專(zhuān)利名稱(chēng)：乳液燃料及其在燃?xì)廨啓C(jī)中的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及乳液燃料及其在燃?xì)廨啓C(jī)中的用途。具體而言但非包容無(wú)遺，本發(fā)明涉及以得自原油的各種烴類(lèi)或是直接生產(chǎn)的高粘質(zhì)物料為基的乳液燃料，及其在燃?xì)廨啓C(jī)中的用途。
礦物燃料電站可分為兩類(lèi)蒸汽熱電站和燃?xì)廨啓C(jī)電站。在前者中，燃料于鍋爐內(nèi)燃燒，加熱水并生成蒸汽，蒸汽驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)，氣輪機(jī)再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電。在某些情形下，蒸汽經(jīng)冷凝后返回鍋爐供再利用(所謂“閉環(huán)”)。在蒸汽熱電站中，燃料轉(zhuǎn)化為電的效率可低達(dá)約30％。
在燃?xì)廨啓C(jī)電站中，燃料(如氣體或油)在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室內(nèi)燃燒，生成的燃燒氣驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)，氣輪機(jī)再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。該過(guò)程的效率相對(duì)較低(約30％)，許多燃?xì)廨啓C(jī)電站包括一個(gè)附加的步驟，其間，熱的燃燒氣用于加熱水并生成蒸汽，蒸汽再用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)附加的發(fā)電機(jī)。該附加步驟可為閉環(huán)。這一附加步驟提高燃?xì)廨啓C(jī)電站的效率至50％以上。該系統(tǒng)習(xí)稱(chēng)“復(fù)環(huán)”系統(tǒng)。
煉廠釜底產(chǎn)物系常壓精餾或減壓精餾后的殘余物料，其它方法也已用于精煉，以使原油部分轉(zhuǎn)化為適用的產(chǎn)物。這類(lèi)煉廠釜底產(chǎn)物可以燃燒方式用于電站。遺憾的是，這類(lèi)殘余物料難以處理，原因在于其粘度大，且如其以燃料油組分使用，則通常要用自原油獲得更有價(jià)值的精餾產(chǎn)物“稀釋”。煉廠釜底產(chǎn)物的質(zhì)量在很大程度上取決于獲得其的原油的質(zhì)量，煉廠釜底產(chǎn)物作為燃料使用的成本效益取決于稀釋其的更有價(jià)值的精餾產(chǎn)物的比例，雖則必須棄去的煉廠釜底產(chǎn)物的可供選擇的用途極其有限。
一般，原油中某些不期組分易于在煉廠釜底產(chǎn)物中濃縮總是難免。這些不期組分包括硫及重金屬(如釩和鎳)。這些組分可引致生成不期然的燃燒產(chǎn)物，如見(jiàn)于電站排放中的二氧化硫和二氧化釩。通常，這類(lèi)排放在通入大氣前需經(jīng)凈化。這種額外的處理會(huì)降低液體燃料轉(zhuǎn)化為能量的效率。
顯然，作為原油精煉加工廢物的有效利用途徑，采用煉廠釜底產(chǎn)物以高轉(zhuǎn)化率發(fā)電會(huì)是極其誘人的。
含大量水的乳液燃料較煉廠釜底產(chǎn)物更易于處理。與此相關(guān)的文獻(xiàn)有GB-A-974042，該專(zhuān)利涉及含高粘石油的水包油乳液燃料，油占乳液的60vol.％，如此則乳液在77°F(25℃)下的粘度低于150S.S.F..GB-A-974042指出這類(lèi)水包油乳液在蒸汽熱電站燃燒器中的用途。
同樣在先有技術(shù)中，DE-A-2757419提出含水量3％～8％的油包水乳液在燃?xì)廨啓C(jī)中的用途。這類(lèi)乳液由分散在油連續(xù)相中的液態(tài)水液滴組成。至少就可預(yù)見(jiàn)的煉廠釜底產(chǎn)物的用途而言，以煉廠釜底產(chǎn)物為基質(zhì)燃料制得的油包水乳液的粘度大大高于同樣以煉廠釜底產(chǎn)物為基制得的水包油乳液的粘度。事實(shí)上，油包水乳液的粘度與基質(zhì)燃料本身的粘度相差無(wú)幾。
首先，本發(fā)明提供在燃?xì)廨啓C(jī)中用作燃料的水包烴油乳液，其特征在于含不足1ppm的鈉離子。
其次，本發(fā)明提供驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的方法，該法包括在氣輪機(jī)的燃燒室內(nèi)燃燒水包烴油乳液。
再次，本發(fā)明提供水包烴油乳液在驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)中的用途，其時(shí)，在氣輪機(jī)的燃燒室內(nèi)燃燒水包烴油乳液。
作為優(yōu)選，油中含煉廠釜底物料，或是物性與煉廠釜底物料類(lèi)同的烴類(lèi)油，并以水包油乳液用作燃?xì)廨啓C(jī)的燃料。但在這一方面，本發(fā)明并不局限于這類(lèi)油。實(shí)際上，輕質(zhì)油(如柴油)也可用于水包油乳液。
水包油乳液可含不足1ppm的鈉離子，這可利用含不足1ppm的鈉離子的水作為乳液的水源和/或以沖洗含過(guò)量的鈉離子的油完成。實(shí)施中，本發(fā)明可用去離子水或其它低鈉含量的水。依照本發(fā)明，“水包油乳液”一詞的內(nèi)涵應(yīng)理解為水包油/醇乳液。
本發(fā)明具體涉及具有如下優(yōu)選特性的油相在水包油乳液中的用途。作為優(yōu)選，油在15℃下的密度介于750～1050kg/m3，更優(yōu)選為980～1020kg/m3。油在25℃下的動(dòng)力學(xué)粘度優(yōu)選介于5×103～5×106cSt，更優(yōu)選在20℃下的動(dòng)力學(xué)粘度介于1×104～1×106cSt。更為優(yōu)選的是，油中鈉，釩及鎳的含量分別介于0～500(就本發(fā)明的第一方面而言為不足100)，0～600以及0～150ppm，再優(yōu)選分別為0～10，0～100以及0～20ppm。
有多種多樣的烴具有上述特性。故此，可供采用者包括輕質(zhì)，中等，重質(zhì)及超重質(zhì)原油，瀝青(天然或合成)，任何規(guī)格的煉廠殘油(如燃料油，常壓或減壓油，減粘裂化油，真空閃蒸減粘裂化油，沉積石蠟)，焦油瀝青及焦油(尤其是焦油沉積物)。
烴可含瀝青質(zhì)，含量介于0～100w/w％，優(yōu)選為0～20w/w％；可含蠟0～30w/w％，優(yōu)選為0～10w/w％；另可含硫0～6w/w％，優(yōu)選為0～4.5w/w％。
如前述，用于水包油乳液的油為得自原油處理的產(chǎn)物。這種處理的一個(gè)典型例示如下。待處理的原油運(yùn)輸至煉廠。經(jīng)諸如脫鹽的處理后，原油經(jīng)常壓精餾，也即，在大氣壓下加熱，直至產(chǎn)物自原料餾出。該過(guò)程的有價(jià)輕質(zhì)產(chǎn)物包括汽油，柴油及瓦斯油。該過(guò)程的非有價(jià)殘余產(chǎn)物既可作為水包油乳液生產(chǎn)的原料，也可供應(yīng)減壓精餾塔。在后一情形下，殘余產(chǎn)物經(jīng)進(jìn)一步的加熱，但此時(shí)是在減壓下。于此又生成較輕質(zhì)產(chǎn)物及各種殘余產(chǎn)物。同樣，后者既可作為水包油乳液生產(chǎn)的原料，也可供進(jìn)一步加工，如通入減粘裂化器，也可能是瀝青生產(chǎn)裝置。無(wú)論選擇何種方法，在每一步驟總會(huì)生成殘余廢料，也正是這些廢料可用以生產(chǎn)所需的乳液燃料。
廢料可貯存在任一適宜溫度下。但是，為與水相混形成水包油乳液，廢料須經(jīng)加熱/冷卻至約100℃。
典型的水包油乳液原料為阿拉伯原油(輕質(zhì)，中等密度或重質(zhì))的殘余產(chǎn)物。阿拉伯輕質(zhì)原油的減壓渣油具有如下物理及化學(xué)性能C-85.0wt％；H-10.7wt％；N-0.34wt％；S-3.9wt％；灰分0.01wt％；釩63ppm；鎳17ppm；鐵1ppm；鈉＜1ppm；重度°API6-10；100℃下粘度350cSt。
另一種原料為天然瀝青，如產(chǎn)自Alberta或Venezuela的Orinoco地帶的瀝青。產(chǎn)自Venezuela的天然瀝青的分析細(xì)節(jié)見(jiàn)于US-A-4801304。
一種形成水包油乳液的典型方法是，將仍為流體的烴類(lèi)廢料或直接制成的烴泵至某處，與水及可降低油水界面張力的物質(zhì)(如表面活性劑和/或聚合物)相混，其時(shí)，采用靜態(tài)混合器，在線(xiàn)機(jī)械攪拌器，或是該兩者的組合。
形成的水包油乳液的油/水比(w/w)一般介于65∶35～90∶10，優(yōu)選為70∶30～85∶15。預(yù)期油滴尺寸最大至200μm，優(yōu)選最大為100μm。油滴尺寸的變化范圍廣泛，但作為優(yōu)選，乳液所含油滴直徑大于150μm，含量小于3w/w％，優(yōu)選小于2w/w％。乳液本身在15℃下的密度優(yōu)選介于825～1050kg/m3，更優(yōu)選為980～1020kg/m3；乳液在25℃、小于100s-1下的粘度小于2000cSt，優(yōu)選小于1000cSt。依照本發(fā)明實(shí)施時(shí)，可制得的液體燃料的總熱值介于28～32MJkg-1，優(yōu)選為29～31MJkg-1；凈熱值介于26～30MJkg-1，優(yōu)選為27～29MJkg-1。
進(jìn)一步優(yōu)選，本發(fā)明實(shí)施時(shí)使用的水包油乳液的特征是水含量約30wt％；平均液滴尺寸介于10～70μm；可能含促進(jìn)燃燒的添加劑，優(yōu)選為水溶性，更優(yōu)選為Mg鹽，如硝酸鎂或硫酸鎂，促進(jìn)燃燒添加劑中堿金屬含量最大為100ppm。
若在制備乳液時(shí)采用表面活性劑，可選自陰離子表面活性劑，非離子表面活性劑，陽(yáng)離子表面活性劑，或是上列的混合物。表面活性劑加入量介于0.1wt％～5.0wt％，優(yōu)選為0.1wt％～1.0wt％，以烴類(lèi)渣油為基。用于本法的適選非離子表面活性劑包括乙氧基化烷基酚，乙氧基化醇，乙氧基化脫水山梨醇酯，或是上列的混合物?？捎糜诒痉ǖ年?yáng)離子表面活性劑包括下列的氫氯化物脂肪二胺，咪唑啉，乙氧基化胺，酰氨基-胺；季銨化合物，或是上列的混合物?？捎糜诒痉ǖ年庪x子表面活性劑包括酯化長(zhǎng)鏈羧酸，硫酸酯，酯化硫酸，或是上列的混合物。優(yōu)選陰離子表面活性劑以烷基芳基磺酸酯，烷基芳基硫酸酯或是上列的混合物為代表。
可供制備水包油乳液的具體方法有多種。WO85/03646介紹了一種具體的方法，其中，混合在低剪切條件下、10～1000秒-1范圍內(nèi)進(jìn)行，如此則生成的乳液含高度變形的油滴，油滴平均直徑介于2～50μm，相互間被薄的界面膜分開(kāi)。另一方法見(jiàn)述于GB-A-2262054，其中介紹雙分布水包油乳液的制備，乳液同時(shí)含尺寸介于10～40μm的較大油滴，以及尺寸小于或等于5μm的較小油滴。再一個(gè)乳液制備方法見(jiàn)述于本文前已提及GB-A-974042。
制得的水包油乳液可直接使用，或于管路、駁船或海上航行容器運(yùn)輸前先行貯存，隨后再貯存于燃燒設(shè)施處，供燃?xì)廨啓C(jī)燃燒之用。
依照本發(fā)明某些實(shí)施方案，乳液加入氣輪機(jī)的燃燒室并于其內(nèi)轉(zhuǎn)化為能量。
可供采用的氣輪機(jī)有兩類(lèi)；氣輪機(jī)以開(kāi)環(huán)方式運(yùn)行，排放氣體直接釋放大氣，或是氣輪機(jī)以復(fù)環(huán)方式運(yùn)行，排放氣體在排入大氣前先通過(guò)熱回收蒸汽發(fā)生器采出余熱。若為開(kāi)環(huán)方式運(yùn)行，氣輪機(jī)內(nèi)燃燒的水包油乳液的熱效率與一般的蒸汽熱電站的效率相同，介于約30％～40％，這與設(shè)施的設(shè)計(jì)及操作條件有關(guān)。然而，燃燒水包油乳液的優(yōu)選方式為在氣輪機(jī)內(nèi)以復(fù)環(huán)方式操作，其時(shí)，可達(dá)的熱效率介于約40％～50％。
乳液燃料燃燒時(shí)為湍流擴(kuò)散火焰，溫度及壓力與氣輪機(jī)的設(shè)計(jì)有關(guān)。燃料中的水降低了燃燒早期火焰的峰值溫度及對(duì)氧的需求。故此，熱致或燃料所致NOx的形成降至較低水平，較之等量重質(zhì)油或油包水乳液的為低。
為減少可導(dǎo)致氣輪機(jī)葉片腐蝕的五氧化釩的生成，水溶性或較昂貴的油溶性鎂化合物按常規(guī)方式在燃燒室的上游單獨(dú)注入燃料。這類(lèi)鎂化合物有兩個(gè)用途一為燃料的粘度改進(jìn)劑(除非十分必要)，二為對(duì)保護(hù)氣輪機(jī)葉片重要的腐蝕抑制劑。然而，水包油乳液的優(yōu)點(diǎn)在于乳液形成時(shí)可加入廉價(jià)的水溶性鎂化合物。因此，采用加入復(fù)合的抑制劑的水包油乳液避免了在燃燒階段再采用額外的供加入抑制劑的設(shè)備。
由于煉廠釜底產(chǎn)物中硫含量高，故由煉廠釜底產(chǎn)物形成的水包油乳液在燃燒時(shí)會(huì)形成二氧化硫及三氧化硫并存留于排放氣體中。因此，排放氣體可經(jīng)適選的含硫氣脫硫(FGD)方法處理。該法緊接復(fù)環(huán)裝置的下游設(shè)立。
總之，參照后附圖
示，可見(jiàn)生產(chǎn)的各個(gè)步驟的流程圖及乳液的用途。
在第一步，原油自油田采出。隨后，于煉廠或油田加以處理，生成用于形成乳液的渣油。另一變通方法是，直接自諸如重油，超重油或天然瀝青中提取制備乳液的物料，此時(shí)精煉步驟可省去。接續(xù)制得水包油乳液，這可在煉廠或油田進(jìn)行，對(duì)于直接制成的物料，在油田進(jìn)行。所得水包油乳液隨后于燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒生成能量。排放氣體用于提高廢熱鍋爐內(nèi)蒸汽的溫度，如此構(gòu)成復(fù)環(huán)中的二級(jí)發(fā)電站步驟。最后，燃燒氣體在釋放大氣前經(jīng)含硫氣脫硫單元凈化。
依照本發(fā)明實(shí)施后，以水包油乳液為工質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn)在先前并未預(yù)見(jiàn)可采用這類(lèi)乳液的地方。
故此，若高粘煉廠釜底產(chǎn)物作為水包油乳液的基質(zhì)燃料，優(yōu)點(diǎn)在于這類(lèi)乳液易于處理的性能，也即其粘度較基本燃料或由基本燃料制得的油包水乳液顯著降低。水包油乳液也可促使燃燒器上游的管路壓力降低。相對(duì)基本燃料或油包水乳液，由于水包油乳液的粘度低，燃燒器上游管路不需加熱至與前兩者同等的程度。
尤其是，較之先前實(shí)際用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒的油而言，在優(yōu)選實(shí)施方案中，采用的均為價(jià)格較為低廉，質(zhì)量較次，密度較大且粘度較大的油。用于燃燒器的水包油乳液的粘度的可容許上限為約15cSt。
就有關(guān)的燃燒性能而言，由于燃料在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒前經(jīng)預(yù)先霧化，故碳的燃盡程度異常良好。如前述，燃料中的水可降低火焰的峰值溫度，從而減少了NOx的形成及固粒物的產(chǎn)生。此外，較之采用油包水乳液或是內(nèi)中無(wú)水的重質(zhì)或粘性燃料，采用水包油乳液后輪機(jī)葉片所需的清洗次數(shù)減少。再就燃燒添加劑而言，可采用水溶性燃燒添加劑，這較油溶性的燃燒添加劑價(jià)格大為降低。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，采用含不足1ppm Na+的水包油乳液對(duì)于減少輪機(jī)葉片的腐蝕是有益的。
總而言之，未見(jiàn)有人考慮過(guò)依照本發(fā)明的廉價(jià)能源在燃?xì)廨啓C(jī)操作中的經(jīng)濟(jì)可行的用途。若于燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽與其它二次循環(huán)設(shè)置的復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)在將燃料轉(zhuǎn)化為能量時(shí)的效率較之常規(guī)的蒸汽熱電站更高，并且由于采用廉價(jià)烴能源使成本進(jìn)而降低，則運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益尤為顯著。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，采用這類(lèi)廉價(jià)烴能源意味著將乳液燃料用于開(kāi)環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)可行的。
權(quán)利要求
1在燃?xì)廨啓C(jī)中用作燃料的水包烴油乳液，其特征在于含不足1ppm的鈉離子。
2如權(quán)利要求1的浮液，它是去離子水包油乳液。
3如權(quán)利要求1或2的乳液，其中，油在15℃下的密度介于750～1050kg/m3，優(yōu)選為980～1020kg/m3。
4如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，油在20℃下的動(dòng)力學(xué)粘度介于5×103～5×106cSt，優(yōu)選在20℃下的動(dòng)力學(xué)粘度介于1×104～1×106cSt。
5如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，油中釩及鎳的含量分別0～600以及0～150ppm，優(yōu)選分別為0～100以及0～20ppm。
6如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，油為輕質(zhì)，中等，重質(zhì)及超重質(zhì)原油，瀝青，選自燃料油，常壓，減壓油，減粘裂化油，真空閃蒸減粘裂化油，沉積石蠟以及焦油瀝青和焦油的任一種煉廠殘油。
7如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，油為阿拉伯輕質(zhì)，中等或重質(zhì)原油的減壓渣油。
8如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，乳液的油/水比(w/w)介于65∶35～90∶10，優(yōu)選為70∶30～85∶15。
9如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，油滴尺寸最大至200μm，優(yōu)選為100μm。
10如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，油滴直徑大于150μm，含量小于3w/w％，優(yōu)選小于2w/w％。
11如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，乳液在15℃下的密度介于825～1050kg/m3，優(yōu)選為980～1020kg/m3。
12如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，乳液在25℃、小于100s-1下的粘度小于2000cSt，優(yōu)選小于1000cSt。
13如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，乳液的總熱值介于28～32MJkg-1，優(yōu)選為29～31MJkg-1；凈熱值介于26～30MJkg-1，優(yōu)選為27～29MJkg-1。
14如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，乳液含表面活性劑的量介于0.1wt％～5.0wt％，以烴油為基。
15如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的乳液，其中，乳液尚含水溶性或油溶性鎂化合物。
16驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的方法，該法包括在氣輪機(jī)的燃燒室內(nèi)燃燒水包烴油乳液。
17如權(quán)利要求16的方法，其中，乳液的水含不足1ppm的鈉離子。
18如權(quán)利要求16的方法，其中，乳液含水溶性或油溶性鎂鹽，堿金屬含量最大為500ppm。
19如權(quán)利要求16的方法，該法包括使如權(quán)利要求1～15任一項(xiàng)的水包烴油乳液燃燒。
20水包烴油乳液在驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)中的用途，其時(shí)，在氣輪機(jī)的燃燒室內(nèi)燃燒水包烴油乳液。
21如權(quán)利要求20的用途，其中，乳液為如權(quán)利要求1～15任一項(xiàng)的水包烴油乳液。
22如權(quán)利要求20或21的用途，其時(shí)，氣輪機(jī)以開(kāi)環(huán)方式運(yùn)行。
23如權(quán)利要求20或21的用途，其中，氣輪機(jī)以復(fù)環(huán)方式運(yùn)行，氣輪機(jī)燃燒室排出的熱氣用以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。
全文摘要
水包烴油乳液尤其是含不足1ppm的鈉離子的乳液可作為燃?xì)廨啓C(jī)的新燃料。在燃?xì)廨啓C(jī)中采用這類(lèi)乳液作燃料可提高效率,降低成本,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)C10L1/32GK1198770SQ9619738
公開(kāi)日1998年11月11日 申請(qǐng)日期1996年8月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月30日
發(fā)明者P·J·多德, A·斯多克維爾 申請(qǐng)人:華德萊斯有限公司