乙醇基燃料及其用途
【专利摘要】本发明涉及一种乙醇基燃料，所述乙醇基燃料基于乙醇和蓖麻油的总体积计，由40至90体积％的乙醇和60至10体积％的蓖麻油组成，并任选地包含乙醇和蓖麻油的总重量的至多10重量％的总量的一种或多种添加剂。在又一个方面，本发明涉及所述乙醇基燃料用于运行内燃机的用途，以及所述乙醇基燃料作为在例如彼此不相容的不同燃料使用之间的切换的用途。
【专利说明】乙醇基燃料及其用途
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种乙醇基燃料。此外，本发明涉及所述乙醇基燃料用于运行内燃机(例如，自点火式内燃机)的用途，包括所述乙醇基燃料用于在用不同燃料的运行之间切换内燃机的用途。
【背景技术】
[0002]由于不断攀升的石油价格以及具有增加排放的环境顾虑，替代矿物燃料的新燃料是人们持续关注的主题，特别是对柴油、轻燃料油(LFO)或重燃料油(HFO)的替代。
[0003]鉴于减少据信造成全球变暖的温室气体的排放，基本上CO2中性的燃料类型的选择被认为是最有效的途径之一。对于由生物质制成的燃料，情况就是这样，因为在其生长过程中生物质吸收的CO2的量与其作为燃料燃烧时所释放的CO2量相同。
[0004]例如，已提出醇用于此目的。醇显示出合适的燃烧性质，然而，所述醇由于太低的十六烷值以及缺乏润滑性质，故通常不能原样用在内燃机中。
[0005]此外，还已知混合醇(特别是乙醇)与植物油和/或原油基燃料如柴油以改善醇的润滑性质。然而，由于植物油和柴油难溶于醇中或根本不溶，故不得不使用改善植物油或柴油在醇中的溶解性的添加剂，而这可能导致增加的排放。
[0006]研究人员还聚焦于通过生物质的热解获得的液体燃料。液体生物质燃料可自例如木材或农业废料如麦杆等的热解获得，并常被称为热解油。通常，热解油主要通过“快速热解”技术产生，该技术包括生物质在流化鼓泡沙床反应器中的快速热解，其中固体载热介质在所述反应器中循环，因此固体的停留时间得到很好的控制并获得高的加热速率(高至1000C /秒)。生物质进料和固体载热介质通过温度在约450至500°C的范围内的管式传输反应器并且停留时间小于I秒。
[0007]众所周知，热解油的物理性质和化学组成与柴油、LFO或HFO的物理性质和化学组成明显不同，特别是在热解油的高含水量和高含氧量方面以及热解油的酸性PH值和相当低的热值方面。此外，包含极性烃和大量水的热解油几乎不与主要由饱和烯烃和芳族烃组成的柴油、LFO或HFO混溶。最后，基于热解油的燃料的又一缺点在于其对发动机系统中的金属件的强腐蚀作用。
[0008]本发明至少部分地涉及改善或克服相关现有技术的一个或多个方面。
【发明内容】
[0009]根据本发明的第一个方面，乙醇基燃料基于乙醇和蓖麻油的总体积计，包含40至90体积％的乙醇和60至10体积％的蓖麻油，并任选地包含乙醇和蓖麻油的总重量的至多10重量％的总量的一种或多种添加剂。
[0010]特别地，所述乙醇基燃料基于乙醇和蓖麻油的总体积计，由40至90体积％的乙醇和60至10体积％的蓖麻油组成，并任选地包含乙醇和蓖麻油的总重量的至多10重量％的总量的一种或多种添加剂。
[0011]根据本发明的第二个方面，所述乙醇基燃料被用于运行内燃机，例如，自点火式内燃机。
[0012]从下文的描述和权利要求，本发明的其它特征和方面将是显而易见的。
【具体实施方式】
[0013]下面是本发明的示例性实施方式的详细描述。其中描述的示例性实施方式意在教导本发明的原理，使得本领域普通技术人员能够在许多不同的环境中实施和使用本发明以及针对许多不同的应用实施和使用本发明。因此，所述示例性实施方案非意在并且不应认为是对专利保护的范围的限制性描述。相反，专利保护的范围应由随附的权利要求限定。
[0014]根据本发明的第一个方面，乙醇基燃料可包含基于乙醇和蓖麻油的总体积计的40至90体积％的乙醇和60至1 0体积％的蓖麻油，并任选地包含乙醇和蓖麻油的总重量的至多10重量％的总量的一种或多种添加剂。
[0015]特别地，所述乙醇基燃料可由基于乙醇和蓖麻油的总体积计的40至90体积％的乙醇和60至10体积％的蓖麻油组成，并任选地包含乙醇和蓖麻油的总重量的至多10重量％的总量的一种或多种添加剂。
[0016]待用于本发明的乙醇基燃料中的乙醇不受特别限制。然而，考虑到CO2中性，可优选使用来自生物源的乙醇，像例如自原料如甘蔗、甘蔗渣、芒草、甜菜、高粱、谷物、柳枝稷、大麦、大麻、洋麻、土豆、木薯、向日葵、水果、糖蜜、玉米、小麦、麦杆、棉花以及纤维素废料和收获物产生的乙醇。
[0017]如本文及随附的权利要求中所用，术语“乙醇”既包括无水乙醇(即，含有小于0.5体积％的水的乙醇)又包括含相当量的水的乙醇。在后者情况下，乙醇的含水量可为0.5至6体积％、优选2至5体积％、特别是3至4体积％。出于经济原因，可能优选使用含相当量水的乙醇。
[0018]待用于本发明的乙醇基燃料中的蓖麻油为自蓖麻植物蓖麻(Ricinus communis)的蓖麻籽得到的植物油，其为无色到非常浅的黄色的液体，具有温和的气味或味道或者无气味或味道。作为蓖麻油的主要脂肪酸链(85至95重量％)的蓖麻油酸在C12处具有羟基基团，其提供给脂肪酸链极性性质，从而促进在极性液体如乙醇中的溶解性。同时，蓖麻油酸的其余非极性烃链仍提供足够的非极性特性，使得蓖麻油可与非极性液体像例如柴油、LFO或HFO混溶。
[0019]本申请中在乙醇基燃料的上下文中使用的术语“由……组成”指除所指出的必需和任选组分外，乙醇基燃料中仅允许存在不可避免的杂质。
[0020]根据本发明的示例性实施方案，乙醇含量可为40至80体积％并且蓖麻油含量可为60至20体积％，或者乙醇含量可为42至78体积％并且蓖麻油含量可为58至22体积％，或者乙醇含量可为45至65体积％并且蓖麻油含量可为55至35体积％，或者乙醇含量可为45至55体积％并且蓖麻油含量可为55至45体积％，或者乙醇含量可为48至52体积％并且蓖麻油含量可为52至48体积％，或者乙醇含量可为50体积％并且蓖麻油含量可为50体积％。
[0021]出于经济原因，乙醇基燃料的乙醇含量可尽可能地高，例如为60至90体积％、或70至90体积％、或80至90体积％、或82至90体积％、或85至90体积％，特别是如果使用乙醇基燃料用于内燃机(优选自点火式内燃机)的连续(长时间)运行的话。
[0022]在本发明的乙醇基燃料将用于内燃机在使用不同燃料的运行之间的切换的情况下，其将在下文更详细地说明，所述乙醇含量可为45至65体积％并且蓖麻油含量可为55至35体积％、或者乙醇含量可为45至55体积％并且蓖麻油含量可为55至45体积％、或者乙醇含量可为48至52体积％并且蓖麻油含量可为52至48体积％、或者乙醇含量可为50体积％并且蓖麻油含量可为50体积％。
[0023]根据本发明的示例性实施方式，本文公开的乙醇基燃料任选地可以包含一种或多种添加剂，所述一种或多种添加剂的总量为乙醇和蓖麻油的总重量的至多10重量％、优选乙醇和蓖麻油的总重量的至多5重量％、优选乙醇和蓖麻油的总重量的至多3重量％、优选乙醇和蓖麻油的总重量的至多2重量％、优选乙醇和蓖麻油的总重量的至多I重量％。
[0024]所述添加剂可选自热稳定剂、老化稳定剂、抗氧化剂、着色剂、染料、防锈剂、胶质形成抑制剂、金属钝化剂、上部气缸润滑剂、摩擦改性剂、洗涤剂、抑菌剂、杀真菌剂、杀微生物剂以及它们的混合物。
[0025]本文公开的乙醇基燃料中任选包含的添加剂可用来改善乙醇基燃料的一种或多种性质，如果鉴于所用发动机类型或需要使用添加剂的任何其它情况而认为有必要的话。然而，鉴于环境问题(增加的排放)，可能优选提供无任何添加剂的乙醇基燃料。
[0026]根据本发明的第二个方面，本文公开的乙醇基燃料可用于运行内燃机，例如，自点火式内燃机。
[0027]内燃机不受特别限制。例如，本文公开的乙醇基燃料可与自点火式内燃机一起使用，包括低速、中速和高速内燃机，如在60至250rpm下运行的低速发动机，CaterpillarMotoren GmbH&C0.KG, Kiel, Germany 制造的在 500 至 100rpm 的范围内运行的 M20、M25、M32、M43 系列中速发动机，以及在 Mossville Engine Center, Mossville, Illinois, USA 的Caterpillar制造的在超过100rpm下运行的高速发动机。
[0028]根据本发明，使用本文公开的乙醇基燃料连续(长时间)运行内燃机(例如，自点火式内燃机)可在低的运行成本下提供CO2中性的优势，其中所述乙醇基燃料同时可提供高的发电效率。
[0029]根据本发明的一个示例性实施方式，提供了乙醇基燃料用于在内燃机连续运行的同时在用热解油运行和用原油基燃料运行之间切换所述内燃机的用途，所述乙醇基燃料基于乙醇和蓖麻油的总体积计由40至90体积％的乙醇和60至10体积％的蓖麻油组成，并任选包含所述乙醇和蓖麻油的总重量的至多10重量％的总量的一种或多种添加剂。
[0030]根据所述用途的特定实施方式，所述乙醇基燃料的乙醇含量为70至90体积％并且蓖麻油含量为30至10体积％，或者乙醇基燃料的乙醇含量为80至90体积％并且蓖麻油含量为20至10体积％，或者乙醇基燃料的乙醇含量为85至90体积％并且蓖麻油含量为15至10体积％，或者乙醇基燃料的乙醇含量为40至80体积％并且蓖麻油含量为60至20体积％，或者乙醇基燃料的乙醇含量为45至65体积％并且蓖麻油含量为55至35体积％，或者乙醇基燃料的乙醇含量为45至55体积％并且蓖麻油含量为55至45体积％，或者乙醇基燃料的乙醇含量为48至52体积％并且蓖麻油含量为52至48体积％，或者乙醇基燃料的乙醇含量为50体积％并且蓖麻油含量为50体积％。
[0031]根据所述用途的特定实施方式，所述添加剂选自热稳定剂、老化稳定剂、抗氧化剂、着色剂、染料、气味改性剂、防锈剂、胶质形成抑制剂、金属钝化剂、上部气缸润滑剂、摩擦改性剂、洗涤剂、抑菌剂、杀真菌剂、杀微生物剂以及它们的混合物，和/或其中任选地包含的所述一种或多种添加剂的总量为乙醇和蓖麻油的总重量的至多5重量％或至多3重量％。
[0032]例如，可以从使用柴油、LFO或HFO运行发动机切换到使用热解油运行发动机，反之亦然，如果期望再次返回到使用柴油、LFO或HFO运行的话。然而，在从柴油、LFO或HFO运行切换到热解油运行或是反过来的过程中，在热解油与柴油、LFO或HFO接触的情况下，由于热解油与柴油、LFO或HFO的互不相容性，特别是取决于热解油的具体组成，可能频繁地发生沉淀现象。所生成的沉淀物可能阻塞发动机和相关系统的导管和管道，并因此可能需要大量的清洁操作，从而造成代价高昂的发动机和相关系统的停工时间。通过使用切换燃料运行发动机来清洁发动机系统以除去先前的燃料的任何残余物，燃料类型之间的切换可在连续地运行发动机的同时进行。
[0033]应指出，根据本发明，所述切换既可包括从使用热解油的运行切换到使用原油基燃料的运行又可包括从使用原油基燃料的运行切换到使用热解油的运行。
[0034]根据本发明的一个示例性实施方式，原油基燃料选自柴油、轻燃料油(LFO)和重燃料油(HFO)。特别地，原油基燃料为柴油。
[0035]使用热解油运行内燃机(例如，自点火式内燃机)是用原油基燃料运行所述内燃机的环境有利的替代方案，因为热解油自可再生源获得。
[0036]已发现，可通过使用根据本发明的乙醇基燃料有效地进行从用原油基燃料像例如柴油、LFO或HFO运行内燃机切换至用热解油运行发动机，反之亦然。
[0037]下文中以使用柴油运行的自点火式内燃机的情况简要地说明所述切换。特别地，切换过程可通过以逐步的方式向运行发动机的柴油中加入本发明的乙醇基燃料来进行，其中乙醇基燃料的量可增大，直至发动机及其燃料系统内的柴油完全被本发明的乙醇基燃料所代替。然后，可向暂时运行发动机的乙醇基燃料中混合入热解油，其中热解油的量可逐步增大，直至乙醇基燃料完全被热解油所代替并且发动机最终仅用热解油来运行。通过该过程，柴油与热解油的接触被完全避免或至少减至可接受的程度，使得不发生沉淀现象或仅发生可接受的沉淀现象。
[0038]其中可包含这样的自点火式内燃机系统以及这样的切换过程的细节公开在例如Caterpillar Motoren GmbH&C0.KG 于同一天提交的申请“SELF IGNIT1N OPERAT1N OFALTERNATIVE FUEL INTERNAL COMBUST1N ENGINES”和“OPERATING A POWER PLANT WITHALTERNATIVE FUELS”中。这些申请的内容以引用方式并入本文。
[0039]工业实用件
[0040]下面说明本发明的上述示例性实施方案的基本操作。
[0041]实施例1:用根据本发明的乙醇基燃料连续运行自点火式内燃机
[0042]用于连续运行自点火式内燃机的乙醇基燃料由以下组分以50体积％乙醇和50体积％蓖麻油的混合比组成:
[0043]乙醇:生物乙醇(包含I体积％的水，由CropEnergies AG, Mannheim, Germany供给)
[0044]蓖麻油:商品级蓖麻油(由B1tor Industries Limited, Markapura, India供给)
[0045]在M20中速柴油机(由 Caterpillar Motoren GmbH&C0., KG, Kiel, Germany 供给)中测试上面提到的乙醇基燃料(50/50混合物)共两星期。在那之后，拆开发动机注入系统并检查磨损和沉积物。发现磨损和沉积物与在使用柴油的相应运行中发现的量相当，因此所公开的乙醇基燃料为柴油的适当替代品而不会对发动机造成任何不利影响。
[0046]实施例2:使用根据本发明的乙醇基燃料作为切换燃料从使用柴油的运行向使用热解油的运行切换自点火式内燃机
[0047]用作切换燃料的乙醇基燃料由上面提到的生物乙醇和商品级蓖麻油以50体积％乙醇和50体积％蓖麻油的混合比组成。此外，使用根据DIN EN 590的柴油以及ENSYN, Canada供给的热解油作为热解油。
[0048]首先用柴油运行M43中速柴油机(由Caterpillar MotorenGmbH&C0.，KG, Kiel, Germany供给)。然后,通过以逐步的方式向柴油中加入上面提到的乙醇基燃料来进行切换过程，其中乙醇基燃料的量增大，直至柴油完全被所述乙醇基燃料所代替。然后，向暂时运行发动机的乙醇基燃料中混合入热解油，其中热解油的量逐步增大，直至乙醇基燃料完全被热解油所代替并且发动机最终仅使用热解油来运行。在一小时的热解油运行后，拆开发动机和相关系统部件(包括导管和管道)并检查沉淀物。然而，在发动机和相关系统部件中未发现沉淀物，表明所公开的乙醇基燃料可合适地用作切换燃料。
[0049]对比例:在无切换燃料情况下从使用柴油的运行向使用热解油的运行切换自点火式内燃机
[0050]基本上重复实施例2，然而，从柴油运行向热解油运行的切换在不使用切换燃料的情况下进行。具体地，通过以逐步的方式向柴油中加入上面提到的热解油来进行切换过程，其中热解油的量增大，直至柴油完全被热解油所代替。在一小时的热解油运行后，拆开发动机和相关系统部件(包括导管和管道)并检查沉淀物。特别是在相关系统部件中发现大量的沉淀物，从长远来看，这将不利地影响发动机和相关系统部件的可运行性。
[0051]虽然本文已描述了本发明的优选实施方案，但可引入改进和变型而不偏离以下权利要求的范围。
【权利要求】
1.乙醇基燃料，所述燃料基于乙醇和蓖麻油的总体积计由40至90体积％的乙醇和60至10体积％的蓖麻油组成，并任选包含所述乙醇和蓖麻油的总重量的最多10重量％的总量的一种或多种添加剂。
2.根据权利要求1所述的燃料，其中所述乙醇含量为70至90体积％并且所述蓖麻油含量为30至10体积％。
3.根据权利要求1所述的燃料，其中所述乙醇含量为80至90体积％并且所述蓖麻油含量为20至10体积％。
4.根据权利要求1所述的燃料，其中所述乙醇含量为85至90体积％并且所述蓖麻油含量为15至10体积％。
5.根据权利要求1所述的燃料，其中所述乙醇含量为40至80体积％并且所述蓖麻油含量为60至20体积％。
6.根据权利要求1所述的燃料，其中所述乙醇含量为45至65体积％并且所述蓖麻油含量为55至35体积％。
7.根据权利要求1所述的燃料，其中所述乙醇含量为45至55体积％并且所述蓖麻油含量为55至45体积％。
8.根据权利要求1所述的燃料，其中所述乙醇含量为48至52体积％并且所述蓖麻油含量为52至48体积％。
9.根据权利要求1所述的燃料，其中所述乙醇含量为50体积％并且所述蓖麻油含量为50体积％。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料，其中所述添加剂选自热稳定剂、老化稳定剂、抗氧化剂、着色剂、染料、气味改性剂、防锈剂、胶质形成抑制剂、金属钝化剂、上部气缸润滑剂、摩擦改性剂、洗涤剂、抑菌剂、杀真菌剂、杀微生物剂以及它们的混合物，和/或其中任选包含的所述一种或多种添加剂的总量为所述乙醇和蓖麻油的总重量的最多5重量％或最多3重量％。
11.乙醇基燃料用于在内燃机连续运行的同时在用热解油运行和用原油基燃料运行之间切换所述内燃机的用途，所述乙醇基燃料基于乙醇和蓖麻油的总体积计由40至90体积％的乙醇和60至10体积％的蓖麻油组成，并任选包含所述乙醇和蓖麻油的总重量的最多10重量％的总量的一种或多种添加剂。
12.根据权利要求11所述的用途，其中所述原油基燃料选自柴油、轻燃料油和重燃料油。
13.根据权利要求11所述的用途，其中所述原油基燃料为柴油。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的用途，其中所述内燃机为自点火式内燃机。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的用途，其中所述乙醇基燃料的所述乙醇含量为70至90体积％并且所述蓖麻油含量为30至10体积％。
16.根据权利要求11至14中任一项所述的用途，其中所述乙醇基燃料的所述乙醇含量为80至90体积％并且所述蓖麻油含量为20至10体积％。
17.根据权利要求11至 14中任一项所述的用途，其中所述乙醇基燃料的所述乙醇含量为85至90体积％并且所述蓖麻油含量为15至10体积％。
18.根据权利要求11至14中任一项所述的用途，其中所述乙醇基燃料的所述乙醇含量为40至80体积％并且所述蓖麻油含量为60至20体积％。
19.根据权利要求11至14中任一项所述的用途，其中所述乙醇基燃料的所述乙醇含量为45至65体积％并且所述蓖麻油含量为55至35体积％。
20.根据权利要求11至14中任一项所述的用途，其中所述乙醇基燃料的所述乙醇含量为45至55体积％并且所述蓖麻油含量为55至45体积％。
21.根据权利要求11至14中任一项所述的用途，其中所述乙醇基燃料的所述乙醇含量为48至52体积％并且所述蓖麻油含量为52至48体积％。
22.根据权利要求11至14中任一项所述的用途，其中所述乙醇基燃料的所述乙醇含量为50体积％并且所述蓖麻油含量为50体积％。
23.根据权利要求11至22中任一项所述的用途，其中所述添加剂选自热稳定剂、老化稳定剂、抗氧化剂、着色剂、染料、气味改性剂、防锈剂、胶质形成抑制剂、金属钝化剂、上部气缸润滑剂、摩擦改性剂、洗涤剂、抑菌剂、杀真菌剂、杀微生物剂以及它们的混合物，和/或其中任选包含的所述一种或多种添加剂的总量为所述乙醇和蓖麻油的总重量的最多5重量％或最多3重量％。
【文档编号】C10L1/18GK104136584SQ201380010992
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年2月8日 优先权日:2012年2月28日
【发明者】J-U·雷, A·冯德奥斯滕-扎克 申请人:卡特彼勒发动机有限责任两合公司