RU2409614C2 - Method of intensifying combustion of hydrocarbon fuel - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to a method of increasing efficiency of combustion of hydrocarbon fuel, involving dispersing a catalytic additive in an intermediate liquid medium and adding that mixture to hydrocarbon fuel. The intermediate liquid medium used is water in which a catalytic additive with degree of dispersion of 1-50 nm is uniformly pre-distributed by treating the mixture in a rotary-hydraulic mixer. The aqueous mixture is then added to the hydrocarbon fuel and the fuel-water mixture is then successively treated in a rotary-hydraulic mixer and in a flow-type ultrasonic mixer to form a homogeneous emulsion with water particle size of 100-800 nm. The catalytic additive used is nanopowder of metals, metal oxides or salts.

EFFECT: low consumption of hydrocarbon fuel, low environmental damage.

3 ex, 2 tbl

Description

Изобретение относится к технологии сжигания углеводородных топлив и может быть использовано для интенсификации процессов сжигания бензина, дизельного топлива, мазута и нефтешламов.The invention relates to a technology for the combustion of hydrocarbon fuels and can be used to intensify the processes of burning gasoline, diesel fuel, fuel oil and oil sludge.

Известен способ эффективного сжигания топлива (1) (патент РФ №2160414, F23N 5/12 от 11.12.1996 г.), в котором интенсификацию горения факела пламени производят электрическим полем, путем подачи потенциала этого поля на электроизолированные от корпуса камеры сгорания топливную форсунку и игольчатый рабочий электрод за фронтом верха пламени. При этом регулируют напряженность электрического поля в камере сгорания по минимуму тока, потребляемого источником поля, а также пространственные и электрические параметры электрического поля в камере сгорания топливной смеси при изменении режима и вида топлива путем введения дополнительного ускоряющего потенциала посредством управляющего электрода, размещенного между форсункой и рабочим электродом, а также путем взаимосвязанного изменения положения управляющего и рабочего электродов относительно факела пламени и величины электрических потенциалов на электродах и форсунке по критерию достижения максимальных тока электронной эмиссии с игольчатых поверхностей форсунки и электродов и напряженности поля в камере сгорания и максимальной температуры пламени при данном режиме горения, из условия предотвращения эффекта электрического пробоя источника поля через пламя.A known method of efficient combustion of fuel (1) (RF patent No. 2160414, F23N 5/12 of 12/11/1996), in which the flame of the flame is intensified by an electric field, by supplying the potential of this field to the fuel nozzle insulated from the combustion chamber body and needle working electrode behind the front of the flame top. At the same time, the electric field in the combustion chamber is regulated to a minimum of the current consumed by the field source, as well as the spatial and electrical parameters of the electric field in the combustion chamber of the fuel mixture when the mode and type of fuel is changed by introducing an additional accelerating potential by means of a control electrode located between the nozzle and the working electrode, as well as by interconnected changes in the position of the control and working electrodes relative to the flame and the magnitude of the electron ble potentials on the electrodes and the injector according to the criterion achieve maximum electron emission current with injectors and needle surface electrodes and the field strength in the combustion chamber and the maximum flame temperature for a given combustion mode, the condition preventing effect electrical breakdown field source through the flame.

В качестве недостатков данного способа следует отметить:The disadvantages of this method should be noted:

- сложность изготовления устройства для сжигания топлив и управления процессом горения;- the complexity of manufacturing a device for burning fuels and controlling the combustion process;

- необходимость использования дорогих жаропрочных сплавов из титана и вольфрама для изготовления форсунки и электродов;- the need to use expensive heat-resistant alloys of titanium and tungsten for the manufacture of nozzles and electrodes;

- необходимость использования термостойкой керамики для электроизоляции рабочей камеры;- the need to use heat-resistant ceramics for electrical insulation of the working chamber;

- повышенные температуры сжигания топлив.- increased temperatures of fuel combustion.

Известна также топливная композиция (2) (патент РФ №2144059; С10L 1/32, 04.02.1999 гг.) на основе углеводородных соединений и воды: в виде коллоидных суспензий (твердое топливо, например, бурый уголь) или эмульсий (типа: «вода в масле» для топлива на основе нефтяных остатков или мазута). Размер дисперсной фазы в коллоидной суспензии - 1,8 мкм и 1,3 и 2,9 мкм для эмульсий.Also known is the fuel composition (2) (RF patent No. 2144059; С10L 1/32, February 4, 1999) based on hydrocarbon compounds and water: in the form of colloidal suspensions (solid fuel, for example, brown coal) or emulsions (type: " water in oil ”for fuel based on oil residues or fuel oil). The size of the dispersed phase in the colloidal suspension is 1.8 μm and 1.3 and 2.9 μm for emulsions.

В качестве недостатков данного топлива следует отметить:The disadvantages of this fuel should be noted:

- высокие энергозатраты при сжигании бурого угля, т.к. его необходимо измельчить до размеров 1,8 мкм, что нереально, т.к. масштабы его применения в энергетике - миллионы тонн/год;- high energy consumption when burning brown coal, because it must be crushed to a size of 1.8 microns, which is unrealistic, because the scale of its application in the energy sector is millions of tons / year;

- грубый дисперсный состав эмульсий (1,3-2,9 мкм), что не позволяет существенно интенсифицировать процесс сжигания углеводородных топлив;- coarse dispersed composition of emulsions (1.3-2.9 microns), which does not significantly intensify the process of burning hydrocarbon fuels;

- малое время существования топливных систем в коллоидном состоянии (3-10 суток), что обусловлено грубым дисперсионным составом топлив.- the short lifetime of the fuel systems in the colloidal state (3-10 days), which is due to the rough dispersion composition of the fuels.

Наиболее близким к предлагаемому и выбранным за прототип является способ интенсификации сжигания углеводородных топлив (3) (патент РФ «Каталитическая композиция, увеличивающая сгорание топлива, топливная смесь с использованием этой композиции и способ сжигания топлива»; №2178338, С01L 1/12 от 26.12.1996).Closest to the proposed and selected for the prototype is a method of intensifying the combustion of hydrocarbon fuels (3) (RF patent "Catalytic composition that increases combustion of fuel, fuel mixture using this composition and method of burning fuel"; No. 2178338, С01L 1/12 of 26.12. 1996).

Согласно изобретению предлагается каталитическая композиция, увеличивающая сгорание углеводородного топлива (LPG или сжиженный нефтяной газ, бензин, дизельное и нефтяное топливо), содержащая, по крайней мере, один катализатор из окисла металла, диспергированный в жидком органическом носителе, совместимом с углеводородным топливом. Катализатор, содержащий, по меньшей мере, один окисел щелочно-земельного металла или окисел переходного металла из ряда: окись хрома, окись магния, окись марганца, окись кобальта, окись железа или их смесей. Для введения вышеуказанных катализаторов в топливо они предварительно диспергируются в растворителе Стоддарда с добавками: высокотемпературной смазкой, моющими или ПАВ и дополнительный полярный растворитель - спирт.The invention provides a catalytic composition that enhances the combustion of hydrocarbon fuels (LPG or liquefied petroleum gas, gasoline, diesel and petroleum fuels), containing at least one metal oxide catalyst dispersed in a liquid organic carrier compatible with hydrocarbon fuels. A catalyst containing at least one alkaline earth metal oxide or a transition metal oxide from the series: chromium oxide, magnesium oxide, manganese oxide, cobalt oxide, iron oxide or mixtures thereof. To introduce the above catalysts into fuel, they are pre-dispersed in a Stoddard solvent with additives: high-temperature grease, detergents or surfactants, and an additional polar solvent, alcohol.

В качестве недостатков прототипа следует отметить следующие:The disadvantages of the prototype should be noted as follows:

- сложность получения однородной не расслаивающейся топливной композиции;- the difficulty of obtaining a homogeneous non-stratified fuel composition;

- малая устойчивость топливной композиции во времени;- low stability of the fuel composition over time;

- многореагентность топливной смеси.- multi-reactivity of the fuel mixture.

Вышеуказанные недостатки значительно нивелируют преимущества каталитической композиции и способа повышения эффективности процесса сжигания углеводородного топлива, что резко ограничивает сферу применения данного изобретения.The above disadvantages significantly level the advantages of the catalytic composition and method of increasing the efficiency of the process of burning hydrocarbon fuels, which severely limits the scope of this invention.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение процесса приготовления топливной композиции, повышение ее устойчивости и эффективности процесса сжигания углеводородных топлив.The aim of the invention is to simplify the process of preparing the fuel composition, increasing its stability and efficiency of the process of burning hydrocarbon fuels.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем введение в топливо каталитической присадки, содержащей, по меньшей мере, один окисел щелочно-земельного металла или окисел металла из ряда: окись хрома, окись магния, окись марганца, окись кобальта, окись железа или их смесей, диспергированных в промежуточной жидкой среде. В качестве промежуточной жидкой среды используют воду, в которой предварительно равномерно распределяют каталитическую присадку дисперсностью 1-50 нм, а затем полученную водную фазу смешивают с углеводородным топливом, с образованием однородной эмульсии с размерами частиц воды в пределах 100-800 нм. Дополнительно в качестве каталитической присадки используют (отдельно или в смеси) карбонилы металлов, или нанопорошки металлов, или окислы редкоземельных элементов, или водорастворимые соединения металлов - катализаторов.This goal is achieved by the fact that in the known method, comprising introducing into the fuel a catalytic additive containing at least one alkaline earth metal oxide or metal oxide from the series: chromium oxide, magnesium oxide, manganese oxide, cobalt oxide, iron oxide or mixtures thereof dispersed in an intermediate liquid medium. Water is used as an intermediate liquid medium, in which the catalytic additive is finely evenly dispersed with a dispersion of 1-50 nm, and then the resulting aqueous phase is mixed with hydrocarbon fuel to form a homogeneous emulsion with water particle sizes in the range of 100-800 nm. Additionally, metal carbonyls, or metal nanopowders, or oxides of rare-earth elements, or water-soluble compounds of metal catalysts are used as a catalytic additive.

Эффективность предлагаемого способа обусловлена суммарным, не явным заранее, эффектом от применения:The effectiveness of the proposed method is due to the total, not explicit in advance, the effect of the application:

- введения в состав топлив воды;- introducing water into the fuel composition;

- введения в состав топлива катализаторов горения, предварительно равномерно распределенных в водной фазе, а затем в топливной, органической фазе;- introducing into the fuel composition of combustion catalysts, previously uniformly distributed in the aqueous phase, and then in the fuel, organic phase;

- каталитической присадки в форме наночастиц (или нанокатализаторов) и расширения спектра катализаторов горения;- catalytic additives in the form of nanoparticles (or nanocatalysts) and the expansion of the spectrum of combustion catalysts;

- более тонкого дисперсионного состава воды в топливной композиции, за счет использования двухстадийного процесса диспергирования, причем на первой стадии (роторно-гидродинамический эмульгатор) получают эмульсию с размерами частиц воды 2-5 мкм, которую на второй (ультразвуковой) доводят до заявляемых параметров.- finer dispersion composition of water in the fuel composition, through the use of a two-stage dispersion process, and in the first stage (rotary-hydrodynamic emulsifier) an emulsion is obtained with a particle size of 2-5 microns, which is adjusted to the claimed parameters in the second (ultrasonic).

Обоснование заявляемых параметров.Justification of the claimed parameters.

Использование каталитической присадки дисперсностью менее 1 нм не приводит к существенному повышению каталитической эффективности присадки, но в то же время значительно возрастают затраты на получение нанокатализатора. При увеличении дисперсности нанокатализатора более 50 нм падает его активность, в то же время необходимо вводить дополнительные ингредиенты (ПАВ) для повышения устойчивости суспензий: «вода - нанокатализатор;» «углеводородное топливо - нанокатализатор».The use of a catalytic additive with a dispersity of less than 1 nm does not lead to a significant increase in the catalytic efficiency of the additive, but at the same time, the cost of obtaining a nanocatalyst significantly increases. With increasing dispersion of the nanocatalyst more than 50 nm, its activity decreases, at the same time, additional ingredients (surfactants) must be introduced to increase the stability of suspensions: “water - nanocatalyst;” “hydrocarbon fuel - nanocatalyst”.

Получение топливных эмульсий (в промышленных масштабах 4-15 т/ч) с размерами дисперсной фазы воды менее 100 нм сопряжено с большими затратами энергии (т.е. необходима 4-х ступенчатая система диспергирования), в то же время соответствующего повышения эффективности сжигания композиционного топлива или повышения времени устойчивости дисперсной системы без расслаивания мы не получаем.Obtaining fuel emulsions (on an industrial scale of 4-15 t / h) with a dispersed water phase size of less than 100 nm is associated with high energy costs (i.e., a 4-stage dispersion system is required), while at the same time, a corresponding increase in the efficiency of composite burning we do not receive fuel or increase the stability time of a disperse system without delamination.

Верхний предел дисперсности водной фазы в топливной композиции (800 нм) обусловлен:The upper limit of the dispersion of the aqueous phase in the fuel composition (800 nm) is due to:

- обеспечением времени устойчивости топливной композиции - не менее 4-7 месяцев;- ensuring the stability time of the fuel composition is not less than 4-7 months;

- при повышении дисперсности водной фазы в топливной композиции более 800 нм снижается время устойчивости топливной композиции (до 3 месяцев и менее) при одновременном снижении эффективности топливной композиции на 10-15%.- with increasing dispersion of the aqueous phase in the fuel composition of more than 800 nm, the stability time of the fuel composition is reduced (up to 3 months or less) while reducing the efficiency of the fuel composition by 10-15%.

Рассмотрим влияние отдельных факторов, заявленных в способе, на интенсификацию процесса сжигания углеводородных топлив.Consider the influence of individual factors claimed in the method on the intensification of the process of burning hydrocarbon fuels.

Применение водотопливных смесей улучшает процесс горения за счет улучшения процесса распыливания топлива, смесеобразования, подавления процесса крекинга углеводородов в жидкой и пиролиза в паровой фазах, что значительно уменьшает образование продуктов неполного сгорания. Кроме того, присутствие воды снижает уровень максимальных температур, повышает температурную и газовую однородность факела, уменьшает образование окислов азота и ускоряет начальную стадию процесса горения. Использование параметров дисперсии воды в топливе в пределах 100-800 нм (или 0,1-0,8 мкм), что в 50-700 раз меньше, чем применяемые в настоящее время водотопливные эмульсии (от 5 до 70 мкм), позволяет:The use of water-fuel mixtures improves the combustion process by improving the process of fuel atomization, mixture formation, suppressing the process of cracking hydrocarbons in liquid and pyrolysis in the vapor phase, which significantly reduces the formation of products of incomplete combustion. In addition, the presence of water reduces the maximum temperature level, increases the temperature and gas uniformity of the plume, reduces the formation of nitrogen oxides and accelerates the initial stage of the combustion process. Using the parameters of the dispersion of water in fuel in the range of 100-800 nm (or 0.1-0.8 microns), which is 50-700 times less than the currently used water-fuel emulsions (from 5 to 70 microns), allows you to:

- снизить температуру и время закипания водотопливной эмульсии (при 300°С за 0,5 сек, в то время как капля чистого мазута при 500°С за 7 сек);- reduce the temperature and boiling time of the fuel-oil emulsion (at 300 ° C for 0.5 sec, while a drop of pure fuel oil at 500 ° C for 7 sec);

- осуществить мгновенное (за 0,5 сек) вскипание тонкодиспергированной воды в объеме топлива и, как следствие, вызвать образование кинетического парового облака, содержащего диспергированные частицы углеводородного топлива в пределах 10-80 нм, т.е. на порядок меньше, чем исходная водная фаза в нем.- to carry out instant (in 0.5 sec) boiling of finely dispersed water in the fuel volume and, as a result, cause the formation of a kinetic vapor cloud containing dispersed particles of hydrocarbon fuel within 10-80 nm, i.e. an order of magnitude less than the initial aqueous phase in it.

Присадки (окислы металлов, карбонилы металлов, нанопорошки металлов, окислы редкоземельных элементов и водорастворимые соединения металлов) выполняют в разработанном способе повышения эффективности сжигания углеводородных топлив, функцию катализаторов горения (снижающих энергию активации реакций окисления и увеличивающих скорость горения топлив) и при содержании 0,0010-0,0050% (в пересчете на металл присадки) обеспечивают почти полное окисление топлива и существенное снижение токсичных выбросов. Каталитическое горение углеводородного топлива в присутствии нанокатализаторов приводит к тому, что нижний предел стабильности пламени процесса горения понижается, позволяя использовать более низкие температуры горения и минимизировать образование токсичных выбросов, в том числе и окислов азота.Additives (metal oxides, metal carbonyls, metal nanopowders, oxides of rare-earth elements and water-soluble metal compounds) perform the developed method of increasing the efficiency of burning hydrocarbon fuels, the function of combustion catalysts (which reduce the activation energy of oxidation reactions and increase the rate of combustion of fuels) and with a content of 0.0010 -0.0050% (in terms of metal additives) provide almost complete oxidation of the fuel and a significant reduction in toxic emissions. The catalytic combustion of hydrocarbon fuels in the presence of nanocatalysts leads to a lower flame stability of the combustion process, which allows the use of lower combustion temperatures and minimizes the formation of toxic emissions, including nitrogen oxides.

Согласно предлагаемому способу образование тонкого наноаэрозоля из паров воды, топлива и нанокатализатора в потоке окислителя (воздухе) в процессе сжигания приводит к кумулятивному эффекту: более полному окислению топлива, снижению токсичных выбросов и удельных норм расхода топлива.According to the proposed method, the formation of thin nanoaerosol from water vapor, fuel and nanocatalyst in the oxidizer stream (air) during combustion leads to a cumulative effect: a more complete oxidation of the fuel, reduction of toxic emissions and specific fuel consumption rates.

При использовании высокосернистых мазутов, с целью дополнительного снижения соединений серы в выбросах, в используемую воду дополнительно вводят гидроокись или хромат кальция, а содержащаяся в последнем окись хрома служит дополнительным катализатором процесса горения.When using high sulfur fuel oil, in order to further reduce sulfur compounds in emissions, hydroxide or calcium chromate is additionally introduced into the water used, and the chromium oxide contained in the latter serves as an additional catalyst for the combustion process.

Одной из основных проблем при реализации данного способа является обеспечение однородности состава и стабильности (нерасслаиваемости) топливной композиции в течение нескольких месяцев.One of the main problems in the implementation of this method is to ensure uniformity of composition and stability (non-separability) of the fuel composition for several months.

Эта проблема решается следующим образом:This problem is solved as follows:

- использованием наноразмерных каталитических присадок;- the use of nanoscale catalytic additives;

- использованием двухстадийного процесса гомогенизации («каталитическая присадка - вода» и «наносуспензия - топливо») и дополнительной стадии УЗ-обработки готовой топливной смеси. При этом, при сроках хранения не более 4 месяцев, как правило, ПАВы не нужны на обеих стадиях гомогенизации, а при более длительных сроках хранения для некоторых компонентов топливной композиции возникает необходимость введения ПАВ.- using a two-stage homogenization process (“catalytic additive - water” and “nanosuspension - fuel”) and an additional stage of ultrasonic treatment of the finished fuel mixture. Moreover, with storage periods of not more than 4 months, as a rule, surfactants are not needed at both stages of homogenization, and for longer storage periods for some components of the fuel composition, it is necessary to introduce surfactants.

Процесс интенсификации сжигания углеводородных топлив (применительно к бензину А-95) по предлагаемому способу проводят следующим образом:The process of intensification of the combustion of hydrocarbon fuels (in relation to gasoline A-95) according to the proposed method is carried out as follows:

Предварительно готовят эмульсию: «вода - пентакарбонил железа» с использованием роторно-гидродинамического эмульгатора (марки: TRGA - 2F, производительностью до 15 т/ч). Концентрация пентакарбонила железа в воде определяется из условия:An emulsion is prepared in advance: “water - iron pentacarbonyl” using a rotary-hydrodynamic emulsifier (grade: TRGA - 2F, with a capacity of up to 15 t / h). The concentration of iron pentacarbonyl in water is determined from the condition:

- содержание воды в бензине варьируется в пределах 5-7 мас.%;- the water content in gasoline varies between 5-7 wt.%;

- концентрация каталитической добавки (самого железа) в топливе - 0,12-0,17 г /кг топлива.- the concentration of the catalytic additive (iron itself) in the fuel is 0.12-0.17 g / kg of fuel.

Т.о. содержание пентакарбонила железа в водной эмульсии варьируют в пределах 0,8-0,84%. Время обработки в пределах 10-20 минут. Дисперсность пентакарбонила железа в воде находится в пределах 0,1-0,2 мкм. Устойчивость в пределах 4-5 месяцев без добавки ПАВ.T.O. the content of iron pentacarbonyl in the aqueous emulsion varies between 0.8-0.84%. Processing time within 10-20 minutes. The dispersion of pentacarbonyl iron in water is in the range of 0.1-0.2 microns. Stability within 4-5 months without the addition of surfactants.

Гомогенизированную эмульсию (т.к. пентакарбонил железа - это нерастворимая в воде жидкость при температуре 20-70°С) на второй ступени смешивают с топливом - бензином марки АИ-95 с использованием роторно-гидродинамического эмульгатора, сблокированного последовательно с узлом ультразвуковой обработки проходного типа (мощность в импульсе 3-4 кВт; частота 10-25 кГц). В результате получают топливную композицию, включающую: бензин А-95; воду и пентакарбонил железа, причем дисперсность воды в топливе находится в пределах 100-800 нм. Пентакарбонил железа распределен и в воде и, частично, в топливе. Дисперсность пентакарбонила железа находится в пределах 30-50 нм. Время обработки (для достижения заданной дисперсности) - 20-30 мин. Приготовленная топливная композиция (в данном случае эмульсия в эмульсии) может храниться в течение 4 месяцев без потери эксплуатационных свойств.A homogenized emulsion (since iron pentacarbonyl is a water-insoluble liquid at a temperature of 20-70 ° C) in the second stage is mixed with fuel - AI-95 gasoline using a rotary-hydrodynamic emulsifier, blocked in series with a passage-type ultrasonic processing unit (pulse power 3-4 kW; frequency 10-25 kHz). The result is a fuel composition comprising: gasoline A-95; water and iron pentacarbonyl, and the dispersion of water in the fuel is in the range of 100-800 nm. Iron pentacarbonyl is distributed both in water and, partially, in fuel. The dispersion of iron pentacarbonyl is in the range of 30-50 nm. Processing time (to achieve a given dispersion) - 20-30 minutes The prepared fuel composition (in this case, the emulsion in the emulsion) can be stored for 4 months without loss of performance.

Удельные затраты энергии на получение 1 т топливной композиции складываются из затрат энергии перекачивающего насоса как на стадии получения смеси каталитической присадки с водой, так и на стадии смешения этой смеси с топливом (N-3 кВт × 2 ступени), производительностью 10 т/ч, и энергозатрат УЗГ (N-3 кВт): (3000 Вт × 2+3000 Вт)/10×3600=3.240 кДж/1000 кг топливной композиции.The specific energy costs for obtaining 1 ton of the fuel composition are the sum of the energy costs of the transfer pump both at the stage of obtaining the catalytic additive mixture with water and at the stage of mixing this mixture with fuel (N-3 kW × 2 stages), with a productivity of 10 t / h, and energy consumption of ultrasonic testing (N-3 kW): (3000 W × 2 + 3000 W) /10Ч3600=3.240 kJ / 1000 kg of fuel composition.

Перед подачей в камеру сгорания топливная смесь смешивается с воздухом (К изб. воздуха близок к 1,0), а затем впрыскивается в камеру сгорания. Благодаря резкому подъему температуры топливной смеси происходит мгновенное испарение топлива. Катализатор также испаряется и разлагается с образованием газообразного СО и наночастиц активного железа. Вода испаряется с образованием пара. Все процессы приводят к образованию однородной смеси: воздуха, паров топлива, паров воды и равномерно распределенных по объему наночастиц катализатора - железа. Наличие паров воды в составе топливной смеси улучшает процесс горения за счет улучшения процесса распыливания топлива, смесеобразования, подавления пиролиза в паровой фазе, что значительно уменьшает образование продуктов неполного сгорания (нагара). Кроме того, присутствие воды снижает уровень максимальных температур, повышает температурную и газовую однородность фронта пламени, уменьшает образование окислов азота и ускоряет начальную стадию процесса горения.Before being fed into the combustion chamber, the fuel mixture is mixed with air (K h. Air is close to 1.0), and then injected into the combustion chamber. Due to a sharp increase in the temperature of the fuel mixture, instantaneous evaporation of fuel occurs. The catalyst also evaporates and decomposes to form gaseous CO and active iron nanoparticles. Water evaporates to form steam. All processes lead to the formation of a homogeneous mixture: air, fuel vapor, water vapor and evenly distributed throughout the volume of the catalyst nanoparticles - iron. The presence of water vapor in the fuel mixture improves the combustion process by improving the process of atomization of fuel, mixture formation, suppression of pyrolysis in the vapor phase, which significantly reduces the formation of products of incomplete combustion (soot). In addition, the presence of water reduces the maximum temperature level, increases the temperature and gas uniformity of the flame front, reduces the formation of nitrogen oxides and accelerates the initial stage of the combustion process.

В то же время, присутствие нанокатализатора - железа, распределенного в парах углеводородного топлива, приводит к тому, что снижается энергия активации реакций окисления углеводородов вверху камеры сгорания ДВС, следствием этого является обеспечение полноты сгорания топлива при более низких температурах. Это приводит к уменьшению максимального давления в камере ДВС, к более мягкой работе, а также к снижению нагара и токсичных выбросов с отработавшими газами.At the same time, the presence of a nanocatalyst - iron, distributed in hydrocarbon fuel vapors, leads to a decrease in the activation energy of hydrocarbon oxidation reactions at the top of the combustion engine of the internal combustion engine, the consequence of which is to ensure complete combustion of the fuel at lower temperatures. This leads to a decrease in the maximum pressure in the ICE chamber, to softer operation, as well as to a reduction in carbon deposits and toxic emissions with exhaust gases.

Пары воды во фронте пламени частично разлагаются на Н⁺ и ОН^-, что обеспечивает процессы доокисления углеводородов на заключительных стадиях процесса окисления в камере ДВС, когда, обычно, окислителя не хватает.Water vapor in the flame front is partially decomposed into H ⁺ and OH ^- , which provides the processes of hydrocarbon oxidation at the final stages of the oxidation process in the internal combustion engine chamber, when, as a rule, there is not enough oxidizer.

Т.о. вода и каталитические присадки в углеводородных топливах действуют однонаправленно, а именно: снижают температуру в камере, интенсифицируют процесс сжигания углеводородов, повышают полноту использования топлива (мощность), улучшают работу ДВС, и существенно снижают выброс токсичных выбросов до требований, приближающихся к Евро 5 (на новых двигателях отечественных марок).T.O. water and catalytic additives in hydrocarbon fuels act unidirectionally, namely: reduce the temperature in the chamber, intensify the process of burning hydrocarbons, increase the completeness of fuel use (power), improve the performance of internal combustion engines, and significantly reduce the emission of toxic emissions to requirements approaching Euro 5 (by new engines of domestic brands).

Способ интенсификации сжигания различных видов углеводородных топлив отображен в нижеприведенных примерах.A method of intensifying the combustion of various types of hydrocarbon fuels is shown in the examples below.

Пример 1 (Способ повышения интенсивности сжигания бензинов).Example 1 (Method for increasing the intensity of burning gasoline).

В 70 кг воды распределяют равномерно 50 г нанокатализатора - двуокиси церия (СеO₂), дисперсностью 1-15 нм (90%), посредством обработки наносуспензии в роторно-гидродинамическом смесителе, в течение 10 минут. Полученную наносуспензию (с концентрацией нанокатализатора =0,071%) смешивают с 929,95 кг бензина, марки АИ-95. Затем смесь обрабатывают в роторно-гидродинамическом смесителе, дополнительно сблокированном последовательно с УЗ-смесителем проходного типа (мощность в импульсе =3 кВт; частота 10 кГц). Время обработки - 20 минут. В результате получаем - 1000 кг топлива в виде эмульсии (типа: «вода-в масле») с дисперсностью водной фазы =800 нм, внутри которой распределен нанокатализатор, дисперсностью 1-6 нм. Частично (2-5%) катализатор распределяется отдельными включениями и в органической (топливной) фазе. Устойчивость топливной композиции - 4,0 месяца.In 70 kg of water, 50 g of a nanocatalyst — cerium dioxide (CeO ₂ ), dispersion of 1-15 nm (90%) are dispersed evenly by processing nanosuspension in a rotary-hydrodynamic mixer for 10 minutes. The resulting nanosuspension (with a nanocatalyst concentration = 0.071%) is mixed with 929.95 kg of gasoline, grade AI-95. Then the mixture is treated in a rotary-hydrodynamic mixer, additionally interlocked sequentially with an ultrasonic mixer of a through type (pulse power = 3 kW; frequency 10 kHz). Processing time is 20 minutes. As a result, we obtain 1000 kg of fuel in the form of an emulsion (type: “water-in-oil”) with a dispersion of the aqueous phase = 800 nm, inside which a nanocatalyst is distributed, with a dispersion of 1-6 nm. Partially (2-5%), the catalyst is distributed by individual inclusions in the organic (fuel) phase. The stability of the fuel composition is 4.0 months.

Результат: при работе ДВС на этой композиции (автомобиль карбюраторного типа: ВАЗ 2110) - расход топлива при равномерной езде при скорости - 60 км/ч =3,8 л/на 100 км, вместо 4,5 л/на 100 км по паспорту (снижение =15,5%).Result: when the internal combustion engine works on this composition (carburetor type car: VAZ 2110) - fuel consumption with uniform driving at a speed of 60 km / h = 3.8 l / 100 km, instead of 4.5 l / 100 km according to the passport (decrease = 15.5%).

Состав автомобильных выхлопных газов приведен в табл.1The composition of automobile exhaust gases is given in table 1

Таблица 1Table 1 Состав отходящих газов (ОГ)The composition of the exhaust gas (exhaust gas) ВеличинаValue N₂, об.%N ₂ , vol.% 75-7775-77 O₂, об.%O ₂ , vol.% 7,0-8,07.0-8.0 Н₂O (пары), об.%H ₂ O (pairs), vol.% 5,0-6,55.0-6.5 СO₂, об.%CO ₂ , vol.% 10-12,010-12,0 СО*, об.%CO *, vol.% 11-12,011-12,0 Оксиды азота*, об.%Nitrogen oxides *, vol.% 0,5-0,80.5-0.8 Углеводороды*, об.%Hydrocarbons *, vol.% 1,5-3,01.5-3.0 Альдегиды*, об.%Aldehydes *, vol.% 0,1-0,20.1-0.2 Сажа**, г/м³ Soot **, g / m ³ 0,01-0,040.01-0.04 Бензпирен-3,4**, г/м³ Benzpyrene-3.4 **, g / m ³ 15-20×10^-6 15-20 × 10 ^-6 * Токсичные компоненты
** Канцерогены* Toxic components
** Carcinogens

В состав топлива нет необходимости вводить вымывающие добавки.The composition of the fuel there is no need to introduce leaching additives.

Пример 2 (Способ повышения интенсивности сжигания дизельного топлива).Example 2 (a Method of increasing the intensity of combustion of diesel fuel).

В 100 кг воды распределяют равномерно 35 г нанопорошка железа, дисперсностью 15-50 нм (95%), посредством обработки наносуспензии в роторно-гидродинамическом смесителе, в течение 15 минут. Полученную наносуспензию (с концентрацией нанокатализатора =0,035%) смешивают с 899,965 кг дизтоплива, марки: «Топливо дизельное Л-0,2-40 ГОСТ 305-82».In 100 kg of water, evenly distributed 35 g of iron nanopowder, dispersion of 15-50 nm (95%), by processing nanosuspension in a rotary-hydrodynamic mixer, for 15 minutes. The resulting nanosuspension (with a nanocatalyst concentration = 0.035%) is mixed with 899.965 kg of diesel fuel, brand: “Diesel fuel L-0.2-40 GOST 305-82”.

Затем смесь обрабатывают в роторно-гидродинамическом смесителе, дополнительно сблокированном последовательно с УЗ-смесителем проходного типа (мощность в импульсе =3,5 кВт; частота 15 кГц). Время обработки - 25 минут. В результате получаем - 1000 кг топлива в виде эмульсии (типа: «вода - в масле») с дисперсностью водной фазы =500 нм, внутри которой распределен нанокатализатор, дисперсностью 15-50 нм (92%). Частично (3-6%) катализатор распределяется отдельными включениями и в органической (топливной) фазе. Устойчивость топливной композиции - 4 месяца.Then the mixture is treated in a rotary-hydrodynamic mixer, additionally interlocked sequentially with an ultrasonic mixer of a through type (pulse power = 3.5 kW; frequency 15 kHz). Processing time is 25 minutes. As a result, we get 1000 kg of fuel in the form of an emulsion (type: “water - in oil”) with a dispersion of the aqueous phase = 500 nm, inside which a nanocatalyst is distributed, with a dispersion of 15-50 nm (92%). Partially (3-6%), the catalyst is distributed by individual inclusions in the organic (fuel) phase. The stability of the fuel composition is 4 months.

Результат: при работе ДВС на этой композиции (автомобиль, имеющий дизельный двигатель, марки: ВАЗ 21055) - расход топлива при равномерной езде при скорости - 60 км/ч=3,2 л/на 100 км, вместо 3,8 л/на 100 км по паспорту (снижение =15,8%).Result: when the internal combustion engine works on this composition (a car with a diesel engine, brands: VAZ 21055) - fuel consumption with uniform driving at a speed of 60 km / h = 3.2 l / 100 km, instead of 3.8 l / per 100 km according to the passport (decrease = 15.8%).

Состав автомобильных выхлопных газов приведен в табл.2The composition of automobile exhaust gases is given in table 2

Таблица 2table 2 Состав отходящих газов (ОГ)The composition of the exhaust gas (exhaust gas) ВеличинаValue N₂, об.%N ₂ , vol.% 77-7877-78 O₂, об.%O ₂ , vol.% 17-18,017-18,0 H₂O (пары), об.%H ₂ O (vapors), vol.% 4,0-5,04.0-5.0 CO₂, об.%CO ₂ , vol.% 8,0-10,08.0-10.0 CO*, об.%CO *, vol.% 0,45-0,500.45-0.50 Оксиды азота*, об.%Nitrogen oxides *, vol.% 0,20-0,500.20-0.50 Углеводороды*, об.%Hydrocarbons *, vol.% 0,45-0,500.45-0.50 Альдегиды*, об.%Aldehydes *, vol.% 0,001-0,0090.001-0.009 Сажа**, г/м³ Soot **, g / m ³ 0,90-1,100.90-1.10 Бензпирен - 3,4**, г/м³ Benzpyrene - 3.4 **, g / m ³ (9,0-10)×l0^-6 (9.0-10) × l0 ^-6 * Токсичные компоненты
** Канцерогены* Toxic components
** Carcinogens

Пример 3 (Способ повышения интенсивности сжигания мазута).Example 3 (Method for increasing the intensity of burning fuel oil).

В 150 кг воды (Т-80°С) вводят 87 г сульфата кобальта, дисперсностью 30-50 нм (95%) и обрабатывают в роторно-гидродинамическом смесителе, в течение 5 минут. Полученный раствор смешивают с 849,913 кг мазута, марки 100 (Т-80°С).In 150 kg of water (T-80 ° C), 87 g of cobalt sulfate, dispersion of 30-50 nm (95%) are introduced and processed in a rotary-hydrodynamic mixer for 5 minutes. The resulting solution is mixed with 849.913 kg of fuel oil, grade 100 (T-80 ° C).

Затем смесь обрабатывают в роторно-гидродинамическом смесителе, дополнительно сблокированном последовательно с УЗ-смесителем проходного типа (мощность в импульсе =4,0 кВт; частота 20 кГц). Время обработки - 30 минут. В результате получаем - 1000 кг топлива в виде эмульсии (типа: «вода-в масле») с дисперсностью водной фазы = 100 нм, внутри которой распределен катализатор сульфат кобальта. Устойчивость топливной композиции (при 80°С) - не менее 3 месяцев. Теплота сгорания не менее 35,0 МДж/кг.Then the mixture is treated in a rotary-hydrodynamic mixer, additionally interlocked sequentially with an ultrasonic mixer of a through type (pulse power = 4.0 kW; frequency 20 kHz). Processing time is 30 minutes. As a result, we get 1000 kg of fuel in the form of an emulsion (type: “water-in-oil”) with a dispersion of the aqueous phase = 100 nm, inside of which a cobalt sulfate catalyst is distributed. The stability of the fuel composition (at 80 ° C) - at least 3 months. Calorific value not less than 35.0 MJ / kg.

Результат:Result:

- при сжигании данной топливной композиции в котельных агрегатах ТЭЦ, экономия мазута составляет 20%;- when burning this fuel composition in boiler units of a thermal power plant, fuel oil saving is 20%;

- выбросы вредных веществ - не более 50% от ПДВ.- emissions of harmful substances - not more than 50% of MPE.

Предлагаемый способ повышения эффективности сжигания углеводородных топлив наиболее актуально (суммарный эколого-экономический эффект выше) использовать для тяжелых видов топлив, таких как: мазут, солярка, а также для утилизации нефтешламов с повышенным содержанием воды (до 45-50%), но в то же время он применим и для процессов эффективного сжигания всех видов бензинов.The proposed method for increasing the efficiency of burning hydrocarbon fuels is most relevant (the total environmental and economic effect is higher) to use for heavy fuels, such as fuel oil, diesel fuel, as well as for the disposal of oil sludge with a high water content (up to 45-50%), but at the same time, it is applicable to the processes of efficient burning of all types of gasolines.

Применение изобретения в промышленности позволит:Application of the invention in industry will allow:

- снизить расход углеводородных топлив (в целом) на 15-20%;- reduce the consumption of hydrocarbon fuels (in general) by 15-20%;

- снизить вдвое экологический ущерб при производстве тепло- и электроэнергии;- halve environmental damage in the production of heat and electricity;

- при использовании на автотранспорте - позволит значительно улучшить экологическое состояние городов при одновременном снижении финансовых затрат и времени на переход России к Евростандартам по топливу: Евро 4 и Евро 5.- when used in vehicles, it will significantly improve the ecological state of cities while reducing financial costs and time for Russia to switch to European fuel standards: Euro 4 and Euro 5.

Claims (1)

Способ повышения эффективности сжигания углеводородных топлив, включающий диспергирование каталитической присадки в промежуточной жидкой среде и введением этой смеси в углеводородное топливо, отличающийся тем, что в качестве промежуточной жидкой среды используют воду, в которой предварительно равномерно распределяют каталитическую присадку дисперсностью 1-50 нм посредством обработки смеси в роторно-гидравлическом смесителе, а затем водную смесь вводят в углеводородное топливо и последовательно обрабатывают топливно-водяную смесь в роторно-гидравлическом смесителе и в ультразвуковом смесителе проходного типа с образованием однородной эмульсии с размерами частиц воды в пределах 100-800 нм, при этом в качестве каталитической присадки используют нанопорошки металлов, окислов металлов или солей. A method of increasing the efficiency of burning hydrocarbon fuels, including dispersing a catalytic additive in an intermediate liquid medium and introducing this mixture into hydrocarbon fuel, characterized in that water is used as an intermediate liquid medium in which the catalytic additive is preliminarily evenly distributed with a dispersion of 1-50 nm by processing the mixture in a rotary-hydraulic mixer, and then the aqueous mixture is introduced into the hydrocarbon fuel and the fuel-water mixture is sequentially processed hydraulic rotary mixer and an ultrasonic mixer to form a transmission type of a homogeneous emulsion with particle sizes of water within 100-800 nm, wherein as catalyst is used an additive metal nanopowders, metal oxides or salts.