Способ подготовки и активации тяжелых моторных топлив и мазутов для дизеля

(22) 23.11.90 (46) 30,06.93. (71) Южный проектно-ко ского флота (72) Ю,П.Авла (56) Авторско М 1432255, к ович и О,П.Саунинсвидетельство СССЕ 02 М 31/18. 1987 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ОМУ СВИДЕТЕЛЬС юл, М 24аучно-исследовательскийтрукторский институт мо(54) СПОСОБ ПОДГОТОВКИ И АКТИВАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ И МАЗУТОВ ДЛЯ ДИЗЕЛЯ(57) Использование: подготовка и активация тяжелых моторных топлив и мазутов для дизелей, Сущность изобретения; нагретое топливо до температуры 80-150 С перед подачей в цилиндры под давление 0,2-1 МПа вводят частично окисляющий и активирующий процесс сгорания газ, содержащий кислород и озон не менее 80, при содержании озона и других активных форм кислорода не больше 20 до образования Изобретение относится к способам подготовки и активаций жидких топлив для дизелей путем насыщения его газовой смесью непосредственно перед впрыском в цилиндры. Оно распространяется на все типы дизелей, работающих на дизельном, моторном и тяжелых топливах, типа флотских, экспортных, топочных мазутов и газотурбинных, Изобретение применимо в стесненных условиях машинно-котельных отделений судов и кораблей всех типов и назначений, а также на дизелях береговых установок и передвижных дизель-генера.Ы 1824498 А 1 устойчивой мелкодисперсной газово-пузырьковой фазы суммарным обьемом до 50 от цикловой подачи топлива. Ионизацию смеси газа осуществляют при напряжении 8-15 кВ электрическим зарядом отрицательной полярности 12-22 Эв. Обогащение смеси кислородом проводят путем пропускания воздуха через две ступени полимерных полунепроницаемых мембранных газо разделительных элементов с добавлением кислорода под давлением на пусковых и переходных режимах, Активацию топлива проводят путем перемешивания газовой смеси с топливом, изменяя при этом обьем газовой смеси обратно пропорционально нагрузке дизеля. Время активации выбирают меньше времени существования газовых пузырьков и молекул озона. а часть тяжелых осадков и примесей выводят из топлива путем пропускания последнего через фильтр тонкой очистки с полунепроницаемым металлокерамическим фильтрующим, 3 э.п, ф-лы, 1 ил. торных станции и может быть использовано для улучшения горения жидкого топлива и маэутов в топках котлов, камерах сгорания газотурбинных установок, на других транспортных или стационарных двигателях.Цель изобретения - повышение интенсивности и полноты процесса сгорания.На чертеже изображена принципиально-функциональная схема судовой системы, реализующей предлагаемый способ подготовки и активации тяжелых моторных топлив и мазутов для дизеля непосредственно перед впрыском в цилиндры высокообога 1824498щенной кислородом и озоном газовой смесью.Схема содержит эжектирующий и диспергирующий смеситель 1 для ввода активирующей и окисляющей газовой смеси в захватываемое нагретое топливо; пружинный невозвратный клапан 2 для предотвращения прорыва топлива в полости с газом - активатором; дроссельный клапан 3 регулирования (изменения) расхода газовой смеси для насыщения; защитную трубную петлю вверх газового затвора 4, расположенную на 2-3 м выше уровня смесителя и предохраняющую от прорыва топлива при колебаниях давления в полости с газом-активатором; озонатор 5 с электрическим барьерным или коронным разрядом напряжением 8-15 кВ для озонирования и иониэации обогащенной кислородом газовой смеси; гаэоразделительный полунепроницаемый элемент 6 (ГРЭ) второй ступени или фильтр-денитрификатор обогащения кислородом поступающей от первой ступени смеси за счет селективного разделения кислорода и азота; гаэоразделительный элемент 7 (ГРЭ) первой ступени обогащения кислородом воздуха, а также работающий за счет селективного разделения кислорода и азота; силикагелиевый или цеолитовый осушитель 8 сжатого воздуха, обеспечивающий очистку его от влаги, углекислого газа; углеводородов и примесей; масло-, пыле-, частице-, солеуловитель 9 для первичной очистки сжатого и охлажденного воздуха перед его входом в осушитель и ГРЭ 1 стбаллон пускового воздуха 10 дизеля с давлением до 1,6-2,5 МПа: водяной воздухоохладитель 11 поверхностного типа для снятия температуры сжатого воздуха после компрессора; воздушный компрессор 12 (с всасывающим и нагревательным патрубками) для заполнения баллона пускового воздуха или прокачки линии очистки его, обогащения кислородом и озоном и ввОда газовой смеси в топливо. Горизонтальный удлиненный реакторный участок 13 топливопривода с выступами-интер цепторами-турбулизаторами внутри для равномерного перемешивания и формирования мел кодисперсных газовых пузырьков в топливе, а также ускорение; химических реакций. эмульгирования, гомогенизации, - препятствующих расслоению двухфазовой среды топливо-гаэ и обеспечивающих распределение, дробление и насыщение нагретого топлива обогащенной озона-кислородной газовой смесью; полунепроницаемый пористый металло-керамический фильтр тонкой очистки (ФТО) 14 для вывода определанной части прореагировавших с озоном и киглородпм гатаооген 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ных соединений, примесей, осадков. комплексов тяжелых металлов, асфальто-гудронистых компонентов иэ топлива; блок с прокачиванием всасывающим коллектором топливовпрыскивающих насосов 15 высокого давления (ТНВД) для сжатия и подачи топливно-газовой смеси в цилиндры; форсунки 16 для распыления сжатой до жидкости (топливно-газовой) смеси; дизель 17 (двигатель внутреннего сгорания, газовая турбина или топка котла, на которой работает вся система подготовки и активации топлива; топливная рейка 18 для управления, изменения, регулирования цикловой подачи (расходов) топлива через ТНВД, а также - расходов насыщающей газовой смеси и добавочного кислорода иэ баллона; циркуляционный насос 19 (ЦНТГС) топливно-газовой смеси для прокачки и поддержания стабильной температуры в коллекторе всасывания ТНВД на всех режимах работы дизеля; топливоподогреватель 20 для корректирования и поддержания температуры топливно-газовой смеси; циркуляционный трубопровод 21 для подачи топливно-газовой смеси на обеспечение работы эжектирующего и диспергирующего смесителя 1, то есть для подсасывания (захватывания) и перемешивания подходящих к нему с двух сторон раздельно нагретого топлива и газа; баллон 22 высокого давления с технически чистым кислородом для добавки в цикл обогащения, при необходимости, перед оэонатором; редуктор давления 23 и дроссельный клапан 24 добавочного чистого кислорода для подачи его на вход озонатора; пружинный предохранительно-переливной клапан 25 для отвода и возврата нагретого иэбь 1 точного для дизеля топлива в возвратную или расходную цистерну; топливоподогреватель 26; фильтр грубой очистки (ФГО) 27 топлива от грязи и крупных частиц; топливоподкачивающий насос (ТПН) 28, обеспечивающий прокачку топливной системы и подпора на всасыеании ТНВД; линия возврата 29 нагретого топлива в (возвратную) расходную цистерну; расходная (возвратная) цистерна 30 с промежуточным подогревом топлива; редуктор 31 давления инертного газа от первой ступени ГРЭ на потребители и судовые емкости.Следует отметить. что в приведенной схеме, наряду с уже имеющимися на судах элементами системы топливоподготовки и пускового воздуха, трубопроводами, емкостями и оборудованием; 25-30, 15-18, 21, 10-12, - входят вновь устанавливаемые элементы, аппараты, оборудование, арматура и трубопроводы, необходимые для реализации предлагаемого способа подготовки и5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 активации топлива озоно-кислородной газовой смесью: 1-9, 13-14, 19-20, 22-24; 31,Способ подготовки и активации тяжелых моторных топлив и мазутов для дизеля осуществляется следующим образом. Атмосферный воздух с концентрацией кислорода 21 об.о(точнее 20,9%) всасывается компрессором 12 и сжимается до давления 1,6-2,6 МПа, затем подаются через воздухоохладитель 11 в баллон пускового воздуха 10, а оттуда или помимо него приходит пыле-. масло-, частице-, солеуловитель 9, после чего попадает в цеолитовый или силикагелиевый осушитель 8, его влажность доводится до 5-10%, но не более 20 о . Затем воздух под давлением примерно 1,5-2,4 МПа попадает на входной ресивер газоразделительного элемента первой ступени 7, то есть полунеп, роницаемый фильтр-денитрификатор с огромным множеством полых волокон из полимерного материала, например, поли- метилпентенаили поливинилтриметилсилана, где кислород селективно отделяется от азота и попадает наружу волокон под металлическую оболочку ГРЭ, а инертный газ по полостям волокон выходит в ресивер с концентрацией азота 90-95 об.% и выше давлением 1,4-2,3 МПа и направляется через редуктор 31 к емкости для обеспечения пожаробезопасности или сохранности перевозимых судным грузом.Обогащенная в прямом потоке ГРЭступени внутри полых волокон и выходящая из ресивера инертная среда не требуется для ввода в топливо, так как является загряэнителем его, тормозящим процессы сгорания, - оно утилизируется по другому направлению: снимая давление в редукторе 31 основную часть ее направляют для предотвращения возгораний и взрывов перевозимых жидких или опасных грузов судна, или для предотвращения возгорания легких и летучих фракций подогретого и горячего топлива, возвращаются из цикла. Поэтому можно направить небольшую часть ее в расходные цистерны 30 или возвратного топлива (с избыточным давлением 0,0005 МПа), Остальную часть инертной среды после ГРЭступени можно пустить и на скоропортящиеся грузы,Из ГРЭ ступени 7 обогащенную кислородом до 40 об.% воздушную смесь последовательно вводят в ресивер распределитель по полым волокнам ГРЭступени 6 из таких же материалов, как и ГРЭступени, где газовая смесь обогащается кислородом до 80 об. Ои накапливается под его оболочкой.Смесь, получаемую на выходе из внутренней инертной час ги ГРЭступени близкую по составу к воздуху выпускам, в воздух, а если в помещение УКО, то во избежание отравлений и увеличения пожароопасности, нельзя в ней допуска; ь расширения содержания кислорода бпл е или менее 21+1%, или направить (рекомендуется) через расширительное сопло на всасывающий патрубок компрессора 12 для смещения и некоторого охлаждения всасываемого теплого воздуха из МКО судна, чго несколько уменьшает работу, затрачинаемую компрессором на сжатие воздуха и облегчает его эксплуатацию, Из ГРЭступг - 1 обогащенная кислородом до 80 об.смс добавкой, при необходимости, чистого кислорода (из баллона высокого давления 2 через редуктор давления 23 и угод;1- емый дроссельный клапан 24) попадает о озонатор с коронным разрядом 5, где существенно ионизируется и обогащается озоном и другими активными формами кислорода до 20 об,%.После озонатора ионизированная и обогащенная кислородом и озоном не менее 80 об,% газовая смесь проходит трубную петлю газового затвора 4, дроссельн. клапан 3, управляемый от топливнои репки 18. пружинный предохранительный клапан 2, и подается в эжектирующий смесите, где увлекается топливно-газовой смесьюсмешивается с ней.Из смесителя 1 топливно-газовая смесь проходит по удлиненному горизонтальному реакторному участку 13 топливопровода. с внутренними выступами - интероцсптордми-турбулизаторами, способствующими активному и интенсивному перемешиванию смеси и дробления пузырьков газа, увеличивающими скорость насыщения озоном и кислородом нагретого топлива, одновременно способствующим его частичному окислению и вовлечение в реакции пгежге всего, гетерогенных соединени . напи;,серы и тяжелых металлов, при этом от дополнительного избыточного ввода в топливо газовой среды, не прореагировавшей нэ участке 13 с топливом (с озоном, кнслогг дом, азотом, летучими углеводородами, парами воды, углекислым газом) в виде множества пузырьков. - увлекаются к всасывающему коллектору топливовпрыскива. ющего насоса 15, но только проходя через полунепроницаемый фильтр тонкой очистки 14 с перегородками, сетками и пористыми металлокерамическими материалами г гпускающего основную часть (более я-. кую") топливо-газовой смеси к ТНВД56 и не пропускающего часть выводимых из цик ла асфальто-гудронистых самых глкепд., осадкой, элементов, примесей и ссновнук 15 10 50 55 часть комплексов из окислов серы и металлов. с размерами частиц более 10 мкм, При этом выполнение реактивного участка 13 с внутренними выступами-интерцепторами-турбулиэаторами и фильтра 14 с полунепроницаемыми сетками и металло- керамическими материалами должны способствовать его дроблению, эмульгированию и устойчивой стабилизации и гомогенизации, то есть неразделению или нерасслоению смеси жидкое топливо-газовые пузырьки перед ТНВД, для обеспечения возможности беспрерывной работы топливовпрыскивающего насоса,Так как топливо-газовая смесь проходит к ТНВД на всасывание под напором 0,2-2 МПа, то условие (безотрывного) всасывания двухфазовой сжимаемой жидкости будет обеспечено, если суммарный обьем пузырьков газа не будет превосходить при пересчете на атмосферное давление 50 от объема подаваемого (цикловой подачи) топлива, - при этих концентрациях топливовпрыскивающая аппаратура - ТНВД 15 и форсунки 16 еще работают без пропусков и срывов подачи топлива, стуков, дополнительных износов и с несколько меньшим давлением, развиваемым при впрыске, что даже способствует менее жесткой работе топливовпрыскивающего насоса высокого давления и самого дизеля.Судовой контур топливоподготовки до смесителя 1 работает следующим образом; разогретое до вязкости, необходимый для перекачивания, тяжелое топливо из расходной или возвратной цистерны 30 засасывается топливоподкачивающим насосом 28 и подается под давлением 0,2-1 МПа на фильтр грубой очистки 27, где из него удаляются (часто для этой цели применяются сепараторы) тяжелые крупные частицы и грязевые отложения, проходит топливоподогреватель 26, где нагревается до температуры 80-150 С в зависимости от марки топлива для обеспечения вязкости 2 4 ВУ, при которой наилучшим образом протекает процесс распыления, Обычно производительность ТПН значительно превосходит производительность ТНВД, неЬбходимую для обеспечения максимальной мощности дизеля, поэтому после топливоподогреватля 26 непосредственно перед смесителем 1 поток топлива делится на две линии: одна часть его через предохранительно-переливной клапан 25 попадает в возвратную линию 29 и входит в возвратную или расходную цистерну 30, попутно осуществляя струйный разогрев находящегося там топлива; вторая часть нагретого топлива захватывается эжектирующим и диспергиру 15 20 25 30 35 40 45 ющим смесителем 1, обеспечивающим пожаробезопасность и невозможность прорыва озоно-кислородной смеси в контур и емкости 30-28-27-26-25-29-30 и проходит в виде двухфазной среды через реакторный участок 13, ФТО 14, всасывающий коллектор ТНВД 15, и в виде жидой среды попадает в форсунки 16, через распылители которых топливо попадает в камеры сгорания цилиндров 17. Основная часть топливо-газовой смеси из всасывающего коллектора ТНВД 15 забирается и прокачивается циркуляционным насосом 19 через топливоподогреватель 20 для поддержания и корректировки температуры в коллекторе всасывания ТНВД (на всех режимах работы дизеля), циркуляционный трубопровод 21 и подается для обеспечения работы эжектирующего и диспергирующего смесителя, захватывающего и перемешивающего проходящие к нему с двух сторон раздельно нагретое топливо из контура 30-28-27-26-25-29-30 и кислородно-озонную газовую смесь иэ линии,подготовки 12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1 (22-23-24), Применение предложенного способа подготовки и активации тяжелых моторных топлив и маэутов для дизеля позволяет: использовать наиболее тяжелые и дешевые, .остаточные, низкосортные, сернистые, ниэкоцетановые, высоковязкие, углеводородные топлива и мазуты для сжигания в дизелях, топках котлов и камерах сгорания беэ их конструктивных изменений и переделок; непосредственно перед вспрйском в цилиндры или камеры сгорания быстро активировать и облагородить любое топливо и достигнуть этого наименьшим количеством расходуемой энергии и предложенной газовой смеси без применения искусственных добавок, присадок и катализаторов; в несколько раз снизить содержание серы и некоторых других гетерогенных соединений, примесей и тяжелых металлов в активированном топливе с переводом иэ в легкоудаляемые комплексы и выводом на полунепроницаемом фильтре тонкой очистки: повысить на 10-15 единиц цетановое число топлива; сократить почти в два раза период задержки воспламенения; увеличить интенсивность, скорость и полноту сгорания топлива; снизить температуру и увеличить полноту выгорания сажы; снизить дымность в 2-3 раза; снизить массу вредных выбросов и их токсичность в отработавших газах; снизить удельный расход топлива на единицу мощности двигателя на 5-10(меньшие цифры относятся к дизелям большей мощности).Кроме того, использование предложенного способа с применением газоразделительных мембранных элементов и озонатора под давлением позволит; увеличить выход озона и других активных и неустойчивых форм кислорода свыше 20 ообъема газовой смеси подаваемой в топливо; утилизировать попутно полученный в первой ступени газоразделение инертный гаэ для обеспечения пожаро-взрывобеэопасности или сохранности как топливных систем и емкостей, так и перевозимых судном грузов.Формула изобретения 1, Способ подготовки и активации тяжелых моторных топлив и мазутов для дизеля, заключающийся в том, что непосредственно перед вспрыском в цилиндры в нагретое топливо вводится под давлением частично его окисляющий и активирующий процесс сгорания газ, получаемый из осушенного и очищенного воздуха в виде ионизированной при электрическом напряжении и обогащенной кислородом и озоном смеси,отлича ющи йся тем,что,с целью повышения интенсивности и полноты сгорания, процесс активации проводят путем подачи в топливо смеси кислорода, озона и азота с содержанием кислорода и озона не менее 80 , при содержании озона и других активных форм кислорода не больше 20 одо образования устойчивой мелкодисперсной газово-пузырьковой фазы суммарным объемом до 50 ог цикловой подачи топлива в пересчете на атмосферное давление,причем топливо перед подачей в цилиндрынагревают до 80-150"С. вводя последнее5 под давлением 0,2-1.0 УПа а ионизациюсмеси осуществляют при напряжении 8-15кВ электрическим зарядом отрицательнойполярносги 12-22 эВ.2, Способ по п,1,отл и ч д ю щи йс я10 тем, что обогащение смесислородом проводят путем пропускания воздуха через двеступени полимерных полунепроницаемыхмембранных гаэоразделительных элементов с добавлением кислорода под давлени 15 ем на пусковых и переходных режимахдизеля, полученный газ иониэируют и обо.гащают озоном и другими активными формами кислорода,3, Способ по и, 1, о тл и ч а ю щи йс я20 тем, что активацию топлива проводят путемперемешивания газовой смеси с топливом,изменяя при этом объем газовой смеси обратно пропорционально нагрузке дизеля,4, Способ по и. 1, о т л и ч а ю щи й с я25 тем, что время активации топлива вбираютменьше времени существования газовыхпузырьков и молекул озона, а часгь тяжелыхосадков и примесей выводят иэ топлива путем пропускания последнего через фильтр30 тонкой очистки с полунепроницаемым металлокерамическим фильтрующим топливным элементом перед подачей топлива втопливный насос высокого давления,1824498 Составитель Н. ДятловаТехред М,Моргентал Корректор Г, Кос Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 101 Заказ 2219 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб,. 4/5