(57)【要約】【課題】ボイラー効率を向上させるための、エマルジョン燃料の製造方法及び装置を提供すること。【解決手段】水処理装置でマイクロクラスター化した水と油を混合、乳化してエマルジョン燃料を連続的に製造する方法及び装置であって、第２乳化器２２で連続的に製造したエマルジョン燃料を一旦エマルジョン燃料循環タンク１２に入れ、その循環タンクを用いて形成したエマルジョン燃料循環ライン１３で前記エマルジョン燃料を循環しながら、その一部を取り出して燃料として連続的に使用するようにし、かつその循環タンク１２の液面計１５による液面位置によって、第１乳化器２１への油供給ポンプ３及び第２乳化器２２への水供給ポンプ４の流量を制御することで運転管理を行うことにより上記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と油を混合、乳化してエマルジョン燃料を連続的に製造する方法であって、第２乳化器で連続的に製造したエマルジョン燃料を一旦エマルジョン燃料循環タンクに入れ、そのエマルジョン燃料循環タンクを用いて形成した循環ラインで前記エマルジョン燃料を循環しながら、その一部を取り出して燃料として連続的に使用するようにし、かつそのエマルジョン燃料循環タンクの液面位置によって、第１乳化器への油供給ポンプ及び第２乳化器への水供給ポンプの流量を制御することで運転管理を行うことを特徴とするエマルジョン燃料の製造方法。
【請求項２】
エマルジョン燃料は、エマルジョン燃料循環タンクの循環ラインの途中に設けた第３乳化器の出側から燃料の一部を取り出してボイラー燃料として連続使用する請求項１記載のエマルジョン燃料の製造方法。
【請求項３】
エマルジョン燃料は、エマルジョン燃料循環タンクの容量が燃料油１時間当たり使用量の１／３０以上で３倍以下の大きさのものを用いてボイラー燃料として連続使用する請求項１記載のエマルジョン燃料の製造方法。
【請求項４】
水は、水処理装置と水タンクとの間を循環させながら、その水タンクから水の一部を取り出し、次の混合、乳化工程の第２乳化器に供給する請求項１記載のエマルジョン燃料の製造方法。
【請求項５】
水と油の混合と乳化をする乳化器によりエマルジョン燃料を連続的に製造する装置であって、水処理装置、油と乳化剤を混合する第１乳化器、更に処理水を混合乳化してエマルジョン燃料とする第２乳化器、該エマルジョン燃料の循環タンク及び該循環タンクを用いて循環しながらその一部を取り出して燃料として連続的に使用するエマルジョン燃料循環ライン、並びに前記第１乳化器への油供給ポンプ及び前記第２乳化器への水供給ポンプの流量を制御する前記エマルジョン燃料循環タンクに設けた液面計及び該液面計の出力による運転管理システムからなるエマルジョン燃料の製造装置。
【請求項６】
エマルジョン燃料循環タンクの循環ラインの途中に第３乳化器を設けた請求項５記載のエマルジョン燃料の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油と水のエマルジョン燃料を製造する方法及び装置に関する。更に詳しくは、乳化安定化エマルジョン燃料を連続的に製造するプロセスと、エマルジョン燃料の安定的な連続的供給の簡単確実な制御による、エマルジョン燃料の製造方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
古くから、エマルジョン燃料の製造プロセスや製造装置は多数紹介されているが、いずれの方法も試験的に使用する場合には問題がなくとも、操業的に長期間使用する場合には問題が多いという状況になっていた。すなわち、エマルジョン燃料を使用するボイラーの連続運転安定性に欠ける面があった。そのためこの技術は長い歴史を有するにもかかわらず、今日まではほとんど実用面での普及がなかった。
【０００３】
特許文献１には、微細水滴を均一に分散したエマルジョン燃料を、その品質を低下させることなく、連続的かつ安定的に燃焼装置に供給するために、スタティックミキサーを用いて燃料油と乳化剤及び水を細かく分断して１次混合したエマルジョン燃料とし、このエマルジョン燃料をスタティックミキサーからマグネットカスケードポンプに送って、せん断によってエマルジョン燃料を２次混合することと、この際、ポンプの上流と下流を結ぶ戻し配管からエマルジョン燃料の一部をポンプの上流側に戻して、ポンプを流れるエマルジョン燃料の流量調節により、ポンプにおける２次混合を更に促進させ、微細水滴が均一に分散したエマルジョン燃料を製造する方法が記載されている。すなわち、ここでは機械的混合を繰り返すことで、エマルジョンの均一化を図っている。
【０００４】
特許文献２には、多量の乳化剤を用いることなく、攪拌翼を不要とし、又は攪拌翼を用いたとしてもその負荷を低減して、燃料油中に水を短時間で分散化できるエマルジョン燃料製造方法及び装置を得ることについて提案されている。そのために、燃料油と添加水を含む混液を簡単な攪拌容器内へ供給すると共に攪拌容器内の混液に第１の旋回流を形成する噴射ノズルと、第１の旋回流の旋回径よりも小径の第２の旋回流を第１の旋回流の下方に形成する攪拌翼とを備えて、強力な旋回力により均一分散化を図るとある。予備混合槽を設ける場合もある。
【０００５】
特許文献３は、多様な用途に適用可能な低コスト高品質改質水を低消費エネルギーでかつ短時間に製造することを目的にとした装置である。ここでは、改質水の製造装置として、界面活性剤を添加した処理すべき原水を貯蔵循環する貯水タンクと、貯水タンク内の原水を循環させる循環ポンプ、及び循環ポンプで循環される原水の流れ方向に対して交差する磁場の発生装置を有する磁場印加装置より構成されているから、一種の磁気波動水の利用ではある。
【０００６】
特許文献４に記載されているエマルジョン燃料のコジェネレーションシステムにあっては、燃料として、各種のバージン油、液状廃棄物、ガス状廃棄物、固体状廃棄物、バイオマス燃料のいずれか又はこれらの混合物を原材料とし、これに水を加えた水エマルジョン燃料が供給されるが、この燃料製造装置は、撹拌装置を有して、前記原材料、水及び界面活性剤を撹拌混合し貯留する混合タンクと、該混合タンクから供給される混合液を乳化させる乳化装置と、該乳化装置から供給される混合液の水分子をイオン化させるイオン化装置と、混合液を上記混合タンクから上記乳化装置及び上記イオン化装置を介して混合タンクへ循環させるポンプを備えることを特徴とするものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３２９４３８（[０００４]、[０００５]）
【特許文献２】特開２００６−１１１６６６（[０００６]〜[０００８]、図８）
【特許文献３】特開２０００−２６３０６２（[０００５]、[０００６]、図８）
【特許文献４】特許第３５１３６６２号（請求項１２、請求項１３、要約書）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
操業的にボイラーの連続運転を安定にさせること、具体的にはボイラーの空気量を絞っても安定に運転ができるようにすることは、エマルジョン燃料を使用するための必要条件である。そのために従来から多くのプロセスや、そのための固有機器が提案されてきた。古くは乳化剤や乳化機の開発から始まり、近年は種々のマイクロクラスター水や波動水の作成方法の開発が進められてきた。しかしながらボイラーの連続運転安定化、つまりは安定したエマルジョン燃料の供給という面では上記特許文献１〜４に記載の装置では、いずれも解決ができていなかった。
【０００９】
これらのほかエマルジョン燃料の製造プロセスは多数提案され、個々の段階のプロセスについて運転安定性の改善に向け一段のプロセス開発が進められてきた。つまりボイラーの運転条件に左右されずに、常に安定運転ができるようなプロセスの開発に注力してきたが、これらの問題解決までには至らなかった。従って基本プロセス的には開発の限界に来ているように考えられる。
【００１０】
本発明者らは、試験的に短時間はエマルジョン燃料の使用が可能なことからエマルジョン燃料の製造プロセスの基本には問題がなく、設備面での問題が多かったのではないかと考え、種々の検討を行った。つまり基本プロセスを変更することなく、安定したエマルジョン燃料を連続供給する装置を提供することを検討した。その結果、エマルジョン燃料は製造後経過時間の影響を受けて性状変化が激しいことや、水や油の温度変動の影響を受け易いこと、また、水と油の混合比率の安定が重要なことが判明したので、それらの対策のため、設備面での技術開発が必要であり、それらを本発明の解決課題とした。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そのための解決手段として、まず、エマルジョン燃料の製造方法システム全体を次のようにした。すなわち、本発明は水と油を混合、乳化してエマルジョン燃料を連続的に製造する方法であって、第２乳化器で連続的に製造したエマルジョン燃料を一旦エマルジョン燃料循環タンクに入れ、そのエマルジョン燃料循環タンクを用いて形成した循環ラインで前記エマルジョン燃料を循環しながら、その一部を取り出して燃料として連続的に使用するようにし、かつそのエマルジョン燃料循環タンクの液面位置によって、第１乳化器への油供給ポンプ及び第２乳化器への水供給ポンプの流量を制御することで運転管理を行うことを特徴とするエマルジョン燃料の製造方法とした。
【００１２】
ここで、更なる安定したエマルジョン燃料を連続供給するために、エマルジョン燃料は、エマルジョン燃料循環タンクの循環ラインの途中に第３乳化器を設け、この第３乳化器の出側から燃料の一部を取り出してボイラー燃料として連続使用するようにした。
【００１３】
また、装置の合理的な運転のために、エマルジョン燃料は、エマルジョン燃料循環タンクの容量が燃料油１時間当たり使用量の１／３０以上で３倍以下の大きさのものを用いてボイラー燃料として連続使用するようにした。
【００１４】
更に、用いる水は、水処理装置と水タンクとの間を循環させながら、その水タンクから水の一部を取り出し、次の混合、乳化工程の第２乳化器に供給する方法により、安定性の高いエマルジョン燃料のバーナへの安定供給を可能とした。
【００１５】
以上の方法を最適化する装置としては、水と油の混合と乳化をする乳化器によりエマルジョン燃料を連続的に製造する装置であって、水処理装置、油と乳化剤を混合する第１乳化器、更に処理水を混合乳化してエマルジョン燃料とする第２乳化器、該エマルジョン燃料の循環タンク及び該循環タンクを用いて循環しながらその一部を取り出して燃料として連続的に使用するエマルジョン燃料循環ライン、並びに前記第１乳化器への油供給ポンプ及び前記第２乳化器への水供給ポンプの流量を制御する前記エマルジョン燃料循環タンクに設けた液面計及び該液面計の出力による運転管理システムからなるエマルジョン燃料の製造装置が挙げられる。
【００１６】
ここで、エマルジョン燃料循環タンクの循環ラインの途中へ第３乳化器を追加して設けた装置とすることで、更なる安定したエマルジョン燃料を連続供給することができた。
【００１７】
具体的には連続的に製造したエマルジョン燃料を一旦エマルジョン燃料循環タンクに入れ、そのエマルジョン燃料循環タンクを用いて常に循環状態にしておき、その一部を抜き出して使用する方法、また、エマルジョン燃料循環タンクの液面をエマルジョン燃料製造の運転制御に活用するようにした。実験により本発明設備のエマルジョン燃料でボイラーの安定運転が可能になることを確認した。
【００１８】
エマルジョン燃料循環タンク関連の設備を追加するということは、その分だけ設備費が増加するが、一方においてシステム全体の制御を合理的にすることで、不必要に大きい規模の設備や複雑な流量、濃度の制御設備、あるいは高度な乳化器などの必要がなくなり、バランスのとれたことで、全体の設備費が増大することは避けられている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により操業的にエマルジョン燃料の使用が可能になり、ボイラー効率の向上及びＮＯｘや塵埃などの削減が実現できるようになった。この実現化に際しては、製造設備をコンパクト化する技術をも同時に検討し、低価格のエマルジョン燃料製造設備を供給することを可能にした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の方法及び設備について、図１に示すフローに従って説明する。図１は説明を分り易くするために、本発明に直接関係の無いバルブ類や計器類は省略している。本発明方法の実施に際しては、製造設備が従来の設備よりかなり機器の数が増加することにはなるが、機器の小型化や許される範囲で機器精度を低下させることでシステム全体の設備制作費の高騰は避けられている。
【００２１】
図１において、１は水処理装置、２１，２２，２３はそれぞれ第１，第２，第３乳化器、３は油供給ポンプ、４は水供給ポンプ、５は水循環ポンプ、６は乳化剤供給ポンプ、７はエマルジョン燃料循環ポンプ、８１は油流量計、８２は水流量計、９は油タンク、１０は水タンク、１１は乳化剤タンク、１２はエマルジョン燃料循環タンクである。
【００２２】
水処理装置１は、従来公知の装置が利用でき、水のマイクロクラスター化に有効とされている各種の天然又は人口の無機質粒状体、例えば、遠赤外線の放射性多孔質セラミック体や光触媒となるアナターゼ型酸化チタンあるいは磁鉄鉱粒子などを充填したタンク内に通水することによる活性波動水の製造装置がある。この他、高周波還元水、磁気処理水、電子水、酸性アルカリ性電解水等と称されている処理水があり、これらはいずれも電気や磁気エネルギーを用いて水分子を振動させて、この振動により水分子のいわゆるマイクロクラスター化あるいは波動水化をしたものである。なかでも、磁鉄鉱の破砕粒子は本発明のエマルジョン燃料の安定化に好ましい水処理粒子である。
【００２３】
油の原料は灯油、軽油、重油、食用油等のあらゆる油の他、これら鉱物油や植物油の使用済みの廃油が対象となり、特に本発明の方法及び装置により、大量の水を少ない乳化剤量でもって安定なエマルジョン燃料にすることができる。乳化剤も特に限定されず、通常の界面活性剤が広く使用できる。
【００２４】
第２乳化器２２で製造されたエマルジョン燃料は、エマルジョン燃料循環タンク１２に入る。エマルジョン燃料循環ライン１３には第３乳化器２３が設置してあり、その出側からエマルジョン燃料の一部を取り出してボイラーに連続供給するようになっている。この第３乳化器２３は、なくても良いが、ボイラーへ供給されるエマルジョン燃料を更に細かく乳化させるためと、繰り返し通過するエマルジョン燃料循環ライン１３からの戻りエマルジョン燃料の安定化に寄与する。
【００２５】
エマルジョン燃料循環タンク１２の容量は大きい方が運転は安定するが、その場合タンク容量に比例してポンプ７も大きくする必要があるなど、関連設備が全て大きくなり設備費が嵩むが、タンクの容量が、燃料油１時間当たり使用量の１／３０以上で３倍以下の大きさが望ましく、更に望ましくは１／１０以上で１倍以下の大きさが良い。実験的には1時間当たり燃料油消費量の１／１０程度のタンク容量があれば、むしろ小容量のタンクで安定運転が可能であった。
【００２６】
ボイラーの運転方法に関して、ボイラーの運転停止の切り替えがなく連続定量運転が継続する条件では、エマルジョン燃料循環タンク１２にエマルジョン燃料を滞留させる必要は少ない。なぜなら、乳化直後のエマルジョンは比較的安定している。しかし、現実にはボイラー運転停止も行われるので、エマルジョン燃料の放置によりその安定性が経時的に損なわれる。要するに、ボイラー運転の変動停止等があっても常に安定して均一なエマルジョン燃料を供給するためには、エマルジョン燃料循環タンク１２とエマルジョン燃料循環ライン１３の存在が有効に働くのである。このエマルジョン燃料循環ライン１３に第３乳化器２３を存在させることによって、更に安定な微細エマルジョンとなる。これにより、従来はボイラー立上げ時は燃料油を使用し、徐々にエマルジョン燃料に切り替えて行くなどの、別の運転技術が必要でなくなるなどの利点もある。
【００２７】
本発明で得られたエマルジョン燃料の安定性は、いくつかの方法で確認している。ボイラーによるテスト燃焼を続けている中で、作業工程上の都合で３日間の操業停止があり、エマルジョン燃料をその間タンク内に貯蔵したままで放置していたのだが、作業再開時に、タンク内のエマルジョン燃料を抜き取ることなく、燃料スタートし、全く異常なく着火及び正常燃料がスタートできた。
【００２８】
また、エマルジョン燃料をドラム缶に貯蔵し、遠隔地にトラック輸送し、製造後２６日目に、このエマルジョン燃料のテスト燃焼をしたが、全く支障がなかった。サンプル取りは、常時行っており、サンプル瓶での目視確認で、５ヶ月以上分離しないことは確認している。ただし、１０日以上経過したエマルジョン燃料は、約５〜１０％が比重分離し、見掛け上、底部に色が異なる層ができるが、軽く振るだけで元の状態に戻り、また、顕微鏡写真でも安定なエマルジョンであることを確認している。
【００２９】
エマルジョン燃料循環タンク１２には液面レベルセンサ（ＬＩＣ）としての液面計１５が設置してあり、液面が上昇すれば流入量を減少させ、低下すれば流入量を増大させるように制御している。具体的には油供給ポンプ３、水供給ポンプ４の回転数を変更させ、流量を変更するようにしている。ここで、エマルジョン燃料循環タンク１２と油タンク９との間にオーバーフロー配管１７を設けて、仮に液面計１５とその制御装置に異常が生じて液面上昇しても、オーバーフロー配管１７を介して過剰の燃料を油タンク９へ逆流させて、装置を破壊から守るようにしている。従来行なわれているように、技術的にはボイラーサイドから運転データを受信し、それによってエマルジョン製造設備の運転を制御することも可能であるが、それでは工事費用及び設備費用の大幅な増大を招く欠点があった。したがって、本発明の上記装置及び制御方法は、簡単かつ能率的である。
【００３０】
油や水の注入ラインにも油タンク９、水タンク１０を設置して各原料を攪拌するようにすれば、温度安定化の面から運転の安定化が向上できる。更に水の循環ライン１４を設置し、水処理装置１をその途中に設置すれば一段と運転の安定化が実現できるとともに、水処理装置の小型化も可能になる。ここで、油タンク９，水タンク１０，乳化剤タンク１１及びエマルジョン燃料タンク１２の各タンクには、温度センサ（ＴＩＣ）として油温度計１６１、水温度計１６２、乳化剤温度計１６３及びエマルジョン燃料温度計１６４が設けられてタンク内各溶液の温度制御をしてエマルジョン燃料の安定化を図っている。実験によれば、水処理装置１によるマイクロクラスター化する際の水の温度は特に重要で、３０〜５０℃±１０℃に設定した水を用いるのが良好であり、更に望ましくは、その時々の使用する水の性状により、３０〜５０℃±２℃に設定した水を用いた方がエマルジョン燃料の性状が安定する。
【実施例】
【００３１】
本発明の実施例を図１により具体的に数値を挙げて説明する。実施例１，２及び３において油はＣ重油を用い、流量は１０００Ｌ／ｈｒ、水は３００Ｌ／ｈｒ、乳化剤は２Ｌ／ｈｒ、すなわち燃料油１００部に対し水が３０部で乳化剤は０.２部の割合のエマルジョン燃料を図１に示す装置及びフローを用いて製造した。エマルジョン燃料循環タンク１２の容量は２００Ｌ、エマルジョン燃料循環ポンプ７の流量は２０００Ｌ／ｈｒ以上である。そしてＣ重油温度を７０℃、水の温度を４０℃、乳化剤温度を３０℃に設定した。ここで、水処理装置１の長さ４００ｍｍ、直径２５０ｍｍのカラムには、奈良県吉野郡天川村の五代松鉱山産の磁鉄鉱で粒子径３〜１２ｍｍのものを６ｋｇ充填したものを用いた。
【００３２】
このような運転条件で得られた図１のエマルジョン燃料循環タンク１２の出側のエマルジョン燃料の顕微鏡写真を図２に示すが、水粒子が均一に、しかも微小粒子で油中に分散し、きわめて良好なＷ／Ｏエマルジョンとなっている。また、図１において、第２乳化器の出側、すなわち、エマルジョン燃料循環タンク入側のエマルジョン燃料は、図３の顕微鏡写真に見られるように、流量変動時など、一応分散してはいるが、まだ水粒子が大きく燃焼に適した状態には至っていないものが時折見られる。一方、通常の水を用いた従来装置により得られるエマルジョン燃料は図４のように、水の粒子が安定せず非常に不安定で燃焼効率も上がらないものであった。また、図２と図３のエマルジョン粒子の差はエマルジョン燃料循環の効果の差であり、図３と図４の比率は、本発明の水処理装置の使用効果の差である。
【００３３】
図２に示す本発明で得られたエマルジョン燃料のボイラー燃焼試験の結果、運転状態は安定しており、通常運転状態のＣ重油燃焼の比較例２、３に対し、エマルジョン燃焼はボイラー効率で８５〜８８％から９６〜９２％に上昇、蒸発倍数で１５倍から１６倍に上昇した。しかも、供給エアー量が数％減少し、窒素酸化物（ＮＯｘ）が、従来のＣ重油のみ２３０〜２８８ｐｐｍが１２８ｐｐｍ程度にまで低下し、かつ排ガス中のＣＯ２濃度も１８〜２６％から１２．２％程度にまで低下した。結果を表１にまとめて示す。表１にあるとおり、ＮＯｘ、ＣＯ２が、低下した結果、環境基準値であるＮＯｘ１８８ｐｐｍ、ＣＯ２２３．６％を大きく下回る数値を得ている。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
図２〜図４に示すような電子顕微鏡によるエマルジョン燃料の性状変化について、運転現場では検証設備を設置できないので検証は困難であり、また、検証設備のある場所までエマルジョン燃料を輸送しても途中で性状の変化が発生する場合は事実と異なるデータとなる。したがって、性状安定化の検証は、供給するエマルジョン燃料の温度変動が従来の設備と差がないかどうか測定することから推定することとした。従来の設備では供給エマルジョン燃料のタンク内温度の変動は±３℃程度であったが、本発明による設備では温度変動は±１℃以下であった。そのことより密度斑や経時変化斑、油と水の混合比率斑などが減少したと推定している。つまり、本発明によりエマルジョン燃料の性状が安定し、その結果としてボイラーの運転が安定した。使用水の差も明らかで、図２，３の本発明の実施例１，２に比べて無処理の水の比較例１はいずれの測定値も劣るものであった。
【００３６】
本発明は汎用の油焚きボイラーへの応用が可能であり、特定のプラントや設備に限られるものではない。製造業における燃料費の占める割合は大きく、燃料費削減は大きな課題であるが、本発明の実施によりボイラー効率が向上し、燃料費の数％削減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のエマルジョン製造方法及び装置を説明するためのフロー図である。
【図２】図１に示す本発明のエマルジョン燃料製造装置におけるエマルジョン燃料循環タンクの出側で得られたエマルジョン燃料の電子顕微鏡写真（倍率：８００倍）である。
【図３】図１に示す本発明のエマルジョン燃製造装置における第２乳化器の出側（エマルジョン燃料循環タンクの入側）で得られたエマルジョン燃料の電子顕微鏡写真（倍率：８００倍）である。
【図４】従来の簡略エマルジョン燃料製造装置で得られたエマルジョン燃料の電子顕微鏡写真（倍率：８００倍）である。
【符号の説明】
【００３８】
１    水処理装置
２１    第１乳化器
２２    第２乳化器
２３    第３乳化器
３    油供給ポンプ
４    水供給ポンプ
５    水循環ポンプ
６    乳化剤供給ポンプ
７    エマルジョン燃料循環ポンプ
８１    油流量計
８２    水流量計
９    油タンク
１０  水タンク
１１  乳化剤タンク
１２  エマルジョン燃料循環タンク
１３  エマルジョン燃料循環ライン
１４  水循環ライン
１５  液面計
１６１  油温度計
１６２  水温度計
１６３  乳化剤温度計
１６４  エマルジョン燃料温度計
【図１】
2008214546.tif 000004
【図２】
2008214546.tif 000005
【図３】
2008214546.tif 000006
【図４】
2008214546.tif 000007