JP2007520573A - エマルジョン燃料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明によるエマルジョン燃料は、バンカーＣ油や石油のような重油５５〜９０重量％と水４５〜１０重量％とを混合し、前記混合物に０．３〜０．８重量％の触媒を加えてエマルジョン化することにより製造される。前記触媒は苛性ソーダと塩化カルシウムとの体積比を１：１に混合した混合物であり、前記塩化カルシウムの一部の代わりに硫酸カルシウムが用いられる場合もある。
【選択図】なし

Description

本発明は、バンカーＣ油や石油のような一般重油に水を添加して製造されるエマルジョン燃料に関し、詳しくは、一般重油に水を添加した後、これに触媒を加えてエマルジョン化（乳化）することにより、代替エネルギー燃料として使用することができるエマルジョン燃料に関する。本発明は、また前記エマルジョン燃料を製造する方法に関することも含む。

全世界的にエネルギー節約及び公害問題に対する燃料政策の一環として、燃料の硫黄含量を減少させる低硫黄油の普及と、固体燃料から液体または気体燃料への転換に対する研究開発とが活発に進められている。特に、石油燃料による大気汚染は生態系への被害という既存の観点から、ＷＴＯ体制出帆とＯＥＣＤ及びグリーンラウンド（ＧＲ）という新しい貿易障壁により、代替エネルギー及び無公害燃料の研究開発に努めているが、適当な代替燃料の開発はまだ充分ではない実情である。

燃料油に水を添加したエマルジョン燃料に対する研究は１９５０年代から欧州で始まり、ボイラーや加熱炉等に使用して重質燃料の燃焼効率を高めるとともに燃料節約と燃焼性を改善する実験が行われた。最近は米国と日本でエマルジョン燃料に対する研究が活発に進められている。

第二次世界対戦の際には、航空機用ガソリンに水を添加してエンジンの出力を高めるに使用したし、エマルジョン燃料に対する研究と実験を通じて燃料節減と煤煙減少及び燃焼効率増加との結果が得られた。また、米国エネルギー省（Ｄ．Ｏ．Ｅ）はこれを主要研究課題として採択したし、これによって大気汚染防止とエネルギー節約に寄与することができるという研究報告を出した。

本発明の目的は、燃料用及び冷暖房産業用ボイラーと加熱炉等で用いられている一般燃料油（重油）に水を添加してエマルジョン化することにより、燃料節約のみならず産業分野のエネルギー節減と公害防止にも非常に効率的な新しいエマルジョン燃料を提供することにある。

本発明の他の目的は、バンカーＣ油のような重油中に含有されているスラッジを微細に分解させると共に、添加された水の超微粒子化によりエマルジョン化された燃料油をバーナーで燃焼し、前記の水が水素ガス反応と微細爆発反応を通じて完全燃焼を促進させることにより、公害防止と燃料節約等の経済的利益が得られるエマルジョン燃料を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、煤煙、粉塵、一酸化炭素、炭化水素などの発生を防止し、過剰の空気比率を減少させることにより、ＳＯ_２のＳＯ_３への転換率を低下させ、燃焼火炎の白熱化と輻射熱の増加を図って、公害防止及び燃料節約に寄与することができるエマルジョン燃料を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、前記エマルジョン燃料を製造するための方法を提供することにある。

本発明の上記及びその他の目的は、下記で説明される本発明によって全て達成できる。

本発明に関わるエマルジョン燃料は、バンカーＣ油や石油のような重油５５−９０重量％と水４５−１０重量％とを混合し、前記混合物に０．３−０．８重量％の触媒を加えてエマルジョン化することにより製造される。前記触媒は苛性ソーダと塩化カルシウムとを１：１の体積比で混合した混合物であり、前記塩化カルシウムの一部の代わりに硫酸カルシウムが用いられる場合もある。

発明の詳細な説明
本発明に関わるエマルジョン燃料の技術に関する発想は、過去韓国の農村で冬の燃料として用いられてきた青松葉から始まったと言える。青松葉は約９０％の水分と１０％の松油及び他の燃焼有機物とからなる。青松葉は燃焼に際して非常に活性的に燃焼され、さらに熱効率も非常に高くてオンドルの暖房に適合な燃料として用いられてきた。

前記のように自然物の松油１０％と水分９０％とからなる青松葉の原理を、バンカーＣ油のような重油に適用して水によりエマルジョン化させたものが、すなわちエマルジョン燃料である。また、苛性ソーダ（ＮａＯＨ）は油類に対する水溶性を有し、塩化カルシウムやこれの含有されたニガリ（ｂｉｔｔｅｒｎ）は有機物の蛋白質（例えば、豆腐）を凝固させる性質を有するということから触媒混合物を製造し、本発明のように、重油と水とを混合し、この混合物をエマルジョン化することができる方法に着眼することになった。

一例として、９０％の水分中に１０％の松油が水溶されている青松葉は燃焼性がよく、熱効率も優れているが、完全乾燥された松葉に５０％の水を浸潤させた後これを燃焼させる場合は、燃焼はおろか着火もできない。その理由は、乾燥された松葉に浸潤された５０％の水はどこまでも水として存在するものであって、前記青松葉に賦存する松油と水との水溶化合物ではないからである。

本発明による触媒混合物を介して水１０−４５重量％にバンカーＣ油や石油のような重油９０−５５重量％を混合した混合物は、水とは異なる燃焼物質である。本発明に用いられる触媒の分子構造は、油と親和し易いアルキル基部分とイオン化して水と親和し易い部分とからなっているので、親油基と親水基とをいずれも含んでいる。したがって、本発明の触媒は、水と油にそれぞれ親和性のある部分を同時に有しているため、油層と水層の間で親油基分子は油層に、また親水基分子は水層に引かれて配列されることになる。これにより、水と油の各界面ないし表面の性質を変化させる界面活性作用が進められてエマルジョン化を図ることができる。

本発明において、触媒の原料として用いられるのは苛性ソーダと塩化カルシウムであり、塩化カルシウムの一部の代わりに硫酸カルシウムが使用されることもある。苛性ソーダ５０％水溶液を塩化カルシウム５０％水溶液に網布を介してゆっくり注入させる。この時、塩化カルシウム水溶液と注入された苛性ソーダ水溶液との急速な化学作用により白色の糊料形態の化合物が析出される。この糊料形態の化合物を透水性の優れている網布上で乾燥させると白色の無味な微細粉末の状態になる。

本発明によるエマルジョン燃料は、バンカーＣ油や石油のような重油５５−９０重量％と水４５−１０重量％とを混合し、前記混合物に０．３−０．８重量％の触媒を加えてエマルジョン化することにより製造される。前記エマルジョン燃料において、燃料油に１０−４５重量％の水と前記触媒を混合すると、水は油の中で１０ミクロン以下の微細な水滴に変えて油中水滴の状態になる。エマルジョン燃料は炉内の噴射された油滴中に含有されている水滴が加熱されて膨張しつつ、かつ爆発的に気化されてエマルジョン燃料を四方に飛散させ、さらに微細に分散させることにより完全燃焼を促進させる。

一般的に水を噴射して使用する方法と全く異なる現象の超微粒子化されたエマルジョン燃料は、空気と接触面積の増大により過剰の空気比率を減少させて急速な完全燃焼を起こす。また、水の気化潜熱による火炎の冷却作用と炭素に対する水の作用により燃焼カーボンの減少効果を起こし、化学的、物理的作用により煤煙とＮＯｘ及び炭化水素の含量を減少させることができる。エマルジョン燃料は、コロイド状態すなわち膠状体として燃料供給と噴射状態を非常に良好にする。

油包水形のエマルジョン燃料は、バーナーによる燃焼の際、油滴中に含まれる水滴が高温で加熱されて急速に膨張しつつ、かつ爆発して気化され、連鎖的に２次爆発して周りの燃料を四方に微細に飛散させ、連鎖的に反応を起こして、完全燃焼させる。

エマルジョン燃料の水滴は１０ミクロン程度で水分含量は１０−３０％を含有しており、油滴中に数ミクロンの水滴が多数含まれている。すなわち、水分２０％のエマルジョン燃料の油滴一つの直径が５０ミクロンであると、直径３ミクロンの水滴は９００個余りが含まれる。

ＬＰＧガスにおいて、燃焼ガス中の水分含量は１９−２０％であって、エマルジョン燃料のような水分含量を有する。本発明により水を添加したエマルジョン燃料の燃焼効率は、ＬＰＧのような従来の燃料油の燃焼効率よりされに高い。

水の反応はＣ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２（＋Ｏ_２）→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏであって、これは即ち水性ガスの反応である。高温で水分子と燃料油中の炭素とが水と反応してＣＯとＨ原子を形成することになる。すなわち、炭素が減少することにより燃焼効率は増大することになる。

ボイラーの燃焼の時に発生する窒素酸化物は、ほとんどＮＯとＮＯ_２であり、両方でＮＯｘという。エマルジョン燃料は燃料中に含有されている水分が均一に微粒子化されて火炎の全体で局所高温領域の生成を抑制し、体積比２０−３０％の水分が蒸発潜熱により燃焼温度を下げる。水粒子は炭素粒子と水性ガス反応により吸熱作用と局所高温防止作用をすることにより、ＮＯｘの生成を抑制する。このような、ＮＯｘの生成燃焼減少方式により公害を防止することができる。

本発明によるエマルジョン燃料は、一般家庭用や工業用ボイラーに用いられる場合４０−７５％のＮＯｘ生成を減少させることができる。また、微粒子化された油滴の広大になった表面積により空気接触が容易になるため、少ない空気比率でも完全燃焼が可能になり、ボイラーの構造と燃焼状況により煤煙減少率の差があるが、５０％以上の煤煙が減少される。また、煤塵濃度も減少する。一般的に、水５０％を添加すると、煤塵濃度は１／２程度に減少する。本発明のエマルジョン燃料は煤煙発生が著しく減少するため、汚染が減少され過剰の空気比率を低下させることにより約３０％の燃料節減が可能になる。

一般的にガス燃料は、透明な不輝炎を発しながら燃焼され、重油燃料は黄色で輝く不透明な不輝炎を発しながら燃焼されるが、これは浮遊炭素粒子が存在する火炎である。しかしながら、本発明のエマルジョン燃料はガスのような輝炎を発しながらガス燃料のように燃焼される。

燃料油に水を添加すると、燃焼ガス量は水添加重量（ｋｇ）に２２．４／１８（Ｎｍ^３／ｋｇ）をかけた寸法ほど増加する。灯油を１．２の空気比により燃焼させた時を基準にして水を３０−５０％添加した時は火炎温度は約１００°Ｃ下がる。しかしながら、燃焼ガス量が増加されるので、転熱効果は下がらない。液体燃料（ＬＰＧ，ＬＮＧ）が燃焼する際に発生する燃焼ガスの中には水分が約１３％含まれる。ここに、水を約５０％添加して計算すると、水分は約１６−１７％になる。液体燃料（ＬＰＧ，ＬＮＧ）の燃焼において燃焼ガス中の水分は１９−２０％まで発生されるが、腐食問題がないので、液体燃料のような水分含量を有するエマルジョン燃料も腐食の問題はない。添加する水分により少しの熱損失は発生するが、むしろ空気比率の減少、煤煙減少、汚染減少などにより熱効率は上昇され、ＮＯｘ抑制効果も得られる。

エマルジョン燃料はバーナーで噴霧が円滑にでき、水と共に超微粒子化された油滴の燃焼火炎が単一の炎になって燃焼の速さが早くなり、水の粒子は高熱により連鎖的に爆発しながら、燃料はさらに微粒子化されて再分散されるので、完全微細化されたガス燃焼のような燃焼火炎を形成して、完全燃焼する。

本発明は、下記の実施例によりより具体化され、下記の実施例は本発明の具体的な例示目的のためであり、本発明の保護範囲を限定したり制限しようとするのではない。

硫黄成分が０．５％以下のバンカーＣ油６０重量％と水４０重量％を混合した後触媒混合物が全体粗生物に対して０．５重量％になるように付加した。この際、用いられた触媒混合物は苛性ソーダと塩化カルシウムとを１：１の体積比で混合したものである。前記混合物を油化装置を利用して本発明に係るエマルジョン燃料を製造した。

実施例１におけるバンカーＣ油７０重量％と水３０重量％を使用することの以外に同様の方法でエマルジョン燃料を製造した。

比較実施例１
水が含有されておらず、硫黄成分が１．０％であるバンカーＣ油のみで試験した。

比較実施例２
水が含有されておらず、硫黄成分が０．５％以下のバンカーＣ油のみで試験した。

上記試験は韓国産業技術試験院で実施された。試験方法は炉通連関式ボイラー（ｓｍｏｋｅ ｔｕｂｅ ｐａｃｋａｇｅｄ ｂｏｉｌｅｒ、正格蒸発量：３ＴＯＮ／ＨＲ）が９０％以上の負荷率で連続運転される状態で、エマルジョン化燃料油及び大気汚染物質の分析と、給油流量、排気ガス温度等の測定が行われた。前記実施例１−２及び比較実施例１−２に対する分析結果を下記表１に示し、性能試験結果を下記表２に示す。本発明による実施例１、２の油化燃料がいずれの結果でも優れていることがわかる。

＊：マルチサイクロン出口での排気ガス

本発明は燃料用冷暖房ボイラー、産業用ボイラー、加熱炉などで用いられる一般燃料油（重油）に水を２５−５０％程度添加してエマルジョン化することにより、燃料節約のみならず産業分野のエネルギー節減と公害防止に非常に効率的であり、バンカーＣ油のような重油中に含有されているスラッジを微細に分解させると共に、添加された水が超微粒子化されてエマルジョン化された燃料油をバーナーにより燃焼して、水が水性ガス反応と微細爆発反応で完全燃焼を促進させて、公害防止と燃料節約などの経済的利益を得ることができるエマルジョン燃料を提供できる効果がある。

本発明の単純な変形ないし変更はこの分野の通常の知識を有する者により容易に利用されることができ、このような変形や変更はすべて本発明の領域に含まれる。

Claims (14)

1. 重油５５−９０重量％、水４５−１０重量％及び微量の触媒からなる、エマルジョン燃料。
2. 前記触媒は苛性ソーダと塩化カルシウムとを混合して製造される、請求項１に記載のエマルジョン燃料。
3. 前記触媒は苛性ソーダと塩化カルシウムとの体積比が１：１である、請求項２に記載のエマルジョン燃料。
4. 前記塩化カルシウムの一部の代わりに硫酸カルシウムが用いられる、請求項１に記載のエマルジョン燃料。
5. 前記触媒は０．３−０．８重量％である、請求項１に記載のエマルジョン燃料。
6. 前記重油はバンカーＣ油または石油である、請求項１に記載のエマルジョン燃料。
7. 重油５５−９０重量％、水４５−１０重量％及び微量の触媒からなる混合物を混合するステップと、
   前記混合物を油化装置により油化させるステップとからなる、エマルジョン燃料の製造方法。
8. 前記触媒は苛性ソーダと塩化カルシウムを混合して製造される、請求項７に記載のエマルジョン燃料の製造方法。
9. 前記触媒は苛性ソーダと塩化カルシウムとの重量比が１：１である、請求項８に記載のエマルジョン燃料の製造方法。
10. 前記塩化カルシウムの一部の代わりに硫酸カルシウムが用いられる、請求項８に記載のエマルジョン燃料の製造方法。
11. 前記触媒は０．３−０．８重量％である、請求項７に記載のエマルジョン燃料の製造方法。
12. 前記重油はバンカーＣ油または石油である、請求項７に記載のエマルジョン燃料の製造方法。
13. 苛性ソーダと塩化カルシウムとが体積比１：１で混合される、重油と水との混合物とを乳化させてエマルジョン燃料を製造するための触媒組成物。
14. 苛性ソーダ５０重量部と、塩化カルシウムと硫酸カルシウムとの混合物５０重量部とからなる、重油と水との混合物を乳化させてエマルジョン燃料を製造するための触媒組成物。