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1.技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體涉及用于以液體石油燃料操作的壓燃往復(fù)式發(fā)動機(jī)的 燃燒催化劑，并且具體涉及含有與可溶性鐵化合物組合的高堿性鎂化 合物的燃燒催化劑。

現(xiàn)有技術(shù)描述

已知有多種金屬可改善鍋爐和燃燒透平機(jī)中的燃燒。[參見由Elito 編輯的“用于減少污染和節(jié)能的鍋爐燃料添加劑(Boiler?Fuel Additives?for?Pollution?Reduction?and?Energy?Savings)”，1978。]這些 金屬包括來自元素周期表中過渡金屬第一列的鐵、錳和銅、各種堿土 金屬(鋇、鈣)和其它金屬如鈰、鉑和鈀。在應(yīng)用經(jīng)常含有燃料雜質(zhì)如釩 的殘油的鍋爐中，錳是應(yīng)用最廣泛的燃燒催化劑。而鐵通常被認(rèn)為是 一種不太有效的燃燒催化劑。

當(dāng)單獨(dú)應(yīng)用時(shí)，上述每一種元素作為燃燒催化劑均具有負(fù)面影響。 錳通常被認(rèn)為是最有效的燃燒催化劑，但它形成低熔點(diǎn)沉積物，并減 弱了鎂對釩/鈉/鈣/鉀沉積物的控制效果。鐵催化由二氧化硫形成三氧 化硫，增加“冷端”腐蝕(排氣區(qū)域)和硫酸“雨”問題。銅比鐵或錳 的效果更差一些。鈣與其它雜質(zhì)金屬形成粘滯沉積物。鋇形成有毒的 鹽。鈰由于其較高的原子量而不是很有效?；诃h(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)的測試 方法5(Environmental?Protection?Agency?Test?Method?5)(EPC?M-5)已 經(jīng)證實(shí)，在濃度至多為約50PPM時(shí)，這些金屬使煙塵減少不超過 50wt％。

當(dāng)向配有低毒性、高漩渦燃燒器的Westinghouse?Model?D501-F 150?MW燃燒透平機(jī)發(fā)動機(jī)的燃料中加入油溶性化合物時(shí)，煙排放亦 可降低至可以接受的水平。在Mitsubishi?300?MW蒸汽鍋爐和煉油廠 工藝加熱器中也能達(dá)到類似的結(jié)果。(Rising，B.，Particulate?Emission Reduction?Using?Additives，Technical?Paper?TP-98010，Jan.9，1998， Westinghouse?Power?Corp.，Orlando，F(xiàn)L?32826-2399)。

由于其不穩(wěn)定燃燒，特別是當(dāng)應(yīng)用煤油燃料時(shí)，已知的是燃燒透 平機(jī)發(fā)動機(jī)在開車期間產(chǎn)生過量的煙排放和顆粒狀物質(zhì)。這可能是因 為大尺寸的燃料液滴會造成低效率的燃燒。當(dāng)這些發(fā)動機(jī)以液體石油 燃料進(jìn)行操作時(shí)，在鐵濃度為30PPM時(shí)，油溶性鐵化合物使燃燒透平 機(jī)廢氣的煙排放減少至多80％。這一點(diǎn)已經(jīng)在燃燒透平機(jī)發(fā)動機(jī)如 Westinghouse?Model?D501-F?150MW發(fā)動機(jī)中得到證實(shí)。

已知鐵氧化物分散產(chǎn)品減少燃燒透平機(jī)發(fā)動機(jī)中的煙排放。與在 30PPM?Fe時(shí)達(dá)到最大降低的油溶性產(chǎn)品相比，這種分散產(chǎn)品在55 PPM鐵(Fe)時(shí)達(dá)到最大煙塵降低。這可能是由于分子水平的鐵產(chǎn)品的 油溶性溶液與平均粒度為0.5-1.0微米的分散產(chǎn)品之間的差別造成的。

分散類錳(Mn)和鐵(Fe)化合物已經(jīng)被用于降低低速(150-400rpm) 船用柴油發(fā)動機(jī)的煙排放。但這些化合物在氣相中產(chǎn)生固體物質(zhì)。船 用柴油發(fā)動機(jī)能夠容忍這些氣相固體物質(zhì)，這是因?yàn)榕c更高速的柴油 發(fā)動機(jī)相比，這種發(fā)動機(jī)具有大的活塞和氣缸尺寸偏差。另外，船用 柴油發(fā)動機(jī)在燃燒過程中消耗大量的曲軸箱潤滑油，這有助于減少固 體物質(zhì)的累積。中速(450-1,000rpm)和高速(＞1,000rpm)發(fā)動機(jī)不能容 忍燃燒產(chǎn)物對曲軸箱潤滑油的高度污染。但分散類錳和鐵化合物對燃 燒催化來說沒有表現(xiàn)出任何協(xié)同作用。

已知高堿性鎂(Mg)化合物可減少燃燒透平機(jī)發(fā)動機(jī)中的沉積物， 所述燃燒透平機(jī)發(fā)動機(jī)用含有微量金屬雜質(zhì)如釩、鉛、鈉、鉀和鈣的 液體石油燃料操作。這些雜質(zhì)在往復(fù)式發(fā)動機(jī)如低速船用柴油發(fā)動機(jī) 的熱金屬部件上形成低熔點(diǎn)的腐蝕性沉積物。但已知的是鎂與釩、鈉 和其它燃料雜質(zhì)形成高熔點(diǎn)的鹽。其結(jié)果是，高堿性鎂化合物可用作 往復(fù)式發(fā)動機(jī)如柴油發(fā)動機(jī)的燃料添加劑，用來降低這些雜質(zhì)的作用。 例如，在Wartsilla?V32?18氣缸6MW固定式柴油發(fā)動機(jī)中已經(jīng)應(yīng)用 高堿性鎂化合物來減輕沉積物的影響和應(yīng)用殘余油燃料而造成的腐 蝕。但對柴油發(fā)動機(jī)來說，還沒有已知的可以減少煙和顆粒排放物的 含鎂的燃料添加劑。

迄今為止，還沒有用于減少高速(＞1,000rpm)、高壓縮的往復(fù)式發(fā) 動機(jī)如柴油發(fā)動機(jī)的煙和顆粒排放物的燃料添加劑。因此需要找到一 種燃料添加劑，這種燃料添加劑包括燃燒催化劑，從而減少公共汽車、 卡車和小汽車柴油發(fā)動機(jī)的煙和顆粒排放物，其中所述柴油發(fā)動機(jī)以 柴油燃料如精制No.2級燃料進(jìn)行操作。

本發(fā)明滿足這一要求及其它要求。

發(fā)明概述

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種減少壓燃往復(fù)式發(fā)動機(jī)的煙和顆粒排放物的方 法，所述往復(fù)式發(fā)動機(jī)如應(yīng)用液體石油燃料進(jìn)行操作的中速和高速柴 油發(fā)動機(jī)。該方法包括向液體石油燃料中加入燃料添加劑，所述燃料 添加劑含有油溶性鐵化合物和高堿性鎂化合物。所述燃料添加劑可以 含有約5份鐵(以金屬重量計(jì))和約1份鎂(以金屬重量計(jì))。當(dāng)向液體石 油燃料中加入燃料添加劑時(shí)，鐵的含量優(yōu)選為50重量PPM。應(yīng)用本 發(fā)明的組合物和方法，使柴油發(fā)動機(jī)的煙和顆粒排放物減少90％以上。

本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述

基于動力學(xué)理論，已經(jīng)表明鐵為真正的催化劑。對這些結(jié)果的解 釋在Dr.Walter?May的題為“Combustion?Turbine?Exhaust Particulate?Emission?Reduction：A?Mechanistic?Discussion”的技術(shù)論 文中進(jìn)行了詳細(xì)描述。另外，這種機(jī)理的背景由Bruce?Rising在1997 年12月在Dallas，TX的PowerGen?Show時(shí)提出。Dr.May的技術(shù)論 文提出了以量子化學(xué)理論為基礎(chǔ)的催化機(jī)理。

鐵-鎂組合具有非常高的活性，特別是在50PPM的鐵(Fe)處理濃 度時(shí)，這是完全沒有預(yù)料到的。對鎂、鐵、銅和錳的光譜檢測發(fā)現(xiàn)鎂 的光譜線與鐵的光譜線對應(yīng)。但沒有復(fù)制或加強(qiáng)。鎂光譜自身在其面 積內(nèi)不能產(chǎn)生當(dāng)溫度降低后仍能使烴繼續(xù)燃燒的能量。但據(jù)信鎂光譜 與鐵光譜協(xié)同作用，從而放出能量量子(量子束)，以至于當(dāng)溫度被降 低至低于通常支持燃燒的溫度時(shí)還能支持和繼續(xù)烴與氧氣的反應(yīng)。因 此，鎂以協(xié)同方式支持鐵的催化效果，這導(dǎo)致所述催化劑比單獨(dú)的鐵 更有效。

本發(fā)明的組合物為油溶性鐵化合物和高堿性鎂化合物。當(dāng)加入到 燃料中時(shí)，這種組合物會催化壓燃往復(fù)式發(fā)動機(jī)如柴油發(fā)動機(jī)中液體 石油燃料的燃燒。經(jīng)催化的燃燒會得到改進(jìn)的發(fā)動機(jī)性能、所產(chǎn)生的 提高的發(fā)動機(jī)馬力以及提高的燃料效率。

柴油發(fā)動機(jī)具有與燃燒透平機(jī)、工藝加熱器和蒸汽鍋爐顯著不同 的情況，其不同之處在于柴油發(fā)動機(jī)為往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)。燃料的能 量來源于一系列離散的“爆炸”，而不是連續(xù)的燃料系統(tǒng)。柴油發(fā)動 機(jī)也存在一個(gè)問題，即嵌入氣缸壁的活塞環(huán)、活塞冠、閥、閥座和增 壓器可能引起的問題。結(jié)果是對柴油發(fā)動機(jī)來說，其不是由燃燒透平 機(jī)、工藝加熱器和蒸汽鍋爐自然進(jìn)化來的。

另外，高速汽車用柴油發(fā)動機(jī)存在與低速船用發(fā)動機(jī)或中速固定 發(fā)電用發(fā)動機(jī)明顯不同的問題。這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)環(huán)在氣缸壁上的 運(yùn)行速度更高和閥的打開速度更高。已知的是分散或漿液類燃料添加 劑能產(chǎn)生固體物質(zhì)，從而可能會對發(fā)動機(jī)部件造成嚴(yán)重的磨擦和磨損， 而這會很快導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障。

減少以液體石油燃料操作的壓燃往復(fù)式發(fā)動機(jī)廢氣中的煙和顆粒 排放物的方法包括向所述液體石油燃料中加入燃料添加劑，所述燃料 添加劑含有油溶性鐵化合物和高堿性鎂化合物。

本發(fā)明的組合物包括一種燃料添加劑，對每1.0重量份鎂來說， 所述燃料添加劑含有約3.0至8.0重量份鐵。對每1.0重量份鎂來說， 所述燃料添加劑優(yōu)選含有約4.0至約7.0重量份鐵。對每1.0重量份鎂 來說，所述燃料添加劑更優(yōu)選含有約5.0重量份鐵。

本發(fā)明的油溶性鐵化合物選自鐵的羧酸鹽、羧酸氫鹽、磺酸鹽、 膦酸鹽和夾心化合物如二環(huán)戊二烯和二環(huán)戊二烯-羰基、以及這些物質(zhì) 的混合物。為了具有油溶性，所述鐵羧酸鹽由含有8個(gè)或更多碳原子 的羧酸制得。

本發(fā)明的高堿性鎂化合物選自羧酸鹽、磺酸鹽及其混合物。

實(shí)施例1

燃料添加劑組合物也可以配制成成濃縮物，所述濃縮物優(yōu)選含有 約5.5wt％鐵和約1.1wt％鎂。可以制備這種濃縮物的稀釋物而方便應(yīng) 用。

為了處理100升柴油燃料，以0.8gm/cc的密度為基準(zhǔn)，待處理的 柴油燃料的重量為80kg。對于50PPM?Fe的鐵濃度來說，所需要的 油溶性鐵的量為約4gm?Fe。向燃料中加入足夠的油溶性鐵和高堿性鎂 化合物，從而對約100升燃料加入約4gm鐵。

對于不同濃度的燃料添加劑來說，可以應(yīng)用其它體積和/或重量來 處理給定體積和/或重量的燃料。這種燃料添加劑在具有柴油發(fā)動機(jī)的 客車和商用車中已經(jīng)進(jìn)行過試驗(yàn)，所述客車如敞蓬小型載貨卡車和小 型有蓬貨車，所述商用車如城市內(nèi)和城市間的公共汽車和常見卡車。

實(shí)施例2

本發(fā)明的油溶性鐵化合物可以以實(shí)驗(yàn)室量在一個(gè)單獨(dú)的間歇過程 中進(jìn)行制備。所需要的設(shè)備為一個(gè)1,000ml的三頸圓底燒瓶、加熱罩、 溫度控制器、0-400℃的溫度計(jì)、中心裝有電動機(jī)和控制器的攪拌器、 冷凝器和帶有疏水器的真空泵。

反應(yīng)物如下：

氧化鐵????????????????79gms

羧酸(MW＞200)?????????720gms

高沸點(diǎn)處理溶劑????????215gms

所述設(shè)備在一個(gè)外側(cè)頸上裝有溫度計(jì)，而在中心的頸上裝有攪拌 器。在回流位置將冷凝器連到燒瓶上。向反應(yīng)器中加入高沸點(diǎn)溶劑、 羧酸(＞200MW)。加熱至90℃。加入氧化鐵并加熱至110℃。加入羧 酸(＞45MW)并加熱至140℃?；亓?小時(shí)。脫除羧酸反應(yīng)的水。加熱 至＞200℃，直到高沸點(diǎn)溶劑和水均被脫除。當(dāng)水停止產(chǎn)生時(shí)，在精餾 位置放置冷凝器，應(yīng)用真空，并脫除剩余溶劑。返回高沸點(diǎn)溶劑和/或 HAN或No.2燃料從而達(dá)到所希望的鐵濃度。

實(shí)施例3

本發(fā)明的高堿性鎂化合物可以以實(shí)驗(yàn)室量在一個(gè)單獨(dú)的間歇過程 中進(jìn)行制備。所需要的設(shè)備為一個(gè)1,000ml的三頸圓底燒瓶、加熱罩、 溫度控制器、0-400℃的溫度計(jì)、帶有電動機(jī)和控制器的中心安裝攪拌 器、冷凝器和帶有疏水器的真空泵。

反應(yīng)物如下：

氫氧化鎂????????????????????????195gms

磺酸(MW＞200)???????????????????37gms

羧酸(MW＞200????????????????????99gms

羧酸(MW＞45)????????????????????2gms

高沸點(diǎn)處理溶劑??????????????????215gms

高級芳烴溶劑????????????????????138gms

所述設(shè)備在一個(gè)外側(cè)頸上裝有溫度計(jì)，而在中心裝有攪拌器。在 回流位置將冷凝器連接到燒瓶上。向反應(yīng)器中加入高沸點(diǎn)溶劑、羧酸 (＞200MW)和磺酸。加熱至90℃。加入氫氧化鎂并加熱至110℃。加 入羧酸(＞45MW)并加熱至140℃?；亓?小時(shí)。脫除羧酸反應(yīng)的水。 加熱至＞280℃，直到高沸點(diǎn)溶劑和水均被脫除。當(dāng)水停止產(chǎn)生時(shí)，在 精餾位置放置冷凝器，應(yīng)用真空，并脫除剩余溶劑。返回高沸點(diǎn)溶劑 和/或HAN或No.2燃料從而達(dá)到所希望的鎂濃度。

本發(fā)明有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用本發(fā)明的油溶性鐵和高堿性鎂組合物以 及本發(fā)明的方法，基于目測，壓燃往復(fù)式發(fā)動機(jī)的煙和顆粒排放物減 少90％以上。應(yīng)用本發(fā)明方法和組合物的壓燃往復(fù)式發(fā)動機(jī)在車輛加 速過程中也能產(chǎn)生更高的馬力，并且操作起來更加平穩(wěn)，其振動和“爆 震”也更少。另外，這種發(fā)動機(jī)的燃料效率也增加了至少10％至至多 20％。在經(jīng)驗(yàn)的實(shí)地測試中，還沒有由于應(yīng)用含有本發(fā)明組合物的燃 料添加劑而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的維修問題或損害的報(bào)告。

盡管已經(jīng)具體參照用于以液體石油燃料操作的壓燃往復(fù)式發(fā)動機(jī) 如柴油發(fā)動機(jī)的燃燒催化劑對本發(fā)明進(jìn)行了描述和/或說明，但應(yīng)該注 意的是本發(fā)明的范圍并不局限于所描述的具體實(shí)施方案。對本領(lǐng)域熟 練技術(shù)人員來說很明顯的是本發(fā)明的范圍應(yīng)該包括在不同于這里具體 描述的其它往復(fù)式發(fā)動機(jī)中應(yīng)用所述燃燒催化劑。另外，本領(lǐng)域熟練 技術(shù)人員將會理解上述本發(fā)明容易進(jìn)行不同于這里具體描述的各種變 化和改進(jìn)。應(yīng)該理解的是本發(fā)明包括所有這些在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍 內(nèi)的變化和改進(jìn)。預(yù)期的是本發(fā)明的范圍并不局限于說明書，而是由 下述權(quán)利要求所定義。

發(fā)明背景