CN102071074B - 纳米稀土添加剂及其制备方法和在燃气燃料中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于二甲醚燃气、甲醇燃料的纳米稀土添加剂，其中镧、铈、锰化合物或盐共占质量组分的60％，单种所占比例为10％～25％，其余组分为镝、镥、铒、钪、镨、钕、钇的化合物或盐中任选3-5种。本发明还提供所述纳米稀土添加剂的制备方法和应用。通过将纳米级镧系稀土元素中的10种，按合理比例配用于二甲醚燃气、甲醇燃料等含氧类燃料，燃料的热值利用率明显提高，弥补了二甲醚燃气、甲醇燃料等含氧类燃料热值低的缺点，且优于石油液化气，完全可以替代石油液化气、柴油等传统燃料。

Description

纳米稀土添加剂及其制备方法和在燃气燃料中的应用

技术领域

本发明涉及纳米稀土添加剂，尤其涉及以镧、铈、锰为主要成分的纳米镧系稀土元素添加剂及其在二甲醚燃气、甲醇燃料中的应用。

背景技术

稀土有工业“黄金”之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性，能与其它材料组成性能各异的材料，具有显著提高产品质量和性能独特特点。还具有大幅度提高军事设备、冶金、电子、激光、核工业、超导等诸多高科技性能的具大作用。

二甲醚、甲醇作为燃料本身很洁净，作为燃气和燃料既环保又节能，但其理论热值较低，在用户使用上有很大问题，动力小，热值低，在当今石油价格不稳需大量进口的情况下，二甲醚、甲醇作为替代燃料，面临一定的困难。

目前已有研究将特定的添加剂加入二甲醚、甲醇燃料作为工业和民用燃气、燃料，以期望提高热值利用率，达到节能效果。然而现有的技术中添加剂提高热值利用率的作用不明显，得到的二甲醚、甲醇燃料无法完全替代石油液化气。

发明内容

为了解决上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种纳米稀土添加剂，将其加入二甲醚燃气、甲醇燃料以作为工业和民用燃气、燃料，提高热值利用率，达到良好节能效果。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种用于二甲醚燃气、甲醇燃料的纳米稀土添加剂，其中包含镧、铈、锰化合物或盐，3种共占质量组分的60％，单种所占比例为10％～25％，其余组分为镝、镥、铒、钪、镨、钕、钇中任选3-5种的化合物或盐。

本发明的一种实施方式，所述的纳米稀土添加剂中所含镝、铒、钪、钕的化合物或盐，4种共占质量组分40％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占5％～15％。

本发明的另一种实施方式，所述的纳米稀土添加剂中所含镥、铒、钪、镨、钕的化合物或盐，5种共占质量组分40％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占3～12％。

本发明的又一种实施方式，所述的纳米稀土添加剂中所含铒、钪、镨、钕化合物或盐，4种共占质量组分40％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占5％～15％。

本发明中所述化合物是指稀土元素尤其是镧系稀土元素的氧化物、氯化物或氟化物等；所述盐是指稀土元素尤其是镧系稀土元素的硝酸盐、碳酸盐或磷酸盐等。

本发明还提供所述纳米稀土添加剂的配制方法，是将从市场上购买的纳米级稀土元素的化合物或盐，按比例复配成纳米稀土添加剂原料，该原料以水或低碳醇为溶剂，加工配制成质量百分比浓度为5～30％的溶液即可，优选的浓度范围为10～15％。所述低碳醇是甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇等。

本发明进一步提供所述纳米稀土添加剂在二甲醚燃气、甲醇燃料中的应用。其使用方法是，将配制好的纳米稀土添加剂加到液相二甲醚或甲醇中即可，纳米稀土添加剂所占液相二甲醚或甲醇的体积比优选为0.2～3％。以上两种燃料添加纳米稀土添加剂后不用搅拌自然溶合既可使用。

本发明的有益效果在于：通过将纳米级镧系稀土元素中的10种，按合理比例配用于二甲醚燃气、甲醇燃料等含氧类燃料，燃料的热值利用率明显提高，弥补了二甲醚燃气、甲醇燃料等含氧类燃料热值低的缺点，且优于石油液化气，完全可以替代石油液化气、柴油等传统燃料，既节能又环保，这样就大大缓解石油液化气供给紧张的局面，同时可以大量减少石油液化气的进口，可为国家节省大量外汇。更适合我国煤化工富煤贫油的特有国情，具有巨大的经济效益和良好的社会效益。

具体实施方式

本发明提供用于二甲醚燃气、甲醇燃料的纳米稀土添加剂，其中包含镧、铈、锰化合物或盐，共占质量组分的60％，单种所占比例为10％～25％，其余组分为镝、镥、铒、钪、镨、钕、钇中任选3-5种的化合物或盐。

替代液化石油气用作民用燃料的二甲醚燃气或公用大灶的甲醇燃料，所用的添加剂组分含有：镧、铈、锰、镝、铒、钪、钕。其中镧、铈、锰化合物或盐共占质量组分60％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占10％～25％；镝、铒、钪、钕的化合物或盐共占质量组分40％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占5％～15％。

工业窑炉用二甲醚燃气或公用大灶的甲醇燃料，所用的添加剂组分含有：镧、铈、锰、镥、铒、钪、镨、钕。其中镧、铈、锰化合物或盐共占质量组分60％，单种所占比例根据需要可调整，调整范围在单种占10％～25％；镥、铒、钪、镨、钕的化合物或盐共占质量组分40％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占3～12％。

锅炉用二甲醚燃气或公用大灶的甲醇燃料，所用的添加剂组分含有：镧、铈、锰、铒、钪、镨、钕。其中镧、铈、锰化合物或盐共占质量组分60％，单种所占比例根据需要调整，调整范围在单种占10％～25％；铒、钪、镨、钕化合物或盐共占质量组分40％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占5％～15％。

本发明中所述的化合物是指稀土元素的氧化物、氯化物或氟化物等；所述的盐是指稀土元素的硝酸盐、碳酸盐或磷酸盐等。本发明中的稀土元素优选镧系稀土元素，进一步优选镧、铈、锰、镝、镥、铒、钪、镨、钕、钇。

本发明所述的纳米稀土添加剂的配制方法，是将从市场上购买的纳米级稀土元素的化合物或盐，按比例复配成纳米稀土添加剂原料，该原料以水或低碳醇为溶剂，加工配制成质量百分比浓度为5～30％的溶液即可，优选的浓度范围为10～15％。所述低碳醇是甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇等。

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。

实施例1 二甲醚燃气添加纳米稀土添加剂作为民用燃料

镧、铈、锰、镝、铒、钪、钕。其中镧、铈、锰化合物或盐，3种共占质量组分60％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占10％～25％；镝、铒、钪、钕的化合物或盐，4种共占质量组分40％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占5％～15％。

配制方法：从苏州纳米研究所购买的纳米级镧、铈、锰、镝、铒、钪、钕的氧化物、氯化物、氟化物或其硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐。按照质量比24∶21∶15∶5∶12∶15∶8的比例均匀混合，复配成纳米稀土添加剂原料，该原料以水为溶剂，加工配制成13％的溶液即可。

试验：二甲醚燃气添加纳米稀土添加剂作为民用燃料与液化石油气的对比实验。

实验条件：采用自制的二甲醚专用灶具和市场上新购的液化汽灶具，同一型号的水壶，同一计时表，同一计量电子称，同一操作人员，市场上采购的纯液化石油汽，自制的纯二甲醚。

实验结果：

1、自制的二甲醚专用灶具，使用未加纳米稀土添加剂的二甲醚燃气，烧开3公斤的自来水，用时15分钟，消耗二甲醚燃气70g。

2、同一台二甲醚专用灶具，炉盘自然冷却后使用，使用添加了纳米稀土添加剂的二甲醚燃气(添加剂所占的体积比为1.2％)，烧开3公斤自来水，用时11分钟，消耗二甲醚燃气48g。

3、用从市场上新购的液化气灶具，使用市场上采购的纯液化石油气，烧开3公斤自来水，用时13分钟，消耗液化石油气59g。

实验对比：使用纳米稀土添加剂后的二甲醚燃料，比不添加纳米稀土添加剂的二甲醚燃料，热值利用率提高20～30％，节约使用量30％以上；使用添加纳米稀土添加剂后的二甲醚燃料，同市场上纯液化石油气燃料相比，可节约用量17％以上。

实施例2 二甲醚燃气添加纳米稀土添加剂用于工业窑炉

镧、铈、锰、镥、铒、钪、镨、钕。其中镧、铈、锰化合物或盐，3种共占质量组分60％，单种所占比例根据需要可调整，调整范围在单种占10％～25％；镥、铒、钪、镨、钕的化合物或盐，5种共占质量组分40％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占3～12％。

配制方法：从苏州纳米研究所购买的纳米级镧、铈、锰、镥、铒、钪、镨、钕的氧化物、氯化物、氟化物或其硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐。按照质量比22∶25∶13∶4∶12∶7∶6∶11的比例均匀混合，复配成纳米稀土添加剂原料，该原料以水为溶剂，加工配制成15％的溶液即可。

试验：二甲醚燃气添加纳米稀土添加剂前后用于工业窑炉与液化石油气的对比实验。

实验条件：同一企业同一座内腔体积为3立方米的小型瓷器实验梭子窑，烧制相同数量、种类的瓷坯，相同的操作人员，同样的烧制工艺控制流程。

实验结果：

1、采用液化石油气作燃料烧制1窑实验产品，用时24小时，消耗液化石油气1074公斤。

2、采用未添加纳米稀土添加剂的二甲醚燃料，烧制1窑实验产品，用时26小时，消耗二甲醚燃料1319公斤。

3、采用添加了纳米稀土添加剂的二甲醚燃料(添加剂所占的体积比为1.4％)，烧制1窑实验产品，用时22小时，消耗二甲醚燃料873.4公斤。

实验对比：二甲醚燃气添加纳米稀土添加剂后用于工业窑炉，比不添加平均可减少用量30％左右，比液化石油气平均减少用量18％左右。

实施例3 二甲醚燃气加纳米稀土添加剂用于锅炉

镧、铈、锰、铒、钪、镨、钕。其中镧、铈、锰化合物或盐，3种共占质量组分60％，单种所占比例根据需要调整，调整范围在单种占10％～25％；铒、钪、镨、钕化合物或盐，4种共占质量组分40％，单种所占比例可调整，调整范围在单种占5％～15％。

配制方法：从苏州纳米研究所购买的纳米级镧、铈、锰、铒、钪、镨、钕的氧化物、氯化物、氟化物或其硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐。按照质量比25∶23∶12∶7∶12∶11∶10的比例均匀混合，复配成纳米稀土添加剂原料，该原料以水为溶剂，加工配制成10％的溶液即可。

试验：二甲醚燃气加纳米稀土添加剂后用于锅炉与液化石油气的对比实验。

试验条件：同一台燃气民用饮用水锅炉，同一水位，加热到同一水温，同一操作者，同一环境条件。

试验结果：

1、使用添加纳米稀土添加剂的二甲醚燃气(添加剂所占的体积比为1.1％)，将一台燃气民用饮用水锅炉最高限水位的冷水加热成温控显示100℃的饮用热水，用时34分钟，消耗二甲醚燃料4371g。

2、使用液化石油气将同一台燃气民用饮用水锅炉最高上限水位的冷水加热成温控显示100℃的饮用热水，用时38分钟，消耗液化石油汽5497g。

实验对比：添加纳米稀土添加剂后的二甲醚燃料应用于燃气锅炉，相同条件下可比液化石油气节省用量20％左右。

实施例4 甲醇燃料添加纳米稀土添加剂用于公用大灶

试验：甲醇燃料添加纳米稀土添加剂前后用于公用大灶的对比实验。

实验条件：采用市场销售的甲醇公用大灶和同一型号的大铝蒸锅(最大可装15升水)，同一种工业甲醇(含量99.7％)，同一计时表，同一计量电子称，同一操作人员，同一水温、室温。

试验结果：

1、采用市场购买的甲醇公用大灶，使用甲醇燃料，烧开10升自来水，用时25分钟，消耗甲醇燃料396g。

2、采用同一台甲醇公用大灶，炉盘自然冷却后使用，使用添加了实施例1的纳米稀土添加剂的甲醇燃料(添加剂所占的体积比为1.2％)，烧开10升自来水，用时21分钟，消耗甲醇燃料324g。

3、采用同一台甲醇公用大灶，炉盘自然冷却后使用，使用添加了实施例2的纳米稀土添加剂的甲醇燃料(添加剂所占的体积比为1.4％)，烧开10升自来水，用时22分40秒，消耗甲醇燃料330g。

4、采用同一台甲醇公用大灶，炉盘自然冷却后使用，使用添加了实施例3的纳米稀土添加剂的甲醇燃料(添加剂所占的体积比为1.1％)，烧开10升自来水，用时23分钟，消耗甲醇燃料336g。

实验对比：

使用实施例1纳米稀土添加剂后的甲醇燃料(添加剂所占的体积比为1.2％)，比不添加纳米稀土添加剂的甲醇燃料，节约使用量22％以上。

使用实施例2纳米稀土添加剂后的甲醇燃料(添加剂所占的体积比为1.4％)，比不添加纳米稀土添加剂的甲醇燃料，节约使用量20％以上。

使用实施例3纳米稀土添加剂后的甲醇燃料(添加剂所占的体积比为1.1％)，比不添加纳米稀土添加剂的甲醇燃料，节约使用量17.9％以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于二甲醚燃气、甲醇燃料的纳米稀土添加剂，其中包含镧、铈及锰的硝酸盐，3种共占质量组分的60%，单种所占比例为10%~25%，其余组分为镝、镥、铒、钪、镨、钕或钇的硝酸盐中任选3-5种。

2.根据权利要求1所述的纳米稀土添加剂，其中镝、铒、钪及钕的硝酸盐，4种共占质量组分40%，单种所占比例可调整，调整范围在单种占5%~15%。

3.根据权利要求1所述的纳米稀土添加剂，其中镥、铒、钪、镨及钕的硝酸盐，5种共占质量组分40%，单种所占比例可调整，调整范围在单种占3~12%。

4.根据权利要求1所述的纳米稀土添加剂，其中铒、钪、镨及钕的硝酸盐，4种共占质量组分40%，单种所占比例可调整，调整范围在单种占5%~15%。

5.一种制备权利要求1-4任一项所述的纳米稀土添加剂的方法，是将从市场上购买的纳米级的硝酸盐，其中包含镧、铈及锰的硝酸盐，3种共占质量组分的60%，单种所占比例为10%~25％，其余组分为镝、镥、铒、钪、镨、钕或钇的硝酸盐中任选3-5种，按比例复配成纳米稀土添加剂原料，该原料以水或低碳醇为溶剂，加工配制成质量百分比浓度为5~30%的溶液即可。

6.根据权利要求5所述的制备方法，所述溶液的浓度范围为10~15%。

7.权利要求1-4任一项所述的纳米稀土添加剂在二甲醚燃气、甲醇燃料中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，将配制好的纳米稀土添加剂加到液相二甲醚或甲醇中即可，其中纳米稀土添加剂所占的体积比为0.2~3%。