CN101248161A - 包含非酸性无机硼化合物的烃燃料添加剂及其相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料添加剂和一种应用和制备该燃料添加剂的方法。所述燃料添加剂包含在载液中的非酸性含硼盐。该燃料添加剂通过提高燃料效率或减少燃料与燃料添加剂燃烧形成的废气中的污染物增强燃烧。

Description

包含非酸性无机硼化合物的烃燃料添加剂及其相关方法

相关申请

本申请涉及并要求享有美国专利临时申请系列号60/673,907的优先权和权益，该临时申请于2005年4月22日提交，标题为“包含非酸性无机硼化合物的烃燃料添加剂及其相关方法，其通过参考在此全部引用。

本发明的技术领域

本发明涉及燃料添加剂领域，尤其涉及用于增强效率和/或减少污染的含硼烃类燃料添加剂。

发明背景

目前已经使用了多种烃类燃料，各自具有其优点和缺陷。此类燃料的实例包括汽油、天然气、柴油、煤油、喷气式发动机燃料、LPG、重馏分、船用燃料油、乙醇、煤、其它固体烃类燃料等。过去的百年中，化学制品化合物已经用作燃料添加剂以改进各种燃料的各种参数，例如辛烷值。很久以来，铅在汽油中的使用以及后来被禁止已经为世人了解。四乙基铅对辛烷值有积极的作用，但是对环境却具有严重的不利影响。

除四乙铅之外，已知许多元素在汽油或其它烃燃料中具有燃烧催化剂的特性。铅之外的实例为锰、铁、酮、铈、钙和钡。这些元素在具体应用中各自具有优点和缺点。某些铁化合物的缺点包括在汽油中的溶解性有限、毒性和作为添加剂的成本。还可能出现与硫反应和产生硫化物沉淀，这些是不期望的。

另一种普遍使用的汽油添加剂是MTBE。虽然该化合物显著提高辛烷值水平，但是该化合物被认为是致癌的。另外，其容易与水混合，如果发生泄漏，则是危险的。从加油站的地下储油罐泄漏的含MTBE汽油存在着渗入地下水并且污染水井的潜在危险。鉴于认为MTBE对环境存在着潜在的不利影响，乙醇作为提高辛烷值的汽油添加剂亦正在得到评估。

除了改善燃烧效率的工业目标之外，减少烟尘和颗粒排放也受到关注，特别是对柴油燃料应用。目前对于减少烟尘和颗粒排放燃料添加剂的开发，工业上还没有取得实质性进步。

最后，尝试调整燃烧参数以优化操作减少CO和NOx。尽管这些尝试或其组合能减少污染物，燃料燃烧仍是改善燃料效率和减少污染物关注的焦点。

包含燃烧催化剂以减少来自使用汽油运行的公共汽车、卡车和轿车引擎的烟尘和颗粒排放的燃料添加剂是有利的。提高柴油燃料应用的效率和/或减少污染的燃料添加剂也是有利的。减少来自燃料应用的烟尘、颗粒和氮排放是有利的。不造成沉淀形成的添加剂也是有利的。降低NOx产生水平的烃燃料添加剂也是有利的。最后，在燃烧过程中保持稳定的添加剂是有利的。

发明概述

因此，本发明提供一种包含至少一种盐和载液的混合物的燃料添加剂，所述盐包含[Y]_aB_bO_c，其中[Y]是阳离子，而且所述盐是非酸性的，载液应该能够使盐以至少部分分散的状态保持在载液中，所述燃料添加剂可以在燃烧区与燃料接触和燃烧时增强燃烧，增强的燃烧可通过燃料效率提高或燃料和燃料添加剂燃烧产生的废气排放的污染物减少进行测量。本发明的特点在于[Y]是铵化合物。作为选择，[Y]是碱金属。

本发明还有利地提供一种增强在具有燃烧区的燃烧系统中烃燃料的燃料性能的方法，其中包括下述步骤：以增强燃料性能的有效量提供包含至少一种盐和载液的混合物的燃料添加剂到燃烧区和燃烧具有燃料添加剂的烃燃料，所述盐包含[Y]_aB_bO_c，其中[Y]是阳离子，而且所述盐是非酸性的。本发明的特征在于燃料可以是固态或液态烃燃料。

详细描述

本发明包括一种燃料添加剂和一种与烃燃料有关的添加剂的使用方法。本发明燃料添加剂包括含硼盐，所述盐优选包含[Y]₂B₄O₇，其中Y是阳离子。铵是优选的无机阳离子。碱金属是另外的优选无机阳离子，更优选那些原子量在50.0以下的碱金属。

在一种实施方案中，硼盐至少部分分散在水中或其它的含水流体中以产生一种含硼的母体分散体。硼盐分散在水或含水流体中，而且不会出现盐离解或溶解。优选粒径5微米或更小、更优选2-5微米的稳定的硼盐分散体在烃燃料中提供非均相燃烧催化剂，这种催化提供了排放减少和燃料经济性的改进。

在本发明的另一种实施方案中，将含硼母体分散体加入到分散流体或与分散流体混合。所述分散流体是一种可以至少部分分散状态将所述盐保持在分散流体中的流体，而且该流体在烃燃料中可溶混或能够以溶液状态保持。在一种优选实施方案中，将水，例如，通过热设备很大程度上从分散流体中的含硼母体分散体中除去以产生燃料添加剂。分散流体优选是Group II原油。其它优选的分散流体包括轻质烃，汽油，聚合汽油，煤油，柴油，轻质石脑油，依照API定义的Group I、III、IV、V或VI原油，芳族油、聚丁烯、聚乙二醇、重油或其组合。

燃料添加剂与燃料接触时能够增强燃烧，与燃料的硫含量无关。增强的燃烧意味着与无燃料添加剂的燃料相比，燃烧效率提高，或者由燃烧废气排出的污染物减少，或这些效果的组合。典型的污染物可能包括NOx、微粒物质、一氧化碳和其它的认为是由烃燃料燃烧产生的污染物。应该指出的是，不同的地理区域根据空气特征重点减少特定的污染物。减少目标污染物或各种污染物的组合，如NOx和CO，是特别有利的。作为选择，提高燃料效率导致污染物的总体积下降以及经济优点。

当燃料添加剂利用铵化合物制备时，铵化合物定义为含NRx基团的化合物，其中R可以为，例如氢。特别优选NH₄。已经发现，当用于本发明含硼盐时铵化合物具有特别强的催化燃烧性能，例如在NOx减少方面。

硼盐基本是中性的，但是更优选不是高度酸性的。在一种优选实施方案中，所述含硼母体分散体具有的pH为约6.0-8.0。在这种相对中性的pH范围内，一般不存在硼酸。已经披露了，例如五硼酸盐和四硼酸盐。硼散盐可处于任何形式，包括偏硼酸盐、原硼酸盐或任何形式的非酸性硼酸盐，或它们的组合。所述盐可以是无水的或者处于不同的水合水平。本发明优选的硼盐为无机非酸性、不溶且可分散的。

本发明一种实施方案的含硼母体分散体可用于任何环境，例如，亲水或疏水环境。在疏水环境情况下，有必要选择一种或多种载液以允许适当分散。在优选实施方案中，载液可以是聚氧化丙烯单醇、二醇和多醇，聚氧化丁烯单醇、二醇和多醇，特别是Bayer Actaclear ND17。分散剂与载液联合使用以产生燃料添加剂也在优选实施方案的范围内。优选的分散剂包括多炔基琥珀酰亚胺如Texaco TFA 4690C、Oronite ODA78012和Ethyl Hitec 646。对于液体烃燃料应用，至少一种载液可优选是至少具有一定亲水特性的流体，该流体与燃料溶混，与分散剂联合用作相容剂。

本发明燃料添加剂有益于增强燃烧以达到更完全的燃烧，与无燃料添加剂的燃料燃烧相比，提高了燃烧生成CO₂和H₂O量。结果是减少了不完全燃烧的产物以及NOx，从而提高了燃料效率。

燃料添加剂的使用方式是以足以提高燃料效率和/或减少污染物的量添加添加剂到燃料中。术语增强和增强的燃烧指这些效果任意一种。减少污染物的实例是内燃机或直接火明焰燃烧器产生的NOx和CO减少。有利地，通过添加本发明燃料添加剂观察到了这两种效果。优选的实施方案包括通过添加燃料添加剂将约5-10ppm(重量)的硼加入燃料。将硼量提高到25ppm(重量)同样是有效的。应该指出的是，以低重量百分比的硼，即低于20ppm能够制备具有很有效成本的溶液。另一个优选目标是低于15ppm硼。较低的硼浓度有利地产生经济效益，可能更容易为环境接受，而且可以以减少沉积和残留物提供更清洁的发动机操作。

本发明还包括一种增强烃燃料在燃烧系统中的燃料性能的方法，其中包括将上述燃料添加剂以有效增强燃料性能的量加入烃燃料并且燃烧具有燃料添加剂的烃燃料的步骤。燃烧系统可以是燃烧烃领域普通技术人员公知的任何系统。所述燃烧系统可包括任何类型的内燃机。在一种优选实施方案中，该方法使用液体或液化烃燃料。作为选择，该方法还可以使用固态烃燃料。将添加剂加入烃燃料获得增强的燃料，后者具有主要量的适于燃烧的烃燃料和能够增强燃烧的量的燃料添加剂。优选地，增强的燃料以与无燃料添加剂烃燃料燃烧相比在其燃烧时减少排放而且燃烧效率改善的切实可行的量包含硼。更优选地，增强的燃料包含约5-10ppm(重量)硼。将硼量提高到25ppm(重量)同样有效。值得注意，以低重量百分比的硼，即低于20ppm能够制备具有很有效成本的溶液。另一个优选目标是低于15ppm硼。

本发明的可选择实施方案包括一种增强烃燃料在燃烧系统中的燃料性能的方法，其中包括以增强燃料性能的有效量将化学添加组合物加入烃燃料的步骤。

化学添加组合物，又称为分散流体，可通过将硼酸盐分散于水中形成中间体含水母体分散体制备。以下的步骤包括在各种分散剂、表面活性剂等存在下合并含水含硼母体分散体和载液，然后除去水以形成含硼的分散流体。

本发明母体溶液，或含硼分散流体可加入到或包含燃烧燃料。同样，可有利地包含分散剂以促进在烃基燃料中的分散。燃料的实例为煤油、柴油和残余燃料。

当主要数量的适合燃烧的燃料与足以在增强燃料燃烧时降低排放或提高效率的量的含硼母体分散体或化学添加组合物合并时，产生一种增强燃料。柴油和汽油是两个适合燃烧的实例。其它适合在内燃机中燃烧的烃类燃料也包括在内。在某些环境中，分散流体是大量的目标流体，也就是，包含期望燃料的流体。

实施例1：制备含硼含水母体溶液

将83.5克八水合五硼酸铵(NH₄B₅O₈-8H₂O；mol wt544.3g/mole))加入417.7克去离子水水中。在搅拌下加热该混合物至80℃直到所有的盐分散。该溶液在80℃下保持透明并且包含1.8重量％硼。

实施例2：制备含硼分散流体

向置于4-升Erlenmeyer烧瓶中的1200克矿物油基础油料中，加入90克Lubrizol 400A，拥有自主知识产权的包含分散剂混合物的添加剂包(a proprietary additive package)和180克煤油。在环境温度下搅拌该混合物直到获得透明溶液。向油溶液中加入166.0克实施例1制备的含硼含水母体分散体。利用高速手工混合(a high speed hand mixture)混合这两种溶液在一起以形成油包水乳液。将该乳液转移到配有搅拌器和具有冷凝器的迪安-斯达克榻分水器的3升圆底烧瓶中。在搅拌下、约1个小时的时间内将混合物加热到最高150℃以除去水。形成硼盐在油基料中的分散体。最终的水含量为6,480ppm，最终硼的理论含量为1,827ppm。

实施例3：制备含硼双冲程发动机燃料处理剂

通过下述步骤制备适合用汽油稀释且用作双冲程发动机燃料的润滑油：将实施例2的含硼分散流体与Tufflo 6036，一种拥有自主知识产权的包含各种清洁剂和分散剂的添加剂包混合，达到最终硼含量约300ppm。然后按照50∶1的比例将燃料加入该混合物中以便提供最终硼含量为约6ppm。

实施例4：Homelite Yard Broom II Leaf Blower测试

Homelite Yard Broom II Leaf Blower是一种使用30cc双冲程汽油发动机的手持风机。leafblower用来屏蔽(screen)以提高发动机的效率，特别是提高燃料的经济性。为了确立基准线，将标准的Homelite双冲程油以50∶1的比例与常规无铅87辛烷值汽油混合。准确地将250毫升燃料混合物加入leaf blower燃料箱中。然后，发动机以全RPM运行直到燃料全部消耗而且发动机停止。测量运行时间、RPM和废气温度并记录。利用稀释比50∶1且硼含量约6ppm的实施例3的含硼油重复试验。结果，RPM提高2.3％，废气温度下降6.5％，运行时间提高11.8％。这些值说明利用本发明含硼汽油发动机的运行效率得到显著改进。

实施例5：明焰柴油燃料燃烧

燃烧柴油的明焰燃烧器用于测量CO排放。通过以特定且受到控制的燃料和空气混合物燃烧未处理柴油确定基准线。对于该试验，燃料：空气混合物没有变化。实施例2的硼分散流体用No.2高硫柴油稀释到20ppm B。该混合物然后用于燃料燃烧器并且进行14次测量，结果CO排放降低11.5％。

Claims (20)

1.一种包含至少一种盐和载液的混合物的燃料添加剂，其中所述盐包含[Y]_aB_bO_c，其中[Y]是阳离子，而且所述盐是非酸性的，载液应能够使盐以至少部分分散的状态保持在载液中，所述燃料添加剂可以在燃烧区与燃料接触和燃烧时增强燃烧，增强的燃烧可通过燃料效率提高或燃料和燃料添加剂燃烧产生的废气排放的污染物减少进行测量。

2.如权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述盐选自偏硼酸盐、五硼酸盐、四硼酸盐和原硼酸盐和其组合。

3.如权利要求1所述的燃料添加剂，进一步包含[NH₄]₂B₄O₇。

4.如权利要求1所述的燃料添加剂，进一步包含铵化合物。

5.如权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述溶液的pH为约6.0-8.0。

6.如权利要求1所述的燃料添加剂，其中所述盐是无机的。

7.一种增强在具有燃烧区的燃烧系统中烃燃料的燃料性能的方法，其中包括下述步骤：以增强燃料性能的有效量提供如权利要求1所述的燃料添加剂到燃烧区，和燃烧具有燃料添加剂的烃燃料。

8.如权利要求7所述的增强燃料性能的方法，其中所述烃燃料是液体烃燃料。

9.如权利要求7所述的增强燃料性能的方法，其中所述烃燃料是固体烃燃料。

10.如权利要求7所述的增强燃料性能的方法，其中所述燃烧区在以汽油燃料运行的发动机内。

11.如权利要求7所述的增强燃料性能的方法，其中所述燃烧区在以柴油燃料运行的发动机内。

12.如权利要求7所述的增强燃料性能的方法，其中当所述燃料添加剂与在直接火燃烧器或燃烧区的明焰中的燃料接触并燃烧时能够增强燃烧，增强的燃烧能够通过燃料效率提高或燃料和燃料添加剂燃烧形成的废气排放的污染物减少测量。

13.一种增强燃料，其中包含主要数量的适于燃烧的烃燃料和其数量能够增强燃烧的如权利要求1所述的燃料添加剂。

14.如权利要求13所述的增强燃料，其中硼在所述烃燃料中的存在量为约5-10重量ppm。

15.如权利要求13所述的增强燃料，其中燃料添加剂的量为能够使增强燃料燃烧过程中的排放与无燃料添加剂的烃燃料燃烧相比减少的量。

16.如权利要求13所述的增强燃料，其中硼在所述烃燃料中的存在量低于约25重量ppm。

17.一种产生用于燃烧系统的增强烃燃料的方法，其中包括步骤：

将增强燃料性能有效量的化学添加组合物加入烃燃料，其中化学添加组合物包含来自非酸性硼酸盐在水中的分散体的产物。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述盐是无机的。

19.一种产生增强烃燃料燃烧的燃料添加剂的方法，其中包括步骤：

将盐[Y]_aB_bO_c，其中[Y]是阳离子，而且所述盐是非酸性的，加入流体以使所述盐至少部分分散于流体以产生含硼的母体分散体；

混合该含硼母体分散体与载液以使含硼母体分散体基本分散于载液；和

将主要数量的流体从含硼母体分散体与载液的混合物中除去以产生一种当加入存在烃燃料的燃烧区并燃烧时能够增强燃烧的燃料添加剂。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述盐是无机的。