JP4460208B2 - 石油代替燃料製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石油代替燃料製造装置および製造方法に関し、より詳細には、使用済み食用油いわゆる廃食油等の油脂を用いてディーゼル燃料等を製造する石油代替燃料製造装置および製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃食油からディーゼル燃料を製造する製造装置および製造方法としては、従来、例えば、特開平１０−１８２５１８号公報に開示されている。この装置および製造方法においては、まず、廃食油等からなる高級脂肪酸グリセライドとメタノールとをアルカリ触媒の存在下で混合し、保温槽で４０〜６０℃に保温し、ついで４０〜６０℃の高温雰囲気中に配設した保温槽の伝熱管に通してエステル交換反応を行わせる。そして、エステル交換反応後の混合物を反応生成物セパレータに貯蔵してグリセリンと高級脂肪酸のメチルエステルとに分離することで、グリセリンと高級脂肪酸のメチルエステルを回収している。
【０００３】
さらに、この分離したエステルを洗浄水にて洗浄した後、無水グリセリンを添加して脱水することで、より精製された高級脂肪酸のメチルエステルが得られる。
【０００４】
また、エステル交換反応は、下記の化学式（１）で表される。
（１）Ｃ3Ｈ5（ＯＣＯＲ）3＋３ＣＨ3ＯＨ→３ＣＨ3ＯＯＣＲ＋Ｃ3Ｈ5（ＯＨ）3
【０００５】
また、エステル交換反応の副反応として、下記化学式（２）で鹸化と、下記化学式（３）で表される遊離脂肪酸の中和が起こる。
（２）Ｃ3Ｈ5（ＯＣＯＲ）3＋３ＮａＯＨ→Ｃ3Ｈ5（ＯＨ）3＋３ＲＣＯＯＮａ（セッケン）
（３）ＲＣＯＯＨ＋ＮａＯＨ→ＲＣＯＯＮａ（セッケン）＋Ｈ2Ｏ
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の石油代替燃料製造装置および製造方法においては、エステル交換反応の工程および洗浄工程において、より効率的に反応や洗浄を行わせることについては考慮されていなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、石油代替燃料製造装置および製造方法であって、より効率的なエステル交換反応工程や洗浄工程を行うことが可能な装置および製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る石油代替燃料製造方法は、油脂とアルコールを混合することで油脂とアルコールのエステル交換反応を行わせる混合工程と、さらに水を加えて混合する水注入工程と、所定の期間静置してグリセリン層とエステル層とに分離する分離工程と、を有するエステル交換反応工程と、前記分離されたエステル層に洗浄水を加えて混合する工程と、所定の期間静置してエステル層と洗浄水層とに分離する分離工程と、を有する洗浄工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る石油代替燃料製造方法は、油脂とアルコールを混合することで油脂とアルコールのエステル交換反応を行わせる混合工程と、所定の期間静置してグリセリン層とエステル層とに分離する分離工程と、を有するエステル交換反応工程と、前記分離されたエステル層に洗浄水を加えて混合する工程と、所定の期間静置してエステル層と洗浄水層とに分離する工程と、この分離された前記洗浄水層を除去する除去工程と、を有する第１洗浄工程と、前記分離されたエステル層に洗浄水を加えて８０℃以上に保温して混合する工程と、所定の期間静置してエステル層と洗浄水層とに分離する工程と、この分離された前記洗浄水層を除去する工程と、を有する第２洗浄工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る石油代替燃料製造装置は、エステル交換反応が行われる反応タンクであって、タンク内の液体を攪拌する攪拌部材を備えた反応タンクと、前記反応タンクに供給する油脂を貯蔵する油脂貯蔵タンクと、前記反応タンクに供給するアルコールを貯蔵するアルコールタンクと、前記反応タンクに水を供給するための水供給器と、前記反応タンクにおいて生成されたエステル層が送り込まれるタンクであって、このタンク内の液体を攪拌するための攪拌部材を有し、このエステル層を洗浄するための洗浄タンクと、前記洗浄タンクで洗浄されたエステル層を貯蔵する燃料貯蔵タンクと、を備え、前記水供給器は、前記油脂と前記アルコールが前記反応タンクで攪拌されエステル交換反応が行われた後に、前記水を供給するように構成され、前記反応タンクは、前記水が供給された後にさらに攪拌部材により攪拌するよう構成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る石油代替燃料製造装置は、エステル交換反応が行われる反応タンクであって、タンク内の液体を攪拌する攪拌部材を備えた反応タンクと、前記反応タンクに供給する油脂を貯蔵する油脂貯蔵タンクと、前記反応タンクに供給するアルコールを貯蔵するアルコールタンクと、前記反応タンクにおいて生成されたエステル層が送り込まれるタンクであって、この洗浄タンク内の液体を保温するためのヒータおよび攪拌するための攪拌部材を有し、このエステル層を洗浄するための洗浄タンクと、前記洗浄タンクで洗浄されたエステル層を貯蔵する燃料貯蔵タンクと、を備え、前記洗浄タンクは、前記エステル層および前記洗浄水を攪拌する際に前記ヒータにより８０℃以上に保温することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
まず、本実施の形態にかかる石油代替燃料製造装置の構成について説明する。図１は、本石油代替燃料製造装置の構成の概略を示す図である。図１に示すように、本装置は、主要な処理が行われる反応タンク１、第１洗浄タンク２および第２洗浄タンク３を備える。
【００１３】
反応タンク１の周囲には、反応タンク１に供給する廃食油等の油脂を貯蔵しておく油脂貯蔵タンク１０、反応タンク１に供給するメタノールを収容しておくメタノールタンク１１、メタノールタンク１１に供給する水酸化ナトリウムを収容しておく水酸化ナトリウムタンク１２、および反応タンク１に水を供給するための水供給器５が配設されている。なお、図示していないが、油脂貯蔵タンク１０およびメタノールタンク１１には、それぞれ定量ポンプが設けられており、所定量の油脂およびメタノールを反応タンク１に送り出す機能を備えている。また、水酸化ナトリウムタンク１２にも、同様に図示しない定量ポンプが設けられており、所定量の水酸化ナトリウムをメタノールタンク１１に送り出す機能を備えている。
【００１４】
水供給器５には外部から水道水が供給され、水道水を保温するための給湯器５１が設けられている。
【００１５】
反応タンク１の下部には配管１３の一端が連結されている。配管１３は途中で分岐され、他端が、それぞれ第１洗浄タンク２およびグリセリンタンク４０につながっている。また、配管１３には、上記分岐点よりもグリセリンタンク４０および第１洗浄タンク２側の位置に、排出弁１４、１５がそれぞれ設けられている。また、グリセリンタンク４０の下流側にはグリセリン貯蔵タンク４１が設けられている。
【００１６】
第１洗浄タンク２の周囲には、第１洗浄タンク２に供給する硫酸マグネシウム水溶液を収容した硫酸マグネシウムタンク２１、および第１洗浄タンク２に供給する希塩酸水溶液を収容した希塩酸タンク２２が配設されている。なお、図示していないが、硫酸マグネシウムタンク２１および希塩酸タンク２２にはそれぞれ定量ポンプが設けられており、所定量の硫酸マグネシウムおよび希塩酸を第１洗浄タンク２に送り出す機能が備えられている。
【００１７】
また、上述した水供給器５から、洗浄水としての水が第１洗浄タンク２に供給されるよう構成されている。
【００１８】
第１洗浄タンク２の下部には配管２３の一端が連結されている。配管２３は、途中で分岐され、他端が、それぞれ第２洗浄タンク３および第１排水タンク６０につながっている。また、配管２３には、上記分岐点よりも第２洗浄タンク３および第１排水タンク６０側の位置に、排出弁２４、２５がそれぞれ設けられている。
【００１９】
第２洗浄タンク３には、上述した水供給器５から洗浄水としての水が第２洗浄タンク３に供給されるよう構成されている。
【００２０】
第２洗浄タンク３の下部には配管３１の一端が連結されている。配管３１は、途中で分岐され、他端が、それぞれバイオディーゼル燃料貯蔵タンク７０および第２排水タンク６１につながっている。また、配管３１には、上記分岐点よりもバイオディーゼル燃料貯蔵タンク７０および第２排水タンク６１側の位置に、排出弁３２、３３が設けられている。
【００２１】
油脂貯蔵タンク１０にはヒータ１０１が設けられており、本実施の形態では、油脂を反応タンク１に送り込む前に６５℃に保温するように構成されている。また、油脂貯蔵タンク１０の底部には排出バルブ１０２が設けられており、貯蔵中に沈降した微細な夾雑物を定期的に排出するよう構成されている。
【００２２】
反応タンク１には、タンク内の液体を攪拌するための攪拌部材１６が設けられている。また、反応タンク１には、ヒータ１７が設けられており、本実施の形態では、反応中の液体の温度を６４℃に保温する。
【００２３】
また、図示しないが、メタノールタンク１１にも、タンク内の液体を攪拌するための攪拌部材が設けられている。
【００２４】
また、グリセリンタンク４０側の排出弁１４には、図示しないヒータが設けられており、排出弁１４を保温している。グリセリンタンク４０にもヒータ４２が設けられており、グリセリンタンク４０を４０℃に加温している。
【００２５】
第１洗浄タンク２には、タンク内の液体を攪拌するための攪拌部材２６が設けられている。また、第１洗浄タンク２には、ヒータ２７が設けられており、本実施の形態では、タンク内の液体を６０℃に保温する。
【００２６】
第１排水タンク６０および第２排水タンク６１は図示しない汚水処理装置につながっている。
【００２７】
第２洗浄タンク３には、タンク内の液体を攪拌するための攪拌部材３４が設けられている。また、第２洗浄タンク３には、ヒータ３５が設けられており、本実施の形態では、タンク内の液体を８５℃に保温する。
【００２８】
次に、本油脂燃料化装置の動作について説明する。図２乃至図４は、本装置の動作について説明するためのフローチャートである。
【００２９】
本装置における燃料化は、主に、エステル交換反応工程、第１の洗浄工程、第２の洗浄工程の３つの工程から構成される。図２は、エステル交換反応工程を説明するためのフローチャート、図３は、第１の洗浄工程を説明するためのフローチャート、図４は、第２の洗浄工程を説明するためのフローチャートである。
【００３０】
（エステル交換反応工程）
まず、エステル交換反応工程では、図２のステップ１（以下、「Ｓ１」とする）において、定量ポンプを用いて油脂貯蔵タンク１０から油脂１００ｋｇを反応タンク１に送り込む。ここで、油脂の温度低下による固定化を防ぐために、油脂貯蔵タンク１０内はヒータ１０１により保温されており、反応タンク１に送り出される際には６５℃に保温されている。
【００３１】
また、本実施の形態では、廃食油を油脂原料として使用しており、廃食油中に含まれる天カス等の夾雑物を除去するために、油脂を、ステンレス製ストレーナーを通過させてから油脂貯蔵タンク１０に収容するように構成されている。また、油脂貯蔵タンク１０の排出バルブ１０２からは、貯蔵中に沈降した微細な夾雑物を定期的に排出するように構成されている。
【００３２】
続いて、Ｓ２において、定量ポンプを用いてメタノールタンク１１からメタノール１８ｋｇを反応タンク１に送り込む。つまり、油脂１００質量部に対してメタノール１８質量部を加える。この際、攪拌部材１６で反応タンク１内を攪拌しながらメタノールを加える。
【００３３】
また、これに先立ち、反応タンク１で油脂とメタノールを反応させる際に触媒として作用する水酸化ナトリウムが、水酸化ナトリウムタンク１２からメタノールタンク１１に供給されている。その比率は、メタノール１８質量部に対して水酸化ナトリウム１質量部である。そして、図示しない攪拌部材により、メタノールタンク１１内が攪拌され、メタノールと水酸化ナトリウムが充分に攪拌混合されている。
【００３４】
続いて、Ｓ３において、反応タンク１内をヒータ１７により６４℃に保温した状態で、攪拌部材１６により３０分間攪拌する。
【００３５】
続いて、Ｓ４において、油脂１００質量部に対して水５質量部を水供給器５から反応タンク１内に加え、さらに１分間攪拌する。水を加えるタイミングは、油脂とメタノールのエステル交換反応が充分に行われた後であることが望ましい。本実施の形態では、Ｓ３で、油脂とメタノールの交換反応が充分に行われている。
【００３６】
その後、Ｓ５において、攪拌を停止して１５分間静置する。これにより、反応タンク１内ではエステル層と粗製グリセリン層が完全に分離する。エステル層は親油性、粗製グリセリン層は親水性の性質を持ち、比重差により、エステル層が上層に、粗製グリセリン層が下層になって分離する。
【００３７】
粗製グリセリン層は、グリセリンと、余剰メタノール、脂肪酸ナトリウム石鹸および廃食油中の残渣物等で構成されている。よって、本実施の形態のように、エステル交換反応が充分に行われた後に水を添加すると、水はグリセリンや余剰メタノールと溶け合い、粗製グリセリン層の親水性が増すと共に比重が増加するので、分離速度の大幅短縮を実現している。
【００３８】
水の添加量と分離時間の関係について、下記表１に示す。表１に示すように、水を添加しない場合には、エステル層と粗製グリセリン層の分離時間が３０分かかっているのに対して、水５質量部を添加した場合の分離時間は１５分であり、大幅に短縮されていることが分かる。また、分離時間を短縮するために、好ましい水の添加量は、油脂１００質量部に対して０．５乃至５質量部であり、より好ましくは、１乃至５質量部であることが分かる。
【表１】
【００３９】
続いて、Ｓ６において、排出弁１４を開いて、下層に位置する粗製グリセリン層をグリセリンタンク４０へ排出する。この際、排出弁１４およびグリセリンタンク４０がヒータにより保温されているので、粗製グリセリン層中に含まれる金属石鹸により、タンク壁や弁に粗製グリセリン層の一部が固化付着して排出に悪影響を与えることを防止することができる。特に、気温が２０℃以下の時には、粗製グリセリンが固化するおそれが高いので、ヒータによる保温が有効である。
【００４０】
続いて、Ｓ７において、排出弁１４を閉じてから排出弁１５を開いて、残ったエステル層を第１洗浄タンク２に排出する。
【００４１】
（第１洗浄工程）
次に、第１洗浄工程では、図３のＳ１０において、水供給器５から洗浄水２０ｋｇが第１洗浄タンク２に注入される。すなわち、最初の原料としての油脂１００質量部に対して、洗浄水２０質量部が注入される。また、洗浄水の注入と同時に、希塩酸タンク２２から中和のために所定量の希塩酸も注入される。この希塩酸により、エステル層は中和される。
【００４２】
続いて、Ｓ１１において、ヒータ２７により第１洗浄タンク２内を６０℃に保温した状態で、攪拌部材２６により１０分間攪拌する。その後、Ｓ１２において、攪拌を停止して、２０分間静置する。この結果、比重差によりエステル層と洗浄水層とが分離する。このとき、エステル層中に含まれる水溶性物質の脂肪酸ナトリウム石鹸等が洗浄水層に移動するので、エステル層が洗浄される。
【００４３】
そして、Ｓ１３において、排出弁２４を開いて、下層に位置する洗浄水層を第１排水タンク６０に排出する。第１排水タンク６０に溜まった排水は、汚水処理装置に送られ、汚水処理が施されてから廃棄される。
【００４４】
続いて、Ｓ１４において、水供給器５から洗浄水２０ｋｇが再度注入される。また、洗浄水の注入と同時に、エステル層中の脂肪酸ナトリウム石鹸を除去するために、２０％の硫酸マグネシウム溶液２００ｍｌが硫酸マグネシウムタンク２１から加えられる。硫酸マグネシウムを加えることにより、エステル層中の脂肪酸ナトリウム石鹸がマグネシウム脂肪酸石鹸へと変換される。マグネシウム脂肪酸石鹸は油や水に不溶であるため、エステル層および洗浄水層から分離沈殿する。よって、エステル層中の含有石鹸量を顕著に減少させることができる。また、脂肪酸ナトリウム石鹸は、エステル層を洗浄水で洗浄する際に界面活性剤の役割をし、乳化作用があるため、油水分離工程の妨げとなるが、このように脂肪酸ナトリウム石鹸を減少させることで、エステル層と洗浄水層との分離を行いやすくすることもできる。
【００４５】
続いて、Ｓ１５において、ヒータ２７により第１洗浄タンク２内を８０℃に保温した状態で、再度攪拌部材２６により１０分間攪拌する。その後、Ｓ１６において、攪拌を停止して、２０分間静置する。これにより、再度エステル層と洗浄水層とが分離する。
【００４６】
続いて、Ｓ１７において、排出弁２４を開いて、下層に位置する洗浄水層を第１排水タンク６０に再度排出する。そして、Ｓ１８において、排出弁２４を閉じてから排出弁２５を開いて、エステル層を第２洗浄タンク３に排出する。
【００４７】
（第２洗浄工程）
次に、第２洗浄工程では、図４のＳ２０において、水供給器から洗浄水２０ｋｇが注入される。すなわち、最初の原料としての油脂１００質量部に対して、洗浄水２０質量部が注入される。
【００４８】
続いて、Ｓ２１において、ヒータ３５により第２洗浄タンク３内を８５℃に保温した状態で攪拌部材３４により１０分間攪拌する。その後、Ｓ２２において、攪拌を停止して、１０分間静置する。これにより、エステル層と洗浄水層が分離する。この第２洗浄工程では、第２洗浄タンク３内の液温を８５℃としているため、エステル層と洗浄水層との乳化状態が壊れ、瞬時に油水分離を行うことが可能である。他の温度でも実験したところ、液温が８０℃以上であれば、このように乳化状態が壊れ、エステル層と洗浄水層の分離を短時間で行えることがわかった。
【００４９】
液温と分離時間との関係について、下記表２に示す。表２に示すように、液温が３０℃の場合には、エステル層と洗浄水層との分離に２４分かかっているのに対して、８０℃の場合には、分離時間は７分であり、大幅に短縮されていることが分かる。また、分離時間を短縮するために、好ましい液温は、８０乃至１００℃であることが分かる。ただし、１００℃以上では洗浄水が蒸発してしまうので、８０乃至９０℃がより好ましい。
【表２】
【００５０】
続いて、Ｓ２３において、排出弁３２を開いて、洗浄水層を第２排水タンク６１に排出する。第２排水タンク６１に溜まった排水は、第１洗浄工程と同様に、汚水処理装置に送られ、汚水処理が施されてから廃棄される。
【００５１】
続いて、Ｓ２４において、第２洗浄タンク３に残ったエステル層をヒータ３５により１００℃以上に保温した状態で、２０分間攪拌する。これにより脱水処理が施され、最終的なバイオディーゼル燃料が生成されるので、Ｓ２５において、排出弁３２を閉じた後に排出弁３３を開いて、バイオディーゼル燃料貯蔵タンク７０にバイオディーゼル燃料を送り込み貯蔵する。
【００５２】
このように生成されたバイオディーゼル燃料は、例えばディーゼルエンジン自動車等の燃料として用いることができ、石油代替燃料として期待されている。
【００５３】
バイオディーゼル燃料は、小児喘息、アトピー、酸性雨の原因といわれる硫黄酸化物（ＳＯx）を含まないという利点がある。また、軽油の引火点が５０℃前後であるのに対して、バイオディーゼル燃料の引火点は１８０℃前後であり、また、分子中に酸素元素を含むため、完全燃焼を促進し、黒煙が発生しにくいというメリットがある。具体的には、１０年以上経過したディーゼル車では、軽油と比較して黒煙の排出が１／５以下となり、新車の場合でも１／３以下となる。
【００５４】
本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【００５５】
例えば、原料である油脂を含む廃食油の酸化値が３を超えるような場合には、遊離脂肪酸と等量のアルカリグリセリン溶液を油脂貯蔵タンクに加えて攪拌することが好ましい。これにより、エステル交換反応の進行を阻害する廃食油中の遊離脂肪酸は金属石鹸となり、夾雑物と共に沈降するので、排出バルブから除去することができる。
【００５６】
また、本実施の形態では、エステル交換反応工程に用いるアルコールとしてメタノールを用いているが、これに限定されるものでなく、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール等炭素数１〜４のアルコールを用いても良い。なお、炭素数５以上のアルコールについては、炭素数の増加に伴って親油性が強くなり、平衡反応であるエステル交換反応の転化率が低下してゆくため、炭素数の多いアルコールを用いることは、あまり好ましくない。本実施の形態で用いているメチルアルコールは、経済的な面から最も好ましいものである。
【００５７】
また、本実施の形態では、エステル交換反応工程で用いる反応触媒として、水酸化ナトリウムを用いているが、これに限定されるものではなく、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物やアルカリ金属アルコラートであっても良い。
【００５８】
また、本実施の形態では、第１洗浄工程において、エステル層中のナトリウム脂肪酸石鹸を除去するために、硫酸マグネシウム溶液を加えているが、これに限定されるものではなく、例えば、硫酸亜鉛、硫酸アルミ、塩化カルシウム等を用いても良い。ただし、亜鉛等は水質基準物質であるため、取り扱いに注意が必要である。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、より効率的なエステル交換反応工程や洗浄工程を行うことが可能な石油代替燃料製造装置および製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる石油代替燃料製造装置の構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるエステル交換反応工程を説明するためにフローチャート図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる第１の洗浄工程を説明するためのフローチャート図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる第２の洗浄工程を説明するためのフローチャート図である。
【符号の説明】
１ 反応タンク
２ 第１洗浄タンク
３ 第２洗浄タンク
５ 水供給器
１０ 油脂貯蔵タンク
４０ グリセリンタンク
４１ グリセリン貯蔵タンク
６０ 第１排水タンク
６１ 第２排水タンク
７０ バイオディーゼル燃料貯蔵タンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、石油代替燃料製造装置および製造方法に関し、より詳細には、使用済み食用油いわゆる廃食油等の油脂を用いてディーゼル燃料等を製造する石油代替燃料製造装置および製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃食油からディーゼル燃料を製造する製造装置および製造方法としては、従来、例えば、特開平１０−１８２５１８号公報に開示されている。この装置および製造方法においては、まず、廃食油等からなる高級脂肪酸グリセライドとメタノールとをアルカリ触媒の存在下で混合し、保温槽で４０〜６０℃に保温し、ついで４０〜６０℃の高温雰囲気中に配設した保温槽の伝熱管に通してエステル交換反応を行わせる。そして、エステル交換反応後の混合物を反応生成物セパレータに貯蔵してグリセリンと高級脂肪酸のメチルエステルとに分離することで、グリセリンと高級脂肪酸のメチルエステルを回収している。
【０００３】
さらに、この分離したエステルを洗浄水にて洗浄した後、無水グリセリンを添加して脱水することで、より精製された高級脂肪酸のメチルエステルが得られる。
【０００４】
また、エステル交換反応は、下記の化学式（１）で表される。
（１）Ｃ3Ｈ5（ＯＣＯＲ）3＋３ＣＨ3ＯＨ→３ＣＨ3ＯＯＣＲ＋Ｃ3Ｈ5（ＯＨ）3
【０００５】
また、エステル交換反応の副反応として、下記化学式（２）で鹸化と、下記化学式（３）で表される遊離脂肪酸の中和が起こる。
（２）Ｃ3Ｈ5（ＯＣＯＲ）3＋３ＮａＯＨ→Ｃ3Ｈ5（ＯＨ）3＋３ＲＣＯＯＮａ（セッケン）
（３）ＲＣＯＯＨ＋ＮａＯＨ→ＲＣＯＯＮａ（セッケン）＋Ｈ2Ｏ
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の石油代替燃料製造装置および製造方法においては、エステル交換反応の工程および洗浄工程において、より効率的に反応や洗浄を行わせることについては考慮されていなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、石油代替燃料製造装置および製造方法であって、より効率的なエステル交換反応工程や洗浄工程を行うことが可能な装置および製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る石油代替燃料製造方法は、油脂とアルコールを混合することで油脂とアルコールのエステル交換反応を行わせる混合工程と、さらに水を加えて混合する水注入工程と、所定の期間静置してグリセリン層とエステル層とに分離する分離工程と、を有するエステル交換反応工程と、前記分離されたエステル層に洗浄水を加えて混合する工程と、所定の期間静置してエステル層と洗浄水層とに分離する分離工程と、を有する洗浄工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る石油代替燃料製造方法は、油脂とアルコールを混合することで油脂とアルコールのエステル交換反応を行わせる混合工程と、所定の期間静置してグリセリン層とエステル層とに分離する分離工程と、を有するエステル交換反応工程と、前記分離されたエステル層に洗浄水を加えて混合する工程と、所定の期間静置してエステル層と洗浄水層とに分離する工程と、この分離された前記洗浄水層を除去する除去工程と、を有する第１洗浄工程と、前記分離されたエステル層に洗浄水を加えて８０℃以上に保温して混合する工程と、所定の期間静置してエステル層と洗浄水層とに分離する工程と、この分離された前記洗浄水層を除去する工程と、を有する第２洗浄工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る石油代替燃料製造装置は、エステル交換反応が行われる反応タンクであって、タンク内の液体を攪拌する攪拌部材を備えた反応タンクと、前記反応タンクに供給する油脂を貯蔵する油脂貯蔵タンクと、前記反応タンクに供給するアルコールを貯蔵するアルコールタンクと、前記反応タンクに水を供給するための水供給器と、前記反応タンクにおいて生成されたエステル層が送り込まれるタンクであって、このタンク内の液体を攪拌するための攪拌部材を有し、このエステル層を洗浄するための洗浄タンクと、前記洗浄タンクで洗浄されたエステル層を貯蔵する燃料貯蔵タンクと、を備え、前記水供給器は、前記油脂と前記アルコールが前記反応タンクで攪拌されエステル交換反応が行われた後に、前記水を供給するように構成され、前記反応タンクは、前記水が供給された後にさらに攪拌部材により攪拌するよう構成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る石油代替燃料製造装置は、エステル交換反応が行われる反応タンクであって、タンク内の液体を攪拌する攪拌部材を備えた反応タンクと、前記反応タンクに供給する油脂を貯蔵する油脂貯蔵タンクと、前記反応タンクに供給するアルコールを貯蔵するアルコールタンクと、前記反応タンクにおいて生成されたエステル層が送り込まれるタンクであって、この洗浄タンク内の液体を保温するためのヒータおよび攪拌するための攪拌部材を有し、このエステル層を洗浄するための洗浄タンクと、前記洗浄タンクで洗浄されたエステル層を貯蔵する燃料貯蔵タンクと、を備え、前記洗浄タンクは、前記エステル層および前記洗浄水を攪拌する際に前記ヒータにより８０℃以上に保温することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
まず、本実施の形態にかかる石油代替燃料製造装置の構成について説明する。図１は、本石油代替燃料製造装置の構成の概略を示す図である。図１に示すように、本装置は、主要な処理が行われる反応タンク１、第１洗浄タンク２および第２洗浄タンク３を備える。
【００１３】
反応タンク１の周囲には、反応タンク１に供給する廃食油等の油脂を貯蔵しておく油脂貯蔵タンク１０、反応タンク１に供給するメタノールを収容しておくメタノールタンク１１、メタノールタンク１１に供給する水酸化ナトリウムを収容しておく水酸化ナトリウムタンク１２、および反応タンク１に水を供給するための水供給器５が配設されている。なお、図示していないが、油脂貯蔵タンク１０およびメタノールタンク１１には、それぞれ定量ポンプが設けられており、所定量の油脂およびメタノールを反応タンク１に送り出す機能を備えている。また、水酸化ナトリウムタンク１２にも、同様に図示しない定量ポンプが設けられており、所定量の水酸化ナトリウムをメタノールタンク１１に送り出す機能を備えている。
【００１４】
水供給器５には外部から水道水が供給され、水道水を保温するための給湯器５１が設けられている。
【００１５】
反応タンク１の下部には配管１３の一端が連結されている。配管１３は途中で分岐され、他端が、それぞれ第１洗浄タンク２およびグリセリンタンク４０につながっている。また、配管１３には、上記分岐点よりもグリセリンタンク４０および第１洗浄タンク２側の位置に、排出弁１４、１５がそれぞれ設けられている。また、グリセリンタンク４０の下流側にはグリセリン貯蔵タンク４１が設けられている。
【００１６】
第１洗浄タンク２の周囲には、第１洗浄タンク２に供給する硫酸マグネシウム水溶液を収容した硫酸マグネシウムタンク２１、および第１洗浄タンク２に供給する希塩酸水溶液を収容した希塩酸タンク２２が配設されている。なお、図示していないが、硫酸マグネシウムタンク２１および希塩酸タンク２２にはそれぞれ定量ポンプが設けられており、所定量の硫酸マグネシウムおよび希塩酸を第１洗浄タンク２に送り出す機能が備えられている。
【００１７】
また、上述した水供給器５から、洗浄水としての水が第１洗浄タンク２に供給されるよう構成されている。
【００１８】
第１洗浄タンク２の下部には配管２３の一端が連結されている。配管２３は、途中で分岐され、他端が、それぞれ第２洗浄タンク３および第１排水タンク６０につながっている。また、配管２３には、上記分岐点よりも第２洗浄タンク３および第１排水タンク６０側の位置に、排出弁２４、２５がそれぞれ設けられている。
【００１９】
第２洗浄タンク３には、上述した水供給器５から洗浄水としての水が第２洗浄タンク３に供給されるよう構成されている。
【００２０】
第２洗浄タンク３の下部には配管３１の一端が連結されている。配管３１は、途中で分岐され、他端が、それぞれバイオディーゼル燃料貯蔵タンク７０および第２排水タンク６１につながっている。また、配管３１には、上記分岐点よりもバイオディーゼル燃料貯蔵タンク７０および第２排水タンク６１側の位置に、排出弁３２、３３が設けられている。
【００２１】
油脂貯蔵タンク１０にはヒータ１０１が設けられており、本実施の形態では、油脂を反応タンク１に送り込む前に６５℃に保温するように構成されている。また、油脂貯蔵タンク１０の底部には排出バルブ１０２が設けられており、貯蔵中に沈降した微細な夾雑物を定期的に排出するよう構成されている。
【００２２】
反応タンク１には、タンク内の液体を攪拌するための攪拌部材１６が設けられている。また、反応タンク１には、ヒータ１７が設けられており、本実施の形態では、反応中の液体の温度を６４℃に保温する。
【００２３】
また、図示しないが、メタノールタンク１１にも、タンク内の液体を攪拌するための攪拌部材が設けられている。
【００２４】
また、グリセリンタンク４０側の排出弁１４には、図示しないヒータが設けられており、排出弁１４を保温している。グリセリンタンク４０にもヒータ４２が設けられており、グリセリンタンク４０を４０℃に加温している。
【００２５】
第１洗浄タンク２には、タンク内の液体を攪拌するための攪拌部材２６が設けられている。また、第１洗浄タンク２には、ヒータ２７が設けられており、本実施の形態では、タンク内の液体を６０℃に保温する。
【００２６】
第１排水タンク６０および第２排水タンク６１は図示しない汚水処理装置につながっている。
【００２７】
第２洗浄タンク３には、タンク内の液体を攪拌するための攪拌部材３４が設けられている。また、第２洗浄タンク３には、ヒータ３５が設けられており、本実施の形態では、タンク内の液体を８５℃に保温する。
【００２８】
次に、本油脂燃料化装置の動作について説明する。図２乃至図４は、本装置の動作について説明するためのフローチャートである。
【００２９】
本装置における燃料化は、主に、エステル交換反応工程、第１の洗浄工程、第２の洗浄工程の３つの工程から構成される。図２は、エステル交換反応工程を説明するためのフローチャート、図３は、第１の洗浄工程を説明するためのフローチャート、図４は、第２の洗浄工程を説明するためのフローチャートである。
【００３０】
（エステル交換反応工程）
まず、エステル交換反応工程では、図２のステップ１（以下、「Ｓ１」とする）において、定量ポンプを用いて油脂貯蔵タンク１０から油脂１００ｋｇを反応タンク１に送り込む。ここで、油脂の温度低下による固定化を防ぐために、油脂貯蔵タンク１０内はヒータ１０１により保温されており、反応タンク１に送り出される際には６５℃に保温されている。
【００３１】
また、本実施の形態では、廃食油を油脂原料として使用しており、廃食油中に含まれる天カス等の夾雑物を除去するために、油脂を、ステンレス製ストレーナーを通過させてから油脂貯蔵タンク１０に収容するように構成されている。また、油脂貯蔵タンク１０の排出バルブ１０２からは、貯蔵中に沈降した微細な夾雑物を定期的に排出するように構成されている。
【００３２】
続いて、Ｓ２において、定量ポンプを用いてメタノールタンク１１からメタノール１８ｋｇを反応タンク１に送り込む。つまり、油脂１００質量部に対してメタノール１８質量部を加える。この際、攪拌部材１６で反応タンク１内を攪拌しながらメタノールを加える。
【００３３】
また、これに先立ち、反応タンク１で油脂とメタノールを反応させる際に触媒として作用する水酸化ナトリウムが、水酸化ナトリウムタンク１２からメタノールタンク１１に供給されている。その比率は、メタノール１８質量部に対して水酸化ナトリウム１質量部である。そして、図示しない攪拌部材により、メタノールタンク１１内が攪拌され、メタノールと水酸化ナトリウムが充分に攪拌混合されている。
【００３４】
続いて、Ｓ３において、反応タンク１内をヒータ１７により６４℃に保温した状態で、攪拌部材１６により３０分間攪拌する。
【００３５】
続いて、Ｓ４において、油脂１００質量部に対して水５質量部を水供給器５から反応タンク１内に加え、さらに１分間攪拌する。水を加えるタイミングは、油脂とメタノールのエステル交換反応が充分に行われた後であることが望ましい。本実施の形態では、Ｓ３で、油脂とメタノールの交換反応が充分に行われている。
【００３６】
その後、Ｓ５において、攪拌を停止して１５分間静置する。これにより、反応タンク１内ではエステル層と粗製グリセリン層が完全に分離する。エステル層は親油性、粗製グリセリン層は親水性の性質を持ち、比重差により、エステル層が上層に、粗製グリセリン層が下層になって分離する。
【００３７】
粗製グリセリン層は、グリセリンと、余剰メタノール、脂肪酸ナトリウム石鹸および廃食油中の残渣物等で構成されている。よって、本実施の形態のように、エステル交換反応が充分に行われた後に水を添加すると、水はグリセリンや余剰メタノールと溶け合い、粗製グリセリン層の親水性が増すと共に比重が増加するので、分離速度の大幅短縮を実現している。
【００３８】
水の添加量と分離時間の関係について、下記表１に示す。表１に示すように、水を添加しない場合には、エステル層と粗製グリセリン層の分離時間が３０分かかっているのに対して、水５質量部を添加した場合の分離時間は１５分であり、大幅に短縮されていることが分かる。また、分離時間を短縮するために、好ましい水の添加量は、油脂１００質量部に対して０．５乃至５質量部であり、より好ましくは、１乃至５質量部であることが分かる。
【表１】
続いて、Ｓ６において、排出弁１４を開いて、下層に位置する粗製グリセリン層をグリセリンタンク４０へ排出する。この際、排出弁１４およびグリセリンタンク４０がヒータにより保温されているので、粗製グリセリン層中に含まれる金属石鹸により、タンク壁や弁に粗製グリセリン層の一部が固化付着して排出に悪影響を与えることを防止することができる。特に、気温が２０℃以下の時には、粗製グリセリンが固化するおそれが高いので、ヒータによる保温が有効である。
【００４０】
続いて、Ｓ７において、排出弁１４を閉じてから排出弁１５を開いて、残ったエステル層を第１洗浄タンク２に排出する。
【００４１】
（第１洗浄工程）
次に、第１洗浄工程では、図３のＳ１０において、水供給器５から洗浄水２０ｋｇが第１洗浄タンク２に注入される。すなわち、最初の原料としての油脂１００質量部に対して、洗浄水２０質量部が注入される。また、洗浄水の注入と同時に、希塩酸タンク２２から中和のために所定量の希塩酸も注入される。この希塩酸により、エステル層は中和される。
【００４２】
続いて、Ｓ１１において、ヒータ２７により第１洗浄タンク２内を６０℃に保温した状態で、攪拌部材２６により１０分間攪拌する。その後、Ｓ１２において、攪拌を停止して、２０分間静置する。この結果、比重差によりエステル層と洗浄水層とが分離する。このとき、エステル層中に含まれる水溶性物質の脂肪酸ナトリウム石鹸等が洗浄水層に移動するので、エステル層が洗浄される。
【００４３】
そして、Ｓ１３において、排出弁２４を開いて、下層に位置する洗浄水層を第１排水タンク６０に排出する。第１排水タンク６０に溜まった排水は、汚水処理装置に送られ、汚水処理が施されてから廃棄される。
【００４４】
続いて、Ｓ１４において、水供給器５から洗浄水２０ｋｇが再度注入される。また、洗浄水の注入と同時に、エステル層中の脂肪酸ナトリウム石鹸を除去するために、２０％の硫酸マグネシウム溶液２００ｍｌが硫酸マグネシウムタンク２１から加えられる。硫酸マグネシウムを加えることにより、エステル層中の脂肪酸ナトリウム石鹸がマグネシウム脂肪酸石鹸へと変換される。マグネシウム脂肪酸石鹸は油や水に不溶であるため、エステル層および洗浄水層から分離沈殿する。よって、エステル層中の含有石鹸量を顕著に減少させることができる。また、脂肪酸ナトリウム石鹸は、エステル層を洗浄水で洗浄する際に界面活性剤の役割をし、乳化作用があるため、油水分離工程の妨げとなるが、このように脂肪酸ナトリウム石鹸を減少させることで、エステル層と洗浄水層との分離を行いやすくすることもできる。
【００４５】
続いて、Ｓ１５において、ヒータ２７により第１洗浄タンク２内を８０℃に保温した状態で、再度攪拌部材２６により１０分間攪拌する。その後、Ｓ１６において、攪拌を停止して、２０分間静置する。これにより、再度エステル層と洗浄水層とが分離する。
【００４６】
続いて、Ｓ１７において、排出弁２４を開いて、下層に位置する洗浄水層を第１排水タンク６０に再度排出する。そして、Ｓ１８において、排出弁２４を閉じてから排出弁２５を開いて、エステル層を第２洗浄タンク３に排出する。
【００４７】
（第２洗浄工程）
次に、第２洗浄工程では、図４のＳ２０において、水供給器から洗浄水２０ｋｇが注入される。すなわち、最初の原料としての油脂１００質量部に対して、洗浄水２０質量部が注入される。
【００４８】
続いて、Ｓ２１において、ヒータ３５により第２洗浄タンク３内を８５℃に保温した状態で攪拌部材３４により１０分間攪拌する。その後、Ｓ２２において、攪拌を停止して、１０分間静置する。これにより、エステル層と洗浄水層が分離する。この第２洗浄工程では、第２洗浄タンク３内の液温を８５℃としているため、エステル層と洗浄水層との乳化状態が壊れ、瞬時に油水分離を行うことが可能である。他の温度でも実験したところ、液温が８０℃以上であれば、このように乳化状態が壊れ、エステル層と洗浄水層の分離を短時間で行えることがわかった。
【００４９】
液温と分離時間との関係について、下記表２に示す。表２に示すように、液温が３０℃の場合には、エステル層と洗浄水層との分離に２４分かかっているのに対して、８０℃の場合には、分離時間は７分であり、大幅に短縮されていることが分かる。また、分離時間を短縮するために、好ましい液温は、８０乃至１００℃であることが分かる。ただし、１００℃以上では洗浄水が蒸発してしまうので、８０乃至９０℃がより好ましい。
【表２】
続いて、Ｓ２３において、排出弁３２を開いて、洗浄水層を第２排水タンク６１に排出する。第２排水タンク６１に溜まった排水は、第１洗浄工程と同様に、汚水処理装置に送られ、汚水処理が施されてから廃棄される。
【００５１】
続いて、Ｓ２４において、第２洗浄タンク３に残ったエステル層をヒータ３５により１００℃以上に保温した状態で、２０分間攪拌する。これにより脱水処理が施され、最終的なバイオディーゼル燃料が生成されるので、Ｓ２５において、排出弁３２を閉じた後に排出弁３３を開いて、バイオディーゼル燃料貯蔵タンク７０にバイオディーゼル燃料を送り込み貯蔵する。
【００５２】
このように生成されたバイオディーゼル燃料は、例えばディーゼルエンジン自動車等の燃料として用いることができ、石油代替燃料として期待されている。
【００５３】
バイオディーゼル燃料は、小児喘息、アトピー、酸性雨の原因といわれる硫黄酸化物（ＳＯx）を含まないという利点がある。また、軽油の引火点が５０℃前後であるのに対して、バイオディーゼル燃料の引火点は１８０℃前後であり、また、分子中に酸素元素を含むため、完全燃焼を促進し、黒煙が発生しにくいというメリットがある。具体的には、１０年以上経過したディーゼル車では、軽油と比較して黒煙の排出が１／５以下となり、新車の場合でも１／３以下となる。
【００５４】
本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【００５５】
例えば、原料である油脂を含む廃食油の酸化値が３を超えるような場合には、遊離脂肪酸と等量のアルカリグリセリン溶液を油脂貯蔵タンクに加えて攪拌することが好ましい。これにより、エステル交換反応の進行を阻害する廃食油中の遊離脂肪酸は金属石鹸となり、夾雑物と共に沈降するので、排出バルブから除去することができる。
【００５６】
また、本実施の形態では、エステル交換反応工程に用いるアルコールとしてメタノールを用いているが、これに限定されるものでなく、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール等炭素数１〜４のアルコールを用いても良い。なお、炭素数５以上のアルコールについては、炭素数の増加に伴って親油性が強くなり、平衡反応であるエステル交換反応の転化率が低下してゆくため、炭素数の多いアルコールを用いることは、あまり好ましくない。本実施の形態で用いているメチルアルコールは、経済的な面から最も好ましいものである。
【００５７】
また、本実施の形態では、エステル交換反応工程で用いる反応触媒として、水酸化ナトリウムを用いているが、これに限定されるものではなく、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物やアルカリ金属アルコラートであっても良い。
【００５８】
また、本実施の形態では、第１洗浄工程において、エステル層中のナトリウム脂肪酸石鹸を除去するために、硫酸マグネシウム溶液を加えているが、これに限定されるものではなく、例えば、硫酸亜鉛、硫酸アルミ、塩化カルシウム等を用いても良い。ただし、亜鉛等は水質基準物質であるため、取り扱いに注意が必要である。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、より効率的なエステル交換反応工程や洗浄工程を行うことが可能な石油代替燃料製造装置および製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる石油代替燃料製造装置の構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるエステル交換反応工程を説明するためにフローチャート図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる第１の洗浄工程を説明するためのフローチャート図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる第２の洗浄工程を説明するためのフローチャート図である。
【符号の説明】
１ 反応タンク
２ 第１洗浄タンク
３ 第２洗浄タンク
５ 水供給器
１０ 油脂貯蔵タンク
４０ グリセリンタンク
４１ グリセリン貯蔵タンク
６０ 第１排水タンク
６１ 第２排水タンク
７０ バイオディーゼル燃料貯蔵タンク
Claims (5)
- 油脂とアルコールを混合することで油脂とアルコールのエステル交換反応を行わせる混合工程と、さらに水を加えて混合する水注入工程と、所定の期間静置してグリセリン層とエステル層とに分離する分離工程と、を有するエステル交換反応工程と、
前記分離されたエステル層に洗浄水を加えて混合する工程、所定の期間静置してエステル層と洗浄水層とに分離する工程、および、この分離された前記洗浄水層を除去する除去工程と、を含む第１洗浄工程と、
前記分離されたエステル層に洗浄水を加えて８０℃以上に保温して混合する工程、所定の期間静置してエステル層と洗浄水層とに分離する工程、および、この分離された前記洗浄水層を除去する工程、を含む第２洗浄工程と、を有する洗浄工程と、
を備えたことを特徴とする石油代替燃料製造方法。 - 前記エステル交換反応工程の水注入工程において、前記油脂１００質量部に対して１乃至５質量部の水を注入することを特徴とする請求項１に記載の石油代替燃料製造方法。
- 前記エステル交換反応工程の水注入工程において、前記油脂１００質量部に対して水５質量部を注入することを特徴とする請求項１に記載の石油代替燃料製造方法。
- 前記第２洗浄工程の８０℃以上に保温して混合する工程は、８０℃から１００℃の範囲に保温して混合する工程であることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の石油代替燃料製造方法。
- 前記第１洗浄工程において、前記エステル層に硫酸マグネシウム、硫酸亜鉛、硫酸アルミ、塩化カルシウムのいずれかの溶液と洗浄水とを加えて混合する工程と、所定の期間静置してエステル層と洗浄水層とに分離する工程と、この分離された洗浄水層を除去する工程と、
を有することを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の石油代替燃料製造方法。
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