Горючая смесь и способ ее получения

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(57) 1. Горючая смесь, включающая нефтепродукты и воду, отличающаяся тем, что в качестве нефтепродуктов она содержит керосин и мазут при следующем соотношении компонентов, мас.мазут 34-38 вода 12-16 керосин остальное. 2. Способ получения горючей смеси по п. 1 путем смешивания компонентов и обработки их ультразвуком, отличающийся тем, что перед смешиванием 12-16 весовых частей воды нагревают до 18-55 С при статическом давлении 1,5-4,5 кГс/см 2 и осуществляют е обработку ультразвуком с частотой 15-365 кГц, переменным звуковым давлением 0,5-20,0 кГс/см 2 и силой звука 0,16-270 Вт/см 2, после чего, не прекращая обработки ультразвуком, в воду при перемешивании вводят 34-38 частей мазута и керосин и смесь перемешивают в течение 15-20 мин.(56) 1. А.с. СССР 393297, МПК 10 1/32, 1973. Изобретение относится к жидким горючим и касается эффективности использования жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах, в автомобильной и автотракторной промышленности. Развитие энергетических установок в направлении улучшения экономичности, весовых характеристик, надежности и ресурса выдвигает высокие требования к качеству жидких углеводородных горючих. В последние годы появились новые сырьевые источники и технологические способы переработки нефти. Это привело к изменению физико-химических характеристик и эксплуатационных свойств стандартных углеводородных горючих для энергетических установок. К настоящему времени накоплены новые эксплуатационные и расчетные данные об их свойствах (например, характеристиках горения, электрических, термостабильности, влияния растворенной воды на характеристики горения и т.п.), получены также новые материалы по изменению этих свойств в зависимости от различных факторов. Вместе с тем, в настоящее время недостатками известных жидких углеводородных горючих являются 1) установлено прямым наблюдением, что при горении в отдельности таких горючих, как керосин, дизельное топливо, бензин, мазут и др., в зонах возможного недостатка кислорода образуются твердые продукты неполного сгорания, что приводит к закоксовыванию распыливающих отверстий форсунок и появлению темного дыма. Склонность к дымообразованию определяется структурой горючего, наличием высокомолекулярных соединений и величиной капель распыления. Чем крупнее капля и меньше содержится растворенной воды в горючем, тем больший размер имеет коксовый остаток. Поэтому относительно велики потери тепла от химической неполноты сгорания этих горючих в энергетических установках (коэффициент полноты сгорания составляет 0,85-0,9) 2) свыше 85 углеводородных горючих, потребляемых в энергетических установках, содержат до 4,5 серы, от 0,005 до 0,15 ванадия, а также натрия и других элементов. В связи с этим при сгорании жидких углеводородных горючих золотообразующие вещества дают также соединения, как окиси различных металлов, серы, кремния, ванадия, а также сульфаты и другие соединения, которые отлаживаются на элементах проточной части энергетических установок и вызывают коррозию. Отложения образуются в основном за счет натриевых соединений, ванадиевого ангидрида и других более сложных соединений ванадия и натрия, находящихся в потоке газов в расплавленном виде. Коррозия элементов проточной части энергетических установок является химическим процессом, резко интенсифицирующимся при увеличении температуры. Сильнейшую коррозию проточной части энергетических уста 2951 1 новок вызывает пятиокись ванадия 25, а также сульфат натрия 24. Наиболее опасна ванадиевая коррозия, которая резко интенсифицируется в присутствии сульфата натрия при температуре от 650-700 С и выше 3) при горении горюче-воздушной смеси в факеле образуется окись азота в результате окисления как азота воздуха(при высоких температурах), так и азота, входящего в органическую массу горючего. В этом и другом случае скорость образования окиси азота и конечная ее концентрация зависят от содержания свободного кислорода в объеме горящего факела и его температуры 4) при неполном сгорании жидких углеводородных горючих в результате их высокотемпературного пиролиза образуется бензопирен (2012) или бензпирен. Последний является одним из сильнейших концерогенных веществ. В естественных условиях 2012 весьма устойчив и, накапливаясь в почве или присутствуя в воздухе, участвует в биологическом круговороте, вредно воздействуя на биологические процессы в живых организмах. Известны горючие смеси и способы их получения из жидких нефтепродуктов. Наиболее близким аналогом является способ приготовления трудносмешиваемой многокомпонентной горючей смеси путем наложения ультразвуковых колебаний интенсивностью свыше 2 Вт/см 2 на жидкую фазу от температуры кипения до температуры замерзания с последующим резким ее переохлаждением 1. Недостатками известного способа получения многокомпонентной горючей смеси являются 1) в целях удлинения срока устойчивости получаемой из жидких нефтепродуктов многокомпонентной горючей смеси требуется обязательное ее резкое переохлаждение 2) для резкого переохлаждения получаемой многокомпонентной смеси требуются большие энергозатраты и громоздкое специальное технологическое оборудование. Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Решение указанной задачи достигается тем, что в качестве нефтепродуктов горючая смесь содержит керосин и мазут при следующем соотношении компонентов, мас.мазут 34-38 вода 12-16 керосин остальное,при этом перед смешиванием 12-16 весовых частей воды нагревают до температуры 18-55 С при статическом давлении 1,5-4,5 кГс/см 2 и осуществляют ее обработку ультразвуком с частотой 15-365 кГц, переменным звуковым давлением 0,5-20,0 кГс/см 2 и силой звука 0,16-270 Вт/см 2, после чего, не прекращая обработки ультразвуком, в воду при перемешивании вводят 34-38 частей мазута и керосина и смесь перемешивают в течение 15-20 мин. Использование горючей смеси предложенного состава (гидростабилизированной смеси на основе керосина) в качестве горючего снижает сажеобразование в 2-3 раза, а в некоторых режимах даже полностью его исключает, снижаются потери тепла от химического недожога топлива и становятся равными нулю при коэффициенте избытка воздуха равном 1,05, в 3-4 раза уменьшается скорость коррозии элементов горюче-топочных аппаратов, раскоксовываются отверстия распылителей топливных форсунок. Повышение температуры воды от 5 до 50 С увеличивает уровень кавитационной активности, максимум которого достигается при 50 С. Дальнейшее повышение температуры воды снижает ее уровень кавитационной активности, и при 85 С кавитация в воде практически отсутствует. Увеличивая одновременно статическое (Ро) и переменное звуковое (Ра) давления при оптимальном значении Ро/Ра 0,4, можно многократно увеличивать уровень кавитационной активности воды. Верхний предел уровня кавитационной активности воды в этом случае ограничивается лишь уровнем звукового давления, который может быть достигнут при использовании современных источников звуковой энергии. Повышение статического давления очень сильно влияет на характер кавитационной области. Рост Ро, с одной стороны, приводит к уменьшению числа кавитационных зародышей, а с другой стороны, - к сохранению числа пульсирующих пузырьков. При определенном соотношении Ро/а крупных пульсирующих пузырьков в жидкости может вообще не быть. Однако следует помнить, что при Р 0 Ра нет условий для возникновения кавитации в жидкости и размер всех пузырьков становится меньше критического размера, в результате чего они пульсируют в звуковом поле, мало изменяясь в размерах. Повышение Ра двояко влияет на динамику кавитационной полости - с одной стороны, затягивается фаза расширения пузырька и увеличиваются радиусы кавитационных пузырьков , время захлопывания пузырьков , и время сдвига фазы захлопывания пузырькапо отношению к периоду колебания Т (рост этих параметров выше некоторых определенных значений) снижает кавитационную активность пузырьков, так как стадия интенсивного захлопывания может перейти в следующий отрицательный полупериод, что ослабляет интенсивность ударных волн с другой стороны, повышение Ра до значений выше пороговых безусловно необходимо, так как в противном случае кавитация не возникает. Кроме того, с расчетом Ра увеличивается время, в течение которого силы, удерживающие пузырек в равновесном состоянии, уравновешиваются звуковым давлением, и пузырек может неограниченно расширяться. Следовательно, увеличение Ра до некоторого предела оказывает на динамику полости воздействие, аналогичное снижению частоты. 2951 1 Движение парогазовых пузырьков в звуковом поле становится неустойчивым, еслиТ/2. В этом случае кавитационный пузырек вырождается в пульсирующий. Следовательно, повышая Ра, можно ждать увеличения кавитационной активности единичного пузырька лишь при условииТ/2. Повышение частоты колебаний приводит к уменьшениюкавитационной полости при постоянном амплитудном значении звукового давления. Такой результат ясен, если учесть, что с ростом частотыпри постоянном Ра сокращается время, в течение которого величина звукового давления превышает внешние силы, удерживающие пузырек в состоянии равновесия, когда он может неограниченно расширяться за счет содержащегося в нем газа. Естественно, что при этом пузырек успевает вырасти до меньших размеров, если же радиус его был близок к критическому, то он может выродиться в пульсирующий при условии, что амплитуда звукового давления Ра сохраняется постоянной. Уменьшениекавитационных полостей с ростомспособствует росту давления парогазовой смеси в пузырьке и началу захлопывания, что снижает интенсивность ударных волн. Изменение частоты колебаний влияет на динамику кавитационной полости, распределение полостей кавитации в объеме жидкости и на порог кавитации. Снижение максимальных размеров кавитационных пузырьков с ростом частоты уменьшает эффект экранировки на границе излучатель-жидкость и способствует более равномерному распределению пузырьков в объеме жидкости. Одновременно с повышением частоты увеличивается коэффициент поглощения звуковой энергии в жидкости, обусловленный наличием сил вязкого трения, а следовательно, растет скорость акустических течений, которые к тому же становятся более мелкомасштабными. Однако с ростом частоты растет порог кавитации и увеличиваются потери в преобразователях, а это приводит к ослаблению эффективности кавитации. Чрезмерно понижать частоту нежелательно, так как при этом резко возрастает шум и усложняется звукоизоляция,а также увеличивается вес преобразователя за счет его активного звена. Подавляющее большинство промышленных установок работает в диапазоне частот от 15 до 365 кГц. Это оптимальный диапазон в смысле технологического эффекта, экономичности процесса и техники безопасности. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено переменное звуковое давление и сила звука,необходимые для возбуждения кавитации в водопроводной воде при различных частотах 15-365 кГц, которые представлены в таблице 1. Таблица 1 Переменное звуковое давление и сила звука, необходимые для возбуждения кавитации в водопроводной воде при различных частотах Частота,кГц 15,0 175,0 365,0 Для возбуждения кавитации необходимо Звуковое давление, кГс/см 2 Сила звука, Вт/см 2 0,5-2,0 0,16-2,6 4,0 10,0 7,0-20,0 33,0-270,0 Из анализа данных в таблице следует, что для возбуждения кавитации при более высоких частотах требуется большая сила звука. Увеличение необходимой силы звука при повышении частоты обусловлено тем, что образование кавитации требует известного времени, которое зависит от величины и формы зародышей кавитации, а также от действующего разряжения. Выбранные верхний и нижний пределы соотношения компонентов в гидростабилизированной смеси обеспечивают кинематическую вязкость этой смеси равной при 80 С 38-45 сСт, т.е. примерно равной кинематической вязкости дизельного горючего (40 сСт). Это позволяет гидростабилизированную смесь использовать в качестве горючего для дизелей. Кроме того, выбранные верхний и нижний пределы вводимого количества воды обеспечивают устойчивую гидростабилизацию смеси в ультразвуковом поле и каталическое влияние водяных паров на горение горючих элементов. Вводимый компонент мазут с нижним и верхним пределом 34-38(вес) соответственно в основном придает вязкость смеси 38-45 сСт и способствует ее гидростабилизации в ультразвуковом поле. При действиях поля с выбранными характеристиками звука (частотой 15-365 кГц, переменным звуковым давлением 0,5-20 кГс/см 2 и силой звука 0,16-270 Вт/см 2) на воду, в ней возникает кавитация. Благодаря кавитации и связанной с ней сильной ионизации в воде образуются свободные радикалы ОН и Н, т.е. вода активируется. Свободные радикалы ОН и Н являются первопричиной образования в кавитационной области с активированными молекулами керосина и с активированными молекулами мазута устойчивых ассоциатов. Энергия связи молекул в ассоциатах значительная, поэтому они достаточно устойчивы и не разрушаются механическим путем и при повышении температуры. При нагреве гидростабилизированной углеводородной смеси до 150-250 С физическое состояние воды и горючих компонентов в ассоциатах изменяется. Температура кипения воды на 170-200 С ниже кипения мазута и керосина, в результате этого горючая часть капли ассоциата еще остатся в жидком состоянии, тогда как вода уже превращается в пар. Благодаря этому капля ассоциата под действием расширяющегося водяного пара разрывается на более мелкие части, происходит микроразрыв. Такое дополнительное дробление капель интенсифицирует процесс горения горюче 3 2951 1 го за счет увеличения поверхности испарения, улучшения процесса перемешивания горючего с воздухом и каталического влияния водяных паров на горение топлива. Пары воды под действием высоких температур частично соединяются с углеродом горючего, а частично - с частицами коксового остатка неполного сгорания по реакции газификации СН 2 ОСОН 2 - 131,4 кДж В этом случае оксид углерода и водород будут легко окисляться в конце факела (во вторичном пламени), а прочные углеводородные соединения (3,4-бензопирен) не будут образовываться. Это обеспечивает практически полное сгорание углеводородного горючего, что компенсирует затраты тепла на газификацию водой части углерода и коксовых остатков. Кроме того, в результате сравнительно низких температур (1700-1900 С) в ядре факела резко снижается образование окислов азота - в 3-4 раза по сравнению с обычными способами сжигания. В связи с возникающим значительным недостатком кислорода (израсходованным на дожигание оксида углерода и водорода, образующихся в результате газификации части углерода и коксовых остатков) в факеле снижается так же и образование серного ангидрида. Оксид натрия, находящийся в факеле в газообразном состоянии, связывается избытком паров воды по реакции 2 Н 22,в результате которой образующийся гидрооксид натрия, взаимодействуя с углекислым газом по реакции 2 СО 2232,образует карбонат натрия. Аналогично этому связываются оксид серы и пятиокись ванадия гидрооксидом натрия по реакции О 3224 Н 2 252232. Полученные карбонат, сульфат и ванадат натрия выбрасываются с отходящими газами в атмосферу. По мере снижения температуры отходящих газов ниже 100 С происходит гидролиз карбоната натрия по уравнению 23 Н 2 О 3. При этом образовавшаяся при горении двуокись азота 2 вступает во взаимодействие с гидрооксидом натрияс образованием смеси солей азотной и азотистой кислот по уравнению 22232 Н 2,тем самым снижается совместный эффект коррозийного воздействия сульфата натрия, пятиокиси ванадия, окиси натрия и окислов азота примерно в 3-4 раза на элементы проточной части горелочно-топочных аппаратов. Для стандартных мирок керосина низшая теплота сгорания составляет 42900-43400 кДж/кг, а для полученной гидростабилизированной многокомпонентной смеси на основе керосина она находится в пределах 37514-38825 кДж/кг,что на 8,74-8,95 ниже керосина. Однако в связи с тем, что полученная гидростабилизированная углеводородная многокомпонентная смесь на основе керосина имеет химический недожог практически равный нулю, то это снижение теплоты сгорания смеси полностью компенсируется ее полнотой сгорания. Эффективность изобретения подтверждается следующими примерами 1) воду предварительно нагревали до 18 С при статическом давлении 1,5 кГс/см 2, затем воду в этом состоянии активировали воздействием звука частотой 15 кГц, переменным звуковым давлением 0,5 кГс/см 2 и силой звука 0,16 Вт/см 2, после чего в активированную воду в зону звукового поля при перемешивании вводили керосин осветленный и мазут М-100 в соотношении 34 части мазута на 50 частей керосина и в течение 15 минут смесь перемешивали в звуковом поле, затем полученную многокомпонентную горючую смесь выдерживали в течение 1,5 лет при колебаниях температуры 0-20 С. Для наблюдения использовалось пять проб. За 1,5 года хранения ни в одной пробе не наблюдалось расслоение многокомпонентной смеси 2) воду предварительно нагревали до 55 С при статическом давлении 4,5 кГс/см 2, затем воду в этом состоянии активировали воздействием звука частотой 365 кГц, переменным звуковым давлением 20,0 кГс/см 2 и силой звука 270 Вт/см 2, после чего в активированную воду в зону звукового поля при перемешивании вводили керосин РТ (ГОСТ 16564-71) с жидкостью И и мазут М-100 в соотношении 38 частей мазута на 50 частей керосина и в течение 20 минут смесь перемешивали в звуковом поле, затем полученную многокомпонентную горючую смесь выдерживали в течение 1,5 лет при колебаниях температуры минус 23 до 25 С. Для наблюдений использовалось пять проб. За 1,5 года хранения ни в одной пробе не наблюдалось появления кристаллов льда при отрицательных температурах или расслоения многокомпонентной смеси 3) полученная многокомпонентная горючая смесь опробировалась в производственных условиях на котлепарообразователе Д-900 с горелкой блочно-жидкостной БГЖ-0,5. Результаты испытаний представлены в таблице 2. 2951 1 Таблица 2 Сравнительные результаты испытаний преобразователя Д-900 на стандартном горючем и гидростабилизированной многокомпонентной горючей смеси на основе керосина 1 1. Теоретическое количество сухого воздуха, необходимое для полно-го сгорания. 2. Содержание трехатом-ных газов в уходящих газах. 3. Содержание кислоро-да в уходящих газах. 4. Содержание окиси углерода в уходящих газах. 5. Содержание азота в уходящих газах. 6. Объем дымовых газов. 7. Объем водяных паров. 8. Располагаемое тепло топлива 9. Температура уходящих газов. 10. Потеря тепла с уходящими газами. 11. Потеря тепла от химической неполноты сгорания. 12. Суммарные тепловые потери. 13. Коэффициент полезного действия. 14. Расход топлива. 15. Паропроизводительность на единицу расхода топлива. Дизельное горючее С 86,313,30,30,2220,1 Малое го- Большое рение горение 3 4 Вид топлива Смесь 1 С 66,59,90,7322,6220,3 Малое го- Большое рение горение 5 6 Смесь 2 С 62,879,40,6526,6220,27 Малое го- Большое горение рение 7 8 кг пара кг топл Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.