CN107353942A - 一种硝酸铵乳化油替代柴油作柴油机燃料的方法 - Google Patents

Abstract

由硝酸铵、混合油、水和乳化剂以及由硝酸铵、液态燃料油、水和乳化剂乳化成水包油结构的乳化油，分别替代轻柴油和重柴油作为柴油机燃料。特征是热值低，粘度大，使用前必须将柴油机喷油提前角提前两齿(≥15°)；冷却水减少20％左右，空气进气量减少40％左右。原理是硝酸铵爆燃点比柴油自燃点低50℃左右，活塞过上止点瞬间硝酸铵爆炸引燃油料爆燃，(比柴油点火时间提前曲轴转角10°左右，爆燃速度比柴油快70‑90倍)。推动活塞在等容膨胀阶段作功。达到柴油同样效果。节油30％，减少排气污染90％以上，延长供油系统使用寿命，降低成本，可作柴油机燃料，还可能用于冲压式发动机等。

Description

一种硝酸铵乳化油替代柴油作柴油机燃料的方法

技术领域：

本发明涉及能源和环保工程

背景技术：

柴油是能量密度最大的液体燃料，馏程高，粘度大，雾化困难，经柴油机喷油器雾化后柴油粒径为30-50μm，粒径大且不均匀，蒸发、扩散、氧化速度慢。另一方面柴油机喷油时间短，油料来不及与空气均匀混合，尽管过量空气系数在1.3以上，燃烧室局部地方仍然供氧不足。后期喷油时，燃烧室环境更为恶劣，甚至拖延到排气阶段燃烧，排气中不可避免产生颗粒物和碳氢化合物等，浪费油料又污染环境，机动车排气污染是造成灰霾、光化学烟雾的重要原因，其中柴油车排放的氮氧化合物接近汽车排放总量的七成，颗粒物超过九成。世界卫生组织将柴油车排气污染提升至确定致癌级别。

有报道称如果将全世界的重柴油、燃料油为燃料的轮船集中，轮船将成为第五大温室气体国。以重柴油为燃料的船用重型柴油机功率巨大，单台排气污染相当于万台以上柴油车的排气污染，给港口城市造成严重空气污染。机动车油料执行国三标准以来，柴油车排气污染减少，但至今没有革命性的变化，减少柴油机排气污染仍然是迫切需要解决的问题。

柴油机效率比汽油机高，油耗比汽油机低，但燃烧的油料仍然只有三分之一左右，转化为有用功，三分之一左右被排气带走，三分之一左右被水冷散热系统带走，使用效果其实难尽人意。

发明内容：

硝酸铵、混合油料(石脑油、柴油、废机油、地沟油等油品组合)，自来水和乳化剂(另案申请专利)等乳化成水包油结构的乳化油替代轻柴油，作为柴油机燃料；硝酸铵，液体状态的燃料油或重柴油，水和乳化剂等乳化成65℃左右水包油结构的乳化油替代重柴油作为船用重型柴油机燃料。

实例：硝酸铵6.5g，溶于24ml水，72ml混合油(体积百分比：30％石脑油、70％柴油)，合计100ml，经乳化机乳化成白色水包油结构的硝酸铵乳化油(以下简称乳化油)，2006年8月2日，将乳化油送广州机械科学研究院机械工业油品检测评定中心，对照0^#柴油，检测结果如下：

补充：

1、2006年12月30日送检，按GB/T258-1977检验乳化油酸度，1675mg-k0H/100ml，国家标准不大于7mg-k0H/100ml对铜片腐蚀依然合格。

2、表列数据是与0^#柴油对比检测数据，凝点-6℃是不加防冻液乙醇时的凝点。

3、乳化油常温避光保存8年，结构稳定，不影响正常使用。船用重型柴油机乳化油70℃避光保存20天，乳化结构稳定，但没有做进一步试验。

乳化油中的水分27.8％，净热值27605J/g，只有0^#柴油净热值65.7％，考虑到柴油机压缩行程终了时，燃烧室压力3.5MPa以上，水的沸点提高到250℃左右，水的蒸发潜热为柴油8-9倍，消耗的能量增加，换算成相同体积油料的净热值，为0^#柴油净热值的62％左右，无法使柴油机正常工作。乳化油替代柴油的关键是硝酸铵。硝酸铵是民用爆炸物品，无机氧化剂，每公斤供氧200g，分子量80，生成能-4424J/g，生成焓-4563J/g，含N35％，密度1.59～1.7g/cm³，易溶于水，溶于水后吸热，20℃水溶液含硝酸铵66.4％，蒸发潜热2254J/g，气体产物0.98L/g，爆炸温度290℃左右，爆燃速度2000-2700m/s。爆炸反应如下：

4NH₄NO₃——3N₂+2NO₂+8H₂O+123KJ

当柴油机压缩行程结束时，燃烧室温度低，不能使柴油被压燃，硝酸铵爆燃点比柴油自燃点低50℃左右，柴油机活塞过上止点，燃烧室压力释放瞬间，硝酸铵爆炸，引燃不同自燃点，不同燃烧速度的石脑油、柴油等形成爆炸反应，硝酸铵爆燃速度70-90倍于柴油燃烧速度(柴油燃烧速度30m/s左右，汽油、石脑油燃烧速度50m/S左右)，产生的工作压力比柴油大，推动活塞在等容膨胀阶段作功，作功的时间虽比柴油短，但作功的时间点比柴油提前曲轴转角10°左右，充分利用了活塞作功效率最高的时间段。

在硝酸铵爆炸与混合油燃烧共同作用下，乳化油替代柴油达到同样体积柴油为燃料时的机械动力特性，在多种柴油车上试车都达到满意效果。2004年6月26日，在湘潭市金迪化纤厂东风5吨柴油车上重载试车，湖南卫视记者录像记录试车全过程，后在晚间新闻播出。

实施方式：

为了适应乳化油热值低，含水多，粘度大，升温慢的特点，用乳化油替代柴油时，必须调整柴油机。

1、将喷油器提前角在原有基础上再提前两齿(≥15°)，使乳化油提前进入燃烧室预热。

2、减少冷却系统20％左右循环冷却水，以减少冷却水带走热量，乳化油工作时，水箱温度不低于85℃。

3、空气滤清器进气口截面积减少50％，减少进气量40％左右，以减少排气带走热量。

4、水冷式柴油机燃烧室内有冷却水套，机械强度有限，硝酸铵用量以达到柴油为燃料时的额定功率为准。

使用乳化油时必须按上述要求调整柴油机，否则不能达到柴油机额定功率，2006年12月29日，在广州机械工业汽车零部件产品质量监督检测中心YCG6100Q柴油机上做0^#柴油与乳化油对比试车试验，根据GB1105.2-87内燃机台架性能试验方法等国家标准，广州检测中心不允许减少冷却水和进气量，也不允许调整喷油提前角，合作方坚持要试。由于不能适应乳化油热值低，含水多，升温慢的特点，乳化油中的硝酸铵过了等容膨胀阶段才爆燃，此时爆炸反应已成强弩之末，不能达到柴油为燃料时的额定功率。

乳化油的特点：

1、减少柴油机排气污染

乳化油平均含水25％左右，混合油料中又加入30％体积的石脑油，石脑油中的硫和重金属含量很低，使得乳化油中的硫和重金属等有害成分比柴油减少50％左右，乳化油中的混合油料以2μm左右颗粒均匀分散在水中，经喷油器提前进入燃烧室，油料粒径进一步减小，比柴油雾化后的粒径小1-2个数量级，比表面积更是扩大成千上万倍，保证油料与空气均匀混合。硝酸铵是一种氧化剂，爆炸反应中释放20％重量的氧，加速碳氢化合物氧化反应和火焰传播速度，确保油料充分燃烧；氮氧化物是油料高温裂解的产物，裂解的过程是一个吸热大于放热的过程，乳化油热值低，燃烧室升温慢，温度比柴油低，抑制了油料的裂解，不产生氮氧化物；由于水蒸气的分隔与阻挡，油料中的碳又得到充分氧化，燃烧室难以形成颗粒物，还可与碳产生水煤气反应，清除燃烧室积碳，改善燃烧室环境。2006年12月27日，在广州机械工业汽车零部件产品质量监督检测中心按GB3847-2005车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度，排气极限及测量方法对乳化油和0^#柴油排气污染对比检测结果是：0^#柴油产生的排气不透光度平均56.93％；光吸收系数平均1.96k/m。乳化油产生的排气不透光度平均4.37％；光吸收系数平均0.10k/m。对比结果是乳化油减少90％以上排气污染。乳化油试车中测定排气温度比柴油产生的排气温度低50℃～90℃；乳化油为水包油结构，油料不直接与空气接触，即使用打火机明火都不易点燃，油料挥发的排气污染比柴油低。

2、降低机动车运营成本

同样体积的乳化油替代同样体积柴油，达到同样机械动力特性，乳化油中非油料物质体积占28％左右，节省28％体积的柴油，考虑到石脑油密度(0.69g/ml)比柴油(0.83g/ml)小，节油应在30％左右；乳化油工作原理是硝酸铵爆燃引燃油料燃烧，不是油料被压燃，对油料的十六烷值、闪点、自燃点、粘度、水分等没有严格要求，可以用回收清洗后的地沟油，废机油，废食用油等作为乳化油混合油配料，可明显降低混合油成本。

我国是制造业大国，也是机动车生产和使用最多的国家之一，每年产生大量废机油。传统回收方法是将废机油加热，使低馏程的汽油、柴油等挥发后浓硫酸酸洗，白土精制后作为基础油重新配置机油。回收过程中产生的废气和酸渣对环境的污染比废机油还严重，成为困扰人们的世界性难题。国外汽车加机油时无偿回收废机油再另收废机油污染处理费，如果作为乳化油配料可简化回收方法，只需将废机油用石脑油稀释、搅拌、澄清，即可作为乳化油配料，是降低乳化油成本，防止废机油二次污染的有效方法。

轮船运输主要成本是燃油消耗，船用重型柴油机功率巨大，耗油量大，用燃料油或原油制作乳化油替代重柴油，降低成本十分有效。柴油机的调整和改装费几乎可忽略不计。

3、延长柴油机供油系统使用寿命

柴油机工作时，柴油既是高压泵和喷油器输送介质，又是机件运转的润滑剂和冷却剂。自从推广执行国三燃油标准以来，随着柴油标准提高，柴油中有润滑作用的组分越来越少，机件磨损增加，高压泵和喷油器使用寿命早已不到800小时。用乳化油替代柴油试车，累计试车1001.5小时，解体后发现柱塞泵和喷油器竟然没有明显磨损，原因是乳化油中的油和水之间的界面膜是一种润滑性能良好的高分子化合物，与柴油比较，延长一倍使用时间应该并不困难。

4、乳化油应用前景

乳化油粘度大，流动性差只适应高压泵输油的压燃式内燃机，但压燃的不是柴油，而是硝酸铵，点火系统简单可靠，乳化油中含水25％左右(体积比)与硝酸铵和混合油料一起爆炸推动活塞作功，模糊了内燃机和蒸汽机的概念。乳化油中的混合油料有柴油、废机油等重质油，也有废汽油、石脑油、废变压器油等轻质油，模糊了柴油机与汽油机的概念。提高了内燃机效率，节省了油料，降低了成本，更重要的是与柴油机比较，减少90％以上的排气污染，应该可以获得推广应用。为适应乳化油热值低、粘度大、工作温度低的特点，有必要重新设计专用压燃式内燃机，设计时将减少40％左右进气量，喷油提前角一次调整到位，改水冷散热为空气冷却散热；发动机缸体改薄壁结构为实心结构，提高燃烧室机械强度，则可以提高硝酸铵比例，进一步提高效率，超过柴油为燃料时的机械动力特性。

根据硝酸铵70-90倍于柴油的爆燃速度，且工作温度，排气温度比柴油低的特点，乳化油还可能应用于冲压式发动机，燃气轮机或喷气式发动机，提高效率，改善涡轮、叶片等关键工作部件工作环境，有可能使我国发动机制造赶超世界先进水平。

Claims (3)

1.以硝酸铵、混合油(石脑油、柴油、废机油、地沟油等油品的组合)，自来水、乳化剂(另案申请专利)为主要原料乳化成水包油结构乳化油替代轻柴油作为柴油机的燃料；以硝酸铵、液态燃料油、自来水、乳化剂为原料，乳化成水包油结构乳化油替代重柴油作重型船用柴油机燃料。

2.根据权利要求书1所述的硝酸铵乳化油替代柴油作柴油机燃料的方法，其特征是加入硝酸铵。

3.根据权利要求书1所述的硝酸铵乳化油替代柴油作柴油机燃料的方法，硝酸铵乳化油使用前，必须调整柴油机喷油提前角≥15°，减少20％左右循环冷却水，水箱温度≥85℃，减少40％左右空气进气量。