柴油的水能乳化吗(柴油发动机油水共燃节能减排技术)

Posted 2023-05-29

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柴油的水能乳化吗(柴油发动机油水共燃节能减排技术)

柴油发动机油水共燃节能环保动力系统

——武汉博斯夫石化工程技术有限公司

【摘要】本文介绍了柴油机油水共燃技术的概念、形成机理、燃烧机理、燃油经济性、排放效果及其发展趋势，指出油水共燃具有安全、高效、节能、减排的特点，具有较好的燃油经济性和减排效果，发展前景广阔。

【关键词】油水共燃技术、催化活性剂、微爆理论、活性水高温高压催化热解燃烧

前言

随着国内经济高速发展，国家对能源的依赖程度与日俱增，加之享有工业血液美誉之称的化石能源日益枯竭及过度使用、排放造成的环境污染，使人类赖以生存的地球家园环境日益恶化，并呈加剧发展态势；随着国民生活水平提高，人们对美好生活的向往及环境友好、绿色生态呼声日益高涨，国家也确定了“绿水青山就是金山银山”的绿色生态发展理念，随之出台了一系列“节能减排、碳达峰、碳中和”等举措及发展目标。

“节能减排、低碳高效、绿色发展”成为国际共识，已引起各国政府和广大人民的高度重视，竞相投入大力研发安全、高效、节能、环保技术产品已属当今热门话题，作为推动第二次工业革命经济高速发展的内燃机已成为污染环境的首恶，提高内燃机的做功效率、降低污染物排放，探寻可替代日益枯竭、高排放的化石能源，已成为当今社会仁人志士们攻坚克难为之努力奋斗的目标。

随着国家对水电、风电、太阳能、核能、氢能等高效清洁能源的投入开发，我国的能源格局逐步由高度依赖化石能源向低碳、高效、绿色、可再生能源发展，能源动力设备也由内燃机时代逐步向电力、氢动力时代迈进，并呈现可喜的发展局面。

据统计中国现有各种内燃机约3亿台，每年按9%的速度递增，未来10-20内年交通运输业仍以柴油机为主导，长江、内河流域运输船舶近11万膄，货运物流业正蓬勃发展、城市渣土砂石运输及工程车辆呈上升趋势，现有在用柴油机节能减排刻不容缓。

如何利用现有在用柴油机在不改变柴油机结构、不影响输出动力、不损坏发动机、不危及行驶安全的前提下，采用节能减排产品技术达到安全、高效、节能、减排的目的呢？

水乃万物之源，水（H2O）由氢（H）元素和氧元素（O）元素组成，一个氢气分子（H2）由2个氢原子（H）组成，一个氧气分子（O2）2个氧原子组成，水（H2O）在电解下能生成氢气和氧气；同时，水（H2O）在高温、高压环境下热解为氢气与氧气，氢气是当今世界公认的高能清洁能源，氧气是助燃剂。

水在特定的环境下部分替代柴油作为能源是切实可行的。先行者们在探寻水替代燃油的历程上，经过了“水变油”伪科学时代，柴油掺水乳化柴油时代及水氢发动机闹剧，最终均以失败告终。

在探寻“油水共燃”的道路上充满了艰辛与坎坷，但每一次试验的成败，让我们更加坚信水在特定的环境下部分替代柴油作为能源是切实可行的。我们攻坚克难、突破重重技术瓶颈，现已成功迈向新的台阶，“油水共燃”理论及技术产品日趋成熟，已逐步在实际生产中得到成功应用。

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柴油65%+活性水35%=油水共燃技术验证实验

一、油水共燃理论提出

油水共燃理论，早在2002年由清华大学核能与新能源技术研究院专家学者为了解决我国化石能源短缺问题而提出，基于水在2500℃以上可以分解成氢气和氧气理论依据，结合柴油发动机工作时活塞到达压缩上止点，缸内气压力达3-6MPa,温度达700-900℃工作环境，使水在催化剂的作用及柴油发动机缸内高温高压下瞬间催化热解为氢气与氧气二次燃烧达到环保节能的目的，这一理论便是油水共燃理论的雏形。

油水共燃技术是一项节能环保系统工程，由油水共融降温催化热解催化活性剂和三液相动态配比控制设备两部分组成。

二、油水共燃技术背景

近年来“节能减排、低碳高效、绿色发展”成为国际共识，我国也确定了“绿水青山就是金山银山”的绿色生态发展理念，随之也出台了一系列“节能减排、碳达峰、碳中和”等举措及发展目标。新能源的开发应用及节能减排技术产品研发使用成为热门，从现阶段来说如何解决在用柴油发动机刻不容缓的节能减排问题，利用在用柴油机在不改变柴油机结构、不影响输出动力、不损坏发动机、不危及行驶安全的前提下，采用节能减排产品技术达到安全、高效、节能、减排的目的呢？

油水共燃技术再次进入我们的视野，是当今解决现有在用柴油发动机节能减排行之有效、运作简单、投资少见效快收益大的短平快节能减排技术，如今的油水共燃技术活性水占比可达35%、动力提升5-8%、综合节油率在20-35%、排放降低30-35%，是真正的安全、高效、节能、环保高科技技术，随着油水共燃技术的日趋成熟使得油水共燃技术应用进入一个新的发展时期。

三、油水共燃技术作用机理

水分子团结构图

水乃万物之源，自然界的水（H2O）不是以单一水分子(H2O)的形式存在的，而是由若干水分子通过氢键作用而聚合在一起，形成水分子簇，俗称「水分子团」，水分子团物理结构极其稳定。我们通过对水（H2O）进行净化，在催化活性剂的作用下对水进行改性、活化，使大官能水分子团改性活化成体积更小、活性更强的小官能单个水分子，改性活化后的活性水，既失去了原来水分子团结构超强稳定性，又保持了水的活性，使单个水分子很容易与油分子可以均匀、紧密、牢固的吸附在一起，从而形成一种崭新架构的WO油水分子；同时，催化活性剂中独有的催化成分能有效降低活性水在气缸内的催化热解温度，使活性水在气缸内高温、高压的环境下很容易催化热解成氢气与氧气进行燃烧。

油水共燃技术包括如下几个方面 :

1）油水共融理论

自然界分子团水在催化活性剂的作用下对水进行改性、活化，使大官能水分子团改性活化成体积更小、活性更强的小官能单个水分子，改性活化后的活性水，既失去了原来水分子团结构超强稳定性，又保持了水的活性，使单个水分子很容易与油分子可以均匀、紧密、牢固的吸附在一起，从而在短时间内形成一种崭新架构的WO油水分子。

2）微爆理论

水的沸点低于油的沸点 (180℃以上)，气缸温度急剧升高时，水先沸腾汽化，体积在万分之一秒增大1500倍左右。水膨胀压力超过油表面张力及环境压力之和时，水蒸汽冲破油膜束缚，相当于极小的爆炸，形成二次雾化使油滴分成细小的颗粒。细小的油颗粒与空气接触的总比表面增加10倍左右，减少了不完全燃烧和排烟损失，提高了燃烧效率。微爆产生无数爆炸波,冲破包围火焰面的CO2 、NO2抑制层，使空气形成强烈的紊流，燃烧室内空气与油气分布更均匀，温度场更均匀，燃烧速度加快，后燃现象减少，避免了燃烧区局部温度过高，削弱了油的热分解，使油燃烧更充分，达到节能的效果。

3）水煤气反应

柴油不完全燃烧排出的黑烟主要为CO和碳粒。油水共融液中的水在高温条件下汽化，并与碳粒接触，发生水煤气反应，方程式如下 :

水煤气反应使CO和碳粒以CO2的形式排出气缸，黑烟排放量下降，气缸壁磨损下降，环境污染程度降低。

4) 活性水高温高压催化热解燃烧

油水共燃中活性水在柴油发动机气缸高温、高压的环境下瞬间热解成H2 和 O 2 ，H 2 参与燃烧，O 2 促进柴油自吸氧燃烧。由于油水共燃技术中活性水催化裂解成H2、O2的燃烧，使得油水共燃更加高效环保、动力更加强劲、节油率大大提升。

5）NOx 排放量的降低

发动机尾气 NOx的生成主要是气缸吸入的空气中含有氮气和氧气，两者在气缸内混合燃烧反应生成NO，NO在高温下又被氧气生成各种氮氧化合物 NOx。油水共燃后燃烧改善了柴油与空气的混合比例，使氧气尽可能多地参与了与油的燃烧，达到充分燃烧的效果，减少了过剩空气系数。此外油水共燃中水滴的气化需吸收热量，防止燃烧火焰局部高温，从而达到了抑制了NOx的生成，减少了环境污染，保护了大气环境。

四、柴油机油水共燃技术优势

油水共燃技术有别于传统的乳化柴油，由于采用油水共融降温催化热解燃烧技术及在线式高精度计量控制技术实现三液相动态配比，形成的油水共融液直接供发动机使用，具有以下优点：

（1）催化活性剂、水、柴油三液相比例可通过智能物联控制器实现在线精准控制配比，稳定性极高；

（2）油水共融液密度、粘度介于油水之间，流动性好，有利于雾化、燃烧更完全，动力提升明显、节油率大大提升；

（3）低温启动性好，可以在较低温度下使用；

（4）加装简单只需在柴油滤清器前加装油水共燃节能设备即可、智能物联PLC控制，设备运行更加稳定、高效；

（5）油水共燃技术是一种节能环保动力系统，大量试验表明，油水共燃节能环保动力系统发动机动力提升5-8%，综合节油率达20%～35%，烟度、NOx、CO和CH 排放降低 30%左右，其节能环保和经济效益显著，是真正的安全、高效、节能、环保技术，有着广阔的市场前景。

五、柴油机油水共燃的经济性和社会效益

油水共燃技术的经济性与社会效益主要体现在油水共燃的节能效果和减排性。

一）油水共燃的经济性---节能效果

所谓“节能”，是指在相近功率的情况下，尽量节省日益枯竭的石化能源柴油，用可再生的无毒副作用的价格比柴油便宜的容易取得的能源来代替柴油燃烧做功。柴油发动机作为驱动主机，其柴油发动机运行在P=a*n3特性曲线上，由柴油发动机推进特性及怠速工况台架试验的燃油消耗率及燃油消耗量对比曲线不难看出，油水共燃时油耗率均下降明显，50%工况下降低10%、60-80%工况时降低30%、90-100%工况降低20%。

图1推进性能油耗率曲线对比图

图2 发动机负荷特性油耗率曲线对比图

经济效益预测分析：

1）以船舶使用柴油100吨为例，按照综合节能25%，柴油吨价7500元/吨核算的经济效益：

节约柴油为 100x25%=25吨

节约柴油费用 25*7500=18.75万元

活性剂费用 25*1.5%=375kg*80元/kg=3万元

节约金额 187，500元-30，000元=15.75万元

据不完全统计船舶吨位在2000-3000吨位年耗油在100吨左右，5000-6000吨位年耗油150-200吨，万吨级船舶年耗油250吨左右。

2）以城市公交1000台柴油车为例

单台公交车日均耗油80升柴油单价6.5元/升年均使用300天核算

年节约柴油/台=80*20%*300=4800升

年消耗活性水费用/台=4800*3=14400元

年节约燃油费/台=4800*6.5-14400=1.68万元

1000台公交车年节约燃油480万升，燃油费1680万元。

3）以武汉市8000台渣土运输车为例

单台渣土运输车日均耗油100升柴油单价6.5元/升年均使用300天核算

年节约柴油/台=100*20%*300=6000升

年消耗活性水费用/台=6000*3=1.8万元

年节约燃油费/台=6000*6.5-18000=2.1万元

8000台渣土运输车年节约燃油4800万升，燃油费1.6800亿元。

4）以某物流公司100台物流运输车为例

单台物流运输车日均耗油80升柴油单价6.5元/升年均使用300天核算

年节约柴油/台=80*25%*300=6000升

年消耗活性水费用/台=6000*3=1.8万元

年节约燃油费/台=6000*6.5-18000=2.1万元

100台物流运输车年节约燃油60万升，燃油费210万元。

二）油水共燃的社会效益---减排性

所谓“减排”，是指减少柴油机燃烧尾气中的对人体有害的物质，如CO、CO2 、SO2、 NXO、PM2.5化合物及由未完全燃烧的炭粒子组成的黑烟等。它们对人体都有危害作用。

目前，尽管我国及国外（如美国、欧洲等）对柴油提出越来越严格的质量要求，但其在柴油机中燃烧后排放的尾气中仍会有CO、CO2 、SO2、HC、NOX等对人体有毒副作用的成分，这与燃烧的充分与否及各地所产的柴油成分不同有关。各有害成分对人体的危害情况如下：

1）CO2 对人体和环境的危害：

CO2 是多种可燃物燃烧的主要产物，它刺激人的呼吸中枢使呼吸加快、脉搏加快。空气中的含量过高时，会使人头疼、晕眩、耳鸣、心悸，严重时甚至使人意识不清、出现紫斑，甚至死亡；同时,CO2 产生的温室效应，对整个地球和所有动物都有很大的危害。

2）CO对人体的危害性：可引起头疼、呕吐、痉挛，甚至死亡。即所谓的煤气中毒。

3）SO2对人及动植物的危害：SO2能刺激人的眼睛和呼吸道引起咳嗽，甚至死亡；遇到湿空气会形成酸雨，伤害人及所有动植物。

4）NOX对人体的影响：刺激人的气管、咳嗽、甚至导致死亡。

5）黑烟的危害性：黑烟是可燃物中炭未完全燃烧的产物，其中有一些极小的炭黑粒子，形成污染空气的PM2.5，大粒子炭黑形成黑烟，可慢慢地落下来,对人体肺、呼吸道和眼睛都有伤害。

图3 NOx排放量对比图

图3尾气中各个工况下NOx排放量可以看出，油水共燃的排放量均有不同程度的减少，减排效果大于25%，一般工况下能达到减排30%左右。

图4 碳颗粒排放对比图

图4为尾气中碳烟排放对照，在低工况下不明显，而当工况高于60%以上时，碳烟明显降低，分别达到25%-35%。

图5 排气温度对比图

从图5可以看出，油水共燃排气温度降低，这是由于水分子的微爆效应形成二次雾化，混合气均匀度提高，油粒细化度提高，表面积增大。预混合燃烧增加，过后燃烧量减少，排气温度降低。另外水的气化吸热，降低了排气温度。

六、总结

综上所述，水乃万物之源，随着油水共然技术的日趋成熟，使取之不尽、用之不竭、可再生环保的水，在一定条件下成为可再生的清洁能源成为现实，这一柴油机油水共燃节能环保动力系统的成功开发，为开创替代不可再生且日益枯竭的石化能源柴油具有划时代意义。

油水共燃技术的应用可使发动机输出功率提升5%左右、发动机噪音明显减小，可节约不可再生的且日益枯竭的石化燃料柴油20～35%；同时，有效减少柴油机尾气排放中的CO2 、SO2、CO、黑烟、NOX 等有害成分；

油水共燃技术的成功应用，可将储量无穷大且可循环利用的水，作为替代柴油发动机部分燃料，是开发安全、高效、节能、环保新能源的一大举措。