阅读说明：本技术 喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置及方法和用途 (Spray type nano hydrogen bubble/diesel oil mixed fuel preparation device and method and application ) 是由 宋崇林 张伟 吕刚 徐昌健 于 2020-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备方法,由氢气瓶经减压和调压后向混合器供应预定恒定压力的氢气；来自油箱的柴油和回流的纳米氢气泡/柴油混合燃料经油泵混合加压后由柴油雾化喷嘴喷入混合器；混合器中氢/柴油溶液雾滴与氢气作用形成更高浓度的氢/柴油溶液雾滴后进入缓冲器,稳定后的氢/柴油溶液经卸压后进入油/气分离器分离,得到的一部分纳米氢气泡/柴油混合燃料回流到混合器再次与柴油和氢气混合,剩下的纳米氢气泡/柴油混合燃料成为最终混合燃料产品。燃用纳米氢气泡/柴油混合燃料时,柴油机只需要一套供油系统,可改善柴油机经济、排放性能；喷雾式制备方法更适合纳米氢气泡/柴油混合燃料的工业化生产。(The invention discloses a preparation method of spray type nano hydrogen bubble/diesel oil mixed fuel, hydrogen gas with preset constant pressure is supplied to a mixer from a hydrogen cylinder after pressure reduction and pressure regulation; diesel oil from an oil tank and the returned nano hydrogen bubble/diesel oil mixed fuel are mixed and pressurized by an oil pump and then are sprayed into the mixer by a diesel oil atomizing nozzle; and enabling the hydrogen/diesel solution fog drops in the mixer to react with hydrogen to form hydrogen/diesel solution fog drops with higher concentration, then enabling the hydrogen/diesel solution to enter a buffer, releasing pressure of the stabilized hydrogen/diesel solution, then enabling the stabilized hydrogen/diesel solution to enter an oil/gas separator for separation, enabling a part of the obtained nano hydrogen bubble/diesel mixed fuel to flow back to the mixer to be mixed with the diesel and the hydrogen again, and enabling the remaining nano hydrogen bubble/diesel mixed fuel to become a final mixed fuel product. When the nano hydrogen bubble/diesel oil mixed fuel is combusted, the diesel engine only needs one set of oil supply system, so that the economy and the emission performance of the diesel engine can be improved; the spray preparation method is more suitable for the industrial production of the nano hydrogen bubble/diesel oil mixed fuel.)

喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置及方法和用途

技术领域

本发明属于内燃机替代燃料制备技术，具体涉及一种可用作柴油机燃料的纳米氢气泡/柴油混合燃料的连续式制备方法。

背景技术

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，作为最重要运输动力源之一的柴油机在我国得到了前所未有的应用，其对环境和能源安全的影响也日益突出。由于雾化、扩散质量较差，纯柴油的缸内燃烧过程中存在混合气不均匀导致的扩散燃烧比例过多，从而引起柴油机的颗粒物和氮氧化物排放较高，柴油机整体的热效率下降等问题。尽管相关领域专家针对改善纯柴油在柴油机中的燃烧特性开展了大量研究，但目前的改进效果仍然有限，而针对柴油机排放后处理技术的研究结果表明，后处理技术确实能够显著减少柴油机的污染物排放，但先进后处理系统的成本极其高昂，同时后处理技术的应用对柴油机的缸内燃烧也有不利影响。因此，也有专家提出通过燃料提质、改性的方法，改善、优化柴油机的燃烧和排放性能。

氢气(H₂)是一种高效、清洁能源，柴油机燃用纯氢气或者以掺混燃烧方式同时燃用氢气与柴油都能够提高柴油机热效率、减少污染物排放。而现有的氢气与柴油掺混燃烧方式包括氢气/柴油双喷射系统缸内喷射和氢气进气道喷射/柴油缸内喷射等两种工作方式。但这两种掺混燃烧工作方式都需要2套各自独立的燃料喷射系统，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柴油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。

另一方面，甲/乙醇在掺混量不大的时候可以溶解于柴油中，形成均匀溶液。柴油机在燃用所述醇/柴油溶液的时候就只需要单一供油系统，且不需要对供油系统的硬件进行改变(需要调整供油策略)就能在柴油机上可靠燃烧。借鉴醇/柴油混合燃料的工作方式，发明人提出将氢气均匀分散于柴油中形成均匀混合物用于柴油机燃料的氢气掺烧新模式。但在常温、常压下，氢在柴油中的溶解度较低，通过燃用氢/柴油溶液的方式实现柴油机高效、清洁燃烧并不现实。因此，必须开发出创新性的氢气/柴油混合新途径才能制备出具备实际应用价值的氢/柴油混合燃料。

目前，在石油开采、医疗影像等领域出现了一种新型气/液混合物制备方法，该方法主要针对水和难溶于水的气体成分所形成的混合物。制备过程为：首先在水中加入适当的表面活性剂；然后通入气体，通过搅拌等方式将气体分散成微小的气泡；由于表面活性剂具有亲水/亲油两亲特性，它可以附着于水/气交界面形成保护膜，从而稳定气泡结构，实现气/水非均相均匀混合物的制备。而表面活性剂的种类和浓度越适合需要处理的水和气体分散相，所形成的稳定气泡直径越小，气泡稳定存在的时间也越长。但氢气和柴油都具有疏水性，表面活性剂的亲水/疏水作用原理不适用于氢气和柴油的微泡混合过程，且多数表面活性剂不利于柴油机的缸内燃烧，因此，需要开发全新的氢气/柴油微泡混合燃料制备方法。

发明内容

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以及喷雾混合技术提出了一种纳米氢气泡/柴油混合燃料的连续式制备方法，制备所得的纳米氢气泡/柴油混合燃料可直接用作柴油机燃料。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置，包括氢气瓶、油箱、混合器、缓冲器、油/气分离器和氢气处理器；所述混合器包括腔体，所述腔体的上部是圆筒形的混合段，所述混合段的容积为V，所述腔体的下部是集油段，所述集油段是与所述混合段相连通的圆锥筒；所述混合段的顶部焊接有顶盖，所述顶盖上设有进气口和柴油雾化喷嘴，所述集油段的底部设有出油口，所述出油口位于圆锥结构的中心位置，所述出油口通过管路连接至缓冲器的进口；自所述氢气瓶的出口至所述混合器的进气口通过管路依次设有氢气减压阀和二级压力调节器，所述氢气减压阀的最大输出压力大于5MPa，所述二级压力调节器的压力调节范围为0～5MPa；所述油箱的出油口通过管路A与一个工作模式为两进一出的三通调节阀的第一进口相连，所述三通调节阀的出口经管路连接油泵的进口，所述油泵的出口管路连接至柴油雾化喷嘴；所述缓冲器的出口通过连接管路连接至所述油/气分离器的进口，所述连接管路上设有液体减压阀，所述油/气分离器设有放气口和放油口，所述油/气分离器的放气口连接至所述氢气处理器，所述氢气处理器的氢气处理效率为100％；所述油/气分离器的放油口通过管路与一个工作模式为一进两出的三通接头的进口相连，所述三通接头的第一出口通过管路B与所述三通调节阀的第二进口相连，所述三通接头的第二出口通过管路连接至储油罐。

进一步讲，本发明所述喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置，所述集油段是锥角为30～75°范围内的圆锥筒，圆锥筒的小头内径与所述出油口的内径相同，圆锥筒的大头内径与混合段的内径相同。

所述混合段的高度与内径之比介于3:1～8:1之间，且所述混合段的高度不小于300mm。

所述缓冲器的容积V₁＝(3～5)×s，s为每分钟从柴油雾化喷嘴进入混合器腔体内的氢/柴油溶液的体积之和；所述油/气分离器的容积V₂＝(2～5)×V₁。

本发明中还提出了采用上述的制备装置制备纳米氢气泡/柴油混合燃料的方法，包括以下步骤：

步骤一、由所述氢气瓶依次经所述氢气减压阀、二级压力调节器及所述混合器的进气口以0.5～5MPa范围内的预定恒定压力供应氢气；

步骤二、调整所述三通调节阀的开度，使分别通过管路A进入三通调节阀第一进口的柴油和通过管路B进入三通调节阀第二进口的纳米氢气泡/柴油混合燃料的流量处于1:1～1:4范围内的预定恒定比例；所述油泵将来自三通调节阀出口的柴油和纳米氢气泡/柴油混合燃料充分混合，并加压到10～30MPa范围内的预定恒定压力，此时，充分混合并加压后的柴油和纳米氢气泡/柴油混合燃料的混合物转化成氢/柴油溶液；所述油泵连续供应所述氢/柴油溶液给柴油雾化喷嘴，所述柴油雾化喷嘴向所述混合器的腔体内连续喷入雾状的氢/柴油溶液，柴油雾化喷嘴的喷射速度＝(0.01～0.1)×V L/min；

步骤三、经柴油雾化喷嘴雾化后的氢/柴油溶液进入混合段内部，与经进气口进入混合段内部的氢气接触、混合，形成了比雾化后的氢/柴油溶液浓度更高的氢/柴油溶液雾滴；所述氢/柴油溶液雾滴沉降到集油段内表面，多个所述氢/柴油溶液雾滴团聚成大液滴后在高压氢气的推动下，沿着集油段的圆锥内表面流动至出油口，并经出油口流动到缓冲器中进行稳定、均匀化；

步骤四、在缓冲器中稳定、均匀化后的氢/柴油溶液经所述液体减压阀卸压后进入所述油/气分离器中进行分离，分离出的氢气排入到氢气处理器中进行无害化处理，分离出的纳米氢气泡/柴油混合燃料分为两路，一路经所述三通接头第一出口通过管路B回流至所述三通调节阀，另一路经所述三通接头的第二出口排放到储油罐中。

将本发明制备得到的纳米氢气泡/柴油混合燃料作为柴油机燃料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

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改动；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；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。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；基于喷雾混合的氢气/柴油混合溶解方法可以强化气/液两相的湍流混合，有助于氢气在柴油中的充分溶解；大比例纳米氢气泡/柴油混合燃料回流能够减小混合器入口处的氢/柴油溶液与混合器出口处的氢/柴油溶液的浓度梯度，有利于制备高浓度氢/柴油溶液；连续式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备方法可提高混合燃料制备效率，更适合纳米氢气泡/柴油混合燃料的工业化生产。

附图说明

图1为喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置示意图。

图2为本发明实施例1制得的纳米氢气泡/柴油混合燃料中纳米氢气泡直径分布规律。

图中：

1-氢气瓶 2-氢气减压阀 3-二级压力调节器 4-进气口

5-柴油雾化喷嘴 6-油泵 7-三通调节阀 8-油箱

9-混合器顶盖 10-混合段 11-集油段 12-出油口

13-缓冲器 14-液体减压阀 15-油/气分离器 16-放气口

17-氢气处理器 18-放油口 19-三通接头 20-储油罐

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的一种喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置，包括氢气瓶1、油箱8、混合器、缓冲器13、油/气分离器15和氢气处理器17。

所述混合器包括腔体，所述腔体的上部是圆筒形的混合段10，所述混合段10的高度与内径之比介于3:1～8:1之间，且所述混合段10的高度不小于300mm；所述混合段10的容积为V。所述腔体的下部是集油段11，所述集油段11是与所述混合段10相连通的锥角为30～75°范围内的圆锥筒，圆锥筒的小头内径与所述出油口12的内径相同，圆锥筒的大头内径与混合段10的内径相同。所述混合段10的顶部焊接有顶盖9，所述顶盖9上设有进气口4和柴油雾化喷嘴5，所述集油段11的底部设有出油口12，所述出油口12位于圆锥结构的中心位置，所述出油口12通过管路连接至缓冲器13的进口。

自所述氢气瓶1的出口至所述混合器的进气口4通过管路依次设有氢气减压阀2和二级压力调节器3，所述氢气减压阀2的最大输出压力大于5MPa，所述二级压力调节器3的压力调节范围为0～5MPa，所述二级压力调节器3的出口通过管路将调压后的氢气通过所述混合器的进气口4输入至混合器的腔体内。

所述油箱8的出油口通过管路A与一个工作模式为两进一出的三通调节阀7的第一进口相连，所述三通调节阀7的出口经管路连接油泵6的进口，所述油泵6的出口管路连接至位于混合器顶盖9上的柴油雾化喷嘴5。

在所述缓冲器13的出口与所述油/气分离器15的进口之间的连接管路上设有液体减压阀14，所述油/气分离器15设有放气口16和放油口18，所述油/气分离器15的放气口16连接至所述氢气处理器17，所述氢气处理器17的氢气处理效率为100％；所述油/气分离器15的放油口18通过管路与一个工作模式为一进两出的三通接头19的进口相连，所述三通接头19的第一出口通过管路B与所述三通调节阀7的第二进口相连，所述三通接头19的第二出口通过管路连接至储油罐20。

本发明中，所述缓冲器13的出口通过连接管路连接至所述油/气分离器15的进口，所述缓冲器13的容积V₁＝(3～5)×s，s为每分钟从柴油雾化喷嘴5进入混合器腔体内的氢/柴油溶液的体积之和；所述油/气分离器15的容积为缓冲器13容积的2～5倍，即V₂＝(2～5)×V₁。

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。

实施例1：采用的制备装置中，所述混合器混合段10的高度为300mm，其高度与内径之比为3:1，经计算该混合段10的容积V＝2.36L；所述集油段11是锥角为30°的圆锥筒，其大头内径与混合段10的内径相同，小头内径与所述出油口12的内径相同。利用上述本发明喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置进行制备的过程如图1所示，步骤如下：

步骤一、由所述氢气瓶1依次经所述氢气减压阀2、二级压力调节器3及所述混合器的进气口4向所述混合器的腔体内供应5MPa恒定压力的氢气。

步骤二、调整所述三通调节阀7的开度，使分别通过管路A进入三通调节阀7第一进口的柴油和通过管路B进入三通调节阀7第二进口的纳米氢气泡/柴油混合燃料的流量为1:1的恒定比例；所述油泵6将来自三通调节阀7出口的柴油和纳米氢气泡/柴油混合燃料充分混合，并加压到30MPa范围内的预定恒定压力，此时，充分混合并加压后的柴油和纳米氢气泡/柴油混合燃料的混合物转化成氢/柴油溶液；所述油泵6连续供应所述氢/柴油溶液给柴油雾化喷嘴5，所述柴油雾化喷嘴5向所述混合器的腔体内连续喷入雾状的氢/柴油溶液，柴油雾化喷嘴5的喷射速度＝0.236L/min。

步骤三、经柴油雾化喷嘴5雾化后的氢/柴油溶液进入混合段10内部，与经进气口4进入混合段10内部的氢气接触、混合，形成了比雾化后的氢/柴油溶液浓度更高的氢/柴油溶液雾滴；所述氢/柴油溶液雾滴沉降到锥角为30°的集油段11的圆锥内表面，多个所述氢/柴油溶液雾滴团聚成大液滴后在高压氢气的推动下，沿着集油段11的斜面流动至出油口12，并经出油口12流动到容积为1.1L的缓冲器13中进行稳定、均匀化。

步骤四、在缓冲器13中稳定、均匀化后的氢/柴油溶液经所述液体减压阀14卸压后进入容积为2.2L的所述油/气分离器15中进行分离，得到氢气和纳米氢气泡/柴油混合燃料；分离出的氢气排入到氢气处理器17中进行无害化处理，分离出的纳米氢气泡/柴油混合燃料分为两部分，50％的纳米氢气泡/柴油混合燃料经所述三通接头19第一出口通过管路B自所述三通调节阀7的第二进口回流至所述三通调节阀7，而另50％的纳米氢气泡/柴油混合燃料经所述三通接头19的第二出口排放到储油罐20中。

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

加大氢气的压力可以显著提高氢气在柴油中的溶解度，另一方面，当氢气压力降低后，连续相(柴油)中已溶解的氢气将处于过饱和状态，其中一部分可以转化成纳米级别直径的微气泡(如图2所示)，且由于直径微小，气泡的稳定性较高，一般常温、常压下密封静置储存6个月，纳米氢气泡不发生显著的团聚和破灭。

实施例2：采用的制备装置中，所述混合器混合段10的高度为800mm，其高度与内径之比为8:1，经计算该混合段10的容积V＝6.38L；所述集油段11是锥角为75°的圆锥筒，其大头内径与混合段10的内径相同，小头内径与所述出油口12的内径相同。利用上述本发明喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置进行制备的过程与实施例1基本相同，不同仅为：

步骤一中，将向混合器中供应的氢气的压力由5MPa改为0.5MPa的恒定压力。

步骤二中，将进入三通调节阀7的柴油和纳米氢气泡/柴油混合燃料的流量比由1:1改为1:4的恒定比例；将所述油泵6对三通调节阀7出口的柴油和纳米氢气泡/柴油混合燃料充分混合，并加压到的压力由30MPa改为10MPa的恒定压力；根据混合段10的容积计算所述柴油雾化喷嘴5的喷射速度为0.063L/min。

步骤三中，所述氢/柴油溶液雾滴沉降到锥角为75°的集油段11的圆锥内表面，多个所述氢/柴油溶液雾滴团聚成大液滴后在高压氢气的推动下，沿着集油段11的斜面流动至出油口12，并经出油口12流动到容积为0.2L的缓冲器13中进行稳定、均匀化。

步骤四、在缓冲器13中稳定、均匀化后的氢/柴油溶液经液体减压阀14卸压后进入容积为1L的油/气分离器15中进行分离，分离出的氢气排入到氢气处理器17中进行无害化处理，分离后有80％的纳米氢气泡/柴油混合燃料通过三通接头19的第一出口通过管路B流入三通调节阀7的第二进口，而另20％的纳米氢气泡/柴油混合燃料经所述三通接头19的第二出口排放到储油罐20中。

实施例3：采用的制备装置中，所述混合器混合段10的高度为500mm，其高度与内径之比为5:1，经计算该混合段10的容积V＝3.93L；所述集油段11是锥角为45°的圆锥筒，其大头内径与混合段10的内径相同，小头内径与所述出油口12的内径相同。利用上述本发明喷雾式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备装置进行制备的过程与实施例1基本相同，不同仅为：

步骤一中，将向混合器中供应的氢气的压力由5MPa改为2MPa的恒定压力。

步骤二中，将进入三通调节阀7的柴油和纳米氢气泡/柴油混合燃料的流量比由1:1改为1:2的恒定比例；将所述油泵6对三通调节阀7出口的柴油和纳米氢气泡/柴油混合燃料充分混合，并加压到的压力由30MPa改为20MPa的恒定压力；根据混合段10的容积计算所述柴油雾化喷嘴5的喷射速度为0.02L/min。

步骤三中，所述氢/柴油溶液雾滴沉降到锥角为45°的集油段11的圆锥内表面，多个所述氢/柴油溶液雾滴团聚成大液滴后在高压氢气的推动下，沿着集油段11的斜面流动至出油口12，并经出油口12流动到容积为0.8L的缓冲器13中进行稳定、均匀化。

步骤四、在缓冲器13中稳定、均匀化后的氢/柴油溶液经液体减压阀14卸压后进入容积为3L的油/气分离器15中进行分离，分离出的氢气排入到氢气处理器17中进行无害化处理，分离后有66.7％的纳米氢气泡/柴油混合燃料通过三通接头19的第一出口通过管路B流入三通调节阀7的第二进口，而另33.3％的纳米氢气泡/柴油混合燃料经所述三通接头19的第二出口排放到储油罐20中。

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，可直接用作柴油机燃料，替代纯柴油燃料。燃用所述纳米氢气泡/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经济、排放性能。此外，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；基于喷雾混合的氢气/柴油混合溶解方法可以强化气/液两相的湍流混合，有助于氢气在柴油中的充分溶解；大比例纳米氢气泡/柴油混合燃料回流能够减小混合器入口处的氢/柴油溶液与混合器出口处的氢/柴油溶液的浓度梯度，有利于制备高浓度氢/柴油溶液；连续式纳米氢气泡/柴油混合燃料制备方法可提高混合燃料制备效率，更适合纳米氢气泡/柴油混合燃料的工业化生产。

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。