NO309785B1 - Emulsjonsrigg - Google Patents

Description

Tidligere kjent teknikk

Følgende relevante publikasjoner er funnet som mothold til den foreliggende oppfinnelse:

1. US 4 696 638 2. US 5 542 379 3. US 5 782 556

Publikasjonen US 4 696 638 beskriver et system for å oppnå forbedret forbrenning ved separat å forberede vann-i-olje emulsjon, hvor denne inneholder opptil ca. 90 volum % vann, og blande emulsjonen inn i et oljebrennstoff før forbrenningen. Den blandede oljen inneholder mellom 1 og 10 volumprosent vann i form av små dråper med diameter mellom 1 og 10 mikrometer. Prosessen til denne oppfinnelsen kan utnyttes i varme system, dampkjeler, gassturbiner,..., og interne forbrenningsmotorer, inkludert dieselmotorer.

Publikasjonen US 5 542 379 beskriver et apparat og en metode for å forsyne emulsjon til et forbrenningssystem. For å forhindre økningen av NOx med hensyn til overdrevent høy forbrenningstemperatur og økningen av HC og CO med hensyn til overdrevent lav forbrenningstemperatur, ved å mate emulsjonen av olje og vann som har et vanninnhold passende til forbrenningstilstanden i sylindrene til en dieselmotor, er det foreslått: En forbrenningsparametersensor (3) for å detektere forbrenningsparametere i sylinderen slik som et internt trykk i sylinderen, motorbank, eksos, etc. og en krets som overvåker vanntilførselen (2) for å sette et vanntilførselsnivå til et brennstoff, er ordnet i en dieselmotor (1). Et element som styrer vanntilførselen (4) mater vann til et emulsjons formulerende apparat (5) på et nivå som svarer til et vanntilførselssignal fra kretsen som overvåker vanntilførselen (2). Et emulsjonsbrennstoff med et vannivå i samsvar med forbrenningstilstanden inne i sylinderen blir følgelig formet og matet fra det emulsjonsdannende apparat (5) til motoren (1).

Publikasjonen US 5 782 556 beskriver et apparat for å lage multippelfase mikroemulsjons brennstoff hurtig som inkluderer: En første mikser for primært å blande vann, katalyst, emulgerende væske, stabilisator og en liten mengde olje i primærmikseren for å produsere olj e-i-vann stadiet i væskeblandingen; og en andre mikser som har en roterende turbinagitator montert i sekundærmikseren, en virvelstrømledende enhet med gresskarform plassert rundt turbinagitatoren for å produsere opp- og nedbøyde virvelstrømmer av en blanding i sekundærmikseren matet med blandevæsken som er tilført fra primærmikseren og råoljen, og en mengde med turbulensdempere radielt sikret i den andre mikseren for å begrense virvelstrømmene til blandingen i den andre mikseren til en del virvelstrøm "sektorer" for å akselerere en grundig blanding og emulgering av brennstoffet ved olje-i-vann fasen for hurtig å oppnå vann-i-olje fase brennstoff olje for å oppnå bedre forbrenning og mindre luftforurensning når den brennes.

Beskrivelse

Bakgrunn

Oppfinnelsen angår en emulsjonsrigg som uten forutgående emulsjonsrfemstilling utenfor brennoljesystemet doserer vann og emulgator inn i brennoljesystemet for forbrenningsmotorer, dampkjeler og fyringsanlegg slik at det først inne i selve brennoljesystemet dannes og vedlikeholdes vann-i-oljeemulsjon som anvendes som brennstoff.

Fremstilling av vann-i-oljeemulsjon er kjent. Hittil har emulsjon for anvendelse som brennstoff blitt fremstilt mekanisk på en av følgende to måter: • Blanding av olje og vann ledes gjennom en spalte hvor komponentene som utgjør spalten, har relativ bevegelse og derved skaper skjærkrefter som danner emulsjon mellom fluidene i spalten. • Blandingen av olje og vann blir trykksatt og ledet gjennom en strupeinnretning hvor trykket far falle. På grunn av skjærkrefter som oppstår i fluidene under strupingen dannes vann-i-oljeemulsjon.

I begge ovennevnte tilfeller dannes emulsjonen i selve apparaturen før den tilføres brennoljesystemet. Av grunner som er nevnt nedenfor, må det ved motordrift på destillater i begge tilfellene gjøres spesielle tiltak for å hindre at emulsjonen blir for varm før den tilføres motoren. Det blir derfor nødvendig med installasjon av kjøler og temperaturregulator i brennstoffsystemet.

Emulsjonsdannelse i spalte tilfører fluidene energi i tillegg til den energien som returbrennstoffet mottar etter å ha vært presset til meget høye trykk i innsprøytningspumpene. Dette hever brennstofftemperaturen i brennoljekretsen. Temperaturstigningen kan bli så høy at emulsjonen ved drift på destillater ikke uten videre kan tilføres motoren som brennstoff. Høy brennstoftfemperatur frigir gasser i brennoljesystemet, og derved oppstår fare for at innsprøytningspumpene skal ødelegges (riving av overflatematerialet fordi høy brennstofftemperatur og tilstedeværelse av gasser nedsetter brennstoffets smøreevne). Dette er aktuelt når brennstoffet har slik beskaffenhet at det ikke kan varmes opp noe vesentlig før det tilføres motoren, som tilfellet er for destillatene marin gassolje (MGO), marin dieselolje (MDO), o.l. I slike tilfeller må emulsjonen avkjøles før den kan tilføres motoren.

Vann-i-oljeemulsjon som dannes ved struping av fluidstrømmen, skilles til vann og olje etter forholdsvis kort tid. Emulsjonen må derfor anvendes fa sekunder etter at den er fremstilt. Dette kravet betinger at apparaturen som fremstiller emulsjonen, blir plassert nær motorens innsprøytningssystem. Videre kreves begge ovennevnte fremstillingsmetoder av vann-i-oljeemulsjon at returbrennstoffet, i dette tilfelle emulsjonen, ikke returneres til dagtanken, men ledes gjennom apparaturen som fremstiller emulsjonen. Samholdet mellom disse to krav gjør at rørene i forpumpekretsen ikke far anledning til å fungere som varmeveksler og lede bort nok overskuddsvarme fra brennstoffet før det sendes til motoren.

Ved å fremstille vann-i-oljeemulsjon i følge oppfinnelsen unngåes ovennevnte problemer, og følgende oppnås:

• Emulsjonen dannes i brennoljesystemet og ledes ikke gjennom emulsjonsriggen.

• Det strømmer ikke brennolje gjennom emulsjonsriggen.

• Emulsjonen fremstilles uten temperaturstigning av fluidene som inngår i den.

• Vann kan tilføres hvor som helst i sirkulasjonspumpekretsen (forpumpekretsen).

• Emulgator kan tilføres brennoljen hvor som helst i brennoljesystemet. Det vil si at emulgatoren kan tilføres i lagertank, i brennoljeforbrukssystem eller i tanker eller rør mellom disse to ytterpunktene.

Anvendelsesområde

Anvendelsesområdet for emulsjonsriggen vil være dieselmotorer, samt dampkjeler og fyringsanlegg som opereres på flytende brennstoff, og hvor det er ønskelig å redusere dieselmotorens termiske belastning samt alle de nevnte anleggs produksjon og utslipp av NOx, CO og C (karbon/sot).

En forbrenningsmotors termiske belastning reduseres ved drift på vann-i-oljeemulsjon fordi vannets oppvarming, fordampning og overheting etter at det er kommet inn i forbrenningssonene krever energi, og denne tas fra forbrenningsgassene som derved får redusert sin maksimaltemperatur.

Ved at maksimal forbrenningstemperatur i forbrenningsmotorer, dampkjeler og fyringsanlegg reduseres ved bruk av vann-i-oljeemulsjon som brennstoff, reduseres også produksjon og utslipp av NOx og CO.

I tillegg reduseres utslipp av CO og sot fordi vannets volumøkning inne i oljedråpene bedrer forstøvning og spredning av dem og fremmer deres kontakt med det tilgjengelige oksygenet i forbrenningskammeret. Ved høye prosesstemperaturer dissosieres vannet i en viss grad og frigjør hydroksidioner og atomært oksygen som binder seg med karbon. Dette bidrar også til å redusere sotutslipp.

NOx skaper sur nedbør og bakkenært ozon, CO er giftig, og sot forurenser omgivelsene visuelt. Dessuten vil inhalering av sot redusere lungefunksjon og blodkvalitet i tillegg til at dette øker faren for kreft fordi krystallinsk karbon kan være bærer av kreftfremkallende uforbrente hydrokarboner.

Virkemåte

Emulsjonsriggens prinsipielle oppbygging og tilknytning til et motoranlegg er vist skjematisk på tegningen. Fig. 1 gjelder et anlegg hvor forbrenningsmotoren opereres på destillater, mens fig. 2 gjelder et anlegg hvor forbrenningsmotoren opereres på tungolje.

To doseringspumper, pumpe 1 for pumping av vann og pumpe 2 for pumping av emulgator, doserer sine fluider direkte inn i motoranleggets brennoljesystem. Emulsjon mellom vann og olje dannes og vedlikeholdes inne i brennoljens rørsystem på grunn av den turbulens som skapes når sirkulasjonspumpen transporterer fluidene rundt i brennoljesystemet.

Leveringsmengde per tidsenhet fra doseringspumpe 1 styres av signal som den mottar fra signalforsterker 3 og måleverdiomformer 4. Signalforsterkeren mottar sine styresignal fra en oljestrømsmåler som er montert i brennoljeforbruksledningen. Arrangementet gjør at bruker kan bestemme hvilke konsentrasjoner av vann det skal være i den fremstilte vann-i-oljeemulsjonen for enhver belastning av motoren.

Leveringsmengde per tidsenhet fra doseringspumpe 2 styres av signal som den mottar fra signalforsterker 3. Signalforsterkeren mottar sine styresignal fra en oljestrømsmåler som er montert i forbruksledningen.

Dersom emulgator tilsettes brennoljen når den fylles på lagertank, sløyfes emulgatorpumpen (2) i emulsjonsriggen ettersom brennoljen som pumpes inn i sirkulasjonskretsen i dette tilfellet, inneholder den nødvendige konsentrasjon av emulgator for at det skal dannes emulsjon mellom vann og olje.

Måleverdiomformeren kan programmeres slik at den sender et styresignal til pumpe 1 slik at den fremstilte emulsjonen vil fa den høyeste vannkonsentrasjon som forbrenningsmotoren kan akseptere når den kjøres ved 100% nominell akseleffekt. I tillegg styrer måleverdiomformeren pumpen slik at man sikrer at det ved laveste akseleffekt ikke skal kunne fremstilles emulsjon med så høy vannkonsentrasjon at det oppstår feiltenning i forbrenningsmotoren.

Brennstoffet (emulsjonen) som returneres fra motoren, inneholder vann og emulgator. Dersom emulsjonen ble returnert til dagtanken, ville dens vannandel påvirke mengdemålingen av brennolje som kommer fra dagtanken og inn i brennoljekretsen. Emulsjonen skal derfor ledes tilbake i sirkulasjonkretsen og ikke til dagtanken. Dette oppnås, som vist på fig. 1, ved at det monteres en ventil på returen til dagtanken og et forbindelsesrør 5 mellom innløpet til denne ventilen og et punkt mellom brennoljeuttaket fra dagtanken og sirkulasjonpumpens innløp.

I motoranlegg som opereres på tungolje, og har sirkulasjonskrets med blandetank/luftetank, fungerer denne tanken som forbindelsesrør. I slike anlegg sirkulerer brennstoffet i sirkulasjonskretsen, og det er bare gasser avgitt fra brennoljen som returneres til dagtanken. Der kan brukeren velge om brennoljemåleren skal monteres foran eller bak forpumpen.

Ved dampkjel og fyringsanlegg vil diagrammene i tegningen gjelde dersom "motor" skiftes ut med "forbrenningskammer".

Vannet som tilsettes, kan være destillert eller vanlig drikkevann. Emulgatoren kan være av enhver type som emulgerer vann i olje bare ved at blandingen av vann, olje og emulgator røres sammen uten behov for tilførsel av mye mekanisk energi til å skape skjærkrefter i fluidene.

Hva som oppnås med emulsjonsri<gg>en

Når motoren kjøres ved høy belastning, kan det være ønskelig å operere med emulsjon som har høy vannkonsentrasjon, fordi dette gir god reduksjon av skadelige utslipp som NOx, CO og sot, og fordi motoren kan tolerere mye tilførsel av vann fordi dens prosesstemperatur inne i sylinderenheten er høy.

Når motoren kjøres ved lav belastning og på tomgang, er det imidlertid fare for feiltenning og soting hvis det tilsettes for mye vann. Det er imidlertid en fordel at den også da opereres på emulsjonsdrift, men med liten vannkonsentrasjon, fordi emulsjonsdrift bidrar til å redusere sotdannelsen under forbrenningen.

Måleverdiomformeren som er innebygget i styresystemet, gjør det mulig å oppfylle begge disse ønsker. Forbrenningsmotoren kan tilføres emulsjon med lav vannkonsentrasjon når motoren kjøres med lav belastning og få tilført emulsjon med økende vannkonsentrasjon etter hvert som motorbelastningen øker, inntil det nås en maksimalgrense for vannkonsentrasjonen som ikke bør overskrides. Denne grensen er gitt av motorkonstruksjonen.

Emulsjonsriggen fremstiller ikke emulsjon ved å tilføre mye mekanisk energi som anvendes til å skape skjærkrefter i fluidene. Fremstillingsprosessen krever heller ikke at emulsjonen dannes i et lite kretsløp så nær motoren at det oppstår problemer med å fa avkjølt returbrennstoffet som er oppvarmet i pumpene, men tillater derimot at kretsløpet kan være stort og med så lange rør at disse vil fungere som varmeveksler og lede varme fra brennoljen inne i rørene og til luften omkring. Dette gjør at emulsjonsriggen ikke betinger installasjon av kjøler i brennoljekretsen.

Claims (5)

1. Emulsjonsrigg, der en pumpe (1) doserer vann og en annen pumpe (2) doserer emulgator inn i et brennoljesystems sirkulasjonskrets slik at det der fremstilles og vedlikeholdes vann-i-oljeemulsjon ved den turbulens som sirkulasjonspumpens rundpumping i kretsen skaper, karakterisert ved at vann og emulgator doseres direkte i brennoljesystemet uten forutgående emulsjonsfremstilling utenfor brennoljesystemet.

2. Emulsjonsrigg ifølge krav 1, karakterisert ved at doseringspumpene (1,2) gjennom signalforsterker (3) og måleverdiomformer (4) mottar styresignal fra en oljestrømsmåler montert i brennoljeforbruksledningen, og gir brukerbestemte konsentrasjoner av vann og emulgator i den fremstilte vann-i-oljeemulsjonen.

3. Emulsjonsrigg ifølge krav 1-2, karakterisert ved at bare en pumpe (1), som doserer vann direkte inn i et brennoljesystems sirkulasjonskrets, opereres når brennoljen er tilsatt emulgator før den tilføres kretsen, og at det derved fremstilles og vedlikeholdes vann-i-oljeemulsjon ved den turbulens som sirkulasjonspumpens rundpumping i kretsen skaper.

4. Emulsjonsrigg ifølge krav 1-2-3, karakterisert ved at måleverdiomformeren (4) er programmert slik at styresignalet den sender til doseringspumpene (1,2) besørger at når forbrenningsmotoren, dampkjelen eller fyringsanlegget opereres med laveste effekt, tilføres emulsjon med så liten vannmengde at det ikke oppstår feil med tenning eller forbrenning, men etter hvert som effekten øker, tilføres emulsjon med økende vannkonsentrasjon inntil emulsjonen ved 100% nominell effekt inneholder den største vannmengde innsprøytningspumpene til forbrenningsmotoren, dampkjelen eller fyringsanlegget kan akseptere i tillegg til brennoljemengden som må sprøytes inn.

5. Emulsjonsrigg ifølge krav 1-2-3-4, karakterisert ved at emulsjonen kan anvendes som brennstoff i forbrenningsmotor, dampkjel eller fyringsanlegg.