СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СЖИГАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ
METHOD OF INTENSIFYING COMBUSTION OF HYDROCARBON FUEL

Изобретение относится к технологии сжигания углеводородных топлив и может быть использовано для интенсификации процессов сжигания бензина, дизельного топлива, мазута и нефтешламов.
Известен способ эффективного сжигания топлива (1) (патент РФ №2160414, F23N 5/12 от 11.12.1996 г.), в котором интенсификацию горения факела пламени производят электрическим полем, путем подачи потенциала этого поля на электроизолированные от корпуса камеры сгорания топливную форсунку и игольчатый рабочий электрод за фронтом верха пламени. При этом регулируют напряженность электрического поля в камере сгорания по минимуму тока, потребляемого источником поля, а также пространственные и электрические параметры электрического поля в камере сгорания топливной смеси при изменении режима и вида топлива путем введения дополнительного ускоряющего потенциала посредством управляющего электрода, размещенного между форсункой и рабочим электродом, а также путем взаимосвязанного изменения положения управляющего и рабочего электродов относительно факела пламени и величины электрических потенциалов на электродах и форсунке по критерию достижения максимальных тока электронной эмиссии с игольчатых поверхностей форсунки и электродов и напряженности поля в камере сгорания и максимальной температуры пламени при данном режиме горения, из условия предотвращения эффекта электрического пробоя источника поля через пламя.
В качестве недостатков данного способа следует отметить:
- сложность изготовления устройства для сжигания топлив и управления процессом горения;
- необходимость использования дорогих жаропрочных сплавов из титана и вольфрама для изготовления форсунки и электродов;
- необходимость использования термостойкой керамики для электроизоляции рабочей камеры;
- повышенные температуры сжигания топлив.
Известна также топливная композиция (2) (патент РФ №2144059; С10L 1/32, 04.02.1999 гг.) на основе углеводородных соединений и воды: в виде коллоидных суспензий (твердое топливо, например, бурый уголь) или эмульсий (типа: «вода в масле» для топлива на основе нефтяных остатков или мазута). Размер дисперсной фазы в коллоидной суспензии - 1,8 мкм и 1,3 и 2,9 мкм для эмульсий.
В качестве недостатков данного топлива следует отметить:
- высокие энергозатраты при сжигании бурого угля, т.к. его необходимо измельчить до размеров 1,8 мкм, что нереально, т.к. масштабы его применения в энергетике - миллионы тонн/год;
- грубый дисперсный состав эмульсий (1,3-2,9 мкм), что не позволяет существенно интенсифицировать процесс сжигания углеводородных топлив;
- малое время существования топливных систем в коллоидном состоянии (3-10 суток), что обусловлено грубым дисперсионным составом топлив.
Наиболее близким к предлагаемому и выбранным за прототип является способ интенсификации сжигания углеводородных топлив (3) (патент РФ «Каталитическая композиция, увеличивающая сгорание топлива, топливная смесь с использованием этой композиции и способ сжигания топлива»; №2178338, С01L 1/12 от 26.12.1996).
Согласно изобретению предлагается каталитическая композиция, увеличивающая сгорание углеводородного топлива (LPG или сжиженный нефтяной газ, бензин, дизельное и нефтяное топливо), содержащая, по крайней мере, один катализатор из окисла металла, диспергированный в жидком органическом носителе, совместимом с углеводородным топливом. Катализатор, содержащий, по меньшей мере, один окисел щелочно-земельного металла или окисел переходного металла из ряда: окись хрома, окись магния, окись марганца, окись кобальта, окись железа или их смесей. Для введения вышеуказанных катализаторов в топливо они предварительно диспергируются в растворителе Стоддарда с добавками: высокотемпературной смазкой, моющими или ПАВ и дополнительный полярный растворитель - спирт.
В качестве недостатков прототипа следует отметить следующие:
- сложность получения однородной не расслаивающейся топливной композиции;
- малая устойчивость топливной композиции во времени;
- многореагентность топливной смеси.
Вышеуказанные недостатки значительно нивелируют преимущества каталитической композиции и способа повышения эффективности процесса сжигания углеводородного топлива, что резко ограничивает сферу применения данного изобретения.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение процесса приготовления топливной композиции, повышение ее устойчивости и эффективности процесса сжигания углеводородных топлив.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем введение в топливо каталитической присадки, содержащей, по меньшей мере, один окисел щелочно-земельного металла или окисел металла из ряда: окись хрома, окись магния, окись марганца, окись кобальта, окись железа или их смесей, диспергированных в промежуточной жидкой среде. В качестве промежуточной жидкой среды используют воду, в которой предварительно равномерно распределяют каталитическую присадку дисперсностью 1-50 нм, а затем полученную водную фазу смешивают с углеводородным топливом, с образованием однородной эмульсии с размерами частиц воды в пределах 100-800 нм. Дополнительно в качестве каталитической присадки используют (отдельно или в смеси) карбонилы металлов, или нанопорошки металлов, или окислы редкоземельных элементов, или водорастворимые соединения металлов - катализаторов.
Эффективность предлагаемого способа обусловлена суммарным, не явным заранее, эффектом от применения:
- введения в состав топлив воды;
- введения в состав топлива катализаторов горения, предварительно равномерно распределенных в водной фазе, а затем в топливной, органической фазе;
- каталитической присадки в форме наночастиц (или нанокатализаторов) и расширения спектра катализаторов горения;
- более тонкого дисперсионного состава воды в топливной композиции, за счет использования двухстадийного процесса диспергирования, причем на первой стадии (роторно-гидродинамический эмульгатор) получают эмульсию с размерами частиц воды 2-5 мкм, которую на второй (ультразвуковой) доводят до заявляемых параметров.
Обоснование заявляемых параметров.
Использование каталитической присадки дисперсностью менее 1 нм не приводит к существенному повышению каталитической эффективности присадки, но в то же время значительно возрастают затраты на получение нанокатализатора. При увеличении дисперсности нанокатализатора более 50 нм падает его активность, в то же время необходимо вводить дополнительные ингредиенты (ПАВ) для повышения устойчивости суспензий: «вода - нанокатализатор;» «углеводородное топливо - нанокатализатор».
Получение топливных эмульсий (в промышленных масштабах 4-15 т/ч) с размерами дисперсной фазы воды менее 100 нм сопряжено с большими затратами энергии (т.е. необходима 4-х ступенчатая система диспергирования), в то же время соответствующего повышения эффективности сжигания композиционного топлива или повышения времени устойчивости дисперсной системы без расслаивания мы не получаем.
Верхний предел дисперсности водной фазы в топливной композиции (800 нм) обусловлен:
- обеспечением времени устойчивости топливной композиции - не менее 4-7 месяцев;
- при повышении дисперсности водной фазы в топливной композиции более 800 нм снижается время устойчивости топливной композиции (до 3 месяцев и менее) при одновременном снижении эффективности топливной композиции на 10-15%.
Рассмотрим влияние отдельных факторов, заявленных в способе, на интенсификацию процесса сжигания углеводородных топлив.
Применение водотопливных смесей улучшает процесс горения за счет улучшения процесса распыливания топлива, смесеобразования, подавления процесса крекинга углеводородов в жидкой и пиролиза в паровой фазах, что значительно уменьшает образование продуктов неполного сгорания. Кроме того, присутствие воды снижает уровень максимальных температур, повышает температурную и газовую однородность факела, уменьшает образование окислов азота и ускоряет начальную стадию процесса горения. Использование параметров дисперсии воды в топливе в пределах 100-800 нм (или 0,1-0,8 мкм), что в 50-700 раз меньше, чем применяемые в настоящее время водотопливные эмульсии (от 5 до 70 мкм), позволяет:
- снизить температуру и время закипания водотопливной эмульсии (при 300°С за 0,5 сек, в то время как капля чистого мазута при 500°С за 7 сек);
- осуществить мгновенное (за 0,5 сек) вскипание тонкодиспергированной воды в объеме топлива и, как следствие, вызвать образование кинетического парового облака, содержащего диспергированные частицы углеводородного топлива в пределах 10-80 нм, т.е. на порядок меньше, чем исходная водная фаза в нем.
Присадки (окислы металлов, карбонилы металлов, нанопорошки металлов, окислы редкоземельных элементов и водорастворимые соединения металлов) выполняют в разработанном способе повышения эффективности сжигания углеводородных топлив, функцию катализаторов горения (снижающих энергию активации реакций окисления и увеличивающих скорость горения топлив) и при содержании 0,0010-0,0050% (в пересчете на металл присадки) обеспечивают почти полное окисление топлива и существенное снижение токсичных выбросов. Каталитическое горение углеводородного топлива в присутствии нанокатализаторов приводит к тому, что нижний предел стабильности пламени процесса горения понижается, позволяя использовать более низкие температуры горения и минимизировать образование токсичных выбросов, в том числе и окислов азота.
Согласно предлагаемому способу образование тонкого наноаэрозоля из паров воды, топлива и нанокатализатора в потоке окислителя (воздухе) в процессе сжигания приводит к кумулятивному эффекту: более полному окислению топлива, снижению токсичных выбросов и удельных норм расхода топлива.
При использовании высокосернистых мазутов, с целью дополнительного снижения соединений серы в выбросах, в используемую воду дополнительно вводят гидроокись или хромат кальция, а содержащаяся в последнем окись хрома служит дополнительным катализатором процесса горения.
Одной из основных проблем при реализации данного способа является обеспечение однородности состава и стабильности (нерасслаиваемости) топливной композиции в течение нескольких месяцев.
Эта проблема решается следующим образом:
- использованием наноразмерных каталитических присадок;
- использованием двухстадийного процесса гомогенизации («каталитическая присадка - вода» и «наносуспензия - топливо») и дополнительной стадии УЗ-обработки готовой топливной смеси. При этом, при сроках хранения не более 4 месяцев, как правило, ПАВы не нужны на обеих стадиях гомогенизации, а при более длительных сроках хранения для некоторых компонентов топливной композиции возникает необходимость введения ПАВ.
Процесс интенсификации сжигания углеводородных топлив (применительно к бензину А-95) по предлагаемому способу проводят следующим образом:
Предварительно готовят эмульсию: «вода - пентакарбонил железа» с использованием роторно-гидродинамического эмульгатора (марки: TRGA - 2F, производительностью до 15 т/ч). Концентрация пентакарбонила железа в воде определяется из условия:
- содержание воды в бензине варьируется в пределах 5-7 мас.%;
- концентрация каталитической добавки (самого железа) в топливе - 0,12-0,17 г /кг топлива.
Т.о. содержание пентакарбонила железа в водной эмульсии варьируют в пределах 0,8-0,84%. Время обработки в пределах 10-20 минут. Дисперсность пентакарбонила железа в воде находится в пределах 0,1-0,2 мкм. Устойчивость в пределах 4-5 месяцев без добавки ПАВ.
Гомогенизированную эмульсию (т.к. пентакарбонил железа - это нерастворимая в воде жидкость при температуре 20-70°С) на второй ступени смешивают с топливом - бензином марки АИ-95 с использованием роторно-гидродинамического эмульгатора, сблокированного последовательно с узлом ультразвуковой обработки проходного типа (мощность в импульсе 3-4 кВт; частота 10-25 кГц). В результате получают топливную композицию, включающую: бензин А-95; воду и пентакарбонил железа, причем дисперсность воды в топливе находится в пределах 100-800 нм. Пентакарбонил железа распределен и в воде и, частично, в топливе. Дисперсность пентакарбонила железа находится в пределах 30-50 нм. Время обработки (для достижения заданной дисперсности) - 20-30 мин. Приготовленная топливная композиция (в данном случае эмульсия в эмульсии) может храниться в течение 4 месяцев без потери эксплуатационных свойств.
Удельные затраты энергии на получение 1 т топливной композиции складываются из затрат энергии перекачивающего насоса как на стадии получения смеси каталитической присадки с водой, так и на стадии смешения этой смеси с топливом (N-3 кВт × 2 ступени), производительностью 10 т/ч, и энергозатрат УЗГ (N-3 кВт): (3000 Вт × 2+3000 Вт)/10×3600=3.240 кДж/1000 кг топливной композиции.
Перед подачей в камеру сгорания топливная смесь смешивается с воздухом (К изб. воздуха близок к 1,0), а затем впрыскивается в камеру сгорания. Благодаря резкому подъему температуры топливной смеси происходит мгновенное испарение топлива. Катализатор также испаряется и разлагается с образованием газообразного СО и наночастиц активного железа. Вода испаряется с образованием пара. Все процессы приводят к образованию однородной смеси: воздуха, паров топлива, паров воды и равномерно распределенных по объему наночастиц катализатора - железа. Наличие паров воды в составе топливной смеси улучшает процесс горения за счет улучшения процесса распыливания топлива, смесеобразования, подавления пиролиза в паровой фазе, что значительно уменьшает образование продуктов неполного сгорания (нагара). Кроме того, присутствие воды снижает уровень максимальных температур, повышает температурную и газовую однородность фронта пламени, уменьшает образование окислов азота и ускоряет начальную стадию процесса горения.
В то же время, присутствие нанокатализатора - железа, распределенного в парах углеводородного топлива, приводит к тому, что снижается энергия активации реакций окисления углеводородов вверху камеры сгорания ДВС, следствием этого является обеспечение полноты сгорания топлива при более низких температурах. Это приводит к уменьшению максимального давления в камере ДВС, к более мягкой работе, а также к снижению нагара и токсичных выбросов с отработавшими газами.
+
-
Пары воды во фронте пламени частично разлагаются на Н и ОН, что обеспечивает процессы доокисления углеводородов на заключительных стадиях процесса окисления в камере ДВС, когда, обычно, окислителя не хватает.
Т.о. вода и каталитические присадки в углеводородных топливах действуют однонаправленно, а именно: снижают температуру в камере, интенсифицируют процесс сжигания углеводородов, повышают полноту использования топлива (мощность), улучшают работу ДВС, и существенно снижают выброс токсичных выбросов до требований, приближающихся к Евро 5 (на новых двигателях отечественных марок).
Способ интенсификации сжигания различных видов углеводородных топлив отображен в нижеприведенных примерах.
Пример 1 (Способ повышения интенсивности сжигания бензинов).
2
В 70 кг воды распределяют равномерно 50 г нанокатализатора - двуокиси церия (СеO), дисперсностью 1-15 нм (90%), посредством обработки наносуспензии в роторно-гидродинамическом смесителе, в течение 10 минут. Полученную наносуспензию (с концентрацией нанокатализатора =0,071%) смешивают с 929,95 кг бензина, марки АИ-95. Затем смесь обрабатывают в роторно-гидродинамическом смесителе, дополнительно сблокированном последовательно с УЗ-смесителем проходного типа (мощность в импульсе =3 кВт; частота 10 кГц). Время обработки - 20 минут. В результате получаем - 1000 кг топлива в виде эмульсии (типа: «вода-в масле») с дисперсностью водной фазы =800 нм, внутри которой распределен нанокатализатор, дисперсностью 1-6 нм. Частично (2-5%) катализатор распределяется отдельными включениями и в органической (топливной) фазе. Устойчивость топливной композиции - 4,0 месяца.
Результат: при работе ДВС на этой композиции (автомобиль карбюраторного типа: ВАЗ 2110) - расход топлива при равномерной езде при скорости - 60 км/ч =3,8 л/на 100 км, вместо 4,5 л/на 100 км по паспорту (снижение =15,5%).
Состав автомобильных выхлопных газов приведен в табл.1
Таблица 1
Состав отходящих газов (ОГ)
Величина
N<sub>2</sub>, об.%
75-77
O<sub>2</sub>, об.%
7,0-8,0
Н<sub>2</sub>O (пары), об.%
5,0-6,5
СO<sub>2</sub>, об.%
10-12,0
СО*, об.%
11-12,0
Оксиды азота*, об.%
0,5-0,8
Углеводороды*, об.%
1,5-3,0
Альдегиды*, об.%
0,1-0,2
Сажа**, г/м<sup>3</sup>
0,01-0,04
Бензпирен-3,4**, г/м<sup>3</sup>
15-20×10<sup>-6</sup>
* Токсичные компоненты** Канцерогены
В состав топлива нет необходимости вводить вымывающие добавки.
Пример 2 (Способ повышения интенсивности сжигания дизельного топлива).
В 100 кг воды распределяют равномерно 35 г нанопорошка железа, дисперсностью 15-50 нм (95%), посредством обработки наносуспензии в роторно-гидродинамическом смесителе, в течение 15 минут. Полученную наносуспензию (с концентрацией нанокатализатора =0,035%) смешивают с 899,965 кг дизтоплива, марки: «Топливо дизельное Л-0,2-40 ГОСТ 305-82».
Затем смесь обрабатывают в роторно-гидродинамическом смесителе, дополнительно сблокированном последовательно с УЗ-смесителем проходного типа (мощность в импульсе =3,5 кВт; частота 15 кГц). Время обработки - 25 минут. В результате получаем - 1000 кг топлива в виде эмульсии (типа: «вода - в масле») с дисперсностью водной фазы =500 нм, внутри которой распределен нанокатализатор, дисперсностью 15-50 нм (92%). Частично (3-6%) катализатор распределяется отдельными включениями и в органической (топливной) фазе. Устойчивость топливной композиции - 4 месяца.
Результат: при работе ДВС на этой композиции (автомобиль, имеющий дизельный двигатель, марки: ВАЗ 21055) - расход топлива при равномерной езде при скорости - 60 км/ч=3,2 л/на 100 км, вместо 3,8 л/на 100 км по паспорту (снижение =15,8%).
Состав автомобильных выхлопных газов приведен в табл.2
Таблица 2
Состав отходящих газов (ОГ)
Величина
N<sub>2</sub>, об.%
77-78
O<sub>2</sub>, об.%
17-18,0
H<sub>2</sub>O (пары), об.%
4,0-5,0
CO<sub>2</sub>, об.%
8,0-10,0
CO*, об.%
0,45-0,50
Оксиды азота*, об.%
0,20-0,50
Углеводороды*, об.%
0,45-0,50
Альдегиды*, об.%
0,001-0,009
Сажа**, г/м<sup>3</sup>
0,90-1,10
Бензпирен - 3,4**, г/м<sup>3</sup>
(9,0-10)×l0<sup>-6</sup>
* Токсичные компоненты** Канцерогены
Пример 3 (Способ повышения интенсивности сжигания мазута).
В 150 кг воды (Т-80°С) вводят 87 г сульфата кобальта,  дисперсностью 30-50 нм (95%) и обрабатывают в роторно-гидродинамическом смесителе, в течение 5 минут. Полученный раствор смешивают с 849,913 кг мазута, марки 100 (Т-80°С).
Затем смесь обрабатывают в роторно-гидродинамическом смесителе, дополнительно сблокированном последовательно с УЗ-смесителем проходного типа (мощность в импульсе =4,0 кВт; частота 20 кГц). Время обработки - 30 минут. В результате получаем - 1000 кг топлива в виде эмульсии (типа: «вода-в масле») с дисперсностью водной фазы = 100 нм, внутри которой распределен катализатор сульфат кобальта. Устойчивость топливной композиции (при 80°С) - не менее 3 месяцев. Теплота сгорания не менее 35,0 МДж/кг.
Результат:
- при сжигании данной топливной композиции в котельных агрегатах ТЭЦ, экономия мазута составляет 20%;
- выбросы вредных веществ - не более 50% от ПДВ.
Предлагаемый способ повышения эффективности сжигания углеводородных топлив наиболее актуально (суммарный эколого-экономический эффект выше) использовать для тяжелых видов топлив, таких как: мазут, солярка, а также для утилизации нефтешламов с повышенным содержанием воды (до 45-50%), но в то же время он применим и для процессов эффективного сжигания всех видов бензинов.
Применение изобретения в промышленности позволит:
- снизить расход углеводородных топлив (в целом) на 15-20%;
- снизить вдвое экологический ущерб при производстве тепло- и электроэнергии;
- при использовании на автотранспорте - позволит значительно улучшить экологическое состояние городов при одновременном снижении финансовых затрат и времени на переход России к Евростандартам по топливу: Евро 4 и Евро 5.