(57)【要約】【課題】  都市ガスや天然ガス等を用いるボイラー、タービン、内燃機関或いは家庭用燃焼機器において、大幅な燃費の低減化と排気ガスの削減化を可能とする燃焼方法の提供。【解決手段】  都市ガスや天然ガス等のガス類を燃焼源とするボイラー、タービン、内燃機関或いは家庭用燃焼機器において、ガス類に対して水の微細粒径が０．１乃至２０ｎｍの極微細化水を多量に生成し、且該極微細化水を２０乃至５０容量％割合に混合し撹乱し分散せしめてガスエマルジョン燃料となしたうえバーナーに移送のうえ、燃焼空気と共に燃焼させる。【選択図】図１
2012184911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
都市ガスや天然ガス等のガス類を燃焼源とするボイラー、タービン、内燃機関或いは家庭用燃焼機器において、水の微細粒径が０．１乃至２０ｎｍの極微細化水を多量に生成し、且この極微細化水をガス類に対し、２０乃至５０容量％割合で撹乱分散モジュールで分散混合せしめてガスエマルジョン燃料となし、而してバーナーに移行のうえ燃焼空気と共に燃焼し、以って燃焼性を保持し且燃費の２０乃至５０％割合の低減化及び排気ガスの２０乃至５０％割合の削減化を可能とする燃焼方法。
【請求項２】
ガスエマルジョン燃料に所要割合の空気を混合のうえ、バーナーにおいて燃焼させる請求項１記載の燃焼方法。
【請求項３】
水を加圧のうえ所要の間隙で配位され、且所要の孔径と噴霧角度が９０乃至１６０°の噴霧ノズルにより、一旦その液滴の粒径を１０μｍ以下に噴霧させたうえ、その付加電圧が５，０００乃至１０，０００Ｖの高電場雰囲気内に噴散せしめてレイリー分裂を促進させ、その極微細粒径が０．１乃至２０ｎｍの極微細化水を多量に生成せしめる加圧噴霧手段が用いられてなる、請求項１若しくは請求項２記載の燃焼方法。
【請求項４】
加圧水槽内の水を加工のうえ、その底面に配設されてなるセラミックスフィルターで加圧微細分離させて、その液滴の粒径が２０μｍ以下に微細分離さえたうえ、その付加電圧が５，０００乃至１０，０００Ｖの高電場雰囲気内に放散せしめてレイリー分裂を促進させ、その極微細粒径が０．３乃至３０ｎｍの極微細化水を多量に生成せしめる微細分離手段が用いられてなる請求項１若しくは請求項２記載の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は都市ガスや天然ガス等を用いるボイラーやタービン、内燃機関或いは家庭用風呂釜等の燃焼機器において、大幅な燃費の低減化と排気ガスの削減化を可能とする新規な燃焼方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  産業活動や生活活動には多大なエネルギーを消費するもので、従来よりこのエネルギー源としては石油類や天然ガス、都市ガス等の天然資源に依存していたものであるが、今日に至るまで先進諸国の経済発展に伴い莫大な天然資源の消費がなされて来たため、既に天然資源の枯渇化が危惧されるに至っており、且莫大量の天然資源の燃焼に伴って排出され続けた膨大量の炭酸ガスを初めとする温暖化ガスにより地球環境が著しく破壊され、健康被害者の続発はもとより、天候異変や異常気象による集中豪雨と洪水や山崩れ、河川の氾濫等による農作物や道路、住宅等の被害も莫大な金額に至っている。これがためかかる問題に対しては国際的にも最優先の解決課題とされている。【０００３】  この課題の解決手段として早くから燃焼源としての石油に対して、水を分散混合させたエマルジョン化燃料を用いることが提案されているものの、エマルジョン燃料により燃焼性を保持させつつ燃費の低減化と排気ガスの削減化を図るうえからは、少なくとも石油に対して２０乃至５０容量％の水を混合させたうえ、この混合させた水に水蒸気改質反応及び水性ガス反応を創出せしめることで実現しえるもので、これがためにはエマルジョン燃料における石油と水とが均質に分散混合されていること、並びに分散混合される水の液滴が可能な限り微細化されて微爆性を積極的に発揮させること、及び燃焼に際して気化熱の剥奪の少ないことが要件とされている。【０００４】  ところで石油類と水とは不溶性の関係にあることから、相互を安定して分散混合させるためには乳化剤による化学結合を図ることが試みられてなるものの、乳化剤の使用は相互の分散混合はなされる反面、水と石油と乳化剤とが強固に結合されるため、水の液滴の微細化がなし得ず微爆性の発揮も不十分となり、且結合により燃焼に際しての気化熱の剥奪も大きく、従って石油類に対して水もせいぜい７乃至１０％容量割合を超えると燃焼性も著しく損なわれ、且近年に至っては乳化剤が環境ホルモンの生成原因ともなることから実用使用も至難となっている。【０００５】  これがため化学的結合による石油類と水との分散混合を図る技術思想から、物理的分散混合による技術思想に転換し高速回転ミキサー手段や超音波キャピラリー手段、或いは静止混合手段等による数多に亘る分散混合研究を重ねた結果においても、長時における安定的分散混合は実現できるに至っていない。
そこで発明者等は石油類と水とを衝突させ撹乱させ破砕させ分散させる撹乱分散モジュールにより均質な分散混合並びに水の液滴の微細化を図ったうえ、直ちに燃焼させることにより燃焼性の保持と且燃費の大幅な低減と排気ガスの削減化が実現しえることを究明し、多くの先願例えば特願２０１０−２６４３１２号で開示している。【０００６】  而して近年に至ってはボイラーやタービン、内燃機関或いは家庭用燃焼機器類においても、燃焼源を従来の灯油や軽油或いは重油等の石油類から、都市ガスや天然ガス等のガス類への転換が積極的になされている。
してみると都市ガスや天然ガスは気体状であるから、その粒径も略０．１乃至１．０ｎｍ程度の極微粒状であって、反面該ガス類とエマルジョン燃料化をなす水は蒸散水においてもその粒径は略６乃至２０μｍ以上とされており、かかる状態で分散混合を図っても大きな粒径差に比重さも加重されて均質分散が実現できない。【０００７】  ところで他方において水の毛細管作用を持つ蒸散極より水を微粒状に蒸散せしめたうえ高電場雰囲気内に放散させることでレイリー分裂が促進されてその粒径が０．１乃至２０ｎｍの極微粒化水が生成しえる静電霧化技術も公知されてなるものの、蒸散極からの蒸散に依存するためその生成量もせいぜい１０ｃｃ／ｍｉｎ程度とされ、エマルジョン燃料への分散混合用としては到底対処できない。
そこで発明者等は極微粒化水を多量且安価に生成させるために更なる研究を重ねた結果、水を加圧噴霧させ若しくは加圧微細分離させたうえ、高電場雰囲気下でレイリー分裂を促進させることにより多量且安価に生成しえ、且撹乱分散モジュール内で均質に分散混合しえ、以って燃費の低減化と排気ガスの削減化が実現できることに想到し本発明に至った。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明は都市ガスや天然ガス等を用いるボイラーやタービン、内燃機関或いは家庭用燃焼機器において、大幅な燃費の低減化と排気ガスの削減化を可能とする燃焼方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  上述の課題を解決するために本発明が採用した技術的手段は、都市ガスや天然ガス等のガス類を燃焼源とするボイラーやタービン、内燃機関或いは家庭用燃焼機器において、都市ガスや天然ガス等のガス類に対して、水の極微細粒径が０．１乃至２０ｎｍの極微細化水を多量に生成せしめるとともに、この極微細化水を２０乃至５０容量％割合で混合し、且撹乱分散せしめてガスエマルジョン燃料となしたうえバーナーに移送のうえ、燃焼空気と共に燃焼せしめて、以って燃焼性を保持しつつ燃費の２０乃至５０％の低減化と排気ガスの２０乃至５０％の削減を実現する燃焼方法に存する。
更に本発明の技術構成の要点とされる極微細粒径が０．１乃至２０ｎｍの極微細化水を多量に生成するために、水を加圧のうえ所要の間隙を以って配位され、且所要の孔径とその噴霧角度が９０乃至１６０°噴霧ノズルより、一旦液滴の粒径を１０μｍ以下に噴霧させたうえ、その付加電圧が５，０００及至１０，０００Ｖの高電場雰囲気内に噴散せしめてレイリー分裂を促進させ、その極微細粒径が０．１乃至２０ｎｍの極微細化水を多量に生成する加圧噴霧手段を用いる構成、若しくは水を加圧のうえその細孔径が８乃至８０μｍに形成されたセラミックフィルターで透水分離させ一旦液滴の粒径を略２０μｍ以下の微細粒径の液滴としたうえ、その付加電圧が５，０００及至１０，０００Ｖの高電場雰囲気内に放散せしめてレイリー分裂を促進せしめ、その極微細粒径が０．３乃至３０ｎｍの極微細化水を多量に生成する構成に存する。
【発明の効果】
【００１０】  本発明は上述の如き構成からなるものであって、主たる燃焼源に都市ガスや天然ガス等のガス類を用いるとともに、このガス類に対してその粒径が０．１及至２０ｎｍの若しくは０．３乃至３０ｎｍの極微細化水が２０乃至５０容量％割合で混合されるものであって、かかる極微細化水ではその粒径が極めて微細で性状が都市ガスや天然ガスと略同等の気体状で且粒径も近似するとともに実質的比重差も無くなるため相互の混合も極めて良好になされる。
そしてガス類と極微細化水とが所要の容量割合で混合されたうえ撹乱分散モジュールを流通することにより、ガス類と極微細化水相互が多方向に撹乱されるとともに、相互の混合性の良好さとも相俟って短時且連続的に均質分散がなされてガスエマルジョン燃料が形成される。
加えて本発明では使用する燃焼機器のガスエマルジョン燃料の供給量に合せて、水の加圧力と噴霧ノズル数若しくはセラミックスフィルターの面積の調整如何で容易に対処できる。【００１１】  かくして形成されたガスエマルジョン燃料はバーナーのガス供給路内を移送されたうえ、その先端において燃焼空気と共に燃焼がなされるものであるが、ガスエマルジョン燃料内に混合される極微細化水はその粒径が極めて微細でガス類の粒径に近似するものであるから、燃焼に際して微爆作用が積極的になされるばかりか、気化熱の剥奪も無く従ってガス類に対して５０容量％の極微細化水が分散混合されても、十分に燃焼性が保持され燃焼がなされる。
そして当然の事ながら、該ガスエマルジョン燃料には極微細化水が２０乃至５０容量％割合で分散混合されるものであるから、該分散混合割合の燃費の低減化と且排気ガスの削減も実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】  都市ガスに対して、水に２ｋｇ／ｃｍ２の加圧を付加したうえ、その孔径が０．２ｍｍ、スプレー角度１２０°のノズルで平均１２μｍの液滴で噴霧させたうえ、その付加電圧が６，０００Ｖの高電場雰囲気内に噴散させてレイリー分裂により平均１１ｎｍの極微細化水を、都市ガスに対し４０容量％割合で混合し撹乱分散モジュールを流通せしめてガスエマルジョン燃料となしたうえ、ガス供給路よりガスバーナー先端に移送させて燃焼する。
【実施例１】
【００１３】  以下に本発明実施例を図とともに詳細に説明すれば、図１は本発明の燃焼方法の説明図であって、ガス１は本発明における主たる燃焼源となるものであって、都市ガスを初め天然ガス等燃焼に供しえるガス類であれば使用できる。
反面水２は本来的には通常の地下水や湧水若しくは水道水が用いられるものであるが、この水２は性状の異なる気体状ガス１と均質な分散混合を図ることによりガスエマルジョン燃料３となすものであって、且ガスエマルジョン燃料３としては一方においてガス１による従来からの燃焼性を十分に保持し、且他方においてはガス１に対して大幅な燃費の低減化と排気ガスの削減化を実現させることが本発明の主たる目的である。【００１４】  これがためには、ガス１に対して混合される水２としては２０乃至５０容量％割合が望まれるとともに、かかる水２の混合により形成されるガスエマルジョン燃料３が、ガス１と同等の燃焼性を発揮させるためには、水２をガス１と略同等の性状即ち液滴の粒径の極微細化、特にはその粒径が０．１乃至２０ｎｍで且比重差の消失等により相互の均質な分散混合を図ること、並びに液滴の極微細化による燃焼時の微爆作用の積極的発揮と燃焼に際しての気化熱の剥奪の防止が不可欠となる。
従ってかかる要件を満足させるうえからは、水２の液滴を望ましくは２０ｎｍ以下に微細化させた極微細化水２Ａとして混合させることが好適である。【００１５】  そこで発明者等は水２を極微細化となすために鋭意研究を重ねた結果、図７に例示するように水Ａを直径４００μ程度の蒸散極Ｂより蒸散Ｃせしめたうえ略５，０００Ｖの高電場雰囲気内Ｄで高電場を付加することによりレイリー分裂が促進されて略２０ｎｍ程度の極微細化された水が略９ｃｃ／ｍｉｎと僅かながら生成しえることを発見した。
而して本発明ではボイラーを初めタービン、内燃機関或いは家庭用燃焼機器へのガスエマルジョン燃料３を生成供給するものであって、例えばボイラーにおいても小型でも１００乃至２００ｌ／ｈｒ、中型でも３００乃至１，０００ｌ／ｈｒ、更に大型では１，０００乃至３，０００ｌ／ｈｒ程度の供給が要請される。【００１６】  これがために更なる研究を重ねた結果、加圧噴霧手段３０若しくは加圧微細分離手段３１により対処できることを究明した。
即ち加圧噴霧手段３０は図２に示されてなる如く、ケーシング３０Ａの上部には水２が加圧ポンプ３０Ｂを介して導水管３０Ｃに導水のうえ、この導水管３０Ｃには所要の間隙を以って噴霧ノズル３０Ｄが配設されている。
この噴霧ノズル３０Ｄは該噴霧ノズル３０Ｄからの噴霧させる液滴の粒径が微細なもの、より望ましくは３乃至１５μｍが極微細化水２Ａを形成するうえからも好適である。
かかる噴霧粒径の液滴の形成には、噴霧ノズル３０の孔径としては０．１乃至０．３ｍｍで且スプレー角度が９０乃至１６０°の広角のものが好適で、且液滴の噴霧粒径は噴霧圧力にも関係するもので、噴霧圧力が２．０〜５．０ｋｇ／ｃｍ２の場合には噴霧ノズル３０Ｄの孔径としては略０．１乃至０．３ｍｍ程度で対処しえる。
反面噴霧圧力が５乃至２０ｋｇ／ｃｍ２と高圧である場合には、噴霧ノズル３０Ｄの孔径もやや大きな０．３乃至０．５ｎｍ程度のものでも使用できる。【００１７】  噴霧ノズル３０Ｄにより所要の微細粒径に噴霧された水は、その下方に設けられた高電場雰囲気３０Ｅに噴散せしめるとともに、該高電場雰囲気３０Ｅに付加される高電場３０Ｆによりレイリー分裂が促進されて極微細化水２Ａが多量に生成される。
いま一つの加圧微細分離手段３１については図３に示されている。即ち加圧微細分離手段３１は図示するようにケーシング３０Ａの上部には水２が加圧ポンプ３０Ｂを介して導水管３０Ｃより加圧槽３１Ａに注水される。そして加圧槽３１Ａの底面には、織成による網目合若しくは穿孔による細孔径が８乃至８０μｍ程度に形成されたセラミックスフィルター３１Ｂが配設されている。
かかる場合のセラミックスフィルター３１Ｂの網目合若しくは細孔径は、加圧槽３１Ａ内に注水された水に加圧させて微細分離できる大きさで、通常加圧槽３１Ａへの加圧は略０．２乃至１０ｋｇ／ｃｍ２程度であり、これ以上細くなると微細分離が至難となり、反面これより粗くなると微細な微細分離ができなくなる。【００１８】  そしてセラミックスフィルター３１Ｂにより所要の微細粒径に微細分離がなされた水は、その下方に設けられた高電場雰囲気３０Ｅ内に放散されるとともに、該高電場雰囲気３０Ｅに付加される高電場３０Ｆにより、レイリー分裂が促進されてその極微細粒径が０．３乃至３０ｎｍの極微細化水２Ａが多量に生成されることとなる。
かかる如くして生成された極微細化水２Ａは極微細化水調整ポンプ４Ｂ、及び他方のガス１のガス調整ポンプ４Ａとによりガス１に対する極微細化水２Ａの混合割合を調整のうえ、撹乱分散モジュール５に供給される。【００１９】  この撹乱分散モジュール５は、図４に示す如く供給されるガス１と極微細化水２Ａとを短時に、相互を撹乱させつつ均質に分散させてガスエマルジョン燃料３が形成されるものである。
この撹乱分散モジュール５は、供給されるガス１と極微細化水２とを短時間内に相互を均質に分散混合できるものであれば実用に供しえるものであって、図４には撹乱分散モジュール５の説明図であって、所要容量のハウジング５Ａの一方側にはガス１を供給するガス供給管１Ａと、極微細化水２を供給する極微細化水供給管２Ｂが連結されている。【００２０】  そして該撹乱分散モジュール５のハウジング５Ａ内には、ガス１や極微細化水２を少ない負圧を以って撹乱分散させつつ相互を均質に混合させる撹乱板５０が適宜数配設されてなるもので撹乱板５０は金属円板の所定半径毎の円周線に沿って所定間隙を以って一方側に三角形状の切欠凸起５０Ａが、更に他方側には異なる所定半径毎の円周線に沿って所定間隙を以って他方側に三角形状の切欠凸起５０Ｂが突出形成されてなり、流通されるガス１や極微細化水２は、一方側に突出形成された切欠凸起５０Ａ及び他方側に突出形成された切欠凸起５０Ｂの切欠形成に伴う空隙部分を流通し、且一方側に突出形成された切欠凸起５０Ａや他方側に突出形成された切欠凸起５０Ｂにより接触撹乱されつつ相互が均質に分散混合され、ガスエマルジョン燃料３が形成される。
更に多量のガス１及び極微細化水２が流通される場合には、負圧を可能な限り小さくする必要上から撹乱板５０を回転自在なスワラ（旋回器）とすることも提案される。【００２１】  かくして撹乱分散モジュール５により形成されたガスエマルジョン燃料３は、該撹乱分散モジュール５の他端５Ｂと連結されるガスバーナー６のガス供給路６Ａに移送される。
このガスバーナー６は、その先端部６Ｂにおいて燃焼に必要な空気供給路６Ｃからの空気とともに燃焼がなされる。
ところでガスエマルジョン燃料３の如く気体燃料の燃焼は、予混合燃焼と拡散燃焼に大別され予混合燃焼はガスエマルジョン燃料と空気を予め均一に混合した予混合気を燃焼させる方式で、未燃混合気と燃焼排気との境界に火炎帯が形成され、この火炎帯が混合気中を伝播する特色を持つ。予混合気をバーナーで連続的に燃焼させれば定常予混合火炎が形成されるが、バーナー噴出口からの予混合気の噴出速度が火炎伝播速度より遅ければ逆火を起こす。かかる予混合燃焼における火炎の構造を図に示す。【００２２】  他方拡散燃焼は、ガスエマルジョン燃料３と空気とが別々に供給され相互拡散によって生じた境界に火炎帯が形成され、燃焼成分と酸素がこの火炎帯に拡散してきて燃焼し、火炎帯は伝播しない。図４は拡散燃焼におけるバーナー６が示されてなるが、予混合燃焼手段による場合は、ガス供給路６Ａの前段に空気を供給する供給弁６Ｄが設けられるものである。尚、予混合燃焼の火炎構造を図５に拡散燃焼における火炎の構造を図６に示しておく。
【産業上の利用可能性】
【００２３】  現状のガスバーナーの前部に、水を極微細化水となす工程と、且この極微細化水とガスとを均質に分散混合させる撹乱分散モジュールを配設するのみで、ガスの燃焼機器に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】  本発明燃焼の説明図である。
【図２】  加圧噴霧手段の説明図である。
【図３】  加圧微細分離手段の説明図である。
【図４】  撹乱分散モジュールの説明図である。
【図５】  予混合燃焼の火炎構造説明図である。
【図６】  拡散燃焼の火炎構造説明図である。
【図７】  従来の水の極微細化方法の説明図である。
【符号の説明】
【００２５】  １    ガス
１Ａ  ガス供給管
２    水
２Ａ  極微細化水
２Ｂ  極微細化水供給管
３    ガスエマルジョン燃料
３０    加圧噴霧手段
３０Ａ  ケーシング
３０Ｂ  加圧ポンプ
３０Ｃ  導水管
３０Ｄ  噴霧ノズル
３０Ｅ  高電場雰囲気
３０Ｆ  高電場
３１    加圧微細分離手段
３１Ａ  加圧槽
３１Ｂ  セラミックフィルター
４Ａ  極微細化水調整ポンプ
４Ｂ  ガス調整ポンプ
５    撹乱分散モジュール
５Ａ  ハウジング
５Ｂ  撹乱分散モジュール他端
５０    撹乱板
５０Ａ  一方側の切欠凸起
５０Ｂ  他方側の切欠凸起
６    ガスバーナー
６Ａ  ガス供給路
６Ｂ  ガスバーナー先端部
６Ｃ  空気供給路
６Ｄ  供給弁
【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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