CN113166662B - 可再生燃料的共混 - Google Patents
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Abstract
公开了航空燃料组合物，其包含50vol％‑95vol％的源于石油的喷气燃料组分和5vol％‑50vol％的可再生中间馏分组分。根据EN ISO 3104(1996)标准测定，所述燃料组合物在‑40℃下具有12mm2/s或更低的粘度，在‑30℃下具有10mm2/s或更低的粘度，且在‑20℃下具有8mm2/s或更低的粘度。还公开了用于生产航空燃料组合物的方法。该方法包括将源于石油的喷气燃料组分和可再生中间馏分组分混合以获得航空燃料组合物，从而使所述基于石油的喷气燃料组分和所述可再生中间馏分组分按照含有5vol％‑50vol％的可再生中间馏分组分和约50vol％‑95vol％的源于石油的喷气燃料组分的量混合至一起。
Description
技术领域
本发明涉及燃料共混，并且更具体而言涉及可再生燃料组分的共混。
背景技术
以下背景描述技术可以包括见解、发现、理解或公开内容，或关联以及本发明之前相关技术未知但由本公开提供的公开内容。在下面可以具体指出本文公开的一些这样的贡献，而本公开内容所包含的其他这样的贡献，根据其上下文，本发明将是显而易见的。
喷气燃料是一种航空燃料，设计用于由燃气涡轮发动机提供动力的飞行器。最常用的航空燃料Jet A和Jet A-1是按照标准化国际规格生产的。喷气燃料是不同烃的混合物。它们的大小、分子量或碳数取决于由产品规格所要求的物理性能，例如，闪点，凝固点，沸程。煤油型喷气燃料(包括Jet A和Jet A-1)具有约8-16个碳原子/分子的碳数分布。
化石燃料或石油基燃料可以至少部分地由生物源燃料代替。由于全球对于减少GHG、CO2等排放量的倡议，未来可再生航空燃料需求正在增长。一种可能的关键解决方案是增加航空燃料中可再生燃料的使用。来自生物来源的燃料可以包括可再生原料，如脂肪和/或油。从这些含三酰基甘油的原料中可以获得多种类型的燃料。其中之一是生物柴油，其定义为植物油或动物脂肪的单烷基酯。生物柴油是通过在温和条件下，在碱催化剂的存在下，将油或脂肪与醇如甲醇进行酯交换而生产。另一种类型的产品可以获自脂质原料，它是具有模拟化石柴油燃料组成的燃料，即在催化剂的存在下在高温和高压下通过加氢脱氧反应由脂肪或油产生的可再生中间馏分。
航空燃料需要满足某些冷特性，包括在低温下足够低的粘度，以确保低温可工作能力。燃料粘度取决于温度，温度越高，粘度越低。将燃料的优异冷性能与应对气候变化的解决方案，如部分或全部使用可再生原料生产燃料相结合，对于例如降低交通排放，改善当地空气质量和增强发动机性能，是高度所需的。
发明内容
根据一个方面，提供了独立权利要求的主题。实施方式在从属权利要求中定义。
在下面的详细描述中更详细地阐述了实施方式的一个或多个实施例。根据该描述和权利要求，其他特征将是显而易见的。
提供了具有增强的冷性能的燃料共混物。所获得的燃料共混物包含源自可再生原料的组分，该可再生原料可以仅包括废弃物和/或残留物。所获得的燃料共混物在低温下的粘度低于基于所计算方法的预期粘度，使之能够实现可靠的低温可工作性。
具体实施方式
以下实施方式是示例性的。尽管本说明书可能在多个位置涉及到“一种”、“一个”或“一些”实施方式，但这并不一定意味着每个这样的引用均是指相同的实施方式，或该特征仅适用单个实施方式。不同实施方式的单个特征也可以进行组合而提供其他实施方式。此外，词语“包含”、“含有”和“包括”应该理解为并非将所描述的实施方式限制为仅由已经提及的那些特征组成，并且这种实施方式还可以包含未专门提及的特征/结构。
JET-A1航空燃料规格中的粘度要求在-20℃的温度下最大为8mm2/s。许多发动机和辅助动力单元(APU)制造商规定的最大粘度为12mm2/s，以确保令人满意的低温启动(在例如约-40℃的温度下)。
在一方面中，本发明提供了一种航空燃料组合物，其包含的航空燃料组合物包含：
a)50vol％-95vol％的源于石油的喷气燃料组分，和
b)5vol％-50vol％的可再生中间馏分燃料组分，
其中根据EN ISO 3104(1996)标准测定，所述燃料组合物在-40℃下具有12mm2/s或更低的粘度，在-30℃下具有10mm2/s或更低的粘度，和在-20℃下具有8mm2/s或更低的粘度。
在一个实施方式中，在-30至-40℃下测得的燃料组合物的粘度低于基于其各组分的粘度计算的燃料组合物的计算粘度，所述组分是源于石油的喷气燃料组分和可再生中间馏分组分，其中所述粘度根据EN ISO 3104(1996)标准进行测量。
在本发明的组合物中，任何种类的组分都能够用作源于石油的喷气燃料组分，只要该组分满足各种航空燃料标准中规定的要求即可。在一个实施方式中，源于石油的喷气燃料组分选自基于石油的航空范围燃料。在另一个实施方式中，该源于石油的喷气燃料组分符合选自ASTM D1655和DEFSTAN 91-91的航空燃料标准中的至少之一。在一个实施方式中，源于石油的喷气燃料组分是常规的JET A或JET A-1燃料。常规JET A-1燃料通常包含8.4vol％-26.5vol％范围内的芳族化合物，40vol％-60vol％范围内的链烷烃和18vol％-40vol％的环烷烃。JET A-1燃料的蒸馏范围通常为约139-约300℃(ASTM D86)。JET A-1燃料的闪点为至少38℃(IP170)。
燃料组分在一个温度范围内沸腾，而不是如纯化合物具有单一沸点。沸程或蒸馏范围涵盖了从定义为获得第一滴蒸馏产物的温度的初始沸点到最高沸点化合物蒸发时的最终沸点的温度区间。
在一个实施方式中，可再生中间馏分组分具有130-320℃的蒸馏范围。蒸馏范围为130-320℃是指该组分具有起始沸点至少为130℃且最终沸点至多为320℃的蒸馏范围。在另一个实施方式中，可再生中间馏分组分具有的蒸馏范围为130-290℃，这是航空燃料范围组分的典型蒸馏范围。在还有的另一实施方式中，可再生中间馏分组分具有的蒸馏范围为170-320℃，这是柴油燃料范围组分的典型蒸馏范围。
在本文中，术语“可再生资源”是指包括除了从石油原油获得的原料以外的原料。能够用于本发明的可再生资源包括，但不限于，来自植物和/或动物和/或鱼和/或昆虫的生物油和脂肪，以及来自利用微生豆如藻类、细菌、酵母和霉菌的工艺过程的生物油和脂肪，并且还合适的是衍生自所述脂肪和油及其混合物的化合物。产生生物油或脂肪的物种可以是天然的或基因工程化的。生物油和脂肪可以是原始油和脂肪或回收油和脂肪。
含脂肪酸和/或脂肪酸酯和/或脂肪酸衍生物的合适生物油是基于木材基和基于其他植物和基于蔬菜的脂肪和油，如菜籽油、菜子油、低芥酸菜子油、妥尔油、麻风树籽油、葵花籽油、大豆油、大麻油、橄榄油、亚麻子油、芥末油、棕榈油、豌豆油、蓖麻油、椰子油以及通过基因操纵培育的植物中所含的脂肪，基于动物的脂肪，如猪油、牛脂、鲸油和牛奶中包含的脂肪，以及食品工业的回收脂肪和上述混合物，以及源自利用微生物如藻类、细菌、酵母和霉菌的工艺过程的脂肪和油。
适合用作新鲜进料的生物油和脂肪可以包含C12-C24脂肪酸、其衍生物如脂肪酸的酸酐或酯以及脂肪酸的甘油三酸酯和甘油二酸酯或其组合。脂肪酸或脂肪酸衍生物如酯可以通过生物油的水解或通过甘油三酸酯的分馏或酯交换反应或利用微生物的微生物工艺过程而生产。
在一个实施方式中，可再生中间馏分组分是链烷烃中间馏分。在一个实施方式中，可再生中间馏分组分是通过从生物质的气化开始的费-托工艺法进行生产。这种合成路线通常也称为BTL，即生物质转化为液体。在文献中已充分证实的是，生物质如木质纤维素材料能够在高温下使用氧气或空气进行气化而产生氢气和一氧化碳的气体混合物(合成气)。该气体净化后，能够将其用作费-托合成路线的原料。在费-托合成中，链烷烃由合成气生产。费-托链烷烃的范围为从气态组分到蜡状链烷烃，并且能够通过蒸馏从产物中获得中间馏分沸点范围的链烷烃。该中间馏分能够用于生产费-托衍生柴油组分。
在另一个实施方式中，可再生中间馏分组分由可再生油如植物油、妥尔油或动物脂肪或各种包含脂肪酸或甘油三酸酯的废弃物流股进行生产。可再生油的脂肪酸和/或甘油三酸酯能够进行氢化而产生正烷烃(正-烷烃)。在文献中已经充分确立的是，能够使用各种加氢处理技术，如使用NiMo、CoMo或NiW催化剂的加氢脱氧，以从脂肪酸中除去氧并获得正链烷烃。从可再生油中获取的正烷烃通常在中间馏分范围内沸腾，但在某些情况下，可能需要蒸馏以获得柴油燃料组分。
无论是通过费-托合成法从生物质中产生或是通过可再生油的氢化而产生的链烷烃成分都是极好的柴油燃料组分。然而，所形成的正链烷烃具有差的冷流动特性，并且通常需要异构化以改善其冷流动性能。在本发明的一个实施方式中，链烷烃中间馏分是异构化的链烷烃中间馏分。正链烷烃的异构化在文献中已得到充分确立，并且能够例如通过使用Pt-SAPO-11催化剂而实现。在出版物US 8,278,492中能够查到由可再生油通过氢化然后异构化生产中间馏分燃料的实例。
在一个实施方式中，该可再生中间馏分组分包含至多约0.5vol％的量的芳族化合物、至少80vol％或优选至少90vol％的量的异链烷烃，其余是其他链烷烃如正链烷烃和环状链烷烃。在另一个实施方式中，该可再生中间馏分组分包含大于约70wt％，优选大于约85wt％，更优选大于约90wt％的C15-C18链烷烃；小于约20wt％，优选小于约10wt％，更优选小于约7wt％的小于C15链烷烃的链烷烃；和/或小于约10wt％，优选小于约5wt％，更优选小于约3wt％的大于C18链烷烃的链烷烃。
可再生中间馏分组分的蒸馏范围通常为170-320℃。可再生中间馏分组分的闪点高于38℃(EN ISO 2719)。
在一个实施方式中，该可再生中间馏分组分具有130-320℃的蒸馏范围。在一个实施方式中，该可再生中间馏分组分具有130-290℃的蒸馏范围。在一个实施方式中，该可再生中间馏分组分具有170-320℃的蒸馏范围。
在一个实施方式中，该组合物包含至少30vol％，更优选至少35vol％，更加优选至少40vol％的可再生中间馏分组分。在一个实施方式中，该组合物包含10vol％-15vol％的可再生中间馏分组分。
在一个实施方式中，本发明的航空燃料组合物包含最高达约50vol％的可再生中间馏分组分。在另一个实施方式中，该组合物包含至多约30vol％的可再生中间馏分组分。在另一个实施方式中，该组合物包含至多约15vol％的可再生中间馏分组分。在另一个实施方式中，该组合物包含至多约10vol％的可再生中间馏分组分。在另一个实施方式中，该组合物包含至多约5vol％的可再生中间馏分组分。
在一个实施方式中，本发明的航空燃料组合物包含至少约95vol％的源于石油的喷气燃料组分。在另一个实施方式中，该组合物包含至少约90vol％的源于石油的喷气燃料组分。在另一个实施方式中，该组合物包含至少约85vol％的源于石油的喷气燃料组分。在另一个实施方式中，该组合物包含至少约70vol％的源于石油的喷气燃料组分。在另一个实施方式中，该组合物包含至少约50vol％的源于石油的喷气燃料组分。
在一个实施方式中，本发明的航空燃料组合物符合选自ASTM D1655、DEF-STAN91-91、JET A和JET A-1中的至少一种航空燃料标准。
在另一方面，本发明提供了一种生产本发明的航空燃料组合物的方法，该方法包括将源于石油的喷气燃料组分和可再生中间馏分组分混合。在一个实施方式中，源于石油的喷气燃料组分和可再生中间馏分组分按照包含约5vol％-50vol％可再生中间馏分组分和约50vol％-95vol％源于石油的喷气燃料组分的量混合至一起。
在一个实施方式中，该可再生中间馏分组分具有130-320℃的蒸馏范围。在另一个优选的实施方式中，该可再生中间馏分组分具有130-290℃的蒸馏范围。在一个实施方式中，所获得的燃料组合物包含至多30vol％，更优选至多35vol％，更加优选至多40vol％的可再生中间馏分组分。在一个实施方式中，该可再生中间馏分组分具有170-320℃的蒸馏范围。在一个实施方式中，所获得的燃料组分包含10vol％-50vol％的可再生中间馏分燃料组分。
根据一个实施方式，改进的且令人惊讶的粘度性能能够通过包含至多50％的可再生链烷烃组分的航空燃料共混物而获得。在-30至-40℃的温度下，该燃料共混物的粘度比通过计算的方法预期的粘度更好(即，更低)。因此，在包含常规和可再生燃料组分的燃料混合物中实现了增强的冷粘度性能。
增强的冷粘度特性的受益与燃料的可泵送性和流动特性有关。在航空领域，环境温度可能非常低，因此具有改进的冷粘度特性的燃油共混物是有益的且合乎需要的。
当将两种不同的中间馏分组分共混至一起时，不能根据组分的粘度和共混比率线性计算出燃料共混物的粘度。
燃料的粘度可以经由粘度指数(雪佛龙(Chevron)粘度共混函数)进行计算。燃料组分的粘度指数VBi可以通过使用公式(1)进行计算：
VBIi＝[LN(Csi)]/[LN(1000*Csi)] (I)，
其中Csi＝粘度。
燃料共混物的粘度指数VBIB可以通过使用公式(II)凭借各组分的粘度指数进行计算：
VBIB＝ΣViVBIi (II)，
其中Vi是该组分的体积比。
然后燃料共混物的粘度指数可以通过使用公式III转换为燃料共混物粘度CSB：
CSB＝EXP([[(VBIB)*LN(1000)]/[1-VBIB]) (III)。
粘度指数的公式(I)最初是为40℃的中间馏分型燃料开发的。
实施例1
测试了三种不同的可再生燃料。REN-1具有130-290℃的蒸馏范围，REN-2和REN-3具有170-320℃的蒸馏范围。该可再生燃料与化石喷气燃料(化石JET-1，化石JET-2和化石JET-3)进行共混。该共混物的粘度基于上述公式进行计算。粘度还使用方法EN ISO 3104(1996)进行测量。表1、2、3和4中列出了燃料共混物的实测和计算粘度的结果。
表1.REN-1和化石JET-1的共混物
表2.REN-2和化石JET-1的共混物
表3.REN-3和化石JET-2的共混物
表4.REN-3和化石JET-3的共混物
根据表1-4中所示的结果能够看出，与常规化石喷气燃料共混的可再生中间馏分组分(REN)在-20...-40℃下测得的粘度优于所述共混物的计算粘度。
REN比率越高而温度越低，此性能越强。所见的现象是对于含有5vol％-50vol％具有130-290℃的蒸馏范围的可再生中间馏分组分的燃料共混物，以及含有10vol％-50vol％具有170-320℃的蒸馏范围的可再生中间馏分组分的燃料混合物。
在计算上，可以假设的是，通过化石燃料和可再生燃料的共混物获得一定的粘度。出乎意料的是，对于根据本发明的组合物，已经证明的是该粘度比通过计算估计的更好。该观察结果反映于燃料共混物的冷可工作性中，即该燃料性能甚至比在高海拔低温下的计算预期还要好。共混物必须满足的规格限为-20℃下最大8mm2/s和-40℃下最大12mm2/s。该计算可用于估计共混之时使用的燃料比例，并且根据本发明，共混物中的可再生部分甚至可以在一定限度内增加，因为在这些较低温度下该燃料冷流动性能优于预期。因此，本文中观察到的现象还允许在共混的优化中进行变化。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述实施例，而是可以在权利要求的范围内进行变化。
Claims (15)
1.一种航空燃料共混物，根据EN ISO 3104-1996标准测量，在-40℃下具有12mm2/s或更低的实测粘度，且在-30℃下具有10mm2/s或更低的实测粘度，所述实测粘度比所述航空燃料共混物的计算粘度CsB低至少0.032mm2/s，
其中，所述航空燃料共混物由以下组成：
-至多70vol％的量的源于石油的喷气燃料，和
-30vol％-40vol％的量的可再生链烷烃中间馏分燃料，
所述计算粘度CsB是在相应温度下通过使用公式(III)基于所述源于石油的喷气燃料的粘度和所述可再生链烷烃中间馏分燃料的粘度针对所述航空燃料共混物计算的：
CsB＝EXP([(VBIB)*LN(1000)]/[1-VBIB]) (III)，
其中VBIB＝ΣViVBIi，
其中Vi是所述航空燃料共混物中燃料的体积比，并且
VBIi＝[LN(Csi)]/[LN(1000*Csi)]，
其中VBi是燃料的粘度指数，并且
Csi是燃料的粘度，
其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料来自植物油、动物脂肪、食用油、食品工业废脂肪和/或微生物油，和/或
其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料来自氢化脂肪酸和/或甘油三酸酯材料，
其中所述源于石油的喷气燃料符合选自ASTM D1655、DEFSTAN 91-91、JET A和JET A-1的至少一种航空燃料标准，
其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料包含：
大于70wt％的C15-C18链烷烃；
小于20wt％的小于C15链烷烃的链烷烃；和
小于10wt％的大于C18链烷烃的链烷烃。
2.根据权利要求1所述的航空燃料共混物，其中
所述源于石油的喷气燃料的粘度和所述可再生链烷烃中间馏分燃料的粘度根据ENISO3104-1996标准进行测量，
根据ENISO 3104-1996标准测量，所述航空燃料共混物在-20℃下具有8mm2/s或更低的实测粘度，和/或
所述氢化脂肪酸和/或甘油三酸酯材料获自废物流股。
3.根据权利要求1或2所述的航空燃料共混物，其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料具有130-320℃的蒸馏范围。
4.根据权利要求3所述的航空燃料共混物，其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料具有130-290℃的蒸馏范围。
5.根据权利要求4所述的航空燃料共混物，其中所述航空燃料共混物包含至少35vol％的可再生链烷烃中间馏分燃料。
6.根据权利要求3所述的航空燃料共混物，其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料具有170-320℃的蒸馏范围。
7.根据权利要求1或2所述的航空燃料共混物，其中
所述可再生链烷烃中间馏分燃料是异链烷烃中间馏分燃料，和/或
所述可再生链烷烃中间馏分燃料包含至多0.5vol％的量的芳族化合物，至少80vol％的量的异链烷烃，其余为其他链烷烃。
8.根据权利要求1或2所述的航空燃料共混物，其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料包含
大于85wt％的C15-C18链烷烃；
小于10wt％的小于C15链烷烃的链烷烃；和
小于5wt％的大于C18链烷烃的链烷烃。
9.一种用于生产航空燃料共混物的方法，根据ENISO 3104-1996标准测量，所述航空燃料共混物在-40℃下具有12mm2/s或更低的实测粘度，且在-30℃下具有10mm2/s或更低的实测粘度，所述实测粘度比所述航空燃料共混物的计算粘度CsB低至少0.032mm2/s，
其中在所述方法中将源于石油的喷气燃料和可再生链烷烃中间馏分燃料按照由30vol％-40vol％的可再生链烷烃中间馏分燃料和至多70vol％的源于石油的喷气燃料构成的量混合至一起，以获得所述航空燃料共混物，
所述计算粘度CsB是在相应温度下通过使用公式(III)基于所述源于石油的喷气燃料的粘度和所述可再生链烷烃中间馏分燃料的粘度针对所述航空燃料共混物计算的：
CsB＝EXP([[(VBIB)*LN(1000)]/[1-VBIB]) (III)，
其中VBIB＝ΣViVBIi，
其中Vi是所述航空燃料共混物中燃料的体积比，并且
VBIi＝[LN(Csi)]/[LN(1000*Csi)]，
其中VBi是燃料的粘度指数，并且
Csi是燃料的粘度，
其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料来自植物油、动物脂肪、食用油、食品工业的废脂肪和/或微生物油，和/或
其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料来自氢化脂肪酸和/或甘油三酸酯材料，
其中所述源于石油的喷气燃料符合选自ASTM D1655、DEFSTAN 91-91、JET A和JET A-1的至少一种航空燃料标准，
其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料包含：
大于70wt％的C15-C18链烷烃；
小于20wt％的小于C15链烷烃的链烷烃；和
小于10wt％的大于C18链烷烃的链烷烃。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料具有130℃-320℃的蒸馏范围。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料具有130℃-290℃的蒸馏范围。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所获得的航空燃料共混物包含至多35vol％的可再生链烷烃中间馏分燃料。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述可再生链烷烃中间馏分燃料具有170℃-320℃的蒸馏范围。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其中
所述源于石油的喷气燃料的粘度和所述可再生链烷烃中间馏分燃料的粘度根据ENISO3104-1996标准测量，和/或
根据ENISO 3104-1996标准测量，所述航空燃料共混物在-20℃下具有8mm2/s或更低的实测粘度。
15.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中
由废物流股获得所述氢化脂肪酸和/或甘油三酸酯材料。
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