PL186425B1 - Katalityczna kompozycja polepszająca spalanie paliw oraz sposób wytwarzania tej kompozycji - Google Patents

Abstract

1. Kompozycja polepszajaca spalanie paliwa LPG, znamienna tym, ze sklada sie z przynajmniej jednego katalitycznego tlenku metalu zdyspergowanego w organicznym nos- niku kompatybilnym z paliwem LPG, przy czym jako katalityczny tlenek metalu zawiera mieszanine tlenku chromu (Cr2 O3 ) i tlenku kobaltu (CO3O4); a nosnik organiczny sklada sie glównie z rozpuszczalnika Stoddarda, jak równiez ze srodka emulgujacego, utrzymujacego dyspersje katalitycznego tlenku metalu w rozpuszczalniku Stoddarda i w paliwie LPG, po do- daniu do niego kompozycji. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest katalityczna kompozycja polepszająca spalanie paliw, sposób wytwarzania tej kompozycji oraz jej wykorzystanie. Bardziej szczegółowo, przedmiotem wynalazku jest katalityczny dodatek łączony z paliwem, takim jak LPG (gaz płynny), benzyna

186 425 i olej napędowy, powodujący wydajniejsze spalanie i emisję mniej szkodliwych spalin, oraz sposób wytwarzania tego dodatku i jego wykorzystanie.

Zgłaszający niniejszy wynalazek sprzedawał uprzednio dodatek polepszający spalanie, użyteczny w układach spalania nawęglonego LPG w silnikach spalinowych, takich jak silniki do podnośników widłowych i tym podobne będący mieszaniną wysokotemperaturowego smaru, takiego jak olej o wysokiej temperaturze zapłonu, przynajmniej jednego detergentu lub związku powierzchniowo czynnego i przynajmniej jednego środka emulgującego, włącznie z polarnym rozpuszczalnikiem, takim jak jeden lub kilka alkoholi, w odpowiednim nośniku organicznym, takim jak rozpuszczalnik Stoddarda.

Wynalazek jest ulepszeniem tego preparatu, zezwalającym na pełniejsze utlenienie paliwa podczas spalania w porównaniu do dotychczas stosowanego oraz na polepszenie wydajności energetycznej i zmniejszenie emisji tlenku węgla, cząstek stałych, niespalonych węglowodorów i tym podobne, a także zezwala na stabilne spalanie zachodzące w niższej temperaturze, dzięki czemu zmniejsza się emisja tlenków azotu (NO„).

Wynalazek dostarcza kompozycji polepszającej spalanie paliwa węglowodorowego, składającej się z przynajmniej jednego katalitycznego tlenku metalu, zdyspergowanego w ciekłym nośniku organicznym, kompatybilnym z paliwem węglowodorowym. Katalityczny tlenek metalu jest korzystnie przynajmniej jednym tlenkiem metalu ziem alkalicznych lub tlenkiem metalu przejściowego, szczególnie korzystnie katalityczny tlenek metalu jest wybrany z grupy obejmującej tlenek chromu, tlenek magnezu, tlenek manganu, tlenek kobaltu, tlenek żelaza i mieszaniny tych tlenków. Nośnik organiczny jest korzystnie rozpuszczalnikiem Stoddard. W skład kompozycji korzystnie wchodzi również związek powierzchniowo czynny, środek emulgujący, taki jak polarny rozpuszczalnik organiczny, oraz wysokotemperaturowy smar.

Tlenek metalu lub tlenki metalu działają jako katalizatory spalania paliwa węglowodorowego i przy dodaniu w bardzo małych ilościach, np. 1-50 ppm, skutecznie doprowadzają do osiągnięcia zasadniczo całkowitego utlenienia paliwa i zmniejszenia zanieczyszczającej środowisko emisji, związanej z niecałkowitym utlenianiem.

Katalityczne spalanie paliwa węglowodorowego w obecności tlenku metalu lub tlenków metali według wynalazku odznacza się wielką termiczną bezwładnością, przez co zmniejszona jest dolna granica stabilności płomienia, co zezwala na stosowanie niższej temperatury spalania i zminimalizowanie emisji NO_X.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób spalania paliw węglowodorowych, składający się z następujących etapów: połączenie paliwa węglowodorowego z dyspersją katalitycznego tlenku metalu w ciekłym nośniku organicznym kompatybilnym z paliwem węglowodorowym; oraz spalanie połączonego paliwa węglowodorowego i katalitycznej dyspersji w maksymalnej temperaturze poniżej 1500°C, to korzystne jest aby katalizator na bazie tlenków metali składał się z przynajmniej jednego tlenku metalu przejściowego i tlenku metalu ziem alkalicznych. Szczególnie korzystnie katalityczny tlenek metalu wybrany jest z grupy obejmującej tlenek chromu, tlenek magnezu, tlenek manganu, tlenek kobaltu, tlenek żelaza i mieszaniny tych tlenków, organiczny nośnik składa się z przynajmniej jednego rozpuszczalnika Stoddarda, katalityczna dyspersja zawiera również związek powierzchniowo czynny, polarny rozpuszczalnik organiczny i smar wysokotemperaturowy, jeśli proces spalania jest gaźnikowym spalaniem w silniku spalinowym.

Celem wynalazku jest dostarczenie katalitycznego dodatku polepszającego spalanie, przeznaczonego dla paliw węglowodorowych, takich jak LPG, benzyna i olej napędowy, zezwalającego na osiągnięcie zasadniczo całkowitego utleniania paliwa, nawet jeśli zawiera ono znaczne ilości zanieczyszczeń, takich jak woda, propylen, długołańcuchowe węglowodory, itp..

Innym celem wynalazku jest dostarczenie dodatku polepszającego spalanie, przeznaczonego dla paliw węglowodorowych, znacznie zmniejszającego lub eliminującego emisję zanieczyszczającą środowisko, normalnie powodowaną przez niecałkowite spalanie, oraz zmniejszającego emisję NOx.

18(5425

Innym celem wynalazku jest dostarczenie dodatku polepszającego spalanie, łatwo i tanio wytwarzanego i łączonego z paliwami węglowodorowymi.

Jeszcze innym celem wynalazku jest dostarczenie sposobu spalania paliwa węglowodorowego razem z dodatkiem polepszającym spalanie, w celu zmniejszenia emisji substancji zanieczyszczających środowisko, co związane jest z całkowitym utlenianiem, oraz w celu zmniejszenia wytwarzania i emisji NO_X.

Katalizator według wynalazku, polepszający spalanie paliwa węglowodorowego, składa się z przynajmniej jednego tlenku metalu, korzystnie przynajmniej jednego tlenku metalu lub tlenku metalu przejściowego, włączając w to tlenek chromu, tlenek magnezu, tlenek manganu, tlenek kobaltu, tlenek żelaza i mieszaniny tych tlenków Wymienione tlenki metali są bardzo skuteczne jako katalizatory polepszające spalanie paliwa, ponieważ związki te nie tylko sprzyjaj ą całkowitemu utlenianiu węglowodorów, ale również zezwalaj ą na prowadzenie procesu spalania w niższej temperaturze, nie sprzyjającej tworzeniu NOx, jak również cechują się dobrą stabilnością termiczną.

Proces utleniania przy konwencjonalnym spalaniu płomieniowym paliwa, takiego jak LPG jest reakcją homogeniczną zachodzącą w całej masie fazy gazowej. Przez wprowadzenie katalizatora w proces spalania, zachodzi również heterogeniczne utlenianie na powierzchni katalizatora. Przy doborze odpowiedniego katalizatora możliwe jest zmniejszenie energii aktywacji potrzebnej dla heterogenicznej reakcji katalitycznej do poziomu dużo niższego niż jest to wymagane dla spalania czysto homogenicznego. Na przykład, dla spalania lekkiego paliwa węglowodorowego, takiego jak propan, energia aktywacji homogenicznej reakcji utleniania niekatalitycznego wynosi około 25-50 Kcal/gramomol, a dla heterogenicznej reakcji utleniania katalitycznego wynosi około 11-15 Kcal/gramomol. Znaczne szybkości utleniania heterogenicznego (katalitycznego) mogą być osiągnięte przy temperaturze i stężeniu paliwa dużo niższych niż parametry wymagane dla przebiegu reakcji homogenicznych (niekatality cznych).

W komorze spalania katalitycznego w początkowej fazie reakcja ma charakter głównie katalityczny i szybkość reakcji określona jest szybkością reakcji powierzchniowej. Wraz z przebiegiem reakcji katalitycznej, temperatura gazu i temperatura powierzchni oraz stała szybkości reakcji powierzchniowej (która rośnie wykładniczo z temperaturą) szybko osiągają tak duże wartości, że czynnikiem kontrolującym reakcję katalityczną staje się szybkość transportu reagentów do powierzchni katalizatora. Od tego momentu sumaryczna szybkość reakcji heterogenicznej kontrolowana jest szybkością transportu masy do powierzchni katalizatora. Szybkość uwalniania energii w warunkach kontrolowanych szybkością transportu masy jest typowo o rząd wielkości mniejsza niż uzyskiwana w konwencjonalnym (niekatalitycznym spalaniu). Przy wystarczająco wysokiej temperaturze, szybko osiąganej w procesie spalania, reakcje homogeniczne inicjowane są dodatkowo do heterogenicznych reakcji katalitycznych, wskutek czego spalanie szybko dobiega do końca i szybkości uwalniania energii są porównywalne z konwencjonalnym spalaniem płomieniowym.

Przy stosowaniu dyspersji katalitycznego tlenku metalu według wynalazku możliwe jest przeprowadzanie spalania paliw węglowodorowych, takich jak LPG, benzyna, olej napędowy i olej paliwowy, przy wystarczająco niskiej temperaturze wlotowej i ubogiej mieszance, tak że temperatura wylotowa gazów z procesu spalania jest wystarczająco niska, aby tworzenie się NOx było zminimalizowane, przy czym mimo to spalanie przebiega prawie ze 100% wydajnościją co oznacza niską emisję zanieczyszczeń związanych z niecałkowitym spalaniem.

W doświadczalnej komorze spalania katalitycznego optymalne wyniki katalityczne uzyskano przy stosowaniu tlenku magnezu (metalu ziem alkalicznych) i tlenków metali przejściowych chromu, manganu, kobaltu, żelaza i mieszanin tych tlenków·'. Najaktywniejszym katalizatorem była dwuskładnikowa mieszanina tlenku chromu i tlenku kobaltu (Cr₂O₃-CO₃O₄), przy której uzyskiwano całkowitą konwersję/utlenianie bardzo ubogiej mieszanki paliwowej i stosunek równoważności 0,196 przy niskiej temperaturze wlotowej poniżej 850°C. Stwierdzono, że ta mieszanka katalityczna jest odpowiednia do stosowania przy

186 425 szerokim zakresie stosunku równoważności i temperatur wlotowych dla spalania LPG. Dla tego katalizatora wskaźnik emisji NO_X nigdy nie przekraczał 0,11 gramomola/kg paliwa. Taka wartość wskaźnika emisji jest znacznie mniejsza (o rząd wielkości) niż osiągana w konwencjonalnych układach spalania LPG, włączając w to układy wykorzystujące uprzednie dodatki polepszające spalanie, należące do zgłoszeniodawcy niniejszego wynalazku.

Stosując dyskutowane tlenki metali ziem alkalicznych i metali przejściowych w pewnych przypadkach spalanie było całkowite, a w innych niecałkowite. W przypadkach osiągania całkowitości spalania, poziom emisji NO_X, tlenku węgla i niespalonych węglowodorów był bardzo niski. Stężenia tlenku węgla i niespalonych węglowodorów były tak małe, że nie wykrywano tych związków w testach przeprowadzanych za pomocą chromatografii gazowej, natomiast wskaźnik emisji NOx był zawsze niższy niż 0,11 gramojonów/kg paliwa.

W przypadkach niecałkowitego spalania, zwykle ze względu na pracę w warunkach ograniczeń kinetycznych lub w warunkach ograniczeń określonych transportem masy, głównym składnikiem zanieczyszczającym środowisko były niespalone węglowodory. Małe ilości tlenku węgla zaobserwowano w pewnych przypadkach, w których temperatury wylotowe były wysokie i spalanie niecałkowite. Poziom emisji NOx był zawsze bardzo niski i zależał silnie od temperatury, ale nie przekraczał 0,11 gramojonów/kg paliwa.

W celu połączenia katalitycznych tlenków metali z paliwami węglowodorowymi, katalizatory początkowo dyspergowano w odpowiednim medium organicznym, kompatybilnym z paliwem węglowodorowym. W przypadku paliwa LPG, katalityczne tlenki metali mogą być właściwie zdyspergowane w rozpuszczalniku Stoddarda, korzystnie rozpuszczalniku lub rozpuszczalnikach Stoddarda, razem z wysokotemperaturowym smarem, detergentem lub związkiem powierzchniowo czynnym, oraz polarnym rozpuszczalnikiem, takim jak alkohol. Jedynie bardzo małe ilości katalitycznych tlenków metali potrzebne są do osiągnięcia optymalnych warunków spalania. Jeśli katalityczne tlenki metali dodane są do paliwa węglowodorowego w ilości 1-50 ppm, korzystnie 10-30 ppm, może być osiągnięte całkowite lub zasadniczo całkowite utlenianie/spalanie paliw, przy niskiej temperaturze wlotu i ubogiej mieszance, wskutek czego zmniejszona jest emisja tlenku węgla, niespalonych węglowodorów, cząstek stałych i NOx oraz zwiększona jest wydajność energetyczna dla danej ilości paliwa. Drobnoziarnisty proszek tlenków metali może być zdyspergowany w rozpuszczalniku Stoddarda. Jeżeli proszek tlenku metalu jest zdyspergowany w CGX-4® detergent, związek powierzchniowo czynny i/lub polarny rozpuszczalnik zawarty w tym preparacie również pomaga w utrzymaniu właściwej dyspersji proszku tlenku metalu w medium organicznym. Na przykład, dla osiągnięcia powyżej omówionej charakterystyki spalania, dyspersja katalitycznego tlenku metalu zawierająca 0,5-5% wagowych proszku tlenku metalu w rozpuszczalniku Stoddarda może być dodana do CGX-4®, w stosunku 3-5% objętościowych dyspersji do 95-97% objętościowych CGX-4®. Katalityczny zmodyfikowany dodatek polepszający spalanie łączony jest następnie z paliwem węglowodorowym, takim jak LPG w stosunku 14,8-59,1 cm³/37,85 L. Chociaż mogą być dodawane wyższe stężenia katalitycznych tlenków metali, nie polepsza to bardziej charakterystyki spalania, zwiększając jedynie koszt produkcji dodatku katalitycznego.

Dodatek jest mieszalny i kompatybilny z paliwem LPG i jest łatwo z nim łączony, przez proste wlanie właściwej ilości dodatku do zbiornika paliwa LPG, na przykład przez wlanie 29,57 cm³ do zbiornika zawierającego 37,85 L paliwa.

Dodatek według wynalazku jest szczególnie skuteczny przy stosowaniu do układu gaźnikowego na paliwo LPG ws ilnikach spalinowych. Dodatek jest również skuteczny przy stosowaniu do innych paliw, takich jak benzyna, olej napędowy, olej opałowy, itp. oraz w innych typach spalania, takich jak w układach spalania niegaźnikowego.

186 425

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz Cena 2,00 zł.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kompozycja polepszająca spalanie paliwa LPG, znamienna tym, że składa się z przynajmniej jednego katalitycznego tlenku metalu zdyspergowanego w organicznym nośniku kompatybilnym z paliwem LPG, przy czym jako katalityczny tlenek metalu zawiera mieszaninę tlenku chromu (Cr₂O₃) i tlenku kobaltu (CO3O4); a nośnik organiczny składa się głównie z rozpuszczalnika Stoddarda, jak również ze środka emulgującego, utrzymującego dyspersję katalitycznego tlenku metalu w rozpuszczalniku Stoddarda i w paliwie LPG, po dodaniu do niego kompozycji.
2. 2. Kompozycja według zastrz. 1, znamienna tym, że dodaje się ją do paliwa LPG w ilości, umożliwiającej na uzyskanie stężenia kompozycji w zakresie 1-50 ppm.
3. 3. Kompozycja według zastrz. 1, znamienna tym, że ilość zdyspergowanego katalitycznego tlenku metalu w nośniku organicznym jest < 1,0% wagowych.
4. 4. Kompozycja według zastrz. 1, znamienna tym, że ciekły nośnik organiczny zawiera dodatkowo przynajmniej jeden wysokotemperaturowy smar i związek powierzchniowo czynny.
5. 5. Kompozycja według zastrz. 4, znamienna tym, że ciekły nośnik organiczny jako wysokotemperaturowy smar zawiera olej o temperaturze zapłonu przynajmniej 400°C.
6. 6. Kompozycja według zastrz. 1, znamienna tym, że katalityczny tlenek metalu łączony jest z paliwem LPG w takim stosunku, że jego zawartość w paliwie mieści się w zakresie 10-30 ppm.
7. 7. Kompozycja według zastrz. 1, znamienna tym, że łączona jest z paliwem LPG w ilości wystarczającej do osiągnięcia wskaźnika emisji NO_X < 0,11 gramomola/kg LPG, podczas spalania paliwa LPG.
8. 8. Palna mieszanina paliwa LPG i dyspersji katalitycznego tlenku metalu w ciekłym nośniku organicznym kompatybilnym z paliwem LPG, znamienna tym, że jako katalityczny tlenek metalu zawiera przynajmniej jeden tlenek wybrany z grupy obejmującej tlenki metali ziem alkalicznych i tlenki metali przejściowych; a ciekły nośnik organiczny składa się głównie z rozpuszczalnika Stoddarda, jak również ze środka emulgującego, utrzymującego dyspersję katalitycznego tlenku metalu w rozpuszczalniku Stoddarda i w paliwie LPG.
9. 9. Palna mieszanina według zastrz. 8, znamienna tym, że ciekły nośnik organiczny składa się z 3-5% objętościowych wysokotemperaturowego smaru, 3-5% objętościowych związku powierzchniowo czynnego, 1-3% objętościowych środka emulgującego i z rozpuszczalnika Stoddarda, w ilości uzupełniającej do 100% objętościowych.
10. 10. Sposób spalania paliwa LPG, znamienny tym, że składa się z etapów łączenia paliwa LPG z dyspersją katalitycznego tlenku metalu w ciekłym nośniku organicznym kompatybilnym z paliwem LPG; oraz ze spalania paliwa LPG i dyspersji w temperaturze niższej od 1500°C; przy czym jako katalityczny tlenek metalu stosuje się przynajmniej jeden tlenek wybrany z grupy obejmującej tlenki metali ziem alkalicznych i tlenki metali przejściowych; a ciekły nośnik organiczny składa się głównie z rozpuszczalnika Stoddarda i ze środka emulgującego, utrzymującego dyspersję katalitycznego tlenku metalu w rozpuszczalniku Stoddarda i w paliwie LPG.