FR2797884A1 - Emulsion eau-dans huile des huiles combustibles hydrocarbones, et procedes de combustion amelioree les utilisant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une émulsion de combustible eau-dans-huile contenant un fuel-oil hydrocarboné liquide, de l'eau sous forme de gouttelettes dispersées, et un surfactant émulsionnant.Elle concerne également des procédés pour la préparation d'une telle émulsion de fuel-oil.Application : utilisation de cette émulsion de fuel-oil pour la combustion améliorée de fuel-oils hydrocarbonés liquides dans une zone de combustion.

Description

La présente invention a pour objet des émulsions eau- dans-huile de combustibles hydrocarbonés. La présente invention concerne également la préparation d'émulsions de fuel-oils et leur combustion.

L'utilisation d'émulsions eau-dans-huile (e/h) pour améliorer la combustion de fuel-oils hydrocarbonés est bien connue. Les émulsions eau-dans-huile de combustibles consistent habituellement en une quantité de 10 à 20 d'eau en volume, dispersée sous forme de gouttelettes d'un diamètre prédéterminé dans une phase huileuse continue.

Afin de parvenir à la combustion efficace des combustibles hydrocarbonés, il est nécessaire que le combustible soit "atomisé". L'atomisation est le procédé de dissociation d'un liquide en de nombreuses gouttelettes très petites. Cela provoque l'exposition d'une grande surface du combustible pour son contact avec de l'air de combustion afin de faciliter une combustion totale efficace.

Lors de la combustion d'émulsions eau-dans-huile de fuel-oils, les gouttelettes de combustible atomisé sont soumises à une subdivision supplémentaire en résultat de la vaporisation explosive provoquée par le chauffage rapide de l'eau dispersée dans les différentes gouttelettes de combustible. Les gouttelettes d'eau internes subissent une nucléation spontanée de bulles de vapeur d'eau à des températures bien supérieures à 100 C, ce qui provoque une conversion rapide de la gouttelette d'eau en vapeur d'eau. Cette vaporisation produit alors une puissante onde de choc dans la gouttelette de fuel-oils environnante, ce qui provoque la fragmentation de cette gouttelette en gouttelettes de fuel-oils beaucoup plus petites. Ce phénomène a reçu le nom de "atomisation secondaire".

Afin que l'atomisation secondaire soit la plus efficace dans un procédé de combustion, des gouttelettes d'eau ayant une distribution des dimensions convenablement ajustée sont nécessaires. L'art antérieur révèle que, si un nombre important de gouttelettes d'eau est constitué de gouttelettes trop petites, il est produit lors de la vaporisation de ces gouttelettes une quantité d'énergie insuffisante pour provoquer une atomisation secondaire efficace. L'art antérieur révèle également que des gouttelettes excessivement grandes réduisent le nombre total de gouttelettes disponibles dans l'émulsion pour l'explosion et tendent à provoquer des explosions moins violentes dans les gouttelettes de fuel-oils car la nucléation s'effectue à des températures plus basses.

Les enseignements des brevets antérieurs suggèrent que la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau doit être comprise dans l'intervalle des diamètres de 2 à 10 micromètres pour provoquer une atomisation secondaire efficace. Les concepts des enseignements de l'art antérieur sont doubles . (i) si les gouttelettes ont un diamètre inférieur à 2 micromètres, elles ne se vaporisent pas avec une énergie suffisante pour provoquer la rupture de la gouttelette de fuel-oils en fragments plus petits ; et (ii) si les gouttelettes ont un diamètre supérieur à 10 micromètres, l'émulsion résultante est instable et est donc inefficace. Cependant, l'expérience commerciale pratique a montré que des résultats inconstants sont obtenus avec des émulsions eau-dans-huile de fuel-cils dans lesquelles la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau va de 2 à 10 micromètres.

La présente invention a pour objet des émulsions eau- dans-huile de combustibles qui brûlent avec une efficacité améliorée par rapport aux compositions de l'art antérieur. Conformément à la présente invention, il est proposé une émulsion eau-dans-huile de combustible contenant (a) un fuel-oil hydrocarboné ; (b) environ 5 à environ 20 % en volume d'eau ; dans laquelle une quantité d'au moins 50 % du volume d'eau est présente dans des gouttelettes ayant un diamètre supérieur à environ 10 micromètres ; et (c) une quantité efficace d'un surfactant émulsionnant qui empêche la séparation de l'eau et qui maintient la stabilité de la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau. Avantageusement, la plus grande partie de l'eau est présente dans des gouttelettes ayant un diamètre inférieur à environ 50 micromètres et, de préférence, la plus grande partie des gouttelettes d'eau a un diamètre compris dans l'intervalle d'environ 10 à environ 35 micromètres.

L'association du surfactant émulsionnant, de la quantité d'eau et de la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau produit non seulement une émulsion de combustible de grande qualité en termes de la distribution initiale des dimensions des gouttelettes d'eau, mais garantit également la stabilité de l'émulsion à la fois vis-à-vis de la séparation et de la variation de la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau au cours du stockage, de la manipulation et du transport. Les émulsions de fuel-oils de la présente invention, lorsqu'elles sont utilisés convenablement, permettent non seulement une utilisation améliorée du fuel-oil hydrocarboné mais également l'émission d'une moindre quantité de particules de carbone et de taux étonnamment bas d'oxydes d'azote. Il en résulte non seulement une économie améliorée mais également des conditions d'environnement améliorées dans les régions dans lesquelles ces émulsions de combustibles sont brûlées.

Un autre aspect de la présente invention consiste en un procédé pour la préparation d'émulsions eau-dans-huile de combustibles dans lequel un fuel-oil hydrocarboné liquide est agité avec une quantité d'environ 5 à environ 20 % en volume d'eau et un surfactant émulsionnant qui empêche la séparation de l'eau et qui maintient la stabilité de la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau, dans des conditions de cisaillement efficace pour produire une émulsion eau-dans-huile de combustibles dans laquelle une quantité d'au moins environ 50 % du volume de l'eau est présente dans des gouttelettes ayant un diamètre supérieur à environ 10 micromètres.

Un aspect supplémentaire de la présente invention consiste en des procédés pour la combustion améliorée de fuel-oils hydrocarbonés liquides dans une zone de combustion, l'amélioration comprenant la combustion des émulsions eau-dans-huile de combustibles de la présente invention.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente l'effet de la teneur en eau d'une émulsion de fuel-oils de la présente invention sur la quantité d'émissions de carbone, indépendamment de la charge de la chaudière ; la figure 2 présente des résultats similaires pour une charge de chaudière unique à 55 % ; la figure 3 représente l'effet de la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau sur les émissions de carbone, indépendamment de la charge de la chaudière ; et la figure 4 présente des résultats similaires pour une charge de chaudière unique à 55 %.

Les émulsions de combustibles de la présente invention sont des émulsions eau-dans-huile qui comprennent (i) un fuel-oil hydrocarboné ; (ii) de l'eau, émulsionnée dans le fuel-oil hydrocarboné, la plus grande partie de l'eau dans les gouttelettes ayant des dimensions de particules correspondant à un diamètre supérieur à environ 10 micromètres ; et (iii) un surf actant émulsionnant qui stabilise les gouttelettes d'eau de ces dimensions dans le fuel-oil hydrocarboné en s'opposant à la séparation et qui s'oppose à la variation de la distribution des dimensions des particules.

Pratiquement n'importe quel fuel-oil hydrocarboné liquide peut être utilisé convenablement avec la présente invention. Un fuel-oil hydrocarboné consiste en n'importe quel produit hydrocarboné liquide qui est brûlé dans un four pour engendrer de la chaleur ou qui est utilisé dans un moteur pour engendrer de l'énergie. Le fuel-oil peut être une fraction distillée de pétrole, un résidu provenant d'opérations de raffinerie, un pétrole brut, des huiles dérivées d'une charge végétale d'alimentation ou un mélange de deux ou plus de deux de ces substances. Des exemples de fuel-oils convenables comprennent des fuel-oils résiduels, les huiles de soute, des fuel-oils N 6, des huiles brutes, des huiles végétales et des combustibles diesels. Un fuel- oil résiduel, en particulier un fuel-oil résiduel ayant une viscosité comprise dans l'intervalle d'environ 200 SSF et environ 1000 SSF à 37,7 C.

La quantité d'eau dans les émulsions de la présente invention est comprise dans l'intervalle d'environ 5 % à environ 20 % en volume, sur la base du volume total de l'émulsion eau-dans-huile. La quantité d'eau appréciée est comprise dans l'intervalle d'environ 7 % à environ 14 % en volume. L'eau est dispersée uniformément dans les gouttelettes, la plus grande partie de ces gouttelettes ayant avantageusement un diamètre compris dans l'intervalle d'environ 10 à environ 50 micromètres, de préférence d'environ 15 à environ 35 micromètres.

La stabilité de l'émulsion vis-à-vis de la séparation de l'eau et de la variation de la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau est maintenue en utilisant une quantité efficace d'un surfactant émulsionnant. Le surfactant émulsionnant ajuste la distribution des dimensions de particules et la stabilité de l'émulsion eau-dans-huile de combustibles vis-à-vis de la séparation de l'eau, ce qui améliore alors les propriétés de combustion en résultat d'une atomisation secondaire efficace. Les émulsions eau-dans-huile de combustibles de la présente invention sont formées en utilisant une quantité efficace d'un ou plusieurs surfactants émulsionnants permettant de former des émulsions eau-dans-huile stables avec des fuels-oils hydrocarbonés. Dans ce contexte, une émulsion stable répond à deux impératifs principaux (a) La distribution des dimensions des particules de la phase aqueuse dispersée reste pratiquement constante après la production initiale de l'émulsion dans le système d'émulsionnement. Cela signifie que la distribution des dimensions de particules n'augmente pas de manière appréciable par coalescence des gouttelettes et ne diminue non plus de manière appréciable sous l'action d'un cisaillement appliqué. Aux fins de la présente invention, une augmentation appréciable est définie par une augmentation supérieure à environ 20 %, et une diminution appréciable définie par une diminution supérieure à environ 50 %.

La distribution des dimensions de particules est mesurée convenablement par une méthode microscopique similaire à la méthode ASTM-F-312. En variante, il est possible d'utiliser un analyseur à lumière laser de dimensions de particules tel que l'appareil Microtrac ASVRX100 de Leeds and Northrup. Cet appareil utilise la lumière diffusée provenant d'un faisceau laser projeté à travers un courant de particules pour calculer les dimensions des particules, consistant dans ce cas en gouttelettes d'eau. La quantité et la direction de la lumière diffusées par les particules sont mesurées par un réseau de détecteurs optiques et ensuite analysées par un micro-ordinateur qui calcule la distribution des dimensions des particules dans le courant servant d'échantillon.

(b) La quantité d'eau dans la totalité de l'émulsion reste pratiquement constante au cours d'un stockage de longue durée. Cela signifie que la teneur en eau d'échantillons d'émulsion prélevés dans n'importe quelle partie d'un réservoir de stockage est pratiquement constante, cette teneur ne variant jamais de plus de 20 par rapport à la teneur en eau de départ. La teneur en eau de l'émulsion est mesurée convenablement en utilisant la méthode de centrifugation indiquée dans la norme ASTM-D-4007.

Un surfactant émulsionnant convenable est un surfactant qui, lorsqu'il est mélangé à de l'eau et à un fuel-oil, est capable de produire des émulsions eau-dans- huile comprenant une quantité supérieure à 50 % de l'eau émulsionnée présente dans des goutteletes d'eau ayant un diamètre d'au moins environ 10 micromètres et de préférence inférieure à environ 50 micromètres, avec moins de 15 % en volume de l'eau totale dans les gouttelettes ayant un diamètre inférieur à 5 micromètres. Les émulsions de fuel- oils de la présente invention contiennent un ou plusieurs surf actants émulsionnants à des concentrations comprises classiquement dans l'intervalle d'environ 500 millionièmes à environ 0,2 % en poids de l'émulsion totale.

Les surfactants émulsionnants convenables comprennent des surfactants non ioniques tels que ceux choisis dans les groupes généraux suivants des alkylphénols éthoxylés, des acides gras éthoxylés, des esters gras éthoxylés ou des huiles grasses éthoxylées, des alcools éthoxylés et des esters de glycols éthoxylés, etc. ; des surf actants anioniques tels que ceux choisis dans les groupes généraux suivants : des sulfosuccinates, des sulfates d'esters gras, des sulfonates de pétrole, des esters consistant en phosphates, des alkylarylsulfonates, etc. ; et des surfactants cationiques tels que ceux choisis dans les groupes généraux suivants des dérivés d'imidazoline, des oxydes d'amines, des amines, des amines éthoxylées, des amides, des amides éthoxylés, etc. ; ainsi que leurs mélanges. Les émulsions de fuel-oils appréciées contiennent un mélange d'au moins un surfactant non ionique, d'au moins un surfactant anionique et d'au moins un surfactant cationique. Ce mélange est lui-même inhabituel, car l'homme de l'art reconnaîtra que les mélanges de surfactants anioniques et cationiques ne sont habituellement pas stables et, dans la pratique classique, sont habituellement évités.

Description générale du procédé Les combustibles en émulsions de la présente invention sont produits en utilisant un système d'émulsionnement statique qui a été conçu pour fonctionner automatiquement et qui fournit le combustible en émulsion sous forme d'un système "discontinu" ou "continu" dans un intervalle limité de débits du combustible, en fonction de la capacité de conception, tout en maintenant avec précision les rapports d'eau et de surfactant choisis préalablement.

Un fuel-oil est pompé par une pompe de distribution de fuel-oils d'un réservoir de distribution de fuel-oils ou d'un conduit de fuel-oils à la chambre de prémélange dans laquelle se produit le mélange initial avec l'eau et le surf actant émulsionnant. Une fois déchargée de la chambre de prémélange, l'émulsion grossière est ensuite transformée en le produit final par passage de cette émulsion à travers la chambre de mélange statique. L'eau et le surfactant émulsionnant sont introduits dans le courant de fuel-oil en un rapport allant jusqu'à 20 % (en volume) et 2 % (en poids) du surfactant au combustible en émulsion.

Pompes Le système d'émulsionnement combine avec précision trois substances (le fuel-oil, l'eau et le surfactant émulsionnant) pour la formation de l'émulsion de combustible. Une pompe et une pompe d'appoint sont installées pour amener chaque substance en les proportions correctes au mélangeur.

Pompe de fuel-oil La pompe de fuel-oil est choisie de manière à obtenir le débit de fuel-oil requis à la pression requise pour le fonctionnement du système. Habituellement, la pompe de fuel-oil est une pompe à palette coulissante à déplacement positif. Pompe à eau La pompe à eau est choisie de manière à obtenir le débit d'eau désiré à la pression requise pour le fonctionnement du système. Habituellement, la pompe à eau est une pompe centrifuge. Le débit de la pompe centrifuge peut être limité avec un boisseau étrangleur sans endommager la pompe. Une vanne de réglage automatique est utilisée pour ajuster avec précision le débit de l'eau provenant de la pompe de distribution d'eau.

Pompe de surfactant émulsionnant La pompe de surf actant émulsionnant est choisie de manière à obtenir le débit de surfactant désiré à la pression requise pour le fonctionnement du système. Habituellement, la pompe de distribution de surfactant émulsionnant est une pompe à diaphragme de dosage automatique. On fait varier le débit de la pompe en faisant varier la longueur de course du piston. La pompe est équipée d'un dispositif de positionnement automatique qui permet au régulateur programmable d'ajuster la vitesse d'alimentation en surf actant émulsionnant de la manière requise pour maintenir la proportion chimique désirée.

Chambre de prémélange La chambre de prémélange est un segment de conduit de dimensions appropriées (en fonction de la capacité de conception) avec des orifices d'injection radiaux également espacés. Le fuel-oil dans lequel la quantité désirée de surf actant a été injecté s'écoule à travers la chambre de prémélange. L'eau s'écoule à travers les orifices d'injection à une pression supérieure d'au moins 280 kPa au manomètre à celle du fuel-oil qui pénètre. Le débit de l'eau peut être choisi dans l'intervalle d'environ 5 % à environ 20 % du débit du fuel-oil. La chambre de prémélange disperse uniformément l'eau dans le fuel-oil, en donnant l'émulsion grossière de prémélange. Mélangeur statique L'émulsion prémélangée pénètre dans le mélangeur statique qui met l'émulsion sous sa forme finale. La configuration interne du mélangeur statique est choisie pour produire une émulsion eau-dans-huile dans laquelle une quantité d'au moins 50 % du volume de l'eau est présente dans des gouttelettes ayant un diamètre supérieur à environ 10 micromètres.

Système de régulation Le système de régulation régule automatiquement le rapport eau-huile et le rapport surfactant émulsionnant/combustible en émulsion au point de réglage choisi. La pompe de fuel-oil fonctionne à une vitesse constante. En conséquence, le débit du fueil-oil est relativement constant et varie seulement légèrement sous l'action d'une variation des conditions de fonctionnement (telles que la température du combustible, le niveau dans le réservoir de distribution de fuel-oil ou le niveau dans le réservoir de stockage d'émulsion.

Deux régulateurs sont utilisés dans le système. L'un régule le débit de l'eau et l'autre régule le débit du surfactant émulsionnant. Le régulateur de débit d'eau effectue les opérations suivantes 1. Calcul du rapport eau-huile à partir de la valeur d'entrée de débit d'huile provenant du débitmètre d'huile et de la valeur d'entrée du débit d'eau provenant du débitmètre d'eau.

2. Comparaison du résultat au point de réglage du rapport huile-eau.

3. Transmission d'un signal pour ajuster la vanne de réglage d'eau afin de compenser la différence.

Le régulateur de débit du surf actant émulsionnant effectue les opérations suivantes 1. Réception de la valeur d'entrée de débit d'huile. provenant du débitmètre d'huile 2. Calcul du débit de surfactant émulsionnant requis.

3. Transmission d'un signal pour ajuster la longueur de la course de la pompe doseuse de surfactant émulsionnant pour obtenir le débit de surfactant émulsionnant désiré.

Lors de la préparation des émulsions de combustibles de la présente invention, il est important de maintenir les dimensions de particules dans l'intervalle désiré, ce qui est déterminant pour produire un combustible en émulsion eau-dans-huile stable utile. Le dispositif d'émulsionnement produit par Sunbelt Energy de Oragne Park, Floride, est conçu spécialement pour produire un tel combustible en émulsion. Le dispositif d'émulsionnement (i) régule automatiquement la teneur en eau et la teneur en émulsionnant de l'émulsion en valeurs désirées (ii) garantit l'obtention d'une teneur en eau comprise dans les limites de 1 % de la concentration désirée ; (iii) garantit l'obtention d'une vitesse d'injection de surfactant émulsionnant dans les limites de 1 % de la concentration désirée ; (iv) indique les débits de l'huile, de l'eau et du surfactant émulsionnant avec une exactitude de 99 % et une précision de 1 % ; (v) provoque un arrêt automatique lorsque les paramètres choisis, tels que le débit, s'écartent des spécifications et (vi) permet un fonctionnement en modes discontinus ou continus avec un suivi de charge.

Aux fins de la présente invention, l'expression "combustion améliorée" désigne une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : une réduction de l'excès d'air tout en maintenant des performances de combustion efficaces, une réduction des émissions de particules dans l'atmosphère, une réduction de la quantité de carbone imbrûlé dans la cendre, et une réduction de l'encrassement des surfaces de transfert de chaleur, toutes comparativement aux mêmes mesures lors de la combustion du même fuel-oil sous forme non émulsionnée. Les zones de combustion dans lesquelles les émulsions de combustible peuvent être brûlées comprennent des systèmes de chauffage de fours, des chaudières à vapeur, des turbines à gaz, des fours tubulaires rotatifs, des moteurs diesels, des hauts- fourneaux, etc.

<U>Exemple</U> L'exemple suivant décrit un essai effectué sur une émulsion eau-dans-huile d'un combustible dans une usine d'écrêtage à turbine à gaz d'une compagnie de production d'électricité de Floride.

Description de l'usine L'usine d'écrêtage à turbine comporte deux chaudières à vapeur<B>11,3</B> tonne/heure, à une pression de<B>1050</B> kPa au manomètre, qui ont été utilisées pour produire de la vapeur d'eau afin de chauffer les réservoirs de stockage de fuel- oils résiduel en vrac. Les chaudières étaient des chaudières de type B & W FM équipées d'économiseurs. Les canons des brûleurs utilisent de la vapeur d'eau pour l'atomisation et étaient équipés de régulateurs différentiels constants. Les ajustements du rapport air/combustible ont été effectués manuellement dans le système de liaison de clapet de ventilateur et dans les commandes de cames des vannes de réglage de fuel-oils.

Un fuel-oil émulsionné a été produit en utilisant un système d'émulsionnement portable de Sunbelt Energy. Le dispositif a produit un combustible émulsionné à approximativement 189,251/min tout en faisant varier la teneur en eau, les dimensions et la distribution des gouttelettes, et la concentration de surfactants émulsionnants de la manière décrite ci-dessus.

Les combustibles en émulsions utilisés dans l'essai ont été préparés en utilisant la formulation de surf actants émulsionnants suivantes (tous les pourcentages étant exprimés en poids) . 6,3 % d'AEROSOL TR-70, consistant en un ester bis(tridécylique) de sel de sodium d'acide sulfosuccinique actif à 70 % (les 30 % restants étant constitués d'un solvant approprié servant de véhicule).

25,3 % de MIRAMINE TO, consistant en une hydroxyéthylimidazoline du tallbl active à 100 %.

21,2 % de TERGITOL NP-10, consistant en un nonylphénol éthoxylé (10 moles) actif à 100 %.

47,2 % d'un fluide servant de véhicule, consistant en un solvant aromatique.

Des combustibles en émulsions ont été préparés à diverses teneurs en eau et à divers taux de surf actants émulsionnants de traitement de la manière décrite dans le présent mémoire. A titre d'exemple spécifique, les constituants d'un combustible en émulsion contenant 10 % d'eau et un taux de surf actant émulsionnant de traitement de 1000 millionièmes étaient les suivants 3406,5 1 de fuel-oil 378,5 1 d'eau 3,785 1 de surf actant émulsionnant On a fait varier la charge de la chaudière par évacuation libre de la vapeur d'eau dans l'atmosphère. La chaudière a été régulée manuellement pour parvenir à une charge constante puisque le système automatique permettait une trop grande variation de charge pour obtenir de bons paramètres d'essais.

Description du combustible Le fuel-oil utilisé dans l'essai était un fuel-oil résiduel de forte viscosité, renfermant 2,5 % de soufre. Le fuel-oil a été fourni par la compagnie de production d'électricité et était le combustible classique utilisé par cette compagnie lors de l'essai.

Essais et dispositif d'essai Emissions de carbone - les émissions de carbone ont été mesurées visuellement, en utilisant des essais de noircissement et en utilisant l'essai EPA N 17 qui est un mode opératoire de prélèvement de gaz de carneau à l'intérieur de la cheminée. Les essais de noircissement ont été effectués en utilisant un analyseur portable de combustion Land 3200. L'essai EPA N 17 a été effectué en utilisant un appareil de prélèvement d'échantillon de gaz de carneau Anderson Universal. Les analyses de la teneur en carbone des particules de gaz de carneau recueillies ont été effectuées en utilisant une méthode de détermination de la perte au feu.

Analyse du gaz de carneau - L'analyse des produits de combustion présents dans le gaz de carneau a été effectuée en utilisant l'appareil d'essai Land 3200 au moyen de cellules électrochimiques étalonnées par rapport à l'air ambiant. Le gaz de carneau a été analysé pour déterminer les teneurs en 02, CO, C02, S02 et NOX approximativement toutes les 15 minutes au cours d'un essai sur du combustible pur de base en ligne ou le combustible émulsionné. Les taux excessifs d'oxygène dans la chaudière ont été régulés en utilisant un analyseur portable de 02 qui était situé à l'entrée de l'économiseur.

Efficacité - Les températures, les pressions et les débits de la vapeur d'eau, du combustible, de l'eau et du gaz de carneau ont été enregistrés au niveau de plusieurs points dans la totalité du système, à la fois automatiquement et manuellement. L'efficacité a été calculée à la fois par la méthode de perte de chaleur et la méthode d'apport de chaleur/sortie de chaleur.

Qualité d'émulsion - La qualité de l'émulsion a été déterminée sur place en utilisant une centrifugeuse pour la teneur en eau et un microscope de grande puissance pour les mesures des dimensions des gouttelettes d'eau. Des échantillons provenant de toutes les productions discontinues de combustible ont été conservés pour un essai plus poussé en laboratoire. Au laboratoire, la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau a été déterminée en utilisant un appareil de diffusion de lumière laser étalonné (un analyseur de dimensions de particules Microtrac de Leeds and Northrup) et la teneur en eau a été déterminée par distillation.

L'analyseur de dimensions de particules Microtrrac de Leeds and Northrup utilisait la lumière diffusée provenant d'un faisceau laser projeté à travers un courant de particules pour calculer les dimensions des particules, consistant dans ce cas en gouttelettes d'eau. La quantité et la direction de lumière diffusée par les particules ont été mesurées par un réseau de détecteurs optiques et ont été ensuite analysées par un micro-ordinateur qui calcule la distribution des dimensions des particules dans le courant servant d'échantillon. L'analyseur de dimensions de particules permet de mesurer des dimensions de particules correspondant à des diamètres allant de 0,12 à 704 micromètres. Un microscope peut également être utilisé pour mesurer les dimensions des particules et la distribution des dimensions des particules.

Collecte des données - Des données ont été collectées à une fréquence d'approximativement toutes les 5 minutes à approximativement toutes les 15 minutes au cours du prélèvement d'échantillons dans la cheminée. Chaque prélèvement d'échantillons dans la cheminée a nécessité 40 à 90 minutes de combustion ininterrompue après la stabilisation dans les conditions d'essai. Les résultats présentés pour un essai particulier consistent en la moyenne des données rassemblées dans cet essai.

Résultats Emissions de carbone en fonction de la teneur en eau La figure 1 montre que l'augmentation de la teneur en eau du combustible en émulsion provoque une diminution de la quantité des émissions de carbone quelle que soit la charge de la chaudière. La figure 2 présente des résultats similaires mais seulement à une charge de chaudière unique de 55 %. Habituellement, les chaudières fonctionnent plus efficacement à une plus forte charge.

Emissions de carbone en fonction des dimensions des gouttelettes d'eau de l'émulsion - La figure 3 montre l'effet des dimensions moyennes des gouttelettes d'eau de l'émulsion sur la réduction des émissions de carbone. Cette corrélation est constante quel que soit le pourcentage d'eau. La figure 3 présente les résultats à toutes les charges de la chaudière, tandis que la figure 4 présente des résultats similaires seulement à une charge de 55 Qualité de l'émulsion Les résultats des essais de combustion indiquent que l'utilisation d'émulsions eau-dans-huile améliore les performances de combustion et diminue les émissions de carbone sans que cela soit au détriment de l'efficacité. Il est manifeste d'après les figures 1 à 4 que le degré d'amélioration est directement proportionnel à la qualité de l'émulsion, définie par la teneur en eau et la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau. Les résultats de cette étude montrent que, contrairement aux enseignements de l'art antérieur, les performances de combustion s'améliorent lorsque les dimensions des gouttelettes d'eau augmentent jusqu'à un diamètre d'environ 40 à 50 micromètres dans l'émulsion de combustible.

on a fait varier les distributions des dimensions des gouttelettes d'eau dans un intervalle de diamètres de 1 à 60 micromètres. Il est important de noter que les dimensions des particules du combustible en émulsion ont été déterminées sur la base d'un échantillon d'émulsions de combustible prélevé au niveau des buses du brûleur, juste avant de pénétrer dans la chambre de combustion. Les dimensions des gouttelettes d'eau telles qu'elles sont délivrées à l'extrémité du brûleur sont déterminées par une association du cisaillement auquel est soumis le mélange au cours de la production initiale de l'émulsion de combustible et du passage à travers les systèmes de distribution et d'atomisation de combustible.

Les distributions des dimensions des gouttelettes d'eau, avec des dimensions moyennes des gouttelettes d'eau correspondant à un diamètre atteignant 24 micromètres, ont mis en évidence une amélioration des performances de combustion. Lorsque les dimensions moyennes des gouttelettes d'eau correspondent à un diamètre avoisinant 35 micromètres, l'aptitude à maintenir la stabilité de l'émulsion en s'opposant à la séparation de l'eau a diminué. Des gouttelettes de plus de 50 micromètres de diamètre étaient extrêmement difficiles à stabiliser dans une émulsion eau-dans-huile. Les dimensions appréciées des particules consistant en gouttelettes d'eau correspondent à des diamètres compris dans l'intervalle de 10 à 50 micromètres et, dans une forme de réalisation particulièrement appréciée, à des diamètres de 10 à 35 micromètres.

Ce qui précède établit que la raison des améliorations des performances de combustion d'une émulsion de combustible eau-dans-huile a des dimensions de gouttelettes correspondant à un diamètre supérieur à 10 micromètres consiste en l'effet auparavant non apprécié des différences des dimensions des particules des émulsions brûlées.

Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.

Claims (25)

<U>REVENDICATIONS</U>

1. Emulsion de combustible eau-dans-huile, caractérisée en ce qu'elle comprend un fuel-oil hydrocarboné liquide ; environ 5 à environ 20 pour cent en volume d'eau sous forme de gouttelettes dispersées dans le fuel-oil, une quantité d'au moins environ 50 % du volume de l'eau étant présente dans des gouttelettes ayant un diamètre supérieur à environ 10 micromètres ; et une quantité efficace d'un surfactant émulsionnant qui empêche la séparation de l'eau et qui maintient la stabilité de la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau dans l'émulsion.

2. Emulsion de combustible suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'une quantité d'environ 90 % du volume de l'eau est présente dans des gouttelettes ayant un diamètre non supérieur à environ 50 micromètres.

3. Emulsion de combustible suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'une quantité d'au moins environ 50 % du volume de l'eau est présente dans des gouttelettes ayant un diamètre compris dans l'intervalle d'environ 10 à environ 35 micromètres.

4. Emulsion de combustible suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'eau est présente en une teneur d'environ 7 à environ 14 pour cent en volume.

5. Emulsion de combustible suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le fuel-oil hydrocarboné liquide est choisi dans le groupe consistant en des fuel-oils résiduels, des huiles de soute, des fuel-oils N 6, des huiles brutes, des huiles végétales et un combustible diesel.

6. Emulsion de combustible suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le fuel-oil hydrocarboné liquide consiste en un fuel-oil résiduel:

7. Emulsion de combustible suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le fuel-oil résiduel a une viscosité comprise dans l'intervalle d'environ 200 SSF à environ 1000 SSF à 37,7 C.

8. Emulsion de combustible suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le surfactant émulsionnant est choisi dans le groupe consistant en des surf actants non ioniques, des surfactants anioniques, des surfactants cationiques et leurs mélanges.

9. Emulsion de combustible suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le surfactant émulsionnant consiste en un mélange d'au moins un surfactant non ionique, d'au moins un surf actant anionique et d'au moins un surf actant cationique.

10. Emulsion de combustible suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le surfactant émulsionnant comprend environ 6,3 en poids d'un ester bis(tridécylique) de sel de sodium d'acide sulfosuccinique actif à 70 %, environ 25,3 % en poids d'une hydroxyéthylimidazoline de tallôl active à 100 % et environ 21,2 % en poids d'un nonylphénol éthoxylé (10 moles) actif à 100 % dans un solvant aromatique.

11. Emulsion de combustible suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le surfactant émulsionnant est présent en une teneur comprise dans l'intervalle d'environ 500 millionièmes à environ 0,2 % en poids.

12. Procédé pour la combustion améliorée de fuel-oils hydrocarbonés liquides dans une zone de combustion, caractérisé en ce que l'amélioration comprend une combustion dans la zone de combustion de l'émulsion de combustible eau-dans-huile suivant la revendication 1.

13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la zone de combustion est un système de chauffage de four, une chaudière à vapeur, une turbine à gaz, un four tubulaire rotatif, un moteur diesel ou un haut fourneau.

14. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la combustion améliorée comprend au moins une des caractéristiques consistant en (i) une réduction de l'excès d'air tout en maintenant des performances de combustion efficaces ; (ii) une réduction des émulsions de particules à l'atmosphère ; (iii) une réduction de la quantité de carbone imbrûlé dans la cendre ; et (iv) une réduction de l'encrassement des surfaces de transfert de chaleur.

15. Procédé pour la préparation d'une émulsion de fuel-oils eau-dans-huile, caractérisé par l'agitation d'un fuel-oil hydrocarboné liquide avec une quantité d'environ 5 à environ 20 pour cent en volume d'eau et une quantité efficace d'un surf actant émulsionnant qui empêche la séparation de l'eau et qui maintient la stabilité de la distribution des dimensions des gouttelettes d'eau dans l'émulsion, dans des conditions de cisaillement efficaces pour produire une émulsion eau-dans-huile dans laquelle une quantité d'au moins environ 50 % du volume de l'eau est présente dans des gouttelettes ayant un diamètre supérieur à environ 10 micromètres.

16. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que la quantité de surfactant émulsionnant et les conditions de cisaillement sont efficaces pour produire une émulsion eau-dans-huile dans laquelle une quantité d'au moins environ 90 pour cent du volume de l'eau est présente dans des gouttelettes ayant un diamètre non supérieur à environ 50 micromètres.

17. Procédé suivant la revendication 16, caractérisé en ce que la quantité de surfactant émulsionnant et les conditions de cisaillement sont efficaces pour produire une émulsion eau-dans-huile dans laquelle une quantité d'au moins environ 50 pour cent du volume de l'eau est présente dans des gouttelettes ayant un diamètre compris dans l'intervalle d'environ 10 à environ 35 micromètres.

18. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que le fuel-oil hydrocarboné liquide est agité avec une quantité d'environ 7 à environ 14 pour cent en volume d'eau.

19. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que le fuel-oil hydrocarboné liquide est choisi dans le groupe consistant en des fuel-oils résiduels, des huiles de soute, des fuel-oils N 6, des huiles brutes, des huiles végétales et des combustibles diesel.

20. Procédé suivant la revendication 19, caractérisé en ce que le fuel-oil hydrocarboné liquide est un fuel-oil résiduel.

21. Procédé suivant la revendication 20, caractérisé en ce que le fuel-oil résiduel a une viscosité comprise dans l'intervalle d'environ 200 SSF à environ 1000 SSF à 37,7 C.

22. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que le surfactant émulsionnant est choisi dans le groupe consistant en des surfactants non ioniques, des surfactants anioniques, des surf actants cationiques et leurs mélanges.

23. Procédé suivant la revendication 22, caractérisé en ce que le surfactant émulsionnant consiste en un mélange d'au moins un surf actant non ionique, d'au moins un surfactant anionique et d'au moins un surf actant cationique.

24. Procédé suivant la revendication 23, caractérisé en ce que le surfactant émulsionnant comprend environ 6,3 en poids d'un ester bis(tridécylique) de sel de sodium d'acide sulfosuccinique actif à 70 %, environ 25,3 % en poids d'une hydroxyéthylimidazoline du tallbl active à 100 % et environ 21,2 % en poids d'un nonylphénol éthoxylé (10 moles) actif à 100 % dans un solvant aromatique.

25. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que le surfactant émulsionnant est présent en une quantité comprise dans l'intervalle d'environ 500 millionièmes à environ 0,2 % en poids.