Спосіб одержання екологічної кисневмісної добавки до рідких моторних палив

Запропонований винахід відноситься до технології одержання кисневмісних похідних вуглеводнів і може бути використаний для одержання екологічної кисневмісної добавки до усіх видів рідкого моторного палива, у будь яких галузях народного господарства, де потрібне використання двигунів внутрішнього згорання. В науці і те хніці широко відома значна номенклатура способів одержання вуглеводневих рідких палив нафтового походження: моторних бензинів, дизельного палива, котельного палива, палива для реактивних і турбореактивних двигунів та інші, які включають підготовку нафти до переробки; нагрівання нафти до високої температури; розділення на фракції-суміші вуглеводнів або виділення індивідуальних вуглеводнів; розклад молекул органічних сполук з більшою кількістю атомів вуглеводнів у ланцюгах на молекули з меншою кількістю атомів, утворених молекул з новими властивостями і т.д. [Кузнецов Β.Α. Загальна хімічна технологія. Вища школа, М.,1967, §45 «Методи переробки нафти і нафтопродуктів»]. До недоліків при використанні цих палив відносять: - велику кількість шкідливих викидів у атмосферу при їх спалюванні: бенз(а)пiрену, вторинних вуглеводнів, монооксиду вуглецю, оксидів азоту, сірки, ароматичних сполук, що погано згоряють: бензолу (3-6)%, толуолу (10-20)%, ксилолу (11-20)%, стиролу (7-9)% [«Автомобільний транспорт. Шляхи зниження екологічної небезпеки». Конструктивна екологія і бізнес №1-2 (3-4), 1999, м. Київ]; - великі ціни на сиру нафту, приблизно 40$ за один барель; - обмеженість світових ресурсів нафти, - велику залежність України від експорту нафти. Другим аналогом заявлюваного винаходу є значна номенклатура способів одержання альтернативних моторних палив на базі стисненого і зрідженого природного газу і композитних газобензинових і газодизельних палив [Екотехнології і ресурсозберігання, 1999, №3 «Природний газ - найбільш ефективне моторне паливо в Україні»]. Суттєвим недоліком при використанні цих палив, не зважаючи на істотні переваги в порівнянні з паливами нафтового походження, відносять необхідність зберігання їх під тиском до 20МПа у спеціальних ємностях, що робить не небезпечним їх використання [Автоцентр, №30, Синтетична солярка]. Третім аналогом заявлюваного винаходу є розроблені нові способи одержання колоїд них паливних композицій на основі водовугільних і масляних водовугільних суспензій з вугілля, а також емульсійних палив на основі важких і надважких фракцій нафтової переробки. Важливими компонентами цих палив є вода і хімічні добавки поверхнево-активних речовин [Екотехнології і ресурсозберігання, 2001, №6, «Колоїдні композиції як екологічно чисті види палив»]. До суттєви х недоліків при використанні цих палив, не зважаючи на істотні переваги в порівнянні з чистими паливами нафтового походження, відносяться вузька область використання і достатньо велика кількість шкідливих викидів у атмосферу сірки та інші. Крім того ці технології значно дорожчі ніж технології одержання нафтових рідких палив. В науці і техніці широко відомі технології одержання значного класу органічних речовин, кисневмісних похідних вуглеводів, які містять кисень, зв'язаний з вуглецевим скелетом сполуки, атоми якого входять у склад гідроксильних (карбонільних, карбоксильних) груп і визначають хімічні властивості сполук [І.С Іоффе. Органічна хімія. Держхімвидав. 1947 "Кисневмісні похідні вуглеводнів"]. При додаванні кисневмісних похідних вуглеводнів у відповідних співвідношеннях до усіх видів рідкого моторного палива вони підвищують повноту їх згорання і, як наслідок, суттєво зменшують викиди в атмосферу шкідливих речовин. Це забезпечується за рахунок більш ефективної взаємодії атомарного кисню з вуглецем палив, ніж при взаємодії атмосферного кисню, а також через окислювально-відновні реакції між компонентами газової суміші. Дійсно, присутність кисневмісних компонентів з одного боку повністю змінює механізм горіння вуглеводного палива і забезпечує плазмовий характер горіння компонентів паливної суміші. В результаті ступінь вигорання вуглеводневої основи підвищується до 99,7% і вище, і виключаються викиди в атмосферу: бенз(а)пірену, вторинних вуглеводнів, монооксиду вуглецю, і ароматичних сполук, що погано згорають: (бензолу, толуолу, ксилолу, стиролу і ін.). З другого боку в кисневмісних компонентах присутні вільні високоактивні радикали СН, іони ОН-, Н+, атомарний кисень і молекулярний водень. Кисень стимулює горіння палива, а водень і монооксид вуглецю самі беруть участь в реакції горіння. Будучи додатковим джерелом висококалорійного палива, вони також виступають могутніми відновниками в реакційній газовій суміші і сприяють зменшенню концентрації оксидів азоту і сірки в газах, що відходять. Попутно зростає потужність і знижуються витрати палива. В науці і те хніці широко відомі технології використання як добавок до моторних палив кисневмісних органічних речовин рослинного походження, виготовлених з рапсу, соняшника, сої та інших [Екотехнології і ресурсозберігання. 2001. №6. "Використання рослинного мастила у дизелях у якості добавки до палива"]. До суттєви х недоліків при використанні рослинних мастил відносять: необхідність кардинальної зміни робочого процесу і конструкції двигуна із-за суттєво зниженої теплотворної здатності паливної суміші і великої закоксованості паливної апаратури. Найбільш близьким до запропонованого винаходу за те хнічною суттю є, вибраний як прототип, спосіб одержання кисневмісних похідних вуглеводнів на базі анаеробного розкладу рідкого гною, який засновано на біохімічному розщепленні (ферментаційному гідролізі), при якому відбувається пошаровий розклад високомолекулярних сполук (білків, жирів, вуглеводів) на низькомолекулярні органічні сполуки і одержання колоїдного розчину органічних кисневмісних сполук: летких жирних кислот, спиртів, альдегідів, кетонів та суп утніх газів: вуглекислого, водню, сірководню, метану, аміаку і неорганічних речовин: Са, Со, Сu, K, Mg, Μn, Mo, Ν, Ρ, S, Zn [Екотехнології і ресурсозберігання. 2001. №5. Меншиков А.А. "Схема етапів процесу анаеробної переробки вуглеводневих відходів"]. Основними недоліками прототипу, не зважаючи на високі показники, є: - низька екологічність із-за утворення специфічного неприємного запаху, оскільки продуктами життєдіяльності анаеробів є аміак, сірководень і метан; - тр уднощі одержання стабільних показників якості кисневмісної добавки. Із-за валентної ненасиченості, атоми і радикали являють собою мало стійкі речовини (наприклад, Н2О2 і НО2 та інші), що в свою чергу призводить до зменшення їх кількості через постійні ланцюгові реакції. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу одержання екологічної кисневмісної добавки до рідких моторних палив через забезпечення екологічної стабільності показників якості, що дозволяє подовжити термін зберігання кисневмісної добавки з встановленими характеристиками. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі одержання екологічної кисневмісної добавки до рідких моторних палив, який засновано на анаеробному розкладі рідкого гною і утворенні колоїдної масляної субстанції, згідно винаходу, після анаеробного розкладу гною додатково проводять аеробне насичення утвореної колоїдної масляної субстанції кисневмісним газом, відбирають рідку фракцію одержаної масляної субстанції, додають до неї поверхнево-активні і диспергуючої дії органічні солі лужних металів у кількості (0,8-1,2)мас.%, після цього проводять активацію ультразвуковою кавітацією з параметрами: - частота (5·102-2,5·104)Гц; - інтенсивність звукового тиску (0,5Ί0" 4-2Ί0~4) Вт/м 2; - амплітуда коливань часток (0,3-2,5)мкм; - термін активації (3-5) хвилин. Для доказу причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєви х ознак способу, що заявляється, та технічним результатом заявник наводить наступне. Додаткове аеробне насичення кисневмісним газом колоїдної масляної субстанції, утвореної після анаеробного розкладу рідкого гною, відбір рідкої фракції одержаної масляної субстанції, додавання до неї поверхнево-активних і диспергуючої дії речовин, далі активація ультразвуковою кавітацією дозволить одержати кисневмісну добавку у вигляді екологічної високодисперсної стійкої до розшарування колоїдної композиції органічних і неорганічних речовин з наявністю вільних високоактивних радикалів СН, іонів ОН- та Н+, атомарного кисню, молекулярного водню. Таким чином, використовування добавки поверхнево-активних речовин і, розроблений режим активації, забезпечують агрегатні перетворення і стабільність показників якості кисневмісних компонентів, що в свою чергу дозволяє забезпечити тривалий термін їх зберігання із встановленими технічними характеристиками. Для доказу можливості промислового використання і пояснення прикладу конкретного виконання запропонованого способу одержання екологічної кисневмісної добавки до усіх видів рідкого палива, наводяться відповідні операції із розробленого технологічного процесу одержання екологічної кисневмісної добавки, у наступній послідовності: 1. Проводять анаеробний розклад рідкого гною при температурі (30-85)°С у два етапи - біохімічне розщеплення (ферментаційний гідроліз), при якому відбувається пошаровий розклад високомолекулярних сполук (білків, жирів, вуглеводів) на низькомолекулярні органічні сполуки; - подальший розклад низькомолекулярних органічних сполук під дією кислото-утворюючи х бактерій і одержання колоїдного розчину органічних кисневмісних сполук: легких жирних кислот, спиртів, альдегідів, кетонів, суп утніх газів: вуглекислого, водню, сірководню, метану, аміаку, та неорганічних речовин Са, Со, Сu, K, Mg, Μn, Mo, Ν, Ρ, S, Ζn. 2. Проводять аерацію одержаної субстанції, наприклад, сепаратором Centtri Rator III, насичують біомасу повітрям: - припиняють подальший анаеробний розклад рідкого гною і виключають неприємний запах, - підвищують кількість вільних радикалів і гідроксильних груп; - проводять додаткове окислення з утворенням складних сумішей кисневмісних сполук; - підвищують екологічність за рахунок виключення неприємного запаху. 3. Відбирають рідку фракцію одержаної субстанції, яка повинна відповідати наступним вимогам: - колоїдний розчин органічних кисневмісних сполук (взвісі, тверді дисперговані частки у тому числі) (17,5-22)мас.%; - неорганічні речовини Са, Со, Сu, K, Mg, Μn, Mo, Ν, Ρ, S. Ζn - (0,5-3,0)мас.%; - водні розчини (гідроксили) - ( 16-25)мас.%; - вода (82-75)мас.%; 4. Додають поверхнево-активні і диспергуючої дії речовини, які стабілізують кисневмісну добавку за рахунок припинення ланцюгових реакцій і підвищують її розчинні властивості, наприклад, солі лужних металів натрію або калію, таких як сульфонати, феноляти, сациляти або їх суміші з різними основними числами і різним вмістом металів, або їх комбінації у кількості (0,8-1,2)мас.%. 5. Проводять активацію кисневмісної добавки ультразвуковою кавітацією із наступними параметрами: - частота(5·102-2,5·104)Гц; - інтенсивність звукового тиску (0,5·10-4-2·10-4)Вт/м 2; - амплітуда коливань часток (0,3-2,5)мкм; - термін активації (3-5) хвилин. Це призводить до: - остаточного руйнування кліток аеробних і анаеробних бактерій; - додаткового емульгування; - диспергування твердих часток до розміру 10-7м; - зміни конфірмаційної структури молекул, її просторової орієнтації і властивостей, деформування і роздрібнення ланцюжків сполук на окремі фрагменти; - одержання вільних високоактивних радикалів СН, іонів ОН- і Н+, вуглеводнів меншої молекулярної маси, молекулярного водню, атомарного кисню. Описаний спосіб одержання екологічної кисневмісної добавки до рідких моторних палив пройшов перевірку на одному з передових підприємств агропромислового комплексу України "Агро-Союз". Проведені випробування з використанням трактора ЮМЗ/6 АКЛ, дали змогу виявити суттєві переваги одержаної кисневмісної добавки у суміші з дизельним паливом в порівнянні з чистим паливом , а саме: - витрати дизельного палива з кисневмісною добавкою зменшились на ~22%; - повна відсутність закоксованості елементів паливної апаратури, нагарів і глянцевостей на елементах поршневої групи; - зникла задимленість вихлопних газів; - суттєво зменшились викиди шкідливих речовин; - паливна суміш не розшаровувалась, - оціночна вартість палива з кисневмісною добавкою нижче на ~15%, ніж чистого палива. Описаний спосіб дозволяє: - одержати дешеву екологічну кисневмісну добавку до усі х видів рідкого моторного палива з рідкої колоїдної фази розкладу біологічних відходів тваринництва; - використати тверду фазу розкладу біологічних відходів тваринництва з 80% сухої речовини при розведенні її водою до ~92% як добрив; - суттєво поліпшити екологічну ситуацію в Україні; - суттєво зменшити залежність України від експорту на фти; - прогнозувати можливості одержання у найближчі часи екологічно-чистого біологічного палива.