EP0630398B1 - Carburants emulsionnes - Google Patents

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Publication number
EP0630398B1
EP0630398B1 EP93918743A EP93918743A EP0630398B1 EP 0630398 B1 EP0630398 B1 EP 0630398B1 EP 93918743 A EP93918743 A EP 93918743A EP 93918743 A EP93918743 A EP 93918743A EP 0630398 B1 EP0630398 B1 EP 0630398B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustible
fuel
weight
proportion
additives
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP93918743A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0630398A1 (fr
Inventor
Jean "El Presidente" Carretera De Cadiz Garnier
Carlos Villa Roma Miriel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elf Antar France
Original Assignee
Ecotec SARL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR9203069A external-priority patent/FR2688225B1/fr
Application filed by Ecotec SARL filed Critical Ecotec SARL
Publication of EP0630398A1 publication Critical patent/EP0630398A1/fr
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Publication of EP0630398B1 publication Critical patent/EP0630398B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/32—Liquid carbonaceous fuels consisting of coal-oil suspensions or aqueous emulsions or oil emulsions
    • C10L1/328—Oil emulsions containing water or any other hydrophilic phase
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the present invention relates generally to improved emulsified fuels and the corresponding methods for reducing the consumption of fuels and the emission of polluting gases resulting from their combustion, said fuels being mainly composed (more than 50% by weight). fuel, water and a set of additives.
  • the invention relates more particularly to fuels as described above in which the set of additives, composed of minor amounts of sorbitan oleate, polyalkylene glycol, and alkylphenol ethoxylate, makes it possible to considerably reduce the emission of polluting gases such as carbon monoxide, further improving the combustion efficiency.
  • Air pollution is not only a health hazard, it also causes acid rain and therefore pollution of lakes and rivers.
  • PCT publication WO 86/00333 describes the composition of fuels intended to improve the combustion efficiency and consequently to save combustible.
  • the fuels described in this publication include fuel-water emulsions containing polyolefin additives.
  • this publication which is devoted to fuel economy, does not in any way address the issue of limiting pollution.
  • U.S. Patent No. 4,877,414 describes the composition of emulsified fuels using relatively large amounts of surfactants as well as alpha olefins and alkyl benzenes.
  • the products prepared according to this patent are estimated to be very expensive, taking into account the levels of use of the additives designated as essential for achieving the desired goal.
  • emulsions tend to decompose quickly, especially when subjected to low temperatures. Attempts have been made to emulsify gasoline using the formula which appears most favorable in this patent, and it has been found that the emulsion decomposes within an hour. Similar attempts to emulsify diesel oil using this formula have resulted in an emulsion decomposing in one hour at low room temperature.
  • n ° 138513x relates to a Japanese patent n ° 52-69 909 which discloses an emulsified fuel comprising sorbitan sesquioleate and polyethylene glycol ether of nonylphenol, as emulsifier ( ⁇ ⁇ 20 ⁇ - ⁇ medium ⁇ 10% m).
  • This document teaches only the combination of the two additives.
  • it does not describe the use of polyalkylene glycol (PEG) as an emulsified fuel additive.
  • PEG polyalkylene glycol
  • JP is absolutely not comparable to PEG. This combination of only two additives does not provide satisfactory results in terms of pollution control and fuel economy.
  • the present invention solves the problems indicated above and makes it possible to obtain highly improved stable emulsified fuels which considerably reduce the polluting gases produced by combustion and which also make it possible to achieve significant savings in terms of real fuel consumption.
  • the fuels emulsified according to the present invention comprise specific quantities of fuel and water, as well as a set of additives in minor quantities.
  • This set of additives comprises, and preferably essentially comprises, specific amounts of sorbitan oleate, polyalkylene glycol and alkylphenol ethoxylate.
  • Fuels can be prepared quickly using simple in-line static mixers and add-on equipment, and remain stable at all normal ambient temperatures for at least about four months.
  • the subject of the invention is an emulsified fuel comprising specific quantities of fuel and a set of additives in minor quantities, said fuel containing from 5 to 35% by weight, of water, the set of additives being present in a proportion of 0.1% by weight minimum, preferably from 0.1% to 1.5% by weight, and consisting essentially of specific amounts of sorbitan oleate, polyalkylene glycol and ethoxylate d 'alkylphenol.
  • the optimum fuels that can be prepared using this invention are 65 to 95% by weight of fuel (e.g. diesel oil, gasoline, kerosene, fuel oil, coal dust), and 5 to 35% by weight, of water.
  • the optimum set of additives represents 0.1 to 0.5%, by weight, of the final emulsified fuel.
  • the optimum additive may also include a metal oxide such as magnesium oxide and a fuel blending agent such as diesel oil No. 2 to facilitate the premixing of the additive components.
  • the set of additives can comprise, in addition to the preferable components described above, toluene and alkyl benzene.
  • Figure 1 is a schematic representation of the optimal device for composing the emulsified fuels according to the invention.
  • FIG. 1 represents the device 10 to be used preferably for the preparation of emulsified fuels according to the invention.
  • the device 10 consists of a fuel tank 12 adapted so as to be able to contain a liquid fuel such as diesel oil.
  • the reservoir 12 is connected by means of the conduit 14 to a first static mixer 16.
  • a non-return valve 18 is installed in the conduit 14 upstream of the static mixer 16.
  • a pipe 20 for supplying additives, equipped with a non-return valve 22, a pump 24 and an additive tank 26, communicates with the conduit 14 between the valve 18 and the mixer 16.
  • the additive tank 26 comprises the set of additives desired.
  • the outlet end of the mixer 16 is connected to the conduit 28, the opposite end of which is connected to a second static mixer 30.
  • a non-return valve 32 is located in the conduit 28 as shown.
  • a water inlet pipe 34 communicates with the conduit 28 between the valve 32 and the mixer 30.
  • the pipe 34 comprises a non-return valve 36, a pump 38 and a water tank 40.
  • the outlet of the mixer 30 leads to a storage area (not shown) for the final emulsified product.
  • the static mixer When preparing emulsified fuels according to the invention, it is preferable to thoroughly mix the additive assembly with the fuel before adding the water. If the order of these operations were reversed, the products obtained could be unstable. In addition, it was found that the static mixer must be constructed and used so that it produces internal pressures of at least 10 kg / cm 2 . All ingredients except fuel are used at room temperature; thus, for example, the liquid fuel is generally at a temperature of about 18 to 20 ° C, although during processing the product heats up at least slightly. It is also necessary to use bacteria-free water to improve the long-term storage stability of the final product. In particular, it is preferable to warm the fuel slightly before adding. The fuel should be heated to a temperature of about 30 to 60 ° C, preferably about 40 ° C. The average size of particles of the final emulsion should be 0.01 mm or less to get the best possible results.
  • the device represented in FIG. 1 is considered optimal from the point of view of production efficiency, but equivalent emulsified fuels can be produced by a system comprising a single mixer and suitable means for recycling the fuel / additive mixture to the using the mixer by adding water.
  • This type of mixer assembly was used to prepare the test fuels described in this document, and the static mixer employed had a length of 250 mm and a nominal diameter of 25 mm, and contained a total of nine internal static elements.
  • Liquid hydrocarbons such as gasoline, diesel oil, kerosene and fuel oil of almost any specific composition or type can be used.
  • coal dust can also be used as efficiently as fuel.
  • the proportion of fuel must represent 65 to 95%, by weight, of the total emulsified fuel, preferably Approximately 75 to 89%, and more preferably approximately 84%.
  • the proportion of fuel must represent 65 to 95% by weight of the total emulsified fuel, preferably approximately 75 to 85%, and more preferably approximately 79%.
  • the water must constitute 5 to 35%, by weight, of the total emulsified fuel, preferably approximately 10 to 30%, and more preferably approximately 15%.
  • the set of additives of the invention must comprise at least minor specific amounts of sorbitan oleate, polyalkylene glycol and alkylphenol ethoxylate.
  • the set of additives also comprises a metal oxide and a minor quantity of fuel mixing agent.
  • This complete set of additives must be present in the emulsified fuel at a level of 0.1% minimum by weight, preferably 0.1 to 1.5%.
  • the additive package accounts for 0.1 to 0.5% by weight.
  • the additive package will include a toluene aromatic product and an alkyl benzene; this set must represent approximately 0.077%, by weight, of the emulsified fuel, and preferably 0.077 to 1.5% approximately.
  • the optimal fuel with this type of additive contains about 1%, by weight, of all additives.
  • the sorbitan oleate to be preferred is sorbitan sesquioleate, but other oleates can be used.
  • the preferable polyalkylene glycol is polyethylene glycol (but glycols such as polypropylene and polybutylene can also be used), with a molecular weight of approximately 300 to 500, preferably PEG 300. It is preferable to select an alkylphenol ethoxylate from the group of alkylphenol ethoxylates comprising approximately 4 to 15 groups of ethylene oxides per molecule; the alkyl part should contain about 6 to 22 carbon atoms, preferably 8 to 9. The only preferable ethoxylate is the ethoxylate nonylphenol, which has about 9.5 ethylene oxide groups per molecule. It is preferable to choose magnesium oxide as the metal oxide, and diesel oil No. 2 as the mixing agent.
  • Table 1 TYPE OF COMPONENT OPTIMUM COMPONENT (S) GENERAL PROPORTIONS, BY WEIGHT OPTIMAL PROPORTIONS BY WEIGHT Fuel Diesel oils, gasoline, kerosene, fuel oil, coal dust 84.7 79 Water Water 5-35 15 Sorbitan oleates Sorbitan sesquioleate 0.05-0.25 0.09 Polyalkylene glycol Polyethylene glycol 0.05-0.25 0.09 Alkylphenol ethoxylates Nonylphenol ethoxylate (9.5 moles) 0.05-0.25 0.09 Metal oxide Magnesium oxide 0.001-0.010 0.003 Fuel mixing agent Diesel oil n ° 2 0.010-0.040 0.027
  • each part of sorbitan oleate, of polyalkylene glycol and of alkylphenol ethoxylate represents approximately 0.1 to 0.5% by weight; when used, the fuel mixing agent may represent approximately 0.05 to 0.15%, by weight, and the metal oxide approximately 0.001 to 0.03%.
  • Table 2 TYPE OF COMPONENT OPTIMUM COMPONENT (S) GENERAL PROPORTIONS, BY WEIGHT OPTIMAL PROPORTIONS BY WEIGHT Fuel Diesel oils, gasoline, kerosene, fuel oil, coal dust 65-95 79 Water Water 5-35 20 Alkyl benzene Dialkyl benzenes, MW 355-385 0.03-0.075 0.05 Toluene aromatic products Toluene 0.05-0.15 0.10 Sorbitan oleates Sorbitan sesquioleate 0.20-0.26 0.25 Polyalkylene glycol Polyethylene glycol 0.20-0.25 0.23 Alkylphenol ethoxylates Nonylphenol ethoxylate (9.5 moles) 0.20-0.27 0.24 Metallic Oxide Magnesium oxide 0.02-0
  • the additive used for these tests consisted of: sorbitan sesquioleate, 0.30%; polyethylene glycol, 0.3%; nonylphenol ethoxylate (9.5 moles), 0.30%; magnesium oxide, 0.01%; diesel oil No. 2, 0.09% - all these proportions given by weight. To obtain the additive, these materials were simply mixed. The complete fuels were produced according to the technique described above and by means of the device in FIG. 1.
  • the boiler which then operated with two burners, was supplied with emulsified fuel consisting (by weight) of 17% water, 0.3% additive and additional fuel oil. After a transition period, at 5:00 p.m., the combustion parameters were recorded; they are indicated in the attached table under "Sampling n ° 4 / Day 1".
  • Example 1 the fuel consumption of the boiler described in Example 1 was tested. Throughout the test, the following parameters were kept at a constant level: temperature of the burners, high flame 138 ° C, low flame 139 ° C; pump pressure 24 kg; injector pressure 19 kg; fuel temperature 57 ° C.
  • Emulsified fuels according to the invention have been tested in various vehicles in order to determine the levels of opacity of the combustion gases compared with those of a normal fuel.
  • a Citro ⁇ n BX from 1991
  • a Seat Terra 1 from 1990
  • a Magirus truck and a D7 Caterpillar from 1989 were tested.
  • the fuel used was diesel A for tests with normal fuel as for tests with emulsified fuel.
  • the emulsified fuels contained the optimum ingredients shown in Table 2, and had been composed using the on-line static mixer technique described above.
  • Opacities were measured by means of a probe placed in the exhaust pipe of vehicles. In fact, the tests made it possible to measure the content of unburned hydrocarbons. The results of the tests are summarized below: Table 4 OPACITIES VEHICLE GAS-OIL A PPM PPM EMULSIONED FUEL REDUCTION% Citro ⁇ n 4.3 0.3 93 Seat Terra 1 5.1 0.8 84.3 Magirus 5.5 1.2 78.2 Caterpillar 6.4 1.2 81.3
  • a 1991 Panda was also tested with normal octane 97 unleaded gasoline and a comparative fuel which was the optimum 20% water emulsion of the invention.
  • the carbon monoxide level recorded during the test with normal petrol was 7.3 PPM; this value fell to 0.3 PPM with the emulsified fuel.
  • the level of hydrocarbons with normal gasoline was 270 PPM, and with emulsified fuel 32 PPM.
  • a diesel oil emulsion comprising 20% water and prepared according to the form of the invention described in Table 2 was also tested on a Ford diesel truck.
  • a hose connected to the truck's exhaust was connected to the truck's air intake, and the engine therefore operated using its own exhaust gases.
  • the engine was kept running for four days without interruption, with emulsified fuel being added periodically. After this test, a very low level of carbon monoxide was observed in the exhaust, and it was assumed that air was trapped in the emulsion.
  • a comparative test was carried out using normal diesel oil instead of the emulsion; in this case, the engine stopped after a short period. The emulsified fuel was used again, and the engine did not stop running.
  • NO X , NO 2 and carbon monoxide levels were also measured: NO X levels were reduced by a factor of 25% with the emulsified fuel compared to normal fuel; CO levels have been reduced by a factor of 69%; and the NO 2 level increased from 505 mg / m 3 to 176 mg / m 3 with the emulsified fuel. Steam production by the boiler increased on average by 15% with emulsified fuel compared to normal fuel. Finally, emulsified fuel made it possible to achieve significant savings in fuel consumption, the average saving being 28%.

Abstract

Des carburants émulsionnés d'une teneur en eau importante (5 à 35 % en poids) comprenant un ensemble d'additifs composé de quantités mineures spécifiques d'oléate de sorbitan, de polyalkylène-glycol, et d'éthoxylate d'alkylphénol sont préparés. Le carburant utilisé comme ingrédient est de préférence du diesel-oil, de l'essence, du kérosène, du mazout ou de la poussière de charbon. Les résultats des essais démontrent qu'une diminution considérable des gaz polluants peut être obtenue pendant la combustion des combustibles émulsionnés; de plus, les combustibles émulsionnés réduisent considérablement la combustion du carburant.

Description

    Généralités concernant l'invention 1. Domaine d'application de l'invention
  • La présente invention concerne d'une manière générale des combustibles émulsionnés améliorés et les méthodes correspondantes pour réduire la consommation de combustibles et l'émission de gaz polluants résultant de leur combustion, lesdits combustibles étant composés en majeure partie (plus de 50% en poids) de carburant, d'eau et d'un ensemble d'additifs. L'invention concerne plus particulièrement des combustibles tels que décrits ci-dessus dans lesquels l'ensemble d'additifs, composé de quantités mineures d'oléate de sorbitan, de polyalkylène-glycol, et d'éthoxylate d'alkylphénol, permet de réduire considérablement l'émission de gaz polluants tels que le monoxyde de carbone, en améliorant en outre l'efficacité de la combustion.
    • 2. Description de l'art antérieur
  • Le problème de la pollution atmosphérique est une préoccupation grandissante dans pratiquement toutes les nations du monde. Non seulement la pollution atmosphérique représente un danger pour la santé, mais elle entraîne en outre l'apparition des pluies acides et par conséquent la pollution des lacs et des rivières. L'une des principales sources de cette pollution, et en particulier de la pollution CO, NOX et/ou SO, est celle dérivant de la combustion des carburants. Les gaz d'échappement des moteurs diesel, par exemple, et les gaz de combustion des chaudières diesel, représentent une source importante de pollution atmosphérique, en particulier dans les pays plus développés des Etats-Unis, d'Europe et d'Asie.
  • Dans le passé, de nombreuses tentatives ont été réalisées pour améliorer ces problèmes de pollution, la plus notable étant l'utilisation de convertisseurs catalytiques et autres dispositifs sur les automobiles et les autobus. Ces techniques permettent effectivement d'abaisser le niveau contestable des polluants, mais ne constituent pas une réponse complète. En fait, les recherches abondantes effectuées n'ont toujours pas débouché sur la mise au point de combustibles ou de moteurs produisant des émissions polluantes minimes.
  • La publication PCT WO 86/00333 décrit la composition de combustibles destinés à améliorer l'efficacité de la combustion et par conséquent à réaliser des économies de combustible. Les combustibles décrits dans cette publication comprennent des émulsions combustible-eau contenant des additifs polyoléfiniques. Cependant cette publication, qui est consacrée à l'économie de combustible, n'aborde en aucune manière la question de la limitation de la pollution.
  • Le brevet U.S. n° 4.877.414 décrit la composition de combustibles émulsionnés utilisant des quantités relativement importantes de surfacteurs ainsi que des oléfines alpha et des benzènes d'alkyle. Les produits préparés suivant ce brevet sont estimés très onéreux, compte tenu des niveaux d'utilisation des additifs désignés comme essentiels pour atteindre le but désiré. De plus, les émulsions ont tendance à se décomposer rapidement, en particulier lorsqu'elles sont soumises à de basses températures. Des tentatives ont été faites pour émulsionner de l'essence en utilisant la formule paraissant la plus favorable dans ce brevet, et il a été trouvé que l'émulsion se décomposait en une heure. Des tentatives similaires d'émulsionnement de diesel-oil au moyen de cette formule ont résulté en une émulsion se décomposant en une heure à température ambiante basse.
  • Le chemical abstract n° 138513x est relatif à un brevet japonais n° 52-69 909 qui divulgue un carburant émulsionné comprenant du sesquioléate de sorbitan et de l'éther de polyéthylèneglycol de nonylphénol, à titre d'émulsifiant (Ø ≤ 20 µ - Ø moyen ≃ 10 %m). Ce document enseigne seulement la combinaison des deux additifs. En outre, il ne décrit pas la mise en oeuvre de polyalkylène glycol (PEG) à titre d'additif de carburant émulsionné. En effet, l'éther de polyoxyéthylèneglycol de nonylphénol décrit par ce document JP n'est absolument pas comparable à du PEG. Cette combinaison de seulement deux additifs ne procure pas de résultats satisfaisants, en ce qui concerne la dépollution et l'économie de carburant.
  • De plus, compte tenu de l'utilisation croissante des réserves de pétrole, il est avantageux de faire baisser la consommation de carburant lorsque cela est possible. Des spécialistes ont fait de nombreuses tentatives pour mettre au point des additifs pour combustibles dans ce but, mais n'ont jamais vraiment réussi.
    • Résumé de l'invention
  • La présente invention résoud les problèmes indiqués ci-dessus et permet d'obtenir des combustibles émulsionnés stables très améliorés qui réduisent considérablement les gaz polluants produits par la combustion et qui permettent en outre de réaliser des économies importantes en termes de consommation réelle de carburant. D'une manière générale, les combustibles émulsionnés selon la présente invention comprennent des quantités spécifiques de carburant et d'eau, ainsi qu'un ensemble d'additifs en quantité mineure. Cet ensemble d'additifs comprend, et de préférence comporte essentiellement, des quantités spécifiques d'oléate de sorbitan, de polyalkylène-glycol et d'éthoxylate d'alkylphénol. Les combustibles peuvent être préparés rapidement au moyen de mélangeurs statiques en ligne simples et d'un équipement d'adjonction, et restent stables à toutes les températures ambiantes normales pendant environ quatre mois minimum.
  • Plus précisément, l'invention a pour objet un combustible émulsionné comprenant des quantités spécifiques de carburant et un ensemble d'additifs en quantité mineure, ledit combustible contenant de 5 à 35 % en poids, d'eau, l'ensemble d'additifs étant présent dans une proportion de 0,1 % en poids minimum, de préférence de 0,1 % à 1,5 % en poids, et se composant essentiellement de quantités spécifiques d'oléate de sorbitan, de polyalkylène-glycol et d'éthoxylate d'alkylphénol.
  • Les combustibles optimum pouvant être préparés à l'aide de cette invention se composent à 65 à 95 %, en poids, de carburant (ex : diesel-oil, essence, kérosène, mazout, poussière de charbon), et à 5 à 35 % en poids, d'eau. L'ensemble d'additifs optimum représente 0,1 à 0,5 %, en poids, du combustible émulsionné final. L'additif optimum peut également comprendre un oxyde métallique tel que l'oxyde de magnésium et un agent de mélangé carburant tel que le diesel-oil n° 2 afin de faciliter le prémélange des composants additifs. Dans d'autres réalisations de l'invention, l'ensemble d'additifs peut comprendre, en plus des composants préférables décrits précédemment, du toluène et du benzène d'alkyle.
  • Des essais réalisés avec les combustibles de l'invention ont démontré que des réductions considérables des gaz polluants peuvent être obtenues, ainsi qu'une diminution de la consommation de combustible.
    • Brève description du schéma
  • La figure 1 est une représentation schématique du dispositif optimal permettant de composer les combustibles émulsionnés suivant l'invention.
    • Description de la réalisation optimale
  • La figure 1 représente le dispositif 10 à utiliser de préférence pour la préparation de combustibles émulsionnés suivant l'invention. Le dispositif 10 se compose d'un réservoir de combustible 12 adapté de façon à pouvoir contenir un carburant liquide tel que du diesel-oil. Le réservoir 12 est relié au moyen du conduit 14 à un premier mélangeur statique 16. Un clapet anti-retour 18 est installé dans le conduit 14 en amont du mélangeur statique 16. De plus, une tuyauterie 20 d'alimentation en additifs, équipée d'un clapet anti-retour 22, d'une pompe 24 et d'un réservoir d'additifs 26, communique avec le conduit 14 entre le clapet 18 et le mélangeur 16. Le réservoir d'additifs 26 comprend l'ensemble d'additifs voulu.
  • L'extrémité sortie du mélangeur 16 est raccordée au conduit 28, dont l'extrémité opposée est raccordée à un second mélangeur statique 30. Un clapet anti-retour 32 est situé dans le conduit 28 comme représenté. Une tuyauterie d'arrivée d'eau 34 communique avec le conduit 28 entre le clapet 32 et le mélangeur 30. La tuyauterie 34 comprend un clapet anti-retour 36, une pompe 38 et un réservoir d'eau 40. La sortie du mélangeur 30 débouche sur une zone de stockage (non illustrée) destinée au produit émulsionné final.
  • Lors de la préparation de combustibles émulsionnés suivant l'invention, il est préférable de bien mélanger l'ensemble d'additifs avec le carburant avant d'ajouter l'eau. Si l'ordre de ces opérations était inversé, les produits obtenus risqueraient d'être instables. De plus, il a été constaté que le mélangeur statique devait être construit et utilisé de façon à ce qu'il produise des pressions internes d'au moins 10 kg/cm2. Tous les ingrédients à l'exception du carburant sont utilisés à température ambiante; ainsi, par exemple, le carburant liquide est généralement à une température d'environ 18 à 20°C, bien qu'au cours du traitement le produit se réchauffe au moins légèrement. Il est également nécessaire d'utiliser une eau exempte de bactéries afin d'améliorer la stabilité à long terme en stockage du produit final. Il est préférable, en particulier, de réchauffer légèrement le combustible avant l'adjonction. Le combustible doit être chauffé jusqu'à une température d'environ 30 à 60°C, de préférence 40°C environ. La taille moyenne des particules de l'émulsion finale doit être de 0,01 mm ou moins pour obtenir les meilleurs résultats possibles.
  • Le dispositif représenté à la figure 1 est estimé optimal du point de vue de l'efficacité de la production, mais des combustibles émulsionnés équivalents peuvent être produits par un système comportant un seul mélangeur et des moyens appropriés pour recycler le mélange combustible/additif à l'aide du mélangeur en rajoutant de l'eau. Ce type d'ensemble mélangeur a été utilisé pour préparer les combustibles-tests décrits dans le présent document, et le mélangeur statique employé présentait une longueur de 250 mm et un diamètre nominal de 25 mm, et contenait au total neuf éléments statiques internes.
  • Comme indiqué précédemment, une grande variété de carburants peuvent être utilisés pour réaliser cette invention. Les hydrocarbures liquides tels que les essences, les diesel-oils, les kérosènes et les mazouts de pratiquement n'importe quelle composition spécifique ou type peuvent être utilisés. De plus, la poussière de charbon peut également être utilisée de façon aussi efficace que le carburant. Lorsqu'un ensemble d'additifs se composant essentiellement d'oléate de sorbitan, de polyalkylène-glycol et d'éthoxylate d'alkylphénol est utilisé, la part de carburant doit représenter 65 à 95%, en poids, du combustible émulsionné total, préférablement 75 à 89% environ, et plus préférablement 84% environ. Lorsqu'un ensemble d'additifs utilisé comprend, en plus des composants indiqués précédemment, du toluène et du benzène d'alkyle, la part de carburant doit représenter 65 à 95% en poids du combustible émulsionné total, préférablement 75 à 85% environ, et plus préférablement 79% environ.
  • Dans tous les cas, l'eau doit constituer 5 à 35%, en poids, du combustible émulsionné total, préférablement 10 à 30% environ, et plus préférablement 15% environ.
  • L'ensemble d'additifs de l'invention doit comprendre au minimum des quantités spécifiques mineures d'oléate de sorbitan, de polyalkylène-glycol et d'éthoxylate d'alkylphénol. Dans l'une des formes de l'invention, l'ensemble d'additifs comprend également un oxyde métallique et une quantité mineure d'agent de mélange carburant. Cet ensemble d'additifs complet doit être présent dans le combustible émulsionné à un niveau de 0,1% minimum en poids, de préférence de 0,1 à 1,5%. Dans le combustible optimal, l'ensemble d'additifs compte pour 0,1 à 0,5%, en poids. Dans une autre réalisation, l'ensemble d'additifs comprendra un produit aromatique toluénique et un benzène d'alkyle; cet ensemble doit représenter 0,077% environ, en poids, du combustible émulsionné, et de préférence 0,077 à 1,5% environ. Le combustible optimal comportant ce type d'additif contient environ 1%, en poids, d'ensemble d'additifs.
  • L'oléate de sorbitan à choisir de préférence est le sesquioléate de sorbitan, mais d'autres oléates peuvent être utilisés. Le polyalkylène-glycol préférable est le polyéthylène-glycol (mais les glycols tels que le polypropylène et le polybutylène peuvent également être utilisés), d'un poids moléculaire de 300 à 500 environ, de préférence PEG 300. Il est préférable de sélectionner un éthoxylate d'alkylphénol dans le groupe d'éthoxylates d'alkylphénol comportant environ 4 à 15 groupes d'oxydes d'éthylène par molécule; la part d'alkyle doit contenir environ 6 à 22 atomes de carbone, de préférence 8 à 9. Le seul éthoxylate préférable est le nonylphénol d'éthoxylate, qui présente environ 9,5 groupes d'oxyde d'éthylène par molécule. Il est préférable de choisir l'oxyde de magnésium comme oxyde métallique, et le diesel-oil n°2 comme agent de mélange.
  • Le tableau ci-après indique les composants optimum pour obtenir un type de combustible émulsionné suivant l'invention, ainsi que les proportions générales et optimales de ces composants. Tableau 1
    TYPE DE COMPOSANT COMPOSANT(S) OPTIMUM PROPORTIONS GENERALES, EN POIDS PROPORTIONS OPTIMALES, EN POIDS
    Carburant Diesel-oils, essences, kérosènes, mazouts, poussières de charbon 84,7 79
    Eau Eau 5-35 15
    Oléates de sorbitan Sesquioléate de sorbitan 0,05-0,25 0,09
    Polyalkylène-glycol Polyéthylène-glycol 0,05-0,25 0,09
    Ethoxylates d'alkylphénol Ethoxylate de nonylphénol (9,5 moles) 0,05-0,25 0,09
    Oxyde métallique Oxyde de magnésium 0,001-0,010 0,003
    Agent de mélange carburant Diesel-oil n°2 0,010-0,040 0,027
  • En ce qui concerne l'ensemble d'additifs, il est préférable que chaque part d'oléate de sorbitan, de polyalkylène-glycol et d'éthoxylate d'alkylphénol représente 0,1 à 0,5% environ en poids; lorsqu'il est utilisé, l'agent de mélange carburant peut représenter 0,05 à 0,15% environ, en poids, et l'oxyde métallique 0,001 à 0,03% environ.
  • Le tableau suivant montre, pour une autre réalisation de l'invention où l'ensemble d'additifs comprend un produit aromatique toluénique et un benzène d'alkyle, les composants optimum, ainsi que les proportions générales et optimales de ces composants. Tableau 2
    TYPE DE COMPOSANT COMPOSANT(S) OPTIMUM PROPORTIONS GENERALES, EN POIDS PROPORTIONS OPTIMALES, EN POIDS
    Carburant Diesel-oils, essences, kérosènes, mazouts, poussières de charbon 65-95 79
    Eau Eau 5-35 20
    Benzène d'alkyle Benzènes de dialkyle, MW 355-385 0,03-0,075 0,05
    Produits aromatiques toluéniques Toluène 0,05-0,15 0,10
    Oléates de sorbitan Sesquioléate de sorbitan 0,20-0,26 0,25
    Polyalkylène-glycol Polyéthylène-glycol 0,20-0,25 0,23
    Ethoxylates d'alkylphénol Ethoxylate de nonylphénol (9,5 moles) 0,20-0,27 0,24
    Oxyde Métallique Oxyde de magnésium 0,02-0,04 0,03
    Agent de mélange carburant Diesel-oil n°2 0,07-0,12 0,10
  • Les exemples ci-après décrivent les combustibles émulsionnés préférables et les résultats d'essais obtenus avec des combustibles préparés suivant l'invention.
    • Exemple 1
  • Lors de cet essai, une chaudière à mazout servant à produire de l'air chaud pour le séchage de briques a été testée, dans le but de contrôler son niveau de contamination, en utilisant des combustibles émulsionnés suivant l'invention, et en particulier des combustibles formulés avec un ensemble d'additifs tel que décrit au tableau 1. En service normal, la chaudière fonctionnait avec deux brûleurs se réglant automatiquement (avec possibilité de réglage manuel) en fonction des températures nécessaires. Normalement, la chaudière fonctionnait 24 heures sur 24, et consommait en moyenne 52 kg/heure environ de mazout. Un point de prélèvement d'échantillons se trouvait dans le conduit d'évacuation, qui présentait une coupe transversale rectangulaire et un diamètre de 0,24 mètre.
  • Les essais ont été effectués pendant quatre jours consécutifs; les incidents qui sont survenus lors de la prise d'échantillons sont décrits ci-après, et les résultats sont résumés dans le tableau joint.
  • L'additif utilisé pour ces essais se composait de: sesquioléate de sorbitan, 0,30%; polyéthylène-glycol, 0,3%; éthoxylate de nonylphénol (9,5 moles), 0,30%; oxyde de magnésium, 0,01%; diesel-oil n°2, 0,09% - toutes ces proportions étant données en poids. Pour obtenir l'additif, ces matières ont simplement été mélangées. Les combustibles complets ont été réalisés suivant la technique décrite précédemment et au moyen du dispositif de la figure 1.
    • Jour 1
  • Trois échantillons ont été analysés tandis que la chaudière fonctionnait avec du mazout normal (essais à blanc). Lors du premier échantillonnage, la chaudière fonctionnait avec deux brûleurs, tandis que lors des second et troisième échantillonnage un seul brûleur était en service.
  • A 15H25 la chaudière, qui fonctionnait alors avec deux brûleurs, était alimentée en combustible émulsionné se composant (en poids) de 17% d'eau, de 0,3% d'additif et de mazout en appoint. Après une période de transition, à 17H00, les paramètres de combustion étaient enregistrés; ils sont indiqués dans le tableau ci-joint sous "Echantillonnage n°4/Jour 1".
    • Jour 2
  • Deux échantillons ont été prélevés pendant l'utilisation de mazout sans additif (essais à blanc), avec deux brûleurs en fonctionnement, après quoi, à 16H40, un combustible émulsionné identique à celui utilisé le premier jour a été introduit dans la chaudière. A 18H15, les paramètres de combustion étaient échantillonnés, et les résultats observés sont tels qu'indiqués dans le tableau sous "Echantillonnage n°3/Jour 2".
    • Jour 3
  • Pendant cette journée, trois échantillons ont été prélevés tandis qu'étaient utilisés un premier combustible émulsionné contenant 15% d'eau, puis un second combustible émulsionné contenant 20% d'eau, les deux comportant 0,3% de l'additif susmentionné. Les résultats n'ont cependant pas été considérés comme valables à cause des arrêts de la chaudière. A la fin du troisième jour, quatre échantillonnages ont été effectués: deux lorsque la chaudière fonctionnait avec un combustible émulsionné composé de 17% d'eau, de 0,3% d'additif et de mazout en appoint, et deux avec un combustible émulsionné comportant 10% d'eau, 0,3% d'additif et du mazout en appoint. Pendant ces essais, la chaudière fonctionnait avec deux brûleurs, mais à 17H45, la chaudière a été arrêtée et les injecteurs ont été remplacés par des injecteurs propres. A 19H15, les nouveaux injecteurs devaient être nettoyés. Lors du nettoyage, de la sérine a été découverte dans le réservoir, sur le filtre à mazout, et dans tout le circuit d'injection.
    • Jour 4
  • Pendant cette journée, un combustible émulsionné contenant 5% d'eau, 0,3% d'additif et du mazout en appoint a été testé dans les deux premiers échantillonnages. Ensuite, la chaudière a été alimentée en combustible émulsionné comportant 20% d'eau, 0,3% d'additif et du mazout en appoint; ce combustible a été échantillonné deux fois. A 13H00, la chaudière était arrêtée, le filtre à mazout nettoyé, et deux nouveaux échantillons à blanc étaient prélevés.
  • Le tableau en page suivante résume cette description.
    Figure imgb0001
  • Le tableau qui précède confirme que l'utilisation de l'additif améliore l'émission de matières particulaires dans le conduit d'évacuation en la réduisant jusqu'à 25% environ, par comparaison avec les résultats des essais à blanc. Il est cependant impossible de confirmer une nette diminution de l'opacité (Bacharach), qui serait logique compte tenu de la diminution de l'émission de matières particulaires et de matières non brûlées. Cela est attribué à une humidité plus importante dans les gaz émis pendant l'utilisation des combustibles émulsionnés avec additifs conformes à l'invention; la présence d'eau affecte négativement l'efficacité du filtre.
  • La présence de l'additif de l'invention améliore également les émissions de SO2, bien qu'à un degré variable en raison des conditions de fonctionnement de la chaudière même. C'est pourquoi aucune conclusion n'a été tirée en ce qui concerne la réduction proportionnelle; des réductions de 10 à 35% ont cependant été constatées lors des échantillonnages les plus favorables.
  • Au cours des trois premiers jours d'essais, l'effet de l'additif sur les émissions de NO2X n'était pas significatif, et variait selon les conditions de combustion de la chaudière. Le dernier jour, une réduction de 40% du NO2 a été constatée.
  • Il a été observé que la température des gaz évacués était occasionnellement plus élevée lorsqu'un additif était utilisé, et une réduction considérable du monoxyde de carbone a également été relevée dans certains cas (40-45%). Là encore, les conditions changeantes du fonctionnement de la chaudière empêchent de tirer des conclusions définitives sur la réduction du CO.
    • Exemple 2
  • Lors de cet essai, la consommation en combustible de la chaudière décrite à l'exemple 1 a été testée. Tout au long de l'essai, les paramètres suivants ont été maintenus à un niveau constant: température des brûleurs, flamme haute 138°C, flamme basse 139°C; pression pompe 24 kg; pression injecteur 19 kg; température combustible 57°C.
  • Pour pouvoir établir une comparaison appropriée, la chaudière a été mise en service pendant 1 heure avec du mazout normal, sans additifs ni eau. Sa consommation en mazout a été de 71,3 kg. Cette quantité sert de référence pour tous les calculs et analyses réalisés sur les combustibles émulsionnés avec additifs.
  • Trois combustibles émulsionnés séparés contenant respectivement 5%, 10% et 15% d'eau, ainsi que l'additif décrit à l'exemple 1, ont également été testés; les combustibles émulsionnés ont été préparés comme décrit précédemment et au moyen du dispositif de la figure 1. Le tableau ci-après indique les composants de chaque combustible émulsionné et montre les résultats des essais de consommation. Dans le tableau, "Quantité initiale" désigne la quantité de combustible qui était disponible, et "Quantité résidu trouvé dans le réservoir à combustible au bout d'une heure d'essai (l'essai avec le combustible n°3 n'a duré que 52 minutes en raison de problèmes dans la pompe d'injection).
    Figure imgb0002
  • Dans le cas du combustible n°1, la quantité de combustible économisée était de 71,3 - 64,125 = 7,175 kg, soit une économie réelle de combustible de 10,063%. De même dans le cas du combustible n°2, la quantité économisée était de 11,0 kg, soit 15,43%; et dans le cas du combustible n°3, l'économie était de 15,498 kg, soit 21,74%.
    • Exemple 3
  • Des combustibles émulsionnés conformes à l'invention, et en particulier ceux décrits dans le tableau 2, ont été testés dans divers véhicules afin de déterminer les niveaux d'opacité des gaz de combustion par comparaison avec ceux d'un carburant normal. Dans une série d'essais, une Citroën BX de 1991, une Seat Terra 1 de 1990, un camion Magirus et un D7 Caterpillar de 1989 ont été testés. Le carburant utilisé était du gas-oil A pour les essais avec du carburant normal comme pour les essais avec du combustible émulsionné. Les combustibles émulsionnés contenaient les ingrédients optimum indiqués au tableau 2, et avaient été composés au moyen de la technique du mélangeur statique en ligne décrite précédemment.
  • Les opacités étaient mesurées au moyen d'une sonde placée dans le tuyau d'échappement des véhicules. En fait, les essais ont permis de mesurer la teneur en hydrocarbures non brûlés. Les résultats des essais sont résumés ci-après: Tableau 4
    OPACITES
    VEHICULE GAS-OIL A PPM CARBURANT EMULSIONNE PPM REDUCTION %
    Citroën 4,3 0,3 93
    Seat Terra 1 5,1 0,8 84,3
    Magirus 5,5 1,2 78,2
    Caterpillar 6,4 1,2 81,3
  • Dans un autre essai, un véhicule Ford Scorpio de 1990 a été testé avec de l'essence sans plomb octane 97 pure et avec un combustible émulsionné contenant les ingrédients optimum indiqués dans le tableau 2, et avec comme ingrédient "carburant", le même type d'essence sans plomb. Le niveau de pollution en monoxyde de carbone est passé de 20 PPM avec le carburant normal à 0,3 PPM avec le combustible émulsionné, ce qui constitue une réduction de 98,5%. Dans un autre essai sur une autre automobile Ford destiné à comparer de l'essence sans plomb normale et un combustible émulsionné contenant 20% d'eau préparé à partir d'essence sans plomb, le niveau de monoxyde de carbone est passé de 7,5 à 0,25 PPM. Cela constitue une réduction de 96,7%.
  • Une Panda de 1991 a également été testée avec de l'essence sans plomb octane 97 normale et un combustible comparatif qui était l'émulsion optimale à 20% d'eau de l'invention. Le niveau de monoxyde de carbone enregistré lors de l'essai avec l'essence normale était de 7,3 PPM; cette valeur est tombée à 0,3 PPM avec le combustible émulsionné. Le niveau d'hydrocarbures avec l'essence normale était de 270 PPM, et avec le combustible émulsionné de 32 PPM.
  • Une émulsion de diesel-oil comportant 20% d'eau et préparée selon la forme de l'invention décrite au tableau 2 a également été testée sur un camion diesel Ford. Pour cet essai, un flexible connecté à l'échappement du camion a été raccordé à l'entrée d'air de celui-ci, et le moteur fonctionnait donc en utilisant ses propres gaz d'échappement. Le moteur a été maintenu en marche pendant quatre jours sans interruption, du combustible émulsionné étant ajouté périodiquement. Il a été observé après cet essai un très faible niveau de monoxyde de carbone dans l'échappement, et il a été supposé que de l'air était piégé dans l'émulsion. Un essai comparatif a été effectué en utilisant du diesel-oil normal au lieu de l'émulsion; dans ce cas, le moteur s'est arrêté au bout d'une courte période. Le combustible émulsionné a été utilisé à nouveau, et le moteur n'a pas cessé de tourner.
  • Pour un essai sur chaudière, une chaudière industrielle Ferroli modèle 1256 a été utilisée et une comparaison a été réalisée entre du mazout n°5 normal et une émulsion de ce mazout comportant 20% d'eau ainsi que les additifs du tableau 2 indiqués précédemment. L'indice de Bacharach (ASTM D 1500) de l'évacuation est passé de 5,2 à 1,4. Le niveau d'hydrocarbures évacués, qui était de 135 mg/m3, a diminué jusqu'à un niveau si bas qu'il était impossible de le mesurer. La température de préchauffage du combustible émulsionné a été réduite de 26% tandis que la température de flamme enregistrée avec le combustible émulsionné n'a diminuée que de 5°C. Cependant, en ouvrant l'entrée d'air de la chaudière, la température a pu être augmentée de 10°C. Les niveaux de NOX, de NO2 et de monoxyde de carbone ont également été mesurés: les niveaux de NOX ont été réduits par un facteur de 25% avec le combustible émulsionné par comparaison avec le combustible normal; les niveaux de CO ont été réduits par un facteur de 69%; et le niveau de NO2 est passé de 505 mg/m3 à 176 mg/m3 avec le combustible émulsionné. La production de vapeur par la chaudière a augmenté en moyenne de 15% avec le combustible émulsionné par comparaison avec le carburant normal. Enfin, le combustible émulsionné a permis de réaliser une économie importante de la consommation de combustible, l'économie moyenne étant de 28%.

Claims (18)

  1. Un combustible émulsionné comprenant des quantités spécifiques de carburant et un ensemble d'additifs en quantité mineure, ledit combustible contenant de 5 à 35 %, en poids, d'eau, l'ensemble d'additifs étant présent dans une proportion de 0,1 % en poids minimum, de préférence de 0,1 % à 1,5 % en poids, et se composant essentiellement de quantités spécifiques d'oléate de sorbitan, de polyalkylène-glycol et d'éthoxylate d'alkylphénol.
  2. Le combustible de la revendication 1, dans lequel ledit carburant est sélectionné dans le groupe des diesels-oils, essences, kérosènes, mazouts et poussières de charbon.
  3. Le combustible de la revendication 1, ledit oléate de sorbitan étant du sesquioléate de sorbitan.
  4. Le combustible de la revendication 3, ledit sesquioléate de sorbitan étant présent dans une proportion de 0,05 à 0,25 % en poids.
  5. Le combustible de la revendication 3, ledit sesquioléate de sorbitan étant présent dans une proportion de 0,20 à 0,25 % en poids.
  6. Le combustible de la revendication 1, ledit polyalkylène-glycol étant du polyéthylène-glycol.
  7. Le combustible de la revendication 6, ledit polyéthylène-glycol étant présent dans une proportion de 0,05 à 0,25 % en poids.
  8. Le combustible de la revendication 6, ledit polyéthylène-glycol étant présent dans une proportion de 0,20 à 0,25 % en poids.
  9. Le combustible de la revendication 1, ledit éthoxylate d'alkylphénol étant de l'éthoxylate de nonyl-phénol.
  10. Le combustible de la revendication 9, ledit éthoxylate d'alkylphénol étant présent dans une proportion de 0,05 à 0,25 % en poids.
  11. Le combustible de la revendication 9, ledit éthoxylate de nonylphénol étant présent dans une proportion de 0,20 à 0,25 % en poids.
  12. Le combustible de la revendication 1, ledit ensemble d'additifs comprenant en outre des quantités mineures spécifiques d'un produit aromatique toluénique et un benzène d'alkyle.
  13. Le combustible de la revendication 12, ledit produit aromatique toluénique comportant du toluène.
  14. Le combustible de la revendication 13, ledit toluène étant présent dans une proportion de 0,05 à 0,15 % en poids.
  15. Le combustible de la revendication 12, ledit benzène d'alkyle se composant d'un mélange de benzènes de dialkyle d'un poids moléculaire de 355 à 385.
  16. Le combustible de la revendication 15, ledit mélange étant présent dans une proportion de 0,03 à 0,075 % en poids.
  17. Une méthode de réduction des gaz polluants résultant de la combustion de carburants et/ou de réduction de la consommation du carburant, ladite méthode se composant des étapes suivantes :
    - Mélange d'une certaine quantité de carburant avec un ensemble d'additifs et préparation à partir du mélange obtenu d'un combustible émulsionné contenant 5 à 35 % en poids, d'eau.
    - Ledit ensemble d'additifs étant présent dans une proportion de 0,1 à 1,5 % en poids, et se composant essentiellement de quantités spécifiques d'oléate de sorbitan, de polyalkylène-glycol et d'éthoxylate d'alkylphénol.
    - Réalisation de la combustion dudit mélange.
  18. Procédé de fabrication de combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'ensemble des additifs est mélangé complètement avec l'hydrocarbure chauffé à une température de 30 à 60° C, avant l'ajout de l'eau, les opérations de mélange se faisant dans un mélangeur statique sous une pression interne supérieure ou égale à 5 x 105 Pa, les ingrédients, à l'exception de l'hydrocarbure, étant utilisés à la température ambiante.
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