(57)【要約】【課題】光源や加水装置を必要とすることなく、燃焼効率の向上を図ることが可能な燃焼補助装置、及び燃焼補助方法を提供する。【解決手段】触媒である金属酸化物を充填した担持ケースを備えた燃焼補助装置を、焼却炉やエンジン（内燃機関）などの燃焼装置の上流側に設置し、当該担持ケースを通過した空気を燃焼装置に供給して、燃料と共に燃焼させる。【選択図】  図１
2008202433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含有する気体を燃焼装置に供給する酸素含有気体供給装置に設置する燃焼補助装置であって、
前記気体を通過させる通過手段と、
前記通過手段に設置された金属酸化物と
を具備することを特徴とする燃焼補助装置。
【請求項２】
前記金属酸化物に対する紫外線の照射を遮る遮蔽手段をさらに具備し、
前記金属酸化物は、二酸化チタンである
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼補助装置。
【請求項３】
前記金属酸化物は、二酸化チタンであり、紫外線の照射が遮られる場所に設置される
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼補助装置。
【請求項４】
酸素を含有する気体を燃焼装置に供給する酸素含有気体供給装置であって、
前記気体を通過させる供給路に金属酸化物が設置されている
ことを特徴とする酸素含有気体供給装置。
【請求項５】
前記金属酸化物に対する紫外線の照射を遮る遮蔽手段をさらに具備し、
前記金属酸化物は、二酸化チタンである
ことを特徴とする請求項４記載の酸素含有気体供給装置。
【請求項６】
前記金属酸化物は、二酸化チタンであり、紫外線の照射が遮られる場所に設置されていることを特徴とする請求項４記載の酸素含有気体供給装置。
【請求項７】
酸素を含有する気体を金属酸化物と接触させて燃焼装置に供給することを特徴とする燃焼補助方法。
【請求項８】
前記金属酸化物は、二酸化チタンであり、
前記金属酸化物への紫外線の照射が遮られる場所で、前記気体を前記金属酸化物と接触させることを特徴とする請求項７記載の燃焼補助方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼補助装置、及び燃焼補助方法に関し、特に、空気や酸素など、燃焼装置に供給する燃料以外の気体を触媒と接触させて燃焼装置に供給することによって、燃焼効率の向上を図ることが可能な燃焼補助装置、及び燃焼補助方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼却炉や内燃機関などの燃焼装置から排出される排気ガスの対策としては、例えば、排気ガスを触媒と接触させて浄化する方法や、焼却時の温度を高温とする方法、燃焼補助剤を用いて燃焼効率を向上させる方法（例えば、特許文献１及び２参照）などがある。
【０００３】
しかし、排気ガスを触媒と接触させて浄化する方法では、触媒が温まるまで充分な効果が期待できず、また、想定外の種類や量の有害物質が発生すると、排気ガスを充分に処理できない恐れがあった。
【０００４】
焼却温度を高温とする方法では、高温での燃焼を維持する構造を焼却装置が備えなければならず、費用などの面から、比較的小型の焼却炉に導入することは困難であった。
【０００５】
燃焼補助剤を用いる法では、燃料や廃棄物などと一緒に燃焼補助剤を燃焼させるため、コストが高く、燃焼後の燃焼補助剤（金属）を回収する作業も必要であり、加えて、エンジンなどの内燃機関に適用することができなかった。
【０００６】
燃焼効率を向上させる方法としては、燃焼前の空気あるいは酸素とそれらに含まれる水分を光触媒と紫外線（可視光応答型光触媒を使用する場合は可視光も可）で活性化し、生じた水と空気あるいは水と酸素由来の活性化成分によって高効率の燃焼を実現する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００２−２６５９６６号公報
【特許文献２】特開２００３−１７１６８０号公報
【特許文献３】特開２００６−２２６２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、光触媒を利用する特許文献３記載の方法では、触媒に紫外線又は可視光を照射するための光源が必要となるため小型化が難しく、自動車のエンジンルームなど、狭い空間に設置することが困難であり、また、光源であるランプの点検や交換といったメンテナンスが必要となるため手間がかかり、当該メンテナンスを行うための空間を確保する必要もあった。
【０００８】
さらに、特許文献３記載の方法では、湿度の高い空気を光触媒と接しさせて燃焼装置に供給することによって、より高い燃焼効率を得ることを可能とするものであり、空気に含まれる水分量を増加させるための加湿装置が必要になるため小型化が難しく、当該加水装置に水分を補充するなどのメンテナンスも必要で手間がかかり、さらに、メンテナンスのための空間を確保することも必要であった。
【０００９】
そこで本発明では、光源や加水装置を必要とすることなく、燃焼効率の向上を図ることが可能な燃焼補助装置、及び燃焼補助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】
【００１０】
本発明における燃焼補助装置は、酸素を含有する酸素含有混合気を燃焼装置に向けて通過させる通過手段と、前記通過手段に設置された金属酸化物とを具備することを特徴とする。
【００１１】
また、前記金属酸化物は、二酸化チタンであり、前記金属酸化物に紫外線を照射する光源を具備しないことが望ましい。
【００１２】
また、前記酸素含有混合気は、酸素と不活性ガスを主成分とすることが望ましい。
【００１３】
次に、本発明における燃焼補助方法は、酸素を含有する酸素含有混合気を燃焼装置に向けて通過させる通過手段で該酸素含有混合気を金属酸化物と接触させた後、前記燃焼装置に該酸素含有混合気体を供給することを特徴とする。
【００１４】
また、前記金属酸化物は、二酸化チタンであり、前記金属酸化物に紫外線を照射する光源が備えられていないことが望ましい。
【００１５】
また、前記酸素含有混合気は、酸素と不活性ガスを主成分とすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、焼却炉や内燃機関といった燃焼装置の燃焼効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る燃焼補助装置を備えた燃焼システムの一例を示す概略構成図である。同図に示すように燃焼システムは、焼却炉や内燃機関（エンジン）などの燃焼装置１０と、燃料・空気供給管２０と、燃料・空気供給管２０に空気を供給する空気ポンプ３０と、燃焼装置１０に供給する空気の流量を制御する流量計４０と、燃焼補助装置５０と、燃料・空気混合部６０とを具備して構成されている。
【００１９】
ここで、燃料・空気供給管２０は、硬質ガラス管などの中空管であり、燃焼装置１０に燃料や空気を供給する。
【００２０】
燃焼補助装置５０は、担持ケース５１を備えて構成される。
【００２１】
担持ケース５１は、硬質ガラスなどを用いて形成された箱状のケースであって、燃料空気供給管２０内を流れる空気が通過可能なように形成されており、あらかじめ触媒をコーティングした直径数ミリ程度のガラスビーズが充填されている。
【００２２】
なお、担持ケースは、箱状の形状に限られるものではなく、例えば図２(ｂ)に示すように、主要部分が螺旋状に形成された透明な硬質ガラス管等の中空管など、任意の形容を備えた担持ケースを用いることが可能であり、触媒としては、例えば、二酸化チタンや酸化鉄など、任意の金属酸化物を用いることができる。
【００２３】
また、触媒をガラスビーズ等にコーティングして担持ケースに充填することにより、担持ケースを通過する空気と触媒との接触効率向上を図ると共に、空気が担持ケースを通過する際の抵抗を抑えることが可能であるが、例えば、図２(ｃ)に示すように、フィルタに触媒を担持させた触媒担持フィルタ５２や、任意の形状（スクリーン状や網目状、綿状など）のガラス繊維に触媒を担持させたものなどを担持ケースに載置する方法など、担持ケースを通過する空気と触媒とを接しさせることが可能な任意の方法を用いて担持ケースに触媒を充填（設置）することが可能である。
【００２４】
燃料・空気混合部６０は、メタンと酸素の混合気や一酸化炭素などの燃料の供給を受け付けて空気と混合し、生成した混合気を燃焼装置１０に供給する。
【００２５】
燃料の供給方法としては、例えば、ボンベ（図示しない）などに貯蔵されている燃料を流量計（図示しない）などを用いて流量を制御しながら連続的に供給する方法や、断続的に供給する方法など、任意の方法を用いることが可能であり、液体の燃料を供給して気化させ、空気と混合するように構成してもよい。
【００２６】
上記構成を用いて当該燃焼システムは、まず、空気ポンプ３０から供給される空気の流量を流量計４０で制御しながら燃料・空気供給管２０に供給し、燃焼補助装置５０の担持ケース５１を通過した空気を燃料混合部６０で空気と混合し、混合気を燃焼装置１０に供給して燃焼させる。
【００２７】
なお、燃料と燃焼用気体を別々に燃焼装置１０に供給し、燃焼装置１０内で混合気を生成するように構成してもよい。
【００２８】
また、燃焼補助装置５０から燃焼装置１０までの距離は、近いほうが好ましい。
【実施例１】
【００２９】
図１に示す燃焼システムにおいて、内寸１００mm×６０mm×１５mmのパイレックスガラスTM製ボックスを担持ケースとして用い、表面脱脂処理したガラスビーズ（直径４mm）に過酸化チタンゾルＴＫＣ−３０１（テイカ製）をスプレーコートして乾燥させた後、さらに４００℃ で１時間、大気雰囲気中で焼成した酸化チタン担持ガラスビーズを触媒として充填した。
【００３０】
また、酸素と窒素を１：４の割合で混合した混合気（純空気）を充填したボンベを空気ポンプに代えて用いると共に、電気炉（日新精器製）を燃焼装置として用いた。
【００３１】
そして、空気の流速を流量計（STEC社製）で３０ml/minに制御して燃料・空気供給管に供給すると共に、酸素とメタンを３：２の割合でガスパックを用いて混合した混合気（燃料）０.５mlを燃料混合部に注射器で供給し、燃料を７００℃の焼却装置（電気炉）で燃焼させた。
【００３２】
燃焼装置から排出される燃焼ガスをガスクロマトグラフ（島津製、ＧＣ−１４Ｂ）で分析し、メタンから二酸化炭素への転化率 を求めた。測定結果を図３に示す。
【００３３】
なお、燃焼補助装置（担持ケースの燃焼装置側末端）と燃焼装置（電気炉の担持ケース側末端）との距離は、３０cmである。
【実施例２】
【００３４】
図４(ａ)に示す担持ケース５１から触媒５２を除去した点を除いて、実施例１と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図３に示す。
【実施例３】
【００３５】
純空気が充填されたボンベに代えて、空気ポンプを用いて当該空気ポンプ周辺の空気を燃料・空気供給管に供給した点を除いて、実施例１と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図３及び６に示す。
【実施例４】
【００３６】
図４(ａ)に示す担持ケース５１から触媒５２を除去した点を除いて、実施例３と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図３に示す。
【実施例５】
【００３７】
図４(ｂ)に示すように、空気ポンプ３０と担持ケース５０との間に水槽５３を設け、空気ポンプ３０から供給される空気の流量を流量計（図示しない）で制御しながら水中に導入し、水面上方から多量の水蒸気（飽和状態）を含む空気を担持ケース５１に供給した点を除き、実施例３と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図３及び６に示す。
【実施例６】
【００３８】
図４(ｂ)に示す担持ケース５１から触媒５２を除去した点を除いて、実施例５と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図３に示す。
【００３９】
実施例１と２、実施例３と４、実施例５と６の各組み合わせは、触媒の有無を異ならせて燃焼実験を行っており、図３に示すように、実施例１では転換率が８２.６％であるのに対して実施例２では５１.８％、実施例３では転換率が７２.７％であるのに対して実施例４では５９.８％、実施例５では転換率が７９.２％であるのに対して実施例６では５９.４％であることから、空気を触媒（金属酸化物）と接しさせた後に燃焼装置に導入することによって、メタンから二酸化炭素への転換率が上昇することが確認された。
【００４０】
そして、燃焼装置に導入する燃料及び空気に含まれる炭素源は燃料に含まれるメタンのみであり、メタンが完全燃焼することによって二酸化炭素が生成されることから、空気を触媒（金属酸化物）と接しさせて燃焼装置に導入することによって、メタン（燃料）の燃焼効率が向上することが分かる。
【００４１】
また、実施例１、３、５は、空気に含まれる水分の量を異ならせて燃焼実験を行っており、図３に示すように、水分を殆ど含まない純空気を用いた実施例１では転換率が８２.６％、空気ポンプ周辺の空気（気温２５℃、湿度３０〜４０％）を用いた実施例３では転換率が７２.７％、水槽を用いて加湿した実施例５では転換率が７９.２％であることから、空気中の水分は転換率の向上に寄与せず、逆に、空気中の水分が低い方がメタンから二酸化炭素への転換率が上昇する、すなわち燃焼効率が向上することが確認された。
【００４２】
なお、二酸化炭素は、メタンと酸素との反応によって生じることから、触媒と接しさせて供給する気体は、酸素を含む混合気であればよく、空気に限定されるものではない。
【００４３】
ところで、担持ケース内に触媒として充填されている二酸化チタン(ＴｉＯ2)は、紫外線の照射を受けることにより、光触媒として機能する。そこで、酸化チタンの光触媒作用による燃焼効率の変化について、燃焼実験を行った。
【実施例７】
【００４４】
図５に示すように、担持ケース５１の周囲に紫外線光源（ブラックライト）５３を設けると共に、さらに担持ケース５１及び紫外線光源５３の周囲を反射鏡５４で覆って、触媒５２に効率よく紫外線を照射するように構成し、紫外線光源５３を点灯させながら燃焼実験を行った点を除き、実施例３と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図６に示す。
【実施例８】
【００４５】
実施例７と同様に、紫外線光源５３などを設けて紫外線を照射しながら燃焼実験を行った点を除き、実施例５と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図６に示す。
【００４６】
実施例３と７、実施例５と８の各組み合わせは、光源の有無を異ならせて燃焼実験を行っており、図６に示すように、実施例３では転換率が７２.７％であるのに対して実施例７では７０.３％、実施例５では転換率が７９.２％であるのに対して実施例８では７３.２％であることから、二酸化チタンの光触媒としての作用効果は、転換率の向上に寄与せず、逆に、光源を備えない方がメタンから二酸化炭素への転換率が上昇する、すなわち燃焼効率が向上することが確認された。
【実施例９】
【００４７】
メタンと空気の混合気に代えて一酸化炭素を燃料混合部に供給した点を除き、実施例３と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図７に示す。
【実施例１０】
【００４８】
図５に示すように、担持ケース５１の周囲に紫外線光源５３、及び反射鏡５４を設け、紫外線光源５３を点灯させながら燃焼実験を行った点を除き、実施例９と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図７に示す。
【実施例１１】
【００４９】
担持ケース５１から触媒５２を除去した点を除いて、実施例９と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図７に示す。
【実施例１２】
【００５０】
メタンと空気の混合気に代えて一酸化炭素を燃料混合部に供給した点を除き、実施例５と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図７に示す。
【実施例１３】
【００５１】
図５に示すように、担持ケース５１の周囲に紫外線光源５３、及び反射鏡５４を設け、紫外線光源５３を点灯させながら燃焼実験を行った点を除き、実施例１２と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図７に示す。
【実施例１４】
【００５２】
担持ケース５１から触媒５２を除去した点を除いて、実施例８と同様に燃焼実験を行った。測定結果を図７に示す。
【００５３】
実施例９と１１、実施例１２と１４の各組み合わせは、触媒の有無を異ならせて燃焼実験を行っており、図７に示すように、実施例９では転換率が５９.４％であるのに対して実施例１１では４１.１％、実施例１２では転換率が５７.１％であるのに対して実施例１４では５２.５％であることから、空気を触媒（金属酸化物）と接しさせた後に燃焼装置に導入することによって、一酸化炭素から二酸化炭素への転換率が上昇することが確認された。
【００５４】
そして、燃焼装置に導入する燃料及び空気に含まれる炭素源は一酸化炭素のみであり、一酸化炭素が燃焼（酸化）することによって二酸化炭素が生成されることから、空気を触媒（金属酸化物）と接しさせて燃焼装置に導入することによって、一酸化炭素（燃料）の燃焼効率が向上することが分かる。
【００５５】
また、実施例９と１２は、空気に含まれる水分の量が異なる点を除いて同様の条件で燃焼実験を行っており、図７に示すように、空気ポンプ周辺の空気（気温２５℃、湿度３０〜４０％）を用いた実施例９では転換率が５９.４％、水槽を用いて加湿した実施例１２では転換率が５７.１％であることから、空気中の水分は転換率の向上に寄与せず、逆に、空気中の水分が低い方が一酸化炭素から二酸化炭素への転換率が上昇する、すなわち燃焼効率が向上することが確認された。
【００５６】
実施例９と１０、実施例１２と１３の各組み合わせは、光源の有無を異ならせて燃焼実験を行っており、図７に示すように、実施例９では転換率が５９.４％であるのに対して実施例１０では４６.１％、実施例１２では転換率が５７.１％であるのに対して実施例１３では３０.９％であることから、二酸化チタンの光触媒としての作用効果は、転換率の向上に寄与せず、逆に、光源を備えない方が一酸化炭素から二酸化炭素への転換率が上昇する、すなわち燃焼効率が向上することが確認された。すなわち、光が当たらない場所に触媒を設置したり、触媒の周囲に光を遮る遮蔽物を設置することが好ましいことが分かる。
【００５７】
このように本発明では、酸化チタンなどの金属酸化物を触媒として用い、当該触媒と接触させた空気を燃焼装置に供給することにより、燃料の燃焼効率を向上させることができる。
【００５８】
このため、本発明をエンジンなどの内燃機関に適用することにより、燃焼効率が改善し、燃費向上や排気ガスに含まれるＮＯXやＳＯXといった有害物質の低減などが期待できる。
【００５９】
また、焼却炉などに適用することにより、不完全燃焼の発生が抑えられ、ダイオキシンなど、不完全燃焼に起因して発生する有害物質を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る燃焼補助装置を備えた燃焼システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】担持ケースの構成の一例を示す図である。
【図３】触媒の有無による燃焼実験結果を示す図である。
【図４】空気ポンプから担持ケースにかけての構成を示す図である。
【図５】紫外線光源を備えた担持ケースの構成を示す図である。
【図６】紫外線光源の有無による燃焼実験結果を示す図である。
【図７】一酸化炭素を炭素源として用いた燃焼実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃焼装置
２０…燃料・空気供給管
３０…空気ポンプ
４０…流量計
５０…燃焼補助装置
５１…担持ケース
５２…触媒
５３…紫外線光源
５４…反射鏡
６０…燃料混合部
【図１】
2008202433.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008202433.tif 000007
【図６】
2008202433.tif 000008
【図７】
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