(57)【要約】      （修正有）【課題】界面活性剤と攪拌装置を使用しないで、燃料油と水が微細均一に混合したエマルジョン燃料を製造する方法を提供する。【解決手段】超音波発生源として圧電式、あるいは電歪式、あるいは流体式の超音波発生装置を用い、燃料油と水を超音波容器５内に噴霧あるいは噴射し、繰り返し循環させることでエマルジョン化とその安定化を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料油と水の混合液を超音波容器内に噴霧あるいは噴射することでキャビテーションの作用によってエマルジョン燃料を合成する方法。
【請求項２】
合成したエマルジョン燃料の一部を燃焼に供し、残りを超音波容器内に戻して循環させることで安定化したエマルジョンを製造する請求項１のエマルジョン燃料合成方法。
【請求項３】
請求項１の超音波容器の超音波発生源として圧電式、あるいは電歪式、あるいは流体式の超音波発生装置を用いるエマルジョン燃料合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、超音波を発する容器内に液体燃料と水の混合液を噴霧、あるいは噴射することで、超音波振動に由来するキャビテーションの作用によって、液体燃料に微細な水が均一に分散したエマルジョン燃料を連続的に合成する技術に関する。本発明によるエマルジョン燃料によって、燃焼効率の向上と、ＣＯ２、ＮＯＸ、ＳＯＸ、パーチクル（スス）の排出を減少させることができる。本方法は製造したエマルジョン燃料を即時に燃焼させるので、貯蔵に伴う油水分離の問題が発生しない。
【背景技術】
【０００２】  燃料費の高騰と、地球環境問題の高まりから、優れた省エネ技術の開発が求められている。とりわけ大量の燃料油を消費するボイラー、内燃機関などは燃焼効率のさらなる向上と、排気ガスの浄化が求められている。【０００３】  石油燃料の完全燃焼にはその１４倍の体積の空気を必要とする。現実の燃焼では燃料油と空気の混合が十分に行えないので、不完全燃焼を防ぐために理論量よりも多くの空気吹き込みがなされる。この過剰な空気は、燃焼熱を排気ガスとして放出するために３０％程度の燃料が無駄に消費されている。【０００４】  燃焼効率を上げて有害な排気ガス成分を減少させるために、ノズル形状を改良して燃料油を微細に噴霧し、空気との接触面積を増すための技術開発が行われてきた。この場合にも、燃料油を完全燃焼させるために過剰空気は不可欠であって、そのための熱損失は不可避である。【０００５】  燃焼効率を向上するために燃料油を微細分散するために多くの試みが成されてきた。中でも燃料油に水を添加すると燃焼時に水がマイクロ破裂を起こして、燃料油が微細分散するので燃焼効率が向上することは、古くから良く知られている。この方法は燃料油と水をできるだけ細かく均一に分散させる必要がある。そのために燃料油と水をエマルジョン化（乳化）する試みが広く行われており、その多くは界面活性剤を必用としている（特許文献１）。【０００６】  界面活性剤は高価なために、混合助剤を用いずに燃料油と水を機械的に混合する試みがなされている（特許文献２，３）。一方、特許文献４〜７に示すように、超音波振動を使うエマルジョン燃料の製造法が開発されている。特許文献４は膨張弁を通した燃料油と水の混合液体に、超音波を照射してエマルジョン化する技術であり、キャビテーションによる気泡が発生しないことを要件としている。特許文献５は高圧で噴射した燃料油と水の混合液を遠心装置に通した後に、超音波を発するスパイラル管を通すことで、エマルジョン化を達成している。特許文献６は超音波振動版の対向する側に反射板を設置し、両板の間でキャビテーションを起こし燃料と水の混合液をエマルジョン化している。特許文献７は燃料油と焼酎粕の混合液を攪拌しながら、超音波浴中でエマルジョン化し、その後にマイクロバブル処理を施すことで均質なエマルジョン燃料を製造している。本出願の発明者は、キョビテーション源として超音波発信器ではなく、せん断流を利用してエマルジョン燃料を製造する特許文献８の方法を出願している。
【先行技術文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８７７０７８号
【特許文献２】特開平５−１５７２２１号公報
【特許文献３】特開平１０−１８５１８３号公報
【特許文献４】特開平１０−２７７３５７号公報
【特許文献５】特開２００７−２９１３０５号公報
【特許文献６】特開２００６−３２２４６３号公報
【特許文献７】特開２００８−６３５４８号公報
【特許文献８】特願２００９−１６４２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】    界面活性剤を用いてエマルジョン燃料を作製するには長時間の攪拌必要とする。このため一度に多量のエマルジョン燃料を合成して貯え、それを燃焼する方式が主に取られている。この場合、高価な界面活性剤を使用することと、エマルジョン燃料を保存中に油水分離が不可避的に起きて、均一な燃焼を妨げる。このことがエマルジョン燃料普及を妨げる原因となっている。
一方、超音波によるエマルジョン化はエネルギ効率が良いので連続的にエマルジョン燃料を作製できる長所がある。しかしながら従来の技術ではエマルジョン燃料を製造するために特別な装置を必要とした。例えば、特許文献４の方法は膨張弁とそのための高圧ポンプを、特許文献５の方法は遠心装置と、超音波を発する複雑形状のスパイラル管を、特許文献６は激しいキャビテーションに耐えるような反射板を必要とし、これらの製造には高度な技術を必要とする。また、特許文献７は添加物がアルコールに富む焼酎粕に限定されている。【０００９】  上記に引用した特許文献のように、超音波キャビテーションを利用するエマルジョン燃料の製造は特殊な超音波装置や、特別の添加液を必要とする。一方、本出願の発明者が先に出願した特許文献８の発明は、きわめて簡単な装置によってエマルジョン燃料を合成できたが、せん断流キャビテーションを起こすために水圧が０．２ＭＰａ以上である高圧ポンプを必要とした。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  以上の課題に関し本発明は、入手が容易な水圧が０．２ＭＰａ以下の水流ポンプによって液体燃料と水の混合液を、水槽型超音波洗浄装置など超音波を発生する容器内に噴霧あるいは噴射することによって、効率よくエマルジョン燃料を合成することを目的とする。このために、界面活性剤を用いることなく、軽油、重油に２０〜５０容量％の水を混合した原料液体に超音波キャビテーションを施してエマルジョン燃料を合成する実験を行った。このエマルジョン燃料による燃焼実験と、合成したエマルジョン燃料の組織観察を繰り返すことによって本発明を成すに至った。【００１１】  石油に水を添加すると、上の石油層と下の水層に分離する。実験では超音波容器として超音波洗浄槽をつかうこととして、油水が２層に分離した液を超音波容器中に保持した。２層液に超音波を照射すると、油水界面の水が白濁し始め、時間の経過とともには白濁部分は水の内部に拡散した。白濁した水を顕微鏡で観察すると、直径が数μｍから数十μｍの石油粒子が水中に懸濁していた。一方、石油の層には微細な水滴がごく少量認められる程度であり、大部分は石油のままであった。【００１２】  次に、石油と水の混合液をプロペラ攪拌しながら、上記の超音波照射を行うと混合液全体が白濁した。しかし、攪拌を中止すると数分後には白濁液と石油の２層に分離し、その比率は攪拌−超音波照射の前の水と石油の比率と大差がなかった。プロペラ攪拌を激しくしても、界面活性剤を加えない限りこの状況に大きな差は見られなかった。また、混合液をポンプで循環させて超音波容器に戻した場合も、プロペラ攪拌と大きな差は見られなかった。このように超音波処理後の油水層分離は攪拌後にも生じたが、分離後の石油層に分散する微小水滴の量は、攪拌によって増加した。【００１３】  超音波照射による石油−水混合液のエマルジョン化は、両成分が接する界面で生じる。そこで、反応面積を増すために混合液を噴霧あるいは噴射して微粉砕による微粒子とし、これを超音波容器内に吹き付けた。この結果、プロペラ攪拌や流動攪拌の場合よりも、白濁液と石油の２層分離は遅くなった。さらに、超音波容器内に溜まったエマルジョンを循環させて超音波容器内に繰り返し噴霧あるいは噴射することで、エマルジョンの攪拌強化と超音波照射時間の延長を図ると、エマルジョンは著しく安定されて油水分離がいっそう生じにくくなることが分かった。
【発明の効果】
【００１４】  本発明は、燃料油と水の混合液を粒径１００μｍ以下の微粒子となるように超音波容器内に噴霧あるいは噴射することにより、超音波キャビテーションの作用によってエマルジョン燃料を連続して作製することが可能である。このエマルジョンを循環させて繰り返し超音波照射を行うことにより短時間での油水分離を防止できる。循環するエマルジョン燃料の一部を燃焼させると、水滴のマイクロ破裂によって燃焼効率が向上し、これにより燃料費の低減と、黒煙およびＮＯＸを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】  エマルジョン燃料合成装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】  燃料油と水を均一に混合したエマルジョン燃料を製造するために、超音波キャビテーションを活用する図１のエマルジョン合成装置を作製した。この装置に流入する燃料１と水２は混合槽３とポンプ４を介して粒径が１００μｍ以下の微粒子となって、超音波容器５に噴霧あるいは噴射され、ここでエマルジョン化する。
【００１４】  戻し流量制御弁６、７、８の開度を調整することで、合成されたエマルジョンの一部はボイラー９で燃焼に供され、残りのエマルジョンは超音波容器５に戻され、これによってエマルジョンを安定化する。
【実施例】
【００１５】  次に、本願発明の詳細を実施例に基づいて説明する。なお、この実施例は当業者の理解を容易にするためのものである。すなわち、本願発明は明細書の全体に記載される技術思想によってのみ限定されるものであり、本実施例によってのみ限定されるものでないことは理解されるべきことである。【００１６】（実施例１）
図１の燃料としてＡ重油を用い、容積比２０％の水を混合注入して、１５００回転、吐出圧０．１５ＭＰａのタービンポンプにより超音波洗浄器に粒径が１００μｍ以下となるように噴霧した。流入量の約１割がボーラーで燃焼し、９割が循環するように、燃料と水の流入量、および図１のバルブ６、７、８の開度を調節した。ボイラー９を停止した状態でポンプ４と超音波容器を５分間動作させることで、エマルジョン燃料を均一化、安定化させてからボイラを着火すると、理論空気量であっても黒煙を伴うことなくエマルジョン燃料は安定した燃焼を続けた。添加する水の容積比を３０％に増しても、燃焼状態はほとんど同じであった。添加水量を５０％に増すと失火することはなかったが火力が低下した。
一方、超音波槽に噴射する混合液の粒径を雨粒程度に粗くする、あるいは噴霧ではなく噴流として超音波槽に流入させると、添加水量が２０％の場合の場合にもボイラーの燃焼状態は不安定になった。同様な不安定燃焼は超音波容器への戻り量を５０％程度まで減らした場合にも生じた。
【産業上の利用可能性】
【００１７】  燃料油を燃焼させるボイラーに本装置を使用すると、燃料使用量の削減とそれに伴うＣＯ２排出量を削減できる。水添加による均一燃焼の結果、ＮＯＸとススも大幅に減少するのでジーゼルエンジンに適用すると排ガスを浄化して環境改善に寄与できる。
【符号の説明】
【００１８】１：燃料油
２：水
３：混合槽
４：ポンプ
５：超音波容器
６：戻し流量制御弁
７：戻し流量制御弁
８：戻し流量制御弁
９：ボイラー
【図１】
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