Способ производства эмульсионного топлива и устройство для производства эмульсионного топлива
Изобретение относится к водно-смесевому топливу эмульсионного типа, у которого отсутствует расслоение между нефтепродуктом и водой, и которое благодаря этому обладает прекрасной устойчивостью, характеризуется высокой эффективностью сгорания и исключительно высоким энергосберегающим эффектом. Эмульсионное топливо, в котором средний диаметр воды или горючего топлива составляет 1000 нм или менее (более предпочтителен средний диаметр от 200 до 700 нм), образуется путем тонкого размельчения и смешения воды с горючим нефтепродуктом с помощью тонко размельчающего и смешивающего средства при добавлении от 10,0 до 150,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта. При этом используемая вода предпочтительно имеет восстановительный потенциал -100 мВ или ниже и, более предпочтительно -300 мВ или ниже. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил., 6 табл.
Область техники
Настоящее изобретение относится к водоэмульсионному топливу (водно-топливной эмульсии) и, более конкретно, к изобретению, способному внести вклад в экономию энергии и борьбу с загрязнением окружающей среды в том случае, когда частицы, образующие эмульсию воды и горючего нефтепродукта, превращают в сверхтонкие частицы, и полученное эмульсионное топливо используют в качестве топлива в различных силовых агрегатах или пламенных печах.
Уровень техники
В настоящее время уменьшение количества используемых нефтепродуктов, обусловленное ростом цены на сырую нефть, и в соответствии с требованиями Киотского протокола, является серьезной задачей во всем мире. В связи с этим научные исследования, посвященные водно-смесевому топливу эмульсионного типа, были проведены также и в Японии. В результате этого было зарегистрировано много патентных заявок, относящихся к составам и способам производства. Некоторые из этих исследований были выполнены с целью практического применения, например, JP 2006-329438, JP 2006-188616, JP 2005-344088, JP 2004-123947, JP 2003-113385.
Как уже было сказано выше, предложены различные водно-смесевые топлива эмульсионного типа. Однако по-прежнему не удалось достичь устойчивого горения, в связи с чем все еще невозможно практическое применение топлива. Кроме того, диаметры образующих эту эмульсию частиц составляют от нескольких мкм до нескольких десятков мкм.
Исследования авторов настоящего изобретения были направлены на устойчивость, которую рассматривают как слабое место водно-смесевых топлив эмульсионного типа, и авторы провели интенсивные исследования, основанные на том, что для того, чтобы эмульсия воды и горючего нефтепродукта горела устойчиво, необходимо смешение частиц в их сверхтонком состоянии (на наноуровне).
Раскрытие изобретения
В результате интенсивных исследований авторами настоящего изобретения установлено, что высокоэффективное горение, которого можно было бы достичь с традиционным эмульсионным топливом, можно осуществить путем уменьшения среднего диаметра соответствующих частиц в эмульсионном топливе до 1000 нм или меньше.
Далее, авторами настоящего изобретения установлено, что для того, чтобы стабилизировать эмульсию воды и горючего нефтепродукта таким образом, чтобы не вызвать ее расслоения, предпочтительно образовывать смесь частиц в ультратонком состоянии (на наноуровне).
Кроме того, установлено также, что, если используемую для получения эмульсии воду подвергнуть восстановлению, поверхностное натяжение воды снижается, в результате чего облегчается смешение воды с горючим нефтепродуктом, и что в предельном состоянии смешение может производиться в отсутствие эмульгатора.
Настоящее изобретение основано на указанных выше установленных фактах и относится к способу и устройству для производства эмульсионного топлива, включающих в себя следующие признаки.
(1) Способ производства эмульсионного топлива, включающий добавление от 10,0 до 150,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта (более предпочтительно, от 25,0 до 120,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта), тонкое размельчение и смешение воды с горючим нефтепродуктом с помощью тонко размельчающего и смешивающего средства, в результате чего образуется эмульсионное топливо, в котором средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет 1000 нм или меньше.
(2) Способ производства эмульсионного топлива согласно приведенному выше пункту (1), в котором эмульсионное топливо, у которого средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет от 200 до 700 нм, образуется в результате тонкого размельчения и смешения воды с горючим нефтепродуктом с помощью тонко размельчающего и смешивающего средства.
(3) Способ производства эмульсионного топлива согласно приведенному выше пункту (1), в котором эмульсионное топливо, у которого средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет от 200 до 700 нм, образуется в результате добавления горючего нефтепродукта к воде, имеющей восстановительный потенциал -100 мВ или ниже, и тонкого размельчения и смешения воды с горючим нефтепродуктом с помощью тонко размельчающего и смешивающего средства.
(4) Способ производства эмульсионного топлива согласно любому из приведенных выше пунктов (1)-(3), в котором воду выбирают из одной, двух или более вод, таких как водопроводная вода для питья, дождевая вода, бытовая сточная вода органических отходов, промышленная сточная вода и сточная вода с животноводческих ферм.
(5) Способ производства эмульсионного топлива согласно любому из приведенных выше пунктов (1)-(4), в котором горючим нефтепродуктом является один, два или более типов нефтепродуктов, выбираемых из тяжелого нефтепродукта, легкого нефтепродукта, осветительного керосина, летучего нефтепродукта, промышленного отработанного масла и масла для жарки, такого как темпуровое масло, соевое масло и кунжутное масло.
(6) Способ производства эмульсионного топлива согласно любому из приведенных выше пунктов (1)-(5), в котором горючий нефтепродукт или вода, или горючий нефтепродукт и вода содержат полихлорированный бифенил (РСВ) и/или диоксины, или РСВ и диоксины.
(7) Способ производства эмульсионного топлива согласно любому из приведенных выше пунктов (1)-(6), в котором тонко размельчающее и смешивающее средство включает устройство, в котором первичную смесевую жидкость, включающую воду и горючий нефтепродукт, подвергают воздействию давления и тонко размельчают и смешивают за счет кавитационного эффекта, обусловленного турбулентностью, возникающей около одного, двух или более отверстий.
(8) Способ производства эмульсионного топлива согласно любому из приведенных выше пунктов (1)-(7), в котором размельчающее и смешивающее средство включает устройство, в котором первичную смесевую жидкость, включающую воду и горючий нефтепродукт, подвергают воздействию давления, заставляя ее течь внутри насоса со скоростью 50 м/с или выше, в результате чего первичная смесевая жидкость ускоряется для прохода через множество образованных в стенке отверстий, каждое диаметром 500 мкм или меньше и тонко размельчается и смешивается за счет кавитационного эффекта, обусловленного турбулентностью между струями жидкости.
(9) Устройство для производства эмульсионного топлива, включающее средство первичного смешения воды и горючего нефтепродукта для первичного смешения воды и горючего нефтепродукта путем добавления от 10,0 до 150,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта (более предпочтительно, от 25,0 до 120,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта) и средство тонкого размельчения и смешения для тонкого размельчения и смешения первичной смесевой жидкости на основе воды и горючего нефтепродукта, получаемой с помощью средства первичного смешения до состояния мелких частиц, в результате чего образуется эмульсионное топливо, у которого средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет 1000 нм или меньше.
(10) Устройство для производства эмульсионного топлива согласно приведенному выше пункту (9), в котором средства тонкого диспергирования и смешения тонко диспергируют и смешивают смесь на основе воды/горючего нефтепродукта, получаемую с помощью средств первичного смешения, в состояние мелких частиц, образуя тем самым эмульсионное топливо, в котором средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет от 200 до 700 нм.
(11) Способ производства эмульсионного топлива согласно приведенному выше пункту (9) или (10), в котором необходимый восстановительный потенциал воды равен -100 мВ или ниже.
(12) Устройство для производства эмульсионного топлива согласно любому из приведенных выше пунктов (9)-(11), в котором средство тонкого размельчения и смешения создает давление, оказываемое на первичную смесевую жидкость на основе воды/горючего нефтепродукта, заставляющее ее проходить через одно, два или более малых отверстий, и тонко размельчает и смешивает за счет кавитационного эффекта, обусловленного возникающей около отверстий турбулентностью.
(13) Устройство для производства эмульсионного топлива согласно любому из приведенных выше пунктов (9)-(11), в котором средство тонкого размельчения и смешения создает давление, оказываемое на первичную смесевую жидкость на основе воды/горючего нефтепродукта, заставляя ее течь внутри насоса со скоростью 50 м/с или выше, в результате чего ускоряет первичную смесевую жидкость на основе воды/горючего нефтепродукта для того, чтобы она проходила через множество образованных в стенке отверстий, каждое из которых имеет диаметр 200 мкм или менее; и тонко диспергирует и смешивает первичную смесевую жидкость на основе воды/горючего нефтепродукта, создавая кавитацию за счет турбулентности между струями жидкости, создаваемыми отверстиями.
(14) Эмульсионное топливо, в котором от 10,0 до 150,0 об. частей воды смешивают со 100 об. частями горючего нефтепродукта (более предпочтительно, от 25,0 до 120,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта) с помощью тонко размельчающего и смешивающего средства, причем средний диаметр частиц горючего нефтепродукта составляет 1000 нм или меньше.
(15) Эмульсионное топливо согласно приведенному выше пункту (14), где средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта в эмульсионном топливе составляет от 200 до 700 нм.
Предложены, кроме того, следующие изобретения, имеющие другие признаки.
(16) Способ осуществления работы двигателя внутреннего сгорания, включающий добавление от 10,0 до 150,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта, тонкое размельчение и смешение воды с горючим нефтепродуктом с помощью средства тонкого размельчения и смешения, в результате чего образуется эмульсионное топливо, у которого средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет 1000 нм или меньше, и впрыскивание полученного эмульсионного топлива в поршневой двигатель, в результате чего осуществляется работа двигателя внутреннего сгорания.
(17) Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, включающий в себя добавление от 25,0 до 40,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта, тонкое размельчение и смешение воды с горючим нефтепродуктом с помощью средства тонкого размельчения и смешения, в результате чего образуется эмульсионное топливо, у которого средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет от 200 до 700 нм или меньше и впрыскивание полученного эмульсионного топлива в поршневой двигатель, в результате чего осуществляется работа двигателя внутреннего сгорания.
(18) Эмульсионное топливо для эксплуатации поршневого двигателя, в котором от 25,0 до 40,0 об. частей воды смешивают со 100 об. частями горючего нефтепродукта с помощью средства тонкого размельчения и смешения и при этом средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта в эмульсионном топливе составляет от 200 до 700 нм.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - графики, иллюстрирующие результаты испытания топлива на силовом агрегате, работающем на эмульсионном топливе согласно настоящему изобретению и на другом топливе.
Фиг.2 - графики, иллюстрирующие результаты испытания топлива на силовом агрегате, работающем на эмульсионном топливе согласно настоящему изобретению и на другом топливе.
Фиг.3 - графики, иллюстрирующие результаты испытания топлива на силовом агрегате, работающем на эмульсионном топливе согласно настоящему изобретению и на другом топливе.
Фиг.4 - графики, иллюстрирующие результаты испытания топлива на силовом агрегате, работающем на эмульсионном топливе согласно настоящему изобретению и на другом топливе.
Осуществление изобретения
В настоящем изобретении масло и воду смешивают между собой в ультратонком состоянии, получая эмульсионное топливо, которое благодаря этому становится способным содействовать улучшению сгорания топлива и образованию чистого выхлопного газа.
Средством тонкого размельчения и смешения, используемым для производства эмульсионного топлива настоящего изобретения, может быть, например, устройство, которое создает давление, воздействующее на первичную смесевую жидкость, включающую воду и горючий нефтепродукт, с целью тонкого размельчения и смешения за счет кавитационного эффекта, обусловленного турбулентностью, возникающей около одного, двух или более отверстий.
Далее средством тонкого размельчения и смешения может быть устройство, которое создает давление, воздействующее на первичную смесевую жидкость, включающую воду и горючий нефтепродукт, заставляя жидкость течь внутри насоса со скоростью 50 м/с или выше, в результате чего ускоряет первичную смесевую жидкость для прохода ее через множество образованных в стенке отверстий, каждое диаметром 500 мкм или меньше; и тонко размельчает и смешивает эту жидкость за счет кавитационного эффекта, обусловленного турбулентностью, возникающей между ее струями.
Кроме этого предпочтительный способ производства эмульсионного топлива включает в себя применение средства первичного смешения воды с горючим нефтепродуктом для первичного смешения воды и горючего нефтепродукта путем добавления от 10,0 до 150,0 об. частей воды (более предпочтительно, от 25,0 до 120,0 об. частей воды) на 100 об. частей горючего нефтепродукта; и тонко размельчающего и смешивающего средства для тонкого размельчения и смешения первичной смесевой жидкости на основе воды/горючего нефтепродукта, получаемой с помощью средства первичного смешения, до состояния мелких частиц с образованием в результате этого эмульсионного топлива, у которого средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет 1000 нм или меньше.
Предпочтительно смесевую жидкость, полученную добавлением от 25,0 до 120,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта, вводят в Nanomizer (устройство для тонкого размельчения и смешения первичной смесевой жидкости, диспергированной в образце жидкости, изготовленном фирмой Yoshida Kikai Co., Ltd.), после чего первичную смесевую жидкость, включающую воду и горючий нефтепродукт, тонко размельчают и смешивают, образуя тем самым эмульсионное топливо из смеси, включающей частицы воды и горючего нефтепродукта со сверхмалым диаметром.
Первичную смесевую жидкость подвергают, например, воздействию давления с помощью поршня внутри Nanomiser′a, чтобы заставить жидкость течь внутри насоса со скоростью потока 100 м/с или выше, после чего ускоренная первичная смесевая жидкость проходит через канал(ы) (пору(ы)) двух частей дисков, каждая из которых имеет канал(ы) (пору(ы)) размером примерно 100 мкм под прямым углом, чтобы заставить струи жидкости сталкиваться одна с другой и, таким образом, тонко размельчать и перемешивать жидкость.
Возвращаясь к сказанному выше, смесь воды и горючего нефтепродукта заставляют несколько раз проходить через дросселирующее отверстие Nanomiser′a размером 200 мкм или меньше под высоким давлением. Турбулентность создается в тот момент, когда смесевая жидкость проходит через узкие отверстия, а сильный эффект перемешивания на наноуровне возникает в результате эффекта турбулентности.
В результате этого вода (или нефтепродукт) тонко размельчается до наноуровня (например, средний диаметр воды от 200 до 700 нм) и размельченный материал диспергируется в нефтепродукте (с образованием эмульсии типа вода-в-масле), достигая, таким образом, стабилизации.
Кроме того, в настоящем изобретении предпочтительно вначале произвести снижение восстановительного потенциала воды. Метод восстановления воды в особой степени не ограничен, но для промышленности предпочтителен метод с использованием электролиза. Может быть, кроме того, использован и метод с использованием какого-либо химического реагента или метод с использованием руды типа турмалина.
При использовании электролиза водород в процессе электролиза генерируется на катоде, а кислород генерируется на аноде. Однако в процессе электролиза кислород не является необходимым и по этой причине отводится с помощью барьера или же связывается в результате реакции с анодной пластиной. При этом в качестве электрода могут быть использованы цинк, магний или какой-либо из их сплавов.
Восстановительный потенциал воды преимущественно равен -100 мВ или ниже и предпочтительно, если это возможно, -300 мВ или ниже.
Вода и нефтепродукт трудно смешиваются между собой из-за высокого поверхностного натяжения воды. Если восстановительный потенциал понизить, снизится поверхностное натяжение и в результате этого смешение воды и нефтепродукта станет более легким.
Далее, если повысить их температуру, уменьшится также и кластер и понизится вязкость, в результате чего смешение воды и нефтепродукта станет более легким.
Хотя регулировки таких факторов, как восстановительный потенциал воды, температура и давление Nanomizer′a осуществляются различным образом, они связаны между собой. В результате этого, в случае добавления горючего нефтепродукта к воде, имеющей восстановительный потенциал, который понижен до -100 мВ или ниже, предпочтительно от -300 до -700 мВ, а их температура поднята до 50°С или выше, предпочтительно от 70 до 90°С, и при этом масло и вода тонко размельчаются и смешиваются до состояния ультратонких частиц, существует взаимозависимость, благодаря которой при понижении восстановительного потенциала может применяться относительно низкое давление Nanomizer′a.
Пример 1
Ниже приведены описания примеров и сравнительного примера настоящего изобретения.
Вначале 8 л воды (водопроводной) нагревают до 70°С и понижают окислительно-восстановительный потенциал воды до -114 мВ с помощью устройства для восстановления воды типа ванны, изготовляемого фирмой Kangen.
К 1,96 л восстановленной воды добавляют 5,88 л тяжелого нефтепродукта (А) и 160 мл эмульгатора и после начального ручного перемешивания полученную смесь пропускают через Nanomizer под давлением 3 МПа для тонкого размельчения и смешения, в результате чего получают эмульсионное топливо настоящего изобретения. Полученное эмульсионное топливо относится к типу эмульсии вода-в-масле со средним диаметром воды в эмульсии от 300 до 500 нм.
Полученному таким образом эмульсионному топливу настоящего изобретения присваивается название «образец 2». Смесевую жидкость, полученную тем же путем, что и образец 2, заставляют пройти через Nanomizer под давлением 8 МПа, получая эмульсионное топливо настоящего изобретения, которому присваивается название «образец 3».
Далее, образец 1 является тяжелым нефтепродуктом (А), служащим в качестве сравнительного примера, образец 4 является легким нефтепродуктом в качестве сравнительного примера, а каждый из образцов 5 и 6 получают с помощью той же самой обработки, что и образцы 2 и 3, и они являются эмульсионными топливами настоящего изобретения, в которых вместо тяжелого нефтепродукта (А) использован легкий нефтепродукт.
(С целью тонкого размельчения и смешения образца 5 и образца 6 их заставляют проходить через Nanomizer под давлением 3 МПа и 8 МПа соответственно).
Ниже приведены подробности, касающиеся испытуемых образцов.
Эмульсионное топливо, тяжелый нефтепродукт (А) и легкий нефтепродукт для сравнения, которые были использованы для испытаний характеристик двигателя
Образец 1: 100% тяжелого нефтепродукта (А) (для сравнения)
Образец 2: 73,5% тяжелого нефтепродукта (А), 24,5% восстановленной воды, 2% активатора, обработанный с помощью Nanomizer′a под давлением 3 МПа (эмульсионное топливо)
Образец 3: 73,5% тяжелого нефтепродукта (А), 24,5% восстановленной воды, 2% активатора, обработанный с помощью Nanomizer′a под давлением 8 МПа (эмульсионное топливо)
Образец 4: 100% легкого нефтепродукта (А) (для сравнения)
Образец 5: 73,5% легкого нефтепродукта (А), 24,5% восстановленной воды, 2% активатора, обработанный с помощью Nanomizer′a под давлением 3 МПа (эмульсионное топливо)
Образец 6: 73,5% легкого нефтепродукта (А), 24,5% восстановленной воды, 2% активатора, обработанный с помощью Nanomizer′a под давлением 8 МПа (эмульсионное топливо)
Результаты испытаний на горение на двигателе с использованием указанных выше соответствующих образцов представлены в таблицах 1-3 и на фиг.1-4.
| Таблица 1 | |||||
| Число оборотов двигателя 1000 об/мин | |||||
| Топливо | Выходная мощность (кВт) | Крутящий момент (Н·м) | Температура выхлопа (°С) | Копоть (%) | Расход топлива (л/ч) |
| Образец 1 | 3,45 | 32,96 | 442 | 96 | 1,89 |
| Образец 2 | 3,52 | 33,51 | 450 | 74 | 1,31 |
| Образец 3 | 3,51 | 33,44 | 447 | 80 | 1,31 |
| Образец 4 | 3,49 | 33,10 | 431 | 96 | 1,91 |
| Образец 5 | 3,53 | 33,56 | 448 | 76 | 1,35 |
| Образец 6 | 3,53 | 33,64 | 442 | 80 | 1,29 |
| Таблица 2 | |||||
| Число оборотов двигателя от 1400 до 2200 об/мин | |||||
| * для сравнения взято среднее значение при 1400, 1800 и 2200 об/мин. | |||||
| Топливо | Выходная мощность (кВт) | Крутящий момент (Н·м) | Температура выхлопа (°С) | Копоть (%) | Расход топлива (л/ч) |
| Образец 1 | 6,84 | 33,1 | 592 | 86 | 2,77 |
| Образец 2 | 6,46 | 31,7 | 554 | 53 | 2,05 |
| Образец 3 | 6,43 | 31,5 | 560 | 50 | 2,04 |
| Образец 4 | 6,75 | 32,7 | 519 | 83 | 2,74 |
| Образец 5 | 6,47 | 31,8 | 558 | 50 | 2,06 |
| Образец 6 | 6,47 | 31,8 | 566 | 52 | 2,09 |
| Таблица 3 | |||||
| Число оборотов двигателя 2700 об/мин | |||||
| Топливо | Выходная мощность (кВт) | Крутящий момент (Н·м) | Температура выхлопа (°С) | Копоть (%) | Расход топлива (л/ч) |
| Образец 1 | 4,57 | 16,01 | 441 | 46 | 2,59 |
| Образец 2 | 4,22 | 14,74 | 443 | 7 | 1,86 |
| Образец 3 | 4,21 | 14,81 | 441 | 4 | 1,85 |
| Образец 4 | 4,16 | 14,55 | 338 | 18 | 2,59 |
| Образец 5 | 4,23 | 14,80 | 385 | 4 | 1,86 |
| Образец 6 | 4,10 | 14,42 | 377 | 4 | 1,89 |
В таблице 1 представлены результаты случая, в котором число оборотов двигателя равно 1000 об/мин. В таблице 2 представлены результаты случая, в котором число оборотов двигателя составляет от 1400 до 2200 об/мин. В таблице 3 представлены результаты случая, в котором число оборотов двигателя равно 2700 об/мин.
На фиг.1 представлены графики, показывающие результаты испытаний на двигателе, в которых использованы образец 1 (топливо сравнительного примера) и образец 2 (эмульсионное топливо настоящего изобретения). На фиг.2 представлены графики, показывающие результаты испытаний на двигателе, в которых использованы образец 1 (топливо сравнительного примера) и образец 3 (эмульсионное топливо настоящего изобретения). На фиг.3 представлены графики, показывающие результаты испытаний на двигателе, в которых использованы образец 4 (топливо сравнительного примера) и образец 5 (эмульсионное топливо настоящего изобретения). На фиг.4 представлены графики, показывающие результаты испытаний на двигателе, в которых использованы образец 4 (топливо сравнительного примера) и образец 6 (эмульсионное топливо настоящего изобретения).
Пример 2
В этом примере был использован дизельный генератор типа 13ES (изготовленный фирмой Denyo Co., Ltd.) для последовательного измерения концентраций оксидов азота и кислорода в выхлопном газе вместе с объемом выработанной электроэнергии на единицу тяжелого нефтепродукта, на основании чего измерен кпд выработки электроэнергии на эмульсионном топливе настоящего изобретения.
В качестве эмульсионного топлива настоящего изобретения было приготовлено и использовано эмульсионное топливо, состав которого включает 75 вес.% тяжелого нефтепродукта (специального типа А), 24,7 вес.% воды и 0,3 вес.% эмульгатора.
К 8,33 л тяжелого нефтепродукта (А) добавляют 2,50 л воды и 0,04 л эмульгатора (100 об. частей тяжелого нефтепродукта, 29,7 об. частей воды, 0,5 об. частей эмульгатора) и после начального ручного перемешивания полученную смесь пропускают через Nanomizer под давлением 3 МПа для тонкого размельчения и смешения, в результате чего получают эмульсионное топливо настоящего изобретения. Средний диаметр воды в эмульсионном топливе составляет от 300 до 500 нм.
Эмульсионное топливо настоящего изобретения и исходный тяжелый нефтепродукт (А) (сравнительный пример) были использованы в качестве топлив для последовательного осуществления работы упомянутого выше дизельного генератора и были последовательно измерены концентрации NOx и O2 в выхлопном газе и объем выработки электроэнергии. Концентрации NOx и O2 в выхлопном газе последовательно измеряли у выпускного дымохода генератора.
Результаты измерений в выхлопном газе, образующемся при использовании эмульсионного топлива настоящего изобретения, представлены в таблице 4, а результаты измерений в выхлопном газе при использовании одного тяжелого нефтепродукта (специального А) представлены в таблице 5. В том случае, когда использовали эмульсионное топливо настоящего изобретения, средняя концентрация NOx в выхлопном газе была равной 193 ч./млн. Когда же использовали один тяжелый нефтепродукт, среднее значение концентрации NOx было равным 369 ч./млн. Таким образом, было установлено что при использовании топлива настоящего изобретения концентрация NOx в выхлопном газе может быть значительно снижена.
| Таблица 4 | ||||
| Результаты сжигания эмульсионного топлива (тяжелый нефтепродукт специальный А 75%, H2O 24,7%, эмульгатор 0,3%) | ||||
| Время измерения (:) | Измеренное значение NOx (ч./млн) | Концентрация O2 (%) | Эквивалент NOx и O2 (ч./млн) для значения конверсии 13% | Температура выхлопного газа (°С) |
| 12:50 | 130 | 14,5 | 160 | |
| 12:55 | 140 | 14,2 | 165 | |
| 13:00 | 175 | 12,6 | 167 | |
| 13:05 | 194 | 12,1 | 174 | |
| 13:10 | 205 | 12,0 | 182 | |
| 13:15 | 201 | 12,0 | 179 | 190 |
| 13:20 | 201 | 12,1 | 179 | |
| 13:25 | 201 | 12,0 | 181 | |
| 13:30 | 211 | 12,0 | 188 | |
| 13:35 | 212 | 12,0 | 188 | |
| 13:40 | 208 | 12,0 | 185 | 190 |
| 13:45 | 214 | 12,0 | 190 | |
| 13:50 | 217 | 12,0 | 193 | 191 |
| 13:55 | 196 | 12,0 | 174 | 191 |
| 193 | 12,4 | 179 | ||
| Использованные приборы: | ||||
| NOx-метр хемилюминесцентный (наилучший прибор типа BCL-611) | ||||
| O2-метр, цирконийоксидный метод (наилучший прибор типа BCL-611) | ||||
| Метод измерения: | ||||
| Концентрация NOx - непрерывный анализ согласно JIS B7982 | ||||
| Концентрация O2 - непрерывный анализ согласно JIS B7983 | ||||
| Температура выхлопного газа - согласно JIS Z-8808 |
| Таблица 5 | ||||
| Концентрации NOx и O2. Результаты непрерывного измерения. 100%-ное сгорание тяжелого нефтепродукта специального A | ||||
| Время измерения (:) | Измеренное значение NOx (ч./млн) | Концентрация O2 (%) | Эквивалент NOx и O2 (ч./млн) для значения конверсии 13% | Температура выхлопного газа (°С) |
| 10:55 | 305 | 14,6 | 381 | |
| 11:00 | 306 | 14,7 | 389 | |
| 11:05 | 359 | 12,9 | 355 | |
| 11:10 | 406 | 11,7 | 349 | |
| 11:15 | 408 | 11,7 | 351 | |
| 11:20 | 397 | 11,7 | 342 | |
| 11:25 | 379 | 12,0 | 337 | |
| 11:30 | 380 | 12,2 | 345 | 154 |
| 11:35 | 373 | 12,2 | 339 | 154 |
| 11:40 | 375 | 12,2 | 341 | 154 |
| 11:45 | 376 | 12,2 | 342 | 154 |
| Среднее | 369 | 12,6 | 352 | |
| Использованные приборы: | ||||
| NOx-метр хемилюминесцентный (наилучший прибор типа BCL-611) | ||||
| O2-метр, цирконийоксидный метод (наилучший прибор типа BCL-611) | ||||
| Метод измерения: | ||||
| Концентрация NOx - непрерывный анализ согласно JIS B7982 | ||||
| Концентрация O2 - непрерывный анализ согласно JIS B7983 | ||||
| Температура выхлопного газа - согласно JIS Z-8808 |
Далее, результаты по выработке электроэнергии в этом примере даны в таблице 6. Объем выработки электроэнергии на единицу тяжелого нефтепродукта для дизельного генератора составил 3,33 кВт/кг, когда было использовано эмульсионное топливо настоящего изобретения, и 2,73, кВт/кг, когда был использован один тяжелый нефтепродукт. С помощью эмульсионного топлива настоящего изобретения объем выработки электроэнергии был повышен на примерно 22% и при этом было показано, что кпд выработки электроэнергии в случае эмульсионного топлива настоящего изобретения был более высоким.
| Таблица 6 | ||||
| Применение дизельного генератора | ||||
| Традиционный способ | Топливо тяжелый нефтепродукт (А) (г) | Количество тяжелого нефтепродукта (А) в топливе (г) | Объем выработки электроэнергии (кВт/ч) | Объем выработки электроэнергии на 1 кг тяжелого нефтепродукта (А) (кВт/ч) |
| 4395 | 4395 | 11,9 | 2,71 | |
| 4400 | 4400 | 11,7 | 2,66 | |
| 6035 | 6035 | 17,0 | 2,81 | |
| Среднее | 2,73 | |||
| Способ согласно изобретению | Эмульсионное топливо: тяжелый нефтепродукт (А) 75%, вода 24,7%, эмульгатор 0,3% (г) | Количество тяжелого нефтепродукта (А) в топливе (г) | Объем выработки электроэнергии (кВт/ч) | Объем выработки электроэнергии на 1 кг тяжелого нефтепродукта (А) (кВт/ч) |
| 6460 | 4703 | 18,5 | 3,93 | |
| 4510 | 3270 | 10,8 | 3,30 | |
| 5540 | 4009 | 12,8 | 3,19 | |
| 5595 | 4048 | 13,1 | 3,24 | |
| 1470 | 1063 | 3,1 | 3,01 | |
| Среднее | 3,33 | |||
| Примечание: Электрогенератор: тип TLG-13ESY, изготовленный фирмой Denyo 10,5 квА, 200 В, трехфазный |
На основании описанных выше результатов испытаний на горение указанных выше соответствующих образцов установлено следующее.
1. В топливах всех образцов отсутствуют значительные колебания в кпд при работе с полной нагрузкой.
2. В случае эмульсионного топлива значительно уменьшено задымление.
3. Объем расхода (использованного количества) горючего нефтепродукта для получения выходной мощности и крутящего момента, достигаемых при использовании одного горючего нефтепродукта, снижаются на примерно 25% при использовании эмульсионного топлива настоящего изобретения.
4. В случае эмульсионного топлива при малой нагрузке кпд двигателя снижается. Температура выхлопа также снижается.
Иными словами, эмульсионное топливо настоящего изобретения, в случае, когда к тяжелому нефтепродукту или к легкому нефтепродукту добавлено 24,5% воды, обладает почти такими же характеристиками, как и 100%-ный тяжелый нефтепродукт или 100%-ный легкий нефтепродукт до 2200 об/мин. Это удивительное достижение.
Однако при скорости вращения 2600 об/мин и выше это топливо может приводить к перебоям в зажигании. Соответственно, в тех случаях, когда эмульсионное топливо настоящего изобретения используют, например, как судовое топливо, можно считать приемлемым использование легкого нефтепродукта в акватории порта, и затем переключаться на использование эмульсионного топлива за пределами акватории порта.
Согласно настоящему изобретению, смесевую жидкость, включающую в себя воду и горючий нефтепродукт, подвергают воздействию давления, чтобы заставить ее проходить через одно или множество малых отверстий с целью получения эмульсионного топлива путем тонкого размельчения и смешении смеси за счет кавитационного эффекта, обусловленного турбулентностью, возникающей при прохождении через отверстия. Например, эмульсионное топливо, содержащее 25% тонко размельченной и смешанной воды не нарушает режима работы двигателя и позволяет получать такие же выходную мощность и крутящий момент, как и тяжелый нефтепродукт (А) или легкий нефтепродукт. При этом расход топлива аналогичен даже в случае содержания в топливе 25% воды (простой расчет дает достижение 25% экономии энергии).
Кроме того, образование сажи и диоксинов снижаются до от 1/2 до 1/5 (от теоретического отсутствия образования), NOX также снижаются до от 1/2 до 1/3. Благодаря этому эмульсионное топливо настоящего изобретения в качестве топлива для пламенной печи обладает дополнительным эффектом энергосбережения и при этом достигается от 25 до 35% экономии энергии. Кроме того, в качестве исходного материала может использоваться отработанное масло.
Как правило, эмульсионное топливо (водно-смесевое топливо на основе эмульсии типа вода-в-масле) получают добавлением к воде и нефтепродукту от 0,5 до 5% эмульгатора с последующим перемешиванием и смешением смеси с образованием эмульсии, которая, как правило, содержит частицы со средним диаметром от нескольких микрон до нескольких десятков микрон. Даже если эмульсионное топливо получают с использованием исключительно хорошего эмульгатора, средний диаметр составляет примерно нескольких микрон (примерно от 1 до 3 микрон) и такое топливо представляет собой так называемое водно-смесевое топливо, состоящее из жидкости в эмульгированном состоянии (эмульсионное топливо).
Однако эмульсионное топливо, состоящее из жидкости в эмульгированном состоянии, имеет тенденцию со временем расслаиваться и даже тогда, когда расслоения не происходит его вязкость со временем повышается (дилатансия), что является противоположностью тиксотропии, и приводит с сбоям в работе, например к забивке труб или сопел.
Эмульсионное топливо, получаемое с помощью настоящего изобретения, представляет собой эмульсионное топливо, в котором нефтепродукт и вода смешаны в состоянии сверхтонких частиц (наноуровень) и средний диаметр частиц, образующих эмульсию воды или горючего нефтепродукта, составляет 1000 нм и преимущественно от 200 до 700 нм. В результате этого устойчивость топлива исключительно высока и оно характеризуется высокой эффективностью сгорания, благодаря чему эмульсионное топливо настоящего изобретения может быть использовано для всех целей, таких как двигатели, пламенные печи, мусоросжигатели, паровые котлы и генераторы.
Например, если эмульсионное топливо настоящего изобретения используют в качестве моторного топлива для автотранспортных средств и судов, можно получить от 15 до 25% экономии энергии. Кроме того, можно снизить выделение сажи и диоксинов до от 1/2 до 1/5 и снизить выделения NOX до от 1/2 до 1/3, достигая, таким образом, низкого загрязнения окружающей среды и великолепной устойчивости. Вследствие этого появляется возможность приготовлять смесевую жидкость с тонкими частицами на автозаправочных станциях и заливать жидкость в топливный бак автотранспортного средства сразу же после приготовления.
Кроме того, эмульсионное топливо настоящего изобретения может использоваться для паровых котлов, генераторов, пламенных печей и мусоросжигателей, и при этом возможно использование отработанного масла. Достигнутым результатом является то, что, если эмульсионное топливо настоящего изобретения используется для пламенной печи, эффект экономии энергии может быть повышен на 30-40%.
1. Способ производства эмульсионного топлива, включающий добавление от 10,0 до 150,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта, тонкое размельчение и смешение воды с горючим нефтепродуктом с помощью тонко размельчающего и смешивающего средства, в результате чего образуется эмульсионное топливо, в котором средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет 1000 нм или меньше.
2. Способ производства эмульсионного топлива по п.1, в котором осуществляют тонкое размельчение и смешение воды с горючим нефтепродуктом с помощью тонко размельчающего и смешивающего средства, в результате чего образуется эмульсионное топливо, у которого средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет от 200 до 700 нм.
3. Способ производства эмульсионного топлива по п.1, в котором добавляют горючий нефтепродукт к воде, имеющей восстановительный потенциал -100 мВ или ниже, и осуществляют тонкое размельчение и смешение воды с горючим нефтепродуктом с помощью тонко размельчающего и смешивающего средства, в результате чего образуется эмульсионное топливо, у которого средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет от 200 до 700 нм.
4. Способ производства эмульсионного топлива по любому из пп.1-3, в котором воду выбирают из одной, двух или более вод, таких как водопроводная вода для питья, дождевая вода, бытовая сточная вода, вода органических отходов, промышленная сточная вода и сточная вода с животноводческих ферм.
5. Способ производства эмульсионного топлива по любому из пп.1-3, в котором горючим нефтепродуктом является один, два или более типа нефтепродуктов, выбираемых из тяжелого нефтепродукта, легкого нефтепродукта, осветительного керосина, летучего нефтепродукта, промышленного отработанного масла и масла для жарки, такого как темпуровое масло, соевое масло и кунжутное масло.
6. Способ производства эмульсионного топлива по любому из пп.1-3, в котором горючий нефтепродукт или вода, или горючий нефтепродукт и вода содержат полихлорированный бифенил (РСВ) и/или диоксины или РСВ и диоксины.
7. Способ производства эмульсионного топлива по любому из пп.1-3, в котором тонко размельчающее и смешивающее средство включает устройство, в котором первичную смесевую жидкость, включающую воду и горючий нефтепродукт, подвергают воздействию давления и тонко размельчают и смешивают за счет кавитационного эффекта, обусловленного турбулентностью, возникающей около одного, двух или более отверстий.
8. Способ производства эмульсионного топлива по любому из пп.1-3, в котором размельчающее и смешивающее средство включает устройство, в котором первичную смесевую жидкость, включающую воду и горючий нефтепродукт, подвергают воздействию давления, заставляя ее течь внутри насоса со скоростью 50 м/с или выше, в результате чего первичная смесевая жидкость ускоряется для прохода через множество образованных в стенке отверстий, каждое диаметром 500 мкм или меньше и тонко размельчается и смешивается за счет кавитационного эффекта, обусловленного турбулентностью между струями жидкости.
9. Устройство для производства эмульсионного топлива, включающее средство первичного смешения воды и горючего нефтепродукта для первичного смешения воды и горючего нефтепродукта путем добавления от 10,0 до 150,0 об. частей воды на 100 об. частей горючего нефтепродукта и средство тонкого размельчения и смешения для тонкого размельчения и смешения первичной смесевой жидкости на основе воды и горючего нефтепродукта, получаемой с помощью средства первичного смешения до состояния мелких частиц, в результате чего образуется эмульсионное топливо, у которого средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет 1000 нм или меньше.
10. Устройство для производства эмульсионного топлива по п.9, в котором средство тонкого размельчения и смешения тонко диспергирует и смешивает смесь на основе воды/горючего нефтепродукта, получаемую с помощью средств первичного смешения, в состояние мелких частиц, образуя тем самым эмульсионное топливо, в котором средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта составляет от 200 до 700 нм.
11. Устройство для производства эмульсионного топлива по п.9 или 10, в котором необходимый восстановительный потенциал воды равен -100 мВ или ниже.
12. Устройство для производства эмульсионного топлива по п.9 или 10, в котором средство тонкого размельчения и смешения создает давление, оказываемое на первичную смесевую жидкость на основе воды/горючего нефтепродукта, заставляющее ее проходить через одно, два или более малых отверстия, и тонко размельчает и смешивает за счет кавитационного эффекта, обусловленного возникающей около отверстий турбулентностью.
13. Устройство для производства эмульсионного топлива по п.9 или 10, в котором средство тонкого размельчения и смешения создает давление, оказываемое на первичную смесевую жидкость на основе воды/горючего нефтепродукта, заставляя ее течь внутри насоса со скоростью 50 м/с или выше, в результате чего ускоряет первичную смесевую жидкость на основе воды/горючего нефтепродукта для того, чтобы она проходила через множество образованных в стенке отверстий, каждое из которых имеет диаметр 200 мкм или менее; и тонко размельчает и смешивает первичную смесевую жидкость на основе воды/горючего нефтепродукта, создавая кавитацию за счет турбулентности между струями жидкости, создаваемыми отверстиями.
14. Эмульсионное топливо, в котором от 10,0 до 150,0 об. частей воды смешивают со 100 об. частями горючего нефтепродукта с помощью тонко размельчающего и смешивающего средства, причем средний диаметр частиц горючего нефтепродукта составляет 1000 нм или меньше.
15. Эмульсионное топливо по п.14, где средний диаметр частиц воды или горючего нефтепродукта в эмульсионном топливе составляет от 200 до 700 нм.
