СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MODIFICATION OF LIQUID HYDRO-CARBON FUEL AND FACILITY FOR IMPLEMENTATION OF THIS METHOD

Областями техники, к которым относятся изобретения, являются нефтехимическая, теплоэнергетическая, металлургия, водный транспорт, связанные с получением, подготовкой и использованием жидких углеводородов.
Принятые Россией, согласно Решениям Монреальской и Киотской конференций (по Протоколу), взамен существующих отечественных ГОСТов, например ГОСТ 315 «Дизельное топливо», необходим переход к требованиям Евро-III или ASTM-2006-79. Этот переход для отечественного транспорта вряд ли возможен из-за:
- повышенного содержания суммарной (общей) серы (до 0,5% и выше) в исходном топливе;
- огромнейшего содержания в существующем топливе меркаптановой (наиболее агрессивной и активной) серы (до 0,005%);
- наличия в топливе целого ряда тяжелых металлов;
- повышенного содержания ароматики.
Все это приводит к тому, что в выхлопных и дымовых газах из-за весьма низкого уровня сгорания содержание:
x
- диоксидов азота NO превышает 1500 ppm (требование Евро-III менее 500 ppm);
- повышенной задымленности (особенно при пуске и при нагрузках), что превышает требования более чем в 3 раза.
Применение дожигателей и нейтрализаторов для дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДДВС) по сравнению с бензиновыми экономически и технически не реально из-за снижения рабочего пробега (по работоспособности этих устройств) до 100 км пробега.
Ввиду этого все мировые производители моторных топлив ведут поиски по модификации существующих технологий. Эти работы определили три направления:
- введение в существующее топливо ряда специальных химических реагентов, которые уже в камере сгорания обеспечивают наибольшее сгорание впрыскиваемого топлива;
- введение в исходное существующее топливо либо природного газа (пропан или бутан), либо водорода или простейших углеводородов с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ);
- получение водотопливных эмульсий за счет введения в исходное топливо специально подготовленной деионизированной (хороший или глубокий дистиллят) воды.
Первые два направления, как показала практика двадцати последних лет, оказались одинаковыми как за счет дороговизны вводимых реагентов, так и из-за высоких требований к ДВС из-за повышенного износа.
Поэтому последние годы большинство фирм-производителей моторных топлив ведут работы по улучшению качества и, главное, долговечности (по времени) получаемых водотопливных эмульсий (ВТЭ).
Теоретически возможно получение двух типов водотопливных эмульсий:
- прямая водотопливная эмульсия, когда мелкодиспергированное исходное топливо (ИТ) в потоке, реагируя с распыленной водой, образует ВТЭ с частицами (комплекс молекул ИТ), которые «обволакиваются» молекулами воды;
- обратная водотопливная эмульсия, когда распыленные до нанометровых размеров капли ИТ обволакивают (покрывают) капли (более крупные) воды.
Пока большинство фирм пытаются получить устойчивые водотопливные эмульсии прямого типа.
Второму направлению отвечают технологии, базирующиеся на интенсивном озонировании распыленного исходного топлива до воссоединения с водой (Патент US 5.824.207 от 20.10.1998 или Патенты RU №12411 (полезная модель) от 20.10.1999, №2124040 и №РСТ/R-1/00/0030.
К настоящему времени водотопливные эмульсии (ВТЭ) получают путем воздействия на исходное топливо (ИТ) термическими, электрическими и/или магнитными полями, воздействием акустических и световых излучений. При этом топливо обогащают кислородом как за счет барботажа сухим воздухом, так и озоновоздушной или озонокислородной смесью. Затем получаемую рабочую смесь подвергают воздействию высокочастотных (патент DE N401.4902) или импульсных электромагнитных полей (патент RU №2124040).
Недостатком этих способов является протяженность процесса обработки (высокая экспозиция или малая скорость модификации) при огромных энергозатратах.
Известно устройство для модификации жидкого топлива, описанного в журнале «Нефтехимия», №2, 1991, с.255-260, рис.3.
Недостатком данного устройства являются низкие показатели получаемого топлива при высокой скорости расслоения ВТЭ и низком КПД.
Задачей изобретения является повышение экологичности топлива путем модификации его состава.
Техническая задача решается способом модификации жидкого углеводородного топлива, при котором производят подачу исходного подогретого топлива в узел возбуждения, представляющий собой проточную камеру, где осуществляют воздействие на поток исходного топлива физическими полями с последующей его подачей в узел распыла-смешения и преобразования топлива в двухфазное состояние, включающий ступень эжекции, где происходит распыление топлива до подмикрон, и подачу озонокислородной смеси, полученной в генераторах озона и кислорода, где происходит смешение топлива с указанной озонокислородной смесью и преобразованием топлива в двухфазное состояние, неизменно поддерживая турбулентные вихревые потоки заданной интенсивности при многократном перемешивании, затем двухфазную смесь подают в камеру смешения, где происходит ее смешение с тонкодиспергированной заряженной водой с направлением обработанной смеси в систему многократной регулируемой кавитации, завихрения, активации и уплотнения рабочей среды с заданной экспозицией, после чего обработанное топливо подают в электрогидродинамический распылитель-сепаратор с получением преобразованной смеси, а преобразованную смесь направляют в объем со стабильным давлением при термодинамическом выравнивании параметров смеси.
Преимущественное выполнение способа, когда:
- в качестве физических полей, воздействующих на исходное топливо, используют электростатическое и электромагнитное поле, и импульсы тока наносекундной длительности;
- поддержание турбулентных вихревых потоков двухфазного состояния смеси осуществляют путем многократного пропускания смеси через сильные электромагнитные поля, импульсы тока наносекундной длительности и критические зоны кавитации при гиперзвуковом истечении смеси;
- вводимую в камеру смешивания воду предварительно очищают, обогащают кислородом и активизируют за счет появления в ней гидрированных и возбужденных радикалов, способствующих появлению в смеси перексидов;
- тонкодиспергированную заряженную воду перед смешением с двухфазной смесью распыляют до микронной дисперсности.
Устройство для осуществления модификации жидкого углеводородного топлива включает связанные между собой емкость хранения и подогрева исходного топлива, узел возбуждения, представляющий собой проточную камеру, соединенную с блоком воздействия физических полей, узел распыла-смешения и преобразования топлива в двухфазное состояние, включающий ступень эжекции топлива и узел подачи озонокислородной смеси, связанный с генератором озона и генератором кислорода, камеру смешения двухфазной смеси с тонкодиспергированной заряженной водой, соединенную с блоком ионизации воды и элементами ее ввода в камеру, которая соединена с вихревой камерой, в которой расположен ряд гидродинамических кавитаторов, и электрогидродинамический распылитель-сепаратор с дисковой центрифугой, соединенный с емкостью сбора модифицированного топлива.
Преимущественное выполнение устройства, когда:
- узел распыла-смешения исходного топлива содержит электростатическую форсунку и нейтрализатор избыточного трибозаряда;
- содержит узел возбуждения и/или воздействия на жидкое топливо физическими полями, образующими скрещенные поля переменного (регулируемого) биения, эквивалентного ультразвуковому воздействию на растворы и, особенно, водные;
- поддержание термодинамического равновесия параметров рабочей среды осуществляют с помощью вихревой камеры, совмещенной с завихрителями и уплотнителем потока с последовательно присоединенным многоступенчатым регулируемым кавитатором с обратной связью;
сепарацию обработанного топлива осуществляют электрогидродинамическим распылителем-сепаратором с концентрически размещенными дискообразными элементами центрифуги в коаксиальных сетчатых электродах.
Решение технической задачи позволяет повысить экологичность топлива за счет уменьшения содержания вредных веществ в составе выхлопа.
Технологическая блок-схема:
Блок-схема, см. фиг.1, содержит связанные между собой емкость хранения и подогрева исходного топлива 1, топливный насос 2, абсорбер 3, основной центробежный насос 4 с магнитным фильтром 5, узел возбуждения, представляющий собой проточную камеру 6, соединенную с блоком воздействия физических полей, включающий источник постоянного тока 7, переменного 8 и СВЧ - 9, узел распыла-смешения 10 и преобразования топлива в двухфазное состояние, который включает ступень эжекции топлива 10', и узел подачи озонокислородной смеси 11, связанный с компрессором 15, генератором озона 12 и 13 и генератором кислорода 14, источником электростатического поля распылителя и нейтрализатора трибозаряда 16, камеру смешения двухфазной смеси с тонкодиспергированной заряженной водой 17, которая связана с эжектором воды 18', насосом 18, ионизатором воды 19 с дополнительным генератором озона 21 и системой водоподготовки 23 с высоковольтными импульсными источниками тока 24 и напряжения 20, систему многократной регулируемой кавитации, завихрения, активации и уплотнения рабочей среды с заданной экспозицией (вихревая камера) 25, в которой расположен ряд гидродинамических кавитаторов, и соединенную с насосом 26 для подачи обработанного топлива в электрогидродинамический распылитель-сепаратор 27 с регулируемым электроприводом 28-29, высоковольтным генератором импульсных токов с регулируемыми параметрами в широких пределах 30, распылитель-сепаратор связан с системой дополнительного озонирования 31-32-33, с системой улавливания, накопления легколетучих продуктов озонолиза углеводородов 34-35-36, компрессор подачи конденсата 37 в емкость модифицированного топлива 38 - объем со стабильным давлением, и топливный насос 39.
Устройство для осуществления модификации жидкого углеводородного топлива, узел возбуждения, представляющий собой проточную камеру 6, соединенную с блоком воздействия физических полей, узел распыла-смешения 10 и преобразования топлива в двухфазное состояние, включающий ступень эжекции топлива 10' и узел подачи озонокислородной смеси, связанный с генератором озона 12 и 13 и генератором кислорода 14, камеру смешения 17 двухфазной смеси с тонкодиспергированной заряженной водой, соединенную с блоком ионизации воды и элементами ее ввода в камеру смешения 17, которая соединена с вихревой камерой 25, в которой расположен ряд гидродинамических кавитаторов, и электрогидродинамический распылитель-сепаратор 27 с дисковой центрифугой, соединенный с емкостью сбора модифицированного топлива 38.
Преимущественное выполнение устройства, когда:
- узел распыла-смешения исходного топлива содержит электростатическую форсунку и нейтрализатор избыточного трибозаряда;
- устройство содержит узел возбуждения и/или воздействия на жидкое топливо физическими полями, образующими скрещенные поля переменного (регулируемого) биения, эквивалентного ультразвуковому воздействию на растворы и особенно водные;
- поддержание термодинамического равновесия параметров рабочей среды осуществляется с помощью вихревой камеры, совмещенной с завихрителем и уплотнителем потока с последовательно присоединенным многоступенчатым регулируемым кавитатором с обратной связью;
- сепарацию обработанного топлива осуществляют электрогидродинамическим распылителем - сепаратором с концентрически размещенными дискообразными элементами центрифуги в коаксиальных сетчатых электродах.
На фиг.2, 3-а, 3-б и 4 представлены составные части устройства.
фиг.2 - узел возбуждения - система воздействия трех электрических полей на поток исходного частично нагретого топлива;
фиг.3-а и 3-б - модернизированный струйный аппарат, представляющий собой многоступенчатый эжектор;
фиг.4 - электрогидродинамический распылитель-сепаратор с особой центрифугой с дисковыми распылителями как элементами сильного электромагнитного поля и с системой электродов, выполняющих роль классификатора и сепаратора частиц потока.
Возбудитель потока исходного топлива 6, см. фиг.2, состоит из диэлектрического корпуса 40 с фланцами-переходами 41-42, системой плоских электродов 44-45-46-47, укрепленных в теле 43 корпуса 40, поверх которых «навит» индуктор 48 с изоляцией и токоподводами 49, высоковольтные источники 7-8-9, создающие скрещенные электростатические поля с регулируемой частотой биения поля и интенсивностью.
Струйным аппаратом узла распыла-смешения 10 является многоступенчатый эжектор, продольное сечение которого приведено на фиг.3-а - первая ступень и на фиг.3-б - вторая ступень.
Первая ступень содержит в своей конструкции эжектор в виде специфического сопла Лаваля для сверхзвукового истечения, совмещенный с электростатическим распылителем, включающим электрод 52 с токоподводом 51 и аэродинамическую решетку 53 - выравниватель потока, заземленные электроды 54, 55, связанные с нейтрализатором трибозаряда 16, образующие относительно электрода 52 резко неоднородное поле, и вторую аэродинамическую решетку - выравниватель потока 56.
Вторая ступень содержит в своей конструкции камеру смешения 17 и эжектор подачи заряженной воды 18', состоящий из трех типовых форсунок (например, фирмы Lechler 15W12) распыления жидкостей дисперсностью в несколько (не более 2 мкм) микронов, расположенных друг относительно друга под углом 120° и наклоненных к оси камеры смешения 17 под углом 30° так, чтобы фокус потока располагался не ближе, чем на один калибр от заземленных электродов 54, 55. В этом случае турбулентно-вихревой поток рабочей смеси проходит область распыла (тумана) воды в максимально достижимом объеме при заданной скорости. Для достижения требуемого эффекта получения двухфазного состояния топлива за плоскостью выхода водяной струи строго по оси камеры смешения 17 закреплен завихритель в виде трехходовой спирали Архимеда 57 с линейно возрастающим радиусом, что обеспечивает помимо закрутки потока достижение на срезе завихрителя эффекта гидромеханического кавитатора, чему способствует решетка-уплотнитель потока 58. Заканчивается аппарат фланцем 59 для согласованного присоединения к позиции 25 на фиг.1.
Электрогидродинамический распылитель-сепаратор, см. фиг.4, представляет собой бак 61 с диэлектрической крышкой 62, который снабжен электроприводом центрифуги 28-29; системой подачи подготовленной рабочей среды 63 с форсункой 64; особой дискообразной центрифугой с валом 65 и с системой дисков 66; системой сетчатых электродов 67-68-69; системой ввода дополнительной озонокислородной среды посредством патрубков-форсунок 71-71'-71''; системой опорных изоляторов 72 для закрепления высоковольтных электродов коаксиально корпусу 61 на съемном днище агрегата; системой сбора и удаления легколетучих фракций с аэроэкранами 73; трубопроводом системы сбора и улавливания легколетучих углеводородов 70, направляемых к холодильнику - позиция 34 (фиг.1), далее к конденсатору потока газовой смеси 35 (фиг.1), далее к фильтру 36 (фиг.1), соединенному с компрессором 37 (фиг.1), который обеспечивает подачу конденсата преобразованной смеси в накопительную емкость модифицированного топлива 38 (конечный продукт).
Способ модификации жидкого углеводородного топлива с использованием заявляемого устройства осуществляют следующим образом.
В зависимости от типа исходного жидкого углеводородного топлива (ИТ) подогрев в емкости осуществляют от 40°С (для дизтоплива и бензина) до 90°С (для корабельных топлив и мазута).
Подогретое топливо подают в узел возбуждения 6, представляющий собой проточную камеру, соединенную с блоком воздействия физических полей, включающим источники постоянного тока 7, переменного 8 и СВЧ - 9. В проточной камере осуществляют воздействие на поток исходного топлива физическими полями, в качестве физических полей, воздействующих на исходное топливо, преимущественно используют электростатическое и электромагнитное поле и импульсы тока наносекундной длительности. После обработки исходного топлива физическими полями его подают в узел распыла-смешения 10, включающий ступень эжекции 10', где происходит распыление топлива до подмикрон (600-800 нанометров) и подачу озонокислородной смеси, полученной в генераторах озона и кислорода, где происходит смешение топлива с указанной озонокислородной смесью и преобразования топлива в двухфазное состояние, неизменно поддерживая турбулентные вихревые потоки заданной интенсивности при многократном перемешивании. Преимущественное выполнение, когда поддержание турбулентных вихревых потоков двухфазного состояния смеси осуществляют путем многократного пропускания смеси через сильные электромагнитные поля, импульсы тока наносекундной длительности и критические зоны кавитации при гиперзвуковом истечении смеси. Полученную в зоне 10 двухфазную смесь подают в камеру смешения 17, где происходит ее смешение с тонкодиспергированной заряженной водой, преимущественное выполнение, когда вводимую в камеру смешивания воду предварительно очищают, обогащают кислородом и активизируют за счет появления в ней гидрированых и возбужденных радикалов, способствующих появлению в смеси перексидов, а также тонкодиспергированную заряженную воду перед смешением с двухфазной смесью распыляют до микронной дисперсности. Обработанную смесь направляют далее (в вихревую камеру) в систему многократной регулируемой кавитации, завихрения, активации и уплотнения рабочей среды с заданной экспозицией 25, после чего обработанное топливо подают в электрогидродинамический распылитель-сепаратор для разделения ее на фракции 27 с получением преобразованной смеси, а преобразованную смесь направляют в емкость со стабильным давлением 38 при термодинамическом выравнивании параметров смеси.
В результате сепарационных процессов получают следующие продукты модификации:
- модифицированное топливо;
- полуфабрикат - смесь углеводородов, которая за имеющуюся экспозицию не успевает полностью преобразоваться;
- смесь тяжелых углеводородов, пена и незадействованная вода выпадают в осадок.
Таблица
Сравнительные данные по составу исходного и модифицированного дизельных топлив
№ п/п
Наименование показателя
Вид топлива
Исходное дизельное топливо
Модифицированное дизельное топливо
10% H<sub>2</sub>O
15% H<sub>2</sub>O
20% H<sub>2</sub>O
1
Плотность ρ, кг/м<sup>3</sup>, при Т~20°С
820
795
810
812
2
Кинематическая вязкость µ, мм·град./сек, Т~20°С
4,3
4,5
4,3
4,2
3
Цетановое число
42
45
49
52
4
Фракционный состав
55% °С
273
275
278
265
90%, °С
357
360
365
350
Начало перегонки, °С
185
185
183
180
5
Температура застывания, Т<sub>з</sub>, °С
-10
-12
-16
-20
6
Температура помутнения, Т<sub>п</sub>, °С
-5
-9
-9
-12
7
Температура вспышки, Т<sub>в</sub>, °С
74
72
70
85
8
Массовая доля серы ΣS<sub>2</sub>, %
0,8
0,16
0,14
0,1
9
Массовая доля меркаптановой серы, %
0,05
0,001
0,0002
отсут.
10
Содержание сероводорода H<sub>2</sub>S
отсут.
отсут.
отсут.
отсут.
11
Концентрация смол, мг/100 см<sup>3</sup> ДТ
45
27
21
следы
12
Кислотность мг·КОН, мг/100 г ДТ
0,79
0,89
0,2
0,03
13
Йодное число, г I на 100 г ДТ
1,1
1,4
1,45
1,5
14
Зольность, %
0,006
0,001
0,0005
отсут.
15
Коксуемость, 10% осадка, %
0,016
0,01
0,005
0,001
16
Коэффициент фильтруемости
1,15
1,2
1,3
1,4
17
Содержание механических примесей
0,006
нет
нет
нет
18
Содержание свободной воды
следы
следы
следы
следы
19
Содержание спиртов, вес.%
0,02
0,8
1,1
2,0
20
Бромное число, вес.%
0,86
1,2
1,35
3,1
21
Эфирное число, мг·КОН/1 г ДТ
9
7,4
8,7
18,0
Продолжение таблицы
22
Гидроксильное число
0,26
0,8
0,95
1,4
23
Содержание ароматических соединений, вес.%
13,9
0,5
0,157
0,01
24
С2·10<sup>-3</sup> мг/моль
-
-
-
2,4
25
С3·10<sup>-3</sup> мг/моль
-
-
-
7,1
26
С5·10<sup>-3</sup> мг/моль
-
-
-
11,5
27
С7·10<sup>-3</sup> мг/моль
-
-
2,4
17,2
28
С9·10<sup>-3</sup> мг/моль
0,005
0,1
3,7
24,3
29
С10·10<sup>-3</sup> мг/моль
2,1
0,4
4,6
30
30
С11·10<sup>-3</sup> мг/моль
5,5
2,1
4,95
31,7
31
С13·10<sup>-3</sup> мг/моль
9,0
5,8
17,2
34,7
32
С14·10<sup>-3</sup> мг/моль
16,1
9,2
33,2
36,9
33
С15·10<sup>-3</sup> мг/моль
26,0
11,0
33,0
31,5
34
С16·10<sup>-3</sup> мг/моль
32,8
23,3
29,8
26,5
35
С19·10<sup>-3</sup> мг/моль
27,2
19,8
20,2
23,0
36
С23·10<sup>-3</sup> мг/моль
19,6
19,0
18,7
17,1
Полученное модифицированное топливо имеет повышенное до 52 единиц цетановое число при температуре застывания - 20°С, а также значительное пониженное суммарное содержание серы (меркаптановой практически нет), повышенное содержание спиртов, эфиров, горючих сульфидов при отсутствии сероводорода, повышенное бромное число, что обеспечивает более ровное и полное его сгорание.
Объем модифицированного топлива (ДМТ) повышен на величину внедренной ионизированной воды (которая находится в несвободном состоянии), на 10-20 вес.%. Модифицированное дизельное топливо (ДМТ) устойчиво по своим характеристикам не менее одного года.
x
2
2
Мировой опыт показывает, что на практике специалистов более всего интересуют аспект экологии, т.е. соответствие состава выхлопных газов экологическим требованиям ASTM и Евро. На фиг.6 приведены зависимости изменения окислов азота - NO от суммарного содержания серы ΣS, % для стандартного топлива (ДТ) и модифицированного (ДМТ). На том же графике в единицах Хартриджа приведены зависимости H-f(ΣS) по задымленности выхлопных газов. Из данных графика следует, что задымленность выхлопных газов исходного дизельного топлива (ДТ) по сравнению с задымленностью выхлопных газов модифицированного дизельного топлива (ДМТ) при 15 вес.% внедренной ионизированной воды снижается на 17-21 единицу Н в зависимости от суммарного содержания серы.
Таким образом, модифицированный состав жидкого углеводородного топлива, полученный по заявляемому объекту, позволяет снизить содержание вредных веществ в составе выхлопа и увеличить ресурс работы двигателей за счет более полного и ровного сгорания модифицированного топлива.