专利名称：减少压燃往复式发动机的烟和颗粒排放物的方法
技术领域：
本发明大体涉及用于以液体石油燃料操作的压燃往复式发动机的燃烧催化剂，并且具体涉及含有与可溶性铁化合物组合的高碱性镁化合物的燃烧催化剂。
现有技术描述已知有多种金属可改善锅炉和燃烧透平机中的燃烧。[参见由Elito编辑的“用于减少污染和节能的锅炉燃料添加剂(Boiler FuelAdditives for Pollution Reduction and Energy Savings)”，1978。]这些金属包括来自元素周期表中过渡金属第一列的铁、锰和铜、各种碱土金属(钡、钙)和其它金属如铈、铂和钯。在应用经常含有燃料杂质如钒的残油的锅炉中，锰是应用最广泛的燃烧催化剂。而铁通常被认为是一种不太有效的燃烧催化剂。
当单独应用时，上述每一种元素作为燃烧催化剂均具有负面影响。锰通常被认为是最有效的燃烧催化剂，但它形成低熔点沉积物，并减弱了镁对钒/钠/钙/钾沉积物的控制效果。铁催化由二氧化硫形成三氧化硫，增加“冷端”腐蚀(排气区域)和硫酸“雨”问题。铜比铁或锰的效果更差一些。钙与其它杂质金属形成粘滞沉积物。钡形成有毒的盐。铈由于其较高的原子量而不是很有效。基于环境保护机构的测试方法5(Environmental Protection Agency Test Method 5)(EPC M-5)已经证实，在浓度至多为约50PPM时，这些金属使烟尘减少不超过50wt％。
当向配有低毒性、高漩涡燃烧器的Westinghouse Model D501-F150 MW燃烧透平机发动机的燃料中加入油溶性化合物时，烟排放亦可降低至可以接受的水平。在Mitsubishi 300 MW蒸汽锅炉和炼油厂工艺加热器中也能达到类似的结果。(Rising，B.，Particulate EmissionReduction Using Additives，Technical Paper TP-98010，Jan.9，1998，Westinghouse Power Corp.，Orlando，FL 32826-2399)。
由于其不稳定燃烧，特别是当应用煤油燃料时，已知的是燃烧透平机发动机在开车期间产生过量的烟排放和颗粒状物质。这可能是因为大尺寸的燃料液滴会造成低效率的燃烧。当这些发动机以液体石油燃料进行操作时，在铁浓度为30PPM时，油溶性铁化合物使燃烧透平机废气的烟排放减少至多80％。这一点已经在燃烧透平机发动机如Westinghouse Model D501-F 150MW发动机中得到证实。
已知铁氧化物分散产品减少燃烧透平机发动机中的烟排放。与在30PPM Fe时达到最大降低的油溶性产品相比，这种分散产品在55PPM铁(Fe)时达到最大烟尘降低。这可能是由于分子水平的铁产品的油溶性溶液与平均粒度为0.5-1.0微米的分散产品之间的差别造成的。
分散类锰(Mn)和铁(Fe)化合物已经被用于降低低速(150-400rpm)船用柴油发动机的烟排放。但这些化合物在气相中产生固体物质。船用柴油发动机能够容忍这些气相固体物质，这是因为与更高速的柴油发动机相比，这种发动机具有大的活塞和气缸尺寸偏差。另外，船用柴油发动机在燃烧过程中消耗大量的曲轴箱润滑油，这有助于减少固体物质的累积。中速(450-1,000rpm)和高速(＞1,000rpm)发动机不能容忍燃烧产物对曲轴箱润滑油的高度污染。但分散类锰和铁化合物对燃烧催化来说没有表现出任何协同作用。
已知高碱性镁(Mg)化合物可减少燃烧透平机发动机中的沉积物，所述燃烧透平机发动机用含有微量金属杂质如钒、铅、钠、钾和钙的液体石油燃料操作。这些杂质在往复式发动机如低速船用柴油发动机的热金属部件上形成低熔点的腐蚀性沉积物。但已知的是镁与钒、钠和其它燃料杂质形成高熔点的盐。其结果是，高碱性镁化合物可用作往复式发动机如柴油发动机的燃料添加剂，用来降低这些杂质的作用。例如，在Wartsilla V32 18气缸6MW固定式柴油发动机中已经应用高碱性镁化合物来减轻沉积物的影响和应用残余油燃料而造成的腐蚀。但对柴油发动机来说，还没有已知的可以减少烟和颗粒排放物的含镁的燃料添加剂。
迄今为止，还没有用于减少高速(＞1,000rpm)、高压缩的往复式发动机如柴油发动机的烟和颗粒排放物的燃料添加剂。因此需要找到一种燃料添加剂，这种燃料添加剂包括燃烧催化剂，从而减少公共汽车、卡车和小汽车柴油发动机的烟和颗粒排放物，其中所述柴油发动机以柴油燃料如精制No.2级燃料进行操作。
本发明满足这一要求及其它要求。
发明概述已经发现了一种减少压燃往复式发动机的烟和颗粒排放物的方法，所述往复式发动机如应用液体石油燃料进行操作的中速和高速柴油发动机。该方法包括向液体石油燃料中加入燃料添加剂，所述燃料添加剂含有油溶性铁化合物和高碱性镁化合物。所述燃料添加剂可以含有约5份铁(以金属重量计)和约1份镁(以金属重量计)。当向液体石油燃料中加入燃料添加剂时，铁的含量优选为50重量PPM。应用本发明的组合物和方法，使柴油发动机的烟和颗粒排放物减少90％以上。
本发明优选实施方案的详细描述基于动力学理论，已经表明铁为真正的催化剂。对这些结果的解释在Dr.Walter May的题为“Combustion Turbine ExhaustParticulate Emission ReductionA Mechanistic Discussion”的技术论文中进行了详细描述。另外，这种机理的背景由Bruce Rising在1997年12月在Dallas，TX的PowerGen Show时提出。Dr.May的技术论文提出了以量子化学理论为基础的催化机理。
铁-镁组合具有非常高的活性，特别是在50PPM的铁(Fe)处理浓度时，这是完全没有预料到的。对镁、铁、铜和锰的光谱检测发现镁的光谱线与铁的光谱线对应。但没有复制或加强。镁光谱自身在其面积内不能产生当温度降低后仍能使烃继续燃烧的能量。但据信镁光谱与铁光谱协同作用，从而放出能量量子(量子束)，以至于当温度被降低至低于通常支持燃烧的温度时还能支持和继续烃与氧气的反应。因此，镁以协同方式支持铁的催化效果，这导致所述催化剂比单独的铁更有效。
本发明的组合物为油溶性铁化合物和高碱性镁化合物。当加入到燃料中时，这种组合物会催化压燃往复式发动机如柴油发动机中液体石油燃料的燃烧。经催化的燃烧会得到改进的发动机性能、所产生的提高的发动机马力以及提高的燃料效率。
柴油发动机具有与燃烧透平机、工艺加热器和蒸汽锅炉显著不同的情况，其不同之处在于柴油发动机为往复式活塞发动机。燃料的能量来源于一系列离散的“爆炸”，而不是连续的燃料系统。柴油发动机也存在一个问题，即嵌入气缸壁的活塞环、活塞冠、阀、阀座和增压器可能引起的问题。结果是对柴油发动机来说，其不是由燃烧透平机、工艺加热器和蒸汽锅炉自然进化来的。
另外，高速汽车用柴油发动机存在与低速船用发动机或中速固定发电用发动机明显不同的问题。这是因为单位时间内环在气缸壁上的运行速度更高和阀的打开速度更高。已知的是分散或浆液类燃料添加剂能产生固体物质，从而可能会对发动机部件造成严重的磨擦和磨损，而这会很快导致发动机故障。
减少以液体石油燃料操作的压燃往复式发动机废气中的烟和颗粒排放物的方法包括向所述液体石油燃料中加入燃料添加剂，所述燃料添加剂含有油溶性铁化合物和高碱性镁化合物。
本发明的组合物包括一种燃料添加剂，对每1.0重量份镁来说，所述燃料添加剂含有约3.0至8.0重量份铁。对每1.0重量份镁来说，所述燃料添加剂优选含有约4.0至约7.0重量份铁。对每1.0重量份镁来说，所述燃料添加剂更优选含有约5.0重量份铁。
本发明的油溶性铁化合物选自铁的羧酸盐、羧酸氢盐、磺酸盐、膦酸盐和夹心化合物如二环戊二烯和二环戊二烯-羰基、以及这些物质的混合物。为了具有油溶性，所述铁羧酸盐由含有8个或更多碳原子的羧酸制得。
本发明的高碱性镁化合物选自羧酸盐、磺酸盐及其混合物。
实施例1燃料添加剂组合物也可以配制成成浓缩物，所述浓缩物优选含有约5.5wt％铁和约1.1wt％镁。可以制备这种浓缩物的稀释物而方便应用。
为了处理100升柴油燃料，以0.8gm/cc的密度为基准，待处理的柴油燃料的重量为80kg。对于50PPM Fe的铁浓度来说，所需要的油溶性铁的量为约4gm Fe。向燃料中加入足够的油溶性铁和高碱性镁化合物，从而对约100升燃料加入约4gm铁。
对于不同浓度的燃料添加剂来说，可以应用其它体积和/或重量来处理给定体积和/或重量的燃料。这种燃料添加剂在具有柴油发动机的客车和商用车中已经进行过试验，所述客车如敞蓬小型载货卡车和小型有蓬货车，所述商用车如城市内和城市间的公共汽车和常见卡车。
实施例2本发明的油溶性铁化合物可以以实验室量在一个单独的间歇过程中进行制备。所需要的设备为一个1,000ml的三颈圆底烧瓶、加热罩、温度控制器、0-400℃的温度计、中心装有电动机和控制器的搅拌器、冷凝器和带有疏水器的真空泵。
反应物如下氧化铁79gms羧酸(MW＞200) 720gms高沸点处理溶剂215gms所述设备在一个外侧颈上装有温度计，而在中心的颈上装有搅拌器。在回流位置将冷凝器连到烧瓶上。向反应器中加入高沸点溶剂、羧酸(＞200MW)。加热至90℃。加入氧化铁并加热至110℃。加入羧酸(＞45MW)并加热至140℃。回流1小时。脱除羧酸反应的水。加热至＞200℃，直到高沸点溶剂和水均被脱除。当水停止产生时，在精馏位置放置冷凝器，应用真空，并脱除剩余溶剂。返回高沸点溶剂和/或HAN或No.2燃料从而达到所希望的铁浓度。
实施例3
本发明的高碱性镁化合物可以以实验室量在一个单独的间歇过程中进行制备。所需要的设备为一个1,000ml的三颈圆底烧瓶、加热罩、温度控制器、0-400℃的温度计、带有电动机和控制器的中心安装搅拌器、冷凝器和带有疏水器的真空泵。
反应物如下氢氧化镁195gms磺酸(MW＞200) 37gms羧酸(MW＞20099gms羧酸(MW＞45)2gms高沸点处理溶剂 215gms高级芳烃溶剂138gms所述设备在一个外侧颈上装有温度计，而在中心装有搅拌器。在回流位置将冷凝器连接到烧瓶上。向反应器中加入高沸点溶剂、羧酸(＞200MW)和磺酸。加热至90℃。加入氢氧化镁并加热至110℃。加入羧酸(＞45MW)并加热至140℃。回流1小时。脱除羧酸反应的水。加热至＞280℃，直到高沸点溶剂和水均被脱除。当水停止产生时，在精馏位置放置冷凝器，应用真空，并脱除剩余溶剂。返回高沸点溶剂和/或HAN或No.2燃料从而达到所希望的镁浓度。
本发明有多个优点。应用本发明的油溶性铁和高碱性镁组合物以及本发明的方法，基于目测，压燃往复式发动机的烟和颗粒排放物减少90％以上。应用本发明方法和组合物的压燃往复式发动机在车辆加速过程中也能产生更高的马力，并且操作起来更加平稳，其振动和“爆震”也更少。另外，这种发动机的燃料效率也增加了至少10％至至多20％。在经验的实地测试中，还没有由于应用含有本发明组合物的燃料添加剂而导致发动机的维修问题或损害的报告。
尽管已经具体参照用于以液体石油燃料操作的压燃往复式发动机如柴油发动机的燃烧催化剂对本发明进行了描述和/或说明，但应该注意的是本发明的范围并不局限于所描述的具体实施方案。对本领域熟练技术人员来说很明显的是本发明的范围应该包括在不同于这里具体描述的其它往复式发动机中应用所述燃烧催化剂。另外，本领域熟练技术人员将会理解上述本发明容易进行不同于这里具体描述的各种变化和改进。应该理解的是本发明包括所有这些在本发明的实质和范围内的变化和改进。预期的是本发明的范围并不局限于说明书，而是由下述权利要求所定义。
权利要求
1.一种减少压燃往复式发动机废气中烟和颗粒排放物的方法，所述发动机以液体石油燃料进行操作，所述方法包括向所述液体石油燃料中加入燃料添加剂的步骤，所述燃料添加剂含有油溶性铁化合物和高碱性镁化合物。
2.权利要求1所述的方法，其中所述油溶性铁化合物选自铁的羧酸盐、羧酸氢盐、磺酸盐、膦酸盐和夹心化合物如双环戊二烯和双环戊二烯-羰基、以及这些物质的混合物，所述高碱性镁化合物选自羧酸盐、磺酸盐及其混合物。
3.权利要求1或2所述的方法，其中所述燃料添加剂中相对于约每1重量份镁含有约3至约8重量份铁。
4.前述权利要求任一项所述的方法，其中所述燃料添加剂中相对于约每1重量份镁含有约4至约7重量份铁。
5.前述权利要求任一项所述的方法，其中所述燃料添加剂中相对于约每1重量份镁含有约5重量份铁。
6.前述权利要求任一项所述的方法，其中在加入所述燃料添加剂后，以重量为基准，所述液体石油燃料含有约50 PPM铁。
7.前述权利要求任一项所述的方法，其中在所述废气中烟和颗粒物质被减少至少90wt％。
8.前述权利要求任一项所述的方法，其中所述压燃往复式发动机为柴油发动机，所述柴油发动机在约400至1,000rpm至约1,000至4000rpm下操作。
9.一种在压燃往复式发动机中催化液体石油燃料燃烧的方法，所述方法包括如下步骤向所述液体石油燃料中加入油溶性铁化合物和高碱性镁化合物；并且因而所述发动机具有改进的发动机性能、所产生的提高的发动机马力以及提高的燃料效率。
全文摘要
一种通过向液体石油燃料中加入燃料添加剂而减少压燃往复式发动机废气中烟和颗粒排放物的方法，所述燃料添加剂含有油溶性铁化合物和高碱性镁化合物。
文档编号C10L10/00GK1539004SQ02815312
公开日2004年10月20日 申请日期2002年7月9日 优先权日2001年7月11日
发明者W·R·梅, W R 梅 申请人:Sfa国际公司