(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フアーネス壁に面して、燃料油を加熱する半円筒形の油気化管と水を加熱する半円筒形の水気化管を円筒状に対向するように設けると共に、上記油気化管で加熱した燃料油と水気化管で加熱した水を並行に配設した油噴射ノズルおよび水噴射ノズルから所定の割合で混合室に噴射しフアーネスで混合状態で燃焼させる燃焼装置において、
上記水気化管の上部に水過熱部材を設け、水気化管で加熱した蒸気を再加熱したのち水噴射ノズルから混合室に噴射しフアーネスで燃料油と混焼させることを特徴とする燃料油と水の混合燃焼装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料油と水の混合燃焼装置であって、着火時には燃料油に混合する水の注入量の割合が低く、燃焼時間の経過に伴って注入量の割合が高まることを特徴とする燃料油と水の混合燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は灯油、重油等の燃料油と水を個々に保存し、それぞれをノズルから混合器に噴射して燃焼させる燃焼装置に関わるものである。更に詳述すると、燃料油に対する水の混合比率を高めながら失火を抑えることを可能にした燃焼装置に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
燃料油に水を添加し、更に界面活性剤などエマルジョン生成補助剤を加えて燃料油に対する水の割合を３〜２０ Vol％の水を含むエマルジョンとし、燃料油をエマルジョンの状態で燃焼させるエマルジョン燃焼法がある。このエマルジョン燃焼法は油中に分散した水滴が加熱と共に気化、膨張し油滴を爆発的に破壊し、更に水性ガス反応を引き起こし、炎の温度を上昇させる。水を添加しない燃料油に較べ燃料油の完全燃焼を容易にし、有害な窒素酸化物の排出や煤塵量を軽減することができる。
【０００３】
ところが、上記エマルジョン燃焼方式では燃料油に水を添加し、界面活性剤を加えて攪拌したり、超音波による振動を与えて微細な水滴を油に、もしくは油に水滴を分散しエマルジョンを生成するが、その工程は煩雑なだけではなく、油が比較的軽質の場合、保存状態でエマルジョンが破壊され油と水が分離したり、多量の水を注入する場合や粘度を低下させるため油を余熱するとき、エマルジョンを保持している平衡状態が崩れ、上記同様にエマルジョンが破壊され油と水が分離したり、分離しないまでも、乳化状態が悪化して水粒子が肥大化し、細かな乳化によって得られる筈の期待される微小な水滴が油滴を爆発的に破壊する反応が行われない場合があった。
【０００４】
このため、燃料油と水を所定の割合でフアーネス内部に噴射し混合して燃焼させる混焼方式が比較的小型の燃焼炉に使用されている。この場合、気化器で気化させた油を水蒸気ノズルを通じて空気と共に、混合器内に噴射する。このとき混合器内に渦流が形成され燃焼を促進する。この混焼方式の場合、燃料油に対する水の割合を２０〜４０ Vol％まで上げることができる。
この方式でも、エマルジョン燃焼法と同様に燃料類の燃焼が完全に行われ、有害な一酸化炭素や窒素酸化物の排出や煤塵量を軽減することができる。従って、長期に亘ってバーナやフアーネス内部の炉壁にカーボイド、カーボン等が付着しにくい利点があり、また、煤が発生しにくく燃焼効率がよい。一酸化酸素が炭酸ガスに変換される過程で生成される熱が、水がフリーラジカルとなるに必要な熱よりも大きいため、生成した水素の酸化反応が起こる。このため、通常の燃料のみを単独で燃焼させるときよりも火炎温度が高くなる。また、一次空気を限界まで減らすことができるので、排気ガスによる熱損失を減少させることができる。更に、室内の開放状態で燃焼させる場合には室内に適当な湿度をもたらすなどの利点がある。
【０００５】
特開平３−１４８５０６号公報に開示されている燃焼機はこのようなものの一例で、その燃焼機の横断面図を図４に、また、発明に関わる燃焼機の要部を図５に示す。
【０００６】
図４および図５において、液体状の燃料油を供給するため油供給元管３４の一端は図示しない燃料油タンクに連結され、その他端はバルブ３３を介して油流入管３２の一端に連結され、その他端は油気化管１６の下部の管口部１９に連結されている。バルブ３３は燃料油タンクから送られてくる燃料油の供給の調節を行うものである。図４に示した矢示は燃料油の流れの方向を示している。
同様に、液体状の水を供給するための水供給元管３８の一端は図示しない水タンクに連結され、その他端はバルブ３７を介して水流入管３６の一端連結され、その他端は水気化管１７の下部の管口部２０に連結されている。バルブ３７は水タンクから送られてくる水の供給の調節を行うものである。
【０００７】
油気化管１６は燃焼のさいの熱で油を気化させるための容器であり、フアーネス３１を取り巻くように設けられ、油気化管１６の上部管口部２１には油流入管３２で送られた気体状になった油を取り出す気化油供給管２３の一端が連結されている。この気化油供給管２３は通風管１４の上板を貫通し、保護箱１８内部の油噴射ノズル２４に連結されている。
同様に、水気化管１７は燃焼のさいの熱で水を気化させるための容器であり、油気化管１６と対向するようにフアーネス３１を取り巻くように設けられ、水気化管１７の上部管口部２２には蒸気になった水を取り出す気化水供給管２５の一端が連結されている。この気化水供給管２５は通風管１４の上板を貫通し、保護箱１８内部の水噴射ノズル２６に連結されている。
【０００８】
これら２つの噴射ノズル２４、２６は、熱板１２を支持した支持体２８のＬ字状に曲がった一端近傍に設けられた混合室２９内に噴出するようになっている。この混合室２９に噴出した気化状態の燃料油および水は、支持体２８内部の空隙を上昇し、熱板１２内に流入し、通気孔１３から噴出してフアーネス３１で燃焼するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の燃料油と水を所定の割合でフアーネス内部で混焼させる燃焼方式ではエマルジョン燃焼方式に較べ燃料油に対する水の比率を増加することができる。この結果、更に油滴の破壊や水性ガス反応を好適に行わせて燃料油の完全燃焼を容易にし、有害な窒素酸化物の排出や煤塵量を軽減することができるが、水の比率を更に増加させると失火が起こる。この失火を１次空気や２次空気を調節して防ぐ方法は甚だ煩わしく多大の労力を必要とする。
【００１０】
発明者はこの失火を防ぐ方法を種々実験した結果、燃料油と混焼させる蒸気の温度を更に上昇させ過熱蒸気とすることにより燃料油に対する水の比率を更に増加させ、水の割合を５０〜７０ Vol％まで上げることができるので失火が起こりにくくなることを見出した。この事実から、着火初期で水気化管への熱の移動が十分に行われていないとき、すなわち、水噴射ノズルから噴射される蒸気の温度が低いときは燃料油に対する水の比率を低くすると共に、水気化管の温度が上昇すると共に燃料油に対する水の比率を次第に上げ、過熱蒸気が噴射されるとき好適な油水比率とし、失火のない高効率の燃料油と水の混焼装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の燃料油と水の混合燃焼装置は、フアーネス壁に面して、燃料油を加熱する半円筒形の油気化管と水を加熱する半円筒形の水気化管を円筒状に対向するように設けると共に、上記油気化管で加熱した燃料油と水気化管で加熱した水を並行に配設した油噴射ノズルおよび水噴射ノズルから所定の割合で混合室に噴射しフアーネスで混合状態で燃焼させる燃焼装置において、上記水気化管の上部に水過熱部材を設け、水気化管で加熱した蒸気を再加熱したのち水噴射ノズルから混合室に噴射しフアーネスで燃料油と混焼させることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２の燃料油と水の混合燃焼装置は、請求項１記載の燃料油と水の混合燃焼装置であって、着火時には燃料油に混合する水の注入量の割合が低く、燃焼時間の経過に伴って注入量の割合が高まることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に関わる燃料油と水の混合燃焼装置の構成図であり、図２は本発明に関わる燃料油と水の混合燃焼装置の一実施例を示す要部説明図で、図４に示した従来例と対照されるものである。
【００１４】
図１および図２において、１は燃料油タンクであり、２は水道水などの水を収納した水タンクであり、おのおののタンクからでた燃料油および水は図示しないサーボモータで駆動する油ポンプ３および水ポンプ４でその流量が制御される。この流量の制御は制御部５で行われ、装置のＯＮ、ＯＦＦ以外に装置の異状時の緊急停止などに利用される。特質すべきことは、油気化管１６から吐出する油温度や水気化管１７から吐出する蒸気温度に併せてその流量が制御される。油温度および蒸気温度は油気化管１６および水気化管１７の吐出口管路に設けた温度センサ６、７から得られる。
【００１５】
油流入管３２、水流入管３６はそれぞれのポンプから燃料油加熱部を構成する横断面が半円筒形に屈曲した油気化管１６の下方部の管口部１９と、水を加熱部を構成する半円筒形に屈曲した水気化管１７の下方部の管口部２０に接続している。上記の一対の気化管１６、１７は対向するように設けられ円筒状の形態でフアーネス３１の壁を形成している。油気化管１６で加熱され油気化管１６の上方部の管口部２１をでた加熱油は気化油供給管２３を介して混合室２９後方にある油噴射ノズル２４に入り噴出される。ノズル２４周辺の混合室２９入口には燃焼に必要とする１次空気を導入するためノズル２４先端を取り囲むように環状の空隙が設けられている。また、フアーネス３１の下方部には２次空気を導入する開口部１５を設けることができる。
【００１６】
他方、水気化管１７で加熱され水気化管１７の上方部の管口部２２をでた蒸気は蒸気搬送管８を通って蒸気を再加熱する過熱管９の一方の管口部１０から過熱管９に入る。過熱管９は耐熱性金属から形成された螺管で、例えば、一対の気化管１６、１７が成す円筒上部に同じ口径に巻装される。この過熱管９で過熱された蒸気は他方の管口部１１をでて気化水供給管２５から油噴射ノズル２４に並行して設けられた水噴射ノズル２６に入り燃料油と共に噴出される。
【００１７】
なお、気化管１６、１７は１室からなる管体で構成してもよく、また管体中に階段状や螺旋状の流路を形成してもよい。また上記において過熱管９は気化管１６、１７上に気化管１６、１７が成す円筒上部と同じ口径に巻装されているが、燃焼生成物の排出に支障のない範囲でフアーネス上部に設けてもよい。
【００１８】
このような構成された本発明の装置において、燃料油は油気化管１６で加熱されて粘度が低下するので油噴射ノズル２４からの噴射状態がよくなり細かな粒子となってフアーネスで燃焼する。他方、水気化管１７で加熱され蒸気は過熱管９に入いり高温蒸気となっているので水噴射ノズル２６から高温微小霧滴となって混合室２９で細かな粒子となった油滴と混合する。このような状態では過熱管９を通過させ無かった蒸気に較べ、燃料油に対する水の量を多く供給して燃焼しても失火することがない。
【００１９】
比較のため過熱管９を通過させなかった蒸気と過熱管９を通過させた蒸気の失火に対する影響を実験的に確かめたところ、同じ構造の装置で過熱管９を通過させなかった蒸気では最大、油／１００：水／４０が失火限界であったのに対し過熱管９を通過させた過熱蒸気では油／１００：水／７０まで失火限界を拡張することができた。
【００２０】
図３は加温した燃料油の温度を一定に固定し、水噴射ノズルから噴射する蒸気の温度を変えるとき、燃料油と水の混合比率がどの程度失火に影響を与えるかを示す実測図の一例である。
【００２１】
図の横軸は燃料油に混合する水の注入量の割合であり、縦軸は水噴射ノズルから噴射する蒸気の温度である。図は蒸気の温度の上昇に伴って燃料油に混合する水の注入量の割合を高めても失火が起こらないことを示している。逆に、水噴射ノズルから噴射する蒸気の温度が低いとき水の注入量の割合を多くすると失火がおこることを示しめしているので、燃焼初期のような気化管での加熱が不十分なときには燃料油に混合する水の注入量の割合を低くする必要があることを示している。
【００２２】
図１に示した温度センサ６、７から得られた温度が制御部５に入ると、実験的に得られた上記のようなデータから、制御部５が得られた温度に対応する最適な燃料油と混焼する水の注入量の割合を算出し、サーボモータの駆動を介して油ポンプ３および水ポンプ４でその流量を制御する。なお、燃料油の種別、装置の構成等により実験データは変わるので、制御部５には実験結果に応じてこのデータを逐次変更できる変更機能を構成してもよい。
【００２３】
このような燃料油に多くの水を混合した燃焼では炎の温度を限界まで上昇させ、水を添加しない燃料油に較べ燃料油の完全燃焼を容易にし、ＣＯ、有害な窒素酸化物の排出や煤塵量を軽減することができる。しかも、生成した排出ガスには多量の湿分を含むため乾燥した室内の調湿に有効で、特に高温多湿に適合する植物用成育ハウス、温室の保温用暖房に好適で植物への遣水を少なくすることができる。この場合、湿分には夾雑物を含まぬため、茎葉を美しく保持することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、加熱した蒸気を再加熱する過熱管を気化管上部に設け、水気化管を通過した蒸気を再加熱させた後水噴射ノズルから混合器内部に噴射して燃料油を燃焼させるので、加熱管で過熱蒸気となった水は微粒子状態で燃料油と混合する。このため、継続的な燃焼状態で燃料油と混焼する水の量を増大させることができる。
【００２５】
また、着火時には燃料油に混合する水の注入量の割合を低く、燃焼時間の経過に伴って注入量の割合を高めることがができるので、燃料油に対する水の注入量の割合を失火させることなく増大させることができる。このため、安定した燃焼が維持される。
【００２６】
燃料油に混合する水の注入量を高めて、炎の温度を上昇させ、水を添加しない燃料油に較べ燃料油の完全燃焼を容易にし、ＣＯや有害な窒素酸化物の排出、および煤塵量を軽減することができる。しかも、生成した排出ガスには多量の湿分を含むため乾燥した室内の調湿に有効で、特に高温多湿に適合する植物用成育ハウス、温室の保温用暖房に好適である。この場合、湿分には夾雑物を含まぬため、茎葉を美しく保持することができる。
【００２７】
更にまた、本発明では、構造が簡単であるので金属材料をもって容易に形成することが可能なばかりでなく、軽量且つ容易に造ることができる。また、長期に亘って安定して動作するので経済性が高いばかりでなく、設置や移動が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる燃料油と水の混合燃焼装置の説明図である。
【図２】本発明に関わる燃料油と水の混合燃焼装置の一実施例を示す要部説明図である。
【図３】加温した燃料油の温度を一定に固定し、水噴射ノズルから噴射する蒸気の温度を変えるとき、燃料油と水の混合比率がどの程度失火に影響を与えるかを示す実測図の一例である。
【図４】従来例の燃焼機の横断面図である。
【図５】従来例の燃焼機の要部を示す図である。
【符号の説明】
３  油ポンプ
４  水ポンプ
５  制御部
６  温度センサ
７  温度センサ
８  蒸気搬送管
９  過熱管
１６  油気化管
１７  水気化管
２４  油噴射ノズル
２６  水噴射ノズル
２９  混合室
３１  フアーネス
【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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