JP4555553B2

JP4555553B2 - 混合方法および装置並びに発電システム

Info

Publication number: JP4555553B2
Application number: JP2003200591A
Authority: JP
Inventors: 和樹小林; 浩石坂; 宣明清水
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: JP2005041929A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃食用油と燃料油との混合方法および装置並びにそれを用いた発電システムに係り、特に、廃食用油を改質して内燃機関の燃料として利用する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、廃食用油は、食品産業や一般家庭などから大量に排出され、廃棄物として処理されている。そのため、環境保護、資源活用の観点から、廃食用油を有効利用する方法が要望されている。
【０００３】
そこで、廃食用油を再利用する方法として、例えば、廃食用油をエステル化して、軽油相当の燃料に改質する方法が知られている。しかし、この方法によれば、廃食用油の改質は十分に行われるが、エステル化による処理コストが高価となり、従来の燃料油と比べてコストメリットが小さい。
【０００４】
これに対し、回転軸の軸方向に硬質線状突起物が螺旋状に形成された回転子が高速回転するケーシング内に廃食用油と水を供給し、回転混合させることにより、機械的にキャビテーションを生じせしめ、乳化を促進させるとともに、内燃機関などの燃料に改質させる方法が提案されている（特許文献１参照。）。これによれば、廃食用油と水は均一に混合されることに加え、改質の処理コストが安価となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−１３０７６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法によれば、回転子を機械的に攪拌するため、廃食用油に対するキャビテーション作用が十分に発揮されず、廃食用油の改質が不十分となる。そのため、内燃機関で燃焼する際に、未燃物などの粒子状物質が多く排出され、環境に影響を与えるおそれがある。また、装置の複雑化、大型化にともない、初期費用が嵩むという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、簡単な装置構成により廃食用油の改質を促進させることを課題とする。
【０００８】
本発明は、上述した課題を、燃料油と廃食用油のいずれか一方の油を加圧して他方の油中に噴射してキャビテーションを発生させ、少なくとも廃食用油を改質しながら混合することにより解決する。より具体的には、加圧した廃食用油をキャビテーションノズルから燃料油の油中に噴射することにより、激しいキャビテーションが発生する。これにより、廃食用油は、油中のキャビテーション作用により改質されるとともに、燃料油と均一に混合分散されて、その結果、内燃機関の燃料として用いても、粒子状物質の発生を十分に抑えることができる。
【０００９】
また、本発明の混合装置は、油槽と、油槽に燃料油を供給する第１の供給手段と、油槽に廃食用油を供給する第２の供給手段とを有し、キャビテーションノズルは、第２の供給手段に備えることにより、廃食用油の改質を促進させることができる。また、油槽から油を抜き出して、キャビテーションノズルに戻す循環手段を備えることが好ましい。これによれば、廃食用油が繰り返しキャビテーション作用を受けるため、改質の度合いを一層向上させることができる。
【００１０】
また、本発明の発電システムは、上記の混合装置と、この混合装置により混合された油を燃料とする内燃機関と、この内燃機関により駆動される発電機と、内燃機関から排出される排ガスを処理する排ガス処理装置とを有することにより実現できる。即ち、内燃機関の燃料は、混合装置により十分に改質されているから、燃焼排ガス中の粒子状物質はごく微量となり、排ガス処理装置への負担を低減させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明が適用されてなる第１の実施形態の発電システムを示す全体構成図である。図１に示すように、本実施形態の発電システムは、油槽１、燃料油供給手段２、廃食用油供給手段４、ディーゼルエンジン３、発電機５、排ガス処理装置７を備えて構成される。油槽１の上部には燃料油供給手段２の供給管９が接続される一方、下部には廃食用油供給手段４の供給部となるキャビテーションノズル１１が挿入されている。油槽１の排油口は、送油管１３およびバルブ１４を介してディーゼルエンジン３の燃料供給口に接続され、ディーゼルエンジン３の排ガス出口は、排気管１５を介して排ガス処理装置７に接続されている。なお、デーゼルエンジン３には発電機５が機械的に接続されている。
【００１２】
燃料油供給手段２は、燃料油を蓄える貯油槽２１とポンプ２３を有して構成され、貯油槽２１に蓄えられる燃料油は、バルブ２５が開放されると送油管２７を通じてポンプ２３に導かれ、ポンプ２３から排出された後は、油供給管９を通じて油槽１内に供給されるようになっている。廃食用油供給手段４は、廃食用油を蓄える貯油槽３１、圧縮ポンプ３３、圧力調整弁３５、キャビテーションノズル１１を有して構成され、貯油槽３１に蓄えられる廃食用油は、送油管３２を通じて圧縮ポンプ３３に導かれ、送油管３６に配設される圧力調整弁３５を通じてキャビテーションノズル１１から油槽１内に供給されるようになっている。なお、本実施形態の燃料油としては、Ａ重油が用いられ、廃食用油としては、食品産業や家庭から排出され、粘度がＡ重油より約１桁大きい食用油が用いられている。
【００１３】
図２は、油槽１内に挿入されるキャビテーションノズル１１の先端部を示す部分断面図である。図に示すように、このキャビテーションノズル１１は、円柱状の外径を有し、その内部には、加圧流体つまり廃食用油が導かれる供給路４１、絞り部４３、噴出孔４５、拡大部４７が形成されている。流路径が一定で円柱状の空間を有する供給路４１は、その通流方向の端部に、流路が収束する絞り部４３が形成されている。そして、絞り部４３の中央には、流路径が一定（例えば、口径：５〜１５ｍｍ）の噴出孔４５が形成され、その先には、流路径が連続的に拡大し、半球状の空間を有する拡大部４７が形成されている。噴出圧力は、キャビテーションノズル１１に設ける圧力計１０により測定され、圧力調整弁３５により調整可能になっている。本実施形態では、キャビテーションノズル１１の噴出圧力を、例えば１〜１０ＭＰａ程度に設定することにより、廃食用油を効率的に改質できるが、処理する廃食用油の性状に応じて適宜調節することができる。なお、キャビテーションノズル１１の形状は、実質的に加圧流体を用いてキャビテーションを起こすことのできるものであれば、上記に限定されるものではない。
【００１４】
次に、本実施形態の動作を説明する。先ず、油槽１内には、燃料油供給手段２により所定量のＡ重油が供給される。ここで、Ａ重油は、少なくとも油槽１の下部に設けられるキャビテーションノズル１１が十分に浸されるだけの量を供給する。次に、貯油槽３１に蓄えられる廃食用油が圧縮ポンプ３３に導かれて加圧され、圧力調整弁３５を経由してキャビテーションノズル１１から油槽１内に高圧噴射される。油槽１内のＡ重油中に噴射された廃食用油は、そのジェット噴流によりキャビテーションノズル１１の周囲のＡ重油を巻き込みながら、高密度のキャビテーションジェット３７を形成する。ここで、キャビテーションとは、液体が高速で流動したり、強い圧力変動下で液体中に気泡状の空洞（キャビティ）が発生し、これらの気泡が超高速でつぶれる現象を表し、気泡崩壊時における衝撃圧の発生や強い流動・混合作用により、廃食用油が低分子化、微粒化して改質される。これにより、廃食用油は改質しながら、噴出流による激しい乱流作用によりＡ重油と均一に混合される。
【００１５】
バルブ１４の開放により、油槽１から排出された燃料油と廃食用油の混合油（以下、単に混合油と略す。）は、送油管１３を通じてディーゼルエンジン３の燃焼室に供給され、燃焼により発電機を駆動して発電させる。ディーゼルエンジン３から排出される燃焼排ガスは、排気管１５を介して排ガス処理装置７に導かれ、図示しないフィルタにより排ガス中のばいじんなどの粒子状物質（以下、ＰＭと略す。）および臭気成分が捕集される。そして、排ガス処理装置７のフィルタ表面には酸化触媒が担持されているため、ＰＭおよび臭気成分は触媒作用により燃焼、酸化分解され、排ガス中から除去される。
【００１６】
ここで、キャビテーションノズル１１を通流する廃食用油の動作を詳細に説明する。キャビテーションノズル１１に供給される廃食用油は、供給路４１を通じて絞り部４３に導かれ、流路が狭まることにより昇圧され、噴出孔４５に導かれる。噴出孔４５は流路径が一定であるから、廃食用油は加速されて拡大部４７に達する。そして、拡大部４７を通流する廃食用油は、流路径が広がることにより急激に減圧されてジェット噴流になり、キャビテーションジェット３７を形成するとともに、改質、混合される。
【００１７】
次に、キャビテーション作用による改質の効果を説明する。図３は、廃食用油のＴＧ−ＤＴＡ（熱重量−示差熱分析）を示す線図であり、図３（ａ）は、キャビテーションノズルによる処理前の状態、図３（ｂ）は、処理後の状態をそれぞれ表す。なお、図において、線Ａは、廃食用油を一定の昇温速度で加熱する際の質量変化（％）を表し、線Ｂは、その熱量変化（％）を表す。なお、図の縦軸は重量変化（％）および熱量変化（％）、横軸は温度（℃）を表す。図に示すように、キャビテーションノズル１１による処理前後で、矢印で示す５４０℃近傍の発熱ピークが減少していることが判る。即ち、廃食用油をキャビテーション作用で改質させることにより、廃食用油中の沸点の高い難燃成分の量が減少する。これは、混合油の燃焼における燃焼排ガス中のＰＭが減少することを示唆するものである。
【００１８】
図４は、ディーゼルエンジン３から排出される燃焼排ガス中のＰＭ濃度と燃料性状との関係を表すグラフである。図において、縦軸はＰＭ濃度（ｍｇ／ｍ^３Ｎ）、横軸は性状の異なる燃料（Ａ重油単独および３種類の混合油）を表す。ここで、混合油とは、Ａ重油と廃食用油との混合油（重量比：８０：２０）であり、本実施形態に係るキャビテーションノズル１１で処理した燃料、ノズルに代えて機械的（回転子を高速回転）にキャビテーションを発生させた燃料、および単に混合するだけの燃料の３種類が対象となる。なお、ディーゼルエンジン３は小型の２５ＫＷ発電装置を用い、ＰＭ濃度は周知のＰＭ濃度計により測定した。その結果、図に示すように、Ａ重油における排ガス中のＰＭ濃度は、約２７ｍｇ／ｍ^３Ｎであるのに対し、廃食用油を単に２０％混合しただけで、約３５ｍｇ／ｍ^３Ｎまで増加する。一方、従来法により、機械的にキャビテーションを発生させる場合、廃食用油の改質効果は低く、約３３ｍｇ／ｍ^３Ｎとなるが、本実施形態のキャビテーションノズル１１による改質によれば、約３０ｍｇ／ｍ^３Ｎまで低減される。即ち、キャビテーションノズル１１で処理することにより、改質が促進され、燃焼排ガス中のＰＭ濃度が低減されることが判る。
【００１９】
次に、本発明が適用されてなる第２の実施形態について説明する。図５は、本実施形態の発電システムを示す全体構成図である。ここで、上述した第１の実施形態と同一部分については、同一符号を付して説明を省略する。本実施形態では、油槽１から混合油を抜き出してキャビテーションノズル１１の上流側に戻す循環手段を備える点で、第１の実施形態と相違する。具体的には、バルブ１４の上流側の送油管１３を二股に分岐してバルブ５３を備えた循環ライン５１を形成するとともに、循環ライン５１を貯油槽３１に接続し、混合油を繰り返しキャビテーションノズル１１に供給するようにする。
【００２０】
図６は、６０分間循環させた混合油をディーゼルエンジン３で燃焼させる際に発生する燃焼排ガス中のＰＭ濃度の経時変化を示す線図であり、縦軸はＰＭ濃度（ｍｇ／ｍ^３Ｎ）、横軸はエンジン３の運転開始からの時間（ｓ）を表す。また、図７は、図６の混合油に加えて、３０分間循環させた混合油、循環なしの混合油、およびＡ重油単独のＰＭ濃度を比較して表すグラフである。なお、ディーゼルエンジン３は小型の２５ＫＷ発電装置を用い、ＰＭ濃度は周知のＰＭ濃度計により測定した。これによれば、ＰＭ濃度は、時間変化に対しほぼ安定し、かつ循環処理時間が長くなると低減されることが判る。特に、６０分間の循環処理では、Ａ重油単独燃焼時に匹敵する２７ｍｇ／ｍ^３ＮまでＰＭが低減される。即ち、混合油を循環させることにより、廃食用油は、繰り返しキャビテーション作用を受けて改質度合いが促進され、燃焼排ガス中のＰＭ濃度が低減される。
【００２１】
このように、本発明に係る実施形態によれば、例えば既設の設備にキャビテーションノズルなどを追設するだけの簡単かつ安価な装置構成により、従来の機械的なキャビテーションと比較して激しいキャビテーションが形成されるから、廃食用油の改質度合いを格段に向上させることができる。これにより、混合装置で得られた燃料（混合油）を内燃機関、例えばディーゼルエンジンの燃料として用いる際の燃焼排ガス中のＰＭ濃度を、従来のエステル化処理などによる改質燃料と同等以下の値に低減させることができる。そして、ＰＭ濃度が低減されると、排ガス処理装置のフィルタの圧力損失や目詰まりが低減されるため、排ガス処理装置への負担を低減し、フィルタ寿命を長くすることができる。また、油槽から混合油を抜き出してキャビテーションノズルに戻すことにより、廃食用油の改質を一層促進させることができる。
【００２２】
なお、上述した実施形態では、廃食用油をキャビテーションノズル１１から燃料油中にジェット噴流させているが、これとは逆に、燃料油を廃食用油中にジェット噴流させることもできる。しかし、キャビテーション作用を効率的に行うためには、改質させる方、つまり廃食用油をキャビテーションノズルにより噴射させることが望ましい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な装置構成により廃食用油の改質を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の混合装置を適用してなる第１の実施形態の発電システムの全体構成図である。
【図２】図１のキャビテーションノズルの先端部を示す部分断面図である。
【図３】本発明の混合装置により改質される廃食用油のＴＧ−ＤＴＡを示す線図であり、図３（ａ）は、本発明のキャビテーションノズルによる処理前の状態を示し、図３（ｂ）は、処理後の状態を示す。
【図４】本発明の発電システムから排出される燃焼排ガス中のＰＭ濃度と燃料性状との関係を表すグラフである
【図５】本発明の混合装置を適用してなる第２の実施形態の発電システムの全体構成図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の発電システムにおいて、循環処理時間が６０分間の混合油における燃焼排ガス中のＰＭ濃度の経時変化を示す線図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の発電システムにおいて、循環処理時間とＰＭ濃度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１油槽
３ディーゼルエンジン
５発電機
７排ガス処理装置
１１キャビテーションノズル
３１貯油槽
３３圧縮ポンプ
３５圧力調整弁
３７キャビテーションジェット
５１循環ライン

Claims

加圧した廃食用油をキャビテーションノズルから燃料油の油中に噴射してキャビテーションを発生させ、廃食用油を改質しながら混合することを特徴とする混合方法。
油槽と、該油槽に燃料油を供給する第１の供給手段と、前記油槽に廃食用油を供給する第２の供給手段とを有する混合装置において、前記第２の供給手段は、前記油槽内に挿入されたキャビテーションノズルから前記廃食用油を供給してなることを特徴とする混合装置。
前記油槽から油を抜き出して前記キャビテーションノズルに戻す循環手段を備えてなることを特徴とする請求項２に記載の混合装置。
請求項２又は３のいずれかに記載の混合装置と、該混合装置により混合された油を燃料とする内燃機関と、該内燃機関により駆動される発電機と、前記内燃機関から排出される排ガスを処理する排ガス処理装置とを有することを特徴とする発電システム。