JPH06271876A - 重質油エマルジョン燃料の燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 水中油滴型重質油エマルジョン燃料と石油系
流体燃料とを混合燃焼することを特徴とする重質油エマ
ルジョン燃料の燃焼方法。 【効果】 窒素、残留炭素、重金属等の含有量が多いた
めに排気ガスのクリーン化が困難であり、従来一次エネ
ルギーとして有効に利用されていなかったビチューメン
やアスファルト等の重質油を、石油系流体燃料と同様に
使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は重質油エマルジョン燃料
の燃焼方法に関する。更に詳しくは、重質油、水及び界
面活性剤を必須成分とする水中油滴型重質油エマルジョ
ン燃料と石油系流体燃料とを混合燃焼することにより、
排気ガス中の大気汚染物質量を低減するクリーンな燃焼
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
一次エネルギー源として最も多量に使用されてきた石油
が、その埋蔵量の限界やそれに伴う価格の高騰が起こっ
ており、石油代替エネルギーの開発が要請されている。
また一方では地球環境に対する関心が高まり、燃焼排気
ガスのクリーン化も社会の要請として高まっている。こ
のような背景から、新たな化石燃料として、オイルサン
ドやビチューメンさらに、石油の蒸留残渣やアスファル
ト等の重質油の燃料化が検討されている。

【０００３】しかしながら、これらの重質油は通常減圧
蒸留残分である 420〜450 ℃以上の重質留分を約60〜70
％以上含有する油状物質で、そのままでは流動しない
か、または数万センチポイズ以上の高粘性を有してい
る。そのため、燃料として使用するには、 280〜300 ℃
などの高温にしないとハンドリングや霧化などが困難で
あり、また、燃焼ボイラーの配管などの閉塞トラブルを
起こしやすく、極めて使用しにくい燃料である。

【０００４】この欠点を解決すべく、公開特許公報昭53
−104434や公開特許公報昭61−247757、公表特許公報昭
61−501754等のエマルジョン燃料が知られている。しか
し、これらの重質油エマルジョン燃料では、原料である
重質油の窒素、残留炭素分、重金属等の含有量が非常に
多く、重油のそれに比べ数倍から数百倍にも達する。そ
の結果、燃焼時に発生する排気ガス中の窒素酸化物、煤
塵の濃度が高くなり、クリーン燃料が要望されている社
会環境では容認されがたい燃料である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、鋭意検討
の結果、重質油、水及び界面活性剤を必須成分とする水
中油滴型重質油エマルジョン燃料と、このエマルジョン
燃料よりも窒素、残留炭素等の含有量の少ない石油系流
体燃料とを混合燃焼することにより、排気ガス中の窒素
酸化物、煤塵の濃度を目標値、例えば大気汚染防止法の
規制基準内に管理する重質油エマルジョン燃料のクリー
ンな燃焼方法を完成させた。

【０００６】すなわち本発明は、水中油滴型重質油エマ
ルジョン燃料と石油系流体燃料とを混合燃焼することを
特徴とする重質油エマルジョン燃料の燃焼方法に関す
る。

【０００７】重質油エマルジョン燃料を単独で燃焼させ
た場合に排気ガス中の窒素酸化物濃度が200ppm、 C重油
を単独で燃焼させた場合のそれが100ppmだとすれば、重
質油エマルジョン燃料と C重油を各々1/2 ずつ混合燃焼
することにより排気ガス中の窒素酸化物濃度は概略150p
pm程度に低減されることが予測できる。

【０００８】しかし、本発明においては、計算上150ppm
程度となるべき値が、実際にはこの値よりかなり低くな
るという驚くべき相乗効果を示した。

【０００９】本発明における排気ガス中の煤塵および窒
素酸化物濃度が低減するという相乗効果については次の
様に推定する。

【００１０】重質油エマルジョン燃料には数十％の水が
含まれている。この水は燃焼炉内において急激に加熱さ
れることにより突沸し、周辺に存在する油をはねとば
す。この現象を水蒸気爆裂による油滴の二次微粒化とい
う。ボイラーや加熱炉などの燃料直噴形の燃焼器では、
バーナーから噴霧された油滴が、燃焼の途中で水蒸気爆
裂により二次微粒化される。この水蒸気爆裂による二次
微粒化の効果および水そのものの存在効果により、油滴
の燃焼形態は大きく変化する。すなわち、微粒化により
酸素との接触／混合性が向上し、水性ガス反応の促進に
より燃焼性が改善され、煤塵の発生が大幅に低減する。
また、水の蒸発潜熱による火炎温度の低減および微粒子
の高温域短時間通過によりサーマルNO_X の大幅なる低減
が計られる。この水蒸気爆裂による二次微粒化は、重質
油エマルジョン燃料を単独で燃焼した場合には生起して
いるが、石油系流体燃料を単独で燃焼した場合には生起
していない。しかるに、重質油エマルジョン燃料と石油
系流体燃料を混合燃焼した場合には、水蒸気爆裂による
二次微粒化効果は重質油エマルジョン燃料と石油系流体
燃料の両者において生起し、煤塵および窒素酸化物の低
減が相乗的に働くものと推定する。

【００１１】本発明における重質油エマルジョン燃料は
水中油滴型であり、その組成は、重質油、水及び界面活
性剤を必須成分とする。これらの成分以外に必要に応じ
て高分子安定剤、水溶性高分子、多価アルコール、油
脂、脂肪酸、脂肪酸エステル、オリゴ糖又はオリゴ糖誘
導体等の配合も可能である。

【００１２】重質油エマルジョン燃料の配合組成は、特
に限定するものではないが、望ましくは重質油が40〜85
重量％、水が10〜50重量％、界面活性剤が 0.1〜10重量
％である。

【００１３】本発明における石油系流体燃料は、原油を
精製して得られる流体燃料であれば良いが、望ましくは
ガソリン、灯油、軽油および重油である。

【００１４】本発明における重質油エマルジョン燃料と
石油系流体燃料との混合燃焼比率は、99：１〜１：99で
あり、さらに好ましくは95：５〜５：95である。この範
囲内において水蒸気爆裂による二次微粒化の相乗効果に
より、煤塵および窒素酸化物の低減効果が顕著となる。
また本発明における重質油エマルジョン燃料と石油系流
体燃料との混合燃焼比率は、用いる材料によって燃焼前
に予備実験的に調製しても、燃焼後の状態により燃焼中
に調製してもよいが、排気ガス中の煤塵や窒素酸化物濃
度の測定結果をフィードバックさせ、目標濃度を一定範
囲内に維持するために随時変化させることが経済的であ
り好ましい。

【００１５】本発明における重質油エマルジョン燃料と
石油系流体燃料との混合燃焼方法は、複数のバーナーを
用いて、各バーナー毎に特定の燃料を噴霧しても良く、
一台のバーナーから重質油エマルジョン燃料と石油系流
体燃料とを同時に噴霧しても良い。一台のバーナーから
二液を同時に噴霧すると、各燃料の混合性が高まり水蒸
気爆裂による二次微粒化の相乗効果がより顕著となる。
この場合、二液の混合により重質油エマルジョン燃料の
エマルジョン状態が破壊されることもあるので、あらか
じめ重質油エマルジョン燃料中の界面活性剤の配合量を
増量しておくことが望ましい。

【００１６】本発明におけるバーナーは、石油系流体燃
料の燃焼用に用いられているバーナーの使用が可能であ
るが、特に望ましくは高圧噴霧式バーナーである。

【００１７】本発明における界面活性剤としては、ノニ
オン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、カチオン性
界面活性剤及び両性界面活性剤のうちから選ばれる１種
又は２種以上を使用する。使用し得る界面活性剤として
は下記のものが挙げられる。

【００１８】＜ノニオン性界面活性剤＞ （ｉ）フェノール、クレゾール、ブチルフェノール、ノ
ニルフェノール、ジノニルフェノール、ドデシルフェノ
ール、パラクミルフェノール、ビスフェノールAなどの
フェノール性水酸基を有する化合物のアルキレンオキシ
ド付加物。 （ii）アルキルフェノール、フェノール、メタクレゾー
ル、スチレン化フェノール、ベンジル化フェノールなど
のフェノール性水酸基を有する化合物のホルムアルデヒ
ド縮合物のアルキレンオキシド付加物。縮合度の平均は
1.2〜100 、好ましくは２〜20である。 （iii)炭素数２〜50の一価の脂肪族アルコールのアルキ
レンオキシド付加物。 （iv) 炭素数２〜50の一価の脂肪族アミンのアルキレン
オキシド付加物。 （ｖ）アルキレンオキシドのブロック又はランダム付加
重合物。 （vi）多価アルコールのアルキレンオキシド付加物。 （vii)多価アルコールと炭素数８〜18の脂肪酸とのエス
テルのアルキレンオキシド付加物。 (viii)エチレンジアミン、テトラエチレンジアミン、ポ
リエチレンイミン（分子量 600〜１万) などの複数個の
活性水素を有する多価アミンのアルキレンオキシド付加
物。 （iv) トリグリセライド型油脂１モルと、多価アルコー
ル及び／又は水0.1 〜５モルとの混合物に、アルキレン
オキシドを付加反応させた生成物。

【００１９】尚、上記(vi)、(vii) の多価アルコールと
しては、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタ
エリスリトール、ソルビトール、ショ糖、ポリグリセリ
ン、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、プ
ロピレングリコール、ポリプロピレングリコール等が例
示される。

【００２０】＜アニオン性界面活性剤＞ （Ｉ) ナフタリン、アルキルナフタリン、アルキルフェ
ノール、アルキルベンゼンなどの芳香族環化合物のスル
ホン酸又はスルホン酸塩のホルムアルデヒド縮合物。好
ましくは、ホルムアルデヒドの平均縮合度は 1.2〜100
である。

【００２１】(II) リグニンスルホン酸、リグニンスル
ホン酸塩、その誘導体、リグニンスルホン酸とナフタリ
ン、アルキルナフタリンなどの芳香族化合物のスルホン
酸とのホルムアルデヒド縮合物及びその塩。好ましく
は、ホルムアルデヒドの平均縮合度は 1.2〜50である。

【００２２】(III)ポリスチレンスルホン酸又はその塩
及びスチレンスルホン酸と他の共重合性モノマーとの共
重合体とその塩。好ましくは、分子量は 500〜50万であ
る。

【００２３】(IV) ジシクロペンタジエンスルホン酸重
合物又はその塩。好ましくは、重合物の分子量は 500〜
50万である。

【００２４】(Ｖ) 無水マレイン酸又は／及び無水イタ
コン酸と他の共重合性モノマーとの共重合体とその酸及
び塩。好ましくは、分子量は 500〜50万である。

【００２５】(VI) 液状ポリブタジエンのマレイン化物
及びその塩。好ましくは、液状ポリブタジエンの分子量
は 500〜20万である。

【００２６】(VII)親水基を分子中に１個又は２個持
つ、次のアニオン界面活性剤。 (a) 炭素数４〜18のアルコールの硫酸エステル塩。 (b) 炭素数４〜18のアルカン、アルケン又は／及びアル
キルアリールスルホン酸又はその塩。 (c) 活性水素を分子中に１個以上持つ化合物のアルキレ
ンオキシド付加物の硫酸化物又はリン酸エステル化物及
びそれらの塩。 (d) 炭素数４〜22の飽和又は不飽和脂肪酸のエステルで
あるスルホコハク酸塩。 (e) アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸又はその
塩。アルキル基は炭素数８〜18のアルキル基である。 (f) ロジン酸又はその塩。ロジン酸と高級脂肪酸の混合
酸であるトール油混酸とその塩。 (g) 炭素数４〜18のアルカン又はアルケン脂肪酸とその
塩。 (h) 下記の一般式で表されるα−スルホ脂肪酸エステル
塩。

【００２７】

【化１】

【００２８】但し、R₁は炭素数６〜22のアルキル基又は
アルケニル基、R₂は炭素数１〜22のアルキル基、M は１
価又は２価の金属原子、NH₄ 、有機アミン、n は１又は
２を表す。

【００２９】尚、（Ｉ）〜 (VII)の化合物について、塩
としてはアンモニウム、モノエタノールアミン、ジエタ
ノールアミン、トリエタノールアミン、トリエチルアミ
ンなどの低級アミン、ナトリウム、カリウム、マグネシ
ウム、カルシウムなどのアルカリ金属又はアルカリ土類
金属類である。

【００３０】＜カチオン性界面活性剤及び両性界面活性
剤＞ （Ｉ）炭素数４〜18のアルキル又は／及びアルケニルア
ミンを無機酸又は有機酸で中和したアルキル又は／及び
アルケニルアミン塩。

【００３１】（II）下記式 (１) 〜（３) で表される第
４級アンモニウム塩。

【００３２】

【化２】

【００３３】

【化３】

【００３４】

【化４】

【００３５】（III)次式で表されるアルキルベタイン。

【００３６】

【化５】

【００３７】（IV) 次式で表されるアルキルアミンオキ
サイド。

【００３８】

【化６】

【００３９】（Ｖ）次式で表されるアルキルアラニン。

【００４０】

【化７】

【００４１】（VI）次式（４）又は（５）で表されるポ
リアミート。

【００４２】

【化８】

【００４３】（VII)次式 (６) 又は (７) で表されるポ
リアミン塩。

【００４４】RNHC₃H₆NHX' (６) RNH(C₃H₆NH)₂X' (７) （但し、R は前記と同じ意味を有し、X'は無機酸又は有
機酸である。） （VIII）次式で表されるイミダゾリン型両性界面活性
剤。

【００４５】

【化９】

【００４６】（IX）次式で表されるスルホベタイン型両
性界面活性剤。

【００４７】

【化１０】

【００４８】界面活性剤の使用量は、エマルジョンの0.
01〜10重量％の範囲である。これより少ない使用量では
重質油の乳化および乳化安定性が不充分であり、これよ
り多い使用量では不経済であるばかりでなく、乳化時の
泡立ちや粒径制御が困難となり好ましくない。

【００４９】本発明で使用される重質油とは、常温では
流動性に乏しく高温に加熱しないと流動しない油で、下
記油が含まれる。 (1) 石油系アスファルト類およびその油の混合物 (2) 石油系アスファルト各種処理物、その中間製品、残
渣、およびそれらの混合物 (3) 常温で流動しない高流動点油 (4) 石油系タールピッチおよびその油混合物 (5) ビチューメン類、天然アスファルト、オリノコター
ル さらに限定するならば、常圧での沸点 340℃以上の成分
を90重量％以上含むものが好ましい。

【００５０】

【発明の効果】上述のごとく、本発明による重質油エマ
ルジョン燃料の燃焼方法によれば、窒素、残留炭素、重
金属等の含有量が多いために排気ガスのクリーン化が困
難であり、従来一次エネルギーとして有効に利用されて
いなかったビチューメンやアスファルト等の重質油を、
石油系流体燃料と同様に使用できるという画期的な燃焼
技術である。

【００５１】

【実施例】以下実施例により本発明を詳述するが、本発
明はこの実施例に限定されるものではない。

【００５２】実施例１ 重質油エマルジョン燃料を製造し燃焼試験を実施した。 〔重質油エマルジョン燃料の製造〕重質油エマルジョン
燃料の製造用原料として次のものを用いた。 ・アスファルト；アラビアンライト原油から抽出したア
スファルト（比重1.015、粘度 595cP／100 ℃、軟化点2
9℃、針入度 370／25℃） ・水；イオン交換水 ・ノニオン性界面活性剤；ポリオキシエチレンノニルフ
ェニルエーテル、花王（株）製 エマルゲン921 ・アニオン性界面活性剤；ナフタリンスルホン酸ホルム
アルデヒド縮合物、花王（株）製 マイティ150 上記原料を次の通り計量し約3000kgの重質油エマルジョ
ン燃料を製造した。 アスファルト＝2100kg、水＝900kg 、ノニオン性界面活
性剤＝30kg、アニオン性界面活性剤＝30kg エマルジョンの製造は、５m³の反応槽 (槽径1.9m) にア
スファルト、水及び界面活性剤を各々80℃に加温した後
仕込み、60分間80℃を保持しながら攪拌した。攪拌翼種
はファドラー翼であり翼径は1.1m、回転数は64rpm であ
る。予備攪拌終了後、特殊機化工業（株）製のPL−SL型
ラインミキサーを用い、バッチ循環方式にて乳化した。
ミキサーの回転数は3600rpm であり、乳化時間は４時間
とした。乳化終了後10時間かけて20℃まで冷却し、燃焼
試験用のエマルジョンとした。

【００５３】〔燃焼試験〕上記で製造した重質油エマル
ジョン燃料と C重油を用いて燃焼試験を実施した。各々
の燃料の一般性状は表１の通りである。

【００５４】

【表１】

【００５５】燃焼試験は、横置円筒型二重壁水冷式実験
炉 (1.2mφ×3.4mリットル、日本ファーネス工業（株）
製) を用い、排気ガス中の煤塵量(JIS Z-8808)および窒
素酸化物量(JIS K-0104)を測定した。バーナーは蒸気噴
霧内部混合型 (日本ファーネス工業（株）製) を試験内
容に応じて一台および二台用いた。一台のバーナーで二
種の燃料を噴霧する試験では、二種の燃料をバーナー直
前の配管にポンプ注入した。燃料の流量は C重油で 100
リットル／hrを標準とし、他の燃料では、ほぼC重油と
同一燃焼熱量となるように表２に示す流量とした。

【００５６】重質油エマルジョン燃料は50℃、 C重油は
90℃に加温して燃焼に供した。一台のバーナーでの燃焼
試験でのアトマイズ条件は、スチーム温度 170℃、流量
60リットル／hr、圧力＝4.5 kg/cm²、燃焼用空気量は12
00m³／hrを標準とし、燃焼状態により微調整した。二台
のバーナーでの燃焼試験では、二台で使用したアトマイ
ズスチーム量、空気量の合計が一台のバーナーでの使用
量に類似するように調整した。排気ガス中の酸素濃度は
約４％とした。結果を表２、図１および図２に示す。

【００５７】

【表２】

【００５８】表４、図１および図２の燃焼結果より、比
較例である実験No.1の重質油エマルジョン燃料を単独で
燃焼した場合、煤塵量は0.27ｇ／Nm³ 、窒素酸化物量は
286ppm とかなり高い値である。これに対し、本発明で
ある実験No.3〜No.8の混合燃焼では、水蒸気爆裂による
油滴の二次微粒化効果により、煤塵および窒素酸化物が
大幅に低減している。例えば、大気汚染防止法において
は、ボイラーの種類や地域によって異なるが、窒素酸化
物量の排出基準値は 130〜260ppmである。実施例で使用
した試験炉は、実炉の２倍程度の高い値であることを考
慮すると、本発明は大気汚染防止法の規制基準内に管理
されている。また混合燃焼の比率を任意に設定すること
により、排気ガス中の大気汚染物質量を制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例における煤塵量を示すグラフである。

【図２】実施例における窒素酸化物量を示すグラフであ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 玉置 さゆり 和歌山市砂山南１−３−９ (72)発明者 山下 忠一 横浜市中区千鳥町八番地 日本石油株式会 社中央技術研究所内 (72)発明者 佐竹 信一 東京都港区西新橋一丁目三番十二号 日本 石油株式会社本館内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水中油滴型重質油エマルジョン燃料と石
   油系流体燃料とを混合燃焼することを特徴とする重質油
   エマルジョン燃料の燃焼方法。
2. 【請求項２】 石油系流体燃料が灯油、軽油及び重油の
   中から選ばれる１種又は２種以上である請求項１記載の
   重質油エマルジョン燃料の燃焼方法。
3. 【請求項３】 燃焼排気ガス中の窒素酸化物、煤塵の濃
   度を設定目標値以下にするために、設定目標値に応じて
   水中油滴型重質油エマルジョン燃料と石油系流体燃料と
   の混合燃料比率を調整することを特徴とする請求項１又
   は２記載の重質油エマルジョン燃料の燃焼方法。