改良的含碳浆液燃料制造技术

一种应用于压缩点火或柴油型发动机的燃料，所述燃料包括悬浮在水性溶剂中的碳微粒，其中在25℃下剪切速率达到750/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。还公开了所述燃料在柴油发动机中的应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于压缩点火或柴油型发动机的燃烧室的、含有悬浮在水溶剂中的碳微粒的燃料，以及该燃料在压缩点火或柴油型发动机中的应用。
技术介绍
目前，用于柴油发动机中易燃燃料的直喷技术采用相对低粘度的燃料的单一流体压力雾化技术。这包括通过小孔(0.2-1mm)以高压(50-200MPa)将燃料泵入发动机中。这产生高的速度(通常为200-400m/s)，引起高速射流的分散和雾化。分散和雾化的发生受多个因素影响，包括离开喷射器喷嘴孔的液体流中的湍流，以及高速液体和燃烧室中充满的相对密集的压缩空气之间的相互作用。对于重质燃料油，在其进入发动机喷油泵之前，通过加热(高达165℃)将燃料速度控制在5-20mPa.s，降低移动流体所需要的能量。一种替代技术是使用水煤浆燃料来替代柴油发动机中的重质燃料油，尤其是用于超过5MW规模的固定式发电以及用于大型航运。水煤浆燃料的流体性质与柴油和燃料油有很大的不同，尤其是水煤浆有更高浓度的剪切变稀(shear-thinning)的非牛顿粘度，并且煤颗粒和污染物矿物颗粒对低硬度钢是磨蚀性的，阻止了燃料对燃料系统的润滑。这些燃料的生产、运输、储存和使用引起很多技术问题，这阻碍了燃料循环的商业化，尽管煤炭在成本和能源安全方面有显著的优势。所要解决的运输和储存的技术问题包括水煤浆燃料沉淀并形成剪切增稠污泥(shear-thickening sludge)的趋势，这很难从储罐底部再活化，而是需要使用适当的设备搅拌和循环燃料，并同时使用添加剂。另外，水煤浆燃
料喷射进入柴油发动机引起更严重的技术问题，这大部分是由于发动机中难以将燃料雾化。尽管存在这些问题，但是水煤浆燃料已经在许多演示计划中在改造过的柴油发动机中成功演示：只要使用了加固的燃料系统部件，及燃料有足够低的粘度。在大量的实验和小规模的示范工作后，以前的研究者提出了用于被适当改进的柴油发动机的燃油规范：剪切速率为100/s时粘度低于500mPa.s，优选在剪切速率为约100/s至约1000/s时低于300mPa.s；灰分含量低于2wt％；粒度分布的最大尺寸为30μm。煤炭负载被改变以达到粘度要求，并取决于加入到浆液中的分散剂的类型和数量将煤炭(烟煤)负载限制至最多45-50wt％，其中使用更有效的更多的分散剂使得煤炭负载达到约50wt％的同时在剪切速率为100/s时保持粘度规范低于500mPa.s。更高的粘度被认为是不合适的，因为之前的燃料喷射系统难以达到用于良好的雾化所需的有效粘度。对于低阶煤而言，最大的煤炭负载量非常低，即使在经受水热处理和其他处理后。差的雾化已被证明能够会增加点火延迟，这增加预混燃烧的比例，及燃烧开始时在气缸中的速率和压力上升，导致不希望的热释放速率和用于避免机械故障的发动机降容(engine derating)。这部分是由于增加了的煤炭凝聚(在液滴干燥期间)导致相对较大的残炭的慢速/延迟的燃烧(不论开始时燃料的粒径分布)。后者也引起慢速燃烧，以及气缸壁被未燃烧的碳污染。由于雾化对可行的发动机运转是重要的，因此粘度已经被用作为一个关键的燃料性质，并在现有技术中设置煤炭负载的上限。可用作直喷燃料的水煤浆通常会在一个范围的剪切速率内阻止剪切变稀，并散布在恒定粘度的范围。柴油发动机的水煤混合物的粘度通常被报道并指定在剪切速率为100/s或者有时候1000/s，尽管在非常高剪切的雾化过程中的有效粘度可能会较低。对于涉及压力雾化中的剪切速率，如200000/s
左右，取决于混合物的流变特性，有效粘度可以比在100/s下测量的低2-5倍。注意到的是，在雾化过程中表面张力也很重要。由于粘度已经被证实为是需要控制的更有效的参数，因此导致没有关于表面张力的现有规范。同时也注意到的是，煤的水基浆料被用于锅炉和气化炉的商业用途，这些应用中的雾化远不如柴油发动机中繁重。这是由于用于燃烧/汽化过程的时间更长(在锅炉和气化炉为约1000ms，在发动机中为10至50ms)，这允许水煤浆的粘度比柴油发动机中常规使用的规范高2到3倍。虽然上述现有技术的燃料规范已经在被适当改动过传统压力雾化设备的发动机上取得良好的表现，但是它存在对于燃料循环的成本和效率的制约。尤其是，粘度规范严格限制了最大的煤炭负载量，增加了昂贵的分散剂(例如聚苯乙烯磺酸，polystyrene sulphonate)的需求。水比例的增加降低了热效率同时增加了点火延迟。这降低了操作速度，及因此发动机相对于干燥的燃料混合物的具体输出。另外，降低了的煤炭负载增加了运输和储存成本，降低了发动机燃油泵的容量。更低的煤炭负载的进一步缺点是浆液稳定性的显著下降，其引起在罐中的沉淀并需要使用稳定剂(例如羧甲基纤维素(CMC)或黄原胶)和额外的设备(例如专业罐搅拌器和循环泵)。本专利技术的一个目的是至少逐步改善部分上面提到的现有技术的缺点，给现有技术中已经令人满意的经济方面带来净效益。本专利技术所提到的任何现有技术在任何司法管辖区内都不是确认或暗示这个现有技术是公知常识的一部分或者这个现有技术可以合理预期地被本领域技术人员理解，视为相关，和/或与其他现有技术组合。
技术实现思路
专利技术人发现高粘度的浆液燃料在柴油发动机的条件下可以高度雾化以
给予短的点火延迟和有效的燃烧。这个发现与现有技术给出的直觉上的教导相反。本专利技术意在提供一种改良的燃料，当与合适的雾化器组合是可以在燃料循环上给出全面的改良-从燃料生产和运输，到在发动机中的使用。此外，改良的燃料增加了柴油发动机未来先进的物化基础的效益。因此根据本专利技术，一种新燃料使用最小粘度进行限定，这个最小粘度明显大于前面披露或被认为是理想的用于直喷、压缩点火或柴油型发动机中的粘度上限。应当理解的是除非特别说明，本专利技术规范中列出的粘度均是在(控制的)25℃下测定的。本专利技术的一方面提供了一种用于直喷、压缩点火或柴油型发动机中的燃料，该燃料含有悬浮在水溶剂中的碳微粒，其中在25℃下剪切速率达到750/s优选达到1000/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。本专利技术的另一方面提供了一种制备用于直喷、压缩点火或柴油型发动机的燃烧室中的燃料的方法，该方法包括：将碳微粒与溶剂混合以形成碳微粒悬浮在溶剂中的燃料混合物，如果需要，调节所述燃料混合物的密度，以使得在25℃下剪切速率达到750/s优选达到1000/s时，所述燃料混合物的粘度大于或等于约1000mPa.s。应当理解的是本专利技术中的燃料适合于使用在压缩点火或柴油型发动机的直喷燃烧室中。特定的发动机可能因此通过传统的压缩点火或柴油发动机，或者改良(improved)、改进(modified)或者其它衍生自传统压缩点火或柴油发动机的发动机使用含有悬浮在水溶剂中的碳微粒来运行。其中一个例子是直喷式燃煤发动机(a direct injection carbon engine，DICE)-一种被改进成能够允许微粉精制碳燃料(micronised refined carbon fuel，MRC)的水基浆料燃烧的发动机。在25℃下剪切速率达到750/s优选达到1000/s时，本专利技术中的燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。例如，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于直喷、压缩点火或柴油型发动机中的燃料，该燃料含有悬浮在水溶剂中的碳微粒，其中在25℃下剪切速率达到750/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.02 AU 20139038571.一种应用于直喷、压缩点火或柴油型发动机中的燃料，该燃料含有悬浮在水溶剂中的碳微粒，其中在25℃下剪切速率达到750/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。2.根据权利要求1所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率达到1000/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。3.根据权利要求1所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率达到2000/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。4.根据权利要求1所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率达到5000/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。5.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率为约0.1/s时，所述燃料的粘度大于或等于约4000mPa.s。6.根据权利要求5所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率为约0.1/s时，所述燃料的粘度大于或等于约6000mPa.s。7.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率为约1/s时，所述燃料的粘度大于或等于约2000mPa.s。8.根据权利要求7所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率为约1/s时，所述燃料的粘度大于或等于约3000mPa.s。9.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料的粘度
\t大体为剪切变稀的。10.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料为宾汉塑性体。11.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料中的碳微粒的质量分数大于或等于约53wt％。12.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料中的碳微粒的质量分数大于或等于约55wt％。13.根据权利要求6所述的燃料，其中，所述燃料中的碳微粒的质量分数大于或等于约60wt％。14.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述碳微粒的质量平均粒径小于20μm，优选介于约10μm和约20μm之间。15.根据权利要求13或14所述的燃料，其中，所述碳微粒的d95比质量平均尺寸大约3到10倍。16.根据权利要求15所述的燃料，其中，d95比质量平均尺寸大约4到5倍。17.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料还包括分散剂。18.根据权利要求17所述的燃料，其中，所述分散剂选自包括在以下群组的物质：聚苯乙烯磺酸、聚异戊二烯磺酸盐、羧甲基纤维素、腐殖酸、聚丙烯酸酯或丙烯酸共聚物的钠盐；木质素磺酸盐、萘磺酸、或萘磺酸甲醛缩合物的钠盐或铵盐；包括羟乙基纤维素或羟丙基纤维素的纤维素醚；包括糊精的多糖；聚氧乙烯山梨醇单油酸酯；松香或基于皂苷的分散剂；或聚羧酸盐。19.一种根据前面任意一项权利要求中的燃料在压缩点火或柴油发动机的燃烧室中的应用。...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·J·韦伯利，R·P·戴伊，
申请(专利权)人：联邦科学与工业研究组织，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU