CN1602227A - 用于氧化混合物的催化剂组合物和方法 - Google Patents

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    • C10L10/02—Use of additives to fuels or fires for particular purposes for reducing smoke development

Abstract

本发明涉及用于催化剂组合物和氧化燃料的方法。该催化剂组合物包含具有选自(III)族、(IIA)族和镧系元素之一的至少一种化合物，这些元素例如铝、镁或铈，和至少一种具有至少一种选自下述族的元素的化合物：(IA)族、(IVA)族、(VI)族、(VII)族、(VIII)族、(IB)族和(IIB)族，和它们的组合，如铂、铑和铼。氧化燃料的方法，该方法包括提供燃料和催化剂混合物；将燃料和催化剂分别输送至燃烧区；混合燃料和催化剂；和氧化燃料。该方法和催化剂混合物可以用于氧化任何基于烃的燃料。由于使用(III)族、(IIA)族或镧系元素的改善结果包括增大功率、降低有害的释放和较平稳的氧化过程。

Description

用于氧化混合物的催化剂组合物和方法
本申请涉及2001年3月2日提交的编号为60/273283，题目为“多功能液体催化剂”的美国临时性专利申请和2002年2月9日提交的编号为60/355773，题目为“用于氧化混合物的催化剂组合物和方法”的美国临时性专利申请。这些相关申请所公开的内容在此引入作为参考。
发明背景
1.技术领域
本发明一般涉及用于催化氧化作用的组合物和方法，更具体地涉及用于燃料氧化作用的催化剂混合物和输送催化剂的方法。
2.背景技术
通过包含铂、铑和铼化合物的催化剂混合物的鼓泡或喷射空气被用于输送铂、铑和铼化合物进入例如汽车发动机的燃烧室，以降低发动机的污染。在氧化作用中催化剂的使用和操作在本领域中以增加氧化过程的效率而著名，在特殊情况中用于降低污染。较高的效率和较低的污染是需要的。
此外，已发现在催化剂混合物中分散的颗粒由于加热或其与催化混合物中的有机添加剂络合而团聚。预防分散颗粒团聚是需要的，因为团聚的颗粒较难被空气流将其输送出催化混合物，至少部分是由于它们比未成块的颗粒重。
因此，需要一种用于氧化燃料的催化剂组合物和方法，它预防催化剂混合物中分散颗粒的聚集成块、降低污染的释放并增加燃料氧化作用生成的能量。
发明内容
本发明涉及使用加入到氧化作用的燃烧区中的催化剂混合物氧化燃料的方法。本发明组合物和方法提供了增加燃料氧化效率、降低有害的释放、得到较高功率和更稳定燃烧的途径，这往往导致发动机的较低磨损和损耗。本发明的具体实施方案中，将气体喷射通过催化剂混合物并将包含催化剂颗粒的气体输送到燃烧区中，在燃烧区中生成包含催化剂的环境以影响氧化过程的化学物质。该催化剂颗粒可以直接注入到燃烧区中或例如经燃烧区的空气入口间接注入或引入到燃烧区中。离子化喷射气体可以更进一步改善这些结果。
催化剂混合物的具体实施方案包括混合在例如水的基质中的至少一种具有选自下述元素的化合物：IA族、IIIA族、VIA族、VA族、VI族、VII族、VIII族、IVA族、IB族、IIB族元素和它们的组合，和至少一种具有至少一种选自III族、IIA族和镧系元素的元素，如铝、镁或铈的化合物。此外，催化剂混合物可以包括吸附剂、防冻剂和表面活性剂的一种或多种。已发现催化剂混合物的pH值对于预防催化剂团聚起至关重要的作用。团聚减少了空气流中可以载入燃烧区的催化剂颗粒数量，并可以导致部分催化剂混合物从悬浮液中沉降。
对柴油机进行的试验，此试验在其发动机燃烧室中使用本发明实施方案的催化剂颗粒，发现与没有催化剂颗粒运转的相同柴油机相比，使用相同柴油产生较高的功率、较小的振动和生成较少的有害释放。通过加入催化剂颗粒得到的很多优点甚至在催化剂颗粒不再被输送到燃烧区中之后还延续一段时间。本发明的实施方案可适用于任何氧化作用，包括但并不限于以下领域的氧化过程：锅炉、加热炉、涡轮发动机、往复式发动机、焚烧炉、明焰，和其它任何氧化烃燃料的过程。
附图说明
图1描述了根据本发明实施方案输送本发明催化剂至燃烧室的装置的一个实例；
图2描述了一种具有用于生成包含催化剂颗粒的气体流的催化剂室、催化剂输送和燃烧区的系统的实施方案；和
图3描述了氧化燃料的方法。
具体实施方案详述
本发明公开了通过在燃烧区混合催化剂颗粒和燃料来催化燃料氧化的方法和组合物。本文中，燃烧区是指并包括发生燃料氧化的区域和紧邻的周围区域。例如，对于往复式发动机和很多其它的燃烧过程，燃烧区是燃烧室中的区域。在焚烧炉、加热炉或锅炉中燃烧是长期的而不是短时间的燃烧，燃烧区是火焰区、紧邻区域和影响氧化过程的化学环境。通过喷溅如空气的气体流穿过催化剂混合物使催化剂颗粒可以载入气体流中到达燃烧区，可以把催化剂颗粒输送至燃烧区。
本发明的实施方案可以用于明焰或内焰(enclosed flame)燃烧区的氧化作用中。明焰氧化应用是一种其气体膨胀用于加热的氧化作用，用以加热、焚烧和/或软化、混合、燃烧和/或熔融物质。明焰氧化作用的实例包括并不限于加热炉和焚烧炉。内焰氧化是一种氧化作用，其中气体膨胀被直接用于做功，例如移动发动机中的活塞。内焰氧化应用的实例可以包括并不限于涡轮机和往复式发动机。本发明用于所有氧化过程。
按照本发明的实施方案，图1描述了用于喷溅催化剂混合物22的催化剂室15的横断面前视图。催化剂室包括与进入催化剂室15的空气入口14相连的喷溅管。或者，喷溅管可以是与空气入口14相连的软管。使气体“喷溅”或“鼓泡”通过用于氧化过程的混合物，包括使气体流经过混合物，使得在混合物中的分散颗粒可以以非蒸发或机械/物理的方式流化并通过气体流载入氧化燃烧区。“流化床”是常规术语，适用于使气体经过粉状固体，使得原本静止的粉末获得流化性质，例如变为可流动的。在本文中，经过液体催化剂混合物22的喷溅气体以非蒸发或机械的方式从液体混合物22中移出非挥发性固体催化剂颗粒，当颗粒进入液体催化剂混合物22上方的气体流时，通过气泡24在液体催化剂混合物22表面的爆裂，使得颗粒变为可流动的或流化的。在此流化状态中，可以通过气体流将催化剂颗粒载入燃烧区。
操作中，空气以箭头26的方向通过喷溅管12进入催化剂室15，得到通过催化剂混合物22的气泡24。催化剂室15的出口17与输送管23相连。尽管图1具体实施方案中显示有两根输送管23，但是可以使用仅一根或多于两根的输送管。通过对输送管23的开口21施加真空，使喷溅气体以箭头26的方向移动。或者，通过在正压下输送喷溅气体至喷溅管12入口11，使喷溅气体以箭头26的方向移动。基于计算每秒从喷溅管12释放的气泡数量得到的气泡速率可以通过调整施用于输送管23开口21的真空、通过调节喷溅管12的压力或通过在输送管23中引入合适的油门或限制器来控制。本发明实施方案中，气泡速率可以为每秒约2至约15个气泡。喷溅气体可以是空气、氮气、氩气、氦气和它们的组合，尽管可以使用其它气体。
或者，喷溅气体可以是正或负离子化的气体，例如选自空气、氮气、氩气、氦气和它们的组合。离子化喷溅气体可以通过将喷溅气体暴露于离子发生器的离子而形成，如可以得自All Electronics Corp.的Van Nuys CA91408。如上所述，离子化喷溅气体可以经过喷溅管12和催化剂混合物22到达输送管23。尽管不欲受此理论限制，但是仍认为基于带正电离子和带负电离子的自然吸引力，在喷溅气体中的带电离子可以吸引在催化剂混合物22中的带电离子。与通过电中性喷溅气体移出催化剂离子相比，带电喷溅气体和带电催化剂离子的自然吸引力可以增加通过离子化喷溅气体将催化剂离子从催化剂混合物22中移出的效率。通过喷溅离子化的喷溅气体，可以提高从催化剂混合物22中移出催化剂离子的效率。使用离子化喷溅气体还可以降低该方法使用及实现本发明优点所需的催化剂数量。与使用电中性喷溅气体从催化剂混合物22中移出催化剂离子的量相比，使用离子化喷溅气体还可以增加输送到氧化作用燃烧区中的催化剂离子的数量。
本发明的实施方案中，用于喷溅过程的催化剂混合物在诸如水的基质中包括至少一种包含至少一种III族或IIA族元素的催化剂化合物。水优选的是包含尽可能少的杂质的纯水。可以使用蒸馏水。在本发明的一个具体实施方案中，催化剂混合物包括含铝的催化剂化合物。可以使用的铝催化剂化合物的非限定性实例是AlO3。在本发明另一具体实施方案中，催化剂混合物包括含镁的催化剂化合物。可以使用的镁催化剂化合物的非限定性实例是MgCl2。
此外，催化剂混合物可以包括一种或多种气体催化剂化合物，该催化剂化合物包含一种或多种选自IA族、IIIA族、VIA族、VA族、VI族、VII族、VIII族、IVA族、IB族、IIB族及其组合的元素。例如，非限制性地，催化剂化合物可以是铂(Pt)化合物、铑(Rh)化合物、铼(Re)化合物、锂(Li)化合物、钾(K)化合物、钠(Na)化合物、铁(Fe)化合物、钼(Mo)化合物、锰(Mn)化合物、铜(Cu)化合物、金(Au)化合物或银(Ag)化合物。包括铂的具体实施方案中，铂化合物可以是铂的水溶性形式，例如氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)。包括铑的实施方案中，铑化合物可以是铑的水溶性形式，例如氯化铑(RhCl3)。包括铼的实施方案中，铼化合物可以是铼的水溶性形式，例如高铼酸(HReO4)。或者，铼化合物可以选自偏高铼酸盐、铼羰基卤化物和HReO4盐。包括铁的实施方案中，铁化合物可以是二茂铁。
在本发明具体实施方案中，使用包含III族的铝和VIII族的铂、铑和铼元素的催化剂化合物。对于混合物中的这些催化剂，铂的浓度，例如在催化剂混合物中H2PtCl6·6H2O的浓度可以至少为约0.6mg/ml；铑的浓度，例如在催化剂混合物中RhCl3的浓度可以至少为约0.07mg/ml；铼的浓度，例如在催化剂混合物中HReO4(高铼酸)的浓度可以至少为约0.1mg/ml；铝的浓度，例如在催化剂混合物中AlCl3的浓度可以至少为约0.07mg/ml。在本发明另一个具体实施方案中，在催化剂混合物中使用IIB族元素镁代替铝，镁的浓度，例如在催化剂混合物中MgCl2的浓度可以至少为约0.07mg/ml。预期在某些本发明的某些实施方案中，仅一部分铝被镁代替，使得催化剂混合物包括铝和镁。
每种催化剂成分的具体比例与如何使催化剂颗粒有利于达到本发明的各种优点相关。在本发明具体实施方案中，铂与铑的比率为约8.6∶1，铂与铼的比例为约6∶1和铂与铝的比例为约8.6∶1。在用镁代替铝的实施方案中，铂与镁的比率为约8.6∶1。不过，认为其它每种催化剂成分与铂的比例可以大大高于或低于在此具体实施方案中所使用的比例。例如，认为铂与铼和铂与铝或镁的比例可以分别为30∶1至1∶1，更特别的是15∶1至2∶1，铂与铑的比例可以为30∶1至4∶1，更特别的是15∶1至4∶1。实际的最大和最小可工作范围还没有进行全面的研究。
还应理解，在本发明的实施方案中，仅使用铂和一种其它成分(即铑、铼或镁或铝)将同样对氧化过程提供一些益处。甚至使用没有铂的催化剂系统时，与没有催化剂的氧化过程相比仍显示出一些改善。
已推论出在上述催化剂混合物中，上述III族元素作为混合物的一部分，特别是铝，可以用作催化剂混合物的吸附剂。在催化剂混合物中合适的吸附剂可以导致催化剂成分被吸附或吸收至吸附剂。这可以有助于通过阻止催化剂与其它元素结合将催化剂输送至喷溅气体流。这还可以有助于减少催化剂成分的团聚。团聚的减少和阻止催化剂成分互相结合都是所希望的，因为这导致较多的催化剂颗粒到达燃烧区，因此提高催化剂的效率。或者，或此外，已推论出例如铝的III族元素或例如镁的IIA族的元素在燃烧区中用作促进剂，能使燃料在较低的温度下被氧化并氧化较长时间。作为第二理论的一部分，认为在燃烧区中放入III族或IIA族元素，特别是铝，在燃烧区内创造出较好的导电性环境，能使氧化作用更快地发生。对于燃料的较快氧化，较多燃料燃烧导致较少的释放、较高的功率输出和较低的燃烧温度。如果用作该功能，III族或IIA族元素起氧化过程促进剂的作用。无论加入到催化剂混合物中的III族或IIA族元素，具体的为铝或镁，是作为吸附剂、促进剂，还是一些其它功能，试验结果清楚表明在催化剂混合物中的III族或IIA族元素明显有利于氧化过程。
催化剂混合物的具体实施方案，如图1中所示的催化剂室15中的催化剂混合物22，优选可以包括其它成分，如一种或多种吸附剂、一种或多种防冻剂、一种或多种pH调节剂/缓冲剂和一种或多种表面活性剂，下面将更全面地描述。
可以加入到本发明实施方案中的催化剂混合物中的吸附剂化合物的实例包括含有诸如铝(Al)的III族元素或诸如铈(Ce)的镧系元素的吸附剂化合物。可以认为，在本发明具体实施方案中，诸如铈(Ce)的镧系元素可以代替III族元素加入到催化剂混合物中。这样的催化剂混合物的一种具体实例可以包括但不限于含有至少铂、铑、铼和铈作为催化剂的催化剂混合物。III族或镧系吸附剂可以加入到催化剂混合物中作为前体材料，例如但不限于AlCl3、Al(NO3)3、CeCl3或Ce(NO3)3，在催化剂混合物中当吸附剂前体材料与水反应时形成吸附剂颗粒。吸附剂前体材料如AlCl3、Al(NO3)3、CeCl3或Ce(NO3)3是特别有用的，因为它们往往在催化剂混合物中形成细分散的和易于分散的吸附剂材料。吸附剂材料例如可以包括由AlCl3或Al(NO3)3与水反应形成的氧化铝(Al2O3)。吸附剂材料例如还可以包括由CeCl3或Ce(NO3)3与水反应形成的氧化铈(CeO2或Ce2O3)。当催化剂混合物包含吸附剂材料时，催化剂化合物可以被吸附或吸收至如上所述的吸附剂材料上。本发明具体实施方案中，吸附剂可以包含氧化铝和氧化铈。
可以加入到本发明实施方案中的催化剂混合物中的防冻剂的实例可以包括含醇防冻剂，如乙二醇、丙三醇、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、已醇、异丙醇、异丁醇和它们的组合。
可以加入到本发明实施方案中的催化剂混合物中的表面活性剂的实例可以包括乙二醇、其它二元醇、硅油、洗涤剂和它们的组合。表面活性剂减少了当气泡在催化剂混合物表面破裂时在催化剂室中催化剂混合物形成的泡沫。这允许催化剂颗粒可以更容易的转移至催化剂混合物表面之上的大气中，并被气体流载走。
本发明实施方案中的催化剂混合物组合物的pH值应为可基本避免颗粒团聚的pH值，该催化剂混合物组合物包括催化剂化合物、任何吸附剂、防冻剂和/或表面活性剂。团聚的颗粒是不希望的，因为团聚的颗粒较难由空气流输送出催化剂混合物，至少部分因为它们比未团聚的颗粒重。已发现对于本发明实施方案的催化剂混合物组合物，pH小于约4.0对于防止形成团聚颗粒是理想的。PH高于约4.0时，催化剂成分表现为在催化剂室中团聚。在本发明具体实施方案中，使用的pH在约1.4至约3.0的范围内。在本发明更具体实施方案中，使用的pH在约1.6至约2.2的范围内。催化剂混合物的pH值可以通过加入适量的酸和/或碱进行调整。催化剂混合物的pH值还可以通过使用合适的缓冲剂进行调整，缓冲剂可以为例如三(羟甲基)氨基甲烷和柠檬酸一水合物缓冲剂。已知可用于阻止团聚的其它化合物的实例为氯化锂(LiCl)、氯化钠(NaCl)和HCl。
图2描述了用于输送催化剂颗粒至氧化过程的燃烧区19的催化剂输送系统40。燃烧区19可以是内焰燃烧区或明焰燃烧区。在催化剂室15中从催化剂混合物中喷溅的催化剂颗粒由催化剂输送器21输送至燃烧区19。催化剂输送器21可以简单的为一根与燃烧区19空气入口相连的管，或可以包含一个或多个下述部件以指挥、调节、监控和控制催化剂颗粒通向燃烧区19的流量：泵、注入器、限流器、注孔控制器、调节器和其它部件。
催化剂颗粒被由喷溅气体流从催化剂室15经过输送管27输送至燃烧区19。或者，催化剂混合物和催化剂颗粒可以直接注入管27中并由喷溅气体清除送入燃烧区19。或者，燃烧空气和/或惰性气体进料管27可以与输送管23连接以清除喷溅气体或直接将催化剂混合物注入燃烧区19中。燃烧空气可以由例如强制通风进气提供。
在一个具体实施方案中，对于本发明在用于加热炉的明焰氧化用途的氧化过程中的应用，其中将火焰置于热交换器之下以将热由火焰传送至储热设备如锅炉中，将催化剂颗粒输送至燃烧区19并与燃烧空气混合以影响氧化燃料的燃烧区的化学环境。在另一个具体实施方案中，对于本发明在用于焚烧炉的明焰氧化用途的氧化过程中的应用，其中燃烧可氧化废物，催化剂颗粒被输送至焚烧炉燃烧区19以影响燃烧区中的化学环境。
类似的解释可以用于涉及燃烧区19的本发明具体实施方案，例如包括但不仅限于，内燃机燃烧区19，如旋转式发动机、汽油发动机、柴油发动机、涡轮发动机、天然气和其它代用燃料发动机，或其它应用如加热炉、焚烧炉、锅炉和其它使用任何燃料的明焰氧化的应用。已确定将催化剂颗粒从本发明实施方案的催化剂混合物中喷溅至燃烧区19中或直接将催化剂混合物注入燃烧区19中，以减少一氧化碳、碳微粒和NOx(此处，x等于1或2)的形式减少了通常与氧化过程相关的空气污染。还认为本发明减少了氧化硫的释放，如SOx，此处，x等于2或3。已知可以加入另外的催化剂如二茂铁以特别降低SOx的释放。可以使用本发明实施方案的催化剂混合物的燃料的非限制性实例是2号燃料油、原油精炼的燃料油、柴油、汽油；压缩或液化天然气；酒精-汽油混合燃料；任何具有一个或多个碳原子的烃，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、甲苯、二甲苯、辛烷、苯；具有下述醇的混合物：甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、异丁醇、戊醇、己醇、庚醇和辛醇；植物油，如玉米油；矿物油；煤；煤气；沥青蒸汽；化学过程的可氧化蒸汽；木；纸；和它们的组合。
图3描述了用于氧化燃料的方法30。通过下述步骤氧化燃料：供给待氧化燃料和本发明催化剂混合物(步骤32)，将催化剂颗粒与燃烧空气混合(步骤34)，将包含催化剂的空气与燃料混合(步骤36)，氧化燃料(步骤38)。如上所讨论的内容，催化剂可以由燃烧区燃烧空气入口的喷溅气体流从催化剂混合物输送至燃烧区(步骤34)，可以直接注入到燃烧区燃烧空气入口，或直接注入燃烧区。燃料可以通过本领域中任何已知使用的方法，包括但不限于直接注入的方法输送至燃烧区。另外，各种催化剂颗粒可以通过独立的喷溅工艺或注入，分别送入燃烧空气中。
在燃料罐中与燃料混合的催化剂，也称为燃料添加剂，随着时间的过去易于从燃料中沉降出来并聚集于燃料罐底部。此外，当将催化剂与燃料混合后再与燃烧空气混合时，催化剂颗粒附于燃料上。对于液体燃料，如果液体燃料与催化剂预混，则甚至在燃料蒸发(通常也称为“雾化”)后，燃料仍阻止大部分尽管不是全部的催化剂颗粒催化燃烧空气。不要将本发明催化剂混合物与燃料添加剂相混淆。通过加入燃料前混合流化的催化剂颗粒与燃烧空气，催化剂颗粒可以催化用于氧化过程的燃烧空气。通过在将其与燃料混合前催化燃烧空气的方式激发催化剂，同与液体燃料预混合的情况相比催化剂具有更高的活性。因此，催化剂进一步加速燃烧空气中氧气的分离。燃烧区环境中包含催化剂的燃烧空气先被催化，然后燃烧，这样与催化剂仅和液体燃料混合的情况相比，燃料的氧化更完全。当催化剂颗粒随后与氧化燃料混合时，它们也催化燃料。直接混合在液体燃料中的催化剂先催化燃烧区环境然后氧化燃料的机会即使有，也非常少。
如上所述，可以认为将特别是铝或镁的III或IIA族元素与燃烧空气混合，然后将燃烧空气与燃料混合，建立了更导电的氧化环境。进一步认为在氧化过程中，更导电的环境可以使燃料的氧化作用更快发生，因为与氧化过程相关的电子可以更快运动。然而，实际燃烧时间可以由于燃料氧化更完全而增加。在很多氧化过程中，例如，柴油往复式发动机、一些燃料在燃烧室中氧化不完全。这导致从柴油发动机中释放较多有害的物质。通过加速氧化作用或延长其持续时间，燃烧较多的燃料且减少有害物质的释放。
实施例1
参考图3，可以根据本申请所公开的方法和组合物氧化汽油燃料。此实施例涉及一种汽油燃料发动机，该发动机的燃料消耗率为每小时5加仑，运转至少400小时消耗约两千(2,000)加仑(6056公斤)燃料。一般汽车消耗燃料约为每小时5加仑。给该发动机提供了如图1所示的催化剂输送系统。用于此实施例的燃料率为每小时5加仑的具体催化剂混合物如下：
向1升水中加入：
2.4g(2.4毫克/毫升，mg/ml)H2PtCl6·6H2O(氯铂酸)
0.4g(0.4mg/ml)HReO4(高铼酸)
0.28g(0.28mg/ml)RhCl3
0.28g(0.28mg/ml)AlCl3.
输送系统的催化剂室15装有36ml该催化剂混合物和包含等份乙二醇和水的足量碱液和5400ppm重量LiCl(统称为“组合催化剂混合物”)，在催化剂室中总共有650ml的组合催化剂混合物。通过滴加稀盐酸水溶液调整组合催化剂混合物的pH值在1.6-2.4范围内。
燃料消耗率为5加仑/小时的情况下，650ml组合催化剂混合物中36ml催化剂混合物以每秒钟4-6个气泡的发泡速率喷溅至少400小时，并且仍然有效。包含催化剂颗粒的本实施例喷溅空气被置入汽油发动机燃烧室的空气入口。
对于具有较高燃料消耗率的发动机，组合催化剂混合物中催化剂混合物的浓度可以进行调整，以使650ml组合催化剂混合物包含约36ml催化剂混合物，其燃料消耗率为5加仑/小时。因此，催化剂混合物可以和碱液分开生产、销售和配送，并按最终用户如汽车车主的需要将其加入到催化剂室的碱液中。试验结果表明当在650ml组合催化剂混合物中催化剂混合物多于约160ml时，加入更多催化剂的优点降低。在发动机消耗多于约22.5加仑/小时燃料的情况下，为了实现最高的效率，可能需要多于一个的液体催化剂分配器。试验结果还表明将较多的铝加入到催化剂混合物中，甚至双倍至0.56mg/ml，与加入较少的铝的情况相比得到较好的性能结果。甚至在发动机中使用较少量铝的催化剂混合物与没有任何铝的情况相比运行得更好。
已发现使用上述组合催化剂混合物的发动机降低了大于50％的NOx、烃和一氧化碳的释放。尽管没有直接测试，但认为SOx的释放也由于效率的增加而降低了。
通过使用本发明催化剂混合物改变燃烧区环境的化学特性，可以影响各种燃料和催化剂元素的相互反应和氧化的化学过程，甚至可以改变燃料的氧化温度。其他研究人员的研究已表明，镀有铂的燃烧室降低有害的释放并将燃烧气体的回旋温度从约330℃降至约220℃。降低的燃烧气体回旋温度被认为进一步延长燃烧过程的燃烧时间。
实施例2
下述具体试验是使用组合催化剂混合物在单一Cepillar ModelNo.3408系列柴油发动机上进行的，该组合催化剂混合物包含水、2.4mg/ml  H2PtCl6·6H2O，0.4mg/ml  HReO4、0.28mg/ml  RhCl3和0.28mg/ml  AlCl3的144ml混合物，和包含等份乙二醇和水以及5400ppm(重量)LiCl的液体以使催化剂室中组合催化剂混合物总量达到650ml。使用实施例1中所述相同的喷溅方法将催化剂颗粒载入燃烧室中。除非另外说明，发动机在85％负载下运行。如实施例1的描述，144ml催化剂混合物对于20加仑/小时燃料的消耗量是足够的。在85％负载下，Catepillar发动机通常消耗约23加仑/小时。虽然，对于这些试验催化剂混合物是不充足的。上述讨论的试验是由合适的校准设备进行的标准化工业试验，而且对于普通本领域技术人员是清楚的。
马力
使用水力制动器发动机的测功器在燃烧室中不加入催化剂的情况下测试发动机的马力(Hp)，发现约为447Hp。当催化剂从催化剂混合物喷溅至燃烧室中时，发现发动机的马力为约520Hp。这反映出使用本发明催化剂混合物与相同条件下在发动机的燃烧室中不加入催化剂的情况下运行相同的发动机相比，发动机马力(Hp)增加16.3％。
有害的释放
催化剂从催化剂混合物喷溅至发动机燃烧室的情况与相同发动机在相同的操作条件下不喷溅加入催化剂至发动机燃烧室运行的情况相比较，使用多种标准有害释放检测器发现发动机废气中不透明度降低了79％，一氧化碳降低了60％和烃降低了66％。
认为使用喷溅催化剂混合物导致催化剂颗粒被吸附于发动机金属表面而且排气导致在例如燃烧室内壁上形成暂时性催化剂薄层。这有利于延长催化剂的有益时间至催化剂被有效递送之后。在发动机操作中，催化剂的递送可以是断断续续地周期性循环，与使用较少量的催化剂组合物具有相近的优点。
扭转振动
扭转振动由CSI2120A Machine Analyzer的电子感应式接收装置(转速计传感器)进行测量。
表1反映了没有催化剂从催化剂混合物喷溅至发动机的情况下的发动机扭转振动和在催化剂从催化剂混合物喷溅至发动机情况下的发动机扭转振动。在表1中，“整体(G-DG)”是测量中度数的区别，“RMS”是所有测量的相关平均度数变化的均方根，“负载”表示发动机在100％负载下操作，“RPM”是每分钟的转数，和“RPS”是每秒钟的转数。正如表1中所证实的，在相同条件下但是在燃烧室中使用本发明催化剂的情况中，整体(G-DG)和RMS减少了，而且由全程旋转增加了RPS。
            表1.扭转振动总结-静态
    无催化剂     有催化剂
    整体(G-DG)     0.1099度     0.1022度
    RMS     0.1093度     0.1018度
    负载     100％     100％
    RPM     2055     2115
    RPS     34.25     35.26
表2反映了在将催化剂颗粒加入至燃烧空气入口流的情况下，对于发动机振动的谐振值(harmonics)的发动机扭转振动的变化。
表2.扭转振动谐振值的总结
    谐频值     ％变化
    0.50     -27
    1.50     -21
    2.00     -23
    2.50     -5
    3.00     -27
    3.50     -24
    4.00     -24
    4.50     -6
    5.00     -5
    5.50     7
对于较小振动和较快的发动机，较多的燃料氧化能量以功率而不是振动返回发动机。发动机转矩或动转矩的降低意味着发动机运转平稳而且杆轴承和主轴承的应变较小，这导致较长的发动机寿命。
超声波能
发动机超声波能量使用CSI2120A Machine Analyzer的专用加速计进行测量。
表3反映了没有催化剂从催化剂混合物喷溅至发动机的情况下的超声波能和具有催化剂从催化剂混合物喷溅至发动机情况下的超声波能。在表3中，“RMS”是超声波形的均方根，“Load”表明发动机在100％负载下操作，“RPM”是每分钟的转数，和“RPS”是每秒钟的转数，PK(+)和PK(-)分别代表在标准单元中振动的正峰和负峰，和“CrestF”是平均值与峰值的比值。
                   表3.超声波能总结
    无催化剂     有催化剂
    RMS     6.64     7.10
    负载     100％     100％
    RPM     2073     2116
    RPS     34.55     35.26
    PK(+)     21.42     26.33
    PK(-)     17.37     19.28
    总值(PK(+)+PK(-))     38.79     45.61
    CrestF     3.23     3.7
往复式发动机的超声波能是发动机能量和平稳性的标志。当超声波能增加时，这说明燃料燃烧更有效而且更平稳。更有效可以是指能量推动作用较强或时间较长。因此，将在燃烧空气中使用催化剂的情况与在燃烧空气中没有使用催化剂的情况进行比较，这些试验表明发动机超声波能增加约3.3dB或8.13％(求汽缸1，3，5和7的平均值)。
本文所述的上述实施方案和实施例是为了更好的说明本发明和它的实际应用，从而能使本领域技术人员进行和使用本发明。然而，本领域技术人员将认识到，上述描述和实施例仅为举例说明的目的。所陈述的说明内容不是穷举的说明或将本发明限制于所公开的细节。对于本领域技术人员显而易见的很多改善和变化包括在由所附权利要求所定义的本发明范围内。

Claims (66)

1.氧化燃料的方法，包括：
提供催化剂混合物，该催化剂混合物包含至少一种具有至少一种选自III族和IIA族的元素的化合物，和至少一种具有至少一种选自IA族、IVA族、VI族、VII族、VIII族、IB族、IIB族及共组合的元素的化合物；
混合一部分催化剂混合物和燃烧空气，然后混合催化剂混合物和待氧化的燃料；
氧化燃料。
2.权利要求1的方法，还包括在催化剂混合物中加入液体，然后将其与燃烧空气混合。
3.权利要求2的方法，其中液体包含选自乙二醇和水的一种或多种液体。
4.权利要求3的方法，其中液体还包含氯化锂。
5.权利要求1的方法，还包括喷溅气体通过催化剂混合物，生成流化的催化剂颗粒以与燃烧空气混合。
6.权利要求5的方法，还包括离子化喷溅气体，然后将其喷溅通过催化剂混合物。
7.权利要求5的方法，其中喷溅气体选自空气、氦气、氮气、氩气和它们的组合。
8.权利要求1的方法，其中具有III族元素的混合物选自AlCl3和Al(NO3)3。
9.权利要求1的方法，其中催化剂混合物包含铂、铑、铼、锰、铁、铝、镁和钼中的一种或多种。
10.权利要求1的方法，其中氧化燃料包括以明焰方式氧化燃料。
11.权利要求1的方法，其中氧化燃料包括以内焰方式氧化燃料。
12.权利要求1的方法，其中氧化燃料包括氧化汽油。
13.权利要求1的方法，其中氧化燃料包括氧化柴油燃料。
14.权利要求1的方法，其中氧化燃料包括氧化选自2号燃料油、原油精炼的燃料油、柴油、汽油；压缩或液化天然气；酒精-汽油混合燃料；任何具有一个或多个碳原子的烃，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、甲苯、二甲苯、辛烷、苯；醇的混合物，含有甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、异丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇和它们的组合；植物油，如玉米油；矿物油；煤；煤气；沥青蒸汽；化学过程的可氧化蒸汽；木；纸；和它们的组合的燃料。
15.权利要求1的方法，其中氧化燃料包括在选自汽油燃料发动机和柴油燃料发动机的往复式发动机的燃烧室中进行氧化。
16.权利要求1的方法，其中氧化燃料包括在往复式发动机的燃烧室中氧化燃料，其中燃料选自2号燃料油、原油精炼的燃料油、柴油、汽油；压缩或液化天然气；酒精-汽油混合燃料；任何具有一个或多个碳原子的烃，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、甲苯、二甲苯、辛烷、苯；醇的混合物，含有甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、异丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇和它们的组合；植物油，如玉米油；矿物油；煤；煤气；沥青蒸汽；化学过程的可氧化蒸汽；木；纸；和它们的组合。
17.权利要求1的方法，其中氧化燃料包括在选自加热炉、锅炉和焚烧炉的装置的燃烧区中进行氧化。
18.权利要求1的方法，其中氧化燃料包括在选自焚烧炉、排出气体燃烧器、加热炉、汽轮机和它们的组合的装置中进行氧化。
19.权利要求1的方法，其中提供催化剂混合物还包括提供pH值小于约4.0的催化剂混合物。
20.权利要求19的方法，其中提供催化剂混合物还包括提供pH值在约1.4至约3.0之间的催化剂混合物。
21.权利要求20的方法，其中提供催化剂混合物还包括提供pH值在约1.6至约2.2之间的催化剂混合物。
22.权利要求1的方法，其中催化剂混合物包括Pt的浓度，按H2PtCl6·6H2O计至少约0.28mg/ml；Rh的浓度，按RhCl3计至少约0.07mg/ml；Re的浓度，按高铼酸计至少约0.1mg/ml；和Al的浓度，按AlCl3计至少约0.07mg/ml。
23.权利要求1的方法，其中催化剂混合物包括Pt的浓度，按H2PtCl6·6H2O计至少约0.28mg/ml；Rh的浓度，按RhCl3计至少约0.07mg/ml；Re的浓度，按高铼酸计至少约0.1mg/ml；和Mg的浓度，按MgCl2计至少约0.07mg/ml。
24.权利要求1的方法，其中催化剂混合物还包括表面活性剂。
25.权利要求2的方法，其中液体还包括表面活性剂。
26.权利要求1的方法，其中混合一部分催化剂和燃烧空气，包括将催化剂颗粒输送至燃烧区燃烧空气入口，并在空气入口混合催化剂和燃烧空气。
27.权利要求1的方法，其中Pt与Rh在混合物中的比例为约15∶1至约4∶1，Pt与Re在混合物中的比例为约15∶1至约2∶1，Pt与Al在混合物中的比例为约15∶1至约2∶1。
28.权利要求24的方法，其中Pt与Rh在混合物中的比例为约8.6∶1，Pt与Re在混合物中的比例为约6∶1，Pt与Al在混合物中的比例为约8.6∶1。
29.一种用于生成用于燃料氧化的流化催化剂颗粒的催化剂混合物，该催化剂组合物包含：
至少一种具有选自III族、IIA族或镧系元素的至少一种元素的化合物；和至少一种具有选自IA族、IVA族、VI族、VII族、VIII族、IB族或IIB族和它们的组合的至少一种元素的化合物。
30.权利要求29的催化剂混合物，其中催化剂混合物包括Pt的浓度，按H2PtCl6·6H2O计至少约0.28mg/ml；Rh的浓度，按RhCl3计至少约0.07mg/ml；Re的浓度，按高铼酸计至少约0.1mg/ml；和Al的浓度，按AlCl3计至少约0.07mg/ml。
31.权利要求29的催化剂混合物，其中催化剂混合物包括Pt的浓度，按H2PtCl6·6H2O计至少约0.28mg/ml；Rh的浓度，按RhCl3计至少约0.07mg/ml；Re的浓度，按高铼酸计至少约0.1mg/ml；和Mg的浓度，按MgCl2计至少约0.07mg/ml。
32.权利要求29的催化剂混合物，其中催化剂混合物还包括酸的水溶液，其中酸的水溶液中的催化剂混合物pH值小于约4.0。
33.权利要求32的催化剂混合物，其中酸的水溶液是盐酸的水溶液。
34.权利要求29的催化剂混合物，其中酸的水溶液中催化剂混合物pH值在约1.4至约3.0之间。
35.权利要求29的催化剂混合物，其中酸的水溶液中催化剂混合物pH值在约1.6至约2.2之间。
36.权利要求29的催化剂混合物，还包括含有基本等份的乙二醇和水的液体。
37.权利要求35的催化剂混合物，还包括一种或多种LiCl、NaCl和HCl。
38.权利要求29的催化剂混合物，其中催化剂混合物还包含选自下述物质的表面活性剂：乙二醇、丙三醇、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、异丙醇、异丁醇、硅油和它们的组合。
39.权利要求29的方法，其中Pt与Rh在混合物中的比例为约15∶1至约4∶1，Pt与Re在混合物中的比例为约15∶1至约2.1，Pt与Al在混合物中的比例为约15∶1至约2∶1。
40.权利要求39的方法，其中Pt与Rh在混合物中的比例为约8.6∶1，Pt与Re在混合物中的比例为约6∶1，Pt与Al在混合物中的比例为约8.6∶1。
41.燃料氧化系统，包括：
氧化燃料的燃烧区；
具有催化剂混合物的催化剂室，该催化剂混合物包括：
至少一种具有选自III族、IIA族或镧系元素的至少一种元素的化合物；和至少一种具有选自IA族、IVA族、VI族、VII族、VIII族、IB族或II族的元素和它们的组合的至少一种元素的化合物；
和装备有将催化剂颗粒从催化剂室输送至燃烧区的催化剂输送器。
42.权利要求41的系统，其中燃烧区是明焰的燃烧区。
43.权利要求41的系统，其中燃烧区是内焰的燃烧区。
44.权利要求41的系统，其中系统装备有氧化选自汽油和柴油的燃料的系统。
45.权利要求41的系统，其中系统装备有氧化选自下述燃料的系统：2号燃料油、原油精炼的燃料油、柴油、汽油；压缩或液化天然气；酒精-汽油混合燃料；任何具有一个或多个碳原子的烃，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、甲苯、二甲苯、辛烷、苯；醇的混合物，含有甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、异丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇和它们的组合；植物油，如玉米油；矿物油；煤；煤气；沥青蒸汽；化学过程的可氧化蒸汽；木；纸；和它们的组合。
46.权利要求41的系统，其中燃烧区是选自汽油燃料发动机和柴油燃料发动机的往复式发动机的燃烧室。
47.权利要求41的系统，其中燃烧区是装备有氧化选自下述燃料的往复式发动机的燃烧室：2号燃料油、原油精炼的燃料油、柴油、汽油；压缩或液化天然气；酒精-汽油混合燃料；任何具有一个或多个碳原子的烃，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、甲苯、二甲苯、辛烷、苯；下述醇的混合物：甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、异丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇和它们的组合；植物油，如玉米油；矿物油；煤；煤气；沥青蒸汽；化学过程可氧化蒸汽；木；纸；和它们的组合。
48.权利要求41的系统，其中氧化燃料包括在选自加热炉、锅炉和焚烧炉的设备中的燃烧区进行氧化。
50.氧化燃料的方法，该方法包括：
喷溅气体经过催化剂混合物，此催化剂混合物包含至少一种铂化合物和包含铝和镁至少之一的至少一种化合物；将催化剂混合物颗粒与燃烧空气混合，然后加入燃料；和在存在含有催化剂的燃烧空气的条件下氧化燃料。
51.权利要求50的方法，其中喷溅气体选自氦、氩、氮、空气和它们的组合。
52.权利要求50的方法，还包括离子化喷溅气体，然后将其喷溅经过催化剂混合物。
53.权利要求50的方法，还包括在负压下将颗粒输送至燃烧区。
54.权利要求50的方法，还包括形成pH值小于约4.0的催化剂混合物，然后喷溅气体经过催化剂混合物。
55.权利要求50的方法，还包括形成pH值在约1.4至约3.0之间的催化剂混合物，然后喷溅气体经过催化剂混合物。
56.用于氧化燃料的催化剂混合物，此催化剂混合物包括：
约0.24mg/mlH2PtCl6·6H2O；
约0.28mg/mlRhCl3；
约0.4mg/mlHReO4；和
在约0.28mg/ml至0.56mg/ml之间的AlCl3和MgCl2中的至少一种。
57.权利要求56的催化剂混合物，其中Pt与Rh在混合物中的比例为约15∶1至约4∶1，Pt与Re在混合物中的比例为约15∶1至约2∶1，Pt与Al或Mg在混合物中的比例为约15∶1至约2∶1。
58.权利要求57的催化剂混合物，其中Pt与Rh在混合物中的比例为约8.6∶1，Pt与Re在混合物中的比例为约6∶1，Pt与Al或Mg在混合物中的比例为约8.6∶1。
59.权利要求56的催化剂混合物，其中催化剂混合物的总体积为约650ml。
53.权利要求51的催化剂混合物，此混合物还包括HCl、NaCl和LiCl中的一种或多种。
54.权利要求53的催化剂混合物，其中按重量计此混合物包括约5400ppm的LiCl。
55.权利要求49的催化剂混合物，还包括盐酸。
56.权利要求49的催化剂混合物，其中催化剂混合物的pH值小于约4.0。
57.权利要求49的催化剂混合物，其中催化剂混合物的pH值在约1.2至约4.0之间。
58.权利要求49的催化剂混合物，其中催化剂混合物的pH值在约1.4至约3.0之间。
59.权利要求49的催化剂混合物，其中催化剂混合物的pH值在约1.6至约2.2之间。
60.权利要求49的催化剂混合物，其中催化剂混合物还包括选自下述物质的表面活性剂：甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、异丙醇、异丁醇、硅油和它们的组合。
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