CN1134532C - 油包水型乳化燃料油 - Google Patents

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Abstract

油包水型乳化燃料油，是采用乳化剂和保护性胶体将碳细颗粒分散在水中生成水/碳混合物并将水/碳混合物分散和乳化于重油中而制备的。这种乳化燃料油由100%(体积)的重油和20-45%(体积)的水/碳混合物组成，水以直径超过20μm但不超过35μm的颗粒的形式均匀分散和乳化于重油中。当与100份(重量)的重油混合的水/碳混合物的量为20-35%(体积)时，分散水颗粒的直径为25-35μm，而当所述量为35-45%(体积)时，它们的粒径为20-25μm。乳化燃料油的火焰温度等于不含水的重油的火焰温度，因此在热平衡中极其有利。而且，乳化燃料油对阻止全球变暖是有效的，因为燃烧油量的减少导致所排出的CO2量的减少。

Description

油包水型乳化燃料油
技术领域
本发明涉及水分散在重油中的油包水型乳化燃料油，更具体为涉及有助于节能和降低二氧化碳的排放以阻止全球变暖的油包水型乳化燃料油。
背景技术
含有以微粒子的形式分散在重油中的水的乳化燃料油已经引起公众注意并通过测试，因为该乳化燃料油对节约重油燃烧费用，降低燃烧排放气体中的NOX和SOX等产生影响。此外，在最近几年里，从节能和阻止全球变暖的角度出发降低二氧化碳(CO2)的排放成为燃料油燃烧中的当务之急。
作为乳化燃料油的常规生产方法来说，已有人提出了一种使用表面活性剂作为乳化剂将水分散在重油中的方法。就乳化方法而言，已知的就有静态混合器法、水喷射进入油法、机械搅拌法、超声波法等。
当表面活性剂用作乳化剂时，乳化很简单。但是，在热贮存阶段水倾向于从乳化燃料油中部分分离出来。如果产生分离水，当该乳化燃料油燃烧时就会不利地引起某种麻烦。因此，尽管已对乳状燃料油作过许多研究，但是乳化燃料油过去在实际中的应用只是尝试性的。另外，水的最大添加比例为10％，通常小于或等于百分之几，还未尝试使用比这更大的添加量，因为它易于引起某种麻烦。因此，不能如期望的那样获得相当大的节能的经济效应。
另外，作为重油来说，这里就有各种重油诸如A重油、B重油、C重油以及含有丰富的沥青质、重金属、树脂的重残油。但是，最近一种强烈的要求就是只打算将C重油和如比C重油更重的残油之类的重油采用锅炉或其他类似的东西等进行燃烧，其它种类的重油应该用于其它用途。
但是，在C重油和如比C重油更重的重残油按上述的常规方法使用水和表面活性剂来进行分散时，水和重油的分离倾向变得更强烈，实际应用也就相当困难。
鉴于前面提到的情况，本发明人提出了乳化燃料油的一种生产方法，即：将有碳组分分散于其中的水在重油中进行分散和乳化以改进上述常规的乳化燃料油(参考JP-A6-145675)。
本发明的目标是提供一种与这种常规技术相比得到进一步改善的具有均匀的水滴分散性、燃烧效率、降低二氧化碳排放等的乳化燃料油。更具体而言，本发明提供了一种乳化燃料油，它具有良好的燃烧效率并能减少二氧化碳的排放，水向重油的乳化-分散简单又安全，所产生的乳化燃料油在很长一段时间内都是稳定的不会引起水的分离、析出或诸如此类情况，与常规的乳化燃料油相比，它可含有丰富的水。
发明公开
按照本发明，这里提出了一种油包水型乳化燃料油，它是通过采用分散剂和保护性胶体将碳细颗粒分散于水中产生水/碳混合物并将水/碳混合物分散和乳化于重油中而制备的，该乳化燃料油含有100％(体积)的重油和20-45％(体积)的水/碳混合物，水以直径为大于20μm到35μm的颗粒形式均匀分散和乳化于重油中，当与100％(体积)的重油相混合的水/碳混合物的量为20-35％(体积)时，被分散的水颗粒的直径为25μm到35μm，而当所述量达到35-45％(体积)时，水颗粒的直径为大于20μm到25μm。
附图的简要说明
图1采用图解法说明了水颗粒在本发明的乳化燃料油中的周边状况。
图2采用图解法说明了水颗粒在使用常规的表面活性剂制备的乳化燃料油中的周边状况。
实施本发明的最佳方式
本发明使用的水/碳混合物组分是采用分散剂和保护性胶体将碳细颗粒分散在水中而制备的，油包水型乳化燃料油是通过将水/碳混合物组分分散和乳化于重油中获得的。
在乳化燃料油中，将20-45％(体积)的水/碳混合物组分与100％(体积)的重油混合。分散和乳化于重油中的水颗粒的直径为大于20μm到35μm，当与100％(体积)的重油相混合的水/碳混合物的比例为20-35％(体积)时，搅拌和分散水/碳混合物使得分散的水颗粒的直径为25μm到35μm，当比例为35-45％(体积)时，水颗粒的直径为大于20μm到25μm，并且水颗粒均匀分散于重油中。
在下文中对本发明作详细的描述。
在本发明中，所使用的水/碳混合物组分是采用分散剂和保护性胶体将碳细颗粒分散在水中而制备的。作为碳细颗粒来说，可用碳黑、灯黑、火炬烟黑、烟灰等。通过适当使用保护性胶体诸如胶和明胶和分散剂诸如萘甲醛缩合物磺酸盐将碳细颗粒分散在水中而制备的印度墨水优选为本发明的水/碳混合物组分。正如后面所述，优选使用含有颗粒直径在特定范围内的碳细颗粒的印度墨水。另外，可以使用通过研磨墨棒(通过灯黑、火炬烟黑、烟灰或其它与胶凝结而制备)进入水中得到印度墨水。此外，也可使用通过以下方法来制备的其它适用的墨：适当采用保护性胶体诸如胶、明胶和分散剂诸如萘甲醛缩合物磺酸盐或其它对碳细颗粒诸如碳黑、灯黑、火炬烟黑和烟灰进行分散，用球磨机和辊对碳细颗粒进行分散或用水将它加以稀释。
优选直径为大约0.01-0.3μm的小的碳细颗粒。通过搅拌和分散重油中的物质，其中采用分散剂和保护性胶体对碳细颗粒进行分散，吸附了保护性胶体的碳细颗粒包围水颗粒的界面，重油组分中具有高分子极性的重油部分包围碳细颗粒，在水颗粒的周围就形成了一个牢固的界面。这样就生成了油包水型的乳化燃料油。
顺便提一句，本发明中使用的水不受特别的限制。可以使用普通的城市用水，工业用水或类似用水，此外，也可使用井水，河水，潮湿的土壤水和海水。
在本发明的乳化燃料油中，与100％(体积)的重油相混合的水/碳混合物组分的范围为20-45％(体积)。分散和乳化于重油中的水颗粒的粒径为大于20μm到35μm。另外，在本发明的乳化燃料油中进行搅拌和分散使得水/碳混合物组分与重油的混合比例为20-35％(体积)的情况下，水颗粒的粒径为25μm到35μm，在水/碳混合物组分与重油的混合比例为35-45％(体积)的情况下，水颗粒的粒径为大于20μm到25μm。
也就是说，当重油的混合比例在上述范围内提高时，水颗粒的粒径变大，相反，当重油的混合比例在上述范围内降低时，水颗粒的粒径变小。因此，通过确定重油与水/碳混合物组分的混合比例以及水颗粒的颗粒尺寸，可以使水颗粒均匀分散在重油中，吸收了保护性胶体的碳细颗粒包围上面提到的水颗粒界面，而重油中的高分子和极性重油部分包围它们从而形成环绕水颗粒的牢固界面。这样，便生成油包水型乳化燃料油。
在前面提到的范围内的水颗粒的粒径在水/碳混合物组分的混合比例小到20-35％(体积)的情况下可通过降低搅拌频率和缩短搅拌时间而得到。另一方面，在前面提到的范围内的水颗粒的粒径在水/碳混合物组分的混合比例高达35-45％(体积)的情况下可通过提高搅拌频率和延长搅拌时间而得到。
本发明中乳化燃料油的最好的实施例为30％(体积)的水/碳混合物组分与100％(体积)的重油相混合，进行搅拌和分散使得分散和乳化于重油中的水颗粒具有30μm左右的粒径以便于水颗粒均匀分散于重油中。
这种油包水型的状态特别稳定，重油和水经长时间之后也不会分离或析出。
本发明中的油包水型的状态可以使用图例加以描述。
图1用图解法说明了本发明的乳化燃料油中水颗粒的周边状况。分散在重油中的水颗粒1的周边(界面)被含有丰富的保护性胶体诸如胶的水相2所包围，碳细颗粒3吸附在水相2的整个表面上，重油组分中具有高分子和极性的重油部分4包围这个界面，从而在水颗粒1的周围形成一个牢固的界面。顺便提一句，这种乳化燃料油的基相为重油相5。
图2用图解法说明了采用常规的表面活性剂制备的乳化燃料油中的水颗粒的周边状况。在这种情况下，重油11以细颗粒的形式分散在水颗粒10的外表面。作为经本发明者的实验证实的结论，发现经长期贮存后重油和水组分发生分离。
因为本发明的乳化燃料油是一种具有这种形态的油包水型乳化燃料油，所以它的优点在于水颗粒可在重油中保持稳定并具有相当高的燃烧效率。
接着，将对使用本发明的乳化燃料油进行的燃烧作描述。
当采用燃烧器燃烧本发明乳化燃料油时，从燃烧器喷射而出的油滴经加热而燃烧。同时，油滴中的水颗粒经受辐射热，也被迅速加热，并爆炸般地立即汽化为蒸汽(蒸汽的体积大约为水的1000倍)。这时，油滴通过水颗粒汽化为蒸汽变为雾状微粒(这种现象被称之为微爆炸)，因此，传热和蒸发以及汽化都很迅速。于是，与氧气反应就变得容易，并且很容易燃烧，因此可以保持很好燃烧状态。
在本发明中，使用的是一种分散于重油中的水碳混合物组分，它是按照水的0.3-0.001％(重量)这一比例将碳细颗粒添加到水中作为碳细颗粒并与水混合而制备的。通常，它大约为0.1-0.01％(重量)。这些比例的变化取决于乳化燃料油的重油的质量、湿度或贮存期或其它。
因为它是从使用一个相当小的量开始的，优选方案是预先制备一种低密度的水碳混合物组分(在下文被称为分散液)，当使用本发明的乳化燃料油时，将预定量的这种分散液添加到水中。
另外，在本发明中当碳细颗粒分散在水中时，作为所用的分散剂和保护性胶体来说，下面作了推荐。
就分散剂来说，存在例如萘甲醛缩合物磺酸盐、芳烃多环缩合物磺酸盐、三嗪基分散剂、木质素基分散剂。就保护性胶体来说，存在例如胶、明胶、白蛋白、酪蛋白碱金属盐、羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺。
本发明中使用的重油是JIS K 2205所指定的重油如C重油以及比C重油更重的重油如重残油。也就是说，它是一种除A重油和B重油之外如含有丰富的沥青质、树脂、重金属的所谓残油的重油。
另外，在本发明中，重油的乳化温度并不受特别的限制，即使在正常温度甚至重油的质量存在差异的情况下，它也能被乳化。
就水/碳混合物组分的温度来说，可使用室温。虽然它可以被加热，但是没加热通常也能达到良好的乳化。
为使水/碳混合物组分分散和乳化于重油中，在普通的搅拌设备下将两者进行搅拌和混合就够了。也可将重油和水/碳混合物组分投入诸如带有合适搅拌器的混合槽并将它们加以搅拌和混合。
可应用不同类型的搅拌-混合设备。例如，可以使用不同类型的搅拌-混合设备诸如活叶式、桨式、螺旋桨式、螺旋式、螺旋带式。
就使用搅拌-混合设备将水/碳混合物组分混合和分散于重油中的方法来说，可应用将水/碳混合物组分迅速添加到重油中并从而对它们进行混合的方法或者逐步添加水/碳混合物组分的方法。或者，重油和水/碳混合物组分同时添加并混合。
实施例
关于本发明的乳化燃料油燃烧的实施例在下文作了具体的描述。(实施例1)
这里使用的水/碳混合物组分(碳对水的混合比例为0.01％(重量))是通过使用胶和萘甲醛缩合物磺酸盐将粒径为0.1μm的碳细颗粒分散而制备的。将这种水/碳混合物组分按照不同的水添加比例(水对重油100的添加量％(体积))与具有表2所示特性的C重油混合，通过螺旋桨式搅拌器的搅拌和混合将水/碳混合物组分分散和乳化于重油C中，由此产生了一系列本发明的油包水型乳化燃料油。
关于这样得到的乳化燃料油，对分散和乳化于C重油中的水颗粒的粒径进行了测量。在水的比例为20％的情况下直径为大约35μm，在水的比例为30％的情况下直径为大约30μm，在水的比率为45％的情况下直径为大约21μm。
其次，所得的一系列乳化燃料油按表1所示条件以燃烧速率150升/小时燃烧。顺便提一句，将乳化燃料油投入500ml的测量圆筒，放置在温度40-50℃和室温下，水的分离和析出的出现可分别从乳状燃料油的显微测量以及一周和一月后测量圆筒的外观检测出来，但没有发现水的分离或析出，水的分散状况良好。
最后，将如上所述得到的乳化燃料油使用已知的锅炉进行燃烧测试。结果见表1所示。
这些乳化燃料油保持稳定燃烧，这是毫无疑问的。另外，从表1的结果可以清楚看到，它们燃烧的火焰温度与水的比率为0％时相比几乎没有差异，可以认为它们的燃烧性是优良的。甚至可以认为即使增加水使颗粒数量减少也不会发现火焰温度的降低。
表1
  水(％)   O2＝2％燃烧   O2＝4％燃烧
粒子mg/Nm3 火焰温度℃(燃烧器口) 粒子mg/Nm3 火焰温度℃(燃烧器口)
C重油雾化蒸汽量＝60升/小时   0   31.2   1283   18.2   1346
  20   21.5   1288   5.9   1357
  30   -   1255
  45   15.1   1267   12.8   1306
C重油雾化蒸汽量＝30升/小时   0   -   1292
  20   -   1232
  30   -   1257
  45   -   1248
表2
测试项 C重油
密度g/cm3 0.9582
倾点℃ -2.5
闪点℃ 110
运动粘度(50℃)       mm2/s 190
运动粘度(100℃)      mm2/s 24.89
硫％(质量) 2.85
氮％(质量) 0.18
残余碳％(质量) 11.2
灰分％(质量) 0.01
沉淀物和水％(质量) 0.05
总热量值J/g 43,120
金属Fe    ppm(质量) 1
Na        ppm(质量) 2
Ni        ppm(质量) 7
V         ppm(质量) 21
工业应用
按照本发明的乳化燃料油，在热平衡看来它是最好的，因为它的火焰温度与没有添加水的重油燃烧相比没有变化。另外，因为燃烧用油的体积减少，排出的二氧化碳(CO2)也相应减少，因此，优选所述乳化燃料油以阻止全球变暖。
而且，本发明的乳化燃料油具有良好及稳定的水分散状况且没有水的分离和析出，因此，可以长期贮存。

Claims (4)

1.油包水型乳化燃料油，它是采用分散剂和保护性胶体将碳细颗粒分散在水中生成水/碳混合物并将水/碳混合物分散和乳化于重油中而制备的，所述乳化燃料油含有100％(体积)的重油和20-45％(体积)的水/碳混合物，水以直径为大于20μm到35μm的颗粒的形式均匀分散和乳化于重油中，当与100％(体积)的重油相混合的水/碳混合物的量为20-35％(体积)时，分散的水颗粒的直径为25-35μm，而当所述量为35-45％(体积)时，它们的直径为大于20μm到25μm。
2.按照权利要求1的油包水型乳化燃料油，其中吸附了保护性胶体的碳细颗粒包围水颗粒的界面，重油组分中具有高分子和极性的重油包围碳细颗粒的周边从而形成一个环绕水颗粒的坚固界面。
3.按照权利要求2的油包水型乳化燃料油，其中30％(体积)的水/碳混合物组分与100％(体积)的重油混合，分散和乳化于重油中的水颗粒经搅拌和分散从而获得大约30μm的粒径，并且水颗粒均匀分散于重油中。
4.按照权利要求1-3中任一项的油包水型乳化燃料油，其中碳细颗粒的粒径为0.01-0.3μm。
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