してなる噴流（ジェット）の断面構造を示す側面図であり、図３は、比較例として、酸素ガスを溶解せずに液体燃料改質装置１から燃料噴射ノズル１０に供給された液体燃料Ｆ（即ち、脱気灯油）が燃料噴射ノズル１０の先端部から噴出してなる噴流（ジェット）の断面構造を示す側面図である。図２及び図３に示す燃料噴射ノズル１０は、燃料送出管Ｌ４と連通する燃料噴射孔（燃料噴射ポート）１１を有する単孔ノズル形態の燃料噴射装置である。実験に使用した燃料噴射ノズル１０においては、燃料噴射孔１１の直径φは約１．４mmである。
【００４２】
図３に示す如く、酸素ガスを溶解せずに液体燃料Ｆ（脱気灯油）を燃料噴射ノズル１０に供給した場合、燃料噴射ポート１１から噴射圧０．３MPaで大気環境（大気圧＝０．１ＭＰａ）に噴射した燃料噴流Ｊは、噴出時に急激に減圧するとともに、周囲の気体との速度差により発生する剪断力によって拡散して微粒化する。微粒化した炭化水素系燃料は、燃焼域に供給された燃焼用空気と混合接触して燃焼反応する。このような燃料噴流Ｊの微粒化形態は、従来の噴霧燃焼方式の微粒化形態であり、燃料噴流の圧力エネルギーが速度エネルギーに変換して噴出する際に生じる液膜の破壊により液体燃料Ｆが微粒化する態様のものである。一般には、液体燃料Ｆの微粒化を促進するノズル形態として、噴孔の特殊形状化、旋回室又は渦巻室の形成、コーン部材、円錐体又は扇子状部材の形成又は配設、或いは、衝突流形成手段の配設等の如く、特定の微粒化手段が付加的に採用される。このようなノズル形態を用いた液体燃料微粒化方法は、いずれも、燃料噴出時の液膜破壊を促進又は助勢するノズル出口部の力学的作用に依存したものである。なお、液体燃料Ｆの微粒化に伴って生成した燃料蒸気は、空気伴流ＣＡとの混合接触や、周囲の燃焼用空気との衝突混合等により燃焼反応する。
【００４３】
これに対し、比較的多量の酸素を溶解した液体燃料ＦＯ（酸素溶解灯油）を燃料噴射ノズル１０に供給した場合、図２に示す如く、燃料噴射ポート１１から噴射圧０・３ＭＰａで大気環境（大気圧＝０．１ＭＰａ）に噴射した燃料噴流Ｊは、噴射時の減圧により、瞬時に過飽和状態（過溶解状態）の酸素溶解燃料となるので、液体燃料ＦＯを噴流コア部分（液柱領域α）において、液体燃料ＦＯに溶質として溶解していた酸素が急激に気化して成長し、気体として噴流コア部分から放出し始める。燃料噴流における酸素の気化は、液体燃料ＦＯ中のキャビティ等を核とした核沸騰と同様の現象であると考えられ、液中の酸素が噴射時の減圧により急峻に気泡化し、爆発的又は猛烈な速度で膨張する現象である。
【００４４】
図４は、燃料噴射ノズル１０から噴射した液体燃料（酸素溶解灯油）に関し、圧力降下及び酸素溶解量の時間変化を示す線図である。図４には、酸素溶解量の変化について、その理論値（計算値）及び実測値が示されるとともに、理論値と実測値との時間差が気化緩和時間Δｔとして示されている。図４に示す如く、溶存酸素の酸素量は、気泡として気化する酸素量ΔＶ１と、燃焼域で気化する酸素量ΔＶ２とを含む。
【００４５】
酸素を溶解した液体燃料ＦＯ（酸素溶解灯油）では、噴射時に液中酸素の急激な気泡化が生じるとはいっても、溶存酸素は、減圧と同時に気化するのではなく、減圧及び気化の間には緩和時間Δｔが気化遅れとして発生する。このため、液中酸素の気化は、噴流コア部分（液柱領域α）において徐々に気化し、断片化域βにおいて比較的大きな広がり角θ１（図２）で拡散する。従って、広がり角θ１は、液体燃料Ｆ（脱気灯油）の広がり角θ２（図３）よりも大きく、液体燃料ＦＯは、その拡散性において液体燃料Ｆに比べて優れる。
【００４６】
燃焼実験（噴霧実験）により得られた酸素溶解灯油（液体燃料ＦＯ）及び脱気灯油（液体燃料Ｆ）の実験結果は、次のとおりである。
(1)酸素溶解量及び液体燃料噴射流速
酸素溶解灯油：約４．５ｇ／ｋｇ、２６０ｍ／ｓ
脱気灯油    ：０．０１ｇ／ｋｇ以下、２６０ｍ／ｓ
(2)気化遅れ
酸素溶解灯油：２５mm
脱気灯油    ：６８mm
(3)広がり角
酸素溶解灯油：４１度
脱気灯油    ：２７度
【００４７】
液体燃料ＦＯ（酸素溶解灯油）の場合、燃料噴流Ｊは、図２に示すように、断片化域βにおいて空気伴流ＣＡを巻き込みながら断片化し且つ分散し、蒸発域又は燃焼域γにおいて燃料蒸気を生成する。燃料蒸気は、空気伴流ＣＡとの混合接触や、周囲の燃焼用空気との衝突混合等により燃焼反応する。
【００４８】
前述のとおり、燃料噴流Ｊにおいて気化する溶存酸素は、重量的には、燃焼に必要な酸素量の１％未満であるにすぎないが、気化後の酸素は、液体燃料ＦＯと同等の体積を有する。このため、液体燃料ＦＯの微粒化は、酸素の気泡化に起因した液滴分散力により顕著に促進される。かくして、燃料が周囲空気と燃焼反応する燃焼場（燃焼域）の前に発生する加熱場（液柱領域α及び断片化域β）において、溶解酸素の気化により発生した気体酸素が分散し、気体酸素と燃料蒸気との混合気が生成し、この混合気が燃焼用空気と更に燃焼反応するので、燃焼の初期プロセスは、従来の燃焼反応と相違する。
【００４９】
図２に示す液体燃料ＦＯを用いることにより、例えば、次のような燃焼反応を実現し得ると考えられる。
(1)液体蒸気及び酸素ガスを噴射直後に混合し、迅速な液体燃料の熱分解燃焼反応を燃焼域に生じさせる。
(2)燃焼温度が４８０℃を超える燃焼場において、噴射から着火(燃焼開始)までの時間を短縮する。
(3)着火遅れの時間を短縮し、酸素原子を化合物として保有する燃料(アルコール燃料等)に類似した燃焼反応を実現する。
(4)煤や、未燃炭化物等の排出を抑制する。
(5)着火性改善により、希薄燃焼又は低温燃焼を実現する。
(6)着火性改善により、安価な低品質油(重油、或いは、難燃性の再生油等)の利用可能性又は用途を広げる。
【００５０】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能であることはいうまでもない。 
【００５１】
例えば、水素燃料電池自動車等の燃料として水素を製造する際に発生する酸素を酸素供給源として使用しても良く、また、複数の反応容器を並列に用いて酸素を液体燃料に溶解し、或いは、酸素（気体）を封入した反応容器に液体燃料を圧入することにより、酸素を溶解した液体燃料を製造しても良い。
【００５２】
また、本発明が適用される燃焼装置は、液体燃料を燃焼域に噴射する工業炉（加熱炉、熱処理炉、溶解炉等を含む）、ロータリーキルン、焼成炉、焼却炉、ボイラ、内燃機関等を含み、燃料噴射ノズルは、例えば、車両用エンジンの電子制御式燃料噴射装置（フュエル・インジェクター）等を含む。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、減圧時の溶存酸素の気化を用いて液体燃料の燃焼特性を改変する液体燃料改質装置及び改質方法、噴射時の減圧作用を用いて液体燃料を微粒化する液体燃料微粒化装置及び微粒化方法、或いは、燃焼反応に要する酸素の一部を液体燃料自体で燃焼域に供給する燃焼装置及びその燃焼方法に好ましく適用し得る。本発明によれば、液体燃料の燃焼効率を向上し、液体燃料噴流の微粒化を促進し、或いは、従来の燃焼反応と相違する新規な特性の燃焼反応を実現することができるので、その実用的効果は、顕著である。
【符号の説明】
【００５４】
１  液体燃料改質装置
２  燃料貯蔵容器
３  酸素供給源
４  反応容器
５  燃料圧送装置
６  逆止弁
７  戻り弁
８  調圧弁装置
９  調節弁
１０  燃料噴射ノズル
１１  燃料噴射孔
Ｆ  液体燃料
Ｏ  純酸素
Ｆｓ  燃料供給流
Ｆｒ  燃料還流
Ｏｇ  純酸素供給流
ＦＯ  液体燃料流
Ｊ  燃料噴流（酸素溶解燃料）
Ｌ１  燃料供給管
Ｌ２  燃料還流管
Ｌ３  酸素供給管
Ｌ４  燃料給送管
【図１】
2018080863.tif 000003
【図２】
2018080863.tif 000004
【図３】
2018080863.tif 000005
【図４】
2018080863.tif 000006