PL202335B1 - Ekologiczny, uwodniony dodatek do paliw - Google Patents

Abstract

Ekologiczny, uwodniony dodatek do paliw, zwłaszcza do benzyny, oleju napędowego, oleju opałowego i LPG paliwa gazowego jest mieszaniną uwodnionych olejów fuzlowych, alkoholu etylowego i jonowych i/lub niejonowych emulgatorów oraz korzystnie środków uzupełniających. Charakteryzuje się tym, że zawartość wody w kompozycji wynosi 0,1-10% wagowych, olejów fuzlowych w przeliczeniu na 100% od 0,1-50% wagowych, alkoholu etylowego w przeliczeniu na 100% od 5-95% wagowych i jonowych i/lub niejonowych emulgatorów 0,1-10% wagowych, zaś zawartość środków uzupełniających wynosi do 10% wagowych.

Description

Przedmiotem wynalazku jest ekologiczny uwodniony dodatek do paliw, zwłaszcza do benzyny, oleju napędowego, oleju opałowego i płynnego gazu LPG, będących mieszaniną uwodnionych olejów fuzlowych, alkoholu etylowego i jonowych i/lub niejonowych emulgatorów.

Powszechnie znane jest stosowanie jako dodatku do paliw bezwodnego alkoholu etylowego w iloś ciach przekraczają cych nawet 20%. Korzystnie stosuje się alkohol etylowy otrzymywany w wyniku fermentacji alkoholowej z surowców i/lub odpadów pochodzenia roślinnego, który nosi nazwę bioetanolu. Uwodniony bioetanol nie miesza się z benzyną ani z olejem napędowym. Maksymalna rozpuszczalność wody w benzynie wynosi zaledwie 0,01% i maleje wraz ze spadkiem temperatury. Woda i paliwo silnikowe tworzą dwie odrę bne i nie mieszają ce się z sobą fazy. W temperaturze mniejszej niż 0°C wymraża się nawet owe 0,01% wody rozpuszczone w paliwie, tworząc kryształki lodu, których obecność powoduje szereg problemów eksploatacyjnych. Woda wytrącona z paliwa oraz woda kondensacyjna gromadzi się na dnie zbiornika powodując jego korozję tworząc osady i szlamy, które transportowane z paliwem powodują blokowanie gaźników i systemów wtryskowych.

Niezbędnym staje się więc zastosowanie alkoholu etylowego absolutnego - bezwodnego, minimum 99,8%. Jednak otrzymanie takiego alkoholu jest kosztowne i dość kłopotliwe.

Znane jest też stosowanie bezwodnych olejów fuzlowych, zwłaszcza jako stabilizatora do mieszanek metanolowo-benzynowych. Olej fuzlowy jest to bezbarwna do żółtobrunatnej ciecz o ostrym zapachu (d = około 0.83), temperaturze wrzenia 80-160°C. Olej fuzlowy jest ubocznym produktem fermentacji alkoholowej, wydziela się podczas rektyfikacji surowego spirytusu w ilości 0,1-0,5%. Olej fuzlowy zawiera około 40 różnych związków chemicznych. Do głównych należą alkohole amylowe, butylowe, propylowe, estry kwasów tłuszczowych, wolne kwasy tłuszczowe, niewielka ilość terpenów, furfurolu, zasad pirydynowych i innych składników. Oleje fuzlowe odwadnia się metodą wysalania, rektyfikacji azeotropowej lub heteroazeotropowej.

W polskim opisie patentowym nr 177040 przedstawiony jest sposób wytwarzania ś rodka stosowanego do stabilizowania benzyn silnikowych, zwłaszcza z dodatkiem metanolu i/lub absolutnego etanolu, który polega na tym, że z olejów fuzlowych wodę usuwa się heteroazeotropowo. Znane jest też z polskiego opisu patentowego nr 117 863 paliwo metanolowo-benzynowe, które jako stabilizator zawiera odwodnione oleje fuzlowe. Olej fuzlowy, otrzymany z fermentacji alkoholowej skrobi ziemniaczanej jest odwodniony metodą destylacji azeotropowej z węglowodorami aromatycznymi. Stężenie wody w tak odwodnionym oleju fuzlowym nie przekracza 0,1%. Przedstawione metody usuwania wody z olejów fuzlowych są kłopotliwe w stosowaniu, niebezpieczne, nieekonomiczne i nieracjonalne.

Badania i szereg doświadczeń eksploatacyjnych wykazały, że trwałe wprowadzenie do paliwa węglowodorowego nawet niewielkiej ilości wody posiada szereg wymiernych cech. Jej obecność wywołuje dodatkowe, korzystne procesy, hydrolizy, metanolizacji, pirolizy, reformingu i uwodornienia. Efektem wspomnianych procesów jest niemal całkowite spalanie węglowodorów do mało toksycznych gazów oraz brak sadzy. Należy podkreślić, że szczególnie groźne są cząsteczki sadzy pochodzące z silników Diesla, które wywoł ują choroby nowotworowe i uczuleniowe u ludzi. Dzieje się to dlatego, ż e na cząsteczkach sadzy adsorbują się węglowodory wielopierścieniowe (poliaromaty), które mają silne właściwości kancerogenne. W wysokiej temperaturze spalania woda reaguje m.in. z sadzą wg reakcji:

C + H2O O CO + H2 tworząc wysokoenergetyczne gazy, które łatwo ulegają całkowitemu spaleniu. Dzięki tym wspomnianym procesom woda przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa, zwiększenia mocy silnika oraz powoduje obniżenie temperatury jego pracy co ma znaczący wpływ na obniżenie emisji tlenków azotu. Bezspornym pozostaje więc fakt, że wprowadzenie wody do paliwa przynosi szereg wymiernych cech eksploatacyjnych i ekologicznych. Problem stanowi jedynie eliminacja wymienionych powyżej mankamentów oraz osiągnięcie zwiększonej i trwałej rozpuszczalności wody w paliwie węglowodorowym.

W opisie patentowym USA nr 4,158,551 jako dodatki zwiększające ilość wody w paliwie zastosowano etoksylowane alkilofenole i dietanoloamid kwasu kokosowego. Inny opis patentowy USA nr 4.046.519 zawiera propozycję użycia mieszaniny złożonej z 9 części mono i/lub dioleinianu gliceryny oraz 1 części tlenku dietoksystearyloaminy. W kolejnym opisie patentowym USA do układu benzyna-etanol-woda jako emulgator zastosowano oleinian amonu. Natomiast opis patentowy USA nr 4.808.195 proponuje zastosowanie mieszaniny etoksyetylowanego nonylofenolu, poliglikoli oraz alkoholu i/lub glikolu etylowego. W kolejnym opisie patentowym USA nr 4.384.872 przedstawiono

PL 202 335 B1 dodatek paliwowy będący kombinacją niższego alkanolu z emulgatorem, który zapewnia zwiększone tolerowanie wody w takich kompozycjach paliwowych. Także opis patentowy USA nr 4.516.981 ujawnia kompozycję dyspergującą szlam olejowy, która składa się z alkoholu, eteru glikolu i polioksyetylenowanego fenolu. Ponadto z niemieckiego opisu patentowego DE 33 45 516 do paliwa benzyna 80-95%, etanol do 20% i woda do 2-ch% jest znana wieloskładnikowa kompozycja, która składa się 36-60% n-butanol, 5-26,1% metyloizobutyloketonu i 2-8% emulgatora niejonowego o wskaźniku HLB=8,1, który przedstawia stosunek liczby grup hydrofilowych do liczby grup hydrofobowych w cząsteczce oraz mono lub dioleinianu gliceryny o wskaźniku HLB około 3,3. Przedstawione powyżej kompozycje umożliwiają dość dobre roztworzenie wody w paliwie nawet do 2%, ale obecność niektórych komponentów, zwłaszcza nonylofenolu i glikoli powoduje wydzielanie podczas spalania dużej ilości czarnych, smolistych osadów. Z polskiego opisu patentowego nr 182 259 znane jest paliwo ekologiczne do silników wysokoprężnych, które składa się z estrów metylowych oleju rzepakowego, alkoholu metylowego, węglowodorowego oleju napędowego i eteru glikolowego lub mieszaniny eterów glikolowych. Z kolejnego polskiego opisu patentowego nr 166 935 znany jest dodatek do olejów opałowych, który zawiera 40 do 80 części masowych produktu reakcji neutralizacji i zmydlania kwasów tłuszczowych porafinacyjnych i/lub destylacji oleju talowego z tlenkiem i/lub wodorotlenkiem magnezu i/lub dolomitem prażonym, 15 do 55 części masowych oleju węglowodorowego o temperaturze wrzenia powyżej 210°C i zawartości węglowodorów aromatycznych powyżej 50% masowych, 5 do 45 części masowych wody, 0 do 10 części masowych znanych dodatków poprawiających właściwości olejów opałowych.

W opisie patentowym US 5,782,936 opisano dodatki do LPG paliwa gazowego, które redukują zanieczyszczenia w postaci pyłu i tlenku węgla przez co zwiększają wydajność paliwa. Skład dodatków wyprodukowany jest z łatwo dostępnych i tanich składników takich jak: 97,3-99,4% objętościowych węglowodorów średniej i naftowej destylacji ropy naftowej, 0,3-1,5% objętościowych metanolu i od 0,3 do 1,2% obję toś ciowych oksyetylowanego alkilofenolu.

Celem wynalazku jest opracowanie taniego i uniwersalnego dodatku do paliw benzynowych, olejowych i gazowych umożliwiającego wykorzystanie łatwo dostępnego alkoholu etylowego, odpadowych uwodnionych olejów fuzlowych i jonowych i/lub niejonowych emulgatorów.

Do powszechnie znanych i stosowanych jonowych i lub niejonowych emulgatorów należą: amidy, aminy, estry, glicerydy i sole wyższych kwasów tłuszczowych, produkty etoksylacji alkilofenoli oraz alkoholi, amidów, amin, kwasów i estrów tłuszczowych.

Paliwo węglowodorowe z uwodnionym dodatkiem według wynalazku tworzy klarowne i trwałe nawet w niskich temperaturach mikroemulsyjne paliwa, czyli tworzy emulsje, w których średnice kropelek mają 1,5-150 nm. Rozmiar kropelek jest zatem mniejszy niż długość światła widzialnego i emulsja wydaje się przezroczysta, ponieważ rozpraszanie światła nie zachodzi. Szczególnie zalecanym i cennym składnikiem dodatku są oleje fuzlowe, które dobrze rozpuszczają się w alkoholu etylowym i w paliwach wę glowodorowych oraz częściowo w wodzie przez co doskonale wzmacniają efekt emulsyfikacji wody w paliwie i stabilizacji mikroemulsji - są cennym kosurfaktantem. Oleje fuzlowe zawierają pożądany tlen, są związkami polarnymi i mają pozytywny wpływ na stabilizację parametru prężności par węglowodorów. Temperatura zapłonu, zakres destylacji i względny ciężar właściwy kwalifikują je na wysokiej pozycji dodatków paliwowych.

Ekologiczny, uwodniony dodatek do paliw według wynalazku składa się z kompozycji, w której zawartość wody wynosi 0,1-10% wagowych, olejów fuzlowych w przeliczeniu na 100% od 0,1-50% wagowych, alkoholu etylowego w przeliczeniu na 100% od 5-95% wagowych i jonowych i/lub niejonowych emulgatorów 0,1-10% wagowych oraz korzystnie środków uzupełniających w ilości do 10% wagowych.

Ekologiczny uwodniony dodatek do paliw charakteryzuje się również tym, że jako środki uzupełniające zawiera substancje czyszczące i/lub przeciwpienne, i/lub przeciwżelujące i/lub biobójcze, i/lub substancje zmniejszające temperaturę mętnienia i/lub substancje smarujące i/lub barwniki i/lub inhibitory i/lub środki poprawiające zapłon i spalanie i/lub biokomponenty, zwłaszcza ester metylowy lub etylowy wyższych kwasów tłuszczowych oraz bioetanol, eter etylo-tert-butylowy lub etylo-tert-amylowy.

Niespodziewanie okazało się, że paliwo z dodatkiem według wynalazku w ilości 0,5-50% wagowych w stosunku do paliw węglowodorowych, zawierające uwodnione oleje fuzlowe i alkohol etylowy wielokrotnie lepiej ulega magnetycznej aktywacji w strumieniu pola magnetycznego stałego i/lub zmiennego i/lub wirowego. Silnie polarna woda i polarny alkohol etylowy oraz oleje fuzlowe dodane do

PL 202 335 B1 paliwa węglowodorowego diametralnie zmieniają jego właściwości fizyko-chemiczne, a zwłaszcza stałą dielektryczną i przewodność elektryczną. Polarne, mikroemulsyjne paliwo w strumieniu pola magnetycznego łatwo zmienia swoją chaotyczną strukturę na uporządkowane cząsteczki. Ta selektywna jonizacja i zmiana ładunku elektrycznego polarnego paliwa umożliwia bardzo dokładne wymieszanie go z powietrzem, a w efekcie czego następuje całkowite optymalne spalanie mieszanki paliwowopowietrznej. Dodatkowo stwierdzono, że mikroemulsje wodno-alkoholowo węglowodorowe są bardziej jednorodne i stabilniejsze w czasie jeżeli zostaną poddane magnetycznej obróbce. Spowodowane to jest tym, że w polu magnetycznym spontaniczne ruchy Browna dostarczają sił ścinających wystarczająco do wydłużenia kropelek wody w słupy i spowodowania dalszego podziału czego efektem jest samorzutne otrzymanie drobniejszej i stabilniejszej mikroemulsji.

Uwodniona kompozycja paliwowa posiada szereg korzystnych cech eksploatacyjnych. Do najkorzystniejszych cech można zaliczyć: radykalne zmniejszenie emisji rakotwórczej sadzy, tlenków węgla i azotu oraz innych substancji toksycznych w gazach spalinowych, zmniejszenie zużycia paliwa i tworzących się nagarów oraz polepszenie wzrostu mocy i dynamiki silnika lub zwiększenie mocy cieplnej kotła.

Typowe kompozycje uwodnionych dodatków do paliw węglowodorowych według wynalazku zilustrowane są w następujących przykładach nie ograniczając zakresu ich stosowania, ponieważ mają one wyłącznie charakter ilustracyjny.

P r z y k ł a d 1. Do mieszalnika ze stali nierdzewnej wyposaż onego w mieszadł o wolnoobrotowe przepompowano 120 kg oleju fuzlowego o składzie; alkohol amylowy - mieszanina izomerów 76%, n-butanol 1,4%, izo-butanol 14,5%, n-propanol 2,6% etanolu 0,1% i wody 5,4%, a następnie dodano 35 kg podgrzanego do 60°C monostearynianu glicerolu jako substancji emulgującej typu w/o (woda w oleju) i środka poprawiają cego smarność, 15 kg oleinianu dietyloaminy jako substancji emulgują cej typu o/w (olej w wodzie). Po dokładnym wymieszaniu składników przepompowano jeszcze 380 kg technicznego skażonego bitrexem 94,7% alkoholu etylowego. Całość mieszano jeszcze przez dwie godziny, aż do uzyskania jednolitego roztworu.

P r z y k ł a d 2. Do bezołowiowej Eurosuper 95 dodano 5% objętościowych dodatku przygotowanego zgodnie z przykładem 1, otrzymano jednolity, klarowny roztwór mieszanki benzynowo-alkoholowo-wodnej, praktycznie bez mieszania, tak jak może to mieć miejsce przy wlewaniu dodatku bezpośrednio do zbiornika paliwa. Ta sporządzona mieszanka paliwowa była stabilna przez okres kilku tygodni. Mieszankę tę badano laboratoryjnie na piętnastoletnim silniku samochodu Polonez 1500 cm hamowanym prądnicą 8 KW z licznikiem mocy prądu. Wnioski były następujące; zużycie paliwa w stosunku do samej benzyny zmniejszył o się o 6%, nastąpił o zmniejszenie osadów w gaź niku, zaworach i przepustnicy. Testowane spaliny (bez katalizatora) na ilość węglowodorów (CH), tlenku węgla (CO) i tlenków azotu (NOx) były we wszystkich testach poniżej norm. Dodatkowo spaliny były bezbarwne i bezwonne.

P r z y k ł a d 3. Do benzyny jak w przykładzie 2 dodano 5% objętościowych dodatku przygotowanego według przykładu 1 tylko bez oleju fuzlowego pomimo długiego okresu mieszania w temperaturze pokojowej paliwo to uległo po dwóch godzinach rozwarstwieniu, na górną fazę benzynową i dolną wodno alkoholową.

P r z y k ł a d 4. Do mieszalnika jak w przykł adzie 1 przepompowano 260 kg oleju fuzlowego o składzie jak w przykładzie 1, a następnie dodano 30 kg aminy tłuszczowej oksyetylowanej 5 molami tlenku etylenu pełniącego jednocześnie funkcję emulgatora typu w/o i inhibitora korozji i 10 kg monooleinianu sorbitanu jako emulgatora typu o/w. Po dokładnym wymieszaniu składników dodano 110 kg 95% alkoholu etylowego skażonego 5% dodatkiem butanolu, całość ponownie mieszano w temperaturze pokojowej przez około jedną godzinę.

P r z y k ł a d 5. Do oleju napędowego o liczbie cetanowej 51 dodano 1% obję tościowych dodatku sporządzonego według przykładu 4, otrzymano przezroczysty jednolity płyn, praktycznie bez mieszania tylko z lekkim wstrząśnięciem. Tak sporządzone paliwo do silników z zapłonem samoczynnym było stabilne przez okres 2-ch miesięcy. Paliwo było testowane laboratoryjnie na silniku S-312 wolnossącym, hamowanym prądnicą 8 KW z licznikiem mocy prądu. Stwierdzono, że dodatek według wynalazku powoduje zmniejszenie zużycia paliwa o około 15% i dymienia ponad 75%, dodatkowo znakomite mycie (czyszczenie) końcówek wtryskiwaczy i podwyższenie liczby cetanowej na 54.

Przebadano też wpływ strumienia magnetycznego na powyższe paliwo zawierające 1% uwodnionego polarnego dodatku. Na przewodzie paliwowym zainstalowano magnes stały typu Multimag FE.

PL 202 335 B1

Po wykonaniu serii prób na tym samym silniku i tych samych warunkach stwierdzono dodatkowe jeszcze zmniejszenie zużycia paliwa o 2,5-3% i zadymienia o 10-12%.

P r z y k ł a d 6. Do ciężkiego oleju opałowego, którego temperatura destylacji powyżej 350°C wynosiła 65% dodano 2% dodatku sporządzonego według przykładu 4, otrzymano jednolity klarowny płyn koloru ciemnego bursztynu, po kilku minutowym mieszaniu. Olej ten spalano w piecu grzewczym o mocy 70 KW i badano emisję toksycznych skł adników spalin przy peł nym obciążeniu. W kilkunastodniowych testach otrzymano obniżenie emisji tlenku węgla (CO) o 35% i emisji węglowodorów (CH) o 35-40% w stosunku do powszechnie stosowanego znacznie droż szego lekkiego oleju opalowego (ew. podać nazwę).

P r z y k ł a d 7. Do mieszalnika jak w przykładzie 1 przepompowano 145 kg oleju fuzlowego o skł adzie jak w przyk ł adzie 1, a nastę pnie dodano 25 kg podgrzanego do 55°C kwasu stearynowego oksyetylowanego 7 molami tlenku etylenu pełniącego jednocześnie rolę emulgatora typu w/o i środka poprawiającego smarność i 25 kg monostearynianu sorbitanu jako emulgatora typu o/w. Całość dokładnie wymieszano przez około 2 godziny, a następnie dodano 325 kg surowego spirytusu gorzelnianego zawierającego alkohol etylowy, olej fuzlowy i 10% wody. Ponownie mieszano w temperaturze pokojowej przez dwie godziny, aż do uzyskania jednolitego klarownego roztworu o charakterystycznym zapachu.

P r z y k ł a d 8. Do prób wytypowano 12 letni Polonez z silnikiem 1500 cm, którego wcześniejsze zasilanie benzynowe przerobiono na płynny gaz LPG. Ponad to wprowadzono w nim dodatkową dyszę dla oddzielnego wtrysku z oddzielnego zbiornika uwodnionego dodatku sporządzonego według przykładu 7. Ilość dozowanego dodatku regulowano od 0,1 dm³/godzinę do 2,0 dm³/godzinę do w pełni rozgrzanego silnika. Najlepsze wyniki ekonomiczne i ekologiczne uzyskano przy wtrysku około 0,6 dm³/godzinę. Przy tej wielkości wtrysku zużycie płynnego gazu zmalało o 0,9 kg/100 km, silnik pracował bardziej płynnie, dynamicznie i posiadał większą moc. Dodatkowo emisja tlenków azotu (NOx) była zmniejszona o 20-25%, a tlenków węgla (CO), aż o 45-50%.

W celu sprawdzenia wpływu pola magnetycznego na uwodniony polarny dodatek do paliw wykonano dodatkowy eksperyment. Na przewodzie pomiędzy dodatkowym wtryskiem, a zbiornikiem zawierającym dodatek zainstalowano magnes ceramiczny o symbolu M-1C. Silnik ten ponownie poddano różnorakim testom. Najlepsze wyniki uzyskano przy wtrysku uwodnionego dodatku około 0,45 dm³/godz. Przy tej wielkości przepływu magnetycznie aktywowanego dodatku zużycie gazu dodatkowo zmalało o 0,6 kg/100 km. Silnik pracował cicho, równomiernie, a jednocześnie bardziej dynamicznie. Emisja tlenków azotu spadła o dodatkowe 15-20%, a tlenków węgla i węglowodorów (CH) spadła do zera. Spaliny były bezbarwne i bezwonne. Powyższe doświadczenie potwierdza pozytywny wpływ strumienia magnetycznego na polarną mieszankę paliwową uwodnionego dodatku w połączeniu z płynnym gazem.

Ekologiczny, uwodniony dodatek do paliw był też testowany eksploatacyjnie ponad rok, w kilkudziesięciu samochodach z zapłonem iskrowym i samoczynnym, których właściciele dobrowolnie zgodzili się na próby. Próby wypadły wręcz rewelacyjnie do najważniejszych zalicza się: radykalne zmniejszenie ilości rakotwórczej sadzy, tlenków węgla i azotu w gazach wylotowych, zmniejszenie tworzenia się osadów i nagaru, zwiększenie smarowności paliwa, a tym samym zmniejszenie zużycia części trących, obniżenie temperatury pracy silnika, a w wielu przypadkach zmniejszenie zużycie paliwa i zwiększenie mocy silnika.

Dodatkowo przeprowadzone praktyczne testy na kilkunastu samochodach produkcji polskiej i zagranicznej z udziałem paliwa według wynalazku i osadzonymi magnesami stałymi na przewodzie paliwowym, wykazały szereg korzystnych właściwości. Polarne paliwo według wynalazku poddane magnetycznej aktywacji spala się całkowicie, nawet bez użycia kosztownych katalizatorów, a spaliny nie zawierają rakotwórczej sadzy oraz toksycznych tlenków węgla i azotu. Zaobserwowano nie tylko brak odkładania się sadzy i nagarów powstałych ze spalania paliwa sporządzonego według wynalazku, ale także stopniowe usuwanie osadów powstałych wyniku spalania benzyny konwencjonalnej z komór spalania, przewodów wydechowych, powierzchni dysz i ś wiec zapł onowych. Dodatkowo zaobserwowano, że paliwo z ekologicznym dodatkiem zapewnia lepszą pracę gaźników i wtrysków paliwa, ułatwia rozruch silnika zwłaszcza na zimno i poprawia dynamikę jazdy.

Claims (2)

1. Ekologiczny, uwodniony dodatek do paliw, znamienny tym, że zawartość wody w kompozycji wynosi 0,1-10% wagowych, olejów fuzlowych w przeliczeniu na 100% od 0,1-50% wagowych, alkoholu etylowego w przeliczeniu na 100% od 5-95% i jonowego i/lub niejonowego emulgatora od 0,1-10% wagowych oraz korzystnie do 10% wagowych środków uzupełniających.

2. Ekologiczny, uwodniony dodatek do paliw według zastrz. 1, znamienny tym, że jako środki uzupełniające zawiera substancje czyszczące i/lub przeciwpienne, i/lub przeciwżelujące i/lub biobójcze, i/lub substancje zmniejszające temperaturę mętnienia i/lub substancje smarujące i/lub barwniki i/lub inhibitory i/lub środki poprawiające zapłon i spalanie i/lub biokomponenty, zwłaszcza ester metylowy lub etylowy wyższych kwasów tłuszczowych oraz bioetanol, eter etylo-tert-butylowy lub etylo-tertamylowy.