CN105283657A - 用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量的方法和系统，其特征在于，制备油包水乳液并且将其进料至燃烧系统，所述方法包括如下步骤：a)将有机油相、乳化剂和水相注入第一混合区域；b)混合所述组分从而实现高内相比乳液(HIPE)；c)将步骤b)的高内相比乳液(HIPE)和另外的有机油相注入第二混合区域；d)混合所述组分从而实现均匀的油包水乳液，和e)将所述油包水乳液提供至燃烧系统。

Description

用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量的方法和系统，其中制备油包水乳液并且将其进料至燃烧系统，所述方法包括如下步骤：a)将有机油相、乳化剂和水相注入第一混合区域；b)混合所述组分从而实现高内相比乳液(HIPE)；c)将步骤b)的高内相比乳液(HIPE)和另外的有机油相注入第二混合区域；d)混合所述组分从而实现均匀的油包水乳液，和e)将所述油包水乳液提供至燃烧系统。
背景技术
现代内燃机仍然是大量全球空气污染的原因。虽然在近几十年里已经在生态友好的设计领域中实现了巨大进步并且目前可购得具有高效率水平和低燃料消耗的发动机，但情况仍然如此。然而，由于燃烧过程的复杂性，使得在能量转化的过程中仍然产生不希望的“副产物”，例如细粉尘或升高的NOX水平，它们被认为对于高等生物和用于减少所述污染物的装置来说是有毒的并且经受更广泛的研究。
由于该主题的工业重要性和环境重要性，已经提出若干不同的策略，从而减少内燃机的废气中的不希望的污染物。
例如WO2003050402描述了高效率内燃机，包括奥托循环发动机，其在升高的压力下使用蒸汽稀释的燃料供给。将空气压缩，并且使用来自发动机的废热经由分压效果将水蒸发进入压缩空气。然后在发动机中使用燃料燃烧所得的加压空气-蒸汽混合物，所述燃料优选包含氢气从而维持火焰前缘蔓延。负载蒸汽的高压发动机废气被用于驱动膨胀器从而提供另外的机械动力。废气也可以用于重整燃料从而提供氢气用于发动机燃烧。发动机有利地使用分压效果从而将来自发动机的低级废热转化成有用的机械动力。据称发动机能够实现高效率(例如>50％)和最小排放。
US20120312166Al公开了用于纯化来自重油燃烧的船用柴油废气的装置，其中所述装置包括：a)喷雾塔，所述喷雾塔包括一个或多个进料管路用于气体和/或水的燃烧，b)文丘里洗涤器，所述文丘里洗涤器直接连接至所述喷雾塔并且包括另一个用于水的进料管路，c)旋风分离器形式的除雾器，所述除雾器连接至所述文丘里洗涤器并且包括一个或多个用于经净化气体和洗涤液体的出口管路，和d)碟式分离器，所述碟式分离器通过用于所述洗涤液体的所述出口管路连接至所述除雾器。
此外，DE19820682Al提供了一种用于清洗内燃机或用化石燃料操作的其它机器的废气的方法。提出首先以非热常压气体排放预处理废气，然后通过加入合适的还原物质允许进行氧化性有害物质的选择性催化还原，或者允许进行选择性催化分解。所述用于除去氧化性有害物质的设备的特征在于至少一个具有气体排放区的模块和至少一个具有催化转化器区的模块的串联线路，并且特别适合用于柴油发动机中。
此外，DE4443260Al提供了一种用于减少热机的废气中的污染物的可能的解决方案。所述单元由两个热机组成，第一个热机产生驱动能量并且产生具有危害环境的污染物浓度的废气。来自第一个发动机的废气的污染物完全或部分地被第二个发动机吸收。来自第一个发动机的碳形式(即煤烟、一氧化碳、未燃烧的烃、燃料残余物)的污染物和氮氧化物的浓度至少降低到二十分之一次方，并且第二个发动机具有干净的废气。在化学上优化第二个发动机，使得最终废气不以任何不希望的浓度包含危害环境的物质，除了二氧化碳。
DE4211784Al提供了一种特殊的乳液，所述乳液能够减少废气中的污染物。在该文献中公开了以直接胶体决定的方式将精炼厂中产生的液体燃料(例如汽油、煤油和柴油)直接转换成它们在内燃机中消耗的状态从而产生和排出在生态学上几乎无害的气体。使用包含矿化水、不饱和植物油和无铅汽油的特殊的乳液，所述乳液造成燃料的烃成分的自催化、动力学和电渗析的改变。使用氧气并且以化学方式将氢气引入环状烃，因此在发动机中活化氢气和氧气的第二催化燃烧。这改变了废气中的有害材料使得它们在环境上无害，避免在催化转换器中形成铅酸、氰酸和硫氧化物。
尽管所述方法可能是有效的，但技术设置通常复杂和昂贵并且大部分时间难以整合至空间非常有限的工作环境，例如现代汽车布置。
发明简述
本发明的目的在于提供有效和廉价的替代性方式从而通过根据权利要求1的方法和根据权利要求10的系统减少液体燃料内燃机的废气中的污染物成分并且克服现有技术的缺点。本发明的优选的实施方案公开在另外的权利要求中。
优选实施方案的详述
该目的根据本发明通过提供用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量的方法来实现，其特征在于，制备油包水乳液并且将其进料至燃烧系统，所述方法包括如下步骤：
a)将有机油相、乳化剂和水相注入第一混合区域；
b)混合所述组分从而实现高内相比乳液(HIPE)；
c)将步骤b)的高内相比乳液(HIPE)和另外的有机油相注入第二混合区域；
d)混合所述组分从而实现均匀的油包水乳液，和
e)将所述油包水乳液提供至燃烧系统。
令人惊讶地发现，这样的方法能够显著减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量。该发现特别针对废气中的一氧化氮气体的含量和细粉尘颗粒的量。不受限于理论，猜测液体燃料中的水成分在燃烧的过程中与这样的物种相互作用，造成更有效的燃烧过程并且因此造成那些污染物的减少。此外还发现，由于在液体燃料中引入水成分，还可以优化发动机的动力输出和效率。该发现的起因可能是水-油滴的更容易的蒸发以及内燃机中的优化的压缩过程。水也可以有助于增压空气的冷却，造成更高的空气密度。因此，可以调节点火角距，因为更冷的增压空气更不倾向于爆震。此外，发动机本身也经受内部冷却过程，减少了热过载的危险。因此，燃烧过程中可以使用更高的液体燃料量，造成更高的动力输出。
废气中的污染成分危害环境，大多为在燃烧过程中产生的毒性气体或颗粒。在本发明的意义上，这些污染物特别是细粉尘和非二氧化碳气体，例如含氮气体。在此特别涉及一氮气体。
液体燃料内燃机为通过一种或多种碳源和(经压缩)空气或氧气的燃烧产生机械动力的系统。在本发明内涉及通过供应液体形式的碳源提供动力的液体燃料内燃机。优选地，燃料在工作条件下为液体，即必须考虑周围的温度和压力。因此，也有可能使用气态物质并且通过使用高压使其液化。优选的液体碳源的实例为柴油、石化柴油、生物柴油、汽油、高级汽油、轻燃料油、重燃料油、加热油、醇例如甲醇等、煤油、氢化(植物)油和脂肪等。
在本发明的意义上，油包水乳液为两种或多种通常不混溶的液体的混合物。其为两相体系，其中水构成分散相或内相，而油构成外相或连续相。
在第一混合步骤中，实现结构化高内相比乳液(HIPE)，其由内部水相、周围有机油相和乳化剂组成。这样的相在显微镜下呈现具有窄粒度分布的球形水滴。水滴被堆叠的粘弹性乳化剂双层包围，所述双层分离有机油相和水相。可以以围绕水相的球形形式或者以双连续相的形式组织多层，其结果是形成溶致逆立方相。以一定方式组织多层中的表面活性剂，使得乳化剂的疏水尾端稳定有机油相，而分子的亲水部分与含水相接触。
有机油相可以为如上所述的任何液体碳源。有机油相可以包括饱和烃，例如链烷烃，包括正构烷烃、异构烷烃和环烷烃或芳烃。优选地，有机油相具有大于或等于20℃并且小于或等于450℃的沸点。优选地，有机油相的沸点大于或等于50℃并且小于或等于400℃，甚至更优选大于或等于100℃并且小于或等于360℃。
术语乳化剂定义能够稳定两种显示不同极性的不同溶剂的混合物的低分子量化合物。原则上可以使用本领域技术人员已知的能够在给定温度和压力下的混合过程结束时产生油(有机相)包水体系的所有乳化剂、表面活性剂或表面活性物质类型从而部分地稳定所述乳液类型。可用的非离子型表面活性剂为例如各种失水山梨醇酯，例如聚乙二醇失水山梨醇硬脂酸酯、脂肪酸聚乙二醇酯或环氧乙烷和环氧丙烷的缩聚物，正如市场上例如以名称销售的。根据本发明的组合物中可用的其它非离子型表面活性剂为C10-C22-脂肪醇乙氧基化物。合适的非限制性示例为油醇聚醚-2、油醇聚醚-10、油醇聚醚-11、油醇聚醚-12、油醇聚醚-15、油醇聚醚-16、油醇聚醚-20、油醇聚醚-25、油醇聚醚-30、油醇聚醚-35、油醇聚醚-40、月桂醇聚醚-10、月桂醇聚醚-1、月桂醇聚醚-12、月桂醇聚醚-13、月桂醇聚醚-15、月桂醇聚醚-16、月桂醇聚醚-20、月桂醇聚醚-25、月桂醇聚醚-30、月桂醇聚醚-35、月桂醇聚醚-40、月桂醇聚醚-50、鲸蜡醇聚醚-10、鲸蜡醇聚醚-12、鲸蜡醇聚醚-14、鲸蜡醇聚醚-15、鲸蜡醇聚醚-16、鲸蜡醇聚醚-17、鲸蜡醇聚醚-20、鲸蜡醇聚醚-25、鲸蜡醇聚醚-30、鲸蜡醇聚醚-40、鲸蜡醇聚醚-45、鲸蜡油醇聚醚-10、鲸蜡油醇聚醚-12、鲸蜡油醇聚醚-14、鲸蜡油醇聚醚-15、鲸蜡油醇聚醚-16、鲸蜡油醇聚醚-17、鲸蜡油醇聚醚-20、鲸蜡油醇聚醚-25、鲸蜡油醇聚醚-30、鲸蜡油醇聚醚-40、鲸蜡油醇聚醚-45、鲸蜡硬脂醇聚醚-10、鲸蜡硬脂醇聚醚-12、鲸蜡硬脂醇聚醚-14、鲸蜡硬脂醇聚醚-15、鲸蜡硬脂醇聚醚-16、鲸蜡硬脂醇聚醚-18、鲸蜡硬脂醇聚醚-20、鲸蜡硬脂醇聚醚-22、鲸蜡硬脂醇聚醚-25、鲸蜡硬脂醇聚醚-30、鲸蜡硬脂醇聚醚-40、鲸蜡硬脂醇聚醚-45、鲸蜡硬脂醇聚醚-50、异硬脂醇聚醚-10、异硬脂醇聚醚-12、异硬脂醇聚醚-15、异硬脂醇聚醚-20、异硬脂醇聚醚-22、异硬脂醇聚醚-25、异硬脂醇聚醚-50、硬脂醇聚醚-10、硬脂醇聚醚-11、硬脂醇聚醚-14、硬脂醇聚醚-15、硬脂醇聚醚-16、硬脂醇聚醚-20、硬脂醇聚醚-25、硬脂醇聚醚-30、硬脂醇聚醚-40、硬脂醇聚醚-50、硬脂醇聚醚-80、硬脂醇聚醚-100和上述乳化剂的低级乙氧基化衍生物。在本发明的含义内的其它非离子型表面活性剂为具有至少30个聚亚烷基单元(具有30至1000，优选30至500，更优选30至200和最优选40至100个聚乙二醇单元)的脂肪酸甘油酯或甘油偏酯的聚亚烷基二醇醚。其实例为PEG-30氢化蓖麻油、PEG-35氢化蓖麻油、PEG-40氢化蓖麻油、PEG-45氢化蓖麻油、PEG-50氢化蓖麻油、PEG-55氢化蓖麻油、PEG-60氢化蓖麻油、PEG-65氢化蓖麻油、PEG-80氢化蓖麻油、PEG-100氢化蓖麻油、PEG-200氢化蓖麻油、PEG-35蓖麻油、PEG-50蓖麻油、PEG-55蓖麻油、PEG-60蓖麻油、PEG-80蓖麻油、PEG-100蓖麻油、PEG-200蓖麻油。其它合适的非离子型表面活性剂为单甘油酯例如甘油硬脂酸酯、甘油棕榈酸酯、甘油肉豆蔻酸酯、甘油山萮酸酯。
在本发明的一个优选的实施方案中，乳化剂还可以选自蛋白质表面活性剂例如水解角蛋白、椰油基二甲基铵羟丙基水解胶原蛋白、椰油基二甲基铵羟丙基水解酪蛋白、椰油基二甲基铵羟丙基水解胶原蛋白、椰油基二甲基铵羟丙基水解毛发角蛋白、椰油基二甲基铵羟丙基水解角蛋白、椰油基二甲基铵羟丙基水解大米蛋白、椰油基二甲基铵羟丙基水解大豆蛋白、椰油基二甲基铵羟丙基水解小麦蛋白、羟丙基精氨酸月桂基/肉豆蔻基醚、羟丙基三甲基铵明胶、羟丙基三甲基铵水解酪蛋白、羟丙基三甲基铵水解胶原蛋白、羟丙基三甲基铵水解贝壳硬蛋白。所述乳化剂是特别优选的，因为除了充当乳化剂之外它们还可以增加可燃碳源的量并且因此可以另外有助于燃烧过程。由于它们源自可再生资源的事实，它们的二氧化碳平衡可以是中性的。
在另一个实施方案中，酰胺和与羧酸的酰胺酯和有机酸酯也可以用作乳化剂。该群组的合适的乳化剂可以包括椰油酰胺、油酰胺和葡糖酰胺。
此外，在本发明的方法中还可以使用含硅乳化剂。所述含硅乳化剂可以包括聚二甲硅氧烷交联聚合物的环氧乙烷和环氧丙烷的缩聚物、月桂基PEG/PPG-18/18聚甲基硅氧烷、鲸蜡基PEG/PPG-10/1聚二甲硅氧烷、双-PEG/PPG-14/14聚二甲硅氧烷和氨端聚二甲基硅氧烷甘油氨基甲酸酯。
优选地，在本发明的方法中还可以使用离子型w/o乳化剂。在该群组中，脂肪酸(例如琥珀酸)的甘油偏酯或异硬脂醇二聚甘油琥珀酸酯可以充当合适的乳化剂。
此外，乳化剂可以为HLB值小于10的合适的乳化剂和/或堆砌参数大于1的乳化剂。合适的非离子型乳化剂可以为失水山梨醇酯、山梨醇酯、失水甘露醇酯、甘露醇酯、异山梨醇酯、甘油酯、甲基糖苷酯、聚甘油酯、蔗糖酯和所述表面活性剂的环氧乙烷和环氧丙烷的缩聚物，还有羊毛脂和羊毛脂衍生物。此外还可以使用这样的乳化剂的乙氧基化衍生物。这样的乳化剂特别能够容易地形成HIPE相而无需高剪切混合。因此，所述相迅速并且可靠地制得。
特别优选的是RCI(可再生碳指数)大于或等于90的乳化剂。
水相可以主要包含水。水质可以适合于特定环境并且确定的水质可以包括自来水、蒸馏水、注射用水、脱矿物质水等。除了水之外，水相中还可以存在或者加入另外的水溶性物质例如盐或有机水溶性小分子，例如醇或多元醇。另外的醇或多元醇可以另外地增加可燃碳成分并且可以有利于水成分的储存，因为其可以避免水在寒冷环境中冻结。合适的有机小分子可以为甘油或二醇。
在本发明的方法的另一个主题中，可以在1-10个单独的混合区域中进行步骤c)和d)。在乳化剂的量或单个搅拌单元的可用混合动力有限的某些情况下，可能有用的是将乳化过程分成多于两个单独的混合步骤。相比于可获得更多的混合动力或乳化剂的情况，这可能有助于实现相同的结果。此外，如果在应用中需要特别小的液滴尺寸或非常窄的液滴尺寸分布，更多单独的混合区域可能是有帮助的。在一个优选的实施方案中，可以使用静态混合管。这可能是有利的，因为在该情况下不需要移动工件(例如搅拌器)，这可能造成成本的降低。可以根据入口管确定单独的混合区域的总量，即混合区域的量等于有机油相入口的数目。
在本发明的方法的另一个优选的方面中，步骤b)中的水含量可以为≥60体积％并且≤95体积％。第一混合区域中的所述水含量范围可以用于实现足够稳定的HIPE的溶致液晶相而无需高剪切混合，高剪切混合需要大的混合能量。这是可以实现的，因为HIPE的溶致液晶相几乎自发地产生。优选地，步骤b)中的水含量可以为≥70体积％并且≤90体积％，更优选≥75体积％并且≤85体积％。
在本发明的方法的另一个优选的实施方案中，步骤e)中的水含量可以为≥0.1体积％并且≤30体积％。在将油包水乳液提供至燃烧系统之前，水含量应当落入上述范围。所述范围可以用于实现废气中的污染物的显著减少并且增加内燃机的性能。该水含量可以有助于蒸发通常高沸点的油相并且因此可以增加燃烧过程的效率。更高的水含量不是优选的，因为其可能增加内燃机系统的腐蚀或者甚至可能造成不确定的燃烧过程。在最差的情况下将阻止燃烧。在某些情况下，步骤e)中的水含量可以为≥0.5体积％并且≤20体积％，更优选≥1.0体积％并且≤10体积％。
在本发明的方法的另外特征中，步骤b)中的乳化剂含量可以为≥2体积％并且≤5体积％。所述乳化剂浓度范围是有用的，因为在该乳化剂范围内可以获得稳定的高内相比乳液(HIPE)相。更低的浓度不是优选的，因为根据油含量要么无法获得高内相比乳液(HIPE)相要么层状液晶相的稳定性可能不足。在一个优选的实施方案中，步骤b)中的乳化剂含量可以为≥2.25体积％并且≤4.0体积％，更优选地步骤b)中的乳化剂含量可以为≥2.5体积％并且≤3.5体积％。
根据本发明的一个另外的实施方案包括这样的方法，其中步骤e)中的乳化剂含量可以为≥0.05体积％并且≤1体积％。这样的乳化剂浓度范围能够通过仅使用低的剪切力向燃烧系统提供稳定的油包水乳液。因此，混合能量可以保持得低并且由于材料费用造成的运行成本达到最小化。更高的浓度由于油包水乳液的不必要的稳定而可能造成增加的材料成本。更低的乳化剂浓度也不是有利的，因为似乎油包水乳液将破裂并且形成更大的水滴尺寸。这可能造成不良燃烧过程。在一个优选的实施方案中，步骤e)中的乳化剂含量可以为≥0.1体积％并且≤0.8体积％，更优选地步骤e)中的乳化剂含量可以为≥0.2体积％并且≤0.6体积％。
本发明的一个另外方面包括这样的方法，其中步骤e)中的水滴的尺寸可以为≥100nm并且≤500nm。出于多个原因，该水滴尺寸是优选的。一方面该液滴尺寸保证了大的水表面积，其允许不受干扰的燃烧过程并且使有机油相的蒸发过程变得容易。因此，优化了燃烧过程并且提高了燃烧过程的性能。此外，液滴足够小从而避免燃烧熄灭或者避免大量干扰火焰前缘。在一个优选的实施方案中，步骤e)中的水滴尺寸可以为≥120nm并且≤450nm，更优选地步骤e)中的水滴尺寸可以为≥200nm并且≤400nm。步骤e)中的给定的水滴尺寸为平均直径并且可以在乳液中使用本领域技术人员已知的多角度光散射技术进行测定。
在本发明的另一个实施方案中，所述方法包括乳化剂，其中在步骤a)中加入的乳化剂的HLB可以为≥1并且≤9。该HLB值(疏水亲水平衡)的范围是优选的，因为通过使用该范围可容易获得第一混合步骤中的稳定的液晶逆立方相和稳定的油包水乳液，而混合过程中无需高剪切能量。在本发明的含义内，所述HLB值包括的情况是：要么仅存在一种具有所述HLB范围的乳化剂，要么使用不同乳化剂的混合物，而所述不同乳化剂在组合时具有所提出的HLB值。由Griffin提供计算单种乳化剂的HLB值的数学运算。根据单个HLB值和不同乳化剂的量确定乳化剂混合物的HLB也是本领域技术人员已知的。优选地，使用HLB值大于或等于0.5并且小于或等于10.0的乳化剂。优选地，HLB值可以大于或等于1.0并且小于或等于9.0。此外，使用HLB值落入所述范围的非离子型表面活性剂是优选的，因为这种乳化剂容易在第一混合步骤中形成HIPE并且在之后的混合步骤中容易转化成油包水乳液，而无需向乳液中加入高能量的剪切应力。
此外，在本发明的方法的一个优选的方面中，步骤a)中的乳化剂的形状因子可以为≥l/2并且≤2。乳化剂的形状因子(＝V/(a0*lc))根据Israelachvili确定并且通过体积(V)与尾端的长度和头端基团的表面积的乘积(a0*lc)的比例获得。令人惊讶地发现，乳化剂的形状因子的所述范围能够在第一混合区域中有利于层状相的形成并且在最后混合步骤之后造成稳定的油包水乳液。该结果是可实现的，而无需在单个混合区域内引入高剪切混合。这降低了生产成本和处理时间。
此外，落入本发明的范围内的是用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的系统，所述系统包括至少具有第一混合区域和第二混合区域的混合系统，其中最后一个混合区域的输出管路可连接至燃烧系统，并且每个混合区域包括：
-基本上旋转对称的混合室，
-至少一个入口管路，其用于引入自由流动的组分并且设置在至少一个出口管路的上游或下方，
-针对每个组分或每个组分混合物的至少一个输送装置，
-入口侧的湍流混合区域，其中通过由搅拌单元施加的剪切力以湍流方式混合组分，
-下游渗滤混合区域，其中进一步混合组分并且湍流减少，
-搅拌单元，其保证层流并且包括固定在搅拌轴上的搅拌元件，所述搅拌单元的旋转轴线沿着室的对称轴线延伸并且所述搅拌单元的搅拌轴延伸至至少一侧上，
-至少一个用于搅拌单元的驱动器，
其中
-入口管路和出口管路之间的距离与室的直径之间的比例>2:1，
-入口管路和出口管路之间的距离与搅拌元件的搅拌臂的长度之间的比例为3:1-50:1，
-搅拌轴的直径基于室的内径的比例为室的内径的0.25至0.75倍，
并且其中
第一混合区域包括
-至少两个输入管路
-出口侧的层流混合区域，其中在出口管路的方向上在组分的混合物中建立溶致液晶相。
渗滤混合区域为混合物的过渡区域，其中混合物由湍流改变成层流。在湍流混合之后的渗滤区域中，由于液晶相的形成造成粘度增加，并且湍流减少。在达到临界雷诺数之后，混合物进入层流混合区域。然后在层流混合区域中在拉伸流动的条件下，液滴在混合过程中以受控和能量有效的方式裂开或者形成液晶相。
至少一个混合装置的室基本上是旋转对称的并且优选具有空心圆柱体的形状。然而，所述室也可以具有截头圆锥、漏斗、截头圆顶的形状，或者由这些几何形状组成的形状，其中室从入口管路至出口管路的直径保持恒定或减小。根据旋转对称的室的形状调节搅拌单元。基本上旋转对称意指室的对称性可以与完美的圆形对称性偏差≤10％，优选≤5％，最优选≤1％。
相对于室的内径dk，搅拌轴的直径dSS优选在0.25-0.75xdk的范围内，并且入口管路和出口管路之间的距离与搅拌元件的臂长度之间的比例优选在3:1-50:1的范围内，特别优选在5:1-10:1的范围内，特别是在6:1-8:1的范围内。搅拌轴相对于室直径的通常较大的直径还造成的结果是搅拌轴和室壁之间的距离(被本领域技术人员称为“流动直径”)始终较小因此无法发展栓状流并且保证了层流。
在至少一个混合装置的底部处，入口管路和出口管路之间的距离与室直径的比例≥2:1。在不同于空心圆柱体的旋转对称的室的一个形式中，在至少一个混合装置的入口管路的区域中，入口管路和出口管路之间的距离与室直径的比例同样≥2:1。
混合装置的所有侧面可以密封并且可以在排除空气的情况下操作。待混合的组分可以以流体流的形式引入混合装置的室，通过搅拌单元混合直至经混合的组分到达出口管路并且可以除去，使得空气不渗入混合装置的室。在此，混合装置被设计成存在尽可能少的死区。在使混合装置运行时，包含在其中的空气在短时间之内完全被进入的组分替代，因此有利地无需施加真空。
由于所述系统可以在排除空气的情况下操作并且将待乳化的组分连续地引入混合装置，位于混合装置中的组分在出口管路的方向上连续地输送走。经混合组分从入口开始逐步流动通过混合装置直至出口。
在根据本发明的混合装置中，通过入口管路供应的组分在进入室之后首先移动通过湍流混合区域，在湍流混合区域中组分首先通过由搅拌单元施加的剪切力以湍流的方式混合。就此而言，经混合的产物的粘度已经显著增加。此外在出口管路的方向上，混合物然后移动通过“渗滤区域”，在“渗滤区域”中由于更强烈的混合使得混合物的粘度进一步增加，并且体系逐步转化成自组织体系。在到达渗滤区域时混合物中的主导流的湍流逐步减少，并且在出口管路的方向上层流比例变得越来越多。因此在到达第一混合区域的出口管路的混合物中造成溶致液晶相，HIPE。
有利地，根据本发明的乳化设备的总能耗非常低。该低的总能耗的原因是，相比于常规的混合过程，在混合装置中始终只需要混合和温度控制较小的体积。特别地，成本高昂和能耗巨大的加热和冷却过程因此达到最小化并且决定性地有助于低的总能耗。混合物在混合室中的停留时间也非常短。对于1000kg/h的生产能力，停留时间平均为0.5和10秒之间。其原因是入口管路和泵也具有明显更小的尺寸，因此泵的驱动器也耗用明显更少的能量。
有利地，入口管路和出口管路之间的距离与搅拌元件的臂的长度之间的有利比例优选在3:1-50:1的范围内，特别优选在5:1-10:1的范围内，特别是在6:1-8:1的范围内，所述比例连同特定的线管有助于如下事实：保证特别有效的转矩利用，因此同时实现均匀混合和马达的最小能耗。
此外，相比于室直径的非常大的轴直径使得有可能利用搅拌轴本身进行产物温度控制，这就其本身而言有助于根据本发明的乳化设备的低的总能耗。
由于室直径与其高度的有利比例并且优化了搅拌单元用于维持层流，搅拌马达的动力耗用明显更低并且决定性地有助于根据本发明的装置的低的总能耗。因此，根据本发明的混合装置的特征是整体尺寸更小的组件、非常紧凑和节约空间的构造。
使用磁性联接件同样可以有助于降低整体能耗。由于通过永磁体实现力从马达至马达轴的传递，马达仅需施加使外部转子旋转所需的能量。具有固定搅拌轴的内部转子可以通过磁力移动。与滑动轴承相关的另一个优点是可以构造密闭密封的混合室。
为了实现最佳的乳化结果和为了避免死区，可以在根据本发明的混合装置中使用具有旋转对称形状的室。所述旋转对称形状优选为空心圆柱体、截头圆锥、漏斗、截头圆顶，或者由它们组成的形状，其中例如截头圆锥状区域连接至空心圆柱体区域。就此而言，混合装置的直径可以从入口侧端部至出口侧端部保持恒定或者可以减小。
特别优选地，在根据本发明的混合装置中使用具有空心圆柱体或截头圆锥形状或具有空心圆柱体区域与截头圆锥状区域的组合形状的室。有利地，截头圆锥的区别在于入口侧端部的直径向出口侧端部的直径连续减小，而空心圆柱体的直径相对于旋转轴线恒定。
有利地，混合装置的室和/或入口管路和出口管路可以共同或独立地进行温度控制。
就此而言，基于混合装置的旋转轴线，入口管路进入混合装置的进入角度可以在0°至180°的范围内。入口管路可以在侧面通过夹套表面延伸进入室，或者从下方通过底表面延伸进入室。
入口管路和出口管路可以在任何希望的高度处并且在夹套表面的任何希望的圆周处连接至室。为了保证最佳混合同时保证供应的组分的最大停留时间并且避免死区，入口管路的进入高度优选位于室的下方三分之一，优选下方四分之一中，以室的高度计。出口管路的离开高度优选位于室的上方三分之一，优选上方四分之一中，以室的高度计。
出口管路的直径具有的尺寸使得基于至少一个混合装置或第一混合装置中的高粘度建立的压力达到最小化，但是同时保证出口管路分别完全被混合物充填。混合装置可以根据需要定向，使得搅拌单元的旋转轴线可以呈现从水平到垂直的任何希望的位置。然而优选地，混合装置不被设置成使得室的对称轴线垂直设置并且入口管路附接在出口管路的上方。非常特别优选地，混合装置被设置成使得室的对称轴线垂直设置并且入口管路附接在出口管路的下方。就此而言，驱动马达优选从上方驱动搅拌单元，然而从下方驱动同样是有可能的。
关于混合装置的几何形状令人惊讶地发现，相对于室的内径dk的搅拌轴的直径dSS以及入口管路和出口管路之间的距离与搅拌元件的臂的长度之间的比例对于保证供应的相的最佳混合来说是决定性的。就此而言，发现搅拌轴的直径dSS基于室的内径dk的比例优选在0.25-0.75xdk的范围内，特别优选在0.3-0.7xdk的范围内，特别是在0.4-0.6xdk的范围内，并且入口管路和出口管路之间的距离与搅拌元件的臂的长度之间的比例优选在3:1-50:1的范围内，特别优选在5:1-10:1的范围内，特别是在6:1-8:1的范围内。
搅拌轴相对于室直径的该通常大的直径还导致搅拌轴和室壁之间的距离(也被本领域技术人员称为“流动直径”)始终小而无法发展栓状流并且保证了层流。
关于混合装置的几何形状还发现，混合装置的室的直径与待混合组分从入口到出口必须移动的距离之间的比例对于保证供应的相的最佳混合来说是重要的。就此而言，发现直径与入口和出口之间的距离的比例优选在1:50至1:2，优选1:30至1:3的范围内，特别是在1:15至1:5的范围内。在本发明的含义内，室的直径为室底部处的直径。
直径与从入口到出口的距离的比例对于控制混合装置内的流动来说起到重要作用。只有当通过“渗滤区域”使混合物从存在于混合装置的下方区域(即供应组分的区域)的最初的湍流变成层流时才能保证乳化的成功。独立区域的精确限定在此是不可能的，因为各个区域之间的过渡是流畅的。
在根据本发明的系统的一个另外的实施方案中，搅拌单元可以选自完全叶片搅拌器、部分叶片搅拌器、完全线网搅拌器、部分线网搅拌器或其组合。乳化设备中使用的混合装置可以装配有上述搅拌单元，所述搅拌单元允许层流，层流在层状拉伸条件下以低能耗保证液滴破裂。层状拉伸条件下的液滴破裂有利地造成所产生的乳液中的围绕平均液滴直径的极小的粒径分布。
完全线网搅拌器的特征在于其由至少两根丝线组成，所述丝线具有马蹄形状或者弯曲成圆角矩形的形状，所述丝线相对于轴彼此对立地附接至轴并且在轴的上方区域和下方区域中连接至轴。丝线在此优选倾斜和/或垂直于中轴线旋转和/或相对于旋转轴线向左侧或右侧成0°至90°，优选0°至45°，特别优选0°至25°的角度。丝线的上方长度和下方长度可以具有相同或不同的长度。可以在轴的圆周上设置尽可能多的丝线。其它丝线或任何希望的几何形状可以设置在轴和丝线之间形成的中空空间中。
优选地，丝线直径最大在轴直径的范围内并且最小不低于0.2mm，轴直径的至多15％并且最小为0.5mm的丝线直径是特别优选的，特别是在轴直径的10％和最小为轴直径的1％的范围内。
部分线网搅拌器的特征在于其由至少两根U形或马蹄形弯曲丝线组成，丝线的端部在任何希望的高度处连接至轴。丝线在此优选垂直于中轴线和/或倾斜和/或相对于旋转轴线向左侧或右侧旋转0°至90°，优选0°至45°，特别优选0°至25°的角度。从搅拌轴沿径向延伸的丝线的上方长度和下方长度可以具有相同或不同的长度。可以在轴的圆周上设置尽可能多的丝线。其它丝线或任何希望的几何形状可以设置在轴和丝线之间形成的中空空间中。
优选地，丝线直径最大在轴直径的范围内并且最小不低于0.2mm，轴直径的至多15％并且最小为0.5mm的丝线直径是特别优选的，特别是在轴直径的10％和至少为轴直径的1％的范围内。
完全叶片搅拌器的特征在于其由至少两个正方形、矩形、马蹄形或梯形金属片组成，其中金属片的角被修圆从而避免产生湍流，其中一侧连接至轴，并且金属片不间断地从轴的上方区域到达轴的下方区域。就此而言，金属片优选垂直于中轴线和/或倾斜和/或相对于中轴线向左侧或右侧旋转0°至90°，优选0°至45°，特别优选0°至25°的角度。金属片的上方边缘和下方边缘可以具有相同或不同的长度。可以在轴的圆周上设置尽可能多的金属片。独立的叶片可以进一步设置有几何通道，例如孔或冲切口。
部分叶片搅拌器的特征在于其由至少两个正方形、矩形、马蹄形或梯形金属片组成，其中一侧在任何希望的高度处连接至轴。就此而言，金属片优选垂直于中轴线和/或倾斜和/或相对于中轴线向左侧或右侧旋转0°至90°，优选0°至45°，特别优选0°至25°的角度。金属片的上方边缘和下方边缘可以具有相同或不同的长度。可以在轴的圆周上设置尽可能多的金属片。独立的叶片可以进一步设置有几何通道。
制造混合装置本身和上述搅拌器设计(特别是上述完全叶片搅拌器、部分叶片搅拌器、完全线网搅拌器和部分线网搅拌器)的材料适合于待乳化组分和所得乳液的化学性质。优选地，根据本发明的混合装置中的搅拌单元包含钢(例如不锈钢、建筑用钢)，塑料(例如PEEK、PTFE、PVC或树脂玻璃)或钢和塑料的复合材料或组合。
在本发明的另一个方面中，所述系统可以在最后一个混合区域中包括另外的输出管路，所述另外的输出管路可连接至前一个混合区域的输入管路。在某些情况下，可能需要将几乎纯净的有机油相进料至燃烧系统。例如当内燃机启动或停止时是这种情况。这有利地通过如下实现：将包含油包水乳液的最后输出物料供应至仅向混合室另外供应有机油相的之前的混合区域。在该过程中有可能显著降低油包水乳液中的水含量。因此，当允许再进料时，在特定情况下可以将几乎纯净的有机相进料至燃烧系统。
在本发明的系统的一个优选的特征中，至少一个传感器监控混合体系中的水含量。所述传感器可以有助于在线调节有机油相和水相或水/有机油相混合物的进料体积。传感器可以安装在混合区域或管系统中。根据传感器读数，可以调整单个混合区域的进料，造成恒定或可调节的水油比。可能的方案还包括可以根据内燃机的容量利用程度调节的水油比。因此，在启动、停止过程中或者在全容量下可能需要更高或更低的水含量。可能的传感器类型为例如能够基于传感器获知混合物的电性质(例如导电性)的传感器。此外，也可以使用光学方法，例如用于确定水含量的光散射或光吸收测量。
本发明的另外方面提供一种系统，其中在第二混合区域之后安装1-10个另外的混合区域，每个混合区域包括至少两个输入管路、混合设备和输出管路，其中一个输入管路进料前一个混合区域的输出物料而另一个输入管路进料另外的有机油相。所述混合级联可以有助于实现油相中的非常窄的水滴尺寸分布。
此外，如下系统落入本发明的范围内，其中可以通过体积驱动泵对至少一个混合区域的输入管路进行进料。发现特定的体积驱动泵实现恒定的进料速度，这有利于提供乳液中的恒定的水油比。
在本发明的范围内，使用所述系统用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量。由于本发明的设计，所述系统特别适合于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量。可以以低成本实现所述系统，并且由于本发明的混合设置，仅需在系统中分散较少的机械能量即可实现有利的液滴尺寸分布。
此外，在本发明的范围内公开了包括本发明的混合系统的内燃机。混合系统可以用于所有尺寸的内燃机，例如家用发电机、汽车发动机、加热系统、飞机涡轮、船用发动机和发电厂中的大型内燃机。所述系统容易安装并且容易放大规模。
关于之前描述的系统的另外的优点和特征，明确提及本发明的方法和本发明的系统的用途的公开。此外，本发明的方法的方面和特征也应当被视为可应用于和公开于本发明的系统、本发明的发动机和本发明的用途。此外，权利要求和/或说明书中公开的至少两个特征的所有组合落入本发明的范围内。
附图说明
借助于如下附图更密切地说明根据本发明的方法和系统的技术原理，其中
图1显示了根据本发明的方法的要素；
图2显示了单个混合区域的可能的不同几何形状，和
图3显示了根据本发明的混合系统连同内燃机。
图1公开了用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的方法的单个要素。通过进料管路2和3将两种独立的液体进料至第一混合区域1。通过进料管路2或3进料有机油相还是水相并无优先。在混合区域1内混合两种液体从而获得HIPE。通过输出管路4将该混合物进料至下一个混合区域7。通过进料管路5向下一个混合区域7中进料水/油混合物并且通过进料管路6进料另外的油相。混合所述组分并且通过输出管路8将其进料至燃烧系统。该混合步骤可以重复N次，其中N＝l-10。在本发明的一个优选的实施方案中，进料管路5可以具有零长度，即第二混合区域或之后的混合区域位于与之前的混合区域相同的混合室中。通过另外有机相的供应管路的位置限定不同混合区域的位置。
图2显示了单个混合区域的各种可能的混合几何形状。为了实现最佳的乳化结果和为了避免死区，在混合装置中使用具有基本上旋转对称的形状的室。所述基本上旋转对称的形状优选为空心圆柱体(图2A)、截头圆锥(图2B)、漏斗(图2D)、截头圆顶(图2F)，或者由它们组成的形状(图2C、E)，其中例如截头圆锥状区域连接至空心圆柱体区域。就此而言，混合装置的直径从入口侧端部至出口侧端部保持恒定(图2A)或者减小(图2B-F)。特别优选地，在根据本发明的混合装置中使用具有空心圆柱体或截头圆锥形状或具有空心圆柱体区域与截头圆锥状区域的组合形状的室。有利地，截头圆锥的区别在于入口侧端部的直径向出口侧端部的直径连续减小，而空心圆柱体的直径相对于旋转轴线恒定。
图3显示了根据本发明的混合系统9连同内燃机15。混合系统9包括至少两个进料管路、至少一个输出管路、多个混合区域和任选的反馈管路13。反馈管路13可以例如通过阀14激活。可以通过控制单元10例如根据传感器读数触发反馈激活。传感器也可以包括在混合系统9的输出管路中。传感器可以例如通过光散射或评估电性质从而分析输出物料的组成。此外，可以通过内燃机的控制单元12触发阀激活，所述控制单元12可以通过控制线12连接至混合控制单元和阀14。触发因素可以例如为内燃机的停止信号。由于在内燃机停止的过程中可能不利于保持管中的油包水混合物的事实，可以通过反馈回路修改水油比。因此，有可能在内燃机停止之前将水含量减少至几乎为零。这也可以有助于内燃机的启动过程。此外，混合控制单元10也可以根据内燃机的排出流中的传感器16的读数改变油包水乳液的组成，所述传感器16通过控制线11连接至混合控制单元10。因此，可以根据废气的组成调节混合系统9的输出物料的组成。

Claims (15)

1.用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量的方法，其特征在于，制备油包水乳液并且将其进料至燃烧系统，所述方法包括如下步骤：
a)将有机油相、乳化剂和水相(2，3)注入第一混合区域(1)；
b)混合所述组分从而实现高内相比乳液(HIPE)；
c)将步骤b)的高内相比乳液(HIPE)和另外的有机油相注入第二混合区域(7)；
d)混合所述组分从而实现均匀的油包水乳液，和
e)将所述油包水乳液提供至燃烧系统(8)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在1-10个单独的混合区域中进行步骤c)和d)。
3.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中步骤b)中的水含量为≥60体积％并且≤95体积％。
4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中步骤e)中的水含量为≥0.1体积％并且≤30体积％。
5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中步骤b)中的乳化剂含量为≥2体积％并且≤5体积％。
6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中步骤e)中的乳化剂含量≥0.05体积％并且≤1体积％。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中步骤e)中的水滴的尺寸为≥100nm并且≤500nm。
8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中步骤a)中加入的乳化剂的HLB为≥1并且≤9。
9.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中步骤a)中的乳化剂的形状因子为≥l/2并且≤2。
10.用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的系统，所述系统包括至少具有第一混合区域(1)和第二混合区域(7)的混合系统，其中最后一个混合区域(8)的输出管路可连接至燃烧系统，并且每个混合区域包括：
-基本上旋转对称的混合室(1，7)，
-至少一个入口管路(2，3，5，6)，其用于引入自由流动的组分并且设置在至少一个出口管路的上游或下方，
-针对每个组分或每个组分混合物的至少一个输送装置，
-入口侧的湍流混合区域，其中通过由搅拌单元施加的剪切力以湍流方式混合组分，
-下游渗滤混合区域，其中进一步混合组分并且湍流减少，
-搅拌单元，其保证层流并且包括固定在搅拌轴上的搅拌元件，所述搅拌单元的旋转轴线沿着室的对称轴线延伸并且所述搅拌单元的搅拌轴延伸至至少一侧上，
-至少一个用于搅拌单元的驱动器，
其中
-入口管路和出口管路之间的距离与室的直径之间的比例≥2:1，
-入口管路和出口管路之间的距离与搅拌元件的搅拌臂的长度之间的比例为3:1-50:1，
-搅拌轴的直径基于室的内径的比例为室的内径的0.25至0.75倍，
并且其中
第一混合区域包括
-至少两个输入管路(2，3)
-出口侧的层流混合区域，其中向出口管路的方向上在组分的混合物中建立溶致液晶相。
11.根据权利要求10所述的系统，其中搅拌单元选自完全叶片搅拌器、部分叶片搅拌器、完全线网搅拌器、部分线网搅拌器或其组合。
12.根据权利要求10-12所述的系统，其中最后一个混合区域中的另外的输出管路可连接至前一个混合区域的输入管路。
13.根据权利要求10-13任一项所述的系统，其中至少一个传感器监控混合系统中的水含量。
14.根据权利要求10-14任一项所述的系统用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量的用途。
15.包括根据权利要求10-14任一项所述的混合系统的内燃机。
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