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"Combustible métallique catalysé"
La présente invention est relative aux combustibles amé- liorés et aux procédés visant à élever la valeur calorifique des combustibles.
L'invention est particulièrement applicable à la fabrica- tion d'un combustible comprenant, par exemple, des métaux en poudre, qui brûlent aisément et rapidement, de façon à produi- re des températures de chauffage extrêmement élevées et des gaz animés d'une grande vitesse, le tout à un degré qui n'a pas été atteint à ce jour avec des combustibles connus.
La présente invention a principalement pour objet d'é- tablir une poudre métallique catalysée, pouvant être utilisée en tant que combustible approprié pour les moteurs d'avions
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à réaction et les turbines à gaz, dans les explosifs et les agents de propulsion, pour les fusées et les centrales de production d'énergie, et analogues, ainsi que dans les domai- nes de l'aviation, du transport sur rail, des systèmes de ré- pandage agricoles pour engrais et insecticides et pour la destruction des végétaux, de même que pour les usages militai- res, par exemple dans les lance-flammes, bombes incendiaires, etc.
ün autre objet àe l'invention consiste à établir un compo- sé utilisable pour former des combustibles, des produits explo- sifs ou des catalyseurs d'inflammation, pour amorcer et favo- riser des réactions à haute température avec développement de gaz chauds à grande vitesse.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un compo- sé combustible qui possède une aire de propulsion à flamme très courte et qui est douée d'une vitesse de combustion accrue, grâce au caractère hautement pyrophorique du mélange combus- tible.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un mélan- ge combustible à base de métal en poudre, ce mélange pouvant être utilisé sous la forme d'une boue ou pâte contenant du mé- tal et un catalyseur d'auto-oxydation dispersé dans un hydro- carbure liquide, cette boue produisant une grande quantité de chaleur exothermique pendant la combustion.
Un autre objet de la présente invention consiste à établir un procédé pour accélérer la combustion de métaux en poudre et de matières analogues, de telle façon que la flamme se répande à travers la masse de combustible et détermine l'explosion et la désintégration rapide de chacune des particules du métal.
Le mélange combustible en poudre suivant l'invention est carac- térisé en ce qu'il manifeste une vitesse de flamme élevée pen- dant la combustion et produit une zone de pression élevée.
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En utilisant une concentration appropriée de poudre métallique et des catalyseurs d'auto-oxydation et en dispersant ces der- niers, tout en introduisant une quantité d'air ou d'oxygène suffisante pour assurer une combustion complète de la poudre métallique, on obtient une émission de chaleur maxima pendant la combustion de la poudre.
Suivant la présente invention, on réalise un procédé de base visant à obtenir la chaleur de combustion maxima de com- bustibles, en particulier de poudres métalliques. L'invention sera décrite d'une façon plus détaillée en se reportant à l'em- ploi de métaux aluminium et magnésium en poudre ; toutefois,d'autres matières combustibles d'une nature analogue peuvent aussi être employées, ou mélangées aux matières précitées, afin d'obtenir un combustible amélioré.
Pour préparer le mélange combustible, on mélange du métal en poudre, par exemple, des particules d'aluminium ou de magné- sium métalliques avec un catalyseur tel qu'un savon métallique.
La grosseur des particules du métal est généralement de l'or- dre de 20 microns ou moins, le diamètre étant de préférence de 1 micron ou moins. Ce mélange de poudre métallique et de ma- tière d'origine métallique peut être utilisé sous la forme d'un combustible sec en poudre ou en mélange avec un hydrocarbure liquide, de façon à former une boue.
Afin de produire la catalyse et d'élever la vitesse de combustion des matières métalliques en poudre et déterminer une réaction à haute température, on introduit une petite quan- tité d'un savon métallique ou d'un mélange de savons métalli- ques ; par exemple, 0,1 à 5% en poids des constituants métalli- ques en poudre consistent en un savon métallique tel qu'un stéarate, un palmitate, un oléate, un ricinoléate, etc., d'a- luminium, de magnésium, de titane, de zirconium, d'étain, et analogues, ce composé possédant des propriétés catalytiques d'auto-oxydation.
Les particules métalliques du mélange com- /
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bustible se présentent sous la forme d'une poudre ou de flocons, le savon métallique étant de préférence appliqué en tant qu'en- robage sur les flocons de métal ou mélangé à ceux-ci ; exem- ple, les flocons de métal aluminium enrobés de stéarate d'alu- minium forment un excellent mélange combustible. Le métal mer- cure, en quantités réduites, par exemple, de 0,1 à 1% en poids du mélange de poudre combustible, peut aussi être ajouté, en vue de renforcer l'action catalytique. Les composés du mercure, tels que le peroxyde de mercure ou le fulminate de mercure peu- vent aussi être utilisés dans ce but au lieu du métal mercure.
Lorsque le combustible doit être employé sous sa forme li- quide, les particules métalliques, sous la forme de flocons ou de poudre et la substance catalytique sont dispersées dans un hydrocarbure liquide, par exemple, le kérosène, l'essence de pé- trole, le diesel-oil, etc., qui fournit un véhicule combustible liquide pour les matières métalliques en poudre. Un tel combus- tible est applicable à l'alimentation de moteurs à réaction et de moteurs fonctionnant avec un combustible pour températures élevées et où un nombre maximum de calories sont extraites en un temps déterminé du combustible lors de la combustion de celui-ci.
Afin de promouvoir l'oxydation et d'élever la vitesse de combustion du combustible, on peut introduire dans le mélange combustible un peroxyde tel que le peroxyde d'hydrogène ou le peroxyde de benzyle, etc., soit initialement, soit pendant la combustion de ce mélange. A cette fin, 0,5 à 2% en poids de la matière solide du combustible peuvent être constitués par un peroxyde.
A titre d'exemples spécifiques du combustible métallique en poudre suivant la présente invention, une poudre de métal aluminium de préférence une feuille de métal réduite en poudre
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d'une finesse de particule dont la grosseur moyenne est de un micron, a été enrobée de stéarate d'aluminium (0,1 à 5% en poids du mélange métallique en poudre). Au lieu de métal alu- minium, on peut employer des particules métalliques du métal magnésium ou d'autres métaux facilement oxydables, tels que le zinc, l'étain, le zirconium, le titane, etc., sous la forme de poudre ou de flocons. Les flocons d'aluminium enrobés d'une faible quantité de stéarate d'aluminium ou de stéarate de magnésium, ou d'un savon métallique analogue, comme indiqué plus haut, constituent un mélange combustible approprié.
Les savons métalliques utilisés comme catalyseurs d'auto- oxydation sont, de préférence les sels de métaux des Groupes II, III et IV de la Classification Périodique ; les stéarates ou les palmitates de l'aluminium, du magnésium, du titane, du zirconium et de l'étain sont représentatifs de ces sels.
Le mélange combustible de métal en poudre peut aussi être employé sous la forme d'une boue, ce combustible étant mélangé avec un hydrocarbure liquide. Par exemple, un métal finement divisé tel que des flocons de métal aluminium, avec ou sans un savon métallique tel que le stéarate d'aluminium par exemple, est introduit dans un hydrocarbure liquide de support, tel que l'essence de pétrole, le kérosène, le fuel-oil, ou analo- gues. Cette boue, constituée par l'huile et les particules métalliques, peut être injectée dans une chambre de combustion d'un moteur et mélangée à l'air ou à l'oxygène et brûlée.
D'une manière générale, une à vingt-cinq parties de constitu- ants formés par le combustible solide pour cent parties, en poids, de l'hydrocarbure liquide fournissent un mélange com- bustible liquide approprié. Au besoin, on peut employer des proportions plus grandes ou plus petites d'hydrocarbure liqui- de et de constituants formés par le combustible en poudre, afin d'établir un combustible ayant la consistance requise et
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les caractéristiques de combustion désirées. Le métal en pou- dre peut être mélangé à l'hydrocarbure liquide, soit avant, soit pendant la combustion du combustible.
De l'oxygène supplé- mentaire, sous la forme de peroxydes, de peroxyde de benzyle par exemple, peut être ajouté à l'air à titre de complément, dans le but d'augmenter la vitesse à laquelle le mélange com- bustible, tel qu'indiqué plus haut, brûle ou se consume.
Le catalyseur d'auto-oxydation, en une quantité suffisante pour catalyser la réaction, est un constituant essentiel du combustible métallique en poudre. Les particules métalliques, qui sont combustibles et ont tendance à se vaporiser, donnent lieu aisément à une réaction à haute température pendant la combustion. Les températures très élevées, engendrées au cours de la réaction catalysée, déterminent une désintégration et une vaporisation rapides des particules. Ainsi, la combustion de la poudre métallique s'effectue donc à une vitesse élevée, l'élévation de la température et l'action explosive étant favo- risées par l'effet catalytique du savon métallique.
On tend à admettre que les températures élevées engendrées, conjointe- ment avec la désintégration et la vaporisation violentes des particules métalliques en poudre, sont la cause des valeurs ca- lorifiques extrêmement élevées.
Jusqu'à présent, on n'obtenait pas la valeur calorifique maxima dans la combustion de particules métalliques, principa- lement pour la raison que le chauffage initial des particules n'avait pas pour résultat de fournir des températures suffisam- ment élevées pour désintégrer et vaporiser le métal et pour permettre à l'air ou à l'oxygène d'entrer en contact avec tou- tes les particules du métal en poudre et d'entretenir leur com- bustion jusqu'au bout. En d'autres termes, dans le cas de réactions de combustion classiques utilisant des métaux en pou- dre, il y avait toujours une certaine proportion minimum de particules qui ne brûlaient pas complètement, mais qui s'en
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allaient en fumée.
Afin de réaliser une combustion intense et une extraction d'un maximum de calories de la matière métallique en poudre, conformément à la présente invention, il est nécessaire que la réaction soit conduite de telle façon que le point d'ébul- lition ou de vaporisation de la matière combustible soit infé- rieur à la température de la flamme et que la chaleur de vapori- sation soit inférieure à une valeur correspondant à l'énergie requise pour amorcer une combustion ou oxydation de surface rapides.
L'action catalytique des savons métalliques facilite la combustion de la poudre métallique et fournit une réaction à haute température, de sorte que l'on obtient le maximum de ca- lories des particules de poudre métallique. Pendant la com- bustion du combustible, les températures élevées produites transforment rapidement les particules métalliques en gaz aux hautes températures.
En outre, lorsque des poudres métalliques telles que la poudre d'aluminium ou de magnésium, sont utilisées avec l'hy- drocarbure dérivé du pétrole et formant support, tel que l'es- sence de pétrole, le kérosène, le diesel-oil, ou analogues, fournissent un combustible plus sensible à l'allumage et don- nent un mélange liquide à base de métal en poudre, dans lequel la flamme produite par la combustion se propage plus rapidement à travers le combustible que lorsque les particules de poudre sont employées seules. De plus, les gaz combustibles formés par l'hydrocarbure favorisent également cette combustion.
L'efficacité de la combustion et la grande émission de calories sont en outre favorisées par l'action catalytique des particu- les métalliques telles que la poudre de magnésium ou d'alumi- nium, notamment en présence d'hydrogène, lequel se forme par la décompositicn de l'humidité présente, cela dans les condi-
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tions de réaction à haute température qui existent an cours de la combustion du combustible.
Outre la vitesse de réaction élevée et la production de températures élevées pendant la combustion de ces particules de poudre métallique, qui comprennent de l'oxygène adsorbé sur les particules de poudre, on a constaté que l'addition d'une faible proportion de savon métallique, comme indiqué plus haut, par exemple, de stéarate ou d'oléate d'aluminium ou de magnésium, ou analogues, accélèrent encore davantage 1'inflammation et la propagation de la flamme pendant la combustion du combustible.
Ceci est probablement dû au fait que la surface por@euse des particules adsorbe du gaz à partir de l'atmosphère environnante et que le savon métallique catalyse cette réaction.
Afin de contrôler la combustion et d'empêcher l'explosion, ainsi que pour faciliter cette combustion, il est préférable d'avoir un excès d'oxygène dans l'atmosphère, cet oxygène étant introduit dans le combustible soit à partir de l'air, soit en utilisant un mélange d'air et de peroxyde, comme exposé plus haut. De cette manière, on a la possibilité de produire la combustion à une température d'allumage inférieure et d'augmen- ter la vitesse de la combustion et l'adsorption de l'oxygène sur les particules de poudre.
Les particules métalliques, par exemple celles d'aluminium, de magnésium ou de zinc, ainsi que des matières oxydables ana- logues, sous òrme de poudre, enflammées en présence d'un agent catalytique constitué par un savon métallique, brûlent à une vitesse et à une température élevées. Les catalyseurs qui augmentent la vitesse de combustion déterminent la formation d'un combustible constitué par une poudre métallique et qui possède une limite ou une température explosives moins élevées, notamment en présence de méthane, d'oxygène ou d'air et a pour résultat une intensification de la combustion du combustible.
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Le contrôle des propriétés de combustion et d'explosion du métal en poudre peut être obtenu en utilisant divers agents oxydants, et cela dans diverses proportions. De cette manière, l'effet incendiaire du combustible peut être contrôlé, soit dans le sens de l'accélération de l'ignition ou de la combustion totale des particules de combustible, soit dans le sens du ra- lentissement de leur combustion, compte tenu des nécessités qui peuvent se présenter lors de l'utilisation du combustible.
Ainsi, pour rendre un combustible utilisable dans les moteurs à combustion interne fonctionnant avec des poudres métalliques, on peut accélérer la combustion par l'emploi d'un savon métalli- que et de catalyseurs à base de peroxydes, de sorte que le mé- lange est amené à brûler et à fournir les gaz de réaction à haute température nécessaires pour refouler le piston en un temps déterminé d'avance. Dans d'autres cas, où le combustible doit brûler plus lentement, on incorporera au combustible des catalyseurs négatifs, soit, des catalyseurs qui n'accélèrent pas la combustion, mais tendent à ralentir celle-ci.
Dans le cas d'une poudre métallique telle que la poudre d'aluminium et les poudres métalliques analogues, on tend à ad- mettre que leur inflammation est d'origine électrique ou élec- tronique, par opposition à une inflammation thermique. On tend à admettre que les décharges électriques ou l'ionisation produisent de l'ozone et un oxyde d'aluminium (A1205) qui réa- git avec les fines particules de poudre et amorce la décompo- sition de celle-ci et la propagation de la flamme pendant la combustion du combustible.
L'inflammation électrique dépend dans une large mesure de l'établissement d'une concentration suffisante de particules chargées, qui résulte de collisions électroniques dues à l'io- nisation des matières ou à la présence d'ions ou de particules ionisées dans le mélange e xplosif. On est enclin à admettre
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que cette phase électronique de la combustion joue un rôle important dans l'efficacité accrue du combustible suivant la présente invention. Ceci s'applique aussi en substance au cas de l'inflammation thermique.
De plus, on considère qu'il importe peu, à savoir, si la théorie de la prédistillation de la poudre pendant l'inflamma- tion et la combustion se vérifie ou si cette théorie peut ser- vir à expliquer ce qui advient du combustible au cours de la combustion: ou si l'obtention des résultats améliorés suivant l'invention implique quelque autre théorie. D'après la théorie qui attribue l'inflammation de la poudre à une prédistillation, on tend à admettre que toute inflammation de la poudre implique purement une explosion de gaz ou de vapeur et que l'énergie de la source d'inflammation fournit de la chaleur pour décomposer les particules de poudre, déterminant ainsi la libération de la matière volatile.
De cette façon, les particules gazeuses volatilisées se mélangent plus aisément à l'air et s'enflamment, la combustion se poursuit à une vitesse élevée et la chaleur produite chauffe et volatilise à son tour d'autres particules, non encore volatilisées.
Une des objections soulevées par la théorie exposée ci- dessus a été que la température d'inflammation d'une poudre quelconque, y compris la poudre de charbon, est inférieure aux températures d'inflammation des gaz considérés, tels que le méthane, ou un hydrocarbure analogue. Cependant, il semble qu'il y ait certains arguments en faveur de la théorie disant que, lors du chauffage et de la combustion initiaux de la pou- dre, il n'existe pas assez d'air sur la surface de la particu- le pour continuer à entretenir la combustion et que, par con- séquent, la température s'élève au-dessus du point d'inflamma- tion de la matière solide, ce qui l'amène à se distiller,et,±1- nalement, à s'enflammer, d'où amorçage de la réaction de com- bustion.
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Dans un procédé particulièrement favorable visant à réa- liser la combustion du nouveau combustible suivant la présente invention, on cherche à établir une concentration capable de fournir une chaleur suffisante pour produire l'oxydation com- plète des particules de poudre et de libérer ainsi un nombre maximum de calories. La chaleur produite par l'oxydation com- plète d'une partie des particules de poudre au sein de l'oxy- gène disponible est suffisante pour chauffer le reste de la poudre contenue dans le mélange, de façon à porter celle-ci à la température d'inflammation. Théoriquement, et si l'on né- glige la dissociation, la plus forte explosion ou la plus gran- de force explosive devrait être obtenue à une concentration correspondant aux mélanges en proportions de poids stoechio- métriques des ingrédients du combustible.
Cette concentration peut être calculée si l'on connaît la composition chimique de la poudre et à condition que l'on ait lieu de supposer qu'il se produit une combustion complète de la matière. On a cepen- dant constaté dans la pratique que des mélanges de poudre quel- que peu plus riches sont les plus explosifs.
L'ajustement de ces mélanges, en vue d'assurer le plus grand développement de chaleur, est facilité par l'action ca- talytique de la poudre métallique, par exemple un métal en poudre tel que l'aluminium, le magnésium, le zinc, l'étain, etc., et le support fluide, qui est de préférence un hydrocar- bure, comme décrit plus haut. La température initiale, la pression, la teneur en oxygène, le degré d'humidité, la cha- leur spécifique et la conductibilité thermique de l'atmosphère, constituent autant de facteurs qui influencent l'explosion de la poudre. Il va da soi que la présence de l'oxygène consti- tue le facteur le plus important.
A titre de source d'inflammation, il est préférable d'u- tiliser une flamme ou une surface chaude. La présence de
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l'humidité, qui forme normalement un constituant du mélange, est avantageuse, vu qu'elle réagit avec la poudre de métal et avec des matières analogues, aux températures de réaction, et qu'elle a pour-résultat un développement de gaz hydrogène.
La production de gaz hydrogène a lieu en particulier aux tem- pératures élevées, auxquelles se produit une décomposition et une ionisation de l'humidité. Ceci a pour effet de réduire la couche superficielle d'oxyde qui, sans cela, tend à se for- mer sur les particules, de sorte que le mélange combustible devient hautement sensible à l'inflammation et à la combustion.
D'autres particules de poudre métallique pyrophorique peuvent être présentes dans le mélange, par exemple les pou- dres finement divisées du fer, du manganèse, du cuivre, de l'uranium, du nickel, du zirconium, et autres, des oxydes, hy- drures, carbures et nitrures métalliques et des alliages métal- liques qui s'oxydent aussi, lorsqu'ils sont exposés à l'air, avec une rapidité telle qu'ils s'échauffent et s'enflamment.
Bien qu'il n'apparaisse pas qu'il y ait unanimité quant au mécanisme exact de l'inflammation pyrophorique, on est enclin à admettre que le processus varie quelque peu avec le type de poudre, la finesse de celle-ci et la nature de sa surface.
La découverte fondamentale qui est à la base de la pré- sente invention consiste en ce qu'en utilisant une combinaison d'une poudre métallique combustible avec une poudre de charbon, on peut réaliser et contrôler de telle façon la combustion que la réaction donne lieu à une libération maximum de gaz et de chaleur. On tend à admettre que le caractère pyrophorique de ces poudres, telles qu'indiquées plus haut est en relation avec un équilibre intérieur métastable au sein des poudres.
Ainsi, un des avantages résultant de l'emploi de ces poudres de nature pyrophorique, telles que les poudres des métaux alu- minium et (ou) magnésium réside dans le fait qu'en cas de dispersion suffisante ds ces particules extrêmement fines,
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celles-ci s'enflamment par auto-allumage à la suite de la dé- charge d'une étincelle électrostatique au sein du nuage de poudre.
On a obtenu des résultats particulièrement satisfaisants avec des échantillons de poudre d'un calibre plus fin que le passé d'un tamis de 200 mailles au pouce linéaire. Ce com- bustible peut être amené à traverser, en vue d'assurer son in- flammation, à travers un four cylindrique à garnissage d'alun- don, chauffé électriquement. La température d'inflammation pour la poudre s'échelonne entre environ 200 C et plus de
1000 C. La température dépend de la dispersibilité, de la fi- nesse et de l'uniformité de la poudre, de la source d'inflam- mation, du réglage de l'allumage et de l'interprétation de ce qui doit être considéré comme facteur de limitation de la flamme.
L'énergie d'inflammation de ces nuages de poudre varie avec la finesse, la teneur en humidité et, dans une certaine mesure, avec la concentration dans le nuage. Par exemple, des couches non dispersées de poudre de zirconium ont été en- flammées par des étincelles d'une énergie inférieure à 1 microjoule (1 muj), alors que d'autres poudres exigent des étincelles notablement plus puissantes. L'énergie d'inflamma- tion de nuages de poudre dans l'air s'échelonne entre environ 10 millijoules (10 mj) et plusieurs joules.
La source d'allumage considérée généralement comme par- ticulièrement favorable est une étincelle d'induction à haute tension. Lorsque ces poudres sont ainsi enflammées, la pres- sion développée est supérieure à 150 1b./in.2 et augmente avec une rapidité moyenne d'environ 5000 lb./in.2 par seconde, les vitesses maxima étant supérieures à 10.000 lb./in.2 par seconde. En appliquant une étincelle d'induction continue à haute tension et en dispersant la poudre à travers un four
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à 850 C, on peut obtenir un résultat satisfaisant.
La concentration minima de poudre de charbon, suscepti- ble de permettre la propagation d'explosions très considéra- bles est d'environ 50 mg/litre (0,05 oz/ft3) d'air. La pres- sion est voisine de 150 1b./in2et l'on a atteint des vites- ses de flamme supérieures à 6. 000 ft/sec. en tirant parti des propriétés thermiques de la poudre métallique et des cataly- seurs, par exemple, les flocons d'aluminium et poudres analo- gues. Comme indiqué plus haut, on peut atteindre, en présence d'un combustible hydrocarboné liquide et d'oxygène, une tempé- rature et des vitesses de gaz très élevées, tandis qu'en réglant la finesse des matières utilisées, la quantité d'humidité pré- sente ainsi que l'oxygène, on peut déterminer la libération d'une énergie maxima.
Il ressort de ce qui précède que la présente invention permet d'établir un combustible nouveau et un nouveau procédé pour produire des réactions de combustion à haute température, où les particules de poudre métallique forment le constituant principal.
En outre, l'invention permet d'établir un combustible dans lequel une poudre métallique catalysée est employée pour cons- tituer un combustible à haute température et où l'on obtient des nombres de calories maxima.
Il est bien entendu que de nombreuses modifications et additions peuvent être pratiquées en ce qui concerne la compo- sition du combustible suivant la présente invention et que les quantités proportionnées des ingrédients peuvent varier dans des limites relativement étendues, compte tenu de l'usage par- ticulier auquel le combustible est destiné. De telles modi- fications et variantes sont censées être couvertes par le prin- cipe de l'invention et incluses dans le cadre de celle-ci.
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"Catalyzed metallic fuel"
The present invention relates to improved fuels and to methods for increasing the calorific value of fuels.
The invention is particularly applicable to the manufacture of a fuel comprising, for example, powdered metals, which burn easily and rapidly, so as to produce extremely high heating temperatures and gases animated by a gas. high speed, all to a degree which has not been achieved to date with known fuels.
The main object of the present invention is to provide a catalyzed metal powder which can be used as a suitable fuel for aircraft engines.
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jet and gas turbines, in explosives and propellants, for rockets and power plants, and the like, as well as in the fields of aviation, rail transport, agricultural spreading systems for fertilizers and insecticides and for the destruction of plants, as well as for military uses, for example in flame throwers, fire bombs, etc.
Another object of the invention is to provide a compound which can be used to form fuels, explosives or ignition catalysts, to initiate and promote reactions at high temperature with the development of hot gases at large. speed.
Another object of the invention is to provide a combustible compound which has a very short flame propulsion area and which is endowed with an increased combustion rate, owing to the highly pyrophoric character of the combustible mixture.
Another object of the invention is to provide a combustible mixture based on powdered metal, which mixture can be used in the form of a slurry or paste containing metal and a dispersed auto-oxidation catalyst. in a liquid hydrocarbon, this sludge producing a large amount of exothermic heat during combustion.
Another object of the present invention is to provide a method for accelerating the combustion of powdered metals and the like, such that the flame spreads through the mass of fuel and determines the explosion and rapid disintegration of each. particles of the metal.
The powdered combustible mixture according to the invention is characterized in that it exhibits a high flame velocity during combustion and produces a high pressure zone.
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By using an appropriate concentration of metal powder and auto-oxidation catalysts and dispersing the latter, while introducing a sufficient quantity of air or oxygen to ensure complete combustion of the metal powder, a maximum heat emission during the combustion of the powder.
According to the present invention, a basic process is carried out aimed at obtaining the maximum heat of combustion of fuels, in particular of metal powders. The invention will be described in more detail with reference to the use of powdered metals aluminum and magnesium; however, other combustible materials of a similar nature may also be employed, or mixed with the above materials, in order to obtain an improved fuel.
To prepare the combustible mixture, powdered metal, for example, metallic aluminum or magnesium particles, are mixed with a catalyst such as metallic soap.
The particle size of the metal is generally on the order of 20 microns or less, the diameter preferably being 1 micron or less. This mixture of metallic powder and material of metallic origin can be used in the form of a dry powdered fuel or mixed with a liquid hydrocarbon, so as to form a slurry.
In order to provide catalysis and to increase the rate of combustion of powdered metallic materials and to determine a high temperature reaction, a small amount of a metallic soap or mixture of metallic soaps is introduced; for example, 0.1 to 5% by weight of the powdered metallic constituents consists of a metallic soap such as a stearate, a palmitate, an oleate, a ricinoleate, etc., of aluminum, of magnesium, titanium, zirconium, tin, and the like, this compound having catalytic auto-oxidation properties.
The metal particles of the mixture com- /
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The flakes are in the form of a powder or flakes, the metallic soap preferably being applied as a coating on or mixed with the metal flakes; For example, aluminum metal flakes coated with aluminum stearate form an excellent combustible mixture. Metal mercury, in reduced amounts, for example from 0.1 to 1% by weight of the combustible powder mixture, may also be added, in order to enhance the catalytic action. Mercury compounds, such as mercury peroxide or mercury fulminate can also be used for this purpose instead of the metal mercury.
When the fuel is to be used in its liquid form, the metallic particles, in the form of flakes or powder and the catalytic substance are dispersed in a liquid hydrocarbon, for example, kerosene, petroleum gasoline, diesel oil, etc., which provides a liquid fuel vehicle for powdered metallic materials. Such a fuel is applicable to the supply of jet engines and engines operating with a fuel for high temperatures and where a maximum number of calories are extracted in a determined time from the fuel during the combustion thereof.
In order to promote oxidation and increase the rate of combustion of the fuel, a peroxide such as hydrogen peroxide or benzyl peroxide, etc., can be introduced into the fuel mixture, either initially or during combustion of the fuel. this mixture. For this purpose, 0.5 to 2% by weight of the solid material of the fuel can be constituted by a peroxide.
As specific examples of the powdered metal fuel according to the present invention, an aluminum metal powder, preferably a powdered metal foil.
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with a fine particle size having an average size of one micron, was coated with aluminum stearate (0.1 to 5% by weight of the powdered metal mixture). Instead of aluminum metal, metal particles of magnesium metal or other easily oxidizable metals, such as zinc, tin, zirconium, titanium, etc., in powder or powder form, etc. can be employed. flakes. Aluminum flakes coated with a small amount of aluminum stearate or magnesium stearate, or a similar metallic soap, as indicated above, constitute a suitable combustible mixture.
The metal soaps used as auto-oxidation catalysts are preferably the salts of metals of Groups II, III and IV of the Periodic Table; aluminum, magnesium, titanium, zirconium and tin stearates or palmitates are representative of these salts.
The combustible mixture of powdered metal can also be employed in the form of a slurry, this fuel being mixed with a liquid hydrocarbon. For example, a finely divided metal such as aluminum metal flakes, with or without a metallic soap such as aluminum stearate for example, is introduced into a carrier liquid hydrocarbon, such as petroleum gasoline, kerosene. , fuel oil, or the like. This sludge, made up of oil and metal particles, can be injected into a combustion chamber of an engine and mixed with air or oxygen and burnt.
Generally, one to twenty-five parts of solid fuel constituents per hundred parts, by weight, of liquid hydrocarbon provides a suitable liquid fuel mixture. If necessary, larger or smaller proportions of liquid hydrocarbon and components formed by the powdered fuel may be employed in order to establish a fuel of the required consistency and
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the desired combustion characteristics. The powdered metal can be mixed with the liquid hydrocarbon, either before or during combustion of the fuel.
Additional oxygen, in the form of peroxides, for example benzyl peroxide, can be added to the air as a supplement, in order to increase the rate at which the mixture fuels, such as as indicated above, burns or is consumed.
The auto-oxidation catalyst, in an amount sufficient to catalyze the reaction, is an essential component of powdered metallic fuel. Metal particles, which are combustible and tend to vaporize, readily give rise to a high temperature reaction during combustion. The very high temperatures, generated during the catalyzed reaction, cause the particles to disintegrate and vaporize rapidly. Thus, the combustion of the metal powder therefore takes place at a high speed, the rise in temperature and the explosive action being favored by the catalytic effect of the metal soap.
It is generally believed that the high temperatures generated, together with the violent disintegration and vaporization of the powdered metal particles, are the cause of the extremely high calorific values.
Hitherto, the maximum calorific value has not been obtained in the combustion of metallic particles, mainly for the reason that the initial heating of the particles has not resulted in providing temperatures high enough to decay and disintegrate. to vaporize the metal and to allow air or oxygen to come into contact with all the particles of the powdered metal and to continue their combustion to the end. In other words, in the case of classical combustion reactions using powdery metals, there was always a certain minimum proportion of particles which did not burn completely, but which did.
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were going up in smoke.
In order to achieve intense combustion and extraction of a maximum of calories from the powdered metallic material, according to the present invention, it is necessary that the reaction be carried out such that the point of boiling or vaporization of the combustible material is below the temperature of the flame and the heat of vaporization is below a value corresponding to the energy required to initiate rapid combustion or surface oxidation.
The catalytic action of the metal soaps facilitates the combustion of the metal powder and provides a reaction at high temperature, so that the maximum calories are obtained from the metal powder particles. During fuel combustion, the high temperatures produced quickly convert the metal particles into gas at the high temperatures.
Further, when metal powders such as aluminum or magnesium powder are used with the petroleum-derived and carrier-forming hydrocarbon, such as petroleum gasoline, kerosene, diesel oil , or the like, provide a fuel more sensitive to ignition and result in a liquid mixture of powdered metal, in which the flame produced by combustion propagates more rapidly through the fuel than when the powder particles are employed alone. In addition, the combustible gases formed by the hydrocarbon also promote this combustion.
The efficiency of combustion and the high calorie emission are also favored by the catalytic action of metallic particles such as magnesium or aluminum powder, in particular in the presence of hydrogen, which is formed by decomposition of the humidity present, this under the condi-
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high temperature reaction conditions that exist during fuel combustion.
Besides the high reaction rate and the production of high temperatures during the combustion of these metal powder particles, which include oxygen adsorbed on the powder particles, it has been found that the addition of a small proportion of metal soap , as noted above, for example, aluminum or magnesium stearate or oleate, or the like, further accelerate the ignition and flame propagation during fuel combustion.
This is probably because the porous surface of the particles adsorbs gas from the surrounding atmosphere and the metallic soap catalyzes this reaction.
In order to control combustion and prevent explosion, as well as to facilitate this combustion, it is preferable to have an excess of oxygen in the atmosphere, this oxygen being introduced into the fuel either from the air. , or by using a mixture of air and peroxide, as explained above. In this way, it is possible to produce the combustion at a lower ignition temperature and to increase the rate of combustion and the adsorption of oxygen to the powder particles.
Metallic particles, for example those of aluminum, magnesium or zinc, as well as similar oxidizable materials, in powder form, ignited in the presence of a catalytic agent consisting of metallic soap, burn at a speed and at high temperature. Catalysts which increase the rate of combustion determine the formation of a fuel consisting of metallic powder and which has a lower explosive limit or temperature, especially in the presence of methane, oxygen or air and results in a intensification of fuel combustion.
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Control of the combustion and explosion properties of powdered metal can be achieved by using various oxidizing agents, and in various proportions. In this way, the incendiary effect of the fuel can be controlled, either in the direction of the acceleration of the ignition or of the total combustion of the fuel particles, or in the direction of the slowing down of their combustion, taking into account necessities that may arise when using fuel.
Thus, to make a fuel usable in internal combustion engines operating with metal powders, the combustion can be accelerated by the use of a metal soap and peroxide catalysts, so that the mixture is caused to burn and to supply the reaction gases at high temperature necessary to force the piston in a predetermined time. In other cases, where the fuel must burn more slowly, negative catalysts will be incorporated into the fuel, that is, catalysts which do not accelerate combustion, but tend to slow it down.
In the case of a metallic powder such as aluminum powder and the like metallic powders, it is tended to be assumed that their ignition is of electrical or electronic origin, as opposed to thermal ignition. We tend to assume that electric discharges or ionization produce ozone and an aluminum oxide (A1205) which reacts with the fine particles of powder and initiates the decomposition of the powder and the propagation of the powder. flame during fuel combustion.
Electrical ignition depends to a large extent on the establishment of a sufficient concentration of charged particles, which results from electronic collisions due to the ionization of materials or the presence of ions or ionized particles in the mixture. e xplosive. We are inclined to admit
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that this electronic phase of combustion plays an important role in the increased efficiency of the fuel according to the present invention. This also applies in substance to the case of thermal ignition.
Moreover, it is considered that it does not matter whether the theory of the predistillation of the powder during ignition and combustion holds true or if this theory can be used to explain what happens to the fuel at the during combustion: or if obtaining the improved results according to the invention involves some other theory. According to the theory which attributes the ignition of the powder to a predistillation, one tends to assume that any ignition of the powder involves purely an explosion of gas or vapor and that the energy of the ignition source provides heat to break down the powder particles, thereby determining the release of the volatile material.
In this way, the volatilized gaseous particles mix more easily with air and ignite, combustion continues at a high rate and the heat produced heats and in turn volatilizes other particles, not yet volatilized.
One of the objections raised by the theory set out above has been that the ignition temperature of any powder, including carbon powder, is lower than the ignition temperatures of the gases under consideration, such as methane, or a gas. hydrocarbon analogue. However, there seems to be some argument in favor of the theory that during the initial heating and combustion of the powder, there is not enough air on the surface of the particle. to continue to support combustion and that, consequently, the temperature rises above the point of ignition of the solid matter, which causes it to distill, and, ± 1- nally, to ignite, hence initiation of the combustion reaction.
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In a particularly favorable process aimed at carrying out the combustion of the new fuel according to the present invention, it is sought to establish a concentration capable of supplying sufficient heat to produce the complete oxidation of the powder particles and thus liberate a number. maximum calories. The heat produced by the complete oxidation of a part of the powder particles within the available oxygen is sufficient to heat the remainder of the powder contained in the mixture, so as to bring the latter to the temperature. ignition temperature. Theoretically, and if dissociation is neglected, the greatest explosion or the greatest explosive force should be obtained at a concentration corresponding to the mixtures in stoichiometric weight proportions of the fuel ingredients.
This concentration can be calculated if the chemical composition of the powder is known and provided that it can be assumed that complete combustion of the material occurs. It has, however, been found in practice that somewhat richer powder mixtures are the most explosive.
The adjustment of these mixtures, in order to ensure the greatest development of heat, is facilitated by the catalytic action of the metallic powder, for example a powdered metal such as aluminum, magnesium, zinc. , tin, etc., and the fluid carrier, which is preferably a hydrocarbon, as described above. The initial temperature, the pressure, the oxygen content, the degree of humidity, the specific heat and the thermal conductivity of the atmosphere are all factors which influence the explosion of the powder. Of course, the presence of oxygen is the most important factor.
As the source of ignition, it is preferable to use a flame or a hot surface. The presence of
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moisture, which normally forms a component of the mixture, is advantageous, as it reacts with metal powder and the like at reaction temperatures, and results in the development of hydrogen gas.
The production of hydrogen gas takes place especially at high temperatures, at which moisture decomposition and ionization occurs. This has the effect of reducing the surface oxide layer which otherwise tends to form on the particles, so that the combustible mixture becomes highly sensitive to ignition and combustion.
Other particles of pyrophoric metal powder may be present in the mixture, for example the finely divided powders of iron, manganese, copper, uranium, nickel, zirconium, and the like, oxides, hy - metal drides, carbides and nitrides and metal alloys which also oxidize, when exposed to air, with such rapidity that they heat up and ignite.
Although it does not appear that there is unanimity as to the exact mechanism of pyrophoric inflammation, one is inclined to admit that the process varies somewhat with the type of powder, the fineness of the powder and the nature. of its surface.
The fundamental discovery which is the basis of the present invention is that by using a combination of a combustible metal powder with a coal powder, the combustion can be carried out and controlled in such a way that the reaction gives rise. to maximum gas and heat release. We tend to admit that the pyrophoric character of these powders, as indicated above, is related to a metastable internal balance within the powders.
Thus, one of the advantages resulting from the use of these powders of pyrophoric nature, such as the powders of the metals aluminum and (or) magnesium lies in the fact that, in the event of sufficient dispersion of these extremely fine particles,
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these ignite by self-ignition following the discharge of an electrostatic spark within the powder cloud.
Particularly satisfactory results have been obtained with powder samples finer than the pass of a 200 mesh per linear inch screen. This fuel can be passed through, in order to ensure its ignition, through an electrically heated cylindrical furnace lined with alum- nium. The ignition temperature for the powder ranges from about 200 C to over
1000 C. The temperature depends on the dispersibility, fineness and uniformity of the powder, the source of ignition, the setting of the ignition and the interpretation of what must be considered. as a flame limiting factor.
The ignition energy of these powder clouds varies with fineness, moisture content, and to some extent with concentration in the cloud. For example, undispersed layers of zirconium powder have been ignited by sparks with an energy of less than 1 microjoule (1 muj), while other powders require significantly more powerful sparks. The ignition energy of powder clouds in air ranges from about 10 millijoules (10 mj) to several joules.
The ignition source generally considered to be particularly favorable is a high voltage induction spark. When these powders are thus ignited, the pressure developed is greater than 150 1b./in.2 and increases with an average rate of about 5000 lb./in.2 per second, the maximum speeds being greater than 10,000 lb. /in.2 per second. By applying a high voltage continuous induction spark and dispersing the powder through an oven
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at 850 C, a satisfactory result can be obtained.
The minimum concentration of charcoal powder capable of allowing very large explosions to propagate is about 50 mg / liter (0.05 oz / ft3) of air. The pressure is close to 150 1b./in2 and flame speeds of over 6,000 ft / sec have been reached. by taking advantage of the thermal properties of metal powder and catalysts, for example, aluminum flakes and the like. As indicated above, it is possible to achieve, in the presence of liquid hydrocarbon fuel and oxygen, a very high temperature and gas velocities, while by regulating the fineness of the materials used, the quantity of humidity. present as well as oxygen, the release of maximum energy can be determined.
It emerges from the above that the present invention allows to establish a new fuel and a new process for producing high temperature combustion reactions, where the metal powder particles form the main constituent.
Further, the invention enables a fuel to be established in which a catalyzed metal powder is employed to form a high temperature fuel and in which maximum calorie numbers are obtained.
It is understood, of course, that many modifications and additions can be made with respect to the composition of the fuel according to the present invention and that the proportionate amounts of the ingredients can vary within relatively wide limits, taking into account the use by- particular for which the fuel is intended. Such modifications and variations are intended to be covered by the principle of the invention and included within the scope thereof.