含水燃料油とその製造方法
【課題】高価な界面活性剤を使用せず、しかも保存中に燃料油中に細かく分散させた微細水粒子が容易に合体成長せず、従って合成直後からの撹拌の必要もなく、ある程度の時間無撹拌でも均一分散性を保つことができて容器と燃焼装置との距離を取ることが出来、加えて燃焼効率の更なる効率化も見込める画期的な含水燃料油とその製造方法を実現する。
【解決手段】燃料油１に微細水粒子が分散した含水燃料油１０であって、該微細水粒子中に超微細油粒子が分散している。
【解決手段】燃料油１に微細水粒子が分散した含水燃料油１０であって、該微細水粒子中に超微細油粒子が分散している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重油或いは廃てんぷら油又はこれら単体或いはその混合油やこれらに高粘度の添加油を加えた高粘性燃料油と水の混合液からキャビテーションによる局部的な高圧・高温作用（ソノケミストリー効果）によって、該燃料油中に微細かつ容易に合体成長せず且つ更にその内部に大量の超微細油粒子を分散含有する微細水粒子が均一に分散した含水燃料油とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の燃料費の高騰と温暖化にまつわる地球環境問題に対する意識の高まりから、優れた省エネプラス環境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、内燃機関などは燃焼効率の更なる向上と、排気ガスの浄化による煤のようなパーティクルの排除、ＮＯｘの低減が求められている。
【０００３】
石油燃料の完全燃焼には理論的にその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空気量よりも３０％程度多くの空気吹き込みがなされる。この過剰な空気は、燃焼熱を伴う高温排気ガスとして放出されるために理論空気量を吹き込んだ場合と比べて３０％程度の燃料が無駄に消費されていることになる。
【０００４】
この過剰空気を減少させると不完全燃焼となって煤（パーティクル）など呼吸器や周囲環境に悪影響を与える煤塵が必然的に発生する。そこで燃焼効率を上げて煤塵のような有害な排気ガス成分を減少させる１つの方法として、燃焼装置のノズル形状を改良して燃料油を燃焼室内で微細に噴霧し、同時に吹き込まれる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、勿論、燃料油を完全燃焼させるために過剰空気は不可欠であるため、そのための熱損失は不可避である。
【０００５】
前記ノズル形状の改良の他、燃焼効率を向上するために、燃料油を燃焼室において微細分散させる多くの試みもなされてきた。中でも重油のような燃料油に水を添加してエマルジョン化すると、微細水滴が分散した燃料油が燃焼室に霧状にして吹き込まれ、燃焼時に微細水滴がマイクロ破裂を起こして周囲の燃料油を微細分散させ、同時に吹き込まれる空気との接触面積を高めて燃焼効率を高めることが古くから良く知られている。
【０００６】
この方法では燃料油中に水をできるだけ細かく均一に分散させる必要があるが、水と油とは互いに交じり合わないため、界面活性剤を用いて燃料油と水をエマルジョン化（乳化）し、これを燃料とするエマルジョン燃料が開発されている（特許文献１）。エマルジョンは食料、薬品、化粧品の分野で広く用いられており、それを連続的に製造する装置にはホモジナイザー、コロイドミル、フロージェットミキサーなど超高圧や高速回転を用いるものがあるが、これらはいずれも界面活性剤を使用してエマルジョンを製造している（非特許文献１）。
【０００７】
しかしながら、高価な界面活性剤を大量に必要とすることが、エマルジョン燃料使用による燃費節約効果の最大の障害となっている。そこで、界面活性剤を使用することなく燃料油と水を機械的な攪拌によって混合する試みがなされている（特許文献２，３）。機械的な攪拌は効率が低く水を燃料油中にある程度細かく均一分散させるためには時間がかかるという欠点がある。この欠点を解決するための方法の1つとして、超音波振動によるエマルジョン燃料の製造法が提案されている（特許文献４）。この方法は、超音波振動板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（ただし、剪断流を伴わない乱流）を起こし燃料と水の混合液をエマルジョン化するというものである。その他、燃料油と焼酎粕のアルコールと大量の水を含む絞り液と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（ただし、剪断流を伴わない単なるベンチュリ作用）を施すことで均質なエマルジョン燃料を製造する方法も提案されている（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】乳化技術と乳化剤の開発、ＣＭＣ出版（2004）、p.86
【特許文献１】特許第３，８７７，０７８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２００６−３２２４６３号公報
【特許文献５】特開２００８−６３５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のようにエマルジョン燃料を作製するには、界面活性剤を用いる方法、機械的撹拌方法、剪断流を伴わない超音波振動エマルジョン化方法、剪断流を伴わない超音波振動・マイクロバブル処理併用方法も提案されているが、現実的には製造されたエマルジョン燃料はそのまま直ちに燃焼装置に送り込まれるというのではなくて、一度に多量の合成がなされて容器に貯えられ、それを徐々に燃焼装置に供給して燃焼する方式が取られている。この場合、界面活性剤を使用していない含水燃料油は勿論、界面活性剤を使用している含水燃料油でも油分中に分散している水粒子と油の比重の違いから粒径が比較的大きく比重の重い水粒子が短時間で容器の底部に次第に沈降してきて底部には水分リッチ、上澄み部分ではオイルリッチとなって均一分散性が損なわれる。
【００１０】
加えて底部で粒径が比較的大きい水粒子同士が直接接触して合体して更に大きな水粒子を形成して均一分散性を更に損なう。そしてこの均一分散性が損なわれた含水燃料油を吹き込むと燃焼温度のムラや燃焼途中での立ち消えなど燃焼装置での均一な燃焼が妨げられるという問題や、水分リッチ分の燃料油を燃やそうとすると前述の燃焼不良、甚だしい場合には着火不良というような問題も引き起こす。
【００１１】
このような問題に対処するために仮に容器中の含水燃料油を常時撹拌するとすることも考えられるが、一旦、水粒子同士の合体が行われて大きな水粒子（例えば、直径が１ｍｍ以上のもの）を形成してしまうと再キャビテーションティ処理を行わない限り、撹拌しても大きな水粒子が油中に散らばるだけであり、これを燃焼装置に吹き込むと大きな水粒子が小爆発（マイクロエクスプロージョン現象）して周囲の燃料油を弾き飛ばして空気との混合を助け、燃焼反応をある程度促進するものの、この時同時に水蒸気を発生して気化し、これが周囲の熱を奪って結果的に燃焼温度を大きく下げてしまうという問題もある。従って、合成された従来の含水燃料油は合成直後から常に撹拌しておく必要があること（但し、攪拌中における水粒子の直接的な接触による合体・成長の抑制は困難である。）、これが故に合成された従来の含水燃料油の容器と燃焼装置との距離が取れないこと（容器と燃焼装置との距離が長いとその間に油水分離を生じるため。）、これが原因で時として起こる前記燃焼不良や着火不良が含水燃料油の普及を妨げる大きな原因となっていた。界面活性剤を用いないものは特にこの傾向が強い。
【００１２】
本発明は高価な界面活性剤を使用せず、しかも保存中に燃料油中に細かく分散させた微細水粒子が容易に合体成長せず、従って合成直後からの撹拌の必要もなく、ある程度の時間無撹拌でも均一分散性を保つことができて容器と燃焼装置との距離を取ることが出来、加えて燃焼効率の更なる効率化も見込める画期的な含水燃料油とその製造方法を実現することを主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、「燃料油１に微細水粒子が分散した含水燃料油１０であって、該微細水粒子中に超微細油粒子が分散している」ことを特徴とする。
【００１４】
請求項２は「請求項１に記載の微細水粒子の表面に更に付着物が付着している」ことを特徴とする。
【００１５】
請求項３は請求項１又は２に記載の含水燃料油１０の限定で、「燃料油１が軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油の夾雑物濾過品のいずれか１又は２以上の混合油である」ことを特徴とする。
【００１６】
請求項４は請求項３に記載の含水燃料油１０の更なる限定で、「請求項３の燃料油１に更に添加される添加用燃料油の３０℃における動粘度が軽油より高い可燃性燃料油である」ことを特徴とする。
【００１７】
請求項５は添加される水の限定で、「添加水２は、水又は水溶性切削油の含有水或いはこれらの和である」ことを特徴とする。
【００１８】
請求項６は請求項１〜５に記載の含水燃料油の製造方法で、「燃料油１と添加水２とを容器３に供給した後、該容器３から圧送ポンプ４にて剪断流を含む乱流領域を形成するキャビテーション発生装置５に送り込み、超微細油粒子が分散している微細水粒子を燃料油１中に生成分散させて含水燃料油１０を合成し、該含水燃料油１０の一部を燃焼装置９に供給すると共に残部を容器３に回流させる」ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の発明では、微細水粒子中に超微細油粒子が分散しているので、従来のような超微細油粒子を内部に含まない水粒子に比べて微細水粒子の比重が内部に分散している超微細油粒子分だけ軽量化され、水に比べて比重の軽い燃料油中での微小水粒子の沈降が抑制される。その結果、含水燃料油中の微細水粒子の均一分散が長く保たれることになる。特に、燃料油が軽油、Ａ重油又は廃てんぷら油の夾雑物濾過品であって、これら単体の油にＣ重油や、３０℃における動粘度が軽油より高い可燃性燃料油を更に添加する場合には、これら混合燃料油の動粘度は単体の燃料油に比べて十分高く、混合燃料油内に分散した微細水粒子は高い粘度に阻まれて沈降が阻害され、長時間の均一分散性を保つ。特に、前述のように微細水粒子中に超微細油粒子が分散しているので、微細水粒子の比重は混合燃料油の比重に近くなるから浮き易く混合燃料油中での微細水粒子の沈降は更に抑制される。それ故、ある程度の長時間の無撹拌保存下であっても微細水粒子の油中均一分散維持が実現する。
【００２０】
また、添加水に水溶性切削油を使用する場合は、産業廃棄物として処理する他なかったものをその中の界面活性剤が微細水粒子の更なる微細化（粒子の直径が１０μｍ以下。）と超微細油粒子の取り込みに貢献する有用資源として働かせることが出来るようになる。
特に、微細水粒子の直径が１０μｍ以下の場合、微小水粒子のマイクロ破裂時に煤と水とが反応する発熱性の水性ガス化反応により、水素と一酸化炭素を生成することになるので、従来例で述べたように、直径が１ｍｍというような大型水粒子のと異なり、気化熱を周囲から奪わず、燃焼温度の大幅低下を招くようなこともない。
【００２１】
また、本発明の製造方法では、圧送ポンプ４にて攪拌された燃料油１と添加水２とを剪断流を含む乱流領域を形成するキャビテーション発生装置５に送り込み、攪拌によって燃料油１に分散した水滴を剪断流にて更に細かい微細水粒子（９０μｍ〜３０μｍ或いは１０μｍ以下）にすると同時に剪断流にて燃料油１から微細に引き千切られた超微細油粒子が前記微細水粒子に入り込んで含水燃料油１０を燃料油１（Ｏ）／微細水粒子（Ｗ）／超微細油粒子（Ｏ）の３相エマルジョンとすることが出来、しかもこのように合成された含水燃料油１０の一部を燃焼装置９に供給すると共に残部を容器３に回流させるようにしているので、回流分は新たに供給された燃料油１と添加水２と共にキャビテーションされることになり、含水燃料油１０は常に多量の超微細油粒子含有微細水粒子が均一に分散した３相エマルジョンになる。加えて、燃料油１中に含まれている不可知不純物質がキャビテーションによる局部的な高圧・高温作用（ソノケミストリー作用或いはメカノケミカル反応）により微細水粒子への表面付着物が発生し、この表面付着物により微細水粒子同士の直接接触が妨げられて合体・成長が抑制され、長時間の多量の超微細油粒子含有微細水粒子の均一分散が維持できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】２０容量％含水Ａ重油のキャビテーション処理を施した本発明に係る含水燃料油の顕微鏡写真。
【図２】Ａ重油に希釈した水溶性切削油を添加してキャビテーション処理を施した本発明に係る含水燃料油の顕微鏡写真。
【図３】表面に付着物が付着していると見られる本発明に係る含水燃料油の顕微鏡写真。
【図４】膜が形成されていると見られる本発明に係る含水燃料油の顕微鏡写真。
【図５】本発明に係る含水燃料油合成装置の構成を示すフロー図。
【図６】図５の装置に使用するキャビテーション発生装置の断面図。
【図７】図６の中央断面図。
【図８】Ａ重油に水の添加量を変えてキャビテーション処理した本発明に係る含水燃料油の燃焼炎温度と添加水量の関係を示すグラフ。
【図９】Ａ重油に水の添加量を２０容量％一定とし、Ｃ重油の添加量を変えてキャビテーション処理をした本発明に係る含水燃料油の燃焼炎温度とＣ重油添加量の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施例に従って説明する。含水燃料油の構成の一例を示すと、以下のような組み合わせとなる。
(1)軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油（一般的にはその夾雑物濾過品更にはグリセリン除去品がディーゼル用燃料として使用されている。）のいずれか１又は２以上の混合油が主成分で、水又は水溶性切削油のいずれか１又は両者が添加される場合。
(2)軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油のいずれか１又は２以上の混合油が主成分で、添加用の燃料油が３０℃における動粘度が軽油より高い可燃性燃料油（例えば、廃グリス油のような潤滑廃油、廃エンジンオイル、廃ブレーキオイルなど）と、水又は水溶性切削油のいずれか１又は両者が添加される場合。
【００２４】
軽油及び廃てんぷら油単体を主成分とする含水燃料油の場合は、主としてディーゼル用のような軽油用途に使用される。主成分がＡ重油単体又はこれに軽油、Ｃ重油又は廃てんぷら油が少量添加される含水燃料油の場合は、Ａ重油の用途に使用され、主成分がＣ重油単体又はこれに軽油、Ａ重油又は廃てんぷら油が少量添加される含水燃料油の場合は、Ｃ重油の用途に使用される。なお、軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油は単体で含水燃料油に適用することも可能であるから、これらを２以上混合して含水燃料油とする場合、用途によって好ましい容量配合比があるが、基本的にはその容量配合比は特段限定されるものではない。後述するように含水燃料の添加水の添加量（容量比）は、主成分の単体又は混合燃料油に対して１０〜３０容量％であるから、主たる燃料油に対して添加される燃料油の容量％は大略２０％以下となる。
【００２５】
軽油、Ａ重油、Ｃ重油の性状はＪＩＳ規格に記載の通りであり、周知事項であるから詳細は割愛する。これに対して廃てんぷら油は酸敗したもので、その動粘度を始めとするその性状は一定ではないが、軽油相当品としての位置付けであるから、その動粘度(３０℃)ｍｍ2/ｓは軽油特１号［ＪＩＳ Ｋ２２８３で（２．７ｍｍ2/ｓ）］よりも動粘度の高いもので、夾雑物濾過品を使用の対象とする。なお、廃てんぷら油はてんぷら油やサラダ油など動物性又は植物性のいずれでも良い。
【００２６】
上記(2)の主成分の単体或いは混合燃料油に混入される添加用燃料油は、３０℃における動粘度が前記軽油より高い可燃性油の燃料油、例えば、発電施設、動力設備、機械装置、車両に使用される粘度の高い可燃性の廃油（例えばグリス油のような潤滑廃油、廃エンジンオイル、廃ブレーキオイル）である。比較の基準となる軽油の３０℃における動粘度は前述の通りである。
【００２７】
水溶性切削油は、界面活性剤で機械油をコロイド状にして水に分散させたもので、Ａ１種、Ａ２種 及び Ａ３種があり、Ａ１種は、鉱油や脂肪油など、水に溶けない成分と界面活性剤からなり、水に加えて希釈すると外観が乳白色になるものであり、Ａ２種は界面活性剤など水に溶ける成分単独、または水に溶ける成分と鉱油や脂肪油など水に溶けない成分からなり、水に加えて希釈すると外観が半透明ないし透明になるものであり、Ａ３種は水に溶ける成分からなり、水に加えて希釈すると外観が透明になるものとされている。いずれも大量の水分を含み、前２者は界面活性剤を含む。水溶性切削油は添加水の範疇に含められ、単独又は水との併用の場合は、その含有水分量が添加水としてカウントされる。本実施例では切削粉などの夾雑物を除いた廃水溶性切削油が基本的に使用対象となる。勿論、前述のてんぷら油や添加用の可燃性燃料油、ここで述べる水溶性切削油はいずれもコスト面から廃油を対象としている。
【００２８】
主成分の単体又は混合燃料油に対する添加水（水溶性切削油の含有水分量も含む）の混合比率（容量比）は、基本的には合成された含水燃料油の燃焼温度や使用態様がそれぞれの用途、即ち、軽油、Ａ重油或いはＣ重油として使用できる範囲内に限られ、水の添加によって燃焼状態が損なわれる場合や燃焼温度が低くなり過ぎる場合、或いは水添加量が過小で水添加の意義がないような場合は除かれる。
【００２９】
水の添加量と燃焼温度との関係、Ｃ重油添加の関係を示すものとして、図８，９を示す。図８はＡ重油に水の添加量を変えてキャビテーション処理した本発明に係る含水燃料油の燃焼炎温度と添加水量の関係を示すグラフであり、図９はＡ重油に水の添加量を２０容量％一定とし、Ｃ重油の添加量を変えてキャビテーション処理をした本発明に係る含水燃料油の燃焼炎温度とＣ重油添加量の関係を示すグラフである。グラフの内容に付いては後述する。
【００３０】
また、添加用燃料油として粘度の高い可燃性の廃油が添加される場合、添加量が過多で燃焼温度が低すぎる範囲や安定的な燃焼が困難な範囲は除外される。概略的に言えば、前述のように主たる燃料油に対して容量比が２０％程度になる。ただ、これを過多に混合することにより粘度が高くなりすぎて常温で軽油又はＡ重油としての使用が妨げられるような場合、例えば常温で燃焼装置への円滑な給油ができない場合には、給油可能温度まで加温することになる。Ｃ重油の場合は、単独でも粘性が高いので同様に通常は給油可能温度まで加温することになる。加温によっても給油できないような場合は本発明の範囲から除害される。
【００３１】
次に本発明の含水燃料油の製造方法に付いて説明する。図６、７のキャビテーション発生装置５に軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油単体又はこれらの少なくとも２以上を混合した燃料油１と水又は水溶性切削油単体又はこれらを混合した添加水２を所定容量比で通過させた。これにより燃料油１と添加水２の混合物は薄茶色の微細水粒子均一分散状態の含水燃料油１０となった。実際は後述する図５の装置で循環させつつ合成する。
【００３２】
前記キャビテーション発生装置５は、内部に圧縮側出口部１２に向かってその中心軸に直交する断面積を漸減する通流燃料圧縮側の第１ノズル１１が形成され、該第１ノズル１１の圧縮側出口部１２に対向し且つ一致して第２ノズル１３の膨張側入口部１４が形成されており、第２ノズル１３は下流方向に向かってその中心軸に直交する断面積を漸増するように穿設されている。そして、両者１２，１３の間に形成される間隙がこの部分を通過する流体に大きな剪断流を伴う乱流を引き起こさせる剪断流発生間隙１５である。剪断流発生間隙１５は図６のように圧縮側出口部１２から膨張側入口部１４との間の空間に対して直交して開口する室（空間）でも良いし、図示していないが、該空間全体を取り囲む円形の室（空間）でも良い。なお、通過流体の性状により、この剪断流発生間隙１５の開口幅Ｓを捩じ込み量の変更によって調節するようにしてもよいし、圧縮側出口部１２の内径をＷ１とし、膨張側入口部１４の内径をＷ２とした時、内径Ｗ１とＷ２は同一としてもよいし、異なるようにしてもよい。このキャビテーション発生装置５は１基で使用することも可能であるし、複数組を直列に配置して使用すること（これにより微細水粒子の直径がより微細且つ均一に、例えば１０μｍ以下になる。）、或いは量が必要な場合は複数機を並列使用することも可能である。
【００３３】
このように構成されたキャビテーション発生装置５に所定混合比で燃料油１と添加水２との混合液を圧送すると混合液は第１ノズル１１を通過する間に高速化し、第１ノズル１１の圧縮側出口部１２で急激に絞られた後、剪断流発生隙間１５内で急膨張し、更に続く膨張側入口部１４で急に絞られる結果、剪断流発生隙間１５内で激しい剪断流を伴う乱流を生じる。
【００３４】
そして、この激しい剪断流を伴う乱流はその状態を保ったまま細い膨張側入口部１４で絞られてから第２ノズル１３に突入して急膨張する。この通流混合液は第２ノズル１３の中で流れの幅（換言すれば流れに直交する面積）を増すことによって生じる急膨張によって急激な圧力低下が生じる結果、剪断流発生隙間１５から第２ノズル１３の膨張側入口部１４を越えるところまでの領域で流体中にキャビテーションが発生して瞬時に水滴が微細化され、無数の微細水粒子を発生する。同時に急激な圧縮・膨張と激しい乱流によって燃料液１も細かく引き千切られて微細水粒子内に多量の超微細油粒子となって取り込まれる。この結果、内部に多量の超微細油粒子が分散した微細水粒子を含有する含水燃料油１０が合成される。更にこの間、既に述べたソノケミストリー作用又はメカノケミカル反応により燃料油内の不純物から反応性生物が生じて微細水粒子の表面に付着或いは微細水粒子の表面に膜を形成する。
【００３５】
なお、内径Ｗ１、Ｗ２を違えると剪断流を伴う乱流度が増加するし、剪断流発生隙間６３の幅Ｓを選定すれば燃料油１と添加水２の混合液の流量や流速、粘度にも依るが剪断流を伴う乱流度を更に増加させることが出来る。また、図の実施例では剪断流発生間隙１５は１つであるが、２以上隣接させて併設してもよく、その場合には乱流度合いを更に向上させる。また、常温で粘性の非常に高いものは加熱して粘性を落として処理する事になる。
【００３６】
図１は前述の方法により合成された本発明に係る含水燃料油（Ａ重油）の顕微鏡写真（内部構造が分かり易くするため、粒径の大きいものを選択して撮影した。）で、含水燃料油中に分散している微細水粒子の粒径は大小様々であるが、含水燃料油の組成（合成条件もある程度関係する）により微細水粒子の直径の正規分布のピーク値は移動し、例えば直径が９０〜３０μｍのものが多く含まれるものや、直径が１０μｍ以下のものが多く含まれるものなどに様々なものが合成される。いずれの場合でもその水粒子は燃料油中に均一に分散しており、内部に燃料油の超微細油粒子が無数に分散している。即ち、本発明に係る含水燃料油はＯ（燃料油）／Ｗ（水粒子）／Ｏ（水粒子中の燃料油の微細粒）型の３相エマルジョンである。そして前記水粒子内の超微細油粒子の分散状況は時間と共に変化することもあり、例えば、時間の経過に連れて微細水粒子の内面側に集まり、外部から見えにくくなることもあるが、含水燃料油を攪拌すると再び微細水粒子内に分散状態を示すようになる。また、同顕微鏡写真から微細水粒子の外面に付着した微細付着物（図３）と思われるもの（或いは形成された膜；図４ 本明細書では膜も含めて微細付着物と表現する。）も観察される。燃料油には無数の且つ不可知の不純物質が含まれているので、含水燃料油合成のキャビテーション過程におけるメカノケミカル反応で生成された生成物が微細水粒子の表面に付着したものと推測される。この微細付着物は次に述べるように微細水粒子の合体・成長を阻害する働きを持つと推測される。
【００３７】
Ａ重油と２０容量％の水の混合液を２組用意し、一方を激しく振盪攪拌し、他方を図６，７のキャビテーション装置に通した。振盪攪拌した混合液（含水燃料液）は、処理直後から上の重油層（黒褐色）と下の水を多く含む層（薄茶色）に分離が始まり、下の層では水滴が凝集して一時間後に透明な水の層が増加した。これは振盪攪拌により振盪攪拌直後では水粒子（直径３０〜３００μｍ程度）がある程度均一に分散しているものの、内部に超微細油粒子を含有していないために燃料油よりも比重の大きい微細水粒子が短時間で沈降して容器の底部に溜まり、且つ底部で互いに直接接触した微細水粒子が次第に合体して大きな水粒子に成長し、容器内の含水燃料油は短時間で透明度の高い水分リッチな底部と黒褐色のオイルリッチな上澄み部分とに分離したものと考えられる。
【００３８】
一方、キャビテーション装置に通した混合液（含水燃料液）は、上の重油層と下の水を多く含む層とに若干分離するものの、一時間放置後も変化は少なく、微細水粒子（直径３０〜９０μｍ程度）の合体・成長は見られなかった。これは前述のようにキャビテーション装置に通した混合液（含水燃料液）では、前述のキャビテーション過程において、微細水粒子内に多量の超微細油粒子が侵入・分散してその比重を軽くし且つ、同過程でのメカノケミカル反応或いはソノケミストリー効果で生成された生成物が微細水粒子の表面に付着し、或いは膜を形成し、これが微細水粒子の直接的な接触を阻害し合体・成長を抑制したからと推測される。
【００３９】
微細水粒子の粒径と燃料油の粘度との関係について言えば、主成分の燃料油の粘度が高くなるほど微細化すると言える。前記方法でＡ重油単体と添加水（水溶性切削油は含まず。）の含水燃料油を合成した処、直径９０〜３０μｍの微細水粒子を多量に含むものが得られた（図１）。これに対して、Ｃ重油を添加すると微細水粒子は微細化し、１０μｍ以下の微細水粒子を大量に含む含水燃料油が合成された（実験例では容量比でＡ重油７０％、Ｃ重油１０％、水２０％である。；図２）。この結果を踏まえると、軽油や廃てんぷら油単体ではこれより粒径の大きいものを多量に含む含水燃料油が合成されると推定されるし、Ｃ重油単体の場合、或いは前記(2)のように高動粘度燃料油を添加した場合は１０μｍ以下の微細水粒子を大量に含む含水燃料油が合成されると推測される。
【００４０】
また、水溶性切削油を添加した場合、特にＡ１、２種のように界面活性剤が含まれているような場合、微細水粒子の表面張力が低下する（換言すれば、油・水の界面エネルギを低下させる）ので、微細水粒子の微細化が容易となり、この場合も１０μｍ以下の微細水粒子を大量に含む含水燃料油が合成される。勿論、この場合も微細水粒子の表面張力（即ち、油水間の界面エネルギー）が低下しているので、超微細油粒子の内部取り込みが行われる。
【００４１】
微細水粒子の粒度（直径）及び水添加量と燃焼温度との関係（図８）であるが、Ａ重油のみを過剰給気量下で完全燃焼させた場合は１３６０℃程度であるが、容量比で１０、１５、２０、２５、３０％の水をＡ重油単体に添加した場合、ほぼ理論空気供給量下で安定完全燃焼させた時の燃焼温度は、それぞれ６０℃、１２０℃、１８０℃程度低下した。燃焼状態は添加水を容量比０〜３０％まで変化させてもほぼ理論空気供給量下で安定完全燃焼を得、煤のようなパーティクルの発生はなかった。このものの主たる微細水粒子の直径は前述したように９０〜３０μｍである。軽油や廃てんぷら油単体のものも前述の内容から更に直径の大きなものが出来、同条件で燃焼させた時、後述の理由により燃焼温度の低下はＡ重油単体の場合に比べて大きいものと推測される。
【００４２】
これに対して水を２０容量％に固定し、Ｃ重油を５、１０、１５、２０容量％と変化させ、残Ａ重油としてほぼ理論空気供給量下で燃焼させると、前記同様完全燃焼を得、やはり煤のようなパーティクルの発生はなかったし、Ｃ重油が１５容量％までは燃焼温度の変化は余り見られないが、２０容量％以上となった時は燃焼温度の低下が見られた（図９）。この場合、かなりの量の微細水粒子の粒径は１０μｍ以下の場合である。なお、２０容量％以上となった時の燃焼温度の低下は合成した含水燃料油の粘性が過大となって、重油バーナからの噴霧状態に悪い影響を及ぼした結果と考えられ、加熱するなどして粘性を調節すれば燃焼温度の低下は避けられるものと考えられるので、常温では２０容量％、加温処理を行って粘度調整を行った場合は３０容量％が水の添加量の限界と考えられる。
【００４３】
以上から、微細水粒子の粒径が１０μｍ以下の場合、燃焼領域で微細水粒子のマイクロ破裂と合わせて燃焼中に発生する煤と水が反応する水性ガス化反応が生じ、これにより水素と一酸化炭素が生成されて発熱し、燃焼温度の低下を防いでいると考えられる。これに対して、微細水粒子の粒径が９０〜３０μｍ或いはそれ以上の場合、水性ガス化反応が生じにくく且つ微細水粒子の破裂とその気化により周囲から気化熱が奪われ、燃焼温度を低下させると考えられる。従って、燃焼温度の低下が前述の範囲内でも問題がないのであれば、理論空気供給量下で完全燃焼させることができるのであるから、その用途においての有用性はある。しかしながら、燃焼温度の低下が好ましくない場合には、微細水粒子の粒径が１０μｍ以下となる組み合わせが好ましい。
【００４４】
以上から、混合比率の一例を示せば、理論空気供給量下でパーティクルのようなものの発生がない完全燃焼を行うには、容量比で単体又は混合燃料油に対して１０〜３０容量％の水の添加が好ましい。常温下でＣ重油の添加がなされ、燃焼温度の低下がないような条件では１０〜１５容量％の添加が好ましい。なお、水が１０容量％以下では燃料削減効果に乏しく、実験結果から単体又は混合燃料油に対して容量比で４０％程度まで混入させても燃焼させることができるが、微細水粒子のマイクロ破裂による水性ガス化反応を超える大量の水分が前述の燃焼室で気化するため、これによる気化熱を周囲から奪うことになって燃焼温度が大幅に低下し、３０容量％が安定燃焼の限界と考えられる。
【００４５】
次に本発明の含水燃料油の実際の製造装置に付いて説明する。図５の装置の容器３に燃料油１と添加水２を所定容量比で導入し、タービンポンプ４（本実施例では毎分１５００回転、吐出圧力０．２５ＭＰａ）を介して１基或いは直列接続した連続する複数のノズル５２，５３を有するキャビテーション発生装置５に通過させた。これにより燃料油１と水２の混合物は薄茶色の均一分散状態の含水燃料油となった。
【００４６】
合成した含水燃料油をタービンポンプ４とキャビテーション発生装置５とをつなぐ配管から分岐させ、長さ５ｍ、内径８ｍｍの銅パイプでボイラ９の重油用バーナに導いた。該銅パイプには分岐して容器に含水燃料油を回流させる配管が設置されており、流量制御弁７はタービンポンプ４とキャビテーション発生装置５とをつなぐ配管の銅パイプの分岐箇所より下流側に設置され、流量制御弁６はキャビテーション発生装置５と容器３とをつなぐ配管に設置され、流量制御弁８は含水燃料油の返戻用配管に設置されている。そしてこれら流量制御弁６〜８を調整することで、合成した含水燃料油の約１割を燃焼に供し、残り９割を容器３に戻した。戻された含水燃料油は容器３内で新たに供給された分と混ざり、順次ポンプ４に供給され、ポンプ４から排出された含水燃料油の一部がキャビテーション発生装置５に送られ、他が重油用バーナ側に送られる。勿論、全量を重油用バーナに供給するようにしてもよいが、重油用バーナの稼動状況は刻々と変わるのもであるから、生産された含水燃料油の一部を稼動状況に合わせて変化させるのが現実的である。
【００４７】
本実施例では、このように燃料油-水の混合液を繰り返しキャビテーション発生器に循環させて含水燃料油を合成しながら、その一部をボイラ９のバーナに供給し、燃焼室に空気と共に噴射すると容易に着火し、過剰空気の吹き込みなしで、黒煙を発生せずに１２３０℃前後の安定した燃焼を持続した（図７）。また、バーナまでの配管長（本実施例では５ｍ）を延長しても安定した燃焼状態を保った。油水分離が生じにくいので１日以上休止したボイラの再開時も容易に着火した。また、略理論空気供給量の吹き込みでも黒煙およびＮＯＸの発生も殆ど発生しなかった。これに対して燃焼試験において、Ａ重油のみの場合は過剰空気がなければ多量の黒煙を生じた。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る含水燃料油をボイラを始めとする内燃機関に適用すると、燃料使用量の削減とそれに伴うＣＯ2排出量の削減、添加水のマイクロ破裂による略理論空気供給量下での完全燃焼が可能であって、ＮＯＸと煤も大幅に減少する。従ってディーゼルエンジンへの適用も好適であり環境改善に寄与できる。
【符号の説明】
【００４９】
１：混合燃料油
２：水
３：容器
４：ポンプ
５：キャビテーション発生装置
６：流量制御弁
７：流量制御弁
８：流量制御弁
９：ボイラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重油或いは廃てんぷら油又はこれら単体或いはその混合油やこれらに高粘度の添加油を加えた高粘性燃料油と水の混合液からキャビテーションによる局部的な高圧・高温作用（ソノケミストリー効果）によって、該燃料油中に微細かつ容易に合体成長せず且つ更にその内部に大量の超微細油粒子を分散含有する微細水粒子が均一に分散した含水燃料油とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の燃料費の高騰と温暖化にまつわる地球環境問題に対する意識の高まりから、優れた省エネプラス環境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、内燃機関などは燃焼効率の更なる向上と、排気ガスの浄化による煤のようなパーティクルの排除、ＮＯｘの低減が求められている。
【０００３】
石油燃料の完全燃焼には理論的にその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空気量よりも３０％程度多くの空気吹き込みがなされる。この過剰な空気は、燃焼熱を伴う高温排気ガスとして放出されるために理論空気量を吹き込んだ場合と比べて３０％程度の燃料が無駄に消費されていることになる。
【０００４】
この過剰空気を減少させると不完全燃焼となって煤（パーティクル）など呼吸器や周囲環境に悪影響を与える煤塵が必然的に発生する。そこで燃焼効率を上げて煤塵のような有害な排気ガス成分を減少させる１つの方法として、燃焼装置のノズル形状を改良して燃料油を燃焼室内で微細に噴霧し、同時に吹き込まれる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、勿論、燃料油を完全燃焼させるために過剰空気は不可欠であるため、そのための熱損失は不可避である。
【０００５】
前記ノズル形状の改良の他、燃焼効率を向上するために、燃料油を燃焼室において微細分散させる多くの試みもなされてきた。中でも重油のような燃料油に水を添加してエマルジョン化すると、微細水滴が分散した燃料油が燃焼室に霧状にして吹き込まれ、燃焼時に微細水滴がマイクロ破裂を起こして周囲の燃料油を微細分散させ、同時に吹き込まれる空気との接触面積を高めて燃焼効率を高めることが古くから良く知られている。
【０００６】
この方法では燃料油中に水をできるだけ細かく均一に分散させる必要があるが、水と油とは互いに交じり合わないため、界面活性剤を用いて燃料油と水をエマルジョン化（乳化）し、これを燃料とするエマルジョン燃料が開発されている（特許文献１）。エマルジョンは食料、薬品、化粧品の分野で広く用いられており、それを連続的に製造する装置にはホモジナイザー、コロイドミル、フロージェットミキサーなど超高圧や高速回転を用いるものがあるが、これらはいずれも界面活性剤を使用してエマルジョンを製造している（非特許文献１）。
【０００７】
しかしながら、高価な界面活性剤を大量に必要とすることが、エマルジョン燃料使用による燃費節約効果の最大の障害となっている。そこで、界面活性剤を使用することなく燃料油と水を機械的な攪拌によって混合する試みがなされている（特許文献２，３）。機械的な攪拌は効率が低く水を燃料油中にある程度細かく均一分散させるためには時間がかかるという欠点がある。この欠点を解決するための方法の1つとして、超音波振動によるエマルジョン燃料の製造法が提案されている（特許文献４）。この方法は、超音波振動板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（ただし、剪断流を伴わない乱流）を起こし燃料と水の混合液をエマルジョン化するというものである。その他、燃料油と焼酎粕のアルコールと大量の水を含む絞り液と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（ただし、剪断流を伴わない単なるベンチュリ作用）を施すことで均質なエマルジョン燃料を製造する方法も提案されている（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】乳化技術と乳化剤の開発、ＣＭＣ出版（2004）、p.86
【特許文献１】特許第３，８７７，０７８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２００６−３２２４６３号公報
【特許文献５】特開２００８−６３５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のようにエマルジョン燃料を作製するには、界面活性剤を用いる方法、機械的撹拌方法、剪断流を伴わない超音波振動エマルジョン化方法、剪断流を伴わない超音波振動・マイクロバブル処理併用方法も提案されているが、現実的には製造されたエマルジョン燃料はそのまま直ちに燃焼装置に送り込まれるというのではなくて、一度に多量の合成がなされて容器に貯えられ、それを徐々に燃焼装置に供給して燃焼する方式が取られている。この場合、界面活性剤を使用していない含水燃料油は勿論、界面活性剤を使用している含水燃料油でも油分中に分散している水粒子と油の比重の違いから粒径が比較的大きく比重の重い水粒子が短時間で容器の底部に次第に沈降してきて底部には水分リッチ、上澄み部分ではオイルリッチとなって均一分散性が損なわれる。
【００１０】
加えて底部で粒径が比較的大きい水粒子同士が直接接触して合体して更に大きな水粒子を形成して均一分散性を更に損なう。そしてこの均一分散性が損なわれた含水燃料油を吹き込むと燃焼温度のムラや燃焼途中での立ち消えなど燃焼装置での均一な燃焼が妨げられるという問題や、水分リッチ分の燃料油を燃やそうとすると前述の燃焼不良、甚だしい場合には着火不良というような問題も引き起こす。
【００１１】
このような問題に対処するために仮に容器中の含水燃料油を常時撹拌するとすることも考えられるが、一旦、水粒子同士の合体が行われて大きな水粒子（例えば、直径が１ｍｍ以上のもの）を形成してしまうと再キャビテーションティ処理を行わない限り、撹拌しても大きな水粒子が油中に散らばるだけであり、これを燃焼装置に吹き込むと大きな水粒子が小爆発（マイクロエクスプロージョン現象）して周囲の燃料油を弾き飛ばして空気との混合を助け、燃焼反応をある程度促進するものの、この時同時に水蒸気を発生して気化し、これが周囲の熱を奪って結果的に燃焼温度を大きく下げてしまうという問題もある。従って、合成された従来の含水燃料油は合成直後から常に撹拌しておく必要があること（但し、攪拌中における水粒子の直接的な接触による合体・成長の抑制は困難である。）、これが故に合成された従来の含水燃料油の容器と燃焼装置との距離が取れないこと（容器と燃焼装置との距離が長いとその間に油水分離を生じるため。）、これが原因で時として起こる前記燃焼不良や着火不良が含水燃料油の普及を妨げる大きな原因となっていた。界面活性剤を用いないものは特にこの傾向が強い。
【００１２】
本発明は高価な界面活性剤を使用せず、しかも保存中に燃料油中に細かく分散させた微細水粒子が容易に合体成長せず、従って合成直後からの撹拌の必要もなく、ある程度の時間無撹拌でも均一分散性を保つことができて容器と燃焼装置との距離を取ることが出来、加えて燃焼効率の更なる効率化も見込める画期的な含水燃料油とその製造方法を実現することを主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、「燃料油１に微細水粒子が分散した含水燃料油１０であって、該微細水粒子中に超微細油粒子が分散している」ことを特徴とする。
【００１４】
請求項２は「請求項１に記載の微細水粒子の表面に更に付着物が付着している」ことを特徴とする。
【００１５】
請求項３は請求項１又は２に記載の含水燃料油１０の限定で、「燃料油１が軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油の夾雑物濾過品のいずれか１又は２以上の混合油である」ことを特徴とする。
【００１６】
請求項４は請求項３に記載の含水燃料油１０の更なる限定で、「請求項３の燃料油１に更に添加される添加用燃料油の３０℃における動粘度が軽油より高い可燃性燃料油である」ことを特徴とする。
【００１７】
請求項５は添加される水の限定で、「添加水２は、水又は水溶性切削油の含有水或いはこれらの和である」ことを特徴とする。
【００１８】
請求項６は請求項１〜５に記載の含水燃料油の製造方法で、「燃料油１と添加水２とを容器３に供給した後、該容器３から圧送ポンプ４にて剪断流を含む乱流領域を形成するキャビテーション発生装置５に送り込み、超微細油粒子が分散している微細水粒子を燃料油１中に生成分散させて含水燃料油１０を合成し、該含水燃料油１０の一部を燃焼装置９に供給すると共に残部を容器３に回流させる」ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の発明では、微細水粒子中に超微細油粒子が分散しているので、従来のような超微細油粒子を内部に含まない水粒子に比べて微細水粒子の比重が内部に分散している超微細油粒子分だけ軽量化され、水に比べて比重の軽い燃料油中での微小水粒子の沈降が抑制される。その結果、含水燃料油中の微細水粒子の均一分散が長く保たれることになる。特に、燃料油が軽油、Ａ重油又は廃てんぷら油の夾雑物濾過品であって、これら単体の油にＣ重油や、３０℃における動粘度が軽油より高い可燃性燃料油を更に添加する場合には、これら混合燃料油の動粘度は単体の燃料油に比べて十分高く、混合燃料油内に分散した微細水粒子は高い粘度に阻まれて沈降が阻害され、長時間の均一分散性を保つ。特に、前述のように微細水粒子中に超微細油粒子が分散しているので、微細水粒子の比重は混合燃料油の比重に近くなるから浮き易く混合燃料油中での微細水粒子の沈降は更に抑制される。それ故、ある程度の長時間の無撹拌保存下であっても微細水粒子の油中均一分散維持が実現する。
【００２０】
また、添加水に水溶性切削油を使用する場合は、産業廃棄物として処理する他なかったものをその中の界面活性剤が微細水粒子の更なる微細化（粒子の直径が１０μｍ以下。）と超微細油粒子の取り込みに貢献する有用資源として働かせることが出来るようになる。
特に、微細水粒子の直径が１０μｍ以下の場合、微小水粒子のマイクロ破裂時に煤と水とが反応する発熱性の水性ガス化反応により、水素と一酸化炭素を生成することになるので、従来例で述べたように、直径が１ｍｍというような大型水粒子のと異なり、気化熱を周囲から奪わず、燃焼温度の大幅低下を招くようなこともない。
【００２１】
また、本発明の製造方法では、圧送ポンプ４にて攪拌された燃料油１と添加水２とを剪断流を含む乱流領域を形成するキャビテーション発生装置５に送り込み、攪拌によって燃料油１に分散した水滴を剪断流にて更に細かい微細水粒子（９０μｍ〜３０μｍ或いは１０μｍ以下）にすると同時に剪断流にて燃料油１から微細に引き千切られた超微細油粒子が前記微細水粒子に入り込んで含水燃料油１０を燃料油１（Ｏ）／微細水粒子（Ｗ）／超微細油粒子（Ｏ）の３相エマルジョンとすることが出来、しかもこのように合成された含水燃料油１０の一部を燃焼装置９に供給すると共に残部を容器３に回流させるようにしているので、回流分は新たに供給された燃料油１と添加水２と共にキャビテーションされることになり、含水燃料油１０は常に多量の超微細油粒子含有微細水粒子が均一に分散した３相エマルジョンになる。加えて、燃料油１中に含まれている不可知不純物質がキャビテーションによる局部的な高圧・高温作用（ソノケミストリー作用或いはメカノケミカル反応）により微細水粒子への表面付着物が発生し、この表面付着物により微細水粒子同士の直接接触が妨げられて合体・成長が抑制され、長時間の多量の超微細油粒子含有微細水粒子の均一分散が維持できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】２０容量％含水Ａ重油のキャビテーション処理を施した本発明に係る含水燃料油の顕微鏡写真。
【図２】Ａ重油に希釈した水溶性切削油を添加してキャビテーション処理を施した本発明に係る含水燃料油の顕微鏡写真。
【図３】表面に付着物が付着していると見られる本発明に係る含水燃料油の顕微鏡写真。
【図４】膜が形成されていると見られる本発明に係る含水燃料油の顕微鏡写真。
【図５】本発明に係る含水燃料油合成装置の構成を示すフロー図。
【図６】図５の装置に使用するキャビテーション発生装置の断面図。
【図７】図６の中央断面図。
【図８】Ａ重油に水の添加量を変えてキャビテーション処理した本発明に係る含水燃料油の燃焼炎温度と添加水量の関係を示すグラフ。
【図９】Ａ重油に水の添加量を２０容量％一定とし、Ｃ重油の添加量を変えてキャビテーション処理をした本発明に係る含水燃料油の燃焼炎温度とＣ重油添加量の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施例に従って説明する。含水燃料油の構成の一例を示すと、以下のような組み合わせとなる。
(1)軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油（一般的にはその夾雑物濾過品更にはグリセリン除去品がディーゼル用燃料として使用されている。）のいずれか１又は２以上の混合油が主成分で、水又は水溶性切削油のいずれか１又は両者が添加される場合。
(2)軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油のいずれか１又は２以上の混合油が主成分で、添加用の燃料油が３０℃における動粘度が軽油より高い可燃性燃料油（例えば、廃グリス油のような潤滑廃油、廃エンジンオイル、廃ブレーキオイルなど）と、水又は水溶性切削油のいずれか１又は両者が添加される場合。
【００２４】
軽油及び廃てんぷら油単体を主成分とする含水燃料油の場合は、主としてディーゼル用のような軽油用途に使用される。主成分がＡ重油単体又はこれに軽油、Ｃ重油又は廃てんぷら油が少量添加される含水燃料油の場合は、Ａ重油の用途に使用され、主成分がＣ重油単体又はこれに軽油、Ａ重油又は廃てんぷら油が少量添加される含水燃料油の場合は、Ｃ重油の用途に使用される。なお、軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油は単体で含水燃料油に適用することも可能であるから、これらを２以上混合して含水燃料油とする場合、用途によって好ましい容量配合比があるが、基本的にはその容量配合比は特段限定されるものではない。後述するように含水燃料の添加水の添加量（容量比）は、主成分の単体又は混合燃料油に対して１０〜３０容量％であるから、主たる燃料油に対して添加される燃料油の容量％は大略２０％以下となる。
【００２５】
軽油、Ａ重油、Ｃ重油の性状はＪＩＳ規格に記載の通りであり、周知事項であるから詳細は割愛する。これに対して廃てんぷら油は酸敗したもので、その動粘度を始めとするその性状は一定ではないが、軽油相当品としての位置付けであるから、その動粘度(３０℃)ｍｍ2/ｓは軽油特１号［ＪＩＳ Ｋ２２８３で（２．７ｍｍ2/ｓ）］よりも動粘度の高いもので、夾雑物濾過品を使用の対象とする。なお、廃てんぷら油はてんぷら油やサラダ油など動物性又は植物性のいずれでも良い。
【００２６】
上記(2)の主成分の単体或いは混合燃料油に混入される添加用燃料油は、３０℃における動粘度が前記軽油より高い可燃性油の燃料油、例えば、発電施設、動力設備、機械装置、車両に使用される粘度の高い可燃性の廃油（例えばグリス油のような潤滑廃油、廃エンジンオイル、廃ブレーキオイル）である。比較の基準となる軽油の３０℃における動粘度は前述の通りである。
【００２７】
水溶性切削油は、界面活性剤で機械油をコロイド状にして水に分散させたもので、Ａ１種、Ａ２種 及び Ａ３種があり、Ａ１種は、鉱油や脂肪油など、水に溶けない成分と界面活性剤からなり、水に加えて希釈すると外観が乳白色になるものであり、Ａ２種は界面活性剤など水に溶ける成分単独、または水に溶ける成分と鉱油や脂肪油など水に溶けない成分からなり、水に加えて希釈すると外観が半透明ないし透明になるものであり、Ａ３種は水に溶ける成分からなり、水に加えて希釈すると外観が透明になるものとされている。いずれも大量の水分を含み、前２者は界面活性剤を含む。水溶性切削油は添加水の範疇に含められ、単独又は水との併用の場合は、その含有水分量が添加水としてカウントされる。本実施例では切削粉などの夾雑物を除いた廃水溶性切削油が基本的に使用対象となる。勿論、前述のてんぷら油や添加用の可燃性燃料油、ここで述べる水溶性切削油はいずれもコスト面から廃油を対象としている。
【００２８】
主成分の単体又は混合燃料油に対する添加水（水溶性切削油の含有水分量も含む）の混合比率（容量比）は、基本的には合成された含水燃料油の燃焼温度や使用態様がそれぞれの用途、即ち、軽油、Ａ重油或いはＣ重油として使用できる範囲内に限られ、水の添加によって燃焼状態が損なわれる場合や燃焼温度が低くなり過ぎる場合、或いは水添加量が過小で水添加の意義がないような場合は除かれる。
【００２９】
水の添加量と燃焼温度との関係、Ｃ重油添加の関係を示すものとして、図８，９を示す。図８はＡ重油に水の添加量を変えてキャビテーション処理した本発明に係る含水燃料油の燃焼炎温度と添加水量の関係を示すグラフであり、図９はＡ重油に水の添加量を２０容量％一定とし、Ｃ重油の添加量を変えてキャビテーション処理をした本発明に係る含水燃料油の燃焼炎温度とＣ重油添加量の関係を示すグラフである。グラフの内容に付いては後述する。
【００３０】
また、添加用燃料油として粘度の高い可燃性の廃油が添加される場合、添加量が過多で燃焼温度が低すぎる範囲や安定的な燃焼が困難な範囲は除外される。概略的に言えば、前述のように主たる燃料油に対して容量比が２０％程度になる。ただ、これを過多に混合することにより粘度が高くなりすぎて常温で軽油又はＡ重油としての使用が妨げられるような場合、例えば常温で燃焼装置への円滑な給油ができない場合には、給油可能温度まで加温することになる。Ｃ重油の場合は、単独でも粘性が高いので同様に通常は給油可能温度まで加温することになる。加温によっても給油できないような場合は本発明の範囲から除害される。
【００３１】
次に本発明の含水燃料油の製造方法に付いて説明する。図６、７のキャビテーション発生装置５に軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油単体又はこれらの少なくとも２以上を混合した燃料油１と水又は水溶性切削油単体又はこれらを混合した添加水２を所定容量比で通過させた。これにより燃料油１と添加水２の混合物は薄茶色の微細水粒子均一分散状態の含水燃料油１０となった。実際は後述する図５の装置で循環させつつ合成する。
【００３２】
前記キャビテーション発生装置５は、内部に圧縮側出口部１２に向かってその中心軸に直交する断面積を漸減する通流燃料圧縮側の第１ノズル１１が形成され、該第１ノズル１１の圧縮側出口部１２に対向し且つ一致して第２ノズル１３の膨張側入口部１４が形成されており、第２ノズル１３は下流方向に向かってその中心軸に直交する断面積を漸増するように穿設されている。そして、両者１２，１３の間に形成される間隙がこの部分を通過する流体に大きな剪断流を伴う乱流を引き起こさせる剪断流発生間隙１５である。剪断流発生間隙１５は図６のように圧縮側出口部１２から膨張側入口部１４との間の空間に対して直交して開口する室（空間）でも良いし、図示していないが、該空間全体を取り囲む円形の室（空間）でも良い。なお、通過流体の性状により、この剪断流発生間隙１５の開口幅Ｓを捩じ込み量の変更によって調節するようにしてもよいし、圧縮側出口部１２の内径をＷ１とし、膨張側入口部１４の内径をＷ２とした時、内径Ｗ１とＷ２は同一としてもよいし、異なるようにしてもよい。このキャビテーション発生装置５は１基で使用することも可能であるし、複数組を直列に配置して使用すること（これにより微細水粒子の直径がより微細且つ均一に、例えば１０μｍ以下になる。）、或いは量が必要な場合は複数機を並列使用することも可能である。
【００３３】
このように構成されたキャビテーション発生装置５に所定混合比で燃料油１と添加水２との混合液を圧送すると混合液は第１ノズル１１を通過する間に高速化し、第１ノズル１１の圧縮側出口部１２で急激に絞られた後、剪断流発生隙間１５内で急膨張し、更に続く膨張側入口部１４で急に絞られる結果、剪断流発生隙間１５内で激しい剪断流を伴う乱流を生じる。
【００３４】
そして、この激しい剪断流を伴う乱流はその状態を保ったまま細い膨張側入口部１４で絞られてから第２ノズル１３に突入して急膨張する。この通流混合液は第２ノズル１３の中で流れの幅（換言すれば流れに直交する面積）を増すことによって生じる急膨張によって急激な圧力低下が生じる結果、剪断流発生隙間１５から第２ノズル１３の膨張側入口部１４を越えるところまでの領域で流体中にキャビテーションが発生して瞬時に水滴が微細化され、無数の微細水粒子を発生する。同時に急激な圧縮・膨張と激しい乱流によって燃料液１も細かく引き千切られて微細水粒子内に多量の超微細油粒子となって取り込まれる。この結果、内部に多量の超微細油粒子が分散した微細水粒子を含有する含水燃料油１０が合成される。更にこの間、既に述べたソノケミストリー作用又はメカノケミカル反応により燃料油内の不純物から反応性生物が生じて微細水粒子の表面に付着或いは微細水粒子の表面に膜を形成する。
【００３５】
なお、内径Ｗ１、Ｗ２を違えると剪断流を伴う乱流度が増加するし、剪断流発生隙間６３の幅Ｓを選定すれば燃料油１と添加水２の混合液の流量や流速、粘度にも依るが剪断流を伴う乱流度を更に増加させることが出来る。また、図の実施例では剪断流発生間隙１５は１つであるが、２以上隣接させて併設してもよく、その場合には乱流度合いを更に向上させる。また、常温で粘性の非常に高いものは加熱して粘性を落として処理する事になる。
【００３６】
図１は前述の方法により合成された本発明に係る含水燃料油（Ａ重油）の顕微鏡写真（内部構造が分かり易くするため、粒径の大きいものを選択して撮影した。）で、含水燃料油中に分散している微細水粒子の粒径は大小様々であるが、含水燃料油の組成（合成条件もある程度関係する）により微細水粒子の直径の正規分布のピーク値は移動し、例えば直径が９０〜３０μｍのものが多く含まれるものや、直径が１０μｍ以下のものが多く含まれるものなどに様々なものが合成される。いずれの場合でもその水粒子は燃料油中に均一に分散しており、内部に燃料油の超微細油粒子が無数に分散している。即ち、本発明に係る含水燃料油はＯ（燃料油）／Ｗ（水粒子）／Ｏ（水粒子中の燃料油の微細粒）型の３相エマルジョンである。そして前記水粒子内の超微細油粒子の分散状況は時間と共に変化することもあり、例えば、時間の経過に連れて微細水粒子の内面側に集まり、外部から見えにくくなることもあるが、含水燃料油を攪拌すると再び微細水粒子内に分散状態を示すようになる。また、同顕微鏡写真から微細水粒子の外面に付着した微細付着物（図３）と思われるもの（或いは形成された膜；図４ 本明細書では膜も含めて微細付着物と表現する。）も観察される。燃料油には無数の且つ不可知の不純物質が含まれているので、含水燃料油合成のキャビテーション過程におけるメカノケミカル反応で生成された生成物が微細水粒子の表面に付着したものと推測される。この微細付着物は次に述べるように微細水粒子の合体・成長を阻害する働きを持つと推測される。
【００３７】
Ａ重油と２０容量％の水の混合液を２組用意し、一方を激しく振盪攪拌し、他方を図６，７のキャビテーション装置に通した。振盪攪拌した混合液（含水燃料液）は、処理直後から上の重油層（黒褐色）と下の水を多く含む層（薄茶色）に分離が始まり、下の層では水滴が凝集して一時間後に透明な水の層が増加した。これは振盪攪拌により振盪攪拌直後では水粒子（直径３０〜３００μｍ程度）がある程度均一に分散しているものの、内部に超微細油粒子を含有していないために燃料油よりも比重の大きい微細水粒子が短時間で沈降して容器の底部に溜まり、且つ底部で互いに直接接触した微細水粒子が次第に合体して大きな水粒子に成長し、容器内の含水燃料油は短時間で透明度の高い水分リッチな底部と黒褐色のオイルリッチな上澄み部分とに分離したものと考えられる。
【００３８】
一方、キャビテーション装置に通した混合液（含水燃料液）は、上の重油層と下の水を多く含む層とに若干分離するものの、一時間放置後も変化は少なく、微細水粒子（直径３０〜９０μｍ程度）の合体・成長は見られなかった。これは前述のようにキャビテーション装置に通した混合液（含水燃料液）では、前述のキャビテーション過程において、微細水粒子内に多量の超微細油粒子が侵入・分散してその比重を軽くし且つ、同過程でのメカノケミカル反応或いはソノケミストリー効果で生成された生成物が微細水粒子の表面に付着し、或いは膜を形成し、これが微細水粒子の直接的な接触を阻害し合体・成長を抑制したからと推測される。
【００３９】
微細水粒子の粒径と燃料油の粘度との関係について言えば、主成分の燃料油の粘度が高くなるほど微細化すると言える。前記方法でＡ重油単体と添加水（水溶性切削油は含まず。）の含水燃料油を合成した処、直径９０〜３０μｍの微細水粒子を多量に含むものが得られた（図１）。これに対して、Ｃ重油を添加すると微細水粒子は微細化し、１０μｍ以下の微細水粒子を大量に含む含水燃料油が合成された（実験例では容量比でＡ重油７０％、Ｃ重油１０％、水２０％である。；図２）。この結果を踏まえると、軽油や廃てんぷら油単体ではこれより粒径の大きいものを多量に含む含水燃料油が合成されると推定されるし、Ｃ重油単体の場合、或いは前記(2)のように高動粘度燃料油を添加した場合は１０μｍ以下の微細水粒子を大量に含む含水燃料油が合成されると推測される。
【００４０】
また、水溶性切削油を添加した場合、特にＡ１、２種のように界面活性剤が含まれているような場合、微細水粒子の表面張力が低下する（換言すれば、油・水の界面エネルギを低下させる）ので、微細水粒子の微細化が容易となり、この場合も１０μｍ以下の微細水粒子を大量に含む含水燃料油が合成される。勿論、この場合も微細水粒子の表面張力（即ち、油水間の界面エネルギー）が低下しているので、超微細油粒子の内部取り込みが行われる。
【００４１】
微細水粒子の粒度（直径）及び水添加量と燃焼温度との関係（図８）であるが、Ａ重油のみを過剰給気量下で完全燃焼させた場合は１３６０℃程度であるが、容量比で１０、１５、２０、２５、３０％の水をＡ重油単体に添加した場合、ほぼ理論空気供給量下で安定完全燃焼させた時の燃焼温度は、それぞれ６０℃、１２０℃、１８０℃程度低下した。燃焼状態は添加水を容量比０〜３０％まで変化させてもほぼ理論空気供給量下で安定完全燃焼を得、煤のようなパーティクルの発生はなかった。このものの主たる微細水粒子の直径は前述したように９０〜３０μｍである。軽油や廃てんぷら油単体のものも前述の内容から更に直径の大きなものが出来、同条件で燃焼させた時、後述の理由により燃焼温度の低下はＡ重油単体の場合に比べて大きいものと推測される。
【００４２】
これに対して水を２０容量％に固定し、Ｃ重油を５、１０、１５、２０容量％と変化させ、残Ａ重油としてほぼ理論空気供給量下で燃焼させると、前記同様完全燃焼を得、やはり煤のようなパーティクルの発生はなかったし、Ｃ重油が１５容量％までは燃焼温度の変化は余り見られないが、２０容量％以上となった時は燃焼温度の低下が見られた（図９）。この場合、かなりの量の微細水粒子の粒径は１０μｍ以下の場合である。なお、２０容量％以上となった時の燃焼温度の低下は合成した含水燃料油の粘性が過大となって、重油バーナからの噴霧状態に悪い影響を及ぼした結果と考えられ、加熱するなどして粘性を調節すれば燃焼温度の低下は避けられるものと考えられるので、常温では２０容量％、加温処理を行って粘度調整を行った場合は３０容量％が水の添加量の限界と考えられる。
【００４３】
以上から、微細水粒子の粒径が１０μｍ以下の場合、燃焼領域で微細水粒子のマイクロ破裂と合わせて燃焼中に発生する煤と水が反応する水性ガス化反応が生じ、これにより水素と一酸化炭素が生成されて発熱し、燃焼温度の低下を防いでいると考えられる。これに対して、微細水粒子の粒径が９０〜３０μｍ或いはそれ以上の場合、水性ガス化反応が生じにくく且つ微細水粒子の破裂とその気化により周囲から気化熱が奪われ、燃焼温度を低下させると考えられる。従って、燃焼温度の低下が前述の範囲内でも問題がないのであれば、理論空気供給量下で完全燃焼させることができるのであるから、その用途においての有用性はある。しかしながら、燃焼温度の低下が好ましくない場合には、微細水粒子の粒径が１０μｍ以下となる組み合わせが好ましい。
【００４４】
以上から、混合比率の一例を示せば、理論空気供給量下でパーティクルのようなものの発生がない完全燃焼を行うには、容量比で単体又は混合燃料油に対して１０〜３０容量％の水の添加が好ましい。常温下でＣ重油の添加がなされ、燃焼温度の低下がないような条件では１０〜１５容量％の添加が好ましい。なお、水が１０容量％以下では燃料削減効果に乏しく、実験結果から単体又は混合燃料油に対して容量比で４０％程度まで混入させても燃焼させることができるが、微細水粒子のマイクロ破裂による水性ガス化反応を超える大量の水分が前述の燃焼室で気化するため、これによる気化熱を周囲から奪うことになって燃焼温度が大幅に低下し、３０容量％が安定燃焼の限界と考えられる。
【００４５】
次に本発明の含水燃料油の実際の製造装置に付いて説明する。図５の装置の容器３に燃料油１と添加水２を所定容量比で導入し、タービンポンプ４（本実施例では毎分１５００回転、吐出圧力０．２５ＭＰａ）を介して１基或いは直列接続した連続する複数のノズル５２，５３を有するキャビテーション発生装置５に通過させた。これにより燃料油１と水２の混合物は薄茶色の均一分散状態の含水燃料油となった。
【００４６】
合成した含水燃料油をタービンポンプ４とキャビテーション発生装置５とをつなぐ配管から分岐させ、長さ５ｍ、内径８ｍｍの銅パイプでボイラ９の重油用バーナに導いた。該銅パイプには分岐して容器に含水燃料油を回流させる配管が設置されており、流量制御弁７はタービンポンプ４とキャビテーション発生装置５とをつなぐ配管の銅パイプの分岐箇所より下流側に設置され、流量制御弁６はキャビテーション発生装置５と容器３とをつなぐ配管に設置され、流量制御弁８は含水燃料油の返戻用配管に設置されている。そしてこれら流量制御弁６〜８を調整することで、合成した含水燃料油の約１割を燃焼に供し、残り９割を容器３に戻した。戻された含水燃料油は容器３内で新たに供給された分と混ざり、順次ポンプ４に供給され、ポンプ４から排出された含水燃料油の一部がキャビテーション発生装置５に送られ、他が重油用バーナ側に送られる。勿論、全量を重油用バーナに供給するようにしてもよいが、重油用バーナの稼動状況は刻々と変わるのもであるから、生産された含水燃料油の一部を稼動状況に合わせて変化させるのが現実的である。
【００４７】
本実施例では、このように燃料油-水の混合液を繰り返しキャビテーション発生器に循環させて含水燃料油を合成しながら、その一部をボイラ９のバーナに供給し、燃焼室に空気と共に噴射すると容易に着火し、過剰空気の吹き込みなしで、黒煙を発生せずに１２３０℃前後の安定した燃焼を持続した（図７）。また、バーナまでの配管長（本実施例では５ｍ）を延長しても安定した燃焼状態を保った。油水分離が生じにくいので１日以上休止したボイラの再開時も容易に着火した。また、略理論空気供給量の吹き込みでも黒煙およびＮＯＸの発生も殆ど発生しなかった。これに対して燃焼試験において、Ａ重油のみの場合は過剰空気がなければ多量の黒煙を生じた。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る含水燃料油をボイラを始めとする内燃機関に適用すると、燃料使用量の削減とそれに伴うＣＯ2排出量の削減、添加水のマイクロ破裂による略理論空気供給量下での完全燃焼が可能であって、ＮＯＸと煤も大幅に減少する。従ってディーゼルエンジンへの適用も好適であり環境改善に寄与できる。
【符号の説明】
【００４９】
１：混合燃料油
２：水
３：容器
４：ポンプ
５：キャビテーション発生装置
６：流量制御弁
７：流量制御弁
８：流量制御弁
９：ボイラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料油に微細水粒子が分散した含水燃料油であって、該微細水粒子中に超微細油粒子が分散していることを特徴とする含水燃料油。
【請求項２】
請求項１に記載の微細水粒子の表面に更に付着物が付着していることを特徴とする含水燃料油。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料油が軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油の夾雑物濾過品のいずれか１又は２以上の混合油であることを特徴とする含水燃料油。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料油に更に添加される添加用燃料油の３０℃における動粘度が軽油より高い可燃性燃料油であることを特徴とする含水燃料油。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の添加水２が、水又は水溶性切削油の含有水或いはこれらの和であることを特徴とする含水燃料油。
【請求項６】
燃料油と添加水とを容器に供給した後、該容器から圧送ポンプにて剪断流を含む乱流領域を形成するキャビテーション発生装置に送り込み、超微細油粒子が分散している微細水粒子を燃料油中に生成分散させて含水燃料油を合成し、該含水燃料油の一部を燃焼装置に供給すると共に残部を容器に回流させることを特徴とする含水燃料油の製造方法。
【請求項１】
燃料油に微細水粒子が分散した含水燃料油であって、該微細水粒子中に超微細油粒子が分散していることを特徴とする含水燃料油。
【請求項２】
請求項１に記載の微細水粒子の表面に更に付着物が付着していることを特徴とする含水燃料油。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料油が軽油、Ａ重油、Ｃ重油又は廃てんぷら油の夾雑物濾過品のいずれか１又は２以上の混合油であることを特徴とする含水燃料油。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料油に更に添加される添加用燃料油の３０℃における動粘度が軽油より高い可燃性燃料油であることを特徴とする含水燃料油。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の添加水２が、水又は水溶性切削油の含有水或いはこれらの和であることを特徴とする含水燃料油。
【請求項６】
燃料油と添加水とを容器に供給した後、該容器から圧送ポンプにて剪断流を含む乱流領域を形成するキャビテーション発生装置に送り込み、超微細油粒子が分散している微細水粒子を燃料油中に生成分散させて含水燃料油を合成し、該含水燃料油の一部を燃焼装置に供給すると共に残部を容器に回流させることを特徴とする含水燃料油の製造方法。
【図６】
【図７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−７９９１１（Ｐ２０１１−７９９１１Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３１８６５（Ｐ２００９−２３１８６５）
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（５０７０７６１２６）株式会社ＩＦＧ (10)
【出願人】（５９２２００３３８）日本素材株式会社 (29)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（５０７０７６１２６）株式会社ＩＦＧ (10)
【出願人】（５９２２００３３８）日本素材株式会社 (29)
【Ｆターム（参考）】
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