JP4295347B1 - エマルジョン燃料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エチレン性不飽和単量体とエチレン性不飽和基を有する反応性乳化剤とを含む不飽和単量体組成物をラジカル重合して得られる樹脂、燃料油および水を含有することを特徴とするエマルジョン燃料である。反応性乳化剤は、不飽和単量体組成物中に5質量%〜80質量%含まれることが好ましい。反応性乳化剤を上記範囲で配合して得られる樹脂を用いることで、エマルジョン燃料の経時安定性および燃焼効率をより向上させることができる。
【選択図】なし
Description
しかしながら、燃料油の中でもA重油や軽油は一般的に水を分散させるのが困難であることから、従来の手法では経時安定性に優れたエマルジョン燃料を得ることができないという問題があった。
従って、本発明の目的は、燃料油、特にA重油または軽油と水を乳化して得られる経時安定性、燃焼性および熱効率に優れ、省エネルギーと環境に配慮したエマルジョン燃料を提供することにある。
即ち、本発明は、エチレン性不飽和単量体と、下記式(1)または(2):
本発明において、エチレン性不飽和単量体は、水に対する溶解度が20℃において0質量%〜1.0質量%であるものが好ましく、炭素数4以上の直鎖状または分岐鎖状のアルキル鎖を有するアルキル(メタ)アクリレートであることがより好ましい。
本発明において、ノニオン系反応性乳化剤は、前記不飽和単量体組成物中に5質量%〜80質量%含まれることが好ましい。
本発明において、樹脂の重量平均分子量は、5,000〜300,000であることが好ましい。また、樹脂は、燃料油と水との合計100質量部に対して0.01質量部〜3.0質量部配合されていることが好ましい。
本発明において、燃料油は、A重油または軽油であることが好ましい。
本発明によるエマルジョン燃料(W/O型)は、燃料油および水に、エチレン性不飽和単量体と特定のノニオン系反応性乳化剤とを含む不飽和単量体組成物をラジカル重合して得られる樹脂(以下、樹脂と略記する)をエマルジョン燃料用乳化剤として添加したことに特徴がある。この樹脂は、燃料油と水との合計100質量部に対して有効成分換算で(不揮発分として)0.01質量部〜3.0質量部配合されていることが好ましい。樹脂の配合量が0.01質量部未満であると、十分な乳化安定性が得られない場合があり、また、3.0質量部を超えると、経済的に難がある。樹脂のさらに好ましい配合量は0.05質量部〜1.0質量部である。
溶媒としては、特に限定されるものではなく、水溶性溶剤、親水性溶剤、疎水性溶剤等が用いられる。これらの具体例としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸エチル、酢酸ブチル、メチルアルコール、エチルアルコール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、アミルアルコール、イソアミルアルコール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノイソプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノブチルエーテル、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、ベンゼン、ヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、キシレン、ミネラルスピリット、ターペン、灯油、軽油、重油等が挙げられる。これらは1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。溶媒の使用量は、特に制限されるものではないが、ラジカル重合の観点から、不飽和単量体組成物に対して20質量%〜400質量%であることが好ましい。
危険物ハンドブック(ギュンター・ホンメル編、新居六郎訳、シュプリンガー・フェアラーク東京出版、1991年発行)に記載のデータを引用した。
直径5cmのアルミ皿に樹脂約1gを秤量し、110℃で5時間乾燥させ、残分を秤量することで算出した。
ブルックフィールド型回転粘度計を用いて、液温23℃、回転数60rpmにて測定した。
以下の装置を用いて、テトラヒドロフランをキャリアとして、サンプル濃度約0.2質量%、測定時の流量1mL/分で樹脂の重量平均分子量を測定した。
使用機器;ゲルパーミテ−ションクロマトグラフィー
カラム;昭和電工株式会社製 KF−806L
標準試料;ポリスチレン換算
エマルジョン燃料製造装置(特開2006−329438号公報の実施例に記載されるものに相当する装置、株式会社エヌ・エフ・ジー製)を用いて、燃料油と水と乳化剤とを混合し、エマルジョン燃料を調製した。本装置は、水と乳化剤とを供給するための体積計量式ポンプ、水と燃料油と乳化剤とを混合するスタティックミキサーと、スタティックミキサーからの混合液をさらに混合して分散液(エマルジョン燃料)を燃焼装置に供給するマグネットカスケードポンプと、マグネットカスケードポンプの下流側から上流側に分散液の一部を還流させるフィードバック部とから構成される。燃料油と乳化剤とは、まずスタティックミキサーにより1次混合され、スタティックミキサーにより1次混合された混合液はマグネットカスケードポンプに送られてさらに2次混合される。マグネットカスケードポンプから吐出されるエマルジョン燃料の一部をポンプの上流側に戻すことにより、ポンプにおける2次混合を促し、直径1μm〜20μmの微細水滴が均一に分散したエマルジョン燃料を調製した。
調製したエマルジョン燃料を顕微鏡により撮影し、燃料油中に分散している水滴500個の平均値を粒子径とした。
調製したエマルジョン燃料を23℃で1日放置し、燃料油と水との分離状態を目視により観察し、下記基準に従って評価した。
○:水滴が若干沈降しているが、軽く攪拌することにより再乳化可能
△:水滴同士が凝集・合一し、燃料油と水が部分的に分離
×:燃料油と水が完全に分離
調製したエマルジョン燃料の燃焼性を評価するために、以下に示す方法によりエマルジョン燃料の加熱試験を実施した。調製したエマルジョン燃料滴(初期液滴径1.5mm〜1.8mm)をR熱電対(線径100μm)に懸垂し、所定の温度(800℃)に設定した電気炉内に挿入することにより、エマルジョン燃料滴を急速加熱した。加熱中のエマルジョン燃料滴温度の時間変化を測定することができるように、エマルジョン燃料滴を懸垂したR熱電対はデータロガーに接続されている。加熱中のエマルジョン燃料滴の様子を高速度ビデオカメラにより撮影し、ミクロ爆発発生の有無を確認した。エマルジョン燃料滴がミクロ爆発した場合には、撮影した画像および液滴温度の測定結果からミクロ爆発発生時の温度を求めた。
燃料として良好なエマルジョン燃料滴を加熱した場合、エマルジョン燃料中の水滴が急激に蒸発してミクロ爆発と呼ばれる燃料滴の二次微粒化が起こり、燃料滴の燃焼性が向上することが知られている(例えば、F. L. Dryer, “Water addition to practical combustion systems - concepts and applications”, Proceedings of the Sixteenth (International) Symposium on Combustion, p. 279 - 295, 1977を参照)。つまり、ミクロ爆発が発生するエマルジョン燃料は、燃焼性に優れているということが言える。
攪拌装置、温度計および還流冷却器を備えた四つ口フラスコ反応器にプロピレングリコールモノメチルエーテル100質量部を仕込み、80℃に昇温した。また、エチレン性不飽和単量体として、2−エチルヘキシルアクリレート(2EHA)105質量部、ノニオン系反応性乳化剤として、上記式(1)で表されるα−ヒドロ−ω−(1−(アルコキシ)メチル−2−(2−プロペニルオキシ)エトキシ)−ポリ(オキシ−1,2−エタンジイル)(株式会社ADEKA製、アデカリアソープER−10)45質量部、ラジカル重合開始剤として2,2−アゾビス−(2−メチルブチロニトリル)を均一に溶解するまで攪拌し、不飽和単量体組成物を準備し、これを2時間かけて反応器中に滴下した。なお、滴下中、反応器内の温度は約80℃に保った。滴下終了後、約80℃で1時間保持し、冷却した後、反応器から製造例1の樹脂溶液を取り出した。得られた製造例1の樹脂溶液は、不揮発分57質量%、粘度85mPa・s、重量平均分子量34,800であった。単量体組成および重量平均分子量を表1に示した。
ノニオン系反応性乳化剤を上記式(2)で表されるアクアロンRN−10(第一工業製薬株式会社製)に変更した以外は製造例1と同様の操作を行い、製造例2の樹脂溶液を得た。得られた製造例2の樹脂溶液は、不揮発分58質量%、粘度180mPa・s、重量平均分子量48,200であった。単量体組成および重量平均分子量を表1に示した。
2−エチルヘキシルアクリレートを105質量部用いる代わりに、2−エチルヘキシルアクリレート75質量部およびスチレン30質量部を用いた以外は製造例1と同様の操作を行い、製造例3の樹脂溶液を得た。得られた製造例3の樹脂溶液は、不揮発分57質量%、粘度40mPa・s、重量平均分子量18,300であった。単量体組成および重量平均分子量を表1に示した。
2−エチルヘキシルアクリレートの使用量を135質量部に変更し、アデカリアソープER−10の使用量を15質量部に変更した以外は製造例1と同様の操作を行い、製造例4の樹脂溶液を得た。得られた製造例4の樹脂溶液は、不揮発分59質量%、粘度950mPa・s、重量平均分子量59,000であった。単量体組成および重量平均分子量を表1に示した。
ノニオン系反応性乳化剤であるアデカリアソープER−10を用いず、2−エチルヘキシルアクリレートの使用量を150質量部に変更した以外は製造例1と同様の操作を行い、製造例5の樹脂溶液を得た。得られた製造例5の樹脂溶液は、不揮発分59質量%、粘度1,800mPa・s、重量平均分子量62,000であった。単量体組成および重量平均分子量を表1に示した。
エチレン性不飽和単量体である2−エチルヘキシルアクリレートを用いず、アデカリアソープER−10の使用量を150質量部に変更した以外は製造例1と同様の操作を行い、製造例6の樹脂溶液を得た。得られた製造例6の樹脂溶液は、不揮発分57質量%、粘度50mPa・s、重量平均分子量2,400であった。単量体組成および重量平均分子量を表1に示した。
市販のA重油80.7質量部、製造例1の樹脂溶液0.89質量部(不揮発分として約0.51質量部)および水19.3質量部の割合でエマルジョン燃料を調製した。評価結果を表2に示した。
市販のA重油80.1質量部、製造例1の樹脂溶液0.20質量部(不揮発分として約0.11質量部)および水19.9質量部の割合でエマルジョン燃料を調製した。評価結果を表2に示した。
市販のA重油80.2質量部、製造例3の樹脂溶液0.20質量部(不揮発分として約0.11質量部)および水19.8質量部の割合でエマルジョン燃料を調製した。評価結果を表2に示した。
市販のA重油80.4質量部、製造例4の樹脂溶液0.20質量部(不揮発分として約0.12質量部)および水19.6質量部の割合でエマルジョン燃料を調製した。評価結果を表2に示した。
市販のA重油69.6質量部、製造例1の樹脂溶液1.14質量部(不揮発分として約0.65質量部)および水30.4質量部の割合でエマルジョン燃料を調製した。評価結果を表2に示した。
市販のA重油79.7質量部、製造例2の樹脂溶液0.97質量部(不揮発分として約0.56質量部)および水20.3質量部の割合で、上記乳化方法にてエマルジョン燃料を調製した。評価結果を表2に示した。
市販のA重油80.0質量部、製造例5の樹脂溶液1.00質量部(不揮発分として約0.59質量部)、水20.0質量部の割合でエマルジョン燃料を調製しようと試みたが、乳化せず直ぐにA重油と水に分離した。評価結果を表3に示した。
市販のA重油80.4質量部、油剤用乳化剤としてソルビタンモノオレート(HLB4.3)0.99質量部および水19.6質量部の割合でエマルジョン燃料を調製した。評価結果を表3に示した。
市販のA重油80.0質量部、製造例6の樹脂溶液1.00質量部(不揮発分として約0.59質量部)および水20.0質量部の割合でエマルジョン燃料を調製しようと試みたが、乳化せず直ぐにA重油と水に分離した。評価結果を表3に示した。
エマルジョン燃料(またはA重油単独)を用いて、図1に示すような横型円筒燃焼器(内径φ312mm、全長1783mm)で燃焼試験を行った。この横型円筒燃焼器において、エマルジョン燃料(またはA重油単独)は6穴の二流体ノズルにより噴霧され、燃焼用空気はノズル周りのスワラーを通して燃焼器内に供給される。エマルジョン燃料(またはA重油単独)の供給量は10L/時間とし、排ガス温度およびガス組成を測定した。排ガス温度は、図1に示すT2の位置においてK型シース熱電対により測定し、排ガス中のO2、CO、CO2、NOおよびNO2濃度は、図1に示すT2の位置において燃焼排ガス分析計(TESTO 350XL、株式会社テストー製)により測定した。また、投入した燃料の発熱量に対する排ガスの保有する熱量より熱効率を算出した。
市販のA重油88.8質量部、製造例1の樹脂溶液0.3質量部(不揮発分として約0.17質量部)および水11.2質量部の割合でエマルジョン燃料を作製し、横型円筒燃焼器により燃焼試験を行った。試験結果を表4に示した。
市販のA重油77.8質量部、製造例1の樹脂溶液0.3質量部(不揮発分として約0.17質量部)および水22.2質量部の割合でエマルジョン燃料を作製し、横型円筒燃焼器により燃焼試験を行った。試験結果を表4に示した。
市販のA重油を用いて、横型円筒燃焼器により燃焼試験を行った。試験結果を表4に示した。
Claims (7)
- 前記ノニオン系反応性乳化剤が、前記不飽和単量体組成物中に5質量%〜80質量%含まれ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。
- 前記樹脂の重量平均分子量が、5,000〜300,000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。
- 前記エチレン性不飽和単量体の水に対する溶解度が、20℃において0質量%〜1.0質量%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のエマルジョン燃料。
- 前記エチレン性不飽和単量体が、炭素数4以上の直鎖状または分岐鎖状のアルキル鎖を有するアルキル(メタ)アクリレートであることを特徴とする請求項4に記載のエマルジョン燃料。
- 前記樹脂が、燃料油と水との合計100質量部に対して0.01質量部〜3.0質量部配合されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のエマルジョン燃料。
- 前記燃料油が、A重油または軽油であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のエマルジョン燃料。
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