专利名称：生物来源的涡轮和柴油机燃料的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及由可再生材料所生产的发动机燃料，具体地，本发明提供可以完全由可再生材料生产的非石油基燃料可再生。在一种实施方案中，本发明的一种燃料可以配制成各种航空燃料，包括用于航空涡轮发动机中的燃料。在另外一种实施方案中，这些生物来源的燃料可被用于各种类型的柴油发动机中。
背景技术：
随着廉价油和世界石油生产顶峰的终结，公认的是石油是一种非再生性资源，并且最终将耗尽。这种认识已经重新燃起了对于开发用于燃料的可再生来源的兴趣。对于航空燃料来说尤其如此。在美国，联邦航空局(FAA)负责通过(ASTM)国际来设定航空燃料的技术标准。任何新的燃料必须符合现有的燃料规范。例如，FAA使用作为航空汽油标准的ASTMD910-Gradel00LL。无论 该新的燃料是基于石油的还是基于化学品或化学品组合的，都是如此。约用于内燃机的乙醇基燃料可供使用已经有约五十年。加利福尼亚州首先规定子汽车燃料(其包括乙醇基燃料)的强制氧化，部分用以降低燃料的批发成本，和在较小程度上降低所消耗的每加仑汽油产生的空气污染。实际上，由于乙醇基燃料具有更低的能量，因此每英里的污染物通常会增加。乙醇基燃料的一个主要益处是它们具有比无乙醇的汽油稍高的辛烷值。这是许多石油公司提供含有高乙醇含量优质燃料和低乙醇的常规等级的汽油的原因。已经发现与市售燃料和乙醇基燃料相比，由非乙醇的一些化学物质所制造的可再生燃料表现出明显更高的辛烷值和提高的单位体积能量。辛烷(功率)
辛烷值是功率产生效率的一种度量。它是一个动态参数，所以难以预测。美国试验和材料学会在二十世纪五十年代为国防部编撰了试验辛烷数据(用于纯烃)的卷册。用于获得该动态参数的方法在下一段中讨论。基于试验测试，2，2，4-三甲基戊烷(异辛烷)具有规定的辛烷值100，正庚烷具有规定的辛烷值O。辛烷值是通过这种方法线性内插的；因此一旦确定了纯样品值，则可以对混合物进行预测。汽车汽油被以研究法和动力法辛烷值的平均值张贴于泵处。它们分别与在不太严格和更严格条件下运行实验室测试发动机(CFR)有关。有效的辛烷值位于研究法和动力法辛烷值之间。航空汽油具有IOOMON(动力法辛烷值)的“硬性”要求；乙醇的MON是96，这使得它只有在与其他更高辛烷值的组分混合时才具有使用的可行性。常规的100LL(即，100辛烷值低铅)包含最大3ml四乙铅/加仑以实现期望的辛烷等级。范围(能量)
汽油内所含的固有能量直接与里程，而非辛烷值有关。汽车汽油没有能量规范，因此也没有里程规范。相反，航空燃料，一个普通的例子是100LL (100辛烷值低铅)，具有能量含量规范。这转换为飞机航程和具体的燃料消耗。在上面的辛烷值例子中，异辛烷和正庚烷的值分别是100和O。从能量的角度看，它们分别包含了 7.84和7.86 kcal/ml的燃烧热值，这与人们基于所发出的功率进行的预测是相反的。由于其任务的敏感性，飞机不能牺牲航程。为此原因，能量含量与MON值同等重要。100LL的当前产量是约850000加仑/天。100LL已经由环保局(EPA)指定为美国包含四乙铅的最后的燃料。这种豁免很可能在不久的将来终止。虽然已经发现离散的化学化合物满足用于100LL辛烷航空汽油的动力法辛烷值，但是它们不能满足对于航空汽油的许多其他技术要求。例如对于异戊烷90M0N和三甲基苯136M0N来说就是如此。例如，纯异戊烷不具有作为航空燃料的资格，因为它没有通过用于超载ON的ASTM规范D909，用于动力法辛烷值的ASTM规范D2700和用于蒸气压的ASTM规范D5191。纯的1，3，5-三甲基苯(均三甲苯)也不具有作为航空燃料的资格，因为它没有通过用于凝固点的ASTM规范D2386，用于蒸气压的ASTM规范D5191和用于10%蒸馏点的ASTM 规范 D86。
极为重要的是工业持续不断的改进它的环境性能和降低对全球生态系统的影响，同时持续降低运行成本。航空业认识到必须解决这些挑战来确保工业可行性，并主动寻求提供科技驱动的解决方案。生物来源的喷气燃料是解决这些挑战的工业策略中的一个关键因素。在检验由可持续来源的生物来源油制成的合成链烷烃煤油(SPK)，在催化裂化和加氢之后，的性能方面已经取得了显著的进步，其可以与传统的喷气燃料(Jet A或JP-8)以最高50%的混合比用于商用飞机中。目前的代用喷气燃料认证目标是与常规喷气燃料以50/50共混使用的链烷烃替代燃料，但是合成芳烃(如均三甲苯)的可用性使得人们能够调整链烷烃燃料的性能，并使得具有完全可再生燃料的潜力。另外，存在着大量的正在进行中的替代航空燃料研究，包括民用和军用二者，目标是开发对目前的石油来源燃料的“完全替代型(drop-1n)”取代物。“完全替代型”表示这样的燃料，其在功能上等价于目前的燃料，其不需要对飞机硬件或处理进行改变。用于这样的燃料认证的初始目标是合成链烷烃煤油(SPK)和加氢处理可再生喷气燃料(HRJ)，二者都是与常规的石油来源的喷气燃料以50/50混合的。SPK和HRJ包含在C12-C22范围内的完全饱和的直链烷烃。这两种方法典型地产生主要由正链烷烃和异链烷烃组成的烃喷气燃料。商业上，在认证时将代用燃料加入到ASTM D7566中。这些链烷烃燃料由于许多原因而不是“完全替代型”喷气燃料:首先，它们的密度低于可允许的0.775-0.84的范围；其次，它们倾向于导致燃料从O型环密封中泄漏(这归因于缺乏芳烃组分)。目前，这些缺点是如下来避免的:将链烷烃燃料与常规喷气燃料以50/50共混，以获得用于密度和密封溶胀的芳烃和环链烷烃组分。
图1显示了在典型的喷气燃料样品中芳烃组分的提取。烃类型的分析(ASTM D2425)表明喷气燃料中大部分的芳烃是取代的单环芳烃(典型地约15 vol%)，具有几个百分比的另外的取代的萘/四氢化萘/茚(双环)。图1的横坐标与芳烃的分子量有关。喷气燃料中的38°C最小闪点排除了大部分小于CS的芳烃。在图2中，已经将市售的Exxon溶剂的混合物(AR100/150/200)用于模拟燃烧测试中的喷气燃料芳烃，其被用于在许多测试中进行比较。所以，已经进行了测试来评价用于喷气燃料的合成芳烃，包括:首先，必须加入到SPK或HRJ燃料中来产生完全合成的直接替代型喷气燃料的芳烃的量；第二，加入的芳烃组分对于密封溶胀的影响；第三，芳烃对于燃烧性能的影响；和第四，加入的芳烃对于其他性能(如润滑性)的影响。密度，闪点，凝固点
典型的SPK和HRJ燃料的密度(g/ml)和比重是0.75-76 (16C/标准条件)。但是，可允许的喷气燃料范围是0.775-0.84。密度对于航程具有很大影响，并且在航空领域对于密度低于0.775的燃料很少感兴趣。图3显示了加入均三甲苯(密度0.8652)到Sasol IPK(异链烷烃煤油，一种密度为0.762的常规SPK)中的结果。加入约13 V01%的均三甲苯产生了满足最小密度规范的SasoleJPK/均三甲苯燃料共混物。产生完全合成的生物燃料的主要目的还可以通过加入生物-均三甲苯到常规的HRJ燃料中来实现。在一种优选的实施方案中，加入约20vol%的生物-均三甲苯到牛脂HRJ燃料(P0SF6308)中产生了具有表4所示性能的燃料。可以看到加入均三甲苯(闪点44°C)稍微降低了 HRJ的闪点，但是最小值为38°C，因此对于JP-8/Jet A/Jet A_1来说不存在闪点问题。仅仅加入均三甲苯到HRJ中将不能满足目前的JP-5规范(60°C最小闪点)。均三甲苯的低凝固点降低了 HRJ燃料的凝固点。密度远高于下限。表1.80vol%的牛脂HRJ/20%的均三甲苯的性能。
权利要求
1.权利要求1的生物来源的涡轮燃料，其中该燃料包含约50-99wt%的均三甲苯和约l-50wt%的至少一种烧烃。
2.权利要求1的生物来源的涡轮燃料，其中该燃料包含约60-90wt%的均三甲苯。
3.权利要求3的生物来源的涡轮燃料，其中该燃料包含约10-40wt%的十四烷。
4.权利要求1的生物来源的涡轮燃料，其中该燃料包含约75-85wt%的均三甲苯和约15-25wt%的十四烷。
5.权利要求1的生物来源的涡轮燃料，其中该燃料包含约80wt%的均三甲苯和约20wt%的十四烷。
6.一种涡轮燃料，其包含均三甲苯、十四烷和庚烷。
7.权利要求6的涡轮燃料，其中该燃料包含约15-75wt%的庚烷、约20-65wt%的均三甲苯和约5-20wt%的十四烷。
8.权利要求6的涡轮燃料，其中该燃料包含约35-55wt%的均三甲苯、约10-20wt%的十四烷和约20-50wt%的庚烷。
9.权利要求6的涡轮 燃料，其中该燃料包含约42-48wt%的均三甲苯、约15-20wt%的十四烷和约32-43wt%的庚烷。
10.权利要求6的涡轮燃料，其中该燃料包含约45wt%的均三甲苯、约17.5wt%的十四烷和37.5wt%的庚烷。
11.权利要求6的涡轮燃料，其中该燃料包含约l_25wt%的均三甲苯、约25-60wt%的十四烷和约15-74wt%的庚烷。
12.权利要求6的涡轮燃料，其中该燃料包含约5-20wt%的均三甲苯、约30-50wt%的十四烷和约30-65wt%的庚烷。
13.权利要求6的涡轮燃料，其中该燃料包含约10wt%的均三甲苯、约40wt%的十四烷和约50wt%的庚烷。
14.一种生物来源的柴油机燃料，其包含均三甲苯、十八烷和任选的辛烷或壬烷。
15.权利要求14的生物来源的柴油机燃料，其中该燃料包含约50-99wt%的均三甲苯和约l-50wt%的十八烷。
16.权利要求14的生物来源的柴油机燃料，其中该燃料包含约60-90wt%的均三甲苯和约10-40wt%的十八烷。
17.权利要求14的生物来源的柴油机燃料，其中该燃料包含约65-75wt%的均三甲苯和约25-35wt%的十八烷。
18.权利要求14的生物来源的柴油机燃料，其中该燃料包含约70wt%的均三甲苯和约30wt%的十八烷。
19.权利要求14的生物来源的柴油机燃料，其中该燃料包含约20-65wt%的均三甲苯、约30-60wt%的辛烷和约5-20wt%的十八烷。
20.权利要求15的生物来源的柴油机燃料，其中该燃料包含约25-45wt%的均三甲苯、约40-60wt%的辛烷和约20-50wt%的十八烷。
21.权利要求15的生物来源的柴油机燃料，其中该燃料包含约32-35wt%的均三甲苯、约45-58wt%的辛烷和约10-20wt%的十八烷。
22.权利要求15的生物来源的柴油机燃料，其中该燃料包含约35wt%的均三甲苯、约50wt%的辛烷和约15wt%的十八烷。
23.一种生物来源的涡轮燃料，其包含: 一种或多种合成链烷烃煤油(SPK)和/或加氢处理可再生喷气(HRJ)燃料；和 约8-25 vol%的均三甲苯。
24.权利要求23的生物来源的涡轮燃料，其中该加氢处理可再生喷气燃料是牛脂HRJ燃料。
25.权利要求24的生物来源的涡轮燃料，其中所述燃料包含约20-25vol%的均三甲苯。
26.权利要求24的 生物来源的涡轮燃料，进一步包含石油基燃料。
全文摘要
本发明提供由生物质来源产生的完全可再生涡轮和柴油机燃料。在一种实施方案中，完全可再生涡轮燃料包含均三甲苯和至少一种烷烃。优选涡轮燃料包含约50-99wt%的均三甲苯和约1-50wt%的至少一种烷烃。在另一种实施方案中，柴油机燃料包含均三甲苯、十八烷和任选的辛烷或壬烷。优选柴油机燃料包含约50-99wt%的均三甲苯和约1-50wt%的十八烷。这些生物质来源的燃料可以配制成具有宽范围的十六烷值和不同的凝固点和沸点。一种优选的生物来源的涡轮燃料包含一种或多种合成链烷烃煤油(SPK)和/或加氢处理可再生喷气(HRJ)燃料；和约8-25vol%的均三甲苯。另一种优选的生物来源的涡轮燃料是约50%的石油基燃料；和约50%的一种或多种合成链烷烃煤油(SPK)和/或加氢处理可再生喷气燃料(HRJ)，以及均三甲苯的共混物。
文档编号C10L1/02GK103210067SQ201180036390
公开日2013年7月17日 申请日期2011年5月23日 优先权日2010年5月26日
发明者J.J.鲁塞克, J.D.齐乌尔科夫斯基, P.J.卡塔尼亚, D.L.鲍尔 申请人:斯威夫特燃料有限责任公司