高能液體組合燃料的製作方法

2023-06-04 12:09:41 3

專利名稱：：高能液體組合燃料的製作方法與本發明有關的技術現狀近代交通工具是近代文明的基礎之一，而使用化學燃料的內燃發動機，又是交通工具的心臟。但是人類迄今為止，在交通工具發動機中，又主要是使用化石燃料，如汽油，柴油等，這些化石燃料也存在著比較顯著的缺點。(1)儲量有限，不能再生天燃氣，石油和煤都是遠古時代的生物沉積，是歷史上遺留下來的能量儲備，因此儲量是有限的，而且不可能再生。例如全球煤的地質儲量只有14-20萬億噸，石油只有3-4千億噸(其中海底約1千億噸)，天燃氣只有64×1012M3。而世界能源消耗卻以每年5～6%速度增長，100年後的世界總能量，將超過目前水平的50～60倍，因此不少人預測，在21世紀，整個人類必須在能源結構上，出現質的重大突破，方才有可能從質和量兩方面，充分地滿足人類進步和發展的需要。(2)環境汙染嚴重化石燃料的主要成份是碳，是一種碳基燃料。例如每一公斤汽油中，含有0.855公斤碳。每一公斤柴油中含有0.87公斤碳。而每一公斤碳燃燒後，又將生成二氧化碳3.667公斤，或二氧化碳氣體1.867米3。目前，地球大氣中二氧化碳的含量比過去高23%，每年排放進入大氣的二氧化碳達到50億噸。這主要是全世界4億輛汽車等設施，燃燒化石燃料的結果。這就使得大氣層的「溫室效應」更趨嚴重。在1988年多倫多國際大氣會議上，會議聲明也敦促各國儘快實施「保護大氣層的行動計劃」力爭2050年，在全世界範圍內，使化石燃料的使用減少20%，最終減少到50%。為了實現這個目標，就必須從系統的全局出發，另闢蹊徑，從單因素最優匹配來選擇組合燃料。這樣，才能有經濟的實用的，清潔而能再生的新型組合燃料問世。(3)升功率不高使用常規化石燃料的內燃機，其升功率甚低，限制升功率提高的主要因素是被動給氧，熱應力和機械應力，這三個因素中，前兩個因素都和燃料的自然匹配構成有關。而自1860年蘭諾發明第一臺2.2千瓦煤氣內燃機以來，內燃機燃料至今仍然基本上是自然生成的構成匹配在使用，這就從根本上約束了發動機給氧狀況的有效改善。時然而言，也到了改變這種非優匹配的時候了。內燃機的增壓技術，作為一種主動供氧的手段，從1880年德國人開始研究以來，已經在相當一部分內燃機上，得到了推廣應用。但作為外部條件的改善，其功率的提高，也頗為有限，至今不過獲得功率提高20～40%其效果並不能令人滿意。對於熱應力的問題，至今是採用增加非工作吸入(二衝程，四衝程機吸入冷空氣)，採用優質的特殊的耐熱材料，如耐熱合金，耐熱陶瓷等結構材料來解決，但其效果也仍然不能令人滿意。除增加成本，減少使用壽命以外，在燃汽輪機領域中充許燃氣溫度也只有1010℃，這個數值，顯然不夠，應當設法予以改變。本發明的目的，就是為了解決以上的再生能源，清潔能源和匹配能源的問題，而提出的一種高功能液體組合燃料。它將使內燃機和內燃機燃料，在新的原理機制上，獲得質的進步。進而建立一個嶄新的比較完善的熱力工程系統，從根本上改變化學發動機的落後狀況。本發明的內容是(一)燃料組合匹配的原理1、系統封閉原理在考慮組合匹配方案時，首先要把整個燃燒反應過程，從時間和空間上都從外部環境中，暫時割裂分離出來，作為一個獨立的，完整的，封閉系統來考查。在這系統內，應當是具備完成燃燒反應所必須的，充分的條件或潛在條件與外部分離出來。事物的任何發展和變化，內因總是主要的，決定性的。而外因則是次要的非決定性的，這就抓住了燃燒過程的主要矛盾，防止有關技術措施，出現舍本求未，甚至本未倒置的失誤。2、燃份優化原理燃燒過程是一個氧化過程，可燃組份就是可被氧化組份。燃料中氧化組份的構成，是否優化，至關重要。一般說來，除周期表中的零族氣體元素外，其餘元素的絕大部分，都可以被氧化。但能夠作為燃份考慮的，可用於內燃機實用的卻並不多。因為對內燃機燃料的燃份構成元素，必須同時具備以下條件，方有價值(1)點火性能好應能保證在內燃機和各種可能點火方式中，被及時而有效的點燃。(2)發熱量高不能是吸熱反應，同時儘可能有較高的反應釋熱。(3)氣體產物多內燃機作功的工質，只能是氣體，否則能量無載體傳遞，或載體太少，則釋能雖多，作功卻少。(4)產物無毒，無害，儘量不汙染或少汙染環境，倘若產物有毒，有害或汙染較大，均不應選用。(5)固體殘渣儘可能少。(6)原料豐富，價廉。迄今為止，基本符合以上要求的，並已經較長期使用的，主要是C，H兩種燃份。這兩種燃份的性質是存在著差異的，其對比如下(1)點火性碳基和氫基燃料的點火性能，出入不大。例如(在標準大氣壓下，並無火焰移近時的自燃溫度)可見，碳基燃料的自燃點，比氫基燃料略低。但對於使用電火花，電熱塞等電點火結構的內燃機來說，氫基燃料的燃點也是足以保證正常點火的。實踐中使用的火花塞，點火高電壓達到1～1.5萬伏，電晶體點火的高電壓更達到2～3萬伏，電極附近的瞬間高溫甚至可達到20000℃。因此，這兩種燃份的點火實用性能，並無使用上的重大差別。(2)發熱量仍然以碳，氫兩種燃份作比較。碳燃份化學反應式為C+O2＝CO2+407000.KJ或C+1/2O2＝+124000.KJ，其單位質量的發熱量為33900.KJ/kg或10340KJ/kg氫燃份反應式為H2+1/2O2＝H2O(液)+286700.KJ或H2+1/2O2＝H2O(汽)+241700KJ，其單位質量的發熱量為143500KJ/kg(高熱值)，或120900.KJ/kg(低熱值)。由以上對比可知，無論就其克分子發熱量，或單位質量發熱量而言，氫燃份都比碳燃份優越，所以，組合高能燃料，應當選擇氫基燃份為主。(3)氣體產物內燃機的工作原理和機械結構，決定了它的工作介質，只能是氣體。功能傳遞轉換，通過氣態工質才能夠實現。所以，燃燒後氣體生成物的多少，是決定壓強高低，功能轉換效率的基本因素之一。碳、氫兩種燃份的氣體產物對比是碳燃份產物是CO2時，每1公斤碳可生成達3.677kg(1.867m3)的氣態物。產物是CO時，每1公斤碳只生成為2.333kg(1.867m3)的氣態工質。氫燃份產物是H2O(汽)，每1公斤氫，可生成9kg(11.2m3)的氣態工質。即在相等質量的條件下，氫燃份的氣態工質，重量是碳燃份的2.45倍，體積是碳燃份的≈6倍。顯然，在組合燃料中，應當選擇氫基燃份為主。(4)環境汙染燃份燃燒後，其燃燒產物直接決定其對環境的汙染程度。具體情況是碳燃份燃燒後的產物是CO2，CO。前者破壞大氣層的合理結構，產生日趨嚴重的「溫室效應」。後者本身就是對人類有毒的氣體，所以碳基燃料使用得越多，人類賴以生存的環境，就被破壞得越嚴重。反之，氫基燃份的產物，就只是水，而水又是生命存在的物質基礎，氫基燃料使用得越多，地球的淡水資源就越豐富，不但無害，反而有益，多多益善，對比之下，從對環境的有害或有利出發，還是以氫基燃份為宜。(5)固體殘渣碳基燃料在負氧平衡條件下燃燒，將會產生單質碳(碳黑)微粒，造成設備和環境汙染。氫基燃份在負氧平衡下燃燒，則在從機內排出後，仍然是氣體，不會出現固體殘渣。這一點特別是對活塞式內燃機，更有重要的意義。(6)原料來源和再生碳基燃料，不管是石油煤炭或天然氣，都是古代生物炭化而形成，其來源終盡將會枯竭，也難以再生。但是氫基燃料中，若干種均可取材於現存生物物質中，應用化學的，物理的，生物的技術方法，獲得實用型的燃料，故其來源將不致枯竭，同時可不斷地再生，這就使人類的能源建立在最為豐富的物質基礎上，並掌握其數量多少，質量高低的主動操縱權。綜上所述，燃份優化的結論就是由碳基燃料向氫基燃料過渡，最終剔除碳基燃份。3、自氧平衡原理首先，為了使燃份在燃燒過程中，能夠充分、完全的氧化燃燒，才能達到完全地釋放出熱能的目的，所以必須滿足有足夠氧氣供應的條件。其次，為了提高功能轉變的效率，就必須提高燃燒速度(釋能和能量轉移的速度)，而燃燒速度獲得提高的基本條件，就是在該燃燒反應系統內，滿足自氧平衡的匹配組合，這應該是燃料配比選擇的基本標準之一。在近代發動機的工程實踐中，人們已經採用各種機械增壓方式，來解決燃燒系統的自氧平衡問題，但可惜其效果至今甚微，未能從根本上達到目的，必須另闢蹊徑。4、低溫內能平衡原理發動機升功率的提高，在很大程度上，受到熱應力的限制。實踐中，汽油機的燃燒最高溫度達到1800～2200K，柴油機達到2200～2800K，但是從發動機的工作原理來看，高溫工況，並非唯一的必需條件按照活塞式發動機有效功率的計算公式We＝(Pe·Vn·i·n)/(30·τ)×10-3，KW……(1)式中We-發動機的標定有效功率(KW)Pe-氣缸內的平均有效壓強(Pa)Vh-單個氣缸的工作容積(L)i-發動機的氣缸數n-發動機曲軸轉速(r/min)τ-工作衝程數。由第(1)式可知，為達到提高發動機有效功率的目的，可以從提高壓強，加大氣缸容積，增加氣缸數，提高轉速，以及減少工作衝程數這五個因素入手，而與汽缸內的工作溫度，並無直接的聯繫。至於發動機的升功率則按下式計算WL＝(Pe·n)/(30·τ)×10-3，KW/L……(2)式中WL-發動機的有效升功率(KW/L)可見欲提高升功率，也僅和有效平均壓強Pe、工作轉速n，工作衝程數τ，才有關。同樣與氣缸內的工作溫度沒有直接聯繫。扣除衝程數這個機械結構因子，那末，決定升功率大小的，就只剩下Pe和n兩個因素。顯而易見，在保持和提高Pe和n的條件下，儘可能地降低氣缸的最高工作溫度，從理論上看是完全可行的，而這就使燃料組合匹配方案，可以按照高壓低溫的目標，來進行設計，儘可能地在熱力系統內部，以放熱-吸熱的分子熱力學平衡工況，來達到從根本上改善發動機熱應力狀況的目的。現在使用的汽油機最高工作壓強只有2940～4900KPa，柴油機的最高工作壓強只有5880～8830KPa，而工程實踐中，已有大批壓強達到2646×105Pa～2880×105Pa的熱力系統經過實際使用，所以在不提高或降低工作溫度的條件下，大幅度地提高工作壓強。這也是組合匹配選擇燃料的基本原則之一。5、經濟而再生的原理作為商品的燃料、欲在社會領域中，獲得承認和推廣，就必須具有良好的經濟性和能夠再生循環的特性，方才具有廣泛而久遠的生存力，在設計組合匹配方時，這一點是應該首先考慮到的因素之一。(二)高能液體燃料的組合方案1、組合匹配的原則人類今後使用的化學燃料，應該不是自然匹配，而是按需要目的而人工設計，製造的優化匹配。「能動地認識和改造世界」。是人類的基本特徵和基本實踐，發動機燃料也應屬於被認識，被改造的事物之一。跳出燃料構成的自然匹配的束縛，是本發明的基本指導思想。綜前所述，燃料匹配的設計原則就是四項原理系統封閉性，燃份優化性，氧平衡性，熱平衡性。六項要求點火易，功量高，氣體多，汙染少，殘渣少，原料豐。高能燃料如專利申請號「89100099.2」「高能內燃發動機」中所說，可以是固體(塊狀、粒狀、粉狀)，液體(漿狀、乳狀、澄清狀)或氣體。在本發明中，則必須是液體，這也是在本匹配系列中的基本要求之一。2、基態燃料液的組合為了保證組合燃料的液體物理態，首先必須仔細優選基態液。根據使用的綜合要求，可以選用以下幾種基態液體「甲-1」甲醇、CH4O，分子量32.043「甲-2」乙醇、C2H6O，分子量46.05「甲-3」丙酮、C3H6O，分子量58.05「甲-4」硝基甲烷、CH3NO2，分子量61.035「甲-5」苯、C6H6，分子量78.05「甲-6」汽油「甲-7」柴油在以上7種基態液中，可以單一用，也可以兩種或兩種以上組合使用。而且其中「甲-1～-5」均可以由生物資源的循環再生中獲取。3、高能劑的組合為了使組合燃料的燃燒，獲得較高的，預期的功量密度，在總能量不增或少增的條件下，得到較大的工作壓強，添加高能物是必要的。根據需要，可以選用下列幾種高能添加物「乙-1」硝酸銨，NH4NO3，分子量80.04「乙-2」硝化纖維，〔C6H7O2(ONO2)3〕n分子量182.14「乙-3」硝化甘油，C3H5(ONO2)3，分子量227.09「乙-4」三硝基甲苯，(T.N.T)，C7H6O4N2分子量182.144、氧化劑的組合在前述基態燃料液中，如果醇含氧量為50%，乙醇含氧為34.78%，丙酮含氧為29%，硝基甲烷為52%。在前述高能物質中，硝酸銨含氧為60%，硝化纖維含氧為59.2%，硝化甘油含氧為67.7%，三硝基甲苯含氧為35.1%，它們最少含氧佔29%，最多達到67.7%，如果用於現在使用的汽油發動機或柴油機發動機，因已設置有進氣裝置，所差氧氣的32.3～71%由進氣衝程中輸入的空氣氧份來解決。對於需要零氧平衡以上的組合燃料或補氧組合燃料時則可摻加氧化劑來解決。可以選用以下幾種氧化劑「丙-1」四硝基甲烷，CO8N4，分子量196.04含氧為65.3%，餘氧可達57.1%～48.9%。「丙-2」三硝基甲烷，CHO6N3，分子量為151.04含氧為63.5%，餘氧可達47.6%～37%。「丙-3」過氧化氫，H2O2，分子量34.01，餘氧為47.%。「丙-4」硝酸鈣，Ca(NO3)2·4H2O，分子量236.15餘氧為40.6%同時在前述高功能添加劑中，如硝酸銨(可提供餘氧10%)，硝化纖維(可提供最大餘氧40.3%)，硝化甘油(可提供最大餘氧24.7%)都可以作為氧化劑來使用。5、熱平衡劑的組合從系統熱平衡和資源價廉的角度出發，確定用水(H2O)作為燃燒系統的熱平衡劑，因為水的汽化熱頗大，為汽油的6.17倍，乙醇的2.8倍，CO2氣體的2095倍。計算表明10克水的汽化熱足以使1公斤的CO2和H2O汽各佔一半的混合氣體，降溫達14.69℃，其平衡效果很顯著。高能液體燃料的試用情況證明，在不加水時，發動機溫度比添加水比較要高得多。同時用水還有防爆劑的作用，按照爆炸的熱點理論，燃料的熱容量越大，爆炸臨界溫度就越高，爆炸的分枝鏈式反應就越不易形成。試用情況證明，在高能液體燃料以膠體乳液狀態使用時，即使有顆粒微爆產生，也不會出現整體爆轟現象，這給燃料的生產，運輸、保管、使用都大大增加了其安全性。6、物理改性劑的組合為了滿足發動機的種類、用途、及其他要求，在高能液體燃料中，常需添加物理改性劑，以達到助溶、乳化、中和、增燃、出等目的。如肥皂、太古油、乳化劑ABSCa，乳化劑BP，乳化劑EL，丙酮(甲-3)，苯(甲-5)等，按具體使用環境加入。以「丁劑」代號之。7、組合配比(1)組合通式甲劑∶乙劑∶丙劑∶丁劑∶水＝(40～90)∶(2～14)∶(0～53)∶(0～10)∶(0～8)(2)節油通用組合之例「S2-101＃，〔(甲-1)+(甲-6)〕∶(乙-1)∶0∶丁劑∶水＝〔51+20〕∶4∶0∶24∶1用途汽油機和汽車。代替汽油約80%。「S2-102＃，(甲-6)∶(乙-1)∶0∶丁劑∶水＝84∶7∶0∶7∶2用途用於汽油機和汽車。同等負載條件下節油50%左右。「S2-103＃，(甲-7)∶(乙-1)∶0∶丁劑∶水＝84∶7∶0∶7∶2用途用於柴油發動機，同等負載條件下節油50%左右。「S2-104＃，〔(甲-1)+(甲-7)〕∶(乙-1)∶0∶丁劑∶水＝(30+40)∶4∶0∶26∶2用途用於柴油機。代替柴油60%。(3)無油專用組合之例「S2-201＃，(甲-1)∶(乙-1)∶0∶丁劑∶2＝83∶7∶0∶8∶2用途用於專用的甲醇發動機。耗燃料率可降低50%。「S2-202＃，(甲-2)∶(乙-2)∶0∶丁劑∶水＝81∶7∶0∶10∶2用途用於專制的乙醇發動機。耗燃料率可降低50%。(4)全氧平衡組合之例「S2-301＃，(甲-2)∶(乙-1)∶(丙-3)∶丁劑∶水＝(15.6)∶(27.1)∶(57.3)∶(另加3)∶(另加3)「S2-302＃，(甲-1)∶(乙-1)∶(丙-3)∶丁劑∶水＝(17.6)∶(44.14)∶(38.26)∶(另加5)∶(另加2)用途用於專用燃氣輪機和缺氧發動機。本發明的積極效果1、系統地開始了化學燃料，由自然組合向人工優化組合的轉變，在燃料技術發展史上，具有嶄新的意義。按照這個思路，人類將可獲得一系列的優良化學燃料。2、實現了能源的生物資源再生性封閉循環在本發明中，絕大多數的組份，如甲醇(木精)，乙醇(酒精)，丙酮，硝基甲烷，硝化纖維，硝化甘油，T.N.T，硝酸銨，硝酸鈣等，都可以全部或部份地從生物資源的利用和加工中獲得，這就使人類使用的化學能源，有了一個現實的，無盡的來源，為21世紀的新能源開闢了通道。3、使高功能燃料能夠獲得並應用由於本發明的高功能物質的加入，就可獲得很大功量密度的燃料，並在已有發動機領域不加改動或稍加改動而應用，實踐證明，可使發動機功率增加甚至1～3倍。還可以據此設制新型的高功能發動機。4、減少環境汙染在本發明的各項組份中，大多數都是含碳少，而含氫多，這樣就使燃燒產物中，CO2生成數量大大減少，減輕地球的溫室效應。實現本發明的方式，是比較簡單的，只需把各種組份，加以物理性的混合即可得到成品，在混合過程中不發生化學反應。在現在使用的汽車發動機中，若使用節油通用組合配方，可不必改變發動機，也是很方便的，實際試用結果也證明確有效。發明人張慧1990年1月4日權利要求「高能液體組合燃料」的專利權利要求是1、採用基態液，高能劑，氧平衡劑，改性劑，熱平衡劑組合而成。(1)基態液是甲醇(甲-1)，乙醇(甲-2)，丙酮(甲-3)，硝基甲烷(甲-4)，苯(甲-5)，汽油(甲-6)，柴油(甲-7)，(2)高能劑是硝酸銨(乙-1)，硝化纖維(乙-2)，硝化甘油(乙-3)，三硝基甲苯(乙-4)。(3)氧化劑是四硝基甲烷(丙-1)，三硝基甲烷(丙-2)，過氧化氫(丙-3)，硝酸鈣(丙-4)。(4)改性劑是肥皂，太古油，乳化劑ABSCa，乳化劑BP，乳化劑EL，丙酮(甲-3)，苯(甲-5)，統稱「丁劑」。(5)熱平衡劑是水。(6)組合通式為甲劑∶乙劑∶丙劑∶丁劑∶水=(40～90)∶(2～14)∶(0～53)∶(0～10)∶(0～8)2.根據權利要求1，節油組合之例是(甲-1)∶(甲-6)∶(乙-3)∶0∶丁劑∶水＝(54+20)∶2∶0∶24∶0。或(甲-6)∶(乙-3)∶0∶丁劑∶水＝84∶7∶0∶9∶0。或(甲-7)∶(乙-3)∶0∶丁劑∶水＝84∶7∶0∶9∶0。和(甲-1)∶(甲-7)∶(乙-3)∶0∶丁劑∶水＝(48+10)∶4∶0∶36∶2。3.根據權利要求1，專用組合之例是(甲-1)∶(乙-1)∶0∶丁劑∶水＝83∶7∶0∶8∶2，和(甲-2)∶(乙-1)∶0∶丁劑∶水＝81∶7∶0∶10∶2。4.根據權利要求1，無油通用組合之例是(甲-1)∶(乙-3)∶(甲-5)∶丁劑∶水＝(55)∶(2)∶(40)∶3∶0和(甲-2)∶(乙-3)∶(甲-5)∶丁∶水＝(55)∶(2)∶(40)∶3∶0。全文摘要高能液體組合燃料，採用含碳少，含氫多，且可生物再生的資源甲醇、乙醇、丙酮等為基態液；從系統的氧、溫平衡出發，添加高功能密度的硝酸銨，硝化纖維等高能劑以及降溫劑，從而獲得優化組份的本型新燃料。本發明可實用於現有的汽車，燃氣輪機和柴油機，以及「高能發動機」，可代油50～80％，或不用油。同時經濟效益優於汽油，功率可增大1～3倍。文檔編號F02B3/06GK1053809SQ90100548公開日1991年8月14日申請日期1990年1月31日優先權日1990年1月31日發明者張慧書,羅鳴申請人:張慧書