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CN107987901B - 在线制备纳米流体燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线制备纳米流体燃料的方法，通过在线制备纳米流体燃料的方法以及在线制备纳米流体燃料的装置，能有效减少燃烧装置碳烟颗粒物和氮氧化物的排放，可实现供求平衡，即燃烧装置用的燃料体积等于超声混合的燃料体积，有效减少了纳米颗粒沉降现象的发生，减少不必要的能耗损失，具有耗能少、效率高、成本低、结构简单、应用广的特点。

Description

在线制备纳米流体燃料的方法
技术领域
本发明属于燃料制备和供给领域，具体涉及一种在线制备纳米流体燃料的方法。
背景技术
随着人们生活质量以及消费水平的增长，汽车产业高速发展，并已成为我国的支柱产业之一。汽车使用量增加的同时，其所带来的环境污染问题也日趋严重。柴油机与汽油机相比，具有燃油经济性好、污染物(CO、CO2和HC)排放量相对较小等显著优点，城市大巴、工业设备几乎都是用柴油机提供动力。然而，柴油机的应用存在一个严重的问题，即微粒物(PM)和氮氧化物(NOx)的排放量很高。PM的尺寸仅有微米、亚微米级别，其吸入肺部会引起呼吸道疾病等对人体危害很大的疾病；大气中的氮氧化物会导致人体中枢神经受损，引起痉挛和麻痹。因此，污染物排放的控制迫在眉睫，并成为柴油机技术的重点和难点，在很大程度上限制了现代柴油机的发展。
纳米流体燃料是指把金属或非金属纳米颗粒分散到燃料基液中，制备成均匀、稳定、高导热的悬浮液。纳米颗粒可伴随燃料基液燃烧，释放出大量的热量，减少发动机的压力峰值，提高制动热效率和制动燃油消耗率，并减少氮氧化物、烟黑的排放。
同时，纳米流体燃料的应用也受到了较大的限制，主要是由于悬浮液难以保持稳定性、燃烧过后颗粒物难以捕集。目前，稳定悬浮液的常见方法为减小纳米颗粒粒径、添加分散剂、调整pH值和超声振动等，但都只能得到含纳米颗粒浓度较低的纳米流体燃料，对于高浓度的纳米流体燃料，纳米颗粒仍会迅速团聚下沉。
纳米级别的金属颗粒具有较大的比表面积，极易点燃、燃烧。粒径为100nm的金属铝颗粒可在约250度的环境下点燃，远低于金属铝的点燃温度。将纳米颗粒加入到传统的碳氢燃料中，纳米颗粒可伴随碳氢燃料的燃烧而被氧化，释放大量的能量，且其能量密度远远高于汽油和柴油，可作为潜在的能量载体；同时使碳氢燃料燃烧更加充分，可提高燃料的燃烧效率，减少污染物的排放。
Selvan等人通过单缸压缩点火发动机研究了氧化铈-柴油混合燃料的燃烧特性，在柴油燃料中加入25ppm的氧化铈后，一氧化碳和氮氧化物的排放明显减少。Kao等人则研究了加入纳米铝颗粒的柴油的燃烧特性，发现加入纳米颗粒后，燃料的燃烧热有可观的提高，燃料的消耗量随之减少，烟雾以及氮氧化物的排放明显降低。Mehta等人研究发现添加AL、B、Fe的纳米流体燃料可使在满负荷工作下的气缸压力峰值分别下降59％、60％、62％；在产生相同的制动功率下，添加少量纳米铝颗粒的燃料可以减少7％的燃油消耗量；加入AL、B、Fe的纳米流体燃料燃烧排放的气体温度分别升高9％、7％、4％，有效热效率分别升高9％、4％、2％。
目前，很多技术常在管道涂层可降低碳烟颗粒物氧化温度的催化剂，由于碳烟颗粒物常以松散的方式与催化剂接触，催化并未达到理想的效果。本体系中，纳米颗粒以紧密的接触方式嵌入到生成的碳烟颗粒物中，可大大减低碳烟颗粒物的氧化物温度，达到被动再生的目的。已有部分学者基于添加催化剂的烯烃、烷烃气体燃料较为系统地证明了较少量的催化剂不仅对成熟的soot成熟具有催化效果，同时对形成期间的soot的石墨化程度也有明显的影响。
Hu等人在丙烷燃料中加入0.1～0.2体积分数的二茂铁，发现火焰末端所生成的soot的微晶尺度变短，微晶的层间距以及曲率均增加。Soot微观结构的变化证明了二茂铁在soot生成中阻碍了soot的石墨化，提高了氧化活性。Kim等人研究了添加0.1mol％的五羰基铁对乙烯燃料产生soot的氧化活性的影响，发现soot的活化能由162KJ/mol左右减小到116KJ/mol左右。Rinkenhurger等人在丙烷燃料中添加不同的碱金属盐，探究了碱金属盐在soot生成过程以及成熟后对其氧化活性的影响，发现加入少量的K2CO3的催化效果最强，可使soot催化活性速率最高对应的温度下降到300度。
发明内容
本发明基于纳米流体燃料的燃烧特性，针对纳米流体应用中存在的两大问题，提出一种在线制备纳米流体燃料的方法，能有效减少燃烧装置如发动机碳烟颗粒物和氮氧化物的排放，可实现供求平衡，即燃烧装置用的燃料体积等于超声混合的燃料体积，有效减少了纳米颗粒沉降现象的发生，减少不必要的能耗损失，具有耗能少、效率高、成本低的特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种在线制备纳米流体燃料的方法，在燃料箱和燃烧装置之间设置制备纳米流体燃料的装置，根据所述燃烧装置的工况需求确定所需液体燃料量，通过所述燃料箱供应所需液体燃料，在将所述液体燃料供应至所述燃料箱之前，通过制备纳米流体燃料的装置将所述液体燃料与相应量的纳米颗粒进行混合，其中所述纳米颗粒是金属颗粒。
本发明具有以下有益效果：(1)采用在线制备纳米流体燃料的方式，将纳米流体燃料实时喷射进入燃烧装置，有效地减缓了纳米颗粒在燃烧过程中的沉降现象。
(2)不仅降低NOx和碳烟颗粒物等污染物的排放，且可提高燃料的利用率。
(3)整个系统耗能较少，系统结构简单，实用性强。
(4)可应用于多种发动机系统，如汽车发动机，实际可应用于工厂等多种类型的燃烧室，推广性较强。
(5)只需要在燃烧装置前端连接在线制备纳米流体燃料的装置，成本较低。
(6)本系统耗能部分主要为超声波发生器，超声波发生器只作用于局部，能耗较低，可依靠汽车在运动过程中产生的能量，减少能源浪费。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明
附图说明
图1为本发明在线制备纳米流体燃料的装置的整体结构示意图。
图2为本发明在线制备纳米流体燃料的装置的内部结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
结合图1，一种在线制备纳米流体燃料的方法，在燃料箱和燃烧装置之间设置制备纳米流体燃料的装置，根据所述燃烧装置的工况需求确定所需液体燃料量，通过所述燃料箱供应所需液体燃料，在将所述液体燃料供应至所述燃烧装置之前，通过制备纳米流体燃料的装置将所述液体燃料与相应量的纳米颗粒进行混合，其中所述纳米颗粒是金属颗粒。
一种在线制备纳米流体燃料的装置，包括给粉装置1、液体燃料供应管2、混合器4、液体燃料输出管5、超声波振荡器9、液体燃料供给控制装置10，所述混合器4位于所述给粉装置1的下端且所述混合器4与所述液体燃料供应管2和所述给粉装置1连通，所述超声波振荡器9设置在混合器4的侧面，所述液体燃料供给控制装置10设置于所述混合器4的下端用于控制纳米流体燃料的供给，所述液体燃料输出管用于将纳米流体燃料供给燃烧装置，其中所述纳米颗粒是金属颗粒。
进一步地，结合图2，所述给粉装置1包括位于其上端的上盖6、位于其下端的纳粉盘8，给粉装置1内部形成储粉腔7以容纳纳米颗粒，纳粉盘8上设置有连通储粉腔7和混合器4的给粉孔，给粉装置1内部设置有给粉器，通过位于纳粉盘8下端的控制舵机3对给粉器进行控制以实现和调节所述纳米颗粒的供给。
进一步地，所述给粉器包括一中心轴，所述中心轴底端与所述控制舵机连接，所述中心轴顶端穿过所述上盖6，所述中心轴位于储粉腔7内部的部分连接一横杆，所述中心轴穿过所述横杆的中部，所述横杆的两端各连接一推扫块，所述中心轴可带动横杆旋转从而带动所述推扫块将所述纳米颗粒推送入所述给粉孔。
进一步地，所述液体燃料供应管2与燃料箱连接。
进一步地，所述液体燃料供应管2、混合器4和所述超声波振荡器9均为多个且数量相同。
进一步地，所述纳米颗粒为金属或非金属颗粒。
进一步地，其特征在于：所述燃料为柴油。
进一步地，其特征在于：所述燃烧装置为发动机。
进一步地，所述舵机为KST215舵机。
具体工作过程和机理：纳米颗粒作为添加剂与液体燃料混合形成均匀、稳定的纳米流体燃料，不仅可以减少污染物的排放，还可以明显增加基液燃料的能量密度。由于纳米颗粒的密度较液体燃料的大，即使添加表面活性剂，也只能制备均匀的低浓度纳米流体，并很难在基液中长时间悬浮。纳米颗粒沉降现象的发生，不仅会影响纳米流体的燃烧，更有可能堵塞管道。本系统采用在线制备、即混即用纳米流体燃料的方式，在燃料箱与燃烧装置之间加装一个在线制备纳米流体燃料的装置，如图1所示。以采用燃油为燃料示例，通过给粉器将定量的纳米颗粒扫入纳粉盘；再通过进油口燃油冲刷，进入混合器；然后经过超声波发生器振荡配成一定比例的混合燃油，液体燃料供给控制装置旋转打开管路，实现给油。整个系统分成两个支路，各部分并行工作，通过舵机控制燃油和纳米颗粒不断混合，并不断给油。本系统摒弃了给燃料箱连续超声振动的方案，原因是使用超声发生器长时间作用于容积较大的燃料箱时耗能较大。本系统添加了在线制备纳米流体燃料的装置后，可实现供求平衡，即燃烧装置用的燃料体积等于超声混合的燃料体积，减少不必要的能耗损失。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种在线制备纳米流体燃料的方法，其特征在于，在燃料箱和燃烧装置之间设置制备纳米流体燃料的装置，根据所述燃烧装置的工况需求确定所需液体燃料量，通过所述燃料箱供应所需液体燃料，在将所述液体燃料供应至所述燃烧装置之前，通过制备纳米流体燃料的装置将所述液体燃料与相应量的纳米颗粒进行混合，其中所述纳米颗粒是金属颗粒。
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