专利名称：纳米乳化燃料添加剂组合物及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米乳化燃料添加剂及其制备方法。该添加剂在调整部分数据的前提下，可用于制备液体烃的纳米乳化清洁燃料。
液体烃类燃料在加水后制成乳化燃料使用，可节省燃料及减少废气排放。早在第二次世界大战期间，美国和英国的一些专家已经开始尝试在轰炸机和运输机中加水，使军用飞机的航速提高，航程增加；但由于当时油和水的均匀混合问题未得到解决，所以事后并没有推广。其实，早在1913年，英国剑桥大学的Hopkinson就提出在发动机中掺水燃烧的思路。1928年，前苏联T.M.格利格兰首先提出并实现了在锅炉燃料中掺入20％的水。1962年，ИBaHOBB·M等第一次发现乳化油燃料存在微爆现象。这为乳化燃料和含水燃烧能够节约燃料提供了一个有力的理论依据。
60年代初期，美国成功地研究和试用了柴油掺水燃烧，并把乳化油用于各种工业炉和火车、轮船、卡车以及重型运输式动力机械中。之后，日本、法国等都成功地将各种乳化燃料应用于各种工业窑炉中，效果良好。
1973年的石油危机后，油价猛涨，各种工业品成本大幅度提高。同时欧佩克组织开始严格控制石油的开采、销售。一些耗能大国意识到这对自己是一种威胁，他们除了采取能源多源化等措施外，积极组织研究和推广包括乳化燃料在内的各种节能技术，从而推动了乳化燃料技术的迅速发展。我国六五计划也把柴油乳化技术作为节能项目进行研究开发。改革开放之后，我国经济发展速度较快，对各种能源的需求量也节节攀升。从1993年开始，国内的石油生产量已不能满足需求，成为石油进口大国，仅2000年我国就进口石油7800万吨；进入21世纪，若不考虑节能因素，根据国内经济的发展速度，每年将有五千万吨以上的石油缺口需依靠进口来解决。因此，各种节能技术的研究和开发，不但能节约大量宝贵的石油资源，而且能减轻石油进口的压力，具有重大的现实意义和深远的战略意义。
20世纪七十至八十年代国内外关于乳化燃料的应用、专利和报道比较多，如日本特许公报昭54-32643，中国专利文献CN89100954，CN1123313A，CN87104283等，《科技日报》报道的美国A-55液体燃料就是掺水量高达50％的乳化烃类燃料；法国埃尔夫石油集团推出的含水生态燃料能显著地改善油品的燃烧状况，大大减少废气排放；1980年，日本市面上首次公开出售一种牌号为405的乳化燃油商品，并普遍应用于一些工业领域。
国外的燃油乳化技术已比较成熟，节能环保效果十分明显。但是均存在乳化剂价格昂贵、生产设备复杂、工艺流程难度大等问题，从而导致乳化柴油比普通柴油还贵，对广泛推广使用十分不利。国内的乳化燃油技术除了成本高的因素外，还有掺水比例小，稳定性差，低温启动困难等问题。本发明在综合研究国内外各种工艺技术特点的基础上，除克服上述乳化产品的不足外，还有突破性的进展，使乳化燃料的成本降低，兑水量增加，稳定性大大提高，在寒冷的天气条件下仍使用方便。本发明首先针对乳化剂进行了深入的探索，采用多种非离子和离子型高效乳化剂进行复配，大大降低了油水界面张力，使用量大大减少；另外，在设计配方时兼顾考虑各种表面活性剂的环保效果，使其在起到乳化作用的同时，促进燃料更充分地燃烧，明显降低燃烧过程中形成的各种炭烟。本发明的添加剂组合物中还包含有高效缓蚀剂，使燃料油具有优良的稳定性，不形成沉积物，不腐蚀金属，从而能使设备的运行寿命增长。本发明针对过去乳化燃料稳定性差、贮存期短的问题进行了深入的研究，首次采用纳米的概念和思路进行改进，结果使乳化燃料在稳定性及其它一些方面均有质的突破。众所周知，水与油是不相溶的，它们之间要以均匀的混合物存在，只有制成均匀的乳化液。W/O型乳化油中，水以分散的珠状均匀地悬浮在油中，水珠的粒径一般都在0.5μm以上，这种状态是热力学不稳定体系。由于水比油的密度大，加上水有凝聚作用，所以在重力场和凝聚双重作用下，水在油内会自发的下沉、凝聚、分层，从而导致油水分离。研究发现水和油与大量表面活性剂和助表面活性剂混合后能形成透明或半透明体系。W/O型的分散相质点为球形，半径通常为10nm-100nm(纳米)范围，是热力学稳定体系，用离心机也不能使之分层。当然，若作为一种商品向外销售必须考虑成本因素，因此在制备这种稳定的乳化燃料时，不能使用过多的乳化剂，在经过大量试验后，筛选出一种添加量仅为0.01％的乳化剂，在达到预定效果的情况下，大大降低了成本，使其能够以一种有竞争力的价格向外推广。在本发明中，为了使水珠的粒径控制在10nm-100nm范围内，采用了独特的高压均质乳化＋多级静态混合器乳化的综合工艺流程，具有很高的能量密度，在较少量的乳化剂的条件下，能够制得更均匀、更细微的纳米级微乳状液体，使其在贮存时更稳定，雾化效果更好，燃烧更充分，起到显著的节省燃料和减少废气排放的作用。为了突出本发明在环保方面的优势，还添加了火箭发动机上使用的消烟助燃剂，使乳化燃料的燃烧过程更加完全和完善，放热的定容度更好，热效率更高，从而大大减少废气的排放，对保护环境十分重要。
本发明是这样实现的，即提供一种乳化剂组合物及其制备方法，包括如下的组分和含量(wt％)N-丙基三甲基碘铵 0.1-0.001％脂肪醇聚氧乙烯醚 20-40％失水山梨醇单油酸酯10-20％
烷基酚聚氧乙烯醚1-7％壬基酚聚氧乙烯醚6-10％聚乙二醇十二烷基醚 10-15％脂肪酸酯 8-10％甲醇 20-10％异戊醇 1-20％丙酮 1.5-20％二氧六环0.3-10％乙二醇单甲醚1-10％茂金属催化剂0.01-1％硝酸异丙酯 0.2-0.6％其组合物之和应等于100％本发明的的燃油乳化剂的制备方法是将上述含量的各种表面活性剂中，在水浴加热的条件下(30℃-50℃)，边搅拌边依次加入上述含量的甲醇、异戊醇、丙酮、二氧六环、乙二醇单甲醚、茂金属催化剂、硝酸异丙酯等成分，将其充分混合，经过50min之后，放料包装，从而制成可对各种烃类进行乳化的乳化剂(注对不同的烃类有不同的乳化剂配比)。
用所制备出的乳化添加剂生产乳化燃料，方法是将已制备出的添加剂以0.1-5％的比例加入到50-65％的液体烃类燃料中，加入35-50％的洁净水，在高压均质机中以3000r-7000r/min的转速，乳化20-50min，然后用高压泵将上述已乳化得很均匀的物料输入一组静态混合器中进行二次乳化，然后经检验合格后，直接将成品泵入成品贮罐中即可。
本发明的乳化添加剂中使用了非离子型表面活性剂，这是因为非离子型表面活性剂具有亲水基或羟基，因而能够溶于水中而发生电离，另外，它还具有疏水基，从而其应用范围不受到限制，而且大量使用的非离子型表面活性剂均属于常规方法所制备出的环氧乙烷的缩合产物及多元醇的衍生物，而且本发明所使用其的亲水亲油的平衡值(用HLB来表示)在3-18的范围内，从而使本发明的添加剂组成保证其亲水亲油的平衡值能够达到油包水的目的，因此可使柴油乳化中掺水量高达50％仍然是油包水型，从而达到了本发明的目的，即发明的非离子型表面活性剂配比具有可变性与多样性，化学稳定性和乳化性，所说的可变性和多样性是指这些非离子型表面活性剂既溶于水中也溶于油中，可以使水和油完美的结合在一起，长久不分开，即达到了上述所说的亲水亲油的平衡值，如上述所说的该值，即，HLB值在3-18范围内，可以生成油包水型；所说的化学稳定性是指，与阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂相比较，非离子表面活性剂不管是在酸性、碱性或硬水的盐类中也不发生电离，而阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂在水中能电离，从而能与其它物质发生化学反应而生成沉淀，而非离子表面活性剂不会离解成带电荷的阳离子和阴离子，而只是以中性分子或胶束状态存在，即形成了油包水型中性分子胶束，则具有理想的化学稳定性，该稳定性可使油包水状态稳定达几年以上而不会分开；所说的乳化性能是指，本发明的非离子型表面活性剂具有优良的乳化能力，而且能够防止层析，其分散性和润湿性也很好。这些特性能够保证对各种液体烃进行乳化以提供优质的、外观色彩与液体烃相同，但性能却无比优异的纳米乳化清洁燃料，而最终完成了本发明。
由于高效乳化剂和高压均质机的共同作用，本发明制出的乳化燃料中的微细水珠的粒径都控制在10nm-100nm范围内，使可见光能够大部穿透整个溶液，从而达到一种透明或接近透明的状态，而普通乳化方法只能达到0.1-10μm的水珠粒径，对可见光的反射比较显著，故呈现出乳白色的不透明的外观。
以下，将通过实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1(重油乳化添加剂)N-丙基三甲基碘铵 0.001％脂肪醇聚氧乙烯醚 20％失水山梨醇单油酸酯10％烷基酚聚氧乙烯醚 1％壬基酚聚氧乙烯醚 10％甲醇 10％异戊醇 15％二氧六环 3％烷基脂肪酸钡 0.05％乙二醇甲醚 3％将上述组分的制成品与100#重油和水的比例按1％-3％70-50％30-50％比例进行乳化，制成的乳化燃料在工业窑炉及大型船用发动机上使用后，节油效果明显，节油约15-30％，可大大减少废气排放，有优异的环保性能。
实施例2(柴油乳化添加剂)N-丙基三甲基碘铵 0.002％脂肪醇聚氧氧乙烯醚 20％失水山梨醇单油酸酯 20％烷基酚聚氧乙烯醚 5％壬基酚聚氧乙烯醚 6％聚乙二醇十二烷基醚 15％脂肪酸酯 8％甲醇 10％异戊醇3％二氧六环 2％乙二醇甲醚5％茂金属催化剂 0.01％将上述含量的各种组分按操作要求在乳化设备中制成乳化剂。用该乳化剂对轻质柴油进行乳化，在加水量达到35％的情况下，仍有卓越的稳定性，外观透明，流动性好，低温启动性也有很好的表现。平均节约率可超过25％，具有良好的经济性，推广潜力非常大。
实施例3(C5-C11之间的轻烃的乳化添加剂)N-丙基三甲基碘铵0.002％脂肪醇聚氧乙烯醚 25％失水山梨醇单油酸酯 15％烷基酚聚氧乙烯醚3％壬基酚聚氧乙烯醚7％聚乙二醇十二烷基醚 10％脂肪酸酯 8％甲醇 10％异戊醇 5％丙酮 6％二氧六环 2％烷基脂肪酸钡0.05％乙二醇甲醚 6％
茂金属催化剂 0.03％硝酸异丙酯0.3％上述组分的乳化燃料添加剂非常适合于轻质液体烃类的加水乳化，平均掺水量在10-20％之间，节油率在15％左右，并有十分优异的动力性，适合于各种内燃发动机中使用，能基本消除积炭和浓烟的生成，使设备的运行寿命增长。
本说明书所述内容，在该技术领域中的普通和高级技术人员应当理解，通过阅读本说明书，只要不离开本发明的精神和范围，可以做出多种变化，但是，所有这些变化属于本发明所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种水珠粒径在10nm-100nm之间的含水纳米乳化燃料及其添加剂组合物及制备方法，其特征是燃料∶水∶乳化剂＝30-70％∶60-30％∶0.01-0.1％→100％的各组分之比(重量百分比)之和为100％。经高压均质和静态混合而成的接近透明的乳化燃料。
2.按权利要求1所述的含水乳化燃料，其特征是指含碳的液体燃料。如各种液体烃类、醇类、酮类、植物油等一种或两种以上的混合物；水是经处理过的较洁净的淡水。
3.乳化剂是指能够乳化权利要求2所述的各种含碳燃料。其特征在于包括N-丙基三甲基碘铵 0.1-0.001％脂肪醇聚氧乙烯醚 20-40％失水山梨醇单油酸酯10-20％烷基酚聚氧乙烯醚 1-7％壬基酚聚氧乙烯醚 6-10％聚乙二醇十二烷基醚10-15％脂肪酸酯8-10％甲醇20-10％异戊醇 1-20％丙酮1.5-20％二氧六环0.3-10％乙二醇单甲醚1-10％茂金属催化剂0.01-1％硝酸异丙酯 0.2-0.6％
4.根据权利要求3所述的乳化剂的制备方法，其特征在于按权利要求3所述的组分含量，在水浴加热(30℃-50℃)条件下，将甲醇、异戊醇、丙酮、二氧六环、乙二醇单甲醚等溶剂加入表面活性剂中，搅拌混合50min后，进行包装。
5.把根据权利要求4所述的制备方法制备出的乳化剂，与各种液体含碳燃料和水，按权利要求1所述的比例进行混合后，进入高压均质机中，以3000r-7000r/min的转速，乳化20-50min。
全文摘要
本发明涉及一种纳米级乳化燃料添加剂及其制备方法,其特征是制成的乳化燃料中水珠的粒径在10nm－100nm之间,使之有接近透明的外观及良好的稳定性,在调整数据的情况下,能够制备出适应各种领域(如内燃机、工业窑炉、工业及民用的各种加热炉)的纳米乳化清洁燃料。能降低工业生产的耗能成本,节约能源,减少废气排放。
文档编号C10G31/00GK1329130SQ0112935
公开日2002年1月2日 申请日期2001年6月13日 优先权日2001年6月13日
发明者谢学秀 申请人:谢学秀