纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置及制备方法

摘要

本发明公开了一种纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备方法，向混合器中加入柴油后封闭，经减压和调压后以0.5～5MPa的恒定压力向混合器供应氢气；将混合器内柴油温度调整到室温～150℃的恒定温度，搅拌30～120min后，停止供气，打开微量调节阀，调整皂膜流量计中的气体流速在0.1～1ml/min，释放从混合器溢出的柴油和氢气；待压力到常压，取下密封堵头，打开放油阀，释放的流体即为纳米氢气泡/柴油混合燃料。应用该混合燃料，柴油机只需要一套供油系统，不需对供油系统硬件进行调整；大幅改善柴油机的燃油经济性，降低污染物排放。改善了混合燃料在柴油机上的燃烧性能，有利于氢气泡长期稳定存在；保证了纳米氢气泡/柴油混合燃料的均匀性和稳定性。

权利要求

1.一种纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置，包括氢气瓶(1)、混合器(5)、油/气分离器(13)和氢气处理器(15)；其特征在于：所述氢气瓶(1)连接至所述混合器的进气管路上设有氢气减压阀(2)、二级压力调节器(3)和混合器接口(4)；所述氢气减压阀(2)的最大输出压力大于5MPa；二级压力调节器(3)的压力调节范围：0～5MPa；所述混合器(5)的容积为0.1～10L；

所述混合器(5)的顶部设有混合器顶盖(7)，所述混合器(5)与所述混合器顶盖(7)之间设有密封胶垫(6)，所述混合器顶盖(7)上设有加油口(8)、密封堵头(9)、压力表(10)、安全阀(11)和微量调节阀(12)；所述压力表(10)的测压范围为0～5MPa；安全阀(11)的开启压力为5MPa；所述混合器(5)的底部设有放油阀(17)，所述混合器(5)内设有搅拌子(16)；所述混合器(5)的下方设有磁力搅拌加热器(18)，所述磁力搅拌加热器(18)的最大转速不低于5转/s，最大加热功率不低于500W；所述微量调节阀(12)通过管路与所述油/气分离器(13)的进口相连，所述油/气分离器(13)的出口连接至所述氢气处理器(15)，在所述油/气分离器(13)与所述氢气处理器(15)的连接管路上设有皂膜流量计(14)，所述皂膜流量计(14)的测量范围为0.1～1ml/min；所述氢气处理器(15)其氢气处理效率为100％。

2.根据权利要求1所述纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置，其特征在于：所述混合器接口(4)为内径是4～6mm的不锈钢管；所述混合器(5)的形状为圆柱形；所述加油口(8)采用内径为5～15mm的不锈钢管，所述搅拌子(16)采用普通磁力搅拌子；所述放油阀(17)是内径为10～20mm的球阀。

3.根据权利要求1所述纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置，其特征在于：所述密封胶垫(6)的耐压大于5MPa。

4.一种纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备方法，其特征在于：采用如权利要求1至3中任一所述的纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置，并包括以下步骤：步骤一、从加油口(8)向所述混合器(5)中加入柴油，要求混合器(5)中的空间被柴油完全充满，没有气体残留，用密封堵头(9)封闭加油口(8)；

步骤二、由氢气瓶(1)依次经氢气减压阀(2)、二级压力调节器(3)及混合器接口(4)以

0.5～5MPa范围内的预定恒定压力向混合器(5)供应氢气；

步骤三、打开磁力搅拌加热器(18)，将搅拌子(16)的转速调整到1～5转/s范围内的预定恒定转速，以及混合器(5)内柴油温度调整到室温～150℃范围内的预定恒定温度，搅拌

30～120min；

步骤四、在搅拌过程完成后，关闭氢气瓶(1)、氢气减压阀(2)及二级压力调节器(3)，缓慢打开微量调节阀(12)，调整皂膜流量计(14)中的气体流速在0.1～1ml/min范围内的预定恒定流速，释放从所述混合器(5)溢出的柴油和氢气；待压力表(10)的压力值恢复到常压，取下密封堵头(9)，打开放油阀(17)，从放油阀(17)释放的流体即为纳米氢气泡/柴油混合燃料。

5.根据权利要求4所述的纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备方法，其特征在于，步骤四中，在缓慢打开微量调节阀(12)的同时，有少量的柴油和氢气从所述微量调节阀(12)溢出，溢出的柴油和氢气流至所述油/气分离器(13)中进行分离，分离后的柴油储存于所述油/气分离器(13)中，分离后的氢气从所述油/气分离器(13)中溢出并经皂膜流量计(14)后进入氢气处理器(15)进行无害化处理。

6.一种纳米氢气泡/柴油混合燃料的用途，其特征在于：将利用如权利要求1至3中任一所述纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置，按照如权利要求4所述制备方法制备得到的纳米氢气泡/柴油混合燃料直接用作柴油机燃料。

说明书

纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置及制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于内燃机替代燃料的制备，具体涉及一种可用作柴油机燃料的纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备方法。

背景技术

[0002] 多年来，以汽、柴油为燃料的内燃机在动力领域为经济发展和人民生活改善做出了卓越的贡献，但新世纪以来，随着政府和民众对能源危机和环境污染关注程度的不断提高，传统液体燃料内燃机的信仰危机日益加剧。其中，传统液体燃料内燃机在污染物排放方面的劣势尤为突出，研发有效的污染物减排技术措施已成为内燃机生死存亡的关键所在。

[0003] 氢气(H2)是一种公认的高效、清洁能源，其在内燃机领域的研究历史也非常悠久，研究发现内燃机燃烧纯氢气及氢气与传统液体燃料掺混燃烧能够提高柴油机热效率、减少污染物排放。目前，国内外最常见的含氢燃料燃烧方式包括：纯氢气燃烧、氢气/传统液体燃料双燃料燃烧、氢气/传统液体燃料掺混燃烧，其中，氢气/传统液体燃料掺混燃烧还包括：氢气/传统液体燃料双喷射系统进气道喷射、氢气/传统液体燃料双喷射系统缸内喷射、氢气进气道喷射/传统液体燃料缸内喷射等工作方式。但以上几种工作方式都需要2套燃料喷射系统，这不仅会导致硬件成本高昂，喷油系统布置困难，而且为保证分别喷射的氢气和传统液体燃料能够达到最佳的配合效果，双喷射系统内燃机的进气优化和燃烧组织，甚至匹配标定都比单喷射系统内燃机复杂得多。

[0004] 为减少双喷射系统对内燃机设计和使用带来的不便，将氢气和传统液体燃料配置成均匀混合燃料而由一个喷射系统喷射应该是最便捷的解决措施。但常温、常压下，氢气在柴油中的溶解度较低，难以满足改善缸内燃烧所需要的混合燃料比例，因此，制备高掺混比例的氢气/柴油混合燃料必须选择特殊的混合、制备原理和工艺。微泡混合技术是上个世纪末逐渐发展起来的新型非均相混合物制备技术，通过将气体成分在液体中分散为纳米、亚微米级别的微小气泡实现亚稳态气/液均匀混合物的制备，该技术目前已有成熟的应用范例，如在石油开采、医疗影像等领域得到了广泛应用。但现有微泡混合物制备技术的连续相都是水，分散相是空气、氢气等疏水性气体，一般通过在水中加入表面活性剂提高微型气泡的稳定性，因此，该类技术制备的微气泡实际上属于乳化微泡而不是真正的气体微泡。但由于柴油和氢气都不含亲水极性结构，基于亲水/亲油两亲性结构的表面活性剂对氢气和柴油微泡混合过程的促进意义不大，且绝大多数表面活性剂对柴油机的缸内燃烧具有不利影响，因此，氢气/柴油微泡混合燃料的制备需要开发全新的气泡生成方法。

[0005] 国内外研究结果表明，加大氢气的压力和提高柴油的温度都可以显著提高氢气在柴油中的溶解度，如在50℃时，常压下氢气在柴油中的溶解度为0.0114(摩尔分数)，将氢气压力提高到2MPa后，氢气在柴油中的溶解度就提升到0.0382(摩尔分数)；而在温度升高到150℃时，2MPa压力下，氢气在柴油中的溶解度进一步提升到0.0405(摩尔分数)。另一方面，当连续相温度和氢气压力降低后，柴油中已溶解的氢气将处于过饱和状态并进一步转化成气泡，连续相的温度和压力越均匀，过饱和析出的氢气所形成的气泡直径越小(绝大多数气泡直径处于纳米级别，如图2所示)，同时，气泡数量越多。

发明内容

[0006] 针对现有技术，本发明基于已溶解氢气过饱和后生成纳米直径气泡的原理提供一种可直接用作柴油机燃料的、纳米氢气泡/柴油混合燃料的制备方法。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置，包括氢气瓶、混合器、油/气分离器和氢气处理器；所述氢气瓶连接至所述混合器的进气管路上设有氢气减压阀、二级压力调节器和混合器接口；所述氢气减压阀的最大输出压力大于5MPa；二级压力调节器3的压力调节范围：0～5MPa；所述混合器的容积为0.1～10L；所述混合器的顶部设有混合器顶盖，所述混合器与所述混合器顶盖之间设有密封胶垫，所述混合器顶盖上设有加油口、密封堵头、压力表、安全阀和微量调节阀；所述压力表的测压范围为0～5MPa；安全阀的开启压力为5MPa；所述混合器的底部设有放油阀，所述混合器内设有搅拌子；所述混合器的下方设有磁力搅拌加热器，所述磁力搅拌加热器18的最大转速不低于5转/s，最大加热功率不低于500W；所述微量调节阀通过管路与所述油/气分离器的进口相连，所述油/气分离器的出口连接至所述氢气处理器，在所述油/气分离器与所述氢气处理器的连接管路上设有皂膜流量计，所述皂膜流量计的测量范围为0.1～1ml/min；所述氢气处理器其氢气处理效率为100％。

[0008] 进一步讲，本发明纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置，其中，所述混合器接口为内径是4～6mm的不锈钢管；所述混合器的形状为圆柱形；所述加油口采用内径为5～15mm的不锈钢管，所述搅拌子采用普通磁力搅拌子；所述放油阀是内径为10～20mm的球阀。

[0009] 所述密封胶垫的耐压大于5MPa。

[0010] 利用上述纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备装置并按照如下制备方法，能够生成纳米级直径氢气泡并能够将所述氢气泡与柴油混合形成均匀混合流体，该制备方法的步骤包括：

[0011] 步骤一、从加油口向所述混合器中加入柴油，要求混合器中的空间被柴油完全充满，没有气体残留，用密封堵头封闭加油口；

[0012] 步骤二、由氢气瓶依次经氢气减压阀、二级压力调节器及混合器接口以0.5～5MPa范围内的预定恒定压力向混合器供应氢气；

[0013] 步骤三、打开磁力搅拌加热器，将搅拌子的转速调整到1～5转/s范围内的预定恒定转速，以及混合器内柴油温度调整到室温～150℃范围内的预定恒定温度，搅拌30～120min；

[0014] 步骤四、在搅拌过程完成后，关闭氢气瓶、氢气减压阀及二级压力调节器，缓慢打开微量调节阀，调整皂膜流量计中的气体流速在0.1～1ml/min范围内的预定恒定流速，释放从所述混合器溢出的柴油和氢气；待压力表的压力值恢复到常压，取下密封堵头，打开放油阀，从放油阀释放的流体即为纳米氢气泡/柴油混合燃料。

[0015] 进一步讲，本发明所述的纳米氢气泡/柴油混合燃料的间歇式制备方法的步骤四中，在缓慢打开微量调节阀的同时，有少量的柴油和氢气从所述微量调节阀溢出，溢出的柴油和氢气流至所述油/气分离器中进行分离，分离后的柴油储存于所述油/气分离器中，分离后的氢气从所述油/气分离器中溢出并经皂膜流量计后进入氢气处理器进行无害化处理。

[0016] 将本发明纳米氢气泡/柴油混合燃料制备方法制备得到的纳米氢气泡/柴油混合燃料在柴油机上燃用，实现柴油燃料的替代及柴油机的清洁、高效燃烧。

[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0018] 应用纳米氢气泡/柴油混合燃料时，柴油机只需要一套供油系统，且不需要对供油系统硬件进行调整；柴油机燃用纳米氢气泡/柴油混合燃料可以大幅提高柴油机的热效率，改善燃油经济性，并降低柴油机的污染物排放量；采用可再生能源氢气部分替代化石燃料柴油，有利于缓和我国日益严峻的石油供应形势，保障国家的能源安全。

[0019] 此外，本发明采用过饱和溶液相分离气泡生成法可以生成纳米级别直径的氢气泡，不仅改善了混合燃料在柴油机上的燃烧性能，且有利于氢气泡长期稳定存在；长时间搅拌可以保证氢气在柴油中充分溶解，不会在氢气进气过程中形成不稳定的微米级大氢气泡而恶化纳米氢气泡/柴油混合燃料的均匀性和稳定性。

附图说明

[0020] 图1为本发明中所用的纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置示意图。

[0021] 其中：1-氢气瓶；2-氢气减压阀；3-二级压力调节器；4-混合器接口；5-混合器；6-密封胶垫；7-混合器顶盖；8-加油口；9-密封堵头；10-压力表；11-安全阀；12-微量调节阀；13-油/气分离器；14-皂膜流量计；15-氢气处理器；16-搅拌子；17-放油阀；18-磁力搅拌加热器。

[0022] 图2为利用实施例1所述制备装置及制备步骤得到的纳米氢气泡/柴油混合燃料中纳米氢气泡直径分布规律。

具体实施方式

[0023] 以下通过具体的实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步描述。需要说明的是所述实施例是叙述性的，而非限定性的，本发明所涵盖的内容并不限于下述实施例。

[0024] 本发明提出的一种纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置的构成如图1所示，该制备装置包括氢气瓶1、混合器5、油/气分离器13和氢气处理器15；所述氢气瓶1连接至所述混合器5的进气管路上设有氢气减压阀2、二级压力调节器3和混合器接口4，所述混合器5的顶部设有混合器顶盖7，所述混合器5与所述混合器顶盖7之间设有密封胶垫6，所述混合器顶盖7的顶部设有加油口8、密封堵头9、压力表10和微量调节阀12，所述混合器5的底部设有放油阀17，所述混合器5内设有搅拌子16；所述混合器5的下方设有磁力搅拌加热器18；所述微量调节阀12通过管路与所述油/气分离器13的进口相连，所述油/气分离器13的出口连接至所述氢气处理器15，在所述油/气分离器13与所述氢气处理器15的连接管路上设有皂膜流量计14。

[0025] 此外，混合器顶盖7与混合器5经密封胶垫6密封后由螺栓连接在一起；混合器顶盖7上安装有安全防护用的安全阀11。

[0026] 本发明中的制备装置一实施例的各个组成部件的基本要求如下：

[0027] 氢气瓶1采用普通氢气瓶；氢气减压阀2最大输出压力大于5MPa；二级压力调节器3的压力调节范围：0～5MPa；混合器接口4的材质为不锈钢，内径为4～6mm；混合器5的材质为不锈钢，容积为0.1～10L，形状为圆柱形；密封胶垫6的耐压大于5MPa；混合器顶盖7的材质为不锈钢，其外径与混合器5的外径相同；加油口8采用不锈钢管，内径为5～15mm；密封堵头9的材质为不锈钢；压力表10的测压范围为0～5MPa；安全阀11的开启压力为5MPa；微量调节阀12的材质为不锈钢；油/气分离器13的材质为不锈钢；皂膜流量计14的测量范围为0.1～
1ml/min；氢气处理器15其氢气处理效率为100％；搅拌子16采用普通磁力搅拌子；放油阀17采用材质为不锈钢，内径为10～20mm的球阀；磁力搅拌加热器18的最大转速不低于5转/s，最大加热功率不低于500W。

[0028] 利用上述制备装置进行制备纳米氢气泡/柴油混合燃料的步骤如下：

[0029] 从混合器顶盖7上的加油口8向所述混合器5中加入柴油，要求混合器5中的空间被柴油完全充满，没有气体残留，用密封堵头9封闭加油口8；由氢气瓶1依次经氢气减压阀2、二级压力调节器3及混合器接口4以0.5～5MPa范围内的预定恒定压力向混合器5供应氢气；打开磁力搅拌加热器18，将搅拌子16的转速调整到1～5转/s范围内的预定恒定转速，以及混合器5内柴油温度调整到室温～150℃范围内的预定恒定温度，搅拌30～120min；搅拌过程完成后，关闭氢气瓶1、氢气减压阀2及二级压力调节器3，缓慢打开微量调节阀12，调整皂膜流量计14中的气体流速在0.1～1ml/min范围内的预定恒定流速，释放从所述混合器5溢出的柴油和氢气；待压力表10的压力值恢复到常压，取下密封堵头9，打开放油阀17，从放油阀17释放的流体即为纳米氢气泡/柴油混合燃料。

[0030] 在缓慢打开微量调节阀12的同时，有少量的柴油和氢气经所述微量调节阀12从混合器5溢出，溢出的柴油和氢气流至所述油/气分离器13中进行分离，分离后的柴油直接储存于所述油/气分离器13中，分离后的氢气从所述油/气分离器13中溢出并经皂膜流量计14后进入氢气处理器15进行无害化处理。

[0031] 实施例1

[0032] 选择容积为0.5L的混合器5；从混合器顶盖7上内径为5mm的加油口8向混合器5中加入0.5L柴油，混合器5中的空间被柴油完全充满，没有气体残留，用密封堵头9封闭加油口8；由氢气瓶1经氢气减压阀2、二级压力调节器3及内径为4mm的混合器接口4向混合器5供应
0.5MPa恒定压力的氢气；打开磁力搅拌加热器18，将搅拌子16的转速调整到1转/s，以及混合器5内柴油温度调整到50℃的恒定温度，搅拌60min；该搅拌过程完成后，关闭氢气瓶1、氢气减压阀2及二级压力调节器3，缓慢打开微量调节阀12，调整皂膜流量计14中的气体流量在0.5ml/min，释放经微量调节阀12从混合器5溢出的柴油和氢气；待压力表10的压力值恢复到常压，取下密封堵头9，打开内径为10mm的放油阀17；从放油阀17释放的流体即为纳米氢气泡/柴油混合燃料。

[0033] 采用马尔文公司生产的ZS 90型激光纳米粒度仪测量实施例1所制备纳米氢气泡/柴油混合燃料的氢气泡直径分布，结果如图2所示。

[0034] 实施例2

[0035] 选择容积为1L的混合器5；从混合器顶盖7上内径为10mm的加油口8向混合器5中加入1L柴油，混合器5中的空间被柴油完全充满，没有气体残留，用密封堵头9封闭加油口；由氢气瓶1经氢气减压阀2、二级压力调节器3及内径为5mm的混合器接口4向混合器5供应2MPa恒定压力的氢气；打开磁力搅拌加热器18，将搅拌子16的转速调整到3转/s，以及混合器5内柴油温度调整到100℃的恒定温度，搅拌30min；搅拌过程完成后，关闭氢气瓶1、氢气减压阀2及二级压力调节器3，缓慢打开微量调节阀12，调整皂膜流量计14中的气体流量在0.1ml/min，释放经微量调节阀12从混合器5溢出的柴油和氢气；待压力表10的压力值恢复到常压，取下密封堵头9，打开内径为15mm的放油阀17；从放油阀17释放的流体即为纳米氢气泡/柴油混合燃料。

[0036] 实施例3

[0037] 选择容积为5L的混合器5；从混合器顶盖7上内径为15mm的加油口8向混合器5中加入5L柴油，混合器5中的空间被柴油完全充满，没有气体残留，用密封堵头9封闭加油口8；由氢气瓶1经氢气减压阀2、二级压力调节器3及内径为6mm的混合器接口4向混合器5供应4MPa恒定压力的氢气；打开磁力搅拌加热器18，将搅拌子16的转速调整到5转/s，以及混合器5内柴油温度调整到150℃的恒定温度，搅拌90min；所述搅拌过程完成后，关闭氢气瓶1、氢气减压阀2及二级压力调节器3，缓慢打开微量调节阀12，调整皂膜流量计14中的气体流量在1ml/min，释放经微量调节阀12从混合器5溢出的柴油和氢气；待压力表10的压力值恢复到常压，取下密封堵头9，打开内径为20mm的放油阀17；从放油阀17释放的流体即为纳米氢气泡/柴油混合燃料。

[0038] 实施例4

[0039] 选择容积为0.1L的混合器5；从混合器顶盖7上内径为5mm的加油口8向混合器5中加入0.1L柴油，混合器5中的空间被柴油完全充满，没有气体残留，用密封堵头9封闭加油口8；由氢气瓶1经氢气减压阀2、二级压力调节器3及内径为4mm的混合器接口4向混合器5供应
5MPa恒定压力的氢气；打开磁力搅拌加热器18，将搅拌子16的转速调整到1转/s，以及混合器5内柴油温度保持在室温，搅拌120min；所述搅拌过程完成后，关闭氢气瓶1、氢气减压阀2及二级压力调节器3，缓慢打开微量调节阀12，调整皂膜流量计14中的气体流量在0.1ml/min，释放经微量调节阀12从混合器5溢出的柴油和氢气；待压力表10的压力值恢复到常压，取下密封堵头9，打开内径为10mm的放油阀17；从放油阀17释放的流体即为纳米氢气泡/柴油混合燃料。

[0040] 本发明制备方法可以制备氢气泡直径处于纳米级别且稳定期超过6个月的氢气泡/柴油混合燃料，可直接用于柴油机，替代纯柴油燃料，实现柴油燃料的替代及柴油机的清洁、高效燃烧。应用所述纳米氢气泡/柴油混合燃料时，柴油机只需要一套供油系统，且不需要对供油系统硬件进行调整；柴油机燃用所述纳米氢气泡/柴油混合燃料可大幅改善柴油机的燃油经济性，并降低污染物排放。此外，本发明采用过饱和溶液相分离法可制备纳米级别直径的氢气泡，不仅改善了混合燃料在柴油机上的燃烧性能，且有利于氢气泡长期稳定存在；采用搅拌法促进氢气在柴油中充分溶解，避免了混合过程中大气泡的生成，保证了纳米氢气泡/柴油混合燃料的均匀性和稳定性。

[0041] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。