DE2022585A1 - Brennstoff fuer Gasturbinen,Dieselmotoren u.dgl. - Google Patents

Description

Patentassessor ' Homberg, den 6. April 1970 Dr. G. Schupf her ■' . I 70 005 c/o Deutsche Erdöl AG D 71 254-01 4102 Homberg/Ndrh.
Baumstr. Jl .

TEZACO DEVELOPMENT COEPOHATION

35 East 42nd Street New York, N.Y, 10 017

U.S.A.

Brennstoff für Gasturbinen, Dieselmotoren und dgl,

Die Erfindung betrifft die Zusammensetzung des Brennstoffes für Gasturbinen, Dieselmotoren und dgl., der aus Kohlenwasserstoff-Mitteldestillaten im Siedebereich des Kerosins oder Benzins besteht.

Gasturbinen finden ausgedehnte Verwendung in stationären Stromer,.·ζeugungs- und Pumpanlagen sowie zum Antrieb von Düsenflugzeugen. Diese Turbinen sind für hohe Leistungen ausgelegt und verbrauchen enorme Mengen flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffs. Der Brennstoffbedarf dieser Turbinen wird von einem System befriedigt, das eine leistungsfähige Brennstoffpumpe enthält, die die notwendige Brennstoffmenge fördert.

Erdöl-Destillatfraktionen im Siedebereich des Kerosins oder · Gasolins (Benzins) besitzen keine nennenswerte Schmierfähig-i keit. Das trifft insbesondere zu für leichtes Naphtha, das aus wirtschaftlichen Gründen als Brennstoff für Gasturbinen oft attraktiv ist. Außerdem machen es die hohe Lösefähigkeit der genannten Erdölschnitte und das ständige Auswaschen mit großen Volumina davon unmöglich, einen Schmiermittelfilm auf den Flächen der.Brennstoffpumpe aufrechtzuerhalten. Aus

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diesen Gründen sind die Brennstoffpumpen von Gasturbinen hochgradigem Verschleiß ausgesetzt, der zum Versagen der Brennstoffpumpe und zum Ausfall des Turbinenmotors führt.

Zur Lösung des Verschleißproblems von Brennstoffpumpen sind bereits Gasturbinen-Brennstoffe mit verschleißmindernden Eigenschaften vorgeschlagen worden. Es ist bisher jedoch kein Gasturbinen-Brennstoff bekannt geworden, der gute Verschleißminderung zeigte, die übrigen notwendigen Eigenschaften besäße und sich im Handel eingeführt (durchgesetzt) hätte.

Der Bedarf an einem "sauberen" Dieselkraftstoff, d.h. einem Brennstoff für Dieselmotoren, der eine geringere Menge unerwünschter Verunreinigungen in den Abgasen ergibt, hat Abänderungen in der Zusammensetzung solcher Brennstoffe notwendig gemacht. Bisher enthielten Dieselkraftstoffe einen Erdölschnitt, der dem Motor befriedigendes Verschleißverhalten verlieh. Es wurde zwar ein "sauberer" Dieselkraftstoff durch Verwendung einer leichteren Kohlenwasserstoff-Fraktion geschaffen, jedoch entstand dadurch ein Verschleißproblem bei Dieselmotoren. Pur einen marktgerechten "sauberen" Dieselkraftstoff ist es wichtig, eine Zusammensetzung zu schaffen, die das Verschleißproblem löst.

Brennstoffe für Gasturbinen und Dieselmotoren müssen überdies andere wesentliche Anforderungen erfüllen, wenn sie marktgängig sein sollen. Diese Brennstoffe müssen insbesondere wärmebeständig sein, antioxydierende Eigenschaften sowie einen ausreichenden Vasser-Separometer-Index und dgl. haben. Die letztgenannte Eigenschaft ist besonders wichtig für Flugzeug-Brennstoffe, weil das Mitführen von Wasser im Brennstoff zum Ausfall des Triebwerkes führen kann. Die Brennstoffe dürfen überdies Stahl, Kupfer und Silber, die Metalle, mit denen der Brennstoff im Betrieb hauptsächlich in Berührung tritt, nicht angreifen. Dieses Erfordernis wird normalerweise von einem Brennstoff erfüllt, der im wesentlichen frei ist von Metall-

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verbindung en,¹ Schwef el-, Phosphor-- und Halogenverbindungen, also Verunreinigungen, die in Brennstoffen als korrosiv oder korrosive Verbrennungsprodukte bildend gelten.

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Brennstoff zu schaffen, der die.mit dem Betrieb von Gasturbinen, Dieselmotoren und dgl. verbundenen Verschleißprobleme löst oder wenigstens erheblich vermindert.

Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel erreicht von einem Brennstoff für Gasturbinen, Dieselmotoren und dgl., der aus e'inem Gemisch von Kohlenwasserstoffen im Siedebereieh von etwa 32 - 33O, insbesondere 163 - 33O⁰C besteht und gekennzeichnet ist durch einen Gehalt von 0,01 - 0,1, vorzugsweise 0,015 - 0,05 Gew.-$ Tallöl-lettsäure.

Es war bereits bekannt, Tallöl als einen Rostinhibitor in ■ flüssigen Mineralölprodukten, wie Benzin, Naphthas und -Hei ζ- ' Ölen zu verwenden. So lehrt die USiU-Patentschrift 2 686 715 die Verwendung von Tallöl in Erdölschnitten in einer Konzentration -von: 0,00003 bis etwa 0,008 Gew.-%. Diese Patentschrift zeigt jedoch auch, daß die Gefahr der Bildung harziger Rückstände ("gum") die Konzentration von Tallöl in Brennstoffen bisher-"wesentlich eingeschränkt hat.

Gemäß der Erfindung soll demgegenüber eine Gasturbine, deren Breniistpffsynten eine leistungsfähige Brennstoffpumpe enthält, oder ein Dieselmotor mit einem leichten Kohlenwasserstpff-Destillat betrieben werden, das einen verschleifimindernden'Anteil von Tallöl-Fettsäure entLält. Der neue Brennstoff soll insbesondere aus einem flüssigen Kohlenwasserstoff im Kerosin- und/oder Gasolin-Siedebereich mit 0,01 - 0,1 Gew.-% Ta 1 lö 1-1''ettsäure bestehen. ■

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Der erfindungsgemäß zusammengesetzte Brennstoff ist außergewöhnlich wirksam für die Beseitigung oder wesentlichen Verminderung der Verschleißprobleme, die mit dem Betrieb von Gasturbinen- oder Dieselmotortriebwerken bisher verbunden waren. Wie überraschenderweise gefunden werden konnte, verleiht Tallöl-Fettsäure bei einer bestimmten kritischen Konzentration dem Brennstoff ausgezeichnetes Verhalten hinsichtlich Verschleißminderung und Wasserabscheidung.

Die Brennstoffbasis des Erfindungsgegenstandes besteht aus einem Kohlenwasserstoff oder einem Gemisch von.Kohlenwasserstoffen im Kerosin- und/oder Gasolin-Siedebereich, also etwa bei 32 - 33O⁰G. Zu den typischen Brennstoffen für Turbinentriebwerke zählen: "JP-3", eine Mischung von etwa 70 % Benzin (Gasolin) und 30 % leichtem Destillat mit einem 90%-Verdampfungspunkt von 243 G; "JP-4-", ein Gemisch von etwa 65% Gasolin und 35% leichtem Destillat sowie "JP-5", ein besonders fraktioniertes Kerosin, das einen hohen Flammpunkt und einen niedrigen Erstarrungspunkt besitzt. Der leichte Destillatschnitt, der als Dieselkraftstoff verwendet wird, besteht im wesentlichen aus einer Kerosinfraktion, die im Bereich von etwa 163 - 33O⁰C, vorzugsweise etwa 177 - 288⁰C, siedet. Alle diese Brennstoffbasen besitzen keine wesentliche Schmierfähigkeit. Bleiverbindungen, wie Tetraäthylblei, werden in Brennstoffen für Gasturbinen oder Dieselmotoren nicht verwendet.

Tallöl-Fettsäure wird aus Tallöl gewonnen. Mt Tallöl bezeichnet man das Gemisch von gesättigten und ungesättigten Fett- und Harzsäuren, das bei der Zellstoffherstellung nach dem Sulfatverfahren anfällt. Bei diesem Verfahren bildet sich eine Seife und verunreinigt die Zellstoffwässer. Diese Seife wird durch Ansäuern dieser Zellstoffwässer und Abschöpfen des wasserunlöslichen organischen Materials gewonnen.

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BAD ORIGINAL

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Das Tallöl kann weiter aufgetrennt werden in Tallöl-Vorlaufe ('Eteads") und Tallöl-Fettsäure..-Für die Zwecke der Erfindung ist allein■-die Tallöl-Fettsäure brauchbar. Tallöl selbst ist ungeeignet, da es den Wasser-Separometer-Index des damit versetzten Brennstoffes verschlechtert. Die .Tallöl-Vorlauf e sind ebenfalls ungeeignet, da sie unterhalb Raumtemperatur in Ua^obha und leichten Brerinstoffdestillaten nur begrenzt löslich sind.

Tallöl-Fettsäure ist eine Flüssigkeit,die in Naphtha- und Kerosin-Brennstoffen wie auch in n-Pentan und Isooctan gut löslich ist und sich aus diesen Brennstoffen sogar bis zu -62⁰C nicht abscheidet. Sie beeinträchtigt nicht den Luminometer-Vert des Grund-Brennstoffes. Tallöl-Fettsäure enthaltende Brennstoffe bilden mit hartem Wasser oder Seewasser keine Seifen, und die Menge Tallöl-Fettsäure, die aus einem damit versetzten Brennstoff extrahiert wird, ist vernachlässigbar-gering.

Der erfindungsgemäße Brennst off b est eht zum größt en Teil aus dem Grund-Brennstoff und einem verschleißmindernden Anteil von Tallöl-Fettsäure, der im Bereich von mindestens etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% liegt. Die bevorzugte Konzentration der Tallöl-Fettsäure beträgt etwa 0,015 - 0,05 Gew.-%, was etwa 18 - 59 kp Additiv pro 159 ^m Brennstoff entspricht. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffs kann durch einfaches Vermischen des Tallölfettsäure-Additivs mit dem Grund-Brennstoff erfolgen.

Ferner kann man dem Brennstoff wahlweise kleinere Anteile anderer Additive zusetzen. So ist es häufig zweckmäßig, sterisch gehinderte Phenole zur Verbesserung der Oxydationsbeständigkeit des Brennstoffs zuzusetzen; z.B. 2,6-Di-tert.butyl'-4~ methylphenoi;2,6-tert.butylphenol; 4,4-Methylen-bis-(2,6-di-₁ tert. butylpheno 1) ; 2,6-Di-t ert. butyl'-^-di-methylaminomethylphenol} 2,4-,6-Tri-tert.butylphenol oder 2,4-Di-methyl-6-tert. buty!phenol und dgl. ■

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Wird ein Phenol zugesetzt, so entspricht seine Konzentration im allgemeinen etwa 0,454 - 13,6 kp pro 0,159 m^ Brennstoff.

In dem nachfolgenden Verschleißtest wurde als Grundbrennstoff ein mit BO^ 'extrahierter paraffinischer Kohlenwasserstoff mit folgenden Eigenschaften verwendet:

Tabelle I
P ' Grund-Brennstoff A

Dichte, ° API 56,7

Destillations-Temperatur, ⁰G

Siedebeginn 23,9

Siedeende 260

Schwefelgehalt, % •Erstarrungspunkt, ⁰C

Heizwert, Kcal/Kp

(BTU/lbs.

Luminometer-Zahl
" Aromatengehalt, %

Die verschleißmindernden Eigenschaften des Grund-Brennstoffes und der erfindungsgemäßen Brennstoffmischung wurden im Vierkugel-Test nach ASTM D 2266-64 T mit den folgenden Abwandlungen bestimmt. Der Test wurde unter einer Belastung von 10 Kp bei 1200 U/min über 30 Min. bei Raumtemperatur durchgeführt. Es wurde der Abrieb einer Stahlkugel gemessen, die zwischen drei Cadmiumplatten gelagert war. Cadmium und Stahl sind die Metalle, die in der Bohrung der Brennstoffpumpe von Turbinentriebwerken zusammentreffen, und die Abwandlung der Testbedingungen sollte die tatsächlichenVerschleißbedingungen simulieren. .

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Tabelle II Vierkugel-Tests mit Stahl gegen Cadmium

10 Kp, 1200 U/min, 50 Min., R.T.Versuch - Abrieb- Beibungs-Nr. '. ■ Durchmesser, mm Koeffizient

1) Grund-Brennstoff A 2,66 0,25

2) Grund-Brennstoff A + Tallöl-lettsäure

im Verh. 159 m^s6,8 Ep — 0,28

3) Grund-Brennstoff A + Tallöl-Pettsäure

im Verh. 159 m3;13,6 Kp 1,423 0,014

4) Grund-Brennstoff A + Tallöl-Fettsäure

im Verh. 159 m5_:2?,2 Kp 1,322 0,052

5) Grund-Brennstoff A + Tallöl-Fettsäure

im Verh. 159 m^:45,4 Kp 1,4 0,028

Weitere Brennstoffe wurden .hinsichtlich ihrea? verschleiBmindernden Eigenschaften im Standard-Verschleißtest geprüft. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben*

Tabelle III

Eigenschaften der Grund-Brennstoffe

Grund-Brennstoff Grund-Brennstoff

43,6 36,6

D es* illations temp. , C

ßiedebegirxn . - 166 195,4

Siedeende \ \ ' / 262,4 \ 321 /

i;, ⁰G ■-■ ; - 45,6 ■■■·■

(BTU/lbß. - ■■■; 18 ^00)

'i *■■:■>'% Wb₁S-:.- 009848/1622

BAD ÖFliÄÄt. ^;

Der Verschleiß in diesen Brennstoffen wurde unter Verwendung von Stahlkugeln mittels Standard-Vierkugeltest gemäß ASTM D 2266-64- T bestimmt:

Tabelle IV 4-Kugel-Abriebtest

Versuch

5 Kp, 600 U/min., Raumtemperatur, 1 Std. Abrieb-Durchmesser, mm

6) Grund-Brennstoff B

7) "B" + Tallöl-Fettsäure

im Verhältnis 159 m*: 13,6 Kp

8) "B" + Tallöl-Fettsäure

im Verhältnis 159 nKi 27,2 Kp

9) "B" + Tallöl-Fettsäure

im Verhältnis 159 m^: 40,8 Kp

10) Grund-Brennstoff C

11) "G" + Tallöl-Fettsäure

im Verhältnis 159 m^: 40,8 Kp

0,59 0,30

0,27

0,26 0,41

0,32

Der Wasser-Separometer-Index des erfindungsgemäßen Brennstoffes wurde, nach der USA-Federal Test Method 791a - 3256 "Determination of Vater Separation Properties of Aviation Turbine Fuels" gemessen. Bei dieser Prüfmethode werden 2000ml Brennstoff mit 2 ml Wasser mit Hilfe einer kleinen Zahnradpumpe, die 400 ml/min fördert, in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt. Das Mikroamperemeter in dem Gerät wird vor dem Zusatz des Wassers so eingestellt, daß der Wasser-Separometer-Wert des wasserfreien Brennstoffs 100 beträgt. Brennstoff und Wasser werden 5 Minuten lang umgepumpt, um vollständige Vermischung zu gewährleisten. Einen Teil des Gemisches läßt man dann mit einer Geschwindigkeit von 150 ml/min, durch ein Glassystem laufen. Dieser Zweigstrom geht durch

00 9.8 48/1622 BADORKSlNAt.

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einen Glasfaserfilter-Abscheider und dann durch, ein Glasrohr, das mit einer Lichtquelle und einer fotoelektrischen Zelle , versehen ist, um die Lichtdurchlässigkeit zu messen, auf der der Wasser-Separometer-Index beruht. Der Indexwert des umlaufenden Brennstoff/Wasser-Gemischs wird mit dem fotoelektrischen Meßgerät bestimmt, nachdem die Mischung das Gfesfliter passiert hat. Je-höher der Wasser-Separometer-Index, umso besser ist der Brennstoff hinsichtlich der Wasserabscheidungseigenschaften. Ein Brennstoff muß einen Mindestwert Von 85 haben, wenn er die MIL-J-5624F-Spezifikation für solche Düsen- treibstoffe erfüllen soll. Der Grund-Brennstoff A vonTabelle I wurde mit dem Additiv in den in Tabelle Y angegebenen Mengen, die sich auf jeweils 159 m (1000 Barrels) Brennstoff beziehen, vermischt, und es wurden folgende Separometerwerte erhalten':

Tabelle V

Wasser-Separometer-Index-Tests

Grund-Brennstoff A Wasser-Separometer-

+ Additiv '. Index-"(a)

1) Brennstoff A 98

2) Brennstoff A

+ 40,8 Kp .-Tallöl--• Eettsäure .-.'.. 98

5) Brennstoff A

+ 40,8 Kp Tallöl 74 (a)

(a) = Mittelwert aus 2 Versuchen

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- ίο -

Der erfindungsgemäße Brennstoff "besitzt außerordentlich gute Verschleißminderungs- und Wasserabscheidungs-Eigenschaften sowie gute thermische Stabilität und andere Eigenschaften, die für den Betrieb von Turbinen- oder Dieseltriebwerken wichtig sind. Die Überwindung des Verschleißproblems bei Brennstoffpumpen von Turbinentriebwerken ohne Verwendung metallhaltiger Additiv-Komponenten, Schwefel- oder Halogenverbindungen, die die Korrosion von Turbinentriebwerken begünstigen, ist eine recht beträchtliche Verbesserung. Ferner stellt die Schaffung eines verschleißmindernden leichten Dieselkraftstoffes im Hinblick auf die Verringerung der Luftverschmutzung eine wertvolle Weiterentwicklung dar. Schließlich kann man von den verschleißmindernden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brennstoffs auch dort vorteilhaft Gebrauch machen, wo insbesondere leichte Heizöle durch verschleißanfällige Pumpen gefördert werden, z.B. in Industrie- oder Haushalt-Kesselanlagen und Feuerungen.

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Claims (2)

1. - li -

   Pet ent ansprüche

   Brennstoff für Gasturbinen, Dieselmotoren und dgl., bestehend aus einem Gemisch von Kohlenwasserstoffen im fiiedebereich von etwa 32 - 330, insbesondere 163 - 33O⁰G, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,ΟΙΟ, 1 Gew.-% Tallöl-Fettsäure.
2. 2) Brennstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,015 - 0,05 Gew.-% Tallöl-Fettsäure.

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