RU2794674C1 - Elastic-deformable gel-like fuel - Google Patents

Elastic-deformable gel-like fuel Download PDF

Info

Publication number
RU2794674C1
RU2794674C1 RU2022120227A RU2022120227A RU2794674C1 RU 2794674 C1 RU2794674 C1 RU 2794674C1 RU 2022120227 A RU2022120227 A RU 2022120227A RU 2022120227 A RU2022120227 A RU 2022120227A RU 2794674 C1 RU2794674 C1 RU 2794674C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
gel
oil
polyoxyethylene
aqueous solution
Prior art date
Application number
RU2022120227A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Олегович Глушков
Александр Герасимович Нигай
Кристина Константиновна Паушкина
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2794674C1 publication Critical patent/RU2794674C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: fuel.
SUBSTANCE: elastically deformable gel fuel containing an aqueous solution of polyvinyl alcohol, polyoxyethylene emulsifier, lignite, industrial oil, characterized in that it additionally contains aluminum nanopowder with a particle size of 90-100 nm in the following ratio of initial components, wt.%: polyvinyl alcohol (10% th aqueous solution) 19.6-49; polyoxyethylene 0.4-1; brown coal 1-10; industrial oil 40-50 and aluminum nanopowder 5-20.
EFFECT: expansion of the range of gel-like fuel while improving its parameters.
2 cl, 3 dwg, 1 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к топливной промышленности, в частности к производству гелеобразного топлива, и может быть использовано в качестве растопочного, резервного и основного топлива для сжигания в отопительных и нагревательных бытовых и промышленных установках.The invention relates to the fuel industry, in particular to the production of gel fuel, and can be used as kindling, reserve and main fuel for combustion in heating and heating domestic and industrial installations.

Из заявки WO 2016055814 [опубл. 2016-04-14, МПК C10L 7/04] известно гелеобразное топливо, предназначенное для использования в топливной промышленности, при обогреве или освещении помещений и способ его получения. Гелеобразное топливо, содержит 3 вида компонентов: компонент а), представляющий собой спирт или смесь нескольких спиртов, занимающих от 50 до 98% объема, предпочтительным является этанол, в частности биоэтанол, также может быть использован бутанол или изопропанол, био-бутанол или биоизопропанол; компонент б) полимер, составляющий от 2 до 30% по массе гелевого топлива; компонент в) химический сшивающий агент: от 2 до 30% по массе гелевого топлива, предпочтительно это полиэтиленгликоль диметилакрилат. Гелевое топливо может дополнительно содержать один или более необязательных растворителей, например, воду. Предпочтительно растворитель составляет до 40% по объему геля, оптимально 5% по объему геля. Способ получения гелевого топлива состоит из этапов смешивания вышеупомянутых компонентов, т.е. по меньшей мере одного спирта, по меньшей мере одного мономера и по меньшей мере одного химического сшивающего агента. Компоненты могут быть смешаны в любом порядке. Например, некоторые или все компоненты б) и в) могут быть первоначально смешаны вместе, а затем добавлен компонент a), или все компоненты могут быть смешаны вместе одновременно. Способ может дополнительно включать стадию охлаждения полученной смеси до 0°С или ниже.From WO 2016055814 [publ. 2016-04-14, IPC C10L 7/04] a gel-like fuel intended for use in the fuel industry, for heating or lighting rooms and a method for producing it are known. Gel-like fuel contains 3 kinds of components: component a), which is an alcohol or a mixture of several alcohols, occupying from 50 to 98% of the volume, ethanol is preferred, in particular bioethanol, butanol or isopropanol, bio-butanol or bioisopropanol can also be used; component b) a polymer comprising from 2 to 30% by weight of the gel fuel; component c) chemical crosslinker: 2 to 30% by weight of the gel fuel, preferably polyethylene glycol dimethyl acrylate. The gel fuel may further contain one or more optional solvents such as water. Preferably the solvent is up to 40% by volume of the gel, optimally 5% by volume of the gel. The method for producing gel fuel consists of the steps of mixing the above components, i.e. at least one alcohol, at least one monomer, and at least one chemical crosslinker. The components can be mixed in any order. For example, some or all of components b) and c) may be initially mixed together and then component a) is added, or all components may be mixed together at the same time. The method may further include the step of cooling the resulting mixture to 0° C. or below.

Из заявки WO 2003074935 [опубл. 12.09.2003, МПК C10L 7/04] известен топливный гель и способ его получения. Описано топливо в гелеобразном состоянии, в состав которого входит смесь материала растительного происхождения в сочетании со спиртом, прежде всего этанолом, которая превращается в гель путем добавления метилгидроксипропилцеллюлозы (МГПЦ). Полученный гель горит без дыма, без копоти, без вредных газовых выделений, является не канцерогенным и не агрессивным, не дорогим. Описанное в заявке топливо содержит: гелеобразную смесь не более 95% этанола по массе, полученную из растительного сырья, и не менее 5% воды по массе, дополнительно смесь содержит до 5 мас. % МГПЦ. При получении заявленного топливного геля спирт из растительного сырья, который состоит не более чем на 95% из этанола, смешивается с 5% воды, затем в смесь добавляется сивушное масло и МГПЦ, которое и перемешивают для полного растворения МГПЦ и сивушного масла в смеси. Вязкость геля увеличивается со временем по мере приближения к завершению растворения MHPC и становится постоянной через 5 дней.From WO 2003074935 [publ. 12.09.2003, IPC C10L 7/04] known fuel gel and method for its production. A fuel in a gel state is described, which includes a mixture of vegetable material in combination with alcohol, primarily ethanol, which is gelled by the addition of methylhydroxypropyl cellulose (MHPC). The resulting gel burns without smoke, without soot, without harmful gas emissions, is non-carcinogenic and non-aggressive, not expensive. The fuel described in the application contains: a gel-like mixture of not more than 95% ethanol by mass, obtained from vegetable raw materials, and not less than 5% water by mass, additionally the mixture contains up to 5 wt. % MHPC. Upon receipt of the claimed fuel gel, alcohol from vegetable raw materials, which consists of no more than 95% ethanol, is mixed with 5% water, then fusel oil and MHPC are added to the mixture, which is stirred to completely dissolve MHPC and fusel oil in the mixture. The viscosity of the gel increases with time as it approaches the completion of the MHPC dissolution and becomes constant after 5 days.

Из патента RU2467058 [опубл. 20.11.2012, МПК C10L5/10] на топливные брикеты и способ их формирования известен криогель, который получают на первом этапе процесса получения твердого топливного брикета. Криогель содержит поливиниловый спирт, воду, кокс(уголь) и масло при следующих соотношениях, мас. %: поливиниловый спирт (ПВС) - 5-10; частицы кокса или угля - 30-70; минеральное масло - 3-7; вода - остальное. Там же описан способ получения криогеля, в котором в водный раствор поливинилового спирта добавляют мелкодисперсные углеродсодержащие частицы (кокс, угль) с размерами 0,1-10,0 мм, предварительно пропитанные отработанными нефтепродуктами. Полученную композицию тщательно перемешивают, переносят в металлические ячейки и замораживают при отрицательной температуре (-20°С) в течение 20 часов, затем размораживают 4 часа при комнатной температуре (+20°С) со скоростью 0,15°С/мин, в результате чего получают упругий криогель, наполненный углеродсодержащими частицами, сохраняющий свою структуру до температуры 70°С.From patent RU2467058 [publ. 11/20/2012, IPC C10L5/10] on fuel briquettes and the method of their formation is known cryogel, which is obtained at the first stage of the process of obtaining a solid fuel briquette. The cryogel contains polyvinyl alcohol, water, coke(coal) and oil in the following ratios, wt. %: polyvinyl alcohol (PVA) - 5-10; particles of coke or coal - 30-70; mineral oil - 3-7; water is the rest. It also describes a method for producing a cryogel, in which fine carbon-containing particles (coke, coal) with a size of 0.1-10.0 mm, pre-impregnated with waste oil products, are added to an aqueous solution of polyvinyl alcohol. The resulting composition is thoroughly mixed, transferred to metal cells and frozen at a negative temperature (-20°C) for 20 hours, then thawed for 4 hours at room temperature (+20°C) at a rate of 0.15°C/min, as a result resulting in an elastic cryogel filled with carbon-containing particles, retaining its structure up to a temperature of 70°C.

Из работы [Heat and mass transfer induced by the ignition of single gel propellant droplets. D.O. Glushkov, G.V. Kuznetsova, A.G. Nigay , V.A. Yanovskyb, O.S.Yashutina // Journal of the Energy Institute. - 2019. - Vol. 92. -P. 1944-1944] известно гелеобразное топливо, на основе 95%-ного раствора этанола (теплота сгорания 26,78 МДж/кг, скорость сгорания около 60 кг/(м2⋅час)). Сосновая смола добавлялась в жидкое топливо в качестве гелеобразователя. Это органическое вещество, которое эффективно загущает этанол при растворении в нем. Мелкие частицы алюминия размером 50-250 мм добавлялись в топливо как перспективный компонент для улучшения его характеристик горения, увеличение плотности энергии. Образцы топлива готовили в несколько этапов. Сначала сосновую смолу смешивали с этанолом для растворения в нем. Затем в полученную смесь добавляли мелкодисперсный твердый компонент (частицы алюминия). Компоненты топлива смешивались при температуре около 300 К. Каждый этап смешения компонентов контролировался визуально. На первом этапе перемешивание заканчивалось полным растворением сосновой смолы в этаноле (комков сосновой смолы не было). На втором этапе в топливную смесь постепенно вводили частицы алюминия, что обеспечивало равномерное распределение как жидких, так и твердых компонентов по объему образца топлива. При приготовлении образца гелеобразного топлива массой около 0,25 кг продолжительность первой стадии была не менее 10 мин, а второй в два раза короче. Гомогенизатор со скоростью 2000 об/мин позволил добиться высокой равномерности распределения компонентов по всему объему топлива. Экспериментальное исследование показало, что минимальные температуры воздуха T g , при которых происходило воспламенение гелеобразного топлива лежат в диапазоне от 873 до 943 К. Минимальное время задержки воспламенения t d и наименьшая T g были характерны для гелевого топлива, в состав которого входили мелкие частицы алюминия при следующих пропорциях компонентов: 45% этанол; 45% сосновая смола ; 10% алюминий.From [Heat and mass transfer induced by the ignition of single gel propellant droplets. DO Glushkov, GV Kuznetsova, AG Nigay , VA Yanovskyb, OSYashutina // Journal of the Energy Institute. - 2019. - Vol. 92.-P. 1944-1944] known gel fuel, based on a 95% solution of ethanol (calorific value of 26.78 MJ/kg, combustion rate of about 60 kg/(m 2 ⋅h)). Pine resin was added to the liquid fuel as a gelling agent. This is an organic substance that effectively thickens ethanol when dissolved in it. Small particles of aluminum 50-250 mm in size were added to the fuel as a promising component to improve its combustion characteristics and increase the energy density. Fuel samples were prepared in several stages. First, pine resin was mixed with ethanol to dissolve in it. Then, a finely dispersed solid component (aluminum particles) was added to the resulting mixture. The fuel components were mixed at a temperature of about 300 K. Each stage of mixing the components was controlled visually. At the first stage, mixing ended with the complete dissolution of pine resin in ethanol (there were no lumps of pine resin). At the second stage, aluminum particles were gradually introduced into the fuel mixture, which ensured a uniform distribution of both liquid and solid components over the volume of the fuel sample. When preparing a sample of gel-like fuel weighing about 0.25 kg, the duration of the first stage was at least 10 min, and the second one was two times shorter. A homogenizer with a speed of 2000 rpm made it possible to achieve a high uniformity in the distribution of components throughout the fuel volume. An experimental study showed that the minimum air temperatures Tg at which the ignition of the gel-like fuel occurred in the range from 873 to 943 K. the following proportions of components: 45% ethanol; 45% pine resin; 10% aluminium.

Из работы [Ignition mechanism and characteristics of gel fuels based on oil-free and oil-filled cryogels with fine coal particles. Glushkov D.O., Kuznetsov G.V., Nigay A.G., Yanovsky V.A., Yashutina O.S. // Powder Technology. - 2020. - Vol. 360. - P. 65-79] известно упругодеформируемое гелеобразное топливо, прототип, представляющее собой криогель, содержащее в качестве основного горючего компонента мелкодисперсные твердые частицы угольной пыли и масла. Криогель содержит следующие компоненты в соотношении концентрации, мас. %:From [Ignition mechanism and characteristics of gel fuels based on oil-free and oil-filled cryogels with fine coal particles. Glushkov D.O., Kuznetsov G.V., Nigay A.G., Yanovsky V.A., Yashutina O.S. // Powder Technology. - 2020. - Vol. 360. - P. 65-79] known elastically deformable gel-like fuel, the prototype, which is a cryogel containing fine solid particles of coal dust and oil as the main fuel component. The cryogel contains the following components in the ratio of concentration, wt. %:

водный раствор ПВС (10 мас. %) 37,8aqueous solution of PVA (10 wt.%) 37.8

диспергированный уголь марки 2Б, 30,0dispersed coal grade 2B, 30.0

масло И-40 32,2.oil I-40 32.2.

В качестве твердого горючего компонента использована пыль бурого угля. Процесс приготовления топлива включал приготовление основного компонента всех криогелей - водного раствора поливинилового спирта, формирующего полимерную структуру, которая обусловливает гелеобразное состояние топлива. В качестве эмульгатора использовался полиоксиэтилен, который добавляли в водный раствор ПВС в количестве 4 об. %. Следующим этапом получали эмульсию масла в водном растворе ПВС, в которую затем вводили угольную пыль. Эмульгирование осуществлялось путем перемешивания компонентов высокоскоростной цифровой мешалкой. Полученные эмульсии сохраняли стабильность в течение 3-5 часов до начала формирования гелеобразной структуры топлива. Формирование гелеобразной структуры топлива происходило при реализации последовательных процессов замораживания суспензий и эмульсий при температуре -15°C в течение 12 часов и последующего оттаивания в течение 12 часов при комнатных условиях. Мелкодисперсные капли масла и частицы угля располагались в ячейках сформировавшейся полимерной матрицы. Общее число циклов замораживания/оттаивания гелеобразных топлив составляло 15. Времена задержки зажигания частиц гелеобразных топлив на основе маслонаполненных криогелей (10 % масс. водный раствор ПВС), содержащих частицы угля, при 600°С составляли порядка 5-6 с.Brown coal dust was used as a solid combustible component. The fuel preparation process included the preparation of the main component of all cryogels - an aqueous solution of polyvinyl alcohol, which forms a polymer structure that determines the gel-like state of the fuel. Polyoxyethylene was used as an emulsifier, which was added to an aqueous solution of PVA in an amount of 4 vol. %. The next step was to obtain an oil emulsion in an aqueous solution of PVA, into which coal dust was then introduced. Emulsification was carried out by mixing the components with a high-speed digital mixer. The resulting emulsions remained stable for 3-5 hours until the formation of the gel-like structure of the fuel. The formation of the gel-like structure of the fuel occurred during the implementation of successive processes of freezing suspensions and emulsions at a temperature of -15°C for 12 hours and subsequent thawing for 12 hours at room conditions. Finely dispersed oil drops and coal particles were located in the cells of the formed polymer matrix. The total number of freeze/thaw cycles for gel fuels was 15. The ignition delay times for particles of gel fuels based on oil-filled cryogels (10 wt % aqueous PVA solution) containing coal particles at 600°C were about 5–6 s.

Достоинством всех видов гелеобразного топлива, описанного выше и используемого для бытовых нужд, является его способность сохранять свою форму, гореть без дыма и копоти, простота упаковки, низкая стоимость производства. The advantage of all types of gel-like fuels described above and used for household needs is its ability to retain its shape, burn without smoke and soot, ease of packaging, low production cost.

К недостаткам уже известного гелеобразного топлива следует отнести его невысокие энергетические характеристики, такие как время задержки зажигания, температура горения, теплота сгорания, скорость выгорания.The disadvantages of the already known gel-like fuel include its low energy characteristics, such as ignition delay time, combustion temperature, combustion heat, and burnout rate.

Задачей данного изобретения является разработка топливной композиции с улучшенными энергетическими параметрами, которая может быть использована в качестве растопочного, резервного и основного топлива для сжигания в отопительных и нагревательных бытовых и промышленных установках и является полностью горючей, не генерирует сажу или опасные газы, безвредна для организма человека, поддерживает твердую фазу в процессе хранения, не создает риска возгорания или загрязнения окружающей среды из-за утечки топлива.The objective of this invention is to develop a fuel composition with improved energy parameters, which can be used as a starting, reserve and main fuel for combustion in heating and heating domestic and industrial installations and is completely combustible, does not generate soot or dangerous gases, and is harmless to the human body. , maintains the solid phase during storage, does not create a risk of fire or environmental pollution due to fuel leakage.

Техническим результатом является расширение ассортимента гелеобразного топлива для бытовых и промышленных нужд, при одновременном улучшении его параметров - уменьшении времени задержки зажигания.The technical result is the expansion of the range of gel-like fuel for domestic and industrial needs, while improving its parameters - reducing the ignition delay time.

Технический результат достигается тем, что упругодеформируемое гелеобразное топливо, содержащее водный раствор поливинилового спирта, эмульгатор полиоксиэтилен, бурый уголь, масло индустриальное, дополнительно содержит нанопорошок алюминия с размером частиц 90-100 нм. при следующем соотношении исходных компонентов, мас. %:The technical result is achieved by the fact that the elastically deformable gel-like fuel containing an aqueous solution of polyvinyl alcohol, polyoxyethylene emulsifier, brown coal, industrial oil additionally contains aluminum nanopowder with a particle size of 90-100 nm. at the following ratio of initial components, wt. %:

поливиниловый спирт (10% водный раствор) 19,6-49;polyvinyl alcohol (10% aqueous solution) 19.6-49;

полиоксиэтилен 0,4-1 polyoxyethylene 0.4-1

бурый уголь 1-10;brown coal 1-10;

масло индустриальное 40-50;industrial oil 40-50;

нанопорошок алюминия 5-20;aluminum nanopowder 5-20;

Оптимальным является состав гелеобразного топлива при следующем соотношении исходных компонентов, мас. %:The composition of the gel-like fuel is optimal with the following ratio of initial components, wt. %:

поливиниловый спирт (10% водный раствор) 49;polyvinyl alcohol (10% aqueous solution) 49;

полиоксиэтилен 1polyoxyethylene 1

бурый уголь 1;brown coal 1;

масло индустриальное 44;industrial oil 44;

нанопорошок алюминия 5.aluminum nanopowder 5.

Существенным отличием заявляемого топлива является то, что при заявляемом соотношении компонентов процесс интенсификации зажигания и выгорания гелеобразного топлива реализуется за счет диспергирования капли расплава (Фиг. 1). Эффект диспергирования капли расплава гелеобразного топлива ведет к интенсивному выделению энергии в течение 2-5 с после начала нагрева в достаточно большой по объему области, размеры которой превышают в 7-14 раз начальный размер капли. В начальный момент прогрева в процессе плавления топлива происходит разделение компонентов. На поверхности капли формируется оболочка загустителя. При дальнейшем прогреве топлива в приповерхностном слое возникают пузырьки. При достижении критических условий происходит схлопывание этих пузырьков, которое ведет к диспергированию и образуется большое число мелкодисперсных капель, содержащих частицы угля и металла, которые разлетаются в радиальном направлении. Т.к. процессы фазовых превращений являются эндотермическими, то температура в окрестности этой капли достаточно низкая, поэтому при движении этих мелкодисперсных капель они попадают в область более высоких температур окислителя. В результате диспергирования происходит более интенсивный прогрев частиц, пропитанных горючей жидкостью, более интенсивно формируется горючая газовая смесь, происходит зажигание углеродистых частиц, воспламеняются пары горючей жидкости, далее при достижении высоких температур зажигаются наночастицы металла и соответственно зажигание происходит быстрее, чем горючего в исходном состоянии. Затем процесс горения распространяется по всей области.The essential difference of the claimed fuel is that with the claimed ratio of components, the process of ignition intensification and burnout of the gel-like fuel is realized due to the dispersion of the melt drop (Fig. 1). The effect of dispersing a drop of melted gel-like fuel leads to an intense release of energy within 2–5 s after the start of heating in a region that is sufficiently large in volume, the dimensions of which exceed the initial size of the drop by 7–14 times. At the initial moment of heating in the process of fuel melting, the components are separated. A thickener shell is formed on the surface of the drop. With further heating of the fuel, bubbles appear in the near-surface layer. When critical conditions are reached, these bubbles collapse, which leads to dispersion and a large number of fine droplets containing particles of coal and metal are formed, which scatter in the radial direction. Because Since the phase transformation processes are endothermic, the temperature in the vicinity of this droplet is rather low; therefore, when these finely dispersed droplets move, they fall into the region of higher oxidizer temperatures. As a result of dispersion, more intensive heating of particles impregnated with a combustible liquid occurs, a combustible gas mixture is formed more intensively, carbon particles are ignited, vapors of a combustible liquid are ignited, then, when high temperatures are reached, metal nanoparticles are ignited and, accordingly, ignition occurs faster than the fuel in the initial state. Then the combustion process spreads throughout the area.

Изобретение поясняется следующими графическими материалами.The invention is illustrated by the following graphics.

На Фиг. 1. схематично изображен механизм интенсификации воспламенения заявляемого гелеобразного топлива.On FIG. 1. schematically shows the ignition intensification mechanism of the inventive gel-like fuel.

На Фиг. 2. представлена схема процесса получения гелеобразного топлива.On FIG. 2. a diagram of the process for obtaining gel-like fuel is presented.

На Фиг. 3. приведен график зависимости времени задержки зажигания частиц гелеобразных топлив на основе маслонаполненных криогелей различного состава:On FIG. 3. A graph of the ignition delay time of particles of gel-like fuels based on oil-filled cryogels of various compositions is shown:

1. 49% ПВС; 1% полиоксиэтилен; 1% уголь; масло 44%; 5% алюминий 1. 49% PVA; 1% polyoxyethylene; 1% coal; oil 44%; 5% aluminum

2. 37,044% ПВС; 0,756% полиоксиэтилен; 30% уголь; масло 32,2% 2. 37.044% PVA; 0.756% polyoxyethylene; 30% coal; oil 32.2%

3. 44,1% ПВС; 0,9% полиоксиэтилен; 45% масло; 10% алюминий 3. 44.1% PVA; 0.9% polyoxyethylene; 45% oil; 10% aluminum

4. 47,04% ПВС; 0,96% полиоксиэтилен; 50% масло.4. 47.04% PVA; 0.96% polyoxyethylene; 50% oil.

Заявляемое гелеобразное топливо готовят следующим образом. На первом этапе (Фиг. 1) осуществляется изготовление основы гелеобразного топлива - водного раствора поливинилового спирта. Именно за счет этого компонента формируют полимерную матрицу с твердыми наночастицами полимера в узлах каркасной структуры полимерных связей, которая обуславливает гелеобразное состояние топлива. Порошок ПВС с помощью высокоскоростного лабораторного миксера Модель GJ-3S (Qingdao ChuangMeng Instrument Co., Ltd., Китай) при 1000 об./мин. растворяют в воде. Для интенсификации процесса, во время перемешивания, водный раствор ПВС нагревают до температуры 85°C. Размешивают до полного растворения порошка ПВС и исчезновения осадка. Для стабилизации эмульсии используется эмульгатор полиоксиэтилен (Tween® 80). Его растворяют в водном растворе ПВС в количестве 2 % об. При использовании в качестве дисперсионной среды водных растворов полимера ПВС с массовой концентрацией последнего 10 % получается топливная эмульсия с относительно высокими характеристиками седиментационной устойчивости.The inventive gel fuel is prepared as follows. At the first stage (Fig. 1) is the manufacture of the basis of the gel-like fuel - an aqueous solution of polyvinyl alcohol. It is due to this component that a polymer matrix is formed with solid polymer nanoparticles in the nodes of the framework structure of polymer bonds, which determines the gel-like state of the fuel. PVA powder using high speed laboratory mixer Model GJ-3S (Qingdao ChuangMeng Instrument Co., Ltd., China) at 1000 rpm. dissolve in water. To intensify the process, during stirring, an aqueous solution of PVA is heated to a temperature of 85°C. Stir until complete dissolution of the PVA powder and the disappearance of the precipitate. The emulsifier polyoxyethylene (Tween® 80) is used to stabilize the emulsion. It is dissolved in an aqueous solution of PVA in an amount of 2% vol. When using aqueous solutions of PVA polymer with a mass concentration of the latter of 10% as a dispersion medium, a fuel emulsion with relatively high sedimentation stability characteristics is obtained.

На втором этапе (Фиг. 2) подготавливают эмульсию масла в водном растворе ПВС, в которую вводят угольную пыль. В раствор ПВС порциями (10-15% от общего расчетного объема) вводят масло (объемное соотношение масло/раствор ПВС 1:1). Эмульгирование осуществляют путем перемешивания компонентов при температуре 20°С при помощи гомогенизатора с частотой вращения 11000 об./мин. Каждую следующую порцию масла вводят после полного эмульгирования предыдущей порции в течение 5-10 мин. В приготовленную масляную эмульсию в условиях постоянного перемешивания лопастной мешалкой при 3000 об./мин. порциями (масса каждой 50-75 г) вводят угольную пыль и наночастицы металла. Длительность перемешивания после добавления каждой порции составляет не менее 15 мин. Полученная суспензия сохраняет стабильность в течение 5 часов до начала формирования гелеобразной структуры топлива.At the second stage (Fig. 2), an oil emulsion is prepared in an aqueous PVA solution, into which coal dust is introduced. Oil is introduced into the PVA solution in portions (10-15% of the total calculated volume) (the volume ratio of oil/PVA solution is 1:1). Emulsification is carried out by mixing the components at a temperature of 20°C using a homogenizer with a rotation speed of 11000 rpm. Each next portion of the oil is injected after complete emulsification of the previous portion for 5-10 minutes. In the prepared oil emulsion under constant stirring with a paddle mixer at 3000 rpm. portions (weight of each 50-75 g) introduce coal dust and metal nanoparticles. The duration of mixing after adding each portion is at least 15 minutes. The resulting suspension remains stable for 5 hours before the formation of the gel-like structure of the fuel.

На третьем этапе, приготовленную суспензию подвергают серии последовательных процессов заморозки при температуре минус 15°C в течение 12 часов и последующего оттаивания образца в течение 12 часов при температуре плюс 20°С. В результате мелкодисперсные капли масла, частицы угля и металла располагаются в ячейках сформировавшейся полимерной матрицы. Общее число циклов заморозки и оттаивания упругодеформируемого гелеобразного топлива составляет 15.At the third stage, the prepared suspension is subjected to a series of consecutive processes of freezing at a temperature of minus 15°C for 12 hours and subsequent thawing of the sample for 12 hours at a temperature of plus 20°C. As a result, finely dispersed oil drops, coal and metal particles are located in the cells of the formed polymer matrix. The total number of cycles of freezing and thawing of elastically deformable gel-like fuel is 15.

При изготовлении гелеобразного топлива использовались следующие материалы. Для приготовления водного раствора поливинилового спирта - дистиллированная вода с электропроводностью не более 5 мкСм/см и поливиниловый спирт Kuraray Poval® 15-99 (вязкость 4 % (DIN 53015) - 13,4 мПа⋅с, степень гидролиза - 99,2 %, остаточное содержание ацетила - 0,8 %. производитель Kuraray Co., Ltd, Япония). Применялся эмульгатор Tween® 80, полиоксиэтилен (20) сорбитан моноолеат (Вектон, Россия.) В качестве масла было использовано масло индустриальное И-40А (ГОСТ 20799-88, Россия) со следующими параметрами: кинематическая вязкость - 61-75 сСт (при 40°C); плотность - 868 кг/м3 (при 20°C); зольность - не более 0,005 % масс.; температура замерзания - не выше минус 15°C; температура вспышки - не ниже 220°C. Нанопорошок алюминия был взят с маркировкой V-ALEX (100), что эквивалентно 85-87 % мас. активного алюминия + 8-10 % мас. винилиденфторида и гексафторпропилена + 5-7% мас. оксида алюминия с размером частиц 90-110 нм (производитель Передовые порошковые технологии, Россия). Бурый уголь использовали марки 2Б (разрез «Бородинский», Красноярский край) с результатами технического анализа - влажность 14,11 %, зольность 4,12 %, содержание летучих 47,63 %, низшая теплота сгорания 22,91 МДж/кг; и результатами элементного анализа - C daf=73,25%, H daf=6,52%, N daf=0,79%, S td=0,44%, O daf=18,99%.The following materials were used in the manufacture of gel fuel. To prepare an aqueous solution of polyvinyl alcohol - distilled water with an electrical conductivity of not more than 5 μS / cm and polyvinyl alcohol Kuraray Poval® 15-99 (viscosity 4% (DIN 53015) - 13.4 mPa s, degree of hydrolysis - 99.2%, residual content of acetyl - 0.8% (manufactured by Kuraray Co., Ltd, Japan). The emulsifier Tween® 80, polyoxyethylene (20) sorbitan monooleate (Vekton, Russia) was used. Industrial oil I-40A (GOST 20799-88, Russia) was used as an oil with the following parameters: kinematic viscosity - 61-75 cSt (at 40 °C); density - 868 kg / m 3 (at 20 ° C); ash content - no more than 0.005% wt.; freezing point - not higher than minus 15°C; flash point - not lower than 220°C. Aluminum nanopowder was taken with the marking V-ALEX (100), which is equivalent to 85-87% wt. active aluminum + 8-10% wt. vinylidene fluoride and hexafluoropropylene + 5-7% wt. aluminum oxide with a particle size of 90-110 nm (manufacturer Advanced Powder Technologies, Russia). Brown coal was used grade 2B (Borodinsky open pit, Krasnoyarsk Territory) with the results of technical analysis - moisture content 14.11%, ash content 4.12%, volatile content 47.63%, lower calorific value 22.91 MJ / kg; and elemental analysis results - C daf =73.25%, H daf =6.52%, N daf =0.79%, S td =0.44%, O daf =18.99%.

На фиг. 3. приведены полученные экспериментальные зависимости времени задержки зажигания частиц гелеобразных топлив на основе маслонаполненных криогелей различного состава. Как видно из графика, время задержки зажигания (при 600°С) у гелеобразного топлива, состоящего из ПВС и масла И-40 составляет 16 с (кривая 4). Добавка к этому составу наночастиц алюминия в количестве 10% приводит к значительному уменьшению времени задержки зажигания, при 600°С t d =7 c. (кривая 3). Введение в гелеобразное топливо частиц бурого угля в количестве 30 мас. % позволяет получить гелеобразное топливо со временем задержки зажигания при 600°С td=8 c (кривая 3). Наилучшим параметром времени задержки зажигания t d =6,5 с обладает заявляемый состав, в котором одновременно содержатся и бурый уголь и наночастицы алюминия (кривая 1).In FIG. 3. The obtained experimental dependences of the ignition delay time of particles of gel-like fuels based on oil-filled cryogels of various compositions are given. As can be seen from the graph, the ignition delay time (at 600°C) for a gel fuel consisting of PVA and I-40 oil is 16 s (curve 4). The addition of aluminum nanoparticles to this composition in an amount of 10% leads to a significant decrease in the ignition delay time, at 600°C t d =7 s. (curve 3). Introduction to the gel-like fuel particles of brown coal in the amount of 30 wt. % makes it possible to obtain a gel-like fuel with an ignition delay time at 600°C t d =8 s (curve 3). The best parameter of the ignition delay time t d =6.5 s has the inventive composition, which simultaneously contains brown coal and aluminum nanoparticles (curve 1).

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.The invention can be illustrated by the following examples.

Пример 1. Было изготовлено гелеобразное топливо при следующем соотношении исходных компонентов, мас. %:Example 1 Was made gel fuel with the following ratio of initial components, wt. %:

поливиниловый спирт (10% водный раствор) 49;polyvinyl alcohol (10% aqueous solution) 49;

полиоксиэтилен 1;polyoxyethylene 1;

частицы бурого угля 1;brown coal particles 1;

масло индустриальное 44; industrial oil 44;

нанопорошок алюминия 5.aluminum nanopowder 5.

Топливо готовилось следующим способом. 10 грамм порошка ПВС с помощью высокоскоростного лабораторного миксера при 1000 об./мин. растворяли в 90 грамм воды. Для интенсификации процесса, во время перемешивания, водный раствор ПВС нагревали до температуры 85°C. Процедуру перемешивания выполняли до полного растворения порошка ПВС и исчезновения осадка. Эмульгирование осуществляли путем перемешивания 2 грамм полиоксиэтилена с полученным раствором ПВС при температуре 20°С с помощью гомогенизатора с частотой вращения 11000 об./мин. Далее в раствор ПВС с эмульгатором порциями по 10-20 грамм вводилось индустриальное масло И-40 общим объемом 88 грамм. Каждую следующую порцию масла вводили после полного эмульгирования предыдущей порции в течение 5-10 мин. В приготовленную масляную эмульсию в условиях постоянного перемешивания лопастной мешалкой при 3000 об./мин. порциями (масса каждой 1-2 грамма) вводили пыль бурого угля (общей массой 2 грамма) и нанопорошок алюминия (общей массой 10 грамм). Длительность перемешивания после добавления каждой порции составляла не менее 15 мин. Полученная суспензия сохраняла стабильность в течение 5 часов до начала формирования гелеобразной структуры топлива. Приготовленную суспензию подвергали последовательным процессам заморозки при температуре минус 15°C в течение 12 часов и последующего оттаивания образца в течение 12 часов при температуре плюс 20°С. Мелкодисперсные капли масла, частицы угля и металла располагались в ячейках сформировавшейся полимерной матрицы. Общее число циклов заморозки / оттаивания упругодеформируемого гелеобразного топлива составляло 15. Время задержки зажигания (при 600°С), составило 6,5 с.The fuel was prepared in the following way. 10 grams of PVA powder using a high speed laboratory mixer at 1000 rpm. dissolved in 90 grams of water. To intensify the process, during stirring, an aqueous solution of PVA was heated to a temperature of 85°C. The mixing procedure was carried out until the complete dissolution of the PVA powder and the disappearance of the precipitate. Emulsification was carried out by mixing 2 grams of polyoxyethylene with the resulting PVA solution at a temperature of 20°C using a homogenizer with a speed of 11,000 rpm./min. Further into the PVA solution with an emulsifier in portions of 10-20 grams, industrial oil I-40 was introduced with a total volume of 88 grams. Each next portion of the oil was introduced after complete emulsification of the previous portion for 5-10 minutes. In the prepared oil emulsion under constant stirring with a paddle mixer at 3000 rpm. portions (weight of each 1-2 grams) were introduced brown coal dust (total weight 2 grams) and aluminum nanopowder (total weight 10 grams). The duration of stirring after the addition of each portion was at least 15 min. The resulting suspension remained stable for 5 hours before the formation of the gel-like structure of the fuel. The prepared suspension was subjected to successive processes of freezing at a temperature of minus 15°C for 12 hours and subsequent thawing of the sample for 12 hours at a temperature of plus 20°C. Finely dispersed oil drops, coal and metal particles were located in the cells of the formed polymer matrix. The total number of freeze/thaw cycles of the elastically deformable gel fuel was 15. The ignition delay time (at 600°C) was 6.5 s.

ПРИМЕРЫ 2, 3.EXAMPLES 2, 3.

Процесс получения гелеобразного топлива для другого количественного соотношения компонентов проводили в том же порядке, как и в Примере 1. Условия проведения и физические параметры для полученных составов гелеобразного топлива представлены в Таблице 1. Из приведённых в таблице экспериментальных данных следует, что во всех приведённых примерах достигается заявленный технический результат. The process of obtaining gel-like fuel for a different quantitative ratio of components was carried out in the same order as in Example 1. The conditions and physical parameters for the obtained compositions of gel-like fuel are presented in Table 1. From the experimental data given in the table, it follows that in all the given examples, claimed technical result.

Таблица 1Table 1 No. Исходная масса реагентов, гInitial mass of reagents, g Температура перемешивания ПВС, °СPVA stirring temperature, °C Концентрация раствора ПВС, %PVA solution concentration, % Температура эмульгирования, °СEmulsification temperature, °C Скорость мешалки, об\минMixer speed, rpm Модуль упругости G, кПаModulus of elasticity G, kPa Время задержки зажигания (при 600°С), сIgnition delay time (at 600°C), s Время горения,
(при 600°С), с
burning time,
(at 600°C), s
11 ПВС 49
полиоксиэтилен 1
уголь 1
масло 44
алюминий 5
PVS 49
polyoxyethylene 1
coal 1
oil 44
aluminum 5
8585 1010 2020 1100011000 5454 6,56.5 4,354.35
22 ПВС 34,3
полиоксиэтилен 0,7
уголь 10
масло 40
алюминий 15
PVA 34.3
polyoxyethylene 0.7
coal 10
oil 40
aluminum 15
8585 1010 2020 1100011000 2525 9,19.1 3,2583.258
33 ПВС 19,6
полиоксиэтилен 0,4
уголь 10
масло 50
алюминий 20
PVA 19.6
polyoxyethylene 0.4
coal 10
oil 50
aluminum 20
8585 1010 2020 1100011000 1515 9,79.7 3,003.00

Готовые изделия из гелеобразного топлива заявляемого состава имеют стабильную упруго-деформируемую форму с равномерно распределёнными компонентами по всему объему. Отсутствует образование горючей газовой смеси в близи гелеобразного топлива при его хранении и транспортировке. Для упругодеформируемого гелеобразного топлива подходит упаковка любого вида и формы без особых требований по обращению с горючими жидкими материалами. Для такого топлива не характерны утечки, даже при поврежденной упаковке. Готовое топливо подходит как для применения в пеллетных котлах, так и для горелок с жидкостным распылением из форсунок.Finished products from gel-like fuel of the claimed composition have a stable elastically deformable shape with evenly distributed components throughout the volume. There is no formation of a combustible gas mixture in the vicinity of the gel-like fuel during its storage and transportation. For elastically deformable gelled fuels, packaging of any kind and shape is suitable without special requirements for handling combustible liquid materials. Such fuel does not leak, even if the packaging is damaged. The finished fuel is suitable for both pellet boilers and liquid atomized burners.

Таким образом, заявляемое упругодеформируемое гелеобразное топливо является новым топливно-энергетическим продуктом с низким временем зажигания, реологически стабильным и устойчивым к деформациям, в сочетании с менее пожароопасными характеристиками при хранении и транспортировки. Введение в состав гелеобразного топлива твердых горючих частиц бурого угля и наночастиц алюминия совместно позволяет интенсифицировать процесс зажигания топлива.Thus, the claimed elastically deformable gel fuel is a new fuel and energy product with a low ignition time, rheologically stable and resistant to deformation, in combination with less flammable characteristics during storage and transportation. The introduction of solid combustible particles of brown coal and aluminum nanoparticles into the composition of the gel-like fuel together makes it possible to intensify the process of fuel ignition.

Claims (4)

1. Упругодеформируемое гелеобразное топливо, содержащее водный раствор поливинилового спирта, эмульгатор полиоксиэтилен, бурый уголь, масло индустриальное, отличающееся тем, что содержит нанопорошок алюминия с размером частиц 90-110 нм при следующем соотношении исходных компонентов, мас.%:1. Elastically deformable gel-like fuel containing an aqueous solution of polyvinyl alcohol, polyoxyethylene emulsifier, lignite, industrial oil, characterized in that it contains aluminum nanopowder with a particle size of 90-110 nm in the following ratio of initial components, wt.%: поливиниловый спирт (10%-ный водныйpolyvinyl alcohol (10% aqueous раствор)solution) 19,6-49 19.6-49 полиоксиэтиленpolyoxyethylene 0,4-1 0.4-1 бурый угольbrown coal 1-10 1-10 масло индустриальноеindustrial oil 40-50 40-50 нанопорошок алюминияaluminum nanopowder 5-20 5-20
2. Упругодеформируемое гелеобразное топливо по п.1, содержащее исходные компоненты в следующем соотношении, мас.%:2. Elastically deformable gel fuel according to claim 1, containing the initial components in the following ratio, wt.%: поливиниловый спирт (10%-ный водныйpolyvinyl alcohol (10% aqueous раствор)solution) 49 49 полиоксиэтиленpolyoxyethylene 1 1 бурый угольbrown coal 1 1 масло индустриальноеindustrial oil 44 44 нанопорошок алюминияaluminum nanopowder 5 5
RU2022120227A 2022-07-25 Elastic-deformable gel-like fuel RU2794674C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2794674C1 true RU2794674C1 (en) 2023-04-24

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2467058C1 (en) * 2011-04-07 2012-11-20 Учреждение Российской академии наук Институт химии нефти Сибирского отделения РАН (ИХН СО РАН) Fuel briquette and method of moulding said briquette
RU2502789C1 (en) * 2012-05-18 2013-12-27 Владимир Станиславович Жолобов Composition of ignition substances and method for production thereof
WO2016055814A1 (en) * 2014-10-10 2016-04-14 Air Global Limited Gel fuel

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2467058C1 (en) * 2011-04-07 2012-11-20 Учреждение Российской академии наук Институт химии нефти Сибирского отделения РАН (ИХН СО РАН) Fuel briquette and method of moulding said briquette
RU2502789C1 (en) * 2012-05-18 2013-12-27 Владимир Станиславович Жолобов Composition of ignition substances and method for production thereof
WO2016055814A1 (en) * 2014-10-10 2016-04-14 Air Global Limited Gel fuel

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Glushkov D.O. et al. Ignition mechanism and characteristics of gel fuels based on oil-free and oil-filled cryogels with fine coal particles. Powder Technology. - 2020. - Vol. 360. - P. 65-79. J. W. Mordosky et al. Spray Combustion of Gelled RP-1 Propellants Containing Nano-sized Aluminum Particles in Rocket Engine Conditions. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 8-11 July 2001, page 1-11. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2242834C (en) Pyrolysis liquid-in-diesel oil microemulsions
US5411558A (en) Heavy oil emulsion fuel and process for production thereof
CA1115054A (en) Aqueous diesel emulsion with diethanolamides
CN1861763A (en) Water-soluble ol group liquid fuel
CN111875458B (en) Porous granular ammonium surfactant for oil-frying, performance enhancer and explosive
RU2794674C1 (en) Elastic-deformable gel-like fuel
Chen et al. Experimental study of influence of fuel ratio on combustion characteristics of diesel-wetted wood powder
JP2008280489A (en) Oil water emulsion fuel and emulsifier used for its manufacturing
WO2002074885A1 (en) Desulfurizing agent for heavy fuel oil and the method for preparing the same and the usage thereof
JPH0450958B2 (en)
KR102155265B1 (en) A fuel composition comprising of water for coal bunning
JPS5925121B2 (en) How to burn solid oil
KR20170073310A (en) Fuel composition and manufacturing the same
Rajesh et al. A review on nanoparticles as fuel additives in biodiesel
CN1216966C (en) Emulsion synthetic fuel oil and manufacturing method thereof
CN115259977B (en) Preparation method of loose-structure nitrocotton base powder for environment-friendly fireworks
CN111298356A (en) Novel fire extinguishing agent for effectively extinguishing burning wood and preparation method thereof
EP2096159A1 (en) Fire starter composition comprising 2-phenoxyethanol
CN111575066A (en) Liquid biofuel composition
KR102580224B1 (en) Recycled fuel composition using waste oil and emulsion fuel oil comprising the same
RU2774073C2 (en) Kindling and heating agent and its manufacturing method
KR19990085956A (en) Manufacturing method and apparatus for refined fuel oil using bunker-seed oil as raw material
WO2012012644A1 (en) Three-phase emulsified fuel and methods of preparation and use
CN107603682A (en) A kind of environmental protection and energy saving water mixing wall glue additive
CN101538492A (en) Alcohol ether diesel oil used in new energy vehicles