Способ подготовки и активации тяжелых моторных топлив и мазутов для дизеля Советский патент 1993 года по МПК F02M23/00 

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-генераторных станций и может быть использовано для улучшения горения жидкого топлива и мазутов 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 высокообогащенной 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 ионизации обогащенной кислородом газовой смеси; газоразделительный полунепроницаемый элемент 6 (ГРЭ) второй ступени или фильтр-денитри- фикатор обогащения кислородом поступающей от первой ступени смеси за счет селективного разделения кислорода и азота; газоразделительный элемент 7 (ГРЭ) первой ступени обогащения кислородом воздуха, а также работающий за счет селективного разделения кислорода и азота; си- ликагелиевый или цеолитовый осушитель 8 сжатого воздуха, обеспечивающий очистку его от влаги, углекислого газа; углеводородов и примесей; масло-, пыле-, частице-, со- леуловитель 9 для первичной очистки сжатого и охлажденного воздуха перед его входом в осушитель и ГРЭ 1 ст.; баллон 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 вы- ступами-интерцепторами-турбулизаторами внутри для равномерного перемешивания и формирования мелкодисперсных газовых пузырьков в топливе, а также ускорение; химических реакций, эмульгирования, гомогенизации, - препятствующих расслоению двухфазовой среды топливо-газ и обеспечивающих распределение, дробление и насыщение нагретого топлива обогащенной озоно-кислородной газовой смесью; полунепроницаемый пористый металло-кера- мический фильтр тонкой очистки (ФГО) 14 для вывода определенной части прореагировавших с озоном и кислородом г тррогемных соединений, примесей, осадков, комплексов тяжелых металлов, асфальто-гудро- нистых компонентов из топлива; блок с прокачиванием всасывающим коллекто- ром 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

5 подачи (расходов) топлива через ТНВД, а также расходов насыщающей газовой смеси и добавочного кислорода из баллона; циркуляционный насос 19 (ЦНТГС) топливно-газовой смеси для прокачки и поддержа0 ния стабильной температуры в коллекторе всасывания ТНВД на всех режимах работы дизеля; топливоподогреватель 20 для корректирования и поддержания температуры топливно-газовой смеси; циркуляционный

5 трубопровод 21 для подачи топливно-газовой смеси на обеспечение работы эжектиру- ющего и диспергирующего смесителя 1, то есть для подсасывания (захватывания) и перемешивания подходящих к нему с двух сто0 рон раздельно нагретого топлива и газа; баллон 22 высокого давления с технически чистым кислородом для добавки в цикл обогащения, при необходимости, перед озонатором; редуктор давления 23 и дроссельный

5 клапан 24 добавочного чистого кислорода для подачи его на вход озонатора; пружинный предохранительно-переливной клапан 25 для отвода и возврата нагретого избыточного для дизеля топлива в возвратную или

0 расходную цистерну; топливоподогреватель 26; фильтр грубой очистки (ФГО) 27 топлива от грязи и крупных частиц; топливо- подкачивающий насос (ТПН) 28, обеспечивающий прокачку топливной системы и

5 подпора на всасывании ТНВД: линия возврата 29 нагретого топлива в (возвратную) расходную цистерну; расходная (возвратная) цистерна 30 с промежуточным подогревом топлива; редуктор 31 давления

0 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

5 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 и

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.% (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-, солеуловительЭ, после чего попадает в цеолитовый или силикагели- евый осушитель 8, его влажность доводится до 5-10%, но не более 20%. 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-4- метилпентена-1 или поливинилтриметилси- лана, 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 пожаробезопасное™ или сохранности перевозимых судным грузом.

Обогащенная в прямом потоке ГРЭ I ступени внутри полых волокон и выходящая из ресивера инертная среда не требуется для ввода в топливо, так как является загрязнителем 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 ГРЭ I ступени 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 ГРЭ II ступени 6 из таких же материалов, как и ГРЭ I ступени, где газовая смесь обогащается кислородом до 80 об.% и накапливается под его оболочкой.

Смесь, получаемую на выходе из внутренней инертной час ги ГРЭ II ступени близкую по составу к воздуху выпускаю, з воздух, а если в помещение MKG, го во лз- бежание отравлений и увеличения пожаро- опасности. нельзя в ней ,д о п у с к а у ь 5 расширения содержания кислорода более или менее 21 + 1 %. или направить (рекомендуется) через расширительное сопло на всасывающий патрубок компрессора 12 для смещения и некоторого охлаждения всзсы0 ваемого теплого воздуха из МКО судна, что несколько уменьшает работу, затрачиваемую компрессором на сжатие воздуха и облегчает его эксплуатацию. Из ГРЭ II ступе-и обогащенная кислородом до 80 об % смт; о

5 с добавкой, при необходимости, чистого кислорода (из баллона высокого давления 22 через редуктор давления 23 и ynyas/io- емый дроссельный клапан 24) попадает и озонатор с коронным разрядом 5, где суще0 ственно ионизируется и обогащается озоном и другими активными формами кислорода до 20 об.%.

После озонатора ионизированная и обогащенная кислородом и озоном не ме5 нее 80 об.% газовая смесь проходит трубную петлю газового затвора 4, дроссельмь1 i клапан 3, управляемый от топливной рейки 18, пружинный предохранительный клапан 2, и подается в эжектирующий смесптег..,,

0 где увлекается топливно-газовой смесью и смешивается с ней.

Из смесителя 1 топливно-газовая смесь проходит по удлиненному горизонтальному реакторному участку 13 топливопровода, с

5 внутренними выступами - интероцептора ми-турбулизаторами, способствующими активному и интенсивному перемешиванию смеси и дробления пузырьков газа, увеличивающими скорость насыщения озоном и

0 кислородом нагретого топлива, одновременно способствующим его частичному окислению и вовлечение в . поежго всего, гетерогенных соединение.. напргм. ( серы и тяжелых металлов, при этом от ро5 полмительного избыточного ввода в топливо газовой среды, не прореагировавшей на участке 13 с топливом (с озоном, кислого дом, азотом, летучими углеводородами, парами воды, углекислым газом) в виде

0 множества пузырьков, - увлекаются к всасывающему коллектору топливовпрыскиеа ющего насоса 15, но только проходя через полунепроницаемый фильтр тонкой очистки 14 с перегородками, сетками и пористыми

5 металлокерамическими материалами грг пускающего основную часть (болео л,- кую) топливо-газовой смеси к ТНВД I 56 и не пропускающего часть выводимых из цик ла асфальто-гудронистых самых ГЯЖР.Н-К осадкой, элементов, примесей и ссноаную

часть комплексов из окислов серы и металлов, с размерами частиц более 10 мкм. При этом выполнение реактивного участка 13 с ан утренним и выступами-интерцептора- ми-турбулизаторами и фильтра 14 с полунепроницаемыми сетками и металло- керамичесхими 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 толливовпрыскивающего 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 объем пузырьков газа не будет превосходить при пересче- те на атмосферное давление 50% от объема подаваемого (цикловой подачи) топлива, - при этих концентрациях топливовпрыски- вающая аппаратура - ТНВД 15 и форсунки 16 еще работают без пропусков и срывов подачи топлива, стуков, дополнительных из- носов и с несколько меньшим давлением, развиваемым при впрыске, что даже способствует менее жесткой работе топливо- впрыскивающего насоса высокого давления и самого дизеля.

Судовой контур топливоподготовки до смесителя 1 работает следующим образом: разогретое до вязкости, необходимый для перекачивания, тяжелое топливо из расход- ной 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 топливопо- догреватель 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, необходимую для обеспечения максимальной мощности дизеля, поэтому после топливоподогреват- ля 26 непосредственно перед смесителем 1 поток топлива делится на две линии: одна часть его через предохранительно-переливной клапан 25 попадает в возвратную ли- нию 29 и входит в возвратную или расходную цистерну 30, попутно осуществляй струйный разогрев находящегося там топлива; вторая часть нагретого топлива захватывается эжектирующим и диспергирующим смесителем 1, обеспечивающим по- жаробезопасность 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 жидкой 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 топливоподогрева- тель 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 из 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 мазутов для дизеля позволяет: использовать наиболее тяжелые и дешевые, остаточные,низкосортные, сернистые, низкоцетановые, высоковязкие, углеводородные топлива и мазуты для сжигания в дизелях, топках котлов и камерах сгорания без их конструктивных изменений и переделок; непосредственно перед вспр&ском 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 из 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 са- жы; 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 газораздели- тельных мембранных элементов и озонатора под давлением позволит: увеличить выход озона и других активных и неустойчивых форм кислорода свыше 20% объема газовой смеси подаваемой в топливо; утилизировать попутно полученный в первой ступени газоразделение инертный газ для обеспечения пожаро-взрывобезо- пасности 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, отличающийся 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% до образования устойчивой мелкодисперсной газово-пузырьковой фазы суммарным

объемом до 50% or цикловой по/дачи топлива в пересчете на атмосферное давление, причем топливо пяррд подачей о цилиндры нагревают до 80-150°С. вводя последнее под давлением 0,2-1.0 МПа а ионизацию смеси осуществляют при напряжении 8-15 кВ электрическим зарядом отрицательной полярности 12-22 эВ

2. Способ по п. 1,отличающийся

тем, что обогащение смеси с (слородом проводят путем пропускания воздуха через две ступени полимерных полунепроницаемых мембранных газоразделительных элементов с добавлением кислорода под давлением на пусковых и переходных режимах дизеля, полученный газ ионизируют и обо-1 гащают озоном и другими активными формами кислорода. 3. Способ по п. 1,отличающийся

тем, что активацию топлива проводят путем перемешивания газовой смеси с топливом, изменяя при этом объем газовой смеси обратно пропорционально нагрузке дизеля. 4, Способ по п. 1,отличающийся

тем, что время активации топлива вбирают 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 ме- таллокерамическим фильтрующим топливным элементом перед подачей топлива в топливный насос высокого давления.

«Ч

25

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 устойчивой мелкодисперсной газово-пу- зырьковой фазы суммарным объемом 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 газоразделительных элементов с добавлением кислорода под давлением на пусковых и переходных режимах. Активацию топлива проводят путем перемешивания газовой смеси с топливом, изменяя при этом объем 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 з.п. ф-лы, 1 ил. Ё