TWI438269B - Oil - in - water emulsion type emulsified fuel and its manufacturing method - Google Patents

Description

油中醇水滴型乳化燃料及其製造方法

本發明係關於油中醇水滴型乳化燃料以及其製造方法。

由於在鍋爐、工場、船舶等的取暖設備及動力供給等使用重油而排放大量的二氧化碳。

作為地球溫暖化的對策，以日本政府聲明將二氧化碳排放量以1990年比減少25%的目標為首，世界各國亦明確提出積極的減少目標。然而，為達成該等目標，太陽能、地熱、風力等的代替能源的開發，節能化的機器設計及變更生活形態等多樣的研究被進行。

但，由於在鍋爐、工場、船舶等使用重油所排放的二氧化碳量非常的龐大，故若不著手於此部分很難達到全體的減少目標。

然而現況，對減少來自重油之二氧化碳排放量的注意度很低，而研究例亦很少，到目前為止，尚無任何有效的減少策略。

[專利文獻1]日本特開2009-007387號公報

本發明者們著眼於減少來自重油燃料的二氧化碳排放量的重要性，專心反覆研究的結果，想到使用對重油添加實質上二氧化碳的排放量可視為零之生質醇。

但是，對重油添加生質醇，則無論如何調整添加量、混合/攪拌條件等，均無法避免在重油表面形成生質醇層(生質醇液灘)。由於現在主要製造生質甲醇及生質乙醇，起火點非常的低，因此根據消防法規的限制，如此狀態的重油無法使用於作為鍋爐燃料，此外，若無對起火的對策，亦難以用於作為船舶、工業用燃料。

當然，可使用適當的乳化劑使重油與生質醇乳化，而消除或減輕生質醇液灘之形成。但是，乳化劑一般與重油相比相當的高價，且為得一定的乳化穩定性需要添加相當量的乳化劑。因此，使用乳化劑使生質醇乳化的重油，在鍋爐、船舶用、工業用等的大部分的用途均不符成本。

本發明係於上述狀況而完成，而達成以下任何1項以上的目的者。

即，本發明的目的係在於提供實質上可減少二氧化碳排放量的重油乳化燃料及其製造方法。

本發明之別的目的在於無須伴隨大幅度的成本增加即可提供乳化狀態穩定之醇與重油之乳化燃料及其製造方法。

本發明之進一步別的目的在於提供，不添加乳化劑，或以較少量的乳化劑使乳化狀態穩定之醇與重油之乳化燃料及其製造方法。

本發明係為達成上述目的者，一種油中醇水滴型乳化燃料，其特徵在於：以重量比包含5:95~50:50之醇與重油，並且含有上述醇含量的5~35重量%的水(申請專利範圍第1項)。

本發明係本發明者們在於研究消除添加生質醇時所產生在重油表面上的醇液灘的方法時，發現藉由在醇與重油的系統添加少量的水攪拌/乳化，可容易地使醇水的微小液滴穩定地分散在重油連續相形成乳化而完成者。

於本發明，由於可以形成乳化穩定性高的乳化，故可無須使用乳化劑消除或減輕醇液灘，或以較少量的乳化劑消除或減輕醇液灘，結果可提供對可使用於鍋爐、工場、船舶等的油中醇水滴型乳化燃料。

再者，本發明之油中醇水滴型乳化燃料中的醇，若非生質醇時並無法達到減少二氧化碳排放量，但是原油是正在枯竭的資源，依將來的市場動向、原料價格等，也許如此之油中醇水滴型乳化燃料亦可具有足夠有經濟商品價值。

在於本發明之醇與重油的含量比(重量比)為5:95~50:50，以5:95~30:70更佳，進一步以5:95~20:80為佳，以5:95~15:85特別佳，以8:92~12:88最佳。

於本案之「重油」，係指含有1重量%以上將原油蒸餾(包含常壓蒸餾及減壓蒸餾的雙方/以下相同)時之殘油之石油產品，包含JIS K 2205 1991所規範的1類~3類重油。

於本案之「A重油」係指，對輕油85~95重量部添加1~10重量部將原油蒸餾時之殘油之石油產品。

於本案之「醇」係指碳化氫的氫原子以羥基取代之有機化合物。於本發明之「醇」，可良好地使用甲醇、乙醇、丙醇。

於本案之「水」，包含：自來水、蒸餾水、精製水、離子交換水、鹼性水、酸性木、純水、超純水等。

於本案之「油中醇水滴型乳化燃料」係指醇水液滴分散在重油連續相之乳化。

本發明的油中醇水滴型乳化燃料，加上醇、水及重油，亦可含有其他成分。於如此之其他成分，可含有乳化劑、界面活性劑、分散劑、防鏽劑、防氧化劑、香料、著色料等有某種目的而意圖添加者之外，亦可含有雜質或不可避免的成分等非意圖含有者。

於本發明，含有之醇之至少一部分以生質醇(申請專利範圍第2項)為佳。

生質醇，由於實質上的二氧化碳排放量可視為零，因此於此發明，僅以使用生質醇即可達成實質性的二氧化碳排放量的減少。於本發明，較佳的生質醇的含量為醇含量的30重量%以上，以50重量%以上更佳，以70重量%以上特別佳。

於本案之「生質醇」，係指以生質能源作為原料所生成之醇。於本發明之「生質醇」，可良好地使用生質甲醇、生質乙醇、生質丙醇。

於本案之各成分的含量係實質含量。例如生質醇產品，依照製法及純化法等有含有數%雜質(除醇之外的成分)之情形，含有如此之生質醇產品時，去除雜質僅計算醇的部分作為含量。

於本發明，水的含量以醇含量的15重量%以上(申請專利範圍第4項)為佳。

於所關發明，以無添加乳化劑，由乳化可防止形成醇液灘5~10分鐘以上，只要是在乳化之後馬上使用之形態，可以不添加乳化劑地使用。

此外，藉由使水的含量為醇含量的15重量%以上，可將乳化穩定性相當程度的提升，故極少量的乳化劑添加即可作成成長時間不會產生醇的液灘之乳化。

特別是，使水的含量為醇含量23~33重量%，更佳的是以25~30重量%時，可更有效地防止形成醇液灘，可以更少量的乳化劑添加作成成長時間不會產生醇的液灘之乳化。

本發明係一種油中醇水滴型乳化燃料的製造方法，其係製造以重量比含有5：95~50：50含有醇與重油，並且含有上述醇含量之5~35重量%之水之油中醇水滴型乳化燃料的方法，其特徵在於具有：使用具有加壓液體之加壓手段，及藉由上述加壓手段所加壓之液體通過的流路，將上述加壓手段所加壓的液體在通過上述流路時被攪拌之高壓攪拌裝置，將上述醇、水及重油乳化之步驟(申請專利範圍第5項)。

於所關發明，由於進行使用高壓攪拌裝置之攪拌，可使乳化之液滴的分散狀態呈非常高度者，而可更加提升乳化穩定性。

於本案之「高壓攪拌裝置」，係具有加壓液體之加壓手段，及藉由上述加壓手段所加壓之液體通過的流路，藉由加壓手段所加壓之液體通過流路時被攪拌之攪拌裝置。以本發明之加壓手段之加壓為20MPa以上為佳，以30MPa以上更佳，進一步以50MPa以上為佳，以80MPa以上特別佳。藉由本發明之加壓手段所加壓之液體在流路中的流速以30m/秒以上為佳，以50m/秒以上更佳，以100m/秒以上特別佳。

本發明之「高壓攪拌裝置」，包含以下定義之奈米高壓均質(Nanomizer)裝置以及均質儀裝置。

「奈米高壓均質裝置」流路的剖面積S為1mm² 以下，寬高比R(將流路剖面積S以流路長L商除之值)為10mm^-1 以上之高壓攪拌裝置。於奈米高壓均質裝置，係以液體通過流路時所產生的空蝕效應及剪力將液體攪拌，及/或將液體中的粒子(液滴)微細化及/或高分散化者。奈米高壓均質裝置的流路，可為直線狀，亦可為彎曲、屈曲或分枝者。

流路的剖面積S及高寬比R，以S≦1mm² 、R≧10mm^-1 為佳，以S≦0.5mm² 、R≧50mm^-1 更佳，以S≦0.1mm² 、R≧100mm^-1 特別佳。流路長L以2mm以上為佳，以3mm以上特別佳。

再者，流路的剖面積S無須橫跨全長均一定，在此情形以平均剖面積(剖面積的流路在長度方向的積分值以L商除之值)比AS，以寬高比R=L/AS，以AS≦1mm² 、R≧10mm^-1 為佳，以AS≦0.5mm² 、R≧50mm^-1 更佳，以AS≦0.1mm² 、R≧100mm^-1 特別佳。流路灣曲、屈曲或分枝者亦可。

圖1(A)係表示例示之奈米高壓均質裝置1之構成之說明圖。

奈米高壓均質裝置1，具有：金屬製的外殼2；將產生攪拌效果之部位之產生器3藉由鎖螺絲等由左右的押壓力保持之保持質4；與外部配管連接之耦合器5、6；及連接保持質4與耦合器5、6之流入路7及流出路8。

上述奈米高壓均質裝置1之入口側之耦合器5，有配管10連接儲存處理對象液體(醇水與重油之混合液等)之容器9，以高壓幫浦11加壓之液體送入奈米高壓均質裝置1，於出口側耦合器6連接有配管12，將以產生器3攪拌的液體儲存於容器13。再者，容器9，按照須要可具有保持處理對象之液體之混合狀態之攪拌機14。

圖1(B)係表示使用奈米高壓均質裝置1之簡單構造之產生器3a的說明圖。

於產生器3a，於其中央附近形成有流路剖面積Sa、流路長La的直線狀流路(細管)30a。流路30a的剖面形狀可為圓形、橢圓形、多角形等為任意。

具有如此之直線狀流路30a之奈米高壓均質裝置1，可藉由在液體與流路壁之間所產生的空蝕效應及由流路壁之距離之流速差所產生的剪力等，將通過流路30a之液體攪拌，及/或將液體中的粒子(液滴)微細化及/或高分散化。

「均質儀裝置」，係藉由將分散粒子之液體加壓通過流路而高速化，使高速化的液體相互及/或撞擊牆面而將液體攪拌，及/或將液體中的粒子(液滴)微細化及/或高分散化之裝置。

圖2(A)係表示例示之均質儀裝置20(吉田機械興業股份有限公司製)之構成之說明圖；圖2(B)係放大表示閥24周邊之構造。

如圖所示，均質儀裝置20，具備：其本體之均質閥21；及高壓幫浦22，其係將處理對象之液體(醇、重油及水的混合物等)升壓供給閥21。

均質閥21，具有：閥座23，其係形成有接受來自高壓幫浦22之液體供給之配管23a；閥24，其係於塞堵配管23a的開口23b之位置與閥座23抵接；圍繞開口23b及閥24之碰撞環25；將閥24向閥座23施力之螺絲26、彈簧27、柱塞28。

於上述均質儀裝置20，藉由配管23a的液體壓力與螺絲26之鎖螺所施加於閥24之施力之抗拮而於閥座23與閥24之間形成微少的間隙(流路)29。來自開口23b的液體，撞到閥24之後，於該微小間隙29成高速噴流向半徑方向向外部擴散，而撞到碰撞環25之中壁25b。

於均質儀裝置20，液體與閥24、碰撞環25衝撞，通過微小間隙29時液體被攪拌，及/或液體中的粒子(液滴)被微細化及/或被高分散化。處理後的液體，由形成於碰撞環25之排出口25a排出。

在於均質儀裝置20之攪拌條件(微細化及/或高分散化之條件)可藉由高壓幫浦22之壓力與螺絲27之鎖螺條件調整。

本發明係一種乳化燃料之製造方法，其係製造包含：以重量比含有5：95~50：50之醇與重油，進一步含有上述醇含量5~35重量%之水之油中醇水滴型乳化燃料之方法，其特徵在於具有：混合上述醇與上述水之第1步驟；及將上述第1步驟所得之醇水與上述重油攪拌/乳化之第2步驟(申請專利範圍第6項)。

於所關發明，由於可使醇與水的混合更確實，可更加提升水的添加效果，可提供醇液灘更不容易發生的油中醇水滴型乳化燃料。

圖3係表示，在於以下的實驗安裝於奈米高壓均質裝置1之衝撞型產生器3b之構成之說明圖。

如圖3(A)所示，該產生器3b，具有第1流路元件34、2片第2流路元件35、36及第3流路元件37。

第1~第3流路元件34~37，係以平面形狀為略正方形狀之燒結鑽石製基板S1~S4，及於其外周以一體上嵌著之金屬製環形構件R1~R4構成。

第1流路元件34的基板S1，於相互僅離間既定距離D1之位置具有既定半徑r1之2個貫通孔34a、34b；第2流路元件35、36之基板S2、S3，具有寬幅尺寸w與r1同程度而長度D2與D1同程度之長孔35a、36a；第3流路元件37的基板S4，於與D1離間同程度的距離的位置具有r1的3倍左右的半徑r2之貫通孔37a、37b；於第1~第3流路元件34~36之金屬製環形構件R1~R4，於周方向以等間隔形成有4個插梢插入孔P。

圖3(B)係將藉由組合第1~第3流路元件34~37而構成之產生器3b以剖面視表示。如圖所示，貫通孔34a、34b分別連通於長孔35a之兩端，長孔35a與長孔36a相互在交叉位置連通，使長孔36a的兩端分別連通貫通孔37a、37b地，以插入於插梢插入孔36之插梢相互定位的狀態將第1~第3流路元件34~37層積。

於在上述產生器3b，形成4個流路30b，即，(1)由貫通孔34a進入，經由長孔35a及36a，由貫通孔37a脫離之路徑之流路30b；(2)由貫通孔34進入，經由長孔35a及36a，由貫通孔37b脫離之路徑之流路30b，(3)由貫通孔34b進入，經由長孔35a及36a，由貫通孔37a脫離之路徑之流路30b，(4)由貫通孔34b進入，經由長孔35a及36a，由貫通孔37b脫離之路徑之流路30b。

於上述產生器3b，液體在貫通孔34a、34b、37a、37b及長孔35a、36a直走時藉由與產生器3a同樣的空蝕效應及剪力，將液體中的粒子微細化及/或高分散化。再者，貫通孔34a、34b之液體衝撞流路元件36的表面時，或在長孔35a、36a交叉之位置液體互相衝撞時的衝擊力等亦可將液體中的粒子微細化及/或高分散化。

在於產生器3b之流路30b之流路剖面積Sb及流路長Lb，可以第1~第3流路元件34~37之板厚，貫通孔34a、34b、37a、37b之徑r1、r2，長孔35a、36a之寬幅W及長度D1、D2設定。於下述實驗，於上述4個任一流路30b，均流路剖面積Sb為0.0113~0.0136mm² (內徑0.12~0.13mmψ)，流路長Lb為3.8mm，寬高比R=27.9~33.6mm^-1 之產生器3b。

實施例

於下述之實驗之使用材料，使用機器及實驗程序如下所示。

<使用材料>

‧　A重油：東燃通用石油股份有限公司提供品FOA0

‧　水：和光純藥股份有限公司製精製水

‧　甲醇：和光純藥股份有限公司製一級甲醇

<使用機器>

高壓攪拌裝置：奈米高壓均質裝置1(吉田機械興業股份有限公司製桌上超微粒化試驗機Nanomizer mark II NM2-L200，使用圖3之產生器3b)

<實驗程序>

程序1

依照表1的容量，於燒杯計量甲醇及水，以玻棒良好地混合調製6種醇水1~6。於表1，一併表示甲醇及水的重量添加量。

程序2

將A重油與程序1所調製之醇水1~6，依照表2的容量，於燒杯計量，用玻棒混合後，使用高壓攪拌裝置，高壓幫浦11的壓力以30MPa反覆處理3次將之攪拌/乳化，將回收於樣品瓶者作為樣品1~6。所得樣品2~6全都是將醇水液滴分散於重油連續相之油中醇水滴型乳化，而為具有適合在常溫用於作為液體燃料之程度(與A重油同程度)之低粘性之流動體。

於表2，一併表示下述(1)~(3)之資料。

(1)重油及醇水的添加量(g)

(2)水對醇含量(g)之含量(重量%)

(3)醇水及水對重油與醇之合計含量(g)之添加量(重量%)

程序3

將樣品1~6於室溫靜置，以目視觀察有無油層與醇層(醇或醇水之含有率高的層)之分離。觀察，係於乳化後馬上、經過5分鐘後、經過10分鐘後、經過15分鐘後等，依表3所記載的時間點進行，拍攝乳化後馬上及觀察到分離之時點的外觀照片。此外，觀察到分離以後，以尺量測醇層的厚度H1(mm)。

<實驗結果>

於圖4、5表示乳化後馬上的各樣品(左欄)與觀察到分離時之各樣品(右邊欄)之外觀照片。惟關於樣品1，在乳化後馬上就可以目視觀察到醇的液滴在樣品中多數游動的狀態，故判定成在乳化後0分鐘分離。樣品1的右欄是經過5分鐘後的外觀照片。於圖4、5的右欄的照片，在分離位置附加了箭頭。

於表3表示，由乳化經過之時間，及分離之醇層之容量比率R之關係。容量比R，係將樣品瓶中樣品全體的高度作為H2(mm)，以R(%)=H1/H2×100算出。此外，表中的「計算值」係由添加量計算之各樣品中的醇水比率(容量比)，「-」係表示未觀察到分離，「→」係表示容積比R與左欄相同。

於樣品5，由乳化後經過270分鐘首次觀察到分離，惟之後持續數10分鐘並未觀察到分離的進行，故記錄只做到270分鐘。

於圖6表示由乳化經過1天後之各樣品之外觀照片。相對於油層與醇層明確地分離之樣品1~4,6，樣品5即使經過1天的時點自270分鐘後即幾乎沒有再繼續分離。

<討論>

由圖4~6之外觀觀察及表3得知如下。

(1)相對於沒有添加水的樣品1在乳化後的瞬間其乳化狀態即馬上崩潰，添加少量(0.89重量%/醇含量的8.67重量%)的水的樣品1，則雖然是不到5分鐘的短時間，沒有產生醇液灘而維持乳化狀態。因此，可說與沒有添加水的情形比較，添加少量的水可使乳化狀態大大地穩定化。

(2)添加約1.5~5重量%(醇含量的約15~35重量%)的水的樣品3~6，持續5分鐘以上並未觀察到醇液灘。當然，無法以目視確認之少量的液灘應該更早的時點產生，但可認為已有某種程度的時間防止液灘的形成。因此，若是乳化後馬上使用之燃料形態則，藉由添加1.5~5重量%(醇含量的15~35重量%)的水，可不添加乳化劑，即可使用作為油中醇水滴型乳化燃料之用途。

(3)特別是，含有約3.5重量%(醇含量的約27.5重量%)的水的樣品5，乳化後持續180分鐘並未發生液灘。由此，藉由使水的含量在3.5重量%前後(例如2.7~4.5重量%/醇含量的23~33重量%)，可使乳化的乳化狀態更加穩定化，可使產生醇液灘之前的時間變長。因此，可認為可不添加乳化劑，即可使用作為燃料的用途變得更廣。

在於鍋爐、船舶、工業用重油之燃燒機器之規格及運轉條件為各式各樣，在消防法等的規範內容也因國家及地區而有差，依照該等條件，可能可以使用如上所述在某種程度的時間不會產生醇液灘的乳化燃料。此外，即使是未添加乳化劑無法使用之情形，由於藉由含有水使乳化狀態被某種程度穩定化，故可藉由添加不對燃料成本帶來很大的影響的程度的少量的乳化劑，可使用於作為鍋爐、工場、船舶用等的燃料的可能性很多。

於上述實驗，使用甲醇作為醇，將甲醇的全部或一部分以生質甲醇取代，由於物質之同一性，很明顯地可得同一結果。

乙醇或丙醇，由於具有與甲醇極為相近的物理及化學特性，故在於上述實驗之甲醇之全部或一部分，以乙醇或丙醇取代，或全部或一部分以生質乙醇、生質丙醇取代時，亦認為實質上可得同等的結果。

使用於上述實驗之A重油與C重油比較，則水/C重油較水/A重油容易形成穩定較高的乳化，醇/C重油較醇/A重油容易形成穩定性較高的乳化，在本發明者們的基礎實驗已知。因此，在於上述實驗之A重油，以C重油取代時，可認為可得與上述實驗同等或乳化狀態更加穩定的乳化。B重油由於取得較困難而未試驗，B重油由於具有A重油與C重油之中間之組成，故使用B重油認為可得於A重油及C重油之中間的結果。

1．．．奈米高壓均質裝置

2．．．金屬製的外殼

3．．．產生器

4．．．保持質

5、6．．．耦合器

7．．．流入路

8．．．流出路

9．．．容器

10．．．配管

11．．．高壓幫浦

12．．．配管

13．．．容器

14．．．攪拌機

3a．．．產生器

30a．．．直線狀流路(細管)

Sa．．．流路剖面積

La．．．流路長

20．．．均質儀裝置

21．．．均質閥

22．．．高壓幫浦

23．．．閥座

23a．．．配管

23b．．．開口

24．．．閥

25．．．碰撞環

25a．．．排出口

25b．．．中壁

26．．．螺絲

27．．．彈簧

28．．．柱塞

29．．．間隙(流路)

34．．．第1流路元件

35、36．．．第2流路元件

37．．．第3流路元件

S1~S4．．．基板

R1~R4．．．金屬製環形構件

34a、34b．．．貫通孔

35a、36a．．．長孔

37a、37b．．．貫通孔

P．．．插梢插入孔

圖1(A)、(B)係表示奈米高壓均質裝置之構成之說明圖。

圖2(A)、(B)係表示均質儀裝置之構成之說明圖。

圖3(A)、(B)係表示用於實驗之奈米高壓均質裝置之產生器之構造之說明圖。

圖4係各樣品之外觀照片。

圖5係各樣品的外觀照片。

圖6係各樣品的外觀照片。

1．．．奈米高壓均質裝置

2．．．金屬製的外殼

3．．．產生器

4．．．保持質

5、6．．．耦合器

7．．．流入路

8．．．流出路

9．．．容器

10．．．配管

11．．．高壓幫浦

12．．．配管

13．．．容器

14．．．攪拌機

3a．．．產生器

30a．．．直線狀流路(細管)

Sa．．．流路剖面積

La．．．流路長

Claims (6)

1. 一種油中醇水滴型乳化燃料，其特徵在於：以重量比含有5:95~50:50之醇與重油，並且含有上述醇含量的5~35重量%的水。
2. 如申請專利範圍第1項所述的油中醇水滴型乳化燃料，其中上述醇之至少一部分為生質醇。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述的油中醇水滴型乳化燃料，其中上述醇係甲醇，上述重油係A重油。
4. 如申請專利範圍第3項所述的油中醇水滴型乳化燃料，其中上述水的含量為上述醇的含量的15重量%以上。
5. 一種乳化燃料的製造方法，其係製造，以重量比含有5:95~50:50之醇與重油，並且含有上述醇含量的5~35重量%之水之油中醇水滴型乳化燃料之方法，其特徵在於具有：使用具有加壓液體之加壓手段，及藉由上述加壓手段所加壓之液體通過的流路，將上述加壓手段所加壓的液體在通過上述流路時被攪拌之高壓攪拌裝置，將上述醇、水及重油乳化之步驟。
6. 一種乳化燃料的製造方法，其係製造，以重量比含有5:95~50:50之醇與重油，並且含有上述醇含量的5~35重量%之水之油中醇水滴型乳化燃料之方法，其特徵在於具有：混合上述醇和上述水第1步驟；及藉由將第1步驟所得之醇水與上述重油攪拌使之乳化之第2步驟。