CN1401738A - 乳化燃料油的制造方法和制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了乳化燃料油的制造方法和制造装置，可以使微细的水粒子在短时间内分散在燃料油之中，也可以以比较简单的设备连续制造乳化燃料油，并可避免因长时间贮藏而导致的油水分层现象。由燃料油、水、乳化剂组成的混合物，在使水以微细状态分散而制造乳化燃料油的方法中，使HLB值3.7以下的亲油性表面活性剂和HLB值10.3以上的亲水性表面活性剂以97～75∶3～25的比例混合，以调整HLB值至4.0的混合表面活性剂作为乳化剂，使用乳化装置使水粒子的粒度达到30±5μm，而分散在燃料油之中。

Description

乳化燃料油的制造方法和制造装置
技术领域
本发明涉及乳化燃料油的制造方法和制造装置，更详细地说是作为燃料辅助装置可以利用的乳化燃料油制造装置以及使用该制造装置制造乳化燃料油的方法。
本发明中的乳化燃料油(emulsion fuel oil)是指在燃料油中混合分散一定比例的水而维持乳化状态的燃料油。
背景技术
韩国政府为了开发替代能源，改善现有能源的利用效率以及使环境污染减少到最低限度，采取了多种政策。环境部制订了大气污染防止设备(燃烧辅助装置)的性能标准和检查方法(环境部公告第2001-35号)，来积极推广乳化燃料油的使用。
乳化燃料油不同于一般燃料油的是燃烧效率高，在能源利用效率以及公害防止方面都可说是非常优越的燃料，但以此作为燃料使用时，运输、保管过程中的长时间放置会出现油水分层现象，在实际应用方面尚有困难。
既可提高石油的燃烧效率，又可抑制伴随燃烧产生的黑烟和氮氧化物(NOX)等公害物的产生量的方法就是在石油中混合水，使之燃烧。这种方法已经被提出。
在石油中混合水，能使石油燃烧，此时能使石油燃烧效率更进一步提高的理论是根据如下所述：
在油包围水珠的状态下，再使油燃烧，由热的传导而使水珠气化，气化后的水蒸气使体积增大(约5800倍)，水蒸气又使油层扩散，发生雾化现象，有助于油的完全燃烧。
还有，在高温下水(H2O)被游离成氧(O)、氢(H)、羟基(OH)，发生连续的自由基反应(radical reaction)而发挥助燃剂作用。这也是众所周知的。
也就是，高温使水蒸气分解生成氢自由基(H·)，氢自由基(H·)又和氧分子(O2)反应生成氧自由基(·O·)和水。……①式
①式中产生的氧自由基(·O·)和②式中的氢分子反应生成氢氧自由基(·OH)和氢自由基(·H)。……②式
在③式中，氢氧自由基和氢分子反应生成水和氢自由基。
在④式中，水蒸气(H2O)和氢分子反应生成水和氢自由基。
就像①-④式的那样，进行复杂的反应而促进燃烧。
(①式) ：连续反应
(②式) ：连续反应
(③式) ：连续反应
(④式) ：连续反应
像这样使石油和水混合而作为燃料使用的做法为人所知，并在此基础上对于提高石油燃烧效率的方法的研究，在世界范围内广为进行，也提出了多种技术建议，但现状仍是限于实用化技术还没有被广泛地应用的状态。
理由正是石油和水的混合比例必须在特定的范围内，并且要使这个混合物保持稳定的乳化状态，直到燃烧阶段也不发生油水分层，而且乳化燃料油的制造装置或者利用该乳化油的设备又必须是实用的，这些都还没有从技术上得到解决。
还有，使燃料和水乳化之时，因燃料油的种类不同，和水乳化所要求的固有HLB(亲油亲水平衡值Hydrophilic-Lypophilic Balance)值也不同，乳化剂的HLB值和燃料油固有的HLB值又必须准确一致，才能长时间地维持乳化状态，才能制造可供使用的乳化燃料油，但现有方法中，从技术面使这些正确吻合是不可能的。这也是乳化燃料油不能实用化的理由之一。
也就是，作为燃料需要从运输、保管阶段到实际使用阶段的较长时间。但是，石油和水虽可以在短时间维持乳化状态，但两者之间没有互溶性，长时间会发生油水分层，发生了分层的混合物是不能期待前面所说的效果的。
作为现有的乳化燃料油的制造方法，由HLB值3-4的表面活性剂、水和聚乙烯醇组成的非离子性表面活性剂、中油以及废油以一定的比例搅拌混合而使水以微细粒子分散(韩国专利公报公告第95-1407号和96-13612号)。还提出一种乳化燃料油的方法，是将HLB4-5的表面活性剂和水混合制成乳化添加剂后，将轻油或重油、水以及制得的乳化剂以一定的比例混合后，使水珠碎成0.5-5μm左右的微细粒子(韩国专利公报公告第99-64753号)。这些方法是将燃料油、水和乳化剂以一定的比例混合制成混合物后，由特殊设计的带搅拌器的贮罐内将上述混合物搅拌，使燃料油中含有的水碎化成微细粒子而乳化分散，以水分散的状态的燃料油作为燃料使用的方法。
上述韩国专利公告第95-1407和第96-13612号是在一个贮罐内使之乳化的分批式方法，存在不能连续制造的问题。
前面所说的韩国公开专利第99-64353号中虽然是连续式的方法，但必须有药品预热贮槽，水预热贮槽，油加温槽等多个贮罐设备，搅拌槽也是由在一次搅拌槽中将前面所述的混合物进行混合，在二次搅拌槽中将水碎化，在三次搅拌槽中将水、燃料油以及乳化剂进行乳化的多步骤而构成，存在需要较大设备投资的问题。
使用乳化剂使水以微细粒子状态分散在燃料油中，但用此方法制得的乳化油不能长时间维持乳化状态，所以产业应用受到限制。
韩国专利公报公告第95-1407号和公告第96-13612号中记载的方法是需要贮藏罐等较大的附带设备。为设置以及保管都需较大面积地占地，适应产业上的实际应用还伴有诸多的制约。本发明人开发了可以大幅度减少附带设备和占地，勿需乳化燃料油的贮藏、保管过程而可直接作为燃料使用的乳化燃料油的制造装置。
发明内容
本发明的目的是提供了在由燃料油、水和乳化剂来制造乳化燃料油的时候，可在短时间内使微细水粒子均匀分散在燃料油之中，用较简单的设备连续地制造乳化燃料油的方法，以及随乳化燃料的制造而作为燃料可以随时供给之外，燃料油和水形成W/O型(油包水型，water in oiltype)乳液时，配合正确的HLB值，提供了即使长时间贮藏，也可以防止乳化燃料油的油水分离现象的乳化燃料油的制造装置。
为了达到上述目的，本发明提供了乳化燃料油的制造方法，是在燃料油、水、乳化剂组成的混合物中，使水以微细状态分散而制造乳化燃料油，将HLB值3.7以下的亲油性表面活性剂和HLB值10.3以上的亲水性表面活性剂以97-75∶3-25的比例混合，调整HLB值为4.0的混合表面活性剂作为乳化剂，使用乳化装置使水粒子达到30±5μm而分散在燃料油之中。
附图说明
图1本发明涉及的乳化燃料油的制造装置的构成图。
图2本发明涉及的乳化燃料油的制造装置的分解斜视图。
具体实施方式
本发明涉及使水和燃料油乳化制造乳化燃料油的方法以及制造装置，可适用于轻油(柴油)、重油等燃料油。
本发明的特征在于使乳化燃料油中分散的水粒度达到30±5μm。
本发明的另一特征是排除了在现有的分批式方法或者用贮藏槽方法中为抑制油水分离而作为稳定剂的果胶或者PVA的使用。
本发明的方法是能够连续制造，乳化后即可提供给燃烧器，也就没有必要担心由贮藏或者运输所需时间而产生油水分层现象。
使燃料油和水乳化时，所有的燃料油都有和水乳化所要求的固有HLB值。乳化状态在O/W(水包油型oil in water type)和W/O型(油包水型water in oil type)情况下的燃料油所要求的HLB值如下表：
所要求的HLB
油的种类     O/W型     W/O型
中油(medium oil)     9     4.0
重油(heavy oil)     9     4.0
轻油(light oil)     10     4.0
乳化燃料油由于属W/O型乳化，使HLB调整到4.0，即达到了重油或中油要求的HLB值。
区分乳化剂的标准是各乳化剂有各自的HLB值。HLB值越低，表现出亲油特性(称亲油性乳化剂)，HLB值越高，表现出亲水特性(称亲水性乳化剂)。
在此对本发明的乳化燃料油的制造方法做简略说明。
形成W/O型乳液时，用于轻油和储槽重油乳化的表面活性剂可以由亲油性表面活性剂和亲水性表面活性剂以一定的比例混合而制成。
W/O型乳化燃料油的组成中，中油、重油、轻油所要求的固有HLB值都为4.0，所以为了调制这个值，亲油性活性剂的HLB值必须用3.7以下者。例如必须选择山梨糖醇酐三油酸酯HLB＝1.6，山梨糖酸酐倍半油酸酯HLB＝3.7，山梨糖酸酐三硬脂酸酯HLB＝2.4。
在此由油酸衍生化作成的非离子型表面活性剂的倍半油酸酯作为亲油基使用(HLB＝3.7)，与亲水基的聚氧乙烯缩合的山梨糖醇酐倍半油酸酯(HLB＝15)以95∶5(重量比)相混合制成表面活性剂的HLB值为4。
下表1显示亲油性表面活性剂和亲水性表面活性剂以一定的比例混合，能够得到有正确的HLB值为4.0的混合表面活性剂。
表1
    亲油性表面活性剂(A) 亲水性表面活性剂(B)     混合比例(A∶B)
    山梨糖醇酐三油酸酯(HLB1.6)(S-85) 聚氧乙烯，山梨糖醇酐三油酸酯(HLB11，商品名吐温85) 75∶25
    山梨糖醇酐倍半油酸酯(HLB3.7)(SQ-81) 聚氧乙烯，山梨糖醇酐倍半油酸酯(HLB15，商品名吐温81) 95∶5
    山梨糖醇酐三硬脂酸酯(HLB2.3)(S-65) 聚氧乙烯，山梨糖醇酐三硬脂酸酯(HLB10.3，商品名吐温65) 97∶3
实施例以下根据实施例具体说明本发明。
10kg的中油(medium oil，含轻油、重油)和1.0kg的水混合，加入表1中所列的正确调制的HLB值为4的混合表面活性剂110g，制成混合物。这时，混合表面活性剂的添加量是轻油(或重油)与水混合重量的0.1％质量左右为合适。
前面所说的混合物，如图1所示，通过导入管3引入本发明的乳化装置(Emulsifying Device)内。本发明的乳化装置是为了将燃料油中的水粒子更细化而制的设备，由外周部具有棒状翼的旋转子6和具有圆形网状筛的旋转子5组成。
中心部是与电动机1的旋转轴2连接的棒状旋转子6，其外周具有棒状翼7。棒状翼是由和乳化器的内面对应的、呈与乳化器内面平行的曲面而构成的。棒状翼和棒状翼之间设有凹部。
旋转子上棒状翼的数目，根据圆形网状筛的大小而有所不同，以10～20个左右为合适。中心部由与电动机1的旋转轴2结合的、具有网眼筛的旋转子5而构成，筛的内部如图2所示有空间。网眼可以是圆形或四边形或其它各种形状，以30～50目左右的大小为合适。这样构成的乳化装置内，由导入管3引入的混合物在电动机带动的旋转子5和6的转动下乳化，旋转速度3000～3500rpm左右为合适。
当然，棒状旋转子6的旋转速度与筛状旋转子5的旋转速度是一样的。
还有，由导入管3引入的混合物是棒状旋转子6与筛状旋转子5由排出管4排出的。
撞到了棒状旋转子6的混合物，还要再撞到筛状旋转子5，即由棒状旋转转6粉碎的水粒子，又以不同速度流向筛状旋转子的圆筒形内部，因此再过筛状旋转子的筛而使其更加细化。
这时，被导入筛状旋转子的圆筒内的混合物是由旋转的筛状旋转子的离心力而穿过筛，由内部向外部排出。在这个过程中，是由筛的网眼而使水粒子均匀地微细化。
这个细化过程进行5-10秒，就可以使水粒子的粒度达到30±5μm，在轻油(重油)中一边维持乳化状态，一边分散。
本发明的乳化燃料油的制造装置，由于设备简单，可以作为燃烧辅助装置连接在燃烧装置上使用。也就是在燃料箱和燃料装置之间以连接“在线”方式(inline type)使用。随燃料油的乳化而随时向燃烧器供给，可以防止伴随长时间放置而导致油水分层的现象，可以不用更换或补全现有的燃烧设备就可以使用，也不需要贮藏设备和搅拌设备等附带设备。
迄今为止，利用油和水的乳化作用制成的乳化燃料油，为了防止贮藏或者运输途中的油水分层，亲水性表面活性剂和亲油性表面活性剂以60∶40的比例，使HLB值为12，作为贮藏稳定剂，使用了微量的果胶或者PVA而乳化成W/O/W型。还有，搅拌槽也是断续式的，虽适合于贮藏，但不能和燃烧装置直接连接使用。鉴于此种情况，本发明根据连续供给和连续需要而设计，勿需改变或者改造设备，在将要投入燃烧器之前，使其乳化后，立即投入燃烧器，并确认了使水的极小微粒的粒度达到30±5μm以均等的大小很均匀地被内包时，可以发挥最大限度的功效。也就是搅拌手段在批量式的连续性搅拌方式(在线混和类型)中具有现实性。还有，使水的极小粒子达到30±5μm是本发明的核心内容之一。
重油由20个以上的碳构成，燃烧过程中分解生成甲烷CH4、乙烷C2H6、丙烷C3H8、丁烷C4H10等，一边气化一边燃烧。这些物质等在分解途中分离出
Figure A0214221300091
状的炭。这些都是非常不稳定的，不稳定的物质之间产生凝集现象而生成环己烷(Cyclo Hexane)或者苯(C6H6)等。10个苯集合形成烟黑(Black dust，soots)的原形卵苯(Ovalene)，卵苯以数百万单元集合在一起，也就观察到可见的烟黑。但是，乳化燃料油燃烧时，水的微粒子变成 ，分解游离的2H和不稳定的环己烷结合而防止卵苯的生成。作为参考，卵苯的结构如下：
Figure A0214221300092
一般情况下，燃料油燃烧时，烟黑或氮化合物(NOx)的生成过程如下：
空气中的氮在燃烧过程中生成NO，NO2，N2O5等(合在一起用NOx来表示)，这些都是在1800℃以上的局部高温下生成的。抑制NOx生成的方法，也就是控制最高火焰温度在1800cc以下，如果同水共同燃烧，由水的蒸发潜热和水蒸气的显热上升可使火焰温度下降，可以维持在1800℃以下而抑制NOx的生成。还有，减少了NOx的生成量，燃烧混合物就可以得到多余的氧，从而对烟黑或细微炭粒子的燃烧性有改善，同时随着NOx生成量的减少，也可以收到减少未燃烧粒状物质的效果。
还有包含水的微粒子(30±5μm)的燃料在燃烧初期发生急骤膨胀(微爆现象)，也使油滴超微粒化，增大和空气的接触面积，极大限度地燃烧而达到完全燃烧，这是周知的。由于燃烧过程中生成的脱氢可以抑制卵苯的生成，所以可以说防止脱氢是最重要的。使碳氢化合物完全燃料，没有氢的催化作用是不可能的。像这样有了氢的催化作用，燃烧更充分以至于达到完全燃烧，也使热效率得到极大限度地利用。
还有为什么水的粒度在30±5μm时，可以引起最大限度的微爆现象和完全燃烧，本发明人用1年6个月的时间，从1μm到50μm之间进行了分段实验。
效率最高又能节省燃料是在30μm左右。在30μm左右时，CO达到0％，CO2在10ppm以内，燃烧效率也由85％上升到89％。
当然，空气比的低减由4％调整到3.5％-2.0％。这样燃料节省换算成蒸发费达到10％以上。
本发明的方法是由燃料油、水和乳化剂组成的乳化燃料油，燃料油和水形成W/O型乳化时，使燃料油要求固有的HLB值和乳化剂的HLB值准确一致，就可以维持良好的乳化状态，使一定大小的水粒子均匀分散，也有可以使乳化燃料油燃烧时排出的公害物得到最大限度地抑制的优点。还有，由此可以实现10％以上的燃料节省而获得较大的经济效果。
还有，本发明的制造装置具有提供简单设备的同时，使乳化的燃料立即作为燃料使用，从而也具有防止因保管带来的油水分层现象的优点。

Claims (3)

1.一种乳化燃料油的制造方法，是将由燃料油、水、乳化剂组成的混合物，其中的水以微细状态分散其特征是将HLB值3.7以下的亲油性表面活性剂和HLB值10.3以上的亲水性表面活性剂以97～75∶3～25的比例混合，以调整HLB值至4的混合表面活性剂作为乳化剂，使用乳化装置使水粒子的粒度达到30±5μm，而分散在燃料油之中。
2.权利要求1记载的乳化燃料油的制造方法，其特征是所说的燃料油为轻油或者重油。
3.乳化燃料油的制造装置，乳化装置是由外周部具有10～20个棒状翼的旋转子、和具有网眼大小为30～50目的圆筒形网状筛的旋转子连接成一体而旋转，而构成的。
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