專利名稱：一種甲烷化模式燃料及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體含碳燃料，特別涉及液體含碳燃料配水。
背景技術(shù)：
如今，全球城市廢氣的80％～90％來自燃燒油的排放物。研究發(fā)現(xiàn)，只有一種典型的方法既能使燃燒油排放物降低，又能提高燃燒效率，這就是水油混燒技術(shù)。1981年國際燃料協(xié)會第一屆年會上決定把摻水燃料，作為三大節(jié)能措施之一。中國專利申請?zhí)?1103560.5“內(nèi)燃機含水燃燒和燃燒方法”，提出了燃料含水燃燒的水油配比約20％到約80％(體積，以所述燃料總體積為基)；中國專利申請?zhí)?4120151.1“內(nèi)燃機使用燃油、水混合液的實施方法”，提出在水油混燒時，水油配比與燃油的平均分子式有關(guān)，若簡記燃油平均分子式為CnH2n+2，則水在混合液中的比例極限為18n/(32n+2)×100％，即水在混合液中的含量可小于或等于該值；中國專利申請?zhí)?0120786.5“柴油機中同時降低氧化氮及碳黑微粒排放的清潔燃燒方法”，提出一套在線配置乳化油系統(tǒng)，乳化油配比為水∶油＝0.15～1；中國專利號96106233.9“混合和輸送用于柴油機的乳化液的方法和設(shè)備”，提出一種混合和輸送用于柴油機的由水和燃料組成的乳化液的方法。然而，他們都沒有深入取得實質(zhì)性的進展，一直沒有找到一種合適的水油混燒模式，不能確定水油混燒的最佳水油配比，不能確定水油混燒的最佳方案。因此，這項既能提高內(nèi)燃機燃燒效率又能降低內(nèi)燃機有害物排放的水油混燒技術(shù)仍然沒在內(nèi)燃機中推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)水油混燒的盲目性，按照水油混燒的科學依據(jù)，獲得水油混燒最佳模式和最佳水油配比的燃油方案。
本發(fā)明提出一種甲烷化模式燃料，主要包括油和水等，其特征在于水油配比為水∶油＝M＝αM0，其中M-油/或燃油甲烷化模數(shù)，即最佳水油配比α-燃燒狀態(tài)因子(0.5≤α≤1.2)
M0-油/或燃油理論甲烷化模數(shù)M0=4n-m2(molH2O/moloil)=9(4n-m)12n+m+16y(KgH2O/Kgoil)--(*)]]>所述油/或燃油，至少包括汽油或柴油或煤油或重油或渣油或煤焦油或二甲醚、或常溫下為液態(tài)的醇類或植物油或動物油、或其幾種混合物，略去自由水的平均分子式記為CnHmOy(n≥2，m≥2，y≥0)，它們有或沒有添加劑，常溫下為液態(tài)。在本發(fā)明中，術(shù)語油和燃油同義。
所述水指，日?？梢垣@得的清潔水，例如去離子水、蒸餾水、純凈水或自來水等，也包含空氣濕度水分，可以含有或不含有添加劑和/或有機物等，但限制不得含有對設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)生額外磨損或腐蝕的成分。
所述平均分子式含義指，對油或燃料系混合物而言，僅表示其中C、H、O三元素成分相對比例組成?？梢杂山M成物的單質(zhì)分子式或者由本領(lǐng)域技術(shù)人員按傳統(tǒng)的燃料化學分析實驗檢測而得到。該分子式可以比較不同油或燃油在本發(fā)明中的可甲烷化屬性。對于具體具有相同平均分子式的所述油或燃油，不論其具體成分各異，它們的可甲烷化屬性在本發(fā)明相同的條件下應(yīng)該是表現(xiàn)一致的。
所述甲烷化模式含義指，所述油按M配水燃燒時，具有近似于甲烷或天然氣燃燒時的化學環(huán)境。
所述甲烷化模式燃料含義指，所述油按M配水作為動力或熱力燃料燃燒時，具有所述甲烷化模式。
其根據(jù)如下1、甲烷燃燒時，完全化學反應(yīng)方程式為(1)平均分子式為CnHmOy(n≥2，m≥2，y≥0)的油/或燃油燃燒時，完全化學反應(yīng)方程式為CnHmOy+4n+m-2y4O2→nCO2+m2H2O--(2)]]>將(2)式兩端同時加上M H2O，根據(jù)物質(zhì)不滅定律，有CnHmOy+4n+m-2y4O2+MH2O→nCO2+m2H2O+MH2O--(3)]]>將(1)式兩端同時乘上一個系數(shù)n，有
(4)設(shè)(3)式和(4)式的右端反應(yīng)生成物相等，從而可以求出油/或燃油的理論甲烷化燃燒模數(shù)M0，其數(shù)值為(*)式。
油/或燃油的理論甲烷化燃燒模數(shù)M0的意含義指按(3)式油/或燃油CnHmOy(n≥2，m≥2，y≥0)，1摩爾油/或燃油添加相應(yīng)的 摩爾水，即每千克所述油配水 千克，就可以使油配水燃燒時的主要生成物和燃燒甲烷時的主要生成物相同，于是創(chuàng)造了一個理想的甲烷化模式燃燒的化學環(huán)境。
2、根據(jù)科學出版社1983年出版的由[美]歐文·格拉斯曼著的《燃燒學》一書中第57至61頁，介紹了甲烷燃燒氧化機理，可以認為通常，甲烷在燃燒氧化時，先脫掉一個H，接著脫掉第二個H，爾后脫掉第三個H，于是變成HCO，脫掉的H生成諸如H2、HO2、OH和H2O等中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物同時又參與燃燒反應(yīng)，尤其是生成的H2O又參與重整反應(yīng)，然后HCO被氧化成CO，CO最后被氧化成CO2。對于烴類在燃燒氧化時，根據(jù)機械工業(yè)出版社1990年出版的由何學良等編著的《內(nèi)燃機燃燒學》一書中第249至253頁，介紹了烴油在內(nèi)燃機中經(jīng)歷的三個階段和高溫單階段著火過程，可以認為通常，烴類在內(nèi)燃機中首先是斷碳鏈、脫氫，變成較低級的烴，較低級的烴接著繼續(xù)斷碳鏈、脫氫，變成更低級的烴，如此重復，直至產(chǎn)生大量的HCHO，并產(chǎn)生一系列中間產(chǎn)物，諸如CH3、H、H2、OH、H2O等等，產(chǎn)生的CH3即相當于甲烷脫掉一個H，它最終也被氧化成HCO，其余的中間產(chǎn)物同時也參與燃燒氧化反應(yīng)，尤其是H2O參與重整反應(yīng)，然后HCHO、HCO被氧化成CO，CO最后被氧化成CO2。至于含氧油，在燃燒過程中，必然先脫水和熱解為較低級的烴，并伴隨有碳連鏈裂，再后重復類似上述的過程。因此可以認為，油燃燒時，根據(jù)其不同的種類CnHmOy(n≥2，m≥2，y≥0)，按M0配水燃燒，水則與所述油發(fā)生重整反應(yīng)，其生成物又參與燃燒氧化反應(yīng)，水在整個燃燒反應(yīng)過程中參與燃燒，尤其是燃燒的最后階段，與甲烷燃燒過程極其相似，再次說明所述油配水M0燃燒創(chuàng)造了一個理想的甲烷化模式的化學環(huán)境。
3、當所述油/或燃油定量配水燃燒時，排放的氮氧化物(NOX)大幅度降低，主要原因是定量配水燃燒使整個燃燒場的還原性增強。因為配水在設(shè)備管理燃燒場中發(fā)生下列凈化反應(yīng)(5)由此減少了氧基的濃度，使整個燃燒場的相對氧化性降低，相對還原性增強，在很大程度上抑制了氮氧化物的生成。當根據(jù)油的不同種類CnHmOy(n≥2，m≥2，y≥0)，按M0配水燃燒，比較上述化學反應(yīng)方程式(3)和(4)，由于右端反應(yīng)生成物中的H2O相等，所以，水油在設(shè)備燃燒場中燃燒時的相對還原性，近似于甲烷在設(shè)備燃燒場中燃燒時的相對還原性。
現(xiàn)以柴油內(nèi)燃機燃料對比為例說明。中國專利申請?zhí)?0120786.5指出，當水油配比達到1∶1時，柴油內(nèi)燃機燃燒排放氮氧化物可以降低85％左右；也有資料(http//www.hncd.gov.cn/zazhi/jiaotongshehui/dibaqi/p41.htm)表明，柴油內(nèi)燃機換用主要成分為甲烷的天然氣，其排放的NOX將比其使用柴油時低近40％。當水與油的質(zhì)量比達到1∶1進行燃燒時，柴油基本上接近理想的甲烷化模式燃燒。兩者排放的NOX都比使用純柴油時有大幅度的下降，主要原因是它們的燃燒場的相對還原性比燃燒純柴油時的燃燒場的相對還原性強，從而在很大程度上抑制了NOX的生成。至于柴油和水以質(zhì)量之比1∶1進行燃燒時，其排放的氮氧化物遠低于燃燒天然氣時排放的氮氧化物的主要原因是，由于柴油配水燃燒時使整個燃燒場的溫度比天然氣燃燒時整個燃燒場時低，從而使得生成氮氧化物敏感的高溫條件有所緩和。所以，從燃燒場的相對還原性角度而言，按M0配水燃燒，其整個燃燒場的還原性近似于甲烷燃燒時整個燃燒場的相對還原性，再次說明油/或燃油配水M0燃燒創(chuàng)造了一個理想的甲烷化模式燃燒的化學環(huán)境。
4、從燃燒的化學環(huán)境來看，不同種類的油/或燃油CnHmOy(n≥2，m≥2，y≥0)，按M0配水燃燒，僅僅形成油/或燃油配水甲烷化模式燃燒的必要條件。然而，燃燒設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)、系統(tǒng)特性目標、運行工況、進入設(shè)備的油/或燃油自身的氫碳原子數(shù)之比(H/C)a、芬烴含量A、油/或燃油物理狀態(tài)、粘度、汽化潛熱、配水和進氣物理狀態(tài)、過量或過?？諝庀禂?shù)或空燃比、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊雀鞑幌嗤?，尤其是當水以液態(tài)進入設(shè)備時要吸收一定的熱量，使甲烷化模式燃料在設(shè)備燃燒場中的溫度，比燃燒甲烷或天然氣時的整個燃燒場的溫度低，在一定程度上影響內(nèi)燃機的甲烷化模式燃燒；水和油/或燃油可能同時進入設(shè)備，也可能在不同的時刻進入設(shè)備，不為固定模模式，而甲烷通常是以氣態(tài)進入設(shè)備的，所以，按甲烷化模式燃料設(shè)備，實際最佳水油配比可能和油/或燃油的理論甲烷化燃燒模數(shù)M0不一致。故本發(fā)明引入一個燃燒狀態(tài)因子α來對油/或燃油的理論甲烷化燃燒模數(shù)M0進行修正，推薦α的取值為0.5≤α≤1.2?？紤]到內(nèi)燃機水油混燒，一定程度上汽缸內(nèi)燃燒場比熱容有所增加，限值所述α不致影響內(nèi)燃機效率和動力性能下降為準。另外，也可以從M0出發(fā)，結(jié)合噴油定時和負荷工況參數(shù)，采用優(yōu)選法，通過現(xiàn)有技術(shù)公知的有限次內(nèi)燃機傳統(tǒng)臺架試驗檢測，確定α和M。
以上分析了油/或燃油按M0配水燃燒的化學環(huán)境，結(jié)合水油混燒的實際狀況，給出了水油配比是水∶油＝M＝αM0，即在水油混燒系統(tǒng)中，按油/或燃油的不同種類CnHmOy(n≥2，m≥2，y≥0)，1摩爾油/或燃油添加 α摩爾水，或則每千克油/或燃油配水 α千克(包含空氣濕度水分)，就可以制成或乳化制成一種甲烷化模式燃料。其效果可使燃油內(nèi)燃機排放有害物降低到燃用甲烷或天然氣時排放有害物的相當水平。
本發(fā)明所述甲烷化模式燃料的動力用途，作為內(nèi)燃機原動機的燃料，開動它們所配裝的車輛或汽車或卡車或摩托車或坦克或裝甲車或鐵路牽引機車或軌道車或船舶或輪船或客輪或油輪或漁輪或艦艇或潛艇或艦船或快艇或氣墊船或護衛(wèi)艦或驅(qū)逐艦或巡洋艦或挖掘機或推土機或鋪路機或鋪管機或破碎機或粉碎機或卷揚機或拖拉機或收割機或水泵或壓氣機或壓縮機或排水設(shè)備或農(nóng)副產(chǎn)品加工設(shè)備或發(fā)電設(shè)備；本發(fā)明所述甲烷化模式燃料的熱力用途，作為燃料用于鍋爐或窯爐或爐灶或燃燒設(shè)備或供熱設(shè)備或供汽設(shè)備或溴化鋰吸收式制冷機組或氨水吸收式制冷機組或溴化鋰吸收式熱泵或氨水吸收式熱泵。這樣所述各種車輛、船舶、機械設(shè)備或熱力設(shè)備等排放的有害物降低到與燃用甲烷或天然氣時排放的有害物的相當水平。
根據(jù)所述各種不同設(shè)備或機器的具體用途要求，甲烷化燃料的實施形態(tài)主要有兩種類型，一種類型是按M水油分道相互獨立的噴射系統(tǒng)進入設(shè)備的燃燒場，現(xiàn)有公知技術(shù)，如中國專利89101351.2號所述；另一種類型是以乳化油形態(tài)被應(yīng)用，特別是油/或燃油或燃料生產(chǎn)制造廠商按M值進行分段確定標號或牌號系列化開發(fā)生產(chǎn)，根據(jù)用戶設(shè)備的不同要求，普通技術(shù)人員按公知的現(xiàn)有技術(shù)，他們可以適當加入相關(guān)的乳化劑、抗氧化劑、促燃劑、穩(wěn)定劑、十六烷值增值劑、降凝劑、減磨劑或消煙劑等之類的助劑或添加劑，經(jīng)過有限次優(yōu)選試驗，采用復配方法即可向社會供應(yīng)系列化，以至標準化甲烷化模式燃料產(chǎn)品。通常，按乳化常規(guī)用的乳化劑，用量較少，約為所述油的1％～2％左右，對平均分子式的影響很小。
本發(fā)明的有益效果在于，與現(xiàn)有的水油混燒相比，綜合了液體油燃料和氣態(tài)燃料或天然氣兩方面的優(yōu)點長處，找到一種有充分科學依據(jù)的理想的水油混燒模式和最佳水油配比，即水∶油＝M＝αM0，有重大環(huán)保和節(jié)能義。本發(fā)明為解決資源短缺日趨枯竭問題，為尋求和拓寬內(nèi)燃機代用燃料，特別是植物油、含氧燃油的開發(fā)，提供了科學的根據(jù)和現(xiàn)實的工具手段。
具體實施例方式
實施例1一種甲烷化模式燃料，系按現(xiàn)有公知技術(shù)處理方法獲得的乳化燃油，主要包括汽油、水和椰子油酰胺，其中，水油配比是水∶油＝Mgasolene＝αM0gasolene，水用去離子水，椰子油酰胺與汽油的質(zhì)量比為2％。汽油一般含碳原子數(shù)約為C4～C12，略去椰子油酰胺對該燃油的平均分子式的影響，則該燃油的平均分子式可以汽油的平均分子式表示，記為C8H18Oy(y＝0)，于是根據(jù)(*)式計算出汽油的理論甲烷化燃燒模數(shù)M0gasolene=7(molH2O/molgasolene)≈1.1(KgH2O/Kggasolene)]]>根據(jù)水∶油＝Mgasolen＝αM0gasolene，這里包含空氣濕度水分，推薦α＝0.8～1.2，則可得出汽油甲烷化模式燃燒的最佳水油配比Mgasolene=5.6~8.4(molH2O/molgasolene)=0.88~1.32(KgH2O/Kggasolene)]]>乳化燃油應(yīng)用辦法，具體燃燒設(shè)備用戶，可采用優(yōu)選法，通過有限次實驗確定特定的最佳值Mgasolene或α。油或燃油/或燃料的生產(chǎn)廠商按Mgasolene值分段為0.90～0.95～1.00～1.05……進行系列化生產(chǎn)和供應(yīng)甲烷化模式燃料。
本實施例的效果是，實現(xiàn)了汽油按Mgasolene配水，成為甲烷化模式燃料。
實施例2在實施例1的基礎(chǔ)上制取甲烷化模式燃料，僅將汽油更換為柴油。柴油一般含碳原子數(shù)約為C10～C26，略去椰子油酰胺對該燃油的平均分子式的影響，則該燃油的平均分子式可以柴油的平均分子式表示，記為C18H38Oy(y＝0)，于是根據(jù)(*)式計算出柴油的理論甲烷化燃燒模數(shù)M0dieseloil=17(molH2O/moldieseloil)≈1.2(KgH2O/Kgdieseloil)]]>根據(jù)水∶油＝Mdiesel oil＝αM0diesel oil，這里包含空氣濕度水分，推薦α＝0.5～1.0，則可得出柴油甲烷化模式燃燒的水油配比Mdieseloil=13.6~20.4(molH2O/moldieseloil)=0.96~]]>1.44(KgH2O/Kgdieseloil)]]>其最佳值Mdiesel oil或α也可采用優(yōu)選法，通過有限次試驗確定。
乳化燃油應(yīng)用辦法與實施例1同理。
本實施例的效果是，實現(xiàn)了柴油按Mdiesel oil配水，成為甲烷化模式燃料。
實施例3在實施例1的基礎(chǔ)上制取甲烷化模式燃料，將汽油更換為柴油和大豆油各一半(以體積記)，在油中加入1.5％十六烷值增值劑硝基正戊烷。一般大豆油平均分子式可以記為C18H34O2，柴油的平均分子式可以記為C18H38Oy(y＝0)，略去椰子油酰胺、十六烷值增值劑硝基正戊烷對該燃油的平均分子式的影響，則該燃油的平均分子式可以記為C18H36O1，于是根據(jù)(*)式計算出該燃油的理論甲烷化燃燒模數(shù)M0oil=19(molH2O/moloil)≈1.2(KgH2O/Kgoil)]]>根據(jù)水∶油＝Moil＝αM0oil這里包含空氣濕度水分，推薦α＝0.5～0.8，則可得出該燃油甲烷化模式燃燒的最佳水油配比
Moil=9.5~15.2(molH2O/moloil)=0.60~0.96(KgH2O/Kgoil)]]>其最佳值Moil或α也可以從M0oil為出發(fā)采用優(yōu)選法，通過有限次實驗確定。
乳化燃油應(yīng)用辦法與實施例1同理。
本實施例的效果是，實現(xiàn)了植物大豆油和柴油的混合物按Moil配水，成為甲烷化模式燃料。
本發(fā)明提出的甲烷化模式燃料并不局限于上述實施例，廣泛適用于所述各種油品等。本發(fā)明甲烷化模式燃料作為內(nèi)燃機或原動機或熱力設(shè)備的燃料，廣泛適用于所述各種車輛、船舶和機械設(shè)備等。
權(quán)利要求
1.一種甲烷化模式燃料，主要包括油和水等，其特征在于水油配比為水∶油＝M＝αM0，其中M-油/或燃油甲烷化模數(shù)，即最佳水油配比α-燃燒狀態(tài)因子(0.5≤α≤1.2)M0-油/或燃油理論甲烷化模數(shù)M0=4n-m2(molH2O/moloil)=9(4n-m)12n+m+16y(KgH2O/Kgoil)]]>所述油/或燃油的平均分子式記為CnHmOy(n≥2，m≥2，y≥0)所述油/或燃油至少包括汽油或柴油或煤油或重油或渣油或煤焦油或二甲醚、或常溫下為液態(tài)的醇類或植物油或動物油、或其幾種混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料的動力應(yīng)用，作為內(nèi)燃機或原動機的燃料，開動它們所配裝的車輛或汽車或卡車或摩托車或坦克或裝甲車或鐵路牽引機車或軌道車或船舶或輪船或客輪或油輪或漁輪或艦艇或潛艇或艦船或快艇或氣墊船或護衛(wèi)艦或驅(qū)逐艦或巡洋艦或挖掘機或推土機或鋪路機或鋪管機或破碎機或粉碎機或卷揚機或拖拉機或收割機或水泵或壓氣機或壓縮機或排水設(shè)備或農(nóng)副產(chǎn)品加工設(shè)備或發(fā)電設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料的熱力應(yīng)用，作為燃料用于鍋爐或窯爐或爐灶或燃燒設(shè)備或供熱設(shè)備或供汽設(shè)備或溴化鋰吸收式制冷機組或氨水吸收式制冷機組或溴化鋰吸收式熱泵或氨水吸收式熱泵。
全文摘要
本發(fā)明涉及液體含碳燃料，特別涉及向液體含碳燃料中加入添加物，主要包括油和水，科學地給出了水油混燒時水和燃油的水油配比M，即最佳水油配比，由燃油的理論甲烷化燃燒模數(shù)M
文檔編號C10L1/04GK1500852SQ0214521
公開日2004年6月2日 申請日期2002年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者趙晴, 肖尤明, 徐烈, 趙 晴 申請人:趙晴, 趙 晴