Brevet FR2468639A1 — publié le 19810508

La présente invention concerne des combustibles pétroliers et, plus particulièrement, de tels combustibles contenant en émulsion de faibles quantités d'eau. Dans l'ex- pression "combustibles pétroliers, on entend englober toutes les qualités des produits connus sous les désignations de fuel-oils ou mazout, aussi bien que des fractions raffinées, comme l'essence et le kérosène, qui sont destinées à des brû- leurs de fours et de chaudières et à des moteurs à pistons, à turbine et à réaction. On sait dans l'art antérieur que l'incorporation et le mélange d'un faible pourcentage d'eau, allant par exemple jusqu'à un maximum d'environ 10 '-en poids, à des combustibles pétroliers peut augmenter les qualités de combustion du com- bustible et donc améliorer le rendement du combustible et en diminuer les émissions nuisibles et indésirables et les sous- produits formés. Il a été en outre observé que la façon la plus efficace d'incorporer l'eau au combustible pétrolier consiste à opérer une émulsification, et la présente inven- tion vise de telles émulsions d'eau dans un combustible pé- trolier. Selon les procédés et modes opératoires de l'art antérieur, ces émulsions ont été formées dans les conduits, c'est-à-dire au cours de l'acheminement du combustible pétro- lier vers la chambre de combustion. En outre, la pratique courante a consisté à incorporer des adjuvants d'émulsifica- tion, comme des tensio-actifs, dans le mélangegafin de favo- riser le processus d'émulsification. Jusqu'à présent, de tels combustibles émulsifiés n'ont pas été produits sous forme d'émulsions stables, et les combustibles émulsifiés n'ont pu être stockés pendant des périodes prolongées. Donc, l'émulsi- fication dans les conduits a nécessité d'incorporer un équipe- ment d'émulsification associé à chaque installation de combus- tion. Selon la présente invention, il a été découvert que l'on peut produire, même sans utiliser des additifs de stabi- lisation, des émulsions stables de faibles quantités d'eau (dont le maximum est d'environ 15 ou 20 %) dans des combusti- bles pétroliers. Par l'expression "émulsions stables", on entend des émulsions pouvant être stockées durant trois mois ou davantage sans aucune variation appréciable ou séparation de la phase dispersée et de la phase continue. En raison de la stabilité de ces émulsions, il est possible de les produire à un poste de traitement central en vue d'une distribution normale vers des sites de consommation dans lesquels le combustible émul- sifié peut alors être stocké puis envoyé vers des brûleurs ou dispositifs analogues, selon les nécessités, sans traitement supplémentaire ou émulsification dans les conduits. Il a été découvert que de telles émulsions stables sont obtenues lorsque la dimension des gouttelettes de la phase aqueuse, c'est-à-dire la phase dispersée, est quasi- totalement inférieure à environ 0,5 micron. Alors que la dimension des gouttelettes nécessaire pour leur stabilité varie un peu selon la viscosité du combustible pétrolier utilisé, il a été observé qu'avec une huile résiduelle pré- sentant une viscosité de 0,85 poise/sec., des gouttelettes d'eau de 0,5 micron restent en suspension pendant plus de trois mois sans aucun dépôt notable, alors que des gouttelet- tes de 1 micron montrent un dépôt appréciable en sept jours seulement de stockage, et des gouttelettes de 10 microns en une heure seulement. Bien que des huiles plus visqueuses puissent acquérir de la stabilité en comportant des gouttelettes d'eau plus grosses, on a obtenu encore de telles améliorations im- portantes de la stabilité avec des gouttelettes ayant 0,5 mi- cron ou moins,encore que l'on considère cette valeur comme optimale pour toutes les huiles. On pense que les émulsions de la présente invention sont analogues à des suspensions colloïdales, et que les gouttelettes sont retenues en suspen- sions stables par l'énergie thermique du système. - Les émulsions de la présente invention ne s'obtiennent pas facilement. Il a été trouvé que ces émulsions peuvent être formées lorsque l'on fait passer l'huile et l'eau, selon le rapport voulu, dans un moulin à élément rotatif provoquant des chocs à grande vitesse ou à haute énergie. Un moulin à élément rotatif provoquant des chocs, du type utilisé pour la mise en pratique de la présente invention, est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 171 604 auquel on pourra se référer. Dans le moulin particulier utilisé pour les formes spécifiques de mise en oeuvre du présent exposé, l'élément rotatif comportait six rangées circulaires concentriques de dents intercalées avec cinq rangées circulaires concentriques de dents montées sur le stator. La rangée la plus externe de dents était située sur un cercle de 88,9 cm de diamètre sur le rotor. Le diamètre des dents était de 9,52 mm, et l'entraxe de dents adjacentes dans la même rangée circulaire était de 4,06 cm, cependant que l'entraxe entre des rangées adjacentes intercalées de dents était de 1,59 cm. Pour produire une émul- sion dans laquelle les gouttelettes d'eau avaient essentielle- ment moins d'environ 0,5 micron, le moulin a fonctionné à une vitesse du rotor de 1 650 tr/min produisant une vitesse péri- phérique linéaire de 4 611,3 m/min. Dans ce moulin fonctionnant à la vitesse indiquée, une gouttelette d'eau a été statistique- ment soumise à environ 102 000 chocs/sec. Dans le cas de l'u- tilisation du moulin précité fonctionnant selon les paramètres indiqués, le procédé est désigné ici comme étant du broyage à haute énergie. Il va de soi qu'une action équivalente peut être réalisée par de tels moulins ou broyeurs conçus pour fonction- ner avec des paramètres différents présentant des inter-corré- lations, et un tel broyage équivalent est de même englobé par l'expression de broyage à haute énergie. La présente invention vise -donc à proposer une émul- sion stable comportant de l'eau et un combustible pétrolier. La présente invention vise aussi à proposer une émulsion destinée à servir de combustible à brûler dans des fours, chaudières et moteurs. L'invention vise encore à proposer un tel combustible pouvant être stocké pendant des périodes importantes sans perdre son état d'émulsion. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront aux hommes de l'art à l'examen de la description détaillée suivante illustrant l'invention et qui est faite en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un graphique montrant la stabilité de l'émulsion (en ordonnées) en fonction de la dimension des gouttelettes (en microns, en abscisses) d'eau émulsionnée dans de l'huile, dans le cas d'une huile résiduelle à faible teneur en soufre (0,5 %) présentant à 37,80C (1000F) une viscosité de 400 secondes universelles Saybolt (SSU), soit 0,85 poise/ sec.; et la figure 2 est un graphique correspondant à la figure 1 mais dans le cas d'une huile résiduelle à forte teneur en soufre (2,5 D), dont la viscosité à 37,80C est de 4 000 SSU soit 8,0 poises/sec. Dans chacun des exemples spécifiques suivants de l'invention, on a utilisé le moulin à élément rotatif provo- quant des chocs, tel qu'il a été décrit ci-dessus. L'huile de pétrole et l'eau ont été chacune introduites dans le moulin à des débits relatifs permettant d'obtenir environ 10 % en poids d'eau dans le mélange. De nombreux échantillons des émulsions d'eau dans l'huile de pétrole ont été produits et, en produisant divers échantillons à des vitesses différentes du rotor du moulin, on a obtenu différentes dimensions des gouttelettes d'eau et des distributions différentes de ces dimensions. A partir de ces échantillons, on a déterminé les vitesses de sédimentation pour diverses dimensions de gouttelettes d'eau. On a utilisé l'inverse de la vitesse de sédimentation comme mesure de la stabilité relative des émulsions dans le cas des diverses-dimensions de gouttelettes d'eau. EXEMPLE 1 Dans le présent exemple, le combustible pétrolier uti- lisé pour former les émulsions d'eau dans l'huile est une huile résiduelle à basse teneur en soufre (0,5 %), dont la viscosité à 37,80C est de 400 SSU soit 0,85 poise/sec. Le tableau sui- vant montre les vitesses de sédimentation (VS) en pouces (2,54 cm) et en centimètres par mois pour différentes dimensions des gouttelettes d'eau dans l'émulsion et, comme mesure relative de la stabilité de l'émulsion pour chaque dimension de goutte- lettes, l'inverse de la vitesse de sédimentation en pouces (1/vs). Dimension des Gouttelettes: Vitesse de sédimentation: Stabilité relative d'eau (microns): (VS): (1/VS) : pouces/mois: cm/mois: :-: :- 0,5: 0,39: 0,99: 2,6 1: 1,6 4,1 0,6 2: 6,2 : 15,75: 0,16 3: 14 35,5 0,07 4: 25 : 63,5: 0,04 : 39 99,1 0,03 10: 156 : 396,2: 0,006 L.a figure 1 montre les valeurs de la stabilité rela- tive (1/VS, en pouces, en ordonnées) en fonction de la dimension des gouttelettes d'eau (en microns, en abscisses). EXEMPLE 2 Dans le présent exemple, le combustible pétrolier utilisé pour former l'émulsion d'eau dans l'huile est une huile résiduelle à forte teneur en soufre (2,5 %) et dont la visco- sité à 37,8 C est de 4 000 SSU soit 8,0 poises/sec. Le tableau suivant montre les vitesses de sédimentation (VS) en pouces et en centimètres par mois pour différentes dimensions des goutte- lettes d'eau des émulsions et, comme mesure relative de la sta- bilité de l'émulsion pour chaque dimension de gouttelettes, l'inverse de la vitesse de sédimentation en pouces (1/VS). Dimension des Gouttelettes Vitesse de sédimentation: Stabilité relative d'eau (microns): (VS): (1/VS) : pouces/mois: cm/mois: *: : 0,5 0,0044: 0,0112 227 1: 0,018 0,046 56 2 0,07 0,172 14 4: 0,28 : 0,71: 3,6 6 0,64 1,62 * 1,6 8: 1,14 : 2,89: 0,9 1,78 4,52: 0,56 La figure 2 montre les valeurs de la stabilité rela- tive (en ordonnées) provenant du tableau ci-dessus en fonction de la dimension des gouttelettes d'eau (en microns, abscisses). Les exemples illustratifs ci-dessus de l'invention montrent que la stabilité d'une émulsion d'eau dans un combus- tible pétrolier augmente beaucoup lorsque les gouttelettes d'eau ont environ 0,5 micron. Pour bénéficier de cette stabi- lité, il est bien entendu nécessaire que la quasi-totalité des gouttelettes d'eau n'aient pas plus d'environ 0,5 micron. Lorsque l'émulsion d'eau dans l'huile est formée à l'aide d'un moulin à élément rotatif provoquant des chocs comme celui dé- crit ci-dessus, fonctionnant à une vitesse de 1 650 tr/min. soit une vitesse linéaire périphérique d'environ 4 575 m/min., environ 95 D des gouttelettes d'eau formées ont moins d'environ 0,5 micron. Lorsque le moulin fonctionne à une vitesse de 3 500 tr/min. soit une vitesse linéaire périphérique d'environ 9 760 m/min., environ 99,9 % des gouttelettes d'eau formées ont moins d'environ 0,5 micron. Diverses variantes et modifications de l'invention apparaîtront aux hommes de l'art, et celles entrant dans le cadre et l'esprit des revendications annexées sont considérées comme se situant dans le domaine de l'invention. Par exemple, puisque le moulin à élément rotatif provoquant des chocs cons- titue un pulvérisateur efficace des matières solides, des combustibles solides comme du charbon ou d'autres matières charbonneuses peuvent être introduits dans le moulin ou le broyeur avec l'huile et l'eau, et le combustible solide sera pulvérisé et mis en suspension dans l'émulsion d'eau dans l'huile à mesure que cette dernière est formée dans le moulin broyeur. De cette façon, on produit une suspension des matières solides dans l'émulsion d'eau et d'huile. REVENDICATIONS 1. Emulsion stable d'un combustible destiné à la combustion, cette émulsion étant caractérisée en ce qu'elle comprend un combustible pétrolier constituant la phase con- tinue dans laquelle sont dispersées les gouttelettes d'eau, l'eau étant présente en une proportion inférieure à environ , 6 en poids et la quasi totalité des gouttelettes d'eau ayant moins d'environ 0,5 micron. 2. Emulsion stable d'un combustible selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que la proportion de l'eau est d'environ 15 îa en poids. 3. Emulsion stable d'un combustible selon la reven- dication 2, caractérisée en ce que la proportion de l'eau est d'environ 10 % en poids. 4. Emulsion stable d'un combustible selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que le combustible pétrolier est un fuel-oil ou mazout. 5. Emulsion stable d'un combustible selon la reven- dication 4, caractérisée en ce que le fuel-oil est une huile résiduelle. 6. Emulsion stable d'un combustible selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que le combustible pétrolier et l'eau sont émulsifiés par broyage dans un moulin à élément rotatif provoquant des chocs à haute énergie. 7. Procédé pour former une émulsion stable d'un com- bustible destiné à la combustion, caractérisé en ce qu'on disperse un faible pourcentage d'eau dans un combustible pé- trolier en broyant ensemble le combustible pétrolier et l'eau dans un moulin à élément rotatif provoquant des chocs à haute énergie jusqu'à ce que la quasi-totalité des gouttelettes d'eau en dispersion dans le combustible pétrolier aient moins d'environ 0,5 micron. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le faible pourcentage de l'eau est inférieur à environ 20 %. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le combustible pétrolier est un fuel-oil ou mazout. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le fuel-oil est une huile résiduelle.