(57)【要約】【課題】廃食油または廃グリセリンから無触媒かつ無添加で燃料油を製造する。【解決手段】加熱釜１０には廃食油や廃グリセリンを内部に供給するための供給口のみが設けられており、触媒や添加物の供給口が設けられていないため、釜内部の気密性が保たれ、また高圧にも耐えられる構造となっている。そのため加熱用燃料の消費量を抑えながら釜内部を高温かつ高圧に維持することが可能であり、触媒や添加物を使用しない環境下にあっても廃食油や廃グリセリンから燃料油を製造することができる。触媒や添加物を使用しないため、燃料油からこれらを除去する後処理工程も不要である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料油脂を加熱する加熱釜と、前記加熱釜から気相の状態の燃料相当油を取り出す管と、前記燃料相当油を凝縮する凝縮器を備え、前記加熱釜に外部から物質を供給する供給口としては原料油脂を供給するための供給口のみが設けられている燃料油製造装置において、
原料油脂を無触媒かつ無添加の状態で加熱することを特徴とする、
燃料油製造方法。
【請求項２】
前記原料油脂としてグリセリンを使用し、前記グリセリンを水およびメタノール成分と燃料相当油成分とに分離して取り出すことを特徴とする、
請求項１に記載の燃料油製造方法。
【請求項３】
前記管から取り出されるガスを前記加熱釜を加熱するための燃料の一部として利用することを特徴とする、
請求項１または２に記載の燃料油製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動植物油脂由来の燃料油の製造方法に関し、特に廃食油と廃グリセリンからバイオディーゼル燃料を製造するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、使用済み天ぷら油等の廃食油を蒸留によって重油や軽油等の燃料油に精製することが行われている。この精製に使用する装置としては、熱伝導性の容器に攪拌羽根を取り付けた形式のものが一般的であり、容器に廃油を入れて４００度前後に加熱し、分離を防止するために攪拌羽根で廃油を攪拌しながら蒸留を行う。しかし、この形式の場合、攪拌羽根の回転軸を貫通させる軸穴が必要であるため、軸穴から高温高圧のガスが漏れ出る可能性は排除できない。
【０００３】
一方、軸穴を不要にして密閉性を高めた廃油蒸留装置が特許文献１に開示されている。この技術は、廃油を入れて加熱するための密閉された容器と、圧縮ポンプで吸い込んだ空気を廃油内へ送り込むための送風パイプと、蒸発した気体を液化するための凝縮器のみで構成されており、攪拌羽根のような可動部を必要としない形式であるため、ガス漏れ等の問題がほとんどない構造となっている。しかし、その反面、圧縮ポンプや駆動源が必要であり、イニシャルコストやランニングコストが嵩むことから、より低コスト化が実現できる構造の装置が求められていた。
【０００４】
発明者らは、従来の技術に存在する問題点を解決するため、低コストで気密性の向上を図ることができる構造を採用することより、廃油から燃料油を効率良く精製する加熱釜を考案している（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平１−７７８０５号公報
【特許文献２】実登第３１７８６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この加熱釜の構成は、環状の空間が上下に伸びた形状の釜本体の中間部に廃油を供給する廃油供給口を開口し、釜本体の頂部に蒸発した気体を排出する排気口を開口し、釜本体の底部に蒸留後の残液を排出する排液口を開口し、釜本体の内部空間に廃油の熱対流で転動しながら廃油を攪拌する攪拌転動体を配置したことを特徴としたものである。
【０００７】
この加熱釜によれば、廃油の熱対流で攪拌転動体が自然に転動し、その攪拌転動体の動きによって廃油が攪拌されながら蒸留が行われる。蒸発したガスは排気口から排出され、このガスを冷却して凝縮すると燃料油となる。蒸留後の残液は排液口を開放して排出する。このように釜自体に攪拌羽根等の可動部が不要となるため、低コストで気密性の高い構造が実現できるという効果が得られる。
【０００８】
発明者らは、加熱釜の構造に更なる改良を加え、さらには原料となる油脂の種類についても検討した結果、廃食油だけではなく廃グリセリンも原料として使用することができるという知見を得た。
【０００９】
バイオディーゼル燃料の製造においては、多くの場合、原料となる油脂にアルカリ触媒とメタノールを加え、エステル交換反応により脂肪酸メチルエステル等の軽油に近似した物性に変換させる方法が主流である。脂肪酸メチルエステルは反応に用いたアルカリ触媒とメタノールを除去するための精製工程を経てバイオディーゼル燃料となる。また、エステル交換反応においては副産物としてグリセリン（廃グリセリン）が生成されるが、このグリセリンにはアルカリ触媒や未変換の脂肪酸等が含まれているため、精製工程を経ないと有効な用途がないというのが現状である。
【００１０】
本発明は、廃食油や廃グリセリン等の原料油脂から極めて簡素な工程で燃料油を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、原料油脂を加熱する加熱釜と、前記加熱釜から気相の状態の燃料相当油を取り出す管と、前記燃料相当油を凝縮する凝縮器を備え、前記加熱釜に外部から物質を供給する供給口としては前記原料油脂を供給するための供給口のみが設けられた燃料油製造装置において、前記原料油脂を無触媒かつ無添加の状態で加熱することを特徴とする燃料油製造方法である。
【００１２】
加熱釜には触媒や添加物の供給口が設けられておらず、内部の気密性が保たれ、高圧にも耐えられる構造となっている。そのため加熱用燃料の消費量を抑えながら釜内部を高温かつ高圧に維持することが可能であり、触媒や添加物を使用しない環境下にあっても廃食油や廃グリセリンから燃料油を製造することができる。触媒や添加物を使用しないため、燃料油からこれらを除去する後処理工程も不要である。
【００１３】
原料油脂は廃食油等の動植物性油脂を夾雑物を除去する程度の簡単な前処理だけでそのまま用いることができる。特にバイオディーゼル燃料の製造過程で排出される高粘度のグリセリンの場合、そのままの性状で原料として用いることが可能であり、産業廃棄物の排出抑制と処理費の削減に有効である。
【００１４】
本発明の第２の態様は、前記原料油脂としてグリセリンを使用し、前記グリセリンを水およびメタノール成分と燃料相当油成分とに分離して取り出すことを特徴とする燃料油製造方法である。
【００１５】
本発明の燃料油製造方法では、アルカリ触媒やメタノール等は用いずに加熱分解のみで燃料油を製造することができるため、触媒や添加物除去のための後処理工程が不要である。そのため、メタノールの沸点（摂氏６４．７度）とグリセリンの沸点（摂氏２９０度）の差を利用して気相の状態で分離し、それぞれを凝縮することで純度の高い燃料油を効率的に得ることができる。なお、加熱釜からは燃料相当油の他に可燃性ガスも発生する。このガスは加熱釜を加熱するための燃料の一部として利用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第１の態様によると、アルカリ触媒やメタノール等を用いることなく加熱分解のみでバイオディーゼル燃料を製造することができるため、触媒や添加物除去のための後処理工程が不要となり、製造にかかる時間と費用を大幅に削減することができる。
【００１７】
本発明の第２の態様によると、メタノールとグリセリンの沸点の差を利用して純度の高いバイオディーゼル燃料を効率的に得ることができるため、比較的簡素な構造の装置でも実用に耐えうる品質の燃料油を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】加熱釜の正面図
【図２】加熱釜の側面図
【図３】図１の３−３線断面図
【図４】図２の４−４線断面図
【図５】加熱釜の使用方法の一態様を示す図
【図６】燃料油の特性を示すグラフ
【図７】燃料油の特性を示す表
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、添付した図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１および図２に示すように、加熱釜１０は、鋳鉄製の釜本体とその付属部品で構成される。釜本体は分離可能な上段１２ａと下段１２ｂの２つの部分からなり、全体として円筒形の外観をしている。上段１２ａに設けられたフランジ１４ａと、下段１２ｂに設けられたフランジ１４ｂをボルト１６で締結し、釜本体の水密性が維持されている。釜本体には強度を向上させるためのリブが縦方向および横方向に適宜設けられている。このうちフランジ１４ｂの真下に位置するリブ１８は他のリブより幅広であり、フランジ１４ｂと略同幅に作られている。このリブ１８は補強の役割の他に、釜本体１２の下方から側壁を伝って上昇してくる熱気がフランジ１４ａ、１４ｂとボルト１６に直接当たることがないように保護する熱気避けの役割も担っている。フランジ１４ａ、１４ｂやボルト１６に直接熱気が当たると、ボルト１６の締結が甘くなり、フランジ１４ａ、１４ｂに隙間が生じて釜本体の気密性の低下する。気密性の低下は内圧の低下による沸点の上昇を招き、結果として熱効率が低下する。さらには釜内部で気化した高温の廃油が隙間から漏れ出す危険性がある。これらの問題はリブ１８を設けることによって未然に防止することができる。
【００２１】
下段１２ｂには、底面の一箇所、側面の２箇所に計３個の孔２０、２２、２４が設けられている。これらの孔２０、２２、２４はＴ字型の管２６、２８によって釜本体１２の内部で繋がっている。図３および図４に示すように、側面の２個の孔２２、２４は横方向に延びる管２６で結ばれている。底面の孔２０には縦方向に延びる管２８が取り付けられており、管２８の先端は管２６の略中央部と連結されている。釜本体を加熱する熱源から生じる熱気は底面の孔２０から管２８に進入し、管２６に到達したら２方向に別れ、それぞれ孔２２、２４から釜本体の外側に放出される。このように、釜本体の内部のＴ字型の管２６、２８を熱気が通過することにより、外側からだけでは熱が伝わりにくい釜本体の中心部にも効果的に熱を伝えることができるようになるため、加熱釜１０の熱効率が大きく向上する。
【００２２】
下段１２ｂには上下２つの供給管挿込口３０が設けられている。供給管挿込口３０には釜本体の内外に通じる廃油供給管３２が取り付けられている。廃油供給管３２の一端は図外の廃油貯留槽と繋がっており、廃油貯留槽に貯えられた廃油は圧送機などを用いることによって釜本体の内部に導かれる。図３に示すように、廃油供給管３２は先端が下向きに曲げられており、先端の廃油供給口３４の周囲には４本のチェーン３６が等間隔で取り付けられている。チェーン３６の先端には鋳鉄製の球体３８が吊り下げられている。球体３８は負荷がかかっていない状態のときには廃油供給口３４の鉛直下方の位置に静止している。廃油供給口３４から廃油が供給されると球体３８には廃油の重量による負荷がかかり、静止位置を中心とした微少範囲内で他動的に動くことができる。
【００２３】
球体３８には廃油供給口３４から釜内部に供給された廃油が衝突する被衝突体としての作用がある。球体３８に衝突した廃油は球体３８を中心として放射状に拡散する。放射状に拡散した廃油は薄く拡がった状態となり、単位重量当たりの表面積が非拡散の場合と比べて増大する。これにより釜内部の高温気体に触れる面積が増大するため、新たに釜内部に供給される廃油が既に貯留されている廃油に混ざるまでの短い時間であっても、廃油の温度を上昇させることが十分に可能になる。その結果、新たに供給される廃油と既に貯留されている廃油との温度差を縮めることが可能になり、廃油の混合が生じる部分、特に液面温度の局所的な急低下を防止することができるようになる。球体３８の位置や大きさ等を調整して、拡散した廃油が釜本体の内壁面に当たるようにすれば、廃油の温度を高温気体に触れるだけの場合よりさらに上昇させることが可能である。
【００２４】
供給管挿込口３０の両脇には温度計挿込口４０が設けられている。温度計挿込口４０には温度計を取り付けることができる。温度計は廃油温度の測定用と蒸気温度の測定用の二種類のものを用意し、両方の温度を確認しながら釜本体に加える火力を調節する。
【００２５】
上段１２ａの最上部にはガス管取付口４２が設けられている。ガス管取付口４２には釜本体の内外に通じるガス管４４を取り付けることができる。ガス管４４は凝縮器４６と繋がっており、釜内部でガス化した廃油は凝縮器４６で冷却凝縮され、バイオディーゼル燃料として再生される。
【００２６】
このガス管４４の鉛直方向における長さを変えることにより、加熱釜１０で精製する燃料油を分別することができる。例えば、軽油相当の燃料油を精製する場合には、ガス管４４の鉛直方向における延長を延ばし、凝縮器４６を釜本体から離れた高い位置に持っていく。こうすることで比重の重い重油相当のガスはその高さまで上昇することができず、比重の軽い軽油相当のガスのみが凝縮器４６まで到達できるようになり、軽油相当の燃料油（比重：０．７８〜０．８０）を選択的に精製することができる。逆に、ガス管４４の延長を短くするか、もしくは図５に示すようにガス管を取り外してＬ字管４８をガス管取付口４２に直接繋ぐなどして、凝縮器４６を釜本体１２に近い低位置に持ってくれば、比重の重いガスが凝縮器４６まで到達することが可能になるため、重油相当の燃料油（比重：０．８３〜０．９６）を精製することができる。
【００２７】
ガス管４４は延長の異なる管と交換することも可能であり、また継ぎ足し用の管を接続することも可能である。精製したい燃料油の比重に応じて任意の管を選択し、交換したり、管を継ぎ足したりするだけで簡単に燃料油を分別することができる。
【００２８】
上段１２ａにはタール除去板５０が設けられている。タール除去板５０には、釜内部でガス化した廃油に含まれるタールを除去し、ガス管４４に進入しないように防護する作用がある。釜内部で発生したガスは上昇気流に乗って上昇し、タール除去板５０に接触し、そのままタール除去板５０に沿って横方向に移動し、タール除去板５０の縁まで到達したら再び上昇してガス管４４に進入する。タール除去板５０に沿って移動するときにガス中のタールがタール除去板５０に付着し、ガス中からタールが除去される。
【実施例】
【００２９】
加熱釜１０を用いて実施例１乃至５の実証実験を行った。全ての実施例において原料油脂以外は釜に入れず、無触媒かつ無添加の条件下で熱分解を行った。
【００３０】
（実施例１）
原料油脂として廃グリセリンａを６．５ｌ使用し、釜温度を断続的に４２０度まで上昇させる実験を行った。その間、管温度が３回ほど２２０度に到達したので、その都度（開始２８分、同４０分、同６１分）加熱を中断した。釜温度が最終的に４２０度に到達したのは開始７７分の時点であった。廃グリセリンａからは２．５ｌの燃料油と、２．０ｌの水およびメタノールの混合物を回収した。燃料油の性状は、粘度が７．８ｍｍ２／ｓ、比重が０．８６６であった。その後、さらに１３分間加熱し、釜温度を４５０度まで上昇させ、０．３ｌの燃料油を回収した。このときの性状は、粘度が７．２ｍｍ２／ｓ、比重が０．８３６であり、先に回収したものに比べてより軽油に近い性状であった。
【００３１】
（実施例２）
原料油脂として廃グリセリンｂを６．５ｌ使用し、釜温度を断続的に４５０度まで上昇させる実験を行った。管温度が２２０度に到達した時点（開始２５分）で加熱を一旦止め、その後、釜温度が３１２度まで上昇した時点（同３４分）で加熱を再開した。釜温度が４２０度に到達した時点（同６０分）で再度加熱を止めた。加熱を再開するも管温度が下がり続けたため、４５０度に到達する前の４３９度の時点（同７５分）で加熱を止めた。この時点での管温度は６７度であった。この結果、廃グリセリンｂからは２．０ｌの燃料油と、２．８ｌの水およびメタノールの混合物を回収した。燃料油の性状は、粘度が７．０ｍｍ２／ｓ、比重が０．８４９であった。
【００３２】
（実施例３）
原料油脂として廃グリセリンｃを６．７ｌ使用し、釜温度を断続的に４５０度まで上昇させる実験を行った。管温度が２２０度に到達した時点（開始４０分    釜温度２９３度）で加熱を一旦止め、その後、釜温度の上昇が落ち着いた時点（同４７分）で加熱を再開した。釜温度が４５０度に到達した時点（同８４分）で加熱を止めた。この時点での管温度は９５度であった。この結果、廃グリセリンｃからは２．０ｌの燃料油と、２．８ｌの水およびメタノールの混合物を回収した。燃料油の性状は、粘度が７．２ｍｍ２／ｓ、比重が０．８２９であった。
【００３３】
（実施例４）
原料油脂として廃グリセリンｄを６．５ｌ使用し、釜温度を断続的に４５０度まで上昇させる実験を行った。この実験では、廃グリセリンとして前処理を施していないものを使用した。また管温度が２２０度に到達しても加熱を止めずにどこまで上昇するのかを検証した。加熱を開始して３５分後に管温度が２２０度に到達した。その後、４２分後に管温度が２２３度まで上昇するもその後は下降し始めた。釜温度が４４８度に到達した時点（開始７３分）で管温度が９８度まで低下したことから、熱分解終了と判断して加熱を止めた。この結果、廃グリセリンｄからは１．７ｌの燃料油と、３．０ｌの水およびメタノールの混合物を回収した。燃料油の性状は、粘度が７．１７ｍｍ２／ｓ、比重が０．８３１であった。前処理を施した廃グリセリンａ、ｂ、ｃに比べると水とメタノールの占める割合が高く、歩留まりは２６．１％にとどまった。
【００３４】
（実施例５）
原料油脂として廃食油６．５ｌを使用し、釜温度を断続的に４５０度まで上昇させる実験を行った。実施例１乃至３と同様に管温度が２２０度に到達した時点（開始２６分）で加熱を一旦止め、その後、多少温度が下がった時点で加熱を再開した。開始５０分の時点で管温度が１５３度前後で安定する現象が見られた。その後、釜温度が４５０度に到達した時点（開始７０分）で加熱を止めた。この時点での管温度は１４２度であった。この結果、廃食油からは４．６ｌの燃料油を回収した。水およびメタノールはほとんど回収されなかった。燃料油の性状は、粘度が７．２ｍｍ２／ｓ、比重が０．８３７であった。
【００３５】
（実施例６）
原料油脂として廃グリセリンｅを使用し、釜温度を３段階で温度管理しながら各段階で回収された成分を分析した。釜温度０度乃至９５度では、メタノール：水が９４：６の割合で回収された。次に釜温度９５度乃至２５０度では、メタノール：水が８６：１４の割合で回収された。最後に釜温度２５０度乃至４５０度では、燃料油：水等が９０：１０の割合で回収された。
【００３６】
（実施例７）
原料油脂として廃グリセリンを用いて回収した燃料油の性状について、ＡＳＴＭ蒸留試験を行った。また回収油の特性について、市販軽油とＪＩＳ２号軽油との比較を行った。
【００３７】
回収した燃料油と市販軽油についてのＡＳＴＭ蒸留試験結果を図６に示す。図中において燃料油はＧｌｙｃｅｌｉｎｅと表記され、市販燃料はＤｉｅｓｅｌｆｕｅｌと表記されている。燃料油の留出温度は摂氏７３〜３０１度であり、市販軽油の１７５〜３４５度に対して、低沸点から高沸点成分まで１０２〜７１度低い温度を示した。これは、回収した燃料油が、市販軽油の初留点１７５度未満の低沸点成分を全留出量の約２７％だけ余分に含有しているためである。すなわち、燃料油は、約２７％がガソリン（３０〜２００度）と灯油（１５０〜２８０度）の蒸留成分を含有し、残りの約７３％が市販軽油と同等の蒸留成分を含有していることを示している。
【００３８】
回収した燃料油と市販軽油、ＪＩＳ２号軽油の一般的な特性の比較を図７に示す。図中において燃料油はグリセリン再生油と表記されている。燃料油は比重が市販軽油とほぼ同等であり、一般的な軽油の範囲内にある。動粘度は２．１２ｃＳｔと市販軽油の３．３８ｃＳｔよりやや少ないが、ＪＩＳ３号や特３号軽油の１．９０〜３．０９と比較すれば充当していることから、実用に供することができるものと判断される。残留炭素（１０％残留）については、燃料油が０．０８％で、ＪＩＳ２号軽油の０．００〜０．０２％を超えた値を示すが、埼玉県の生活環境保全条例ではディーゼル自動車の残留炭素については０．１％以下の基準であることを勘案すれば、問題ないものと判断される。セタン指数については、燃料油が４２．２と市販軽油の５８．９よりかなり小さい値を示すが、ＪＩＳ３号および特３号軽油の４１〜６１と比較すると、実用上は差し支えない数値であり、自着火には対応できるものと判断される。ＡＳＴＭ蒸留試験による９０％留出温度は燃料油が３０１度であり、市販軽油の３２８度よりやや低いが、一般的には３６０度以下とされているため、実用上の支障はないといえる。発熱量については、燃料油が４２，２０３ｋＪ／ｋｇであり、市販軽油の４３，８２６ｋＪ／ｋｇよりやや少ないが、ＪＩＳ２号軽油の一般値である約４２，０００ｋＪ／ｋｇと比較すると十分な値である。
【００３９】
回収した燃料油と市販軽油、ＪＩＳ２号軽油の一般的な特性を比較すれば、燃料油は比重、９０％留出温度、発熱量は市販軽油とほぼ同等であり、動粘度、残留炭素分、ディーゼル指数やセタン値などは市販軽油から多少かけ離れてはいるが、実用には問題のない許容範囲内にあるといえ、軽油の代替燃料として使用可能であると判断される。
【符号の説明】
【００４０】
１０    加熱釜
１２ａ  上段
１２ｂ  下段
１４    フランジ
３２    供給管
３４    供給口
３６    チェーン
３８    球体
４４    取出管
４６    凝縮器
【図１】
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【図２】
2015040268.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015040268.tif 000007
【図６】
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【図７】
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