CN1251124A - 低污染燃料的生产方法及生产设备 - Google Patents
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Abstract
一种生产低污染燃料的方法,包括下述步骤:使含有甲醇或乙醇、丁醇、甲苯和重质汽油的合成燃料通过一个磁场,使通过磁场的合成燃料经受超声波振动,以及使经受了超声波振动的合成燃料经过并与无机材料接触。由此生产的燃料不仅能够实现低污染,而且即使在用于使用普通汽油内燃机的汽车时,也具有与汽油相当的足够的热值和里程。所述燃料的使用不需要对内燃机进行大的改动或开发新的内燃机,可以用于普通的内燃机。
Description
技术领域
本发明涉及生产石油的替换燃料，涉及到可以作为内燃机燃料和工业燃料等的低污染燃料的生产方法及生产设备。
背景技术
目前，内燃机和工业上通常使用的燃料是汽油，其是资源有限而需求量巨大的油燃料，并且在使用步骤中产生大量的废气。
上述油燃料的使用带来相当严重的问题，即产生废气，例如碳氧化物(下文以“COx”表示)、挥发性烃(下文以“HxCy”表示)、硫氧化物(下文以“SOx”表示)、氮氧化物(下文以“NOx”表示)等。
因此，近年来，出现了作为汽油替换物的含甲醇或乙醇的改进燃料。有些国家开发、推广和应用了使用这种燃料的低污染汽车。
然而，尽管上述甲醇燃料可以实现低污染，但是其热值比汽油低大约50％，以致于例如用于使用以甲醇为燃料的内燃机的汽车的情况下，热效率不可能充分地提高。因此，使用甲醇燃料的汽车与使用汽油内燃机的汽车相比，里程将降低大约50％，而且，使用甲醇燃料需要对内燃机进行很大的改动或重新开发。
上述的乙醇燃料也可实现低污染，但是其蒸气压低，导致在使用以纯乙醇为燃料的内燃机的汽车时，启动非常困难。此外，乙醇燃料的短缺是当前的主要问题。
本发明就是为了彻底解决上述各种问题，目的在于提供一种生产以醇为其主要成分的超低污染的燃料的方法和设备，所述的燃料不仅可以实现低污染，而且即使被用于使用普通的汽油内燃机的汽车上时，也可产生与汽油相当的足够的热值，并达到与汽油相当的里程，而且其使用也不需要对内燃机进行大的改动或开发新的内燃机，可用于普通内燃机。
本发明的公开
为解决上述的问题，根据本发明提供一种生产以真正新的醇为其主要成分的低污染燃料的方法和设备。本发明的生产方法和设备通过下述技术方案而实现。
本发明的第一方面是，将含有甲苯与选自重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或含有中质汽油和轻质汽油的混合物的合成燃料加到丁醇与甲醇或乙醇的混合物中，由此将醇和汽油混合，使燃料的热效率提高以弥补醇燃料的低热值。由此，本发明的燃料的使用不需要对传统的内燃机进行很大的改动。本发明的第一种合成燃料(下文称“主题合成燃料”)包括：1)甲醇、丁醇、甲苯和重质汽油组，2)乙醇、丁醇、甲苯和重质汽油组，3)甲醇、丁醇、甲苯和中质汽油组，4)乙醇、丁醇、甲苯和中质汽油组，5)甲醇、丁醇、甲苯和轻质汽油组，6)乙醇、丁醇、甲苯和轻质汽油组，7)甲醇、丁醇、中质汽油和轻质汽油组，8)乙醇、丁醇、中质汽油和轻质汽油组。
本发明的第二方面提供一种选择性包括一个或多个下述步骤的生产方法：向主题合成燃料施加一磁场，以使燃料分子的“+”、“-”排列整齐，抑制其在燃烧时产生如COx、HxCy、SOx和NOx的废气；向主题合成燃料施加超声振动以激烈振动燃料分子，使燃料分子簇细分并活化；以及通过无机材料的催化促进燃料的离子化。也就是说，本发明的第二方面包括：(a)将主题合成燃料通过一个磁场的步骤，将通过磁场的主题合成燃料用超声波进行振荡的步骤，以及将经超声振荡的主题合成燃料接触并通过无机材料的步骤，(b)将未经施加磁场的主题合成燃料用超声波进行振荡的步骤，以及将经超声振荡的主题合成燃料接触并通过无机材料的步骤，(c)将主题合成燃料通过一个磁场，但是未用超声波进行振荡，并将主题合成燃料接触并通过无机材料的步骤。
本发明的第三方面是提供一种生产方法，该方法除了将主题合成燃料经上述第二实施方案的(a)至(c)步骤以抑制其在燃烧时产生废气外，进一步包括：(e)将主题合成燃料储存的步骤，重复上述(a)至(c)和(e)。根据本发明的第三方面，燃料的分子簇可以被细分到使燃料分子的运动达到其最高水平，由此提高主题合成燃料的燃烧效率。
本发明的第四方面提供一种生产方法，该方法除了将主题合成燃料经上述的(a)至(c)步骤以抑制其在燃烧时产生废气外，进一步包括：(d)向主题合成燃料施加高频电压的步骤。根据本发明的第四实施方案，燃料分子簇被高频电压破碎，并在高温和高压下产生布朗运动，从而产生精细烃分子以提高燃料的爆炸力。
本发明的第五方面提供一种生产方法，该方法除了将主题合成燃料经上述的(a)至(d)步骤以抑制其在燃烧时产生废气外，进一步包括：(e)储存步骤，重复上述一连串的步骤(a)至(e)。根据本发明的第五方面，最大限度地扩展上述一连串步骤的效果。
本发明的第六方面提供一种生产低污染燃料的设备，所述设备包括：用于输送主题合成燃料的合成燃料输送装置、合成燃料输入通道、合成燃料排出通道，以及在合成燃料输入通道和合成燃料排出通道之间设置的：(1)根据需要在合成燃料中产生磁场的磁场发生装置、(2)用于使经过或未经过上述装置(1)的合成燃料产生超声波振动的超声波发生装置、(3)使经过或未经过上述装置(2)的合成燃料或者只经过上述(1)的装置的合成燃料与无机材料接触并通过的合成燃料接触通道，以及(4)向经过上述装置(3)的主题合成燃料施加高频电压的一个或多个高频电压施加装置。
附图简要说明
图1是用于实施本发明的生产低污染燃料的生产方法的生产设备的第一实施方案的透视图；图2是用于实施本发明的生产低污染燃料的生产方法的生产设备的第二实施方案的透视图；图3是用于实施本发明的生产低污染燃料的生产方法的生产设备的第三实施方案的透视图；图4是用于实施本发明的生产低污染燃料的生产方法的生产设备的第四实施方案的透视图。
本发明最佳实施方案第一实施方案
在解释用于实现本发明生产低污染燃料的生产方法的生产设备的实施方案之前，首先描述用于所述设备的主题合成燃料。
所述的主题合成燃料由35-45重量％的甲醇、3-6重量％的丁醇、6-10重量％的甲苯和29-39重量％的重质汽油组成。不过，上述成分的百分含量也可以是，例如，25-60重量％的甲醇、10-25重量％的丁醇、20-50重量％的甲苯和20-50重量％的重质汽油。或者，燃料的百分组成可以是25-60重量％的乙醇、10-25重量％的丁醇、20-50重量％的甲苯和20-50重量％的重质汽油，其量明显较少。燃料的优选百分组成为35-45重量％的甲醇、3-6重量％的丁醇、6-10重量％的甲苯和29-39重量％的重质汽油。当使用中质汽油或轻质汽油时，需要增加甲苯的重量百分数以改进燃料的热值。
如上所述，理想的是，主题合成燃料中由甲醇或乙醇与丁醇组成的醇成分对甲苯、重质汽油和其它成分的重量比例为3∶1至1∶3，优选为1∶1.5至1.5∶1。当甲苯、重质汽油和其它成分的百分含量低于醇成分的1/3时，燃料的热值降低。而当甲苯、重质汽油和其它成分的百分含量是醇成分的3倍以上时，废气中的COx、HxCy、SOx和NOx含量增加。
图1中，标号1表示低污染燃料的生产设备。该生产设备1包括管状的合成燃料输入通道2，通道2上带有磁场发生装置3，磁场发生装置3具有至少一对磁N-极3a和磁S-极3b，两个磁极彼此相对，使合成燃料8由一个预定部分(未示出)流经其间，一个超声容器4，其底部带有超声波发生装置5，装置5具有一个高频振荡器5a和一个高频振动器5b，以使经过前述磁场的合成燃料8经受超声波振动，一个管状的含有无机材料7的合成燃料接触通道8，所述的无机材料7由电气石矿和玄武岩等组成，是极性晶体，使在超声容器中经过超声振动的合成燃料8与无机材料7接触，以及合成燃料排出通道9。上述的磁场发生装置3产生600-13000G范围的磁场，超声波发生装置5产生20KHz至500KHz范围的超声波。
下面描述使用上述生产设备进行的燃烧试验。
首先，使用由45重量％比重为0.794的甲醇、6重量％比重为0.824的丁醇、10重量％比重为0.87的甲苯和39重量％比重为0.798的重质汽油组成的主题合成燃料。通过直径大约21mm的合成燃料输入通道2、使磁场发生装置3产生4500G的磁场，并使超声波发生装置产生每立方米100KHz的超声波将所述的主题合成燃料改性。
然后，将具有上述组成的主题合成燃料与市场上通常出售的石油燃料，即汽油一起燃烧，以比较测定废气中的CO，HC和NOx的相对含量(测试在Honda Motor Co.，Ltd的Fukuoka分公司进行)。
试验结果列于下表1。表1
废气产生量的比较
| CO值 | HC值 | NOx值 | ||
| 本发明的合成燃料 | 0.02重量％ | 10ppm | 1800-2000ppm | |
| 市场上的普通燃料 | 4.50重量％ | 1200ppm | 2000-2200ppm | |
| *测量是以相对于NOx为10-模的测量方法进行的。*上面的数值是在下述条件下得到的：使用由A-公司生产的合成燃料；使用由B-公司和S-公司生产的汽油。 | ||||
| A-公司 | B-公司 | |||
| 发动机的旋转频率 (rpm) | 752 | 753 | ||
| 车速 (km/h) | 0 | 0 | ||
| 水温 (℃) | 94 | 98 | ||
| 吸入空气的温度 (℃) | 64 | 66 | ||
| 吸入空气的压力 (mmHg) | 240 | 273 | ||
| 油门开启速率 (％) | -0.6 | -0.6 | ||
| O2灵敏度 (V) | 0.72 | 0.12 | ||
| O2反馈 | 关闭 | 打开 | ||
| 电池电压 (V) | 14.4 | 14.3 | ||
| ELD (A) | 8.6 | 17.0 | ||
| AC发生器 (％) | 42 | 48 | ||
| ACG控制 (V) | 14.5 | 14.5 | ||
| 刹车闸 | 关闭 | 关闭 | ||
| A/C闸 | 关闭 | 关闭 | ||
| 注射器 (ms) | 2.54 | 2.67 | ||
| EACV (mA) | 316 | 338 | ||
使用通常用于汽车检验的汽车(2000立方厘米的排气量)进行试验，根据公共和平标准法第30条和31条的规定测量CO、HC和NOx值。
此外，在保持发动机的旋转频率和发动机的负荷恒定的情况下，测定具有上述组成的主题合成燃料和市场上的普通燃料，即汽油的燃料效率和废气性质(测量在武藏工业大学进行)。
结果列于下表2。表2
NOx和燃料效率的比较
| 消耗时间 | NOx值 | |
| 本发明的合成燃料 | 37分钟20秒 | 1900-2000ppm |
| S-公司生产的市场上的普通燃料 | 37分钟0秒 | 2100-2200ppm |
| *试验方法：1、燃烧的测试方法：用秒表测量消耗50立方厘米燃料所需的时间。2、NOx的测量方法：在固定的发动机旋转频率和发动机负荷(转矩)下交替燃烧燃料样品来测定NOx。*试验条件：水温： 80℃旋转频率： 2000转/分钟负荷： 1/2负荷8kg/fPs＝16.16马力 | ||
由上各表可以看出，本发明的合成燃料带来的CO、HC和NOx值非常低，特别是，HC的值明显降低。
本发明燃料燃烧释放的COx、HxCy、SOx和NOx的量降低。因此，本发明的合成燃料的使用对生活环境的危害很小，能够作为不会带来空气污染的燃料而使用。
此外，本发明能够生产出具有高的燃烧效率的低污染燃料，所述燃料含有甲醇或乙醇、丁醇、甲苯、重质汽油、中质汽油和轻质汽油。
通过运用本发明生产设备1中的磁场发生装置3和超声波发生装置5，使主题合成燃料8中产生大量的气泡，气泡的形成使燃料分子簇可以被分解并活化，从而使合成燃料的分子剧烈运动，能够减少燃烧中COx、HxCy、SOx和NOx的生成。此外，由于无机材料7的催化作用，当合成燃料8与无机材料7，即电气石矿接触时，产生瞬时放电，它会立即引起周围燃料的电解。通过电解释放的电子的结合和中和，生成氢原子，其结果增加合成燃料内的氢原子，从而提高了合成燃料的燃烧效率。此外，离子化作用可以使分子簇变得更小，从而不仅增进合成燃料8的燃烧效率，而且通过使分子簇最小化，可以抑制主题合成燃料8的氧化作用。第二实施方案
如图2所示，将由上述装置组成的本发明的生产设备的合成燃料输入通道2、合成燃料接触通道6和合成燃料排出通道9置于一个环形通道10中，通道10还包括一个能够储存预定体积的上述合成燃料8的燃料储罐12。合成燃料8通过设置于环形通道10中的泵11(合成燃料输送装置)而被依次反复循环。这时，依次重复下述步骤：将合成燃料8通过磁场的步骤、使经过磁场的合成燃料8经受超声波振动的步骤、将经过超声波振动的合成燃料8与无机材料接触的步骤，以及将与无机材料接触后的合成燃料储存的步骤。
图2显示了合成燃料输送装置11的压力为7个大气压下通过上述的重复步骤对主题合成燃料的质量进行改进的试验。试验表明，经过上述的重复、连续的步骤后，合成燃料8的分子簇被分解，分子运动到达最高水平，由此其燃烧效率得到提高，工作寿命可以延长两个半月。第三实施方案
在第一实施方案中使用的生产设备的合成燃料接触通道6内如图3所示设置多个环形电极14a，这些电极以多级连接，并具有预定的间隔，使环形电极中心的穿孔形成一个合成燃料8的通道，以及设置多个碟形的电极14b，这些电极以多级连接，并以预定的间隔设置于相应的电极14a之间。在环形电极14a和碟形电极14b之间可以连接设置高频电压施加装置13，该装置具有高频电压发生器13a。高频电压施加装置13在10MHz至250MHz之间运行。
利用图3所示的设备，通过下述步骤对主题合成燃料8进行质量改进：将主题合成燃料8经过磁场、使经过磁场的主题合成燃料8经受超声振动、使经过超声振动的主题合成燃料8与无机材料接触、对与无机材料接触后的主题合成燃料8施加由高频电压施加装置产生的100MHz的高频电压。由此，除了获得前述的效果外，气泡被高频电压破碎，引起合成燃料分子在高温和高压下的布朗运动，从而使大量烃分子变得精细，增加了燃料的爆炸力。此外，所得的合成燃料的工作寿命可以延长至大约3-4个月。第四实施方案
将包括合成燃料输入通道2、合成燃料接触通道6和合成燃料排出通道9的上述第三实施方案的设备置于一个如图4所示的环形通道10中，该环形通道10带有可以储存预定体积的上述合成燃料的燃料储罐12，而且合成燃料8通过设于该环形通道10上的泵(合成燃料输送装置)而被反复循环。此时，依次重复下面步骤：将主题合成燃料8经过磁场、使经过磁场的主题合成燃料8经受超声波振动、使经过超声波振动的主题合成燃料8与无机材料接触、对与无机材料接触后的主题合成燃料8施加高频电压，以及将与无机材料接触的合成燃料储存的步骤。结果，合成燃料的工作寿命可以延长至大约6个月。
通过使用上述各实施方案的设备，可以生产能够直接用于传统的汽油内燃机的、具有改进的燃烧效率的低污染燃料，并且生产成本低，可以通过上述简单的步骤稳定地生产。
此外，上述的无机材料不局限于前述的电气石矿和玄武岩，由电气石矿、铁磁矿、玄武岩、安山岩、沸石等任意组合获得的混合物都可以采用。例如，由于电气石矿是电介的，即是“极性晶体”，当电气石矿与合成燃料接触时，立即发生放电，引起周围合成燃料的电解，使电解出的电子结合或中和而成氢原子，由此增加合成燃料内的氢原子，提高合成燃料的燃烧效率。进而，强磁性矿物促进离子化。使主题合成燃料与电气石矿接触时，燃料分子簇可以变小，进一步提高燃料的热值。
本发明的低污染燃料不限于上述各实施方案中所述的，它当然可以与其它油燃料，例如通常使用的普通汽油混合使用。在这种情况下，也可以得到其废气中CO值、HC值和NOx值非常低的低污染燃料，并具有改进的燃烧效率。
在上述的每一个实施方案中，低污染燃料的生产设备中设置磁场发生装置，其具有至少一对彼此相对的磁N-极3a和磁S-极3b。所述的磁场发生装置不必局限于电磁体，只要是能够发生强磁场，也可以由具有强磁力的永磁体组成。也就是说，磁场发生装置的结构、数目和设置的位置都不限于实施方案所述。任何可以使上述的合成燃料流经磁场的磁场发生装置都可以使用。
上述每一个实施方案中的低污染燃料的生产设备还包括超声容器，其底部设有超声波发生装置，所述的超声波发生装置具有高频振荡器和高频振动器，用于使经过磁场的合成燃料经受超声波振动。但是，超声波发生装置的具体结构和类型不限于上述实施方案的描述。只要能使经过磁场的合成燃料进行超声振动的装置都可以使用。
工业实用性
如上所述，本发明的第一方面的合成燃料是如下生产的：将甲苯与重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或将中质汽油和轻质汽油的混合物加到丁醇与甲醇或乙醇的混合物中，如此可以抑制燃料燃烧步骤中产生的COx、HxCy、SOx和NOx的量。此外，将醇与汽油结合可以弥补醇燃料热值的不足，并提高燃料的热效率。本发明的合成燃料可以应用于传统的汽油内燃机而不需要实质的改动。
本发明第二方面的生产方法选择性地包括一个或多个下述步骤：向主题合成燃料施加磁场以抑制燃烧时COx、HxCy、SOx和NOx的生成的步骤；对主题合成燃料施加超声波振动以剧烈振动燃料分子，从而细分和活化燃料分子簇的步骤；通过无机材料的催化提高燃料的离子化作用的步骤等。由此，在主题合成燃料中产生大量的气泡，使燃烧颗粒形成的分子簇进行剧烈的运动，由于气泡的产生使分子簇被分解并被活化。此外，通过无机材料催化使活化的燃料离子化，可以使分子簇变得更小，由此可以容易地提高所述合成燃料的燃烧效率。另外，通过使分子簇最小化，可以抑制主题合成燃料的氧化作用。
本发明第三方面的生产方法是在本发明第二方面的生产方法中加入储存主题合成燃料以抑制废气的产生的步骤。这些连续的步骤重复进行。结果可以使分子簇被细分，使分子运动到达最高水平，由此进一步提高主题合成燃料的燃烧效率。
本发明第四方面的生产方法是在本发明第二方面的生产方法中加入向主题合成燃料施加高频电压以抑制废气的产生的步骤。这些连续的步骤重复进行，结果分子簇被高频电压破碎，使燃料在高温和高压下产生布朗运动，使大量的烃分子变得精细从而提高燃料的爆炸力。
本发明第五方面的方法是在本发明第四方面的生产方法中加入储存主题合成燃料以抑制废气的产生的步骤。这些连续的步骤重复进行，结果前述的运动可以达到最大值。
本发明第六方面的生产设备用于改进主题合成燃料的质量，抑制燃料燃烧步骤中COx、HxCy、SOx和NOx的产生，可以实现低污染。此外，它可以生产即使用于普通汽油内燃机汽车时，也具有与汽油相当的足够的热值的合成燃料，并且里程与汽油相当，并且可以充分地供应，并不需对内燃机进行大的改动或开发新的内燃机。
Claims (10)
1、一种低污染燃料，其是由甲苯与重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或中质汽油和轻质汽油的混合物加到丁醇与甲醇或乙醇的混合物中而构成的。
2、如权利要求1所述的低污染燃料，其中所述的丁醇与甲醇或乙醇的混合物对甲苯与重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或中质汽油和轻质汽油的混合物的重量比为3∶1至1∶3，优选1∶1.5至1.5∶1。
3、生产低污染燃料的方法，其中通过将甲苯与重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或中质汽油和轻质汽油的混合物加到丁醇与甲醇或乙醇的混合物中而形成合成燃料，所述的方法包括一个或多个下述步骤：
(1)使合成燃料经过一个所需的磁场，
(2)对经过或未经过步骤(1)处理的合成燃料进行超声波振动，和
(3)使经过或未经过步骤(2)处理的合成燃料接触并经过无机材料。
4、生产低污染燃料的方法，其中通过将甲苯与重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或中质汽油和轻质汽油的混合物加到丁醇与甲醇或乙醇的混合物中而形成合成燃料，所述的方法包括下述步骤：
(1)使合成燃料经过一个所需的磁场，
(2)对经过或未经过步骤(1)处理的合成燃料进行超声波振动，
(3)使经过或未经过步骤(2)处理的合成燃料接触并经过无机材料，
(4)储存上述步骤(2)和(3)的合成燃料，和
(5)重复上述步骤(1)至(4)。
5、生产低污染燃料的方法，其中通过将甲苯与重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或中质汽油和轻质汽油的混合物加到丁醇与甲醇或乙醇的混合物中而形成合成燃料，所述的方法包括下述步骤：
(1)使合成燃料经过一个所需的磁场，
(2)对经过或未经过步骤(1)处理的合成燃料进行超声波振动，
(3)使经过或未经过步骤(2)处理的合成燃料接触并经过无机材料，
(4)对经上述步骤(2)或步骤(3)处理的合成燃料施加高频电压。
6、生产低污染燃料的方法，其中通过将甲苯与重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或中质汽油和轻质汽油的混合物加到丁醇与甲醇或乙醇的混合物中而形成合成燃料，所述的方法包括下述步骤：
(1)使合成燃料经过一个所需的磁场，
(2)对经过或未经过步骤(1)处理的合成燃料进行超声波振动，
(3)使经过或未经过步骤(2)处理的合成燃料接触并经过无机材料，
(4)对经上述步骤(2)或步骤(3)处理的合成燃料施加高频电压，
(5)储存经步骤(4)处理的合成燃料，和
(6)重复上述步骤(1)至(5)。
7、根据权利要求3-6任一项的方法，其中所述的丁醇与甲醇或乙醇的混合物对甲苯与重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或中质汽油和轻质汽油的混合物的重量比为3∶1至1∶3，优选1∶1.5至1.5∶1。
8、生产低污染燃料的设备，其中通过将甲苯与重质汽油、中质汽油和轻质汽油之一的混合物或中质汽油和轻质汽油的混合物加到丁醇与甲醇或乙醇的混合物中而形成合成燃料，所述的设备包括用于输送合成燃料的合成燃料输送装置、合成燃料输入通道、合成燃料排出通道，以及设置在合成燃料输入通道和合成燃料排出通道之间的一个或多个下述装置：使合成燃料产生所需的磁场的磁场发生装置、用于振动经过或未经过磁场发生装置的合成燃料的超声波发生装置、用于使经过或未经过超声波发生装置的合成燃料与无机材料接触的合成燃料接触通道，以及用于向经过合成燃料接触通道的合成燃料施加高频电压的高频电压施加装置。
9、根据权利要求8所述的生产低污染燃料的设备，其中所述的高频电压施加装置的电极设置于所述的合成燃料接触通道上。
10、根据权利要求8或9所述的生产低污染燃料的设备，其还包括设置于所述的合成燃料排出通道和所述的合成燃料输入通道之间的燃料储罐。
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