CN1500852A - 一种甲烷化模式燃料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体含碳燃料，特别涉及向液体含碳燃料中加入添加物，主要包括油和水，科学地给出了水油混烧时水和燃油的水油配比M，即最佳水油配比，由燃油的理论甲烷化燃烧模数M₀和燃烧状态因子α决定，减少人们探索水油混烧的盲目性。本发明甲烷化模式燃料作为内燃机或原动机或热力设备的燃料，广泛适用于所述各种车辆、船舶和机械设备等。

Description

一种甲烷化模式燃料及其应用

技术领域

本发明涉及液体含碳燃料，特别涉及液体含碳燃料配水。

背景技术

如今，全球城市废气的80％～90％来自燃烧油的排放物。研究发现，只有一种典型的方法既能使燃烧油排放物降低，又能提高燃烧效率，这就是水油混烧技术。1981年国际燃料协会第一届年会上决定把掺水燃料，作为三大节能措施之一。中国专利申请号91103560.5“内燃机含水燃烧和燃烧方法”，提出了燃料含水燃烧的水油配比约20％到约80％(体积，以所述燃料总体积为基)；中国专利申请号94120151.1“内燃机使用燃油、水混合液的实施方法”，提出在水油混烧时，水油配比与燃油的平均分子式有关，若简记燃油平均分子式为C_nH_2n+2，则水在混合液中的比例极限为：18n/(32n+2)×100％，即水在混合液中的含量可小于或等于该值；中国专利申请号00120786.5“柴油机中同时降低氧化氮及碳黑微粒排放的清洁燃烧方法”，提出一套在线配置乳化油系统，乳化油配比为水∶油＝0.15～1；中国专利号96106233.9“混合和输送用于柴油机的乳化液的方法和设备”，提出一种混合和输送用于柴油机的由水和燃料组成的乳化液的方法。然而，他们都没有深入取得实质性的进展，一直没有找到一种合适的水油混烧模式，不能确定水油混烧的最佳水油配比，不能确定水油混烧的最佳方案。因此，这项既能提高内燃机燃烧效率又能降低内燃机有害物排放的水油混烧技术仍然没在内燃机中推广应用。

发明内容

本发明所要解决的问题是，克服现有技术水油混烧的盲目性，按照水油混烧的科学依据，获得水油混烧最佳模式和最佳水油配比的燃油方案。

本发明提出一种甲烷化模式燃料，主要包括油和水等，其特征在于：

水油配比为水∶油＝M＝αM₀，

其中：M-油/或燃油甲烷化模数，即最佳水油配比

      α-燃烧状态因子(0.5≤α≤1.2)

         M₀-油/或燃油理论甲烷化模数

$M_0=\frac{4n-m}{2}({\mathrm{mol}}_{H_{2}O}/{\mathrm{mol}}_{\mathrm{oil}})=\frac{9(4n-m)}{12n+m+16y}({\mathrm{Kg}}_{H_{2}O}/{\mathrm{Kg}}_{\mathrm{oil}})--(*)$

所述油/或燃油，至少包括汽油或柴油或煤油或重油或渣油或煤焦油或二甲醚、或常温下为液态的醇类或植物油或动物油、或其几种混合物，略去自由水的平均分子式记为C_nH_mO_y(n≥2，m≥2，y≥0)，它们有或没有添加剂，常温下为液态。在本发明中，术语油和燃油同义。

所述水指，日常可以获得的清洁水，例如去离子水、蒸馏水、纯净水或自来水等，也包含空气湿度水分，可以含有或不含有添加剂和/或有机物等，但限制不得含有对设备系统产生额外磨损或腐蚀的成分。

所述平均分子式含义指，对油或燃料系混合物而言，仅表示其中C、H、O三元素成分相对比例组成。可以由组成物的单质分子式或者由本领域技术人员按传统的燃料化学分析实验检测而得到。该分子式可以比较不同油或燃油在本发明中的可甲烷化属性。对于具体具有相同平均分子式的所述油或燃油，不论其具体成分各异，它们的可甲烷化属性在本发明相同的条件下应该是表现一致的。

所述甲烷化模式含义指，所述油按M配水燃烧时，具有近似于甲烷或天然气燃烧时的化学环境。

所述甲烷化模式燃料含义指，所述油按M配水作为动力或热力燃料燃烧时，具有所述甲烷化模式。

其根据如下：

1、甲烷燃烧时，完全化学反应方程式为：

                                       (1)

平均分子式为C_nH_mO_y(n≥2，m≥2，y≥0)的油/或燃油燃烧时，完全化学反应方程式为：

$C_n{H}_m{O}_y+\frac{4n+m-2y}{4}{O}_2\→n{\mathrm{CO}}_2+{\frac{m}{2}H}_{2}O--\left(2\right)$

将(2)式两端同时加上M H₂O，根据物质不灭定律，有

$C_n{H}_m{O}_y+\frac{4n+m-2y}{4}{O}_2+{\mathrm{MH}}_{2}O\→{\mathrm{nCO}}_2+\frac{m}{2}{H}_{2}O+{\mathrm{MH}}_{2}O--\left(3\right)$

将(1)式两端同时乘上一个系数n，有

                                    (4)

设(3)式和(4)式的右端反应生成物相等，从而可以求出油/或燃油的理论甲烷化燃烧模数M₀，其数值为(*)式。

油/或燃油的理论甲烷化燃烧模数M₀的意含义指：按(3)式油/或燃油C_nH_mO_y(n≥2，m≥2，y≥0)，1摩尔油/或燃油添加相应的 摩尔水，即每千克所述油配水

千克，就可以使油配水燃烧时的主要生成物和燃烧甲烷时的主要生成物相同，于是创造了一个理想的甲烷化模式燃烧的化学环境。

2、根据科学出版社1983年出版的由[美]欧文·格拉斯曼著的《燃烧学》一书中第57至61页，介绍了甲烷燃烧氧化机理，可以认为：通常，甲烷在燃烧氧化时，先脱掉一个H，接着脱掉第二个H，尔后脱掉第三个H，于是变成HCO，脱掉的H生成诸如H₂、HO₂、OH和H₂O等中间产物，这些中间产物同时又参与燃烧反应，尤其是生成的H₂O又参与重整反应，然后HCO被氧化成CO，CO最后被氧化成CO₂。对于烃类在燃烧氧化时，根据机械工业出版社1990年出版的由何学良等编著的《内燃机燃烧学》一书中第249至253页，介绍了烃油在内燃机中经历的三个阶段和高温单阶段着火过程，可以认为：通常，烃类在内燃机中首先是断碳链、脱氢，变成较低级的烃，较低级的烃接着继续断碳链、脱氢，变成更低级的烃，如此重复，直至产生大量的HCHO，并产生一系列中间产物，诸如CH₃、H、H₂、OH、H₂O等等，产生的CH₃即相当于甲烷脱掉一个H，它最终也被氧化成HCO，其余的中间产物同时也参与燃烧氧化反应，尤其是H₂O参与重整反应，然后HCHO、HCO被氧化成CO，CO最后被氧化成CO₂。至于含氧油，在燃烧过程中，必然先脱水和热解为较低级的烃，并伴随有碳连链裂，再后重复类似上述的过程。因此可以认为，油燃烧时，根据其不同的种类C_nH_mO_y(n≥2，m≥2，y≥0)，按M₀配水燃烧，水则与所述油发生重整反应，其生成物又参与燃烧氧化反应，水在整个燃烧反应过程中参与燃烧，尤其是燃烧的最后阶段，与甲烷燃烧过程极其相似，再次说明所述油配水M₀燃烧创造了一个理想的甲烷化模式的化学环境。

3、当所述油/或燃油定量配水燃烧时，排放的氮氧化物(NO_X)大幅度降低，主要原因是：定量配水燃烧使整个燃烧场的还原性增强。因为配水在设备管理燃烧场中发生下列净化反应

                                                 (5)

由此减少了氧基的浓度，使整个燃烧场的相对氧化性降低，相对还原性增强，在很大程度上抑制了氮氧化物的生成。当根据油的不同种类C_nH_mO_y(n≥2，m≥2，y≥0)，按M₀配水燃烧，比较上述化学反应方程式(3)和(4)，由于右端反应生成物中的H₂O相等，所以，水油在设备燃烧场中燃烧时的相对还原性，近似于甲烷在设备燃烧场中燃烧时的相对还原性。

现以柴油内燃机燃料对比为例说明。中国专利申请号00120786.5指出，当水油配比达到1∶1时，柴油内燃机燃烧排放氮氧化物可以降低85％左右；也有资料(http：//www.hncd.gov.cn/zazhi/jiaotongshehui/dibaqi/p41.htm)表明，柴油内燃机换用主要成分为甲烷的天然气，其排放的NO_X将比其使用柴油时低近40％。当水与油的质量比达到1∶1进行燃烧时，柴油基本上接近理想的甲烷化模式燃烧。两者排放的NO_X都比使用纯柴油时有大幅度的下降，主要原因是它们的燃烧场的相对还原性比燃烧纯柴油时的燃烧场的相对还原性强，从而在很大程度上抑制了NO_X的生成。至于柴油和水以质量之比1∶1进行燃烧时，其排放的氮氧化物远低于燃烧天然气时排放的氮氧化物的主要原因是，由于柴油配水燃烧时使整个燃烧场的温度比天然气燃烧时整个燃烧场时低，从而使得生成氮氧化物敏感的高温条件有所缓和。所以，从燃烧场的相对还原性角度而言，按M₀配水燃烧，其整个燃烧场的还原性近似于甲烷燃烧时整个燃烧场的相对还原性，再次说明油/或燃油配水M₀燃烧创造了一个理想的甲烷化模式燃烧的化学环境。

4、从燃烧的化学环境来看，不同种类的油/或燃油C_nH_mO_y(n≥2，m≥2，y≥0)，按M₀配水燃烧，仅仅形成油/或燃油配水甲烷化模式燃烧的必要条件。然而，燃烧设备结构参数、系统特性目标、运行工况、进入设备的油/或燃油自身的氢碳原子数之比(H/C)_a、芬烃含量A、油/或燃油物理状态、粘度、汽化潜热、配水和进气物理状态、过量或过剩空气系数或空燃比、火焰传播速度等各不相同，尤其是当水以液态进入设备时要吸收一定的热量，使甲烷化模式燃料在设备燃烧场中的温度，比燃烧甲烷或天然气时的整个燃烧场的温度低，在一定程度上影响内燃机的甲烷化模式燃烧；水和油/或燃油可能同时进入设备，也可能在不同的时刻进入设备，不为固定模模式，而甲烷通常是以气态进入设备的，所以，按甲烷化模式燃料设备，实际最佳水油配比可能和油/或燃油的理论甲烷化燃烧模数M₀不一致。故本发明引入一个燃烧状态因子α来对油/或燃油的理论甲烷化燃烧模数M₀进行修正，推荐α的取值为0.5≤α≤1.2。考虑到内燃机水油混烧，一定程度上汽缸内燃烧场比热容有所增加，限值所述α不致影响内燃机效率和动力性能下降为准。另外，也可以从M₀出发，结合喷油定时和负荷工况参数，采用优选法，通过现有技术公知的有限次内燃机传统台架试验检测，确定α和M。

以上分析了油/或燃油按M₀配水燃烧的化学环境，结合水油混烧的实际状况，给出了水油配比是水∶油＝M＝αM₀，即在水油混烧系统中，按油/或燃油的不同种类C_nH_mO_y(n≥2，m≥2，y≥0)，1摩尔油/或燃油添加

α摩尔水，或则每千克油/或燃油配水

α千克(包含空气湿度水分)，就可以制成或乳化制成一种甲烷化模式燃料。其效果可使燃油内燃机排放有害物降低到燃用甲烷或天然气时排放有害物的相当水平。

本发明所述甲烷化模式燃料的动力用途，作为内燃机原动机的燃料，开动它们所配装的车辆或汽车或卡车或摩托车或坦克或装甲车或铁路牵引机车或轨道车或船舶或轮船或客轮或油轮或渔轮或舰艇或潜艇或舰船或快艇或气垫船或护卫舰或驱逐舰或巡洋舰或挖掘机或推土机或铺路机或铺管机或破碎机或粉碎机或卷扬机或拖拉机或收割机或水泵或压气机或压缩机或排水设备或农副产品加工设备或发电设备；本发明所述甲烷化模式燃料的热力用途，作为燃料用于锅炉或窑炉或炉灶或燃烧设备或供热设备或供汽设备或溴化锂吸收式制冷机组或氨水吸收式制冷机组或溴化锂吸收式热泵或氨水吸收式热泵。这样所述各种车辆、船舶、机械设备或热力设备等排放的有害物降低到与燃用甲烷或天然气时排放的有害物的相当水平。

根据所述各种不同设备或机器的具体用途要求，甲烷化燃料的实施形态主要有两种类型，一种类型是按M水油分道相互独立的喷射系统进入设备的燃烧场，现有公知技术，如中国专利89101351.2号所述；另一种类型是以乳化油形态被应用，特别是油/或燃油或燃料生产制造厂商按M值进行分段确定标号或牌号系列化开发生产，根据用户设备的不同要求，普通技术人员按公知的现有技术，他们可以适当加入相关的乳化剂、抗氧化剂、促燃剂、稳定剂、十六烷值增值剂、降凝剂、减磨剂或消烟剂等之类的助剂或添加剂，经过有限次优选试验，采用复配方法即可向社会供应系列化，以至标准化甲烷化模式燃料产品。通常，按乳化常规用的乳化剂，用量较少，约为所述油的1％～2％左右，对平均分子式的影响很小。

本发明的有益效果在于，与现有的水油混烧相比，综合了液体油燃料和气态燃料或天然气两方面的优点长处，找到一种有充分科学依据的理想的水油混烧模式和最佳水油配比，即水∶油＝M＝αM₀，有重大环保和节能义。本发明为解决资源短缺日趋枯竭问题，为寻求和拓宽内燃机代用燃料，特别是植物油、含氧燃油的开发，提供了科学的根据和现实的工具手段。

具体实施方式

实施例1：

一种甲烷化模式燃料，系按现有公知技术处理方法获得的乳化燃油，主要包括汽油、水和椰子油酰胺，其中，水油配比是：水∶油＝M_gasolene＝αM_0gasolene，水用去离子水，椰子油酰胺与汽油的质量比为2％。汽油一般含碳原子数约为C₄～C₁₂，略去椰子油酰胺对该燃油的平均分子式的影响，则该燃油的平均分子式可以汽油的平均分子式表示，记为C₈H₁₈O_y(y＝0)，于是根据(*)式计算出汽油的理论甲烷化燃烧模数

$M_{0\mathrm{gasolene}}=7({\mathrm{mol}}_{H_{2}O}/{\mathrm{mol}}_{\mathrm{gasolene}})\≈1.1({\mathrm{Kg}}_{H_{2}O}/{\mathrm{Kg}}_{\mathrm{gasolene}})$

根据水∶油＝M_gasolen＝αM_0gasolene，这里包含空气湿度水分，推荐α＝0.8～1.2，则可得出汽油甲烷化模式燃烧的最佳水油配比：

$M_{\mathrm{gasolene}}=5.6~8.4({\mathrm{mol}}_{H_{2}O}/{\mathrm{mol}}_{\mathrm{gasolene}})=0.88~1.32({\mathrm{Kg}}_{H_{2}O}/{\mathrm{Kg}}_{\mathrm{gasolene}})$

乳化燃油应用办法，具体燃烧设备用户，可采用优选法，通过有限次实验确定特定的最佳值M_gasolene或α。油或燃油/或燃料的生产厂商按M_gasolene值分段为0.90～0.95～1.00～1.05……进行系列化生产和供应甲烷化模式燃料。

本实施例的效果是，实现了汽油按M_gasolene配水，成为甲烷化模式燃料。

实施例2：

在实施例1的基础上制取甲烷化模式燃料，仅将汽油更换为柴油。柴油一般含碳原子数约为C₁₀～C₂₆，略去椰子油酰胺对该燃油的平均分子式的影响，则该燃油的平均分子式可以柴油的平均分子式表示，记为C₁₈H₃₈O_y(y＝0)，于是根据(*)式计算出柴油的理论甲烷化燃烧模数

$M_{0\mathrm{dieseloil}}=17({\mathrm{mol}}_{H_{2}O}/{\mathrm{mol}}_{\mathrm{dieseloil}})\≈1.2({\mathrm{Kg}}_{H_{2}O}/{\mathrm{Kg}}_{\mathrm{dieseloil}})$

根据水∶油＝M_diesel oil＝αM_0diesel oil，这里包含空气湿度水分，推荐α＝0.5～1.0，则可得出柴油甲烷化模式燃烧的水油配比：

$M_{\mathrm{dieseloil}}=13.6~20.4({\mathrm{mol}}_{H_{2}O}/{\mathrm{mol}}_{\mathrm{dieseloil}})=0.96~$

$1.44({\mathrm{Kg}}_{H_{2}O}/{\mathrm{Kg}}_{\mathrm{dieseloil}})$

其最佳值M_diesel oil或α也可采用优选法，通过有限次试验确定。

乳化燃油应用办法与实施例1同理。

本实施例的效果是，实现了柴油按M_diesel oil配水，成为甲烷化模式燃料。

实施例3：

在实施例1的基础上制取甲烷化模式燃料，将汽油更换为柴油和大豆油各一半(以体积记)，在油中加入1.5％十六烷值增值剂硝基正戊烷。一般大豆油平均分子式可以记为C₁₈H₃₄O₂，柴油的平均分子式可以记为C₁₈H₃₈O_y(y＝0)，略去椰子油酰胺、十六烷值增值剂硝基正戊烷对该燃油的平均分子式的影响，则该燃油的平均分子式可以记为C₁₈H₃₆O₁，于是根据(*)式计算出该燃油的理论甲烷化燃烧模数

$M_{0\mathrm{oil}}=19({\mathrm{mol}}_{H_{2}O}/{\mathrm{mol}}_{\mathrm{oil}})\≈1.2({\mathrm{Kg}}_{H_{2}O}/{\mathrm{Kg}}_{\mathrm{oil}})$

根据水∶油＝M_oil＝αM_0oil这里包含空气湿度水分，推荐α＝0.5～0.8，则可得出该燃油甲烷化模式燃烧的最佳水油配比：

$M_{\mathrm{oil}}=9.5~15.2({\mathrm{mol}}_{H_{2}O}/{\mathrm{mol}}_{\mathrm{oil}})=0.60~0.96({\mathrm{Kg}}_{H_{2}O}/{\mathrm{Kg}}_{\mathrm{oil}})$

其最佳值M_oil或α也可以从M_0oil为出发采用优选法，通过有限次实验确定。

乳化燃油应用办法与实施例1同理。

本实施例的效果是，实现了植物大豆油和柴油的混合物按M_oil配水，成为甲烷化模式燃料。

本发明提出的甲烷化模式燃料并不局限于上述实施例，广泛适用于所述各种油品等。本发明甲烷化模式燃料作为内燃机或原动机或热力设备的燃料，广泛适用于所述各种车辆、船舶和机械设备等。

Claims (3)

1、一种甲烷化模式燃料，主要包括油和水等，其特征在于：

水油配比为水∶油＝M＝αM₀，

其中：M-油/或燃油甲烷化模数，即最佳水油配比

      α-燃烧状态因子(0.5≤α≤1.2)

       M₀-油/或燃油理论甲烷化模数

$M_0=\frac{4n-m}{2}({\mathrm{mol}}_{H_{2}O}/{\mathrm{mol}}_{\mathrm{oil}})=\frac{9(4n-m)}{12n+m+16y}({\mathrm{Kg}}_{H_{2}O}/{\mathrm{Kg}}_{\mathrm{oil}})$

所述油/或燃油的平均分子式记为C_nH_mO_y(n≥2，m≥2，y≥0)

所述油/或燃油至少包括汽油或柴油或煤油或重油或渣油或煤焦油或二甲醚、或常温下为液态的醇类或植物油或动物油、或其几种混合物。

2、根据权利要求1的燃料的动力应用，作为内燃机或原动机的燃料，开动它们所配装的车辆或汽车或卡车或摩托车或坦克或装甲车或铁路牵引机车或轨道车或船舶或轮船或客轮或油轮或渔轮或舰艇或潜艇或舰船或快艇或气垫船或护卫舰或驱逐舰或巡洋舰或挖掘机或推土机或铺路机或铺管机或破碎机或粉碎机或卷扬机或拖拉机或收割机或水泵或压气机或压缩机或排水设备或农副产品加工设备或发电设备。

3、根据权利要求1的燃料的热力应用，作为燃料用于锅炉或窑炉或炉灶或燃烧设备或供热设备或供汽设备或溴化锂吸收式制冷机组或氨水吸收式制冷机组或溴化锂吸收式热泵或氨水吸收式热泵。