JP2010248354A - ボイラー用エマルジョン燃料とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】廃食油を重油と共にエマルジョン化し、通常の燃料油と同じように取り扱いそして使用できる、ボイラー用エマルジョン燃料を提供すること。
【解決手段】重油５０〜９０体積％と、廃食油５〜４５体積％と、＋１００ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）を有する５〜４０体積％の還元水と、油成分に対して０．１〜１０重量％の乳化剤とを混合し、超音波を与えながら攪拌することによってエマルジョンとすることによって得られるボイラー用エマルジョン燃料。還元水としては、電解還元水が好ましく、特に、＋５０ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）の電解還元水が好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、廃食油と重油と水をエマルジョン化して得られる環境適用型のボイラー用エマルジョン燃料と、その製造方法に関するものである。

水とガソリン、軽油、灯油、重油、植物油、廃油等の燃料油を混合して得られるエマルジョン燃料は、燃焼時に窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）や煤塵の発生が少ないため、大気汚染防止に有効な燃料であることが知られている。例えば、車両、船舶、発電、土木建築等の多くの分野で有効に利用されているディーゼルエンジンは主として軽油を燃料としているが、近年、その排気ガスに含まれる窒素酸化物やＰＭ（Particulate Matter）等の未燃焼生成物、煤塵等が大気汚染の原因となっている。このため、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化を目的として、種々の技術開発が進められているが、その一つとして、排気ガス中の窒素酸化物を低減するために、軽油と水とからなるエマルジョン燃料を供給して、噴射、燃焼させるエマルジョン燃料供給装置も色々と提案されている。そしてまた、安定なエマルジョン燃料を得るための乳化剤についても、色々な種類のものが提案されている。

一方、使用済みてんぷら油等の廃食油を使用して、バイオディーゼル燃料（ＢＤＦ）を製造し、軽油の代替燃料として、特にバスや自治体の公用車のジーゼル自動車に使用されている。廃食油を廃棄物として捨てずにリサイクルして車の燃料に使用し、併せてＣＯ_２を削減し、環境に貢献し循環型社会形成に役立たせる試みは大変評価されるものである。しかしながら、廃食油をＢＤＦにするためには、メタノール等を使用し、苛性ソーダ等を触媒としてエステル交換させ、脂肪酸メチルエステルを製造し、グリセリンを抜かなければならない（例えば、特許文献１〜４参照）。かかる操作のために、コストが高くつき実際は軽油より高い値段で販売されているのが現状である。グリセリンを抜かないと粘性が高く、燃料の噴霧が悪くエンジントラブルの原因となる。

本発明者は、既に、軽油、灯油、重油、ガソリン等の燃料油と乳化剤水溶液、あるいは、乳化剤の還元水溶液を超音波を付与しながら攪拌・混合して得られるエマルジョン燃料とその製造方法、並びに製造装置について提案を行った（特許文献５と６参照）。かかる提案によって得られたエマルジョン燃料は、ディーゼルエンジンにも使用できる高品質のものであった。

本発明者は、上記のような本発明者が既に提案した技術を廃食油に応用することを試みた。そして、廃食油をＢＤＦにして車に使用するのではなく、エマルジョン燃料として、既存のボイラー用の燃料に使用することに着目し、それによって、廃食油のリサイクルを推進しＣＯ_２の削減を図り、もって循環型社会形成を実現することを目指して研究開発を行った。

特開２００３−９６４７３号公報 特開２００８−２４８４１号公報 特開２００８−２７４０３０号公報 特開２００８−１０６０９７号公報 特開２００６−２８２１５号公報 特開２００８−２１５０４２１号公報

本発明の課題は、廃食油を重油と共にエマルジョン化し、通常の燃料油と同じように取り扱いそして使用できる、ボイラー用エマルジョン燃料を提供することにある。

本発明は、重油５０〜９０体積％と、廃食油５〜４５体積％と、＋１００ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）を有する５〜４０体積％の還元水と、油成分に対して０．１〜１０重量％の乳化剤の混合液からなるボイラー用エマルジョン燃料である。還元水としては、電解還元水が好ましく、特に、＋５０ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）の電解還元水が好ましい。

本発明の他の態様は、重油５０〜９０体積％と、廃食油５〜４５体積％と、＋１００ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）を有する５〜４０体積％の還元水と、油成分に対して０．１〜１０重量％の乳化剤とを混合し、超音波を与えながら攪拌することによってエマルジョンとすることを特徴とするボイラー用エマルジョン燃料の製造方法である。廃食油としては、あらかじめ超音波をかけ粘性を低下させた廃食油を用いることが好ましい。

本発明によって得られるボイラー用マルジョン燃料は、公害が少ない環境に優しい燃料であり、長期間にわたって非常に良好なエマルジョン状態を保持しているので、通常のボイラー用燃料油と同じように取り扱い、使用することができる。また、本発明のボイラー用エマルジョン燃料は、既存のボイラーにそのまま使用できるので、特別に新たなものを備える必要もない。その上、燃費も高く品質にも優れている。そして、燃焼に際して、黒煙を含むＰＭ及び窒素酸化物の発生が非常に少なくなり、環境に与える負荷も少ない。

重油と廃食油と水をエマルジョン化したエマルジョン燃料自体は公知であり、一部、ビニールハウス等の農業分野等で使用もされている。本発明は、より、安定性や品質に優れたボイラー用エマルジョン燃料を提供するものである。そして、本発明のエマルジョン燃料は、重油５０〜９０体積％と、廃食油５〜４５体積％と、＋１００ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）を有する５〜４０体積％の還元水と、油成分に対して０．１〜１０重量％の乳化剤の混合液からなる。

一般に、酸素の酸化還元電位は約＋８５０ｍＶ、水素の酸化還元電位は約−４２０ｍＶであり、酸化力と還元力が平衡になる点は、約＋２００ｍＶであるとされている。従って、還元水とは酸化還元電位が約＋２００ｍＶより低い水を意味し、この酸化還元電位が低くなるほど、還元力が強いことが知られている。本明細書においても還元水とは、酸化還元電位が約＋２００ｍＶより低い水を意味する。そして、本発明において用いられるのは、酸化還元電位が約＋１００ｍＶ以下のものである。そして、更に好ましい還元水は、水の電気分解によって得られる電解還元水であり、電解還元水のなかで好ましいのは、＋５０ｍＶ以下の酸化還元電位を有する電解還元水である。

本発明において用いられる電解還元水としては、陽極と陰極が隔てられた隔膜電解槽を用い、且つ、超音波発生手段で超音波を与えながら、水の電気分解を行うことによって得られた電化還元水を用いるのが好ましい。そして、水の電気分解を行うに際しては、陰極として水素吸蔵金属又は合金を用いて、水の電気分解を行うのが適当である（特許文献５と６参照）。

本発明のボイラー用エマルジョン燃料は、重油５０〜９０体積％、好ましくは６５〜７０体積％と、廃食油５〜４５体積％、好ましくは１５〜２０体積％と、＋１００ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）を有する５〜４５体積％、好ましくは１０〜１５体積％の還元水と、油成分（重油と廃食油）に対して０．１〜１０重量％、好ましくは０．３〜３重量％の乳化剤とを混合し、超音波を与えながら攪拌し、エマルジョン化することによって得られる。混合攪拌又はエマルジョン化の方法・手段は特に限定されるものではない。公知のいかなる方法・手段・装置を用いてもよい。

本発明において用いられる乳化剤は液体又は固体のものであるが、油成分及び／又は還元水への添加・混合のさせ方については何の制限もない。乳化剤を水溶液として添加・混合しても良く、あるいは、油成分及び／又は還元水に直接添加・混合しても良い。結果的に、乳化剤の添加量が油成分と還元水の混合液において、油成分に対して０．１〜１０重量％、好ましくは、０．３〜３重量％の範囲であればよい。

本発明において用いられる乳化剤としては、非イオン界面活性剤、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤のいずれでも用いることができるが、好ましいのは、ソルビトール、ソルビタン及びソルバイド等の多価アルコールの脂肪酸エステルや、アルコールのアルキレンオキサイド付加物等の非イオン界面活性剤である。乳化剤は一種又は二種以上混合して用いることができる。

本発明において用いられる還元水は、＋１００ｍＶ以下の酸化還元電位を有するものである。前述のように、一般的に還元水とは酸化還元電位が約＋２００ｍＶより低い水を意味し、この酸化還元電位が低くなるほど、還元力が強いことが知られている。ちなみに、水道水の酸化還元電位は＋２００〜＋７００ｍＶであると言われており、井戸水などの天然水は、酸化還元電位が水道水よりも低く、酸化還元電位がマイナスのものも存在している。

本発明において好ましい還元水は、水の電気分解によって得られる電解還元水であり、電解還元水のなかで好ましいのは、＋５０ｍＶ以下、更に好ましくは−１００ｍＶ以下の酸化還元電位を有する電解還元水である。電解還元水とは、水を電気分解したときに、陰極側に生成する陰極水をいい、アルカリイオン水と呼ばれる場合もある。製造方法によって酸化還元電位は異なるが、製法によっては約−２００ｍＶ以下のものも得られる。

本発明において用いられる電解還元水としては、陽極と陰極が隔てられた隔膜電解槽を用い、且つ、超音波発生手段で超音波を与えながら、水の電気分解を行うことによって得られた電化還元水（陰極側の電解水）を用いるのが好ましい。また、水の電気分解を行うに際しては、陰極として水素吸蔵金属又は合金を用いて、水の電気分解を行うのが適当である。かかる方法・装置によると、条件によって−３００ｍＶ〜−７５０ｍＶもの酸化還元電位を有する水を得ることができる。通常は、−１００ｍＶ以下のものが好ましく、特に−３００ｍＶ前後のものが適当である。水の電気分解の条件は、目的とする電解還元水の酸化還元電位に応じて、適宜容易に決定することができる。

水の電気分解を行うに際しては、陽極（室）と陰極（室）を分ける隔膜電解槽が用いられる。隔膜としては、イオン交換膜、有機又は無機の微多孔膜等があり、これらの中から耐食性、機械的強度、気孔径・分布、電気抵抗等を勘案して、適当なものを容易に選択することができる。形状は特に限定されるものではなく、陽極と陰極で発生、存在する物質が電解液に溶解し、それが拡散対流によって混合するのを防げるようなものであればよい。実用的には、電解槽の中の陽極を、円筒状の陰イオン交換膜で覆った形態の隔膜電解槽が便利である。

エマルジョン化によって得られたエマルジョン燃料は、油成分と水の割合によって、Ｏ／Ｗ（Oil in Water）型かＷ／Ｏ（Water in Oil）型になるが、本発明においては、どちらの型でもかまわない。一般的に、油成分中に水の微粒子が分散したＷ／Ｏ型の方が安定性には優れていし、また、Ｗ／Ｏ型の方が、水としての性質は少なく、これに接触する機器類を酸化するというような問題もないので好ましい。油成分中の水微粒子の大きさは、２０μ以下が適当であり、５μ以下にするのがより好ましい。また、本発明のボイラー用エマルジョン燃料中には、その目的・用途に応じて、必要な公知の添加剤、例えば、防錆剤、流動点降下剤、腐食防止剤を配合することもできる。

本発明においては、前記電解還元水を得るための水の電気分解に際し、後記のような超音波発生手段を併用するとより優れた効果が得られる。詳細な、原理・作用機作は不明であるが、電気分解に際し、水に超音波発生手段で超音波を付与することにより、水がミクロバブル化し、同時に常温常圧下でありながら１０００気圧５０００℃の真空状態を作るといわれる超音波のキャビテーション効果により、非常に効率的に電解還元水が得られるものと思われる。この際、陰極として、水素吸蔵金属又は合金を用いると、発生した水素が陰極に吸収・吸着されるが、この水素は、後述のごとく、エマルジョン形成工程で有効に使うことができる。このような水の電気分解によって、約−５００ｍＶもの酸化還元電位を有する水を得ることができる。

本発明のボイラー用エマルジョン燃料は、重油５０〜９０体積％と、廃食油５〜４５体積％と、＋１００ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）を有する５〜４５体積％の還元水と、油成分に対して０．１〜１０重量％の乳化剤とを混合し、超音波を与えながら攪拌することによってエマルジョンすることによって得られる。更には、廃食油に、あらかじめ超音波をかけ粘性を低下させたものを用いると、反応操作が容易になる。

超音波発生手段としては、例えば、公知あるいは市販の超音波発生装置を用いることができる。超音波のパワーとしては、水又は廃食油又は油成分１リットル当たり、１〜１００Ｗ程度、好ましくは５〜４０Ｗである。なお、本発明において超音波発生手段とは、高周波発生手段は含まないが、マイクロ波等のいわゆる超音波以外の、周波数により物体に振動を与える手段も含むものとする。超音波発生手段は、処理液に、キャビテーション効果を促すものであればどのようなものでも良いが、超音波発生機と接続された超音波発振棒を混合液に挿入するタイプのものが適当である。攪拌手段は、公知あるいは市販の攪拌機を利用すれば良い。電気分解、あるいは、エマルジョン形成の過程で攪拌・混合に用いる混合容器としては、特別な容器を用いる必要はなく、実用的にも、例えば、ステンレスやガラス製、あるいは塩化ビニール製の一般的な容器・装置を用いることができる。

前記のごとき還元水又は電解還元水と油成分とから形成されたエマルジョンは、水素が添加された新しいエマルジョン燃料になるものと思われる。そして、このエマルジョン燃料は、水と油成分が長期間分離することなく、燃焼性も良く燃費にも優れた高品質のものであり、特にボイラー用の燃料として適している。本発明のボイラー用エマルジョン燃料は、燃焼に際し先ず油成分が燃え、それによってエマルジョン中の水が微爆発して油成分の燃焼面積が飛躍的に増大し、完全燃焼が起こるものと推測される。

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、エマルジョンの経時安定性の評価は、エマルジョン燃料２５０ｍｌを２５０ｍｌのメスシリンダーに入れ、密封系で２５℃で１〜３ケ月放置した後の外観を観察して、次の基準で評価した。○：外観変化せず、△：若干の変化あり、×：エマルジョンが分離。

[電解還元水の製造]
電解槽（処理槽はステンレス製）の陰極室に水道水（酸化還元電位が約＋２００ｍＶ）２０Ｌを入れ、一方、陽極室には、水酸化ナトリウム１００ｇを含む水溶液２０Ｌを入れ、電源として三相電源の直流を用い、超音波を与えながら、常温常圧で３０分間電気分解を行った。陰極としては、パラジウム（水素吸蔵金属）からなる電極を用いた。電気分解の平均電圧は２０Ｖ、平均電流は５０Ａであった。超音波発生手段である電波棒は、直径４５ｍｍ、長さ３５ｃｍの金属棒を用い、これに２０ＫＨｚの超音波を印加した。超音波のバワーは、平均２５５Ｗであった。なお、電気分解における印加電圧は、３０分間ほぼ一定であったが、電流と超音波のバワーは、徐々に増加した。陰極室の水は、市販のミキサーを用いて１４００回／ｍの攪拌を行った。陰極室で得られた電解還元水の酸化還元電位は、約−３００ｍＶであった。

[エマルジョン燃料の製造]
A重油を６５体積％、廃食油（使用済みテンプラ油）を２０体積％、電解還元水を１５体積％用いた。乳化剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系を主成分とする非イオン性界面活性剤を、油成分に対して０．８重量％用いた。廃食油は、先ず、フィルターにかけ混合物を除去し、次いで、超音波をかけ粘性を低下させたものを用いた。超音波の出力は３００ｋｗで、処理後の廃食油の粘度は０．８ｄＰａ・ｓから０．４ｄＰａ・ｓに下がった。

前記で得られた電解還元水と、Ａ重油と、前記処理後の廃食油と、界面活性剤を混合し、超音波をかけながら、常温常圧で３０分間、混合液の攪拌を行いエマルジョン化した。超音波は２０ＫＨｚで４００ｋｗであった。攪拌は、市販のミキサーを用いて１４００回／ｍの攪拌を行った。得られたエマルジョン燃料は、均一なエマルジョン状態のものであった。得られた廃食油エマルジョン燃料の粘度は、０．３ｄＰａ・ｓであった。このエマルジョンの経時安定性の評価を行ったところ、２５℃で１ケ月、更に３ケ月間放置した後もエマルジョンの状態の外観に変化はなかった（○：外観変化せず）。得られたエマルジョン燃料は、ボイラー用の燃料として用いた場合に、Ａ重油１００％の燃料と比べ、Ａ重油と廃食油で８５％の燃料を使用しエマルジョン化することにより、Ａ重油１００％の燃料以上の燃焼効果を実現し得ることが確認できた

［比較例］
通常の水道水（酸化還元電位が約＋２００ｍＶ）を用いて、陰極（電極）をエマルジョン形成槽の混合液中に浸漬すること以外は、前記実施例の場合と同様にして、エルジョン形成槽で軽油と乳化剤と水道水との混合液の攪拌・混合を行ってエマルジョン燃料を得た。このものは、２５℃で１日放置しておくとエマルジョンの状態に変化が現れ（△：若干の変化あり）、一週間後には、エマルジョンが殆ど分離した（×：エマルジョンが分離）。

本発明によって得られるボイラー用エマルジョン燃料は、長期間にわたって非常に良好なエマルジョン状態を保持しているので、通常の燃料油と同じように取り扱い、使用することができる。そして、高品質で燃費が向上するので、環境に優しい上に燃料経費が大幅に節約できる。更に、本発明のボイラー用エマルジョン燃料は、燃焼時に窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）や煤塵の発生が少ないため、大気汚染防止に有効な燃料として利用できる。

Claims (5)

1. 重油５０〜９０体積％と、廃食油５〜４５体積％と、＋１００ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）を有する５〜４０体積％の還元水と、油成分に対して０．１〜１０重量％の乳化剤の混合液からなるボイラー用エマルジョン燃料。
2. 還元水が、電解還元水である請求項１記載のボイラー用エマルジョン燃料。
3. 電解還元水が、＋５０ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）のものである請求項２記載のボイラー用エマルジョン燃料。
4. 重油５０〜９０体積％と、廃食油５〜４５体積％と、＋１００ｍＶ以下の酸化還元電位（ＯＲＰ）を有する５〜４０体積％の還元水と、油成分に対して０．１〜１０重量％の乳化剤とを混合し、超音波を与えながら攪拌することによってエマルジョンとすることを特徴とするボイラー用エマルジョン燃料の製造方法。
5. 廃食油として、あらかじめ超音波をかけ粘性を低下させた廃食油を用いることを特徴とする請求項４記載のボイラー用エマルジョン燃料の製造方法。