专利名称：乳化合成燃料油及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种乳化合成燃料油，特别涉及一种油包水(W/O)型态的乳化合成燃料油。本发明还涉及一种制造该油包水(W/O)型态的乳化合成燃料油的方法。
背景技术：
燃料油(如重油)经燃烧后所产生的热能可进一步转换成机械能或电能，普遍用于例如锅炉或发动机。由于日前国际上环境保护意识提高，各国严格管制石化原料燃烧所产生的废气，因此，如何减少燃料油燃烧所排放硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)及碳氧化物(COx)等污染物的浓度与总量，为当前环境保护的一重大课题。
为了解决上述的问题，目前发展出一种将燃料油、水与适当的添加剂混合以形成乳化燃料油的方法，其可降低燃料油的用量，进而达到稀释废弃排放浓度的效果。有关添加剂配方与制造方法的专利可参照例如日本专利特许公开案1-185394号、1-313595号；美国专利5024676、6030424号、台湾专利256853及410231号；中华人民共和国1051753号等。
然而利用上述添加剂与方法所制造的乳化燃料油仍然具有下列缺点1.长时间储存的稳定性不足大多数乳化燃料油在常温下储存至多仅能维持数天油水不分离，故一般需在制造完成后立即使用，因此不利于长距离输送或大量生产；2.使用中发现这些乳化燃料油不易点火，且燃烧的热量值会随所添加水量而下降(例如所添加水量为20重量％时，热量值降为同体积燃料油的70％)，再者，当所添加水量为30重量％时，则无法点火，因而限制其产业利用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种乳化合成燃料油，具有与等体积的燃料油相当的热量值；燃烧后排放废气的浓度与数量低于等体积燃料油；具有长时间储存而油水不分离的特性等优点。
本发明的又一目的在于提供一种制造乳化合成燃料油的方法。
本发明所提供的乳化合成燃料油由特定比例的燃料油、水及添加剂，以特殊的条件制得。所使用的添加剂不仅具有使燃料油与水产生油包水(W/O)的效果，且其所具有的官能基也可提供能量，使燃料油经过适当的剪切与加热程序后，其烷烃的长碳键或芳香烃的共轭价键断裂成较短的碳键，此短碳键的燃料油与水，通过作为表面活性剂的添加剂形成一乳化物。其效果不仅在于当油包水(W/O)乳化燃料油燃烧时水发生气化，而将包围着它的油扩散为雾状物质的「微爆」现象，以使燃油充分燃烧，降低污染指数，更在于其燃烧时短碳键氢化合物增多，具有与燃料油相当的净热值。同时此新型碳氢化合物在45℃以下的温度储存一年以上仍具有油水不分离的效果。
本发明提供了一种乳化合成燃料油，其为油包水的形态，且由下列成分组成550～800重量份的重油；200～450重量份的水；及2～20重量份的添加剂，该添加剂包含一HLB值为2.5至8的非离子型表面活性剂，一稳定剂及一抗氧化剂，其中该非离子型表面活性剂由脂肪酸聚氧化乙烯或高级醇聚氧化乙烯化合物、SPAN20～80及TWEEN20～80系列乳化剂所调制而成，且该非离子型表面活性剂占该添加剂中所有成分总重量的20～70％。
以下就添加剂组成展开说明。
本发明所使用的添加剂主要包含下列成分(1)非离子型表面活性剂其为亲水亲油平衡值HLB(Hydrophilic-Lipophilic Balance)范围介于2.5至8之间的油包水(W/O型)非离子型表面活性剂，它是一或多种非离子型表面活性乳化剂的掺合物，由具有四至十八个碳链的脂肪酸聚氧化乙烯或高级醇聚氧化乙烯化合物，如聚氧化乙烯脂肪醇醚(polyoxyethylene aliphatic alcohol ether)或聚氧化乙烯月桂醇醚(polyoxyethylene lauryl ether)、SPAN20～80及TWEEN20～80系列乳化剂所调制而成。
(2)稳定剂其包含一种酚类化合物，例如甲酚、二甲酚、丁酚、辛酚、第二辛基酚、癸酚等，及一种多元醇化合物，例如乙二醇、丙二醇、丙三醇、异戊四醇等。该酚类化合物与多元醇化合物可进行缩合反应，在乳化合成燃料油的水-油相接口间，形成一稳定的界面膜。此外，本发明的稳定剂也包含一或多种有机过氧化物、一或多种有机溶剂及稀释油料，其有增进乳化合成燃料油燃烧的特性。其中该有机过氧化物选自包含过氧化二苯甲酰、过氧化二第三丁基、2-乙基过氧己酸第三丁酯、过氧三甲基乙酸第三丁酯及其混合物；该有机溶剂选自包含二甘醇二丁醚、邻苯二甲酸二丁酯、乙酸丁酯、甲基异丁基酮及其混合物；而该稀释油料则可为柴油或重油或公知可稀释和/或溶解有机过氧化物的油料。本发明的稳定剂更进一步包含一种选自包含高锰酸钾、高锰酸钠及重铬酸钾等的无机过氧化物，用以促进燃料油与水之间的乳化作用以及促进界面膜之形成。
(3)抗氧化剂为使所制成的添加剂有较长的置放期，因而需加入抗氧化剂以避免产生氧化现象而变质。一般抗氧化剂(或防腐剂)即可达到要求，例如2，6二第三丁基对甲酚、2，6二第三丁醇、2，6二第三丁基-α-二甲胺基对甲酚。
上述非离子型表面活性剂、稳定剂及抗氧化剂的用量分别占添加剂中所有成分总和之20～70％、15～60％及0.2～15％重量比。
本发明还提供了一种制造乳化合成燃料油的方法，依次包含下列步骤提供一由燃料油、水及添加剂所组成的混合物，其中该混合物包含550～800重量份的重油、200～450重量份的水及2～20重量份的添加剂，且该添加剂包含一HLB值为2.5～8的非离子型表面活性剂，一稳定剂及一抗氧化剂，其中该非离子型表面活性剂由脂肪酸聚氧化乙烯或高级醇聚氧化乙烯化合物、SPAN20～80及TWEEN20～80系列乳化剂所调制而成，且该非离子型表面活性剂占该添加剂中所有成分总重量的20～70％；在70～95℃温度下以2～50公尺/秒的剪切速度搅拌5～12分钟；以10～500公尺/秒的剪切速度快速搅拌并切削该混合物达12～30分钟；持续以剪切速度0.5～30公尺/秒的速度搅拌该混合物10～30分钟并冷却至45℃以下后储存。
以下就乳化合成燃料油的制造方法展开进一步的说明(a)低速混合反应——将加热至70℃～95℃的燃料油550～800重量份、水200～450重量份(燃料油+水共1000重量份)与2～20重量份的上述添加剂加入具有搅拌装置的反应器中。以300～i000RPM(对直径约30～300公分的搅拌装置而言，其剪切速度约在2～50公尺/秒)搅拌5～12分钟，在此时间过程中，反应器的温度应保持在70℃～95℃。本步骤的作用在于利用搅拌装置的机械力，加速油相与水相的分散，并通过表面活性剂的作用，使油相粒子与水相粒子充分混合，并进行初步的反应。
(b)快速混合切削反应——将搅拌装置的转速增加至1000～5000RPM，进行12～30分钟的快速搅拌与切削(对直径约30～300公分的搅拌装置而言，其剪切速度约在10～500公尺/秒)。在此过程中，反应器可在不保温的状况下，降低温度5～20℃。本步骤的作用在于利用搅拌装置所提供的离心力与剪断力撞击、切削粒子，以进一步分散油相与水相中的粒子。此快速搅拌与切削所形成的物理环境有助于更进一步地通过添加剂中的高能基的作用，将燃料油的长碳键结，切削成较短的碳键结，并与水进行键结，生成新的化合物。本步骤所使用的搅拌装置构造对所生成的乳化合成燃料油是否可发挥其燃烧效能，相当重要。为达到更佳效果并提高所制造的乳化合成燃料油的优良率，采用搅拌机的叶片为刀具型并具有切削功能的搅拌装置较佳。此快速搅拌程序所生成颗粒直径需在0.3～10微米左右，其中小于1.5微米的粒子需占50～90％，以使乳化合成燃料油有较佳效果。重油的烷烃具有较长的碳键，芳香烃则有共轭价电子构型，它们远比饱合烃易于断键。在本步骤中，反应时由添加剂中的高能基质提供热能，配合适当的温度以及搅拌所产生剪切效果这一物理环境，使重油的长碳键以及共轭键断键生成较短键的碳氢化合物，随着短碳键氢化合物的增多，燃烧值相继升高，则燃烧时释放的热能就愈多。
(c)低速混合切削反应——进行冷却搅拌以使混合后的油、水二相在冷却过程中不致于因温度仍高而使不连续的水相因动能大互相结合成大分子，破坏乳化的效果。但搅拌的速度也不宜过快，因油、水二相在低温时可形成稳定界面，搅拌的速度过快，会扰动此二相而使水分子相互结合成大分子，造成油、水分离的现象。此步骤中适合的搅拌速度约在40～800RPM(以直径约30～300公分的搅拌装置而言，其剪切速度约在0.5～30公尺/秒)。此步骤中，需搅拌至乳化合成燃料油的温度在45℃以下，较佳为20～45℃。此过程原则上不需要冷却，但为了加速生产的时间，可利用冷却的方式缩短时间，但从步骤(b)时的高温降至45℃以下温度，所需时间至少为10～30分钟，以免因急速冷却而使油、水二相产生不稳定的界面，造成日后置放时间长而产生油水分离的现象。在此过程中，EP-S100稳定剂产生作用，在油-水相中生成稳定的界面膜，并增加乳化合成燃料油的易燃性，使其较一般燃料油容易点火燃烧，并不因含水而降低其易燃性。
(d)储存在上述步骤(c)完成后，本发明所生产的乳化合成燃料油已生成。若以密闭的储存桶储放在45℃以下，本产品可有一年以上的储存期，并不会有分离的现象。但若储放在一般的储放桶内，因大气中水气的影响，会使本混合重油在储放一段时间后，底部会生成少许水分，但其水分的量会少于储放在相同条件与时间的一般燃料油。为确保燃烧时乳化合成燃料油的品质，可在锅炉的日用储油槽中加装循环设备，使因大气中水气所生成的水分混入乳化合成燃料油时不成为单独的水相，以确保燃烧时的品质。
图1 本发明具体实施方式
中制造乳化合成燃料油的流程图。
具体实施例方式
实施例1图1为本发明具体实施方式
中制造乳化合成燃料油之流程图，图中涉及燃料油0，水W，添加剂A，加热槽11，加热槽12，油泵P1，水泵P2，油泵P3-P9，自动加注设备13，初步反应器210，反应器31，32和33，搅拌装置310，320和330，反应器41，42和43，搅拌装置410，420和430，以及储存槽5。所用的装置是以每批量生产1吨乳化合成燃料油，每批生产时间为15～30分钟的条件下所设计，其生产流程如下将预热至40～60℃的600公斤的重油0及400公斤的水W分别送入加热槽11及加热槽12中，并于10～20分钟内将加热槽11及加热槽12加热至75～90℃。其中加热槽11及加热槽12是利用5～8大气压力的蒸汽通过槽内的加热管圈加热，并备有30～60RPM的低速搅拌设备，以使槽内油、水温度均匀。
接着将加热槽11及加热槽12中的重油及水分别以油泵P1与水泵P2送入具有1吨容量的初步反应器21中，并透过自动加注设备13，将5公斤的添加剂A加入反应器21中，其中该添加剂系由55％的非离子型表面活性剂(由聚氧化乙烯脂肪醇醚、SPAN 65(sorbitan tristearate)及TWEEN65(polyoxyethylene sorbitan tristearate)以5∶4∶1的重量比混合而成)、40％的稳定剂(由辛酚、异戊四醇、过氧化二苯甲酰、乙酸丁酯、重油及高锰酸钾混合而成)及5％的抗氧化剂(2，6二第三丁醇)混合而成。初步反应器21装设有搅拌装置210，采用一般叶片即可，搅拌速度保持在500～700RPM，使油、水及添加剂充分混合并进行初步反应。在本实施例中，反应器21通过蒸气式加热管圈加热，使温度保持在75～90℃，反应时间为6～9分钟。
完成上述低速混合反应后，以油泵P3循序送入三个反应器31、32及33(分别配置搅拌装置310、320及330)之一进行快速混合与切削反应。本步骤搅拌装置的特点在于所使用的搅拌叶片周围有具有切削功能的齿轮型叶片，或其它具有高速切削功能的叶片。搅拌时间为14～24分钟，速度1400～3000RPM，同时本步骤并不需要保温，可随外在温度自然降温。由于本步骤相对于上一步骤所需时间约在3倍左右，为平衡本步骤与上一步骤之反应时间以提高生产速率，因此设计三个反应器，由上一步骤完成后的混合油水依序送入本步骤的反应器31、32及33。
接着，以油泵P4、P5及P6分别将反应器31、32及33中反应后的油料送入其相对应的反应器41、42及43(分别配置搅拌装置410、420及430)。本步骤的重点在于降温时混合搅拌，因而反应器需有冷却装置，本申请所用的冷却装置为环绕反应器，内通冷却水的冷却管圈，其冷却能力需在10～25分钟内降温至30～45℃。在本步骤降温的过程中，反应器中的液体仍在进行使油水二相稳定的反应，因此反应器需装置搅拌设备以使液体混合完全，并可使冷却温度均匀及冷却速度加快。本步骤搅拌的速度需控制在100～400RPM，而搅拌叶片为一般型即可。
上述加热所用蒸汽式管圈也可采用电热方式或其它加热方式，但需在一定时间内达到所需控制的温度；另外，冷却装置除通过槽内以常温水通入吸热管圈外，也可以气冷式或其它方式达到冷却效果。
最后以油泵P7、P8及P9将制成的乳化合成燃料油送入储存槽5内，为维持的品质，储存槽可视需要选用循环装置，以保持乳化合成燃料油的分子均匀稳定地分布于油相与水相中。
实施例2至10除了重油、水及添加剂之用量外，其余制造流程与实施例1相同。
实施例2至10中重油、水及添加剂的用量如表1所示表1 实施例2至10中重油、水及添加剂的用量
取上述各个实施例1-10所制得的乳化燃料油以Parr1266 Calorimeter微电脑热量计测量其热量值，结果如表2所示。
表2实施例1-10的乳化燃料油的热量值
由测量结果得知，以上各实施例的重油、水及添加剂用量所制得的乳化合成燃料油的热量值与等体积燃料油相当，同时燃烧后的污染排放量约为等体积燃料油的40至60％，于锅炉燃烧所排放的NOx的浓度为120至160ppm(燃料油的排放为240至380ppm)、SOx的浓度为180至260ppm(燃料油的排放为350至470ppm)，远远低于燃料油燃烧排放的污染物。本发明的乳化合成燃料油在45℃下储存可维持一年以上油水不分离。
综上所述，本发明的乳化合成燃料油不仅热量值与同体积燃料油相当，排放的污染物更低，且与公知的乳化燃料油相比具有以下优点(1)公知的乳化燃料油仅可维持数天油水不分离，本发明的乳化合成燃料油在45℃下储存可维持一年以上油水不分离，故非常适合大量生产及长途运送。
(2)公知的乳化燃料油，当所添加水量为20重量％时，燃烧的热量值降为同体积燃料油的70％，添加水量为30重量％时，则无法点火，而本发明的乳化合成燃料油的水添加量可达到45重量％，热量值依然与同体积的原燃料油相当。
因此，本发明实为一新颖、进步及实用的发明，凡依照本发明所作的修饰和等价变换，皆包含在本发明的权利要求范围内。
权利要求
1.一种乳化合成燃料油，其为油包水形态且由下列成分组成550～800重量份的重油；200～450重量份的水；及2～20重量份的添加剂，该添加剂包含一HLB值为2.5至8的非离子型表面活性剂，一稳定剂及一抗氧化剂，其中该非离子型表面活性剂由脂肪酸聚氧化乙烯或高级醇聚氧化乙烯化合物、SPAN20～80及TWEEN20～80系列乳化剂所调制而成，且该非离子型表面活性剂占该添加剂中所有成分总重量的20～70％。
2.如权利要求1所述的乳化合成燃料，其特征在于，所述的稳定剂占所述添加剂中所有成分总重量的15～60％。
3.如权利要求1所述的乳化合成燃料油，其特征在于，所述的抗氧化剂占所述添加剂中所有成分总重量的0.2～15％。
4.如权利要求1所述的乳化合成燃料油，其特征在于，所述的抗氧化剂为2，6二第三丁基对甲酚、2，6二第三丁醇、或2，6二第三丁基-α-二甲胺基对甲酚。
5.一种制造乳化合成燃料油的方法，包含下列步骤(a)提供一由燃料油、水及添加剂所组成的混合物，其中该混合物包含550～800重量份的重油、200～450重量份的水及2～20重量份的添加剂，且该添加剂包含一HLB值为2.5～8的非离子型表面活性剂，一稳定剂及一抗氧化剂，其中该非离子型表面活性剂由脂肪酸聚氧化乙烯或高级醇聚氧化乙烯化合物、SPAN20～80及TWEEN20～80系列乳化剂所调制而成，且该非离子型表面活性剂占该添加剂中所有成分总重量的20～70％；(b)在70～95℃温度下以2～50公尺/秒的剪切速度搅拌5～12分钟；(c)以10～500公尺/秒的剪切速度快速搅拌并切削该混合物达12～30分钟；(d)持续以剪切速度0.5～30公尺/秒的速度搅拌该混合物10～30分钟并冷却至45℃以下后储存。
6.如权利要求5所述的制造乳化合成燃料油的方法，其特征在于，所述的稳定剂占所述添加剂中所有成分总重量的15～60％。
7.如权利要求5所述的制造乳化合成燃料油的方法，其特征在于，所述的抗氧化剂占所述添加剂中所有成分总重量的0.2～15％。
8.如权利要求5所述的制造乳化合成燃料油的方法，其特征在于，所述的抗氧化剂为2，6二第三丁基对甲酚、2，6二第三丁醇、或2，6二第三丁基-α-二甲胺基对甲酚。
9.如权利要求5所述的制造乳化合成燃料油的方法，其特征在于，步骤(a)中，所述的混合物以400～800RPM的速度搅拌5～10分钟，且所述混合物的温度维持在70～95℃。
10.如权利要求5所述的制造乳化合成燃料油的方法，其特征在于，步骤(b)所生成颗粒的直径在0.3～10微米的范围内，且直径小于1.5微米的粒子占50～90％。
11.如权利要求5所述的制造乳化合成燃料油的方法，其特征在于，步骤(b)使用具有切削功能的齿轮型叶片的搅拌装置。
全文摘要
本发明提供一种乳化合成燃料油及其制造方法。该乳化合成燃料油为油包水形态，组成为550～800重量份燃料油；200～450重量份水；及2～20重量份添加剂，其中添加剂包含一HLB值为2.5～8的非离子型表面活性剂，一稳定剂及一抗氧化剂。制造乳化合成燃料油的方法为(a)提供由燃料油、水及添加剂所组成的混合物，其包含550～800重量份的燃料油、200～450重量份的水及2～20重量份的添加剂，且该添加剂包含HLB值为2.5～8的非离子型表面活性剂，稳定剂及抗氧化剂；(b)在70～95℃温度下以2～50公尺/秒的剪切速度搅拌5～12分钟；(c)以10～500公尺/秒的剪切速度搅拌并切削该混合物达12～30分钟；(d)持续以剪切速度0.5～30公尺/秒的速度搅拌该混合物10～30分钟并冷却至45℃以下后储存。
文档编号C10G31/08GK1504545SQ0215479
公开日2004年6月16日 申请日期2002年12月4日 优先权日2002年12月4日
发明者蔡坤穆 申请人:蔡坤穆