NO174301B

NO174301B - Fremgangsmaate for aa tilveiebringe en forbedret forbrenning i forbrenningsprosesser inneholdende hydrokarbonforbindelser

Info

Publication number: NO174301B
Application number: NO882901A
Authority: NO
Inventors: Arne Lindstroem
Original assignee: Arne Lindstroem
Priority date: 1985-05-14
Filing date: 1988-06-29
Publication date: 1994-01-03
Also published as: DK388988D0; AU6739187A; CN87107774A; AU609383B2; PT86122B; RU2027036C1; WO1988003550A1; SE8502388D0; KR950002348B1; FI104508B; ATE79392T1; NO174301C; JPH02500443A; CN1024016C; FI892219A0; DE3686422T2; KR897000157A; DK388988A; NO882901L; EP0333704A1

Abstract

Fremgangsmåte og et preparat for å tilveiebringe en forbedret forbrenning i forbrenningsprosesser inneholdende hydrokarbonforbindelser for å redusere innholdet av skadelige stoffer i avgassene/utslippene, hvorved det tilsettes et flytende preparat inneholdende 10-80 volum-* av en peroksyd- eller peroksoforbindelse til forbrenningsluften eller brennstoff-luftblandingen.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte som initierer og optimerer forbrenningsprosesser inneholdende hydrokarbonforbindelser og derved reduserer innholdet av skadelige stoffer i avgassene eller utslippene, hvorved det tilføres et flytende preparat inneholdende en peroksyd- eller peroksoforbindelse til forbrenningsluften eller til brennstoff -luftblandingen.

I senere år har miljøforstyrrelser og det høye energifor-bruket fått oppmerksomhet, spesielt på grunn av den dramatisk inntredende skogsdøden. Avgasser har imidlertid alltid vært et problem i tettsteder. På tross av de kontinuerlig forbedrede motorene og oppvarmingsteknikkene med mindre utslipp eller avgasser, har det økende antallet kjøretøyer og forbrenningsanlegg resultert i en total økning av mengden avgasser.

Hovedårsaken til urene avgasser og et høyt energiforbruk er en utilstrekkelig forbrenning. Konstruksjonen av forbrenningsprosessen, effektiviteten av tennsystemet, kvali-teten av brennstoffet og brennstoff-luftblandingen avgjør hvor effektiv forbrenningen blir og hvor mye uforbrente og farlige stoffer gassene inneholder. Forskjellige teknikker benyttes for å redusere mengden av stoffene, f.eks. resirku-leringssystemer og den velkjente katalysatorteknikken som tilveiebringer forbrenning av avgassene utenfor den direkte forbrenningsprosessen.

Forbrenning er et stoffs reaksjon med oksygen (O2) under utvikling av varme. Stoffer som karbon (C), hydrogengass (E2), hydrokarboner og svovel (S) genererer tilstrekkelig varme til å opprettholde forbrenningstemperaturen, mens f.eks. nitrogengass (N2) krever varmetilførsel for å oksyderes.

Ved en høy temperatur, 1200-2500"C og en tilstrekkelig mengde oksygen oppnås en fullstendig forbrenning hvorved hvert stoff opptar en maksimal mengde oksygen. Sluttproduktene er CO2 (karbondioksyd), H2O (vann), SO2 og SO3 (svoveloksyder) og noe NO og NO2 (nitrogenoksyder, N0X). Svovel- og nitrogen-oksydene er ansvarlige for en stor del av forsuringen av miljøet, de er farlige å innånde og spesielt de sistnevnte stjeler energi fra forbrenningsprosessen.

Det er også mulig å oppnå kalde flammer, f.eks. den blå, flakkende flammen fra et stearinlys som slukner, hvor temperaturen bare er ca. 400°C. Oksydasjonen vil da ikke være fullstendig, men sluttproduktene kan være H2O2 (hydrogenperoksyd), CO (karbonmonoksyd) og muligens C (sot). De to siste stoffene er på samme måte som NO skadelige og kan gi fra seg mer energi ved en fullstendig forbrenning.

Bensin er en blanding av hydrokarboner fra råolje med et kokepunkt i intervallet 40-200°C. Den inneholder 2000 forskjellige hydrokarboner med 4-9 karbonatomer.

Den detaljerte forbrenningsprosessen er meget komplisert også for enkle stoffer. Brennstoffmolekylene dekomponeres til mindre enheter, hvorav de fleste er såkalte frie radikaler, dvs. ustabile molekyler som raskt reagerer med f.eks. oksygen.

De viktigste radikalene er oksygenatomet 0:, hydrogenatomet H" og hydroksylradikalen OH*. Spesielt sistnevnte er av meget stor betydning for dekomponering og oksydering av brennstoffet både ved direkte binding til dette og ved fjernelse av hydrogen hvorved vann dannes. ;I begynnelsen av initieringen av forbrenningen dannes vann av disse i overensstemmelse med reaksjonen hvor M er et annet molekyl, f.eks. nitrogen eller en vegg eller overflaten av en tenningspluggelektrode som vannet kolliderer med. Idet vann er et meget stabilt molekyl, kreves en høy temperatur for at dekomponeringen skal finne sted. Et bedre alternativ er å tilsette hydrogenperoksyd som dekomponeres på en tilsvarende måte: ;Denne reaksjonen finner sted mye lettere og ved en lavere temperatur, spesielt på overflater hvorved antenningen av brennstoff-luftblandingen skjer bedre og mer kontrollert. En ytterligere positiv effekt av reaksjonen på en overflate er at hydrogenperoksyd lett reagerer med sot og tjære på veggene og tenningspluggene til karbondioksyd (CO2) hvilket gir rene elektrodeoverflater og bedre gnist. ;Dersom både hydrogenperoksyd og vann tilsettes, tilveie-bringes en drastisk reduksjon av CO i avgassene i overensstemmelse med følgende: ;Fra reaksjon 2) fremgår at vann spiller en katalyserende rolle ved at det senere gjendannes. Ved at hydrogenperoksyd gir et mange tusen ganger høyere innhold av OH-radikaler enn vann, vil trinn 3) akselereres i betydelig grad og fjerne det meste av det dannede CO. Ved dette frigis ekstra energi som virker til å underholde forbrenningen. ;NO og NO2 er meget giftige forbindelser, ca. fire ganger så giftige som karbonmonoksyd. Ved en akutt forgiftning skades lungevevet. NO er et ikke ønsket biprodukt ved forbrenning. I nærvær av vann oksyderes NO til HNO3 og bidrar i denne formen til ca. halvparten av forsuringen, den andre halvparten forårsakes av H2SO4. Et problem er at N0X kan dekomponere ozon i den øvre delen av atmosfæren. ;En stor del av NO kommer fra reaksjonen mellom luftens oksygen og nitrogen ved en høy temperatur og er derfor uavhengig av sammensetningen av brennstoffet. Hvor mye N0X som dannes er dessuten avhengig av hvilke betingelser forbrenningen finner sted under. Dersom temperaturreduksjonen kan finne sted meget langsomt, fører dette til en likevekt ved moderat høye temperaturer og en lavere sluttkonsentrasjon av NO. ;Følgende fremgangsmåter kan anvendes for å holde dannelsen av NO lav. ;1. Forbrenning i to trinn av en brennstoffrik blanding ;2. Lav forbrenningstemperatur ved ;a) stort luftoverskudd ;b) sterk kjøling ;c) resirkulering av forbrenningsgassene ;I den kjemiske analysen av flammer har man ofte observert at ;en konsentrasjon av NO i flammen er mye høyere enn etter. Det finnes en prosess som nedbryter NO. En sannsynlig reaksjon er: ;;Følgelig understøttes dannelsen av N2 ved betingelser som gir høye konsentrasjoner av CH3, dvs. en varm, brennstoffrik flamme. ;Brennstoffer Inneholdende nitrogen, f.eks. i form av heterocykliske hydrokarboner som pyridin, avgir erfarings-messig mer NO. ;Innholdet av N i forskjellige brennstoffer (tilnærmelsesvis): ;I SE-B-429.201 beskrives et flytende preparat inneholdende 1-10 volum-# hydrogenperoksyd hvorved den gjenværende mengden utgjøres av vann, alifatisk alkohol og smøreolje, og eventuelt en korrosjonsinhibitor, hvilket flytende preparat tilføres til forbrenningsluften eller brennstoff-luftblandingen. Ved slike lave innhold av hydrogenperoksyd dannes en utilstrekkelig mengde OH-radikaler for reaksjon med både brennstoffet og det dannede CO. Dessuten oppnås ingen selvantennelse av brennstoffet, derfor er forbedringen av forbrenningen som oppnås sammenlignet med tilsats av bare vann liten. ;I DE-A-2.362.082 beskrives tilsats av et oksydasjonsmiddel, f.eks. hydrogenperoksyd, i forbindelse med forbrenning, imidlertid dekomponeres hydrogenperoksydet til vann og oksygen ved hjelp av en katalysator før det tilføres til forbrennings1uften. ;Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en forbedret forbrenning og derved å minske utslippet av skadelige avgasser i forbindelse med forbrenningsprosesser inneholdende hydrokarbonforbindelser, ved en forbedret initiering av forbrenningen og opprettholdelse av en optimal og fullstendig forbrenning under så fordelaktige betingelser at innholdet av skadelige avgasser sterkt reduseres. ;Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en fremgangsmåte for å tilveiebringe en forbedret forbrenning i forbrenningsprosesser inneholdende hydrokarbonforbindelser for å redusere innholdet av skadelige stoffer i avgassene/utslippene, hvorved et flytende preparat inneholdende en peroksyd- eller peroksoforbindelse og vann tilsettes til forbrenningsluften henholdsvis til brennstoff-luftblandingen. Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at det flytende preparatet inneholder 10-80 volum-# peroksyd- eller peroksoforbindelse, og innføres direkte og separert fra brennstoffet i forbrenningskammeret uten forutgående dekomponering av peroksydet eller peroksoforbindelsen eller alternativt innføres i et forkammer hvor en blanding av brennstoffet og det flytende preparatet antennes utenfor det egentlige forbrenningskammeret. ;Under alkaliske betingelser dekomponerer hydrogenperoksyd til hydroksylradikaler og superoksydioner ifølge ;;Hydroksylradikalene som dannes kan på den ene siden reagere med seg selv, og på den andre siden med superoksydionene eller med hydrogenperoksyd. Disse reaksjonene medfører at det i sin tur dannes hydrogenperoksyd, hydrogengass og hydrogen-peroksydradikaler ved følgende reaksjonsligninger: Det er kjent at pKa for hydroperoksydradikalen er 4,88 ± 0,10, hvilket betyr at alle hydroperoksydradikaler dissosieres til superoksydioner. Superoksydioner kan også reagere med hydrogenperoksyd, med seg selv eller virke som innfangere av dannet singlett oksygen. ;Følgelig dannes oksygengass og hydroksylradikaler og singlett oksygen og hydrogenperoksyd og triplett oksygen og en energiavgang på 22 kcal. Det har også vist seg at nærværet av tunge metallioner ved den katalytiske dekomponeringen av hydrogenperoksyd gir hydroksylradikaler og superoksydioner. ;Ut i fra hva som tidligere er sagt og kjent angis følgende kunnskap om hastighetskoeffisientene, eksempelet som følger omhandler typisk alkan fra bensin. ;Hastighetskoeffisientene for angrep av n-oktan med H, 0 og 0H; ;;Fra eksemplet fremgår at angrepet fra OH-radikalene kan skje raskere og ved en lavere temperatur enn fra H og 0. ;Hastighetskoeffisientene for CO + 0H -» CO2 + H har en uvanlig temperaturavhengighet ved dens negative aktiveringsenergi og høye temperaturkoeffisient. Dette kan skrives som 4,4 * IO<6 >T<1>»<5> exp(3,l/RT). Reaksjonshastigheten ble derved tilnærmet konstant ca. IO<11> cm<3>/mol.s ved temperaturer lavere enn 1000°K, dvs. helt ned til romtemperatur. Ved høyere temperaturer enn 1000°K øker reaksjonshastigheten noen ganger. På grunn av dette er denne reaksjonen den helt dominerende for omvandlingen av CO til CO2 ved forbrenning av hydrokarboner. Den tidlige og fullstendige forbrenningen av CO forbedrer den termiske virkningsgraden.

Et eksempel som illustrerer antagonismen mellom O2 og OH er reaksjonene NH3-H2O2-NO hvor en tilsats av H2<O>2 gir en 90# reduksjon av N0X i oksygen-frie omgivelser. Dersom O2 på den andre siden er tilstede, selv ved en konsentrasjon på bare 2#, reduseres NOx-reduksjonen drastisk.

For tilveiebringelse av OH-radikaler anvendes ifølge oppfinnelsen E2O2 som dissosieres ved ca. 500°C. De har en levetid på maksimalt 20 ms.

Ved en normal forbrenning av etanol forbrukes 70$ av drivstoffet ved en reaksjon med OH-radikaler og 30# med H-atomer. Oppfinnelsen som allerede ved initieringen av forbrenningen tilfører OH-radikaler forbedrer forbrenningen dramatisk ved umiddelbart å angripe brenselet. Ved å tilsette et flytende preparat med et høyt innhold av hydrogenperoksyd (over 10$) finnes det enda tilstrekkelig OH-radikaler for straks å oksydere det dannede CO. Ved lavere innhold av hydrogenperoksyd dannes ikke tilstrekkelig OH-radikaler for reaksjon både med brennstoffet og med CO.

Det flytende preparatet tilføres på en slik måte at det ikke vil forekomme noen kjemisk reaksjon fra væskebeholderen til forbrenningsrommet, dvs. dekomponering av hydrogenperoksyd til vann og oksygengass vil ikke finne sted, men væsken vil i intakt tilstand nå forbrenningen direkte eller alternativt nå til et forkammer hvor en blanding av væsken og brennstoffet antennes utenfor det egentlige forbrenningsrommet.

Dersom konsentrasjonen av hydrogenperoksyd er tilstrekkelig høy (ca. 35$), kan en selvantennelse av brennstoffet finne sted så vel som opprettholdelse av forbrenningen. Antennelsen av væske-brennstoffblandingen kan finne sted ved selvantennelse eller ved kontakt med en katalyserende overflate hvorved tennplugger eller lignende ikke er påkrevet. Antennelsen kan også finne sted ved antennelse med varme-energi, f.eks. en tennplugg, glødelegeme, åpen flamme eller lignende.

Tilsats av en alifatisk alkohol til hydrogenperoksyd kan initiere selvantennelse. Spesielt i forkammersystemer kan dette være ønskelig, hvorved hydrogenperoksydet og alkoholen ikke får blande seg før de når forkammeret.

Ved å anordne en injeksjonsventil for det flytende preparatet for hver sylinder, oppnås en meget nøyaktig og for alle driftsforhold tilpasset dosering av væsken. Ved hjelp av en kontrollenhet som kontrollerer injeksjonsventilene og et antall signalgivere koblet til motoren, som gir signaler til kontrollenheten som representerer posisjonen av veivakselen, motorhastigheten og belastningen, samt eventuelt også inngasstemperaturen, muliggjøres trinnvis injeksjon og synkronisering med åpningen og lukkingen av injeksjonsventilene og dosering av væsken ikke bare avhengig av belastningen og ønsket effektuttak, men også av motorhastigheten og temperaturen av injeksjonsluften, hvilket gir god kjørbarhet under alle driftsforhold. Den flytende blandingen erstatter til en viss grad lufttilførsel.

Et antall sammenligningsforsøk har vært utført for å finne forskjellene i effekt mellom vann og hydrogenperoksydbland-inger (23 henholdsvis 35$). Belastningene som ble valgt tilsvarer kjøring på motorvei og i byer. Forsøksmotoren var en B20E koblet til en vannbremse. Motoren var varmet opp før forsøkene startet.

Ved motorveibelastning steg emisjonene av N0X så vel som CO og HC når hydrogenperoksyd ble byttet med vann. Innholdene av N0X ble redusert med øket mengde hydrogenperoksyd. Også vann reduserte N0X-innholdene, imidlertid var ved denne belastningen fire ganger så mye vann som 23$ hydrogenperoksyd påkrevet for å oppnå den samme reduksjonen av N0X-innholdene.

I bytrafikkbelastning ble 35$ hydrogenperoksyd først tilført, hvorved motorhastighet og moment øket noe (20-30 RPM/0,5-1 Nm).

Ved en endring til 23$ hydrogenperoksyd sank motorhastigheten og momentet samtidig som NOx-innholdet steg. Ved tilsats av rent vann er det vanskelig å holde motoren gående. HC-innholdet øket sterkt.

Følgelig forbedret hydrogenperoksyd forbrenningen samtidig som N0X-innholdene ble redusert. Forsøk utført ved svensk Bilprovning på en SAAB 900i og en Volvo 760 Turbo med og uten tilsats av 35$ hydrogenperoksyd ga følgende resultater med hensyn til emisjon av CO, HC, N0X og CO2. Prosentangivelsene angir resultatet oppnådd med en blanding av hydrogenperoksyd i forhold til resultatet uten tilsats.

Ved forsøk utført med en Volvo 245 GL 4FK/84 hadde bilen ved tomgang et CO-innhold på 4$ og et HC-innhold på 65 ppm uten pulsluft (rensing av avgass). Ved tilsats av en 35$ opp-løsning av hydrogenperoksyd ble CO-innholdet redusert til 0,05$ og HC-innholdet til 10 ppm. Antennelsestimingen var 10° og tomgangs-R.P.M. var 950 i begge tilfeller.

Ved forsøk gjennomført ved Norsk Marinteknisk Forsknings-institutt Å/S i Trondheim ble emisjonen av HC, CO og N0X undersøkt for en Volvo 760 Turbo etter ECE-Regulation No. 15,03 med varm motor ved start med og uten en blanding av 35$ oppløsning av hydrogenperoksyd til forbrenningen.

Forsøksresultater:

Ovenfor har bare anvendelsen av hydrogenperoksyd vært nevnt. Det kan imidlertid antas at en tilsvarende effekt oppnås også med andre peroksyder eller peroksoforbindelser, uorganiske så vel som organiske.

Det flytende preparatet kan ved siden av peroksyd og vann også inneholde opptil 70$ av en alifatisk alkohol med 1-8 karbonat omer og opptil 5$ av en olje inneholdende en korrosjonsinhibitor.

Tilsatsmengden av det flytende preparatet til brennstoffet kan variere fra noen tiendelsprosent av flytende preparat pr. brennstoffmengde opptil noen hundre $. De høyere mengdene anvendes f.eks. for brennstoffer som er vanskelige å antenne. Det flytende preparatet er ment for anvendelse 1 for-brenningsmotorer og andre forbrennlngsprosesser Inneholdende hydrokarbonforbindelser som olje, kull, biomasse osv. i forbrenningsovner for å tilveiebringe en mer fullstendig forbrenning og en reduksjon av innholdende av skadelige stoffer i utslippene.

Claims

1. Fremgangsmåte for å tilveiebringe en forbedret forbrenning i forbrenningsprosesser inneholdende hydrokarbonforbindelser for . å redusere innholdet av skadelige stoffer i avgassene/utslippene, hvorved et flytende preparat inneholdende en peroksyd- eller peroksoforbindelse og vann tilsettes til forbrenningsluften henholdsvis til brennstoff-luftblandingen, karakterisert ved at det flytende preparatet inneholder 10-80 volum-$ peroksyd- eller peroksoforbindelse, og innføres direkte og separert fra brennstoffet i forbrenningskammeret uten forutgående dekomponering av peroksydet eller peroksoforbindelsen eller alternativt innføres i et forkammer hvor en blanding av brennstoffet og det flytende preparatet antennes utenfor det egentlige forbrenningskammeret .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det separat innføres en alifatisk alkohol med 1-8 karbonatomer i forkammeret hvilken alkohol forårsaker selvantennelse av brennstoffet når den blandes med det flytende preparatet.