Способ подготовки и активации тяжелых моторных топлив и мазутов для дизеля

 

Использование: подготовка и активация тяжелых моторных топлив и мазутов для дизелей . Сущность изобретения: нагретое топливо до температуры 80-150°С перед подачей в цилиндры под давление 0,2-1 МПа вводят частично окисляющий и активирующий процесс сгорания газ, -содержащий кислород и озон не менее 80%, при содержании озона и других активных форм кислорода не больше 20% до образования устойчивой мелкодисперсной газово-пузырьковой фазы суммарным объемом до 50% от цикловой подачи топлива. Ионизацию смеси газа осуществляют при напряжении 8-15 кВ электрическим зарядом отрицательной полярности 12-22 Эв. Обогащение смеси кислородом проводят путем пропускания воздуха через две ступени полимерных полунепроницаемых мембранных газоразделительных элементов с добавлением кислорода под давлением на пусковых и переходных режимах. Активацию топлива проводят путем перемешивания газовой смеси с топливом, изменяя при этом объем газовой смеси обратно пропорционально нагрузке дизеля. Время активации выбирают меньше времени существования газовых пузырьков и молекул озона, а часть тяжелых осадков и примесей выводят из топлива путем пропускания последнего через фильтр тонкой очистки с полунепроницаемым металлокерамическим фильтрующим . 3 з.п. ф-лы, 1 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 F 02 М 23/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4883859/06 (22) 23.11.90 (46) 30,06.93. Бюл. N 24 (71) Южный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота (72) Ю,П.Авласович и О,П.Саунин (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1432255, кл. F 02 М 31/18, 1987, (54) СПОСОБ ПОДГОТОВКИ И АКТИВАЦИИ

ТЯЖЕЛЫХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ И МАЗУТОВ ДЛЯ ДИЗЕЛЯ (57) Использование: подготовка и активация тяжелых моторных топлив и мазутов для дизелей. Сущность изобретения: нагретое топливо до температуры 80-150 С перед подачей в цилиндры под давление 0,2-1 МПа вводят частично окисляющий и активирующий процесс сгорания газ, содержащий кислород и озон не менее 80, при содержании озона и других активных форм кислорода не больше 20 до образования

Изобретение относится к способам подготовки и активаций жидких топлив для дизелей путем насыщения его газовой смесью непосредственно перед впрыском в цилиндры. Оно распространяется на все типы дизелей, работающих на дизельном, моторном и тяжелых топливах, типа флотских, экспортных, топочных мазутов и газотурбинных, Изобретение применимо в стесненных условиях машинно-котельных отделений судов и кораблей всех типов и назначений, а также на дизелях береговых установок и передвижных дизель-генера,... Ы„„1824498 À1 устойчивой мелкодисперсной газово-пузырьковой фазы суммарным обьемом до

50 от цикловой подачи топлива. Ионизацию смеси газа осуществляют при напряжении 8-15 кВ электрическим зарядом отрицательной полярности 12-22 Эв. Обогащение смеси кислородом проводят путем пропускания воздуха через две ступени полимерных полунепроницаемых мембранных газо разделительных элементов с добавлением кислорода под давлением на пусковых и переходных режимах, Активацию топлива проводят путем перемешивания газовой смеси с топливом, изменяя при этом обьем газовой смеси обратно пропорционально нагрузке дизеля. Время активации выбирают меньше времени существования газовых пузырьков и молекул озона. а часть тяжелых осадков и примесей выводят из топлива путем пропускания последнего через фильтр тонкой очистки с полунепроницаемым металлокерамическим фильтрующим, 3 э.п, ф-лы, 1 ил. торных станций и может быть использовано для улучшения горения жидкого топлива и маэутов в топках котлов, камерах сгорания газотурбинных установок, на других транспортных или стационарных двигателях.

Цель изобретения — повышение интенсивности и полноты процесса сгорания.

На чертеже изображена принципиально-функциональная схема судовой системы, реализующей предлагаемый способ подготовки и активации тяжелых моторных топлив и мазутов для дизеля непосредственно перед впрыском в цилиндры высокообога1824498 щенной кислородом и озоном газовой смесью.

Схема содержит эжектирующий и диспергирующий смеситель 1 для ввода активирующей и окисляющей газовой смеси в захватываемое нагретое топливо; пружинный невозвратный клапан 2 для предотвращения прорыва топлива в полости с газом— активатором; дроссельHûé клапан 3 регулирования (изменения) расхода газовой смеси для насыщения; защитную трубную петлю вверх газового затвора 4, расположенную на 2-3 м выше уровня смесителя и предохраняющую от прорыва топлива при колебаниях давления в полости с газом-активатором; озонатор 5 с электрическим барьерным или коронным разрядом напряжением 8-15 кВ для озонирования и иониэации обогащенной кислородом газовой смеси; гаэоразделительный полунепроницаемый элемент 6 (ГРЭ) второй ступени или фильтр-денитрификатор обогащения кислородом поступающей от первой ступени смеси за счет селективного разделения кислорода и азота; гаэоразделительный элемент 7 (ГРЭ) первой ступени обогащения кислородом воздуха, а также работающий за счет селективного разделения кислорода и азота; силикагелиевый или цеолитовый осушитель 8 сжатого воздуха, обеспечивающий очистку его от влаги, углекислого газа; углеводородов и примесей; масло-, пыле-, частице-, солеуловитель 9 для первичной очистки сжатого и охлажденного воздуха перед его входом в осушитель и ГРЭ 1 ст„баллон пускового воздуха 10 дизеля с давлением до

1.6-2,5 МПа: водяной воздухоохладитель 11 поверхностного типа для снятия температуры сжатого воздуха после компрессора; воздушный компрессор 12 (с всасывающим и нагревательным патрубками) для заполнения баллона пускового воздуха или прокачки линии очистки его, обогащения кислородом и озоном и ввОда газовой смеси в топливо. Горизонтальный удлиненный реакторный участок 13 топливопривода с выступами-интер цепторами-турбулизаторами внутри для равномерного перемешивания и формирования мел кодисперсных газовых пузырьков в топливе. а также ускорение; химических реакций. эмульгирования, гомогенизации, — препятствующих расслоению двухфазовой среды топливо-гаэ и обеспечивающих распределение, дробление и насыщение нагретого топлива обогащенной озона-кислородной газовой смесью; полунепроницаемый пористый металло-керамический фильтр тонкой очистки (ФТО) 14 для вывода определенной части прореагировавших r. озоном и киглг родом гетароген5

55 ных соединений, примесей, осадков. комплексов тяжелых металлов, асфальто-гудронистых компонентов иэ топлива; блок с прокачиванием всасывающим коллектором топливовпрыскивающих насосов 15 высокого давления (ТНВД) для сжатия и подачи топливно-газовой смеси в цилиндры; форсунки 16 для распыления сжатой до жидкости (топливно-газовой) смеси; дизель

17 (двигатель внутреннего сгорания, газовая турбина или топка котла, на которой работает вся система подготовки и активации топлива; топливная рейка 18 для управления, изменения, регулирования цикловой подачи (расходов) топлива через ТНВД, а также — расходов насыщающей газовой смеси и добавочного кислорода иэ баллона; циркуляционный насос 19 (ЦНТГС) топливно-газовой смеси для прокачки и поддержания стабильной температуры в коллекторе всасывания ТНВД на всех режимах работы дизеля; топливоподогреватель 20 для корректирования и поддержания температуры топливно-газовой смеси; циркуляционный трубопровод 21 для подачи топливно-газовой смеси на обеспечение работы эжектирующего и диспергирующего смесителя 1, то есть для подсасывания (захватывания) и перемешивания подходящих к нему с двух сторон раздельно нагретого топлива и газа; баллон 22 высокого давления с технически чистым кислородом для добавки в цикл обогащения, при необходимости, перед оэонатором; редуктор давления 23 и дроссельный клапан 24 добавочного чистого кислорода для подачи его на вход озонатора; пружинный предохранительно-переливной клапан

25 для отвода и возврата нагретого иэбь1точного для дизеля топлива в возвратную или расходную цистерну; топливоподогреватель 26; фильтр грубой очистки (ФГО) 27 топлива от грязи и крупных частиц; топливоподкачивающий насос (ТПН) 28, обеспечивающий прокачку топливной системы и подпора на всасывании ТНВД; линия возврата 29 нагретого топлива в (возвратную) расходную цистерну; расходная (возвратная) цистерна 30 с промежуточным подогревом топлива; редуктор 31 давления инертного газа от первой ступени ГРЭ на потребители и судовые емкости.

Следует отметить. что в приведенной схеме, наряду с уже имеющимися на судах элементами системы топливоподготовки и пускового воздуха, трубопроводами, емкостями и оборудованием; 25-30, 15-18, 21, 10-12, — входят вновь устанавливаемые элементы, аппараты, оборудование, арматура и трубопроводы, необходимые для реализации предлагаемого способа подготовки и

1824498 активации топлива озоно-кислородной газовой смесью: 1-9, 13-14, 19-20, 22-24; 31.

Способ подготовки и активации тяжелых моторных топлив и мазутов для дизеля осуществляется следующим образом. Атмосферный воздух с концентрацией кислорода 21 об. (точнее 20,9 ) всасывается компрессором 12 и сжимается до давления

1,6-2,6 МПа, затем подаются через воздухоохладитель 11 в баллон пускового воздуха

10, а оттуда или помимо него приходит пыле-. масло-, частице-, солеуловитель 9, после чего попадает в цеолитовый или силикагелиевый осушитель 8, его влажность доводится до 5-10%, но не более 20 . Затем воздух под давлением примерно 1,5-2,4 МПа попадает на входной ресивер газоразделительного элемента первой ступени 7, то есть полунеп, роницаемый фильтр-денитрификатор с огромным множеством полых волокон из полимерного материала, например, поли-4метилпентена-1 или поливинилтриметилсилана, где кислород селективно отделяется от азота и попадает наружу волокон под металлическую оболочку ГРЭ, а инертный газ по полостям волокон выходит в ресивер с концентрацией азота 90-95 об.% и выше давлением 1,4-2,3 МПа и направляется через редуктор 31 к емкости для обеспечения пожаробезопасности или сохранности перевозимых судным грузом.

Обогащенная в прямом потоке ГРЭ I ступени внутри полых волокон и выходящая из ресивера инертная среда не требуется для ввода в топливо, так как является загряэнителем его, тормозящим процессы сгорания,— оно утилизируется по другому направлению: снимая давление в редукторе

31 основную часть ее направляют для предотвращения возгораний и взрывов перевозимых жидких или опасных грузов судна, или для предотвращения возгорания легких и летучих фракций подогретого и горячего топлива, возвращаются из цикла. Поэтому можно направить небольшую часть ее в расходные цистерны 30 или возвратного топлива (с избыточным давлением 0,0005 МПа).

Остальную часть инертной среды после ГРЭ ! ступени можно пустить и на скоропортящиеся грузы, Из ГРЭ ступени 7 обогащенную кислородом до 40 об.% воздушную смесь последовательно вводят в ресивер распределитель по полым волокнам ГРЭ Il ступени 6 из таких же материалов, как и ГРЭ I ступени, где газовая смесь обогащается кислородом до 80 об. и накапливается под его оболочкой.

Смесь, получаемую на выходе из внутренней инертной части ГРЭ ll ступени близ5

55 кую по составу к воздуху - выпускак>. в воздух, а если в помещение УКО, т>з во избежание отравлений и увеличения пожароопасности, нельзя в ней допуска, ь расширения содержания кислород= (>r>!«e или менее 21+1, или направить (рекомендуется) через расширительное сопло на всасывающий патрубок компрессора 12 для смещения и некоторого охлаждения всась>ваемого теплого воздуха из МКО судна, чго несколько уменьшает работу, затрачинаемую компрессором на сжатие воздуха и о легчает его эксплуатацию. Из ГРЭ II стуг>е; i обогащенная кислородом до 80 об. смс добавкой, при необходимости, чистого кислорода (из баллона высокого давлен>лч 2 через редуктор давления 23 и угла > емый дроссельный клапан 24) пспадае е озонатор с коронным разрядом 5, где существенно ионизируется и обогащается озоном и другими активными формами кислорода до 20 об,%.

После озонатора ионизированная и обогащенная кислородом и озоном не менее 80 об.% газовая смесь проходит трубную петлю газового затвора 4, дроссельн. клапан 3, управляемый от топливнои репки

18. пружинный предохранительный клапан

2, и подается в эжектирующий смесите>,„ где увлекается топливно- азовой см;ськ смешивается с ней.

Из смесителя 1 топливно-газовая смесь проходит по удлиненному горизонтальному реакторному участку 13 топливопровода, с внутренними выступами — интероцспторзми-турбулизаторами, способствующими активному и интенсивному перемешиванию смеси и дробления пузырьков газа, увеличивающими скорость насыщения озоном и кислородом нагретого топлива, однов .еменно способствующим его частичному окислению и вовлечение в реакци пге:кгe всего, гетерогенных соединени -, напр .;. . серы и тяжелых металлов, при этом от дополнительного избыточного ввода в топливо газовой среды, не прореагировавшей нэ участке 13 с топливом (с озоном, klir:ëorc дом, азотом, летучими углеводородами. парами воды, углекислым газом) в виде множества пузырьков. — увлекаются к всасывающему коллектору топливовпрыскивающего насоса 15, но только проходя через полунепроницаемый фильтр тонкой очистки

14 с перегородками. сетками и пористыми металлокерамическими материалами r p, пускающего основную часть (боле . »-. кую") топливо-газовой смеси к ТНВД i 56 и не пропускающего часть выводимых из цик ла асфальто-гудронистых самых л>кел>.i.:

ОСаДКОй, ЭЛЕМЕНТОВ, ПРИМЕСЕЙ И ССНОВНуК

1824498

10

55 часть комплексов из окислов серы и металлов. с размерами частиц более 10 мкм, При этом выполнение реактивного участка 13 с внутренними выступами-интерцепторами-турбулиэаторами и фильтра 14 с полунепроницаемыми сетками и металлокерамическими материалами должны способствовать его дроблению, эмульгированию и устойчивой стабилизации и гомогенизации, то есть неразделению или нерасслоению смеси жидкое топливо-газовые пузырьки перед ТНВД, для обеспечения возможности беспрерывной работы топливовпрыскивающего насоса, Так как топливо-газовая смесь проходит к ТНВД на всасывание под напором 0,2-2

МПа, то условие (безотрывного) всасывания двухфазовой сжимаемой жидкости будет обеспечено, если суммарный объем пузырьков газа не будет превосходить при пересчете на атмосферное давление 50 от объема подаваемого (цикловой подачи) топлива,— при этих концентрациях топливовпрыскивающая аппаратура — ТНВД 15 и форсунки

16 еще работают без пропусков и срывов подачи топлива, стуков, дополнительных износов и с несколько меньшим давлением, развиваемым при впрыске, что даже способствует менее жесткой работе топливовпрыскивающего насоса высокого давления и самого дизеля.

Судовой контур топливоподготовки до смесителя 1 работает следующим образом: разогретое до вязкости, необходимый для перекачивания, тяжелое топливо из расходной или возвратной цистерны 30 засасывается топливоподкачивающим насосом 28 и подается под давлением 0,2-1 МПа на фильтр грубой очистки 27, где из него удаляются (часто для этой цели применяются сепараторы) тяжелые крупные частицы и грязевые отложения, проходит топливоподогреватель 26, где нагревается до температуры 80-150 С в зависимости от марки топлива для обеспечения вязкости 2 4 BY, при которой наилучшим образом протекает процесс распыления, Обычно производительность ТПН значительно превосходит производительность ТНВД, неЬбходимую для обеспечения максимальной мощности дизеля, поэтому после топливоподогреватля 26 непосредственно перед смесителем 1 поток топлива делится на две линии: одна часть его через предохранительно-переливной клапан 25 попадает в возвратную линию 29 и входит в возвратную или расходную цистерну 30, попутно осуществляя струйный разогрев находящегося там топлива; вторая часть нагретого топлива захватывается эжектирующим и диспергиру15

45 ющим смесителем 1, обеспечивающим пожаробезопасность и невозможность прорыва озоно-кислородной смеси в контур и емкости 30-28-27-26-25-29-30 и проходит в виде двухфазной среды через реакторный участок 13, ФТО 14, всасывающий коллектор ТНВД 15, и в виде жидкой среды попадает в форсунки 16, через распылители которых топливо попадает в камеры сгорания цилиндров 17.

Основная часть топливо-газовой смеси из всасывающего коллектора ТНВД 15 забирается и прокачивается циркуляционным насосом 19 через топливоподогреватель 20 для поддержания и корректировки температуры в коллекторе всасывания

ТНВД (на всех режимах работы дизеля), циркуляционный трубопровод 21 и подается для обеспечения работы эжектирующего и диспергирующего смесителя, захватывающего и перемешивающего проходящие к нему с двух сторон раздельно нагретое топливо из контура 30-28-27-26-25-29-30 и кислородно-озонную газовую смесь иэ линии,подготовки 12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1 (22-23-24), Применение предложенного способа подготовки и активации тяжелых моторных топлив и маэутов для дизеля позволяет: использовать наиболее тяжелые и дешевые, .остаточные, низкосортные, сернистые, ниэкоцетановые, высоковязкие, углеводородные топлива и мазуты для сжигания в дизелях, топках котлов и камерах сгорания беэ их конструктивных изменений и переделок; непосредственно перед вспрйском в цилиндры или камеры сгорания быстро активировать и облагородить любое топливо и достигнуть этого наименьшим количеством расходуемой энергии и предложенной газовой смеси без применения искусственных добавок, присадок и катализаторов; в несколько раз снизить содержание серы и некоторых других гетерогенных соединений, примесей и тяжелых металлов в активированном топливе с переводом иэ в легкоудаляемые комплексы и выводом на полунепроницаемом фильтре тонкой очистки: повысить на 10-15 единиц цетановое число топлива; сократить почти в два раза период задержки воспламенения; увеличить интенсивность, скорость и полноту сгорания топлива; снизить температуру и увеличить полноту выгорания сажы; снизить дымность в 2-3 раза; снизить массу вредных выбросов и их токсичность в отработавших газах; снизить удельный расход топлива на единицу мощности двигателя на 5-10 (меньшие цифры относятся к дизелям большей мощности).

1824498

Кроме того, использование предложенного способа с применением газоразделительных мембранных элементов и озонатора под давлением позволит: увеличить выход озона и других активных и неустойчивых форм кислорода свыше 20 объема газовой смеси подаваемой в топливо; утилизировать попутно полученный в первой ступени газоразделение инертный гаэ для обеспечения пожаро-взрывобеэопасности или сохранности как топливных систем и емкостей, так и перевозимых судном грузов.

Формула изобретения

1, Способ подготовки и тивации тяжелых моторных топлив и мазутов для дизеля, заключающийся в том, что непосредственно перед вспрыском в цилиндры в нагретое топливо вводится под давлением частично его окисляющий и активирующий процесс сгорания газ, получаемый из осушенного и очищенного воздуха в виде ионизированной при электрическом напряжении и обогащенной кислородом и озоном смеси, от лича ю щи йс я тем, что, с целью повышения интенсивности и полноты сгорания. процесс активации проводят путем подачи в топливо смеси кислорода, озона и азота с содержанием кислорода и озона не менее 80, при содержании озона и других активных форм кислорода не больше 20 до образования устойчивой мелкодисперсной газово-пузырьковой фазы суммарным объемом до 50 ог цикловой подачи топлива в пересчете на атмосферное давлеHèå, причем топливо перед подачей в цилиндры нагревают до 80-150"C.. вводя последнее

5 под давлением 0,2-1.0 МПа. а ионизацию смеси осуществляют при напряжении 8-15 кВ электрическим зарядом отрицательной полярносги 12-22 эВ.

2. Способ по п,1, отличающийся

10 тем, что обогащение смеси : слородом проводят путем пропускания воздуха через две ступени полимерных полунепроницаемых мембранных гаэораэделительных элементов с добавлением кислорода под давлени15 ем на пусковых и переходных режимах дизеля, полученный газ иониэируют и обо. гащают озоном и другими активными формами кислорода, 3. Способ по и. 1, отличающийся

20 тем, что активацию топлива проводят путем перемешивания газовой смеси с топливом, изменяя при этом объем газовой смеси обратно пропорционально нагрузке дизеля, 4, Способ по и. 1, отличающийся

25 тем, что время активации топлива вбирают меньше времени существования газовых пузырьков и молекул озона, а часгь тяжелых осадков и примесей выводят иэ топлива путем пропускания последнего через фильтр

30 тонкой очистки с полунепроницаемым металлокерамическим фильтрующим топливным элементом перед подачей топлива в топливный насос высокого давления.

1824498

Составитель H. Дятлова

Техред М,Моргентал Корректор Г. Кос

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 2219 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5