JP5407090B2 - エマルジョン燃料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エマルジョン燃料の製造方法に関するものである。

近年、環境保全への関心が高まり、環境保全のために、工場の燃焼装置や車両のエンジン等から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の有害物質の低減が検討され、種々対策が講じられている。

このような環境保全の対策には、工場の燃焼装置や車両のエンジン等に用いられる燃料を改質しているものがある。

このように改質した燃料としては、水と油と界面活性剤とを混合して生成したエマルジョン燃料がある。

従来より、エマルジョン燃料の製造方法として、水と油を混合する際に磁気をかける方法が知られている（特許文献１，２）。

特開２００５−２０６７７３号公報 特開平５−１６４３０４号公報

しかし、上記従来の方法では、水と油との分離の傾向が強くなり、このため、燃料の貯蔵が不安定になり、また、燃焼性が不安定になるという不都合があった。

そこで、本発明は、水と油とを分離しにくくさせ、燃料を安定して貯蔵するとともに、燃焼性を安定して有害物質の排出を低減するエマルジョン燃料の製造方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のエマルジョン燃料の製造方法は、
水と油の少なくとも一方に超音波振動を与える工程と、
該超音波振動が与えられた水または油を天然鉱石に接触させる工程と、
油と該天然鉱石に接触させた水、水と該天然鉱石に接触させた油、または該天然鉱石に接触させた油と該天然鉱石に接触させた水を、油または天然鉱石に接触させた油３０体積％〜７０体積％、水または天然鉱石に接触させた水７０体積％〜３０体積％の比率で、カタラーゼを添加して攪拌混合する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、水と、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油、重質油等の油とを分離しにくくさせ、安定して貯蔵できるとともに、燃焼性を安定して有害物質の排出を低減したエマルジョン燃料を、簡便な方法で提供することができる。

本発明により得られたエマルジョン燃料は、特に、５気圧〜１０気圧（０．５ＭＰａ〜１ＭＰａ）程度の高圧力でノズルより一気に噴射させた場合に、高エネルギーを得ることができる。また、従来の燃料の１／３の量で同等のエネルギーを発生し、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ₂等の有害物質を半減することが可能である。

本発明に用いる燃料製造システムの一例を示す図である。 本発明に用いる水晶発振器の一例を示す図である。 本発明に用いる混合タンクの一例を示す図である。

まず、本発明に用いることができる燃料製造システムの一例を、図１を用いて説明する。

この燃料製造システム１は、水を貯蔵する水タンク２と、油を貯蔵する油タンク３と、水及び／又は油に超音波振動を与える超音波振動付与装置４と、界面活性剤を貯蔵する界面活性剤タンク５と、水と油と界面活性剤とを混合する混合タンク６と、混合液を燃料として貯蔵する燃料タンク７とを備えている。

超音波振動付与装置４は、容器８を備え、この容器８内を仕切部材９によって水処理用空間１０Ａを備えた水処理部１０と油処理用空間１１Ａを備えた油処理部１１とに分離形成している。水処理部１０には、水処理用機器１２が配設されている。油処理部１１には、油処理用機器１３が配設されている。この水処理用機器１２及び油処理用機器１３は、水や油に超音波振動を与えてそのクラスタ（集合体）のサイズを小さくする振動器・波動器又は水晶発振器等の既存の機器からなるものである。

水処理用機器１２や油処理用機器１３として用いる水晶発振器には、例えば、図２に示すものがある。図２に示すように、水晶発振器３１は、水晶振動子３２を周波数選択回路素子の一つとして用い、水晶振動子３２と発振回路とをワンパッケージ化したものであり、リードフレーム３３上にＩＣチップ３４とワイヤボンデイング３５とを設けるとともに、モールド３６に水晶振動子３２を保持させて構成されている。

超音波振動付与装置４は、複数を直列に配設してもよい。この構成によれば、直列に配置した複数の超音波振動付与装置４によって複数段に効率良く水や油のクラスタサイズを小さくできるので、エマルジョン燃料をさらに安定して貯蔵できるとともに、燃焼性を安定して有害物質の排出を低減することができる。

また、水処理部１０、油処理部１１には、天然鉱石を投入することができ、超音波処理された水または超音波処理された油を、水処理部１０または油処理部１１内で、天然鉱石に接触させることができる。尚、超音波処理された水または超音波処理された油は、混合タンク６に供給される前に天然鉱石と接触すればよい。従って、超音波振動付与装置４と混合タンク６の間に、天然鉱石を接触させるための容器を別途設けてもよい。

水タンク２は、水管１４を介して水処理部１０に接続し、内部の水を水処理部１０に送給する水供給ポンプ１５を備えている。また、油タンク３は、油管１６を介して油処理部１１に接続し、内部の油を油処理部１１に送給する油供給ポンプ１７を備えている。

水処理部１０は、水管１８を介して混合タンク６に接続し、内部の水を混合タンク６に送給する水供給ポンプ１９を備えている。また、油処理部１１は、油管２０を介して混合タンク６に接続し、内部の油を混合タンク６に送給する油供給ポンプ２１を備えている。

界面活性剤タンク５は、界面活性剤管２２を介して混合タンク６に接続し、内部の界面活性剤を混合タンク６に送給する界面活性剤ポンプ２３を備えている。この界面活性剤は、本発明においては必須の構成要件ではないが、水と油との混合液に添加すると、水や油の表面張力を低下させ、水と油とを長期間にわたって分離して安定させるものである。尚、界面活性剤は、混合タンク６に直接送給せずに、混合タンク６に送給される前の水または油に送給してもよい。

混合タンク６は、混合液管２４を介して燃料タンク７に接続し、内部の混合液を燃料タンク７に送給する混合液ポンプ２５を備えている。

混合タンク６としては、ダイナミックミキサーでもスタティックミキサーでもよく、例えば図３に示すようなスタティックミキサーが挙げられる。

図３に示す装置は、流体を矢印方向に圧送する管体１０２と、この管体１０２内に設置されたガイドベーン１０３と、ガイドベーン１０３の下流側の管体１０２内周壁に放射状に固定された複数の突起物１１０で構成されている。

ガイドベーン１０３は、一対の半楕円形翼盤１０４ａ、１０４ｂの弦側縁辺１０５ａ、１０５ｂを傾斜状に交差させ、交差部上流側の弦側縁辺間を、管体１０２の横断面を二分する仕切り板１０５で閉鎖するとともに、一方の半楕円形翼盤１０４ａの交差部下流側弦縁辺と、他方の半楕円形翼盤１０４ｂの交差部上流側弦縁辺によって形成される領域（開放口）１０６を、邪魔板などの狭窄手段１０７で部分的に閉塞させた構成になり、一対の半楕円形翼盤１０４ａ、１０４ｂの円弧側縁辺１０８ａ、１０８ｂを管体１０２の内壁に結合して設置されている。

図３において、狭窄手段１０７は仕切り板１０５と一体のプレートで構成されており、一方の半楕円形翼盤の交差部下流側弦縁辺と他方の半楕円形翼盤の交差部上流側弦縁辺間を四角形の仕切り板１０５の一部で部分的に閉塞することにより、開放口１０６が狭窄手段１０７によって狭められるようになっている。

図３に示す装置では、管体１０２を矢印方向から圧送される流体は仕切り板１０５により二つの分流に仕分けられ、整流されながら２枚の半楕円形翼盤１０４ａ、１０４ｂに誘導されることにより、強いひねりをもった螺旋流に変流される。このとき、流体は仕切り板１０５と翼盤１０４ａ、１０４ｂによる急激な分断と変流により、流体内に大きな剪断応力を発生させ、微細液粒子と微細気泡の乱流となって混合される。

また、この流体は、仕切り板１０５と、一対の半楕円形翼盤１０４ａ、１０４ｂと管体１０２の内壁で形成される変流路により、管体１０２の横断面積に比較して狭窄されているので加速され、ガイドベーン１０３の下流側の拡大された領域において流体周速度の２乗に比例する負圧を発生させるが、さらに狭窄手段１０７により開放口を絞っているのでガイドベーン１０３を通過した流体の周速度はさらに増速され、ガイドベーン１０３の下流側の拡大領域において管体１０２の内の外周側に増圧部が形成され、管体１０２の軸芯部により大きな負圧を有するキャビテーションが発生する。

更に、大きな遠心加速度を付与された流体の旋回流が、突起物１１０に衝突することにより、激しい混合・撹拌作用が生成されるようになっている。

この様な装置としては、ＯＨＲラインミキサー（（株）ＯＨＲ流体工学研究所）が挙げられる。

また、混合タンク６内に、水処理用機器１２、油処理用機器１３と同様の振動器・波動器又は水晶発振器等を設けてもよい。この様な混合タンク６では、混合した水と油のクラスタサイズがさらに小さい混合液が生成されるので、エマルジョン燃料をさらに安定して貯蔵できるとともに、燃焼性を安定して有害物質の排出を低減することができる。

水処理用機器１２と油処理用機器１３と水供給ポンプ１５，１９と油供給ポンプ１７，２１と界面活性剤ポンプ２３と混合液ポンプ２５とは、制御手段２６に連絡している。この制御手段２６は、情報入力手段２７からの水や油の性質等の情報を入力する制御回路２６Ａを備え、上記の各機器や各ポンプを作動制御する。超音波処理された水や超音波処理された油は、油の周りに水が配置するミセル又は水の周りに油が配置する逆ミセルを形成し、エマルジョン燃料を生成する。

ここで、クラスタとは、複数の原子又は分子が集まって作る集合体であり、つまり、高密度で微細化された分子集団である。また、超音波処理された水又は超音波処理された油においては、そのクラスタのサイズが最も好ましくは２０〜３０μｍ、あるいは、２０μｍ以下に形成されるものである。

このように、特に、燃料となる水や油のクラスタのサイズを２０〜３０μｍとすることにより、水や油の表面張力を適正に低下させ、水や油の凝集を助長して水と油との混合状態を長時間安定させて水と油とを分離しにくくするとともに、燃焼装置や車両のエンジン等ではミクロ爆発（微爆発）を効率良く生じさせ、完全燃焼を図って燃焼性を向上することができる。

ここで、ミクロ爆発とは、油滴内に結合された水が瞬間的に沸騰して気化・膨張することである。そして、このミクロ爆発によって油をさらに微粒化して油が酸素と結合し易くなり、燃焼効率を向上して完全燃焼を実現することができる。

即ち、水や油のクラスタのサイズが５０μｍ等で大き過ぎる場合には、油滴の気化・燃焼とミクロ爆発による油滴の再微粒化のタイミングが外れてミクロ爆発の効率が低下するという不具合があり、また、水や油のクラスタのサイズが１０μｍ以下等で小さ過ぎる場合には、油滴の再微粒化の力が小さくなってミクロ爆発を生じさせることが困難になるという不具合がある。

そこで、本発明においては、上述のように、水や油のクラスタのサイズを２０〜３０μｍとすることで、水と油との混合状態を長時間安定させて燃料の貯蔵を安定させるとともに、ミクロ爆発を適正に発生させて燃焼性を向上する。

また、本発明においては、超音波振動を与えることにより、水または油のクラスタサイズが小さくなると共に、水または油の結合角が広がり、水は水素イオン化・酸素イオン化、油は炭素イオン化・水素イオン化しているものと考えられる。そして、天然鉱石と接触させることにより、変化した結合角が安定されるものと考えられる。

超音波振動の周波数としては、４ｋＨｚ〜３５ｋＨｚが好ましい。また、周波数が異なる二種の超音波振動を交互に与えることが好ましい。

天然鉱石としては、例えば、トルマリンが挙げられる。

また、超音波振動付与と天然鉱石接触との効果をより発現させるためには、超音波振動を与える前に、例えば図３に示すようなスタティックミキサーで水または油を攪拌しておくこと、天然鉱石と接触させた後に、水または油に酵素を添加すること、が好ましい。酵素としては、例えばカタラーゼ等が挙げられ、「レオネットＦ−３５」（ナガセ生化学品販売（株））、「レオネットＳ」（ナガセ生化学品販売（株））等を好適に使用できる。

次に、図１のシステムを用いた場合の本発明方法について具体的に説明する。

水のみに超音波振動を与える場合には、水タンク２からの水を水供給ポンプ１５の駆動によって水処理部１０に送給し、この水処理部１０では水処理用機器１２によって超音波振動を与え、小クラスタ化する。この超音波処理された水は、そのクラスタのサイズが最も好ましくは２０〜３０μｍ、あるいは、２０μｍ以下で小クラスタ化されている。ここで、小クラスタ化とは、水のクラスタ（集合体）のサイズを小さくすることである。

そして、この超音波処理された水を水処理部１０内で天然鉱石に接触させた後に、水供給ポンプ１９の駆動によって混合タンク６に送給し、また、油を油供給ポンプ１７の駆動によって油処理部１１に送給するとともにこの油を油供給ポンプ２１の駆動によって油処理部１１では素通りさせて混合タンク６に送給する。また、界面活性剤を添加したい場合には、界面活性剤タンク５の界面活性剤を界面活性剤ポンプ２３の駆動によって混合タンク６に送給する。

この混合タンク６においては、超音波処理された水と油とを適正な対比で混合してミセル又は逆ミセルを形成し、また、必要に応じて所要量の界面活性剤を超音波処理された水と油とに混合し、そして、混合液を生成する。

この場合、水や油の性質、温度、圧力等の各種環境条件や使用する燃焼装置等により、例えば、超音波処理された水の７０体積％に対して油を３０体積％、超音波処理された水の５０体積％に対して油を５０体積％、超音波処理された水の３０体積％に対して油を７０体積％等で混合するとともに、界面活性剤を添加したい場合には、その超音波処理された水と油との対比に対応した所要量の界面活性剤を添加する。

そして、この混合液を混合液ポンプ２５の駆動によって燃料タンク７に送給し、この混合液をエマルジョン燃料として燃料タンク７に貯蔵する。

このように水のみを超音波処理することにより、超音波処理された水によって水と油との分離をしにくくさせ、エマルジョン燃料を長時間安定して貯蔵するとともに、燃焼性を安定して有害物質の排出を低減することができ、しかも、水に超音波処理するだけで、容易にエマルジョン燃料を生成することができる。

また、油のみに超音波振動を与える場合には、油タンク３からの油を油供給ポンプ１７の駆動によって油処理部１１に送給し、この油処理部１１では油処理用機器１３によって超音波振動を与え、小クラスタ化する。この超音波処理された油は、そのクラスタのサイズが最も好ましくは２０〜３０μｍ、あるいは、２０μｍ以下で小クラスタ化されている。ここで、小クラスタ化とは、油のクラスタのサイズを小さくすることである。

そして、この超音波処理された油を油処理部１１内で天然鉱石に接触させた後に、油供給ポンプ２１の駆動によって混合タンク６に送給し、また、水を水供給ポンプ１５の駆動によって水処理部１０に送給するとともに、この水を水供給ポンプ１９の駆動によって水処理部１０では素通りさせて混合タンク６に送給する。また、界面活性剤を添加したい場合には、界面活性剤タンク５の界面活性剤を界面活性剤ポンプ２３の駆動によって混合タンク６に送給する。

この混合タンク６においては、超音波処理された油と水とを適正な対比で混合してミセル又は逆ミセルを形成し、また、必要に応じて所要量の界面活性剤を超音波処理された油と水とに混合し、そして、混合液を生成する。

この場合、水や油の性質、温度、圧力等の各種環境条件や使用する燃焼装置等により、例えば、超音波処理された油の７０体積％に対して水を３０体積％、超音波処理された油の５０体積％に対して水を５０体積％、超音波処理された油の３０体積％に対して水を７０体積％等で混合するとともに、界面活性剤を添加したい場合には、その超音波処理された油と水との対比に対応した所要量の界面活性剤を添加する。

そして、この混合液を混合液ポンプ２５の駆動によって燃料タンク７に送給し、この混合液をエマルジョン燃料として燃料タンク７に貯蔵する。

このように油のみを超音波処理することにより、超音波処理された油によって水との分離をしにくくさせ、エマルジョン燃料を長時間安定して貯蔵するとともに、燃焼性を安定して有害物質の排出を低減することができ、しかも、油に超音波処理するだけで、容易にエマルジョン燃料を生成することができる。

更に、水と油との双方に超音波振動を与える場合には、水タンク２からの水を水供給ポンプ１５の駆動によって水処理部１０に送給し、この水処理部１０では水処理用機器１２によって超音波振動を与え、小クラスタ化する。この超音波処理された水は、そのクラスタのサイズが最も好ましくは２０〜３０μｍ、あるいは、２０μｍ以下で小クラスタ化されている。ここで、小クラスタ化とは、水のクラスタのサイズを小さくすることである。

また、油タンク３からの油を油供給ポンプ１７の駆動によって油処理部１１に送給し、この油処理部１１では油処理用機器１３によって超音波振動を与え、小クラスタ化する。この超音波処理された油は、そのクラスタのサイズが最も好ましくは２０〜３０μｍ、あるいは、２０μｍ以下で小クラスタ化されている。ここで、小クラスタ化とは、油のクラスタのサイズを小さくすることである。

そして、超音波処理された水を水処理部１０内で天然鉱石に接触させた後に、水供給ポンプ１９の駆動によって混合タンク６に送給し、また、超音波処理された油を油処理部１１内で天然鉱石に接触させた後に、油供給ポンプ２１の駆動によって混合タンク６に送給する。また、界面活性剤を添加したい場合には、界面活性剤タンク５の界面活性剤を界面活性剤ポンプ２３の駆動によって混合タンク６に送給する。

この混合タンク６においては、超音波処理された水と超音波処理された油とを適正な対比で混合してミセル又は逆ミセルを形成し、また、必要に応じて所要量の界面活性剤を超音波処理された水と超音波処理された油とに混合し、そして、混合液を生成する。

この場合、水や油の性質等、温度、圧力等の各種環境条件や使用する燃焼装置等により、例えば、超音波処理された水の７０体積％に対して超音波処理された油を３０体積％、超音波処理された水の５０体積％に対して超音波処理された油を５０体積％、超音波処理された水の３０体積％に対して超音波処理された油を７０体積％等で混合するとともに、界面活性剤を添加したい場合には、その超音波処理された水と超音波処理された油との対比に対応した所要量の界面活性剤を添加する。

そして、この混合液を混合液ポンプ２５の駆動によって燃料タンク７に送給し、この混合液をエマルジョン燃料として燃料タンク７に貯蔵する。

このように水と油との双方を超音波処理することにより、さらに水と油との分離をしにくくさせ、エマルジョン燃料を長時間安定して貯蔵するとともに、燃焼性を安定して有害物質の排出を低減することができ、しかも、エマルジョン燃料の性質を向上することができる。

水温１３℃の井戸水を、水供給ポンプにより、スタティックミキサー（「ＯＨＲラインミキサー」、（株）ＯＨＲ流体工学研究所）と、１２ｋＨｚ〜３５ｋＨｚの超音波振動を与えた後にトルマリン粉砕品（粒度１０ｍｍ〜２０ｍｍ）と接触するように構成された水処理部との間で、通水量２１Ｌ／分にて６分間循環させた。その後、酵素（「レオネットＦ−３５」、ナガセ生化学品販売（株））を２０体積％添加して攪拌混合した。

この時の水のｐｈの変化をマイナスイオン測定器（「ＰＨ−２０１Ｓ」、（有）イーデンキ）で測定し、水の酸化還元電位（ＯＲＰ）の変化を酸化還元電位計（「ＯＲＰ２０３Ｈ」、（株）佐藤商事）で測定した。その結果を表１に示す。

一方、Ａ重油（出光興産（株））５０体積部と、界面活性剤（「レオックス２０１０ Ｃ」、ライオン（株））０．０５体積部を、３０秒間攪拌混合した。

酵素添加後の水５０体積部と、界面活性剤添加後の油５０．０５体積部を、スタティックミキサー（「ＯＨＲラインミキサー」、（株）ＯＨＲ流体工学研究所）で、通水量２１Ｌ／分にて５分間混合し、エマルジョン燃料を得た。

得られたエマルジョン燃料は、６ヶ月放置しても水と油の分離は見られなかった。

また、得られたエマルジョン燃料と、Ａ重油のみを用いて、水温２１℃の水３５Ｌを１００℃まで加熱した。その時の、燃料使用量と所要時間を表２に示す。

１ 燃料製造システム
２ 水タンク
３ 油タンク
４ 超音波振動付与装置
５ 界面活性剤タンク
６ 混合タンク
７ 燃料タンク
８ 容器
９ 仕切部材
１０ 水処理部
１１ 油処理部
１２ 水処理用機器
１３ 油処理用機器
１５，１９ 水供給ポンプ
１７，２１ 油供給ポンプ
２３ 界面活性剤ポンプ
２５ 混合液ポンプ
２６ 制御手段
２７ 情報入力手段

Claims (4)

1. 水と油の少なくとも一方に超音波振動を与える工程と、
   該超音波振動が与えられた水または油を天然鉱石に接触させる工程と、
   油と該天然鉱石に接触させた水、水と該天然鉱石に接触させた油、または該天然鉱石に接触させた油と該天然鉱石に接触させた水を、油または天然鉱石に接触させた油３０体積％〜７０体積％、水または天然鉱石に接触させた水７０体積％〜３０体積％の比率で、カタラーゼを添加して攪拌混合する工程と、
   を有することを特徴とするエマルジョン燃料の製造方法。
2. 前記混合する工程で、更に界面活性剤を添加することを特徴とする請求項１に記載のエマルジョン燃料の製造方法。
3. 前記超音波振動与える工程が、周波数が異なる二種の超音波振動を交互に与える工程であることを特徴とする請求項１または２に記載のエマルジョン燃料の製造方法。
4. 前記天然鉱石がトルマリンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエマルジョン燃料の製造方法。

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