CN110240953A - 纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备方法，由氢气瓶依次经减压和调压后分别向第一、二混合器均以0.5～3MPa范围内、且相同的预定恒定压力供应氢气；向第一混合器内连续加入柴油，在第一混合器内强化混合转化成氢气和氢/柴油溶液的混合物，然后依次进入第一缓冲器、第二混合器和第二缓冲器，稳定后的氢气和氢/柴油溶液的混合物经卸压后进入油/气分离器进行分离，得到氢气和纳米氢气泡/柴油混合燃料。燃用纳米氢气泡/柴油混合燃料时，柴油机只需要一套供油系统，且不需要对供油系统硬件进行调整；可大幅改善柴油机经济、排放性能。可提高混合燃料制备效率，更适合纳米氢气泡/柴油混合燃料的工业化生产。

Description

纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置及制备方法

技术领域

本发明属于内燃机替代燃料的制备方法，具体涉及一种可用作柴油机燃料的纳米氢气泡/柴油混合燃料的连续式制备方法。

背景技术

近年来，随着我国汽车产量和保有量的迅猛增长，车用发动机燃用传统汽、柴油液体燃料所导致的能源危机和环境污染也日益严重，以传统燃料的改良和替代为主要技术策略之一的新能源技术成为目前我国优先发展的技术领域。

氢气(H₂)是一种公认的高效、清洁能源，内燃机上燃用纯氢气(包括氢气/传统液体燃料双燃料模式)或者以掺混燃烧的方式同时燃用氢气与传统液体燃料都能够提高柴油机热效率、减少污染物排放。而现有的氢气与传统液体燃料掺混燃烧包括：氢气/传统液体燃料双喷射系统进气道喷射、氢气/传统液体燃料双喷射系统缸内喷射、氢气进气道喷射/传统液体燃料缸内喷射等工作方式。但以上几种掺混燃烧工作方式都需要2套各自独立的燃料喷射系统，这不仅会导致硬件成本高昂，喷油系统布置困难，而且为保证分别喷射的氢气和传统液体燃料能够达到最佳的配合效果，双喷射系统内燃机的进气优化和燃烧组织，甚至匹配标定都比单喷射系统内燃机复杂得多。

我国进口原油品质较差、炼油技术水平较低，导致我国柴油产量和质量都不高，对柴油燃料的改良和替代需求更为旺盛。如果将氢气均匀混合于柴油中，那么只需要调整喷油策略(喷油角度和喷油持续时间)就可以利用柴油机原有的供油系统实现氢气/柴油掺混燃烧，从而减少了燃料切换所导致的软、硬件成本提升。但在常温、常压下，氢气在柴油中的溶解度较低，难以满足改善缸内燃烧所要求的混合燃料比例，而提高油箱等供油系统部件的压力和温度不仅成本高昂，而且安全性也难以保证。因此，必须采用特殊的混合原理和技术方案才能制备具备实际应用价值的氢气/柴油混合燃料。

以水为连续相的微泡混合技术是上个世纪末逐渐发展起来的新型非均相混合物制备技术，已经在石油开采、医疗影像等领域得到了大规模的商业化应用。该方法首先要在水中加入表面活性剂，然后通入不溶于水的气体分散相，溶解于水中的表面活性剂在气/液界面形成保护膜而稳定气泡结构，从而所述不溶于水的气体在水中被分散为纳米、亚微米级别的微小气泡实现亚稳态气/液均匀混合物的制备。该方法对氢气/柴油均匀混合燃料的制备颇具启发意义。但现有微泡混合物制备技术的连续相都是水，分散相是空气、氢气等疏水性气体，所述两种成分正好可以通过表面活性剂的亲水/亲油两亲特性实现乳化微泡的形成和混合。但由于柴油和氢气都不含亲水极性结构，表面活性剂对氢气和柴油微泡混合过程的促进意义不大，且多数表面活性剂对柴油机的缸内燃烧有不利影响，因此，氢气/柴油微泡混合燃料的制备需要开发全新的气泡生成方法。

国内外研究结果表明，加大氢气的压力可以显著提高氢气在柴油中的溶解度，如常温、常压下氢气在柴油中的溶解度为0.0110(摩尔分数)，将氢气压力提高到2MPa后，氢气在柴油中的溶解度就提升到0.0369(摩尔分数)。另一方面，当氢气压力降低后，连续相(柴油)中已溶解的氢气将处于过饱和状态并进一步转化成纳米级别直径的微气泡(如附图2所示)，且由于直径微小，气泡的稳定性较高，一般常温、常压下密封静置储存6个月，纳米氢气泡不发生显著的团聚和破灭。

发明内容

本发明基于已溶解氢气过饱和后生成纳米直径气泡的原理以及折流板强化混合技术提出了一种纳米氢气泡/柴油混合燃料的连续式制备方法，制备所得的纳米氢气泡/柴油混合燃料可直接用作柴油机燃料。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置，包括氢气瓶、第一混合器、第二混合器、第一缓冲器、第二缓冲器、油/气分离器和氢气处理器；所述氢气瓶的出口的管路上设有氢气减压阀和二级压力调节器，所述二级压力调节器的出口通过两条并联管路分别连接至所述第一混合器和第二混合器；所述第一混合器的顶部设有进油口，所述第一混合器的侧面设有进气口，所述第一混合器的下部设有出油口，所述第一混合器的容器为1～10L；所述第一混合器内自上而下的设有折流板，所述折流板的数量为4～8片，每片折流板的高度相同，且高度为该第一混合器内径的60～80％，多块折流板沿混合器轴线方向等间距交错安装，折流板间距＝混合器的内部高度÷(折流板数量+1)；所述出油口与所述进油口的内径相同，为10～20mm；所述第二混合器的结构、形状、容积及其中折流板的数量、布置方式与所述第一混合器的完全一样；在所述第二混合器的顶部设有安全阀和压力表；所述第一缓冲器的容积是所述第一混合器容积的1.5～2倍；所述第二缓冲器和第一缓冲器的容积相同；所述第一混合器的出油口连接至所述第一缓冲器的进口，所述第一缓冲器的出口连接至所述第二混合器的进油口，所述第二混合器的出油口连接至所述第二缓冲器的进口，所述第二缓冲器的出口连接至所述油/气分离器的进口，在所述第二缓冲器和所述油/气分离器的连接管路上设有液体减压阀，所述油/气分离器设有放油口和出气口，所述油/气分离器的出气口连接至所述氢气处理器；所述氢气减压阀的最大输出压力大于3MPa；所述二级压力调节器的压力调节范围为0～3MPa；所述氢气处理器的氢气处理效率为100％。

进一步讲，本发明纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置，其中，所述压力表的测压范围为0～3MPa；所述安全阀的开启压力为4MPa，所述液体减压阀的最低出口压力为常压。

所述油/气分离器的容积为第一混合器的容积的2～3倍。

利用上述纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置的制备方法包括以下步骤：

步骤一、由所述氢气瓶依次经所述氢气减压阀、二级压力调节器及第一混合器的进气口和第二混合器的进气口分别向第一混合器和第二混合器均以0.5～3MPa范围内、且相同的预定恒定压力供应氢气；从第一混合器上的进油口向第一混合器中连续加入柴油，加油速度为s，s＝(0.1～0.5)×第一混合器的容积/min；

步骤二、加入至第一混合器的柴油与氢气在第一混合器及其中折流板的作用下强化混合转化成氢气和氢/柴油溶液的混合物，该氢气和氢/柴油溶液的混合物经第一混合器下部的出油口进入第一缓冲器；

步骤三、第一缓冲器中的所述氢气和氢/柴油溶液的混合物经第二混合器的进油口进入第二混合器；在第二混合器及其中折流板的作用下进一步混合后，经第二混合器下部的出油口进入第二缓冲器；

步骤四、在第二缓冲器中稳定后的氢气和氢/柴油溶液的混合物经液体减压阀卸压后进入在所述油/气分离器中进行分离，得到氢气和纳米氢气泡/柴油混合燃料，分离出的氢气在氢气处理器中进行无害化处理，分离出的纳米氢气泡/柴油混合燃料经所述放油口排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

应用纳米氢气泡/柴油混合燃料时，柴油机只需要一套供油系统，且不需要对供油系统硬件进行改动；柴油机燃用纳米氢气泡/柴油混合燃料可以大幅提高柴油机的热效率，改善燃油经济性，并降低柴油机的污染物排放量；采用可再生能源氢气部分替代化石燃料柴油，有利于缓和我国日益严峻的石油供应形势，保障国家的能源安全。此外，本发明采用过饱和溶液相分离气泡生成法可以生成纳米级别直径的氢气泡，不仅改善了混合燃料在柴油机上的燃烧性能，且有利于氢气泡长期稳定存在；基于折流板的氢气/柴油混合溶解方法可以保证氢气在柴油中充分溶解；两级溶解循环可以进一步强化氢气在柴油中的溶解；连续式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备方法可提高混合燃料制备效率，更适合纳米氢气泡/柴油混合燃料的工业化生产。

附图说明

图1为纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置示意图。

其中：1-氢气瓶；2-氢气减压阀；3-二级压力调节器；4-进气口1；5-第一混合器；6-折流板；7-进油口；8-出油口；9-第一缓冲器；10-进气口；11-第二混合器；12-折流板；13-进油口；14-安全阀；15-压力表；16-出油口；17-第二缓冲器；18-液体减压阀；19-油/气分离器；20-氢气处理器；21-放油口。

图2为利用实施例1所述制备装置及制备步骤得到的纳米氢气泡/柴油混合燃料中纳米氢气泡直径分布规律。

具体实施方式

本发明提出的一种纳米氢气泡/柴油混合燃料的连续式制备方法，其中，所涉及到的制备装置的结构组成如图1所示，该制备装置包括氢气瓶1、第一混合器5、第二混合器11、第一缓冲器9、第二缓冲器17、油/气分离器19和氢气处理器20。

所述氢气瓶1的出口的管路上设有氢气减压阀2和二级压力调节器3，氢气减压阀2最大输出压力大于3MPa，所述二级压力调节器3的压力调节范围为0～3MPa，所述二级压力调节器3的出口通过两条并联管路分别连接至所述第一混合器5和第二混合器11。

第一混合器5的材质为不锈钢，所述第一混合器5的顶部设有进油口7，该进油口7采用内径为10～20mm的不锈钢管；所述第一混合器5的侧面设有进气口4，该进气口4采用内径为4～6mm的不锈钢管；所述第一混合器5的下部设有出油口8，所述出油口8与所述进油口7的内径相同，均为10～20mm；所述第一混合器5的容器为1～10L，形状为圆柱形，高度不小于内径的2倍；所述第一混合器5内自上而下的设有折流板6，所述折流板6的数量为4～8片，每片折流板6的高度相同，且高度为该第一混合器5内径的60～80％，多块折流板6沿混合器轴线方向等间距交错安装，折流板间距＝混合器的内部高度÷(折流板数量+1)。

所述第二混合器11的结构、形状、材质和容积与所述第一混合器5的完全一样；第二混合器11内折流板12的结构、尺寸、数量及安装方式与第一混合器5内折流板6相同。

所述第二混合器11的顶部设有安全阀14和压力表15，所述安全阀14的开启压力为4MPa，所述压力表15的测压范围为0～3MPa。

第一缓冲器9和第二缓冲器17的材质均为不锈钢，所述第一缓冲器9和第二缓冲器17的容积相同；所述第一缓冲器9的容积是所述第一混合器5容积的1.5～2倍；所述第一混合器5的出油口8连接至所述第一缓冲器9的进口，所述第一缓冲器9的出口连接至所述第二混合器11的进油口13，所述第二混合器11的出油口连接至所述第二缓冲器17的进口，所述第二缓冲器17的出口连接至所述油/气分离器19的进口，在所述第二缓冲器17和所述油/气分离器19的连接管路上设有液体减压阀18，所述液体减压阀18的最低出口压力为常压；所述油/气分离器19的材质为不锈钢，其容积为第一混合器5的容积的2～3倍，所述油/气分离器19设有放油口21和出气口，所述放油口的材质为不锈钢，内径为20～30mm，所述油/气分离器19的出气口连接至所述氢气处理器20，所述氢气处理器20的氢气处理效率为100％。

利用上述本发明基于折流板强化混合方式的纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备的制备过程如下：由所述氢气瓶1依次经所述氢气减压阀2、二级压力调节器3及第一混合器5的进气口4和第二混合器11的进气口10分别向第一混合器5和第二混合器11均以0.5～3MPa范围内的预定恒定压力供应氢气，且向第一混合器5和第二混合器11供应的氢气压力相同；从第一混合器11上的进油口7向第一混合器5中连续加入柴油，加油速度为s，s＝(0.1～0.5)×第一混合器5的容积/min。

加入至第一混合器5的柴油与氢气在第一混合器5及其中折流板6的作用下强化混合转化成氢气和氢/柴油溶液的混合物，该氢气和氢/柴油溶液的混合物经第一混合器5下部的出油口8进入第一缓冲器9；

第一缓冲器9中的所述氢气和氢/柴油溶液的混合物经第二混合器11的进油口13进入第二混合器11；在第二混合器11及其中折流板12的作用下进一步混合后，经第二混合器11下部的出油口16进入第二缓冲器17；

在第二缓冲器17中稳定后的氢气和氢/柴油溶液的混合物经液体减压阀18卸压后进入在所述油/气分离器19中进行分离，分离出氢气和纳米氢气泡/柴油混合燃料，分离出的氢气在氢气处理器20中进行无害化处理，分离出的纳米氢气泡/柴油混合燃料经所述放油口21排出制备装置。

本发明中第二混合器11上分别安装有安全防护用的安全阀14和用于测量混合器内部压力的压力表15。

以下通过具体的实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步描述。需要说明的是所述实施例是叙述性的，而非限定性的，本发明所涵盖的内容并不限于下述实施例。

实施例1

由氢气瓶1经氢气减压阀2、二级压力调节器3及内径均为4mm的第一混合器5的进气口4和第二混合器11的进气口10分别向第一混合器5和第二混合器11供应2MPa恒定压力的氢气；第一混合器5的容积为1L、高度为20cm，其中安装有4块高度均为6cm的折流板6，所有折流板6等间距交错安装，相邻两片之间的间隔为4cm；从第一混合器5上内径为10mm的进油口7向第一混合器5中连续加入柴油，加油速度为0.5L/min；加入至第一混合器5的柴油与氢气在第一混合器5及其中折流板6的作用下强化混合后转化成氢气和氢/柴油溶液的混合物，经第一混合器5的出油口8进入容积为2L的第一缓冲器9中；第一缓冲器9中的所述氢气和氢/柴油溶液的混合物经第一混合器11的进油口13进入第二混合器11，在第二混合器11及其中结构、尺寸、数量及安装方式与第一混合器5内折流板6相同的折流板12的作用下进一步混合后，经第二混合器11的出油口16进入容积为2L的第二缓冲器17；在第二缓冲器17稳定后的所述氢气及氢/柴油溶液的混合物经液体减压阀18卸压后在油/气分离器19中分离出氢气和纳米氢气泡/柴油混合燃料，分离出的氢气在氢气处理器20中进行无害化处理，分离出的纳米氢气泡/柴油混合燃料经油/气分离器19的放油口21排出制备装置。

采用马尔文公司生产的ZS 90型激光纳米粒度仪测量实施例1所制备纳米氢气泡/柴油混合燃料的氢气泡直径分布，结果如图2所示。

实施例2

由氢气瓶1经氢气减压阀2、二级压力调节器3及内径均为6mm的第一混合器5的进气口4和第二混合器11的进气口10分别向两个混合器供应3MPa恒定压力的氢气；第一混合器5的容积为10L、高度为50cm，其中安装有8块高度为12cm的折流板6，等间距交错安装，每片间隔5.56cm；从第一混合器5上内径为20mm的进油口7向其中连续加入柴油，加油速度为4L/min；加入第一混合器5的柴油与氢气在第一混合器5及其中折流板6的作用下强化混合后转化成氢气和氢/柴油溶液的混合物，经出油口8进入容积为20L的第一缓冲器9；第一缓冲器9中的所述氢气和氢/柴油溶液的混合物经进油口13进入第二混合器11，在第二混合器11及其中结构、尺寸、数量及安装方式与第一混合器5内折流板6相同的折流板12作用下进一步混合后，经出油口16进入容积为20L的第二缓冲器17；在第二缓冲器17稳定后的所述氢气和氢/柴油溶液的混合物经液体减压阀18卸压后在油/气分离器19中分离出氢气和纳米氢气泡/柴油混合燃料，分离出的氢气在氢气处理器20中进行无害化处理，分离出的纳米氢气泡/柴油混合燃料经放油口21排出制备装置。

实施例3

由氢气瓶1经氢气减压阀2、二级压力调节器3及内径均为5mm的第一混合器5的进气口4和第二混合器11的进气口10分别向两个混合器供应0.5MPa恒定压力的氢气；第一混合器5的容积为5L、高度为40cm，其中安装有6块高度为9cm的折流板6，等间距交错安装，每片间隔5.71cm；从第一混合器5上内径为12mm的进油口7向该混合器中连续加入柴油，加油速度为1L/min；加入至第一混合器5的柴油与氢气在第一混合器5及其中折流板6的作用下强化混合后转化成氢气和氢/柴油溶液的混合物，经出油口8进入容积为7.5L的第一缓冲器9；第一缓冲器9中的所述氢气和氢/柴油溶液的混合物经进油口13进入第二混合器11，在第二混合器11及其中结构、尺寸、数量及安装方式与第一混合器5内折流板6相同的折流板12作用下进一步混合后，经出油口16进入容积为7.5L的第二缓冲器17；在第二缓冲器17稳定后的所述氢气和氢/柴油溶液的混合物经液体减压阀18卸压后在油/气分离器19中分离出氢气和纳米氢气泡/柴油混合燃料，分离出的氢气在氢气处理器20中进行无害化处理，分离出的纳米氢气泡/柴油混合燃料经放油口21排出制备装置。

本发明制备方法可以制备氢气泡直径处于纳米级别且稳定期超过6个月的氢气泡/柴油混合燃料，可直接用作柴油机燃料，替代纯柴油燃料。燃用所述纳米氢气泡/柴油混合燃料时，柴油机只需要一套供油系统，且不需要对供油系统硬件进行调整；柴油机燃用所述纳米氢气泡/柴油混合燃料可大幅改善柴油机经济、排放性能。此外，基于折流板强化混合方式的氢气/柴油混合溶解方法及两级溶解循环的采用可以保证氢气在柴油中充分溶解；连续式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备方法可提高混合燃料制备效率，更适合纳米氢气泡/柴油混合燃料的工业化生产。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置，包括氢气瓶(1)、第一混合器(5)、第二混合器(11)、第一缓冲器(9)、第二缓冲器(17)、油/气分离器(19)和氢气处理器(20)；其特征在于：

所述氢气瓶(1)的出口的管路上设有氢气减压阀(2)和二级压力调节器(3)，所述二级压力调节器(3)的出口通过两条并联管路分别连接至所述第一混合器(5)和第二混合器(11)；

所述第一混合器(5)的顶部设有进油口，所述第一混合器(5)的侧面设有进气口，所述第一混合器(5)的下部设有出油口，所述第一混合器(5)的容积为1～10L；所述第一混合器(5)内自上而下的设有折流板，所述折流板的数量为4～8片，每片折流板的高度相同，且高度为该第一混合器(5)内径的60～80％，多块折流板沿混合器轴线方向等间距交错安装，折流板间距＝混合器的内部高度÷(折流板数量+1)；所述出油口与所述进油口的内径相同，为10～20mm；

所述第二混合器(11)的结构、形状、容积及其中折流板的数量、布置方式与所述第一混合器(5)的完全一样；

在所述第二混合器(11)的顶部设有安全阀(14)和压力表(15)；

所述第一缓冲器(9)的容积是所述第一混合器(5)容积的1.5～2倍；所述第二缓冲器(9)和第一缓冲器(17)的容积相同；

所述第一混合器(5)的出油口(8)连接至所述第一缓冲器(9)的进口，所述第一缓冲器(9)的出口连接至所述第二混合器(11)的进油口(13)，所述第二混合器(11)的出油口(16)连接至所述第二缓冲器(17)的进口，所述第二缓冲器(17)的出口连接至所述油/气分离器(19)的进口，在所述第二缓冲器(17)和所述油/气分离器(19)的连接管路上设有液体减压阀(18)，所述油/气分离器(19)设有放油口(21)和出气口，所述油/气分离器(19)的出气口连接至所述氢气处理器(20)；

所述氢气减压阀(3)的最大输出压力大于3MPa；所述二级压力调节器(3)的压力调节范围为0～3MPa；所述氢气处理器(20)的氢气处理效率为100％。

2.根据权利要求1所述纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置，其特征在：所述压力表(15)的测压范围为0～3MPa；所述安全阀(14)的开启压力为4MPa，所述液体减压阀(18)的最低出口压力为常压。

3.根据权利要求1所述纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置，其特征在：所述油/气分离器(19)的容积为第一混合器(5)的容积的2～3倍。

4.一种纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备方法，其特征在于：采用如权利要求1至3中任一所述纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置，并包括以下步骤：

步骤一、由所述氢气瓶(1)依次经所述氢气减压阀(2)、二级压力调节器(3)及第一混合器(5)的进气口(4)和第二混合器(11)的进气口(10)分别向第一混合器(5)和第二混合器(11)均以0.5～3MPa范围内、且相同的预定恒定压力供应氢气；从第一混合器(11)上的进油口(7)向第一混合器(5)中连续加入柴油，加油速度为s，s＝(0.1～0.5)×第一混合器(5)的容积/min；

步骤二、加入至第一混合器(5)的柴油与氢气在第一混合器(5)及其中折流板(6)的作用下强化混合转化成氢气和氢/柴油溶液的混合物，该氢气和氢/柴油溶液的混合物经第一混合器(5)下部的出油口(8)进入第一缓冲器(9)；

步骤三、第一缓冲器(9)中的所述氢气和氢/柴油溶液的混合物经第二混合器(11)的进油口(13)进入第二混合器(11)；在第二混合器(11)及其中折流板(12)的作用下进一步混合后，经第二混合器(11)下部的出油口(16)进入第二缓冲器(17)；

步骤四、在第二缓冲器(17)中稳定后的氢气和氢/柴油溶液的混合物经液体减压阀(18)卸压后进入在所述油/气分离器(19)中进行分离，得到氢气和纳米氢气泡/柴油混合燃料，分离出的氢气在氢气处理器(20)中进行无害化处理，分离出的纳米氢气泡/柴油混合燃料经所述放油口(21)排出。

5.一种纳米氢气泡/柴油混合燃料的用途，其特征在于：将如权利要求1至3中任一所述纳米氢气泡/柴油混合燃料连续式制备装置，并按照权利要求4所示制备方法制备得到的纳米氢气泡/柴油混合燃料直接用作柴油机燃料。