СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО ТОПЛИВА
COMPOSITE FUEL PREPARATION METHOD

Изобретение относится к области нефтехимии и машиностроения, преимущественно энергетического и химического, и предназначено для получения жидкого композитного топлива на основе стойких тонкодисперсных водомазутных эмульсий как альтернативного топлива для энергетических установок.
Известны способы приготовления водотопливной эмульсии путем подачи в смеситель-эмульгатор дозированных количеств топлив и воды и смешивание последних до образования эмульсий (SU №1254191, 1984 г.).
Однако приготовленная таким образом эмульсия не обеспечивает должной стабильности, даже при многократной циркуляции.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, содержащийся в патенте RU 2300658, 2005 г. (прототип), в соответствии с которым получение водотопливной эмульсии осуществляется подачей топлива и воды, их смешивание до получения гомогенной эмульсии в двух эмульгаторах и подачу приготовленной эмульсии в штатную топливную систему.
Однако такой способ приготовления эмульсии не обеспечивает, при всей ее гомогенности, стабильной мелкодисперсной эмульсии, что приводит, при ее использовании, например в двигателях внутреннего сгорания, к нарушению процесса сгорания в двигателе, выпадению воды и коррозии топливной аппаратуры, недостаточному понижению эмиссии токсичных выбросов с выхлопными газами. Особенно это важно при использовании в качестве топлива тяжелых мазутов.
Для создания стабильного композитного топлива на базе водотопливной эмульсии, кроме воды и топлива, необходимы и поверхностно-активные вещества. В качестве поверхностно-активных веществ (ПАВ) в водомазутных эмульсиях используются присутствующие в мазутах асфальто-смолистые вещества (АСВ). Стабильность водомазутных эмульсий зависит не только от количества смол и асфальтенов, но и от их дисперсного состава; кроме того, для стабильности водотопливных эмульсий (ВТЭ) необходимо равенство поверхностей диспергированной в топливе воды и ПАВ. В том случае, когда поверхность глобул воды оказывается больше поверхности ПАВ, наступает частичная коагуляция свободных глобул (не имеющих сольватного слоя).
Это явление было подтверждено экспериментально при подготовке ВТЭ в клапанном гомогенизаторе высокого давления. При уменьшении глобул воды до 1-3 мкм эмульсия была не стабильна, в то же время при величине глобул 5-8 мкм эмульсия сохраняла стабильность длительное время [Ю.И. Воржев, А.К. Майронис. Зарубежный и отечественный опыт применения водотопливных эмульсий в судовых дизелях. Морской транспорт. Серия «Техническая эксплуатация флота». Выпуск 9 (581), М., 1984, - 29 с. В/О «Мортехинформреклама»].
Асфальто-смолистые вещества - гетероатомные высокомолекулярные соединения, включающие нефтяные смолы и асфальтены.
Электронно-микроскопические исследования показали наличие пластинчатой структуры в форме резко выраженных анизодиаметрических частиц. Для обнаруженной пластинчатой структуры характерны хорошо сформированные слои, имеющие толщину, соизмеримую с толщиной графитовых слоев (~10 нм). Отдельные монослои пластинчатой структуры, обладающие постоянной толщиной, имеют средний поперечный размер до 1-3 мкм [Химия нефти. Под ред. З.И. Сюняева. Л., Химия, 1984, 380 с.]. По данным некоторых фирм, например, Ashland Speciality Company, асфальто-смолистые вещества, содержащиеся в тяжелых мазутах, могут достигать 120 мкм в размере.
Из вышесказанного становится понятным, что пластинка АСВ таких размеров не может образовать сольватную оболочку у глобулы воды диаметром меньше 3 мкм. Частицы АСВ необходимо измельчать до минимальных размеров (по возможности).
Устойчивые свободные радикалы, которые концентрируются в АСВ, способствуют стабилизации надмолекулярных образований. Наибольшее количество свободных радикалов находится в асфальтенах (при молекулярной массе асфальтенов около 2000 это может составлять 1 свободный радикал на 50-100 молекул). Асфальтеновый ассоциат можно рассматривать как сэндвичевую структуру, состоящую из асфальтенов и смоляных молекул, пронизанную цепью межмолекулярных взаимодействий дальнего порядка, энергия взаимодействия в которых может достигать до 4000 кДж/моль [Химия нефти. Под ред. З.И. Сюняева. Л., Химия, 1984, 380 с.].
Таким образом, для генерации свободных радикалов частицы АСВ необходимо измельчать до минимально возможных размеров, причем, чем больше появляется свободных радикалов после измельчения АСВ, тем стабильнее водотопливная эмульсия. Измельчение асфальто-смолистых веществ (АСВ) должно учитывать вышеперечисленные их особенности.
Для получения водотопливной эмульсии высокой стабильности воду, добавляемую в мазут, так же желательно активировать (то есть добиться того, чтобы в ней образовалось большое количество ионов и ион-радикалов). Для физической активации используют следующие виды обработки: магнитная, электромагнитная, разрядно-импульсная, термическая, акустическая и др. Однако вода, активированная такими полями, полностью теряет вновь приобретенные свойства за очень короткий промежуток времени в силу своих релаксационных характеристик. Например, вода, прошедшая, позволяющую ей интенсивнее, чем обычно вступать в реакцию гидратации должна быть использована тот же час после обработки [С.Д. Шестаков, О.Н. Красуля, Б.А. Красуля, Р. Ринк, В.А. Бабак. Усиление гидратации полярных компонентов растворов и дисперсных систем различного назначения с помощью ультразвуковой сонохимиии. - 10 с. [http://www.rusnauka.com/29_DWS_2011/Chimia/6_95105.d …].
Были проведены исследования степени активирования воды при обработке ее в лабораторной установке (дезинтегратор в 1,5 раз меньше выпускаемого фирмой SONEL SIA) с приводом через ременную передачу, что позволило регулировать (через частотник) обороты от 0 до 9000 об/мин. Образцы воды забирались через 5, 10 и 15 мин. Результаты рН для воды, обработанной в лабораторном дезинтеграторе при 4400 об/мин (это соответствует числу оборотов 3000 об/мин у промышленно выпускаемого дезинтегратора эмульсионного DE), линейная скорость у обоих дезинтеграторов была равна V=24,16 м/с) представлены в таблице 1. При оборотах 6000 об/мин (V=37,68 м/с) и оборотах 9000 об/мин (V=56,52 м/с) на всех режимах значение рН составляло от 8,57 до 8,62 и эти величины сохранялись и через 6 часов и через сутки. Интересно, что эти показатели воды по рН для всех образцов воды (при 4400 об/мин, при 6000 об/мин и при 9000 об/мин) не изменились и через 7 суток.
Аналогичным образом по времени обрабатывался для дезинтеграции асфальто-смолистых веществ и мазут Ml00 (поскольку в чистом мазуте трудно определить степень измельчения, то мазут обрабатывали столько же времени, сколько времени ушло на обработку воды до рН=8,4 - чтобы сохранить активацию обоих компонентов). Затем в мазут добавили обработанную до рН 8,4 воду - 5% и смесь подвергли многократной гидродинамической обработке в лабораторном дезинтеграторе до состояния, когда размер глобул воды не превышал 1 мкм (3-х кратная циркуляция). Результаты обработки смеси представлены в таблице 2. У полученного композитного топлива выросла теплотворная способность и значительно выросла кинематическая вязкость (на 17%), что характерно для молярных растворов и что говорит о большой степени измельчения. В процессе испытаний топлива обнаружилось, что оно стало анизотропным (попытка разделить полученное композитное топливо по фракциям приводила к тому, что такое композитное топливо при нагреве выше 110-120°С взрывалось). Поскольку показатели анизотропного композитного топлива при 6000 об/мин (V=37,68 м/с) и 9000 об/мин (V=56,52 м/с) были близки к показателям при V=24,16 м/с (4400 об/мин), то они в таблице 2 не приводились. Как видно из таблицы 2, полученная эмульсия быстро расслаивается и соответствует заявленной в патенте RU 2300658.
Технической задачей, решаемой данным изобретением, является получение композитного топлива с тонкодисперсной водомазутной эмульсией (менее 1 мкм), а также повышение стабильности топлива.
Техническая задача достигается тем, что в способе приготовления водомазутной эмульсии, включающем подачу мазута и дозированного количества воды в емкость и обработку смеси в эмульгаторе методом многократной гидродинамической обработки, согласно предлагаемому изобретению перед смешением мазут и воду по отдельности обрабатывают методом многократной циркуляции до получения рН воды не менее 8,4-8,6, причем мазут обрабатывалось по времени столько же, сколько и вода, затем мазут и воду смешивают и смесь обрабатывают методом многократной циркуляции при скорости ротора эмульгатора не менее 24 м/с до состояния, когда размер глобул воды не превышает 1 мкм, причем многократную гидродинамическую обработку осуществляют в эмульгаторе, рабочие элементы которого обеспечивают дезинтеграцию обрабатываемого материала, например, в дезинтеграторе эмульсионном DE.
Авторам не известны технические решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения.
Пример. По заявляемому способу было приготовлено композитное топливо для сжигания в двигателе Sulzer Diesel 16ZAV40S мощностью 11520 кВт. Расход топлива составлял 25-35 т в сутки, в зависимости от нагрузки. Эмульсия приготавливалась порциями: 5000 литров мазута и 750 литров воды. Многократной циркуляцией по отдельности в дезинтеграторе эмульсионном DE (V=24,16 м/с, ~3000 об/мин) обрабатывалась вода до рН 8,4 и мазут M100. Затем они смешивались и смесь обрабатывалась до состояния, когда глобулы воды по размеру не превышали 1 мкм. Приготовленное анизотропное композитное топливо подавалось в двигатель. Из большого числа определяемых параметров отметим наиболее важный, с нашей точки зрения, - угол опережения впрыска топлива (косвенный определитель качества топлива). Включение воды в водотопливную эмульсию влияет на угол опережения впрыска топлива - чем больше воды, тем больше угол опережения впрыска топлива (но чем больше угол опережения впрыска топлива, тем быстрее происходит нарастание давления, появляется детонация, двигатель работает жестко). При работе двигателя Sulzer Diesel 16ZAV40S на чистом мазуте угол опережения впрыска топлива составлял 8° п.к.в. (Поворота Коленчатого Вала). На этом же двигателе немецкая фирма C.I.T. установила систему приготовления водотопливной эмульсии, при которой угол опережения зажигания составил 10° п.к.в. При сжигании в двигателе анизотропного композитного топлива угол опережения впрыска топлива составил 5,5-6,5° п.к.в. Это говорит о том, что топливо настолько однородно, что оно сразу воспламеняется (возможно - сублимирует). Такой вывод следует из того, что уменьшение угла опережения впрыска стандартного топлива приводит к поздней подаче топлива в цилиндр и топливо догорает во время расширения газов в цилиндрах, что ухудшает качество горения и т.д., что при сжигании заявляемого анизотропного композитного топлива не отмечалось.
Через три месяца снова было проведено микроскопирование взятых в процессе испытаний образцов топлива. Все глобулы воды в поле зрения были значительнее меньше 1 мкм, что говорит о высокой стабильности анизотропного композитного топлива.
Таким образом, предлагаемый способ позволил получить композитное топливо значительно более эффективное по сравнению с прототипом.