专利名称：包含费－托衍生烃的低排放燃料乳液的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有降低了的颗粒物排放的特性的改进了的燃料。更特别地，本发明涉及水包烃乳液形式的燃料。
背景技术：
水包烃乳液有许多潜在的用途，例如用于内燃机以及以加热为目的的燃料。的确，许多研究表明，燃烧水包烃乳液具有降低通常与烃的燃烧相联系的氮氧化物(NOX)排放的优点。乳液被认为是通过在它们燃烧时降低火焰温度峰值来降低氮氧化物(NOX)排放。然而，低火焰温度通常会同时增加颗粒物(Pm)排放。这种被称为Pm-NOX权衡的现象被认为限制了对柴油燃料排放的改进能力。
近年来，针对排放(包括颗粒物排放)的法规有更加严厉的倾向。因此，本发明的一个目标是开发一个更有效地控制颗粒物排放而对当前可获得的、乳液燃料所显示的氮氧化物排放水平的降低没有负作用的方法对于使用柴油燃料的引擎，颗粒物排放的降低特别重要。因此，本发明的另外一个目标是提供一种改进的具有降低颗粒物排放特性的柴油燃料。
发明概述依照发明，降低了的颗粒物排放可通过烃和水的乳液来实现，其中烃为费-托(FT)衍生烃燃料或FT燃料与常规烃燃料的混合物且乳液中大部分烃颗粒度为1微米或更小。优选地，乳液是水包烃乳液。
在本发明的一个特别优选的实施方案中，烃是一种FT衍生烃，其沸点在柴油燃料范围内。
阅读了以下本发明的详细描述之后，这些和另外的实施方案将变得一目了然。
附图的简要描述
图1是根据本发明用于制备乳液的多个静态混合器的一种排列的示意图。
图2和3以图的形式地比较了本发明的乳液与两种非乳化燃料在柴油引擎中无时间调整的的性能。
图4和5以图的形式地比较了有时间调整的图2和3中的燃料的性能。
发明的详述本发明的乳液包含费-托衍生烃燃料或FT燃料与常规烃燃料的混合物作为烃。烃优选FT衍生烃燃料。
正如众所周知的，费-托方法包括氢和含一氧化碳进料在适当的催化剂下的反应以产生多为正链烷烃的合成原油。该方法描述于例如美国专利5,348,982和5,545,674中，适当的催化剂可参看美国专利4,568,663，以上文献通过引用结合于此。
在费-托方法中生产的烃燃料可通过标准蒸馏技术从产物原油中分离。但是，另外，原油中的蜡状成分可通过已知的技术如氢化、加氢异构化以及加氢裂化被转换成燃料。这个方法的例子之一可参看U.S.5,378,348，该文献通过引用结合于此。
在本发明实施方案中，费-托衍生烃燃料可以包含由费-托方法得到的直接液体产物(C5+)、经转换的费-托产物或前述物质的混合物。因此，沸点介于大约25℃到大约450℃之间的费-托产物是适合的。这样的燃料包括公开于在U.S.5,807,413(该专利通过引用结合于此)中的那些。还包含更常规的费-托产物，如那些沸点介于大约140℃到大约370℃之间、优选介于大约160℃到大约350℃之间的产物。
本发明的乳液的水可以是通常使用于形成燃料乳液的水，例如自来水、蒸馏水或去离子水。在一个实施方案中，源自费-托方法的水形成乳液的持续相。费-托方法的水通常包括大约≤2重量％的氧化剂，下面表1列出它的一个典型组成表1氧化剂量C1-C12醇 0.05-2重量％C2-C6酸0-50wppmC2-C6酮、醛、醋酸盐0-50wppm其它 0-500wppm用于形成乳液的水的量可以在大范围变化。例如，费-托烃燃料与水的体积比可以介于大约95∶5到大约60∶40的范围内。
本发明的乳液中还包含非离子表面活性剂或是非离子表面活性剂的混合物。适当的非离子表面活性剂的类型包括乙氧基化醇、乙氧基化烷基酚、乙氧基化羧酸酯、甘油酯、山梨醇酯等等。一般而言，非离子表面活性剂的HLB范围为5到30、优选8到15。在适当的表面活性剂中，应当特别提及具有大约5到大约30、优选10到15摩尔亚乙氧基的乙氧基化烷基酚。
基于烃和水的总重量，乳液中的表面活性剂或其混合物的量为大约0.05重量％到大约5.0重量％，典型的量为0.05重量％到大约2重量％。
发明的乳液组合物可包括少但有效的量的常规添加剂，如乳液稳定剂、抗氧化剂等等。当燃料是柴油燃料时，燃料还可包括常规数量的柴油燃料添加剂如十六烷值改进剂、清洁剂、热稳定剂等等。
正如本领域中已知的，乳液可由任何数量的过程形成。其核心是提供组分的足够的剪切以产生乳化。在本发明的实施中，把燃料添加到水和表面活性剂的混合物中，并在足以产生绝大多数颗粒的颗粒度为1微米或更小的烃颗粒的条件下剪切。换而言之，颗粒的颗粒度基本是均一的，即，颗粒度为大约0.1微米到大约1.0微米的粒子多于50％。经验已经表明，加强的剪切形成“胶”，因此，剪切要小于会产生胶的剪切。
为达到必需的剪切，特别优选地使用一个或多个静态混合器，静态混合器的描述可参看美国专利5,405,439、5,236,624和4,832,747。一般而言，将使用不止一个混合器，并且这些混合器的大小(长度、直径、内部元件的数量)不同。更合适的是，选择更合适的数量、大小和元素以调节混合效率和乳液的颗粒度。在本发明的实施中，选择一个静态混合剂的组合以提供这样的烃和水的剪切，即这一剪切足以产生颗粒的颗粒度绝大多数是1微米或更小的乳液且比产生“胶”所需的剪切小。
附图示意性描述了适合实施本发明的乳化的静态混合器的一个排列。如图中所示，六个混合器中的每一个都有不同的尺寸。显然，只要达到必需的剪切，可以使用不同数量和大小的混合器。以下的表2给出了所显示的混合器的尺寸
表2混合器长度，英寸直径，英寸1 12 1/22 61/23 41/44 41/45 63/166 43/16图中所示的排列中，水和表面活性剂溶液通过管线7、费-托衍生烃通过管线8加入到混合器1。每个混合器的产物随后送到串连的下一个混合器，例如，混合器1的产物被送到混合器2；混合器2的产物被送到混合器3，等等。通过管线9从混合器6出来的乳液的颗粒中颗粒度小于1微米的占绝大多数。以费-托燃料作为柴油燃料的情况下，乳液在温度20℃时粘度在大约为50到200mm2/sec的范围内。
实施例对比例1在9700gm的水中添加入3000gm的非离子表面活性剂(具有10mol亚乙氧基团的乙氧基化壬基酚)，然后如图所示使其通过混合器1至4。包含90+％的C6到C16直链烷烃的费-托柴油燃料(沸程～40℃到300℃)也与水和表面活性剂一起通过这四个混合器。燃料与水的体积比是70∶30。烃流速为2650ml/min，表面活性剂水溶液流速是1380ml/min，温度是24℃。混合器4的产物不是水包烃乳液。
实施例1如图所示，使与上所述对比例1相同和相同量的组分通过混合器1到6。流速和温度与对比例1相同。在此情况下混合器6的产物是水包烃乳液，温度为20℃时粘度为150mm2/sec，其密度为0.82gm/cc。烃颗粒度平均为0.7微米、95％低于1微米。这种乳液可存贮超过6个月。
实施例2将实施例1的乳化费-托燃料与相同但未乳化的费-托柴油燃料和瑞典1类柴油燃料的性能用Catapillar 1Y 540单缸重型研究引擎进行比较。测量了低负荷(1500rpm，60Nn扭矩，3.0巴BMEP)和中负荷(1500rpm，110Nm扭矩，5.50巴BMEP)两种情况。
正如已知的，瑞典1类柴油燃料(亦称城市柴油ECI)是一种标准低排放参比柴油燃料，其比常规柴油燃料产生大约低10％到20％的NOX和40％到50％的颗粒物(Pm)。瑞典1类柴油燃料的规格见表3。
表3十六烷＞50浊点夏季 0℃冬季 -16℃密度，kg/m3800-820IBP，℃ 180T95，℃ 最大28540℃时的粘度，mm2/秒 1.2到4.0硫，ppm 最大10芳族化合物，体积％最大5聚芳族化合物 无法检测到由于与传统常规的柴油燃料相比较，未乳化的费-托燃料(FTF)已经表现出优异的排放性能(见U.S.5,807,413)，NOX降低了10-25％，并且Pm降低了40-60％。图2和3显示在低负荷与中负荷下费-托燃料和本发明的乳液(实施例1)与瑞典1类柴油燃料相比较的相对排放性能。
从图2可以看到，FTF表现出与瑞典1类柴油燃料相似的行为，而本发明燃料的燃料乳液显示出比瑞典1类柴油燃料相比低22％的NOX排放和53％的Pm排放。
在图3中，本发明的燃料乳液表现出与瑞典1类燃料相比甚至更大的PM降低(91.5％)。
图4和5中，将燃料的Pm/NOX性能对发火时间的改变作图。可以看到在FTF和瑞典1类燃料两者都可以延迟时间以降低NOX排放。
权利要求
1.在包括烃燃料和水的乳液的燃烧的烃燃料燃烧过程中的减少颗粒物排放的方法，其中燃料是作为费-托(FT)燃料与传统燃料的混合物的FT衍生烃，并且在乳液中大部分烃的颗粒度为1微米或更小。
2.权利要求1的方法，其中乳液是水包烃乳液。
3.权利要求2的方法，其中燃料是FT衍生燃料。
4.权利要求3的方法，其中超过50％的烃颗粒的颗粒度在大约0.1到大约1.0微米的范围内。
5.权利要求4的方法，其中烃与水的体积比在95∶5到60∶40的范围内。
6.权利要求5的方法，其中超过80％的烃颗粒的颗粒度在大约0.1到大约1.0微米的范围内。
7.权利要求6的方法，其中费-托衍生烃的沸点在柴油燃料的范围内。
8.权利要求7的方法，其中乳液的粘度在大约50到200mm2/sec的范围内。
9.形成燃烧时相对于瑞典1类柴油燃料具有降低了的颗粒物排放的水乳液中的燃料的方法，该方法包括剪切沸点在柴油燃料沸点范围内的费-托衍生烃和烃与水的体积比为95∶5到40∶60的水以及基于烃和水的重量大约0.05到大约5.0重量％的具有大约5到大约30的HLB非离子表面活性剂或其混合物，剪切条件足以产生液体乳化物，其中大部分烃的颗粒度为1微米或更小。
10.包含FT衍生燃料在水中的乳液的液体燃料组合物，其中乳液中的燃料的燃料颗粒绝大多数颗粒度为1微米或更小，并且在温度为20℃时乳液的粘度大于大约50mm2/sec。
11.权利要求10中的乳液组合物，其中超过50％的燃料颗粒的颗粒度在大约0.1微米到大约1.0微米的范围内。
12.权利要求11中的乳液组合物，其中费-托衍生燃料的沸点在柴油燃料的范围内。
全文摘要
烃和水的乳液，其中优选的烃是费－托衍生烃，并且乳液中大部分烃颗粒的颗粒度为1微米或更小，所述乳液在燃烧时产生降低了的颗粒物排放。
文档编号F02M25/00GK1639309SQ03805077
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月7日 优先权日2002年3月1日
发明者P·J·贝洛维茨, R·J·维腾布林克, T·查克拉巴蒂 申请人:埃克森美孚研究工程公司