CN108728179A - 一种高热值氢能燃料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高热值氢能燃料，涉及新能源技术领域。本发明提供的高热值氢能燃料包括以下重量份数的组分：乳化剂0.5～4份，分散剂1～8份，甲醇30～90份，过氧化氢1～3份，改性剂0.1～1份，润滑剂0.05～0.5份，缓蚀剂0.05～0.5份，活化剂1～10份，催化剂0.05～0.1份，消烟剂0.5～5份，稳定剂1～10份，去离子水1～20份。本发明提供的燃料热值高、燃烧完全，能够应用于柴油发动机。从实施例可以看出，本发明的燃料的热值高达11076卡/kg。

Description

一种高热值氢能燃料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种高热值氢能燃料及其制备方法与应用。
背景技术
目前我国已经成为世界第一汽车大国，传统发动机燃料汽油柴油已经广泛使用，但是使用传统燃料的汽车发动机带来的排放污染也是与日俱增，越来越成为国家和政府承待解决的重要课题。很多企业家、科研机构都在研究开发新的替代燃料新的技术。
现在国内出现的所谓的新能源燃料，也就是天然气、液化石油气、甲醇燃料或者醇基燃料、甲醇柴油、甲醇汽油等。但是仅就柴油重卡汽车以及使用大马力柴油发动机的矿山机械等等，柴油仍然是为主要燃料，虽然已经有用甲醇替代部分柴油的技术产品出现，但是使用这些燃料明显发动机动力不足，替代燃烧效果不尽人意。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高热值氢能燃料及其制备方法与应用。本发明提供的高热值氢能燃料热值高、燃烧完全，为发动机提供足够的动力。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高热值氢能燃料，包括以下重量份数的组分：乳化剂0.5～4份，分散剂1～8份，甲醇30～90份，过氧化氢1～3份，改性剂0.1～1份，润滑剂0.05～0.5份，缓蚀剂0.05～0.5份，活化剂1～10份，催化剂0.05～0.1份，消烟剂0.5～5份，稳定剂1～10份，去离子水1～20份；
所述乳化剂包括吐温-80；所述分散剂包括司盘-80；所述改性剂包括硝酸钾、二甲苯和丙醇中的一种或多种；所述润滑剂包括高锰酸钾；所述缓蚀剂包括甲基苯并三氮唑或乙酸丁酯；所述活化剂包括石油醚、石脑油、乙醚和二茂铁中的一种或多种；所述催化剂包括二异丙胺；所述消烟剂包括碳酸氢铵或碳酸铵；所述稳定剂包括乙二胺四乙酸、柠檬酸或磷酸钠。
优选地，所述高热值氢能燃料包括以下重量份数的组分：乳化剂1～3份，分散剂3～6份，甲醇35～85份，过氧化氢1.5～2.5份，改性剂0.2～0.8份，润滑剂0.1～0.4份，缓蚀剂0.1～0.4份，活化剂2～8份，催化剂0.06～0.09份，消烟剂1～4份，稳定剂2～8份，去离子水2～18份。
优选地，以乳化剂重量为基准，所述高热值氢能燃料还包括30～65份国标柴油。
优选地，所述国标柴油的型号为0#、-10#或-20#。
本发明还提供了上述技术方案所述高热值氢能燃料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将消烟剂、去离子水、稳定剂和部分甲醇混合，得到水相；
(2)将乳化剂、分散剂、过氧化氢、改性剂、润滑剂、缓蚀剂、活化剂、催化剂和余量甲醇混合，有机相；
(3)将水相和有机相混合，得到高热值氢能燃料。
优选地，所述步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中的混合温度独立地为35～45℃。
优选地，所述步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中的混合时间独立地为30～40min。
本发明提供了上述技术方案所述高热值氢能燃料作为锅炉炉窑燃烧机燃料的应用。
本发明提供了上述技术方案所述高热值氢能燃料作为柴油发动机双燃料或者柴油发动机自动制氢双燃料的应用。
本发明提供了上述技术方案所述含有国标柴油的高热值氢能燃料作为柴油发动机燃料的应用。
本发明提供了一种高热值氢能燃料，包括以下重量份数的组分：乳化剂0.5～4份，分散剂1～8份，甲醇30～90份，过氧化氢1～3份，改性剂0.1～1份，润滑剂0.05～0.5份，缓蚀剂0.05～0.5份，活化剂1～10份，催化剂0.05～0.1份，消烟剂0.5～5份，稳定剂1～10份，去离子水1～20份；所述乳化剂包括吐温-80；所述分散剂包括司盘-80；所述改性剂包括硝酸钾、二甲苯和丙醇中的一种或多种；所述润滑剂包括高锰酸钾；所述缓蚀剂包括甲基苯并三氮唑或乙酸丁酯；所述活化剂包括石油醚、石脑油、乙醚和二茂铁中的一种或多种；所述催化剂包括二异丙胺；所述消烟剂包括碳酸氢铵或碳酸铵；所述稳定剂包括乙二胺四乙酸、柠檬酸或磷酸钠。本发明利用乳化剂、分散剂、甲醇、过氧化氢、改性剂等原料的共同作用，使燃料具有高热值，能够完全燃烧，能够为柴油发动机提供足够的动力。从实施例可以看出，本发明的燃料的热值高达11076卡/kg。
具体实施方式
本发明提供了一种高热值氢能燃料，包括以下重量份数的组分：乳化剂0.5～4份，分散剂1～8份，甲醇30～90份，过氧化氢1～3份，改性剂0.1～1份，润滑剂0.05～0.5份，缓蚀剂0.05～0.5份，活化剂1～10份，催化剂0.05～0.1份，消烟剂0.5～5份，稳定剂1～10份，去离子水1～20份。
本发明提供的高热值氢能燃料包括0.5～4份重量份乳化剂，优选为1～3份，更优选为1.5～2.5份，最优选为2份。在本发明中，所述乳化剂包括吐温-80。在本发明中，所述乳化剂和分散剂配合使用，能够使燃料中的各成分混合均匀，形成均匀稳定的分散体系。
本发明提供的高热值氢能燃料包括1～8份重量份分散剂，优选为3～6份，更优选为4～5份。在本发明中，所述分散剂包括司盘-80。在本发明中，所述分散剂和乳化剂配合使用，能够使燃料中的有机相(如甲醇、活化剂等)与无机相(如润滑剂、消烟剂等)具有很好的相容性，形成稳定、均一的燃料。
本发明提供的高热值氢能燃料包括30～90份重量份甲醇，优选为35～85份，更优选为60～80份。在本发明中，所述甲醇的纯度优选为80～99.9％。本发明对所述甲醇的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，甲醇作为燃料的基础组分，为燃料提供高氧和基本的热值，并保证燃料充分燃烧。
本发明提供的高热值氢能燃料包括1～3份重量份过氧化氢，优选为1.5～2.5份，更优选为2份。在本发明中，所述过氧化氢作为燃料中的氧化剂，能够提高燃料的燃烧性能，进而提高燃料的燃烧热值。
本发明提供的高热值氢能燃料包括0.1～1份重量份改性剂，优选为0.2～0.8份，更优选为0.4～0.7份，最优选为0.5～0.6份。在本发明中，所述改性剂包括硝酸钾、二甲苯和丙醇中的一种或多种。在本发明中，当所述改性剂为混合物，本发明对混合物中各物质的重量比没有特殊的限定，采用任意重量比均可。在本发明中，所述改性剂具有改善燃料性能，能够通过提高甲醇与柴油C、H物质的互溶性能，进而提高燃料的热值和燃烧性能。
本发明提供的高热值氢能燃料包括0.05～0.5份重量份润滑剂，优选为0.1～0.4份，更优选为0.2～0.3份。在本发明中所述润滑剂为高锰酸钾。在本发明中，所述润滑剂具有改善燃料的润滑性能。
本发明提供的高热值氢能燃料包括0.05～0.5份重量份缓蚀剂，优选为0.1～0.4份，更优选为0.2～0.3份。在本发明中，所述缓蚀剂为甲基苯并三氮唑或乙酸丁酯。在本发明中，所述缓蚀剂可以防止燃料对金属和橡胶的腐蚀融胀作用。
本发明提供的高热值氢能燃料包括1～10份重量份活化剂，优选为2～8份，更优选为3～7份，最优选为5～6份。在本发明中，所述活化剂为石油醚、石脑油、乙醚和二茂铁中的一种。在本发明中，当所述活化剂为混合物时，本发明对所述混合物中各物质的重量比没有特殊的限定，采用任意重量比均可。在本发明中，所述活化剂可以使甲醇与柴油更好的混合互溶，提高燃烧热值。
本发明提供的高热值氢能燃料包括0.05～0.1份重量份催化剂，优选为0.06～0.09份，更优选为0.07～0.08份。在本发明中，所述催化剂包括二异丙胺。在本发明中，所述催化剂能够促使燃料分子键迅速裂化、分解、分子重组燃烧。
本发明提供的高热值氢能燃料包括0.5～5份重量份消烟剂，优选为1～4份，更优选为2～3份。在本发明中，所述消烟剂为碳酸氢铵或碳酸铵。在本发明中，所述消烟剂能够减少燃料燃烧时烟气的产生，减少污染物的排放，利于环保。
本发明提供的高热值氢能燃料包括1～10份稳定剂，优选为2～8份，更优选为5～6份。在本发明中，所述稳定剂为乙二胺四乙酸、柠檬酸或磷酸钠。在本发明中，所述稳定剂可以提高燃料的十六烷值，减少爆燃现象。
本发明提供的高热值氢能燃料包括1～20份重量份去离子水，更优选为2～18份，最优选为5～16份。
在本发明中，在乳化剂、分散剂、甲醇、过氧化氢、改性剂、润滑剂、缓蚀剂、活化剂、催化剂、消烟剂和稳定剂的共同作用下，制得的燃料具有高热值，且能够充分燃烧，为柴油发动机提供足够的动力。
本发明提供的高热值氢能燃料，以乳化剂的重量为基准，优选还包括30～65份重量份国际柴油，优选为35～60份，更优选为40～55份。在本发明中，所述国标柴油的型号优选为0#、-10#或-20#。在本发明中，所述国标柴油具有较高热值，和其它物质(比如甲醇、乳化剂、分散剂、改性剂等)混合，可以提高燃料的燃烧热值。
本发明还提供了上述技术方案所述高热值氢能燃料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将消烟剂、去离子水、稳定剂和部分甲醇混合，得到水相；
(2)将乳化剂、分散剂、过氧化氢、改性剂、润滑剂、缓蚀剂、活化剂、催化剂和余量甲醇混合，得到有机相；
(3)将水相和有机相混合，得到高热值氢能燃料。
本发明将消烟剂、去离子水、稳定剂和部分甲醇混合，得到水相。本发明对所述混合方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如搅拌和超声。在本发明的实施例中，优选采用搅拌和超声同时进行。在本发明中，所述搅拌的转速优选为300～500r/min，更优选为350～450r/min，最优选为400r/min；所述超声的功率优选为0.5～2kW/h，最优选为0.8～1.8kW/h，最优选为0.5～1.5kW/h。在本发明中，所述超声和搅拌的温度独立地优选为35～45℃，更优选为38～43℃，更优选为40℃。在本发明中，所述超声和搅拌的时间独立地优选为30～40min，更优选为32～38min，最优选为35～36min。在本发明中，所述混合能够使消烟剂、去离子水、稳定剂和部分甲醇充分混合。
本发明将乳化剂、分散剂、过氧化氢、改性剂、润滑剂、缓蚀剂、活化剂、催化剂和余量甲醇混合，得到有机相。本发明对所述混合方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如搅拌和超声。在本发明的实施例中，优选采用搅拌和超声同时进行。在本发明中，所述搅拌的转速优选为300～500r/min，更优选为350～450r/min，最优选为400r/min；所述超声的功率优选为0.5～2kW/h，最优选为0.8～1.8kW/h，最优选为0.5～1.5kW/h。在本发明中，所述超声和搅拌的温度独立地优选为35～45℃，更优选为38～43℃，更优选为40℃。在本发明中，所述超声和搅拌的时间独立地优选为30～40min，最优选为32～38min，最优选为35～36min。在本发明中，所述混合能够使乳化剂、分散剂、过氧化氢、改性剂、润滑剂、缓蚀剂、活化剂、催化剂和余量甲醇充分混合。
在本发明中，所述部分甲醇与余量甲醇的重量的比优选为10～60％：90～40％，更优选为20～50％：80～50％，最优选为40～45％：60～55％。
得到水相和有机相后，本发明将水相和有机相混合，得到高热值氢能燃料。本发明对所述混合方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如搅拌和超声。在本发明的实施例中，优选采用搅拌和超声同时进行。在本发明中，所述搅拌的转速优选为300～500r/min，更优选为350～450r/min，最优选为400r/min；所述超声的功率优选为0.5～2kW/h，最优选为0.8～1.8kW/h，最优选为0.5～1.5kW/h。在本发明中，所述超声和搅拌的温度独立地优选为35～45℃，更优选为38～43℃，更优选为40℃。在本发明中，所述超声和搅拌的时间独立地优选为30～40min，最优选为32～38min，最优选为35～36min。
在本发明中，对于还含有国标柴油的高热值氢能燃料的制备方法优选为采用上述方法将除国标柴油外的其它原料混合，然后加入国标柴油混合。本发明对所述混合方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如搅拌和超声。在本发明的实施例中，优选采用搅拌和超声同时进行。在本发明中，所述超声和搅拌的温度独立地优选为35～45℃，更优选为38～43℃，更优选为40℃。在本发明中，所述搅拌的转速优选为300～500r/min，更优选为350～450r/min，最优选为400r/min；所述超声的功率优选为0.5～2kW/h，最优选为0.8～1.8kW/h，最优选为0.5～1.5kW/h。在本发明中，所述超声和搅拌的时间独立地优选为30～40min，最优选为32～38min，最优选为35～36min。
本发明提供了上述技术方案所述高热值氢能燃料作为锅炉炉窑燃烧机燃料的应用。
本发明提供了上述技术方案所述高热值氢能燃料作为柴油发动机双燃料或者柴油发动机自动制氢双燃料的应用。
本发明提供了上述技术方案所述含有国标柴油的高热值氢能燃料作为柴油发动机燃料的应用。
本发明的燃料由于具有高热值、燃烧充分的特点，能够为柴油发动机提供足够的动力。
下面结合实施例对本发明提供的高热值氢能燃料及其制备方法与与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种高热值氢能燃料，包括以下重量份数的组分：土温-800.5份，司盘-801份，甲醇70份，过氧化氢1份，硝酸钾1份，高锰酸钾0.5份、甲基苯并三氮唑0.1份，石油醚10份，二异丙胺0.1份，碳酸氢铵2.5份，乙二胺四乙酸3份，去离子水13.5份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将碳酸氢铵、去离子水、乙二胺四乙酸、30份的甲醇于40℃下搅拌和超声40min，得到水相；所述搅拌的转速为300r/min，超声的功率为0.5kW/h；
(2)将土温-80、司盘-80、过氧化氢、硝酸钾、高锰酸钾、甲基苯并三氮唑、石油醚、二异丙胺、40份甲醇于40℃下搅拌和超声混合40min，得到有机相；所述搅拌的转速为300r/min，超声的功率为0.5kW/h；
(3)将水相和有机相于35℃、搅拌转速为300r/min，超声功率为0.5kW/h下，混合30min，得到高热值氢能燃料。
采用锅炉燃烧机燃烧锅炉、热量表检测锅炉出力对比的方法对本实施例制得的高热值氢能燃料的热量进行测试，即；使用同一个燃烧机分别燃烧普通99.9％的甲醇和本发明的相同重量的燃料进行对比，燃烧本发明高热值氢能燃料的锅炉热量输出比燃烧普通甲醇时的热量输出提高了12.2％，燃烧普通甲醇时的燃烧温度是1150～1210℃左右，本申请的高热值氢能燃料的燃烧温度达到1280～1360℃，燃料成本节省9～12％。
采用热值测试仪测试方法对本实施例制得的高热值氢能燃料的热值进行测试，测试结果为：燃烧热值达到5870卡/kg。
实施例2
一种高热值氢能燃料，包括以下重量份数的组分：土温-800.5份，司盘-801份，甲醇70份，过氧化氢1份，硝酸钾1份，高锰酸钾0.5份、甲基苯并三氮唑0.1份，石油醚10份，二异丙胺0.1份，碳酸氢铵2.5份，乙二胺四乙酸3份，去离子水13.5份，0#国标柴油60份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将碳酸氢铵、去离子水、乙二胺四乙酸、30份的甲醇于40℃下搅拌和超声40min，得到水相；所述搅拌的转速为400r/min，超声的功率为1.0kW/h；
(2)将土温-80、司盘-80、过氧化氢、硝酸钾、高锰酸钾、甲基苯并三氮唑、石油醚、二异丙胺、40份甲醇于40℃下搅拌和超声混合40min，得到有机相；所述搅拌的转速为400r/min，超声的功率为1.0kW/h；
(3)将水相和有机相于35℃、搅拌转速为400r/min，超声功率为1.0kW/h下，混合30min，得到混合液；
(4)将混合液与0#国标柴油分2路供油方法即双燃料混合燃烧方法进行发动机台架测试，即1、一路为0#柴油常规供油、另一路本发明的混合液采用等离子体制氢、双燃料混合进入发动机燃烧做功的方式，测试发动机的功率输出和油耗率；2、采用单路0#柴油传统供油方式，测试出发动机与1的同功率输出的油耗率，然后按燃料价格计算法计算，燃料成本节能率6.3～14.8％，发动机输出功率越大、柴油替代率在33％左右时节能效果越好。
采用热值测试仪测试方法对本实施例制得的高热值氢能燃料混合液的热值进行测试，测试结果为：燃烧热值为5870卡/kg。
经过发动机台架测试，本实施例的燃料可以基本保持发动机输出功率不降，在同功况同扭矩输出的情况下，NOX排放降低30～68％、颗粒物排放降低11～31％，综合节能、燃料经济成本降低3～11％。
实施例3
一种高热值氢能燃料，包括以下重量份数的组分：土温-800.5份，司盘-801份，甲醇35份，过氧化氢3份，硝酸钾0.5份，丙醇0.5份，高锰酸钾0.5份、乙酸丁酯0.5份，石脑油2份，石油醚3份，二异丙胺0.1份，碳酸铵3份，柠檬酸5份，去离子水3份，-20#国标柴油55份。
(1)将碳酸铵、去离子水、柠檬酸、15份的甲醇于35℃下搅拌和超声35min，得到水相；所述搅拌的转速为450r/min，超声的功率为1.0kW/h；
(2)将土温-80、司盘-80、过氧化氢、丙醇、高锰酸钾、乙酸丁酯、石脑油、二异丙胺、20份甲醇于35℃下搅拌和超声混合35min，得到有机相；所述搅拌的转速为450r/min，超声的功率为1.0kW/h；
(3)将水相和有机相于35℃、搅拌转速350r/min，超声功率1.5kW/h下，混合30min，得到混合液；
(4)将混合液与-20#国标柴油于35℃下搅拌和超声混合30min，得到高热值氢能燃料；其中搅拌的转速为350r/min，超声的功率为1.5kW/h。
采用热值测试仪测试方法对本实施例制得的高热值氢能燃料的热值进行测试，测试结果为：本实施例中高热值氢能燃料的燃烧热值为11076卡/kg。
经过发动机台架测试，本实施例燃料可以基本保持发动机输出功率不降，在同功况同扭矩输出的情况下，NOX排放降低30～68％、颗粒物排放降低7.1～28.6％，综合节能、燃料经济成本降低2.3～7.9％。
从本发明的实施例可以看出，本发明提供的高热值氢能燃料的热值高达5870～11076卡/kg，可以给锅炉炉窑燃烧机和柴油发动机提供足够的热量和动力。
本发明所述高热值氢能燃料与传统柴油燃料的区别在于：(1)比柴油燃料的含氧高，从甲醇的化学分子结构可以看出，甲醇的含氧量大约是50％，充足的氧可以使柴油燃烧的更充分。(2)添加了润滑剂、乳化剂、分散剂、改性剂、缓蚀剂、活化剂、催化剂等物质以后，可以使燃料的性能达到国标要求，避免了甲醇对发动机的腐蚀弊病，可以使用本发明燃料进行等离子体制氢和柴油双燃料混合燃烧，节能又减排。(3)在本发明的燃料中加入柴油，可以替代现有的传统柴油燃料，在保障发动机输出动力的前提下，达到节能又减排的双重目的，利国利民，符合国家节能减排的可持续发展产业规划。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高热值氢能燃料，包括以下重量份数的组分：乳化剂0.5～4份，分散剂1～8份，甲醇30～90份，过氧化氢1～3份，改性剂0.1～1份，润滑剂0.05～0.5份，缓蚀剂0.05～0.5份，活化剂1～10份，催化剂0.05～0.1份，消烟剂0.5～5份，稳定剂1～10份，去离子水1～20份；
所述乳化剂包括吐温-80；所述分散剂包括司盘-80；所述改性剂包括硝酸钾、二甲苯和丙醇中的一种或多种；所述润滑剂包括高锰酸钾；所述缓蚀剂包括甲基苯并三氮唑或乙酸丁酯；所述活化剂包括石油醚、石脑油、乙醚和二茂铁中的一种或多种；所述催化剂包括二异丙胺；所述消烟剂包括碳酸氢铵或碳酸铵；所述稳定剂包括乙二胺四乙酸、柠檬酸或磷酸钠。
2.根据权利要求1所述的高热值氢能燃料，其特征在于，包括以下重量份数的组分：乳化剂1～3份，分散剂3～6份，甲醇35～85份，过氧化氢1.5～2.5份，改性剂0.2～0.8份，润滑剂0.1～0.4份，缓蚀剂0.1～0.4份，活化剂2～8份，催化剂0.06～0.09份，消烟剂1～4份，稳定剂2～8份，去离子水2～18份。
3.根据权利要求1或2所述的高热值氢能燃料，其特征在于，以乳化剂重量为基准，还包括30～65份国标柴油。
4.根据权利要求3所述的高热值氢能燃料，其特征在于，所述国标柴油的型号为0#、-10#或-20#。
5.权利要求1或2所述高热值氢能燃料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将消烟剂、去离子水、稳定剂和部分质量的甲醇混合，得到水相；
(2)将乳化剂、分散剂、过氧化氢、改性剂、润滑剂、缓蚀剂、活化剂、催化剂和余量甲醇混合，得到有机相；
(3)将所述水相和有机相混合，得到高热值氢能燃料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中的混合温度独立地为35～45℃。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中的混合时间独立地为30～40min。
8.权利要求1～2任意一项所述的高热值氢能燃料作为锅炉炉窑燃烧机燃料的应用。
9.权利要求1～2任意一项所述的高热值氢能燃料作为柴油发动机双燃料或者柴油发动机自动制氢双燃料的应用。
10.权利要求3所述高热值氢能燃料作为柴油发动机燃料的应用。
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